[发明专利]热能储存装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张于2008年7月10日提出申请的美国临时专利申请第61/079,787号的权益，该申请在此整体并入本文供参考。

关于联邦政府发起的研究或开发的声明

这里描述的发明是在与海军部合同第N00014-07-M-0409号联合发起研究与开发下做出，并且可以由美国政府或供美国政府用于政府目的进行制造和使用而不需要支付任何专利使用费。

技术领域

本发明总体涉及热能储存装置。

背景技术

首先说明授予名为罗伯特斯特林的苏格兰牧师的1816专利中的斯特林发动机。斯特林循环的很多变型在接下来的整个世纪期间得到实现并应用于诸如从矿山抽吸水和给船提供动力的应用。斯特林发动机甚至用作早期的Searscatalogs中可获得的以煤油作为燃料供给的冷却风扇。所有这些应用随后由于电动机和内燃机(“IC”)的出现而被取代。

在菲力普在二十世纪四十年代开始将现代的材料和热力学分析应用到斯特林循环之前，所有斯特林机器都是利用大气压力下的空气进行操作。使用处于显著增加的填充压力下的氦或氢工作流体能够较大地提高效率和比功率。菲力普、其专利受让人以及其它人研发的对斯特林发动机和冷却器做出的许多改进是为了用于大范围的应用中，但是除了几个低温冷却器应用之外，没有有效的商业化。主要原因是由于所有运动学的斯特林机器中的滑动密封而造成对固有寿命和可靠性的限制(其中活塞和移位器(displacer)的运动受到传统的曲柄轴和相关机构的限制)以及高成本，高成本是由于没有利用全面的制造和组装设计(“DFMA”)实现发动机从样机到发动机的大批量生产。

典型的斯特林发动机包括加温热交换器和冷却热交换器。热量在高温T_h供应给加温热交换器并在低温T_c从冷却热交换器排放到环境中。位于加温热交换器与冷却热交换器之间的回热热交换器(regenerator heat exchanger)储存热能和将热能输送至循环的不同部分。在双活塞阿尔法配置中，两个活塞运动之间的相位差用于通过在膨胀相位(或阶段)(两个活塞之间的容积增加)期间在热区域中具有大部分气体并且在压缩相位(或阶段)(两个活塞之间的容积减小)期间在冷区域中具有大部分气体来从循环提取净功。由于从使热气体膨胀输出的循环功大于通过压缩冷气体而输入的负循环功，因此净正循环功被施加到活塞。与活塞运动相关联的惯性使发动机通过压缩工作阶段。由于作用在自由活塞上的共振动力无法获得能够使正功输出的相位关系，因此单动式阿尔法发动机仅可以作为运动学机器。

贝它斯特林发动机配置和伽玛斯特林发动机配置都采用单个动力活塞，但是增加移位活塞(displacer piston)以使工作气体在热端与冷端之间往复运动。移位运动不会改变总循环容积(除了在由移位驱动杆的物理直径产生的二阶水平下的情况)，但是使气体往复运动通过热交换器使得大部分气体在热区与冷区之间交替，在循环工作气体内产生压力波。施加到动力活塞的该压力波产生净循环功，从而使活塞往复运动。贝它发动机配置和伽玛发动机配置可以作为运动学发动机或自由活塞式发动机。自由活塞式发动机利用容易装载的移位器(使气体仅往复运动通过热交换器)和费劲地装载的动力活塞(从发动机循环获得功)的不同共振动态，以便使系统共振协调，从而获得活塞运动与移位器运动之间的适当的冲程和相位关系。贝它发动机配置与伽玛发动机配置之间的不同在于贝它发动机配置、移位器和动力活塞被限制到相同的直径，因此它们可以在相同的气缸内往复运动。相反，伽玛发动机配置提供活塞和移位器在分开的气缸中更多的设计灵活性。这些发动机本身为单动式。

传统的动态斯特林发动机通过机械联动装置从斯特林循环提取动力。所述斯特林发动机的构造复杂且昂贵，并且需要加润滑油的曲轴箱、活塞及杆密封件以及轴承，从而限制性能和极限寿命。功率输出在运动学设计方面难以改变，所述运动学设计通常通过抽吸氦或氢工作流体在发动机与贮藏器之间往复运动以改变发动机中的平均工作压力的复杂系统来实现。相反，自由活塞式斯特林发动机(“FPSE”)，例如可从德克萨斯州的休斯顿的Infinia公司购得的发动机，包括独立安装的移位器和直接连接到线性交流发电机的动力活塞，所述移位器和动力活塞实际上都使用不需要润滑剂的无限寿命的挠曲轴承和间隙密封件。动力(或功率)可以在很宽的输出水平范围内改变，同时通过使用发动机调节电子设备以改变端电压并因此改变活塞行程来保持高效率。自由活塞式斯特林发动机可以被构造成具有简单的机械结构，从而输送高效率、低维护或无需维护的产品。