[发明专利]斯特林循环机

说明书

本发明涉及斯特林循环机，例如，斯特林循环发动机(Stirling cycle engine，也称斯特林发动机)以及斯特林循环制冷机(Stirling cycle cooler，也称为斯特林制冷机)。

斯特林发动机具有用于由不同的热源有效地发电的潜力，该热源包括太阳、生物质以及放射性核素。在二十多年中，斯特林发动机有了长足发展，但得到的配置仍然不能获得显著的物尽其用。

大型的斯特林发动机倾向于使用“运动学”配置，该配置具有油润滑的曲柄机构。这些被证明是高效的，但在运行上相对昂贵，特别是由于其通常需要频繁的维护，典型地以约8000小时的间隔进行维护。

无需油润滑的发动机已经被开发，其已经被证明具有长的无需维护的寿命，例如，Sunpower和Infinia制造的发动机。这样的配置使用直线技术(linear technologies)，该技术避免了曲柄机构等的使用。这种发动机能够具有高效率，但目前为止其功率限制在约1kW。这对于许多潜在的应用是过于小的，潜在的应用例如有使用太阳和生物质热源的可再生能源。存在多重因素抑制了放大尺寸。例如，这些直线发动机不具有任何用于控制功率发生的手段；所使用的β几何结构需要变得更加难以共振的移气器(displacer)部件；以及所使用的环形加热件的几何结构不能很好地放大尺寸。

虽然斯特林循环机有许多不同配置，但其均基本地包括填充气体的组件，如附图1所示例性地示出的，该填充气体的组件具有两个可变容积Vc、Ve，该两个可变容积Vc、Ve被多个热交换器所连接，即冷却器2、回热器(regenerator)4以及加热器6。

由活塞Pc、Pe和气缸5组件产生的可变容积Vc、Ve在不同的温度下操作，其间具有相位，该相位典型地在60至120度之间。具有滞后的相位的容积被称为压缩容积Vc且在该容积中活塞Pc对气体做功完成。另一个容积被称为膨胀容积Ve，且在这种情况下气体对活塞Pe做功。机器的净功为膨胀容积Ve的功输出与压缩容积Vc的功输出之差。为使功输出为正，即为使该机器作为发动机运行，膨胀容积温度Te必须高于压缩容积温度Tc。为有效运行，比Te/Tc被做到尽可能高。对于实际的斯特林发动机，Te和Tc典型地分别为1000K和300K。

斯特林发动机的配置的关键方面在于用于将功率由膨胀容积Ve传递至压缩容积Vc以便维持发动机运转的方式。

在“α”类发动机中，压缩和膨胀容积Vc、Ve相当分离，且其一般地通过如图1中的通常的曲柄机构8机械地连接。本类发动机的示例为United Stirling V160发动机。

在“β”和“γ”类发动机中(γ发动机的一般设置在图2中被示出)，移气器10被用于引起膨胀功We直接地作用在压缩容积Vc中的气体上。“功率”活塞12现在具有作用于其上的组合的压缩功(Wc)和膨胀功(We)，Wc+We。该方案通常使用在单活塞和气缸以及移气器的情况下，其比两活塞布置能够更加容易地被实现。

β发动机在操作上类似于γ发动机，但被布置为这样使得活塞和移气器共享同一气缸，且热交换器围绕气缸形成环形。其具有更紧凑的布置的优势。

还存在多气缸发动机配置，其使用双作用活塞以传递功率。在Rinia多气缸配置中，有效地具有以环形集成在一起的四个发动机，这样使得相邻的发动机为90度异相。该布置允许每个活塞作为一个发动机的膨胀活塞以及作为相邻发动机的压缩活塞起作用。因此每个发动机的压缩功率由相邻发动机的膨胀功率直接地供应。

所有的四种配置在多种运动学发动机中被应用。对于高功率、高效率发动机，α单缸和Rinia多气缸配置为优选的配置。

虽然最近开发出了多气缸配置，但几乎全部的直线配置均使用β配置。单缸α配置并没有一般地被使用在直线机器中，这是由于缺乏适合的功率传递机构。这种情况的一个例外是公开在US5,146,750(Moscrip)中的配置。其描述了特定电的功率传递机构。

本发明的一个目标在于提供用于直线斯特林循环机的配置，该配置几何上地很好地适合于大尺寸，且其能够容易地包含功率控制机构。