[发明专利]热力机器及其作为发动机或热泵操作的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种热力机器。

背景技术

利用斯特林循环的能量转换器(通常称作“斯特林发动机”)是已知的并且具有各种构造。典型的所谓“阿尔法”型斯特林发动机具有在相应汽缸内往复运动的两个活塞。汽缸由管子连接，该管子容纳被称为蓄热器的专用换热器。活塞都连接到飞轮和曲轴。恒定质量的工作流体，通常为气体，被密封地包含在汽缸和管子内。也被称为热汽缸或膨胀汽缸的一个汽缸与加热器连接，以加热该汽缸中的流体，并且也被称为冷汽缸或压缩汽缸的另一个汽缸与冷却器连接，以将热量从该汽缸移走。工作流体在膨胀汽缸和压缩汽缸之间来回循环，并且在一个循环中穿过蓄热器两次，同时蓄热器交替地从工作流体吸收热并且将热释放到工作流体。膨胀汽缸的热量添加和在压缩汽缸中的热量抽出引起室中的工作流体的一系列压缩和膨胀，从而使室中的活塞往复运动并且驱动曲轴，这可提供旋转功率形式的功输出。蓄热器在加热的流体从膨胀汽缸传到压缩汽缸时保持在膨胀汽缸中接收的热的一部分，并且当在压缩汽缸中冷却的流体在相反方向上流动时分发储存的热。蓄热器重复利用原本将在冷汽缸中失去的热，并且因此与其它热空气发动机相比提高了斯特林发动机的热效率。斯特林循环的这一部分被称为“蓄热”。其它类型的斯特林发动机包括所谓的“贝塔”类型和“伽马”类型，其在结构上与“阿尔法”类型不同，但根据相同的原理操作。常规的斯特林发动机的运行的详细讨论在牛津大学出版社1980年Graham Walker的书“斯特林发动机(Stirling Engines)”中阐述，其公开内容通过引用并入本文。

当今斯特林发动机的有吸引力的方面是，其实际上可以由任何热源驱动，包括可再生式能源诸如太阳能和由风产生的热能。同时，斯特林发动机具有数个另外的有益特征，包括其几乎不产生大气排放，以及以最小噪音工作。

尽管其明显的优点，斯特林发动机的效率被冷却器、蓄热器和加热器的串联布置损害。理想的斯特林循环假定循环的膨胀阶段和压缩阶段等温地发生。实际上，这是不太可能是这种情况，因为提供符合活塞冲程速度的恒定的外部热流入或流出，以便在膨胀或压缩期间维持相同温度实际上几乎是不可能的。因此，通常假定膨胀阶段和压缩阶段绝热地发生，即工作流体在压缩时被加热并且在膨胀时被冷却。在这种假设下发生的循环被称为理想的伪斯特林循环。在理想的伪斯特林循环中，在流体通过压缩加热之后，其在压缩汽缸中由冷却器冷却，并且然后在蓄热器中被再次加热。类似地，在动力冲程期间，在工作流体在膨胀汽缸中在膨胀期间已冷却之后，工作流体由加热器重新加热，并且在蓄热器中再次冷却。这是适得其反的。缓和该缺点的一种尝试在T.Finkelstein等人的美国专利第2,724,248中公开，该专利描述了结合有单向“简单瓣”阀的斯特林循环机器。

缓和该缺点的另外的尝试在I.Urieli的题为“A Computer Simulation of Stirling Cycle Machines(斯特林循环机器的计算机模拟)”的论文中进行了描述，该论文在1977年2月在约翰内斯堡向约翰内斯堡的金山大学的工学院提交。该论文公布描述了单向被动阀(并且具体地公开了“简单瓣阀”)，该单向被动阀分别将压缩汽缸和膨胀汽缸中的每一个与蓄热器直接连接，以避免在从压缩汽缸和膨胀汽缸到蓄热器的各自的路程中不必要地冷却压缩的流体以及加热膨胀的流体。然而，在这种结构中，当旁通阀打开时，流体可以同时穿过旁通阀和相应的加热器或冷却器，因此仍然导致能量的浪费。

本发明人已经意识到需要进一步提高上述旁通结构的效率。

已经作出另外的尝试来设计斯特林循环发动机的替代机器，诸如在Conde的美国专利公布号2010/0186405中公开的替代机器(转让给Regen动力系统有限公司LLS)，并且该专利公开了闭合式循环热力发动机，但其不同于斯特林循环机器，因为该闭合式循环热力发动机具有与用于冷却空气的工作流体流动路径隔开的用于加热空气的工作流体流动路径，这两个工作流体流动路径在双路径或逆流换热器具体形式的蓄热器中保持隔开。此外，Conde的美国专利公布第2010/0186405号公开了不平衡系统，其中膨胀室的数量比压缩室的多，这导致了与压缩室相比的膨胀室的更大工作体积。

另外，美国专利第5,720,172号公开了用于斯特林循环类型发动机的流量控制器，该流量控制器具有一对板弹簧型阀板，其在实践中充当简单的单向阀，并且因此提供流动路径控制器和插在所述流动路径中的旋塞或节流阀，该旋塞或节流阀用于沿流动路径控制流动速率，但只是在流体能够在板弹簧型阀板允许的方向上沿流动路径流动的时候。