[发明专利]斯特林循环热机换能器

说明书

本发明涉及斯特林(Stirling)循环发动机和低温冷却器，尤其涉及一种斯特林热机换能器(transdneers)，它被用来冷却集成电子电路到低温温度，并作为驱动微型机械的发动机。

因为在低温下各种材料呈现出优越的电子性能，已研制出多种机器，用来冷却电子设备，使得其能够在低温下运行，许多这样的制冷系统采用了斯特林循环低温冷却器。不过，这种现有的机器相当大，苯重、效率低且发出振动噪声。随着技术的发展，使得电子电路显著地微型化，因而使得大量的电子电路能被包含在相当小的容积内，而用来冷却这些电路的设备却相当大，因而增加了低温电子电路的体积和重量。因此，需要一种有效的斯特林循环低温冷却器，它可以被微型化，从而使得其尺寸和重量协调且基本上不增加电子电路的尺寸和重量，然而却能够以高速抽走热量以便维持低温温度。

抽取热能的冷却器的大小和效率的量度是其比容量。比容量是机器可以抽取的热能量对其体积或重量之比。这样，一种低温冷却器不仅能够从电子设备中抽吸足够的热量以使其保持低温，而且应该是有最小的体积和重量。因而，比容量越高，冷却器就越理想。

现有技术认为，借助于把冷却器在高频下运行，可以增加斯特林循环冷却器的比容量，而使其可以改进。如果冷却器作用较小，而可保持足够高的热能抽取速度，除非其运行频率的增加使得在每秒内有更多的热能抽取循环。

不过，现有技术也认为，熵发生过程(即不可逆性)对斯特林循环机的运动频率施加了一个上限、随着运行频率的增加，电工作流体与斯特林冷却器的内通路壁的摩擦产生的粘性损失也增加，结果，需要更多的功来移动气体前后通过高频的斯特林循环机的通路。此外，在回热器(regenerator)中的工作流体的现在热导率的增加，引起大量的热被传入机器的冷端，因而在热交换器中的热传递被减小了。后者作用的发生是由于在轴向质量流量与在脉动流中发生的径向温度梯度之间的某种相位关系。结果，随着冷却器与其周围环境热交换效率的降低，必须被冷却器抽取的热量增加了。因而，增加频率会减少散走的热量。因此，现有技术对斯特林循环机有一50赫数量级的上限频率，并认为制造的运转在120赫的机器是曾经制造过的最高频率的斯特林机了。

因此，需要一种斯特林低温冷却器，它可以以足够高的速率消散热量，以使电子设备保持低温，而且它不具有足够小的体积和重量，使得其比容量是可接收的并与利用这些电子电路的设备相匹配。

近年来，微型机械技术已有所发展。虽然这种机器利用这些机构装置，例如运动转换链，机械推进机构，动力链，阀，膜，悬臂束等，其构形和运转方式和常规的相同，但它们具有数量级为几毫米或者更小的尺寸。

虽然斯特林发动机早已被用作机械原动机，仍然需要一种微型斯特林循环发动机，用来发展微型机械技术。

现有技术披露了斯特林循环热机换能器，具有一压力容纳器，包括流体通路并具有可压缩和可膨胀的工作流体。现有技术也披露了使用与运送工作流体以及斯特林循环固有的体积改变有关的挠性膜。这种膜与连接在膜上的控制电路设备或装置相结合，用来控制其偏移的方式、幅值、相位和频率。

因此，本发明的目的在于提供一种斯特林循环热机的换能器，其散热快，体积小，重量轻。本发明还提供了构成上述换能器的方法。

为实现上述目的，本发明的一种改进的斯特林循环热机换能器，具有：

(A)一个压力保持容器，确定了一个封闭的工作区，其包括流体通路并含有可压缩和可膨胀的流体，该压力容器包括：

(a)一个热接收、流体膨胀端，具有：

(I)膨胀区；

(II)远离膨胀区的返回区；

(III)扰性的膨胀膜，其形成膨胀区和返回区之间的壁；以及

(IV)热接收、接收、热交换器，其最接近地连接着膨胀区；以及

(b)一个热驱出、流体压缩端，其具有：

(I)压缩区；

(II)远离压缩区的返回区；

(III)扰性的压缩膜，其形成压缩区和返回区之间的壁；以及

(IV)热驱出、热交换器，其最接受地连接着压缩区；以及

(c)安置在所述端部之间的回热器，其包括多孔的基体，用来使膨胀区和压缩区的流体流通；以及