[發明專利]熱機及與熱機相關的改進

有效

• 申請號: 201180051712.0
• 申請日: 2011-10-03
• 公開（公告）號: CN103328799A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 格雷厄姆W·奧斯本
• 申請（專利權）人: 格雷厄姆W·奧斯本
• 主分類號: F02G1/043
• 分類號: F02G1/043;F02G1/045
• 代理公司: 北京京萬通知識產權代理有限公司 11440
• 代理人: 萬學堂;徐小琴

本發明涉及一種熱機，其可通過外部熱源和外部吸熱設備工作，同時，本發明還涉及一種使用這種熱機的方法。特別是，盡管不完全是，本發明涉及到斯特林(Stirling)發動機(如本文所述)，本發明各個方面還可以適用于其他往復運動置換式熱機。

下面，將主要參照循環工作熱機來介紹本發明，所述循環方式類似于斯特林循環，而且，這種發動機稱之為“斯特林(Stirling)發動機”，但應該指出的是本發明并不限于這類發動機。此外，當介紹斯特林發動機時，人們也都清楚，實際上，斯特林發動機并不是嚴格按照斯特林循環方式工作。

斯特林發動機是一種采用外部熱源的熱機。通常，斯特林發動機為外燃機形式，但是，也可使用其他熱源，諸如另一種工藝產生的廢熱，或同位素熱源、太陽能等。斯特林發動機的工作原理是工質循環壓縮和膨脹，這樣，從熱能到機械功就有一個凈轉換。在熱態置換機氣缸組合體中，從熱源(通常是燃燒過程)到工質的熱量傳輸是通過該組合體的壁，同樣，在冷態置換機氣缸組合體中，從工質到吸熱設備的熱量傳輸也是通過該組合體的壁。

通常，置換器都是傳統的圓形活塞形式，在氣缸構成的孔口內工作，盡管置換器也可呈其他形式，諸如隔板(diaphragm)形式。為了方便起見，在本發明說明書中，所參照的發動機都帶有置換器，其形式為在氣缸內滑動的活塞形式，但人們都明白，“活塞”一詞應該廣泛理解，所以，其包括了其他種類的置換器。發動機包括可使置換器往復運動的機構，而且，一般來講，該機構帶有旋轉輸出軸，通過該輸出軸，可從發動機提取機械能。

在斯特林發動機中，工質通常是一種氣體，該氣體可在較冷的活塞氣缸組合體壓縮，在較熱的活塞氣缸組合體中膨脹，所述壓縮和膨脹通過活塞在氣缸內的運動而發生?；钊B接到有關的曲軸上，以實現其所需的往復運動，盡管采用了非常傳統的曲軸，但這些曲軸都有缺陷。曲軸需要置于較大的容積內，以便進行一定的工質運動，結果，當曲軸箱受壓時，就會出現結構問題。另外，活塞與曲軸一起運動并不是理想方案，但采用可連接旋轉和往復部件的其他類型機構，諸如偏心機構，可提高性能，所述偏心機構能夠產生活塞的純正弦運動(true?sinusoidal?motion)。本發明具體實施例采用了這種機構。

眾所周知，使用回熱器在冷態和熱態活塞氣缸組合體之間進行工質傳輸可提供斯特林發動機的效能?；責崞魇且环N暫時的熱貯存裝置，布置在發動機內，位于活塞氣缸組合體的熱腔和冷腔之間的工質流路中?；責崞髟谡麄€系統內存放熱量，否則，在最大和最小循環溫度之間的溫度時，這些熱量會流失到環境中。這樣，熱效能就會接近這些最大和最小循環溫度所確定的限定值。

由于回熱器增加效能，對于與熱態和冷態活塞氣缸組合體相關的某一組熱交換器來講，發動機可以輸出較高的機械功率。相反，當斯特林發動機使用回熱器時，則存在損失，而且，這些損失是巨大的。回熱器增加了活塞氣缸組合體的未掃容積，所以存在流過回熱器的工質的泵唧損失。如果仔細設計，總的來說，回熱器也會增加系統的整體效能。

雖然斯特林發動機已經面世近200年了，但這種發動機的商業用途依舊非常有限，而且，常常被看作是新奇之事。與斯特林發動機相關的問題有：除非采用高增壓工質，否則缺乏功率密度；工質壓力越高而且當采用滑動密封時，特別是，如果曲軸箱(crank?space)非增壓時，密封問題會尤為突出；結構重量；曲軸箱(crank?space)如果增壓時其內容積變化；結構和曲軸箱(crankcase)流體的熱分流，即從熱態活塞氣缸組件到冷態活塞氣缸組件；缺少可控制性，特別是缺少對功率需求變化的快速反應；發動機不能在更為廣泛的轉速范圍內使用；以及缺少自動啟動能力和可逆性。此外，斯特林發動機需要向環境中排放的熱量要高于同類型內燃機，這就導致了資本投入高，重量重，以及工程復雜等。