斯特林循环机器的制作方法

专利名称：斯特林循环机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器并且更加具体地涉及一种斯特林循环机器及其部件。
背景技术：
很多机器例如内燃机、外燃机、压縮机和其它往复机器采用活塞 和驱动机构的布置以将往复活塞的线性运动转换成旋转运动。在大多 数应用中，活塞被容纳于汽缸中。利用这种机器遇到的一个通常的问 题在于由滑动活塞产生的摩擦，活塞在汽缸中的错位和由于将活塞联 结到旋转曲柄轴而在活塞上施加的横向作用力而导致这种摩擦。这些 增加的侧向负载增加了发动机噪音，增加了活塞磨损，并且降低了发 动机的效率和寿命。另外，因为侧向负载，驱动器要求更多的功率来
克服这些摩擦作用力，因此降低了机器效率。
已经对于驱动机构作出改进以试图减小这些侧向负载，然而，很 多改进导致机器更沉重并且更庞大。
据此，需要在活塞上具有最小侧向负载的实用的机器。

发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于机器的振荡杆驱动机构。 该驱动机构包括具有摇臂枢轴的振荡杆、至少一个汽缸和至少一个活 塞。活塞被容纳于各自的汽缸内。活塞能够在各自的汽缸内基本线性 地往复运动。并且，该驱动机构包括具有近端和远端的至少一个联接 组件。近端连接到活塞并且远端通过端部枢轴连接到振荡杆。活塞的 线性运动被转换成振荡杆的旋转运动。
本发明这个方面的一些实施例包括以下的一个或者多个其中振 荡杆通过连杆而被联接到曲柄轴。在该实施例中，振荡杆的旋转运动 被传递到曲柄轴。并且，其中汽缸可以进一步包括闭合端部和开放端 部。开放端部进一步包括被连接到汽缸的直线轴承。直线轴承包括用 于容纳联接组件的开口。并且，其中联接组件进一步包括活塞杆和联 杆。活塞杆和联杆通过联接装置联接到一起。联接装置位于直线轴承 之下。并且，其中该驱动机构还包括密封件，其中该密封件以可密封 方式连接到活塞杆。并且，其中该密封件是滚动膜片。并且，在一些 实施例中，联接装置是柔性接头。在一些实施例中，联接装置是滚柱 轴承。在一些实施例中，联接装置是铰链。在一些实施例中，联接装 置是挠性件。在一些实施例中，联接装置是轴颈轴承接头。
根据本发明的另一个方面，公开了一种斯特林循环机器。该机器 包括至少一个振荡驱动机构，其中该振荡驱动机构包括具有摇臂枢 轴的振荡杆、至少一个汽缸和至少一个活塞。活塞被容纳于各自的汽 缸内。活塞能够在各自的汽缸内基本上线性地往复运动。并且，该驱 动机构包括具有近端和远端的至少一个联接组件。近端连接到活塞并 且远端通过端部枢轴连接到振荡杆。活塞的线性运动被转换成振荡杆 的旋转运动。并且，该机器包括容纳振荡杆并且容纳联接组件的第一 部分的曲柄轴箱。该机器还包括通过连杆而联接到振荡杆的曲柄轴。 振荡杆的旋转运动被传递到曲柄轴。该机器还包括容纳该至少一个汽 缸、该至少一个活塞和联接组件的第二部分的工作空间。该机器包括用于相对于曲柄轴箱密封工作空间的密封件。
本发明的这个方面的一些实施例包括以下的一个或者多个其中 该密封件是滚动膜片。并且，该汽缸可以进一步包括闭合端部和开放 端部。开放端部进一步包括连接到汽缸的直线轴承。直线轴承包括用 于容纳联接组件的开口。并且，其中该联接组件进一步包括活塞杆和 联杆。活塞杆和联杆通过联接装置联接到一起。联接装置可以位于直 线轴承之下。并且，该机器还可以包括位于曲柄轴箱中的润滑流体泵。 在一些实施例中，润滑流体泵是被泵驱动组件驱动的机械润滑流体泵， 泵驱动组件连接到曲柄轴并且被曲柄轴驱动。在一些实施例中，润滑 流体泵是电动润滑流体泵。该机器还可以包括连接到曲柄轴的马达。 该机器还可以包括连接到曲柄轴的发电机。
根据本发明的另一个方面，公开了一种斯特林循环机器。该机器 包括至少两个振荡驱动机构。每一个振荡驱动机构均包括具有摇臂枢 轴的振荡杆、两个汽缸，和两个活塞。每一个活塞被容纳于各自的汽 缸内。活塞能够在各自的汽缸内基本线性地往复运动。并且，该驱动 机构包括具有近端和远端的两个联接组件，近端连接到活塞并且远端 通过端部枢轴连接到振荡杆。活塞的线性运动被转换成振荡杆的旋转 运动。该机器还包括容纳振荡杆并且容纳联接组件的第一部分的曲柄 轴箱。并且，曲柄轴通过连杆而被联接到振荡杆。振荡杆的旋转运动 被传递到曲柄轴。该机器还包括位于曲柄轴箱中的润滑流体泵，用于 泵送润滑流体以润滑曲柄轴和振荡杆以及联接组件的第一部分。并且， 工作空间容纳汽缸、活塞和联接组件的第二部分。该机器还包括用于 相对于曲柄轴箱密封工作空间的滚动膜片。
本发明的这个方面的一些实施例包括以下的一个或者多个其中 汽缸可以进一步包括闭合端部和开放端部。开放端部进一步包括连接 到汽缸的直线轴承。直线轴承包括用于容纳联接组件的开口。并且， 其中联接组件进一步包括活塞杆和联杆。活塞杆和联杆通过联接装置联接到一起。联接装置可以位于直线轴承之下。并且，其中联接装置 是柔性接头。在一些实施例中，还公开了其中该联接装置是滚柱轴承。
本发明的这些方面并非旨在是唯一性的，并且当与所附权利要求 和附图相结合阅读时，本发明的其它特征、方面和优点对于本领域普 通技术人员而言将是显而易见的。.
附图简要说明
通过与附图一起地阅读以下详细说明，将会更好地理解本发明的 这些和其它特征和优点，其中


图1A-1E描绘现有技术斯特林循环机器的操作原理；
图2示出根据一个实施例的振荡杆驱动器的视图3示出根据一个实施例的振荡杆驱动器的视图4示出根据一个实施例的发动机的视图5A-5D描绘根据一个实施例的振荡杆驱动器的各种视图6示出根据一个实施例的轴承型杆连接器；
图7A-7B示出根据一个实施例的挠性件；
图8示出根据一个实施例的四缸双振荡杆驱动器布置；
图9示出根据一个实施例的曲柄轴的截面；
图IOA示出根据一个实施例的发动机的视图IOB示出根据一个实施例的曲柄轴联接器；
图IOC示出根据一个实施例的空心转子的视图IOD示出根据一个实施例的曲柄轴的视图；.
图10E是根据一个实施例的空心转子和花键轴的截面；
图10F是根据一个实施例的曲柄轴和花键轴的截面；
图IOG是根据一个实施例的空心转子、曲柄轴和花键轴的各种视
图11示出根据一个实施例的发动机的活塞的操作；
图12A示出根据一个实施例的工作空间和汽缸的展开概略视图12B示出根据一个实施例的汽缸、加热器头和回热器的概略视
9图12C示出根据一个实施例的汽缸盖的视图13A示出根据一个实施例的滚动膜片连同支撑顶部密封活塞和底部密封活塞的视图13B示出根据一个实施例的振荡杆驱动发动机的分解视图13C示出根据一个实施例的汽缸、加热器头、回热器和滚动膜片的视图13D-13E示出根据一个实施例在操作期间滚动膜片的各种视
图13F示出根据一个实施例的工作空间和汽缸的展开概略视图13G示出根据一个实施例的外燃机的视图14A-I4E示出滚动膜片的各种实施例的视图15A示出根据一个实施例的金属波纹管和伴随活塞杆和活塞的
视图15B-15D示出根据一个实施例的金属波纹管膜片的视图15E-15G示出根据各种实施例的金属波纹管的视图15H示出识别各种负载区域的滚动膜片的概图；，
图151示出识别回旋区域的滚动膜片的概图16示出根据一个实施例的活塞和活塞密封件的视图17示出根据一个实施例的活塞杆和活塞杆密封件的视图18A示出根据一个实施例的活塞密封件垫环的视图18B示出根据一个实施例关于垫环的压力图表；
图18C和18D示出根据一个实施例的活塞密封件；
图18E和18F示出根据一个实施例的活塞杆密封件；
图19A示出根据一个实施例的活塞密封件垫环的视图19B示出根据一个实施例关于活塞密封件垫环的压力图表；
图20示出根据一个实施例的活塞杆密封件垫环的视图20示出根据一个实施例关于活塞杆密封件垫环的压力图表；
图21示出根据一个实施例的活塞引导环的视图22示出根据一个实施例的工作空间和汽缸的展开概略示意图；图23示出根据一个实施例的发动机的视图；图23B示出根据一个实施例的发动机的视图；图24示出根据一个实施例的曲柄轴的视图；图25A-25C示出根据各种实施例的泵驱动的各种配置；图26A示出根据一个实施例的油泵的各种视图；图26B示出根据一个实施例的发动机的视图；图26C示出在图26B中描绘的发动机的另一视图；图27A和27B示出根据一个实施例的发动机的视图；图27C示出根据一个实施例的联接接头的视图；图27D示出根据一个实施例的发动机的曲柄轴和花键轴的视图；.图28示出根据一个实施例用于发动机的加热器交换器和燃烧器的视图29示出根据一个实施例的管式热交换器的视图30示出根据一个实施例的管式热交换器的视图31示出根据一个实施例的管式热交换器的视图32示出根据一个实施例的热交换器的加热器管的视图33示出根据一个实施例的热交换器的加热器管的视图34示出根据一个实施例的管式热交换器的视图35示出根据一个实施例的管式热交换器的视图36示出根据一个实施例的发动机的加热器头的视图37示出根据一个实施例的管式热交换器的视图38示出根据一个实施例的管式热交换器的视图39示出根据一个实施例的管式热交换器的截面的一个部分；
图40示出根据一个实施例的管式热交换器的视图41示出根据一个实施例的管式热交换器的截面的一个部分；
图42示出根据一个实施例的发动机的加热器头的视图43A示出根据一个实施例的管式热交换器的视图43B示出根据一个实施例的管式热交换器的视图44A示出根据一个实施例的管式热交换器的视图44B示出根据一个实施例的管式热交换器的视图；图45A示出根据一个实施例的管式热交换器的视图；图45B示出根据一个实施例的管式热交换器的视图；图46A-46D示出根据各种实施例的管式热交换器的各种配置；图47示出根据一个实施例的管式热交换器的视图；图48示出根据一个实施例的管式热交换器的视图；图49示出根据一个实施例的发动机的加热器头的视图；图50示出根据一个实施例的管式热交徠器的视图；图51A和51B示出根据各种实施例的发动机的热交换器的视图；图52A-52C示出根据一个实施例的热交换器的各种视图；图52D示出根据一个实施例的热交换器的视图；图53A和53B示出根据一个实施例的热交换器的视图；.图53C示出根据一个实施例的发动机的热交换器的视图；图53D-53F示出根据一个实施例的发动机的热交换器的视图；图54A和54B示出根据一个实施例的发动机的热交换器的视图；图55A-55D示出根据一个实施例的热交换器的各种视图；图56A-56C示出根据各种实施例的热交换器的各种配置；图57A和57B示出描绘根据一个实施例的热交换器的物理性质的各种图表；
图58示出根据一个实施例的加热器头的视图59示出根据一个实施例的加热器头的视图60A和60B示出根据一个实施例的加热器头的视图61A和61B示出根据一个实施例的加热器头的视图62A和62B示出根据一个实施例的加热器头的视图62C示出根据一个实施例的加热器头的视图62D示出根据一个实施例的加热器头的视图62E示出根据一个实施例的加热器头的视图63A和63B示出根据一个实施例的斯特林循环发动机的回热
器；
图64A-64E示出根据各种实施例的斯特林循环发动机的回热器的各种配置；图65A-65G示出根据几个实施例的发动机的各种视图66A和66B示出根据一些实施例用于发动机的冷却器的视图67A示出根据一个实施例用于发动机的冷却器的视图67B示出根据一个实施例用于发动机的冷却器的视图67C示出用于在图67A中描绘的发动机的冷却器的实施例的视
图68示出根据一个实施例用于发动机的进气歧管的视图69A和69B示出根据一个实施例用于发动机的进气歧管的各种
视图70示出根据本发明又一个实施例的发动机的加热器头的视图； 图71A和71B示出根据一个实施例的发动机的燃烧器的视图； 图72是根据一个实施例被联接到斯特林循环发动机的气态燃料
燃烧器，其中喷射器是文氏管；
图73A是示出空气和燃料流动路径的、图72的燃烧器；
图73B是沿着燃烧器的压力的图解表示；
图74示出如在图72的燃烧器中所示的文氏管的视图75和75A是图72中的文氏管的实施例；
图75B示出带有多个燃料节流口和阀门的多燃料系统的概图76示出带有用于可变燃料性质的自动化燃料控制器的燃烧器
的实施例的概图77示出带有温度传感器和发动机速度控制环的燃烧器的另一
实施例的概图78示出带有温度传感器和氧传感器控制环的燃烧器的又一个 实施例的概图79示出其中燃料被直接地进给到喷射器中的喷射器的可替代 实施例v
图80是示出根据一个实施例用于控制发动机的加压燃烧腔室的 系统的框图81示出根据一个实施例的活塞泵；
图82示出适用于驱动图81的活塞泵的交流电波形；图83示出根据一个实施例适用于驱动图81的活塞泵的脉冲宽度 调制直流电波形；
图84是根据一个实施例的膜片泵的概略图表；
图85是根据一个实施例用于膜片泵的中心抽头线圈的概略图表；
图86A和86B示出根据一些实施例适用于驱动图85的中心抽头 线圈的脉冲宽度调制直流电波形；
图87A-87D示出在燃料泵和燃烧腔室之间包括过滤器的实施例；
图88示出根据一个实施例的发动机的视图89A-89C示出根据各种实施例用于发动机的燃烧器的视图90示出根据本发明又一个实施例带有多个燃烧器的发动机的
视图91A和91B示出根据各种实施例用于发动机的多个燃烧器的视
图91C示出根据一个实施例的管式加热器头的视图；并且 图91D示出在图91C中描绘的管式加热器头的截面。
具体实施方式
.
包括发动机和制冷机的斯特林循环机器在技术上已有很长的历 史，这在通过引用而在此并入的牛津大学出版社(1980)出版的Walker 所著斯特林发动机(StirlingEngines)中有详细描述。斯特林循环发动 机的基本原理是斯特林热力学循环的机械实现在汽缸内的气体的等 容加热、气体的等温膨胀(在这期间通过驱动活塞执行工作)、等容 冷却和等温压缩。在通过引用而在这里并入的Hargreaves所著的菲利 普斯特林发动机(Phillips Stirling Engine) (Elsevier, Amsterdam, 1991) 中讨论了关于斯特林循环机器方面的另外的背景和对此作出的改进。
易于参考图1A-IE描述斯特林循环机器的操作原理，其中相同附 图标记被用于标识相同或者类似的部件。在本技术领域中已知斯特林 循环机器的很多机械设计，并且仅仅为了示意性的目的示出总体利用 附图标记IO标注的特定的斯特林循环机器。在图1A到ID中，活塞
1412和位移器14在汽缸16内以阶段性往复运动移动，在斯特林循环机 器的一些实施例中，汽缸16可以是单一汽缸，但是在其它实施例中， 可以包括多于一个的汽缸。利用密封件约束汽缸16内包含的工作流体 以防止其在活塞12和位移器14周围泄露。工作流体是根据它的热力 学性质而被选择的，如在下面的说明中所讨论的那样，并且通常是处 于几个大气压力下的氦气，然而，任何气体包括任何惰性气体均可被 使用，包括但是不限于氢气、氩气、氖气、氮气、空气及其任何混合 物。分别地相应于在此处热量被供应到工作流体和被从工作流体提取 的界面，位移器14的位置控制工作流体是与热界面18还是与冷界面 20接触。在下面进一步详细讨论热量供应和提取。由活塞12的位置控 制的工作流体的体积称作压縮空间22。
在斯特林循环的第一阶段期间，在图1A中描绘了它的开始状态， 活塞12压縮压縮空间22中的流体。因为热暈被从流体提取到周边环 境，所以压縮在基本恒定的温度下发生。在图1B中描绘了斯特林循环 机器10在压縮之后的状态。在循环的第二阶段期间，位移器14沿着 冷界面20的方向移动，使得工作流体从冷界面20的区域移位到热界 面18的区域。这个阶段可以被称作转移阶段。在转移阶段结束时，流 体处于更高的压力下，因为已在恒定体积下将工作流体加热。利用压 力计24的读数而在图1C中象征性地描绘了已经增加的压力。
在斯特林循环机器的第三阶段(膨胀冲程)期间，随着从斯特林 循环机器10外侧吸取热量，压縮空间22的体积增加，由此将热量转 换为功。在实践中，利用在下面的说明中更加详细地讨论的加热器头 (未示出)将热量提供给流体。在膨胀阶段结束时，压縮空间22充满 冷的流体，如在图1D中描绘地。在斯特林循环机器10的第四阶段期 间，利用位移器14在相反方向上的运动，流体被从热界面18的区域 转移到冷界面20的区域。在这个第二转移阶段结束时，流体填充压缩 空间22和冷界面20,如在图1A中描绘地，并且准备重复压縮阶段。 在如图1E所示的P-V (压力-体积)图表中描绘了斯特林循环。另外地，在从热界面18的区域行进到冷界面20的区域时，在一 些实施例中，流体可以通过回热器(在图4中被7为408)。回热器是 具有大的表面面积与体积比率的材料基质，它用于当流体从热界面18 的区域进入时从流体吸收热量并且当流体从冷界面20的区域经过时加 热流体。
由于在它们的研发中的几个令人畏惧的难题，总体上尚未在实际 应用中使用斯特林循环机器。这些难题包括例如效率和寿命的实际考 虑。据此，需要具有在活塞上的最小侧向负载、增加的效率和寿命的、 更多的斯特林循环机器。
在通过引用而整体并入这里的、于2002年5月7日授予Kamen 等人的美国专利No.6， 381， 958中进一步详细讨论了斯特林循环机器 或者斯特林发动机的操作原理。
振荡杆驱动器
现在参考图2-4，以截面示出根据一个实施例的斯特林循环机器的 实施例。该发动机实施例总体上由附图标记300标注。虽然将参考图 2-4所示的斯特林发动机300实施例总体上描述斯特林循环机器，但是 应该理解，很多类型的机器和发动机(包括但是不限于制冷机和压縮 机)可以类似地受益于在这里描述的各种实施例和改进，包括但是不 限于外燃机和内燃机。
图2描绘用于发动机例如斯特林发动机的振荡杆驱动机构200的 实施例的截面(术语"振荡杆驱动器"被与术语"振荡杆驱动机构" 同义地使用)，振荡杆驱动机构200具有分别地被容纳于汽缸206和 208内的线性往复活塞202和204。汽缸包括直线轴承220。振荡杆驱 动器200将活塞202和204的线性运动转换成曲柄轴214的旋转运动。 振荡杆驱动器200具有振荡杆216、摇臂枢轴218、第一联接组件210和第二联接组件212。活塞202和204分别地经由第一联接组件210和 第二联接组件212而被联接到振荡杆驱动器200。振荡杆驱动器经由连 杆222而被联接到曲柄轴214。
在一些实施例中，振荡杆和联接组件的第一部分可以位于曲柄轴 箱中，而汽缸、活塞和联接组件的第二部分位于工作空间中。
在图4的曲柄轴箱400中，振荡杆驱动器200主要位于汽缸外壳 402下面。曲柄轴箱400是允许具有曲柄轴214、振荡杆216、直线轴 承220、连杆222以及联接组件210和212的振荡杆驱动器200操作的 空间。曲柄轴箱400与汽缸206和208相交，横跨活塞202和204的 轴线所在的平面。如还在图2中所示，活塞202和204在相应的汽缸 206和208中往复运动。汽缸206和208延伸到曲柄轴箱400上方。曲 柄轴214在汽缸206和208下面被安装于曲柄轴箱400中。
图2示出振荡杆驱动器200的一个实施例。联接组件210和212 分别从活塞202和204延伸，以将活塞202和204连接到振荡杆216。 在一些实施例中，用于活塞204的联接组件212可以包括活塞杆224 和联杆226。在一些实施例中，用于活塞202的联接组件210可以包括 活塞杆228和联杆230。活塞204竖直地在汽缸208中操作并且被联接 组件212连接到振荡杆216的端部枢轴232。汽缸208为活塞204的纵 向运动提供引导。被联结到活塞204的下部的联接组件212的活塞杆 224在沿着汽缸208的轴线的基本线性的往复路径中被它的联杆226轴 向驱动。活塞杆224的远端和联杆226的近端在一些实施例中可以经 由联接装置234而被共同地铰接。联接装置234可以是在本技术领域 中已知的任何联接装置，包括但是不限于柔性接头、滚柱轴承元件、 铰链、轴颈轴承接头(在图6中被示为600)和挠性件(在图7A和7B 中被示为700)。联杆226的远端可以被联接到在联杆226的近端下面 竖直地并且垂直地定位的振荡杆216的一个端部枢轴232。固定直线轴 承220可以沿着联接组件212定位以进一步保证活塞杆224的基本线性的纵向运动并且因此确保活塞204的基本线性的纵向运动。在一个 示例性实施例中，联杆226并不穿过直线轴承220。除了别的以外，这 保证了活塞杆224保持基本线性的和纵向的运动。
在示例性实施例中，联杆可以由铝制成，并且活塞杆和连杆由D2 工具钢制成。可替代地，联杆、活塞杆、连杆和振荡杆可以由4340钢 制成。其它材料可以被用于振荡杆驱动器的部件，包括但是不限于钛、 铝、钢或者铸铁。在一些实施例中，所使用材料的疲劳强度高于部件 在操作期间经受的实际负载。
仍然参考图2-4，活塞202在汽缸206中竖直地操作并且被联接组 件210连接到振荡杆216的端部枢轴236。除了别的功能之外，汽缸 206用以为活塞202的纵向运动提供引导。联接组件210的活塞杆228 被联结到活塞202的下部并且在沿着汽缸206的轴线的基本线性的往 复路径中被它的联杆230轴向驱动。活塞杆228的远端和联杆230的 近端在一些实施例中经由联接装置238而被共同地铰接。联接装置238 在各种实施例中可以包括但是不限于挠性件(在图7A和7B中被示为 700)、滚柱轴承元件、铰链、轴颈轴承(在图6中被示为600)，或 者在本技术领域中己知的联接装置。联杆230的远端在一些实施例中 可以被联接到在联杆230的近端下面竖直地并且垂直地定位的振荡杆 216的一个端部枢轴236。固定直线轴承220可以沿着联接组件210定 位以进一步保证活塞杆228的线性纵向运动并且因此确保活塞202的 线性纵向运动。在一个示例性实施例中，联杆230并不穿过直线轴承 220以保证活塞杆228保持基本线性的和纵向的运动。
联接组件210和212将相应的活塞202和204的交替纵向运动改 变为振荡杆216的振荡运动。通过连杆222将给付的振荡运动改变为 曲柄轴214的旋转运动，其中连杆222的一端被以可旋转方式联接到 位于振荡杆216中的端部枢轴232和摇臂枢轴218之间的连接枢轴240， 并且连杆222的另一端被以可旋转方式联接到曲柄梢246。摇臂枢轴
18218可以基本上位于在端部枢轴232和236之间的中点处并且作为支点 以振荡方式支撑振荡杆216，因此引导相应的活塞杆224和228进行充 分的线性运动。在示例性实施例中，曲柄轴214位于振荡杆216上方， 但是在其它实施例中，曲柄轴214可以位于振荡杆216下面(如在图 5B和5D中所示)或者在一些实施例中，曲柄轴214被定位到振荡杆 216—侧，从而它仍然具有平行于振荡杆216的轴线。
仍然参考图2-4，振荡杆围绕摇臂枢轴218振荡，端部枢轴232和 236遵循弧形路径。因为联杆226和230的远端在枢轴232和236处被 连接到振荡杆216，所以联杆226和230的远端也遵循这个弧形路径， 从而相对于它们的相应的活塞202和204运动的纵向轴线导致角度偏 差242和244。联接装置234和238被如此配置，使得活塞杆224和 228发生的、相对于联杆226和230的任何角度偏差244和242被最小 化。基本上，角度偏差244和242被联接装置234和238吸收从而活 塞杆224和228保持基本线性的纵向运动以减小在活塞204和202上 的侧向负载。也可以在汽缸208或者206内侧或者沿着联接组件212 或者210安置固定直线轴承220，以进一步吸收任何角度偏差244或者 242，因此保持活塞推杆224或者228以及活塞204或者202沿着活塞 204或者202的纵向轴线进行线性运动。
因此，鉴于活塞202和204的往复运动，有必要保持活塞202和 204的运动尽可能接近线性，因为相对于活塞202和204的往复运动的 纵向轴线的偏差242和244引起噪音、效率降低、对于汽缸壁的摩擦 增加、侧向负载增加和低的部件耐久性。汽缸206和208的排列以及 曲柄轴214、活塞杆224和228、联杆226和230和连杆222的布置因 此除了别的以外可以影响效率和/或装置的体积。为了如所述那样增加 活塞运动的线性度，活塞(在图2-4中被示为202和204)优选地尽可 能靠近相应的汽缸206和208 —侧。
在降低联杆的角度偏差的另一实施例中，联杆226和230沿着相应的活塞204和202运动的纵向轴线基本线性地往复运动以降低角度 偏差并且因此降低被施加到每一个活塞204和202的侧向负载。角度 偏差限定联杆226或者230相对于活塞204或者202的纵向轴线的偏 差。如在图2中所示，附图标记244和242标注联杆226和230的角 度偏差。因此，基于在振荡杆216的端部枢轴232和摇臂枢轴218之 间的距离长度，联接组件212的位置影响联杆226的角位移。因此， 联接组件的位置可以是这样的，即使得联杆226的角位移被减小。关 于联杆230,基于在振荡杆216的端部枢轴236和摇臂枢轴218之间的 距离长度，联接组件210的长度还可以被确定为并且放置成减小联杆 230的角位移。因此，如在图2中所示，联杆226和230的长度、联接 组件212和210的长度和振荡杆216的长度是大大地影响和/或确定联 杆226和230的角度偏差的重要参数。
该示例性实施例具有直的振荡杆216，振荡杆216具有沿着相同 轴线的端点232和236、摇臂枢轴218和连接枢轴240。然而，在其它 实施例中，振荡杆216可以被弯曲，从而如在图5C和5D中所示，可 以相互成角度地安置活塞。
现在参考图2-4和图7A-7B,在联接组件的一些实施例中，联接 组件212和210可以包括柔性联杆，该柔性联杆是轴向刚性的，但是 分别地在联杆226和230与活塞204和202之间的振荡杆216运动平 面中是柔性的。在该实施例中，联杆226和230的至少一个部分，即 挠性件(在图7A和7B中被示为700)是弹性的。挠性件700用作在 活塞杆和联杆之间的联接装置。挠性件700可以更加有效地吸收活塞 的由曲柄引起的侧向负载，因此允许它的相应活塞在活塞的汽缸内侧 保持线性纵向运动。这个挠性件700允许分别地在联杆226和230与 活塞204或者202之间的振荡杆216的平面中的小的旋转。虽然挠性 件700在该实施例中被描绘成是平坦的，这增加了联杆226和230的 弹性，但是挠性件700在一些实施例中不是平坦的。还可以靠近活塞 的下部或者靠近联杆226和230的远端构造挠性件700。挠性件700在一个实施例中可以由硬化到58-62RC的弁D2工具钢制成。在一些实施 例中，在联杆226或者230上可以存在多于一个挠性件(未示出)以 增加联杆的弹性。
在可替代实施例中，如在图5C和5D中描绘地，在每一个汽缸外 壳中的活塞的轴线可以沿着不同的方向延伸。在示例性实施例中，如 在图2-4以及图5A和5B中描绘地，在每一个汽缸外壳中的活塞的轴 线是基本平行的并且优选地基本竖直的。图5A-5D包括振荡杆驱动机 构的各种实施例，该振荡杆驱动机构包括与关于图2-4示出并且描述的 附图标记类似的附图标记。本领域技术人员可以理解，改变连接枢轴 240沿着振荡杆216的相对位置将改变活塞的冲程。
据此，连接枢轴240在振荡杆216中的相对位置以及活塞杆224 和228、联杆230和226、振荡杆216的长度，以及摇臂枢轴218的位 置等参数的变化将以各种方式改变联杆226和230的角度偏差、活塞 204和202的相位以及装置300的尺寸。因此，在各种实施例中，可以 基于对于这些参数中的一个或者多个的修改选择宽的活塞相角范围和 发动机的可变尺寸。在实践中，示例性实施例的联杆224和228相对 于活塞204和202的纵向轴线具有在从-0.5度到+0.5度内的基本上侧向 的运动。在各种其它实施例中，根据联杆的长度，可以从接近0度到 0.75度地任意改变该角度。然而，在其它实施例中，角度可以更高， 包括从接近0到大致20度的任意角度。然而，当联杆长度增加时，曲 柄轴箱/总体发动机高度以及发动机的重量增加。
示例性实施例的一个特征在于，每一个活塞使得它的联杆基本上 延伸到所联结的活塞杆从而它形成为联接组件。在一个实施例中，如 在图2中所示，用于活塞204的联接组件212包括活塞杆224、联杆 226和联接装置234。更加具体地，活塞杆224的一个近端被联结到活 塞204的下部并且活塞杆224的远端利用联接装置234连接到联杆226 的近端。联杆226的远端竖直地延伸到振荡杆216的端部枢轴232。如上所述，联接装置234可以是但是不限于接头、铰链、联接器或者挠 性件或者在本技术领域中已知的其它装置。在该实施例中，活塞杆224 和联杆226的比率可以如上所述地确定联杆226的角度偏差。
在该机器的一个实施例中，发动机例如斯特林发动机在曲柄轴上 采用多于一个的振荡杆驱动器。现在参考图8，示出展开的"四缸"振 荡杆驱动机构800。在该实施例中，振荡杆驱动机构具有被联接到两个 振荡杆驱动器810和812的四个活塞802、 804、 806和808。在示例性 实施例中，在至少包括在被联接到一对振荡杆驱动器810和812的四 边形布置中定位的四个活塞802、 804、 806和808的斯特林发动机中 使用振荡杆驱动机构800，其中每一个振荡杆驱动器被连接到曲柄轴 814。然而，在其它实施例中，斯特林循环发动机包括在l到4之间的 任意数目的活塞，并且在另一些实施例中，斯特林循环发动机包括多 于4个活塞。在一些实施例中，振荡杆驱动器810和812基本上类似 于在上面关于图2-4所述的振荡杆驱动器(在图2-4中被示为210和 212)。虽然在该实施例中，活塞被示为在汽缸外侧，但是在实践中， 活塞在汽缸内侧。
仍然参考图8，在一些实施例中，振荡杆驱动机构800具有单一 曲柄轴814和一对振荡杆驱动器810和812，曲柄轴814具有适用于在 外壳中铰接的、 一对纵向地隔开的沿着径向并且相反地朝向的曲柄销 816和818。每一个振荡杆820和822被以枢转方式分别地连接到摇臂 枢轴824和826，以及分别地连接到曲柄梢816和818。在示例性实施 例中，振荡杆820和822被联接到振荡杆轴828。
在一些实施例中，马达/发电机可以被以工作关系连接到曲柄轴。 在一个实施例中，马达可以位于振荡杆驱动器之间。在另一实施例中， 马达可以位于机外。术语"马达/发电机"被用于表示或者马达或者发 电机。图9示出曲柄轴814的一个实施例。马达/发电机900例如永磁 ("PM")发电机位于曲柄轴上。马达/发电机900可以位于振荡杆驱 动器(未示出，在图8中示为810和812)之间或者内侧，或者可以在 曲柄轴814的端部处位于振荡杆驱动器810和812的外部或者外侧， 如在图10A中由附图标记1000描绘地。
当马达/发电机900位于振荡杆驱动器(未示出，在图8中示为810 和812)之间时，马达/发电机900的长度被限制为在振荡杆驱动器之 间的距离。马达/发电机900的直径平方受到在曲柄轴814和振荡杆轴 828之间的距离限制。因为马达/发电机900的容量与它的直径平方和 长度成比例，所以这些尺寸限制导致具有较短长度和较大直径平方的、 有限容量的"短轴"马达/发电机900。使用"短轴"马达/发电机900 可以减小发动机的总体尺寸，然而，由内侧配置施加的尺寸限制导致 马达/发电机具有有限的容量。
将马达/发电机900置于振荡杆驱动器之间将马达/发电机900暴露 于由振荡杆驱动器的机械摩擦产生的热量。马达/发电机900的内侧定 位使得更加难以冷却马达/发电机900，由此增加由马达/发电机900产 生的热量以及由马达/发电机900从振荡杆驱动器吸收的热量的影响。 这可以导致过热和马达/发电机900最终发生故障。
参考图8和9两图，马达/发电机900的内侧定位还可以导致活塞 802、 804、 806和808的非对称配置，因为活塞802、 804、 806和808 被分别地联接到振荡杆驱动器810和812，并且任何距离增加还将导致 在活塞802、 804与活塞806和808之间的距离增加。活塞的非对称布 置可以导致燃烧器和加热器头热力学操作的低效性，而这则可以导致 总体发动机效率降低。另外地，活塞的非对称布置可以导致更大的加 热器头和燃烧腔室尺寸。
在图10中示出马达/发电机布置的示例性实施例。如在图10A中
23所示，马达/发电机1000在振荡杆驱动器1010和1012 (在图8中被示 为810并且812)的外侧并且在曲柄轴1006的端部处定位。外侧定位 允许马达/发电机1000具有比上述"短轴"马达/发电机(在图9中被 示为900)更大的长度和直径平方。如前所述，马达/发电机1000的容 量与它的长度和直径平方成比例，并且因为外侧马达/发电机1000可以 具有更大的长度和直径平方，所以图10A所示的机外马达/发电机1000 配置可以允许与发动机相结合地使用更高容量的马达/发电机。
通过如在图10A的实施例中所示将马达/发电机1000置于驱动器 IOIO和1012外侧，马达/发电机IOOO不被暴露于由驱动器IOIO和1012 的机械摩擦产生的热量。并且，外侧定位马达/发电机IOOO使得更加易' 于冷却马达/发电机，由此在每一给定的时间段中允许更多的机械发动 机循环，这又允许更高的总体发动机性能。
并且，当马达/发电机1000位于外侧而不是位于驱动器1010和 1012之间时，振荡杆驱动器1010和1012可以被更加靠近地放置到一 起，以由此允许被联接到驱动器1010和1012的活塞被置于对称布置 中。在一些实施例中，根据所使用的燃烧器类型，特别地在单一燃烧 器实施例的情形中，活塞的对称布置在燃烧器和加热器头热力学操作 中允许更高的效率，而这又允许更高的总体发动机性能。活塞的对称 布置还有利地允许更小的加热器头和燃烧腔室尺寸。
再次参考图8和9，曲柄轴814可以具有同心端部902和904，所 述同心端部在一个实施例中是曲柄轴颈，并且在各种其它实施例中， 可以是但是不限于轴承。每一个同心端部902、 904分别地具有可以从 曲柄轴中心轴线偏移的曲柄梢816、 818。至少一个配重906可以被置 于曲柄轴814的任一端部(在图IOA中被示为1006)处，以平衡曲柄 轴814可能经历的任何不稳定性。与上述振荡杆驱动器相组合的这种 曲柄轴配置允许活塞(在图8中被示为802、 804、 806和808)利用曲 柄轴814的一次旋转做功。将在下面进一步解释这个特征。在其它实施例中，飞轮(未示出)可以被置于曲柄轴814 (在图10A中被示为1006)上以降低角速率的波动从而实现更加恒定的速度。
仍然参考图8和9，在一些实施例中，还可以沿着曲柄轴814 (在图10A中被示为1006)以及振荡杆驱动器810和812 (在图10A中被示为IOIO和1012)定位冷却器(未示出)以冷却曲柄轴814以及振荡杆驱动器810和812。在一些实施例中，冷却器可以被用于冷却汽缸的冷腔室中的工作气体并且还可以被配置为冷却振荡杆驱动器。在下面详细地讨论了冷却器的各种实施例。
图IOA-IOG描绘了各种机器部件的一些实施例。如在该实施例中所示，曲柄轴1006经由马达/发电机联接组件而被联接到马达/发电机1000。因为马达/发电机IOOO被安装到曲柄轴箱1008，利用充注流体加压曲柄轴箱可以导致曲柄轴箱变形，而这又可以导致在马达/发电机1000和曲柄轴1006之间的错位并且引起曲柄轴1006偏转。因为振荡杆驱动器1010和1012被联接到曲柄轴1006，所以曲柄轴1006的偏转可能导致振荡杆驱动器1010和1012发生故障。因此，在该机器的一个实施例中，马达/发电机联接组件用于将马达/发电机1000联接到曲柄轴1006。马达/发电机联接组件容许在马达/发电机1000和曲柄轴1006之间存在对准差异，这可能促使振荡杆驱动器1010和1012在操作期间发生故障。
仍然参考图IOA-IOG，在一个实施例中，马达/发电机联接组件是包括花键轴1004、马达/发电机1000的空心转子1002、和曲柄轴1006的花键组件。花键轴1004将曲柄轴1006的一端联接到空心转子1002。空心转子1002通过机械装置，例如压配合、焊接、螺纹等而被联结到马达/发电机1000。在一个实施例中，花键轴1004在轴的两端上包括多个花键。在其它实施例中，花键轴1004包括中间无花键部分1014，无花键部分1014具有小于花键部分1016和1018的外径或者内径的直径。在又一些实施例中，花键轴1016的一个端部部分具有比也在其上包括花键的第二端部部分1018沿着轴延伸更长距离的花键。
在一些实施例中，空心转子1002包括沿着空心转子1002的纵向轴线延伸的开口 1020。开口 1020能够接收花键轴1004。在一些实施例中，开-口 1020包括能够与位于花键轴1004的一端上的花键接合的多个内花键1022。内花键1022的外径1028可以大于花键轴1004上的花键的外径1030，从而在内花键1022和花键轴1004上的花键之间的配合是松的(如在图10E中所示)。内花键1022和花键轴1004上的花键之间的松配合有助于在可能由曲柄轴箱加压引起的花键轴1004偏转期间保持花键轴1004和转子套筒1002之间的花键接合。在其它实施例中，花键轴1004的更长的花键部分1016可以接合转子1002的内花键1022。
仍然参考图IOA-IOG，在一些实施例中，曲柄轴1006在其端部上具有开口 1024，开口 1024能够接收花键轴1004的一端。开口 1024优选地包括与花键轴1004上的花键接合的多个内花键1026。内花键1026的外径1032可以大于花键轴1004上的花键的外径1034,从而在内花键1026和花键轴1004上的花键之间的配合是松的(如在图10F中所示)。如在前讨论地，内花键1026和花键轴1004上的花键之间的松配合有助于在可能由曲柄轴箱加压引起的花键轴1004偏转期间保持花键轴1004和曲柄轴1006之间的花键接合。曲柄轴1006和空心转子1002上的内花键1026和1022与花键轴1004上的花键之间的松配合可以有助于保持花键轴1004的偏转。这可以允许在曲柄轴1006和空心转子1002之间的错位。在一些实施例中，花键轴1004的更短的花键部分1018可以接合曲柄轴1006的开口 1024，因此防止这些潜在的错位。
在一些实施例中，空心转子1002的开口 1020包括沿着开口 1020的长度延伸的多个内花键。这种布置有助于在组装期间将花键轴1004适当地插入开口 1020中。这有助于保持花键轴1004上的花键和空心转子1002上的内花键之间的正确对准。现在参考图4，示出发动机的一个实施例。这里，发动机300的活塞202和204分别地在汽缸206和208的热腔室404和冷腔室406之间操作。回热器408可以位于这两个腔室之间。回热器408可以具有可变密度、可变面积，并且在一些实施例中由金属丝制成。变化的回热器密度和面积可以被调节使得工作气体沿着回热器408具有基本均匀的流动。在下面以及在于2003年7月17日授予Kamen等人的美国专利No. 6， 591, 609和于2005年3月8日授予Kamen等人的No.6， 862， 883中详细地讨论了回热器408的各种实施例，所述专利在这里通过引用而被整体并入。当工作气体经过热腔室404时，加热器头410可以加热气体，以使得气体膨胀并且朝向冷腔室406推动活塞202和204，在此处气体压縮。当气体在冷腔室406中压縮时，可以引导活塞202和204返回热腔室以再次经历斯特林循环。加热器头410可以是针销头(如在图52A到53B中所示)，鳍片头(如在图56A到56C中所示)，被折叠的鳍片头(如在图56A到56C中所示)，如在图4中所示的加热器管(还在图29中被示为2904)或者已知的任何其它加热器头实施例包括但是不限于在下面描述的那些。在下面并且在于2002年5月7日授予Kamen等人的美国专利No. 6，381，958、于2003年4月8日授予Langenfeld等人的No. 6， 543， 215、于2005年11月22日授予Kamen等人的No. 6， 966， 182和于2007年12月18日授予LaRocque等人的No. 7， 308， 787中详细地讨论了加热器头410的各种实施例，所述专利在这里通过引用而被整体并入。
在一些实施例中，冷却器412可以位于汽缸206和208旁边以进一步冷却行进到冷腔室406的气体。在以前的部分中并且在于2008年2月5日授予Strimling等人的美国专利No. 7， 325， 399中详细地讨论了冷却器412的各种实施例，所述专利在这里通过引用而被整体并入。
在一些实施例中，至少一个活塞密封件414可以位于活塞202和
27204上以相对于冷部分406密封热部分404。另外地，至少一个活塞引导环416可以位于活塞202和204上以帮助引导活塞在它们的相应汽缸中的运动。在下面，并且在通过引用整体并入这里的、于2002年6月19日提交、于2003年2月6日公开的(现在已被放弃)美国专利申请系列No. 10/175， 502中详细描述了活塞密封件414和引导环416的各种实施例。
在一些实施例中，至少一个活塞杆密封件418可以被靠着活塞杆224和228放置以防止工作气体泄露到曲柄轴箱400中，或者可替代地泄露到气闸空间420中。活塞杆密封件418可以是一种弹性体密封件，或者弹簧加载密封件。在下面详细地讨论了活塞杆密封件418的各种
实施例。
在一些实施例中，例如在下面更加详细描述的滚动膜片和/或波纹管实施例中，气闹空间可以被消除。在那些情形中，活塞杆密封件224和228从曲柄轴箱密封工作空间。
在一些实施例中，至少一个滚动膜片/波纹管422可以沿着活塞杆224和228定位以防止气闸气体泄露到曲柄轴箱400中。在下面更加详细讨论了滚动膜片422的各种实施例。
虽然图4示出描绘仅仅两个活塞和一个振荡杆驱动器的发动机300的截面，但是应该理解，在这里描述的操作原理可以应用于如在图8中总体上利用附图标记800标注的四缸、双振荡杆驱动发动机。
活塞操作
现在参考图8和11,图11示出活塞802、 804、 806和808在曲柄轴814的一次旋转期间的操作。随着曲柄轴814旋转％转，活塞802位于它的汽缸顶部处或者被称作上死点，活塞806在向上的中间冲程中，活塞804在它的汽缸底部处或者被称作下死点，并且活塞808在向下的中间冲程中。随着曲抦轴814旋转K转，活塞802在向下的中间 冲程中，活塞806在上死点处，活塞804在向上的中间冲程中，并且 活塞808在下死点处。随着曲柄轴814旋转％转，活塞802在下死点处， 活塞806在向下的中间冲程中，活塞804在上死点处，并且活塞808 在向上的中间冲程中。最终，随着曲柄轴814旋转一整转，活塞802 在向上的中间冲程中，活塞806在下死点处，活塞804在向下的中间 冲程中，并且活塞808在上死点处。在每旋转'/4t期间，在活塞802和 806之间存在90度的相位差，在活塞802和804之间存在180度的相 位差，并且在活塞802和808之间存在270度的相位差。图12A示意 活塞与前一和后一活塞具有大致90度异相的关系。另外地，图11示 出转移功的示例性实施例机器装置。因此，功被从活塞802转移到活 塞806到活塞804到活塞808，从而随着曲柄轴814旋转一整转，所有 的活塞通过从它们的相应汽缸的顶部移动到底部而做功。
现在参考图U，与图12A-12C—起地，示意在示例性实施例中的 活塞之间的卯度相位差。现在参考图12A,虽然示出汽缸处于线性路 径中，但这仅仅是用于示意性的目的。在四缸斯特林循环机器的示例 性实施例中，在汽缸工作空间内包含的工作气体的流动路径遵循数字 八的图形。因此，汽缸1200、 1202、 1204和1206的工作空间例如从 汽缸1200到汽缸1202到汽缸1204到汽缸1206而被以数字八的图形 连接，流体流型遵循数字八。仍然参考图12A，示意出沿着线B-B(图 12C所示)截取的汽缸1200、 1202、 1204和1206的展开视图。如上所 述在活塞之间的90度相位差允许汽缸1204的热部分1212中的工作气 体被给付到汽缸1206的冷部分1222。因为活塞802和808是90度异 相的，所以在汽缸1206的热部分1214中的工作气体被给付到汽缸1200 的冷部分1216。因为活塞802和活塞806也是90度异相的，所以在汽 缸1200的热部分1208中的工作气体被给付到汽缸1202的冷部分1218。 并且因为活塞804和活塞806也是90度异相的，所以在汽缸1202的 热部分1210中的工作气体被给付到汽缸1204的冷部分1220。 一旦第 一汽缸的热部分的工作气体进入第二汽缸的冷部分，工作气体便开始压縮，并且第二汽缸内的活塞处于它的下冲程中，此后迫使已被压縮
的工作气体通过回热器1224和加热器头1226 (图12B所示)返回，并 且返回到第一汽缸的热部分中。 一旦进入第一汽缸的热部分内侧，气 体便膨胀并且向下驱动该汽缸内的活塞，因此使得在该第一汽缸的冷 部分内的工作气体通过前一回热器和加热器头而被驱动，并且进入汽 缸中。工作气体在汽缸1200、 1202、 1204和1206之间的这个循环轮 回特征是可能的，因为活塞802、 804、 806和808被以如此方式经由 驱动器810和812而被连接到公共曲柄轴814 (图11所示)，使得每 一个活塞的循环运动在前一活塞的运动前面大致90度，如在图12A 中描绘地。
滚动膜片、金属波纹管、气闸和压力调节器
在斯特林循环机器的一些实施例中，使用润滑流体。为了防止润 滑流体泄露到曲柄轴箱中，使用密封件。
现在参考图13A-15,斯特林循环机器的一些实施例包括流体润滑 的振荡杆驱动器，该振荡杆驱动器利用沿着活塞杆1302定位的滚动膜 片1300以防止润滑流体泄露到曲柄轴箱(未示出，但是被容纳于曲柄 轴箱中的部件被表示成1304)中，并且防止润滑流体进入发动机的可 以被润滑流体损坏的区域。将润滑流体包含起来是有益的，因为如果 润滑流体进入工作空间(未示出，但是被容纳于工作空间中的部件被 表示成1306)，则它将会污染工作流体，与回热器1308形成接触，并 且可以堵塞回热器1308。滚动膜片1300可以由弹性体材料制成，例如 橡胶或者利用纺织织物或者非纺织织物增强以提供刚度的橡胶。滚动 膜片1300可以可替代地由其它材料制成，例如氟硅氧垸或者带有纺织 织物或者非纺织织物的腈。滚动膜片1300还可以由碳纳米管或者短纤 维织物制成，短纤维织物是带有例如在弹性体中分散的聚酯纤维或者 KEVLAR⑧的非纺织织物。在一些实施例中，滚动膜片1300由顶部密 封活塞1328和底部密封活塞1310支撑。在其它实施例中，如在图13A 中所示的滚动膜片1300经由顶部密封活塞1328中的凹口支撑。在一些实施例中，沿着滚动膜片1300设置压力差从而在密封件 1300上方的压力不同于曲柄轴箱1304中的压力。这个压力差对密封件 1300充气并且允许密封件1300用作动态密封件，因为压力差保证了滚 动膜片在全部操作中保持它的形态。图13A和图13C-13H示意压力差 如何影响滚动膜片。压力差导致滚动膜片1300在随着活塞杆1302移 动时符合于底部密封活塞1310的形状，并且防止在操作期间密封件 1300从活塞1310的表面分离。这种分离可以引起密封失效。压力差导 致滚动膜片1300在随着活塞杆1302移动时保持与底部密封活塞1310 恒定接触。因为密封件1300的一侧将总是具有在其上施加的压力由此 对密封件1300充气以符合于底部密封活塞1310的表面，所以发生这 种情形。在一些实施例中，顶部密封活塞1328在滚动膜片1300的与 底部密封活塞1310接触的角部"之上滚动"，从而进一步保持密封件 1300与底部密封活塞1310接触。在示例性实施例中，压力差在10到 15PSI的范围中。在压力差中的较小压力优选地在曲柄轴箱1304中， 从而滚动膜片1300可以扩展到曲柄轴箱1304中。然而，在其它实施 例中，压力差可以具有更大或者更小的数值范围。
可以通过各种方法产生压力差，包括但是不限于使用以下方法 加压润滑系统、气动泵、传感器、电泵、通过振荡振荡杆以在曲柄轴 箱1304中形成压升、通过在滚动膜片1300上产生静电荷或者其它类 似的方法。在一些实施例中，通过将曲柄轴箱1304加压至低于工作空 间1306的平均压力的压力而产生压力差。在一些实施例中，曲柄轴箱 1304被加压至低于工作空间1306的平均压力10到15PSI的范围中的 压力，然而，在各种其它实施例中，压力差可以更小或者更高。在下 面包括关于滚动膜片的进一步的细节。
然而，现在参考图13C、 13G和13H，示出斯特林机器的另一实 施例，其中气闸空间1312位于工作空间1306和曲柄轴箱1304之间。 气闸空间1312保持必要的恒定体积和压力以形成如上所述对于滚动膜
31片1300的功能而言必要的压力差。在一个实施例中，气闸1312相对 于工作空间1306未被完全地密封起来，所以气闸1312的压力等于工 作空间1306的平均压力。因此，在一些实施例中，在工作空间和曲柄 轴箱之间缺乏有效的密封导致了对气闸空间的需求。因此，在一些实 施例中，可以利用更加有效率的和有效的密封消除气闸空间。
在操作期间，工作空间1306平均压力可以改变从而引起气闸1312 平均压力也发生改变。压力可能趋向于改变的一个原因在于，在操作 期间，工作空间可能变得更热，而这继而可以增加工作空间中的压力， 并且因此也增加气闸中的压力，因为气闸和工作空间是流体连通的。 在这种情形中，在气闸1312和曲柄轴箱1304之间的压力差也将改变， 由此在滚动膜片1300中引起不必要的应力，该应力可能导致密封失效。 因此，在该机器的一些实施例中，在气闸1312内的平均压力被调节从 而在气闸1312和曲柄轴箱1304之间保持恒定的所期压力差，并且确 保滚动膜片1300仍被充气并且保持它们的形态。在一些实施例中，压 力传感器被用于监控并且管理在气闸和曲柄轴箱之间的压力差，并且 据此调节压力从而在气闸和曲柄轴箱之间保持恒定的压力差。在下面， 并且在通过引用而在这里被以其整体并入的、于2007年12月25日授 予Gurski等人的美国专利No.7， 310， 945中进一步详细地描述了可 以使用的压力调节器的各种实施例。
可以通过经由泵或者排泄阀添加或者从气闸1312移除工作流体 而实现在气闸1312和曲柄轴箱1304之间的恒定压力差。可替代地， 可以通过经由泵或者排泄阀添加或者从曲柄轴箱1304移除工作流体而 实现在气闸1312和曲柄轴箱1304之间的恒定压力差。泵和排泄阀可 以被压力调节器控制。工作流体可以被从单独的流体源例如工作流体 容器添加到气闸1312 (或者曲柄轴箱1304)，或者可以被从曲柄轴箱 1304转移。如果工作流体被从曲柄轴箱1304转移到气闸1312，则可 能期望在将其送入气闹1312中之前过滤工作流体从而防止任何润滑剂 从曲柄轴箱1304流入气闸1312中，并且最终流入工作空间1306中，因为这可能导致发动机故障。
在该机器的一些实施例中，可以利用具有与工作流体不同的热性
质的流体充注曲柄轴箱1304。例如，当工作气体是氦气或者氢气时， 可以利用氩气充注曲柄轴箱。因此，曲柄轴箱被加压。在一些实施例 中，使用氦气，但是在其它实施例中，如在这里描述地，可以使用任 何惰性气体。因此，在示例性实施例中，曲柄轴箱是一种湿润加压曲 柄轴箱。在其中没有使用润滑流体的其它实施例中，曲柄轴箱不是湿 润的。
在示例性实施例中，滚动膜片1300并不允许气体或者液体穿过它 们，这允许工作空间1306保持干燥并且利用利用润滑流体对曲柄轴箱 1304进行湿槽润滑。允许湿槽润滑曲柄轴箱1304增加了发动机的效率 和寿命，因为在振荡杆驱动器1316中的摩擦更小。在一些实施例中， 还可以通过使用润滑流体和滚动膜片1300而消除滚柱轴承或者球轴承 在驱动器1316中的使用。这可以进一步减小发动机噪音并且增加发动 机寿命和效率。
图14A-14E示出被配置成在顶部密封活塞和底部密封活塞(在图 13A和13H中被示为1328和1310)之间以及在顶部安装表面和底部安 装表面(在图13A中被示为1320和1318)之间安装的滚动膜片(被 示为1400、 1410、 1412、 1422和1424)的各种实施例的截面。在一些 实施例中，顶部安装表面可以是气闸或者工作空间的表面，并且底部 安装表面可以是曲柄轴箱的表面。
图14A示出滚动膜片1400的一个实施例，其中滚动膜片1400包 括可以位于顶部密封活塞和底部密封活塞之间从而在顶部密封活塞和 底部密封活塞之间形成密封的平坦内端1402。滚动膜片1400还包括可 以位于顶部安装表面和底部安装表面之间从而在顶部安装表面和底部 安装表面之间形成密封的平坦外端1404。图14B示出滚动膜片的另一实施例，其中滚动膜片1410可以包括一直达到平坦内端1406以在顶 部密封活塞和底部密封活塞之间提供另外的支撑和密封接触的多个弯 曲部1408。图14C示出滚动膜片的另一实施例，其中滚动膜片1412 包括一直达到平坦外端1414以在顶部安装表面和底部安装表面之间提 供另外的支撑和密封接触的多个弯曲部1416。
图14D示出滚动膜片的另一实施例，其中滚动膜片1422包括沿其 内端1420,从而在顶部密封活塞和底部密封活塞之间形成"o形环" 式密封的边条，和沿其外端1418从而在底部安装表面和顶部安装表面 之间形成"o形环"式密封的边条。图14E示出滚动膜片的另一实施例， 其中滚动膜片1424包括一直达到带边条内端1426以在顶部密封活塞 和底部密封活塞之间提供另外的支撑和密封接触的多个弯曲部1428。 滚动膜片1424还可以包括一直达到带边条外端1432以在顶部密封活 塞和底部密封活塞之间提供另外的支撑和密封接触的多个弯曲部 1430。
虽然图14A到14E描绘了滚动膜片的各种实施例，但是应该理解， 可以利用在本技术领域中已知的任何其它机械装置将滚动膜片保持到 位。
现在参考图15,截面示出滚动膜片实施例的一个实施例。金属波 纹管1500沿着活塞杆1502定位以相对于工作空间或者气闸(在图13G 中被示为1306和1312)将曲柄轴箱(在图13G中被示为1304)密封 起来。金属波纹管1500可以被联结到顶部密封活塞1504和固定安装 表面1506。可替代地，金属波纹管1500可以被联结到底部密封活塞(未 示出)和顶部固定安装表面。在一个实施例中，底部固定安装表面可 以是曲柄轴箱表面或者内部气闸或者工作空间表面，并且顶部固定安 装表面可以是内部曲柄轴箱表面，或者外部气闸或者工作空间表面。 可以通过熔焊、铜焊或者在本技术领域中已知的任何机械方法联结金 属波纹管1500。图15B-15G描绘金属波纹管的各种实施例的透视截面视图，其中 金属波纹管是已被焊接的金属波纹管1508。在金属波纹管的一些实施 例中，金属波纹管优选地是微焊金属波纹管。在一些实施例中，如在 图15C和15D中所示，焊接金属波纹管1508包括在内端1512或者外 端1514处被焊接到彼此上的多个膜片1510。在一些实施例中，膜片 1510可以是新月形1516、平坦形1518、波纹形1520的，或者在本技 术领域中已知的任何其它形状。
另外地，可以可替代地利用例如模压成形、液压成形、爆炸液压 成形、水压模制或者在本技术领域中已知的任何其它方法而以机械方 式形成金属波纹管。
金属波纹管可以由任何类型的金属制成，包括但是不限于钢、不 锈钢、不锈钢374、 AM-350不锈钢、Inconel、 Hastelloy、 Haynes、钛
或者任何其它高强度、耐腐蚀材料。
在一个实施例中，所使用的金属波纹管是可从SeniorAerospace Metal Bellows Division, Sharon, MA或者American BOA， Inc. Cumming，
GA获得的金属波纹管。
滚动膜片和/或波纹管实施例
在上面描述了用来密封的滚动膜片和/或波纹管的各种实施例。基 于以上说明和另外的涉及滚动膜片和/或波纹管的参数的以下说明，本 领域技术人员将会清楚另外的实施例。
在一些实施例中，在气闸空间或者气闸区域(这两个术语被以可 互换的方式使用)中在滚动膜片或者波纹管顶上的压力是用于机器的 平均工作气体压力，该机器在一些实施例中是发动机，而在曲柄轴箱 区域中在滚动膜片和/或波纹管下面的压力是环境/大气压力。在这些实施例中，滚动膜片和/或波纹管需要利用在其上达3000psi的压力操作 (并且在一些实施例中，高达1500psi或者更高)。在此情形中，滚动 膜片和/或波纹管密封件为机器(在示例性实施例中为发动机)形成工 作气体(氦气、氢气或者其它气体)包容屏障。并且，在这些实施例 中，消除了对于用以包含发动机底端的沉重的额定压力结构容器的需 求，因为现在如传统的内燃("IC")机那样仅需在环境压力下包含 润滑流体(在示例性实施例中，油被用作润滑流体)和空气。
在滚动膜片和/或波纹管密封件上的这种极端压力下使用滚动膜 片和/或波纹管密封件的能力依赖于几个参数的相互作用。现在参考图 15H，示出关于在滚动膜片或者波纹管材料上的实际负载的示意。如所 示那样，负载是压力差和用于所安装的滚动膜片或者波纹管密封件的 环形间隙面积的函数。
区域1代表滚动膜片和/或波纹管的与由活塞和汽缸形成的壁接触 的部分。由于沿着滚动膜片和/或波纹管的压力差，负载基本是沿着轴 向方向的拉伸负载。由于沿着滚动膜片和/或波纹管的压力而产生的这 个拉伸负载能够被表达为-
Lt = Pd *Aa
其中
"=拉伸负载并且 Pf压力差
Af环形面积
并且
Aa = p/4* (D2-d2)
其中
D-汽缸内径和 d-活塞直径在波纹管材料中的应力的拉伸分量能够被近似为
St = Lt/ (p* (D+d) *tb)
这被简化成
St-Pd/4* (D-d) /tb
稍后，我们将示出回旋半径Rc与汽缸内径(D)和活塞直径(d)
的关系，该关系被定义为
Rc= (D-d) /4
所以，关于St的这个公式被简化成它的最终形式
St - Pd * Rc / tb 其中tf波纹管材料的厚度
仍然参考图15H，区域2代表回旋。当滚动膜片和/或波纹管材料 在回旋中拐弯时，可以计算在滚动膜片和/或波纹管材料上施加的环向 应力。关于波纹管的形成回旋的部分，应力的环向分量能够被接近地 近似为
Sh = Pd * Rc / tb
滚动膜片和/或波纹管在其内滚动的环形间隙通常被称作回旋区 域。滚动膜片和/或波纹管疲劳寿命通常受到来自由于压力差引起的拉 伸(和环向)负载，以及由于当织物滚动通过回旋区域时的弯曲而引 起的疲劳这两者的组合应力的限制。织物在这个"滚动"期间采取的 半径在这里被定义成回旋半径，Rc。
Rc- (D漏d) /4
当它滚动通过回旋半径Rc时在滚动膜片和/或波纹管材料中的弯 曲应力Sb是该半径以及发生弯曲的材料厚度的函数。关于纤维增强材 料，当纤维直径降低时，在纤维自身(在示例性实施例中在规定偏转期间)中的应力降低。对于相同的弯曲水平，较小的合成应力允许增 加的疲劳寿命极限。当纤维直径被进一步降低时，实现了用于降低回
旋半径Rc的挠性，同时保持在纤维中的弯曲应力低于它的耐受极限。 同时，当Rc降低时，在织物上的拉伸负载降低，因为在活塞和汽缸之 间的环面中的未受支撑的区域更少。纤维直径越小，则最小Rc越小， 环形面积越小，这导致容许压力差更高。
关于围绕规定半径的弯曲，弯曲力矩被近似为:
M = E "/R
其中
M-弯曲力矩 E -弹性模量 1=惯性矩 R-弯曲半径
标准弯曲应力Sb被计算为
Sb - M * Y 〃
其中
Y-在弯曲中性轴线上的距离
代入给出
Sb= (E"/R) *Y/I Sb - E * Y / R
假设弯曲是在中央中性轴线上方的:
Y隨=tb / 2 Sb-E*tb/ (2*R)
在一些实施例中，用于高的循环寿命的滚动膜片和/或波纹管设计 是基于这样的几何形状的，其中所施加的弯曲应力被保持小于基于压力的加载(环向和轴向应力)大约一个量级。基于等式Sb = E*tb/ (2
*R)，明显的是，与Rc成正比的最小化tb不应该增加弯曲应力。用于滚动膜片和/或波纹管材料或者隔膜的示例性实施例的最小厚度在弹性体的增强物中使用的最小纤维直径直接相关。所用纤维越小，则关于给定应力水平，所产生的Rc越小。
在滚动膜片和/或波纹管上的负载的另一限制分量是在回旋中的环向应力(在理论上具有与当被活塞或者汽缸支撑时的轴向负载相同的幅度)。用于该负载的控制方程如下-
Sh = Pd * Rc / tb
因此，如果与tb成正比地降低Rc ，则在这个区域中在隔膜上的应力不会增加。然而，如果以将Rc降低为比tb更高的比率的方式减小这个比率，则参数应该被平衡。因此，相对于Rc降低tb要求滚动膜片和/或波纹管承受由于压力引起的更重应力，但是倾向于降低由于弯曲而产生的应力水平。基于压力的负载是基本恒定的，所以这可能是有利的，因为弯曲负载是循环性的，因此最终限制疲劳寿命的正是弯曲负载分量。
关于降低弯曲应力，tb理想地应该是最小的，并且Rc理想地应该是最大的。E理想地也是最小的。关于降低环向应力，Rc理想地是小的，并且tb理想地是大的。
因此，用于滚动膜片和/或波纹管隔膜材料的关键参数是
E，隔膜材料的弹性模量；
tb，隔膜厚度(和/或纤维直径)；
Sllt，滚动膜片和/或波纹管的极限抗拉强度；和
Slcf，滚动膜片和/或波纹管的极限疲劳强度。
因此，根据E、 tb和Sut，可以计算最小的可接受Rc。接着，使用Rc， Slcf和tb，可以计算最大Pd 。 Rc可以被调节以变换在稳态压应力和循环弯曲应力之间的负载(应力)分量偏压。因此，理想的滚动膜片和/或波纹管材料是极薄的，在张紧时是极其结实的，并且在弯曲时是非常柔软的。
因此，在一些实施例中，滚动膜片和/或波纹管材料(有时被称作"隔膜")是由碳纤维纳米管制成的。然而，还可以使用另外的小纤维材料，包括但是不限于已被编织的纳米管纤维、纳米管无捻纱纤维，或者任何其它传统材料，包括但是不限于KEVLAR、玻璃、聚酯、合
成纤维和具有令人期望的直径和/或以上详细描述的其它所期参数的任何其它材料或者纤维。
活塞密封件和活塞杆密封件
现在参考图13G，示出该机器的一个实施例，其中发动机1326例如斯特林循环发动机包括至少一个活塞杆密封件1314、活塞密封件1324和活塞引导环1322 (在图16中被示为1616)。在下面，并且在如前所述通过引用而被并入的美国专利申请系列No. 10/175， 502 (现在已被放弃)中进一步讨论了活塞密封件1324和活塞引导环1322的各种实施例。
图16示出被沿着汽缸的中心轴线1602或者汽缸1604驱动的活塞1600的局部截面。活塞密封件(在图13G中被示为1324)可以包括针对汽缸1604的接触表面1608提供密封的密封环1606。接触表面1608通常是具有12RMS或者更加光滑的表面光洁度的硬化金属(优选地58-62 RC)。接触表面1608可以是已被表面硬化的金属例如8260硬化钢，该硬化钢可以被容易地表面硬化并且可以被研磨和/或细磨以实现所期光洁度。活塞密封件还可以包括垫环1610，垫环1610受到弹力以朝着密封环1606提供推力，由此提供充分的接触压力来保证围绕密封环1606的全部向外表面的密封。密封环1606和垫环1610可以被一起地称作活塞密封组合环。在一些实施例中，该至少一个活塞密封件可
40以相对于汽缸1604的冷部分将汽缸1604的热部分密封起来。
现在参考图17， 一些实施例包括被安装于活塞杆汽缸壁1700中 的活塞杆密封件(在图13G中被示为1314)，活塞杆汽缸壁1700在 一些实施例中可以包括密封环1706，密封环1706朝着活塞杆1704 (在 图13G中被示为1302)的接触表面1708提供密封。接触表面1708在 一些实施例中是具有12RMS或者更加光滑的表面光洁度的硬化金属 (优选地58-62RC)。接触表面1708可以是已被表面硬化的金属例如 8260硬化钢，该硬化钢可以被容易地表面硬化并且可以被研磨和/或细 磨以实现所期光洁度。活塞密封件还可以包括垫环1710，垫环1710受 到弹力以朝着密封环1706提供径向或者环向作用力，由此提供充分的 接触环向应力来保证围绕密封环1706的全部向内表面的密封。密封环 1706和垫环1710可以被一起地称作活塞杆密封组合环。
在一些实施例中，密封环和垫环可以位于活塞杆上，并且垫环在 密封环上施加向外压力，并且密封环可以与活塞杆汽缸壁1702形成接 触。这些实施例要求比先前实施例更大的活塞杆汽缸长度。这是因为 在活塞杆汽缸壁1702上的接触表面将比在其中接触表面1708位于活 塞杆自身上的先前实施例中更长。在又一个实施例中，活塞杆密封件 可以是在本技术领域中已知的任何功能密封件，包括但是不限于o形 环、石墨间隙密封件、在玻璃缸中的石墨活塞或者任何空气罐，或者 弹簧增强唇形密封件。在一些实施例中，可以使用具有密合间隙的任 何装置，在其它实施例中，使用具有干涉的任何装置例如密封件。在 示例性实施例中，使用弹簧增强唇形密封件。可以使用任何弹簧增强 唇形密封件，包括由BAL SEAL Engineering, Inc. Foothill Ranch, CA 制造的那些。在一些实施例中，所使用的密封件是BAL SEAL Part Number X558604。
通过考虑在密封环1606和1706分别相对于接触表面1608和1708 的摩擦系数，及其在密封环1606和1706上产生的磨损之间的平衡而选择密封环1606和1706的材料。在活塞润滑是不可能的应用中，例 如在高的斯特林循环发动机操作温度下，使用工程塑料环的用途。组 分实施例包括填充有润滑和耐磨材料的尼龙基质。这种润滑材料的实 例包括PTFE/硅树脂、PTFE、石墨等。耐磨材料的实例包括玻璃纤维 和碳纤维。这种工程塑料的实例是由LNP Engineering Plastics, Inc. of Exton，PA制造的。垫环1610和1710优选地是金属。
在一些实施例中，分别在密封环1606和1706与密封环凹槽1612 和1712之间的配合优选地是间隙配合(大约0.002")，而垫环1610 和1710的配合优选地是在大约0.005"的量级上的较松的配合。根据沿 着环1606和1706的压力差的方向和活塞1600或者活塞杆1704的行 进方向，密封环1606和1706分别地朝着接触表面1608和1708并且 还分别地朝着密封环凹槽1612和1712的表面1614和1714之一提供 压力密封。
图18A和18B示出，如果垫环1820是基本圆对称的，但是由于 间隙1800，它将在压缩时呈现卵形形状，如由虚线垫环1802示出地。 结果可以是在密封环(未示出，在图16和17中被示为1606和1706) 上施加的非均匀的径向或者环向作用力(由箭头1804描绘)，并且因 此密封环分别地朝着接触表面(未示出，在图16和17中被示为1608 和1708)的非均匀的压力，从而引起密封环非均匀的磨损并且在一些 情形中，引起密封失效。
根据一个实施例，由活塞密封件垫环1820施加非均匀径向或者环 向作用力问题的一种方案，是具有随着从间隙1800的周向位移而变化 的截面的垫环1822，如在图18C和18D中所示。从由附图标记1806 表示的位置到由附图标记1808表示的位置示出垫环1822的宽度渐縮， 还在图18C和18D中示出提供密封环1606周向闭合的搭接接头1810。 因为一些密封件将在它们的寿命期间被显著地磨损，所以垫环1822应 该提供运动范围的均匀压力(在图19B中由附图标记1904描绘)。图18C和18D所示的渐縮垫环1822可以提供这个优点。
图19A和19B示意根据一些实施例关于活塞密封环朝着活塞汽缸 的非均匀径向或者环向作用力的问题的另一方案。如在图19A中所示， 垫环1910具有卵形形状的形式，从而当在汽缸内压縮时，该环呈现由 虚线垫环1902示出的圆形形状。如在图19B中所示，可以因此利用垫 环1902的均匀的径向作用力1904提供在密封环和汽缸接触表面之间 的恒定接触压力。
根据一些实施例，关于由活塞杆密封垫环施加非均匀径向或者环 向作用力问题的一种方案是具有随着从间隙1812的周向位移而变化的 截面的垫环1824，如在图18E和18F中所示。从由附图标记1814表示 的位置到由附图标记1816表示的位置示出垫环1824的宽度渐縮，还 在图18E和18F中示出提供密封环1706周向闭合的搭接接头1818。因 为一些密封件将在它们的寿命期间被显著地磨损，所以垫环1824应该 提供运动范围的均匀压力(在图20B中由附图标记2004描绘)。图18E 和18F所示的渐縮垫环1824可以提供这个优点。
图20A和20B示意根据一些实施例关于活塞杆密封环朝着活塞杆 接触表面的非均匀径向或者环向作用力的问题的另一方案。如在图20A 中所示，垫环(由虚线垫环2000所示)具有卵形形状的形式，从而当 在汽缸内膨胀时，该环呈现由垫环2002示出的圆形形状。如在图20B 中所示，因此可以利用垫环2002的均匀径向推力2004提供在密封环 1706和汽缸接触表面之间的恒定接触压力。
再次参考图16，根据一些实施例，还可以提供至少一个引导环 1616，用于承受当活塞1600沿着汽缸1604上下移动时在活塞1600上 的任何侧向负载。也优选地由填充有润滑材料的工程塑料材料制造引 导环1616。在图21中示出引导环1616的透视图。示出交迭接头2100， 并且交迭接头2100可以相对于引导环1616的中心轴线倾斜。润滑流体泵和润滑流体通路
现在参考图22，示出具有振荡杆驱动器2202和润滑流体2204的、 用于该机器的发动机2200的一个实施例的代表性示意图。在一些实施 例中，润滑流体是油。润滑流体被用于润滑曲柄轴箱2206中的发动机 部件，例如流体动压力进给润滑轴承。润滑发动机2200的移动部件用 于进一步减轻在发动机部件之间的摩擦并且进一步增加发动机效率和 发动机寿命。在一些实施例中，润滑流体可以被置于发动机的也被称 作油池的底部处，并且分布在整个曲柄轴箱中。润滑流体可以通过润 滑流体泵而被分布到发动机2200的不同部件，其中润滑流体泵可以经 由过滤入口从油池收集润滑流体。在示例性实施例中，润滑流体是油 并且因此润滑流体泵在这里被称作油泵。然而，术语"油泵"仅被用 于描述该示例性实施例和其中油被用作润滑流体的其它实施例，并且 该术语不应该被理解成限制润滑流体或者润滑流体泵。
现在参考图23A和23B，示出发动机的一个实施例，其中润滑流 体通过机械油泵2208而被分布到发动机2200的位十曲枘轴箱2206中 的不同部件。油泵2208可以包括驱动齿轮2210和惰轮2212。在一些 实施例中，机械油泵2208可以被泵驱动组件驱动。泵驱动组件可以包 括被联接到驱动齿轮2210的驱动轴2214，其中驱动轴2214在其上包 括中间齿轮2216。中间齿轮2216优选地被曲柄轴齿轮2220驱动，其 中曲柄轴齿轮2220被联接到发动机2200的初级曲柄轴2218，如在图 24中所示。在这种配置中，曲柄轴2218经由曲柄轴齿轮2220间接地 驱动机械油泵2208，曲柄轴齿轮2220驱动驱动轴2214上的中间齿轮 2216,中间齿轮2216则继而驱动油泵2208的驱动齿轮2210。
在一些实施例中曲柄轴齿轮2220可以位于曲柄轴2218的曲柄梢 2222和2224之间，如在图24中所示。在其它实施例中，曲柄轴齿轮 2220可以被置于曲柄轴2218的端部处，如在图25A-25C中所示。
44为了便于制造，曲柄轴2218可以由多个零件构成。在这些实施例 中，在组装曲柄轴期间，曲柄轴齿轮2220可以被插入曲柄轴零件之间。
在一些实施例中，驱动轴2214可以垂直于曲柄轴2218定位，如 在图23a和25a中所示。然而，在一些实施例中，驱动轴2214可以平 行于曲柄轴2218定位，如在图25b和25c中所示。
在一些实施例中，曲柄轴齿轮2234和中间齿轮2232可以是链齿 轮，其中曲柄轴齿轮2234和中间齿轮2232通过链条2226而被联接， 如在图25c和26c中所示。在这些实施例中，链条2226被用于驱动链 条驱动泵(在图26a到26c中被示为2600)。
在一些实施例中，在曲柄轴2218和驱动轴2214之间的传动比在 整个操作中保持恒定。在这种实施例中，在曲柄轴和驱动轴之间具有 适当的传动比是重要的，从而该传动比平衡泵的速度和发动机的速度。 这实现了特定发动机rpm (每分钟转数)操作范围要求的规定的润滑
剂流量。
在一些实施例中，润滑流体通过电泵而被分布到发动机的不同部 件。电泵消除了对于在机械油泵的情形中要求的泵驱动组件的需求。
回过来参考图23a和23b，油泵2208可以包括从油池收集润滑流 体的入口 2228和将润滑流体给付到各种发动机部件的出口 2230。在一 些实施例中，驱动齿轮2212和惰轮2210的旋转引起润滑流体通过入 口 2228而被从油池抽吸到油泵中并且通过出口 2230而被迫离开油泵。 入口 2228优选地包括过滤器以在润滑流体被抽吸到油泵中之前移除可 能存在于润滑流体中的颗粒。在一些实施例中，入口 2228可以经由管 子、管道或者软管而被连接到油池。在一些实施例中，入口 2228可以 直接与油池流体连通。在一些实施例中，油泵出口 2230被连接到在各种发动机部件中的 一系列通路，通过该通路，润滑流体被给付到各种发动机部件。出口 2230可以与通路成一体从而与通路直接连通，或者可以经由软管或者 管子或者多个软管或者管子而被连接到通路。该系列通路优选地是被 相互连接的通路网，从而出口 2230可以被连接到单一通路入口并且仍 然能够将润滑流体给付到发动机的被润滑的部件。
图27A-27D示出一个实施例，其中油泵出口 (在图23B中被示为 2230)被连接到振荡杆驱动器2704的摇臂轴2702中的通路2700。摇 臂轴通路2700将润滑流体给付到摇臂枢轴轴承2706，并且被连接到并 且将润滑流体给付到振荡杆通路(未示出)。振荡杆通路将润滑流体 给付到连接肘销轴承2708、联杆轴承2710和联杆通路2712。联杆通 路2712将润滑流体给付到活塞杆联接轴承2714。连杆2720的连杆通 路(未示出)将润滑流体给付到曲柄轴2726的第一曲柄销2722和曲 柄轴通路2724。曲柄轴通路2724将润滑流体给付到曲柄轴轴颈轴承 2728、第二曲柄销轴承2730和花键轴通路2732。花键轴通路2732将 润滑流体给付到花键轴花键接头2734和2736。油泵出口 (未示出，在 图23B中被示为2230)在一些实施例中被连接到主要供给器2740。在 一些实施例中，油泵出口还可以被连接到并且向联接接头直线轴承 2738提供润滑流体。在一些实施例中，油泵出口可以经由管子或者软 管或者多个管子或者软管而被连接到直线轴承2738。可替代地，联杆 通路2712可以将润滑流体给付到直线轴承2738。
因此，主要供给器2740将润滑流体给付到轴颈轴承表面2728。 从轴颈轴承表面2728，润滑流体被给付到曲柄轴主要通道。曲柄轴主 要通道将润滑流体给付到花键轴通路2732和曲柄销2724上的连杆轴 承这两者。
优选地通过从前述轴承流出并且流入油池中，润滑流体被返回到 油池。在油池中，润滑流体将被油泵收集并且被在整个发动机中重新分布。
管式热交换器
外燃机，诸如，例如斯特林循环发动机可以使用管式加热器头以
实现高功率。图28是示意性斯特林循环发动机的汽缸和管式加热器头 的截面视图。如在图28中所示，管式加热器头2800的典型配置使用 围绕燃烧腔室2804的U形加热器管2802的笼体。汽缸2806包含工作 流体，诸如，例如氦气。工作流体被活塞2808移位并且被驱动通过加 热器管2802。燃烧器2810燃烧燃料和空气的组合物以产生用于利用传 导加热通过加热器管2802工作流体的热的燃烧气体。加热器管2802 将回热器2812与汽缸2806连接。回热器2812可以是具有大的、用于 在发动机循环期间从工作流体吸收热量或者加热工作流体的表面面积 与体积比率的材料的基质。加热器管2802为燃烧气体经过加热器管 2802的流动提供高的表面面积和高的热传递系数。在下面并且在如前 所述通过引用而以其整体并入的美国专利No. 6， 543， 215和No. 7, 308， 787中讨论了管式加热器头的各种实施例。
图29是管式加热器头和汽缸的截面侧视图。加热器头2906基本 上是具有一个闭合端部2920 (另外地被称作汽缸盖)和开放端部2922 的汽缸。闭合端部2920包括被置于燃烧器3036 (图30所示)中的多 个U形加热器管2卯4。每一个U形管2904均具有外部部分2916 (另 外地在这里被称作"外部加热器管")和内部部分2918 (另外地在这 里被称作"内部加热器管")。加热器管2904将汽缸2卯2连接到回 热器2910。汽缸2902被置于加热器头2906内侧并且通常还被加热器 头2906支撑。活塞2924沿着汽缸2902的内部行进。当活塞2924朝 向加热器头2906的闭合端部2920行进时，在汽缸2902内的工作流体 被移位并且使其流动通过加热器管2904和回热器2910，如在图29中 由箭头2930和2932所示意地。燃烧器凸缘2卯8为燃烧器3036 (图 30所示)提供联结表面并且冷却器凸缘2912为冷却器(未示出)提供 联结表面。参考图30，如上所述，包括加热器管3004的加热器头3006的闭 合端部被置于包括燃烧腔室3038的燃烧器3036中。在燃烧腔室3038 中的热燃烧气体(另外地在这里被称作"排气")与加热器头3006的 加热器管3004直接热接触。热能通过传导被从排气传递到加热器管 3004并且被从加热器管3004传递到发动机的工作流体，通常为氦气。
可以使用其它气体，诸如，例如氮气或者气体混合物，其中优选的工 作流体具有高的导热性和低的粘度。在各种实施例中使用了非可燃气
体。当排气围绕加热器管3004的表面流动时，热量被从排气传递到加 热器管3004。箭头3042示出排气流动的大致径向方向。箭头3040示 出当它从燃烧器3036离开时排气的流动方向。从燃烧器3036离开的 排气趋向于过度加热加热器管3004的上部(靠近U形弯曲部分)，因 为与加热器管的底部(即，靠近燃烧器3036的底部)相比，靠近加热 器管的上部，排气流量更大。
外燃机的总体效率部分地依赖于在发动机的燃烧气体和工作流体 之间的热传递效率。
返回图29，通常，内部加热器管2918比外部加热器管2916温度 高几百摄氏度。燃烧器功率并且如此提供给工作流体的加热量因此受 到内部加热器管2918温度的限制。如果内部和外部加热器管具有几乎 相同的温度，则最大热量将被传递到工作气体。通常，如在这里描述 的实施例，或者增加到外部加热器管的热传递或者降低到内部加热器 管的热传递率。
图31是根据一个实施例的排气流集中器和管式加热器头的透视 图。以横向流到汽缸例如加热器管的热传递通常被限制在加热器管的 仅仅上游半部。然而，由于流动分离和再循环，在加热器管的后侧(或 者下游半部)上的热传递几乎为零。排气流集中器3102可以被用于通 过引导热的排气围绕外部加热器管的下游侧(即后侧)流动而改进从
48排气到外部加热器管的下游侧的热传递。如在图31中所示，排气流集 中器3102是置于加热器管3104后部外侧的柱体。可以利用耐热合金 优选地高镍合金例如Inconel 600、 Inconel 625、不锈钢310和316以 及更加优选地Hastdloy X制造排气流集中器3102。在排气流集中器 3102中的开口 3106与外部加热器管排成一行。开口 3106可以具有任 何数目的形状例如狭槽、圆形孔、卵形孔、正方形孔等。在图31中， 开口 3106被示为狭槽。在一些实施例中，狭槽3106具有大致等于加 热器管3104的直径的宽度。排气流集中器3102优选地距外部加热器 管的距离等于一到两个加热器管直径。
图32示意使用如在图31中所示的排气流集中器的排气流动。如 上所述，热传递基本被限制为加热器管3204的上游侧3210。使用排气 流集中器3202，强制排气流动通过开口 3206，如由箭头3212所示。 据此，如在图32中所示，排气流集中器3202增加了经过加热器管3204 的下游恻3214的排气流动3212。经过加热器管3204的下游侧3214的 增加的排气流动改进了从排气到加热器管3204的下游侧3214的热传 递。而这又增加了到工作流体的热传递效率，这能够增加发动机的总 体效率和功率。
返回图31，排气流集中器3102还可以通过辐射改进到加热器管 3104的下游侧的热传递。参考图33，如果在排气和排气流集中器之间 存在足够的热传递，则排气流集中器3302的温度将接近排气的温度。 在一些实施例中，排气流集中器3302并不承受任何负载并且因此可以 在1000摄氏度或者更高温度下操作。相反，加热器管3304基本上在 700摄氏度下操作。由于该温差，排气流集中器3302然后可以向更冷 的加热器管3304热辐射，由此增加到加热器管3304和发动机的工作 流体的热传递。热传递表面(或者鳍片)3310可以被添加到排气流集 中器3302以增加随后可以通过辐射而被传递到加热器管的、由排气流 集中器3302捕集到的热能量。鳍片3310在开口 3306外侧和在开口 3306 之间的位置处被联接到排气流集中器3302，从而排气流被沿着排气流集中器引导，由此降低通过排气流集中器中的每一个开口的辐射热能
损失。鳍片3310优选地通过点焊而被联结到排气流集中器3302。可替 代地，鳍片3310可以被熔焊或者铜焊到排气流集中器3302。应该利用 与排气流集中器3302相同的材料制造鳍片3310以减小热膨胀差异和 随之引起的裂纹。可以利用耐热合金，优选地高镍合金例如Inconel 600、 Inconel 625、不锈钢310和316以及更加优选地Hastelloy X制造鳍片 3310。
如上关于图30所述，排气从燃烧器的径向流动最靠近燃烧器的出 口 (即，加热器管的上部U形弯曲部分)。这部分地是由于在排气流 动中引起的涡流和当排气离开燃烧器时的突然膨胀。在加热器管的顶 部处的高排气流率在加热器管的顶部处形成热点并且降低了到加热器 管的下部分的排气流动和热传递。局部过热(热点)可以导致加热器 管失效并且由此导致发动机故障。图34是根据一个实施例的排气流轴 向均衡器的透视图。排气流轴向均衡器3420被用于当排气沿着径向从 管式加热器头流出时改进排气沿着加热器管3404的纵向轴线的分布。
(排气的典型径向流动在图30中示出。)如在图34中所不，排气流 轴向均衡器3420是具有开口 3422的柱体。如上所述，开口 3422可以 具有任何数目的形状例如狭槽、圆形孔、卵形孔、正方形孔等。可以 利用耐热合金，优选地高镍合金包括Inconel 600、 Inconel 625、不锈钢 310和316以及更加优选地Hastelloy X制造排气流轴向均衡器3420。
在一些实施例中，排气流轴向均衡器3420被置于加热器管3404 和排气流集中器3402外侧。可替代地，排气流轴向均衡器3420可以 由自身使用(即，不带排气流集中器3402)并且被置于加热器管3404 外侧以改进从排气到加热器管3404的热传递。如在图34中所示，排 气流轴向均衡器3420的开口 3422被如此成形，使得它们在加热器管 3404的底部处提供更大的开口。换言之，如在图34中所示，开口 3422 的宽度沿着加热器管3404的纵向轴线从顶部到底部增加。通过排气流 轴向均衡器3420的、靠近加热器管3404的下部的开口 3422的、增加的排气流动区域抵消了排气流动集中靠近加热器管3404的顶部的趋势 并且由此均衡了径向排气流动沿着加热器管3404的纵向轴线的轴向分 布。
在另一实施例中，如在图35中所示，间隔元件3504可以被添加 到排气流集中器3502以减小在加热器管3506之间的间隔。可替代地， 当不带排气流集中器3502地使用间隔元件3504时，间隔元件3504能 够被添加到排气流轴向均衡器3520 (图34所示)。如在图35中所示， 间隔元件3504被置于开口内侧和开口之间。间隔器3504形成强制排 气增加它的经过加热器管3506侧面的速度的窄的排气流道。增加的燃 烧气体速度由此增加了从燃烧气体到加热器管3506的热传递。另外， 间隔元件还可以通过辐射改进到加热器管3506的热传递。
图36是根据可替代实施例的管式加热器头3606和燃烧器3608的 截面侧视图。在该实施例中，与如在图30中所示置于一组加热器管3604 的上方相反，燃烧器3608的燃烧腔室被置于一组加热器管3604内侧。 穿孔的燃烧腔室衬里3615被置于燃烧腔室和加热器管3604之间。穿 孔的燃烧腔室衬里3615保护内部加热器管免受燃烧腔室中的火焰的直 接冲击。象排气流轴向均衡器3420那样，如上关于图34所述，穿孔 的燃烧腔室衬里3615均衡了沿着加热器管3604的纵向轴线的径向排 气流动，从而经由加热器管3604的顶部(靠近U形弯曲部分)的径向 排气流动大致相当于经由加热器管3604的底部的径向排气流动。在穿 孔的燃烧腔室衬里3615中的开口被如此布置，使得离开穿孔的燃烧腔 室衬里3615的燃烧气体在内部加热器管3604之间经过。使燃烧气体 偏转离开内部加热器管3604的上游侧将降低内部加热器管温度，而这 又允许更高的燃烧器功率和更高的发动机功率。排气流集中器3602可 以被置于'加热器管3604外侧。在上面关于图31和32描述了排气流集 中器3602。
在图37中示出用于增加从燃烧气体到管式加热器头的加热器管的热传递从而由此将热量传递到发动机的工作流体的另一种方法。图
37是根据一个实施例包括偏流器鳍片的管式加热器头的透视图。偏流 器鳍片3702被用于围绕加热器管3704，包括加热器管3704的下游侧 引导排气流动，从而增加从排气到加热器管3704的热传递。偏流器鳍 片3702沿着偏流器鳍片的全部长度被热连接到加热器管3704。因此， 除了引导排气流动，偏流器鳍片3702还增加了用于通过传导将热量传 递到加热器管3704，并且由此传递到工作流体的表面面积。
图38是根据一个实施例包括偏流器鳍片的管式加热器头的截面 顶视图。通常，外部加热器管3806具有大的管间的间隔。因此，如在 图38中所示的一些实施例，在外部加热器管3806上使用偏流器鳍片 3802。在可替代实施例中，偏流器鳍片能够被置于内部加热器管3808
(在图39中还被示为3908)上。如在图38中所示， 一对偏流器鳍片 被连接到每一个外部加热器管3806。 一个偏流器鳍片被联结到加热器 管的上游侧并且一个偏流器鳍片被联结到加热器管的下游侧。在一些 实施例中，偏流器鳍片3802具有"L"形截面，如在图38中所示。每 一个偏流器鳍片3802被铜焊到外部加热器管从而一个加热器管的内部
(或者上游)偏流器鳍片与相邻加热器管的外部(或者下游)偏流器 鳍片交迭以形成蛇形流道。由偏流器鳍片引起的排气流动路径由箭头 3814示出。偏流器鳍片3802的厚度降低了排气流道的尺寸，由此增加 了排气流动速度。而这又使得改进了到外部加热器管3806的热传递。 如上关于图37所述，偏流器鳍片3802还增加了外部加热器管3806的、 用于通过传导将热量传递到外部加热器管3806的表面面积。
图39是根据一个实施例的、图37的管式加热器头的一个部分的 截面顶视图。如上关于图38所述， 一对偏流器鳍片3902被铜焊到每 一个外部加热器管3906。在一些实施例中，偏流器鳍片3902沿着加热 器管的全部长度使用镍铜钎焊而被联结到外部加热器管3906。可替代 地，能够利用其它高温材料铜焊、熔焊或者使用本技术领域中已知的 在偏流器鳍片和加热器管之间提供机械和热结合的其它技术结合偏流器鳍片。
在图40中示出偏流器鳍片的可替代实施例。图40是根据一个实 施例包括单一偏流器鳍片的管式加热器头的一个部分的顶视图。在该 实施例中，单一偏流器鳍片4002被连接到每一个外部加热器管4004。 在一些实施例中，偏流器鳍片4002沿着加热器管的全部长度使用镍铜 钎焊而被联结到外部加热器管4004。可替代地，可以利用其它高温材 料铜焊、熔焊或者使用本技术领域中已知的在偏流器鳍片和加热器管 之间提供机械和热结合的其它技术结合偏流器鳍片。偏流器鳍片4002 被用于围绕加热器管4004,包括加热器管4004的下游侧引导排气流动。 为了增加从排气到加热器管4004的热传递，偏流器鳍片4002被热连 接到加热器管4004。因此，除了引导排气的流动，偏流器鳍片4002还 增加了用于通过传导将热量传递到加热器管4004，并且由此传递到工 作流体的表面面积。
图41是根据一个实施例包括如在图40中所示的单一偏流器鳍片 的管式加热器头的一个部分的截面顶视图。如在图41中所示，偏流器 鳍片4110被置于加热器管4106的上游侧上。偏流鳍片4110被成形为 保持距加热器管4106的下游侧的恒定距离并且因此改进到加热器管 4106的热量传递。在可替代实施例中，偏流器鳍片能够被置于内部加 热器管4108上。
在功率和效率这两个方面，发动机性能在发动机膨胀空间中的工 作气体的最高可能温度下最高。然而，最大工作气体温度通常受到加 热器头的性质限制。关于具有管式加热器头的外燃机，最大温度受到 加热器管的冶金性质限制。如果加热器管变得太热，则它们可能软化 并且失效，从而导致发动机停机。可替代地，在太高的温度下，加热 器管将被严重氧化并且失效。因此，控制加热器管的温度对于发动机 性能而言是重要的。温度感测装置例如热电偶可以被用于测量加热器 管的温度。温度传感器安装方案可以将传感器热结合到加热器管并且将传感器从热得多的燃烧气体隔离。为了加热器头的寿命，安装方案 应该是足够稳健的，以承受靠近加热器管发生的、燃烧气体的热氧化 环境和火焰冲击。 一组安装方案包括将热电偶直接地铜焊或者熔焊到 加热器管。热电偶能够被安装在加热器管的、被暴露于最热燃烧气体 的部分上。其它可能的安装方案允许更换温度传感器。在一个实施例 中，温度传感器位于被热结合到加热器管的热电偶套管中。在另一实 施例中，安装方案是，以机械方式将温度传感器保持在加热器管上的 安装架，例如套筒。
图42是汽缸4204和燃烧器4210的截面侧视图。温度传感器4202 被用于监控加热器管的温度并且向发动机的燃料控制器(未示出)提 供反馈，从而保持加热器管处于所期温度下。在一些实施例中，使用 Inconel 625制造加热器管并且所期温度是930摄氏度。对于其它加热 器管材料而言，所期温度将是不同的。温度传感器4202应该被置于加 热器管的最热的并且因此有限部分处。通常，加热器管的最热部分将 是内部加热器管4206的、靠近加热器管的顶部的上游侧。图42示出 在内部加热器管4206的上游侧上安置温度传感器4202。在一些实施例 中，如在图42中所示，利用被焊接到加热器管的金属条带4212将温 度传感器4202夹紧到加热器管从而在温度传感器4202和加热器管 4206之间提供良好的热接触。在一个实施例中，加热器管4206和金属 条带4212这两者均可以是Incond 625或者其它耐热合金例如Inconel 600，不锈钢310和316和Hastelloy X。温度传感器4202应该与加热 器管良好热接触，否则它可能具有过高温度并且发动机将不会尽可能 多地产生功率。在可替代实施例中，温度传感器护套可以被直接地焊 接到加热器管。
在另一实施例中，如在图43A-B中所示，利用被结合到加热器管 4310的外部的、难熔或者耐高温金属例如Inconel的成形条带或者护 套形成温度传感器安装架4320。传感器安装护套4320被形成或者成形 为当被联结到加热器管时形成装置容纳空隙的通道。在特定实施例中，通道是v形的，以容纳插入的热传感器例如热电偶装置。成形通道然后被结合到加热器管4310的外部，如在图43A中所示。
图43A示出在加热器管4310上的传感器安装护套4320的侧视图，而图43B是沿着传感器安装护套4320的轴线的视图。金属应该足够薄以形成加热器头，而足够厚以提供加热器头的额定寿命。在一些实施例中，金属大致在0.005"和0.020"厚之间。金属可以被弯曲从而弯曲部沿着条带长度。这个"V形通道"护套4320然后通过高温铜焊而被固定到加热器管的外部。在铜焊之前，护套在几个位置处可以预焊以确保护套在铜焊过程期间并不移动，如在图43A中所示。优选地，在铜焊期间使用的铜焊化合物通常是高镍合金；然而，可以承受铜焊温度的任何化合物都是可行的。可替代地，护套可以利用电子束或者激光焊接而被结合到加热器管。
现在参考图43B,通过将护套附于加热器管而形成空腔4330。这个空腔4330被如此形成，使得它可以接受一种装置例如热电偶。当被形成和铜焊时，该空腔可以有利地具有适配热电偶的尺寸。优选地，在所述适配中，热电偶被压向加热器管的外部。优选地，该护套被热连接到加热器管。如果护套未被热连接到加热器管，则护套可能不被工作气体"冷却"。缺乏冷却可以引起护套在或者靠近燃烧气体温度操作，该温度通常足够高以至最终烧尽任何金属。将传感器安装架铜焊到加热器管导致良好的热接触。可替代地，传感器安装护套4320能够沿着两侧被连续地焊接以提供充分的热连接。
在另一实施例中，如在图44A-B中所示，能够形成第二金属条带以在传感器安装架4420之上形成护罩4450。护罩4420可以被用于改进空腔4430中的温度传感器和加热器管4410之间的热连接。护罩4450将传感器安装护套4420与热燃烧气体的对流加热隔离开并且因此改进到加热器管的热连接。此外，优选地存在隔离空间4440以帮助进一步将温度传感器从热燃烧气体隔离，如在图44B中所示。
55在另一特定实施例中，如在图45A和45B中所示，温度传感器安装架4520能够是被结合到加热器管4510的前边缘的小直径管或者套筒4540。图45A示出在加热器管4510上的安装架的侧视图，而图45B是沿着管4540或者套筒的轴线的视图。传感器管4540优选地利用基本铜焊钎角4530而被焊接到加热器管。大的铜焊钎角4530将扩大在加热器管和传感器安装架之间的热结合。在另一实施例中，管或者套筒4540可以具有护罩。如上所述，外部护罩盖可以帮助将温度传感器安装架4520与对流热传递隔离开并且改进到加热器管的热连接。
在管式加热器头的一个可替代实施例中，可以利用几个螺旋形缠绕的加热器管替代U形加热器管。通常，需要更少的螺旋形加热器管来实现在排气和工作流体之间的类似的热传递。降低加热器管的数目减少了加热器头的材料和制造成本。通常，螺旋形加热器管并不要求形成和联结鳍片的另外的制造步骤。另外，螺旋形加热器管提供更少的能够失效的接头，因此增加了加热器头的可靠性。
图46A-46D是根据一些实施例的螺旋形加热器管的透视图。可以通过围绕心轴缠绕管材以形成紧密螺旋线圈4604而由单一的管材长条形成如在图46A中所示的螺旋形加热器管4602。加热器管然后被以直角弯曲以从螺旋部分4606形成直的返回通道。可以在最终螺旋环形成之前形成直角从而返回通道能够被调整为正确的角度。图46B和46C示出螺旋形加热器管的其它视图。图46D示出螺旋形加热器管的可替代实施例，其中直的返回通道4606通过螺旋线圈4604的中心。图47示出根据一个实施例的螺旋形加热器管。在图47中，螺旋形加热器管4702被成形为双重螺旋。可以使用被缠绕以形成双重螺旋的U形管形成加热器管4702。
图48是根据一个实施例具有螺旋形加热器管(如在图46A中所示)的管式加热器头的透视图。螺旋形加热器管4802在加热器头4803的顶部上被以圆形样式安装以在螺旋形加热器管4802的中央处形成燃烧腔室4806。螺旋形加热器管4802围绕燃烧腔室4806的外侧提供相当数量的热交换表面。
图49是具有根据一些实施例的螺旋形加热器管的燃烧器和管式加热器头的截面视图。螺旋形加热器管4卯2将回热器4卯4的热端部连接到汽缸4905。螺旋形加热器管4902被布置成为燃烧器4907形成燃烧腔室4卯6 (在图50中还被示为5006)，燃烧器4907共轴地安装在螺旋形加热器管4902的上方。燃料和空气在燃烧器4907的喉口 4908中混合并且在燃烧腔室4906中燃烧。热燃烧气体(或者排气)沿着螺旋形加热器管4902流动，如由箭头4914所示，从而当它经过螺旋形加热器管4902时向工作流体提供热量。
在一个实施例中，加热器头4903 (在图50中还被示为5003)进一步在每一个螺旋巻绕加热器管4902的顶部处包括加热器管帽体4910以防止排气进入每一个加热器管的螺旋线圈部分4901 (在图50中还被示为5001)并且离开线圈的顶部。在另一实施例中，环形金属件覆盖所有的螺旋巻绕加热器管的顶部。加热器管帽体4910防止排气在螺旋形加热器管之间沿着加热器头轴线流动到螺旋形加热器管的顶部。在—个实施例中，加热器管帽体4910可以是Inconel 625或者其它耐热合金例如Inconel 600、不锈钢310和316和Hastelloy X。
在另一实施例中，利用可模压的陶瓷坯泥覆盖加热器头4903的在螺旋形加热器管4卯2下面的顶部。陶瓷坯泥将加热器头4903与燃烧腔室4906中的火焰的冲击加热以及排气隔离开。另外，陶瓷阻挡排气在螺旋形加热器管4902之间或者在每一个加热器管的螺旋线圈部分4901内侧沿着加热器头轴线流动到螺旋形加热器管4902的底部。
图50是根据一个实施例具有螺旋形加热器管的管式加热器头的顶视图。如在图50中所示，每一个螺旋形加热器管5000的返回或者直线部分5002有利地被置于相邻螺旋形加热器管5000之间的间隙5009外侧。平衡排气通过螺旋形加热器管5000的流动与排气通过螺旋形加热器管5000之间的间隙5009的流动是重要的。通过将螺旋形加热器管的直线部分5002置于间隙5009外侧，增加了经过螺旋形加热器管的排气的压降，由此迫使更多的排气通过在此处具有高的热传递和热交换区域的螺旋线圈。并不在螺旋形加热器管之间经过的排气将揸击在螺旋形加热器管的直线部分5002上，从而在排气和直线部分之间提供高的热传递。图49和50这两图均示出尽可能靠近到一起地放置的螺旋形加热器管，从而使排气在螺旋形加热器管之间的流动最小化并且因此使热传递最大化。在一个实施例中，螺旋巻绕加热器管4901可以被如此布置，使得线圈嵌套到一起。
针销或者鳍片热交换器
现在参考图51A和51B,鳍片或者针销可以可替代地被用于增加在热流体燃烧产物和实心加热器头之间的界面区域，从而继而将热量传递到发动机的工作流体。加热器头5100可以在加热器头和膨胀汽缸衬里5115之间的空间中具有这里在加热器头5100的内表面上示出的热传递针销5124。另外地，如在图51B中所示，在沿着与图51A的膨胀空间5198的不同直径截取的斯特林循环发动机5196的截面中，热传递针销5130还可以被置于加热器头5100的外表面上，从而为从燃烧器5122流经热传递针销的燃烧气体通过传导而将热量传递到加热器头5100并且由此传递到工作流体提供大的表面面积。短划线5131代表膨胀汽缸的纵向轴线。图51B还示出根据一个实施例衬在加热器头5100的顶部的内表面和外表面的热传递针销5133。面向内部的热传递针销5124用于为通过传导而将热量从加热器头5100传递到被膨胀活塞从膨胀空间5198移位并且被驱动通过回热器腔室5132的工作流体提供大的表面面积。在如前所述以其整体通过引用并入的美国专利No.6， 381， 958和No. 6， 966， 182中公开了加热器头5100的另外的实施例。根据加热器头5100的尺寸，数百个或者数千个内部热传递针销5124和外部热传递针销5130可能是理想的。
用于制造具有热传递针销5124和5130的加热器头5100的一种方
法包括作为一体单元铸造加热器头和针销(或者其它突起)。用于作为一体单元制造加热器头和针销的铸造方法包括例如熔模铸造、砂模
铸造或者压铸。
对于改进在表面和流体之间的热传递而言，虽然使用针销鳍片是已知的，但是尽管在单一步骤中铸造加热器头及其热交换表面是生产加热器头的最为成本有效的方法之一的事实，在斯特林发动机的柱形加热器头上一体地铸造径向针销鳍片在本技术领域中也尚未得以实践或者提出。在下面进一步讨论了在成一体地铸造径向针销鳍片中遇到的困难。能够作为柱形壁的一个部分铸造的针销鳍片可以允许以廉价的方式制造用于斯特林发动机的、高度有效的加热器头和/或冷却器。
铸件是通过产生负形的所期部件而制成的。所有形式的生产铸造(砂模、熔模和注塑)都包括通过将材料注入模具中并且然后从材料移除模具以保留所期的负形或者正形从而形成延伸表面和细节。从材料移除模具要求全部延伸表面至少是平行的。事实上，良好的设计实践要求在这些延伸表面上具有微小的拔模斜度从而将它们干净利落地剥离。在汽缸的外侧或者内侧上形成径向针销将要求模具包含沿着不同方向拉开的数十或者数百个部件。这种模具的成本将是难以承受的。
根据各种实施例，针销或者鳍片可以使用生产砂模、熔模或者金属注入铸造方法而被铸造到斯特林热交换器的内侧和外侧表面上。参考图52A-52D和53D，并且首先参考图52A,针销5202被布置成围绕加热器头5100的柱形壁5210的几组5208平行针销5202，加热器头5100在图52B中以平行于中心轴线的截面示出并且在图52C中以横向于中心轴线的截面示出。应该指出，可以有利地在任何其它热交换器应用中更加一般性地应用在这里描述的技术。在每一组5208中的所有 的针销5202是相互平行的。仅仅在组的中心处的针销5202是真正径 向的。在组的外侧上的针销，例如在图52C和53D中由附图标记5204 标注的那些针销朝向组的中心从局部半径向内倾斜以例如基本平行于 径向线5212。另外，在组的外侧上的针销优选地比更加靠近组的中心 的针销通常长微小量。然而，在于图52A-52C和53D中描绘的实施例 中，热传递只是从组的中心到外侧仅仅稍微地改变，其中5组5208平 行针销围绕汽缸5210提供大致径向的针销鳍片。
在根据一些实施例的铸造过程中，每一组平行鳍片的正或者负模 具被形成为单一件。几个模具件然后被组装以形成用于砂模铸造的负 形。在熔模铸造中，正蜡像能够在注入模具中形成，使得仅仅少数的 分离部件沿着不同的方向拉开。所得模具以可接受的成本形成，由此 使得针销鳍片加热器头的生产在经济方面是可行的。
根据各种实施例可以通过熔模、或者熔模铸造、铸造以及通过砂 模铸造、压铸或者其它铸造过程实现具有延伸到为柱形壁的部分的内 部和外部的突起例如针销的加热器头的铸造。可以作为加热器头的一 个部分一体地铸造内部或者外部突起或这两者。
虽然与加工或者组装针销阵列相比通常更加廉价地实现铸造针销 阵列，但是铸造针销阵列可以仍然具有相伴的困难和相当的成本。另 外地，铸造过程可能产生针销密集度并不充分的加热器头，因此增加 了未能与加热器头表面碰撞的气体的比率并且降低了热传递效率。
用于在加热器头5100的表面上密集热传递针销的方法的一个实 施例要求在分离的制造过程中制造加热器5100和热传递针销的阵列。 热传递针销5252的阵列5250 (在图53B中还被示为5350)可以被与 面板5254 —起地铸造或者注入模制，从而产生图52D所示的一体背衬 面板结构。在铸造或者模制之后，针销阵列5250通过高温铜焊而被安
60装到加热器头的内表面和外表面。因此，可以有利地实现更加密集化 的加热器头，由此经过针销的气体泄漏速率是低的。在其它实施例中，
可以利用各种机械装置将面板5254固定到加热器头。
如例如在Aerospace Structural Metals Handbook (航空结构金属手 册)，代码4218, p. 6 ( 1999)中描述的瞬时液相(TLP)结合对于 将面板铜焊到加热器头而言是特别有利的，因为，加热器头制造通常 采用的镍基超合金，难以通过传统过程焊接，并且在高应力和高温环 境中操作。在该申请中的TLP粘结的优点在于，由TLP拉牢的部件使 用母材料而被有效地悍接并且具有与一体铸造部件几乎相同的抗拉强 度性质。TLP结合物并不在升高的温度下再熔化，而典型的铜焊将在 铜焊温度下再熔化。如在本申请那样，在可能发生超温的升高温度下 连续操作的情形中，这是特别有意义的。
针销的面板5254可以通过其它装置而被联结到加热器头或者冷 却器的内部或者外部。在一个可替代实施例中，面板可以在它的侧向 边缘处被以机械方式联结到狭槽中。狭槽被设于分隔器5306 (在以下 讨论中描述)中。在另一实施例中，面板通过铜焊而被联结到加热器 头或者冷却器。在又一个实施例中，通过将面板烧结到加热器头或者 冷却器的柱形壁而将面板联结到加热器头或者冷却器。
如在图52C、 53A和53B中所示的分隔器5306可以有利地改进针 销鳍片面板的热传递率。另外地，它们可以为定位温度传感器提供方 便的位置。最后，分隔器可以有利地在一个实施例中提供一种用于将 针销的面板联结到加热器头的方便的结构，并且根据另一实施例提供 一种用于铸造操作的分型线。
分隔器5306可以用于以以下方式改进针销鳍片阵列的热效应。再 次参考图52A，关于流动通过交错针销鳍片的流体的热传递率显著地 高于关于流动通过对齐的针销鳍片的流体的热传递率。接近交错针销阵列5208的流体将与沿着汽缸的长度的轴向路径成45度的角度行进， 其中歪斜方向由附图标记5214标注。为了提供改进的热传递，根据一 些实施例，设置了分隔器5206、 5306，以强制流体沿着由附图标记5212 标注的路径流动通过交错的针销鳍片阵列。除了强制流动沿着轴向行 进，分隔器还为上述铸造模具提供了方便的界面和结合平面。
在特定实施例中，每一个均具有它的相关联面板片段5254的各个 阵列5250，构成围绕加热器头的周向距离的弓形段。在图53A中以透 视方式示出的加热器头组件的顶视图中，这是明显的。如加热器头的 外表面5302那样，示出了汽缸盖5320。支撑热传递针销阵列的支撑器 片断未示出，而是在组装期间被插入围绕加热器头的外表面5302的空 间5304中。梯形分隔器5306位于相继的热传递针销阵列片断之间， 梯形分隔器5306带有挡板以阻挡排气沿着向下方向流动通过除了经过 热传递针销之外的任何路径。
在一个实施例中，流动分隔器5306包括用于在铜焊之前在组装期 间以机械方式保持面板片断5254，或者仅仅朝着加热器头5302以机械 方式保持面板5254的结构。
为了使发动机功率最大化，考虑到冶金蠕变和抗拉强度、应力以 及适当的安全性因素，加热器头的最热部分优选地处于允许的最高温 度下。在最高温度下维持加热器头的最热部分要求测量加热器头的最 热部分的温度。沿着针销鳍片阵列的任何轴向位置，分隔器在加热器 头上为温度传感器提供了方便的位置和路径。气体流道盖5340在外侧 上限定了热气体流动路径5313 (也在图51A中示出)。因为排气并不 流动通过分隔器5306，所以温度传感器例如热电偶5138 (图51A和 53中所示)被有利地置于分隔器5306中从而监控温度传感器所热接触 的加热器头5100的温度。在其中针销支撑器已被移除的图53B的视图 中更加清楚地示出了在分隔器5306内安装的针销阵列5250和温度传 感器5138的位置。如在图53B中描绘地，温度感测装置5138优选地被置于分隔器 5306内。更加具体地，温度传感器5138的温度感测尖端5339优选地 尽可能靠近汽缸盖5320地位于相应于分隔器5306的狭槽中，因为这 个区域通常是加热器头的最热部分。可替代地，温度传感器5138可以 被直接地安装到汽缸盖5320，然而如所描述那样在狭槽中定位传感器 被用在一些实施例中。在功率和效率这两个方面，发动机性能在最高 可能温度下是最高的，然而最大温度通常受到冶金性质限制。因此， 传感器5138应该被放置成测量加热器头的最热并且因此有限部分的温 度。另外地，应该利用陶瓷绝缘5342将温度传感器5138从燃烧气体 和分隔器5306的壁绝缘，如在图53C中所示。陶瓷还能够与分隔器的 壁形成粘结结合以将温度传感器保持到位。温度传感器5138的电导线 5344也应该被电绝缘。
虽然燃烧器被设计成具有周向对称性，但是热点可能在加热器头 5320上形成。加重该问题的是，通常被采用来制造加热器头的合金由 于它们的高熔点而具有相对不良的导热性。 一旦热点形成，它们便易 于一直存在，因为在加热器头外侧的气体流动是轴向的而非周向的， 因为分隔器5306 (图53A所示)阻碍了任何周向流动。另外地，加热 可以增加局部气体粘度，由此将更多流动重定向到其它流道。为了均 衡在加热器头上的温度分布，具有大于0.001英寸并且优选地大约0.005 英寸的厚度的、高度导热金属例如铜的层通过沉积或者电镀或者其它 涂覆方法而被涂覆到加热器头5320的内表面5348。可替代地，根据另 一实施例，类似的涂层可以被涂覆到外表面。
为了保持斯特林循环发动机具有小的尺寸，扩大从燃烧气体通过 加热器头的热通量是重要的。虽然现有技术采用在其中实现了到工作 流体的热传递的管道环，但是由于更加复杂环形几何形状和额外的材 料，管道环造成低的可靠性(因为管道环在机械方面是脆弱的)和更 高的成本。对于热通量的限制约束是加热器头材料的热力学一机械性
63质，即加热器头材料应该能够承受燃烧腔室的高温同时保持加压头的 结构完整性。最大设计温度是由通常在壁的顶部处的、加热器头的最 热点确定的。理想地，全部的加热器壁的热部分将在如例如可以通过 控制燃料流动而控制的这个最大温度下。
当燃烧气体在气体流道5U3、 5313 (图51A所示)中行进经过加 热器头时，因为热量被从气体传递到加热器头，所以气体温度降低。 结果，应该根据被用于加热器头的材料设定在气体流道的顶部处的最 大允许加热器头温度。优选地从通常被称作超合金的高镍合金族中选 择该材料例如Inconel 600 (在软化之前具有最大温度T.sub.max=800 摄氏度)、Inconel 625 (T.sub.max =900摄氏度)、Inconel 754 (T.sub.max =1080摄氏度)或者Hastelloy GMR235 (T.sub.max =935摄氏度)。 在气体流道5113、 5313中的气体可以在经过流道时冷却350摄氏度， 从而导致热区段的底部欠热。
根据一些实施例，利用如现在描述的热传递几何形状控制加热器 壁的温度廓线。用于控制几何形状的一种方法是通过提供可变截面的 气体流道5U3、 5313 (图51A和54A所示)。流道的径向尺寸(垂直 于加热器头的壁)并且因此流道的截面在加热器壁的顶部处是大的， 由此允许大量气体绕过在壁的顶部处的针销阵列。绕过针销阵列允许 更热的气体到达在壁的底部处的针销阵列，由此允许底部针销阵列更 加靠近它的最大温度操作。使用可变截面气体流道，从加热器的顶部 到热部分的底部(在回热器空间5132之前，图51A所示)的温度梯 度已被从等于350摄氏度降低到100摄氏度。
用于控制几何形状的第二方法是通过作为沿着气体流道的位置的 函数改变针销阵列的密集度和几何形状。可以通过改变针销的高度/直 径(H/D)比率调节针销的几何形状。如果铸造过程被用于形成针销阵 列，则可以通过该过程限制H/D比率的范围。如果使用针销环，则可 以延伸H/D比率的范围。现在参考图53E、 53F、 54A和54B，箭头5402标注经过加热器 头5100的已加热排气的路径。外部热传递针销5130挡住已加热排气 并且经由加热器头5100和内部热传递针销5124将热量传递到沿着路 径5404被从膨胀汽缸5115驱动的工作流体。(为了清楚起见，在图 54A中概略地示出热传递针销5130和5124。在图53E、 53F和54B的 视图中未按比例描绘出另外的热传递针销5130和5124。)例如相继的 热传递针销5406、 5408和5410，为排气沿着路径5402的流动提供了 逐渐更大的截面。因此，虽然排气在到达下部针销之前已经传递了它 的热量中的一个部分，但是热量在那里被以更高的导热率提取，由此 降低了膨胀空间5198和回热器空间5132之间的工作流体路径的顶部 5412和底部5414之间的温度梯度。在图54A中示意出膨胀汽缸5115 的表面的典型温度在汽缸的顶部处850摄氏度，在汽缸的中心处750 摄氏度，和，在汽缸最靠近回热器空间的端部处600摄氏度。
用于实现热量从排气到加热器头的更加均匀分布的另一方法是利 用同心渐缩针销支撑器5146在加热器头的外径上形成渐縮的分隔器， 如在图54A中所示。图54A的截面视图示出渐缩针销支撑器5146如何 允许最热排气中的一些绕过靠近加热器头的顶部的针销。针销支撑器 5146在针销的外侧上形成变窄的环形间隙，该环形间隙逐渐地强制越 来越多的排气进入针销热交换器中。
现在参考图55A-55D描述用于如以上所讨论的那样增加在固体例 如加热器头5100和流体例如燃烧气体之间的界面的表面面积的另一方 法。可以通过在图55A的顶视图和图55B的侧视图中示出的薄的环形 环5162中冲孔5160而获得类似于通过铸造或者以其它方式制造热传 递针销的效果。可以被称作"热传递针销环"的环5162的厚度与以上 讨论的热传递针销的厚度相当，并且受到导热材料在燃烧气体穿越孔 5160的高温下的强度的控制。孔5160在每一个环内的形状和布置是关 于特定应用的设计问题，实际上，孔5160可以不被固体材料围绕。环5162的材料优选地是耐氧化金属例如Inconel 625或者Hastelloy GMR 235，但是可以使用其它导热材料。可以通过金属冲压过程而以 廉价的方式生产环5162。环5162然后被安装并且铜焊或者被以其它方 式结合到加热器头5100的外表面，如在图55C中关于外部针销环5164 并且在图55D中关于内部针销环5166示出地。另外的环可以被散布于 针销环之间以控制在针销之间的竖直间隔。在内部针销环5166的内部 中示出膨胀汽缸衬里5U5。
热传递环5162可以有利地被应用于加热器头的内部以及热循环 发动机的冷却器的外部和内部。在这些应用中，热传递环不需要是耐 氧化的。优选地在加热器头的内部上使用包括铜和镍的材料，而用于 冷却器的环优选地由包括铝、铜、锌等的各种高导热性材料之一制成。
在垂直于汽缸轴线5168的部分中获取的热传递针销的总截面面 积不需要是恒定的，实际上，如以上参考图54详细讨论的那样，它有 利地是改变的。
参考图56A到56C，还可以从各种折叠鳍片结构5600、 5602或者 5604形成内部或者外部热交换表面。折叠鳍片结构可以由类似于加热 器头压力圆顶的材料或者可以提供改进的鳍片效率的高导热性材料例 如铜制成。利用高熔点材料例如加热器头5100 (图51A所示)的材料 制造的鳍片可以是从加热器头的顶部到底部连续的。折叠鳍片可以利 用薄片金属制造并且被铜焊到加热器头的内表面。例如示出三种折叠 鳍片配置波形鳍片5600、矛形鳍片5602和偏移鳍片5604。在每一 情形中，利用由附图标记5606标注的箭头示意出气体流动方向。
由不同于加热器头5100的金属形成的鳍片被以轴向片断联结以 避免热膨胀差异使得在鳍片和加热器头之间的铜焊接头断裂。图56C 的偏移鳍片配置有利地提供优于普通鳍片的优良热传递系数。为折叠鳍片使用高导热性金属可以有利地允许鳍片被制造得更 长，由此改进热传递并且降低气体流阻并且改进发动机效率。
加热器头支撑肋条
加热器头的壁在操作温度下应该足够得坚固，以承受升高的工作 气体压力。通常期望在尽可能高的工作气体压力下操作斯特林循环发 动机，因此，使得加热器头能够承受更高压力是非常有利的。在设计 加热器头时，应该记住的是，在给定操作温度下增加压力通常要求以 正比增加加热器头的壁厚度。在另一方面，加厚加热器头壁在外部热 源和工作气体之间产生了更长的热传导路径。
而且，热传导随着热交换器表面面积而增加，因此通过增加加热 器头的直径而增加了热效率。然而，在壁中的应力基本上与加热器头 的直径成比例，因此在给定温度和内部气体压力下增加加热器头直径， 要求以正比增加壁厚度。
在典型斯特林发动机加热器头温度下，强度考虑是相当的，事实 上，它们驱动最大操作温度，因为，如所讨论的那样，效率随着温度 而增加。当达到规定的升高温度时，材料蠕变和极限抗拉强度趋向于
急剧地下降。参考图57A，以镍合金定性行为的典型表示对于GMR235 镍合金示出在0.2%偏移下的屈服强度和极限抗拉强度。类似地，在图 57B中，能够看到，当温度从1500华氏度升高到1700华氏度时，GMR 235的每小时0.01%的蠕变率强度从40ksi降至一半。
例如在美国专利No. 6， 381, 958和No. 6， 966， 182中公开的 那些， 一些实施例提供增强加热器头5801的结构支撑的内部肋条(或 者环)5800，如在图58的截面中所示。肋条5800的特征在于内孔5802。 加热器头5801的蠕变强度和断裂强度因此主要地由加热器头的有效厚 度5804和内孔直径5802确定。通过加热器头的热量传导不受厚度5804 限制，因为加热器头的居间片断5806更窄并且提供增强的热量传导。
67肋条5800不仅减轻了在加热器头5801的外壁5808上的环向应力而且 另外地在加热器头内部提供补充性表面面积并且因此有利地增强了到 工作流体的热传递。
在加热器头内部提供肋条5800的进一步优点包括对于给定热传 递率降低沿着加热器头壁5808的温度梯度，以及允许在更高的热端部 工作温度下操作。另外地，通过降低在外壁上的应力要求，可以使用 镍基超合金的替代材料，从而有利地以降低的成本提供优良的传导性。
在图59中进一步示出具有肋条5800的加热器头5801的截面。短 划线5910标注膨胀汽缸的中心纵向轴线。根据各种实施例，膨胀汽缸 热套筒5912可以具有用于引导围绕周向肋条5800的工作气体(由5916 表示)流动的横向偏流器5914，从而增强到工作气体的热传递。肋条 5800的另外的宽度h有助于加热器头5801的环向强度，而热传递主要 地由外部加热器头壁5808的更窄厚度t控制。在典型的斯特林发动机 应用中，虽然加热器头外部可以在热达1800华氏度的温度下工作，但 是提供结构强度的肋条5800通常不在比1300华氏度更热的温度下工 作。
可以另外地根据几个可替代实施例获得如以上参考图58所讨论 的那样增强的导热性连同增强环向强度的优点。参考图60A和60B， 示出加热器头6030的截面，其中管状开口 6032平行于加热器头壁6008 延伸。如在沿着线AA截取的图60B的截面视图中所示，管子6032允 许工作气体沿着壁向下流动，从而增强从加热器头外侧到工作气体的 热传递。另外地，对于相同的热传递率，壁6008可以更厚，因此提供 另外的强度。而且，在通道6032内部的厚壁部分6010 (还在图61B中 被示为6110)保持比在其它情形中更冷，从而进一步提供另外的强度。 加热器头6030优选地与可以具有圆形截面或者具有其它形状的管状通 道6032 —起地铸造。图61A示出另一加热器头6140，其中管状开口 6132平行于加热 器头壁6108延伸并且被向外延伸到加热器头壁的更薄部分6142的开 口中断。如在沿着线AA截取的图62B的截面视图中所示，管子6132 允许工作气体沿着壁向下流动，从而将从加热器头外侧到工作气体的 热传递增强至与图62A和62B所示的直管设计相比被显著增强的程度。 另外地，开口 6144提供用于移除在铸造过程中使用的陶瓷核芯以形成 这种长的、薄的孔的另外的区域。孔的增加的可达性允许在制造过程 期间更快地对于核芯进行化学沥滤。
图62B示出又一种加热器头6250，其中在加热器头壁6208内成 螺旋形地设置肋条6252，由此提供沿着周向和轴向这两个方向具有增 强的刚度的壁。在工作气体朝向回热器流动时，工作气体流动通过在 膨胀活塞和加热器头之间的路径上的螺旋形物6254。图62B示出沿着 线AA截取的图62A的加热器头的横向截面。各种实施例包括采用对 于螺旋形物6254的线性或者其它近似以获得具有可比性的加强和热传 递优点。
优选地通过铸造制造图62A和62B的加热器头6250。在图62C 中示出用于铸造过程的核芯组件6260的侧视图。另外有利的是提供肋 条，从而为加热器头的圆顶提供内部支撑并且在圆顶上提供另外的热 交换，由此冷却圆顶的内表面。在图62D中并且在图62D中当从顶部 看时看到的截面中示出圆顶的相配核芯结构，在图62E中示出核芯组 件6260'的透视图。
应该理解，在这里描述的各种加热器头实施例和用于它们的制造 方法可以适合于在多加热器头配置中发挥作用。
回热器
如以上所讨论的那样并且如在美国专利No. 6， 591， 609和No. 6， 862， 883中描述的那样，在斯特林循环机器中使用回热器以在斯特林循环的不同阶段期间从工作流体增加和移除热量。在斯特林循环机 器中使用的回热器应该能够具有高的热传递率，高的热传递率通常意 味着高的热传递面积和低的工作流体流阻。通过降低泵送工作流体需 要的能量，低的流阻还对于发动机的总体效率作出贡献。另外地，应 该以如此方式制造回热器，使其抵制剥落或者破碎，因为碎片可以被 夹带于工作流体中并且被输送到压縮或者膨胀汽缸并且导致活塞密封 件受损。
一种回热器设计使用几百个堆叠金属滤网。虽然展示高的热传递 表面、低的流阻和低剥落性，但是金属滤网可能不利地存在以下缺点， 即，对它们的切削和处理可能产生在组装回热器之前应该被移除的小 的金属碎片。另外地，不锈钢铁丝网对于斯特林循环发动机的成本具 有略微的贡献。
如现在参考图63A描述地，三维随机纤维网例如不锈钢棉或者陶 瓷纤维例如可以被用作回热器。不锈钢棉回热器6300有利地提供大的 表面面积与体积比率，由此以紧凑的形式在低流体流动摩擦下提供有 利的热传递率。另外地，切割、清洁和组装大量丝网的麻烦的制造步 骤得以有利地消除。如现在描述地，钢棉的低的机械强度和钢棉剥落 的趋势均可得以克服。在一些实施例中，各个钢丝6302和6304被"交 联"成一元式3D线基体。
用于回热器的起始材料可以是纤维性的并且具有随机纤维形式例 如钢或者镍棉。纤维组分可以是玻璃或者陶瓷或者金属例如钢、铜或 者其它高温材料。根据回热器的尺寸和金属性质，纤维直径优选地在 从IO微米到l毫米的范围中。起始材料被置于相应于在图63B的截面 中描绘的回热器最终形状的模型中。示出内筒柱形壁6320、外筒柱形 壁6322和回热器网6300。回热器的密度由置于模型中的起始材料的数 量控制。模型可以是多孔的，以允许流体穿过模型。在一些实施例中，未烧结钢棉被用作回热器网6300。然后利用回 热器保持网6324或者其它过滤器在回热器筒内保持回热器网6300，由 此构成可以有利地捕集钢棉碎片的"篮子"。
在能够被应用于导电的起始材料的一个实施例中，起始材料被置 丁多孔模型中并且被置于电解质池中。例如起始材料可以是金属，例 如不锈钢。与起始材料进行电连接由此形成电极。通过将第二材料6306
电沉积到起始材料上而实现在起始材料中的各个纤维的交联。如在电 化学技术领域普通技术人员己知地，起始材料的选择将依赖于以下因 素，例如所选的具体沉积技术以及第一和第二材料的化学兼容性。在 沉积期间，第二材料将在起始材料上积聚并且在各个纤维在此处相互 紧邻的位置处在起始材料的各个纤维之间形成桥接器6308。沉积继续， 直至桥接器已经增长至充分尺寸以将两个单个纤维牢固地保持到位。
沉积持续时间依赖于具体沉积过程并且易于由本领域普通技术人 员确定。在沉积完成之后，从电解质池和模型移除并且清洁回热器。
在另一实施例中，起始材料被置于可以是多孔的或者非多孔的模 型中。包含起始材料的模型被置于熔炉中并且被部分地烧结成一体件。 烧结温度和烧结时间的选择易于由烧结技术领域中的普通技术人员确 定。
在另一实施例中，起始材料被置于多孔模型中。包含起始材料的 模型被置于化学池中，并且第二材料例如镍被化学沉积以在各个纤维 之间形成桥接器。
在另一实施例中，起始材料是被置于多孔模型中的氧化硅玻璃纤 维。玻璃纤维和模型被浸入正硅酸乙酯(TEOS)和乙醇的溶液中从而 纤维完全被该溶液润湿。从该溶液移除并且允许纤维和模型在潮湿环 境中排放。该溶液将相互紧邻地形成新月形形状桥接纤维。潮湿环境将引起水解凝结反应，该反应将TEOS转换成氧化硅，从而在两根纤 维之间形成交联。可以在小于100(T C、最优选地小于600° C的温度 下对纤维和模型进行热处理，以移除反应产物并且在纤维之间形成氧 化硅桥接器。
在另一实施例中陶瓷浆液被沉积到具有回热器的形状的网状泡沫 上。浆液在网状泡沫上被干燥并且被热处理以烧掉泡沫并且烧结陶瓷。 陶瓷可以由氧化物陶瓷例如堇青石、氧化铝或者氧化锆构成。陶瓷浆 液的组分和热处理性质易于由陶瓷处理技术领域普通技术人员规定。
在另外的实施例中，在如现在参考图64A描述的回热器制造中采 用针织或者编织丝。根据这些实施例，针织或者编织丝管6401被辊6402 压平成带6404，以此形式，围绕心轴6406将其缠绕成环形层6408。 不锈钢有利地被用于针织丝管6401，因为它具有承受高温操作的能力， 并且所用金属丝的直径通常在l-2毫米的范围中，然而可以在不同的实 施例中使用其它材料和规格。可替代地，在被针织成丝管之前，多个、 通常5-10个不锈钢丝可以被松散地缠绕成多丝线。这个过程有利地强 化了所产生的管6401。当心轴6406被移除时，环形组件6410可以在 热循环发动机中被用作回热器。
现在参考图64B到64E描述又一个实施例。在图64B以它的适当 的柱形形式示出的针织或者编织丝管6401在图64C中显示为被刻划并 且被部分地压缩。可替代地，如在图64D中所示，刻痕相对于管子的 中心轴线6412可以具有角度6414。管子6401然后被沿着中心轴线6412 轴向压縮以形成然后在斯特林循环发动机的回热器空间408(图4所示) 内被设为回热器的、图64E所示的波纹管形式6416。
应该理解，在这里描述的各种回热器实施例和用于它们的制造方 法可以适合于在多汽缸配置中发挥作用。
72冷却剂穿透冷端部压力容器
现在参考图65A-C，根据一些实施例示出发动机，例如斯特林循 环发动机的各种截面。发动机6500被密封。曲柄轴箱6502用作冷端 部压力容器并且在内部空间6504中包含原料气体。通过使用足够厚的 钢或者其它结构材料，曲柄轴箱6502能够被制造成具有任意强度而不 牺牲热性能。加热器头6506用作热端部压力容器并且优选地利用高温 超合金例如Inconel 625、 GMR-235等制造。加热器头6506被用于通过 传导从外部热源(未示出)到工作流体传递热能。可以从各种热源例 如太阳辐射或者燃烧气体提供热能。例如，如在前讨论的燃烧器，可 以被用于产生用于加热工作流体的热燃烧气体(在图65B中被示为 6507)。如以上关于图1所讨论的那样，汽缸的膨胀区域(或者热部 分)6522被置于加热器头6506内侧并且限定工作气体容积的一个部分。 活塞6528被用于移位在汽缸6522的膨胀区域中包含的工作流体。
根据一个实施例，曲柄轴箱6502在接头6508处被直接地焊接到 加热器头6506以形成能够根据冷却器中的热传递要求而如其它设计那 样被设计成保持任何压力而不受到限制的压力容器。在可替代实施例 中，曲柄轴箱6502和加热器头6506被铜焊或者被栓接到一起。加热 器头6506具有沿着轴向约束加热器头并且从加热器头6506到曲柄轴 箱6502转移轴向压力的凸缘或者台阶6510，由此从焊接或者铜焊接头 6508减轻压力。接头6508用于密封曲柄轴箱6502 (或者冷端部压力 容器)并且承受弯曲和平面应力。在可替代实施例中，接头6508是具 有弹性体密封件的机械接头。在又一个实施例中，除了在接头6508处 的外部焊接，利用内部焊接替代台阶6510。
曲柄轴箱6502被组装成两件式，即，上曲柄轴箱6512和下曲柄 轴箱6516。首先，加热器头6506被结合到上曲柄轴箱6512。其次， 冷却器6520被安装有冷却剂管线(在图65B中被示为6514)，该冷却 剂管线经过上曲柄轴箱6512中的孔。再次，安装双作用活塞6528和 驱动部件(在图65A和65C中总体利用附图标记6540标注，在图65B中未示出)。在一个实施例中，下曲柄轴箱6516被组装成三件式，上 部分6513、中间部分6515和下部分6517，如在图65A和65C中所示。 中间部分6515可以利用在本技术领域中已知的任何机械装置或者通过 焊接而分别地在接头6519和6521处被连接到上部分和下部分6513和 6517。
下曲柄轴箱6516然后在接头6518处被结合到上曲柄轴箱6512。 优选地，通过焊接结合上曲柄轴箱6512和下曲柄轴箱6516。可替代地， 可以采用栓接凸缘(如在图65B和65C中所示)。
在一些实施例中马达/发电机(在图65C中被示为6501)例如PM 发电机可以被安装到马达/发电机外壳中(在图65C中被示为6503), 马达/发电机外壳被联结到下曲柄轴箱6516，如在图65C中所示。马达 /发电机外壳6503可以通过在本技术领域中已知的任何机械装置而被 联结到下曲柄轴箱6516，或者可以被焊接到下曲柄轴箱6516。马达/ 发电机外壳6503可以被组装成两件式，gp，被联结到下曲柄轴箱6516 的前部分6505，和可以被焊接或者被栓接到前部分6505的后部分 6509。在一个实施例中密封件6511可以位于马达/发电机外壳6503的 后部分6509和前部分6505之间。在一些实施例中，后部分6509能够 被以可移除方式联结到前部分6505，除了其它功能以外，其作用在于 在发动机6500组装期间允许容易地移除和安装马达/发电机6501。
为了允许将加热器头6506直接联接到上曲柄轴箱6512,由被置 于曲柄轴箱6502内的冷却器6520执行热循环的冷却功能，由此有利 地降低对于冷却器提出的压力耐受要求。通过将冷却器6520置于曲柄 轴箱6502内，沿着冷却器的压力被限制为在工作气体容积中的工作气 体和在曲柄轴箱的内部空间6504中的原料气体之间的压力差。压力差 是由工作气体的压縮和膨胀产生的，并且通常被限制为操作压力的一 定百分比。在一个实施例中，压力差被限制为小于操作压力的30%。相对于冷却器6520的直径，冷却剂管线6514有利地具有小直径。 例如由冷却剂管线6514提供的小直径冷却剂通道，是用于实现高热传 递和支持大压力差的关键。承受或者支持给定压力所需的壁厚度与管 或者容器直径成比例。在管壁上的低应力允许各种材料被用于冷却剂 管线6514，包括但是不限于薄壁不锈钢管线或者壁更厚的铜管。
将冷却器6520完全定位在曲柄轴箱6502 (或者冷端部压力容器) 空间内的另外的优点在于，工作气体通过冷却器6520的任何泄漏将仅 仅导致发动机性能降低。相反，如果使得冷却器与外部周边环境交互， 则工作气体通过冷却器的泄漏将由于工作气体损失而使得发动机无 效，除非利用外部源保持工作气体的平均压力。对于密封式冷却器的 降低的要求允许使用不太昂贵的制造技术，包括但是不限于粉末金属 和压铸。
冷却器6520被用于通过传导从工作气体传递热能并且由此冷却 工作气体。冷却剂或者水或者另一种流体被冷却剂管线6514输送通过 曲柄轴箱6502和冷却器6520。冷却剂管线6514通过上曲柄轴箱6512 的穿通部分可以在不锈钢和钢管的情形中利用用于铜管的钎焊或铜焊 接头焊接或者在本技术领域中已知的其它方式密封。
由于在马达/发电机绕组中耗散的热量、驱动中的机械摩擦、原料 气体的非可逆压縮/膨胀和来自工作气体空间的热气体的吹送引起的加 热，在内部空间6504中的原料气体也可能要求冷却。冷却曲柄轴箱6502 中的原料气体增加了发动机的功率和效率以及在发动机中使用的轴承 的寿命。
在一个实施例中，另外的长度的冷却剂管线(在图65B中被示为 6530)被置于曲柄轴箱6502内侧以吸收来自内部空间6504中的原料 气体的热量。该另外的长度的冷却剂管线6530可以包括一组延伸热传 递表面(在图65B中被示为6548),例如鳍片，以提供另外的热传递。如在图65B中所示，该另外的长度的冷却剂管线6530可以被联结到在 曲柄轴箱6502和冷却器6520之间的冷却剂管线6514。在可替代实施 例中，该长度的冷却剂管线6530可以是具有通过曲柄轴箱6502外侧 的软管而被连接到冷却回路的、它自身的曲柄轴箱6502穿通部分的单 独的管子。
在另一实施例中，可以利用在冷却器6520或者驱动器外壳(在图 65A和65C中被示为6572)的外表面上的延伸表面替代延伸冷却剂管 线6530。可替代地，风扇(在图65B中被示为6534)可以被联结到发 动机曲柄轴(在图65C中被示为6542)以循环内部空间6504中的原料 气体。可以分开地或者与另外的冷却剂管线6530或者冷却器6520或 驱动器外壳6572上的延伸表面相结合使用风扇6534以直接地冷却内 部空间6504中的原料气体。
优选地，冷却剂管线6514是贯穿曲柄轴箱的内部空间6504和冷 却器6520的连续管。可替代地，能够在曲柄轴箱和冷却器的穿通端口 之间使用两件管线。 一个管将冷却剂从曲柄轴箱6502外侧输送到冷却 器6520。第二管将冷却剂从冷却器6520返回到曲柄轴箱6502的外部。 在另一实施例中，可以在曲柄轴箱6502和冷却器之间使用多件管线从 而为管线增加曲柄轴箱容积6504内侧的延伸热传递表面或者便于制 造。管线接头和在管线与冷却器之间的接头可以是铜焊、钎焊、熔焊 或者机械接头。
各种方法可以被用于将冷却剂管线6514结合到冷却器6520。可 以在各种实施例中使用用于将冷却剂管线6514结合到冷却器6520的 任何已知方法。在一个实施例中，冷却剂管线6514可以通过铜焊、钎 焊或者胶接而被联结到冷却器6520的壁。冷却器6520为围绕汽缸6522 和汽缸6522外侧的工作气体的环形流动路径放置的柱体形状。据此， 可以如上所述围绕冷却器汽缸壁的内部缠绕和联结冷却剂管线6514。在图65D-65G中示出可替代的冷却器配置，该冷却器配置降低了 冷却器本体制造复杂度。图65D示出包括冷却剂管线的斯特林循环发 动机侧视图的一个实施例。在图65D中，冷却器6552包括冷却器工作 空间6550。冷却剂管线6548被置于冷却器工作空间6550内，从而工 作气体能够在冷却剂管线6548的外侧表面之上流动。利用冷却器本体 6552和冷却器衬里6526，工作气体被限制为流动经过冷却剂管线6548。 冷却剂管通过在冷却器6552或者驱动器外壳6572中的端口 (图65A 和65C所示)迸出工作空间6550。通过围绕冷却剂线路6548设置密封 件而简化了冷却器铸造过程。另外，将冷却剂线6548置于工作空间中 改进了在工作流体和冷却剂流体之间的热传递。冷却剂管线6548可以 是平滑的或者可以在管线外侧上具有延伸热传递表面或者鳍片以增加 在工作气体和冷却剂管线6548之间的热传递。在另一实施例中，如在 图65E中所示，间隔元件6554可以被添加到冷却器工作空间6550以 强制工作气体更加靠近冷却剂管6548流动。间隔元件被从冷却器衬里 6526和冷却器本体6552分离以允许将冷却剂管和间隔元件插入工作空 间中。
在另一实施例中，如在图65F中所示，冷却剂管线6548被包覆以 形成环形散热片6556，在此处工作气体能够在冷却器本体6552的两侧 上流动。环形散热片6556还可以在它的内表面和外表面6560上包括 延伸热传递表面。冷却器6552的本体约束工作气体流动经过散热片 6556上的延伸热交换表面。散热片6556通常是比图65A和65B中的 冷却器6520制造更加简单的部件。环形散热片6556提供大致两倍于 图65A和65B所示冷却器6520的热传递面积。在另一实施例中，如在 图65G中所示，冷却器衬里6526能够被包覆到冷却剂线路6548上。 冷却器本体6552约束工作气体流动经过冷却器衬里6562。冷却器衬里 6526也可以在表面6560上包括延伸热交换表面以增加热传递。
返回图65B,用于将冷却剂管线6514结合到冷却器6520的一种 方法是围绕冷却剂管线包覆冷却器。这种方法参考图66A和66B给出
77了描述，并且可以被应用于加压闭路机器以及在其中在曲柄轴箱内侧 定位冷却器是有利的其它应用中。
参考图66A,热交换器例如可以通过将高温金属管线6602形成所 期形状而制造冷却器6520 (图65A和65B所示)。在一个实施例中， 使用铜将金属管线6602形成为线圈。然后较低温度(相对于管线的熔 化温度)铸造工艺被用于利用高导热性材料包覆管线6602从而为发动 机其余部分形成气体界面6604 (和图65B中的6532)，密封件6606 (和图65B中的6524)和用于以机械方式将驱动器外壳6572 (图2所 示)连接到加热器头6506 (图65B所示)的结构。在一个实施例中， 被用于包覆管线的高导热性材料是铝。利用高导热性金属包覆管线 6602保证了在管线和与工作气体接触的热传递表面之间的良好热连 接。在管线在6610处离开开口模具之处围绕管线6602形成密封。制 造热交换器的这种方法有利地以廉价方式在铸造金属部件中提供了冷 却通道。
图66B是在图66A的冷却线圈之上铸造的冷却组件的透视图。铸 造过程能够包括以下任何工艺压铸、熔模铸造、或者砂模铸造。从 在铸造过程期间将不会熔化或者坍縮的材料选择管线材料。管线材料 包括但是不限于铜、不锈钢、镍和超合金例如Inconel。在与管线相比
在较低温度下熔化的那些材料中选择铸造材料。典型铸造材料包括铝 及其各种合金和锌及其各种合金。
热交换器还可以包括延伸热传递表面以增加在热工作气体和热交 换器之间的界面区域6604 (和图65B所示的6532)从而改进在工作气 体和冷却剂之间的热传递。可以通过在内侧表面(或者气体界面)6604 上加工延伸表面而在热交换器6520的工作气体一侧上形成延伸热传递 表面。参考图65B,冷却器衬里6526 (图65B所示)可以被挤压到热 交换器中以在热交换器的内径上形成气体屏障。冷却器衬里6526引导 工作气体流动经过冷却器的内表面。能够利用在本技术领域中已知的任何方法形成延伸热传递表面。
如在图67A和67C详细示出地，根据一些实施例，在表面中凿出纵向 凹槽6704。可替代地，除了纵向凹槽6704(也在放大截面视图闺67A-1 中示出)，可以加工出侧向凹槽6708 (也在放大截面视67B-1中 示出)，由此如在图67B中所示形成对准的针销6710。在一些实施例 中，以螺旋角度切出凹槽以增加热交换区域。
在可替代实施例中，利用泡沫金属、膨胀金属或者具有高的比表 面积的其它材料形成在冷却器的气体界面6604上的延伸热传递表面 (如在图66B中所示)。例如，泡沫金属筒体可以被钎焊到冷却器6604 的内侧表面。如以上所讨论的那样，冷却器衬里6526 (图65B所示) 可以被挤入以在泡沫金属的内径上形成气体屏障。在题目为Stirling Engine Thermal System Improvements (斯特林发动机热系统改进)、于 2004年2月24日授权的美国专利No. 6, 694， 731中描述了形成和将 热传递表面联结到冷却器本体的其它方法，该专利通过引用而在这里 被以其整体并入。
在美国专利No. 7， 325， 399中描述了另外的冷却剂穿透冷端部 压力容器实施例。应该理解，在这里提出的各种冷却剂穿透冷端部压
力容器实施例可以适合于在多汽缸发动机配置中发挥作用。 进气歧管
现在参考图68-69B，示出根据一些实施例应用于斯特林循环发动 机或者其它燃烧应用的进气歧管6899。在美国专利No. 6， 381， 958 中进一步公开了进气歧管6899的各种实施例。根据一些实施例，燃料 被与空气预混合，空气可以被加热至高于燃料自动点火温度，并且防 止火焰形成，直至燃料和空气被良好地混合。图68示出包括进气歧管 6899和燃烧腔室6810的一个实施例。进气歧管6899具有带有用于接 收空气6800的入口 6803的轴对称导管6801。空气6800被预加热至通常高于900 K的温度，该温度可以高于燃料的自动点火温度。导管6801 将相对于燃烧轴线6820沿着径向向内流动的空气6800输送到被置于 导管6801内的涡流器6802。
图69A示出根据一些实施例包括涡流器6802的导管6801的截面 视图。在图69A的实施例中，涡流器6802具有用于引导空气6800沿 着径向向内流动并且在空气上赋予旋转分量的几个螺旋形叶片6902。 如由涡流器部分导管6801的长度限定地，导管的涡流器部分的直径从 涡流器6802的入口 6904到出口 6906降低。涡流器叶片6902的直径 降低以与直径基本成反比地增加了空气6800的流率。流率得以增加从 而它高于燃料的火焰速度。在涡流器6802的出口 6906处，在一个实 施例中是丙垸的燃料6806被注入向内流动的空气中。
在一些实施例中，燃料注射器6804通过如在图69B中所示的一系 列喷嘴6900注入燃料6806。更加具体地，图69B示出导管6801的截 面视图并且包括燃料喷嘴6卯0。每一个喷嘴6900均位于涡流器叶片 6902的出口处并且集中在两个相邻叶片之间。喷嘴6900被以此方式定 位以增加混合空气和燃料的效率。喷嘴6900同时地横过空气流6800 地注射燃料6806。因为空气流动比火焰速度更快，所以即使空气和燃 料混合物的温度高于燃料的自动点火温度，此时也不会形成火焰。在 一些实施例中，当使用丙烷时，如由加热器头的温度控制的预加热温 度为大致900K。
再次参考图68，下文称作"空气-燃料混合物"6809的、现在已 被混合的空气和燃料被沿着通过喉口 6808的方向转向，喉口 6808具 有成型整流罩6822并且被联结到导管6801的出口 6807。经由燃料调 节器6824供应燃料6806。
喉口 6808具有内部半径6814和外部尺寸6816。空气-燃料混合物 的转向是从相对于燃烧轴线6820基本横向并且沿着径向向内的方向到基本平行于燃烧轴线的方向。喉口 6808的整流罩6822的轮廓具有倒 钟形状，从而喉口 6808相对于燃烧轴线的截面面积从喉口的入口 6811 到喉口的出口 6812保持恒定。该轮廓是平滑的而不存在台阶并且保持 从涡流器的出口到喉口 6808的出口的流动速度以避免分离和由此产生 的沿着任何表面的再循环。恒定截面面积允许空气和燃料继续混合而 不降低流动速度和引起压力下降。平滑和恒定截面产生了有效率的涡 流，这里，涡流效率指的是沿着涡流器的静压降被转换成涡流动压的 百分比。在实践中通常可以实现好于80%的涡流效率。因此，可以减 小燃烧空气扇的寄生耗用功率。
喉口的出口 6812向外张开以允许空气-燃料混合物6809分散到腔 室6810中，从而减缓空气-燃料混合物6809，由此局部化和容纳火焰 并且使得环形火焰得以形成。如在本技术领域中熟知地，由涡流器6802 产生的旋转动量产生火焰稳定环涡流。
参考图70，示出如上参考较早的图所述的燃烧器7022和排气流 动路径7013的截面。根据另一实施例认识到燃烧排气远超过燃烧器 7022区域地保持高于燃料燃烧温度，并且，因为燃料/空气混合物通常 是极度稀薄的，所以足够的氧化剂保留用于排气的再燃烧。
图70进一步示意温度传感器7002 (通常为热电偶)的使用，以 监控在外部针销阵列7030的顶部处的加热器头7020的温度并且由此 控制燃料流动以保持在传感器7002处的温度低于使得加热器头显著地 丧失强度的温度。在传感器7002处的温度优选地被保持为低于加热器 头材料的熔化温度大致50摄氏度。
在于图70中描绘的配置中，示意出如上所述可变截面气体旁路流 道7004的使用。为了描绘清楚起见，旁路流道的锥度被大大地夸大。 即使在采用旁路流道时，作为距加热器头的顶部的距离的函数的温度 廓线也不是如优选的那样平坦。分别地在外部针销阵列7030的中间和底部处示出两个另外的温度传感器7006和7008，由此可以监控排气温 度。
根据一些实施例，经由加力燃烧室燃料线路7012在喷嘴7010处 将额外的燃料添加到排气。喷嘴7010可以是沿着周向围绕加热器头 7020并且在由温度传感器7002和7006在图70中指定的位置之间面向 外部针销阵列7030的环形燃烧器。可以基于由温度传感器7008测量 的排气温度控制通过加力燃烧室燃料线路7012的燃料流动。温度传感 器7008的精确位置优选地适于测量通过从加力燃烧室喷嘴7010离开 的燃料的燃烧产生的、外部针销阵列的最大温度。
参考图71A，对于根据一些实施例的热循环发动机，以截面示出 总体由附图标记7100标注的燃烧器和热量回收系统的侧视图。在所示 实施例中，在于燃烧器7022中加热的热排气和在加热器头组件外部的 热交换器7106中的空气入口 7104处吸入的空气之间交换热量。另外 地示出燃料入口 7108和被用于在燃烧器中引起点火的引燃器7110。排 气流7112在被引导到热交换器7106之前经过热传递针销7030。铜或 者具有足够高的熔化温度的其它金属制成的密封环7114，在底行热传 递针销7030正下方的加热器头凸缘7116上形成杆形密封。铜环7114 在加热器头凸缘7116上紧配合从而产生迷宫式密封。示出密封区域的、 图71A的截面视图的右手部分在图71B中被放大示出。铜密封环7114 在加热器头7101上紧配合并且在燃烧器盖7120的底表面上的环形凹 槽7118内密配合。在凹槽7118中的环7114的配置产生迷宫式密封， 从而使得在排气室7122中的排气沿着围绕密封环7114后侧的盘旋路 径行进，由此限制排气泄漏。环7114到加热器头7101上的紧配合限 制了排气从燃烧器向外沿着轴向泄漏。
应该理解，在这里描述的各种进气歧管实施例可以适合于在多燃 烧器配置中发挥作用。气态燃料燃烧器
定义如在详细说明的这个部分中使用地，以下术语将具有所示 意的含义，除非上下文另有要求燃料-空气等价比率(.phi.)=实际燃 料-空气质量比率/化学计量燃料-空气质量比率。化学计量燃料-空气质 量比率被定义为平衡燃料+空气化学方程式所需的质量比率。化学计量 燃料-空气质量比率对于普通燃料例如丙烷而言是熟知的(0.0638 g燃
料/g空气)并且对于气体例如生物气而言是可计算的。
图72示出具有气态燃料燃烧器7201的发动机7212实施例的一个 实施例。还在通过引用而在这里被以其整体并入的、于2005年5月5 曰提交的、于2005年11月10日公开的美国专利申请系列No. 11/122， 447中公开了气态燃料燃烧器7201的各种实施例。可以在斯特林循环 发动机领域中使用这个实施例，然而，其它机器实施例不限于这种应 用。本领域技术人员可以意识到，该机器可以具有在其它系统中的应 用，例如用于其它类型的外燃机。
在气态燃料燃烧器中使用喷射器能够有利地解决传统的气态燃料 燃烧器面临的一些难题。首先，使用喷射器能够消除对于另外的设施、 控制和空间的需求，例如，气态燃料泵、燃料控制器电路以及相关联 的部件。此外，使用喷射器例如文氏管通过消除对于单独的燃料控制 器方案的需求而简化了燃料控制器系统。基于利用气流相应地升高真 空度，并且随后增加燃料流动，能够通过调节气流而调节燃烧器功率。 据此，在具有喷射器的气态燃料燃烧器中移除单独的燃料控制器简化 了自动燃烧器控制的研发和实现。
其次，尽管温度和空气流率改变，利用气流相应地升高真空度还 产生了大致稳定的燃料-空气比率。通过消除对于复杂排气传感器/反馈 燃料控制器机构的需求，所产生的稳定燃料-空气比率简化了燃料控制 器和燃烧器的操作。参考图72，气态燃料燃烧器7201包括喷射器7240、热交换器7220、 燃烧腔室7250和吹风机7200 (在图73A中被示为7300)。如在这里 使用的术语喷射器包括排放器、虹吸管或者能够使用一种流体的动能 来引起另一种流体流动的任何装置。喷射器是基于燃料流动系统产生 真空的一种可靠方式，具有低的初始成本，无需移动部件，并且操作 简单。
再次参考图72，在一些实施例中，喷射器7240是文氏管。在文 氏管压力通风系统7241中并且靠近燃烧腔室7250，文氏管7240位于 空气预加热器或者热交换器7220的出口下游。吹风机7200强制空气 通过文氏管7240。空气通过文氏管的流动通过燃料入口 7279吸入成比 例的燃料数量。在喉口具有最低压力之处，燃料入口 7279被置于文氏 管喉口 7244处。入口 7279的尺寸被确定为跨越气流地产生多股燃料， 多股燃料促进了在文氏管7240内的良好混合。这种燃料-空气混合物离 开文氏管7240并且在燃烧腔室7250中形成涡流稳定的火焰。文氏管 7240吸入一定数量的燃料，该数量基本线性地与气流成比例，而与进 入文氏管7240的空气的流率和温度无关。
在如在图73A和73B中所示的一些实施例中，将文氏管7340置 于空气预加热器7320和燃烧腔室7350之间在大的气流和文氏管温度 范围上促进了基本稳定的空气-燃料比率。图73A是包括燃烧器的部件 例如吹风机7300、预加热器7320、文氏管7340和燃料供应器7372的 燃烧器的概略绘图。该绘图还包括负载热交换器或者加热器头7390(在 图76-78中还被示为7290)。负载热交换器7390是发动机的热交换器 或者吸收在某个升高温度下离开燃烧器中的燃烧腔室7350的热气体的 热能的过程。部分冷却的已燃气体然后进入空气预加热器的排气侧， 在此处它们被流入的燃烧空气进一步冷却。图73B示出线性地布置的 相同部件的压力绘图。由吹风机供应的空气压力、燃料供应压力和环 境压力被全部示意出来。燃料进入燃烧器中的质量流率(m')受到在 7372处的燃料供应压力和在文氏管喉口 7344(在图72中被示为7244)中的压力之间的差异和在主要限制下的燃料温度所控制，所述燃料温 度为
m'.sub.FUEL.varies. (P.sub.FUEL-P.sub.THROAT) .sup.0.5/T.sub.FUEL.sup.0.5
在喉口中的压力(P.sub.THROAT)由通过预加热器7320的排气 侧的压力下降加上通过加热器头管子73卯的压力下降减去由文氏管喉 口 7344产生的吸力设定。压力下降7320、 7390和喉口抽吸压力7344 全部与空气流率和文氏管温度成比例。
P .sub .THRO AT.varies.m' .sub. AIR.sup .2 *T.sub VENTURI
组合这些等式示出燃料流量将随着气流大致线性地改变
m'.sub.FUEL.varies.[P,sub.FUEL-(m"sub.AIR.sup.2*T.sub.VENTURI) ].sup.0.5/T- .sub.FUEL.sup.0.5
将燃料压力调节为接近环境压力，燃料流量与气流大致成线性关系。
ml.sub.FUEL.varies.m'.sub.AIR* (T.sub.VENTURI/T.sub.FUEL) .sup.0.5
因此，将主要燃料节流口 7378 (在图72中被示为7278)定位在 文氏管压力通风系统(在图72中被示为7241)内在大的流率和文氏管 温度范围上提供了大致稳定的燃料-空气比率。
m'.sub.FUEL/m'.sub. AIR. varies.constant
图74示出喷射器例如文氏管的一个实施例。在该实施例中，文氏 管喉口 7244的开口的尺寸确定在喉口 7244处存在的抽吸数量。在特 定实施例中，文氏管喉口具有大致0.24英寸的直径。回过来参考图72和74，燃料给付装置被联接到文氏管7240。燃料给付装置可以是歧管、 燃料线路或者燃料管。燃料给付装置可以包括其它部件例如燃料节流 口 7278、燃料入口 7279和燃料阀门(未示出)。由压力调节器7272 供应的燃料通过歧管7273和燃料入口 7279流入喉口 7244，在喉口 7244 中处于较低压力下。在一个实施例中，燃料入口 7279在燃料给付装置 中提供最大部分的压力下降。优选地，使得燃料入口成为燃料给付装 置中的最大限制保证了在文氏管温度下产生限制并且通过产生最大可 能燃料股而增大燃料-空气混合。回过来参考图72，燃料和空气流入文 氏管的扩散锥体或者扩散器7248中，在此处静态压力得以恢复。在扩 散器7248中，所被夹带的燃料与空气混合以在燃烧腔室7250中形成 可点燃的燃料空气混合物。可点燃的燃料-空气混合物然后进入燃烧腔 室7250，在此处引燃器7260可以点燃该混合物，并且由涡流器7230 引起的切向流动形成涡流稳定的火焰。使用喷射器7240将气态燃料吸 入燃烧腔室中消除了对于使用高压气态燃料泵给付燃料的需求。
在一个实施例中，文氏管7240利用高温材料构造以承受高温并且 保持它的结构完整性。关于图74的实施例，文氏管的尺寸能够是大致 0.9英寸直径的入口和出口，具有大致0.24英寸直径的喉口。会聚锥体 和扩散锥体的半角能够分别是21度和7度。并且喉口能够是0.25英寸 长。在该实施例中，能够利用Inconel 600构造文氏管。可替代地，能 够使用其它高温金属，包括但是不限于不锈钢310、 316L、 409和439、 Hastalloy C76、 Hastalloy X、 Inconel 625和其它超合金。
在一个实施例中，如在图72中所示，涡流器7230位于文氏管7240 的上游并且有利地形成空气通过文氏管的切向流动。如在本技术领域 中熟知地，从涡流器的切向流动能够在燃烧腔室中形成稳定火焰的环 形涡流。另外地，涡流器7230通过增加在燃料入口 7279之上的局部 空气速率而增加了在文氏管喉口 7244处的抽吸压力。增加涡流器允许 对于给定抽吸压力将文氏管喉口 7244制造得更大。此外，由涡流器7230 引起的涡流作用能够抑制燃烧腔室压力中的波动向上游传播到文氏管7240。这种压力波动能够暂时地减缓或者停止燃料气体流入文氏管 7240中。涡流器7230由此促进了在燃烧腔室中的稳定燃料-空气比率 以实现稳定气流。涡流器7230可以是径向涡流器。
在其它实施例中，气态燃烧器能够被连接到多燃料源。在这种配 置中，燃烧器可以利用一种类型的燃料着火、点火或者点燃并且然后 利用不同类型的燃料运行。使用多燃料源可能要求为每一种燃料调整 燃料给付装置。图75、 75A和75B示出关于具有显著不同的能量密度 的两种燃料例如丙烷和天然气的实施例。在该实施例中，与用于较不 稠密的天然气或者甲垸的燃料给付装置相比，用于更加稠密的丙烷的 燃料给付装置应该受到高出大致三倍的限制。在图75所示实施例中， 对于每一种燃料，文氏管具有不同的歧管和燃料入口。高密度燃料例 如丙烷可能要求更加限制性的燃料入口 7279，而低密度燃料例如天然 气可能要求限制性较低的燃料入口 7279A。这种配置在文氏管温度下 保持了最高燃料流阻。然而，在图75中的文氏管的实施例可能更加难 以制造并且由于长窄通道而具有更高的压力损耗下降。
在图75A中示出关于具有多燃料源的气态燃烧器的另一实施例。 在该实施例中，燃料选择阀7276引导燃料通过分别用于稠密气体或者 较稀薄气体的另外的燃料节流口例如7278A或者7278B。多端口阀门 7276允许任何数目的预定气体被相同的燃烧器燃烧。通过简单地将选 择阀设置为相应的燃料设置，预定气体例如天然气、液态丙烷(LPG) 或者生物气能够被在相同燃烧器中燃烧。可替代地，其它实施例能够 对于不同的生物气质量具有多个设置，因为在生物气中二氧化碳的比 率能够从50%改变到20%。燃料节流口可以被置于燃烧器外侧，如在 图75A中所示，或者可替代地它们能够位于到歧管7273的入口中。 如果节流口 7278被置于燃烧器外侧，则相当部分的燃料给付装置压力 下降并不处在文氏管温度下并且因此燃料-空气比率可以随着文氏管温 度而改变。燃烧器将起初地贫燃，并且因为流动通过文氏管的、更热 更快速的空气在燃料上施加更强的真空，所以将逐渐变成富燃。另外，从燃料入口 7279移动相当部分的压力下降，燃料将不会足够远地渗透到空气流中。尽管如此，为不同气体定位多个节流口 7278可以使得该部件的制造更加容易。
在图75B中示出一个在燃料-空气比率控制和燃料气体使用中提供相当灵活性的可替代实施例。在该实施例中，两个燃料源7272A和7272B被调节为它们各自的压力并且流动通过被调节用于每一种燃料的单独的燃料给付装置。每一个燃料给付装置分别地包括具有一个或者多个阀门7202A和7202B的、并行的两个或者更多节流口 7206A和7208A以及7206B和7208B，以改变燃料给付装置的压力下降。阀门可以被以人工方式或者自动地致动。燃料选择器7276将燃料给付装置连接到文氏管，同时断开另一种燃料。
多个节流口 7206A和7208A以及7206B和7208B与阀门7202A和7202B允许在燃烧器预热期间调节燃料给付装置的压力下降。因此当抽吸压力随着增加的文氏管温度而增加时，燃料-空气比率能够被大致地保持。多个节流口还能够被调节用于改变燃料气体密度。当气态燃料燃烧器被连接到生物气蒸解器时，改变的燃料气体密度可以发生，其中该生物气蒸解器是燃料源。在生物气蒸解器实施例中，二氧化碳(C0.sub.2)含量并且因此能量密度能够微弱改变。在该实施例中，如果CO.sub.2含量增加，则通过燃料给付装置的压力下降应该被降低以允许较少能量稠密燃料气体的更大流动。另外，通过提供用于点火的、更加富然的燃料-空气混合物，该多个节流口能够改进燃料气体的点火。更加富然的混合物是通过打开另外的阀门7202A或者7202B而被提供的，这还降低了燃料给付装置的压力下降。 一旦燃烧器被点火，阀门7202A或者7202B便可以被关闭以产生更加贫燃的火焰。如上所述，一旦燃烧器被点火，燃烧器便可以利用不同的燃料运行。燃料选择器可以被用于切换燃料类型。可替代地，具有多燃料选择器的实施例便于在燃烧器操作期间改变燃料-空气比率。现在参考图75A和75B，燃料选择器7276可以使得燃烧器能够被一种燃料点火并且利用不同类型的燃料运行。如果一种燃料对于点燃而言太弱，但是将在预热后的燃烧器中燃烧，则这能够是重要的。在一个实例中，燃烧器可以被更高密度的燃料例如丙垸点火。 一旦燃烧器已被预热，燃料选择器7276便被移动以吸入低密度生物气。
图76描绘了一个实施例，其中自动化控制器7288调节可变节流口 7292例如燃料给付装置中的可变流动阀门以保持如由大范围lambda传感器或者UEG0 7286测量的排放氧气恒定。在该实施例中，自动化方案允许从生物气到丙烷的任何燃料被连接到燃烧器并且控制系统能够补偿变化的燃料密度。在该实施例中，自动化控制器能够限制用于稠密燃料例如丙烷的燃料路径并且开通用于低密度燃料例如甲烷和生物气的燃料路径。点火将是如此得以实现的，即在完全打开位置中启用可变节流口 7292，这将产生最为富燃的混合物，然后将其关闭直至燃料-空气混合物被点燃。在点火之后，控制器能够控制燃料流动以实现所期排放氧气水平。还设想到这种实施例能够允许在预热期间调节燃料空气比率以优化效率和燃烧器稳定性。
在如在图77中所示的另一实施例中，气态燃料燃烧器是用于外燃机例如斯特林循环发动机的高效率燃烧器。该燃烧器包括用于控制燃烧器的人工控制器。人工控制器包括用于以人工方式选择燃料类型的球阀7270，用于调节燃料-空气比率的微调阀7274和用于控制吹风机速度，并且由此控制气流的可变电阻器7702。在文氏管7240中的被预加热的空气7222从燃料源7272吸入燃料。燃料然后被与被预加热的空气混合以形成燃料-空气混合物。燃料-空气混合物流入燃烧腔室7250中，它在此处燃烧。在该实施例中，微处理器/控制器7288通过改变发动机速度而保持如由温度传感器7289测量的加热器头温度恒定。此外，吹风机速度确定燃烧器功率输出并且因此确定发动机功率输出。在可替代实施例中，不包括燃料微调阀7274。现在参考图78，气态燃料燃烧器7201是用于外燃机例如斯特林循环发动机的高效率燃烧器。在该实施例中，燃烧器包括位于排气流7284中的氧传感器7286和用于利用可变节流口 7292自动地限制燃料流动的微处理器/控制器7288。另外地，燃烧器包括吹风机控制器(在图77中被示为7702)。吹风机控制器7702能够被微处理器/控制器7288调节以使得斯特林发动机功率输出与负载相匹配，在这个实施例中，通过改变发动机速度而保持燃烧器温度是恒定的，并且通过设置吹风机速度而自动地调节发动机功率输出。据此，在该实施例中，燃烧器能够燃烧大多数气态燃料，包括不具有恒定性质的燃料例如生物气。
在如在图79中所示的另一实施例中，在邻近文氏管喉口 7244的位置处，燃料被直接地给付到文氏管中。这个实施例包括涡流器7230以容纳燃料给付装置例如燃料线路或者燃料管。涡流器7230优选地是位于文氏管7240中并在文氏管喉口 7244上游的轴向涡流器。在操作中，利用运动空气夹带所被给付的燃料以形成燃料-空气混合物。示例性人工或者自动控制机构适合于这个可替代的燃料给付实施例。
回过来参考图74，气态燃料燃烧器进一步包括引燃器7260和火焰监控装置7210。优选地，引燃器7260是可以达到大于1150摄氏度的温度的可激发热表面引燃器。可替代地，引燃器7260可以是陶瓷热表面引燃器或者可激发预热针销。
继续参考图74,其它实施例包括火焰监控装置7210。火焰监控装置7210在存在火焰时提供信号。为了任何燃烧器的安全操作，重要的是，在熄火的情形中切断燃料。用于火焰感测的监控装置是使用控制电路和火柱的火焰矫正方法。
在本技术领域中熟知的火焰矫正是一种用于小的高效率气体燃烧器的火焰感测方案。该装置使用单一火柱来探测火焰。火柱相对小于接地加热器头并且它被置于燃烧火焰中。在这个火焰矫正实施例中，控制单元电子设备是由Kidde-Fenwd公司制造的，并且火柱在商业上 可以从International CeramicsAnd Heating Systems (国际陶瓷和加热系 统)获得。
优选地，火焰监控装置使用热表面引燃器作为火柱。可替代地， 火焰监控装置可以远离热表面引燃器或者作为单一单元被与引燃器一 起包装。
可替代地，光学传感器可以被用于探测火焰存在。优选的传感器 是具有通过紫外线可透玻璃和观察管的火焰刷的清楚视图的紫外线传 感器。
应该理解，在这里描述的各种燃料燃烧器实施例可以适合于在多 燃烧器配置中发挥作用。
燃料泵
根据一些实施例，可以通过改变燃料泵的操作参数计量到发动机 例如斯特林发动机的加压燃烧腔室的燃料流动。在下面并且在这里通 过引用而以其整体并入的于2006年9月26日授予Jensen等人的美国 专利No. 7， 111， 460和于2006年9月25日提交的、于2007年2月 8日公开的美国专利申请系列No. 11/534， 979中描述了燃料泵的各种 实施例。可以不带通常被用于计量到燃烧腔室的燃料流动的节流板或 者阀门或者其它限制性装置地实现所期性能。
图80示出根据一个实施例向发动机8022的加压燃烧腔室8058提 供气态燃料的计量泵系统。总体标为8005的气体管道燃烧器，包括燃 料泵8014、互连线路8038、 8042并且可以包括压力调节器8018。燃 料泵8014将线路8038中的燃料压力升高到线路8042中的更高压力。 气体管道燃烧器将燃料从气体供应给付到燃烧器8010，在此处燃料与 空气混合并且在燃烧腔室8058中燃烧。燃料泵受到控制器8034控制，控制器8034通过改变被发送到燃料泵8014的电信号的一个或者多个 参数而调制燃料流率。控制器还可以调节向燃烧腔室8058提供空气的 吹风机8060并且可以从报告发动机操作参数的传感器接收信号。
在一些实施例中，对于液化石油气而言，在线路8038中给付的燃 料压力是6到13英寸水柱。可以在3到8英寸水柱的更低压力下在线 路8038中供应天然气。可替代地，压力调节器8018能够在较低压力， 甚至负压下供应燃料。在线路8042中的典型燃料压力可以具有从0.5 到5PSIG的范围。
在一些实施例中，燃料泵8014是线性活塞泵。在图81中示出线 性活塞泵。该泵包括汽缸8100、活塞8102、绕组8104、弹簧8106和 止回阀8108、 8112。当电信号被施加到绕组8104时，绕组向左拉拽黑 色金属活塞8102，从而压缩弹簧8106。在活塞中的止回阀8108允许 燃料流入压縮空间8110中。当电信号被关闭并且在活塞上的电磁作用 力开始降低时，活塞8102被弹簧8106向右推压。气体被挤出止回阀 8112并在更高压力下进入接收器空间8114中。
能够通过改变活塞8102的冲程调制泵的流率。在一个实施例中， 从控制器到泵的是信号是半波交流电("AC")信号，如在图82中所 示。用于产生这个信号的电路是在本技术领域中熟知的。当AC信号的 波幅增加时，活塞冲程并且因此流率增加。在一些实施例中，低波幅 信号被稍微更高地偏压以改进可重复性和流动相对于驱动信号的线 性。被绕组8104施加到活塞8102的作用力与从绕组到活塞的距离成 反比。在低信号水平下，活塞并不变得非常靠近绕组并且在活塞摩擦 和惯性中的小的变化将在引起的活塞冲程和流动中产生显著的变化。 施加偏置电压以使得活塞的静止位置更加靠近绕组，从而在驱动活塞 的控制器信号中的小的改变控制活塞的摩擦力和惯性。例如，被添加 到信号的偏置电压在最低驱动信号(在图82中的10%信号)处最高， 并且在驱动信号达到50%之前可以下降至零。偏压在更高流动水平下降低以利用完全泵冲程的优点。
在另一实施例中，驱动泵的控制器信号是脉冲宽度调制("PWM") 直流电("DC")电压信号。图83示出可以被用于驱动泵的示例性 DC波形。用于产生图83中的PWMDC信号的电路在本技术领域中是 熟知的。相对于时间绘出三种不同的驱动信号。这些信号调制对应于 为了示意而非限制的目的示出的10%、 50%和90%工作循环。向图81 的绕组8104施加图83的矩形波电压将引起活塞8102向左移动并且压 縮弹簧8106。冲程并且因此流动将大致与电压乘以信号持续时间成比 例。较低信号10%和50%在信号脉冲之间包括偏置电压。在AC驱动 信号的情形中，偏置电压更加靠近绕组地移动活塞以对于信号中的小 的变化提供更高活塞响应并且克服活塞的摩擦和惯性力。可以利用驱 动信号的持续时间改变这个偏置电压。偏置电压在最小驱动信号持续 时间下最高并且在驱动电压脉冲工作循环达到50%之前可以下降至零。
其它实施例可以使用不同的控制器信号波形来驱动活塞。在另一 实施例中，能够不利用图82和83所示偏置电压地驱动图81的活塞泵。
在另一实施例中，调制泵的PWM DC控制器信号的频率和持续 时间这两者均能够被改变以根据驱动信号中的变化使通过泵的流量线 性化。
在进一步的实施例中，泵8014是如在图84中所示的膜片泵。在 膜片泵中， 一个或者多个螺线管线圈8200前后地驱动泵的轴8202。轴 8202偏转交替地将气体吸入腔室8212中以及然后将其排出的两个膜片 8204。利用被连接到导线(8234、 8236)的AC信号驱动两个线盘，所 述导线通过换向通过线圈8200的电流而前后地驱动活塞8202。螺线管 具有永久磁体从而换向磁场能够沿着相反方向驱动螺线管。在两个腔 室8212上的泵送作用力异相180度从而当一个腔室被填充时，配对腔 室被排空。在泵送腔室8212上游的止回阀8208允许气体流入，而下游阀门8210允许气体流出腔室并且流入接收器容积8216中。能够利 用全波AC信号驱动螺线管线圈8200。以与活塞泵类似的方式，改变 AC信号的波幅将改变冲程并且因此改变通过膜片泵的燃料流量。
在另一实施例中，能够通过向线圈8200的中心增加第三导线8232 而将图84的膜片泵8014中的电线圈8200中心抽头。导线(8234和 8236)连接到线圈的每一个端部。这三个导线连接允许活塞8202被 DC源前后地驱动。DC源连接到中心导线8232并且其它连接导线(8234 和8236)被交替地接地或者连接到负电压，从而引起电流在一个半线 圈或者另一个中流动。
在图85中概略地示出三个线盘8302和用于控制到线圈的DC电 流的装置(8304、 8306、 8308)。如在图85中，线圈可以被用于驱动 膜片泵螺线管。装置(8304、 8306、 8308)可以是继电器、场效应晶 体管("FET")、双极晶体管或者其它类似的装置。控制器能够通过 使用装置8304改变所施加的电压信号8312的波幅而改变通过膜片泵 的燃料流量。能够如在图86A中所示地驱动装置8306、 8308，其中第 一个装置被关闭，然后被打开，并且然后另一个装置被关闭并且然后 被打开。该图竖直轴线对应于归一化驱动电压，其中等于"l"的信号 意味着装置被关闭(即，短路)。如在图83中所示意地，使用PWM 信号的控制策略，虽然不含在前关于活塞泵描述的偏压并且具有适当 的定相，但是能够被应用于图85中的每一个装置8306、 8308。
在另一实施例中，能够使用图85所示的三个装置(8302、 8304、 8306)控制图84的膜片泵冲程的波幅和频率。泵冲程的波幅受到在导 线8312处的平均电压控制。能够利用快速脉冲宽度调制装置8304调 制这个电压。可以利用装置8306和8308如以前那样控制冲程频率。 可替代地，能够消除装置8304并且在它们的"打开"状态期间能够在 高频下对于开关8306和8308进行脉冲宽度调制，如在图86B中所示 意地。在其它实施例中，如本领域技术人员已知地，能够利用全桥或
94者半桥替代中心抽头线圈。
在用在恒定燃料流量是重要的应用中的其它实施例中，可以在泵
8700和燃烧器头8706之间添加过滤器8701，在此处燃料被与燃烧空
气混合，如在图87A中所示。过滤器8701的一个实施例是包括电容(空
间)8702和孔口 8704的RC过滤器。空间和孔口的尺寸被确定为允许
所需燃料流量并且将流量波动降至所期水平。在本技术领域中熟知的 数学技术可以被用于确定这些过滤器参数。
使用空间和孔口节流器的声滤波器具有图87B所示的电路模拟。 气体流动模拟是电流，气体压力模拟是电压，空间模拟是电容，流阻 模拟是电阻并且气体惯性模拟是电感。孔口节流器并不直接地变换成 这个模型，因为孔口流阻与气体流量平方(非线性)成比例而不是与 如该模型提出的气体流量成比例。关于小信号，能够通过流阻线性化 过程而使用该模型。泵气流脉动以因子l/(l+2.pi.fRC)衰减。其中"f" 是从泵进入过滤器的气体流动的频率分量。由于孔口节流器非线性特 征，声滤波器在低流动下具有较低衰减，从而作为平均流动的百分比 引起高的燃烧器流脉动。更高的脉动能够引起火焰不稳定性和更高的 污染物排放。这种非线性还在更高流率下引起高的平均气体流阻，从 而降低泵的最大流动能力。
向声滤波器添加长薄管子8703通过气体质量加速而提供了脉动 衰减，如在图87C中所示。在图87D中示出关于电学模拟的图表。泵 气流脉动以因子(LC) (2.pi.f) .sup.2]衰减。因为L和C不是 流量的函数，所以过滤衰减不受流率影响而且并不具有图87A的过滤 器的缺点。脉动衰减还增加了泵的流率。
再次参考图80，在另一实施例中，控制器8034调制燃料泵8014 的输出以控制发动机的加热器管8026的温度。可以利用被联结到加热 器管8026的温度传感器8054例如热电偶测量加热器管8026的温度。当发动机增加速度时，发动机从加热器管8026获取更多的热能。管子 冷却并且热电偶8054将这个温度下降报告给控制器8034，控制器8034 则增加燃料流动直至测得温度被恢复至规定水平。可以在该机器实施 例中采用如上所述用于计量通过燃料泵的燃料的任何装置和方法。可 以采用各种燃料泵类型包括旋转叶片泵、压电泵、曲柄驱动活塞泵等。 在其它实施例中，可以通过控制燃料泵计量到腔室的燃料流动而控制 加压腔室是其一个部分的系统的各种操作参数。例如，可以由控制器 确定内燃机的速度或者发动机的功率输出。可替代地，可以由控制器 保持到燃烧器的燃料/空气混合物比率。
应该理解，在这里描述的各种燃料泵实施例可以适合于在多燃烧 器配置中发挥作用。
单燃烧器多活塞发动机
现在参考图88、 89A-89C，示出各种实施例，其中具有振荡杆驱 动器8802 (在图8中还被示为810和812)和多个活塞(在图8中还 被示为802、 804、 806和808)的发动机8800，例如斯特林循环发动 机，包括单一燃烧器(在图89A和89B中被示为8900)以加热活塞的 加热器头8804。加热器头8804可以是在前一部分中公开的各种实施例 之一，包括但是不限于如在图89A中由附图标记8902标注的管式加 热器头(在图91 C和91D中还被示为9116)，或者如在图89C中由 附图标记8904标注的针销或者鳍片加热器头(并且在图53D到53F中 还被示为5100)。图89B包括针销加热器头8904,针销加热器头8904 具有围绕加热器头8904装配的加热器头衬里8926。燃烧器8900可以 是在前一部分中和在通过引用而在这里被以其整体并入的、于2005年 12月6日授予Langenfeld等人的美国专利No. 6， 971， 235中公开的 各种实施例中的任何一种。
在一个实施例中，燃烧腔室8卯6位于加热器头8900上方，如在 图89A-89C中所示。预燃室8901可以经由预燃室喷嘴8908将燃烧腔室8906连接到燃烧器头8903，其中预燃室喷嘴502可以是简单喷嘴、 涡流器或者压力涡旋喷嘴。燃烧器头8903可以容纳用于火焰探测的 UV窗8910、燃料注射器8912和热表面引燃器8914，燃料注射器8912 可以是空气辅助燃料注射器例如Ddevan虹吸喷嘴。第一入口 8916和 第二入口 8918也被连接到燃烧器头8903。这些入口之一可以是液体燃 料入口，并且另一入口可以是雾化入口。
预燃室8901是位于燃烧腔室8906上游的、在中心处定位的燃料 制备站。在预燃室8901处，燃料被点燃以形成扩散火焰。在其中使用 液体燃料的一个实施例中，液体燃料经过第一入口 8916。雾化剂通过 第二入口 8918以雾化液体燃料并且与预燃室8901中的液体燃料混合。 当雾化剂和液体燃料经由燃料注射器8912进入预燃室8901时，它被 热表面引燃器8914点燃。空气还可以穿过进气口 8920并且在它行进 到预燃室8901中之前被预加热器8922预加热，在预燃室8901中，它 将与雾化剂和液体燃料混合。 一旦混合物被预加热并且被形成为扩散 火焰，它便通过预燃室喷嘴8908行进到燃烧腔室8906中以形成PPV (预混合预蒸发)火焰。当扩散火焰离开预燃室8901时，可以在预燃 室8901中发生蒸发，这可以允许扩散火焰被更加容易地再次点火，如 果它已被熄灭或者烧尽。
一旦在燃烧腔室8901中存在火焰，来自火焰的热量便被用于加热 加热器头8804。来自燃烧腔室8901的已被加热的气体在每一个加热器 头8804的表面上均匀地流动，其中加热器头8804将在已加热气体中 包含的热量传递到在发动机(在图88中被示为8800)的工作空间(在 图88中被示为8806)中包含的工作流体。燃烧腔室8901可以在它的 表面中具有孔隙8924以进一步有助于在每一个加热器头8804之上均 匀地分配PPV火焰。
如上在当前和前一部分中所述，加热器头8804可以是针销加热器 头、折叠鳍片加热器头，或者可以是加热器管。在一个实施例中使用针销或者鳍片加热器头，加热器头可以包括如在图89B中所示的加热 器头衬里8926 (并且还在图53A中被示为5340)。加热器头衬里8926 可以是围绕加热器头8904装配的套筒或者它可以是被加热并且扩大并 且然后被围绕加热器头装配从而当套筒冷却时它收縮并且围绕加热器 头形成密配合的套筒。加热器头衬里8926保证了已被加热气体的均匀 流动。如在前一部分详细讨论的那样，均匀流动防止了围绕加热器头 8804的非均匀温度分布并且保证了热效率。所产生的来自燃烧器的排 气可以通过排气口 8928离开燃烧器。
因为燃烧器可以达到非常高的温度，所以用于形成燃烧器的金属 可能扩大。特定燃烧器表面8930的膨胀可能影响发动机的效率或者可 能损坏加热器头8804。在一个可替代实施例中，柔顺部件可以位于加 热器头8804，或者如果使用它的话，加热器头衬里8926和燃烧器表面 8930之间。柔顺部件相对于扩大的金属燃烧器表面8930用作缓冲器从 而燃烧器表面8930并不扩展到加热器头8804中。
在一个可替代实施例中，可以使用气态燃料例如丙垸。在这种实 施例中，燃烧器可以包括燃烧器头8903和燃烧腔室8906。燃烧器头 8903可以容纳用于火焰探测的UV窗8910，可以是空气辅助燃料注射 器例如Delevan虹吸喷嘴的燃料注射器8912和热表面引燃器8914。气 态燃料可以经由燃料注射器8912进入燃烧腔室8906。在离开燃料注射 器8912时，气态燃料将被热表面引燃器8914点燃，由此在燃烧腔室 8906内侧产生火焰。在前一部分中详细描述了气态燃料的燃烧。
在又一个实施例中，燃烧器8900可以使用气态和液体这两种燃 料。类似于早先描述的示例性实施例和在前一部分中描述的各种其它 实施例，燃烧器8卯0可以包括燃烧腔室8906、预燃室8卯I和燃烧器 头8卯3。燃烧腔室8906可以位于加热器头8804上方。预燃室8901可 以经由预燃室喷嘴8908将燃烧腔室8906连接到燃烧器头8903，其中 预燃室喷嘴8908可以是简单喷嘴、涡流器或者压力涡旋喷嘴。燃烧器
98头8903可以容纳用于火焰探测的UV窗8910，可以是空气辅助燃料注 射器例如Delevan虹吸喷嘴的燃料注射器8912和热表面引燃器8914。 第一入口 8916和第二入口 8918也被连接到燃烧器头8903。这些入口 之一可以是液体燃料入口并且另一入口可以是雾化入口。开关可以位 于第一入口 8916和第二入口 8918之间，从而当使用气态燃料时，气 态燃料将流动通过第二入口 8918，而不是如上所述的雾化剂。当使用 液体燃料时，该开关将被如此配置，使得液体燃料可以流动通过第一 入口 8916并且雾化剂可以流动通过第二入口 8918。
在燃烧器的进一步的实施例中，吹风机可以被联接到燃烧器8900。
多燃烧器多活塞发动机
现在参考图卯到91B,示出另一实施例，其中发动机卯00的每 一个加热器头9002可以被单个燃烧器9004加热，如在图90中所示。 加热器头9002可以是在前一部分中描述的各种实施例中的任何一种， 包括但是不限于如在图91B-91D中由附图标记9116标注的管式加热器 头，或者如在图91A中由附图标记9118标注的针销或者鳍片加热器头 (并且还在图53D到53F中被示为5100)。燃烧器9004可以是在前 一部分中和在美国专利No. 6, 971， 235中公开的各种实施例中的任何 一种。
每一个燃烧器9004均包括燃烧器头9100。类似于以前的已公开 燃烧器实施例，燃烧器头9100具有引燃器9101、燃料注射器9108和 用于火焰探测的UV窗(在图91B中被示为9107)。燃料经过第一入 口 9106，在此处它被引燃器9101加热并且被形成为火焰。被预加热器 9102加热的、已经预加热的空气可以在燃烧腔室9103中被与燃料混合。 已经加热的燃料混合物在燃烧腔室9103内侧形成火焰并且加热加热器 头9002。来自燃烧器的任何排气可以经由排气口 9105离开燃烧器。在 燃烧器的一个可替代实施例中，雾化剂可以经由第二入口 9110而与燃 料相结合。在燃烧器的另一实施例中，可以包括吹风机以在各个燃烧器9004之间保持平均空气配给量。
又一个实施例可以包括预燃室91U，如在图91B中所示。在该实 施例中，燃烧器可以包括燃烧腔室9103、预燃室9111和燃烧器头9100。 燃烧腔室9103可以位于加热器头9002上方。预燃室9111可以经由预 燃室喷嘴9112例如简单喷嘴、涡流器或者压力涡旋喷嘴而将燃烧腔室 9103连接到燃烧器头9100。燃烧器头9100可以容纳用于火焰探测的 UV窗9107，可以是空气辅助燃料注射器例如Ddevan虹吸喷嘴的燃料 注入口 9108和热表面引燃器9101。第一入口 9106和第二入口 9110也 被连接到燃烧器头9100。这些入口之一可以是液体燃料入口并且另一 入口可以是雾化入口。
预燃室9111是位于燃烧腔室9103上游的、在中心处定位的燃料 制备站。在预燃室9111处，燃料被点燃以形成扩散火焰。在其中使用 液体燃料的一个实施例中，液体燃料经过第一入口 9106。雾化剂通过 第二入口 9110以雾化液体燃料并且与预燃室91U中的液体燃料混合。 当雾化剂和液体燃料经由燃料注射器9108进入预燃室9111时，它被 热表面引燃器9101点燃。空气还可以穿过入口并且在它行进到预燃室 9111中之前被预加热器9102预加热，在预燃室91U中，它将与雾化 剂和液体燃料混合。 一旦混合物被预加热并且被形成为扩散火焰，它 便通过预燃室喷嘴9112行进到燃烧腔室9103中以形成PPV (预混合 预蒸发)火焰。当扩散火焰离开预燃室9111时，可以在预燃室9111 中发生蒸发，这可以允许扩散火焰被更加容易地再次点火，如果它已 被熄灭或者烧尽。
一旦在燃烧腔室9103中存在火焰，来自火焰的热量便被用于加热 加热器头9002。来自燃烧腔室9103的已被加热的气体在每一个加热器 头9002的表面上均匀地流动，其中加热器头9002将在已加热气体中 包含的热量传递到在发动机(在图90中被示为9000)的工作空间中包 含的工作流体。燃烧腔室9103可以在它的表面中具有孔隙(在图91A中被示为9114)以进一步有助于在每一个加热器头8804之上均匀地分 配PPV火焰。
本发明的原理可以被应用于所有类型的发动机，包括斯特林发动 '机，并且可以被应用于利用汽缸的其它活塞机器例如内燃机、压縮机 和制冷机。然而，本发明可以不限于双作用四汽缸斯特林发动机。
虽然已经在这里描述了本发明的原理，但是本领域技术人员应该 理解，该描述仅仅是示例性的，而非限制本发明的范围。除了所示出 并且在这里描述的示例性实施例，在本发明的范围内考虑了其它实施 例。本领域普通技术人员作出的修改和替代被视为在本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于机器的振荡杆驱动机构，包括具有摇臂枢轴的振荡杆；至少一个汽缸；至少一个活塞，所述活塞被容纳于各自的汽缸内，由此所述活塞能够在所述各自的汽缸内基本上线性地往复运动；和至少一个联接组件，所述至少一个联接组件具有近端和远端，所述近端连接到所述活塞并且所述远端通过端部枢轴连接到所述振荡杆，由此所述活塞的线性运动被转换成所述振荡杆的旋转运动。
2. 根据权利要求1的振荡杆驱动机构，其中所述振荡杆通过连杆 而联接到曲柄轴，由此所述振荡杆的旋转运动被传递到所述曲柄轴。
3. 根据权利要求1的振荡杆驱动机构，其中所述汽缸进一步包括 闭合端部和开放端部，其中所述开放端部进一步包括连接到所述汽缸 的直线轴承，所述直线轴承具有用于容纳所述联接组件的开口。
4. 根据权利要求3的振荡杆驱动机构，其中所述联接组件进一步 包括活塞杆；和联杆，所述活塞杆和联杆通过联接装置联接到一起，所述联接装 置位于所述直线轴承下方。
5. 根据权利要求4的振荡杆驱动机构，进一步包括密封件，所述 密封件以可密封方式连接到所述活塞杆。
6. 根据权利要求5的振荡杆驱动机构，其中所述密封件是滚动膜片。
7. 根据权利要求4的振荡杆驱动机构，其中所述联接装置是柔性 接头。
8. 根据权利要求4的振荡杆驱动机构，其中所述联接装置是滚柱 轴承。
9. 根据权利要求4的振荡杆驱动机构，其中所述联接装置是铰链。
10. 根据权利要求4的振荡杆驱动机构，其中所述联接装置是挠性件。
11. 根据权利要求4的振荡杆驱动机构，其中所述联接装置是轴 颈轴承接头。
12. —种斯特林循环机器，包括至少一个振荡驱动机构，所述振荡驱动机构包括具有摇臂枢轴的振荡杆； 至少一个汽缸；至少一个活塞，所述活塞被容纳于各自的汽缸内，由此所述活塞 能够在所述各自的汽缸内基本上线性地往复运动；和至少一个联接组件，所述至少一个联接组件具有近端和远端，所 述近端连接到所述活塞并且所述远端通过端部枢轴连接到所述振荡 杆，由此所述活塞的线性运动被转换成所述振荡杆的旋转运动；曲柄轴箱，所述曲柄轴箱容纳所述振荡杆并且容纳所述联接组件 的第一部分；曲柄轴，所述曲柄轴通过连杆而联接到所述振荡杆，由此所述振 荡杆的旋转运动被传递到所述曲柄轴；工作空间，所述工作空间容纳所述至少一个汽缸、所述至少一个 活塞和所述联接组件的第二部分；和密封件，所述密封件用于相对于所述曲柄轴箱密封所述工作空间。
13. 根据权利要求12的斯特林循环机器，其中所述密封件是滚动 膜片。
14. 根据权利要求12的斯特林循环机器，其中所述联接组件进一 步包括活塞杆；和联杆，所述活塞杆和联杆通过联接装置联接到一起。
15. 根据权利要求12的斯特林循环机器，进一步包括位于所述曲 柄轴箱中的润滑流体泵。
16. 根据权利要求15的斯特林循环机器，其中所述润滑流体泵是 被泵驱动组件驱动的机械润滑流体泵，所述泵驱动组件连接到所述曲 柄轴并且被所述曲柄轴驱动。
17. 根据权利要求15的斯特林循环机器，其中所述润滑流体泵是 电动润滑流体泵。
18. 根据权利要求13的斯特林循环机器，进一步包括连接到所述 曲柄轴的马达。
19. 根据权利要求13的斯特林循环机器，进一步包括连接到所述 曲柄轴的发电机。
20. —种斯特林循环机器，包括 至少两个振荡驱动机构，所述振荡驱动机构包括 具有摇臂枢轴的振荡杆；两个汽缸；两个活塞，每一个所述活塞均被容纳于各自的汽缸内，由此所述活塞能够在所述各自的汽缸内基本上线性地往复运动；和两个联接组件，所述两个联接组件具有近端和远端，所述近端连接到所述活塞并且所述远端通过端部枢轴连接到所述振荡杆，由此所述活塞的线性运动被转换成所述振荡杆的旋转运动；曲柄轴箱，所述曲柄轴箱容纳所述振荡杆并且容纳所述联接组件的第一部分；曲柄轴，所述曲柄轴通过连杆而联接到所述振荡杆，由此所述振 荡杆的旋转运动被传递到所述曲柄轴；润滑流体泵，所述润滑流体泵位于所述曲柄轴箱中，用于泵送润 滑流体以润滑所述曲柄轴和所述振荡杆以及所述联接组件的第一部分；工作空间，所述工作空间容纳所述汽缸、所述活塞和所述联接组 件的第二部分；和滚动膜片，所述滚动膜片用于相对于所述曲柄轴箱密封所述工作 空间。
21. 根据权利要求20的斯特林循环机器，其中所述联接组件进一 步包括活塞杆；和联杆，所述活塞杆和联杆通过联接装置联接到一起。
22. 根据权利要求20的斯特林循环机器，其中所述联接装置是柔 性接头。
23. 根据权利要求20的斯特林循环机器，其中所述联接装置是滚 柱轴承。
全文摘要
一种斯特林循环机器。该机器包括至少一个振荡驱动机构，该振荡驱动机构包括具有摇臂枢轴的振荡杆、至少一个汽缸和至少一个活塞。该活塞被容纳于各自的汽缸内并且能够在各自的汽缸内基本线性地往复运动。并且，该驱动机构包括具有近端和远端的至少一个联接组件。该近端连接到活塞并且该远端通过端部枢轴连接到振荡杆。活塞的线性运动被转换成振荡杆的旋转运动。并且，该机器包括容纳振荡杆并且容纳联接组件的第一部分的曲柄轴箱。该机器还包括通过连杆而联接到振荡杆的曲柄轴。振荡杆的旋转运动被传递到曲柄轴。该机器还包括容纳该至少一个汽缸、该至少一个活塞和该联接组件的第二部分的工作空间。该机器包括用于相对于曲柄轴箱密封工作空间的密封件。
文档编号F02G1/043GK101688500SQ200880021355
公开日2010年3月31日 申请日期2008年4月18日 优先权日2007年4月23日
发明者克里斯托佛·C·朗根费尔德, 斯坦利·B·史密斯, 普拉桑特·巴特, 迪安·卡门 申请人:新动力概念有限公司