专利名称：热交换器结构和等温压缩或膨胀腔的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种热交换器结构。本发明还涉及在其中进行等温压缩和/或膨胀的腔。本发明进一步涉及包含这样的腔的高效可逆热力发动机，例如，斯特林发动机。
背景技术：
斯特林发动机有时用于工业制冷及军事或太空应用中。这样的发动机具有以下优势可用作发动机或者用来产热或致冷而不使用制冷剂，制冷剂通常造成污染。斯特林发动机的另一优势是，其热源在外部并且因此该热源可通过任何已知燃料类型甚或通过太阳辐射获得。在斯特林循环中，气体，例如空气、氢气或氦气，经受四阶段循环等容加热、等温膨胀、等容制冷及等温压缩。图1是斯特林发动机的通用图。第一腔3通过第一热交换器7、蓄热器9及第二热交换器11连接到第二腔5。由所述腔、交换器及蓄热器组成的组件可以是圆柱形的。第一交换器7及第二交换器11分别与处于热温度T。的热源及处于冷温度Tf的冷源接触。腔3 及腔5分别通过移动活塞13及移动活塞15封闭，活塞13及活塞15限定了腔3及腔5的可变空间。应当理解，有多种不同方式使图1中所示的斯特林发动机的不同元件相对彼此移动例如，在所谓的阿尔法配置的情况下，两个活塞13及15可以是可移动的且蓄热器9 及交换器7与交换器11可以是固定的。如果所述发动机的中间部分可以移动，则活塞13 与活塞15之一也可以是固定的。由蓄热器9及交换器7与交换器11构成的组件也可以被设置为固定的且腔3与腔5的可变空间可以由通过移动壁而分为二部分的单个可变空间构成，所述移动壁称为置换器。这样的配置称为贝它(beta)或伽马(gamma)配置。图2A到图2D示出斯特林发动机循环的步骤。在图2A所示的初始任意状态A中，在第一腔3中存储有一些量的气体，第二腔5 优选地体积为零或很小。第一腔3中的气体由热源加热且其压力增大。这样将活塞13移动到状态B，在状态B下，腔3中的气体所占据的体积大于在状态A下该腔的体积。在等温膨胀阶段(步骤 A与步骤B)期间，提取出机械功。接着，等容制冷实现从状态B转换到状态C，在状态C中，热腔3中的气体转移到冷腔5。在此转移期间，存储在腔3中的气体穿过蓄热器9且当其抵达腔5时已经冷却。在所述蓄热器中“提取”出所述热气体中所含的热(在下文可看到)，且所述气体冷却。等温压缩实现从状态C转换到状态D，在状态D中，腔5中的气体所占据的体积比状态C中该腔的体积小。通过驱动活塞15来执行此压缩以减小腔5的体积。此步骤消耗能量，但小于在状态A与状态B之间提供的能量。最后，等容转移实现从状态D转换到初始状态A，在初始状态A中，气体储存在热腔 3中。在此步骤期间，气体通过蓄热器9从冷腔5移到热腔3中。在蓄热器中，当气体第二次穿过蓄热器时(步骤D到A)，等容制冷(步骤B到步骤C)期间提取的热量返还给所述气体。因此，气体在开始接触交换器7之前受热。应当注意的是，优选地，在已知的发动机中， 腔3与腔5在循环期间交替地几乎完全为空。在发动机循环中，步骤A与B之间的膨胀期间提取出的机械功部分用于等温压缩 (步骤C到步骤D)。所述蓄热器使从状态B转换到状态C期间提取的热能够在从状态D转换到状态A期间分配给所述气体且避免热损失。事实上，所述蓄热器作为逆流式热交换器操作当热气体进入冷蓄热器时，该热气体冷却同时加热所述蓄热器，相反地，穿过所述热蓄热器的冷气体受热同时冷却所述蓄热器。为了执行其功能，所述蓄热器必须由沿着所述气流方向为不良导热体的材料制成，例如，绝缘材料。本文中所考虑的发动机被期望是可逆的，S卩，能够用在发动机循环或热泵循环中。 应当注意的是，可逆性的此定义与当前定义不同，对当前定义来说，可逆发动机是具有热源及冷源的发动机，所述热源及所述冷源可转化。与当前斯特林发动机有关的问题是当所述斯特林发动机具有良好的发动机循环效率时，它们将具有低热泵循环效率，且反之亦然。这些发动机的可逆使用或者它们在宽工作范围中的使用的低效率源于发生在它们中的不同损失，且尤其源于热交换中的温度差异。斯特林发动机中或者理论上实施等温压缩及膨胀的任一发动机中的非可逆损失的另一起因在于，真实系统远远不能够实现这样的等温压缩及膨胀。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供一种具有循环的热力发动机，所述循环包含几乎理想的等温压缩和/或膨胀。本发明的实施例的目的是提供在宽工作范围内具有低损失及高效率的热力发动机。本发明的实施例的另一目的是提供一种可逆热力发动机。本发明的实施例的又一目的是提供一种优化的热交换器。因此，本发明的实施例提供一种热力发动机，用于以最小循环时间操作，所述发动机包含至少一个压缩/膨胀及热交换腔，此腔由能够相对于彼此移动的第一壁及第二壁纵向地限定，其特征在于，所述腔由自所述第一壁及所述第二壁的每一个纵向延伸的隔板分开，所述隔板交错，自同一壁延伸的隔板之间的间距配置成使得该间距的平方与所述最小循环时间之间的比率小于所述腔中包含的气体的平均热扩散率。根据本发明的实施例，自同一壁延伸的隔板之间的所述间距使得所述比率小于所述腔中包含的所述气体的平均扩散率的一半。根据本发明的实施例，所述第一壁为不透气的且用于放置成与热源接触，且所述第二壁能够让气体流到所述压缩/膨胀腔的外部。根据本发明的实施例，自同一壁延伸的隔板之间的所述间距小于2mm，所述压缩/ 膨胀腔中包含的气体为氢气或氦气。根据本发明的实施例，自同一壁延伸的隔板之间的所述间距小于0. 5mm。根据本发明的实施例，所述腔为圆柱形且隔板的沿着与所述腔的长度垂直的方向的横截面是螺旋形。根据本发明的实施例，由壁及关联的所述隔板构成的组件由宽条状物的缠绕圈及至少一个分隔条状物形成。根据本发明的实施例，所述分隔条状物是波浪形条状物。根据本发明的实施例，所述分隔条状物由相对设置的两个波纹形条状物构成，所述分隔条状物具有重叠的波纹。根据本发明的实施例，所述腔为圆柱形且所述隔板的沿着与所述腔的长度垂直的方向的横截面形成平行的波浪形部分的组件。根据本发明的实施例，所述腔为圆柱形且所述隔板的沿着与所述腔的长度垂直的方向的横截面形成平行的平坦部分的组件。根据本发明的实施例，至少一个壁形成可控活塞的端部。根据本发明的实施例，所述隔板由导热陶瓷、铜、铝或钢制成，所述陶瓷例如为碳化硅或氮化铝。
本发明的上述及其它目的、特征及优势将结合附图在下文具体实施例的非限制性描述中予以详细讨论。前面描述的图1为斯特林发动机的通用图；前面描述的图2A到图2D示出了斯特林发动机循环的步骤；图3A到图3C是根据本发明的实施例的以若干配置形式的发动机的一部分的横截面图；图4及图5是根据本发明的实施例的发动机的部分的两个透视图；图6示出了根据本发明的实施例的半交换器的可能的实施例；图7是根据本发明的实施例的斯特林发动机的横截面图；图8A及图8B示出了根据本发明的实施例的半交换器的另一可能的实施例；及图9是示出根据本发明的实施例的发动机的优势的曲线。为清楚起见，在不同附图中，相同元件用相同附图标记表示，且进一步地，各个附图不是按比例绘制。
具体实施例方式本发明的实施例首先提供了直接将热交换器置于压缩与膨胀腔中。其进一步提供了形成的压缩与膨胀腔，在所述压缩及膨胀腔中，所述交换器包含形成所述腔中的隔板的很多部分。这样的隔板自所述腔的两个相对壁延伸且当腔体积减小时交错。图3A到图3C以纵截面图示出了压缩腔或膨胀腔，如以上所描述，形成例如斯特林发动机的一部分。这些附图示出了等温膨胀中的不同状态。在图3A中，腔21形成于气缸中且由在所述气缸中可相对于彼此移动的两个壁23 及25界定。所示示例假定了与活塞轴27相关联的可移动壁23及相对于蓄热器29(未细述)固定的固定壁25。应当理解的是，壁23及壁25可以以另一方式相对于彼此移动。壁 23密封，且壁25对气体而言是可渗透的，例如，可具有很多孔。隔板31在腔21中自壁23延伸，且隔板33在腔21中自壁25延伸。隔板31及隔板33沿着所述气缸的纵向延伸且在横截面图中交替安置。隔板31及隔板33形成两个半交换器。在图3A的状态中，隔板31的端部靠近壁25且隔板33的端部靠近壁23。因此，腔 21的体积最小。热源(或者在相反情况一压缩中的冷源)通过适当装置连接到壁23或壁 25之一，在此为壁23，未示出。壁23可以与所述热源直接接触或者通过热流体流动或冷流体流动与其接触。图3C示出了当腔21的体积最大时的装置，即，活塞23-27及隔板31尽可能地远离壁25。在所述附图中，隔板31及隔板33的自由端被示出在腔21中彼此相对。还可将隔板31及隔板33的自由端设置为稍微远离彼此。图;3B示出处于图3A与图3C的位置之间的位置的装置。两个半交换器的交错结构能够随时使腔21中存在的气体的每一分子相对靠近隔板31或隔板33。因此，在隔板31及隔板33是热的而发生膨胀的情况中，在膨胀期间，所有的气体分子靠近热隔板，这能够避免形成温度低于热源温度的气囊，且因此确保等温膨胀。 因此，本文讨论的结构能够提高所述组件将热从热源传导给腔21的气体的能力，且能够减小热源与所述气体之间的温度差造成的损失。为了在所述热源与所述气体之间提供良好交换且避免因所述腔中的死体积造成的损失，发明人提供了如下设置的隔板，使得d2/T < D,d是同一半交换器的两个连续隔板31或33之间的间距；T是所述热力发动机的最小循环时间(即，在关于图2A到图2D描述的斯特林发动机的情况下的最小往复运动的时间)；及D是所述腔中的气体循环的平均扩散率。优选地，比率d2/T将小于气体的热扩散率D的一半。这能够在腔21内保持充分均勻的气体温度，几乎等于热源的温度，且因此能进行几乎理想的等温压缩及膨胀。应用上述不等式能够通过从延伸自压缩/膨胀腔的所述隔板到气体的热扩散来使用热传递。因此， 热传递主要通过扩散进行，可能发生的涡流现象对所述传递几乎没有或者没有影响。隔板31及隔板33可以由导热材料制成，例如，由诸如碳化硅、氮化铝的陶瓷或者还可由铜或铝制成。在此情况下，应当理解，在图3A的位置中，隔板33通过气体由隔板31 加热。在所述膨胀期间，隔板33将所存储的热分配给气体且尤其分配给位于靠近壁25的气体。对恰当的操作而言，应当理解，发动机循环时间必须足够长足以使隔板31及33与气体之间的热交换有时间发生。发明人已注意到，隔板33还可由不良导热材料制成，并不全部由不良导热材料构成，这改变膨胀/压缩的等温特性。类似地，隔板31除了连接到壁23的端部外可由不良导热材料制成。事实上，在此情况下，在图3A的状态中，热从壁23传递到隔板31的相邻区域且接着通过气体传到隔板33的自由端。在膨胀期间，隔板33的自由端连续地与隔板31的不同部分相对且因此热从隔板33的端部传到隔板31，且接着再次从隔板31传到隔板33。 当腔21的体积减小时，热还通过气体在隔板31与隔板33之间传递。因此，在循环期间，隔板31与33全部是热的并将它们的热传递给气体。在不良导热材料用于隔板31与隔板33的情况下，必须满足以下关系式
权利要求
1.一种热力发动机，用于以最小循环时间(T)操作，所述发动机包含至少一个压缩/ 膨胀及热交换腔(21)，所述腔由能够相对于彼此移动的第一壁及第二壁(23、2幻纵向地限定，其特征在于，所述腔由自所述第一壁及所述第二壁的每一个纵向延伸的隔板(31、33) 分开，所述隔板交错，自同一壁延伸的隔板之间的间距配置成使得该间距(d)的平方与所述最小循环时间⑴之间的比率小于所述腔中包含的气体的平均扩散率⑶(d2/T < D)。
2.如权利要求1所述的发动机，其中自同一壁延伸的隔板之间的所述间距使得所述比率小于所述腔中包含的所述气体的平均扩散率(D)的一半。
3.如权利要求1或2所述的发动机，其中所述第一壁03)为不透气的且用于放置成与热源接触，且所述第二壁能够让气体流到所述压缩/膨胀腔的外部。
4.如权利要求1到3中任一项所述的发动机，其中自同一壁延伸的隔板之间的所述间距小于2mm，所述发动机具有大于0. 02秒的循环时间，所述压缩/膨胀腔中包含的所述气体为氢气或氦气。
5.如权利要求4所述的发动机，其中自同一壁延伸的隔板之间的所述间距小于0.5mm。
6.如权利要求1到5中任一项所述的发动机，其中所述腔为圆柱形且所述隔板(31、 33)的沿着与所述腔的长度垂直的方向的横截面是螺旋形。
7.如权利要求6所述的发动机，其中由壁及关联的所述隔板构成的组件由宽条状物的缠绕圈及至少一个分隔条状物形成。
8.如权利要求7所述的发动机，其中所述分隔条状物是波浪形条状物01)。
9.如权利要求7所述的发动机，其中所述分隔条状物由相对设置的两个波纹形条状物 (83,85)构成，所述分隔条状物具有重叠的波纹。
10.如权利要求1到5中任一项所述的发动机，其中所述腔为圆柱形且所述隔板(31、 33)的沿着与所述腔的长度垂直的方向的横截面形成平行的波浪形部分的组件。
11.如权利要求1到5中任一项所述的发动机，其中所述腔为圆柱形且所述隔板(31、 33)的沿着与所述腔的长度垂直的方向的横截面形成平行的平坦部分的组件。
12.如权利要求1到11中任一项所述的发动机，其中至少一个壁(23、25)形成可控活塞的端部。
13.如权利要求1到12中任一项所述的发动机，其中所述隔板(31、33)由导热陶瓷、 铜、铝或钢制成，所述陶瓷例如为碳化硅或氮化铝。
全文摘要
本发明涉及热力发动机，该发动机包括至少一个腔(21)，在所述腔中进行等温膨胀和/或压缩，所述腔由彼此相对可移动的第一壁及第二壁(23、25)纵向地界定。所述腔(21)由自所述第一壁及第二壁中的每一个纵向延伸的隔板(31、33)分开，所述隔板互相交错，且自同一壁延伸的所述隔板之间的间距使得间距的平方与热力发动机的循环时间之间的比率小于所述腔中包含的气体的平均热扩散率。
文档编号F02G1/055GK102245887SQ200980139642
公开日2011年11月16日 申请日期2009年10月1日 优先权日2008年10月3日
发明者皮埃尔·沙拉 申请人:思迪莱尔(简易有限公司)