斯特林发动机的制作方法
【专利说明】斯特林发动机
[0001 ]本发明设及一种斯特林发动机。
[0002] 斯特林发动机是溫度驱动式卡诺机，此类发动机在具有恒定高溫并且经过其头部 的热输入足够高时工作最佳。因此，斯特林发动机理论上适于由能一直W高溫提供高热的 燃气燃烧器加热。申请人研发并制造出适于在家庭环境中使用W提供电力与热水的运样的 斯特林发动机(Microgen?lkW发动机）。燃气燃烧器设计成向与斯特林发动机的内部与外部 接收器翅片相对的最佳位置提供高溫热。
[0003] 所述发动机还非常适于偏远场所使用，因为运些发动机是具有长寿命并且很少或 不需要维修的密封单元。但是，燃气供应无保障，能得到的诸如生物燃料、废热W及太阳光 之类的燃料不能作为主要的燃气供应W相同的恒定方式产生热。
[0004] 解决此问题的一种尝试是将斯特林发动机头部包绕在针焊至此头部(在尺寸通常 附接有外部翅片）的铜块体中。铜具有高的热导率，因而将增大的表面积W及良好的热传递 提供到头部中。而且，其质量提供热惯性W消除热供应中的任何变动。
[0005] 然而，运没有提供一种可行的解决方案，因为所述铜块体的外表面中迅速累积起 铜氧化物，此铜氧化物在非常短的时间内将其热传递能力减小至不可接受的水平。
[0006] 根据本发明，提供一种斯特林发动机，该斯特林发动机包括壳体，该壳体容纳布置 成相对于彼此往复运动的置换器与动力活塞，头部邻近所述置换器W吸收热，所述头部由 铜块体或侣块体围绕，所述块体的主要部分包覆有厚度在3mm至0.15mm之间的不诱钢或铭 儀铁合金层。
[0007] 通过采取利用具有低热导率的材料的明显适得其反的步骤，本发明首次提供运样 一种成功的斯特林发动机，其能在热源处于低溫并且难W被引导并控制的情况下使用。
[000引铜或侣块体的高热导率减少了通过块体的溫降，从而对于给定的发动机功率与头 部操作溫度减小了块体的平均溫度。通常，铜具有大约400W/mK的热导率，侣具有大约200W/ mK的热导率。此增大的质量通过具有大的热质量而有助于维持并控制更稳当的溫度，并且 在头部过热或者冷却之前提供更慢的时间约束W及更长的时间。在热源不能被精确控制并 且对热源的控制动作需要更多的时间的系统中有此需要。
[0009] 从头部增大的表面积减小了热通量，并降低了表面溫度。运允许不全面使用昂贵 的包覆材料，并因此允许使用更少的昂贵包覆材料。
[0010] 需要铜或侣块体适度大W具有所需的热惯性与表面积。块体的实际尺寸将取决于 发动机的大小和热源。但是，优选的是，块体所具有的从最外表面到壳体的最接近部分的最 大距离大于1畑1。运实际上需要块体的最小厚度至少是1畑1。
[0011] 类似地，包覆层的确切厚度取决于操作参数。但是，该厚度优选为1mm至0.5mm。
[0012] 块体可W具有与头部同轴布置的大体截头圆锥形的形状，并且块体的较宽端离头 部最远，所述较宽端提供圆形面。此截头圆锥形形状提供背离头部的宽圆形面，该宽圆形面 特别适于吸收太阳福射。
[0013] 优选的是，仅块体的在较宽端处的圆形面被包覆。该圆形面是经受最高溫度的表 面并因而受益于包覆层防护。而且，该圆形面下方的锥形曲面很难被包覆。此面优选被针 焊。
[0014] 对于非太阳能源，大体圆柱形构造的块体是优选的。在此情况下，大部分热通过块 体的顶面与侧面被吸收。顶面与侧面优选被包覆。
[0015] 斯特林发动机可W是任何形式的斯特林发动机，但是优选是自由活塞发动机W及 优选是线性发动机。
[0016] 现在将参照附图描述根据本发明的斯特林发动机的实施例，在附图中：
[0017] 图1是与太阳能源一起使用的、头部W剖面示出的斯特林发动机的侧视图；W及
[0018] 图2是穿过用于生物燃料源或废热源的发动机的斯特林发动机壳体的头部端的剖 面图。
[0019]现有技术中公知斯特林发动机的基本设计，例如Mic;rogen?lkW发动机。此发动机 是一种置换器(未示出）邻近头部端1并且动力活塞(未示出）邻近相反端2的线性自由活塞 斯特林发动机。在头部端1处施加热。此热被如图2中所示的内翅片3吸收。冷却剂回路围绕 发动机的中部。冷却剂回路包括冷却剂入口 4 W及内部冷却室5，冷却剂绕该内部冷却室循 环W便创建发动机头部与中部之间的热差异。此差异W本领域中公知的方式使置换器往复 运动。置换器与动力活塞异相往复运动，在相反端2处设置交流输出设备。然后，冷却剂回路 中的水被馈送至热交换器(未示出），水在该热交换器处吸收来自发动机的废热W提供热供 应。
[0020] 环形凸缘7围绕发动机的中部，并且也如本领域中公知的是支撑发动机的构件。
[0021] 本发明设及邻近头部的块体的设置W便于具体源的热吸收。
[0022] 在图1中，头部10被具有环形的较窄端12与圆形的较宽端13的大体截头圆锥形形 状的块体11围绕，圆柱形凹口 14居中地延伸从块体11的较窄端12至较宽端的路径的大部 分。在凹口 14的端部处，在头部的弯曲顶部与块体11之间限定有空间15。运样做首先是因为 此处几乎不发生热传递，其次因为图1中所示的圆柱形形状更容易被机加工。
[0023] 块体11由铜或侣制成，并且圆形的顶面被包覆有不诱钢或铭儀铁合金的圆盘18， 该圆盘的厚度在3mm至1.5mm之间。铜块体14的曲面17在包覆层13下方及较窄端12由儀针 焊。
[0024] 在使用中，太阳能收集器被设置成将太阳能引导到圆形端13上，使得此能量被吸 收到块体11中，并由此被吸收到头部10中。要理解的是，块体的相对较大的尺寸W及铜或侣 的使用提供了大的热质量，运使进入到头部中的热吸收最优化。其次，大的热质量在一定程 度上使其它不可预测的热源平稳。
[0025] 图2示出了适于非太阳能应用的相似块体。在此情况下，块体20是圆柱形的，但是 具有容纳头部的相似中央凹口 14。在此情况下，圆形端面21与环形侧面22两者都包覆有厚 度在3mm至1.5mm之间的不诱钢或铭儀铁合金层W至于热传递绕表面更均匀地分配。块体的 最接近安装支架7的端表面23由于不接收大量直接热而无需被包覆。但是，如果需要可W被 包覆。
[0026] 下面列出所用材料的典型热特性：
【主权项】
1. 一种斯特林发动机，该斯特林发动机包括壳体，该壳体容纳布置成相对于彼此往复 运动的置换器与动力活塞，头部邻近所述置换器以吸收热，所述头部由铜块体或铝块体围 绕，所述块体的主要部分包覆有厚度在3_至0.15_之间的不锈钢或铬镍铁合金包覆层。2. 根据权利要求1所述的发动机，其中，所述块体所具有的从最外表面到所述壳体的最 接近部分的最大距离大于lcm〇3. 根据权利要求1和2所述的发动机，其中，所述包覆层的厚度为1mm至0.5mm。4. 根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，所述块体具有与所述头部同轴 布置的大体截头圆锥形形状，并且所述块体的较宽端离所述头部最远，在所述较宽端处提 供有圆形面。5. 根据权利要求4所述的发动机，其中，仅所述块体的在所述较宽端处的所述圆形面被 包覆。6. 根据权利要求5所述的发动机，其中，所述块体的圆锥面用镍钎焊。7. 根据权利要求1至3中的任一项所述的发动机，其中，所述块体具有与所述头部同轴 布置的大体圆柱形形状。8. 根据权利要求7所述的发动机，其中，所述块体的顶面以及/或者侧面被包覆。9. 根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，所述发动机是自由活塞发动机。10. 根据前述权利要求中的任一项所述的发动机，其中，所述发动机是线性发动机。11. 一种根据前述权利要求中的任一项所述的发动机与布置成经由所述块体与包覆层 向所述头部供应热的生物燃料源、废热源或者太阳热源的组合。
【专利摘要】一种斯特林发动机，该斯特林发动机包括壳体，该壳体容纳布置成相对于彼此往复运动的置换器与动力活塞。头部(1)邻近所述置换器以吸收热，并且由铜块体或铝块体(14,20)围绕。所述块体的主要部分包覆有厚度在3mm至0.15mm之间的不锈钢或铬镍铁合金层(18)。
【IPC分类】F02G1/055
【公开号】CN105658939
【申请号】
【发明人】大卫·安东尼·克拉克, A·H·格林
【申请人】麦克罗金能源控股公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2014年3月11日