斯特林发动机的制作方法

专利名称：斯特林发动机的制作方法
斯特林发动机
相关申请
本申请要求2008年6月12日提交的、申请号为61/060,870、题目为“various designs and features including a Liu-Stirling engine and heat pump as well as a gradient maintaining counter flow heat exchanger (包括Liu-Stirling发动机和热泵以及维持温度梯度的对流热交换器的多项设计与装置)”的美国临时专利申请的权益和优先权。本申请还 是61/060,870号、题目为“包括Liu-StMing发动机和热泵以及维持温度梯度的对流热交 换器的多项设计与装置”的美国临时专利申请的部分延续，并在此引入作为参考。技术领域
本发明的一方面是为了制造更有效率的斯特林发动机。
技术背景
图1所示为某些背景技术但不一定是现有技术的曲线图，其为结构斯特林发 动机内示例性的气态工作流体分布状态。曲线图表示了两个变量在发动机加热的和冷 却的腔室之间推动工作流体的结构斯特林发动机置换器的位移；以及活塞的位移， 其控制发动机内工作流体的体积。竖轴表示位置，最上面的曲线表示通过活塞运动实现 的斯特林发动机体积，下面的曲线表示置换器的位置，其将发动机的体积分成被热源加 热的体积和被冷源冷却的体积。水平轴表示发动机驱动轴的旋转位置。
注意到每个阶段包含了通常为本身抵消(self-antagonizing)的混合过程。这很大 程度上是由结构斯特林发动机一般是曲柄驱动的事实造成的。这些归结于活塞和置 换器的正弦曲线运动的部分加热和部分冷却的混合过程阶段就是典型的β-结构斯特林 发动机的PV图遵循伪斯特林(pseudo-Stirling)循环而不是严格地与斯特林循环匹配的原 因。
在点A，体积维持大致稳定(尽管不是完全地等体积)，置换器使工作流体通过 冷源转入冷室，但并没有完全地这样做。由于温度的下降，压力下降。
在点B，置换器不再运动将大多数工作流体保持在冷室内，活塞压缩低压的工 作流体。被加热的工作流体部分对抗该过程。
在点C，体积大致保持稳定，置换器将工作流体通过热源转入加热室。由于转 移量增大比例，压力显著上升。
在点D，置换器将大部分工作流体保持在加热室内，热的加压的工作流体膨胀 通过冷源以推动活塞。通过冷源的膨胀对抗这个过程。发明内容
公开了一种执行斯特林循环的斯特林发动机。在一个实施例中，斯特林发动 机执行闭环的斯特林循环，该循环从一个循环到另一个循环持续地反复使用气态工作流 体。所述斯特林发动机具有通过90度同心正复位凸轮和框形系统连接到作为发动机驱动轴的凸轮轴上的动力活塞和主置换器。斯特林发动机利用主置换器和辅助置换器实现了 气态工作流体位移。辅助置换器在主置换器和动力活塞之间交替地锁住，这使得主置换 器在斯特林循环的冷却阶段期间和斯特林循环的加热阶段期间能转移不同体积的气态工 作流体。


多幅附图涉及本发明的实施例。
图1为某些背景技术但不一定是现有技术的曲线图，其为β -结构斯特林发动机 内示例性的气体工作流体分布的视图。
图2为斯特林发动机的简图，其具有通过90度同心正回凸轮以及框形系统结合 到凸轮轴的动力活塞和主置换器，凸轮轴为发动机的驱动轴。
图3为动力活塞、主置换器和辅助置换器的简图，它们相配合一起从斯特林循 环的热压缩状态开始执行(大致)等温膨胀阶段以提高效率和功率密度。
图4为动力活塞、主置换器和辅助置换器的简图，它们相配合一起从斯特林循 环的热膨胀的状态开始执行等容(相同的体积)冷却阶段。
图5为动力活塞、主置换器和辅助置换器(4)的简图，它们相配合一起从斯特林 循环的冷却膨胀的状态开始执行(大致)等温压缩阶段。
图6为动力活塞、主置换器和辅助置换器的一个实施例简图，它们相配合一起 从斯特林循环的冷却/冷冻压缩状态开始执行等容加热阶段。
图7为辅助置换器的一个实施例的简图。
图8为主置换器的一个实施例的简图。
图9为动力活塞的一个实施例的简图。
图10为斯特林发动机内气态工作流体分布状态的一个实施例曲线图。
图11为90度同心正回凸轮的一个实施例的透视图。
图12为90度同心正回凸轮的一个实施例的示图，其示出了在获得同样的凸轮性 能的同时具有圆角的凸轮轮廓。
图13为90度同心正回凸轮的一个实施例的连续的示图。
图14为相配合一起的动力活塞、主置换器和辅助置换器的一个实施例的截面 图。
图15为用于相配合一起的动力活塞、主置换器和辅助置换器的发动机气缸壁的 一个实施例的截面图。
图16为对应于图3-6的斯特林循环压力-体积相位和状态曲线的示例。
虽然在此通过附图示出以及下面的详细内容说明了本发明的特定实例，但是本 发明可以进行多种改动和替换。应当明白，本发明不限于公开的特定形态，反而本发明 包括了落入本发明的精神和范围内的所有变型、等同以及替换型式。
具体实施方式
为了使本发明能被彻底了解，在下面的说明中，阐述了许多的细节，例如具体 活塞、所谓的零件、连接件、使用本设计的实际应用类型等的实例。显然，尽管如此，对本领域技术人员来说，没有这些具体资料本发明也可以实现。在其他情况下，公知的 零件或方法没有详细描述仅以简图描述，这是为了避免本发明不必要地被模糊。因此， 阐述的细节仅仅是示例性的。细节可以被改变并且仍然被实施从而落在本发明的精神和 范围内。术语“结合”表示直接或间接地通过另一零件连接。
将描述提供了斯特林发动机例如Liu-StMing发动机的装置和过程的实例。
斯特林发动机具有通过90度同心正回凸轮和框形系统结合到作为发动机驱动轴 的凸轮轴上的动力活塞和主置换器。斯特林发动机使用主置换器和辅助置换器实现了气 态工作流体的转移。辅助置换器交替地在主置换器和动力活塞之间锁住，这使得主置换 器在斯特林循环的冷却阶段期间和斯特林循环的加热阶段期间能够转移不同体积的气态 工作流体。
与基于传统结构的斯特林发动机现有构成相比，斯特林发动机被用来达到较高 功率密度和非常高的效率。考虑到斯特林发动机的好处，也就是高效率、清洁的排放、 无声运转、燃料适应性以及简单，这会使得本发明的斯特林发动机能成功地与内燃机竞 争。历史上，斯特林发动机以非常低的功率密度用于大部分应用中，现在这些应用都被 内燃机占据。
本发动机的一些具体优点包含在下面
1、发动机实现了在各阶段由斯特林循环组成的过程，产生了与传统的斯特林发 动机相比更接近理想循环的热力循环。
2、所述发动机的结构允许它被设计成具有任意高的固定压缩比而不受制约传统 斯特林发动机的限制。高的压缩比是导致高的功率密度的因素之一；传统斯特林发动机 实质上被限定在相对低的压缩比。
图2所示为斯特林发动机的简图，其包括通过90度同心正回凸轮和框形系统结 合到作为发动机驱动轴的凸轮轴上的动力活塞和主置换器。发动机气缸(9)具有主置换 器(1)、机械地锁到辅助置换器⑷的插销、用于将辅助置换器⑷与动力活塞(5)的运 动锁住的第二插销板、和在辅助置换器(4)主体的顶部和有热源交换器表面( 的发动机 气缸壁的顶的内壁之间的狭窄增压气室(10)，其中主置换器(1)具有使气体通道低阻力 且与置换器主体部分成为一体的高多孔材料的回热器(2)。
—推杆结合到主置换器(1)的主体上。第一框形装置结合到推杆。凸轮(11) 和凸轮轴(8)在框形装置内。另一推杆结合到动力活塞(5)的主体。第二框形装置结合 到该推杆。动力活塞(5)和主置换器(1)通过90同心正回凸轮以及框形系统结合到凸轮 轴(8)。
热源将热供到发动机气缸的顶壁C3)上，在发动机气缸的顶壁上具有高导热材 料。侧发动机气缸壁(6)具有较低的导热材料并且如果可行可以是隔热的。冷源将热从 具有高导热材料的发动机气缸下部侧壁(7)排出。
斯特林发动机实现了闭环发动机的斯特林循环，该闭环发动机从一个循环到一 个循环的持续地重复使用它的气态工作流体。辅助置换器G)，在其中斯特林发动机利用 主置换器(1)和辅助置换器(4)实现了气态工作流体的转移。辅助置换器(4)交替地在 主置换器(1)和动力活塞( 之间锁住，这使得主置换器(1)在斯特林循环的冷却阶段期 间和斯特林循环的加热阶段期间转移不同体积的气态工作流体。
在动力活塞(5)运动的气缸内，动力活塞(5)与辅助置换器⑷同心地设置，同 时辅助置换器(4)具有两个或多个插销以包括锁到主置换器(1)的第一插销和锁到动力活 塞(5)的第二插销，以将共用的发动机气缸(9)内的体积分成两部分，一部分受热，一部 分受冷。
斯特林循环利用外部热源，外部热源可以是从汽油到太阳能到衰变工厂生成的 热的任何热源。在发动机气缸内部没有发生任何燃烧。热源具有很高的温度，例如 800° K，980 0F ,并且冷源具有很低的温度，例如200 °F以下。
下面描述在斯特林循环的四个不同阶段中斯特林发动机的操作和气态工作流体 的各状态之间的转换。假定斯特林循环的四个阶段中的每一个在每个阶段中都维持理想 过程。这些过程能够被总结成两种操作类型在接近恒温的状态下纯体积变化(等温膨 胀或压缩)以及在接近等容状态下纯温度变化(等容加热和冷却)。斯特林发动机内的两 个移动部件支配这些阶段动力活塞( 控制发动机内的体积以及主置换器(1)在热源和 冷源之间推动工作流体使其温度发生改变。在图3-6中所示的斯特林发动机中，如下所 述，通过斯特林循环的阶段，发动机的每个状态转变为下一状态。图16为对应于图3-6 的实例性的阶段和状态示图。最后的状态转变回到第一状态并且重复这样的过程。
斯特林发动机的主要原理在于定量的气体工作流体被密闭在发动机内部。斯特 林循环包括在发动机内部改变气体压力的一系列事件，使得发动机做功。
气体的很多性质对斯特林发动机的运转来说很重要
·如果你将定量的气体放置在固定体积的空间内并且通过加热来增加它的温 度，那么压力也会升高。当在给定时机改变体积时，加压气体就会膨胀直到它的压力与 容器外面的压力平衡。
·如果你将定量的气体放置在固定体积的空间内并且通过散热来降低它的温 度，那么压力会降低。当在给定时机改变体积时，减压气体将会收缩直到它的压力与容 器外部的压力平衡。
·如果你将定量的气体放置在绝热容器中并压缩气体(减小空间的体积)，那么 气体的温度会升高。当等量的气体在导热容器中被压缩时，导热容器会散热，阻止气体 的温度升高。
·如果你将定量的气体放置在绝热容器中并对其解压缩(增大空间的体积)，那 么气体的温度会降低。当等量的气体在导热容器中被压缩时，导热容器会让气体从容器 周围吸热，阻止气体温度降低。
斯特林发动机的气态工作流体(1 可以是可以与一定量的空气组合的氦气、氢气。
图3为动力活塞、主置换器和辅助置换器的简图，它们相配合一起从斯特林循 环的热压缩阶段开始执行(大致)等温膨胀阶段以提高效率和功率密度。箭头所指为将 工作流体转变到下一状态的阶段(过程，在该情况下，为膨胀)。
主置换器(1)用于控制气室什么时候被加热和冷却。为了运行，发动机要求在 发动机气缸的顶壁C3)和下侧壁(7)之间存在温度差。主置换器(1)上下运动从而控制 发动机内的气态工作流体(13)是否正被加热或冷却。
在该状态下，气态工作流体(13)是热的，因为主置换器(1)阻塞/封锁了冷源(7)与工作流体(13)的接触，同时使得大部分工作流体(13)与热源(3)接触。因为活塞 (5)在其最内部位置，所以气态工作流体(13)也被压缩。
在该状态下，辅助置换器(4)从主置换器(1)解锁并且锁到了活塞(5)上，并且 在整个膨胀阶段都保持锁住的状态。
当主置换器(1)在发动机气缸的下部附近时，几乎所有发动机内的气体都被热 源加热并且气态工作流体(1 将会膨胀。发动机内生成压力，迫使动力活塞( 下降。
阶段膨胀
推动活塞和辅助置换器的受热气体的压力执行作业。在该部分循环期间增加压 力将会增加发动机的动力输出。增加压力的一种方式就是增加气体的温度。
通过向下推动活塞( 和辅助置换器G)，热的加压气态工作流体(1 膨胀。 辅助置换器(4)结合到动力活塞( 。在辅助置换器主体顶部和发动机气缸壁顶部的内壁 之间存在狭窄的增压气室(10)，这样气态工作流体经由结合的辅助置换器(4)对动力活 塞(5)具有向下的压力，这样气态工作流体(13)不需要在膨胀阶段为了向下推动活塞而 暴露到冷源(7)。
注意，置换器(1)在该阶段是没有移动的。机械地说就是该阶段仅包括体积变 化。在膨胀期间，热从热源C3)进入发动机并且与热源C3)接触的气态工作流体(13)允 许热从热源C3)流入从而阻止自然伴随气体膨胀的温降。发动机试图最小化温降从而由 此最小化伴随膨胀的任何压降，并且因此最大化该阶段的做功输出。理想循环要求等温 膨胀，但在运行中如果等温膨胀不可能，那么能做的最好的方法就是使温降最小化。
阶段冷却
图4为动力活塞、主置换器和辅助置换器的简图，它们相配合一起从斯特林循 环的热膨胀的状态开始执行等容(相同的体积)冷却阶段。动力活塞(5)、主置换器(1) 以及辅助置换器(4)处于工作流体是热的而且已经膨胀的位置。
在该状态下，工作流体是热的，因为冷源(7)仍然被隔断，而且工作流体仍然 与热源(3)接触。气态工作流体已经膨胀，因为活塞(5)处于它最外的位置，刚经历过 膨胀阶段。
当主置换器(1)和辅助置换器(4)都被推到发动机气缸壁下部附近时，气态工作 流体是热的并且已经完全膨胀。动力活塞(5)和结合到辅助置换器的框形装置已被 推到下部。
在该部分循环中，活塞已经全部在外面并且已经做完了它能做的所有功。发动 机即将冷却工作流体以降低其压力，这样气态工作流体能很容易地被压缩。
这时，辅助置换器(4)从活塞解锁而锁到主置换器(1)，在接下来的阶段一直保 持锁住的状态。
回热器导管( 与置换器(1)主体成一体并在主置换器(1)上面的体积和主置换 器(1)下面的体积之间提供了通道。回热器O)由具有高的热传递/吸热能力的多孔材 料制成。主置换器(1)推动气态工作流体从热源穿过回热器到达冷源，以改变气态工作 流体的温度。
在斯特林循环的四个不同阶段，气态工作流体分布取决于操纵主置换器(1)和 动力活塞(5)运动的90度同心正回凸轮(11)的几何结构。动力活塞(5)和主置换器⑴的运动是互斥的；当一个运动时，另一个必须保持静止，反之亦然。动力活塞(5)和主 置换器(1)两者的往复运动通过间歇被不时打断，其中只要另一个在运动，每个暂停处 于其冲程的结束。
正回凸轮(11)拉动凸轮随动件，其中正回凸轮(11)位于具有平行的平坦支承 面的框形装置内部，并且当凸轮转动，它们在框形装置的一侧推动支承面，然后在返回 冲程期间它们在框形装置另一侧的支承面上推动，而在整个循环期间与两个支承面都接 触，然后就通过凸轮在返回侧的支承面上的推动使得框形装置返回。
图5为动力活塞、主置换器和辅助置换器(4)的简图，它们相配合一起实现从冷 却膨胀状态开始的斯特林循环的的等温压缩阶段。
被锁到辅助置换器的置换器(1)，已经朝着热源表面C3)移动，将所有的工 作流体通过回热器(2)转移面向冷源表面(7)。回热器导管(2)开始变冷，并且吸收来自 穿过其中的工作流体的热，在使得气态工作流体开始冷却，并且从通过它的工作流体吸 收热，在使得气态工作流体与冷源表面(7)接触之前冷却气态工作流体。在该阶段，活 塞( 没有移动。结合到置换器(1)的框形装置已被停下。
注意，除了由于置换器的推杆进入发动机引起的体积的较小改变外，该阶段本 质上是温度变化。
在该阶段的冷却效应主要归结于回热器(2)从工作流体吸热而不是冷却工作流 体的冷源表面(7)。理想地，回热器( 将工作流体冷却到冷源的温度，这样冷源不需要 进一步冷却工作流体；工作流体和冷源表面(7)之间的任何残余温度差都意味着回热器 (2)部件的低效率。
因此，大部分气态工作流体已经从被热源热交换表面C3)加热的区域穿过回热 器⑵进入被冷源热交换表面⑵冷却的区域。回热器(2)是能临时存储热能并由加热 的气态工作流体能通过的金属丝网或具有高的热吸收能力的多孔材料组成的装置。金属 丝网/多孔材料的大的表面积迅速地吸收多数热量。这使得只有少量的热是通过冷却片 /冷源散发的。在一个实施例中，发动机的回热器位于管道内部。管道能被这样布置1) 布置在主置换器(1)内；或者幻布置在气缸外部并且管道将置换器冷源侧的体积和置换 器热源侧的体积连通；幻或者使其穿过发动机的任何内部部件。
至少辅助置换器(4)和主置换器(1)的一部分以及可能在辅助置换器(4)主体和 主置换器(1)之间的密封件邻接。以横跨过发动机气缸的宽度，这样气态工作流体就不 能在从与热源接触的第一区域C3)进入到与冷源连接的发动机气缸的第二区域(7)，而在 不穿过回热器管道(2)。
在该阶段，工作流体是冷的，因为它与冷源(7)接触，同时置换器(1)和辅助置 换器阻隔了热源(3)。工作流体也膨胀了，因为活塞(5)在其最外的位置。在整个 阶段，辅助置换器(4)和置换器保持锁住。
阶段压缩
图5中大的箭头表示活塞向上运动从而将工作流体带入下一个阶段。
活塞( 运动进入发动机内，压缩冷却的工作流体。动力活塞( 控制斯特林 发动机内部的体积。在冲程的顶部，活塞( 锁到辅助置换器，同时辅助置换器(4) 从置换器(1)解锁。
注意，因为置换器(1)在该阶段没有移动，该阶段仅仅包括体积变化。在压缩 期间，热从工作流体散入冷源(7)；气体被压缩时自然被加热，因此工作流体与冷源表 面(7)的接触允许冷源阻碍任何加热。减少的受压加热导致发动机在压缩阶段仅仅做了 很少量的功，这增加了净功输出。冷源通过水套或冷却片来冷却发动机气缸壁。
在活塞冲程的结尾，工作流体仍然是冷的，因为置换器(1)的当前位置使得气 态工作流体与冷源(7)相接触，并且被压缩，因为活塞( 位于发动机最深的位置。辅 助置换器(4)和活塞锁住并且然后在下一阶段保持锁在一起。
阶段加热
图6为动力活塞、主置换器和辅助置换器的一个实施例简图，它们相配合一起 执行从斯特林循环的冷却/冷冻压缩状态开始的等容加热阶段。
置换器(1)朝着冷源(7)运动，如图3所示使得工作流体朝向热源C3)转移穿过 回热器O)。回热器( 仍然充满了在冷却阶段期间吸收的热量，此时如图6所示的那样 使工作流体变热。
注意，活塞( 在该加热阶段并没有运动。除了由于置换器的推杆进入发动机 内引起的微小体积变化外，该加热阶段基本上是温度变化。要注意到在该阶段的加热效 果主要取决于回热器(2)而不是热源，注意到这一点很重要。理想地，回热器(2)将工 作流体加热到热源的温度，这样热源就无须进一步加热工作流体；工作流体与热源之间 的任何残余温差都意味着回热器( 部分的低效。
总体而言，在这四个阶段期间，发动机反复地加热和冷却气体，从气体的膨胀 和压缩中提取能量。辅助置换器(4)还使得动力活塞( 和主置换器(1)以相同体积运 行同时影响到气态工作流体的总体积。
图7为辅助置换器的一个实施例的简图。
辅助置换器(4)具有用于锁住辅助置换器(4)和置换器的运动的第一插销板 (71)、用于锁住辅助置换器⑷和动力活塞(5)的运动的第二插销板(72)、连接到第一插 销板(71)和第二插销板(72)的主体(74)和密封件(73)。
注意，在斯特林循环的特定阶段，辅助置换器的运动可能是机械地锁到主 置换器和动力活塞上，或者构造成仅仅追踪、模仿以及增强这两部件的运动。插销(71， 72)可以制成磁锁。
图8为主置换器的一个实施例的简图。
主置换器(1)具有由高多孔材料构成的回热器( ，允许与置换器主体(84)成为 一体部分的低阻的气体通道、机械地与辅助置换器锁住的插销(83)、结合到置换器的主 体(84)的推杆(85)、结合到推杆(85)的框形装置(86)、密封件(81)。
图8还用虚轮廓线示出了框形装置(86)的侧视图，示出了 90度同心正回凸轮 (11)和凸轮轴⑶装配到框形装置(86)中的位置。
图9为动力活塞的一个实施例的简图。活塞(5)有插销(可以是机械的或是磁 的)(91)、在动力活塞( 和辅助置换器之间缓冲接触的缓冲器(9 、活塞体(9 、密封 件(94)、推杆(95)、框形装置(96)。
图9还用虚轮廓线示出了框形装置(96)的侧视图，示出了 90度同心正回凸轮 (11)和凸轮轴装配到框形装置(96)中的位置。
图10为斯特林发动机内气态工作流体分布状态的一个实施例曲线图，该斯特林 发动机执行了斯特林循环的四个单独的阶段。竖轴表示位置，最上面的曲线表示斯特林 发动机被活塞的运动强迫时的体积，下面的曲线表示将发动机体积分成被热源加热的体 积和被冷源冷却的体积的置换器的位置。水平轴表示发动机驱动轴的旋转位置。如所 述，活塞、置换器/辅助置换器影响发动机的工作循环。图表描述了两个函数1)置 换器和辅助置换器的运动在发动机加热的和冷却的腔室之间推动工作流体，幻活塞的运 动，其控制发动机内工作流体的体积。省略了回热器的体积以示清楚；相对于发动机的 整个体积来说它显得很小并且是常量。
斯特林循环由穿过热源和冷源传送热的两个等温体积变化和回热器负责加热和 冷却工作流体的两个等容(等体积)温度变化组成。
在点A，体积保持不变，用于真正的等容冷却。置换器和辅助置换器几乎将工 作流体完全地转移进入冷却的腔室。温度的下降导致未被过早的压缩缓和的压降。
在点B，活塞压缩冷却的、低压工作流体，没有遭受热源的大部分工作流体的 抵抗。由于完全持续的转移，压缩更接近等温；真实的等温条件不可能实现。
在点C，体积保持不变，用于接近真正的等容加热。置换器几乎将工作流体完 全地转移进入加热的腔室。温度的升高导致压力急剧增加，该压力增加未被过早的膨胀 缓和。
在点D，热的加压工作流体膨胀抵抗活塞，但没有膨胀穿过冷源。因为没有抵 抗的被冷却的工作流体部分，膨胀期间压力保持较高。具有持续完全的转移，膨胀非常 接近等温。
正回凸轮完美地实现了在冲程和暂停之间的切换，甚至使得各阶段之间平稳的 过渡。贯穿各阶段，一个函数的斜度为零时另一个就不为零。注意到，在四个阶段A-D 的每一个的中间，有一个范围，该范围内一个函数的最大变化对应着另一个的无变化。 位移函数以斯特林发动机的PV图表为结果，其中的斯特林发动机以将功作用在凸轮轴/ 驱动轴上的方式更完全地吸取了可利用能量。
将图10和图1中的曲柄运动进行比较；图表所示的斯特林循环的四个阶段与图 1中的图表非常不接近。示例的β斯特林发动机的曲柄仅仅达到在每个阶段的中间与理 想条件相匹配。其中的每一处，正弦运动严重偏离理想值。
图11为90度同心正回凸轮的一个实施例的透视图。操控发动机运动的正回凸 轮(11)以90度发生相移。假定顺时针旋转，前面的凸轮操纵活塞，后面的凸轮操纵主 置换器。在轴的整个旋转中，一个凸轮的暂停时间对应于另一个凸轮的冲程时间。正回 凸轮(11)在它们之间精确地具有90度的相位差，这就使得一个凸轮的暂停时间到另一个 的冲程时间贯穿驱动轴的整个旋转。
正回凸轮(11)和凸轮轴(8)组件顺时针旋转。操控置换器的凸轮超前操控活塞 的凸轮90度，这是因为在斯特林发动机中置换器的运动必须要早于活塞的运动。伴随压 力变化完成，活塞运动然后经由膨胀从热的加压气体来提取功，或压缩冷却的低压气体 来准备下一循环。
图12为90度同心正回凸轮的一个实施例的示图。将凸轮(11)的旋转点(121) 设置为偏离凸轮的几何中心但是处于构成90度同心正回凸轮的小同心部分(122)和大同心部分(123)弧线的公共中心点上，该凸轮(11)将在不需要弹簧的情况下推或拉动凸轮 框形装置来回运动并且更为重要的是，在旋转运动的某些时段，框形装置本身能回推凸 轮并且迫使凸轮转动。
斯特林发动机不同的工作流体分布函数取决于操控其置换器和活塞的运动的90 度同心正回凸轮(11)的几何结构。
每一弧线的中心处于一个虚的辅助线的交叉点中。经过旋转中心的两条辅助线 构成了 90度的角。如所述，同心期间弧线90弧度尺寸，与凸轮的旋转中心(121)同 心。
图13为90度同心正回凸轮的一个实施例的顺序简图。90度同心正回凸轮(11) 具有由弧度加起来为360度的多段圆弧构成的等幅形状，每段弧线与框形装置的支承表 面接触，用于凸轮旋转的一定的角度。例如，第一弧线接触180到210度。第二弧线接 触210度到240度等。90度同心正回凸轮(11)具有凸轮轮廓，该轮廓是等幅的形状，其 具有作为它的运动部分的两个阶段，在此框形装置保持静止对应凸轮90度的旋转，并且 无论从哪个方向开始测量等幅的形状是相同的横截面宽度，并且由此能在固定宽度的密 配合的框形装置(96)内自由旋转，其中框形装置具有平行支承表面。
90度同心正回凸轮(11)是使得Liu-StMing发动机的PV循环能够与斯特林循环 相当的因素之一。正回凸轮(11)具有轮廓，该轮廓是等幅的形状；这允许凸轮(11)在 固定宽度的框形装置(96)内自由旋转，同时推或拉动框形装置，然而传统的凸轮需要由 弹簧来提供凸轮随动件的回程。正回凸轮能根据由凸轮轮廓确定的期望的函数来执行运 动，在被活塞推动的框形装置使凸轮旋转的阶段期间提取功。从该图中可以看出框形装 置(96)在凸轮(11)旋转的整整四分之一期间保持静止；凸轮(11)在每个循环期间具有 两个90度阶段，框形装置(96)在这两个阶段保持静止。导致的运动就是一系列四个不 同的阶段，如斯特林循环要求的那样。
90度同心正回凸轮(11)的几何结构具有等幅的形状，该形状是通过利用多段圆 弧构成，在此凸轮轮廓上的各组成曲线都是圆弧并且每一弧线相切于与其接触的弧线。
图14为相配合一起的动力活塞、主置换器和辅助置换器的一个实施例的截面 图。
动力活塞(5)与主置换器(1)同心或非同心设置，其中主置换器(1)形成了气 缸，动力活塞(5)能在该气缸内运动。然而，辅助置换器(4)盖住主置换器(4)和动力 活塞(5)，从而将共用的气缸内部的体积隔成两部分，一个部分受热，一个部分受冷。辅 助置换器通过盖住主置换器内部的区域来盖住主置换器，这样置换器上面的任何工作流 体都必须经过回热器。在该实施例中，动力活塞(5)设置在与主置换器的轴相同的轴线 上。
主置换器(1)是环状的并且坐落成围绕活塞(5)，其包括多个穿过它的通道，通 过通道来容纳回热器(2)。辅助置换器位于活塞(5)上面，并且交替地被锁到活塞(5)和 置换器(1)。辅助置换器装配到主置换器内部，并且在大体积转移期间将主置换器上面 的腔室和下面的腔室密封开来，迫使被两个置换器推动的任何工作流体流经回热器O)。 在小体积转移期间，辅助置换器锁到活塞而不是置换器。
动力活塞( 来回滑动通过主置换器(1)。贯穿斯特林发动机的回热器管道(2)能位于发动机气缸的外部并且在主置换器(1)上部的体积和主置换器(1)下部的体积之间 提供通道。回热器管道O)能被充满制造回热器的铜或钢丝棉。与同心活塞(5)、主置 换器(1)、辅助置换器(4) 一致工作的凸轮解决了通过冷源的工作流体膨胀的问题并且使 得发动机具有较高的压缩比。
图15为用于相配合一起的动力活塞、主置换器和辅助置换器的发动机气缸壁的 一个实施例的截面图。发动机气缸(9)可以具有热源表面C3)和冷源表面(7)。
该斯特林发动机能够比得上β结构的斯特林发动机。像β斯特林发动机一样， 在一个实施例中，该斯特林发动机活塞能与置换器同轴，但它与标准的β斯特林发动机 有不同，那就是它的动力活塞与置换器(其构成了活塞能在其内运动的气缸)同心，而 辅助置换器盖住置换器和活塞，从而将共用气缸内的体积隔成一个受热一个受冷的两部 分。没有别的斯特林发动机采用辅助置换器，也没有别的发动机使得活塞来回滑动穿过 置换器。
斯特林发动机还与传统斯特林发动机不同，在于，它的活塞必须通过正回凸轮 与驱动轴界面连接，而大多数斯特林发动机采用曲柄系统或是止转棒轭。
采用弧度加起来能达到360度的多段圆弧来构成等幅形状。对于凸轮旋转一定 量的角度，每段弧线与框形装置的支承表面接触。
图3-6的四个顺序示出了图16所示图表中的拐弯处的发动机状态。各状态仅仅 持续一会儿，并且是对应于连接PV图拐弯的侧边的过程的结果。阶段是在循环期间执行 过程的周期。
该斯特林发动机能被用来给下面示例性的产品提供动力混合动力汽车和卡 车、火车机车、船、娱乐体育运动艇、螺旋桨飞机、浓缩太阳能发电机、自动推进收割 机、拖拉机、铲车、后备电源发电机、移动式发电机、家庭-商业热电联合锅炉、热驱 动热泵、地热发电站、废热回收发电机、还可能用于核电厂以及船舰。
斯特林发动机不能非常容易地或是像内燃机那样调节它的输出功率。功率调节 技术方案通常是在混合系统中使用发动机，当发动机为电动机发电的同时在混合系统中 电动机和电池或电容器进行功率输出调节。
提供了额外利益的斯特林发动机的更多方面是与内燃机相比具有的高效率、燃 料灵活性、清洁排放，以及与其它斯特林发动机相比具有的高的功率密度。特别地，对 于越来越多的人关注温室气体的排放、全球变暖、减少的石油，我们相信斯特林发动机 能够高效率利用多种生物燃料的优点使得它比燃烧柴油发动机更有优势。该斯特林发动 机的其余方面是无声运转和发动机的简易性。
该斯特林发动机可以与非均质的对流式热交换器例如维持温度梯度对流式热交 换器配合。该斯特林发动机当它能作为发动机使用时燃烧燃料并生成排气。
为了最小化用于维持燃烧燃料的斯特林发动机热源的操作温度而消耗的燃料 量，供入燃烧器的空气必须被从燃烧器本身的排气中回收的热尽可能地预热。热交换器 可用于此目的，但是为了最佳化从一个气态介质回收热到另一介质(在此情况下，从排 气到新鲜空气)，提供了非均质地对流式热交换器。非均质的对流式热交换器是可以从斯 特林发动机分离出来与发动机一起使用的一种装置。
与其他类型的热交换器相比，非均质的对流式热交换器显示了较高的交换效率，这是因为在它们的整个长度上，它们最小化了流过它们的流体之间的温差。在导热 的整个长度上最小化温差使得在流体流出交换器时带走的没有被交换的热量最小。通过 将热交换器的导热主体制造成非均质的能够进一步提高这个性能，也就是，将热交换器 的导热主体制造成在一个方向上强导热而在另一个方向上弱导热。为了将热交换器的主 体制造成非均质的，热交换器的主体会由导热的和隔热的材料交替地层叠构成。这就使 得在热交换器主体内部的流体通道之间强导热而同时沿着交换器长度方向上弱导热。
能最小化温差的原因在于隔热的层与热趋势相接触从而择优地沿着导热材料导 热而不是将热导入低导热率的物质。所述趋势增加了流过交换器的两流体之间的温差， 削弱了交换效率。因为采用了该热交换器来从一气体介质中回收热到另一气体介质，并 且因为气体的导热性能远远低于热交换器中使用的材料，所以回收效果的效率被特别提 出并且需要被抵消从而最大化热交换效率。通过交替层叠的导热和隔热材料来构造成交 换器，通过妨碍沿着交换器长度方向的热传导，热将会择优地在交换器内部的流体通道 之间传导，最小化通道之间的温差，因此优化了交换效率。优化交换效率因此会优化从 斯特林发动机排气回收热的效率，这将最小化斯特林发动机燃烧器消耗的燃料量。
当它们将热流转换为功(例如转动驱动轴)时，斯特林循环装置相当于发动机， 但是当他们被迫使工作时(迫使旋转它们的驱动轴)，它们相当于热泵/制冷器，其引起 了热流动。热流动会冷却它流走的地方并加热它流到的地方。不同于作为发动机使用 时，当被用作热泵时，热源是冷的(因为有热被吸出)，并且冷源是温的，因为从热源取 得的热都被通过它散出了。前述装置是难以置信地有效率的冷冻装置，因为斯特林循环 作为做功循环和热泵循环都是高效率的。
斯特林发动机还能通过与采用执行斯特林循环的斯特林发动机冷冻的相反的方 法来用作热泵。
结合到凸轮轴的动力活塞和主置换器的运动由90度同心正回凸轮和框形系统操 控。凸轮轴是发动机的驱动轴。
辅助置换器交替地锁到主置换器和动力活塞之间。热泵利用主置换器和辅助置 换器实现了气态工作流体的转移，这使得主置换器在反向斯特林循环的吸热阶段比在斯 特林循环的放热阶段转移不同体积的气态工作流体。动力活塞和主置换器的运动是互斥 的。当一个运动时，另一个必须保持静止，并且反之亦然，并且因此动力活塞和主置 换器两者的往复运动通过间歇被不时打断，每次暂停处于冲程的结束，此时另一个在运 动。
在反向的斯特林循环的一个阶段期间，高温高压下工作流体被压缩，活塞从冷 源散热。大部分热的工作流体不经受正在被冷却的热源。
在反向斯特林循环的另一阶段期间，由于主置换器结合到辅助置换器，体积几 乎维持不变进行等容冷却。结合到辅助置换器的主置换器几乎将工作流体完全转移通过 回热器进入与热源相接触的腔室，这样在与热源接触之前，回热器预先冷却了几乎所有 的工作流体，其被冷却，这样工作流体的任何解压都促使它从热源吸热。
在反向斯特林循环的另一阶段期间，在通过移动结合到活塞的辅助置换器，气 态工作流体经过它的吸热阶段时，利用活塞将气态工作流体解压，没有使任何工作流体 遭受冷源表面，同时辅助置换器和主置换器阻隔了冷源表面。
在反向斯特林循环的另一阶段期间，体积几乎维持不变进行等容加热。主置 换器几乎完全将工作流体转移通过回热器进入与冷源接触的腔室，这样在与冷源接触之 前，回热器预先加热了几乎所有的工作流体，其被从它散出的热加热，这样工作流体的 任何压缩都促使它通过热源放热。
虽然已经示出了本发明的一些具体实施例，但是本发明并不局限于这些实施 例。应该理解不通过这里所描述的具体实施例而仅通过附加的权利要求的范围来限定本 发明。
权利要求
1.一种执行斯特林循环的斯特林发动机，所述发动机为从一个循环到另一个循环连 续地反复使用其气态工作流体的闭环发动机，其包括通过90度同心正回凸轮和框形系统结合到凸轮轴上的动力活塞和主置换器，辅助置换器，其中，斯特林发动机利用所述主置换器和所述辅助置换器实现气态工 作流体的转移，其中，所述辅助置换器交替地锁在所述主置换器和所述动力活塞之间， 这使得所述主置换器能够在斯特林循环的冷却阶段期间和斯特林循环的加热阶段期间转 移不同体积的气态工作流体。
2.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中，所述辅助置换器还能使所述动力活塞 和所述主置换器以相同的体积运行，而所述辅助置换器影响气态工作流体的总体积。
3.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中，所述动力活塞与所述主置换器同心地 配置，这形成了所述动力活塞能在其中运动的发动机气缸，，而所述辅助置换器盖住所 述主置换器和所述动力活塞，以将共用气缸内的体积分隔成两部分，一部分受热，一部 分受冷。
4.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中在所述动力活塞运动的气缸内，所述动 力活塞与所述辅助置换器同心配置，而所述辅助置换器具有两个或多个插销，包括锁到 所述主置换器的第一插销和锁到所述动力活塞的第二插销，以将共用气缸内的体积分隔 成两部分，一部分受热，一部分受冷。
5.根据权利要求3所述的斯特林发动机，其中回热器位于管道中，并且该管道位于 1)所述置换器内部，或者幻所述气缸外部，并且所述管道将所述主置换器的冷源侧的体 积和所述主置换器的热源侧的体积连通。
6.根据权利要求4所述的斯特林发动机，其中回热器管道与所述主置换器的主体成为 一体，并且在所述主置换器上面的体积和所述主置换器下面的体积之间提供通道，并且 所述管道内的所述回热器由具有高的热传递/吸收性能的多孔材料制成。
7.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中所述动力活塞、所述主置换器和所述辅 助置换器配合一起来执行斯特林循环的四个不同阶段以提高效率和功率密度，在这种情 况下，所述动力活塞操控斯特林发动机内部的体积，并且，所述主置换器在热源和冷源 之间推动所述气态工作流体，以改变气态工作流体的温度，并且在斯特林循环的四个不 同阶段中气态工作流体分布起因于操控所述动力活塞和所述主置换器运动的90度同心正 回凸轮的几何结构。
8.根据权利要求7所述的斯特林发动机，其中所述动力活塞和所述主置换器的运动是 互斥的当一个运动时，另一个必须保持静止，反之亦然，并且因此，所述动力活塞和 所述主置换器两者的往复运动被每次在冲程末端暂停的间歇不时打断，这是另一个正在 运动。
9.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中所述90度同心正回凸轮具有等幅形状 的凸轮轮廓，该凸轮轮廓作为它的运动部件具有两个周期，其中，框形装置保持静止用 于所述凸轮旋转90度，并且无论从哪个方向测量，等幅的形状都是相同的幅度跨度，并 且由此能在具有平行支承表面的、固定宽度的密配合的框形装置内自由转动。
10.根据权利要求9所述的斯特林发动机，其中所述90度同心正回凸轮具有偏离所述 凸轮几何中心的旋转中心，并且通过将凸轮的旋转中心设置为偏离凸轮的几何中心、但是处于构成90度同心正回凸轮的小同心弧线和较大同心弧线的共同中心点，该凸轮将会 推动并且拉动凸轮框形装置来回运动而不需要弹簧，更重要的是，框形装置本身能回推 凸轮并且在旋转运动的某些部分能迫使凸轮转动。
11.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中所述90度同心正回凸轮具有利用弧 度总计为360度的多段圆弧构成的等幅形状，其中，每段圆弧与框形装置的支承表面接 触，用于所述90度同心正回凸轮旋转的一定角度。
12.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中所述90度同心正回凸轮的几何结构具 有利用圆弧构成的等幅形状，其中，凸轮轮廓上的每个组成曲线都是圆弧并且每段弧线 都相切于与之相接触的弧线。
13.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中90度同心正回凸轮在凸轮随动件上 拉动，其中，正回凸轮位于具有平行的平面支承表面的框形装置内部，并且当凸轮转动 时，他们推动框形装置一侧的支承表面，然后在返回冲程推动框形装置另一侧的支承表 面，同时在整个循环期间与两支承表面接触，然后通过凸轮推动返回侧的支承表面使得 框形装置返回，并且用于正回凸轮的凸轮随动件是框形装置。
14.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中至少辅助置换器和主置换器的一部分 邻接以横跨过发动机气缸的宽度，这样气态工作流体就不能在从与热源接触的第一区域 进入到与冷源连接的发动机气缸的第二区域，而不穿过回热器。
15.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中辅助置换器具有用于锁住所述辅助置 换器和所述置换器的运动的第一插销板、用于锁住所述辅助置换器和所述动力活塞的运 动的第二插销板、和连接到所述第一插销板和所述第二插销板的主体。
16.根据权利要求15所述的斯特林发动机，其中所述主置换器具有高多孔材料的回热 器、机械地与所述辅助置换器锁住的插销，结合到所述主置换器的主体上的推杆、结合 到所述推杆上的框形装置，其中所述回热器允许气体没有过多阻力的通过并且与主置换 器的主体的一部分成为一体。
17.根据权利要求1所述的斯特林发动机，其中所述辅助置换器结合到所述动力活 塞，并且在所述辅助置换器的主体顶部和所述发动机气缸壁顶部的内壁之间存在狭窄的 增压气室，这样所述气态工作流体就通过所述连接的辅助置换器向下压所述动力活塞， 以使得所述气态工作流体在斯特林循环的膨胀阶段期间就不必暴露到所述发动机气缸的 冷源交换表面。
18.一种用于从执行斯特林循环的斯特林发动机生成功的方法，包括操控动力活塞和主置换器的运动，其中所述动力活塞和所述主置换器通过90度同心 正回凸轮和框形系统结合到作为发动机驱动轴的凸轮轴上，交替地在所述主置换器和所述动力活塞之间锁住辅助置换器，利用所述主置换器和 所述辅助置换器实现气态工作流体的转移，这使得所述主置换器能够在斯特林循环的冷 却阶段和斯特林循环的加热阶段转移不同体积的气态工作流体，其中所述动力活塞和所 述主置换器的运动是互斥的；当一个运动时，另一个必须保持静止，并且反之亦然，因 此所述动力活塞和所述主置换器两者的往复运动通过间歇被不时打断，其中每次暂停处 于其冲程的末端，这时另一个正在运动。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在斯特林循环的一个阶段，利用活塞压缩低温、低压的工作流体，使得大部分工作 流体不暴露到热源；以及在斯特林循环的另一阶段，通过所述主置换器几乎完全将工作流体转移穿过所述回 热器进入加热腔室，保持体积几乎不变以等容加热，然后气态工作流体压力增大，未被 过早的膨胀缓和。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在斯特林循环的一个阶段，当气态工作流体通过结合到所述活塞的所述辅助置换 器的移动来进行它的膨胀阶段时，气态工作流体膨胀，抵抗所述活塞，没有接触冷源表 面，同时所述辅助置换器和所述主置换器阻隔了所述冷源表面。
全文摘要
本发明公开了一种执行斯特林循环的斯特林发动机。斯特林发动机可以具有通过90度同心正回凸轮和框形系统结合到凸轮轴的动力活塞和主置换器。斯特林发动机利用主置换器和辅助置换器实现了气态的工作流体转移。辅助置换器交替地在主置换器和动力活塞之间锁住，这使得主置换器在斯特林循环的冷却状态期间和斯特林循环的加热状态期间转移不同体积的气态工作流体。
文档编号F02G1/044GK102027223SQ200980117021
公开日2011年4月20日 申请日期2009年6月12日 优先权日2008年6月12日
发明者奥斯汀·刘 申请人:奥斯汀·刘, 贝尔卡纳有限责任公司