用于热循环发动机的再生器的制造方法
【专利摘要】再生器具有中央轴线。再生器包括绕中央轴线缠绕的多个网层。这些网层由包括绕中央轴线缠绕的网的两个或更多金属纤维或金属丝形成。当从中央轴线至再生器的外部观察时，第一宽度的至少一个网层的网由比第一宽度的网宽度更大的网层的网接续。
【专利说明】
用于热循环发动机的再生器
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于例如为斯特林(Stirling)发动机的热循环发动机的再生器(regenerator)，以及一种用于制造这样的再生器的方法。
【背景技术】
[0002]再生器被用在热循环发动机中以增加或移除在热循环的不同阶段期间来自工作流的热量。再生器是用于定义热循环发动机(例如斯特林发动机)的效率的重要部件。
[0003]再生器需要在流体流动方向上(沿着再生器的轴线)具有非常低的导热率，因为再生器的一端是热的而另一端是冷的。再生器需要在垂直于流体流动的方向上具有非常高的导热率，使得工作流可以快速地调整其本身至再生器内部的局部温度。再生器必须具有非常大的比表面积以改进工作流的热传递的速率。再生器必须具有用于工作流的低损耗流动路径，使得在工作流移动通过再生器时将产生最小的压降。如果再生器由纤维制成，再生器必须以抑制纤维迀移的这种方式而被制作，因为纤维碎片可能夹带在工作流中并被运送至压缩缸或膨胀缸，这导致对活塞密封件的损害。
[0004]已经对不同类型的再生器进行了描述。通常，这种再生器包括例如在JP1240760、JP2091463和W001/65099中描述的金属屏、圆柱缠绕的金属丝网或3D随机纤维网络，或者例如在EP1341630中描述的等短的金属纤维。
[0005]W02010/108778公开了用于包括金属纤维网络的热循环发动机的再生器。金属纤维具有范围从0.6cm至6cm的平均纤维长度。大部分金属纤维都被随机地散步在环绕热循环发动机的轴线的切面中。再生器可以经由绕轴线盘卷纤维网而被制出。
[0006]W02010/108778还公开了用来制作这样的再生器的方法。纤维网被提供为至少具有前缘。纤维网平行于绕具有与再生器的内径几乎相等直径的卷轴的前缘而被圆柱地缠绕，直到获得作为再生器的外部的预定直径为止。网格被提供为至少具有网格前缘。网格平行于前缘绕缠绕的纤维网被圆柱地缠绕。该缠绕的网以在纤维之间的紧密接触的点处交联纤维的这样的方式被烧结。该网格绕烧结的再生器从其被移除。
[0007]W02007/148082描述了一种再生器，其包括邻近斯特林发动机的热空间的箔材部分以及邻近斯特林发动机的冷空间的金属丝部分。在热空间端处的回热由箔材部分执行并且在冷空间端的回热由金属丝部分执行。有利的是，该再生器适合在再生器的两端处的热条件。
[0008]DE29520864U1公开了一种再生器，其包括垂直于流体流动方向的陶瓷或玻璃纤维的多层纤维网(例如针刺毡)。这些层可以具有不同的材料特性或不同的孔隙率。
[0009]现有技术的问题是不存在具有在流体流动方向上的变化特性并且可以以具有成本效益的方式被制造的高效率再生器。
【发明内容】
[0010]本发明的主要目的是提供一种具有改进特性的用于热循环发动机的再生器。[0011 ]本发明的另一目的是提供一种制造这种改进的再生器的方法。
[0012]本发明的第一方面是用于热循环发动机的再生器。再生器具有中央轴线。优选地，中央轴线是对称的中央轴线。中央轴线可以是虚拟的轴线。再生器包括绕中央轴线缠绕的多个网层。这些网层由包括绕该轴线缠绕的网的两个或更多金属纤维或金属丝形成。当从中央轴线至再生器的外部观察时，第一宽度的至少一个网层的网由比第一宽度的网宽度更大的网层的网接续。
[0013]本发明的优点在于再生器可以以具有成本效益的方式提供再生器，在其轴向长度上具有变化的特性，例如，该变化的特性为孔隙率和/或横截面的开放表面积。横截面的开放表面积意指当再生器处于使用中时在其中工作流将流过的横截面中的孔洞的表面积。有利的是，在再生器的热侧处比起在冷侧处具有可用于流体流过再生器的更大空间。这可以通过在热侧处提供更大的孔隙率和/或通过在热侧处提供用于工作流流动的再生器的更大的横截面面积。
[0014]这样的再生器可被构想为包括多层网，其中用于缠绕网层的网的宽度从再生器的内部到外部下降。然而，实验已经示出不能以此方式使网的位置保持受控，这意味着不能做出良好的再生器。该问题通过本发明的第二方面而被解决。使用本发明的第二方面的方法导致本发明的第一方面中描述的再生器。
[0015]网例如可以是非织造网，包括金属纤维、优选是不锈钢钢纤维。网例如可以是或可以包括编织的金属丝网格或织造金属丝网格，优选是使用不锈钢钢丝。
[0016]在本发明中使用的优选非织造网包括优选为不锈钢钢纤维的金属纤维，其具有1.5与ΙΟΟμπι之间、更优选地是12与40μηι之间的等效直径。
[0017]在本发明中使用的包括金属纤维的优选非织造网具有20与1000g/m2之间的、更优选在75与450g/m2之间的比重。
[0018]优选地，当从中心轴线至再生器的外部观察时，形成再生器的第一网层的网的宽度以及形成再生器的最后网层的网的宽度大于形成再生器中的中间网层的网的宽度。中间网层意指当从中心轴线至再生器的外部观察时在再生器的第一网层与再生器的最后网层之间的网层。
[0019]优选地，形成再生器的第一网层的网的宽度以及形成再生器的最后网层的网的宽度是相同的。
[0020]优选地，多个网层由绕中心轴线缠绕的第一宽度的网形成，在这些网层之间，网层由比绕中心轴线缠绕的第一宽度的网更大的第二宽度的网形成。优选地，第二宽度的网被用于形成再生器的第一网层，如由中间轴线所见。优选地，第二宽度等于再生器的高度。
[0021]优选地，不同宽度的网的网层的侧端(并且优选地，在再生器中的所有网层的侧端)在再生器的一端处对齐。
[0022]在优选的实施例中，再生器在其轴向长度上具有恒定的横截面形状和尺寸。优选地，这样的再生器在其轴向长度上具有孔隙率的不同水平。优选地，孔隙率在再生器的一个轴向端处比在另一轴向端更低。优选地，孔隙率的最高和最低水平位于再生器的轴向端处。
[0023]在优选的实施例中，可用于工作流流动的再生器的横截面的开放表面积在再生器的一端处比在另一端处更小。优选地，可用于工作流流动的再生器的横截面的最大和最小开放表面积位于再生器的端处。
[0024]优选地，再生器的孔隙率在再生器的轴向长度上是基本上恒定的。优选地，孔隙率高于90%，更优选为高于92%。这样的孔隙率例如可以通过使用金属纤维非织造网获得。
[0025]在优选的实施例中，再生器在其轴向长度上具有孔隙率的不同水平。优选地，孔隙率在再生器的一个轴向端处比在另一轴向端更低。优选地，孔隙率的最高和最低水平位于再生器的轴向端处。优选地，孔隙率的最高水平高于90%，更优选为高于92%。
[0026]在优选实施例中，再生器并不包括在网的金属纤维或金属丝之间的金属结合。优选地，这样的再生器具有高于92%的孔隙率的至少一截面。当这样的再生器具有恒定孔隙率时，恒定的孔隙率优选为高于92%。
[0027]在优选的实施例中，再生器包括在再生器中的不同的网的金属纤维或金属丝之间的金属结合。示例是烧结结合或焊接结合或铜焊结合。焊接结合例如可以通过电容器放电焊接(CDW)形成。优选地，这样的再生器具有高于90%的孔隙率的至少一段。当这样的再生器具有恒定孔隙率时，恒定的孔隙率优选为高于90%。
[0028]优选地，包括网的金属纤维中的金属纤维具有至少12mm的、更优选为至少15mm的平均长度。在该实施例中有利的是包括这样的金属纤维、例如不锈钢纤维的网可以易于操纵为制造再生器。
[0029]在优选的实施例中，再生器是再生器环或再生器盘。在优选的再生器环中，由再生器环的横截面环绕的面积在再生器环的高度上是恒定的。
[0030]即使金属纤维通过金属结合被结合在再生器中，可能的是通过做出再生器的横截面而分析再生器的构造和网层构建。
[0031]本发明的第二方面是用来制造如在本发明的第一方面中的用于热循环发动机的再生器的方法。该方法包括以下步骤
[0032]-提供包括金属纤维或金属丝的两个或更多网。多个不同宽度的网被提供。不同宽度的网除了它们的宽度之外可以具有相同的结构和物理参数。
[0033]-绕轴或芯缠绕网，由此构建正在被缠绕的一个或多个网的网层；
[0034]-其中在通过缠绕第一宽度的网形成网层之后，网层由比第一宽度的网宽度更大的网形成；以及
[0035]-可选地移除轴或芯。
[0036]优选地，网在网的一侧处被对齐以用于绕轴或芯缠绕网。更优选地，所有网在网的一侧处被对齐以用于绕轴或芯缠绕网。
[0037]本发明的方法有利的是，例如为再生器环的再生器可以由不同的横截面尺寸和/或在流体的流过再生器的方向上的孔隙率制成。该方法允许在再生器的流体流动方向上设置具体的孔隙率水平。该方法允许设置可用于流体在回流器的长度上流动的开放横截面面积。
[0038]在优选方法中，不同宽度的网被放在彼此的顶上，以便于将它们绕轴或芯缠绕在一起。
[0039]在优选方法中，不同宽度的网从卷轴解绕并且绕轴或芯缠绕在一起。
[0040]在优选方式中，首先缠绕的网的宽度以及最后缠绕的网的宽度大于在其之间缠绕的至少一个网的宽度。优选地，最后缠绕的网的宽度与首先缠绕的网的宽度相同。
[0041]优选地，多个网层由绕芯或轴缠绕第一宽度的网形成，在这些网层之间，网层由比绕中心轴线缠绕的第一宽度的网更大的第二宽度的网形成。优选地，第二宽度的网被用于形成再生器的一个或多个第一网层，如由中间轴线所见。优选地，第二宽度等于再生器的高度。
[0042]优选的方法包括成形再生器的附加步骤。该成形例如可以通过压在模具中而被执行。该成形例如可以设置横截面面积，例如设置在再生器的轴向长度上具有基本上恒定的横截面的圆柱或环状形状;或者其中横截面面积在该圆柱或环状再生器的轴向长度上改变的形状。
[0043]在进一步步骤中，例如通过烧结形成的金属结合可以在再生器中的不同网的金属纤维或金属丝之间产生。
[0044]本发明的第三个方面是一种包括如在本发明的第一方面中的再生器的热循环发动机，其中再生器的横截面在其热侧比起在其冷侧具有用于流体流动的在金属纤维或金属丝之间的更大的开放表面积。
【附图说明】
[0045]图1示出了根据本发明的再生器环。
[0046]图2示出了根据本发明的另一再生器环。
[0047]图3示出了图1和图2的再生器环的层构建。
【具体实施方式】
[0048]图1示出了根据本发明的再生器环的示例100。再生器具有对称的中央轴线101。再生器在其轴向长度H1上具有恒定的横截面形状和尺寸。再生器环具有轴向长度H1，例如72mm。内径是ID，例如143mm，并且外径是0D，例如221mm。再生器环具有孔隙率水平不同的三段:具有例如90%的第一孔隙率的例如48mm的长度H3的第一段103;具有例如92.4%的比第一孔隙率高的孔隙率的长度H2-H3(例如，60mm-48mm=12mm)的第二段105;以及具有例如94.6 %的更高孔隙率的长度H1-H2 (例如，72mm-60mm = 12mm)的第三段107。
[0049]图2示出了根据本发明的再生器环的另一示例200。再生器具有对称的中央轴线201。再生器在其例如72mm的轴向长度H1上具有不同的横截面形状和尺寸。内径是ID，例如143mm。在例如48mm的第一长度H3上，再生器具有例如221mm的外径OD1。外径随后减小。在例如60mm的长度H2处，外径是OD2，例如205mm。在再生器的另一端处(在例如72mm的长度出处)，外径是OD3，例如189mm。孔隙率在再生器上基本上恒定，例如为90 %。
[0050]图1和图2的再生器两者已经使用相同的金属纤维网做出。图3示出了从再生器解绕的图1和图2(实际上)的再生器的网层的布置。图3还图示了再生器可以被制造的方式。侧26示出了当开始从外径解绕再生器时的网层的侧。侧22示出了在再生器的内径处的网层的侧。再生器被构建的方式将通过描述已经做出再生器的方式而被解释。
[0051]图1和图2的再生器可以以如下方式被做出，如通过图3所示的。提供三个矩形网32、34和36，其中两个网34和36以图3中所示的方式被置于网32的顶上。
[0052]第一网32具有32.22m的长度L1以及72mm的宽度H1。在其之上放置第二网34，其在第一网32的前缘22处并且与第一网32对齐。第二网34的长度1^是13.06m并且其宽度H2是60mm。在第二网34的长度的端部处并在第一网32的顶上以与图3中指示的方式放置第三网36。第三网36具有14.31m的长度L3和48mm的宽度H3。当将网放置在彼此的顶上时，存在不同网的纤维的某种粘连，这产生了在缠绕网时有用的结合。除了使用指示长度的网之外，更短长度的网板可以一个在一个之后地定位以获得特定宽度的网的所需长度。
[0053 ] 三个网32、34和36在组分和比重上均相同。针对在图1和图2中所示的示例使用了300g/m2的粗疏不锈钢纤维网(30μπι等效直径的集束拉拔AISI 316L钢纤维)。针对本发明，也可能的是使用三个网，网的组分不同和/或比重不同。使用具有不同特性的网可以促进再生器在其轴向长度上的特性的设置。
[0054]如此形成的网的堆叠30绕合适的直径的芯缠绕，从网的堆叠的前缘22开始。前缘22被定位为与芯平行并且开始缠绕。通过缠绕，再生器环的网层被形成。当网的堆叠的全长已经被缠绕时停止缠绕，这在网的堆叠30的边缘26处停止，其在该示例中也是第一网32的末端。
[0055]除了将网板放置在彼此的顶上之外的可替代方式是从卷轴上解绕网并且将它们缠绕到芯上。
[0056]缠绕的网层随后可以被压为特定形状以形成再生器。网层可以被压为在再生器的轴向长度上具有恒定的内径和外径的形状，由此得到图1的再生器，具有如在图1的再生器的描述中提供的示例性尺寸。
[0057]可替代地，网层可以被压为在再生器环的轴向长度上具有变化的横截面和/或形状的再生器环形状，例如图2的再生器，具有如在图2的再生器的描述中提供的示例性尺寸。
【主权项】
1.一种用于热循环发动机的再生器(100、200)， 其中所述再生器具有中心轴线(101、201); 其中所述再生器包括绕所述中心轴线缠绕的多个网层； 其中所述网层由包括绕所述中心轴线(101、201)缠绕的网(32、34、36)的两个或更多金属纤维或金属丝形成； 其特征在于，当从所述中心轴线(101、201)至所述再生器(100、200)的外部观察时，第一宽度的至少一个网层的网(34)由比第一宽度的所述网(34)宽度更大的网层的网(32)接续。2.根据权利要求1所述的再生器，其中当从所述中心轴线至所述再生器的所述外部观察时，形成所述再生器的第一网层的网的宽度以及形成所述再生器的最后网层的网的宽度大于形成所述再生器中的中间的网层的网的宽度。3.根据前述权利要求中任一项所述的再生器，其中多个网层由绕所述中心轴线缠绕的第一宽度的网形成，在这些网层之间，网层由比绕所述中心轴线缠绕的第一宽度的网宽度更大的网形成。4.根据前述权利要求中任一项所述的再生器，其中不同宽度的网的网层的侧端在所述再生器的一端处被对齐。5.根据前述权利要求中任一项所述的再生器(100)，其中所述再生器在其轴向长度上具有恒定的横截面形状和尺寸。6.根据权利要求1至4所述的再生器(200)，其中可用于工作流流动的所述再生器的横截面的开放表面积在所述再生器的一端处比在另一端处更小。7.根据前述权利要求中任一项所述的再生器(100)，其中所述再生器在其轴向长度上具有不同的孔隙率水平。8.根据前述权利要求中任一项所述的再生器，其中所述再生器不包括在所述网的所述金属纤维或金属丝之间的金属结合。9.根据权利要求1至7所述的再生器，其中所述再生器包括在所述再生器中的不同的网的所述金属纤维或金属丝之间的金属结合。10.根据前述权利要求中任一项所述的再生器，其中所述网层由包括网的金属纤维形成，并且其中在包括网的所述金属纤维中的所述金属纤维具有至少12_的平均长度。11.一种制造根据权利要求1至10中所述的用于热循环发动机的再生器(100、200)的方法，包括步骤: 提供包括金属纤维或金属丝的两个或更多网(32、34、36)，其中多个不同宽度的网被提供； 绕轴或芯缠绕所述网(32、34、36)，由此构建被缠绕的一个或多个网的网层； 其中在通过缠绕第一宽度的网而形成网层之后，网层由比第一宽度的网宽度更大的网形成。12.根据权利要求11所述的方法，其中首先缠绕的网的宽度以及最后缠绕的网的宽度大于在其之间缠绕的至少一个网的宽度。13.根据权利要求11至12所述的方法，其中多个网层通过缠绕第一宽度的网而被形成，在这些网层之间，网层通过缠绕比第一宽度的网宽度更大的网而被形成。14.根据权利要求11至13所述的方法，包括成形所述再生器的附加步骤。15.—种包括根据权利要求1至10中所述的再生器的热循环发动机，其中所述再生器的横截面在其热侧比起在其冷侧具有用于流体流动的在金属纤维或金属丝之间的更大面积的孔洞。
【文档编号】F02G1/057GK106068378SQ201580011690
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2015年3月4日 公开号201580011690.3, CN 106068378 A, CN 106068378A, CN 201580011690, CN-A-106068378, CN106068378 A, CN106068378A, CN201580011690, CN201580011690.3, PCT/2015/54497, PCT/EP/15/054497, PCT/EP/15/54497, PCT/EP/2015/054497, PCT/EP/2015/54497, PCT/EP15/054497, PCT/EP15/54497, PCT/EP15054497, PCT/EP1554497, PCT/EP2015/054497, PCT/EP2015/54497, PCT/EP2015054497, PCT/EP201554497
【发明人】F·弗夏维
【申请人】贝卡尔特公司