CN101044297B - 使用斯特林发动机原理产生动力的方法与系统 - Google Patents

Abstract

一种包含壳体中的腔室的热力发动机，具有维持不同温度的两区。第一区接收来自外部动力源的热能。第二区通过二个导管连接至热区，使得填充一腔室的流体(例如，空气、水、或任何其他气体或液体)可循环于两区之间。流体在热区中的膨胀与流体在冷区中的压缩驱动壳体的旋转以提供动力输出。流体可被加压以提高效率。设置在固定蓄液器中的冷却流体维持热区与冷区间的优选操作温度差。包含具有高热容流体的储热结构可设置为储热器。

Description

使用斯特林发动机原理 产生动力的方法与系统 

本申请是2004年10月12日提交的名称为“使用斯特林发动机原理产生电能和机械能的方法和系统”的共同美国专利申请(“共同待审专利申请”)No.10/963,274的部分延续申请并且要求该申请的优先权，接案律师卷号No.M-15504US。该共同待审专利申请的全部内容引用结合于此。 

技术领域

本发明涉及将斯特林发动机原理应用至动力转换设备的设计及使用中。具体地说，本发明涉及将斯特林发动机原理应用于产生动力，诸如产生机械动力。 

背景技术

斯特林发动机是一种热力发动机，其通过将在具有不同温度的区域之间流动的热能转换为有用功而进行操作。典型的斯特林发动机利用热能驱动一组活塞进行相配合的和往复的运动。活塞的运动驱动运转机构或发动机。可选择地，也已公知具有旋转运动的热力发电机。现有技术中的各种不同的斯特林发动机设计包括：美国专利6,195,992、3,984,981及5,325,671号。 

在现有技术中，用于斯特林发动机操作的活动部件包围在壳体中且以机械方式(例如，通过一轴)连接至外部部件从而驱动外部机器。这种布置结构中的高效率需要壳体以气密的方式密封。密封失效会导致发动机的失效。 

发明内容

本发明提供一种基于斯特林发动机原理的方法及旋转发动机。依据本发明的一项实施例，旋转发动机的壳体由于流体流动于壳体内的一腔室中的两个不同温度区之间而旋转。因此，该壳体旋转运动的扭矩可用于通过连接至壳体外部的齿轮结构或轴驱动机器(例如发电机)。与现有技术不同，在这种布置结构下，本发明的旋转发动机不会由于壳体的密封 的渗漏而失效。 

提出了一种热力发动机，包括：壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；连在壳体中、以接收热能的第一区；在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和第一组叶片，位于第一区和第二区之间，工作流体的运动使第一组叶片进行运动。 

还提出了一种热力发动机，包括：壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；连在壳体中、以接收热能的第一区；在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和第一组叶片，结构上适配于壳体，工作流体的运动使壳体进行运动。 

还提出了一种热力发动机，包括：壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；连在壳体中、以接收热能的第一区；在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和第一组叶片，其中，工作流体不间断地在第一区和第二区之间流动。 

还提出了一种热力发动机，包括：壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；连在壳体中、以接收热能的第一区；在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和位于第二区外侧的第一组叶片，所述第一组叶片压缩工作流体。 

还提出了一种热力发动机，包括：包围工作流体、第一区和第二区的壳体，其中，在操作过程中，第一区的温度高于第二区的温度；和第一组叶片，其中工作流体的运动在第一组叶片上产生了引起第一组叶片运动的力，其中第一组叶片的运动使工作流体沿一个首选方向运动。 

还提出了一种热力发动机，包括：壳体，该壳体包括腔室，该腔室容纳工作流体并且具有第一区和第二区，第一区和第二区保持一个温度差；和腔室内的第一热能储存结构，当第一热能储存结构中的温度高于工作流体的温度一预定值时，第一热能储存结构向工作流体散热。 

还提出了一种热力发动机，包括：壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；连在壳体中、以接收热能的第一区；在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和连续流体流动通道，使得一个循环中返回到第一区的工作流体的动量被延续到下一个循环中。 

还提出了一种热力发动机，包括：包围工作流体、第一区和第二区的壳 体，在操作过程中第一区的温度高于第二区的温度；和第一组叶片，其中工作流体的轴向运动使第一组叶片进行运动。 

依据本发明的一项实施例，该腔室的热区由来自热源的能量加热，并且冷却系统将冷区维持在比热区低的温度下。冷却流体可由冷却流体的固定外部蓄液器抽吸。在一项实施例中，壳体的旋转速度可用来抽吸冷却流体。在该实施例中，被抽入旋转发动机的冷却流体的体积取决于旋转运动的角速度，继而可由旋转发动机的动力输出确定。因此，可实现一种自调节冷却系统。用于在外部轴(或外部齿轮结构)连接的点处强化壳体的结构可包括螺纹通道。在该实施例中，旋转螺纹通道迫使冷却流体经由围绕冷区分布的通道(例如，紧靠冷区的绝热层，冷区与壳体之间的区域或流体导引结构)进入壳体内，从而将冷区保持在所需的温度范围内。 

依据本发明的在热力发动机中的涡轮机可位于壳体热区或冷区的内表面上的任何适当位置，但是连结至壳体以提供壳体旋转运动并且不需要直接地驱动轴或齿轮结构以提供旋转发动机的输出动力。旋转发动机的腔室可填充有可压缩的工作流体(例如，空气)。流体导引件可设置于腔室内以引导可压缩工作流体沿提供更大效率的优选方向和流动速度流动。流体导引件也可设置用于该腔室的结构或机械方式的支承。因此，热力发动机设计方式提供一种使流体从冷却源或加热源通过流体导引件流到热区、冷区或二者而调整壳体101内的工作流体温度的方法。本发明也提供不需改变热源或散热片而调整发动机的动力输出的方法。 

在一项实施例中，单向阀可设置在热区与冷区之间以防止热区中的工作流体回流至冷区中。 

在另一实施例中，金属网设置在热区中以增加从热源到热区的传热效率。也可设置储热结构，以使发动机循环期间波动热源对旋转发动机动力输出的影响最小化，或者提供用于热力发动机的二级热源。高比热容流体或储热流体可使用在储热结构中。储热可被用来平衡不同能量需求时的能量产生或输出需要。 

在一项实施例中，在已实现预定的操作条件(例如，预定温度)后，导热板可由弹簧加载推压而与热区接触。 

本发明可由参阅以下的详细说明和附图来获得更好的理解。 

图1示出依据本发明一项实施例的具有冷却蓄液器107的热力发动机100的剖视图。 

图2示出具有冷却蓄液器107的热力发动机100的等轴分解侧视图。 

图3示出热力发动机100的“放大”透视图。 

图4是顶板101a下方的热区110a的俯视图。 

图5更详细地示出图1和图2中的旋转结构111。 

图6是示出邻近冷区110b的绝热层104部分中的螺旋状通道601和602的俯视图。 

图7示出依据本发明的一项实施例的储热器701的剖视图。 

图8是示出壳体101内部的工作流体循环路径的剖视图。 

为了便于附图间的相互参照以及使以下的详细说明简单明了，附图中类似元件使用类似附图标记表示。 

本发明提供一种在斯特林发动机原理下操作从而将来自热源的热能转换成机械能的热力发动机。该机械能可被结合以驱动机器及发电机执行有用功。适当的热源实例包括太阳能、地热、化石、垃圾填埋、回收或其他燃料。 

图1示出依据本发明一项实施例的具有冷却液体储存器107的热力发动机100的剖视图。如图1所示，热力发动机100包括被包围在外壳或壳体101内的腔室110。在操作期间，当热源设置在壳体101的顶表面101a时，温度差存在于腔室110中的“热区”110a和“冷区”110b之间。本发明利用该温度差以下述方式使得壳体101绕以“Y”示出的轴线旋转。由于在操作期间发动机壳体旋转并且由于工作流体空间被包围在腔室内且在腔室与旋转动力输出装置之间无通道、孔或接头，使得发动机工作流体与外部动力产生齿轮或机械装置隔离。因此，不需要专门的密封。 

旋转运动带动轴109的转动，从而用来驱动外部机械装置的运动。如图1所示，轴109基本上垂直于热区110a与冷区110b之间的横截面区域或平面。利用其他适当结构，也可实现旋转动力输出(例如，齿轮结构；这种结构可位于壳体101外部的任何位置或设置入壳体101的外壁内)。依据本发 明的一项实施例，轴109部分地包盖在旋转结构111中并且延伸超过冷却蓄液器107。轴109以旋转运动的方式与旋转结构111连接。可选择地，轴109也可连接至壳体101的顶板101a。因此该热力发动机的设计方案提供一种通过使流体从冷却源或加热源通过流体导引件流至热区、冷区或二者而调整壳体101内工作流体温度的方法。这样也提供调整发动机的动力输出而不必改变热源或散热片的方法。 

在图1所示的实施例中，冷却机构设置成保持热区110a与冷区110b之间的温度差。该温度差驱动壳体101的旋转运动，因此提供输出动力。冷却机构包括含有冷却流体的冷却蓄液器107，该冷却流体循环于冷却蓄液器107、冷区110b、空间508以及绝热层104之间从而保持或增加冷区110b与热区110a之间的温度差。蓄液器盖115设置于壳体101和冷却蓄液器107之间以避免冷却流体泄漏以及过度蒸发。在该详细说明中，术语“热”和“冷”是相对的。热力发动机100只要在热区110a与冷区110b之间具有足够的温度差即可操作。 

包围在壳体101内的元件更好地结合图2与图3示出，该两个图分别示出热力发动机100的“等轴分解”侧视图和“等轴分解”透视图。壳体101的外侧壁在图2和图3中省略，从而示出腔室110内的热力发动机100的内部结构。如图1、2及3所示，顶板101a和底板101b分别为壳体101的顶外壁和底外壁。在该实施例中，热源(例如，太阳能)施加至顶板101a上。如下文说明，冷却蓄液器107的冷却流体将绝热层104和底板101b之间的区域保持为低温。热源和冷却流体的联合作用形成如图1、2及3所示的热区110a和冷区110b。在该实施例中，冷区110b与底板101b以盘108隔开，从而在盘108和底板101b之间形成冷却流体可在其中流动的空间508，从而实现温度调整的目的。(在本说明书中，图2的上和下部分分别标示为“顶”和“底”，仅仅有利于在详细说明中进行参照。本发明的热力发动机的操作不受其物理取向的限制。)在图2和3中，热力发动机100以“分解”图示出，为了使热力发动机100的元件之间的分离沿垂直方向放大，以供说明的需要。在一项实施例中，盘108邻接壳体101的底板设置，由此隔开冷区110b与底板101b。底板101b围绕该盘108，产生其中可流动冷却流体的空间508，从而实现温度调整的目的。盘108可视为壳体101的底部，底板101b可视为围绕壳体101底部的环绕外壳，从而形成空间508。 

热区110a与冷区110b通过绝热层104互相隔开，该绝热层将在下文进一步详细说明。可穿过热区110a和冷区110b设置适当位置的支承结构，用于在壳体101内部提供机械支承。这种支承结构可包括例如柱、桩、梁及杆。热离子和热电耦装置也可设置在绝热层104中。这种装置可用来提供动力输出，如上述结合参考的共同专利申请所讨论的。在该实施例中，分离器结构105进一步夹置在热区110a和绝热层104之间。热区110a与冷区110b之间的流体流过中央开放轴113和空间121。空间121包括流体引导结构106、分离器结构105、绝热层104、旋转结构111和壳体101外壁之间的所有空间。分离器结构105是可选的存储结构，这将在下文中进一步详细说明。腔室110填充有可压缩工作流体，该工作流体可以是空气、另一流体或流体混合物，从而获得所需的流体密度，以及机械、空气动力及热特性。该工作流体可被加压。 

热力发动机100得到由位于壳体101内壁表面上的涡轮机结构所接收的热能。这一位置可在例如空间121中包括热区110a和冷区110b。涡轮机结构也可位于热区101a与冷区101b之间的内部结构的表面上。这一位置可包括例如空间121内及中央开放轴113内。涡轮机结构可位于能够产生使壳体101进行所需旋转运动的扭矩的任何适当位置。涡轮机结构也可设置入壳体101的内壁中。这些涡轮机结构可包括一组或多组设计成导引工作流体的流体导向件或叶片，从而控制工作流体速度和压力，并且产生用于旋转运动的扭矩，以便从工作流体的膨胀和压缩中抽取最大冲击动力。在一项实施例中，涡轮机结构的每一流体导向件在壳体101旋转期间优选地保持相对于工作流体的预定角度。根据热力发动机100的应用，涡轮机结构可以是任何适当的尺寸或材料。 

依据本发明的一项实施例，热力发动机100在热区110a中包括涡轮机结构，这里称为流体导引结构106。图4是顶板101a下方的热区110a的俯视图。如图4所示，热力发动机100包括流体导引结构106，该结构包括板401、编号114-l至114-m的第一组流体导引件114和编号112-l至112-n的第二组流体导引件112，其中n和m是整数。根据热力发动机100的结构，板401可以是分离器结构105或绝热层104的顶板。流体导引件112和114可设计成相互协作或分离地工作，并且可用作热源或散热片的额外传热表面。根据热力发动机100的应用，流体导引件112和114可以是任何适当的 尺寸、曲率或由任何材料制成。一般而言，流体导引件112-l至112-n可附接至热区110a与冷区110b之间的任何结构(在空间121和中央开放轴113内)。流体导引件112-l至112-n也可附接至壳体101的内壁。在一项实施例中，如图4所示，流体导引件112-l至112-n附接至壳体101且大致布置在空间121中的板401外周。流体导引件112也可附接至板401、流体导引结构106、分隔结构105或绝热层104。流体导引件112可采用空气动力学设计。在空气动力学设计中，随着流体以不同速度沿着表面流动，一压力差在流体导引件的两表面之间形成。在一项实施例中，每一流体导引件设有圆形轮廓，使得流体导引件的一侧可具有比另一个更大的横截面，由此产生可实现壳体101旋转运动的扭矩。 

如上所述，流体导引件112-l至112-n设计成在每个流体导向件112的紧邻附近保持相对于工作流体方向的预定角度。在操作期间，当热区101a中的热量增加时，热区110a中的膨胀工作流体推动流体导引件组112从而产生使得壳体101旋转的扭矩。热区110a中的工作流体从中央开放轴113上方的空间径向向外流动，并且通过环状空间121流入冷区110b。可选择地，流体导引件112可附接至中央开放轴113中的结构，例如，绝热层104、分离器结构105、单向阀801、流体引导结构106、绝热层104的冷却系统通道。 

利用具有一轴的流体导引件结构106的流体导引件112形成涡轮机的一项实例公开在上述引入本文供参考的共同专利申请中。由旋转流体导引结构106产生的扭矩通过壳体101的外壁传送至旋转结构111(以及轴109)，使得壳体101与流体导引结构106整体旋转。各流体导引件112上的非对称表面区域并非是必需，但在一些应用情况下可带来某些优点，诸如容易通过预定方向的运动进行起动。流体导引件112可提供用于传热的大表面面积。因此，热力发动机100具有高面积体积比从而提高效率。流体导引件112-l至112-n也可作为控制工作流体以预定角度流动的流体导引件，从而使扭矩的产生最大化。 

流体导引件114-l至114-m将工作流体以优选的角度朝向流体导引件112引导，从而实现优选的旋转力。流体导引件114-l至114-m可形成为支承结构，以在顶板101a和分离器结构105之间提供支承。流体导引件114-l和114-m可用来适应流体导引件112的设计。流体导引件114-l和114-m可具有热属性，从而提供用于传热的额外加热面和冷却面。流体导引件114-l和 114-m也可形成用于工作流体循环的通道或用于控制工作流体压力。流体导引件114-l和114-m可用于连接发动机腔室外部的热或冷源。因此，热力发动机设计方案提供一种通过使流体从冷却源或加热源通过流体导引件流动至热区、冷区或二者而调整壳体101内部的工作流体温度的方法。这也提供一种调整发动机动力输出但毋需改变热源或散热片的方法。流体导引件114-l至114-m可增强工作流体的运动，提供工作流体体积成形，或其他在工作流体路径内进行改变的流体特征。这种特征例如可包括工作流体速度、方向、及体积。本实施例中虽未示出，但是具有对应组流体导引件组的流体导引件结构也可设置在冷区110b中从而形成工作流体的返回路径。可选择地，冷区110b中的流体导引件结构可设置为不同的结构(例如，不同材料、不同形状的流体导引件、完成不同的功能)从而实现不同的设计目的。流体导引件114-l至114-m可成形并作为叶片使用以帮助涡轮机结构产生使壳体101以预定方向旋转的扭矩。根据应用的需求，流体导引件114-l至114-m可设置在腔室110内的任何位置。流体导引结构106可视为涡轮机结构的一部分。 

依据另一实施例，流体成形器可使用在工作流体路径中从而引导流体或控制流体体积。流体成形器可包括例如圆锥体、钟型体及漏斗状体。流体成形器可以是实体或中空的。流体成形器可位于壳体101的内壁或设置在内壁中。流体成形器可实现在工作流体空间内的两个特定区域之间的过渡空间、或在工作流体路径的特定区域内的一个或多个位置处。工作流体空间的实例例如可包括热区110a、冷区110b、中央开放轴113和空间121。使用实心圆锥形流体成形器的实例示出于图1及图2中。这里，盘108具有朝向中央开放轴113延伸的部分并且在壳体101内形成圆锥形的流体成形器200。同样，流体成形器200可位于冷区110b与空间507之间并且可用于引导工作流体朝向热区110a以及辅助保持流体流动的方向。流体成形器200可通过使部分流体路径变窄而改变工作流体的速度。一项实例利用流体成形器200来控制从冷区110b进入中央开放轴113的工作流体体积。流体成形器200与中央开放轴113开口之间的工作流体空间愈小，工作流体流动得愈快。在中央开放轴113中的具有朝向热区110a的较小端的漏斗形流体挡块可增加内部的工作流体速度。流体成形器200可用于工作流体离开中央开放轴113的位置处或者工作流体进入热区110a的位置处，从而减少工作流体体积，并由此实现工作流体的加速。流体成形器可以采用任何适当材料、形状或功能从 而实现不同的设计目的。流体成形器可采用空气动力学设计。 

当热区110a和冷区110b之间的温度具有实质性的温度差时，图1中的流动线122所指示的工作流体循环得以建立。在该循环中，工作流体采用循环运动流动并且也在热区110a中径向向外流动，通过空间121流入冷区110b(即，向下的螺旋运动)，采用循环运动流动且径向向内流入冷区110b并通过开放轴113返回至热区110a(即，向上的螺旋运动)。随着热工作流体在其路径上以循环运动的方式朝向冷区110b运动，其在冷区中央造成低压或抑压，冷工作流体会被引入该冷区且以循环运动上升至热区内。因此，每个区中的流体流动与飓风或龙卷风(即“气旋”)中流体的运动相似。在热区中，随着工作流体被加热，上升气流将工作流体从冷区螺旋地强烈地向外吸至外周。在外周中，强下降气流将工作流体吸入冷区，在该冷区，工作流体然后螺旋地向内进入低压点，在该低压点，该工作流体被拉回至热区。 

工作流体流动具有漩涡并且以涡流流动。该工作流动施加一连续力并且使涡轮机结构具有动量。由于工作流体循环是对流的垂直循环，所以涡流近乎是水平的。从冷区110b流动至热区110a的工作流体流动是旋转的上升气流。相似地，从热区110a流动至冷区110b的工作流体是旋转的下降气流。在发动机循环中热工作流体遇到冷工作流体期间，工作流体的动量被持续维持。在每个发动机循期间，各区中的工流体连续地加热、膨胀、冷却及收缩。因此，在腔室110内设置完整的发动机循环和完整的工作流体路径。在发动机循环期间，工作流体同时在涡轮机结构的所有流体导引件或叶片上施加一力。涡轮机结构的每一导引件或叶片同时作功。因此，在本发明的热力发动机中并不需要通常用于流体驱动系统中以使工作流体导向至涡轮机的一特定部分从而提供冲力的流体控制结构，诸如喷嘴和管路。 

如上所述，在工作流体的加热和冷却以及流体导引件或叶片的旋转运动的作用下，工作流体具有涡流并且具有连续动量。涡轮机结构由工作流体的运动而转动，继而驱动工作流体进行旋转运动。 

在该发动机设计方案中，工作流体膨胀与收缩产生施加在涡轮机机构上的力，由此产生扭矩。在每一循环中，工作流体是通过使热工作流体膨胀、使工作流体从热区110a流动至冷区110b的垂直旋转下降气流、使冷区110b中的工作流体收缩和使工作流体从冷区110b流动至热区110a的旋转上升气流合成的力进行加速的。因此，在这一环境下，发动机运转愈久，工作流体 循环愈快。在第一循环结束时工作流体的速度变成第二循环开始时的工作流体的速度，并且在整个第二循环中增加。工作流体速度由动能增加，接着通过热力发动机转换成机械功。工作流体速度在发动机循环的膨胀相位和收缩相位期间都增加。工作流体从流体导引件和叶片的旋转获得动量。叶片或流体导引件及通道的形状有助于带动工作流体旋转。流体导引件也可用来调整发动机各个部分的温度-即，减少或增加热区的温度，或减少或增加热区的温度。 

热区中的工作流体的旋转与径向向外流动、进入冷区的向下运动、冷区中的工作流体的旋转与径向向内流动以及进入热区的向上运动沿上升气流的长度延伸。旋转或‘扭转’的速度随着有效圆柱直径的减少而增加。冷工作流体更有效地采用旋转上升气流的形式穿过该空间被运送。高流体速度来自于角动量的守恒。发动机设计的基础在于持续地加热和冷却以移动工作流体以及利用旋转涡轮机叶片旋转工作流体(即，维持工作流体中的动量)。 

本发明的热力发动机是可逆的，冷区和热区可通过提供机械动力而形成。随着发动机100的壳体101的旋转运动，发动机也可由风或水供给动力。因此，本发明的热力发动机可利用在诸如太阳能的应用场合，或者通过核电站的排放而提供动力。也可提供机械动力带动发动机旋转，从而在腔室内形成热区与冷区。根据所需的应用情况，热区继而可用来为其他发动机提供动力，并且冷区可用来冷却。发动机可调整大小从而适应不同的输出动力要求，并且可用在具有相当大温度变化的地方。 

加热网可设置在开放轴113附近上方的热区110b中，从而增加工作流体可被加热的表面积，由此改善工作流体的加热效率。热可在热区101a中被集中及导向至加热网。该加热网也可作为分离器结构105中的储热器701与外部热源之间的接触点。在该过程中，热区110a中的比较热的工作流体膨胀并且流入经冷却和压缩的冷区110b中。单向阀可设置在热区110a与冷区110b之间的开放轴113中，从而防止工作流体从热区110a回流至冷区110b中。图8为热力发动机100的剖视图，该图示出通过流体引导结构106的工作流体循环路径。如图8所示，单向阀801设置在热区110a与冷区110b之间的开放轴113中，从而防止工作流体从热区110a回流至冷区110b。 

从上述内容可知，上述各实施例中的流体导引件的系统可完成多种任务。举例而言，每个流体导引件可在结构上附接至旋转结构111、旋转结构 与绝热层104之间的通道、绝热层104和分离器结构105、流体引导结构106的一个或多个壁。中央开放轴113中的每个流体导引件可在结构上适配至内部结构的一个或多个壁。形成多个可供壳体101(或腔室110)内的工作流体流动的渠道、通道或导管。对于不同的应用场合，这些通道可位于工作流体路径的任何部分中。这些通道可与工作流体成一角度从而辅助工作流体的运动。使用流体导引件或叶片限定流体在邻近流体导引件中流动的一个优势在于减少工作流体中的湍流。流体导引件的结构可用来影响热力发动机100的机械参数(机械参数的一个实例可以是旋转角速度)，诸如工作流体压力和其角速度、工作流体流动的方向与角度以及造成旋转运动的扭矩大小。因此，流体导引件的设计可改善热力发动机100的动力输出。可选择地，流体导引件不需附接至任何旋转结构111、绝热层104以及分离器结构105。在这种情况下，没有形成供工作流体流动的多个渠道、通道或导管。最终的设计方案更简单，可以更平均地分布热量，并且减轻壳体的重量。 

旋转结构111位于开放轴113的下部且支承壳体101的重量，包括容纳在壳体101内的热力发动机100各种元件。旋转结构111通过接收从所有涡轮机结构或者壳体101中的流体导引件结构传送的组合扭矩而与轴109一起旋转。如前所述，热区110a与冷区110b之间的操作温度差可由冷却液体保持。在图1、2与3所示的实施例中，冷却流体由固定冷却蓄液器107提供。在本实施例中，旋转结构111有助于冷却流体的上升。图5更详细地示出图1与图2中的旋转结构111。如图5所示，旋转结构111具有圆柱状外壁501，其一部分穿过蓄液器盖115的中央开口插入冷却蓄液器107中并且环绕冷却蓄液器107的圆柱状内壁502。冷却蓄液器107的圆柱状内壁502可向上延伸至旋转结构111的顶壁504。轴109可附接至旋转结构111的顶壁504。旋转结构111也可用于强化壳体101的底板101b并容许其承受热力发动机100的壳体101及其所包含的元件的负荷。轴109设计用来支承旋转结构111并且将壳体101的旋转运动传送至被驱动的负荷。旋转结构111包括通向冷却蓄液器107的螺纹通道505a。当旋转结构111旋转时，其将冷却流体向上抽吸通过螺纹通道505a并进入一腔室506，冷却液体在这里流入空间507，该空间将冷却流体分配入设置在绝热层104的底部中的螺旋状通道601与602(图3)中。冷却流体也可溢流入空间507中，冷却液体在该空间中被引导入位于冷区110b底侧的盘108与壳体101的底板101b之间的空间508中 的通道中。绝热层104中的螺旋状通道与盘108下方的通道空间508二者使冷却流体通过冷却流体收纳部(capture)510的出口返回到冷却蓄液器107。诸如柱、壁或梁等的支承元件可采用任何需要的方式设置在空间508内以提供支承以及引导流体流动。冷却流体收纳部501可包括围封的导管，从而提供使冷却流体通过蓄液器盖115的槽道。随着壳体101旋转，冷却流体通过循环而不需外部泵即可保持冷区110b的温度。 

因此，依据图5所示的实施例的冷却系统结构包括旋转结构111、冷却蓄液器107、蓄液器盖115、冷却流体收纳部510，以及可设置为使来自冷却蓄液器107的热量散发的散热片(未示出)。冷却蓄液器107、蓄液器盖115及冷却流体收纳部510是固定的且可由外部结构(未示出)支承。在壳体101与冷却蓄液器107壁部接触的位置也可设置轴承。例如，轴承可以设置在壳体101的底板101b与冷却流体收纳部510的侧壁之间、蓄液器盖115的圆状外壁501与圆筒状壁511之间、旋转结构111的顶壁504与冷却蓄液器107的圆筒状内壁502之间、以及冷却蓄液器107的圆柱内壁502与旋转结构111的凹入部503的壁部之间。这些承座也可用来以机械的结构支承热力发动机100的重量并提供旋转期间的稳定性。轴承和蓄液器盖115防止冷却流体溢出。当然，也可提供除冷却蓄液器107以外的外部结构来机械地支承壳体101。在本发明的该项实施例中，冷却流体收纳部510可由轴承包围。冷却流体收纳部510的其他构造也是可行的。 

绝热层104可填充有绝热材料。一部分冷却系统在结构上适于绝热层104。图6为示出根据本发明一项实施例的用于冷却邻近冷区110b的绝热层104部分中的冷却流体的螺旋状通道601和602。(虽然在图6中只示出两个通道，但是根据所需的冷却流体流动速率，实际实施时可使用额外的通道，下文将进行说明)。图6示出冷却流体分别从开口601a与602a进入通道601和602，并且从出口601b和602b通入导管从而通过流体导引结构106中的通道或者通过冷区110b中的支承结构返回至冷却流体收纳部。为了实现冷区110b中的有效冷却，冷却流体通道可设置在圆盘108与流体导引结构之间，专用导管，沿支承结构设置或嵌入其中的通道，或冷区110b中的结构组合。一般而言，冷却流体可从螺纹通道501径向地朝外周流动且进入冷却流体收纳部510。也可使用许多可将冷却流体在整个冷却区110b中分配的其他方案。依据一项实施例，支承结构可设置于整个绝热层104以便机械地支 承绝热层104。 

冷却流体优选为比热容大于工作流体比热容的流体。为将冷区110b保持在优选的温度，流入冷区110b中的工作流体的热必须通过冷却流体及壳体101散热。举例而言，壳体101内的散热效率取决于冷区110b中的流体导引结构106的流体导引件与叶片的将热量在它们与壳体101接触时从工作流体带走热量的能力。超过由壳体101消散的热的工作流体中的热由冷却流体消散。圆筒状外壳旋转时的角速度确定冷却流体被引进旋转结构111的螺纹通道505a中的压力，因而也确定流入冷区110b中的冷却流体的体积。在更高能量输入的情况下，圆筒状外壳以更高的角速度旋转，由此能在每单位时间内引入更大体积的冷却流体，因此实现更大的冷却效果以将热力发动机100保持在所需的操作温度范围内。环绕冷区110b的通道的长度和分布取决于每单位时间所需的冷却流体的体积和冷却蓄液器107将冷却流体中的热传递至环境的能力。如果通道长或者如果每单位时间流经通道的冷却流体的体积小，那么冷却蓄液器107中的冷却流体与回流的冷却流体之间的温度差将更大。相反地，如果通道长度短或者每单位时间流经通道的冷却流体的体积大，那么冷却蓄液器107中的冷却流体与回流冷却流体之间的温度差将更小。更小的温度差是优选的。传统的散热片可设置在冷却蓄液器107的外壁上以使过量的热耗散。 

可选的储热器701可设置在分离器结构105上。即便热源所提供的热量可能在整个发动机循环期间发生波动，这一储热器也可使动力输出的波动减到最小。储热器701可用来调节动力需求的变化。即，储热器701在高需求期间可补充不足的能量产生，并且在产生的能量超过需求时可存贮能量。储热器701也可保持热量并且在主热源不再使用或者没有提供足够的热能之后作为用于加热工作流体的另一热源。储热器701可与主要热源连接以增加热区的加热量或加热效率。储热器701的储热介质可以是相位变化材料或者是通过分解或重组反应使储热转化成更高温度的材料。通过分解或重组反应使储热转化成更低温度的材料可用在绝热层104或冷区110b中以供冷却目的。在一项实施例中，利用相位变化材料增加储热器701的热能密度以及在不变温度下改善动力性能。 

图7示出依据本发明一项实施例的储热器701的剖视图。如图7中所示，储热器701包括充有高比热容或储热密度的流体的腔腔室，以及由弹簧703a 和703b支承的金属板702。储热器701中的流体可被加压，且优选地应该在热力发动机100的整个操作温度范围内保持液状。(虽然在图7中仅示有两个弹簧，但可使用任何数目的弹簧来支承金属板702)。金属支承结构(未示出)可设置在整个储热器701中以支承储热器701的顶壁和底壁并传导来自热区110a的热量。开始时，储热器701中的流体是冷的，并且金属板702未与热区110a的底部接触。当热力发动机100操作时，储热器701中的流体温度上升。结果，弹簧703a与703b伸张以允许金属板702接触热区110a的底部，以使热区110a与储热器701中的流体间具有更大的传热表面积。依据本发明的一项实施例，固态材料或不同类型材料的混合物可使用在储热器701中。加热网也可用来促进传热。流体导引件可用来提供外部热源通道以增加对热区110a及储热器701的传热。在这种设计中，一组热管或加热流体可导向穿过流体导引件。热管中的工作流体可从外部壳体101进入第一流体导引件，进入储热器701，并且通过热区110a中的第二流体导引件中的通道回流至外部壳体。因此，热区110a可由加热元件围绕以提供热效率。 

根据所需的应用情况，热源可接触壳体101的中心区域或环状区域。当热区110a与冷区110b的位置相反时，冷却系统结构和加热源可形成不同的操作构造。这可带来使工作流体循环并且维持热区与冷区之间的更大温度差的优点。 

[0048] 上述详细说明用于说明本发明的特定实施例而非意图限制。在本发明范围内，可进行许多不同的改进和变化。本发明在下述权利要求中得以阐述。 

Claims (27)

1.一种热力发动机，包括：

壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；

连在壳体中、以接收热能的第一区；

在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和

第一组叶片，位于第一区和第二区之间，工作流体的运动使第一组叶片进行运动。

2.一种热力发动机，包括：

壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；

连在壳体中、以接收热能的第一区；

在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和

第一组叶片，结构上适配于壳体，工作流体的运动使壳体进行运动。

3.一种热力发动机，包括：

壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；

连在壳体中、以接收热能的第一区；

在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和

第一组叶片，其中，工作流体不间断地在第一区和第二区之间流动。

4.一种热力发动机，包括：

壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；

连在壳体中、以接收热能的第一区；

在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和

位于第二区外侧的第一组叶片，所述第一组叶片压缩工作流体。

5.如权利要求4所述的热力发动机，其中，第一组叶片产生扭矩。

6.一种热力发动机，包括：

包围工作流体、第一区和第二区的壳体，其中，在操作过程中，第一区的温度高于第二区的温度；和

第一组叶片，其中工作流体的运动在第一组叶片上产生了引起第一组叶片运动的力，其中第一组叶片的运动使工作流体沿一个首选方向运动。

7.如权利要求6所述的热力发动机，其中工作流体具有旋转运动。

8.一种热力发动机，包括：

壳体，该壳体包括腔室，该腔室容纳工作流体并且具有第一区和第二区，第一区和第二区保持一个温度差；和

腔室内的第一热能储存结构，当第一热能储存结构中的温度高于工作流体的温度一预定值时，第一热能储存结构向工作流体散热。

9.如权利要求8所述的热力发动机，其中，第一热能储存结构包括接收来自外部热源或者工作流体的热量的元件。

10.一种热力发动机，包括：

壳体，包围工作流体，该壳体接收来自动力源的热能；

连在壳体中、以接收热能的第一区；

在壳体中的第二区，将热量从壳体散去，使得在操作过程中第一区和第二区之间产生温度差；和

连续流体流动通道，使得一个循环中返回到第一区的工作流体的动量被延续到下一个循环中。

11.如权利要求10所述的热力发动机，还包括第一组空气动力叶片。

12.一种热力发动机，包括：

包围工作流体、第一区和第二区的壳体，在操作过程中第一区的温度高于第二区的温度；和

第一组叶片，其中工作流体的轴向运动使第一组叶片进行运动。

13.如权利要求12所述的热力发动机，还包括第二组叶片，工作流体的运动使第二组叶片也进行运动，其中，第一组叶片和第二组叶片位于从下列组中选出的不同位置，所述组包括a)第一区，b)第二区；c)从第一区到第二区；d)从第二区到第一区。

14.如权利要求1，2，3，4，6或12所述的热力发动机，其中第一组叶片是空气动力性或者反应性的。

15.如权利要求1，2，3，4，6，10或12所述的热力发动机，其中工作流体膨胀致使工作流体向外运动。

16.如权利要求1，2，3，4，6，10或12所述的热力发动机，其中工作流体的流动是线性的。

17.如权利要求1，2，3，4，6或11所述的热力发动机，还包括第二组叶片，工作流体的运动使第二组叶片进行运动，其中，第一组叶片和第二组叶片位于从下列组中选出的不同位置，所述组包括a)第一区，b)第二区；c)从第一区到第二区；d)从第二区到第一区。

18.如权利要求1，2，3，4，6，10或12所述的热力发动机，还包括壳体中的热储存结构，在操作期间热储存结构向工作流体提供热能。

19.如权利要求1，2，3，6，10或12所述的热力发动机，其中，第一组叶片压缩工作流体。

20.如权利要求1，2，3，4，6，10或12所述的热力发动机，其中，工作流体的流动围绕轴线旋转。

21.如权利要求1，2，3，4，6，8，10或12所述的热力发动机，其中，工作流体的角动量移动流体。

22.如权利要求1，2，3，4，6，8或12所述的热力发动机，其中，工作流体的流动是持续的。

23.如权利要求1，2，3，4，6，8，10或12所述的热力发动机，其中，工作流体的流动形成了气旋或者涡流。

24.如权利要求1，2，3，4，6，8，10或12所述的热力发动机，其中，工作流体的运动产生了气流。

25.如权利要求1，2，3，4，6，8，10或12所述的热力发动机，其中，叶片组相对于壳体是静止的。

26.如权利要求1，2，3，4，6，8，10或12所述的热力发动机，其中，工作流体的流动具有聚集和分散模式。

27.如权利要求1，2，3，4，6或12所述的热力发动机，其中，切线流体运动，或者轴向流体运动，或者径向流体运动使第一组叶片进行运动。

Images