CN102341587A - 用于热循环发动机的回热器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于具有外部燃烧的热循环发动机的回热器(100)包括金属纤维的网状结构，其中纤维的大多数至少部分地环绕回热器的轴线。纤维是被盘绕和烧结而由此获得回热器的纤维束的一部分。

Description

用于热循环发动机的回热器

技术领域

本发明涉及用于具有外部燃烧的热循环发动机，例如斯特林(Stirling)循环热力发动机的回热器。更特别地，本发明涉及用于热循环发动机的改进回热器。

本发明还涉及用于获得这样的回热器的方法和这样的回热器在热循环发动机中的使用。

背景技术

回热器在热循环机中被使用以在热循环的不同相位期间从工作流体增加和去除热。这样的回热器必须有高传热速度的能力，这典型地需要高传热面积和对工作流体的低流阻。

不同类型的回热器已经在市场上可获得。这样的回热器典型地包括金属网、圆柱形卷绕的线规或3D随机纤维网状结构，例如如JP1240760、JP2091463和WO01/65099中所述；或者甚至包括短金属纤维，例如如EP1341630中所述。

回热器需要在流体流动方向上具有很低的热导率；原因是回热器的一个端部是热的并且另一个端部是冷的。回热器也需要在垂直于流体流动的方向上具有很高的热导率，使得工作流体可以快速地自适应回热器内部的局部温度。回热器也必须具有很大的表面积以改善随着工作流体的热运动的速度。最后，回热器必须具有用于工作流体的低损失流动路径，使得当工作流体移动通过时将产生很小的压降。在回热器由纤维制造的情况下，回热器必须以这样的方式被制造使得禁止纤维迁移，原因是碎片可以被夹带在工作流体中并且被运输到压缩或膨胀气缸并且导致活塞密封的损坏。

发明内容

因此，本发明试图提供一种体现上述性质的新型回热器和制造这样的回热器的方法。此外，本发明试图提供一种可以在使用最小的调整的情况下装配到斯特林发动机中的回热器。

在附带的独立权利要求和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。在合适的情况下来自从属权利要求的特征的组合可以与独立权利要求的特征组合并且不仅仅在权利要求中清楚地被阐述。

根据本发明的一些实施例，回热器中的纤维的至少85％至少部分地环绕轴线。

术语“环绕”应当被理解为围绕通过。因此“至少部分地环绕轴线的纤维”表示纤维至少部分地围绕轴线通过。这可以通过沿平均流动路径的方向将纤维投影在垂直于平均流动路径的平面AA′上而最佳地被看到。沿平均流动路径的方向投影在垂直于平均流动路径的平面AA′上的纤维的投影线不必是圆形的或是圆的弧，所述圆的中心与轴线在该平面AA′上的投影重合。最佳拟合线(即，最近地拟合到沿平均流动路径的方向投影在垂直于平均流动路径的平面AA′上的纤维的投影线的线)具有指向轴线在该平面AA′上的投影的它的凹侧。

包括可选地是金属纤维的纤维的回热器具有范围可以从70％到99％的孔隙率P。该高孔隙率导致高透气性。在回热器用于在热循环发动机(例如斯特林循环热力发动机)中交换热的情况下，该高透气性对于指定纤维性质(例如包膜表面、当量直径、平均横截面轮廓等)和对于指定回热器性质(例如孔隙率)是特别有利的。此外，卷绕纤维束在回热器中的使用导致在垂直于工作流体的平均流动方向的方向上的10％的更佳热导率。

根据本发明的一些实施例，回热器可以为圆柱形。回热器可以可选地为圆锥形，例如具有圆形或椭圆形横截面。对于圆柱形回热器，回热器可以可选地为具有圆形或椭圆形横截面的圆柱形。

根据本发明的第一方面，纤维的大部分大致环绕回热器的轴线。更特别地存在于回热器中的纤维的至少85％大致环绕回热器的轴线。根据本发明，纤维是围绕大致平行于工作流体的平均流动方向的盘绕轴线盘绕的加固纤维结构的一部分。加固纤维结构可以包括至少一个纤维束。加固纤维结构可以包括至少一个束，可选地多个相同的束，或在纤维的类型、纤维性质(例如当量直径或纤维材料)或束性质(例如束细度)上不同的相互不同的束。优选地，加固纤维结构中的纤维束被卷曲。这增加了纤维和纤维束的膨松性。更优选地，纤维束被超卷曲。卷曲波由R和S限定，其中R是卷曲波浪形的顶部和底部之间的距离，S是卷曲波浪形的两个连续顶部之间的距离。超卷曲纤维束表示卷曲波满足以下公式：3mm≤R≤1/2H，其中R是卷曲波浪形的顶部和底部之间的距离，H是回热器的高度；以及1mm≤S≤4×R，其中S是卷曲波浪形的两个连续顶部之间的距离。这些超卷曲纤维提供一种回热器，其中主纤维方向是轴向的，对回热器上的压降有正面影响。然而，由于纤维束的轴向部分将具有有限的高度，因此轴向主纤维方向将不对沿轴向方向的热传导有影响。

根据本发明的第一方面，回热器可以呈环的形式，例如如自由活塞斯特林回热循环发动机中所使用的。回热器也可以呈圆盘的形式，例如如α型斯特林发动机中所使用的。

任何合适类型的金属或金属合金可以用于提供金属纤维。金属纤维例如由诸如不锈钢的钢制造。使用不锈钢合金，该不锈钢合金可选地是AlSl 300或AlSl 400系列合金，例如AlSl 316L或AlSl 347，或包括Fe、Al和Cr的合金，包括铬、铝和/或镍和0.05至0.3％(重量)的钇、铈、镧、铪或钛的不锈钢，例如DIN 1.4767合金或

而且可以使用铜或铜合金、钛或钛合金。金属纤维也可以由镍或镍合金制造。

金属纤维可以通过任何当前已知的金属纤维生产方法被制造，例如通过例如如US3379000中所述的束拉拔操作，通过如JP3083144中所述的线圈刨屑操作，通过金属丝刨屑操作(例如钢丝绒)或通过从熔融金属合金浴提供金属纤维的方法。为了提供具有它们的平均长度的金属纤维，金属纤维可以使用如WO02/057035中所述的方法进行切割，或者可以被拉断。

金属纤维的当量直径D优选地小于100μm，例如小于65μm，更优选地小于36μm，例如35μm、22μm或17μm。金属纤维的当量直径可选地小于15μm，例如14μm、12μm或11μm，或者甚至小于9μm，例如8μm。金属纤维的当量直径可选地小于7μm或小于6μm，例如小于5μm，例如1μm、1.5μm、2μm、3μm、3.5μm或4μm。

金属纤维优选地是环形金属纤维，环形纤维也被称为细丝。备选地，金属纤维可以具有可选地范围从例如4cm至30cm的平均纤维长度Lfiber。优选地，金属纤维的平均纤维长度Lfiber的范围从5cm至25cm。

回热器具有范围在70％和99％之间的孔隙率，更优选地回热器具有范围在80和98％之间的孔隙率，最优选，回热器具有范围在85和95％之间的孔隙率。

根据本发明的第二方面，提供了一种提供回热器的方法。用于制造用于热循环发动机的回热器的该方法获得具有外径的回热器。所述方法包括以下步骤：

提供包括纤维的加固纤维结构，所述加固纤维结构至少具有前缘；

平行于所述前缘成圆柱形地卷绕所述加固纤维结构，直到获得作为所述回热器的所述外径的预定直径；

提供至少具有网格前缘的网格件；

平行于所述网格前缘围绕所述被卷绕的加固纤维结构圆柱形地卷绕所述网格件；

烧结所述被卷绕的加固纤维结构使得在所述纤维之间的紧密接触位置处交联所述纤维；

从所述被烧结的回热器周围去除所述网格件。

根据本发明的备选第二方面，提供了一种提供回热器的方法。用于制造用于热循环发动机的回热器的该方法获得具有内径和外径的回热器。所述方法包括以下步骤：

提供包括纤维的加固纤维结构，所述加固纤维结构至少具有前缘；

提供卷轴，所述卷轴具有几乎等于所述回热器的内径的直径；

平行于所述前缘将所述加固纤维结构圆柱形地卷绕到所述卷轴上，直到获得作为所述回热器的所述外径的预定直径；

提供至少具有网格前缘的网格件；

平行于所述网格前缘围绕所述被卷绕的加固纤维结构圆柱形地卷绕所述网格件，由此在由所述卷轴和所述网格件提供的烧结筒(mal)内获得被卷绕的纤维结构；

烧结所述被卷绕的加固纤维结构使得在所述纤维之间的紧密接触位置交联所述纤维；

从所述被烧结的回热器周围去除所述网格件和所述卷轴。

用作烧结筒的一部分的网格件也可以由适合用于烧结的箔或板代替。优选地，所述网格件、箔或板和所述卷轴(如果有的话)经受处理，所述处理防止所述网格件、箔或板和所述卷轴被烧结到回热器上。

在另一个优选实施例中，所述卷轴可以由围绕其产生回热器并且在烧结步骤后不被去除的气缸盖的部分或发动机部分代替。

因而提供一种回热器，所述回热器限定填充有纤维材料的回热器体积。由于长纤维与卷绕操作组合使用，因此将不发生纤维迁移。这也使网格件在回热器的流入和流出侧的使用过时。

优选地，烧结是软烧结，这样允许回热器以容易的方式(例如通过压入)装配在热循环发动机中而不需要加工步骤。

优选地，制造的回热器具有略大于热循环发动机中的可用空间的外径，这提供软烧结回热器和热循环发动机之间的张力。该张力提供热循环发动机中的回热器空间的无缝填充，由此避免否则将出现在没有或有很少纤维的地方的优先气流。当存在时，相同的原因适用于回热器的内径。

回热器包括纤维，根据本发明的第一方面，所述纤维的大多数(例如至少85％)至少部分地环绕轴线。

在附带的独立权利要求和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。在合适的情况下来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征和其他从属权利要求的特征组合并且不仅仅在权利要求中清楚地被阐述。

本发明的教导允许用于热循环发动机(例如斯特林发动机)中的改进回热器的设计。由于透气性增加，回热器上的压降减小导致用于工作流体的低损失流动路径。通过纤维的使用和它们以70％至99％的孔隙率在回热器中的使用，获得大表面积。该大表面积改善随着工作流体的热运动的速度。此外，卷绕纤维束在回热器中的使用导致在垂直于工作流体的平均流动方向的方向上的10％的更佳热导率。

从结合附图进行的以下详细描述将显而易见本发明的以上和其他特性、特征和优点，附图通过例子示出了本发明的原理。该描述仅仅作为例子被给出，而不限制本发明的范围。下面引用的参考图表示附图。

定义

术语“孔隙率”P应当被理解为P＝100＊(1-d)，其中d＝(1m³烧结金属纤维介质的重量)/(SF)，其中SF＝提供烧结金属纤维介质的金属纤维所用的每m³的合金的比重。

术语“透气性”(也被称为AP)使用如NF 95-352中所述的装置进行测量，相当于ISO 4002。

术语特定纤维的“当量直径”应当被理解为具有圆形径向横截面的假想纤维的直径，所述横截面具有等于特定纤维的横截面的表面积的平均值的表面积。

术语“软烧结”应当被理解为这样的烧结，其中所使用的温度比正常烧结工艺低20至100℃，以便获得这样的产品，其中纤维在紧密接触位置处彼此结合，但是其中产品仍然具有一定的挠性和可变形性。

附图说明

在下文中参考附图描述了本发明的示例性实施例，在附图中：

图1a和1b示意性地显示了根据本发明的方面的提供回热器的方法的一些连续步骤。

图2a和2b示意性地显示了根据本发明的方面的提供备选回热器的方法的一些连续步骤。

图3显示了用于获得根据本发明的回热器的进一步备选的开始位置。

图4显示了存在于根据本发明的回热器中的纤维的投影视图。

图5显示了超卷曲纤维束的例子。

在不同的图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。

具体实施方式

将关于特定实施例和参考某些图描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅仅由权利要求限定。所述的图仅仅是示意性的和非限定性的。在图中，为了图解的目的一些元件的尺寸可以被放大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明的实施的实际缩小图。

此外，在说明书中和在权利要求中术语第一、第二、第三等用于在类似元件之间进行区分，并且不一定用于在时间上、在空间上、按照等级或以任何其他方式描述顺序。应当理解这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所述的本发明的实施例能够按照不同于本文中所述或所示的其他顺序操作。而且，在说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上、下等用于描述性目的，并且不一定用于描述相对位置。应当理解这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所述的本发明的实施例能够以不同于本文中所述或所示的其他取向操作。

在图1a和1b中显示了根据本发明的第二方面的提供回热器的一些连续步骤。如图1a中的第一步骤中所示，提供加固纤维结构101，所述结构101包括纤维102的束108。加固纤维结构101具有前缘103。束108包括具有任何合适的当量直径(例如35μm或22μm)的线圈状刨削或束拉拔金属纤维。束具有典型地为3g/m的细度。在使用束拉拔金属纤维的束的情况下，束中的纤维可选地带有卷曲以增加纤维和因此束的膨松性。该卷曲可以在金属纤维的束拉拔之后的沥滤步骤之前或之后被施加，如US3379000中所述。优选地，卷曲在沥滤步骤之后被施加。

加固纤维结构101中的纤维102在束108中大致平行地被定向。加固纤维结构101现在围绕卷轴132被卷绕或盘绕，所述卷轴限定盘绕轴线130，所述盘绕轴线130平行于前缘103。根据如箭头131所指示的方向进行卷绕。束108围绕卷轴132在长度L1上被卷绕。束借助于在卷轴上的两个极端(指示点a和b)之间引导束108的往复引导装置134被引导。卷轴的旋转和引导装置的往复运动例如在螺线形或螺旋形路径中围绕卷轴132卷绕束。

通过谨慎地确定在沿着轴的长度的指定位置的绕组的数量，可以确定存在于不同位置的纤维的数量，并且可以获得在回热器的整个高度H上的均匀孔隙率。盘绕纤维束进一步由网格件110围绕，如图1b中所示。其后，在由网格件110和卷轴132组成的所谓的烧结筒内的盘绕纤维束108被放置到烧结炉中以用于进一步加固纤维结构。在软烧结操作之后，去除卷轴132和网格件110，并且获得相当刚性但是仍然有挠性和高孔隙率的回热器100(未显示)。

在进一步的示例性实施例中，在如图2a和2b中所示，可以提供圆盘状卷绕纤维回热器。如图1a中的第一步骤中所示，提供加固纤维结构101，所述结构101包括纤维102的束108。加固纤维结构101具有前缘103。束108包括具有任何合适的当量直径(例如35μm或22μm)的线圈状刨削或束拉拔金属纤维。束具有典型地为3g/m的细度。在使用束拉拔金属纤维的束的情况下，束中的纤维可选地带有卷曲以增加纤维和因此束的膨松性。

加固纤维结构101中的纤维102在束108中大致平行地被定向。加固纤维结构101现在围绕盘绕轴线130被卷绕或盘绕，所述盘绕轴线130平行于前缘103。根据如箭头131所指示的方向进行卷绕。束108进一步以与如图1中所述的相同方式被卷绕，束借助于在卷轴上的两个极端之间引导束108的往复引导装置134被引导。卷绕和引导装置的往复运动例如在螺线形或螺旋形路径中围绕盘绕轴线130卷绕束。

通过谨慎地确定在沿着轴的长度的指定位置的绕组的数量，可以确定存在于不同位置的纤维的数量，并且可以获得在回热器的整个高度H上的均匀孔隙率。盘绕纤维束进一步由网格件110(未显示)围绕。其后，在仅仅由网格件110组成的所谓的烧结筒内的盘绕纤维束108被放置到烧结炉中以用于进一步加固纤维结构。在软烧结操作之后，去除网格件110，并且获得刚性相当但是仍然有挠性和高孔隙率的回热器100，如图2b中所示。

图3显示了用于生产根据本发明的回热器的进一步备选的开始位置。在这里多个数量的纤维束被卷绕到卷轴上，其中那些纤维束都彼此平行地被卷绕。所使用的纤维束的数量取决于待生产的回热器的高度H。当使用该方法生产根据本发明的回热器时，可以使用具有不同金属组成的纤维束，使得例如回热器的热侧由更耐热的纤维制造，回热器的冷侧由不需要耐受这样的高温的更廉价的金属纤维制造。

如进一步详细地所述，纤维102的大多数(例如85％或以上)至少部分地环绕轴线130。这是由于纤维沿平行于束的方向存在于束中。由于束108现在被转变为具有轴线130的螺旋部，因此纤维沿着至少部分地环绕轴线130的路径。

因而回热器100带有流入侧151和流出侧152，由此限定了平均流动方向153，如图2b中所示。圆柱形回热器100使它的轴线与盘绕轴线130相同，大致平行于平均流动方向153。回热器100具有高度H。应当理解束108可以被卷绕，从而提供圆柱形回热器。根据本发明的回热器的一些例子在表1中给出。

表1

在多数优选实施例中，回热器材料可以具有例如85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％或95％的孔隙率。

由于多数纤维沿着束的方向存在于束108中，因此多数纤维将至少部分地环绕轴线130。由于束螺线形地或螺旋形地被卷绕，因此纤维的方向可以带有轴向分量，因此大部分纤维将至少部分地沿回热器的轴向方向延伸。

图4对应于图2b的回热器100。415表示轴线130的投影。图4中的411示意性地显示一些纤维沿平均流动路径的方向在垂直于平均流动路径153的平面AA′上投影的投影线413。

图4中的412示意性地显示一些在平面BB′上的投影线414，包括沿垂直于该平面BB′的方向投影的平均流动路径。

从411显而易见，纤维在平面AA′上的投影显示至少部分地环绕轴线的投影415的路径。

因此，在平面AA′上投影的纤维因此也至少部分地环绕轴线，如3D中所见。最佳拟合线的凹侧指向突出部415。

从412显而易见，纤维在平面BB′上的投影显示具有沿轴向方向延伸的分量的路径。作为例子，投影为416的纤维沿着长度La沿轴向方向延伸。

图5显示了超卷曲纤维束的例子。显示了卷曲波浪，其中R是卷曲波浪形的顶部和底部之间的距离；并且S是卷曲波浪形的两个连续顶部之间的距离。这些超卷曲纤维束然后可以在图1a、图2a或图3的方法中被使用。

本领域的技术人员将显而易见用于实现实施本发明的方法和回热器的目标的其他布置。应当理解尽管已在本文中论述了根据本发明的装置的优选实施例、具体构造和配置以及材料，但是可以进行形式和细节上的各种变化或修改而不脱离由附带的权利要求限定的本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于热循环发动机的回热器，所述回热器具有轴线，所述回热器包括由金属纤维构成的网状结构，其特征在于，所述纤维的至少85％至少部分地环绕所述轴线。

2.根据权利要求1所述的回热器，其中所述金属纤维是绕着所述轴线卷绕的纤维束部分。

3.根据权利要求1或2所述的回热器，其中所述金属纤维是环形金属纤维。

4.根据权利要求1或2所述的回热器，其中所述金属纤维具有范围从4cm至30cm的平均纤维长度Lfiber。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的回热器，其中所述金属纤维在紧密接触位置处通过烧结结合彼此互连。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的回热器，其中所述回热器的孔隙率在85％至95％的范围内。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的回热器，其中所述回热器为环的形式。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的回热器，其中所述回热器为圆盘的形式。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的回热器，其中所述金属纤维是被超卷曲的纤维束部分，所述超卷曲纤维具有满足以下公式的卷曲波浪形：3mm≤R≤1/2H，其中R是卷曲波浪形的顶部和底部之间的距离，H是所述回热器的高度；并且1mm≤S≤4×R，其中S是卷曲波浪形的两个连续顶部之间的距离。

10.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的回热器的方法，所述回热器具有外部直径，所述方法包括：

提供包括纤维的加固纤维结构，所述加固纤维结构至少具有前缘；

平行于所述前缘成圆柱形地卷绕所述加固纤维结构，直到获得作为所述回热器的所述外部直径的预定直径；

提供至少具有网格前缘的网格件；

平行于所述网格前缘将所述网格件围绕着所述被卷绕的加固纤维结构成圆柱形地卷绕；

烧结所述被卷绕的加固纤维结构使得在所述纤维之间的紧密接触位置处交联所述纤维；

从所述被烧结的回热器周围去除所述网格件。

11.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的回热器的方法，所述回热器具有内部直径和外部直径，所述方法包括：

提供包括纤维的加固纤维结构，所述加固纤维结构至少具有前缘；

提供卷轴，所述卷轴具有几乎等于所述回热器的内部直径的直径；

平行于所述前缘将所述加固纤维结构成圆柱形地卷绕到所述卷轴上，直到获得作为所述回热器的所述外部直径的预定直径；

提供至少具有网格前缘的网格件；

平行于所述网格前缘将所述网格件围绕着所述被卷绕的加固纤维结构成圆柱形地卷绕；

烧结所述被卷绕的加固纤维结构使得在所述纤维之间的紧密接触位置处交联所述纤维；

从所述被烧结的回热器周围去除所述网格件和所述卷轴。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中所述加固纤维结构是纤维束。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述纤维束被超卷曲，其中所述纤维束的卷曲波浪形满足以下公式：3mm≤R≤1/2H，其中R是卷曲波浪形的顶部和底部之间的距离，H是所述回热器的高度；并且1mm≤S≤4×R，其中S是卷曲波浪形的两个连续顶部之间的距离。

14.根据权利要求1至9中任一项所述的回热器在具有外部燃烧的热循环发动机中的使用。

15.根据权利要求10至13所述的方法中任一个获得的回热器在具有外部燃烧的热循环发动机中的使用。

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