CN102918250A - 一种使用斯特林循环的能量转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通常并更具体地被称作热机械能量转换器的构造系统，其借助于经由从热能量源到密封单元之间的气体循环的路径执行转换来提供机械能。该系统包括为密封单元的一对以上的室，其借助于圆花饰形转子的受控移动将热量以交替的方式传递给气体，使得在室之间的气体沿圆周方向膨胀和收缩，从而产生驱动力，其中圆花饰形转子的受控移动将气体交替地暴露到热板和冷板。

Description

一种使用斯特林循环的能量转换器

技术领域

本发明通常涉及机械结构体系，更具体地说，涉及一种使用斯特林循环的能量转换器，其具有这样的基本原理：通过对穿过从一个能量源到能量吸收元件的热流的流动进行转换，来以借助于能量流的方式提供机械能，传输这种能量的元件对于涡轮或马达的移动提供足够的功。

背景技术

使用斯特林循环的能量转换器的具体设计和格式使用了罗伯特·斯特林的理论，其在1816年研究出了第一个外燃机，但是本发明所提供的使用斯特林循环的能量转换器不一定需要借助燃烧来提供能量，但是一定需要热源，其运作可以借助于任何燃料、固体、液体或气体的燃烧而获得的热源，以及诸如太阳、地热、放射同位素等的其他热源。不过，其设计理念与由罗伯特·斯特林所制造的外燃机是相同的。

本专利申请的特征在于不同设计——即能量转换系统中的组件和工作流程的结合，其将符合由使用方式所要求的不同需求，该能量转换系统通过在两个单元中加热气体来同步地运作：在一个单元内部加热气体，另一个单元从气体移除热量并且该循环产生转换，这对于马达或涡轮的轴也是可用的。

转换的能量与穿过转换设备的能量流成正比。能量转换、热损耗隔离、自由流动、能量或气体各部分中任一组成元素越佳，转换器就越有效率。

本专利申请包括使用现代化的、高效的、安全的和功能性的“使用斯特林循环的能量转换器”，通过在封闭回路中的气体的膨胀和收缩运作，一般由一组元件以及正确地结合到其中的机械的或构造的解决方案来形成，包括具备独特设计和合适特性的完整且差异化的构造系统，该构造系统结合了机械类型的合适和特有的结构，具有高可靠性和耐久性并且包括完美地集成和对称地布置的闭合回路，该闭合回路由一组加热、隔离、传输、膨胀元件形成，以由气体压力驱动涡轮或马达，从而在轴上提供机械能，以转换为用于特定或一般用途的电能。

本“热-机械能量转换器”可利用的能量基于热源、太阳能、地热、燃烧、原子辐射等各种形式中所包含的，该热量由热流体携带并被导入一个室中，来以气体膨胀并且被转换为马达或涡轮轴上的机械能的方式能量转换到容纳在室中的气体，，使得气体在一个室中接收能量，从而增加压力并且移位到另一个室，另一个室的循环在此时刻并以此路径移除气体热量，系统将会执行功转换，从而驱动涡轮或电机。

由于其他能量形式的供应很充裕，所以自罗伯特斯特林的发明出现很长一段时间以来，本技术领域的现有技术没有明显的发展。

在当前已知的技术领域里，外燃机通常通过活塞来工作，因此由于它们的几何尺寸，使得热能传递到气体的有效传送变得困难，并且也使得大规模工程变得困难。最已知的型号是图14上的对应于附图标记108的型号Alpha、图14上的对应于109的型号Beta以及在图14上对应于110的型号Gamma。也存在被称作为准涡轮的新型号，其由一个转子操作，该型号通常具有4个室以及四个热传递区域(两个热的区域和两个冷的区域)，但是需要形成转子的复杂的组装系统，该转子由于在椭圆形式体内的气体压力而旋转，并且以与上述三个型号相同的方式，使得大系统的尺寸确定变得困难。近年来，来自Sunpower公司的William Beale发展了一种与图15中的附图标记111相对应的新型号，其实施例包括基于Alpha自由活塞斯特林型号的以90度异步的四个缸并且也具有气体涡轮，另一方面，这里提出的主要实施例获得了高功率系统。大部分型号在压力室中容易改变的状态下工作，并且其中的大部分都受到外部环境压力波动的影响。无论如何，所示出的全部已有型号均要求气体返回到其原点，以接收能量来产生功，这迫使工程来保持每个功率单元的转换器体积相对较大。

发明内容

由于现有技术存在上述不便，本发明设计了“使用斯特林循环的能量转换器”，其基本概念完全基于一种适当的结构，其通用并集成地提供了在能量传递和转换中完全简便、有效的基本和关键特性，其特征还在于实施的便利性，特别是使用不同热源、可再生或不可再生能量、燃料等；包括更少数目的组件，减少了制造、组装和维护时间的成本。[10]所提出的发明包括一个新的解决方案，其基于几何形状实现加速了的热传递过程，允许在大尺寸系统中热单元的联合实施，其对称性确保了均衡和良好的平衡，当前的系统中不存在上述特点，该解决方案最重要的特点之一是能够连续地利用能量流，由于此种良好的特性，使其容易离开惯性开始状态。

附图说明

图1是两个密封单元内气体传递热能流动的框图

图2是表示系统17工作原理的两个框图

图3是转子制造方法的示意图

图4是热传递盘的结构图

图5是能量交换盘的结构图

图6是能量传输系统的主要构成元素的示意图

图7是热交换过程的示意图

图8是热交换过程进一步的示意图

图9是转子与热隔离缸的示意图

图10是该设备最终组装完成形态的示意图

图11是本发明两个实施例的示意图

图12是具备两个密封单元设备的示意图和气体膨胀收缩循环的图示

图13是小尺寸的该设备在具有反射板的太阳能系统中的应用图示

图14是Alpha型、Beta型和Gamma型活塞外燃机的示意图

图15是Sunpower公司新型号外燃机的示意图

具体实施方式

本专利申请的目的、优点和其他特征在与附图一同阅读时将更容易理解。

图1所示的是一个框图，其描绘了向两个密封单元内的气体传递的热能流动，这两个密封单元借助于强迫气体通过涡轮的回路来互连，使得：热能穿过块1，沿着方向2在不被中断的状态下继续，一部分被转换，并且一部分通过块6释放到环境中，使得在其流动期间，能量被传递给密封单元4和5中的气体，从而在给定瞬间，能量被传递给密封单元4中的气体，气体膨胀并被移除到密封单元5，从而将其自身移位到外部环境，并且在下一个阶段中，沿着相反方向进行传递，能量被置于密封单元5中并且被移除到密封单元4，从而将其自身移位到块6从而被释放，很明显，一大部分能量被传递来产生功并且能量由涡轮转换。3表示了能量流动方向，其穿过单元4进入，并穿过单元8，在8中示出了单向流动阀，其允许气体仅沿着所示出的方向流动，使得在所示出的附图中，气流9总是从涡轮10的相同侧进入，从而确保了沿着相同方向的连续移动。图1上的三个图中，11表示在工作时每个密封单元中的气压曲线，12表示系统平均压力的指示，13表示在没有来自源头的能量流动的状态中系统平均压力的指示。14表示密封单元4和5之间的差分压力行为，15表示在穿过方向阀之后涡轮入口出的压力行为。对于该系统，可在密封单元中充填惰性气体，其压力大小确定为相对于最大工作压力是保证安全的。也有以下考虑：使用氦气(高度建议)将安全和高热传导性特点相结合，其热吸收速度比使用空气或氮气时快约10倍。

密封单元以这种方式被加压：压力越高，每单位体积的能量转换能力就更高，确切地说这是因为气体分子的数目更高，传输能量的气体物质体积就越大。该设备应当具有正确的尺寸，以在安全条件下工作。因为没有任何移动元件被暴露到外侧，所以本发明在循环期间不具有体积改变并且不受到大气压力的任何影响。

图2所示的是表示相同系统17的两个框图，16表示如下文所详述的转子旋转所引起的能量流动，可以观察到在给定时刻，能量流通过密封单元4进入，并且通过密封单元5离开，并且在下一个阶段与其相反，能量流通过密封单元5进入并且通过4离开。18表示的是由于能量传递的顺序和连续交换所产生的气流，，一旦气流在更高压力下从密封单元4进入，那么就进入涡轮，并且一旦从密封单元5进入，那么就以更高的压力进入涡轮。

图3所示的是如何建造转子。转子由轴22和由热隔离材料制成的挡片(escutcheon)19构成，每个挡片由叶片20形成，轴上形成穿孔21，形成膨胀和收缩过程中的气体通道。23所示的是组装好的转子，一部分具备对称地布置并隔开的挡片25，另一部分具有相同尺寸和相同数目的挡片，被间隔开来为能量流进行的热交换提供对称效果。具有挡片的转子的功能是在每个密封单元内以环形方式提供气体错位，此种错位是从热到冷区域连续的，反之亦然，应当观察到并理解该转子不受到任何压力，换言之，气体不受到任何转子叶片施加的压力，因为在每个密封单元中，转子总是在完全压力平衡的状态下工作，其专门的作用是以平衡的方式移动气体。所考虑的另一个重要点是形成挡片的叶片不接触转子，没有直接摩擦，因为叶片仅用于使室内的气体体积在一个区域或另一个区域中移位。

图4所示的是本发明的最重要的组件之一——热传递盘。其机理如下：为了在闭合的回路气体系统中具有尽可能好的输出，气体应当以尽可能接近的方式与热传递元件保持接触，即，与热移除元件尽可能紧密接触，使得在能量提供或能量移除处理期间能量的传递都是有效的。因此，该能量、热传递盘由热区段27和冷区段28交替地构成，它们之间由热隔离物30隔离。每个区段由具备指向中心的完美角度的尖锐边缘的盘的片段形成，其具有热传导材料以及良好的热辐射特性，每个区段被插入通过管道29，根据情况通过管道29传送热的或冷的热流体。这些形成盘的热和冷区段的板的两个表面与气体相接触，并且与相同温度条件下的其他板完美平行，它们之间的气体将能够被相对快速地加热或冷却。环31由热隔离材料制成，以减小轴的能量损耗。利用这种几何形状特点和热传输的概念，借助于独立的转子旋转控制，允许完全控制该系统，使得其总是在对于活塞系统并非有利的最佳能量传输条件下工作。

图5所示的是一个能量交换盘，具备热极32和冷极33以及它们的组装概念34。35表示的是一个热隔离盘，其被用在密封单元末端处，以减小壳体和外部环境的热损耗。

图6所示的是气体的能量传输系统的主要构成元件是如何被安装的，以及在密封单元内如何移除气体能量。在38上，对于具有两个密封单元和四个极的设备提供了转子，在该示例附图中，转子被显示为具有两个部分，一个部分具有三个对称的挡片，另一个部分具有与第一部分隔开的另外的三个对称挡片，还可以观察到在这些项目中，具有有助于气体在处理期间通过的孔。在36和37上，显示了形成定子的盘是如何分布的，该盘被固定到外壳，静止并全部盘完全对称地工作，并且也与被称作为密封单元的部分对准，同时转子在其栅格之间转动。盘被安装到定子与按照附图在末端处的另一个盘的挡片之间，40所示的盘是一组热传递盘中的最后的盘，并且在其之后引入热隔离盘41，使得引入到系统中的能量可以完全被用来进行气体膨胀，从而改善了组的输出。利用该细节，可观察到在能量输入与输出之间存在怎样的对称交换，这在密封单元之间分别发生，同时在一个密封单元之中，气体到热栅格热量时保持完全暴露，并且在另一个密封单元中，气体到按照转子旋转通过冷栅格移除热量时保持完全暴露。保持全部的栅格持久并连续地加热，并且与其他栅格互连，同样地，互连全部的栅格也能保持持久并连续地冷却，因此，确保了向气体的能量传递和移除，以产生气体的膨胀和收缩，以产生热能向机械能的转换。因此，观察到本发明允许自由地定义大量的挡片和孔的尺寸，以使其适合于小的应用或者适合于大的安装。

图7清楚地描绘了热交换处理过程是如何发挥功能的，44显示了形成挡片的一个叶片，其为转子最重要的元件，该叶片由热隔离材料制成并且占据了定子的使气体移位的盘之间的几乎全部空间，沿圆周暴露到热区域和冷区域，下面的描述是为了更好的理解本发明，盘42和43的区段是栅格，它们在相同的热条件下工作，使得这些板之间的气体高效率地执行热交换，45所示的是叶片的移动，其连续地拖曳气体，以将气体从热区域传输到冷区域，反之亦然，从而产生膨胀和收缩。在附图正下方，再次显示了构造细节，46是定子和转子方面，47是热盘，48是在末端的热隔离盘。

在图8中显示得非常清楚，5所示的箭头界定了总是冷的区域，使得沿着该箭头布置的全部定子栅格总是通过从穿过热流体的气体中移除热量，另一方面，54所示的箭头界定了总是热的区域，并且定子中沿着该箭头布置的全部栅格将会总是提供从其经过的热流体的热量。栅格49和与其对准的全部栅格(热盘区段)是冷的，栅格50和与其对准的全部栅格是热的。叶片51和52是转子的一部分，并且在其中保持来自密封单元的全部气体，从而将气体顺序暴露到热的和冷的区域。在其下方所示的是在热的栅格与冷的栅格之间气体的纵视图。56表示冷栅格，58是收缩的气体，57是热栅格，59是膨胀的气体，61是栅格厚度，60是栅格之间的距离。由60表示的栅格之间的距离“x”越小，热传递速度越高，并且转子转动将会越快，这样能够减小用于相同功率的系统尺寸。

图9再次显示了转子64的区段、壳体62和热隔离缸63之一，其相对与外部环境进行隔离，以减小热交换元件、热盘和冷盘以及气体的损耗

图10所示的，是该设备的最终形态，67显示了一个密封单元的一个方面，可以看到转子以及定子、热隔离缸和壳体的一部分。该单元被完全密封，并且仅有一个导管(在图中没有具体示出)，借助于涡轮或马达，气体通过导管从密封单元到其他单元。在底部，在相同的附图中，存在转换器、前区段68、具有穿过热隔离导管并且密封的盖、Alpha密封单元69、热隔离和密封部分70、Omega密封单元71、热隔离和密封的一个区段72、流动方向阀模块73和涡轮74。机械连接的细节不是本申请的一部分。

图11所示的是通常用于安装和应用的两个实施例，第一个实施例75显示了由加热器89、独立的热流体罐77、用于流体循环的加压泵78、用于热传递的密封单元、膨胀和收缩的气体80和82、冷却器83、冷的热流体罐84、用于冷流体的加压泵86、方向阀模块88、涡轮87以及热流体流79和76构成的大尺寸安装，该加热器89的能量可以由太阳能集中器、地热、固体、液体、气体、可再生和不可再生的任何种类的燃料，以及借助于放射性同位素的原子能的加热来提供，85和81是输入和输出的热流体，以及输入和输出的冷流体。在同一附图中，在下方显示了小尺寸的应用90，其包括连接到组件的受热器91、连接盖、泵和隔离件92、密封单元93、隔离区段94、密封单元95、隔离区端96、方向阀模块98、涡轮97和散热器99。

图12所示的是包括一个具备两组密封单元101和102的系统的设备100，其显示了以相同的想法和概念来构造多阶段系统的灵活性。下面，103和104分别显示了两组密封单元之间气体膨胀和收缩循环的行为，105表示在每组密封单元中发生的相对行为，106表示涡轮中气体流动的结果。简单来说，该附图和图示表示了该发明用在大型工程中的可行性。

图13所示的是具有更小尺寸的设备107在具有反射镜板的太阳能系统中的应用，该反射镜板用于能量集中。太阳将每平方米平均约1000瓦特的能量散布在地球表面上，各种方式的集中可以被用来引导能量并将其操纵来产生用于所提出的转换系统的热流。

这里提出的“使用斯特林循环的能量转换器”提供了适用于小型和大型设备安装的高灵活性、使用时的高安全性，对于以下特性考虑了用于其尺寸、其构造和应用、强度的正确技术方案：最低噪声、不存在振动和冲击、处理简便性、适用于小型独立安装、居民、商业和分布式系统。[42]考虑到上文公开的全部内容，系统将会由电力、空气和空间公司、政府机关、普通工业和用户接受，该系统具有无数的优点，例如：在应用中的高安全性、可靠性和灵活性；在应用中基于其基本原理而提供的高输出和高性能；与装置整体的低磨损度结合的高可靠性和耐久性；利用类似处理和技术完全能够达到的成本，这提供较高的成本/效益比；对于热和压力的完备保护；低建造时间；不存在已用材料的损失；最高的最终输出；以及确保使得产品完全符合应用所需的基本条件，诸如安全性、持久性和可实现性。

上述的全部品质都使得“使用斯特林循环的能量转换器”作为完全通用的、有效率的、精确的、实用的、生态的并且安全的装置，并以能够为能量生产公司和社会所接受的干净、可再生的方式执行有用的工作或能量的热-机械转换，该装置非常容易操作和维护、结合了高效能表现和优秀的一般特性，尺寸和安装方式可以根据环境或工程需要直接改变。

Claims (22)

1.一种使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于包括热能传递单元，以产生气体的膨胀和收缩，所述热能传递单元由形成盘的按照角度划分的栅格形成，使得每个盘至少具有两个热部分和两个冷部分，所述盘由于其在能量转换过程中保持静止的事实而被称作为定子，因此因为该构造对于转子提供了对称的叶片，所以确保了转子平衡。

2.根据权利要求1所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于具有由挡片形成的转子，所述挡片由热隔离材料制成并且在所述盘之间移动，所述盘形成了在所述热区域与所述冷区域之间沿周向传输气体的定子，以在转换处理期间产生能量的吸收和返回，所述转子挡片具有每个定子盘上的区段的数目和体积的一半，使得根据转子的旋转移动，基本将来自热区域的全部气体都传输到冷区域，并且反之亦然。

3.根据权利要求1或2所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于使得形成所述定子的盘具有间隔开的热部分和冷部分，以减小在气体在所述转子旋转期间被暴露到热部分的同时能量向气体的热传递时间，以优化热传递。

4.根据权利要求1到3中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于确定定子尺寸的模块性或灵活性，以使得以增加设备转换能力的方式引入各种热传递盘，而不损失效率。

5.根据权利要求1到4中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于允许确定所述转子的尺寸，以使得能够引入具有与热传递盘的数量相对应的数目的各种挡片，以增加设备转换能力，而不损失效率，并且转子叶片的数目总是等于所述定子的每个盘上的部分的数目。

6.一种使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于具有完全相同地同步的两个密封单元，其由壳体、具有经划分的热栅格的定子、以及具有由挡片形成的定子的轴，所述经划分的热栅格形成具有热区域和冷区域的盘，所述挡片具有叶片，所述叶片的数目等于盘部分的数目的一半并且在它们之间以按照角度间隔开，使得在一个密封单元将能量提供给气体的同时，另一个密封单元移除能量，使得热流被传递给气体的功，来移动所述涡轮和所述马达，这两个密封单元都借助于它们之间的导管与所述马达或所述涡轮连接，来进行转换。

7.根据权利要求1或3所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于在所述定子的所述盘(栅格)的区段之间具有隔离材料的夹板，以将在所述热区段与所述冷区段之间的所述热流动最小化。

8.根据权利要求1、3或7所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于具有热隔离环，其在没有接触的情况下、以将所述轴与所述定子之间的所述热流动最小化的方式将形成所述定子的栅格和所述转子旋转轴分隔开。

9.根据权利要求1到8中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于以在连续循环中沿着相同方向旋转的形式工作，使得在两个密封单元之间交替进行气体膨胀和收缩过程，从而显著地增加转换输出。

10.根据权利要求1到9中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于在用于所述热流体通道的蜿蜒导管中，具有形成所述盘的热传递区段，以在所述转换操作期间传输要被传递的能量以及被从所述气体移除的能量，所述热传递区段分别是热区段和冷区段。

11.根据权利要求1到10中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于转子具有由提供完全平衡的对称角布置的叶片形成挡片的形状，以确保关于交替活塞系统减小振动或几乎全部振动的存在。

12.根据权利要求1到11中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于允许确定构造和尺寸，以获得用于大的能量产生安装获得大的热-机械能转换系统。

13.根据权利要求1到12中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于具有借助于热流体将能量从所述热源传输进入所述密封转换单元的系统，从而允许使用任何的热能量源，具有清洁的并且可再生的特性的太阳能、地热或者借助于固体、液体、气体或核燃料。

14.根据权利要求1到12中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于具有借助于热流体将能量从所述冷却源传输到所述密封转换单元的系统，从而允许使用任何冷却装置。

15.根据权利要求1到14中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于允许由于转换器尺寸而具有任何数目的极的构造，从而允许根据其用途和尺寸来执行优化。

16.根据权利要求1到15中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于在定子中具有平行板，热板和冷板交替，从而构造在功能循环、加速膨胀、收缩过程中对于气体的膨胀或收缩的在所述能量转换中非常低的热阻，并且因此产生用于转换的功。

17.根据权利要求1到16中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于由于存在当暴露到所述密封单元A的热板时以及在暴露到所述密封单元B的热板时向所述气体的同步热传递的事实，通过所述热流连续地提供能量转换。

18.根据权利要求1到17中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于提供允许所述相同系统中总是成对的并且以每一对关于所述其他板对称地间隔开的方式布置的各种密封单元的构造的特征，从而允许多阶段构造。

19.根据权利要求1到18中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于热传递系统，其在整个转换过程中连续并不中断。

20.根据权利要求1到19中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，由于形成盘的角对称区段的几何形状以及转子的挡片形状，所以其特征在于系统借助于转子转动控制从而允许获得向所述气体的最大热传递，获得在所述热-机械转换中获得所可能的最好的输出。

21.根据权利要求1到20中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于不使得移动元件暴露到所述外部环境，因此相对于环境压力保持完全独立，从而允许其在诸如空间计划中在真空压力下工作。

22.根据权利要求1到21中任意一项所述的使用斯特林循环的能量转换器，其特征在于使得在整个循环期间在所述压缩室中的容积确保在所述转换中更高的可靠性、更少的噪声和更佳的性能。

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