CN103210274A - 结合的室壁和热交换器 - Google Patents

Abstract

提供一种装置，其具有壁，壁构造成作为用于容纳充入流体的室的至少一部分。壁包括与壁一体形成的热交换器部分。热交换器部分具有从中穿过的导管阵列，导管阵列提供与热交换器部分的外部的流体连通。热交换器部分构造成对壁贡献强度，以提供对充入流体的隔离。

Description

结合的室壁和热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器领域。

背景技术

在能源节约和可再生能源工业中越来越需要用于节碳应用的小且高效的热机。这些应用包括微型热电联产、集光型太阳能发电和热电联产、热泵、产自废热和余热的电能、和产自小型固体生物质系统的电能。多年来，斯特林发动机是受青睐的原动机，很大程度是由于斯特林循环的高理论效率。但是，在实践中，技术问题已经妨碍高比例地实现该理论效率，并且成本依然很高。结果，斯特林发动机还未较大规模商业化。

斯特林发动机商业化不足的一个原因是，由于斯特林发动机的活塞的异相往复运动产生反转，非稳态充入气体（charge gas）在周期性改变的气体条件下流动，对于发动机性能至关重要的热交换器会被指定用于循环中的仅一个点，而对于循环的其余部分非最优。这还导致充入气体分别在膨胀和压缩之后的异常加热和冷却。这两个因素都增大热交换器上的负荷，并且将增加在热端空气预热和在冷端排热的需求。

第二个原因是在低压燃烧气体和高压充入气体之间严重的热交换不平衡，以及在冷却器中类似但不那么严重的不平衡。在加热器中这种不平衡由于热交换的通常错流（cross-flow）模式而恶化。增大加热器外侧上的表面积密度而不显著增加该加热器的内部容积以及提供逆流（counter-flow）/平行流（parallel-flow）热交换，将减少这种不平衡，但是利用常规的制造方法不可能以有成本效率的方式这么做。

这两个因素导致大体而言为斯特林发动机（特别是其热交换器）比理论本身显示的更大、更贵且更低效。

为这些应用提出其他发动机和/或循环，在某些情况下已经使用这些发动机和/或循环。示例包括旋转布雷顿（Brayton）循环微型涡轮机和基于以反向模式操作的涡旋压缩机技术的具有膨胀机的有机兰金（Rankine）循环。组件分别的旋转和轨道运动减少或者对于涡轮机来说是消除斯特林发动机的非稳定流动问题。但是，它们的理论循环效率没有斯特林发动机那么高，并且如斯特林发动机一样，对热交换器性能结合的限制以及其他因素妨碍它们满足其潜在大规模市场的需求。

热交换器问题的一部分解决方案由WO-A-2006/064202和WO-A-2008/047096提供，这些公开文本公开了由基于能量束（例如激光束）的粉末基附加层近净成形制造技术制造的用于热交换器的导管的设计。这些制造技术有各种名称：一个这样的名称是选择性激光熔化（SLM）。如WO-A-2006/064202中所述，SLM可以用于制造紧凑热交换器/反应器。由SLM制成的组件通常建造在厚金属平台上（通常SLM建造支撑件位于组件和平台之间），然后在完成建造之后由机加工或其他适当的方法从平台移除该组件。SLM能够制造更紧凑的热交换器，而具有更高的面/容比、更低的水力直径和近乎完全自由的3-D设计，这些优势的组合是其他制造技术不可能实现的。

另一可能的解决方案是基于商用涡旋压缩机技术的布雷顿循环热机。WO-A-2003/069130公开了这种热机，该热机的主要机械组件是冷涡旋压缩机和热涡旋膨胀机，冷涡旋压缩机和热涡旋膨胀机各自通常包括壳体、固定涡旋件和绕转涡旋件、以及相关的阀、导管、轴承和其他组件。WO-A-2003/069130还公开了到涡旋件的壳体的外侧区域的翅片形式的加热表面、和设置到涡旋外壳的外周的加热室。声称的优点为，这提供当充入气体在膨胀机中膨胀时加热该充入气体、并且当充入气体在压缩机中被压缩时冷却该充入气体的装置，因此使得膨胀和压缩处理更接近可能的理想并且最有效的等温气体处理。这种优点可以解释为发动机循环从布雷顿循环改变至可能更有效的埃里克森循环。但是，对于这些翅片来说很难提供将热传递到增加足以使效率显著不同的装置。

WO-A-2006/008463公开了以由间隔件间隔开并被相对于彼此保持的多个管形式制造用于往复运动活塞发动机的固体结构和圆柱组件的方法，该间隔件由激光熔化形成。间隔件可以包括翅片以增强对位于管之间的间隙体积内的流体的热传递。间隙体积可以被排空、充满流体、充满将固化并以多种不同方式来利用的材料。不同的间隙体积可以被加压到不同程度以散布施加在各种薄壁管之间的结构上的压力。这使得机械和热负荷将通过由多个管形成的结构来散布，多个管由间隔件间隔开并被相对于彼此保持，间隔件由激光熔化形成。

发明内容

从一个方面看，本发明提供一种装置，其具有壁，所述壁构造成作为用于容纳充入流体的室的至少一部分，所述壁包括与所述壁一体形成的热交换器部分，所述热交换器部分具有从中穿过的导管阵列，所述导管阵列提供与所述壁的所述热交换器部分的外部的流体连通，其中，所述热交换器部分构造成对所述壁贡献强度，以提供对所述充入流体的隔离。

本发明的目的是辅助减小热机和其他机器（例如压缩机、热泵、涡轮机等）的尺寸和重量，并且辅助增大热机和其他机器的效率。本发明使热交换器与用作容纳充入流体的室的至少一部分的壁一体形成。热交换器经由至少某些其导管阵列与热交换器的外部流体连通，以使得热量可以被传递出热交换器之外或者被传递到热交换器中，并相应地被传递到充入流体之外或被传递到充入流体中。本发明确认，设置成提供这种热传递的热交换器还可以用于向壁提供一定结构强度以提供对充入流体的隔离。热交换器设置成起到其热交换功能，但是由本发明实现的额外益处是使热交换器与容纳充入流体的壁一体形成，以使得热交换器向壁提供部分强度。因此，与没有通过热交换器向壁增加强度的其他情况相比，壁可以被制造的更薄（节省重量和材料）。热交换器还可以受益于其极为贴近充入流体，热量与充入流体进行交换并被传递到热交换器和充入流体的外部。此外，本发明提出将热交换结合于充入流体压缩和膨胀处理中的可能性，借此可以有益地改进机器的循环效率。已经提到改进基于涡旋压缩机技术的发动机的效率的一个示例。第二个示例是使用用于微型涡轮机的中间冷却和/或中间加热。通常，由于涉及到额外成本、材料、尺寸和重量，中间冷却和中间加热仅对于大型涡轮机具有成本效益。本发明提出减小达到使中间冷却和中间加热具有成本效益的程度所需要的额外热交换组件的成本、尺寸和重量的可能性。

SLM可以用于制造壁和热交换器部分。

这不仅带来已描述的SLM热交换器的优点，还可以在例如热源和工作流体之间提供更直接的热交换连接，并且有助于减小歧管、管路和连接件的尺寸、重量和成本。一个示例是组合式SLM构建汽缸和位于汽缸的外侧表面上的导管。

对于汽缸，与汽缸轴线平行的导管的结构可以形成容纳在内外汽缸壁内的格栅结构。由于由导管的格栅结构提供的强度，这两个壁的组合厚度可以比可替换的原始实心汽缸壁更薄。在极限情况下，导管结构可以提供所需的所有强度，而不需要附加的汽缸壁。当然，根据需要，可能需要薄衬里来形成结构的内侧表面，以作为例如活塞环接触的表面。

例如，斯特林发动机的汽缸、燃烧器、加热器和空气预加热器可以使用SLM构建成一个组件。其他组件（例如回热器）也可以集成在同一SLM构造件中。在其他实施例中，上述集成组件可以不包括壳体：相反，集成组件可以形成通过焊接、铜焊、热收缩、粘合剂或其他手段连接到薄壁壳体的圆柱形组件。

通过这些手段，热机和其他机器的大量通常实心组件可以构造成具有格栅结构，因此用来构建这些组件的材料的量减少，以满足需要的隔离和强度规定。热交换元件至少提供一部分所需的强度，或者可以提供附加的非热交换元件来确保结构强度或其他期望的特性。例如，加压室在正常情况下为实心壁的部分可以由容纳在两个薄得多的SLM壁内的SLM格栅来构造，因此使得结构更轻并使用更少的材料，而不会破坏该结构满足强度和其他规定的能力。很明显，在很多情况下可以将热交换导管结合在格栅结构中，以使得结构的某些组件既起到热交换功能又起到结构功能，从而进一步节省材料、成本和重量。在某些情况下，结构可以设计成使得加压导管上的力抵消在汽缸壁上由汽缸内部压力产生的力，从而能够进一步节省材料、重量和成本。

充入流体可以被加压。这种加压的充入流体在其室壁中需要强度，以容纳加压的充入流体。

壁可以是例如通常用在往复运动汽缸和活塞布置中的汽缸壁和汽缸盖中的一者。

本发明还可以有利地用在涡轮压缩机的壳体和/或涡轮膨胀机的壳体中。

本发明可能应用的其他有利领域是，壁作为涡旋压缩机和涡旋膨胀机中一者或多者的壳体、固定涡旋件和移动涡旋件中的一者或多者的一部分的情况。

本发明还可以应用于壁作为斯特林循环机和埃里克森循环机中一者的一部分的情况。这些实施例在循环用于一个方向时包括发动机，并且在循环用于相反方向时包括热泵、冷却器和制冷器。

上述热交换器可以根据应用来用于冷却充入流体或者加热充入流体。在任一情况下，热量通过热交换器部分和壁的热交换器部分的外部之间的流体连通来进行传递。

在某些实施例中，导管阵列构造成传送单一热交换流体，以与充入流体交换热量。在其他实施例中，导管阵列可以构造成在由位于阵列内的不同导管传送的流体之间提供热传递。

在某些实施例中，导管阵列可以包括第一导管，第一导管位于第二导管内持续第二导管的至少一部分。这种导管套导管的热交换器部分效率很高。导管不需要是同心的。

在某些实施例中，第一导管和第二导管形成一对同心导管，第一导管穿过第二导管的壁。

在某些实施例中，至少某些导管阵列具有提供与充入流体的流体连通的入口和出口。以此方式，通过使充入流体流入到导管阵列的某些导管内，可以增强与充入流体的热交换。

导管阵列可以构造成使得穿过导管阵列的至少一部分的横截面具有导管格栅的形式。这提供密集有效的布置。在这种导管格栅内，可以包括设置在相应六边形横截面外导管内的多个内导管。这种布置在热交换器部分内提供有效的导管堆积。

热交换器部分对壁贡献强度。在某些实施例中，没有热交换器部分附加的强度，壁的强度可能不足以在工作使用期间容纳充入流体。在其他实施例中，壁可以构造成在没有热交换器部分做出贡献的情况下为正常工作使用提供足够的强度，但是热交换器部分用于对隔离充入流体的强度增加附加裕度，这对于改进鲁棒性和可靠性有利。

从另一方面看，本发明提供一种制造至少装置的组件的方法，所述装置包括壁，所述壁构造成作为用于容纳充入流体的室的至少一部分，所述方法包括如下步骤：

提供待熔化材料的多个连续层；

根据预定设计来能量束熔化每个层的预定区域，以使得所述层与前一层的材料熔合，从而形成实心结构，其中每个层的熔化部分与前一层的熔化部分熔合；其中

所述能量束熔化的步骤一体地形成所述壁和热交换器部分，所述热交换器部分具有从中穿过的导管阵列，所述导管阵列提供与所述壁的所述热交换器部分的外部的流体连通，所述热交换器部分构造成对所述壁贡献强度，以提供对所述充入流体的隔离。

将理解，通过使用能量束熔化技术（例如SLM）可以方便地实现一体形成壁和热交换器部分。

附图说明

将参照附图仅举例描述本发明的实施例，其中：

图1示意性示出用于容纳充入流体的现有技术汽缸；

图2示意性示出具有在汽缸壁内一体形成的热交换器的用于容纳充入流体的汽缸；

图3、图4和图5示意性示出汽缸壁内的多种不同导管布置；

图6在横截面中示意性示出导管的格栅结构。

图7示意性示出包括位于固定或移动涡旋件中一者内的导管的涡旋压缩机；

图8至图15示意性示出位于涡旋压缩机内的导管布置；

图16、图17和图18示意性示出结合有包括热交换器导管的室壁的斯特林发动机；

图19示意性示出涡轮压缩机；

图20示意性示出涡轮膨胀机；和

图21示意性示出具有热交换器部分的汽缸，热交换器部分形成为具有受控孔隙的材料，孔隙提供穿过该材料的导管。

具体实施方式

图1示出现有技术的汽缸，例如用在往复运动活塞发动机中的汽缸。该汽缸包括必须由汽缸壁4容纳的充入气体2。汽缸壁4是实心的，并且汽缸壁4的厚度使得其强度足以容纳充入气体2。

图2示出用于往复运动活塞发动机的汽缸6。汽缸6容纳充入气体8。汽缸6的壁容纳实心部分10和热交换器部分12。热交换器部分容纳形成导管阵列的多个导管。该导管阵列与汽缸6的外部流体连通。因此，热量可以经由流过热交换器部分12内的这些导管的流体而被排出汽缸6或送至汽缸6。

在图2中可以看出，壁的实心部分10比图1的实施例的汽缸壁4更薄。因为由热交换器部分12向汽缸6提供附加强度，所以图2的壁的实心部分10可以被制造地更薄。因此，通过将热交换器部分12既用作热交换机构又用来向容纳充入气体8的汽缸6提供强度，可以减少提供充入气体8的密封和与充入气体8的热交换功能所需的材料总量。

图3示出穿过热交换部分12的导管的一个示例性布置。在该示例中，导管平行于汽缸6的中心轴线延伸。导管具有入口和出口以提供与汽缸6外部的其他装置（例如其他热交换器）的流体连通。

图4示出另一变化形式。在该实施例中，导管同样平行于汽缸的轴线延伸，但是在这种情况下，存在沿着汽缸的长度的多个导管分部，每个导管分部自身与汽缸的外部流体连通。

图5示出另一变化形式。在该变化形式中，导管遵循沿着位于热交换器部分12内的一部分螺旋线的路径。导管同样具有入口和出口。

图6示出穿过导管阵列的横截面。导管阵列设置成格栅（规则）布置，六边形横截面外导管14各自包含圆形内导管16。内导管16通常将沿着外导管14的长度在某一点处（例如在歧管部分处）穿过外导管14的壁。图6的布置在热交换器部分12内提供密集、规则且高强度的布置。

图7示意性示出涡旋压缩机18。涡旋压缩机18可以等同地用作涡旋膨胀机，并且下面对涡旋压缩机的讨论可以同样地应用于涡旋膨胀机。

涡旋压缩机18包括壳体20、固定涡旋件22和移动涡旋件24。固定涡旋件22包括导管26的阵列，导管26的阵列在形成固定涡旋件22的壁内形成热交换器部分。这些导管26放置在与涡旋压缩机18的旋转轴线垂直的平面内。至少某些导管26与涡旋压缩机18的外部流体连通，以使得热量可以被传送进出涡旋压缩机18。某些导管26可以与充入气体28流体连通，以辅助充入气体28和经由其他导管26输入并流到涡旋压缩机18外部的流体之间的热传递。

充入气体28在涡旋件彼此相对移动时于涡旋件之间产生的新月形室中被加压，相应地，固定涡旋件22和移动涡旋件24的壁需要具有足够的强度来容纳充入气体。这些新月形室相对于彼此被不同地加压。全体充入气体也可以被加压，结果压缩机的壳体需要提供隔离。在固定涡旋件22内容纳导管26的阵列的热交换器部分向固定涡旋件22提供强度，以使得固定涡旋件22在压缩期间容纳充入流体时起到其功能。

图8示意性示出呈现出导管套导管布置的涡旋件壁的剖面部分。内导管30传送经由适当的歧管和管（未示出）与涡旋件外部流体连通的流体。外导管32经由入口和出口34、36与保持在固定涡旋件22和移动涡旋件24之间形成的室中的充入流体连通（在压缩过程开始时和在膨胀过程结束时，充入流体由壳体以及涡旋件限定界限）。充入流体由于涡旋件22、24的相对运动而产生运动，这驱动充入流体在外导管32的壁和内导管30的壁之间流动。这在充入流体28和位于内导管30内的流体之间提供增强的热传递。

图9从不同的角度示意性示出图8的布置。示出充入流体流入外导管和流出外导管。内导管传输与涡旋压缩机的外部连通的流体。

图10是替换实施例，其中导管设置在与涡旋压缩机的旋转轴线平行的方向上。

图11示出一实施例，其中导管设置成处于与旋转轴线平行和与旋转轴线垂直之间的角度。

图12提供实施例的另一示图，其中导管放置成与涡旋压缩机的旋转轴线平行。

图13示出一实施例，其中导管设置在涡旋压缩机的壳体中。入口和出口显示为穿过涡旋压缩机的壳体。这些入口和出口还可以提供与位于固定涡旋件22或移动涡旋件24内的导管的流体连通。

图14示出设置在涡旋件22、24内并放置在与涡旋件22、24的旋转轴线垂直的方向上的导管的另一示图。

图15示意性示出一实施例，其中导管38穿过涡旋件22、24而沿着与涡旋件的旋转轴线平行的方向延伸，并由集管（header）40连接而使得进出导管38的流体流动与涡旋压缩机外部的机构（例如，另一热交换器、流体储器、泵等）连通。

图16示意性示出斯特林发动机的剖面。斯特林发动机的汽缸盖42由SLM技术形成，并且包括根据本发明的导管阵列。这些导管提供用于斯特林发动机的加热器管。汽缸盖42还起到容纳充入气体44的作用。

图17示出穿过汽缸盖42的横截面图，示出在汽缸盖壁内形成热交换器部分的导管阵列。汽缸盖与充入气体44接触的内表面将为实心，图17中所示的导管阵列与该实心壁（使用SLM技术）一体形成（以形成汽缸盖的热交换器部分）。

图16、图17和图18涉及斯特林发动机，但是可以等同地应用于埃里克森循环发动机。

图19示意性示出具有由实心部分48和热交换器部分50形成的壳体的涡轮压缩机46。热交换器部分容纳导管阵列，导管传输的流体与壳体46外部的装置流体连通。热交换器部分50为壳体46提供强度，以及起到其作为热交换器40的功能。相应地，壳体46的实心部分48可以被制造成更薄，因此壳体46的重量和用于壳体46的材料量可以减少。

图20类似于图19，但是在这种情况中示出涡轮膨胀机。

图21示意性示出汽缸52，汽缸52包括由热交换器部分56围绕的实心内壁54。该热交换器部分由SLM技术形成，其中该技术的参数调整成在整个热交换器部分56中实现期望的孔隙度。本实施例中的热交换器部分56将具有使得实心区域之间的间隙的非规则聚集形成穿过热交换器部分56的导管并且用作导管阵列的形式。这在SLM制造领域中通常认为制成品中的孔隙是非期望特性，但是在本申请中，这些孔隙可以被用来通过热交换器部分提供流体连通并且产生热交换器功能。热交换器部分56还提供汽缸52中容纳充入气体所需的强度。

存在多种实施例，每个实施例具有共同特征，还具有适合于特定类型的热机或其他机器的特征。发动机可以基于涡旋压缩机技术（如图7至图15所示），这些涡旋压缩机的基本组件中的一者或多者（通常是壳体、固定涡旋件和绕转涡旋件）由SLM或类似方面构建，以使得涡旋件壳体的某些或全部的壁和/或涡旋件自身的某些或全部的壁可以容纳位于这些壁内或穿过这些壁的一个或多个发动机热交换器的某些或全部导管，从而涡旋件壳体的某些或全部的壁和/或某些或全部的涡旋件壁自身变成发动机操作所需要的一个或多个热交换器的一部分或全体。

对于壳体，这些导管的一个示例是一系列直平行管，这些管在与壳体的纵轴平行的壳体圆柱壁的厚度内延伸，每个管的入口点和出口点在汽缸的端部处或附近位于壳体的外表面上，在汽缸的端部处提供适合的歧管。这些管可以延伸圆柱壳体的整个或几乎整个长度。

可替换地，这些管可以在与圆柱壳体的轴线平行的线上的一点处进入壳体并在同一线的另一点处离开，进入点不需要在壳体的任一端部处或附近，歧管装置定制成适应这种布置。

很明显可以有其他布置。例如，壳体的厚度内的管可以不平行于圆柱壳体壁的轴线。在包含导管和与汽缸的纵向轴线成直角的穿过导管的中心点的线的平面中观察时，这些导管是直的。可替换地，导管可以在所有平面中都是弯曲的。当一系列平行管位于与汽缸壁的轴线垂直的平面中并且平行于汽缸的端部时，产生极限情况。管可以互相连接；这些管还可以采用U型或其他变化形式。

涡旋件的壁可以有类似布置。优选布置具有竖直地堆叠在涡旋件壁内的数个管，每个管的平面垂直于涡旋件的轴线，每个管沿着涡旋件壁的形状的几乎完全长度，每个管根据需要在中心和周边处或附近连接到公共入口和出口。实践中，这些水平管可以不连续，而是被分成分段的组以改进穿过每个组的热传递和流体流动，每个组连接到入口和出口集管，集管可以采取单一导管形式，通常集管的直径大于分段管的直径。

可替换布置具有竖直管，并使得集管为水平。同样地，在实践中，为改进热交换和流体流动，竖直管可以被分组，每个组件具有水平的入口和出口集管。

应当注意，由于移动涡旋件的运动为绕轨道运行而非旋转，可以借助于柔性压力软管将流体传送到歧管中并从这些歧管传送到移动涡旋件壁中的导管，而没有完全旋转运动中所需要的连接复杂性。

应当注意，由这些方法提供的热传递表面积增大都是在热交换器的一侧上。在本实施例中，这是由冷却剂和/或热源占据的一侧。在很多情况下，增加热交换器的另一侧上的热传递表面积很有利，代替或者同时增加已经描述的一侧上的热传递面积。在本实施例中，这是由涡旋件壳体的内表面和固定与移动涡旋件壁的表面限界的充入流体侧。这种增加可以借助于涡旋壳体的壁和/或涡旋件的任一者或两者的壁的厚度内的冲入流体导管来实现。

通常，这些导管将在同一壁表面上具有入口和出口。

通常，导管的横截面和这些口的形状经设计，以使得通过动量、压力改变、以及导管和它们的入口和出口的空气动力形状的组合，被压缩或膨胀的流体沿着壁表面传递，小部分流体被强制进入、穿过和离开每个导管。

优选地，这些导管在其至少部分长度上与在压缩机或膨胀机情况下分别传送冷却剂或热源的适当比例的导管接合，以使得在充入流体和冷却剂或热源之间产生更有效的热交换。优选地，这些导管将被接合，以使得一个导管（通常是冷却剂或热源导管）将在其内部容纳充入流体导管，以允许两个导管中的流体之间进行逆流热交换。

通常，这些导管中每一者的入口和出口将经布置，以使得在汽缸和涡旋件的轴线为竖直情况下在平面图中观察时，入口和出口之间的距离相对于在循环中该点处新月形压缩或碰撞室的两个壁的表面长度更短。这确保在室壁的相对运动引起一个口将其相对位置移动到由同一壳体或涡旋件壁形成的相邻室之前，大量的小份流体流过每个导管以增加热交换，该相邻室通常压力高于或低于原始室。这时，来自处于较高压力下的室的流体会传送到处于较低压力下的室中。一般地，导管将布置成减小这种现象发生的程度。

但是，在某些情况下，由于温度控制的缘故或者其他原因，期望在具有相同壳体的相邻室和/或涡旋件壁表面之间具有受控的流体流动，在这种情况下，某些或者全部的导管可以更长，以使得导管横跨两个室持续更长的时间段，并且更多的流体越过两个室之间的移动接触点或最小距离在室之间被传递。可替换地，对于流体来说有益的是从一个室流动到表面形成该室的一个壁的另一侧上的相邻室。在这种情况下，导管的一个口可以在壁的与另一导管不同的一侧上，以使得流体从壁的一侧上的室进入该壁的这一侧，并离开进入到在该壁的另一侧上的相邻室中。

另一实施例（如图16、图17和图18所示）是斯特林发动机的加热器，来自热源（通常但不仅限于来自固体、液体或气体燃料的组合）的热量通过该加热器被传递到密封在发动机内部的充入气体。有两种主要方法。第一种是直接加热热汽缸。通常，组合气体将越过汽缸的外表面并在汽缸的外表面上的翅片之间流动。来自燃烧气体的热量然后被传送到翅片，经过汽缸壁的金属，到达装到汽缸的内壁的翅片，并因此到达穿过内部翅片和在内部翅片之间流动的充入气体。这种方法的变化形式是使用高辐射燃烧器，在这种情况下，汽缸外侧上的翅片不是必须的。第二种方法使用单独的常规管式热交换器。普通形式由布置成阵列的密集的间隔管组成，每个管被弯成U型。通常，阵列将采用布置成圆圈的竖直U型管形式，以使得U型管的外长度形成外圆圈。每个管的一端可以直接连接到发动机的热汽缸，另一端直接连接到蓄热器（regenerator），或者可以使用歧管。在圆形阵列中，燃烧气体通常从阵列内部以错流热传递模式向外在U型管的内长度之间径向传送，然后继续向外在U型管的第二外长度之间径向传送。第二外长度通常带有翅片，以使得从已经失去某些热量给内长度的燃烧气体到管的热传递最大化。

这些方法中任一者都不能对由燃烧气体和充入气体之间的气体条件的不匹配造成的问题提供满意的解决方案。通常，充入气体的压力比燃烧气体的压力和比热大1至3个数量级。这意味着加热器的燃烧侧的热传递表面积应当理想地比充入气体侧的热传递表面积大类似数量级，以平衡加热器，使性能最大化，并使得加热器的尺寸、成本和压降最小化。实践中，这不可能实现，至少不可能以可接受的成本实现，上述两个方法提供必需的但不令人满意的折中。

本发明提供紧凑热交换器，其结合有可以与发动机本身的组件（例如汽缸）一体化的例如燃烧器、空气预加热器和加热器。加热器由具有低水力半径的大量充入气体管组成，这些充入气体管连接环形蓄热器与置换剂缸的顶部。在高度上，管（通常竖直地）起始于竖直取向的汽缸的顶部，在常规发动机中加热器头部将被定位在该处。这些管在上方弯曲，直到其大致水平地并从汽缸的轴线径向向外行进，然后竖直向下朝环形蓄热器返回。管被分层。在高度上，最下层从汽缸的顶部的外侧行进至环形蓄热器的内侧。最高层是开始最接近汽缸轴线并行进至环形蓄热器的最外部分的层。通常，在平面图中，每个层从中心位于汽缸的纵向轴线的圆圈开始。用于顶层的圆圈具有最小直径，用于底层的圆圈具有最大直径并且最接近汽缸的外周长。在每一层中相邻管之间和相邻层之间具有间隙，来自位于加热器自身上方的燃烧器的燃烧气体可以穿过这些间隙。

从前文描述很明显，应当结合某些手段来确保相同层中的相邻管之间的间隙提供热燃烧气体的可控的一致通路和与管壁的可控的一致热传递。此外，为确保充入气体穿过每个管的一致质量流率，期望每个管应当具有相同或近似相同的长度。这两个要求以两种方式得到满足。首先，每个管的主要水平或近似水平部分在平面图中采取渐开线形式，这确保任一层中相邻管之间的间隙可以相同。其次，渐开线的形式和其开始的角度可以在不同层之间进行调整，以确保每个管具有相同的整体长度。例如，从最接近汽缸的顶部中心的圆圈开始的最上层中的管可以采取相对于圆圈几乎径向的路径，这些管从圆圈开始到达这些管朝向蓄热器向下转的点。相反，在汽缸的最外周边处开始的最下层中的管可以采取相对于这些管开始的圆圈几乎相切的路径。通过这些手段，管可以具有近似或精确相同的长度。

可以将翅片结合于加热器管上；如有需要，翅片还可以作为将相邻管彼此连接的支柱。翅片以及适当的挡板还可以按下列方式取向，以形成围绕加热器管的近似水平部分或其他部分的用于燃烧气体的导管。以此方式，在充入气体沿一个方向流动时可以产生逆流热交换器，当充入气体沿另一方向流动时平行流动。优选地，可以布置成当充入气体从蓄热器进入置换剂或热汽缸中时，在循环的膨胀部分期间产生逆流热交换。

该基本几何形状可以变化。很明显，渐开线可以布置成使得相邻管之间的间隙沿着管的最长且近似水平部分长度改变，例如从汽缸端部增大或减小到蓄热器端部。可替换地，间隙可以沿着两个管的相关长度恒定。

同样很明显，每一层中管的数量将根据水力直径、壁厚和间距而改变。当然，在某些情况下优选水力直径、壁厚和间距在层之间保持相同。但是，在其他情况下，例如优选上层中的间距大于下层中的间距，以使得辐射热传递能够在层中穿透更深。

提出这种设计，很明显加热器可以采取单一蜂窝结构形式。该结构可以通过例如电子束焊接连接到汽缸壁的顶部。可替换地，该结构可以由能量束方法直接建造于汽缸壁的顶部上，使用汽缸壁的顶部作为该建造物的基础。

与由歧管或单独管口占据的汽缸热区域相对小的常规管状加热器不同，汽缸的整个顶部区域可以由管口占据。通过这种手段，常规汽缸盖可以被部分地或完全消除，随之产生成本节约。

Claims (31)

1.一种装置，其具有壁，所述壁构造成作为用于容纳充入流体的室的至少一部分，所述壁包括与所述壁一体形成的热交换器部分，所述热交换器部分具有从中穿过的导管阵列，所述导管阵列提供与所述壁的所述热交换器部分的外部的流体连通，其中，所述热交换器部分构造成对所述壁贡献强度，以提供对所述充入流体的隔离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述充入流体被加压。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述壁是汽缸壁和汽缸盖中的一者。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述壁是涡轮压缩机的壳体和涡轮膨胀机的壳体中的一者。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的装置，其中，所述壁是下列各项中一者的一部分：

涡旋压缩机；和

涡旋膨胀机中一者的：

壳体；

固定涡旋件；和

移动涡旋件。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的装置，其中，所述壁是下列各项中一者的一部分：

斯特林循环机；和

埃里克森循环机。

7.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述导管阵列是下列各项中的一者：

构造成冷却所述充入流体的冷却导管；和

构造成加热所述充入流体的加热导管。

8.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述导管阵列构造成传送单一热交换流体，以与所述充入流体交换热量。

9.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述导管阵列构造成在由位于所述阵列内的不同导管传送的流体之间提供热传递。

10.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述导管阵列包括第一导管，所述第一导管位于第二导管内持续所述第二导管的至少一部分。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一导管和所述第二导管形成一对同心导管，所述第一导管穿过所述第二导管的壁。

12.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，至少某些所述导管阵列具有提供与所述充入流体的流体连通的入口和出口。

13.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，所述导管阵列构造成使得穿过所述导管阵列的至少一部分的横截面具有导管格栅的形式。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述导管格栅包括设置在相应六边形横截面外导管内的多个内导管。

15.根据前述任一权利要求所述的装置，其中，没有所述热交换器部分附加的强度，所述壁的强度不足以在所述装置工作使用期间容纳所述充入流体。

16.一种制造至少装置的组件的方法，所述装置包括壁，所述壁构造成作为用于容纳充入流体的室的至少一部分，所述方法包括如下步骤：

提供待熔化材料的多个连续层；

根据预定设计来能量束熔化每个层的预定区域，以使得所述层与前一层的材料熔合，从而形成实心结构，其中每个层的熔化部分与前一层的熔化部分熔合；其中

所述能量束熔化的步骤一体地形成所述壁和热交换器部分，所述热交换器部分具有从中穿过的导管阵列，所述导管阵列提供与所述壁的所述热交换器部分的外部的流体连通，所述热交换器部分构造成对所述壁贡献强度，以提供对所述充入流体的隔离。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述待熔化材料是粉末，所述能量束熔化的步骤通过控制在熔化时所述粉末中的孔隙度来提供所述导管阵列。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述充入流体被加压。

19.根据权利要求16至18中任一权利要求所述的方法，其中，所述壁是汽缸壁和汽缸盖中的一者。

20.根据权利要求16至18中任一权利要求所述的方法，其中，所述壁是涡轮压缩机的壳体和涡轮膨胀机的壳体中的一者。

21.根据权利要求16至19中任一权利要求所述的方法，其中，所述壁是下列各项中一者的一部分：

涡旋压缩机；和

涡旋膨胀机中一者的：

壳体；

固定涡旋件；和

移动涡旋件。

22.根据权利要求16至19中任一权利要求所述的方法，其中，所述壁是下列各项中一者的一部分：

斯特林循环机；和

埃里克森循环机。

23.根据权利要求16至22中任一权利要求所述的方法，其中，所述导管阵列是下列各项中的一者：

构造成冷却所述充入流体的冷却导管；和

构造成加热所述充入流体的加热导管。

24.根据权利要求16至23中任一权利要求所述的方法，其中，所述能量束熔化的步骤提供所述导管阵列，所述导管阵列构造成传送单一热交换流体，以与所述充入流体交换热量。

25.根据权利要求16至24中任一权利要求所述的方法，其中，所述能量束熔化的步骤提供所述导管阵列，所述导管阵列构造成在由位于所述阵列内的不同导管传送的流体之间提供热传递。

26.根据权利要求16至25中任一权利要求所述的方法，其中，所述能量束熔化的步骤提供所述导管阵列，所述导管阵列包括第一导管，所述第一导管对于第二导管的至少一部分位于所述第二导管内。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述第一导管和所述第二导管形成一对同心导管，所述第一导管穿过所述第二导管的壁。

28.根据权利要求16至27中任一权利要求所述的方法，其中，所述能量束熔化的步骤至少提供某些具有提供与所述充入流体的流体连通的入口和出口的所述导管阵列。

29.根据权利要求16至28中任一权利要求所述的方法，其中，所述能量束熔化的步骤提供所述导管阵列，所述导管阵列构造成使得穿过所述导管阵列的至少一部分的横截面具有导管格栅的形式。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述导管格栅包括设置在相应六边形横截面外导管内的多个内导管。

31.根据权利要求16至30中任一权利要求所述的方法，其中，所述能量束熔化的步骤提供所述壁，没有所述热交换器部分附加的强度，所述壁的强度不足以在所述装置工作使用期间容纳所述充入流体。

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