CN106232972B - 用于斯特林发动机的直线十字头轴承 - Google Patents
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Abstract
一种外燃式发动机，包括燃烧器元件、加热器头、包含活塞的活塞气缸、冷却器和曲轴箱。该曲轴箱包括曲轴、连接至活塞的活塞杆、用于将活塞杆的直线运动转换成曲轴的旋转运动的驱动机构、以及以刚性的方式在一端处连接至活塞杆并在另一端处连接至驱动机构的直线十字头轴承。该外燃式发动机还包括活塞间隙密封件和具有浮动的杆密封件的活塞杆密封单元。活塞包括内拱顶，以通过辐射和对流来降低轴向热传递。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是2015年11月11日提交的发明名称为“用于斯特林发动机的环状文丘里燃烧器”(代理人案号195)的美国专利申请No.14/553,824的部分继续申请，其后者是2013年11月25日提交的发明名称为“用于斯特林发动机的环状文丘里燃烧器”的美国专利申请No.61/908,468(代理人案号190)的部分继续申请，其后者是2014年3月14日提交的发明名称为“斯特林循环机”(的美国专利申请No.14/211,621代理人案号192)的部分继续申请，其后者又是2013年3月15日提交的发明名称为“斯特林循环机”的美国专利申请No.13/836,946(代理人案号187)的部分继续申请，其后者是2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”的美国专利申请No.13/447,990(代理人案号184)的部分继续申请，它要求下列申请的优先权：
2011年4月15日提交的发明名称为“斯特林循环机”的美国临时专利申请No.61/476,180(代理人案号181)；和2011年5月11日提交的发明名称为“斯特林循环机”的美国临时专利申请No.61/482,897(代理人案号182)，所有这些文献的公开内容都在此通过引用的方式整体并入。
2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”的美国专利申请No.13/447,990(代理人案号184)，它也是2010年7月1日提交的发明名称为“斯特林循环机”的美国专利申请No.12/829,320、现在为2011年1月20日公开的美国公公报No.US-2011-0011078-A1(代理人案号178)的部分继续申请，后者要求2009年7月1日提交的发明名称为“斯特林循环机”的美国临时专利申请No.61/222,361(代理人案号175)的优先权，两者的公开内容都在此通过引用的方式整体并入。
技术领域
本发明涉及机械，更具体地，涉及一种斯特林循环机及其部件。
背景技术
许多机械(例如内燃式发动机、外燃式发动机、压缩机和其它往复式机械)采用了活塞和驱动机构的布置，以将往复式活塞的直线运动转换成旋转运动。在大部分应用中，活塞被容纳在气缸中。这种机械所遇到的常见问题是：由于活塞在气缸内未对准而引起的由滑动的活塞产生的摩擦，以及由于活塞与旋转的曲轴的联接而施加在活塞上的横向力。这些增大的侧向负荷增大了发动机噪音，增大了活塞磨损并降低了发动机的效率和寿命。此外，由于该侧向负荷，驱动机构需要更多功率来克服这些摩擦力，因此降低了该机械的效率。
已经尝试对驱动机构进行改进以减小这些侧向负荷，然而，众多的改进却导致了更重、更庞大的机械。
因此，对于在活塞上具有最小侧向负荷的实用机械，存在着需求。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种外燃式发动机。该外燃式发动机包含工作流体，并包括：燃烧器元件，该燃烧器元件用于加热发动机的工作流体；至少一个加热器头，该至少一个加热器头限定有包含工作流体的工作空间；至少一个活塞气缸，该至少一个活塞气缸容纳用于压缩工作流体的活塞；冷却器，该冷却器用于冷却工作流体；曲轴箱，该曲轴箱包括用于产生发动机输出的曲轴、围绕摇杆枢轴旋转以驱动曲轴的摇摆杆、与活塞连接的活塞杆、由活塞杆驱动的摇摆杆、以及连杆，该连杆在第一端处连接到摇摆杆并在第二端处连接到曲轴，以将摇摆杆的旋转运动转换成曲轴的旋转运动。而且，该外燃式发动机还包括活塞杆密封单元，该活塞杆密封单元包括壳体、气缸压盖(gland)和安装在气缸压盖中的至少一个浮动的杆密封组件，该浮动的杆密封组件包括安装到该浮动的杆密封组件上的至少一个杆密封件。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：其中，所述活塞杆密封单元还包括刮油环(scraper ring)。其中，所述活塞杆密封单元还包括微粒捕集器。其中，所述活塞杆密封单元还包括端口。其中，所述活塞杆密封单元还包括过滤器。其中，所述浮动的杆密封组件还包括外环和至少一个衬套。其中，上述活塞杆密封单元还包括：其中，所述杆密封件是弹簧加力(spring energized)的密封件。
根据本发明的一个方面，公开了一种活塞杆密封单元。该活塞杆密封单元包括壳体、气缸压盖和安装在气缸压盖中的至少一个浮动的杆密封组件，该浮动的杆密封组件包括安装到该浮动的杆密封组件上的至少一个杆密封件。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：其中，所述活塞杆密封单元还包括刮油环。其中，所述活塞杆密封单元还包括微粒捕集器。其中，所述活塞杆密封单元还包括端口。其中，所述活塞杆密封单元还包括过滤器。其中，所述浮动的杆密封组件还包括外环和至少一个衬套。其中，所述活塞杆密封单元还包括：其中，所述杆密封件是弹簧加力的密封件。
根据本发明的一个方面，公开了一种外燃式发动机。该外燃式发动机包含工作流体并包括：活塞杆密封单元，该活塞杆密封单元包括壳体、气缸压盖和安装在气缸压盖中的至少一个浮动的杆密封组件，该浮动的杆密封组件包括安装到该浮动的杆密封组件上的至少一个杆密封件；和气闸空间，该气闸空间将曲轴箱和工作空间分离，用于在曲轴箱壳体和工作空间壳体之间维持压力差。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：其中，所述气闸压力调节器是双向压力调节器，用于在曲轴箱与气闸空间或工作空间之间维持预定的压力差。其中，所述气闸压力调节器包括过滤器、压缩机、压力调节滑阀和线性位置传感器，其中，该线性位置传感器产生指示所述调节滑阀位置的信号。其中，所述气闸压力调节器还包括控制器。其中，所述线性位置传感器是LVDT。其中，所述控制器使用该线性位置传感器来调节泵速度。
根据本发明的一个方面，公开了一种杆密封组件。该杆密封组件包括：在两个空间之间的壳体，该壳体被构造成接收往复式杆，该往复式杆布置在第一空间和第二空间内；浮动衬套，该浮动衬套被构造成在所述壳体内轴向和径向移动并围绕所述往复式杆同轴地布置；杆密封件，该杆密封件被构造成将所述往复式杆的外径相对于浮动衬套的内表面密封；以及至少一个固定衬套，该至少一个固定衬套被固定在壳体中，能够在上述两个空间之间存在压力差的情况下与所述浮动衬套形成对轴向流体流的密封。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：其中，所述浮动衬套被构造成径向移动，以在第一空间和第二空间之间的压力差小时居中地位于活塞杆上并在该压力差较大时与所述固定衬套形成密封。其中，所述杆密封件是弹簧加力的密封件。其中，所述浮动衬套还包括在外表面上的周向凸缘，该周向凸缘被构造成延伸到环形空间中并与所述固定衬套中的一个固定衬套形成密封。其中，所述杆密封件由PTFE复合材料形成。其中，所述浮动衬套和固定衬套由耐磨金属形成。其中，所述组件还包括：刮油环，该刮油环围绕活塞杆同轴地布置并在所述壳体内布置在浮动密封件和第一空间之间；和通路，该通路将第一空间连接到环形间隙，该环形间隙围绕所述往复式杆布置在刮油环和浮动密封件之间。其中，所述组件还包括布置在刮油环和浮动密封件之间的磁性微粒捕集器。
根据本发明的一个方面，公开了一种杆密封组件。该杆密封组件包括：在两个空间之间的壳体，该壳体被构造成接收往复式杆，该往复式杆布置在第一空间和第二空间之间；浮动间隙衬套，该浮动间隙衬套被构造成在所述壳体内轴向和径向移动，围绕所述往复式杆同轴地布置并与所述往复式杆形成间隙密封；以及至少一个固定的环形元件，该至少一个固定的环形元件被固定在所述壳体内并构造成与所述浮动间隙衬套形成端面密封。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：其中，所述浮动间隙衬套被构造成径向移动，以在第一空间和第二空间之间的压力差小时居中地位于活塞杆上并在该压力差较大时与所述固定的环形元件形成密封。其中，该组件还包括在所述浮动间隙衬套的至少一端上的、弹簧加力的端面密封件。其中，该组件还包括：第二浮动间隙衬套，该第二浮动间隙衬套围绕所述往复式杆布置；和两个弹簧加力的唇形密封件，该两个弹簧加力的唇形密封件围绕所述往复式活塞杆布置并轴向位于所述两个浮动间隙衬套内或所述两个浮动间隙衬套之间。其中，该组件还包括：刮油环，该刮油环围绕活塞杆同轴地布置并在所述壳体内布置在浮动密封件和第一空间之间；和通路，该通路将第一空间连接到环形间隙，该环形间隙围绕所述往复式杆布置在刮油环和浮动密封件之间。其中，该组件还包括布置在刮油环和浮动密封件之间的磁性微粒捕集器。
根据本发明的一个方面，公开了一种浮动的杆密封件。该浮动密封件包括：附接到浮动衬套的杆密封件，其中，该杆密封件与浮动衬套形成防漏的接头；两个环形的固定衬套，这两个环形的固定衬套相对于所述杆密封件大致同轴地布置并置于外环的内径处，使得所述固定衬套的两端形成轴向间隙；以及所述浮动衬套，所述浮动衬套包括用于密封到杆密封件的内表面和位于外表面上的周向肋，其中，该周向肋被卡在所述轴向间隙中，可在所述外环中径向移动并可与一个衬套形成密封。
根据本发明的一个方面，公开了一种浮动的杆密封件。该浮动的密封件包括与活塞杆形成间隙密封并在位于工作空间和气闸之间的气缸压盖壳体内浮动的、浮动间隙衬套。该浮动间隙衬套在工作空间和气闸之间的压力差最小时径向移动并在该压力差大时与所述壳体的固定的环形段形成密封。
根据本发明的一个方面，公开了一种外燃式发动机，该外燃式发动机包含工作流体并包括用于加热发动机的工作流体的燃烧器元件、限定包含工作流体的工作空间的至少一个加热器头、包含用于压缩工作流体的活塞的至少一个活塞气缸、用于冷却工作流体的至少一个冷却器、以及曲轴箱。该曲轴箱包括用于产生发动机输出的曲轴、连接至活塞的活塞杆、将活塞杆的直线运动转换成曲轴的旋转运动的驱动机构、以及包括轴颈和导向件的直线十字头轴承。所述轴颈轴承的一端以刚性的方式附接至活塞杆并且其另一端附接至驱动机构。该导向件位于工作空间外部，并且所述直线十字头轴承仅约束活塞的运动。
本发明的该方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：直线十字头轴承的长度与直径之比大于2.0；该直线十字头轴承是流体动力轴承，其被供应有来自导向件上的环形件的加压油；包括壳体的活塞杆密封单元；浮动间隙衬套和至少一个固定的环形元件，该浮动间隙衬套被构造成在所述壳体内轴向和径向地移动并围绕所述活塞杆同轴地布置，该至少一个固定的环形元件被固定在所述壳体内并构造成与浮动间隙衬套形成端面密封；活塞杆密封单元包括壳体，浮动的杆密封组件具有安装到该浮动的杆密封组件上的至少一个杆密封件；活塞杆密封单元包括壳体、气缸压盖以及安装在气缸压盖内的至少一个浮动的杆密封组件，其中，杆密封件被安装到浮动的杆密封组件上；杆密封件是弹簧加力的密封件；活塞包括间隙密封件，其中，该间隙密封件可以包括在外径处的径向凹槽以及在内径处的O形环，并且该间隙密封件可以包括下列材料中的至少一种：石墨、PTFE、UHMWPE、锑。
根据本发明的一方面，公开了一种外燃式发动机，其包含工作流体并包括：用于加热发动机的工作流体的燃烧器元件；限定包含工作流体的工作空间的至少一个加热器头；包含用于压缩工作流体的活塞的至少一个活塞气缸；用于冷却工作流体的至少一个冷却器；以及曲轴箱。该曲轴箱包括：用于产生发动机输出的曲轴；连接至活塞的活塞杆；绕摇杆枢轴旋转以驱动曲轴的摇摆杆；由活塞杆驱动的摇摆杆；以及连杆，该连杆在第一端处连接至摇摆杆并在第二端处连接至曲轴，以将摇摆杆的旋转运动转换成曲轴的旋转运动；以及包括轴颈和导向件的直线十字头轴承。该轴颈轴承的一端以刚性的方式附接至活塞杆，并且另一端被附接至驱动机构。该导向件位于工作空间外部，并且所述直线十字头轴承仅约束活塞的运动。
本发明的该方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：直线十字头轴承的长度与直径之比大于2.0；直线十字头轴承是流体动力轴承，其被供应有来自导向件上的环形件的加压油；包括壳体的活塞杆密封单元；浮动间隙衬套和至少一个固定的环形元件，该浮动间隙衬套被构造成在所述壳体内轴向和径向地移动并围绕所述活塞杆同轴地布置，该至少一个固定的环形元件被固定在所述壳体内并构造成与浮动间隙衬套形成端面密封；活塞杆密封单元包括壳体，浮动的杆密封组件具有安装到该浮动的杆密封组件上的至少一个杆密封件；活塞杆密封单元包括壳体、气缸压盖以及安装在气缸压盖内的至少一个浮动的杆密封组件，其中，杆密封件被安装到浮动的杆密封组件上；杆密封件是弹簧加力的密封件；活塞包括间隙密封件，其中，该间隙密封件可以包括在外径处的径向凹槽以及在内径处的O形环，并且该间隙密封件可以包括下列材料中的至少一种：石墨、PTFE、UHMWPE、锑。
根据本发明的一方面，公开了一种外燃式发动机，其包含工作流体并包括：用于加热发动机的工作流体的燃烧器元件；限定包含工作流体的工作空间的至少一个加热器头；包含用于压缩工作流体的活塞的至少一个活塞气缸；用于冷却工作流体的至少一个冷却器；以及曲轴箱。该曲轴箱包括用于产生发动机输出的曲轴、连接至活塞的活塞杆、将活塞杆的直线运动转换成曲轴的旋转运动的驱动机构、以及活塞，该活塞包括：具有密封件的活塞座；安装在基座上的外壳；以及内壳，该内壳比外壳短且窄，并与活塞座一起限定活塞座的内表面上方的空间。
本发明的该方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：活塞座内的小孔口，活塞座内的具有0.002至0.008英寸的直径的孔口，以及所述内壳中的端口。根据本发明的一方面，公开了一种外燃式发动机。该外燃式发动机包含工作流体并包括：用于加热发动机的工作流体的燃烧器元件；限定包含工作流体的工作空间的至少一个加热器头；包含用于压缩工作流体的活塞的至少一个活塞气缸；用于冷却工作流体的至少一个冷却器；曲轴箱。该曲轴箱包括：用于产生发动机输出的曲轴；绕摇杆枢轴旋转以驱动曲轴的摇摆杆；连接至活塞的活塞杆；由活塞杆驱动的摇摆杆；以及连杆，该连杆在第一端处连接至摇摆杆并在第二端处连接至曲轴，以将摇摆杆的旋转运动转换成曲轴的旋转运动。该外燃式发动机还包括气闸空间，该气闸空间将曲轴箱和工作空间分离，以维持曲轴箱壳体和工作空间壳体之间的压力差；以及气闸压力调节器，该气闸压力调节器连接在曲轴箱与气闸空间或工作空间之间。
本发明的该方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：用于将曲轴箱从气闸空间密封的第一密封件，其中该密封件是滚动膜片；用于将工作空间从气闸空间密封的密封件，其中该密封件是一对相对布置的滚动膜片；用于将工作空间从气闸空间密封的第二密封件，其中该密封件是高压密封件。其中，所述气闸压力调节器是用于维持曲轴箱与气闸空间或工作空间之间的预定压力差的双向压力调节器。其中，该气闸压力调节器包括过滤器、压缩机、压力调节滑阀和线性位置传感器，其中，该线性位置传感器产生表示所调节的滑阀位置的信号。其中，该气闸压力调节器还包括控制器。其中，该线性位置传感器是LVDT。其中，该控制器使用线性位置传感来调节泵速度。其中，该气闸压力调节器还包括排流端口和填充端口，其中，该排流端口和填充端口被选择性地连接。其中，该控制器至少部分基于所述线性位置传感器的位置将停止指令发送给驱动件。其中，该外燃式发动机还包括用于多个燃烧器的燃烧器控制器，该燃烧器控制器包括主控制器和单独的燃烧控制电路。其中，该主控制器控制与多个燃烧器中的每个燃烧器中的燃料管线连接的可变电阻元件。其中，该外燃式发动机还包括过温电路，其中，该过温电路监测每个加热器头上的温度并且可将燃料阀停用，该燃料阀对加热加热器头的燃烧器进行供应。其中，该外燃式发动机还包括流量检测电路，其中，当流量检测电路检测到流量低于预定阀值时，该流量检测电路停用所有的燃料阀。
根据本发明的一个方面，公开了一种用于机械的摇摆杆驱动机构。该驱动机构包括具有摇杆枢轴的摇摆杆、至少一个气缸和至少一个活塞。活塞被容纳在各自的气缸内。活塞能够在各自的气缸内大致直线往复运动。而且，该驱动机构包括具有近端和远端的至少一个联接组件。该近端连接到活塞并且该远端通过端部枢轴连接到摇摆杆。活塞的直线运动被转换成摇摆杆的旋转运动。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：其中，该摇摆杆通过连杆联接到曲轴。在本实施例中，摇摆杆的旋转运动被传递到曲轴。而且，其中该气缸可还包括封闭端和敞口端。该敞口端还包括连接到气缸的直线轴承。该直线轴承包括开口，以容纳所述联接组件。而且，其中该联接组件还包括活塞杆和联杆。该活塞杆和联杆由联接装置联接在一起。该联接装置位于所述直线轴承下方。而且，其中所述驱动机构还包括密封件，其中该密封件以可密封方式连接到活塞杆。而且，其中该密封件是滚动膜片。而且，在一些实施例中，该联接装置是柔性接头。在一些实施例中，该联接装置是滚子轴承。在一些实施例中，该联接装置是铰链。在一些实施例中，该联接装置是挠曲部(flexure)。在一些实施例中，该联接装置是轴颈轴承接头。
根据本发明的另一个方面，公开了一种斯特林循环机。该机械包括至少一个摇摆驱动机构，其中，该摇摆驱动机构包括：具有摇杆枢轴的摇摆杆、至少一个气缸和至少一个活塞。活塞被容纳在各自的气缸内。活塞能够在各自的气缸内大致直线往复运动。而且，该驱动机构还包括具有近端和远端的至少一个联接组件。该近端连接到活塞并且该远端通过端部枢轴连接到摇摆杆。活塞的直线运动被转换成摇摆杆的旋转运动。而且，还包括容纳摇摆杆并容纳该联接组件的第一部分的曲轴箱。还包括通过连杆联接到摇摆杆的曲轴。摇摆杆的旋转运动被传递到曲轴。该机械也包括工作空间，该工作空间容纳所述至少一个气缸、所述至少一个活塞和该联接组件的第二部分。还包括用于将该工作空间相对于曲轴箱密封的密封件。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：其中，该密封件是滚动膜片。而且，气缸可还包括封闭端和敞口端。该敞口端还包括连接到气缸的直线轴承。该直线轴承包括开口，以容纳该联接组件。而且，其中该联接组件还包括活塞杆和联杆。该活塞杆和联杆由联接装置联接在一起。该联接装置位于直线轴承下方。该机械还可包括在曲轴箱中的润滑流体泵。在一些实施例中，该润滑流体泵是由泵驱动组件驱动的机械式润滑流体泵，该泵驱动组件连接到曲轴并由曲轴驱动。在一些实施例中，该润滑流体泵是电动式润滑流体泵。该机械还可包括连接到曲轴的马达。该机械还可包括连接到曲轴的发电机。
根据本发明的另一个方面，公开了一种斯特林循环机。该机械包括至少两个摇摆驱动机构。每个摇摆驱动机构均包括：具有摇杆枢轴的摇摆杆、两个气缸和两个活塞。每个活塞均容纳在各自的气缸内。所述活塞能够在各自的气缸内大致直线往复运动。而且，该驱动机构包括具有近端和远端的两个联接组件，该近端连接到活塞并且该远端通过端部枢轴连接到摇摆杆。活塞的直线运动被转换成摇摆杆的旋转运动。该机械还包括曲轴箱，该曲轴箱容纳摇摆杆并容纳所述联接组件的第一部分。而且，曲轴通过连杆联接到摇摆杆。摇摆杆的旋转运动被传递到曲轴。该机械还包括在曲轴箱中的润滑流体泵，用于泵送润滑流体来润滑曲轴、摇摆杆、和所述联接组件的第一部分。而且，工作空间容纳气缸、活塞、和所述联接组件的第二部分。还包括用于将工作空间相对于曲轴箱密封的滚动膜片。
本发明的此方面的一些实施例包括下列中的一个或多个：所述气缸还可包括封闭端和敞口端。该敞口端还包括连接到气缸的直线轴承。该直线轴承包括开口，以容纳所述联接组件。而且，其中该联接组件还包括活塞杆和联杆。该活塞杆和联杆由联接装置联接在一起。该联接装置可位于直线轴承下方。而且，其中该联接装置是柔性接头。在一些实施例中，还公开了其中该联接装置是滚子轴承。
本发明的此方面的其它实施例涉及一种或多种包含工作流体的外燃式发动机，该外燃式发动机包括用于加热发动机工作流体的燃烧器元件、限定包含工作流体的工作空间的至少一个加热器头、包含用于对工作流体进行压缩的活塞的至少一个活塞气缸、用于冷却该工作流体的冷却器、和曲轴箱，该曲轴箱包括用于产生发动机输出的曲轴、围绕摇杆枢轴旋转以驱动曲轴的摇摆杆、连接到活塞的活塞杆、由活塞杆驱动的摇摆杆、以及在第一端处连接到摇摆杆并在第二端处连接到曲轴以将摇摆杆的旋转运动转换成曲轴的旋转运动的连杆，其中，活塞在曲轴箱中沿着大致直线的活塞轴线往复运动，并且曲轴在曲轴箱中布置成低于活塞轴线的极限值。
本发明的更进一步的实施例涉及包含工作流体的外燃式发动机的一个或多个实施例，该外燃式发动机包括：用于加热发动机工作流体的燃烧器元件；限定包含工作流体的工作空间的至少一个加热器头；包含用于对工作流体进行压缩的活塞的至少一个活塞气缸；用于冷却该工作流体的冷却器；曲轴箱，该曲轴箱包括用于产生发动机输出的曲轴、围绕摇杆枢轴旋转以驱动曲轴的摇摆杆、连接到活塞的活塞杆、由活塞杆驱动的摇摆杆、在第一端处连接到摇摆杆并在第二端处连接到曲轴以将摇摆杆的旋转运动转换成曲轴的旋转运动的连杆；以及气闸空间，该气闸空间将曲轴箱与工作空间分离，以在曲轴箱壳体和工作空间壳体之间维持压力差。
本发明的更进一步的实施例涉及加热元件的一个或多个实施例，该加热元件用于加热外燃式发动机或外燃式机械，该外燃式发动机或外燃式机械包括：燃烧器元件，该燃烧器元件用于加热发动机的工作流体；鼓风机，该鼓风机提供空气或其它气体，以促进燃烧器中的点火和燃烧；预热器，该预热器限定由排气歧管壁分开的入流空气通路和排气通路，该排气歧管壁用于通过从所述加热元件排出的热排气来加热入流空气；燃料喷射器，该燃料喷射器用于供应燃料，以与入流空气混合；点火器，该点火器用于对燃料/空气混合物点火；预燃室，该预燃室限定用于接收燃料/空气混合物的入口并促进该混合物的点燃；燃烧室，该燃烧室直线地布置在预燃室下方，用于维持并支持在预燃室中产生和点火的火焰；电子控制单元，该电子控制单元用于控制燃烧器的点火和燃烧操作，并且其中，该燃烧室连接到所述排气通路，所排出的燃烧气体被推入该排气通路中，以在该发动机或机械的燃烧和加热之后加热所述入流空气。
本发明的上述这些方面并非旨在是排他性的，并且，对本领域普通技术人员来说，当结合所附权利要求和附图来理解时，本发明的其它特征、方面和优点是将是显而易见的。
附图说明
通过阅读以下结合附图进行的详细描述，将更好地理解本发明的这些及其它特征和优点，其中：
图1A-1E描绘了现有技术的斯特林循环机的运行原理；
图2示出了根据一个实施例的摇摆杆驱动件的视图；
图3示出了根据一个实施例的摇摆杆驱动件的视图；
图4示出了根据一个实施例的发动机的视图；
图5A-5D描绘了根据一个实施例的摇摆杆驱动件的各种视图；
图6示出了根据一个实施例的轴承式杆连接器；
图7A-7B示出了根据一个实施例的挠曲部；
图8示出了根据一个实施例的发动机的活塞的运行；
图9A示出了根据一个实施例的工作空间和气缸的展开的示意图；
图9B示出了根据一个实施例的气缸、加热器头和回热器的示意图；
图9C示出了根据一个实施例的气缸盖的视图；
图10A示出了根据一个实施例的滚动膜片(rolling diaphragm)以及用于支撑的顶部密封活塞和底部密封活塞的视图；
图10B示出了根据一个实施例的摇摆杆驱动式发动机的分解视图；
图10C示出了根据一个实施例的气缸、加热器头、回热器和滚动膜片的视图；
图10D示出了根据一个实施例的滚动膜片在运行期间的各种视图；
图11示出了根据一个的外燃式发动机的视图；
图12A-12E示出了滚动膜片的各种实施例的视图；
图13A示出了标识各种负荷区域的滚动膜片的示意图；
图13B示出了标识卷折部区域(convolution region)的滚动膜片的示意图；
图14示出了根据一个实施例的活塞和活塞密封件的视图；
图15示出了根据一个实施例的活塞杆和活塞杆密封件的视图；
图16A-16B示出了根据一个实施例的活塞导向环的视图；
图17示出了根据一个实施例的管式热交换器的视图；
图18示出了根据一个实施例的管式热交换器的截面的一部分；
图19示出了根据一个实施例的发动机的加热器头的视图；
图20A示出了根据一个实施例的管式热交换器的视图；
图20B示出了根据一个实施例的管式热交换器的视图；
图21A示出了根据一个实施例的管式热交换器的视图；
图21B示出了根据一个实施例的管式热交换器的视图；
图22A示出了根据一个实施例的管式热交换器的视图；
图22B示出了根据一个实施例的管式热交换器的视图；
图23A和23B示出了根据一个实施例的斯特林循环发动机的回热器的视图；
图24A-24E示出了根据几个实施例的斯特林循环发动机的回热器的各种构造；
图25A-25C示出了根据几个实施例的发动机的各种视图；
图26A和26B示出了根据一些实施例的发动机的冷却器的视图；
图27A和27B示出了根据一个实施例的发动机的冷却器的视图；
图27C和27D示出了根据一个实施例的发动机的冷却器的视图；
图28A-28C示出了根据一个实施例的发动机的进气歧管的视图；
图29是根据一个实施例的与斯特林循环发动机联接的气态燃料燃烧器，其中该喷射器是文丘里式的；
图30A是图29的燃烧器，示出了根据一个实施例的空气和燃料流动路径；
图30B是根据一个实施例的燃烧器两端的压力的曲线图；
图31示出了具有用于可变燃料属性的自动燃料控制的燃烧器的实施例的示意图；
图32示出了具有温度传感器和发动机转速控制回路的燃烧器的另一实施例的示意图；
图33示出了具有温度传感器和氧传感器控制回路的燃烧器的又一实施例的示意图；
图34示出了喷射器的一种替代实施例，其中，燃料被直接供给到该喷射器中；
图35示出了根据一个实施例的发动机的截面图；
图36A和36B示出了根据一个实施例的、具有倒转式摇摆杆设计的斯特林循环机的截面视图；
图36C-36E示出了根据一个实施例的活塞和活塞杆组件的各种视图；
图37A示出了具有1.6的连杆承载比(conrod bearing ratio)的摇摆杆的实施例；
图37B示出了具有1.0的连杆承载比的摇摆杆的实施例；
图38A示出了根据一个实施例的油泵；
图38B示出了根据一个实施例的回转式容积泵送单元；
图39示出了高压杆密封件的实施例；
图40A示出了高压杆密封件的另一个实施例，该高压杆密封件包括弹簧加力的唇形密封件；
图40B是根据一个实施例的设置在试验台(test rig)的杆密封件腔体内的、液压的高压活塞杆密封件；
图41A和41B示出了根据一个实施例的滚动膜片；
图42A和42B示出了根据另一个实施例的滚动膜片；
图43示出了根据一个实施例的双波纹管系统的视图；
图44A和44B示出了根据一个实施例的气闸压力调节系统；
图45示出了根据一个实施例的双向调节器；
图46A-46E示出了根据各种实施例的滑阀在双向调节器中的各个位置；
图47示出了根据一个实施例的气闸压力调节系统的视图；
图48示出了根据一个实施例的气闸压力调节系统的视图；
图49示出了根据一个实施例的用于调节气闸压力的机械泵的视图；
图50A和50B示出了根据一个实施例的热交换器的视图；
图51A和51B示出了根据一个实施例的摇摆杆机构的视图；
图52A和52B示出了根据一个实施例的水平支撑式斯特林循环发动机的视图；
图53A和53B示出了根据一个实施例的套管式(tub-in-tub)热交换器的视图；
图53C和53D示出了根据一个实施例的基于管的热交换器的视图；
图54-59示出了根据一个实施例的燃烧器的各种视图；
图60示出了根据一个实施例的燃烧器的视图；
图61是根据一个实施例的燃烧器控制方案的图；
图62A-62D是与根据一个实施例的多个加热器头结合使用的文丘里式燃烧器的进一步实施例；
图63示出了气闸压力调节系统的进一步实施例；
图64A-64F展示了气闸压力差调节(AdPR)块的实施例；
图65A-65D是气闸压力差调节(AdPR)块的实施例；
图65E-65J是气闸压力差调节(AdPR)块的实施例；
图66A-66E示出了根据各种实施例的滑阀在双向调节器中的各个位置的进一步实施例；
图67A示出了一个图表，示出了图67B-67H中描绘的实施例的顺序；
图67B-67H图示了斯特林发动机控制器的实施例；
图68A是具有活塞杆密封单元的斯特林发动机的一个实施例的截面；
图68B是图68A中的活塞杆密封单元的详细视图；
图69A是活塞杆密封单元的一个实施例的横截面；
图69B是浮动的杆密封组件的一个实施例的横截面；
图69C是活塞杆密封单元的一个实施例的等轴视图；
图69C是活塞杆密封单元的一个实施例的等轴视图；
图69D是具有间隙密封件的活塞杆密封单元的一个实施例的截面；
图69E是具有间隙密封件的活塞杆密封单元的一个实施例的截面图；
图69F是具有混合式间隙和唇形密封件的活塞杆密封单元的一个实施例的截面图。
图70A是根据一个实施例的与多加热器头结合使用的环状文丘里式燃烧器的进一步实施例的截面图；
图70B是环状文丘里式燃烧器头的截面图；
图70C是具有燃料端口和点火器的环状文丘里管的详图；
图70D是环状文丘里管的入口处的径向旋流器的透视图；
图71A是具有直线十字头轴承的斯特林发动机的一个实施例的截面图；
图71B是活塞、活塞杆和直线十字头轴承的一个实施例的截面图；
图71C是直线十字头轴承的一个实施例的截面图；并且
图72是具有间隙密封件的活塞的一个实施例的截面图。
具体实施方式
包括发动机和制冷机在内的斯特林循环机具有长时间的技术传承，在牛津大学出版社(1980年)出版的Walker所著的“斯特林发动机(Stirling Engines)”一书中详细描述了斯特林循环机，其内容在此通过引用的方式并入本文。斯特林循环发动机的原理是斯特林热力学循环的机械实现：气缸内气体的定容加热、该气体的等温膨胀(在此期间，通过驱动活塞来做功)、定容冷却和等温压缩。在Hargreaves所著的“飞利浦斯特林发动机(ThePhillips Stirling Engine)”(阿姆斯特丹Elsevier公司，1991年)中讨论了与斯特林循环机的各个方面及其改进相关的其它背景，此文献也在此通过引用的方式并入本文。
参照图1A-1E可容易地描述斯特林循环机的运行原理，其中，相同的标记用于标示相同或相似的部分。斯特林循环机的许多机械布局是本领域中公知的，因此，仅出于示例性目的示出了由标记10总体上标示的特定的斯特林循环机。在图1A到1D中，活塞12和置换器14在气缸16内以定相的往复运动移动，在斯特林循环机的一些实施例中，气缸16可以是单个气缸，而在其它实施例中，气缸16可包括不止一个气缸。气缸16内包含的工作流体被密封件约束，以防止在活塞12和置换器14周围逸出。如以下描述中所讨论的，工作流体由于其热力学属性而被选择，且通常是处于数个大气压的压力下的氦气，然而，可以使用包括任何惰性气体在内的任何气体，包括但不限于：氢气、氩气、氖气、氮气、空气及其任何混合物。置换器14的位置控制了该工作流体是与热界面18还是与冷界面20接触，该热界面18和冷界面20分别对应于热量被供给到工作流体和从工作流体中提取热量的界面。下文进一步详细讨论了热量的供给和提取。由活塞12的位置控制的工作流体的体积被称为压缩空间22。
在斯特林循环的第一阶段(图1A中描绘了其起始状况期间)，活塞12压缩该压缩空间22内的流体。该压缩发生在大致恒定的温度下，因为热量被从流体提取到周围环境。图1B描绘了压缩之后的斯特林循环机10的状况。在该循环的第二阶段期间，置换器14在朝着冷界面20的方向上移动，工作流体从冷界面20的区域被移位到热界面18的区域。该阶段可以称为转移阶段。在该转移阶段结束时，由于工作流体已在恒定体积下被加热，流体处于较高压力。图1C中通过压力计24的读数象征性地描绘了升高的压力。
在斯特林循环机的第三阶段(膨胀冲程)期间，随着从斯特林循环机10的外部吸入热量，压缩空间22的体积增大，从而将热量转换为功。实际上，通过在下文的描述中更详细地讨论的加热器头(未示出)将热量提供给该流体。在该膨胀阶段结束时，如图1D中所描绘的，压缩空间22充满了冷的流体。在斯特林循环机10的第四阶段期间，通过该置换器14在相反方向上的运动，流体从热界面18的区域转移到冷界面20的区域。在该第二转移阶段结束时，如图1A所描绘的，流体充满压缩空间22和冷界面20，并准备重复上述压缩阶段。在如图1E所示的P-V(压力-体积)图中，描绘了该斯特林循环。
此外，还从热界面18的区域转移到冷界面20的区域。在一些实施例中，该流体可穿过回热器(如图4中的408所示)。回热器是具有大的表面面积/体积比的材料的基体，用于在流体从热界面18的区域进入时从流体吸收热量并在流体从冷界面20的区域经过时加热该流体。
由于其开发上的一些令人生畏的挑战，斯特林循环机总体上尚未用在实际应用中。这些涉及实际的考虑因素，例如效率和使用寿命。因此，对于更多的在活塞上具有最小侧向负荷(side load)、提高了效率和使用寿命的斯特林循环机，存在着需求。
在2002年5月7日公布的Kamen等人的美国专利No.6,381,958中，进一步详细讨论了斯特林循环机或斯特林发动机的运行原理，该美国专利的全部内容在此通过引用的方式并入本文。
摇摆杆驱动件
现在参照图2-4，根据一个实施例，以截面图示出了斯特林循环机的实施例。该发动机的实施例总体上以标记300表示。尽管将参照图2-4所示的斯特林发动机300的实施例来总体上描述斯特林循环机，但应理解，许多类型的机械和发动机(包括但不限于制冷机和压缩机)，可类似地受益于本文描述的各种实施例和改进，包括但不限于：外燃式发动机和内燃式发动机。
图2描绘了用于发动机(例如斯特林发动机)的摇摆杆驱动机构200(术语“摇摆杆驱动件”与术语“摇摆杆驱动机构”被同义地使用)的实施例的截面图，该发动机具有分别容纳在气缸206和208内的直线往复式活塞202和204。所述气缸包括直线轴承220。摇摆杆驱动件200将活塞202和204的直线运动转换成曲轴214的旋转运动。摇摆杆驱动件200具有摇摆杆216、摇杆枢轴218、第一联接组件210和第二联接组件212。活塞202和204分别经由第一联接组件210和第二联接组件212联接到摇摆杆驱动件200。该摇摆杆驱动件经由连杆222联接到曲轴214。
在一些实施例中，该联接组件的第一部分和所述摇摆杆可位于曲轴箱中，而气缸、活塞和该联接组件的第二部分位于工件空间中。
在图4的曲轴箱400中，摇摆杆驱动件200的大部分位于气缸壳体402下方。曲轴箱400是允许摇摆杆驱动件200运行的空间，该摇摆杆驱动件200具有曲轴214、摇摆杆216、直线轴承220、连杆222和联接组件210、212。曲轴箱400以与活塞202和204的轴线的平面成横向地与气缸206、208相交。也如图2所示，活塞202和204在各自的气缸206和208内往复运动。气缸206和208在曲轴壳体400上方延伸。曲轴214在气缸206和208下方安装在曲轴箱400中。
图2示出了摇摆杆驱动件200的一个实施例。联接组件210和212分别从活塞202和204延伸，以将活塞202和204连接到摇摆杆216。在一些实施例中，用于活塞204的联接组件212可包括活塞杆224和联杆226。在一些实施例中，用于活塞202的联接组件210可包括活塞杆228和联杆230。活塞204在气缸208内竖直地运行并由联接组件212连接到摇摆杆216的端部枢轴232。气缸208为活塞204的纵向运动提供导向。联接组件212的与活塞204的下部附接的活塞杆224在沿着气缸208的轴线的大致直线往复路径上通过其联杆226被轴向驱动。在一些实施例中，活塞杆224的远端和联杆226的近端可经由联接装置234铰接在一起。联接装置234可以是本领域已知的任何联接装置，包括但不限于：柔性接头(flexible joint)、滚子轴承元件、铰链、轴颈轴承接头(如图6中的600所示)、和挠曲部(flexure)(如图7A和7B中的700所示)。联杆226的远端可联接到摇摆杆216的一个端部枢轴232，该端部枢轴232被竖直和垂直地定位在联杆226的近端下方。固定的直线轴承220可沿着联接组件212被定位，以进一步确保活塞杆224的大致直线的纵向运动，并因此确保活塞204的大致直线的纵向运动。在一个示例性实施例中，联杆226不穿过该直线轴承220。这尤其确保了活塞杆224保持大致直线的纵向运动。
在该示例性实施例中，所述联杆可由铝制成，并且所述活塞杆和连杆由D2工具钢制成。替代地，所述联杆、活塞杆、连杆和摇摆杆可由4340钢制成。其它材料可用于该摇摆杆驱动件的各个部件，包括但不限于：钛、铝、钢或铸铁。在一些实施例中，所使用的材料的疲劳强度高于这些部件在运行期间经历的实际负荷。
仍然参照图2-4，活塞202在气缸206中竖直地运行并由联接组件210连接到摇摆杆216的端部枢轴236。除了其它功能，气缸206用于为活塞202的纵向运动提供导向。联接组件210的活塞杆228附接到活塞202的下部，并且在沿着气缸206的轴线的大致直线往复路径上通过其联杆230被轴向驱动。在一些实施例中，活塞杆228的远端和联杆230的近端经由联接装置238铰接到一起。在各种实施例中，联接装置238可包括但不限于：挠曲部(flexure)(如图7A和7B中的700所示)、滚子轴承元件、铰链、滑动轴承接头(如图6中的600所示)、或者本领域中公知的联接装置。在一些实施例中，联杆230的远端可联接到摇摆杆216的一个端部枢轴236，该端部枢轴236被竖直和垂直地定位在联杆230的近端下方。固定的直线轴承220可沿着联接组件210被定位，以进一步确保活塞杆228的直线纵向运动，并因此确保活塞202的直线纵向运动。在示例性实施例中，联杆230不穿过直线轴承220，以确保活塞杆228保持大致直线的纵向运动。
联接组件210和212将各个活塞202和204的交替的纵向运动转变为摇摆杆216的振荡运动。所传递的振荡运动由连杆222转变成曲轴214的旋转运动，其中，连杆222的一端以可旋转方式联接到位于摇摆杆216中的端部枢轴232和摇杆枢轴218之间的连接枢轴240，并且连杆222的另一端以可旋转方式联接到曲柄销246。摇杆枢轴218可大致定位在端部枢轴232和236之间的中点处并作为支点来振荡地支撑摇摆杆216，从而引导各个活塞杆224和228做充分的直线运动。在该示例性实施例中，曲轴214位于摇摆杆216上方，但在其它实施例中，曲轴214可位于摇摆杆216下方(如图5B和5D所示)，或者在一些实施例中，曲轴214位于摇摆杆216的侧面，使得其仍然具有与摇摆杆216平行的轴线。
仍然参照图2-4，该摇摆杆围绕摇杆枢轴218振荡，端部枢轴232和236遵循着弧形路径。由于联杆226和230的远端在枢轴232和236处连接到摇摆杆216，联杆226和230的远端也遵循该弧形路径，从而与它们各自的活塞202和204的纵向运动轴线形成角度偏差242和244。联接装置234和238被构造成使活塞杆224和228所经受的来自联杆226和230的任何角度偏差244和242最小化。实际上，角度偏差244和242被联接装置234和238吸收，使得活塞杆224和228维持大致直线的纵向运动，以减小活塞202和204上的侧向负荷。固定的直线轴承220也可布置在气缸208或206内或沿着联接组件212或210布置，以进一步吸收任何角度偏差244或242，从而使活塞推杆224或228以及活塞204或202保持沿着活塞204或202的纵向轴线的直线运动。
因此，鉴于活塞202和204的往复运动，有必要使活塞202和204的运动保持尽可能接近直线，因为：相对于活塞202和204的往复运动的纵向轴线而言的偏差242和244会引起噪音、降低效率、与气缸壁的摩擦的增大、侧向负荷的增大、以及各个零件的低耐久性。因此，气缸206、208的对齐和曲轴214、活塞杆224和228、联杆226和230以及连杆222的布置结构尤其可以影响该装置的效率和/或体积。为了提高上述活塞运动的直线性，活塞(如图2-4中的202和204所示)优选尽可能靠近各自气缸206和208的侧面。
在另一个减小联杆的角度偏差的实施例中，联杆226和230沿着各自活塞204和202的纵向运动轴线大致直线地往复运动，以减小该角度偏差并因此减小施加到每个活塞204和202上的侧向负荷。该角度偏差限定了联杆226或230与活塞204或202的纵向轴线的偏差。如图2所示，标记244和242标示了联杆226和230的角度偏差。因此，基于端部枢轴232和摇摆杆216的摇杆枢轴218之间的距离的长度，联接组件212的位置影响联杆226的角位移。因此，所述联接组件的位置可使得联杆226的角位移减小。对于联杆230，也可基于端部枢轴236和摇摆杆216的摇杆枢轴218之间的距离的长度来确定和设置联接组件210的长度，以减小联杆230的角位移。因此，联杆226和230的长度、联接组件212和210的长度、和摇摆杆216的长度是大大影响和/或决定如图2所示的联杆226和230的角度偏差的重要参数。
该示例性实施例具有直的摇摆杆216，该摇摆杆216沿着同一轴线具有端点232和236、摇杆枢轴218和连接枢轴240。然而，在其它实施例中，摇摆杆216可以是弯曲的，使得活塞可彼此成角度地放置，如图5C和5D所示。
现在参照图2-4和图7A-7B，在联接组件的一些实施例中，联接组件212和210可包括柔性联杆，该柔性联杆是轴向刚性的，但分别在联杆226、230与活塞204、202之间在摇摆杆216的运动平面内是柔性的。在本实施例中，联杆226和230的至少一部分(挠曲部(如图7A和7B中的700所示))是弹性的。挠曲部700充当活塞杆和联杆之间的联接装置。挠曲部700可更有效地吸收由曲柄引起的活塞的侧向负荷，从而允许其各自的活塞在活塞的气缸内维持直线纵向运动。该挠曲部700允许分别在联杆226和230与活塞204或202之间在摇摆杆216平面内的小旋转。尽管在本实施例中将挠曲部700描绘为扁平的(这增大了联杆226和230的弹性)，但在一些实施例中，挠曲部700不是扁平的。挠曲部700也可构造为靠近活塞的下部或者靠近联杆226和230的远端。在一个实施例中，挠曲部700可由硬化至58-62RC的#D2工具钢制成。在一些实施例中，联杆226或230上可存在不止一个挠曲部(未示出)，以增大所述联杆的弹性。
在替代实施例中，如图5C和5D中所描绘的，每个气缸壳体中的活塞的轴线可在不同的方向上延伸。在示例性实施例中，如图2-4以及图5A和5B所描绘的，每个气缸壳体中的活塞的轴线是大致平行的且优选是大致竖直的。图5A-5D包括摇摆杆驱动机构的各种实施例，其具有如参照图2-4所示和描述的相同标记。本领域技术人员应当理解，改变该连接枢轴240沿着摇摆杆216的相对位置将改变活塞的行程。
因此，以下参数的变化将以不同的方式改变联杆226和230的角度偏差、活塞204和202的相位以及该装置300的尺寸：连接枢轴240在摇摆杆216中的相对位置、活塞杆224、228及联杆230、226和摇摆杆216的长度、以及摇杆枢轴218的位置。因此，在各种实施例中，可基于这些参数中的一个或多个参数的改变来选择宽范围的活塞相位角和发动机的可变尺寸。实际上，该示例性实施例的联杆224和228具有与活塞204和202的纵向轴线在从-0.5度到+0.5度内的大致横向运动。在各种其它实施例中，取决于联杆的长度，该角度可在从接近0度到0.75度的范围内变化。然而，在其它实施例中，该角度可更大，包括从接近0度到大约20度的任何角度。然而，随着联杆长度的增加，曲轴箱/发动机总高度以及发动机的重量也增大了。
该示例性实施例的一个特征是每个活塞具有大体延伸到所附接的活塞杆的联杆，以便它形成为一个联接组件。在一个实施例中，用于活塞204的联接组件212包括活塞杆224、联杆226和如图2所示的联接装置234。更具体地，活塞杆224的一个近端附接到活塞204的下部且活塞杆224的远端通过联接装置234连接到联杆226的近端。联杆226的远端竖直延伸到摇摆杆216的端部枢轴232。如上所述，联接装置234可以是接头、铰链、联接件或挠曲部，或是本领域公知的其它装置，但它不限于此。在本实施例中，如上所述，活塞杆224与联杆226的比率可决定联杆226的角度偏差。
现在参照图4，示出了发动机的一个实施例。在此，发动机300的活塞202和204分别在气缸206和208的热室404和冷室406之间运行。在这两室之间可存在一个回热器408。回热器408可具有可变的密度、可变的面积，并且在一些实施例中由线材制成。可以调节该回热器的变化的密度和面积，使得工作气体具有穿过回热器408的大致均匀的流动。在下文以及2003年7月17日公布的Kamen等人的美国专利No.6,591,609和2005年3月8日公布的Kamen等人的美国专利No.6,862,883中详细讨论了回热器408的各种实施例，上述美国专利的全部内容在此通过引用的方式并入。当工作气体经过热室404时，加热器头410可加热该气体以使气体膨胀并朝着冷室406推动活塞202和204，该气体在冷室406中被压缩。随着该气体在冷室406中被压缩，活塞202和204可被引导回热室以再次进行斯特林循环。加热器头410可具有以下数种形式之一，包括：针式头(pin head)、翅片式头(fin head)、折叠翅片式头(folded fin head)、或如图4所示的加热器管，或者任何其它已知的加热器头实施例，包括但不限于下文描述的那些。在下文以及2002年5月7日公布的Kamen等人的美国专利No.6,381,958、2003年4月8日公布的Langenfeld等人的美国专利6,543,215、2005年11月22日公布的Kamen等人的美国专利No.6,966,182、2007年12月18日公布的LaRocque等人的美国专利No.7,308,787以及2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)的美国专利申请No.13/447,990中详细讨论了加热器头410的各种实施例，上述这些美国申请和专利的全部内容在此通过引用的方式并入。
在一些实施例中，冷却器412可设置在气缸206和208旁边，以进一步冷却向冷室406行进的气体。在前文的章节以及2008年2月5日公布的Strimling等人的美国专利No.7,325,399中详细讨论了冷却器412的各种实施例，该美国专利的全部内容在此通过引用的方式并入。
在一些实施例中，至少一个活塞密封件414可定位在活塞202和204上，以将热段404相对于冷段406密封。此外，至少一个活塞导向环416可定位在活塞202和204上，以帮助引导所述活塞在它们各自得气缸内的运动。在下文以及2002年6月19日提交并在2003年2月6日公开(目前已放弃)的美国专利申请No.10/175,502中详细描述了活塞密封件414和导向环416的各种实施例，该美国申请的全部内容在此通过引用的方式并入。
在一些实施例中，至少一个活塞杆密封件418可抵靠着活塞杆224和228放置，以防止工作气体逸出到曲轴箱400中，或者逸出到气闸空间(airlock space)420中。活塞杆密封件418可以是弹性体密封件或者是弹簧加力的密封件。下文详细讨论了活塞杆密封件418的各种实施例。
在一些实施例中，例如在下文更详细描述的滚动膜片(rolling diaphragm)和/或波纹管实施例中，可省略该气闸空间。在这些情况下，活塞杆密封件224和228将工作空间相对于曲轴箱密封。
在一些实施例中，至少一个滚动膜片/波纹管422可沿着活塞杆224和228布置，以防止气闸气体逸出到曲轴箱400中。下文中更详细地讨论了滚动膜片422的各种实施例。
尽管图4示出了发动机300的截面图，仅描绘了两个活塞和一个摇摆杆驱动件，但应理解，本文描述的运行原理可适用于如总体上由图10B中的标记800标示的四气缸、双摇摆杆驱动件发动机。
活塞的运行
现在参照图8，图8示出了在曲轴814的一圈期间的活塞802、804、806和808的运行。在曲轴814的1/4圈的情况下，活塞802在其气缸的顶部处(也称为上止点)，活塞806在向上的中间行程中，活塞804在其气缸的底部处(也称为下止点)，并且活塞808在向下的中间行程中。在曲轴814的1/2圈的情况下，活塞802在向下的中间行程中，活塞806在上止点，活塞804在向上的中间行程中，并且活塞808在下止点。在曲轴814的3/4圈的情况下，活塞802在下止点，活塞806在向下的中间行程中，活塞804在上止点，并且活塞808在向上的中间行程中。最后，在曲轴814的一整圈的情况下，活塞802在向上的中间行程中，活塞806在下止点，活塞804在向下的中间行程中，并且活塞808在上止点。在每个1/4圈期间，活塞802和806之间存在90度相位差，活塞802和804之间存在180度相位差，并且活塞802和808之间存在270度相位差。图9A示出了与先前和随后的活塞相差约90度相位的活塞的关系。此外，图8示出了转移功的示例性实施例机械装置。因此，功从活塞802转移到活塞806，到活塞804，再到活塞808，从而，在曲轴814的一整圈的情况下，所有的活塞已通过从它们各自气缸的顶部移动到底部而做功。
现在参照图8，图8与图9A-9C一起示出了示例性实施例中的活塞之间的90度相位差。现在参照图9A，尽管这些气缸被示出为处于直线路径中，但这仅用于示例得目的。在四气缸斯特林循环机的示例性实施例中，包含在气缸工作空间内的工作气体的流动路径遵循八字形图案。因此，气缸1200、1202、1204、和1206的工作空间以八字形图案连接，例如，从气缸1200到气缸1202到气缸1204再到气缸1208，流体流动图案遵循八字形。仍然参照图9A，示出了沿线B-B(图9C所示)截取的气缸1200、1202、1204和1206的展开视图。如上所述的活塞之间的90度相位差允许气缸1204的热段1212中的工作气体被传送到气缸1206的冷段1222中。由于活塞802和808相差90度相位，气缸1206的热段1214中的工作气体被传送到气缸1200的冷段1216中。由于活塞802和活塞806也相差90度相位，气缸1200的热段1208中的工作气体被传送到气缸1202的冷段1218中。并且，由于活塞804和活塞806也相差90度相位，所以气缸1202的热段1210中的工作气体被传送到气缸1204的冷段1220。一旦第一气缸的热段的工作气体进入第二气缸的冷段中，该工作气体开始被压缩，因此，第二气缸内的处于其下行程中的活塞迫使该压缩的工作气体穿过回热器1224和加热器头1226(图9B中示出)返回并返回到第一气缸的热段中。一旦处于第一气缸的热段内，该气体膨胀并向下驱动此气缸内的活塞，因此引起该第一气缸的冷段内的工作气体被驱动穿过上述回热器和加热器头并进入气缸中。工作气体在气缸1200、1202、1204、和1206之间的这种循环轮回特性是可能的，因为活塞802、804、806和808经由驱动件810和812以如下方式连接到一个公共的曲轴814(如图8所示)：即，如图9A所描绘得，每个活塞的循环运动比前一个活塞的运动提前约90度。
滚动膜片、金属波纹管、气闸和压力调节器
在斯特林循环机的一些实施例中，使用了润滑流体。为了防止润滑流体从曲轴箱中逸出，使用了密封件。
现在参照图10A-13B，斯特林循环机的一些实施例包括流体润滑的摇摆杆驱动件以及发动机的可能被润滑流体损坏的进入区域，该摇摆杆驱动件利用沿着活塞杆1302定位的滚动膜片1300来防止润滑流体从曲轴箱(虽然未示出，但容纳在曲轴箱中的部件被表示为1304)中逸出。有益的是约束该润滑流体，因为：如果该润滑流体进入工作空间(虽未示出，但容纳在工作空间中的部件被表示为1306)，润滑流体将污染该工作流体、与回热器1308接触并可能阻塞回热器1308。滚动膜片1300可由弹性体材料(例如橡胶或者用纺织织物或无纺织物增强的橡胶)制成，以提供刚度。替代地，滚动膜片1300可由其它材料制成，例如具有纺织织物或无纺织物的氟硅橡胶(fluorosilicone)或丁腈橡胶(nitrile)。滚动膜片1300也可由碳纳米管织物或碎织物制成，该碎织物是具有例如分散在弹性体中的聚酯纤维或的无纺织物。在一些实施例中，滚动膜片1300由顶部密封活塞1328和底部密封活塞1310支撑。在其它实施例中，经由顶部密封活塞1328中的凹口来支撑如图10A所示的滚动膜片1300。
在一些实施例中，在滚动膜片1300两侧设有压力差，使得密封件1300上方的压力不同于曲轴箱1304中的压力。这种压力差使密封件1300膨胀并允许密封件1300在该压力差确保所述滚动膜片在整个运行中维持其形状时充当动态密封件。图10A和图10C-10D示出了该压力差如何影响所述滚动膜片。该压力差使滚动膜片1300在随着活塞杆1302移动时遵循于底部密封活塞1310的形状，并防止密封件1300在运行期间从活塞1310的表面分离。这种分离可导致密封失败。该压力差使滚动膜片1300在随着活塞杆1302移动时维持与底部密封活塞1310的恒定接触。发生这种情况是因为密封件1300的一侧将始终具有被施加到其上的压力，从而使密封件1300膨胀而贴合于底部密封活塞1310的表面。在一些实施例中，顶部密封活塞1328“卷压”滚动膜片1300的与底部密封活塞1310接触的角部，以便进一步使密封件1300维持与底部密封活塞1310的接触。在示例性实施例中，该压力差在10至15PSI的范围内。在曲轴箱1304中优选的是该压力差中的较小压力，以便滚动膜片1300可膨胀到曲轴箱1304中。然而，在其它实施例中，该压力差可具有更大或更小范围的值。
可通过各种方法来产生该压力差，包括但不限于使用如下方式：加压润滑系统、气动泵、传感器、电动泵、通过使摇摆杆振荡来产生曲轴箱1304中的压力升高、通过在滚动膜片1300上产生静电电荷或其它类似的方法。在一些实施例中，通过将曲轴箱1304加压到比工作空间1306的平均压力低的压力来产生该压力差。在一些实施例中，曲轴箱1304被加压到处于比工作空间1306的平均压力低10至15PSI的范围内的压力，然而，在各种其它实施例中，该压力差可以更小或更大。下文包括了关于该滚动膜片的进一步的细节。
现在参照附图10C和11，然而，示出了斯特林机械的另一个实施例，其中，气闸空间1312位于工作空间1306和曲轴箱1304之间。气闸空间1312维持必要的恒定体积和压力，以产生必要的压力差而用于如上所述的滚动膜片1300的功能。在一个实施例中，气闸1312不相对于工作空间1306绝对密封，所以，气闸1312的压力等于工作空间1306的平均压力。因此，在一些实施例中，所述工作空间和曲轴箱之间缺乏有效的密封会造成需要气闸空间。因此，在一些实施例中，可通过更有效和更高效的密封来省去该气闸空间。
在运行期间，工作空间1306的平均压力可以变化，以便使气闸1312的平均压力也变化。该压力可趋于变化的一个原因是：在运行期间，工作空间可能变得较热，这又可能增大工作空间中的压力，并且由于气闸与工作空间流体连通，因此也增大了气闸中的压力。在这种情况下，气闸1312和曲轴箱1304之间的压力差也将变化，从而导致滚动膜片1300中的可能造成密封失败的不必要的应力。因此，对于该机械的一些实施例，规定了气闸1312内的平均压力，以便在气闸1312和曲轴箱1304之间维持所期望的恒定压力差，并确保滚动膜片1300保持膨胀且维持其形状。在一些实施例中，使用压力换能器来监测和管理该气闸和曲轴箱之间的压力差并因此调节压力，以在气闸和曲轴箱之间维持恒定的压力差。在下文以及2007年12月25日公布的Gurski等人的美国专利No.7,310,945中进一步详细描述了可使用的压力调节器的各种实施例，该美国专利的全部内容通过引用的方式并入本文。
可通过经由泵或释放阀向气闸1312添加工作流体或从气闸1312移除工作流体来实现气闸1312和曲轴箱1304之间的恒定压力差。替代地，可通过经由泵或释放阀向曲轴箱1304添加工作流体或从曲轴箱1304移除工作流体来实现气闸1312和曲轴箱1304之间的恒定压力差。该泵和释放阀可由压力调节器控制。可将工作流体从单独的源(例如工作流体容器)添加到气闸1312(或曲轴箱1304)，或者可从曲轴箱1304转移走。如果将工作流体从曲轴箱1304转移到气闸1312，可能希望在将其传送到气闸1312中之前过滤该工作流体，以防止任何润滑剂从曲轴箱1304进入气闸1312中并最终进入工作空间1306中，因为这可能导致发动机故障。
在该机械的一些实施例中，可通过与工作流体具有不同热属性的流体来填充曲轴箱1304。例如，在工作气体是氦气或氢气的情况下，可通过氩气来填充曲轴箱。由此，曲轴箱被加压。在一些实施例中，使用了氦气，但在其它实施例中，可使用本文所述的任何惰性气体。因此，在示例性实施例中，曲轴箱是湿式加压曲轴箱。在不使用润滑流体的其它实施例中，曲轴箱不是湿式的。
在示例性实施例中，滚动膜片1300不允许气体或液体穿过它们，这允许工作空间1306保持干燥且曲轴箱1304是具有润滑流体的湿式油底壳式的。由于允许湿油底壳式曲轴箱1304，提高了发动机的效率和寿命，因为在摇摆杆驱动件1316中存在较小的摩擦。在一些实施例中，也可通过使用润滑流体和滚动膜片1300来避免在驱动件1316中使用滚子轴承和滚珠轴承。这可进一步降低发动机噪音并提高发动机寿命和效率。
图12A-12E示出了滚动膜片(如1400、1410、1412、1422和1424所示)的各种实施例的截面图，这些滚动膜片被构造成安装在顶部密封活塞和底部密封活塞之间(如图10A中的1328、1310所示)并在顶部安装表面与底部安装表面之间(如图10A中的1320、1318所示)。在一些实施例中，该顶部安装表面可以是气闸或工作空间的表面，该底部安装表面可以是曲轴箱的表面。
图12A示出了滚动膜片1400的一个实施例，其中，滚动膜片1400包括可位于顶部密封活塞和底部密封活塞之间的平坦内端1402，以便在顶部密封活塞和底部密封活塞之间形成密封。滚动膜片1400也包括可位于顶部安装表面和底部安装表面之间的平坦外端1404，以便在顶部安装表面和底部安装表面之间形成密封。图12B示出了滚动膜片的另一个实施例，其中，滚动膜片1410可包括延伸到平坦内端1406的多个弯曲部1408，以提供额外的支撑以及顶部密封活塞和底部密封活塞之间的密封接触。图12C示出了滚动膜片的另一个实施例，其中，滚动膜片1412包括延伸到平坦外端1414的多个弯曲部1416，以提供额外的支撑以及顶部安装表面和底部安装表面之间的密封接触。
图12D示出了滚动膜片的另一个实施例，其中，滚动膜片1422包括沿着其内端1420的凸筋(bead)，以便在顶部密封活塞和底部密封活塞之间形成“O形环”式密封，且滚动膜片1422包括沿着其外端1418的凸筋，以便在顶部安装表面和底部安装表面之间形成“O形环”式密封。图12E示出了滚动膜片的另一个实施例，其中，滚动膜片1424包括延伸到具有凸筋的内端1426的多个弯曲部1428，以提供额外的支撑以及顶部密封活塞和底部密封活塞之间的密封接触。滚动膜片1424也包括延伸到具有凸筋的外端1432的多个弯曲部1430，以提供额外的支撑以及顶部密封活塞和底部密封活塞之间的密封接触。
尽管图12A到12E描绘了滚动膜片的各种实施例，但应理解，可通过本领域公知的任何其它机械装置将滚动膜片固定到位。替代地，该滚动膜片可被如2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)的美国专利申请No.13/447,990中公开的金属波纹管替代，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入。
滚动膜片和/或波纹管的实施例
上文描述了用于密封的滚动膜片和/或波纹管的各种实施例。对于本领域技术人员来说，基于上文的描述和下文关于滚动膜片和/或波纹管的参数的额外描述，进一步的实施例将是显而易见的。
在一些实施例中，在气闸空间或气闸区域(这两个术语可互换使用)中，滚动膜片和/或波纹管上方的压力是该机械(在一些实施例中，是发动机)的平均工作气体压力，而在曲轴箱区域中，滚动膜片和/或波纹管下方的压力是环境压力/大气压力。在这些实施例中，要求滚动膜片和/或波纹管在其两侧多达3000psi的压力下运行(在一些实施例中，最高达1500psi或更高)。在此情况下，所述滚动膜片和/或波纹管密封件形成用于该机械(在示例性实施例中是发动机)的工作气体(氦气、氢气或其它)遏制屏障。而且，在这些实施例中，由于现在需要在环境压力下简单地容纳润滑流体(在示例性实施例中，机油用作润滑流体)和气体，像常规的内燃式(“IC”)发动机一样，消除了对用于容纳发动机底端的重的、压力额定的结构容器的需要。
在滚动膜片和/或波纹管密封件两侧的这种极限压力下使用该滚动膜片和/或波纹管密封件的能力取决于几个参数的相互作用。现在参照图13A，示出了滚动膜片或波纹管材料上的实际负荷的示例。如图所示，该负荷是压力差和用于所安装的滚动膜片或波纹管密封件的环形间隙面积的函数。
区域1表示滚动膜片和/或波纹管的与由活塞和气缸形成的壁接触的部分。由于滚动膜片和/或波纹管两侧的压力差，该负荷基本上是轴向方向上的拉伸负荷。由于滚动膜片和/或波纹管两侧的压力而引起的该拉伸负荷可以表达为：
Lt＝Pd*Aa
其中，
Lt＝拉伸负荷，且
Pd＝压力差
Aa＝环形面积
并且
Aa＝p/4*(D2-d2)
其中，
D＝气缸内径，且
d＝活塞直径
波纹管材料中的拉伸应力分量约为：
St＝Lt/(p*(D+d)*tb)
归纳为：
St＝Pd/4*(D-d)/tb
稍后，将示出卷折部(convolution)的半径Rc与气缸内径(D)和活塞直径(d)的关系，其被定义为：
Rc＝(D-d)/4
所以，对于St该公式被归纳为其最终形式：
St＝Pd*Rc/tb
其中，
tb＝波纹管材料的厚度
仍然参照图13A，区域2表示卷折部。当滚动膜片和/或波纹管材料在该卷折部中使边角弯折时，可计算施加到滚动膜片和/或波纹管材料上的环向应力。对于波纹管的形成该卷折部的区段，环向应力分量能够接近地近似为：
Sh＝Pd*Rc/tb
滚动膜片和/或波纹管在其内部卷曲的环形间隙通常被称为卷折部面积。通常，滚动膜片和/或波纹管的疲劳寿命由该拉伸(和环向)负荷以及疲劳这两者的综合应力所限制，该拉伸(和环向)负荷是由于压力差而引起的，该疲劳是由于织物卷曲经过所述卷折部时弯曲而引起的。织物在该“卷曲”期间呈现的半径在此被定义为卷折部的半径Rc：
Rc＝(D-d)/4
滚动膜片和/或波纹管材料中的在其卷曲经过该卷折部的半径Rc时的弯曲应力Sb是该半径以及处于弯曲中的材料的厚度的函数。对于纤维增强的材料，纤维本身中的应力(在示例性实施例中的规定的偏转期间)随着纤维直径的减小而减少。对于相同水平的弯曲，较低的合成应力允许增大的疲劳寿命极限。随着纤维直径的进一步减小，在将纤维中的弯曲应力保持在其耐受极限之下的同时实现了减小卷折部半径Rc的柔性。同时，随着Rc的减小，由于活塞和气缸之间的环形空间中存在较小的未支撑面积，织物上的拉伸负荷减小了。纤维的直径越小，最小的Rc就越小，环形面积就越小，从而产生更高的容许压力差。
对于围绕规定半径的弯曲，弯曲力矩被近似为：
M＝E*I/R
其中：
M＝弯曲力矩
E＝弹性模量
I＝惯性力矩
R＝弯曲半径
经典的弯曲应力Sb被计算为：
Sb＝M*Y/I
其中：
Y＝弯曲的中性轴上方的距离
代入上式，产生了：
Sb＝(E*I/R)*Y/I
Sb＝E*Y/R
假定弯曲是围绕中心的中性轴进行的，则：
Ymax＝tb/2
Sb＝E*tb/(2*R)
在一些实施例中，用于高循环寿命的滚动膜片和/或波纹管的设计是基于如下的几何结构，即：其上施加的弯曲应力比基于压力的负荷(环向和轴向应力)保持低大约一个数量级。基于等式Sb＝E*tb/(2*R)，清楚得知，使tb与Rc成正比例地最小化不会增大弯曲应力。滚动膜片和/或波纹管材料或薄膜的示例性实施例的最小厚度与弹性体的强化中使用的最小纤维直径直接相关。所使用的纤维越细，对于给定的应力水平，所引起的Rc越小。
该滚动膜片和/或波纹管上的另一个限制性负荷分量是卷折部中的环向应力(当被活塞或气缸支撑时，该环向应力理论上与轴向负荷在量级上是相同的)。该负荷的控制方程如下：
Sh＝Pd*Rc/tb
因此，如果Rc与tb成正比例地减小，则该区域中不存在所述膜片上的应力的增大。然而，如果以如下方式减小该比率，即与tb相比将Rc减小更大的比率，则这些参数必须被平衡。因此，与Rc相关地减小tb需要该滚动膜片和/或波纹管承受由于压力引起的更大应力，但有助于减小由于弯曲引起的应力水平。所述基于压力的负荷基本上是恒定的，所以，这可能是有利的——由于弯曲负荷是周期性的，因此，最终限制疲劳寿命的是弯曲负荷分量。
为了减小弯曲应力，tb理想地应该处于最小值，且Rc理想地应该处于最大值。E理想地也处于最小值。对于环向应力的减小，Rc理想地是小的，而tb理想地是大的。
因此，该滚动膜片和/或波纹管膜材料的关键参数是：
E，膜片材料的弹性模量；
tb，膜片厚度(和/或纤维直径)；
Sut，滚动膜片和/或波纹管的极限拉伸强度；和
Slcf，滚动膜片和/或波纹管的极限疲劳强度。
因此，根据E、tb和Sut，可计算出最小的可接受的Rc。其次，使用Rc、Slcf和tb，可计算出最大的Pd。可调节Rc以使稳态压力应力和循环弯曲应力之间的负荷(应力)分量的偏差移位。因此，理想的滚动膜片和/或波纹管材料是非常薄的，张力非常强且在屈曲方面是非常柔软的。
因此，在一些实施例中，滚动膜片和/或波纹管材料(有时称为“隔膜”)由碳纤维纳米管制成。然而，也可使用其它的细纤维材料，包括(但不限于)经编织的纳米管纤维、纳米管无捻丝纤维或者任何其它常规材料，包括但不限于：KEVLAR、玻璃、聚酯、合成纤维和具有上文详细描述的期望直径和/或其它期望参数的任何其它材料或纤维。
活塞密封件和活塞杆密封件
现在参照图11，示出了该机械的一个实施例，其中，诸如斯特林循环发动机的发动机1326包括至少一个活塞杆密封件1314、活塞密封件1324、和活塞导向环1322(如图14中的1616所示)。在下文以及如前文提到的美国专利申请No.10/175,502(目前已放弃)中进一步讨论了活塞密封件1324和活塞导向环1322的各种实施例，该美国专利申请在此通过引用的方式并入。
图14示出了沿着气缸的中心轴线1602或气缸1604驱动的活塞1600的局部截面图。活塞密封件(如图11中的1324所示)可包括密封环1606，该密封环1606提供了对气缸1604的接触表面1608的密封。接触表面1608通常是具有12RMS表面光洁度或更光滑的硬化金属(优选为58-62RC)。接触表面1608可以是经表面硬化的金属，例如8260硬化钢，它可容易地被表面硬化并可被研磨和/或打磨，以实现期望的光洁度。活塞密封件也可包括垫环1610，该垫环1610是弹簧加力的以对密封环1606提供推力，从而提供足够的接触压力来确保围绕该密封环1606的整个外表面的密封。密封环1606和垫环1610可一起被称为活塞密封复合环。在一些实施例中，该至少一个活塞密封件可将气缸1604的热部与气缸1604的冷部密封隔离。
现在参照图15，一些实施例包括安装在活塞杆气缸壁1700中的活塞杆密封件(如图11中的1314所示)，在一些实施例中，该活塞杆密封件可包括密封环1706，该密封环1706提供对活塞杆1604的接触表面1708(如图11中的1302所示)的密封。在一些实施例中，接触表面1708是具有12RMS表面光洁度或更光滑的硬化金属(优选为58-62RC)。接触表面1708可以是经表面硬化的金属，例如8260硬化钢，它可容易地被表面硬化并可被研磨和/或打磨，以实现期望的光洁度。该活塞密封件也可包括垫环1710，该垫环1710是弹簧加力的以对密封环1706提供径向或环向力，从而提供足够的接触环向压力来确保围绕密封环1706的整个内表面的密封。密封环1706和垫环1710可一起被称为活塞杆密封复合环。
在一些实施例中，该密封环和垫环可定位在活塞杆上，其中，该垫环在密封环上施加向外的压力，且密封环可与活塞杆气缸壁1702接触。与之前的实施例相比，这些实施例需要更大的活塞杆气缸长度。这是因为活塞杆气缸壁1702上的接触表面将比之前的实施例(其中，接触表面1708位于活塞杆自身上)中更长。在又一实施例中，活塞杆密封件可以是本领域公知的任何功能密封件，包括但不限于：O形环、石墨间隙密封件、玻璃圆筒中的石墨活塞、或者任何空气件(air pot)、或弹簧加力的唇形密封件。在一些实施例中，可使用具有紧密间隙的任何物体，在其它实施例中，使用了任何具有过盈的物体，例如密封件。在示例性实施例中，使用了弹簧加力的唇形密封件。可使用任何弹簧加力的唇形密封件，包括由美国加州Foothill Ranch市的BAL SEAL工程公司制造的那些弹簧加力的唇形密封件。在一些实施例中，所使用的密封件是BAL SEAL的型号为X558604的零件。
通过考虑该密封环1606和1706分别相对于接触表面1608和1708的摩擦系数与在密封环1606和1706上产生的磨损之间的平衡，来选择密封环1606和1706的材料。在不可能实现活塞润滑的应用中，例如在斯特林循环发动机的高运行温度下，使用了工程塑料环。这种构成的实施例包括被加载有润滑和耐磨材料的尼龙基体。这样的润滑材料的示例包括PTFE/硅树脂、PTFE、石墨等。耐磨材料的示例包括玻璃纤维和碳纤维。这样的工程塑料的示例由美国宾州Exton的LNP工程塑料公司制造。垫环1610和1710优选是金属的。
密封环1606、1706与密封环凹槽1612、1712之间的配合优选均是间隙配合(大约0.002”)，而垫环1610和1710的配合优选是更宽松的配合，在一些实施例中，它达到大约0.005”的程度。根据环1606和1706两侧的压力差的方向以及活塞1600或活塞杆1704的行进方向，密封环1606和1706分别提供对接触表面1608和1708的压力密封，并且也分别提供对密封环凹槽1612和1712的表面1614和1714之一的压力密封。
再次参照图14，根据一些实施例，也可设置至少一个导向环1616，用于在活塞1600在气缸1604内上下移动时承受活塞1600上的任何侧向负荷。优选地，导向环1616也由加载有润滑材料的工程塑料材料制成。图16A、16B中示出了导向环1616的透视图。示出了重叠接头2100并且该重叠接头2100可以相对于导向环1616的中心轴线是斜的。导向环1616和位于移动的活塞上或者修边静止部分上的其它导向元件能够承受比压力密封沙和相关的垫环支撑的侧向负荷更大的显著侧向负荷。在优选实施例中，垫环1610在完全被压缩时施加小于15psi。垫环1610和压力密封件1606能够承受显著的侧向负荷，因而不被设计成引导活塞1600。
现在参照图68A，其示出了斯特林发动机和燃烧器的实施例的截面图，在一些实施例中，可通过减小和/或最小化该杆密封件和活塞杆之间的轴向失准(misalignment)来使活塞杆上的杆密封件的服役时长(即寿命)延长和/或最大化。在一些实施例中，杆密封件可在工作空间和气闸之间的压力差低时径向浮动，而在工作空间和气闸之间的压力差高时形成气体密封。
包括在工作空间和气闸空间之间的气缸压盖壳体的杆密封组件被构造成接收布置在工作空间和气闸空间内的往复式活塞杆。浮动衬套被构造成在气缸压盖内轴向和径向移动并围绕往复式杆同轴地布置。杆密封件被构造成将往复式杆的外径相对于该浮动衬套和固定在所述壳体内的至少一个固定衬套的内表面密封，该至少一个固定衬套可与浮动衬套形成密封，以限制气体在所述工作空间和气闸之间的流动。该杆密封件可以是弹簧加力的密封件。该浮动衬套还可包括在外表面上的周向凸缘，该周向凸缘被构造成延伸到由两个固定衬套形成的环形空间中，并在工作空间和气闸之间存在压力差的情况下与所述固定衬套之一形成密封。
该杆密封组件也可包括刮油环，该刮油环围绕活塞杆同轴地布置并在气缸压盖壳体内布置在浮动密封件和工作空间之间。该气缸压盖壳体可包括端口，该端口将工作空间连接到在刮油环和浮动密封件之间的围绕所述往复式杆的环形间隙，使得刮油环两侧的压力差最小。该杆密封组件还可包括在刮油环和浮动密封件之间的磁性微粒捕集器。
在另一个实施例中，该杆密封组件包括在工作空间和气闸空间之间的气缸压盖壳体，该杆密封组件被构造成接收布置在工作空间和气闸空间内的往复式活塞杆。浮动间隙衬套被构造成在所述壳体内轴向和径向移动，围绕往复式活塞杆同轴地布置并与活塞杆形成间隙密封。该气体压盖包括固定在所述壳体内并构造成与所述浮动间隙衬套形成端面密封的至少一个固定的环形元件。
现在参照图68A-69F，示出了活塞杆密封单元13750，该活塞杆密封单元13750允许杆密封件13770径向移动，以使杆密封件13770上的力最小并使杆密封件13770的寿命最长。另外，活塞杆密封单元13750包括用于保护杆密封件13770免受微粒的部件。在各种实施例中，活塞杆密封单元13750安装在斯特林发动机驱动件的管板13715中并在每个活塞杆13744上提供在活塞13738下方的工作空间之间的相对于气闸13736的气体密封。活塞杆密封单元13750被呈现在图69A-69C中，其中，为了清楚起见，移除了活塞杆13744，其中，杆密封件13770安装在浮动的杆密封组件13760中并且一个或多个浮动的杆密封组件13760安装在气缸压盖13752中。工作空间中的压力可相对于气闸压力变化+300psi，这要求杆密封件13770使两个方向上的气体泄漏最小。工作空间13738和气闸13736之间的少量泄漏是容许的，甚至是希望的，以允许多个工作空间13738中的每个工作空间的平均压力与单个气闸13736中的压力相等，从而彼此相等。穿过任何活塞杆密封单元13750的大的气体泄漏将减小工作空间中的压力摆动，从而降低斯特林发动机的功率和效率。活塞杆13744和杆密封件13770之间的滑动运动可引起密封表面的磨损和磨耗，这导致泄漏、密封失效、以及发动机功率和效率的降低。
仍然参照图68A-69C，为了使磨损最小化，在一些实施例中，杆密封件13770可有利地与活塞杆13744同轴地设置，以使杆密封件13770的活动密封表面均匀地压靠活塞杆13744。在一些实施例中，如图68A所示，可通过在一端上的十字头轴承13746和在另一端上的气缸中的活塞导向环13742来约束活塞杆13744的位置和运动路径。十字头轴承13746或活塞导向环13742的失准或径向运动可导致活塞杆13744不处于杆密封件13770(例如气缸压盖13752)的安装结构的中心，或者在行程期间引起活塞杆13744的轻微移动。该浮动的杆密封组件13760(图69B)允许杆密封件13770径向移动，以使杆密封件13770自身居中地位于活塞杆13744上或者使围绕杆密封件13770圆周的密封表面上的径向力的变化最小。该浮动的杆密封组件13760在允许活塞杆密封件13770的径向移动的同时、也可对工作空间13738和气闸13736之间的工作气体的流动维持显著的密封，但在一些实施例中，这不是完全密封。
仍然参照图68A-69C，活塞杆密封单元13750包括一个或多个安装在气缸压盖13752中的、浮动的杆密封组件13760，该活塞杆密封单元13750可通过螺栓连接到管板13715。在一些实施例中，活塞杆密封单元13750可设置成与加热器头13712和/或发动机缸体13741对齐，该发动机缸体13741经由气缸压盖13752上的结构特征和确保该管板13715与冷却器板13717及发动机缸体13741的正确对准的结构元件来引导十字头轴承13746。在一些实施例中，气缸压盖13752上的直径13784与管板13715上的沉孔直径匹配。
仍然参照图68A-69C，在一些实施例中，活塞杆密封单元13750包括：壳体13754、刮油环13778、微粒捕集器13780和端口13782，一个或多个浮动的杆密封组件13760被压入并轴向约束在该壳体13754中，端口13782用于使刮油环13778两侧的压力差最小化。浮动的杆密封组件13760包括外环13762、至少一个衬套13764(其中，在一些实施例中，可包括两个衬套13764)、浮动衬套13766和杆密封件13770。在一些实施例中，通过如下方式来组装该浮动的杆密封组件13760的元件：将第一衬套13764压入到外环13762中直到该衬套13764的一端与外环13762的一端齐平；在第一衬套13764的未对齐端部上将浮动衬套13766放入外环13762中；将第二衬套13764压入外环13762中直到第二衬套13764的一端与外环13762的一端齐平并将浮动衬套13766捕获在两个衬套13764之间；以及，将杆密封件13770压入到浮动衬套13766中。
仍然参照图68A-69C，在各个实施例中，可设定该浮动的杆密封组件13760的元件的尺寸，以在相对于外环13762刚性地保持衬套13764的同时允许浮动衬套13766轴向和径向地移动。在各种实施例中，可设定衬套13764的外径和外环13762的内径的尺寸，以提供轻微的过盈配合，使得这些衬套不相对于外环13762移动。在一些实施例中，可设定衬套13764的外径和外环13762的内径的尺寸，以提供定位配合(location fit)。在各种实施例中，可设定外环13762和两个衬套13764的高度以及肋13766A的轴向厚度，使得已组装的衬套13764之间的轴向间隙大于肋13766A的轴向厚度。所产生的轴向间隙13768可在0.001到0.02英寸的范围内变化。在一些实施例中，轴向间隙13768在约0.002到约0.004英寸的范围内变化。在各种实施例中，选择外环13762的外径和壳体13754的内径以提供防漏的密封。在各种实施例中，可选择外环13762的外径和壳体13754的内径以具有轻微的过盈配合。在另一个实施例中，可选择外环13762的外径和壳体13754的内径以具有定位配合。
仍然参照图68A-69C，在各种实施例中，外环13762和壳体13754可由金属制成。在各种实施例中，衬套13764、13766可由具有高耐磨性的金属制成。在各种实施例中，气缸压盖13752可由金属或呈现抗开裂和抗疲劳失效的高强度塑料制成。在一些实施例中，气缸压盖13752可以是4140钢。在各种实施例中，衬套13764、13766可由耐磨钢例如P20(即，真空处理的4140钢)或具有相似强度和耐磨性的金属制成。在各种实施例中，外环13762和所述壳体可由经过处理以实现28-32的洛氏硬度的4140或4340钢或具有相似强度和硬度的金属制成。浮动衬套13766和衬套13764上的彼此接触的表面(例如图69B中的13769)提供了金属间密封。在各种实施例中，浮动衬套13766和衬套13764的接触表面可具有光滑的表面光洁度。在一些实施例中，该表面光洁度可小于32微英寸RA。在另一个示例中，该表面光洁度小于16微英寸RA。
仍然参照图68A-69C，在各种实施例中，杆密封件13770可以是弹簧记载的密封件。在一些实施例中，围绕支承表面卷绕的螺旋弹簧13770A可将密封件13770B的唇部朝着活塞杆13744推压。在一些实施例中，该支承表面可由复合聚合物构成。在一些实施例中，该支承材料可以是PFTE复合材料。在一些实施例中，杆密封件13770可包括围绕其外径的O形环13770C，以提供对杆密封件13770的外径上的轴向气流的密封。在一些实施例中，该密封件可以是石墨或浸渍有锑的石墨和/或可由任何材料和/或材料的任何组合和/或复合物制成。在一些实施例中，该密封件可由浸渍有锑的石墨制成，它可来自于德国的SGL碳素公司。在一些实施例中，该杆密封件可以是由美国科罗拉多州Golden市的CoorsTek公司或美国加州Foothill Ranch市的Bal Seal公司供应的零件。
仍然参照图68A-69C，在一些实施例中，可按照如下方法来组装所述浮动的杆密封组件并将其轴向地约束在壳体13754中：将第一浮动的杆密封组件13760从凸缘端13754A压入壳体13754中直到它与凸缘端13754A齐平；将垫圈13758从凸缘端13754A压入壳体13754中直到它与凸缘端13754A齐平；将第二垫圈13758放置在第一浮动的杆密封组件13760的另一端上；将第二浮动的杆密封组件13760从螺纹端13754B压入壳体13754中；将第三垫圈13758放置在第二浮动的杆密封组件13760上；以及将配件13776拧入到壳体13754中，以轴向固定该组件13760和垫圈13758。在一些实施例中，在配件13776被拧入壳体13754中并以预定的力矩紧固的同时，可将壳体13754固定到刚性表面。在各种实施例中，可使用对本领域技术人员来说显而易见的各种方法来组装该浮动的杆密封组件13760、垫圈13758和配件13776。
仍然参照图68A-69C，在一些实施例中，可通过将下列部件的一些或全部压入或插入到气缸压盖13752中来组装活塞杆密封单元13750：带有浮动的杆密封组件13760的壳体13754；和/或微粒捕集器13780；和/或刮油环13778。在各种实施例中，端板13756可通过螺栓连接到气缸压盖13752的底部，以将浮动的杆密封组件13760、微粒捕集器13780和/或刮油环13778锁位。在各种实施例中，可将端口13782拧入到气缸压盖的在刮油环13778和包含浮动密封件的壳体13754之间的一侧中，以便该刮油环13778的两侧暴露于相同的工作空间压力下。端口13782包括端口13782A和微粒过滤器13782B，在一些实施例中，该端口13782A和微粒过滤器13782B是分开的零件。在各种实施例中，一个或多个周向O形环可设置在壳体13754和气缸压盖13752之间并在壳体13754和配件13776之间，以通过活塞杆密封单元13750来密封泄漏路径。在一些实施例中，在端板13756和壳体13754之间以及在端板13756和第一垫圈13758之间可存在轴向的或平面的O形环，以通过活塞杆密封单元13750来密封泄漏路径。
在各种实施例中，可不同地组装该浮动的杆密封组件13760，例如将各个元件压入壳体13754中。在另一个实施例中，可将外环13762并入到壳体13754中，从而可将衬套13764、浮动衬套13766和杆密封件13770安装到壳体13754中。在另一个实施例中，可将浮动的杆密封组件13760直接压入或插入到气缸压盖13752或管板13715中。
仍然参照图68A-69C，刮油环13778、微粒捕集器13780、端口13782和过滤器13782B可用于保护杆密封件13370和该浮动的杆密封组件免受微粒的影响和/或可防止微粒随着到活塞杆密封单元13750中的气体的移动而进入活塞杆密封单元13750。例如，在一些实施例中，当细丝的碎片使回热器中断时，可能会在工作空间中产生微粒。在一些实施例中，当活塞接触气缸时，可能产生金属微粒。在一些实施例中，可由于加热器头中金属的氧化或其它原因而产生金属薄片。到达杆密封件13370的金属和/或氧化的金属微粒可能会刮擦活塞杆13744或损害杆密封件13370，从而导致泄漏和较低的功率或过早的密封失效。微粒也可能卡在位于所述衬套和浮动衬套13766之间的轴向间隙13768中，这可能造成围绕杆密封件13770的泄漏路径，该泄漏路径可能降低发动机功率。因此，在各种实施例中，希望使金属微粒最少化和/或防止金属微粒进入活塞杆密封空间。在各种实施例中，刮油环13778和/或过滤器13782B可使进入活塞杆密封单元13750的微粒数目最少。微粒捕集器13780可用于吸引并保持经过刮油环13778或过滤器13782B的微粒。在一些实施例中，该微粒捕集器可包括一个或多个磁体13780A，该磁体13780A能够吸引可能含有铁的钢微粒和金属氧化物。
在各种实施例中，端口13782可通过将刮油环13778的底侧与同一工作空间13738流体连接来防止和/或最小化和/或减小刮油环13778两侧的压力差，在该同一工作空间13738中，刮油环13778的顶部可能暴露。在各种实施例中，该端口可防止和/或最小化和/或减小由于平均工作空间压力的变化和/或由于刮油环13778的作用而产生的刮油环13778两侧的压力差，该平均工作空间压力的变化可发生在各种阶段，例如但不限于在起动期间，刮油环13778的作用例如允许在沿着活塞杆13744的一个方向上的流动，但不允许在其它方向上的流动。仍然参照图68A-69C，在一些实施例中，刮油环13778可以是弹簧加力的唇形密封环。在一些实施例中，围绕支承表面卷绕的螺旋弹簧可将支承表面的端部朝着活塞杆13744和该支承表面推压。在一些实施例中，该支承表面可由复合聚合物制成。在一些实施例中，该支承表面可由PFTE复合材料制成。在一些实施例中，杆密封件13770可以是由美国科罗拉多州Golden市的CoorsTek公司或美国加州Foothill Ranch市的Bal Seal工程公司供应的零件。
仍然参照图68A-69C，在一些实施例中，浮动的杆密封组件13760允许杆密封件13370自动居中地位于往复式活塞杆13744上。被密封到杆密封件13770的外径上的浮动衬套13766可与固定衬套13764、13765中的一个形成端面密封，以防止气体围绕该杆密封件泄漏。在一些实施例中，可通过这两个固定衬套13764、13765之间的比浮动衬套13766的周向肋13766A的厚度大0.002到0.004英寸的小的轴向距离来约束该浮动衬套13766的轴向移动。
仍然参照图68A-69C，在一些实施例中，可通过考虑轴向压力差在每个行程期间改变方向时的浮动衬套13766的运动来最好地理解浮动衬套13766的运行。此处，该轴向压力差是沿着活塞杆13744的轴线从杆密封件13770或浮动衬套13766的一侧到另一侧的压力差。可通过考虑当活塞杆13744在其行程的顶部或在其行程的底部时的一个活塞杆13744和相配合的活塞杆密封单元13760来理解所述浮动的杆密封组件13760的密封作用。此时，在每个浮动的杆密封组件13760两侧存在大的轴向压力差，它将浮动衬套13766推压到固定衬套13764、13765之一上并形成金属间密封13769。在活塞杆13744的每个行程中的一些时刻，工作空间13738和气闸13736之间的压力差将逆转。在大致相同的时间，压力差逆转，每个浮动的杆密封组件13760两侧的轴向压力是零。当压力差接近于零并自动居中地位于活塞杆13744上时，浮动衬套13766可在浮动的杆密封组件13760中径向移动。活塞杆密封单元13750两侧的零压力差和所述浮动的杆密封组件13760两侧的零轴向压力差之间的延迟可以是由于活塞杆密封单元13750内的或穿过活塞杆密封单元13750的流动阻力和流量(flowvolume)。当活塞杆13744继续其行程时，该浮动的杆密封组件13760两侧的压力差在相反的方向上重新形成并将浮动衬套13766推压到另一个衬套13764或13765上，从而重新形成金属密封。因此，当工作空间13738和气闸13736之间产生显著的压力差时，浮动衬套13766可在每个行程的一部分期间径向移动，以适应活塞杆13744的运动的变化并对衬套13764之一形成密封。
现在参照图69D，在一些实施例中，活塞杆密封单元13750可包括一个或多个浮动间隙衬套13870，该一个或多个浮动间隙衬套13870可为活塞杆13744提供间隙密封。该间隙密封是在活塞杆13744的外径与所述浮动间隙衬套13870的内径之间的长而窄的径向间隙，它产生足够大的流动阻力，使得微量的工作气体穿过该间隙密封而泄漏。大约是气闸的平均压力的工作空间的振荡压力确保当工作空间压力与气闸相关时从工作空间中泄漏的任何气体将在工作空间的压力低时泄漏回气闸中。
在一些实施例中，浮动间隙衬套13870的内径在室温下比活塞杆13744的外径大0.0005到0.001英寸，并且该浮动间隙衬套13870是0.71英寸长。在一些实施例中，当活塞杆可能比室温高约30到70℃时，由于运行期间的热膨胀，活塞杆的外径例如可增大数万分之一英寸。在一些实施例中，为了将工作空间13738相对于气闸13736(图68A)密封，浮动间隙衬套13870(图69D)也可形成轴向密封，以防止气体围绕该浮动间隙衬套13870的外径流动。当工作空间中的压力高于气闸的压力时，浮动间隙衬套1370可与端板13756和垫圈13858形成轴向端面密封。当工作空间的压力低于气闸的压力时，该浮动间隙衬套将与带螺纹的配件13876及垫圈13858形成轴向端面密封。
在各种实施例中，外环13862的尺寸可设定为允许所述浮动间隙衬套13870径向移动并使轴向移动最小化。在一些实施例中，外环13862例如可具有比浮动间隙衬套13870的外径大0.03英寸的内径，并且外环13862的轴线长度例如可比该浮动间隙衬套长0.0002到0.0005英寸。在一些实施例中，外环13862的长度可与浮动间隙衬套13870的长度匹配。浮动间隙衬套13870、垫圈13858和外环13862可组装到壳体13754中，并且该组件可在端板13756和带螺纹的配件13876之间被轴向保持到位。带螺纹的配件13876被拧入到壳体13754中并接触外环13862，从而设定该浮动间隙衬套13870的轴向间隔。图69D中的实施例可包括微粒捕集器13780、刮油环13778、关于图69A描述的端口和过滤器。在其它实施例中，可将图69D中的两个浮动间隙衬套13870和垫圈13858替换为单个浮动间隙衬套，以减少零件数和成本。在一些示例中，该单个浮动间隙衬套可以是图69D中的浮动间隙衬套13870的两倍长。
现在参照图69E，在一些实施例中，活塞杆密封单元13750包括一个或多个浮动间隙衬套13970和在每个浮动间隙衬套13970的一端上的端面密封件13972，其中，浮动间隙衬套13970提供与活塞杆13744的间隙密封。端面密封件13972可采取多种形式，包括但不限于被加压的唇形密封件或O形环。端面密封件13972可将浮动间隙衬套13970的改进的轴向密封提供给带螺纹的配件13876和端板13756。由于很多原因，该端面密封件的使用是有益的，这些原因包括但不限于：它可允许在衬套和配合表面的端部上使用更粗糙的表面光洁度。图69E中的实施例可包括微粒捕集器13780、刮油环13778、参照图69A描述的端口和过滤器、以及图69D中描述的外环13862、垫圈13858和壳体13754。
现在参照图69F，在一些实施例中，活塞杆密封单元13750可包括混合式密封件，该混合式密封件包括浮动间隙衬套13971和加压的唇形密封件13752。在一些实施例中，与间隙密封件或唇形密封件自身能够实现的相比，该混合式密封件可提供更好的密封和更长的“寿命”或服役时间。唇形密封件13752可提供比唇形密封件13752接触移动的活塞杆13744时的间隙密封更好的密封。浮动间隙衬套13971和活塞杆之间的间隙密封可减小唇形密封件13752两侧的压降，这可延长该唇形密封件的“寿命”或服役时间。在一些实施例中，浮动密封件13971可包括端面密封件13972。图69F中的实施例可包括微粒捕集器13780、刮油环13778、参照图69A描述的端口和过滤器、以及图69D中描述的外环13862、垫圈13858和壳体13754。
在各种实施例中，图69D-69F中的浮动间隙衬套可由具有低摩擦系数、低磨损和高强度的材料形成。用于该浮动间隙衬套的材料包括但不限于下列中的一个或多个：PTFE、Rulon、工程塑料、石墨和石墨共混物。在一些实施例中，该材料可以是浸渍有锑的石墨，例如来自德国的SGL碳素公司生产的、在EK3205等级下的浸渍有锑的石墨。
直线十字头轴承
现在参考图71A，其示出了斯特林发动机的一个实施例的截面图，该发动机具有驱动器13920，以将活塞13930的直线运动转换成曲轴和发电机的旋转运动。驱动器13920是将活塞的直线运动转换成发电机的旋转运动的驱动器的一个示例。美国专利6,253,550中提供了将活塞的直线运动转换成发电机的旋转运动的驱动器的另一示例，该美国专利通过引用的方式并入本文。
仍然参考图71A，活塞13930完全由直线轴承13946形式的十字头引导。直线十字头轴承13946接收发动机的润滑驱动器中的所有侧向负荷，并从活塞和活塞杆上的密封件去除所有侧向负荷。该润滑的直线十字头轴承能够以很少的摩擦和几乎为零的磨损来吸收侧向负荷。直线十字头轴承13946具有足够大的长度/直径比、足够小的径向间隙，和/或与加热器头足够精确的对准，以确保活塞13930在发动机运行期间将不接触加热器头13712以及冷却器13915的缸壁。另外，直线十字头轴承13946可以从联杆13719接收侧向负荷。直线十字头轴承13946在没有可忽略的磨损或者可接受的摩擦负荷的情况下将这些侧向负荷传递至发动机缸体13949。
图71A-71C中的直线十字头轴承13946被构造成吸收来自联杆13719的所有侧向负荷并完全引导活塞13930和活塞杆13944，而不在活塞密封件13934或活塞杆密封单元13750上产生侧向负荷。优选地，直线十字头轴承13946是被供应有加压油的流体动力轴承。在一个示例中，该加压油被从发动机缸体13949中的通道(未示出)在环形件(annulus)13948处供应到轴承13946中。直线轴承13946的长度与直径之比至少为2.0。在优选实施例中，其长度与直径之比为2.20。直线十字头轴承13946的直径具有1.45英寸的直径，或者比加热器头13712的内径大63％。直线轴承直径的选择平衡了随着直径增大的轴向硬度以及也随着直径增大的摩擦损失。直线十字头轴承的其它实施例可具有不同的直径。直线十字头轴承13946的直径间隙大致等于轴承的直径除以1000。在优选实施例中，直线十字头轴承的标称直径间隙为0.0015英寸。通过在单次安装中对4个直线十字头轴承13946开4个导向孔来改进直线十字头轴承13746与加热器头13712、冷却器13915和活塞杆密封单元13750的轴向对齐。这4个导向孔可以是直线开孔的(linbored)，以提供笔直的并垂直于发动机缸体表面13949A的孔。
现在参考图14，该直线十字头轴承消除了对活塞1600上的导向环1616的需要。导向环1616可以是磨损部件，在一些情况下，该磨损部件具有比压力密封件1606、1614短的寿命。所述导向环也占据了活塞上的能够用于另外的压力密封件1606、1614的轴向空间。在一些情况下，压力密封件1606、1614的寿命随着在给定活塞上使用的密封件的数量而增加。
现在参考图71B，其示出了多缸发动机中的单个活塞/气缸以及驱动组件的一部分的截面图。直线十字头轴承13946完全引导活塞杆13744和活塞组件13930的运动。直线十字头轴承13946将活塞/或活塞杆限制为具有最小旋转的直线运动，使得活塞13930不能接触气缸壁13926。在一个实施例中，直线十字头轴承13946具有3.2英寸的最小接合长度以及0.0015英寸的直径间隙，使得活塞座(piston base)的最大径向运动小于0.005英寸，而0.005英寸是活塞座13932和气缸壁13926之间的径向间隙的一半。
在一个实施例中，直线十字头轴承13946包括骑跨在发动机缸体13949内的孔或导向件13950内的流体动力油层上的轴颈或轴13947。轴颈13947可以在第一端处经由可旋转接头连接至联杆13719，该联杆13719则连接至摇摆杆13916(图71A)。轴颈13947可在第二端上以刚性的方式连接至活塞杆13744。油泵(未示出)将加压的油经由导向件13950中的油环形件13948供应到位于轴颈13947和导向件13950之间的间隙中。在优选实施例中，该油环形件被定位成与导向件13950的两端大致等距离。轴颈13947和导向件13950之间的直径间隙可以为0.001英寸至0.002英寸之间的值。在优选实施例中，该直径间隙为0.0015英寸。导向件13950是贯穿发动机缸体13949的、具有稍大于轴颈直径的几乎恒定直径的孔部分。在优选实施例中，该导向件的直径比轴颈的直径大0.001至0.002英寸。直线十字头轴承13946位于活塞、将油润滑的驱动器与气闸及工作空间隔离的活塞杆密封件和波纹管下方。
现在参考图71C，在一些实施例中，轴颈13947的第二端包括用于滚动膜片或波纹管13960的内部底座或内部支撑件以及用于活塞杆13744的安装点。在一个示例中，波纹管13960的内卷边部被压缩，以在活塞杆13744穿过中空螺钉13964的同时、通过被拧入到轴颈13947的顶部中的中空螺钉13964保持在适当位置的垫圈13966产生气密密封。波纹管13960的外卷边部被卡在轴环13962和安装在发动机缸体13949中的波纹管支撑件13968之间。在正常运行中，气闸13766中的压力保持高于曲轴箱压力，从而产生正压差力。这种正压力差形成图71C所示的波纹管。正压力差将波纹管13960压在轴颈13947的外径以及支撑件13968的内径上，使得该波纹管上的应力大致被限制为小的未受支撑的U形。在使用时，气闸13736和曲轴箱之间的压力差可以逆转，从而更高的曲轴箱将波纹管13960向上推入气闸空间内。轴环13962被设定尺寸并包括平滑的下角，以将处于该逆转位置的波纹管13960支撑到外径之外，这将降低波纹管上的应力以及波纹管故障的可能性。在优选实施例中，轴环13962具有与波纹管支撑件13968的内径匹配的内径、以及0.10英寸的下角半径。
现在参考图72，活塞13930的一个实施例包括在活塞上方和下方的工作空间之间提供压力隔离而不接触气缸壁的间隙密封件13938。非接触密封将不会磨损，并且将具有长得多、甚至无限的寿命。由于活塞密封件可能是斯特林发动机的第一磨损或故障元件，所以，间隙密封件将极大地提高整个斯特林发动机的寿命并缩短故障或维修事件之间的时间。
间隙密封件13938的外径几乎等于、但略小于相配合的气缸13926(图71B中)的内径。在一个实施例中，间隙密封件13938由一种或多种非金属材料制成，包括但不限于：石墨、PTFE、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、陶瓷、含石墨的复合材料、含锑的复合材料、含PTFE的复合材料、含UHMWPE的复合材料。气缸的内径可以具有由下列材料构成的硬表面，包括但不限于：工具钢、不锈钢、陶瓷涂层。在一个实施例中，间隙密封件13938的外径比相配合的气缸的内径小0.0005至0.001英寸。在另一实施例中，间隙密封件13938的外径被加工成标称等于气缸的内径。活塞13930被组装到该气缸内并运行，以磨去较软的间隙密封件13938上的过盈配合部分。
在一些实施例中，活塞间隙密封件13938可以是石墨或者是浸有锑的石墨，和/或可以由任何材料和/或任何材料的组合和/或复合材料制成。在一些实施例中，间隙密封件13938可以由浸有石墨的锑制成，这种材料可以来自德国的SGL碳素公司。
在一个实施例中，间隙密封件13938包括在外径处的多个径向凹槽13938A。这些凹槽增大了间隙密封件13938和气缸壁之间的间隙中的轴向流动阻力。一种理论尤其提出了：垂直于轴向流的多个重复的凹槽13938A通过产生反复的膨胀和收缩而干扰流动并增大流动阻力。在一个实施例中，间隙密封件13938安装在活塞座13932中，并且被活塞拱顶部13934保持在适当位置。通过一个或多个O形环13958来防止气体在间隙密封件和活塞座之间泄露。
活塞13930包括安装至活塞杆13744的活塞座13942、活塞拱顶部13934、和一个或多个密封件13938。该活塞也可以包括一些发动机实施例中需要的一个或多个导向环13940。在活塞13930的其它实施例中，不包括导向环13940。活塞拱顶部13934还可以包括减少从活塞拱顶部13934的封闭端至活塞座13942的热能传递的内拱顶部13936。通过最小化从发动机的热端至冷端的寄生热传递(parasitic heat transfer)来提高整体发动机效率。寄生热传递是不涉及工作流体的\从热端至冷端的热能传递。寄生热传递的一个示例是从接近加热器温度的活塞拱顶部13934的热封闭端至接近冷却器温度的冷活塞座13932的轴向热传递。因此，减少通过该活塞的轴向热传递将提高发动机效率。另外，如果使接触密封件13934(图71B)保持更冷，则所述接触密封件13934(图71B)寿命更长，所以，减少通过活塞的轴向热传递将延长所述接触密封件的寿命。一种理论尤其陈述了：内拱顶部13936作为活塞拱顶部13934的封闭端和活塞座13932之间的辐射屏蔽而减少了轴向热传递。另一种理论陈述了：内拱顶部通过减少部分由于活塞的振荡运动而在拱顶部中产生的对流来减少轴向热传递。活塞拱顶部13934和内拱顶部13936中的气体量在发动机起动期间以及某些过渡状况期间改变。内拱顶部13936中的端口13944和活塞座13932中的小孔口13942允许气体移动到活塞13930中以及从活塞13930中移出。孔口13942足够小，以便对活塞中的压力起到低通过滤器的作用。活塞座13932下方的工作压力可以在每次发动机旋转时都改变超过100psi。孔口13942足够小，以使活塞中的压力在一次发动机旋转或循环期间保持几乎恒定。在优选实施例中，孔口13942具有0.004英寸的直径。内拱顶部和外拱顶部中的压力不振荡，所以，两个体积之间的端口13944能够变大10倍。
在一些斯特林发动机中，活塞上的往复运动密封件是在正常使用时随着时间磨损的磨损件。这些活塞密封件的寿命决定了故障之间的时间或者整个发动机的维修事件之间的时间。维修事件之间的长时间和长寿命对于斯特林循环的经济上的成功而言是很重要的。如果活塞密封件和活塞杆密封件不是磨损件，例如是间隙密封件，则能够大大延长维修或故障之间的间隔时间。减少维修将提高斯特林发动机的价值和实用性。不存在非磨损密封件的斯特林发动机的实施例包括油润滑的驱动器13920(图71A)和直线十字头轴承13946(图71A-71C)、活塞上的间隙密封件13938(图72)、以及具有间隙密封件13962的活塞杆密封单元13750(图69D、图69E)。这种具有油润滑的驱动器和非接触往复运动密封件的实施例可以比具有标准滑动密封件的斯特林发动机具有长许多倍的维修事件间隔时间。
在活塞密封件和/或活塞杆密封件是接触密封件的斯特林发动机的实施例中，直线十字头轴承提高了密封件的寿命并延长了发动机的故障之间的时间或维修事件之间的时间。活塞和活塞杆由直线十字头轴承完全引导或约束，因此，活塞和/或活塞杆的可能的径向运动被局限上述可接受的小数值。另外，由于直线十字头轴承不会磨损，所以，活塞和活塞杆的径向运动不随着时间变化。减少的径向运动限制了施加到活塞密封件和活塞杆密封件的负荷，并且，减小的负荷提高了这些密封件的寿命。
润滑流体泵和润滑流体通道
在一些实施例中，润滑流体是机油。润滑流体用于润滑曲轴箱2206中的发动机零件，例如被提供有流体动压的润滑轴承。润滑发动机2200的运动零件用于进一步减小发动机零件之间的摩擦并进一步提高发动机效率和发动机寿命。在一些实施例中，润滑流体可放置在发动机的底部(也称为油底壳)处并分布在整个曲轴箱中。可通过润滑流体泵将润滑流体分配到发动机2200的不同零件，其中，润滑流体泵可经由过滤入口从油底壳收集润滑流体。在示例性实施例中，该润滑流体是机油，因此，润滑流体泵在此也称为油泵。然而，术语“油泵”仅用于描述该示例性实施例和其它采用机油作为润滑流体的实施例，此术语不应解释为限制该润滑流体或润滑流体泵。
管式热交换器
诸如斯特林循环发动机等的外燃式发动机可使用管式加热器头来实现高功率。图19是例示性的斯特林循环发动机的气缸和管式加热器头的截面视图。如图19所示，管式加热器头4200的典型构造使用了围绕燃烧室4204的U形加热器管4202的栅格(cage)。气缸4206包含工作流体，例如氦气。该工作流体由活塞4208移位并被驱动穿过加热器管4202。燃烧器4210使燃料和空气的混合物燃烧以产生热的燃烧气体，该燃烧气体用于通过传导来加热穿过加热器管4202的工作流体。加热器管4202将回热器4212与气缸4204连接。回热器2812可以是具有大的表面面积/体积比的材料的基体，它用于在发动机的循环期间从工作流体吸收热量或加热该工作流体。加热器管2802为经过加热器管4202的混合气体流提供大的表面面积和大的传热系数。在下文中以及上文提到的美国专利No.6,543,215和No.7,308,787中讨论了管式加热器头的各种实施例，这些美国专利的全部内容通过引用的方式并入本文。
图19是管式加热器头和气缸的截面的侧视图。加热器头4206大致是具有一个封闭端4220(另外被称为气缸盖)和敞口端4222的气缸。封闭端4220包括布置在燃烧室4200中的多个U形加热器管4204。每个U形管4204具有外侧部4216(另外在此被称为“外加热器管”)和内侧部4218(另外在此被称为“内加热器管”)。加热器管4204将气缸4202连接到回热器4210。气缸4202布置在加热器头4206内且通常也由加热器头4206支撑。活塞4224沿着气缸4202的内部行进。在活塞4224向着加热器头4206的封闭端4220行进时，气缸4202内的工作流体被移位并引起其如图19中的箭头4230和4232所示地穿过加热器管4224和回热器4210流动。参照图19，如上所述，包括加热器管4202的加热器头4220的封闭端布置在包括燃烧室4204的燃烧器4200中。燃烧室4204中的热的燃烧气体(另外在此被称为“排气”)与加热器头4220的加热器管4202直接热接触。通过传导将热能从该排气传递到加热器管4202并从加热器管4202传递到发动机的工作流体，该工作流体通常是氦气。可使用诸如氮气等的其它气体或气体混合物，优选的工作流体具有高导热性和低粘度。在各种实施例中使用了不可燃气体。在该排气围绕加热器管4202的表面流动时，热量从该排气传递给加热器管4202。箭头4230示出了该排气的大致径向的流动方向。由于加热器管的上部附近的排气流量大于加热器管的底部(即，燃烧器4200的底部附近)处的排气流量，从燃烧器4210离开的排气趋于使加热器管4202的上部(靠近U形弯曲部)过热。
外燃式发动机的总效率部分地取决于燃烧气体和发动机工作流体之间的热传递效率。
回到图19，总体上，内加热器管4218比外加热器管4216热几百摄氏度。因此，内加热器管4218的温度限制了燃烧器功率并因此限制了提供给工作流体的加热量。如果该内加热器管和外加热管几乎是相同温度，最大的热量将被传递到工作气体。通常，本文所述的实施例要么增大到外加热管的热传递，要么减小到内加热管的热传递的速率。
图17中示出了偏流器翅片的替代实施例。图17是根据一个实施例的包括单个偏流器翅片的管式加热器头的一部分的俯视图。在该实施例中，单个偏流器翅片4002连接到每个外加热器管4004。在一些实施例中，沿着该加热器管的整个长度使用镍钎焊将偏流器翅片4002附接到外加热器管4004。替代地，可将所述偏流器翅片与其它高温材料钎焊，使用本领域公知的其它技术焊接或结合，以在偏流器翅片和加热器管之间提供机械结合和热结合。偏流器翅片4002用于引导排气围绕加热器管4004流动，包括朝着加热器管4004的下游侧流动。为了增大从该排气到加热器管4004的热传递，偏流器翅片4002被导热地连接到加热器管4004。因此，除了引导排气的流动之外，偏流器翅片4002通过与加热器管4004传导并因此与工作流体传导而增大了用于热传递的表面面积。
图18是根据一个实施例的包括如图17所示的单个偏流器翅片的管式加热器头的一部分的俯视截面图。如图18所示，偏流器翅片4110被置于加热器管4106的上游侧。偏流器翅片4110被成形为与加热器管4106的下游侧维持恒定距离，因此改善了与加热器管4106的热传递。在替代实施例中，所述偏流器翅片也可置于内加热器管4108上。
在发动机的膨胀体积中的工作气体的最高可能温度下，发动机性能在功率和效率两方面是最高的。然而，最高的工作气体温度通常受到加热器头的属性限制。对于具有管式加热器头的外燃式发动机，最高温度受到加热器管的冶金属性限制。如果加热器管变得过热，它们可能变软并失效，从而导致发动机停机。替代地，在过高的温度下，所述管将严重氧化并失效。因此，对于发动机性能来说重要的是控制加热器管的温度。诸如热电偶的温度感测装置可用于测量加热器管的温度。温度传感器的安装方案可以是将传感器与加热器管热结合并使传感器与热得多的燃烧气体隔离。为了加热器头的寿命，该安装方案应足够稳健，以耐受在加热器管附近发生的燃烧气体和冲击火焰的热氧化环境。一组安装方案包括：将热电偶直接钎焊或焊接到加热器管。热电偶将安装在该加热器管的暴露于最热的燃烧气体的部分上。其他可能的安装方案允许更换温度传感器。在一个实施例中，温度传感器处在与加热器管热结合的热电偶套管中。在另一个实施例中，该安装方案是使温度传感器机械地保持抵靠加热器管的安装件(mount)，例如套筒。
图19是气缸4204和燃烧器4210的截面侧视图。温度传感器4202用于监测加热器管的温度并向发动机的燃料控制器(未示出)提供反馈，以将加热器管维持在期望的温度。在一些实施例中，使用Inconel 625制造加热器管并且所述期望的温度是930℃。对于其它的加热器管材料，期望的温度将是不同的。温度传感器4202应放置在加热器管的最热的并因此是限制性的部分处。通常，加热器管的最热的部分将是内加热器管4206的靠近加热器管顶部的上游侧。图19示出了温度传感器4202放置在内加热器管4206的上游侧。在一些实施例中，如图19所示，通过焊接到加热器管上的金属条4212将温度传感器4202夹持到加热器管，以在温度传感器4202和加热器管4206之间提供良好的热接触。在一个实施例中，加热器管4206和金属条4212两者都可以是Inconel 625或耐热金属，例如Inconel 600、不锈钢310、316和Hastelloy X。温度传感器4202应与加热管处于良好的热接触，否则它可能读出过高的温度且发动机将不产生尽可能多的功率。在替代实施例中，可将温度传感器护套直接焊接到加热器管。
在另一个实施例中，如图20A-20B所示，通过与加热器管4310的外部结合的耐火或耐高温金属(例如Inconel)形成的条或护套来形成温度传感器安装件4320。传感器安装护套4320被形成或成形为通道，当附接到加热器管时，该通道产生容纳一个装置的空隙。在特定的实施例中，该通道是V形的，以允许热传感器(例如热电偶装置)插入。该成形的通道然后被结合到加热器管4310的外部，如图20A所示。
图20A示出了加热器管4310上的传感器安装护套4320的侧视图，而图20B是沿着传感器安装护套4320的轴线的视图。该金属应薄到足以成形，但又足够厚，以坚持到该加热器头的额定寿命。在一些实施例中，该金属的厚度约在0.005”和0.020”之间。可将该金属弯曲使得其沿着所述条的整个长度弯曲。然后，通过高温钎焊将该“V通道”护套4320附到加热器管的外部。如图20A所示，在钎焊之前，可对该护套在几个位置上点焊以确保该护套在钎焊过程中不移动。优选地，钎焊期间所使用的焊料混合物通常是高镍合金；然而，可耐受钎焊温度的任何混合物都是可以的。替代地，可通过电子束或激光焊接将该护套结合到加热器管。
现在参照图20B，通过将该护套附到加热管上来形成腔体4330。该腔体4330被形成为使得它可以容纳诸如热电偶的装置。当被成形并钎焊时，该腔体可有利地被设定尺寸，以配合所述热电偶。优选地，这种配合是将热电偶压靠到加热器管的外部上。优选地，该护套热连接到加热器管。如果该护套未被热连接到加热器管，护套可能不被工作气体“冷却”。缺少冷却可导致该护套在燃烧气体温度下或在燃烧气体温度附近运行，该燃烧气体温度通常高到足以最终烧穿任何金属。将传感器安装件钎焊到加热器管引起了良好的热接触。替代地，可沿着两侧均匀地焊接该传感器安装护套4320，以提供足够的热连接。
在另一个实施例中，如图21A-21B所示，可以形成第二金属条以在传感器安装件4420上形成护罩4450。护罩4420可用于改善腔体4430中的温度传感器与加热器管4410之间的热连接。该护罩将传感器安装护套4420从热燃烧气体的对流加热中隔离，因此改善了与加热管的热连接。此外，如图21B所示，优选存在隔热空间4440以帮助将温度传感器进一步与热燃烧气体隔离。
在另一个特定实施例中，如图22A和22B所示，温度传感器安装件4520可以是接合到加热器管4510的前边缘的小直径管或套筒4540。图22A示出了加热器管4510上的安装件的侧视图，而图22B是沿着套筒或管4540的轴线的视图。优选地，传感器管4540被钎焊到加热器管用，带有实质上的钎焊圆角4530。大的钎焊圆角4530将使加热器管和传感器安装件之间的热结合最大化。在另一个实施例中，管或套筒4540可具有护罩。如上所述，外护罩盖可帮助将温度传感器安装件4520从对流热传递隔离并改善与加热器管的热连接。
在加热器头的一些实施例中，可将嵌入件放置在加热器管的内侧以增强工作气体和管壁之间的热传递，如2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)的美国专利申请No.13/447,990中所公开的，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。
回热器
如上文所讨论和美国专利No.6,591,609、No.6,862,883中所描述的，在斯特林循环机中，回热器用于在斯特林循环的不同阶段期间为工作流体增加热量或从工作流体中移除热量。在斯特林循环机中使用的回热器必须能够有高的热传递速率，这通常意味着对于工作流体的大的热传递面积和低的流动阻力。由于减小了泵送工作流体所需的能量，低的流动阻力也有助于提高发动机的总效率。此外，回热器必须以耐受剥离或破碎的方式制造，因为其碎片可能被夹带在工作流体中并运送到压缩气缸或膨胀气缸并且对活塞密封件造成损害。
一种回热器设计使用了数百个相互堆叠的金属网。尽管具有大的热传递表面、低的流动阻力和低的剥离，但金属网可能具有如下缺点：对它们的切割和处理可能产生小的金属碎片，这些金属碎片必须在组装该回热器之前被移除。此外，不锈钢编织丝网明显有助于升高斯特林循环发动机的成本。
现在，如参照图23A所述的，三维随机的纤维网状物(例如不锈钢丝绒或陶瓷纤维等)可用作该回热器。不锈钢丝绒回热器6300有利地提供了大的表面面积/体积比，从而以紧密的形式在低的流体流动摩擦下提供了有利的热传递速率。此外，有利地消除了对大量的网进行切割、清洁和组装的繁琐制造步骤。如现在所描述的，可同时克服钢丝绒的低机械强度和钢丝绒的剥离倾向。在一些实施例中，单独的钢丝6302和6304被“交叉连接”成单一的3D钢丝基体。
该回热器的原始材料可以是原纤维(fibrilose)并具有随机纤维形式(例如钢丝绒或镍丝绒)。该纤维的组成可以是玻璃或陶瓷或是诸如钢、铜的金属或其它高温材料。该纤维的直径优选在10微米至1毫米的范围内，这取决于回热器的尺寸和金属的属性。该原始材料被放置到与回热器的最终形状相对应的型具(form)中，在图23B中以截面图描绘这一点。示出了内筒圆柱形壁6320、外筒圆柱形壁6322和回热器网状物6300。回热器的密度由放入所述型具中的原始材料的量控制。该型具可以是多孔的，以允许流体穿过该型具。
在一些实施例中，采用了未烧结的钢丝绒作为回热器网状物6300。然后，通过回热器保持网6324或其它过滤器将回热器网状物6300保持在回热器筒内，从而组成了可有利地捕获钢丝绒碎片的“筐”。
在又一实施例中，如现在参照图24A所述的，在回热器的制造中采用了针织或编织丝。根据这些实施例，通过辊6402将针织或编织丝管6401平整成带6404，以这种形式将带6404围绕芯轴6406缠绕成环形的层6408。不锈钢由于其耐受高温运行的能力而被有利地用于针织丝管6401，并且所用的金属丝的直径通常在1-2密耳的范围内，然而在各种实施例中，可使用其它材料和计量。替代地，在针织成线管之前，可将多根不锈钢丝(通常是5-10根)松弛地缠绕成多股长丝(multi-filament)线。该过程有利地增强了所形成的管6401。当芯轴6406被移除时，环形组件6410可用作热循环发动机中的回热器。
现在参照图24B至24E描述又一个实施例。在图24B中以其正圆柱形形式示出的针织或编织线管6401在图24C中被示出为具有刻槽并且部分被压缩。替代地，如图24D所示，该刻槽可相对于所述管的中心轴线6412成一定角度6414。然后，管6401被沿着中心轴线6412轴向压缩以形成图24E所示的波纹管形式6416，然后，该波纹管形式6416作为回热器被布置在斯特林循环发动机的回热器空间408(如图4所示)内。
应当理解，此处描述的各种回热器实施例及其制造方法可适合在多气缸构造中发挥作用。
冷却剂穿过的冷端压力容器
现在参照图25A-25C，根据一些实施例示出了诸如斯特林循环发动机的发动机的各种截面。发动机6500是不透气地密封的。曲轴箱6502充当冷端压力容器并在内部空间6504中包含充填气体(charge gas)。通过使用足够厚的钢或其它结构材料，能够在不牺牲热性能的情况下将曲轴箱6502制造得非常坚固。加热器头6506充当热端压力容器并优选由诸如Inconel 625、GMR-235等的高温超合金制成。加热器头6506用于通过传导将热能从外部热源(未示出)传递到工作流体。可从各种热源(例如太阳辐射或燃烧气体)提供热能。例如，燃烧器(如上文讨论的燃烧器)可用于产生用来加热工作流体的热燃烧气体(如图25B中的6507所示)。气缸的膨胀区域(或热段)6522布置在加热器头6506内并限定上文参照图1描述的工作气体空间的一部分。活塞6528用于使气缸的膨胀区域6522中包含的工作气体移位。
根据一实施例，曲轴箱6502在接头6508处被直接焊接到加热器头6506以形成压力容器，该压力容器能够被设计成保持任何压力，而不是如其它设计一样受限于冷却器中的热传递的需求。在替代实施例中，曲轴箱6502和加热器头6506被钎焊或通过螺栓连接在一起。加热器头6506具有凸缘或台阶6510，该凸缘或台阶6510轴向约束该加热器头并将轴向压力从加热器头6506传递到曲轴箱6502，从而，从焊接或钎焊接头6508释放压力。接头6508用于密封曲轴箱6502(或冷端压力容器)并承受弯曲和平面应力。在替代实施例中，接头6508是与弹性体密封件的机械接头。在又一实施例中，台阶6510被替换为在接头6508处的内部焊接，而不是在接头6508处的外部焊接。
曲轴箱6502由两个部分组装而成，即，上曲轴箱6512和下曲轴箱6516。加热器头6506首先被接合到上曲轴箱6512。其次，利用穿过上曲轴箱6512中的孔的冷却剂管(如图25B中的6514所示)来安装冷却器6520。第三，安装双作用活塞6528和驱动部件(总体上如图25A和25C中的标记6540所指定，在图25B中未示出)。在一个实施例中，如图25A和25C所示，下曲轴箱6516由三个部分组装而成，即，上段6513、中段6515和下段6517。可通过本领域公知的任何机械装置或通过焊接将中段6515分别在接头6519和6521处连接到上段6513和下段6517。
然后，在接头6518处将下曲轴箱6516接合到上曲轴箱6512。优选地，通过焊接来接合该上曲轴箱6512和下曲轴箱6516。替代地，可采用螺栓连接的凸缘(如图25B和25C所示)。
在一些实施例中，可将诸如PM发电机的马达/发电机(如图25C中的6501所示)安装到马达/发电机壳体(如图25C中的6503所示)中，如图25C所示，该马达/发电机壳体附接到下曲轴箱6516。马达/发电机壳体6503可通过本领域中熟知的任何机械装置附接到下曲轴箱6516，或可焊接到下曲轴箱6516。马达/发电机壳体6503可由两个部分组装而成，即，与下曲轴箱6516附接的前段以及可焊接或通过螺栓连接到前段6505的后段6509。在一个实施例中，密封件6511可定位在马达/发电机壳体6503的后段6509和前段6505之间。在一些实施例中，后段6509以可移除方式附接到前段6505，该后段6509尤其用于允许在发动机6500组装期间容易地移除和安装马达/发电机6501。
为了允许加热器头6506与上曲轴箱6512的直接联接，通过布置在曲轴箱6502内的冷却器6520来执行该热循环的冷却功能，从而有利地减小了对冷却器的压力遏制需求。通过将冷却器6520放置在曲轴箱6502内，该冷却器两端的压力被限制为工作气体空间中的工作气体与曲轴箱的内部空间6504中的充填气体之间的压力差。该压力差是由工作气体的压缩和膨胀而产生的，且通常被限制为所述运行压力的一定百分比。在一个实施例中，该压力差被限制为小于运行压力的30％。
有利地，冷却剂管6514相对于冷却器6520的直径具有小直径。例如由冷却剂管6514提供的冷却剂通路的小直径是实现高的热传递和支持大压力差的关键。耐受或支持给定压力的所需壁厚与所述管或容器的直径成比例。管壁上的低应力允许各种材料用于冷却剂管6514，包括但不限于：薄壁不锈钢管或厚壁铜管。
将冷却器6520整个布置在曲轴箱6502(或冷端压力容器)空间内的另一优点是：工作气体穿过冷却器6520的任何泄漏将仅仅引起发动机性能的下降。相比之下，如果冷却器与外部周围环境交界，由于工作气体的损失，工作气体穿过冷却器的泄漏将使发动机无效，除非通过外部源维持工作气体的平均压力。对防泄漏的冷却器的需要的减小允许使用更廉价的制造技术，包括但不限于：粉末金属和压铸。
冷却器6520用于通过传导而从工作气体传递热能并因此冷却该工作气体。通过冷却剂管6514将冷却剂(水或其它流体)运送穿过曲轴箱6502和冷却器6520。穿过上曲轴箱6512的冷却剂管6514的馈送路径可通过用于铜管的软焊(soldered)或钎焊(brazed)接头来密封，在不锈钢和钢管的情况下，可通过焊接或本领域中熟知的其他方法来密封。
由于由马达/发电机线圈中散发的热量、驱动件中的机械摩擦、所述充填气体的不可逆压缩/膨胀、以及热气体从工作气体空间中的泄露所造成的加热，内部空间6504中的充填气体也可能需要冷却。通过冷却曲轴箱6502中的充填气体，提高了发动机的功率和效率以及发动机中使用的轴承的寿命。
在一个实施例中，冷却剂管(如图25B中的6530所示)的一段额外长度被布置在曲轴箱6502内，以从内部空间6504中的充填气体吸收热量。冷却剂管6530的该额外长度可包括一组延伸的热传递表面(如图25B中的6548所示)，例如翅片，以提供额外的热传递。如图25B所示，冷却剂管6530的该额外长度可在曲轴箱6502和冷却器6520之间附接到冷却剂管6514。在替代实施例中，冷却剂管6530的该段长度可以是与曲轴箱6502的其自身馈送路径分开的管，该分开的管通过曲轴箱6502外部的软管连接到冷却回路。
在另一个实施例中，延伸的冷却剂管6530可替换为冷却器6520的外表面上的延伸表面或驱动件壳体(如图25A和25C中的6572所示)。替代地，风扇(如图25B中的6534所示)可附接到发动机曲轴(如图25C中的6542所示)，以使内部空间6504中的充填气体循环。风扇6534可单独使用，或者与额外的冷却剂管6530或冷却器6520上的延伸表面或驱动件壳体6572结合使用，以直接冷却内部空间6504中的充填气体。
优选地，冷却剂管6514是穿过曲轴箱的内部空间6504和冷却器6520始终的连续的管。替代地，该管的两个部分能够用在曲轴箱和冷却器的馈送端口之间。一个管将冷却剂从曲轴箱6502的外侧运送到冷却器6520。第二管将冷却剂从冷却器6520返回到曲轴箱6502的外部。在另一个实施例中，该管的多个部分能够用在曲轴箱6502和冷却器之间，以对该管增加曲轴箱体积6504内的延伸的热传递表面或促进制造。该管接头以及所述管与冷却器之间的接头可以是钎焊、软焊、焊接的或机械接头。
可使用各种方法将冷却剂管6514接合到冷却器6520。在各种实施例中，可使用任何熟知的将冷却剂管6514接合到冷却器6520的方法。在一个实施例中，可通过钎焊、软焊或胶粘将冷却剂管6514附接到冷却器6520的壁。冷却器6520是围绕气缸6522放置的圆筒和气缸6522外侧的工作气体的环形流动路径的形式。因此，可围绕冷却器圆筒壁的内部卷绕该冷却剂管6514并如上所述地附接。在2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)的美国专利申请No.13/447,990中可发现冷却器构造的各种实施例，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。
重新参考图25B，将冷却剂管6514接合到冷却器6520的一种方法是围绕冷却剂管包铸(overcast)该冷却器。参照图26A和26B描述了该方法并可将该方法应用于加压的封闭循环机械以及其中将冷却器设置在曲轴箱内是有利的其它应用中。
参照图26A，可通过将高温金属管6602成形为期望的形状来制造热交换器，例如冷却器6520(图25A和25B所示)。在一个实施例中，使用铜将金属管6602成形为旋管状。然后，使用低温(相对于所述管的熔化温度而言)铸造工艺、通过高导热性材料包铸该管6602来形成气体界面6604(以及图25B中的6532)、对于发动机其余部分的密封件6606(以及图25B中的6524)和将驱动件壳体6572(图25C所示)机械连接到加热器头6506(图25B所示)的结构。在一个实施例中，用于包铸所述管的高导热性材料是铝。通过用高导热性金属包铸所述管6602，确保了所述管和与工作气体接触的热传递表面之间的良好热连接。围绕管6602形成密封件，其中，该管在6610处离开敞口模具。这种制造热交换器的方法在铸造金属部件中廉价而有利地提供了冷却通路。
图26B是在图26A的冷却旋管上铸造的冷却组件的透视图。该铸造工艺可包括下列工艺中的任一种：压铸、熔模铸造或砂型铸造。从在该铸造工艺期间不融化或塌缩的材料中选择该管材料。所述管的材料包括但不限于铜、不锈钢、镍、和诸如Inconel的超合金。从与所述管相比在相对低的温度下熔化的材料中选择上述铸造材料。典型的铸造材料包括铝及其各种合金、锌及其各种合金。
该热交换器也可包括延伸的热传递表面，以增大热工作气体与热交换器之间的界面区域6604(以及图25B中所示的6532)，从而改进工作气体和冷却剂之间的热传递。可通过在内表面(或气体界面)6604上机械加工出延伸的表面而在热交换器6520的工作气体侧形成延伸的热传递表面。参照图25B，可将冷却器内衬6526(如图25B中所示)压入到热交换器中，以在该热交换器的内径上形成气体屏障。冷却器内衬6526引导工作气体流过冷却器的内表面。
能够通过本领域中已知的任一种方法来形成该延伸的热传递表面。根据一些实施例，如图27A详细示出的，在该表面中拉削出纵向凹槽6704。替代地，除了纵向凹槽6704(也在放大的截面视图27B中示出)之外，还可机械加工出横向凹槽6708(也在放大的截面视图27D中示出)，从而形成如图27C所示的对齐的针6710。在一些实施例中，以一定的螺旋角切削出这些凹槽，以增大热交换面积。
在替代实施例中，冷却器的气体界面6604(如26B所示)上的该延伸的热传递表面由金属泡沫、膨胀金属或其它具有高的比表面积(specific surface area)的材料形成。例如，可将金属泡沫缸软焊到冷却器6604的内表面。如上所述，可将冷却器内衬6526(图25B中所示)压入，以在金属泡沫的内径上形成气体屏障。在2004年2月24日公布的发明名称为“斯特林发动机热系统的改进”的美国专利No.6,694,731中描述了将热传递表面形成并附接到冷却器本体的其它方法，该美国专利的全部内容通过引用的方式并入本文。
美国专利No.7,325,399中描述了其它的、冷却剂穿过的冷端压力容器的实施例。应当理解，本文提到的各种冷却剂穿过的冷端压力容器的实施例可适合在多气缸发动机构造中发挥作用。
进气歧管
现在参照图28A-28C，根据一些实施例示出了进气歧管6899，用于应用到斯特林循环发动机或其它燃烧应用中。美国专利No.6,381,958中进一步公开了进气歧管6899的各种实施例。根据一些实施例，燃料与可加热到高于燃料的自燃温度的空气预混合，并防止火焰形成，直到燃料和空气良好均匀。图28A示出了包括进气歧管6899和燃烧室6810的一个实施例。进气歧管6899具有轴对称的导管6801，该导管6801具有入口6803，用于接收空气6800。空气6800被预加热到通常高于900K的温度，这可高于燃料的自燃温度。导管6801运送空气6800，该空气6800关于燃烧轴线6820径向向内流动到布置在导管6801内的旋流器6802。
图28B示出了根据一些实施例的包括旋流器6802的导管6801的截面视图。在图28B的实施例中，旋流器6802具有几个螺旋形叶片6902，用于引导空气6800径向向内流动并赋予空气上的旋转分量。如由旋流器段导管6801的长度所限定的，该导管的旋流器段的直径从旋流器6802的入口6904到旋流器6802的出口6906减小。旋流器叶片6902的直径的减小与所述直径基本成反比地增大了空气6800的流速。流速被增大，使得其高于燃料的火焰速度。在旋流器6802的出口6906处，燃料6806(在一个实施例中是丙烷)被喷射到向内流动的空气中。
在一些实施例中，由燃料喷射器6804通过如图28C所示的一系列喷嘴6900喷射燃料6806。更具体地，图28C示出了导管6801的截面视图并包括燃料射流喷嘴6900。每个喷嘴6900均定位在旋流器叶片6902的出口处并被集中在两个相邻的叶片之间。将喷嘴6900以这种方式定位，用于提高空气和燃料的混合效率。这些喷嘴6900同时横跨空气流6800喷射燃料6806。由于空气流比火焰速度快，即使空气和燃料混合物的温度高于燃料的自燃温度，也将不在该点形成火焰。在使用了丙烷的一些实施例中，由加热器头的温度控制的该预热温度约为900K。
再次参照图28A，下文被称为“空气燃料混合物”6809的当前混合的空气和燃料在穿过喉部6808的方向上被过渡，该喉部6808具有波状外形的整流罩6822并附接到导管6801的出口6807。燃料6808经由燃料调节器6824来供给。
喉部6808具有内半径6814和外尺寸6816。该空气燃料混合物的过渡是从关于燃烧轴线6820大致横向并径向向内到大致与该燃烧轴线平行的方向。喉部6808的整流罩6822的轮廓具有倒钟形形状，使得喉部6808关于燃烧轴线的横截面面积从喉部的入口6811到喉部的出口6812保持恒定。该轮廓是光滑的而没有台阶，并从该旋流器的出口到喉部6808的出口维持流动速度，以避免沿着任何表面的分离和所引起的再循环。恒定的横截面面积允许空气和燃料持续混合而不会减小流动速度并造成压力下降。光滑和恒定的横截面产生了有效的旋流器，其中，旋流器效率是指旋流器两端的静态压降被转换为漩涡流动态压力(swirling flow dynamic pressure)的比例。在实际中，通常可以实现高于80％的漩涡效率。因此，可以使燃烧气体风扇的寄生功率损耗最小。
该喉部的出口6812向外扩口，从而允许空气燃料混合物6809分散到室6810中而使空气燃料混合物6809减速，由此局部化和容纳火焰并引起环形火焰的形成。由旋流器6802产生的旋转动量生成了本领域中众所周知的火焰稳定环形涡流。
气态燃料燃烧器
定义：如本详细说明的此章节中所使用的，除非上下文另外要求，下列术语将具有如下所示的含义：燃料空气当量比(.phi.)＝实际燃料空气质量比/化学计量的燃料空气质量比。化学计量的燃料空气质量比被定义为配平“燃料+空气化学等式”所需的质量比。化学计量的燃料空气质量比对于常见燃料(例如丙烷，(0.0638g燃料/g空气))是众所周知的并且对于诸如沼气的气体是可计算的。
图29示出了具有气态燃料燃烧器7201的发动机7212实施例的一个实施例。在2005年5月5日提交并在2005年11月10日公布的美国专利申请No.11/122,447中也公开了气态燃料燃烧器7201的各种实施例，该美国专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。该实施例可用在斯特林循环发动机的情形中，然而，该机械的其它实施例不限于这种应用。本领域技术人员将会理解，本机械例如可应用于具有其它类型外燃式发动机的其它系统中。
在气态燃料燃烧器中使用喷射器能够有利地解决传统气态燃料燃烧器所面临的一些挑战。首先，使用喷射器能够省略对额外的设备、控制和空间的需要，例如气态燃料泵、燃料控制电路和相关的部件。此外，使用诸如文丘里喷射器(venturi)的喷射器由于消除了单独的燃料控制方案的需要而简化了燃料控制系统。基于空气流的真空度的相应升高和随后产生的增加的燃料流，能够通过调节该空气流来调节燃烧器功率。因此，通过去除单独的燃料控制，简化了具有喷射器的气态燃料燃烧器中的自动燃烧器控制的开发和实现。
其次，空气流的真空度的相应升高也引起大致稳定的燃料空气比，而与温度和空气流速的变化无关。通过消除对于复杂的排气传感器/反馈燃料控制机构的需要，所引起的稳定的燃料空气比简化了燃料控制和燃烧器的操作。
参照图29，气态燃料燃烧器7201包括喷射器7240、热交换器7220、燃烧室7250和鼓风机7200(如图30A中的7300所示)。本文使用的术语“喷射器”包括引射器(eductor)、虹吸管或能够利用一种流体的动能引起另一种流体流动的任何装置。喷射器是产生具有低的初始成本、无活动零件且操作简单的、基于真空的燃料流动系统的可靠方式。
再次参照图29，在一些实施例中，喷射器7240是文丘里喷射器。文丘里喷射器7240被定位在空气预热器或热交换器7220的出口的下游，在文丘里增压室7241中并邻近燃烧室7250。鼓风机7200迫使空气穿过文丘里喷射器7240。穿过该文丘里喷射器的空气流将一定比例量的燃料吸入穿过燃料入流端口7279。燃料入流端口7279被置于文丘里喉部7244处的该喉部具有最低压力的位置处。端口7279被设定尺寸以横跨该空气流产生燃料的羽流，该燃料的羽流促进了文丘里喷射器7240内的良好混合。该燃料空气混合物离开文丘里喷射器7240并在燃烧室7250中形成漩涡稳定的火焰。不管进入文丘里喷射器7240的空气的气流速率和温度如何，文丘里喷射器7240吸入与该气流大致成线性比例的一定量的燃料。
在如图30A和30B所示的一些实施例中，通过将文丘里喷射器7340放置在空气预热器7320和燃烧室7350之间，促进了在宽范围的气流和文丘里喷射器温度上的大致稳定的空气燃料比。图30A是燃烧器的示意图，包括该燃烧器的多个部件，例如鼓风机7300、预热器7320、文丘里喷射器7340和燃料供应源7372。该图还包括负荷热交换器或加热器头7390(也如图31-33中的7290所示)。负荷热交换器7390是吸收在某些高温下从燃烧器中的燃烧室7350离开的热气体的热功率的发动机或工艺的热交换器。然后，部分冷却的燃烧过的气体进入该空气预热器的排气侧，在此，燃烧过的气体被进来的燃烧空气进一步冷却。图30B示出了成直线布置的相同部件的压力曲线。由鼓风机供应的空气压力、燃料供应压力和环境压力都被示出。通过在7372处的燃料供应源压力与文丘里喉部7344(如图29中的7244所示)中的压力之间的差值以及在主要限流件(dominant restriction)处的燃料温度来控制到该燃烧器中的燃料的质量流量(m')：
m'.sub.FUEL.varies.(P.sub.FUEL-P.sub.THROAT).sup.0.5/T.sub.FUEL.sup.0.5
通过将经过预热器7320的排气侧的压降加上经过加热器头管7390的压降再减去由文丘里喉部7344产生的吸力来设定该喉部中的压力(P.sub.THROAT)。压降7320、7390和喉部吸入压力7344都与气流速率和文丘里喷射器温度成比例。
P.sub.THROAT.varies.m'.sub.AIR.sup.2*T.sub.VENTURI
合并这些等式，得出燃料流将与空气流大致线性地变化：
m'.sub.FUEL.varies.[P.sub.FUEL-(m'.sub.AIR.sup.2*T.sub.VENTURI)].sup.0.5/T-.sub.FUEL.sup.0.5
通过将燃料压力调节到接近于环境压力，燃料流与空气流大致呈线性：
m'.sub.FUEL.varies.m'.sub.AIR*(T.sub.VENTURI/T.sub.FUEL).sup.0.5
因此，通过将主要的燃料限流件7378(如图29中的7278所示)设置在文丘里增压室(如图29中的7241所示)内，提供了在宽范围的气流速率和文丘里喷射器温度上的大致稳定的燃料空气比：
m'.sub.FUEL/m'.sub.AIR.varies.constant
图29示出了诸如文丘里喷射器的喷射器的一个实施例。在本实施例中，文丘里喉部7244的开口尺寸决定了喉部7244处存在的吸入量。在特定的实施例中，该文丘里喉部的直径约0.24英寸。回头参照图29，燃料递送装置被联接到文丘里喷射器7240。该燃料递送装置可以是歧管、燃料管线或燃料管。该燃料递送装置可包括其它部件，例如燃料限流件7278、燃料入流端口7279和燃料阀(未示出)。由压力调节器7272供应的燃料流动穿过歧管7273和燃料入流端口7279并进入喉部7244中的较低压力中。在一个实施例中，燃料入流端口7279提供该燃料递送装置中的压降的最大部分。优选地，使这些燃料入流端口成为该燃料递送装置中的最大的限流件确保了限流发生在文丘里喷射器温度下并通过产生最大可能的燃料羽流而使燃料-空气的混合最大化。回头参照图29，燃料和空气流入到文丘里喷射器的外扩的锥体或扩散器7248中，在此，静态压力被恢复。在扩散器7248中，所夹带的燃料与空气混合，以在燃烧室7250中形成可燃的燃料空气混合物。然后，该可燃的燃料-空气混合物进入燃烧室7250，在此，点火器7260可点燃该混合物，并且，由旋流器7230引起的切向流产生漩涡稳定的火焰。通过使用喷射器7240将气态燃料抽入燃烧室中，消除了对用于递送燃料的高压气态燃料泵的需要。
在一个实施例中，文丘里喷射器7240由高温材料构成，以耐受高温并维持其结构完整性。对于图29的实施例，该文丘里喷射器的尺寸能够是约0.9英寸直径的入口和出口，带有约0.24英寸直径的喉部。所述会聚的锥体和外扩的锥体的半角可以分别是21度和7度，并且该喉部可以是0.25英寸长。在本实施例中，该文丘里喷射器能够由Inconel600构成。替代地，能够使用其它高温材料，包括但不限于：不锈钢310、316L、409和439、Hastalloy(哈氏合金)C76、Hastalloy X、Inconel625和其它超合金。
在一个实施例中，如图29所示，旋流器7230位于文丘里喷射器7240的上游并有利地产生穿过该文丘里喷射器的切向气流。如本领域众所周知的，来自该旋流器的切向流能够在燃烧室中产生环形涡流，这使得火焰稳定。此外，旋流器7230通过增大燃料入流端口7279处的局部空气速度而增大了文丘里喉部7244处的吸入压力。通过添加该旋流器，对于给定的吸入压力，允许将文丘里喉部7244做得更大。此外，由旋流器7230引起的漩涡作用能够抑制燃烧室压力的波动向上游传播到文丘里喷射器7240。这样的压力波动能够使进入文丘里喷射器7240中的燃料气体的流动暂时减慢或停止。因此，旋流器7230促进了燃烧室中的用于稳定的气流的、稳定的燃料-空气比。旋流器7230可以是径向旋流器。
图31描绘了一个实施例，其中，自动控制器7288调节可变的限流件7292(例如该燃料递送装置中的可变流量阀)，以使排出的氧保持恒定，如通过宽范围的氧传感器(lambdasensor)或UEGO 7286所测量的。在本实施例中，该自动方案允许从沼气到丙烷的任何燃料连接到燃烧器，并且该控制系统能够对变化的燃料密度进行补偿。在本实施例中，该自动控制器能够对大密度燃料(例如丙烷)限制燃料路径并对低密度燃料(例如甲烷和沼气)开放燃料路径。通过在完全开放的位置启动该可变的限流器7292，将完成点火，这将产生最浓的混合物，然后关闭该可变的限流器7292，直到燃料-空气混合物被点燃。在点燃之后，所述控制器能够控制燃料流动，以实现期望的氧排出水平。也期望的是，这样的实施例能够允许在预热期间调节燃料空气比，以优化效率和燃烧器稳定性。
现在也参照图33-34，气态燃料燃烧器7201可以是用于外燃式发动机(例如斯特林循环发动机)的高效率燃烧器。在本实施例中，该燃烧器包括位于排气流7284中的氧传感器7286和微处理器/控制器7288，以通过可变的限流器7292自动限制燃料流动。另外，该燃烧器包括鼓风机控制器7702。鼓风机控制器7702可由微处理器/控制器7288调节，以使斯特林发动机的功率输出与负荷相匹配。在本实施例中，通过改变发动机转速来使燃烧器温度保持恒定，并通过设定鼓风机速度来自动调节发动机功率输出。因此，在本实施例中，该燃烧器可燃烧大部分气态燃料，包括无恒定属性的燃料，例如沼气。
现在也参照图34，可将燃料直接递送到文丘里喷射器中的邻近文丘里喉部7244的位置处。本实施例可包括旋流器7230，以容纳该燃料递送装置，例如燃料管线或燃料管。旋流器7230可以是定位在文丘里喷射器7240中和文丘里喉部7244上游的轴向旋流器。在运行中，利用运动的空气来夹带所递送的燃料，以形成燃料-空气混合物。在各种实施例中，手动或自动的控制机构可适用于该替代的燃料递送实施例。
回头参照图29，该气态燃料燃烧器还包括点火器7260和火焰监测装置7210。优选地，点火器7260是可达到大于1150摄氏度温度的可激发的热表面点火器。替代地，点火器7260可以是陶瓷热表面点火器或可激发的电热针(glow pin)。
继续参照图29，其它实施例包括火焰监测装置7210。火焰监测装置7210在存在火焰的情况下提供信号。为了任何燃烧器的安全运行，重要的是在熄火的情况下将燃料切断。用于火焰感测的该监测装置是使用控制电路和火焰杆的火焰矫正方法。
本领域众所周知的火焰矫正是一种火焰感测方法，用于小的、高效率的气体燃烧器。该装置使用单个火焰杆来检测火焰。该火焰杆与接地的加热器头相比较小并且该火焰杆被定位在燃烧火焰内。在该火焰矫正实施例中，控制单元电子产品由Kidde-Fenwal公司制造，并且该火焰杆可从国际陶瓷和加热系统公司(International Ceramics andHeating Systems)购得。
优选地，该火焰监测装置使用热表面点火器作为火焰杆。替代地，该火焰监测装置可以远离热表面点火器，或者与该点火器一起被封装为单个单元。
替代地，可使用光学传感器来检测火焰的存在。优选的传感器是通过紫外线透明玻璃和观察管而具有清晰焰流视野的紫外线传感器。
应当理解，本文描述的各种燃料燃烧器的实施例可适于在多个燃烧器构造中发挥作用，如2012年4月16日提交的美国专利申请No.13/447990中所公开的，该美国专利申请被并入本文。
一些实施例可通过往复式泵来控制或调节到燃烧器中的气态燃料的流动，如2012年4月16日提交的美国专利申请No.13/447990所公开的，该美国专利申请被并入本文。
现在参照图35，示出了发动机9200的截面图。发动机9200与上文参照图4描述的发动机类似，然而，发动机9200包括摇摆驱动机构的另一个实施例。图35所示的发动机9200包括摇摆驱动机构，该摇摆驱动机构包括联杆9210、9210、摇摆杆9214、摇摆枢轴9224、连杆9216、连接枢轴9218、端部枢轴9220、9222和曲柄销9226。尽管该发动机9200是上文所述的摇摆驱动机构的另一个实施例的示例，其部件以相似的方式发挥作用，然而，该实施例具有一些额外的益处。
连杆9216、摇摆杆9214和连接枢轴9218的构造限制了该连杆上的负荷。此外，这种构造允许使用较大的轴承，包括标准尺寸的三金属轴承。此外，摇摆枢轴9224和连接枢轴9218之间的增大的距离增强了摇摆枢轴9224的机械优点，因此减小了连杆轴承上的负荷。
在发动机9200的该实施例中，联杆9210、9210上的侧向负荷被增大了。然而，如上所述，发动机9200是机油润滑的发动机，因此，减小了限制所述联杆9210、9210上的侧向负荷的担心。因此，在例如图4所示的实施例中，联杆更长且连杆上的负荷更高。在图35所示的实施例中，联杆9210、9210更短且连杆9216上的负荷减小了。
在一些实施例中，油泵是通过花键连接由曲轴驱动的回转式泵。在一些实施例中，由曲轴通过齿轮来驱动该油泵。
现在参照图36A，斯特林循环机的实施例被以截面图示出并总体上由标记9600标示。尽管将总体上参照图36A和36B所示的实施例来描述斯特林循环机9600，但应理解，许多类型的机械和发动机(包括但不限于制冷机和压缩机)可类似地受益于本文描述的各种实施例和改进，包括但不限于外燃式发动机和内燃式发动机。特别地，尽管在机械或发动机的以下公开内容中当然考虑和包含了任何其它功率输出水平，但斯特林循环机的本实施例旨在改进10千瓦(Kw)级斯特林循环机的效率和运行，这基于同时利用优化的机械和运行控制系统以及现有的斯特林循环机平台实现了高效率、长耐久性和低成本目标。
图36A中的截面图所示的发动机9600总体上包括容纳发动机驱动部件的曲轴箱9610和包含工作气体和/或流体的工作空间9620以及与气体和/或流体压缩和膨胀相关的部件。在曲轴箱9610的内部，是具有分别容纳在气缸9606和9608内的直线往复式活塞9602和9604的发动机(如斯特林发动机)的摇摆杆驱动机构9601(术语“摇摆杆驱动件”与术语“摇摆杆驱动机构”同义地使用)的一个实施例。如先前所述，摇摆杆驱动件9601将活塞9602和9604的直线运动转换成曲轴9614的旋转运动。摇摆杆驱动件9601具有摇摆杆9616、摇杆枢轴9618、第一联接组件9619和第二联接组件9621。活塞9602和9604分别经由第一联接组件9619和第二联接组件9621联接到摇摆杆驱动件9601。摇摆杆驱动件9601经由连杆9622联接到曲轴9614并驱动曲轴9614。
图36A和36B中示出的该实施例是与图35中公开的类似的倒转式摇摆杆设计，并且包括了在此讨论的同样的优点和益处。具有相对地位于该机械的摇摆杆驱动机构9601下方的曲轴9614的倒转式摇摆杆布置结构的重要优点确保了活塞杆9624和将活塞杆9624连接到摇摆杆驱动件9601的十字头联接装置9634的结构布置和对齐不必考虑曲轴9614和相关部件的尺寸。这种布置结构促进了连杆9622上的更大承载能力的连杆轴承9615、由摇摆杆9616产生的更好的机械优点、以及用于这种较大连杆轴承9615的空间。该布置结构也解除了能够随着位于摇摆杆驱动件上方和活塞轴9624之间的曲轴发生的活塞9602和9604、活塞杆9624以及气缸9606和9608的空间约束。通过现在位于曲轴9614上方的摇摆杆9616，围绕曲轴摇摆杆9616不再存在空间限制，且能够提供更大的肘节销轴承9628以更好地支撑连杆9622和摇摆杆连接部9601。
而且，通过这种倒转式设计，摇摆杆9616能够被设计成：通过在摇摆轴枢轴9718、连杆肘节销轴承9728之间以及在摇杆轴枢轴9718和活塞的作用在9729处的杠杆臂之间调节图37A和37B中可见的杠杆臂比A和B，来减小连杆9622的肘节销轴承9628和连杆轴承9615上的负荷。例如，如图37A可见，在连杆承载比A/B为1.6的情况下，连接杆9728上的轴承负荷相对于活塞连接部更大。在图37B中，摇摆杆9616被示出为具有1.0的比值，这基本等于关于摇摆轴枢轴9718的两个连接点9728'和9729的距离，并因此相应地将曲轴9614上的负荷平衡到与活塞轴9624产生的负荷相同或相似，并显著地低于以1.6的承载比A/B传递的负荷。应当理解，除了该倒转式摇摆杆驱动件之外的摇摆杆的其它实施例也可同样具有所公开的摇摆杆9616的益处。
也参照图36A-36E，对于通过活塞9602和9604以及活塞杆9624的功率传送、对于在活塞环上提供减小的磨损以及对于活塞杆和高压活塞杆轴承9630的动态对齐和往复运动属性，活塞9602和9604、活塞杆9624和气缸9606、9608以及曲轴箱9610的对齐具有关键的重要性。曲轴箱9610包含摇摆杆驱动件9601的大部分并定位在气缸壳体9631下方。曲轴箱9610限定一个空间以允许摇摆杆驱动件9601的运行，摇摆杆驱动件9601具有连杆9622、第一联接组件9619和第二联接组件9621以及位于摇摆杆9616下方的曲轴9614。活塞9602和9604在也如图36所示的各自气缸9606和9608内往复运动，并且气缸9606和9608延伸到曲轴箱9610上方、穿过气缸壳体9631并进入加热器头中。
在被称为“叠置”的过程(即，容器的各个单独部件的接合)期间，十字头9634和十字头孔9635具有难以在气缸壳体9631中与相配合的气缸内衬的公差匹配的公差，因此当它们被组装在一起时，这两个元件之间的同心度的任何差异将产生未对齐的可能性，其中潜在地，活塞杆9624可能歪斜地或成一定角度地安置，因此活塞可能非同轴地往复运动到十字头9634。气缸内衬孔9606、9608、气缸压盖定位直径和十字头孔9635的十字头定位直径必须全部对齐。为了解除该问题和未对齐的可能性，将这三个直径一起以相同的设定值并以相同的操作基本上同时钻孔，从而引起这些直径的非常接近的公差，并且基于机械加工公差将这些元件的同心度维持得尽可能接近。同样也可通过其它方式制造这些元件和对这些元件钻孔，包括但不限于：通过能够产生所需公差的对齐夹具和单独的钻孔工艺来确保活塞的任何角度偏差被维持在可接受的范围内。
也如图36B中的另一个实施例所示，为了提高活塞和活塞杆9624的同心度，每个活塞杆9624在杆9624的每一端处设置有锥形端9625，从而将活塞杆的第一端楔入到十字头9634中。利用进行上述定位的所述直径、进行上述安置的锥形端9625和进行夹持的端部的螺母9633，锥形端9625促进了所有元件之间的定位、安置和夹持(L,R,C)，以用于活塞杆9624的适当定位。在由该锥形体提供的楔形连接中，楔形体由于活塞产生的负荷而能够将自身锁定到位。活塞杆的端部上的该楔形体或锥形体基本上被越来越牢固地卡到活塞杆9624的下端处的十字头9634中并相应地进入活塞杆的上端处的活塞中。在所述杆变松的情况下，可使用螺母9633来促进与十字头9634的连接，但在几乎每种情况下，该楔形体都将维持活塞杆9624与上方活塞和下方十字头9634的适当连接。
为了便于锥形活塞杆9624的组装，其中，该锥形体基本上是活塞杆9624的端部的直径沿着活塞杆的一部分减小，活塞9602、9604由两个分开的零件(活塞座9643和活塞壳9645)制成，活塞座9643和活塞壳9645在图36C、36D和36E中被更好地示出。该活塞座和活塞壳能够螺纹配合，其中，活塞座9643限定了螺纹内径表面壁9647，其对应于活塞壳9645的螺纹外表面壁9649。所述基部和壳之间的其它连接布置同样是可以的，以促进这两个活塞元件的连接。活塞座9643设有接收孔9651，该接收孔9651可以是恒定直径孔，或者是锥形孔，以接收活塞杆9624的锥形端。为了组装这些元件，将锥形活塞杆9642插入到活塞座9643中、通过期望的预负荷夹持到位，然后将壳9645拧到基部9643上来完成组装。该两件式活塞的原因是为了将活塞杆9624恰当地夹紧和预加载到基部9643，该组装过程需要进入活塞的内侧，因此该两件式壳和基部的设计促进了夹持过程。也可使用其它制造技术来恰当地附接锥形活塞杆9624和活塞9602、9604，而不需要上述两件式活塞。
本实施例的另一个重要方面是加热器头中的燃烧空间的增大的体积。为了提供更多的体积用于发生燃烧器的燃烧并加热所述管，气缸9606、9608的最上部9655设有比气缸的其余下部更大的直径，从而赋予气缸9606、9608一定程度上的蘑菇形轮廓。这样做的益处包括但不限于：能够移动加热器管9659更远离气缸9606、9608的轴向中心，从而增大加热器管9659内的在气缸上方的直径和燃烧体积，和/或能够容纳更大直径的管，以处理穿过加热器管9659的更多工作气体和流体。
在图38B所示的另一个实施例中，回转式容积泵送单元由曲轴9814驱动。该回转式泵使用具有比环绕的外转子9848少一个的齿轮轮齿9846的内转子9844。在该旋转循环的一部分期间，内转子和外转子之间的面积增大，从而产生真空而通过吸入口抽取流体。然后，转子之间的面积减小而引起压缩，从而允许将油泵送到发动机的机械零件。从曲轴9814同轴地直接驱动回转式泵而没有螺旋形驱动齿轮的传送损失，从而使发动机的构造和组装比齿轮泵的螺旋形驱动齿轮的构造和部件更高效，更便宜。该构造和组装更容易，因为通过曲轴9814直接驱动该回转式泵，然而存在与先前的齿轮泵相关联的显著机械损失。在一些实施例中，可使用除了回转式泵之外的不同的泵，包括但不限于：例如，齿轮泵、活塞泵、旋转齿轮泵、液压泵和隔膜泵等，并且，除了倒转式摇摆杆驱动件之外的摇摆杆驱动件的其它实施例可具有该回转式泵或类似的直接驱动泵的益处。
高压杆密封件
斯特林循环发动机的本实施例将工作空间9620和工作气体和/或流体维持在相对高的压力下，大致在1200-1800psi的范围内，更优选是大约1500psi。当然，需要保证将工作气体和/或流体基本密封在工作空间9620中，以免其逸出到曲轴箱9610和环境中。工作流体发生这种泄漏的关键地方是在工作空间9620和曲轴箱9610之间延伸并往复运动的活塞杆9624周围。为了使这种泄漏最小，在各个气缸9606和9608下方以及工作空间9620与曲轴箱9610之间设置了高压活塞杆密封件9630。
由于工作空间9620中的相对于曲轴箱9610而言显著较高的压力，预计会有一定量的工作气体穿过高压杆密封件9630泄漏。然而，必要的是使泄漏最小化而不显著影响活塞和发动机的往复运动效率。而且，如下文将进一步详细讨论的，气闸和工作流体再捕获系统可与高压密封件结合使用，以捕获一定量的这种泄漏的工作气体和/或流体。泄漏到在工作空间9620和曲轴箱9610之间的气闸中的任何工作气体能够被抽入到贮存器中并在必要时供应回工作空间中。在更完全地讨论这种气闸和工作气体的再捕获之前，本公开集中于在工作空间9620和曲轴箱9610之间的高压杆密封件9630的使用，以确保最有效的工作流体压力和气体密闭度。
图39中是高压杆密封件9930的机械实施例。应当理解，这样的杆密封件旨在不仅用于本文描述的斯特林发动机实施例中，而且用在具有类似的往复式活塞的其它发动机或机构中。
在图39中更好地详细示出的高压活塞杆密封件9930'的机械实施例中，大致对称的半球形活塞套筒9960由限定在密封件壳体9951内侧的密封件腔体中的上密封支撑件9965和下密封支撑件9966支撑。与径向磨损集中在套筒一端的上述楔形杆密封件9930相比，该半球形活塞套筒9960的对称性提供了在套筒9960的整个长度上的更一致的磨损。活塞套筒9960的半球形表面9963支承在上密封支撑件9965和下密封支撑件9966各自相应的内支承表面上。磨损支撑夹9967被轴向地设置，布置在上密封支撑件9965的上方，它迫使上密封支撑件9965和下密封支撑件9966与活塞套筒9960偏置地接触。在上密封支撑件9965和下密封支撑件9966之间可提供间隙G，以容许可能发生在密封件中的邻接表面上的任何磨损。在磨损发生时，可减小密封件中的邻接表面，以便在套筒轴承磨损时，通过该支撑夹9967使上密封支撑件9965和下密封支撑件9966朝着彼此偏置。当密封件在彼此不干涉的情况下磨损时，间隙G允许上密封支撑件9965和下密封支撑件9966彼此靠近地移动，并因此维持与活塞套筒9960的半球形外表面9963的接触。
图40A示出的高压杆密封件的更进一步的实施例包括弹簧加力的唇形密封件10003，该唇形密封件10003总体上包括例如由PTEE或石墨等制成的密封套和周向地固定在凹槽内或在密封件10003的唇部10007之间的弹簧(未示出)。当该弹簧加力的唇形密封件10003安置在壳体中时，弹簧唇形密封件10003处于压缩状态下，从而迫使所述套的唇部10007抵靠密封块10011的各个相邻的壁和往复式活塞10024的表面，从而产生防泄漏的密封。唇形密封件10003为密封套10005提供永久的弹性并补偿所述套的磨损和硬件的未对齐或偏心。系统压力也辅助加压该密封套10005。由系统压力辅助的弹簧加载在高压和低压下都提供了有效的密封。弹簧加力的唇形密封件是非常耐久的，并被设计用于在从低温到+600F温度下以及从真空到25,000psi压力下的静态、旋转和往复的应用，并且耐受大多数的腐蚀性环境。
弹簧杯状保持圆筒10008围绕活塞杆10024设置并支撑在下套圈10006上。该保持圆筒10008关于活塞杆10024维持一个周向空间，唇形密封件10003被维持在该周向空间中。唇形密封件10003能够是由保持圆筒10008围绕外周支撑的PTFE和石墨环，并且以摩擦滑动的方式接合活塞杆10024，以产生高压的弹簧加力的唇形密封件。唇形密封件10003内的弹簧(未示出)与工作空间的较高压力一起迫使唇形密封件10003抵靠各自的活塞杆10024并保持所述圆筒壁，并且还使设置在保持圆筒10008中的唇形密封件10003基本上保持抵靠下套圈10006。
高压活塞杆密封件的液压实施例能够促进工作空间和气闸之间的长期有效的密封。图40B公开了设置在试验台的杆密封件腔体内的液压式高压活塞杆密封件10021。杆密封件套筒10023周向地环绕活塞杆10024并限定个试验台的壁与杆密封件套筒10023的外表面之间的压力空间10025。液压流体压力线路10027与压力空间10025连通，以提供适当的流体压力来维持杆密封件套筒10023与活塞杆10024的密封接合。诸如压电式压力传感器的传感器(未示出)能够设置在压力空间10025中和杆密封件套筒10023上，以确保适当的压力和挠曲能够致动杆密封件套筒10023并对活塞杆10024提供适当的密封压力。杆密封件套筒10023的内表面在杆往复运动时沿着活塞杆10024可滑动地接合，并且杆密封件套筒10023被压力空间10025中的液压压力流体径向向内影响。在杆密封件套筒10023磨损时，压力空间10025中的液压流体压力能够增大，以确保杆密封件套筒10023朝着活塞杆10024被径向促动，从而维持与活塞杆的可滑动接合。
应当理解，上文公开的高压杆密封件的实施例旨在仅作为示例，并且，本文描述的该机械不限于这些示例，而是也可使用高压杆密封件的其它实施例，以确保在斯特林发动机或用于这方面的其它任何发动机中使用的高压力在必要时被维持在适当的工作空间、曲轴箱和其它发动机隔室中。
滚动膜片密封件
转到图41A和41B，并且也回头参照图10A-10D，在某些实施例中，滚动膜片10190被与活塞杆10124结合使用，以防止润滑流体从曲轴箱10110中逸出而向上经过杆10124进入工作空间10120和回热器中。如果摇摆驱动件所需的润滑流体能够绕过该活塞杆密封件，它可能潜在地损害该工作空间、阻塞所述回热器并污染发动机的气缸中的工作流体或气体。
为了促进膜片10190的适当卷曲和挠曲，在滚动膜片10190两侧维持一个压力差，使得膜片10190上方的压力优选略大于曲轴箱中的压力。因此，该密封件基本膨胀到曲轴箱中，这促进了膜片10190在其随着往复式活塞杆10124卷曲和挠曲时维持其期望的形状。这消除了在周向密封点上的应力，所以，密封未受到损害。总体上，需要在膜片10190两侧设置约15PSI的压力差，以使该密封件适当地膨胀，以便在其随着活塞杆10124移动时遵循于底部密封活塞10195的形状。应当理解，在滚动膜片10190两侧维持的压力差不限于15PSI。由较强材料制成或具有特定形状的滚动膜片能够根据可能的情况承受较高的压力差或在较低的压力差下运行。在其中工作空间10120处在相对高的压力1500PSI-1800PSI下的斯特林循环发动机的实施例中，曲轴箱10110必须被填充有例如1485PSI的压力，比工作空间的1500PSI的压力小大约10-15PSI。尽管能够调节这些较大的压力以在该膜片两侧维持10-15PSI的压力差，但这是困难的，且增加了该机械的复杂性。
可通过注射成型或热压缩成型来制造滚动膜片10190。在滚动膜片10190的热压缩成型过程中，可能更难以控制材料属性，而注射成型的膜片在其随着活塞杆10124的往复运动而转化和卷曲时，在实验中表明滚动膜片10190的轮廓两侧的动态应力的更好转化。对用于制造滚动膜片10190的材料的实验表明，短纤维是最成功的，例如但不限于具有凯芙拉(Kevlar)纤维或的腈类。
图41A和41B公开了卷曲密封件或膜片10190的实施例，其具有促进该膜片的动态卷曲转化的轮廓。如本文先前所讨论的和在本讨论中将其整个内容通过引用的方式并入的，在该密封件两侧提供的压力差允许该密封件动态地起作用，以确保滚动膜片10190在其整个动态运动范围内维持其形状。如先前所讨论的，该压力差使得滚动膜片10190在其随着活塞杆10124移动时遵循于参照图10A的底部密封活塞1310的形状，并在运行期间防止膜片10190从活塞杆10324的表面分离。希望在该膜片不翘曲或分离(即，随着活塞杆10124的轴向往复运动不脱离膜片10190的沿着膜片轮廓的一致的动态轴向和径向卷曲)的情况下使滚动膜片10190的膨胀量减小。如上所讨论的，通过滚动膜片10190两侧的压力差来提供该膜片的膨胀。为了实现这一点，已经发现，特定的结构轮廓促进了材料的保持和该膜片的一致卷曲。
图41A-41B中的截面图示出了本实施例的关于膜片轴线L的膜片的成型形状的轮廓视图。为了描述该膜片结构，内边缘10192作为该膜片的顶部10194并且外边缘10193是如图所示的该膜片的底部。该膜片具有从内边缘10192到外边缘10193相对于轴线L轴向和径向延伸的侧壁10190；该侧壁由几个区段组成。顶部圆角段10198将该材料从如图所示的膜片10190的顶部到大致与活塞杆10124及轴线L平行的侧壁段10196弯折约90度。侧壁段10196然后朝着外边缘10193弯折。在到达外边缘10193之前，该侧壁段持续地合并到倒角段10199中，该倒角段10199在仍然从侧壁段10196轴向下垂的同时以相对于轴线L的较大径向角度从侧壁10196延伸，以与该膜片的外边缘10193连接。侧壁段10196可与轴线L平行或者也可具有使侧壁段10196略微倾斜地径向远离轴线L的径向分量。在任一情况下，倒角段10199比侧壁段10196以相对于轴线L的更大径向角度延伸。底部圆角10197连接到外边缘10193，从而限定该膜片的底部，如图所示。与内边缘10192类似的外边缘10193设置有增厚的周向唇，该周向唇能够固定在形成于容器接头中的相配和的凹槽内。
图42A和42B中示出的截面图是本实施例的关于膜片轴线L的滚动膜片10290的另一个实施例的成型形状的轮廓视图。该实施例的相同附图标记对应于前一个滚动膜片实施例中的相同或相似的元件。为了描述该膜片结构，内边缘10292是该膜片的顶部并且外边缘10293是膜片10290的底部，如图所示。膜片10290具有从内边缘10292到外边缘10293相对于轴线L轴向和径向延伸的侧壁10296；该侧壁也由几个区段组成。顶部圆角段10294将该材料从如图所示的膜片10290的顶部到沿着轴线L朝着膜片的底部轴向和径向地向外下垂的侧壁段10296弯折约90度。在到达外边缘10293之前，侧壁段10296持续地合并到倒角段10299中，以朝着该膜片的底部的外边缘10293延伸，如图所示。还设置有与内边缘10292的增厚的周向唇10295相似的外唇10297，该外唇10297固定在形成于容器或曲轴箱接头中的相配合的凹槽内，该容器或曲轴箱接头固定和密封该膜片的外边缘10293。
该膜片的注射成型是重要的，因为浇注方法和其它成型技术、特性、方法和规格可能在成型过程期间影响膜片材料的纤维对齐和分子对齐。这些材料特性是重要的，因为这能影响该膜片的环向应力。例如，如果该材料在一端被浇注并在模具的相反端溢流，纤维能够在特定方向上被对齐，以在潜在地增强最终的膜片元件的柔性和卷曲特性的同时优化该膜片的环向强度。
在膜片10190、10290的动态卷曲致动中非常重要的是：无瑕疵或微粒(包括流体微粒，如油滴)处于在底部密封活塞的表面上或在环绕该底部密封活塞的相邻容器壁上。这种流体微粒(最可能是机油)对于抵靠各个曲轴箱表面的该膜片的卷曲致动是有害的，因为它们会在膜片上产生应力点。
转到图43，该滚动膜片的另一个实施例包括第一滚动膜片10391和第二滚动膜片10393，以基本上形成双波纹管系统10392。双波纹管系统10392能够通过在该双波纹管自身之间提供适当的膨胀压力来促进工作空间与气闸和/或曲轴箱之间的10-15PSI压力差的消除。该双波纹管包括沿着活塞杆相对地且轴向对齐的第一滚动膜片10391和第二滚动膜片10393，并且通过在膜片之间包含的轻油和在双波纹管之间填充的压力而在它们之间限定一个空间。不可压缩的油对该膜片预加应力并在活塞杆10324沿着其轴线往复运动时促进该膜片的一致的卷曲。
气闸和工作流体再捕获系统
通过建立油润滑的驱动件并将工作空间相对于所述油密封，能够使斯特林发动机的功率、寿命和价值最大化。油润滑的驱动件允许高功率，并且与基于卷曲元件的驱动件相比是便宜的。驱动件中的油与工作空间隔离是很关键的。油雾甚至会迁移到工作空间的热端，在该热端，油将分解并且所产生的碳将阻塞热交换器。附接到移动式活塞杆和结构的柔性膜或波纹管(如上文所述的滚动膜片)在工作空间和填充有油的曲轴箱之间提供对于油和气体的紧密密封，从而确保润滑剂被维持在曲轴箱中。为了能够在数千和数百万次的循环中工作，必须该波纹管两侧维持小的压力差。
该滚动膜片和油润滑的曲轴箱的一个重要方面与图44A和44B所示的气闸10401和气闸压力调节系统10411相关。气闸压力调节系统10411提供了确保从工作空间10403逸出的工作气体返回到工作空间中的益处，只要该工作气体不泄漏到环境或大气中(这将需要工作气体的补充)，而是如上所述地在滚动膜片两侧维持适当的压力差。如果曲轴箱旨在被基本维持在大气压力下，如图48中公开的实施例中，气闸压力调节系统10411允许可容易维护的底端，即曲轴箱10410。
如关于约1485PSI下的加压的曲轴箱10410的图44A所示，为了维持适当的工作空间压力和气闸压力调节，气闸空间10401设置在工作空间10403和曲轴箱10410之间，处于例如1500PSI的压力下，使得工作空间10403中的大致较大的压力不应显著影响气闸空间10401，并且从工作空间10403泄漏到气闸中的任何压力和工作气体能够如下文关于气闸压力调节器所述地被捕获和收集并返回到气闸和工作空间中，而不是仅仅逸出到曲轴箱和环境中。
应理解，气闸空间10401旨在维持产生该压力差所需的恒定体积和压力，该压力差对于先前所述的滚动膜片10490的功能是必要的。在本实施例中，可通过高压杆密封件10430将气闸10401从工作空间10403密封隔离或不密封隔离。在任一情况下，希望将气闸空间的压力维持在大致1500PSI下并且等于工作空间10403的平均压力。工作空间10403中的压力可变化至少+/-300PSI，所以，气闸空间10401的意图是将该膜片与这种波动隔离并相对于曲轴箱10410中填充的1485PSI的压力将自身大致维持在必要的压力下，在此例如为1500PSI。为了促进工作空间10403和气闸空间10401之间的压力等同，小的开口或压力均衡孔口10404连通在工作空间10403和气闸空间10401之间。曲轴箱10410必须被填充到1485PSI，并且被维持在比气闸空间10401小约15PSI的压力下，以便将适当的压力应用到滚动膜片10490来保证该膜片的适当的动态运动。
在该加压的曲轴箱10410实施例中，在曲轴箱10410和气闸空间10401之间设置有气闸压力调节器10411、泵10412和减压阀系统，以在它们之间维持示例性的15PSI的压力差。根据膜片材料和整个气闸压力调节装置的设计，也可维持其它的预定压力差。在其最通用的形式中，摄取线路10416从加压的曲轴箱10410连通到过滤器10418、泵10412(在其出口上具有止回阀)以及与泵10412和过滤器10418平行的压力调节器10413，用于使加压的工作气体返回到气闸10401中，从而维持气闸空间10401和曲轴箱10410之间的压力差，并因此维持该滚动膜片10490两侧的压力差。参照图44B，更完整地描述了该气闸压力调节器系统10411。
气闸压力调节器10411调节气闸10401和曲轴箱10410之间的压力差。当发动机运转时，气闸压力调节器10411优选使气闸压力保持比曲轴箱压力高10至14PSI(尽管可以在5至20PSI的范围内)，并且也可通过该调节器实现其它的压力差。当发动机关闭时，气闸压力调节器10411优选使气闸压力保持比曲轴箱压力高不超过15PSI并且比曲轴箱压力低不超过5PSI。可允许的是在发动机关闭时具有较大的压力差的波动，因为仅有很小或没有动态力通过移动的活塞施加到滚动膜片10490。
气闸压力调节器10411执行几个重要的功能。气闸压力调节器10411使用泵10412以将加压的空气从较低压力的曲轴箱10410移动到气闸10401中，从而将气闸10401维持在较高压力下。气闸压力调节器10411解除了在气闸10401和曲轴箱10410空间之间的过大压力。当气闸压力优选比曲轴箱压力高15PSI时，双向调节器10413将气闸气体的一部分泄放到曲轴箱10410中，并且当气闸压力比曲轴箱压力低不止5PSI时，在相反的方向上泄放，从而将气体从曲轴箱10410泄放到气闸10401。而且，气闸压力调节器10411中的过滤器10418在曲轴箱气体进入气闸空间之前将油从曲轴箱气体中过滤出。
该优选实施例的部件是机械泵10412、双向压力调节器10413、油过滤器10418、用于控制泵10412的泵压力开关10417和用于向发动机控制器C发信号的控制器压力开关10419。该机械泵的示例是由Medo生产的直线交流0410A泵。当然，也可使用其它泵。该泵的重要品质是在高压惰性环境中运行的能力、长寿命、无需维护且安静。Solberg Mfg.生产了一系列油雾消除器，即过滤器，这些过滤器是紧凑的、有效的且能够为几千小时的运行保持足够的油。在优选实施例中，当在任一方向上已经超过设计的压力差时，双向调节器10413允许压力流动。当气闸10401和曲轴箱10410之间的压力差优选小于例如10PSI时，泵压力开关10417使该泵运行。泵压力开关10417包括预定的死区(dead band)或范围，该预定的死区(dead band)或范围使泵10412保持运行，直到气闸压力比曲轴箱压力高例如14PSI。控制器压力开关10419在气闸压力比曲轴箱压力高例如至少5PSI时向控制器C发信号。这确保了发动机将不运行，直到气闸压力比曲轴箱压力高得足够多。如果在其两侧没有这种压力差的情况下移动，滚动膜片10490可能会撕裂。填充源10414可与气闸连接，以在必要时补充该加压容器的充填气体和工作气体/流体。
图45是双向调节器10413的特定实施例，示出了泵10412、油过滤器10418、以及根据曲轴箱压力和气闸压力之间的压力差而在气闸端口10449、曲轴箱端口10451和泵端口10453之间运行的滑阀10441。在该情况下，作为上述压力开关10417、10419的替代，用于经由目标磁体10426来确定滑阀10441位置的接近传感器10425被用来控制泵10412，并在必要时向发动机控制器C发信号。通过在过压下抵靠气闸的主弹簧10443来偏置滑阀10441，并且通过内滑阀弹簧10447偏置该下压力减压阀10445。观察图46A-46E，示出了在某些位置的滑阀：在(1)中示出了受影响的滑阀，通过弹簧打开该滑阀，其中，气闸压力是低的，使得气闸端口10449现在与泵端口10453连通，以从泵10412接收加压的气体，在(2)中示出了滑阀10441，其中，气闸压力在正常极限内，因此，气闸端口10449被滑阀10441关闭，并且根据接近传感器10425使该滑阀仍充分移位以引起泵10412的运行，即使没有从该泵到气闸的流动。在(3)中，示出了滑阀10441，其中，气闸压力再次在正常极限内，因此，气闸端口10449被滑阀10441关闭并且现在使滑阀移位以便该接近传感器10425不打开所述泵。图45-D中示出了一个或两个接近传感器10425，然而在其它实施例中，可在正常运行中使用任何期望的数目和类型的接近传感器。在(4)中，示出了滑阀10441，其中，气闸压力是高的，使得气闸端口10449连接到曲轴箱端口10451，并且在气闸压力被减小的同时该泵被禁用。(5)是发动机被关闭的情况，因此，没有动力到达该泵并且气闸压力非常低，为了保持该膜片免受损伤，气闸端口10449通过下压力减压阀10445直接连接到曲轴箱，该下压力减压阀10445打开以通过滑阀10441提供直接的压力释放，使得曲轴箱压力和气闸压力至少相等。
在图47所示的压力调节器10401的另一个实施例中，双向调节器10413被替换为背压调节器10431，该背压调节器10431在压力差超过例如15PSI时提供从气闸10401到曲轴箱10410中的单向压力流动。为了允许从曲轴箱到气闸的在另一个方向上的流动，一个止回阀或一对止回阀10433、10435能够设置在单独的路径中。这保证了曲轴箱将不被加压到高于所述气闸。在图48中，旨在将曲轴箱10510维持在大气压力下。这是一个关键的改进，因为这在将在曲轴箱10510内完成做功时不需要再填充曲轴箱10510的情况下、在该容器上提供更容易维护的下单元，并且也提供容纳驱动部件所需的明显更轻的曲轴箱壳体。在气闸压力调节器系统10511的该实施例中，气闸空间10501基本上维持在大气压力加15PSI，因此，从工作空间10503逸出到气闸10501中的任何加压的工作气体都需要从气闸10501中移除并返回到工作空间10503中。为了实现这一点，第一减压阀10520装置以其最简单的形式被设置在与气闸空间10501连通的摄取线路10522中，以便将大于15PSI的任何压力从气闸10501释放并经由泵10512传递到工作空间10503、气闸空间10501和曲轴箱10510外侧的贮存器10523中。从贮存器1523开始，返回线路10525包括第二减压阀10521装置，该第二减压阀10521装置在工作空间10503中的加压的工作气体下降到1500PSI以下时打开，以允许通过来自贮存器10523的加压气体对工作空间10503再填充。应理解，该加压的系统的平衡可包括第一减压阀10520和第二减压阀10521上的其它压力考虑因数，特别是关于工作空间10503中可能发生的变化，在工作空间10503中，压力可能在斯特林循环自身期间波动正负300PSI。
当发动机运行时，由活塞杆中的腔体10608限定的机械泵10612可用来减小负荷和由上述气闸压力调节器系统所做的功。如图49可见，活塞杆10624的机械泵10612被添加到气闸压力调节系统，以在运行期间减小电气系统上的负荷。止回阀10605通过中间通路10607从曲轴箱接收曲轴箱压力。当气闸压力相对于曲轴箱压力下降至过低时，止回阀10605打开，并且，随着活塞杆10624的往复运动，来自曲轴箱的加压气体被抽入活塞腔体10608中。活塞杆腔体10608由活塞杆的缩径部分限定，该活塞杆基本上限定自身的机械泵10612。在活塞杆10624往复运动时，活塞杆腔体10608的尺寸被减小，如右侧的活塞所示，从而将加压流体泵送到气闸空间10609中。以这种方式，在发动机运行期间，能够通过足够的加压流体在气闸压力下降得太低时有效地再填充该气闸。出口止回阀10611设置在气闸和曲轴箱之间，使得气闸中的超过期望的压力差的压力能够从气闸空间10609被减小到曲轴箱。通过活塞杆10624的移动而限定的机械泵10612在发动机起动时不运行，因为此时没有发动机的机械运行，然而，气闸压力调节器系统在起动运行期间必须是运行的。
冷却器内衬的直径减小
如上文关于图1、4-9C和19所说明的，加热器管与周向环绕每个气缸的热交换器连通。图50A中描述的本实施例的热交换器在该斯特林循环的适当部分期间为工作气体/流体提供冷却。通过经由辐射器(未示出)与散热器(如环境)连通的冷却剂管为热交换器10705供应冷却水。总体上，冷却水通过容器中的热交换器从热的工作气体吸收热量，然后该冷却水被泵送到辐射器，在该辐射器处，热量被传递到环境。
图50A所示的环绕每个相应气缸的热交换器10705设置有水套套筒10704，该水套套筒10704具有限定通道的内表面，以允许穿过在水套套筒10704的内表面与冷却器内衬10702的外表面之间的界面区域10706的冷却水的通过。冷却器内衬10702还具有内表面10708，该内表面10708引导热工作气体沿着该内表面的流动，以促进穿过冷却器内衬10702到界面区域中的冷却水的热量的传递。所述结构的目标是增大界面区域10706内的用于从热工作气体和热交换器吸收热量的热传递表面，从而改善工作气体和冷却水之间的热传递。
水套套筒10704环绕冷却器内衬10702并形成在该斯特林循环的适当部分期间冷却工作流体的热交换器10705。冷却器内衬10702引导工作气体沿着冷却器内衬10702的内表面流动。现在描述的发动机的一个改进是增大来热交换器中的热传递表面，其中，冷却器内衬10702的外径被减小，以通过多个延伸的表面(例如纵向布置的翅片10707或针)增大界面区域10706，所述多个延伸的表面围绕冷却器内衬10702的外径设置并延伸到水套套筒10704的内表面之间的界面区域10706中，以增大热交换表面的表面面积并提供工作气体/流体的更有效冷却。冷却器内衬壁10708的外径能够减小到一定程度，使得：与在冷却器内衬10702与热交换器10705的内表面之间的界面区域10706中的纵向翅片10707或针的径向长度相比，冷却器内衬壁10708相对薄。冷却器内衬的内壁10708大致被维持适当的直径，以容纳来自加热器头和气缸的工作气体流。该内衬的内径处设有轴向布置的翅片10707，以沿着内衬的内壁引导气体的流动，并促进离开工作气体的热量被传递穿过冷却器内衬并到达冷却水中。
还重要的是保证热交换器中使用的固定密封件尽可能是冗余的并且无害的，特别是其中水套套筒10704和冷却器内衬10702应将冷却水充分维持在这些元件与冷却剂线路10702r内的工作流体之间的界面区域10706中。如图50B所示，本实施例中的热交换器10705具有外表面，该外表面邻接容器的内表面并由上侧固定密封件10710和下侧固定密封件10711相对于该容器密封。类似地，热交换器10705内的冷却器内衬10702由上密封件10713和下密封件10715相对于该热交换器的内表面密封。冷却器内衬10702和热交换器10705各自的顶表面被形成并且都支撑加热器头10703的基部并且为加热器管10709和热交换器10705之间的工作气体提供连通界面。额外的或冗余的密封件可以添加在冷却器内衬10702和热交换器10705之间的、与每个元件的支撑加热器头10703的顶表面相邻的相交位置处。该冗余的密封件10712(例如45度O形环)轴向间隔开地位于上侧固定冷却器内衬密封件10710上方，并围绕热交换器10705和冷却器内衬10702之间的整个接头周向地延伸。加热器头基部的增加物在其被支撑在内衬10702和热交换器10705的顶表面上时将冗余的密封件压缩到所述接头中并为该系统增加冗余，以防止冷却水和/或工作气体/流体从工作空间中逸出。
在进一步的实施例中，如图53C和53D所示，热交换器10720具有周向布置的界面区域10722，该界面区域10722包括绕热交换器主体10726的外径设置的多个纵向延伸管10724。这些管10724延伸穿过界面区域10722以增大热交换表面的表面积，并且提供对工作气体/流体的更有效冷却。通过使工作流体流动通过被界面区域10722中的冷却流体围绕的管10724(而非上述实施例中的冷却器内衬的相反侧)来实现这一点。这些管10724可以通过铜焊工艺组装到热交换器10720上，其中，所完成的组件延伸穿过铜焊炉(brazing oven)，以固化所述管10724和热交换器主体10726之间的连接。
在当前实施例中，管10724和热交换器主体10726由相同材料构成，以简化组装过程。在一个示例中，管10724和热交换器主体10726由300系列不锈钢制成。在另一实施例中，管10724和热交换器主体10726由铝合金，例如下列合金之一(但不限于此)：AL7075-T6。
在替代实施例中，管10724由300系列不锈钢制成，而主体10726由400系列不锈钢制成，使得管10724具有较低的热膨胀系数。管10724的较低的热膨胀系数可以使所述管在加热时段期间不与主体10726膨胀得一样多。当所述管还未与该主体一样被加长时，铜焊将在最高循环温度下将管10724结合至主体10726。之后，在冷却期间，加热器管将被压缩，因为该主体的长度的减小将大于所述管。然而，随着所述管由于高温而变软，所述管中的一些或全部可能由于压缩力而稍微起皱。这种起皱不足以弱化所述管或限制通过所述管的流量。其一个益处是：在运行期间，当主体10726和管10724被加热至较低温度时，该主体的较高热膨胀将不使所述管/主体铜焊接头破裂，因为起皱的所述管提供了结构弹性。换句话说，在使用期间，未起皱的管10724更冷，弹性较差，因而可能在铜焊接头上施加更大且反复的负荷，这可能导致故障。由于所述管的新形状，起皱的管较不坚硬，并且在使用期间在铜焊接头上施加较低的负荷，这能使得故障较少且故障之间的间隔时段更长，并且，在低温下使用期间，管现在更坚固且弹性较低。在一个实施例中，该热交换器组件可以经历第二加热阶段，并且可能在初始铜焊工艺之后经历第二次铜焊。当管10724尚未延伸得与主体10726一样多时，此第二加热阶段或第二次铜焊将再次将管10724结合至主体10726。从高于退火温度的铜焊温度冷却的冷却工艺可以允许被纵向压缩的管10724以轻微弯头的形式从完全垂直结构稍微变形，以便该变形消除每个管10724中的任何预压缩。
在对驱动系统的进一步改进中，描述了在联杆10826和摇摆杆10816之间的更容易构造且易于维持的连接。现在参照图51A，示出了摇摆杆驱动机构10801。在本实施例中，该摇摆杆驱动机构具有与两个摇摆杆驱动件10801联接的活塞10802和10804。在图51B中更清楚地示出的示例性实施例中，联杆10826在第一端处经由连杆上侧销10832联接到活塞杆，并且联杆10826的第二端可联接到与摇摆杆10816的轭(yolk)附接的联杆下侧销10832的一端。通过将销10832压配合到联杆10826的通路中，已预先实现了联杆下侧销10832，并且，通过在联杆10826的任一侧上并围绕销10832设置的轴承，该联杆的第二端被固定到轭10825中的摇摆杆驱动件10801。销10832延伸到摇摆杆10816的轭10825中的各自的销通路中，以完成联杆下侧销10832结构。在摇摆杆10816中的销通路与销10832之间也设置有轴承，以促进该联杆和销相对于摇摆杆10816的枢转。
本实施例消除了将该销压配合到联杆10825的第二端中的通路中的需要。该压配合使得难以在发动机的维护期间以任何方式维护、固定组装和拆解该端部枢轴结构。如图51B中可见，联杆下侧销10823被设置成通过松配合被插入到并穿过联杆10825的第二端中的通路。轴承10822可围绕联杆10826的任一侧上的联杆下侧销10823设置，并且轴承10822的宽度被减小，以将保持环10828配合到与每个轴承相邻的销10823上，从而使该销10823和轴承保持轴向对准在联杆10826的通路中和轭10826中。在销10823和轴承由保持环10828基本上轴向固定到联杆10826的情况下，销10823和联杆通路能够具有松配合，以便在需要拆解时，仅通过移除该保持环10828并使销10823从联杆通路中滑出就能将销10823从联杆10826容易地移除。润滑油通路10829可设置在联杆下侧销10823中，以与联杆10826中的油通路10838连通并将油提供给轴承10822和这些枢转部件的各自表面。
通过与联杆10826的第一端或上端的松配合来类似地布置联杆上侧销10832。在该情况下，轴承10834被直接设置在上侧销10832的支承表面和上联杆通路的内表面之间。一对保持环10836被应用到上侧销10832的端部中的凹槽，以将该销以其轴向的布置维持在十字头10840中。轴承10834和各自的轴承表面能够经由联杆10826中的油通路10838被供应有润滑油。
上述斯特林机械的布置总体上指的是并且被示出为具有竖直取向，即，活塞往复运动总体上是相对于水平支撑表面或地面垂直对齐的。在图52A和52B示出的此斯特林循环发动机10903的另一个实施例中，发动机可以是水平布置的，即，与上述竖直取向不同的是，活塞10905、活塞杆10907、加热器头10911、十字头10913等在相对于地支撑表面的水平取向上布置和往复运动。该设计中的一个显著挑战是曲轴箱10915中的油冷却系统的布置和结构，其中，必要的是确保这种水平式曲轴箱的机械元件(例如十字头10913、摇摆杆10919和其它曲轴箱部件和驱动元件)被充分供应有穿过曲轴箱并回到油底壳和泵的油的自由流动。
如图52B中通过总体示例所看到的，该油冷却系统包括中央供油线路10921，中央供油线路10921将油流通过径向油通路10925直接传送到十字头孔10923中的每一个。曲轴箱10915中的油由于重力而被向下排出到油底壳10931中，然后能够经由泵10935通过与中央供油线路10921最终连通的主线路10937被再循环回中央供油线路10921。应理解，也能够实现其它的供油布置结构和取向，并且关于图52A-52B描述的实施例以及发动机和曲轴箱部件的水平布置仅是关于这些图进行示例。
在发动机的另一个实施例中，还有益的是通过冷却该曲轴箱中的油来冷却曲轴箱。图52B中示意性地示出的油冷却器10941被设计成吸收曲轴箱中产生的大量热，并且，通过图53A-53B中具体示出的同轴(或套管式)热交换器11043，来自曲轴箱的油穿过沿着冷却管11049的外表面定位的一系列翅片10947上的外侧油通道11045，该冷却管11049包含来自冷水源11046的流动的冷水。取决于沿着冷却管的外表面的期望的油流，翅片11047可以是相对于冷却管11049的径向翅片或轴向对齐的翅片。从油吸收热量之后，冷却的油返回到主线路11037并且该加热的水能够倾注到散热器11051。在2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)的美国专利申请No.13/447,990中公开了用于外部起动器的手动和电动的方法和设备，该美国专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
B-燃烧器
图54-60公开了与上文在图4、35、36A中描述的多个加热器头和活塞发动机结合使用的燃烧器11201的其它实施例。本燃烧器11201尤其针对多个加热器头的独立加热，在该情况下是四个(4)加热器头，每个加热器头由单独的燃烧器和火焰加热并具有单个空气入口11223、单个外壁11212和两个排气开口11225。
转到图55，本实施例的四个燃烧器设计11301包括单个鼓风机B，该鼓风机B在如图55所示的所有燃烧器头组件11305的点火过程中为燃料/空气混合物提供空气。也如上所述的加热器头11303可以是先前章节中描述的各种实施例的任何一个，包括但不限于2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)的美国专利申请No.13/447,990中公开的管式加热器头或者针式或翅片式加热器头，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。作为示例，本实施例考虑利用加热器管11309，工作气体(例如氦气)穿过该加热器管11309流动，该工作气体在斯特林循环的适当部分期间必须被燃烧器头组件11305加热。
通过更详细的描述并再次回头参照图54，燃烧器11301包括多个燃烧器头组件11305，一个用于加热器头11303中的每一个，在本实施例的情况下，存在四个(4)加热器头，因此存在四个(4)燃烧器头组件11305。图55的截面图示出了燃烧器头组件11305中的三个(3)。尽管能够想象出其它几何构造，但总体上，通过图54所示的燃烧器壳体限定燃烧器11301，该燃烧器壳体具有大致圆柱形外壁11312。鼓风机B将空气通过空气摄入口11223泵送到燃烧器11301中，用于点火和燃烧，并经由与燃烧器的基部相邻的两个排气出口11225将排气从燃烧器中喷出。
转到图56和57，燃烧器壳体的顶表面11413包括多个端口11415，用于接收燃料输入11416、点火器11427、火焰和可能的温度传感器或火焰观察元件。如下面详细讨论的，在不需要从容器叠置结构中移除所有燃烧器11401以进行维护的情况下，端口11415也便于接近特定的燃烧器头11405。如图57可见，与燃烧器的顶表面11513上的每个燃烧器端口11515关联的是次级端口11517，次级端口11517能够用于多个目的，例如火焰观察元件(如观察窗口)，用于观察燃烧器头的火焰，或者替代地是用于点燃燃料/空气混合物的火花塞11520和/或用于在火焰检测中使用的感测紫外光的传感器。
由于燃烧器作为一个整体被设置和叠置在容器的冷却板11604上，在图58和59中最好地可见的燃烧器11601的基部设有加热器头开口11619，以允许加热器头和各个加热器管的进入，使得加热器头11603在燃烧器11601的下区域内并被燃烧器11601的下区域大致密封在内侧或包封。通过周向带夹11710(例如Marmon夹)将燃烧器11701的基部固定到容器叠置结构中的安装板11704，该周向带夹11710被提供用于相对于冷却板和该压力容器的下叠置结构使燃烧器固定和关键地周向定心。每个燃烧器头组件11705相对于每个关联的加热器头11703的定心是很关键的，因为：如果来自燃烧器头组件的火焰比另一侧更靠近加热器头11703和加热器管11709的一侧，在加热器管11709中将不仅存在工作气体/流体的无效加热，其中，一组加热器管被加热到比其它管更高的温度。
夹11710围绕燃烧器11701的整个基部周向和径向地延伸，并且在燃烧器基部板和安装板之间提供径向和轴向压缩力，以确保既存在关键的轴向密封压力来容许燃烧器中的热排气，又存在燃烧器头与加热器头的径向周向对齐。在这方面，燃烧器壳体11711的基部可设置有如图59所示的圆形密封边缘11721，该圆形密封边缘11721相对于容器叠置结构的竖直轴向布置成一定角度，以产生轴向压缩力并用于与安装板的相反地成角度的圆形密封边缘11722以可配合方式接合。所述燃烧器和冷却板二者的周向夹11710和相配合的成角度的圆形密封边缘11721、11722保证了容器叠置结构中的燃烧器壳体11711和燃烧器头组件11705与安装板和加热器头11703的关键的沿圆周(即径向)的对齐，以便将燃烧器头组件11705与加热器头11703适当地对齐，并且在燃烧器11701和冷却板11704之间存在足够的轴向力，以容许在燃烧器11701中产生的热排气。圆形密封边缘11721可包括在燃烧器和冷却板之间的石墨密封件(未示出)，以确保大约1000℃的热气体(其中，火焰温度大约是1200℃)不在燃烧器11701和安装板11704之间泄漏出来。
如图59所示的单个鼓风机B将空气提供到与顶表面11713相邻的燃烧器壳体11711中，用于到燃烧器头组件中的燃料/空气混合物。空气入口11723以相对于圆形燃烧器壳体11711大致成直角的角度设置并且向燃烧器11701内提供空气以用于下文详细描述的燃烧。如图58中更好地观察的，空气入口11723与圆柱形燃烧器壳体11711大致成直角的这种布置促进了空气伴随着设计的压降而进入燃烧器11701，这对于到燃烧器的入流空气是重要的，以维持期望的空气速度，用于在空气穿过空气进气歧管并进入由离开的(热)排气使进入的(冷)空气变暖的预热器11726中时使热传递效率最大化。单个鼓风机B被放置成与单个空气入口11723连通，以将空气提供到燃烧器11701中的所有燃烧器头组件11705。一对排气出口11725也与大致圆柱形燃烧器11701垂直连接并围绕燃烧器11701的基部间隔开约180度。在穿过排气出口11725离开之前，来自燃烧器11701的离开的排气预热下文详细描述的预热器11726中的入流空气，然后从两个排气出口11725之一离开燃烧器11701。
观察图59，每个燃烧器头组件11705具有燃料喷射嘴11724、诸如火花塞或电热塞(glow-plug)的一种或另一种点火器11727、也可设置在如图所示的次级端口11717中的火焰检测装置11729。燃料(液态燃料或气态燃料)从燃料源F经由燃料管线11731供给到燃料喷射器11724，并且由燃料喷射器11724的喷嘴11734作为细雾或蒸气被分散到燃烧器头组件11705的预燃室11728中。在预燃室11728中，所分散的燃料与来自预热器11726的、优选被下文详细讨论的排气预热到期望点火温度的期望体积流量的空气结合，以形成期望的燃料/空气混合物来用于点火。然后，燃料/空气混合物由点火器11727点燃并在预燃室11728内至少部分燃烧，但更完全的燃烧可发生在燃料/空气混合物从燃烧室11728离开或被从燃烧室11728推出穿过预燃室11728的预燃室喷嘴11730之后，以形成从预燃室11728延伸的火焰，并且被引导到每个相应的加热头11703的加热器管布置结构中的中央燃烧室内。来自燃烧器11701中的燃烧的排气经由预热器11726和下面详细描述的排气歧管11714离开燃烧器。
在燃烧器的本实施例中，可并入在此示意性地示出的单个鼓风机B，以维持供应到燃烧器11701并因此供应到各个燃烧器头组件11705中的每一个燃烧器头组件的一致的平均空气比。鼓风机B根据来自控制器C的指令以期望的速度泵送空气以用于点火，然后，一旦已发生点火，控制器C可根据从传感器(包括但不限于氧传感器)接收的数据来调节期望的空气流速。下面提供了对燃烧器控制算法的更完全的描述。也根据来自各个燃烧器头组件的数据来控制单个鼓风机B，例如在至少一个燃烧器头组件熄火或未点火的情况下，该控制器可减小鼓风机速率，以促进熄火的燃烧器头组件中的点火。可在剩下的燃烧器头组件11750中对应地控制燃料输入，以适应这样的空气速度减小。在任何情况下，鼓风机B旨在经过预热器11726之后向燃烧器中的多个燃烧器头组件11705中的每个燃烧器头组件提供一致的流速。本实施例的一个重要方面是由鼓风机B产生的冷空气的一致流动和速度以及通过从预热器11726中提取废热而进行的入流空气的有效加热，以提高冷空气温度，从而改善燃烧过程和燃烧器单元的效率。
鼓风机B通过燃烧器壳体的外壁11712中的空气入口11723连接到预热器11726的冷空气通道11735中。冷空气通道11735围绕燃烧器11701的外壁11712内的燃烧器周向地延伸并且引导由鼓风机B产生的冷空气向下围绕隔热的中间挡板11739并向上进入预热器中。中间挡板11739是隔热的，以保护燃烧器11701的外壁11712和与该外壁接触的任何人或物体免受燃烧器11701内的强烈高温。而且，该隔热的挡板11739保证由预热器11726中的入流空气捕获的热量不直接损失到壳体11711的外壁11712。
预热器11726基本上开始于来自鼓风机B的冷空气下降穿过冷空气通道11735并进入到预热器通道11741中的位置，在预热器通道11741中，冷空气被预热以提高其平均温度，这提高了燃烧器的燃烧效率。预热器通道11741在一侧由中间挡板11739限定并且在内侧由排气歧管壁11743限定。排气歧管壁11743使进入的冷空气与离开燃烧器的排出空气直接分离，并且在预热器通道11741中提供从离开的排气到进入的冷空气的热传递。预热器11726中的通过歧管壁11743的热传递效率是关键的，因为：能够通过预热器11726提高的进入的冷空气越热，使气体升高到期望的点火和燃烧温度所需的燃料就越少。预热器通道11741也围绕整个燃烧器11701周向地延伸，这提供了最大表面，在一些实施例中，该最大表面可与通过排气通道11744流出燃烧器的排气产生更好的热交换。在预热器通道11741内侧的是一系列径向延伸的翅片11745，这些翅片11745与排气歧管壁11743直接连接并辅助从穿过歧管壁11743离开的排出空气到预热器通道11741中的空气的有效热传递。排气侧翅片11746也可与延伸到排气通道11744中的排气歧管壁11743连接。
冷的入流空气在预热器11726中被预热到期望的温度，例如但不限于600-750℃，该预热器11726在空气被引导到燃烧器头组件时促进点火和燃烧。可实现的预热的量主要基于来自离开的排气的热传递效率，以便在发动机运行期间提高排气温度时，进入的冷空气能够被相应预热到更高温度。预热的空气离开预热器通道11741并被径向引导到热空气室11747中，该热空气室11747与多个燃烧器头组件11705中的每一个连通。应理解，预热的空气穿过围绕预热器通道11741的出口的大致360度周向开口进入热空气室11747，以便将一致流速的预热空气提供到每个燃烧器头组件11705。尽管在热空气室11747中可设置额外的通道或通路(未示出)以将热空气室中的预热空气引导到特定的燃烧器头，但本实施例的预热器通道的360度输出是重要的，因为仅存在一个产生到发动机中的空气流的鼓风机B。在先前的发动机中，多个鼓风机将期望的空气流递送到燃烧器头组件中的每一个，例如在存在四个(4)燃烧器头组件的情况下，存在四个(4)鼓风机，每个被引导到一个燃烧器头。然而，在多燃烧器头发动机上具有与每个燃烧器头11705关联的鼓风机是昂贵的并且给发动机增加了显著的重量。在任何情况下，单个预热器都比为每个加热器头设有各自的预热器更便宜且从控制的角度看更简单。
热空气室11747中的预热空气被引导到各个燃烧器头组件11705，尤其引导到与每个燃烧器头11705中的每个燃料喷射器11724的喷嘴11734和点火器11727相交处。燃料喷射器11724可使用液态燃料或气态燃料，但在任一情况中，燃料从喷射器被喷出到预燃室11728中，在该预燃室11728中，燃料与预热的空气混合以获得期望的燃料/空气比或混合物，用于燃烧器头11705的点火或在燃烧器头11705当前支持火焰的情况下燃烧。燃料喷射器00024将燃料喷射到在燃料喷射器11724正下方的预燃室11728中，并且预热的空气在预燃室11728中与液态或气态燃料结合。该燃料可作为雾或蒸气被输送、与预热的空气结合并由点火器11727在预燃室11728中被点燃。尽管燃料/空气混合物的点火可在一定程度上发生在预燃室11728中，来源于燃烧室11728中的燃料/空气的点燃和燃烧的火焰需要被推出预燃室11728中，以更有效率并提供所需的热输出。优选的是，加热该加热器头11703和加热器管11709的恒定燃烧火焰被推出预燃室11728并实际上延伸越过预燃室11728的端部锥体11730并进入燃烧室11750中。这通过由控制器以及由预燃室和喷嘴几何结构对燃料/空气混合物提供适当的调节来实现，以适当地控制火焰的形状。如2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)的美国专利申请No.13/447,990中所公开的，可以为该预燃室添加结构元件，以改进燃烧室中的火焰的形状，上述美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入。
图60中示出的本实施例的另一方面是围绕预燃室11928的与出口锥体11930相邻的最外壁延伸的预燃室支撑件并包括限制火焰排气经过加热器头11903的加热器头限制器11937。该限制器增大了加热器头11903的顶部处的压降并且通过激励热气体流动穿过加热器管而改进了从热气体到加热器管11909内的氦气的热传递。
未用于加热工作流体的大量热量保留在排气中，并因此能够通过使用过量的排气热量预热进入的空气来提高整个发动机的效率。在加热该加热器头11903和加热器管11909之后，通过更新的燃烧气体到由排气歧管的内壁11942部分地限定的排气通道11944中，迫使热的燃烧气体从排气入口11953出来。排气沿着排气通道11944向下行进，通过预热器壁11943将大量热量交换到经由预热器通道11941进入预热器11926中的进入的冷空气。由于来自排气的热传递取决于排气的速度，排气应尽可能快地流过预热器11926。与一个排气出口不同，本发明的另一方面通过允许排气从围绕排气歧管11914的底部布置的两个排气出口11925流出而限制了排气的压力下降。由两个排气出口11925提供的用于离开排气歧管11914的排气的较短流动路径降低了排气的压力下降，鼓风机不必吃力地运行，因此减小了发动机上的鼓风机负荷。
图60也公开了穿过燃烧器壳体的次级端口11917(而不是紫外观察窗口)中的火花塞11960的使用。在某些情况下，火焰传感器也可穿过次级端口11917插入，其延伸到与每个预燃室喷嘴相邻的燃烧器中，以便能够进行火焰检测。在任何情况下，次级端口11917提供到燃烧器头11905的通道，以便传感器或窗口或者点火部件(例如在此所示的电热塞或火花塞)能够被向下插入到燃烧器头11905中，以点燃不同的气体或燃料。气态燃料的使用可需要火花塞11960，以点燃与预燃室的喷嘴相邻的燃料空气混合物，然而，液态燃料使用电热塞并且总体上更靠近燃料喷射器自身。在此所示的实施例中，高压导电元件11961被包在绝缘层11963和接地层11965内并穿过次级端口插入，以便暴露的导电元件11961暴露在燃烧室中来点燃离开预燃室11928的燃料/空气混合物。
观察和/或检测每个火焰的能力是重要的，以便通过控制器能够适当地调节四个单独的燃烧器头组件11905中的每一个和各自的火焰。应理解，可通过许多实施例实现这样的火焰检测和观察，包括但不限于实际的观察窗口，例如具有在该管中的适当镜头，这允许人类操作者仔细查看该管并在视觉上识别燃烧室中的在可视波长范围内的火焰。替代地，该观察窗口可包括相机或其它图像数据接收和记录装置(如紫外光传感器)和用于视觉地显示所接收的燃烧室中的火焰状况的显示器。可使用其它类型的热传感器(包括但不限于热电偶、红外测温仪和热敏电阻)，以识别和量化燃烧室中的火焰和火焰特性。
通过仅用单个鼓风机提供空气到四个燃烧器头组件11905，总体上除了空气之外的变量(如燃料)必须被改变，以获得期望的火焰质量。通过保持一个鼓风机提供空气到所有四个燃烧器头，对成本和对鼓风机功率消耗是特别有益的。
通过液体、柴油或其它气态燃料，紫外光观察窗口将被损害，因为燃料蒸气趋于从火焰中吸收紫外辐射。在没有先前实施例中的紫外光窗口的情况下，检测燃烧室中的火焰和温度仍然是重要的。在一些情况下，可利用火花塞的电极作为传感器来检测火焰。这种数据能够传送到控制器，以确定燃烧室11950中的火焰和燃烧布局。火焰检测的另一种方法通过加热器头内的温度传感器来获得温度，例如，附接在加热器管的壁上的热电偶能够提供数据到控制器，以改变发动机的运行条件。该温度数据用来基于温度/火焰数据来判断温度和/或火焰质量，并且如下文进一步详细讨论的，该温度数据帮助控制器决定为每个燃烧器头11905和发动机作为一个整体应设定哪种运行模式。
燃烧器控制
根据电子控制器中实施的预定的电子和软件程序，如图61所示并且部分参照图60，燃烧器可在几个模式中运行。由控制器评估的运行模式至少包括起动模式12002、正常运行模式12004、关闭模式12006和停止模式12008。该起动模式包括预燃室11928中的较浓燃料混合物的最初点火以使点火容易，因为与维持燃烧的燃料/空气比相比，较冷的混合物具有可点火的燃料/空气比的较窄点火范围。通过存在于预燃室11928中的期望的燃料/空气点火混合物，点火器11927被致动并且点火混合物被点燃。预燃室11928中的热电偶(未示出)检测预燃室11928中的所称的扩散火焰，并且，一旦来自预热器11926的入流空气足够热，通过增加来自鼓风机B的空气流或增加燃料来将火焰推出预燃室11928，因此，火焰离开预燃室11928并形成在与加热器头11903相邻的燃烧区域中。
总体上，在如图61所示的起动模式12002中，用户设定期望的鼓风机速度12003和燃料/空气比12005，用于一段特定的时间12007，例如30秒。在该段时间之后，鼓风机关闭并重置12011该起始阶段，这可包括将发动机和排气系统中的任何剩余的燃料吹送出去12013，以便不存在由于残留的燃料引起的回火或其它损伤事故。该起动阶段还可包括例如在重置之前的多次点火尝试12009，以及向用户提供预燃室11928内的错误A传感器(未示出)或提供使用次级端口11917检测预燃室11928或燃烧室11950中是否存在火焰12010的视觉传感器。如果未检测到火焰，该系统被重置12011，或者，如果检测到火焰，从加热器头获取温度读数12015并从排气中测量12017氧水平。然后基于这些读数来调节12019燃料/空气比。
一旦火焰在预燃室11928外是可支持的并且正在加热该加热器头11903，控制系统和运行模式12004包括基于传感器数据的多个故障安全触发条件12023和控制器评估算法，该控制器评估算法评估系统并确定该系统是否应转为关闭模式或停止模式。运行模式12004例如监测热量、功率和氧的水平，并且，如果温度读数过高、或排出的氧水平过高，或者如果发动机转速超过期望值或气闸内的压力差太低，执行发动机的关闭或停止或对该系统和发动机的其它变动。这些仅仅是示例性的用于开始关闭进程或停止进程的触发条件，其它触发条件同样能够使用或与这些示例组合。
在正常的发动机运行期间，通过控制回路至少部分地操作该鼓风机，该控制回路测量排气中的过量的氧12017以确定鼓风机速度。在该流程图中示出的故障安全触发条件12023和图61中的运行分析表12021包括：发动机转速超过预定范围；排气中的氧水平超过预定范围；发电机温度超过预定范围；燃烧器温度超过预定范围；冷却器温度超过预定范围；起火/点火失败；火焰点火的可重复的失败。应理解，所描述的控制方法不限于所公开的触发条件12023，并且在起动模式12002和允许模式12004下，可通过控制器也分析其它触发条件、因素和变量。
这些故障安全触发条件12023之一中的发动机故障引导控制器C调节燃料/空气比12019并继续获取传感器读数。在这些触发条件中的任一个的预定范围内运行的发动机的重复失败预定次数12025将导致带有立即的燃料切断12029的关闭进程。然而，在许多情况下，发动机能够在切断模式12006中继续运转。另一方面，某些事件可能引起完全的发动机停止(即，与关机不同的停止)，以便使发动机的损伤最小化。对系统部件的状态检查12037被重复执行。这些切断触发条件12034例如是将保证完全的发动机停止以防止损害的低油压、低的气闸压力差和低的发动机功率水平。
在切断模式12006期间，燃料和燃烧器被关掉，但发动机保持运行，直到加热器头11903被冷却到期望的温度。一些部件(如发电机、燃烧器或冷却器)中的过大热量测量值也可引起系统关闭，或者如果存在点火失败，可能发生系统的关闭。由于系统故障而引起的关闭可能触发安全模式，其中，燃料被泵送出该系统。任何故障或系统故障或触发条件都将立即切断燃料供应00036，但发动机将继续运行以冷却该系统。在切断模式12006中，发动机运行直到它达到预定的功率水平12035，或者在更危险的故障安全触发条件的情况下，发动机被停止12008，即RPM被设置为0。该切断模式对发动机效率是有益的，因为发动机、燃烧器和加热器头在一段时间保持较热，即使在没有燃料供应时，发动机将继续运行产生功率，直到达到预定的低功率水平。这回收了在起动模式中投入的一些能量，它提高了效率。在2012年4月16日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.184)美国专利申请No.13/447,990中公开了在加热器管附近聚集排气的方法，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入。
文丘里燃烧器
图62A-62D公开了与先前图54-60中所述的多个加热器头和活塞发动机结合使用的燃烧器12901的进一步实施例。燃烧器12901的该实施例也尤其涉及多个加热头12903的独立加热。在该实施例中，存在四个(4)加热头12903和各自的燃烧器组件12907，尽管仅两个(2)在图62A的截面图中是可见的，当然，对于该发动机，更多或更少的加热器头也是可以的。如先前讨论的实施例中，加热器头12903和燃烧器组件12907被燃烧器壳体12911包封，并且每个加热器头12903由单独的燃烧器组件12907以及经由鼓风机B和空气入口12923和燃料喷射器12927供应有用于燃烧的燃料/空气混合物的火焰加热。如下面进一步详细所述的，排出的燃烧气体用于预热进入的空气，并且，在燃烧之后，通过排气开口12925(未示出)提供一个或多个排气出口，以最终从燃烧器壳体12911中排出燃烧气体。
更具体地，观察图62A，本实施例的四燃烧器设计12901包括将单个鼓风机B与壳体12911连接，在如图所示的每个燃烧器组件12907的点火过程中提供用于燃料/空气混合物的空气。这些加热器头12903自身可以是在先前章节中描述过的管式加热器头的各种实施例中的任一种，包括但不限于直管式加热器头或螺旋管式加热器头，如2012年4月16日提交并被并入本文的美国专利申请No.13/447,990中所公开的。通过示例，本实施例考虑使用加热器管12909，被各个燃烧器组件12907加热的工作气体(例如氦气)流过这些加热器管12909。
作为更详细的描述，燃烧器12901包括多个燃烧器组件12907，每个用于一个加热器头12903。在本实施例的情况下，存在四个(4)加热头12903并因此存在四个(4)燃烧器组件12907。尽管其它几何构造能够被实现，图62C公开了具有大致圆柱形外壁12912的燃烧器壳体12911。鼓风机B泵送空气穿过空气入口12923到燃烧器12901中，以用于点火和燃烧，并且，排气经由与燃烧器的基部相邻的排气出口12925从燃烧器中喷出。
如图62C所示，燃烧器壳体的顶部提供了在燃烧器1212A的顶部中的一个或多个端口12915，用于接收燃料喷射器组件12916。喷射器组件12916可提供用于燃料12916A的端口，用于安装点火器12916B的端口和用于监测热燃烧空气的传感器端口12916C。点火器12918可以是火花塞并可用作火焰离子化火焰检测器的高压电极。在其它实施例中，点火器12918可以是热表面点火器。在其它实施例中，端口12916B可用于基于视觉的火焰检测电路，包括但不限于下列中的一个或多个：红外辐射(IR)火焰检测器、可见光火焰检测器和/或紫外光火焰检测器。喷射器组件12916可与燃烧器12901可移除地连接。这种布置由于许多原因是有益的，这些原因包括但不限于：允许更换、清洁和/或修改喷射器组件12916。具有不同能量密度的燃料可需要不同尺寸的端口12945。替代地，燃料端口12945可形成得非常小或配备有用于液态燃料的喷嘴。在一些实施例中，可通过迫使液体穿过非常小的孔口而使液态燃料雾化。在一些实施例中，可通过一些喷嘴几何体使液态燃料雾化，这些喷嘴几何体包括但不限于压力喷嘴的一个或多个和/或空气冲击喷嘴。在一些实施例中，通过排气垫圈12922可将喷射器组件密封到燃烧器壳体12911。在一些实施例中，燃料喷射器组件12916可钎焊或焊接到燃烧器顶部12912A。
在一些实施例中，该燃烧器作为一个整体被设定和叠置在容器的冷却板12904上，使得加热器头12903在燃烧器12901的下区域内和/或被大致密封在燃烧器12901的下区域内和/或被燃烧器12901的下区域包封。在一些实施例中，可通过周向带夹12910(在一些实施例中，例如是Marmon夹)将燃烧器基部12902固定到该容器叠置结构中的冷却板安装部12904A，该周向带夹12910被设置用于固定并关键地相对于冷却板12904将燃烧器周向地定心。然而，在各种实施例中，可使用另一种固定设备/装置固定燃烧器基部12902。在一些实施例中，燃烧器基部12902可包括与冷却板安装部12904A中的孔配合的一个或多个销(未示出)以将燃烧器定向，使得每个燃烧器组件12907可大致居中地位于每个加热器头12903上。如先前所述，由于许多原因，每个燃烧器组件12907相对于关联的每个加热器头12903的定心是关键的，这些原因包括但不限于：如果来自燃烧器组件的火焰与另一侧相比更靠近加热器头12903和加热器管12909的一侧，可能存在加热器管12909中的工作气体/流体的无效加热，并且某些加热器管可能被加热到比其它管更高的温度。如下面进一步详细讨论的，当在发动机中实现了加热器管和工作气体/流体的均匀一致的加热时，可提高发动机的效率。
再次参照图62A，在各种实施例中，每个燃烧器组件12907具有燃料喷射器组件12916、点火器和火焰检测装置，该点火器在一些实施例中可以是火花塞12918或电热塞或其它点火器，该火焰检测装置也可设置在次级端口中。在各种实施例中可以是液态燃料或气态燃料的燃料经由来自燃料源F的燃料管线供给到燃料端口1216A，并被分散成细雾/雾或蒸气穿过多个燃料端口到燃烧器组件12907的喷射器12941中。该实施例中的喷射器12941是例如2010年7月1日提交的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号No.178)的美国专利申请No.12/829,320、现在是2011年1月20日公开的美国公开No.US-2011-0011078-A1中公开的文丘里式喷射器，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。在一些实施例中，文丘里喷射器12941因为许多原因可以是有益的，这些原因包括但不限于提供了如下益处：减小或消除了作为空气流改变真空度的规则的完全分开的燃料控制方案的需要，这又相应地影响燃料流并调节燃烧器功率。在一些实施例中，该文丘里喷射器允许在无压缩机的情况下使用建筑物的典型气体压力(例如7英寸水柱)。鼓风机B迫使空气到文丘里喷射器12941的最初的旋流器部分12943中。穿过文丘里喷射器的漩涡空气的流动通过燃料喷射器组件12916上的燃料入流端口12945抽入一定比例量的燃料，在各种实施例中，该燃料入流端口12945可定位在文丘里喉部12947处或文丘里喉部12947中。该漩涡燃料/空气混合物离开文丘里喷射器并在燃烧室12931中形成漩涡稳定的火焰。
燃料/空气混合物由点火器或火花塞12918点燃并可在文丘里喷射器12949的外扩段中部分地燃烧。更完全的燃烧可发生在燃烧室12931中，该燃烧室12931在每个相应的加热器头12903的加热器管12909布置结构内向下延伸。然后，热的燃烧气体经过加热器管12909之间并且在加热器头12903的外侧聚集。在各种实施例中，排气护罩12908引导热的燃烧气体流动穿过外侧一行加热器管12909。现在冷却的排气经由下面更详细描述的预热器和排气歧管离开燃烧器。
在燃烧器12901的各种实施例中，可并入在此示意性地示出的单个鼓风机B，以维持供应到燃烧器12901和因此供应到每个单独的燃烧器组件12907中的一致均匀的空气流。在一些实施例中，鼓风机B也可在需要时产生可变的空气流，以控制文丘里喷射器12941中的燃料/空气混合物。鼓风机B可根据来自控制器的指令以期望的速度泵送空气而用于点火，然后，一旦发生点火，控制器根据从传感器接收的数据调节期望的空气流速，该传感器包括但不限于对冷却的排气进行采样的氧传感器。在一些实施例中，具有用于每个加热器头的可变流量阀(在一些实施例中，可例如是由美国密歇根州Southfield市的Maxitrol公司制造的Maxitrol EXA-40阀)的燃料系统可控制燃料流动，以实现每个加热器头上的指令的温度。可调节该鼓风机以实现期望的燃料/空气比。
本实施例的一个重要方面是通过提取排气中的废热来有效加热所进入的空气，以提高所进入的空气的温度，从而提高燃烧过程和燃烧器12901的效率。鼓风机B通过燃烧器壳体的外壁129112中的空气入口12923连接到空气通道12951中。空气通道12951在燃烧器12901的外壁12912内围绕燃烧器周向地延伸并引导由鼓风机B产生的空气越过中间挡板12953并在进入文丘里喷射器12941的旋流器12943之前向上到达热歧管12957中。中间挡板12953将进入的空气直接与通过排气通道12955离开燃烧器的排气分离，并提供从离开的排气到空气通道12951中的入流空气的热传递。中间挡板12953上的热传递效率是关键的，因为：入流空气能够被加热得越热，达到期望的燃烧温度所需的燃料就越少。
入流空气被预热到期望的温度，例如但不限于600-750℃。预热该入流空气可以是有益的，其有多种原因，这些原因包括但不限于：在空气被引导到燃烧器组件12907时促进点火和燃烧，和/或通过捕获离开加热器头的燃烧气体中的一部分热能来提高燃烧器的热效率。在一些实施例中，空气的预热可将热排气温度从900℃降低到300℃。在一些实施例中，可实现的预热的量可以与从离开的排气到入流空气的热传递的效率有关。通过在中间挡板12953的空气侧上增加多行折叠翅片12952并在排气侧上增加多行折叠翅片12952a，可提高中间挡板12953上的热传递。这些折叠翅片可钎焊到中间挡板12953，以保证好的热附接。在各种实施例中，这些折叠翅片的材料属性可针对运行温度被优化。例如，在一些实施例中，靠近顶部的多行折叠翅片可以是耐热金属，它可包括但不限于INCONEL 625，而下侧的较冷的折叠翅片可具有更高的导热性但具有较低的运行温度。在各种实施例中，这些折叠翅片的材料例如可包括但不限于不锈钢409或Ni 201。预热的空气离开空气通道12951并被径向引导到热空气歧管12957中，该热空气歧管12957与具体将预热的空气引导到文丘里喷射器12941的旋流器部分12943的多个燃烧器组件12907中的每一个连通。在各种实施例中，预热的空气穿过围绕空气通道12951的出口的大致360度圆周开口进入热空气室12957。在一些实施例中，这可引起一致流速的预热空气被输送到燃烧器组件12907中的每一个。在各种实施例中，可在热空气室12957中设置额外的通道或通路(未示出)，以将热空气室中的预热空气引导到特定的燃烧器头。在各种实施例中，当仅存在一个鼓风机B来产生到发动机中的空气流时，使用来自空气通道12951的360度输出。
气闸和工作流体再加压系统
如本申请中先前所述的，在一些实施例中，通过建立包含在本文中总体上被称为曲轴箱的压力容器中的油润滑驱动件和通过柔性膜或波纹管(例如也如上所述的滚动膜片)将斯特林发动机的包含工作流体(例如氦气)的工作空间从曲轴箱油密封，能够最大化斯特林发动机的功率、寿命和价值。附接到发动机壳体结构和移动的活塞杆的滚动膜片使得活塞杆能够相对于所述壳体移动并在填充有油的曲轴箱和工作空间之间提供防漏油密封，从而保证润滑剂被维持在曲轴箱中并且不分散到斯特林发动机的工作流体中。油从曲轴箱分散到工作流体中会导致发动机故障。为了使波纹管能够进行数千次和数百万次循环，必要时，必须在波纹管维两侧持小的压力差。气闸被设置在压力恒定的曲轴箱和压力波动的工作空间之间，以产生在工作空间的平均压力下的体积。可控制该气闸的压力，以提供波纹管两侧的恒定压力差。这在上文已更详细地描述了。
滚动膜片和油润滑式曲轴箱的一个重要方面涉及使用如先前在图44A和44B中所示的气闸10401和气闸压力调节系统10411。作为回顾，气闸压力调节系统10411提供如下益处：保证滚动膜片10490两侧维持适当/期望的压力差，并且使逸出到曲轴箱中的工作气体被清除掉润滑油而返回到工作空间。
现在参照图63，如先前所讨论的，希望气闸空间13101的压力被维持在大致1500PSI并且等于工作空间13103的平均压力。其它压力当然也是可能的，1500psi是气闸的一个实施例的示例。在各种实施例中，工作空间13103中的压力可变化约+/-300psi，因此，气闸空间13101的功能是将膜片13190从这样的波动中隔绝，并将自身相对于曲轴箱13110中填充的1485PSI压力维持在必要的压力附近(在此，例如是1500psi)，从而在气闸空间13101和曲轴箱空间13110之间存在约15psi的压力差。在各种实施例中，曲轴箱、工作空间和气闸在室温下最初被填充到远低于期望的运行压力的压力，因为该压力随着这三个空间(即工作空间、曲轴箱和气闸)中的气体在发动机起动期间被加热而升高。此外，在不同的运行条件期间，这三个空间中的一个或多个的温度可改变，从而引起波纹管两侧的压力改变。在一些实施例中，气闸压差调节(AdPR)块13111设置在曲轴箱13110和气闸空间13101之间，以在所有运行条件下在它们之间产生和维持示例性的15psi的压力差(和/或期望的压力差)，所述运行条件包括但不限于：发动机起动、发动机关闭、温度或速度发生改变、从一个空间泄漏到另一个空间或从一个空间泄漏到周围环境中。
如图63和132A-C所示的实施例在下文中总体上被称为“AdPR块”或“AdPR系统”。在这些实施例中，AdPR块13111连接在曲轴箱13110和气闸13101之间。AdPR块调节气闸13101和曲轴箱13110之间的压力差。当斯特林循环机的往复式活塞13124移动时，AdPR块13111将气闸压力优选保持在比曲轴箱压力高10至15PSI，使得所述滚动膜片被维持在期望的布置中，基本上是呈波纹状延伸到曲轴箱中。应理解，5至20PSI的范围是可能的，并且通过调节器同样能够实现其它压力差。波纹管密封件两侧的期望的压力差可取决于波纹管的材料和物理尺寸，从而其它波纹管可能需要其它的压力差。当斯特林循环发动机关闭时，在各种实施例中，AdPR块13111将气闸压力优选保持在比曲轴箱压力高不到15PSI以及比曲轴箱压力低不超过5PSI。可允许的是当发动机关闭时具有较大的压力差的波动，因为仅有很小或没有动态力通过移动的活塞杆被施加到滚动膜片13190。在各种实施例中，期望的压力差可变化。
在AdPR块13111的一些实施例中，例如如图64A-64C所示，AdPR块13111具有外壳体13207，该外壳体13207具有安装托架13229或其它附件固定装置，以将AdPR块13211固定到斯特林循环机上或靠近斯特林循环机。沿着壳体13207的中心，可设置一个或多个端口，其中至少一个端口连接到曲轴箱，它被称为曲轴箱端口13251，并且至少一个端口连接到气闸，它被称为气闸端口13249。曲轴箱端口13251与油过滤器空间13219连接。气闸端口13249与围绕泵13221(图64D、64E、64F)的AdPR气闸空间13202连接。
图65A、65B中的端口13457将AdPR气闸空间与滑阀13342的气闸侧连接。工作气体填充端口13214和排流端口13215可如图所示地定位在块13211的任一端，其中，该壳体的第一端具有驱动图65C、65D所示的泵马达13313所需的电导管和电线馈送部13317。
转到图65B中可见的截面图，在各种实施例中，AdPR块13311可包括滑阀调节器13341，该滑阀调节器13341具有到泵(未示出)和线性位置传感器13352的部件的适当通路13353、13344。被标记为13344的通路大约在曲轴箱压力下运行并将滑阀连接到如图65G、65H所示的泵入口13439。被标记为13353的通路大约在气闸压力下运行并将滑阀连接到如图65G、65J所示的泵出口13438。在一些实施例中提供了AdPR泵控制器13350，并且在一些实施例中，AdPR泵控制器13350可防止泵部件的过早磨损并可减小气闸压力的变化。AdPR泵控制器13350至少与滑阀位置传感器元件13352连通并且可仅在需要增大通过滑阀的位置感测到的曲轴箱空间13110和气闸空间13101之间的压力差时操作该泵。在一些实施例中，当滑阀位置表明气闸压力足够高于曲轴箱压力时，AdPR控制器13350可停止泵13312。在一个示例中，AdPR控制器13350可与滑阀位置成比例地改变泵13321的速度，以实现波纹管13190两侧的更恒定的压力差。在一个示例中，AdPR控制器13350可在滑阀位置超过给定值时使泵运行在最大的速度下。在一个示例中，该AdPR可在滑阀位置超过第二给定值时命令发动机为零转速，其中，该水平表示气闸压力不充分大于曲轴箱压力。在各种实施例中，位置传感器13352可以是感测绝对位置的接近传感器，或者可以是相对(即差动的)位置传感器。在各种实施例中，该传感器可以是任何其它类型的传感器。根据滑阀13342的位置，位置传感器13352可感测滑阀13342的位置并将该数据传送到控制器13350。
在一些实施例中，在此所示的活塞传感器13352可以是LVDT(直线可变差动换能器)线性位置传感器，它是一种用于测量直线位移的电变换器。LVDT的各种实施例总体上具有围绕管以端对端方式布置的三个螺线管线圈(未示出)。中央的线圈是初级线圈，两个外侧的线圈是次级线圈。附接到要测量其位置的对象的圆柱形铁磁芯13354沿着管13356的轴线滑动。通过初级线圈驱动交流电流，从而引起在每个次级线圈中与其互感系数成比例地与初级线圈感应的电压。其频率通常在大约1至10KHz的范围内。在芯13354移动时，这些互感系数变化，从而引起在次级线圈中感应的电压变化。这些线圈被反向串联连接，使得输出电压是两个次级电压之差(因此是“差动的”)。
作为进一步的说明，在一些实施例中，当芯13354在其中央位置时，例如两个次级之间是等距的，在这两个线圈中感应出相等但相反的电压，因此输出电压是零。如果芯13354在一个方向上移位，一个线圈中的电压随着另一个线圈中的电压减小而增大，从而引起输出电压从零增大到最大值。该电压与初级电压同相。当芯13354在另一个方向上移动时，输出电压也从零增大到最大值，但其相位与初级电压相反。输出电压的大小与所述芯移动的距离成比例(最大到其行进极限)，这也是为什么该装置被描述为“线性的”原因。电压的相位表示该移位的方向。因为滑动的芯13354不接触管13356的内侧，它可在无摩擦的情况下移动，从而使LVDT 13352成为高度可靠的装置。由于不存在任何滑动接触或旋转接触，允许LVDT 13352相对于环境完全密封。
转到图65C所示的截面图，在各种实施例中，根据滑阀13342的位置，电动马达13313可用于驱动隔膜泵13321，可对接(port to)到气闸13101或空载运行。在一些实施例中，滑阀上的密封件被移除，使得泵总是向气闸13101泵送。在这些替代实施例中，AdPR控制器改变泵的速度，以对气闸压力产生与泵空载运行时相同的影响。滑阀13341同样包括与先前关于图45和46A-46E所述的类似部件。在此，通过弹簧13343使滑阀13342与气闸的压力平衡。对接歧管(porting manifold)13302在此被示出为从滑阀13342的曲轴箱侧对接该泵13321，并到达滑阀13342的气闸侧中。此外，该对接歧管13302安装泵头13321和LVDT位置传感器13352。曲轴13322和连杆组件13323连接电动马达13313以驱动泵13321，并且涤油过滤器13318被设置成与曲轴箱端口13351相邻，以确保将任何经由曲轴箱端口13351使其进入AdPR块13311中的油从穿过调节器13341泵送到气闸13101的工作流体中过滤掉。
图65E-65F公开了详述排流端口13415的实施例的更进一步的截面图，该排流端口13415连接AdPR块13411的空间并且也通过涤油过滤器13418连接发动机曲轴箱13110，以释放曲轴箱13110、工作空间13103、气闸13101和AdPR块13411中的压力。来自曲轴箱的可能携带有油和其它微粒的气体经由端口13451进入AdPR并在进入AdPR块13411的任何其它空间之前流过油过滤器13418。曲轴箱气体被过滤，以防止油和污染物进入泵1342、气闸13101和工作空间13103。过滤后的气体在曲轴箱压力下经由线路13446流入滑阀13442的曲轴箱侧。通过过滤来自曲轴箱的气体，允许使用来自曲轴箱13110的气体将气闸压力维持高于曲轴箱压力。在一些实施例中，可在排流线路13446内设置有内部阀，以通过油过滤器13418直接连接气闸13401和曲轴箱13110，从而在填充操作和排流操作期间以及在活塞杆13124不移动时减小压力差的波动。.
尽管在一些实施例中该AdPR可调节压力差，但在一些实施例中，滚动膜片13190可能仍然经历波动，在正常的填充或排流操作期间，波动可能特别大。在一些实施例中，跨接阀(未示出)可设于AdPR块外部，以代替内部阀。该阀可在气闸13401和曲轴箱13110之间连接AdPR的两侧，以避免斯特林发动机的填充或排流循环期间的大的压力差。该阀可在填充或排流循环期间打开，以大大减小这些波动的幅度并在斯特林发动机的正常运行期间被关闭。
在图66A中的截面图中，可通过滑阀调节器13541控制经由端口13449将隔膜泵直接连接到气闸13101的泵端口13555。端口13553经由止回阀13445连接到泵出口13438，该止回阀13445冗余地防止从气闸13101到AdPR13411的曲轴箱压力侧的泄漏。将该滑阀的曲轴箱侧连接到隔膜泵入口13448的端口13544也被示出。
现在参照图66A-6E描述滑阀调节器13541的运行。在各种实施例中，对于气闸压力偏置该滑阀调节器13541，使得：如图63所示，在曲轴箱和气闸之间的压力差在正常极限内(例如15PSI)的情况下，通过滑阀13542关闭气闸端口13553。此外，活塞传感器13552告知泵13421“泵送操作是不必要的”并且该泵不运行。如果气闸压力下降得太低，如图66A中的滑阀位置所示，通过弹簧13543将滑阀13542偏置到左侧，这允许气闸端口13553和泵端口13553之间的连通。位置传感器13552告知该泵13421打开并将工作流体从曲轴箱13110泵送到气闸13101。流体首先行进穿过端口13451，然后穿过通路13446和13444，穿过泵13421，经过止回阀13445，经由通路13453到AdPR气闸13402中，最后穿过端口13449到发动机气闸13101中。
在一些实施例中，为了回到斯特林循环发动机中，氦气从曲轴箱13110流过过滤器13518，并且氦气中的少量油被滤除，以防止任何油进入AdPR块13511、泵13421和斯特林发动机中，因为油可能损害该斯特林发动机。在一些实施例中，斯特林发动机自身可被停用，以保证曲轴箱和气闸之间的压力被更好地平衡，使得所述滚动膜片将不被施加应力。在一些实施例中，如果通过滑阀位置传感器13552的位置测量到的气闸和曲轴箱之间的压力差过低时，发动机可被停用。
在一些实施例中，在气闸压力如图66D所示地过高的情况下，气闸端口13553可与曲轴箱端口13544连接，并且在气闸压力减小的同时泵13421可被停用。图66B和66C示出了在正常极限内的气闸压力。在图66B中，通过滑阀13541关闭气闸端口13553，并且根据LVDT传感器13552仍然使滑阀充分移位，以即使在没有从泵到气闸的流动的情况下引起泵13421的运行。在一些实施例中，在正常极限内，图66C示出了通过滑阀13541关闭的气闸端口13553和被移位的滑阀，使得LVDT传感器13552不打开泵13421。
在一些实施例中，如图66E所示，在斯特林循环发动机被关闭或在气闸泄漏的情况下，曲轴箱13110可被加压到高于气闸13101和工作空间13103的压力，从而迫使滚动膜片以与其预期用途相反的方式发挥作用。在一些实施例中，在这种泄露情形中(滑阀内的内部压力测量值高于气闸压力0-5PSI)，安置在主滑阀13541内的内部滑阀可打开以使压力相等。在具有外滑阀时，在一些实施例中，弹簧对该压力差进行平衡(在该情况下是克服曲轴箱压力)并且将仅在发动机被加压和关闭的时间内打开，以减小对滚动膜片的损害。
在一些实施例中，可使用在必要时可使泵的速度精确改变以运行得更快或更慢的泵控制器来实现气闸内的小压力变化和维持比曲轴箱压力高5至20PSI的压力差的控制。在一些实施例中，通过使用LVDT传感器和合适的泵控制器，可确定期望的范围和/或阀值范围。在一些实施例中，在压力差处于期望的/阀值范围之外的情况下，所述泵能够以较高的速率循环。在一些实施例中，在压力差比较接近或处于期望的/阀值范围内的情况下，所述泵能够以较低的速率循环，从而精确控制气闸内的压力。
在一些实施例中，ADPR模块的功能部件中的一个或多个可位于斯特林发动机压力容器内。在一个实施例中，油过滤器可位于四个活塞杆之间和在气闸中或恰在曲轴箱中的气闸下方。泵的入口线路将从油过滤器的干净侧延伸到在外部ADPR中或到达位于压力容器内的电动泵的泵位置。
斯特林发动机控制器
从控制上述气闸和AdPR块以及斯特林发动机的其余部分的致动的观点，本实施例的另一个重要方面是图67B-67H中示意性地示出的斯特林发动机控制器13660。在一些实施例中，发动机控制器13660自身可与功率电子软件和硬件方案是分开的，但与它们连接和连通，该功率电子软件和硬件方案促进了基本在斯特林发动机下游的从机械到电能的转换。所述功率电子装置的一些实施例可以是2012年4月16日提交的发明名称为“模块化动力转换系统”的美国专利申请No.13/447897中描述的那些，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。尽管在一些实施例中这两个系统可共享多个系统变量的数据和通信，但发动机控制器13660总体上被理解为与所述功率电子装置分开的系统。发动机控制器13660保持对斯特林发动机运行控制的所有方面的责任，包括但不限于：调节如上所述的气闸以及例如当前斯特林发动机实施例中的四个燃烧器13674。显然，诸如在此所述的控制器能够同样适应其它斯特林设计的控制。
在一些实施例中，如图67B-67H所示，燃料源13662通过主调节器13664向四个分开的气体构件(trains)中的每一个提供燃料，该气体构件包括阀13666和可变流量元件13668。在一些实施例中，每个阀13666是双气体阀，每个被示出具有组合的调节器。在一些实施例中，阀13666例如可以是由美国密歇根州Southfield市的Maxitrol公司制造的MAXITROL CV-300阀，或例如由美国密苏里州Saint Louis市的White-Rodgers制造的White-Rodgers 36H32-423阀。可变流量元件13668提供可变的流动阻力，以独立于穿过燃烧器组件12907的空气流来改变到每个燃烧器组件12907的燃料流量。在一些实施例中，该调节阀可以是由美国密歇根州Southfield市的Maxitrol公司制造的MAXITROL EXA-40。另一个实施例可舍弃主调节器13664并通过组合阀13666(例如美国密歇根州Southfield市的Maxitrol公司制造的MAXITROL CV-300)调节气体压力。在各种实施例中，可通过可变流量元件13668控制燃料输送，进而可通过在四个单独的控制信号线路13670上的发动机控制器13660来控制和监测可变流量元件13668。应理解，在一些实施例中，该可变流量元件可以是旋转致动器和节流板。在一些实施例中，致动器13668可以是调节阀，例如由美国密歇根州Southfield市的Maxitrol公司制造的MAXITROL EXA-40。鼓风机13672提供空气流，用于燃烧器13674中的燃烧以及燃烧器封壳的冷却。发动机控制器13660经由传递到可变频率驱动件13676的速度指令13678控制空气流。鼓风机速度信号13677可向控制器13660提供反馈信号，这尤其允许通过发动机控制器13660评估和控制该鼓风机驱动件。鼓风机13672在此被示出为单个鼓风机，但也可以是多个鼓风机。与鼓风机13672和一系列加热器头温度传感器13685和可编程逻辑控制器(PLC)13684一起提供了用于激活/停用燃料阀13666的主阀激活继电器13680和压力开关13682。本申请中先前讨论的氧传感器13690也可同样被设置在燃烧器中，以将氧数据传送到控制器，这也可促进燃料和点火控制。
在一些实施例中，对于四个燃烧器13674中的每一个，提供了火焰检测传感器13692，如先前本在申请中所述，这对于安全、温度控制和点火过程是尤其关键的。在一些实施例中，通过控制器13660由火焰传感器13692直接影响用于每个燃烧器的点火器电路13694，并且基于火焰传感器数据和诸如氧传感器等的来自发动机的其它数据、经由点火器信号线路13696控制点火器电路13694。在各种实施例中，可通过火花或热表面点火器实现点火，并且火焰检测传感器可包括火焰杆和火焰矫正、以及火焰的光学感测或可替代的其它公知的火焰检测方法。
在一些实施例中，点火器电路13694是商业的燃烧控制电路，它打开燃料阀并尝试点着火焰，然后监测该火焰，如果失败则尝试再点燃火焰，并且如果燃料阀不能在给定量的时间量内产生火焰，则关闭。在一些实施例中，燃烧控制电路是由Fenwal Controls ofAshland Massachusetts制造的35-53系列的定制的变型电路。在这些实施例中，发动机控制器13660激活点火器电路13694并开始点火进程，每个点火器电路13694合上继电器，以向关联的燃料阀13666供电。在一些实施例中，在任何时候，如果点火器电路13694不能点火和检测火焰，它将断开燃料阀继电器，从而关闭用于燃烧器的燃料阀13666。在一些实施例中，如果压力开关13682未检测到空气流，系统可中断所有燃料阀13664的电力，从而结束燃烧并防止安全危害。在一些实施例中，如果过温电路13684在给定的加热器头中检测到过高温度，则可关闭与加热器头关联的燃料阀13666，以防止对该加热器头的损害并允许其冷却。
在各种实施例中，冷却剂流量和温度也是控制器13560的输入，以控制冷却剂流动泵13698并保证在斯特林循环中维持适当的冷却剂温度。在一些实施例中，气闸压差调节器(AdPR)13611也通过发动机控制器13660被直接连接和控制。在一些实施例中，发动机控制器13660从如上所述的AdPR 13611接收气闸压力数据并激活AdPR中的泵，以在曲轴箱和气闸之间维持适当的压力差。
在一些实施例中，发动机控制器13660也可与CAN总线上的功率电子装置(未示出)通信，但在一些实施例中，也能依靠无线通信或其它通信协议，例如USB。在一些实施例中，发动机控制器13660也控制永磁同步马达(“PMSM”)的马达速度。功率电子装置与PMSM马达的控制和监测相关的实施例可以是2012年4月16日提交的发明名称为“模块化动力转换系统”的美国专利申请No.13/447897中描述的那些，该美国专利申请的全部内容在此通过引用的方式并入本文。为了关于本申请中讨论的一个实施例的这种讨论目的，发动机控制器13660和功率电子装置可交换数据和指令，包括但不限于：马达驱动速度指令、发电机速度、总线电压、总线电流、马达驱动IGBT桥温度、分流器控制、分流器激活、电池电压、电池温度、逆变器功率、逆变器激活、逆变器PWM、逆变器电压、逆变器电流、逆变器温度、转换器功率、转换器激活、转换器PWM、转换器电压、转换器电流和转换器温度。在此，“转换器”是指一个或多个DC/DC转换器电路。到发动机控制器13660中的某些直接输入也可能是必要的，并且可包括(但不限于)：曲轴箱的油温、电池温度、马达温度和分流器温度。
环形文丘里燃烧器
图70A-70D公开了与之前在图54-62中描述的多燃烧器头和活塞发动机结合使用的环形文丘里燃烧器13801的进一步实施例。燃烧器13801的该实施例也尤其涉及对多个加热器头13803的独立加热。在本实施例中，存在四个(4)加热器头13803以及相应的燃烧器组件13807，但在图70A的截面图中仅两个(2)可见，当然，对于该发动机来说，也可存在更多或更少的加热器头。与上述实施例中一样，加热器头13803和燃烧器组件13807被燃烧器壳体13811包围，并且每个加热器头13803都被各自的燃烧器组件13807加热。经由鼓风机(未示出)和燃料系统(未示出)向燃烧器组件13807供应用于燃烧的燃料/空气混合物，该鼓风机(未示出)通过空气入口13823供应空气，该燃料系统(未示出)通过燃料入口13816提供燃料。火焰可以在文丘里主体13847中和/或在通过加热器管13809的环状布置而形成的燃烧室13831中形成。然后，热的燃烧气体在进入回收预加热器13851-13855之前流过加热器管13809。安装在中间燃烧器板13805上的金属环形式的燃烧器整流装置(fairings)13808引导燃烧气体越过加热器管13809并使热的燃烧气体转向而不轴向地从加热器管13809离开。如上文关于图59和62描述的，排出的燃烧气体在回收热交换器13851-13855中对入流空气预加热，然后通过排气出口(未示出)离开燃烧器壳体13811。
更具体地，观察图70A。燃烧器壳体13811包括外壁13811A和歧管13811B，该歧管13811B将入口13823端口连接至上述回收热交换器的空气侧13852并将排气端口连接至上述回收热交换器的排气侧13852A。在一些实施例中，歧管13811B可包括与斯特林发动机的接口13804A。可以在该接口处用O形环或其它气密密封件来密封从加热器头13803离开的燃烧气体，并且歧管13811B可以通过马蒙夹(marmin clamp)机械地附接至斯特林发动机的冷却器板13810。在其它实施例中，燃烧器13801可通过带螺栓的凸缘或者其它机械装置机械地附接至斯特林发动机。这些加热器头13803本身可以是上述段落中描述的管式加热器头的各种实施例中的任一种，包括但不限于被并入本文的2012年4月16日提交的美国专利申请No.13/447990中公开的直管式加热器头或螺旋管式加热器头。作为示例，本实施例考虑采用加热器管13809，被相应的燃烧器组件13807加热的工作气体(例如氦气)流经这些加热器管13809。
在燃烧器13801的各种实施例中，可以包括单个鼓风机(未示出)，以维持被供应给燃烧器13801并因此供应给每个单独燃烧器组件13807的恒定的平均空气流量。在一些实施例中，该鼓风机也可以在必要时产生可变的空气流量，以控制文丘里管13841中的燃料/空气混合物。鼓风机可以根据来自控制器的用于点火的指令以期望的速度供应燃烧空气，然后，一旦已经发生了点火，则所述控制器可以根据从传感器接收的数据来调节期望的空气流速，该传感器可以包括(但不限于)对冷却的排气进行取样的氧传感器。在一些实施例中，具有用于每个加热器头的可变流量阀(在一些实施例中，它例如可以是美国密歇根州Southfield市Maxitrol公司制造的Maxitrol EXA-40阀)的燃料系统可以控制燃料流量，以在每个加热器头上实现所指令的温度。该鼓风机可以被调节以实现所期望的燃料/空气比。
本实施例的一个重要方面是通过提取排气中的废热高效地加热入流空气来提高入流空气的温度，从而提高燃烧过程和燃烧器13801的效率。该鼓风机通过燃烧器壳体的外壁13811A中的空气入口13823连接到空气通道13851中。空气通道13851围绕燃烧器13801的外壁13812内的燃烧器周向地延伸，并引导由鼓风机B产生的空气越过中间挡板13853并在进入文丘里喷射器13841的旋流器13882之前向上到达热歧管13857中。中间挡板13853将入流空气与通过排气通道13855离开燃烧器的排气直接分离，并提供从离开的排气至空气通道13851内的入流空气的热传递。该中间挡板13853的热传递效率是关键的，因为：入流空气能够被加热得越热，达到期望的燃烧温度所需的燃料就越少。
入流空气被预加热至期望的温度，例如(但不限于)600-750℃。预加热该入流空气可能有益的原因有很多，并且这些原因包括但不限于：随着空气被引导至燃烧器组件13807而促进了点火和燃烧，和/或通过捕获离开加热器头的燃烧气体中的一些热能而提高了燃烧器的热效率。在一些实施例中，对空气的预加热可以将热排气温度从900℃降至300℃。在一些实施例中，可以实现的预加热的量可以与从离开的排气到入流空气的热传递效率相关。可以通过在中间挡板13853的空气侧上增加多行折叠翅片13852并在中间挡板13853的排气侧上增加多行折叠翅片13852a来提高中间挡板13853上的热传递。这些折叠翅片可以被铜焊至中间挡板13853，以确保良好的热附接。在各种实施例中，可以针对运行温度来优化这些折叠翅片的材料特性。例如，在一些实施例中，靠近顶部的多行折叠翅片可以为耐热金属，其可以包括但不限于INCONEL 625，而下部和更冷的折叠翅片可以具有更高的导热率但具有更低的运行温度。在各种实施例中，这些折叠翅片的材料可以例如包括但不限于不锈钢409或Ni 201。预加热的空气离开空气通道13851并被径向地引导到热空气歧管13857中，该热空气歧管13857与专门将预加热的空气引导至文丘里管13841的旋流器部分13882的多个燃烧器组件13807中的每一个连通。在各种实施例中，预加热的空气穿过围绕空气通道13851的出口的大致360度圆周开口进入热空气室13857。在一些实施例中，这可引起一致流速的预加热空气被输送到燃烧器组件13807中的每一个。在各种实施例中，可在热空气室13857中设置额外的通道或通路(未示出)，以将热空气室中的预加热的空气引导到特定的燃烧器头。在各种实施例中，当仅存在一个鼓风机B来产生到发动机中的空气流时，使用来自空气通道13851的360度输出。
还可以通过参考图70B-70D来理解燃烧器组件13807。图70B所示的燃烧器组件13807的几个元件包括文丘里管主体13841、燃料入口13816、空气旋流器13882、点火器13818和火焰检测器13860。本实施例中的文丘里管13841例如是通过引用的方式将其整体并入的2010年7月1日提交的美国专利申请No.12/829,320、现在为2011年1月20日公布的发明名称为“斯特林循环机”(代理人案号178)的美国公报No.US-2011-0011078-A1(代理人案号178)中公开的文丘里式喷射器。在一些实施例中，文丘里管13841可以出于许多原因是有益的，包括但不限于：提供了降低或消除对完全独立的燃料控制方案的需求的益处，因为对空气流的调节改变了真空，这又相应地影响燃料流并调节燃烧器功率。在一些实施例中，该文丘里管允许在无压缩机的情况下使用建筑物中的典型气体压力，例如7英寸水柱。该鼓风机迫使空气穿过径向旋流器叶片13882。涡旋空气流在文丘里喉部13847中与燃料混合，并在文丘里管13849的膨胀段和/或在图70C的燃烧室13831中形成涡旋稳定的火焰。
再次参考图70B，点火器13818对文丘里喉部13847中的燃料-空气混合物点火。点火器13818可以是火花塞或者可以用作火焰离子化火焰检测器的高压电极。在其它实施例中，点火器12918可以是热表面点火器。在一个实施例中，该点火器可以是美国马塞诸塞州South Grafton市的Crystal-Technica公司生产的氮化硅热表面点火器。点火器13818可以有利地位于文丘里管13841的中心附近，以促进均匀的组分以及来自文丘里管13841的流。点火器13818可以安装在点火器端口13817B中。
火焰检测器13860安装在13817C端口中，并向控制器提供表示存在或不存在来自燃烧器组件13807的火焰的信号。在一个实施例中，火焰检测器13860包括在耐热管13861内的温度传感器13862。温度传感器13862可以是处于inconel外壳内的K型热电偶、B型或R型热电偶、或者是其它高温传感器。耐热管13861可以为耐热金属，例如inconel625，Mar-M，或者它可以是由氧化锆或其它高温陶瓷形成的陶瓷管。在其它实施例中，端口13817B可用于基于视觉的火焰检测电路，包括但不限于以下项中的一种或多种：红外火焰检测器、可见光火焰检测器和/或UV火焰检测器。在另一实施例中，该火焰传感器可以是连接至美国马萨诸塞州阿什兰市的Fenwal Controls公司制造的35-33系列点火控制器的火焰杆。
仍然参考图70B，燃料通过安装在端口13817A中的燃料入口13816进入燃烧器组件13816。燃料在通过燃料端口流入文丘里喉部13847之前流入增压空间或歧管13871中。图70C是文丘里喉部和燃料喷射器的详图，其中最佳地示出了燃料和空气在文丘里喉部中的混合。空气通过由下文详细描述的径向叶片13882产生的诱发涡旋而进入文丘里喉部13847。该空气最初径向地朝着点火器13818流动，然后由围绕所述点火器和文丘里管13877A入口的非对称凸起13880引导为径向流。在图70C所描绘的一个实施例中，文丘里管13877A的入口是文丘里管衬套13877的一部分。在其它实施例中，入口13877可以是文丘里管主体13831的一体部分，或者是锥形件或独立件。在一些实施例中，入口13877A和凸起13880可以形成为随着气流从径向变为轴向而提供大致恒定的横截面流动面积。大致恒定的流动面积的一个可能的优点是最小化了燃烧器组件13807两端的压降。凸起13880可以是锥形的，并且可以具有包括从大致水平至大致竖直的、倾角增大的表面。
仍然参考图70C，燃料从连接至上文已参考图62描述的燃料系统的燃料入口管13816进入燃料增压空间13873。该燃料增压空间围绕文丘里管主体13841的外径形成环形空间，并将燃料供应至多个燃料端口13875。燃料端口13875向文丘里管衬套13877和文丘里管主体13841之间的环形空间提供燃料。该环形空间大部分被填充有燃料，并且它在此被称为燃料环空(fuel annulus)。燃料离开该燃料环空，沿着文丘里喉部13847的壁体轴向地流动。轴向地流经衬套13877的中心并流入文丘里喉部13847的空气在将燃料抽入到文丘里喉部13847(燃料与空气在文丘里喉部13847中混合)中的燃料环空下游产生低压区域。优选地，该燃料环空的出口在点火器13818的上游有足够距离，以挨着点火器13818的热表面或火花塞产生可燃的燃料-空气混合物。该燃料环空可以具有非常细的环形开口，以最大化燃料流速。在其它实施例中，该环空更大。通常，该燃料环空的环形出口具有恒定的径向间隙，以围绕文丘里喉部13847均匀地最大化燃料流量。在优选的设计中，该间隙是文丘里喉部直径的1/20，或者具有0.035”的径向间隙。燃料端口13875可以是径向的，或者可以以一定角度进入燃料环空，以在燃料中引起涡旋。
图70D示出了安装在文丘里管主体13841上的涡旋叶片板13882的轴测图，其中，文丘里管进口13877A是可见的。径向叶片13882A将切向速度或涡旋运动施加给径向流动的空气。在一个实施例中，径向叶片13882A是直的且不弯曲。在另一实施例中，叶片是弯曲的，使得这些叶片在径向叶片板的外径处是径向的；这些叶片弯曲，直到气流以期望的涡旋离开叶片的向内边缘。在图70D中，叶片是弯曲的并且符合空气动力学，以最小化燃烧器上的压降。这些叶片本质上是翼面，其最初在径向文丘里管板的外径附近较厚，然后朝着文丘里管入口逐渐变薄。
关于通过所述燃料环空喷射燃料的优点的一种理论是：该环空通过向来自多个燃料喷嘴的燃料提供增压空间以均匀地混合和流动到文丘里喉部13847中，来提供围绕文丘里喉部的更均匀的燃料供应。关于该燃料环空的优点的另一种理论是：它有利地将燃料放置成紧挨着壁体，其中，局部空气流可能比中心处更均匀。又一种理论是：由于没有跨空气流的燃料喷射，避免了干扰空气流，并且引起了从文丘里喉部13847离开的更均匀的空气流。
尽管本文已经描述了发明的原理，但本领域技术人员应理解，本说明书仅仅通过示例做出，并不作为发明的范围的限制。除本文示出和描述的示例性实施例之外，其它实施例被认为在本发明的范围内。本领域技术人员做出的变型和替换也被认为在本发明的范围内。
Claims (34)
1.一种包含工作流体的外燃式发动机，其包括：
燃烧器元件，所述燃烧器元件用于加热所述发动机的所述工作流体；
至少一个加热器头，所述至少一个加热器头限定容纳所述工作流体的工作空间；
至少一个活塞气缸，所述至少一个活塞气缸包含用于压缩所述工作流体的活塞；
冷却器，所述冷却器用于冷却所述工作流体；
曲轴箱，所述曲轴箱包括：
用于产生发动机输出的曲轴；
连接至所述活塞的活塞杆；
将所述活塞杆的直线运动转换成所述曲轴的旋转运动的驱动机构；以及
包括轴颈和导向件的直线十字头轴承，
其中，所述轴颈的第一端以刚性方式附接至所述活塞杆，并且所述轴颈的第二端附接至所述驱动机构，
其中，所述导向件位于所述工作空间外部，并且
其中，所述活塞的运动仅由所述直线十字头轴承约束，所述直线十字头轴承具有足够大的长度/直径比、足够小的径向间隙，和/或与加热器头足够精确的对准。
2.根据权利要求1所述的外燃式发动机，其中，所述直线十字头轴承的长度与直径之比大于2.0。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的外燃式发动机，其中，所述直线十字头轴承是流体动力轴承，所述流体动力轴承被供应有来自所述导向件上的环形件的润滑流体。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的外燃式发动机，还包括杆密封组件，所述杆密封组件包括：
壳体，所述壳体在所述工作空间与气闸之间，所述气闸位于所述工作空间和所述曲轴箱之间，并且所述壳体被构造成收容所述活塞杆，所述活塞杆布置在所述曲轴箱和所述工作空间之间；
浮动间隙衬套，所述浮动间隙衬套被构造成在所述壳体内轴向和径向地移动，并且围绕所述活塞杆同轴地布置并与所述活塞杆形成杆间隙密封；以及
至少一个固定的环形元件，所述至少一个固定的环形元件被固定在所述壳体内并构造成与所述浮动间隙衬套形成端面密封。
5.根据权利要求1至2中的任一项所述的外燃式发动机，还包括杆密封组件，所述杆密封组件包括：
壳体，所述壳体在所述工作空间与气闸之间，所述气闸位于所述工作空间和所述曲轴箱之间，并且所述壳体被构造成收容所述活塞杆，所述活塞杆布置在所述曲轴箱和所述工作空间之间；和
浮动的杆密封组件，所述浮动的杆密封组件包括安装到所述浮动的杆密封组件上的至少一个杆密封件。
6.根据权利要求5所述的外燃式发动机，所述杆密封件是弹簧加力的密封件。
7.根据权利要求5所述的外燃式发动机，所述浮动的杆密封组件还包括：
外环；和
至少一个衬套。
8.根据权利要求5所述的外燃式发动机，所述杆密封组件还包括：
刮油环；
微粒捕集器；
端口；和
过滤器。
9.根据权利要求4所述的外燃式发动机，其中，所述活塞包括活塞间隙密封件。
10.根据权利要求9所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件是具有面向所述活塞的内径和面向所述气缸的外径的圆柱体，其中，所述外径包括在所述外径上的多个凹槽，并且所述凹槽垂直于所述活塞的轴线。
11.根据权利要求9所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件是具有面向所述活塞的内径的圆柱体，其中，至少一个径向密封件接触所述内径和所述活塞。
12.根据权利要求9所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件包括下列材料中的至少一种：石墨、PTFE、UHMWPE、锑。
13.根据权利要求9所述的外燃式发动机，其中，所述浮动间隙衬套包括下列材料中的至少一种：PTFE、Rulon、工程塑料、石墨和石墨共混物。
14.根据权利要求9所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件至少包括石墨和锑。
15.根据权利要求9所述的外燃式发动机，其中，所述浮动间隙衬套包括浸渍有锑的石墨。
16.一种包含工作流体的外燃式发动机，其包括：
燃烧器元件，所述燃烧器元件用于加热所述发动机的所述工作流体；
至少一个加热器头，所述至少一个加热器头限定容纳所述工作流体的工作空间；
至少一个活塞气缸，所述至少一个活塞气缸包含用于压缩所述工作流体的活塞；
冷却器，所述冷却器用于冷却所述工作流体；
曲轴箱，所述曲轴箱包括：
用于产生发动机输出的曲轴；
连接至所述活塞的活塞杆；
围绕枢轴旋转的摇摆杆；
具有近端和远端的联杆，所述近端以可旋转方式连接至所述摇摆杆；
连杆，所述连杆在第一端处连接至所述摇摆杆并在第二端处连接至曲轴，以将所述摇摆杆的旋转运动转换成所述曲轴的旋转运动；以及
直线十字头轴承，所述直线十字头轴承包括轴颈和导向件，
其中，所述轴颈的第一端以刚性方式附接至所述活塞杆，并且所述轴颈的第二端附接至所述联杆的远端，
其中，所述导向件位于所述工作空间外部，并且
其中，所述活塞的运动仅由所述直线十字头轴承约束，所述直线十字头轴承具有足够大的长度/直径比、足够小的径向间隙，和/或与加热器头足够精确的对准。
17.根据权利要求16所述的外燃式发动机，其中，所述直线十字头轴承的长度与直径之比大于2.0。
18.根据权利要求16至17中的任一项所述的外燃式发动机，其中，所述直线十字头轴承是流体动力轴承，所述流体动力轴承被供应有来自所述导向件上的环形件的润滑流体。
19.根据权利要求16至17中的任一项所述的外燃式发动机，还包括杆密封组件，所述杆密封组件包括：
壳体，所述壳体在所述工作空间与气闸之间，所述气闸位于所述工作空间与所述曲轴箱之间，并且所述壳体被构造成收容所述活塞杆，所述活塞杆布置在所述曲轴箱和所述工作空间之间；
浮动间隙衬套，所述浮动间隙衬套被构造成在所述壳体内轴向和径向地移动，并且围绕所述活塞杆同轴地布置并与所述活塞杆形成杆间隙密封；以及
至少一个固定的环形元件，所述至少一个固定的环形元件被固定在所述壳体内并构造成与所述浮动间隙衬套形成端面密封。
20.根据权利要求16至17中的任一项所述的外燃式发动机，还包括杆密封组件，所述杆密封组件包括：
壳体，所述壳体在所述工作空间与气闸之间，所述气闸位于所述工作空间和所述曲轴箱之间，所述壳体被构造成收容所述活塞杆，所述活塞杆布置在所述曲轴箱和所述工作空间之间；
浮动的杆密封组件，所述浮动的杆密封组件包括安装到所述浮动的杆密封组件上的至少一个杆密封件。
21.根据权利要求20所述的外燃式发动机，其中，所述杆密封件是弹簧加力的密封件。
22.根据权利要求20所述的外燃式发动机，所述浮动的杆密封组件还包括：
外环；和
至少一个衬套。
23.根据权利要求20所述的外燃式发动机，所述杆密封组件还包括：
刮油环；
微粒捕集器；
端口；和
过滤器。
24.根据权利要求19所述的外燃式发动机，其中，所述活塞包括活塞间隙密封件。
25.根据权利要求24所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件是具有面向所述活塞的内径和面向所述气缸的外径的圆柱体，其中，所述外径包括在所述外径上的多个凹槽，并且所述凹槽垂直于所述活塞的轴线。
26.根据权利要求24所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件是具有面向所述活塞的内径的圆柱体，其中，至少一个径向密封件接触所述内径和所述活塞。
27.根据权利要求24所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件包括下列材料中的至少一种：石墨、PTFE、UHMWPE、锑。
28.根据权利要求24所述的外燃式发动机，其中，所述浮动间隙衬套包括下列材料中的至少一种：PTFE、Rulon、工程塑料、石墨和石墨共混物。
29.根据权利要求24所述的外燃式发动机，其中，所述活塞间隙密封件至少包括石墨和锑。
30.根据权利要求24所述的外燃式发动机，其中，所述浮动间隙衬套包括浸渍有锑的石墨。
31.一种包含工作流体的外燃式发动机，其包括：
燃烧器元件，所述燃烧器元件用于加热所述发动机的所述工作流体；
至少一个加热器头，所述至少一个加热器头限定容纳所述工作流体的工作空间；
至少一个活塞气缸，所述至少一个活塞气缸包含用于压缩所述工作流体的活塞；
冷却器，所述冷却器用于冷却所述工作流体；
曲轴箱，所述曲轴箱包括：
用于产生发动机输出的曲轴；
连接至所述活塞的活塞杆；
将所述活塞杆的直线运动转换成所述曲轴的旋转运动的驱动机构；
包括轴颈和导向件的直线十字头轴承，其中，所述轴颈的第一端以刚性方式附接至所述活塞杆，并且所述轴颈的第二端附接至所述驱动机构，其中，所述导向件位于所述工作空间外部，并且其中，所述活塞的运动仅由所述直线十字头轴承约束，所述直线十字头轴承具有足够大的长度/直径比、足够小的径向间隙，和/或与加热器头足够精确的对准；以及
活塞，所述活塞包括：
活塞座，在所述活塞座中安装有至少一个活塞密封件；
外壳，所述外壳安装至所述活塞座并在所述活塞座上方限定所述活塞的外侧；以及
内壳，所述内壳比所述外壳短且窄，并与所述活塞座一起限定所述活塞座的内表面上方的空间。
32.根据权利要求31所述的外燃式发动机，其中，所述活塞座包括小孔口，以允许所述活塞内的压力等于所述工作空间的平均压力。
33.根据权利要求32所述的外燃式发动机，其中，所述孔口具有在0.002至0.008英寸之间的直径。
34.根据权利要求31至33中的任一项所述的外燃式发动机，其中，所述内壳包括端口，以允许所述内壳中的体积空间与所述内壳和外壳之间的体积空间之间的流体连通。
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