CN113454324A - β型斯特林机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在制冷模式下运行的β型斯特林机(1)。所述斯特林机包括冷部(2)和热部(3)、包括摩擦区(9)的置换器活塞(6)以及包括摩擦区(10)的动力活塞(7)。所述斯特林机具有布置在制冷模式下运行的所述斯特林机的热部中的单衬套(8)，所述置换器活塞的摩擦区和动力活塞的摩擦区在所述单衬套中滑动。

Description

β型斯特林机

技术领域

本发明涉及具有外部热输入的机器领域。特别地，这些机器能够在制冷模式运行中或在热泵模式运行中以动力模式或接收模式使用。

本发明特别涉及β型斯特林机。

背景技术

β型斯特林发动机、制冷机和热泵在现有技术中是已知的。在现有技术中，已知用于改善斯特林机的压缩区与膨胀区之间的密封的研究。另一方面，关于最小化斯特林机的冷源与热源之间的直接热传导的结论性研究很少。事实上，现有技术的斯特林机的原理发展主要涉及密封。

特别地，本发明的一个目的是：

-减少通过斯特林机的冷部与热部之间的传导来进行的热交换，和/或-减少在斯特林机中存在的死区，和/或

-减少在斯特林机中工作气体流动期间的负载损失，

-改善在斯特林机摩擦区中的冷却。

发明内容

为此，提出一种能够在动力模式下或热泵模式下或制冷模式下运行的β型斯特林机，所述斯特林机包括：

-冷部与热部，

-包括摩擦区的置换器活塞，

-包括摩擦区的动力活塞。

斯特林机包括单衬套，该单衬套设置在动力模式下或在热泵模式下运行的斯特林机的冷部中，或相应地设置在制冷模式下运行的斯特林机的热部中，置换器活塞和动力活塞的摩擦区在该单衬套中滑动。

在本申请中，术语“斯特林机”表示能够在动力模式下和接收模式下(即在制冷机中或在热泵运行中)同样良好地运行的β型斯特林机。

在本申请中，当没有指定斯特林机的运行模式(动力模式或制冷模式或热泵模式)时，在动力模式下运行被视为默认的运行模式。在这种情况下可以理解的是，斯特林机的特征与在动力模式下运行相对应。因此，在动力模式下运行的斯特林机的所讨论部分或元件执行的功能与在另一模式下运行的斯特林机的所讨论相同部分或相同元件所执行的功能不同，该所讨论部分或元件能够通过做出下文指定的改变，由与斯特林机的其他运行模式相对应的所讨论部分或元件的功能来替换。

关于斯特林机的冷部和热部。当斯特林机在动力模式下运行时，位于斯特林机的曲轴箱一侧的部分是冷部，并且位于斯特林机中与曲轴箱相对的一侧的部分是热部。在动力模式下运行的斯特林机的冷部与在热泵模式下运行的斯特林机的冷部相对应，并且与在制冷模式下运行的斯特林机的热部相对应。相似地，在动力模式下运行的斯特林机的热部与在热泵模式下运行的斯特林机的热部相对应，并且与在制冷模式下运行的斯特林机的冷部相对应。

关于斯特林机的压缩区和膨胀区。当斯特林机在动力模式下运行时，位于斯特林机的曲轴箱一侧的部分是压缩区，并且位于斯特林机中与曲轴箱相对的一侧的部分是膨胀区。在动力模式下运行的斯特林机的压缩区与在制冷模式下运行的斯特林机的压缩区相对应，并且与在热泵模式下运行的斯特林机的膨胀区相对应。相似地，在动力模式下运行的斯特林机的膨胀区与在制冷模式下运行的斯特林机的膨胀区相对应，并且与在热泵模式下运行的斯特林机的压缩区相对应。

关于斯特林机的元件，其定义为斯特林机的加热器或相应的斯特林机的冷却器。气体在其中从单衬套的通路导管流动到在动力模式或制冷模式下运行的斯特林机的压缩空间体积，或反之亦然的斯特林机的元件是冷却器。气体在其中从单内衬的通路导管流动到在热泵模式下运行的斯特林机的膨胀空间体积，或反之亦然的斯特林机的元件是加热器。

关于位于与曲轴箱相对的一侧的斯特林机的部分，该部分能够定义为斯特林机的热交换器。位于与曲轴箱相对的一侧的斯特林机的部分是在动力模式或热泵模式下运行的斯特林机的热式热交换器，或相应地是在制冷模式下运行的斯特林机的冷式热交换器。

单衬套能够是干衬套。

单衬套能够由单件构成。

单衬套能够整体制造和/或由同一种材料制成。

单衬套能够完全布置在斯特林机的冷部中。

单衬套能够形成位于斯特林机的冷部中的斯特林机的气缸的部分。

单衬套能够沿着置换器活塞和动力活塞的摩擦区的冲程延伸。

置换器活塞和动力活塞的摩擦区是指置换器活塞和单衬套的摩擦区与动力活塞和单衬套的摩擦区。

单衬套的无摩擦区能够位于置换器活塞和单衬套的摩擦区与动力活塞和单衬套的摩擦区之间。

单衬套能够仅沿着置换器活塞和动力活塞的摩擦区的冲程延伸。

衬套能够在摩擦区中延伸超过置换器活塞和/或动力活塞的冲程。

单衬套能够从动力活塞在摩擦区中的下冲程端部向上延伸到置换器活塞在摩擦区中的上冲程端部，该动力活塞在摩擦区中的下冲程端部称为单衬套的曲轴箱端部并位于动力活塞的曲轴的一侧，该置换器活塞在摩擦区中的上冲程端部称为单衬套的分离端部并位于热交换器的一侧。

热式热交换器能够位于在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的膨胀区的一侧，或相应地位于在热泵模式下运行的斯特林机的压缩区的一侧。

当斯特林机在动力模式下或在热泵模式下运行时，热交换器能够是热式热交换器，或者相应地当斯特林机在制冷模式下运行时，热交换器能够是冷式热交换器。

单衬套能够从动力活塞的终端部分的下冲程端部延伸出来，所述动力活塞终端部分的下冲程端部称为单衬套的曲轴箱端部并位于动力活塞的曲轴的一侧。优选地，位于热式换热器的一侧的置换器活塞的终端部分的上冲程端部位于热式热交换器中。

优选地，热式热交换器形成斯特林机的热部的终端部分。优选地，热式热交换器形成气缸的终端部分。

单衬套能够包括气体的通路导管，该气体从在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的压缩空间体积，或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的膨胀空间体积移动到在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器，或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器，或反之亦然，所述通路导管穿过单衬套。通路导管能够根据单衬套的厚度进行延伸。

压缩空间体积位于置换器活塞与动力活塞之间。当动力活塞处在上冲程端部时，置换器活塞处在中间冲程中。存在压缩空间体积最小的循环角度。

优选地，通路导管能够位于衬套的称为压缩区的区域中，该区域位于动力活塞的上冲程端部与置换器活塞的下冲程端部之间。

优选地，通路导管能够在压缩区中以环形方式分布。

优选地，穿过单衬套的所述通路导管位于单衬套不具有摩擦的区域处。

在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器，或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器能够至少部分地、优选完全地与单衬套直接接触，并且能够至少部分地、优选完全地包围单衬套，在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的所述冷却器，或者相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器完全包括在动力模式下或在热泵模式下运行的斯特林机的冷部中，或相应地在制冷模式下运行的斯特林机的热部中。

冷却器能够被布置为从单衬套的通路导管在斯特林机的热部方向上输送气体，或反之亦然，并且当所讨论气体穿过冷却器时冷却该气体。

术语“气体”可以表示气体的混合物。

冷却器能够被布置为从单衬套的通路导管向斯特林机的蓄热器输送气体，或反之亦然，并且当所讨论气体穿过冷却器时冷却该气体。

冷却器的内壁能够至少部分地、优选完全地与单衬套直接接触，并且能够至少部分地、优选完全地包围单衬套，所述冷却器完全包括在斯特林机的冷部中。冷却器的内壁位于单衬套的一侧。

冷却器能够包括一个或更多个气体流动路径。优选地，冷却器包括多个气体流动路径。

冷却器的一个或更多个流动路径能够由冷却器的内壁来部分地界定。

冷却器的一个或更多个流动路径能够至少部分地、优选完全地与单衬套直接接触，并且能够至少部分地、优选完全地包围单衬套，所述冷却器完全包括在斯特林机的冷部中。冷却器的一个或更多个流动路径能够由单衬套的外壁或单衬套的外壁的相应部分来部分地界定。单衬套的外壁位于冷却器的一侧。

冷却器能够与单衬套直接接触，并且能够从通路导管在热部的方向上延伸。

冷却器能够与单衬套直接接触，并且能够从通路导管延伸到热部中的单衬套的分离端部。

冷却器能够在从热部中的单衬套的分离端部延伸到单衬套的通路导管的区域上包围单衬套。

在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的单衬套和冷却器，或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器能够至少部分地、优选完全地插入曲轴箱中直到紧靠曲轴箱的肩部。

曲轴箱能够包括动力活塞和置换器活塞的连杆以及曲轴等。

曲轴箱能够包括用于单衬套的单个肩部或多个肩部和用于冷却器的单个肩部或多个肩部。用于冷却器的单个肩部或多个肩部能够与用于单衬套的单个肩部或多个肩部不同。

斯特林机能够包括头部，该头部至少部分地、优选完全地形成在动力模式下或在热泵模式下运行的斯特林机的热部，或相应地在制冷模式下运行的斯特林机的冷部；称为头部的分离端部的所述头部的一端的至少一部分、优选所述头部的整个分离端部部分地抵靠在单衬套的分离端部上，并且部分地抵靠在在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器的一部分(称为在动力模式下或在制冷机模式下运行的斯特林机的冷却器的分离端部)上，或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器的一部分(相应地称为在热泵模式下运行的斯特林机的加热器的分离端部)上。

术语“抵靠”能够表示直接接触。

抵靠在单衬套的分离端部上的头部的部分和抵靠在冷却器的分离端部上的头部的部分能够形成所述头部的分离端部的整体。

优选地，置换器活塞与头部之间不发生摩擦。

头部能够部分地、优选完全地构成斯特林机的热部。

优选地，头部形成定位在斯特林机的热部中的气缸的部分。

优选地，头部包括热式热交换器。热式热交换器能够形成头部的部分。

优选地，头部的终端部分至少部分地、优选完全地形成热式热交换器。

斯特林机能够包括蓄热器，该蓄热器从头部的分离端部延伸到气体的一个或更多个通路通道的一个或更多个终端部分，该一个或更多个终端部分称为蓄热器终端部分，该气体从在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的膨胀空间体积移动到蓄热器，或相应地从在热泵模式下运行的斯特林机的压缩空间体积移动到蓄热器，或反之亦然。

一个或更多个通路通道能够设置在将斯特林机的气缸与外部分离的头部的壁中。

蓄热器能够夹在头部的两个壁之间，称为蓄热器的内壁的所述壁之一形成在动力模式下或在热泵模式下运行的斯特林机的热部或相应地在制冷模式下运行的斯特林机的冷部的内壁的部分，称为蓄热器的外壁的另一个所述壁形成在动力模式下或在热泵模式下运行的斯特林机的热部或相应地在制冷模式下运行的斯特林机的冷部的外壁的部分。

一个或更多个通路通道能够包括在斯特林机的热部的内壁的部分和斯特林机的热部的另一壁之间，该斯特林机的热部的内壁称为一个或更多个通路通道的内壁，该斯特林机的热部的另一壁称为一个或更多个通路通道的外壁。

蓄热器的内壁能够构成一个或更多个通路通道的内壁的延长部。蓄热器的外壁能够构成一个或更多个通路通道的外壁的延长部。

蓄热器的外壁的延长部能够形成斯特林机的热部的内壁的部分。蓄热器的外壁的延长部能够形成热式热交换机的内壁的部分。

由头部形成的气缸的部分的内壁能够构成斯特林机的热部的内壁。

蓄热器的外壁的部分能够抵靠在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器的分离端部上，或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器上，并且蓄热器的内壁的部分抵靠在单衬套的分离端部上。在这种情况下，抵靠在单衬套的分离端部上的头部的分离端部的部分构成了抵靠在单衬套的分离端部上的蓄热器的内壁的部分。在这种情况下，抵靠在在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器的分离端部上或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器上的头部的分离端部的部分也构成了抵靠在在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器的分离端部上或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器上的蓄热器的外壁的部分。在这种情况下，蓄热器的外壁的部分和蓄热器的内壁的部分也构成头部的分离端部。

斯特林机能够包括一个或更多个凹槽。所述一个或更多个凹槽能够由以下制成：

-抵靠在头部的分离端部上的单衬套的分离端部的一个或更多个部分，和/或抵靠在头部的分离端部上的在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器的分离端部的一个或更多个部分或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器的分离端部的一个或更多个部分，和/或-抵靠在单衬套的分离端部的和/或抵靠在在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器的分离端部的或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器的分离端部的头部的分离端部的一个或更多个部分。

优选地，一个或更多个凹槽被布置为最小化斯特林机的热部与冷部之间的接触表面，以便限制这些部分之间的热传导。

优选地，斯特林机的热部与冷部之间的接触区、尤其是蓄热器与头部之间和单衬套与头部之间的接触区能够被布置为最小化斯特林机的热部和冷部之间的接触表面，以便限制这些部分之间的热传导。

斯特林机能够包括组装系统，该组装系统被布置为保持头部和曲轴箱接触；组装系统连接到曲轴箱，并被布置为与位于头部的外壁的分离端部处的头部的肩部接合，该头部的肩部抵靠在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器的分离端部上或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器上。

组装系统能够是夹具类型的紧固系统。

被布置为与头部的肩部接合的组装系统的部分能够是夹具的肩部。

优选地，组装系统仅与肩部接合。组装系统能够抵靠在曲轴箱的外壁上。

肩部能够是头部的外壁的部分和/或冷却器的部分。

优选地，组装系统与斯特林机的其他元件之间的接触区、尤其是曲轴箱与头部之间的接触区能够被布置为最小化斯特林机的热部与冷部之间的接触表面，以便限制这些部分之间的热传导。

在动力模式下或在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器或相应地在热泵模式下运行的斯特林机的加热器的流动路径中的每个的最大水力直径和头部的通路通道的最大水力直径能够大于或等于热边界层的厚度。

优选地，冷却器的流动路径中的每个的最大水力直径和头部的通路通道的最大水力直径能够大于或等于热边界层的厚度的两倍。更优选地，冷却器的流动路径中的每个的最大水力直径和头部的通路通道的最大水力直径能够等于热边界层厚度的三倍。

该特征具有根据所需动态来限制流动的效果，同时具有限制由冷却器构成的死区的效果。

优选地，通路导管中的每个在置换器活塞和动力活塞的冲程方向上的长度(称为通路导管的厚度)是通路导管的最小长度。

斯特林机能够包括带有单衬套的置换器活塞的一个或更多个摩擦装置和/或动力活塞的一个或更多个摩擦装置。置换器活塞的一个或更多个摩擦装置和/或动力活塞的一个或更多个摩擦装置能够包括石墨和/或聚四氟乙烯(PTFE)。

摩擦装置可以是段件。

活塞的摩擦区能够定义为区域，所讨论活塞的一个或更多个摩擦装置在该区域中延伸。

衬套的摩擦区能够定义为衬套的区域，一个或更多个活塞的一个或更多个摩擦装置与该衬套的区域接触。

当活塞包括多个摩擦装置时，动力活塞在摩擦区中的下冲程端部能够与位于动力活塞的曲轴的一侧的摩擦装置的端部相对应，并且置换器活塞的摩擦区的上冲程端部能够与位于热交换器的一侧的置换器活塞的摩擦装置的端部相对应。

斯特林机的单衬套能够由钢制成。

附图说明

通过阅读对绝非限制性的实施方式和实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将显现，并从以下附图中可以看出：

[图1]图1是根据本发明的β型斯特林发动机的斜视示意图，

[图2]图2是根据本发明的β型斯特林发动机的单衬套的横截面示意图，[图3]图3是根据本发明的β型斯特林发动机的横截面示意图，

[图4]图4是根据本发明的β型斯特林发动机的横截面图示意图，

[图5]图5是根据本发明的β型斯特林机的热部和冷部的组装系统的横截面示意图，

[图6]图6是根据本发明的β型斯特林发动机中包括斯特林发动机的单衬套和冷却器的区域的竖直截面的斜视示意图。

具体实施方式

由于下文描述的实施例是非限制性的，因此可以特别考虑本发明的变型仅包括与所描述其他特征隔离的所描述特征的选集(即便该选集在包括这些其他特征的句子中被隔离)，只要这些特征的选集足以赋予技术优点或者足以使本发明与现有技术区分开。该选集包括不具有结构细节或者仅具有一部分(只要该部分单独足以赋予技术优点或者使本发明与现有技术区分开)结构细节的至少一个特征，优选地为至少一个功能特征。

为了清楚起见并使描述尽可能容易理解，下文描述的所述实施例是在动力模式下运行的β型斯特林机1的实施例。然而，通过做出如本申请的公开部分中所描述的改变，针对在动力模式下运行的斯特林机1的运行所描述的特征能够被与斯特林机1的另一运行模式相对应的特征来替换。因此应当记住，如下所述的在动力模式下运行的β型斯特林机1也能够在接收模式，即在制冷机或热泵模式运行中同样良好地运行。因此，在动力模式下运行的斯特林机1的所讨论部分或元件执行的功能与在另一模式下运行的斯特林机1的所讨论相同部分或相同元件执行的功能不同，该所讨论部分或元件能够通过做出下文指定的改变来被与斯特林机1的其他运行模式相对应的功能来替换。为此，利用与预期运行模式有关的相应部分或元件的功能来替换与在动力模式下的运行有关的部分或元件的功能就足够了。

要进行的主要替换涉及以下特征：

-当斯特林机1在动力模式下运行时，位于曲轴箱11的一侧的部分是冷部3，并且位于斯特林机1中与曲轴箱相对的一侧的部分是热部2。在动力模式下运行的斯特林机1的冷部3与在热泵模式下运行的斯特林机1的冷部3相对应，并且与在制冷模式下运行的斯特林机1的热部3相对应。相似地，在动力模式下运行的斯特林机1的热部2与在热泵模式下运行的斯特林机1的热部2相对应，并且与在制冷模式下运行的斯特林机1的冷部2相对应，

-当斯特林机1在动力模式下运行时，位于斯特林机1的曲轴箱11的一侧的部分是压缩区3，并且位于斯特林机1中与曲轴箱相对的一侧的部分是膨胀区2。在动力模式下运行的斯特林机1的压缩区3与在制冷模式下运行的斯特林机1的压缩区3相对应，并且与在热泵模式下运行的斯特林机1的膨胀区3相对应。相似地，在动力模式下运行的斯特林机1的膨胀区2与在制冷模式下运行的斯特林机1的膨胀区2相对应，并且与在热泵模式下运行的斯特林机1的压缩区2相对应，

-气体在其中从单衬套8的通路导管13流动到在动力模式或制冷模式下运行的斯特林机1的压缩空间体积14或反之亦然的斯特林机1的元件是冷却器4。气体在其中从单衬套8的通路导管13流动到在热泵模式下运行的斯特林机1的膨胀空间体积14或反之亦然的斯特林机1的元件是加热器4，-关于位于与曲轴箱11相对的一侧的斯特林机1的部分，该部分能够定义为斯特林机1的热交换器5。位于与曲轴箱11相对的一侧的斯特林机的部分是在动力模式或热泵模式下运行的斯特林机1的热式热交换器5，或相应地是在制冷模式下运行的斯特林机1的冷式热交换器5。

参照图1至图6，在第一实施例中描述了β型斯特林发动机1。斯特林发动机1包括冷部3和热部2。斯特林发动机1包括热式热交换器5和冷却器4。斯特林发动机1包括置换器活塞6和动力活塞7。置换器活塞6包括由密封段并且由置换器活塞6的导向环来形成的组件131。动力活塞7包括由密封段并且由动力活塞7的导向环来形成的组件132。根据本发明的β型斯特林发动机1包括完全定位在发动机1的冷部3之内的单衬套8，置换器活塞6的摩擦区9和动力活塞7的摩擦区10在该单衬套中滑动。

在本说明书的其余部分中，单独使用术语“发动机”表示在动力模式下运行的β型斯特林机1。

作为非限制性示例，发动机1被设计的运行条件是热式热交换器5处的温度为900℃，工作气体的压力约为100bar，并且运行频率为50Hz以用于在动力模式下运行。当设想在制冷模式下使用斯特林机1时，冷式热交换器5处的温度约为-50℃，工作气体的压力约为100bar，并且运行频率约为50Hz。最后，在热泵模式下使用时，热式热交换器5处的温度为200℃，工作气体的压力约为100bar，并且运行频率约为50Hz。机器1被设计为在没有润滑的情况下运行。

首先，将描述发动机1的冷部3。

动力活塞7和置换器活塞6借助于相应的连杆16、17来连接到曲轴26。连杆16的轴161在滑动套筒27处穿过动力活塞7，该滑动套筒提供穿过动力活塞7的所讨论轴的密封和滑动。置换器活塞6包括防辐射屏35。

单衬套8构成位于发动机1的冷部3中的发动机1的气缸的部分。使用单衬套8使得可以避免引入当使用两个衬套时存在的接合区。这有利于维护和节约成本，并且避免引入当使用两个衬套时必然出现在接合处的高热梯度。此外，在接合处没有产生死区。

单衬套8包括穿过该衬套8的工作气体的通路导管13。通路导管13在相对于活塞6、7的冲程的径向方向上穿过衬套8。通路导管13沿气体的压缩区14以环形方式分布。

通路导管13具有细长形状。通路导管13沿衬套8内周的长度大于通路导管13在活塞6、7的冲程方向上的厚度。将通路导管13的厚度最小化以减少位于压缩空间体积14处的体积。因此，根据本发明的通路导管13的形状使得可以通过减小在压缩空间体积14处分离置换器活塞6与动力活塞7的冲程端部的距离来改善发动机1的效率，并因此减小由在压缩空间体积14处分离置换器活塞6与动力活塞7的冲程端部的距离所构成的死区。

通路导管13的尺寸控制负载损失。尺寸太小会限制压缩空间体积14与膨胀空间体积15之间的气体流动并会降低发动机1的效率。在实际应用中，通路导管13的厚度受到衬套的机械强度限制。

单衬套8插入到曲轴箱11中并紧靠设置在曲轴箱11的内壁中的肩部12。在单衬套8已经插入到曲轴箱11中后，衬套8的外壁中的从通路导管13的下端部延伸到在连杆16、17的一侧的动力活塞7的摩擦区10的冲程端部的部分与曲轴箱11的内壁直接接触。包括所讨论的衬套8的外壁的部分的发动机1的冷部3的部段称为下部19。位于连杆16、17的一侧的单衬套8的端部能够延伸超过在连杆16、17的一侧的动力活塞7的冲程端部。

在已经插入单衬套8后，衬套8的外壁中的从通路导管13的下端部延伸到位于热式热交换器5的一侧的置换器活塞6的摩擦区9的冲程端部的部分与曲轴箱11的内壁不接触。包括所讨论的衬套8的外壁的部分的发动机1的冷部3的部段称为上部20。在通路导管13的下端部处，曲轴箱11形成肩部18，该肩部在冷部3的上部20中将曲轴箱11的内壁与衬套8的外壁分开一定距离。

因此，在已经插入单衬套8后，在发动机1的冷部3的上部20中，在曲轴箱11的壁与单衬套8的壁之间形成壳体。所述壳体被布置为容纳冷却器4。冷却器4能够插入到壳体中或与曲轴箱11一体地形成。输入22和输出23被设置为穿过曲轴箱11以允许例如水的传热流体在冷却器4中流动。

在这种配置中，单衬套8与冷却器4直接接触。这确保衬套8以及因此压缩区14的更好的冷却。此外，这种布置确保单衬套8在冷却器4的整个长度上与冷却器4的整个壁直接接触。这方面确保了这些部分之间更好的热传递。使用完全位于压缩区14中的单衬套8使得可以将衬套8保持在低温下，并且因此显著减小单衬套8的壁的厚度。这种配置使得可以将单衬套8的温度保持在60℃以下的温度下。衬套8的厚度小的这一事实显著减少处于不同温度下的热部2与冷部3之间的热传导。单衬套8的温度低的这一事实减小衬套的热膨胀。

摩擦区9、10仅与单衬套8接触并且衬套8保持在如此低的温度下的事实使得可以使用基于不常采用的材料的段件/单衬套对。作为非限制性示例，衬套能够由钢，例如42CD4T级钢制成，并且段件由PTFE/石墨复合材料制成。PTFE/石墨对用作固体润滑剂，这使得可以省去钢的热处理步骤。

冷却器4包括工作气体的流动路径21。这些流动路径21在活塞6、7的冲程方向上沿冷却器4延伸并且将通路导管13连接到位于发动机1的热部2中的蓄热器24。

冷却器4插入到壳体中并且紧靠曲轴箱11的肩部25和18。肩部25设置在曲轴箱11的壁中。与肩部18接触的冷却器4的壁包括凹槽394，该凹槽旨在容纳水与工作气体之间的密封元件。与发动机1的上部20的曲轴箱11的壁接触的冷却器4的侧壁包含凹槽395，该凹槽也旨在容纳水与外部之间的密封元件。冷却器4被布置成使得冷却器在已经插入到壳体中后，流动路径21穿过位于衬套8的一侧的冷却器的壁。因此，这些流动路径21将通路导管13连接到位于发动机1的热部2中的蓄热器24。

其次，将描述发动机1的热部2。

热部2由钢或铬镍铁合金制成的头部28组成。头部28构成发动机1的热部2。根据本发明，摩擦区9、10仅与单衬套8接触，头部28不经受与摩擦相关联的任何机械应力。头部28的厚度也因此减小以最小化头部28与冷部3之间的接触区，并且因此进一步限制发动机1的不处于相同温度的热部2与冷部3之间的热传导。在头部28中设置位于热部2中的发动机1的汽缸的部分。头部28的终端部分包括热式热交换器5。位于气缸的终端部分中的膨胀空间体积15与热式热交换器5接触。头部28的称为上部段的部段29从热式热交换器5延伸到蓄热器24。头部28的称为下部段的部段30包括蓄热器24并且从上部段29的端部延伸到冷却器4。头部28的上部段29的外壁包括散热片31，该散热片改善热式热交换器5附近的热交换。

将膨胀区15连接到蓄热器24的通路通道32被设置在头部2的上部段29中。这些通路通道32包括在头部28的内壁33与外壁34之间。头部28的内壁33也构成发动机1的气缸的壁。散热片31从头部28的外壁34延伸出来。

肩部36设置在头部28的外壁34的内表面中。所述肩部36导致分离下部段30中的内壁33与外壁34的距离增加。因此，这种距离的增加形成在头部28的壁33、34之间的壳体。肩部36的形状减小气体在蓄热器24与热式热交换器5之间流动期间的负载损失。蓄热器24能够插入到壳体中或与头部28一体地形成。

热部2还包括蓄热器24，该蓄热器旨在存储然后返还来自从动力模式1的膨胀空间体积15流动到动力模式1的压缩空间体积14的气体的热量。服务气体或工作气体在穿过蓄热器24时也被冷却或加热。蓄热器24从头部28的通路通道32延伸到动力模式1的冷却器4的流动路径21。

优选地，蓄热器24能够单独地设计以完美地满足发动机1的使用条件。蓄热器24能够插入头部28的壳体中直到其紧靠肩部36。为了减小冷部3与热部2之间的热交换，将增加蓄热器24在活塞6、7的冲程方向上的长度。最佳的长度将被确立以优化在传导最小化与减少负载损失和死区之间的折衷。蓄热器24被布置成使得热量的存储的发生尽可能地远离热式热交换器5的一侧的冷部3。

为了限制负载损失，优选地使用包括沿着气体的流动方向连续布置的具有不同孔隙率的体积的蓄热器24。为此，更优选的是形成具有高孔率和低孔率的交替部段，用于增加蓄热器24的整体水力直径以便减小整体负载损失，同时保留等效交换表面。仍然为了限制负载损失，优选使用其在蓄热器24的端部处的孔隙率值、尤其是在热式热交换器5的一侧的孔隙率值低于在蓄热器24的中心的孔隙率值的蓄热器24。

在以下情况下，蓄热器24的性能也会得到改善：

-蓄热器24的部段的孔隙率从蓄热器的中心平面向蓄热器24的端部增加，和/或

-具有最高孔隙率的蓄热器的部段具有等于1的孔隙率，和/或-孔隙率为每单位体积0至1和/或为每单位长度0至1，和/或-蓄热器24由刚性多孔材料制成并由相对于彼此在空间上布置的一组连续的单元组成；每个单元中的与气体接触的表面或每个表面相对于气体的流动方向形成5°至85°的角度，和/或

-蓄热器24的每个单元包括从单元的中心延伸的长方形的至少四个元件，元件中的每个相对于气体的流动方向形成5°至85°的角度，和/或-蓄热器24的连续的两个单元通过以下物理连接在一起：

●通过他们长方形元件中的至少一个，或

●通过材料层，他们长方形元件中的至少一个连接到该材料层，和/或-蓄热器24的单元的长方形元件相对于包括单元的中心的一个或更多个对称平面而言两两对称。

第三，将描述冷部3和热部2的组装以及发动机1的几何特征。

限制β型斯特林机效率的原因之一是由于热部2与冷部3彼此相邻放置的事实。因此，必须尽可能地减小通过热部2与冷部3之间的传导来进行的热交换。通过机器各部分进行的热传导仍然是降低β型斯特林机效率的主要因素。现有技术的一些斯特林机引入了放置在冷部3与热部2之间的绝缘装置，以将热部2与冷部3热绝缘。这增加了斯特林机1的重量和成本，并带来了维护困难和死区的增加。根据本发明，在斯特林机1的冷部2与热部3之间没有插入绝缘装置。

头部28被放置为与发动机1的冷部3接触。当头部28与发动机1的冷部3接触时，头部28的内壁33的端部与位于单衬套8的端部处的肩部38接触。肩部38的侧壁包含凹槽391，该凹槽旨在减小头部28与单衬套8之间的接触表面，并且因此减小头部28与衬套8之间的热传导。所述凹槽391还使得可以容纳密封元件。当头部28与发动机1的冷部3接触时，位于头部28的外壁34的端部处的肩部40与位于头部28对面的冷却器4的面接触。与头部28相对的冷却器4的面包括两个凹槽392、393，所述两个凹槽旨在减小头部28与冷却器4之间的接触表面，并且因此减小头部28与冷却器4之间的热传导。凹槽392被布置为容纳在工作气体与外部之间的密封元件。当头部28与发动机1的冷部3接触时，位于与冷部3相对的蓄热器24的端部面部分地抵靠冷却器4的端部面和位于与所讨论的蓄热器24的端部面相对的单衬套8的端部面。位于热部2的一侧的冷却器4的流动路径21的端部通向位于对面的蓄热器24的端部面上。

冷部3借助于组装夹具系统37来与热部2保持接触。作为非限制性示例，发动机1包括八个组装夹具系统37。每个系统37包括螺钉41，该螺钉旨在从夹具42的上侧插入并插入到夹具42的开口中。螺钉41的螺纹旨在从与夹具42的上侧相对的一侧伸出。每个夹具42旨在通过使夹具42的部分抵靠在头部28上并使夹具42的另一部分抵靠在曲轴箱11上，从而保持头部28与曲轴箱11接触。在插入螺钉41后，螺钉41的头部48旨在抵靠在夹具42上。螺钉41的螺纹被布置为拧入到在曲轴箱11的法兰44中产生的螺纹中。夹具42包含肩部45，该肩部旨在与头部28的肩部40接合，从而在拧紧螺钉41后，头部28与冷却器4保持紧密接触。优选地，肩部46能够被布置为仅与冷却器4接触，而不与曲轴箱11接触。肩部45包含凹槽396，该凹槽旨在减小夹具42与头部28之间的热传导，并且因此减小曲轴箱11与头部28之间的热传导。并且，夹具42的肩部45因此能够被定义为由边缘46组成，该边缘在膨胀区15到压缩区14的连接方向上延伸并且并形成旨在与头部28接触，尤其是与头部28的肩部40接触的夹具42的单部分。所述边缘46位于夹具42中的与发动机1相对的一侧。所述边缘46旨在最小化夹具42与头部28之间的接触区。类似地，位于面向曲轴箱11的法兰44的夹具42的面包含旨在紧靠法兰44的边缘47。所述边缘47在膨胀区15到压缩区14的连接方向上延伸并且与法兰44接触。所述边缘47位于夹具42相对于机器1的中心的外侧。所述边缘47形成旨在与曲轴箱11接触的夹具42的唯一部分。所述边缘47旨在通过保持夹具42与曲轴箱11之间的空间来减小夹具42与曲轴箱11之间的接触区。

根据本发明，在不同温度下的热部2和冷部3之间的热传导的减小是通过以下实施特征和/或它们的组合来进行的：

-使用完全位于发动机1的冷部3中的单衬套8，和/或-设置与单衬套8直接接触的冷却器4，和/或

-最大化冷却器4与单衬套8之间的接触表面，和/或-设置完全在头部28中，并因此完全在热部2中的蓄热器24，和/或-最小化头部28与冷部3之间的接触表面，和/或

-引入在头部28与冷部3之间的接触区中的凹槽，和/或-减小头部28的壁33、34的尺寸，和/或

-减小衬套8的壁的尺寸，这可以通过使用完全包括在发动机1的冷部3中的单衬套8来实现。

根据本发明，通过以下实施特征和/或通过它们的组合来减小死区：

-使用完全位于发动机1的冷部3中的单衬套8，和

-设置在压缩区14处的通路导管13，和

-减小通路导管13的厚度，和/或

-减少在压缩区14处分离置换器活塞6与动力活塞7的冲程端部的距离。

根据本发明，通过以下实施特征和/或通过它们的组合来减小在气体流动期间的负载损失：

-使用沿气体的流动方向包括具有不同连续孔隙率的体积的蓄热器4，和/或

-使用包括具有高孔隙率和低孔隙率的交替部段的蓄热器，以增加蓄热器4的总水力直径，以减小总负载损失，同时保持等效的交换表面积，和/或-使用其在蓄热器4的端部处的孔隙率值，尤其是在热式热交换器5的一侧的孔隙率值低于在蓄热器4的中心的孔隙率值的蓄热器4，和/或-蓄热器24的部段的孔隙率从蓄热器的中心平面向蓄热器24的端部增加，和/或

-具有最高孔隙率的蓄热器的部段具有等于1的孔隙率，和/或-孔隙率为每单位体积0至1和/或为每单位长度0至1，和/或-蓄热器24由刚性多孔材料制成并由相对于彼此在空间上布置的一组连续的单元，单元中的每个的与气体接触的表面或每个表面相对于气体的流动方向形成5°至85°的角度，和/或

-蓄热器24的每个单元包括从单元的中心延伸的长方形的至少四个元件，元件中的每个相对于气体的流动方向形成5°至85°的角度，和/或-蓄热器24的连续的两个单元通过以下物理连接在一起：

●通过它们的长方形元件中的至少一个，或

●通过材料层，它们的长方形元件中的至少一个连接到该材料的层，和/或

-蓄热器24的单元的长方形元件相对于包括单元的中心的一个或更多个对称平面两两对称。

当然，本发明不限于刚刚所描述的示例，并且在不超出本发明的范围的情况下能够对这些示例进行许多修改。

此外，本发明的不同特征、形式、变型和实施例能够以各种组合方式相互组合，除非它们不相容或相互排斥。

Claims (15)

1.一种在制冷模式下运行的β型斯特林机(1)，所述斯特林机包括：

-冷部(2)和热部(3)，

-包括摩擦区(9)的置换器活塞(6)，

-包括摩擦区(10)的动力活塞(7)，

所述斯特林机的特征在于，其包括定位在制冷模式下运行的所述斯特林机的热部中的单衬套(8)，所述置换器活塞的摩擦区和所述动力活塞的摩擦区在所述单衬套中滑动。

2.根据权利要求1所述的斯特林机(1)，其中，所述单衬套(8)沿着置换器活塞(6)的摩擦区的冲程和所述动力活塞(7)的摩擦区的冲程延伸。

3.根据权利要求1或2所述的斯特林机(1)，其中，所述单衬套(8)从动力活塞(7)的摩擦区(10)的下冲程端部向上延伸到所述置换器活塞(6)的摩擦区(9)的上冲程端部，所述动力活塞的摩擦区的下冲程端部称为单衬套的曲轴箱端部并位于所述动力活塞的曲轴(26)的一侧，所述置换器活塞的摩擦区的上冲程端部称为单衬套的分离端部并位于热交换器(5)的一侧。

4.根据上述权利要求中任一项所述的斯特林机(1)，其中，所述单衬套(8)包括气体的通路导管(13)，所述气体从在制冷模式下运行的斯特林机的压缩空间体积(14)移动到在制冷模式下运行的所述斯特林机的冷却器(4)，或反之亦然，所述通路导管穿过单衬套。

5.根据权利要求4所述的斯特林机(1)，其中，在制冷模式下运行的所述斯特林机的冷却器(4)与单衬套(8)至少部分地直接接触，并且至少部分地包围所述单衬套，在制冷模式下运行的所述斯特林机的所述冷却器完全包括在在制冷模式下运行的斯特林机的热部(3)中。

6.根据权利要求4或5所述的斯特林机(1)，其中，在制冷模式下运行的所述斯特林机的单衬套(8)和冷却器(4)至少部分地插入到曲轴箱(11)中直到紧靠所述曲轴箱的肩部(12)。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的斯特林机(1)，其包括头部(28)，所述头部至少部分地形成在制冷模式下运行的斯特林机的冷部(2)，称为所述头部的分离端部的所述头部的端部的至少一部分部分地抵靠在所述单衬套(8)的分离端部上，并且部分地抵靠在称为在制冷机模式下运行的所述斯特林机的冷却器的分离端部的在制冷模式下运行的所述斯特林机的冷却器(4)的一部分上。

8.根据权利要求7所述的斯特林机(1)，其包括蓄热器(24)，所述蓄热器从头部(28)的分离端部延伸到气体的一个或更多个通路通道(32)的一个或更多个称为蓄热器的终端部分，所述气体从在制冷模式下运行的斯特林机的膨胀空间体积(15)移动到蓄热器，或者反之亦然。

9.根据权利要求8所述的斯特林机(1)，其中，所述蓄热器(24)夹在头部(28)的两个壁(33、34)之间，称为所述蓄热器的内壁(33)的头部的所述壁之一形成在制冷模式下运行的斯特林机的冷部(2)的内壁的一部分，称为所述蓄热器的外壁(34)的头部的所述壁中的另一个形成在制冷模式下运行的斯特林机的冷部的外壁的一部分。

10.根据权利要求9所述的斯特林机(1)，其中，所述蓄热器的外壁(34)的一部分抵靠在在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器(4)的分离端部上，并且所述蓄热器的内壁(33)的一部分抵靠在单衬套(8)的分离端部上。

11.根据权利要求7至10之一所述的斯特林机(1)，其中，一个或更多个凹槽(391、392、393、394、395、396)由以下制成：

-抵靠在所述头部(28)的分离端部上的单衬套(8)的分离端部的一个或更多个部分和/或抵靠在所述头部的分离端部上的在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器(4)的分离端部的一个或更多个部分，和/或

-抵靠在所述单衬套的分离端部上的和/或抵靠在制冷模式下运行的所述斯特林机的冷却器的分离端部上的所述头部的分离端部的一个或更多个部分。

12.根据权利要求9至11之一所述的斯特林机(1)，其包括组装系统(40、41、42、44)，所述组装系统被布置为保持头部(28)与曲轴箱(11)接触；所述组装系统连接到曲轴箱，并被布置为与位于所述头部的外壁(34)的分离端部处的所述头部的肩部(40)接合，所述头部的肩部抵靠在在制冷模式下运行的斯特林机的冷却器(4)的分离端部上。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的斯特林机(1)，其中，在制冷模式下运行的所述斯特林机的冷却器(4)的流动路径(21)和所述头部(28)的通路通道(32)中的每个的最大水力直径大于或等于热边界层的厚度。

14.根据上述权利要求中任一项所述的斯特林机(1)，其中，所述置换器活塞(6)的一个或更多个摩擦装置和/或所述动力活塞(7)的一个或更多个摩擦装置包括石墨和/或聚四氟乙烯。

15.根据上述权利要求中任一项所述的斯特林机(1)，其中，所述单衬套(8)由钢制成。

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