CN1653258A - 斯特林发动机组件 - Google Patents

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大卫·安东尼·克拉克
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Abstract

一种斯特林发动机组件，包括具有头部(2)的斯特林发动机(1)。用于给发动机头部提供热量的燃烧器(7)环绕头部。柔性密封件(20)密封发动机和燃烧器之间的界面。第一液体冷却剂回路(25)设在燃烧器密封件之间以降低从燃烧器到密封件的热传递。

Description

斯特林发动机组件
技术领域
本发明涉及一种斯特林发动机组件，且尤其涉及一种用在热电联产(chp)系统的斯特林发动机组件，该热电联产系统主要用在家庭环境中。
背景技术
斯特林发动机具有位于在发动机顶部的加热器头部周围的燃烧器。该基于斯特林发动机的热电联产系统的一个问题是需要保证燃气不会向下通过进入空间密封的单元罩而导致潜在有害气体的积累。因此在斯特林发动机和燃烧器之间需要某种形式的密封件。
在工作时，斯特林发动机由于其往复运动元件而产生振动。包括各种阻尼和吸收元件的减震系统已将振动的残留水平的减到很低的级别，但剩余的振动仍足以对位于振动着的发动机和固定的燃烧器壳体之间的任何密封件造成问题。某些普通的密封件设计通常比发动机悬挂系统硬得多，且在应用中会导致在振动着的发动机和固定的燃烧器壳体之间的不可接受的力传递。正如燃气用具认证程序所规定的，该密封件设计需要非常坚固、在高温下工作并能够在各种工作条件下保持足够的密封。
这样的密封件过度磨损、疲劳或劣化会使燃气泄漏到单元罩内，从而导致危险，并增加了噪音水平。因此需要一种密封件设计，其足够柔性以应付发动机和燃烧器之间的相对运动(实际中的垂直、水平和旋转运动)。另外，该密封件必须能够承受与燃烧器气体相关的高温，且不能被其中的气体腐蚀。
GE于1979年提出的一项现有技术(GE Semi-Annual Report80SD54215(GE半年报告80SD54215))中使用PTFE密封件。这种密封件不适合用于家庭环境中，因为其由于公知的PTFE所发出的有毒排放而引入了潜在的危险。
US5,918,463提出使用陶瓷密封件。然而，陶瓷是一种由于振动而可能失效的材料。
发明内容
根据本发明的一种斯特林发动机组件包括：具有头部的斯特林发动机，将热量提供给发动机头部的燃烧器，在发动机和燃烧器之间的柔性密封件，以及在燃烧器和密封件之间的第一液体冷却剂回路，该冷却剂回路定位为减小从燃烧器到密封件的传热。
通过提供冷却剂回路，密封件必须承受的温度可以显著地降低，从而可以使用普通的密封材料。
用于该第一液体冷却剂回路的液体可以从任何合适的来源提供。然而，该斯特林发动机具有带有第二液体冷却剂回路的冷却器。因此可以方便地给第一和第二冷却剂回路提供共用液体。
在这种设置中，第一和第二冷却剂回路可以并联设置。在这种情况下，液体到第一冷却剂回路的流动将通常是从液体的主流到第二冷却剂回路的排放流动。或者，到第一和第二冷却剂回路的流动可以串联设置。在这种情况下，对于液体优选是在流到第一冷却剂回路之前先绕第二冷却剂回路流动以将冷却器保持在尽可能低的温度。
如果第一冷却剂回路定位为从密封件径向向内，这能够增加燃烧器和密封件之间的距离并允许密封件定位在一个更容易被周围空气冷却的区域中。
除了第一冷却剂回路之外，可以有利地提供减少从燃烧器到密封件的传热的其它方法。例如，可以为从燃烧器到密封件流动的气体提供一条弯曲的路径。作为替代或进一步，可以设置隔热件以减少从燃烧器到密封件的传热。所有这些目的可以通过用纤维隔热材料包装在燃烧器壳体和斯特林发动机头部之间在燃烧器下方的空间来达到。
该柔性密封件可以是任何适合的材料。然而本发明允许使用普通的、商业可获得的材料，其能够承受低于350℃的最大温度，例如硅橡胶密封件材料。
将密封件保持在尽可能低温的另一种方法是将柔性密封件延伸进入第一液体冷却剂回路内。这使得冷却剂与柔性密封件直接接触。优选地，发动机周围的第一液体冷却剂回路具有开口环形通道部分以及穿过该开口环形部分的环形板，其中密封件夹在通道部分和板之间。这允许冷却剂如上所述与密封件接触，还提供了一种将密封件与冷却剂回路连接、同时密封冷却剂回路、从而消除了对于另外密封件的需要的方法，
附图说明
下面参考附图来描述本发明的斯特林发动机组件的示例，在附图中：
图1在第一斯特林发动机组件的示意图；
图2是显示该斯特林发动机头部的一部分和该第一发动机的燃烧密封件的截面图；
图3是图2的液体通道回路的立体图；以及
图4是穿过图3的液体通道回路的截面图。
具体实施方式
图1所示的斯特林发动机组件的大多数方面是现有技术公知的，且在这里仅作简要说明。斯特林发动机1是线性自由活塞式斯特林发动机并包括发动机头部2，在头部下方的冷却器3和交流发电机4。斯特林发动机1通过多个弹簧5从壳体(未示出)悬挂。
在烟道6中画出了周围空气，其被燃气预热并在燃烧器7中被点燃之前与燃料混合以加热发动机头部2。多个翅片8加强了到头部的传热。燃气将引入的空气/燃料混合物预热，而后被供给到热交换器9以加热在家用中央加热回路10中的水。设置有辅助燃烧器11，从而在对热水的需求超过斯特林发动机1能够独立提供的热水时，将额外的热量供给到家用中央加热回路10。风扇12向两个燃烧器7、11供给，且分流阀(splittervalve)13控制燃烧器7和辅助燃烧器11之间空气的分流。它与风扇速度控制一起控制供给到每个燃烧器的空气量。
在家用中央加热回路10中的热水然后绕家用中央加热系统循环，同时通过家用散热器放出热量或用于满足家用热水需求。而后冷却的液体沿线路10A返回到斯特林发动机组件。而后在这些水沿线路14返回到热交换器9，以加热到中央加热系统所需的完全温度之前用于冷却发动机冷却器3，从而导致水温的小幅升高。本发明以此方式工作。然而，如以下将详细介绍的那样，在引入到线路10A中冷水有其它的用途。
如图2到图4所示，设置有密封件20，从而密封燃烧器壳体21和环形凸缘22之间的空间，该环形凸缘22焊接到斯特林发动机1的头部2。通过具有倒U形截面的铸铝通道元件25来设置冷却剂通道。密封件20穿过该通道元件底部的整个宽度延伸并夹在通道元件25的底部和环形板26之间，环形板26通过多个螺栓27保持就位。该通道具有入口28和出口29。密封件和通道的这种布置实现了多个功能。它提供了将密封件关于燃烧器壳体连接的方法，它提供了由于密封元件的大部分在通道25中与水循环直接接触而高效冷却密封的方法，它还提供了不需要单独的密封元件而密封通道的方法。密封件20通过密封保持夹33固定到环形槽30中。
除了围绕通道25的冷却剂流体的循环，在图2中还可以看出有一些其它装置被采用以降低密封件的温度。由两个半圆件构成的陶瓷隔热环24填充了燃烧器7和冷却通道25之间空间的大部分。该环还定位为使得从燃烧器到密封件20有一弯曲通道。还应该指出，密封件20的暴露部分定位成从通道25径向向外，并且也暴露于周围空气。这允许通过周围空气冷却密封，并加强了上述弯曲路径的影响。
为了组装该发动机组件，该发动机设有一个燃烧器模块和一个发动机模块。该发动机模块包括发动机1，环形凸缘22，密封件20，密封件保持夹33，冷却通道25，环形板26，螺栓27和环形发动机支撑架40。应该指出，发动机支撑架40延伸超过图2中示出的程度并被独立地支撑，从而通道25的重量通过发动机支撑架40而非通过密封件20支撑。燃烧器模块包括燃烧器7，环形衬套41和环形支撑架42通过环周设置的螺栓43连接到燃烧器7上。在燃烧器模块就位时，发动机模块向上插入到燃烧器模块中，直到发动机支撑架40抵靠主支撑架42。这些元件之间的界面由垫圈44密封。
在该示例中，围绕环形水套25的流动与环绕冷却器3的流动串联。如图1所示，在线路10A中的冷却液体在沿线路26流到环形水套25之前以已知的方式环绕冷却器3循环。离开环形水套25的水而后沿线路14流到热交换器9。
水从斯特林发动机冷却器3流入环形水套25。在普通操作下，在水进入水套时，其温度在50℃的范围内。热量从燃烧器壳体21移走，从而将密封材料保持在可接受的温度。这允许使用更有效的密封材料，这些密封材料在缺少冷却时所经受的温度(可能超过350℃的壳体温度)下会劣化。这样的密封材料可以是，例如硅橡胶、或氟橡胶例如Viton(维通)或PTFE(聚四氟乙烯)。
在某些情况下居室内不需要热量，但斯特林发动机仍然工作以产生电力。在这种情况下，水将流过斯特林发动机冷却器3，围绕密封件以及热交换器9，但它然后将流经旁通通道流回发动机冷却器而不围绕家用热水系统运行。该热交换器9被操作为对水进行冷却，因为没有其它热量加入那里。辅助燃烧器11和斯特林发动机燃烧器7使用单独的风扇，该辅助燃烧器风扇将如专利申请GB0130378.3中所述被操作为辅助该放热。但是在冷却系统中的水温将会较高，通常达到80℃，因为没有热量排放到居室中。即使在这种温度水平，密封区域也可得到充分冷却，不会发生材料过度劣化。
该液体冷却密封设计的另一个优点是额外的热量回复到冷却水中。该区域的热交换通常会提高热电联产单元罩内空气的温度。当空气通过强制通风被吸入到辅助燃烧器11入口时，空气通过强制通风绕罩循环。对于斯特林发动机和交流发电机4的外表面的冷却需要保持对于内部元件可接受的温度，且在那里的周围的空气在密封区域周围被加热，这降低了循环空气的冷却效能。通过在水系统中放热，冷却发动机/交流发电机的空气处于较低的温度，从而提供了更有效的冷却水平。这将延长温度敏感元件例如交流发电机磁铁的寿命，并潜在地也增加了交流发电机的放电效能。
尽管在示例性实例中显示了发动机，但它同样也可以应用于非垂直发动机，例如水平发动机。它同样也可以应用于以与所示结构相反安装的发动机。

Claims (13)

1、一种斯特林发动机组件，包括：具有头部的斯特林发动机，用于给该头部提供热量的燃烧器，在发动机和燃烧器之间的柔性密封件，以及在燃烧器和密封件之间的第一液体冷却剂回路，该冷却剂回路定位为降低从燃烧器到密封件的热传递。
2、根据权利要求1所述的斯特林发动机组件，其特征在于，该斯特林发动机还包括带有第二液体冷却剂回路的冷却器，该第二液体冷却剂回路被供给与第一液体冷却剂回路共用的液体。
3、根据权利要求2所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述第一和第二液体冷却剂回路并联设置。
4、根据权利要求2所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述第一和第二液体冷却剂回路串联设置。
5、根据权利要求1或2所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述第一液体冷却剂回路设置为从密封件径向向内。
6、根据上述任一项权利要求所述的斯特林发动机组件，其特征在于，设置用于气体从燃烧器流到密封件的弯曲路径。
7、根据上述任一项权利要求所述的斯特林发动机组件，其特征在于，设置隔热件以降低从燃烧器到密封件的热传递。
8、根据权利要求6和7所述的斯特林发动机组件，其特征在于，在燃烧器壳体和斯特林发动机头部之间的燃烧器下方的空间封装纤维隔热材料。
9、根据上述任一项权利要求所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述密封件是硅橡胶密封材料。
10、根据上述权利要求1至8中任一项所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述密封件是氟橡胶密封材料。
11、根据上述任一项权利要求所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述密封件可以承受小于350℃的最大温度。
12、根据上述任一项权利要求所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述柔性密封件延伸进入第一液体冷却剂回路。
13、根据权利要求12所述的斯特林发动机组件，其特征在于，所述第一液体冷却剂回路具有环绕发动机的开口环形通道部分以及穿过该开口环形部分的环形板，其中所述密封件夹在通道部分和板之间。
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