CN1989315B - 发动机 - Google Patents

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Abstract

一种发动机，包括：第一容积式装置；第二容积式装置；连接到第一容积式装置且用于从大气中接收空气的入口管；连在第一和第二容积式装置之间的中间管；连接到第二容积式装置且用于向大气中排放空气的出口管；用于提高中间管中作为工作流体的空气的温度和压力的加热器；第一和第二容积式装置之间的动态连接；这样进行布置：在发动机运行中，第一容积式装置使得空气通过中间管流向第二容积式装置，加热的空气驱动第二容积式装置，第二容积式装置经由动态连接驱动第一容积式装置；容积式装置包括至少一个旋转活塞；以及器件，其切断来自第一容积式装置的工作流体的供给，并使来自第一容积式装置的工作流体的供给的一部分转向，离开第二容积式装置。

Description

发动机
技术领域
本发明涉及一种发动机，特别是利用斯特林(Stirling)循环的发动机。
背景技术
自从1816年发明第一个斯特林发动机后，已经作出了斯特林发动机的许多不同的设计。希望提供一种能有效利用环境热量或者余热的发动机。
发明内容
本发明的一个方面提供利用至少一个旋转容积式装置的斯特林发动机。
本发明的另一个方面提供由热泵供给热量的斯特林发动机。
具体的，本发明提供一种发动机，包括：第一容积式装置；第二容积式装置；连接到第一容积式装置且用于从大气中接收空气的入口管；连在第一和第二容积式装置之间的中间管；连接到第二容积式装置且用于向大气中排放空气的出口管；用于提高中间管中作为工作流体的空气的温度和压力的加热器；和第一和第二容积式装置之间的动态(kinematic)连接。这样进行布置：在发动机运行中，第一容积式装置使得空气通过中间管流向第二容积式装置，加热的空气驱动第二容积式装置，第二容积式装置经动态连接驱动第一容积式装置。容积式装置包括至少一个旋转活塞。以及器件，器件切断来自第一容积式装置的工作流体的供给，并使来自第一容积式装置的工作流体的供给的一部分转向，离开第二容积式装置。
工作流体可以是空气或另一种气体。优选的旋转容积式装置为在WO02/04787、WO 02/04814、WO03/062604，和WO 2004/031539中所描述的装置，这些文献的公开内容在此通过引用被合并。加热器可至少部分地由热泵冷凝器组成，所述热泵冷凝器利用任何便利的热源，例如空气、水、地(地热)、废热，或者煤气及其它燃料的燃烧。
参照附图，本发明将通过例子被进一步描述。
附图说明
图1表示根据本发明的发动机的第一实施例的设计的图示。
图2以放大比例表示第一实施例的部分设计。
图3图示的表示根据本发明的第二实施例的设计。
图4以放大比例表示第二实施例的部分设计。
图5是旋转容积式装置的部分省略的透视图。
图6是图5所示装置的旋转活塞和旋转侧盘的透视图。
图7是侧盘和旋转活塞的旋转内部的透视图。
图8是旋转活塞外部的透视图。
图9是通过旋转活塞外表面上的柔性(compliant)带的放大横截面图。
图10是两个装置的组件从一侧观察并且一个装置的部分被省略的透视图。
图11是该组件从另一侧观察的透视图。和
图12是连接到压缩机上的膨胀机去掉外壳的透视图。
具体实施方式
发动机的第一实施例图示的表示在图1和图2中。其包含热泵，热泵包括适当致冷剂循环的回路，如虚线箭头所示。热泵回路包含组合式压缩机/膨胀机101(其每一个由带旋转活塞的旋转容积式装置组成)、冷凝器102和蒸发器103。冷凝器102用作加热器，蒸发器103用作斯特林发动机的冷却器103，该斯特林发动机包括带有一个旋转活塞的第一旋转容积式装置104和带有两个旋转活塞的第二旋转容积式装置106。
大气空气入口管107通过蒸发器103(热交换器)到达第一容积式装置104。中间管108从第一容积式装置104引出，经过冷凝器102(热交换器)，并在到达第二容积式装置106之前分支。装置104和106由合适的动态连接111连接，例如，其包括至少一个轴、一条带或链，或者齿轮。第二装置106由合适的动态连接112连接到压缩机/膨胀机101，并由合适的动态连接114连接到发电机/电动机113(或者电输出装置(powerofftake))。双出口管109从第二容积式装置106引导到热排气或热交换器116。
空气进入蒸发器103并蒸发致冷剂以供热泵压缩机101压缩并传送致冷剂到冷凝器102。冷凝的致冷剂从冷凝器102返回到热泵膨胀机101并膨胀，再返回蒸发器103。通过蒸发器103后，一些或所有的入口空气送到斯特林发动机冷部104中的旋转活塞，并且旋转活塞经热冷凝器102把冷空气送到斯特林发动机热部106中的旋转活塞。由于冷空气通过冷凝器102时温度上升，其压力也上升。压力能由热旋转活塞膨胀并排出以供热。
参考图2，与冷旋转活塞相关的容积‘A’等于两个热旋转活塞的两个容积‘B’中的每一个容积的一半。随着冷活塞旋转，两个热活塞旋转成比例的量(大约一半)。流过冷凝器102到热活塞的冷空气温度和压力都升高。热活塞和冷活塞受到相同的该压力，但一种情况下活塞被驱动，另一种情况下活塞驱动；最终结果是在从斯特林发动机的冷侧到热侧的传送中很少或者没有能量被使用。每一个热活塞容纳冷旋转活塞的容积‘A’的容积。热活塞的容积‘B’的剩余部分用于膨胀热空气。热活塞异相地旋转180°，如图2所示，并顺序的容纳从容积‘A’排放的容积。从热活塞排出但仍然热的空气用于供热。膨胀空气释放的能量驱动热泵，并且剩余的能量可提供电能或机械能。
为了扩展上述组合供热的范围以及为了需要时提供更有效的冷却，希望进行下面的更改，并如图3和4图示。图3中热侧容积式装置106从两个旋转活塞变到一个旋转活塞，以提供冷侧容积和热侧容积之间的更接近的匹配。热活塞的旋转速度与冷活塞的旋转速度相同或者接近于相同。热活塞的一部分旋转为斯特林循环发动机的膨胀阶段。如果容积相同，则膨胀的热活塞旋转部分将与需要转向到加热系统的冷活塞的位移部分相等。为减少容积不匹配造成的损失，将使热活塞的膨胀部分、热泵的大小、热活塞和冷活塞之间的速度和容积关系适合用于在116处加热或者在117处冷却的设计点。
当环境温度降低时，上述系统很快不实用，并且当环境温度上升时，到达只需要冷却的点。为扩展适于供热的范围，提供辅助加热器118以在进入热侧活塞之前加热空气。加热器118可用本领域已知的任何方式供热，但可能最合适的是由电或煤气供热。
在需要冷却的情况下，系统这样设计：用于在蒸发器103中蒸发致冷剂的空气质量(mass)比斯特林循环发动机吸收的空气质量大，其差为可用于在117处冷却的空气质量。
在冷情况下，需要外部机械能源以补偿斯特林循环发动机功率。这可通过在113处把发电机换成电动机来最方便地实现。在这些情况下，系统不产生电。
参考图4，与冷活塞相关的容积‘A’在容积上同热活塞的容积‘B’相等或者接近相等。随着冷活塞旋转，热活塞旋转同样或接近同样的量。通过冷凝器102到达热活塞的冷空气温度和压力上升。热活塞和冷活塞受到相同的该压力，但一种情况下活塞被驱动，另一种情况下活塞驱动；最终结果是从斯特林循环发动机的冷侧到热侧的传送中很少或者不用能量。热活塞接受冷活塞的容积输出‘A’。热活塞的一部分容积‘B’用于膨胀热空气。热活塞与冷活塞同相地旋转。从热活塞排出但仍然热的空气用于供热。从膨胀空气抽取的能量驱动热泵，并且任意剩余的能量可提供电能或机械能。
一部分热活塞旋转用于膨胀热流体。在膨胀开始，如下所述，旋转侧盘切断冷活塞的供给并使冷活塞中剩余的部分转向，其从冷活塞开始，通过冷凝器，并且离开热活塞以供热。在热活塞使流体膨胀后，流体被排出以供热。
环境温度下降时，电和热输出下降，并且达到需要附加机械能以驱动热泵的工况；通过在118处把发电机变为电动机可非常方便的实现这一点。附加的机械能可由冷凝器102和热活塞之间的加热器118提供以附加加热工作流体。这提高了流体压力和温度，并可由排出的流体得到更多膨胀功和更多加热。
环境温度降低时，热输出和COP(性能系数)降低。高温下除了该环境条件的可用能量外不需要其它能量，但在低温下需要常规的机械能以补偿斯特林循环发动机提供的能量。然而，低温下COP非常高。COP定义为输送的加热或冷却能量被需要驱动热泵的净能除。净能定义为驱动热泵的能量减去斯特林循环发动机的机械功率。
例如，周围空气作为工作流体和初级能源。当初级能源为其它形式，如水时，在117处的供冷成为热交换器，在那里蒸发器103的冷出口水用于冷却供给到斯特林循环发动机的空气并用于冷却目的。
已经发现，当供给到热泵的热能量是热泵所提供热能的大约20％时，热泵能够为包括旋转活塞的斯特林发动机提供足够的能量，以使斯特林发动机提供足够的功率来驱动热泵。
热泵的能源为本领域已知的任何源，例如，煤气、废热、空气、水，地或地热。当该源是空气并且热泵和斯特林发动机达到运行速度时，可获得来自组合的热和电或机械输出，而不必供给任何其它形式的能量。所有以这种方式提供的有用能量等于源空气温度的减少乘以空气的比热和质量。
在上述发动机中使用的适当容积式装置将在下面描述。
图5到8所示的旋转容积式装置类型在WO03/062604和WO2004/031539中有更详细的描述。其包括壳1，所述壳1带有具有圆柱形内表面3的周壁2。旋转活塞4(也称旋转柱塞)包括旋转内部4a和不回转外部4b，该旋转内部偏心地安装在输入/输出驱动轴9上并在其每端带有凸缘或圆盘6形式的挡板，该不回转外部绕内表面3的轴线旋转。旋转活塞4的外部4b具有圆柱形外表面11，一个母线与内表面3隔开。
叶片元件17容纳在壳1的开口中，并且该开口可用作流体入口/出口。叶片元件17具有连通壳1外部和操作腔室之间的通道17a、弓形端壁17b、从端壁17b的各个端部延伸的横壁17c、可枢转地安装在壳1(枢轴线15)上的叉状臂17d以及相对旋转活塞4的外表面11中的槽72为密封面的端面(不可见)。固定到外部4b的附件71在叶片元件17的枢轴线15和其弓形端壁17b之间的位置处通过轴承(不可见)连接到臂17d。
每个端部圆盘6具有圆柱形周边7，在其本身和壳1的内表面3之间只有小间隙。每个圆盘6具有用于在操作腔室和壳中的开口(未表示)之间连通的流体入口/出口通道23。
旋转活塞4的外部4b(最好参见图8)包括由通过整体支柱33连接的内壳31和外壳32组成的压出体。该压出体可以是轻金属的，例如铝合金。
旋转活塞4的外部4b上有多个在轴向延伸并且等间距隔开的柔性(compliant)带34。每条带34由弹性材料制成，例如氟橡胶或丁基橡胶，并且安装在槽36中。带34在径向向外的方向上变窄，具有燕尾形状或者更精确的为带圆角的梯形的截面。槽36在径向向内方向变宽并具有对应带34的横截面形状。槽36的总宽度W为例如4mm。带34在比表面11高距离C的高度具有平台37，C优选为0.2mm或更少(例如0.1mm)。槽36的边缘38形成倒角，特别是圆化，从而槽36的横截面面积等于或大于带34的横截面面积。
当旋转活塞4旋转时，该活塞相对于壳1进行滚动运动，并且带34连续与壳1的内表面3滑动接触并被压缩。在轨道的大多部分上，至少一条带34与面3接触。例如，如果面3的直径为150mm，并且面11的直径为125mm，提供大约18条带34可保证两条带34与面3在流体压缩或者膨胀阶段的大部分上与面3接触。当柔性带34被压缩时，移动的材料被挤进槽36的倒角边缘38留下的空间中(进入尾部空间的比进入前导空间的多)。
图10和11表示两个平行布置的装置，其壳省略。一个装置用作压缩机另一个装置用作上述热泵的膨胀机；可供选择的，它们可用作参照图1和2描述的第一实施例中的第二容积式装置106。在该布置中，由两个装置的离心运动造成的往复力可被平衡。如果两个旋转活塞装置端对端装配，并且其中一个设计为用于平衡另一个的不平衡力，那么仍然有不平衡力偶(couple)。这一点可以通过在一个装置的与另一个装置较远的侧面装配平衡重物而基本上消除。
图12表示连接到压缩机42并具有公共驱动轴43的膨胀机41。外壳已被移除。膨胀机41为上述类型的旋转活塞装置，具有旋转活塞41、叶片元件171，和单个旋转侧盘61(尽管可能使用两个侧盘，旋转活塞41每侧有一个)。压缩机42也具有旋转活塞411和叶片元件1711，但没有旋转侧盘(流体入口和出口通过壳)。平衡重物44偏心地设置在轴43上，在距膨胀机41较远的压缩机42的一侧。该布置用作上述(图1-4)的组合压缩机/膨胀机101。
在上述实施例中可进行各种变形。例如，热泵回路中的膨胀机可以是膨胀阀(固定的或者可调整的)，以代替旋转容积式装置。

Claims (16)

1.一种发动机，包括：
第一容积式装置；
第二容积式装置；
连接到第一容积式装置且用于从大气中接收空气的入口管；
连在第一和第二容积式装置之间的中间管；
连接到第二容积式装置且用于向大气中排放空气的出口管；
用于提高中间管中作为工作流体的空气的温度和压力的加热器；
第一和第二容积式装置之间的动态连接；
这样进行布置：在发动机运行中，第一容积式装置使得空气通过中间管流向第二容积式装置，加热的空气驱动第二容积式装置，第二容积式装置经由动态连接驱动第一容积式装置；
所述容积式装置包括至少一个旋转活塞；和
器件，所述器件切断来自第一容积式装置的工作流体的供给，并使所述来自第一容积式装置的工作流体的供给的一部分转向，离开第二容积式装置。
2.如权利要求1所述的发动机，其中第一容积式装置包括至少一个旋转活塞。
3.如权利要求1所述的发动机，其中第二容积式装置包括至少一个旋转活塞。
4.如权利要求3所述的发动机，其中第二容积式装置包括两个平行的旋转活塞，其间存在180°的相差。
5.如前述任一权利要求所述的发动机，还包括发电机和处于第二容积式装置与该发电机之间的动态连接。
6.如权利要求1-4中任一权利要求所述的发动机，还包括电动机和处于该电动机与第二容积式装置之间的动态连接。
7.如权利要求1-4中任一权利要求所述的发动机，还包括连接到出口管以从由第二容积式装置排出的工作流体吸收热的热交换器。
8.如权利要求1所述的发动机，其中入口管直接地从大气接收空气，出口管直接地向大气排放空气。
9.如权利要求1所述的发动机，其中入口管间接地从大气中接收空气，出口管间接地向大气排放空气。
10.如权利要求1-4、8和9中任一权利要求所述的发动机，还包括一个热泵回路，该回路按顺序包含：压缩机、至少构成部分所述加热器的冷凝器、膨胀机和蒸发器。
11.如权利要求10所述的发动机，其中压缩机包括带有旋转活塞的第三容积式装置，在第二容积式装置和第三容积式装置之间有动态连接。
12.如权利要求11所述的发动机，其中膨胀机包括带有旋转活塞的第四容积式装置，在第三容积式装置和第四容积式装置之间有动态连接。
13.如权利要求10所述的发动机，其中所述蒸发器包括热交换器，所述入口管通过所述热交换器，以冷却供给到第一容积式装置的空气。
14.如权利要求13所述的发动机，还包括在热交换器下游的冷却器，入口管通过所述冷却器。
15.如权利要求10所述的发动机，还包括在所述冷凝器下游的辅助加热器，中间管通过所述辅助加热器。
16.如权利要求1-4、8、9、和11-15中任一权利要求所述的发动机，其中至少一个所述容积式装置包括：
具有确定操作腔室的圆柱形内表面的壳；
处于操作腔室中的旋转活塞，该旋转活塞被安装以绕腔室轴线旋转，该腔室轴线是所述内表面的轴线，所述旋转活塞具有柱形外表面，所述腔室轴线穿过所述旋转活塞，所述外表面的一条母线邻近所述内表面，直径相对的母线与所述内表面间隔开；
安装在壳上的叶片元件，该叶片元件具有面对旋转活塞外表面并且长度与旋转活塞长度大致相等的端面；以及
把叶片元件连接到旋转活塞以保持叶片元件的端面与旋转活塞的外表面相邻的连杆。
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