TW200406537A - A Stirling engine assembly - Google Patents

Description

200406537 玫、發明說明： 【發明所屬之皮術領域】 本發明係有關於—種史特靈（stirling)引擎總成，並特別 地係有關於在—熱與電力結合（ehp)系統中使用的史特愈 伽Hng)引擎總成，而該系統主要係於家庭環境中使用。工 【先前技術】 史特靈（StirUng)引擎具有一燃燒器，其係配置環繞著位 在引擎頂部的加熱器頭。針對史特靈⑼⑴㈣）引擎帶動的 熱與電力結合⑽P)系統的_問題在^，需要確保燃燒氣體 2向下通過進人密封單元外殼内，導致潛在地聚積有害 ^ Q而在史特i (Stirling)引擎與燃燒器之間，需要一 些形式的密封件。 在操作時，史特靈（Stlrllng)引擎因其之往復式元件而振 動。一種結合不同的阻尼及吸收元件的減振系、统，使殘留 勺振動私度降至—低的水準，但配置在該振動引擎與靜止 、、凡时A又之間的任一密封件仍存在著多種問題。一些傳統 式*封件汉计，典型地係較引擎懸弔系統顯著地更具剛 並且，假若在申請案中使用，導致力量在振盪引擎與 ^燃燒器元件間造成不能接受地傳動。就其本身而論， 山封件而汉计成極堅固耐用，在高溫下操作，並能夠在藉 、氣L衣置^鏠程序所界定的所有操作狀況下維持足夠的 密封。 —、^ ^件的過度磨損、疲勞或是降解，會導致燃燒氣 随洩漏進入單元外殼中，造成危害並增加噪音程度。因此 85391 200406537 所設計的密封件需具足夠的捷曲性用以冑付引擎與燃燒器 之_相對運動（本質上的垂直、水平及轉動運動）。此外， 此密封件必需能夠耐燃燒器氣體所具之高溫，且必需不因 涉入之氣體而受侵蚀。 在1 979年德國專利所提出—先前技藝設計（德國專利半 年報80SD54215)係使用-種聚四氣乙埽（pTFE)密封件。該 4封件並不適於家庭_境，由於聚四氟乙婦釋放所熟知 的毒性物質，在相關溫度下造成潛在危害。 美國專利US 5,918’463號提出使用一種陶资密封件。然 而，陶瓷材料易因振動而造成衰敗。 【發明内容】 根據本發明，-種史特靈（stldmg)引擎總成包▲一史特 靈咖llng)引擎’其具有—汽虹頭、一燃燒器用於提供教 量至汽缸頭、-可撓曲密封件係介於引擎與燃燒器之間、 以及一第一液體冷卻劑迴路係介於燃燒器與密封件之間， 其係配置用以降低由燃燒器至密封件的熱傳。 藉配置-冷㈣m路，射㈣地降低㈣件必需耐受 的溫度，俾便可使用傳統式密封材料。 第一液體冷卻劑迴路用液體’能夠取用於任何合適的來 源。然而’史特靈(stirllng)引擎具有一冷卻器係配置一第 二液體冷卻劑迴路。因此便於以共同㈣卻劑㈣至第— 與第二液體冷卻劑迴路。 利用該一佈置，第一盥筮—祕、人— /、罘一液目豆冷卻劑迴路可並列地配 置。在此狀況下，流至第_读触、人◊、叫、 85391 昂履體冷部_路的液體流，大 200406537 體上係為流至第二液體冷卻劑迴路之主液體流的分供流。 可交替地，流至第一與第二液體冷卻劑迴路的液體流係可 連續地配置。在此狀況下，液體流較佳地在流至第一液體 冷卻劑迴路之前，環繞著第二液體冷卻劑迴路，用以儘可 能地將冷卻劑維持在一低溫度。 假若第一液體冷卻劑迴路係於密封件徑向向内地配置， 如此能夠增加燃燒器與密封件間的距離，並容許密封件配 置在更為立即地藉由周圍空氣加以冷卻的一區域中。 除了第一液體冷卻劑迴路外，能夠有利地提供附加的降 低由燃燒器至密封件之熱傳的方法。例如，提供一迁迴曲 折的路徑供氣體由燃燒器流動至密封件。可交替地或為附 加地，可配置絕緣部分用以降低由燃燒器至密封件的熱 傳。該二目標能夠藉由將位在燃燒器下方，介於一燃燒器 殼與史特靈（Stirling)引擎之汽缸頭之間，以一纖維絕緣材 料加以封裝而達成。 可撓曲密封件可為任一適於作業使用的材料。然而，本 發明容許使用傳統式，商業化而能夠禁得起低於350°C的一 最大溫度的密封材料，諸如一矽橡膠密封材料。 將密封件儘可能地維持在低溫下的一進一步方式，在於 將可撓曲密封件延伸進入該第一液體冷卻劑迴路中。如此 致使冷卻劑與可撓曲密封件直接接觸。較佳地，環繞著引 擎的第一液體冷卻劑迴路，具有一開啟環狀通道部分以及 一與開啟環狀邵分交叉的環狀平板，其中密封件係夾合在 通道部分與環狀平板之間。如此容許冷卻劑如上所述地與 85391 200406537 :件接觸’同時提供一將密封件附裝至冷卻劑迴路，以 治封冷卻劑迴路的方法，從而消除了對於一進一步之矣 封元件的需求。 /發明之史特靈（stirlin洲擎總成的實例現將相關於伴 隨之圖式加以說明。 【實施方式】 …圖1中所示史特靈（Stirling)引擎總成的大部分觀點係為 業界所熟知，於此僅簡要地加以說明。 史特靈（stlrllng)引擎i係為一線性自由活塞式史特靈 (Stlrllng)引擎，其包含一汽缸頭2、一冷卻器3係位在汽缸 頭下方以及一交流發電機4。史特靈（stirlmg)引擎i係藉由 複數之彈簧5而懸置於一罩（未顯示）中。 經由煙道6汲取周圍空氣，藉由燃燒氣體加以預熱並在燃 埏器7處點火之前與燃油混合，用以加熱汽缸頭2。複數之 鳍片8增強熱傳至汽缸頭。燃燒氣體將進入的空氣/燃油混 合物預熱，接著將其進給至熱交換器9，將位在一家庭中央 暖氣迴路10中的水加熱。配置一輔助燃燒器丨丨，用以供給 附加熱量至家庭中央暖氣迴路1〇，滿足超出僅由史特靈 (Stirling)引擎1所能夠供給熱水的需求。一風扇12供給二燃 燒器7、11所用，以及一分流閥13控制燃燒器7與輔助燃燒 器11之間空氣的分流。如此，連同對風扇速度的控制，容 許控制進給至每一燃燒器之空氣量。 位在家庭中央暖氣迴路1〇中的熱水接著環繞著家庭中央 暖氣系統循環，於該處其係經由内部散熱器而損失其之熟 85391 200406537 f，或疋用以符合家庭熱水的需求。冷卻液體接著沿著管 線10 A返回史特靈（Stirling)引擎總成。所熟知的是，此水接 著用以冷卻沿著管線14返回至熱交換器9,受加熱至中央暖 氣系統所需之最高溫度之前，引擎冷卻器3在水中導致的些 被溫度上升。本發明係在此方式下操作。然而，以下將詳 述在管線10A中進入冷水的附加用途。 如圖2 土 4中所示，配置一密封件2〇，用以密封介於燃燒 几又人文亍接至史特靈（Stirling)引擎1之汽缸頭2的環狀 凸緣22<間的一空間。所配置的冷卻劑通道係為一倒^形狀 截面的鑄鋁通遒元件25。密封件2〇延伸涵蓋此通道元件之 整個底部寬度，並係夾合在通道元件25之底部與—環狀板 %之間，藉由複數之螺栓27而固持在適當位置。通道具有 8以及出口 29。此密封件與通道之配置執行複數種 =能。提供一相關於燃燒器殼附裝密封件的方法，提供一 當大邵分密封元件直接與在通道25中循環水直接接觸而有 效地冷部密封件的方法，以及提供―不需個別密封元件而 將通運㈣的方法。密封件2G«由-㈣件扣夾33而牢 固在一環狀溝槽30中。 口 ~部劑流體環繞著通道25循環-樣，如圖2中顯而, 的是已採用複數種其他的方法，用以降低密封件i溫 由=半圓形件所製成的—陶资絕緣環24，填充在燃燒器 冷卻通道25之間的大部分空間中。將環件定位，俾便』 85391 =燃^至密封件2()之运迴曲折的路徑。同時應注^ 疋4封件2〇《暴露部分係自通道25徑向向外地配置： -10- 200406537 同時暴露至周圍空氣中。如此容許藉由周圍空氣對密封件 冷卻，同時增強與上述有關之迂迴曲折路徑的作用。 為了裝配引擎總成，該引擎係配置為—燃燒器模組以及 一引擎模組。該引擎模組包括引擎丨、環狀凸緣22、密封件 20、密封件扣夾33、冷卻通道25、環狀板％、螺栓27以及 一環狀引擎支撐托架40。應注意的是，引擎支撐托架概 伸超越於圖2中所示的範圍，並係獨立地受到支撐，致使通 道25之重量係經由引擎支撐托架4()，而未經由密封件2〇加 以支撐。㈣器模組7包括燃燒器及—環狀間隔件41 以及一環狀支撐托架4 2經由周圍配置的螺栓4 3而附裝至燃 燒器。將燃燒器模組配置在適當位置，將引擎模组向上歲 入燃燒器模組中’直至引擎支撐托架4〇與主支撐托架4· 接為止。該等元件之間的介面係以一墊片44加以密封。 於此實例中，環繞該環狀水套25的流動係與環繞冷卻器3 的流動連續。如於圖i中所示，在管線心中的冷卻流體係 以一熟知的方式，在沿著管線26流動至環狀水套25之前， 環繞著冷卻器3循環。離開環狀水套25的水’接著沿著管線 14行進至熱交換器9。 水自史特靈（Stirling)引擎冷卻器3流動進入環狀水套 25:在二常的操作下，當水進入套時水溫因而係處在贼 勺/^度範圍。舲熱1自燃燒器殼2丨去除，將密封材料維持 在-可接受的溫度下ϋ匕容許使用i為有㉟的密封材 料，孩寺材料在缺乏冷卻所遭受的溫度τ將降解（可能超過 350Χ：外殼溫度）。該等密封材料，例如，係可切橡膠， 85391 -11 - 200406537 或是一諸如Viton或PTFE的含氟彈性體。 在一些環境下，寓所並不需熱量，但是史特靈（Stirling) 引擎產生電力。於該一情況下，水流經史特靈（Stirling)引 擎冷卻器3，環繞著密封件，以及熱交換器9，但接著按路 線流經一旁路並流回引擎冷卻器而不需行進環繞著家庭熱 水系統。當於此不添加附加的熱量時，將操作熱交換器9用 以冷卻水。如英國專利申請案GB 0130378.3中所述，於輔 助燃燒器11與史特靈（Stirling)引擎燃燒器7使用個別風 扇，操作輔助燃燒器風扇係有助於去除熱量。然而，如無 熱量散失至寓所内時，於冷卻系統中的水溫將更高，通常 高達80°C。即使在此溫度水準下，該密封區域仍能受充分 的冷卻，而不致發生過度的材料降解。 液體冷卻密封件設計的一附加優點，在於恢復進入冷卻 水之附加熱量。於此區域的熱傳，通常會升高熱與電力結 合（chp)單元外殼的内部空氣溫度。當汲取空氣進入輔助燃 燒器11之進氣口時，藉由強制通風而環繞該外殼進行空氣 循環。冷卻史特靈（Stirling)引擎與交流發電機4之外部表 面，對於内部元件需維持一可接受溫度，並且於環繞密封 區域處加熱周圍空氣，如此降低循環空氣的冷卻有效性。 藉由去除此在水系統中的熱量，該冷卻引擎/交流發電機的 空氣係處在一低溫下，因而提供更為有效的冷卻度。如此 將延伸諸如，交流發電機磁鐵之溫度敏感元件的壽命，並 亦潛在地增加交流發電機之發電效率。 儘管於圖示的實例中顯示引擎，但其可同樣地應用在一 85391 -12- 200406537 非垂直引-如一水平引擎。亦同樣地適用在與圖示之 形式反向安裝的一引擎。 【圖式簡單說明】 圖1係為一第一史特靈（Stirling)引擎總成的概略視圖； 圖2係為第一引擎之史特靈（stirllng)汽缸頭與燃燒密封 件之一部分的橫截面視圖； 圖3係為圖2之液體通道迴路的透視圖；以及 圖4係為圖3之液體冷卻劑通道的橫截面視圖。 【圖式代表符號說明】 1 史特靈引擎 2 汽缸頭 3 冷卻器 4 交流發電機 5 彈簧 6 煙道 7 燃燒器 8 鰭片 9 熱交換器 10 中央暖氣迴路 11 辅助燃燒器 12 風扇 13 分流閥 14 管線 20 密封件 85391 -13- 200406537 21 燃燒器殼 22 環狀凸緣 24 絕緣環 25 通道元件 26 環狀板 27 螺栓 28 入口 29 出口 30 環狀溝槽 33 扣夾 40 托架 41 環狀間隔件 42 環狀支撐托架 43 螺栓 44 墊片 85391 -14

Claims (1)

1. 200406537 拾、申請專利範圍： 1. 一種史特4 (Stirling)引擎總成，其包含一史特靈 (Stirling)引擎，具有一汽缸頭、一燃燒器用於提供熱量 至汽缸頭、一可撓曲密封件係介於引擎與燃燒器之間、 以及一第一液體冷卻劑迴路係介於燃燒器與密封件之 間，其係配置用以降低由燃燒器至密封件的熱傳。 2. 如申請專利範圍第1項之史特靈（Stifling)引擎總成，其 中該史特靈（Stirling)引擎進一步包含一冷卻器，其係配 置一第二液體冷卻劑迴路，被供以與第一液體冷卻劑迴 路相同的冷卻劑。 3. 如申請專利範圍第2項之史特靈（Stirling)引擎總成，其 中該第一與第二液體冷卻劑迴路係並聯配置。 4. 如申請專利範圍第2項之史特靈（Stifling)引擎總成，其 中該第一與第二液體冷卻劑迴路係串聯配置。 5. 如申請專利範圍第1或2項之史特靈（Stirling)引擎總 成，其中該第一液體冷卻劑迴路係自密封件徑向向内地 配置。 6. 如前述申請專利範圍中之任一項之史特靈（Stirling)引 擎總成，其中提供一迂迴曲折的路徑供氣體由燃燒器流 動至密封件。 7. 如前述申請專利範圍中之任一項之史特靈（Stirling)引 擎總成，其中該絕緣係配置用以降低由燃燒器至密封件 的熱傳。 8. 如申請專利範圍第6及7項之史特靈（Stirling)引擎總 85391 200406537 成，其中將位在燃燒器下方，介於一燃燒器殼與史特靈 (Stirling)引擎之汽缸頭之間的空間，以纖維絕緣材料塞 入° 9.如前述申請專利範圍中之任一項之史特靈（Stirling)引 擎總成，其中該密封件係為一矽橡膠密封材料。 10_如申請專利範圍第1至8項中之任一項之史特靈 (Stirling)引擎總成，其中該密封件係為一含氟彈性體密 封材料。 11. 如前述申請專利範圍中之任一項之史特靈（Stirling)引 擎總成，其中該密封件能夠禁得起低於350°C的一最大 溫度。 12. 如前述申請專利範圍中之任一項之史特靈（Stirling)引 擎，其中該可撓曲密封件延伸進入第一液體冷卻劑迴 路。 13. 如申請專利範圍第12項之史特靈（Stirling)引擎，其中該 環繞著引擎的第一液體冷卻劑迴路，具有一開啟環狀通 道部分以及一與開啟環狀部分交叉的環狀平板，其中密 封件係夾合在通道部分與平板之間。 85391