[发明专利]热机及与热机相关的改进

说明书

本发明涉及一种热机，其可通过外部热源和外部吸热设备工作，同时，本发明还涉及一种使用这种热机的方法。特别是，尽管不完全是，本发明涉及到斯特林(Stirling)发动机(如本文所述)，本发明各个方面还可以适用于其他往复运动置换式热机。

下面，将主要参照循环工作热机来介绍本发明，所述循环方式类似于斯特林循环，而且，这种发动机称之为“斯特林(Stirling)发动机”，但应该指出的是本发明并不限于这类发动机。此外，当介绍斯特林发动机时，人们也都清楚，实际上，斯特林发动机并不是严格按照斯特林循环方式工作。

斯特林发动机是一种采用外部热源的热机。通常，斯特林发动机为外燃机形式，但是，也可使用其他热源，诸如另一种工艺产生的废热，或同位素热源、太阳能等。斯特林发动机的工作原理是工质循环压缩和膨胀，这样，从热能到机械功就有一个净转换。在热态置换机气缸组合体中，从热源(通常是燃烧过程)到工质的热量传输是通过该组合体的壁，同样，在冷态置换机气缸组合体中，从工质到吸热设备的热量传输也是通过该组合体的壁。

通常，置换器都是传统的圆形活塞形式，在气缸构成的孔口内工作，尽管置换器也可呈其他形式，诸如隔板(diaphragm)形式。为了方便起见，在本发明说明书中，所参照的发动机都带有置换器，其形式为在气缸内滑动的活塞形式，但人们都明白，“活塞”一词应该广泛理解，所以，其包括了其他种类的置换器。发动机包括可使置换器往复运动的机构，而且，一般来讲，该机构带有旋转输出轴，通过该输出轴，可从发动机提取机械能。

在斯特林发动机中，工质通常是一种气体，该气体可在较冷的活塞气缸组合体压缩，在较热的活塞气缸组合体中膨胀，所述压缩和膨胀通过活塞在气缸内的运动而发生。活塞连接到有关的曲轴上，以实现其所需的往复运动，尽管采用了非常传统的曲轴，但这些曲轴都有缺陷。曲轴需要置于较大的容积内，以便进行一定的工质运动，结果，当曲轴箱受压时，就会出现结构问题。另外，活塞与曲轴一起运动并不是理想方案，但采用可连接旋转和往复部件的其他类型机构，诸如偏心机构，可提高性能，所述偏心机构能够产生活塞的纯正弦运动(true sinusoidal motion)。本发明具体实施例采用了这种机构。

众所周知，使用回热器在冷态和热态活塞气缸组合体之间进行工质传输可提供斯特林发动机的效能。回热器是一种暂时的热贮存装置，布置在发动机内，位于活塞气缸组合体的热腔和冷腔之间的工质流路中。回热器在整个系统内存放热量，否则，在最大和最小循环温度之间的温度时，这些热量会流失到环境中。这样，热效能就会接近这些最大和最小循环温度所确定的限定值。

由于回热器增加效能，对于与热态和冷态活塞气缸组合体相关的某一组热交换器来讲，发动机可以输出较高的机械功率。相反，当斯特林发动机使用回热器时，则存在损失，而且，这些损失是巨大的。回热器增加了活塞气缸组合体的未扫容积，所以存在流过回热器的工质的泵唧损失。如果仔细设计，总的来说，回热器也会增加系统的整体效能。

虽然斯特林发动机已经面世近200年了，但这种发动机的商业用途依旧非常有限，而且，常常被看作是新奇之事。与斯特林发动机相关的问题有：除非采用高增压工质，否则缺乏功率密度；工质压力越高而且当采用滑动密封时，特别是，如果曲轴箱(crank space)非增压时，密封问题会尤为突出；结构重量；曲轴箱(crank space)如果增压时其内容积变化；结构和曲轴箱(crankcase)流体的热分流，即从热态活塞气缸组件到冷态活塞气缸组件；缺少可控制性，特别是缺少对功率需求变化的快速反应；发动机不能在更为广泛的转速范围内使用；以及缺少自动启动能力和可逆性。此外，斯特林发动机需要向环境中排放的热量要高于同类型内燃机，这就导致了资本投入高，重量重，以及工程复杂等。