專利名稱：熱交換器結(jié)構(gòu)和等溫壓縮或膨脹腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種熱交換器結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及在其中進(jìn)行等溫壓縮和/或膨脹的腔。本發(fā)明進(jìn)一步涉及包含這樣的腔的高效可逆熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，例如，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)用于工業(yè)制冷及軍事或太空應(yīng)用中。這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)可用作發(fā)動(dòng)機(jī)或者用來產(chǎn)熱或致冷而不使用制冷劑，制冷劑通常造成污染。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的另一優(yōu)勢(shì)是，其熱源在外部并且因此該熱源可通過任何已知燃料類型甚或通過太陽(yáng)輻射獲得。在斯特林循環(huán)中，氣體，例如空氣、氫氣或氦氣，經(jīng)受四階段循環(huán)等容加熱、等溫膨脹、等容制冷及等溫壓縮。圖1是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的通用圖。第一腔3通過第一熱交換器7、蓄熱器9及第二熱交換器11連接到第二腔5。由所述腔、交換器及蓄熱器組成的組件可以是圓柱形的。第一交換器7及第二交換器11分別與處于熱溫度T。的熱源及處于冷溫度Tf的冷源接觸。腔3 及腔5分別通過移動(dòng)活塞13及移動(dòng)活塞15封閉，活塞13及活塞15限定了腔3及腔5的可變空間。應(yīng)當(dāng)理解，有多種不同方式使圖1中所示的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的不同元件相對(duì)彼此移動(dòng)例如，在所謂的阿爾法配置的情況下，兩個(gè)活塞13及15可以是可移動(dòng)的且蓄熱器9 及交換器7與交換器11可以是固定的。如果所述發(fā)動(dòng)機(jī)的中間部分可以移動(dòng)，則活塞13 與活塞15之一也可以是固定的。由蓄熱器9及交換器7與交換器11構(gòu)成的組件也可以被設(shè)置為固定的且腔3與腔5的可變空間可以由通過移動(dòng)壁而分為二部分的單個(gè)可變空間構(gòu)成，所述移動(dòng)壁稱為置換器。這樣的配置稱為貝它(beta)或伽馬(gamma)配置。圖2A到圖2D示出斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的步驟。在圖2A所示的初始任意狀態(tài)A中，在第一腔3中存儲(chǔ)有一些量的氣體，第二腔5 優(yōu)選地體積為零或很小。第一腔3中的氣體由熱源加熱且其壓力增大。這樣將活塞13移動(dòng)到狀態(tài)B，在狀態(tài)B下，腔3中的氣體所占據(jù)的體積大于在狀態(tài)A下該腔的體積。在等溫膨脹階段(步驟 A與步驟B)期間，提取出機(jī)械功。接著，等容制冷實(shí)現(xiàn)從狀態(tài)B轉(zhuǎn)換到狀態(tài)C，在狀態(tài)C中，熱腔3中的氣體轉(zhuǎn)移到冷腔5。在此轉(zhuǎn)移期間，存儲(chǔ)在腔3中的氣體穿過蓄熱器9且當(dāng)其抵達(dá)腔5時(shí)已經(jīng)冷卻。在所述蓄熱器中“提取”出所述熱氣體中所含的熱(在下文可看到)，且所述氣體冷卻。等溫壓縮實(shí)現(xiàn)從狀態(tài)C轉(zhuǎn)換到狀態(tài)D，在狀態(tài)D中，腔5中的氣體所占據(jù)的體積比狀態(tài)C中該腔的體積小。通過驅(qū)動(dòng)活塞15來執(zhí)行此壓縮以減小腔5的體積。此步驟消耗能量，但小于在狀態(tài)A與狀態(tài)B之間提供的能量。最后，等容轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)從狀態(tài)D轉(zhuǎn)換到初始狀態(tài)A，在初始狀態(tài)A中，氣體儲(chǔ)存在熱腔 3中。在此步驟期間，氣體通過蓄熱器9從冷腔5移到熱腔3中。在蓄熱器中，當(dāng)氣體第二次穿過蓄熱器時(shí)(步驟D到A)，等容制冷(步驟B到步驟C)期間提取的熱量返還給所述氣體。因此，氣體在開始接觸交換器7之前受熱。應(yīng)當(dāng)注意的是，優(yōu)選地，在已知的發(fā)動(dòng)機(jī)中， 腔3與腔5在循環(huán)期間交替地幾乎完全為空。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，步驟A與B之間的膨脹期間提取出的機(jī)械功部分用于等溫壓縮 (步驟C到步驟D)。所述蓄熱器使從狀態(tài)B轉(zhuǎn)換到狀態(tài)C期間提取的熱能夠在從狀態(tài)D轉(zhuǎn)換到狀態(tài)A期間分配給所述氣體且避免熱損失。事實(shí)上，所述蓄熱器作為逆流式熱交換器操作當(dāng)熱氣體進(jìn)入冷蓄熱器時(shí)，該熱氣體冷卻同時(shí)加熱所述蓄熱器，相反地，穿過所述熱蓄熱器的冷氣體受熱同時(shí)冷卻所述蓄熱器。為了執(zhí)行其功能，所述蓄熱器必須由沿著所述氣流方向?yàn)椴涣紝?dǎo)熱體的材料制成，例如，絕緣材料。本文中所考慮的發(fā)動(dòng)機(jī)被期望是可逆的，S卩，能夠用在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)或熱泵循環(huán)中。 應(yīng)當(dāng)注意的是，可逆性的此定義與當(dāng)前定義不同，對(duì)當(dāng)前定義來說，可逆發(fā)動(dòng)機(jī)是具有熱源及冷源的發(fā)動(dòng)機(jī)，所述熱源及所述冷源可轉(zhuǎn)化。與當(dāng)前斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的問題是當(dāng)所述斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率時(shí)，它們將具有低熱泵循環(huán)效率，且反之亦然。這些發(fā)動(dòng)機(jī)的可逆使用或者它們?cè)趯捁ぷ鞣秶械氖褂玫牡托试从诎l(fā)生在它們中的不同損失，且尤其源于熱交換中的溫度差異。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中或者理論上實(shí)施等溫壓縮及膨脹的任一發(fā)動(dòng)機(jī)中的非可逆損失的另一起因在于，真實(shí)系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的等溫壓縮及膨脹。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例的目的是提供一種具有循環(huán)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，所述循環(huán)包含幾乎理想的等溫壓縮和/或膨脹。本發(fā)明的實(shí)施例的目的是提供在寬工作范圍內(nèi)具有低損失及高效率的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的是提供一種可逆熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的實(shí)施例的又一目的是提供一種優(yōu)化的熱交換器。因此，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，用于以最小循環(huán)時(shí)間操作，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包含至少一個(gè)壓縮/膨脹及熱交換腔，此腔由能夠相對(duì)于彼此移動(dòng)的第一壁及第二壁縱向地限定，其特征在于，所述腔由自所述第一壁及所述第二壁的每一個(gè)縱向延伸的隔板分開，所述隔板交錯(cuò)，自同一壁延伸的隔板之間的間距配置成使得該間距的平方與所述最小循環(huán)時(shí)間之間的比率小于所述腔中包含的氣體的平均熱擴(kuò)散率。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，自同一壁延伸的隔板之間的所述間距使得所述比率小于所述腔中包含的所述氣體的平均擴(kuò)散率的一半。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一壁為不透氣的且用于放置成與熱源接觸，且所述第二壁能夠讓氣體流到所述壓縮/膨脹腔的外部。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于2mm，所述壓縮/ 膨脹腔中包含的氣體為氫氣或氦氣。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于0. 5mm。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述腔為圓柱形且隔板的沿著與所述腔的長(zhǎng)度垂直的方向的橫截面是螺旋形。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由壁及關(guān)聯(lián)的所述隔板構(gòu)成的組件由寬條狀物的纏繞圈及至少一個(gè)分隔條狀物形成。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述分隔條狀物是波浪形條狀物。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述分隔條狀物由相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)波紋形條狀物構(gòu)成，所述分隔條狀物具有重疊的波紋。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述腔為圓柱形且所述隔板的沿著與所述腔的長(zhǎng)度垂直的方向的橫截面形成平行的波浪形部分的組件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述腔為圓柱形且所述隔板的沿著與所述腔的長(zhǎng)度垂直的方向的橫截面形成平行的平坦部分的組件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，至少一個(gè)壁形成可控活塞的端部。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述隔板由導(dǎo)熱陶瓷、銅、鋁或鋼制成，所述陶瓷例如為碳化硅或氮化鋁。


本發(fā)明的上述及其它目的、特征及優(yōu)勢(shì)將結(jié)合附圖在下文具體實(shí)施例的非限制性描述中予以詳細(xì)討論。前面描述的圖1為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的通用圖；前面描述的圖2A到圖2D示出了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的步驟；圖3A到圖3C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的以若干配置形式的發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分的橫截面圖；圖4及圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的部分的兩個(gè)透視圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半交換器的可能的實(shí)施例；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面圖；圖8A及圖8B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半交換器的另一可能的實(shí)施例；及圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)的曲線。為清楚起見，在不同附圖中，相同元件用相同附圖標(biāo)記表示，且進(jìn)一步地，各個(gè)附圖不是按比例繪制。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例首先提供了直接將熱交換器置于壓縮與膨脹腔中。其進(jìn)一步提供了形成的壓縮與膨脹腔，在所述壓縮及膨脹腔中，所述交換器包含形成所述腔中的隔板的很多部分。這樣的隔板自所述腔的兩個(gè)相對(duì)壁延伸且當(dāng)腔體積減小時(shí)交錯(cuò)。圖3A到圖3C以縱截面圖示出了壓縮腔或膨脹腔，如以上所描述，形成例如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分。這些附圖示出了等溫膨脹中的不同狀態(tài)。在圖3A中，腔21形成于氣缸中且由在所述氣缸中可相對(duì)于彼此移動(dòng)的兩個(gè)壁23 及25界定。所示示例假定了與活塞軸27相關(guān)聯(lián)的可移動(dòng)壁23及相對(duì)于蓄熱器29(未細(xì)述)固定的固定壁25。應(yīng)當(dāng)理解的是，壁23及壁25可以以另一方式相對(duì)于彼此移動(dòng)。壁 23密封，且壁25對(duì)氣體而言是可滲透的，例如，可具有很多孔。隔板31在腔21中自壁23延伸，且隔板33在腔21中自壁25延伸。隔板31及隔板33沿著所述氣缸的縱向延伸且在橫截面圖中交替安置。隔板31及隔板33形成兩個(gè)半交換器。在圖3A的狀態(tài)中，隔板31的端部靠近壁25且隔板33的端部靠近壁23。因此，腔 21的體積最小。熱源(或者在相反情況一壓縮中的冷源)通過適當(dāng)裝置連接到壁23或壁 25之一，在此為壁23，未示出。壁23可以與所述熱源直接接觸或者通過熱流體流動(dòng)或冷流體流動(dòng)與其接觸。圖3C示出了當(dāng)腔21的體積最大時(shí)的裝置，即，活塞23-27及隔板31盡可能地遠(yuǎn)離壁25。在所述附圖中，隔板31及隔板33的自由端被示出在腔21中彼此相對(duì)。還可將隔板31及隔板33的自由端設(shè)置為稍微遠(yuǎn)離彼此。圖;3B示出處于圖3A與圖3C的位置之間的位置的裝置。兩個(gè)半交換器的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)能夠隨時(shí)使腔21中存在的氣體的每一分子相對(duì)靠近隔板31或隔板33。因此，在隔板31及隔板33是熱的而發(fā)生膨脹的情況中，在膨脹期間，所有的氣體分子靠近熱隔板，這能夠避免形成溫度低于熱源溫度的氣囊，且因此確保等溫膨脹。 因此，本文討論的結(jié)構(gòu)能夠提高所述組件將熱從熱源傳導(dǎo)給腔21的氣體的能力，且能夠減小熱源與所述氣體之間的溫度差造成的損失。為了在所述熱源與所述氣體之間提供良好交換且避免因所述腔中的死體積造成的損失，發(fā)明人提供了如下設(shè)置的隔板，使得d2/T < D,d是同一半交換器的兩個(gè)連續(xù)隔板31或33之間的間距；T是所述熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的最小循環(huán)時(shí)間(即，在關(guān)于圖2A到圖2D描述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下的最小往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間)；及D是所述腔中的氣體循環(huán)的平均擴(kuò)散率。優(yōu)選地，比率d2/T將小于氣體的熱擴(kuò)散率D的一半。這能夠在腔21內(nèi)保持充分均勻的氣體溫度，幾乎等于熱源的溫度，且因此能進(jìn)行幾乎理想的等溫壓縮及膨脹。應(yīng)用上述不等式能夠通過從延伸自壓縮/膨脹腔的所述隔板到氣體的熱擴(kuò)散來使用熱傳遞。因此， 熱傳遞主要通過擴(kuò)散進(jìn)行，可能發(fā)生的渦流現(xiàn)象對(duì)所述傳遞幾乎沒有或者沒有影響。隔板31及隔板33可以由導(dǎo)熱材料制成，例如，由諸如碳化硅、氮化鋁的陶瓷或者還可由銅或鋁制成。在此情況下，應(yīng)當(dāng)理解，在圖3A的位置中，隔板33通過氣體由隔板31 加熱。在所述膨脹期間，隔板33將所存儲(chǔ)的熱分配給氣體且尤其分配給位于靠近壁25的氣體。對(duì)恰當(dāng)?shù)牟僮鞫?，?yīng)當(dāng)理解，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)間必須足夠長(zhǎng)足以使隔板31及33與氣體之間的熱交換有時(shí)間發(fā)生。發(fā)明人已注意到，隔板33還可由不良導(dǎo)熱材料制成，并不全部由不良導(dǎo)熱材料構(gòu)成，這改變膨脹/壓縮的等溫特性。類似地，隔板31除了連接到壁23的端部外可由不良導(dǎo)熱材料制成。事實(shí)上，在此情況下，在圖3A的狀態(tài)中，熱從壁23傳遞到隔板31的相鄰區(qū)域且接著通過氣體傳到隔板33的自由端。在膨脹期間，隔板33的自由端連續(xù)地與隔板31的不同部分相對(duì)且因此熱從隔板33的端部傳到隔板31，且接著再次從隔板31傳到隔板33。 當(dāng)腔21的體積減小時(shí)，熱還通過氣體在隔板31與隔板33之間傳遞。因此，在循環(huán)期間，隔板31與33全部是熱的并將它們的熱傳遞給氣體。在不良導(dǎo)熱材料用于隔板31與隔板33的情況下，必須滿足以下關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，用于以最小循環(huán)時(shí)間(T)操作，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包含至少一個(gè)壓縮/ 膨脹及熱交換腔(21)，所述腔由能夠相對(duì)于彼此移動(dòng)的第一壁及第二壁(23、2幻縱向地限定，其特征在于，所述腔由自所述第一壁及所述第二壁的每一個(gè)縱向延伸的隔板(31、33) 分開，所述隔板交錯(cuò)，自同一壁延伸的隔板之間的間距配置成使得該間距(d)的平方與所述最小循環(huán)時(shí)間⑴之間的比率小于所述腔中包含的氣體的平均擴(kuò)散率⑶(d2/T < D)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中自同一壁延伸的隔板之間的所述間距使得所述比率小于所述腔中包含的所述氣體的平均擴(kuò)散率(D)的一半。
3.如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述第一壁03)為不透氣的且用于放置成與熱源接觸，且所述第二壁能夠讓氣體流到所述壓縮/膨脹腔的外部。
4.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于2mm，所述發(fā)動(dòng)機(jī)具有大于0. 02秒的循環(huán)時(shí)間，所述壓縮/膨脹腔中包含的所述氣體為氫氣或氦氣。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于0.5mm。
6.如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述腔為圓柱形且所述隔板(31、 33)的沿著與所述腔的長(zhǎng)度垂直的方向的橫截面是螺旋形。
7.如權(quán)利要求6所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中由壁及關(guān)聯(lián)的所述隔板構(gòu)成的組件由寬條狀物的纏繞圈及至少一個(gè)分隔條狀物形成。
8.如權(quán)利要求7所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述分隔條狀物是波浪形條狀物01)。
9.如權(quán)利要求7所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述分隔條狀物由相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)波紋形條狀物 (83,85)構(gòu)成，所述分隔條狀物具有重疊的波紋。
10.如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述腔為圓柱形且所述隔板(31、 33)的沿著與所述腔的長(zhǎng)度垂直的方向的橫截面形成平行的波浪形部分的組件。
11.如權(quán)利要求1到5中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述腔為圓柱形且所述隔板(31、 33)的沿著與所述腔的長(zhǎng)度垂直的方向的橫截面形成平行的平坦部分的組件。
12.如權(quán)利要求1到11中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中至少一個(gè)壁(23、25)形成可控活塞的端部。
13.如權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述隔板(31、33)由導(dǎo)熱陶瓷、 銅、鋁或鋼制成，所述陶瓷例如為碳化硅或氮化鋁。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包括至少一個(gè)腔(21)，在所述腔中進(jìn)行等溫膨脹和/或壓縮，所述腔由彼此相對(duì)可移動(dòng)的第一壁及第二壁(23、25)縱向地界定。所述腔(21)由自所述第一壁及第二壁中的每一個(gè)縱向延伸的隔板(31、33)分開，所述隔板互相交錯(cuò)，且自同一壁延伸的所述隔板之間的間距使得間距的平方與熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)時(shí)間之間的比率小于所述腔中包含的氣體的平均熱擴(kuò)散率。
文檔編號(hào)F02G1/055GK102245887SQ200980139642
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月3日
發(fā)明者皮埃爾·沙拉 申請(qǐng)人:思迪萊爾(簡(jiǎn)易有限公司)