CN103562535A - 斯特林循环换能装置 - Google Patents

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布里亚克·梅达尔·德沙尔东
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Abstract

公开了一种用于在热能和机械能之间进行转换的斯特林循环换能装置。所述装置包括膨胀室和压缩室，二者沿纵向轴线间隔设置。所述装置还包括至少一个在所述膨胀室和所述压缩室之间延伸的连通通路，使工作气体得以在所述膨胀室和所述压缩室之间周期***换。所述至少一个连通通路包括：与所述膨胀室和所述压缩室中至少一个相连通的接入导管，以及与所述接入导管相连通的回热器。所述回热器用于交替地接收从第一方向通过所述连通通路的气流的热能，或将热能传递给从与所述第一方向相反的方向通过所述连通通路的气流。一方面，所述接入导管包括柔性部分，用于在热诱导应变下发生偏转，所述热诱导应变由工作过程中所述膨胀室和所述压缩室之间建立的温度梯度引起。另一方面，所述膨胀室和所述压缩室中至少一个可包括表面，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括形成在其中的多个通道，用于将所述压缩室中的气流送入所述连通通路，以及将气流从所述连通通路送回所述压缩室。

Description

斯特林循环换能装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年11月18日提交、申请号为61/415,196、发明名称为“斯特林循环换能装置”、申请人为Thomas Walter Steiner、Briac Medard deChardon和Takao Kanemaru的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明一般涉及换能器，尤其涉及一种用于将热能转化为机械能或将机械能转化为热能的斯特林(Stirling)循环换能器。
背景技术
斯特林循环热机和热泵可以追溯到1816年，并已生产有许多不同配置的产品。这种斯特林循环装置的潜在优点包括高效率和高可靠性。由于高温材料的成本以及制造高压和高温的往复或旋转气封的难度问题，斯特林发动机的采用在某种程度上受到了阻碍。此外，对比较大的热交换器的需求以及与内燃机相比较低的功率系数，也阻碍了斯特林发动机的广泛采用。功率系数是指每单位质量、体积或面积的输出功率，对于给定输出功率的发动机，低功率系数会导致材料成本较高。
热声热机是一个较新的发展，正如在斯特林发动机分析中经常做的，热声热机中工作气体的惯性不能被忽略。在热声发动机的设计中，应考虑气体的惯性，并可能会要求在发动机中使用调谐的谐振管。然而不幸的是，在合理的工作频率下，声波的波长太长以致无法用于紧凑型发动机，从而导致相对低的功率系数。然而热声发动机比传统的斯特林发动机在机械结构上简单，而且不需要滑动或旋转的高压密封件。
斯特林发动机的一种变形是隔膜式发动机，其中隔膜的弯曲取代了传统斯特林发动机中的滑动活塞，从而消除了机械摩擦磨损。于2010年7月12日提交、申请号为CA2010/001092的PCT专利申请和于2009年7月10日提交、申请号为61/213,760的美国临时专利申请共同拥有并公开了这样的装置，其全部内容通过引用结合在本申请中。隔膜式发动机的半径与其高度相比较大，从而给承受相对于冷侧的热侧径向热膨胀带来挑战。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在热能和机械能之间进行转换的斯特林循环换能装置。所述装置包括膨胀室和压缩室，二者沿纵向轴线间隔设置。所述装置还包括至少一个在膨胀室和压缩室之间延伸的连通通路，使工作气体得以在膨胀室和压缩室之间周期***换。所述至少一个连通通路包括接入导管和回热器，所述接入导管与膨胀室和压缩室中至少一个相连通，所述回热器与接入导管相连通。所述回热器用于交替地接收从第一方向通过连通通路的气流的热能，或将热能传递给从与所述第一方向相反的方向通过连通通路的气流。所述接入导管包括柔性部分，用于在热诱导应变下发生偏转，所述热诱导应变由工作过程中膨胀室和压缩室之间建立的工作温度梯度引起。
所述膨胀室和压缩室中至少一个可以包括弹性隔膜，所述弹性隔膜在工作气体于膨胀室和压缩室之间周期***换的过程中发生偏转。
所述装置可以包括置换器，所述置换器设置在压缩室和膨胀室之间并与二者均连通，用于进行往复运动，以便在工作气体周期***换的过程中改变膨胀室和压缩室的容积。
所述置换器可以包括与压缩室连通的第一弹性置换器壁，与膨胀室连通的第二弹性置换器壁，和至少一个在第一和第二置换器壁之间延伸的支撑件，所述支撑件用于连接第一和第二置换器壁进行往复运动。
所述至少一个连通通路可以包括多个连通通路，其中每个都有各自的接入导管和回热器。
所述多个连通通路可以绕纵向轴线以径向阵列形式排列。
所述回热器的长度可以小于膨胀室和压缩室沿纵向轴线的间距，并且可以通过选择回热器的长度来增加与通过回热器的气流的热能交换，同时将通过回热器的流体的摩擦造成的损失降至最低，而所述接入导管可以配置成跨越膨胀室和压缩室之间间距的剩余空间。
可以通过选择膨胀室和压缩室之间的间距以使得膨胀室和压缩室之间热传导造成的损失以及连通通路中的损失二者总和最小化。
所述接入导管可以由具有弹性极限的材料制成，可以通过选择膨胀室和压缩室的间距，使接入导管中的应力减少到材料的弹性极限内。
所述接入导管可以由具有弹性极限的材料制成，并且可以包括至少一个沿纵向取向的部分，可以通过选择所述沿纵向取向的部分的长度尺寸，使接入导管中的应力减少到材料的弹性极限内。
所述接入导管可以由具有弹性极限的材料制成，并且可以包括至少一个大致沿径向取向的部分，可以通过选择所述沿径向取向的部分的长度尺寸，使接入导管中的应力减少到材料的弹性极限内。
所述接入导管的柔性部分可以包括壁，所述壁限定了贯穿所述柔性部分的孔，所述壁在热诱导应变下发生偏转。
所述柔性部分可以具有大致为管状的截面。
所述柔性部分可以包括扁平的管状截面，所述扁平的管状截面具有内部高度尺寸和宽度尺寸，并且高度尺寸基本上小于宽度尺寸。
所述接入导管的柔性部分可以包括大致沿纵向取向的部分，用于承受径向取向的应变，以及大致沿径向取向的部分，用于承受纵向取向的应变。
所述柔性部分可以包括至少一个弯曲部分。
所述至少一个连通通路可以沿纵向轴线的周边设置，所述柔性部分可以用于承受连通通路的第一部分和第二部分之间的径向偏移，所述第一部分与膨胀室相连通，所述第二部分与压缩室相连通。
所述回热器可以与膨胀室相连通，所述接入导管可以在回热器和压缩室之间延伸。
膨胀室和压缩室限定了二者之间的绝热空间，所述绝热空间热导率较低。
所述装置可以在绝热空间内设置具有低热导率的绝热材料。
所述绝热材料可以包括多孔绝热材料。
所述绝热空间可以包含比工作气体的热导率低的气体。
所述绝热材料的孔径可以小于绝热气体的平均自由程。
所述绝热材料可以包括闭孔多孔材料。
所述连通通路可以进一步包括在压缩室和回热器之间传输气体的第一热交换器，所述第一热交换器用于在所述气体和外部环境之间进行热传递。
所述第一热交换器可以包括多个具有高热导率的碳纤维，所述多个碳纤维是充分隔开的，以便气体从中流过。
所述第一热交换器可以包括与回热器物理接触的压缩性材料，所述连通通路可以给第一热交换器和回热器预先施加足够的压缩力，以使第一热交换器和回热器在由工作温度梯度引起的热诱导应变下保持物理接触。
所述碳纤维通常可以是沿纵向取向的，用于在纵向方向上输送热量。
所述碳纤维通常设置如下：至少一些纤维的尖端与回热器接触。
所述纤维通常可以设置为与纵向轴线成锐角，便于与回热器接触的纤维尖端发生弯曲。
所述装置可以包括与所述第一热交换器热连通的第一热导体，所述第一热导体用于在第一热交换器和外部环境之间输送热量。
所述第一热导体可以包括用于输送热交换流体的导管。
所述第一热导体可以包括热管。
所述第一热交换器可以包括与压缩室相连通的周边部分，所述回热器可用于提供多个大致纵向的流动路径以使气体流过回热器，多个流动路径中周边设置的流动路径与内部设置的流动路径相比流动阻力较大，以促进气流大致均匀地通过回热器。
所述回热器可以包括用于提供多个流动路径的基体材料，通过对第一热交换器和回热器之间的界面压型可使周边设置的流动路径长度大于内部设置的流动路径。
所述回热器可以包括用于提供多个流动路径的多个离散通道，并且周边设置的离散通道比内部设置的离散通道直径小。
所述第一热交换器可以包括与压缩室相连通的周边部分，通过确定所述第一热交换器的尺寸可使所述周边部分超出回热器的周边范围，以使在压缩室和回热器之间传输的气体至少流过第一热交换器的周边部分。
所述第一热交换器可以包括与压缩室相连通的周边部分，并且所述回热器可以包括靠近所述第一热交换器周边部分的阻挡部分，所述阻挡部分使得从第一热交换器接收或排出的气体至少流过第一热交换器的周边部分。
所述连通通路可以进一步包括在膨胀室和回热器之间传输气体的第二热交换器，所述第二热交换器用于在所述气体和外部环境之间进行热传递。
所述第二热交换器可以包括与回热器物理接触的压缩性材料，所述连通通路可以给第二热交换器和回热器预先施加足够的压缩力，以使得第二热交换器和回热器在由工作温度梯度引起的热诱导应变下保持物理接触。
所述第二热交换器可以包括多个具有高热导率的碳纤维。
所述碳纤维通常可以是沿纵向取向的，用于在纵向方向上输送热量。
所述碳纤维通常设置如下：至少一些纤维的尖端与回热器接触。
所述纤维通常可以设置为与纵向轴线成锐角，便于与回热器接触的纤维尖端发生弯曲。
所述装置可以包括与所述第二热交换器热连通的第二热导体，所述第二热导体用于在外部环境和第二热交换器之间输送热量。
所述第二热导体可以包括导热壁。
所述第二热导体可以包括热管。
所述第二热导体可以包括用于输送热交换流体的导管。
所述第二热交换器可以包括与压缩室相连通的周边的部分，所述回热器可用于提供多个大致纵向一致的流动路径以使气体流过回热器，多个流动路径中周边设置的流动路径与内部设置的流动路径相比具有较大的流动阻力，以促进气流大致均匀地通过回热器。
所述回热器可以包括用于提供多个流动路径的基体材料，通过对第一热交换器和回热器之间的界面压型可使周边设置的流动路径长度大于内部设置的流动路径。
所述回热器可以包括用于提供多个流动路径的多个离散通道，并且周边设置的离散通道比内部设置的离散通道直径小。
所述第二热交换器可以包括与膨胀室相连通的周边部分，通过确定所述第二热交换器的尺寸可使所述周边部分超出回热器的周边范围，以使在膨胀室和回热器之间传输的气体至少流过第二热交换器的周边部分。
所述第二热交换器可以包括与膨胀室相连通的周边部分，并且所述回热器可以包括靠近所述第二热交换器周边部分的阻挡部分，所述阻挡部分使得从第二热交换器接收或排出的气体至少流过第二热交换器的周边部分。
所述连通通路可以包括至少一个密封件，由于工作气体的周期***换，所述密封件在所述装置的工作过程中可能会经受工作压力波动，所述连通通路可以进一步包括用于把压缩力加到连通通路的装置，使得由于工作压力波动而加在至少一个密封件上的力可以至少部分被所述压缩力抵消。
所述用于提供压缩力的装置，可以包括用于给连通通路轴向预先加压的弹簧。
所述回热器可以是大致圆柱的形状。
所述膨胀室和压缩室中至少一个可以包括表面，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面可以包括其中成形的多个通道，用于将压缩室中的气流送入连通通路，以及将气流从连通通路送回压缩室。
所述表面可以包括弹性隔膜的表面，置换器的表面，以及膨胀室的壁部的表面中的至少一个，所述弹性隔膜的表面用于发生偏转以改变压缩室的容积，所述置换器的表面位于压缩室和膨胀室之间并与二者均连通，通过移动置换器来改变膨胀室和压缩室的容积，以使工作气体进行周期***换，所述膨胀室的壁部的表面与置换器上与膨胀室相连通的表面相对。
所述连通通路可以沿纵向轴线的周边设置，并且所述多个通道绕纵向轴线的大致径向方向上取向。
所述多个通道中的每一个都可以包括沿径向取向的分支，所述分支向连通通路延伸，并且与多个成角度的分支相连通，所述多个成角度的分支注入所述径向设置的分支。
所述连通通路可以包括绕纵向轴线以径向阵列形式排列的多个连通通路，每个连通通路包括各自的进气口，所述进气口与压缩室相连通，并且所述多个通道可以包括至少一个与每个进气口相关的通道，用于将气体送往各进气口。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在热能和机械能之间进行转换的斯特林循环换能装置。所述装置包括膨胀室和压缩室，二者沿纵向轴线间隔设置。所述装置还包括至少一个在膨胀室和压缩室之间延伸的连通通路，使工作气体得以在膨胀室和压缩室之间周期***换。所述膨胀室和压缩室中至少一个包括弹性隔膜，所述弹性隔膜在工作气体于膨胀室和压缩室之间周期***换的过程中发生偏转，并且所述膨胀室和压缩室中至少一个包括表面，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括形成在其中的多个通道，用于将压缩室中的气流送入连通通路，以及将气流从连通通路送回压缩室。
在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面可以包括隔膜的表面。
所述装置可以包括置换器，所述置换器设置在压缩室和膨胀室之间并与二者均连通，用于进行往复运动以便在工作气体周期***换的过程中改变膨胀室和压缩室的容积，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面可以包括置换器的表面。
所述置换器可以包括与压缩室连通的第一弹性置换器壁，与膨胀室连通的第二弹性置换器壁，和至少一个在第一和第二置换器壁之间延伸的支撑件，所述支撑件用于连接第一和第二置换器壁进行往复运动，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面可以包括第一置换器壁和第二置换器壁中至少一个的表面。
在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面可以包括膨胀室的壁部的表面，所述膨胀室的壁部的表面与置换器上与膨胀室相连通的表面相对。
通过下面对本发明具体实施例的描述并参考附图，本发明的其它方面和特征对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
附图示出了本发明的实施例，其中，
图1为根据本发明一个实施例的斯特林循环换能装置的立体图；
图2为图1所示的斯特林循环换能装置的截面视图；
图3为图2所示的斯特林循环换能装置沿线3-3的截面视图；
图4为图2所示的斯特林循环换能装置中包括的连通通路的立体图；
图5为图4所示的连通通路的局部切除立体图；
图6为图4和图5所示的连通通路的截面示意图。
图7为图4和图5所示的连通通路的另一个实施例的截面示意图。
图8为图2所示的斯特林循环换能装置沿线8-8的截面视图；以及
图9为图2所示的斯特林循环换能装置沿线9-9的截面视图。
具体实施方式
参考图1，一种用于在热能和机械能之间进行转换的斯特林循环换能装置用100表示。所述装置100包括壳体102，所述壳体将所述装置的部件封装，并限定了所述斯特林循环换能器的热侧104和冷侧106。所述装置100进一步包括一对电气端子108，用于提供所述装置100的电气连接。
所述装置100的截面详图如图2所示。在所示实施例中，装置100用作发动机，包括斯特林循环换能器部分110和发电机部分112。换能器部分110通过传动杆114机械地耦合到发电机部分112上，所述发电机电气地连接到电气端子108。在所述装置100作为发动机运转时，在热侧104接收热能，并通过换能器部分110将热能转换成机械能。所述机械能通过传动杆114耦合到发电机部分112，发电机在端子108处将机械能转换成电能，端子108作为发动机的电功率输出端。
在其它实施例中，所述斯特林循环换能装置100可用作热泵，其中电气端子108处接收的电能通过发电机部分112转换成机械能，作为电动机。所述机械能进而通过传动杆114耦合到换能器部分110，转换器部分110在两个侧面106和104之间产生温度梯度。在这样的实施例中，如果侧面106保持在或接近于环境温度，侧面104将被冷却到环境温度以下。
仍参考图2，所述装置100包括膨胀室120和压缩室122，二者沿纵向轴线124间隔设置。膨胀室120和压缩室122沿轴线124方向的纵向范围仅可在例如约200μm的区域内，因此在图2中大体按比例显示时，不能清楚地看见所述各腔室。所述装置100还包括在膨胀室120和压缩室122之间延伸的连通通路126。连通通路126使工作气体得以在膨胀室120和压缩室122之间周期***换。
连通通路126包括与膨胀室120和压缩室122中至少一个相连通的接入导管180（一对接入导管180如图2中虚线所示，后面将对其进行更详细描述）。连通通路126还包括与接入导管相连通的回热器182。回热器182可用于交替地接收从第一方向通过连通通路126的气流的热能，或将热能传递给从与所述第一方向相反的方向通过该连通通路的气流。
换能器部分110进一步包括弹性隔膜128，用于发生偏转以改变压缩室122的容积。所述隔膜包括朝向压缩室122的表面152和远离压缩室的第二表面156。
所述工作气体例如可以是氦气或氢气，占据了由膨胀室120，压缩室122和连通通路126所组成的工作容积。工作气体的静态压力Pm可以是约3MPa或更大。在所述装置100的工作过程中，工作容积中的压力在Pm±ΔP之间波动，其中ΔP为压力波动偏差。
所述装置100还包括接合到弹性隔膜128的管状弹簧154。管状弹簧154提供了大致与纵向轴线124方向一致的附加弹簧力，所述附加弹簧力连同弹性隔膜128所提供的弹簧力一起，增大了隔膜和发电机部分112所连接的部件的机械共振频率。
所述工作气体的静态压力Pm，往往会使隔膜128受到相对于压缩室122向外的力。所述装置100还包括壳体102内的壁159，壁159与管状弹簧154和隔膜128的表面156一起形成缓冲室157。缓冲室157包含压缩气体容积，所述压缩气体对隔膜128的表面156施加压力。给缓冲室中的气体加压到压力PB≈Pm，用于至少部分均衡隔膜128的表面152和156受到的力，这样隔膜就不会由于工作气体的静态压力Pm而过分向外偏转。在一个实施例中，可在缓冲室157和压缩室122之间通过引入窄的均衡导管，例如红宝石针孔（图中未示出），从而引入故意泄漏。所述均衡导管有利于工作气体和缓冲室157中的气体容积之间的气体连通。所述均衡导管的尺寸应能允许所述工作气体和所述气体容积之间达到压力均衡，同时应足够窄，以防止在与所述换能装置的工作频率相应的工作期间有大量的气体连通。缓冲室157容积、工作容积、隔膜128和管状弹簧154一起工作，以使隔膜128和发电机部分112所连接的部件具有期望的固有频率。所述期望的工作频率可以是至少约250Hz，在一个示例性实施例中约是500Hz。在其它实施例中工作频率大于500Hz。
换能器部分110还包括置换器130，通过移动置换器130来改变膨胀室120和压缩室122的容积，以使工作气体在各腔室之间进行周期***换。在所示实施例中，置换器130包括第一弹性置换器壁132和第二弹性置换器壁134。置换器壁132和134均包括各自的环状切口136和138，以促进置换器壁的弹性弯曲，所述环状切口限定了置换器130的中心移动部分，所述中心移动部分大致设置在环状切口之间。第一置换器壁132和第二置换器壁134通过多个支撑件142（图2中仅示出了其中一个支撑件142）在中心移动部分保持着间隔设置的关系。支撑件142使得第一置换器壁132和第二置换器壁134上位于环状切口136和138之间的部分，在置换器130往复运动的过程中作为一个单元一起移动。在其它实施例中，支撑件142可以包括在第一置换器壁132和第二置换器壁134之间延伸的位于中心的单个支撑件（图中未示出）。
膨胀室120被限定在第二置换器壁134的表面144和导热壁146的表面148之间，表面144形成了膨胀室的第一壁，表面148形成了膨胀室的第二壁。第一置换器壁132的表面150形成了压缩室122的第一壁，隔膜128的表面152形成了压缩室的第二壁。
在所示实施例中，隔膜128和置换器130沿着与纵向轴线124一致的方向做往复运动。隔膜128的往复运动耦合到传动杆114上，进而驱动发电机部分112。隔膜128和置换器130往复运动的幅度分别受到隔膜和置换器上弯曲部分的最大无限疲劳应力的限制。为了提供隔膜128通过的容积，也就是工作容积的绝大部分，同时保持低的隔膜弯曲应力，膨胀室120和压缩室122的径向范围要远大于纵向高度。通常，为使所述装置100获得最佳工作效率，希望所述工作容积足够小，以增加发动机的压缩比。压缩比是指隔膜128和置换器130运动产生的压力变化幅度与工作气体静态压力Pm之间的比例。在一个实施例中，理想压缩比为约10％。
所述装置还包括导热壁146，导热壁146在外部热源和所述装置100的换能器部分110之间形成了热界面，并将热能送入膨胀室120，以使所述装置100进行工作。在所示实施例中，导热壁146包括多个散热片147，在与外部热源（图中未示出）进行热交换时增大了所述壁的表面积。在所示实施例中，所述热源可以包括燃烧器，所述燃烧器通过燃烧燃料源而产生热量，导热壁146直接从所述燃烧器接收热量。在其它实施例中，壁146可以间接从例如热管或携带传热流体的导管接收热量。
通常，当所述装置100作为发动机工作时，在导热壁146处从外部热源接收热能，并将热量传给膨胀室120中的工作气体，使平均气体温度增加。该发动机的工作原理是当平均工作气体温度较低时压缩所述工作气体，而当平均工作气体温度较高时使所述工作气体膨胀。压缩较冷的工作气体所做的功小于使较热的工作气体膨胀所提供的能量，这些能量之间的差异在隔膜128处提供了净机械能输出，所述净机械能耦合到传动杆114。
绝热材料
在本实施例中，连通通路126位于纵向轴线124的周边，并贯穿置换器壁132和134之间的空间。置换器壁132和134之间剩余的空间由低热导率的绝热材料占据。
在一个实施例中，绝热空间140用于帮助引入比工作气体热导率低的绝热气体。有利地，绝热空间140中的绝热气体进一步减少了从膨胀室120到压缩室122的热传导。可以给所述绝热气体加压使其压力Pi≈Pm，以使第一置换器壁132和第二置换器壁134上的静压载荷最小。在一个实施例中，绝热材料140可以是开孔多孔材料，在这种情况下，绝热气体可透过绝热材料。
在其它实施例中，绝热材料140可以是闭孔多孔材料，闭孔内夹带有绝热气体，或闭孔内局部真空。在一个具体实施例中，闭孔绝热材料的平均孔径小于绝热气体的平均自由程。当分子的平均自由程比容器的特征尺寸小得多时，气体的热导率与压力无关，而平均自由程依赖于压力。因此，通过处理(charging)闭孔材料使闭孔内绝热气体的压力足够低，那么绝热气体的平均自由程变得与容器的尺寸相近，从而大幅降低了热导率。通过选择具有足够小的闭孔的绝热材料140，使闭孔内气体的平均自由程比孔的尺寸大，绝热材料140的热导率可降低到接近高真空绝热性能的水平。例如，在所述装置100的通常工作压力下，所需的开孔绝热材料140的尺寸为1nm的数量级。相比之下，对于闭孔内绝热气体压力接近大气压的闭孔绝热材料，10nm的孔尺寸足以使绝热材料140的热导率足够低。
有利地，减少膨胀室120和压缩室122之间的热传导通常与提高所述装置100的工作效率相关联。
连通通路
在图2所示的实施例中，所述装置100包括多个连通通路126（图2中仅示出了其中两个）。图3所示为所述装置100的横截面。参考图3，在本实施例中，连通通路126是大致圆形的，并绕纵向轴线124以径向阵列形式排列在周边。多个连通通路126共同作为膨胀室120和压缩室122之间工作气体的通道。
图4所示为其中一个连通通路126与部分膨胀室120的立体图。参考图4，部分膨胀室120是指第二置换器壁134和导热壁146之间的部分。为清楚起见，图4中省略了压缩室122。
连通通路126包括具有圆柱轴线258的圆柱形主体204。圆柱形主体204还包括柱205，柱205从所述主体沿着与轴线258大致一致的方向向外延伸（柱205的功能将在后面描述）。主体204包括一对接入导管180，所述接入导管从所述主体延伸出，并具有各自的第一端部200，用于与压缩室122进行连通（图4中未示出）。在其它实施例中，可以省略第二接入导管180，或者设置两个以上接入导管。主体204有端口212和端口214，用于携带热交换流体从而在连通通路126和外部环境之间输送热量。端口212和214终止于各自的开口213，用于与外部热交换***传递热交换流体（图中未示出）。
图5所示为连通通路126的局部切除立体图。参考图5，图中示出了部分第一置换器壁132，所述部分第一置换器壁132限定了压缩室122。为了清楚起见，图5中省略了弹性隔膜（如图2所示128）。所述接入导管180终止于圆柱形主体204内的第二端部202。主体204中包括用于在接入导管180和回热器182之间传输气流的第一热交换器206。所述第一热交换器包括允许气体流过的导热材料。主体204中还包括与第一热交换器206热连通的第一热导体208。第一热导体208包括沿径向取向的多个通道216。主体204还包括与端口212连通的中央导管210，用于从多个通道216接收传热流体，并通过端口214排出。在所示实施例中，第一热导体208包括高热导率的金属，例如铜。在其它实施例中，第一热导体可以将热量传递给热管。
在工作过程中，第一热交换器206将热量从工作气体传递到导热材料，所述导热材料热耦合到第一热导体208。第一热导体208进而将热量传递给流过通道216的传热流体。所述热交换通过端口214排出，并将所述装置100的热量输送到外部热交换***，从而输送给外部环境。
在一个实施例中，第一热交换器206可以包括碳纤维材料，所述碳纤维材料包括高热导率的碳纤维。所述碳纤维材料可以是高热导率的碳复合材料。所述复合材料可以由碳纤维构成，通过在碳罩（carbon veil）上电植绒碳纤维并用树脂涂覆而得到。所述罩将纤维形成一个连贯的整体，而碳纤维粘在树脂上。然后，所述材料在非常高的温度下热解，以形成所谓的碳-碳复合材料。热解使树脂转化为纯碳，从而得到全碳材料。所得到的结构通常被称为碳绒。对于第一热交换器206，理想的纤维通常在与纵向轴线124一致的方向上取向，使得热量沿纤维传递到第一热导体208。碳绒的纤维填充密度通常是随机的，给气体和纤维之间的热传递提供了大的表面积，使气体可以在纤维之间流动。
将所得到的碳复合材料用导热膏与金属热导体208粘合在一起，在烘箱中烘烤后可将碳复合材料和热导体粘合在一起。所述导热膏具有双重作用，一是将碳复合材料和热导体粘合在一起，二是提供了良好的热界面，用于使热量流入和流出碳复合材料的碳纤维。有利地，与比较容易提供的例如金属翅片式热交换器相比，所述碳复合材料提供了明显更大的与气体接触进行热传递的表面积。在其它实施例中，热交换器可以由金属翅片或金属针（pin）制成。
可选择地，第一热交换器206可以通过在载体上电植绒碳纤维而得到，所述载体例如聚合物。然后用导热膏将携带碳纤维的聚合物应用于第一热导体208。将所述聚合物载体、碳纤维和第一热导体208放入烘箱中点燃以烧尽聚合物，留下的碳纤维与第一热导体粘合在一起并热耦合，从而制造出碳绒，所述碳绒没有先前制造出的碳-碳复合物。在其它实施例中，第一热交换器206可通过直接在导热膏上植绒碳纤维而得到。
如前所述，在一些实施例中，所述纤维可以在与轴线258大体一致的方向上取向。有利地，碳纤维材料中的各个碳纤维一般都是柔性的，当将碳纤维压缩到与回热器接触时，所述柔性纤维会弯曲，从而在纤维的尖端和回热器182之间提供了紧密的物理接触。在其它实施例中，可以使所述碳纤维材料的碳纤维相对于轴线258以一定角度倾斜，以使柔性增加，从而进一步提高各热交换器的压缩性。
在图5所示的实施例中，热导体208和多个通道216通常制成圆柱盘的形式，所述圆柱盘的直径大小应使其可以被圆柱形主体204的孔218容纳。热交换器206也制成圆盘状，并可被孔218容纳。有利地，可以预先制造所述高热导率碳纤维材料并将其切割成适合孔218的尺寸，或制成对应于第一热导体208的形状，如前所述。
所述主体204进一步包括围绕在第一热交换器206周围的环形增压室220。环形增压室220与接入导管180的端部202连通。增压室220用于在接入导管180和第一热交换器206之间传输气体。
回热器182与第一热交换器206热连通。在实施例中，第一热交换器206包括前述高热导率的碳材料，所述碳纤维与回热器接触，从而在第一热交换器206和回热器之间提供了良好的热连通。回热器182可以由基体材料226制成，所述基体材料上有流道，可以通过选择流道的半径以使得流动摩擦损失足够小，同时使流过回热器和基体材料的气体之间进行有效的热传递。在工作过程中，回热器的基体材料226交替地从通过回热器182的工作气体接收热能，或向工作气体传送热能。
理想的基体材料226沿轴线258的方向热导率低，以减少通过回热器182的热传导。一些合适的回热器基体材料226的示例包括多孔材料，如多孔陶瓷或填充球，或具有离散流道的材料，如微毛细管阵列。可选择地，也可以使用层叠的金属丝网筛或绕线式回热器。申请号为4,416,114、申请人为Martini的美国专利中描述了一些合适的回热器基体材料，其全部内容通过引用结合在本申请中。
在所示实施例中，回热器182在薄壁套筒222内，在本实施例中所述薄壁套筒是第二置换器壁134不可分割的一部分。可选择地，套筒222可以焊接或以其它方式粘合到第二置换器壁134上。套筒222从第二置换器壁向外延伸，并延伸到末端262。可以通过选择套筒222的壁厚，以尽量减少热侧104和冷侧106之间沿所述套筒的热传导，同时提供足够的结构完整性，以承受工作气体的压力波动ΔP。
连通通路126还包括用于在回热器182和膨胀室120之间传输气流的第二热交换器228。第二热交换器228与第二热导体热连通，在这种情况下，所述第二热导体由导热壁146提供。在导热壁146处从外部环境接收的热量传递给第二热交换器128，进而传递给工作气体。
第二热交换器228也可以由高热导率的碳材料形成，如前面关于第一热交换器206的描述。导热壁146包括突出的圆柱形部分230，用导热膏可以将碳材料与突出部分230粘合在一起，如前所述。所述装置100在较高温度差下工作时，导热膏应能承受高温作业。导热壁146的圆柱形部分230在置换器壁134的孔232内，孔232的大小限定了连通膨胀室120和第二热交换器228的环形增压室234。在一个实施例中，环形增压室在孔232和部分230之间的尺寸约为300μm。
回热器基体材料226与第一热交换器206和第二热交换器228均接触，使得通过连通通路126的工作气体得以连通。在实施例中，第一和/或第二热交换器206和228包括高热导率的碳材料，主体204和套筒222与轴线258的方向一致，这样可以使碳材料的碳纤维与回热器基体材料在所述装置100工作过程中产生的热诱导应变下保持接触。有利地，热交换器206和228的碳纤维有些柔性，可以发生弯曲以容纳稍微过大的回热器182，或占据由于回热器稍微过小而产生的间隙，从而放宽了与回热器和连通通路126相关的机械公差。
工作气体流到回热器的基体材料226，却没有与热交换器206和228的材料交换足够的热量，从而减少了所述装置100的工作效率，这种情况通常希望避免发生。如果碳纤维和回热器的基体材料226之间产生间隙，大部分工作气体可能在没有通过各热交换器206和228被加热或冷却的情况下到达回热器182。在这样的情况下，流进回热器182的气体将处于与各热交换器相比不同的温度下，这将减小穿过回热器的有效温度差，并降低所述装置100的工作效率。热交换器206和228的碳纤维也可能有一些纤维长度偏差，可以通过配置所述连通通路，使得所述碳材料处于压缩状态，从而确保大部分纤维而不仅是最长的碳纤维的尖端才能与回热器182接触。如前所述，在一些实施例中，所述碳纤维也可以相对于轴线258以一定角度倾斜，以使柔性增加，从而增加各热交换器的可压缩性。
在一个实施例中，连通通路126装配如下：第一热交换器206、回热器182和第二热交换器228夹在第一热导体208和导热壁146的突出的圆柱形部分230之间。在装配过程中，通过施加装配预紧力，使套筒222的末端262在主体204上降到最低点，使得第一热交换器206和第二热交换器228在预紧力下紧密接触。可以通过选择套筒222在轴线258方向上的长度，使套筒在给第一热交换器206、回热器的基体材料226和第二热交换器228之间提供最小负载之前不在主体204上降到最低点。然而在装配预紧力下，套筒222的末端262可以密封地粘合到主体204上，使膨胀室120和压缩室122之间的连通通路126实现气密密封。由于所述密封只需要在接近环境温度下工作，用于主体204的材料可以与套筒222的材料不同，末端262可以通过焊接、钎焊、锡焊或其它方式与所述主体粘合。装配预紧力会引起热交换器206和228轻微压缩，使得热交换器和回热器的基体材料226之间保持紧密接触，所述紧密接触是在工作过程中产生的热诱导应变下发生在界面254和256的，否则会有不希望的气流绕过热交换器206和228，从而损害通过连通通路126的气体流动路径的完整性。
再参考图5，在所示实施例中，对连通通路126的主体204预先施加压缩力。在本实施例中，压缩力由弹簧236提供，弹簧236套在柱205上，并支撑着第一置换器壁132。所述压缩力促使主体204、薄壁套筒222和第二置换器壁134朝向导热壁146。通过选择弹簧，使其提供足够大的压缩力，抵消工作压力波动偏差ΔP引起的力，否则将对末端262处的密封件产生压力，末端262位于套筒222和主体204之间。有利地，所述压缩力使得由于工作压力波动而必须由密封件承担的压力显著减少了。
图6所示为连通通路126的截面示意图。参考图6，在所示实施例中，基体材料226包括多孔基体，但是如上所述，在其它实施例中，所述材料可以包括多个离散的、纵向延伸的通道或微毛细管。通过所述连通通路的气流用多条线250表示。在图6中，流动方向由箭头252表示，从压缩室122流向膨胀室120。然而应该理解的是，气流是周期性的，当气流从膨胀室120流向压缩室122时，箭头252的方向应反向。在工作工程中，当置换器130和隔膜128移动引起压缩室122容积减小时，气体从压缩室流入与连通通路126关联的每个接入导管180（图6中仅示出了一根接入导管180，但可能有多个接入导管）。气体从接入导管180流入环形增压室220时方向发生变化，由大致轴向（相对于轴线258）变为沿径向向内流入第一热交换器206的周边环形部分264。第一热交换器206中的气流分流，沿多个路径流向第一热交换器206和回热器182之间的界面254。同样地，气体流过回热器182和第二热交换器228之间的第二界面256时方向发生变化，由回热器中的沿大致轴向方向变为流过第二热交换器228的大致径向方向。气体通过第二热交换器228的周边环形部分266排出到增压室234。增压室234将工作气体输送到膨胀室120。由于膨胀室120和压缩室122之间气体交换的周期性，部分工作气体通常会在工作容积内来回穿梭。例如，部分靠近界面254的工作气体可能会在界面上来回穿梭，不离开回热器182或第一热交换器206。
在图6所示的实施例中，回热器182的回热器基体材料226包括在基体材料226周围延伸的第一环形阻挡部分260和第二环形阻挡部分261。阻挡部分260用于防止工作气体流到回热器的基质材料226的周边，而没有至少经过第一热交换器206的周边部分264。同样地，阻挡部分261用于防止工作气体流到回热器的基质材料226的周边，而没有至少经过第二热交换器228的周边部分266。在没有阻挡部分260和261的情况下，工作气体将有可能直接到达回热器182的周边部分，而没有与第一热交换器206和第二热交换器228进行即使最小的相互作用。阻挡部分260和261可以通过引入密封材料来挡住所述阻挡部分内毛细管或孔。可选择地，可以对基体材料226的周边部分进行处理以选择性地阻挡周边的孔或毛细管，例如通过烧制玻璃毛细管的端部使部分玻璃熔融。
在图1-图3所示的装置100的实施例中，所述装置通常为圆柱形的结构，通常会使得通过装置的气流基本上关于纵向轴线124轴对称。因此，膨胀室120和压缩室122中的气流按照斯特林循环工作周期，主要是在径向向外或径向向内的方向之间变化。参考图8，第一置换器壁132的表面150在平面视图中示出，接入导管180的各第一端部200作为多个离散进气口280，用于使气体在压缩室122内沿径向流动（由箭头282表示）。为完整起见，图8中示出了开口213，开口213用于与外部热交换***进行热交换流体的传递。
有利地，所述多个离散进气口280可以通过在置换器壁132里钻出多个开口而实现，用于容纳接入导管180的各第一端部200。相比之下，用环形槽代替离散进气口280可提供更均匀的通过压缩室122的径向气流，然而这样的槽实际上难以实现，并具有缺点。这样的槽不能承受由工作温度差引起的热膨胀。此外，具有与进气口280和接入导管180相同的自由流动横截面的环形槽，将遭受更大的粘滞损失，因为环状槽的壁紧密间隔，从而其水力半径比接入导管部分339的要小。通常，较小的水力半径与较大的粘滞损失相关联。增大环形槽壁之间的环形间隔，会降低流动摩擦，但也将导致更大的工作容积。如前所述，希望保持足够低的工作容积，以获得约10％的压缩比，从而达到良好的工作效率。因此，完美的流动对称不是必需的，也可能不是最优的。
在一些实施例中，可以对接入导管180的端部200压型以于减少任何由流体浓度造成的局部粘滞损失，所述粘滞损失在气体进入或排出进气口280时可能会发生。例如端部200可以制成喇叭口的形状。
热膨胀
为使所述装置100有效地工作，希望增加热侧104和冷侧106之间的温度差。在一些实施例中，温度差可以是在约600℃左右或更高。因此，在工作条件下，可以在膨胀室120和压缩室122之间建立较大的温度梯度。与较大的温度差相关联的一个问题是制造所述装置时使用的部件和材料必须能够承受热膨胀中相应的温度差，特别是例如回热器这种与所述装置100的热侧104和冷侧106都连通的部件。这种部件在工作过程中可能会受到相对较大的机械应力。此外，由于在制造所述装置100时使用了各种不同的材料，需要密切注意这些材料表现出的显著不同的热膨胀率，以避免工作问题，例如气体泄漏或气流从期望的流通路径改道。隔膜式斯特林发动机的膨胀室和压缩室径向尺寸相对较大，从而在高温差下工作时给热侧104相对于冷侧106的热膨胀带来了重大的结构上的挑战。
此外，连通通路126的圆柱形结构提供了几个优点。如前所述，回热器182最好在轴向上具有低的热导率，使得所述装置100的热侧104和冷侧106之间几乎全部温度偏差都穿过回热器182。
在发动机结构中，这将导致界面254比界面256冷得多。回热器182两端的温度差的一个作用是，界面256靠近轴线258的部分将向外弯曲，而界面的外周边缘在一个平面内。第二界面256处的回热器基体材料226经受二维的热膨胀，使得第二界面向外弯曲，占据了大致为球形的形状。在图6所示的实施例中，回热器的基体材料226在套筒222内可以是自由的。可选择地，基体材料226可以仅一端密封在套筒上，在这种情况下，回热器182的圆形横截面是有利的，因为在热应变下回热器的外周边缘在一个平面内，从而显著地简化了对套筒的密封。相比之下，本发明人发现，非圆形的回热器结构非常难以密封，因为二维的热膨胀会导致外周边缘离开平面。
有利地，回热器的基体材料226由于热梯度产生的弯曲，不会给套筒222的端部262和主体204之间的密封产生压力，并且第一热交换器206的碳纤维的柔性可以承受界面254的任何弯曲。
此外，在一些实施例中，回热器的基体材料226可以由陶瓷或玻璃材料制成，而套筒222可以包括金属。因为陶瓷或玻璃材料的热膨胀系数一般都比套筒222中所使用的金属的热膨胀系数低，可能至少会沿内孔224的一部分产生间隙。因此，在图5所示的实施例中，套筒222的尺寸使得回热器的基体材料226紧密配合并容纳在其中。
如前所述，回热器182两端的整个温度差也在套筒222的两端出现，因此套筒的壁应尽可能地薄，与其必须承受的机械应力相一致，以最大限度地减少通过套筒的热传导。将回热器的基体材料226大致紧密地配合在套筒222内，以减少可能会出现在基体材料和套筒内壁之间***部分的气流。实际上，配合的紧密度可以这样确定：使基体材料226的***和套筒222的内壁之间的间隙与通过基体材料的流动路径具有相似的水力半径。例如，在多孔基体材料226的情况下，可以使间隙保持在基体的孔径大小的数量级，例如可以约为20μm，以避免额外的热量和粘滞损失。这个标准也对回热器182的最大直径产生约束，因为在某些工作温度差下，直径较大的回热器可能无法满足这一标准。对于给定的材料，基体材料226的***和套筒222的内壁之间间隙的大小与回热器182的直径和温度差成比例。在一个实施例中，回热器182的直径约为1cm。
参考图7，在另一个可选择的实施例中，可能会在基体材料226和第二置换器壁134之间引入柔性环形高温密封件300，并在基体材料226和主体204之间引入柔性环形密封件302。在所示实施例中，密封件300和302均包括薄的弯曲的金属部分。在其它实施例中，密封件300可以包括具有一个或多个波纹的金属部分，用于承受在工作温度差下发生的热应变。
在所示实施例中，基体材料226由微毛细管组成，所述微毛细管沿回热器182的长度延伸，从而提供密封的回热器***。在其它实施例中，基体材料226是多孔基体，回热器***可以通过例如额外的套筒（图中未示出）密封。有利地，回热器182的圆柱形结构，使基体材料226的外周边缘在工作温度差下在一个平面内，也有助于通过减少对环形密封件300和302的需求从而承受不均匀膨胀，所述密封件只需要承受回热器182的外周边缘在平面上的径向膨胀。在所示的实施例中，连通通路126进一步包括在主体204和第二置换器壁134之间延伸的绝热体304。绝热体304用于承受由于弹簧236而产生的压缩载荷，否则可能会导致热交换器206和228或回热器基体226的碳纤维被压碎。在一个实施例中，绝热体304包括多孔陶瓷材料。
在所示实施例中，基体材料226在界面254和界面256处具有异形形状（profiled shape）。在本实施例中，界面254和256的形状是凹形的，并具有大致球形的轮廓，但在其它实施例中，根据通过连通通路126的实际流动路径250，界面254和256可以具有非球形的轮廓。通常，异形界面254和256使得通过回热器基体材料226的路径长度，在回热器182靠近轴线258处相对于***部分较短。可以通过选择界面254和256的轮廓，来均衡通过回热器182的所有路径的流动阻力。通过回热器182靠近轴线258处较短的路径至少可以部分抵消掉气体在第一热交换器206和第二热交换器228中必须穿过的较长路径，从而使所有通过第一热交换器、回热器182和第二热交换器的流动路径总和具有大致相似的流体流动阻力。有利地，异形界面254和256使得通过基体材料226的气流更均匀，有助于提高所述装置100的工作效率。在图7所示的实施例中，基体材料226在相对于轴线258的横向方向上的流量再分配有限，例如在图7所示的微毛细管基体材料的情况下，促进气流均匀地流过基体材料226变得特别重要。相比之下，通常多孔基体材料（如图6所示）至少允许气流在相对于轴线258的某些横向方向上流量再分配，在这种情况下，对所述界面的压型可以不做要求或者说界面的压型没有微毛细管基体材料那么明显。因此，根据回热器182的具体结构以及基体材料，对界面254和256的压型可能会更加明显、不太明显或完全省略。
可选择地，在其它微毛细管回热器的实施例（未示出）中，靠近中心轴线258的微毛细管的水力半径稍大于远离轴线的微毛细管的水力半径，以便均衡通过回热器182不同部分的流动阻力。
在图7所示的实施例中，第一和第二热交换器向外延伸以获得比回热器的基体材料226更大的直径。第一热交换器206包括环形部分268，第二热交换器228包括环形部分270，环形部分268和270都延伸出了回热器182的外周边缘。向外延伸的部分268和270使得工作气体可以在穿过界面254和256之前流过各热交换器的所述环形部分，从而使得工作气体和热交换器206和228之间可以进行最低程度的相互作用，所述工作气体是指从第一热交换器206和第二热交换器228接收或排出的气体。在其它实施例中，可以用阻挡部分代替或增加到延伸部分268和270上，以增加与所述第一和/或第二热交换器的工作气体的相互作用，所述阻挡部分与环形阻挡部分260（如图6所示）类似。对于微毛细管形式的回热器基体材料226，只需要有单个阻挡部分以阻止流过毛细管的气流，并且有利的是所述单个阻挡部分位于回热器的冷侧（即在如图6所示的阻挡部分260的位置）。这有利于使用低温密封材料，也减少了额外的热传导，如图6的多孔基体回热器的实施例所示，如果所述阻挡部分进一步延长，会产生额外的热传导。
柔性接入导管
如前所述，在弹簧236提供的压缩力作用下，连通通路126与第二置换器壁134接触，从而与热侧104接触。在工作过程中，热膨胀会引起第一置换器壁132和第二置换器壁134相对于彼此沿纵向移动，从而使连通通路126产生热应变，连通通路126的接入导管的各端部200与第一置换器壁132连接。然而，在径向方向（即大致垂直于纵向轴线124）上也引入了热应变，而且所述径向应变要大于纵向应变。径向应变是由第二置换器壁134和膨胀室120的导热壁146相对于压缩室122的第一置换器壁132的热膨胀引起的。
再参考图4，在所示的实施例中，每个接入导管180包括第一大致纵向取向的部分184，第一和第二弯曲部分186和188，以及大致径向取向的部分189，所述第一纵向取向的部分184从主体204向外延伸。第二大致纵向取向的部分190从第二弯曲部分188延伸至第一端部200。
所述第一纵向部分184通过沿其长度方向发生弯曲以承受径向应变，给接入导管180的所述第一纵向部分的壁施加应力。在一个实施例中，接入导管180由薄壁管状的不锈钢制成，当在热诱导应变下发生偏转时，同时在结构上能承受工作气体的压力波动。对于所述导管壁的弹性弯曲，接入导管180有相关的最大极限应力。在引起所述装置100最大的径向膨胀的情况下，所述壁上的应力将达到最大，可以通过选择纵向部分的长度，从而将所述壁上的应力减少到相关材料的最大极限应力的范围内。
同样地，径向部分189通过沿其长度方向弯曲以承受纵向应变，给接入导管180的所述径向部分的壁施加应力。在最大纵向位移的情况下，所述壁上的应力将达到最大，可以通过选择径向部分的长度，从而将所述壁上的应力减少到接入导管材料的最大极限应力的范围内。
在一个实施例中，接入导管180沿其长度方向的壁厚大致均匀，而在其它实施例中，可减少壁厚来增加接入导管的柔性，使其符合弯曲的需要以承受热应变。在其它实施例中，接入导管180可以包括额外的环路（loop）或曲面（curve），以承受纵向和/或径向的应变。在图4所示的实施例中，接入导管180具有大致圆形的横截面，在其它实施例中，所述导管可以是扁平的或具有扁平的部分，所述扁平的部分宽度大于高度，以使导管有优先的弯曲方向。扁平接入导管的优先弯曲方向是指与承受由于工作温度差而发生的应变相一致的方向。可以通过选择所述导管的内部尺寸，给通过导管的气流提供等效的流动摩擦。
接入导管180的整体长度受到粘滞损失和热松弛损失的约束，所述损失与长度成正比。此外，接入导管额外的长度会增加所述装置100的工作容积，从而降低可实现的压缩比。置换器壁132和134之间的间距增加通常会使工作效率增加，然而某种情况下进一步增加间距不再补偿接入导管180相关的损失。因此，应使接入导管180的导管长度不长于承受最大的热诱导应变所需的长度。在一个实施例中，通过选择接入导管180的长度和结构，使其在环境温度下的应力与在工作温度下的应力幅度大致相等，而符号相反。有利地，这种预应力的配置允许接入导管的长度比原本需要的更短。在不超过接入导管180的极限应力的情况下承受径向和纵向热应变，使第一置换器壁132和第二置换器壁的间距值具有下限。
通常，回热器182沿纵向轴线124（如图2所示）方向的长度受到关于回热器基体材料226的气体流动摩擦的考虑的约束。一般来说，第一置换器壁132和第二置换器壁134的期望间距大于回热器182的最佳长度，所述期望间距是指为减少热侧104和冷侧106之间的热传导而得到的期望间距。有利地，接入导管180跨越了额外的间距，从而增加了第一置换器壁132和第二置换器壁134的间距，在回热器占据了大部分壁间间距的结构中，需要所述额外的间距。所述增加的间距要容纳置换器壁132和134之间增加的绝热材料的厚度，提供所述装置100的热侧104和冷侧106之间增强的热绝缘。
再参考图3，在所示的实施例中，多个连通通路126此外还允许每个通道相对于其相邻的通道移动，以承受纵向和径向的热诱导应变。有利地，所述装置100包括多个离散的连通通路126，如实施例所公开的，连同柔性接入导管180一起，用于径向和纵向的相对运动，而不会在所述装置100的热侧104和冷侧106之间产生过大的机械应力。有利地，减少热诱导机械应力有利于重复所述装置100的热循环，同时保持气密封的结构完整性。
在本申请所示的实施例中，回热器182通常与膨胀室120通过第二热交换器228相连通。然而在其它实施例中，回热器182和接入导管180可能以其它方式与压缩室122相连通。在另一个实施例中，回热器182设置在两个接入导管部分之间，或被分成一个以上的回热器部分，每部分由回热器之间的接入导管部分分隔开。
有利地，连通通路126有助于在工作过程中热膨胀，所述工作过程是在组成所述装置100的材料的应力限制内，并且不会对密封件施加显着的应力，所述密封件是指在容纳工作气体以及在膨胀室120和压缩室122之间传送气流时所需要的。此外，连通通路126的使用也降低了对所述装置100的大部分部件维持严格的尺寸公差的要求。
在一个实施例中，第二置换器壁134和导热壁146限定了膨胀室120，所述膨胀室120可由耐高温材料制成，如铬镍铁合金。第一置换器壁132和隔膜128限定了压缩室122，所述压缩室122可由合金钢制成。由于工作温度差，膨胀室120会发生径向膨胀，而压缩室122仍保持在环境温度，没有明显扩大。这将导致在多个支撑件142（如图2所示）上产生应变，所述支撑件将第一置换器壁132和第二置换器壁134接合在一起。然而，在图2所示的实施例中，支撑件142靠近第二置换器壁134的中心移动部分，因此受到的横向热诱导小于所述壁的周边部分，所述壁的周边部分不受机械约束。
压力容器
再参考图2，如前所述，所述装置100的工作容积包括膨胀室120的容积，多个连通通路126中每个通路的容积，以及压缩室122的容积。如前所述，通过绝热气体给低热导率的绝热材料140加压，使其达到压力Pi≈Pm，以尽量减少第一置换器壁132和第二置换器壁134上的静态压力载荷。在所示实施例中，壳体102内还有额外的绝热区域155，位于所述工作容积或缓冲室157之外。区域155与低热导率的绝热材料相连通，从而也被加压到与静态工作压力Pm大致相等的静态压力。所述装置100的受压区域通常限定在壁159，160，162，导热壁146和管状弹簧154之间，称为压力容器，斯特林循环换能器部分110在所述压力容器内工作。所述压力容器内部细分为三个区域：工作气体空间120，122，126，缓冲空间157和绝热空间140，155。三个区域可彼此分隔开，由不同的气体加压到相似的压力，或彼此弱连通，由相同的气体加压到同一压力，或上述两种方式的组合。壳体102中其它容积，如容积164和166，是不被加压或排空的。随着缓冲空间和绝热空间被加压，工作容积的大部分结构（即隔膜128，第一置换器壁132，第二置换器壁134，和连通通路126）不需要承受全部工作压力Pm，只需承受工作压力波动偏差ΔP。工作压力波动偏差ΔP的幅值为静态工作压力Pm的约10％。因此，所述工作容积的结构只需承受Pm的10％左右。
唯一例外的是导热壁146，所述导热壁形成了压力容器的外壁，因此必须承受全部工作压力和工作压力波动（即Pm+ΔP）。然而导热壁146不需要像隔膜128一样在工作过程中弯曲，因此可以足够厚以承受压力。
树状通道
如前所述，膨胀室120和压缩室122中的气流通常沿着径向方向，并且由于膨胀室和压缩室的纵向范围有限，气流通常与表面144和表面148以及表面150和表面152靠的很近，其中表面144和148限定了膨胀室，表面150和152限定了压缩室122。因此，膨胀室120和压缩室122之间工作气体的周期***换也与腔室内的粘滞损失有关。参考图9，在所示实施例中，隔膜128包括在隔膜表面152上形成的多个通道380。在一个实施例中，使用模具将通道380压入表面152。
通道380将压缩室中的气流引入多个离散的进气口280（位于第一置换器壁132内，由接入导管180的端部200限定）。所述通道为多个离散进气口280区域内的气流提供了更宽的通道，从而降低了粘滞损失。通道380沿大致径向取向，并且相对较浅。在图9所示的实施例中，通道380为类似树状的结构，具有更小的分支382，分支382窄而浅，将气流引入一个或多个主通道或支干384，支干384在接近进气口280的地方结束。一个实施例提供了所述树状结构，如图9所示，具有约24个进气口280，然而在其它实施例中，可以实现更多数量、更长分支的树状结构。通常，理想的通道380具有圆角306，以使进入或离开通道的气体局部粘滞损失最小。主通道384的深度可与宽度相似，以尽量减少粘滞损失。在一个实施例中，主通道384的深度为1mm左右。
有利地，通道380减少了压缩室122内气流的粘滞损失，促进了隔膜128的表面152和第一置换器壁132的表面150之间的近间距，否则由于粘滞损失的约束不可能实现近间距。这有利于进一步减小工作容积，从而相应提高压缩比。通道380靠近隔膜128的外周，因为压缩室122（和膨胀室120）容积的重要部分位于外周，因此希望尽量降低腔室的高度。压缩室122（和膨胀室120）的外周区域中会出现最大的气流，从而成为粘滞损失的主要来源。
同样地，再参考图8，在第一置换器壁132上也可以形成相应的浅通道284（图8中仅示出一个通道284）。如果隔膜的通道与第一置换器壁上与其相对的表面150的通道相匹配，那么两个通道的总深度与通道的宽度相似。在第二置换器壁134和导热壁146上也可以形成类似的通道，所述第二置换器壁和导热壁限定了膨胀室120。
图8示出了通道380的具体结构，然而在其它实施例中，所述通道也可以是其它结构，并且可以具有更多或更少的分支和/或支干，可以与附图所示的布局相似或不同。
虽然已经描述和说明了本发明的具体实施例，但所述实施例应被认为是说明性的，不作为对本发明的限制。

Claims (64)

1.一种用于在热能和机械能之间进行转换的斯特林循环换能装置，所述装置包括：
膨胀室和压缩室，二者沿纵向轴线间隔设置；
至少一个在所述膨胀室和所述压缩室之间延伸的连通通路，使工作气体得以在所述膨胀室和所述压缩室之间周期***换，所述至少一个连通通路包括：
与所述膨胀室和所述压缩室中至少一个相连通的接入导管；
与所述接入导管相连通的回热器，用于交替地接收从第一方向通过所述连通通路的气流的热能，或将热能传递给从与所述第一方向相反的方向通过所述连通通路的气流；其中
所述接入导管包括柔性部分，用于在热诱导应变下发生偏转，所述热诱导应变由工作过程中所述膨胀室和所述压缩室之间建立的工作温度梯度引起。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述膨胀室和所述压缩室中至少一个包括弹性隔膜，所述弹性隔膜在工作气体于所述膨胀室和所述压缩室之间周期***换的过程中发生偏转。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：进一步包括置换器，所述置换器设置在所述压缩室和所述膨胀室之间并与二者均连通，用于进行往复运动，以便在工作气体周期***换的过程中改变所述膨胀室和所述压缩室的容积。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述置换器包括：
与所述压缩室连通的第一弹性置换器壁；
与所述膨胀室连通的第二弹性置换器壁；以及
至少一个在所述第一和第二置换器壁之间延伸的支撑件，所述支撑件用于连接所述第一和第二置换器壁进行往复运动。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述至少一个连通通路包括多个连通通路，其中每个都有各自的所述接入导管和所述回热器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述多个连通通路绕纵向轴线以径向阵列形式排列。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述回热器的长度小于所述膨胀室和所述压缩室沿所述纵向轴线的间距，通过选择所述回热器的长度来增加与通过所述回热器的气流的热能交换，同时将通过所述回热器的流体的摩擦造成的损失降至最低，其特征在于：所述接入导管配置成跨越所述膨胀室和所述压缩室之间间距的剩余空间。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：通过选择所述膨胀室和所述压缩室之间的间距以使得所述膨胀室和所述压缩室之间热传导造成的损失以及所述连通通路中的损失二者总和最小化。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述接入导管由具有弹性极限的材料制成，通过选择所述膨胀室和所述压缩室的间距，使所述接入导管中的应力减少到所述材料的弹性极限内。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述接入导管由具有弹性极限的材料制成，并且包括至少一个沿纵向取向的部分，通过选择所述沿纵向取向的部分的长度尺寸，使所述接入导管中的应力减少到所述材料的弹性极限内。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述接入导管可以由具有弹性极限的材料制成，并且包括至少一个大致沿径向取向的部分，可以通过选择所述沿径向取向的部分的长度尺寸，使所述接入导管中的应力减少到所述材料的弹性极限内。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述接入导管的柔性部分包括壁，所述壁限定了贯穿所述柔性部分的孔，所述壁在热诱导应变下发生偏转。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：所述柔性部分具有大致为管状的截面。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：所述柔性部分包括扁平的管状截面，所述扁平的管状截面具有内部高度尺寸和宽度尺寸，并且所述高度尺寸基本上小于所述宽度尺寸。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述接入导管的柔性部分包括：
大致沿纵向取向的部分，用于承受径向取向的应变；以及
大致沿径向取向的部分，用于承受纵向取向的应变。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述柔性部分包括至少一个弯曲部分。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述至少一个连通通路沿纵向轴线的周边设置，所述柔性部分用于承受所述连通通路的第一部分和第二部分之间的径向偏移，所述第一部分与所述膨胀室相连通，所述第二部分与所述压缩室相连通。
18.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述回热器与所述膨胀室相连通，所述接入导管在所述回热器和所述压缩室之间延伸。
19.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述膨胀室和所述压缩室限定了二者之间的绝热空间，所述绝热空间热导率较低。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于：进一步包括低热导率的绝热材料，所述低热导率的绝热材料设置在绝热空间内。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于：所述绝热材料包括多孔绝热材料。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于：所述绝热空间包含比工作气体的热导率低的气体。
23.根据权利要求21所述的装置，其特征在于：所述绝热材料的孔径小于所述绝热气体的平均自由程。
24.根据权利要求21所述的装置，其特征在于：所述绝热材料包括闭孔多孔材料。
25.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述连通通路进一步包括在所述压缩室和所述回热器之间传输气体的第一热交换器，所述第一热交换器用于在所述气体和外部环境之间进行热传递。
26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于：所述第一热交换器包括与所述回热器物理接触的压缩性材料，所述连通通路给所述第一热交换器和所述回热器预先施加足够的压缩力，以使所述第一热交换器和所述回热器在由工作温度梯度引起的热诱导应变下保持物理接触。
27.根据权利要求25所述的装置，其特征在于：所述第一热交换器包括多个具有高热导率的碳纤维，所述多个碳纤维是充分隔开的，以便气体从中流过。
28.根据权利要求27所述的装置，其特征在于：所述碳纤维大致沿纵向取向，用于在纵向方向上输送热量。
29.根据权利要求27所述的装置，其特征在于：通常应使所述碳纤维中至少一些纤维的尖端与所述回热器接触。
30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于：所述纤维通常设置为与纵向轴线成锐角，便于与所述回热器接触的纤维尖端发生弯曲。
31.根据权利要求25所述的装置，其特征在于：进一步包括与所述第一热交换器热连通的第一热导体，所述第一热导体用于在所述第一热交换器和外部环境之间输送热量。
32.根据权利要求31所述的装置，其特征在于：所述第一热导体包括用于输送热交换流体的导管。
33.根据权利要求31所述的装置，其特征在于：所述第一热导体包括热管。
34.根据权利要求25所述的装置，其特征在于：所述第一热交换器包括与所述压缩室相连通的周边部分，所述回热器用于提供多个大致纵向一致的流动路径以使气体流过所述回热器，所述多个流动路径中周边设置的流动路径与内部设置的流动路径相比流动阻力较大，以促进气流大致均匀地通过所述第一热交换器和所述回热器。
35.根据权利要求34所述的装置，其特征在于：所述回热器包括用于提供多个流动路径的基体材料，通过对所述第一热交换器和所述回热器之间的界面压型，可使周边设置的流动路径长度大于内部设置的流动路径。
36.根据权利要求34所述的装置，其特征在于：所述回热器包括用于提供所述多个流动路径的多个离散通道，并且周边设置的离散通道比内部设置的离散通道直径小。
37.根据权利要求25所述的装置，其特征在于：所述第一热交换器包括与所述压缩室相连通的周边部分，通过确定所述第一热交换器的尺寸可使所述周边部分超出所述回热器的周边范围，以使在所述压缩室和所述回热器之间传输的气体至少流过所述第一热交换器的周边部分。
38.根据权利要求25所述的装置，其特征在于：所述第一热交换器包括与所述压缩室相连通的周边部分，所述回热器包括靠近所述第一热交换器周边部分的阻挡部分，所述阻挡部分使得从所述第一热交换器接收或排出的气体至少流过所述第一热交换器的周边部分。
39.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述连通通路进一步包括在所述膨胀室和所述回热器之间传输气体的第二热交换器，所述第二热交换器用于在所述气体和外部环境之间进行热传递。
40.根据权利要求39所述的装置，其特征在于：所述第二热交换器包括与所述回热器物理接触的压缩性材料，所述连通通路给所述第二热交换器和所述回热器预先施加足够的压缩力，使所述第二热交换器和所述回热器在由工作温度梯度引起的热诱导应变下保持物理接触。
41.根据权利要求39所述的装置，其特征在于：所述第二热交换器包括多个具有高热导率的碳纤维。
42.根据权利要求41所述的装置，其特征在于：所述碳纤维大致沿纵向取向，用于在纵向方向上输送热量。
43.根据权利要求41所述的装置，其特征在于：通常应使所述碳纤维中至少一些纤维的尖端与所述回热器接触。
44.根据权利要求43所述的装置，其特征在于：所述纤维通常设置为与纵向轴线成锐角，便于与所述回热器接触的纤维尖端发生弯曲。
45.根据权利要求39所述的装置，其特征在于：进一步包括与所述第二热交换器热连通的第二热导体，所述第二热导体用于在外部环境和所述第二热交换器之间输送热量。
46.根据权利要求45所述的装置，其特征在于：所述第二热导体包括导热壁。
47.根据权利要求45所述的装置，其特征在于：所述第二热导体包括热管。
48.根据权利要求45所述的装置，其特征在于：所述第二热导体包括用于输送热交换流体的导管。
49.根据权利要求39所述的装置，其特征在于：所述第二热交换器包括与所述膨胀室相连通的周边部分，通过确定所述第二热交换器的尺寸可使所述周边部分超出所述回热器的周边范围，以使在所述膨胀室和所述回热器之间传输的气体至少流过所述第二热交换器的周边部分。
50.根据权利要求49所述的装置，其特征在于：所述第二热交换器包括与所述膨胀室相连通的周边部分，所述回热器包括靠近所述第二热交换器周边部分的阻挡部分，所述阻挡部分使得从第二热交换器接收或排出的气体至少流过所述第二热交换器的周边部分。
51.根据权利要求50所述的装置，其特征在于：所述回热器包括用于提供所述多个流动路径的多个离散通道，并且周边设置的离散通道比内部设置的离散通道直径小。
52.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述连通通路包括至少一个密封件，由于工作气体的周期***换，所述密封件在所述装置的工作过程中会经受工作压力波动，所述连通通路进一步包括给所述连通通路施加压缩力的装置，使得由于工作压力波动而加在所述至少一个密封件上的力至少部分被所述压缩力抵消。
53.根据权利要求52所述的装置，其特征在于：所述用于提供压缩力的装置包括用于给所述连通通路轴向预先加压的弹簧。
54.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述回热器为大致圆柱的形状。
55.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述膨胀室和所述压缩室中至少一个包括表面，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括形成在其中的多个通道，用于将所述压缩室中的气流送入连通通路，以及将气流从所述连通通路送回所述压缩室。
56.根据权利要求55所述的装置，其特征在于，所述表面至少包括下述中的一个：
弹性隔膜的表面，用于发生偏转以改变压缩室的容积；
置换器的表面，位于所述压缩室和所述膨胀室之间并与二者均连通，通过移动所述置换器来改变所述膨胀室和所述压缩室的容积，以使工作气体进行周期***换；以及
膨胀室的壁部的表面，与所述置换器上与所述膨胀室相连通的表面相对。
57.根据权利要求55所述的装置，其特征在于：所述连通通路沿所述纵向轴线的周边设置，所述多个通道在绕所述纵向轴线的大致径向方向上取向。
58.根据权利要求55所述的装置，其特征在于：所述多个通道中每一个都包括沿径向取向的分支，所述径向分支向所述连通通路延伸，并且与多个成角度的分支相连通，所述多个成角度的分支注入所述径向设置的分支。
59.根据权利要求55所述的装置，其特征在于：所述连通通路包括绕所述纵向轴线以径向阵列形式排列的多个连通通路，每个连通通路包括各自的进气口，所述进气口与所述压缩室相连通，所述多个通道包括至少一个与每个进气口相关的通道，用于将气体送往各进气口。
60.一种用于在热能和机械能之间进行转换的斯特林循环换能装置，所述装置包括：
膨胀室和压缩室，二者沿纵向轴线间隔设置；
至少一个在所述膨胀室和所述压缩室之间延伸的连通通路，使工作气体得以在所述膨胀室和所述压缩室之间周期***换；
所述膨胀室和所述压缩室中至少一个包括弹性隔膜，所述弹性隔膜在工作气体于所述膨胀室和所述压缩室之间周期***换的过程中发生偏转；以及
所述膨胀室和压缩室中至少一个包括表面，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括形成在其中的多个通道，用于将所述压缩室中的气流送入所述连通通路，以及将气流从所述连通通路送回所述压缩室。
61.根据权利要求60所述的装置，其特征在于：在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括所述隔膜的表面。
62.根据权利要求61所述的装置，其特征在于：进一步包括置换器，所述置换器设置在所述压缩室和所述膨胀室之间并与二者均连通，用于进行往复运动，以便在工作气体周期***换的过程中改变所述膨胀室和所述压缩室的容积，在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括置换器的表面。
63.根据权利要求62所述的装置，其特征在于，所述置换器包括：
与所述压缩室连通的第一弹性置换器壁；
与所述膨胀室连通的第二弹性置换器壁；
至少一个在所述第一和第二置换器壁之间延伸的支撑件，所述支撑件用于连接所述第一和第二置换器壁进行往复运动；以及
在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括所述第一置换器壁和第二置换器壁中至少一个的表面。
64.根据权利要求62所述的装置，其特征在于：在工作气体周期***换的过程中，气体沿着所述表面流动，所述表面包括所述膨胀室的壁部的表面，所述膨胀室的壁部的表面与所述置换器上与所述膨胀室相连通的表面相对。
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