CN1192159C - 改进的斯特林发动机热*** - Google Patents

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Abstract

一种具有热交换器的热力循环发动机，热交换器用于经加热器头部从加热的外部流体向工作流体传递热能。所述的热交换器包括一组导热销，每个导热销都具有离开膨胀气缸的圆柱形壁的轴线，或者，可选地，所述热交换器具有一组与膨胀气缸的轴线大致排成一行的导热销。导热销的高度和密度可随着流到方向的距离而变化，并且销结构可通过堆叠带孔的环形物与加热器头部接触而制成。环形燃烧器补充主燃烧器，用于提供额外的燃料，以引起排放气体的额外燃烧。用于热力循环发动机的换热器具有随机纤维网，所述随机纤维网形成以填充指定的容积，并且还具有交叉连接材料，用于交叉连接所述纤维网的纤维之间的近接触点。

Description

改进的斯特林发动机热***
技术领域
本发明涉及对斯特林(Stirling)循环热力发动机的热部件所作出的改进，并特别涉及对加热器头部和燃烧室组件及换热器所作出的改进。
背景技术
斯特林循环装置包括发动机和制冷器，具有悠久的技术传统，在Walker的Stirling Engines，牛津大学出版社(1980)一书中有详细说明，引入本文中作为参考。作为斯特林循环发动机基础的原理是斯特林热力循环的机械构造：气体在气缸内等容受热、气体等温膨胀(通过驱动活塞来实现)、气体等容冷却及等温压缩。
在Hargreave的The Phillips Stirling Engine(Elsevier，Amsterdam，1991)中讨论了有关斯特林循环装置特征的其它基本情况及对其的改进，这里引入本文中参考。
参照图1a-1e，可容易地说明斯特林发动机的工作原理，其中，相同的标号用于表明相同或类似的部件。在本领域已知有许多斯特林循环机械的设计，而一般用标号10代表的特定斯特林发动机只是出于说明的目的而示出。在图1a-1d中，活塞12和置换器14在气缸16内做定相往复运动，在一些斯特林发动机的实施例中所述气缸16可以是单缸。气缸16内的工作流体由密封件密封以防止从活塞12和置换器14泄漏。如下面叙述中讨论的，根据热力学特性来选择工作流体，通常是数个大气压力下的氦。置换器14的位置决定工作流体是否与热界面18或冷界面20接触，所述界面分别相应于向工作流体给热的界面和从工作流体吸热的界面。下面进一步详细讨论给热和吸热。由活塞12的位置决定的工作流体的体积用压缩空间22表示。
在发动机循环的初相过程中，图1a示出了其起始状态，活塞12压缩处于压缩空间22内的流体。因为从流体向周围环境放热，所以压缩基本在恒温下发生。图1b示出压缩后的发动机10的情况。在循环的第二相过程中，置换器14向冷界面20的方向移动，而工作流体从冷界面20的区域向热界面18的区域位移。这一相可被称为转移相。在转移相结束时，因为工作流体在等容下加热，所以流体处于高压下。在图1c中用压力计24的读数象征性地示出增加的压力。
在发动机循环的第三相(膨胀冲程)，随着热量从外部发动机10吸入，压缩空间22的容积变大，从而转换热量以工作。实践中，利用加热器头部100(图2中所示)将热量提供给流体，在下文中予以更详细地说明。在膨胀相结束时，如图1d所示，膨胀空间22充满了冷流体。在发动机循环的第四相过程中，通过置换器14的反向运动，流体从热界面18的区域向冷界面20的区域转移。在第二转移相结束时，流体充满了压缩空间22和冷界面20，如图1a所示，并为重复压缩相作准备。如图1e所示，在P-V(压力-容积)曲线图中示出斯特林循环。
此外，流体从热界面18的区域向冷界面20的区域经过时，可通过换热器134(如图2所示)。换热器134是具有大的表面积与容积的比率的材料基体，用于当流体从热界面18的区域携带热量时从流体吸热，并且当流体通过冷界面20的区域时加热流体。
由于对斯特林循环发动机的改进存在几个令人却步的工程难题，因此斯特林循环发动机一般不用在实际应用中。这些难题包括例如对效率、寿命和成本的实际顾虑。本发明致力于解决这些顾虑。
发明内容
根据本发明的优选实施例，提出了一种这种类型的热力循环发动机，包括在膨胀气缸内进行往复式直线运动的活塞，在膨胀气缸内装有被外部热源加热的工作流体，所述外部热源通过加热器头部进行加热。热循环发动机具有热交换器，用于通过加热器头部从受热的外部流体向工作流体传递热能，热交换器包括一组导热销，其中，每个导热销具有与膨胀气缸圆柱形壁相交的轴线。根据另一本发明的实施例，每个导热销的轴可大致垂直于膨胀气缸的圆柱形壁。根据本发明的另一实施例，热交换器可以包括一组大致与膨胀气缸的轴线排成一列的导热销。热循环发动机还可包括多个分离结构，用于把这组导热销在空间分隔成导热销支组，并且每个导热销支组的导热销可具有彼此大致平行的轴线。
根据本发明的其它实施例，这组导热销的一个支组，最多至其全部，可包括从加热器头部伸入到外部流体的导热销。可提供销背衬，用于引导加热的外部流体经过这组导热销。垂直于加热器头部的销背衬尺寸可沿流道方向减小，横切流道的导热销的表面积可沿流道方向加大。导热销可具有沿流道方向加大的群密度，并且导热销的高度和密度可以根据流道方向的距离而变化。
根据本发明的另一特点，提供了一种用于穿过加热器头部从加热的外部流体向工作流体传递热能的热交换器的生产方法。这种方法包括下列步骤：铸造至少一列在面板上制成一体的导热销；将该列导热销与加热器头部连接。连接步骤可包括将面板与加热器头部机械连接，还可包括将该列导热销面板焊到加热器头部上。
根据本发明又一实施例的一种生产热交换器的方法提供了生产多个有孔环形物的步骤：堆叠有孔环形物而与加热器头部接触，将有孔环形物与加热器头部连接。所述生产步骤可包括从一层金属板冲压出环形物。
根据本发明的又一特点，提供一种热感应器，用于测量在加热器头部最大温度点的热循环发动机加热器头部的温度。所述热感应器可以是热电偶，根据加热器头部至少在最大温度点的温度，燃料调节器可调节燃料供给。
根据本发明的另一实施例，一种热循环发动机可具有次级环焰喷灯，作为主燃烧室的补充，以提供其它燃料所引起排放气体的额外燃烧。
根据本发明的又一实施例，提供了一种用于热循环发动机的换热器，具有形成以填满特定容积的随机纤维网，和用于在网纤维之间密切接合的点处来交叉连接纤维的材料。纤维可以是包括钢丝绒的金属，而且用于交叉连接纤维的材料可以是镍。纤维也可是石英玻璃，用于交叉连接纤维的材料可是四乙基原石英盐。
根据本发明又一实施例，用于热循环发动机的换热器可以具有为内套筒和外套筒和两块平行板所形成的容积，内、外套筒基本是同心的，每块平行板大致垂直于内、外套筒中的任何一个。在容积内容纳有随机纤维网，并且在容积内，连接两个内、外套筒的两块平行屏幕容纳随机纤维网。
根据本发明的其它实施例，提供了一种用于生产热循环发动机换热器的方法。所述方法包括如下步骤：填充具有导电纤维随机网的模板；将模板浸入电镀溶液中；和以这种方式在溶液和纤维随机网之间施加电流，在纤维间密切接触点处沉积用于交叉连接导电纤维的材料。可选地，该模板可用纤维随机网填充，并且随机纤维网可用这种方式烧结，即在纤维间密切接触点处交叉连接纤维。
还提供了另外一种用于生产热循环发动机换热器的方法，包括如下步骤：将网状泡沫塑料制成特定形状；在网状泡沫塑料上沉积陶瓷浆；对陶瓷浆以这种方式进行热处理，即将泡沫燃烧掉，而烧结陶瓷。
一种用于控制热循环发动机部分加热器头部的测量温度的方法，所述热循环发动机具有外部燃烧室，所述方法包括调节流到外部燃烧室的燃料。并且提供了一种用于围绕热循环发动机加热器头部来沿圆周分配热量的方法，所述加热器头部具有内表面，所述方法包括如下步骤：向加热器头部的内表面和外表面中的至少一个施加高的导热性的金属层。
附图说明
参照下述说明并结合附图，本发明会更易于理解，在附图中：
图1a-1e示出现有技术的斯特林循环装置的工作原理；
图2示出根据本发明优选实施例的热机的加热器头部和燃烧室的横截面侧视图；
图3示出根据本发明另一实施例，图2中的加热器头部和燃烧室沿着热销都很明显，并且包括顺着加热器头部顶部的内、外表面的导热销的方向的另一横截面；
图4为根据本发明的实施例单独铸造的用以组装到加热器头部上的导热销的立体图；
图5a示出用于安装如图4所示导热销阵列的铸造零件的加热器头部的俯视立体图；
图5b示出带有已装上的导热销阵列的铸造零件的加热器头部的俯视立体图，除去销背衬以显示出导热销；
图5c为根据本发明实施例的图3中加热器头部组件的剖面侧视图，示出陶瓷绝缘体在加热器头部温度感应器与排放气体之间的安放位置；
图6a为图3中加热器头部组件的剖面侧视图(为清楚起见，示意性示出若干导热销)，示出当将工作流体驱入根据本发明实施例的斯特林循环装置的换热器时的典型温度梯度；
图6b示出与图6a中相同的剖面侧视图，示出其它导热销，并且为清楚起见除去了气体流道盖；
图7a-7d描述根据本发明实施例的用于流体和加热器头部间热传递的导热销的应用；
图8a描述根据本发明实施例的通过电镀fibrilose起始材料来制造换热器；
图8b为根据本发明的斯特林循环装置换热器室的剖面图；
图9为根据本发明实施例的燃烧器和热回收组件的横截面侧视图；
图10a示出根据本发明优选实施例从用于斯特林循环装置的燃料吸入歧管侧面的剖面图；
图10b示出沿图10a中BB线的燃料吸入歧管的俯视剖面图；
图10c为沿图10a中AA线的燃料吸入歧管的俯视剖面图，示出燃料喷嘴；
图11为图3中的具有根据本发明另一实施例的第二燃烧区的加热器头部组件的剖视侧面图(为清楚起见，示意性示出若干导热销)；
图12a和12b为根据本发明另一实施例的用于热循环装置的燃烧器和热回收组件的剖视侧视图；和
图13a-13c示出用于在加热器头部和排出流体或工作流体之间传递热量的折叠销的其它形状。
具体实施方式
现在参照图2，示出一种热循环装置的膨胀室98和相应的热控制结构的剖面图，出于示意目的用标号96代表斯特林循环装置。加热器头部100大致呈圆柱形，具有封闭端120(或者称为柱形头部)和开口端118。封闭端120设在由内燃烧室构造110形成的燃烧室122中。燃烧室122内的热燃烧气体与加热器头部100直接热接触，热量通过从燃烧气体到加热器头部和从加热器头部向热机的工作流体的传导来传递，工作流体一般为氦。其它气体例如氮，可以用在本发明的范围中，优选工作流体具有高的热传导率和低的粘度。也优选采用不燃气体。当燃烧气体沿着封闭端120的外表面在气体流道113内流动时，热量从燃烧气体向加热器头部传递。
膨胀柱形衬垫115围绕膨胀室98的侧部，而膨胀柱形衬垫115又设在加热器头部100内并且通常受加热器头部支承。膨胀活塞121在膨胀柱形衬垫115内移动。当膨胀活塞向加热器头部100的封闭端120移动时，加热器头部内的工作流体移动从而流过流道，所述流道由膨胀柱形衬垫115的外表面和加热器头部100的内表面形成。
热机的整体效率部分取决于热量在燃烧气体和热机工作流体之间传递的效率。现有技术中已知一种高效率地从燃烧室122的燃烧气体向膨胀室98内的工作流体传递热量的方法，这种方法要求有多个加热环(图2中未示出，因为加热环不构成图示实施例的一部分)，加热环越过加热器头部并且伸入燃烧室。沿着加热环输送工作流体，并且燃烧气体借助经由加热环的热传导来加热工作流体。为了增强热量输送，一般加热环具有薄壁。此外，一般加热环具有急转弯，以便配合燃烧室。薄壁与急转弯的结合产生了局部高应力区域，这会成为工作流体室破坏的位置，从而引起装置故障。
可选地，可使用翼片或销来提高热流体燃烧产物和固体加热器头部间的接触面积，以便传递热量给装置的工作流体。加热器头部100可具有位于加热器头部和膨胀柱形衬垫115之间的空间内的导热销124，这里在加热器头部100的内表面上示出。此外，如图3所示的取自与图2所示的膨胀室98不同的直径的斯特林循环装置96的剖面图，导热销130也可设在加热器头部100的外表面上，以提供大的表面积，用于通过从流过燃烧器122并经过导热销的燃烧气体向加热器头部100传导热量来进行热量传递，并且从而向工作流体传递热量。虚线131代表膨胀柱体的纵轴线。图3还示出根据本发明另一实施例的沿着加热器头部100顶部的内、外表面的导热销133。向内的导热销124用于提供通过从加热器头部100向工作流体的传导来传递热量的大表面积，所示工作流体被膨胀活塞从膨胀室98驱动而移动并穿过换热器室132。
根据加热器头部100的尺寸，可以需要有数百或数千个内导热销124和外导热销130。
一种用于生产带有导热销124和130的加热器头部100的方法，包括将加热器头部和销铸造成一整体构件。尽管一般比机械加工或组装销阵列能以更低廉的价格做成，但铸造销阵列仍具有伴随的困难和相当的成本。此外，铸造过程可能导致加热器头部具有分布不够密集的销，因此部分气体不能与加热器头部表面接触，降低加热器头部的效率。
根据本发明的一个实施例，一种在加热器头部100的表面增加导热销的方法使得在分开的铸造程序中制造加热器头部100和导热销阵列。导热销152的销阵列150铸造在面板154上，如图4所示。铸成后，利用高温硬焊，将销阵列150安装到加热器头部的内表面和外表面。因此，能方便地获得更密集排列的加热器头部，所述加热器头部具有气体经过销的低泄漏率。在其它实施例中，可以用不同的机械部件把面板154固定到加热器头部上。在分隔件506(下一段中有说明)上提供有凹槽，用于把面板154夹持在与加热器头部相对的位置。可选地，面板154可烧结在加热器头部上。
根据本发明的一实施例，每个销阵列150均具有与其相应的面板部件154，并包括围绕加热器头部的圆周弧形片断。从图5a示出的加热器头部组件的俯视立体图中很明显。示出柱形头部120，加热器头部的外表面502也被示出。图中未示出支承导热销销阵列的背衬部件，但在组装时背衬部件已***围绕加热器头部外表面502的空间504内。在连续的导热销销阵列部件之间为梯形分隔件506，所述分隔件506阻拦排放气体朝向下的方向通过任一非经由导热销的通道的流动。外部的热气流道113(图2中也示出)由气流通道盖140形成。因为排放气体不流过分隔件506，所以将温度感应器例如热电偶138(图2和图5c中示出)有益地设在分隔件506内，以控制加热器头部100的温度，所述的温度感应器与加热器头部热接触。从已经除去销背衬的图5b视图中，更清楚地示出销阵列150和温度感应器138设在分隔件506内的位置。
优选地，温度感应装置138设在分隔件506内，如图5b所示。温度感应器138的温度感应端139优选位于和分隔件506相应的凹槽内，与柱形头部120尽可能地接近，因为该区域一般是加热器头部最热的部位。可选地，温度感应器138可直接安装在柱形头部120上，然而如图所示，优选在凹槽内的感应器位置。从功率和效率上讲，发动机的性能在最高的温度下是最大的，而最高温度通常受到冶金特性的限制。因此，应当将感应器138放置得能测量加热器头部的最热并且是受到限制的部位的温度。另外，应当利用陶瓷绝缘体142把温度感应器138与燃烧气体和分隔件506的壁隔开，如图5c所示。陶瓷绝缘体也可形成与分隔件的壁结合的胶结体，以将温度感应器保持在适当位置。温度感应器138的电导线144也应当是电绝缘的。
尽管将燃烧器设计成圆周对称的，热点仍可在加热器头部120上形成。考虑到这个问题，由于合金具有高熔点，一般用来制造加热器头部的合金具有相对较小的热传导率。一旦形成热点，因为分隔件506阻拦任一圆周方向的气流，如图5a所示，所以加热器头部外的气流是轴向而不是圆周方向的，故这些热点是可以忍受的。另外，加热能提高局部气体的粘性，从而使更多的气体流到其它通道。为了使加热器头部上的温度分布均匀，通过附着或电镀或其它方法，在加热器头部120的内表面148上施用具有高热传导率的金属层，例如铜，所述的金属层的厚度大于0.001英寸，优选为0.005英寸左右。或者，根据本发明的另一实施例，可在外表面上施用类似的镀层。
为了保持斯特林循环装置的小尺寸，使从燃烧气体通过加热器头部的热通量为最大是很重要的。尽管现有技术使用管道环，在管道环内实现向工作流体的热传递，由于管道环的复杂形状和使用额外材料，因此管道环造成了低可靠性(因为管道环容易机械损坏)和高成本。根据本发明实施例的热通量的限制性约束为加热器头部材料的热力-机械特性，该材料必须能抵抗燃烧室的高温，同时保持受压头部的结构整体性。由加热器头部上的最热点确定最高设计温度，一般是在壁的顶端。理想地，可通过控制，例如控制燃料流，使全体加热壁的热部都在最高温度。
气流通道113内的燃烧气体经过加热器头部时(如图2所示)，由于热量从气体传给加热器头部，所以气体温度下降。结果，必须是由加热器头部的材料设定在气流通道顶部的加热器头部最高允许温度。优选从高镍合金族中选择材料，已知所述的高镍合金族通常是超耐热不锈钢，例如铬镍铁合金600(***前的最高温度Tmax＝800℃)，铬镍铁合金625(Tmax＝900℃)，铬镍铁合金754(Tmax＝1080℃)，或镍基合金GMR 235(Tmax＝935℃)。气流通道113内的气体在经过通道时可最低冷却到350℃，导致热区底部受热不足。
根据本发明的优选实施例，加热壁的温度曲线图受热传递几何形态所控制，下面进行说明。一种控制几何形态的方法是通过提供可变横截面的气流通道113(如图2和6a所示)来实现的。在加热壁的顶部通道的径向尺寸(垂直于加热器头部的壁)即通道的横截面很大，因此使许多气体由旁路通过壁顶部的销阵列。旁路使较热的气体到达壁底部的销阵列，而使底部销阵列在接近其最高温度下工作。使用可变横截面的气流通道，从加热器头部的顶部到热部(位于换热器室132之前，如图2所示)底部的温度梯度已从高达350℃下降到100℃。
控制几何形态的第二种方法是通过随着沿气流通道的位置函数而改变销阵列的群密度和几何形状。销的几何形状可以通过改变销的高度/直径(H/D)比来调整。如果铸造过程用于形成销阵列，H/D比的范围可由该过程限定。如果使用销环，则可扩大H/D比的范围。
现在参照图6a，箭头702指加热的排放气体通过加热器头部100的通道。外导热销130阻截加热的排放气体并通过加热器头部100和内导热销124向工作流体传递热量，所述工作流体被沿着通道704从膨胀气缸115驱来。(为清楚起见，图6a中示意性给出导热销130和124。另外，图6a中未按比例示出其它的导热销130和124)。例如，连续的导热销706、708和710代表沿通道702向排放气体流道逐渐增大的横截面。因此，尽管在到达较低部位的销之前排放气体已传递部分热量，以较大的传导率从排放气体中吸收热量，因此降低了膨胀室98和换热器室132之间工作流体通道的顶部712和底部714之间的温度梯度。图6a中示出膨胀气缸115表面的典型温度：膨胀气缸顶部为850℃，气缸中部为750℃，而最靠近换热器室气缸底端为600℃。
根据本发明的又一实施例，另一种用于实现从排放气体到加热器头部间热量更加均匀分布的方法是通过同心锥形销背衬146，在加热器头部的外径上制造锥形分隔件，如图6a所示。图6a的剖面图示出锥形销背衬146如何使一些最热的排放气体由旁路通过靠近加热器头部顶部的销。销背衬146在销外部产生狭窄的环形间隙，不断迫使越来越多的排放气体进入销热交换器。
现在参照图7a-7d，说明另一种用于增加例如加热器头部100的固体与例如上述燃烧气体的流体之间接触面表面积的方法。通过在薄的环形圈162上冲出孔160，可获得与利用铸造或其它方法生产导热销类似的效果，如图7a的俯视图和图7b的侧视图所示。环形圈162的厚度可以与上述的导热销的厚度相当，并且被热传导材料在燃烧气体穿孔160的高温强度所控制，所述环形圈162可作为“导热销环”。每个环形圈内的孔160的形状和布置是特殊应用时的设计要点，当然，这也落在本发明和任一孔160没有被固体材料围绕的权利要求的范围之中。尽管也可使用其它热导材料，环形圈162的材料优选为抗氧化金属，例如铬镍铁合金625或镍基合金GMR 235。利用金属冲压方法可低成本地生产环形圈162。然后安装环形圈162并用焊接或其它连接方式连接到加热器头部100的外表面，如分别在图7c示出的外部销环164和图7d所示的内部销环166。其它的环形圈可分布在销环之间，以控制销之间的垂直间距。在内部销环166的内部示出膨胀气缸衬垫115。
沿垂直于气缸轴线168的薄片的导热销的所有横截面面积不需要固定不变，当然，参照图6，如上所述，变化的面积是有益地。
参照图13a-13c，内、外热交换表面还可制成不同的折叠翼片结构1200、1202或1204。这些折叠翼片结构可以用与加热器头部压力拱顶类似的材料制成，或与例如铜的高热导率材料类似的材料制成，所述的高热导率材料能提供改进的翼片效率。利用高熔点材料，例如制造加热器头部100(如图2所示)的材料，制成的翼片可以从加热器头部的顶部到底部一直连续。可以用金属板材制造折叠翼片，并将其焊接到加热器头部的内表面。以图例的方式示出三种折叠翼片结构：波浪型翼片1200、切开型翼片1202和错位型翼片1204。在每一示例中，标号1206指出的箭头示出了气流方向。
根据本发明的又一实施例，给出利用不同于加热器头部的材料制出翼片的轴向部分，以避免不同的热膨胀引起翼片与加热器头部间焊接点的断开。图13c的错位型翼片有利地提供了优于平面翼片的热传导系数。
采用高热传导率的金属制造折叠翼片可益于制造出更长的翼片，从而促进热量传递，减小对气流的阻碍，并提高装置的效率。
再次参照图2，当工作流体受膨胀活塞驱动从膨胀气缸115内移位时，工作流体在通过内销阵列124上的通道时被进一步加热，并驱入换热器室132。如上所述，在斯特林循环设备中使用换热器134，以在不同的斯特林循环相位中从工作流体中吸收或释放热量。在斯特林循环设备中使用的换热器必须具有一般称为高热传导面积的高热传导率，这通常意味着大传热面积以及对工作流体的低流阻。通过减小泵压工作流体所需的能量，低流阻也对设备的总效率起作用。此外，必须用能抵抗破裂或剥落的方式制造换热器134，这是因为碎片可能会被带入工作流体中并输送到压缩或膨胀气缸，从而导致活塞密封件的损坏。
一种换热器的设计采用了数百件层叠的金属筛。当展现高热传导表面、低流阻和低剥落率时，金属筛可能会受到这样的不利条件，即金属筛的切割和处理可能会产生小金属碎片，而组装换热器之前必须除掉这些碎片。
如现在参照图8a所述，根据本发明的一个实施例，例如，可以使用三维随机纤维网做为换热器，如不锈钢丝绒或陶瓷纤维。不锈钢丝绒换热器200益于提供大的表面积与容积之比，从而在压缩形式下以低的流阻提供良好的热交换率。另外，有利地消除了烦琐的切割、清洁和组装大量筛网的生产步骤。如上所述，可克服钢丝绒的低机械强度和易于破损的倾向。根据本发明的一个实施例，单独的金属丝202和204“交叉连接”成一体的3D线矩阵。
用于换热器的第一材料可以是纤维和具有如钢丝绒的随机纤维形式。纤维的组成可以是玻璃、陶瓷或如钢、铜的金属等其它高温材料。根据换热器的体积和金属的性能，优选纤维的直径在10微米至1毫米的范围之内。将第一材料放入与换热器最终形状相应的结构中，如图8b的剖面图所示。图8b示出内桶柱形壁220、外桶柱形壁222和换热器网200。换热器的密度由置于该结构中的第一材料量控制。该结构可以是孔状的，以使流体通过该结构。
在本发明的又一实施例中，用未烧结的金属丝作为换热器网200。然后利用换热器阻滞筛224将换热器网200保持在换热器桶内，换热器阻滞筛22可便于俘获钢丝绒碎片。
在本发明的一个实施例中，可适用于导电的第一材料，将第一材料置于孔状结构中并放在电解液中。例如，第一材料可以是金属，如不锈钢。产生电连接，从而第一材料形成为电极。通过向第一材料上电沉积第二材料206，实现第一材料内单独纤维的交叉连接。正如电化学领域的技术人员所公知的，选择第一材料取决于这些因素，如选择的特殊沉积工艺，及第一材料与第二材料的化学相容性等。在沉积过程中，第二材料在第一材料上积累，并在原材料的纤维之间各个纤维彼此靠近的位置上形成搭桥208。沉积持续进行，直至搭桥长大至足够的尺寸，能将两个单独的纤维牢固地支承在合适位置。
沉积持续时间取决于特别的沉积工艺，并且本领域的普通技术人员能容易地确定。沉积结束后，将换热器从电解液中取出，并且清洁该结构。
根据本发明的另一实施例，将第一材料放在孔状的或非孔状的结构中。把含有第一材料的结构放入炉中，并将其部分地烧结成一个单片。烧结领域的普通技术人员能够容易地确定烧结温度和烧结时间。
根据本发明的另一实施例，将第一材料放在孔状结构中。含有第一材料的结构被放入化学液中，第二材料，如镍，发生化学沉积，而形成两个单独的纤维之间的搭桥。
根据本发明的另一实施例，第一材料为放在孔状结构中的石英玻璃纤维。将玻璃纤维和结构浸入四乙基原石英盐(TEOS)和乙醇溶液中，因此溶液将纤维充分弄湿。把纤维和结构从溶液中取出，并使其在潮湿气氛下排干液体。溶液将形成彼此靠近的凹凸状搭桥纤维。气氛湿度将启动水解缩合反应，该反应把TEOS转变为形成两纤维间交叉连接的石英。在低于1000℃的温度下可对纤维和结构进行热处理，优选在600℃以下，以除去反应物，并在纤维之间形成石英搭桥。
在本发明的另一实施例中，陶瓷浆沉积在具有换热器形状的孔状泡沫塑料上。陶瓷浆在孔状泡沫塑料上变干，并且被热处理，以烧掉泡沫塑料，并烧结陶瓷。陶瓷可以由例如董青石、氧化铝或氧化锆等的氧化物陶瓷构成。陶瓷处理领域的普通技术人员能容易地确定陶瓷浆的成分和热处理曲线。
在如图2所示的本发明实施例中，废弃的燃烧气体从端口114排出气流通道113，所述端口114通向预燃气体预热器入口，现在参照图9予以说明，图9示出预热器和加热器头部组件的剖面侧视图。
尽管斯特林发动机能提供高的热效率并且释放很少的污染物，本发明的目的特别对加热斯特林发动机的加热器头部110的燃烧器强化了热效率要求。这种热效率的组成包括通过燃烧器122泵入氧化剂(一般为空气，本文和权利要求中指“空气”，但不局限于“空气”)的效率，以供燃烧，及回收包含于留在加热器头部内的排放气体中热能的效率。在许多应用中，空气(或其它氧化剂)在燃烧之前被预热至接近加热器头部的温度，以达到所述的热效率目的。
为了实现释放较少污染物的目的，燃料和空气必须与足够的氧气充分混合，以限制一氧化碳(CO)的排放，此外燃料和空气也必须在足够低的火焰温度下燃烧，以限制氮化物(NOx)的形成。达到高的热效率所需要的预热空气的高温使燃料和空气的预混变难，并需要大量的额外空气以限制火焰温度，从而使得实现污染物低释放的目的复杂化。
正如本文和任一附属权利要求中所采用的，术语“自燃温度”指在现有的空气和燃料压力条件下，无需降温催化剂燃料即可燃烧的温度。普遍的预热空气温度超过多数燃料的自燃温度，潜在地引起燃料-空气混合物在进入燃烧室之前即发生燃烧。解决此问题的一个方案是使用非预混扩散火焰。然而，这种扩散火焰没有充分混合，导致释放出高于合乎需要的CO和NOx。在Turns的An Introduction toCombustion：Concepts and Applications，(McGraw-Hill，1996)一书中提供了对火焰动力学的详细评述，这里引入本文中作为参考。任何提供的用于限制火焰温度的增加气流一般会增加空气泵或鼓风机消耗的能量，因此降低整个发动机效率。
如本申请要求优先权的美国专利申请中所讨论的，即使有在自燃温度以上加热的空气，通过制造预混火焰，也可以提供低的污染物释放和高效率。并且还可通过使空气入口和火焰区之间压力降最小化，从而使鼓风机能量消耗最小化，来提供低的污染物释放和高效率。
术语“火焰速度”指火焰前缘通过特定的燃料-空气混合物的速度。在说明书和下面的权利要求中，术语“燃烧轴线”指流体燃烧时主要流体的流体方向。
下面参照图9说明根据本发明的实施例的燃烧器和预热器组件的典型组件。燃烧气体的目标范围是1700-2300K，优选为1900-1950K的范围。加热器头部110的强度限制了工作温度，所述加热器头部110必须装有一般为几个大气压的工作压力下的工作流体。因为金属的强度和抗氧化能力一般在高温下会降低，保护金属部件免受高的燃烧温度是很重要的。为达此目的，陶瓷燃烧室904围绕燃烧器122，陶瓷燃烧室904本身装在金属燃烧室衬垫906内，被从预热通道(即1102，如图12所示)进入的空气或释放的排放气体910冷却或热力下降到加热器头部110。另外，加热器头部火焰帽902保护加热器头部110免受直接的火焰加热。优选用陶瓷铸造工艺生产陶瓷火焰燃烧室904。利用如上所述的导热销或其它热交换装置，燃烧过程的废弃产物沿着通道908，通过加热器头部110及一引导通路有效地向加热器头部传递热量，并向装在加热器头部内的工作气体传递热量。
然后，沿着室衬垫906和内绝缘件912之间的通道910向上引导排放气体，从而从室衬垫906吸收额外的热量，并且有防止室衬垫过热的附带益处。然后，通过围绕加热器头部110圆周的预热器914，排放气体向下返回并被排出，如箭头916所示。一般通过空气泵或鼓风机，预热器914使排放气体内的热量与从外界吸入的空气进行热量交换。可以用波浪型的折叠销制成预热器，通常用镍。然而，任一用于从排放气体向吸入的空气进行的热交换装置都落在本发明的范围内。使用面积为2.5平方英寸的预热器，可回收经过加热器头部的排放气体中所携带热量的80％以上。其它面积程度的预热器都落在所描述和要求的本发明范围之内。
现在参照图10a-10c，根据本发明的一个实施例，示出一种用于斯特林循环发动机或其它燃烧应用中的入口歧管599。根据本发明的优选实施例，燃料与可以被加热到燃料自燃温度以上的空气进行预混，并且在燃料与空气充分混合之前，防止出现火焰。图10a示出一种包括入口歧管599和燃烧室610的优选实施例设备。入口歧管599包括带有入口603以接收空气600的轴对称导管601。空气600被预热至一定温度，通常在900K以上，该温度可能高于燃料的自燃温度。导管601相对于燃烧轴线620向内径向地引导空气600，至设在导管601内的涡流式喷嘴602。
图10b示出根据本发明的实施例，包括涡流式喷嘴602的导管601的剖面图。在图10b的实施例中，涡流式喷嘴602具有几个漩流叶片802，用于径向地向内引导空气600并向空气施加旋转分力。受到涡流式喷嘴部分导管601的长度限定，导管601的涡流式喷嘴部分的直径从入口804下降到涡流式喷嘴602的出口806。漩流叶片802的直径提高了空气600的流速，所述流速与直径大致成反比。在涡流式喷嘴602的出口806处，将燃料注入向内流的空气中，在一优选实施例中，燃料为丙烷。
在一优选实施例中，利用燃料注射器604通过许多喷嘴800将燃料606注入，如图10c所示。尤其是，图10c示出导管601的剖面图，并且带有燃料注入喷嘴800。每个喷嘴800都设在漩流叶片802的出口，并集中在两个相邻的叶片之间。喷嘴800以这种方式设置，用于提高空气和燃料的混合效率。同时喷嘴800穿过气流600注入燃料606。因为气流的速度比火焰速度快，即使空气的温度和燃料混合物的温度超过燃料的自燃温度，在该点也不会出现火焰。在采用丙烷的优选实施例中，由加热器头部温度所控制的预热温度大约为900K。
再参照图10a，现在混合的空气和燃料，这里将其称为“空气-燃料混合物”609，沿通过喉管608的方向移动，所述喉管608具有流线型外壳622并与导管601的出口607连接。通过燃料调节器624提供燃料606。
喉管608具有内径614和外径616。空气-燃料混合物是从基本横向并相对于燃烧轴线620径向朝内的方向移动到基本平行于燃烧轴线的方向。喉管608的外壳622的外形为倒置的钟形，使得喉管608从喉管入口611到出口612的横截面相对于燃烧轴线保持不变。外壳622的外形光滑，没有跳变，并且保持从涡流式喷嘴出口到喉管608的出口的流速，以避免混合物分离及沿着任一表面引起的回流。不变的横截面面积使空气和燃料继续混合，而不减小流速并引起压力降。光滑及不变的横截面产生有效率的涡流式喷嘴，其中涡流式喷嘴的效率指转换为涡流动压的穿过涡流式喷嘴的静压降的部分。通过应用本发明，一般可达到高于80％的涡流效率。因此，可将燃烧空气风扇的涡流动力消耗降至最小。
喉管出口612向外张开，使空气-燃料混合物609扩散到室610中，放慢空气-燃料混合物609的速度，从而定位并容纳火焰，并引起形成环形火焰。如本领域公知的，涡流式喷嘴602产生的旋转动力产生出稳定环形涡流的火焰。
参照图11，示出上述参照前图所述的燃烧器122的截面和排放气体流道113。根据本发明的又一实施例，在燃烧区域122以外，燃烧的排放气体仍在燃料的燃烧温度之上，并且由于燃料/空气混合物一般是很少的，在所以存在足够的氧化物以再次燃烧排放气体，这一点已为人们认识到。
图11进一步示出使用温度感应器1002，通常是热电偶，监控加热器头部120在外部销阵列130的顶端的温度，从而控制燃料流，来保持传感器1002的温度低于加热器头部大大失去强度的温度感应器1002处的温度优选保持在低于加热器头部材料融化温度50℃左右。
在图11示出的图形中，如上所述，示出使用可变横截面的气流旁路通道1004。对旁路通道的锥度予以放大，以描述清楚。即使在使用旁路通道的位置，作为距离加热器头部顶端的距离函数的温度曲线也不是平的，这将是优选的。在外销阵列130的中部和底部分别示出两个额外的温度感应器1006和1008，以便能监控排放气体的温度。
根据本发明的另一实施例，通过后燃器油路1012将另外的燃料加到喷嘴1010处的排放气体中。喷嘴1010可以是环焰喷灯，圆周围绕加热器头部120并面向外销阵列130，该外销阵列130位于图11中温度感应器1002和1006指定的位置之间。根据温度感应器1008测量的排放气体温度，可以控制通过后燃器油路1012的燃料流。温度感应器1008的精确位置优选为这样的位置，能测量由后燃器喷嘴1010中存在的燃料燃烧所引起的外部销阵列的最高温度。
参照图12a，示出用于本发明另一实施例的热循环发动机的、用标号1100表示的燃烧器和热回收***的剖面侧视图。在示出的实施例中，在燃烧器122内加热的热排放气体与热交换器1106内的空气入口1104所吸入的空气之间进行热交换，该热交换器1106位于加热器头部组件的外部。另外图中还示出燃料入口1108和用于点燃燃烧器内物质的点火器1110。排气流1112在被引导至热交换器1106之前，穿过导热销130。在正好位于导热销130的底端行之下的加热器头部凸缘1116上，铜制或用其它具有够高熔点的金属制成的密封环1114形成棒形密封。铜密封环1114紧密配合在加热器头部凸缘1116上，产生迷宫式密封。图12b中示出放大的显示密封区域的图12a的剖面图的右侧。铜密封环1114紧密配合在加热器头部100上，并在燃烧器盖子1120的底面上的环形槽1118内具有紧配合。凹槽1118内的密封环1114的形状产生迷宫式密封，引起强制排风室1122内的排放气体围绕密封环1114后侧的旋绕式通路行进，从而限制排放的气体泄漏。加热器头部100上的密封环1114的紧密封限制排放气体轴向地泄漏出燃烧器之外。
本文中所述的装置和方法可用在除本发明所述的斯特林发动机之外的其它用途中。本发明的所述实施例仅是示例性的，对本领域的技术人员而言，许多改变和修正都是明显的。所有这种改变和修正都将落入权利要求所限定的本发明的范围中。

Claims (13)

1.一种热力循环发动机，具有在膨胀气缸内进行往复式直线运动的活塞，所述膨胀气缸具有圆柱形的壁，并且其中装有工作流体，所述工作流体被外部热源通过加热器头部而传递的热量加热，对其的改进包括：
热交换器，用于通过加热器头部从受热的外部流体向工作流体传递热能，所述的热交换器包括一组导热销，每个导热销都具有与膨胀气缸圆柱形壁相交的轴线。
2.如权利要求1所述的热循环发动机，其特征在于，所述每个导热销的轴线都基本垂直于所述膨胀气缸的圆柱形壁。
3.如权利要求1所述的热循环发动机，其特征在于，还包括多个分离结构，用于把所述导热销组从空间上分成数个导热销支组。
4.如权利要求1所述的热循环发动机，其特征在于，所述导热销组的每个导热销支组具有彼此基本平行的轴线。
5.如权利要求1所述的热循环发动机，其特征在于，所述导热销组的一个支组包括导热销，每个导热销由高度和直径定义，所述导热销从加热器头部伸入外部流体中。
6.如权利要求1所述的热循环发动机，其特征在于，还包括销背衬，用于在由通过所述导热销组的方向所形成的流道内引导加热的外部流体。
7.如权利要求6所述的热循环发动机，其特征在于，垂直于加热器头部的所述销背衬的尺寸沿流道方向减小。
8.如权利要求6所述的热循环发动机，其特征在于，所述导热销具有横切流道的表面积，所述表面积沿流道方向增加。
9.如权利要求6所述的热循环发动机，其特征在于，所述导热销具有沿流道方向增加的群密度。
10.如权利要求6所述的热循环发动机，其特征在于，所述导热销的高度和密度随沿流道方向的距离而变化。
11.一种生产热交换器的方法，所述热交换器用于穿过加热器头部从加热的外部流体向工作流体来传递热能，所述方法包括：
在面板上铸造至少一列导热销，所述导热销与面板铸成一体；和
将所述导热销阵列与所述加热器头部接合。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的连接步骤包括将面板机械地连接到加热器头部上。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述的连接步骤包括将带有导热销阵列的面板焊接到加热器头部上。
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