[发明专利]旋转式斯特林循环装置及其方法

说明书

提供了一种斯特林循环装置，包括：可气密密封的壳体；第一旋转置换单元，其与第二旋转流体置换单元流体连通，每个旋转置换单元可操作地安装在所述壳体内的单独的流体密封部分中且适于在使用期间提供工作流体的至少一个热力学状态参数的循环变化。斯特林循环装置还包括致动器，该致动器可操作地联接到所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元且适于同步地将所述第一旋转置换单元的旋转移动与所述第二旋转置换单元联结，使得所述工作流体的至少一个热力学状态参数的所述第一预定循环变化在使用期间相对于所述工作流体的至少一个热力学状态参数的所述第二预定循环变化偏移预定相位角。

技术领域

本发明一般涉及斯特林循环机器(Stirling-cycle machines)的领域，且更具体地涉及斯特林发动机、冷却器或热泵。特别地，本发明涉及使用旋转膨胀器机构和压缩机机构的无活塞斯特林循环机器。

背景技术

众所周知，斯特林循环是一种热力循环，其尤其包括空气或其他气体(即工作流体)在不同温度下的循环压缩和膨胀，使得存在热能到机械功的净转换。还已知该循环是可逆的，这意味着如果被提供机械动力，该装置可以用作热泵或冷却机器，用于相应的加热或冷却，且甚至用于低温冷却。

更具体地说，斯特林循环是一种封闭的再生循环，其通常使用永久气态工作流体。这里，“封闭循环”意味着工作流体永久地包含在热力系统内，且术语“再生”是指使用内部热交换器，也称为再生器。再生器通过再循环内部热量来提高设备的热效率，该内部热量否则将不可逆地通过系统。斯特林循环和许多其他热力循环一样，包括四个主要过程：(i)压缩，(ii)热量的添加，(iii)膨胀，和(iv)热量的移除。然而，在实际发动机中，这些过程不是离散的，而是使得它们是重叠的。

图1中示出了具有曲柄驱动机构的典型斯特林发动机10的示例。这里，单个气体回路由两个汽缸12、14构成，这两个汽缸12、14通过三个热交换器(加热器16、再生器18和冷却器20)的通道彼此连接。加热器16的外表面由于暴露于高温环境而具有升高的温度，且其功能是在工作流体流过加热器16的通道的同时将热量传递到发动机内的工作流体中。冷却器20的外表面暴露于相对较低的温度环境，并且其功能是在工作流体流过冷却器20的通道的同时从工作流体排出热量。

在加热器16和冷却器20之间引入再生器18，以防止热量损失，如果加热器16和冷却器20直接接触，否则将会发生热量损失。本例中的再生器18包括封闭在金属外壳中的多孔介质。这种多孔介质由具有高热容的材料制成，并且理想地应该具有无限的径向导热率和零轴向导热率。多孔介质可以理解为充当热量海绵，其中当工作流体从“热”区流动到“冷”区时，热量被传递到再生器的材料并被存储。当工作流体沿相反方向流动时，储存的热量从再生器返回到工作流体。隔热通常用于将多孔介质与其外壳的壁分离，以进一步减少热量损失。

为了提供在热量输入阶段期间大部分工作流体处于热区(即热汽缸12和加热器16)中，并且在排热阶段期间大部分工作流体处于冷区(即冷汽缸14和冷却器20)中，热汽缸12中的活塞22在位移中比冷汽缸14的活塞24提前通常90°至110°(曲柄轴角度的度数)，因此热汽缸12的容积在其变化方面比冷汽缸14的容积提前90°至120°。

图2(a)示出了热汽缸12(虚线)和冷汽缸14(实线)中的容积改变(变化)的示例图。

由一组热交换器(加热器16、再生器18和冷却器20)连接的两个可变容积(热和冷)、热空间中的容积变化(其比冷空间中的容积变化提前90°至110°(度))以及工作气体在可变热空间和冷空间之间穿过一组热交换器16、18、20的通道的往复流动是斯特林循环机器的特征。可变热容积或膨胀容积(虚线)和可变冷容积或压缩容积(实线)的典型PV图如图2(b)所示。

因此，如果加热器16暴露于相对较高的温度环境并且冷却器20暴露于相对较低的温度环境，则机器作为施加动力的发动机工作(即，在PV图中，热空间面积或膨胀空间面积大于冷空间面积或压缩空间面积，参见图2(b))。