專利名稱：用于斯特林循環(huán)機的沖擊式換熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及斯特林(Stirling)循環(huán)機，并且尤其涉及斯特林循環(huán)機中的換熱器，該換熱器被用來在運行期間將熱傳遞到并且傳遞出工作流體。
斯特林循環(huán)發(fā)動機最初在19世紀早期由羅伯特·斯特林構想出。19世紀中期，這種熱氣體發(fā)動機的商業(yè)應用被設計來對研磨機提供旋轉動力。此后，由于內燃機的成功和流行，斯特林發(fā)動機一直被忽視，直到20世紀中期。在引入本文作為參考，Walker的《斯特林發(fā)動機(Stirling Engine)》(牛津大學出版社(1980))中，詳細描述了包括發(fā)動機和致冷器的斯特林循環(huán)機。
作為斯特林循環(huán)發(fā)動機基礎的原理是斯特林熱力循環(huán)的機械實現1)氣缸中氣體的等容加熱，2)氣體的絕熱膨脹(在此期間，通過驅動活塞來做功)，3)等容冷卻以及，4)絕熱壓縮。在引入本文作為參考，Hargreaves的《菲利浦斯斯特林發(fā)動機》(Phillips Stirling Engine)(Elsevier，Amsterdam，1991)中，討論了另外關于斯特林循環(huán)機以及對它的改善方面的背景。
近年來，斯特林發(fā)動機理論上的高效率已吸引了相當多的關注。斯特林發(fā)動機增加了額外的優(yōu)點，即，易于控制燃燒放射，潛在的更安全、更便宜以及更易于獲得的燃料的使用和安靜的運行，所有這些結合起來，使得斯特林發(fā)動機對于許多應用來說，成為高度期望的內燃機替換物。
盡管具有這些優(yōu)點，斯特林發(fā)動機的發(fā)展還是以比預期的慢得多的速度進行。一些更嚴重的問題包括，要求在高壓下將工作氣體密封在工作空間中，需要在高溫下通過加熱器頭(heater head)將熱從熱源傳遞到工作氣體，以及當負載改變時，需要簡單、可靠并且廉價的手段來調整動力。
一種很好地適合于多種應用的設計是自由活塞(free-piston)斯特林發(fā)動機。自由活塞斯特林發(fā)動機使用置換器，所述置換器機械地獨立于動力輸出件。該置換器相對于動力輸出件的運動和定相是通過彈簧和質量的平衡動態(tài)系統狀態(tài)，而不是機械鏈接來完成的。
斯特林發(fā)動機已被建議用于廣大范圍的應用中。實施例包括汽車應用、致冷系統以及太空中的應用。對偏遠地域服務中的便攜式電子設備、通信裝備、醫(yī)療器件以及其他設備供以動力的需要還呈現了另一個機會，因為這些應用需要既提供高功率，又提供高能量密度的電源，同時還需要最小的尺寸和重量，低的放射低成本。
時至今日，電池已成為提供便攜式電源的主要手段。然而，對電池再充電所需的時間已證明，對于持續(xù)使用的應用來說是不方便的。此外，便攜式電池通常受限于幾毫瓦到幾瓦范圍內的功率產出(power production)，并且因此不能解決對相當水平的可移動輕便功率產出的需要。
還使用了由內燃機來供以動力的小發(fā)電機，不管是以汽油還是柴油來作為燃料。然而，這種發(fā)電機的噪音和放射特征已使得它們完全不適合于廣大范圍的可移動電源系統(power system)，并且對于室內使用是不安全的。盡管由高能量密度液體燃料供以動力的常規(guī)熱發(fā)動機提供了尺寸方面的優(yōu)勢，但熱力學定標以及成本方面的考慮因素已傾向于支持它們在較大的動力廠中使用。
為了實現斯特林循環(huán)，或者是出于在發(fā)動機實施方案中獲得動力的目的，或者是出于在冷卻器實施方案中致冷的目的，必須對機器同時提供外部熱源和外部散熱器。在機器的外部壓力容器壁與工作流體之間的熱傳遞一般通過使用內部換熱器來完成。當盡可能多的熱被傳遞到工作流體，而不是傳遞到發(fā)動機元件或者其他熱吸收體時，獲得的效率最大。
向工作流體的熱傳遞被三種換熱器特征影響1)換熱器與熱源/散熱器以及工作流體接觸的表面面積，2)工作流體與該表面之間的熱傳遞系數，以及3)換熱器表面與工作流體之間的溫度差異?？梢酝ㄟ^提高這三個參數中的任何一個或者所有來獲得改善的熱傳遞。
在斯特林發(fā)動機中，對高的熱效率的期望要求高的回熱器效力，并且離開回熱器并進入熱端換熱器(此后，稱為“加熱器”)的流體因此達到或者接近加熱器壁的溫度。同樣，離開回熱器并進入冷端換熱器(此后，稱為“冷卻器”)的工作流體的溫度達到或者接近冷卻器壁的溫度。此外，因為發(fā)動機壓力變化一般是低的，尤其在自由活塞斯特林機實施方案中，所以末端狀態(tài)的膨脹或者壓縮流體的溫度分別傾向于加熱器和冷卻器壁的溫度。另外，常規(guī)加熱器或者冷卻器換熱器中的工作流體溫度在各自的換熱器入口處，空間地隨工作流體與換熱器壁之間的最大溫度差異而改變，并且沿換熱器的長度而降低，直到在換熱器的出口達到最低，如果換熱器被設計得相當好的話，在所述換熱器出口，工作流體便已達到非常接近于換熱器壁的溫度。因此，在設計得很好的斯特林循環(huán)機中，加熱器和冷卻器換熱器與工作流體之間的有效溫度差異是有意地小的。
用于斯特林循環(huán)機的常規(guī)換熱器裝置一般在厚壁的內側、管的里面采用槽或洞，或者可替換地，在管道(例如，各種類型的翅)中采用延伸的表面。用在斯特林循環(huán)機中的傳統換熱器裝置，如上面所討論的那樣，是在熱源和工作流體之間溫度差異低的情況下運行。為了彌補熱源或散熱器與工作流體之間的低溫度差異，與斯特林循環(huán)機有關的傳統換熱器的應用遭受了其他折衷之苦。
例如，在一些場合中，為了為有效的熱傳遞提供必要的增大表面積，換熱器結構必須比所期望的要大。這一點又導致更大的發(fā)動機尺寸，更少的用于其他發(fā)動機部件的空間，或者二者皆有。另外，在一些場合中，為獲得必要的熱傳遞所設計的解決方案要求使用昂貴的，并且有時是異乎尋常的材料，以及要求使用昂貴、費時而且有時根本不可靠的加工方法和設計。
現有技術的換熱器裝置還存在其他缺點。例如，在壓力容器壁和換熱器壁之間需要金屬到金屬的接觸來獲得最小的熱阻，這導致裝置難以制造，并因此昂貴。
換熱器可以被設計來產生高的熱傳遞系數，以代替提供大的表面積來獲得所需要的熱傳遞，即使是以換熱器中稍高的壓力下降為代價。然而，消除了對延伸表面的換熱器的需要，自然產生顯著的加工、裝配以及成本利益。
一方面是提供一種用于斯特林循環(huán)機的換熱器，所述換熱器提供所需要的熱傳遞能力。
另一方面是提供成本效率高以及功能可靠的這樣一種換熱器。
還有另一方面是提供易于加工和安裝的這樣一種換熱器。
還有一個方面是提供加工和安裝便宜的換熱器。
還有一個方面是提供一種換熱器，為了與外部換熱器的空間熱傳遞特征相匹配來使得熱傳遞達到最佳，以及控制溫度梯度，所述換熱器提供能夠局部改變熱傳遞的能力。
還有一個方面是提供一種換熱器，取決于流動的方向，所述換熱器提供能夠以顯著不同的速率將熱傳遞到并且傳遞出工作流體的能力，從而增強和/或減緩熱力循環(huán)，以提高效率和/或輸出。
本發(fā)明的優(yōu)選方式包括沖擊式換熱器，所述沖擊式換熱器的使用能夠提供顯著的熱傳遞改善以及成本下降。本發(fā)明的換熱器運行，從而使得熱源和工作流體之間的大部分熱傳遞發(fā)生在工作流體沖擊在壓力容器表面上的這部分斯特林循環(huán)期間?？梢詫_擊式換熱器進行配置，使得工作流體對壓力容器表面的沖擊發(fā)生在任一流動方向上。對于加熱器，可以對沖擊式換熱器進行配置，使得在循環(huán)期間，大部分向工作流體的熱傳遞發(fā)生在當流體進入或者離開膨脹空間的時候。同樣，對于冷卻器，可以對沖擊式換熱器進行配置，使得在循環(huán)期間，大部分來自流體的熱傳遞發(fā)生在當流體進入或者離開壓縮空間的時候。
根據本發(fā)明的教導，兩種不同的沖擊式換熱器配置是有可能的。在第一種既用于加熱器又用于冷卻器應用，本文中被稱為向前流動沖擊式換熱器(“FFIHX”)配置中，沖擊熱傳遞發(fā)生在流體以向前的方向并朝容器的膨脹空間行進的時候。與此相反，并且與本文中被稱為向后流動沖擊式換熱器(“BFIHX”)配置，既用于加熱器又用于冷卻器應用的本發(fā)明換熱器的第二配置有關，沖擊熱傳遞發(fā)生在流體以向后的方向并朝容器的壓縮空間行進的時候。
本發(fā)明換熱器的FFIHX配置可以結合冷卻器或者加熱器來使用。在一個加熱器實施方案中，將FFIHX鄰近容器的膨脹空間放置，其中在換熱器和容器壁之間具有歧管。以這種方式，來自回熱器的工作流體可以在它進入向前流動換熱器，并且通過沖擊孔眼，從而沖擊在容器壁已加熱的表面上時被加熱。當工作流體被迫從膨脹空間到壓縮空間(通過回熱器)，并且期望冷卻時，工作流體通過向前流動換熱器，并且沖擊在換熱器的冷卻器內表面上。通過FFIHX加熱器配置，大部分向工作流體的循環(huán)熱傳遞在流動是朝向膨脹空間時完成。與循環(huán)的向后流動部分對照，在循環(huán)的向前流動部分期間，FFIHX加熱器中從壓力容器壁向工作流體傳遞的總熱量中的小部分可以通過FFIHX特定的設計來調整。
本發(fā)明換熱器的BFIHX配置可以結合冷卻器或者加熱器來使用。在前一種情形中，BFIHX被放置在與壓縮空間鄰近的回熱器下方。當處于相對加熱狀態(tài)下的工作流體被迫從發(fā)動機的壓縮空間到膨脹空間時，它通過BFIHX，并且所述流體沖擊在與壓縮空間鄰近的換熱器相對較熱的表面上。當流體以另一個方向從膨脹空間流動到壓縮空間，并且期望冷卻時，所述流體沖擊在壓力容器壁上，所述壓力容器壁是冷卻器機構相對較冷的表面。通過BFIHX冷卻器配置，大部分從工作流體的循環(huán)熱的吸取是在當流動是朝向壓縮空間時完成。與循環(huán)的向前流動部分對照，在循環(huán)的向后流動部分期間，BFIHX冷卻器中從工作流體向壓力容器壁傳遞的總熱量中的小部分可以通過BFIHX特定的設計來調整。
BFIHX配置還可以用于加熱能力中。在這種情形中，本發(fā)明這種形式的換熱器位于壓力容器的上部分，鄰近膨脹空間。當工作流體從壓縮空間流向膨脹空間時，并且在它已通過回熱器之后，所述流體借助這樣的事實來獲得熱傳遞，即在通過沖擊孔眼進入膨脹空間之前，它在壓力容器壁相對較熱的表面與沖擊阻擋件(impingement baffle)之間流動。當工作流體被迫從膨脹空間到壓縮空間時，所述流體沖擊在壓力容器壁上并且被加熱。當所述流體繼續(xù)向壓縮空間流動時，它通過回熱器，在這里，它放棄了大部分它在逆流時能夠再獲得的這種熱。
與此相一致，所提供的是通過工作流體的壓縮和膨脹來運行的斯特林循環(huán)機，所述斯特林循環(huán)機包括在第一氣缸中，由活塞來界定的膨脹腔室；以及在第二氣缸中，由所述活塞來界定的壓縮腔室；所述膨脹腔室和所述壓縮腔室通過至少一個通道來聯系；所述通道包括至少一個換熱器，與所述工作流體流向所述壓縮腔室時對照，當所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動時，所述至少一個換熱器提供更高的熱傳遞功能。
還提供的是用于斯特林循環(huán)機的換熱器，所述換熱器包括用于接收工作流體的入口；在其上具有多個孔的沖擊阻擋件；以及形成在所述斯特林循環(huán)機的內壁和所述沖擊阻擋件之間的空間中的歧管；
其中當所述工作流體在第一方向上流動時，所述工作流體沖擊在所述斯特林循環(huán)機的內壁上，并且當所述工作流體在第二方向上流動時，所述工作流體被導入所述斯特林循環(huán)機的腔室中。
進一步提供的是用于控制斯特林循環(huán)機中工作流體溫度的方法，所述方法包括的步驟有在氣缸中提供由活塞界定的膨脹腔室；在所述汽缸中提供由所述活塞界定的壓縮腔室；以及使得所述工作流體通過至少一個通道在所述壓縮腔室和所述膨脹腔室之間流動；其中所述通道包括至少一個換熱器，與所述工作流體流向所述壓縮腔室時對照，當所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動時，所述至少一個換熱器提供基本上更高的熱傳遞功能。
本發(fā)明的其他實施方案還可能如以下進一步詳細描述的那樣，并且還可能如本領域的技術人員將理解的那樣。
參考僅以實施例形式給出的本發(fā)明優(yōu)選方式，并且參見附圖，本發(fā)明現將被更詳細地描述，其中

圖1是根據本發(fā)明的斯特林發(fā)動機一部分的剖視圖，示出了BFIHX加熱器和BFIHX冷卻器實施方案；圖2是本發(fā)明換熱器的BFIHX加熱器實施方案的詳細剖視圖3是本發(fā)明換熱器的BFIHX冷卻器實施方案的詳細剖視圖；圖4是本發(fā)明換熱器的FFIHX加熱器實施方案的詳細剖視圖。
現參考圖1-4所示的實施方案，其中同樣的標號被用來指明所有同樣的部件。本領域的技術人員將理解，雖然以下是在自由活塞斯特林發(fā)動機的情形中來描述本發(fā)明，但本發(fā)明的應用不一定受限于此，而且本發(fā)明僅僅由所附的權利要求書來定義。將進一步理解本發(fā)明的各種其他應用，并且不是以限制的方式，包括，例如與各種熱發(fā)動機以及冷卻器機有關的應用，無論這樣的發(fā)動機或者機器是否基于斯特林循環(huán)來運行。
圖1是根據本發(fā)明的教導所設計的自由活塞斯特林發(fā)動機(FPSE)100一部分的剖視圖。FPSE 100包括氣缸170，置換器活塞150在氣缸170中進行軸向往復運動。置換器活塞150在置換器活塞150和氣缸頭140之間界定了可改變容量的膨脹腔室180。在發(fā)動機運行期間，當置換器活塞150前往和離開汽缸頭140進行往復運動時，膨脹腔室180的容量發(fā)生改變。置換器活塞150安放在置換器活塞桿160上。針對置換器活塞150和動力活塞(未示出)的運動，在置換器活塞150下方的壓縮腔室190也在容量上發(fā)生改變。壓縮腔室190通常由置換器活塞150的底部來界定一端，而由動力活塞(未示出)的頂部來界定另一端。
圖1所示的FPSE 100的運行通常進行如下。如示出的那樣，對FPSE 100的汽缸頭施加熱源。由此產生的熱能通過在汽缸頭140的壓力容器壁來傳遞，并且通過換熱器130傳到工作流體，如下面更詳細描述的那樣。在機器中，工作流體通過換熱器的運動以及壓縮和膨脹容量來完成斯特林循環(huán)，這主要由置換器活塞150的運動來驅動。在斯特林循環(huán)期間的某一點，當置換器活塞150向上移動時，膨脹腔室180中的工作流體以向后的方向從膨脹腔室180轉移，通過換熱器130，通過回熱器110，通過換熱器120并進入壓縮腔室190。在理想的斯特林循環(huán)中，在置換器活塞150向上運動之后，最大量的工作流體駐留在壓縮空間190中時，動力活塞(未示出)被移動來壓縮工作流體。本領域技術人員將意識到，在斯特林循環(huán)的實用實施方案中，置換器活塞150和動力活塞的運動既不是間斷的，也不是彼此完全異相的。
當置換器活塞150向下移動時，壓縮腔室190中的工作流體被迫以“向前”的方向，通過換熱器120，通過回熱器110，通過換熱器130并進入膨脹腔室180。在工作流體以向前的方向運動期間，所述工作流體被加熱，并且由于工作流體膨脹，當動力活塞被工作流體在膨脹的方向上推動時，可以從循環(huán)獲得機械功。
圖1所示的特定實施方案采用BFIHX作為換熱器120，并且采用BFIHX作為換熱器130。出于下面討論的目的，換熱器120在本文中稱為“冷卻器”，以及換熱器130在本文中稱為“加熱器”，與它們在本實施方案中各自的功能一致?，F對每個換熱器的運行，以及與FPSE 100的運行有關的每個換熱器總體進行詳細討論。
圖1中的BFIHX加熱器130在圖2中被更詳細地示出。具體參見圖2，BFIHX沖擊阻擋件215被緊固到回熱器210并且由其支撐。如所要求或者期望的那樣，可選擇地將銅鍍層(未示出)沿壓力容器壁240的內表面放置，以幫助緩和沿氣缸頭240內表面的“熱點”現象。
根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，沖擊阻擋件215被形成有多個孔265，以提供對壓力容器壁240內表面或者對置換器250表面的噴射沖擊熱傳遞。如下面更詳細討論的那樣，流體流動的方向，無論是“向前”，還是“向后”，決定了工作流體沖擊的表面。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，BFIHX沖擊阻擋件215被形成有具體數量的孔265，并且具有特定的孔間距和圖形，從而使通過噴射沖擊的熱傳遞最大化。存在許多關于噴射沖擊技術的論文和其他信息來源，例如，G.Failla等的“在低雷偌數下具有交叉流的增強噴射沖擊熱傳遞(Enahnced Jet Impingement HeatTransfer with Crossflow at Low Reynolds Numbers)”(《電子設備加工》(Electronics Manufacturing)雜志，vol.9，No.2，1999年6月)，以及D.M.Kercher和W.Tabakoff的“由圓形空氣射流的方陣列垂直沖擊平坦表面的包括余氣效果的熱傳遞(Heat Transferby a Square Array of Round Air Jets Impinging Perpendicular to aFlat Surface Including the Effect of Spent Air)”(《工程動力》雜志，1970年1月)，它們描述了使噴射沖擊功能最大化的技術。出于本發(fā)明的目的，可以采用這樣的孔，即孔的直徑在1到3mm的范圍內，并且在沖擊阻擋件的表面上以相對均勻的方式間隔，其中中心到中心的間距在6到10mm的范圍內。沖擊阻擋件215可以由不銹鋼制成，并且可以使用各種技術(例如，旋壓、拉拔、深拉拔、水電成形)來形成，或者由實心材料來機加工成。
根據本發(fā)明新穎的換熱器裝置的結構，傳遞到以及傳遞出工作流體的熱量發(fā)生改變，取決于工作流體的方向(即，“向前”朝向膨脹腔室280，或者“向后”離開膨脹腔室280)。通過BFIHX加熱器配置，在循環(huán)期間，外部熱向工作流體的傳遞，大部分發(fā)生在當流動是在向后的方向上時。當從膨脹空間280以向后的方向，并且通過沖擊阻擋件215流動時，工作流體沖擊在壓力容器壁240上?？梢酝ㄟ^與相對較高的溫度差異結合的沖擊來獲得高的熱傳遞率，所述溫度差異是指離開膨脹空間280的膨脹工作流體與壓力容器壁240之間的溫度差異，所述高熱傳遞率導致沖擊后的工作流體達到接近壓力容器壁溫度的溫度。然后，工作流體繼續(xù)前行到回熱器210中，在進入BFIHX冷卻器120之前，工作流體在回熱器210放棄了它大量的能量。在設計良好的機器中，當流體返回到膨脹空間280時，該熱量被回熱器210返回到所述工作流體。
當從回熱器210以向前的方向，通過歧管235，通過沖擊阻擋件215流動時，工作流體或者沖擊在置換器250上，或者射流使膨脹空間280中的流體散開。在任一種情形中，在這部分循環(huán)期間，傳遞到工作流體的熱較少，因為歧管235中的工作流體與壓力容器壁240之間的管道熱傳遞是低的，并且隨后的沖擊熱傳遞或者在低溫度差異下，發(fā)生在工作流體和置換器250之間，或者根本不發(fā)生。
BFIHX冷卻器120包括各種功能元件。具體參見圖3，BFIHX沖擊阻擋件315被定位在氣缸370和壓力容器壁340之間，從而將BFIHX冷卻器120容量分為內歧管325和外歧管335。內歧管325通向回熱器310，并且通過沖擊孔眼365與通向壓縮空間390的外歧管335有聯系。
通過BFIHX冷卻器配置，在循環(huán)期間，大部分從工作流體的放熱發(fā)生在流動是在向后的方向上時。當從回熱器310以向后的方向，通過內歧管325，并且通過沖擊阻擋件315流動時，工作流體沖擊在壓力容器壁340上?？梢酝ㄟ^與相對較高的溫度差異結合的沖擊來獲得高的熱傳遞率，所述溫度差異是指離開回熱器310的工作流體與壓力容器壁340之間的溫度差異，所述高熱傳遞率導致外歧管335中沖擊后的工作流體達到接近壓力容器壁溫度的溫度。然后，工作流體繼續(xù)前行進入壓縮空間390中。
如下面所解釋的那樣，在向后流動的方向上，離開回熱器的溫度顯著高于壓力容器壁的溫度。在向前的方向上，來自壓縮空間390，通過外歧管335，并且通過沖擊阻擋件315的壓縮后工作流體沖擊在內歧管325的壁上，所述內歧管壁在比壓力容器壁340更高的溫度下。在這部分循環(huán)期間，從工作流體吸取的熱較少，因為外歧管335中的工作流體與壓力容器壁340之間的管道熱傳遞是低的，并且隨后的沖擊熱傳遞發(fā)生在低溫度差異下的工作流體與內歧管325的壁之間。接著，回熱器310在它的冷端被裝上溫度比如果采用常規(guī)換熱器要高的流體。在本發(fā)明BFIHX冷卻器的優(yōu)選實施方案中，不是如可能在常規(guī)換熱器的優(yōu)選實施方案中那樣，在壓力容器壁340的溫度下，而是在壓縮后溫度下，氣體從壓縮空間390被輸送到回熱器310的冷端。
現轉到圖4，接下來討論換熱器的FFIHX實施方案。在這個實施方案中，如在BFIHX冷卻器配置中那樣，兩個歧管被用來控制向前和向后兩個方向上的熱傳遞。通過BFIHX加熱器配置，在循環(huán)期間，外部熱被傳遞到工作流體的大部分發(fā)生在當流動是在向前的方向上時。當從回熱器410，通過內歧管435，并且通過沖擊阻擋件415，以向前的方向流動時，工作流體沖擊在壓力容器壁440上。可以通過與相對較高的溫度差異結合的沖擊來獲得高的熱傳遞率，所述溫度差異是指離開回熱器410的工作流體與壓力容器壁440之間的溫度差異，所述高熱傳遞率導致沖擊后的工作流體達到接近壓力容器壁溫度的溫度。然后，所述流體從外歧管425行進到膨脹空間480中。圖4所示的BFIHX加熱器實施方案還優(yōu)選地包括腔445，所述腔445被用來使容量在循環(huán)壓力變化中不相互影響。
如下面所解釋的那樣，在向前流動的方向上，從回熱器410離開的溫度顯著低于壓力容器壁的溫度。以向后的方向流動，從膨脹空間480，通過外歧管425，通過沖擊阻擋件415，通過內歧管435，并且進入回熱器410中的膨脹后工作流體從熱源，壓力容器壁440獲得較少的熱。在向后流動的方向上，歧管中的管道熱傳遞是低的，并且沖擊熱傳遞在低溫度差異下，發(fā)生在膨脹后的工作流體與內歧管壁435之間。接著，回熱器410在它的熱端被裝上流體，所述流體的溫度比如果采用常規(guī)換熱器或者本發(fā)明的BFIHX要低。因此，在FFIHX加熱器的優(yōu)選實施方案中，不是如它可能在常規(guī)換熱器的優(yōu)選實施方案中那樣，在壓力容器壁440的溫度下，而是在膨脹后的溫度下，工作流體從膨脹空間490被輸送到回熱器410的熱端。
使用FFIHX實施方案作為加熱器，提供了比使用BFIHX作為加熱器更顯著的熱力循環(huán)優(yōu)點。照那樣，通過FFIHX，流體在它抵達回熱器410時變得更涼，使得更小并且不是那么昂貴的回熱器得以使用。此外，通過使用FFIHX比通過BFIHX實施方案，遭受較少的壓力下降損失。
本領域技術人員將理解，就向后流動的方向上使向工作流體的熱傳遞達到最小而言，盡管與FFIHX實施方案相比，BFIHX通常不是那么有效，但BFIHX實施方案呈現如下優(yōu)點，即需要較少金屬用于構造，以及制造和安裝工藝簡單得多并可靠得多。
本發(fā)明所公開的換熱器提供了顯著的優(yōu)點，例如，包括顯著降低的構造方面的成本，運行上額外的可靠性，以及每單位尺寸上增強的熱傳遞特征。本發(fā)明的換熱器在它的各種實施方案中，可以由相對廉價的300系列不銹鋼構造成。
此外，在換熱器的構造和安裝中所涉及的高成本及有風險的銅焊操作能夠特別通過使用本發(fā)明的BFIHX實施方案來消除。取而代之，可以使用低成本機加工和成形技術，并且可以容易地將本發(fā)明的FFIHX和BFIHX實施方案放入壓力容器組件中。
在各種實施方案中，以及用來同時與加熱器頭和斯特林循環(huán)機的冷卻段結合使用的新穎換熱器設計在本文中公開。如本領域技術人員將理解的那樣，本發(fā)明不一定受限于本文中所公開的特定實施方案，并且在仍保持在本發(fā)明范圍和精神中的同時，各種其他實施方案是有可能的。
權利要求
1.一種通過工作流體的壓縮和膨脹來運行的斯特林循環(huán)機，所述斯特林循環(huán)機包括在第一氣缸中，由活塞界定的膨脹腔室；在第二氣缸中，由所述活塞界定的壓縮腔室；所述膨脹腔室和所述壓縮腔室通過至少一個通道來聯系；所述通道包括至少一個換熱器，與所述工作流體流向所述壓縮腔室時對照，當所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動時，所述至少一個換熱器提供更高的熱傳遞功能。
2.如權利要求1所述的斯特林循環(huán)機，其中所述至少一個換熱器包括鄰近所述膨脹腔室的向前流動換熱器。
3.如權利要求1所述的斯特林循環(huán)機，其中所述至少一個換熱器包括鄰近所述膨脹腔室的向后流動換熱器。
4.如權利要求1所述的斯特林循環(huán)機，其中所述至少一個換熱器包括鄰近所述壓縮腔室的向后流動換熱器。
5.如權利要求1所述的斯特林循環(huán)機，其中所述至少一個換熱器包括多個孔，所述多個孔導致所述工作流體對表面的噴射沖擊。
6.如權利要求5的斯特林循環(huán)機，其中當所述工作流體流向所述膨脹腔室時，所述表面包括第一表面，以及當所述工作流體流向所述壓縮腔室時，所述表面包括第二表面，并且其中所述第一表面和所述第二表面不是同一表面。
7.如權利要求5所述的斯特林循環(huán)機，其中當所述工作流體流向所述膨脹腔室時，所述表面包括鄰近所述斯特林循環(huán)機內壁的鍍層。
8.如權利要求5所述的斯特林循環(huán)機，其中當所述工作流體流向所述膨脹腔室時，所述表面包括所述斯特林循環(huán)機的內壁。
9.如權利要求5所述的斯特林循環(huán)機，其中當所述工作流體流向所述壓縮腔室時，所述表面包括所述換熱器的壁，所述壁鄰近所述膨脹腔室。
10.如權利要求1所述的斯特林循環(huán)機，其中所述至少一個換熱器包括第一換熱器和第二換熱器，所述第一換熱器鄰近所述膨脹腔室放置，并且所述第二換熱器鄰近所述壓縮腔室放置。
11.如權利要求10所述的斯特林循環(huán)機，其中所述第一換熱器是向前流動換熱器，并且所述第二換熱器是向后流動換熱器。
12.如權利要求10所述的斯特林循環(huán)機，其中所述第一換熱器是向后流動換熱器，并且所述第二換熱器是向后流動換熱器。
13.如權利要求10所述的斯特林循環(huán)機，其中所述第一換熱器和所述第二換熱器彼此之間通過回熱器聯系。
14.一種用于斯特林循環(huán)機的換熱器，包括用于接收工作流體的入口；在其上具有多個孔的沖擊阻擋件；以及形成在所述斯特林循環(huán)機內壁和所述沖擊阻擋件之間的空間中的歧管；其中當所述工作流體在第一方向上流動時，所述工作流體沖擊在所述斯特林循環(huán)機的內壁上，并且當所述工作流體在第二方向上流動時，所述工作流體被導入所述斯特林循環(huán)機的腔室中。
15.如權利要求14所述的換熱器，其中所述斯特林循環(huán)機的所述腔室是膨脹腔室，并且所述第二方向是朝向所述膨脹腔室。
16.如權利要求14所述的換熱器，其中所述斯特林循環(huán)機的所述腔室是壓縮腔室，并且所述第二方向是朝向所述壓縮腔室。
17.一種用于控制斯特林循環(huán)機中的工作流體溫度的方法，包括的步驟有在氣缸中提供由活塞界定的膨脹腔室；在所述汽缸中提供由所述活塞界定的壓縮腔室；以及使得所述工作流體通過至少一個通道在所述壓縮腔室和所述膨脹腔室之間流動；其中所述通道包括至少一個換熱器，與所述工作流體流向所述壓縮腔室時對照，當所述工作流體在朝向所述膨脹腔室的方向上流動時，所述至少一個換熱器提供基本上更高的熱傳遞功能。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述至少一個換熱器包括多個孔，所述多個孔導致所述工作流體對表面的噴射沖擊。
19.如權利要求18所述的方法，其中與所述工作流體流向所述壓縮腔室時對照，當所述工作流體流向所述膨脹腔室時，所述表面相對較熱。
20.如權利要求18所述的方法，其中當所述工作流體流向所述膨脹腔室時，所述表面包括鄰近所述斯特林循環(huán)機內壁的鍍層。
全文摘要
一種用于斯特林循環(huán)機的換熱器包括用于接收工作流體的入口；在其上具有多個孔(265)的沖擊阻擋件(215)；以及形成在斯特林循環(huán)機內壁(240)和沖擊阻擋件(215)之間的空間中的歧管(235)；其中當工作流體在第一方向上流動時，所述工作流體沖擊在斯特林循環(huán)機的內壁上，并且當工作流體在第二方向上流動時，所述工作流體被導入斯特林循環(huán)機的腔室中。
文檔編號F02G1/055GK1846052SQ200480024859
公開日2006年10月11日 申請日期2004年7月1日 優(yōu)先權日2003年7月1日
發(fā)明者羅伯托·O·珀里澤瑞 申請人:蒂艾克思股份有限公司