斯特林發動機組件的製作方法
2023-06-02 20:07:26
專利名稱：斯特林發動機組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種斯特林發動機組件。具體地，該發明涉及一種適於用在熱電聯產(chp)單元中的組件。
背景技術：
當例如熱電聯產單元的器具安裝在家用環境中時，重要的是將能夠產生相當大損害的噪音和振動保持在非常低的水平。由於該器具包括結合有交流發電機的斯特林發動機，因此它產生了大大高於可接受的噪音和振動。因此必須使得通過熱電聯產單元的殼體和支撐架傳到家用環境的噪音和振動最小化。
斯特林發動機燃燒器設在環繞發動機頂部的加熱器頭部的位置。該基於斯特林發動機的熱電聯產系統的問題是需要確保燃氣不會向下流入空間密封的單元罩而導致潛在有害氣體的積累。因此在斯特林發動機和燃燒器殼體之間需要某種形式的密封件。
在工作時，斯特林發動機由於其往復運動元件而產生振動。包括各種阻尼和吸收元件的減震系統能夠將振動的殘留水平減到很低的級別，但剩餘的振動仍足以對位于振動著的發動機和固定的燃燒器殼體之間的任何密封件造成問題。如燃氣用具認證程序所規定的，該密封件設計需要非常堅固、在高溫下工作並能夠在各種工作條件下保持充分的密封件。某些普通的密封件設計通常比發動機懸掛系統硬得多，若得以應用，在使用中會導致在振動著的發動機和靜止的燃燒器元件之間不可接受的力傳遞。
這樣的密封件的過度磨損、疲勞或劣化會使燃氣洩漏到單元罩內，從而導致危險，並增加了噪音級。
US5,918,463公開了一種斯特林發動機，其在燃燒器殼體和斯特林發動機之間設有柔性、半剛性或剛性陶瓷纖維隔熱材料的墊圈形件。
通常的做法是通過將發動機安裝到彈簧頂部而支撐發動機，其隔離了大部分在通常的發動機工作期間產生的振動。具有該布置的斯特林發動機的實例是US4,400,941。為了使隔離程度最大化，需要安裝系統具有低剛度。用壓縮彈簧實現這一點會導致不穩定性，特別是所包括的力除了垂直振動外為實質上的橫向時尤其如此。因此必需要有一種替代的支撐布置。我們的早期專利申請PCT/GB02/05111詳細描述了該問題的解決方案，其中彈簧設置為圍繞斯特林發動機的外表面，以將發動機懸掛在安裝凸緣下。
發明內容
根據本發明，提供了一種斯特林發動機組件，包括帶有熱頭部和冷區域的斯特林發動機，圍繞該頭部並設置成給頭部提供熱量的環形燃燒器，以及在斯特林發動機和燃燒器之間用於防止燃氣從頭部流入周圍環境的波形密封件，其中該斯特林發動機至少部分通過該密封件由安裝框架支撐。
因此該密封件設計足夠柔性以應付發動機和燃燒器之間的相對運動(實際上的垂直、水平和旋轉運動)。另外，可以得到用於該密封件的合適材料，其能夠承受與燃燒器氣體相關的高溫，且不能被其中的氣體腐蝕。
通過至少部分通過該密封件由安裝框架支撐，提供了一種支撐發動機的布置，其隔離了大部分振動，同時提供了防止燃氣逃逸進入熱電聯產單元殼體的有效密封件。
由於斯特林發動機的部分重量由密封件支撐斯特林發動機，因此該懸掛系統可以因其支撐較少重量而做得較輕，或甚至可以完全不用從而帶來明顯的成本優勢。
優選是在密封件和發動機之間設置隔熱件以充分減少從燃燒器到波紋管的熱燃氣的通過。
該密封件可以是例如波紋管。
該波紋管可設置為從燃燒器附近的位置沿斯特林發動機長度的主要部分延伸。在這種情況下，設置用於使冷卻劑通過波紋管以提供流出和流入發動機冷卻器的冷卻劑液體的裝置。優選是需要冷卻劑入口和冷卻劑出口管，其延伸通過波紋管並由柔性密封件密封。該波紋管優選地以圓柱部分設在該區域中。該細長的波紋管設計通過在發動機體周圍設置密封件的氣墊而降低了從斯特林發動機的噪音傳遞水平。但是以這種方式，該氣墊可以對發動機隔熱並降低從殼體的熱量損失。由於(特別是)交流發電機依賴於冷卻下部發動機/減震器周圍的空氣，以將磁鐵的溫度保持在工作水平，因此這可能是不利的。為了克服這一點，可以在發動機暴露的底端添加冷卻翅片以輔助散熱，從而補償了波紋管的加熱效應。
作為波紋管沿發動機基本長度延伸的代替方案，該波紋管可以終止於發動機冷卻器。在這種情況下，不需要冷卻劑通過波紋管。
如果將波紋管設為垂直延伸，則斯特林發動機的重量沿著波紋管的長度被承受。然而，波紋管可以設置為相對於垂直方向成一角度。
斯特林發動機的重量可以完全由波紋管承受。或者，斯特林發動機的重量部分由波紋管承受，部分由一個或多個另外的彈性元件承受。例如懸掛發動機的彈簧。
下面參考附圖來描述本發明的斯特林發動機組件的示例，在附圖中圖1是第一實例的示意圖；圖1A更詳細顯示了圖1的一部分；圖2是類似於圖1的視圖，顯示了第二實例；圖3A和圖3B是替換的波紋管部分的截面圖；圖4是斯特林發動機一部分的截面圖，顯示了替換的不是根據本發明的密封件結構；圖5是類似於圖4的視圖，顯示了另一個波紋管布置；圖6是類似於圖2的視圖，顯示了第三實例；圖7是類似於圖2的視圖，顯示了不是根據本發明的實例；以及圖8是沿圖7中線VIII-VIII的截面圖。
具體實施例方式
斯特林發動機組件包括容置於殼體2中的斯特林發動機1。斯特林發動機1的設計是現有技術公知的。該發動機大體分為三個部分，加熱器頭部3，冷卻器4和交流發電機5。該發動機具有排氣活塞和動力活塞，它們都設置為沿垂直方向往復運動。這產生了斯特林發動機本身的完全的垂直振動。為了降低該振動，環形減震器塊6由多個壓縮彈簧7在該減震器塊的上方和下方支撐。
為了將熱量傳遞到加熱器頭部3，沿入口通道8將氣體/空氣混合物供給到燃燒器元件9並在那裡點燃。產生的熱量通過多個環形翅片10被傳遞到加熱器頭部3。燃氣通過翅片10在加熱器頭部周圍向上流動並流入換熱器11，在該換熱器11中其將氣體/空氣混合物預熱且隨後加熱家用水。陶瓷纖維隔熱件12增加了向下氣流的隔熱，從而幾乎不產生向下的氣流。
通過在斯特林發動機1周圍的波紋管20形式的環形密封件，阻止了燃氣逃逸進入到內部環境。在其頂端，波紋管具有環形凸緣21，該凸緣被螺栓固定到燃燒器/換熱器組件22的下表面。該凸緣21坐在單元框架23上。該框架23是連接到居室牆壁上的剛性盒形框架。在其底端，波紋管20終止於下部環形凸緣24，該凸緣24被螺栓固定或通過壓圈連接到安裝環25，該安裝環25焊接在交流發電機5附近的、斯特林發動機1的殼體2下部周圍。以這種方式，包括翅片10、減震器6及其相關安裝結構的斯特林發動機1的重量全部通過波紋管20支撐在單元框架23上。
為了使冷卻液體繞冷卻器4循環，必須提供流入和流出冷卻器的冷卻劑流。環形冷卻劑管30圍繞在冷卻器4附近的殼體2。來自入口管31的冷卻劑液體被供給到該環形管，同時從管30的出口通過出口管32。該入口管31和出口管32如圖1A更詳細所示延伸通過波紋管20的壁。在該位置，波紋管20的壁為圓柱形並設有一對圓形開口33。螺紋連接到環形管30的剛性管延伸部34穿過開口33。入口管31/出口管32(根據具體情況而定)用帶有壓圈35的聯接螺旋夾固定到剛性管延伸部34。在每個開口33，用柔性橡膠密封件圈36製成密封件。該密封件壓靠剛性管延伸部34。該布置允許管31/32以不產生損害的方式振動。由於密封件圈36與製冷劑管接觸，因此該區域的溫度足夠低，以允許使用商業可獲得的橡膠密封件，在該區域元件的磨損率很低。
由於不需要該斯特林發動機在現場使用，因此不需要接近將要密封件在波紋管20中的元件。如果發生了發動機失效，則發動機將被移走、修理並作為單個模塊(包括波紋管)加以替換。但是該剛性管延伸部34和密封件圈33可以在工作間隔中被替換。
根據本發明斯特林發動機組件的第二實例示於圖2。其與圖1所示的實例大部分相同，相同的附圖標記表示相同的元件。對於這些共同元件的進一步描述在此不再重複。
第二實例不同於第一實例之處在于波紋管20』在冷卻器4上方終止。在這種情況下，上部安裝與第一實例相同，但下部安裝通過焊接在冷卻器4上方的殼體2周圍的安裝板24』實現。在這種情況下，在波紋管中既沒有環形減震器塊6，也沒有環形冷卻劑管30。因此不必設置在冷卻劑入口管31/出口管32之間的界面和波紋管。
在這種布置中，包括翅片10的斯特林發動機1和減震器6通過波紋管20』懸掛在單元框架23上。
波紋管20包括環形波紋彎曲的柔性不鏽鋼(AISI32或AISI316Ti)管。成本最優的波紋管截面形狀是如圖1和圖2所示且在圖3a更詳細所示的圓端截面。它們通過液壓成形加工製成。或者，該截面可具有相互焊接的尖銳邊緣40。該圓角截面波紋管在允許在其端部之間的相對橫向運動方面具有更有利的特性。這在由斯特林發動機產生的振動力可以為水平以及垂直的、且降低系統內力的傳遞方面是很重要的。
通常，斯特林發動機1和減震器塊6的重量為20至100公斤。波紋管的剛度調整為與發動機重量以及對於可允許的延伸可用空間匹配。
通常，對於圖1的發動機，在冷卻器4上有3到4匝，而在冷卻器4下有12到18匝。在圖2的短波紋管中，有3到4匝。對於60公斤的發動機，每匝的剛度為380N/mm到50N/mm。每匝剛度通過改變波紋管的外徑同時保持內徑不變而改變。低剛度具有降低振動級別的優點，但需要對於額外的重量進行平衡並需要在發動機周圍額外的空間。
圖4和圖5示出了對於垂直延伸的波紋管的替換方式。這些實例在其它所有方面與圖2類似。
圖4示出了具有同心環形螺旋的環形盤20」，該螺旋沿盤表面垂直的方向環繞。在這種情況下，安裝板24」具有向上延伸的環形凸緣50，同時向下的環形凸緣51從燃燒器9的殼體向下懸掛。密封件20」安裝在兩個凸緣之間並通過環形夾51保持就位。但是這樣的布置不能支撐發動機的任何重量，因此不是本發明的一部分。
圖5示出了類似的布置，但在這種情況下密封件是與水平成45°的波紋管20。
在現有描述的實例中，斯特林發動機1和減震器塊6的全部重量通過密封件20懸掛。作為替換方式，如圖6所示，密封件承受了斯特林發動機1和減震器塊6的一些重量，同時對於斯特林發動機1和減震器塊6設置了其它一些懸掛裝置。其可以是在單元框架23和下部凸緣24之間連接的在發動機周圍設置的多個彈簧60的形式。這可以降低波紋管的尺寸、重量和成本。在這種情況下，彈簧失效並不象波紋管懸掛失效那樣嚴重，從而該布置減少了造成高成本的熱電聯產單元故障時間的危險。然而，密封件重量和成本的降低必須與該布置所需的其它元件以及與之相關的額外的重量和成本相平衡。儘管圖6中所示的波紋管與圖2中所示的波紋管類似，但還可以使用圖1和圖3到圖5所示的替換布置。
圖7示出了斯特林發動機組件，其中斯特林發動機水平安裝。該斯特林發動機組件的大多數方面與圖2所示的相似，因此這裡不作更詳細的說明。在這種情況下，波紋管20僅作為密封件而不承受斯特林發動機組件任何重量。因此該實例並不是本發明的一部分。圖4中的環形盤20」特別適合於該型的水平安裝。
取而代之的是該組件的重量通過支撐件70支撐。其包括兩個弓形支架71、72，其分別連接到鄰近冷卻器4的發動機1和交流發電機5的端部。在支架71、72中的冷卻通道73允許空氣流動並防止交流發電機附近的殼體2的溫度升高到不可接受的程度。腿74從每個弓形支架延伸到基座75以降低傳遞到基座75的振動，腿74通過橡膠座76保持在基座75中。
權利要求
1.一種斯特林發動機組件，包括具有熱頭部和冷區域的斯特林發動機，圍繞該頭部並設置成給頭部提供熱量的環形燃燒器，以及在斯特林發動機和燃燒器之間用於防止燃氣從頭部流入周圍環境的波形密封件，其中該斯特林發動機至少部分通過該密封件由安裝框架支撐。
2.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，在波紋管和發動機之間設置隔熱件以充分減少從燃燒器向密封件的熱燃氣通過。
3.根據上述任一項權利要求所述的斯特林發動機組件，其特徵在於，該密封件是波紋管。
4.根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，該波紋管從燃燒器附近的位置沿該斯特林發動機長度的主要部分延伸。
5.根據權利要求4所述的組件，其特徵在於，設置使得冷卻劑穿過波紋管以使得冷卻劑流出和流入發動機冷卻器的裝置。
6.根據權利要求5所述的組件，其特徵在於，還包括冷卻劑入口和出口管，其通過波紋管延伸並被柔性密封件密封。
7.根據權利要求4或5所述的組件，其特徵在於，所述波紋管在發動機冷卻器的區域為圓柱體。
8.根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，所述波紋管在發動機冷卻器上方終止。
9.根據權利要求3到8中任一項所述的組件，其特徵在於，所述波紋管設置為垂直延伸，從而斯特林發動機的重量沿波紋管的長度被承受。
10.根據權利要求3到8中任一項所述的組件，其特徵在於，所述波紋管設置為與垂直方向成一角度。
11.根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，所述斯特林發動機的重量完全由波紋管承受。
12.根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，所述斯特林發動機的重量部分由波紋管承受，部分由一個或多個另外的彈性元件承受。
13.根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，所述另外的彈性元件是懸掛發動機的彈簧。
全文摘要
一種斯特林發動機組件，包括具有熱頭部(3)和冷區域(4)的斯特林發動機(1)。環形燃燒器(9)圍繞該頭部並設置成給頭部提供熱量。波形密封件(2)在斯特林發動機和燃燒器之間防止燃氣從頭部流入周圍環境。該斯特林發動機至少部分通過該密封件由安裝框架(23)支撐。
文檔編號F16J15/52GK1653257SQ03811003
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月13日 優先權日2002年5月13日
發明者約翰·霍華德·奧爾德森, 詹尼弗·簡·拉姆, 朱莉·帕特麗夏·海德, 希瑟·奧德瑞蒂, 大衛·安東尼·克拉克 申請人:麥克羅金能源有限公司