斯特林循環機器的製作方法

2023-05-10 12:09:46

專利名稱：斯特林循環機器的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器並且更加具體地涉及一種斯特林循環機器及其部件。
背景技術：
很多機器例如內燃機、外燃機、壓縮機和其它往復機器採用活塞 和驅動機構的布置以將往復活塞的線性運動轉換成旋轉運動。在大多 數應用中，活塞被容納於汽缸中。利用這種機器遇到的一個通常的問 題在於由滑動活塞產生的摩擦，活塞在汽缸中的錯位和由於將活塞聯 結到旋轉曲柄軸而在活塞上施加的橫向作用力而導致這種摩擦。這些 增加的側向負載增加了發動機噪音，增加了活塞磨損，並且降低了發 動機的效率和壽命。另外，因為側向負載，驅動器要求更多的功率來
克服這些摩擦作用力，因此降低了機器效率。
已經對於驅動機構作出改進以試圖減小這些側向負載，然而，很 多改進導致機器更沉重並且更龐大。
據此，需要在活塞上具有最小側向負載的實用的機器。

發明內容
根據本發明的一個方面，公開了一種用於機器的振蕩杆驅動機構。 該驅動機構包括具有搖臂樞軸的振蕩杆、至少一個汽缸和至少一個活 塞。活塞被容納於各自的汽缸內。活塞能夠在各自的汽缸內基本線性 地往復運動。並且，該驅動機構包括具有近端和遠端的至少一個聯接 組件。近端連接到活塞並且遠端通過端部樞軸連接到振蕩杆。活塞的 線性運動被轉換成振蕩杆的旋轉運動。
本發明這個方面的一些實施例包括以下的一個或者多個其中振 蕩杆通過連杆而被聯接到曲柄軸。在該實施例中，振蕩杆的旋轉運動 被傳遞到曲柄軸。並且，其中汽缸可以進一步包括閉合端部和開放端 部。開放端部進一步包括被連接到汽缸的直線軸承。直線軸承包括用 於容納聯接組件的開口。並且，其中聯接組件進一步包括活塞杆和聯 杆。活塞杆和聯杆通過聯接裝置聯接到一起。聯接裝置位於直線軸承 之下。並且，其中該驅動機構還包括密封件，其中該密封件以可密封 方式連接到活塞杆。並且，其中該密封件是滾動膜片。並且，在一些 實施例中，聯接裝置是柔性接頭。在一些實施例中，聯接裝置是滾柱 軸承。在一些實施例中，聯接裝置是鉸鏈。在一些實施例中，聯接裝 置是撓性件。在一些實施例中，聯接裝置是軸頸軸承接頭。
根據本發明的另一個方面，公開了一種斯特林循環機器。該機器 包括至少一個振蕩驅動機構，其中該振蕩驅動機構包括具有搖臂樞 軸的振蕩杆、至少一個汽缸和至少一個活塞。活塞被容納於各自的汽 缸內。活塞能夠在各自的汽缸內基本上線性地往復運動。並且，該驅 動機構包括具有近端和遠端的至少一個聯接組件。近端連接到活塞並 且遠端通過端部樞軸連接到振蕩杆。活塞的線性運動被轉換成振蕩杆 的旋轉運動。並且，該機器包括容納振蕩杆並且容納聯接組件的第一 部分的曲柄軸箱。該機器還包括通過連杆而聯接到振蕩杆的曲柄軸。 振蕩杆的旋轉運動被傳遞到曲柄軸。該機器還包括容納該至少一個汽 缸、該至少一個活塞和聯接組件的第二部分的工作空間。該機器包括用於相對於曲柄軸箱密封工作空間的密封件。
本發明的這個方面的一些實施例包括以下的一個或者多個其中 該密封件是滾動膜片。並且，該汽缸可以進一步包括閉合端部和開放 端部。開放端部進一步包括連接到汽缸的直線軸承。直線軸承包括用 於容納聯接組件的開口。並且，其中該聯接組件進一步包括活塞杆和 聯杆。活塞杆和聯杆通過聯接裝置聯接到一起。聯接裝置可以位於直 線軸承之下。並且，該機器還可以包括位於曲柄軸箱中的潤滑流體泵。 在一些實施例中，潤滑流體泵是被泵驅動組件驅動的機械潤滑流體泵， 泵驅動組件連接到曲柄軸並且被曲柄軸驅動。在一些實施例中，潤滑 流體泵是電動潤滑流體泵。該機器還可以包括連接到曲柄軸的馬達。 該機器還可以包括連接到曲柄軸的發電機。
根據本發明的另一個方面，公開了一種斯特林循環機器。該機器 包括至少兩個振蕩驅動機構。每一個振蕩驅動機構均包括具有搖臂樞 軸的振蕩杆、兩個汽缸，和兩個活塞。每一個活塞被容納於各自的汽 缸內。活塞能夠在各自的汽缸內基本線性地往復運動。並且，該驅動 機構包括具有近端和遠端的兩個聯接組件，近端連接到活塞並且遠端 通過端部樞軸連接到振蕩杆。活塞的線性運動被轉換成振蕩杆的旋轉 運動。該機器還包括容納振蕩杆並且容納聯接組件的第一部分的曲柄 軸箱。並且，曲柄軸通過連杆而被聯接到振蕩杆。振蕩杆的旋轉運動 被傳遞到曲柄軸。該機器還包括位於曲柄軸箱中的潤滑流體泵，用於 泵送潤滑流體以潤滑曲柄軸和振蕩杆以及聯接組件的第一部分。並且， 工作空間容納汽缸、活塞和聯接組件的第二部分。該機器還包括用於 相對於曲柄軸箱密封工作空間的滾動膜片。
本發明的這個方面的一些實施例包括以下的一個或者多個其中 汽缸可以進一步包括閉合端部和開放端部。開放端部進一步包括連接 到汽缸的直線軸承。直線軸承包括用於容納聯接組件的開口。並且， 其中聯接組件進一步包括活塞杆和聯杆。活塞杆和聯杆通過聯接裝置聯接到一起。聯接裝置可以位於直線軸承之下。並且，其中聯接裝置 是柔性接頭。在一些實施例中，還公開了其中該聯接裝置是滾柱軸承。
本發明的這些方面並非旨在是唯一性的，並且當與所附權利要求 和附圖相結合閱讀時，本發明的其它特徵、方面和優點對於本領域普 通技術人員而言將是顯而易見的。.
附圖簡要說明
通過與附圖一起地閱讀以下詳細說明，將會更好地理解本發明的 這些和其它特徵和優點，其中


圖1A-1E描繪現有技術斯特林循環機器的操作原理；
圖2示出根據一個實施例的振蕩杆驅動器的視圖3示出根據一個實施例的振蕩杆驅動器的視圖4示出根據一個實施例的發動機的視圖5A-5D描繪根據一個實施例的振蕩杆驅動器的各種視圖6示出根據一個實施例的軸承型杆連接器；
圖7A-7B示出根據一個實施例的撓性件；
圖8示出根據一個實施例的四缸雙振蕩杆驅動器布置；
圖9示出根據一個實施例的曲柄軸的截面；
圖IOA示出根據一個實施例的發動機的視圖IOB示出根據一個實施例的曲柄軸聯接器；
圖IOC示出根據一個實施例的空心轉子的視圖IOD示出根據一個實施例的曲柄軸的視圖；.
圖10E是根據一個實施例的空心轉子和花鍵軸的截面；
圖10F是根據一個實施例的曲柄軸和花鍵軸的截面；
圖IOG是根據一個實施例的空心轉子、曲柄軸和花鍵軸的各種視
圖11示出根據一個實施例的發動機的活塞的操作；
圖12A示出根據一個實施例的工作空間和汽缸的展開概略視圖12B示出根據一個實施例的汽缸、加熱器頭和回熱器的概略視
9圖12C示出根據一個實施例的汽缸蓋的視圖13A示出根據一個實施例的滾動膜片連同支撐頂部密封活塞和底部密封活塞的視圖13B示出根據一個實施例的振蕩杆驅動發動機的分解視圖13C示出根據一個實施例的汽缸、加熱器頭、回熱器和滾動膜片的視圖13D-13E示出根據一個實施例在操作期間滾動膜片的各種視
圖13F示出根據一個實施例的工作空間和汽缸的展開概略視圖13G示出根據一個實施例的外燃機的視圖14A-I4E示出滾動膜片的各種實施例的視圖15A示出根據一個實施例的金屬波紋管和伴隨活塞杆和活塞的
視圖15B-15D示出根據一個實施例的金屬波紋管膜片的視圖15E-15G示出根據各種實施例的金屬波紋管的視圖15H示出識別各種負載區域的滾動膜片的概圖；，
圖151示出識別迴旋區域的滾動膜片的概圖16示出根據一個實施例的活塞和活塞密封件的視圖17示出根據一個實施例的活塞杆和活塞杆密封件的視圖18A示出根據一個實施例的活塞密封件墊環的視圖18B示出根據一個實施例關於墊環的壓力圖表；
圖18C和18D示出根據一個實施例的活塞密封件；
圖18E和18F示出根據一個實施例的活塞杆密封件；
圖19A示出根據一個實施例的活塞密封件墊環的視圖19B示出根據一個實施例關於活塞密封件墊環的壓力圖表；
圖20示出根據一個實施例的活塞杆密封件墊環的視圖20示出根據一個實施例關於活塞杆密封件墊環的壓力圖表；
圖21示出根據一個實施例的活塞引導環的視圖22示出根據一個實施例的工作空間和汽缸的展開概略示意圖；圖23示出根據一個實施例的發動機的視圖；圖23B示出根據一個實施例的發動機的視圖；圖24示出根據一個實施例的曲柄軸的視圖；圖25A-25C示出根據各種實施例的泵驅動的各種配置；圖26A示出根據一個實施例的油泵的各種視圖；圖26B示出根據一個實施例的發動機的視圖；圖26C示出在圖26B中描繪的發動機的另一視圖；圖27A和27B示出根據一個實施例的發動機的視圖；圖27C示出根據一個實施例的聯接接頭的視圖；圖27D示出根據一個實施例的發動機的曲柄軸和花鍵軸的視圖；.圖28示出根據一個實施例用於發動機的加熱器交換器和燃燒器的視圖29示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖30示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖31示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖32示出根據一個實施例的熱交換器的加熱器管的視圖33示出根據一個實施例的熱交換器的加熱器管的視圖34示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖35示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖36示出根據一個實施例的發動機的加熱器頭的視圖37示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖38示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖39示出根據一個實施例的管式熱交換器的截面的一個部分；
圖40示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖41示出根據一個實施例的管式熱交換器的截面的一個部分；
圖42示出根據一個實施例的發動機的加熱器頭的視圖43A示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖43B示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖44A示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖44B示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖；圖45A示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖；圖45B示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖；圖46A-46D示出根據各種實施例的管式熱交換器的各種配置；圖47示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖；圖48示出根據一個實施例的管式熱交換器的視圖；圖49示出根據一個實施例的發動機的加熱器頭的視圖；圖50示出根據一個實施例的管式熱交徠器的視圖；圖51A和51B示出根據各種實施例的發動機的熱交換器的視圖；圖52A-52C示出根據一個實施例的熱交換器的各種視圖；圖52D示出根據一個實施例的熱交換器的視圖；圖53A和53B示出根據一個實施例的熱交換器的視圖；.圖53C示出根據一個實施例的發動機的熱交換器的視圖；圖53D-53F示出根據一個實施例的發動機的熱交換器的視圖；圖54A和54B示出根據一個實施例的發動機的熱交換器的視圖；圖55A-55D示出根據一個實施例的熱交換器的各種視圖；圖56A-56C示出根據各種實施例的熱交換器的各種配置；圖57A和57B示出描繪根據一個實施例的熱交換器的物理性質的各種圖表；
圖58示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖59示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖60A和60B示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖61A和61B示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖62A和62B示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖62C示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖62D示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖62E示出根據一個實施例的加熱器頭的視圖63A和63B示出根據一個實施例的斯特林循環發動機的回熱
器；
圖64A-64E示出根據各種實施例的斯特林循環發動機的回熱器的各種配置；圖65A-65G示出根據幾個實施例的發動機的各種視圖66A和66B示出根據一些實施例用於發動機的冷卻器的視圖67A示出根據一個實施例用於發動機的冷卻器的視圖67B示出根據一個實施例用於發動機的冷卻器的視圖67C示出用於在圖67A中描繪的發動機的冷卻器的實施例的視
圖68示出根據一個實施例用於發動機的進氣歧管的視圖69A和69B示出根據一個實施例用於發動機的進氣歧管的各種
視圖70示出根據本發明又一個實施例的發動機的加熱器頭的視圖； 圖71A和71B示出根據一個實施例的發動機的燃燒器的視圖； 圖72是根據一個實施例被聯接到斯特林循環發動機的氣態燃料
燃燒器，其中噴射器是文氏管；
圖73A是示出空氣和燃料流動路徑的、圖72的燃燒器；
圖73B是沿著燃燒器的壓力的圖解表示；
圖74示出如在圖72的燃燒器中所示的文氏管的視圖75和75A是圖72中的文氏管的實施例；
圖75B示出帶有多個燃料節流口和閥門的多燃料系統的概圖76示出帶有用於可變燃料性質的自動化燃料控制器的燃燒器
的實施例的概圖77示出帶有溫度傳感器和發動機速度控制環的燃燒器的另一
實施例的概圖78示出帶有溫度傳感器和氧傳感器控制環的燃燒器的又一個 實施例的概圖79示出其中燃料被直接地進給到噴射器中的噴射器的可替代 實施例v
圖80是示出根據一個實施例用於控制發動機的加壓燃燒腔室的 系統的框圖81示出根據一個實施例的活塞泵；
圖82示出適用於驅動圖81的活塞泵的交流電波形；圖83示出根據一個實施例適用於驅動圖81的活塞泵的脈衝寬度 調製直流電波形；
圖84是根據一個實施例的膜片泵的概略圖表；
圖85是根據一個實施例用於膜片泵的中心抽頭線圈的概略圖表；
圖86A和86B示出根據一些實施例適用於驅動圖85的中心抽頭 線圈的脈衝寬度調製直流電波形；
圖87A-87D示出在燃料泵和燃燒腔室之間包括過濾器的實施例；
圖88示出根據一個實施例的發動機的視圖89A-89C示出根據各種實施例用於發動機的燃燒器的視圖90示出根據本發明又一個實施例帶有多個燃燒器的發動機的
視圖91A和91B示出根據各種實施例用於發動機的多個燃燒器的視
圖91C示出根據一個實施例的管式加熱器頭的視圖；並且 圖91D示出在圖91C中描繪的管式加熱器頭的截面。
具體實施方式
.
包括發動機和制冷機的斯特林循環機器在技術上已有很長的歷 史，這在通過引用而在此併入的牛津大學出版社(1980)出版的Walker 所著斯特林發動機(StirlingEngines)中有詳細描述。斯特林循環發動 機的基本原理是斯特林熱力學循環的機械實現在汽缸內的氣體的等 容加熱、氣體的等溫膨脹(在這期間通過驅動活塞執行工作)、等容 冷卻和等溫壓縮。在通過引用而在這裡併入的Hargreaves所著的菲利 普斯特林發動機(Phillips Stirling Engine) (Elsevier, Amsterdam, 1991) 中討論了關於斯特林循環機器方面的另外的背景和對此作出的改進。
易於參考圖1A-IE描述斯特林循環機器的操作原理，其中相同附 圖標記被用於標識相同或者類似的部件。在本技術領域中已知斯特林 循環機器的很多機械設計，並且僅僅為了示意性的目的示出總體利用 附圖標記IO標註的特定的斯特林循環機器。在圖1A到ID中，活塞
1412和位移器14在汽缸16內以階段性往復運動移動，在斯特林循環機 器的一些實施例中，汽缸16可以是單一汽缸，但是在其它實施例中， 可以包括多於一個的汽缸。利用密封件約束汽缸16內包含的工作流體 以防止其在活塞12和位移器14周圍洩露。工作流體是根據它的熱力 學性質而被選擇的，如在下面的說明中所討論的那樣，並且通常是處 於幾個大氣壓力下的氦氣，然而，任何氣體包括任何惰性氣體均可被 使用，包括但是不限於氫氣、氬氣、氖氣、氮氣、空氣及其任何混合 物。分別地相應於在此處熱量被供應到工作流體和被從工作流體提取 的界面，位移器14的位置控制工作流體是與熱界面18還是與冷界面 20接觸。在下面進一步詳細討論熱量供應和提取。由活塞12的位置控 制的工作流體的體積稱作壓縮空間22。
在斯特林循環的第一階段期間，在圖1A中描繪了它的開始狀態， 活塞12壓縮壓縮空間22中的流體。因為熱暈被從流體提取到周邊環 境，所以壓縮在基本恆定的溫度下發生。在圖1B中描繪了斯特林循環 機器10在壓縮之後的狀態。在循環的第二階段期間，位移器14沿著 冷界面20的方向移動，使得工作流體從冷界面20的區域移位到熱界 面18的區域。這個階段可以被稱作轉移階段。在轉移階段結束時，流 體處於更高的壓力下，因為已在恆定體積下將工作流體加熱。利用壓 力計24的讀數而在圖1C中象徵性地描繪了已經增加的壓力。
在斯特林循環機器的第三階段(膨脹衝程)期間，隨著從斯特林 循環機器10外側吸取熱量，壓縮空間22的體積增加，由此將熱量轉 換為功。在實踐中，利用在下面的說明中更加詳細地討論的加熱器頭 (未示出)將熱量提供給流體。在膨脹階段結束時，壓縮空間22充滿 冷的流體，如在圖1D中描繪地。在斯特林循環機器10的第四階段期 間，利用位移器14在相反方向上的運動，流體被從熱界面18的區域 轉移到冷界面20的區域。在這個第二轉移階段結束時，流體填充壓縮 空間22和冷界面20,如在圖1A中描繪地，並且準備重複壓縮階段。 在如圖1E所示的P-V (壓力-體積)圖表中描繪了斯特林循環。另外地，在從熱界面18的區域行進到冷界面20的區域時，在一 些實施例中，流體可以通過回熱器(在圖4中被7為408)。回熱器是 具有大的表面面積與體積比率的材料基質，它用於當流體從熱界面18 的區域進入時從流體吸收熱量並且當流體從冷界面20的區域經過時加 熱流體。
由於在它們的研發中的幾個令人畏懼的難題，總體上尚未在實際 應用中使用斯特林循環機器。這些難題包括例如效率和壽命的實際考 慮。據此，需要具有在活塞上的最小側向負載、增加的效率和壽命的、 更多的斯特林循環機器。
在通過引用而整體併入這裡的、於2002年5月7日授予Kamen 等人的美國專利No.6， 381， 958中進一步詳細討論了斯特林循環機器 或者斯特林發動機的操作原理。
振蕩杆驅動器
現在參考圖2-4，以截面示出根據一個實施例的斯特林循環機器的 實施例。該發動機實施例總體上由附圖標記300標註。雖然將參考圖 2-4所示的斯特林發動機300實施例總體上描述斯特林循環機器，但是 應該理解，很多類型的機器和發動機(包括但是不限於制冷機和壓縮 機)可以類似地受益於在這裡描述的各種實施例和改進，包括但是不 限於外燃機和內燃機。
圖2描繪用於發動機例如斯特林發動機的振蕩杆驅動機構200的 實施例的截面(術語"振蕩杆驅動器"被與術語"振蕩杆驅動機構" 同義地使用)，振蕩杆驅動機構200具有分別地被容納於汽缸206和 208內的線性往復活塞202和204。汽缸包括直線軸承220。振蕩杆驅 動器200將活塞202和204的線性運動轉換成曲柄軸214的旋轉運動。 振蕩杆驅動器200具有振蕩杆216、搖臂樞軸218、第一聯接組件210和第二聯接組件212。活塞202和204分別地經由第一聯接組件210和 第二聯接組件212而被聯接到振蕩杆驅動器200。振蕩杆驅動器經由連 杆222而被聯接到曲柄軸214。
在一些實施例中，振蕩杆和聯接組件的第一部分可以位於曲柄軸 箱中，而汽缸、活塞和聯接組件的第二部分位於工作空間中。
在圖4的曲柄軸箱400中，振蕩杆驅動器200主要位於汽缸外殼 402下面。曲柄軸箱400是允許具有曲柄軸214、振蕩杆216、直線軸 承220、連杆222以及聯接組件210和212的振蕩杆驅動器200操作的 空間。曲柄軸箱400與汽缸206和208相交，橫跨活塞202和204的 軸線所在的平面。如還在圖2中所示，活塞202和204在相應的汽缸 206和208中往復運動。汽缸206和208延伸到曲柄軸箱400上方。曲 柄軸214在汽缸206和208下面被安裝於曲柄軸箱400中。
圖2示出振蕩杆驅動器200的一個實施例。聯接組件210和212 分別從活塞202和204延伸，以將活塞202和204連接到振蕩杆216。 在一些實施例中，用於活塞204的聯接組件212可以包括活塞杆224 和聯杆226。在一些實施例中，用於活塞202的聯接組件210可以包括 活塞杆228和聯杆230。活塞204豎直地在汽缸208中操作並且被聯接 組件212連接到振蕩杆216的端部樞軸232。汽缸208為活塞204的縱 向運動提供引導。被聯結到活塞204的下部的聯接組件212的活塞杆 224在沿著汽缸208的軸線的基本線性的往復路徑中被它的聯杆226軸 向驅動。活塞杆224的遠端和聯杆226的近端在一些實施例中可以經 由聯接裝置234而被共同地鉸接。聯接裝置234可以是在本技術領域 中已知的任何聯接裝置，包括但是不限於柔性接頭、滾柱軸承元件、 鉸鏈、軸頸軸承接頭(在圖6中被示為600)和撓性件(在圖7A和7B 中被示為700)。聯杆226的遠端可以被聯接到在聯杆226的近端下面 豎直地並且垂直地定位的振蕩杆216的一個端部樞軸232。固定直線軸 承220可以沿著聯接組件212定位以進一步保證活塞杆224的基本線性的縱向運動並且因此確保活塞204的基本線性的縱向運動。在一個 示例性實施例中，聯杆226並不穿過直線軸承220。除了別的以外，這 保證了活塞杆224保持基本線性的和縱向的運動。
在示例性實施例中，聯杆可以由鋁製成，並且活塞杆和連杆由D2 工具鋼製成。可替代地，聯杆、活塞杆、連杆和振蕩杆可以由4340鋼 製成。其它材料可以被用于振蕩杆驅動器的部件，包括但是不限於鈦、 鋁、鋼或者鑄鐵。在一些實施例中，所使用材料的疲勞強度高於部件 在操作期間經受的實際負載。
仍然參考圖2-4，活塞202在汽缸206中豎直地操作並且被聯接組 件210連接到振蕩杆216的端部樞軸236。除了別的功能之外，汽缸 206用以為活塞202的縱向運動提供引導。聯接組件210的活塞杆228 被聯結到活塞202的下部並且在沿著汽缸206的軸線的基本線性的往 復路徑中被它的聯杆230軸向驅動。活塞杆228的遠端和聯杆230的 近端在一些實施例中經由聯接裝置238而被共同地鉸接。聯接裝置238 在各種實施例中可以包括但是不限於撓性件(在圖7A和7B中被示為 700)、滾柱軸承元件、鉸鏈、軸頸軸承(在圖6中被示為600)，或 者在本技術領域中己知的聯接裝置。聯杆230的遠端在一些實施例中 可以被聯接到在聯杆230的近端下面豎直地並且垂直地定位的振蕩杆 216的一個端部樞軸236。固定直線軸承220可以沿著聯接組件210定 位以進一步保證活塞杆228的線性縱向運動並且因此確保活塞202的 線性縱向運動。在一個示例性實施例中，聯杆230並不穿過直線軸承 220以保證活塞杆228保持基本線性的和縱向的運動。
聯接組件210和212將相應的活塞202和204的交替縱向運動改 變為振蕩杆216的振蕩運動。通過連杆222將給付的振蕩運動改變為 曲柄軸214的旋轉運動，其中連杆222的一端被以可旋轉方式聯接到 位于振蕩杆216中的端部樞軸232和搖臂樞軸218之間的連接樞軸240， 並且連杆222的另一端被以可旋轉方式聯接到曲柄梢246。搖臂樞軸
18218可以基本上位於在端部樞軸232和236之間的中點處並且作為支點 以振蕩方式支撐振蕩杆216，因此引導相應的活塞杆224和228進行充 分的線性運動。在示例性實施例中，曲柄軸214位于振蕩杆216上方， 但是在其它實施例中，曲柄軸214可以位于振蕩杆216下面(如在圖 5B和5D中所示)或者在一些實施例中，曲柄軸214被定位到振蕩杆 216—側，從而它仍然具有平行于振蕩杆216的軸線。
仍然參考圖2-4，振蕩杆圍繞搖臂樞軸218振蕩，端部樞軸232和 236遵循弧形路徑。因為聯杆226和230的遠端在樞軸232和236處被 連接到振蕩杆216，所以聯杆226和230的遠端也遵循這個弧形路徑， 從而相對於它們的相應的活塞202和204運動的縱向軸線導致角度偏 差242和244。聯接裝置234和238被如此配置，使得活塞杆224和 228發生的、相對於聯杆226和230的任何角度偏差244和242被最小 化。基本上，角度偏差244和242被聯接裝置234和238吸收從而活 塞杆224和228保持基本線性的縱向運動以減小在活塞204和202上 的側向負載。也可以在汽缸208或者206內側或者沿著聯接組件212 或者210安置固定直線軸承220，以進一步吸收任何角度偏差244或者 242，因此保持活塞推桿224或者228以及活塞204或者202沿著活塞 204或者202的縱向軸線進行線性運動。
因此，鑑於活塞202和204的往復運動，有必要保持活塞202和 204的運動儘可能接近線性，因為相對於活塞202和204的往復運動的 縱向軸線的偏差242和244引起噪音、效率降低、對於汽缸壁的摩擦 增加、側向負載增加和低的部件耐久性。汽缸206和208的排列以及 曲柄軸214、活塞杆224和228、聯杆226和230和連杆222的布置因 此除了別的以外可以影響效率和/或裝置的體積。為了如所述那樣增加 活塞運動的線性度，活塞(在圖2-4中被示為202和204)優選地盡可 能靠近相應的汽缸206和208 —側。
在降低聯杆的角度偏差的另一實施例中，聯杆226和230沿著相應的活塞204和202運動的縱向軸線基本線性地往復運動以降低角度 偏差並且因此降低被施加到每一個活塞204和202的側向負載。角度 偏差限定聯杆226或者230相對於活塞204或者202的縱向軸線的偏 差。如在圖2中所示，附圖標記244和242標註聯杆226和230的角 度偏差。因此，基於在振蕩杆216的端部樞軸232和搖臂樞軸218之 間的距離長度，聯接組件212的位置影響聯杆226的角位移。因此， 聯接組件的位置可以是這樣的，即使得聯杆226的角位移被減小。關 於聯杆230,基於在振蕩杆216的端部樞軸236和搖臂樞軸218之間的 距離長度，聯接組件210的長度還可以被確定為並且放置成減小聯杆 230的角位移。因此，如在圖2中所示，聯杆226和230的長度、聯接 組件212和210的長度和振蕩杆216的長度是大大地影響和/或確定聯 杆226和230的角度偏差的重要參數。
該示例性實施例具有直的振蕩杆216，振蕩杆216具有沿著相同 軸線的端點232和236、搖臂樞軸218和連接樞軸240。然而，在其它 實施例中，振蕩杆216可以被彎曲，從而如在圖5C和5D中所示，可 以相互成角度地安置活塞。
現在參考圖2-4和圖7A-7B,在聯接組件的一些實施例中，聯接 組件212和210可以包括柔性聯杆，該柔性聯杆是軸向剛性的，但是 分別地在聯杆226和230與活塞204和202之間的振蕩杆216運動平 面中是柔性的。在該實施例中，聯杆226和230的至少一個部分，即 撓性件(在圖7A和7B中被示為700)是彈性的。撓性件700用作在 活塞杆和聯杆之間的聯接裝置。撓性件700可以更加有效地吸收活塞 的由曲柄引起的側向負載，因此允許它的相應活塞在活塞的汽缸內側 保持線性縱向運動。這個撓性件700允許分別地在聯杆226和230與 活塞204或者202之間的振蕩杆216的平面中的小的旋轉。雖然撓性 件700在該實施例中被描繪成是平坦的，這增加了聯杆226和230的 彈性，但是撓性件700在一些實施例中不是平坦的。還可以靠近活塞 的下部或者靠近聯杆226和230的遠端構造撓性件700。撓性件700在一個實施例中可以由硬化到58-62RC的弁D2工具鋼製成。在一些實施 例中，在聯杆226或者230上可以存在多於一個撓性件(未示出)以 增加聯杆的彈性。
在可替代實施例中，如在圖5C和5D中描繪地，在每一個汽缸外 殼中的活塞的軸線可以沿著不同的方向延伸。在示例性實施例中，如 在圖2-4以及圖5A和5B中描繪地，在每一個汽缸外殼中的活塞的軸 線是基本平行的並且優選地基本豎直的。圖5A-5D包括振蕩杆驅動機 構的各種實施例，該振蕩杆驅動機構包括與關於圖2-4示出並且描述的 附圖標記類似的附圖標記。本領域技術人員可以理解，改變連接樞軸 240沿著振蕩杆216的相對位置將改變活塞的衝程。
據此，連接樞軸240在振蕩杆216中的相對位置以及活塞杆224 和228、聯杆230和226、振蕩杆216的長度，以及搖臂樞軸218的位 置等參數的變化將以各種方式改變聯杆226和230的角度偏差、活塞 204和202的相位以及裝置300的尺寸。因此，在各種實施例中，可以 基於對於這些參數中的一個或者多個的修改選擇寬的活塞相角範圍和 發動機的可變尺寸。在實踐中，示例性實施例的聯杆224和228相對 於活塞204和202的縱向軸線具有在從-0.5度到+0.5度內的基本上側向 的運動。在各種其它實施例中，根據聯杆的長度，可以從接近0度到 0.75度地任意改變該角度。然而，在其它實施例中，角度可以更高， 包括從接近0到大致20度的任意角度。然而，當聯杆長度增加時，曲 柄軸箱/總體發動機高度以及發動機的重量增加。
示例性實施例的一個特徵在於，每一個活塞使得它的聯杆基本上 延伸到所聯結的活塞杆從而它形成為聯接組件。在一個實施例中，如 在圖2中所示，用於活塞204的聯接組件212包括活塞杆224、聯杆 226和聯接裝置234。更加具體地，活塞杆224的一個近端被聯結到活 塞204的下部並且活塞杆224的遠端利用聯接裝置234連接到聯杆226 的近端。聯杆226的遠端豎直地延伸到振蕩杆216的端部樞軸232。如上所述，聯接裝置234可以是但是不限於接頭、鉸鏈、聯接器或者撓 性件或者在本技術領域中已知的其它裝置。在該實施例中，活塞杆224 和聯杆226的比率可以如上所述地確定聯杆226的角度偏差。
在該機器的一個實施例中，發動機例如斯特林發動機在曲柄軸上 採用多於一個的振蕩杆驅動器。現在參考圖8，示出展開的"四缸"振 蕩杆驅動機構800。在該實施例中，振蕩杆驅動機構具有被聯接到兩個 振蕩杆驅動器810和812的四個活塞802、 804、 806和808。在示例性 實施例中，在至少包括在被聯接到一對振蕩杆驅動器810和812的四 邊形布置中定位的四個活塞802、 804、 806和808的斯特林發動機中 使用振蕩杆驅動機構800，其中每一個振蕩杆驅動器被連接到曲柄軸 814。然而，在其它實施例中，斯特林循環發動機包括在l到4之間的 任意數目的活塞，並且在另一些實施例中，斯特林循環發動機包括多 於4個活塞。在一些實施例中，振蕩杆驅動器810和812基本上類似 於在上面關於圖2-4所述的振蕩杆驅動器(在圖2-4中被示為210和 212)。雖然在該實施例中，活塞被示為在汽缸外側，但是在實踐中， 活塞在汽缸內側。
仍然參考圖8，在一些實施例中，振蕩杆驅動機構800具有單一 曲柄軸814和一對振蕩杆驅動器810和812，曲柄軸814具有適用於在 外殼中鉸接的、 一對縱向地隔開的沿著徑向並且相反地朝向的曲柄銷 816和818。每一個振蕩杆820和822被以樞轉方式分別地連接到搖臂 樞軸824和826，以及分別地連接到曲柄梢816和818。在示例性實施 例中，振蕩杆820和822被聯接到振蕩杆軸828。
在一些實施例中，馬達/發電機可以被以工作關係連接到曲柄軸。 在一個實施例中，馬達可以位于振蕩杆驅動器之間。在另一實施例中， 馬達可以位於機外。術語"馬達/發電機"被用於表示或者馬達或者發 電機。圖9示出曲柄軸814的一個實施例。馬達/發電機900例如永磁 ("PM")發電機位於曲柄軸上。馬達/發電機900可以位于振蕩杆驅 動器(未示出，在圖8中示為810和812)之間或者內側，或者可以在 曲柄軸814的端部處位于振蕩杆驅動器810和812的外部或者外側， 如在圖10A中由附圖標記1000描繪地。
當馬達/發電機900位于振蕩杆驅動器(未示出，在圖8中示為810 和812)之間時，馬達/發電機900的長度被限制為在振蕩杆驅動器之 間的距離。馬達/發電機900的直徑平方受到在曲柄軸814和振蕩杆軸 828之間的距離限制。因為馬達/發電機900的容量與它的直徑平方和 長度成比例，所以這些尺寸限制導致具有較短長度和較大直徑平方的、 有限容量的"短軸"馬達/發電機900。使用"短軸"馬達/發電機900 可以減小發動機的總體尺寸，然而，由內側配置施加的尺寸限制導致 馬達/發電機具有有限的容量。
將馬達/發電機900置于振蕩杆驅動器之間將馬達/發電機900暴露 於由振蕩杆驅動器的機械摩擦產生的熱量。馬達/發電機900的內側定 位使得更加難以冷卻馬達/發電機900，由此增加由馬達/發電機900產 生的熱量以及由馬達/發電機900從振蕩杆驅動器吸收的熱量的影響。 這可以導致過熱和馬達/發電機900最終發生故障。
參考圖8和9兩圖，馬達/發電機900的內側定位還可以導致活塞 802、 804、 806和808的非對稱配置，因為活塞802、 804、 806和808 被分別地聯接到振蕩杆驅動器810和812，並且任何距離增加還將導致 在活塞802、 804與活塞806和808之間的距離增加。活塞的非對稱布 置可以導致燃燒器和加熱器頭熱力學操作的低效性，而這則可以導致 總體發動機效率降低。另外地，活塞的非對稱布置可以導致更大的加 熱器頭和燃燒腔室尺寸。
在圖10中示出馬達/發電機布置的示例性實施例。如在圖10A中
23所示，馬達/發電機1000在振蕩杆驅動器1010和1012 (在圖8中被示 為810並且812)的外側並且在曲柄軸1006的端部處定位。外側定位 允許馬達/發電機1000具有比上述"短軸"馬達/發電機(在圖9中被 示為900)更大的長度和直徑平方。如前所述，馬達/發電機1000的容 量與它的長度和直徑平方成比例，並且因為外側馬達/發電機1000可以 具有更大的長度和直徑平方，所以圖10A所示的機外馬達/發電機1000 配置可以允許與發動機相結合地使用更高容量的馬達/發電機。
通過如在圖10A的實施例中所示將馬達/發電機1000置於驅動器 IOIO和1012外側，馬達/發電機IOOO不被暴露於由驅動器IOIO和1012 的機械摩擦產生的熱量。並且，外側定位馬達/發電機IOOO使得更加易' 於冷卻馬達/發電機，由此在每一給定的時間段中允許更多的機械發動 機循環，這又允許更高的總體發動機性能。
並且，當馬達/發電機1000位於外側而不是位於驅動器1010和 1012之間時，振蕩杆驅動器1010和1012可以被更加靠近地放置到一 起，以由此允許被聯接到驅動器1010和1012的活塞被置於對稱布置 中。在一些實施例中，根據所使用的燃燒器類型，特別地在單一燃燒 器實施例的情形中，活塞的對稱布置在燃燒器和加熱器頭熱力學操作 中允許更高的效率，而這又允許更高的總體發動機性能。活塞的對稱 布置還有利地允許更小的加熱器頭和燃燒腔室尺寸。
再次參考圖8和9，曲柄軸814可以具有同心端部902和904，所 述同心端部在一個實施例中是曲柄軸頸，並且在各種其它實施例中， 可以是但是不限於軸承。每一個同心端部902、 904分別地具有可以從 曲柄軸中心軸線偏移的曲柄梢816、 818。至少一個配重906可以被置 於曲柄軸814的任一端部(在圖IOA中被示為1006)處，以平衡曲柄 軸814可能經歷的任何不穩定性。與上述振蕩杆驅動器相組合的這種 曲柄軸配置允許活塞(在圖8中被示為802、 804、 806和808)利用曲 柄軸814的一次旋轉做功。將在下面進一步解釋這個特徵。在其它實施例中，飛輪(未示出)可以被置於曲柄軸814 (在圖10A中被示為1006)上以降低角速率的波動從而實現更加恆定的速度。
仍然參考圖8和9，在一些實施例中，還可以沿著曲柄軸814 (在圖10A中被示為1006)以及振蕩杆驅動器810和812 (在圖10A中被示為IOIO和1012)定位冷卻器(未示出)以冷卻曲柄軸814以及振蕩杆驅動器810和812。在一些實施例中，冷卻器可以被用於冷卻汽缸的冷腔室中的工作氣體並且還可以被配置為冷卻振蕩杆驅動器。在下面詳細地討論了冷卻器的各種實施例。
圖IOA-IOG描繪了各種機器部件的一些實施例。如在該實施例中所示，曲柄軸1006經由馬達/發電機聯接組件而被聯接到馬達/發電機1000。因為馬達/發電機IOOO被安裝到曲柄軸箱1008，利用充注流體加壓曲柄軸箱可以導致曲柄軸箱變形，而這又可以導致在馬達/發電機1000和曲柄軸1006之間的錯位並且引起曲柄軸1006偏轉。因為振蕩杆驅動器1010和1012被聯接到曲柄軸1006，所以曲柄軸1006的偏轉可能導致振蕩杆驅動器1010和1012發生故障。因此，在該機器的一個實施例中，馬達/發電機聯接組件用於將馬達/發電機1000聯接到曲柄軸1006。馬達/發電機聯接組件容許在馬達/發電機1000和曲柄軸1006之間存在對準差異，這可能促使振蕩杆驅動器1010和1012在操作期間發生故障。
仍然參考圖IOA-IOG，在一個實施例中，馬達/發電機聯接組件是包括花鍵軸1004、馬達/發電機1000的空心轉子1002、和曲柄軸1006的花鍵組件。花鍵軸1004將曲柄軸1006的一端聯接到空心轉子1002。空心轉子1002通過機械裝置，例如壓配合、焊接、螺紋等而被聯結到馬達/發電機1000。在一個實施例中，花鍵軸1004在軸的兩端上包括多個花鍵。在其它實施例中，花鍵軸1004包括中間無花鍵部分1014，無花鍵部分1014具有小於花鍵部分1016和1018的外徑或者內徑的直徑。在又一些實施例中，花鍵軸1016的一個端部部分具有比也在其上包括花鍵的第二端部部分1018沿著軸延伸更長距離的花鍵。
在一些實施例中，空心轉子1002包括沿著空心轉子1002的縱向軸線延伸的開口 1020。開口 1020能夠接收花鍵軸1004。在一些實施例中，開-口 1020包括能夠與位於花鍵軸1004的一端上的花鍵接合的多個內花鍵1022。內花鍵1022的外徑1028可以大於花鍵軸1004上的花鍵的外徑1030，從而在內花鍵1022和花鍵軸1004上的花鍵之間的配合是松的(如在圖10E中所示)。內花鍵1022和花鍵軸1004上的花鍵之間的松配合有助於在可能由曲柄軸箱加壓引起的花鍵軸1004偏轉期間保持花鍵軸1004和轉子套筒1002之間的花鍵接合。在其它實施例中，花鍵軸1004的更長的花鍵部分1016可以接合轉子1002的內花鍵1022。
仍然參考圖IOA-IOG，在一些實施例中，曲柄軸1006在其端部上具有開口 1024，開口 1024能夠接收花鍵軸1004的一端。開口 1024優選地包括與花鍵軸1004上的花鍵接合的多個內花鍵1026。內花鍵1026的外徑1032可以大於花鍵軸1004上的花鍵的外徑1034,從而在內花鍵1026和花鍵軸1004上的花鍵之間的配合是松的(如在圖10F中所示)。如在前討論地，內花鍵1026和花鍵軸1004上的花鍵之間的松配合有助於在可能由曲柄軸箱加壓引起的花鍵軸1004偏轉期間保持花鍵軸1004和曲柄軸1006之間的花鍵接合。曲柄軸1006和空心轉子1002上的內花鍵1026和1022與花鍵軸1004上的花鍵之間的松配合可以有助於保持花鍵軸1004的偏轉。這可以允許在曲柄軸1006和空心轉子1002之間的錯位。在一些實施例中，花鍵軸1004的更短的花鍵部分1018可以接合曲柄軸1006的開口 1024，因此防止這些潛在的錯位。
在一些實施例中，空心轉子1002的開口 1020包括沿著開口 1020的長度延伸的多個內花鍵。這種布置有助於在組裝期間將花鍵軸1004適當地插入開口 1020中。這有助於保持花鍵軸1004上的花鍵和空心轉子1002上的內花鍵之間的正確對準。現在參考圖4，示出發動機的一個實施例。這裡，發動機300的活塞202和204分別地在汽缸206和208的熱腔室404和冷腔室406之間操作。回熱器408可以位於這兩個腔室之間。回熱器408可以具有可變密度、可變面積，並且在一些實施例中由金屬絲製成。變化的回熱器密度和面積可以被調節使得工作氣體沿著回熱器408具有基本均勻的流動。在下面以及在於2003年7月17日授予Kamen等人的美國專利No. 6， 591, 609和於2005年3月8日授予Kamen等人的No.6， 862， 883中詳細地討論了回熱器408的各種實施例，所述專利在這裡通過引用而被整體併入。當工作氣體經過熱腔室404時，加熱器頭410可以加熱氣體，以使得氣體膨脹並且朝向冷腔室406推動活塞202和204，在此處氣體壓縮。當氣體在冷腔室406中壓縮時，可以引導活塞202和204返回熱腔室以再次經歷斯特林循環。加熱器頭410可以是針銷頭(如在圖52A到53B中所示)，鰭片頭(如在圖56A到56C中所示)，被摺疊的鰭片頭(如在圖56A到56C中所示)，如在圖4中所示的加熱器管(還在圖29中被示為2904)或者已知的任何其它加熱器頭實施例包括但是不限於在下面描述的那些。在下面並且在於2002年5月7日授予Kamen等人的美國專利No. 6，381，958、於2003年4月8日授予Langenfeld等人的No. 6， 543， 215、於2005年11月22日授予Kamen等人的No. 6， 966， 182和於2007年12月18日授予LaRocque等人的No. 7， 308， 787中詳細地討論了加熱器頭410的各種實施例，所述專利在這裡通過引用而被整體併入。
在一些實施例中，冷卻器412可以位於汽缸206和208旁邊以進一步冷卻行進到冷腔室406的氣體。在以前的部分中並且在於2008年2月5日授予Strimling等人的美國專利No. 7， 325， 399中詳細地討論了冷卻器412的各種實施例，所述專利在這裡通過引用而被整體併入。
在一些實施例中，至少一個活塞密封件414可以位於活塞202和
27204上以相對於冷部分406密封熱部分404。另外地，至少一個活塞引導環416可以位於活塞202和204上以幫助引導活塞在它們的相應汽缸中的運動。在下面，並且在通過引用整體併入這裡的、於2002年6月19日提交、於2003年2月6日公開的(現在已被放棄)美國專利申請系列No. 10/175， 502中詳細描述了活塞密封件414和引導環416的各種實施例。
在一些實施例中，至少一個活塞杆密封件418可以被靠著活塞杆224和228放置以防止工作氣體洩露到曲柄軸箱400中，或者可替代地洩露到氣閘空間420中。活塞杆密封件418可以是一種彈性體密封件，或者彈簧加載密封件。在下面詳細地討論了活塞杆密封件418的各種
實施例。
在一些實施例中，例如在下面更加詳細描述的滾動膜片和/或波紋管實施例中，氣鬧空間可以被消除。在那些情形中，活塞杆密封件224和228從曲柄軸箱密封工作空間。
在一些實施例中，至少一個滾動膜片/波紋管422可以沿著活塞杆224和228定位以防止氣閘氣體洩露到曲柄軸箱400中。在下面更加詳細討論了滾動膜片422的各種實施例。
雖然圖4示出描繪僅僅兩個活塞和一個振蕩杆驅動器的發動機300的截面，但是應該理解，在這裡描述的操作原理可以應用於如在圖8中總體上利用附圖標記800標註的四缸、雙振蕩杆驅動發動機。
活塞操作
現在參考圖8和11,圖11示出活塞802、 804、 806和808在曲柄軸814的一次旋轉期間的操作。隨著曲柄軸814旋轉％轉，活塞802位於它的汽缸頂部處或者被稱作上死點，活塞806在向上的中間衝程中，活塞804在它的汽缸底部處或者被稱作下死點，並且活塞808在向下的中間衝程中。隨著曲抦軸814旋轉K轉，活塞802在向下的中間 衝程中，活塞806在上死點處，活塞804在向上的中間衝程中，並且 活塞808在下死點處。隨著曲柄軸814旋轉％轉，活塞802在下死點處， 活塞806在向下的中間衝程中，活塞804在上死點處，並且活塞808 在向上的中間衝程中。最終，隨著曲柄軸814旋轉一整轉，活塞802 在向上的中間衝程中，活塞806在下死點處，活塞804在向下的中間 衝程中，並且活塞808在上死點處。在每旋轉'/4t期間，在活塞802和 806之間存在90度的相位差，在活塞802和804之間存在180度的相 位差，並且在活塞802和808之間存在270度的相位差。圖12A示意 活塞與前一和後一活塞具有大致90度異相的關係。另外地，圖11示 出轉移功的示例性實施例機器裝置。因此，功被從活塞802轉移到活 塞806到活塞804到活塞808，從而隨著曲柄軸814旋轉一整轉，所有 的活塞通過從它們的相應汽缸的頂部移動到底部而做功。
現在參考圖U，與圖12A-12C—起地，示意在示例性實施例中的 活塞之間的卯度相位差。現在參考圖12A,雖然示出汽缸處於線性路 徑中，但這僅僅是用於示意性的目的。在四缸斯特林循環機器的示例 性實施例中，在汽缸工作空間內包含的工作氣體的流動路徑遵循數字 八的圖形。因此，汽缸1200、 1202、 1204和1206的工作空間例如從 汽缸1200到汽缸1202到汽缸1204到汽缸1206而被以數字八的圖形 連接，流體流型遵循數字八。仍然參考圖12A，示意出沿著線B-B(圖 12C所示)截取的汽缸1200、 1202、 1204和1206的展開視圖。如上所 述在活塞之間的90度相位差允許汽缸1204的熱部分1212中的工作氣 體被給付到汽缸1206的冷部分1222。因為活塞802和808是90度異 相的，所以在汽缸1206的熱部分1214中的工作氣體被給付到汽缸1200 的冷部分1216。因為活塞802和活塞806也是90度異相的，所以在汽 缸1200的熱部分1208中的工作氣體被給付到汽缸1202的冷部分1218。 並且因為活塞804和活塞806也是90度異相的，所以在汽缸1202的 熱部分1210中的工作氣體被給付到汽缸1204的冷部分1220。 一旦第 一汽缸的熱部分的工作氣體進入第二汽缸的冷部分，工作氣體便開始壓縮，並且第二汽缸內的活塞處於它的下衝程中，此後迫使已被壓縮
的工作氣體通過回熱器1224和加熱器頭1226 (圖12B所示)返回，並 且返回到第一汽缸的熱部分中。 一旦進入第一汽缸的熱部分內側，氣 體便膨脹並且向下驅動該汽缸內的活塞，因此使得在該第一汽缸的冷 部分內的工作氣體通過前一回熱器和加熱器頭而被驅動，並且進入汽 缸中。工作氣體在汽缸1200、 1202、 1204和1206之間的這個循環輪 回特徵是可能的，因為活塞802、 804、 806和808被以如此方式經由 驅動器810和812而被連接到公共曲柄軸814 (圖11所示)，使得每 一個活塞的循環運動在前一活塞的運動前面大致90度，如在圖12A 中描繪地。
滾動膜片、金屬波紋管、氣閘和壓力調節器
在斯特林循環機器的一些實施例中，使用潤滑流體。為了防止潤 滑流體洩露到曲柄軸箱中，使用密封件。
現在參考圖13A-15,斯特林循環機器的一些實施例包括流體潤滑 的振蕩杆驅動器，該振蕩杆驅動器利用沿著活塞杆1302定位的滾動膜 片1300以防止潤滑流體洩露到曲柄軸箱(未示出，但是被容納於曲柄 軸箱中的部件被表示成1304)中，並且防止潤滑流體進入發動機的可 以被潤滑流體損壞的區域。將潤滑流體包含起來是有益的，因為如果 潤滑流體進入工作空間(未示出，但是被容納於工作空間中的部件被 表示成1306)，則它將會汙染工作流體，與回熱器1308形成接觸，並 且可以堵塞回熱器1308。滾動膜片1300可以由彈性體材料製成，例如 橡膠或者利用紡織織物或者非紡織織物增強以提供剛度的橡膠。滾動 膜片1300可以可替代地由其它材料製成，例如氟矽氧垸或者帶有紡織 織物或者非紡織織物的腈。滾動膜片1300還可以由碳納米管或者短纖 維織物製成，短纖維織物是帶有例如在彈性體中分散的聚酯纖維或者 KEVLAR⑧的非紡織織物。在一些實施例中，滾動膜片1300由頂部密 封活塞1328和底部密封活塞1310支撐。在其它實施例中，如在圖13A 中所示的滾動膜片1300經由頂部密封活塞1328中的凹口支撐。在一些實施例中，沿著滾動膜片1300設置壓力差從而在密封件 1300上方的壓力不同於曲柄軸箱1304中的壓力。這個壓力差對密封件 1300充氣並且允許密封件1300用作動態密封件，因為壓力差保證了滾 動膜片在全部操作中保持它的形態。圖13A和圖13C-13H示意壓力差 如何影響滾動膜片。壓力差導致滾動膜片1300在隨著活塞杆1302移 動時符合於底部密封活塞1310的形狀，並且防止在操作期間密封件 1300從活塞1310的表面分離。這種分離可以引起密封失效。壓力差導 致滾動膜片1300在隨著活塞杆1302移動時保持與底部密封活塞1310 恆定接觸。因為密封件1300的一側將總是具有在其上施加的壓力由此 對密封件1300充氣以符合於底部密封活塞1310的表面，所以發生這 種情形。在一些實施例中，頂部密封活塞1328在滾動膜片1300的與 底部密封活塞1310接觸的角部"之上滾動"，從而進一步保持密封件 1300與底部密封活塞1310接觸。在示例性實施例中，壓力差在10到 15PSI的範圍中。在壓力差中的較小壓力優選地在曲柄軸箱1304中， 從而滾動膜片1300可以擴展到曲柄軸箱1304中。然而，在其它實施 例中，壓力差可以具有更大或者更小的數值範圍。
可以通過各種方法產生壓力差，包括但是不限於使用以下方法 加壓潤滑系統、氣動泵、傳感器、電泵、通過振蕩振蕩杆以在曲柄軸 箱1304中形成壓升、通過在滾動膜片1300上產生靜電荷或者其它類 似的方法。在一些實施例中，通過將曲柄軸箱1304加壓至低於工作空 間1306的平均壓力的壓力而產生壓力差。在一些實施例中，曲柄軸箱 1304被加壓至低於工作空間1306的平均壓力10到15PSI的範圍中的 壓力，然而，在各種其它實施例中，壓力差可以更小或者更高。在下 面包括關於滾動膜片的進一步的細節。
然而，現在參考圖13C、 13G和13H，示出斯特林機器的另一實 施例，其中氣閘空間1312位於工作空間1306和曲柄軸箱1304之間。 氣閘空間1312保持必要的恆定體積和壓力以形成如上所述對於滾動膜
31片1300的功能而言必要的壓力差。在一個實施例中，氣閘1312相對 於工作空間1306未被完全地密封起來，所以氣閘1312的壓力等於工 作空間1306的平均壓力。因此，在一些實施例中，在工作空間和曲柄 軸箱之間缺乏有效的密封導致了對氣閘空間的需求。因此，在一些實 施例中，可以利用更加有效率的和有效的密封消除氣閘空間。
在操作期間，工作空間1306平均壓力可以改變從而引起氣閘1312 平均壓力也發生改變。壓力可能趨向於改變的一個原因在於，在操作 期間，工作空間可能變得更熱，而這繼而可以增加工作空間中的壓力， 並且因此也增加氣閘中的壓力，因為氣閘和工作空間是流體連通的。 在這種情形中，在氣閘1312和曲柄軸箱1304之間的壓力差也將改變， 由此在滾動膜片1300中引起不必要的應力，該應力可能導緻密封失效。 因此，在該機器的一些實施例中，在氣閘1312內的平均壓力被調節從 而在氣閘1312和曲柄軸箱1304之間保持恆定的所期壓力差，並且確 保滾動膜片1300仍被充氣並且保持它們的形態。在一些實施例中，壓 力傳感器被用於監控並且管理在氣閘和曲柄軸箱之間的壓力差，並且 據此調節壓力從而在氣閘和曲柄軸箱之間保持恆定的壓力差。在下面， 並且在通過引用而在這裡被以其整體併入的、於2007年12月25日授 予Gurski等人的美國專利No.7， 310， 945中進一步詳細地描述了可 以使用的壓力調節器的各種實施例。
可以通過經由泵或者排洩閥添加或者從氣閘1312移除工作流體 而實現在氣閘1312和曲柄軸箱1304之間的恆定壓力差。可替代地， 可以通過經由泵或者排洩閥添加或者從曲柄軸箱1304移除工作流體而 實現在氣閘1312和曲柄軸箱1304之間的恆定壓力差。泵和排洩閥可 以被壓力調節器控制。工作流體可以被從單獨的流體源例如工作流體 容器添加到氣閘1312 (或者曲柄軸箱1304)，或者可以被從曲柄軸箱 1304轉移。如果工作流體被從曲柄軸箱1304轉移到氣閘1312，則可 能期望在將其送入氣鬧1312中之前過濾工作流體從而防止任何潤滑劑 從曲柄軸箱1304流入氣閘1312中，並且最終流入工作空間1306中，因為這可能導致發動機故障。
在該機器的一些實施例中，可以利用具有與工作流體不同的熱性
質的流體充注曲柄軸箱1304。例如，當工作氣體是氦氣或者氫氣時， 可以利用氬氣充注曲柄軸箱。因此，曲柄軸箱被加壓。在一些實施例 中，使用氦氣，但是在其它實施例中，如在這裡描述地，可以使用任 何惰性氣體。因此，在示例性實施例中，曲柄軸箱是一種溼潤加壓曲 柄軸箱。在其中沒有使用潤滑流體的其它實施例中，曲柄軸箱不是溼 潤的。
在示例性實施例中，滾動膜片1300並不允許氣體或者液體穿過它 們，這允許工作空間1306保持乾燥並且利用利用潤滑流體對曲柄軸箱 1304進行溼槽潤滑。允許溼槽潤滑曲柄軸箱1304增加了發動機的效率 和壽命，因為在振蕩杆驅動器1316中的摩擦更小。在一些實施例中， 還可以通過使用潤滑流體和滾動膜片1300而消除滾柱軸承或者球軸承 在驅動器1316中的使用。這可以進一步減小發動機噪音並且增加發動 機壽命和效率。
圖14A-14E示出被配置成在頂部密封活塞和底部密封活塞(在圖 13A和13H中被示為1328和1310)之間以及在頂部安裝表面和底部安 裝表面(在圖13A中被示為1320和1318)之間安裝的滾動膜片(被 示為1400、 1410、 1412、 1422和1424)的各種實施例的截面。在一些 實施例中，頂部安裝表面可以是氣閘或者工作空間的表面，並且底部 安裝表面可以是曲柄軸箱的表面。
圖14A示出滾動膜片1400的一個實施例，其中滾動膜片1400包 括可以位於頂部密封活塞和底部密封活塞之間從而在頂部密封活塞和 底部密封活塞之間形成密封的平坦內端1402。滾動膜片1400還包括可 以位於頂部安裝表面和底部安裝表面之間從而在頂部安裝表面和底部 安裝表面之間形成密封的平坦外端1404。圖14B示出滾動膜片的另一實施例，其中滾動膜片1410可以包括一直達到平坦內端1406以在頂 部密封活塞和底部密封活塞之間提供另外的支撐和密封接觸的多個彎 曲部1408。圖14C示出滾動膜片的另一實施例，其中滾動膜片1412 包括一直達到平坦外端1414以在頂部安裝表面和底部安裝表面之間提 供另外的支撐和密封接觸的多個彎曲部1416。
圖14D示出滾動膜片的另一實施例，其中滾動膜片1422包括沿其 內端1420,從而在頂部密封活塞和底部密封活塞之間形成"o形環" 式密封的邊條，和沿其外端1418從而在底部安裝表面和頂部安裝表面 之間形成"o形環"式密封的邊條。圖14E示出滾動膜片的另一實施例， 其中滾動膜片1424包括一直達到帶邊條內端1426以在頂部密封活塞 和底部密封活塞之間提供另外的支撐和密封接觸的多個彎曲部1428。 滾動膜片1424還可以包括一直達到帶邊條外端1432以在頂部密封活 塞和底部密封活塞之間提供另外的支撐和密封接觸的多個彎曲部 1430。
雖然圖14A到14E描繪了滾動膜片的各種實施例，但是應該理解， 可以利用在本技術領域中已知的任何其它機械裝置將滾動膜片保持到 位。
現在參考圖15,截面示出滾動膜片實施例的一個實施例。金屬波 紋管1500沿著活塞杆1502定位以相對於工作空間或者氣閘(在圖13G 中被示為1306和1312)將曲柄軸箱(在圖13G中被示為1304)密封 起來。金屬波紋管1500可以被聯結到頂部密封活塞1504和固定安裝 表面1506。可替代地，金屬波紋管1500可以被聯結到底部密封活塞(未 示出)和頂部固定安裝表面。在一個實施例中，底部固定安裝表面可 以是曲柄軸箱表面或者內部氣閘或者工作空間表面，並且頂部固定安 裝表面可以是內部曲柄軸箱表面，或者外部氣閘或者工作空間表面。 可以通過熔焊、銅焊或者在本技術領域中已知的任何機械方法聯結金 屬波紋管1500。圖15B-15G描繪金屬波紋管的各種實施例的透視截面視圖，其中 金屬波紋管是已被焊接的金屬波紋管1508。在金屬波紋管的一些實施 例中，金屬波紋管優選地是微焊金屬波紋管。在一些實施例中，如在 圖15C和15D中所示，焊接金屬波紋管1508包括在內端1512或者外 端1514處被焊接到彼此上的多個膜片1510。在一些實施例中，膜片 1510可以是新月形1516、平坦形1518、波紋形1520的，或者在本技 術領域中已知的任何其它形狀。
另外地，可以可替代地利用例如模壓成形、液壓成形、爆炸液壓 成形、水壓模製或者在本技術領域中已知的任何其它方法而以機械方 式形成金屬波紋管。
金屬波紋管可以由任何類型的金屬製成，包括但是不限於鋼、不 鏽鋼、不鏽鋼374、 AM-350不鏽鋼、Inconel、 Hastelloy、 Haynes、鈦
或者任何其它高強度、耐腐蝕材料。
在一個實施例中，所使用的金屬波紋管是可從SeniorAerospace Metal Bellows Division, Sharon, MA或者American BOA， Inc. Cumming，
GA獲得的金屬波紋管。
滾動膜片和/或波紋管實施例
在上面描述了用來密封的滾動膜片和/或波紋管的各種實施例。基 於以上說明和另外的涉及滾動膜片和/或波紋管的參數的以下說明，本 領域技術人員將會清楚另外的實施例。
在一些實施例中，在氣閘空間或者氣閘區域(這兩個術語被以可 互換的方式使用)中在滾動膜片或者波紋管頂上的壓力是用於機器的 平均工作氣體壓力，該機器在一些實施例中是發動機，而在曲柄軸箱 區域中在滾動膜片和/或波紋管下面的壓力是環境/大氣壓力。在這些實施例中，滾動膜片和/或波紋管需要利用在其上達3000psi的壓力操作 (並且在一些實施例中，高達1500psi或者更高)。在此情形中，滾動 膜片和/或波紋管密封件為機器(在示例性實施例中為發動機)形成工 作氣體(氦氣、氫氣或者其它氣體)包容屏障。並且，在這些實施例 中，消除了對於用以包含發動機底端的沉重的額定壓力結構容器的需 求，因為現在如傳統的內燃("IC")機那樣僅需在環境壓力下包含 潤滑流體(在示例性實施例中，油被用作潤滑流體)和空氣。
在滾動膜片和/或波紋管密封件上的這種極端壓力下使用滾動膜 片和/或波紋管密封件的能力依賴於幾個參數的相互作用。現在參考圖 15H，示出關於在滾動膜片或者波紋管材料上的實際負載的示意。如所 示那樣，負載是壓力差和用於所安裝的滾動膜片或者波紋管密封件的 環形間隙面積的函數。
區域1代表滾動膜片和/或波紋管的與由活塞和汽缸形成的壁接觸 的部分。由於沿著滾動膜片和/或波紋管的壓力差，負載基本是沿著軸 向方向的拉伸負載。由於沿著滾動膜片和/或波紋管的壓力而產生的這 個拉伸負載能夠被表達為-
Lt = Pd *Aa
其中
"=拉伸負載並且 Pf壓力差
Af環形面積
並且
Aa = p/4* (D2-d2)
其中
D-汽缸內徑和 d-活塞直徑在波紋管材料中的應力的拉伸分量能夠被近似為
St = Lt/ (p* (D+d) *tb)
這被簡化成
St-Pd/4* (D-d) /tb
稍後，我們將示出迴旋半徑Rc與汽缸內徑(D)和活塞直徑(d)
的關係，該關係被定義為
Rc= (D-d) /4
所以，關於St的這個公式被簡化成它的最終形式
St - Pd * Rc / tb 其中tf波紋管材料的厚度
仍然參考圖15H，區域2代表迴旋。當滾動膜片和/或波紋管材料 在迴旋中拐彎時，可以計算在滾動膜片和/或波紋管材料上施加的環向 應力。關于波紋管的形成迴旋的部分，應力的環向分量能夠被接近地 近似為
Sh = Pd * Rc / tb
滾動膜片和/或波紋管在其內滾動的環形間隙通常被稱作迴旋區 域。滾動膜片和/或波紋管疲勞壽命通常受到來自由於壓力差引起的拉 伸(和環向)負載，以及由於當織物滾動通過迴旋區域時的彎曲而引 起的疲勞這兩者的組合應力的限制。織物在這個"滾動"期間採取的 半徑在這裡被定義成迴旋半徑，Rc。
Rc- (D漏d) /4
當它滾動通過迴旋半徑Rc時在滾動膜片和/或波紋管材料中的彎 曲應力Sb是該半徑以及發生彎曲的材料厚度的函數。關於纖維增強材 料，當纖維直徑降低時，在纖維自身(在示例性實施例中在規定偏轉期間)中的應力降低。對於相同的彎曲水平，較小的合成應力允許增 加的疲勞壽命極限。當纖維直徑被進一步降低時，實現了用於降低回
旋半徑Rc的撓性，同時保持在纖維中的彎曲應力低於它的耐受極限。 同時，當Rc降低時，在織物上的拉伸負載降低，因為在活塞和汽缸之 間的環面中的未受支撐的區域更少。纖維直徑越小，則最小Rc越小， 環形面積越小，這導致容許壓力差更高。
關於圍繞規定半徑的彎曲，彎曲力矩被近似為:
M = E "/R
其中
M-彎曲力矩 E -彈性模量 1=慣性矩 R-彎曲半徑
標準彎曲應力Sb被計算為
Sb - M * Y 〃
其中
Y-在彎曲中性軸線上的距離
代入給出
Sb= (E"/R) *Y/I Sb - E * Y / R
假設彎曲是在中央中性軸線上方的:
Y隨=tb / 2 Sb-E*tb/ (2*R)
在一些實施例中，用於高的循環壽命的滾動膜片和/或波紋管設計 是基於這樣的幾何形狀的，其中所施加的彎曲應力被保持小於基於壓力的加載(環向和軸向應力)大約一個量級。基於等式Sb = E*tb/ (2
*R)，明顯的是，與Rc成正比的最小化tb不應該增加彎曲應力。用於滾動膜片和/或波紋管材料或者隔膜的示例性實施例的最小厚度在彈性體的增強物中使用的最小纖維直徑直接相關。所用纖維越小，則關於給定應力水平，所產生的Rc越小。
在滾動膜片和/或波紋管上的負載的另一限制分量是在迴旋中的環向應力(在理論上具有與當被活塞或者汽缸支撐時的軸向負載相同的幅度)。用於該負載的控制方程如下-
Sh = Pd * Rc / tb
因此，如果與tb成正比地降低Rc ，則在這個區域中在隔膜上的應力不會增加。然而，如果以將Rc降低為比tb更高的比率的方式減小這個比率，則參數應該被平衡。因此，相對於Rc降低tb要求滾動膜片和/或波紋管承受由於壓力引起的更重應力，但是傾向於降低由於彎曲而產生的應力水平。基於壓力的負載是基本恆定的，所以這可能是有利的，因為彎曲負載是循環性的，因此最終限制疲勞壽命的正是彎曲負載分量。
關於降低彎曲應力，tb理想地應該是最小的，並且Rc理想地應該是最大的。E理想地也是最小的。關於降低環向應力，Rc理想地是小的，並且tb理想地是大的。
因此，用於滾動膜片和/或波紋管隔膜材料的關鍵參數是
E，隔膜材料的彈性模量；
tb，隔膜厚度(和/或纖維直徑)；
Sllt，滾動膜片和/或波紋管的極限抗拉強度；和
Slcf，滾動膜片和/或波紋管的極限疲勞強度。
因此，根據E、 tb和Sut，可以計算最小的可接受Rc。接著，使用Rc， Slcf和tb，可以計算最大Pd 。 Rc可以被調節以變換在穩態壓應力和循環彎曲應力之間的負載(應力)分量偏壓。因此，理想的滾動膜片和/或波紋管材料是極薄的，在張緊時是極其結實的，並且在彎曲時是非常柔軟的。
因此，在一些實施例中，滾動膜片和/或波紋管材料(有時被稱作"隔膜")是由碳纖維納米管制成的。然而，還可以使用另外的小纖維材料，包括但是不限於已被編織的納米管纖維、納米管無捻紗纖維，或者任何其它傳統材料，包括但是不限於KEVLAR、玻璃、聚酯、合
成纖維和具有令人期望的直徑和/或以上詳細描述的其它所期參數的任何其它材料或者纖維。
活塞密封件和活塞杆密封件
現在參考圖13G，示出該機器的一個實施例，其中發動機1326例如斯特林循環發動機包括至少一個活塞杆密封件1314、活塞密封件1324和活塞引導環1322 (在圖16中被示為1616)。在下面，並且在如前所述通過引用而被併入的美國專利申請系列No. 10/175， 502 (現在已被放棄)中進一步討論了活塞密封件1324和活塞引導環1322的各種實施例。
圖16示出被沿著汽缸的中心軸線1602或者汽缸1604驅動的活塞1600的局部截面。活塞密封件(在圖13G中被示為1324)可以包括針對汽缸1604的接觸表面1608提供密封的密封環1606。接觸表面1608通常是具有12RMS或者更加光滑的表面光潔度的硬化金屬(優選地58-62 RC)。接觸表面1608可以是已被表面硬化的金屬例如8260硬化鋼，該硬化鋼可以被容易地表面硬化並且可以被研磨和/或細磨以實現所期光潔度。活塞密封件還可以包括墊環1610，墊環1610受到彈力以朝著密封環1606提供推力，由此提供充分的接觸壓力來保證圍繞密封環1606的全部向外表面的密封。密封環1606和墊環1610可以被一起地稱作活塞密封組合環。在一些實施例中，該至少一個活塞密封件可
40以相對於汽缸1604的冷部分將汽缸1604的熱部分密封起來。
現在參考圖17， 一些實施例包括被安裝於活塞杆汽缸壁1700中 的活塞杆密封件(在圖13G中被示為1314)，活塞杆汽缸壁1700在 一些實施例中可以包括密封環1706，密封環1706朝著活塞杆1704 (在 圖13G中被示為1302)的接觸表面1708提供密封。接觸表面1708在 一些實施例中是具有12RMS或者更加光滑的表面光潔度的硬化金屬 (優選地58-62RC)。接觸表面1708可以是已被表面硬化的金屬例如 8260硬化鋼，該硬化鋼可以被容易地表面硬化並且可以被研磨和/或細 磨以實現所期光潔度。活塞密封件還可以包括墊環1710，墊環1710受 到彈力以朝著密封環1706提供徑向或者環向作用力，由此提供充分的 接觸環向應力來保證圍繞密封環1706的全部向內表面的密封。密封環 1706和墊環1710可以被一起地稱作活塞杆密封組合環。
在一些實施例中，密封環和墊環可以位於活塞杆上，並且墊環在 密封環上施加向外壓力，並且密封環可以與活塞杆汽缸壁1702形成接 觸。這些實施例要求比先前實施例更大的活塞杆汽缸長度。這是因為 在活塞杆汽缸壁1702上的接觸表面將比在其中接觸表面1708位於活 塞杆自身上的先前實施例中更長。在又一個實施例中，活塞杆密封件 可以是在本技術領域中已知的任何功能密封件，包括但是不限於o形 環、石墨間隙密封件、在玻璃缸中的石墨活塞或者任何空氣罐，或者 彈簧增強唇形密封件。在一些實施例中，可以使用具有密合間隙的任 何裝置，在其它實施例中，使用具有幹涉的任何裝置例如密封件。在 示例性實施例中，使用彈簧增強唇形密封件。可以使用任何彈簧增強 唇形密封件，包括由BAL SEAL Engineering, Inc. Foothill Ranch, CA 製造的那些。在一些實施例中，所使用的密封件是BAL SEAL Part Number X558604。
通過考慮在密封環1606和1706分別相對於接觸表面1608和1708 的摩擦係數，及其在密封環1606和1706上產生的磨損之間的平衡而選擇密封環1606和1706的材料。在活塞潤滑是不可能的應用中，例 如在高的斯特林循環發動機操作溫度下，使用工程塑料環的用途。組 分實施例包括填充有潤滑和耐磨材料的尼龍基質。這種潤滑材料的實 例包括PTFE/矽樹脂、PTFE、石墨等。耐磨材料的實例包括玻璃纖維 和碳纖維。這種工程塑料的實例是由LNP Engineering Plastics, Inc. of Exton，PA製造的。墊環1610和1710優選地是金屬。
在一些實施例中，分別在密封環1606和1706與密封環凹槽1612 和1712之間的配合優選地是間隙配合(大約0.002")，而墊環1610 和1710的配合優選地是在大約0.005"的量級上的較松的配合。根據沿 著環1606和1706的壓力差的方向和活塞1600或者活塞杆1704的行 進方向，密封環1606和1706分別地朝著接觸表面1608和1708並且 還分別地朝著密封環凹槽1612和1712的表面1614和1714之一提供 壓力密封。
圖18A和18B示出，如果墊環1820是基本圓對稱的，但是由於 間隙1800，它將在壓縮時呈現卵形形狀，如由虛線墊環1802示出地。 結果可以是在密封環(未示出，在圖16和17中被示為1606和1706) 上施加的非均勻的徑向或者環向作用力(由箭頭1804描繪)，並且因 此密封環分別地朝著接觸表面(未示出，在圖16和17中被示為1608 和1708)的非均勻的壓力，從而引起密封環非均勻的磨損並且在一些 情形中，引起密封失效。
根據一個實施例，由活塞密封件墊環1820施加非均勻徑向或者環 向作用力問題的一種方案，是具有隨著從間隙1800的周向位移而變化 的截面的墊環1822，如在圖18C和18D中所示。從由附圖標記1806 表示的位置到由附圖標記1808表示的位置示出墊環1822的寬度漸縮， 還在圖18C和18D中示出提供密封環1606周向閉合的搭接接頭1810。 因為一些密封件將在它們的壽命期間被顯著地磨損，所以墊環1822應 該提供運動範圍的均勻壓力(在圖19B中由附圖標記1904描繪)。圖18C和18D所示的漸縮墊環1822可以提供這個優點。
圖19A和19B示意根據一些實施例關於活塞密封環朝著活塞汽缸 的非均勻徑向或者環向作用力的問題的另一方案。如在圖19A中所示， 墊環1910具有卵形形狀的形式，從而當在汽缸內壓縮時，該環呈現由 虛線墊環1902示出的圓形形狀。如在圖19B中所示，可以因此利用墊 環1902的均勻的徑向作用力1904提供在密封環和汽缸接觸表面之間 的恆定接觸壓力。
根據一些實施例，關於由活塞杆密封墊環施加非均勻徑向或者環 向作用力問題的一種方案是具有隨著從間隙1812的周向位移而變化的 截面的墊環1824，如在圖18E和18F中所示。從由附圖標記1814表示 的位置到由附圖標記1816表示的位置示出墊環1824的寬度漸縮，還 在圖18E和18F中示出提供密封環1706周向閉合的搭接接頭1818。因 為一些密封件將在它們的壽命期間被顯著地磨損，所以墊環1824應該 提供運動範圍的均勻壓力(在圖20B中由附圖標記2004描繪)。圖18E 和18F所示的漸縮墊環1824可以提供這個優點。
圖20A和20B示意根據一些實施例關於活塞杆密封環朝著活塞杆 接觸表面的非均勻徑向或者環向作用力的問題的另一方案。如在圖20A 中所示，墊環(由虛線墊環2000所示)具有卵形形狀的形式，從而當 在汽缸內膨脹時，該環呈現由墊環2002示出的圓形形狀。如在圖20B 中所示，因此可以利用墊環2002的均勻徑向推力2004提供在密封環 1706和汽缸接觸表面之間的恆定接觸壓力。
再次參考圖16，根據一些實施例，還可以提供至少一個引導環 1616，用於承受當活塞1600沿著汽缸1604上下移動時在活塞1600上 的任何側向負載。也優選地由填充有潤滑材料的工程塑料材料製造引 導環1616。在圖21中示出引導環1616的透視圖。示出交迭接頭2100， 並且交迭接頭2100可以相對於引導環1616的中心軸線傾斜。潤滑流體泵和潤滑流體通路
現在參考圖22，示出具有振蕩杆驅動器2202和潤滑流體2204的、 用於該機器的發動機2200的一個實施例的代表性示意圖。在一些實施 例中，潤滑流體是油。潤滑流體被用於潤滑曲柄軸箱2206中的發動機 部件，例如流體動壓力進給潤滑軸承。潤滑發動機2200的移動部件用 於進一步減輕在發動機部件之間的摩擦並且進一步增加發動機效率和 發動機壽命。在一些實施例中，潤滑流體可以被置於發動機的也被稱 作油池的底部處，並且分布在整個曲柄軸箱中。潤滑流體可以通過潤 滑流體泵而被分布到發動機2200的不同部件，其中潤滑流體泵可以經 由過濾入口從油池收集潤滑流體。在示例性實施例中，潤滑流體是油 並且因此潤滑流體泵在這裡被稱作油泵。然而，術語"油泵"僅被用 於描述該示例性實施例和其中油被用作潤滑流體的其它實施例，並且 該術語不應該被理解成限制潤滑流體或者潤滑流體泵。
現在參考圖23A和23B，示出發動機的一個實施例，其中潤滑流 體通過機械油泵2208而被分布到發動機2200的位十曲枘軸箱2206中 的不同部件。油泵2208可以包括驅動齒輪2210和惰輪2212。在一些 實施例中，機械油泵2208可以被泵驅動組件驅動。泵驅動組件可以包 括被聯接到驅動齒輪2210的驅動軸2214，其中驅動軸2214在其上包 括中間齒輪2216。中間齒輪2216優選地被曲柄軸齒輪2220驅動，其 中曲柄軸齒輪2220被聯接到發動機2200的初級曲柄軸2218，如在圖 24中所示。在這種配置中，曲柄軸2218經由曲柄軸齒輪2220間接地 驅動機械油泵2208，曲柄軸齒輪2220驅動驅動軸2214上的中間齒輪 2216,中間齒輪2216則繼而驅動油泵2208的驅動齒輪2210。
在一些實施例中曲柄軸齒輪2220可以位於曲柄軸2218的曲柄梢 2222和2224之間，如在圖24中所示。在其它實施例中，曲柄軸齒輪 2220可以被置於曲柄軸2218的端部處，如在圖25A-25C中所示。
44為了便於製造，曲柄軸2218可以由多個零件構成。在這些實施例 中，在組裝曲柄軸期間，曲柄軸齒輪2220可以被插入曲柄軸零件之間。
在一些實施例中，驅動軸2214可以垂直於曲柄軸2218定位，如 在圖23a和25a中所示。然而，在一些實施例中，驅動軸2214可以平 行於曲柄軸2218定位，如在圖25b和25c中所示。
在一些實施例中，曲柄軸齒輪2234和中間齒輪2232可以是鏈齒 輪，其中曲柄軸齒輪2234和中間齒輪2232通過鏈條2226而被聯接， 如在圖25c和26c中所示。在這些實施例中，鏈條2226被用於驅動鏈 條驅動泵(在圖26a到26c中被示為2600)。
在一些實施例中，在曲柄軸2218和驅動軸2214之間的傳動比在 整個操作中保持恆定。在這種實施例中，在曲柄軸和驅動軸之間具有 適當的傳動比是重要的，從而該傳動比平衡泵的速度和發動機的速度。 這實現了特定發動機rpm (每分鐘轉數)操作範圍要求的規定的潤滑
劑流量。
在一些實施例中，潤滑流體通過電泵而被分布到發動機的不同部 件。電泵消除了對於在機械油泵的情形中要求的泵驅動組件的需求。
回過來參考圖23a和23b，油泵2208可以包括從油池收集潤滑流 體的入口 2228和將潤滑流體給付到各種發動機部件的出口 2230。在一 些實施例中，驅動齒輪2212和惰輪2210的旋轉引起潤滑流體通過入 口 2228而被從油池抽吸到油泵中並且通過出口 2230而被迫離開油泵。 入口 2228優選地包括過濾器以在潤滑流體被抽吸到油泵中之前移除可 能存在於潤滑流體中的顆粒。在一些實施例中，入口 2228可以經由管 子、管道或者軟管而被連接到油池。在一些實施例中，入口 2228可以 直接與油池流體連通。在一些實施例中，油泵出口 2230被連接到在各種發動機部件中的 一系列通路，通過該通路，潤滑流體被給付到各種發動機部件。出口 2230可以與通路成一體從而與通路直接連通，或者可以經由軟管或者 管子或者多個軟管或者管子而被連接到通路。該系列通路優選地是被 相互連接的通路網，從而出口 2230可以被連接到單一通路入口並且仍 然能夠將潤滑流體給付到發動機的被潤滑的部件。
圖27A-27D示出一個實施例，其中油泵出口 (在圖23B中被示為 2230)被連接到振蕩杆驅動器2704的搖臂軸2702中的通路2700。搖 臂軸通路2700將潤滑流體給付到搖臂樞軸軸承2706，並且被連接到並 且將潤滑流體給付到振蕩杆通路(未示出)。振蕩杆通路將潤滑流體 給付到連接肘銷軸承2708、聯杆軸承2710和聯杆通路2712。聯杆通 路2712將潤滑流體給付到活塞杆聯接軸承2714。連杆2720的連杆通 路(未示出)將潤滑流體給付到曲柄軸2726的第一曲柄銷2722和曲 柄軸通路2724。曲柄軸通路2724將潤滑流體給付到曲柄軸軸頸軸承 2728、第二曲柄銷軸承2730和花鍵軸通路2732。花鍵軸通路2732將 潤滑流體給付到花鍵軸花鍵接頭2734和2736。油泵出口 (未示出，在 圖23B中被示為2230)在一些實施例中被連接到主要供給器2740。在 一些實施例中，油泵出口還可以被連接到並且向聯接接頭直線軸承 2738提供潤滑流體。在一些實施例中，油泵出口可以經由管子或者軟 管或者多個管子或者軟管而被連接到直線軸承2738。可替代地，聯杆 通路2712可以將潤滑流體給付到直線軸承2738。
因此，主要供給器2740將潤滑流體給付到軸頸軸承表面2728。 從軸頸軸承表面2728，潤滑流體被給付到曲柄軸主要通道。曲柄軸主 要通道將潤滑流體給付到花鍵軸通路2732和曲柄銷2724上的連杆軸 承這兩者。
優選地通過從前述軸承流出並且流入油池中，潤滑流體被返回到 油池。在油池中，潤滑流體將被油泵收集並且被在整個發動機中重新分布。
管式熱交換器
外燃機，諸如，例如斯特林循環發動機可以使用管式加熱器頭以
實現高功率。圖28是示意性斯特林循環發動機的汽缸和管式加熱器頭 的截面視圖。如在圖28中所示，管式加熱器頭2800的典型配置使用 圍繞燃燒腔室2804的U形加熱器管2802的籠體。汽缸2806包含工作 流體，諸如，例如氦氣。工作流體被活塞2808移位並且被驅動通過加 熱器管2802。燃燒器2810燃燒燃料和空氣的組合物以產生用於利用傳 導加熱通過加熱器管2802工作流體的熱的燃燒氣體。加熱器管2802 將回熱器2812與汽缸2806連接。回熱器2812可以是具有大的、用於 在發動機循環期間從工作流體吸收熱量或者加熱工作流體的表面面積 與體積比率的材料的基質。加熱器管2802為燃燒氣體經過加熱器管 2802的流動提供高的表面面積和高的熱傳遞係數。在下面並且在如前 所述通過引用而以其整體併入的美國專利No. 6， 543， 215和No. 7, 308， 787中討論了管式加熱器頭的各種實施例。
圖29是管式加熱器頭和汽缸的截面側視圖。加熱器頭2906基本 上是具有一個閉合端部2920 (另外地被稱作汽缸蓋)和開放端部2922 的汽缸。閉合端部2920包括被置於燃燒器3036 (圖30所示)中的多 個U形加熱器管2卯4。每一個U形管2904均具有外部部分2916 (另 外地在這裡被稱作"外部加熱器管")和內部部分2918 (另外地在這 裡被稱作"內部加熱器管")。加熱器管2904將汽缸2卯2連接到回 熱器2910。汽缸2902被置於加熱器頭2906內側並且通常還被加熱器 頭2906支撐。活塞2924沿著汽缸2902的內部行進。當活塞2924朝 向加熱器頭2906的閉合端部2920行進時，在汽缸2902內的工作流體 被移位並且使其流動通過加熱器管2904和回熱器2910，如在圖29中 由箭頭2930和2932所示意地。燃燒器凸緣2卯8為燃燒器3036 (圖 30所示)提供聯結表面並且冷卻器凸緣2912為冷卻器(未示出)提供 聯結表面。參考圖30，如上所述，包括加熱器管3004的加熱器頭3006的閉 合端部被置於包括燃燒腔室3038的燃燒器3036中。在燃燒腔室3038 中的熱燃燒氣體(另外地在這裡被稱作"排氣")與加熱器頭3006的 加熱器管3004直接熱接觸。熱能通過傳導被從排氣傳遞到加熱器管 3004並且被從加熱器管3004傳遞到發動機的工作流體，通常為氦氣。
可以使用其它氣體，諸如，例如氮氣或者氣體混合物，其中優選的工 作流體具有高的導熱性和低的粘度。在各種實施例中使用了非可燃氣
體。當排氣圍繞加熱器管3004的表面流動時，熱量被從排氣傳遞到加 熱器管3004。箭頭3042示出排氣流動的大致徑向方向。箭頭3040示 出當它從燃燒器3036離開時排氣的流動方向。從燃燒器3036離開的 排氣趨向於過度加熱加熱器管3004的上部(靠近U形彎曲部分)，因 為與加熱器管的底部(即，靠近燃燒器3036的底部)相比，靠近加熱 器管的上部，排氣流量更大。
外燃機的總體效率部分地依賴於在發動機的燃燒氣體和工作流體 之間的熱傳遞效率。
返回圖29，通常，內部加熱器管2918比外部加熱器管2916溫度 高几百攝氏度。燃燒器功率並且如此提供給工作流體的加熱量因此受 到內部加熱器管2918溫度的限制。如果內部和外部加熱器管具有幾乎 相同的溫度，則最大熱量將被傳遞到工作氣體。通常，如在這裡描述 的實施例，或者增加到外部加熱器管的熱傳遞或者降低到內部加熱器 管的熱傳遞率。
圖31是根據一個實施例的排氣流集中器和管式加熱器頭的透視 圖。以橫向流到汽缸例如加熱器管的熱傳遞通常被限制在加熱器管的 僅僅上遊半部。然而，由於流動分離和再循環，在加熱器管的後側(或 者下遊半部)上的熱傳遞幾乎為零。排氣流集中器3102可以被用於通 過引導熱的排氣圍繞外部加熱器管的下遊側(即後側)流動而改進從
48排氣到外部加熱器管的下遊側的熱傳遞。如在圖31中所示，排氣流集 中器3102是置於加熱器管3104後部外側的柱體。可以利用耐熱合金 優選地高鎳合金例如Inconel 600、 Inconel 625、不鏽鋼310和316以 及更加優選地Hastdloy X製造排氣流集中器3102。在排氣流集中器 3102中的開口 3106與外部加熱器管排成一行。開口 3106可以具有任 何數目的形狀例如狹槽、圓形孔、卵形孔、正方形孔等。在圖31中， 開口 3106被示為狹槽。在一些實施例中，狹槽3106具有大致等於加 熱器管3104的直徑的寬度。排氣流集中器3102優選地距外部加熱器 管的距離等於一到兩個加熱器管直徑。
圖32示意使用如在圖31中所示的排氣流集中器的排氣流動。如 上所述，熱傳遞基本被限制為加熱器管3204的上遊側3210。使用排氣 流集中器3202，強制排氣流動通過開口 3206，如由箭頭3212所示。 據此，如在圖32中所示，排氣流集中器3202增加了經過加熱器管3204 的下遊惻3214的排氣流動3212。經過加熱器管3204的下遊側3214的 增加的排氣流動改進了從排氣到加熱器管3204的下遊側3214的熱傳 遞。而這又增加了到工作流體的熱傳遞效率，這能夠增加發動機的總 體效率和功率。
返回圖31，排氣流集中器3102還可以通過輻射改進到加熱器管 3104的下遊側的熱傳遞。參考圖33，如果在排氣和排氣流集中器之間 存在足夠的熱傳遞，則排氣流集中器3302的溫度將接近排氣的溫度。 在一些實施例中，排氣流集中器3302並不承受任何負載並且因此可以 在1000攝氏度或者更高溫度下操作。相反，加熱器管3304基本上在 700攝氏度下操作。由於該溫差，排氣流集中器3302然後可以向更冷 的加熱器管3304熱輻射，由此增加到加熱器管3304和發動機的工作 流體的熱傳遞。熱傳遞表面(或者鰭片)3310可以被添加到排氣流集 中器3302以增加隨後可以通過輻射而被傳遞到加熱器管的、由排氣流 集中器3302捕集到的熱能量。鰭片3310在開口 3306外側和在開口 3306 之間的位置處被聯接到排氣流集中器3302，從而排氣流被沿著排氣流集中器引導，由此降低通過排氣流集中器中的每一個開口的輻射熱能
損失。鰭片3310優選地通過點焊而被聯結到排氣流集中器3302。可替 代地，鰭片3310可以被熔焊或者銅焊到排氣流集中器3302。應該利用 與排氣流集中器3302相同的材料製造鰭片3310以減小熱膨脹差異和 隨之引起的裂紋。可以利用耐熱合金，優選地高鎳合金例如Inconel 600、 Inconel 625、不鏽鋼310和316以及更加優選地Hastelloy X製造鰭片 3310。
如上關於圖30所述，排氣從燃燒器的徑向流動最靠近燃燒器的出 口 (即，加熱器管的上部U形彎曲部分)。這部分地是由於在排氣流 動中引起的渦流和當排氣離開燃燒器時的突然膨脹。在加熱器管的頂 部處的高排氣流率在加熱器管的頂部處形成熱點並且降低了到加熱器 管的下部分的排氣流動和熱傳遞。局部過熱(熱點)可以導致加熱器 管失效並且由此導致發動機故障。圖34是根據一個實施例的排氣流軸 向均衡器的透視圖。排氣流軸向均衡器3420被用於當排氣沿著徑向從 管式加熱器頭流出時改進排氣沿著加熱器管3404的縱向軸線的分布。
(排氣的典型徑向流動在圖30中示出。)如在圖34中所不，排氣流 軸向均衡器3420是具有開口 3422的柱體。如上所述，開口 3422可以 具有任何數目的形狀例如狹槽、圓形孔、卵形孔、正方形孔等。可以 利用耐熱合金，優選地高鎳合金包括Inconel 600、 Inconel 625、不鏽鋼 310和316以及更加優選地Hastelloy X製造排氣流軸向均衡器3420。
在一些實施例中，排氣流軸向均衡器3420被置於加熱器管3404 和排氣流集中器3402外側。可替代地，排氣流軸向均衡器3420可以 由自身使用(即，不帶排氣流集中器3402)並且被置於加熱器管3404 外側以改進從排氣到加熱器管3404的熱傳遞。如在圖34中所示，排 氣流軸向均衡器3420的開口 3422被如此成形，使得它們在加熱器管 3404的底部處提供更大的開口。換言之，如在圖34中所示，開口 3422 的寬度沿著加熱器管3404的縱向軸線從頂部到底部增加。通過排氣流 軸向均衡器3420的、靠近加熱器管3404的下部的開口 3422的、增加的排氣流動區域抵消了排氣流動集中靠近加熱器管3404的頂部的趨勢 並且由此均衡了徑向排氣流動沿著加熱器管3404的縱向軸線的軸向分 布。
在另一實施例中，如在圖35中所示，間隔元件3504可以被添加 到排氣流集中器3502以減小在加熱器管3506之間的間隔。可替代地， 當不帶排氣流集中器3502地使用間隔元件3504時，間隔元件3504能 夠被添加到排氣流軸向均衡器3520 (圖34所示)。如在圖35中所示， 間隔元件3504被置於開口內側和開口之間。間隔器3504形成強制排 氣增加它的經過加熱器管3506側面的速度的窄的排氣流道。增加的燃 燒氣體速度由此增加了從燃燒氣體到加熱器管3506的熱傳遞。另外， 間隔元件還可以通過輻射改進到加熱器管3506的熱傳遞。
圖36是根據可替代實施例的管式加熱器頭3606和燃燒器3608的 截面側視圖。在該實施例中，與如在圖30中所示置於一組加熱器管3604 的上方相反，燃燒器3608的燃燒腔室被置於一組加熱器管3604內側。 穿孔的燃燒腔室襯裡3615被置於燃燒腔室和加熱器管3604之間。穿 孔的燃燒腔室襯裡3615保護內部加熱器管免受燃燒腔室中的火焰的直 接衝擊。象排氣流軸向均衡器3420那樣，如上關於圖34所述，穿孔 的燃燒腔室襯裡3615均衡了沿著加熱器管3604的縱向軸線的徑向排 氣流動，從而經由加熱器管3604的頂部(靠近U形彎曲部分)的徑向 排氣流動大致相當於經由加熱器管3604的底部的徑向排氣流動。在穿 孔的燃燒腔室襯裡3615中的開口被如此布置，使得離開穿孔的燃燒腔 室襯裡3615的燃燒氣體在內部加熱器管3604之間經過。使燃燒氣體 偏轉離開內部加熱器管3604的上遊側將降低內部加熱器管溫度，而這 又允許更高的燃燒器功率和更高的發動機功率。排氣流集中器3602可 以被置於'加熱器管3604外側。在上面關於圖31和32描述了排氣流集 中器3602。
在圖37中示出用於增加從燃燒氣體到管式加熱器頭的加熱器管的熱傳遞從而由此將熱量傳遞到發動機的工作流體的另一種方法。圖
37是根據一個實施例包括偏流器鰭片的管式加熱器頭的透視圖。偏流 器鰭片3702被用於圍繞加熱器管3704，包括加熱器管3704的下遊側 引導排氣流動，從而增加從排氣到加熱器管3704的熱傳遞。偏流器鰭 片3702沿著偏流器鰭片的全部長度被熱連接到加熱器管3704。因此， 除了引導排氣流動，偏流器鰭片3702還增加了用於通過傳導將熱量傳 遞到加熱器管3704，並且由此傳遞到工作流體的表面面積。
圖38是根據一個實施例包括偏流器鰭片的管式加熱器頭的截面 頂視圖。通常，外部加熱器管3806具有大的管間的間隔。因此，如在 圖38中所示的一些實施例，在外部加熱器管3806上使用偏流器鰭片 3802。在可替代實施例中，偏流器鰭片能夠被置於內部加熱器管3808
(在圖39中還被示為3908)上。如在圖38中所示， 一對偏流器鰭片 被連接到每一個外部加熱器管3806。 一個偏流器鰭片被聯結到加熱器 管的上遊側並且一個偏流器鰭片被聯結到加熱器管的下遊側。在一些 實施例中，偏流器鰭片3802具有"L"形截面，如在圖38中所示。每 一個偏流器鰭片3802被銅焊到外部加熱器管從而一個加熱器管的內部
(或者上遊)偏流器鰭片與相鄰加熱器管的外部(或者下遊)偏流器 鰭片交迭以形成蛇形流道。由偏流器鰭片引起的排氣流動路徑由箭頭 3814示出。偏流器鰭片3802的厚度降低了排氣流道的尺寸，由此增加 了排氣流動速度。而這又使得改進了到外部加熱器管3806的熱傳遞。 如上關於圖37所述，偏流器鰭片3802還增加了外部加熱器管3806的、 用於通過傳導將熱量傳遞到外部加熱器管3806的表面面積。
圖39是根據一個實施例的、圖37的管式加熱器頭的一個部分的 截面頂視圖。如上關於圖38所述， 一對偏流器鰭片3902被銅焊到每 一個外部加熱器管3906。在一些實施例中，偏流器鰭片3902沿著加熱 器管的全部長度使用鎳銅釺焊而被聯結到外部加熱器管3906。可替代 地，能夠利用其它高溫材料銅焊、熔焊或者使用本技術領域中已知的 在偏流器鰭片和加熱器管之間提供機械和熱結合的其它技術結合偏流器鰭片。
在圖40中示出偏流器鰭片的可替代實施例。圖40是根據一個實 施例包括單一偏流器鰭片的管式加熱器頭的一個部分的頂視圖。在該 實施例中，單一偏流器鰭片4002被連接到每一個外部加熱器管4004。 在一些實施例中，偏流器鰭片4002沿著加熱器管的全部長度使用鎳銅 釺焊而被聯結到外部加熱器管4004。可替代地，可以利用其它高溫材 料銅焊、熔焊或者使用本技術領域中已知的在偏流器鰭片和加熱器管 之間提供機械和熱結合的其它技術結合偏流器鰭片。偏流器鰭片4002 被用於圍繞加熱器管4004,包括加熱器管4004的下遊側引導排氣流動。 為了增加從排氣到加熱器管4004的熱傳遞，偏流器鰭片4002被熱連 接到加熱器管4004。因此，除了引導排氣的流動，偏流器鰭片4002還 增加了用於通過傳導將熱量傳遞到加熱器管4004，並且由此傳遞到工 作流體的表面面積。
圖41是根據一個實施例包括如在圖40中所示的單一偏流器鰭片 的管式加熱器頭的一個部分的截面頂視圖。如在圖41中所示，偏流器 鰭片4110被置於加熱器管4106的上遊側上。偏流鰭片4110被成形為 保持距加熱器管4106的下遊側的恆定距離並且因此改進到加熱器管 4106的熱量傳遞。在可替代實施例中，偏流器鰭片能夠被置於內部加 熱器管4108上。
在功率和效率這兩個方面，發動機性能在發動機膨脹空間中的工 作氣體的最高可能溫度下最高。然而，最大工作氣體溫度通常受到加 熱器頭的性質限制。關於具有管式加熱器頭的外燃機，最大溫度受到 加熱器管的冶金性質限制。如果加熱器管變得太熱，則它們可能軟化 並且失效，從而導致發動機停機。可替代地，在太高的溫度下，加熱 器管將被嚴重氧化並且失效。因此，控制加熱器管的溫度對於發動機 性能而言是重要的。溫度感測裝置例如熱電偶可以被用於測量加熱器 管的溫度。溫度傳感器安裝方案可以將傳感器熱結合到加熱器管並且將傳感器從熱得多的燃燒氣體隔離。為了加熱器頭的壽命，安裝方案 應該是足夠穩健的，以承受靠近加熱器管發生的、燃燒氣體的熱氧化 環境和火焰衝擊。 一組安裝方案包括將熱電偶直接地銅焊或者熔焊到 加熱器管。熱電偶能夠被安裝在加熱器管的、被暴露於最熱燃燒氣體 的部分上。其它可能的安裝方案允許更換溫度傳感器。在一個實施例 中，溫度傳感器位於被熱結合到加熱器管的熱電偶套管中。在另一實 施例中，安裝方案是，以機械方式將溫度傳感器保持在加熱器管上的 安裝架，例如套筒。
圖42是汽缸4204和燃燒器4210的截面側視圖。溫度傳感器4202 被用於監控加熱器管的溫度並且向發動機的燃料控制器(未示出)提 供反饋，從而保持加熱器管處於所期溫度下。在一些實施例中，使用 Inconel 625製造加熱器管並且所期溫度是930攝氏度。對於其它加熱 器管材料而言，所期溫度將是不同的。溫度傳感器4202應該被置於加 熱器管的最熱的並且因此有限部分處。通常，加熱器管的最熱部分將 是內部加熱器管4206的、靠近加熱器管的頂部的上遊側。圖42示出 在內部加熱器管4206的上遊側上安置溫度傳感器4202。在一些實施例 中，如在圖42中所示，利用被焊接到加熱器管的金屬條帶4212將溫 度傳感器4202夾緊到加熱器管從而在溫度傳感器4202和加熱器管 4206之間提供良好的熱接觸。在一個實施例中，加熱器管4206和金屬 條帶4212這兩者均可以是Incond 625或者其它耐熱合金例如Inconel 600，不鏽鋼310和316和Hastelloy X。溫度傳感器4202應該與加熱 器管良好熱接觸，否則它可能具有過高溫度並且發動機將不會儘可能 多地產生功率。在可替代實施例中，溫度傳感器護套可以被直接地焊 接到加熱器管。
在另一實施例中，如在圖43A-B中所示，利用被結合到加熱器管 4310的外部的、難熔或者耐高溫金屬例如Inconel的成形條帶或者護 套形成溫度傳感器安裝架4320。傳感器安裝護套4320被形成或者成形 為當被聯結到加熱器管時形成裝置容納空隙的通道。在特定實施例中，通道是v形的，以容納插入的熱傳感器例如熱電偶裝置。成形通道然後被結合到加熱器管4310的外部，如在圖43A中所示。
圖43A示出在加熱器管4310上的傳感器安裝護套4320的側視圖，而圖43B是沿著傳感器安裝護套4320的軸線的視圖。金屬應該足夠薄以形成加熱器頭，而足夠厚以提供加熱器頭的額定壽命。在一些實施例中，金屬大致在0.005"和0.020"厚之間。金屬可以被彎曲從而彎曲部沿著條帶長度。這個"V形通道"護套4320然後通過高溫銅焊而被固定到加熱器管的外部。在銅焊之前，護套在幾個位置處可以預焊以確保護套在銅焊過程期間並不移動，如在圖43A中所示。優選地，在銅焊期間使用的銅焊化合物通常是高鎳合金；然而，可以承受銅焊溫度的任何化合物都是可行的。可替代地，護套可以利用電子束或者雷射焊接而被結合到加熱器管。
現在參考圖43B,通過將護套附於加熱器管而形成空腔4330。這個空腔4330被如此形成，使得它可以接受一種裝置例如熱電偶。當被形成和銅焊時，該空腔可以有利地具有適配熱電偶的尺寸。優選地，在所述適配中，熱電偶被壓向加熱器管的外部。優選地，該護套被熱連接到加熱器管。如果護套未被熱連接到加熱器管，則護套可能不被工作氣體"冷卻"。缺乏冷卻可以引起護套在或者靠近燃燒氣體溫度操作，該溫度通常足夠高以至最終燒盡任何金屬。將傳感器安裝架銅焊到加熱器管導致良好的熱接觸。可替代地，傳感器安裝護套4320能夠沿著兩側被連續地焊接以提供充分的熱連接。
在另一實施例中，如在圖44A-B中所示，能夠形成第二金屬條帶以在傳感器安裝架4420之上形成護罩4450。護罩4420可以被用於改進空腔4430中的溫度傳感器和加熱器管4410之間的熱連接。護罩4450將傳感器安裝護套4420與熱燃燒氣體的對流加熱隔離開並且因此改進到加熱器管的熱連接。此外，優選地存在隔離空間4440以幫助進一步將溫度傳感器從熱燃燒氣體隔離，如在圖44B中所示。
55在另一特定實施例中，如在圖45A和45B中所示，溫度傳感器安裝架4520能夠是被結合到加熱器管4510的前邊緣的小直徑管或者套筒4540。圖45A示出在加熱器管4510上的安裝架的側視圖，而圖45B是沿著管4540或者套筒的軸線的視圖。傳感器管4540優選地利用基本銅焊釺角4530而被焊接到加熱器管。大的銅焊釺角4530將擴大在加熱器管和傳感器安裝架之間的熱結合。在另一實施例中，管或者套筒4540可以具有護罩。如上所述，外部護罩蓋可以幫助將溫度傳感器安裝架4520與對流熱傳遞隔離開並且改進到加熱器管的熱連接。
在管式加熱器頭的一個可替代實施例中，可以利用幾個螺旋形纏繞的加熱器管替代U形加熱器管。通常，需要更少的螺旋形加熱器管來實現在排氣和工作流體之間的類似的熱傳遞。降低加熱器管的數目減少了加熱器頭的材料和製造成本。通常，螺旋形加熱器管並不要求形成和聯結鰭片的另外的製造步驟。另外，螺旋形加熱器管提供更少的能夠失效的接頭，因此增加了加熱器頭的可靠性。
圖46A-46D是根據一些實施例的螺旋形加熱器管的透視圖。可以通過圍繞心軸纏繞管材以形成緊密螺旋線圈4604而由單一的管材長條形成如在圖46A中所示的螺旋形加熱器管4602。加熱器管然後被以直角彎曲以從螺旋部分4606形成直的返回通道。可以在最終螺旋環形成之前形成直角從而返回通道能夠被調整為正確的角度。圖46B和46C示出螺旋形加熱器管的其它視圖。圖46D示出螺旋形加熱器管的可替代實施例，其中直的返回通道4606通過螺旋線圈4604的中心。圖47示出根據一個實施例的螺旋形加熱器管。在圖47中，螺旋形加熱器管4702被成形為雙重螺旋。可以使用被纏繞以形成雙重螺旋的U形管形成加熱器管4702。
圖48是根據一個實施例具有螺旋形加熱器管(如在圖46A中所示)的管式加熱器頭的透視圖。螺旋形加熱器管4802在加熱器頭4803的頂部上被以圓形樣式安裝以在螺旋形加熱器管4802的中央處形成燃燒腔室4806。螺旋形加熱器管4802圍繞燃燒腔室4806的外側提供相當數量的熱交換表面。
圖49是具有根據一些實施例的螺旋形加熱器管的燃燒器和管式加熱器頭的截面視圖。螺旋形加熱器管4卯2將回熱器4卯4的熱端部連接到汽缸4905。螺旋形加熱器管4902被布置成為燃燒器4907形成燃燒腔室4卯6 (在圖50中還被示為5006)，燃燒器4907共軸地安裝在螺旋形加熱器管4902的上方。燃料和空氣在燃燒器4907的喉口 4908中混合併且在燃燒腔室4906中燃燒。熱燃燒氣體(或者排氣)沿著螺旋形加熱器管4902流動，如由箭頭4914所示，從而當它經過螺旋形加熱器管4902時向工作流體提供熱量。
在一個實施例中，加熱器頭4903 (在圖50中還被示為5003)進一步在每一個螺旋巻繞加熱器管4902的頂部處包括加熱器管帽體4910以防止排氣進入每一個加熱器管的螺旋線圈部分4901 (在圖50中還被示為5001)並且離開線圈的頂部。在另一實施例中，環形金屬件覆蓋所有的螺旋巻繞加熱器管的頂部。加熱器管帽體4910防止排氣在螺旋形加熱器管之間沿著加熱器頭軸線流動到螺旋形加熱器管的頂部。在—個實施例中，加熱器管帽體4910可以是Inconel 625或者其它耐熱合金例如Inconel 600、不鏽鋼310和316和Hastelloy X。
在另一實施例中，利用可模壓的陶瓷坯泥覆蓋加熱器頭4903的在螺旋形加熱器管4卯2下面的頂部。陶瓷坯泥將加熱器頭4903與燃燒腔室4906中的火焰的衝擊加熱以及排氣隔離開。另外，陶瓷阻擋排氣在螺旋形加熱器管4902之間或者在每一個加熱器管的螺旋線圈部分4901內側沿著加熱器頭軸線流動到螺旋形加熱器管4902的底部。
圖50是根據一個實施例具有螺旋形加熱器管的管式加熱器頭的頂視圖。如在圖50中所示，每一個螺旋形加熱器管5000的返回或者直線部分5002有利地被置於相鄰螺旋形加熱器管5000之間的間隙5009外側。平衡排氣通過螺旋形加熱器管5000的流動與排氣通過螺旋形加熱器管5000之間的間隙5009的流動是重要的。通過將螺旋形加熱器管的直線部分5002置於間隙5009外側，增加了經過螺旋形加熱器管的排氣的壓降，由此迫使更多的排氣通過在此處具有高的熱傳遞和熱交換區域的螺旋線圈。並不在螺旋形加熱器管之間經過的排氣將揸擊在螺旋形加熱器管的直線部分5002上，從而在排氣和直線部分之間提供高的熱傳遞。圖49和50這兩圖均示出儘可能靠近到一起地放置的螺旋形加熱器管，從而使排氣在螺旋形加熱器管之間的流動最小化並且因此使熱傳遞最大化。在一個實施例中，螺旋巻繞加熱器管4901可以被如此布置，使得線圈嵌套到一起。
針銷或者鰭片熱交換器
現在參考圖51A和51B,鰭片或者針銷可以可替代地被用於增加在熱流體燃燒產物和實心加熱器頭之間的界面區域，從而繼而將熱量傳遞到發動機的工作流體。加熱器頭5100可以在加熱器頭和膨脹汽缸襯裡5115之間的空間中具有這裡在加熱器頭5100的內表面上示出的熱傳遞針銷5124。另外地，如在圖51B中所示，在沿著與圖51A的膨脹空間5198的不同直徑截取的斯特林循環發動機5196的截面中，熱傳遞針銷5130還可以被置於加熱器頭5100的外表面上，從而為從燃燒器5122流經熱傳遞針銷的燃燒氣體通過傳導而將熱量傳遞到加熱器頭5100並且由此傳遞到工作流體提供大的表面面積。短劃線5131代表膨脹汽缸的縱向軸線。圖51B還示出根據一個實施例襯在加熱器頭5100的頂部的內表面和外表面的熱傳遞針銷5133。面向內部的熱傳遞針銷5124用於為通過傳導而將熱量從加熱器頭5100傳遞到被膨脹活塞從膨脹空間5198移位並且被驅動通過回熱器腔室5132的工作流體提供大的表面面積。在如前所述以其整體通過引用併入的美國專利No.6， 381， 958和No. 6， 966， 182中公開了加熱器頭5100的另外的實施例。根據加熱器頭5100的尺寸，數百個或者數千個內部熱傳遞針銷5124和外部熱傳遞針銷5130可能是理想的。
用於製造具有熱傳遞針銷5124和5130的加熱器頭5100的一種方
法包括作為一體單元鑄造加熱器頭和針銷(或者其它突起)。用於作為一體單元製造加熱器頭和針銷的鑄造方法包括例如熔模鑄造、砂模
鑄造或者壓鑄。
對於改進在表面和流體之間的熱傳遞而言，雖然使用針銷鰭片是已知的，但是儘管在單一步驟中鑄造加熱器頭及其熱交換表面是生產加熱器頭的最為成本有效的方法之一的事實，在斯特林發動機的柱形加熱器頭上一體地鑄造徑向針銷鰭片在本技術領域中也尚未得以實踐或者提出。在下面進一步討論了在成一體地鑄造徑向針銷鰭片中遇到的困難。能夠作為柱形壁的一個部分鑄造的針銷鰭片可以允許以廉價的方式製造用於斯特林發動機的、高度有效的加熱器頭和/或冷卻器。
鑄件是通過產生負形的所期部件而製成的。所有形式的生產鑄造(砂模、熔模和注塑)都包括通過將材料注入模具中並且然後從材料移除模具以保留所期的負形或者正形從而形成延伸表面和細節。從材料移除模具要求全部延伸表面至少是平行的。事實上，良好的設計實踐要求在這些延伸表面上具有微小的拔模斜度從而將它們乾淨利落地剝離。在汽缸的外側或者內側上形成徑向針銷將要求模具包含沿著不同方向拉開的數十或者數百個部件。這種模具的成本將是難以承受的。
根據各種實施例，針銷或者鰭片可以使用生產砂模、熔模或者金屬注入鑄造方法而被鑄造到斯特林熱交換器的內側和外側表面上。參考圖52A-52D和53D，並且首先參考圖52A,針銷5202被布置成圍繞加熱器頭5100的柱形壁5210的幾組5208平行針銷5202，加熱器頭5100在圖52B中以平行於中心軸線的截面示出並且在圖52C中以橫向於中心軸線的截面示出。應該指出，可以有利地在任何其它熱交換器應用中更加一般性地應用在這裡描述的技術。在每一組5208中的所有 的針銷5202是相互平行的。僅僅在組的中心處的針銷5202是真正徑 向的。在組的外側上的針銷，例如在圖52C和53D中由附圖標記5204 標註的那些針銷朝向組的中心從局部半徑向內傾斜以例如基本平行於 徑向線5212。另外，在組的外側上的針銷優選地比更加靠近組的中心 的針銷通常長微小量。然而，在於圖52A-52C和53D中描繪的實施例 中，熱傳遞只是從組的中心到外側僅僅稍微地改變，其中5組5208平 行針銷圍繞汽缸5210提供大致徑向的針銷鰭片。
在根據一些實施例的鑄造過程中，每一組平行鰭片的正或者負模 具被形成為單一件。幾個模具件然後被組裝以形成用於砂模鑄造的負 形。在熔模鑄造中，正蠟像能夠在注入模具中形成，使得僅僅少數的 分離部件沿著不同的方向拉開。所得模具以可接受的成本形成，由此 使得針銷鰭片加熱器頭的生產在經濟方面是可行的。
根據各種實施例可以通過熔模、或者熔模鑄造、鑄造以及通過砂 模鑄造、壓鑄或者其它鑄造過程實現具有延伸到為柱形壁的部分的內 部和外部的突起例如針銷的加熱器頭的鑄造。可以作為加熱器頭的一 個部分一體地鑄造內部或者外部突起或這兩者。
雖然與加工或者組裝針銷陣列相比通常更加廉價地實現鑄造針銷 陣列，但是鑄造針銷陣列可以仍然具有相伴的困難和相當的成本。另 外地，鑄造過程可能產生針銷密集度並不充分的加熱器頭，因此增加 了未能與加熱器頭表面碰撞的氣體的比率並且降低了熱傳遞效率。
用於在加熱器頭5100的表面上密集熱傳遞針銷的方法的一個實 施例要求在分離的製造過程中製造加熱器5100和熱傳遞針銷的陣列。 熱傳遞針銷5252的陣列5250 (在圖53B中還被示為5350)可以被與 面板5254 —起地鑄造或者注入模製，從而產生圖52D所示的一體背襯 面板結構。在鑄造或者模製之後，針銷陣列5250通過高溫銅焊而被安
60裝到加熱器頭的內表面和外表面。因此，可以有利地實現更加密集化 的加熱器頭，由此經過針銷的氣體洩漏速率是低的。在其它實施例中，
可以利用各種機械裝置將面板5254固定到加熱器頭。
如例如在Aerospace Structural Metals Handbook (航空結構金屬手 冊)，代碼4218, p. 6 ( 1999)中描述的瞬時液相(TLP)結合對於 將面板銅焊到加熱器頭而言是特別有利的，因為，加熱器頭製造通常 採用的鎳基超合金，難以通過傳統過程焊接，並且在高應力和高溫環 境中操作。在該申請中的TLP粘結的優點在於，由TLP拉牢的部件使 用母材料而被有效地悍接並且具有與一體鑄造部件幾乎相同的抗拉強 度性質。TLP結合物並不在升高的溫度下再熔化，而典型的銅焊將在 銅焊溫度下再熔化。如在本申請那樣，在可能發生超溫的升高溫度下 連續操作的情形中，這是特別有意義的。
針銷的面板5254可以通過其它裝置而被聯結到加熱器頭或者冷 卻器的內部或者外部。在一個可替代實施例中，面板可以在它的側向 邊緣處被以機械方式聯結到狹槽中。狹槽被設於分隔器5306 (在以下 討論中描述)中。在另一實施例中，面板通過銅焊而被聯結到加熱器 頭或者冷卻器。在又一個實施例中，通過將面板燒結到加熱器頭或者 冷卻器的柱形壁而將面板聯結到加熱器頭或者冷卻器。
如在圖52C、 53A和53B中所示的分隔器5306可以有利地改進針 銷鰭片面板的熱傳遞率。另外地，它們可以為定位溫度傳感器提供方 便的位置。最後，分隔器可以有利地在一個實施例中提供一種用於將 針銷的面板聯結到加熱器頭的方便的結構，並且根據另一實施例提供 一種用於鑄造操作的分型線。
分隔器5306可以用於以以下方式改進針銷鰭片陣列的熱效應。再 次參考圖52A，關於流動通過交錯針銷鰭片的流體的熱傳遞率顯著地 高於關於流動通過對齊的針銷鰭片的流體的熱傳遞率。接近交錯針銷陣列5208的流體將與沿著汽缸的長度的軸向路徑成45度的角度行進， 其中歪斜方向由附圖標記5214標註。為了提供改進的熱傳遞，根據一 些實施例，設置了分隔器5206、 5306，以強制流體沿著由附圖標記5212 標註的路徑流動通過交錯的針銷鰭片陣列。除了強制流動沿著軸向行 進，分隔器還為上述鑄造模具提供了方便的界面和結合平面。
在特定實施例中，每一個均具有它的相關聯面板片段5254的各個 陣列5250，構成圍繞加熱器頭的周向距離的弓形段。在圖53A中以透 視方式示出的加熱器頭組件的頂視圖中，這是明顯的。如加熱器頭的 外表面5302那樣，示出了汽缸蓋5320。支撐熱傳遞針銷陣列的支撐器 片斷未示出，而是在組裝期間被插入圍繞加熱器頭的外表面5302的空 間5304中。梯形分隔器5306位於相繼的熱傳遞針銷陣列片斷之間， 梯形分隔器5306帶有擋板以阻擋排氣沿著向下方向流動通過除了經過 熱傳遞針銷之外的任何路徑。
在一個實施例中，流動分隔器5306包括用於在銅焊之前在組裝期 間以機械方式保持面板片斷5254，或者僅僅朝著加熱器頭5302以機械 方式保持面板5254的結構。
為了使發動機功率最大化，考慮到冶金蠕變和抗拉強度、應力以 及適當的安全性因素，加熱器頭的最熱部分優選地處於允許的最高溫 度下。在最高溫度下維持加熱器頭的最熱部分要求測量加熱器頭的最 熱部分的溫度。沿著針銷鰭片陣列的任何軸向位置，分隔器在加熱器 頭上為溫度傳感器提供了方便的位置和路徑。氣體流道蓋5340在外側 上限定了熱氣體流動路徑5313 (也在圖51A中示出)。因為排氣並不 流動通過分隔器5306，所以溫度傳感器例如熱電偶5138 (圖51A和 53中所示)被有利地置於分隔器5306中從而監控溫度傳感器所熱接觸 的加熱器頭5100的溫度。在其中針銷支撐器已被移除的圖53B的視圖 中更加清楚地示出了在分隔器5306內安裝的針銷陣列5250和溫度傳 感器5138的位置。如在圖53B中描繪地，溫度感測裝置5138優選地被置於分隔器 5306內。更加具體地，溫度傳感器5138的溫度感測尖端5339優選地 儘可能靠近汽缸蓋5320地位於相應於分隔器5306的狹槽中，因為這 個區域通常是加熱器頭的最熱部分。可替代地，溫度傳感器5138可以 被直接地安裝到汽缸蓋5320，然而如所描述那樣在狹槽中定位傳感器 被用在一些實施例中。在功率和效率這兩個方面，發動機性能在最高 可能溫度下是最高的，然而最大溫度通常受到冶金性質限制。因此， 傳感器5138應該被放置成測量加熱器頭的最熱並且因此有限部分的溫 度。另外地，應該利用陶瓷絕緣5342將溫度傳感器5138從燃燒氣體 和分隔器5306的壁絕緣，如在圖53C中所示。陶瓷還能夠與分隔器的 壁形成粘結結合以將溫度傳感器保持到位。溫度傳感器5138的電導線 5344也應該被電絕緣。
雖然燃燒器被設計成具有周向對稱性，但是熱點可能在加熱器頭 5320上形成。加重該問題的是，通常被採用來製造加熱器頭的合金由 於它們的高熔點而具有相對不良的導熱性。 一旦熱點形成，它們便易 於一直存在，因為在加熱器頭外側的氣體流動是軸向的而非周向的， 因為分隔器5306 (圖53A所示)阻礙了任何周向流動。另外地，加熱 可以增加局部氣體粘度，由此將更多流動重定向到其它流道。為了均 衡在加熱器頭上的溫度分布，具有大於0.001英寸並且優選地大約0.005 英寸的厚度的、高度導熱金屬例如銅的層通過沉積或者電鍍或者其它 塗覆方法而被塗覆到加熱器頭5320的內表面5348。可替代地，根據另 一實施例，類似的塗層可以被塗覆到外表面。
為了保持斯特林循環發動機具有小的尺寸，擴大從燃燒氣體通過 加熱器頭的熱通量是重要的。雖然現有技術採用在其中實現了到工作 流體的熱傳遞的管道環，但是由於更加複雜環形幾何形狀和額外的材 料，管道環造成低的可靠性(因為管道環在機械方面是脆弱的)和更 高的成本。對於熱通量的限制約束是加熱器頭材料的熱力學一機械性
63質，即加熱器頭材料應該能夠承受燃燒腔室的高溫同時保持加壓頭的 結構完整性。最大設計溫度是由通常在壁的頂部處的、加熱器頭的最 熱點確定的。理想地，全部的加熱器壁的熱部分將在如例如可以通過 控制燃料流動而控制的這個最大溫度下。
當燃燒氣體在氣體流道5U3、 5313 (圖51A所示)中行進經過加 熱器頭時，因為熱量被從氣體傳遞到加熱器頭，所以氣體溫度降低。 結果，應該根據被用於加熱器頭的材料設定在氣體流道的頂部處的最 大允許加熱器頭溫度。優選地從通常被稱作超合金的高鎳合金族中選 擇該材料例如Inconel 600 (在軟化之前具有最大溫度T.sub.max=800 攝氏度)、Inconel 625 (T.sub.max =900攝氏度)、Inconel 754 (T.sub.max =1080攝氏度)或者Hastelloy GMR235 (T.sub.max =935攝氏度)。 在氣體流道5113、 5313中的氣體可以在經過流道時冷卻350攝氏度， 從而導致熱區段的底部欠熱。
根據一些實施例，利用如現在描述的熱傳遞幾何形狀控制加熱器 壁的溫度廓線。用於控制幾何形狀的一種方法是通過提供可變截面的 氣體流道5U3、 5313 (圖51A和54A所示)。流道的徑向尺寸(垂直 於加熱器頭的壁)並且因此流道的截面在加熱器壁的頂部處是大的， 由此允許大量氣體繞過在壁的頂部處的針銷陣列。繞過針銷陣列允許 更熱的氣體到達在壁的底部處的針銷陣列，由此允許底部針銷陣列更 加靠近它的最大溫度操作。使用可變截面氣體流道，從加熱器的頂部 到熱部分的底部(在回熱器空間5132之前，圖51A所示)的溫度梯 度已被從等於350攝氏度降低到100攝氏度。
用於控制幾何形狀的第二方法是通過作為沿著氣體流道的位置的 函數改變針銷陣列的密集度和幾何形狀。可以通過改變針銷的高度/直 徑(H/D)比率調節針銷的幾何形狀。如果鑄造過程被用於形成針銷陣 列，則可以通過該過程限制H/D比率的範圍。如果使用針銷環，則可 以延伸H/D比率的範圍。現在參考圖53E、 53F、 54A和54B，箭頭5402標註經過加熱器 頭5100的已加熱排氣的路徑。外部熱傳遞針銷5130擋住已加熱排氣 並且經由加熱器頭5100和內部熱傳遞針銷5124將熱量傳遞到沿著路 徑5404被從膨脹汽缸5115驅動的工作流體。(為了清楚起見，在圖 54A中概略地示出熱傳遞針銷5130和5124。在圖53E、 53F和54B的 視圖中未按比例描繪出另外的熱傳遞針銷5130和5124。)例如相繼的 熱傳遞針銷5406、 5408和5410，為排氣沿著路徑5402的流動提供了 逐漸更大的截面。因此，雖然排氣在到達下部針銷之前已經傳遞了它 的熱量中的一個部分，但是熱量在那裡被以更高的導熱率提取，由此 降低了膨脹空間5198和回熱器空間5132之間的工作流體路徑的頂部 5412和底部5414之間的溫度梯度。在圖54A中示意出膨脹汽缸5115 的表面的典型溫度在汽缸的頂部處850攝氏度，在汽缸的中心處750 攝氏度，和，在汽缸最靠近回熱器空間的端部處600攝氏度。
用於實現熱量從排氣到加熱器頭的更加均勻分布的另一方法是利 用同心漸縮針銷支撐器5146在加熱器頭的外徑上形成漸縮的分隔器， 如在圖54A中所示。圖54A的截面視圖示出漸縮針銷支撐器5146如何 允許最熱排氣中的一些繞過靠近加熱器頭的頂部的針銷。針銷支撐器 5146在針銷的外側上形成變窄的環形間隙，該環形間隙逐漸地強制越 來越多的排氣進入針銷熱交換器中。
現在參考圖55A-55D描述用於如以上所討論的那樣增加在固體例 如加熱器頭5100和流體例如燃燒氣體之間的界面的表面面積的另一方 法。可以通過在圖55A的頂視圖和圖55B的側視圖中示出的薄的環形 環5162中衝孔5160而獲得類似於通過鑄造或者以其它方式製造熱傳 遞針銷的效果。可以被稱作"熱傳遞針銷環"的環5162的厚度與以上 討論的熱傳遞針銷的厚度相當，並且受到導熱材料在燃燒氣體穿越孔 5160的高溫下的強度的控制。孔5160在每一個環內的形狀和布置是關 於特定應用的設計問題，實際上，孔5160可以不被固體材料圍繞。環5162的材料優選地是耐氧化金屬例如Inconel 625或者Hastelloy GMR 235，但是可以使用其它導熱材料。可以通過金屬衝壓過程而以 廉價的方式生產環5162。環5162然後被安裝並且銅焊或者被以其它方 式結合到加熱器頭5100的外表面，如在圖55C中關於外部針銷環5164 並且在圖55D中關於內部針銷環5166示出地。另外的環可以被散布於 針銷環之間以控制在針銷之間的豎直間隔。在內部針銷環5166的內部 中示出膨脹汽缸襯裡5U5。
熱傳遞環5162可以有利地被應用於加熱器頭的內部以及熱循環 發動機的冷卻器的外部和內部。在這些應用中，熱傳遞環不需要是耐 氧化的。優選地在加熱器頭的內部上使用包括銅和鎳的材料，而用於 冷卻器的環優選地由包括鋁、銅、鋅等的各種高導熱性材料之一製成。
在垂直於汽缸軸線5168的部分中獲取的熱傳遞針銷的總截面面 積不需要是恆定的，實際上，如以上參考圖54詳細討論的那樣，它有 利地是改變的。
參考圖56A到56C，還可以從各種摺疊鰭片結構5600、 5602或者 5604形成內部或者外部熱交換表面。摺疊鰭片結構可以由類似於加熱 器頭壓力圓頂的材料或者可以提供改進的鰭片效率的高導熱性材料例 如銅製成。利用高熔點材料例如加熱器頭5100 (圖51A所示)的材料 製造的鰭片可以是從加熱器頭的頂部到底部連續的。摺疊鰭片可以利 用薄片金屬製造並且被銅焊到加熱器頭的內表面。例如示出三種摺疊 鰭片配置波形鰭片5600、矛形鰭片5602和偏移鰭片5604。在每一 情形中，利用由附圖標記5606標註的箭頭示意出氣體流動方向。
由不同於加熱器頭5100的金屬形成的鰭片被以軸向片斷聯結以 避免熱膨脹差異使得在鰭片和加熱器頭之間的銅焊接頭斷裂。圖56C 的偏移鰭片配置有利地提供優於普通鰭片的優良熱傳遞係數。為摺疊鰭片使用高導熱性金屬可以有利地允許鰭片被製造得更 長，由此改進熱傳遞並且降低氣體流阻並且改進發動機效率。
加熱器頭支撐肋條
加熱器頭的壁在操作溫度下應該足夠得堅固，以承受升高的工作 氣體壓力。通常期望在儘可能高的工作氣體壓力下操作斯特林循環發 動機，因此，使得加熱器頭能夠承受更高壓力是非常有利的。在設計 加熱器頭時，應該記住的是，在給定操作溫度下增加壓力通常要求以 正比增加加熱器頭的壁厚度。在另一方面，加厚加熱器頭壁在外部熱 源和工作氣體之間產生了更長的熱傳導路徑。
而且，熱傳導隨著熱交換器表面面積而增加，因此通過增加加熱 器頭的直徑而增加了熱效率。然而，在壁中的應力基本上與加熱器頭 的直徑成比例，因此在給定溫度和內部氣體壓力下增加加熱器頭直徑， 要求以正比增加壁厚度。
在典型斯特林發動機加熱器頭溫度下，強度考慮是相當的，事實 上，它們驅動最大操作溫度，因為，如所討論的那樣，效率隨著溫度 而增加。當達到規定的升高溫度時，材料蠕變和極限抗拉強度趨向於
急劇地下降。參考圖57A，以鎳合金定性行為的典型表示對於GMR235 鎳合金示出在0.2%偏移下的屈服強度和極限抗拉強度。類似地，在圖 57B中，能夠看到，當溫度從1500華氏度升高到1700華氏度時，GMR 235的每小時0.01%的蠕變率強度從40ksi降至一半。
例如在美國專利No. 6， 381, 958和No. 6， 966， 182中公開的 那些， 一些實施例提供增強加熱器頭5801的結構支撐的內部肋條(或 者環)5800，如在圖58的截面中所示。肋條5800的特徵在於內孔5802。 加熱器頭5801的蠕變強度和斷裂強度因此主要地由加熱器頭的有效厚 度5804和內孔直徑5802確定。通過加熱器頭的熱量傳導不受厚度5804 限制，因為加熱器頭的居間片斷5806更窄並且提供增強的熱量傳導。
67肋條5800不僅減輕了在加熱器頭5801的外壁5808上的環向應力而且 另外地在加熱器頭內部提供補充性表面面積並且因此有利地增強了到 工作流體的熱傳遞。
在加熱器頭內部提供肋條5800的進一步優點包括對於給定熱傳 遞率降低沿著加熱器頭壁5808的溫度梯度，以及允許在更高的熱端部 工作溫度下操作。另外地，通過降低在外壁上的應力要求，可以使用 鎳基超合金的替代材料，從而有利地以降低的成本提供優良的傳導性。
在圖59中進一步示出具有肋條5800的加熱器頭5801的截面。短 劃線5910標註膨脹汽缸的中心縱向軸線。根據各種實施例，膨脹汽缸 熱套筒5912可以具有用於引導圍繞周向肋條5800的工作氣體(由5916 表示)流動的橫向偏流器5914，從而增強到工作氣體的熱傳遞。肋條 5800的另外的寬度h有助於加熱器頭5801的環向強度，而熱傳遞主要 地由外部加熱器頭壁5808的更窄厚度t控制。在典型的斯特林發動機 應用中，雖然加熱器頭外部可以在熱達1800華氏度的溫度下工作，但 是提供結構強度的肋條5800通常不在比1300華氏度更熱的溫度下工 作。
可以另外地根據幾個可替代實施例獲得如以上參考圖58所討論 的那樣增強的導熱性連同增強環向強度的優點。參考圖60A和60B， 示出加熱器頭6030的截面，其中管狀開口 6032平行於加熱器頭壁6008 延伸。如在沿著線AA截取的圖60B的截面視圖中所示，管子6032允 許工作氣體沿著壁向下流動，從而增強從加熱器頭外側到工作氣體的 熱傳遞。另外地，對於相同的熱傳遞率，壁6008可以更厚，因此提供 另外的強度。而且，在通道6032內部的厚壁部分6010 (還在圖61B中 被示為6110)保持比在其它情形中更冷，從而進一步提供另外的強度。 加熱器頭6030優選地與可以具有圓形截面或者具有其它形狀的管狀通 道6032 —起地鑄造。圖61A示出另一加熱器頭6140，其中管狀開口 6132平行於加熱 器頭壁6108延伸並且被向外延伸到加熱器頭壁的更薄部分6142的開 口中斷。如在沿著線AA截取的圖62B的截面視圖中所示，管子6132 允許工作氣體沿著壁向下流動，從而將從加熱器頭外側到工作氣體的 熱傳遞增強至與圖62A和62B所示的直管設計相比被顯著增強的程度。 另外地，開口 6144提供用於移除在鑄造過程中使用的陶瓷核芯以形成 這種長的、薄的孔的另外的區域。孔的增加的可達性允許在製造過程 期間更快地對於核芯進行化學瀝濾。
圖62B示出又一種加熱器頭6250，其中在加熱器頭壁6208內成 螺旋形地設置肋條6252，由此提供沿著周向和軸向這兩個方向具有增 強的剛度的壁。在工作氣體朝向回熱器流動時，工作氣體流動通過在 膨脹活塞和加熱器頭之間的路徑上的螺旋形物6254。圖62B示出沿著 線AA截取的圖62A的加熱器頭的橫向截面。各種實施例包括採用對 於螺旋形物6254的線性或者其它近似以獲得具有可比性的加強和熱傳 遞優點。
優選地通過鑄造製造圖62A和62B的加熱器頭6250。在圖62C 中示出用於鑄造過程的核芯組件6260的側視圖。另外有利的是提供肋 條，從而為加熱器頭的圓頂提供內部支撐並且在圓頂上提供另外的熱 交換，由此冷卻圓頂的內表面。在圖62D中並且在圖62D中當從頂部 看時看到的截面中示出圓頂的相配核芯結構，在圖62E中示出核芯組 件6260'的透視圖。
應該理解，在這裡描述的各種加熱器頭實施例和用於它們的製造 方法可以適合於在多加熱器頭配置中發揮作用。
回熱器
如以上所討論的那樣並且如在美國專利No. 6， 591， 609和No. 6， 862， 883中描述的那樣，在斯特林循環機器中使用回熱器以在斯特林循環的不同階段期間從工作流體增加和移除熱量。在斯特林循環機 器中使用的回熱器應該能夠具有高的熱傳遞率，高的熱傳遞率通常意 味著高的熱傳遞面積和低的工作流體流阻。通過降低泵送工作流體需 要的能量，低的流阻還對於發動機的總體效率作出貢獻。另外地，應 該以如此方式製造回熱器，使其抵制剝落或者破碎，因為碎片可以被 夾帶於工作流體中並且被輸送到壓縮或者膨脹汽缸並且導致活塞密封 件受損。
一種回熱器設計使用幾百個堆疊金屬濾網。雖然展示高的熱傳遞 表面、低的流阻和低剝落性，但是金屬濾網可能不利地存在以下缺點， 即，對它們的切削和處理可能產生在組裝回熱器之前應該被移除的小 的金屬碎片。另外地，不鏽鋼鐵絲網對於斯特林循環發動機的成本具 有略微的貢獻。
如現在參考圖63A描述地，三維隨機纖維網例如不鏽鋼棉或者陶 瓷纖維例如可以被用作回熱器。不鏽鋼棉回熱器6300有利地提供大的 表面面積與體積比率，由此以緊湊的形式在低流體流動摩擦下提供有 利的熱傳遞率。另外地，切割、清潔和組裝大量絲網的麻煩的製造步 驟得以有利地消除。如現在描述地，鋼棉的低的機械強度和鋼棉剝落 的趨勢均可得以克服。在一些實施例中，各個鋼絲6302和6304被"交 聯"成一元式3D線基體。
用於回熱器的起始材料可以是纖維性的並且具有隨機纖維形式例 如鋼或者鎳棉。纖維組分可以是玻璃或者陶瓷或者金屬例如鋼、銅或 者其它高溫材料。根據回熱器的尺寸和金屬性質，纖維直徑優選地在 從IO微米到l毫米的範圍中。起始材料被置於相應於在圖63B的截面 中描繪的回熱器最終形狀的模型中。示出內筒柱形壁6320、外筒柱形 壁6322和回熱器網6300。回熱器的密度由置於模型中的起始材料的數 量控制。模型可以是多孔的，以允許流體穿過模型。在一些實施例中，未燒結鋼棉被用作回熱器網6300。然後利用回 熱器保持網6324或者其它過濾器在回熱器筒內保持回熱器網6300，由 此構成可以有利地捕集鋼棉碎片的"籃子"。
在能夠被應用於導電的起始材料的一個實施例中，起始材料被置 丁多孔模型中並且被置於電解質池中。例如起始材料可以是金屬，例 如不鏽鋼。與起始材料進行電連接由此形成電極。通過將第二材料6306
電沉積到起始材料上而實現在起始材料中的各個纖維的交聯。如在電 化學技術領域普通技術人員己知地，起始材料的選擇將依賴於以下因 素，例如所選的具體沉積技術以及第一和第二材料的化學兼容性。在 沉積期間，第二材料將在起始材料上積聚並且在各個纖維在此處相互 緊鄰的位置處在起始材料的各個纖維之間形成橋接器6308。沉積繼續， 直至橋接器已經增長至充分尺寸以將兩個單個纖維牢固地保持到位。
沉積持續時間依賴於具體沉積過程並且易於由本領域普通技術人 員確定。在沉積完成之後，從電解質池和模型移除並且清潔回熱器。
在另一實施例中，起始材料被置於可以是多孔的或者非多孔的模 型中。包含起始材料的模型被置於熔爐中並且被部分地燒結成一體件。 燒結溫度和燒結時間的選擇易於由燒結技術領域中的普通技術人員確 定。
在另一實施例中，起始材料被置於多孔模型中。包含起始材料的 模型被置於化學池中，並且第二材料例如鎳被化學沉積以在各個纖維 之間形成橋接器。
在另一實施例中，起始材料是被置於多孔模型中的氧化矽玻璃纖 維。玻璃纖維和模型被浸入正矽酸乙酯(TEOS)和乙醇的溶液中從而 纖維完全被該溶液潤溼。從該溶液移除並且允許纖維和模型在潮溼環 境中排放。該溶液將相互緊鄰地形成新月形形狀橋接纖維。潮溼環境將引起水解凝結反應，該反應將TEOS轉換成氧化矽，從而在兩根纖 維之間形成交聯。可以在小於100(T C、最優選地小於600° C的溫度 下對纖維和模型進行熱處理，以移除反應產物並且在纖維之間形成氧 化矽橋接器。
在另一實施例中陶瓷漿液被沉積到具有回熱器的形狀的網狀泡沫 上。漿液在網狀泡沫上被乾燥並且被熱處理以燒掉泡沫並且燒結陶瓷。 陶瓷可以由氧化物陶瓷例如堇青石、氧化鋁或者氧化鋯構成。陶瓷漿 液的組分和熱處理性質易於由陶瓷處理技術領域普通技術人員規定。
在另外的實施例中，在如現在參考圖64A描述的回熱器製造中採 用針織或者編織絲。根據這些實施例，針織或者編織絲管6401被輥6402 壓平成帶6404，以此形式，圍繞心軸6406將其纏繞成環形層6408。 不鏽鋼有利地被用於針織絲管6401，因為它具有承受高溫操作的能力， 並且所用金屬絲的直徑通常在l-2毫米的範圍中，然而可以在不同的實 施例中使用其它材料和規格。可替代地，在被針織成絲管之前，多個、 通常5-10個不鏽鋼絲可以被鬆散地纏繞成多絲線。這個過程有利地強 化了所產生的管6401。當心軸6406被移除時，環形組件6410可以在 熱循環發動機中被用作回熱器。
現在參考圖64B到64E描述又一個實施例。在圖64B以它的適當 的柱形形式示出的針織或者編織絲管6401在圖64C中顯示為被刻劃並 且被部分地壓縮。可替代地，如在圖64D中所示，刻痕相對於管子的 中心軸線6412可以具有角度6414。管子6401然後被沿著中心軸線6412 軸向壓縮以形成然後在斯特林循環發動機的回熱器空間408(圖4所示) 內被設為回熱器的、圖64E所示的波紋管形式6416。
應該理解，在這裡描述的各種回熱器實施例和用於它們的製造方 法可以適合於在多汽缸配置中發揮作用。
72冷卻劑穿透冷端部壓力容器
現在參考圖65A-C，根據一些實施例示出發動機，例如斯特林循 環發動機的各種截面。發動機6500被密封。曲柄軸箱6502用作冷端 部壓力容器並且在內部空間6504中包含原料氣體。通過使用足夠厚的 鋼或者其它結構材料，曲柄軸箱6502能夠被製造成具有任意強度而不 犧牲熱性能。加熱器頭6506用作熱端部壓力容器並且優選地利用高溫 超合金例如Inconel 625、 GMR-235等製造。加熱器頭6506被用於通過 傳導從外部熱源(未示出)到工作流體傳遞熱能。可以從各種熱源例 如太陽輻射或者燃燒氣體提供熱能。例如，如在前討論的燃燒器，可 以被用於產生用於加熱工作流體的熱燃燒氣體(在圖65B中被示為 6507)。如以上關於圖1所討論的那樣，汽缸的膨脹區域(或者熱部 分)6522被置於加熱器頭6506內側並且限定工作氣體容積的一個部分。 活塞6528被用於移位在汽缸6522的膨脹區域中包含的工作流體。
根據一個實施例，曲柄軸箱6502在接頭6508處被直接地焊接到 加熱器頭6506以形成能夠根據冷卻器中的熱傳遞要求而如其它設計那 樣被設計成保持任何壓力而不受到限制的壓力容器。在可替代實施例 中，曲柄軸箱6502和加熱器頭6506被銅焊或者被栓接到一起。加熱 器頭6506具有沿著軸向約束加熱器頭並且從加熱器頭6506到曲柄軸 箱6502轉移軸向壓力的凸緣或者臺階6510，由此從焊接或者銅焊接頭 6508減輕壓力。接頭6508用於密封曲柄軸箱6502 (或者冷端部壓力 容器)並且承受彎曲和平面應力。在可替代實施例中，接頭6508是具 有彈性體密封件的機械接頭。在又一個實施例中，除了在接頭6508處 的外部焊接，利用內部焊接替代臺階6510。
曲柄軸箱6502被組裝成兩件式，即，上曲柄軸箱6512和下曲柄 軸箱6516。首先，加熱器頭6506被結合到上曲柄軸箱6512。其次， 冷卻器6520被安裝有冷卻劑管線(在圖65B中被示為6514)，該冷卻 劑管線經過上曲柄軸箱6512中的孔。再次，安裝雙作用活塞6528和 驅動部件(在圖65A和65C中總體利用附圖標記6540標註，在圖65B中未示出)。在一個實施例中，下曲柄軸箱6516被組裝成三件式，上 部分6513、中間部分6515和下部分6517，如在圖65A和65C中所示。 中間部分6515可以利用在本技術領域中已知的任何機械裝置或者通過 焊接而分別地在接頭6519和6521處被連接到上部分和下部分6513和 6517。
下曲柄軸箱6516然後在接頭6518處被結合到上曲柄軸箱6512。 優選地，通過焊接結合上曲柄軸箱6512和下曲柄軸箱6516。可替代地， 可以採用栓接凸緣(如在圖65B和65C中所示)。
在一些實施例中馬達/發電機(在圖65C中被示為6501)例如PM 發電機可以被安裝到馬達/發電機外殼中(在圖65C中被示為6503), 馬達/發電機外殼被聯結到下曲柄軸箱6516，如在圖65C中所示。馬達 /發電機外殼6503可以通過在本技術領域中已知的任何機械裝置而被 聯結到下曲柄軸箱6516，或者可以被焊接到下曲柄軸箱6516。馬達/ 發電機外殼6503可以被組裝成兩件式，gp，被聯結到下曲柄軸箱6516 的前部分6505，和可以被焊接或者被栓接到前部分6505的後部分 6509。在一個實施例中密封件6511可以位於馬達/發電機外殼6503的 後部分6509和前部分6505之間。在一些實施例中，後部分6509能夠 被以可移除方式聯結到前部分6505，除了其它功能以外，其作用在於 在發動機6500組裝期間允許容易地移除和安裝馬達/發電機6501。
為了允許將加熱器頭6506直接聯接到上曲柄軸箱6512,由被置 於曲柄軸箱6502內的冷卻器6520執行熱循環的冷卻功能，由此有利 地降低對於冷卻器提出的壓力耐受要求。通過將冷卻器6520置於曲柄 軸箱6502內，沿著冷卻器的壓力被限制為在工作氣體容積中的工作氣 體和在曲柄軸箱的內部空間6504中的原料氣體之間的壓力差。壓力差 是由工作氣體的壓縮和膨脹產生的，並且通常被限制為操作壓力的一 定百分比。在一個實施例中，壓力差被限制為小於操作壓力的30%。相對於冷卻器6520的直徑，冷卻劑管線6514有利地具有小直徑。 例如由冷卻劑管線6514提供的小直徑冷卻劑通道，是用於實現高熱傳 遞和支持大壓力差的關鍵。承受或者支持給定壓力所需的壁厚度與管 或者容器直徑成比例。在管壁上的低應力允許各種材料被用於冷卻劑 管線6514，包括但是不限於薄壁不鏽鋼管線或者壁更厚的銅管。
將冷卻器6520完全定位在曲柄軸箱6502 (或者冷端部壓力容器) 空間內的另外的優點在於，工作氣體通過冷卻器6520的任何洩漏將僅 僅導致發動機性能降低。相反，如果使得冷卻器與外部周邊環境交互， 則工作氣體通過冷卻器的洩漏將由於工作氣體損失而使得發動機無 效，除非利用外部源保持工作氣體的平均壓力。對於密封式冷卻器的 降低的要求允許使用不太昂貴的製造技術，包括但是不限於粉末金屬 和壓鑄。
冷卻器6520被用於通過傳導從工作氣體傳遞熱能並且由此冷卻 工作氣體。冷卻劑或者水或者另一種流體被冷卻劑管線6514輸送通過 曲柄軸箱6502和冷卻器6520。冷卻劑管線6514通過上曲柄軸箱6512 的穿通部分可以在不鏽鋼和鋼管的情形中利用用於銅管的釺焊或銅焊 接頭焊接或者在本技術領域中已知的其它方式密封。
由於在馬達/發電機繞組中耗散的熱量、驅動中的機械摩擦、原料 氣體的非可逆壓縮/膨脹和來自工作氣體空間的熱氣體的吹送引起的加 熱，在內部空間6504中的原料氣體也可能要求冷卻。冷卻曲柄軸箱6502 中的原料氣體增加了發動機的功率和效率以及在發動機中使用的軸承 的壽命。
在一個實施例中，另外的長度的冷卻劑管線(在圖65B中被示為 6530)被置於曲柄軸箱6502內側以吸收來自內部空間6504中的原料 氣體的熱量。該另外的長度的冷卻劑管線6530可以包括一組延伸熱傳 遞表面(在圖65B中被示為6548),例如鰭片，以提供另外的熱傳遞。如在圖65B中所示，該另外的長度的冷卻劑管線6530可以被聯結到在 曲柄軸箱6502和冷卻器6520之間的冷卻劑管線6514。在可替代實施 例中，該長度的冷卻劑管線6530可以是具有通過曲柄軸箱6502外側 的軟管而被連接到冷卻迴路的、它自身的曲柄軸箱6502穿通部分的單 獨的管子。
在另一實施例中，可以利用在冷卻器6520或者驅動器外殼(在圖 65A和65C中被示為6572)的外表面上的延伸表面替代延伸冷卻劑管 線6530。可替代地，風扇(在圖65B中被示為6534)可以被聯結到發 動機曲柄軸(在圖65C中被示為6542)以循環內部空間6504中的原料 氣體。可以分開地或者與另外的冷卻劑管線6530或者冷卻器6520或 驅動器外殼6572上的延伸表面相結合使用風扇6534以直接地冷卻內 部空間6504中的原料氣體。
優選地，冷卻劑管線6514是貫穿曲柄軸箱的內部空間6504和冷 卻器6520的連續管。可替代地，能夠在曲柄軸箱和冷卻器的穿通埠 之間使用兩件管線。 一個管將冷卻劑從曲柄軸箱6502外側輸送到冷卻 器6520。第二管將冷卻劑從冷卻器6520返回到曲柄軸箱6502的外部。 在另一實施例中，可以在曲柄軸箱6502和冷卻器之間使用多件管線從 而為管線增加曲柄軸箱容積6504內側的延伸熱傳遞表面或者便於制 造。管線接頭和在管線與冷卻器之間的接頭可以是銅焊、釺焊、熔焊 或者機械接頭。
各種方法可以被用於將冷卻劑管線6514結合到冷卻器6520。可 以在各種實施例中使用用於將冷卻劑管線6514結合到冷卻器6520的 任何已知方法。在一個實施例中，冷卻劑管線6514可以通過銅焊、釺 焊或者膠接而被聯結到冷卻器6520的壁。冷卻器6520為圍繞汽缸6522 和汽缸6522外側的工作氣體的環形流動路徑放置的柱體形狀。據此， 可以如上所述圍繞冷卻器汽缸壁的內部纏繞和聯結冷卻劑管線6514。在圖65D-65G中示出可替代的冷卻器配置，該冷卻器配置降低了 冷卻器本體製造複雜度。圖65D示出包括冷卻劑管線的斯特林循環發 動機側視圖的一個實施例。在圖65D中，冷卻器6552包括冷卻器工作 空間6550。冷卻劑管線6548被置於冷卻器工作空間6550內，從而工 作氣體能夠在冷卻劑管線6548的外側表面之上流動。利用冷卻器本體 6552和冷卻器襯裡6526，工作氣體被限制為流動經過冷卻劑管線6548。 冷卻劑管通過在冷卻器6552或者驅動器外殼6572中的埠 (圖65A 和65C所示)迸出工作空間6550。通過圍繞冷卻劑線路6548設置密封 件而簡化了冷卻器鑄造過程。另外，將冷卻劑線6548置於工作空間中 改進了在工作流體和冷卻劑流體之間的熱傳遞。冷卻劑管線6548可以 是平滑的或者可以在管線外側上具有延伸熱傳遞表面或者鰭片以增加 在工作氣體和冷卻劑管線6548之間的熱傳遞。在另一實施例中，如在 圖65E中所示，間隔元件6554可以被添加到冷卻器工作空間6550以 強制工作氣體更加靠近冷卻劑管6548流動。間隔元件被從冷卻器襯裡 6526和冷卻器本體6552分離以允許將冷卻劑管和間隔元件插入工作空 間中。
在另一實施例中，如在圖65F中所示，冷卻劑管線6548被包覆以 形成環形散熱片6556，在此處工作氣體能夠在冷卻器本體6552的兩側 上流動。環形散熱片6556還可以在它的內表面和外表面6560上包括 延伸熱傳遞表面。冷卻器6552的本體約束工作氣體流動經過散熱片 6556上的延伸熱交換表面。散熱片6556通常是比圖65A和65B中的 冷卻器6520製造更加簡單的部件。環形散熱片6556提供大致兩倍於 圖65A和65B所示冷卻器6520的熱傳遞面積。在另一實施例中，如在 圖65G中所示，冷卻器襯裡6526能夠被包覆到冷卻劑線路6548上。 冷卻器本體6552約束工作氣體流動經過冷卻器襯裡6562。冷卻器襯裡 6526也可以在表面6560上包括延伸熱交換表面以增加熱傳遞。
返回圖65B,用於將冷卻劑管線6514結合到冷卻器6520的一種 方法是圍繞冷卻劑管線包覆冷卻器。這種方法參考圖66A和66B給出
77了描述，並且可以被應用於加壓閉路機器以及在其中在曲柄軸箱內側 定位冷卻器是有利的其它應用中。
參考圖66A,熱交換器例如可以通過將高溫金屬管線6602形成所 期形狀而製造冷卻器6520 (圖65A和65B所示)。在一個實施例中， 使用銅將金屬管線6602形成為線圈。然後較低溫度(相對於管線的熔 化溫度)鑄造工藝被用於利用高導熱性材料包覆管線6602從而為發動 機其餘部分形成氣體界面6604 (和圖65B中的6532)，密封件6606 (和圖65B中的6524)和用於以機械方式將驅動器外殼6572 (圖2所 示)連接到加熱器頭6506 (圖65B所示)的結構。在一個實施例中， 被用於包覆管線的高導熱性材料是鋁。利用高導熱性金屬包覆管線 6602保證了在管線和與工作氣體接觸的熱傳遞表面之間的良好熱連 接。在管線在6610處離開開口模具之處圍繞管線6602形成密封。制 造熱交換器的這種方法有利地以廉價方式在鑄造金屬部件中提供了冷 卻通道。
圖66B是在圖66A的冷卻線圈之上鑄造的冷卻組件的透視圖。鑄 造過程能夠包括以下任何工藝壓鑄、熔模鑄造、或者砂模鑄造。從 在鑄造過程期間將不會熔化或者坍縮的材料選擇管線材料。管線材料 包括但是不限於銅、不鏽鋼、鎳和超合金例如Inconel。在與管線相比
在較低溫度下熔化的那些材料中選擇鑄造材料。典型鑄造材料包括鋁 及其各種合金和鋅及其各種合金。
熱交換器還可以包括延伸熱傳遞表面以增加在熱工作氣體和熱交 換器之間的界面區域6604 (和圖65B所示的6532)從而改進在工作氣 體和冷卻劑之間的熱傳遞。可以通過在內側表面(或者氣體界面)6604 上加工延伸表面而在熱交換器6520的工作氣體一側上形成延伸熱傳遞 表面。參考圖65B,冷卻器襯裡6526 (圖65B所示)可以被擠壓到熱 交換器中以在熱交換器的內徑上形成氣體屏障。冷卻器襯裡6526引導 工作氣體流動經過冷卻器的內表面。能夠利用在本技術領域中已知的任何方法形成延伸熱傳遞表面。
如在圖67A和67C詳細示出地，根據一些實施例，在表面中鑿出縱向 凹槽6704。可替代地，除了縱向凹槽6704(也在放大截面視圖閨67A-1 中示出)，可以加工出側向凹槽6708 (也在放大截面視67B-1中 示出)，由此如在圖67B中所示形成對準的針銷6710。在一些實施例 中，以螺旋角度切出凹槽以增加熱交換區域。
在可替代實施例中，利用泡沫金屬、膨脹金屬或者具有高的比表 面積的其它材料形成在冷卻器的氣體界面6604上的延伸熱傳遞表面 (如在圖66B中所示)。例如，泡沫金屬筒體可以被釺焊到冷卻器6604 的內側表面。如以上所討論的那樣，冷卻器襯裡6526 (圖65B所示) 可以被擠入以在泡沫金屬的內徑上形成氣體屏障。在題目為Stirling Engine Thermal System Improvements (斯特林發動機熱系統改進)、於 2004年2月24日授權的美國專利No. 6, 694， 731中描述了形成和將 熱傳遞表面聯結到冷卻器本體的其它方法，該專利通過引用而在這裡 被以其整體併入。
在美國專利No. 7， 325， 399中描述了另外的冷卻劑穿透冷端部 壓力容器實施例。應該理解，在這裡提出的各種冷卻劑穿透冷端部壓
力容器實施例可以適合於在多汽缸發動機配置中發揮作用。 進氣歧管
現在參考圖68-69B，示出根據一些實施例應用於斯特林循環發動 機或者其它燃燒應用的進氣歧管6899。在美國專利No. 6， 381， 958 中進一步公開了進氣歧管6899的各種實施例。根據一些實施例，燃料 被與空氣預混合，空氣可以被加熱至高於燃料自動點火溫度，並且防 止火焰形成，直至燃料和空氣被良好地混合。圖68示出包括進氣歧管 6899和燃燒腔室6810的一個實施例。進氣歧管6899具有帶有用於接 收空氣6800的入口 6803的軸對稱導管6801。空氣6800被預加熱至通常高於900 K的溫度，該溫度可以高於燃料的自動點火溫度。導管6801 將相對於燃燒軸線6820沿著徑向向內流動的空氣6800輸送到被置於 導管6801內的渦流器6802。
圖69A示出根據一些實施例包括渦流器6802的導管6801的截面 視圖。在圖69A的實施例中，渦流器6802具有用於引導空氣6800沿 著徑向向內流動並且在空氣上賦予旋轉分量的幾個螺旋形葉片6902。 如由渦流器部分導管6801的長度限定地，導管的渦流器部分的直徑從 渦流器6802的入口 6904到出口 6906降低。渦流器葉片6902的直徑 降低以與直徑基本成反比地增加了空氣6800的流率。流率得以增加從 而它高於燃料的火焰速度。在渦流器6802的出口 6906處，在一個實 施例中是丙垸的燃料6806被注入向內流動的空氣中。
在一些實施例中，燃料注射器6804通過如在圖69B中所示的一系 列噴嘴6900注入燃料6806。更加具體地，圖69B示出導管6801的截 面視圖並且包括燃料噴嘴6卯0。每一個噴嘴6900均位於渦流器葉片 6902的出口處並且集中在兩個相鄰葉片之間。噴嘴6900被以此方式定 位以增加混合空氣和燃料的效率。噴嘴6900同時地橫過空氣流6800 地注射燃料6806。因為空氣流動比火焰速度更快，所以即使空氣和燃 料混合物的溫度高於燃料的自動點火溫度，此時也不會形成火焰。在 一些實施例中，當使用丙烷時，如由加熱器頭的溫度控制的預加熱溫 度為大致900K。
再次參考圖68，下文稱作"空氣-燃料混合物"6809的、現在已 被混合的空氣和燃料被沿著通過喉口 6808的方向轉向，喉口 6808具 有成型整流罩6822並且被聯結到導管6801的出口 6807。經由燃料調 節器6824供應燃料6806。
喉口 6808具有內部半徑6814和外部尺寸6816。空氣-燃料混合物 的轉向是從相對於燃燒軸線6820基本橫向並且沿著徑向向內的方向到基本平行於燃燒軸線的方向。喉口 6808的整流罩6822的輪廓具有倒 鐘形狀，從而喉口 6808相對於燃燒軸線的截面面積從喉口的入口 6811 到喉口的出口 6812保持恆定。該輪廓是平滑的而不存在臺階並且保持 從渦流器的出口到喉口 6808的出口的流動速度以避免分離和由此產生 的沿著任何表面的再循環。恆定截面面積允許空氣和燃料繼續混合而 不降低流動速度和引起壓力下降。平滑和恆定截面產生了有效率的渦 流，這裡，渦流效率指的是沿著渦流器的靜壓降被轉換成渦流動壓的 百分比。在實踐中通常可以實現好於80%的渦流效率。因此，可以減 小燃燒空氣扇的寄生耗用功率。
喉口的出口 6812向外張開以允許空氣-燃料混合物6809分散到腔 室6810中，從而減緩空氣-燃料混合物6809，由此局部化和容納火焰 並且使得環形火焰得以形成。如在本技術領域中熟知地，由渦流器6802 產生的旋轉動量產生火焰穩定環渦流。
參考圖70，示出如上參考較早的圖所述的燃燒器7022和排氣流 動路徑7013的截面。根據另一實施例認識到燃燒排氣遠超過燃燒器 7022區域地保持高於燃料燃燒溫度，並且，因為燃料/空氣混合物通常 是極度稀薄的，所以足夠的氧化劑保留用於排氣的再燃燒。
圖70進一步示意溫度傳感器7002 (通常為熱電偶)的使用，以 監控在外部針銷陣列7030的頂部處的加熱器頭7020的溫度並且由此 控制燃料流動以保持在傳感器7002處的溫度低於使得加熱器頭顯著地 喪失強度的溫度。在傳感器7002處的溫度優選地被保持為低於加熱器 頭材料的熔化溫度大致50攝氏度。
在於圖70中描繪的配置中，示意出如上所述可變截面氣體旁路流 道7004的使用。為了描繪清楚起見，旁路流道的錐度被大大地誇大。 即使在採用旁路流道時，作為距加熱器頭的頂部的距離的函數的溫度 廓線也不是如優選的那樣平坦。分別地在外部針銷陣列7030的中間和底部處示出兩個另外的溫度傳感器7006和7008，由此可以監控排氣溫 度。
根據一些實施例，經由加力燃燒室燃料線路7012在噴嘴7010處 將額外的燃料添加到排氣。噴嘴7010可以是沿著周向圍繞加熱器頭 7020並且在由溫度傳感器7002和7006在圖70中指定的位置之間面向 外部針銷陣列7030的環形燃燒器。可以基於由溫度傳感器7008測量 的排氣溫度控制通過加力燃燒室燃料線路7012的燃料流動。溫度傳感 器7008的精確位置優選地適於測量通過從加力燃燒室噴嘴7010離開 的燃料的燃燒產生的、外部針銷陣列的最大溫度。
參考圖71A，對於根據一些實施例的熱循環發動機，以截面示出 總體由附圖標記7100標註的燃燒器和熱量回收系統的側視圖。在所示 實施例中，在於燃燒器7022中加熱的熱排氣和在加熱器頭組件外部的 熱交換器7106中的空氣入口 7104處吸入的空氣之間交換熱量。另外 地示出燃料入口 7108和被用於在燃燒器中引起點火的引燃器7110。排 氣流7112在被引導到熱交換器7106之前經過熱傳遞針銷7030。銅或 者具有足夠高的熔化溫度的其它金屬製成的密封環7114，在底行熱傳 遞針銷7030正下方的加熱器頭凸緣7116上形成杆形密封。銅環7114 在加熱器頭凸緣7116上緊配合從而產生迷宮式密封。示出密封區域的、 圖71A的截面視圖的右手部分在圖71B中被放大示出。銅密封環7114 在加熱器頭7101上緊配合併且在燃燒器蓋7120的底表面上的環形凹 槽7118內密配合。在凹槽7118中的環7114的配置產生迷宮式密封， 從而使得在排氣室7122中的排氣沿著圍繞密封環7114後側的盤旋路 逕行進，由此限制排氣洩漏。環7114到加熱器頭7101上的緊配合限 制了排氣從燃燒器向外沿著軸向洩漏。
應該理解，在這裡描述的各種進氣歧管實施例可以適合於在多燃 燒器配置中發揮作用。氣態燃料燃燒器
定義如在詳細說明的這個部分中使用地，以下術語將具有所示 意的含義，除非上下文另有要求燃料-空氣等價比率(.phi.)=實際燃 料-空氣品質比率/化學計量燃料-空氣品質比率。化學計量燃料-空氣質 量比率被定義為平衡燃料+空氣化學方程式所需的質量比率。化學計量 燃料-空氣品質比率對於普通燃料例如丙烷而言是熟知的(0.0638 g燃
料/g空氣)並且對於氣體例如生物氣而言是可計算的。
圖72示出具有氣態燃料燃燒器7201的發動機7212實施例的一個 實施例。還在通過引用而在這裡被以其整體併入的、於2005年5月5 曰提交的、於2005年11月10日公開的美國專利申請系列No. 11/122， 447中公開了氣態燃料燃燒器7201的各種實施例。可以在斯特林循環 發動機領域中使用這個實施例，然而，其它機器實施例不限於這種應 用。本領域技術人員可以意識到，該機器可以具有在其它系統中的應 用，例如用於其它類型的外燃機。
在氣態燃料燃燒器中使用噴射器能夠有利地解決傳統的氣態燃料 燃燒器面臨的一些難題。首先，使用噴射器能夠消除對於另外的設施、 控制和空間的需求，例如，氣態燃料泵、燃料控制器電路以及相關聯 的部件。此外，使用噴射器例如文氏管通過消除對於單獨的燃料控制 器方案的需求而簡化了燃料控制器系統。基於利用氣流相應地升高真 空度，並且隨後增加燃料流動，能夠通過調節氣流而調節燃燒器功率。 據此，在具有噴射器的氣態燃料燃燒器中移除單獨的燃料控制器簡化 了自動燃燒器控制的研發和實現。
其次，儘管溫度和空氣流率改變，利用氣流相應地升高真空度還 產生了大致穩定的燃料-空氣比率。通過消除對於複雜排氣傳感器/反饋 燃料控制器機構的需求，所產生的穩定燃料-空氣比率簡化了燃料控制 器和燃燒器的操作。參考圖72，氣態燃料燃燒器7201包括噴射器7240、熱交換器7220、 燃燒腔室7250和吹風機7200 (在圖73A中被示為7300)。如在這裡 使用的術語噴射器包括排放器、虹吸管或者能夠使用一種流體的動能 來引起另一種流體流動的任何裝置。噴射器是基於燃料流動系統產生 真空的一種可靠方式，具有低的初始成本，無需移動部件，並且操作 簡單。
再次參考圖72，在一些實施例中，噴射器7240是文氏管。在文 氏管壓力通風系統7241中並且靠近燃燒腔室7250，文氏管7240位於 空氣預加熱器或者熱交換器7220的出口下遊。吹風機7200強制空氣 通過文氏管7240。空氣通過文氏管的流動通過燃料入口 7279吸入成比 例的燃料數量。在喉口具有最低壓力之處，燃料入口 7279被置於文氏 管喉口 7244處。入口 7279的尺寸被確定為跨越氣流地產生多股燃料， 多股燃料促進了在文氏管7240內的良好混合。這種燃料-空氣混合物離 開文氏管7240並且在燃燒腔室7250中形成渦流穩定的火焰。文氏管 7240吸入一定數量的燃料，該數量基本線性地與氣流成比例，而與進 入文氏管7240的空氣的流率和溫度無關。
在如在圖73A和73B中所示的一些實施例中，將文氏管7340置 於空氣預加熱器7320和燃燒腔室7350之間在大的氣流和文氏管溫度 範圍上促進了基本穩定的空氣-燃料比率。圖73A是包括燃燒器的部件 例如吹風機7300、預加熱器7320、文氏管7340和燃料供應器7372的 燃燒器的概略繪圖。該繪圖還包括負載熱交換器或者加熱器頭7390(在 圖76-78中還被示為7290)。負載熱交換器7390是發動機的熱交換器 或者吸收在某個升高溫度下離開燃燒器中的燃燒腔室7350的熱氣體的 熱能的過程。部分冷卻的已燃氣體然後進入空氣預加熱器的排氣側， 在此處它們被流入的燃燒空氣進一步冷卻。圖73B示出線性地布置的 相同部件的壓力繪圖。由吹風機供應的空氣壓力、燃料供應壓力和環 境壓力被全部示意出來。燃料進入燃燒器中的質量流率(m')受到在 7372處的燃料供應壓力和在文氏管喉口 7344(在圖72中被示為7244)中的壓力之間的差異和在主要限制下的燃料溫度所控制，所述燃料溫 度為
m'.sub.FUEL.varies. (P.sub.FUEL-P.sub.THROAT) .sup.0.5/T.sub.FUEL.sup.0.5
在喉口中的壓力(P.sub.THROAT)由通過預加熱器7320的排氣 側的壓力下降加上通過加熱器頭管子73卯的壓力下降減去由文氏管喉 口 7344產生的吸力設定。壓力下降7320、 7390和喉口抽吸壓力7344 全部與空氣流率和文氏管溫度成比例。
P .sub .THRO AT.varies.m' .sub. AIR.sup .2 *T.sub VENTURI
組合這些等式示出燃料流量將隨著氣流大致線性地改變
m'.sub.FUEL.varies.[P,sub.FUEL-(m"sub.AIR.sup.2*T.sub.VENTURI) ].sup.0.5/T- .sub.FUEL.sup.0.5
將燃料壓力調節為接近環境壓力，燃料流量與氣流大致成線性關係。
ml.sub.FUEL.varies.m'.sub.AIR* (T.sub.VENTURI/T.sub.FUEL) .sup.0.5
因此，將主要燃料節流口 7378 (在圖72中被示為7278)定位在 文氏管壓力通風系統(在圖72中被示為7241)內在大的流率和文氏管 溫度範圍上提供了大致穩定的燃料-空氣比率。
m'.sub.FUEL/m'.sub. AIR. varies.constant
圖74示出噴射器例如文氏管的一個實施例。在該實施例中，文氏 管喉口 7244的開口的尺寸確定在喉口 7244處存在的抽吸數量。在特 定實施例中，文氏管喉口具有大致0.24英寸的直徑。回過來參考圖72和74，燃料給付裝置被聯接到文氏管7240。燃料給付裝置可以是歧管、 燃料線路或者燃料管。燃料給付裝置可以包括其它部件例如燃料節流 口 7278、燃料入口 7279和燃料閥門(未示出)。由壓力調節器7272 供應的燃料通過歧管7273和燃料入口 7279流入喉口 7244，在喉口 7244 中處於較低壓力下。在一個實施例中，燃料入口 7279在燃料給付裝置 中提供最大部分的壓力下降。優選地，使得燃料入口成為燃料給付裝 置中的最大限制保證了在文氏管溫度下產生限制並且通過產生最大可 能燃料股而增大燃料-空氣混合。回過來參考圖72，燃料和空氣流入文 氏管的擴散錐體或者擴散器7248中，在此處靜態壓力得以恢復。在擴 散器7248中，所被夾帶的燃料與空氣混合以在燃燒腔室7250中形成 可點燃的燃料空氣混合物。可點燃的燃料-空氣混合物然後進入燃燒腔 室7250，在此處引燃器7260可以點燃該混合物，並且由渦流器7230 引起的切向流動形成渦流穩定的火焰。使用噴射器7240將氣態燃料吸 入燃燒腔室中消除了對於使用高壓氣態燃料泵給付燃料的需求。
在一個實施例中，文氏管7240利用高溫材料構造以承受高溫並且 保持它的結構完整性。關於圖74的實施例，文氏管的尺寸能夠是大致 0.9英寸直徑的入口和出口，具有大致0.24英寸直徑的喉口。會聚錐體 和擴散錐體的半角能夠分別是21度和7度。並且喉口能夠是0.25英寸 長。在該實施例中，能夠利用Inconel 600構造文氏管。可替代地，能 夠使用其它高溫金屬，包括但是不限於不鏽鋼310、 316L、 409和439、 Hastalloy C76、 Hastalloy X、 Inconel 625和其它超合金。
在一個實施例中，如在圖72中所示，渦流器7230位於文氏管7240 的上遊並且有利地形成空氣通過文氏管的切向流動。如在本技術領域 中熟知地，從渦流器的切向流動能夠在燃燒腔室中形成穩定火焰的環 形渦流。另外地，渦流器7230通過增加在燃料入口 7279之上的局部 空氣速率而增加了在文氏管喉口 7244處的抽吸壓力。增加渦流器允許 對於給定抽吸壓力將文氏管喉口 7244製造得更大。此外，由渦流器7230 引起的渦流作用能夠抑制燃燒腔室壓力中的波動向上遊傳播到文氏管7240。這種壓力波動能夠暫時地減緩或者停止燃料氣體流入文氏管 7240中。渦流器7230由此促進了在燃燒腔室中的穩定燃料-空氣比率 以實現穩定氣流。渦流器7230可以是徑向渦流器。
在其它實施例中，氣態燃燒器能夠被連接到多燃料源。在這種配 置中，燃燒器可以利用一種類型的燃料著火、點火或者點燃並且然後 利用不同類型的燃料運行。使用多燃料源可能要求為每一種燃料調整 燃料給付裝置。圖75、 75A和75B示出關於具有顯著不同的能量密度 的兩種燃料例如丙烷和天然氣的實施例。在該實施例中，與用於較不 稠密的天然氣或者甲垸的燃料給付裝置相比，用於更加稠密的丙烷的 燃料給付裝置應該受到高出大致三倍的限制。在圖75所示實施例中， 對於每一種燃料，文氏管具有不同的歧管和燃料入口。高密度燃料例 如丙烷可能要求更加限制性的燃料入口 7279，而低密度燃料例如天然 氣可能要求限制性較低的燃料入口 7279A。這種配置在文氏管溫度下 保持了最高燃料流阻。然而，在圖75中的文氏管的實施例可能更加難 以製造並且由於長窄通道而具有更高的壓力損耗下降。
在圖75A中示出關於具有多燃料源的氣態燃燒器的另一實施例。 在該實施例中，燃料選擇閥7276引導燃料通過分別用於稠密氣體或者 較稀薄氣體的另外的燃料節流口例如7278A或者7278B。多埠閥門 7276允許任何數目的預定氣體被相同的燃燒器燃燒。通過簡單地將選 擇閥設置為相應的燃料設置，預定氣體例如天然氣、液態丙烷(LPG) 或者生物氣能夠被在相同燃燒器中燃燒。可替代地，其它實施例能夠 對於不同的生物氣質量具有多個設置，因為在生物氣中二氧化碳的比 率能夠從50%改變到20%。燃料節流口可以被置於燃燒器外側，如在 圖75A中所示，或者可替代地它們能夠位於到歧管7273的入口中。 如果節流口 7278被置於燃燒器外側，則相當部分的燃料給付裝置壓力 下降並不處在文氏管溫度下並且因此燃料-空氣比率可以隨著文氏管溫 度而改變。燃燒器將起初地貧燃，並且因為流動通過文氏管的、更熱 更快速的空氣在燃料上施加更強的真空，所以將逐漸變成富燃。另外，從燃料入口 7279移動相當部分的壓力下降，燃料將不會足夠遠地滲透到空氣流中。儘管如此，為不同氣體定位多個節流口 7278可以使得該部件的製造更加容易。
在圖75B中示出一個在燃料-空氣比率控制和燃料氣體使用中提供相當靈活性的可替代實施例。在該實施例中，兩個燃料源7272A和7272B被調節為它們各自的壓力並且流動通過被調節用於每一種燃料的單獨的燃料給付裝置。每一個燃料給付裝置分別地包括具有一個或者多個閥門7202A和7202B的、並行的兩個或者更多節流口 7206A和7208A以及7206B和7208B，以改變燃料給付裝置的壓力下降。閥門可以被以人工方式或者自動地致動。燃料選擇器7276將燃料給付裝置連接到文氏管，同時斷開另一種燃料。
多個節流口 7206A和7208A以及7206B和7208B與閥門7202A和7202B允許在燃燒器預熱期間調節燃料給付裝置的壓力下降。因此當抽吸壓力隨著增加的文氏管溫度而增加時，燃料-空氣比率能夠被大致地保持。多個節流口還能夠被調節用於改變燃料氣體密度。當氣態燃料燃燒器被連接到生物氣蒸解器時，改變的燃料氣體密度可以發生，其中該生物氣蒸解器是燃料源。在生物氣蒸解器實施例中，二氧化碳(C0.sub.2)含量並且因此能量密度能夠微弱改變。在該實施例中，如果CO.sub.2含量增加，則通過燃料給付裝置的壓力下降應該被降低以允許較少能量稠密燃料氣體的更大流動。另外，通過提供用於點火的、更加富然的燃料-空氣混合物，該多個節流口能夠改進燃料氣體的點火。更加富然的混合物是通過打開另外的閥門7202A或者7202B而被提供的，這還降低了燃料給付裝置的壓力下降。 一旦燃燒器被點火，閥門7202A或者7202B便可以被關閉以產生更加貧燃的火焰。如上所述，一旦燃燒器被點火，燃燒器便可以利用不同的燃料運行。燃料選擇器可以被用於切換燃料類型。可替代地，具有多燃料選擇器的實施例便於在燃燒器操作期間改變燃料-空氣比率。現在參考圖75A和75B，燃料選擇器7276可以使得燃燒器能夠被一種燃料點火併且利用不同類型的燃料運行。如果一種燃料對於點燃而言太弱，但是將在預熱後的燃燒器中燃燒，則這能夠是重要的。在一個實例中，燃燒器可以被更高密度的燃料例如丙垸點火。 一旦燃燒器已被預熱，燃料選擇器7276便被移動以吸入低密度生物氣。
圖76描繪了一個實施例，其中自動化控制器7288調節可變節流口 7292例如燃料給付裝置中的可變流動閥門以保持如由大範圍lambda傳感器或者UEG0 7286測量的排放氧氣恆定。在該實施例中，自動化方案允許從生物氣到丙烷的任何燃料被連接到燃燒器並且控制系統能夠補償變化的燃料密度。在該實施例中，自動化控制器能夠限制用於稠密燃料例如丙烷的燃料路徑並且開通用於低密度燃料例如甲烷和生物氣的燃料路徑。點火將是如此得以實現的，即在完全打開位置中啟用可變節流口 7292，這將產生最為富燃的混合物，然後將其關閉直至燃料-空氣混合物被點燃。在點火之後，控制器能夠控制燃料流動以實現所期排放氧氣水平。還設想到這種實施例能夠允許在預熱期間調節燃料空氣比率以優化效率和燃燒器穩定性。
在如在圖77中所示的另一實施例中，氣態燃料燃燒器是用於外燃機例如斯特林循環發動機的高效率燃燒器。該燃燒器包括用於控制燃燒器的人工控制器。人工控制器包括用於以人工方式選擇燃料類型的球閥7270，用於調節燃料-空氣比率的微調閥7274和用於控制吹風機速度，並且由此控制氣流的可變電阻器7702。在文氏管7240中的被預加熱的空氣7222從燃料源7272吸入燃料。燃料然後被與被預加熱的空氣混合以形成燃料-空氣混合物。燃料-空氣混合物流入燃燒腔室7250中，它在此處燃燒。在該實施例中，微處理器/控制器7288通過改變發動機速度而保持如由溫度傳感器7289測量的加熱器頭溫度恆定。此外，吹風機速度確定燃燒器功率輸出並且因此確定發動機功率輸出。在可替代實施例中，不包括燃料微調閥7274。現在參考圖78，氣態燃料燃燒器7201是用於外燃機例如斯特林循環發動機的高效率燃燒器。在該實施例中，燃燒器包括位於排氣流7284中的氧傳感器7286和用於利用可變節流口 7292自動地限制燃料流動的微處理器/控制器7288。另外地，燃燒器包括吹風機控制器(在圖77中被示為7702)。吹風機控制器7702能夠被微處理器/控制器7288調節以使得斯特林發動機功率輸出與負載相匹配，在這個實施例中，通過改變發動機速度而保持燃燒器溫度是恆定的，並且通過設置吹風機速度而自動地調節發動機功率輸出。據此，在該實施例中，燃燒器能夠燃燒大多數氣態燃料，包括不具有恆定性質的燃料例如生物氣。
在如在圖79中所示的另一實施例中，在鄰近文氏管喉口 7244的位置處，燃料被直接地給付到文氏管中。這個實施例包括渦流器7230以容納燃料給付裝置例如燃料線路或者燃料管。渦流器7230優選地是位於文氏管7240中並在文氏管喉口 7244上遊的軸向渦流器。在操作中，利用運動空氣夾帶所被給付的燃料以形成燃料-空氣混合物。示例性人工或者自動控制機構適合於這個可替代的燃料給付實施例。
回過來參考圖74，氣態燃料燃燒器進一步包括引燃器7260和火焰監控裝置7210。優選地，引燃器7260是可以達到大於1150攝氏度的溫度的可激發熱表面引燃器。可替代地，引燃器7260可以是陶瓷熱表面引燃器或者可激發預熱針銷。
繼續參考圖74,其它實施例包括火焰監控裝置7210。火焰監控裝置7210在存在火焰時提供信號。為了任何燃燒器的安全操作，重要的是，在熄火的情形中切斷燃料。用於火焰感測的監控裝置是使用控制電路和火柱的火焰矯正方法。
在本技術領域中熟知的火焰矯正是一種用於小的高效率氣體燃燒器的火焰感測方案。該裝置使用單一火柱來探測火焰。火柱相對小於接地加熱器頭並且它被置於燃燒火焰中。在這個火焰矯正實施例中，控制單元電子設備是由Kidde-Fenwd公司製造的，並且火柱在商業上 可以從International CeramicsAnd Heating Systems (國際陶瓷和加熱系 統)獲得。
優選地，火焰監控裝置使用熱表面引燃器作為火柱。可替代地， 火焰監控裝置可以遠離熱表面引燃器或者作為單一單元被與引燃器一 起包裝。
可替代地，光學傳感器可以被用於探測火焰存在。優選的傳感器 是具有通過紫外線可透玻璃和觀察管的火焰刷的清楚視圖的紫外線傳 感器。
應該理解，在這裡描述的各種燃料燃燒器實施例可以適合於在多 燃燒器配置中發揮作用。
燃料泵
根據一些實施例，可以通過改變燃料泵的操作參數計量到發動機 例如斯特林發動機的加壓燃燒腔室的燃料流動。在下面並且在這裡通 過引用而以其整體併入的於2006年9月26日授予Jensen等人的美國 專利No. 7， 111， 460和於2006年9月25日提交的、於2007年2月 8日公開的美國專利申請系列No. 11/534， 979中描述了燃料泵的各種 實施例。可以不帶通常被用於計量到燃燒腔室的燃料流動的節流板或 者閥門或者其它限制性裝置地實現所期性能。
圖80示出根據一個實施例向發動機8022的加壓燃燒腔室8058提 供氣態燃料的計量泵系統。總體標為8005的氣體管道燃燒器，包括燃 料泵8014、互連線路8038、 8042並且可以包括壓力調節器8018。燃 料泵8014將線路8038中的燃料壓力升高到線路8042中的更高壓力。 氣體管道燃燒器將燃料從氣體供應給付到燃燒器8010，在此處燃料與 空氣混合併且在燃燒腔室8058中燃燒。燃料泵受到控制器8034控制，控制器8034通過改變被發送到燃料泵8014的電信號的一個或者多個 參數而調製燃料流率。控制器還可以調節向燃燒腔室8058提供空氣的 吹風機8060並且可以從報告發動機操作參數的傳感器接收信號。
在一些實施例中，對於液化石油氣而言，在線路8038中給付的燃 料壓力是6到13英寸水柱。可以在3到8英寸水柱的更低壓力下在線 路8038中供應天然氣。可替代地，壓力調節器8018能夠在較低壓力， 甚至負壓下供應燃料。在線路8042中的典型燃料壓力可以具有從0.5 到5PSIG的範圍。
在一些實施例中，燃料泵8014是線性活塞泵。在圖81中示出線 性活塞泵。該泵包括汽缸8100、活塞8102、繞組8104、彈簧8106和 止回閥8108、 8112。當電信號被施加到繞組8104時，繞組向左拉拽黑 色金屬活塞8102，從而壓縮彈簧8106。在活塞中的止回閥8108允許 燃料流入壓縮空間8110中。當電信號被關閉並且在活塞上的電磁作用 力開始降低時，活塞8102被彈簧8106向右推壓。氣體被擠出止回閥 8112並在更高壓力下進入接收器空間8114中。
能夠通過改變活塞8102的衝程調製泵的流率。在一個實施例中， 從控制器到泵的是信號是半波交流電("AC")信號，如在圖82中所 示。用於產生這個信號的電路是在本技術領域中熟知的。當AC信號的 波幅增加時，活塞衝程並且因此流率增加。在一些實施例中，低波幅 信號被稍微更高地偏壓以改進可重複性和流動相對於驅動信號的線 性。被繞組8104施加到活塞8102的作用力與從繞組到活塞的距離成 反比。在低信號水平下，活塞並不變得非常靠近繞組並且在活塞摩擦 和慣性中的小的變化將在引起的活塞衝程和流動中產生顯著的變化。 施加偏置電壓以使得活塞的靜止位置更加靠近繞組，從而在驅動活塞 的控制器信號中的小的改變控制活塞的摩擦力和慣性。例如，被添加 到信號的偏置電壓在最低驅動信號(在圖82中的10%信號)處最高， 並且在驅動信號達到50%之前可以下降至零。偏壓在更高流動水平下降低以利用完全泵衝程的優點。
在另一實施例中，驅動泵的控制器信號是脈衝寬度調製("PWM") 直流電("DC")電壓信號。圖83示出可以被用於驅動泵的示例性 DC波形。用於產生圖83中的PWMDC信號的電路在本技術領域中是 熟知的。相對於時間繪出三種不同的驅動信號。這些信號調製對應於 為了示意而非限制的目的示出的10%、 50%和90%工作循環。向圖81 的繞組8104施加圖83的矩形波電壓將引起活塞8102向左移動並且壓 縮彈簧8106。衝程並且因此流動將大致與電壓乘以信號持續時間成比 例。較低信號10%和50%在信號脈衝之間包括偏置電壓。在AC驅動 信號的情形中，偏置電壓更加靠近繞組地移動活塞以對於信號中的小 的變化提供更高活塞響應並且克服活塞的摩擦和慣性力。可以利用驅 動信號的持續時間改變這個偏置電壓。偏置電壓在最小驅動信號持續 時間下最高並且在驅動電壓脈衝工作循環達到50%之前可以下降至零。
其它實施例可以使用不同的控制器信號波形來驅動活塞。在另一 實施例中，能夠不利用圖82和83所示偏置電壓地驅動圖81的活塞泵。
在另一實施例中，調製泵的PWM DC控制器信號的頻率和持續 時間這兩者均能夠被改變以根據驅動信號中的變化使通過泵的流量線 性化。
在進一步的實施例中，泵8014是如在圖84中所示的膜片泵。在 膜片泵中， 一個或者多個螺線管線圈8200前後地驅動泵的軸8202。軸 8202偏轉交替地將氣體吸入腔室8212中以及然後將其排出的兩個膜片 8204。利用被連接到導線(8234、 8236)的AC信號驅動兩個線盤，所 述導線通過換向通過線圈8200的電流而前後地驅動活塞8202。螺線管 具有永久磁體從而換向磁場能夠沿著相反方向驅動螺線管。在兩個腔 室8212上的泵送作用力異相180度從而當一個腔室被填充時，配對腔 室被排空。在泵送腔室8212上遊的止回閥8208允許氣體流入，而下遊閥門8210允許氣體流出腔室並且流入接收器容積8216中。能夠利 用全波AC信號驅動螺線管線圈8200。以與活塞泵類似的方式，改變 AC信號的波幅將改變衝程並且因此改變通過膜片泵的燃料流量。
在另一實施例中，能夠通過向線圈8200的中心增加第三導線8232 而將圖84的膜片泵8014中的電線圈8200中心抽頭。導線(8234和 8236)連接到線圈的每一個端部。這三個導線連接允許活塞8202被 DC源前後地驅動。DC源連接到中心導線8232並且其它連接導線(8234 和8236)被交替地接地或者連接到負電壓，從而引起電流在一個半線 圈或者另一個中流動。
在圖85中概略地示出三個線盤8302和用於控制到線圈的DC電 流的裝置(8304、 8306、 8308)。如在圖85中，線圈可以被用於驅動 膜片泵螺線管。裝置(8304、 8306、 8308)可以是繼電器、場效應晶 體管("FET")、雙極電晶體或者其它類似的裝置。控制器能夠通過 使用裝置8304改變所施加的電壓信號8312的波幅而改變通過膜片泵 的燃料流量。能夠如在圖86A中所示地驅動裝置8306、 8308，其中第 一個裝置被關閉，然後被打開，並且然後另一個裝置被關閉並且然後 被打開。該圖豎直軸線對應於歸一化驅動電壓，其中等於"l"的信號 意味著裝置被關閉(即，短路)。如在圖83中所示意地，使用PWM 信號的控制策略，雖然不含在前關於活塞泵描述的偏壓並且具有適當 的定相，但是能夠被應用於圖85中的每一個裝置8306、 8308。
在另一實施例中，能夠使用圖85所示的三個裝置(8302、 8304、 8306)控制圖84的膜片泵衝程的波幅和頻率。泵衝程的波幅受到在導 線8312處的平均電壓控制。能夠利用快速脈衝寬度調製裝置8304調 制這個電壓。可以利用裝置8306和8308如以前那樣控制衝程頻率。 可替代地，能夠消除裝置8304並且在它們的"打開"狀態期間能夠在 高頻下對於開關8306和8308進行脈衝寬度調製，如在圖86B中所示 意地。在其它實施例中，如本領域技術人員已知地，能夠利用全橋或
94者半橋替代中心抽頭線圈。
在用在恆定燃料流量是重要的應用中的其它實施例中，可以在泵
8700和燃燒器頭8706之間添加過濾器8701，在此處燃料被與燃燒空
氣混合，如在圖87A中所示。過濾器8701的一個實施例是包括電容(空
間)8702和孔口 8704的RC過濾器。空間和孔口的尺寸被確定為允許
所需燃料流量並且將流量波動降至所期水平。在本技術領域中熟知的 數學技術可以被用於確定這些過濾器參數。
使用空間和孔口節流器的聲濾波器具有圖87B所示的電路模擬。 氣體流動模擬是電流，氣體壓力模擬是電壓，空間模擬是電容，流阻 模擬是電阻並且氣體慣性模擬是電感。孔口節流器並不直接地變換成 這個模型，因為孔口流阻與氣體流量平方(非線性)成比例而不是與 如該模型提出的氣體流量成比例。關於小信號，能夠通過流阻線性化 過程而使用該模型。泵氣流脈動以因子l/(l+2.pi.fRC)衰減。其中"f" 是從泵進入過濾器的氣體流動的頻率分量。由於孔口節流器非線性特 徵，聲濾波器在低流動下具有較低衰減，從而作為平均流動的百分比 引起高的燃燒器流脈動。更高的脈動能夠引起火焰不穩定性和更高的 汙染物排放。這種非線性還在更高流率下引起高的平均氣體流阻，從 而降低泵的最大流動能力。
向聲濾波器添加長薄管子8703通過氣體質量加速而提供了脈動 衰減，如在圖87C中所示。在圖87D中示出關於電學模擬的圖表。泵 氣流脈動以因子(LC) (2.pi.f) .sup.2]衰減。因為L和C不是 流量的函數，所以過濾衰減不受流率影響而且並不具有圖87A的過濾 器的缺點。脈動衰減還增加了泵的流率。
再次參考圖80，在另一實施例中，控制器8034調製燃料泵8014 的輸出以控制發動機的加熱器管8026的溫度。可以利用被聯結到加熱 器管8026的溫度傳感器8054例如熱電偶測量加熱器管8026的溫度。當發動機增加速度時，發動機從加熱器管8026獲取更多的熱能。管子 冷卻並且熱電偶8054將這個溫度下降報告給控制器8034，控制器8034 則增加燃料流動直至測得溫度被恢復至規定水平。可以在該機器實施 例中採用如上所述用於計量通過燃料泵的燃料的任何裝置和方法。可 以採用各種燃料泵類型包括旋轉葉片泵、壓電泵、曲柄驅動活塞泵等。 在其它實施例中，可以通過控制燃料泵計量到腔室的燃料流動而控制 加壓腔室是其一個部分的系統的各種操作參數。例如，可以由控制器 確定內燃機的速度或者發動機的功率輸出。可替代地，可以由控制器 保持到燃燒器的燃料/空氣混合物比率。
應該理解，在這裡描述的各種燃料泵實施例可以適合於在多燃燒 器配置中發揮作用。
單燃燒器多活塞發動機
現在參考圖88、 89A-89C，示出各種實施例，其中具有振蕩杆驅 動器8802 (在圖8中還被示為810和812)和多個活塞(在圖8中還 被示為802、 804、 806和808)的發動機8800，例如斯特林循環發動 機，包括單一燃燒器(在圖89A和89B中被示為8900)以加熱活塞的 加熱器頭8804。加熱器頭8804可以是在前一部分中公開的各種實施例 之一，包括但是不限於如在圖89A中由附圖標記8902標註的管式加 熱器頭(在圖91 C和91D中還被示為9116)，或者如在圖89C中由 附圖標記8904標註的針銷或者鰭片加熱器頭(並且在圖53D到53F中 還被示為5100)。圖89B包括針銷加熱器頭8904,針銷加熱器頭8904 具有圍繞加熱器頭8904裝配的加熱器頭襯裡8926。燃燒器8900可以 是在前一部分中和在通過引用而在這裡被以其整體併入的、於2005年 12月6日授予Langenfeld等人的美國專利No. 6， 971， 235中公開的 各種實施例中的任何一種。
在一個實施例中，燃燒腔室8卯6位於加熱器頭8900上方，如在 圖89A-89C中所示。預燃室8901可以經由預燃室噴嘴8908將燃燒腔室8906連接到燃燒器頭8903，其中預燃室噴嘴502可以是簡單噴嘴、 渦流器或者壓力渦旋噴嘴。燃燒器頭8903可以容納用於火焰探測的 UV窗8910、燃料注射器8912和熱表面引燃器8914，燃料注射器8912 可以是空氣輔助燃料注射器例如Ddevan虹吸噴嘴。第一入口 8916和 第二入口 8918也被連接到燃燒器頭8903。這些入口之一可以是液體燃 料入口，並且另一入口可以是霧化入口。
預燃室8901是位於燃燒腔室8906上遊的、在中心處定位的燃料 製備站。在預燃室8901處，燃料被點燃以形成擴散火焰。在其中使用 液體燃料的一個實施例中，液體燃料經過第一入口 8916。霧化劑通過 第二入口 8918以霧化液體燃料並且與預燃室8901中的液體燃料混合。 當霧化劑和液體燃料經由燃料注射器8912進入預燃室8901時，它被 熱表面引燃器8914點燃。空氣還可以穿過進氣口 8920並且在它行進 到預燃室8901中之前被預加熱器8922預加熱，在預燃室8901中，它 將與霧化劑和液體燃料混合。 一旦混合物被預加熱並且被形成為擴散 火焰，它便通過預燃室噴嘴8908行進到燃燒腔室8906中以形成PPV (預混合預蒸發)火焰。當擴散火焰離開預燃室8901時，可以在預燃 室8901中發生蒸發，這可以允許擴散火焰被更加容易地再次點火，如 果它已被熄滅或者燒盡。
一旦在燃燒腔室8901中存在火焰，來自火焰的熱量便被用於加熱 加熱器頭8804。來自燃燒腔室8901的已被加熱的氣體在每一個加熱器 頭8804的表面上均勻地流動，其中加熱器頭8804將在已加熱氣體中 包含的熱量傳遞到在發動機(在圖88中被示為8800)的工作空間(在 圖88中被示為8806)中包含的工作流體。燃燒腔室8901可以在它的 表面中具有孔隙8924以進一步有助於在每一個加熱器頭8804之上均 勻地分配PPV火焰。
如上在當前和前一部分中所述，加熱器頭8804可以是針銷加熱器 頭、摺疊鰭片加熱器頭，或者可以是加熱器管。在一個實施例中使用針銷或者鰭片加熱器頭，加熱器頭可以包括如在圖89B中所示的加熱 器頭襯裡8926 (並且還在圖53A中被示為5340)。加熱器頭襯裡8926 可以是圍繞加熱器頭8904裝配的套筒或者它可以是被加熱並且擴大並 且然後被圍繞加熱器頭裝配從而當套筒冷卻時它收縮並且圍繞加熱器 頭形成密配合的套筒。加熱器頭襯裡8926保證了已被加熱氣體的均勻 流動。如在前一部分詳細討論的那樣，均勻流動防止了圍繞加熱器頭 8804的非均勻溫度分布並且保證了熱效率。所產生的來自燃燒器的排 氣可以通過排氣口 8928離開燃燒器。
因為燃燒器可以達到非常高的溫度，所以用於形成燃燒器的金屬 可能擴大。特定燃燒器表面8930的膨脹可能影響發動機的效率或者可 能損壞加熱器頭8804。在一個可替代實施例中，柔順部件可以位於加 熱器頭8804，或者如果使用它的話，加熱器頭襯裡8926和燃燒器表面 8930之間。柔順部件相對於擴大的金屬燃燒器表面8930用作緩衝器從 而燃燒器表面8930並不擴展到加熱器頭8804中。
在一個可替代實施例中，可以使用氣態燃料例如丙垸。在這種實 施例中，燃燒器可以包括燃燒器頭8903和燃燒腔室8906。燃燒器頭 8903可以容納用於火焰探測的UV窗8910，可以是空氣輔助燃料注射 器例如Delevan虹吸噴嘴的燃料注射器8912和熱表面引燃器8914。氣 態燃料可以經由燃料注射器8912進入燃燒腔室8906。在離開燃料注射 器8912時，氣態燃料將被熱表面引燃器8914點燃，由此在燃燒腔室 8906內側產生火焰。在前一部分中詳細描述了氣態燃料的燃燒。
在又一個實施例中，燃燒器8900可以使用氣態和液體這兩種燃 料。類似於早先描述的示例性實施例和在前一部分中描述的各種其它 實施例，燃燒器8卯0可以包括燃燒腔室8906、預燃室8卯I和燃燒器 頭8卯3。燃燒腔室8906可以位於加熱器頭8804上方。預燃室8901可 以經由預燃室噴嘴8908將燃燒腔室8906連接到燃燒器頭8903，其中 預燃室噴嘴8908可以是簡單噴嘴、渦流器或者壓力渦旋噴嘴。燃燒器
98頭8903可以容納用於火焰探測的UV窗8910，可以是空氣輔助燃料注 射器例如Delevan虹吸噴嘴的燃料注射器8912和熱表面引燃器8914。 第一入口 8916和第二入口 8918也被連接到燃燒器頭8903。這些入口 之一可以是液體燃料入口並且另一入口可以是霧化入口。開關可以位 於第一入口 8916和第二入口 8918之間，從而當使用氣態燃料時，氣 態燃料將流動通過第二入口 8918，而不是如上所述的霧化劑。當使用 液體燃料時，該開關將被如此配置，使得液體燃料可以流動通過第一 入口 8916並且霧化劑可以流動通過第二入口 8918。
在燃燒器的進一步的實施例中，吹風機可以被聯接到燃燒器8900。
多燃燒器多活塞發動機
現在參考圖卯到91B,示出另一實施例，其中發動機卯00的每 一個加熱器頭9002可以被單個燃燒器9004加熱，如在圖90中所示。 加熱器頭9002可以是在前一部分中描述的各種實施例中的任何一種， 包括但是不限於如在圖91B-91D中由附圖標記9116標註的管式加熱器 頭，或者如在圖91A中由附圖標記9118標註的針銷或者鰭片加熱器頭 (並且還在圖53D到53F中被示為5100)。燃燒器9004可以是在前 一部分中和在美國專利No. 6, 971， 235中公開的各種實施例中的任何 一種。
每一個燃燒器9004均包括燃燒器頭9100。類似於以前的已公開 燃燒器實施例，燃燒器頭9100具有引燃器9101、燃料注射器9108和 用於火焰探測的UV窗(在圖91B中被示為9107)。燃料經過第一入 口 9106，在此處它被引燃器9101加熱並且被形成為火焰。被預加熱器 9102加熱的、已經預加熱的空氣可以在燃燒腔室9103中被與燃料混合。 已經加熱的燃料混合物在燃燒腔室9103內側形成火焰並且加熱加熱器 頭9002。來自燃燒器的任何排氣可以經由排氣口 9105離開燃燒器。在 燃燒器的一個可替代實施例中，霧化劑可以經由第二入口 9110而與燃 料相結合。在燃燒器的另一實施例中，可以包括吹風機以在各個燃燒器9004之間保持平均空氣配給量。
又一個實施例可以包括預燃室91U，如在圖91B中所示。在該實 施例中，燃燒器可以包括燃燒腔室9103、預燃室9111和燃燒器頭9100。 燃燒腔室9103可以位於加熱器頭9002上方。預燃室9111可以經由預 燃室噴嘴9112例如簡單噴嘴、渦流器或者壓力渦旋噴嘴而將燃燒腔室 9103連接到燃燒器頭9100。燃燒器頭9100可以容納用於火焰探測的 UV窗9107，可以是空氣輔助燃料注射器例如Ddevan虹吸噴嘴的燃料 注入口 9108和熱表面引燃器9101。第一入口 9106和第二入口 9110也 被連接到燃燒器頭9100。這些入口之一可以是液體燃料入口並且另一 入口可以是霧化入口。
預燃室9111是位於燃燒腔室9103上遊的、在中心處定位的燃料 製備站。在預燃室9111處，燃料被點燃以形成擴散火焰。在其中使用 液體燃料的一個實施例中，液體燃料經過第一入口 9106。霧化劑通過 第二入口 9110以霧化液體燃料並且與預燃室91U中的液體燃料混合。 當霧化劑和液體燃料經由燃料注射器9108進入預燃室9111時，它被 熱表面引燃器9101點燃。空氣還可以穿過入口並且在它行進到預燃室 9111中之前被預加熱器9102預加熱，在預燃室91U中，它將與霧化 劑和液體燃料混合。 一旦混合物被預加熱並且被形成為擴散火焰，它 便通過預燃室噴嘴9112行進到燃燒腔室9103中以形成PPV (預混合 預蒸發)火焰。當擴散火焰離開預燃室9111時，可以在預燃室9111 中發生蒸發，這可以允許擴散火焰被更加容易地再次點火，如果它已 被熄滅或者燒盡。
一旦在燃燒腔室9103中存在火焰，來自火焰的熱量便被用於加熱 加熱器頭9002。來自燃燒腔室9103的已被加熱的氣體在每一個加熱器 頭9002的表面上均勻地流動，其中加熱器頭9002將在已加熱氣體中 包含的熱量傳遞到在發動機(在圖90中被示為9000)的工作空間中包 含的工作流體。燃燒腔室9103可以在它的表面中具有孔隙(在圖91A中被示為9114)以進一步有助於在每一個加熱器頭8804之上均勻地分 配PPV火焰。
本發明的原理可以被應用於所有類型的發動機，包括斯特林發動 '機，並且可以被應用於利用汽缸的其它活塞機器例如內燃機、壓縮機 和制冷機。然而，本發明可以不限於雙作用四汽缸斯特林發動機。
雖然已經在這裡描述了本發明的原理，但是本領域技術人員應該 理解，該描述僅僅是示例性的，而非限制本發明的範圍。除了所示出 並且在這裡描述的示例性實施例，在本發明的範圍內考慮了其它實施 例。本領域普通技術人員作出的修改和替代被視為在本發明的範圍內。
權利要求
1.一種用於機器的振蕩杆驅動機構，包括具有搖臂樞軸的振蕩杆；至少一個汽缸；至少一個活塞，所述活塞被容納於各自的汽缸內，由此所述活塞能夠在所述各自的汽缸內基本上線性地往復運動；和至少一個聯接組件，所述至少一個聯接組件具有近端和遠端，所述近端連接到所述活塞並且所述遠端通過端部樞軸連接到所述振蕩杆，由此所述活塞的線性運動被轉換成所述振蕩杆的旋轉運動。
2. 根據權利要求1的振蕩杆驅動機構，其中所述振蕩杆通過連杆 而聯接到曲柄軸，由此所述振蕩杆的旋轉運動被傳遞到所述曲柄軸。
3. 根據權利要求1的振蕩杆驅動機構，其中所述汽缸進一步包括 閉合端部和開放端部，其中所述開放端部進一步包括連接到所述汽缸 的直線軸承，所述直線軸承具有用於容納所述聯接組件的開口。
4. 根據權利要求3的振蕩杆驅動機構，其中所述聯接組件進一步 包括活塞杆；和聯杆，所述活塞杆和聯杆通過聯接裝置聯接到一起，所述聯接裝 置位於所述直線軸承下方。
5. 根據權利要求4的振蕩杆驅動機構，進一步包括密封件，所述 密封件以可密封方式連接到所述活塞杆。
6. 根據權利要求5的振蕩杆驅動機構，其中所述密封件是滾動膜片。
7. 根據權利要求4的振蕩杆驅動機構，其中所述聯接裝置是柔性 接頭。
8. 根據權利要求4的振蕩杆驅動機構，其中所述聯接裝置是滾柱 軸承。
9. 根據權利要求4的振蕩杆驅動機構，其中所述聯接裝置是鉸鏈。
10. 根據權利要求4的振蕩杆驅動機構，其中所述聯接裝置是撓性件。
11. 根據權利要求4的振蕩杆驅動機構，其中所述聯接裝置是軸 頸軸承接頭。
12. —種斯特林循環機器，包括至少一個振蕩驅動機構，所述振蕩驅動機構包括具有搖臂樞軸的振蕩杆； 至少一個汽缸；至少一個活塞，所述活塞被容納於各自的汽缸內，由此所述活塞 能夠在所述各自的汽缸內基本上線性地往復運動；和至少一個聯接組件，所述至少一個聯接組件具有近端和遠端，所 述近端連接到所述活塞並且所述遠端通過端部樞軸連接到所述振蕩 杆，由此所述活塞的線性運動被轉換成所述振蕩杆的旋轉運動；曲柄軸箱，所述曲柄軸箱容納所述振蕩杆並且容納所述聯接組件 的第一部分；曲柄軸，所述曲柄軸通過連杆而聯接到所述振蕩杆，由此所述振 蕩杆的旋轉運動被傳遞到所述曲柄軸；工作空間，所述工作空間容納所述至少一個汽缸、所述至少一個 活塞和所述聯接組件的第二部分；和密封件，所述密封件用於相對於所述曲柄軸箱密封所述工作空間。
13. 根據權利要求12的斯特林循環機器，其中所述密封件是滾動 膜片。
14. 根據權利要求12的斯特林循環機器，其中所述聯接組件進一 步包括活塞杆；和聯杆，所述活塞杆和聯杆通過聯接裝置聯接到一起。
15. 根據權利要求12的斯特林循環機器，進一步包括位於所述曲 柄軸箱中的潤滑流體泵。
16. 根據權利要求15的斯特林循環機器，其中所述潤滑流體泵是 被泵驅動組件驅動的機械潤滑流體泵，所述泵驅動組件連接到所述曲 柄軸並且被所述曲柄軸驅動。
17. 根據權利要求15的斯特林循環機器，其中所述潤滑流體泵是 電動潤滑流體泵。
18. 根據權利要求13的斯特林循環機器，進一步包括連接到所述 曲柄軸的馬達。
19. 根據權利要求13的斯特林循環機器，進一步包括連接到所述 曲柄軸的發電機。
20. —種斯特林循環機器，包括 至少兩個振蕩驅動機構，所述振蕩驅動機構包括 具有搖臂樞軸的振蕩杆；兩個汽缸；兩個活塞，每一個所述活塞均被容納於各自的汽缸內，由此所述活塞能夠在所述各自的汽缸內基本上線性地往復運動；和兩個聯接組件，所述兩個聯接組件具有近端和遠端，所述近端連接到所述活塞並且所述遠端通過端部樞軸連接到所述振蕩杆，由此所述活塞的線性運動被轉換成所述振蕩杆的旋轉運動；曲柄軸箱，所述曲柄軸箱容納所述振蕩杆並且容納所述聯接組件的第一部分；曲柄軸，所述曲柄軸通過連杆而聯接到所述振蕩杆，由此所述振 蕩杆的旋轉運動被傳遞到所述曲柄軸；潤滑流體泵，所述潤滑流體泵位於所述曲柄軸箱中，用於泵送潤 滑流體以潤滑所述曲柄軸和所述振蕩杆以及所述聯接組件的第一部分；工作空間，所述工作空間容納所述汽缸、所述活塞和所述聯接組 件的第二部分；和滾動膜片，所述滾動膜片用於相對於所述曲柄軸箱密封所述工作 空間。
21. 根據權利要求20的斯特林循環機器，其中所述聯接組件進一 步包括活塞杆；和聯杆，所述活塞杆和聯杆通過聯接裝置聯接到一起。
22. 根據權利要求20的斯特林循環機器，其中所述聯接裝置是柔 性接頭。
23. 根據權利要求20的斯特林循環機器，其中所述聯接裝置是滾 柱軸承。
全文摘要
一種斯特林循環機器。該機器包括至少一個振蕩驅動機構，該振蕩驅動機構包括具有搖臂樞軸的振蕩杆、至少一個汽缸和至少一個活塞。該活塞被容納於各自的汽缸內並且能夠在各自的汽缸內基本線性地往復運動。並且，該驅動機構包括具有近端和遠端的至少一個聯接組件。該近端連接到活塞並且該遠端通過端部樞軸連接到振蕩杆。活塞的線性運動被轉換成振蕩杆的旋轉運動。並且，該機器包括容納振蕩杆並且容納聯接組件的第一部分的曲柄軸箱。該機器還包括通過連杆而聯接到振蕩杆的曲柄軸。振蕩杆的旋轉運動被傳遞到曲柄軸。該機器還包括容納該至少一個汽缸、該至少一個活塞和該聯接組件的第二部分的工作空間。該機器包括用於相對於曲柄軸箱密封工作空間的密封件。
文檔編號F02G1/043GK101688500SQ200880021355
公開日2010年3月31日 申請日期2008年4月18日 優先權日2007年4月23日
發明者克裡斯託佛·C·朗根費爾德, 斯坦利·B·史密斯, 普拉桑特·巴特, 迪安·卡門 申請人:新動力概念有限公司