專利名稱：熱交換器結構和等溫壓縮或膨脹腔的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種熱交換器結構。本發明還涉及在其中進行等溫壓縮和/或膨脹的腔。本發明進一步涉及包含這樣的腔的高效可逆熱力發動機，例如，斯特林發動機。
背景技術：
斯特林發動機有時用于工業制冷及軍事或太空應用中。這樣的發動機具有以下優勢可用作發動機或者用來產熱或致冷而不使用制冷劑，制冷劑通常造成污染。斯特林發動機的另一優勢是，其熱源在外部并且因此該熱源可通過任何已知燃料類型甚或通過太陽輻射獲得。在斯特林循環中，氣體，例如空氣、氫氣或氦氣，經受四階段循環等容加熱、等溫膨脹、等容制冷及等溫壓縮。圖1是斯特林發動機的通用圖。第一腔3通過第一熱交換器7、蓄熱器9及第二熱交換器11連接到第二腔5。由所述腔、交換器及蓄熱器組成的組件可以是圓柱形的。第一交換器7及第二交換器11分別與處于熱溫度T。的熱源及處于冷溫度Tf的冷源接觸。腔3 及腔5分別通過移動活塞13及移動活塞15封閉，活塞13及活塞15限定了腔3及腔5的可變空間。應當理解，有多種不同方式使圖1中所示的斯特林發動機的不同元件相對彼此移動例如，在所謂的阿爾法配置的情況下，兩個活塞13及15可以是可移動的且蓄熱器9 及交換器7與交換器11可以是固定的。如果所述發動機的中間部分可以移動，則活塞13 與活塞15之一也可以是固定的。由蓄熱器9及交換器7與交換器11構成的組件也可以被設置為固定的且腔3與腔5的可變空間可以由通過移動壁而分為二部分的單個可變空間構成，所述移動壁稱為置換器。這樣的配置稱為貝它(beta)或伽馬(gamma)配置。圖2A到圖2D示出斯特林發動機循環的步驟。在圖2A所示的初始任意狀態A中，在第一腔3中存儲有一些量的氣體，第二腔5 優選地體積為零或很小。第一腔3中的氣體由熱源加熱且其壓力增大。這樣將活塞13移動到狀態B，在狀態B下，腔3中的氣體所占據的體積大于在狀態A下該腔的體積。在等溫膨脹階段(步驟 A與步驟B)期間，提取出機械功。接著，等容制冷實現從狀態B轉換到狀態C，在狀態C中，熱腔3中的氣體轉移到冷腔5。在此轉移期間，存儲在腔3中的氣體穿過蓄熱器9且當其抵達腔5時已經冷卻。在所述蓄熱器中“提取”出所述熱氣體中所含的熱(在下文可看到)，且所述氣體冷卻。等溫壓縮實現從狀態C轉換到狀態D，在狀態D中，腔5中的氣體所占據的體積比狀態C中該腔的體積小。通過驅動活塞15來執行此壓縮以減小腔5的體積。此步驟消耗能量，但小于在狀態A與狀態B之間提供的能量。最后，等容轉移實現從狀態D轉換到初始狀態A，在初始狀態A中，氣體儲存在熱腔 3中。在此步驟期間，氣體通過蓄熱器9從冷腔5移到熱腔3中。在蓄熱器中，當氣體第二次穿過蓄熱器時(步驟D到A)，等容制冷(步驟B到步驟C)期間提取的熱量返還給所述氣體。因此，氣體在開始接觸交換器7之前受熱。應當注意的是，優選地，在已知的發動機中， 腔3與腔5在循環期間交替地幾乎完全為空。在發動機循環中，步驟A與B之間的膨脹期間提取出的機械功部分用于等溫壓縮 (步驟C到步驟D)。所述蓄熱器使從狀態B轉換到狀態C期間提取的熱能夠在從狀態D轉換到狀態A期間分配給所述氣體且避免熱損失。事實上，所述蓄熱器作為逆流式熱交換器操作當熱氣體進入冷蓄熱器時，該熱氣體冷卻同時加熱所述蓄熱器，相反地，穿過所述熱蓄熱器的冷氣體受熱同時冷卻所述蓄熱器。為了執行其功能，所述蓄熱器必須由沿著所述氣流方向為不良導熱體的材料制成，例如，絕緣材料。本文中所考慮的發動機被期望是可逆的，S卩，能夠用在發動機循環或熱泵循環中。 應當注意的是，可逆性的此定義與當前定義不同，對當前定義來說，可逆發動機是具有熱源及冷源的發動機，所述熱源及所述冷源可轉化。與當前斯特林發動機有關的問題是當所述斯特林發動機具有良好的發動機循環效率時，它們將具有低熱泵循環效率，且反之亦然。這些發動機的可逆使用或者它們在寬工作范圍中的使用的低效率源于發生在它們中的不同損失，且尤其源于熱交換中的溫度差異。斯特林發動機中或者理論上實施等溫壓縮及膨脹的任一發動機中的非可逆損失的另一起因在于，真實系統遠遠不能夠實現這樣的等溫壓縮及膨脹。
發明內容
本發明的實施例的目的是提供一種具有循環的熱力發動機，所述循環包含幾乎理想的等溫壓縮和/或膨脹。本發明的實施例的目的是提供在寬工作范圍內具有低損失及高效率的熱力發動機。本發明的實施例的另一目的是提供一種可逆熱力發動機。本發明的實施例的又一目的是提供一種優化的熱交換器。因此，本發明的實施例提供一種熱力發動機，用于以最小循環時間操作，所述發動機包含至少一個壓縮/膨脹及熱交換腔，此腔由能夠相對于彼此移動的第一壁及第二壁縱向地限定，其特征在于，所述腔由自所述第一壁及所述第二壁的每一個縱向延伸的隔板分開，所述隔板交錯，自同一壁延伸的隔板之間的間距配置成使得該間距的平方與所述最小循環時間之間的比率小于所述腔中包含的氣體的平均熱擴散率。根據本發明的實施例，自同一壁延伸的隔板之間的所述間距使得所述比率小于所述腔中包含的所述氣體的平均擴散率的一半。根據本發明的實施例，所述第一壁為不透氣的且用于放置成與熱源接觸，且所述第二壁能夠讓氣體流到所述壓縮/膨脹腔的外部。根據本發明的實施例，自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于2mm，所述壓縮/ 膨脹腔中包含的氣體為氫氣或氦氣。根據本發明的實施例，自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于0. 5mm。根據本發明的實施例，所述腔為圓柱形且隔板的沿著與所述腔的長度垂直的方向的橫截面是螺旋形。根據本發明的實施例，由壁及關聯的所述隔板構成的組件由寬條狀物的纏繞圈及至少一個分隔條狀物形成。根據本發明的實施例，所述分隔條狀物是波浪形條狀物。根據本發明的實施例，所述分隔條狀物由相對設置的兩個波紋形條狀物構成，所述分隔條狀物具有重疊的波紋。根據本發明的實施例，所述腔為圓柱形且所述隔板的沿著與所述腔的長度垂直的方向的橫截面形成平行的波浪形部分的組件。根據本發明的實施例，所述腔為圓柱形且所述隔板的沿著與所述腔的長度垂直的方向的橫截面形成平行的平坦部分的組件。根據本發明的實施例，至少一個壁形成可控活塞的端部。根據本發明的實施例，所述隔板由導熱陶瓷、銅、鋁或鋼制成，所述陶瓷例如為碳化硅或氮化鋁。
本發明的上述及其它目的、特征及優勢將結合附圖在下文具體實施例的非限制性描述中予以詳細討論。前面描述的圖1為斯特林發動機的通用圖；前面描述的圖2A到圖2D示出了斯特林發動機循環的步驟；圖3A到圖3C是根據本發明的實施例的以若干配置形式的發動機的一部分的橫截面圖；圖4及圖5是根據本發明的實施例的發動機的部分的兩個透視圖；圖6示出了根據本發明的實施例的半交換器的可能的實施例；圖7是根據本發明的實施例的斯特林發動機的橫截面圖；圖8A及圖8B示出了根據本發明的實施例的半交換器的另一可能的實施例；及圖9是示出根據本發明的實施例的發動機的優勢的曲線。為清楚起見，在不同附圖中，相同元件用相同附圖標記表示，且進一步地，各個附圖不是按比例繪制。
具體實施例方式本發明的實施例首先提供了直接將熱交換器置于壓縮與膨脹腔中。其進一步提供了形成的壓縮與膨脹腔，在所述壓縮及膨脹腔中，所述交換器包含形成所述腔中的隔板的很多部分。這樣的隔板自所述腔的兩個相對壁延伸且當腔體積減小時交錯。圖3A到圖3C以縱截面圖示出了壓縮腔或膨脹腔，如以上所描述，形成例如斯特林發動機的一部分。這些附圖示出了等溫膨脹中的不同狀態。在圖3A中，腔21形成于氣缸中且由在所述氣缸中可相對于彼此移動的兩個壁23 及25界定。所示示例假定了與活塞軸27相關聯的可移動壁23及相對于蓄熱器29(未細述)固定的固定壁25。應當理解的是，壁23及壁25可以以另一方式相對于彼此移動。壁 23密封，且壁25對氣體而言是可滲透的，例如，可具有很多孔。隔板31在腔21中自壁23延伸，且隔板33在腔21中自壁25延伸。隔板31及隔板33沿著所述氣缸的縱向延伸且在橫截面圖中交替安置。隔板31及隔板33形成兩個半交換器。在圖3A的狀態中，隔板31的端部靠近壁25且隔板33的端部靠近壁23。因此，腔 21的體積最小。熱源(或者在相反情況一壓縮中的冷源)通過適當裝置連接到壁23或壁 25之一，在此為壁23，未示出。壁23可以與所述熱源直接接觸或者通過熱流體流動或冷流體流動與其接觸。圖3C示出了當腔21的體積最大時的裝置，即，活塞23-27及隔板31盡可能地遠離壁25。在所述附圖中，隔板31及隔板33的自由端被示出在腔21中彼此相對。還可將隔板31及隔板33的自由端設置為稍微遠離彼此。圖;3B示出處于圖3A與圖3C的位置之間的位置的裝置。兩個半交換器的交錯結構能夠隨時使腔21中存在的氣體的每一分子相對靠近隔板31或隔板33。因此，在隔板31及隔板33是熱的而發生膨脹的情況中，在膨脹期間，所有的氣體分子靠近熱隔板，這能夠避免形成溫度低于熱源溫度的氣囊，且因此確保等溫膨脹。 因此，本文討論的結構能夠提高所述組件將熱從熱源傳導給腔21的氣體的能力，且能夠減小熱源與所述氣體之間的溫度差造成的損失。為了在所述熱源與所述氣體之間提供良好交換且避免因所述腔中的死體積造成的損失，發明人提供了如下設置的隔板，使得d2/T < D,d是同一半交換器的兩個連續隔板31或33之間的間距；T是所述熱力發動機的最小循環時間(即，在關于圖2A到圖2D描述的斯特林發動機的情況下的最小往復運動的時間)；及D是所述腔中的氣體循環的平均擴散率。優選地，比率d2/T將小于氣體的熱擴散率D的一半。這能夠在腔21內保持充分均勻的氣體溫度，幾乎等于熱源的溫度，且因此能進行幾乎理想的等溫壓縮及膨脹。應用上述不等式能夠通過從延伸自壓縮/膨脹腔的所述隔板到氣體的熱擴散來使用熱傳遞。因此， 熱傳遞主要通過擴散進行，可能發生的渦流現象對所述傳遞幾乎沒有或者沒有影響。隔板31及隔板33可以由導熱材料制成，例如，由諸如碳化硅、氮化鋁的陶瓷或者還可由銅或鋁制成。在此情況下，應當理解，在圖3A的位置中，隔板33通過氣體由隔板31 加熱。在所述膨脹期間，隔板33將所存儲的熱分配給氣體且尤其分配給位于靠近壁25的氣體。對恰當的操作而言，應當理解，發動機循環時間必須足夠長足以使隔板31及33與氣體之間的熱交換有時間發生。發明人已注意到，隔板33還可由不良導熱材料制成，并不全部由不良導熱材料構成，這改變膨脹/壓縮的等溫特性。類似地，隔板31除了連接到壁23的端部外可由不良導熱材料制成。事實上，在此情況下，在圖3A的狀態中，熱從壁23傳遞到隔板31的相鄰區域且接著通過氣體傳到隔板33的自由端。在膨脹期間，隔板33的自由端連續地與隔板31的不同部分相對且因此熱從隔板33的端部傳到隔板31，且接著再次從隔板31傳到隔板33。 當腔21的體積減小時，熱還通過氣體在隔板31與隔板33之間傳遞。因此，在循環期間，隔板31與33全部是熱的并將它們的熱傳遞給氣體。在不良導熱材料用于隔板31與隔板33的情況下，必須滿足以下關系式
權利要求
1.一種熱力發動機，用于以最小循環時間(T)操作，所述發動機包含至少一個壓縮/ 膨脹及熱交換腔(21)，所述腔由能夠相對于彼此移動的第一壁及第二壁(23、2幻縱向地限定，其特征在于，所述腔由自所述第一壁及所述第二壁的每一個縱向延伸的隔板(31、33) 分開，所述隔板交錯，自同一壁延伸的隔板之間的間距配置成使得該間距(d)的平方與所述最小循環時間⑴之間的比率小于所述腔中包含的氣體的平均擴散率⑶(d2/T < D)。
2.如權利要求1所述的發動機，其中自同一壁延伸的隔板之間的所述間距使得所述比率小于所述腔中包含的所述氣體的平均擴散率(D)的一半。
3.如權利要求1或2所述的發動機，其中所述第一壁03)為不透氣的且用于放置成與熱源接觸，且所述第二壁能夠讓氣體流到所述壓縮/膨脹腔的外部。
4.如權利要求1到3中任一項所述的發動機，其中自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于2mm，所述發動機具有大于0. 02秒的循環時間，所述壓縮/膨脹腔中包含的所述氣體為氫氣或氦氣。
5.如權利要求4所述的發動機，其中自同一壁延伸的隔板之間的所述間距小于0.5mm。
6.如權利要求1到5中任一項所述的發動機，其中所述腔為圓柱形且所述隔板(31、 33)的沿著與所述腔的長度垂直的方向的橫截面是螺旋形。
7.如權利要求6所述的發動機，其中由壁及關聯的所述隔板構成的組件由寬條狀物的纏繞圈及至少一個分隔條狀物形成。
8.如權利要求7所述的發動機，其中所述分隔條狀物是波浪形條狀物01)。
9.如權利要求7所述的發動機，其中所述分隔條狀物由相對設置的兩個波紋形條狀物 (83,85)構成，所述分隔條狀物具有重疊的波紋。
10.如權利要求1到5中任一項所述的發動機，其中所述腔為圓柱形且所述隔板(31、 33)的沿著與所述腔的長度垂直的方向的橫截面形成平行的波浪形部分的組件。
11.如權利要求1到5中任一項所述的發動機，其中所述腔為圓柱形且所述隔板(31、 33)的沿著與所述腔的長度垂直的方向的橫截面形成平行的平坦部分的組件。
12.如權利要求1到11中任一項所述的發動機，其中至少一個壁(23、25)形成可控活塞的端部。
13.如權利要求1到12中任一項所述的發動機，其中所述隔板(31、33)由導熱陶瓷、 銅、鋁或鋼制成，所述陶瓷例如為碳化硅或氮化鋁。
全文摘要
本發明涉及熱力發動機，該發動機包括至少一個腔(21)，在所述腔中進行等溫膨脹和/或壓縮，所述腔由彼此相對可移動的第一壁及第二壁(23、25)縱向地界定。所述腔(21)由自所述第一壁及第二壁中的每一個縱向延伸的隔板(31、33)分開，所述隔板互相交錯，且自同一壁延伸的所述隔板之間的間距使得間距的平方與熱力發動機的循環時間之間的比率小于所述腔中包含的氣體的平均熱擴散率。
文檔編號F02G1/055GK102245887SQ200980139642
公開日2011年11月16日 申請日期2009年10月1日 優先權日2008年10月3日
發明者皮埃爾·沙拉 申請人:思迪萊爾(簡易有限公司)