CN108699998B - 旋转式斯特林循环装置及其方法 - Google Patents

Abstract

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

Description

旋转式斯特林循环装置及其方法

技术领域

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

背景技术

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

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

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

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

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

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

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

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

然而，如果冷却器20暴露于相对较低的温度环境并且使用电马达(例如经由轴)或任何其他致动源驱动活塞，那么热交换器16和可变膨胀空间12中的工作流体的温度将显著降低(例如，降低到低温水平)，使得机器作为产生冷的冷却设备运行(即，在PV图中，膨胀空间面积小于压缩空间面积)。

可选择地，如果热交换器16暴露于相对较低的温度环境，并且使用电马达(例如经由轴)或使用任何其他致动源驱动活塞，那么冷却器20中的排热温度将显著高于热交换器16的温度，并且机器作为热泵工作(即在低温下吸收热量并且在高温下输送热量)。

活塞在汽缸中往复运动的常规斯特林机的循环通常在360度的轴角度之后完成。

然而，在汽缸中具有往复活塞运动的常规斯特林机器(运动驱动发动机或自由活塞往复机器)具有相当大的缺点，比如，例如：

·汽缸中容积较大且可变容积的比面积(specific area)大，这导致机器重量和尺寸较大；

·曲柄箱体积和重量较大，且曲柄驱动或其他类型的运动驱动机构复杂；

·活塞的线速度较低，导致自由活塞机器中的轴的旋转速度或活塞振荡的频率较低(通常多达3000-4000RPM)。

为了减小这些机器的大小和重量，设计者可以使用连接活塞和驱动机构的竖直杆的“密封”将曲柄箱与发动机的气体回路分离(即所谓的无压力曲柄箱)。这种密封仅在数量非常有限的斯特林机器上实现，并且即使在那些发动机中，内部气体回路中的工作流体也必须被重复地补充，因为不可能完全消除杆密封中的工作流体泄漏。

此外，在自由活塞式机器中，没有常规的驱动机构，且利用机器的内部气体回路中提供的气体力和机械弹簧对活塞进行往复驱动。冷活塞的振荡运动可以通过将稀土磁体附接到活塞而转换成电力，并且这些磁体被铜线圈环绕(即线性发电机的概念)。这样的机器没有大曲柄箱，且发动机通过将线性交流发电机放置在发动机外壳内而完全密封。它的比重和尺寸比常规的运动机械的比重和尺寸明显改善，但迄今电力输出限制到约3kw至10kw(千瓦)，其大大低于常规的运动机器的输出。活塞的振荡频率对应于在2000RPM和4000RPM(转每分钟)之间的轴的转速。

往复活塞式机器的问题的解决方案被认为是在旋转机器中。因此，在旋转式斯特林发动机/机器的开发方面付出了相当大的努力。

例如，现有技术文献US13/795,632描述了一种使用“热”和“冷”内齿轮油泵组的旋转斯特林循环发动机，该内齿轮油泵组安装在同一轴上并由绝缘屏障分离。屏障提供再生气体通路，允许气体流过，因此连接“热”和“冷”内齿轮油泵组的置换室。内齿轮油泵斯特林循环发动机可用于产生电力或机械动力。

现有技术文献US05/790,904公开了具有旋转机构的斯特林循环机器的另一个例子。在这种特殊设计中，旋转叶片膨胀器和旋转叶片压缩机安装在同一轴上，其中每个叶片单元形成四个工作容积。膨胀器和压缩机的对应工作容积经由设置在膨胀器外壳中和轴中的一组热交换器连接。

所有这些现有技术示例都具有斯特林循环机器的相同基本特征，即膨胀器和压缩机单元中连续连接的对应工作空间的谐和或近谐和变化(harmonic or near harmonicvariation)。因此，一旦相应的室通过一组热交换器连接，则工作气体在对应的工作空间之间以往复运动流动。然而，本领域技术人员可以理解，所描述的旋转机构非常复杂并且具有它们自身的缺点。

因此，诸如双螺旋或涡旋机构的旋转机构被考虑用于斯特林循环机器。尤其是，双螺旋机构已经成为压缩机非常流行的选择。例如，图3(a)至(d)示出了双螺旋压缩机30的全循环。在操作期间(即，双螺旋轴的旋转)，两个相互啮合和反向旋转的阳转子和阴转子将工作流体32(例如，气体)捕集在对应的叶瓣和封闭外壳34之间。气体被相互啮合的阳叶瓣和阴叶瓣轴向向前推动，使得由相互啮合的阳叶瓣和阴叶瓣产生的室的容积逐渐减小，导致捕获的气体被压缩。

如图3所示，(a)气体32通过进气端口36被吸入，(b)气体32随后被捕获并沿轴向方向移动，(c)气体由相互啮合的叶瓣所提供的减小室容积压缩，以及(d)气体32通过出气端口38被排出。

图4(a)至(d)示出了可用于压缩或膨胀工作流体的可选择旋转机构，特别地，图4图示了包括两个嵌套的相同涡旋42、44的涡旋压缩机40，其中一个涡旋相对于另一个涡旋旋转180度。在经典设计中，两个涡旋42、44都是圆渐开线，一个涡旋42或螺线是可旋转的，并且被配置成在由匹配的固定涡旋44限定的路径中绕轨道运行。固定涡旋44可附接到压缩机主体，其中绕轨道运行的涡旋42可联接到曲柄轴，使得其绕轨道运行的运动产生在两个涡旋42、44之间行进的一系列气穴。所形成的穴吸入气体并将其从外部部分移动到涡旋42、44的中心，在那里，气体被排出。随着气体向中心移动，穴容积减小，且其温度和压力增加到期望的排出压力。应该理解，涡旋机构和双螺旋机构两者也可以通过简单地反转旋转方向而以反向模式操作，即作为膨胀器。

用于压缩或膨胀气体的旋转机构的另一个例子是圆锥形螺旋旋转压缩机50(例如由VERT Rotors有限公司制造的)，如图5所示。该机构由旋转的内转子52和旋转的外转子54组成。内转子52和外转子54经由同步机构由电马达驱动。内转子和外转子52、54两者的旋转运动导致气体沿旋转轴线移动，以便置换和压缩气体。在操作期间，低压气体被供应到大直径侧56上的入口，然后低压气体被压缩到更高的压力，并通过较小直径侧58上的出口排出。该旋转机构50也可以反转，以便用作膨胀器。在图5中，示出了旋转圆锥形螺旋压缩机的两种不同几何形状(a)2+3轮廓，和(b)3+4轮廓。

然而，由双螺旋、涡旋或圆锥形螺旋旋转机构提供的循环容积变化遵循线性或非线性锯齿函数，如图6所示，其示出了工作流体在膨胀(正斜坡)和压缩(负斜坡)期间的体积变化的示例。这里，慢斜坡可以由线性函数(即直线)定义，但也可以由非线性函数(例如调和函数或非调和函数的一部分)描述。

然而，由这些旋转机器提供的工作流体体积变化的锯齿特征使双螺旋、涡旋或圆锥形螺旋机构不适合在斯特林循环中使用。

目前可用的利用双螺旋或涡旋机构的热力装置应用在兰金循环或者焦耳/布里屯循环(Rankine or the Joule/Bryton cycle)中，每个循环只需要工作流体沿一个方向的轴向流动。例如，现有技术文献DE 10123 078或AT412663描述了使用双螺旋膨胀器的热力循环。

具体而言，DE 10123078公开了一种在闭合的热力循环中操作的机器，其中高压气体被供应到双螺旋机构中并通过双螺旋机构膨胀。气体膨胀产生的功通过旋转的双螺旋轴转换成有用的机械功，然后工作流体被再加热(和再加压)并被引导回到双螺旋机构，在那里，重复循环。

另一个旋转热力发动机的例子(现在使用涡旋机构)在Youngmin Kim、DongkilShin、Janghee Lee和Kwenha Park的公布(“Noble Stirling engine employing scrollmechanism”,Proceedings of the 11^th International Stirling Engine Conference,2004年9月19-21日，67-75页)中公开，但是简单的分析显示，所谓的斯特林发动机实际上是在闭合的焦耳/布里屯循环中运行，因为气流是在一个方向上而不是在往复运动中循环的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种斯特林循环装置，其适于利用旋转膨胀器和压缩机机构，例如双螺旋、涡旋或圆锥形螺旋机构，即使所提供的工作流体体积变化由线性或非线性锯齿波形描述。此外，本发明的特定目的是提供一种旋转斯特林循环冷却器，该旋转斯特林循环冷却器可以制造得比当前可用的斯特林循环冷却器更小，并且具有改进的效率。

本发明的优选实施方案试图克服现有技术的上述缺点中的一个或更多个。

根据本发明的第一方面，提供了一种斯特林循环装置，包括：

可气密密封的壳体；

第一旋转置换单元，其与第二旋转流体置换单元流体连通，每个旋转置换单元可操作地安装在所述壳体内的单独的流体密封部分中，并且适于在使用期间提供工作流体的至少一个热力学状态参数的循环变化，每个所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元包括：

压缩机机构，其具有适于接收所述工作流体的第一部分的第一压缩机工作室和适于接收所述工作流体的第二部分的至少第二压缩机工作室，所述第一压缩机工作室包括第一出口端口，且所述第二压缩机工作室包括第二出口端口；

膨胀器机构，其具有适于接收所述工作流体的所述第一部分的第一膨胀器工作室和适于接收所述工作流体的所述第二部分的至少第二膨胀器工作室，所述第一膨胀器工作室包括第一入口端口，并且所述第二膨胀器工作室包括第二入口端口；

驱动联接组件，其适于可操作地且操作性地将所述第一膨胀器机构联接到所述第一压缩机机构，包括：

旋转阀机构，其适于以所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元的旋转角度的预定间隔，在所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室之间以及在所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室之间提供预定顺序的循环流体交换；

致动器，其可操作地联接到所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元，并且适于同步地将所述第一旋转置换单元的旋转移动与所述第二旋转置换单元联结，使得所述工作流体的至少一个热力学状态参数的所述第一预定循环变化在使用期间相对于所述工作流体的至少一个热力学状态参数的所述第二预定循环变化偏移预定相位角。

本发明的装置提供的优点是，两个旋转置换单元的对应旋转压缩机和膨胀器机构的至少一个热力学状态参数(即容积)的线性或非线性“锯齿状”循环变化以这样的方式被配对并组合，即提供遵循常规斯特林循环机器典型的周期性近似调和函数(例如活塞运动)的工作空间容积的总变化，从而提供结构更简单并且具有改进的效率和性能的真正的旋转斯特林循环装置，特别是当以小型化形式提供时。本发明的装置可被操作以提供机械功，但也作为冷却器或热泵反向操作。

有利地，所述第一驱动联接组件还可包括至少一个第一驱动轴和具有内壁的至少一个第一轴外壳，且该至少一个第一轴外壳构造成可操作地包围所述至少一个第一驱动轴。

有利的是，所述至少一个第一轴外壳可包括多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道以及多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道，所述多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道设置在相应的预定的第一轴向位置处，在所述内壁的第一圆周段上延伸，所述多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道设置在相应的预定的第二轴向位置处，在所述内壁的第二圆周段上延伸，并且其中，所述第一圆周段设置成与所述第二圆周段径向相对，并且其中所述第一轴向位置中的每一个轴向位置与所述第二轴向位置中的每一个轴向位置轴向偏移。

优选地，所述多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道和多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道中的每一个可对着大于180度的角度。

有利地，所述至少一个驱动轴可包括第一组两个对应的管道，即，具有流体联接到所述第一出口端口的第一开口的第一管道和具有流体联接到所述第一入口端口的第一开口的第二管道，所述对应的所述第一管道和所述第二管道中的每一个具有以第一预定径向角度径向离开所述驱动轴的两个连结的轴向相邻的第二开口，其中，所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第一个适于与所述多个第一流体通道中的一个流体通道流体接合，且所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第二个适于与所述多个第二流体通道中的一个流体通道流体接合。

更有利的是，所述至少一个驱动轴可包括至少第二组两个对应的管道，即，具有流体联接到所述第二出口端口的第一开口的第一管道和具有流体联接到所述第二入口端口的第一开口的第二管道，所述对应的所述第一管道和所述第二管道中的每一个具有以第二预定径向角度径向离开所述驱动轴的两个连结的轴向相邻的第二开口，其中，所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第一个适于与所述多个第一流体通道中的一个流体通道流体接合，且所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第二个适于与所述多个第二流体通道中的一个流体通道流体接合。

更有利的是，所述多个第一流体通道中的每一个流体通道可流体联接到所述多个第二流体通道中的对应的一个，以便在使用期间允许所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室之间以及所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室之间的预定顺序的流体交换。

有利地，在所述第一旋转置换单元中，对于流体联接的所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室以及流体联接的所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室中的每一者，可以形成第一工作空间和第二工作空间。

有利地，在所述第二旋转置换单元中，对于流体联接的所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室以及流体联接的所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室中的每一者，可以形成第一工作空间和第二工作空间。

有利地，所述第一旋转置换单元的所述第一工作空间和所述第二工作空间中的每一个可以与所述第二旋转置换单元的所述第一工作空间和所述第二工作空间中的对应一个流体连通。

优选地，所述第一旋转置换单元的所述对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道中的每一个流体通道可以与所述第二旋转置换单元的所述对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道的每一个流体通道中的相应一个流体通道流体连通。

有利地，所述第一旋转置换单元的所述对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道中的每一个与所述第二旋转置换单元的所述对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道中的每一个之间的每个流体连通可包括第一热交换器、再生器和第二热交换器中的任何一个或任何串联组合。

优选地，所述第一热交换器可适于向所述工作流体提供热量，并且其中所述第二热交换器可适于从所述工作流体移除热量。这提供了这样的优点，即，根据第一热交换器和第二热交换器与再生器组合定位的位置，该装置可以以不同模式操作，例如作为冷却器或作为热泵。

更优选地，所述再生器可流体联接在所述第一热交换器和所述第二热交换器之间。

可选择地，所述第一热交换器是所述第一旋转置换单元的整体部分和/或所述第二热交换器是所述第二旋转置换单元的整体部分。

优选地，所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的每一个可包括双螺旋机构。

可选择地，所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的每一个可包括涡旋机构或旋转圆锥形螺旋机构。

在另一可选择实施方案中，所述第一置换单元和所述第二置换单元中的每一个可包括双螺旋机构、涡旋机构或旋转圆锥形螺旋机构中的任一个。

有利地，所述致动器可包括适于同步驱动所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元的马达和传动装置。

可选择地，所述致动器可包括适于由所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的任一个提供动力的马达和传动装置。

有利地，所述第一旋转置换单元的所述压缩机机构和所述膨胀器机构中的每一个以及所述第二旋转置换单元的所述压缩机机构和所述膨胀器机构中的每一个可以设置在所述壳体的分立且气密密封的部分中。

优选地，所述第一旋转置换单元可以是压缩单元，并且其中所述第二旋转置换单元可以是膨胀单元。可选择地，第一旋转置换单元可以是膨胀单元且第二旋转置换单元可以是压缩单元，这取决于装置的应用，即热泵、冷却器或发动机。

附图说明

现在将仅通过举例方式且不具有任何限制意义并参照附图来描述本发明的优选实施方案，在附图中：

图1示出了具有“热”和“冷”汽缸、加热器、冷却器和再生器的运动驱动斯特林发动机；

图2示出了(a)斯特林循环发动机中的“热”(虚线)和“冷”(实线)汽缸中的容积变化图和(b)斯特林循环发动机中的“热”(虚线)和“冷”(实线)汽缸的PV图；

图3(a)至(d)示出了双螺旋压缩机及其操作的图示；

图4示出了涡旋机构压缩机和操作原理的示意图，其中(a)示出了最大填充位置处的涡旋机构，(b)示出了入口截止处的涡旋机构，(c)示出了排出开始时的涡旋机构，以及(d)示出了排出结束时的涡旋机构；

图5示出了具有两种不同几何形状的旋转圆锥形螺旋压缩机的示例：(a)2+3轮廓，和(b)3+4轮廓；

图6示出了描述在膨胀(正斜坡)和压缩(负斜坡)期间容积变化的线性锯齿波形的图示；

图7示出了本发明的装置(双螺旋斯特林冷却器)的实施方案的(a)从“膨胀”或“冷”单元侧和(b)从“压缩”或“暖”(或“热”)单元侧的等轴侧视图；

图8示出在图7中示出的装置的内部的局部横截面等轴侧视图；

图9示出了图7和图8中所示的装置的两个联接的双螺旋机构的等轴侧视图，每个双螺旋机构包括压缩室和膨胀室；

图10示出了双螺旋机构的一个转子的等轴侧视图，包括内部管道(虚线)和出口/入口；

图11示出了具有其内部压缩/膨胀室的旋转单元的示意性剖面图(如图7所示的装置中)；

图12示出了暴露旋转阀机构的内部管道的轴的特写剖面图；

图13示出了双螺旋机构的阳转子轴的剖面图；

图14示出了图13中的阳转子轴的俯视图，示出了内部管道的开口；

图15示出了旋转阀机构的外壳的包括圆周的和轴向偏移的流体通道的部分的等轴侧剖面图；

图16示出了布置在环绕旋转阀机构的转子轴的外壳中的流体通道及其相邻密封环的特写剖面图；

图17示出了轴、外壳和管道的旋转阀组件的详细剖面特写图；

图18示出了连接本发明装置的(a)“冷”旋转置换单元中和(b)“暖”旋转置换单元中的对应压缩机和膨胀器空间的管，形成经由对应的热交换器组彼此连接的工作空间；

图19示出了“冷”和“暖”旋转置换单元的两个对应工作空间之间的流体连接部的示意图；

图20示出了“冷”单元中压缩机(实线)和膨胀器(虚线)的第一室中的容积变化的图；

图21示出了循环中“冷”单元的第一室中的容积变化的图，图示了两个工作空间的形成；

图22示出了“冷”(实线)和“暖”(虚线)单元中的配对的工作空间的容积变化的图；

图23示出了图21中的配对容积变化的总和的图；

图24示出了本发明的冷却斯特林循环装置的膨胀(实线)和压缩(虚线)空间的PV图；

图25示出了用于本发明的斯特林循环装置的双螺旋机构的可选多块构造，其中单个公共阳转子或阴转子位于相应阴转子或阳转子之间；

图26示出了使用具有三个叶瓣的布置的转子的可选择的一组双螺旋机构；

图27示出了使用具有四个叶瓣的布置的转子的另一组可选择的双螺旋机构；

图28示出了旋转阀组件的可选择实施方案的等轴侧视图，其中圆周流体通道设置在旋转驱动轴上；

图29示出了图28中的旋转阀组件的可选择实施方案的剖面图；

图30示出了暴露设置在驱动轴的外表面处的圆周流体通道和内部管道的驱动轴的一部分的(a)等轴侧视图、(b)侧视图和(c)剖面图，以及

图31示出了使用对应涡旋机构的本发明的装置的可选择实施方案的示意图，其中“冷”和“暖”单元经由热交换器组件(冷热交换器、再生器、暖热交换器)流体联接。

具体实施方式

将关于旋转斯特林循环冷却器来描述本发明的示例性实施方案。然而，应该理解，一般来说，本发明的旋转斯特林循环装置在斯特林发动机模式(即，机械功的输出)或热泵(热的输出)中将同样工作良好。

此外，啮合的阳螺旋转子和阴螺旋转子可以设置有不同的叶瓣数比率。理论上，该比率可以以‘1’(即‘2/2’)开始，但实际上可以使用其他(例如更大)比率。在实践中使用的比率的典型例子可以是‘3/4’、‘3/5’、‘4/6’、‘5/7’、‘6/8’等。此外，螺旋叶瓣可以具有对称或非对称轮廓。仅为了说明本发明的基本原理，示例性实施方案包括具有‘2/2’比率的叶瓣(即，比率等于‘1’)的更简单的轮廓对称的螺旋转子。而且，本领域技术人员应当理解，最佳性能只可利用任何其他(即更合适的)比率和/或叶瓣轮廓(即不对称或对称)来实现。然而，本发明的基本原理适用于任何合适的叶瓣数比率和叶瓣轮廓。

现在参照图7至11，本发明的斯特林循环装置100的第一实施方案包括“膨胀”或“冷”单元102和“压缩”或“暖”单元104。“冷”单元102和“暖”单元104中的每一个进一步损害压缩机机构106和膨胀器机构108。“冷”单元102和“暖”单元104经由四组热交换器流体连通，每组热交换器包括串联布置的“冷”热交换器110、再生器112和“暖”热交换器114。“冷”单元102和“暖”单元104中的每一个包括双螺旋机构116和118，该双螺旋机构116和118由两个双螺旋转子120、122组成，如图8和9所示。双螺旋机构116和118中的每一个具有压缩部分124、128和膨胀部分126、130。相应地，阳转子120和阴转子122中的每一个的压缩部分和膨胀部分124、126、128、130通过单个驱动轴132和134联接，其中膨胀部分126、130是压缩部分124、128的相同镜像。

此外，两个压缩部分124、128和两个膨胀部分126、130中的每一个都布置在其自己的气密密封外罩136中(参见图11)。

马达(未示出)和传动装置(未示出)可操作地联接到相应的双螺旋机构116、118，其中阳转子120和阴转子122的旋转使用传动装置(例如安装为驱动联接组件的啮合齿轮，例如，安装在箱138中)同步。箱138还包括致动器(即，高效且可控的电马达)，该致动器适于经由传动装置驱动双螺旋机构。可选择地，传动装置(即轴承、齿轮机构)也可以布置在壳体的不同部分中，例如环绕双螺旋机构116、118的轴132、134的外壳140中。

现在参考图10、12、13和14，一组对应的管道144、146、148、150设置在阳转子120的轴132内。在压缩部分124的高压端和膨胀部分126的低压端处，径向布置的流体端口152设置在阳螺旋转子120的两个相邻叶瓣之间，并且流体联接到该组管道144、146、148、150(其是轴向内部圆柱形通道)中的相应一个，如图12和13中详细所示。流体管道144、146、148、150中的每一个具有第一出口154和第二出口156，其中流体管道144、146、148、150中的每一个的第一出口和第二出口彼此相邻布置。

现在参考图15、16和17，在环绕阳转子120的轴132的外壳的第一部分中的相应预定轴向位置处形成其中心角大于180度的主要圆形扇区形式的第一组部分圆周流体通道158(即狭槽)(见图15)。在环绕阳转子120的轴132的外壳的第二部分中的相应预定轴向位置处形成其中心角大于180度的主要圆形扇区形式的第二组部分圆周流体通道160(即狭槽)(见图15)，其中外壳的第一部分与外壳的第二部分径向相对(见图15)。此外，第一组部分圆周流体通道158中的每一个与第二组部分圆周流体通道160中的每一个轴向偏移。

如图17所示，第一出口154中的每一个被布置成仅允许与第一组部分圆周流体通道158中的相应一个流体联接，并且第二出口156中的每一个被布置成仅允许与第二组部分圆周流体通道160中的相应一个流体联接。

如图16所示，所有流体通道158、160由“O”型密封圈161分离，密封圈161布置在围绕轴132的外壳部分内。此外，为了减少转子或转子与外壳之间的间隙中的潜在气体泄漏，可以应用适当的密封布置。例如，密封条可以设置在沿着叶瓣的脊部延伸的凹槽中，或者特氟隆和其他合适的密封材料可以用作密封条以封闭任何间隙。另外，用于制造阳转子和阴转子的材料(例如非金属材料)、用于制造外壳的材料或用于制造热交换器的材料可以根据斯特林循环中使用的温度而不同。

现在参考图18(a)和(b)，在“冷”单元102和“暖”单元104中的每一个中，第一组流体通道158中的每一个经由流体连接部162(例如管)与第二组流体通道中的对应一个流体联接。“冷”单元的流体连接部162中的每个经由管164与“暖”单元的对应流体连接部162流体联接。如前所述，一系列“冷”热交换器110、再生器112和“热”热交换器114流体地联接在每个管164的流体路径中。

现在参考图19至24，在本发明的装置100的操作期间(即，在冷却模式中)，两个双螺旋机构116、118中的每一个的驱动轴132、134经由马达和传动装置(未示出)同步旋转。对应的阳转子120和阴转子122的叶瓣相互啮合，从而分别形成用于“冷”单元102和“暖”单元104的两个压缩室和两个膨胀室(即，两叶瓣的螺旋转子将形成两个单独的室)。

图20中示出了“冷”单元102的压缩部分128中的室中的一个(即室1)和膨胀部分130中的室中的一个(即室1)的容积变化。压缩容积166的变化与膨胀容积168的变化相同，但是由于容积变化是由位于“冷”单元102的双螺旋机构118的相对端处的镜像对称的一对双螺旋转子形成的，因此容积变化168与容积变化166反相(参见图20)。

下面描述在本发明的装置100中发生的各个过程。在“冷”单元102的双螺旋机构118的压缩部分128和膨胀部分130的室1中捕获的工作流体(即气体)的往复压缩和膨胀期间形成第一工作空间170，且在“冷”单元102的双螺旋机构118的压缩部分128和膨胀部分130的室2中捕获的流体体积(即气体)的往复压缩和膨胀期间形成第二工作空间172。等效的第一和第二工作空间(未示出)由“暖”单元104的双螺旋机构116形成。

为了简化过程的描述，“冷”单元102的室1被认为是冷却机器的该实施方案的代表性示例。整个循环(即双螺旋转子116、118的360度旋转)可以分成三个不同的阶段:

阶段1:

持续时间从轴132、134的0度旋转到偏移的部分圆周流体通道158、160的重叠的开始。这里，相应的第一组流体通道158保持与对应的第一出口154对准。第一组流体通道158通过外部流体连接部162(见图18)流体连接到对应的第二组流体通道160。而且，第二流体通道160与相应的第二出口156不对准(参见图12和图19)。基本上，上述成对的流体通道158、160和对应的轴向偏移的第一出口154和第二出口156起到旋转阀机构的作用，该旋转阀机构适于及时地分离和连接室1的膨胀部分130和压缩部分128。因此，在该第一阶段期间，位于“冷”单元102的膨胀部分130的室1中的气体被膨胀到完全膨胀的大约一半，且位于“冷”单元102的压缩部分128的室1中的气体被压缩到完全压缩的大约一半。

阶段2：

持续时间是从偏移且部分圆周流体通道158、160的重叠的开始到其重叠的完成。接近循环的中间，在压缩部分128的室1容积和膨胀部分130的室1容积之间发生流体连接。该阶段的持续时间由两个轴向偏移且部分圆周第一组流体通道158和第二组流体通道160之间的预界定重叠来预定。精确的重叠被优化以“平滑”压缩部分128和膨胀部分130的室1容积之间的气体交换，即，以最小化或甚至避免压缩部分128和膨胀部分130之间的压力冲击。

阶段3：

持续时间是从重叠完成到循环的整个360度。在此阶段期间，相应的第二组流体通道160保持与对应的第二出口156对准。如阶段1的描述中所提到的，第一组流体通道158中的每一个通过外部流体连接162(参见图18和图19)流体连接到第二组流体通道160中的对应一个。第一流体通道158与对应的第一出口154不对准。因此，位于“冷”单元102的膨胀部分130的室1中的气体从大约一半膨胀到完全膨胀，且位于“冷”单元102的压缩部分128的室1中的气体从大约一半压缩到完全压缩。

如前文所提到的，在重叠时段完成之后，在压缩部分128中在循环的前半部分期间接近被压缩的气体体积将在循环的后半部分期间在膨胀部分130中被膨胀。同时，接近在膨胀部分130中被膨胀的气体体积将在循环的后半部分期间经历在压缩部分128中的压缩过程。因此，两个形成的工作空间170和172中的容积变化幅度大致相同(见图21)。而且(再次如前文所提到的)，由于双螺旋机构116、118的转子120、122具有两个叶瓣，因此通过将相应的第一流体通道和第二流体通道与其它组管道(例如，第一组对应的管道144、146、第二组对应的管道148、150)的对应的第一出口和第二出口配对，形成对于膨胀部分130和压缩部分128的室2的两个等效工作空间。因此，对于两叶瓣的双螺旋机构116、118，在“冷”单元102中将形成总共四个工作空间，并且在“热”单元104中将形成总共四个匹配的工作空间。

图19示出了“冷”单元102和“暖”单元104以及两个工作空间之间的对应的流体连接部(经由一系列热交换器110、114和再生器112)的简化示意图。

此外，应该理解，在“暖”单元104中的每个工作空间中的容积变化“跟随”在“冷”单元102中其对应的配对工作空间的容积变化，但是具有轴角(shaft angle)(相位角)的90至120度的延迟。在本发明实施方案的这个特定示例中，“暖”单元104中的每个工作空间的容积变化可以以90度的延迟跟随“冷”单元102中其对应的配对工作空间的容积变化。然而，本领域技术人员应当理解，可以在“冷”单元102和“暖”单元104之间使用其他相位角延迟，以便控制斯特林循环装置100的输出(例如冷却输出)。

图22示出了“冷”单元102中的配对工作容积174和“暖”单元104中的配对工作容积176的变化的典型图。“暖”单元104的双螺旋机构116的旋转与“冷”单元的双螺旋机构118偏移90度。

图23示出了对于两个配对工作空间的两个配对工作容积174、176的总和178。可以看出，两个配对工作容积174、176的总和178非常接近常规斯特林发动机中工作空间的变化(参见图2(a))。因此，当将“冷”单元102中的配对工作空间与“暖”单元104中的配对工作空间连接(经由一组热交换器110、114和再生器112)时，可以实现斯特林循环冷却器装置100。此外，可以理解，由于“冷”单元102中有四个工作空间，并且“暖”单元104中有四个工作空间，所以斯特林循环冷却器将具有四个单独的气体回路的等效物，其中四个气体回路中的每一个具有类似于图24所示的压力-容积图，其中对于压缩空间180的PV图大于对于膨胀空间182的PV图(即冷却模式)。

在图25、图26和图27中示出了螺旋机构的可选择设计，所有这些都可以用来代替用本发明的示例性实施方案描述的两叶瓣的双螺旋机构116、118。本领域技术人员应当理解，可能需要对用于“冷和热”单元及在“冷和热”单元之间的对应的内部和外部流体连接部、管道和流体出口进行改变，而不偏离本发明的特征概念。例如，在图25中示出了多块螺旋机构200，其中单个公共阳转子或阴转子202布置在对应的阳转子204或阴转子206之间。

此外，多种不同的转子叶瓣几何构造和轮廓可以用于本发明的斯特林循环装置，例如，利用具有多于两个叶瓣的螺旋转子，条件是压缩和膨胀工作空间之间的相位角适合于产生足够的冷却/加热性能或机械功的输出。此外，转子和叶瓣可以由不同的直径和/或长度制成，例如，“冷”单元中的双螺旋转子的直径可以被制成大于“暖”单元中的双螺旋转子的直径，或者反之亦然，以便在热源和散热器之间相对较低的温差下增加功率、冷或热的产生。

图26示出了具有三个叶瓣的转子302的两个双螺旋机构300的例子，且图27示出了具有四个叶瓣的转子402的两个双螺旋机构400的例子。应该理解，阳轴(旋转阀机构)的中间区段可以包括附加组的对应的管道(例如，每个附加叶瓣对应附加的一组对应的管道)，其中的每个管道将膨胀部分和压缩部分中的配对室的总和分成对应的两个工作空间，以便随着轴的旋转提供随着气体压缩/膨胀所需的周期性容积变化。还应理解，附加的工作空间组(例如，来自由附加的叶瓣形成的附加的室)导致附加的气体回路的形成。

在本发明的另一可选择实施方案中，驱动联接组件可包括如图28至图30(a)、(b)所示的可选择的阀机构502。在可选择的阀机构中，多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道504设置在相应预定的第一轴向位置处，在驱动轴506的外表面的第一圆周段上延伸，且多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道508设置在相应预定的第二轴向位置处，在驱动轴506的外表面的第二圆周段上延伸，其中第一圆周段设置成与第二圆周段径向相对，并且其中第一轴向位置中的每个轴向位置与第二轴向位置中的每个轴向位置轴向偏移。另外，第一流体管道510和第二流体管道512设置在驱动轴506中。每个流体管道510、512包括两个流体连结的出口端口511、513，其中第一出口端口511与第一流体通道504中的一个流体通道流体联接，并且第二出口端口513与第二流体通道508中的一个流体通道流体联接。流体连接部514布置在包围驱动轴506的外壳516中，并且每个流体连接部514适于在驱动轴506旋转期间与第一流体通道504或第二流体通道508中的一个临时形成流体连接部。

在图31中示出了本发明的另一可选择实施方案600，其中使用涡旋机构602、604来代替前述的双螺旋机构。工作原理与包括双螺旋转子的实施方案所描述的相同，即，“冷”单元604中的轴旋转以这样的方式与“暖”单元602中的轴旋转同步，即，使得在“冷”单元604中的工作空间的变化和“暖”单元602中的工作空间的变化之间存在最佳相位角。工作过程可以用图20至图23所示的图表来描述，但是应理解，完成一个循环可能需要两个或更多的轴转数。

在又一个可选择实施方案(未示出)中，可以组合不同的压缩/膨胀构(例如，涡旋和双螺旋)。然而，可以理解，容积的变化(遵循线性或非线性锯齿状函数)是同步的，从而形成闭合的再生斯特林循环。

此外，在实施方案中，当使用旋转圆锥形螺旋机构时，容积的连接可以类似于双螺旋转子。

此外，本发明的多级布置(在冷却模式中)可以用于实现甚至更低的温度，这对于上述实施方案中将是可能的。此外，本发明的斯特林循环机可以设置为扁平、箱式、圆柱形和其他形式。如前所述，热交换器或热交换器的至少一部分可以集成到转子的外壳或轴的至少一部分中，从而使本发明的斯特林循环装置的尺寸最小化。可选择地，外壳或轴的部分可以用作热交换器中的一个。

本领域技术人员应理解，上述实施方案仅通过示例被描述并且不具有任何限制性意义，并且各种改变和修改是可能的，而不脱离所附的权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (22)

1.一种斯特林循环装置，包括：

可气密密封的壳体；

第一旋转置换单元，其与第二旋转置换单元流体连通，每个旋转置换单元可操作地安装在所述壳体内的单独的流体密封部分中，并且适于在使用期间提供工作流体的至少一个热力学状态参数的循环变化，所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的每一个包括：

压缩机机构，其具有适于接收所述工作流体的第一部分的第一压缩机工作室并且至少具有适于接收所述工作流体的第二部分的第二压缩机工作室，所述第一压缩机工作室包括第一出口端口，且所述第二压缩机工作室包括第二出口端口；

膨胀器机构，其具有适于接收所述工作流体的所述第一部分的第一膨胀器工作室并且至少具有适于接收所述工作流体的所述第二部分的第二膨胀器工作室，所述第一膨胀器工作室包括第一入口端口，并且所述第二膨胀器工作室包括第二入口端口；

驱动联接组件，其适于可操作地将所述膨胀器机构联接到所述压缩机机构，包括：

旋转阀机构，其适于以所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元的旋转角度的预定间隔，在所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室之间以及在所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室之间提供预定顺序的循环流体交换；

致动器，其可操作地联接到所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元，并且适于同步地将所述第一旋转置换单元的旋转移动与所述第二旋转置换单元联结，使得所述工作流体的至少一个热力学状态参数的第一预定循环变化在使用期间相对于所述工作流体的至少一个热力学状态参数的第二预定循环变化偏移预定相位角。

2.根据权利要求1所述的斯特林循环装置，其中，所述驱动联接组件还包括至少一个第一驱动轴和具有内壁的至少一个第一轴外壳，且所述至少一个第一轴外壳构造成可操作地包围所述至少一个第一驱动轴。

3.根据权利要求2所述的斯特林循环装置，其中，所述至少一个第一轴外壳包括多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道以及多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道，所述多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道设置在相应的预定的第一轴向位置处，在所述内壁的第一圆周段上延伸，所述多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道设置在相应的预定的第二轴向位置处，在所述内壁的第二圆周段上延伸，并且其中，所述第一圆周段设置成与所述第二圆周段径向相对，并且其中所述第一轴向位置中的每一个与所述第二轴向位置中的每一个轴向地偏移。

4.根据权利要求3所述的斯特林循环装置，其中，所述多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道和所述多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道中的每一个对着大于180度的角度。

5.根据权利要求3-4中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述至少一个第一驱动轴包括第一组两个对应的管道，第一管道具有流体联接到所述第一出口端口的第一开口并且第二管道具有流体联接到所述第一入口端口的第一开口，对应的所述第一管道和所述第二管道中的每一个具有以第一预定径向角度径向离开所述第一驱动轴的两个连结的轴向相邻的第二开口，其中，所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第一个适于与所述多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道中的一个流体地接合，且所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第二个适于与所述多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道中的一个流体地接合。

6.根据权利要求5所述的斯特林循环装置，其中，所述至少一个第一驱动轴至少包括第二组两个对应的管道，所述第二组两个对应的管道中的第一管道具有流体联接到所述第二出口端口的第一开口并且所述第二组两个对应的管道中的第二管道具有流体联接到所述第二入口端口的第一开口，所述第二组两个对应的管道中的对应的所述第一管道和所述第二管道中的每一个具有以第二预定径向角度径向离开所述第一驱动轴的两个连结的轴向相邻的第二开口，其中，所述第二组两个对应的管道中的所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第一个适于与所述多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道中的一个流体地接合，且所述第二组两个对应的管道中的所述两个连结的轴向相邻的第二开口中的第二个适于与所述多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道中的一个流体地接合。

7.根据权利要求6所述的斯特林循环装置，其中，所述多个轴向间隔开且部分圆周的第一流体通道中的每一个流体地联接到所述多个轴向间隔开且部分圆周的第二流体通道中的对应的一个，以便在使用期间允许所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室之间以及所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室之间的预定顺序的流体交换。

8.根据权利要求7所述的斯特林循环装置，其中，在所述第一旋转置换单元中，对于流体联接的所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室以及流体联接的所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室中的每一者，形成了第一工作空间和第二工作空间。

9.根据权利要求7和8中任一项所述的斯特林循环装置，其中，在所述第二旋转置换单元中，对于流体联接的所述第一压缩机工作室和所述第一膨胀器工作室以及流体联接的所述第二压缩机工作室和所述第二膨胀器工作室中的每一者，形成了第一工作空间和第二工作空间。

10.根据权利要求9所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元的所述第一工作空间和所述第二工作空间中的每一个与所述第二旋转置换单元的所述第一工作空间和所述第二工作空间中的对应一个流体连通。

11.根据权利要求7-8和10中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元的对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道中的每一个与所述第二旋转置换单元的对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道中的每一个的相应一个流体连通。

12.根据权利要求11所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元的对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道中的每一个与所述第二旋转置换单元的对应的流体联接的第一流体通道和第二流体通道中的每一个之间的每个流体连通包括第一热交换器、再生器和第二热交换器中的任何一个或任何串联组合。

13.根据权利要求12所述的斯特林循环装置，其中，所述第一热交换器适于向所述工作流体提供热量，并且其中所述第二热交换器适于从所述工作流体移除热量。

14.根据权利要求12和13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述再生器流体地联接在所述第一热交换器和所述第二热交换器之间。

15.根据权利要求12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述第一热交换器是所述第一旋转置换单元的整体部分和/或所述第二热交换器是所述第二旋转置换单元的整体部分。

16.根据权利要求1-4、6-8、10和12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的每一个包括双螺旋机构。

17.根据权利要求1-4、6-8、10和12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的每一个包括涡旋机构。

18.根据权利要求1-4、6-8、10和12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的每一个包括旋转圆锥形螺旋机构。

19.根据权利要求1-4、6-8、10和12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述致动器包括适于同步驱动所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元的马达和传动装置。

20.根据权利要求1-4、6-8、10和12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述致动器包括适于由所述第一旋转置换单元和所述第二旋转置换单元中的任一个提供动力的马达和传动装置。

21.根据权利要求1-4、6-8、10和12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元的所述压缩机机构和所述膨胀器机构中的每一个以及所述第二旋转置换单元的所述压缩机机构和所述膨胀器机构中的每一个设置在所述壳体的分立且气密密封的部分中。

22.根据权利要求1-4、6-8、10和12-13中任一项所述的斯特林循环装置，其中，所述第一旋转置换单元是压缩单元，并且其中所述第二旋转置换单元是膨胀单元。

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