一种阿尔法型斯特林发动机的制作方法

本发明涉及一种阿尔法型斯特林发动机。

背景技术：

1、热能可以通过数种方式被转换成电能。一些系统使用斯特林发动机作为发电机，以将热能转换为电能。斯特林发动机是一种闭式循环发动机，其使用外部热源来使工作气体膨胀，从而驱动一个或多个活塞。

2、此外，斯特林发动机与热能储存器的结合可用于利用来自例如光伏发电厂和风力涡轮机的多余的电力。相对于当这种发电厂的输出电量超过电力需求时削减电量，这些多余的电力可以被用于例如对热能储存器进行充电，从而使得当电力需求超过来自这些间歇性可再生能源的可用输出时，再从该热能储存器中汲取能量变为可能。然后可以使用斯特林发动机将热能转换为电能。

3、尽管阿尔法型斯特林发动机是具有优势的，但仍然存在改进的空间，特别是当涉及发动机的效率时。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有改进效率的阿尔法型斯特林发动机。该发明目的和其他发明目的将在以下的论述中变得显而易见，并且通过如权利要求1中所限定的阿尔法型斯特林发动机来实现。从属权利要求中提出了示例性的非限制性实施方式。

2、本发明构思是基于以下认识：四个腔室(每个腔室容纳一个与线性马达/发电机耦接的对应活塞)可以形成流体互连，并通过这种方式使至少两个线性马达/发电机所需的动力减少(即，需要较少的能耗)。特别地，发明人已经认识到，四个腔室可以以正常方式成对地流体互连，然而接着再将一对中的一个腔室与另一对中的一个腔室进行互连。这将在下文中更详细地论述。

3、根据本发明构思的至少一个方面，本发明提供了一种阿尔法型斯特林发动机，包括：

4、-第一活塞、第二活塞、第三活塞和第四活塞，

5、-第一腔室、第二腔室、第三腔室和第四腔室，第一活塞、第二活塞、第三活塞和第四活塞分别容纳在第一腔室、第二腔室、第三活塞和第四腔室中用于往复运动，

6、-至少两个线性马达/发电机，被构造为使活塞在对应的腔室中运动，

7、-每一个所述活塞在其对应的腔室中界定一个位于活塞一侧的主腔室侧和一个位于活塞另一侧的副腔室侧，

8、-第一主气体通道，将第一腔室的主腔室侧与第二腔室的主腔室侧流体互连，

9、-第二主气体通道，将第三腔室的主腔室侧与第四腔室的主腔室侧流体互连，

10、-第一副气体通道，将第一腔室的副腔室侧与第四腔室的副腔室侧流体互连，以及

11、-第二副气体通道，将第二腔室的副腔室侧与第三腔室的副腔室侧流体互连。

12、通过具有上述四个腔室的互连，第一腔室和第二腔室可以通过第一主气体通道以常规方式进行流体连接。类似地，第三腔室和第四腔室也可以通过第二主气体通道以常规方式连接。因此，可以确定两对“常规”连接的腔室。然而，通过对上述成对的腔室另外进行交叉耦接，即通过设置如上所述的两个副气体通道，活塞在其中一对的腔室中的膨胀运动将补充(通过增加推力)活塞在另一对的腔室中的压缩运动。因此，上述来自不同对的腔室的增加的力使压缩运动中所需的马达力减少，从而实现效率更高的发动机。

13、从上文可以理解，总体的发明构思提供了一种斯特林发动机，该斯特林发动机包括两个主气体通道，每个主气体通道流体互连两个主腔室侧。斯特林发动机还包括两个副气体通道，每个副气体通道以区别于主气体通道实现的互连方式的不同腔室组合(即，不同的腔室互连)流体互连两个副腔室侧。

14、从上文还可以理解，四个腔室中的每一个腔室具有至少两个气体入口，一个气体入口与主气体通道流体连通，另一个气体入口与副气体通道流体连通。对于每个腔室而言，所述两个气体入口至少在腔室的轴向方向上彼此间隔开(轴向方向与活塞在腔室中的往复运动方向一致)。在至少一些示例性实施方式中，所述两个气体入口也在径向方向上彼此间隔开(径向方向垂直于轴向方向)。还应当理解的是，由于气体通过所述气体入口往复运动，因此气体入口也可以称为“气体出口”，或者更广义地称为“气体开口”。

15、对于上述成对腔室中的每一对腔室，可以按照常规方式在每对的腔室中的活塞运动之间设置适当的相移。此外，其中一对的腔室中的活塞的适当相移可以相对于另一对的腔室中的活塞进行适当地设置。

16、有利地，一对腔室中的活塞的压缩冲程可以适当地(逐相位地)先于另一对腔室中的活塞的膨胀冲程。例如，第一活塞可以在第四活塞已经开始其压缩冲程之后适时地开始其膨胀冲程。类似地，第三活塞可以在第二活塞已经开始其压缩冲程之后适时地开始其膨胀冲程。这将补充活塞进行压缩运动而不是抵消其运动。

17、根据至少一个示例性实施方式，所述至少两个线性马达/发电机包括第一线性马达/发电机和第二线性马达/发电机，

18、其中第一线性马达/发电机被构造为使一个第一活塞杆运动，第一活塞杆的一端设有第一活塞，第一活塞杆的另一端设有第三活塞，

19、其中第二线性马达/发电机被构造为使一个第二活塞杆运动，第二活塞杆的一端设有第二活塞，第二活塞杆的另一端设有第四活塞。

20、由于每个线性马达/发电机可以驱动两个活塞，上述结构提供了一种紧凑的布置。每个线性马达/发电机及其设有两个活塞的相关活塞杆可以设置在对应的公共模块中。因此，可以适当地提供两个模块，其中两个主气体通道和两个副气体通道在两个模块之间延伸。其中一个模块可以是膨胀模块，另一个模块可以是压缩模块。

21、根据至少一个示例性实施方式，阿尔法型斯特林发动机包括第一模块和第二模块，其中第一线性马达/发电机、第一活塞、第一腔室、第三活塞和第三腔室位于所述第一模块中，其中第二线性马达/发电机、第二活塞、第二腔室、第四活塞和第四腔室位于第二模块中。

22、在上述示例性实施方式中，由于第一活塞和第三活塞设置在第一活塞杆的相对两端，因此第一活塞和第三活塞将相对于彼此自动地相移180°。例如，当第一活塞开始其向上运动时，第三活塞将开始其向下运动(相对于第一活塞和第三活塞各自的上止点)。换言之，当第一活塞开始朝向第一腔室的副腔室侧运动时，则第三活塞将同时开始朝向第三腔室的主腔室侧运动。类似地，在上述示例性实施方式中，由于第二活塞和第四活塞设置在第二活塞杆的相对两端，因此第二活塞和第四活塞也将相对于彼此相移180°。

23、尽管如上所述的紧凑布置可能是有利的，但是本发明构思不限于上述实施方式。相反，在至少一些示例性实施方式中，每个活塞由一个对应的线性马达/发电机驱动。这种结构体现在以下的示例性实施方式中。

24、根据至少一个示例性实施方式，至少两个线性马达/发电机为四个线性马达/发电机，每一个线性马达/发电机被构造为使一个对应的所述活塞在所述对应的腔室中运动。

25、通过仅在线性马达/发电机的一侧上设有腔室，可以便于与完整的斯特林发动机的其他元件进行集成。由于每个线性马达/发电机与对应的活塞相关联，因此可以实现活塞运动的单独控制，例如控制冲程长度和/或运动轮廓。线性马达/发电机可以由一个控制单元控制，该控制单元可以被构造为优化线性马达/发电机的整体运行。另一方面，仅具有两个线性马达/发电机更便宜并且具有更低的摩擦。

26、根据至少一个示例性实施方式，阿尔法型斯特林发动机包括第一模块、第二模块、第三模块和第四模块，其中第一腔室和第一活塞位于第一模块中，其中第二腔室和第二活塞位于第二模块中，其中第三腔室和第三活塞位于第三模块中，其中第四腔室和第四活塞位于第四模块中。因此，每个主气体通道和副气体通道将从一个模块延伸到另一个模块。

27、通过这种布置，第二模块和第四模块可以布置成相对于第一模块和第三模块具有适当的相移。这种结构至少部分地体现在以下的示例性实施方式中。

28、根据至少一个示例性实施方式，在活塞的往复运动中：

29、-第二活塞相对于第一活塞相移-α角度，

30、-第三活塞相对于第一活塞相移170°-190°的角度，如180°，

31、-第四活塞相对于第一活塞相移170°-190°-α的角度，如180°-α。

32、通过使第一活塞和第三活塞相对于彼此相移180°的角度，第二活塞的运行行为可以与第四活塞的运行行为相同。因此，能够获得平衡性良好的整体系统。

33、已经发现，当角度α在70°-135°，适当地在90°-120°的范围内时，通过如上所述的副气体通道能够使压缩冲程中的额外推力达到期望的水平。

34、如上所述，斯特林发动机可以设置有控制单元。这种控制单元可以被构造为单独地控制活塞的运动。根据至少一个示例性实施方式，控制单元可以被构造为控制活塞之间的相移。特别地，根据至少一个示例性实施方式，控制单元可以被构造为通过设定所述角度α的值来控制第二活塞和第一活塞之间的相移以及第四活塞和第一活塞之间的相移。通过使控制单元设定角度α，即通过使控制单元设定活塞之间的相移，可以使斯特林发动机的工作适应不同的运行需求。例如，对于任何给定的用户要求、当前运行需求等，控制单元可以选择角度α的值，使得所得到的效率和所得到的功率输出达到适当平衡。此外，控制单元可以基于所期望最大化的某一种结果(例如效率或功率输出)具有改变角度α的可能性。仅作为说明性示例，在主气体通道中从纯热力学角度分析，如果期望高效率，则控制单元可以为角度α设定一个相对高的值，例如约120°，以及如果期望高功率输出，则控制单元可以为角度α设定一个相对低的值。例如约90°。在实践中，控制单元也可以被构造为考虑影响发动机性能的其他参数。这些参数的示例可以是活塞和磁体的质量。

35、根据至少一个示例性实施方式，控制单元可以被构造为设定第一活塞、第二活塞、第三活塞和第四活塞中每一者的冲程长度，并且设定每个活塞在其对应腔室中的下止点和上止点的位置。换言之，冲程的中心位置，即上止点和下止点之间的中间位置可以由控制单元设定。通过设置冲程的中心位置以及每个活塞的冲程长度，能够实现不同的控制策略。例如，在降低的功率输出即可满足需求的情况下，这可能是有利的。在这种情况下，控制单元可以相较于活塞的最大可能的冲程长度减小活塞的冲程长度，并且可以进一步设定减小的冲程的中心位置。这为操作者提供了相对于功率输出来设定操作点的可能性。

36、根据至少一个示例性实施方式，控制单元可以被构造为将每个活塞的上止点设定为尽可能靠近其对应的主气体通道。然而，在这种情况下控制单元可以被构造为针对不同的活塞设定不同地下止点，从而设定不同的冲程长度。在其他示例性实施方式中，控制单元可以为所有活塞设定相同的冲程，但是为两个或更多活塞设定不同的上止点和下止点。在其他示例性实施方式中，控制单元可以为第一活塞和第四活塞设定相同的上止点、下止点和冲程长度，同时为第二活塞和第三活塞设定不同的上止点、下止点和/或冲程长度。例如，在一些情况下，第一活塞和第三活塞可以被视为代表具有相同冲程模式(但具有适当的相移)的“膨胀”活塞，而第二活塞和第四活塞可以被视为代表具有另一冲程模式的“压缩”活塞。

37、应当理解的是，上述示例性实施方式和其他示例性实施方式中的每一者可以包括一个控制单元，该控制单元适于被构造为控制活塞之间的相位差(类似于任何斯特林发动机的功能)。在具有机械连杆的斯特林发动机中，相位差由连杆固定。然而，通过控制单元，可以在运行期间电子调节相位差。控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程装置。控制单元还可以或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在其包括诸如上述微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程装置的情况下，处理器还可以包括控制可编程装置运行的计算机可执行代码。

38、当研究所附权利要求和以下说明书时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员应认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以构造除以下描述的实施方式之外的其他实施方式。