用于外燃机的带螺纹的密封法兰 以及密封压力容器的方法

本发明涉及外燃机。更具体地说，本发明涉及诸如斯特林循环发动机之类的外燃机和用来密封与其相关联的压力容器的改进方法。

斯特林循环发动机最初是由Robert Stirling在十九世纪初叶设想的。在十九世纪中叶，这种灼热气体发动机的工业应用被设计出来为磨坊提供旋转动力。因为内燃机的成功和普及，直到二十世纪中叶斯特林发动机一直被忽略。斯特林循环机器，包括发动机和制冷机，是在通过引证在此并入的Walker，Stirling Engine，Oxford University Press(1980)中详细描述的。

斯特林循环发动机的基本原理是用机械方法实现斯特林热力循环：(1)气体在气缸里面的等容加热，(2)气体的等温膨胀(在此期间通过驱动活塞做功)，(3)等容冷却和(4)等温压缩。关于斯特林循环机器和对它的改进的各个方面的其他背景是在通过引证在此并入的Hargreaves，Phillips Stirling Engine(Elsevier，Amsterdam，1991)中讨论的。因此，理想的斯特林循环能在压力体积(PV)图中被绘制成借助一对等容加热和冷却线连接起来的一对等温膨胀-压缩曲线。然而，在实际的发动机中，这样的理想循环由于发动机的压气活塞和功率活塞之间非独立的相互作用从未被实现。

斯特林发动机理论上的高效率在最近几年已引起人们相当大的兴趣。斯特林发动机提供了容易控制燃烧排放物、潜在性地使用更安全、更廉宜和更容易得到的燃料和平稳运行操作的附加优势，这些优势组合起来使斯特林发动机在许多应用中变成非常符合需要的内燃机的替代品。

尽管具有这些优势，斯特林发动机的发展还是以比可能预期的速率慢得多的速率进行。由于斯特林发动机是包括被密封在增压舱室中的工作气体的外燃机，比较尖锐的问题之一包括需要在高压下把工作气体密封在工作空间里面。

在运行时，压气活塞本体在舱室里面是活动的但是只占据该舱室体积的一部分，以致压气活塞本体向该舱室的冷端移动，流体流向位于该舱室的热端的剩余体积。流体的冷却是借助压气活塞本体向热端的相反运动实现的，因此迫使流体流向舱室的冷端。以这种方式，流体受制于对压气活塞本体的运动敏感的热力学循环。

舱室的热端是用任何想要的或可得的装置(包括煤气灯、太阳能加热器等)从外部加热的。流体舱室的冷端可能是连同其它可能的冷却方案一道用水或空气冷却的。增压流体被允许对工作活塞施力和使它往复运动，由此可以通过机械轴装配或类似的东西得到有用功输出。

理想的斯特林循环能用被一对等容加热和冷却线连接起来的一对等温膨胀-压缩曲线在压力体积(PV)图中绘制成曲线。然而，在实际的发动机中，这样的理想循环由于在发动机的压气活塞活塞和功率活塞之间非独立的相互作用从未被实现。

斯特林发动机已被建议用在范围广泛的应用中。例子包括汽车应用、制冷系统和外太空中的应用。在给便携式电子仪器、通信齿轮、医学装置和提供远程现场服务的其它仪器的供电需要中也提供另一个机会，因为这些应用需要提供高功率和能量密度的电源，同时还要求尺寸和重量最小，排放物和费用少。一种非常适合的设计是自由活塞斯特林发动机。自由活塞斯特林发动机使用机械上独立于功率输出构件的压气活塞。自由活塞斯特林发动机相对于功率输出构件的运动和定相是用弹簧和质量的动态平衡系统的状态而不是用机械联动装置完成的。

迄今，电池已成为供应便携式电源的主要方法。然而，用来给电池充电所需要的时间已经被证明对于连续使用的应用是不便的。而且，便携式电池通常局限于产生几毫瓦到几瓦的功率，因此不能够满足高水平的可移动的重量轻的功率生产的需要。

用汽油或柴油作燃料的内燃机提供动力的小型发电机已被使用。然而，这样的发电机的噪音和排放物特性使它们变成完全不适合各式各样的移动式电力系统，而且对于户内使用是不安全的。虽然用高能量密度液体燃料提供能量的传统热机在尺寸有某些优势，但是热力学缩放和成本方面的考虑倾向于把它们用于较大的发电厂。

如上所述，在斯特林发动机中，压气活塞缸的一端总是灼热的；而另一端总是比较凉的。尽管这种设计从效率来看是有益的，因为压气活塞缸的同一区段的重复加热和冷却得以避免，但是压气活塞缸两端的材料要求截然不同。为了处理这些不同的需求，已考虑使用由不同的材料形成的两部分拼合的压力容器。由于氦气往往是优选的工作流体，而且压力容器的主导内部压力是很高的，所以有效地密封这样的压力容器已被证明是挑战性的。

鉴于此，以及尽管技术上的进步，继续需要一种由不同的材料形成的有改进的密封特性的斯特林发动机的压力容器。

一方面，本发明指向用来容纳可操作地把热量转换成机械功率或电力的机械装置的压力容器，该压力容器包括：a)高温区段，所述的高温区段有第一末端和敞开的第二末端；b)密封法兰，所述的密封法兰有第一末端和带螺纹的第二末端，所述的第一末端与所述高温区段的所述的敞开的第二末端结合；以及c)有敞开的带螺纹的第一末端低温区段，所述敞开的第一末端与所述密封法兰的所述的带螺纹的第二末端密封接合。

另一方面，本发明指向的斯特林发动机包括：a)压力容器，该压力容器有高温区段，所述高温区段有第一末端和敞开的第二末端，密封法兰，所述密封法兰有第一末端和带螺纹的第二末端，所述的第一末端与所述高温区段的所述的敞开的第二末端结合；和低温区段，该低温区段有敞开的带螺纹的第一末端，所述的敞开的第一末端与所述密封法兰的所述的带螺纹的第二末端密封接合；b)在所述压力容器里面形成的压气活塞缸，所述压气活塞缸有高温末端和低温末端；以及c)用来使所述的压气活塞缸从所述的高温末端到低温末端往复移动的压气活塞。

另外一个方面，本发明指向气密密封斯特林发动机的压力容器的方法，该压力容器有高温区段，该高温区段有第一末端和敞开的第二末端，以及低温区段，该低温区段有敞开的带螺纹的第一末端，该方法包括如下步骤：

a)提供密封法兰，该密封法兰有第一末端和带螺纹的第二末端；b)使密封法兰的第一末端与高温区段的敞开的第二末端结合；c)用焊接剂均匀地涂覆低温区段的敞开的带螺纹的第一末端的外表面；d)用焊接剂均匀地涂覆密封法兰的带螺纹的第二末端的内表面；以及e)加热密封法兰的带螺纹的第二末端，直到焊接剂涂层被均匀地熔融和共混，其中在冷却时焊接剂层再次凝固，形成无泄漏的气密密封。

现在参照仅仅作为例子给出的本发明的优选形式和附图更详细地描述这项发明，其中：图1展示使用本发明的带螺纹的密封法兰的斯特林发动机100的剖视图，它的燃烧室/间壁式换热器组件已被移走；图2把燃烧室/间壁式换热器区段与依照本发明的一个实施方案的带螺纹的密封法兰的局部剖视图一起展示在局部剖视图中；图3A展示依照本发明的实施方案的带螺纹的密封法兰形式的俯视平面图；

图3B展示依照本发明的实施方案的带螺纹的密封法兰的沿着图3A的B-B线截取的剖视图。

现在参照图1-3B举例说明的实施方案，其中相似的数字用来到处表示相似的零部件。

斯特林发动机是一种使用外部的连续燃烧系统加热的外燃机。通常，所述连续燃烧系统由吸气系统，排气装置和燃烧室组成。在运行时，压气活塞被安排在压气活塞缸之内，其一端被外部的燃烧系统加热。压气活塞缸放置在最具有压力容器特征的装置中，而且所述压气活塞缸容纳通常是氦气的工作流体。当压气活塞被放置在压气活塞缸的热端里面的时候，工作流体向相对的温度较低的末端移动，并且处在较低的温度和压力之下。当压气活塞被移进压气活塞缸的冷端的时候，工作流体在压气活塞周围移动并且进入压气活塞缸的热端，从而升高工作流体的温度和压力。

如同人们可以领会到的那样，压气活塞缸的一端总是很热的；而另一端总是比较凉的。这种设计从效率来看是有益的，因为这样避免了对压气活塞缸的同一区段的重复加热和冷却。然而，压气活塞缸两端的材料要求是截然不同的。为了处理这些不同的需求，使用由不同的材料形成的两个部分拼合的压力容器可能是有利的。因为氦气往往是优选的工作流体，而且压力容器的主导内部压力很高，有效密封这样的压力容器已被证明富有挑战性。如同下面将会描述的那样，本发明的带螺纹的密封法兰迎接这种挑战，提供一种用来密封不同材料的有效机制。

图1展示使用本发明的带螺纹的密封法兰的斯特林发动机100的剖视图，它的燃烧室/间壁式换热器组件已被移去。适当的燃烧室/间壁式换热器50被展示在图2所示的局部剖视图中，而且是在通过引证将其内容全部并入的于2003年7月2日申请的临时专利申请第60/484,508号中揭示的。

斯特林发动机100有包括高温区段12节和低温区段14的压力容器10。高温区段12是用选定的材料构成的，以经得起由于所述高温区段12极接近燃烧室/间壁式换热器组件50(见图2)造成的高温环境，这样的材料包括薄壁不锈钢和统称为超级耐热合金的高镍合金。在材料选择方面考虑的其它因素包括安全方面的需求、长寿命、低质量和优异的高温抗氧化性。尽管不锈钢在这种应用中有实用性，但是超级耐热合金是优选的，因为它们在与不锈钢相比较的时候拥有优异的高温强度、极好的耐疲劳性和抗氧化性。

在非常高的压力和温度下，压力容器容纳按照高和低两种频率模式循环变化的氦气。低循环疲劳已被发现是主要问题，这样的疲劳与发动机启动和关机次数相关联。在选择用于高温区段12的材料时，成本、质量、寿命和性能的权衡是必须估定的。例如，如果压力容器壁比较厚，而且操作温度维持在比较低的水平，那么成本较低的不锈钢能产生与超级耐热合金相当的安全和寿命特性，然而所实现的发动机效率和功率输出比较低。重要的是在高温下的强度、耐蠕变和抗氧化性。

如上所述，优选的材料包括超级耐热合金，例如Inconel600(能经得起800℃的最高温度)、Inconel 625(能经得起900℃的最高温度)、Inconel 718(能经得起1000℃以上的最高温度)、Inconel 754(能经得起1800℃的最高温度)和Hastelloy GMR235(能经得起935℃的最高温度)，其中Inconel 718是特别优选的。如同熟悉这项技术的人将认可，高温区段12可以借助深冲压、液压成形、机械加工或铸造来制造。

在选择用于形成低温区段14的材料时，对低质量、与往复运动部件的热生长兼容性和高导热率的期望使铝合金变成用于压力容器冷端允许使用的最佳选择。众所周知，铝的密度大体上是超级耐热合金密度的三分之一，而且强度要低得多。这需要使压力容器壁变得厚得多，虽然该结构仍然是足够轻的。通过在形成低温区段14时使用铝的产生的另一种利益是在活塞和压气活塞与它们的孔之间热膨胀系数的匹配，以致当斯特林发动机经历温度变化的时候不发生磨损。选择铝的另一个理由是当驱动温差低的时候更容易通过低温区段14的壁把热量转移给外部的热交换器32。

关于带螺纹的密封法兰16的材料选择，人们应该注意到压力容器10的高温区段12被燃烧室/间壁式换热器组件50维持在大约650℃。压力容器10的低温末端被外部的热交换器32维持在大约100℃。在该发动机里面，整个温差(650℃-100℃)是沿着回热器的热交换器长度获得的。优选的是把高温区段12和低温区段14之间的接缝的位置选定在回热器的冷端水平附近，因为这是斯特林发动机的自然断点，而且温度梯度的大小能沿着超级耐热合金高温区段12的壁获得。沿着超级耐热合金高温区段12的壁而不是沿着铝制低温区段14的壁获得温度梯度的大小是符合需要的，因为超级耐热合金的比较高的强度和耐蠕变性允许它经受得住负荷和与温度梯度相关联的那些引起的组合压力。此外，传导损失由于超级耐热合金壁的导热率和必需的横截面积比较小而被减少，而且任何从发动机的热端向冷端传导的热量都代表效率损失。

鉴于上述的各种因素，带螺纹的密封法兰16可以用不锈钢和超级耐热合金构成，超级耐热合金包括Inconel 600、Inconel625、Inconel 718、Inconel 754和Hastelloy GMR 235，其中Inconel718是特别优选的。如同下面将更详细地描述的那样，气密密封是通过使用带螺纹的密封法兰16在高温区段12和低温区段14之间提供的。如同下面将进一步讨论的那样，带螺纹的密封法兰16可能是铜焊或焊接到压力容器10的高温区段12上的。带螺纹的密封法兰16和压力容器10的高温区段12的组件可能作为替代被机加工或铸造成单一的零部件。

仍然参照图1，位于斯特林发动机100的压力容器10内部的是安装在压气活塞杆26上的压气活塞组件22。压气活塞杆26附着在发动机外壳30上。压气活塞组件22由压气活塞密封体27、压气活塞盖组件21和弹簧23组成。弹簧23用安装螺钉(未展示)附着到压气活塞密封体27上，并且用安装环25附着到压气活塞杆26上。在压气活塞往复运动的时候，弹簧23的一端借助安装螺钉固定在适当的位置，而弹簧23直接随着压气活塞22的运动自由地伸展和收缩。虽然弹簧23直接随着压气活塞22的运动自由地伸展和收缩是重要的，但是上述的弹簧23对压气活塞杆26的附着机制仅仅是许多可能提供的附着方式之一。而且，压气活塞22和弹簧23被设计为弹簧23的移动质量和力常数提供在预期的频率下机械共振的组合。

现在参照图2、3A和3B，一种带螺纹的密封法兰16形式的放大图被展示出来。带螺纹的密封法兰16有第一末端40和带螺纹的第二末端42。第一末端40为了与高温区段12的敞开末端52结合可以是没有螺纹的。如同熟悉这项技术的人将会认可，所述结合可以通过焊接或铜焊来完成。带螺纹的第二末端42在其内表面上有螺纹44。优选的是使用机制螺纹而不是管螺纹，以保证与低温区段14完全密封接合。业已发现2MM机制螺纹是特别有效的。

如图2所示，低温区段14有敞开的带螺纹的第一末端60，该末端有在其外表面上的螺纹48。优选的是使用机制螺纹而不是管螺纹，以保证与带螺纹的密封法兰16完全密封接合。再一次发现2MM机制螺纹是特别有效的。

如同熟悉这项技术的人可以领会到的那样，在不使用诸如O型圈之类的传统的密封材料的情况下，为密封寻找的苛刻环境使实现气密密封变成符合需要的。因此，螺纹本身必须密封接缝。为了保证气密密封，螺纹44可以在组装之前被均匀地涂上焊接剂70。为了在使用铝制成低温区段14的时候，解决焊接剂涂层在低温区段14的敞开的带螺纹的第一末端60的螺纹48上流动的问题，螺纹48首先被电镀上铜、镍或非电镀镍层72，其中非电镀镍是优选的。在施加镀层72之后，均匀的焊接剂涂层74在组装之前被加上去。作为替代，为焊接剂坯料准备的洞可以在带螺纹的密封法兰16上或在压力容器10的低温区段14的敞开的带螺纹的第一末端60上机加工成形。

为了组装该接缝，带螺纹的密封法兰16的第一末端40被铜焊到高温区段12的敞开的第二末端52上。密封法兰16的带螺纹的第二末端42通过螺纹拧到低温区段14的敞开的带螺纹的第一末端60之上直到完全固定为止。在密封法兰16的带螺纹的第二末端42周围加热，直到焊接剂涂层70和74均匀地熔融和共混。该接缝被允许冷却，直到焊接剂层再次凝固形成无泄漏的气密密封。

带螺纹的的法兰提供一种用来把斯特林发动机压力容器的热端和冷端连接起来的简单方法，允许考虑使用不同材料的机械连接。有利的是，螺纹承担与增压和温度梯度相关联的机械负荷。如同熟悉这项技术的人可能领会到的那样，该接缝经过配置以致零部件的热生长在带螺纹的的法兰中产生切向应力而在铝中产生压力。而且，该接缝经过配置以致轴向负荷与螺纹对准到可能减少弯矩的程度。

在斯特林发动机100操作时，热量将在大约500℃和750℃之间的温度供应给加热器头。为了使效率达到最大值，应该使用充分预热的助燃空气。为了实现这个要求，空气在燃烧室/间壁式换热器组件50(见图2)的间壁式换热器中被预热。为了达到最大的燃烧室效率，高质量的热量(即直接来自燃烧的热量)被直接转移到发动机加热器头，而质量较低的热量(即废气流的热量)被用来在间壁式换热器中预热助燃空气。

优选的是，燃烧室可以是使用气体燃料来源加燃料的，或者可以配备有能够为燃烧准备汽化的高能量密度液体燃料的燃料系统。在标准的温度和压力(环境条件)下呈气态的适当的燃料包括诸如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷之类的碳氢燃料。作为替代，适合本发明使用的燃料汽化器是在通过引证将其内容全部并入的美国专利申请第10/143,463号中揭示的。