[0002] 经典斯特林发动机包括刚性耐压且充气的
气缸阵列、用于加热和冷却密封工作气体的换热器、用于周期性地将工作气体从冷却侧移至加热侧并将之移回的移位
活塞、中间热产生器，以及用于传递由
热压波动向外产生的功的工作活塞。
[0003] 斯特林发动机在PV图(图1)中标有4个过程步骤：
[0005] 2-3热工作气体通过
回热器进入冷空间的等体积位移；
[0006] 3-4带有功输出的冷工作气体的等温压缩；
[0007] 4-1工作气体通过回热器进入热空间的等体积位移。
[0008] 在工作气体中的热子(heater)或冷却换热器的良好的热交换(此处的“良好”是指换热器
温度和气体温度之间的ΔT较低)，良好的回热器(其必须具有较大的表面面积，产生气体通过的较小的压
力损失，周期性地缓冲气体的热含量并将其再返回为在纵向上具有线性温度系数)，最小的死(dead)容积和最少可能的用于来回移动工作气体的位移功，斯特林发动机的效率因子接近于理想的卡诺发动机的效率因子
[0009]
[0010]
[0011] Tu，Tn＝较低的开尔文温度
[0012] To，Th＝较高的开尔文温度
[0013] 然而，在现有的斯特林发动机的实践中，由于以下限制，理论上的卡诺效率最高可以达到50％：
[0014] 1、换热器和工作气体之间的ΔT较大。
[0015] 2、没有等温膨胀和压缩；
[0016] 3、不可避免的死容积，例如通过空气翅片冷却器(coller)和位于刚性移位活塞、气缸壁、流动通道等之间的几何限制。
[0017] 本发明构成了为
现有技术提供替代或改进的
基础。
[0018] 该目标通过具有独立
专利权利要求的特征的膜斯特林发动机来执行。
[0019] 在
从属权利要求和
说明书以及
附图中给出了可选的特征。
[0020] 特别地，本
发明人已经从现有技术中确定了这个问题，理想的
热力学过程假设了释放是等温进行的。释放的介质也必须在释放状态的期间被添加。在本发明中可以预期到
水泡(blister)。压力在内外是相同的，因此所需的
变形功为零。
[0021] 根据本发明，斯特林发动机具有特殊的特定设计：
[0022] 斯特林发动机的工作气体位于其热部分及其冷部分处，在具有可忽略弯曲
刚度的膜皮中，其密封地附着在一端，并且以开口端紧紧地作为最后一点打开，进入蓄热箱的热或冷空间。
[0023] 待加热的气体例如存在于袋(pouch)中，其由忽略弯曲刚度的薄壁膜皮形成。这些膜袋密封工作气体，并在其
正面打开进入蓄热箱。布置在蓄热箱右侧和左侧的膜袋一起构成气密单元。填充的气体与回热器腔室的气体体积以及两个袋的最大体积的一半一样多。
[0024] 膜袋位于热或冷
流体的浸没之中。回热器腔室将热液体空间与冷液体空间隔开。
[0025] 在封闭的、液密且耐压的壳体中存在整个充气膜袋单元、回热器腔室以及热传递的热或冷流体。
[0026] 热流体空间以及冷空间设置有液压活塞(或类似的技术工具，诸如
波纹管、液压垫等)，其可以精确地移位液体体积，该液体体积对应膜袋中最大气体体积的一半。
[0027] 设置在耐压壳体的热侧和冷侧的液压活塞彼此连接，使得它们以对应的
相移(通常为90°)彼此移向对方。偏心的旋
转轴线(或等效的技术装置，例如旋转斜板或
凸轮板)配有
飞轮。所述配置对应于阿尔法构造的斯特林发动机。
[0028] 图2示出了根据本发明的具有阿尔法构造的斯特林发动机的结构。
[0029] 1)膜袋，填充的
[0030] 1a)膜袋，在体积为零处内爆(imploded)
[0031] 2)液压位移+在顶止点处的工作活塞
[0032] 2a)液压位移+在底止点处的工作活塞
[0033] 3)热流体
[0034] 3a)冷流体
[0035] 4)外心传输
[0036] 5)飞轮
[0037] 6)回热器腔室
[0038] 根据本发明，以下述效果为基础，膜斯特林发动机避免了所述的经典斯特林发动机的缺点(换热器与工作气体之间的较大ΔT；工作气体多变的膨胀和压缩而不是等温的；死容积)：
[0039] 1.)热或冷流体通过
薄膜进入工作气体的良好
传热。
[0040] 2.)脉动膜袋引起膜袋中气体流动方向的周期性反转。这带来气体的良好混合和通过膜壁的良好的热进入。
[0041] 3.)在(均匀地影响你作用周围液体的静压的)静压作用下，脉动袋会周期性地坍塌为零。在这种情况下，袋子(低厚度)的几何形状将得以通过，其对应于带有气体中通常高度增加的壁换热器的
微波交换器的条件。
[0042] 相比于经典刚性换热器，这三种效果的综合效果使得整体传热显著提高。这转而使得传热的表面特定性能得以增加，从而使得热或冷液体与工作气体之间的温差较小。
[0043] 在图2的形式中，圆柱形管被设计成膜袋。
[0044] 与工作气体相比，在工作气体的膨胀或压缩过程中(图1)，被带有热或冷流体的气袋的薄且脉动的膜所交换的热流是非常有效的，且这一事实实现了与流体的较大
热容的数量级相关的期望的等温化。
[0045] 在图3中，通过借助于单个膜袋，“脉动”换热器-置换器的原理得以
可视化。
[0046] 第三，由于振动的、带有可忽略弯曲刚度薄壁的充气膜袋(被围绕其的液体的液压均匀地变形)的拓扑，经典斯特林发动机的严重缺点，即降低死容积的性能和效率的必然性通常可以被避免。
[0047] 膜袋通过在其前端的
弹簧支架而被保持。
[0048] 发动机巧妙地移动膜袋的内容物，另外，膜袋是非常好的换热器。这是因为每当膜袋被放平时，其便变成微换热器。
[0049] 通常，如图4所示，薄膜在
框架上被拉伸成为平坦表面。框架示出围绕其内边缘的结构，膜周围结构的内边缘围绕该结构，当它们被轻轻按压且不留下总体积时，膜适于该结构。在这些区域中形成了类似的匹配轮廓，其中膜袋通过刚性端部轮廓气密地安装到回热器腔室。
[0050] 1)粘着结构
[0051] 2)夹持结构
[0052] 3)完全坍塌的膜
[0053] 4)膨胀状态的膜
[0054] 5)被框架拉伸成为平坦表面的膜。
[0055] 在图4中示意性地示出了：通过在框架中夹紧两个平面膜，膜袋的形成是特别有利的，因为这种整个“堆叠”的膜袋可以以最厚的
包装形式与回热器腔室盒相结合，因此可以提高发动机的性能。图5。
[0056] 为了避免单独的膜袋在其膨胀中的潜在意外事故，并且因此干扰带有流体的膜袋周围的固体气流，根据本发明附接了在两个膜袋之间的合适网格(grid)。这些被并入用于接收“膜袋堆”的机械框架结构中。图6。
[0057] 前述的根据本发明的膜斯特林发动机的优选变体，使用框架
支撑的充气膜袋的板状堆叠是特别有利的，尤其是使用薄弹性体膜。特别特殊的温度稳定的
硅树脂在这里是合适的，尤其特别的是氟化硅，其可以用于高达250℃的连续温度。
[0058] 如上所述，创新的膜结构斯特林发动机应该比以前的发动机实现明显更高的卡诺实施水平，达到最大50％的卡诺效率。
[0059] 在工作气体和热子或冷子流体之间具有低温存储的等温操作发动机，具有最小死容积和最少的可能的位移驱动力(通过薄膜的静压变形)，应当允许80％以上的实施水平。这使得即使在相对低的热量温度下也能实现良好的机械效率。
[0060] 这可以通过一个实例得以清晰理解：如果你选择200℃和15个
大气压力下的水作为热子流体，并且选择40℃和15个大气压力下的水作为冷却流体(膜袋中填充着压力为15个大气压的空气)，发动机可实现的
热机械效率达到了80％的卡诺实施水平：
[0061]
[0062] 结合良好的发
电机，可以实现大约0.25的
电流转换效率，这个值只有在较高的温度下才可以通过经典发动机来实现。
[0063] 这意味着可以通过
太阳能实现的中等温度可以简单有效地转化为机械能和电力，不仅没有简单材料(水、空气、
钢，硅树脂)的问题，而且还可以使用大量的诸如工业废热或地热的热源。
[0064] 相对较低温度水平的另一个优点是开启了用于存储成本有效的太阳能热量的简单加压水热存储，并因此使用这种发动机的太阳能操作可以全天候地运行(功率和自动功率)的可能性。
[0065] 根据本发明，通过斯特林发动机，相同的关联也可以将基本上较低温度的热潜能，例如低于100℃的地热热子或来自一般太阳能板式收集器的热量效率的约为10％转化为电力。
[0066] 由于斯特林发动机可以可逆地用作冷却发动机和
热泵，然而，由于经典结构的换热器的昂贵且相对低功率的限制，目前在技术上只能在非常大的温差(低温冷却)下使用这种原理，可逆的(机械驱动的)膜斯特林发动机的设计根据本发明带来了非常好的新机会。
[0067] 在热力学上，这种发动机关于冷和性能指标基本上比今天使用的压缩冷却发动机更优越。这种冷却发动机/热泵不需要空气污染制冷剂并且只使用空气、水、防冻剂和常规结构材料(钢或
纤维增强塑料)，所以对于现有技术的进一步的优势是合乎情理的。
[0068] 同样的积极论据也变得重要，特别是对于具有用于实施自主“岛解决方案”的组合热存储的太阳能设备而言。
[0069] 相比之下，光伏必须依赖于对环境有害的战略物资和稀有材料，特别是在
电能的存储中(铅，镉，锂等)，膜斯特林发动机的优势恰恰在于，只需要使用大量可用的、具有成本效益且环境友好的材料，并且是在无压力存储(t<100℃)或压力水存储(T>100℃)的情况下。
[0070] 与原理上仅提供电能的光伏相比，热发动机的使用具有自动提供功率、电力、冷却或热量和废热(组合热和功率)的额外优势，并因此更好地提供整个范围的分散的所需
能量形式。
[0071] 结合上述热
存储器(其也可以被实现为潜在的或热化学的存储器或通过使用
生物质/气体实现)，因此在不需要依赖于中央能量供应的复杂配能网络的情况下，可以实现局部自主性。
[0072] 尽管膜斯特林发动机的应用迄今已被描述至有利于低中温度，通过使用水、空气、硅树脂或其它合适的膜，如聚
氨酯弹性体，由于技术原因，其具有大约200℃的其上部温度限制，因此被限制为大约25％的最大发电效率。通过膜斯特林发动机的膜和操作液体的特殊材料基本上可以使温度和效率达到更高。
[0073] 例如，如果使用高品质硅树脂热油作为工作液体，温度范围约为400℃，如果使用耐温
复合材料(具有
碳膜的
碳纤维，或特殊弹性体)，则可以在40℃的冷却温度下得到效率。
[0074]
[0075] 然而，如果其可以低成本地生产并且是非常持久且低维护的，则太阳能热发动机仅具有与固有的无磨损太阳能
半导体(光伏，热电连接)相竞争的潜力。价格目标可以通过材料的选择来实现。具有相对较低工作
频率(几赫兹)的薄的弹性膜的静压的、温和的变形原理，相比于具有经典机械操作的置换器和必要的
密封件的既定技术，基本上具有极长寿命的潜能。
[0076] 然而，膜斯特林发动机的原理不限于上述优选的膜袋拓扑。从图7可以看出，例如，也可以使用各种结构的薄壁软管(hose)。根据本发明，其可以纤维缠绕为，使得其在具有圆形横截面的展开状态下具有耐压性，并且仍然可以实质上无压力进行静压学变形(由于其可忽略的弯曲刚度)。
[0077] 从图8可以看出，这些软管可以集成于斯特林发动机中，而不需要像迄今为止所描述的那样夹紧到框架结构中，不需要形式限制的中间网格。
[0078] 1)纤维缠绕软管，展开的
[0079] 2)纤维缠绕软管，扁平坍塌的
[0080] 3)弹簧
[0081] 4)热流体
[0082] 5)冷流体
[0083] 6)回热器间距
[0084] 膜斯特林发动机的另一个特别容易的形成可以通过在冷空间中使用连续的热膜管来实现。箔软管(尽可能宽)在其开口端通过机械
端子条以线的形式封闭。它们通过在热或冷流体腔室的壁上的弹簧连接到这些。在软管的中央区域，其充满了回热器材料。热流体空间通过中间空间与冷流体空间分离，中间空间由两个绝热板之一形成。箔管通过这些板中的相应槽(图9)。
[0085] 1)软管，展开的
[0086] 2)软管，坍塌的
[0087] 3)软管中的回热器材料
[0088] 4)热流体
[0089] 5)冷流体
[0090] 6)软管通过的绝热壁
[0091] 板之间的中间空间填充有赋予
胶凝剂的水，使得在该中间区域中不会发生热
对流。
[0092] 膜斯特林发动机的这种设计特别适用于建在地下的无压力大型机械。
[0093] 在图10中，这种机械被示意性地示出。此处，一个方形的坑嵌入在地里。该坑的壁是绝热的-通常采用防腐的封闭多孔的
绝热材料，如
泡沫玻璃。
[0094] 通过安装在坑中间的间隙通道，其由两个垂直的
泡沫玻璃壁组成，该坑被分成为两个相同的较大腔室，其中一个填充有热水，另一个填充有冷水。间隙通道也填充有赋予胶凝剂的水，使得水形成为凝胶。通过这种方式，凝胶状的水不仅可以稳定间隙通道机械地抵抗两个
工作腔室中
斯特林循环产生的压力波动，同时也还不会通过对流进行任何热量的传递。这是很重要的，因此在回热器运行期间建立的线性温度系数不会被破坏。
[0095] 两个机械稳定的绝热圆形工作活塞设置在冷和热工作室的顶部。其悬挂于一个较大的轮胎中，其中一个唇缘在其周边紧紧连接，而另一个唇缘紧紧地连接到热或冷腔室的类似的圆形轮廓。通过这种方式，轮胎执行坚固的(robust)“
活塞环”的功能，其将内部区域(水)和外部区域(空气)之间的振荡活塞进行了密封。
[0096] 工作活塞的周期性的、垂直的振荡具有两个功能：
[0097] 1、通过
曲柄机构和飞轮提取由斯特林循环产生的机械能。
[0098] 2、通过静压耦合来实现膜袋中工作气体的周期性位移。
[0099] 由于内部压力从
正压力向
负压力波动，热和冷侧通过止回
阀从热存储器和冷存储器中将水抽出。
[0100] 在图11中，显示出如何使用辅助液压活塞来连续调节热和冷工作活塞之间的
相位角。这用于三个目的：
[0101] 1、为了在启动发动机时不必进行压缩工作，在该起动循环中，相角角设定为180°。
[0102] 2、所述类型(大气，温度<100℃)的脉动机器特别适合作为连续运行的基本负载机器，其从较大热水存储单元(“源”)和较大冷水存储单元(“槽”)处接收其热驱
动能。如上所述，其能够全天候地供应电流、机械能以用于各种目的，以及全天候地冷却和加热(可逆的工作脉动机器)。为了根据时变需求曲线而调节负载曲线，相应地调节相位角。
[0103] 3、回热器中的温度随着时间而振荡。每个温度都具有最佳的相位角。这可以通过辅助液压活塞进行
自动调节。
[0104] 1)飞轮
[0105] 2)调节气缸
[0107] 4)配衡重量
[0108] αmax＝180°性能零
[0109] αmin＝120°性能最大90℃
[0110] 根据本发明的前述脉动器斯特林发动机的形式，使用活塞来移动工作气体，其通过静压耦合通过工作室内热流体的周期性偏移来使得工作气体连续加载和卸载到膜袋中。
[0111] 根据本发明，流体的位移也可以通过进入热和冷空间的膜扬声器或通过压电晶体而进行。这里根据本发明通过两个
致动器的相应
电子控制来实现热室和冷室之间的相移。电能的产生通过位于冷液体隔室中的第三方扬声器(或压电晶体)，以及通过感应转换成电流而在热力学上产生的压力波动而实现。在图12中示意性地示出了具有扬声器的这种设置。
[0112] 1)在热和
冷隔室的“扬声器”。在任何相移情况下工作由电控制；对于斯特林过程通常为90°。
[0113] 2)“扬声器”逆向地工作作为发电机
[0114] 3)展开的脉动膜
[0115] 3)坍塌的脉动膜
[0116] 这种类型的膜脉动机器不需要机械释放，并且由于高工作频率所以非常小。
[0117] 如前所述，膜斯特林发动机的“核心”基于柔性的薄壁袋：脉动器，脉动器包括：周期性移动工作气体以及对其进行等温地加热和冷却。由于其固有特征，特别是气体的等温压缩或膨胀的特征，根据本发明，这些脉动器允许实施除了斯特林发动机器以外的技术单元。
[0118] 这种典型的应用是“等温液压
蓄能器”。在图13中，示意性地显示了典型的液压蓄能器。当系统需要额外的能量时，它通常用于临时存储在某些时间累积的剩余能量此时将其返回到系统。
[0119] 充载：将油泵入存储单元并压缩
橡胶囊中的气体(n2)。该过程是绝热的。
[0120] 卸载：被压缩的气体(n2)膨胀并将油从存储单元推出。这种压力下的油可以推动
制动器，例如气缸和
液压马达。
[0121] 这种液压蓄能器的一个应用实例是车辆，车辆的
驱动轴以这样的方式与
液压泵相连：在车辆的制动期间泵送油，从而压缩存储单元中的气体。如果要通过泵来
加速车辆(泵此时作为液压马达操作且被提供给驱动轴)，那么在存储的能量之间的“气体弹簧”中的缓冲能量则可以通过这种方式被恢复。
[0122] 然而，这种优雅的能量恢复过程以高功率
密度工作，具有系统相关的弱点：气体的压缩是绝热的。气体加热一方面降低了气体弹簧中的缓冲的
气动能，另一方面则加载了蓄压器的塑料材料，或者因此降低了最大的可能的压力。
[0123] 根据本发明，所述气体压缩过程此时可以被等温化，等温化通过形成用于压缩油和压缩气体之间的热交换的较大表面而得以实现。如图14所示，致动器(5)(泵，活塞)将流体(2)(优选液压油)压入
压力容器中，在压力容器中存在由足够大数量的填充有气体(N2，空气和其他气体)的密封脉动器膜袋(1)。这里的“足够大数量”是指脉动袋的表面。这是通过静压压缩产生的静压压缩热量被良好地转移到冲洗液中的方式来测量的，其具有较高数量级的热容，因此产生期望的、几乎等温的压缩。
[0124] 在可逆的过程中，由脉动器产生的“气体弹簧”通过致动器在相反方向上
挤压流体，此时的致动器不像之前一样在工作循环中用作泵，而是作为膨胀机(工作机)并将气动液压缓冲能再次(高效率地)转化为机械能。通过来自
电路的冷子(3和4)，为每个工作循环除去流体中吸收的气体压缩热量。
[0125] 如图15所示，超过相对较短时间间隔的所述机械能的暂时存储可以在根据本发明的脉动器原理的进一步技术使用中形成于等温空气
压缩机和压缩空气存储器中。
[0126] 在这种类型的应用中，脉动器袋不是密封的，而是每当流体对其不施加任何压力时，脉动器袋在大气压下通过辅助泵周期性地填充有环境空气。用于这些应用的流体(通常是水)在下一个工作循环中将空气压缩到脉动器袋中，其通过止回阀流入
压缩空气蓄能器。当水被泵送回泵中时(泵此时具有抽吸功能而不是按压功能)，通过脉动器表面在压缩期间释放到水中的热量通
过冷子被(主动或被动地)重新冷却。
[0127] 重复该过程，直到压力蓄能器中存在期望的压力。
[0128] 根据本发明，该设置可以以下述方式被扩展到等温工作机中，其中等温工作机从压缩空气蓄能器被供给能量：如图15a所示，压缩空气通过
控制阀周期性地从蓄能器被导入到脉动器袋中。在压缩空气膨胀期间吸冷的水通过换热器被再次加热，并允许作为膨胀器的致动器进行机械工作。制动器发动机通过
曲轴将其振荡运动转化为旋转能量。用于均衡能量输出的飞轮完成该设置。
[0129] 1)用于向脉动器周期性填充压缩空气的阀
[0130] 2)具有飞轮和发电机的作为工作机器的致动器
[0131] 飞轮能量的一小部分用于在膨胀之后将水泵送回脉动器腔室(该过程需要最少的能量，因为脉动器袋在此时及时将其空气吹入环境中)。
[0132] 具有集成压缩空气蓄能器和等温操作制动器发动机的空气(气体)压缩机特别显示了无损长期存储太阳能的良好选择。只有在经济良好、利用生态安全、资源丰富的物质资源的情况下才可以实现这些，才能实现太阳能系统的固有优势，实现适合规模的自主基载发电站。
[0133] 标称压力≥300大气压的压缩空气存储单元，可以用现有技术的光纤缠绕
聚合物蓄压器来实现，在等温加载和卸载过程中达到≥200Wh/kg的储能密度。因此相比之下，其比现在最流行的
锂离子电池(150Wh/kg)要更好，并且具有以下重要优点：
[0134] 没有战略重要的材料组件-只有水、空气、钢、商业上可回收利
[0135] 用的膜
[0136] 快速装卸时间
[0137] 深度卸载
[0138] 生态清洁
[0139] 性价比高
[0140] 几乎无限数量的循环.
[0141] 等温压缩机的驱动功率例如可以来自光伏模
块。随后根据需求可以通过致动器从压缩空气蓄能器提取的机械能除了具有上述与电化学存储单元相比以外所列出的优点之外，其还具有其他特定的优点：不需要
交流发电机来产生交流电并且电流-旋转发电机会自动产生；如果需要，可以直接从单元中提取机械能。
[0142] 太阳能驱动膜斯特林发动机作为本
申请的基础，特别适用于压缩单元的操作。
[0143] 例如，选择具有400℃以上温度的膜斯特林发动机，其以43％的效率将热量转换为电力，并且使用轻质太阳能收集器，其以80％的效率获得过程加热，太阳能的效率为34％。在等温压缩机/膨胀机的循环效率为80％的情况下，存储在压缩空气蓄能器中的无损能量以正确的尺寸(太阳能收集器表面对存储体积)而全天候可用，总效率为34％*0.8＝
27.2％。除了静止的、分散的太阳能基载发电站，太阳能压缩空气填充站也可以用所述技术来实现。
[0144] 图16示意性地示出了
车库屋顶上的太阳能收集器(1)如何操作所述等温压缩机(3)并填充较大的静止压缩空气存储单元(4)。在要加油的车辆中，存在较小的压缩空气存储单元(优选地，轻质纤维复合容器形成的承重结构元件)。这种车辆存储单元可以用压缩空气(5)非常快速地通过固定存储装单元通过压缩空气线路被“加油”。等温作用的致动器被分配至车辆的存储单元，如图16b所示。这些优选地是四个可独立控制的液压发动机，其集成在车辆的
车轮中。
[0145] 除了通过间歇太阳能(PV或膜斯特林发动机)描述的等温压缩机和存储单元的制动之外，以不连续方式产生的其他形式的
可再生能源基本上是合适的(通常是
风、水、波)。
[0146] 膜斯特林发动机(
申请人计划推销为“脉动发动机”)的关键特征是：安装在转移流体中的换热器和置换器体，即脉动器，是由弹性且可变形的膜结构构成的。为了现有专利申请的目的，合适的
单层或多层膜可以用于“膜”的目的。
[0147] 在这方面，它涉及一种基于自然结构的机械工程的非常规结构。
