发明领域
[0001] 本发明涉及一种热力机器。
背景技术
[0002] 利用
斯特林循环的
能量转换器(通常称作“
斯特林发动机”)是已知的并且具有各种构造。典型的所谓“阿尔法”型斯特林发动机具有在相应汽缸内往复运动的两个
活塞。汽缸由管子连接，该管子容纳被称为
蓄热器的专用换热器。活塞都连接到
飞轮和
曲轴。恒定
质量的
工作流体，通常为气体，被密封地包含在汽缸和管子内。也被称为热汽缸或膨胀汽缸的一个汽缸与加热器连接，以加热该汽缸中的流体，并且也被称为冷汽缸或压缩汽缸的另一个汽缸与冷却器连接，以将热量从该汽缸移走。工作流体在膨胀汽缸和压缩汽缸之间来回循环，并且在一个循环中穿过蓄热器两次，同时蓄热器交替地从工作流体吸收热并且将热释放到工作流体。膨胀汽缸的热量添加和在压缩汽缸中的热量抽出引起室中的工作流体的一系列压缩和膨胀，从而使室中的活塞往复运动并且驱动曲轴，这可提供旋转功率形式的功输出。蓄热器在加热的流体从膨胀汽缸传到压缩汽缸时保持在膨胀汽缸中接收的热的一部分，并且当在压缩汽缸中冷却的流体在相反方向上流动时分发储存的热。蓄热器重复利用原本将在冷汽缸中失去的热，并且因此与其它热空气发动机相比提高了斯特林发动机的热效率。斯特林循环的这一部分被称为“蓄热”。其它类型的斯特林发动机包括所谓的“贝塔”类型和“伽
马”类型，其在结构上与“阿尔法”类型不同，但根据相同的原理操作。常规的斯特林发动机的运行的详细讨论在
牛津大学出版社1980年Graham Walker的书“斯特林发动机(Stirling Engines)”中阐述，其公开内容通过引用并入本文。
[0003] 当今斯特林发动机的有吸引力的方面是，其实际上可以由任何热源驱动，包括可再生式
能源诸如
太阳能和由
风产生的
热能。同时，斯特林发动机具有数个另外的有益特征，包括其几乎不产生大气排放，以及以最小噪音工作。
[0004] 尽管其明显的优点，斯特林发动机的效率被冷却器、蓄热器和加热器的
串联布置损害。理想的斯特林循环假定循环的膨胀阶段和压缩阶段等温地发生。实际上，这是不太可能是这种情况，因为提供符合活塞冲程速度的恒定的外部热流入或流出，以便在膨胀或压缩期间维持相同
温度实际上几乎是不可能的。因此，通常假定膨胀阶段和压缩阶段绝热地发生，即工作流体在压缩时被加热并且在膨胀时被冷却。在这种假设下发生的循环被称为理想的伪斯特林循环。在理想的伪斯特林循环中，在流体通过压缩加热之后，其在压缩汽缸中由冷却器冷却，并且然后在蓄热器中被再次加热。类似地，在动力冲程期间，在工作流体在膨胀汽缸中在膨胀期间已冷却之后，工作流体由加热器重新加热，并且在蓄热器中再次冷却。这是适得其反的。缓和该缺点的一种尝试在T.Finkelstein等人的美国
专利第2,724,248中公开，该专利描述了结合有单向“简单瓣”
阀的斯特林循环机器。
[0005] 缓和该缺点的另外的尝试在I.Urieli的题为“A Computer Simulation of Stirling Cycle Machines(斯特林循环机器的计算机模拟)”的论文中进行了描述，该论文在1977年2月在约翰内斯堡向约翰内斯堡的金山大学的工学院提交。该论文公布描述了单向被动阀(并且具体地公开了“简单瓣阀”)，该单向被动阀分别将压缩汽缸和膨胀汽缸中的每一个与蓄热器直接连接，以避免在从压缩汽缸和膨胀汽缸到蓄热器的各自的路程中不必要地冷却压缩的流体以及加
热膨胀的流体。然而，在这种结构中，当
旁通阀打开时，流体可以同时穿过旁通阀和相应的加热器或冷却器，因此仍然导致能量的浪费。
[0006] 本
发明人已经意识到需要进一步提高上述旁通结构的效率。
[0007] 已经作出另外的尝试来设计斯特林循环发动机的替代机器，诸如在Conde的美国专利公布号2010/0186405中公开的替代机器(转让给Regen动力系统有限公司LLS)，并且该专利公开了闭合式循环热力发动机，但其不同于斯特林循环机器，因为该闭合式循环热力发动机具有与用于冷却空气的工作流体流动路径隔开的用于加热空气的工作流体流动路径，这两个工作流体流动路径在双路径或逆流换热器具体形式的蓄热器中保持隔开。此外，Conde的美国专利公布第2010/0186405号公开了
不平衡系统，其中膨胀室的数量比压缩室的多，这导致了与压缩室相比的膨胀室的更大工作体积。
[0008] 另外，美国专利第5,720,172号公开了用于斯特林循环类型发动机的流量
控制器，该流量控制器具有一对板
弹簧型阀板，其在实践中充当简单的
单向阀，并且因此提供流动路径控制器和插在所述流动路径中的旋塞或
节流阀，该旋塞或节流阀用于沿流动路径控制流动速率，但只是在流体能够在板弹簧型阀板允许的方向上沿流动路径流动的时候。
[0009] 因此，本发明的目的是提供一种与
现有技术机器相比较具有更高效率的斯特林类型的
热机。
发明内容
[0010] 根据本发明的第一方面，提供了一种斯特林循环类型的热力机器，该机器可作为热力发动机和/或热泵操作，该机器包括：
[0011] 界定膨胀室的膨胀汽缸、界定压缩室的压缩汽缸和在机器操作期间在汽缸中可往复地移动的相应活塞；
[0012] 设置在膨胀室和压缩室之间并且与膨胀室和压缩室连通的蓄热器，其中所述蓄热器包括蓄热室，并且其中所述热力机器布置成使得在所述热力机器的单个循环期间大体上整个体积的工作流体将穿过所述蓄热室两次；
[0013] 与膨胀室和蓄热室连通的第一换热器和与压缩室和蓄热室连通的第二换热器；
[0014] 将膨胀室与蓄热室连接从而绕过第一换热器的第一旁通管道以及将压缩室与蓄热室连接从而绕过第二换热器的第二旁通管道；
[0015] 其中供应到所述体积的工作流体的仅有的热或从所述体积的工作流体去除的仅有的热是由所述第一换热器和所述第二换热器所供应的或去除的热；
[0016] 其中该机器包括至少一对阀；
[0017] 一个阀设置在膨胀室和第一换热器之间或者设置在蓄热室和第一换热器之间或者设置在膨胀室和蓄热室之间的第一旁通管道中；
[0018] 以及另一个阀设置在压缩室和第二换热器之间或者设置在蓄热室和第二换热器之间或者设置在压缩室和蓄热室之间的第二旁通管道中；并且
[0019] 其中该一对阀中的至少一个能够在所述热力机器的每个循环期间被控制至少一次；
[0020] 从而当所述工作流体有必要绕过所述换热器时所述工作流体与所述换热器隔离，并且当所述工作流体有必要穿过所述换热器时防止工作流体绕过所述换热器。
[0021] 优选地，机器包括平衡系统，其中膨胀室的数量等于压缩室的数量，并且更优选地，机器包括平衡系统，其中膨胀室的工作体积大体上等于压缩室的工作体积。
[0022] 优选地，机器还包括控制机构，该控制机构被构造成为阀的打开和闭合以及其间的任何
位置定时。
[0023] 优选地，两个阀均是可控的。更优选地，控制机构适合于控制随时间推移穿过阀的流动，以便在机器循环的预定阶段在蓄热器与膨胀室和压缩室之间引导机器的工作流体或大体上穿过相应的旁通管道或大体上穿过相应的换热器。
[0024] 斯特林循环类型机器优选地包括热力发动机，该热力发动机通过在不同温度
水平下的工作流体诸如空气或其它气体的循环压缩和膨胀来操作，使得：
[0025] 当以发动机模式操作时存在热能到机械功的净转换；以及
[0026] 当以热泵模式操作时存在机械功到热能的净转换。
[0027] 斯特林循环类型机器优选地还包括具有永久性地气态工作流体的闭合循环再生式热力发动机。闭合循环通常包括永久性地包含在机器内的工作流体，并且更优选地，工作流体的体积混合为一个单一体积(其为可变体积，取决于机器通过其循环的阶段)并且未分成具有工作流体流动的不可混合的隔开回路的两个或更多个隔开的体积。
[0028] 通常，所述至少一个可控阀能够被无级地调节，使得其可以在下列构造中的任何一个构造和所有构造之间被控制：
[0029] i)完全闭合，使得没有工作流体能够从其中穿过；
[0030] ii)完全打开，使得工作流体在大体上没有限制的情况下能够从其中穿过；以及[0031] iii)完全打开和完全闭合之间的任何位置，使得阀包括孔，该孔具有工作流体能够穿过其流动的区域；
[0032] 并且其中孔的区域和/或在位置i)、ii)和/或iii)之间的移动的
相位和/或定时在完全打开和完全闭合位置之间是无级地可调节的。
[0033] 通常，所述至少一个可控阀能够在关于热力机器的循环内的相位和/或根据热力机器的操作阶段的任何时间点被无级地调节。
[0034] 通常，所述至少一个可控阀能够在关于其中阀将处于构造i)、ii)或iii)中的任何一个的持续时间的任何时间点被无级地调节。
[0035] 优选地，蓄热室包括单个室，使得大体上整个体积的工作流体在热力机器的单个循环期间将穿过所述单个蓄热室两次。更优选地，蓄热室包括单个室，使得大体上整个体积的工作流体在热力机器的单个循环期间在第一方向上穿过所述单个蓄热室一次并且在第二、相反的方向上穿过所述单个蓄热室一次。可选地，蓄热室可包括串联或并联连接的两个或更多个室，使得大体上整个体积的工作流体在热力机器的单个循环期间将穿过所述两个或更多个蓄热室两次。
[0036] 蓄热室通常包括蓄热介质，并且当相对热的工作流体在第一方向上穿过所述蓄热室时，当其
接触所述蓄热介质时，所述室适合于间歇地将来自相对热的工作流体的热储存在所述蓄热介质中。通常，当相对冷的工作流体在第二、相反的方向上穿过所述蓄热室时，当其接触所述蓄热介质时，所述室还适合于间歇地将来自所述蓄热介质的热传递至相对冷的工作流体。
[0037] 通常，在斯特林机器中，第一换热器用作加热器，即，其被构造成将来自在机器外部的加热器的周围环境的热传递至膨胀室中的工作流体，而第二换热器用作冷却器，即，其被构造成将来自压缩室中的工作流体的热传递至在机器外部的冷却器的周围环境。另外，通常，汽缸的活塞连接到共同输出-输入构件，通常为旋转构件，诸如例如飞轮/曲轴组件。
[0038] 优选地，阀是主动地致动阀，即是需要施加外力来打开或关闭阀的类型，而不是被动的，即由机器的工作流体的能量致动。阀可以由各种合适的外部
致动器致动，包括直接机械
驱动器、机电或电动液压系统。阀可以是任何合适的主动致动阀，包括但不限于旋转阀、
提升阀、套筒阀和/或圆盘阀。
[0039] 优选地，控制机构适合于根据实际操作条件实时调节阀的定时，从而进一步优化机器效率和功率输出。优选地，控制机构包括
电子控
制模块，优选地，电子
控制模块包括电子
微处理器，优选地，可编程电子微处理器。
[0040] 斯特林循环的典型教科书描述基于与斯特林发动机的实际操作没有什么相似之处的高度理想化的条件。具体地，膨胀过程和压缩过程被假定等温发生，由于膨胀汽缸和压缩汽缸的壁的厚度和在真实发动机速度下可用于在汽缸和换热器之间的热传递的有限时间，这种情况在实践中极不可能存在。为了实践的目的，假定下列情况是更适当的：
[0041] 1.压缩汽缸和膨胀汽缸是绝热的，即，在汽缸和相应的换热器之间没有热传递发生。因此，压缩汽缸和膨胀汽缸中的工作流体的温度在活塞冲程期间随时间变化，即，在压缩期间升高并且在膨胀期间下降。
[0042] 2.邻近压缩汽缸和膨胀汽缸设置恒温换热器。
[0043] 3.蓄热器是不完美的，即，其释放的热少于其吸收的热。如果蓄热器在理想条件下工作，则“热吹”(即通过蓄热器的热吸收)的出口温度将是“冷吹”(即通过蓄热器所储存的热的释放)的入口温度。由于设计和材料限制，蓄热器不能够从高温到低温从恒定体积传递过程吸收总热，并且因此不能够提供随后的从低温到高温的恒定体积传递过程所必要的总热。
[0044] 4.活塞冲程被假定为高度理想化的，以便简化循环描述。
[0045] 在上述假定条件下发生的循环通常被称为理想的伪斯特林循环。
[0046] 优选地，机器可以以热力发动机模式或热泵模式中的一个或每一个操作，在热力发动机模式中热输入转换为机械功，在热泵模式中机械功转换为热输出。优选地，在热泵模式中，机器可操作以提供正热输出，即机器作为加热器操作，或者提供负热输出，即机器作为冷却器或
致冷器操作。
[0047] 优选地，控制机构构造成相应地为热力发动机模式和热泵模式或热力发动机模式和热泵模式中的每一个阀定时。热力发动机模式中的阀定时可以不同于热泵模式中的阀定时。根据机器正在以哪一种模式操作，控制机构可被构造成调节阀的定时。
[0048] 在一种构造中，一个阀在第一换热器处设置在膨胀室和蓄热器之间，并且另一个阀在第二换热器处设置在压缩室和蓄热器之间。
[0049] 优选地，在热力发动机模式中，控制机构构造成
控制阀，使得在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间，在第二换热器处的阀大体上闭合，由此工作流体大体上穿过第二旁通管道引导至蓄热器，从而大体上绕过第二换热器。进一步优选地，在热力发动机模式中，控制机构构造成为阀定时，使得在膨胀汽缸中的活塞的返回冲程期间(即，当膨胀冲程之后活塞向后移动时)，在第一换热器处的阀大体上闭合，由此工作流体大体上穿过第一旁通管道引导至蓄热器，从而大体上绕过第一换热器。
[0050] 优选地，在热泵模式中(无论机器是作为加热器操作还是作为致冷器操作)，控制机构构造成控制阀，使得在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间，在第二换热器处的阀大体上打开，而优选地，在第一换热器处的阀大体上闭合，由此工作流体穿过第二换热器引导至蓄热器，从而经由第二换热器排放在压缩期间获得的热。进一步优选地，在热泵模式中，控制机构构造成为阀定时，使得在膨胀汽缸中的活塞的膨胀冲程期间，在第一换热器处的阀大体上打开，而优选地，第二换热器处的阀大体上闭合，由此热从第一换热器的周围环境传递至膨胀室。
[0051] 在本发明的优选实施方案中，机器包括四个阀，其中
[0052] 第一阀设置在膨胀室和第一换热器之间或者设置在第一换热器和蓄热器之间，并且第二阀设置在膨胀室和蓄热器之间的第一旁通管道中；
[0053] 第三阀设置在压缩室和第二换热器之间或者设置在第二换热器和蓄热器之间，并且第四阀设置在压缩室和蓄热器之间的第二旁通管道中；以及
[0054] 其中第一阀、第二阀、第三阀和第四阀中的至少一个是可控制的。
[0055] 优选地，所有四个阀均是可控制的。
[0056] 本发明超出现有技术斯特林循环类型发动机的优点在于主动致动阀的使用，主动致动阀提供更有效的和/或可控制的致动。由于提供了可控阀，根据本发明的相同机器可用作热力发动机或用作热泵，因为，由于在热力发动机模式中阀需要打开和闭合的阶段不同于热泵模式中的阶段，阀的定时在热力发动机模式和热泵模式之间可以容易地重新构造。相比之下，现有技术的阀是被动的，即由工作流体的流动致动。例如，现有技术机器使用的被动阀在工作流体在一个方向上流动时总是闭合的，并且在工作流体在相反方向上流动时总是打开的。
[0057] 优选地，在热力发动机模式中，控制机构构造成为阀定时，使得在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间，第三阀大体上闭合，而第四阀大体上打开，由此工作流体大体上穿过第二旁通管道引导至蓄热器，从而大体上绕过第二换热器，即冷却器。由于压缩被假定为是绝热的，因而工作流体在压缩期间被加热。在蓄热器中，工作流体使用在先前循环中回收的热被进一步加热。由于旁通结构，与现有技术相比较，通过在冷却器中冷却工作流体并且再次重新加热蓄热器，在压缩期间获得的工作流体的热没有浪费。优选地，同时，第一阀大体上打开，并且第二阀大体上闭合，由此在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第一换热器即加热器引导至膨胀室，从而大体上绕过第一旁通管道。当工作流体穿过第一换热器时，其仍被进一步加热，以为工作流体提供足够的能量来实现膨胀汽缸中的膨胀冲程。在膨胀室中，加热的工作流体膨胀，从而使活塞在膨胀冲程中移动，因此产生有用的机械功。在膨胀冲程期间，当工作流体的能量转换为机械功时，工作流体绝热地膨胀和冷却。
[0058] 在膨胀汽缸中的膨胀之后，工作流体在由输出-输入构件(例如，飞轮/曲轴组件)的动量驱动的活塞的返回冲程期间朝向蓄热器移动。因此，进一步优选地，在热力发动机模式中，控制机构构造成为阀定时，使得在膨胀汽缸中的活塞的返回冲程期间，第一阀大体上闭合，而第二阀大体上打开，由此工作流体大体上穿过第一旁通管道引导至蓄热器，从而大体上绕过第一换热器。在蓄热器中，工作流体的热被保持和储存以供下一个循环使用。由于旁通结构，由第一换热器即加热器供应的热未花费在不必要地过度加热工作流体上。这种附加热原本将损失，通常现有技术发动机情况就是这样，因为蓄热器吸取热的能力是有限的，并且未由蓄热器吸收的和未穿过第二换热器消散的附加热将由工作流体保持，并且因此，将需要附加功压缩在压缩汽缸中的工作流体。优选地，同时，第三阀大体上打开，并且第四阀大体上闭合，由此在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第二换热器即冷却器引导至压缩室，从而大体上绕过第二旁通管道。当工作流体穿过第二换热器时，工作流体进一步冷却，使得工作流体仍具有足够的能量来移动压缩汽缸中的活塞，但被充分地冷却以减少随后在压缩汽缸中压缩工作流体所需要的功。在压缩室中，工作流体使活塞在膨胀冲程中移动。在压缩汽缸中的膨胀冲程期间，当工作流体的能量转换为机械功时，工作流体进一步冷却。在膨胀冲程之后，循环再次开始。
[0059] 在每个换热器和每个旁通管道处提供阀以及阀的具体定时在工作流体有必要绕过换热器时导致工作流体与换热器的更好隔离，并且类似地在工作流体有必要穿过换热器时防止工作流体绕过换热器。此外，阀的此类布置使工作流体在机器中循环而不是来回振荡。穿过换热器的持续而非振荡的工作流体的流动简化和优化了工作流体的运行状况。具体地，由于快速的逆向流动所引起的工作流体的部分被“捕集”在换热器和蓄热器中的可能性几乎被消除。
[0060] 为了使机器以热泵模式操作(无论是作为加热器还是作为致冷器)，输出-输入构件(例如，飞轮/曲轴组件)必须在外部被驱动，以提供机械功来驱动汽缸中的活塞，从而使工作流体压缩或膨胀，并且因此获得热输出。因此，在热泵模式中，在机器循环内所做的净功是负的。在热泵模式中，第一换热器即加热器和第二换热器即冷却器仍然在与热力发动机模式中相同的方向上传递热，即，第一换热器将来自其周围环境的热传导至膨胀汽缸中，并且第二换热器从压缩汽缸吸取热并且将其消散在第二换热器的周围环境中。然而，与热力发动机模式相比较，从第一换热器的周围环境供应的热处于比由第二换热器排放到围绕第二换热器的空间中的热低的温度。由于机械输入，在膨胀汽缸中的膨胀期间，工作流体的温度降到低于第一换热器周围的空间的温度，使得第一换热器开始从围绕第一换热器的空间汲取热。另外，由于机械输入，在压缩汽缸中的压缩期间，工作流体的温度升高到高于第二换热器周围的空间的温度，使得第二换热器开始将热排放到周围空间中。在加热器模式和致冷器模式两者中，来自第一换热器周围的空间的热经由第一换热器被汲取到膨胀室中，同时在压缩室中产生的热经由第二换热器从压缩室排放。差异主要在于膨胀、压缩和蓄热期间工作流体的温度和压力，并且在致冷器模式中，围绕第一换热器的空间是待被冷却的空间，并且第二换热器周围的空间是处理在循环期间产生的废热的地方，而在加热器模式中，第一换热器周围的空间用作热源，并且第二换热器周围的空间是待由第二换热器排放的热加热的空间。
[0061] 优选地，在机器的热泵模式中(无论机器是作为加热器操作还是作为致冷器操作)，控制机构构造成为阀定时，使得在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间，第三阀大体上打开，而第四阀大体上闭合，由此工作流体大体上穿过第二换热器即冷却器引导至蓄热器，从而大体上绕过第二旁通管道。优选地，压缩开始，其中工作流体处于周围温度。由于压缩被假定为是绝热的，因而工作流体在压缩期间被加热超过周围温度，并且额外的热穿过第二换热器消散在待加热的空间中。在蓄热器中，从工作流体吸取更多的热并且被储存在蓄热器中以供在稍后的循环中使用。优选地，同时，第一阀大体上闭合，并且第二阀大体上打开，由此在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第一旁通管道引导至膨胀室，从而大体上绕过第一换热器。
[0062] 进一步优选地，在机器的热泵模式中(无论机器是作为加热器操作还是作为致冷器操作)，控制机构构造成为阀定时，使得在膨胀汽缸中的膨胀冲程期间，第一阀大体上打开，而第二阀大体上闭合，由此工作流体大体上穿过第一换热器即加热器从蓄热器引导至膨胀汽缸，从而大体上绕过第一旁通管道。当压力在膨胀冲程期间下降时，在蓄热器中已经冷却的工作流体仍被进一步冷却，并且由于膨胀室中的温度比加热器周围的外部空间的温度低，因而来自外部空间的热穿过加热器被汲取到工作流体。优选地，同时，第三阀大体上闭合，并且第四阀大体上打开。
[0063] 进一步优选地，在机器的热泵模式中(无论是作为加热器操作还是作为致冷器操作)，控制机构构造成为阀定时，使得在膨胀汽缸中的活塞的返回冲程期间，第一阀保持大体上打开，而第二阀保持大体上闭合，由此工作流体大体上穿过第一换热器引导至蓄热器，从而大体上绕过第一旁通管道。在蓄热器中，使用在先前通过期间保持的热加热工作流体。优选地，同时，第三阀保持大体上闭合，并且第四阀保持大体上打开，由此在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第二旁通管道引导至压缩室，从而大体上绕过第二换热器，由此压缩汽缸中的向外冲程在升高的温度开始，以便在随后的压缩期间获得所需水平的热，以用于穿过第二换热器的随后喷射。在压缩汽缸中的向外冲程期间，工作流体继续从蓄热器接收热。在向外冲程之后，循环再次开始，即，工作流体在压缩汽缸中被压缩和加热至高于周围温度，并且额外的热穿过第二换热器(冷却器)消散。
[0064] 阀的定时可以是相同的，或者可以在加热器模式和致冷器模式之间重新构造。进一步优选地，当机器以致冷器模式操作时，压缩过程开始，其中工作流体处于周围温度。当机器以加热器模式操作时，膨胀过程在室温下开始，使得在升高的温度下热排放到压缩汽缸周围的空间中。
[0065] 虽然，已经对应用于无论是作为发动机工作还是热泵工作的“阿尔法”型斯特林机器的本发明进行了描述，但本领域的技术人员应当理解，使用对技术人员而言明显的适当变化，本发明易于应用于任何斯特林循环类型的热机，包括但不限于“贝塔”和“伽马”类型。就这一点而言，应当注意的是，以上对膨胀汽缸和压缩汽缸的参考包括对单个汽缸的参考，诸如对贝塔-斯特林机器的参考，贝塔-斯特林机器具有其中设置第一换热器(加热器)的节段和其中设置第二换热器(冷却器)的节段。然而，应当注意的是，本发明同样可在任何斯特林类型的热力机器中实施，包括但不限于“阿尔法”、“贝塔”和“伽马”构造。另外，多个斯特林类型的热力机器(包括不同构造的热力机器的组合)可被组合以形成本发明的热力机器。
此外，本发明的热力机器可包括多个膨胀室和压缩室。
[0066] 具有可控阀在工作
流体回路内的优点的热力机器可以被调节，从而以若干方式实现所需大小的功率输出，包括：
[0067] a)在一个或多个机器内的“阿尔法”、“贝塔”和“伽马”结构，具有未必互连的多个离散的工作流体回路，以及
[0068] b)在每个工作流体回路内的多个膨胀空间和压缩空间。
[0069] 本发明的热力机器可具有一个或多个工作流体回路并且具有由一个或多个
热力循环产生的功率。
[0070] 虽然第一换热器和第二换热器或第一换热器和第二换热器中的每一个可以以壳
管式换热器形式提供，但本发明不限于换热器的此类构造。如果第二换热器(冷却器)以
壳管式换热器形式提供，则冷却器管子优选地设置成与第二换热器的冷却介质直接接触。
[0071] 在一个实施方案中，提供蓄热装置，以用于将热供应至第一换热器，以进一步传递至膨胀室中。
[0072] 工作流体优选地为气体或气体的混合物，优选地为惰性气体，例如氦气。气体也可以包括空气。
[0073] 在一种变化中，附加阀可以设置在蓄热器与膨胀室和压缩室中的一个或每一个之间。沿四个工作流体路径中的每个可以提供一个以上阀，这些路径为a)穿过第一换热器在蓄热器和膨胀室之间，b)经由第一旁通管道在膨胀室和蓄热器之间，c)穿过第二换热器在蓄热器和压缩室之间，以及d)经由第二旁通管道在压缩室和蓄热器之间。附加阀优选地是可控制的。例如，第一阀可以设置在膨胀室和第一换热器之间，并且附加阀可以设置在第一换热器和蓄热器之间，或者反之亦然。另外地或可选地，第二阀可以设置在膨胀室和蓄热器之间的第一旁通管道中，并且附加阀可以设置在更靠近第一旁通管道的蓄热器端部，或者反之亦然。另外地或可选地，第三阀可以设置在压缩室和第二换热器之间，并且附加阀可以设置在第二换热器和蓄热器之间，或者反之亦然。另外地或可选地，第四阀可以设置在压缩室和蓄热器之间的第二旁通管道中，并且附加阀可以设置在更靠近第二旁通管道的蓄热器端部，或者反之亦然。优选地为附加阀定时，以优选地与主阀协调地打开或闭合，以便捕获或释放主阀和附加阀之间的工作流体。在工作流体流动路径(a-d)中的任何一个中两个(或更多个)阀的设置提供了工作流体被“捕集”持续了机器循环的一部分，或者根据具体情况被“捕集”持续了机器的多个循环的可能性。在循环(或多个循环)期间阀可以被控制(被定时)，以捕获和释放两个阀之间的工作流体。这可提供有益的效果，诸如例如在发动机
载荷降低期间第一换热器的隔离，其中所“捕集的”流体最终达到接近第一换热器温度的温度。
[0074] 任选地，可以提供附加的换热器以补充第一换热器和第二换热器中的一个或每一个，以便增加膨胀室和压缩室中的工作流体的温度之间的差异，并且从而提高本发明的机器的功率。该或每个附加的换热器可布置成在适用的情况下使用来自不同于相应的第一换热器或第二换热器的源的另一源(例如，来自废热或来自低温发
电机)的热或冷。优选地该或每个附加的换热器与相应的第一换热器或第二换热器分开地控制，即，附加的换热器可独立于相应的第一换热器或第二换热器打开/关闭。例如，该或每个附加的换热器可保持关闭，但当废能的源变得可用时可以被打开，以便增加机器的功率。
[0075] 本发明的热力机器的功率输出取决于若干条件，诸如但不限于平均工作流体压力、工作流体类型、供应用作加热器的换热器的热源的温度、以及从用作冷却器的换热器汲取热的冷的温度。本发明的热力机器的效率取决于机器的具体构造。针对输出-输入构件的任何特定速度，存在机器可产生的最大功率输出。
[0076] 在有利的变化中，阀布置成例如通过适当地为阀定时或者通过控制阀的流动孔或者通过定时控制和流动孔控制的组合而被控制，以便调整机器的输出-输入构件的旋转速度和/或机器的功率输出，即，使得阀充当本发明的热力机器中的节流阀。例如，阀可被控制，以使机器的功率输出匹配输出载荷，诸如例如对机器的发电机需求。在后一个结构中，当功率输出匹
配对输出-输入构件所作的需求时，机器的速度控制可以是可能的，并且可以通过以频繁的间隔调节阀以响应于输出-输入构件的期望旋转速度和实际旋转速度之间的差异来实现机器的速度控制。可选地，基于载荷可进行速度控制，其中速度为因变量。
[0077] 优选地，机器适合于在热泵模式和发动机模式之间无缝地切换模式，并且其中发动机模式的旋转输出与热泵模式的旋转输入在相同的方向上。更优选地，机器能够在热泵模式和发动机模式之间无缝地切换模式，而无需停止和/或无需拆卸和重新组装。
[0078] 在一种结构中，阀在需要时可布置成受控制，使得小于全体积的工作流体穿过换热器中的任一者或两者。例如，阀可被控制，使得穿过换热器的工作流体的流动随时间推移变化和/或者使得一定比例的工作流体流动穿过相应的旁通管道。阀的流动孔可以在物理最大值和任何减小的区域或阀关闭状态下的零流量之间变化。阀打开活动相对于工作流体流动穿过换热器来说是短的或者阀可在流动的整个持续时间内保持打开。流动孔控制和对阀打开的持续时间的控制的组合可用于将足够量的热传递至换热器中的任一个或者从换热器中的任一个传递足够量的热，以匹配对机器的速度和载荷的需求。每个工作流体交换活动可以存在一个以上阀活动。在这种情况下，流动孔可以根据具
体模式和
频率变化，例如
脉宽调制。在后一个示例中，阀可以是圆盘阀并且可以代表主阀(即，第一阀、第二阀以及适用情况下第三阀、第四阀)中的一个，或者作为主阀的补充并且与主阀串联或并联。此外，通过限制相应的旁通管道中的相应阀的流动孔来允许穿过旁通管道的有限的工作流体的流动，可以实现穿过换热器中的任一者或两者的减少的热传递，同时使换热器的阀的流动孔保持完全打开。在另一个示例中，与换热器串联的阀可被控制，以打开仅一定比例的循环时间(例如，80％)，使得在剩余时间(例如，20％)内工作流体沿相应的旁通管道推进。优选地，旁通管道中的阀也被控制，使得阀的操作与穿过换热器的所需工作流体的流动相符并且没有导致不必要的流动损失。
[0079] 优选地，机器包含控制
电路，控制电路包含布置在机器内的用于获取关于机器操作参数的信息的一个或多个
传感器，并且用于控制阀的控制机构布置成与控制电路连通。传感器的示例可包括但不限于轴旋转速度传感器、线性位移传感器、流体
压力传感器、流体温度传感器和机器材料温度传感器。控制机构优选地为电子计算机控制系统。可选的控制机构诸如机械式调节器可在特定应用中使用。
[0080] 根据本发明的第二方面，提供了一种作为发动机和/或热泵操作斯特林循环类型的热力机器的方法，该方法包括以下步骤：
[0081] a)提供一种作为热力发动机和/或热泵可操作的热力机器，该热力机器包括：
[0082] 界定膨胀室的膨胀汽缸、界定压缩室的压缩汽缸和在机器操作期间在汽缸中可往复地移动的相应活塞；
[0083] 设置在膨胀室和压缩室之间并且与膨胀室和压缩室连通的蓄热器，其中所述蓄热器包括蓄热室，并且其中所述热力机器布置成使得在所述热力机器的单个循环期间大体上整个体积的工作流体将穿过所述蓄热室两次；
[0084] 与膨胀室和蓄热室连通的第一换热器和与压缩室和蓄热室连通的第二换热器；
[0085] 将膨胀室与蓄热室连接从而绕过第一换热器的第一旁通管道以及将压缩室与蓄热室连接从而绕过第二换热器的第二旁通管道；
[0086] 其中供应到所述体积的工作流体的仅有的热或从所述体积的工作流体去除的仅有的热是由所述第一换热器和所述第二换热器所供应的或去除的热；
[0087] 其中机器包括至少一对阀；
[0088] 一个阀设置在膨胀室和第一换热器之间或者设置在第一换热器和蓄热室之间或者设置在膨胀室和蓄热室之间的第一旁通管道中；
[0089] 并且另一个阀设置在压缩室和第二换热器之间或者设置在第二换热器和蓄热室之间或者设置在压缩室和蓄热室之间的第二旁通管道中；以及
[0090] b)为阀中的至少一个定时，即，控制随时间推移穿过该阀或每个阀的流动，以便在机器循环的预定阶段在蓄热室与膨胀室和压缩室之间引导机器的工作流体或大体上穿过相应的旁通管道或大体上穿过相应的换热器；
[0091] 从而当所述工作流体有必要绕过所述换热器时所述工作流体与所述换热器隔离，并且当所述工作流体有必要穿过所述换热器时防止工作流体绕过所述换热器。
[0092] 优选地，步骤b)还包括为阀中的至少一个定时，使得在热力机器的每个循环期间控制随时间推移穿过该阀或每一个阀的工作流体的流动至少一次，以便在机器循环的预定阶段在蓄热器与膨胀室和压缩室之间引导机器的工作流体或大体上穿过相应的旁通管道或大体上穿过相应的换热器。
[0093] 优选地，步骤b)使用控制机构执行。优选地，机器根据本发明的第一方面。
[0094] 优选地，该方法还包括主动致动该阀或每一个阀的步骤，即施加外力打开或闭合该阀或每一个阀。
[0095] 优选地，该方法还包括根据实际操作条件实时调节该阀或每一个阀的定时的步骤，从而进一步优化机器效率和功率输出。
[0096] 优选地，该方法包括以热力发动机模式或热泵模式中的一个或每一个操作机器的步骤，在热力发动机模式中热输入转换为机械功，在热泵模式中机械功转换为热输出。进一步优选地，以热泵模式操作机器包括提供正热输出，即机器作为加热器操作，或者提供负热输出，即操作机器使得其作为冷却器或致冷器操作。
[0097] 优选地，该方法包括相应地为热力发动机模式和热泵模式中的该阀或每一个阀定时的步骤，其中热力发动机模式中的阀定时可不同于热泵模式中的阀定时。优选地，根据机器正在以哪一种模式操作，该方法包括调节该阀或每一个阀的定时。
[0098] 在一种结构中，该方法包括在第一换热器处在膨胀室和蓄热器之间提供一个阀，以及在第二换热器处在压缩室和蓄热器之间提供另一个阀。
[0099] 优选地，在热力发动机模式中为阀定时的步骤包括在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间大体上闭合在第二换热器处的阀，以便大体上穿过第二旁通管道将工作流体引导至蓄热器，从而大体上绕过第二换热器。进一步优选地，在热力发动机模式中为阀定时的步骤包括在膨胀汽缸中的活塞的返回冲程期间(即，当膨胀冲程之后活塞向后移动时)大体上闭合在第一换热器处的阀，以便大体上穿过第一旁通管道将工作流体引导至蓄热器，从而大体上绕过第一换热器。
[0100] 优选地，在热泵模式中(无论机器是作为加热器操作还是作为致冷器操作)为阀定时的步骤包括在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间大体上打开在第二换热器处的阀，并且优选地大体上闭合在第一换热器处的阀，以便穿过第二换热器将工作流体引导至蓄热器，从而经由第二换热器排放在压缩期间获得的热。进一步优选地，在热泵模式中(无论机器是作为加热器操作还是作为致冷器操作)为阀定时的步骤包括在膨胀汽缸中的活塞的膨胀冲程期间大体上打开在第一换热器处的阀，并且优选地大体上闭合在第二换热器处的阀，以便促使热从第一换热器的周围环境传递至膨胀室中。
[0101] 优选地，该方法包括为机器提供四个阀的步骤，其中
[0102] 第一阀设置在膨胀室和第一换热器之间或者设置在第一换热器和蓄热器之间，并且第二阀设置在膨胀室和蓄热器之间的第一旁通管道中；
[0103] 第三阀设置在压缩室和第二换热器之间或者设置在第二换热器和蓄热器之间，并且第四阀设置在压缩室和蓄热器之间的第二旁通管道中；以及
[0104] 其中第一阀、第二阀、第三阀和第四阀中的至少一个是可控制的。
[0105] 优选地，该方法包括为所有四个阀定时。
[0106] 优选地，在热力发动机模式中为阀定时的步骤包括在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间，大体上闭合第三阀并且大体上打开第四阀，以便大体上穿过第二旁通管道将工作流体引导至蓄热器，从而大体上绕过第二换热器。优选地，该方法还包括同时大体上打开第一阀并且大体上闭合第二阀的步骤，使得在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第一换热器引导至膨胀室，从而大体上绕过第一旁通管道，由此工作流体被进一步加热，以为工作流体提供足够多的能量来实现膨胀汽缸中的膨胀冲程。
[0107] 进一步优选地，在热力发动机模式中为阀定时的步骤包括在压缩汽缸中的活塞的返回冲程期间，大体上闭合第一阀并且大体上打开第二阀，以便大体上穿过第一旁通管道将工作流体引导至蓄热器，从而大体上绕过第一换热器。优选地，该方法还包括同时大体上打开第三阀并且大体上闭合第四阀的步骤，由此在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第二换热器即冷却器引导至压缩室，从而大体上绕过第二旁通管道，由此工作流体在穿过第二换热器时被进一步冷却，使得工作流体仍具有足够的能量来移动压缩汽缸中的活塞，但被充分地冷却以减少随后在压缩汽缸中压缩工作流体所需要的功。
[0108] 优选地，该方法包括在机器的热泵模式中(无论是作为加热器操作还是作为致冷器操作)在外部驱动输出-输入构件的步骤，以提供机械输入来驱动汽缸的活塞。进一步优选地，在热泵模式中，该方法包括以工作流体的温度低于压缩过程期间的温度开始膨胀过程的步骤，由此工作流体的温度在膨胀时进一步降低。优选地，在热泵模式中为阀定时的步骤包括在压缩汽缸中的活塞的压缩冲程期间，大体上打开第三阀并且大体上闭合第四阀，由此工作流体大体上穿过第二换热器引导至蓄热器，从而大体上绕过第二旁通管道，由此在压缩期间由工作流体获得的热穿过第二换热器消散在周围环境中。在加热器模式中，第二换热器周围的空间是待由第二换热器排放的热加热的空间，而在致冷器模式中，第二换热器周围的空间是处理在循环期间产生的余热的地方。优选地，该方法还包括同时大体上闭合第一阀并且大体上打开第二阀的步骤，由此在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第一旁通管道引导至膨胀室，从而大体上绕过第一换热器。
[0109] 进一步优选地，在机器的热泵模式中(无论机器是作为加热器操作还是作为致冷器操作)为阀定时的步骤包括在膨胀汽缸中的膨胀冲程期间，大体上打开第一阀并且大体上闭合第二阀，由此工作流体大体上穿过第一换热器从蓄热器引导至膨胀汽缸，从而大体上绕过第一旁通管道，由此当压力在膨胀冲程期间下降时，在蓄热器中已经冷却的工作流体仍被进一步冷却。由于膨胀室中的温度比第一换热器周围的外部空间的温度低，因而来自外部空间的热穿过第一换热器被汲取以加热工作流体。在加热器模式中，第一换热器周围的空间用作热源，而在致冷器模式中，第一换热器周围的空间是待被冷却的空间。优选地，该方法还包括同时大体上闭合第三阀并且大体上打开第四阀的步骤。
[0110] 进一步优选地，在机器的热泵模式中(无论是作为加热器操作还是作为致冷器操作)为阀定时的步骤包括在膨胀汽缸中的活塞的返回冲程期间，保持第一阀大体上打开并且第二阀大体上闭合，由此工作流体大体上穿过第一换热器引导至蓄热器，从而大体上绕过第一旁通管道，由此工作流体移动到蓄热器并且使用在先前通过期间保持的热在蓄热器中被加热。优选地，该方法还包括同时保持第三阀大体上闭合并且第四阀大体上打开的步骤，由此在离开蓄热器时，工作流体大体上穿过第二旁通管道引导至压缩室，从而大体上绕过第二换热器，由此压缩汽缸中的前进(即，膨胀)冲程在升高的温度下开始，以便在随后的压缩期间获得所需水平的热，以用于穿过第二换热器的随后喷射。在压缩汽缸中的向外冲程期间，工作流体继续从蓄热器接收热。
[0111] 该方法可包括在蓄热器与膨胀室和压缩室中的一个或每一个之间提供附加阀。
[0112] 优选地，阀的定时的步骤在加热器模式和致冷器模式中可以是相同的，或者阀的定时在加热器模式和致冷器模式之间可以重新构造。进一步优选地，该方法包括当以致冷器模式操作时，以工作流体处于周围温度开始压缩过程的步骤。进一步优选地，该方法包括在加热器模式中在室温下开始膨胀过程的步骤，使得在升高的温度下热排放到压缩汽缸周围的空间中。
[0113] 通常，所述至少一个可控阀能够被无级地调节，使得其可以在下列构造中的任何一个构造和所有构造之间被控制：
[0114] i)完全闭合，使得没有工作流体可以从其中穿过；
[0115] ii)完全打开，使得工作流体在大体上没有限制的情况下可以从其中穿过；以及[0116] iii)完全打开和完全闭合之间的任何位置，使得阀包括孔，该孔具有工作流体能够穿过其流动的区域；
[0117] 并且其中孔的区域和/或在位置i)、ii)和/或iii)之间的移动的相位和/或定时在完全打开和完全闭合位置之间是无级地可调节的。
[0118] 通常，所述至少一个可控阀能够在关于热力机器的循环内的相位和/或根据热力机器的操作阶段的任何时间点被无级地调节。
[0119] 通常，所述至少一个可控阀能够在其中阀将处于构造i)、ii)或iii)中的任何一个的持续时间的任何时间点被无级地调节。
[0120] 优选地，蓄热室包括单个室，使得大体上整个体积的工作流体在热力机器的单个循环期间将穿过所述单个蓄热室两次。更优选地，蓄热室包括单个室，使得大体上整个体积的工作流体在热力机器的单个循环期间在第一方向上穿过所述单个蓄热室一次并且在第二、相反的方向上穿过所述单个蓄热室一次。
[0121] 可选地，蓄热室包括串联连接的两个或更多个室，使得大体上整个体积的工作流体在热力机器的单个循环期间将穿过所述两个或更多个蓄热室两次。
[0122] 蓄热室通常包括蓄热介质，并且当相对热的工作流体在第一方向上穿过所述蓄热室时，当其接触所述蓄热介质时，所述室适合于间歇地将来自相对热的工作流体的热储存在所述蓄热介质中。
[0123] 蓄热室通常包括蓄热介质，并且当相对冷的工作流体在第二、相反的方向上穿过所述蓄热室时，当其接触所述蓄热介质时，所述室适合于间歇地将来自所述蓄热介质的热传递至相对冷的工作流体。
[0124] 应当理解，在适当的情况下，本发明的第一方面和第二方面的特征可彼此结合地提供。
[0125] 优选实施方式的描述
[0126] 现在将参照
附图并仅以举例的方式描述本发明的实施方案，在附图中：
[0127] 图1a是现有技术中的斯特林发动机的理想的伪斯特林循环的阶段的示意图；
[0128] 图1b是图1a斯特林发动机的理想的伪斯特林循环的压力/体积图；
[0129] 图1c是图1a斯特林发动机的理想的伪斯特林循环的温度/熵图；
[0130] 图2a是根据本发明的热力机器中的理想的伪斯特林循环的阶段的示意图；
[0131] 图2b是图2a热力机器的理想的伪斯特林循环的压力/体积图；
[0132] 图2c是图2a热力机器的理想的伪斯特林循环的温度/熵图；
[0133] 图3a至图3h是根据本发明的“阿尔法”型V构造热力机器中的理想的伪斯特林循环的阶段的示意图；
[0134] 图4a是根据本发明的以热泵模式操作的热力机器中的理想的伪斯特林循环的阶段的示意图；
[0135] 图4b是图4a热力机器的理想的伪斯特林循环的压力/体积图；
[0136] 图4c是图4a热力机器的理想的伪斯特林循环的温度/熵图；
[0137] 图5a是根据本发明的以致冷器模式操作的热力机器中的理想的伪斯特林循环的阶段的示意图；
[0138] 图5b是图5a热力机器的理想的伪斯特林循环的压力/体积图；
[0139] 图5c是图5a热力机器的理想的伪斯特林循环的温度/熵图。
[0140] 首先参照图2a，示出了根据本发明的斯特林循环类型的热力机器的示意性地例示的实施方案，该热力机器总体上由参考附图标号1标示。应当理解，本文中术语“机器”用于表示物理实体，其在一种操作模式中可作为发动机起作用，即将热输入转换为机械功，或者在另一种操作模式中可作为将机械输入转换为热输出的热泵起作用，即作为加热器和/或作为致冷器起作用。该机器包括界定膨胀室5的膨胀汽缸10、界定压缩室6的压缩汽缸11和在机器1的操作期间在膨胀室5和压缩室6中可往复移动的相应活塞7、8。机器1还包括设置在膨胀室5和压缩室6之间并且与膨胀室5和压缩室6连通的蓄热器12，其中蓄热器12包括室32，在使用中通过该室32，大体上整个体积的工作流体在机器1的循环期间在第一方向上穿过所述单个蓄热室32一次并且在第二相反的方向上穿过所述单个蓄热室32一次。如将变得明显的，蓄热室32包括蓄热介质(未示出)，并且当相对热的工作流体在第一方向上穿过所述蓄热室时，当其接触所述蓄热介质时，所述蓄热介质适合于间歇地储存来自相对热的工作流体的热，并且当相对冷的工作流体在第二相反的方向上穿过所述蓄热室32时，当其接触所述蓄热介质时，所述蓄热介质适合于间歇地将所述热传递至相对冷的工作流体。
[0141] 因此，机器1是斯特林循环类型并且包括闭合循环再生式热力发动机，由于工作流体被永久性地包含在机器1内，因而闭合循环再生式热力发动机具有永久性地气态工作流体，并且工作流体的体积混合为一个单一体积(其为可变体积，这取决于机器通过其循环的阶段)并且未分成具有工作流体流动的隔开回路的两个或更多个隔开的体积，其像非斯特林循环类型机器一样不可混合。
[0142] 第一换热器13邻近膨胀室5设置，与膨胀室5和蓄热器12流体连通。第二换热器14邻近压缩室6设置，与压缩室6和蓄热器12流体连通。第一旁通管道15将膨胀室5与蓄热器12以流体方式连接，从而绕过第一换热器13。第二旁通管道16将压缩室6与蓄热器12以流体方式连接，从而绕过第二换热器14。第一可控阀18设置在膨胀室5和第一换热器13之间，并且第二可控阀20设置在膨胀室5和蓄热器12之间的旁通管道15中。第三可控阀22设置在压缩室6和第二换热器14之间，并且第四可控阀24设置在压缩室6和蓄热器12之间的第二旁通管道16中。虽然在附图中未示出，但是包括基于电子控制模块的可编程微处理器的控制机构被提供并且被构造成为阀18、20、22、24中的每一个的打开和闭合定时，即以控制随时间推移穿过阀18、20、22、24的流动，以便在机器循环的预定阶段在蓄热器12与膨胀汽缸10和压缩汽缸11之间引导机器1的工作流体(气体，例如氦气或空气)或大体上穿过相应的旁通管道15、16或大体上穿过相应的换热器13、14，如将在下面更详细地描述的。
[0143] 此外，应当注意的是，可以包括附加阀(在附图中未示出)。例如，阀可设置在第一换热器和蓄热器之间和/或第二换热器和蓄热器之间。附加阀可设置在第一旁通管道15和第二旁通管道16中的一个或每一个中，优选地更靠近相关旁通管道15、16的蓄热器端部。任选地，虽然在附图中未示出，但是额外的换热器可以被提供以补充第一换热器13和第二换热器14中的一个或每一个，以便增加膨胀室5和压缩室6中的工作流体的温度差异，并且从而增加机器1的功率。该或每一个额外的换热器可布置成在适用的情况下使用来自不同于相应的第一换热器13或第二换热器14的源的另一源(例如，来自废热或来自低温发电机)的热或冷。该或每一个额外的换热器可与相应的第一换热器13或第二换热器14分开地控制，即，额外的换热器可独立于相应的第一换热器13或第二换热器14打开/关闭。例如，当废能的源变得可用以便增加机器1的功率时，该或每一个额外的换热器可保持关闭但可以打开。
[0144] 应当理解，虽然目前描述的机器的具体实施方案包括四个阀，但是如本领域的技术人员将容易理解的，两个阀足以实施本发明，一个阀设置在膨胀室和第一换热器之间或者设置在第一换热器和蓄热器之间或者设置在膨胀室和蓄热器之间的第一旁通管道中；并且另一个阀设置在压缩室和第二换热器之间或者设置在第二换热器和蓄热器之间或者设置在压缩室和蓄热器之间的第二旁通管道中。
[0145] 如对于斯特林机器典型的是，第一换热器13用作加热器(并且在下文中将称为加热器)，即其构造成将来自膨胀汽缸10外部的热传递至膨胀室5中的工作流体，而第二换热器14用作冷却器(并且在下文中将称为冷却器)，即其构造成将来自压缩室6中的工作流体的热传递至压缩汽缸11外部的周围环境。汽缸10、11的活塞7、8连接到共同的输出-输入构件，诸如在图3a至图3h中所示的曲轴30。
[0146] 阀18、20、22、24是主动致动阀，即是需要施加外部力来打开或关闭阀18、20、22、24的类型，而不是被动的，即由机器的工作流体的能量致动。在目前描述的实施方案中，虽然阀18、20、22、24是由机械或机电驱动器(未示出)致动的旋转阀，但可以使用其它类型的合适阀诸如例如提升阀而不是旋转阀。
[0147] 机器1的控制机构适合于根据实际操作条件实时调节阀18、20、22、24的定时，从而进一步优化机器效率和功率输出，并且在实践中，阀18、20、22、24中的至少一个并且更优选地阀18、20、22、24中的全部在机器1的每个循环期间被控制至少一次，并且甚至更优选地被控制不止一次。此外，阀18、20、22、24能够被无级地调节，使得它们可以在下列构造中的任何一个构造和所有构造之间被控制：
[0148] i)完全闭合，使得没有工作流体可以从其中穿过；
[0149] ii)完全打开，使得工作流体在大体上没有限制的情况下可以从其中穿过；以及[0150] iii)完全打开和完全闭合之间的任何位置，使得阀包括孔(未示出)，该孔具有工作流体能够通过其流动的区域(其小于完全打开构造的区域)；
[0151] 并且孔(未示出)的区域和/或在位置i)、ii)和/或iii)之间的移动的相位和/或定时在完全打开和完全闭合位置之间可无级地调节。
[0152] 如下面将更详细地描述，机器1可以以热力发动机模式操作，其中加热器13的热输入转换为机械功，或者机器1可以以热泵模式操作，其中曲轴30的机械功转换为热输出，即加热或冷却周围环境。在热泵模式中，机器1可作为加热器操作，即，使用由冷却器14丢弃的热来加热周围空间，或者机器1可作为冷却器或致冷器操作，即经由加热器13将热从空间移走。由于热力发动机模式中的阀定时不同于热泵模式中的阀定时，因而控制机构被构造成相应地为处在热力发动机模式中的和热泵模式中的阀18、20、22、24定时。根据机器1正在以哪一种模式操作，控制机构相应地调节阀18、20、22、24的定时。
[0153] 斯特林循环的典型教科书描述基于与斯特林机器的实际操作没有什么相似之处的高度理想化的条件。具体地，假定膨胀过程和压缩过程等温发生，由于膨胀汽缸和压缩汽缸的壁的厚度和可用于在真实机器速度下在汽缸和换热器之间的热传递的有限时间，这种情况在实践中极不可能存在。为了实践的目的，假定下列情况是更适当的：
[0154] 1.压缩汽缸和膨胀汽缸是绝热的，即，在汽缸和相应的换热器之间没有热传递发生。因此，压缩汽缸和膨胀汽缸中的工作流体的温度在活塞冲程期间随时间变化，即，在压缩期间升高并且在膨胀期间下降。
[0155] 2.恒温换热器邻近压缩汽缸和膨胀汽缸设置。
[0156] 3.蓄热器是不完美的，即，其释放的热少于其吸收的热。如果蓄热器在理想条件下工作，则热吹的出口温度将是冷吹的入口温度。由于设计和材料限制，蓄热器不可从高温到低温从恒定体积传递过程吸收总热，并且因此不能够从低温到高温提供随后的恒定体积传递过程所必需的总热。
[0157] 4.活塞冲程假定为高度理想化的，以便简化循环描述。
[0158] 在上述假定条件下发生的循环通常被称为理想的伪斯特林循环。在以热力发动机模式操作的现有技术斯特林机器中发生的理想的伪斯特林循环在图1a至图1c中示出，并且包括由下列过程组成。在过程1至过程2期间，通常为气体的工作流体通常为气体在现有技术的斯特林机器100的压缩汽缸101中压缩。由于压缩汽缸101被假定为绝热的，因而工作流体的温度在压缩期间升高。在过程2至过程3期间，在压缩至状态2并且加热之后，然后工作流体然后在传到蓄热器120之前由压缩汽缸101的冷却器110冷却至状态2"(图1b和图1c)，在蓄热器120中使用在先前通过期间保持的热，工作流体在恒定体积下被再次从状态2"加热至状态2'。该过程是产生相反效果的并且是无效的。在蓄热之后，达到状态3所需要的附加热由机器100的膨胀汽缸140的加热器130供应。在过程3至过程4期间，工作流体在膨胀汽缸140中绝热地膨胀和冷却，从而产生机械功。在过程4-1期间，当冷却的工当冷的工作流体朝向蓄热器120移动以将热分发至蓄热器120时，工作流体在穿过蓄热器120之前由加热器130加热至状态4'。由于在工作流体穿过蓄热器120期间，所有这种附加热将未被捕获和储存在蓄热器120中，因而该过程也是产生相反效果的。然后，工作流体在状态4'和状态1之间的蓄热过程期间在恒定体积下冷却，从而将工作流体的热分给蓄热器120，蓄热器120储存在之后循环中使用的能量。在蓄热之后，工作流体由冷却器110进一步冷却以达到状态1，使得循环可重复。
[0159] 以热力发动机模式操作的本发明的热力机器1中发生的理想的伪斯特林循环在图2a至图2c中示出，并且包括下列过程。在过程1-2期间，工作流体在压缩汽缸11中压缩并且被绝热地加热。控制机构为阀22、24定时，使得在压缩汽缸11中的活塞8的压缩冲程期间，第三阀22大体上闭合，而第四阀24大体上打开，使得工作流体大体上穿过第二旁通管道16引导至蓄热器12，从而大体上绕
过冷却器14。在过程2-3期间，使用在先前循环结束时回收的热由蓄热器12将工作流体在恒定体积下从状态2加热至状态2'。在蓄热之后，达到状态3所需要的附加热由加热器13供应。同时，第一阀18大体上打开，并且第二阀20大体上闭合，使得在离开蓄热器12时，因为工作流体被闭合的第二阀20阻止穿过第一旁通管道，工作流体大体上穿过加热器13引导至膨胀室5。当工作流体穿过加热器13时，工作流体仍被进一步加热达到状态3，从而提供具有足够能量的工作流体以实现膨胀汽缸10中的膨胀冲程。在过程
3-4期间，加热的工作流体在膨胀室5中膨胀，促使活塞7在膨胀冲程中移动，从而产生有用的机械功。在膨胀冲程期间，当工作流体的能量转换为机械功时，工作流体绝热地膨胀和冷却。在过程4-1期间，在膨胀汽缸10中膨胀至状态4之后，工作流体在由输出-输入构件(例如，飞轮/曲轴组件)的动量驱动的活塞7的返回冲程或压缩冲程期间朝向蓄热器12移动。控制机构为阀18、20定时，使得在膨胀汽缸10中的活塞7的返回冲程期间，第一阀18大体上闭合，而第二阀20大体上打开。因此工作流体大体上穿过第一旁通管道15引导至蓄热器12，从而大体上绕过加热器13。在蓄热器12中，工作流体的热在恒定体积下保持在蓄热器12中并且储存以供在下一个循环中使用。同时，第三阀22大体上打开，并且第四阀24大体上闭合，使得在离开蓄热器12时，因为工作流体被闭合的第四阀24阻止沿第二旁通管道16穿过，工作流体大体上穿过冷却器14引导至压缩室6。当工作流体穿过冷却器14时，工作流体进一步冷却，使得工作流体仍具有足够的能量来移动压缩汽缸11中的活塞8，但被充分地冷却以减少随后在压缩汽缸11中压缩工作流体所需要的功。在压缩室6中，工作流体促使活塞8在向外冲程中移动。在压缩汽缸11中的膨胀冲程期间，当工作流体的能量转换为机械功时，工作流体进一步冷却以达到状态1。在压缩汽缸11中的向外冲程之后，循环再次开始。
[0160] 图3a至图3h示出了本发明的“阿尔法”型V构造热力机器111形式的实际实施的示例，并且示出了以热力发动机模式操作时在机器111中发生的理想的伪斯特林循环的阶段。然而，应当注意的是，本发明同样可在任何斯特林类型的热力机器中实施，包括但不限于“阿尔法”、“贝塔”和“伽马”构造。另外，多个斯特林类型的热力机器(包括不同构造的热力机器的组合)可被组合以形成本发明的热力机器。此外，本发明的热力机器可包括多个膨胀室5和压缩室6。与图2a的示意性地例示的机器1共同的机器111的部件使用共同的参考标号标示。在该构造中，汽缸10、11的活塞7、8连接到
气缸10、11的外端115处的共同曲轴30，而加热器13、蓄热器12和冷却器14连同旁通管道15连接汽缸10、11的内端117，从而形成闭合的三
角形环。汽缸10、11的外端115连同连接到曲轴30的活塞7、8的突出部分容纳在曲
轴箱50中，该
曲轴箱50可以被加压，以便最小化工作流体的渗漏。图3a至图3h所示的机器111的循环阶段大体上与图2a至图2c所示的机器1的循环相同。具体地，图3g、图3h和图3a对应于图
2a至图2c的压缩过程1-2。图3b对应于蓄热过程2-3。图3c，图3d和图3e对应于膨胀过程3-4，以及图3f对应于图2a至图2c的蓄热过程4-1。
[0161] 主动致动阀18、20、22、24提供对于被动阀完全是不可能的可控致动。此外，在加热器13、冷却器14中的每一个处以及在每个旁通管道15、16中提供可控阀，结合阀18、20、22、24的具体定时导致了在工作流体不得不绕过换热器13、14时，工作流体与换热器13、14的更好隔离。阀18、20、22、24的布置促使工作流体在机器1、111中循环而不是来回振荡。穿过换热器13、14的持续而非振荡的工作流体的流动简化和优化了工作流体的运行状况。具体地，由于快速的逆向流动所引起的工作流体的部分被“捕集”在换热器13、14和蓄热器12中的可能性几乎被消除。
[0162] 图4a至图5c示出了以热泵模式操作的本发明的热力机器1中发生的理想的伪斯特林循环。图4a至图4c示出了热泵循环，而图5a至图5c示出了致冷器模式。循环阶段和阀18、20、22、24的定时在热泵模式和致冷器模式中实质上相同，差异在于膨胀、压缩和蓄热期间工作流体的温度和压力。另外，在致冷器模式中，围绕加热器13的空间是待被冷却的空间，并且冷却器14周围的空间是处理在循环期间产生的废热的地方，而在加热器模式中，加热器13周围的空间用作热源，并且冷却器14周围的空间是由冷却器14分配的热待加热的空间。为了以热泵模式操作，曲轴30必须在外部旋转，以提供机械功来驱动汽缸10、11中的活塞7、8。在热泵模式中，加热器13和冷却器14仍在与热力发动机模式中相同的方向上传递热，即，加热器13将来自周围环境的热传导至膨胀汽缸10，并且冷却器14从压缩汽缸11吸取热并且消散在周围环境中。然而，由于机械输入，通过降低膨胀汽缸10中的压力将膨胀汽缸
10中的工作流体的温度降到低于加热器13周围的空间的温度是可能的，使得加热器13开始从周围环境汲取热，即，加热器13用作与围绕加热器13的空间相关的冷却器或致冷器。另外，机械输入使穿过压缩压缩汽缸11中的工作流体使压缩汽缸11中的工作流体的温度升高到高于室温成为可能，使得冷却器14开始将热喷射到周围环境中，冷却器14用作与围绕冷却器14的空间相关的加热器。为了在热泵模式下实现周围环境与加热器13之间以及冷却器
14与周围环境之间的期望的热梯度，图4a至图5c的膨胀过程2-3开始，其中工作流体的温度低于压缩过程期间的温度，并且在膨胀时工作流体的温度进一步降低，以便穿过加热器13冷却周围环境并且穿过冷却器14加热周围环境。当机器1作为加热器操作时，膨胀过程2-3在室温下开始，使得热在升高的温度下排放到围绕压缩汽缸11的空间中。当机器1作为致冷器操作时，压缩过程1-2开始，其中工作流体处于周围温度，使得工作流体的温度可以在膨胀期间充分降低，以冷却围绕膨胀汽缸10的空间。
[0163] 以热泵模式操作的本发明的热力机器1中发生的理想的伪斯特林循环在图4a至图5c中示出，并且包括图4a至图4c的热泵模式和图5a至图5c的致冷器模式两者所共有的下列过程。在过程1-2期间，当活塞8由曲轴30的旋转驱动时，工作流体在压缩汽缸11中压缩并且被绝热地加热。与热力发动机模式相比，压缩开始，其中工作流体处于周围温度。控制机构为阀22、24定时，使得在压缩汽缸11中的活塞8的压缩冲程期间，第三阀22大体上打开，而第四阀24大体上闭合，使得工作流体在进入蓄热器12之前穿过冷却器14并且绕过第二旁通管道16。由于压缩被假定为是绝热的，因而工作流体压缩期间在高于周围温度下被加热，并且额外的热穿过冷却器14消散在周围环境中。在过程2-3期间，在蓄热器12中从工作流体吸取更多的热，并且所吸取的热储存在蓄热器12中以供稍后在循环中使用。同时，第一阀18大体上闭合，并且第二阀20大体上打开，使得在离开蓄热器12时，工作流体大体上穿过第一旁通管道15引导至膨胀室5，从而大体上绕过加热器13。在过程3-4期间，曲轴30的旋转促使膨胀汽缸10的活塞7在膨胀冲程中移动。同时，第一阀18大体上打开，而第二阀20大体上闭合，并且工作流体大体上穿过加热器13从蓄热器12引导至膨胀汽缸10，即，从而大体上绕过第一旁通管道15。在膨胀冲程期间，当压力下降时，在蓄热器12中已经冷却的工作流体又进一步冷却，并且由于膨胀室中的温度变得比加热器13周围的外部空间的温度低，因而来自外部空间的热穿过加热器13被汲取到工作流体。优选地，同时，第三阀22大体上闭合，并且第四阀24大体上打开。在过程4-1期间，即在膨胀汽缸10中的活塞7的返回冲程期间，在膨胀汽缸
10中膨胀到状态4之后，第一阀18保持大体上打开，而第二阀20保持大体上闭合，由此工作流体大体上穿过加热器13移动到蓄热器12，从而大体上绕过第一旁通管道15。在蓄热器12中，使用在先前通过期间保持的热加热工作流体。同时，第三阀22保持大体上闭合，并且第四阀24保持大体上打开，使得在离开蓄热器12时，工作流体大体上穿过第二旁通管道16引导至压缩室6，从而大体上绕过冷却器14。因此，压缩汽缸11中的活塞8的前进冲程可以在升高的温度下开始，以便在随后的压缩期间获得所需水平的热，以用于穿过冷却器14的随后喷射。在压缩汽缸11中的向外冲程期间，工作流体继续从蓄热器12接收热。在压缩室6中的向外冲程之后，工作流体已从蓄热器12接收足够的热从而达到状态1，循环再次开始。
[0164] 虽然在附图中未示出，但加热器13和冷却器14可以以壳管式换热器的形式提供。冷却器14的管子可以设置成与冷却器14的冷却介质直接接触。
[0165] 虽然在附图中未示出，但通过适当地为阀18、20、22、24定时或者通过控制阀18、20、22、24的流动孔或者通过定时控制和流动孔控制的组合，阀18、20、22、24可以布置成被控制，以便调整机器1、111的曲轴30的旋转速度和/或机器1、111的功率输出，即，使得阀18、
20、22、24在机器1、111中充当节流阀。阀18、20、22、24可被控制，以使机器1、111的功率输出匹配输出载荷，诸如例如对机器1、111的发电机需求。阀18、20、22、24在需要时可布置成受控制的，使得小于全体积的工作流体穿过换热器13、14中的任一者或两者。阀18、20、22、24可被控制，使得穿过换热器13、14的工作流体的流动随时间推移变化和/或使得一定比例的工作流体流动穿过相应的旁通管道15、16。阀打开活动相对于工作流体流动穿过换热器13、
14来说是短的或者相关阀18、20、22、24可在流动的整个持续时间内保持打开。流动孔控制和对阀打开的持续时间的控制的组合可用于将足够量的热传递至换热器13、14中的任一个或者从换热器13、14中的任一个传递足够量的热，以匹配对机器1、111的速度和载荷的需求。每个工作流体交换活动可以存在一个以上阀活动。在这种情况下，流动孔可以根据具体模式和频率变化，例如脉宽调制。在后一个示例中的阀可以是主阀18、20、22、24中的一个，或者作为主阀18、20、22、24的补充并且与主阀18、20、22、24串联或并联。此外，通过限制相应的旁通管道15、16中的相应阀20、24的流动孔来允许穿过旁通管道15、16的有限的工作流体的流动，可以实现穿过换热器13、14中的任一者或两者的减少的热传递，同时使换热器
13、14的阀18、22的流动孔保持完全打开。在附图中未示出的另一个变型中，与换热器13、14串联的阀18、22可被控制，以打开仅一定比例的循环时间(例如，80％)，使得在剩余时间(例如，20％)内工作流体沿相应的旁通管道15、16被推进。旁通管道15、16中的阀20、24也可被控制，使得阀20、24的操作与穿过换热器13、14的所需工作流体的流动相符并且没有导致不必要的流动损失。
[0166] 虽然在附图中未示出，但机器1、111包含控制电路，控制电路包含布置在机器1、111内的一个或多个传感器，以用于获取关于机器操作参数的信息。用于控制阀18、20、22、
24的机器1、111的控制机构布置成与控制电路连通。传感器可包括但不限于轴旋转速度传感器、线性位移传感器、流体压力传感器、流体温度传感器和机器材料温度传感器。控制机构可包括电子计算机控制系统。可选的控制机构诸如机械式调节器(未示出)可在特定应用中使用。
[0167] 在一个实施方案中，提供合适的蓄热装置(未示出)，用于将热供应至第一换热器，以进一步传递至膨胀室中。
[0168] 技术人员将认识到，本文所公开的斯特林循环机器的实施方案的一大优点是：机器1适合于并且因此能够在热泵模式和发动机模式之间无缝地切换模式，并且这样做时，在热泵模式期间，发动机模式的共同输出-输入构件30/曲轴30形式的旋转输出与共同输出-输入构件30/曲轴30的旋转输入在相同方向上(例如，如图3a)至图3h)所示的逆
时针方向)。此外，本文所公开的斯特林循环机器的实施方案的另一大优点是：不像一些现有技术的机器，机器1适合于并且因此能够在热泵模式和发动机模式之间无缝地切换模式，而无需停止并且例如反转曲轴30的旋转方向和/或无需拆卸和重新组装机器1。
[0169] 蓄热装置(未示出)通过合适的热传递装置(未示出)连接到热力机器111，该热传递装置构造成将来自蓄热装置的热传递至机器111的加热器13。机器111的曲轴30连接到合适的发电机(未示出)，该发电机可操作的将曲轴30的机械旋转转换为电功率，并且该发电机(未示出)连接到合适的功率分配和/或功率消耗电路或网络(未示出)。
[0170] 虽然在上面已经描述了本发明的具体实施方案，但应当理解，在本发明的范围内对上述实施方案作出
修改是可能的。例如，不是蓄热器12包括如图所示的单个蓄热室32(其中工作流体的体积是单个体积，使得所有工作流体不断地混合，并且处于全部流体连通)，机器111可包括多室蓄热器(未示出)，其中多个室串联连接(未示出)。可选地，多个室可并联连接(未示出)，但在该实施方案中，虽然在分开的平行室中分成分开的流，但工作流体在蓄热器之前和之后将引导成混合(并且因此工作流体的体积也是单个体积，使得所有的工作流体不断地混合并且也处于全部流体连通)。
