斯特林发动机和使用斯特林发动机的方法与流程

本发明涉及一种低温斯特林发动机，涉及与包括膜的该斯特林发动机相关的具体拓扑结构并涉及使用该斯特林发动机的不同方法。

背景技术：

斯特林发动机自19世纪初被发现以来便被描述在本领域中。这种封闭式循环发动机通过在不同温度下工作介质的压缩和膨胀而得以运行，通过温度差产生机械能，或反之亦然(即，通过机械能产生温度差)。

相比于内燃机，密封的工作介质的加热和冷却是通过热交换器在热侧和冷侧而进行的。这使得实际上可以使用所有可用的热源来操作发动机。

热力学上，理想的斯特林循环的特征在于效率公式：eta＝1-tu/to，其中：

to＝热侧温度(k)

tu＝冷侧温度(k)

这等效于卡诺效率。

附图7示出了根据热气体和冷气体之间的δt的效率。为了实现高效率，逻辑上首先需要考虑循环热侧的较高温度(通常>800℃)。如图所示，理想的斯特林发动机在这种情况下将70％的输入热量转化为机械能。然而，现有技术中实际的高温发动机只能达到理想值的约50％，从而达到的效率为35％(换句话说，“carnoization因子”为50％)。

造成这些损失的主要原因是：

a)紧凑型发动机的高工作频率，导致了工作气体较大的流体动力摩擦损失；

b)由于加热和冷却时间短而导致回热器损失；因此“热浪”没有完全贯穿回热器矩阵(加热循环)并将其热含量归还给工作气体(冷却循环)；

c)较小的热交换器表面，导致了对于工作气体而言较大的dt(dt表示热交换器中的流体与工作气体之间的温差)；

d)如图7所示，理想的斯特林循环由4个步骤组成(即，在体积-压力图中，依照从1到2，从2到3，从3到4，再从4到1的顺序)：

·1-2：工作气体的等温压缩；

·2-3：气体(通过回热器)从冷到热的等体积位移；

·3-4：工作气体的等温膨胀；以及

·4-1：气体(通过回热器)从热到冷的等体积位移。

迄今为止所描述的快速移动的、紧凑的高温斯特林发动机不能以良好的等温过程而实现气体的膨胀和压缩；这导致了进一步的损失。

技术实现要素：

为了克服上述问题中的一个或多个，本发明涉及一种低温斯特林发动机(发明人的工作名称：“sunpulse”)，通过其特定的构造和拓扑结构，避免了现有技术中经典高温斯特林发动机的一种或多种劣势。

根据本发明的主要方面，本发明涉及一种斯特林发动机，其包括具有膨胀腔室和压缩腔室的至少一个缸体，以及位于所述至少一个缸体内的动力活塞和移位活塞；

其中所述缸体还包括连接所述膨胀腔室和所述压缩腔室的至少一个回热器；

其中所述缸体包括至少一个热交换器和至少一个散热器；以及

其中工作介质存在于所述膨胀腔室、所述压缩腔室和所述回热器内，

其特征在于，所述发动机包括将至少一个活塞连接到所述至少一个缸体的至少一个膜。

“膜”应当理解为柔性片，优选为可卷曲片。

优选地，膜为圆形环状片的形式。

通过结构上简单的方式，至少一个活塞可以被(固定在该至少一个活塞处的)至少一个膜的一端所悬置，并且其中该至少一个膜的另一端固定在至少一个缸体处。

优选地，动力活塞连接至缸体。

优选地，动力活塞膜被充气。

优选地，动力活塞膜的一端固定在动力活塞处，动力活塞膜的另一端固定在圆柱形壳体处。

优选地，移位活塞通过移位活塞膜连接到缸体的膨胀腔室的圆柱形加热器。

优选地，移位器(displacer)膜是绝热的。

此外，有利的是，如果将移位活塞膜的一端固定在移位活塞处，而将移位活塞膜的另一端固定在圆柱形加热器处。

优选地，所述至少一个膜是聚合物基膜。

优选地，所述至少一个膜是双层膜。

优选地，所述至少一个膜包含卤代烯烃基聚合物材料。

优选地，所述热交换器位于回热器的面向膨胀腔室一侧附近，而所述散热器位于回热器的面向压缩腔室一侧附近。

优选地，所述压缩腔室至少部分圆柱地围绕所述工作缸的膨胀腔室，因此，隔热作废(obsolete)。

优选地，所述压缩腔室至少部分圆柱地围绕所述回热器，因此，回热器的隔热作废。

有利地，至少一个聚合物基膜连接到至少一个活塞并连接到缸体，其中所述连接是气密的。然后，气体始终必须通过回热器从膨胀腔室流入压缩腔室，反之亦然。

关于本发明的特别优选实施例，如果发动机连接到飞轮，并且飞轮连接到第一液压水活塞，则是有利的。

优选地，发动机位于加压高于1.5bar且高达5bar的气密盖中。

此外，如果发动机还包括连接到飞轮的轴(axis)，其中气密盖具有围绕轴的旋转轴承，则是有利的。

优选地，至少一个动力活塞的直径至少10倍于动力活塞的垂直位移。

在本发明的另一方面中，本发明涉及一种使用斯特林发动机的方法，其中发动机包括具有至少一个换热器的至少一个缸体，所述至少一个回热器将带有热交换器的膨胀腔室和带有散热器的压缩腔室相连接，其中动力和移位活塞在所述至少一个缸体内移动，从而将工作介质移动通过所述膨胀腔室和所述压缩腔室之间的所述至少一个回热器，其中至少一个热交换器加热所述膨胀腔室中的所述工作介质，而其中至少一个散热器冷却所述压缩腔室中的所述工作介质，其特征在于，至少一个聚合物基膜连接到至少一个活塞并连接到缸体，其中所述连接是气密的。

优选地，动力活塞通过双层的、聚合物基的且被充气的动力活塞膜而连接到缸体，并且其中移位活塞通过绝热的移位活塞膜连接到缸体的膨胀腔室。

在另一个实施例中，本发明涉及使用膜将活塞连接到斯特林机的缸体，其中所述膜是充气的聚合物基多层膜，并且其中所述连接是气密的。

在另一个实施例中，本发明涉及一种斯特林发动机，该发动机包括具有至少一个回热器的至少一个缸体，所述至少一个回热器将带有热交换器的膨胀腔室和带有散热器的压缩腔室相连接，其中动力和移位活塞在所述至少一个缸体内移动，从而将工作介质移动通过所述膨胀腔室和所述压缩腔室之间的所述至少一个回热器，其中至少一个热交换器加热所述膨胀腔室中的所述工作介质，而其中至少一个散热器冷却所述压缩腔室中的所述工作介质，其特征在于，所述发动机连接至飞轮，并且所述飞轮连接至第一液压水活塞。

在另一个实施例中，本发明涉及一种使用斯特林发动机的方法，其中所述发动机包括具有至少一个回热器的至少一个缸体，所述至少一个回热器将带有热交换器的膨胀腔室和带有散热器的压缩腔室相连接，其中动力和移位活塞在所述至少一个缸体内移动，从而将工作介质移动通过所述膨胀腔室和所述压缩腔室之间的所述至少一个回热器，其中至少一个热交换器加热所述膨胀腔室中的所述工作介质，而其中至少一个散热器冷却所述压缩腔室中的所述工作介质，其特征在于，所述发动机连接至飞轮，并且所述飞轮驱动第一液压水活塞。

根据这两个实施例，创新的第一液压泵与现有的低频斯特林发动机相结合，代表了针对已建太阳能泵装置的重要进展，特别是与快速旋转电钻孔泵相关的光伏泵相比。

通过高扭矩直接与飞轮相连的慢速工作(-水)液压泵的效率远远高于电泵的效率。

如果系统需要在夜间运行，这对于炎热气候条件下的水经济特别有吸引力，则热存储(25)比pv系统所需的电池存储要更加经济得多。

此外，斯特林液压系统不包含稀有和/或危险材料，就像pv系统一样。

与现有技术相比，斯特林-水压泵系统的另一个重要优点是可以根据钻孔深度精确地调整泵。

在另一个实施例中，本发明涉及一种斯特林发动机，该发动机包括具有至少一个回热器的至少一个缸体，所述至少一个回热器将带有热交换器的膨胀腔室和带有散热器的压缩腔室相连接，其中动力和移位活塞在所述至少一个缸体内移动，从而将工作介质移动通过所述膨胀腔室和所述压缩腔室之间的所述至少一个回热器，其中至少一个热交换器加热所述膨胀腔室中的所述工作介质，而其中至少一个散热器冷却所述压缩腔室中的所述工作介质，其特征在于，所述发动机连接至飞轮，并且所述飞轮具有位于飞轮旋转中心和其外周之间的偏心销。

优选地，该偏心销被设置于沿着飞轮直径的槽中。

在另一个实施例中，本发明涉及一种使用斯特林发动机的方法，其中所述发动机包括具有至少一个回热器的至少一个缸体，所述至少一个回热器将带有热交换器的膨胀腔室和带有散热器的压缩腔室相连接，其中动力和移位活塞在所述至少一个缸体内移动，从而将工作介质移动通过所述膨胀腔室和所述压缩腔室之间的所述至少一个回热器，其中至少一个热交换器加热所述膨胀腔室中的所述工作介质，而其中至少一个散热器冷却所述压缩腔室中的所述工作介质，其特征在于，所述发动机连接至具有偏心销的飞轮，其中驱动移位活塞杆的偏心销连接到飞轮，使得偏心销可以沿着飞轮直径在旋转中心和相关齿轮的外周之间的槽中连续移动，以便调节发动机功率。

在另一个实施例中，本发明涉及一种使用至少两个斯特林发动机的方法，其中所述至少两个发动机是相互联接的，从而使得其中至少一个发动机起到热原动机的作用并且驱动第二个发动机，所述第二个发动机作为冷却发动机或热泵而逆向运行。

优选地，所述逆向运行的斯特林发动机由外部能源所驱动。

优选地，所述外部能源是光伏面板，并且所述斯特林发动机冷却发动机产生用于存储的冰。

优选地，所述原动机作为用于电、加热和冷却的三联系统，与太阳能热收集器和足够的热存储器相组合使用。

优选地，所述飞轮的低速高扭矩输出直接机械地连接到不同的子系统，所述不同的子系统选自压缩机、磨机、锯、传输带及其组合。

在另一个实施例中，本发明涉及一种斯特林发动机，其包括具有膨胀腔室和压缩腔室的至少一个缸体，以及位于所述至少一个缸体中的动力活塞和移位活塞；

其中所述缸体还包括连接膨胀腔室和压缩腔室的至少一个回热器；

其中所述缸体包括至少一个热交换器和至少一个散热器；以及

其中工作介质存在于膨胀腔室、压缩腔室和回热器中，

其特征在于，所述发动机位于加压高于1.5bar且高达5bar的气密盖中。

优选地，所述斯特林发动机还包括连接至飞轮的轴，其中所述气密盖具有围绕所述轴的旋转轴承。

在另一个实施例中，本发明涉及一种使用斯特林发动机的方法，其中所述发动机包括具有至少一个回热器的至少一个缸体，所述至少一个回热器将带有热交换器的膨胀腔室和带有散热器的压缩腔室相连接，其中动力和移位活塞在所述至少一个缸体内移动，从而将工作介质移动通过所述膨胀腔室和所述压缩腔室之间的所述至少一个回热器，其中至少一个热交换器加热所述膨胀腔室中的所述工作介质，而其中至少一个散热器冷却所述压缩腔室中的所述工作介质，其特征在于，所述发动机位于气密盖中并在加压高于1bar且高达5bar的条件下运行。

优选地，活塞运动的频率高于1.5hz且低于5hz。

在另一个实施例中，本发明涉及一种使用斯特林发动机的方法，其中所述发动机包括具有至少一个回热器的至少一个缸体，所述至少一个回热器将带有热交换器的膨胀腔室和带有散热器的压缩腔室相连接，其中动力和移位活塞在所述至少一个缸体内移动，从而将工作介质移动通过所述膨胀腔室和所述压缩腔室之间的所述至少一个回热器，其中至少一个热交换器加热所述膨胀腔室中的所述工作介质，而其中至少一个散热器冷却所述压缩腔室中的所述工作介质，其特征在于，所述至少一个动力活塞的直径5倍于动力活塞的垂直位移。

优选地，在至少1分钟的时间内，动力活塞的垂直运动的频率为1hz至5hz。优选地，动力活塞的直径与活塞的(最大)垂直运动(在低温斯特林发动机运行期间)的比例为至少1：5，优选为高达1：100，更优选为高达1：50，最优选为高达1：15。

如上所述，给出了本发明的各种实施例，。

每个实施例是独立于其他实施例进行描述的，但是应当理解，在其他实施例中也可以使用或引入每个实施例的特征。

这独立适用于每个实施例的前述部分中的每个特征。

最重要的是，这独立适用于每个实施例的特征部分中的特征。

从效率/温度图(图7)中可以看出，由于以下提到的原因，本发明的低温斯特林发动机具有较高的“carnoization”因子。

已经发现，由于根据本发明所使用的膜的材料参数，最好将最大运行温度限制在300℃。

本发明的低温发动机(热侧的温度优选为在80℃和最大300℃之间)优选地通过以下一个或多个参数来表征：

a)工作频率低(1-5hz，而相比之下用于高温发动机的频率通常为300-100hz)。因此，移气能量更要低得多(使工作介质在斯特林循环的冷热侧之间移动)-更高的neto功率输出；

b)回热器效率较高，由于工作介质与回热器矩阵的接触时间较长；

c)较大的热交换器表面对工作介质体积(△t较低)，效率较高；

d)由于“热交换器表面对工作介质体积”的良好比例以及工作介质的较低速度，因此更好地接近于等温膨胀和压缩。

所有这些积极的效果使得可以实现低温下能够达到良好效率的低温斯特林发动机(参见效率/温度图)。

已经发现，考虑到低温斯特林发动机的低能量密度，为了达到这些积极的效果，优选地，需要较大的尺寸。

优选地，较大的尺寸包括工作活塞和移位活塞的较大直径。

它们优选紧密地朝向缸壁密封。

这可以通过经典的活塞环来实现；但是其需要相应缸体的完美(圆形的)形状以及缸壁的高平滑度。

通过使用本发明优选的大直径缸体来完成这项工作通常是非常昂贵的。因此，根据本发明的一方面，我们开发出优选的膜轴承，其被证明完全可以完成该任务。

它们优选用于适用于所用聚合物膜材料的温度范围。

作为优选的实例，使用含氟聚合物化合物的膜可以在-100℃至+280℃的温度区间内运行。

因此，目前斯特林发动机最高的加热温度目前在大约280℃至300℃；由于同样的原因，其最低可达到的冷侧温度(例如在斯特林以可逆方式作为冷却发动机运行的情况下)为-100℃。

如下面更详细描述的那样，膜的使用还具有以下额外的优点：极长的使用寿命，比活塞环更少的摩擦损失以及，如上所述，可以使用具有关于其圆度和表面平滑度而言的较高容差的缸体。

这使得中小型企业在不需要使用极高技术而批量制造工具的情况下，可以进行经济性的生产。

除了所有其他可能的热源之外，本申请斯特林发动机还完美适用于通过太阳能热量来运行(在非太阳照射时段内)可以通过太阳能热存储器来运行。

在最简单的情况下，使用真空管的静态太阳能收集器在50％的效率时达到150℃的工艺热(无压热油或使用水在5bar轻压下)。这种热量在隔热性好的存储罐中可以有效且经济地存储过夜或存储用于斯特林发动机几天的运行。通过这种方式，可以实现能量的自主权，特别是在阳光明媚的国家的村庄和农场的小规模应用中。

如果低温斯特林发动机在150℃(热侧)和40℃(冷侧)的温度区间之间运行，则其机械效率将近似为13％，被排出的热量可以用于家庭用热(热电联动)。

为了达到最高输入温度280℃，可以使用效率约为65％的简单线性通过太阳能收集器。

在280℃(热侧)和40℃(冷侧)之间运行低温斯特林发动机将形成近似22％的机械效率，剩下的重新作为可用热量。

通常，本发明涉及一种低温、低频斯特林发动机。

其特殊的几何形状使得允许较大的热交换器表面和较大的回热器，以达到良好的“carnization”因子。

移位器和动力活塞与优选圆形的、优选聚合物基的膜密封件连接到缸壁。

斯特林发动机的冷空间，特别是压缩腔室圆柱地围绕工作缸的外周，特别是膨胀腔室的外周，使得隔热作废。

该发动机特别适用于使用热太阳能收集器和耦接的热油或加压水热存储器作为基本原动机来运行。

在逆向模式下，发动机用作有效的热泵/冷却发动机。

发明详述

本发明涉及斯特林发动机。优选地，这些斯特林发动机在低温下，优选从-100℃到300℃的温度下运行。

根据本发明的一个实施例的斯特林发动机包括至少一个膜。

优选地，本发明的该至少一个膜将活塞和缸壁进行连接。

优选地，通过使用膜而气密地实现活塞和缸壁之间的连接。

优选地，通过使用螺栓将膜附接到活塞和缸体从而实现这种气密连接。

优选地，膜由气密材料制成。

优选地，膜是多层膜，优选为双层膜。

多层膜的每个膜优选为片式。

优选地，多层(至少两层且优选两层)膜用于动力活塞。这允许膜在膜的多层之间被充气。

优选地，(动力活塞和/或移位活塞的)膜包括聚合物材料。

已经发现，聚合物材料优选具有良好的拉伸强度、良好的延长强度和/或较低的摩擦系数。

我们发现这些材料是优选的，因为它们不受本发明的具体操作条件的影响。

优选地，膜在至少一个片中包含聚合物材料，优选为双层，并且还可以包含纤维形式的聚合物材料。

优选地，聚合物材料包含一种或多种聚合物和共聚物，聚合物和共聚物基于选自不饱和烃、不饱和氟化烃、不饱和氟氯烃、含醚基不饱和氟化烃的单体及其共聚物。

制备单体之间的醚或酯链的聚合物也可适用于本发明的膜，例如聚氨酯。

优选的单体为聚烯烃。

优选的不饱和烃为乙烯和丙烯。

优选的单体为乙烯、丙烯、氟化乙烯和氟化丙烯及其混合物。

优选的聚烯烃基材料是氟化的，并且优选包括作为单、二、三和/或四氟化单体的附加产物的单体。

更优选地，氟化单体选自四氟乙烯、三氟氯乙烯、六氟丙烯、全氟(烷基乙烯醚)、1，1-二氟乙烯和氟乙烯。聚烯烃基材料还可以包含不是附加产物的非氟化单体(即，具有氢且不具有氟化或醚基团的常规乙烯或丙烯)。

氟化的和常规的单体的摩尔比优选在40：60至60：40之间。

优选地，聚合物材料选自pp(聚丙烯)、pe(聚乙烯)、pfa(全氟烷氧基；例如商品名teflonpfa)、etfe(乙烯-四氟乙烯；例如商品名tefzel、fluon、neoflon和texlon)、efep(乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯)、fep(四氟乙烯-六氟丙烯；例如商品名teflonfep、neoflonfep和dyneonfep)、ptfe(聚四氟乙烯，例如商品名teflon)、ectfe(乙烯-氯三氟乙烯，例如商品名halar)、pctfe(聚氯三氟乙烯；例如商品名neoflonpctfe、aclon和kel-f)、其混合物及其单体的共聚物。

氟化聚烯烃基材的优选实例是ptfe、fep、pfa和/或其混合物。

ptfe特别优选为聚烯烃基材。

优选地，动力活塞膜是纤维增强的。已经发现，这种纤维增强材料增强了动力活塞膜，例如在斯特林发动机的运行期间防止发生变形和其它变形及不规则行为。优选地，这些纤维选自高拉伸强度的纤维。

优选地，纤维选自天然纤维、金属纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺(例如kevlar、twaron或technora)、碳、聚酯(例如pet或pen)、uhmw-pe(例如dyneema、spectra或certran)、液晶聚合物(例如vectran)，聚(对-亚苯基-2，6-苯并双恶唑)(例如zylon)纤维及其混合物。

优选地，纤维选自编织物、机织织物、曲径(meandered)织物、随机或定向地分散在整个膜中的松散的纤维片及其混合物。

优选地，动力活塞膜包含至少一种聚合物基的膜片。

优选地，动力活塞膜优选为多层膜片，最优选为双层膜。优选地，使用具有多层(至少两层且优选两层)的膜用于动力活塞。这使得膜可以在膜的多层之间被充气。

优选地，气体用作膜的充气介质。

在优选实施例中，充气介质为工作介质。

在另一个实施方案中，充气介质可以是另一种气体，例如选自空气、二氧化碳、氮气、氙气、氪气、氩气、氦气和/或其混合物。

优选地，膜气密地连接到活塞头的侧面以及缸壁。

这种气密连接优选通过使用螺栓来实现。

优选地，动力和移位活塞具有圆形的直径。

本发明的膜优选地设置在活塞的周围，并且在活塞和周围的缸壁之间提供围绕活塞头的气密连接。

虽然不是必须的，但是移位活塞膜也可以被充气。

优选地，移位活塞膜也是双层膜。

优选地，通过在移位活塞膜中使用绝缘材料来限制从一侧到另一侧的热交换。可以通过为膜选择合适的聚合物材料来实现绝缘。

作为替代方案，可以使用第二膜，并且该双层膜可以用诸如氪气或氙气的绝缘气体来充气。

也可以使用绝缘材料，例如羊毛或绝缘聚合物材料。当然，可以把这些措施结合起来。

基于液压水活塞的斯特林发动机的实施例优选地具有第一至第二液压水活塞的连接。

优选地，由第一液压水活塞产生的压力波动驱动第二液压水活塞。该第二液压水活塞优选为浸没式的。

优选地，可以通过由两个单向阀和复位弹簧形成的装置来泵送水。随后，将水泵送通过升流管和空气/水压力均化器。液压泵实施例的一个重要优点是可以根据钻孔的深度对泵进行精确地调节。

实施例中具有(具有偏心销的)飞轮的斯特林发动机通常对斯特林发动机的功率调节是有益的。

销可以被移动和定位，并且其可以可选地通过与飞轮的直径对准的飞轮中的空间(例如，槽或轨道)而被紧固，并位于飞轮的旋转中心与其周边之间。

在优选方面，销在斯特林发动机的循环期间连续运动。

根据本发明的各种实施例的斯特林发动机优选地包括以下元件中的一个或多个：动力活塞、移位活塞、至少一个缸体、回热器、热交换器(热)，散热器(冷)、工作介质和曲柄机构。

斯特林发动机可以包括一个或多个连杆。

优选地，斯特林发动机包括飞轮。

即使通常被称为缸体，但是应当理解，缸体不是必须为圆柱形的。

然而，圆柱形壳体(1)的圆形形状具有几个优点：它使得可以使用同样是圆形的环状膜(7、4)；这种几何形状可以防止这些膜的折叠(如果其形状包含边缘，那么便会发生膜的折叠)，因而，圆形膜的寿命会更长。

动力活塞膜(7)的充气可以防止由于工作介质室(2)和环境空气之间的永久性压力变化而发生的膜“拍动(flapping)”。

优选地，本发明的膜不会拍动并且会保持为直的(即，在一个循环期间表现出小于45℃的膜弯曲)。

优选地，(动力和移动)活塞具有与缸体相匹配的圆形直径，尽管也可以适应其它的形状。

优选地，所述表面是锥形弯曲的，以支撑在缸体的腔室中积聚的压力。

两个活塞优选地具有往复动作，可以进出缸体。

优选地，斯特林发动机包括至少一个缸体，优选两个缸体。

该至少一个缸体包括膨胀腔室(热)和压缩腔室(冷)。

一个缸体可以同时用作移位活塞的膨胀腔室和动力活塞的压缩腔室。

回热器是压缩腔室和膨胀腔室之间的连接(通道)。

回热器使得工作介质可以在两个腔室之间流动。

通常，回热器将斯特林发动机与其它热空气发动机区分开来。

通常，回热器包括钢丝绒，以提供较大的表面积用于吸收或释放经过的工作介质的热量。

本发明的斯特林发动机使用工作介质，优选为空气。

工作介质在膨胀腔室和压缩腔室之间移动。膨胀腔室中的热交换器加热工作介质，而压缩腔室中的散热器冷却工作介质。

优选地，动力活塞在具有压缩腔室的缸体内移动。

优选地，热交换器位于回热器附近，优选位于回热器的壁中。

优选地，热交换器面向膨胀腔室，从而允许加热工作介质。

热交换器优选地包括具有(油或水的)热流的管道，可选地与有助于工作流体的流动模式的翅片相结合。

优选地，移位活塞在带有膨胀腔室的缸体内移动。

优选地，散热器位于回热器的面向压缩腔室的壁中。

散热器优选地包括具有(水的)冷流的管道，可选地与有助于工作流体的流动模式的翅片相结合。

优选地，本发明的斯特林发动机包括在膨胀腔室和压缩腔室之间的热绝缘。作为与两个腔室接触的斯特林发动机的外表面的％，优选地，相比于膨胀腔室，压缩腔室占据斯特林发动机外表面的更大的部分。

优选地，本发明的斯特林发动机是封闭系统。

优选地，本发明的斯特林发动机是气密的。

优选地，本发明的斯特林发动机是热力学上稳定的。

优选地，本发明的斯特林发动机允许压力、体积和温度发生变化。

优选地，各种实施例的斯特林发动机包括曲柄机构。

优选地，各种实施例的斯特林发动机包括飞轮。

本发明还涉及在各种实施例中使用斯特林发动机的方法。

优选地，本发明的斯特林发动机在各种实施例中具有较小的冲程、相对较低的冲程频率，但是却产生较高的功率水平。

在优选的实施例中，本发明的方法涉及本发明斯特林发动机在较低活塞冲程频率下的使用，较低活塞冲程频率至多10hz(每秒)，更优选地至多6hz，且优选地至多0.5hz，更优选地至少1hz，最优选地至少2hz(当然，这个频率是稳定状态，并且保持相当长的一段时间，至少1分钟，更可能的是2小时，或者优选为更长的时间，例如长达24小时甚至更久)。

已经发现，在本发明的斯特林发动机中使用低冲程频率惊人地降低了发动机的能量消耗，从而产生较高的效率和耐久性。

优选地，与本领域中先前描述的斯特林发动机相比，本发明的方法使得可以在低温下使用斯特林发动机。斯特林发动机的效率可以保持或者甚至更高。在较低温度下运行的能力有利于例如使得加压热水可以应用于热交换器。根据本发明，压缩腔室的冷却剂中的优选温度至少为-100℃，优选至多为100℃。

根据本发明，用于膨胀腔室的热交换介质的优选温度为至少为80℃，优选至多为300℃，更优选至多为280℃，最优选至多为250℃。

根据本发明，在冷却剂和热交换介质之间的温度差优选为至少80℃，优选为至多200℃。

优选的热交换介质是水，优选为处于较高的压力，优选的范围为例如在150℃和200℃之间，在2bar至6bar之间，例如5bar。

优选的冷却剂是水，例如处于0至25℃的温度下。另一种优选的冷却剂是液化二氧化碳，例如处于约-90℃的温度下。

在优选的实施例中，动力活塞直径具有相对于冲程距离的比例至少为5：1，更优选地至少为10：1，优选地至多为100：1，更优选地至多为50：1。

冲程有时也称为振幅。

这些比例反映出动力活塞的尺寸远大于本技术领域中所存在的，而动力活塞的冲程远小于本领域中所存在的。这允许本发明斯特林发动机发挥惊人的优势，在低温下提供高效率。

优选地，活塞冲程频率至多为10hz且至少为0.5hz。

优选地，压缩腔室的散热器的冷却剂至少为-100℃且至多为100℃，并且用于膨胀腔室的热交换器的热交换介质至少为80℃，优选至多为300℃，更优选至多为250℃。

优选地，活塞直径与冲程的比例至少为5：1且至多为100：1。

本发明另外的优点包括较小冲程(较小振幅)、较低活塞冲程频率(较低频率)和/或较低温度的采用，但仍然可以保持较高的效率。这些特征中的每一个单独或组合地提供了优于现有技术的优点。例如，这使得可以使用更容易处理且保持时间更长的材料。同样，根据本发明的斯特林发动机使得太阳能的收集和存储足以覆盖至少14天的24小时的使用。

本发明的另一个重要特征是低温斯特林发动机作为热泵或冷却发动机的逆向运行。根据定义，斯特林冷却或热泵循环相比于通常的压缩机具有更好的性能，通常的压缩机使用的冷却介质如果释放到大气中会长生负面的气候效应。

此外，经典的压缩冷却器通过内在的必要节流阀(throttle)损失大量的能量。相反，以可逆方式运行的斯特林发动机不需要该节流阀，因为它们的冷却介质是气体，没有相位变化。

此外，“carnoization”因子越好，其cop越接近于热力学的可能值。众所周知，经典斯特林机是在一个步骤中生成接近绝对零度(低温冷却器)的最佳系统。如果被问起为什么其不被用于为空调或制冰机来产生适度的冷却温度，那么答案就是：经典、紧凑且快速运行的斯特林发动机缺乏热交换器表面。

对所有关于较大交换器表面、低频原动机的总结争论对于可逆式热泵、冷却发动机而言也同样适用。它们理想上适用于空调、制冰机、冷冻大气中二氧化碳的冷库、以及其他低于-100℃温度水平的罐(膜材料的限制，如前所述)。

两类这种冷却器、热泵是可实现的：

1)低温斯特林发动机-低温斯特林发动机(,,sunpulse-sunpulse”)结构中一个热驱动的低温斯特林原动机提供机械能以可逆方式来运行该低温斯特林冷却器/热泵。这种类型的一个受关注的版本是一种基于房屋的空调系统，类似于图2的水泵组件，太阳能热收集器向热存储器提供热能，反过来，又允许低温斯特林原动机全天候地运行低温斯特林冷却器/热泵。

2)外部能量低温斯特林发动机结构。这种类型的系统的典型实例是光伏面板与低温斯特林发动机冷却器的组合。在阳光下，光伏面板通过电动机产生用于运行低温斯特林发动机冷却器的能量。例如，如果20℃的水作为存储介质，那么该介质能够以cop为5而被冷冻为冰。这意味着100wt光伏电的输入会产生约500wt的冻结能力。冰用于24h冷却存储。

降低本发明所述的强大的斯特林发动机的运行温度，将带来全面的创新方案。其中重要之一便是太阳能热电联动系统，其使用(安装在房顶上的)热收集器(其具有热量存储)来夜以继日地运行低温斯特林发动机产生建筑物所需的电力和热量(通过增加上述的低温斯特林发动机-低温斯特林发动机空调系统，甚至三联系统：电、加热、冷却)。

系统越靠近于具有频繁阳光照射的南纬，其越是可以仅仅通过太阳能便得以运行。

对于具有较长恶劣气候期的区域，太阳能可以通过“生物质(bio-mass)”(通常为生物气体或有效的生物质燃烧器)或通过可逆的热化学存储器而得以补充。在两种情况下，所要求的低温水平是一个很大的优势；对于“生物质”燃烧器，不会发生破坏热交换器容量的烟颗粒的矿化。在可逆热化学存储器的情况下，引人注目的系统如沸石水或二氢化镁在技术上是可行的。

作为在当地自主提供小规模能源的原动机，低温斯特林发动机具有进一步的优势：许多系统，如空气压缩机、锯、(谷物-)磨机也需要机械能来运行；如果提供低温斯特林发动机，这种低转速且高扭矩的能量则可以全天候使用，它们可以通过传送带或类似的工具直接连接到发动机，从而使得电驱动电机不再是必要的。

下面描述本发明的特别和有利的实施例：

一种斯特林发动机，包括至少一个具有膨胀腔室和压缩腔室的缸体、位于该至少一个缸体中的动力活塞和移位活塞、连接膨胀腔室和压缩腔室的至少一个回热器、将至少一个活塞连接到至少一个飞轮的至少一个曲轴、膨胀腔室和压缩腔室和回热器中的工作介质、至少一个热交换器、至少一个散热器、以及至少两个膜，其中所述膜是将动力活塞和移位活塞连接到该至少一个缸体的聚合物基膜，并且其中所述缸体应被理解为功能性的，即，该缸体是指具有围壁的空间(即，该缸体不一定必须是几何意义上的圆柱形形状)。

优选的是，膜至少是双层膜，优选是充气的双层膜，其将动力活塞与缸体连接，优选地，充气通过单向阀由连接工作气室的柔性管而得以保持。

此外，优选的是，膜包含卤代烯烃基聚合物材料。

此外，移位活塞可以通过移位活塞膜连接至膨胀腔室。

优选地，移位活塞膜是绝热的，即，移位活塞膜包括绝热阻挡层，绝热阻挡层的导热率低于膜表面材料的热导率。

优选地，热交换器位于回热器的面向膨胀腔室一侧的附近，而散热器位于回热器的面向压缩腔室一侧的附近。

一种使用斯特林发动机的方法，其中斯特林发动机包括具有膨胀腔室和压缩腔室的至少一个缸体，其中至少一个动力和/或移位活塞在该至少一个缸体内移动，其中工作介质移动通过至少一个回热器，回热器连接膨胀腔室和压缩腔室，其中至少一个曲轴将该至少一个活塞连接到至少一个飞轮，其中至少一个热交换器将膨胀腔室中的工作介质加热，其中至少一个散热器将压缩腔室中的工作介质冷却，并且其中至少两个聚合物基膜通过将动力和移位活塞连接至该至少一个缸体从而实现气密密封。

优选地，飞轮用于驱动第一液压水活塞。

优选地，由液压水活塞产生的压力波动用于驱动浸没式液压第二水活塞，通过由两个单向阀、复位弹簧、升流管和空气/水压力均化器而形成的装置来对水进行泵送。

如果连接至第一液压泵的偏心销可以在飞轮的旋转中心之间的任何位置被机械式地移动和固定，以便使泵适应任何所需的钻井深度，那么该发动机及方法则可以得到进一步的发展。

如果驱动移位活塞杆的偏心销能够从旋转中心向相关齿轮的外周被连续移动，以便调节发动机功率，那么这也是有利的。

优选地，两个发动机以这样的方式耦接，即一个发动机用作热力原动机并驱动第二个发动机，而第二个发动机作为冷却发动机或热泵而逆向运行。

优选地，可逆运行的斯特林由外部能源驱动。

优选地，外部能源是光伏面板，而斯特林发动机冷却器生产用于存储的冰。

或者，原动机作为三联系统与太阳能热收集器和足够的热存储器相组合而使用。

优选地，飞轮的低速高扭矩输出直接机械地连接到不同的子系统，如压缩机、磨机、锯等。

附图说明

图1是根据本发明一方面的低温斯特林发动机的示图；

图2是根据本发明一方面的作为全天候运行太阳能水泵的低温斯特林发动机的示图。

图3是根据本发明一方面的具有可调节偏心销的飞轮的示图。

图4是根据本发明一方面的具有功率调节的飞轮的示图。

图5是根据本发明一方面的具有穹顶状(domelike)圆柱形盖的斯特林发动机的示图。

图6(呈现于“图2”页面的中央)示意性地示出不同压力环境下的功率输出。

图7是根据热气体和冷气体之间的delta温度的效率的示图。

图8是典型斯特林发动机的相位(phase)的体积-压力示图。

具体实施方式

图1是根据本发明的低温斯特林发动机的示意性截面。包含密封工作介质(2)的圆柱形壳体(1)，其中工作介质用(xxx)表示。(3)是圆形移位活塞，通过双片式的柔性聚合物膜(4)连接到圆柱形热侧热交换器。移位活塞(3)是隔热的；被柔性绝缘材料(泡沫、纤维)填充在两层之间的膜(4)也是绝热的。

移位活塞在工作介质(优选为气体)的空间中垂直振荡，其由连接至移位器偏心器(5a)的杆(5)所驱动。移位活塞(3)将工作介质室(2)气密地分隔成热膨胀室(2a)和冷压缩室(2b)。

移位活塞(3)周期性地将工作介质移动通过圆柱形各热交换器(12)的加热器(heater)、回热器(11)，各散热器(13)的冷却器(cooler)的组件，反之亦然。通过这种方式，工作介质被周期性地加热和冷却，从而产生如(15)所示的正弦压力波动，并且如体积-压力图(14)中所示的那样移动通过四个步骤。这些压力波动作用于朝着顶部关闭圆柱形斯特林壳体(1)的动力活塞(6)。动力活塞(6)通过充气的柔性双层膜(7)气密地连接向壳体(1)。该双层膜可以是完全气密的，或者通过终止于冷工作介质室(2b)的单向阀(7a)而连接到柔性管。该室的压力波动(15)周期性地填充具有循环峰值压力的双层膜(7)，从而补偿双层膜的最终泄漏。

动力活塞(6)将工作介质(2)热力学上所产生的循环能量提取为机械能。其振荡运动由动力活塞杆(8)传递至动力活塞偏心器(8a)。该偏心器将动力活塞(6)的侧向振荡转化为连接至飞轮(10)的轴(9)的旋转运动。

由(8)、(8a)、(5)和(5a)表示的曲柄机构根据时间来协调移位活塞(3)与动力活塞(6)的运动。这样，便可以如上述更详细描述的那样来实现热力学斯特林循环(两个等温过程步骤和两个等体积过程步骤)。

例如在图1中示例性示出的本发明代表了斯特林发动机的最简单的实现-通过环境压力下的空气进行工作的发动机。

较大的尺寸允许所述加热器-回热器-冷却器(12、11、13)单元的较大表面，其具有对发动机效率的所述正面影响。

缸体(1)略微锥形的设计也可能是本发明的另一个特征：当冷却器(13)形成单元(12、11、13)的外圆筒时，斯特林发动机不可以绝热于环境。这种针对经典斯特林发动机的拓扑优势代表了显著的简化和经济增益。

较大热交换器表面和低频的结合使得可以使用大气作为工作介质。这是相比于需要氢气或氦气的高温发动机的另一个重要优势。

在图2a中表示了本发明的典型应用。它示出了低温斯特林发动机作为全天候运行的太阳能水泵。(26)表示所提到的太阳能收集器场，其以50％的效率产生150℃的热并将其存储在存储罐(25)内以用于夜间运行。罐的热流体流过低温斯特林发动机的热侧热交换器(12)。从钻孔中泵出的较小部分的水流过冷却器(13)，并于此处通过管道(13a)流向“客户”(24a)。具有高扭矩和适度转速的飞轮起到第一水压缸(16)的作用，其中水压缸(16)安装至偏心销(16a)和旋转固定点(17)处。

第一水压缸中的周期性加压水通过薄钢管(18)被输送至钻井地面处的第二浸没式水压工作缸(19)中。该第二水压缸与连接工作缸(16)的发动机的工作频率相一致地振荡。第二水压缸(19)朝向于包含单向阀(20、22)和弹簧(21)的阀和弹簧缸体(20a)而作用。在其向内死点移动时，缸体(19)打开阀(20)，阀和弹簧缸体(20a)充满水。当向上移动时，第二水压缸(19)关闭阀(20)并打开阀(22)；因此水被推送通过升流管(23)到表面。

在流入“客户”存储器(24a)之前，泵送的水被推入水/空气存储器(24)中。

(24)将脉动水流改变成常规水流。在每个工作脉冲之后，弹簧(21)将液压泵带回至其初始阶段。

图2进一步表示水/深度输送图，其示出了具有400w机械功率输出的大气工作低温斯特林发动机的优良泵送能力，并示出了针对在400w液压功率下的泵深的流速，其中x轴上表示头部(单位为米)且y轴上表示流速(单位为升/分钟)。

在图3中，示意性地示出了，如何通过滑动机构(16b)而使其上安装有液压缸(16)的偏心销(16a)在飞轮(16c)的旋转中心和飞轮(16d)的外径之间的任意位置移动。这意味着，根据图2中的水/深度输送曲线，可以调整关联于既定钻井深度的相关活塞冲程，使得低温斯特林发动机泵始终在其最佳运行点处工作。

本发明的另一个重要特征如图4所示。其涉及低温斯特林发动机的功率调节。其是按照前述与液压水泵调节相似的方法来进行的。在这种情况下，前后移动移位器杆(5)的偏心销(5a)，可以沿着旋转曲柄盘的直径而连续地从旋转中心被移动到外周；因此，与被递送的发动机功率直接相关的移位器振幅，可以从零冲程(功率)到最大冲程(功率)进行连续的变化。这可以通过将销固定在既定位置来手动控制，也可以在发动机运行期间通过液压或电操作线性致动器连续移动销来手动控制。

图5示出了具有围绕轴(9)的旋转轴承的穹顶形圆柱形盖(27)。这样的设置使得，在不失去相对低频和相对较大热交换和回热器表面的设计准则的情况下，用轻微压缩的空气(通常为5bar)来填充大气低温斯特林发动机。

只要在功率输出和热交换器表面之间的关系保持良好，那么加压发动机的功率输出实际上能够以绝对压力而线性增加。我们发现这是至多5bar的情况。

较高的功率输出来自于工作介质较大的压力波动，如图6所示(图2页面中的(12)下面)。

因此，轻微加压的低温斯特林发动机有可能减少必需的体积，并因此减少良好界定范围内所需的材料量。

对于工作频率(高达4hz)的轻微增强也同样是如此。

图1示出了实现的大气低温斯特林发动机的截面。直径为lm，高度为0.4m，频率为1.5hz，提供0.5kw的轴功率。

例如，如图6主要描述的那样，作为示例，该发动机被加压到4bar，它将传递大约2kw。通过将工作频率进一步提高至3hz，它将传递大约4kw。

图7示出了根据热气体和冷气体之间的delta温度的效率，其中x轴上为delta温度(开尔文)，而y轴上为卡诺效率(nn％)。

实线代表低温斯特林发动机。carnization因子>>50％。虚线代表理想的斯特林发动机。具有三角形的实线代表carnization因子为50％的高温斯特林发动机。

图8表示具有4个步骤的理想斯特林循环(体积-压力)，其中q1＝q2＝与回热器的振荡可逆热交换。

所使用的附图标记列表

1-缸体分别为圆柱形壳体，分别为圆柱形斯特林壳体

2-工作介质分别为工作介质室

2a-膨胀腔室

2b-压缩腔室

3-移位活塞

4-移位活塞膜

5-杆分别为移位器杆

5a-移位器偏心器

6-动力活塞

7-动力活塞膜

7a-单向阀

8-动力活塞杆

8a-动力活塞偏心器

9-轴

10-飞轮

11-回热器

12-热交换器分别为圆柱形加热器

13-散热器分别为冷却器

13a-管道

14-体积-压力图

15-压力-波动图

16-第一水压缸

16a-偏心销

16b-滑动机构

16c-飞轮

16d-飞轮

17-旋转固定点

18-薄钢管

19-第二-浸没式水压工作缸

20-单向阀

20a-弹簧缸体

21-弹簧

22-单向阀

23-升流管

24-水/空气存储器

24a-客户存储器

25-存储罐

26-太阳能收集器场

27-圆柱形盖分别为气密盖