專(zhuān)利名稱(chēng)：使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理產(chǎn)生動(dòng)力的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理應(yīng)用至動(dòng)力轉(zhuǎn)換設(shè)備的設(shè)計(jì)及使用中。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理應(yīng)用于產(chǎn)生動(dòng)力，諸如產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力。
背景技術(shù)：
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其通過(guò)將在具有不同溫度的區(qū)域之間流動(dòng)的熱能轉(zhuǎn)換為有用功而進(jìn)行操作。典型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱能驅(qū)動(dòng)一組活塞進(jìn)行相配合的和往復(fù)的運(yùn)動(dòng)?；钊倪\(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或發(fā)動(dòng)機(jī)?？蛇x擇地，也已公知具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的熱力發(fā)電機(jī)?，F(xiàn)有技術(shù)中的各種不同的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)包括美國(guó)專(zhuān)利6,195,992、3,984,981及5,325,671號(hào)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)操作的活動(dòng)部件包圍在殼體中且以機(jī)械方式(例如，通過(guò)一軸)連接至外部部件從而驅(qū)動(dòng)外部機(jī)器。這種布置結(jié)構(gòu)中的高效率需要?dú)んw以氣密的方式密封。密封失效會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理的方法及旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。依據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例，旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體由于流體流動(dòng)于殼體內(nèi)的一腔室中的兩個(gè)不同溫度區(qū)之間而旋轉(zhuǎn)。因此，該殼體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭矩可用于通過(guò)連接至殼體外部的齒輪結(jié)構(gòu)或軸驅(qū)動(dòng)機(jī)器(例如發(fā)電機(jī))。與現(xiàn)有技術(shù)不同，在這種布置結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)由于殼體的密封的滲漏而失效。
依據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例，該腔室的熱區(qū)由來(lái)自熱源的能量加熱，并且冷卻系統(tǒng)將冷區(qū)維持在比熱區(qū)低的溫度下。冷卻流體可由冷卻流體的固定外部蓄液器抽吸。在一項(xiàng)實(shí)施例中，殼體的旋轉(zhuǎn)速度可用來(lái)抽吸冷卻流體。在該實(shí)施例中，被抽入旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻流體的體積取決于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度，繼而可由旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出確定。因此，可實(shí)現(xiàn)一種自調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)。用于在外部軸(或外部齒輪結(jié)構(gòu))連接的點(diǎn)處強(qiáng)化殼體的結(jié)構(gòu)可包括螺紋通道。在該實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)螺紋通道迫使冷卻流體經(jīng)由圍繞冷區(qū)分布的通道(例如，緊靠冷區(qū)的絕熱層，冷區(qū)與殼體之間的區(qū)域或流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu))進(jìn)入殼體內(nèi)，從而將冷區(qū)保持在所需的溫度范圍內(nèi)。
依據(jù)本發(fā)明的在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪機(jī)可位于殼體熱區(qū)或冷區(qū)的內(nèi)表面上的任何適當(dāng)位置，但是連結(jié)至殼體以提供殼體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并且不需要直接地驅(qū)動(dòng)軸或齒輪結(jié)構(gòu)以提供旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力。旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的腔室可填充有可壓縮的工作流體(例如，空氣)。流體導(dǎo)引件可設(shè)置于腔室內(nèi)以引導(dǎo)可壓縮工作流體沿提供更大效率的優(yōu)選方向和流動(dòng)速度流動(dòng)。流體導(dǎo)引件也可設(shè)置用于該腔室的結(jié)構(gòu)或機(jī)械方式的支承。因此，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方式提供一種使流體從冷卻源或加熱源通過(guò)流體導(dǎo)引件流到熱區(qū)、冷區(qū)或二者而調(diào)整殼體101內(nèi)的工作流體溫度的方法。本發(fā)明也提供不需改變熱源或散熱片而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出的方法。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，單向閥可設(shè)置在熱區(qū)與冷區(qū)之間以防止熱區(qū)中的工作流體回流至冷區(qū)中。
在另一實(shí)施例中，金屬網(wǎng)設(shè)置在熱區(qū)中以增加從熱源到熱區(qū)的傳熱效率。也可設(shè)置儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)，以使發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間波動(dòng)熱源對(duì)旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出的影響最小化，或者提供用于熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的二級(jí)熱源。高比熱容流體或儲(chǔ)熱流體可使用在儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)中。儲(chǔ)熱可被用來(lái)平衡不同能量需求時(shí)的能量產(chǎn)生或輸出需要。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，在已實(shí)現(xiàn)預(yù)定的操作條件(例如，預(yù)定溫度)后，導(dǎo)熱板可由彈簧加載推壓而與熱區(qū)接觸。
本發(fā)明可由參閱以下的詳細(xì)說(shuō)明和附圖來(lái)獲得更好的理解。


圖1示出依據(jù)本發(fā)明一項(xiàng)實(shí)施例的具有冷卻蓄液器107的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的剖視圖。
圖2示出具有冷卻蓄液器107的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的等軸分解側(cè)視圖。
圖3示出熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的“放大”透視圖。
圖4是頂板101a下方的熱區(qū)110a的俯視圖。
圖5更詳細(xì)地示出圖1和圖2中的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111。
圖6是示出鄰近冷區(qū)110b的絕熱層104部分中的螺旋狀通道601和602的俯視圖。
圖7示出依據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例的儲(chǔ)熱器701的剖視圖。
圖8是示出殼體101內(nèi)部的工作流體循環(huán)路徑的剖視圖。
為了便于附圖間的相互參照以及使以下的詳細(xì)說(shuō)明簡(jiǎn)單明了，附圖中類(lèi)似元件使用類(lèi)似附圖標(biāo)記表示。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)原理下操作從而將來(lái)自熱源的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)。該機(jī)械能可被結(jié)合以驅(qū)動(dòng)機(jī)器及發(fā)電機(jī)執(zhí)行有用功。適當(dāng)?shù)臒嵩磳?shí)例包括太陽(yáng)能、地?zé)?、化石、垃圾填埋、回收或其他燃料?br> 圖1示出依據(jù)本發(fā)明一項(xiàng)實(shí)施例的具有冷卻液體儲(chǔ)存器107的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的剖視圖。如圖1所示，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100包括被包圍在外殼或殼體101內(nèi)的腔室110。在操作期間，當(dāng)熱源設(shè)置在殼體101的頂表面101a時(shí)，溫度差存在于腔室110中的“熱區(qū)”110a和“冷區(qū)”110b之間。本發(fā)明利用該溫度差以下述方式使得殼體101繞以“Y”示出的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。由于在操作期間發(fā)動(dòng)機(jī)殼體旋轉(zhuǎn)并且由于工作流體空間被包圍在腔室內(nèi)且在腔室與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力輸出裝置之間無(wú)通道、孔或接頭，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作流體與外部動(dòng)力產(chǎn)生齒輪或機(jī)械裝置隔離。因此，不需要專(zhuān)門(mén)的密封。
旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)軸109的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而用來(lái)驅(qū)動(dòng)外部機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，軸109基本上垂直于熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間的橫截面區(qū)域或平面。利用其他適當(dāng)結(jié)構(gòu)，也可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力輸出(例如，齒輪結(jié)構(gòu)；這種結(jié)構(gòu)可位于殼體101外部的任何位置或設(shè)置入殼體101的外壁內(nèi))。依據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例，軸109部分地包蓋在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111中并且延伸超過(guò)冷卻蓄液器107。軸109以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111連接?？蛇x擇地，軸109也可連接至殼體101的頂板101a。因此該熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案提供一種通過(guò)使流體從冷卻源或加熱源通過(guò)流體導(dǎo)引件流至熱區(qū)、冷區(qū)或二者而調(diào)整殼體101內(nèi)工作流體溫度的方法。這樣也提供調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出而不必改變熱源或散熱片的方法。
在圖1所示的實(shí)施例中，冷卻機(jī)構(gòu)設(shè)置成保持熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間的溫度差。該溫度差驅(qū)動(dòng)殼體101的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此提供輸出動(dòng)力。冷卻機(jī)構(gòu)包括含有冷卻流體的冷卻蓄液器107，該冷卻流體循環(huán)于冷卻蓄液器107、冷區(qū)110b、空間508以及絕熱層104之間從而保持或增加冷區(qū)110b與熱區(qū)110a之間的溫度差。蓄液器蓋115設(shè)置于殼體101和冷卻蓄液器107之間以避免冷卻流體泄漏以及過(guò)度蒸發(fā)。在該詳細(xì)說(shuō)明中，術(shù)語(yǔ)“熱”和“冷”是相對(duì)的。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100只要在熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間具有足夠的溫度差即可操作。
包圍在殼體101內(nèi)的元件更好地結(jié)合圖2與圖3示出，該兩個(gè)圖分別示出熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的“等軸分解”側(cè)視圖和“等軸分解”透視圖。殼體101的外側(cè)壁在圖2和圖3中省略，從而示出腔室110內(nèi)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖1、2及3所示，頂板101a和底板101b分別為殼體101的頂外壁和底外壁。在該實(shí)施例中，熱源(例如，太陽(yáng)能)施加至頂板101a上。如下文說(shuō)明，冷卻蓄液器107的冷卻流體將絕熱層104和底板101b之間的區(qū)域保持為低溫。熱源和冷卻流體的聯(lián)合作用形成如圖1、2及3所示的熱區(qū)110a和冷區(qū)110b。在該實(shí)施例中，冷區(qū)110b與底板101b以盤(pán)108隔開(kāi)，從而在盤(pán)108和底板101b之間形成冷卻流體可在其中流動(dòng)的空間508，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)整的目的。(在本說(shuō)明書(shū)中，圖2的上和下部分分別標(biāo)示為“頂”和“底”，僅僅有利于在詳細(xì)說(shuō)明中進(jìn)行參照。本發(fā)明的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的操作不受其物理取向的限制。)在圖2和3中，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100以“分解”圖示出，為了使熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的元件之間的分離沿垂直方向放大，以供說(shuō)明的需要。在一項(xiàng)實(shí)施例中，盤(pán)108鄰接殼體101的底板設(shè)置，由此隔開(kāi)冷區(qū)110b與底板101b。底板101b圍繞該盤(pán)108，產(chǎn)生其中可流動(dòng)冷卻流體的空間508，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)整的目的。盤(pán)108可視為殼體101的底部，底板101b可視為圍繞殼體101底部的環(huán)繞外殼，從而形成空間508。
熱區(qū)110a與冷區(qū)110b通過(guò)絕熱層104互相隔開(kāi)，該絕熱層將在下文進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明?？纱┻^(guò)熱區(qū)110a和冷區(qū)110b設(shè)置適當(dāng)位置的支承結(jié)構(gòu)，用于在殼體101內(nèi)部提供機(jī)械支承。這種支承結(jié)構(gòu)可包括例如柱、樁、梁及桿。熱離子和熱電耦裝置也可設(shè)置在絕熱層104中。這種裝置可用來(lái)提供動(dòng)力輸出，如上述結(jié)合參考的共同專(zhuān)利申請(qǐng)所討論的。在該實(shí)施例中，分離器結(jié)構(gòu)105進(jìn)一步夾置在熱區(qū)110a和絕熱層104之間。熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間的流體流過(guò)中央開(kāi)放軸113和空間121。空間121包括流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)106、分離器結(jié)構(gòu)105、絕熱層104、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111和殼體101外壁之間的所有空間。分離器結(jié)構(gòu)105是可選的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，這將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。腔室110填充有可壓縮工作流體，該工作流體可以是空氣、另一流體或流體混合物，從而獲得所需的流體密度，以及機(jī)械、空氣動(dòng)力及熱特性。該工作流體可被加壓。
熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100得到由位于殼體101內(nèi)壁表面上的渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)所接收的熱能。這一位置可在例如空間121中包括熱區(qū)110a和冷區(qū)110b。渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)也可位于熱區(qū)101a與冷區(qū)101b之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表面上。這一位置可包括例如空間121內(nèi)及中央開(kāi)放軸113內(nèi)。渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)可位于能夠產(chǎn)生使殼體101進(jìn)行所需旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭矩的任何適當(dāng)位置。渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)也可設(shè)置入殼體101的內(nèi)壁中。這些渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)可包括一組或多組設(shè)計(jì)成導(dǎo)引工作流體的流體導(dǎo)向件或葉片，從而控制工作流體速度和壓力，并且產(chǎn)生用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭矩，以便從工作流體的膨脹和壓縮中抽取最大沖擊動(dòng)力。在一項(xiàng)實(shí)施例中，渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的每一流體導(dǎo)向件在殼體101旋轉(zhuǎn)期間優(yōu)選地保持相對(duì)于工作流體的預(yù)定角度。根據(jù)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的應(yīng)用，渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)可以是任何適當(dāng)?shù)某叽缁虿牧稀?br> 依據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100在熱區(qū)110a中包括渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)，這里稱(chēng)為流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106。圖4是頂板101a下方的熱區(qū)110a的俯視圖。如圖4所示，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100包括流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106，該結(jié)構(gòu)包括板401、編號(hào)114-1至114-m的第一組流體導(dǎo)引件114和編號(hào)112-1至112-n的第二組流體導(dǎo)引件112，其中n和m是整數(shù)。根據(jù)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的結(jié)構(gòu)，板401可以是分離器結(jié)構(gòu)105或絕熱層104的頂板。流體導(dǎo)引件112和114可設(shè)計(jì)成相互協(xié)作或分離地工作，并且可用作熱源或散熱片的額外傳熱表面。根據(jù)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的應(yīng)用，流體導(dǎo)引件112和114可以是任何適當(dāng)?shù)某叽?、曲率或由任何材料制成。一般而言，流體導(dǎo)引件112-1至112-n可附接至熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間的任何結(jié)構(gòu)(在空間121和中央開(kāi)放軸113內(nèi))。流體導(dǎo)引件112-1至112-n也可附接至殼體101的內(nèi)壁。在一項(xiàng)實(shí)施例中，如圖4所示，流體導(dǎo)引件112-1至112-n附接至殼體101且大致布置在空間121中的板401外周。流體導(dǎo)引件112也可附接至板401、流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106、分隔結(jié)構(gòu)105或絕熱層104。流體導(dǎo)引件112可采用空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。在空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中，隨著流體以不同速度沿著表面流動(dòng)，一壓力差在流體導(dǎo)引件的兩表面之間形成。在一項(xiàng)實(shí)施例中，每一流體導(dǎo)引件設(shè)有圓形輪廓，使得流體導(dǎo)引件的一側(cè)可具有比另一個(gè)更大的橫截面，由此產(chǎn)生可實(shí)現(xiàn)殼體101旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭矩。
如上所述，流體導(dǎo)引件112-1至112-n設(shè)計(jì)成在每個(gè)流體導(dǎo)向件112的緊鄰附近保持相對(duì)于工作流體方向的預(yù)定角度。在操作期間，當(dāng)熱區(qū)101a中的熱量增加時(shí)，熱區(qū)110a中的膨脹工作流體推動(dòng)流體導(dǎo)引件組112從而產(chǎn)生使得殼體101旋轉(zhuǎn)的扭矩。熱區(qū)110a中的工作流體從中央開(kāi)放軸113上方的空間徑向向外流動(dòng)，并且通過(guò)環(huán)狀空間121流入冷區(qū)110b?？蛇x擇地，流體導(dǎo)引件112可附接至中央開(kāi)放軸113中的結(jié)構(gòu)，例如，絕熱層104、分離器結(jié)構(gòu)105、單向閥801、流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)106、絕熱層104的冷卻系統(tǒng)通道。
利用具有一軸的流體導(dǎo)引件結(jié)構(gòu)106的流體導(dǎo)引件112形成渦輪機(jī)的一項(xiàng)實(shí)例公開(kāi)在上述引入本文供參考的共同專(zhuān)利申請(qǐng)中。由旋轉(zhuǎn)流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106產(chǎn)生的扭矩通過(guò)殼體101的外壁傳送至旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111(以及軸109)，使得殼體101與流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106整體旋轉(zhuǎn)。各流體導(dǎo)引件112上的非對(duì)稱(chēng)表面區(qū)域并非是必需，但在一些應(yīng)用情況下可帶來(lái)某些優(yōu)點(diǎn)，諸如容易通過(guò)預(yù)定方向的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行起動(dòng)。流體導(dǎo)引件112可提供用于傳熱的大表面面積。因此，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100具有高面積體積比從而提高效率。流體導(dǎo)引件112-1至112-n也可作為控制工作流體以預(yù)定角度流動(dòng)的流體導(dǎo)引件，從而使扭矩的產(chǎn)生最大化。
流體導(dǎo)引件114-1至114-m將工作流體以?xún)?yōu)選的角度朝向流體導(dǎo)引件112引導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)力。流體導(dǎo)引件114-1至114-m可形成為支承結(jié)構(gòu)，以在頂板101a和分離器結(jié)構(gòu)105之間提供支承。流體導(dǎo)引件114-1和114-m可用來(lái)適應(yīng)流體導(dǎo)引件112的設(shè)計(jì)。流體導(dǎo)引件114-1和114-m可具有熱屬性，從而提供用于傳熱的額外加熱面和冷卻面。流體導(dǎo)引件114-1和114-m也可形成用于工作流體循環(huán)的通道或用于控制工作流體壓力。流體導(dǎo)引件114-1和114-m可用于連接發(fā)動(dòng)機(jī)腔室外部的熱或冷源。因此，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案提供一種通過(guò)使流體從冷卻源或加熱源通過(guò)流體導(dǎo)引件流動(dòng)至熱區(qū)、冷區(qū)或二者而調(diào)整殼體101內(nèi)部的工作流體溫度的方法。這也提供一種調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出但毋需改變熱源或散熱片的方法。流體導(dǎo)引件114-1至114-m可增強(qiáng)工作流體的運(yùn)動(dòng)，提供工作流體體積成形，或其他在工作流體路徑內(nèi)進(jìn)行改變的流體特征。這種特征例如可包括工作流體速度、方向、及體積。本實(shí)施例中雖未示出，但是具有對(duì)應(yīng)組流體導(dǎo)引件組的流體導(dǎo)引件結(jié)構(gòu)也可設(shè)置在冷區(qū)110b中從而形成工作流體的返回路徑。可選擇地，冷區(qū)110b中的流體導(dǎo)引件結(jié)構(gòu)可設(shè)置為不同的結(jié)構(gòu)(例如，不同材料、不同形狀的流體導(dǎo)引件、完成不同的功能)從而實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)目的。流體導(dǎo)引件114-1至114-m可成形并作為葉片使用以幫助渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生使殼體101以預(yù)定方向旋轉(zhuǎn)的扭矩。根據(jù)應(yīng)用的需求，流體導(dǎo)引件114-1至114-m可設(shè)置在腔室110內(nèi)的任何位置。流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106可視為渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分。
依據(jù)另一實(shí)施例，流體成形器可使用在工作流體路徑中從而引導(dǎo)流體或控制流體體積。流體成形器可包括例如圓錐體、鐘型體及漏斗狀體。流體成形器可以是實(shí)體或中空的。流體成形器可位于殼體101的內(nèi)壁或設(shè)置在內(nèi)壁中。流體成形器可實(shí)現(xiàn)在工作流體空間內(nèi)的兩個(gè)特定區(qū)域之間的過(guò)渡空間、或在工作流體路徑的特定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)位置處。工作流體空間的實(shí)例例如可包括熱區(qū)110a、冷區(qū)110b、中央開(kāi)放軸113和空間121。使用實(shí)心圓錐形流體成形器的實(shí)例示出于圖1及圖2中。這里，盤(pán)108具有朝向中央開(kāi)放軸113延伸的部分并且在殼體101內(nèi)形成圓錐形的流體成形器200。同樣，流體成形器200可位于冷區(qū)110b與空間507之間并且可用于引導(dǎo)工作流體朝向熱區(qū)110a以及輔助保持流體流動(dòng)的方向。流體成形器200可通過(guò)使部分流體路徑變窄而改變工作流體的速度。一項(xiàng)實(shí)例利用流體成形器200來(lái)控制從冷區(qū)110b進(jìn)入中央開(kāi)放軸113的工作流體體積。流體成形器200與中央開(kāi)放軸113開(kāi)口之間的工作流體空間愈小，工作流體流動(dòng)得愈快。在中央開(kāi)放軸113中的具有朝向熱區(qū)110a的較小端的漏斗形流體擋塊可增加內(nèi)部的工作流體速度。流體成形器200可用于工作流體離開(kāi)中央開(kāi)放軸113的位置處或者工作流體進(jìn)入熱區(qū)110a的位置處，從而減少工作流體體積，并由此實(shí)現(xiàn)工作流體的加速。流體成形器可以采用任何適當(dāng)材料、形狀或功能從而實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)目的。流體成形器可采用空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。
當(dāng)熱區(qū)110a和冷區(qū)110b之間的溫度具有實(shí)質(zhì)性的溫度差時(shí)，圖1中的流動(dòng)線(xiàn)122所指示的工作流體循環(huán)得以建立。在該循環(huán)中，工作流體采用循環(huán)運(yùn)動(dòng)流動(dòng)并且也在熱區(qū)110a中徑向向外流動(dòng)，通過(guò)空間121流入冷區(qū)110b(即，向下的螺旋運(yùn)動(dòng))，采用循環(huán)運(yùn)動(dòng)流動(dòng)且徑向向內(nèi)流入冷區(qū)110b并通過(guò)開(kāi)放軸113返回至熱區(qū)110a(即，向上的螺旋運(yùn)動(dòng))。隨著熱工作流體在其路徑上以循環(huán)運(yùn)動(dòng)的方式朝向冷區(qū)110b運(yùn)動(dòng)，其在冷區(qū)中央造成低壓或抑壓，冷工作流體會(huì)被引入該冷區(qū)且以循環(huán)運(yùn)動(dòng)上升至熱區(qū)內(nèi)。因此，每個(gè)區(qū)中的流體流動(dòng)與颶風(fēng)或龍卷風(fēng)(即“氣旋”)中流體的運(yùn)動(dòng)相似。在熱區(qū)中，隨著工作流體被加熱，上升氣流將工作流體從冷區(qū)螺旋地強(qiáng)烈地向外吸至外周。在外周中，強(qiáng)下降氣流將工作流體吸入冷區(qū)，在該冷區(qū)，工作流體然后螺旋地向內(nèi)進(jìn)入低壓點(diǎn)，在該低壓點(diǎn)，該工作流體被拉回至熱區(qū)。
工作流體流動(dòng)具有漩渦并且以渦流流動(dòng)。該工作流動(dòng)施加一連續(xù)力并且使渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)具有動(dòng)量。由于工作流體循環(huán)是對(duì)流的垂直循環(huán)，所以渦流近乎是水平的。從冷區(qū)110b流動(dòng)至熱區(qū)110a的工作流體流動(dòng)是旋轉(zhuǎn)的上升氣流。相似地，從熱區(qū)110a流動(dòng)至冷區(qū)110b的工作流體是旋轉(zhuǎn)的下降氣流。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中熱工作流體遇到冷工作流體期間，工作流體的動(dòng)量被持續(xù)維持。在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循期間，各區(qū)中的工流體連續(xù)地加熱、膨脹、冷卻及收縮。因此，在腔室110內(nèi)設(shè)置完整的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)和完整的工作流體路徑。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間，工作流體同時(shí)在渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的所有流體導(dǎo)引件或葉片上施加一力。渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)的每一導(dǎo)引件或葉片同時(shí)作功。因此，在本發(fā)明的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中并不需要通常用于流體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中以使工作流體導(dǎo)向至渦輪機(jī)的一特定部分從而提供沖力的流體控制結(jié)構(gòu)，諸如噴嘴和管路。
如上所述，在工作流體的加熱和冷卻以及流體導(dǎo)引件或葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用下，工作流體具有渦流并且具有連續(xù)動(dòng)量。渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)由工作流體的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而驅(qū)動(dòng)工作流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
在該發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案中，工作流體膨脹與收縮產(chǎn)生施加在渦輪機(jī)機(jī)構(gòu)上的力，由此產(chǎn)生扭矩。在每一循環(huán)中，工作流體是通過(guò)使熱工作流體膨脹、使工作流體從熱區(qū)110a流動(dòng)至冷區(qū)110b的垂直旋轉(zhuǎn)下降氣流、使冷區(qū)110b中的工作流體收縮和使工作流體從冷區(qū)110b流動(dòng)至熱區(qū)110a的旋轉(zhuǎn)上升氣流合成的力進(jìn)行加速的。因此，在這一環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)愈久，工作流體循環(huán)愈快。在第一循環(huán)結(jié)束時(shí)工作流體的速度變成第二循環(huán)開(kāi)始時(shí)的工作流體的速度，并且在整個(gè)第二循環(huán)中增加。工作流體速度由動(dòng)能增加，接著通過(guò)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械功。工作流體速度在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的膨脹相位和收縮相位期間都增加。工作流體從流體導(dǎo)引件和葉片的旋轉(zhuǎn)獲得動(dòng)量。葉片或流體導(dǎo)引件及通道的形狀有助于帶動(dòng)工作流體旋轉(zhuǎn)。流體導(dǎo)引件也可用來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部分的溫度-即，減少或增加熱區(qū)的溫度，或減少或增加熱區(qū)的溫度。
熱區(qū)中的工作流體的旋轉(zhuǎn)與徑向向外流動(dòng)、進(jìn)入冷區(qū)的向下運(yùn)動(dòng)、冷區(qū)中的工作流體的旋轉(zhuǎn)與徑向向內(nèi)流動(dòng)以及進(jìn)入熱區(qū)的向上運(yùn)動(dòng)沿上升氣流的長(zhǎng)度延伸。旋轉(zhuǎn)或‘扭轉(zhuǎn)’的速度隨著有效圓柱直徑的減少而增加。冷工作流體更有效地采用旋轉(zhuǎn)上升氣流的形式穿過(guò)該空間被運(yùn)送。高流體速度來(lái)自于角動(dòng)量的守恒。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)在于持續(xù)地加熱和冷卻以移動(dòng)工作流體以及利用旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)工作流體(即，維持工作流體中的動(dòng)量)。
本發(fā)明的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)是可逆的，冷區(qū)和熱區(qū)可通過(guò)提供機(jī)械動(dòng)力而形成。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)100的殼體101的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)也可由風(fēng)或水供給動(dòng)力。因此，本發(fā)明的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)可利用在諸如太陽(yáng)能的應(yīng)用場(chǎng)合，或者通過(guò)核電站的排放而提供動(dòng)力。也可提供機(jī)械動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而在腔室內(nèi)形成熱區(qū)與冷區(qū)。根據(jù)所需的應(yīng)用情況，熱區(qū)繼而可用來(lái)為其他發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，并且冷區(qū)可用來(lái)冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)整大小從而適應(yīng)不同的輸出動(dòng)力要求，并且可用在具有相當(dāng)大溫度變化的地方。
加熱網(wǎng)可設(shè)置在開(kāi)放軸113附近上方的熱區(qū)110b中，從而增加工作流體可被加熱的表面積，由此改善工作流體的加熱效率。熱可在熱區(qū)101a中被集中及導(dǎo)向至加熱網(wǎng)。該加熱網(wǎng)也可作為分離器結(jié)構(gòu)105中的儲(chǔ)熱器701與外部熱源之間的接觸點(diǎn)。在該過(guò)程中，熱區(qū)110a中的比較熱的工作流體膨脹并且流入經(jīng)冷卻和壓縮的冷區(qū)110b中。單向閥可設(shè)置在熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間的開(kāi)放軸113中，從而防止工作流體從熱區(qū)110a回流至冷區(qū)110b中。圖8為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的剖視圖，該圖示出通過(guò)流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)106的工作流體循環(huán)路徑。如圖8所示，單向閥801設(shè)置在熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間的開(kāi)放軸113中，從而防止工作流體從熱區(qū)110a回流至冷區(qū)110b。
從上述內(nèi)容可知，上述各實(shí)施例中的流體導(dǎo)引件的系統(tǒng)可完成多種任務(wù)。舉例而言，每個(gè)流體導(dǎo)引件可在結(jié)構(gòu)上附接至旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)與絕熱層104之間的通道、絕熱層104和分離器結(jié)構(gòu)105、流體引導(dǎo)結(jié)構(gòu)106的一個(gè)或多個(gè)壁。中央開(kāi)放軸113中的每個(gè)流體導(dǎo)引件可在結(jié)構(gòu)上適配至內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)壁。形成多個(gè)可供殼體101(或腔室110)內(nèi)的工作流體流動(dòng)的渠道、通道或?qū)Ч堋?duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，這些通道可位于工作流體路徑的任何部分中。這些通道可與工作流體成一角度從而輔助工作流體的運(yùn)動(dòng)。使用流體導(dǎo)引件或葉片限定流體在鄰近流體導(dǎo)引件中流動(dòng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于減少工作流體中的湍流。流體導(dǎo)引件的結(jié)構(gòu)可用來(lái)影響熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的機(jī)械參數(shù)(機(jī)械參數(shù)的一個(gè)實(shí)例可以是旋轉(zhuǎn)角速度)，諸如工作流體壓力和其角速度、工作流體流動(dòng)的方向與角度以及造成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭矩大小。因此，流體導(dǎo)引件的設(shè)計(jì)可改善熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的動(dòng)力輸出?？蛇x擇地，流體導(dǎo)引件不需附接至任何旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111、絕熱層104以及分離器結(jié)構(gòu)105。在這種情況下，沒(méi)有形成供工作流體流動(dòng)的多個(gè)渠道、通道或?qū)Ч?。最終的設(shè)計(jì)方案更簡(jiǎn)單，可以更平均地分布熱量，并且減輕殼體的重量。
旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111位于開(kāi)放軸113的下部且支承殼體101的重量，包括容納在殼體101內(nèi)的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100各種元件。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111通過(guò)接收從所有渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)或者殼體101中的流體導(dǎo)引件結(jié)構(gòu)傳送的組合扭矩而與軸109一起旋轉(zhuǎn)。如前所述，熱區(qū)110a與冷區(qū)110b之間的操作溫度差可由冷卻液體保持。在圖1、2與3所示的實(shí)施例中，冷卻流體由固定冷卻蓄液器107提供。在本實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111有助于冷卻流體的上升。圖5更詳細(xì)地示出圖1與圖2中的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111。如圖5所示，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111具有圓柱狀外壁501，其一部分穿過(guò)蓄液器蓋115的中央開(kāi)口插入冷卻蓄液器107中并且環(huán)繞冷卻蓄液器107的圓柱狀內(nèi)壁502。冷卻蓄液器107的圓柱狀內(nèi)壁502可向上延伸至旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111的頂壁504。軸109可附接至旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111的頂壁504。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111也可用于強(qiáng)化殼體101的底板101b并容許其承受熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的殼體101及其所包含的元件的負(fù)荷。軸109設(shè)計(jì)用來(lái)支承旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111并且將殼體101的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳送至被驅(qū)動(dòng)的負(fù)荷。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111包括通向冷卻蓄液器107的螺紋通道505a。當(dāng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111旋轉(zhuǎn)時(shí)，其將冷卻流體向上抽吸通過(guò)螺紋通道505a并進(jìn)入一腔室506，冷卻液體在這里流入空間507，該空間將冷卻流體分配入設(shè)置在絕熱層104的底部中的螺旋狀通道601與602(圖3)中。冷卻流體也可溢流入空間507中，冷卻液體在該空間中被引導(dǎo)入位于冷區(qū)110b底側(cè)的盤(pán)108與殼體101的底板101b之間的空間508中的通道中。絕熱層104中的螺旋狀通道與盤(pán)108下方的通道空間508二者使冷卻流體通過(guò)冷卻流體收納部(capture)510的出口返回到冷卻蓄液器107。諸如柱、壁或梁等的支承元件可采用任何需要的方式設(shè)置在空間508內(nèi)以提供支承以及引導(dǎo)流體流動(dòng)。冷卻流體收納部501可包括圍封的導(dǎo)管，從而提供使冷卻流體通過(guò)蓄液器蓋115的槽道。隨著殼體101旋轉(zhuǎn)，冷卻流體通過(guò)循環(huán)而不需外部泵即可保持冷區(qū)110b的溫度。
因此，依據(jù)圖5所示的實(shí)施例的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111、冷卻蓄液器107、蓄液器蓋115、冷卻流體收納部510，以及可設(shè)置為使來(lái)自冷卻蓄液器107的熱量散發(fā)的散熱片(未示出)。冷卻蓄液器107、蓄液器蓋115及冷卻流體收納部510是固定的且可由外部結(jié)構(gòu)(未示出)支承。在殼體101與冷卻蓄液器107壁部接觸的位置也可設(shè)置軸承。例如，軸承可以設(shè)置在殼體101的底板101b與冷卻流體收納部510的側(cè)壁之間、蓄液器蓋115的圓狀外壁501與圓筒狀壁511之間、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111的頂壁504與冷卻蓄液器107的圓筒狀內(nèi)壁502之間、以及冷卻蓄液器107的圓柱內(nèi)壁502與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111的凹入部503的壁部之間。這些承座也可用來(lái)以機(jī)械的結(jié)構(gòu)支承熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的重量并提供旋轉(zhuǎn)期間的穩(wěn)定性。軸承和蓄液器蓋115防止冷卻流體溢出。當(dāng)然，也可提供除冷卻蓄液器107以外的外部結(jié)構(gòu)來(lái)機(jī)械地支承殼體101。在本發(fā)明的該項(xiàng)實(shí)施例中，冷卻流體收納部510可由軸承包圍。冷卻流體收納部510的其他構(gòu)造也是可行的。
絕熱層104可填充有絕熱材料。一部分冷卻系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上適于絕熱層104。圖6為示出根據(jù)本發(fā)明一項(xiàng)實(shí)施例的用于冷卻鄰近冷區(qū)110b的絕熱層104部分中的冷卻流體的螺旋狀通道601和602。(雖然在圖6中只示出兩個(gè)通道，但是根據(jù)所需的冷卻流體流動(dòng)速率，實(shí)際實(shí)施時(shí)可使用額外的通道，下文將進(jìn)行說(shuō)明)。圖6示出冷卻流體分別從開(kāi)口601a與602a進(jìn)入通道601和602，并且從出口601b和602b通入導(dǎo)管從而通過(guò)流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106中的通道或者通過(guò)冷區(qū)110b中的支承結(jié)構(gòu)返回至冷卻流體收納部。為了實(shí)現(xiàn)冷區(qū)110b中的有效冷卻，冷卻流體通道可設(shè)置在圓盤(pán)108與流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)之間，專(zhuān)用導(dǎo)管，沿支承結(jié)構(gòu)設(shè)置或嵌入其中的通道，或冷區(qū)110b中的結(jié)構(gòu)組合。一般而言，冷卻流體可從螺紋通道501徑向地朝外周流動(dòng)且進(jìn)入冷卻流體收納部510。也可使用許多可將冷卻流體在整個(gè)冷卻區(qū)110b中分配的其他方案。依據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，支承結(jié)構(gòu)可設(shè)置于整個(gè)絕熱層104以便機(jī)械地支承絕熱層104。
冷卻流體優(yōu)選為比熱容大于工作流體比熱容的流體。為將冷區(qū)110b保持在優(yōu)選的溫度，流入冷區(qū)110b中的工作流體的熱必須通過(guò)冷卻流體及殼體101散熱。舉例而言，殼體101內(nèi)的散熱效率取決于冷區(qū)110b中的流體導(dǎo)引結(jié)構(gòu)106的流體導(dǎo)引件與葉片的將熱量在它們與殼體101接觸時(shí)從工作流體帶走熱量的能力。超過(guò)由殼體101消散的熱的工作流體中的熱由冷卻流體消散。圓筒狀外殼旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度確定冷卻流體被引進(jìn)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)111的螺紋通道505a中的壓力，因而也確定流入冷區(qū)110b中的冷卻流體的體積。在更高能量輸入的情況下，圓筒狀外殼以更高的角速度旋轉(zhuǎn)，由此能在每單位時(shí)間內(nèi)引入更大體積的冷卻流體，因此實(shí)現(xiàn)更大的冷卻效果以將熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100保持在所需的操作溫度范圍內(nèi)。環(huán)繞冷區(qū)110b的通道的長(zhǎng)度和分布取決于每單位時(shí)間所需的冷卻流體的體積和冷卻蓄液器107將冷卻流體中的熱傳遞至環(huán)境的能力。如果通道長(zhǎng)或者如果每單位時(shí)間流經(jīng)通道的冷卻流體的體積小，那么冷卻蓄液器107中的冷卻流體與回流的冷卻流體之間的溫度差將更大。相反地，如果通道長(zhǎng)度短或者每單位時(shí)間流經(jīng)通道的冷卻流體的體積大，那么冷卻蓄液器107中的冷卻流體與回流冷卻流體之間的溫度差將更小。更小的溫度差是優(yōu)選的。傳統(tǒng)的散熱片可設(shè)置在冷卻蓄液器107的外壁上以使過(guò)量的熱耗散。
可選的儲(chǔ)熱器701可設(shè)置在分離器結(jié)構(gòu)105上。即便熱源所提供的熱量可能在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)期間發(fā)生波動(dòng)，這一儲(chǔ)熱器也可使動(dòng)力輸出的波動(dòng)減到最小。儲(chǔ)熱器701可用來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)力需求的變化。即，儲(chǔ)熱器701在高需求期間可補(bǔ)充不足的能量產(chǎn)生，并且在產(chǎn)生的能量超過(guò)需求時(shí)可存貯能量。儲(chǔ)熱器701也可保持熱量并且在主熱源不再使用或者沒(méi)有提供足夠的熱能之后作為用于加熱工作流體的另一熱源。儲(chǔ)熱器701可與主要熱源連接以增加熱區(qū)的加熱量或加熱效率。儲(chǔ)熱器701的儲(chǔ)熱介質(zhì)可以是相位變化材料或者是通過(guò)分解或重組反應(yīng)使儲(chǔ)熱轉(zhuǎn)化成更高溫度的材料。通過(guò)分解或重組反應(yīng)使儲(chǔ)熱轉(zhuǎn)化成更低溫度的材料可用在絕熱層104或冷區(qū)110b中以供冷卻目的。在一項(xiàng)實(shí)施例中，利用相位變化材料增加儲(chǔ)熱器701的熱能密度以及在不變溫度下改善動(dòng)力性能。
圖7示出依據(jù)本發(fā)明一項(xiàng)實(shí)施例的儲(chǔ)熱器701的剖視圖。如圖7中所示，儲(chǔ)熱器701包括充有高比熱容或儲(chǔ)熱密度的流體的腔腔室，以及由彈簧703a和703b支承的金屬板702。儲(chǔ)熱器701中的流體可被加壓，且優(yōu)選地應(yīng)該在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100的整個(gè)操作溫度范圍內(nèi)保持液狀。(雖然在圖7中僅示有兩個(gè)彈簧，但可使用任何數(shù)目的彈簧來(lái)支承金屬板702)。金屬支承結(jié)構(gòu)(未示出)可設(shè)置在整個(gè)儲(chǔ)熱器701中以支承儲(chǔ)熱器701的頂壁和底壁并傳導(dǎo)來(lái)自熱區(qū)110a的熱量。開(kāi)始時(shí)，儲(chǔ)熱器701中的流體是冷的，并且金屬板702未與熱區(qū)110a的底部接觸。當(dāng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)100操作時(shí)，儲(chǔ)熱器701中的流體溫度上升。結(jié)果，彈簧703a與703b伸張以允許金屬板702接觸熱區(qū)110a的底部，以使熱區(qū)110a與儲(chǔ)熱器701中的流體間具有更大的傳熱表面積。依據(jù)本發(fā)明的一項(xiàng)實(shí)施例，固態(tài)材料或不同類(lèi)型材料的混合物可使用在儲(chǔ)熱器701中。加熱網(wǎng)也可用來(lái)促進(jìn)傳熱。流體導(dǎo)引件可用來(lái)提供外部熱源通道以增加對(duì)熱區(qū)110a及儲(chǔ)熱器701的傳熱。在這種設(shè)計(jì)中，一組熱管或加熱流體可導(dǎo)向穿過(guò)流體導(dǎo)引件。熱管中的工作流體可從外部殼體101進(jìn)入第一流體導(dǎo)引件，進(jìn)入儲(chǔ)熱器701，并且通過(guò)熱區(qū)110a中的第二流體導(dǎo)引件中的通道回流至外部殼體。因此，熱區(qū)110a可由加熱元件圍繞以提供熱效率。
根據(jù)所需的應(yīng)用情況，熱源可接觸殼體101的中心區(qū)域或環(huán)狀區(qū)域。當(dāng)熱區(qū)110a與冷區(qū)110b的位置相反時(shí)，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和加熱源可形成不同的操作構(gòu)造。這可帶來(lái)使工作流體循環(huán)并且維持熱區(qū)與冷區(qū)之間的更大溫度差的優(yōu)點(diǎn)。
上述詳細(xì)說(shuō)明用于說(shuō)明本發(fā)明的特定實(shí)施例而非意圖限制。在本發(fā)明范圍內(nèi)，可進(jìn)行許多不同的改進(jìn)和變化。本發(fā)明在下述權(quán)利要求中得以闡述。
權(quán)利要求
1.一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，包括殼體，包括具有第一區(qū)和第二區(qū)的腔室，該腔室浸于在第一區(qū)與第二區(qū)之間循環(huán)的工作流體中，其中，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間，第一區(qū)和第二區(qū)具有溫度差；以及渦輪機(jī)，具有該腔室的流體路徑中的多個(gè)表面，并且其中，該渦輪機(jī)的第一部分位于該腔室內(nèi)，使得多個(gè)表面上的工作流體的運(yùn)動(dòng)以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中該渦輪機(jī)的第一部分位于第一區(qū)與第二區(qū)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中該渦輪機(jī)的第一部分在結(jié)構(gòu)上適配于該腔室且驅(qū)動(dòng)該殼體運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中該渦輪機(jī)的第一部分形成多個(gè)由連接至該殼體的結(jié)構(gòu)限定的通道，以供工作流體循環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中該渦輪機(jī)包括第二組葉片，該葉片用于提供該腔室的外部的冷源或熱源的入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括具有螺紋通道的旋轉(zhuǎn)部分，使得渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)將冷卻流體吸引至發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，還包括處于該腔室內(nèi)的儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間向工作流體提供第二熱能源。
8.一種設(shè)置熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括設(shè)置殼體，該殼體包括具有第一區(qū)和第二區(qū)的腔室，該腔室浸于在第一區(qū)與第二區(qū)之間循環(huán)的工作流體中，其中，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的操作期間，第一區(qū)和第二區(qū)具有溫度差；以及設(shè)置渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)具有該腔室的流體路徑中的多個(gè)表面，并且其中，該渦輪機(jī)的第一部分位于該腔室內(nèi)，使得多個(gè)表面上的工作流體的運(yùn)動(dòng)以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中將該渦輪機(jī)的第一部分設(shè)置于第一區(qū)與第二區(qū)之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中將該渦輪機(jī)的第一部分設(shè)置成在結(jié)構(gòu)上適配于該腔室且驅(qū)動(dòng)該殼體運(yùn)動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中將該渦輪機(jī)的第一部分設(shè)置成形成多個(gè)由連接至該殼體的結(jié)構(gòu)限定的通道，以供工作流體循環(huán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中將該渦輪機(jī)設(shè)置成包括第二組葉片，該葉片用于提供該腔室的外部的冷源或熱源的入口。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括設(shè)置冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括具有螺紋通道的旋轉(zhuǎn)部分，使得渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)造成該旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)將冷卻流體吸引至發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括將儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)設(shè)置于該腔室內(nèi)，該結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間向工作流體提供熱量。
15.一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，包括殼體，該殼體包括含有工作流體且具有維持在一溫度差的第一區(qū)與第二區(qū)的腔室；以及處于傳熱的該腔室中的第一熱結(jié)構(gòu)；適配成保持溫差的第二熱結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中該第一熱結(jié)構(gòu)通過(guò)傳導(dǎo)通道在第一儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)與外部熱源之間執(zhí)行傳熱。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中該第一熱結(jié)構(gòu)包括儲(chǔ)熱裝置。
18.一種設(shè)置熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括設(shè)置殼體，該殼體包括含有工作流體且具有維持在一溫度差的第一區(qū)與第二區(qū)的腔室；以及將第一熱結(jié)構(gòu)設(shè)置在傳熱的該腔室中；將第二熱結(jié)構(gòu)適配成保持溫差。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中設(shè)置第一熱結(jié)構(gòu)，該第一熱結(jié)構(gòu)通過(guò)傳導(dǎo)通道在第一儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)與外部熱源之間執(zhí)行傳熱。
20.一種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，包括包圍一腔室的殼體，該腔室具有浸在工作流體中且具有溫度差的第一區(qū)和第二區(qū)，該工作流體不受阻礙地循環(huán)于第一區(qū)和第二區(qū)之間；以及多個(gè)連接至暴露于該腔室的部分殼體的結(jié)構(gòu)，該區(qū)域具有與工作流體接觸的表面，并且其中一些結(jié)構(gòu)位于該腔室中以使得工作流體沿氣旋路徑流動(dòng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中一氣流提高從第一區(qū)進(jìn)入第二區(qū)的工作流體的速度。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，其中在一個(gè)循環(huán)中返回至第一區(qū)的工作流體的動(dòng)量增加工作流體在下一循環(huán)中的動(dòng)量。
23.一種設(shè)置熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，包括設(shè)置包圍一腔室的殼體，該腔室具有浸在工作流體中且具有溫度差的第一區(qū)和第二區(qū)，該工作流體不受阻礙地循環(huán)于第一區(qū)和第二區(qū)之間；以及設(shè)置多個(gè)連接至暴露于該腔室的部分殼體的結(jié)構(gòu)，該區(qū)域具有與工作流體接觸的表面，并且其中一些結(jié)構(gòu)位于該腔室中以使得工作流體沿氣旋路徑流動(dòng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中設(shè)置一氣流，以提高從第一區(qū)進(jìn)入第二區(qū)的工作流體速度。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中設(shè)置成在一個(gè)循環(huán)中返回至第一區(qū)的工作流體的動(dòng)量增加工作流體在下一循環(huán)中的動(dòng)量。
26.一種具有基于流體的換熱器的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，包括流體存儲(chǔ)器；以及包括供流體流動(dòng)的螺紋通道的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上適配于旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體，以使得旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)確定從該流體存儲(chǔ)器流出的流體的速度。
27.一種設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的基于流體的換熱器的方法，包括設(shè)置流體存儲(chǔ)器；以及設(shè)置包括供流體流動(dòng)的螺紋通道的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上適配于旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體，以使得旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)確定從該流體存儲(chǔ)器流出的流體的速度。
全文摘要
一種包含殼體中的腔室的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，具有維持不同溫度的兩區(qū)。第一區(qū)接收來(lái)自外部動(dòng)力源的熱能。第二區(qū)通過(guò)二個(gè)導(dǎo)管連接至熱區(qū)，使得填充一腔室的流體(例如，空氣、水、或任何其他氣體或液體)可循環(huán)于兩區(qū)之間。流體在熱區(qū)中的膨脹與流體在冷區(qū)中的壓縮驅(qū)動(dòng)殼體的旋轉(zhuǎn)以提供動(dòng)力輸出。流體可被加壓以提高效率。設(shè)置在固定蓄液器中的冷卻流體維持熱區(qū)與冷區(qū)間的優(yōu)選操作溫度差。包含具有高熱容流體的儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)可設(shè)置為儲(chǔ)熱器。
文檔編號(hào)F01B29/10GK101044297SQ200580034871
公開(kāi)日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年10月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月12日
發(fā)明者蓋伊·西爾弗, 吳俊龍 申請(qǐng)人:蓋伊·西爾弗, 吳俊龍