專利名稱：用于外燃機(jī)的帶螺紋的密封法蘭以及密封壓力容器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外燃機(jī)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及諸如斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)之類(lèi)的外燃機(jī)和用來(lái)密封與其相關(guān)聯(lián)的壓力容器的改進(jìn)方法。
斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)最初是由Robert Stirling在十九世紀(jì)初葉設(shè)想的。在十九世紀(jì)中葉，這種灼熱氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的工業(yè)應(yīng)用被設(shè)計(jì)出來(lái)為磨坊提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的成功和普及，直到二十世紀(jì)中葉斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一直被忽略。斯特林循環(huán)機(jī)器，包括發(fā)動(dòng)機(jī)和制冷機(jī)，是在通過(guò)引證在此并入的Walker，Stirling Engine，Oxford University Press(1980)中詳細(xì)描述的。
斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理是用機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)斯特林熱力循環(huán)(1)氣體在氣缸里面的等容加熱，(2)氣體的等溫膨脹(在此期間通過(guò)驅(qū)動(dòng)活塞做功)，(3)等容冷卻和(4)等溫壓縮。關(guān)于斯特林循環(huán)機(jī)器和對(duì)它的改進(jìn)的各個(gè)方面的其他背景是在通過(guò)引證在此并入的Hargreaves，Phillips Stirling Engine(Elsevier，Amsterdam，1991)中討論的。因此，理想的斯特林循環(huán)能在壓力體積(PV)圖中被繪制成借助一對(duì)等容加熱和冷卻線連接起來(lái)的一對(duì)等溫膨脹-壓縮曲線。然而，在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這樣的理想循環(huán)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣活塞和功率活塞之間非獨(dú)立的相互作用從未被實(shí)現(xiàn)。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)理論上的高效率在最近幾年已引起人們相當(dāng)大的興趣。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)提供了容易控制燃燒排放物、潛在性地使用更安全、更廉宜和更容易得到的燃料和平穩(wěn)運(yùn)行操作的附加優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)組合起來(lái)使斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在許多應(yīng)用中變成非常符合需要的內(nèi)燃機(jī)的替代品。
盡管具有這些優(yōu)勢(shì)，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展還是以比可能預(yù)期的速率慢得多的速率進(jìn)行。由于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是包括被密封在增壓艙室中的工作氣體的外燃機(jī)，比較尖銳的問(wèn)題之一包括需要在高壓下把工作氣體密封在工作空間里面。
在運(yùn)行時(shí)，壓氣活塞本體在艙室里面是活動(dòng)的但是只占據(jù)該艙室體積的一部分，以致壓氣活塞本體向該艙室的冷端移動(dòng)，流體流向位于該艙室的熱端的剩余體積。流體的冷卻是借助壓氣活塞本體向熱端的相反運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，因此迫使流體流向艙室的冷端。以這種方式，流體受制于對(duì)壓氣活塞本體的運(yùn)動(dòng)敏感的熱力學(xué)循環(huán)。
艙室的熱端是用任何想要的或可得的裝置(包括煤氣燈、太陽(yáng)能加熱器等)從外部加熱的。流體艙室的冷端可能是連同其它可能的冷卻方案一道用水或空氣冷卻的。增壓流體被允許對(duì)工作活塞施力和使它往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由此可以通過(guò)機(jī)械軸裝配或類(lèi)似的東西得到有用功輸出。
理想的斯特林循環(huán)能用被一對(duì)等容加熱和冷卻線連接起來(lái)的一對(duì)等溫膨脹-壓縮曲線在壓力體積(PV)圖中繪制成曲線。然而，在實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)中，這樣的理想循環(huán)由于在發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣活塞活塞和功率活塞之間非獨(dú)立的相互作用從未被實(shí)現(xiàn)。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已被建議用在范圍廣泛的應(yīng)用中。例子包括汽車(chē)應(yīng)用、制冷系統(tǒng)和外太空中的應(yīng)用。在給便攜式電子儀器、通信齒輪、醫(yī)學(xué)裝置和提供遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的其它儀器的供電需要中也提供另一個(gè)機(jī)會(huì)，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要提供高功率和能量密度的電源，同時(shí)還要求尺寸和重量最小，排放物和費(fèi)用少。一種非常適合的設(shè)計(jì)是自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用機(jī)械上獨(dú)立于功率輸出構(gòu)件的壓氣活塞。自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于功率輸出構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)和定相是用彈簧和質(zhì)量的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)的狀態(tài)而不是用機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置完成的。
迄今，電池已成為供應(yīng)便攜式電源的主要方法。然而，用來(lái)給電池充電所需要的時(shí)間已經(jīng)被證明對(duì)于連續(xù)使用的應(yīng)用是不便的。而且，便攜式電池通常局限于產(chǎn)生幾毫瓦到幾瓦的功率，因此不能夠滿足高水平的可移動(dòng)的重量輕的功率生產(chǎn)的需要。
用汽油或柴油作燃料的內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的小型發(fā)電機(jī)已被使用。然而，這樣的發(fā)電機(jī)的噪音和排放物特性使它們變成完全不適合各式各樣的移動(dòng)式電力系統(tǒng)，而且對(duì)于戶內(nèi)使用是不安全的。雖然用高能量密度液體燃料提供能量的傳統(tǒng)熱機(jī)在尺寸有某些優(yōu)勢(shì)，但是熱力學(xué)縮放和成本方面的考慮傾向于把它們用于較大的發(fā)電廠。
如上所述，在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓氣活塞缸的一端總是灼熱的；而另一端總是比較涼的。盡管這種設(shè)計(jì)從效率來(lái)看是有益的，因?yàn)閴簹饣钊椎耐粎^(qū)段的重復(fù)加熱和冷卻得以避免，但是壓氣活塞缸兩端的材料要求截然不同。為了處理這些不同的需求，已考慮使用由不同的材料形成的兩部分拼合的壓力容器。由于氦氣往往是優(yōu)選的工作流體，而且壓力容器的主導(dǎo)內(nèi)部壓力是很高的，所以有效地密封這樣的壓力容器已被證明是挑戰(zhàn)性的。
鑒于此，以及盡管技術(shù)上的進(jìn)步，繼續(xù)需要一種由不同的材料形成的有改進(jìn)的密封特性的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力容器。
一方面，本發(fā)明指向用來(lái)容納可操作地把熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率或電力的機(jī)械裝置的壓力容器，該壓力容器包括a)高溫區(qū)段，所述的高溫區(qū)段有第一末端和敞開(kāi)的第二末端；b)密封法蘭，所述的密封法蘭有第一末端和帶螺紋的第二末端，所述的第一末端與所述高溫區(qū)段的所述的敞開(kāi)的第二末端結(jié)合；以及c)有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端低溫區(qū)段，所述敞開(kāi)的第一末端與所述密封法蘭的所述的帶螺紋的第二末端密封接合。
另一方面，本發(fā)明指向的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)包括a)壓力容器，該壓力容器有高溫區(qū)段，所述高溫區(qū)段有第一末端和敞開(kāi)的第二末端，密封法蘭，所述密封法蘭有第一末端和帶螺紋的第二末端，所述的第一末端與所述高溫區(qū)段的所述的敞開(kāi)的第二末端結(jié)合；和低溫區(qū)段，該低溫區(qū)段有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端，所述的敞開(kāi)的第一末端與所述密封法蘭的所述的帶螺紋的第二末端密封接合；b)在所述壓力容器里面形成的壓氣活塞缸，所述壓氣活塞缸有高溫末端和低溫末端；以及c)用來(lái)使所述的壓氣活塞缸從所述的高溫末端到低溫末端往復(fù)移動(dòng)的壓氣活塞。
另外一個(gè)方面，本發(fā)明指向氣密密封斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力容器的方法，該壓力容器有高溫區(qū)段，該高溫區(qū)段有第一末端和敞開(kāi)的第二末端，以及低溫區(qū)段，該低溫區(qū)段有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端，該方法包括如下步驟
a)提供密封法蘭，該密封法蘭有第一末端和帶螺紋的第二末端；b)使密封法蘭的第一末端與高溫區(qū)段的敞開(kāi)的第二末端結(jié)合；c)用焊接劑均勻地涂覆低溫區(qū)段的敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的外表面；d)用焊接劑均勻地涂覆密封法蘭的帶螺紋的第二末端的內(nèi)表面；以及e)加熱密封法蘭的帶螺紋的第二末端，直到焊接劑涂層被均勻地熔融和共混，其中在冷卻時(shí)焊接劑層再次凝固，形成無(wú)泄漏的氣密密封。
現(xiàn)在參照僅僅作為例子給出的本發(fā)明的優(yōu)選形式和附圖更詳細(xì)地描述這項(xiàng)發(fā)明，其中

圖1展示使用本發(fā)明的帶螺紋的密封法蘭的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)100的剖視圖，它的燃燒室/間壁式換熱器組件已被移走；圖2把燃燒室/間壁式換熱器區(qū)段與依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的帶螺紋的密封法蘭的局部剖視圖一起展示在局部剖視圖中；圖3A展示依照本發(fā)明的實(shí)施方案的帶螺紋的密封法蘭形式的俯視平面圖3B展示依照本發(fā)明的實(shí)施方案的帶螺紋的密封法蘭的沿著圖3A的B-B線截取的剖視圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1-3B舉例說(shuō)明的實(shí)施方案，其中相似的數(shù)字用來(lái)到處表示相似的零部件。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種使用外部的連續(xù)燃燒系統(tǒng)加熱的外燃機(jī)。通常，所述連續(xù)燃燒系統(tǒng)由吸氣系統(tǒng)，排氣裝置和燃燒室組成。在運(yùn)行時(shí)，壓氣活塞被安排在壓氣活塞缸之內(nèi)，其一端被外部的燃燒系統(tǒng)加熱。壓氣活塞缸放置在最具有壓力容器特征的裝置中，而且所述壓氣活塞缸容納通常是氦氣的工作流體。當(dāng)壓氣活塞被放置在壓氣活塞缸的熱端里面的時(shí)候，工作流體向相對(duì)的溫度較低的末端移動(dòng)，并且處在較低的溫度和壓力之下。當(dāng)壓氣活塞被移進(jìn)壓氣活塞缸的冷端的時(shí)候，工作流體在壓氣活塞周?chē)苿?dòng)并且進(jìn)入壓氣活塞缸的熱端，從而升高工作流體的溫度和壓力。
如同人們可以領(lǐng)會(huì)到的那樣，壓氣活塞缸的一端總是很熱的；而另一端總是比較涼的。這種設(shè)計(jì)從效率來(lái)看是有益的，因?yàn)檫@樣避免了對(duì)壓氣活塞缸的同一區(qū)段的重復(fù)加熱和冷卻。然而，壓氣活塞缸兩端的材料要求是截然不同的。為了處理這些不同的需求，使用由不同的材料形成的兩個(gè)部分拼合的壓力容器可能是有利的。因?yàn)楹馔莾?yōu)選的工作流體，而且壓力容器的主導(dǎo)內(nèi)部壓力很高，有效密封這樣的壓力容器已被證明富有挑戰(zhàn)性。如同下面將會(huì)描述的那樣，本發(fā)明的帶螺紋的密封法蘭迎接這種挑戰(zhàn)，提供一種用來(lái)密封不同材料的有效機(jī)制。
圖1展示使用本發(fā)明的帶螺紋的密封法蘭的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)100的剖視圖，它的燃燒室/間壁式換熱器組件已被移去。適當(dāng)?shù)娜紵?間壁式換熱器50被展示在圖2所示的局部剖視圖中，而且是在通過(guò)引證將其內(nèi)容全部并入的于2003年7月2日申請(qǐng)的臨時(shí)專利申請(qǐng)第60/484,508號(hào)中揭示的。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)100有包括高溫區(qū)段12節(jié)和低溫區(qū)段14的壓力容器10。高溫區(qū)段12是用選定的材料構(gòu)成的，以經(jīng)得起由于所述高溫區(qū)段12極接近燃燒室/間壁式換熱器組件50(見(jiàn)圖2)造成的高溫環(huán)境，這樣的材料包括薄壁不銹鋼和統(tǒng)稱為超級(jí)耐熱合金的高鎳合金。在材料選擇方面考慮的其它因素包括安全方面的需求、長(zhǎng)壽命、低質(zhì)量和優(yōu)異的高溫抗氧化性。盡管不銹鋼在這種應(yīng)用中有實(shí)用性，但是超級(jí)耐熱合金是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谂c不銹鋼相比較的時(shí)候擁有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、極好的耐疲勞性和抗氧化性。
在非常高的壓力和溫度下，壓力容器容納按照高和低兩種頻率模式循環(huán)變化的氦氣。低循環(huán)疲勞已被發(fā)現(xiàn)是主要問(wèn)題，這樣的疲勞與發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)機(jī)次數(shù)相關(guān)聯(lián)。在選擇用于高溫區(qū)段12的材料時(shí)，成本、質(zhì)量、壽命和性能的權(quán)衡是必須估定的。例如，如果壓力容器壁比較厚，而且操作溫度維持在比較低的水平，那么成本較低的不銹鋼能產(chǎn)生與超級(jí)耐熱合金相當(dāng)?shù)陌踩蛪勖匦?，然而所?shí)現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)效率和功率輸出比較低。重要的是在高溫下的強(qiáng)度、耐蠕變和抗氧化性。
如上所述，優(yōu)選的材料包括超級(jí)耐熱合金，例如Inconel600(能經(jīng)得起800℃的最高溫度)、Inconel 625(能經(jīng)得起900℃的最高溫度)、Inconel 718(能經(jīng)得起1000℃以上的最高溫度)、Inconel 754(能經(jīng)得起1800℃的最高溫度)和Hastelloy GMR235(能經(jīng)得起935℃的最高溫度)，其中Inconel 718是特別優(yōu)選的。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將認(rèn)可，高溫區(qū)段12可以借助深沖壓、液壓成形、機(jī)械加工或鑄造來(lái)制造。
在選擇用于形成低溫區(qū)段14的材料時(shí)，對(duì)低質(zhì)量、與往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的熱生長(zhǎng)兼容性和高導(dǎo)熱率的期望使鋁合金變成用于壓力容器冷端允許使用的最佳選擇。眾所周知，鋁的密度大體上是超級(jí)耐熱合金密度的三分之一，而且強(qiáng)度要低得多。這需要使壓力容器壁變得厚得多，雖然該結(jié)構(gòu)仍然是足夠輕的。通過(guò)在形成低溫區(qū)段14時(shí)使用鋁的產(chǎn)生的另一種利益是在活塞和壓氣活塞與它們的孔之間熱膨脹系數(shù)的匹配，以致當(dāng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷溫度變化的時(shí)候不發(fā)生磨損。選擇鋁的另一個(gè)理由是當(dāng)驅(qū)動(dòng)溫差低的時(shí)候更容易通過(guò)低溫區(qū)段14的壁把熱量轉(zhuǎn)移給外部的熱交換器32。
關(guān)于帶螺紋的密封法蘭16的材料選擇，人們應(yīng)該注意到壓力容器10的高溫區(qū)段12被燃燒室/間壁式換熱器組件50維持在大約650℃。壓力容器10的低溫末端被外部的熱交換器32維持在大約100℃。在該發(fā)動(dòng)機(jī)里面，整個(gè)溫差(650℃-100℃)是沿著回?zé)崞鞯臒峤粨Q器長(zhǎng)度獲得的。優(yōu)選的是把高溫區(qū)段12和低溫區(qū)段14之間的接縫的位置選定在回?zé)崞鞯睦涠怂礁浇?，因?yàn)檫@是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的自然斷點(diǎn)，而且溫度梯度的大小能沿著超級(jí)耐熱合金高溫區(qū)段12的壁獲得。沿著超級(jí)耐熱合金高溫區(qū)段12的壁而不是沿著鋁制低溫區(qū)段14的壁獲得溫度梯度的大小是符合需要的，因?yàn)槌?jí)耐熱合金的比較高的強(qiáng)度和耐蠕變性允許它經(jīng)受得住負(fù)荷和與溫度梯度相關(guān)聯(lián)的那些引起的組合壓力。此外，傳導(dǎo)損失由于超級(jí)耐熱合金壁的導(dǎo)熱率和必需的橫截面積比較小而被減少，而且任何從發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端向冷端傳導(dǎo)的熱量都代表效率損失。
鑒于上述的各種因素，帶螺紋的密封法蘭16可以用不銹鋼和超級(jí)耐熱合金構(gòu)成，超級(jí)耐熱合金包括Inconel 600、Inconel625、Inconel 718、Inconel 754和Hastelloy GMR 235，其中Inconel718是特別優(yōu)選的。如同下面將更詳細(xì)地描述的那樣，氣密密封是通過(guò)使用帶螺紋的密封法蘭16在高溫區(qū)段12和低溫區(qū)段14之間提供的。如同下面將進(jìn)一步討論的那樣，帶螺紋的密封法蘭16可能是銅焊或焊接到壓力容器10的高溫區(qū)段12上的。帶螺紋的密封法蘭16和壓力容器10的高溫區(qū)段12的組件可能作為替代被機(jī)加工或鑄造成單一的零部件。
仍然參照?qǐng)D1，位于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)100的壓力容器10內(nèi)部的是安裝在壓氣活塞桿26上的壓氣活塞組件22。壓氣活塞桿26附著在發(fā)動(dòng)機(jī)外殼30上。壓氣活塞組件22由壓氣活塞密封體27、壓氣活塞蓋組件21和彈簧23組成。彈簧23用安裝螺釘(未展示)附著到壓氣活塞密封體27上，并且用安裝環(huán)25附著到壓氣活塞桿26上。在壓氣活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，彈簧23的一端借助安裝螺釘固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，而彈?3直接隨著壓氣活塞22的運(yùn)動(dòng)自由地伸展和收縮。雖然彈簧23直接隨著壓氣活塞22的運(yùn)動(dòng)自由地伸展和收縮是重要的，但是上述的彈簧23對(duì)壓氣活塞桿26的附著機(jī)制僅僅是許多可能提供的附著方式之一。而且，壓氣活塞22和彈簧23被設(shè)計(jì)為彈簧23的移動(dòng)質(zhì)量和力常數(shù)提供在預(yù)期的頻率下機(jī)械共振的組合。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2、3A和3B，一種帶螺紋的密封法蘭16形式的放大圖被展示出來(lái)。帶螺紋的密封法蘭16有第一末端40和帶螺紋的第二末端42。第一末端40為了與高溫區(qū)段12的敞開(kāi)末端52結(jié)合可以是沒(méi)有螺紋的。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將會(huì)認(rèn)可，所述結(jié)合可以通過(guò)焊接或銅焊來(lái)完成。帶螺紋的第二末端42在其內(nèi)表面上有螺紋44。優(yōu)選的是使用機(jī)制螺紋而不是管螺紋，以保證與低溫區(qū)段14完全密封接合。業(yè)已發(fā)現(xiàn)2MM機(jī)制螺紋是特別有效的。
如圖2所示，低溫區(qū)段14有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端60，該末端有在其外表面上的螺紋48。優(yōu)選的是使用機(jī)制螺紋而不是管螺紋，以保證與帶螺紋的密封法蘭16完全密封接合。再一次發(fā)現(xiàn)2MM機(jī)制螺紋是特別有效的。
如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人可以領(lǐng)會(huì)到的那樣，在不使用諸如O型圈之類(lèi)的傳統(tǒng)的密封材料的情況下，為密封尋找的苛刻環(huán)境使實(shí)現(xiàn)氣密密封變成符合需要的。因此，螺紋本身必須密封接縫。為了保證氣密密封，螺紋44可以在組裝之前被均勻地涂上焊接劑70。為了在使用鋁制成低溫區(qū)段14的時(shí)候，解決焊接劑涂層在低溫區(qū)段14的敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端60的螺紋48上流動(dòng)的問(wèn)題，螺紋48首先被電鍍上銅、鎳或非電鍍鎳層72，其中非電鍍鎳是優(yōu)選的。在施加鍍層72之后，均勻的焊接劑涂層74在組裝之前被加上去。作為替代，為焊接劑坯料準(zhǔn)備的洞可以在帶螺紋的密封法蘭16上或在壓力容器10的低溫區(qū)段14的敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端60上機(jī)加工成形。
為了組裝該接縫，帶螺紋的密封法蘭16的第一末端40被銅焊到高溫區(qū)段12的敞開(kāi)的第二末端52上。密封法蘭16的帶螺紋的第二末端42通過(guò)螺紋擰到低溫區(qū)段14的敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端60之上直到完全固定為止。在密封法蘭16的帶螺紋的第二末端42周?chē)訜?，直到焊接劑涂?0和74均勻地熔融和共混。該接縫被允許冷卻，直到焊接劑層再次凝固形成無(wú)泄漏的氣密密封。
帶螺紋的的法蘭提供一種用來(lái)把斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)壓力容器的熱端和冷端連接起來(lái)的簡(jiǎn)單方法，允許考慮使用不同材料的機(jī)械連接。有利的是，螺紋承擔(dān)與增壓和溫度梯度相關(guān)聯(lián)的機(jī)械負(fù)荷。如同熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人可能領(lǐng)會(huì)到的那樣，該接縫經(jīng)過(guò)配置以致零部件的熱生長(zhǎng)在帶螺紋的的法蘭中產(chǎn)生切向應(yīng)力而在鋁中產(chǎn)生壓力。而且，該接縫經(jīng)過(guò)配置以致軸向負(fù)荷與螺紋對(duì)準(zhǔn)到可能減少?gòu)澗氐某潭取?br> 在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)100操作時(shí)，熱量將在大約500℃和750℃之間的溫度供應(yīng)給加熱器頭。為了使效率達(dá)到最大值，應(yīng)該使用充分預(yù)熱的助燃空氣。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，空氣在燃燒室/間壁式換熱器組件50(見(jiàn)圖2)的間壁式換熱器中被預(yù)熱。為了達(dá)到最大的燃燒室效率，高質(zhì)量的熱量(即直接來(lái)自燃燒的熱量)被直接轉(zhuǎn)移到發(fā)動(dòng)機(jī)加熱器頭，而質(zhì)量較低的熱量(即廢氣流的熱量)被用來(lái)在間壁式換熱器中預(yù)熱助燃空氣。
優(yōu)選的是，燃燒室可以是使用氣體燃料來(lái)源加燃料的，或者可以配備有能夠?yàn)槿紵郎?zhǔn)備汽化的高能量密度液體燃料的燃料系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力(環(huán)境條件)下呈氣態(tài)的適當(dāng)?shù)娜剂习ㄖT如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷之類(lèi)的碳?xì)淙剂稀Ｗ鳛樘娲m合本發(fā)明使用的燃料汽化器是在通過(guò)引證將其內(nèi)容全部并入的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/143,463號(hào)中揭示的。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)容納可通過(guò)操作將熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率或電力的機(jī)械裝置的壓力容器，其中包括a)高溫區(qū)段，所述高溫區(qū)段有第一末端和敞開(kāi)的第二末端；b)密封法蘭，所述密封法蘭有第一末端和帶螺紋的第二末端，所述的第一末端與所述高溫區(qū)段的所述敞開(kāi)的第二末端結(jié)合；以及c)有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的低溫區(qū)段，所述敞開(kāi)的第一末端與所述密封法蘭的所述帶螺紋的第二末端密封接合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的壓力容器，其中所述高溫區(qū)段是由選自薄壁不銹鋼和高鎳合金的材料構(gòu)成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的壓力容器，其中所述高溫區(qū)段是由選自薄壁不銹鋼、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 718、Inconel754和Hastelloy GMR 235的材料構(gòu)成的。
4.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的壓力容器，其中所述密封法蘭是由選自薄壁不銹鋼和高鎳合金的材料構(gòu)成的。
5.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的壓力容器，其中所述密封法蘭是由選自薄壁不銹鋼、Inconel 600、Inconel 625、Inconel 718、Inconel 754、和Hastelloy GMR 235的材料構(gòu)成的。
6.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的壓力容器，其中所述低溫區(qū)段是鑄鋁合金。
7.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的壓力容器，其中所述低溫區(qū)段的所述的敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的外表面是用選自銅、鎳和非電鍍鎳的材料層包蓋的。
8.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的壓力容器，其中所述低溫區(qū)段的所述敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的所述外表面被均勻地涂上焊接劑。
9.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的壓力容器，其中所述密封法蘭的所述帶螺紋的第二末端的內(nèi)表面被均勻地涂上焊接劑。
10.根據(jù)任何上述權(quán)利要求的壓力容器，其中所述密封法蘭在所述高溫區(qū)段和所述低溫區(qū)段之間有效地形成氣密密封。
11.一種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括a)壓力容器，該壓力容器有高溫區(qū)段，所述高溫區(qū)段有第一末端和敞開(kāi)的第二末端；密封法蘭，所述密封法蘭有第一末端和帶螺紋的第二末端，所述的第一末端與所述高溫區(qū)段的敞開(kāi)的第二末端結(jié)合；以及有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的低溫區(qū)段，所述敞開(kāi)的第一末端與所述密封法蘭的帶螺紋的第二末端密封接合；b)在所述壓力容器里面形成的壓氣活塞缸，所述壓氣活塞缸有高溫末端和低溫末端；以及c)用來(lái)使所述壓氣活塞缸從所述高溫末端到低溫末端來(lái)回移動(dòng)的壓氣活塞。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述高溫區(qū)段是由選自薄壁不銹鋼和高鎳合金的材料構(gòu)成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述密封法蘭是由選自薄壁不銹鋼和高鎳合金的材料構(gòu)成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12或13的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述低溫區(qū)段是由鋁合金構(gòu)成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13或14的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述的低溫區(qū)段的所述敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的外表面是用選自銅、鎳和非電鍍鎳的材料層包蓋的。
16.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13、14或15的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述低溫區(qū)段的所述敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的所述外表面被均勻地涂上焊接劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13、14、15或16的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述密封法蘭的所述帶螺紋的第二末端的內(nèi)表面被均勻地涂上焊接劑。
18.根據(jù)權(quán)利要求11、12、13、14、15、16或17的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其中所述密封法蘭在所述高溫區(qū)段和所述低溫區(qū)段之間有效地氣密密封。
19.一種氣密密封斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力容器的方法，該壓力容器有高溫區(qū)段，該高溫區(qū)段有第一末端和敞開(kāi)的第二末端，和有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的低溫區(qū)段，所述方法包括如下步驟a)提供密封法蘭，該密封法蘭有第一末端和帶螺紋的第二末端；b)使密封法蘭的第一末端與高溫區(qū)段的敞開(kāi)的第二末端結(jié)合；c)將低溫區(qū)段的敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端的外表面均勻地涂上焊接劑；d)將密封法蘭的帶螺紋的第二末端的內(nèi)表面均勻地涂上焊接劑；以及e)加熱密封法蘭的帶螺紋的第二末端，直到焊接劑涂層被均勻地熔融和共混，其中在冷卻時(shí)焊接劑層再次凝固以便形成無(wú)泄漏的氣密密封。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中高溫區(qū)段是由選自薄壁不銹鋼和高鎳合金的材料構(gòu)成的。
全文摘要
一種用來(lái)容納可通過(guò)操作將熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率或電力的機(jī)械裝置的壓力容器，該容器包括高溫區(qū)段(12)，該高溫區(qū)段有第一末端和敞開(kāi)的第二末端(52)；密封法蘭(16)，該密封法蘭有第一末端(40)和帶螺紋的第二末端(42)，該第一末端與高溫區(qū)段敞開(kāi)的第二末端結(jié)合，以及有敞開(kāi)的帶螺紋的第一末端(60)的低溫區(qū)段(14)，敞開(kāi)的第一末端與密封法蘭的帶螺紋的第二末端密封地接合。另外，提供的是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和密封斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力容器的方法。
文檔編號(hào)F02G1/055GK1864001SQ200480029122
公開(kāi)日2006年11月15日 申請(qǐng)日期2004年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者羅伯托·O·珀里澤瑞, 勞倫斯·B·潘思威克 申請(qǐng)人:蒂艾克思股份有限公司