專利名稱：α構造的斯特林發(fā)動機和帶有分級式活塞的熱泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及斯特林發(fā)動機以及熱泵，尤其涉及對被布置成α構造的自由活塞式、多氣缸斯特林發(fā)動機以及熱泵的改進。
背景技術：
斯特林機為人們所知已將近兩個世紀，但是在最近的數(shù)十年中由于其所能提供的優(yōu)點而到了顯著的發(fā)展。在一個斯特林機中，工作氣體被限制在一工作空間中，該空間包括一膨脹空間和一壓縮空間。工作氣體交替地膨脹和壓縮以做功或抽吸熱量。斯特林機在壓縮空間和膨脹空間之間循環(huán)往復輸送工作氣體，這兩個空間通過一吸熱器(acceptor)、再生器和放熱器(rejecter)流體連通。這一往復輸送通常是通過在氣缸中往復運動的活塞來完成的，且該往復輸送循環(huán)改變每個空間中的工作氣體的相對比例。膨脹空間中的和/或通過再生器和膨脹空間之間的換熱器(吸熱器)流入膨脹空間的氣體從周圍表面接收熱量。壓縮空間中的和/或通過再生器和壓縮空間之間的換熱器(放熱器)流入壓縮空間的氣體向周圍表面放出熱量。在任何時候，在兩個空間中的氣體壓力基本上是一樣的，因為這兩個空間通過一個具有相對較低的流動阻力的通道而互相連接。然而，在工作空間中的工作氣體作為整體，其壓力隨著循環(huán)而有所不同。當大多數(shù)工作氣體在壓縮空間中時，熱量從氣體中放出。當大多數(shù)工作氣體在膨脹空間中時，氣體吸收熱量。不論該機器是作為熱泵還是作為發(fā)動機工作都是如此。唯一需要在所產(chǎn)生的功或所抽吸的熱量之間進行區(qū)別的是進行膨脹過程時的溫度。如果膨脹過程溫度比壓縮空間的溫度高，則該機器傾向于產(chǎn)生功，而如果膨脹過程的溫度低于壓縮空間溫度，則該機械將把熱量從冷源抽到一較熱的蓄熱池中。
因此可將斯特林機設計成利用以上的原理來提供以下之一(1)一發(fā)動機，該發(fā)動機具有通過向膨脹空間施加外部熱源并從壓縮空間傳出熱量而被驅動的活塞；或(2)一熱泵，該熱泵具有由一主發(fā)動機循環(huán)驅動以將熱量從膨脹空間抽到壓縮空間的活塞。熱泵模式允許使斯特林機可用于冷卻與其膨脹空間熱連接的物體，包括將其冷卻到深冷溫度，或者用于冷卻諸如一家用加熱換熱器之類的與其壓縮空間熱連接的物體。因此，術語斯特林“機”是用來一般地包括斯特林發(fā)動機和斯特林熱泵的。
直到1965年為止，斯特林機都是被構造成動能驅動的機器，意即活塞由一機械連接裝置互相連接，典型的是桿和曲柄軸。隨后，William Beale發(fā)明了自由活塞式斯特林機。在自由活塞式斯特林機中，活塞并不連接于機械驅動連接裝置。自由活塞式斯特林機被構造成機械振動器，且其活塞之一(通常被稱為置換器)由機器中的工作氣體壓力變化而驅動。它們提供了大量的優(yōu)點，其中包括對它們的頻率和相位的控制以及在移動元件之間不需要密封件來防止工作氣體與潤滑油混合。
斯特林機已被開發(fā)出各種構造?，F(xiàn)代斯特林機的一種普通形式是α構造，也將其稱為Rinia、Siemens或雙向作用配置。在α構造中，在獨立的氣缸中至少有兩個活塞，而每個活塞所限定的膨脹空間與另一個氣缸中的另一個活塞所限定的壓縮空間相連。這些連接布置在一串聯(lián)回路中，該回路將多個氣缸的膨脹和壓縮空間連接在一起。每個膨脹空間和與另一個活塞相關的壓縮空間之間的連接通常連續(xù)地包括(1)用來向工作氣體施加熱量的一換熱器，(2)一再生器和(3)用于將從工作氣體放出的熱量帶走的一換熱器。它們的膨脹和壓縮空間由相同長度的通道互相連接，從而形成圖1所示的盒形-四件式配置。更具體地說，圖1示出了可在四個平行氣缸12中滑動的四個活塞10的傳統(tǒng)的、α構造、盒形-四件式配置。每個氣缸12的膨脹空間14與另一個氣缸12的壓縮空間16相連以形成串聯(lián)的閉合回路。每一連接是通過串聯(lián)連接的(1)一吸熱器式換熱器A，該換熱器吸收來自一外部熱源的熱量并將它傳輸給14中的工作氣體；(2)一再生器R；以及(3)一放熱器式換熱器K，該換熱器傳輸從壓縮空間16中放出的熱量并將熱量放到一外部的物質。傳統(tǒng)的工藝已將這些機器以這一機器的動能式形式構造成這一盒形-四件式配置。這一配置受到不合理的限制，這些限制是需要四個運動部件加一個附屬的曲柄機構，并且需要在一個正方形的每一角上都設置氣缸。
總的來說，α型斯特林機被構造成動能驅動的機器。曲柄軸的相位為活塞之間的相對相位總是90°。這就限制了在給定速度處的功率控制以及壓力調節(jié)或行程控制。
William Beale在1976年提出了一種自由活塞式、α構造的機器。然而，就已知的，除了Beale最初提出的那種簡單的四氣缸類型以外，沒有其它的多氣缸、自由活塞式斯特林機被揭示出來。自由活塞式α機器的優(yōu)點就是自由活塞裝置的優(yōu)點，即沒有潤滑油、沒有機械組件、氣體軸承運行簡單、通過行程的調節(jié)而進行調制、以及該機器可密封而防止工作氣體泄漏。與傳統(tǒng)的置換器-活塞或β構造相比，α構造一直被認為是自由活塞式斯特林機的過度復雜的類型。
出于完整起見，第二種斯特林機構造是β斯特林構造，其特征為在同一個氣缸中的一置換器和活塞。第三種是γ斯特林構造，其特征為將置換器和活塞放置在不同的氣缸中。本發(fā)明針對的是α構造、自由活塞式斯特林機。
圖2中示出了自由活塞模式的α構造斯特林機的第n個元件的通常的布置?；钊?0可在氣缸22中匹配地滑動并在活塞的上表面26限定一膨脹空間24?；钊麠U28穿過一軸承30而延伸，從而與彈簧32和一象征性的阻尼器34連接，用來減震?；钊?0的環(huán)形端面36限定出一壓縮空間38。壓縮空間端口40與另一個類似的元件的串聯(lián)的換熱器和再生器相連，并通過它們與另一個氣缸的膨脹空間相連。端口42從串聯(lián)的換熱器44和46以及再生器48導向另一個氣缸的壓縮空間。圖2只示出斯特林機。在斯特林發(fā)動機的情況下，還有一個負載連接于活塞桿28，而在斯特林熱泵的情況下，一主發(fā)動機連接于活塞桿28。圖2中從活塞引出并指向上的箭頭以及其它附圖中的類似的箭頭表示活塞的正位移或行程的慣常方向。
清楚且可總體理解的是，可將α機器以圖3所示的形式組合，從而具有五個以上如所述地連接在一起的氣缸，雖然還可有更多氣缸。在圖3中的每個多活塞例子旁邊的是顯示出相關例子的活塞的循環(huán)運動以及膨脹和壓縮空間容積的循環(huán)變化的相矢量圖。斯特林機中的膨脹空間和壓縮空間之間的相位角十分重要，因為功率和效率是這個相位角的函數(shù)。在早期的α斯特林機中，通過氣缸的方位以及將活塞桿連接到一曲柄軸而完成的對活塞的連接，從而將容積相位角固定在90°。然而，對于任何一個斯特林機，較佳的容積相位角在90°到140°的范圍內?？梢詤⒄請D14看到這一點，該圖示出了功率和效率作為容積相位角的函數(shù)的曲線圖。希望能使斯特林機工作在效率曲線圖以及功率曲線圖的峰值附近。較低和較高的容積相位角會危及效率和功率。在低容積相位角處的不良的性能是由于高流量損失、高滯后損失和單位容積較低的容量(功率或熱量提升)造成的。最理想的相位角大致在120°左右。容積相位角是膨脹空間和壓縮空間的容積相位與活塞運動之間關系的函數(shù)。這些關系是機器結構的函數(shù)，由此，膨脹空間容積和與之相連的壓縮空間之間的容積相位角是機器結構的函數(shù)。
在圖3的相矢量圖中，容積相位角α被顯示為用于單組膨脹和壓縮空間的容積變化且對于同一例子中的其它組來說將是一樣的。根據(jù)慣例，α是膨脹空間容積超前于壓縮空間容積的角度。在圖1-3中所示的常用結構中，膨脹空間容積變化是逆相于活塞的運動，而壓縮空間容積變化正相于活塞運動。如圖3中的相矢量圖所示，三氣缸類型的傳統(tǒng)α組合具有處于60°的較差的容積相位角。四氣缸類型具有90°的容積相位角，而五氣缸類型具有108°的容積相位角。為了得到120°的容積相位角，對于傳統(tǒng)的α構造來說需要六個氣缸。
除了要達到高度有效的容積相位角以外，還需要減少斯特林機所需的組件的數(shù)量并使其重量和體積最小。每個β斯特林構造具有兩個基本的移動部分，且在大多數(shù)情況下需要由例如連接于外殼的諧振平衡塊來平衡。α構造看上去需要四個基本的移動部分、四個活塞，從而可具有可接受的相位角。α自由活塞式構造的第二個困難是它需要四個線性交流發(fā)電機(或者是在熱泵中的馬達)，因為每個活塞都需要一個。線性交流發(fā)電機與它們所旋轉的配套部件相比體積稍大，且這在本領域中造成這樣的印象，即α機器體積大且氣缸互相間遠離，這就造成不便并導致機器較重。對傳統(tǒng)的α構造的平衡并非可忽略的，且看來還沒有在公開的文獻中解決。
對α自由活塞式的復雜性的一個理想的解決方案是這樣一種裝置，該裝置改進了自由活塞式斯特林機的功率對重量的比率而沒有增加機器的復雜性，并由此降低了裝置的成本；減少了運動部分的數(shù)量；提供了一種用于將負載連接到機器上的簡潔裝置，從而使氣缸之間間隔不太遠；以及提供了一種簡單的平衡或減少不平衡力的裝置。所提出的發(fā)明看來可以簡單和實用的方法減少或解決這些問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明是一種改進的、自由活塞式斯特林機，該機器的類型是每個活塞都可在相關聯(lián)的匹配氣缸中往復運動，且每個活塞和氣缸都限定一膨脹空間和一壓縮空間，這兩個空間以α斯特林構造的形式連接。在改進中有至少三個活塞/氣缸元件，每個氣缸形成為分級式氣缸，該分級氣缸具有一直徑較大的內壁；以及一同軸線、直徑較小的內壁。每個活塞都是一分級式活塞，該活塞包括一第一活塞組件，該組件具有面向一個軸向并地在直徑較小的氣缸壁中可匹配往復運動的一端面；一第二活塞組件，該組件具有面向同一軸向并可在直徑較大的氣缸壁中匹配地往復運動的一端面。這些活塞端面之一限定壓縮空間，而另一個限定膨脹空間。較佳地，分級式活塞具有外氣缸壁，該外氣缸壁與一凸肩軸向相鄰并與之連接，形成直徑較大的活塞組件的端面。這一活塞和氣缸結構使一種三活塞、α構造的斯特林機具有優(yōu)化的容積相位角，且重量以及零件的數(shù)量減少


圖1是盒形-四件式配置的、已有技術α構造斯特林機的圖解。
圖2是已有技術α構造斯特林機的單個元件的圖解。
圖3是四種可能的替代式、多活塞α構造的機器的圖解。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實施的α構造、多活塞斯特林機的單個元件的圖解。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實施的三種可能的替代式、多活塞α構造的機器的圖解。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施的一種三氣缸、α構造斯特林機的端視圖。
圖7是基本上沿圖6中的線7-7得到的圖6所示機器的截面圖。
圖8是示出了本發(fā)明的替代型四活塞實施例的圖解，其中膨脹空間與壓縮空間連接以使振動最小。
圖9是一對相矢量圖，該圖示出了圖8所示實施例的不平衡力矩以及一個類似的替代實施例。
圖10是示出了一相對α構造的局部剖切圖，該α構造根據(jù)本發(fā)明而實施并可用作雙聯(lián)式機器，其中一側是一發(fā)電機而另一側是一熱泵，或者可以是復式氣缸組裝置，該裝置驅動三個直線型交流發(fā)電機(或者由三個馬達驅動)。
圖11是圖10所示實施例的端視圖。
圖12是實施本發(fā)明并驅動一朗肯壓縮機負載的斯特林發(fā)電機的端視圖。
圖13是基本上沿圖12中的線13-13得到的圖12所示實施例的截面圖。
圖14是作為容積相位角的函數(shù)的一對功率和效率曲線圖。
圖15是示出了本發(fā)明的一個替代的、可能的實施例。
在描述附圖所示本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，將采用特定的術語以使其清楚。然而，不應該認為本發(fā)明就被限定在如此選定的特定術語中，而且應該理解的是每條術語都包括所有的以類似的方法工作以達到類似的目的的技術等效內容。例如，經(jīng)常會使用術語“連接”或與之類似的詞匯。它們并非僅限于直接連接，而且也包括通過其它元件而連接，這樣的連接對于那些熟悉本領域技術的人員來說是等效的。
具體實施例方式
圖4示出了實施本發(fā)明的第n個元件，該元件連接在具有n個圖4所示元件的復制品的一多氣缸、α構造的斯特林機中。氣缸50是分級式氣缸，該氣缸具有直徑較大的內壁52、直徑較小的內壁54。活塞56為分級式活塞，該活塞包括第一活塞組件58和第二活塞組件60。第一活塞組件58可在直徑較小的氣缸壁54中匹配地往復運動并具有面向一個軸向的端面62。在所示的實施例中，端面62面向上并限定膨脹空間64。第二活塞組件60可在直徑較大的氣缸壁52中匹配地往復運動并具有面向與端面62相同的軸向的環(huán)形端面66。在所示的實施例中，端面66限定壓縮空間68。由于這些空間的功能可相反，因此只需要這兩個端面之一限定壓縮空間，另一個限定膨脹空間?；钊欠旨壥降牟⑾薅▋蓚€工作空間或形成這兩個空間、即壓縮空間和膨脹空間的一個壁，從而活塞的往復運動改變這兩個空間的容積。圖4還示出了一個再生器70和兩個換熱器72和74，除了它們相對于分級式氣缸50的放置位置以外，這些元件都是常用的。它們位于通向另一個復制的活塞/氣缸元件的配置和壓縮空間的連接路徑中，從而如已有技術那樣將這些空間串聯(lián)成α斯特林構造。
在圖4中示出了較佳的分級式活塞結構。該活塞具有諸外部柱形壁，這些壁與形成直徑較大的第二活塞組件60的端面66的凸肩相鄰并與之連接。然而，也有可能采用其它結構。活塞組件不必與作為凸肩而將它們連接的端面66相鄰。例如，圖15示出了一個分級式活塞80，它具有直徑較小的活塞組件82和直徑較大的活塞組件84，這兩個組件由一根將它們連接起來的桿子86分隔開。端面88和90如上所述地工作，但這個實施例的缺點在于它引入了直接在兩個活塞組件之間的死區(qū)，這就降低了效率和功率。類似地，活塞可也具有插入的結構部件來替代相鄰的氣缸壁。
本發(fā)明的分級式活塞/氣缸結構的一個非常重要且有價值的結果是它改變同一個氣缸的膨脹空間容積和壓縮空間容積之間相位關系的方法。另一個重要且有價值的結果是分級式活塞使膨脹空間和壓縮空間容積可以不同，且每一個都按性能最大化設計。傳統(tǒng)的α機器具有相同的膨脹和壓縮容積變化，因為作用在每一空間上的活塞面具有相同的直徑和相同的位移。然而，對于分級式活塞，有兩個直徑不同的活塞組件。雖然它們具有相同的直線位移或行程，但設計人員可以為兩個活塞組件選擇兩個直徑，由此選擇兩個容積位移，一個是膨脹空間的而另一個是壓縮空間的。
圖3和5的相矢量圖之間的比較顯示出由分級式活塞造成的相位變化。每個活塞具有兩個相關聯(lián)的容積相矢量，Vc是其壓縮空間的，Ve是其膨脹空間的，但其中沒有示出全部。圖3和5中的圖示出了兩個容積相矢量Vc和Ve，它們是一個活塞的膨脹容積相矢量以及(另一個活塞的)壓縮空間的壓縮容積相矢量，該壓縮空間通過一再生器和換熱器連接于該膨脹空間。由于空間有限，在每個相矢量圖中只示出了兩個代表性的容積相矢量。一個活塞的膨脹空間的容積相矢量和與該膨脹空間相連的另一個活塞的壓縮空間的容積相矢量之間的角度就是容積相位角α。一完整的、但毫無疑問難以理解的相矢量圖對每個活塞都具有兩個容積相矢量。每對相連的膨脹和壓縮空間的相矢量之間的將會有相同的角度α。應該知道，“同相”和“180°異相”依賴于哪個方向被選為正位移方向，因此，如果被選為正的方向反了過來，則所有對相位的觀察都將相差180°。
在圖1-3中所示的已有技術中，參見圖2，一個容積相矢量是與活塞的位移同相，而另一個與活塞的位移180°異相。膨脹空間24的容積與活塞的位移反相，而壓縮空間38的容積與活塞的位移同相。換句話說，當活塞20沿正向(在圖2中是向上)位移時，膨脹空間24的容積減小而壓縮空間38的容積增加。這在圖3的相矢量圖中也有所示出。例如，對于已有技術中的三活塞形式，三個活塞的位移相矢量X1、X2和X1間隔120°?；钊?的膨脹空間的容積相矢量Ve與活塞1的位移相矢量X1呈180°異相，而活塞2的壓縮空間的容積相矢量Vc與活塞2的位移相矢量X2同相。相位差是60°的容積相位角。這是一個十分不理想的容積相位角。
然而，對于圖5所示的本發(fā)明，同一個氣缸的膨脹空間和壓縮空間的容積相位都與它們相關聯(lián)的活塞的位移反相(180°異相)。對于本發(fā)明，膨脹空間容積和壓縮空間容積都隨活塞沿正向(在附圖中是向上)的運動而減小。每個氣缸的空間相位中的這一差異使本發(fā)明的一個實施例可只具有三個氣缸來得到一個氣缸的膨脹空間容積相位和它所連接的壓縮空間容積相位之間高度理想的120°容積相位角。這使一三氣缸裝置可有效地工作而不象已有技術那樣，在已有技術中三氣缸形式的工作會受到很大的危害。分級式活塞配置提供的優(yōu)點是可產(chǎn)生具有十分有利的容積相位的三移動部分、α型裝置。在已有技術中，為了得到120°的容積相位，移動部分的數(shù)量必須增加到6。這樣會過于復雜，對于小型機器尤其如此。
有許多構造多氣缸、自由活塞式斯特林機以作為熱泵或發(fā)動機(主發(fā)動機)并采用本發(fā)明的分級式活塞配置的方法。許多的構造都是根據(jù)具體機器的目的而與已有技術的構造相類似并以之為范本。沒有連接自由活塞式機器的活塞的機械驅動機構或連接裝置，比如活塞桿和曲柄軸。在發(fā)動機的情況下，運動部分由氣體的力驅動，而在熱泵的情況下則是由線性馬達驅動。在發(fā)動機的情況下可以將其它的負載連接到活塞上，包括另一個具有相同結構的斯特林機，該機器將作為熱泵而受到驅動(雙聯(lián)式配置)。
例如，如圖6和7所示，一三氣缸、分級式活塞配置一般被構造成三角形，三根縱軸線側向間隔開并位于等邊三角形的三個頂點上。這使每個氣缸之間的距離最短，因此無用體積也最小。圖6和7的實施例示出了由三個線性馬達驅動的三個相同的斯特林熱泵元件。這里只描述三個斯特林熱泵元件中的一個以及線性馬達元件之一，因為其它兩個都一樣。它們的壓縮和膨脹空間如上關于圖5所示三氣缸實施例所述和顯示一樣地連接。分級式活塞81的端面78限定一柱形膨脹空間83，而其環(huán)形凸肩形成限定一環(huán)形壓縮空間87的環(huán)形端面85。同已有技術一樣，再生器89、用來將熱量從一物體帶走的換熱器91以及將熱量放出到一物體上的換熱器92全部都呈環(huán)狀地圍繞氣缸94的外部。分級式活塞81固定于往復運動的具有諸周邊磁體98的磁體載體96，這些磁體形成傳統(tǒng)的線性馬達的往復運動構件。分級式活塞81和磁體載體96固定于連接于一平面彈簧100的中心桿98。如本領域已知的，彈簧100的主要功能是在活塞上提供中心力以在工作過程中保持一平均的活塞中心位置。作用在活塞上的氣體的力充當一氣體彈簧，它同平面彈簧100一起作用在往復運動的物體上以設置一諧振系統(tǒng)。銜鐵繞組102呈環(huán)狀地圍繞在靜止殼體104中以形成線性馬達的啟動器。
當然，圖6和7所示的斯特林機可作為斯特林發(fā)動機工作。驅動三個分級式活塞的三個線性馬達可以作為三個線性交流發(fā)電機以進行發(fā)電或由其它負載替代，比如制冷器或空氣壓縮機、或者液壓或水泵。
作為可能的α斯特林構造的另一個例子，圖8示出了分級式活塞、α型配置的四氣缸、直列式布置，該布置在平衡方面具有某些優(yōu)點。分級式氣缸和活塞以及每個活塞/氣缸元件的其它結構與之前所述和顯示的那些一樣。通過與圖3、5、6和7所示的略微不同地連接氣缸可得到使振動最小的平衡優(yōu)點。
四個活塞1、2、3和4以直列式布置，實際上按照1、2、3和4的順序。氣缸配置和壓縮空間的連接與常用的內燃機的“點火順序”類似。換句話說，由于四氣缸類型通常得到的是90°的容積相位角，因此有可能將氣缸1的壓縮空間與氣缸3的膨脹空間相連，將氣缸2的壓縮空間與氣缸4的膨脹空間相連，將氣缸3的壓縮空間和氣缸2的膨脹空間，最后將氣缸4的壓縮空間和氣缸1的壓膨脹空間相連。該連接較佳地為1-3-2-4連接，不同于已有技術中的1-2-3-4連接。1-3-2-4連接在圖8用較大的水平箭頭示出。
先看1-2-3-4連接?；钊?和3互相間反相，而活塞2和4也互相反相。所以活塞1和3互相間180°異相，而活塞2和4也180°異相。1-3組合產(chǎn)生與2-4組合呈90°異相的力矩(或力偶)。這在圖9中示出。重要的是，每個力矩或力偶的力臂長度是活塞1和3或者活塞2和4的往復運動軸線之間的距離。這一力臂是由一個插在中間的氣缸所分開的兩個活塞之間的距離。這兩個力矩(M13和M24)相結合以形成施加在以傳統(tǒng)的1、2、3、4順序連接的機器上的不平衡力。
現(xiàn)在看1-3-2-4連接，顯然兩個180°的力偶是由相鄰的活塞組合件構成的，形成M12和M34力矩。兩種情況下的運動物體類似，則1-3-2-4連接中的力臂大約為1-2-3-4連接中的力臂長度的一半。這樣，1-3-2-4連接的不平衡轉矩是1-2-3-4連接的一半，如圖9所示。當然，1-3-2-4具有較大的無用容積，這是由于較長的連接通道所致，但在大多數(shù)應用場合這不是個大問題。這一原理也可應用于非分級式活塞配置或傳統(tǒng)的α構造的直列式組合件中以提高平衡并減少振動。
對于分級式活塞以及傳統(tǒng)的α型機器來說可以由許多驅動或負載的選擇可能性。
每個活塞可連接有線性馬達或交流發(fā)電機。在三氣缸形式中需要三相電流，而在四氣缸形式中需要兩相電流。由于有可能將兩對交流發(fā)電機線圈纏繞在相反的方向上，因此只需要兩相電流，從而可自動生成180°反相的電壓。
圖10和11示出了第一組共三個氣缸/活塞元件106、108和110，它們如上所述連接成α構造以形成第一斯特林機111。它們連接于一相反的、成鏡像的第二斯特林機113，該第二斯特林機也具有三個如上所述以α構造連接的斯特林機的氣缸/活塞元件112、114和116。相反的活塞由一連接裝置相連，比如圖示的連接桿118。這樣，相反和鏡像意味著每個氣缸/活塞元件及其相關聯(lián)的換熱器和再生器具有軸向相對且朝向相反的氣缸/活塞元件及其相關聯(lián)的換熱器和再生器，雖然兩個鏡像的機器或元件并不需要相同。每對相對的活塞沿同樣的方向往復運動，但當一個活塞處于上死點時，其軸向相對的活塞處于下死點。一個機器是發(fā)動機而另一個是熱泵的相反的配置被稱為雙聯(lián)式配置。還可有一種混合式布置，其中兩側上是由三個或更多普通的線性馬達驅動的相反、鏡像熱泵。
在圖10和11的實施例中，諸如馬達或線性交流發(fā)電機之類的多個主發(fā)動機或負載各自與諸如連接桿118之類的不同的活塞連接裝置驅動連接，并且較佳地位于活塞之間的空間中。在圖10中，只示出和描述了每個相反的斯特林機的一個元件，因為其它兩個元件都相同。每個元件具有前述的組件?？稍跉飧?23中匹配地滑動的分級式活塞122由連接桿118連接到與其相反的、可在氣缸125中匹配地滑動的分級式活塞124。主發(fā)動機或負載120是一靜止、環(huán)形的銜鐵繞組126，磁體128固定于運動的內鐵塊129，而該內鐵塊又固定于連接桿118。當作為線性交流發(fā)電機工作時這一結構可為一負載，而相反的斯特林機則作為斯特林發(fā)動機工作以往復驅動磁體128。相同的結構在向銜鐵繞組126施加交流電壓時可為一線性馬達，并驅動作為斯特林熱泵的斯特林機。
每個相反的斯特林機的三個氣缸被實際布置在三個平行的往復運動縱軸線上，這三根軸線被布置在一個等邊三角形的三個頂點處。這使兩種斯特林機都可顯示出以上關于圖6和7所示的類似配置所述的優(yōu)點。此外，通過構造一個與第一斯特林機相對的第二斯特林機，只需要一組線性馬達或交流發(fā)電機，它們就可提供雙重功能，每一個驅動兩個活塞或被兩個活塞驅動。結果就可節(jié)省為每個活塞設置一個線性交流發(fā)電機或線性馬達的重量和費用。
類似地，每個都具有四個活塞和氣缸的相反的斯特林機可以相同的方式構造成盒形-四件式配置或直列式配置，如在前所述，且它們只需要四個線性交流發(fā)電機或線性馬達。這樣就得到在前根據(jù)本發(fā)明的四氣缸配置所述的優(yōu)點，且還使交流發(fā)電機或馬達的數(shù)量減半。
此外，由于圖10和11所示的相反的斯特林機每個都可作為斯特林發(fā)動機或斯特林熱泵工作，因此可以把一個當作發(fā)動機來工作，而其它的作為熱泵工作。結果，圖10和11的實施例可為雙聯(lián)式配置，其中斯特林發(fā)動機驅動斯特林熱泵和交流發(fā)動機。作為另一個替代方案，可省略插入其間的交流發(fā)電機以提供雙聯(lián)式配置，其中斯特林發(fā)動機只驅動一個斯特林熱泵。
以上所述四氣缸的實施例還可以同樣的雙聯(lián)式配置連接以同時得到兩個優(yōu)點。事實上，上述相反且雙聯(lián)式的配置也可應用于沒有采用本發(fā)明的分級式活塞和氣缸的常用的已有技術α構造。
圖12和13示出了數(shù)量與斯特林發(fā)動機活塞相等的朗肯壓縮機可各自直接由α型自由活塞式發(fā)動機驅動。在此情況下，將如美國專利6,701,721所揭示的那樣對工作氣體的混合進行管理，該專利結合于此作為參照。參見圖12和13，連接斯特林發(fā)動機130以驅動線性交流發(fā)電機132，且發(fā)動機和交流發(fā)電機組合的構造如對圖6和7的斯特林熱泵和線性馬達的描述一樣，因此在此不再進一步描述。有三個發(fā)動機/交流發(fā)電機對如對圖6和7所述的那樣沿三根縱軸線布置。然而，在此之外，中心活塞桿134也連接于壓縮機活塞136，該活塞在壓縮機氣缸中密封地往復運動。對于這一配置，三氣缸、α構造斯特林發(fā)動機驅動交流發(fā)電機和壓縮機以將施加于發(fā)動機的熱能轉換成電力和制冷量。由于壓縮機并不總能吸收斯特林發(fā)動機所產(chǎn)生的所有功率，因此這是有用的。所以，通過平衡壓縮機和交流發(fā)電機對斯特林發(fā)動機所產(chǎn)生的功率的組合負載，交流發(fā)電機可作為機械能吸收負載穩(wěn)定器。交流發(fā)電機還可用來啟動發(fā)動機，因為它也可等效地作為馬達來工作。
從以上對本發(fā)明的實施例的描述可以看到，三氣缸分級式活塞α構造對先前的技術具有以下優(yōu)點a.與傳統(tǒng)的β構造(標準活塞-置換器配置)相比，三氣缸型分級式配置的優(yōu)點是具有三個相同的運動組件，而β型配置通常具有三個不同的運動組件一活塞、一置換器和一諧振平衡物體。
b.與傳統(tǒng)的三或四氣缸α型配置相比，它具有好得多的容積相位角(最好的功率和效率組合)。因此它將具有簡潔得多的布置。
c.它的軸向運動受到平衡，因為正向運動的質量與負向運動的質量相等。存在章動的不平衡力，但這比不平衡的β型機器的十分大的線性不平衡力要輕得多。
d.它會具有聯(lián)結在系統(tǒng)上的力，該力產(chǎn)生繞一固定點的凈章動或進動運動。這要依賴于氣缸是如何布置的。如果如圖6和7所示的那樣布置，則不平衡力將在系統(tǒng)上產(chǎn)生章動力偶。這可由許多簡單的常用裝置來平衡。
e.分級式活塞使膨脹空間和壓縮空間容積可以任意選擇以使性能最大化。傳統(tǒng)的α型機器具有幾乎相同的膨脹和壓縮容積變化。
f.只有三個相同的零件。如果需要很好的平衡，則可將第二機器放置在相反的位置或采用平衡質量系統(tǒng)。平衡質量系統(tǒng)可為在懸臂彈簧一端的簡單的擺動質量塊，該彈簧被設計成用來以章動的模式在機器的工作頻率下進行諧振。
g.該機器沒有調整的困難。如果熱能良好且機械效率良好，則機器將作為一發(fā)動機運行或作為熱泵工作。略在機器的自然諧振點之上進行工作將是對線性馬達的設計的最理想工作點。該諧振點可由以下公式給出ω0=K/m,]]>單位是弧度/秒。
其中m是活塞的質量K是由氣體壓力和外部彈簧所產(chǎn)生的作用在活塞上的凈彈簧力，該力由以下公式給出K≡Kext+Ae∂pcn-1∂xn+Ac∂pcn∂xn]]>其中Kext是作用在活塞上的外部彈簧力，通常為機械彈簧Ae是活塞的膨脹空間面積Ac是活塞的壓縮空間面積 是相對于活塞運動的前一個氣缸的壓力變化 是相對于活塞運動的壓力變化h.該機器是真正可逆的。如果沿一個方向運動，它將熱量從一側抽到另一側。如果逆向運動，則膨脹和壓縮空間的功能就互換，因此它就將沿相反的方向抽吸熱量。如果將其松開，則它將根據(jù)通過機器溫度差而作為發(fā)動機來運行。
并非三氣缸分級式活塞機器所特有但在之前也沒有被發(fā)現(xiàn)的α型配置的其它總體特征是a.如果在相反方向放置一第二機器，則只需要一組線性馬達或交流發(fā)電機來承擔雙重任務。例如，一四氣缸、相對布置的機器只需要四個線性馬達或交流發(fā)電機，雖然它有八個氣缸。
e.通過相對于第一機器附加一個第二機器，可容易地形成雙聯(lián)或雙氣缸配置。
f.在懸臂彈簧的端部上的擺動質量塊使對章動力偶的平衡成為可能。
雖然已經(jīng)詳細揭示了本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例，但可以理解的是，可以采取多種修改而不會背離本發(fā)明的精神實質或所附權利要求的范圍。
權利要求
1.一種經(jīng)改進、自由活塞式、α構造斯特林機具有至少三個活塞和至少三個氣缸，每個活塞可在一相匹配的氣缸中往復運動，且每個活塞和氣缸在每個氣缸中限定一膨脹空間和一壓縮空間，每個氣缸中的膨脹空間通過一再生器與另一個氣缸中的壓縮空間以α斯特林構造的形式串聯(lián)，而每個氣缸中的壓縮空間通過一再生器與另一個氣缸中的膨脹空間以α斯特林構造的形式串聯(lián)，其中，該改進包括(a)每個氣缸都是一分級式氣缸，該分級氣缸具有一直徑相對較大的內壁；以及一同軸線、直徑相對較小的內壁；(b)每個活塞都是一分級式活塞，該活塞包括(i)一第一活塞組件，該組件具有面向一個軸向并可在直徑較小的氣缸壁中匹配地往復運動的一端面；和(ii)一第二活塞組件，該組件具有面向同一軸向并可在直徑較大的氣缸壁中匹配地往復運動的一端面；以及(c)每個活塞的所述活塞端面之一在活塞往復運動的氣缸中限定壓縮空間，而每個活塞的另一個端面在活塞往復運動的氣缸中限定膨脹空間。
2.如權利要求1所述的斯特林機，其特征在于，分級式活塞具有諸周邊、柱形壁，這些壁同軸線地相鄰并在一凸肩處連接，形成直徑較大的活塞組件的端面。
3.如權利要求1或2所述的斯特林機，其特征在于，該斯特林機包括三個氣缸以及與這些氣缸相關的分級式活塞。
4.如權利要求3所述的斯特林機，其特征在于，三個氣缸實際上布置在三根平行的縱向往復運動軸線上，這三根軸線被布置在一等邊三角形的頂點上。
5.如權利要求1或2所述的斯特林機，其特征在于，該斯特林機包括四個氣缸以及與這些氣缸相關的分級式活塞。
6.如權利要求5所述的斯特林機，其特征在于，氣缸以1、2、3和4的順序實際排列成直列式，以及，膨脹和壓縮空間以1、3、2、4的順序按α構造串聯(lián)，由此相鄰的一對1和2互相呈180°異相地工作，相鄰的一對3和4也互相呈180°異相地工作。
7.如權利要求1或2所述的斯特林機，其特征在于，該斯特林機還包括(a)一相反的、鏡像第二斯特林機，該斯特林機如權利要求1或2所述地構造，一第一斯特林機的每個分級式活塞由一連接裝置與第二斯特林機的一分級式活塞相連；以及(b)多個主發(fā)動機或負載，每個主發(fā)動機或負載與一不同的連接裝置驅動連接。
8.如權利要求7所述的斯特林機，其特征在于，相反的兩個斯特林機可作為斯特林發(fā)動機工作，而一線性交流發(fā)電機作為負載連接于每個連接裝置。
9.如權利要求8所述的斯特林機，其特征在于，每個相反的斯特林機具有三個活塞和氣缸。
10.如權利要求9所述的斯特林機，其特征在于，每個斯特林機的三個氣缸實際上布置在三根平行的縱向往復運動軸線上，這三根軸線被布置在一等邊三角形的頂點上。
11.如權利要求8所述的斯特林機，其特征在于，每個相反的斯特林機具有四個活塞和氣缸。
12.如權利要求7所述的斯特林機，其特征在于，相反的兩個斯特林機可作為斯特林熱泵工作，而一線性馬達作為主發(fā)動機連接于每個連接裝置。
13.如權利要求12所述的斯特林機，其特征在于，每個相反的斯特林機具有三個活塞和氣缸。
14.如權利要求13所述的斯特林機，其特征在于，每個斯特林機的三個氣缸實際上布置在三根平行的縱向往復運動軸線上，這三根軸線被布置在一等邊三角形的頂點上。
15.如權利要求12所述的斯特林機，其特征在于，每個相反的斯特林機具有四個活塞和氣缸。
16.如權利要求1或2所述的斯特林機，其特征在于，它可作為一斯特林發(fā)動機工作，并且還包括如權利要求1或2所述地構造的一相反的、第二斯特林機，該第二斯特林機可作為斯特林熱泵工作，且將該熱泵連接以形成一雙聯(lián)式構造，斯特林發(fā)動機的每個分級式活塞由一連接裝置連接于斯特林熱泵的一分級式活塞。
17.如權利要求16所述的斯特林機，其特征在于，每個相反的斯特林機具有三個活塞和氣缸。
18.如權利要求17所述的斯特林機，其特征在于，每個斯特林機的三個氣缸實際上布置在三根平行的縱向往復運動軸線上，這三根軸線被布置在一等邊三角形的頂點上。
19.如權利要求18所述的斯特林機，其特征在于，每個相反的斯特林機具有四個活塞和氣缸。
全文摘要
一種經(jīng)改進的、自由活塞式斯特林機具有至少三個串聯(lián)成α斯特林構造的活塞。每個氣缸都是分級式的。每個活塞也都是分級式的，從而具有一第一活塞組件以及一第二活塞組件。兩活塞組件的端面之一限定壓縮空間，而另一個限定膨脹空間。對平衡的改進以及或對振動的減少是通過將四個直列式布置的氣缸的膨脹和壓縮空間以1、3、2、4的順序串聯(lián)來達到的。三個氣缸的實施例提供了120°的十分理想的容積相位角，且有利地被布置在三根平行的縱向往復運動軸線上，這三根軸線被布置在一等邊三角形的頂點上。
文檔編號F02G1/044GK1932273SQ20061015404
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月15日 優(yōu)先權日2005年9月15日
發(fā)明者D·M·貝爾舒維茲, Y-R·權 申請人:環(huán)球冷卻有限公司