專利名稱：斯特林發(fā)動機組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斯特林發(fā)動機組件。特別是，本發(fā)明涉及一種適用于家用組合式熱電(DCHP)單元的組件。
背景技術(shù)：
這樣的家用組合式熱電單元將代替普通鍋爐用于家庭環(huán)境。在這種情況下，重要的是使噪音和振動保持非常低的水平，以便使顧客能夠接受。
通常情況是通過將發(fā)動機安裝在彈簧上來進(jìn)行支承，該彈簧將隔離在發(fā)動機正常工作過程中產(chǎn)生的振動。具有該結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機的一個實例是美國專利US4,400,941。為了使隔離程度最高，需要采用低剛度的安裝系統(tǒng)。不過，采用具有壓縮彈簧的低剛度安裝系統(tǒng)可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，一種斯特林發(fā)動機組件包括斯特林發(fā)動機；安裝架，發(fā)動機安裝在該安裝架上，這樣，在使用時，發(fā)動機的往復(fù)運動部件沿垂直軸線往復(fù)運動，該發(fā)動機通過多個拉伸彈簧懸掛到安裝架上。
通過由彈簧懸掛斯特林發(fā)動機，而不是將它放置在彈簧上，所使用的彈簧可以為低剛度、高撓度的彈簧。因此，可以消除現(xiàn)有技術(shù)中在穩(wěn)定支承的要求和低剛度安裝系統(tǒng)的要求之間的矛盾。
懸掛發(fā)動機的彈簧特別適于阻止低頻振動的傳遞。為了在更大頻率范圍內(nèi)提高阻尼，優(yōu)選是橡膠墊與各彈簧串聯(lián)連接。該墊可以布置在彈簧和發(fā)動機之間、彈簧和安裝架之間、或者在這兩個位置處。這些橡膠墊特別適用于減小高頻振動。
優(yōu)選是，安裝架與發(fā)動機的下半部分相連。與安裝架與發(fā)動機上部相連時所需的情況相比，這允許使用較長的彈簧。
為了使在環(huán)繞懸掛結(jié)構(gòu)內(nèi)的斯特林發(fā)動機具有附加的徑向穩(wěn)定性，并為了使燃燒區(qū)域有合適密封，位于發(fā)動機上圓蓋上面和周圍的、用于燃燒器的殼體可以包括柔性環(huán)形引導(dǎo)件，該柔性環(huán)形引導(dǎo)件在該殼體的內(nèi)側(cè)底表面和發(fā)動機之間。例如，該柔性環(huán)形引導(dǎo)件是適用于振動、高溫環(huán)境的材料的“O”形圈。這將允許進(jìn)行一定的橫向運動，因此，發(fā)動機振動將不會引起損壞，并阻止不希望的力的傳遞，且還可以保持發(fā)動機的穩(wěn)定性。也可以使用能夠承受高溫、高振動環(huán)境的可選密封結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選是，彈簧的自由長度為100-150mm，總剛度在0.6至0.9kg/mm之間。當(dāng)懸掛了發(fā)動機時，該彈簧的長度等于發(fā)動機體的長度±20％。
上述結(jié)構(gòu)是特別有利的、用于斯特林發(fā)動機的懸掛結(jié)構(gòu)。不過，通過設(shè)有能夠最小化發(fā)動機的振動的減振結(jié)構(gòu)并因此減小懸掛結(jié)構(gòu)的負(fù)載，可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計。因此，優(yōu)選是，減振塊通過至少一個彈性部件懸掛在發(fā)動機下面，且該減振塊布置成提供與發(fā)動機反相的力。該減振塊既可以懸掛在發(fā)動機下面，也可以是環(huán)形塊，從而環(huán)繞該發(fā)動機懸掛。后一種結(jié)構(gòu)能夠有利地提供具有較短總高度的斯特林發(fā)動機。
在對稱環(huán)形減振塊情況下，由于該塊環(huán)繞水平軸的慣量和彈簧系統(tǒng)關(guān)于相同軸的旋轉(zhuǎn)剛度的組合，俯仰頻率將與垂直頻率重合。
俯仰程度與徑向剛度缺乏對稱性相關(guān)，減振器塊越偏離彈簧剛度中心，激勵頻率就越接近垂直調(diào)諧頻率和俯仰頻率。因此，彈性部件優(yōu)選是關(guān)于環(huán)形部件的主軸不對稱布置。這例如可以通過使彈性部件有不同剛度來實現(xiàn)。優(yōu)選是，對稱地布置在與主軸垂直的第一軸的相對側(cè)，更優(yōu)選是，還對稱地布置在與主軸和第一軸垂直的第二軸的相對側(cè)。
也可選擇，通過使彈性部件聚集成靠近垂直于主軸的第一軸而提供不對稱結(jié)構(gòu)。對于該結(jié)構(gòu)，彈性部件優(yōu)選是布置成在第一軸的相對側(cè)對稱。
在這兩種情況下，減振塊的質(zhì)量可以在靠近最高旋轉(zhuǎn)剛度的水平軸處相對于該減振塊的其余部分處減小。
該不對稱環(huán)形減振器塊形成本發(fā)明的一個獨立方面，該方面廣義定義為，一種斯特林發(fā)動機組件，包括斯特林發(fā)動機；安裝架，發(fā)動機安裝在該安裝架上，這樣，在使用時，往復(fù)運動部件沿垂直軸線往復(fù)運動，其中，環(huán)形減振塊環(huán)繞斯特林發(fā)動機，并通過多個彈性部件懸掛在發(fā)動機上，以便提供與發(fā)動機反相的力，該彈性部件布置成關(guān)于環(huán)形部件的主軸不對稱。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，當(dāng)發(fā)動機通過彈簧懸掛，或者通過某些其它彈性安裝件懸掛時，可以使用該結(jié)構(gòu)。


下面將參考附圖介紹本發(fā)明的斯特林發(fā)動機組件的一個實例，附圖中圖1是組件的示意剖視圖；圖2A是包括兩個彈簧的安裝組件的一部分的主視圖；圖2B是圖2A中所示的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖3是圖1中所示的組件的可選形式的示意剖視圖；圖4是懸掛結(jié)構(gòu)的動力學(xué)示意圖；圖5A是表示環(huán)形減振塊的各種振動模式的視圖；圖5B是表示減振塊的軸的視圖；圖6是表示第一彈簧結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是表示第二彈簧結(jié)構(gòu)的示意圖；以及圖8是適用于圖7的結(jié)構(gòu)中的環(huán)形塊的透視圖。
具體實施例方式
斯特林發(fā)動機組件包括斯特林發(fā)動機1，該斯特林發(fā)動機1為本領(lǐng)域公知。該斯特林發(fā)動機有置換器和動力活塞，該置換器和動力活塞都設(shè)置成沿垂直方向往復(fù)運動。這產(chǎn)生了斯特林發(fā)動機1自身的凈垂直振動。
為了減小該振動，減振器塊2由在該減振器塊2上面和下面的多個壓縮彈簧3支承。該結(jié)構(gòu)裝于殼體4內(nèi)，該殼體4剛性固定在斯特林發(fā)動機1的底部。該塊2和彈簧3調(diào)節(jié)成這樣，即當(dāng)斯特林發(fā)動機1以正常工作頻率工作時，減振器塊2盡可能接近與斯特林發(fā)動機1反相地振動。因此，大大減小了斯特林發(fā)動機1和殼體4的總體振動。
當(dāng)前結(jié)構(gòu)包括在10.5kg(±10％)的減振器塊2上面的8個壓縮彈簧3和該減振器塊2下面的8個壓縮彈簧3。例如，這些彈簧的自由長度為67mm，剛度為66.25N/mm(±10％)。該減振器調(diào)節(jié)成吸收48Hz至52Hz頻率的振動(在50.25Hz時振動最小)。
斯特林發(fā)動機1和殼體4的上述組件安裝在安裝架5上，該安裝架5圍繞發(fā)動機的頭部，如圖1所示。發(fā)動機1和殼體4通過多個環(huán)繞斯特林發(fā)動機間隔的安裝組件懸掛在安裝架上，圖2A和2B中表示了一種這樣的安裝組件。各安裝組件包括一對拉伸彈簧6，該對拉伸彈簧6在它們的上端設(shè)有掛鉤7，用于安裝在安裝架5上。第二掛鉤8使各彈簧的底端安裝在框架9上。
彈簧鋼絲的粗細(xì)選擇為足以支承發(fā)動機1和減振器塊2的重量，該發(fā)動機1和減振器塊2的重量在40至80kg之間，但是通常為60kg。這時，彈簧鋼絲的直徑通常為2.4mm。
為了提供最佳的懸掛隔振效果而減小低頻振動，彈簧需要盡可能長，同時安裝點應(yīng)當(dāng)在設(shè)計允許范圍內(nèi)盡可能遠(yuǎn)。這時，上部安裝架5將剛好位于發(fā)動機燃燒器殼體的下面，底部發(fā)動機安裝環(huán)12位于底部發(fā)動機凸緣上。這時，伸長的彈簧的長度近似等于除去冷卻器13、傳熱頭14和后端圓蓋15(如圖1所示)的發(fā)動機體的長度(通常190mm)。此外，必須保證彈簧的固有頻率(振蕩頻率)不與發(fā)動機的運行頻率或其諧振重合，這可能導(dǎo)致不能接受的共振。
在當(dāng)前結(jié)構(gòu)中，設(shè)有環(huán)繞發(fā)動機成規(guī)則間隔并成對布置的6至12個彈簧(通常8個)，該彈簧的自由長度優(yōu)選是100至150mm(通常127mm)。總彈簧剛度為0.6至0.9kg/mm之間(通常0.75kg/mm)，在該結(jié)構(gòu)中，各彈簧的剛度通常為0.09kg/mm。
橡膠元件10布置在各框架9中。該橡膠元件10支承安裝螺栓11，通過該安裝螺栓11，安裝組件安裝在斯特林發(fā)動機1的安裝環(huán)12上。因此，斯特林發(fā)動機1的任何振動都通過該螺栓11傳遞給橡膠元件10、傳遞到框架9內(nèi)，然后通過彈簧6傳遞給安裝架5。
作為一種可選方案，或除了在各彈簧底部的橡膠元件10之外，還可以在各彈簧的頂部設(shè)置有橡膠元件。
基于四組彈簧的每個橡膠元件10的剛度為例如110N/mm。該橡膠元件設(shè)計成去除高頻量，因此，所給出的剛度是合適的，且應(yīng)變保持在合適水平，應(yīng)當(dāng)記住，橡膠在溫度升高時的性能降低。
高頻振動將通過橡膠元件10而衰減，而低頻振動將通過彈簧6而衰減，這樣，安裝架5受到的振動可以忽略，并在DCHP單元的允許極限內(nèi)。
圖3表示了圖1所示組件的可選組件。在該結(jié)構(gòu)中，殼體4’安裝成環(huán)繞斯特林發(fā)動機1，而不是如圖1所示懸掛在該發(fā)動機1下面。這時，減振器塊2’為環(huán)形，并環(huán)繞斯特林發(fā)動機。該實施例要求安裝環(huán)12有比圖1大得多的直徑。不過，該裝置的總高度減小，因此，該設(shè)計在高度空間有限時有用。在其它方面，該裝置如圖1中所示，且相同參考標(biāo)號用于表示相同部件。
該組件的動力學(xué)圖如圖4所示。在該圖中，各元件表示如下m1-主發(fā)動機塊，m2-減振器塊2，k1-拉伸彈簧6的剛度×拉伸彈簧的數(shù)目，c1-與拉伸彈簧結(jié)構(gòu)相關(guān)的阻尼值，k2-橡膠元件10的壓縮剛度×橡膠元件的數(shù)目，c2-與壓縮橡膠元件相關(guān)的阻尼值，k3-壓縮彈簧3的剛度×壓縮彈簧的數(shù)目(通常為16)，c3-與壓縮彈簧以及環(huán)繞減振器塊的空氣運動相關(guān)的阻尼值。
下面將參考圖5至8介紹圖3的環(huán)形減振器塊的變化形式。
圖5A和5B定義了環(huán)形塊的軸系統(tǒng)。X、Y和Z軸相互正交，其中X和Y軸是在環(huán)形塊平面內(nèi)的水平軸，它們在環(huán)形塊的中心交叉，而Z軸是從減振器塊2’的中心伸出的垂直軸。固有激勵頻率引起沿箭頭20方向的垂直往復(fù)運動。不過，俯仰頻率將與垂直頻率重合，該垂直頻率引起關(guān)于X和Y軸的俯仰運動，如箭頭21和22分別所示。環(huán)形減振器塊還繞Z軸旋轉(zhuǎn)，如箭頭23所示。為了減小繞X和Y軸的俯仰運動，提出了使彈簧不對稱布置，或者使減振器塊的慣量不對稱。
這種設(shè)置的第一實例如圖6所示。該結(jié)構(gòu)通常適于減振器塊繞X和Y軸的轉(zhuǎn)動慣量相等的情況。這時，減振器塊2’有均勻的截面和均勻的質(zhì)量。通過將彈簧布置成如圖6所示，其中四個彈簧的剛度為K，而其余四個彈簧的剛度為0.5K，應(yīng)當(dāng)指出，這提供了當(dāng)彈簧的剛度在X和Y軸的相對側(cè)對稱時環(huán)繞該塊的外周的剛度變化，而不是橫穿該塊的剛度變化。該彈簧剛度模式可以在減振器塊上面和下面設(shè)為一致。在第二結(jié)構(gòu)中，彈簧剛度和減振器塊轉(zhuǎn)動慣量都不對稱。
第二結(jié)構(gòu)如圖7所示當(dāng)減振器環(huán)的轉(zhuǎn)動慣量關(guān)于X和Y軸不同時，該第二結(jié)構(gòu)特別合適。這時，提供有相等剛度K’的8個彈簧，但是它們聚集在最高慣量的軸X處，與在工作過程中保持足夠穩(wěn)定性的要求一致。這時，提供有環(huán)形塊2”，該環(huán)形塊2”基本在它的相對側(cè)設(shè)有一對切口部分25，且這8個彈簧布置成在各切口部分的上面和下面安裝在安裝點26上。
權(quán)利要求
1.一種斯特林發(fā)動機組件，包括斯特林發(fā)動機；安裝架，發(fā)動機安裝在該安裝架上，這樣，在使用時，往復(fù)運動部件沿垂直軸線往復(fù)運動，其中，環(huán)形減振塊環(huán)繞斯特林發(fā)動機，并通過多個彈性部件懸掛在發(fā)動機上，以便提供與發(fā)動機反相的力，這些彈性部件關(guān)于環(huán)形部件的主軸不對稱設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于所述不對稱結(jié)構(gòu)通過不同剛度的彈性部件來提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于這些彈性部件對稱地布置在與主軸垂直的第一軸的相對側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組件，其特征在于這些彈性部件還對稱地布置在與主軸和第一軸垂直的第二軸的相對側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于通過使彈性部件聚集成靠近垂直于主軸的第一軸而提供不對稱結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的組件，其特征在于這些彈性部件對稱地布置成在第一軸的相對側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的組件，其特征在于所述減振塊的質(zhì)量在靠近彈性部件處相對于在該減振塊的其余部分處減小。
全文摘要
一種斯特林發(fā)動機組件，用于DCHP系統(tǒng)。斯特林發(fā)動機(1)通過多個拉伸彈簧(6)懸掛在安裝架(5)上。環(huán)形減振器塊(2)環(huán)繞斯特林發(fā)動機，并通過多個彈性部件(3)懸掛在發(fā)動機上，這些彈性部件布置成關(guān)于主軸不對稱。該不對稱結(jié)構(gòu)通過不同剛度的部件提供，或者通過使部件間的間距不規(guī)則而提供。減振器塊(2)自身可以在靠近彈性部件處減小。
文檔編號F16F15/04GK1721682SQ200510084000
公開日2006年1月18日 申請日期2002年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月14日
發(fā)明者亞當(dāng)·理查德·格雷戈里, 大衛(wèi)·安東尼·克拉克, 朱莉·帕特麗夏·海德, 大衛(wèi)·邁克爾·熱納維 申請人:麥克羅金能源有限公司