专利名称：γ型自由活塞式斯特林机器的配置的制作方法
Y型自由活塞式斯特林机器的配置
背景技术：
本发明涉及自由活塞式斯特林机器的领域，特别涉及一种改善的Y (gamma)型自由活塞式斯特林机器，它可以减少通常与Y型配置有关的死容积。在斯特林机器中，工作气体被限制在包括膨胀空间和压缩空间的工作空间内。所述工作气体交替地被膨胀和压缩，以进行工作或抽吸热力。每个斯特林机器至少有两个活塞，一个称为置换器，另一个称为动力活塞，或通常只称为活塞。进行往复运动的置换器循环地在所述压缩空间和膨胀空间之间往返运送工作气体，所述压缩空间和膨胀空间之间通过热力受体、回热器、和热力抑制器而连接成呈流体连接。所述循环地往返的运送会改变在每个空间内的工作气体的相对比率。在所述膨胀空间内的气体和经过在所述回热器和所述膨胀空间之间的热力交换器(所述热力受体)而流入所述膨胀空间的气体从四周表面接收热力；在所述压缩空间内的气体和经过在所述回热器和所述压缩空间之间的热力交换器 (所述热力受体)而流入所述压缩空间的气体则将热力排斥至四周表面。无论任何时间所述气体压力本质上在整个工作空间是相同的，因为所述膨胀空间和压缩空间是通过一条具有较低流阻的通道而互相连接，但是所述工作空间内的工作气体的压力整体上会循环地和周期地改变，当大部分的工作气体在所述压缩空间内时，热力从所述气体被排斥，当大部分的工作气体在所述膨胀空间内时，热力被所述气体接收。无论所述斯特林机器是用作热泵或引擎，上述的都会发生，分辨是进行工作还是抽吸热力的唯一必要条件是进行所述膨胀过程时的温度。如果所述膨胀过程的温度高于所述压缩空间的温度，所述斯特林机器便倾向于进行工作，使其可以作为一种引擎；如果所述膨胀过程的温度低于所述压缩空间的温度，所述斯特林机器会从冷源抽吸热力到热的吸热设备。因此斯特林机器便可以被设计为利用上述原理来提供(1)具有活塞和置换器的引擎，所述活塞和置换器是在所述膨胀空间施加外在的热源来驱动的，并且会将热力从所述压缩空间移走，所以能够用作机械负载的主要移动体或( 具有动力活塞(有时候是所述置换器)的热泵，所述动力活塞循环地被主要移动体驱动，并从所述膨胀空间抽吸热力到所述压缩空间，所以能够从较冷的物质抽吸热能到较暖的物质。在所述热泵的状态下，所述斯特林机器可以将和其所述的膨胀空间作热能连接的对象冷却，包括将其冷却至制冷温度，或将对象加热，例如用作一种和其所述压缩空间有热能连接的家用加热热能交换器。所以，在此以斯特林“机器”通称斯特林引擎和斯特林热泵，斯特林热泵有时候亦被称为冷却
ο在大约1965年之前，斯特林机器一直是被建造成以运动学原理驱动的机器，即所述活塞和置换器是以机械接合而互相连接，所述机械接合的典型是连接杆和曲轴。其后 William Beale发明了所述自由活塞式斯特林机器。在所述自由活塞式斯特林机器中，活塞并不是以机械驱动接合而连接的。自由活塞式斯特林机器是一种热能机械振动器，而且其中一个活塞，即置换器，是以所述工作气体在所述机器的空间或室内的压力变化和差异所驱动。所述动力活塞是所述斯特林机器作为热泵操作时被主要移动体的往复运动所驱动， 或所述动力活塞在所述斯特林机器作为引擎操作时会驱动一种进行往复运动的机械负载体。作为在本领域公知的技术，现存三种主要的斯特林机器的配置。α (Alpha)型的配置具有至少两个在不同的汽缸内的活塞，而所述膨胀空间被各个活塞界限着并且和在另一个汽缸内被另一个活塞界限着的压缩空间连接，所述连接是被布置成一连串的循环，连接着多个汽缸的膨胀空间和压缩空间。β (Beta)型的配置具有单一动力活塞，所述动力活塞被布置在有置换器活塞的同一个汽缸内。Y型的配置和β型的相似，但是Y型具有一个装在所述置换器活塞汽缸旁边的另一个汽缸内的动力活塞。作为公知的技术，在自由活塞式斯特林引擎和冷却器内，所述置换器和活塞两者必需在最少的磨擦下自由运作。因为油或类似的润滑剂并不适用在斯特林机器，因此一般会使用各种无接触式轴承。有一些研究人员使用放射状的坚硬的平面弹簧来支撑运动的部分，以避免操作时的接触，另一些则使用静态气体轴承。所有这些方法都需要极度的紧公差以避免运动部分之间过多的漏泄损失和机械接触。在标准的置换器/活塞式β型的配置中，所需的置换器和活塞的准确度是互相调合的，因为置换器杆会穿透活塞，而且因为在活塞内的置换器杆和活塞要共轴对齐，所以额外地要求置换器和活塞两者的精确度，这亦是一个大的成本动因。这些问题可以在如图1所示的β型自由活塞式斯特林机器的技术中知道。封闭式的密封外壳10具有可以在汽缸14内进行往复运动的活塞12，和有置换器杆18的置换器 16，所述置换器16封闭地滑行经过所述活塞12，置换器杆18的末端和平面弹簧20连接。 所述工作空间包括膨胀空间22，并且通过热力交换器沈、观和回热器30与压缩空间M呈流体连接。这展示了要维持所有圆柱状接触表面的同步对准、又要在其之间具有最少的磨擦力、更要具有密封式接合的问题。所有这些圆柱状的表面必需共轴地对准，而且它们之间的空间必需小至可以在它们之间造成气封，但又大至可以减少它们之间的磨擦并可以将它们对准。在图1所示的β型的配置中，每个进行往复运动的组件都各在其汽缸内准确地对准，置换器杆18以一种配备来穿透活塞12，所述配备需要沿着其长度和所述活塞有准确的同中心，因此置换器杆18必需在同中心的和垂直的限制下准确地和所述置换器和平面弹簧20相连，使得所述置换器和活塞不会在运动中堵塞。直线交流发电机35通常是附设在活塞12的。因为所述活塞和置换器共轴地移动，所以在外壳10有一种不平衡反应力，通常以附设在外壳10的动态平衡器32来平衡，以减少因向轴地进行质量往复运动而引起轴振动。在本领域公知的Y型的配置克服了这种对准的问题，所述配置将所述置换器和活塞布置在不同的汽缸内，使它们个别的对精确度的要求不会像β型的配置般互相干扰。 但是Y型的配置有一个缺点，就是它比β型的配置有较多的死容积，此外，在大部分的现有技术中，因为Y型的配置是将所述活塞和置换器放置在不同的汽缸内，所以会产生一种振动转矩和会在所述外壳产生一种较在β型的外壳上产生的单一轴心振动力更难以平衡的力。上述的后一问题在至少一个已公开的设计的文献中被确认，所述设计使用两个对置的活塞以消除在所述外壳上产生的振动转矩。第二个和β型自由活塞式斯特林机器相关的问题是通用的动态平衡技术导致这种机器要在单频率下操作，而设置引擎在单频率下操作是困难的，而且机器的频率必需被稳定，例如直接连接高压输电网。在冷却器中，单频操作可以容易地建立，因为所述机器以电力驱动，但是即使在这种机器，有时候改变操作频率会产生热动的好处，但如果使用动态平衡器就不可能有这种好处。自由活塞式斯特林机器的一种理想的配置应该有a)只需要一个提供良好的热动操作的精确度。b)最少的死容积。c)在所有操作情形下，包括在不同的操作频率下也可以平衡。因此本发明的目的和特征是提供一种Y型配置的自由活塞式斯特林机器，所述斯特林机器具有质量的动力活塞，和平衡所述活塞的振动力的定向，而且最重要是它可以减少工作空间的死(未扫掠)容积，以降低所述机器的体积和质量并改善其效能。发明概述本发明是一种改善的具有Y型结构的自由活塞式斯特林机器。所述斯特林机器包括有内端的置换器，所述置换器在置换器汽缸内沿着置换器轴心可以进行往复运动。两个或更多的动力活塞被布置成平衡结构，以消去它们的动量矢量来减低振动。每个活塞具有内端，所述活塞可以在具有内端的汽缸内进行往复运动，所述汽缸各在其内端具有通向所述工作空间的共同容积的无障碍开口，所述共同容积是以所述置换器汽缸和所述活塞汽缸的内向凸出部的相交部分来限定，所述置换器和活塞各有其延伸至所述共同容积的往复运动范围。功能如活塞一般的置换器驱动杆在驱动杆汽缸可以进行往复运动，所述置换器驱动杆和其汽缸被放置在共同容积之外并在共同容积的与所述置换器相对的一端之上，所述置换器以置换器连接杆和所述置换器驱动杆连接，所述置换器和所述活塞在其内端形成互补的邻接表面轮廓。
图1是一种现有技术中的β型配置的自由活塞式斯特林机器的轴向示意图。图2是本发明一个实施例的轴向示意图。图3是本发明另一个实施例的轴向示意图。图4是本发明又一个实施例的轴向示意图。图5是图2所示本发明的实施例的组装分解透视图。图6Α是本发明一个具有两个对置的活塞的实施例的外壳透视图。图6Β是本发明一个具有三个活塞的实施例的外壳透视图。图6C是本发明一个具有四个活塞的实施例的外壳透视图。图7是图2和图6Α所示本发明实施例的水平概略图，所述水平概略图展示所述活塞之间互补的邻接表面轮廓。图8是图6Β所示本发明实施例的水平概略图，所述水平概略图展示所述活塞之间互补的邻接表面轮廓。图9是图6C所示本发明实施例的水平概略图，所述水平概略图展示所述活塞之间互补的邻接表面轮廓。以附图所示的优选实施例描述本发明时，会借助特定的专门名词以求令描述清楚，但是不应将本发明限于所选择的专门名词，而且应该明白到本发明每个所述专门名词包括所有可以类似方式实现类似目的的相等技术。
发明详述本发明利用Y型配置的、具有两个或多个活塞和一个置换器的自由活塞式斯特林机器。所述活塞优选地和所述置换器的动作成直角地布置。为了减少死容积，在所述置换器弹簧上有所述置换器驱动区域，所述置换器弹簧装在所述活塞下，使所述活塞不用和其接合或接触，因此可以如常见的所述β型机器一般容纳所述置换器驱动杆，而所述活塞之间便可以以最近的距离互相接近。所述置换器和活塞的动作可以被设计为和对方相交， 以将死容积减至更低。所述活塞的大小、位置、和往复动作被设计为可以平衡它们施加在所述机器外壳并令其产生振动的净力量，虽然这样还未能完全平衡，但是会大体上达到平衡。 虽然所述置换器仍然是不平衡的，但是比起所述斯特林机器的全部质量一般而言已是低质量，所以剩余的动作实际上是较小的，而且通常是可以接受的。所述置换器的振幅(大约5 至IOmm)除以所述斯特林机器的总质量和置换器的质量的比率(大约20至50)得到剩余的振动振幅。假如需要额外的平衡，可以使用一种常见的动态平衡器，但是所述平衡器的质量和大小会少很多，因为只有由所述置换器的动作所产生的力量是需要被平衡的。所述活塞被分别组装，不会在机械结构上和其它活塞或和所述置换器互相影响。事实上，所述置换器的组装可以和活塞完全地分开。图2展示一种经过改善的Y型配置的自由活塞式斯特林机器并将本发明具体化。 图2所示的斯特林机器具有置换器40，所述置换器有内端42。置换器40在置换器汽缸44 内沿着置换器轴心46可以进行往复运动，置换器40将一个工作空间分隔成一个压缩空间 48和一个膨胀空间50。两个动力活塞5254布置成平衡结构，以消去它们的动量矢量。在这一实施例中， 所述平衡结构为所述两个活塞在各自的汽缸58和60内沿着轴心56进行往复运动，所述两个活塞对置地进行往复运动，使它们同步地操作，一同向内和向外移动，换言之在操作时它们循环的、大约是正弦曲线的动作在它们之间的一个相关点有相同的角度。每个活塞具有一个内端62、64，内端的“内”是指一般而言所述机器在其活塞和置换器之间的中央区域。 活塞汽缸58、60和置换器汽缸44全部在其内端都有一个无障碍的开口，通向所述工作空间的共同容积。所述“共同容积”是用来描述所述工作空间的内部容积的一部分，所述部分是由所述置换器汽缸和所述活塞汽缸的内向凸出部的相交部分来限定，假如所有汽缸都是在几何学上向内部凸出，它们便会沿着曲线相交；假如这些相交的曲线以在邻近的相交部分之间延伸的假设的表面连接在一起，所述假设的表面围绕着并设定一个空间的容积，所述空间的容积被包括在所有汽缸的延伸或凸出的部分内；假如所述置换器或活塞充分地向内移动并有一部分延伸至其汽缸以外，它便会进入所述共同容积。在本发明的各个实施例中，所述置换器和活塞有延伸至所述共同容积的往复运动范围；在本发明中，所述活塞和共同容积之间或所述置换器和共同容积之间在结构上没有物体是向内延伸至所述汽缸凸出的部分， 这样的凸出部分会阻碍所述置换器或活塞进入所述共同容积的往复运动，因此在本发明中，所述各个延伸至所述共同容积的汽缸，其汽缸的通道是不被阻塞的。虽然并非必需，但是优选地所述活塞汽缸和置换器汽缸的墙壁实际上是沿着其相交的线而连接，但是它们不能延伸至所述相交的线之外，否则它们便会阻碍另一个活塞或置换器进入所述共同容积。在此亦使用了专门名词“死”容积或空间和“未扫掠”容积或空间。在所有Y型配置的斯特林机器中，所述置换器的内端和所述每个活塞的内端界限着(形成一个范围) 所述工作空间的一部分，所述置换器和每个活塞各自在其汽缸内沿着一个范围进行往复运动，所述范围作为一种工作状况的功能而会改变，但是总会存在一个没有被扫掠的内在的空间或容积，因为所述置换器或活塞永远不会进入所述空间或容积。所述未被扫掠的空间被称为死或未扫掠的空间或容积。现有技术中一种β型自由活塞式斯特林机器可以配置为没有死空间，因为所述置换器和活塞可以在不同的时间和在循环中的不同阶段移入(占用)相同的圆柱状的容积，但是在Y型的自由活塞式斯特林机器中，永远存在所述死空间， 而且在现有技术中所述死空间亦较大。现时已知的是因为必需避免活塞之间或置换器和一个或多个活塞之间发生碰撞，所以在现有技术中的Y型斯特林机器的所述活塞和置换器的往复运动范围保持在相隔很远的位置，而且甚至是离开所述共同容积很远。本发明利用配置Y型自由活塞式斯特林机器的组件而减少了所述死空间，令所述置换器和活塞可以进入所述共同容积，而所述置换器和活塞的形状设计令它们在进行往复运动时可以在其内端之间以最少的容积在所述共同容积内互相接近，些少的死容积以确保其不会碰撞是无可避免的。再续上述图2的实施例的描述，置换器驱动杆66在驱动杆汽缸68内可以进行往复运动，置换器驱动杆66和置换器驱动杆汽缸68被放置在相对置换器40的一面的共同容积之外。置换器40以置换器连接杆70和置换器驱动杆66连接。虽然本领域的技术人员会知道置换器驱动杆的功能，但理想地还是要对此作解释。在自由活塞式斯特林机器中，在工作空间内气体的压力循环地改变并且大约是成正弦曲线的。所述工作空间内的气体压力施加在所述活塞和置换器的一个截面面积，以提供移动它们的驱动力量。虽然所述置换器和活塞并非在相同阶段进行运动，但是因为所述工作空间的气体压力循环地改变，所述气体压力的变化会驱动所述活塞和置换器的循环动作。 可以很容易明白，所述每个活塞的驱动力量是和所述活塞的动作的轴心成平面垂直的截面面积乘以所述工作空间的压力。在现有技术中，一条有相同的直径的杆会沿着其长度一直延伸至所述置换器和一种气体弹簧或回弹空间或返回空间之间，例如在图1所示的β配置的斯特林机器中，置换器杆18延伸至回弹空间33。在已知的现有技术的Y型斯特林机器亦是如此。所述回弹空间或气体弹簧和所述工作空间并没有重要的接触，虽然可能因为要对准中心而有很少的接触(在此处非重要的所以不作讨论)。所述置换器利用循环地改变的工作空间的压力驱动其进行往复运动，所述工作空间的压力变化是根据在一个和所述置换器杆的动作的轴心成平面垂直的截面面积而产生的作用，因此，所述置换器杆的功能如活塞一般，而所述置换器杆的截面面积可以被称为置换器驱动面积。在本发明中，所述置换器亦是这样被驱动而进行往复运动，但是本发明的置换器驱动杆66和置换器驱动杆汽缸68被放置在相对所述置换器40的一面的共同容积之外，如此，置换器驱动杆66和置换器驱动杆汽缸68的位置是在所述共同容积以外，所以便不会和所述活塞发生碰撞，因此，以“置换器驱动杆”来指明以所述工作空间的压力变化而施加力量以驱动所述置换器令其进行往复运动的活塞。“置换器连接杆”是用来指明将所述置换器驱动杆连接至所述置换器的机械接合。在本发明中，所述置换器连接杆可以制造成具有一个小的直径或厚度，而且比置换器驱动杆小很多，这样便可以容许活塞移入所述共同容积时有最大的移动幅度。所述宽直径的杆不需要一直延伸至所述共同容积。本发明另一个重要的特征是所述置换器和活塞的内端具有互补的邻接表面轮廓。 “互补的邻接表面轮廓”是指所述活塞和置换器的位置和其末端表面的形状是设计为可以使其在所述接触面之间以一个小的容积或以最少的容积互相接近。如此，这些进行往复运动的组件便可以在所述共同容积移入得更远，令大部分所述共同容积不再是死容积或是未扫掠空间。再参照图2，所述优选实施例中的置换器的内端42是一个圆锥体，而所述置换器的内端有一个圆锥形的轮廓，所以为了减少所述置换器可以接近所述活塞的距离，所述活塞的互补的邻接表面轮廓是一个圆锥体的部分72、74。所述置换器的内端42成圆锥形，以使活塞52、54的动作可以相交，而所述活塞的形状亦是被设计成使其可以接受所述置换器的动作而不会发生碰撞。相交的程度是设计上的选择，假如没有相交会得到最大的未扫掠容积，而有最大的相交程度则会得到最少的未扫掠容积。置换器驱动杆66是放置在所述活塞可以接触到的位置以外。参照图7，所述活塞可以是凹入的，以避免和置换器连接杆70发生碰撞。除了有圆锥形的表面72、74外，活塞5254每个可以有一条小凹槽(例如一个半圆锥形的切割部分)76、77，避免其和连接杆70发生碰撞。当然所述凹槽或切割部分可以是其它的形状，因此，优选地每个活塞的内端有一个空腔，所述空腔有一个在大小和位置是和所述置换器连接杆互补的表面轮廓。所述空腔或切割部分可以容许所述活塞互相接近时达至最短的距离。所述最短的意思是指最少，是一种技术设计的选择，但是其仍然是要可以避免和置换器杆发生碰撞的。当然所述置换器连接杆可以替换地和置换器驱动杆有相同的直径，而所述活塞则有空腔或圆柱形的切割部分，并且需要有较大的直径。作为已知的技术，所述置换器的循环动作引导所述活塞的循环动作，因此，所述置换器和活塞的形状是设计成可以避免发生碰撞的，而且所述活塞亦可以和所述置换器一样在不同的时间占用所述相同的空间/容积的一部分，即如在β型斯特林机器一般，因为当所述活塞仍然是向内移动时，所述置换器是向外移动。所述每个活塞和所述置换器移入所述共同容积的程度是技术设计的选择，假如所述斯特林机器是被设计成使其更接近对方和更接近所述连接杆，死容积便会减少得更多，但是这样亦有更大的可能会使操作离开往复运动的设计范围而导致发生碰撞。再参照图2，作为已知的技术，所述回弹空间80、82、84是连接在一起的，例如利用在外壳86内的导管或通道。作为已知的技术，在所述回弹空间具有一种接近恒定的压力， 但是如下述的，假如使用气体弹簧，所述气体弹簧的气体室并非和所述回弹空间连接。机械结构平面弹簧78和置换器驱动杆66连接，所述置换器和活塞在汽缸组装件内移动，所述汽缸组装件可以简单地是有所述置换器汽缸和活塞汽缸的相交轴心的单一组装件。按所述斯特林机器是用作引擎或制冷器(热泵)而定，所述活塞可以和直线交流发电机、气体压缩器和/或其它机械负载连接，或可以和驱动所述活塞的发动机连接。所述活塞的同步动作可以利用一个共同的工作空间、一个共同的回弹空间、和一个共同的交流发电机/发动机的连接而达到。所述活塞和置换器的内端可以替换地具有其它互补的邻接表面轮廓，例如，它们可以有梯级形的轮廓。作为另一种替换的选择，所述置换器可以是一个简单的圆柱形和例如是与轴心成垂直角度的一个平面端，而每个活塞可以有一个沿着所述圆柱形活塞的放射形状而对准的互补的半圆柱形切割部分。假如有多过两个活塞，如随后所述，所述活塞亦可以有为配合其它活塞而设的间隙(切割部分)，而且还可以有和所述置换器连接杆互补的空腔或切割部分。平面弹簧或直线交流发电机可以避免在操作时所述活塞的旋转移动引致其所述互补的邻接表面轮廓的对准错误。图3展示一种对置活塞的Y型配置的斯特林机器，所述斯特林机器一如图2的实施例，但是它具有为所述置换器而非为平面弹簧提供回弹动作的气体弹簧88。所述置换器驱动杆90和气体弹簧活塞92连接，气体弹簧活塞92滑入气体弹簧汽缸94形成一种常见的气体回弹。这种配置可以使置换器驱动杆90、定义所述置换器驱动面积的截面面积、和气体弹簧活塞92紧凑地形成一个整合的本体。所述置换器驱动杆90和所述气体弹簧活塞92 两者被放置在相对所述置换器95的一面的共同容积以外。有些情形下，使用气体弹簧是有好处的，因为所述有气体弹簧的机器保持独立地按压力调节，所以会容许因环境的温度改变而令压力改变，例如，比起有机械弹簧装置的置换器有更大的灵活度。由于所述气体弹簧装置会按压力直接调节其回弹率，而且所述活塞的净回弹率亦会按压力直接调节，所以这种机器会按压力而保持调节，这对于会受广泛的环境温度的变化所影响的机器来说就很有用，例如，在沙漠中的太阳能转换器可能就需要这种装置。一种机械弹簧虽然在这里没有展示，但是所述弹簧典型地是包括在气体弹簧组件中，例如是平面弹簧，所述平面弹簧提供一种定中心的力，使所述组件不会因为重力或因为越过所述气体弹簧活塞92的电枢齿端漏磁而偏离中心。图4展示所述对置活塞的Y型斯特林机器的一个形式，所述斯特林机器如图3所示一般有一个气体回弹置换器。所述斯特林机器驱动对置的直线压缩器96、98，所述压缩器有其压缩活塞100、102直接和斯特林机器的活塞104、106连接，这种配置用于抽吸热力会很有用，如美国专利US6，701，721所描述的，所述专利在此引入作为参考。如图3所示的斯特林机器一般，图4所示的斯特林机器亦驱动直线交流发电机，并可以结合美国专利 US6, 701，721用于抽吸热力。在这种情形下，因为平均压力会因应热泵的操作情况而改变， 所以必需使用气体回弹置换器以保持压力调节。图5展示所述对置活塞的Y型斯特林机器如何组装可以将本发明具体化。所述置换器和活塞的组装是完全分开的，并且可以独立地对准。所述置换器在其汽缸内独自对准形成置换器子组装件120，所述置换器子组装件放置在外壳124内。活塞子组装件126、 1 亦是类似地对准并附设于外壳124。每一个所述子组装件和其它子组装件之间无需准确地对准。所述热部分的组装件(假如是引擎；否则是制冷器的冷部分)122是所述斯特林机器的最后闭合处。燃烧器(假如是一种引擎)或杜瓦容器(假如是一种制冷器)的配件凸缘130亦在此展示。所述单一的膨胀空间提供简单的通道通往所述斯特林机器的热(或冷)端。如图6所示，一种将本发明具体化的γ型自由活塞式斯特林机器可以如图2、3和 4所示配置有多于两个对置的活塞。两个以上任何数量的活塞都可以使用，只要它们是可以实用地被配置，并且被布置为其动量矢量共计是零，因此而平衡或取消了它们的组件的振动。图6展示所述外壳的外部，代表两个、三个、和四个活塞的配置。图6A展示如图2、3、和4所示有两个活塞的实施例的配置。所述置换器外壳部分140被定向为与所述对置活塞外壳部分142内的活塞的往复运动的轴心成直角。要使有两个或有更多活塞的斯特林机器各有相同的动力、压力、和频率，每个配置的活塞所提供的总截面面积应该是相同的，因此有三个活塞的、有相同动力、压力、和频率的斯特林机器应该在各个活塞有相等于有两个活塞的机器的2/3面积，而有四个活塞的斯特林机器应该在各个活塞有相等于有两个活塞的机器的一半面积。图6B展示一种三个活塞在外壳部分148、150、和152内的布置。所述活塞沿着轴心进行往复运动，所述轴心是共平面的，并且围绕着所述置换器146的往复运动的轴心而以相同的角度被隔开。如图8所示，所述三个活塞160、162、164可以提供互补的邻接表面轮廓，所述邻接表面轮廓有圆锥形的轮廓表面166、168、170，所述轮廓表面和一个其内端是圆锥形表面的置换器是互补的。类似地，所述三个活塞160、162、164亦可以有和置换器连接杆是互补的切割部分；另外，要使所述三个活塞160、162、164可以在所述共同容积的中央以最近的距离互相接近，所述活塞的末端可以是平面的末端表面174、176，所述表面和其往复运动的轴心成60°，使每个活塞和其对置的活塞末端表面成120°。当然还可以使用其它互补的邻接表面轮廓。图6C展示一种有四个活塞的布置，所述布置沿着共平面的轴心进行往复运动，所述每个共平面的轴心以90°相隔，使所述共平面的轴心和所述置换器的往复运动的轴心有一个90°的相交点。在活塞和置换器设置互补的邻接表面轮廓的同一概念在图9中应用在有四个活塞的布置上。虽然有四个活塞和它们的四个汽缸，但是因为每个都相同，所以在此只描述一个。活塞180在其汽缸182内进行往复运动，活塞182有互补的邻接表面轮廓 184，所述邻接表面轮廓是一个圆锥的部分，以容纳有圆锥形内端的置换器。所述邻接表面轮廓还有半圆柱形的切割部分或通道186，使其形成和所述置换器连接杆188是互补的邻接表面轮廓。另外，活塞180的末端有平面末端表面190、192，每个活塞互相成90°，使四个活塞都可以紧密地互相接近而不会发生碰撞。有三个或四个活塞的配置还可以有其它平衡的布置，任何数量的活塞配置都可以将其往复运动的轴心布置为以同等角度相隔，包括三维的布置。此外，活塞亦可以布置为沿着其它相对的定向进行往复运动。有不同质量的活塞亦可以使用，唯一的要求是其动量矢量必需共计是零，如此便可以平衡所述振动。即使没有任何振动平衡器，本发明实施例中的机器唯一的剩余振动来自所述置换器的动量和随后发生在外壳上的动量反应，因此，最理想是尽可能减少置换器的质量，因为所述置换器是唯一个引起振动的组件。由于外壳振动的振幅是和所述置换器的质量乘以其振幅除以所述机器余下的总质量乘以所述外壳的振幅成比例的，而振动的振幅是和所述置换器的质量对所述机器的余下总质量的比率成比例的，所以便应该在相对于所述机器的整体质量将所述置换器的质量尽可能减至最少。根据以上所述，可以明白到虽然在典型的现有技术中的一种Y型配置的自由活塞式斯特林机器具有一种大而不良的死容积，但是本发明的实施例能大大地减少和差不多消除了所述死容积，而仍能保持Y型配置的其它好处。这种死容积的减少令所述机器的容积(即整个机器的体积)有更高的单位容量。所述死容积的减少能改善所述机器的特定容量，其中特定容量的定义是所述机器的单位工作容积或动力容积，不论是作为引擎或制冷器/热泵操作。
将图1和图2在视觉上比较，可以比较一种传统的β型配置的自由活塞式斯特林机器和一种根据本发明所述有两个活塞的斯特林机器之间的大小，所述两个活塞被设计为有相同的动力、频率、和压力。将置换器和活塞的形状设计成使它们的动作可以相交而不会发生碰撞，可以减少置换器汽缸和活塞汽缸的未扫掠容积。清楚地，如图2所示的γ型对置活塞斯特林机器比图1所示的β型配置的斯特林机器更短和更紧凑。在一次设计的练习中，一种IKw γ型对置活塞斯特林机器被发现其质量比一种同等的、有相同压力和频率的传统β型斯特林机器少了 20kg。所述没有任何振动平衡器的Y型对置活塞的机器的振动水平和所述附设有振动平衡器的β型斯特林机器类似。上述结合附图的详细描述主要是用作描述本发明的优选实施例，而并不代表上述是建构或使用本发明的唯一形式。以上叙述结合附图所示的实施例以说明实施本发明的设计、功能、方式、和方法，但是应要明白相同或相等的功能和特征可以利用不同的实施例来实现，所述不同的实施例都应该是包含在本发明的精神和范围之内，而且在不背离本发明以下所述的权利要求所保护的范围下，可以对本发明作出许多修改和变化。
权利要求
1.一种经过改善的、具有Y型结构的自由活塞式斯特林机器，所述斯特林机器包括一个有内端的置换器，所述置换器在置换器汽缸内沿着置换器轴心可以进行往复运动，而且所述置换器将工作空间分隔成一个压缩空间和一个膨胀空间，其特征在于，所述经过改善的斯特林机器包括至少两个动力活塞，所述活塞布置成平衡结构，以消去它们的动量矢量，而且每个活塞具有一个内端，并可以在具有内端的汽缸内进行往复运动，所述汽缸在其内端皆具有通向所述工作空间的共同容积的无障碍开口，所述共同容积由所述置换器汽缸和所述活塞汽缸的内向凸出部的相交部分来限定，所述置换器和活塞各有延伸至所述共同容积内的往复运动范围；以及在驱动杆汽缸可以进行往复运动的置换器驱动杆，所述置换器驱动杆和驱动杆汽缸放置在共同容积之外并在共同容积的与所述置换器相对的一端之上，所述置换器通过置换器连接杆与所述置换器驱动杆连接。
2.根据权利要求1所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述置换器和所述活塞在其内端形成互补的邻接表面轮廓。
3.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述置换器连接杆的直径或厚度比所述置换器驱动杆的小。
4.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述每个活塞的内端具有一个空腔，所述空腔有一个和所述置换器连接杆的大小和位置互补的表面轮廓。
5.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述置换器的内端具有圆锥形轮廓，而所述活塞的互补的邻接表面轮廓是圆锥体的一部分。
6.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，至少有三个所述平衡的活塞。
7.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，至少有四个所述平衡的活塞。
8.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述置换器连接杆的直径或厚度比所述置换器驱动杆的小，而且每个活塞的内端有一个空腔，所述空腔有一个和所述置换器连接杆的大小和位置互补的表面轮廓。
9.根据权利要求8所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述置换器的内端具有圆锥形轮廓，而所述活塞的互补的邻接表面轮廓是圆锥体的一部分。
10.根据权利要求9所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，至少有三个所述平衡的活塞。
11.根据权利要求10所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，至少有四个所述平衡的活塞。
12.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述置换器被弹动到机械弹簧或气体弹簧或被弹动到两者，以产生置换器共振。
13.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林机器，其特征在于，所述活塞与直线发动机/交流发电机或直线压缩器连接或与两者连接。
全文摘要
一种经过改善的、具有γ型结构的自由活塞式斯特林机器，其中的置换器和每个活塞在其汽缸内可以进行往复运动。所述汽缸各在其内端有一个通向所述工作空间的共同容积的无障碍开口，所述共同容积是由所述置换器汽缸和所述活塞汽缸的内向凸出部的相交部分来限定。所述置换器和每个所述活塞有其延伸至所述共同容积的往复运动范围。置换器驱动杆在驱动杆汽缸内可以进行往复运动，所述两者都是被放置在相对所述置换器的一面的共同容积之外。所述置换器以置换器连接杆和所述置换器驱动杆连接。重要的是所述置换器和所述活塞在其内端形成互补的邻接表面轮廓，所述轮廓大体上减少这种γ型配置的斯特林机器的死容积。
文档编号F02B75/18GK102472166SQ201080031017
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月2日 优先权日2009年7月7日
发明者D·M·贝尔舒维兹 申请人:环球冷却有限公司