专利名称：具有时变间隙密封的自由活塞的制作方法
技术领域：
本发明一般而言涉及自由活塞装置，尤其是用于采用线性电动机以向低温制冷机提供声能量的活塞。
背景技术：
自由活塞装置使用往复活塞或驱气活塞，而避开曲轴或其它机械连杆机构来执行运动，相反地依靠由振荡气压传递的总系统动态特性，以保证不同系统部件的正确运动幅度和相位。因而，在活塞平均位置上没有自然约束，这使得即使正确地执行动态特性，活塞平均位置会漂移离开中心。这能够导致缩短活塞的有效行程，或者如果发生接触会对活塞或其它部件造成损害。
在具有间隙密封的往复自由活塞装置中，活塞往往会向具有较大的振荡压力一侧漂移。可以理解到，这是由于在高振荡压力侧为高的半个循环过程中，与在另半个循环中反向流动气体相比，流经密封的气体密度较高。这导致气体在活塞一侧堆积，从而导致在活塞上施加力的相应的平均压力差，因而使活塞移动离开中心。
传统的校正装置分成三类(1)中心端口，是跨越活塞置入到活塞密封内的泄漏路径，使得其仅仅在活塞上的压力差被认为是最小时开启，因而任何累积的平均压力差趋于在每一个循环中均衡两次；(2)补偿流动网络，该网络包括具有连接活塞两侧或连接到不同压力下的气源的单向阀的网络，该网络设计成与通过活塞密封的不平衡的流相对的方向上泄漏流体；(3)扰动DC电流，DC电流将校正的DC力施加到电流致动(诸如线性电动机)的自由活塞来对消由在一侧堆积的流体引起的压力。前两个方案涉及围绕活塞密封的旁路。旁路不可避免增加制造成本，并引起可靠性和质量控制的问题。许多这样的方案需要一定程度的主动控制和/或调节以正确地工作；中心端口和单向阀会被堆积物污损，并且单向阀可能全部失效。旁路还增加系统的能耗。扰动DC电流需要附加的传感器和控制电子设备，并且在除了最小的自由活塞装置以外的所有自由活塞装置上是不实用的。
因而，本发明的目的是提供一种能够更好地抵消活塞漂移的自由活塞装置。
发明内容
由本发明获得的以上和其它目的对于本技术领域的技术人员在阅读这些公开内容之后将变得明显，本发明是一种自由活塞装置，具有在行程长度上以一定频率往复运动的活塞，并具有分别朝向第一和第二可变容积的第一和第二侧，第一和第二容积用于容纳工作流体，其中，所述第一容积和所述第二容积经由所述活塞和所述活塞在其中往复的壳体之间的间隙密封连通，所述改进包括用于以与所述活塞往复的循环协调来产生时变密封几何形状的方式改变所述间隙密封的几何形状的装置，这样的时变密封几何形状减少或消除否则会发生的工作流体的时间平均流，由此减少或消除所述活塞沿所述往复轴线从标称中心的漂移。
图1是本发明的自由活塞装置的一个优选实施例的剖面表示。
图2是在图1中所示的本发明实施例在活塞一端的瞬时压力超过活塞另一端的瞬时压力时的情形的剖面表示。
图3是本发明自由活塞装置的另一个优选实施例的剖面表示，其中，活塞具有固定实体体积。
图4是本发明的自由活塞装置的另一个优选实施例的剖面表示，其中密封响应于振荡压力而弯曲。
图5是本发明的自由活塞的另一个优选实施例的剖面表示，其中，密封的长度随活塞的运动而变化。
图6是本发明的自由活塞的另一个优选的实施例的剖面表示，其具有锥形的活塞和气缸。
对于相同或类似元件，附图中的数字是相同的。
具体实施例方式
本发明认识到在活塞运动的整个循环中随时间适当变化的活塞密封能够利用气流动态特性来控制活塞位置，而不需要额外的流动路径或校正DC信号。本发明的自由活塞是自定心，没有主动控制，没有调节，也没有绕密封的额外泄漏路径，没有额外的制造成本，没有故障模式，且具有低的能耗。本发明采用具有零净流量通过的活塞和密封。这种时变密封的几何形状用来控制通过密封的流量。本发明包括以下认识通过设计活塞和/或密封使得密封的几何形状在每一个循环过程中以使得抑制自然净泄漏流量或使自然净泄漏流量反向的方式而变化，对泄漏可以加以控制和平衡，平均位置可以加以控制。被动地控制活塞位置同时消除对中心端口、旁通管或单向阀网络的需要导致低成本、更高效率、更少的故障模式和更少的零件数量。本发明利用以下发现中空活塞能够响应于活塞壳体上的压力差而弯曲，使得在有振荡压力的情况下，壳体在半个循环期间膨胀，因而使密封间隙变窄，而在另半个循环期间收缩，因而增加密封间隙。在具有中空活塞的大多数装置中，这导致流经密封的不平衡质量流量增加和活塞漂移增加。本发明体现以下认识，即活塞能够设计成使在活塞壳体上的通常的压力梯度反向，使得当压力在前面(“前面”是具有更高动态压力的一侧)是高时，密封间隙紧闭，反之亦然。这基本上使活塞自身类似单向阀地动作，减少了在通常造成活塞漂移/偏移的方向上的流。
本发明参照附图以更详细的方式描述。现在参照图1，可以作为单体浇铸的或由若干个机加工零件组成的活塞(1)在气缸(2)中往复运动，将工作流体隔成两个通过环形间隙(5)连通的两个容积(3)和(4)。如果活塞是诸如线性电动机的致动器的一部分，则活塞可以通过活塞杆(6)连接。活塞的外壳(7)通过连接板(8)分成部分(9)和(10)，这使用诸如间隙(5)、活塞半径(12)、工作流体特性、容积(3)和(4)中的动态压力的幅度和相位、外壳的厚度(11)和密封(13)的总长之类的量由设计选定。
当容积(3)中的压力高而容积(4)中的压力低时，活塞壳体的部分(9)将径向膨胀，而部分(10)将径向收缩。这些部分的自由端将不会偏转，并且连接到连接板(8)的端部将具有几乎零度的倾斜，使得所形成的(夸大的)活塞形状类似于在图2中所示的。即，当容积(3)的瞬时总压力超过容积(4)的瞬时总压力时，在部分(9)中的密封间隙将减少，而在部分(10)中的密封间隙将增加。如果(9)比(10)长，则密封间隙经历净减少，因而阻止通过密封的流动。当(4)的压力超过(3)的压力时，密封间隙将经历净增加，因而促进流动。注意，活塞内壳(1)的偏转也必须考虑。如果(3)中的动态压力幅度大于(4)中的动态压力幅度，则这是所需要的密封性能以与会发生的自然时间平均二阶质量流量相对。与流量相对的强度由部分(9)和(10)的相对长度控制。如果活塞半径(12)特别地大并且活塞壳(11)特别地薄，则活塞偏转驱动的流量将优于二阶时间平均流量占主导，因此，部分(9)和(10)应几乎相等。
本发明的实施例具有许多优点，在其中主要的优点是由弯曲的活塞壳形成的密封中流的单向阀能够容易地制成足够地强，以克服在没有弯曲活塞情况下会发生的自然时间平均质量流量。活塞壳的实际弯曲在实际机器中是非常微小使得不用关心疲劳的问题，因而这代表真正的免维护技术方案，且没有附加零件和流动路径。
图3示出类似于图1中所示活塞的活塞，但是活塞内壳(1)已经由实体体积(14)代替，实体体积(14)由某种装置(15)固定以相对于气缸静止。在这情况下，活塞可以比在图1中所示的实施例重量要小，但(3)中的工作流体的体积不必增加。
如在图4中所示，本发明还包括其中活塞密封弯曲的构造，而不是活塞弯曲(或除了活塞弯曲之外)。
此处，出于清楚起见(尽管不是必要的)活塞(1)示出为实体，因而不能够弯曲，并且气缸构造成使得气缸包括内壳(2)，由密封间隙(5)限制其内径，由此处示出为(19)和(20)的一个或多个环形容积限制其外径。连接板(23)或其它装置将气缸壳(2)连接到外壳(24)或其它刚性支撑件，并且将两个环形容积(19)和(20)分开。选定两个部分(21)和(22)以使活塞的漂移最小化。在图4所示的示例中，如果我们假定容积(3)中的振荡压力幅度超过容积(4)中的振荡压力幅度，则我们会期望部分(22)比部分(21)长，使得当(3)中的总压力超过(4)中的总压力时，活塞气缸的内壳(2)经历净径向压缩，因而减少了密封间隙，阻止从(3)到(4)的流。
除了弯曲的活塞或密封，本发明还覆盖随时间改变活塞几何形状的其它装置。一个示例示出在图5中。如果密封中的未平衡的质量流量小，则构造阶梯形气缸可能就足够了，其中更小直径的区域(2)用作具有小间隙(5)的活塞孔，外部区域(16)连接到刚性支撑件，或者形成壳体或压力容器的一部分。活塞设置成使得在其平衡位置处，其在孔中没有对中，而是突出到一侧外。孔的有效密封长度(13)因而由于活塞运动而随时间调节。由于通过密封的质量流量与其长度成反比，在循环中通过密封的流在适合点被促进或阻止，这取决于活塞和气缸如何构造。
在图5所示的示例中，我们假定(3)中的动态压力幅度超过(4)中的动态压力幅度，因而，在工作过程中活塞自然趋于向(3)漂移。如果活塞运动和(3)中的动态压力之间的相位使得当活塞处于其在(3)中的最大偏移时(3)中的压力接近最大值，则当驱动从(3)到(4)的流的压力差最大时，密封长度将接近最大值。因而，这样的流被阻止，反向流得到促进，这与气体蓄积在具有较低动态压力的容积中的趋势相反。活塞在气缸中的平衡位置可以调节成反映在振荡压力和活塞运动之间存在的任何相位，使得当密封上的压力差是最大时密封长度是最大的。
本发明还覆盖自由活塞行为的一些其它方面的应用(通常被认为是不合理的)，使得如果该行为形成对其功能很重要的时变密封几何形状则消除活塞漂移。下面是一个示例。通常在制造活塞孔的过程中活塞孔要制成均匀直径。然而，如果形成具有从一端到另一端的锥度的孔时，则当该活塞在锥形孔中往复运动时这能够形成时变有效的密封间隙。这能够根据锥度的度数和方法减少活塞漂移。
图6示出本实施例可行的实现。锥角(24)考虑平均密封间隙(5)、活塞直径、密封长度和工作流体特性选定来使活塞漂移最小化。在所示的示例中，锥度(被夸大)使得随着活塞移动进入容积(3)越远，密封间隙减少。如果(3)中的动态压力幅度超过(4)中的动态压力幅度，并且该压力与活塞运动同相或接近同相，那么该活塞孔的锥度将通过当(3)中的总压力超过(4)中的压力时减少密封间隙来阻止(4)中的工作流体的自然蓄积，并且当(4)中的总压力超过(3)的压力时反之亦然。
尽管本发明已经参照一些优选实施例详细地进行了描述，但是本技术领域的技术人员将认识到有在权利要求要旨和范围内的其它实施例。
权利要求
1.一种自由活塞装置，具有在行程长度上以一定频率往复运动的活塞，并具有分别朝向第一可变容积和第二可变容积的第一侧和第二侧，第一可变容积和第二可变容积用于容纳工作流体，其中，所述第一容积和所述第二容积经由所述活塞和所述活塞在其中往复的壳体之间的间隙密封连通，所述改进包括用于以与所述活塞往复的循环协调来产生时变密封几何形状的方式改变所述间隙密封的几何形状的装置，这样的时变密封几何形状减少或消除否则会发生的工作流体的时间平均流，由此减少或消除活塞沿往复轴线从标称中心的漂移。
2.根据权利要求1所述的自由活塞装置，其中，所述时变密封几何形状由包括具有外壳的活塞的装置产生，所述外壳能够响应于压力径向膨胀或收缩。
3.根据权利要求1所述的自由活塞装置，其中，所述时变密封几何形状由包括活塞气缸的装置产生，该活塞气缸具有内径，所述内径由在所述间隙密封中的流体约束，所述活塞外径的至少一部分由经受压力振荡的工作流体约束，使得气缸直径和所述间隙密封的间隙响应于振荡压力膨胀或收缩。
4.根据权利要求1所述的自由活塞装置，其中，所述时变密封几何形状由包括具有密封表面的活塞的装置产生，在部分所述往复循环过程中，所述密封表面至少部分地延伸到所述密封的外部。
5.根据权利要求1所述的自由活塞装置，其中，所述时变密封几何形状由包括锥形活塞孔的装置产生，使得有效的密封间隙取决于所述孔中的活塞位置。
全文摘要
一种特别地可应用来与线性电动机一起使用的自由活塞装置，用于为低温制冷机提供声能以在低温温度产生制冷，其包括时变间隙密封，以通过减少或消除否则会发生的工作流体的时间平均流，来抵消活塞漂移。
文档编号F16J15/56GK1950631SQ200580014555
公开日2007年4月18日 申请日期2005年3月14日 优先权日2004年3月18日
发明者P·S·斯普尔 申请人:普莱克斯技术有限公司