专利名称：自由活塞式微路密液机的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由活塞式VM机(以下称之为自由活塞VM机)，尤其涉及到应用于空调，冰箱等总体造型小巧的自由活塞VM机。
图11是展示普通自由活塞VM机基本构造的一个视图，其结构和运作情况如下所述。
图11中，高温压气活塞101有一个分段的活塞杆，此活塞杆由直径为a的驱气活塞杆102和直径为b的驱气活塞杆103串接组成。驱气活塞杆103的一端被一个线性驱动器104上下驱动。
另一方面，高温侧高温部分的热交换器106a，高温侧的蓄热器107，高温侧中温部分的热交换器108，低温侧中温部分的热交换器109，低温侧蓄热器110和低温侧低温部分的热交换器111按由上而下的顺序排列在柱面套筒105a和105b的外侧。高温侧中温部分热交换器108和低温侧中温部分热交换器通过一个圆环112结合成一体。
另外，高温侧的柱面机壳113和中温侧的柱面机壳114a与114b安装在高温侧蓄热器107、高温侧中温部分热交换器108和低温侧中温部分蓄热器110的外侧。另外，低温侧柱面机壳115安装在低温侧蓄热器110和低温侧中温部分热交换器111外侧，以使之与外界隔离。
在高温侧柱面机壳113的头部安装一个电热器106，以便从高温侧中温部分的热交换器108和低温侧中温部分的热交换器109中提取出热量，用于加热。而在低温侧低温部的热交换器111则可以用来冷却，在各个热交换器的外面，充满作为传送介质的水。
这里，高温工作区116内的工作气体，如氦等，由电热器106加热，中温工作区117通过高温侧中温部分的热交换器108加热外面的水；而低温工作区118和中温工作区117内的工作气体通过低温侧中温部分的热交换器109加热外面的水并且通过低温侧低温部分的热交换器111吸收外部水的热量。在这种情况下，高温压气活塞101的上下运动使工作气体通过高温侧高温部分的热交换器106a、高温侧蓄热器107和高温侧中温部分的热交换器108在高温工作区116和中温工作区117之间交换。
此外，低温压气活塞119的上下运动使工作气体通过低温侧低温部分热交换器111，低温侧蓄热器110和低温侧低温部分热交换器109在低温工作区118和中温工作区117之间交换。
在这种情况下，由于高温工作气体、中温工作气体和低温工作气体的比例变化产生工作室内压力波动。另外，由于直径分别为a和b的驱气活塞杆的直径不同造成弹簧气室容积的变化，从而引起弹簧气室内的压力波动。这样，由于上面提到的两种压力变化的不同，从而产生移动低温压气活塞119的扰动力。结果使低温活塞119运作，使低温过滤器119和高温过滤器101的相位差保持一定的数值。在这种情况下，各工作室的温度由于蓄热器107和110的运作而保持不变。利用多个热交换器108，109和111的热量的释放和吸收作为自由活塞式VM机的输出动力。
此外，参考标号120标明低温压气活塞的辅助机械弹簧；121是工作间118的活塞杆密封装置；122是高温压气活塞的辅助机械弹簧；123是缓冲器室，其内部安装有线性致动器和高温压气活塞机械弹簧；125是低温过滤器的弹簧气室。
顺便说一下，由于普通自由活塞VM机的具有如上所述的结构方式，导致如下问题的产生。(1)因为高温压气活塞机械弹簧和线性致动器均安装于机器外部的缓冲器室内，所以VM机的整体尺寸较大。(2)因为压气活塞通过低温室，所以有必要安装密封装置，但却有气体泄漏和摩擦损失的可能。(3)由于高温和低温压气活塞运行机械装置的原因，弹簧气室的体积不能减小，所以VM机的整体尺寸较大。
本发明的目的是提供一种可以解决已有技术中存在的问题的自由活塞-VM机。
为解决上述问题，依据本发明的第一种形式，提供一个利用回热循环的外燃热机作为自由活塞式VM机，机内低温压气活塞制成中空的，以形成低温压气活塞弹簧气室；低温压气活塞杆也制成中空的，以形成一个容纳高温压气活塞杆和高温压气活塞弹簧气室的中空室。
依据本发明的第二种形式，优选的情况是在上述第一种形式的自由活塞VM机内，形成一个弹簧气室通道以使高温压气活塞弹簧气室与低温压气活塞弹簧气室相通。
依据本发明的第三种形式，优选的情况是在上述第一种形式的自由活塞VM机内，高温压气活塞弹簧气室包括一个高温压气活塞机械弹簧；低温压气活塞弹簧气室包含一个安装于低温压气活塞杆上的低温压气活塞机械弹簧。
依据本发明的第四种形式，在上述第三种形式的自由活塞VM机的外部安装一个高温弹簧气室的气体储存器，用以调节高温压气活塞气体弹簧的容积。
依据本发明的第五种形式，在第3种形式中所述的自由活塞VM机外，安装一个高温弹簧气室的气缸和高温弹簧气室活塞，用以调节高温压气活塞弹簧气室的容积；高温弹簧气室的活塞由致动器驱动；致动器由一个可移动的磁线圈和一个固定的磁线圈组成。
依据本发明的第六种形式，在上面第五种形式所述的自由活塞VM机外，安装一个机器的辅助驱动器以使之与致动器联锁。
依据本发明的第七种形式，在上面第二种形式所述的自由活塞VM机内，其高温压气活塞弹簧气室包含一个高温压气活塞机械弹簧，而低温压气活塞弹簧气室包含一个固定于低温压气活塞杆上的低温压气活塞机械弹簧。
依据本发明的第八种形式，在上面第七种形式所述的自由活塞VM机的外部安装一个高温弹簧气室储存器，用以调节高温压气活塞弹簧气室的容积。
依据本发明的第九种形式，在上面第七种形式所述的自由活塞VM机的外部安装一个高温弹簧气室气缸和一个高温弹簧气室的活塞杆，用以调节高温压气活塞弹簧气室的容积。高温弹簧气室的活塞杆由致动器驱动，此致动器由一个可移动的磁线圈和一个固定的磁线圈组成。
依据本发明的第十种形式，在上面第五种形式所述的自由活塞VM机的外部安装一个机器辅助驱动器，用以与致动器联锁。
本发明的其它特征和优点可通过如下叙述，同时参看附图来说明清楚。
图1是本发明第一实施例中自由活塞式VM机构造的垂直剖面前视图；图2是本发明第二实施例中自由活塞式VM机构造的垂直剖面前视图；图3是本发明第普实施例中自由活塞式VM机构造的垂直剖面前视图；图4是本发明第四实施例中自由活塞式VM机构造的垂直剖面前视图5是本发明第五实施例中自由活塞式VM机构造的垂直剖面前视图；图6是本发明第六实施例中自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图；图7是本发明第七实施例中自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图；图8是本发明第八实施例中自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图；图9是本发明第九实施例中自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图；图10是本发明第十实施例一自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图；图11是普通自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图。
参阅图1到图10，本发明的各种实施例如下所述。
参阅图1一本发明自由活塞式VM机第一实施例构造的垂直剖面前视图，第一实施例具体叙述如下。
图1中，参考标号1为高温工作间，2为高温部分的中温工作间；3是低温部分的中温工作间，4是低温工作间；5是高温压气活塞的弹簧气室；6是低温压气活塞的弹簧气室；7是使高温部分中温工作间2与低温部分中温工作间3连通的气体通道；8是高温压气活塞；9是低温压气活塞；10是高温压气活塞杆；11是低温压气活塞杆；12是加热器；13是高温侧的蓄热器；14是低温侧的蓄热器；15是高温部分的散热器；16是低温部分的散射器；17是一个冷却器。
依据第一实施例，如上所述，低温压气活塞制成中空的以形成一个低温压气活塞弹簧气室；低温压气活塞杆制成中空的以形成一个可容纳高温压气活塞杆和高温压气活塞弹簧气室的空间。
由于采用以上提到的结构，使本实施例具有如下优良的性能。
因为不必象普通的自由活塞VM机那样，使活塞杆通过低温工作间，所以也就不需要密封而且没有气体泄漏，由于摩擦而产生的热损失和机械损失也相应地减少。
因为采用这样的结构，使得原来安装于普通VM机外部的高温压气活塞机械弹簧现安装在本发明VM机低温压气活塞杆内，低温活塞杆安装在本发明M机内，所以本发明的VM机的整体结构尺寸减小很多。因此可得到应用于空调、冰箱等的自由活塞VM机。
参阅图2本发明第二实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，此实施例叙述如下。图2中与图1第一实施例相同或相当的组成部件参阅相应部分的说明；与第一实施例相同功能/运行的说明将省略。
第二实施例与第一实施例的区别之处在于设置一个使高温压气活塞弹簧气室5与低温压气活塞弹簧气室6连通的弹簧气室通道30。由于如上所述设置一个使高温压气活塞弹簧气室5与低温压气活塞弹簧气室6连通的弹簧气室通道30，使得弹簧气体运作所需的弹簧气室的容积减小，弹簧气体的运作是由高温压气活塞杆10的上下运动而引起的。从而使VM机能够设计得紧凑。
参阅图3本发明第三实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，第三实施例叙述如下。图3中与图1第一实施例相同或相当的组成部件参阅相应部分的说明，与第一实施例具有相同功能/运作情况的说明将省略。
第三实施例与第一实施例的区别在于高温压气活塞的机械弹簧18安装于高温压气活塞弹簧气室内，固定于低温压气活塞杆上的低温压气活塞的机械弹簧19安装于低温压气活塞弹簧气室内。
由于采用以上提到的结构，使本实施例具有以下优良性能。
因为不必象普通的自由活塞VM机那样活塞杆通过低温工作间，所以也就不需要密封设备并且没有气体泄漏，而且由于摩擦产生的热损失和机械损失也相应地减少。
由于采用这样的结构，使得原来安装于普通VM机外部的高温压气活塞机械弹簧现安装于本发明VM机低温压气活塞杆内，低温活塞杆安装在本发明VM机内，所以本发明的VM机的整体结构尺寸明显减少。因此可得到应用于空调、水箱等的自由活塞VM机。
高温侧和低温侧的气体弹簧和机械弹簧可分别设计成合适尺寸。
参阅图4本发明第四实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，本实施例具体叙述如下。图4中与图3第三实施例相同或相当的组成部件参考相应部分，与第三实施例具有相同功能/运行情况的说明将被省略。图4中，参考标号22是高温弹簧气室的储气器；20是气体通道；21是一个节流阀。
第四实施例的组成特征是除第三实施例的构造外，在VM机的外面安装一个高温弹簧气室的储气器22从而可通过气体通道20及节流阀与高温过滤器气体弹簧室5连通。
在第四实施例中 ，如上所述，特别是因为与高温压气活塞气体弹簧室5连通的弹簧气室储气器22安装于VM机的外部，所以安装于VM机内的高温压气活塞弹簧气室5的尺寸相应地减少，从而使VM机整体造型紧凑。
顺便说一下，供给高温气体弹簧储气器22的气体可通过节流阀调至所需值。
因为不必象普通VM机那样使活塞杆通过低温工作间，所以也就不用密封设备并且没有气体泄漏的问题，而且由摩擦产生的热损失和机械损失也相应地减少。另外，由于本实施例设计成这样的结构使得原来安装于普通VM机外部的高温压气活塞机械弹簧现安装于本发明VM机低温压气活塞杆内，低温活塞杆安装于本发明VM机内，所以从这点上看，本发明的VM机的整体结构尺寸明显减少。
参阅图5本发明第五实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，本实施例具体叙述如下。图5中与图3第三实施例相同或相当的组成部件参考相应部分，与第三实施例具有相同性能/运作情况的说明被省略。
如图5，第五实施例的结构特征是高温压气活塞弹簧气室的容积调节装置由高温弹簧气室的气缸23，安装在气缸23内的活塞24，一个活塞支撑弹簧25，可移动磁线圈26和固定磁线圈27所组成，并在实施例4中高温弹簧气室的储气器位置与气缸的气体通道20a通过节流阀相连通。
在第五实施例中，由于高温压气活塞弹簧气室容积调节装置的调节作用是由致动器驱动高温弹簧气室活塞完成，所以高温弹簧气室的气缸尺寸与第四实施例的高温弹簧气室的储气器22相比可减小，而且第四实施例的储气器的容积是固定不变的。另外，致动器是由可动磁线圈和固定磁线圈组成的。
需要附带说明的是供给高温弹簧气室气缸23的气体可由节流阀21调至所需值。
此外，本实施例与第3实施例相同之处在于不需要密封装置，没有气体泄漏，并且由于摩擦产生的热损失、机械损失等也减小了。
参阅图6本发明第六实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，本实施例具体叙述如下。图6中与图5第五实施例相同或相当的组成部件参考相应部分，与第五实施例具有相同功能/运作情况的说明将被省略。
如图6，第六实施例除具有第五实施例的构造外，还有一个与上述致动器联锁的外置辅助驱动器。顺便说说，这种外置辅助驱动器可用于鼓风机，水泵等。如图6，这种外置辅助驱动器由辅助气缸38，辅助活塞39，活塞支撑弹簧40，隔板41，入口42和出口43组成。如果需要，辅助活塞39可增加曲轴机构。
由于采用了象辅助气缸等的辅助机器，使其能够与高温气体弹簧室的致动器连锁，从而不用将外置辅机与VM机分散布置。
附带说说，本实施例与第五实施例的相同之处在于供给高温气体弹簧室气缸23的气体可由节流阀21调节至所需的值，本实施例与第四实施例的相同之处在于不需要密封装置，没有气体泄漏，从而使由于摩擦产生的热损失、机械损失等也减少了。
参阅图7本发明第七实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，本实施例具体叙述如下。图7中与图3第三实施例相同或相当的组成部件参考相应部分，与第三实施例具有相同性能/运作情况的说明将被省略。
第七实施例与第三实施例的不同之处在于本实施例设置了一个使高温压气活塞气体弹簧室5与低温压气活塞气体弹簧室6连通的气体弹簧室气体通道30。由于设置了如上所述的一个能使高温压气活塞气体弹簧5与低温压气活塞气体弹簧室6连通的气体弹簧室气体通道30，由高温压气活塞杆10的上下运动而在气室5内产生的气体弹簧运作所需的高温压气活塞气体弹簧室5的容积可以减小，从而使VM机的设计紧凑。
依据第七实施例，与第三实施例类似，低温压气活塞制成中空的以形成低温压气活塞气体弹簧室，低温压气活塞杆也制成中空的以形成一个空室容纳高温压气活塞杆开口高温压气活塞的气体弹簧室。此外，还设置了一个能使高温压气活塞气体弹簧室与低温压气活塞气体弹簧室连通的气体弹簧室通道。由此，使本实施例具有以下优良性能。
由于不必象普通的自由活塞VM机那样使活塞杆穿过低温工作间，所以也就不用密封设备，不存在气体泄漏的问题，因此由摩擦产生的热损失和机械损失等也相应地减少了。
由于本实施例的组成特征使得原来安装于普通VM机外部的高温压气活塞机械弹簧现安装于本发明VM机低温压气活塞杆内，低温活塞杆安装在VM机内，所以高温压气活塞气体弹簧气室的容积可以缩小，从而使VM机的整体尺寸大大缩小。因此，可得到应用于空调、冰箱等的自由活塞VM机。
参阅图8本发明第八实施例自由活塞VM机结构的垂直剖面前视图，本实施例具体叙述如下。图8中，与图7第七实施例相同或等效的组成部件参照相应部件；与第七实施例具有相同性能/运作情况的说明将不再累述。附带说一下，参考标号22是高温气体弹簧室的储气器；20是储气器气体通道；21是一个节流阀。
第八实施例与第七实施例的不同之处在于在机体的外部设置气体弹簧室的储气器22既可调节如上所述的高温压气活塞气体弹簧室5的容积，又可调节低温过滤器气体弹簧室6的容积。
如上所述的第八实施例，气体弹簧室的储气器22设置在机体外，从而既可与高温压气活塞气体弹簧室5连通，又可与低温压气活塞气体弹簧室6连通。因此，设置在机体内部的高温压气活塞气体弹簧室5和低温压气活塞气体弹簧室6的体积便可缩小。从而使整个机体结构紧凑。
附带说明，供给储气器22的气体可通过节流阀21调至所需值。
此外，因为不必象普通VM机那样使活塞杆贯穿低温工作间的活塞杆，所以不用密封设备，也没有气体泄漏。从而，由摩擦等原因而产生的热损失、机械损失减少。另外，原来安装于普通的VM机外部的高温压气活塞机械弹簧现安装于机体内低温压气活塞内，从这一点可看出，VM机的整体结构可以缩小。
参阅图9本发明第五实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，本实施例具体叙述如下。图9中，与图8第八实施例相同或等效的组成部件参照相应部件，与第八实施例具有相同功能/运作情况的说明将不再累述。
第九实施例是第八实施例的改型。本实施例与第八实施例的不同之处在于第八实施例中用于调节高温和低温压气活塞气体弹簧室容积的储气器22被一个由气缸23、活塞24、活塞支撑弹簧25、可动磁线圈26和固定磁线圈组成的用于调节高温和低温压力活塞气体弹簧室容积的装置所代替，这种容积调节装置通过节流阀21与气缸的气体通道20相连通。
在第九实施例中，因为高温/低温压力活塞气体弹簧室容积调节装置的调节是由致动器驱动活塞来执行的，致动器是由可动磁线圈和固定磁线圈组成的；这样，气缸的尺寸与第八实施例容积固定的高温/低温气体弹簧室储气器相比，可以缩小了。
附带说一下，供给高温/低温气体弹簧室气缸23的气体量可通过节流阀21调至所需值。
此外，本实施例与第七实施例的相同之处在于不需要密封装置，没有气体泄漏；并且由摩擦等因素产生的热损失、机械损失也减少了。
参阅图10本发明第十实施例自由活塞VM机构造的垂直剖面前视图，本实施例具体叙述如下。第十实施例是第九实施例的改型，图10中，与图9第九实施例相同或相当的组成部件参照相应部分；与第九实施例具有相同功能/运作情况的说明将不再累述。
第十实施例与第九实施例的不同之处在于除第九实施例的结构外。本实施例还设置了一个与上面提到的致动器联锁的外置辅机驱动器。这种外置辅机驱动器可用于鼓风机、水泵等。如图10，外置辅机驱动器由辅机气缸38，辅机活塞39，活塞支撑弹簧40，隔板41，入口42和出口43组成。如果需要可将曲轴装置附加于辅机活塞39上。
第十实施例中设置的象辅机气缸等这样的辅机目的是使之与高温/低温气体弹簧室的气缸联锁，因此，一般与VM机分离安置的外置辅机就显得不必要了。
附带说明，本实施例与第九实施例的相同之处在于供给高温/低温气体弹簧室的气缸23的气体量可由节流阀21调至所需量。本实施例与第七实施例的相同之处在于没有密封装置，并且没有气体泄漏，从而由摩擦等因素引起的热损失、机械损失减少。
权利要求
1.一种自由活塞VM机，它是采用回热循环的外燃热机。其中，低温压气活塞制成中空的以形成一个低温压气活塞气体弹簧室，低温压气活塞杆也制成中空的以形成一个可容纳高温压气活塞杆和高温压气活塞气体弹簧室的中空室。
2.根据权利要求1所述的自由活塞VM机，其中构造一个气体弹簧室通道，以使所说的高温压气活塞气体弹簧室与所说的低温压气活塞气体弹簧室连通。
3.依据权利要求1所述的自由活塞VM机，其中所说的高温压气活塞气体弹簧室包括一个高温压气活塞机械弹簧；所说的低温压气活塞气体弹簧室包括一个安装于所说的低温压气活塞杆上的低温压气活塞机械弹簧。
4.根据权利要求3所述的自由活塞VM机，其外部安装一个用于调节高温压气活塞气体弹簧室容积的高温气体弹簧室储气器。
5.根据权利要求3所述的自由活塞VM机，其外部设置一个用以调节所说的高温压气活塞气体弹簧室容积的高温气体弹簧室气缸；所谓的高温气体弹簧室活塞由致动器驱动；此致动器由一个可动的磁线圈和一个固定的磁线圈组成。
6.根据权利要求5所述的自由活塞VM机，另外还设置一个外置辅机驱动器，使之与所说的致动器联锁。
7.根据权利要求2所述的自由活塞VM机，其中所说的高温压气活塞气体弹簧室包括一个高温压气活塞机械弹簧，而所说的低温压气弹簧气体弹簧室包括一个固定于所谓的低温压气活塞杆上的机械弹簧。
8.根据权利要求7所述的自由活塞VM机，其中，在外部安装一个可调节高温压气活塞气体弹簧室容积的高温气体弹簧室储气器。
9.根据权利要求7所述的自由活塞VM机，其中，在外部设置一个可调节所说的高温压气活塞气体弹簧室容积的高温气体弹簧室气缸；由一个可动的磁线圈和一个固定的磁线圈组成的致动器驱动所说的高温气体弹簧室活塞。
10.根据权利要求9所述的自由活塞VM机，另外设置一个与所说的致动器连锁的外置辅机驱动器。
全文摘要
自由活塞式微路密液机是一个应用回热循环的外燃热机,其内部的低温压气活塞制成中空的以构成一个低温压气活塞气体弹簧室。低温压气活塞杆也制成中空的以构成一个容纳高温压气活塞杆的气室,同时这个气室也就是高温压气活塞气体弹簧室。此外,在上述结构中,构造一个使高温压气活塞气体弹簧室与低温压气活塞气体弹簧室连通的气体弹簧室通道。高温压气活塞机械弹簧可安置在高温压气活塞气体弹簧室内,固定于低温压气活塞杆上的低温压气活塞机械弹簧安装于低温压气活塞气体弹簧室内。
文档编号F04B31/00GK1192506SQ97104898
公开日1998年9月9日 申请日期1997年3月4日 优先权日1997年3月4日
发明者关谷弘志, 福田荣寿 申请人:三洋电机株式会社