[發明專利]β斯特林機器中的平衡多重分組

無效

• 申請號: 200980151574.6
• 申請日: 2009-10-20
• 公開（公告）號: CN102257263A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 威廉·T·比樂;J·G·伍德
• 申請（專利權）人: 圣波爾股份有限公司
• 主分類號: F02G1/044
• 分類號: F02G1/044
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 馬洪

技術領域

本發明一般涉及斯特林循環機，更具體地涉及β自由活塞斯特林循環發動機和β自由活塞斯特林循環冷卻器的分組，它們被平衡以防止或盡量減少振動。

背景技術

斯特林機已經知道了近兩個世紀，但近幾十年來受到了顯著的發展，因為它們提供了重要的優勢。其現代版本已經在多種應用中用作發動機和熱泵許多年了。在本發明中使用的斯特林機類型中，工作氣體被限制在由膨脹空間和壓縮空間組成的工作空間中。工作氣體交替地膨脹和壓縮，以進行工作或泵熱。每個斯特林機具有一對活塞，一個活塞稱為置換器，另一個活塞稱為動力活塞且經常簡稱為活塞。往復運動的置換器是工作氣體周期性地在壓縮空間和膨脹空間之間來回，所述壓縮空間和膨脹空間通過熱接受器、再生器和散熱裝置流體流體。所述周期性地來回改變了工作氣體在每個空間中的相對比例。在膨脹空間中的氣體，和/或通過在再生器和膨脹空間之間的熱交換器(接受器)流入膨脹空間的氣體，接受來自周圍表面的熱量。在壓縮空間中的氣體，和/或通過在再生器和壓縮空間之間的熱交換器(散熱裝置)流入壓縮空間的氣體，將熱量散發到周圍表面。在任一瞬間時間在兩個空間中的氣體壓力在本質上是相同的，因為所述兩個空間通過一個具有相對低流阻的路徑互連。然而，在工作空間中的工作氣體的壓力作為整體是周期性地循環變化的。當大部分工作氣體在壓縮空間中時，熱量從所述氣體散出。當大部分工作氣體在膨脹空間中時，所述氣體接受熱量。不論所述機器是作為熱泵或是作為發動機工作，這都是真的。為區分所產生的功或泵出的熱的唯一要求是膨脹過程進行時的溫度。如果膨脹過程的溫度比壓縮空間的溫度高，則所述機器傾向于做功，因此它可以用作發動機，如果膨脹過程的溫度比壓縮空間的溫度低，則所述機器會將熱量從冷源泵到溫暖的散熱器上。

因此可以使用以上原則來設計斯特林機，以提供：(1)具有活塞和置換器的發動機，通過施加外部熱能源到所述膨脹空間和將熱量從所述壓縮空間傳遞出去而被驅動，且因此能夠作為用于機械負載的原動機；或者(2)具有所述動力活塞(有時是所述置換器)的熱泵，周期性地被原動機驅動以將熱量從膨脹空間泵到壓縮空間，且因此能夠將熱量從較冷的物質泵到較暖的物質。熱泵模式允許斯特林機用于冷卻與它的膨脹空間熱連接的質量，包括冷卻到超低溫度，或者是用于加熱與它的壓縮空間熱連接的質量，如用作家庭供暖的熱換熱器。因此，術語斯特林“機”用于統稱包括斯特林發動機和斯特林熱泵。

直到大約1965年，斯特林機被構造為動力學驅動的機器，這意味著所述活塞和置換器通過機械聯動(通常是連桿和曲軸)相互連接。之后，威廉比爾發明自由活塞斯特林機。在自由活塞斯特林機中，活塞沒有連接到機械傳動鏈接。自由活塞斯特林機是一種熱-機械振蕩器，它的一個活塞“置換器”是由在所述機器的空間或腔室中的工作氣體壓力變化或差異驅動的。另一個活塞“動力活塞”或者是在斯特林機工作在其熱泵模式時由往復的原動機驅動，或者是在斯特林機作為發動機工作時驅動往復的機械負載。自由活塞斯特林機器提供很多的優點，包括：控制它們的頻率、相位和幅度的能力，與它們的環境氣密密封的能力，和在運動部件之間不需要機械的流體密封以防止工作氣體和潤滑油的混合。

因為自由活塞式斯特林機可以作為發動機來構造和運作，這種發動機已作為原動機被鏈接到各種機械負載。這些負載包括線性交流發電機、壓縮機、流體泵、甚至是斯特林熱泵。類似地，因為自由活塞斯特林機可以在熱泵模式中運作，它們已經作為負載被包括線性電機的各種原動機驅動。

因此，像線性電動機或交流發電機一樣，斯特林機是一種換能器，每個斯特林機可以在兩個模式之一模式中工作。斯特林機可以由原動機在往復運動中機械地驅動，以將熱量從較低溫度的物體泵到較高溫度的物體。斯特林機可以由兩個物體之間的溫差能驅動，并提供機械往復運動的輸出。類似地，線性電動機或交流發電機結構可以由原動機在往復運動中機械地驅動以產生電力輸出，或者線性電動機/發電機由交流電源驅動以作為用于提供機械往復運動的輸出的發動機工作。因此，作為發動機工作的斯特林機可以用來驅動線性發電機，且線性電動機可用于驅動在熱泵模式中操作的斯特林機。在這兩種情況下，斯特林機的動力活塞通常直接連接到線性電動機或發電機的往復運動的構件上，使它們作為整體往復運動。

已經開發出多種結構的斯特林機。現代斯特林發動機的常見形式是阿爾法(α)構型，也稱為Rinia(瑞尼那)、西門子或雙動結構。第二種斯特林結構是貝塔(β)斯特林構型，特征是在同一個氣缸中的置換器和活塞。第三種形式是伽瑪(γ)斯特林構型，特征是將置換器和活塞置于不同的氣缸中。本發明涉及β構型的自由活塞斯特林機。