專利名稱:雙活塞v型斯特林發(fā)動機的制作方法
本發(fā)明是提供一個斯特林發(fā)動機，特別是雙活塞V型斯特林發(fā)動機。
隨著斯特林發(fā)動機效益的恢復(fù)和進一步地擴大，人們在盡力不斷地改善他們的設(shè)計，G·Walker在《斯特林發(fā)動機》(1980第一版，一書中闡述了基本斯殊林發(fā)動機的工作原理。其要點是斯特林發(fā)動機是根據(jù)加熱和冷卻工作流體(氣體)的原理來工作的，通過氣體的膨脹和壓縮來做有用功。該書圖解地說明了各種各樣的斯特林發(fā)動機的設(shè)計，并附加說明了它們各自的優(yōu)點。
一個典型的斯特林循環(huán)，由一個受控容積組成，而該受控容積分為下面毗鄰的幾部分，壓縮腔(或冷腔)、冷卻器、加熱器和膨脹腔(或熱腔)。在實際的結(jié)構(gòu)中，這些腔往往要通過無效容腔或連接管道連接起來。由熱力學(xué)原理可知，當(dāng)這些無用空腔或連接窄道處于工作流體密度較大的冷空腔時，其結(jié)構(gòu)要比這些無效空腔或連接管道處于工作流體受熱且密度較小的熱空腔時緊湊。在大多數(shù)情況下，最大的連接容積是在加熱器與膨脹腔以及冷卻器與冷空腔之間，這兩部分之間的冷卻管道對功率密度和效率最無益處，所以，本設(shè)計的目的之一就是要減小這部分的容積。
此外，這種發(fā)動機大多使用比空氣輕的氣體，如氫氣，氦氣作為工作流體。因為這些氣體的導(dǎo)熱性好，比熱大而且粘度小，但是，輕于空氣的氣體的發(fā)動機的缺點之一是需要一固定的氣體存貯量，因此在工作氣體和周圍空間之間的密封就變得相當(dāng)復(fù)雜。常見的氫氣和氦氣發(fā)動機在活塞和滑塊(吸收側(cè)壁截荷)之間的桿上來用滑動密封，其目的是防止油液從曲柄軸箱泄漏進入工作腔，以及工作流體從工作腔泄漏進入曲柄軸箱，這樣的結(jié)構(gòu)增加了發(fā)動機的復(fù)雜性，且使重量和體積增大。
其它的設(shè)計設(shè)想采用空氣作為工作流體，由于這些空氣循環(huán)發(fā)動機避免了輕于空氣的氣體的發(fā)動機所需要的一些密封要求，有補償空氣相對惡劣的流體特性的優(yōu)點。因為許多空氣循環(huán)發(fā)動機相對地要重一些，有必要改善這一點且使其簡化。為此必須克服各種設(shè)計上的困難，特別是要提供一個有效的功率重量比。
無論是空氣循環(huán)發(fā)動機還是輕于空氣的氣體循環(huán)發(fā)動機，都希望使其趨于合理化，同時，簡化其設(shè)計，減少它們的重量，還要保持或者提高它們的效率。
由于在一些應(yīng)用中，原先的斯特林發(fā)動機設(shè)計已經(jīng)被實踐所認可，所以現(xiàn)在的問題是基于這種設(shè)計盡可能提高其效率和降低其成本。
本發(fā)明的主要目的之一是提供一個結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低且效率高的斯特林發(fā)動機。
本發(fā)明的另一個目的是減少斯特林發(fā)動機中的無效容積借以改善和提高它們的熱力學(xué)效率。
本發(fā)明還有一個目的是消除以前所采用的活塞密封設(shè)計的復(fù)雜性和一些伴隨問題。
本發(fā)明的另一目的是簡化發(fā)動機的控制系統(tǒng)，從而使其更加簡易并降低它的成本。
本發(fā)明所設(shè)計的斯特林發(fā)動機，特別適用于單動式兩活塞90°V型結(jié)構(gòu)，把冷卻器和回?zé)崞髦苯釉诳拷鼔嚎s腔處圍在冷活塞上從而減少了冷卻壓縮管道的容積，同時提供了一個對曲柄軸箱實現(xiàn)密封的密封結(jié)構(gòu)，從而省去了活塞密封，滑塊或活塞桿。此外，也包含一個簡化的功率控制系統(tǒng)。
所提出的設(shè)計是比較簡單而且有效的，在工作中可以使用空氣或輕于空氣的氣體作為工作流體。此外，由于設(shè)計的本質(zhì)是模塊化設(shè)計，很容易成組使用以產(chǎn)生一個較大的功率發(fā)動機。
這里通過結(jié)合幾個視圖對本發(fā)明所做的說明，上述斯特林發(fā)動機的設(shè)計意圖，優(yōu)點以及其它的特點將顯而易見。
圖1，是單動式雙活塞V型斯特林發(fā)動機的簡圖。
圖2、是斯特林循環(huán)發(fā)動機主要部分的部件分解圖。
圖3、壓縮控制的簡圖。
參照視圖，圖1表示雙活塞發(fā)動機或工作循環(huán)10的基本布局，可以看出，為了在工作循環(huán)過程中得到最大的體積變化，沒有使用驅(qū)氣活塞而使用雙活塞結(jié)構(gòu)。該活塞發(fā)動機包含一個平頭壓縮活塞12和一個園頂形膨脹活塞14，兩活塞由一對連桿16和18驅(qū)動，連桿16和18與同一曲軸20相連，兩活塞軸線按曲柄轉(zhuǎn)角分離排列，曲柄轉(zhuǎn)角等于兩活塞間的理想分離角。典型的理想角度大約為90°，使得膨脹腔壁容易加工且提高了平衡性。
如圖所示，壓縮活塞12設(shè)置在園柱形壓力腔22中腔24形成膨脹腔，每一個活塞都裝有活塞環(huán)25，該環(huán)用來在工作循環(huán)和曲柄軸箱間起密封作用。緊挨著壓縮腔22，有一個冷卻器26，和一個回?zé)崞?8，這兩個部分都按標(biāo)準(zhǔn)工序制造。此外，盡管可以使用各種各樣的冷卻器以滿是不同的要求，但這里一般選用根據(jù)我1984年4月30日遞交的題為“斯特林發(fā)動機熱交換器”的美國相關(guān)專利(605，473號)制造出的冷卻器為合適?；?zé)崞?8裝在腔30中，而冷卻器26大多具有它自己的空腔32。
連接管34把回?zé)崞骱图訜峁?6連在一起。膨脹腔24也借助于連接管38與加熱器36相連。注意，加熱器的形狀構(gòu)成一通氣管道，適合插入一個焰道管，但由于適合于這種用途的任何加熱結(jié)構(gòu)均可以采用，所以這里就不再贅述了。
活塞上的活塞裙部40、42裝有摩擦塑性套(如聚四氟乙稀做成的套)，這在無油空壓器中廣泛使用。
因為，不需要活塞桿，桿密封及滑塊，所以不需要使用油作為潤滑劑。因為油可能泄漏進入斯特林循環(huán)中。這里，連接桿16和18通過滾柱軸承與曲柄軸20連接，每個滾柱軸承采用油脂潤滑并具有密封措施，也可以采用干潤滑劑(如石墨)。因此就不需要用油作為潤滑劑。
但是，由于這種發(fā)動機承受載荷比較高，所以希望對滾柱軸承采用積極措施予以冷卻。這可以通過給作為活塞滾柱軸承內(nèi)滾圈46(僅表示了一個)的曲柄軸(空心的)通冷卻劑來實現(xiàn)，同時，曲柄軸20也作為冷卻循環(huán)48的一組成部分。另一方向，活塞的運動而泵入的空氣可流向滾柱軸承和外滾道。如果必要可以裝一個單向閥，通過產(chǎn)生一個凈流循環(huán)來使空氣通過外冷卻器。
缸體組件52的曲柄軸箱空腔區(qū)域50用來保持中間循環(huán)壓力，而中間循環(huán)壓力的作用是使軸承和活塞環(huán)卸載。對此如圖2所示，除端蓋56以外，曲柄軸也裝有壓力密封件54，曲柄軸由曲柄軸箱中的主軸承58支承。
參照圖3它表示一個控制系統(tǒng)60。盡管這個控制系統(tǒng)的效率比以前所用的復(fù)雜系統(tǒng)低(見1976年12月28號頒布的美國專利號3，999，388)，但也可令人滿意地工作且具有廉價的優(yōu)點。一個簡單的多級節(jié)流(線性響應(yīng))流量變送閥62借助于導(dǎo)管64、導(dǎo)管66把冷卻器26和壓縮活塞12之間的冷空腔和曲柄軸箱50連接起來。閥62可以只包括一個由一個截止閥片斷流的多級節(jié)流閥板，另外閥62還有一個圍繞壓縮活塞的旁道通道。為了不超過最大功率，閥62被打開一定的程度，允許一部分工作流體分流進入曲柄軸箱50(處于平均壓力下)再從曲柄軸箱流回，而不經(jīng)過熱交換器，從而減小了循環(huán)的壓力波動。閥的開動只需很小的力，因而可以通過一個人力杠桿完成。
很明顯，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常簡單，成本比較低且可靠性高，這種發(fā)動機的設(shè)計是標(biāo)準(zhǔn)化的，很容易和其它發(fā)動機共用一個燃燒室且組合在同一個曲柄軸上。注意，在一個多級循環(huán)發(fā)動機中，完全可以對多級發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動控制，類似的循環(huán)組合也使裝配件有一個完好的動平衡。
至此，本發(fā)明的目的和優(yōu)點顯而易見，盡管選擇地提出了一個最佳實施例，在這里作了詳細說明，但它的范圍不應(yīng)該僅限于此，而應(yīng)該由附加權(quán)項所決定。
權(quán)利要求
1.一個斯特林循環(huán)包括在冷卻空腔往復(fù)運動的壓縮活塞和在膨脹空腔往復(fù)運動的膨脹活塞，它們沿軸線相互以大約90°的相角分開；冷卻裝置；回?zé)嵫b置；所說的回?zé)嵫b置與冷卻裝置緊緊相連。而該冷卻裝置又與冷空腔緊挨，從而減小冷通道的容積；加熱裝置與所說的回?zé)嵫b置和膨脹空腔相連，它們一起構(gòu)成斯特林工作循環(huán)。
2.一個斯特林循環(huán)包括有一個發(fā)動機內(nèi)腔，該內(nèi)腔由壓縮缸體和膨脹缸體及曲柄軸箱組成，放置在各自缸體中的壓縮活塞和膨脹活塞在所說的內(nèi)腔中通過軸承和曲柄軸連接，所說的曲柄軸處由活塞和曲柄軸確定的曲柄軸箱內(nèi)，活塞由活塞本體和裝在本體上的導(dǎo)套組成，從而減少了往復(fù)運動過程中缸體與活塞之間的摩擦，曲柄軸箱是經(jīng)過密封的，以防止通過活塞的工作流體經(jīng)軸箱外泄，冷卻曲柄軸和軸承的裝置排除了曲柄軸箱對油的需要。
3.根據(jù)權(quán)項2要求的發(fā)明，所說的活塞帶有活塞裙，所說的導(dǎo)套裝置包括有裝在活塞上的塑料導(dǎo)套。
4.根據(jù)權(quán)項3要求的發(fā)明，其中冷卻裝置包括一個冷卻介質(zhì)可以從中流過的空心曲柄軸。
5.根據(jù)權(quán)項4要求的發(fā)明，還包括各自軸向分布的冷卻器和回?zé)崞?。它們和壓縮腔緊密相連，以減少冷卻管道的無用容積，加熱裝置與回?zé)崞骱团蛎浨幌噙B，它們一起組成斯特林循環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)項5所要求的發(fā)明，控制裝置包括有一個流量變送閥，它使得工作氣體從壓縮缸的旁路流過。通過調(diào)節(jié)流量變送閥的開度以確定工作循環(huán)過程中工作氣體的平均流量，從而也就控制了循環(huán)過程中的壓力波動和相應(yīng)的功率輸出。
7.根據(jù)權(quán)項1要求的發(fā)明，控制裝置包括有一個流量變送閥，它使得工作氣體從壓縮缸的旁路流過。通過調(diào)節(jié)流量變送閥的開度以確定工作循環(huán)過程中工作氣體的平均流量，從而也就控制了循環(huán)過程中的壓力波動和相應(yīng)的功率輸出。
8.根據(jù)權(quán)項1要求的發(fā)明，把許多斯特林循環(huán)組合在一起形成一個普通的多缸斯特林循環(huán)發(fā)動機。
9.根據(jù)權(quán)項2要求的發(fā)明，把許多斯特林循環(huán)組合在一起形成一個普通的多缸斯特林循環(huán)發(fā)動機。
10.一個斯特林循環(huán)發(fā)動機包括一個或多個斯特林循環(huán)，每一個斯特林循環(huán)包括一個在低溫壓縮腔中往復(fù)運動的壓縮活塞;一個在高溫膨脹腔中往復(fù)運動的膨脹活塞;它與壓縮活塞彼此大約成90°相角。冷卻裝置;回?zé)嵫b置，所說的回?zé)嵫b置與低溫壓縮腔緊密相連以減少低溫通道的容積。加熱裝置與所說的回?zé)嵫b置及膨脹腔相連以組成斯特林循環(huán)。
專利摘要
雙活塞斯特林發(fā)動機包括熱交換器，冷卻器26和回?zé)崞?8與壓縮腔22緊密相連以獲得最小的冷通道容積，密封裝置54和56取代了活塞密封、滑塊、活塞桿，還有一個簡化了的功率控制系統(tǒng)10。
文檔編號F02G1/044GK85104323SQ85104323
公開日1986年12月3日 申請日期1985年6月7日
發(fā)明者瓊·A·科里 申請人:機械技術(shù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan