压气膨胀机

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本发明一般地涉及压气膨胀机，诸如用于生成低温状态的斯特林机 械，而更为具体地说，涉及一种压缩室之中因压缩活塞的运动效率得到 提高的压气膨胀机。
斯特林发动机作为一类压气膨胀机，已经作了很多研究和开发，这 是因为，它在理论上具有很高的热效率，允许使用除石油之外的不同种 类的热源，并且安静而无公害。
斯特林制冷机在循环方面与斯特林发动机相反，由于同样的原因也 受到很大的注意，特别是由于它不需要任何诸如含氯氟烃这样的对全球 环境有害的制冷剂。
参见图8，说明一种置换活塞(displacer)式斯特林制冷机的结构。
主机箱101连接于膨胀缸102和压缩缸103，二者之间的角度差是 90°。装在膨胀缸102之中的置换活塞106和装在压缩缸103之中的压 缩活塞107联接于一共同的曲柄机构105上，以致它们可以在其相位彼 此错开的情况下作往复运动。
置换活塞106联接于传动杆119和连杆115，而压缩活塞107联接 于传动杆120和连杆116。
比如，置换活塞106中填有一种由烧结金属制成的存贮介质114， 而从置换活塞106的一个孔口流入的工作介质(气体)经过存贮介质114 的内部，从另一孔口流出，在这一过程期间进行了与存贮介质114的热 交换。
置换活塞106也起着一种再生式热交换器的作用，而这种热交换特 性大大地影响了斯特林制冷机的制冷系数。
配置了连通空间125，用它连通膨胀缸102中的膨胀室111和内装 曲柄机构105的曲柄箱112。连通空间125配置有油封121，用于防止 润滑油110从曲柄箱112进入膨胀室111，还配置十字导向件117，用 于支承油封121，该件具有导向面117A，用于限制配置在杆件119上的 十字导向座115A的往复运动方向。
配置了连通空间126，连通于压缩缸103中的压缩室113与曲柄箱 112之间。
连通空间126配有油封122，用于防止润滑油110从曲柄箱112进 入压缩室113，还配置导向件118，用于支承油封112，它具有导向面 118A，用于限制配置在传动杆120处的十字导向座116A的往复运动方 向。
膨胀缸102的基端通过一连通管104与压缩缸103的顶端连通。
参见图9，说明一下斯特林制冷机的动作。注意，图9中的图线横 坐标表示时间T，纵坐标表示冲程S。
在斯特林制冷机中，随着置换活塞106以图9中曲线B和C所示方 式作往复运动，压缩活塞107则以曲线D所示方式作往复运动。因而膨 胀缸102的膨胀室111则在图9中直线A与曲线B之间的区域内改变容 积。而压缩缸103的压缩室113则在图9中曲线C与曲线D之间的区域 内改变容积。
结果，在图9中标作(i)的过程中，压缩室103里面的工作介质 被压缩并通过连通管104流进膨胀缸102(等温压缩)。工作介质经过 置换活塞106中的存贮介质114以便在图9中标作(ii)的过程中与存 贮介质114作热交换，并且温度降低(等容冷却)。
经过存贮介质114的工作介质在图9中标作(iii)的过程中流进膨 胀缸102的膨胀室111，而后随着置换活塞106的下降而膨胀(等温膨 胀)。
此时图9中标作(iv)的过程中，随着置换活塞106的上升，膨胀 室111中的工作介质经过存储介质114以便与之作热交换，温度升高， 而后通过连通管104再次流进压缩室113(等容加热)。
设在膨胀缸102顶端的冷却盖115予以冷却。
不过，这种斯特林制冷机会遇到以下问题。
工作介质在压缩活塞侧被压缩。此时，连杆116随着曲柄机构105 的转动而倾斜。从曲柄机构传出的力因而会产生作用力，它除了推动压 缩活塞107之外，还压向设置在连杆116与传动杆120之间的联接部分 处的十字导向座116A，使之顶靠导向件118的导向面118A。因而在十 字导向座116A与导向面118A之间造成摩擦，从而在来自曲柄机构105 的作用力中产生摩擦损失。
结果，用于驱动曲柄机构105的驱动装置必须扩大尺寸，以便提高 曲柄机构部分的刚性。
本发明的目的是，提供一种斯特林机器，它具有由于降低了作用于 压缩活塞侧上的驱动力中的摩擦损失而重量减少且驱动效率提高的一种 曲柄机构部分。
为了达到上述目的，按照本发明的一个方面，此斯特林机器应包 括：膨胀缸；置换活塞(displacer)，在膨胀缸中的膨胀室中作往复 运动；连杆，其一端联接于置换活塞；曲柄机构部分，大致在连杆的 中心处联接于连杆，用于使置换活塞作往复运动；压缩缸，该缸位置 的方向与置换活塞的往复运动方向垂直，它安装于膨胀缸的对面，曲 柄机构部分则处于压缩缸与膨胀缸之间，压缩活塞，联接于连杆的另 一端，并在压缩缸的压缩室中作往复运动；以及连通管，连通在膨胀 室与压缩室之间。
由于上述结构所产生的各项功能和效果，使压缩活塞按垂直于连杆 的运动方向运动。就压缩活塞而言，压靠于压缩缸内侧的作用力小于通 常的各种结构，使压缩活塞与压缩缸内侧间的摩擦造成的曲柄机构部分 作用力的损失得以减小。
由于压缩活塞的位移描出一条完整的正弦曲线，使工作介质在一较 长的时间内在压缩缸内压缩，因而工作介质的压缩效率得以提高。
此外，曲柄机构的冲程均小于通常的斯特林机器的冲程，因而曲柄 机构的刚性随着振动的减小而得以提高。
为了达到上述目的，按照本发明的另一方面，斯特林机器包括：第 一和第二膨胀缸；第一置换活塞，在第一膨胀缸的第一膨胀室中作往复 运动；第二置换活塞，在第二膨胀缸的第二膨胀室中作往复运动；第一 连杆，其一端联接于第一置换活塞；第二连杆，其一端联接于第二置换 活塞；第一曲柄机构部分，大约在第一连杆的中心处联接于第一连杆， 用于使第一置换活塞通过第一连杆作往复运动；第二曲柄机构部分，相 对于第一曲柄机构部分具有180°的相角，并大约在第二连杆的中心处 联接于第二连杆，用于使第二置换活塞通过第二连杆作往复运动；第一 压缩缸，具有第一压缩室和第二压缩室，该缸位置的方向与第一置换活 塞的往复运动方向垂直，它安装于第一膨胀缸的对面，第一曲柄机构部 分则处于该压缩缸与该膨胀缸之间。第二压缩缸，具有第三压缩室和第 四压缩室，该缸位置的方向与第二置换活塞的往复运动方向垂直，它安 装于第二膨胀缸的对面，第二曲柄机构部分则处于该压缩缸与该膨胀缸 之间。第一压缩活塞，联接于第一连杆的另一端，用于在第一和第二压 缩室之间作往复运动；第二压缩活塞，联接于第二连杆的另一端，用于 在第三和第四压缩室之间作往复运动；第一连通管，连通于第一膨胀室、 第一压缩室和第三压缩室；以及第二连通管，连通于第二膨胀室、第二 压缩室和第四压缩室。
此结构可提供另外的各项功能和效果，以及上述的各项功能和效 果。
更为具体地说，当第一曲柄机构部分与第二曲柄机构部分的位置形 成180°的相角差时，则第一膨胀室、第一压缩室和第三压缩室，以及 第二膨胀室、第二压缩室和第四压缩室彼此连通，从而，工作介质由于 第一压缩活塞的作用在第一压缩室中被压缩，同时工作介质由于第二压 缩活塞的作用也在第三压缩室中被压缩。此时，工作介质从第二膨胀室 被输入至第二和第四压缩室。
由于在两端均存在压缩室的压力，因而第一和第二压缩活塞在压力 方面总是平衡的。所以可以实现经过良好平衡的往复运动。
本发明的前述和其他各项目的、特点、状况和优点，从以下结合各 帧附图所作的本发明详细说明中，会变得更为明显。
图1是一横截面视图，表示按照本发明实施例的斯特林制冷机的结 构。
图2至5是一些横截面视图，表示按照本发明的此实施例制冷机的 第一至第四工作步骤。
图6是一图线，用于表示按照本发明完成斯特林制冷机的一次制冷 循环。
图7是一曲线图，用于显示按照本发明实施例斯特林制冷机的压缩 活塞的位移。
图8是一横截面视图，表示一种通常的斯特林制冷机。
图9是一曲线图，用于表示斯特林制冷机的循环过程。
本发明的一项实施例将结合各帧附图通过表示斯特林制冷机的应 用而予以说明。参见图1，先说明这项实施例之中斯特林制冷机的结 构。
图1所示的斯特林制冷机包括：第一膨胀缸1和第二膨胀缸2。第 一膨胀缸中的第一膨胀室3配置有内装存贮介质5a的第一置换 (displacer)活塞5，它可作往复运动。
第一置换活塞5连接于第一联接杆9的一端，第一联接杆9的另 一端通过活动枢轴13联接于第一连杆17的一端。
活动枢轴13连接于滚轮15，滚轮15可以沿着导向座11滑动， 并成直线地把第一连杆17的运动传递给第一联接杆9。
第一连杆17由曲柄销17a联接于曲柄19。第一连杆17的另一端 通过活动枢轴25可动地装接于第一压缩活塞23的滑座27上。
第一压缩活塞23装在压缩缸21里面，在缸的两端形成第一压缩 室31和第二压缩室32。因而，如图1所示，膨胀缸1、第一连杆17 和压缩缸21便配置成T字形。
另一方面，第二膨胀缸2的第二膨胀室4中配置内装有存贮介质 6a的第二置换活塞6，它可作往复运动。
第二置换活塞6连接于第二联接杆10的一端，第二联接杆10的 另一端通过活动枢轴14联接于第二连杆18。
活动枢轴14连接于滚轮16，滚轮16可以沿着导座12滑动并成 直线地把第二连杆18的运动传递给第二联接杆10。
第二连杆18由曲柄销18a联接于曲柄20。第二连杆18的另一端 通过活动枢轴26可动地装接于第二压缩活塞24的滑座28上。
第二压缩活塞24装在压缩缸22里面，在缸的两端形成第三压缩 室33和第四压缩室34。因而，膨胀缸2、第二连杆18和压缩缸22配 置成T字形。
曲柄19与20由一共同的曲柄轴37联接，二者之间的相角是180 °，如图1所示，冷却盖(cold head)35和36分别装接于第一膨胀 缸1和第二膨胀缸2的顶部。
第一膨胀室3经由第一连通管29连通于第一压缩室31和第三压 缩室33，而第二膨胀室4经由第二连通管30连通于第二压缩室32和 第四压缩室34。
在这部斯特林制冷机中，随着第一连杆17和第二连杆18由于曲 柄轴37的转动而开始运动，第一置换活塞5和第二置换活塞6开始在 图面上作上下往复运动，而第一压缩活塞23和第二压缩活塞24开始 在图面上作左右往复运动。
注意，为了易于表述，第一膨胀缸1所作的制冷循环称作第一制冷 循环，而第二膨胀缸2所作的制冷循环称作第二制冷循环。
在图2所示的状态中，第一制冷循环对应于图6中从状态a至状态b 的状态变化，即工作介质的等容加热过程。另一方面，第二制冷循环相 对于第一制冷循环的相位差为180°，是等容冷却过程，换言之，是从 状态c至状态d的转变。
参见图3，说明一下第一和第二制冷循环中从示于图2的状态的一 种90°的转变。
第一制冷循环表示从图6中状态b至状态c的转变，其中工作介质 在与第一置换活塞5的存贮介质5a作热交换之后温度升高，而后经由第 一连通管流进第一压缩室31和第三压缩室33，换言之，表示了等温压 缩过程。
第二制冷循环表示从图6中状态d呈状态a的转变，其中工作介质 经过第二置换活塞6中的存贮介质6a，并在与存贮介质6a作热交换之 后温度降低，换言之，表示等温膨胀过程。
参见图4，说明一下第一和第二制冷循环中从示于图3的状态的 90°转变。
第一制冷循环表示从图6中状态c至状态d的转变，其中工作介质 在第一压缩室31和第三压缩室33中被压缩并经由连通管29流进膨胀室 3，换言之，表示等容冷却过程。
第二制冷循环表示从图6中状态a至状态b的转变，其中工作介质 经过第二置换活塞6中的存贮介质6a，至与存贮介质6a逐渐作热交换 期间温度升高，并流进第二膨胀室32和第四膨胀室34。
参见图5，说明一下第一和第二制冷循环中从示于图4的状态的进 一步90°转变。
第一制冷循环表示从图6中状态d至状态a的转变，其中工作介质 经过第一置换活塞5之中的存贮介质5a，通过与存贮介质5a作热交换 后而温度降低，换言之，表示等温膨胀过程。
第二制冷循环表示图6中从状态b至状态c的转变，其中工作介质 由于与第二置换活塞6之中的存贮介质6a作热交换而温度升高，而后经 由第二连通管30流进第二压缩室32和第四压缩室34，换言之，表示等 温压缩过程。
如上所述，在第一制冷循环与第二制冷循环之间有180°的相位 差，装于膨胀缸1与2顶部的冷却盖35与36被冷却。
如上所述，在按照本实施例的斯特林制冷机中，第一压缩活塞23和 第二压缩活塞24分别在垂直于第一连杆17和第二连杆18运动方向的方 向上运动。因而，第一压缩活塞23和第二压缩活塞24不遭受顶靠于第 一压缩缸21和第二压缩缸22内侧的推压力，而可避免由于第一压缩活 塞23与第一压缩缸21内表面间、以及第二压缩活塞24与第二压缩缸22 内表面间的摩擦力所引起的在曲柄机构处的作用力损失。
第一压缩活塞23和第二压缩活塞24的位移描出一条完整的正弦曲 线，如图7中实线A所示，与以虚线B所示的通常压缩活塞的位移作出 对比，第一压缩活塞23和第二压缩活塞24压缩工作介质的时间可以增 加，从而提高了工作介质的压缩效率。
此外，与通常的斯特林制冷机作出对比，曲柄机构部分的冲程较小， 因而曲柄机构的刚性可以增大，从而减少了振动。
并且由于第一制冷循环和第二制冷循环以180°的相差进行，第一 膨胀室3、第一压缩室31和第三压缩室33经由第一连通管29彼此连通， 而第二膨胀室4、第二压缩室32和第四压缩室34经由第二连通管30彼 此连通，随着工作介质在第一压缩室31内由第一压缩活塞23的作用而 被压缩，工作介质同时在第三压缩室33中由第二压缩活塞24的作用而 被压缩，而工作介质则从第二膨胀室4被送往第二压缩室32和第四压缩 室34。
第一压缩活塞23和第二压缩活塞24因而总是在形成于两侧的各压 缩室的压力作用下，使它们的压力得到平衡，因而可以实现平衡状态下 的往复运动。
上述实施例包括两个制冷循环，第一制冷循环和第二制冷循环，以 便实现各压缩活塞的良好平衡状态下的往复运动，但同样的各项性能和 效果也可由一种采用一只膨胀活塞和一只压缩活塞的制冷循环予以实 现。
此外，采用装有存贮介质的置换活塞的结构业已说明，但同样的功 能和效果也可在第一连通管29和第二连通管30中具有存贮介质的情况 下予以实现。
需要指出的是，本发明除了可用于上述斯特林制冷机之外，还可用 于各种斯特林机器，以及压气膨胀机。
尽管本发明已经详细地予以说明和图示，但显然可以理解，但那只 是为了例证和示范，不该用作限制，而本发明的精神和范畴只由各项所 附权利要求加以限定。