CN102597473A - 自由活塞式斯特林机器的轴承支承系统 - Google Patents

Abstract

一种活塞和其连接杆的轴承支承系统，其中所述系统只利用两个轴承来支承组合的活塞和连接杆：一个在所述动力活塞(或置换器)的气体轴承和一个在其连接杆的径向作用弹簧轴承。所述两个轴承之间的空间符合规定的关系而且优选地是超过一个根据选定的工程参数的计算值。非柔性的连接杆和所述活塞的一端固接并有一个在所述活塞的直径的0.3倍至1.5倍的范围内的间隙密封长度。从所述气体轴承至所述径向作用弹簧轴承和所述连接杆的有效连接点的距离比所述活塞的密封长度大。

Description

自由活塞式斯特林机器的轴承支承系统

发明背景

本发明大体涉及自由活塞式斯特林机器，特别是无接触式轴承支承系统，其支持其动力活塞和/或置换器活塞以及与其连接的相应的连接杆。本发明通过提供一种简单和可靠的方法来改善自由活塞式机器的寿命、可靠度，以及成本。所述方法以一种降低对齐所述轴承的难度和/或容许更准确地对齐所述轴承的方式来实现无接触式轴承。

虽然自由活塞式斯特林循环机器在现有技术中有广泛的配置种类，但它们大部分都有在相同的汽缸或在不同的汽缸内进行往复运动的置换器活塞和动力活塞。所述动力活塞的一端和常常是所述置换器活塞的一端普遍是坚固地连接至和所述活塞一同进行往复运动的连接杆。这些部件一起作为一个单元在所述斯特林机器的壳体内被支持。所述壳体载有在一个膨胀空间和一个压缩空间之间往返而交替地膨胀和压缩的工作气体。

斯特林机器是设计成提供：(1)一种具有动力活塞和置换器活塞的引擎，其中通过向所述膨胀空间施加外在的热能源并将热力从所述压缩空间转走来驱动所述动力活塞和置换器活塞，使得所述引擎可以用作机械负载的原动机；或(2)具有所述动力活塞(有时候是所述置换器活塞)的热泵，所述活塞被原动机循环地驱动，以从所述膨胀空间抽吸热力到所述压缩空间，因此能够从较冷的物质抽吸热能到较暖的物质。在所述热泵的状态下，所述斯特林机器可以用于冷却和其膨胀空间有热能连接的对象，包括将其冷却至制冷温度，或用于加热和其所述压缩空间有热能连接的对象，例如一种室内加热热能交换器。所以，在此使用术语斯特林“机器”来概括斯特林引擎和斯特林热泵，斯特林热泵有时候亦被称为冷却器。如电磁发动机和发电机或交流发电机一般，斯特林引擎和斯特林热泵基本上具有相同的动力换能器结构，可以任一方向在两种动力之间转换动力。

为了减低自由活塞式机器进行往复运动的部件的摩擦磨损，理想地是避免在所述壳体内所述往复运动体的本体和其汽缸或其它支承件之间有接触。在此不能利用常规的润滑剂，因为它们大体上会令所述工作气体的特性退化，并导致所述自由活塞式斯特林机器的效能大大地降低。由于这些原因，自由活塞式斯特林循环机器普遍利用气体轴承和径向作用弹簧轴承，例如平面弹簧。虽然两类型的轴承均是公知的，但理想地还是要对气体轴承和径向作用弹簧轴承作一些解释，因为它们在操作上的某些方面和本发明是相关的。

轴承是一种在至少两个相互移动的部分之间提供支持、导向和减少运动的摩擦的装置。轴承在所述两个部分相对的位置或其相对于对方的方向支持所述两个部分，并容许其中一个部分相对于第二个部分在一个方向或多个方向移动。通常理想地是在允许的移动方向中可以减低所述部分之间的摩擦和减低一个部分施加在另一个部分的力量。一种“无接触轴承”以令所述相对于对方而移动的部分本身不会互相接触的方式来支持所述部分。所述轴承本身(例如平面弹簧轴承)可以和所述两个部分均有接触，但不会与任一所述部分有摩擦或相对地滑动。

气体轴承是一种无接触轴承，时常用于自由活塞式斯特林机器来保持在汽缸内的活塞或汽缸筒内的连接杆的分离状态。所述气体轴承利用气体，典型是工作气体，所述气体在相对地移动的表面之间被抽吸，并具有如润滑剂的功能，以保持所述相对地移动的表面的分离状态。气体轴承装置具有流体流动循环，其中工作气体从所述活塞或汽缸内的汽门被抽吸走，并进入所述活塞和汽缸之间的间隙。要构造一种有效的气体轴承，在所述两个移动的表面之间的间隙配合必须是紧密配合间隙，而且所述斯特林机器内的气体轴承的间隙距离范围在本领域是公知的。至少要有三个所述汽门围绕圆筒的周边并彼此隔开，优选地是等角地(每120°)隔开，使得有径向地向内的中心力施加在活塞令其置中，而不管会令所述活塞以径向方向偏离中心。因为气体轴承须要有紧密配合间隙，假如一个本体的圆筒表面和另一个本体的圆筒表面因为在它们之间有气体轴承而具有紧密配合间隙，所述两个圆筒表面的轴心必须对齐以避免接触。

一个本体的圆筒表面和另一个本体的圆筒表面之间的紧密配合间隙还可以提供一种“间隙密封”。通常理想地是在两个部分提供密封，例如是活塞和所述活塞在其内进行往复运动的相关汽缸。所述密封旨在防止或减低在所述活塞和汽缸之间流体从所述活塞的一端流到另一端。但是，理想地是同时防止所述活塞和其汽缸之间有接触，从而防止磨损并因此采用气体轴承。虽然并非最完善，但在所述活塞和其汽缸之间的间隙可以制造得充分地小来提供相当地有效的密封以及无接触轴承。这种利用细小的间隙配合的密封是一种间隙密封。间隙密封的“密封长度”可以限定为形成所述间隙密封的所述活塞的汽缸周边部分的轴向有效长度，即所述紧密配合间隙部分，最普遍地，是所述活塞的全部长度。但是，如果所述活塞有时是沿着所述汽缸位移并到达从所述汽缸凸出的位置，则所述间隙密封的有效密封长度会轻微地缩短，更具体而言，是所述活塞和其汽缸之间的间隙密封界面的时间平均长度。所述间隙密封的“轴心”可以被限定为在所述间隙密封的轴向地相对的两端之间的中间并沿着轴向方向的中心。所述中间位置是轴向中心并可以用于限定所述间隙密封的位置。

径向作用弹簧轴承是另一类已应用在自由活塞式斯特林机器的无接触轴承。虽然“径向作用弹簧轴承”并非常用的名称，但是采用此名称相信能够最佳地描述本发明的实施例所利用的其中一种轴承。“径向作用弹簧轴承”是一种分别连接两个本体的弹簧，所述两个本体被支承为呈无接触的关系，以及其中一个本体可相对于另一个本体移动。当这种轴承在松弛的状态下偏转离开其中央轴线，所述轴承会在和其从中央轴线偏转的径方向对立的径方向施加其弹簧力。在没有从其轴线偏转时，其在径向方向的弹簧力是0，即没有带来侧向载荷。所述轴承还可以在一个轴的方向施加弹簧力，使得所述轴承的弹簧力有两个成分：轴向和径向。因此径向作用弹簧轴承是一种在径向具有分力的弹簧，并在置中时不施加径向力，以及其在轴向方向的力可以是0或是有限值。当所述轴承偏转时，本发明不会施加显着的净侧向力。

一种在现有技术中常用的径向作用弹簧轴承的例子是平面弹簧。平面弹簧典型地具有沿着螺旋状或渐开线状的路径从中央毂延伸至外边缘的臂。所述臂、毂、边缘在松弛的状态下通常是平面的。典型地所述臂的平面的宽度比其垂直于所述平面的厚度大很多。平面弹簧用作轴承是非常坚硬而不易以径向偏转的，但所述平面弹簧以轴向偏转的时候还是会施加弹簧力，但刚度会大大地减低。

常见的螺旋弹簧以金属线丝卷绕成螺旋状，假如所述螺旋弹簧是轴向地被定向便不可以用作径向作用弹簧轴承，因为在轴向地偏转时它会施加显着的侧向力，但是，可以利用多个径向地被定向的螺旋弹簧并沿着往复运动的轴的径向来布置并用作径向作用弹簧轴承。可用的还有螺旋或渐开线弹簧，其类似平面弹簧并典型地被构造成以金属丝在一个平面沿着螺旋状的图案卷绕的弹簧，而且在最里面以及在所述金属丝置中的一端和所述金属丝的最外周边部分与其它机器部件连接。亦可以利用圆锥形螺旋弹簧，但有可能会像螺旋弹簧般带来侧向载荷。

现有技术曾努力尝试避免使用油性润滑剂来避免所述工作气体受污染，以及预防斯特林循环引擎和冷却器的内部部件的磨损。由于所述自由活塞的配置并非采用会带来侧向载荷的传动机构，例如连接曲轴的连接杆，因此所述自由活塞的配置大大地减低侧向载荷。但是，还是须要为进行往复运动的部分提供轴承支承从而避免过度磨损。在现有技术中有两种用于解决支持活塞的问题的常用技术，所述技术具有避免所述封闭的配合面之间有接触但仍然能够让所述活塞进行往复运动的紧密配合间隙。

第一种技术，称为弯曲轴承支承(例如Penswick等人的美国专利5,920,133和Beckett等人的美国专利5,522,214)，是用平面弹簧上支承全体的移动部件，使得所述汽缸和所述移动部件(动力活塞或置换器活塞)之间无接触。图1展示这种在后置式置换器[sw1]构型的自由活塞式斯特林机器上实现的轴承支承系统。在活塞2上的支承点8、10上的弯曲部分4、6支承活塞2，使得所述活塞与汽缸12保持紧密配合间隙A。所述置换器14亦是类似地通过支承点20、22上的弯曲部分16、18来支承，从而保持紧密配合间隙B和C。所有这些弯曲部分均是平面弹簧。弯曲部分4、6被固定地保持在支承结构24上，从而提供有限的轴向运动并同时在本质上是没有径向运动的。支承结构24固接在壳体26，令弯曲部分4、6的周边边缘部分实际上是固接在壳体26。“固接在壳体”是指相对于所述壳体而直接地或间接地连接于固定的位置，因为部件可以固接在本身是固定地连接所述壳体的插入式结构上。弯曲部分16、18的周边支承在置换器14上，而其中心则支承在置换器杆28上。置换器杆28坚固地连接汽缸12，而所述汽缸固接在壳体26。取决于所述自由活塞式机器是一种引擎还是一种热泵，直线交流发电机/发动机30会相应地提供电力输出或机械输入。壳体26是密封的并载有所述移动的部分。

图1所示的现有技术的问题在于弯曲部分4、6必须准确地对齐，令动力活塞2不能和汽缸12接触。类似地，弯曲部分16、18必须准确地对齐，令置换器活塞14不能和汽缸12接触。此外，如果所述机器在引力场以非垂直的轴线进行往复运动，所述弯曲部分必须具有充分的刚度来支持所述活塞的重量，并必须支持所述活塞以对抗其它侧向载荷侧向载荷。

这种对齐的困难展示在图2，图中展示活塞40在汽缸42内进行往复运动。所述间隙被非常地放大以说明适用的原理。活塞40具有共轴地固接在所述活塞的一端的连接杆44。在此描述的“连接杆”本质上是一种连接活塞和其它部件的坚固的连接件。普遍地，连接用的“杆”是固体的圆柱形杆子，但其截面无必要全是实心的物料，而且从其截面看亦无必要具有圆柱形的周边表面或甚至无必要具有对称的外在周边表面。例如，连接杆可以是管件和/或具有工型梁或L型梁的截面。因此虽然被称为“杆”，但并不只限于实心杆，还包括其它形状的坚硬的连接臂，包括多个较细小的臂，其在一起机械地动作而成为单个连接臂。通常地，所述连接杆是连接由所述斯特林机器驱动或由驱动所述斯特林机器的原动机驱动的轴向地进行往复运动的负载。因为理想地是要减少机器的容积，所以动力活塞的“连接杆”可具有负载或原动机的部件，其以这样的方式安装在所述连接杆上，以致于各别的连接杆并不是显而易见的。图1的结构就正是这一种情况，其中进行往复运动的所述直线交流发电机或发动机的磁铁54、56安装在和活塞2有相同的直径的连接杆，而且虽然在功能上可以和所述活塞分辨，但在视觉上是不能分辨的。此外，所述图1的“连接杆”亦将所述活塞和两个弯曲部分4、6连接，并具有设置在其末端之间的所述直线交流发电机/发动机的部件。所有这些特征都可以是连接杆的特征。

如图2所示，活塞40在汽缸42内适当的对齐须要两个支承点46、48有准确的定位。所述的其中一个支承点是所述活塞的轴线和在所述活塞的一端(或更准确地是在所述紧密配合间隙的一端)与所述轴线垂直的平面的相交点。第二支承点是所述活塞的轴线和在所述活塞的相对的一端(或更准确地是在所述紧密配合间隙的相对端)与所述轴线垂直的平面的相交点。在图1中最右面的两个黑点说明图1的实施例的所述对应的支承点。这两个相交点均必须定位在汽缸42的轴线49上或非常接近轴线49，以避免所述活塞的外在周边和其汽缸的表面接触。但是，如图2所示，任何令所述活塞40和其连接杆44径向地离开共轴对齐的旋转运动亦会移动连接杆44的轴线51使其径向地离开汽缸42的轴线49。在若干充分的对齐误差角度下，活塞40的一端或两端的周边表面会接触汽缸42(如图中虚线所示)。

再参照图1，活塞2的延伸部分伸出至汽缸12之外并到达电力直线发动机或交流发电机的往复动作的部件。所述延伸部分的功能如同连接杆，将斯特林机器的活塞2的运动联系到所述直线发动机/交流发电机。由于在图1所示的结构下，任何所述活塞的对齐误差均会造成所述连接杆离心地位移，因此必须同时对齐两个沿着汽缸12的轴线的额外支承点50、52。这两个额外支承点50、52是活塞2的轴线以及和所述轴线在弯曲部分4至活塞2的连合点垂直的平面的相交点50，和活塞2的轴线以及和所述轴线在弯曲部分6至活塞2的连合点垂直的平面的相交点52。本发明克服的技术困难在于不容易做到准确地对齐在图1所示以四个黑点表示的所述四个支承点，因为任何一个所述支承点的径向调节均会移动其余三个支承点的其中至少两个支承点的径向位置。当然只有两个弯曲部分4、6的位置可以在对齐的过程中被操控，但是其中一个所述支承点移动时均会影响其它支承点的位置，因此所述调节的过程常常须要反复地调整所述两个弯曲部分，使得要达到良好地对齐是困难和耗时的。

图3展示一种有气体轴承的Beta型自由活塞式斯特林机器，所述斯特林机器具有平面弹簧60作为轴承，并以径向和向内的箭头表示。置换器活塞62在汽缸64内进行往复运动并具有其气体轴承所须的紧密配合间隙66。动力活塞68在汽缸64内进行往复运动并被一个在紧密配合间隙形成的气体轴承和所述汽缸分隔。连接杆72的一端和置换器活塞62的一端固接，相对的一端和平面弹簧轴承60固接。连接杆72具有圆柱形的外型并通过一个圆筒形的孔径向地延伸和穿过活塞68。一个气体轴承在连接杆72和活塞68之间的紧密配合间隙74形成。

对于置换器活塞62和其连接杆72，有五个支承点是必须对齐的，所述支承点以大的黑点表示，但不包括支承点75。由于上述的原因，在紧密配合间隙66的气体轴承有两个支承点，而在紧密配合间隙74的气体轴承亦有两个支承点和在平面弹簧轴承60有一个支承点。对于活塞68有五个支承点必须对齐，但不包括支承点77，其中两个是在紧密配合间隙74的气体轴承，两个是在紧密配合间隙70的气体轴承，和一个在平面弹簧轴承60。

为了克服对齐所述五个支承点的困难，现有技术公开了一种如图4所示的一种有柔性部分的气体轴承的斯特林机器的实现方法，所述柔性部分建构在连接杆内。活塞80由在活塞80和汽缸84之间的紧密配合间隙82的气体轴承支持。置换器活塞86亦是类似地在汽缸84内由在紧密配合间隙88的气体轴承支持。连接杆90和置换器活塞86的一端连接，并由一个在紧密配合间隙92的气体轴承支持，紧密配合间隙92是沿着连接杆90的外面和穿过活塞80的轴向孔的内面的接触面。为了避免过度的侧向载荷和/或堆积装配公差，平面弹簧94以弯曲杆96和置换器杆90连接，弯曲杆96是一个柔性件。如图1和图3所示的装置般，直线交流发电机/发动机98根据所述斯特林机器是作为引擎或热泵而提供电力输出或机械输入。

如图3般，动力活塞80由在其周边的圆柱形表面的气体轴承支持，置换器活塞86由在其周边的气体轴承和置换器连接杆90支持，连接杆90是在活塞80之内。柔性件96是用于连接置换器连接杆90和平面弹簧轴承94的。平面弹簧94可以提供额外的径向的柔量以减低在置换器因为装配上的不准确而产生的侧向载荷。使用柔性弯曲杆96来将连接杆90的一端连接到所述平面弹簧轴承的基本概念是柔性弯曲杆96和所述平面弹簧轴承的连接点并不是最紧要的，因为所述机器可以利用在些微弯曲状态下的柔性弯曲杆96来操作而不会带来过度的侧向载荷，因此可以容许所述连接点的定位有较低的准确度，但是，其余的四个支承点则必须如图4所示的黑点般对齐。

这种配置的主要难度是为了要在所述置换器杆的气体轴承得到良好的刚度，须要和所述活塞的孔之间有一个具有低于25μm的沿径间隙的非常紧密配合。有些情形是所述机器特别地细小，其中所述杆的直径可能只有大约3mm至5mm，而所述间隙可能只有8μm至15μm。这样构成一种级联式的结构的准确度的要求，导致进一步须要共心的、直线的和垂直的准确度。

图1的所述弯曲装置的摆幅受高度的限制，而且须要很大的空间来实现，因此相关的配置亦会很庞大。如果所述机器是以其侧面在引力场(即其轴线并非垂直的)运行而另一面则负载，平面弹簧轴承4、6、18、20必须具有充分的刚度以支持所述活塞的重量。此外，由于平面弹簧是负责维持所述移动部分和其汽缸之间的间隙，因此所述部件和它们的组装件便须要特别地准确。图4的常规气体轴承技术具有一种较宽松的准确度但在有细小的直径时(例如在自由活塞式斯特林机器的置换器杆)则只有非常微弱的支持力，因此这种技术的要求是应用柔量，使得其它连接至所述移动部分(例如机械弹簧)的部件不会超过所述气体轴承负载容量(例如Beale等人的美国专利申请5,525,845)。

以上的描述示出了现有技术的所述轴承装置须要部件在机械上和对齐的高度准确性，否则在有细小直径时所述气体轴承会受非常微弱的支持力所限制。本发明的目的在于减低对齐所须的准确度并同时保持其它无接触轴承的有利的特征。

一种活塞-汽缸组装件的理想轴承装置，特别是用于自由活塞式的机器，除了有无接触式的操作之外，应有以下的属性：

a.无须较大的准确度以提供良好的机器表现，即所述轴承装置应可以减低额外的准确性部件的须求。

b.所述轴承装置应是在制造时不须要环路调整的。

c.所述轴承装置应是坚固的，使得所述轴承不会失去调整功能。

d.所述轴承装置应是可以容许合理程度的外在震动或部件的超冲程而不会出现对齐误差。

相对于现有技术的装置，本发明具有上述的优点。

发明概述

最简单地说，本发明是一种活塞和其连接杆的轴承支承系统，其中所述轴承系统只以两个轴承支持组合活塞和连接杆，一个是在所述活塞(或置换器)的气体轴承，另一个是在所述活塞的连接杆的径向作用弹簧轴承，优选地在它们之间有在上述限制之内的间距，并优选地有一个超过基于选定技术参数的计算值的间距。

更详细地，非柔性连接杆和活塞的一端连接，并具有在所述活塞的直径的0.3倍至1.5倍的范围内的间隙密封长度。所述活塞和所述连接杆一同在一个壳体内由两个轴承支持，其中一个所述轴承是在所述选定的活塞和其相关汽缸之间的接触面形成的气体轴承，第二轴承是和所述壳体固接并延伸至和所述连接杆固接的径向作用弹簧。从所述气体轴承至所述径向作用弹簧轴承和所述连接杆连接的位置的距离比所述活塞的密封长度大。所述活塞和连接杆的单元没有额外的轴承支持，因此不会带来额外的对齐问题。

附图简介

图1是一种现有技术中有活塞和连接杆的斯特林机器的轴向示意图，所述活塞和连接杆由两个弯曲件支持，所述活塞具有紧密配合间隙。

图2展示活塞和其连接杆未对齐的示意图，图中的间隙的直径被非常地放大以说明本发明的原理。

图3是一种现有技术中具有置换器活塞和其连接杆的斯特林机器的轴向示意图，所述置换器活塞和其连接杆由两个气体轴承和一个平面弹簧支承。

图4是一种现有技术中具有置换器活塞和其连接杆的斯特林机器的轴向示意图，所述置换器活塞和其连接杆由两个气体轴承和一个平面弹簧支承，并利用弯曲杆连接置换器杆和所述平面弹簧。

图5是一种实现本发明的斯特林机器的轴向示意图。

图6是图5的实施例的所述活塞、其连接杆和平面弹簧的透视图。

图7展示本发明的另一种实施例的轴向示意图。

图8展示优选地用于计算本发明的实施例的其中一个参数的各个参数的示意图，所述参数例如是从所述气体轴承至所述径向作用弹簧轴承的距离，图中的间隙的直径被非常地放大以说明本发明的原理。

以附图所示的优选实施例描述本发明时，会借助特定的专门名词以求令描述清楚，但是不应因此而限制只有所述专门名词适用于本发明，而且应该明白到本发明每个所述专门名词包括所有在类似方式下可以实现和其类似的目的的相等技术。例如，使用连接、固接或其它类似的专门名词，但它们并不限于指直接的连接，还包括本领域的技术人员知道的通过其它组件连接的相等的技术。

发明的详述

图5展示一种具有改进的本发明的轴承支承系统的自由活塞式斯特林循环机器。所述机器包括壳体100，所述壳体包含圆柱形自由动力活塞102、置换器活塞104和其它移动部件，而且是密封的以保持所述工作气体。每个活塞在安装在壳体100的汽缸106内可进行往复运动，并有一个具有密封长度和轴心的间隙密封。在紧密配合间隙G的气体轴承支持活塞102，使得所述活塞与汽缸106保持无接触、封闭地配合的状态并提供一个间隙密封。在围绕置换器活塞104的紧密配合间隙H的接触面还提供气体轴承(典型地大约是25μm的径向间隙)，从而和汽缸保持无接触、封闭地配合的状态并提供一个间隙密封。在这一种情况下，在置换器杆108和活塞102之间的径向间隙E可以更大，例如50μm至100μm，因为径向间隙E是旨在用作间隙而不是气体轴承。

动力活塞102具有在所述活塞的直径的0.3倍至1.5倍的范围内的密封长度。一种管状的、非柔性的连接杆110和动力活塞102的一端固接。“非柔性连接杆”的意思可以如下述般理解：专门名词“柔量”识别一种本体的特征，例如当有侧面的力时会伸缩或弯曲但不会超过其弹性的限度或不会带来过度的侧面力的连接杆，所述连接杆亦不会在预期的使用寿命中因疲劳而失效。如上所述，图4的机器利用柔性连接杆96，因为柔性连接杆可以在变形或弯曲的配置下操作，这样会容许所述柔量补偿活塞在汽缸内进行往复运动的轴线与另一个以所述连接杆和所述活塞连接的部件进行往复运动的轴线的未对齐。但是，柔量亦会带来一些上述的问题。当然在现实中所有物料均有一些柔量，特别是常用于构造机器的金属，因此，“非柔性”的意思是指连接杆的柔量是非常小和不明显(即所述连接杆非常坚硬)以至于所述机器的操作不会依赖、利用或应用所述连接杆的不重要的柔量特征。

壳体100支承直线交流发电机/发动机112。进行往复运动的直线交流发电机/发动机112的磁铁114以径向地延伸的磁铁支持116安装在连接杆110。当由作为斯特林引擎操作的所述斯特林机器驱动时，直线交流发电机/发动机112提供电力输出，而当所述斯特林机器作为冷却器或热泵操作时则提供一种机械地往复的原动机。

活塞102和其连接杆110一同组成一种坚硬的连接单元并在壳体100内由两个(只有两个)轴承支承。活塞102是在环形的紧密配合间隙G由气体轴承支承，从而和汽缸106保持无接触、封闭地配合的状态并提供间隙密封。第二轴承是和壳体100固接并延伸至和连接杆110固接的径向作用弹簧118。径向作用弹簧118令第二支承点120被限制在所述机器的轴线122。从在G的气体轴承至径向作用弹簧轴承118和所述连接杆连接的位置的轴向距离L比活塞102的密封长度S大。径向作用弹簧轴承118还可以用作一种在纵向和轴向运用一种弹簧力的弹簧，以提供进行往复运动时必要的共振和/或提供纵向中心力。

在活塞102的气体轴承支承点(位于箭头124)和径向作用弹簧轴承118的支承点(位于箭头126)之间的距离L被安排为所述活塞密封长度S的倍数，因此而容许活塞102和其连接杆在所述径向作用弹簧轴承118的支承点有某程度的旋转(在图中的轴向平面)，亦因此大大地减低径向作用弹簧轴承118必要的定位准确度。类似地，置换器活塞104在第一支承点由气体轴承支持(位于箭头128)。置换器连接杆108在第二支承点(位于箭头132)由径向作用弹簧轴承130支持，并将所述第二支承点限制在所述机器的轴线122。通知调整在置换器气体轴承支承点(所述气体轴承的中心)之间的距离，以使两个轴承的支承点之间的轴的距离是所述置换器密封长度的倍数，就可容许所述置换器有某程度的旋转(在所述平面)，亦因此减低径向作用弹簧轴承130必要的定位准确度。置换器杆间隙E的大小可以设定为足够令置换器杆108和活塞102之间不会接触，但又不会大到令漏损变得过大。作为置换器杆间隙E的替代是应用一个可磨表面，使得磨擦会产生直至所述部件开始支持其自身，磨擦便会停止。

图6展示活塞102的结构的例子，其管状的连接杆110和作为一种平面弹簧的径向作用弹簧轴承118全应用于图5所示的本发明的实施例。汽门134穿过活塞102的周边圆筒形表面而形成以将气体导入围绕活塞102的气体轴承，从而为所述活塞提供在其汽缸内的无接触支承(图6未示出)。在径向作用弹簧轴承118的连接点136和围绕活塞102的气体轴承之间的距离L比活塞102的长度大很多，所述活塞的长度亦是其密封长度。距离L越大，活塞的对齐受连接杆110的轴线的径向抵销距离的影响则越少，所述径向的抵销是由在径向作用弹簧118的接合中心的汽缸轴线开始的。

图7展示另一个根据本发明的轴承支承系统的实施例，所述实施例是一种gamma型的对立活塞构型的自由活塞式斯特林机器。动力活塞140、142分别由在间隙144、146的气体轴承支持，从而和汽缸148、150保持无接触、封闭地配合的状态。连接杆152、154在第二支承点由径向作用弹簧轴承156、158控制。置换器活塞160具有不会穿过动力活塞142或动力活塞144的连接杆162，所以令本发明因此而具有的宽松准确度更加显著。在图7的实施例中，动力活塞140、142，还有置换器活塞160是根据本发明的原理而被支持。

通过同时调整活塞和其连接杆的两个支承点之间的距离，以使其为所述活塞密封长度的倍数，就可容许所述活塞有某程度的旋转(在一个具有所述轴线的平面)，因此可大大地减低各个径向作用弹簧轴承所必要的径向定位准确度。类似地，置换器160在间隙164由气体轴承支持，从而和其汽缸组件166保持无接触、封闭地配合的状态，以及由连接置换器连接杆162连接的径向作用弹簧轴承168支持，所述径向作用弹簧轴承将第二支承点控制在置换器汽缸166的轴线170上。在置换器连接杆162较大的直径部分和围绕其的汽缸172之间的间隙K的大小可以设定为足够令所述置换器连接杆和所述汽缸不会接触，但又不会大到令漏损变得过大。作为置换器杆间隙密封K的替代是应用一个可磨表面，使得磨擦会产生直至所述部件开始支持其自身，磨擦便会停止。直线交流发电机/发动机174和其配对部分176按所述斯特林机器是作为引擎或是热泵而提供电力输出或机械输入。

在本发明所有的实施例中，气体轴承是位于活塞和其汽缸之间的间隙配合，以提供一个支承点，而径向作用弹簧轴承是沿着所述活塞的连接杆设置在离所述气体轴承距离L之处。虽然本发明是指向两个轴承支承(一个作为气体轴承和另一个作为径向作用弹簧轴承)，但轴承可以建构成有多个部件的合成件而仍然能够用作一种单轴承并有效地运作。例如，径向作用弹簧轴承可以(而且常常是)建构成一种具有多个的、平衡而独立的弹簧轴承的合成件，而且是径向地和互相接近地设置并作为单个合成轴承运作。例如，图7展示径向作用弹簧轴承168是以三个密封的空间和平衡的平面弹簧轴承所形成的。当有单一的中心或有必须径向地调节的有效连接点时，这种合成轴承被视为一个轴承。但是，当两个或更多的径向作用弹簧轴承(合成或非合成)被一个大得令其必须分别地安装和须要分别地进行对齐的空间相隔开，则它们便是两个个别的径向作用弹簧轴承。不论有多少个别的弹簧部件，假如径向作用弹簧轴承是沿着进行往复运动的轴线对齐一点，所述径向作用弹簧轴承便是单一轴承。类似地，活塞和其汽缸之间的接触面可以利用两组或更多的轴向地分隔开的汽门来保持在无接触的状态，每组围绕所述活塞的圆柱形表面而分隔。但是，不论有多少气体轴承汽门注入所述气体轴承和所述汽门的布置，当一个活塞和其汽缸之间有紧密配合间隙便是一个气体轴承。

图8概念地展示本发明主张的动力活塞(或置换器活塞)180，所述活塞与连接杆182接合，以说明本发明的几何参数。当活塞180和连接杆182一同轴向地和所述汽缸的轴线对齐时，它们是以黑色实线展示，而在所述图中的平面旋转时则以虚线展示。比所述轴承支承之间的距离短的密封长度容许有转动的柔量而仍然能够保持无接触式的操作。这样会大大地减低支承离开所述关键的间隙密封的必要准确度，使得可以利用一种简单的并具有较宽松的准确度的径向作用弹簧轴承。

本发明的几何参数是用于下述的本发明的优选实施例的理想参数关系的数学解释。

对于比直径D和密封长度S小的径向间隙g，活塞180转动直至和汽缸184接触的最大角度α有良好的近似值：

(方程式1)

在图8的可容许的偏心的径向位移是A。沿着活塞180的轴线有支承点181是和汽缸184的轴线185平面定向地垂直的，并经过径向作用弹簧轴承的有效连接点187至连接杆182。如果连接至所述径向作用弹簧轴承的支承点181是从活塞的汽缸的轴线185径向地和偏心地位移，最终在所述活塞的支承点的对立的一端的气体轴承会接触所述汽缸。这种位移A大约是：

$A=\frac{\mathrm{LS}}{2D}(1-\sqrt{1-4\mathrm{Dg}/S^2})$ (方程式2)

其中L是轴承支承之间的距离。

例如，当所述活塞的径向间隙(g)是35μm、密封长度(S)是20mm、直径(D)是50mm，以及轴承支承之间的距离(L)是150mm，那么方程式2得出A＝0.2637mm，比间隙g大超过7倍。因此，所述径向作用弹簧轴承支承的位置的公差必须调整到比间隙g大超过7倍。

对于具有低漏损的密封并因此提供可接受的性能而作为一种气体轴承和/或一种间隙密封，4Dg/S²的量较小并因此容许下述位移A的近似值关系。

$A\≈\frac{\mathrm{Lg}}{S}$ (方程式3)

因此，轴承支承点之间优选的距离应是：

$L\≥A\frac{S}{g}$ (方程式3A)

利用上述例子和(方程式3)，位移A＝0.2625mm，和正确的解决方案很接近。如果A是设定在某个最小合理值，例如0.1mm，比典型的径向间隙大得多，那么(方程式3)可以用于制定本发明实际的实施例的轴承支承之间的距离要求。结果是：

$L\≥0.1\frac{S}{g}$ (方程式4)

其中L的单位是mm，以及所述活塞的密封长度S和直径D的大小相似。为了达到本发明的目的，相似的大小代表所述密封长度应是不超过直径的1.5倍和不少于直径的0.3倍。对于本发明的典型实施例，所述典型径向间隙会是在12μm至50μm的范围内。

根据本发明来布置所述动力活塞和/或所述置换器活塞的轴承支承，可以大大地减低在连接所述径向作用弹簧轴承的接合位置必须的准确度。此外，将设定在所述置换器活塞和/或动力活塞和其汽缸的接触面的单一气体轴承定位，均能够达到所述气体轴承的间隙的必要准确度和所述机器的性能。本发明容许所述置换器活塞和/或动力活塞制造得较短，因为所述工作流体的泄漏是由所述间隙主导的(按所述间隙的立方的比例)和只是微弱地依赖所述长度(按逆向长度的比例)。缩短所述置换器活塞和/或动力活塞的密封长度令其较所述轴承支承之间的距离短，容许更大的角度对齐误差。这样可以更容易处理所述利用径向作用弹簧轴承的第二支承。

本发明利用在一种封闭地配合的区域的气体轴承来支持一种活塞-汽缸组件，而在另一端并和所述封闭地配合的区域有一段距离的位置则以一种径向作用弹簧轴承支持，所述径向作用弹簧轴承提供重大的优点。如此，所述气体轴承提供重要的无接触式的间隙，而且所述无接触的径向作用弹簧轴承提供具有较宽松的准确度的支持。所述径向作用弹簧轴承离开所述封闭地配合的区域越远，其所须的准确度则越少。如果可以充分地免除所述径向作用弹簧轴承的准确度，便能够应用便宜的制造技术，例如压模技术。在如图5所示的有beta型配置的自由活塞式斯特林机器利用这种技术，配合所述活塞的所述置换器杆间隙可以制造得更宽松，因为在所述位置不须要气体轴承。由于本发明依靠一种两个支承点充分地分隔开的双定位点的支承以提供上述的好处，因此所述支承结构是必然地坚固的。

本发明只须要对齐三个支承点和减少所须的对齐准确度的程度，从而排除了须要对齐四个支承点准确度。如前述所解释的，活塞在汽缸内的对齐须要对齐两个支承点，一个是所述活塞的中轴和其一端的相交点，第二个是所述活塞的中轴和其对立的一端的相交点。当所述活塞在进行往复运动时在汽缸内对齐，使得所述两个支承点均沿着和所述汽缸的轴线平衡的一条在线，所述活塞便是在所述汽缸内完全地对齐。

如果，除了所述活塞外还有圆柱形物体，例如连接杆，并且是与所述活塞固接和在圆筒形的表面进行往复运动，则还有两个支承点是必须和前述的两个支承点对齐的。如果所述两个额外的支承点均利用气体轴承和间隙密封，则还必须与前述的两个支承点准确地对齐。类似地，如果，除了所述活塞外还有两个额外的径向作用弹簧轴承，则这两个径向作用弹簧轴承的额外两个支承点必须径向地调整。换言之，有一个活塞和两个额外的轴承便会有四个支承点是必须对齐的。

当有两个额外的轴承支承点须要调整时，调整其中一个额外支承点的对齐位置会改变另一个额外支承点的对齐位置。因此要将全部四个支承点同时对齐充其量是困难的，甚至是不可能的。此外，生产上不完美的对齐(即偏离公称对齐位置和/或定向)会导致不可能适当地对齐全部四个支承点，因为调整其中一个所述额外的支承点以配合其对齐上的不完美会改变其它额外支承点的对齐位置。现有技术中许多自由活塞式机器均有这种问题。

但是，本发明只有三个对齐的支承点和一个额外的支承点。只有一个是必须调整的。第三个对齐点是一个径向作用弹簧轴承和连接杆的连接点，所述调整是调整在和所述汽缸的轴线垂直的平面空间的定点，所述径向弹簧力在所述定点按所述活塞的轴线而作用。

比起现有技术，在本发明中从所述气体轴承至所述径向作用弹簧轴承的距离制造得大至可以容许一个较大的对齐误差距离。换言之，对齐误差的公差较大，使得适当的对齐更容易和须要较低的准确度。这样会容许实现适当的对齐的生产部件有更大的公差，即容许更大的不准确度使得所述部件可以较便宜。在所述径向作用弹簧以及和其连接的部件增加公差(较低准确度)是可以接受的。重要的是，只有一个部件，所述一个径向作用弹簧轴承是必须调整以实现所述活塞或置换器在所述汽缸内的无接触轴承操作。

要利用本发明，技术人员可以典型地在开始时决定所述气体轴承间隙密封所须的间隙g和间隙密封长度S。这些可根据一般的设计参数，例如动力和功率。然后，在决定所述活塞或置换器的大小和其间隙后，技术人员应该决定径向地调整所述径向作用弹簧轴承的理想公差(A或较低)。最后，技术人员应利用(方程式3A)来决定从所述气体轴承至所述径向作用弹簧轴承的距离。当然技术人员可以选择一组不同的设计方程式的参数并解算其它数值。

建构后，在所述部件的自由位置将所述部件定位和紧固所述部件的位置来开始进行调整，所述自由位置应是所述部件在操作中的所在位置。有了本发明，所述轴承唯一的调整是径向地调整每个活塞和其连接杆的组合的径向作用弹簧轴承。所述调整应该是令所述偏心距离相等于或小于所述容许的偏心距离A。这样可以保证所述汽缸的轴线和所述活塞-连接杆的轴线之间的共同角度比角度α小，所述角度α是所述活塞和其汽缸壁在没有接触下的轴线之间的最大角度。

以上参考附图的详细描述旨在主要地说明本发明的现有的优选实施例，而并不代表本发明只可以有一种的建构或利用的形式。以上描述连同附图的实施例提出实现本发明的设计、功能、方式和方法，但是应该明白相同或相等的功能和特征亦可以利用不同的实施例来实现，而且在不背离本发明的精神和范围下可以对本发明作出许多修改和变化，因此只要以基本相同手段实现本发明都属于本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有改进的轴承支承系统的自由活塞式斯特林循环机器，所述机器包括含有圆柱形自由式动力活塞和置换器活塞的壳体，各个活塞具有带密封长度和轴心的间隙密封并可以在安装在所述壳体的汽缸内进行往复运动，其特征在于，所述改进包括：

a)至少一个选定的所述活塞的密封长度是在所述活塞的直径的0.3倍至所述活塞的直径的1.5倍的范围内；

b)非柔性连接杆固接在所述选定的活塞的一端；

c)所述选定活塞和连接杆共同在所述壳体内被两个轴承支持，所述两个轴承是：

(i)在活塞间隙密封处的在所述选定活塞和与所述选定活塞相关联的汽缸之间的界面所形成的气体轴承；以及

(ii)固定在所述壳体并延伸至与所述连接杆的固定连接处的径向作用弹簧轴承，从所述气体轴承至所述径向作用弹簧轴承与所述连接杆的所述连接处的距离比所述活塞的密封长度大。

2.根据权利要求1所述的自由活塞式斯特林循环机器，其特征在于，从所述间隙密封的中心至所述径向作用弹簧轴承与所述连接杆的所述固定连接处的距离L是

$L\≥A\frac{S}{g},$ 其中

A是所述径向作用弹簧轴承与所述连接杆的所述固定连接处的径向位移的容许偏心距离；

S是所述选定活塞的密封长度；以及

g是所述选定活塞和与所述选定活塞相关联的汽缸之间的径向间隙。

3.根据权利要求2所述的自由活塞式斯特林循环机器，其特征在于，所述径向作用弹簧轴承与所述连接杆的所述固定连接处的径向位移的容许偏心距离A比所述径向间隙g大。

4.根据权利要求3所述的自由活塞式机器，其特征在于，所述选定活塞和与所述选定活塞相关联的汽缸之间的径向间隙是在12μm至50μm的范围内。

5.根据权利要求4所述的自由活塞式机器，其特征在于，所述选定活塞是所述自由活塞式斯特林机器的动力活塞。

6.根据权利要求4所述的自由活塞式机器，其特征在于，所述径向作用弹簧轴承是平面弹簧。

7.根据权利要求4所述的自由活塞式机器，其特征在于，所述选定活塞是所述自由活塞式斯特林机器的置换器活塞。

8.根据权利要求7所述的自由活塞式机器，其特征在于，所述径向作用弹簧轴承是平面弹簧。

9.根据权利要求4所述的自由活塞式机器，其特征在于，所述动力活塞和所述置换器活塞均是选定活塞并均具有所述选定活塞的所述特征。

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