CN103249914B - 气体平衡低温膨胀式发动机 - Google Patents

Abstract

一种以布雷顿循环运行的、作为用以产生深冷温度的致冷作用的系统的一部分的膨胀式发动机，系统包括压缩机、逆流热交换器和可能远离并通过从发动机循环的气体冷却的负载。发动机具有在气缸中的活塞，活塞在其运动时在其上方和下方具有几乎相同的压力。活塞和阀可以或者是机械致动的或者是气动致动的，并且活塞上方和下方的压力可借助于连接两个空间的回热器或通过阀而保持几乎相等。

Description

气体平衡低温膨胀式发动机

技术领域

本发明涉及一种以布雷顿循环（Brayton cycle）运行用以产生深冷温度的致冷作用的膨胀式发动机。

背景技术

以布雷顿循环运行用以制冷的系统包括压缩机，压缩机以排出压力向逆流热交换器供给气体，逆流热交换器允许气体通过进口阀进入膨胀空间、使气体绝热膨胀、通过出口阀排放膨胀的气体（温度更低）、使冷气循环通过正在进行冷却的负载、然后使气体通过逆流热交换器返回到压缩机。作为本领域先驱的S. C. Collins的美国专利2,607,322具有对已经广泛用于使氦气液化的早期膨胀式发动机的描述。膨胀活塞由连接于飞轮和发生器（generator）/马达的曲柄机构驱动而往复运动。当活塞处于冲程的底端（最低冷容积）时进气阀打开，高压气体驱动活塞上行从而使飞轮速度增大并驱动发生器。进气阀在活塞到达顶点之前关闭并且在膨胀空间中的气体压力和温度降低。在冲程的顶点处，出口阀打开，随着活塞被推动下行并在飞轮减速的同时被飞轮驱动，气体流出。取决于飞轮的大小，飞轮可以继续驱动发生器/马达以输出功，或者飞轮可以充当马达吸取功。如在授予S. C. Collins的美国专利3,438,220中示出的，进口阀和出口阀通常由连接于飞轮的凸轮驱动。该专利描述了一种不同于其早期专利的机构，该机构将活塞联接于飞轮，该飞轮是不对位于活塞的热端的密封件施加侧向力的飞轮。授予J. G. Pierce的美国专利5,355,679描述了一种进口阀和出口阀的可选设计，其进口阀和出口阀在凸轮驱动和具有在室温的密封件上类似于‘220的阀。授予H. Hattori等人的美国专利5,092,131描述了止转棒轭（Scotch Yoke）驱动机构和由往复运动的活塞致动的冷气进口和出口阀。所有这些发动机都让大气作用在活塞的热端上并且主要设计用于使氦气、氢和空气液化。回气接近大气压力且供给压力为大约10到15个大气压。压缩机输入功率通常在15kW到50kW范围内。较低功率的制冷机通常以GM、脉冲管或斯特林循环（Sterling cycles）运行。较高功率的制冷机通常使用透平膨胀机以布雷顿循环或克劳德循环（Claude cycles）运行。W. E. Gifford和H. O. McMahon的美国专利3,045,436描述了GM循环。较低功率的制冷机使用回热器（regenerator）换热，其中气体来回流动通过填充床，气体从不离开膨胀机的冷端。这与能够向远程负载分配冷气的布雷顿循环制冷机相反。

由‘220的Collins式发动机中的发生器/马达回收的能量的量相对于压缩机功率输入较小，因此在很多应用中机械简易性的重要性往往高于效率。J. F. Maguire等人的美国专利6,202,421描述了通过使用液压驱动机构用于活塞而消除飞轮和发生器/马达的发动机。进口阀通过电磁阀致动，出口阀通过电磁阀/气动作用的组合致动。以液压的方式被驱动的发动机的动机是提供能够以可移除的方式连接于超导磁体以将其冷却的小而轻的发动机。其权利要求涵盖了该可移除的连接。

J. L. Smith的美国专利6,205,791描述了一种膨胀式发动机，其具有自由浮动的活塞，活塞周围具有工作气体（氦气）。活塞上方即热端的气体压力受到连接于两个缓冲容积（buffer volumes）的阀的控制，其中一个缓冲容积的压力约为高低压之间的压差的75%，另一个缓冲容积的压力约为所述压差的25%。电启动的进口阀、出口阀、和缓冲阀定时打开和关闭，使得以较小的活塞上方和下方的压差上下地驱动活塞，因此非常少量的空气流动通过活塞与气缸之间的小间隙。活塞中的位置传感器提供用于控制打开和关闭这四个阀的正时的信号。如果想到用气体活塞替代固体活塞的脉冲管，那么在Zhu Shaowei的美国专利5,481,878中可见到同样的“两个缓冲容积控制”。

Shaowei的‘878专利的图3示出了打开和关闭四个控制阀的正时，并且Smith的‘791专利的图3示出了能够通过活塞位置与控制阀的打开和关闭之间的关系的良好正时而实现的有利的P-V图线。该P-V图线的面积是所产生的功，并且通过使吸入‘791的图3的图线的点1与点3之间的膨胀空间中的气体的量相对于P-V功（相当于产生的制冷）最小化而实现最大效率。

相对于活塞的位置打开和关闭进口阀和出口阀的正时对于实现良好的效率很重要。建成的用于使氦气液化的多数发动机使用类似于Collins的‘220专利的阀的凸轮致动阀。Smith的‘791专利和Maguire的‘421专利示出了电致动阀。其它机构包括如H. Asami等人的美国专利5,361,588中示出的位于止转棒轭驱动轴的端部上的旋转阀和如Sarcia的美国专利4,372,128中示出的由活塞的驱动轴致动的梭动滑阀（shuttle valve）。类似于在本发明中描述的阀的多端口旋转阀的示例在M. Xu等人美国专利申请2007/0119188中可以找到。R. C. Longsworth的美国专利6,256,997描述了O型环的使用以减少与气动致动的活塞在冲程止点的撞击相关的振动。这可以应用于本发明。

本发明的一个目的是以重量相对较轻、紧凑且可靠的发动机实现良好的效率。另一个目的是具有能够适于将大质量物体从室温冷却到深冷温度同时充分利用压缩机输出的发动机或能够优化以在小的深冷温度范围内制冷的发动机。最后一个目的是具有在与现有GM循环制冷机相同的尺寸范围内的布雷顿循环发动机，使得来自发动机的冷气流能够用于冷却分散的负载。

发明内容

本发明以新的方式组合早期设计的特征从而以相对简单的设计实现良好的效率，该简单的设计在活塞的热端和冷端之间具有小的压差、具有机械或气动致动的驱动杆并且具有与活塞位置协同的进口阀和出口阀的打开和关闭。在气动致动的发动机的情形中，流向驱动杆以及进口和出口阀致动器的气体流受旋转阀控制，旋转阀具有打开和关闭其内置阀门的正时。机械驱动的杆可在驱动轴的端部上具有旋转阀，该旋转阀切换通往进口和出口阀致动器的气体。气动致动的驱动杆或者机械致动的驱动杆都能够具有通过驱动杆移位的梭动滑阀以气动地致动进口和出口阀。可通过使用连接在活塞热端与压缩机供给和回流管线之间的止回阀、连接在热端与冷端之间的回热器、或者使用致动进口和出口阀的同一旋转阀或梭动滑阀中的端口的主动阀，在活塞移动的同时，使活塞热端处驱动杆周围的压力保持接近于活塞冷端处的压力。

附图说明

图1示出了发动机100以及阀和热交换器的示意性图示，发动机100具有位于气缸中且在热端处带有气动驱动的杆的活塞，以截面图示出。

图2示出了发动机200，其具有位于气缸中的活塞、在驱动轴的端部处的旋转阀以及进口阀组件，止转棒轭机构连接至位于活塞热端处的驱动杆，所有这些以截面图示出。还示意性地示出了其它阀和热交换器。

图3示出了发动机300，其具有位于气缸中活塞，活塞在热端处带有气动驱动的杆和切换到进口和出口阀致动装置的气体流的梭动滑阀。示出在活塞内有回热器从而示出使活塞热端和冷端保持处于几乎相同的压力的装置。所有这些以截面图示出。还示意性地示出了其它阀和热交换器。

图4示出了发动机400，其具有位于气缸中活塞，活塞具有驱动位于活塞热端处的杆的马达驱动的止转棒轭机构，活塞具有连接热端和冷端以使热端和冷端保持处于几乎相同的压力的回热器，所有这些以截面图示出。还示意性地示出了进口和出口阀以及热交换器。如图2中所示的切换到阀致动装置的气体的旋转阀也是该组件的一部分。

图5示出了发动机500，其具有位于气缸中活塞，活塞具有位于热端处的气动驱动的杆和在活塞内使活塞的热端和冷端保持处于几乎相同的压力的回热器，所有这些以截面图示出。还示意性地示出了其它阀和热交换器。

图6示出了用于图1至5中所示的发动机中的一个或多个的压力-容积图。

图7示出了用于图1至5中所示的发动机的阀打开和关闭次序。

具体实施方式

在图1至图5中示出的本发明的五种实施方式使用相同的附图标记和相同的图示来指示等同部件。由于膨胀式发动机通常定向成冷端向下，以便使热交换器中的对流损失最小化，活塞从冷端向热端的运动称为向上运动，因此活塞上下运动。

图1为发动机组件100的横截面图/示意图。示出了选择A和选择B；首先描述选择A。活塞1在气缸6中往复运动，气缸具有冷端端帽9、热端安装法兰7和热端缸盖8。驱动杆2附连于活塞1并在驱动杆气缸69中往复运动。在冷端的排出容积（displaced volume）DVc 3通过活塞1和密封件50与在热端的排出容积DVw 4隔离。在驱动杆上方的排出容积DVs 5通过密封件51与DVw隔离。随着阀V1 12和阀V2 13交替地将DVs连接至高压供给线30和低压供给线31，DVs中的气体的压力从高压Ph到低压Pl循环。当在DVc处于最小值的情况下进口阀Vi 10打开时制冷，当DVc在Ph下时，克服DVw和DVs中的平衡压力向上推动活塞1，然后关闭Vi，打开Vo 11，随着DVc中的气体流出至Pl，使气体膨胀，从而随着膨胀而冷却。随着活塞1返回移向冷端9，将在Pl下的气体排出DVc。经由Vo流出的低温气体通过管线35到达热交换器41，在热交换器41处，气体被进行冷却的负载加热，然后流动通过管线36到达逆流热交换器40，在逆流热交换器40处，在高压气体流动通过管线34到达Vi之前将处于Ph的高压的进气冷却。

在Vi打开时，DVs中存在处于Ph的气体且DVw中存在处于Pl的气体。允许到DVc的高压气体向上推动活塞，从而使DVw中的压力朝Ph升高，并且使DVs中的压力升高到高于Ph的压力直至V2打开，从而通过管线33将DVs连接至Pl。当DVw中的压力到达Ph时，气体经由止回阀CVh 16流出到达高压管线30。就其效果来说，正在对DVw中的气体进行的做功，等同于在飞轮驱动式发动机的发生器中做的功。驱动杆的面积必需足够用于超过作用在DVw中的活塞热端上的Ph的活塞冷端上的Ph减去热交换器上的压降与作用在杆上的Pl和密封件摩擦力之间的力平衡，以便活塞上行。活塞移动速度与力的不平衡成比例。当活塞处于行程顶部时，Vi关闭，然后Vo打开，V2关闭，然后V1打开。当DVs中的气体在Ph并且DVc中的气体为Pl时，活塞开始下行，DVw中的压力降至Pl，并且在活塞下行的同时随着气体从处于Pl的管线31流动通过止回阀CV1 17而保持在Pl。当DVc在最小值时，阀V1关闭，完成循环。在该发动机的一种实施方式中，多端口旋转阀包括用于V1和V2的端口和如图2所示启动打开和关闭Vi和Vo的升杆的端口。

实施方式100在选择B的情况下被示出为用主动阀V3 14和V4 15替代止回阀CVh 16和CVl 17。旋转阀可具有多个端口以实施阀V1、V2、V3和V4并致动打开和关闭Vi和Vo。

图2为发动机组件200的横截面图/示意图。活塞1、气缸6、冷端端帽9和热端安装法兰7与图1中所示相同。在该实施方式中，驱动杆2通过联接器29连接至驱动轴23，驱动轴23借助于止转棒轭驱动组件22往复运动。除部件23和29之外，驱动组件还包括偏心轮24、轴承25、带槽驱动器26、驱动轴引导装置28和引导驱动器的套管27。套管27在具有本组件的正视图的图4中示出。止转棒轭组件由马达20和马达轴21驱动。轴21还使通过销48联接的旋转阀18转动。类似于在美国专利申请2007/0119188中所描述的，阀盘18通过有差别压力保持抵靠固定阀座19。图2示出了在图1中被示意性地示出的进口阀Vi 10的可能构造。进口阀组件60包括提动阀芯61、弹簧62、拉杆63、起阀活塞64、弹簧保持件65、外壳66和阀座67。阀拉杆密封件52和起阀件密封件53将气体围困在排出容积DVi 54中，其在压力为Ph的气体被允许从管线37进入时提升提动阀芯61离开阀座67，并在压力通过在旋转阀18和阀座19之间的界面中的端口Vih和Vil被切换至Pl时使提动阀芯61复位。在起阀活塞64上的力平衡借助于阀座19中的孔59使壳体39中的气体压力表现为Pl。阀盘18与阀座19之间的界面还含有端口V3和V4，端口V3允许在Ph的气体通过管线32到达DVw，端口V4通过相同的管线以Pl流通气体。出口阀11可以构造成和进口阀组件60一样，在旋转阀中带有致动起阀件的端口。

图3是发动机组件300的横截面图/示意图。活塞1在其体内具有回热器42，孔43将回热器42连接至DVc，孔44将回热器42连接至DVw。该配置允许气体在两个排出容积之间流动以使二者基本保持相同压力。回热器需要相对较小的容积，使得与回热器相关的损失最小。通过回热器的压降小于通过热交换器40的压降，因此DVc与DVw之间的压差将小于实施方式100和200的。活塞1由借助于阀V1 12和阀V2 13作用在驱动杆2上在Ph和Pl之间交替的气体压力驱动，阀V1 12通过管线33将DVS 5连接至在Ph的管线30，阀V2 13将DVs连接至在Pl的管线31。假定阀Vi和Vo和图2中所示的阀组件60类似。当气体压力在管线37和38中在Ph和Pl之间循环时，类似于图2中的64的起阀件致动阀Vi和Vo。梭动滑阀70在套筒71中在如图所示的下位和活塞1处于冲程顶部处时的上位之间滑动。槽口72和73交替地将来自管线30的为Ph的气体和来自管线31的为Pl的气体经由位于阀70的压缩机侧上的端口74、75、76和77连接至管线37和37和经由位于梭动滑阀70的发动机侧上的端口78、79、80和81连接至管线37和38。当活塞1处于下位时，为Ph的气体流动通过端口74、槽口72和端口79到达管线37，其在此使起阀件保持Vi打开。用于Vo的起阀件通过38、81、73和77连接至Pl，促使Vo关闭。当V2打开并通过管线33和驱动气体孔口45将DVs连接至低压时，活塞1上行。直至活塞1几乎到达冲程的顶部并向上推动梭动滑阀70时梭动滑阀70才移动，使得槽口72和73与套筒71中的顶部端口对准并使Vi关闭，使Vo打开。用于Vi的起阀件通过37、78、72和75连接至Pl。用于Vo的起阀件通过38、80、73和76连接至Ph。通过关闭V1并打开V2将DVs中的压力从Pl切换至Ph使活塞1下行。直至活塞1几乎到达底部时梭动滑阀70才移动。“O”型圈55是驱动杆气缸69中密封71的圆周以防气体自高压向低压沿轴向泄漏的一组“O”型圈中的一个。

可以手动或电动地调节驱动气体孔口45以控制活塞1上下移动的速度。如果要使用发动机来冷却负载并且人们希望保持恒定的从压缩机的功输出，那么必需在室温以最大发动机速度起动并随着温度下降而降低发动机速度。目的是调节孔口45使得活塞1完成整个冲程但不在冲程的止点处停留过长的时间。交替地，能够以恒定速度在设定用于在最低温度下运行的固定孔口的情况下运行。在冷却期间压缩机会旁通一些气体。

图4是发动机组件400的横截面图/示意图。其在活塞1的本体中具有回热器42以使DVc和DVw之间的压差最小化以及发动机200的机械驱动机构方面与发动机300具有相同的特征。在图2的侧视图中示出的止转棒轭驱动组件22在图4的正视图中示出。在图2中示出的与阀座19一起安装在马达轴21的端部上的旋转阀盘18为发动机400的一部分，但在图4中仅示出了21。进口阀组件60也是同样的。用于打开和关闭Vo的类似阀组件是发动机400的一部分但未示出。旋转阀盘18和阀座19具有如图2和3中所示出的用于通过管线37和38致动起阀件的端口，其也是发动机400的一部分，但在图4中未示出。止转棒轭驱动组件22的正视图示出了马达20、将驱动轴23连接至驱动杆2的联接器29、偏心轮24、轴承25、带槽驱动器26、驱动轴引导装置28和引导套管27。所示出的其它部件前面已经描述过。

发动机400是多功能设计，因为其速度可变，无论阀正时如何，DVc和DVw之间的压差将一直很小，并且阀正时的范围能够产生高效率。

图5是发动机组件500的横截面视图/示意图。其在活塞1的本体中具有回热器42以使DVc和DVw之间的压差最小化方面与发动机300和400具有相同的特征。活塞1由借助于阀V1 12和阀V2 13作用在驱动杆2上在Ph和Pl之间交替的气体压力驱动，阀V1 12通过管线33将DVS 5连接至在Ph的管线30，阀V2 13将DVs连接至在Pl的管线31。假定阀Vi和Vo和图2中所示的阀组件60类似。当气体压力由阀81、Vih 82、Vil 83、Voh和Vol 84控制在管线37和38中在Ph和Pl之间循环时，类似于图2中的64的起阀件致动阀Vi和Vo。如图2中所示的旋转阀可具有用于V1、V2、Vih、Vil、Voh和Vol的端口，其具有期望的顺序和内置在阀盘和阀座中的相对正时。所示出的其它部件已经在前面描述过。

图6示出压力-容积（P-V）图，图7示出用于图1至5中所示的发动机中的一个或多个的阀的打开和关闭次序。压力-容积图上的状态点数字对应于图7中的阀开/闭次序。阀打开和关闭正时未示出，仅示出次序。压力-容积图 6a适用于发动机100，选择A，其在选择B中示出的V3和V4的位置具有止回阀。点6表示活塞1处于冲程止点处，DVc最小，DVc和DVw处于Pl，DVs处于Ph。然后Vo关闭，Vi打开。DVc增大直至DVw中的气体被压缩至Ph，即点1。在点1处，V1关闭，然后V2打开，使得DVs中的压力为Pl。当气体通过CVh流出到为Ph的管线30时，活塞1上行。进口阀Vi在点2关闭，其正时为当活塞1处于行程顶部、DVw最小时发生。然后即在点3处Vo打开，并且DVc中的压力降至Pl。当V2关闭而V1打开时，即在点4处，在热端间隙容积中的为Ph的残余气体使活塞1开始下行。随着在DVs中的为Ph的气体向下驱动活塞，气体经由CV2被吸入到为Pl的DVw。当活塞1到达冷端时Vo关闭，即在点5处。

用主动阀（选择B）替换发动机100中的止回阀（选择A）使发动机能够以压力-容积图6b运行。在点5活塞到达底部之后，V4关闭，然后V3打开，从而使DVw中的压力从Pl变为Ph。DVs仍然在Ph，因此当在点6处Vi打开时，活塞不动直到在点1处V1关闭而V2打开。DVs中的在Pl的气体使活塞上行，将为Ph的气体吸入DVc。Vi在点2处关闭之前活塞1到达顶部。然后在Vo于点3处打开之前，V3关闭，V4打开。由于在热交换器40中的压降，DVs和DVw中的气体压力实际上略低于Pl，因此直至在点4处V2关闭而V1打开，活塞才开始下行。

发动机200也以压力-容积图6b运行。止转棒轭驱动组件22取代杆驱动装置以及阀V1和V2。活塞在点5处到达底部之后，Vo关闭，然后V4关闭，随后很快V3和Vi在点6处打开。随着止转棒轭驱动装置在点1处开始向上移动活塞，DVc中的气压达到Ph。气压一直处于Ph直至在点2处活塞到达顶点并且Vi关闭。然后在Vo于点3处打开之前，V3关闭并且V4打开。随着活塞1从点4处开始下行，DVc中的气压快速降至Pl。

发动机300也以压力-容积图6b运行。通过将DVc和DVw保持在相同压力下的内部回热器42消除了对阀V3和V4的需要。当活塞1到达底部即点5和点6处时，Vo关闭且Vi打开，DVs中的压力为Ph，将活塞保持在下面。在点6处在DVc和DVw中的气体为Ph时，活塞不移动，直至在点1处V1关闭且V2打开。DVs中为Pl的气体使活塞上行，将在Ph的气体吸入DVc中。当活塞1到达顶部，梭动滑阀70移位成在点2处关闭Vi并在点3处打开Vo。在点4处，DVc中的气体压力降至Pl，然后V2关闭且V1打开，从而致使活塞1下行。

发动机400以压力-容积图6c运行。其不具有阀V1、V2、V3或V4。活塞1由止转棒轭组件22驱动，回热器42平衡DVc和DVw中的压力。在活塞1到达底部即点5之前，Vo关闭，并且随着活塞1向冷端移动，DVc和DVw中的压力升高，从而使DVc中的低温气体转移至处于室温的DVw。在点6处，Vi打开，并且DVc和DVw中的压力快速增大至Ph。在点1处，活塞1上行，从而将为Ph的气体吸入DVc中。在活塞1到达顶部即在点2之前，Vi关闭，并且随着活塞向顶部（点3）移动，气体压力下降，从而将DVw中的高温气体转移至DVc。然后Vo打开并且DVc中的气体压力降至Pl。然后，活塞1开始下行（点4）并且随着其向点5移动而推动为Pl的气体经由Vo流出。

发动机500以压力-容积图 6c运行。其没有阀V3和V4，因为回热器42使DVc和DVw中保持相等的压力。在活塞1到达底部（点5）之前，Vo关闭，（Voh 83关闭且Vol 84打开），并且随着活塞1向冷端移动DVc和DVw中的压力增大，从而使DVc中的低温气体转移至处于室温的DVw。在点6处，Vi打开，（Vil 83关闭并且Vih 82打开），并且DVc和DVw中的压力快速增大至Ph。在点1处，V1关闭然后V2打开，使活塞1上行，从而将为Ph的气体吸入DVc中。在活塞1到达顶部（点2）之前，Vi关闭，（Vih关闭且Vil打开），并且随着活塞向顶部（点3）移动，气体压力下降，从而将DVw中的高温气体转移至DVc。然后Vo打开，（Vol关闭并且Voh打开），并且DVc中的气体压力降至Pl。在点4，V2关闭并且V1打开。然后，活塞1开始下行并且随着其向点5移动而推动为Pl的气体经由Vo流出。

表1提供了针对不同发动机计算的制冷容量（capacities）的对照。发动机200和300以与发动机100b相同的循环运行并且因为驱动机构中使用了略少的气体而在容量上仅有很小的增加，因此未将它们包括进来。所有发动机采用Vi为2.2MPa且Vo为0.8MPa的压力。氦气流率为6.0g/s并且包括到驱动杆、用于Vi和Vo的阀致动器的流以及允许包括回热器的空闲容积的气体。认为热交换器的效率为98%。认为所有发动机具有变速驱动装置和控制活塞速度的机构以及具有完整冲程同时在冲程止点处仅有短暂停留时间的阀正时。除了发动机400外，这些发动机的尺寸为使得采高温时为6Hz并随温度降低的最大速度将质量从室温冷却至大约30K，因此发动机在大部分冷却过程中始终以设想的压力使用设想的流率。制冷的冷却容量Q和运行速度N按温度T在Vi处列出为200K和60K。显然，发动机可以设计成以固定速度在很窄的温度范围——例如，为120K以便冷却低温泵以俘获水蒸汽——运行。发动机500是优化用于在从30K至80K的温度范围内运行的设计的示例。其与其它发动机相比具有更小的直径Dp和更短的冲程S，因此其在低温范围内以较高的速度运行。这种制冷设备可以设计成具有效率较高（比如为98.5%）的热交换。从表1可以看出，发动机100a最低效。这是因为当在点1允许为Ph的气体进入时DVw中的气体压力低。发动机100a、100b、200和300都具有与直至活塞到达顶部才允许为Ph的气体进入然后将该气体排出至Pl相关联的损失。发动机400和500具有最佳效率，因为它们的Vi和Vo关闭得早，Vi关闭得早使得气体随着活塞从点2移动至点3而膨胀，Vo关闭得早因而随着活塞从点5移动至点6而存在一些再压缩。因为在热端所使用的气体的份额较小，所以发动机效率随着其冷却而增大，并且发动机减速。效率在大约80K处为最大值，然后因为热交换器损失占主导而降低。

表1 性能比对

发动机      100a       100b       400            500

驱动装置   气动       气动       止转棒轭    气动

Dp-mm      101.4      101.4       82.4          101.4

S-mm        25.4        25.4       20              25.4

V1、V2     旋转       旋转       旋转          旋转

V3、V4     CVs       旋转       回热器       回热器

P-V图       6a          6b         6c              6c

Tc-K         200         200        200            200

N-Hz         4.4         4.5         5.7            5.8

Q-W          840        1,070      560           1,220

Tc-K          60         60          60             60

N-Hz         1.4         1.5         4.5            2.3

Q-W          110        230        335            315

其它实施方式在所附权利要求的范围内。例如，被描述为气动致动的进口阀组件60和等同的出口阀组件可以替代为电致动的或通过由马达20驱动的凸轮致动的。

Claims (9)

1.一种膨胀式发动机，所述膨胀式发动机使用从压缩机供给的气体运行以产生深冷温度的致冷作用，所述膨胀式发动机包括：

位于气缸中的活塞，所述活塞具有位于热端的驱动杆，气动力和机械力之一作用于所述驱动杆从而使所述活塞往复运动，

位于所述气缸的冷端的进口和出口阀，所述进口和出口阀在所述活塞靠近所述气缸的冷端时允许高压气体进入并在所述活塞靠近所述气缸的热端时将气体排放至低压，

在所述活塞移动时将所述活塞的所述热端上的在所述驱动杆的区域外的压力保持在几乎与所述活塞的所述冷端相同的压力下的装置，其中

用于使所述压力保持几乎相等的所述装置包括连接在所述热端与来自所述压缩机的供给和回流管线之间的止回阀或者主动阀，所述主动阀的打开和关闭与所述活塞的位置相协调。

2.如权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，用于使所述压力保持几乎相等的所述装置通过包括回热器的气体通路连接所述热端和所述冷端。

3.如权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，所述进口和出口阀通过气动力打开和关闭。

4.如权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，所述进口和出口阀通过电致动装置和凸轮致动装置之一打开和关闭。

5.如权利要求3所述的膨胀式发动机，其中，借助于旋转阀和梭动滑阀之一使所述进口和出口阀的打开和关闭的正时与所述活塞的位置相协调。

6.如权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，所述气动致动的驱动杆由旋转阀控制，所述旋转阀还具有用于致动所述进口和出口阀的端口。

7.如权利要求6所述的膨胀式发动机，其中，所述旋转阀还包含使气体向所述活塞的热端流动的端口，所述流动与致动所述进口和出口阀的流动相协调。

8.如权利要求1所述的膨胀式发动机，其中，所述机械致动的驱动杆包括止转棒轭机构和还使旋转阀转动的马达，所述旋转阀具有致动所述进口和出口阀的端口。

9.如权利要求8所述的膨胀式发动机，其中，所述旋转阀还包含使气体向所述活塞的热端流动的端口，所述流动与致动所述进口和出口阀的流动相协调。