CN103890365A - 稳定性、效率和可控性得到改进的反向活塞伽玛型自由-活塞斯特林机 - Google Patents

Abstract

一种反向活塞伽玛型的斯特林机，具有一个由线性电磁换能器驱动的置换器，线性电磁换能器驱动性地连接于置换器，并位于往复运动动力活塞轴与置换器相对的位置，在反弹空间更适宜。线性换能器因电子控制器将传感到的斯特林机运行参数作为输入而得到控制。除了稳定性和效率能得以提高之外，这种斯特林机作为冷却器/热泵运行时，还可以经过控制以使其置换器被驱动于（1）一个相位角，将热通过机器向一个方向传送，或（2）另一个相位角，将热通过机器向相反方向传送，并可以有选择地在传热方向之间进行切换。

Description

稳定性、效率和可控性得到改进的反向活塞伽玛型自由-活塞斯特林机

发明背景

本发明总地涉及自由-活塞式斯特林发动机、热泵及冷却器，更具体地涉及带有反向动力活塞的伽玛结构的自由-活塞式斯特林机的性能改进，通过对其输出控制改进，在一定程度上能更精准的适合并优化斯特林发动机运行所遇到的工况。在本发明中，置换器有一个连接杆，经过动力活塞一直延伸到一个电磁线性换能器。该线性换能器控制置换器往复运动的相位和幅度，使线性换能器能控制斯特林冷却器/热泵，提供最大速率的热传输或在整个操作温度范围里得到最高效率；并用某种方法控制斯特林发动机，使发动机输出功率和载荷要求相匹配，在整个操作温度范围及机器的极限范围内得到最高效率和稳定性。

斯特林的基本原理

如本领域所周知的，斯特林发动机的工作气体是限制在一个工作空间内，该工作空间包括一个膨胀区间和一个压缩区间。工作气体交替地膨胀和压缩以达到做机械功或将膨胀区域的热量输送到压缩区域。工作气体周而复始在压缩区域和膨胀区域来回流动，因而使一个或多个动力活塞在某些机器中使置换器运动。压缩区间和膨胀区间通过热接收器，再生器及散热器流通连接。周期性的往复使工作气体在各自的区间内的相对比例发生变化。在膨胀区域的气体以及从再生器和膨胀区域之间的热交换器（接收器）流进膨胀区域的气体吸收周围表面的热量；压缩区域的气体以及从再生器和压缩区域之间的热交换器（放热器）流进压缩区域的气体向周围的表面放热。因为膨胀区域和压缩区域相互连接的通道具有相对较小的流动阻力，任何时刻气体的压力在整个工作空间基本上是相同的。然而，在工作空间的气体，作为一个整体其压力还是周期性地循环变化的。当大部分气体在压缩区域时，气体中放出热量。当大部分气体在膨胀区域时，气体吸收热量，不管机器作为热泵或作为一个发动机做功，这点总是成立的。区别做功或是热泵的唯一要求是在膨胀进行过程中的温度。如果该膨胀过程的温度高于压缩区域的温度，那么机器是倾向于做功，因而其功能为发动机；如果膨胀过程的温度是低于压缩区域的温度，那么这机器将会将热量从冷源传给暖和的散热片。

也如本领域所周知的，斯特林发动机有三个主要结构。阿尔法结构至少有两个位于分开的缸里的活塞，由一个活塞围成的膨胀区域通过再生器连接到由另一个活塞和另一个气缸所围成的压缩区域。这些连接串成一个环路将多个气缸的膨胀区域和压缩区域连接起来。贝塔结构有一单个的动力活塞通常简称为活塞，被置于与置换器活塞同一个或同心的缸里，通常就称为置换器。伽玛斯特林机也有一个置换器以及至少一个动力活塞，但是动力活塞是装在另外分开的缸里，沿着置换器缸的轴，但是离开足够距离使得置换器和活塞不会相碰。

斯特林机可以两种模式中的任一种运行，以提供：（1）发动机，由于施加外部热能源给膨胀区域，并在压缩区域将热量带走，其一个或若干个活塞得以驱动，从而能够成为机械载荷的原动机；或（2）热泵，其一个或若干个动力活塞（或者有时是置换器）周期性地由原动力驱动，将热量从膨胀区域传送到压缩区域，从而能够将热能从较冷的介质传送给较热的介质。热泵的模式是使物体和膨胀区域作热连接，从而使斯特林机用来冷却该物体，包括冷却至低温，或使物体和压缩区域作热连接来加热该物体，如家用加热的热交换器。因而斯特林“机”这一术语通常同时包括斯特林发动机和斯特林热泵。

当目的是将物质热连接到膨胀区域从而冷却这些物质的时候，从膨胀区域带走热量的斯特林机有时也称作冷却器；当将物质热连接到压缩区域，目的是要加热物质的时候，有时就称作热泵。原理上它们是同一种机器的不同称谓，都是将热量从膨胀区域“泵”（传输）到压缩区域。工作气体在膨胀区域里膨胀，从围绕斯特林机膨胀区域周围的内壁吸收热量；工作气体在压缩区域压缩，向围绕斯特林机压缩区域周围的内壁放热。结果就形成了冷却器/热泵的术语，用于基础的机器上时，冷却器和热泵能等同使用。

同样地，斯特林发动机和斯特林冷却器/热泵也是基本上相同的能量转换器结构，能够在两种能量（机械能和热能）之间向任一个方向转换。

发明所针对的问题

众所周知，贝塔及伽玛结构的自由-活塞的斯特林发动机和冷却器（FPSE/C）使用两个主要运动件，即置换器和活塞，或者在反向活塞伽玛结构中的多个活塞。工作气体内部发生的压力变化驱动置换器，置换器上的力需要非常小心的平衡才能获得置换器恰当的动态操作，这些力包括弹簧力、惯性力、压力下跌的力和在置换器杆上的压差产生的力。无论机器是冷却器/热泵，控制的功能是热提升；或者是机器为发动机（原动机），控制的功能是提供机械能，置换器的运动直接控制了机器的功能。提升的程度或提供的能量取决于置换器和活塞运动之间相对的相位角和置换器的运动幅度。

单用气体压力驱动置换器的主要问题和困难是：

a.在热泵中最大效率（或性能系数）无法在所有操作条件下得到保持。根据工况条件偏离设计条件的程度机器性能会不断下降。

b.对原动机或发动机来说，问题就更加严重，经常发生这样的情况：只有在载荷和发动机之间采用了电子控制器，在载荷变化时的稳定操作才有可能。这个电子控制器要具备的功率至少和提供的最大功率一样，并且反应时间至少大于发动机的反应时间。同时也存在着如同（a）条所述的在不同的运行条件下无法获得最大效率的问题。

本发明的目的和特点就是提供充分的但是独立的置换器控制，同时反向活塞的伽玛结构所增加的质量和无效空间为最小。

本发明进一步的目的是给反向活塞伽玛型发动机提供经过改良的可控的自由-活塞斯特林结构，以控制置换器的运动来改变发动机的功率曲线，通过确保发动机的功率曲线随着活塞动幅度增长慢于载荷曲线相应的增长，使机器运行点虽然变化但仍然始终保持稳定。

本发明进一步的目的是对反向活塞发动机和热泵提供经过改良的可控的自由-活塞斯特林结构，借以调节置换器的运动，根据设备是作为发动机或热泵来运行而达到最大效率或最大性能系数。

本发明还有进一步的目的是对反向活塞热泵提供经过改良的可控的自由-活塞斯特林结构，在这结构中置换器的相位能反向，使通过机器能向任一个方向传热。

发明概述

本发明是对反向活塞伽玛型斯特林机的改进，其结果是改善了稳定性，使效率或性能系数最优化并能使斯特林冷却器/热泵的热力可以向任一方向传输。这一改进是一个驱动性地动连接到置换器的线性电磁换能器，位于动力活塞往复运动轴上置换器的反面（最好是位于反弹空间）并且通过电子控制器控制。这一发明可令置换器的运动幅度和相位能得到独立的控制。线性换能器的位置避免了原先因为对斯特林机的效率、成本和性能的负面效应所必需的设计妥协和修正。置换器的控制是独立的，意味着置换器的幅度和相位可以达到设计者要的任何值，只要通过电磁换能器在适当的相位给置换器提供足够的功率，结果就能得到所需要的幅度和相位。不管是驱动性地连接到置换器上的电磁换能器的驱动力是唯一的置换器的动力，或者以传统方式同时在置换器的驱动上施加补充动力的置换器的动力，这点都是成立的。对斯特林冷却器/热泵来说，电子控制器也能够驱动置换器（1）在某个相位角将热能通过机器向一个方向传输或；（2）在另一个相位角将热量通过机器向相反的方向传输，并且在两个传热方向之间可以选择性地进行切换。

附图简介

图1是本发明第一实施例的图示。

图2是本发明第二实施例的图示。

图3是本发明第三实施例的图示。

图4是本发明具体实施方案纵向剖面视图，示出了反向活塞伽玛结构的斯特林发动机直接驱动热泵的压缩器。

图5是表示按照现有技术的设计和控制，斯特林发动机驱动压缩器的典型功率曲线图。

图6是表示按照本发明原理由斯特林发动机驱动压缩器的功率曲线图。

图7是表示斯特林冷却器/热泵按照本发明的方法运行，将热能按第一个方向传热时的置换器和活塞间的相对相位的矢量图。

图8是表示斯特林冷却器/热泵按照本发明的方法运行，将热能向与图7相反方向输送时的置换器和活塞间的相对相位的矢量图。

图9示出了一台发动机驱动电源送给电载荷或输送到电网的基本控制原理的示意图。

图10是显示作为冷却器/热泵被驱动的斯特林机基本控制原件的示意图。

图11是斯特林机驱动热泵压缩机的基本控制原件的示意图。

在描述附图中所显示的本发明优选实施方案时，为清楚起见要用些具体的术语，然而这样做并不是想使本发明局限于所选用的具体术语，可以理解的是，每一个具体的术语包括了在类似状态下运行也能达到类似结果的技术上相当的全部术语。

发明详述

已公开的美国专利申请，公开号US2011/0005220A1，序列号12/828,387，于2011年1月13日公开，其发明人和本发明是同一发明人，现将其引入本说明书以供参考。本发明可以用于该美国专利申请中公开的多活塞伽玛结构装置。

术语和定义

虽然本说明书中所用的这些术语为本领域技术人员所熟悉，但还是有必要对其中有些术语作简单的解释以利于对说明书和本发明的理解。

“电磁线性换能器”，如本领域众所周知的，电动机和交流发电机都是相同的基本装置。它们都是电磁换能器，具有定子，通常还具有电枢绕组和包括磁铁（通常是永久磁铁）的旋转或往复运动的构件。它们将能量在电能和机械能之间相互转换，电动机/交流发电机的结构可以由原动机以机械方式驱动发电输出电能，或电动机/交流发电机可由交流电源驱动，带动电动机提供机械能输出。

因而，斯特林机和电动机/交流发电机结构都是换能器，都能以两种模式中的任一种运行。它们都可以传动连接，一个作为原动机，另一个做功；可以是发电或者传输热量。

“共振”的含义是弹簧连接到或关联到物体，该弹簧和该物体具有形成共振系统的特征，该系统具有共振频率。弹簧的弹簧常数，弹簧的力常数或扭力系数和物体的总质量相关，因而它们具有固有振荡频率，不管是角振动（对旋转的振动体）或线性振动（对往复振动）。在本发明中物体的共振频率是斯特林机的运行频率。当描述一或若干个物体在共振系统中作振荡运动时就称主要结构，诸如置换器，发生了共振。但是，应该明白的是在共振系统中物体的有效质量应包括所有附于该物体并与其一起运动的所有结构的质量。如现有技术所知，共振系统通常用于平衡置换器和其它往复运动物体的惯性力。

“弹簧”在本发明中是用来使振动或往复运动的质量发生共振的。术语“弹簧”包括机械弹簧（如线圈弹簧、板簧、平面弹簧、螺旋弹簧或渐开线弹簧），诸如在被限制的空间里受活塞力运动所形成的气体弹簧、电磁弹簧以及其他以前在本领域中所熟知的弹簧或选自其组合的弹簧。气体弹簧还包括在斯特林机中的工作空间中的工作气体，以及在有些实施中还能包括背面的空间，因为气体在空间体积变化时将弹簧力施加于限制空间的移动墙。如本领域中所周知的，一般来说，弹簧是一个结构，或几个结构的结合，它将力施加于两个物体，使一物体相对于另一物体的相对位移是成比例的。将弹簧力和位移联系起来的比例常数称作弹簧常数、力常数或桡扭系数。

“驱动杆和连接杆”，“连接杆”连接两个或以上的物体以便能成为一个整体移动，通常一个物体通过连接杆被另一物体带动。在斯特林机中，“驱动杆”是起将驱动力施加到置换器的作用的杆。通常情况下，置换器受工作气体压力变化的驱动而作往复运动。驱动杆的连接从置换器通过匹配的缸壁一直延伸到反弹空间，有时也称作背区。反弹空间是一个受限的空间，和工作空间不相连通，因而反弹空间的压力不会因工作空间压力变化而变化。由于驱动杆在一个方向上受到工作空间气体的压力而在相反方向上受到反弹空间域气体的压力，两者的差作用于横截面上结果，驱动杆功能就像一个活塞，将净驱动力施加到那个活塞上，因而就施加到了置换器上。除了随着压力差驱动杆可以通过缸壁延伸到缸壁的另一头之外，驱动杆还能连接到另一个物体，结果就起到了连接杆的作用。因而“杆”的术语可以用于指仅有连接杆功能的杆，或仅有驱动功能的杆，或兼而有之。然而，在该斯特林机的情况中及本发明中，术语“杆”不限于实心或圆柱形的杆，连接杆截面形状可以是中空的，以及其他截面形状的，只要它能机械地连接两个物体。对驱动杆来说，虽然圆柱形截面形状到目前为止是最实用的，但其他外形结构也可以使用。

图1示出了活塞反向设置的伽玛结构自由-活塞斯特林机具有外部箱体10以及在箱体10里的工作空间12。该工作空间12包括膨胀空间和压缩空间14和16。然而，如本领域技术人员所知，空间14和空间16在运行时哪个作为膨胀区域，哪个作为压缩区域，取决于斯特林机的设计，以及它是作为发动机运行还是作为冷却器/热泵运行，特别是取决于它的置换器的相位。典型地，膨胀区域位于可能达到的离活塞和其他零件最远的机器端头，如空间14，因为膨胀区域典型地经历最极端的温度。

置换器18安装在置换器缸20里面，沿着置换器的往复运动轴22作往复运动，周期性地变换工作气体在膨胀区域和压缩区域的分布比例。一对动力活塞24和26安装在活塞缸28和30内，在往复运动的置换器轴22两侧相对安置，沿着活塞往复运动轴32作往复运动。每个活塞都连接与本发明无关的电磁换能器。这电磁换能器为传统结构，有环形安置的磁铁33固定在活塞24和26上，在定子里随活塞一起往复运动，定子有电枢绕组35，电枢绕组包围着磁铁33也是环状安置。连接到活塞的电磁换能器，作为线性电动机，驱动斯特林机使其作为冷却器/热泵运行；或作为线性交流发电机，驱动斯特林机作为发动机运行。

为了实施本发明，置换器的连接杆34固定到置换器18上，并从置换器18通过24和26两活塞的空间，延伸越过活塞往复轴32。电磁线性换能器36主动连接到转换器的连接杆34上，连接点位于在活塞往复轴32的与置换器18相反的一侧，在活塞往复运动时占据的所有空间的外面。最好是如图所示，线性换能器36位于延伸的反弹空间38。由于线性换能器36位于反弹空间域38，换能器36在实施过程中就不会影响到工作空间，或需要在工作空间增加无效区。在那个部位也可以不必削弱或修改交流换热器、散热热交换器、吸热热交换器或活塞附近的结构。简言之，图中所示的线性换热器是一种移动的磁铁结构，诸如在US专利4,602,174中所图示。线性换能器36有磁铁40，它连接到置换器连接杆34的尾部和连接杆34及置换器18一起作往复运动。线性换能器36有一个带绕组44的定子42，定子附着在箱体10上，这样置换器18和箱体10之间作相对运动就导致磁铁40和定子42做同样的相对运动。连接杆34和活塞46相连，活塞在与它相配的缸里往复运动，从活塞46正反两头受到的压差的循环中提取能量，以本领域所熟知的方式，再把能量传递给置换器。这样，活塞46应是相对短的一段驱动杆，起着传统的驱动杆的作用，但只是通过线性换能器36对置换器18的驱动起一个补充驱动能的作用。传统的驱动杆在整个长度上具有和活塞46相同的直径，能够替代连接杆34和活塞46，但是图示的这种小直径的连接杆34的设计比较可取，因为在往复活塞24和26之间，连接杆占的空间比较小，因而在工作空间中无效空间也比较小。减少无效空间的结果导致效率增加。在传统的自由-活塞斯特林机中，驱动杆的直径是有一定大小的，这样能传递足够的能量给置换器，使置换器18相对活塞24和26来说有适当的幅度和相位。在本发明中活塞46是有一定尺寸的，使其能够给置换器提供补充的驱动能，其余必需的能量由电磁线性换能器36来提供。在反弹空间38中的线性换能器36提供给置换器正常运动所需要的附加的能量，在有些情况下，还可能减少些能量，使置换器改变动态运行以得到特定的结果，诸如效率最大化，或是发动机的输出对载荷的变化做出响应。

如现有技术中的那样，平面机械弹簧48用于平衡置换器18的惯性力。典型地，这弹簧有弹簧常数，这样置换器、杆以及任何附着在上面的其他质量合在一起的质量在斯特林机设计的名义运行频率下，就是一个共振系统。这些弹簧48的存在，减小了线性换能器36要传递给置换器以驱动它所需的最大的力，降低这些力的实际结果是线性换能器能做得更小，对给定的电压，能在更小的电流下运行。

电子控制器49根据需要向线性换能器36提供或从它那里提取能量，按照机器一个或多个输出值的要求做出响应，控制它的运动。控制器49的输出连接到线性换能器36的定子线圈44上，以控制及调整作为机器运行参数的函数的置换器18的频率、相位、及幅度三者中至少一个，这些参数实时测得并输入到控制器。正如在本领域中都知道的，这种控制的完成是靠可控地调整加在线性换能器36的定子44线圈上的电压的强度，相位和频率中一个或多个来完成的。这些测得的参数用作本发明实施方案的一个或数个输入，根据实施方案的目的，典型地包括这数个参数中一个或多个。典型的测得参数包括活塞幅度及它们的顶-死-中点（TDC）的时间、置换器的幅度及它的TDC的时间，以及/或由被斯特林冷却器/热泵冷却或加热的一个物体或物体盛器的温度。现有技术中有许多实时采集这些参数值的例子，如在电子控制器领域中，设定点的输入也可以是机器在设定点运行的人工控制，诸如设定一需要的温度、压力或电压，或利用另外的控制系统。电子控制器给线性换能器施加电源以驱动置换器的往复运动，或从换能器吸收电能以减小置换器往复运动的幅度。本发明实施方案的电子控制器有代表性的例子在本说明书后面部分有更为详细的讨论。

在图1、图2、图3和图4中很容易看出在多个不同的图中许多部件结构是相同的或接近相同的。部件中大部分在现有技术中为已知的，只是为阐述本发明而提供来龙去脉的图示作用。本发明可以在很广泛的其他各种结构的自由-活塞、可控伽玛结构反向活塞的斯特林机上实施。当描述图2、3和4的实施方案时，与前述的图相关联已经做过描述的部件结构将不再作说明。

图2显示的是本发明的另一种实施方案。由于按照本发明，用电磁线性换能器给置换器提供驱动力很方便容易，置换器的驱动杆和它的补充驱动就可以完全取消了。在这种情况下，只要一个比典型的驱动杆直径小的连接杆50连接到往复运动的磁铁架52上，该磁铁架是支承线性换能器54的磁铁的。线性换能器54必须略微大些以适应作为置换器的唯一驱动件所需的较大的功率。弹簧，如平面机械弹簧56，通过惯性力的平衡可以减小线性换能器54所需的驱动力。这样的设计可以在机器的最大能力范围内提供总体的功率控制（在发动机的情况下）或总的热提升控制（在热泵的情况下）。连接杆50应该以紧配合安装到尾部轴承58里以避免工作空间60和反弹空间62之间过多的气体泄漏。然而，连接杆50相比驱动杆直径较小能在相同的装配间隙下发生较少的泄漏或相同的泄漏下放宽公差。在发电方面实施本发明的优点以太阳能应用为例，先控制置换器的幅度然后是相位，能够在最高许用温度时发生热输入，从而保持最高可能的效率。在微型热电联产的应用中，驱动活塞的线性换能器能联上电网，而发电程度是由调制置换器的运动来驾驭。对热泵来说的优点是，如下所述，传热作用的全部倒向成为可能。

图3示出的是使用本发明进行置换器控制的多功能性的又一个例子。斯特林机是一台发动机，显示用其活塞70和72直接驱动压缩器74和76。气体弹簧置换器组件78用来平衡置换器的惯性力。这种气体弹簧可以用于任何实施方案，平面机械弹簧可以用在这里及其它实施方案。线性换能器82的承载磁铁的往复运动构件80连接在气体弹簧活塞84上，成了驱动杆86的一个部分。驱动杆86提供补充能量，提供的程度取决于使用的需要。

图4示出的是由斯特林机驱动热泵的一个实际设计的本发明实施方案。电磁线性换能器102的往复运动的构件100被附在连接杆104上，连接杆有时通过连接杆106（图中向上）连接到置换器108上，有时连接到平面弹簧110上（图中向下）。线性换能器102的定子112通过置换器缸117的延伸段116被附到箱体114上，缸体和延伸段是一体的，从机器的底部延伸到置换器108。形成置换器缸117和它的延伸段116的整块在横向相对的位置挖了孔以接受斯特林机的反向的两个活塞118和120的缸。那两个活塞118和120直接分别连接到压缩器126和128的两个压缩器活塞122和124上。燃烧炉130以传统的方式提供热能驱动发动机。气体弹簧132和平面机械弹簧110提供弹簧力以抵消置换器的惯性。平面弹簧110也提供给置换器组件以定心力。置换器控制器134按照本发明提供电压和频率输出以控制置换器108，使斯特林发动机的生产功率和压缩机的消耗功率之间维持在稳定的工作状态。

当斯特林机在驱动一个载荷的时候，诸如图3所示的压缩器，相对于活塞幅度的输入功率，会有一条线性功率曲线，图5和图6显示的是一个独特的稳定性问题以及用本发明的解决方法。现有技术中被动驱动置换器的自由-活塞斯特林发动机产生的功率相对于活塞的幅度典型地遵循平方法则的曲线，150A和150B；另一方面对给定的吸气和排气压力，压缩机吸收功率与活塞幅度直接成正比，表示为线性特征的152A和152B。

对稳定的运行，两件事情需要满足，（a）斯特林发动机的原动机产生的功率必须与具有线性特征的载荷吸收功率相匹配，及（b）随着活塞幅度增加载荷吸收功率的增加要比斯特林发动机产生的功率增加得快。在图5中，在载荷和发动机曲线的第一个交点229运行是稳定的，因为两个条件同时都得到了满足。第二个交点230就不稳定了，因为在第一个条件满足的同时，第二个条件没有满足。在第二个相交点230，随活塞幅度增加发动机功率增加的速度比载荷来得快。如此就得出一个结论，被动传动的置换器自由-活塞发动机在第一个交点运行，但无法达到第二个交点更希望要的较高功率点。事实上，如果到达第二个交点，由于系统会不稳定，系统往复运动的部件会增加它的往复运动的幅度，直至击碎它的终点挡板，产生灾难性的结果。

参看图6，实施用本发明的主动置换器控制，发动机能沿着232的发动机功率曲线运行，这曲线可随意地低于发动机的最大有效功率曲线150B,由最大置换器幅度及从零变到最大值的活塞幅度来定义。在最大功率点231运行，只用简单地控制置换器的运动使功率曲线取232显示的形式。通过置换器往复运动幅度成为动力活塞的往复运动幅度的递减函数，使活塞和置换器在稳定状态的功率运行点运行，控制器维持了活塞和置换器往复运动幅度的稳定性。当载荷呈现一个恒定的载荷要求，而控制器力图在和负载功率需量匹配的运行点上维持恒定的发动机功率输出时，在稳定状态的功率运行的条件是存在的。在这种稳定状态的条件下，控制器能在任意选定的运行点上保持其稳定性，只要在活塞幅度增加时，做出减小置换器幅度的响应，而在活塞幅度减小时，做出增加置换器幅度的响应。递减函数在图上表示出来的是图6中232的反比例直线，虽然其他的递减函数也可以用。这是满足稳定运行的条件的，因为与功率要求相匹配，作为活塞幅度函数的负载功率需量的增速大于作为活塞幅度函数的发动机功率输出的增速。反比例可以从功率曲线232的斜度为负值反映出来。这种函数造成了一种负反馈，因此如果发动机活塞的幅度增大，置换器幅度从而活塞的幅度会减小，回到平衡的运行点，反之亦然。

使较大或较小的负载功率需量和斯特林发动机的输出相匹配而达到其它稳定运行点，现在也是简单的事情，只要让功率曲线232往载荷曲线上方或下方移动，例如提供功率曲线234及236。当功率曲线往载荷曲线下方移时，以236为例，通过减小置换器的幅度以减小发动机的功率输出至较低的稳定态的功率运行点，也就控制了置换器在新的运行点的幅度，这样置换器的往复运动的幅度就成了功率活塞往复运动幅度的递减函数。结果，发动机的曲线就以这种形式沿着压缩器的功率曲线在一个连续的范围里移动。

图7和图8是简单的矢量图，示出了采用本发明能使得斯特林冷却器/热泵的热量传输向相反的方向变换。由于本发明使置换器的幅度和相位可独立控制，置换器的幅度以及置换器对于动力活塞的相位可以在任何情况下达到设计者所要求的任何数值。在热泵的应用方面，对置换器运动的独立控制可允许同一台机器完成相反的操作：把散热器运行成受热器以及把受热器运行成散热器。换句话说，线性换能器控制的置换器可以根据需要，使得热传导向任一方向进行。机器的同一个零件或位置能在将热量传输给它而提供热输出和将热量从它处带走而冷却物体之间切换。这种在机器的同一位置加热和冷却之间的切换是通过变换膨胀空间和压缩空间的功能来完成的。一个空间作为膨胀区域或作为压缩区域运行取决于置换器的相位。例如，要把热量从图2的具体装置的顶端输送到底端（空间67为膨胀区域，空间69为压缩区域），置换器61运行相位要超前于活塞63和65大概60°左右，如图7所示（活塞63和65热力学运行同相位，机械上的则相反）。现在，如果要求将热量向相反方向传输（空间67为压缩区域，空间69为膨胀区域）这时置换器就需要滞后于活塞运行大约-120°的相位，如图8所示。如果是被动传动的置换器，这样控制的程度是根本不可能的。

这种利用置换器运行斯特林冷却器/热泵，使传热的方向倒转的方法也适用于其他的用置换器的斯特林机。这方法包括驱动动力活塞随着原动机一起作往复周期运动，以及驱动置换器和电磁线性换能器一起作周期的往复运动且以相对于动力活塞的相位成某一选定的相位角的相位被驱动。有时选定的相位角受控成为第一相位角，造成在工作空间内的第一空间作为膨胀区运作以冷却物体，第二个空间成为压缩区从斯特林机放热；在其他时候选定的相位变为第二相位角造成第一空间成为用以加热物体的压缩区而第二个空间成为用以吸热的膨胀区。第一相位角应该大体上从40°到70°的范围，而第二相位角大体应该在-110°到-140°的范围。最合适的第一相位角基本上为60°，第二相位角基本上为-120°。驱动置换器的线性换能器一般由交流电驱动，对它进一步的控制方法包括调整交流电的频率和电压。

可用于本发明的电子控制器通过图9、图10、图11的实施例来表示。当然，本领域中已知的其他控制原理也可以适用并结合到控制本发明的驱动置换器的线性换能器的控制器中。同样，本发明中控制驱动置换器的线性换能器的控制原理也可以适用并结合到以其输出来驱动线性换能器从而带动置换器的现有技术的控制系统中。

在本发明中，机械连接到置换器的电磁线性换能器在很多应用中，有时会在某些运行条件下作为线性电动机操作，该线性电动机由加在其控制器上的交流电源驱动，再作为驱动源带动置换器以维持或增加置换器往复运行的幅度。在其他时候不同的运行条件下，本实施方案中同样的线性换能器可作为线性交流发电机运行，从置换器吸收热量减小其往复运动的幅度。在有些实施方案中，机械连接到置换器上的电磁线性换能器可成为驱动置换器作往复运动的唯一的驱动力来源，而在其他实施方案中，它可以是置换器驱动力的补充来源而置换器还以现有技术中熟知的传统形式取得驱动能。

图9示出了为反置活塞伽玛型斯特林发动机置换器控制的基本元件，应用于发动机驱动线性换能器使其为交流发电机并任意连接到电载荷或电力线上。通过控制置换器的线性换能器的电压V_d将电流限制在I_set并将电压限制在V_set。置换器控制器的输出对加在活塞交流发电机的电压是相位锁定的。头部的温度因单独控制的控制器355调整了热输入使其温度保持在常温T_h。虽然头部的温度控制器的具体内容与本发明关系并不密切，但很清楚，因功率可调制，热输入就会变化因而可维持恒定的头部温度。如果在电耦合于活塞交流发电机361和363上测到电流或电压超过了设定的值I_set和V_set，控制逻辑357会发信号给置换器驱动器359以降低加在线性换能器365上的驱动电压V_d。V_d降低了置换器的幅度就减小，活塞交流发电机产生的电能也就减小了。如果电流或电压任一项低于设定值，置换器驱动会收到信号以增加线性换能器的驱动电压V_d，由此加大置换器的幅度，结果在活塞上产生更多能量。置换器运行领先于活塞运动的相位移被锁相回路367锁定，该回路根据测到的V设定V_d的相位。有两个潜在的情况会发生，即当发动机输出是连接在电力线上，如小型家庭联合发电，或只是随意连接一个电载荷。在第一种情况下，电压多少能保持恒定，一般只是在电流的测量值上会受到影响。但是，如果是开路，电流为零，但因为活塞的幅度由于没有载荷而增加时，测得的电压就会增加，当活塞交流发电机的电压超过V_set的时候，控制逻辑会发信号给置换器控制器减小置换器驱动电压，直至活塞产生的能量正好克服机器的内耗。在这个点上活塞会以某个幅度运动，正好能维持V_set而不产生电能。在活塞交流发电机上加随意载荷的情况下（即没有电力线相连），电流和电压都会给置换器控制器发信号。在这情况下V_set会给机器建立一个供电电压。当然，就像在任何实际的实施方案中，如果在设定点和测量值有差异时，会生成一个出错信号。这信号会在第一时间输入到置换器驱动器上。

图10示出的是反向活塞伽玛型的斯特林热泵运行成冷却机的置换器控制基本元件。控制逻辑器475的输入是冷头温度T_cold，它是通过调整置换器线性换能器电压V_d而得到控制的。活塞驱动器469提供固定的输入电压以及和活塞线性电动机组件471和473的共振频率接近的频率（电源/交流电驱动器）。这样就为活塞线性电动机组件确立了最大幅度。置换器幅度为零时没有提升（冷却功），而置换器在最大幅度并且超前于活塞相位大约40°到70°时，提升最大。当温度T_cold高于T_set时，控制逻辑器475发信号给置换器驱动器476增加置换器线性换能器477的驱动电压V_d。随着T_cold接近T_set，V_d会按照出错信号降低，直至T_cold在所要求的温度上稳定下来。置换器控制器476通过相位锁定线路479锁定了置换器对于活塞线性电动机上的活塞驱动电压V_p的相位。相位锁定线路479可以用来调整置换器的相位，设定得高些，比方说接近70°以得到最大冷却速率，一旦目标温度接近达到，相位调低到接近40°，使得机器的效率最高。这些都可以动态处理，通过改变相位使输入最大或最小。在这种情况下要测量活塞线性交流发电机的电流及其相对于电压V_p的相位以确定输入功率。当需要做整体的传热方向逆转时Vd相对于Vp的相位必须增加到大约120°，在这种情况下，冷的一侧会成为散热器，放出热量。如果T_cold低于T_set，控制计算系统会因而必须增加V_d以提供必要的热量维持设定的温度。这种应用限于控制环境温度可能高于或低于T_set的固定的温度空间。

图11示出的是置换器控制的反向活塞伽玛发动机的控制器基本元件，伽玛发动机直接带动可在家用热泵上使用的压缩机（US专利号6,701,721）。在这个实施方案中，活塞和置换器上需要有运动的换能器。采集来的幅度和相位信息被提供给置换器控制器以维持有利的置换器相位（在这情况下是40°）。因为在这个应用中活塞的运动是偏离中心的，还需要顶-死-中心（TDC）的信息以避免与端头挡板碰撞。发动机的头部温度通过调节热输入保持恒定。热需求由恒温器设定。

如以前解释过的那样，压缩器的载荷与活塞幅度成线性关系，而斯特林发动机产生的功率大约是活塞幅度的平方。为简单起见，假定头部的温度T_h由热输入控制器581控制而保持稳定，对加热（或冷却）的需求由恒温器583来决定。因为活塞上没有线性交流发电机或电动机，就需要单独的换能器585和587来确定它们的运动，有代表性的就是小型的位置传感器。置换器的线性换能器588可以用来做位置传感器，或者也可以用单独的位置传感器589代替。控制逻辑线路590提供输入给置换器控制器591，由它来确定输入给置换器驱动器或是载荷592。一旦温度T_h足够热，置换器控制器591会提供启动交流电压和初始频率给置换器驱动器/载荷592，机器就被置换器控制器591启动。活塞及置换器运动传感器决定了运动构件的幅度和顶-死-中的位置（TDC）。控制逻辑线路会先测试置换器或活塞有否超出其最大幅度，如果是，给置换器控制器发信号以降低置换器驱动电压。如果幅度在所限范围内，置换器和活塞间的相位就确定下来（活塞运动总是同相位的，即：根据情况同时向外或同时向内）。如果相位大于设计点，典型的如40°，控制逻辑线路就会给置换器控制器发出信号以降低置换器驱动器的频率；如果相位小于设计相位，控制逻辑线路就会给置换器控制器发信号以提高置换器驱动器的频率。加到置换器驱动器上的电压受恒温器583设定的要求控制。可以理解，增加或减少驱动器电压及频率所需的各种速率对系统的稳定性是关键的。然而，提供足够功率输入给压缩器的基本要求，在所有情况下，是由置换器及控制逻辑线路确定的。

本发明的优点包括：（1）由于采用本发明，对置换器的独立控制成为可能，从而改进了斯特林机的控制，使稳定性和效率得到提高；（2）减少了无效体积（无效空间）也提高了效率；以及（3）机械布局或外形结构，因为本发明的线性磁性能量转换器被安置在活塞往复运动轴的与置换器相对的一侧，换能器能按照要求的特性有更大的自由度进行设计和制造，而不必因为换能器在斯特林机里其他位置的制约使其特性削弱或受限制。

本发明适用于伽玛结构的斯特林机，其中两个或以上的活塞与置换器的运动方向成直角。因为要使无效容积最小化，置换器的驱动领域安排在置换器弹簧上，弹簧的安装是绕开活塞的，因而活塞不必像传统的贝塔机那样，容纳置换器的传动或连接杆。这样的布置能达到大体的但并不完全的平衡，置换器仍保持了一些不平衡，但通常相对于机器的总质量只是较小的质量，因此其残留的运动非常小，在很多情况下都能够接受。

本发明提供的电磁线性换能器附在置换器的尾端，位于反弹空间。由于这个空间没有一定形状要求，对机器的性能也没有很大影响，线性换能器可以按照其自身的效率和所需的功率级别确定其尺寸，而运动质量为最小，也不必因线性换热器装在斯特林机里别的位置需要对此作出妥协。

设计上避免的让步包括：

a.换能器的设计布局不受到置换器的形状和尺寸的制约。磁铁的直径唯一地由线性换能器的设计要求所决定，不受其他机器部件的影响。把换能器安置在一个空间，除了受限于其性能需要、最佳表现和尺寸，线性换能器随意安置成为可能。例如，设计者在特定的情况下可以决定，只需要很小的能差就能达到全部和充分的控制，这个决定的结果是仅需要很小的线性换能器，能方便地安装到斯特林机的反弹空间里。

b.线性换能器特别是它的定子组件的位置远离工作空间、放热器和置换器，因而对这些部件的设计和定位没有影响，不用迫使放热器远离与它紧挨的再生器的交界处，从而造成无效体积处于机器的临界点，使机器性能下降。

c.随置换器一起运动的线性换能器里面没有承载磁力线的铁，磁铁会增加质量，从而增大传输给箱体的力。这样的力会加大箱体的振动，通常会需要一个动态吸收器或其他手段使发动机的振动降低到能接受的水平。

d.因为带动置换器的线性换能器位于反弹空间，避免了如果位于其他部位时需要降低热力性能的缺点。

e.所有的紧配合精度的斯特林机部件，诸如需要精确配合装进气缸的活塞，都没有因需要额外的适应电动机械运行的材料而在其他方面作出让步。例如，对那些精密部件不要求是承载磁场的材料或具有低导磁率的其它材料。

f.使用那些在高温或低温下会引起有膨胀有差异问题的多种材料（例如铜、变压器铁芯、铝和不锈钢）并没有使得在压缩区域的置换器达到对准并保持密封功能变得极其困难。在间隙极紧的配合部位（置换器直径周围大约25μm）使用多种材料会导致高成本。

有关附图的详细描述主要作为本发明目前优选的实施方案的描述，并不意指这些是本发明的制造或使用的唯一代表形式。这些描述联系图示的实施方案提出了实施本发明的设计、功能、手段和方法。但是要理解，相同或等价的功能和特征可以通过不同的实施方案达到，它们也包括在本发明的精神和范围里；可以采取各种修改，而不背离本发明或其如下权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种反向活塞伽玛型可控自由-活塞斯特林机，具有外部箱体以及位于所述箱体内的工作空间，所述工作空间包括膨胀空间和压缩空间，所述斯特林机包含：

(a)置换器，所述置换器安装成在置换器缸里沿着往复运动的置换器轴作往复运动，以周期性地变换工作气体在所述膨胀空间与所述压缩空间之间的分布比例；

(b)至少两个动力活塞，所述动力活塞安装在活塞缸里，围绕往复运动的置换器轴对称安置，使其适合沿着往复运动的活塞轴作往复运动；

(c)置换器杆，所述置换器杆固定在活塞之间的置换器上并从所述置换器延伸并超出往复运动的活塞轴；

(d)电磁线性换能器，所述电磁线性换能器驱动性地连接到位于往复运动的活塞轴与置换器相对侧的置换器杆上，位于被活塞往复运动所占据的所有工作空间工作空间的外面；及

(e)电子控制器，所述电子控制器的输出连接至所述线性换能器，控制所述置换器使其往复运动的幅度成为所采集的机器运行参数的函数，所述电子控制器适于向所述换能器输入电能驱动置换器往复运动，或从换能器吸收电能以减小置换器往复运动的幅度。

2.根据权利要求1所述的斯特林机，其特征在于，所述斯特林机具有用于所述置换器的反弹空间，并且所述线性换能器位于所述反弹空间内或邻近所述反弹空间。

3.根据权利要求2所述的斯特林机，其特征在于，沿着所述置换器往复运动的轴线施力的弹簧连接在所述置换器杆与所述箱体之间，以平衡所述置换器往复运动的惯性力。

4.根据权利要求3所述的斯特林机，其特征在于，所述弹簧是气体弹簧。

5.根据权利要求3所述的斯特林机，其特征在于，所述弹簧是平面弹簧。

6.根据权利要求2所述的斯特林机，其特征在于，所述杆包括驱动杆，其延伸通过置于所述工作空间与所述反弹空间之间的相匹配的缸，从传动杆相对的两端受到的压力差形成的循环中汲取能量，从而给所述线性电磁换能器补充置换器驱动能。

7.根据权利要求2所述的斯特林机，其特征在于，所述杆是连接杆，不具有驱动杆，所有驱动置换器往复运动的能量是由所述电磁线性换能器施加的。

8.根据权利要求1所述的斯特林机，其特征在于，所述斯特林机是发动机，所述斯特林发动机的动力活塞驱动性地连接到气体压缩器的压缩器活塞上，其中在功率对活塞幅度的图上，所述压缩器的功率特性曲线的活塞幅度全部都低于发动机最高有效功率特性曲线的活塞幅度,其中控制通过变换置换器往复运动的幅度使其作为传动活塞的递减函数，保持了在稳态动力运行点上活塞和置换器往复运动幅度的稳定性。

9.在具有动力活塞和置换器将工作空间分割成与第一热交换器热连接的第一区域以及与第二热交换器热连接的第二区域的斯特林冷却器/热泵中，一种运行斯特林冷却器/热泵的方法，所述方法可任意地且有选择地将热量从所述第一热交换器传输到所述第二热交换器，或者换过来从所述第二热交换器传输到所述第一热交换器，从而有选择地对热连接于其中一个热交换器的物体进行加热或冷却，所述方法包括：

(a)驱动动力活塞随着原动机作循环往复运动；

(b)驱动置换器随着电磁线性换能器作循环往复运动，所述电磁线性换能器相对于动力活塞相位成选定相位角被驱动；

(c)有时选定的相位角变到第一相位角，使得第一空间成为膨胀空间接受热量，第二空间成为压缩空间放出热量，以及

(d)有时选定的相位角变到第二相位角，使得第一空间成为压缩空间放出热量，第二空间成为膨胀空间接受热量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一相位角大体上在40°到70°的范围内，而第二相位角则大体上在-110°到-140°的范围内。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一相位角大体上在60°，而第二相位角则大体上在-120°。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线性换能器由交流电驱动，并且所述方法还进一步包括调整交流电的频率、相位和电压。

Images