CN1255618C - 斯特林循环机的位移滑块和密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明能防止漏气和减少摩擦力，又能放宽斯特林循环机的位移滑块等的制作公差。可以防止密封件(1)的外周和汽缸(5)的内周的表面之间漏气。因此，位移滑块(2)和汽缸(5)之间的径向间隙不需精密加工。当位移滑块(2)的前后空间之间的压差很小时，即使密封件(1)不紧压在汽缸(5)的内周的表面(5a)上也足以防止漏气。另一面，由于它们之间所产生的摩擦力非常小，所以不影响位移滑块的往复运动。当密封件(1)的设置在轴向和径向却不受到限制时，位移滑块可与汽缸(5)的内周的表面(5a)保持紧密接触，即使位移滑块(2)偏移。

Description

斯特林循环机的位移滑块和密封组件

技术领域

本发明涉及一种斯特林循环机的位移滑块和密封组件，更具体地说，涉及一种防止漏气和减低摩擦力，同时又能降低位移滑块和汽缸等的制造精度。

背景技术

通常，斯特林循环机使用一种所谓β型结构，其中一位移滑块和一动力活塞同轴地配置在同一汽缸里。在所述配置里，汽缸内径和活塞、活塞杆等运动构件之间的径向间隙必须很小(大约0.025毫米)以达到高性能及恰当地防止漏气。小的间隙需要严格控制位移滑块、动力活塞或汽缸等运动构件的同心度、直线性和间隙的公差。然而，这样的要求会导致制造成本增加和需要采用在其使用中尺寸不变的昂贵材料。

作为放宽严格的公差的一种方法，应该采用通常用于内燃机等中活塞的开裂环。开裂环通过其本身的弹簧力把一均匀的径向压力施加在汽缸内径上。另一种方法是用密封件以工作气体的压力与汽缸的内表面紧密接触。这些方法旨在可靠地防止内燃机等的压缩和燃烧过程中产生的高压气体泄漏。

然而，这些开裂环作为斯特林循环机的密封件是难以接受的。因为开裂环等靠在汽缸内径的表面上滑动，它们需要润滑剂降低摩擦力和发热。可是，从结构上来看，位移滑块使用润滑剂有一定的困难。此外，在没有润滑剂的情况下，开裂环与汽缸内径接触所产生的摩擦力会使位移滑块的正常运行恶化。换句话说，位移滑块是靠由作用在压力区的微小压差所产生的力而动作，这将在下面叙述。摩擦力对位移滑块的动作产生较大的阻力。因此，在位移滑块设计中，应当使用适当的技术方法限制压接触力和摩擦损失，又能放宽精密公差和制造精度。

发明内容

因此，根据本发明的目的在于提供一种斯特林循环机的一位移滑块和密封组件，其通过放宽零件的制造公差和尺寸精度，降低制造成本、延长使用寿命、使用更少的零件使结构简化并且装配快而易。

本发明一方面提供一斯特林循环机的位移滑块和密封组件，其包括一位移滑块、一动力活塞、一汽缸、一密封件和一保持环。位移滑块和动力活塞这样构成以致于可沿着在汽缸中的同心形成的汽缸内圆周表面以相位关系相互往复运动。位移滑块包括一圆柱体部分、台阶(2b)和杆(4)，台阶和杆均同轴地设置在圆柱体部分上。

圆柱体部分的外周的一直径可插入汽缸内周面中，两者之间具有预定的径向间隙。台阶整体配置在圆柱体部分的一端，其直径比圆柱体部分的外周小。使台阶的外周和圆柱体部分的外周端连接的一侧面与轴向垂直。所述的杆整体配置在台阶的一端和其截面的形状为圆形。

密封件呈环状形和在中央具有一圆孔。密封件的外周的一直径可精密地插入汽缸的内周表面上。密封件中的圆孔的内周的一直径可具有一定径向间隙地附于台阶的外周。保持环呈圆柱状且在中央具有一穿孔。保持环的外周这样形成，以致于具有与圆柱体部分的外周相同的直径。保持环的一端与轴向垂直。

所述的杆通过动力活塞的中央形成的中央孔和由设置在中央孔的轴承密封件径向地支撑。密封件插入所述台阶(2b)的外周。保持环设置在一位置，在此位置上没有轴向压力施加在插入台阶的密封件。所述密封件的结构可在保持环(3)的端面和台阶的侧面之间以其径向自由地移动。

下面将解释所述斯特林循环机的位移滑块和密封组件的功能和效果。密封件插入台阶的外周并被保持在与中央轴垂直的台阶和保持环的各自侧面之间。然而，密封件要配置得使它不受轴向的压力。换句话说，台阶和保持环的各自的侧面之间的轴向间隙略比密封件的宽度大。因此，密封件压向台阶的侧面或保持环的侧面，这是因为施加在密封件的两端的气压略有不同。因此，能够防止密封件的侧面和台阶或保持环的侧面之间漏气。

此外，密封件中的圆孔的直径比台阶的外周的直径大。因此，当密封件插入台阶的外周时，密封件以径向地移动。另一面，密封件的外周的形状要使密封件能精密地插入汽缸的内周。因此，在密封件的外周和汽缸的内周之间的紧密接触是由密封件的径向运动维持。所以，即使位移滑块的外周和汽缸的内周之间的间隙、直度和同心度不受严格控制，也能够防止漏气。

密封件不会对汽缸的内部表面施加径向压力，因为密封件的圆周上没有任何隙缝，而隙缝则在传统的开裂环等上设置。另一面，在斯特林循环机中，位移滑块的前空间和它的后空间之间的压差非常小，而压差是由位移滑块的往复运动而产生。因此，如果使用一密封件能精密地插入汽缸的内周面的密封件，便能充分地防止漏气而不用当密封件确实与汽缸的内部表面接触时施加径向压力。此外，当径向压力未施加在汽缸时，汽缸和密封封件之间的摩擦力明显地小，从而可使对位移滑块动作的影响减至最小及防止磨损。此外，当使用所述密封件充分地防止漏气时，便不需要对滑动而作高精度加工以使减少汽缸和位移滑块之间的径向间隙。

密封件使对位移滑块的外周的滑动面和杆的外径的同心度的高精度公差放宽。亦即是说，位移滑块通过由在动力活塞的穿孔中设置的轴承密封件支撑的杆径向定位。不过，当密封件在位移滑块上设置的台阶径向地移动时，位移滑块的外周的滑动面和杆的外径之间的同心度已经不再重要。

本发明可用于斯特林循环机用作外燃机或用作使用外部电源的冰箱。当密封件用于外燃机时，密封件应选用耐热材料例如金属材料等，而当密封件用于冰箱时，可另外采用合成树脂如塑胶等。此外，最好用螺钉将保持环轴向固定在台阶上，但也可用其它方式如弹簧夹、扣件、铜焊等。

根据本发明的另一方面提供一种如上所述的斯特林循环机的位移滑块和密封组件，其中密封件的外周这样形成以致密封件的轴向长度的中央有一轴向平行部分和有轴向倾斜部分，其中半径逐渐从平行部分中的两边向密封件的每一侧面减少，在各自轴向倾斜部分和汽缸的内周表面之间形成楔形的空间。

在本发明的第二情况下，密封件的形状这样形成以使它的直径由平行部分的两边向每一侧面减少，其形状不是指在外周的两端上具有斜面或棱角的形状，但指的是与汽缸内周表面一起形成带有小角度的楔形空间的形状。

根据本发明的第二种情况，密封件和汽缸之间的摩擦力可减少。换句话说，当密封件呈无隙缝的连续环时，密封件的外周不会压在汽缸内径的表面上。另一面，因为位移滑块的前后空间之间的压差很小，所以在没有密封件的情况下也能充分防止漏气。

如果密封件的外周的两端与汽缸的内周的表面一起形成楔形的空间的形状，空气或气体被高速往复运动的位移滑块压入楔形的空间内和在密封件的外周与汽缸的内周之间的间隙被压缩。因此，当密封件往复运动时，密封件因压缩空气的气垫作用由汽缸的内周浮起和避免了滑动面之间的机械接触。由此，摩擦力差不多减至零和滑动面的摩擦磨损更进一步减少。

附图说明

图1为斯特林循环机的位移滑块和密封组件的一种结构的透视图；

图2为斯特林循环机的位移滑块和密封组件的结构的截面图；

图3为斯特林循环机的位移滑块和密封组件的结构的特写截面图；和

图4为斯特林循环机的位移滑块和密封组件的结构的特写截面图并示出楔形空间。

具体实施例

参照图1至图3，对于在第一种情况中所述的斯特林循环机的位移滑块和密封组件作进一步说明。以下说明的是斯特林循环机用作制冷机。图1和图2所示的斯特林循环机设有位移滑块2、动力活塞9、汽缸5，其中每一构件均是用铝制造，以及密封件1和保持环3。位移滑块2和动力活塞9这样构成以致于可沿着在汽缸5中同心形成的汽缸内径的内圆周表面5a和5b以相位关系相互往复运动。位移滑块2包括一圆柱体部分2a、第一和第二台阶2b、2c和一分别和圆柱体部分2a及台阶同心地构成的杆4。

圆柱体部分2a的外周的直径能插入汽缸的内周的表面5a，它们之间留有预定的径向间隙。第一台阶2b整体配置在圆柱体部分2a的一端且其直径比圆柱体部分2b的外周的直径小。与中心轴垂直的侧面2d使第一台阶2b的外周与圆柱体部分2a外周的一端连接的侧面2d与轴向垂直。此外，第二台阶2c整体配置在第一台阶2b的一端且其真径比第一台阶2b的外周的表面的直径小。杆4整体配置在第二台阶2c的一端且其截面为圆形和其直径比第二台阶2c的外周的直径小。杆4的顶端4a穿过动力活塞9中心所形成的中央孔9a并由中央孔9a中设有的轴承密封件10径向地支撑。

杆4和轴承密封件10之间的径向间隙很小以致于足以防止动力活塞9的前后空间之间漏气。然而，如果位移滑块2的质量足够小，最好采用一简单的塑胶滑动轴承其中轴承密封件10与杆4紧密接触。例如，使用经聚四氟乙烯处理的均聚物缩醛树脂的轴承密封件10可有效地配合经过阳极氧化处理的铝杆4工作。为了进一步降低摩擦力，可使用气浮轴承配合轴承密封件10。

杆4的端部4a是由环形弹簧21的中央支撑，该弹簧用螺钉20固定在汽缸5的一端部。动力活塞9的一端部也是由相似的环形弹簧支撑。虽然环形弹簧21等适合以最佳方式调整动力活塞9和位移滑块2的相对的往复运动的相位差，但环形弹簧的径向弹性系数仍小。因此，位移滑块2径向受杆4的外周和动力活塞9的中心的轴承密封10支撑。

如图3所示的环形密封件1以例如注模塑胶构件或特氟隆-3涂层的铝构成，其截面形状也可为矩形。密封件1的外周以这样一形状形成为的是使密封件能精密插入汽缸5的内周表面5b。也就是说，密封件1的外周和汽缸5的内周之间的径向间隙应当小到足以一方面防止过多漏气和另一面也应当要刚好大到足以避免任何过大摩擦力。通常，俓向间隙等于或小于动力活塞9的外周和汽缸5的内周之间所要求的最大间隙的4倍。如果斯特林循环机用作发动机，密封件1最好用金属制成，例如不锈钢、特氟隆-3涂层的铝等。

密封件1的圆孔的内周的直径要使密封件1在插入第一台阶2b的外周时能径向地移动。换句话说，密封件1的圆孔的内周和第一台阶2b的外周之间的径向间隙比汽缸5的内周表面5a和圆柱体部分2a的外周之间的径向间隙大。因此，既使位移滑块2以不同心地往复运动足以使圆柱体部分2a的外周与汽缸5的内周表面5a的一侧接触，密封件1的外周和圆柱体部分2a的外周之间仍维持接触和不受位移滑块2的偏心运动所影响。此外，密封件1的宽度比第一台阶2b的轴向长度略窄。

第二台阶2c的外周设有外螺纹和用塑胶构成的保持环3拧入外螺纹中。保持环3的一端面3a与中央轴垂直。保持环3的轴向位置由保持环3与连接第一台阶2b和第二台阶2c的一侧面2e接合的一部分所限定。密封件1保持在保持环3的一端面3a和第一台阶的侧面2d之间和插入在第一台阶2b的外周上。当密封件1的宽度比第一台阶2b的轴向长度略窄时，保持环3不会向密封件1施加轴向的压力。

参照图4，图中所示为保持环3的轴向位置的另一限定方式。相关部分的参考数字是在图3的参考数字加上100以作区别。所述方式不使用图3里的台阶2c。在位移滑块102的第一台阶102b的外周的轴向长度比密封件101的宽度长。第一台阶102b设有外螺纹104b，其外径比第一台阶的一端的外周小。保持环103有一中央孔，其中精密插入第一台阶102b的外周并具有一内螺纹，其与外螺纹104b啮合，两者均与中央轴同心。此外，密封件101的轴向宽度的尺寸要使侧面103b与位移滑块102的侧面102e接触时，轴向的压力不施加在密封件101上。

以下参照图1至图3，在总结用作制冷机的斯特林循环机的工作时，将会解释密封件1的功能和效果。斯特林循环机用一后外壳30和一前外壳31以及一前盖32围住并密封，前后外壳呈圆筒形由金属板制成。后外壳30和前外壳31所包围的容积充以压缩的氦气，其用作一种工作介质。在图2里，当动力活塞9由线性电动机40驱动而移向右边时，由动力活塞9和位移滑块2之间所限定的空间11中的氦气被压缩并使气体的温度和压力提高。空间11通过处于前外壳31中的散热交换器41、蓄热器42和吸热交换器43与由位移滑块2的右端面和前盖32所限制的右空间13相通。因此，位移滑块2的空间13中的气压同时提高并使位移滑块的左右空间11、13中各自的压力大致相等。

另一面，位移滑块2的左边接受压力的面积比右边面积少了杆4的截面面积。动力活塞9的左空间12里封闭的气体施加在杆4前端的压力比右空间13里的压缩气体的压力为低。因此，由于分别施加在位移滑块2左右两边的压力之间的面积差小，所以位移滑块2移向左边。因此，位移滑块的左空间11中的压缩气体通过散热交换器41、蓄热器42和吸热交换器43转移到右空间13。在转移期间，压缩气体的热量由散热交换器41排到外面并由吸热交换器43吸收积蓄。

当动力活塞9由线性电动机40驱动而移向左边，气体在由动力活塞9的右边和位移滑块2的左边所限定的空间11里膨胀。同时，与空间11相通的位移滑块2的右空间13里的气体膨胀以致温度和压力下降。在这过程中，跟前述的过程相反，当由于杆4的截面积位移，位移滑块2的右边压力比左边为低时，位移滑块2移向右边。因此，在位移滑块2的右空间13里的气体通过吸热交换器43、蓄热器42和散热交换器41输送到左空间11。在输送期间，通过的气体从吸热交换器43的外面吸收热量和把热量积蓄在蓄热器42里。

如上所述，动力活塞9一方面由线性电动机40驱动重复压缩和膨胀的步骤，另一面因施加在位移滑块的相对截面面积上的压力不同使位移滑块2与动力活塞以相位关系往复运动。加压气体和减压气体由位移滑块2的往复运动交替地流经散热交换器41、蓄热器42和吸热交换器43，经散热交换器41把热量排出和经吸热交换器43由外面吸收热，由此使外部冷冻器工作。在工作时，气体的热量一方面在压缩的过程中积蓄在蓄热器42，另一面积蓄的热量会在膨胀的过程中放回到气体里。因此，制冷器的操作性能系数得到提升。

如上所述，在斯特林循环机里，左右空间11、13里各自的压力约略相等和由于施加在位移滑块2两边的压力不同使位移滑块2往复运动。在这种情况下，密封件1具有以下的功能和效果。密封件1配置在第一台阶2b并同轴地装置在保持环3和第一台阶2b的侧面2d之间。然而，当密封件1的宽度比第一台阶2b的外周的轴向长度略小时，密封件不会受到轴向压力。另一面，保持环3的端面和第一台阶2b的侧面2d与轴向垂直。因此，当位移滑块2的左右两边的压力缓和地变化时，密封件1的其中一侧面由于压力差而推向紧靠其中一垂直面，由此可防止密封件的侧面漏气。

而且，虽然密封件1的外周的形状要能与汽缸5的内周的表面紧密接触，密封件不会像开裂环那样般压在汽缸的内周的表面上。因此，当密封件1的外周的直径与汽缸5的内周表面紧密接触时，相对汽缸的摩擦力将非常小和摩损则减到最少。另一面，如前所述，位移滑块2前后空间11、13中的各自压力基本上相等，使从密封件1的外周和汽缸5的内周之间的微小间隙中的漏气限制于最少。

而且，密封件1的圆孔的内周和第一台阶2b的外周之间的径向间隙做得比汽缸5的内周表面5a和圆柱体部分2a的外周之间所估计最大的径向间隙大。另一面，位移滑块2本身是由设置在动力活塞9的穿孔中的杆4和轴承密封10轴向地支撑。因此，当汽缸5的内周表面5a和圆柱体部分2a的外周之间的间隙在一定程度上设定为大些时，密封件1的外周因密封件1的径向运动与汽缸的内周紧密地接触，即使在杆4和圆柱体2a之间的直度或同心度或者轴承密封件10的直度或同心度或多或少有偏离和圆柱体部分2a的外周移向汽缸5的内周表面的一边的情况下。

如图4所示，密封件101的外周做成其在密封件1的中央部分呈轴向平行并使密封件1的半径由密封件1的中央部分的每一边向它的每一侧面渐渐减少。因此，密封件101的外部周边和所述汽缸5的内周的表面5a之间形成楔形的空间101a。

一理论计算的方法可用于楔形空间101a的设计，其是由Z.P.Mourelatos以理论和实验的基础研发并在ASME(美国机械工程师协会)的论文编号88-Trib-26的标题：”动态载荷下内燃机中无环活塞的气膜润滑”下发表。

当密封件101以所述的形状形成，在位移滑块2的高速往复运动时气体被压入密封件101的外周的两端的楔形空间101a。因此，密封件101的外周与汽缸5的内周的表面5a脱离，因气体的压力而处于如”浮在空气”的状态。因此，密封件1和汽缸5之间的机械接触便可消除和使摩擦力减到差不多是零。

Claims (2)

1.一种斯特林循环机的位移滑块和密封组件包括：

一位移滑块(2)、一动力活塞(9)、一汽缸(5)、一密封件(1)和一保持环(3)；

所述位移滑块(2)和所述动力活塞(9)这样构成，以致于可沿所述汽缸(5)中同心形成的汽缸内圆周表面(5a，5b)，以相位关系相互往复运动；

所述位移滑块(2)包括一圆柱体部分(2a)、一台阶(2b)和一杆(4)，所述台阶和杆与所述圆柱体部分(2a)同心配置；

所述圆柱体部分(2a)的外周的直径可插入所述汽缸(5)的内周表面(5a)，两者之间具有一预定的径向间隙；

所述台阶(2b)整体配置在所述圆柱体部分(2a)的一端，其直径比所述圆柱体部分的外周小；

一侧面(2d)，其使所述台阶(2b)的外周与所述圆柱体部分(2a)的外周端连接，所述侧面与轴向垂直；

所述的杆(4)整体配置在所述台阶(2b)的一端，其截面形状为圆形；

所述密封件(1)是环状形，其中央有一圆孔；

所述密封件(1)的外周的直径可紧密地插入所述汽缸(5)的内周的表面(5a)；所述密封件(1)的圆孔的内周具有一直径，可具有一定径向间隙地附于所述台阶(2b)的外周；

所述保持环(3)为圆柱形，中央有一通孔；

所述保持环(3)的外周的直径与圆柱体部分(2a)的外周的直径相等；

所述保持环(3)的一端面(3a)与轴向垂直；

所述杆(4)穿过动力活塞(9)的中央形成的中央孔(9a)和由所述中央孔(9a)设置的轴承密封件(10)径向地支撑；

所述密封件(1)插在所述台阶(2b)的外周上；

所述保持环(3)配置在一位置，在所述位置上，没有轴向的压力施加在插在台阶(2b)上的密封件(1)上；其中所述密封件(1)这样构成，以致于在其径向上可在所述保持环(3)的一端面(3a)和所述台阶(2b)的侧面(2d)之间自由地移动。

2.根据权利要求1所述的斯特林循环机的位移滑块和密封组件，其特征在于，所述密封件(101)的外部周边在所述密封件(101)的轴向长度的中央具有一轴向地平行的部分和具有一轴向倾斜部分，在倾斜部分中半径由所述平行部分的每一边向所述密封件(101)的每一侧面渐渐减小，在所述各自的轴向倾斜部分和所述汽缸(5)的内周的表面(5a)之间形成楔形的空间(101a)。

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