CN1864000A - 用于斯特林循环机器的机制弹簧 - Google Patents

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Abstract

一种供FPSE使用的，并具有改善的磨耗特性的压气活塞弹簧和压气活塞/弹簧组件。要求使用在拉伸模式和压缩模式中交替操作的单一机制弹簧的一个实施方案，而且其中压气活塞运动的操作频率能够被控制在预期的谐振频率。本发明的机制弹簧与现有技术线绕螺旋弹簧相比结构准确性有所提高，从而导致消除横向和边缘负荷。

Description

用于斯特林循环机器的机制弹簧
这项发明一般地涉及自由活塞斯特林发动机，更具体地说涉及这种发动机里面的压气活塞构造。
与内燃机相比，斯特林发动机的特征在于具有外部的热源。外部的热源可以来自矿物燃料的燃烧、集中的太阳能、来自放射性同位素衰变的热量、来自柴油发动机的灼热废气或任何其它的热源。早期的斯特林发动机使用空气，但是现代的斯特林发动机使用氦气之类的高压气体，以改善性能和减少发动机的实际尺寸。
有两种传输来自斯特林功率活塞的力在诸如发电机之类的负荷上实现有用的机械功的主要方法。在所谓的“运动学”设计中，动力活塞和压气活塞，如果被利用，如同在传统的内燃机中那样被接到曲轴上。如果可用，动力活塞和压气活塞使诸如旋转发电机之类的负荷旋转。在这种情况下，针对由活塞对曲轴的刚性机械连接设定的极限来限定活塞冲程。
第二种配置是所谓的“自由活塞”斯特林发动机(FPSE)，其中机械不受限动力活塞和压气活塞基本上以名义上等于自然态的频率按照线性简谐运动，所述频率根据活塞和压气活塞的质量，由气动装置、机械装置或其它装置提供的各种不同的复位弹簧刚度和在发动机操作期间发生的阻尼效应来决定。通常，FPSE活塞位移受输入热通量和机械负载适当的动态平衡控制，以避免冲程超过将会引起不想要的与活塞缸末端撞击的设计极限。在一种典型的FPSE应用中，动力活塞被刚性杆连接与直线交流发电机的固定部分合作的圆筒形磁性结构(通常叫做“原动机”)上。原动机/动力活塞的往复运动在交流发电机的输出端产生AC电压。
在一些应用中，FPSE配置对于它的运动学的替代方案是优选的，一个明显的优势是FPSE事实上消除了活塞-活塞缸壁的法向力，从而避免润滑这些表面的要求和隔离与润滑剂不相溶的发动机部件的装置。
一般的FPSE/线性交流发电机(FPSE/LA)组合10的剖视图是用图1举例说明的，FPSE部分50在这张图的左边，交流发电机部分60在这张图的右边。气密的壳体12容纳用固定的压气活塞杆16导向的自由移动的压气活塞14。活动的动力活塞18与永久磁铁结构20连接。各种不同的环形密封件(未被举例说明)可以用来在压气活塞14和动力活塞18和壳体12的内在部份之间形成气密密封。作为替代，紧的径向间隙可以用来限制活塞和压气活塞部件周围的泄漏流。
通常，在壳体之内四个中央空间的命名如下。压气活塞14和壳体12之间的空间是膨胀空间32；在压气活塞14内部的空间可以充当气体弹簧34，在压气活塞14和动力活塞18之间的空间是压缩空间36；而在动力活塞18和壳体12之间的空间是反弹空间38。壳体12可以安装在机械弹簧(未被举例说明)上。运行斯特林发动机的热能是由壳体12外面的加热器40供应的。
压气活塞运动在冲程和与动力活塞运动的相位关系方面的控制是FPSE设计的重要因素。具体地说，这样配置压气活塞使它在其固有谐振频率下或在该频率附近操作是有利的。通过坚持所述配置，可以获得许多利益，包括发动机在峰值效率下或在该效率附近操作(即，对于给定的输入，获得比较高的发动机输出)。
通常，现有技术解决方案根据特定的弹簧特性采用各种不同类型的弹簧把压气活塞的运动调谐到选定的谐振频率。所述弹簧位于图1举例说明的FPSE的区域34和36之内。通常，在机械弹簧的情况下，弹簧是作为螺旋状的金属丝形成的，与压气活塞14连接并且被接在压气活塞杆的末端和其活塞缸外壳之间。
固有谐振频率是集合移动体(压气活塞和弹簧)的质量和弹簧刚度两者的函数。给定的质量-弹簧系统能结合发动机操作期间预期的阻尼效应通过控制这两个要素被调谐到在预期的频率下操作。每个特定的弹簧都有由材料、几何结构和虎克定律确定的单一的力常数。
不幸的是，在使用弹簧把压气活塞的运动控制在特定的频率方面存在各种不同的缺点。传统的螺旋弹簧需要使用一对彼此反向安排的弹簧，以致压气活塞能沿着轴向路径在两个方向上受到控制。需要两个弹簧而不是一个弹簧将增加成本和附加的故障点。与FPSE中的压气活塞弹簧相关联的另一个特定的问题是部件寿命比需要的寿命短。现有技术的机械螺旋弹簧容易剥落、疲劳并最终失效。现有技术弹簧结构的各种不同的特性导致这个结果。例如，弹簧对压气活塞和压气活塞杆施加径向力和侧力和/或弯矩。这将导致弹簧和压气活塞本身两个方面的耐磨寿命减少。进而，这些侧力增加压气活塞杆和活塞缸壁面之间的静态摩擦，并因此阻碍最初发动机的启动。
此外，如果压气活塞14最初没有适当地置于中心或由于弹簧变化或弹簧运动而偏离中心移动，压气活塞14与包容壁面之间的摩擦可能产生。这是因为传统的螺旋弹簧解决方案不提供任何径向刚性帮助维持压气活塞14在轴线上对中。
与现有技术机械螺旋弹簧解决方案相关联的另一个缺点是要求预先加载，其中所述弹簧之中的每个弹簧总是处在某种程度的压缩之下，即使当压气活塞14处在它的静止位置的时候也如此。预先加载是防止弹簧发出本身能引起噪音和微粒污染的嘎嘎声所需要的。然而，不幸的是预先加载导致比较高的应力水平和比没有预先加载可能获得的寿命短的弹簧寿命。此外，当前使用的对置螺旋弹簧设计通常要求在FPSE里面使用附加的压缩空间和表面区域以适应该弹簧。
其它的弹簧配置也已被用在压气活塞控制方面。例如，平坦的“挠曲”弹簧或“平面的”机械弹簧配置已被用在压气活塞控制应用中。尽管这些弹簧配置通常提供低的磨损和由此产生的长寿命，但是该压气活塞的机械设计通常必须适应独特的弹簧特性，从而导致更复杂的压气活塞设计要求。此外，“平坦的”机械弹簧配置与传统的盘绕弹簧配置相比可能是比较昂贵的。
一个方面是提供克服上述缺点的压气活塞和弹簧组件。
另一方面是提供一种与FPSE中的压气活塞结合使用的工作寿命比传统的机械螺旋弹簧的工作寿命长的弹簧。
第三方面是提供一种与FPSE中的压气活塞结合使用的减少压气活塞磨损的弹簧。
第四方面是与FPSE中的压气活塞结合使用的在压气活塞部件上产生最小的侧力或弯矩或不产生侧力或弯矩的弹簧。
第五方面是提供一种在FPSE中使用的减少压缩空间体积和表面区域需求的弹簧和压气活塞组件。
本发明的一种形式包括自由活塞斯特林发动机，其中包括：
压气活塞；
压气活塞在其中沿着第一轴线方向和第二轴线方向往复运动的外壳；以及
机制弹簧以第一末端附着在所述的压气活塞上，并且当所述的压气活塞沿着所述的第一轴线方向或所述的第二轴线方向移动时，该机制弹簧在所述的压气活塞上提供约束力。
本发明的另一种形式包括自由活塞斯特林发动机的压气活塞，其中包括：
压气活塞杆；
允许所述的压气杆活塞在其内部往复运动的压气活塞外壳；
以第一末端附着在至少一部分所述的压气活塞杆上的机制弹簧，并且当所述的压气活塞杆在所述的压气活塞外壳里面沿着第一轴线方向或第二轴线方向移动时，该机制弹簧在所述的压气活塞杆上提供约束力。
要求使用有多重盘条的机制弹簧的一个实施方案。本发明的机制弹簧的多重盘条用来使弯矩和边缘负荷与导致不平衡的负荷向任何边界结构转移的单一盘条解决方案相比减到最少的。通过使用本发明的机制弹簧，盘条的轨迹可能是几何上平衡的，以便防止上述的负面效应。本发明的机制弹簧按照拉伸模式和压缩模式交替地操作，并且允许压气活塞运动的操作频率被控制在预期的谐振频率。本发明的机制弹簧与现有技术的线绕螺旋弹簧相比进一步提供提增强的结构准确性，这种结构准确性依次导致横向负荷和边缘负荷侧部的最小化。此外，通常在现有技术中使用的与每个压气活塞有关的两个机械盘绕弹簧可以依照本发明的教导被单一机制弹簧代替。
下文进一步详细描述本发明其它的实施方案的可能性，并且将被熟悉这项技术的人理解。
现在将参照仅仅作为例子给出的这项发明的优选形式和附图更详细地描述这项发明，其中：
图1举例说明技术上已知的FPSE/LA系统的基本结构；
图2是依照本发明的优选实施方案的压气活塞/机制弹簧组件的剖视图；
图3是依照本发明的优选实施方案用于压气活塞工作频率控制的机制弹簧的特写侧视图。
现在介绍图1-3举例说明的实施方案，其中类似的数字到处用来指代类似的部件。
图2举例说明被安装到压气活塞杆260上的压气活塞组件220。压气活塞杆260附着在发动机外壳(未展示)上。压气活塞组件220由压气活塞密封体270、压气活塞盖组件210和机制弹簧230组成。机制弹簧230借助安装螺钉240附着在压气活塞密封体270上，并且借助安装螺钉250附着在压气活塞杆260上。
这样，在压气活塞往复运动期间，机制弹簧230的一端借助销钉组件240保持固定在适当的位置，而机制弹簧230能与压气活塞220的运动直接关联的方向上自由伸缩。虽然机制弹簧230与压气活塞220的运动直接关联的方向上自由伸缩是重要的，但是前面揭示的使机制弹簧230附着在压气活塞杆260上的机制仅仅是许多可能提供附着的方式之一。只要机制弹簧230在一端被固定在适当的位置，并且在另一端可自由伸缩，就可能获得本发明的利益。因此，这项发明不必局限于所揭示的固定机制弹簧230的实施方案。
依照本发明的教导，压气活塞220和机制弹簧230被设计为机制弹簧230的移动质量和力常数提供的以预期的频率机械谐振的组合。
依照本发明的一个优选实施方案，本发明的机制弹簧230可以依照下列规格形成。E值为2.14×1010kg/m2(3.05×107psi)而P比为0.28的弹簧钢。所述弹簧可以获得，例如，从位于加州Santa Maria的Helical Products Company获得。依照本发明的一个优选实施方案，本发明机制弹簧可以采用如下形式。
材料：15-5PH CRES(Heat Treat H900per AMS 5659)
构造：用棒料机械加工的单一零件。
尺寸：～83mm长×～44mm的外径×～28mm的内径。
配置：两个互卷的盘条，每个有～3圈。个别的圈/盘条从内径到外径的跨距大体上是3.2mm高并且被隔开大约3.2mm。盘条在弹簧长度之内的轴向定位可以是不同的，以便修正弹簧的固有频率。使盘条位置比较靠近附着在压气活塞上的弹簧末端将减少总的移动质量，并因此增加该系统的固有频率。使盘条位置比较靠近附着在压气活塞杆上的弹簧末端将增加总的移动质量，并因此降低该系统的固有频率。
虽然上述内容是本发明的机制弹簧的优选形式，但是熟悉这项技术的人将承认各种不同的其它弹簧特性(包括改变弹簧尺寸、形状或材料)可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下取代上述弹簧特性。作为例子，但不是限制，用于形成本发明的机制弹簧的材料不必局限于通常用于线绕弹簧的传统的“弹簧钢”，与使用传统的线绕弹簧的情况相反，可以利用具有所需要的机械性能(疲劳强度和容易制造)的含铁材料和非铁材料。
图3是可以连同本发明的教导一起使用的机制弹簧的特写侧视图。如同人们能看到的那样，机制弹簧230包括两个末端部分310和320和两个位于末端部分310和320之间的螺旋状盘条330a和330b。虽然图3所示实施方案展示使用两个盘条，但是熟悉这项技术的人将会理解更大的盘条数目也可以用来形成弹簧，例如，三个以上盘条。
给定有上述特性的机制弹簧，测试已表明在轴向压缩负荷为22.7kg(50lb)或轴向拉伸负荷为22.7kg(50lb)的情况下，最大的Vonmises应力大约为30Ksi。此外，起因于轴向负荷的最大挠度是0.23cm(0.09英寸)。由此得到的受试弹簧的等效弹簧刚度为98.9kg/cm(554lbf/in)。最重要的是，在纯轴向弹簧弹力的情况下，测试已表明在大约200小时的操作期间基本上没有弹簧或压气活塞的接触或磨损。
对于熟悉这项技术的人显而易见的是上述特定的机制弹簧特性仅仅是范例，而且本发明可以依照各种不同的应用的需要使用具有不同物理特性的机制弹簧。
通过使用随着压气活塞往复运动交替地按照拉伸和压缩操作的机制弹簧，各种不同的利益能被实现。如上所述，部件定心可能比现有技术的螺线弹簧更容易实现，因此，与部件磨损一样，摩擦能容易地被减到最少。此外，由于用连同本发明一起使用的机制弹簧可实现的弹簧力比较高，所以能减少压缩空间体积和表面积，因为机制弹簧可以被完全装在压气活塞里面。
连同FPSE一起使用的机制弹簧和压气活塞/弹簧组件已被揭示。人们将会理解前面提供的教导有很多应用，尤其是对大体上与往复运动构件的控制相关联的应用。虽然主题发明已在附图和前面的描述中被详细地举例说明和描述，但是所揭示的实施方案在性质上是说明性的而不是限制性的。落在本发明范围之内的所有变化和修正方案都需要得到保护。

Claims (18)

1.一种自由活塞斯特林发动机，其中包括：
压气活塞；
外壳，所述压气活塞在该外壳内沿着第一轴线方向和第二轴线方向往复运动；以及
机制弹簧，该机制弹簧以第一末端附着在所述的压气活塞上，并且当所述的压气活塞沿着所述的第一轴线方向或所述的第二轴线方向移动的时候，该机制弹簧对所述压气活塞提供约束力。
2.根据上述任何权利要求的自由活塞斯特林发动机，其中所述机制弹簧以所述机制弹簧的第二末端附着在压气活塞杆上。
3.根据上述任何权利要求的自由活塞斯特林发动机，其中所述机制弹簧是用至少一个安装螺钉附着在所述的压气活塞上的。
4.根据上述任何权利要求的自由活塞斯特林发动机，其中所述机制弹簧被特定化，以致所述压气活塞和所述压气活塞杆的质量和所述机制弹簧的力常数导致在所述自由活塞斯特林发动机的操作频率下机械共振。
5.根据上述任何权利要求的自由活塞斯特林发动机，其中所述机制弹簧由作为材料的，至少两个互卷盘条形成。
6.根据权利要求5的自由活塞斯特林发动机，其中所述材料是钢。
7.根据权利要求1、2、3或4的自由活塞斯特林发动机，其中所述机制弹簧包括第一和第二末端部分和众多位于其间的螺旋状盘条。
8.根据权利要求7的自由活塞斯特林发动机，其中所述的螺旋状盘条是互卷的。
9.根据权利要求1、2、3或4的自由活塞斯特林发动机，其中所述机制弹簧是由单片棒料形成的。
10.根据上述任何权利要求的自由活塞斯特林发动机，其中所述机制弹簧被装在所述压气活塞里面。
11.一种自由活塞斯特林发动机的压气活塞，其中包括：
压气活塞杆；
压气活塞外壳，所述压气活塞杆在该压气活塞外壳的内部往复运动；
机制弹簧，该机制弹簧以第一末端附着在至少一部分所述压气活塞杆上，并且当所述的压气活塞杆在所述的压气活塞外壳里面沿着第一轴线方向或第二轴线方向移动的时候，该机制弹簧对所述的压气活塞杆提供约束力。
12.根据权利要求11的压气活塞，其中所述的机制弹簧以所述机制弹簧的第二末端附着在所述压气活塞外壳上。
13.根据权利要求11或12的压气活塞，其中所述机制弹簧被特定化，以致所述压气活塞和所述压气活塞杆的质量和所述机制弹簧的力常数导致在包含所述压气活塞的自由活塞斯特林发动机的操作频率下机械共振。
14.根据权利要求11、12或13的压气活塞，其中所述机制弹簧由作为材料的，至少两个互卷的盘条形成。
15.根据权利要求14的压气活塞，其中所述材料是钢。
16.根据权利要求11、12或13的压气活塞，其中所述机制弹簧包括第一和第二末端部分和位于其间的众多螺旋状盘条。
17.根据权利要求16的压气活塞，其中所述众多螺旋状盘条是互卷的。
18.根据权利要求11、12、13、14、15、16或17的压气活塞，其中所述机制弹簧被装在所述压气活塞里面。
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