CN1932273B - α构造的斯特林发动机和带有分级式活塞的热泵 - Google Patents

Abstract

一种经改进的、自由活塞式斯特林机具有至少三个串联成α斯特林构造的活塞。每个气缸都是分级式的。每个活塞也都是分级式的，从而具有一第一活塞组件以及一第二活塞组件。两活塞组件的端面之一限定压缩空间，而另一个限定膨胀空间。对平衡的改进以及或对振动的减少是通过将四个直列式布置的气缸的膨胀和压缩空间以1、3、2、4的顺序串联来达到的。三个气缸的实施例提供了120°的十分理想的容积相位角，且有利地被布置在三根平行的纵向往复运动轴线上，这三根轴线被布置在一等边三角形的顶点上。

Description

α构造的斯特林发动机和带有分级式活塞的热泵

相关申请的交叉参照

本申请要求2005年9月15日提交的美国临时申请60/717,319的优先权。

关于联邦资助的研究和开发的声明

无

对附录的参照

无

技术领域

本发明总的涉及斯特林发动机以及热泵，尤其涉及对被布置成α构造的自由活塞式、多气缸斯特林发动机以及热泵的改进。

背景技术

斯特林机为人们所知已将近两个世纪，但是在最近的数十年中由于其所能提供的优点而到了显著的发展。在一个斯特林机中，工作气体被限制在一工作空间中，该空间包括一膨胀空间和一压缩空间。工作气体交替地膨胀和压缩以做功或抽吸热量。斯特林机在压缩空间和膨胀空间之间循环往复输送工作气体，这两个空间通过一吸热器(acceptor)、再生器和放热器(rejecter)流体连通。这一往复输送通常是通过在气缸中往复运动的活塞来完成的，且该往复输送循环改变每个空间中的工作气体的相对比例。膨胀空间中的和/或通过再生器和膨胀空间之间的换热器(吸热器)流入膨胀空间的气体从周围表面接收热量。压缩空间中的和/或通过再生器和压缩空间之间的换热器(放热器)流入压缩空间的气体向周围表面放出热量。在任何时候，在两个空间中的气体压力基本上是一样的，因为这两个空间通过一个具有相对较低的流动阻力的通道而互相连接。然而，在工作空间中的工作气体作为整体，其压力随着循环而有所不同。当大多数工作气体在压缩空间中时，热量从气体中放出。当大多数工作气体在膨胀空间中时，气体吸收热量。不论该机器是作为热泵还是作为发动机工作都是如此。唯一需要在所产生的功或所抽吸的热量之间进行区别的是进行膨胀过程时的温度。如果膨胀过程温度比压缩空间的温度高，则该机器倾向于产生功，而如果膨胀过程的温度低于压缩空间温度，则该机械将把热量从冷源抽到一较热的蓄热池中。

因此可将斯特林机设计成利用以上的原理来提供以下之一：(1)一发动机，该发动机具有通过向膨胀空间施加外部热源并从压缩空间传出热量而被驱动的活塞；或(2)一热泵，该热泵具有由一主发动机循环驱动以将热量从膨胀空间抽到压缩空间的活塞。热泵模式允许使斯特林机可用于冷却与其膨胀空间热连接的物体，包括将其冷却到深冷温度，或者用于冷却诸如一家用加热换热器之类的与其压缩空间热连接的物体。因此，术语斯特林“机”是用来一般地包括斯特林发动机和斯特林热泵的。

直到1965年为止，斯特林机都是被构造成动能驱动的机器，意即活塞由一机械连接装置互相连接，典型的是杆和曲柄轴。随后，William Beale发明了自由活塞式斯特林机。在自由活塞式斯特林机中，活塞并不连接于机械驱动连接装置。自由活塞式斯特林机被构造成机械振动器，且其活塞之一(通常被称为置换器)由机器中的工作气体压力变化而驱动。它们提供了大量的优点，其中包括对它们的频率和相位的控制以及在移动元件之间不需要密封件来防止工作气体与润滑油混合。

斯特林机已被开发出各种构造。现代斯特林机的一种普通形式是α构造，也将其称为Rinia、Siemens或双向作用配置。在α构造中，在独立的气缸中至少有两个活塞，而每个活塞所限定的膨胀空间与另一个气缸中的另一个活塞所限定的压缩空间相连。这些连接布置在一串联回路中，该回路将多个气缸的膨胀和压缩空间连接在一起。每个膨胀空间和与另一个活塞相关的压缩空间之间的连接通常连续地包括：(1)用来向工作气体施加热量的一换热器，(2)一再生器和(3)用于将从工作气体放出的热量带走的一换热器。它们的膨胀和压缩空间由相同长度的通道互相连接，从而形成图1所示的盒形-四件式配置。更具体地说，图1示出了可在四个平行气缸12中滑动的四个活塞10的传统的、α构造、盒形-四件式配置。每个气缸12的膨胀空间14与另一个气缸12的压缩空间16相连以形成串联的闭合回路。每一连接是通过串联连接的：(1)一吸热器式换热器A，该换热器吸收来自一外部热源的热量并将它传输给14中的工作气体；(2)一再生器R；以及(3)一放热器式换热器K，该换热器传输从压缩空间16中放出的热量并将热量放到一外部的物质。传统的工艺已将这些机器以这一机器的动能式形式构造成这一盒形-四件式配置。这一配置受到不合理的限制，这些限制是需要四个运动部件加一个附属的曲柄机构，并且需要在一个正方形的每一角上都设置气缸。

总的来说，α型斯特林机被构造成动能驱动的机器。曲柄轴的相位为活塞之间的相对相位总是90°。这就限制了在给定速度处的功率控制以及压力调节或行程控制。

William Beale在1976年提出了一种自由活塞式、α构造的机器。然而，就已知的，除了Beale最初提出的那种简单的四气缸类型以外，没有其它的多气缸、自由活塞式斯特林机被揭示出来。自由活塞式α机器的优点就是自由活塞装置的优点，即：没有润滑油、没有机械组件、气体轴承运行简单、通过行程的调节而进行调制、以及该机器可密封而防止工作气体泄漏。与传统的置换器-活塞或β构造相比，α构造一直被认为是自由活塞式斯特林机的过度复杂的类型。

出于完整起见，第二种斯特林机构造是β斯特林构造，其特征为在同一个气缸中的一置换器和活塞。第三种是γ斯特林构造，其特征为将置换器和活塞放置在不同的气缸中。本发明针对的是α构造、自由活塞式斯特林机。

图2中示出了自由活塞模式的α构造斯特林机的第n个元件的通常的布置。活塞20可在气缸22中匹配地滑动并在活塞的上表面26限定一膨胀空间24。活塞杆28穿过一轴承30而延伸，从而与弹簧32和一象征性的阻尼器34连接，用来减震。活塞20的环形端面36限定出一压缩空间38。压缩空间端口40与另一个类似的元件的串联的换热器和再生器相连，并通过它们与另一个气缸的膨胀空间相连。端口42从串联的换热器44和46以及再生器48导向另一个气缸的压缩空间。图2只示出斯特林机。在斯特林发动机的情况下，还有一个负载连接于活塞杆28，而在斯特林热泵的情况下，一主发动机连接于活塞杆28。图2中从活塞引出并指向上的箭头以及其它附图中的类似的箭头表示活塞的正位移或行程的惯常方向。

清楚且可总体理解的是，可将α机器以图3所示的形式组合，从而具有五个以上如所述地连接在一起的气缸，虽然还可有更多气缸。在图3中的每个多活塞例子旁边的是显示出相关例子的活塞的循环运动以及膨胀和压缩空间容积的循环变化的相矢量图。斯特林机中的膨胀空间和压缩空间之间的相位角十分重要，因为功率和效率是这个相位角的函数。在早期的α斯特林机中，通过气缸的方位以及将活塞杆连接到一曲柄轴而完成的对活塞的连接，从而将容积相位角固定在90°。然而，对于任何一个斯特林机，较佳的容积相位角在90°到140°的范围内。可以参照图14看到这一点，该图示出了功率和效率作为容积相位角的函数的曲线图。希望能使斯特林机工作在效率曲线图以及功率曲线图的峰值附近。较低和较高的容积相位角会危及效率和功率。在低容积相位角处的不良的性能是由于高流量损失、高滞后损失和单位容积较低的容量(功率或热量提升)造成的。最理想的相位角大致在120°左右。容积相位角是膨胀空间和压缩空间的容积相位与活塞运动之间关系的函数。这些关系是机器结构的函数，由此，膨胀空间容积和与之相连的压缩空间之间的容积相位角是机器结构的函数。

在图3的相矢量图中，容积相位角α被显示为用于单组膨胀和压缩空间的容积变化且对于同一例子中的其它组来说将是一样的。根据惯例，α是膨胀空间容积超前于压缩空间容积的角度。在图1-3中所示的常用结构中，膨胀空间容积变化是逆相于活塞的运动，而压缩空间容积变化正相于活塞运动。如图3中的相矢量图所示，三气缸类型的传统α组合具有处于60°的较差的容积相位角。四气缸类型具有90°的容积相位角，而五气缸类型具有108°的容积相位角。为了得到120°的容积相位角，对于传统的α构造来说需要六个气缸。

除了要达到高度有效的容积相位角以外，还需要减少斯特林机所需的组件的数量并使其重量和体积最小。每个β斯特林构造具有两个基本的移动部分，且在大多数情况下需要由例如连接于外壳的谐振平衡块来平衡。α构造看上去需要四个基本的移动部分、四个活塞，从而可具有可接受的相位角。α自由活塞式构造的第二个困难是它需要四个线性交流发电机(或者是在热泵中的马达)，因为每个活塞都需要一个。线性交流发电机与它们所旋转的配套部件相比体积稍大，且这在本领域中造成这样的印象，即α机器体积大且气缸互相间远离，这就造成不便并导致机器较重。对传统的α构造的平衡并非可忽略的，且看来还没有在公开的文献中解决。

对α自由活塞式的复杂性的一个理想的解决方案是这样一种装置，该装置：改进了自由活塞式斯特林机的功率对重量的比率而没有增加机器的复杂性，并由此降低了装置的成本；减少了运动部分的数量；提供了一种用于将负载连接到机器上的简洁装置，从而使气缸之间间隔不太远；以及提供了一种简单的平衡或减少不平衡力的装置。所提出的发明看来可以简单和实用的方法减少或解决这些问题。

发明内容

本发明是一种改进的、自由活塞式斯特林机，该机器的类型是每个活塞都可在相关联的匹配气缸中往复运动，且每个活塞和气缸都限定一膨胀空间和一压缩空间，这两个空间以α斯特林构造的形式连接。在改进中有至少三个活塞/气缸元件，每个气缸形成为分级式气缸，该分级气缸具有：一直径较大的内壁；以及一同轴线、直径较小的内壁。每个活塞都是一分级式活塞，该活塞包括：一第一活塞组件，该组件具有面向一个轴向并地在直径较小的气缸壁中可匹配往复运动的一端面；一第二活塞组件，该组件具有面向同一轴向并可在直径较大的气缸壁中匹配地往复运动的一端面。这些活塞端面之一限定压缩空间，而另一个限定膨胀空间。较佳地，分级式活塞具有外气缸壁，该外气缸壁与一凸肩轴向相邻并与之连接，形成直径较大的活塞组件的端面。这一活塞和气缸结构使一种三活塞、α构造的斯特林机具有优化的容积相位角，且重量以及零件的数量减少

附图说明

图1是盒形-四件式配置的、已有技术α构造斯特林机的图解。

图2是已有技术α构造斯特林机的单个元件的图解。

图3是四种可能的替代式、多活塞α构造的机器的图解。

图4是根据本发明实施的α构造、多活塞斯特林机的单个元件的图解。

图5是根据本发明实施的三种可能的替代式、多活塞α构造的机器的图解。

图6是根据本发明实施的一种三气缸、α构造斯特林机的端视图。

图7是基本上沿图6中的线7-7得到的图6所示机器的截面图。

图8是示出了本发明的替代型四活塞实施例的图解，其中膨胀空间与压缩空间连接以使振动最小。

图9是一对相矢量图，该图示出了图8所示实施例的不平衡力矩以及一个类似的替代实施例。

图10是示出了一相对α构造的局部剖切图，该α构造根据本发明而实施并可用作双联式机器，其中一侧是一发电机而另一侧是一热泵，或者可以是复式气缸组装置，该装置驱动三个直线型交流发电机(或者由三个马达驱动)。

图11是图10所示实施例的端视图。

图12是实施本发明并驱动一朗肯压缩机负载的斯特林发电机的端视图。

图13是基本上沿图12中的线13-13得到的图12所示实施例的截面图。

图14是作为容积相位角的函数的一对功率和效率曲线图。

图15是示出了本发明的一个替代的、可能的实施例。

在描述附图所示本发明的优选实施例中，将采用特定的术语以使其清楚。然而，不应该认为本发明就被限定在如此选定的特定术语中，而且应该理解的是每条术语都包括所有的以类似的方法工作以达到类似的目的的技术等效内容。例如，经常会使用术语“连接”或与之类似的词汇。它们并非仅限于直接连接，而且也包括通过其它元件而连接，这样的连接对于那些熟悉本领域技术的人员来说是等效的。

具体实施方式

图4示出了实施本发明的第n个元件，该元件连接在具有n个图4所示元件的复制品的一多气缸、α构造的斯特林机中。气缸50是分级式气缸，该气缸具有直径较大的内壁52、直径较小的内壁54。活塞56为分级式活塞，该活塞包括第一活塞组件58和第二活塞组件60。第一活塞组件58可在直径较小的气缸壁54中匹配地往复运动并具有面向一个轴向的端面62。在所示的实施例中，端面62面向上并限定膨胀空间64。第二活塞组件60可在直径较大的气缸壁52中匹配地往复运动并具有面向与端面62相同的轴向的环形端面66。在所示的实施例中，端面66限定压缩空间68。由于这些空间的功能可相反，因此只需要这两个端面之一限定压缩空间，另一个限定膨胀空间。活塞是分级式的并限定两个工作空间或形成这两个空间、即压缩空间和膨胀空间的一个壁，从而活塞的往复运动改变这两个空间的容积。图4还示出了一个再生器70和两个换热器72和74，除了它们相对于分级式气缸50的放置位置以外，这些元件都是常用的。它们位于通向另一个复制的活塞/气缸元件的配置和压缩空间的连接路径中，从而如已有技术那样将这些空间串联成α斯特林构造。

在图4中示出了较佳的分级式活塞结构。该活塞具有诸外部柱形壁，这些壁与形成直径较大的第二活塞组件60的端面66的凸肩相邻并与之连接。然而，也有可能采用其它结构。活塞组件不必与作为凸肩而将它们连接的端面66相邻。例如，图15示出了一个分级式活塞80，它具有直径较小的活塞组件82和直径较大的活塞组件84，这两个组件由一根将它们连接起来的杆子86分隔开。端面88和90如上所述地工作，但这个实施例的缺点在于它引入了直接在两个活塞组件之间的死区，这就降低了效率和功率。类似地，活塞可也具有插入的结构部件来替代相邻的气缸壁。

本发明的分级式活塞/气缸结构的一个非常重要且有价值的结果是它改变同一个气缸的膨胀空间容积和压缩空间容积之间相位关系的方法。另一个重要且有价值的结果是分级式活塞使膨胀空间和压缩空间容积可以不同，且每一个都按性能最大化设计。传统的α机器具有相同的膨胀和压缩容积变化，因为作用在每一空间上的活塞面具有相同的直径和相同的位移。然而，对于分级式活塞，有两个直径不同的活塞组件。虽然它们具有相同的直线位移或行程，但设计人员可以为两个活塞组件选择两个直径，由此选择两个容积位移，一个是膨胀空间的而另一个是压缩空间的。

图3和5的相矢量图之间的比较显示出由分级式活塞造成的相位变化。每个活塞具有两个相关联的容积相矢量，Vc是其压缩空间的，Ve是其膨胀空间的，但其中没有示出全部。图3和5中的图示出了两个容积相矢量Vc和Ve，它们是一个活塞的膨胀容积相矢量以及(另一个活塞的)压缩空间的压缩容积相矢量，该压缩空间通过一再生器和换热器连接于该膨胀空间。由于空间有限，在每个相矢量图中只示出了两个代表性的容积相矢量。一个活塞的膨胀空间的容积相矢量和与该膨胀空间相连的另一个活塞的压缩空间的容积相矢量之间的角度就是容积相位角α。一完整的、但毫无疑问难以理解的相矢量图对每个活塞都具有两个容积相矢量。每对相连的膨胀和压缩空间的相矢量之间的将会有相同的角度α。应该知道，“同相”和“180°异相”依赖于哪个方向被选为正位移方向，因此，如果被选为正的方向反了过来，则所有对相位的观察都将相差180°。

在图1-3中所示的已有技术中，参见图2，一个容积相矢量是与活塞的位移同相，而另一个与活塞的位移180°异相。膨胀空间24的容积与活塞的位移反相，而压缩空间38的容积与活塞的位移同相。换句话说，当活塞20沿正向(在图2中是向上)位移时，膨胀空间24的容积减小而压缩空间38的容积增加。这在图3的相矢量图中也有所示出。例如，对于已有技术中的三活塞形式，三个活塞的位移相矢量X₁、X₂和X₁间隔120°。活塞1的膨胀空间的容积相矢量Ve与活塞1的位移相矢量X₁呈180°异相，而活塞2的压缩空间的容积相矢量Vc与活塞2的位移相矢量X₂同相。相位差是60°的容积相位角。这是一个十分不理想的容积相位角。

然而，对于图5所示的本发明，同一个气缸的膨胀空间和压缩空间的容积相位都与它们相关联的活塞的位移反相(180°异相)。对于本发明，膨胀空间容积和压缩空间容积都随活塞沿正向(在附图中是向上)的运动而减小。每个气缸的空间相位中的这一差异使本发明的一个实施例可只具有三个气缸来得到一个气缸的膨胀空间容积相位和它所连接的压缩空间容积相位之间高度理想的120°容积相位角。这使一三气缸装置可有效地工作而不象已有技术那样，在已有技术中三气缸形式的工作会受到很大的危害。分级式活塞配置提供的优点是可产生具有十分有利的容积相位的三移动部分、α型装置。在已有技术中，为了得到120°的容积相位，移动部分的数量必须增加到6。这样会过于复杂，对于小型机器尤其如此。

有许多构造多气缸、自由活塞式斯特林机以作为热泵或发动机(主发动机)并采用本发明的分级式活塞配置的方法。许多的构造都是根据具体机器的目的而与已有技术的构造相类似并以之为范本。没有连接自由活塞式机器的活塞的机械驱动机构或连接装置，比如活塞杆和曲柄轴。在发动机的情况下，运动部分由气体的力驱动，而在热泵的情况下则是由线性马达驱动。在发动机的情况下可以将其它的负载连接到活塞上，包括另一个具有相同结构的斯特林机，该机器将作为热泵而受到驱动(双联式配置)。

例如，如图6和7所示，一三气缸、分级式活塞配置一般被构造成三角形，三根纵轴线侧向间隔开并位于等边三角形的三个顶点上。这使每个气缸之间的距离最短，因此无用体积也最小。图6和7的实施例示出了由三个线性马达驱动的三个相同的斯特林热泵元件。这里只描述三个斯特林热泵元件中的一个以及线性马达元件之一，因为其它两个都一样。它们的压缩和膨胀空间如上关于图5所示三气缸实施例所述和显示一样地连接。分级式活塞81的端面78限定一柱形膨胀空间83，而其环形凸肩形成限定一环形压缩空间87的环形端面85。同已有技术一样，再生器89、用来将热量从一物体带走的换热器91以及将热量放出到一物体上的换热器92全部都呈环状地围绕气缸94的外部。分级式活塞81固定于往复运动的具有诸周边磁体98的磁体载体96，这些磁体形成传统的线性马达的往复运动构件。分级式活塞81和磁体载体96固定于连接于一平面弹簧100的中心杆98。如本领域已知的，弹簧100的主要功能是在活塞上提供中心力以在工作过程中保持一平均的活塞中心位置。作用在活塞上的气体的力充当一气体弹簧，它同平面弹簧100一起作用在往复运动的物体上以设置一谐振系统。衔铁绕组102呈环状地围绕在静止壳体104中以形成线性马达的启动器。

当然，图6和7所示的斯特林机可作为斯特林发动机工作。驱动三个分级式活塞的三个线性马达可以作为三个线性交流发电机以进行发电或由其它负载替代，比如制冷器或空气压缩机、或者液压或水泵。

作为可能的α斯特林构造的另一个例子，图8示出了分级式活塞、α型配置的四气缸、直列式布置，该布置在平衡方面具有某些优点。分级式气缸和活塞以及每个活塞/气缸元件的其它结构与之前所述和显示的那些一样。通过与图3、5、6和7所示的略微不同地连接气缸可得到使振动最小的平衡优点。

四个活塞1、2、3和4以直列式布置，实际上按照1、2、3和4的顺序。气缸配置和压缩空间的连接与常用的内燃机的“点火顺序”类似。换句话说，由于四气缸类型通常得到的是90°的容积相位角，因此有可能将气缸1的压缩空间与气缸3的膨胀空间相连，将气缸2的压缩空间与气缸4的膨胀空间相连，将气缸3的压缩空间和气缸2的膨胀空间，最后将气缸4的压缩空间和气缸1的压膨胀空间相连。该连接较佳地为1-3-2-4连接，不同于已有技术中的1-2-3-4连接。1-3-2-4连接在图8用较大的水平箭头示出。

先看1-2-3-4连接。活塞1和3互相间反相，而活塞2和4也互相反相。所以活塞1和3互相间180°异相，而活塞2和4也180°异相。1-3组合产生与2-4组合呈90°异相的力矩(或力偶)。这在图9中示出。重要的是，每个力矩或力偶的力臂长度是活塞1和3或者活塞2和4的往复运动轴线之间的距离。这一力臂是由一个插在中间的气缸所分开的两个活塞之间的距离。这两个力矩(M13和M24)相结合以形成施加在以传统的1、2、3、4顺序连接的机器上的不平衡力。

现在看1-3-2-4连接，显然两个180°的力偶是由相邻的活塞组合件构成的，形成M12和M34力矩。两种情况下的运动物体类似，则1-3-2-4连接中的力臂大约为1-2-3-4连接中的力臂长度的一半。这样，1-3-2-4连接的不平衡转矩是1-2-3-4连接的一半，如图9所示。当然，1-3-2-4具有较大的无用容积，这是由于较长的连接通道所致，但在大多数应用场合这不是个大问题。这一原理也可应用于非分级式活塞配置或传统的α构造的直列式组合件中以提高平衡并减少振动。

对于分级式活塞以及传统的α型机器来说可以由许多驱动或负载的选择可能性。

每个活塞可连接有线性马达或交流发电机。在三气缸形式中需要三相电流，而在四气缸形式中需要两相电流。由于有可能将两对交流发电机线圈缠绕在相反的方向上，因此只需要两相电流，从而可自动生成180°反相的电压。

图10和11示出了第一组共三个气缸/活塞元件106、108和110，它们如上所述连接成α构造以形成第一斯特林机111。它们连接于一相反的、成镜像的第二斯特林机113，该第二斯特林机也具有三个如上所述以α构造连接的斯特林机的气缸/活塞元件112、114和116。相反的活塞由一连接装置相连，比如图示的连接杆118。这样，相反和镜像意味着每个气缸/活塞元件及其相关联的换热器和再生器具有轴向相对且朝向相反的气缸/活塞元件及其相关联的换热器和再生器，虽然两个镜像的机器或元件并不需要相同。每对相对的活塞沿同样的方向往复运动，但当一个活塞处于上死点时，其轴向相对的活塞处于下死点。一个机器是发动机而另一个是热泵的相反的配置被称为双联式配置。还可有一种混合式布置，其中两侧上是由三个或更多普通的线性马达驱动的相反、镜像热泵。

在图10和11的实施例中，诸如马达或线性交流发电机之类的多个主发动机或负载各自与诸如连接杆118之类的不同的活塞连接装置驱动连接，并且较佳地位于活塞之间的空间中。在图10中，只示出和描述了每个相反的斯特林机的一个元件，因为其它两个元件都相同。每个元件具有前述的组件。可在气缸123中匹配地滑动的分级式活塞122由连接杆118连接到与其相反的、可在气缸125中匹配地滑动的分级式活塞124。主发动机或负载120是一静止、环形的衔铁绕组126，磁体128固定于运动的内铁块129，而该内铁块又固定于连接杆118。当作为线性交流发电机工作时这一结构可为一负载，而相反的斯特林机则作为斯特林发动机工作以往复驱动磁体128。相同的结构在向衔铁绕组126施加交流电压时可为一线性马达，并驱动作为斯特林热泵的斯特林机。

每个相反的斯特林机的三个气缸被实际布置在三个平行的往复运动纵轴线上，这三根轴线被布置在一个等边三角形的三个顶点处。这使两种斯特林机都可显示出以上关于图6和7所示的类似配置所述的优点。此外，通过构造一个与第一斯特林机相对的第二斯特林机，只需要一组线性马达或交流发电机，它们就可提供双重功能，每一个驱动两个活塞或被两个活塞驱动。结果就可节省为每个活塞设置一个线性交流发电机或线性马达的重量和费用。

类似地，每个都具有四个活塞和气缸的相反的斯特林机可以相同的方式构造成盒形-四件式配置或直列式配置，如在前所述，且它们只需要四个线性交流发电机或线性马达。这样就得到在前根据本发明的四气缸配置所述的优点，且还使交流发电机或马达的数量减半。

此外，由于图10和11所示的相反的斯特林机每个都可作为斯特林发动机或斯特林热泵工作，因此可以把一个当作发动机来工作，而其它的作为热泵工作。结果，图10和11的实施例可为双联式配置，其中斯特林发动机驱动斯特林热泵和交流发动机。作为另一个替代方案，可省略插入其间的交流发电机以提供双联式配置，其中斯特林发动机只驱动一个斯特林热泵。

以上所述四气缸的实施例还可以同样的双联式配置连接以同时得到两个优点。事实上，上述相反且双联式的配置也可应用于没有采用本发明的分级式活塞和气缸的常用的已有技术α构造。

图12和13示出了数量与斯特林发动机活塞相等的朗肯压缩机可各自直接由α型自由活塞式发动机驱动。在此情况下，将如美国专利6,701,721所揭示的那样对工作气体的混合进行管理，该专利结合于此作为参照。参见图12和13，连接斯特林发动机130以驱动线性交流发电机132，且发动机和交流发电机组合的构造如对图6和7的斯特林热泵和线性马达的描述一样，因此在此不再进一步描述。有三个发动机/交流发电机对如对图6和7所述的那样沿三根纵轴线布置。然而，在此之外，中心活塞杆134也连接于压缩机活塞136，该活塞在压缩机气缸中密封地往复运动。对于这一配置，三气缸、α构造斯特林发动机驱动交流发电机和压缩机以将施加于发动机的热能转换成电力和制冷量。由于压缩机并不总能吸收斯特林发动机所产生的所有功率，因此这是有用的。所以，通过平衡压缩机和交流发电机对斯特林发动机所产生的功率的组合负载，交流发电机可作为机械能吸收负载稳定器。交流发电机还可用来启动发动机，因为它也可等效地作为马达来工作。

从以上对本发明的实施例的描述可以看到，三气缸分级式活塞α构造对先前的技术具有以下优点：

a.与传统的β构造(标准活塞-置换器配置)相比，三气缸型分级式配置的优点是具有三个相同的运动组件，而β型配置通常具有三个不同的运动组件：一活塞、一置换器和一谐振平衡物体。

b.与传统的三或四气缸α型配置相比，它具有好得多的容积相位角(最好的功率和效率组合)。因此它将具有简洁得多的布置。

c.它的轴向运动受到平衡，因为正向运动的质量与负向运动的质量相等。存在章动的不平衡力，但这比不平衡的β型机器的十分大的线性不平衡力要轻得多。

d.它会具有联结在系统上的力，该力产生绕一固定点的净章动或进动运动。这要依赖于气缸是如何布置的。如果如图6和7所示的那样布置，则不平衡力将在系统上产生章动力偶。这可由许多简单的常用装置来平衡。

e.分级式活塞使膨胀空间和压缩空间容积可以任意选择以使性能最大化。传统的α型机器具有几乎相同的膨胀和压缩容积变化。

f.只有三个相同的零件。如果需要很好的平衡，则可将第二机器放置在相反的位置或采用平衡质量系统。平衡质量系统可为在悬臂弹簧一端的简单的摆动质量块，该弹簧被设计成用来以章动的模式在机器的工作频率下进行谐振。

g.该机器没有调整的困难。如果热能良好且机械效率良好，则机器将作为一发动机运行或作为热泵工作。略在机器的自然谐振点之上进行工作将是对线性马达的设计的最理想工作点。该谐振点可由以下公式给出： ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{K/m},$ 单位是弧度/秒。

其中：

m是活塞的质量

K是由气体压力和外部弹簧所产生的作用在活塞上的净弹簧力，该力由以下公式给出：

$K\≡K_{\mathrm{ext}}+A_e\frac{\∂P_{c_{n-1}}}{\∂x_n}+A_c\frac{\∂P_{c_n}}{\∂x_n}$

其中：

K_ext是作用在活塞上的外部弹簧力，通常为机械弹簧

A_e是活塞的膨胀空间面积

A_c是活塞的压缩空间面积

是相对于活塞运动的前一个气缸的压力变化

是相对于活塞运动的压力变化

h.该机器是真正可逆的。如果沿一个方向运动，它将热量从一侧抽到另一侧。如果逆向运动，则膨胀和压缩空间的功能就互换，因此它就将沿相反的方向抽吸热量。如果将其松开，则它将根据通过机器温度差而作为发动机来运行。

并非三气缸分级式活塞机器所特有但在之前也没有被发现的α型配置的其它总体特征是：

a.如果在相反方向放置一第二机器，则只需要一组线性马达或交流发电机来承担双重任务。例如，一四气缸、相对布置的机器只需要四个线性马达或交流发电机，虽然它有八个气缸。

e.通过相对于第一机器附加一个第二机器，可容易地形成双联或双气缸配置。

f.在悬臂弹簧的端部上的摆动质量块使对章动力偶的平衡成为可能。

虽然已经详细揭示了本发明的某些优选实施例，但可以理解的是，可以采取多种修改而不会背离本发明的精神实质或所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种经改进、自由活塞式、α构造斯特林机具有三个活塞和三个气缸，每个活塞可在一相匹配的气缸中往复运动，且每个活塞和气缸在每个气缸中限定一膨胀空间和一压缩空间，每个气缸中的膨胀空间通过一再生器和两个换热器与另一个气缸中的压缩空间以α斯特林构造的形式串联，而每个气缸中的压缩空间通过一再生器和两个换热器与另一个气缸中的膨胀空间以α斯特林构造的形式串联，其中，该改进包括：

(a)所述三个气缸中每个气缸都是一分级式气缸，该分级气缸具有：一直径相对较大的内壁；以及一同轴线、直径相对较小的内壁；

(b)所述三个活塞中每个活塞都是一分级式活塞，该活塞包括：

(i)一第一活塞组件，该组件具有面向一个轴向并可在直径较小的气缸壁中匹配地往复运动的一端面；和

(ii)一第二活塞组件，该组件具有面向同一轴向并可在直径较大的气缸壁中匹配地往复运动的一端面；以及

(c)每个活塞的所述活塞端面之一在活塞往复运动的气缸中限定压缩空间，而每个活塞的另一个端面在活塞往复运动的气缸中限定膨胀空间。

2.如权利要求1所述的斯特林机，其特征在于，分级式活塞具有诸周边、柱形壁，这些壁同轴线地相邻并在一凸肩处连接，形成直径较大的活塞组件的端面。

3.如权利要求1所述的斯特林机，其特征在于，三个气缸实际上布置在三根平行的纵向往复运动轴线上，这三根轴线被布置在一等边三角形的顶点上。

4.如权利要求1或2所述的斯特林机，其特征在于，该斯特林机还包括：

(a)一相反的、镜像第二斯特林机，该斯特林机如权利要求1或2所述地构造，一第一斯特林机的每个分级式活塞由一连接装置与第二斯特林机的一分级式活塞相连，每个相反的斯特林机具有三个活塞和气缸；以及

(b)多个主发动机或负载，每个主发动机或负载与一不同的连接装置驱动连接。

5.如权利要求4所述的斯特林机，其特征在于，相反的两个斯特林机可作为斯特林发动机工作，而一线性交流发电机作为负载连接于每个连接装置。

6.如权利要求4所述的斯特林机，其特征在于，每个斯特林机的三个气缸实际上布置在三根平行的纵向往复运动轴线上，这三根轴线被布置在一等边三角形的顶点上，每个相反的斯特林机具有三个活塞和气缸。

7.如权利要求4所述的斯特林机，其特征在于，相反的两个斯特林机可作为斯特林热泵工作，而一线性马达作为主发动机连接于每个连接装置。

8.如权利要求6所述的斯特林机，其特征在于，每个斯特林机的三个气缸实际上布置在三根平行的纵向往复运动轴线上，这三根轴线被布置在一等边三角形的顶点上。

9.如权利要求1或2所述的斯特林机，其特征在于，它可作为一斯特林发动机工作，并且还包括如权利要求1或2所述地构造的一相反的、第二斯特林机，该第二斯特林机可作为斯特林热泵工作，且将该热泵连接以形成一双联式构造，斯特林发动机的每个分级式活塞由一连接装置连接于斯特林热泵的一分级式活塞，每个相反的斯特林机具有三个活塞和气缸。

10.如权利要求9所述的斯特林机，其特征在于，每个斯特林机的三个气缸实际上布置在三根平行的纵向往复运动轴线上，这三根轴线被布置在一等边三角形的顶点上。

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