NO330529B1 - Leddkobling, samt en maskin og en sterlingsyklus-maskin med en tilhorende leddkobling. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en leddkopling for å kople et stempel som gjennomgår vekselvirkende lineær bevegelse langs en lengdeakse til en veivaksel som gjennomgår roterende bevegelse rundt en rotasjonsakse til veivakselen, idet lengdeaksen og rotasjonsaksen i det vesentlige er vinkelrette på hverandre, hvor leddkoplingen omfatter: et føringsledd med en første ende proksimalt til stempelet, idet den første enden er koplet til stempelet, og med en andre ende distalt til stempelet slik at rotasjonsaksen er plassert mellom føringsleddets proksimale ende og distale ende; og en forbindelsesstang med en forbindelsesende og en veivakselende, idet forbindelsesenden er roterbart forbundet med føringsleddet ved et stangforbindelsespunkt og veivakselenden er koplet til veivakselen i et veivaksel-forbindelsespunkt til side for veivakselens rotasjonsakse. Oppfinnelsen vedrører også en maskin og en sterlingsyklus-maskin med en tilhørende leggkopling.

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører forbedringer av en motor og nærmere bestemt forbedringer som vedrører mekaniske komponenter i en sterlingsyklus-varmemotor eller - kjøleapparat som bidrar til å øke motorens driftseffektivitet og levetid, og til redusert størrelse, kompleksitet og kostnad.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Sterlingsyklus-maskiner, inklusive motorer og kjøleapparat eller kjøleskap, har en lang teknisk arv, som beskrevet detaljert i Walker, Stirling Engines, Oxford University Press (1980), heri inkorporert under henvisning. Sterlingsyklus-motorens under-liggende prinsipp er den mekaniske gjennomføring av sterlings termodynamiske syklus: isovolumetrisk oppvarming av en gass innen en sylinder, isotermisk ekspansjon av gass (under hvilket arbeid utføres ved at det drives et stempel), isovolumetrisk avkjøling, og isotermisk kompresjon. Sterlingsyklus-kjøleapparat er også den mekaniske gjennomføring av en termodynamisk syklus som nærmer seg den ideelle sterlings termodynamiske syklus. I en ideell sterling termodynamisk syklus, gjennomgår arbeidsfluidet suksessive sykluser av denne volumetriske oppvarming, isotermisk ekspansjon, isovolumetrisk avkjøling og isotermisk kompresjon. Praktiske gjennomføringer av syklusen, hvori trinnene verken er isovolumetriske eller isotermiske, befinner seg innen rekkevidden av den foreliggende oppfinnelse og kan innen den foreliggende beskrivelse betegnes med idealtilfellets språk uten begrensing av rekkevidden for oppfinnelsen slik den hevdes.

Det vises videre til FR 2721982, som blant annet viser en stempelmaskin med inverse tilkoblingsstenger.

Ulike aspekter av den foreliggende oppfinnelse gjelder både for Sterlingsyklus-motorer og Sterlingsyklus-kjøleapparat, hvilke kollektiv betegnes som Sterlingsyklus-maskiner i den foreliggende beskrivelse og i de vedlagte krav. Virkemåten for en Sterlingsyklus-motor som konfigurert i en "alpha"-konfigurasjon og ved anvendelse av et første "kompresjons"-stempel og et andre "ekspansjons"-stempel er utførlig beskrevet i US-søknad 09/115,383, som inkorporeres heri under henvisning.

Virkemåten for en Sterlingmotor beskrives enkelt under henvisning til figurene 1a-1e, hvor identiske nummerbetegnelser benyttes for å identifisere de samme eller liknende deler. Mange mekaniske utforminger av Sterlingsyklus-maskiner er kjent innen faget, og den bestemte Sterlingmotor som er betegnet generelt med henvisningstallet 10 er vist utelukkende med det formål å illustrere. I figur 1a til 1d, beveger et stempel 12 og en fortrenger 14 seg i fasevekselvirkende bevegelse innen sylinderne 16 som, i noen utførelsesformer av Sterlingmotoren, kan være en enkel sylinder. Typisk har fortrengeren 14 ikke noen tetning. Imidlertid kan en fortrenger 14 med en tetning (vanligvis kjent som et ekspansjonsstempel) benyttes. Både en fortrenger uten en tetning eller et ekspansjonsstempel vil fungere i en Sterlingmotor i en "ekspansjons"-sylinder. Et arbeidsfluid som rommes innen sylinderne 16 er ved hjelp av tetninger holdt tilbake fra å unnslippe rundt stempel 12 og fortrenger 14. Arbeidsfluidet utvelges med hensyn til dets termodynamiske egenskaper, som diskutert i den følgende beskrivelse, og er typisk helium ved ettertrykk på flere atmosfærer. Fortrengeren 14 posisjon styrer hvorvidt arbeidsfluidet er i kontakt med het grenseflate 18 eller kald grenseflate 20, som hhv. svarer til de grenseflater ved hvilke varme leveres til eller ekstraheres fra arbeidsfluidet. Tilførselen og ekstraksjonen av varme er diskutert i ytterligere detalj nedenfor. Volumet av arbeidsfluid styres av posisjonen av stempelet 12 og betegnes som kompresjonsrom 22.

I løpet av motorsyklusens første fase, hvis utgangstilstand er avbildet i figur 1a, komprimerer stempelet 12 fluidet i kompresjonsrommet 22. Kompresjonen opptrer ved en i det vesentlige konstant temperatur fordi varme ekstraheres p.g.a. fluidet til det omgivende miljø. I praksis er det frembrakt et kjøleapparat (ikke vist). Tilstanden for motoren 10 etter kompresjonen er avbildet i figur 1b. I løpet av syklusens andre fase, beveger fortrengeren 14 seg i retning av kald grenseflate 20, med arbeidsfluidet forflyttet fra regionen tilhørende kald grenseflate 20 til regionen tilhørende varm grenseflate 18. Denne fase kan betegnes som overføringsfasen. Ved avslutningen av overføringsfasen, er fluidet ved et høyt trykk siden arbeidsfluidet har blitt oppvarmet ved konstant volum. Det økte trykk er avbildet symbolsk i figur 1c ved avlesningen av trykkmåler 24.

I løpet av motorsyklusens tredje fase (ekspansjonslaget), øker volumet av kompresjonsrommet 22 idet varmen trekkes inn fra utenfor motoren 10, hvorved varme konverteres til arbeid. I praksis frembringes varme til fluidet ved hjelp av et varmeapparat (ikke vist). Ved avslutning av ekspansjonsfasen, er kompresjonsrommet 22 fullt av kaldt fluid, som avbildet i figur 1d. I løpet av motorsyklusens fjerde fase, overføres fluid fra regionen rundt het grenseflate 18 til regionen rundt kald grenseflate 20 ved bevegelse av fortrengeren 14 i motsatt regning. Ved avslutningen av denne andre overføringsfase, fyller fluidet kompresjonsrommet 22 og kald grenseflate 20, som avbildet i figur 1a, og er klar for en repetisjon av kompresjons-fasen. Sterlingsyklusen er avbildet i et P-V (trykk-volum) diagram som vist i figur 1e.

Dessuten, under passering fra regionen rundt het grenseflate 18 til regionen rundt kald grenseflate 20, kan fluidet passere gjennom en regenerator (ikke vist). Regeneratoren kan være en matrise av materialer med et stort forhold mellom overflateareal og volum som tjener til å absorbere varme fra fluidet når den ankommer helt fra regionen rundt het grenseflate 18 og for å oppvarme fluidet når det passerer fra regionen rundt kald grenseflate 20.

Virkemåten for et Sterlingsyklus-kjøleapparat (kjøleskap) kan også beskrives under henvisning til figurene 1a-1e, hvori identiske henvisningstall benyttes for å identifisere de samme eller liknende deler. Forskjellen mellom den motor som er beskrevet i det foregående og en Sterlingmaskin hvilken benyttes som et kjøle-apparat er at kompresjonsvolumet 22 typisk er i termisk kommunikasjon med omgivningstemperatur og ekspansjonsvolum 24 er forbundet med en utvendig kjølende last (ikke vist). Kjøleapparat-drift krever ingen netto arbeidsinnmating.

Sterlingsyklus-motorer har ikke generelt vært benyttet til praktiske formål, og Sterlingsyklus-kjøleapparater har vært begrenset til det spesielle området kryogenikk, p.g.a. flere avskrekkende ingeniørmessige utfordringer når det gjelder utviklingen av den. Disse involverer slike praktiske betraktninger som effektivitet, vibrasjon, levetid og kostnad. Den foreliggende oppfinnelse tar opp disse betraktninger.

Et vesentlig problem som opptrer ved utforming av visse motorer, inklusive den kompakte Sterlingmotor, gjelder den friksjon som genereres av et glidende stempel og som kommer av feil innretning av stempelet i sylinderen og sideveis krefter som påføres stempelet fra leddkoplingen av stempelet til en roterende veivaksel. I en typisk kjent teknikks stempelveivaksel-konfigurasjon i likhet med den i figur 2 avbildede, utfører et stempel 10 vekselvirkende bevegelse langs lengderetningen 12 innen sylinderet 14. Stempelet 10 er koplet til en ende av forbindelsesstang 16 ved en pivot i likhet med en bolt 18. Den andre ende 20 av forbindelsesstangen 16 er koplet til en veivaksel 22 i en fiksert avstand 24 fra veivakselens rotasjonsakse 26. Idet veivakselen 22 roterer rundt rotasjonsaksen 26, tegner forbindelsesstangenden 20 som er forbundet med veivakselen en sirkulær bane mens forbindelsesstangenden 28 som er forbundet med stempelet 10 tegner en lineær bane 30. Forbindelsesstangvinkelen 32, som er definert av forbindelsestangens lengdeakse 34 og stempelets akse 30, vil variere når veivakselen roterer. Den maksimale forbindelsesstangvinkel vil avhenge av forbindelsesstang—utslaget på veivakselen og av forbindelsestangens lengde. Den kraft som overføres fra forbindelsesstangen kan oppdeles i en langsgående komponent 38 og en sideveis komponent 40, som begge virker gjennom bolt 18 på stempel 10. Den maksimale forbindelsesstangvinkel kan minimaliseres ved å minske forbindelsesstangutslaget 24 på veivakselen 22 eller ved å øke forbindelsestangens lengde. Imidlertid vil det å minske forbindelsesstangutslaget på veivakselen minske stempelets slaglengde og resultere i mindre A(pV) arbeid per stempelsyklus. Det å øke opp forbindelsestangens lengde kan ikke redusere forbindelsesstangvinkelen til null men øke faktisk veivakselens størrelse, noe som resulterer i en mindre bærbar og kompakt motor.

Under henvisning nå til motorkonfigurasjonen av kjent teknikk fra figur 3, er det kjent at med sikte på å redusere de sideveis krefter på stempelet, kan et føringsledd 42

benyttes som et føringssystem for å oppta sideveis krefter samtidig som bevegelsen av stempelet 10 tvinges til en lineær bevegelse. I en føringsledd-utforming, erstattes forbindelsestangen 16 med kombinasjonen av føringsledd 42 og en forbindelsestang 16. Føringsledd 42 er på linje med veggen 44 i stempelsylinder 14 og er, ved hjelp av to sett av valser eller førere, fremre valse 46 og bakre valse 48, tvunget til å følge

lineær bevegelse. Enden 50 på føringsledd 42 er forbundet med forbindelsestang 16 som, i sin tur, er forbundet med veivaksel 22 i en avstand et stykke ut fra veivakselens rotasjonsakse 26. Føringsledd 42 fungerer som en forlengelse av stempelet 10 og de sideveis krefter på stempelet som normalt ville bli overført til sylinderveggene 44 tas i stedet opp av de to sett av valser 46 og 48. Begge sett av valser 46 og 48 blir avkrevet å opprettholde samme lineære innstilling som førings-ledd 42 og å oppta de sideveis krefter som overføres til føringsleddet ved hjelp av forbindelsestangen. Avstand d mellom det fremre sett av valser og det bakre sett av valser kan reduseres for å minske veivakselens størrelse (ikke vist). Imidlertid vil det å øke avstanden mellom valsene øke den sideveis last 54 på det fremre sett av valser siden det bakre valsesett fungerer som et omdreiningspunkt 56 for en arm 58 som defineres av føringsleddets forbindelsespunkt 52 og forbindelsestang 16.

Føringsleddet vil generelt øke veivakselens størrelse fordi føringsleddet må være av tilstrekkelig lengde slik at når stempelet er på sin maksimale forlengelse inn i stempelsylinderen, rager føringsleddet ut av stempelsylinderen slik at de to sett av valser opprettholder kontakt med og innretning av føringsleddet.

Oppsummering av oppfinnelsen

I følge et aspekt ved oppfinnelsen, er det frembrakt en leddkopling for å kople et stempel som gjennomgår vekselvirkende lineær bevegelse langs en lengdeakse til en veivaksel som gjennomgår roterende bevegelse rundt en rotasjonsakse til veivakselen, og som er kjennetegnet ved en føringsledds føringsenhet for å bære sideveis laster i føringsleddets distale ende, idet føringsleddets føringsenhet har en første valse, der den første valsen har et rotasjonssenter som er fiksert i forhold til veivakselens rotasjonsakse og en rand i rullende kontakt med føringsleddets distale ende, og videre kjennetegnet ved at stangforbindelsespunktet er ved enden til føringsleddet distalt til stemplet.

I samsvar med alternative utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse, kan føringsleddets føringsenhet ytterligere inkluderer en fjærmekanisme for å drive den første valse sin rand i kontakt med føringsleddets distale ende. Føringsleddets føringsenhet kan ytterligere inkluderer en andre valse motstående til den første valse, idet den andre valse har et rotasjonssenter og en rand i rullende kontakt med føringsleddets distale ende.

Den andre valsen kan ytterligere inkluderer en presisjons-posisjoneringsmekanisme for å posisjonere den andre valses rotasjonssenter i forhold til lengdeaksen. Presisjons-posisjoneringsmekanismen kan være en noniemekanisme med en eksentrisk aksel for å variere avstanden mellom den andre valses rotasjonssenter og lengdeaksen.

En linje som er definert av sentrene til den første og den andre valse kan inkludere stangforbindelsespunktet når veivakselens forbindelsespunkt er i en posisjon midt i slaget.

I samsvar med et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelse, er det frembrakt en maskin, omfattende: et stempel med en langsgående bevegelsesakse; en veivaksel som er i stand til å rotere rundt en rotasjonsakse, idet rotasjonsaksen i det vesentlige er vinkelrett på lengdeaksen; og en leddkopling, i samsvar med det som er angitt ovenfor, som kobler stemplet til veivakselen.

I følge med nok et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelse, er det frembrakt en sterlingsyklus-maskin omfattende: et fortrengerstempel innrettet til å gjennomgå vekselvirkende bevegelse langs en første langsgående akse, et kompresjonsstempel innrettet til å gjennomgå vekselvirkende bevegelse langs en andre langsgående akse; en veivaksel som gjennomgår roterende bevegelse rundt en rotasjonsakse til veivakselen for å kople mekanisk energi med hensyn til maskinen; hvori hvert stempel er koblet til veivakselen av en respektiv leddkopling som angitt ovenfor.

I alternative utførelser av sterlingsyklus-maskin kan hvert føringsledds føringsenhet ytterligere inkluderer en fjærmekanisme for å drive randen til den første valsen i kontakt med det respektive føringsledds distale ende. Videre kan hvert føringsledds føringsenhet ytterligere inkluderer en andre valse motstående til den første valsen, idet den andre valsen har et rotasjonssenter og en rand i rullende kontakt med føringsleddets distale ende.

I det minste en av de andre valser kan inkludere en presisjons-posisjoneringsmekanisme for å posisjonere den i det minste ene andre valses rotasjonssenter i forhold til den respektive langsgående aksen. Presisjons-posisjoneringsmekanismen kan være en noniemekanisme med en eksentrisk aksel for å variere en avstand mellom den andre valses rotasjonssenter og den respektive langsgående aksen.

Den første og den andre langsgående aksen er foretrukket i det vesentlige i samme plan.

Sterlingsyklus-maskinen kan omfatte en veivaksel forbindelsesenhet for å kople den første forbindelsesstang og den andre forbindelsesstang til veivakselen slik at den vekselvirkende bevegelsen langs den første og den andre langsgående aksen i det vesentlige er i samme plan. Veivaksel koplingsenheten kan ytterligere inkludere et gaffelkoplingselement som er forbundet mellom den første forbindelsesstang og veivakselen og et bladkoplingselement som er forbundet mellom den andre forbindelsesstang og veivakselen.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil være lettere tilgjengelig under henvisning til den følgende beskrivelse, sett i samband med de vedlagte tegninger, hvori:

Figur 1 a-1 e viser virkemåten for en Sterlingsyklus-maskin av kjent teknikk.

Figur 2 viser et tverrsnitt av en kjent teknikks leddkopling for en motor; Figur 3 viser et tverrsnitt av en andre kjent teknikks leddkopling for en motor, idet leddkoplingen har et føringsledd; Figur 4 viser et tverrsnitt av en sammenfoldet føringsledd-leddkopling for en motor i samsvar med en foretrukken utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse; Figur 5a viser et tverrsnitt av et stempel og en føringsenhet for å tillate presisjonstilpasning av stempelbevegelse ved anvendelse av nonietilpasning i samsvar med en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 5b viser et sideriss av presisjonstilpasnings-mekanismen i samsvar med

en utførelsesform av oppfinnelsen.

Figur 5c viser et perspektivriss av presisjonstilpasningsmekanismen fra figur 5b

i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen.

Figur 5d viser et toppriss av presisjonstilpasningsmekanismen fra figur 5b i

samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen.

Figur 5e er et toppriss av presisjonstilpasningsmekanismen fra figur 5b med både låsehullene og braketthullene fremvist i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 6 viser et tverrsnitt av en sammenfoldet føringsledd-leddkopling for en tostempel maskin slik som en Sterlingsyklus-maskin i samsvar med en foretrukken utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse; Figur 7 viser et tverrsnitt av en veivakselskoplingsenhet av typen "gaffel og

blad" i samsvar med en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen.

Figur 8 viser et perspektivriss av en utførelseform av den doble

sammenfoldete føringsledd-leddkopling fra figur 6.

Figur 9a viser et perspektivriss av en Sterling-motor i samsvar med en

foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen.

Figur 9b viser et perspektivriss av den kalde seksjons basisplate og den nedre brakett fra figur 9a hvor den nedre brakett er montert på den kalde seksjons basisplate i samsvar med en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelsesformer

Idet det nå henvises til figur 4, er det vist et skjematisk diagram av en sammenfoldet føringsledd-leddkopling som generelt er betegnet med henvisningstallet 100. Et stempel 101 er stivt koplet til stempelenden på et føringsledd 103 i et stempel-forbindelsespunkt 102. Føringsledd 103 er roterbart forbundet med en forbindelsesstang 105 i et stangforbindelsespunkt 104. Stempelforbindelsespunktet 102 og stangforbindelsespunktet 104 definerer lengdeaksen 120 av føringsleddet 103.

Forbindelsesstang 105 er roterbart forbundet med en veivaksel 106 i et veivaksels forbindelsespunkt 108 som er satt en bestemt avstand ut fra veivakselens rotasjonsakse 107. Veivakselens rotasjonsakse 107 er vinkelrett på lengdeaksen 120 for føringsleddet 103 og veivakselens rotasjonsakse 107 er plassert mellom stangforbindelsespunktet 104 og stempelforbindelsespunktet 102.1 en foretrukket utførelsesform, skjærer veivakselens rotasjonsakse 107 gjennom lengdeaksen 120.

En ende 114 på føringsledd 103 er tvunget mellom en første valse 109 og en motstående andre valse 111. Sentrumet for valse 109 og valse 111 er betegnet med hhv. henvisningsnummeret 110 og 112. Posisjonen for føringsleddets stempelleddkopling 100 som avbildet i figur 1 er den for middelpunktet i syklusens slag. Dette skjer når radiussen 116 mellom veivakselens forbindelsespunkt 108 og veivakselens rotasjonsakse 107 er vinkelrett på det plan som defineres av veivakselens rotasjonsakse 107 og lengdeaksen for føringsleddet 103.1 en foretrukket utførelsesform plasseres valsene 109, 111 i forhold til føringsleddet 103 på en slik måte at stangforbindelsespunktet 104 befinner seg i en linje som defineres av valsenes 109,111 sentere 110,112 midt i slaget. Idet valsene 109,111 slites under anvendelse, vil føringsleddets feiltilpasning øke. I en foretrukket utførelsesform, er den første valse 109 fjærbelastet til opprettholdelse av rullende kontakt med føringsleddet 103.1 samsvar med utførelsesformer av oppfinnelsen, kan føringsledd 103 omfatte subkomponenter slik at føringsleddets parti 113 proksimalt til stempelet kan være et lettvektsmateriale slik som aluminium, mens et "hale"-parti 114 på føringsleddets distalt til stempelet kan være et holdbart materiale slik som stål for å redusere slitasje p.g.a. friksjon i valsene 109 og 111.

Tilpasning av føringsleddets 103 lengdeakse 120 i forhold til stempelsylindere 14 opprettholdes ved hjelp av valsene 109,111 og av stempelet 101. Idet veivakselen 106 roterer rundt veivakselens rotasjonsakse 107, tegner stangforbindelsespunktet 104 en lineær bane langs føringsleddets 103 lengdeakse 120. Stempelet 101 og føringsleddet 103 danner en arm med stempelet 101 i en ende av armen og stang-enden 114 på føringsleddet 103 i den annen ende av armen. Armens omdreiningspunkt er på den linje som defineres av valsenes 109,111 sentere 110, 112. Armen er belastet med en kraft som påføres i stangforbindelsespunktet 104. Idet stangforbindelsespunktet 104 tegneren bane langs føringsleddets 103 lengdeakse, vil avstanden mellom stangforbindelsespunktet 104 og omdreiningspunktet, den første hevarm, variere fra null til halvparten av stempelets 101 slaglengde. Den andre hevarm er avstanden fra omdreiningspunktet til stempelet 101. Armforholdet mellom den andre hevarm og den første hevarm vil alltid være større enn en, fortrinnsvis innen området fra 5 til 15. Den sideveis kraft ved stempelet 101 vil bli tvangspåført til stangforbindelsespunktet 104 skallert med armforholdet; desto større armforholdet er, desto mindre er den sideveis kraft ved stempelet 101.

Ved å flytte forbindelsespunktet til den side av veivakselen som er distal til den for stempelet, behøver avstanden mellom veivakselens akse og stempelsylinderen ikke å økes for å motta valsehuset. Dermed kreves utelukkende et sett valser for å rette opp stempelet, hvilket fordelaktig reduserer valsehusets størrelse og motorens samlede størrelse. I samsvar med oppfinnelsen, og selv om stempelet opplever en sideveis kraft som er forskjellig fra null (i motsetning til et vanlig føringsledds utforming hvor den sideveis kraft for et perfekt innrettet stempel er null), kan den sideveis kraft være minst en størrelsesorden mindre enn det som erfares med et enkelt arrangement av forbindelsesstang og veivaksel p.g.a. den store hevarm som dannes ved hjelp av føringsleddet.

Sideveis krefter på et stempel kan gi opphav til støy og til slitasje. Ytterligere friksjon kan genereres ved feilinnretning av stempelet i sylinderen. En løsning på inn-retningsproblemet blir nå diskutert under henvisning til figurene 5a-5e. Figur 5a viser et skjematisk diagram av et stempel 201 og en føringsenhet 209 for å tillate presisjonsinnretning av stempelbevegelse ved anvendelse av en nonieinnretning i samsvar med en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen. Stempelet 201 utfører en vekselvirkende bevegelse langs en lengdeakse 202 i sylinder 200. Et føringsledd 204 er koplet til stempelet 201. En ende av føringsleddet 204 er tvunget inn mellom en første valse 205 og en motstående andre valse 207. Sentrene for valse 205 og valse 207 er hhv. betegnet med henvisningstall 206 og 208. En stempelføringsring 203 kan benyttes i en ende av stempelet 201 for å forhindre stempelet 201 fra å berøre sylinderen 200. Imidlertid, dersom stempelet 201 ikke er rettet inn for å bevege seg i en rett linje langs lengdeaksen 202, er det mulig at andre punkter langs stempelets 201 lengde som ikke er koplet til føringsringen kan berøre sylinderen 200.1 en foretrukket utførelsesform, er stempelet 201 rettet inn ved anvendelse av valser 205 og 207 og føringsledd 204 slik at stempelet 201 beveger seg langs lengdeaksen 202 i en rett linje og i det vesentlige er sentrert i forhold til sylinderen 200.

I samsvar med den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen, kan stempelet 201 rettes inn i forhold til stempelsylinderen 200 ved justering av posisjonen for senteret 208 av den andre valse 207. Den første valse 205 er fjærbelastet til opprettholdelse av rullende kontakt med føringsleddet 204. Den andre valse 207 er montert på en eksentrisk flens slik at rotasjonen av flensen får den andre valse 207 til å bevege seg sideveis i forhold til lengdeaksen 202. En enkelt bolt (ikke vist) kan benyttes for å fastholde den andre valse 207 i en posisjon. Bevegelsen av den andre valse 207 vil få føringsleddet 204 og stempelet 201 til også å bevege seg sideveis i forhold til lengdeaksen 202. På denne måte kan stempelet 201 rettes inn slik at det beveger seg i sylinder 200 i en rett linje som i det vesentlige er sentrert i forhold til sylinderen 200. Figur 5b viser et sideriss av en utførelsesform av en presisjonsinnretnings- eller presisjonstilpasnings-mekanisme. En valse 207 er roterbart montert på et låsende eksenter 211 med en nedre ende 212 og en øvre ende 213. Valsen er montert på et parti 210 av det låsende eksenter 211 med en valses rotasjonsakse som er forskjøvet fra rotasjonsaksen for det låsende eksenter 211. Den nedre ende 212 er roterbart montert i en nedre brakett (ikke vist). Den øvre ende 213 er roterbart montert på en øvre brakett 214. Figur 5c viser et perspektivriss av den utførelses-form som er vist i figur 5b. Den øvre brakett 214 har et antall braketthull 220 båret gjennom den øvre brakett 214.1 en foretrukket utførelsesform, er atten braketthull båret gjennom den øvre brakett 214. Braketthullene 220 er forskjøvet i en avstand fra rotasjonssatsen for det låsende eksenter 211 og er plassert i jevn avstand rundt den omkrets som er definert av den forskjøvne avstand. Figur 5d viser et toppriss av den utførelsesform som er vist i figur 5b. Den øvre ende 213 av det låsende eksenter 211 har et antall låsende hull 215. Antallet av låsende hull 215 bør ikke være identisk med antallet av braketthull 220.1 en foretrukket utførelsesform, er antallet låsende hull 215 lik nitten. De låsende hull 215 er for-skjøvet fra det låsende eksenters 211 rotasjonsakse med den samme avstand som benyttes for å forskyve braketthullene 220. Låsehullene 215 er plassert i jevn avstand rundt den omkrets som defineres av den forskjøvne avstand. Figur 5d viser også en låsende mutter 216 som tillater det låsende eksenter 211 å rotere når den låsende mutter 216 er løs. Når den låsende mutter 216 er strammet, utgjør den låsende mutter 216 en rigid forbindelse mellom det låsende eksenter 211 og den øvre brakett 214. Figur 5e er det samme riss som vist i figur 5d men med de låsende hull 215 vist.

Under montering, rettes stempelet inn på følgende måte. Det sammenfoldete føringsledd monteres med låsemutteren 216 i en løsnet tilstand. Stempelet 201 (figur 5a) rettes inn innen stempelsylinderen 200 (figur 5a) visuelt ved å rotere det låsende eksenter 211. Idet det låsende eksenter 211 roteres, vil valsens rotasjonsakse 208 (figur 5a) forflyttes både sideveis og i lengderetning til føringsleddets lengdeakse 202 (figur 5a). Det store armforhold for den foreliggende oppfinnelse krever bare en meget liten forflytning av valsens rotasjonsakse 208 (figur 5a) i forhold til lengdeaksen 202 (figur 5a) for å rette inn stempelet 201 (figur 5a) innen stempelsylinderen 200 (figur 5a). I samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen, kan spennet for maksimal forflytning være fra 0,000 cm til 0,127 cm (0,000 tommer til 0,050 tommer). I en foretrukket utførelsesform, er den maksimale forflytning mellom 0,025 cm og 0,076 cm. Idet det låsende eksenter 211 roteres, vil de låsende hull 215 komme på linje med et braketthull 220. Figur 5d viser en slik innstilling 230. Straks stempelet 201 (figur 5a) er rettet inn i stempelsylinderen 200 (figur 5a), blir en bolt (ikke vist) satt inn gjennom det innrettede braketthull og inn i det innrettede låsehull slik at det låsende eksenter 211 derved låses. Den låsende mutter 216 blir deretter strammet for og stivt å forbinde den øvre brakett 214 med det låsende eksenter 211.

I samsvar med en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen, kan en dobbel sammenfoldet føringsledds stempelleddkopling slik som vist i tverrsnitt i figur 6 og der betegnet generelt ved henvisningstall 300 inkorporeres i en kompakt Sterling-motor. Idet det nå henvises til figur 6, er stemplene 301 og 311 hhv. fortrenger- og kompresjons-stempler, for en Sterlingsyklus-motor. Ved anvendelse i denne beskrivelse og i de følgende krav, er et fortrengningsstempel enten et stempel uten en tetning eller et stempel med en tetning (vanlig kjent som et "ekspansjonsstempel). Sterlingsyklusen er basert på to stempler som utfører vekselvirkende lineær bevegelse ca. 90° utav fase med hverandre. Denne fasing oppnås når stemplene er orientert i rette vinkler og de respektive forbindelsesstenger deler en felles bolt for en veivaksel. Ytterligere fordeler med denne orientering inkluderer reduksjon av vibrasjon og støy. Dessuten kan de to stempler med fordel ligge i det samme plan for å eliminere rystende vibrasjoner vinkelrett på stemplenes plan. I samsvar med en foretrukken utførelsesform, blir en veivakselkoplingsenhet av typen "gaffel og blad", som beskrevet i det følgende, benyttet for å kople forbindelses-stengene 306 og 316 til veivakselen 308 hhv. i veivakselforbindelsespunktene 307 og 317 slik at stemplene 301 og 311 kan bevege seg i det samme plan.

Figur 7 vises et tverrsnitt av en koplingsenhet av typen "gaffel og blad". En veivaksel 400 har en veivakselbolt 401. Veivakselbolten 401 roterer rundt veivakselens rotasjonsakse 402. Et første koplingselement 403 er et "blad"-ledd. Med andre ord, som det ses i figur 7, er "bladet" et enkelt ledd som benyttes for å kople en første forbindelsesstang til veivakselbolten 401. Et andre koplingselement 404 inkluderer et "gaffel"-ledd. "Gaffelen" er, slik det ses i figur 7, et par ledd som benyttes for å kople en andre forbindelsesstang til veivakselbolten 401. De første og andre koplings-elementer 403 og 404 kan benyttes for å kople to forbindelsesstenger til den samme veivakselbolt slik at forbindelsesstengenes bevegelse i det vesentlige skjer innen det samme plan. Idet det nå på nytt henvises til figur 6, kan en veivakselkoplingsenhet av typen "gaffel og blad" slik det er vist i figur 7 benyttes for å forbinde den første koplingsstang 306 og den andre koplingsstang 316 til veivakselen 308 i veivakselens forbindelsespunkter hhv. 307 og 317. Selv om oppfinnelsen er beskrevet generelt under henvisning til den Sterlingmotor som er vist i figur 1, skal dette oppfattes dithen at mange motorer så vel som kjøleapparater på liknende måte kan dra nytte av liknende utførelsesformer og forbedringer som er gjenstander for den foreliggende oppfinnelse.

Den konfigurasjon av en Sterlingmotor som er vist i tverrsnitt i figur 6, og i perspektiv i figur 8, blir betegnet som en alfakonfigurasjon, og kjennetegnes ved at kompresjonsstempel 311 og fortrengerstempel 301 gjennomgår lineær bevegelse innen respektive og distinkte sylindrer: kompresjonsstempel 311 i kompresjons-sylinder 320 og fortrengerstempel 301 i ekspansjonssylinder 322. Føringsledd 303 og føringsledd 313 er rigid koplet til fortrengerstempel 301 og kompresjonsstempel 311 ved stempelforbindelsespunkter hhv. 302 og 312. Forbindelsesstenger 306 og 316 er roterende koplet i forbindelsespunkter 305 og 315 tilhørende de distale ender av føringsledd 303 og 313 til veivakselen 308 i veivakselforbindelsespunkter 307 og 317. Sideveis laster på føringsledd 303 og 313 tas opp av rullerpar 304 og 314. Som diskutert i det foregående med hensyn til figurene 4 og 5, kan stemplene 301 og 311 rettes opp innen sylindrene hhv. 320 og 322 ved anvendelse av slik presisjonsinnretning av rullerpar 304 og 314.

Som diskutert i det foregående med hensyn til figurene 1 a-1 f, fungerer en Sterlingmotor under trykksatte betingelser. Typisk benyttes et veivhus til å bære veivakselen og opprettholde de trykksatte betingelser under hvilke Sterlingmotoren fungerer. Veivakselen skal bæres i begge ender av veivaksel-lagerholdere som skal monteres i selve veivhuset. Idet veivhuset trykksettes, kan imidlertid veivhusets dimensjoner endres eller deformeres. Dersom den samme struktur benyttes for å bære veivakselen, kan deformasjonen av veivhuset resultere i en feil innretning av veivakselen, noe som plasserer en voldsom byrde på lagrene og reduserer motorens levetid signifikant. Med sikte på å redusere eller forebygge den feilinnretning av veivakselen som forårsakes av deformasjonen av veivhuset, kan veivhusets bærefunksjon adskilles fra veivhusets trykkfunksjon som vist i figur 9a.

Figur 9a er et perspektivriss av en Sterlingmotor i samsvar med en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen. Et stempelføringsledd 503 og valser 507-enhet er vist som beskrevet med hensyn til figurene 4, 7 og 8. En kaldpartis basisplate 501 er koplet til en trykklukning 504 for å danne et veivhus og å definere et trykksatt volum. En øvre brakett 506 og en nedre brakett 505 er festet til den kalde partis basisplate 501 ved anvendelse av brakettmonteringshull 509 på brakettbasisholderen 502 tilhørende kaldpartis basisplate 501.1 en foretrukket utførelsesform, er den øvre brakett 506 og den nedre brakett 505 festet til kaldseksjonens basisplate 501 ved anvendelse av skruer. Veivakselen 508 bæres i begge ender av veivaksel-lagerholdere (ikke vist). Veivaksel-lagerholdere er montert på øvre brakett 506 og nedre brakett 505. På denne måte er lagerholderne med fordel ikke direkte montert på veivhuset. Valsen 507 er også koplet til øvre brakett 506 og nedre brakett 505 som beskrevet under hensyn til figurene 5a-5e.

Figur 9b er et perspektivriss av kaldpartis basisplate 501 som er koplet til den nedre brakett 505 fra figur 9a. Veivakselen 508 er forbundet med den nedre brakett 505. Den nedre brakett 505 er montert på kaldpartis basisplaten 501. En åpning 510 i kaldpartis basisplaten 501 er frembrakt for et stempel og en sylinder. Som beskrevet i det foregående, er veivakselen 508, i en foretrukken utførelsesform, båret av veiv-aksellagerholdere (ikke vist) i begge ender. Lagerholderne blir deretter montert på øvre 506 og nedre 505 braketter. Denne konfigurasjonen frikopler med fordel den deformasjon av veivakselen som forårsakes av Sterlingmotorens trykksatte driftsbetingelser fra motorens innretning. Selv om veivakselen fremdeles vil deformeres under høyt trykk, vil deformasjonen ikke påvirke innretningen av veivakselen fordi veivakselen ikke er direkte montert på veivhuset. Denne konfigurasjonen reduserer også med fordel lagerlastene ved å forkorte avstanden mellom lagerholderne (avstand mellom øvre og nedre braketter i stedet for avstanden mellom veivakselens motstående sider). I en foretrukket utførelsesform, kan den kalde basisplates region også forsterkes lokalt for ytterligere å redusere den lokale deformasjon av brakett-holderen p.g.a. de trykksatte driftsbetingelser.

De innretninger og fremgangsmåter som er beskrevet heri kan benyttes i andre applikasjoner ved siden av den Sterlingmotor som oppfinnelsen har vært beskrevet i samband med. De beskrevne utførelsesformer av oppfinnelsen er ment utelukkende å være eksempler og tallrike varianter og modifikasjoner vil være innlysende for fagfolk. Alle slike variasjoner og modifikasjoner er ment å befinne seg innen rekkevidden av den foreliggende oppfinnelse slik den er beskrevet i de vedlagte krav.

Claims (15)

1. Leddkopling (100) for å kople et stempel (101) som gjennomgår vekselvirkende lineær bevegelse langs en lengdeakse til en veivaksel (106) som gjennomgår roterende bevegelse rundt en rotasjonsakse til veivakselen, idet lengdeaksen og rotasjonsaksen i det vesentlige er vinkelrette på hverandre, hvor leddkoplingen omfatter: et føringsledd (103) med en første ende proksimalt til stempelet, idet den første enden er koplet til stempelet, og med en andre ende distalt til stempelet slik at rotasjonsaksen er plassert mellom føringsleddets proksimale ende og distale ende; og en forbindelsesstang (105) med en forbindelsesende og en veivakselende, idet forbindelsesenden er roterbart forbundet med føringsleddet ved et stangforbindelsespunkt (104) og veivakselenden er koplet til veivakselen i et veivaksel-forbindelsespunkt (108) til side for veivakselens rotasjonsakse;karakterisertved en føringsledds føringsenhet (109,111) for å bære sideveis laster i førings-leddets distale ende, idet føringsleddets føringsenhet har en første valse (109), der den første valsen har et rotasjonssenter som er fiksert i forhold til veivakselens rotasjonsakse og en rand i rullende kontakt med føringsleddets distale ende, og videre kjennetegnet ved at stangforbindelsespunktet (104) er ved enden til føringsleddet distalt til stemplet.

2. Leddkopling i følge krav 1,karakterisert vedat føringsleddets føringsenhet (109,111) ytterligere inkluderer en fjærmekanisme for å drive den første valse (109) sin rand i kontakt med føringsleddets distale ende.

3. Leddkopling i følge krav 2,karakterisert vedat føringsleddets føringsenhet ytterligere inkluderer en andre valse (111) motstående til den første valse, idet den andre valse har et rotasjonssenter og en rand i rullende kontakt med føringsleddets distale ende.

4. Leddkopling i følge krav 3,karakterisert vedat den andre valsen (111) ytterligere inkluderer en presisjons-posisjoneringsmekanisme for å posisjonere den andre valses rotasjonssenter i forhold til lengdeaksen.

5. Leddkopling i følge krav4,karakterisert vedat presisjons-posisjoneringsmekanismen er en noniemekanisme med en eksentrisk aksel (211) for å variere avstanden mellom den andre valses rotasjonssenter og lengdeaksen.

6. Leddkopling i følge krav 1,karakterisert vedat en linje som er definert av sentrene til den første (109) og den andre valse (111) inkluderer stangforbindelsespunktet (104) når veivakselens forbindelsespunkt er i en posisjon midt i slaget.

7. Maskin, omfattende: et stempel (101) med en langsgående bevegeIsesakse; en veivaksel (106) som er i stand til å rotere rundt en rotasjonsakse, idet rotasjonsaksen i det vesentlige er vinkelrett på lengdeaksen; og en leddkopling (100), i samsvar med ett eller flere av de foregående krav, som kobler stemplet til veivakselen.

8. Sterlingsyklus-maskin omfattende: et fortrengerstempel (101) innrettet til å gjennomgå vekselvirkende bevegelse langs en første langsgående akse, et kompresjonsstempel innrettet til å gjennomgå vekselvirkende bevegelse langs en andre langsgående akse; en veivaksel (106) som gjennomgår roterende bevegelse rundt en rotasjonsakse til veivakselen for å kople mekanisk energi med hensyn til maskinen; hvori hvert stempel (101) er koblet til veivakselen av en respektiv leddkopling (100) i samsvar med ett eller flere av kravene 1 til 6.

9. Sterlingsyklus-maskin i følge krav 8,karakterisert vedat hvert føringsledds føringsenhet (109, 111) ytterligere inkluderer en fjærmekanisme for å drive randen til den første valsen i kontakt med det respektive føringsledds distale ende.

10. Sterlingsyklus-maskin i følge krav 9,karakterisert vedat hvert føringsledds føringsenhet (109,111) ytterligere inkluderer en andre valse (109) motstående til den første valsen, idet den andre valsen har et rotasjonssenter og en rand i rullende kontakt med føringsleddets distale ende.

11. Sterlingsyklus-maskin i følge krav 10, /ca ra kte ri se rt ved at i det minste en av de andre valser (111) inkluderer en presisjons-posisjoneringsmekanisme for å posisjonere den i det minste ene andre valses rotasjonssenter i forhold til den respektive langsgående aksen.

12. Sterlingsyklus-maskin i følge krav 11,karakterisert vedat presisjons-posisjoneringsmekanismen er en noniemekanisme med en eksentrisk aksel (211) for å variere en avstand mellom den andre valses rotasjonssenter og den respektive langsgående aksen.

13. Sterlingsyklus-maskin i følge krav 10,karakterisert vedat den første og den andre langsgående aksen i det vesentlige er i samme plan.

14. Sterlingsyklus-maskin i følge krav 8,karakterisert vedaten veivaksel forbindelsesenhet (403, 404) for å kople den første forbindelsesstang og den andre forbindelsesstang til veivakselen slik at den vekselvirkende bevegelsen langs den første og den andre langsgående aksen i det vesentlige er i samme plan.

15. Sterlingsyklus-maskin i følge krav 14,karakterisert vedat veivaksel koplingsenheten ytterligere inkluderer et gaffelkoplingselement som er forbundet mellom den første forbindelsesstang og veivakselen og et bladkoplingselement som er forbundet mellom den andre forbindelsesstang og veivakselen.