TWI338098B - Free piston with time varying clearance seal - Google Patents
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Description
1338098 (1) 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種自由活塞裝置,且特別適用於一使 用線性馬達的活塞,以便提供超低溫致冷器 (cry〇co〇ier )的聲能。 【先前技術】 自由活塞裝置係使用往復式活塞或位移滑塊,但是卻 避開曲柄軸或其他機械連桿來產生移動,反而依賴藉由振 盪氣體壓力所傳遞的整個系統動力,來確保不同系統零件 的適當動作振幅與相位。就其本身而言,對於活塞機構的 位置來說,並無任何自然的限制,因此即使正確地實行該 系統動力,活塞機構的位置也可能產生漂移而偏離中心。 如此便導致縮短了活塞的有效衝程,或者假如產生接觸的 話,就會損壞活塞或其他零件。 在具有餘隙密封的一往復式自由活塞裝置中,活塞會 傾向朝具有較大振盪壓力的一側漂移。已知這一點是由於 在高振盪壓力側很高的半循環期間,流經密封的氣體密度 較高之緣故,以便對抗在另一半循環中的逆流。如此會導 致在活塞的一側上累積氣體,且在平均壓力上也會產生對 應的差異,如此便在活塞上施加一力量,使活塞偏離中心 移動。 先前技術中的校正方式可分爲三大類:(1 )中心埠 (centerport ),係內建於活塞密封中且穿過活塞的洩漏 -4- (2) 1338098 路徑’致使僅當活塞壓力差爲一最小値時,才可以打開此 中心埠’且因此任何內建的平均壓力差在每次循環時將會 . 產生兩次的平衡;(2 )補償流動網路,包括連接到活塞 兩側上的單向閥,或者連接到不同壓力下的儲存槽,這些 補償流動網路係設計用以在通過活塞密封的未平衡流動之 相反方向上洩漏液體;及(3)微擾DC電流,其中一 DC 電流會施加一校正的D C力到以電流起動(例如線性馬 φ 達)之一自由活塞上,以便對抗藉由在一側上的流體累積 所產生的壓力。前兩種方式需要在活塞密封周圍設置一旁 通路徑,此旁通路徑無可避免地會增加製造成本,且導致 可靠度與品質控制等問題。許多這類的方式會需要若干程 度的主動控制及/或調整,以便正確地運作;中心埠及逆 止閥可能會受到碎片等的堵塞,且逆止閥會全部故障。此 旁通路徑亦增加系統的浪費。微擾DC電流需要額外的感 測器與控制用電子裝置,除了用在最小的自由活塞裝置之 #外,其他一點也不實用。 因此,本發明的目的是要提供一種可以抵消活塞漂移 的自由活塞裝置。 【發明內容】 在閱讀過以下的說明之後’對於熟知此項技術者來 說,便能淸楚了解本發明所能獲得的上述與其他目的。 本發明提供一種自由活塞裝置’具有一活塞’該活塞 在一衝程長度上具有一往復頻率’且該自由活塞裝直具有 -5- (3) 1338098 第一與第二側邊,分別正對著第 ' 容納一工作流體,其中該第一與 .封而相通,該餘隙密封係位於活 外殼之間,該自由活塞裝置的特 改變該餘隙密封的幾何形狀,使 一致’而產生時變密封幾何形狀 以減少或消除可能會產生的工作 Φ 減少或消除活塞從其標稱中心沿 【實施方式】 本發明認爲在整個活塞移動 活塞密封,可利用氣流動力學來 要額外的流動路徑或校正DC信 自我定心(self-centering)的, 置、密封周圍額外的洩漏路徑、 • 有失敗模式,且浪費較少。本發 兩者之間具有零淨通量(zero η 形狀可用來控制通過密封的流動 塞及/或密封,則洩漏是可以控ί 制中間位置,致使在每次循環期 生改變,以便抑制或逆轉自由的 活塞位置,同時消除中心埠、旁 要,可使成本降低、效率提高、 數減少。本發明利用中空活塞可 一與第二可變體積,用以 第二體積係藉由一餘隙密 塞與活塞在其中往復的一 徵在於包含一機構,用於 其與活塞往復的週期協調 ,該時變密封幾何形狀可 流體之時間平均流,藉此 著往復軸之漂移。 循環期間能適當變化的一 控制活塞的位置,而不需 號。本發明的自由活塞是 沒有主動控制、調整裝 沒有額外的製造成本、沒 明使用一活塞與一密封, e t f丨u X )。時變密封幾何 。本發明認爲藉由設計活 則且獲得平衡的,因而控 間,此密封幾何形狀會產 淨洩漏通量。被動地控制 通管或逆止閥網路等的需 失敗模式減少,且零件總 對應於活塞殼體的壓力差 -6 - (4) 1338098 而產生撓曲’使得振遢壓力存在時,殻體會在一半的循環 ' 期間產生膨脹,因此縮小了密封間隙,而在另一半的循環 ,期間收縮,因而增加了密封間隙。在大部分具有中空活塞 的裝置中’如此會增加通過此密封的不平衡質量通量,且 增加了活塞漂移。本發明實現了這樣的想法,就是將活塞 設計成可以逆轉在活塞殼體上的平常壓力梯度,使得當壓 力在前方(就是具有較高動力壓力的一側)是很高的時 φ 候,能使密封間隙產生緊縮,且反之亦然《如此便能使活 塞密封本身產生類似逆止閥的功能,因而減少在產生活塞 漂移/偏移的方向上之流動。 以下’將參考附圖詳細說明本發明。現在參考圖1, 可被鑄造成單一工件或由幾個機械部位製成的活塞 (1 ) ’係在一汽缸(2 )中往復,汽缸可以將工作流體分 隔成兩體積(3 )與(4 ),彼此之間藉由一環形餘隙間隙 (5 )相通。假如此活塞是例如線性馬達等起動器之一部 φ 分的話,則它可以藉由一活塞桿(6 )來連接。活塞的外 殼(7)藉由網狀物(8)而分割成區段(9)與(1〇), 此兩個區段在設計時可選擇使用例如餘隙間隙(5 )、活 塞半徑(1 2 )、工作流體特性、在體積(3 )與(4 )內的 .動力壓力之振幅與相位、外殼的厚度(1 1 )以及密封 (1 3 )的總長度等量値。 當體積(3)內的壓力很高而體積(]4)內的壓力很 低時,活塞外殻的區段(9 )會產生徑向膨脹,反之區段 (1 〇 )則產生徑向收縮。這些區段的自由端不會產生任何 (5) 1338098 撓曲’且連接到網狀物(8)的這些尾端具有幾乎等於零 的斜度,致使產生出來的活塞形狀可能會類似圖2所不的 形狀。也就是說,當體積(3)內的瞬時總壓力超過體積 (4 )內的瞬時總壓力時,在區段(9 )內的密封間隙會減 少’而區段(1 0 )內的密封間隙則會增加。假如區段 (9 )比區段(1 〇 )還要長的話,則密封間隙會產生淨減 少’因此阻止了通過密封的流動。當體積(4 )內的壓力 φ 超過體積(3 )內的壓力時,則密封間隙會產生淨增加, 因此有助於流動。要注意的是活塞內殼(1)的撓曲也必 須考慮在內。假如體積(3)內的動力壓力振幅大於體積 (4 )內的動力壓力振幅時,則最好密封能對抗可能發生 的自然時間平均二次質量通量。對抗的通量長度可以藉由 區段(9 )與(1 0 )的相對長度來控制。假如活塞半徑 (1 2 )特別大且活塞外殼(1 !)又特別薄的話,則活塞撓 曲驅動通量將會控制整個二次時間平均通量,致使區段 • (9)與(10)幾乎是相等的。 本發明的此實施例具有許多優點,這些優點中最主要 的在於撓曲活塞外殼在密封內所產生的流動之、逆止閥效 果"’可以輕易地變得強大’足以克服在缺少撓曲的活塞 .時可能發生的自然時間平均質量通量。在真正機器中活塞 外殼的實際揍曲是相當微小的,致使不需要擔心產生疲 勞’因此這一特點代表真正免維修的解決辦法,且不具有 任何額外零件或流動路徑。 圖3顯示類似於圖]的一活塞,但是此活塞的內殼 -8- (6) 1338098 (1 )已經由一實心體積(1 4 )來取代’此實心體積係藉 -由一些機構(1 5 )固定住,使其相對於汽缸呈現靜止不 動。在此情形中的活塞之質量比圖1中所示的實施例還要 小,但是在體積(3 )內的工作流體之體積卻不需要增 加。 本發明亦包括一些其他的結構’如圖4所示,其中除 了活塞之外,活塞密封也會產生撓曲。 φ 在此,活塞(1 )顯示爲實心’因此無法撓曲。爲求 精簡,因此汽缸的結構包含一內殼(2 ) ’藉由餘隙密封 間隙(5)在其內徑上定界,而藉由一或多個環狀體積在 其外徑上定界,在此顯示爲(19)與(20)。一網狀物 (23 )或其他機構可將汽缸外殼(2 )連接到一外殼 (24)或其他堅硬支架上,且分隔此兩個環形體積(19) 與(20 )。此兩個區段(2 1 )與(22 )被選用來縮小活塞 漂移。在圖4所示的範例中,假如體積(3 )內的振盪壓 φ 力振幅超過了體積(4 )內的振盪壓力振幅的話,則可以 預期的是區段(22 )會比區段(2 1 )來得長,使得當體積 (3 )內的總壓力超過體積(4 )內的總壓力時,活塞汽缸 的內殼(2 )會產生一淨徑向壓縮,因此減少了密封間 隙,且阻止從體積(3 )到體積(4 )的流動。 除了撓曲活塞或密封之外,本發明亦包含其他可以時 變活塞幾何形狀的機構。圖5顯示其中一範例。假如密封 內的未平衡質量通量很小的話,則足以 建構一級形汽缸,其中較小直徑的區域(2 )係作爲 (7) 1338098 具有小餘隙間隙(5 )的活塞孔’且將外部區域(〗6 )連 ‘ 接到一堅硬支架或外殼(或壓力容器)的外形部位上。活 塞的放置方式在其平衡位置上,活塞並未定心於此孔內, 卻突出於一側外面。因此,孔(1 3 )的有效密封長度當活 塞移動時可隨著時間調變。由於通過密封的質量通量與其 長度成反比,所以根據活塞與汽缸的結構,在循環中的適 當位置上,可以促進或阻止通過密封的流動。 φ 在圖5所示的範例中,我們假設體積(3)內的動力 壓力振幅超過了體積(4)內的動力壓力振幅,因此活塞 自然地產生傾斜,而在操作期間朝向體積(3 )漂移。假 如介於活塞移動與體積(3)內的動力壓力之間的相位, 當活塞位於進入體積(3)內最遠處時,體積(3)內的壓 力幾乎達到最大値,然後,當驅動從體積(3 )到體積 (4)流動的壓力差是最大値時,此密封長度也會接近最 大値。因此,阻止了流動,而促進逆流,就是對抗氣體累 # 積在具有較低動力壓力的體積內之自然傾向。可以調整活 塞在汽缸內的平衡位置來反映出任何存在於振盪壓力與活 塞移動之間的相位,使得當橫跨密封的壓力差爲最大値 時’密封長度也變成最大値。 本發明亦包含使用自由活塞性能的一些其他型態,假 如該活塞性能會產生出一對本身功能具重要影響的時變密 封幾何形狀的話,藉此可以消除活塞漂移。以下是一範 例:通常在製造活塞孔期間,會意圖使該活塞孔具有均勻 的半徑。然而,假如產生出一孔,從一端到另一端具有錐 -10- (8) 1338098 度’甚活塞在此錐形孔內往復時’便可以產生出一種時變 ’ 有效密封間隙。如此可以根據此圓錐的程度與其方向而減 . 少活塞漂移。 圖6顯示本發明的一可能實施例。圓錐角(2 4 )的選 擇考量因素包括:平均密封間隙(5 )、活塞直徑、密封 長度,及工作流體特性’以便縮小活塞漂移。在顯示的範 例中,當活塞往體積(3)內移動越多時,此圓錐能減少 φ 密封間隙。假如體積(3 )內的動力壓力振幅超過了體積 (4)內的動力壓力振幅,且此壓力的相位與活塞移動的 相位相同或接近時,則活塞孔的錐度會阻止工作流體在體 積(4)內的自然累積,這是由於當體積(3)內的總壓力 超過了體積(4 )內的總壓力’致使密封間隙減少之故; 且當體積(4 )內的總壓力超過了體積(3 )內的總壓力 時,反之亦然。 雖然已經參考一些特定的實施例來詳細說明本發明, # 但是在不背離本發明的精神與範圍之前提下,對於熟知此 項技術者來說’仍可以構思出其他的實施例。 【圖式簡單說明】 .圖1是一剖面圖,顯示本發明自由活塞裝置的一較佳 實施例; ή 圖2是一剖面圖,顯示圖1的本發明之實施例,其中 當在活塞一側的瞬時壓力超過活塞另一側的瞬時壓力時可 能會出現的情形; -11 - (9) 1338098 圖3是一剖面圖’顯示本發明自由活塞裝置的另一較 • 佳實施例’其中該活塞具有一不變的實心體積; 圖4是一剖面圖’顯示本發明自由活塞裝置的另一較 佳實施例,其中密封產生撓曲,以便對應於振盪壓力; 圖5是一剖面圖,顯示本發明自由活塞裝置的另一較 佳實施例’其中此密封的長度會隨著活塞的移動而改變; 圖6是一剖面圖’顯示本發明自由活塞裝置的另一較 φ 佳實施例’其中具有一錐狀活塞與汽缸。 【主要元件符號說明】 1 :活塞 2 :汽缸 3, 4 :體積 5 :餘隙間隙 6 :活塞桿 • 7, 24 :外殻 8, 23 :網狀物 9,10 :區段 11 :厚度 . 1 2 :活塞半徑 1 3 :密封 1 5 :機構 1 6 :外部區域 】9, 2〇 :環形體積 -12- (10)1338098 2],22:區段 2 4 :圓錐角
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Claims (1)
- (1) 1338098 十、申請專利範圍 ' 1. 一種自由活塞裝置,具有一活塞,該活塞在一衝程 • 長度上具有一往復頻率,且該自由活塞裝置具有第一與第 二側邊’分別正對著第一與第二可變體積,用以容納一工 作流體’其中該第一與第二體積係藉由一餘隙密封而相 通’該餘隙密封係位於活塞與活塞在其中往復的一外殼之 間’該自由活塞裝置的特徵在於包含一機構,用於改變該 • 餘隙密封的幾何形狀,使其與活塞往復的週期協調一致, 而產生時變密封幾何形狀,該時變密封幾何形狀可以減少 或消除可能會產生的工作流體之時間平均流,藉此減少或 消除活塞從其標稱中心沿著往復軸之漂移。 2 ·如申請專利範圍第1項之自由活塞裝置,其中該時 變密封幾何形狀是藉由包含一活塞的機構來產生的,該活 塞具有一外殼,可對應於壓力而在徑向上變大或收縮。 3 ·如申請專利範圍第1項之自由活塞裝置,其中該時 φ 變密封幾何形狀是藉由包含一活塞汽缸的機構來產生的, 該活塞汽缸具有一內徑’係由該餘隙密封內的流體來限定 界線,且至少局部該活塞外徑是由承受壓力振盪的工作流 體來限定界線,使得該汽缸直徑與該餘隙密封的間隙可對 應於振盪的壓力而變大或收縮。 4 .如申請專利範圍第1項之自由活塞裝置,其中該時 變祀' 封幾何形狀是藉由包含一活塞的機構來產生的,該活 塞具有一密封表面’在局部的往復循環期間,至少部分該 密封表面會延伸超出該密封》 -14 - (2) (2)1338098 5 .如申請專利範圍第1項之自由活塞裝置,其中該時 變密封幾何形狀是藉由包含一錐狀活塞孔的機構來產生 的,使得該有效密封間隙是根據該孔內的活塞位置來決定 的。-15 -
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