用於斯特林循環機器的機制彈簧的製作方法
2023-12-10 03:34:01 4
專利名稱：用於斯特林循環機器的機制彈簧的製作方法
這項發明一般地涉及自由活塞斯特林發動機，更具體地說涉及這種發動機裡面的壓氣活塞構造。
與內燃機相比，斯特林發動機的特徵在於具有外部的熱源。外部的熱源可以來自礦物燃料的燃燒、集中的太陽能、來自放射性同位素衰變的熱量、來自柴油發動機的灼熱廢氣或任何其它的熱源。早期的斯特林發動機使用空氣，但是現代的斯特林發動機使用氦氣之類的高壓氣體，以改善性能和減少發動機的實際尺寸。
有兩種傳輸來自斯特林功率活塞的力在諸如發電機之類的負荷上實現有用的機械功的主要方法。在所謂的「運動學」設計中，動力活塞和壓氣活塞，如果被利用，如同在傳統的內燃機中那樣被接到曲軸上。如果可用，動力活塞和壓氣活塞使諸如旋轉發電機之類的負荷旋轉。在這種情況下，針對由活塞對曲軸的剛性機械連接設定的極限來限定活塞衝程。
第二種配置是所謂的「自由活塞」斯特林發動機(FPSE)，其中機械不受限動力活塞和壓氣活塞基本上以名義上等於自然態的頻率按照線性簡諧運動，所述頻率根據活塞和壓氣活塞的質量，由氣動裝置、機械裝置或其它裝置提供的各種不同的復位彈簧剛度和在發動機操作期間發生的阻尼效應來決定。通常，FPSE活塞位移受輸入熱通量和機械負載適當的動態平衡控制，以避免衝程超過將會引起不想要的與活塞缸末端撞擊的設計極限。在一種典型的FPSE應用中，動力活塞被剛性杆連接與直線交流發電機的固定部分合作的圓筒形磁性結構(通常叫做「原動機」)上。原動機/動力活塞的往復運動在交流發電機的輸出端產生AC電壓。
在一些應用中，FPSE配置對於它的運動學的替代方案是優選的，一個明顯的優勢是FPSE事實上消除了活塞-活塞缸壁的法向力，從而避免潤滑這些表面的要求和隔離與潤滑劑不相溶的發動機部件的裝置。
一般的FPSE/線性交流發電機(FPSE/LA)組合10的剖視圖是用
圖1舉例說明的，FPSE部分50在這張圖的左邊，交流發電機部分60在這張圖的右邊。氣密的殼體12容納用固定的壓氣活塞杆16導向的自由移動的壓氣活塞14。活動的動力活塞18與永久磁鐵結構20連接。各種不同的環形密封件(未被舉例說明)可以用來在壓氣活塞14和動力活塞18和殼體12的內在部份之間形成氣密密封。作為替代，緊的徑向間隙可以用來限制活塞和壓氣活塞部件周圍的洩漏流。
通常，在殼體之內四個中央空間的命名如下。壓氣活塞14和殼體12之間的空間是膨脹空間32；在壓氣活塞14內部的空間可以充當氣體彈簧34，在壓氣活塞14和動力活塞18之間的空間是壓縮空間36；而在動力活塞18和殼體12之間的空間是反彈空間38。殼體12可以安裝在機械彈簧(未被舉例說明)上。運行斯特林發動機的熱能是由殼體12外面的加熱器40供應的。
壓氣活塞運動在衝程和與動力活塞運動的相位關係方面的控制是FPSE設計的重要因素。具體地說，這樣配置壓氣活塞使它在其固有諧振頻率下或在該頻率附近操作是有利的。通過堅持所述配置，可以獲得許多利益，包括發動機在峰值效率下或在該效率附近操作(即，對於給定的輸入，獲得比較高的發動機輸出)。
通常，現有技術解決方案根據特定的彈簧特性採用各種不同類型的彈簧把壓氣活塞的運動調諧到選定的諧振頻率。所述彈簧位於圖1舉例說明的FPSE的區域34和36之內。通常，在機械彈簧的情況下，彈簧是作為螺旋狀的金屬絲形成的，與壓氣活塞14連接並且被接在壓氣活塞杆的末端和其活塞缸外殼之間。
固有諧振頻率是集合移動體(壓氣活塞和彈簧)的質量和彈簧剛度兩者的函數。給定的質量-彈簧系統能結合發動機操作期間預期的阻尼效應通過控制這兩個要素被調諧到在預期的頻率下操作。每個特定的彈簧都有由材料、幾何結構和虎克定律確定的單一的力常數。
不幸的是，在使用彈簧把壓氣活塞的運動控制在特定的頻率方面存在各種不同的缺點。傳統的螺旋彈簧需要使用一對彼此反向安排的彈簧，以致壓氣活塞能沿著軸向路徑在兩個方向上受到控制。需要兩個彈簧而不是一個彈簧將增加成本和附加的故障點。與FPSE中的壓氣活塞彈簧相關聯的另一個特定的問題是部件壽命比需要的壽命短。現有技術的機械螺旋彈簧容易剝落、疲勞並最終失效。現有技術彈簧結構的各種不同的特性導致這個結果。例如，彈簧對壓氣活塞和壓氣活塞杆施加徑向力和側力和/或彎矩。這將導致彈簧和壓氣活塞本身兩個方面的耐磨壽命減少。進而，這些側力增加壓氣活塞杆和活塞缸壁面之間的靜態摩擦，並因此阻礙最初發動機的啟動。
此外，如果壓氣活塞14最初沒有適當地置於中心或由於彈簧變化或彈簧運動而偏離中心移動，壓氣活塞14與包容壁面之間的摩擦可能產生。這是因為傳統的螺旋彈簧解決方案不提供任何徑向剛性幫助維持壓氣活塞14在軸線上對中。
與現有技術機械螺旋彈簧解決方案相關聯的另一個缺點是要求預先加載，其中所述彈簧之中的每個彈簧總是處在某種程度的壓縮之下，即使當壓氣活塞14處在它的靜止位置的時候也如此。預先加載是防止彈簧發出本身能引起噪音和微粒汙染的嘎嘎聲所需要的。然而，不幸的是預先加載導致比較高的應力水平和比沒有預先加載可能獲得的壽命短的彈簧壽命。此外，當前使用的對置螺旋彈簧設計通常要求在FPSE裡面使用附加的壓縮空間和表面區域以適應該彈簧。
其它的彈簧配置也已被用在壓氣活塞控制方面。例如，平坦的「撓曲」彈簧或「平面的」機械彈簧配置已被用在壓氣活塞控制應用中。儘管這些彈簧配置通常提供低的磨損和由此產生的長壽命，但是該壓氣活塞的機械設計通常必須適應獨特的彈簧特性，從而導致更複雜的壓氣活塞設計要求。此外，「平坦的」機械彈簧配置與傳統的盤繞彈簧配置相比可能是比較昂貴的。
一個方面是提供克服上述缺點的壓氣活塞和彈簧組件。
另一方面是提供一種與FPSE中的壓氣活塞結合使用的工作壽命比傳統的機械螺旋彈簧的工作壽命長的彈簧。
第三方面是提供一種與FPSE中的壓氣活塞結合使用的減少壓氣活塞磨損的彈簧。
第四方面是與FPSE中的壓氣活塞結合使用的在壓氣活塞部件上產生最小的側力或彎矩或不產生側力或彎矩的彈簧。
第五方面是提供一種在FPSE中使用的減少壓縮空間體積和表面區域需求的彈簧和壓氣活塞組件。
本發明的一種形式包括自由活塞斯特林發動機，其中包括壓氣活塞；壓氣活塞在其中沿著第一軸線方向和第二軸線方向往復運動的外殼；以及機制彈簧以第一末端附著在所述的壓氣活塞上，並且當所述的壓氣活塞沿著所述的第一軸線方向或所述的第二軸線方向移動時，該機制彈簧在所述的壓氣活塞上提供約束力。
本發明的另一種形式包括自由活塞斯特林發動機的壓氣活塞，其中包括壓氣活塞杆；允許所述的壓氣杆活塞在其內部往復運動的壓氣活塞外殼；以第一末端附著在至少一部分所述的壓氣活塞杆上的機制彈簧，並且當所述的壓氣活塞杆在所述的壓氣活塞外殼裡面沿著第一軸線方向或第二軸線方向移動時，該機制彈簧在所述的壓氣活塞杆上提供約束力。
要求使用有多重盤條的機制彈簧的一個實施方案。本發明的機制彈簧的多重盤條用來使彎矩和邊緣負荷與導致不平衡的負荷向任何邊界結構轉移的單一盤條解決方案相比減到最少的。通過使用本發明的機制彈簧，盤條的軌跡可能是幾何上平衡的，以便防止上述的負面效應。本發明的機制彈簧按照拉伸模式和壓縮模式交替地操作，並且允許壓氣活塞運動的操作頻率被控制在預期的諧振頻率。本發明的機制彈簧與現有技術的線繞螺旋彈簧相比進一步提供提增強的結構準確性，這種結構準確性依次導致橫向負荷和邊緣負荷側部的最小化。此外，通常在現有技術中使用的與每個壓氣活塞有關的兩個機械盤繞彈簧可以依照本發明的教導被單一機制彈簧代替。
下文進一步詳細描述本發明其它的實施方案的可能性，並且將被熟悉這項技術的人理解。
現在將參照僅僅作為例子給出的這項發明的優選形式和附圖更詳細地描述這項發明，其中圖1舉例說明技術上已知的FPSE/LA系統的基本結構；圖2是依照本發明的優選實施方案的壓氣活塞/機制彈簧組件的剖視圖；圖3是依照本發明的優選實施方案用於壓氣活塞工作頻率控制的機制彈簧的特寫側視圖。
現在介紹圖1-3舉例說明的實施方案，其中類似的數字到處用來指代類似的部件。
圖2舉例說明被安裝到壓氣活塞杆260上的壓氣活塞組件220。壓氣活塞杆260附著在發動機外殼(未展示)上。壓氣活塞組件220由壓氣活塞密封體270、壓氣活塞蓋組件210和機制彈簧230組成。機制彈簧230藉助安裝螺釘240附著在壓氣活塞密封體270上，並且藉助安裝螺釘250附著在壓氣活塞杆260上。
這樣，在壓氣活塞往復運動期間，機制彈簧230的一端藉助銷釘組件240保持固定在適當的位置，而機制彈簧230能與壓氣活塞220的運動直接關聯的方向上自由伸縮。雖然機制彈簧230與壓氣活塞220的運動直接關聯的方向上自由伸縮是重要的，但是前面揭示的使機制彈簧230附著在壓氣活塞杆260上的機制僅僅是許多可能提供附著的方式之一。只要機制彈簧230在一端被固定在適當的位置，並且在另一端可自由伸縮，就可能獲得本發明的利益。因此，這項發明不必局限於所揭示的固定機制彈簧230的實施方案。
依照本發明的教導，壓氣活塞220和機制彈簧230被設計為機制彈簧230的移動質量和力常數提供的以預期的頻率機械諧振的組合。
依照本發明的一個優選實施方案，本發明的機制彈簧230可以依照下列規格形成。E值為2.14×1010kg/m2(3.05×107psi)而P比為0.28的彈簧鋼。所述彈簧可以獲得，例如，從位於加州Santa Maria的Helical Products Company獲得。依照本發明的一個優選實施方案，本發明機制彈簧可以採用如下形式。
材料15-5PH CRES(Heat Treat H900per AMS 5659)構造用棒料機械加工的單一零件。
尺寸～83mm長×～44mm的外徑×～28mm的內徑。
配置兩個互卷的盤條，每個有～3圈。個別的圈/盤條從內逕到外徑的跨距大體上是3.2mm高並且被隔開大約3.2mm。盤條在彈簧長度之內的軸向定位可以是不同的，以便修正彈簧的固有頻率。使盤條位置比較靠近附著在壓氣活塞上的彈簧末端將減少總的移動質量，並因此增加該系統的固有頻率。使盤條位置比較靠近附著在壓氣活塞杆上的彈簧末端將增加總的移動質量，並因此降低該系統的固有頻率。
雖然上述內容是本發明的機制彈簧的優選形式，但是熟悉這項技術的人將承認各種不同的其它彈簧特性(包括改變彈簧尺寸、形狀或材料)可以在不脫離本發明的範圍或精神的情況下取代上述彈簧特性。作為例子，但不是限制，用於形成本發明的機制彈簧的材料不必局限於通常用於線繞彈簧的傳統的「彈簧鋼」，與使用傳統的線繞彈簧的情況相反，可以利用具有所需要的機械性能(疲勞強度和容易製造)的含鐵材料和非鐵材料。
圖3是可以連同本發明的教導一起使用的機制彈簧的特寫側視圖。如同人們能看到的那樣，機制彈簧230包括兩個末端部分310和320和兩個位於末端部分310和320之間的螺旋狀盤條330a和330b。雖然圖3所示實施方案展示使用兩個盤條，但是熟悉這項技術的人將會理解更大的盤條數目也可以用來形成彈簧，例如，三個以上盤條。
給定有上述特性的機制彈簧，測試已表明在軸向壓縮負荷為22.7kg(50lb)或軸向拉伸負荷為22.7kg(50lb)的情況下，最大的Vonmises應力大約為30Ksi。此外，起因於軸向負荷的最大撓度是0.23cm(0.09英寸)。由此得到的受試彈簧的等效彈簧剛度為98.9kg/cm(554lbf/in)。最重要的是，在純軸向彈簧彈力的情況下，測試已表明在大約200小時的操作期間基本上沒有彈簧或壓氣活塞的接觸或磨損。
對於熟悉這項技術的人顯而易見的是上述特定的機制彈簧特性僅僅是範例，而且本發明可以依照各種不同的應用的需要使用具有不同物理特性的機制彈簧。
通過使用隨著壓氣活塞往復運動交替地按照拉伸和壓縮操作的機制彈簧，各種不同的利益能被實現。如上所述，部件定心可能比現有技術的螺線彈簧更容易實現，因此，與部件磨損一樣，摩擦能容易地被減到最少。此外，由於用連同本發明一起使用的機制彈簧可實現的彈簧力比較高，所以能減少壓縮空間體積和表面積，因為機制彈簧可以被完全裝在壓氣活塞裡面。
連同FPSE一起使用的機制彈簧和壓氣活塞/彈簧組件已被揭示。人們將會理解前面提供的教導有很多應用，尤其是對大體上與往復運動構件的控制相關聯的應用。雖然主題發明已在附圖和前面的描述中被詳細地舉例說明和描述，但是所揭示的實施方案在性質上是說明性的而不是限制性的。落在本發明範圍之內的所有變化和修正方案都需要得到保護。
權利要求
1.一種自由活塞斯特林發動機，其中包括壓氣活塞；外殼，所述壓氣活塞在該外殼內沿著第一軸線方向和第二軸線方向往復運動；以及機制彈簧，該機制彈簧以第一末端附著在所述的壓氣活塞上，並且當所述的壓氣活塞沿著所述的第一軸線方向或所述的第二軸線方向移動的時候，該機制彈簧對所述壓氣活塞提供約束力。
2.根據上述任何權利要求的自由活塞斯特林發動機，其中所述機制彈簧以所述機制彈簧的第二末端附著在壓氣活塞杆上。
3.根據上述任何權利要求的自由活塞斯特林發動機，其中所述機制彈簧是用至少一個安裝螺釘附著在所述的壓氣活塞上的。
4.根據上述任何權利要求的自由活塞斯特林發動機，其中所述機制彈簧被特定化，以致所述壓氣活塞和所述壓氣活塞杆的質量和所述機制彈簧的力常數導致在所述自由活塞斯特林發動機的操作頻率下機械共振。
5.根據上述任何權利要求的自由活塞斯特林發動機，其中所述機制彈簧由作為材料的，至少兩個互卷盤條形成。
6.根據權利要求5的自由活塞斯特林發動機，其中所述材料是鋼。
7.根據權利要求1、2、3或4的自由活塞斯特林發動機，其中所述機制彈簧包括第一和第二末端部分和眾多位於其間的螺旋狀盤條。
8.根據權利要求7的自由活塞斯特林發動機，其中所述的螺旋狀盤條是互卷的。
9.根據權利要求1、2、3或4的自由活塞斯特林發動機，其中所述機制彈簧是由單片棒料形成的。
10.根據上述任何權利要求的自由活塞斯特林發動機，其中所述機制彈簧被裝在所述壓氣活塞裡面。
11.一種自由活塞斯特林發動機的壓氣活塞，其中包括壓氣活塞杆；壓氣活塞外殼，所述壓氣活塞杆在該壓氣活塞外殼的內部往復運動；機制彈簧，該機制彈簧以第一末端附著在至少一部分所述壓氣活塞杆上，並且當所述的壓氣活塞杆在所述的壓氣活塞外殼裡面沿著第一軸線方向或第二軸線方向移動的時候，該機制彈簧對所述的壓氣活塞杆提供約束力。
12.根據權利要求11的壓氣活塞，其中所述的機制彈簧以所述機制彈簧的第二末端附著在所述壓氣活塞外殼上。
13.根據權利要求11或12的壓氣活塞，其中所述機制彈簧被特定化，以致所述壓氣活塞和所述壓氣活塞杆的質量和所述機制彈簧的力常數導致在包含所述壓氣活塞的自由活塞斯特林發動機的操作頻率下機械共振。
14.根據權利要求11、12或13的壓氣活塞，其中所述機制彈簧由作為材料的，至少兩個互卷的盤條形成。
15.根據權利要求14的壓氣活塞，其中所述材料是鋼。
16.根據權利要求11、12或13的壓氣活塞，其中所述機制彈簧包括第一和第二末端部分和位於其間的眾多螺旋狀盤條。
17.根據權利要求16的壓氣活塞，其中所述眾多螺旋狀盤條是互卷的。
18.根據權利要求11、12、13、14、15、16或17的壓氣活塞，其中所述機制彈簧被裝在所述壓氣活塞裡面。
全文摘要
一種供FPSE使用的，並具有改善的磨耗特性的壓氣活塞彈簧和壓氣活塞/彈簧組件。要求使用在拉伸模式和壓縮模式中交替操作的單一機制彈簧的一個實施方案，而且其中壓氣活塞運動的操作頻率能夠被控制在預期的諧振頻率。本發明的機制彈簧與現有技術線繞螺旋彈簧相比結構準確性有所提高，從而導致消除橫向和邊緣負荷。
文檔編號F16F1/12GK1864000SQ200480029125
公開日2006年11月15日 申請日期2004年9月17日 優先權日2003年9月19日
發明者羅伯託·O·珀裡澤瑞, 大衛·格底恩, 勞倫斯·B·潘思威克 申請人:蒂艾克思股份有限公司