專利名稱：氣體平衡低溫膨脹式發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以布雷頓循環(huán)(Brayton cycle)運(yùn)行用以產(chǎn)生深冷溫度的致冷作用的膨脹式發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
以布雷頓循環(huán)運(yùn)行用以制冷的系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，壓縮機(jī)以排出壓力向逆流熱交換器供給氣體，逆流熱交換器允許氣體通過進(jìn)口閥進(jìn)入膨脹空間、使氣體絕熱膨脹、通過出口閥排放膨脹的氣體(溫度更低)、使冷氣循環(huán)通過正在進(jìn)行冷卻的負(fù)載、然后使氣體通過逆流熱交換器返回到壓縮機(jī)。作為本領(lǐng)域先驅(qū)的s.C.Collins的美國專利2，607，322具有對已經(jīng)廣泛用于使氦氣液化的早期膨脹式發(fā)動機(jī)的描述。膨脹活塞由連接于飛輪和發(fā)生器(generator) /馬達(dá)的曲柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動而往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)活塞處于沖程的底端(最低冷容積)時進(jìn)氣閥打開，高壓氣體驅(qū)動活塞上行從而使飛輪速度增大并驅(qū)動發(fā)生器。進(jìn)氣閥在活塞到達(dá)頂點(diǎn)之前關(guān)閉并且在膨脹空間中的氣體壓力和溫度降低。在沖程的頂點(diǎn)處，出口閥打開，隨著活塞被推動下行并在飛輪減速的同時被飛輪驅(qū)動，氣體流出。取決于飛輪的大小，飛輪可以繼續(xù)驅(qū)動發(fā)生器/馬達(dá)以輸出功，或者飛輪可以充當(dāng)馬達(dá)吸取功。如在授予S.C.Collins的美國專利3，438，220中示出的，進(jìn)口閥和出口閥通常由連接于飛輪的凸輪驅(qū)動。該專利描述了一種不同于其早期專利的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)將活塞聯(lián)接于飛輪，該飛輪是不對位于活塞的熱端的密封件施加側(cè)向力的飛輪。授予J.G.Pierce的美國專利5，355，679描述了一種進(jìn)口閥和出口閥的可選設(shè)計(jì)，其進(jìn)口閥和出口閥在凸輪驅(qū)動和具有在室溫的密封件上類似于‘220的閥。授予H.Hattori等人的美國專利5，092, 131描述了止轉(zhuǎn)棒軛(Scotch Yoke)驅(qū)動機(jī)構(gòu)和由往復(fù)運(yùn)動的活塞致動的冷氣進(jìn)口和出口閥。所有這些發(fā)動機(jī)都讓大氣作用在活塞的熱端上并且主要設(shè)計(jì)用于使氦氣、氫和空氣液化。回氣接近大氣壓力且供給壓力為大約10到15個大氣壓。壓縮機(jī)輸入功率通常在15kW到50kW范圍內(nèi)。較低功率的制冷機(jī)通常以GM、脈沖管或斯特林循環(huán)(Sterling cycles)運(yùn)行。較高功率的制冷機(jī)通常使用透平膨脹機(jī)以布雷頓循環(huán)或克勞德循環(huán)(Claude cycles)運(yùn)行。W.E.Gifford和H.0.McMahon的美國專利 3，045，436描述了 GM循環(huán)。較低功率的制冷機(jī)使用回?zé)崞?regenerator)換熱,其中氣體來回流動通過填充床,氣體從不離開膨脹機(jī)的冷端。這與能夠向遠(yuǎn)程負(fù)載分配冷氣的布雷頓循環(huán)制冷機(jī)相反。由‘220的Collins式發(fā)動機(jī)中的發(fā)生器/馬達(dá)回收的能量的量相對于壓縮機(jī)功率輸入較小，因此在很多應(yīng)用中機(jī)械簡易性的重要性往往高于效率。J.F.Maguire等人的美國專利6，202，421描述了通過使用液壓驅(qū)動機(jī)構(gòu)用于活塞而消除飛輪和發(fā)生器/馬達(dá)的發(fā)動機(jī)。進(jìn)口閥通過電磁閥致動，出口閥通過電磁閥/氣動作用的組合致動。以液壓的方式被驅(qū)動的發(fā)動機(jī)的動機(jī)是提供能夠以可移除的方式連接于超導(dǎo)磁體以將其冷卻的小而輕的發(fā)動機(jī)。其權(quán)利要求涵蓋了該可移除的連接。J.L.Smith的美國專利6，205，791描述了一種膨脹式發(fā)動機(jī)，其具有自由浮動的活塞，活塞周圍具有工作氣體(氦氣)?；钊戏郊礋岫说臍怏w壓力受到連接于兩個緩沖容積(buffer volumes)的閥的控制,其中一個緩沖容積的壓力約為高低壓之間的壓差的75%,另一個緩沖容積的壓力約為所述壓差的25%。電啟動的進(jìn)口閥、出口閥、和緩沖閥定時打開和關(guān)閉，使得以較小的活塞上方和下方的壓差上下地驅(qū)動活塞，因此非常少量的空氣流動通過活塞與氣缸之間的小間隙?；钊械奈恢脗鞲衅魈峁┯糜诳刂拼蜷_和關(guān)閉這四個閥的正時的信號。如果想到用氣體活塞替代固體活塞的脈沖管，那么在Zhu Shaowei的美國專利5，481，878中可見到同樣的“兩個緩沖容積控制”。Shaowei的‘878專利的圖3示出了打開和關(guān)閉四個控制閥的正時,并且Smith的‘791專利的圖3示出了能夠通過活塞位置與控制閥的打開和關(guān)閉之間的關(guān)系的良好正時而實(shí)現(xiàn)的有利的P-V圖線。該P(yáng)-V圖線的面積是所產(chǎn)生的功，并且通過使吸入‘791的圖3的圖線的點(diǎn)I與點(diǎn)3之間的膨脹空間中的氣體的量相對于P-V功(相當(dāng)于產(chǎn)生的制冷)最小化而實(shí)現(xiàn)最大效率。相對于活塞的位置打開和關(guān)閉進(jìn)口閥和出口閥的正時對于實(shí)現(xiàn)良好的效率很重要。建成的用于使氦氣液化的多數(shù)發(fā)動機(jī)使用類似于Collins的‘220專利的閥的凸輪致動閥。Smith的‘791專利和Maguire的‘421專利示出了電致動閥。其它機(jī)構(gòu)包括如H.Asami等人的美國專利5，361，588中示出的位于止轉(zhuǎn)棒軛驅(qū)動軸的端部上的旋轉(zhuǎn)閥和如Sarcia的美國專利4，372，128中示出的由活塞的驅(qū)動軸致動的梭動滑閥(shuttle valve)。類似于在本發(fā)明中描述的閥的多端口旋轉(zhuǎn)閥的示例在M.Xu等人美國專利申請2007/0119188中可以找到。R.C.Longsworth的美國專利6，256，997描述了 0型環(huán)的使用以減少與氣動致動的活塞在沖程止點(diǎn)的撞擊相關(guān)的振動。這可以應(yīng)用于本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是以重量相對較輕、緊湊且可靠的發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)良好的效率。另一個目的是具有能夠適于將大質(zhì)量物體從室溫冷卻到深冷溫度同時充分利用壓縮機(jī)輸出的發(fā)動機(jī)或能夠優(yōu)化以在小的深冷溫度范圍內(nèi)制冷的發(fā)動機(jī)。最后一個目的是具有在與現(xiàn)有GM循環(huán)制冷機(jī)相同的尺寸范圍內(nèi)的布雷頓循環(huán)發(fā)動機(jī)，使得來自發(fā)動機(jī)的冷氣流能夠用于冷卻分散的負(fù)載
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以新的方式組合早期設(shè)計(jì)的特征從而以相對簡單的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)良好的效率，該簡單的設(shè)計(jì)在活塞的熱端和冷端之間具有小的壓差、具有機(jī)械或氣動致動的驅(qū)動桿并且具有與活塞位置協(xié)同的進(jìn)口閥和出口閥的打開和關(guān)閉。在氣動致動的發(fā)動機(jī)的情形中，流向驅(qū)動桿以及進(jìn)口和出口閥致動器的氣體流受旋轉(zhuǎn)閥控制，旋轉(zhuǎn)閥具有打開和關(guān)閉其內(nèi)置閥門的正時。機(jī)械驅(qū)動的桿可在驅(qū)動軸的端部上具有旋轉(zhuǎn)閥，該旋轉(zhuǎn)閥切換通往進(jìn)口和出口閥致動器的氣體。氣動致動的驅(qū)動桿或者機(jī)械致動的驅(qū)動桿都能夠具有通過驅(qū)動桿移位的梭動滑閥以氣動地致動進(jìn)口和出口閥?？赏ㄟ^使用連接在活塞熱端與壓縮機(jī)供給和回流管線之間的止回閥、連接在熱端與冷端之間的回?zé)崞?、或者使用致動進(jìn)口和出口閥的同一旋轉(zhuǎn)閥或梭動滑閥中的端口的主動閥，在活塞移動的同時，使活塞熱端處驅(qū)動桿周圍的壓力保持接近于活塞冷端處的壓力。


圖1示出了發(fā)動機(jī)100以及閥和熱交換器的示意性圖示，發(fā)動機(jī)100具有位于氣缸中且在熱端處帶有氣動驅(qū)動的桿的活塞，以截面圖示出。圖2示出了發(fā)動機(jī)200，其具有位于氣缸中的活塞、在驅(qū)動軸的端部處的旋轉(zhuǎn)閥以及進(jìn)口閥組件，止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)連接至位于活塞熱端處的驅(qū)動桿，所有這些以截面圖示出。還示意性地示出了其它閥和熱交換器。圖3示出了發(fā)動機(jī)300，其具有位于氣缸中活塞，活塞在熱端處帶有氣動驅(qū)動的桿和切換到進(jìn)口和出口閥致動裝置的氣體流的梭動滑閥。示出在活塞內(nèi)有回?zé)崞鲝亩境鍪够钊麩岫撕屠涠吮３痔幱趲缀跸嗤膲毫Φ难b置。所有這些以截面圖示出。還示意性地示出了其它閥和熱交換器。圖4示出了發(fā)動機(jī)400，其具有位于氣缸中活塞，活塞具有驅(qū)動位于活塞熱端處的桿的馬達(dá)驅(qū)動的止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)，活塞具有連接熱端和冷端以使熱端和冷端保持處于幾乎相同的壓力的回?zé)崞鳎羞@些以截面圖示出。還示意性地示出了進(jìn)口和出口閥以及熱交換器。如圖2中所示的切換到閥致動裝置的氣體的旋轉(zhuǎn)閥也是該組件的一部分。圖5示出了發(fā)動機(jī)500，其具有位于氣缸中活塞，活塞具有位于熱端處的氣動驅(qū)動的桿和在活塞內(nèi)使活塞的熱端和冷端保持處于幾乎相同的壓力的回?zé)崞?，所有這些以截面圖示出。還示意性地示出了其它閥和熱交換器。圖6示出了用于圖1至5中所示的發(fā)動機(jī)中的一個或多個的壓力-容積圖。圖7示出了用于圖1至5中所示的發(fā)動機(jī)的閥打開和關(guān)閉次序。
具體實(shí)施例方式在圖1至圖5中示出的本發(fā)明的五種實(shí)施方式使用相同的附圖標(biāo)記和相同的圖示來指示等同部件。由于膨脹式發(fā)動機(jī)通常定向成冷端向下，以便使熱交換器中的對流損失最小化，活塞從冷端向熱端的運(yùn)動稱為向上運(yùn)動，因此活塞上下運(yùn)動。圖1為發(fā)動機(jī)組件100的橫截面圖/示意圖。示出了選擇A和選擇B ;首先描述選擇A?；钊鸌在氣缸6中往復(fù)運(yùn)動，氣缸具有冷端端帽9、熱端安裝法蘭7和熱端缸蓋8。驅(qū)動桿2附連于活塞I并在驅(qū)動桿氣缸69中往復(fù)運(yùn)動。在冷端的排出容積(displacedvolume)DVc 3通過活塞I和密封件50與在熱端的排出容積DVw 4隔離。在驅(qū)動桿上方的排出容積DVs 5通過密封件51與DVw隔離。隨著閥Vl 12和閥V2 13交替地將DVs連接至高壓供給線30和低壓供給線31，DVs中的氣體的壓力從高壓Ph到低壓Pl循環(huán)。當(dāng)在DVc處于最小值的情況下進(jìn)口閥Vi 10打開時制冷，當(dāng)DVc在Ph下時，克服DVw和DVs中的平衡壓力向上推動活塞I，然后關(guān)閉Vi，打開Vo 11，隨著DVc中的氣體流出至Pl，使氣體膨脹，從而隨著膨脹而冷卻。隨著活塞I返回移向冷端9，將在Pl下的氣體排出DVc。經(jīng)由Vo流出的低溫氣體通過管線35到達(dá)熱交換器41，在熱交換器41處，氣體被進(jìn)行冷卻的負(fù)載加熱，然后流動通過管線36到達(dá)逆流熱交換器40，在逆流熱交換器40處，在高壓氣體流動通過管線34到達(dá)Vi之前將處于Ph的高壓的進(jìn)氣冷卻。在Vi打開時，DVs中存在處于Ph的氣體且DVw中存在處于Pl的氣體。允許到DVc的高壓氣體向上推動活塞，從而使DVw中的壓力朝Ph升高，并且使DVs中的壓力升高到高于Ph的壓力直至V2打開，從而通過管線33將DVs連接至P1。當(dāng)DVw中的壓力到達(dá)Ph時，氣體經(jīng)由止回閥CVh 16流出到達(dá) 高壓管線30。就其效果來說，正在對DVw中的氣體進(jìn)行的做功，等同于在飛輪驅(qū)動式發(fā)動機(jī)的發(fā)生器中做的功。驅(qū)動桿的面積必需足夠用于超過作用在DVw中的活塞熱端上的Ph的活塞冷端上的Ph減去熱交換器上的壓降與作用在桿上的Pl和密封件摩擦力之間的力平衡，以便活塞上行?；钊苿铀俣扰c力的不平衡成比例。當(dāng)活塞處于行程頂部時，Vi關(guān)閉，然后Vo打開，V2關(guān)閉，然后Vl打開。當(dāng)DVs中的氣體在Ph并且DVc中的氣體為Pl時，活塞開始下行，DVw中的壓力降至Pl，并且在活塞下行的同時隨著氣體從處于Pl的管線31流動通過止回閥CVl 17而保持在Pl。當(dāng)DVc在最小值時，閥Vl關(guān)閉，完成循環(huán)。在該發(fā)動機(jī)的一種實(shí)施方式中，多端口旋轉(zhuǎn)閥包括用于Vl和V2的端口和如圖2所示啟動打開和關(guān)閉Vi和Vo的升桿的端口。實(shí)施方式100在選擇B的情況下被示出為用主動閥V3 14和V4 15替代止回閥CVh 16和CVl 17。旋轉(zhuǎn)閥可具有多個端口以實(shí)施閥V1、V2、V3和V4并致動打開和關(guān)閉Vi和Vo。圖2為發(fā)動機(jī)組件200的橫截面圖/示意圖?；钊?、氣缸6、冷端端帽9和熱端安裝法蘭7與圖1中所示相同。在該實(shí)施方式中，驅(qū)動桿2通過聯(lián)接器29連接至驅(qū)動軸23，驅(qū)動軸23借助于止轉(zhuǎn)棒軛驅(qū)動組件22往復(fù)運(yùn)動。除部件23和29之外，驅(qū)動組件還包括偏心輪24、軸承25、帶槽驅(qū)動器26、驅(qū)動軸引導(dǎo)裝置28和引導(dǎo)驅(qū)動器的套管27。套管27在具有本組件的正視圖的圖4中示出。止轉(zhuǎn)棒軛組件由馬達(dá)20和馬達(dá)軸21驅(qū)動。軸21還使通過銷48聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)閥18轉(zhuǎn)動。類似于在美國專利申請2007/0119188中所描述的，閥盤18通過有差別壓力保持抵靠固定閥座19。圖2示出了在圖1中被示意性地示出的進(jìn)口閥Vi 10的可能構(gòu)造。進(jìn)口閥組件60包括提動閥芯61、彈簧62、拉桿63、起閥活塞64、彈簧保持件65、外殼66和閥座67。閥拉桿密封件52和起閥件密封件53將氣體圍困在排出容積DVi 54中，其在壓力為Ph的氣體被允許從管線37進(jìn)入時提升提動閥芯61離開閥座67，并在壓力通過在旋轉(zhuǎn)閥18和閥座19之間的界面中的端口 Vih和Vil被切換至Pl時使提動閥芯61復(fù)位。在起閥活塞64上的力平衡借助于閥座19中的孔59使殼體39中的氣體壓力表現(xiàn)為Pl。閥盤18與閥座19之間的界面還含有端口 V3和V4，端口 V3允許在Ph的氣體通過管線32到達(dá)DVw，端口 V4通過相同的管線以Pl流通氣體。出口閥11可以構(gòu)造成和進(jìn)口閥組件60 —樣，在旋轉(zhuǎn)閥中帶有致動起閥件的端口。圖3是發(fā)動機(jī)組件300的橫 截面圖/示意圖?；钊鸌在其體內(nèi)具有回?zé)崞?2，孔43將回?zé)崞?2連接至DVc，孔44將回?zé)崞?2連接至DVw。該配置允許氣體在兩個排出容積之間流動以使二者基本保持相同壓力?；?zé)崞餍枰鄬^小的容積，使得與回?zé)崞飨嚓P(guān)的損失最小。通過回?zé)崞鞯膲航敌∮谕ㄟ^熱交換器40的壓降，因此DVc與DVw之間的壓差將小于實(shí)施方式100和200的。活塞I由借助于閥Vl 12和閥V2 13作用在驅(qū)動桿2上在Ph和Pl之間交替的氣體壓力驅(qū)動，閥Vl 12通過管線33將DVS 5連接至在Ph的管線30，閥V2 13將DVs連接至在Pl的管線31。假定閥Vi和Vo和圖2中所示的閥組件60類似。當(dāng)氣體壓力在管線37和38中在Ph和Pl之間循環(huán)時，類似于圖2中的64的起閥件致動閥Vi和No。梭動滑閥70在套筒71中在如圖所示的下位和活塞I處于沖程頂部處時的上位之間滑動。槽口 72和73交替地將來自管線30的為Ph的氣體和來自管線31的為Pl的氣體經(jīng)由位于閥70的壓縮機(jī)側(cè)上的端口 74、75、76和77連接至管線37和37和經(jīng)由位于梭動滑閥70的發(fā)動機(jī)側(cè)上的端口 78、79、80和81連接至管線37和38。當(dāng)活塞I處于下位時，為Ph的氣體流動通過端口 74、槽口 72和端口 79到達(dá)管線37，其在此使起閥件保持Vi打開。用于Vo的起閥件通過38、81、73和77連接至Pl，促使Vo關(guān)閉。當(dāng)V2打開并通過管線33和驅(qū)動氣體孔口 45將DVs連接至低壓時，活塞I上行。直至活塞I幾乎到達(dá)沖程的頂部并向上推動梭動滑閥70時梭動滑閥70才移動，使得槽口 72和73與套筒71中的頂部端口對準(zhǔn)并使Vi關(guān)閉，使Vo打開。用于Vi的起閥件通過37、78、72和75連接至Pl。用于Vo的起閥件通過38、80、73和76連接至Ph。通過關(guān)閉Vl并打開V2將DVs中的壓力從Pl切換至Ph使活塞I下行。直至活塞I幾乎到達(dá)底部時梭動滑閥70才移動?！?”型圈55是驅(qū)動桿氣缸69中密封71的圓周以防氣體自高壓向低壓沿軸向泄漏的一組“0”型圈中的一個。可以手動或電動地調(diào)節(jié)驅(qū)動氣體孔口 45以控制活塞I上下移動的速度。如果要使用發(fā)動機(jī)來冷卻負(fù)載并且人們希望保持恒定的從壓縮機(jī)的功輸出，那么必需在室溫以最大發(fā)動機(jī)速度起動并隨著溫度下降而降低發(fā)動機(jī)速度。目的是調(diào)節(jié)孔口 45使得活塞I完成整個沖程但不在沖程的止點(diǎn)處停留過長的時間。交替地，能夠以恒定速度在設(shè)定用于在最低溫度下運(yùn)行的固定孔口的情況下運(yùn)行。在冷卻期間壓縮機(jī)會旁通一些氣體。圖4是發(fā)動機(jī)組件400的橫截面圖/示意圖。其在活塞I的本體中具有回?zé)崞?2以使DVc和DVw之間的壓差最小化以及發(fā)動機(jī)200的機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)方面與發(fā)動機(jī)300具有相同的特征。在圖2的側(cè)視圖中示出的止轉(zhuǎn)棒軛驅(qū)動組件22在圖4的正視圖中示出。在圖2中示出的與閥座19 一起安裝在馬達(dá)軸21的端部上的旋轉(zhuǎn)閥盤18為發(fā)動機(jī)400的一部分，但在圖4中僅示出了 21。進(jìn)口閥組件60也是同樣的。用于打開和關(guān)閉Vo的類似閥組件是發(fā)動機(jī)400的一部分但未示出。旋轉(zhuǎn)閥盤18和閥座19具有如圖2和3中所示出的用于通過管線37和38致動起閥件的端口，其也是發(fā)動機(jī)400的一部分，但在圖4中未示出。止轉(zhuǎn)棒軛驅(qū)動組件22的正視圖示出了馬達(dá)20、將驅(qū)動軸23連接至驅(qū)動桿2的聯(lián)接器29、偏心輪24、軸承25、帶槽驅(qū)動器26、驅(qū)動軸引導(dǎo)裝置28和引導(dǎo)套管27。所示出的其它部件前面已經(jīng)描述過。發(fā)動機(jī)400是多功能設(shè)計(jì)，因?yàn)槠渌俣瓤勺?，無論閥正時如何，DVc和DVw之間的 壓差將一直很小，并且閥正時的范圍能夠產(chǎn)生高效率。圖5是發(fā)動機(jī)組件500的橫截面視圖/示意圖。其在活塞I的本體中具有回?zé)崞?2以使DVc和DVw之間的壓差最小化方面與發(fā)動機(jī)300和400具有相同的特征。活塞I由借助于閥Vl 12和閥V2 13作用在驅(qū)動桿2上在Ph和Pl之間交替的氣體壓力驅(qū)動，閥Vl12通過管線33將DVS 5連接至在Ph的管線30，閥V2 13將DVs連接至在Pl的管線31。假定閥Vi和Vo和圖2中所示的閥組件60類似。當(dāng)氣體壓力由閥81、Vih 82,Vil 83,Voh和Vol 84控制在管線37和38中在Ph和Pl之間循環(huán)時，類似于圖2中的64的起閥件致動閥Vi和Vo。如圖2中所示的旋轉(zhuǎn)閥可具有用于￥1、￥2、￥讓、￥11、￥011和￥01的端口，其具有期望的順序和內(nèi)置在閥盤和閥座中的相對正時。所示出的其它部件已經(jīng)在前面描述過。圖6示出壓力-容積(P-V)圖，圖7示出用于圖1至5中所示的發(fā)動機(jī)中的一個或多個的閥的打開和關(guān)閉次序。壓力-容積圖上的狀態(tài)點(diǎn)數(shù)字對應(yīng)于圖7中的閥開/閉次序。閥打開和關(guān)閉正時未示出，僅示出次序。壓力-容積圖6a適用于發(fā)動機(jī)100，選擇A，其在選擇B中示出的V3和V4的位置具有止回閥。點(diǎn)6表示活塞I處于沖程止點(diǎn)處，DVc最小，DVc和DVw處于Pl，DVs處于Ph。然后Vo關(guān)閉，Vi打開。DVc增大直至DVw中的氣體被壓縮至Ph，即點(diǎn)I。在點(diǎn)I處，Vl關(guān)閉，然后V2打開，使得DVs中的壓力為P1。當(dāng)氣體通過CVh流出到為Ph的管線30時，活塞I上行。進(jìn)口閥Vi在點(diǎn)2關(guān)閉，其正時為當(dāng)活塞I處于行程頂部、DVw最小時發(fā)生。然后即在點(diǎn)3處Vo打開，并且DVc中的壓力降至P1。當(dāng)V2關(guān)閉而Vl打開時，即在點(diǎn)4處，在熱端間隙容積中的為Ph的殘余氣體使活塞I開始下行。隨著在DVs中的為Ph的氣體向下驅(qū)動活塞，氣體經(jīng)由CV2被吸入到為Pl的DVw。當(dāng)活塞I到達(dá)冷端時Vo關(guān)閉，即在點(diǎn)5處。用主動閥(選擇B)替換發(fā)動機(jī)100中的止回閥(選擇A)使發(fā)動機(jī)能夠以壓力-容積圖6b運(yùn)行。在點(diǎn)5活塞到達(dá)底部之后，V4關(guān)閉，然后V3打開，從而使DVw中的壓力從Pl變?yōu)镻h。DVs仍然在Ph，因此當(dāng)在點(diǎn)6處Vi打開時，活塞不動直到在點(diǎn)I處Vl關(guān)閉而V2打開。DVs中的在Pl的氣體使活塞上行，將為Ph的氣體吸入DVc。Vi在點(diǎn)2處關(guān)閉之前活塞I到達(dá)頂部。然后在Vo于點(diǎn)3處打開之前，V3關(guān)閉，V4打開。由于在熱交換器40中的壓降，DVs和DVw中的氣體壓力實(shí)際上略低于P1，因此直至在點(diǎn)4處V2關(guān)閉而Vl打開，活塞才開始下行。

發(fā)動機(jī)200也以壓力-容積圖6b運(yùn)行。止轉(zhuǎn)棒軛驅(qū)動組件22取代桿驅(qū)動裝置以及閥Vl和V2?；钊邳c(diǎn)5處到達(dá)底部之后，Vo關(guān)閉，然后V4關(guān)閉，隨后很快V3和Vi在點(diǎn)6處打開。隨著止轉(zhuǎn)棒軛驅(qū)動裝置在點(diǎn)I處開始向上移動活塞，DVc中的氣壓達(dá)到Ph。氣壓一直處于Ph直至在點(diǎn)2處活塞到達(dá)頂點(diǎn)并且Vi關(guān)閉。然后在No于點(diǎn)3處打開之前，V3關(guān)閉并且V4打開。隨著活塞I從點(diǎn)4處開始下行，DVc中的氣壓快速降至P1。發(fā)動機(jī)300也以壓力-容積圖6b運(yùn)行。通過將DVc和DVw保持在相同壓力下的內(nèi)部回?zé)崞?2消除了對閥V3和V4的需要。當(dāng)活塞I到達(dá)底部即點(diǎn)5和點(diǎn)6處時，Vo關(guān)閉且Vi打開，DVs中的壓力為Ph，將活塞保持在下面。在點(diǎn)6處在DVc和DVw中的氣體為Ph時，活塞不移動，直至在點(diǎn)I處Vl關(guān)閉且V2打開。DVs中為Pl的氣體使活塞上行，將在Ph的氣體吸入DVc中。當(dāng)活塞I到達(dá)頂部，梭動滑閥70移位成在點(diǎn)2處關(guān)閉Vi并在點(diǎn)3處打開Vo。在點(diǎn)4處，DVc中的氣體壓力降至P1，然后V2關(guān)閉且Vl打開，從而致使活塞I下行。發(fā)動機(jī)400以壓力-容積圖6c運(yùn)行。其不具有閥V1、V2、V3或V4?；钊鸌由止轉(zhuǎn)棒軛組件22驅(qū)動，回?zé)崞?2平衡DVc和DVw中的壓力。在活塞I到達(dá)底部即點(diǎn)5之前，Vo關(guān)閉，并且隨著活塞I向冷端移動，DVc和DVw中的壓力升高，從而使DVc中的低溫氣體轉(zhuǎn)移至處于室溫的DVw。在點(diǎn)6處，Vi打開，并且DVc和DVw中的壓力快速增大至Ph。在點(diǎn)I處，活塞I上行，從而將為Ph的氣體吸入DVc中。在活塞I到達(dá)頂部即在點(diǎn)2之前，Vi關(guān)閉，并且隨著活塞向頂部(點(diǎn)3)移動，氣體壓力下降，從而將DVw中的高溫氣體轉(zhuǎn)移至DVc。然后Vo打開并且DVc中的氣體壓力降至Pl。然后，活塞I開始下行(點(diǎn)4)并且隨著其向點(diǎn)5移動而推動為Pl的氣體經(jīng)由Vo流出。發(fā)動機(jī)500以壓力-容積圖5c運(yùn)行。其沒有閥V3和V4，因?yàn)榛責(zé)崞?2使DVc和DVw中保持相等的壓力。在活塞I到達(dá)底部(點(diǎn)5)之前，Vo關(guān)閉，(Voh 83關(guān)閉且Vol 84打開)，并且隨著活塞I向冷端移動DVc和DVw中的壓力增大，從而使DVc中的低溫氣體轉(zhuǎn)移至處于室溫的DVw。在點(diǎn)6處，Vi打開，(Vil 83關(guān)閉并且Vih 82打開)，并且DVc和DVw中的壓力快速增大至Ph。在點(diǎn)I處,Vl關(guān)閉然后V2打開,使活塞I上行,從而將為Ph的氣體吸入DVc中。在活塞I到達(dá)頂部(點(diǎn)2)之前，Vi關(guān)閉，(Vih關(guān)閉且Vil打開)，并且隨著活塞向頂部(點(diǎn)3)移動，氣體壓力下降，從而將DVw中的高溫氣體轉(zhuǎn)移至DVc。然后No打開，(Vol關(guān)閉并且Voh打開)，并且DVc中的氣體壓力降至P1。在點(diǎn)4，V2關(guān)閉并且Vl打開。然后，活塞I開始下行并且隨著其向點(diǎn)5移動而推動為Pl的氣體經(jīng)由Vo流出。表I提供了針對不同發(fā)動機(jī)計(jì)算的制冷容量(capacities)的對照。發(fā)動機(jī)200和300以與發(fā)動機(jī)IOOb相同的循環(huán)運(yùn)行并且因?yàn)轵?qū)動機(jī)構(gòu)中使用了略少的氣體而在容量上僅有很小的增加，因此未將它們包括進(jìn)來。所有發(fā)動機(jī)采用Vi為2.2MPa且Vo為0.8MPa的壓力。氦氣流率為6.0g/s并且包括到驅(qū)動桿、用于Vi和No的閥致動器的流以及允許包括回?zé)崞鞯目臻e容積的氣體。認(rèn)為熱交換器的效率為98%。認(rèn)為所有發(fā)動機(jī)具有變速驅(qū)動裝置和控制活塞速度的機(jī)構(gòu)以及具有完整沖程同時在沖程止點(diǎn)處僅有短暫停留時間的閥正時。除了發(fā)動機(jī)400外，這些發(fā)動機(jī)的尺寸為使得采高溫時為6Hz并隨溫度降低的最大速度將質(zhì)量從室溫冷卻至大約30K，因此發(fā)動機(jī)在大部分冷卻過程中始終以設(shè)想的壓力使用設(shè)想的流率。制冷的冷卻容量Q和運(yùn)行速度N按溫度T在Vi處列出為200K和60K。顯然，發(fā)動機(jī)可以設(shè)計(jì)成以固定速度在很窄的溫度范圍一例如，為120K以便冷卻低溫泵以俘獲水蒸汽——運(yùn)行。發(fā)動機(jī)500是優(yōu)化用于在從30K至80K的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的設(shè)計(jì)的示例。其與其它發(fā)動機(jī)相比具有更小的直徑Dp和更短的沖程S，因此其在低溫范圍內(nèi)以較高的速度運(yùn)行。這種制冷設(shè)備可以設(shè)計(jì)成具有效率較高(比如為98.5%)的熱交換。從表I可以看出，發(fā)動機(jī)IOOa最低效。這是因?yàn)楫?dāng)在點(diǎn)I允許為Ph的氣體進(jìn)入時DVw中的氣體壓力低。發(fā)動機(jī)100a、100b、200和300都具有與直至活塞到達(dá)頂部才允許為Ph的氣體進(jìn)入然后將該氣體排出至Pl相關(guān)聯(lián)的損失。發(fā)動機(jī)400和500具有最佳效率，因?yàn)樗鼈兊腣i和Vo關(guān)閉得早，Vi關(guān)閉得早使得氣體隨著活塞從點(diǎn)2移動至點(diǎn)3而膨脹，Vo關(guān)閉得早因而隨著活塞從點(diǎn)5移動至點(diǎn)6而存在一些再壓縮。因?yàn)樵跓岫怂褂玫臍怏w的份額較小，所以發(fā)動機(jī)效率隨著其冷卻而增大，并且發(fā)動機(jī)減速。效率在大約80K處為最大值，然后因?yàn)闊峤粨Q器損失占主導(dǎo)而降低。表I性能比對
發(fā)動機(jī) 100aIOOb400500
驅(qū)動裝置氣動氣動止轉(zhuǎn)棒軛氣動
Dp-mm 101.4 101.482.4101.4
S-mm25.425.42025.4
V1、V2 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)
V3、V4 CVs旋轉(zhuǎn)回?zé)崞骰責(zé)崞?br> P-V 圖6a6b6c6c
Tc-K200200200200
N-Hz4.44.55.75.8
Q-W8401,070 560I, 220
Tc-K60606060
N-Hz1.41.54.52.3
Q-W110230335315
其它實(shí)施方式在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。例如，被描述為氣動致動的進(jìn)口閥組件60和等同的出口閥組件可以替代為電致 動的或通過由馬達(dá)20驅(qū)動的凸輪致動的。
權(quán)利要求
1.一種膨脹式發(fā)動機(jī)，所述膨脹式發(fā)動機(jī)使用從壓縮機(jī)供給的氣體運(yùn)行以產(chǎn)生深冷溫度的致冷作用，所述膨脹式發(fā)動機(jī)包括: 位于氣缸中的活塞，所述活塞具有位于熱端的驅(qū)動桿，氣動力和機(jī)械力之一作用于所述驅(qū)動桿從而使所述活塞往復(fù)運(yùn)動， 位于所述氣缸的冷端的進(jìn)口和出口閥，所述進(jìn)口和出口閥在所述活塞靠近所述氣缸的冷端時允許高壓氣體進(jìn)入并在所述活塞靠近所述氣缸的熱端時將氣體排放至低壓， 在所述活塞移動時將所述活塞的所述熱端上的在所述驅(qū)動桿的區(qū)域外的壓力保持在幾乎與所述活塞的所述冷端相同的壓力下的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述 的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，用于使所述壓力保持幾乎相等的所述裝置通過包括回?zé)崞鞯臍怏w通路連接所述熱端和所述冷端。
3.如權(quán)利要求1所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，用于使所述壓力保持幾乎相等的所述裝置包括連接在所述熱端與來自所述壓縮機(jī)的供給和回流管線之間的止回閥。
4.如權(quán)利要求1所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，用于使所述壓力保持幾乎相等的所述裝置包括連接在所述熱端與來自所述壓縮機(jī)的供給和回流管線之間的主動閥，所述主動閥的打開和關(guān)閉與所述活塞的位置相協(xié)調(diào)。
5.如權(quán)利要求1所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，所述進(jìn)口和出口閥通過氣動力打開和關(guān)閉。
6.如權(quán)利要求1所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，所述進(jìn)口和出口閥通過電致動裝置和凸輪致動裝置之一打開和關(guān)閉。
7.如權(quán)利要求5所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，借助于旋轉(zhuǎn)閥和梭動滑閥之一使所述進(jìn)口和出口閥的打開和關(guān)閉的正時與所述活塞的位置相協(xié)調(diào)。
8.如權(quán)利要求1所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，所述氣動致動的驅(qū)動桿由旋轉(zhuǎn)閥控制，所述旋轉(zhuǎn)閥還具有用于致動所述進(jìn)口和出口閥的端口。
9.如權(quán)利要求8所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，所述旋轉(zhuǎn)閥還包含使氣體向所述活塞的熱端流動的端口，所述流動與致動所述進(jìn)口和出口閥的流動相協(xié)調(diào)。
10.如權(quán)利要求1所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，所述機(jī)械致動的驅(qū)動桿包括止轉(zhuǎn)棒軛機(jī)構(gòu)和還使旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動的馬達(dá)，所述旋轉(zhuǎn)閥具有致動所述進(jìn)口和出口閥的端口。
11.如權(quán)利要求10所述的膨脹式發(fā)動機(jī)，其中，所述旋轉(zhuǎn)閥還包含使氣體向所述活塞的熱端流動的端口，所述流動與致動所述進(jìn)口和出口閥的流動相協(xié)調(diào)。
全文摘要
一種以布雷頓循環(huán)運(yùn)行的、作為用以產(chǎn)生深冷溫度的致冷作用的系統(tǒng)的一部分的膨脹式發(fā)動機(jī)，系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、逆流熱交換器和可能遠(yuǎn)離并通過從發(fā)動機(jī)循環(huán)的氣體冷卻的負(fù)載。發(fā)動機(jī)具有在氣缸中的活塞，活塞在其運(yùn)動時在其上方和下方具有幾乎相同的壓力。活塞和閥可以或者是機(jī)械致動的或者是氣動致動的，并且活塞上方和下方的壓力可借助于連接兩個空間的回?zé)崞骰蛲ㄟ^閥而保持幾乎相等。
文檔編號F01B25/10GK103249914SQ201180014064
公開日2013年8月14日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者R.C.隆斯沃思 申請人:住友美國低溫學(xué)公司