[发明专利]稳定性、效率和可控性得到改进的反向活塞伽玛型自由-活塞斯特林机

说明书

发明背景

本发明总地涉及自由-活塞式斯特林发动机、热泵及冷却器，更具体地涉及带有反向动力活塞的伽玛结构的自由-活塞式斯特林机的性能改进，通过对其输出控制改进，在一定程度上能更精准的适合并优化斯特林发动机运行所遇到的工况。在本发明中，置换器有一个连接杆，经过动力活塞一直延伸到一个电磁线性换能器。该线性换能器控制置换器往复运动的相位和幅度，使线性换能器能控制斯特林冷却器/热泵，提供最大速率的热传输或在整个操作温度范围里得到最高效率；并用某种方法控制斯特林发动机，使发动机输出功率和载荷要求相匹配，在整个操作温度范围及机器的极限范围内得到最高效率和稳定性。

斯特林的基本原理

如本领域所周知的，斯特林发动机的工作气体是限制在一个工作空间内，该工作空间包括一个膨胀区间和一个压缩区间。工作气体交替地膨胀和压缩以达到做机械功或将膨胀区域的热量输送到压缩区域。工作气体周而复始在压缩区域和膨胀区域来回流动，因而使一个或多个动力活塞在某些机器中使置换器运动。压缩区间和膨胀区间通过热接收器，再生器及散热器流通连接。周期性的往复使工作气体在各自的区间内的相对比例发生变化。在膨胀区域的气体以及从再生器和膨胀区域之间的热交换器（接收器）流进膨胀区域的气体吸收周围表面的热量；压缩区域的气体以及从再生器和压缩区域之间的热交换器（放热器）流进压缩区域的气体向周围的表面放热。因为膨胀区域和压缩区域相互连接的通道具有相对较小的流动阻力，任何时刻气体的压力在整个工作空间基本上是相同的。然而，在工作空间的气体，作为一个整体其压力还是周期性地循环变化的。当大部分气体在压缩区域时，气体中放出热量。当大部分气体在膨胀区域时，气体吸收热量，不管机器作为热泵或作为一个发动机做功，这点总是成立的。区别做功或是热泵的唯一要求是在膨胀进行过程中的温度。如果该膨胀过程的温度高于压缩区域的温度，那么机器是倾向于做功，因而其功能为发动机；如果膨胀过程的温度是低于压缩区域的温度，那么这机器将会将热量从冷源传给暖和的散热片。

也如本领域所周知的，斯特林发动机有三个主要结构。阿尔法结构至少有两个位于分开的缸里的活塞，由一个活塞围成的膨胀区域通过再生器连接到由另一个活塞和另一个气缸所围成的压缩区域。这些连接串成一个环路将多个气缸的膨胀区域和压缩区域连接起来。贝塔结构有一单个的动力活塞通常简称为活塞，被置于与置换器活塞同一个或同心的缸里，通常就称为置换器。伽玛斯特林机也有一个置换器以及至少一个动力活塞，但是动力活塞是装在另外分开的缸里，沿着置换器缸的轴，但是离开足够距离使得置换器和活塞不会相碰。

斯特林机可以两种模式中的任一种运行，以提供：（1）发动机，由于施加外部热能源给膨胀区域，并在压缩区域将热量带走，其一个或若干个活塞得以驱动，从而能够成为机械载荷的原动机；或（2）热泵，其一个或若干个动力活塞（或者有时是置换器）周期性地由原动力驱动，将热量从膨胀区域传送到压缩区域，从而能够将热能从较冷的介质传送给较热的介质。热泵的模式是使物体和膨胀区域作热连接，从而使斯特林机用来冷却该物体，包括冷却至低温，或使物体和压缩区域作热连接来加热该物体，如家用加热的热交换器。因而斯特林“机”这一术语通常同时包括斯特林发动机和斯特林热泵。

当目的是将物质热连接到膨胀区域从而冷却这些物质的时候，从膨胀区域带走热量的斯特林机有时也称作冷却器；当将物质热连接到压缩区域，目的是要加热物质的时候，有时就称作热泵。原理上它们是同一种机器的不同称谓，都是将热量从膨胀区域“泵”（传输）到压缩区域。工作气体在膨胀区域里膨胀，从围绕斯特林机膨胀区域周围的内壁吸收热量；工作气体在压缩区域压缩，向围绕斯特林机压缩区域周围的内壁放热。结果就形成了冷却器/热泵的术语，用于基础的机器上时，冷却器和热泵能等同使用。

同样地，斯特林发动机和斯特林冷却器/热泵也是基本上相同的能量转换器结构，能够在两种能量（机械能和热能）之间向任一个方向转换。

发明所针对的问题