專利名稱：具有時(shí)變間隙密封的自由活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般而言涉及自由活塞裝置，尤其是用于采用線性電動(dòng)機(jī)以向低溫制冷機(jī)提供聲能量的活塞。
背景技術(shù)：
自由活塞裝置使用往復(fù)活塞或驅(qū)氣活塞，而避開曲軸或其它機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)來執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，相反地依靠由振蕩氣壓傳遞的總系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，以保證不同系統(tǒng)部件的正確運(yùn)動(dòng)幅度和相位。因而，在活塞平均位置上沒有自然約束，這使得即使正確地執(zhí)行動(dòng)態(tài)特性，活塞平均位置會(huì)漂移離開中心。這能夠?qū)е驴s短活塞的有效行程，或者如果發(fā)生接觸會(huì)對活塞或其它部件造成損害。
在具有間隙密封的往復(fù)自由活塞裝置中，活塞往往會(huì)向具有較大的振蕩壓力一側(cè)漂移?？梢岳斫獾?，這是由于在高振蕩壓力側(cè)為高的半個(gè)循環(huán)過程中，與在另半個(gè)循環(huán)中反向流動(dòng)氣體相比，流經(jīng)密封的氣體密度較高。這導(dǎo)致氣體在活塞一側(cè)堆積，從而導(dǎo)致在活塞上施加力的相應(yīng)的平均壓力差，因而使活塞移動(dòng)離開中心。
傳統(tǒng)的校正裝置分成三類(1)中心端口，是跨越活塞置入到活塞密封內(nèi)的泄漏路徑，使得其僅僅在活塞上的壓力差被認(rèn)為是最小時(shí)開啟，因而任何累積的平均壓力差趨于在每一個(gè)循環(huán)中均衡兩次；(2)補(bǔ)償流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括具有連接活塞兩側(cè)或連接到不同壓力下的氣源的單向閥的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成與通過活塞密封的不平衡的流相對的方向上泄漏流體；(3)擾動(dòng)DC電流，DC電流將校正的DC力施加到電流致動(dòng)(諸如線性電動(dòng)機(jī))的自由活塞來對消由在一側(cè)堆積的流體引起的壓力。前兩個(gè)方案涉及圍繞活塞密封的旁路。旁路不可避免增加制造成本，并引起可靠性和質(zhì)量控制的問題。許多這樣的方案需要一定程度的主動(dòng)控制和/或調(diào)節(jié)以正確地工作；中心端口和單向閥會(huì)被堆積物污損，并且單向閥可能全部失效。旁路還增加系統(tǒng)的能耗。擾動(dòng)DC電流需要附加的傳感器和控制電子設(shè)備，并且在除了最小的自由活塞裝置以外的所有自由活塞裝置上是不實(shí)用的。
因而，本發(fā)明的目的是提供一種能夠更好地抵消活塞漂移的自由活塞裝置。

發(fā)明內(nèi)容
由本發(fā)明獲得的以上和其它目的對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀這些公開內(nèi)容之后將變得明顯，本發(fā)明是一種自由活塞裝置，具有在行程長度上以一定頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，并具有分別朝向第一和第二可變?nèi)莘e的第一和第二側(cè)，第一和第二容積用于容納工作流體，其中，所述第一容積和所述第二容積經(jīng)由所述活塞和所述活塞在其中往復(fù)的殼體之間的間隙密封連通，所述改進(jìn)包括用于以與所述活塞往復(fù)的循環(huán)協(xié)調(diào)來產(chǎn)生時(shí)變密封幾何形狀的方式改變所述間隙密封的幾何形狀的裝置，這樣的時(shí)變密封幾何形狀減少或消除否則會(huì)發(fā)生的工作流體的時(shí)間平均流，由此減少或消除所述活塞沿所述往復(fù)軸線從標(biāo)稱中心的漂移。


圖1是本發(fā)明的自由活塞裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的剖面表示。
圖2是在圖1中所示的本發(fā)明實(shí)施例在活塞一端的瞬時(shí)壓力超過活塞另一端的瞬時(shí)壓力時(shí)的情形的剖面表示。
圖3是本發(fā)明自由活塞裝置的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的剖面表示，其中，活塞具有固定實(shí)體體積。
圖4是本發(fā)明的自由活塞裝置的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的剖面表示，其中密封響應(yīng)于振蕩壓力而彎曲。
圖5是本發(fā)明的自由活塞的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的剖面表示，其中，密封的長度隨活塞的運(yùn)動(dòng)而變化。
圖6是本發(fā)明的自由活塞的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的剖面表示，其具有錐形的活塞和氣缸。
對于相同或類似元件，附圖中的數(shù)字是相同的。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明認(rèn)識(shí)到在活塞運(yùn)動(dòng)的整個(gè)循環(huán)中隨時(shí)間適當(dāng)變化的活塞密封能夠利用氣流動(dòng)態(tài)特性來控制活塞位置，而不需要額外的流動(dòng)路徑或校正DC信號(hào)。本發(fā)明的自由活塞是自定心，沒有主動(dòng)控制，沒有調(diào)節(jié)，也沒有繞密封的額外泄漏路徑，沒有額外的制造成本，沒有故障模式，且具有低的能耗。本發(fā)明采用具有零凈流量通過的活塞和密封。這種時(shí)變密封的幾何形狀用來控制通過密封的流量。本發(fā)明包括以下認(rèn)識(shí)通過設(shè)計(jì)活塞和/或密封使得密封的幾何形狀在每一個(gè)循環(huán)過程中以使得抑制自然凈泄漏流量或使自然凈泄漏流量反向的方式而變化，對泄漏可以加以控制和平衡，平均位置可以加以控制。被動(dòng)地控制活塞位置同時(shí)消除對中心端口、旁通管或單向閥網(wǎng)絡(luò)的需要導(dǎo)致低成本、更高效率、更少的故障模式和更少的零件數(shù)量。本發(fā)明利用以下發(fā)現(xiàn)中空活塞能夠響應(yīng)于活塞殼體上的壓力差而彎曲，使得在有振蕩壓力的情況下，殼體在半個(gè)循環(huán)期間膨脹，因而使密封間隙變窄，而在另半個(gè)循環(huán)期間收縮，因而增加密封間隙。在具有中空活塞的大多數(shù)裝置中，這導(dǎo)致流經(jīng)密封的不平衡質(zhì)量流量增加和活塞漂移增加。本發(fā)明體現(xiàn)以下認(rèn)識(shí)，即活塞能夠設(shè)計(jì)成使在活塞殼體上的通常的壓力梯度反向，使得當(dāng)壓力在前面(“前面”是具有更高動(dòng)態(tài)壓力的一側(cè))是高時(shí)，密封間隙緊閉，反之亦然。這基本上使活塞自身類似單向閥地動(dòng)作，減少了在通常造成活塞漂移/偏移的方向上的流。
本發(fā)明參照附圖以更詳細(xì)的方式描述?，F(xiàn)在參照圖1，可以作為單體澆鑄的或由若干個(gè)機(jī)加工零件組成的活塞(1)在氣缸(2)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將工作流體隔成兩個(gè)通過環(huán)形間隙(5)連通的兩個(gè)容積(3)和(4)。如果活塞是諸如線性電動(dòng)機(jī)的致動(dòng)器的一部分，則活塞可以通過活塞桿(6)連接?；钊耐鈿?7)通過連接板(8)分成部分(9)和(10)，這使用諸如間隙(5)、活塞半徑(12)、工作流體特性、容積(3)和(4)中的動(dòng)態(tài)壓力的幅度和相位、外殼的厚度(11)和密封(13)的總長之類的量由設(shè)計(jì)選定。
當(dāng)容積(3)中的壓力高而容積(4)中的壓力低時(shí)，活塞殼體的部分(9)將徑向膨脹，而部分(10)將徑向收縮。這些部分的自由端將不會(huì)偏轉(zhuǎn)，并且連接到連接板(8)的端部將具有幾乎零度的傾斜，使得所形成的(夸大的)活塞形狀類似于在圖2中所示的。即，當(dāng)容積(3)的瞬時(shí)總壓力超過容積(4)的瞬時(shí)總壓力時(shí)，在部分(9)中的密封間隙將減少，而在部分(10)中的密封間隙將增加。如果(9)比(10)長，則密封間隙經(jīng)歷凈減少，因而阻止通過密封的流動(dòng)。當(dāng)(4)的壓力超過(3)的壓力時(shí)，密封間隙將經(jīng)歷凈增加，因而促進(jìn)流動(dòng)。注意，活塞內(nèi)殼(1)的偏轉(zhuǎn)也必須考慮。如果(3)中的動(dòng)態(tài)壓力幅度大于(4)中的動(dòng)態(tài)壓力幅度，則這是所需要的密封性能以與會(huì)發(fā)生的自然時(shí)間平均二階質(zhì)量流量相對。與流量相對的強(qiáng)度由部分(9)和(10)的相對長度控制。如果活塞半徑(12)特別地大并且活塞殼(11)特別地薄，則活塞偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的流量將優(yōu)于二階時(shí)間平均流量占主導(dǎo)，因此，部分(9)和(10)應(yīng)幾乎相等。
本發(fā)明的實(shí)施例具有許多優(yōu)點(diǎn)，在其中主要的優(yōu)點(diǎn)是由彎曲的活塞殼形成的密封中流的單向閥能夠容易地制成足夠地強(qiáng)，以克服在沒有彎曲活塞情況下會(huì)發(fā)生的自然時(shí)間平均質(zhì)量流量?；钊麣さ膶?shí)際彎曲在實(shí)際機(jī)器中是非常微小使得不用關(guān)心疲勞的問題，因而這代表真正的免維護(hù)技術(shù)方案，且沒有附加零件和流動(dòng)路徑。
圖3示出類似于圖1中所示活塞的活塞，但是活塞內(nèi)殼(1)已經(jīng)由實(shí)體體積(14)代替，實(shí)體體積(14)由某種裝置(15)固定以相對于氣缸靜止。在這情況下，活塞可以比在圖1中所示的實(shí)施例重量要小，但(3)中的工作流體的體積不必增加。
如在圖4中所示，本發(fā)明還包括其中活塞密封彎曲的構(gòu)造，而不是活塞彎曲(或除了活塞彎曲之外)。
此處，出于清楚起見(盡管不是必要的)活塞(1)示出為實(shí)體，因而不能夠彎曲，并且氣缸構(gòu)造成使得氣缸包括內(nèi)殼(2)，由密封間隙(5)限制其內(nèi)徑，由此處示出為(19)和(20)的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形容積限制其外徑。連接板(23)或其它裝置將氣缸殼(2)連接到外殼(24)或其它剛性支撐件，并且將兩個(gè)環(huán)形容積(19)和(20)分開。選定兩個(gè)部分(21)和(22)以使活塞的漂移最小化。在圖4所示的示例中，如果我們假定容積(3)中的振蕩壓力幅度超過容積(4)中的振蕩壓力幅度，則我們會(huì)期望部分(22)比部分(21)長，使得當(dāng)(3)中的總壓力超過(4)中的總壓力時(shí)，活塞氣缸的內(nèi)殼(2)經(jīng)歷凈徑向壓縮，因而減少了密封間隙，阻止從(3)到(4)的流。
除了彎曲的活塞或密封，本發(fā)明還覆蓋隨時(shí)間改變活塞幾何形狀的其它裝置。一個(gè)示例示出在圖5中。如果密封中的未平衡的質(zhì)量流量小，則構(gòu)造階梯形氣缸可能就足夠了，其中更小直徑的區(qū)域(2)用作具有小間隙(5)的活塞孔，外部區(qū)域(16)連接到剛性支撐件，或者形成殼體或壓力容器的一部分。活塞設(shè)置成使得在其平衡位置處，其在孔中沒有對中，而是突出到一側(cè)外。孔的有效密封長度(13)因而由于活塞運(yùn)動(dòng)而隨時(shí)間調(diào)節(jié)。由于通過密封的質(zhì)量流量與其長度成反比，在循環(huán)中通過密封的流在適合點(diǎn)被促進(jìn)或阻止，這取決于活塞和氣缸如何構(gòu)造。
在圖5所示的示例中，我們假定(3)中的動(dòng)態(tài)壓力幅度超過(4)中的動(dòng)態(tài)壓力幅度，因而，在工作過程中活塞自然趨于向(3)漂移。如果活塞運(yùn)動(dòng)和(3)中的動(dòng)態(tài)壓力之間的相位使得當(dāng)活塞處于其在(3)中的最大偏移時(shí)(3)中的壓力接近最大值，則當(dāng)驅(qū)動(dòng)從(3)到(4)的流的壓力差最大時(shí)，密封長度將接近最大值。因而，這樣的流被阻止，反向流得到促進(jìn)，這與氣體蓄積在具有較低動(dòng)態(tài)壓力的容積中的趨勢相反?；钊跉飧字械钠胶馕恢每梢哉{(diào)節(jié)成反映在振蕩壓力和活塞運(yùn)動(dòng)之間存在的任何相位，使得當(dāng)密封上的壓力差是最大時(shí)密封長度是最大的。
本發(fā)明還覆蓋自由活塞行為的一些其它方面的應(yīng)用(通常被認(rèn)為是不合理的)，使得如果該行為形成對其功能很重要的時(shí)變密封幾何形狀則消除活塞漂移。下面是一個(gè)示例。通常在制造活塞孔的過程中活塞孔要制成均勻直徑。然而，如果形成具有從一端到另一端的錐度的孔時(shí)，則當(dāng)該活塞在錐形孔中往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)這能夠形成時(shí)變有效的密封間隙。這能夠根據(jù)錐度的度數(shù)和方法減少活塞漂移。
圖6示出本實(shí)施例可行的實(shí)現(xiàn)。錐角(24)考慮平均密封間隙(5)、活塞直徑、密封長度和工作流體特性選定來使活塞漂移最小化。在所示的示例中，錐度(被夸大)使得隨著活塞移動(dòng)進(jìn)入容積(3)越遠(yuǎn)，密封間隙減少。如果(3)中的動(dòng)態(tài)壓力幅度超過(4)中的動(dòng)態(tài)壓力幅度，并且該壓力與活塞運(yùn)動(dòng)同相或接近同相，那么該活塞孔的錐度將通過當(dāng)(3)中的總壓力超過(4)中的壓力時(shí)減少密封間隙來阻止(4)中的工作流體的自然蓄積，并且當(dāng)(4)中的總壓力超過(3)的壓力時(shí)反之亦然。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照一些優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)地進(jìn)行了描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到有在權(quán)利要求要旨和范圍內(nèi)的其它實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種自由活塞裝置，具有在行程長度上以一定頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，并具有分別朝向第一可變?nèi)莘e和第二可變?nèi)莘e的第一側(cè)和第二側(cè)，第一可變?nèi)莘e和第二可變?nèi)莘e用于容納工作流體，其中，所述第一容積和所述第二容積經(jīng)由所述活塞和所述活塞在其中往復(fù)的殼體之間的間隙密封連通，所述改進(jìn)包括用于以與所述活塞往復(fù)的循環(huán)協(xié)調(diào)來產(chǎn)生時(shí)變密封幾何形狀的方式改變所述間隙密封的幾何形狀的裝置，這樣的時(shí)變密封幾何形狀減少或消除否則會(huì)發(fā)生的工作流體的時(shí)間平均流，由此減少或消除活塞沿往復(fù)軸線從標(biāo)稱中心的漂移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞裝置，其中，所述時(shí)變密封幾何形狀由包括具有外殼的活塞的裝置產(chǎn)生，所述外殼能夠響應(yīng)于壓力徑向膨脹或收縮。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞裝置，其中，所述時(shí)變密封幾何形狀由包括活塞氣缸的裝置產(chǎn)生，該活塞氣缸具有內(nèi)徑，所述內(nèi)徑由在所述間隙密封中的流體約束，所述活塞外徑的至少一部分由經(jīng)受壓力振蕩的工作流體約束，使得氣缸直徑和所述間隙密封的間隙響應(yīng)于振蕩壓力膨脹或收縮。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞裝置，其中，所述時(shí)變密封幾何形狀由包括具有密封表面的活塞的裝置產(chǎn)生，在部分所述往復(fù)循環(huán)過程中，所述密封表面至少部分地延伸到所述密封的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由活塞裝置，其中，所述時(shí)變密封幾何形狀由包括錐形活塞孔的裝置產(chǎn)生，使得有效的密封間隙取決于所述孔中的活塞位置。
全文摘要
一種特別地可應(yīng)用來與線性電動(dòng)機(jī)一起使用的自由活塞裝置，用于為低溫制冷機(jī)提供聲能以在低溫溫度產(chǎn)生制冷，其包括時(shí)變間隙密封，以通過減少或消除否則會(huì)發(fā)生的工作流體的時(shí)間平均流，來抵消活塞漂移。
文檔編號(hào)F16J15/56GK1950631SQ200580014555
公開日2007年4月18日 申請日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月18日
發(fā)明者P·S·斯普爾 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司