技术领域
[0001] 本
发明涉及斯特林循环机，例如，斯特林循环
发动机(Stirling cycle engine，也称
斯特林发动机)以及斯特林循环制冷机(Stirling cycle cooler，也称为斯特林制冷机)。
背景技术
[0002] 斯特林发动机具有用于由不同的热源有效地发电的潜
力，该热源包括太阳、
生物质以及
放射性核素。在二十多年中，斯特林发动机有了长足发展，但得到的配置仍然不能获得显著的物尽其用。
[0003] 大型的斯特林发动机倾向于使用“运动学”配置，该配置具有油润滑的
曲柄机构。这些被证明是高效的，但在运行上相对昂贵，特别是由于其通常需要频繁的维护，典型地以约8000小时的间隔进行维护。
[0004] 无需油润滑的发动机已经被开发，其已经被证明具有长的无需维护的寿命，例如，Sunpower和Infinia制造的发动机。这样的配置使用直线技术(linear technologies)，该技术避免了曲柄机构等的使用。这种发动机能够具有高效率，但目前为止其功率限制在约1kW。这对于许多潜在的应用是过于小的，潜在的应
用例如有使用太阳和生物质热源的
可再生能源。存在多重因素抑制了放大尺寸。例如，这些直线发动机不具有任何用于控制功率发生的手段；所使用的β几何结构需要变得更加难以共振的移气器(displacer)部件；以及所使用的环形加热件的几何结构不能很好地放大尺寸。
[0005] 虽然斯特林循环机有许多不同配置，但其均基本地包括填充气体的组件，如
附图1所示例性地示出的，该填充气体的组件具有两个可变容积Vc、Ve，该两个可变容积Vc、Ve被多个
热交换器所连接，即冷却器2、
回热器(regenerator)4以及加热器6。
[0006] 由
活塞Pc、Pe和
气缸5组件产生的可变容积Vc、Ve在不同的
温度下操作，其间具有
相位，该相位典型地在60至120度之间。具有滞后的相位的容积被称为压缩容积Vc且在该容积中活塞Pc对气体做功完成。另一个容积被称为膨胀容积Ve，且在这种情况下气体对活塞Pe做功。机器的净功为膨胀容积Ve的功输出与压缩容积Vc的功输出之差。为使功输出为正，即为使该机器作为发动机运行，膨胀容积温度Te必须高于压缩容积温度Tc。为有效运行，比Te/Tc被做到尽可能高。对于实际的斯特林发动机，Te和Tc典型地分别为1000K和300K。
[0007] 斯特林发动机的配置的关键方面在于用于将功率由膨胀容积Ve传递至压缩容积Vc以便维持发动机运转的方式。
[0008] 在“α”类发动机中，压缩和膨胀容积Vc、Ve相当分离，且其一般地通过如图1中的通常的曲柄机构8机械地连接。本类发动机的示例为United Stirling V160发动机。
[0009] 在“β”和“γ”类发动机中(γ发动机的一般设置在图2中被示出)，移气器10被用于引起膨胀功We直接地作用在压缩容积Vc中的气体上。“功率”活塞12现在具有作用于其上的组合的压缩功(Wc)和膨胀功(We)，Wc+We。该方案通常使用在单活塞和气缸以及移气器的情况下，其比两活塞布置能够更加容易地被实现。
[0010] β发动机在操作上类似于γ发动机，但被布置为这样使得活塞和移气器共享同一气缸，且热交换器围绕气缸形成环形。其具有更紧凑的布置的优势。
[0011] 还存在多气缸发动机配置，其使用双作用活塞以传递功率。在Rinia多气缸配置中，有效地具有以环形集成在一起的四个发动机，这样使得相邻的发动机为90度异相。该布置允许每个活塞作为一个发动机的膨胀活塞以及作为相邻发动机的压缩活塞起作用。因此每个发动机的压缩功率由相邻发动机的膨胀功率直接地供应。
[0012] 所有的四种配置在多种运动学发动机中被应用。对于高功率、高效率发动机，α单缸和Rinia多气缸配置为优选的配置。
[0013] 虽然最近开发出了多气缸配置，但几乎全部的直线配置均使用β配置。单缸α配置并没有一般地被使用在直线机器中，这是由于缺乏适合的功率传递机构。这种情况的一个例外是公开在US 5,146,750(Moscrip)中的配置。其描述了特定电的功率传递机构。
发明内容
[0014] 本发明的一个目标在于提供用于直线斯特林循环机的配置，该配置几何上地很好地适合于大尺寸，且其能够容易地包含功率控制机构。
[0015] 根据一个方面，提供了一种斯特林循环发动机，包括：膨胀容积结构，其界定膨胀容积；压缩容积结构，其界定压缩容积；气体
弹簧耦合器容积结构，其界定气体弹簧耦合器容积(gas spring coupling volume)；第一往复组件，其包括膨胀活塞和膨胀器气体弹簧活塞，所述膨胀活塞被配置为在所述膨胀容积内往复，所述膨胀器气体弹簧活塞刚性地连接至所述膨胀活塞并且被配置为在气体弹簧耦合器容积内往复；以及第二往复组件，其包括压缩活塞和压缩器气体弹簧活塞，所述压缩活塞被配置为在所述压缩容积内往复，所述压缩器气体弹簧活塞刚性地连接至所述压缩活塞并且被配置为在气体弹簧耦合器容积内往复，其中：所述气体弹簧耦合器容积结构以及所述第一和第二往复组件被配置为使得在使用中功率通过所述气体弹簧耦合器容积从所述膨胀活塞向所述压缩活塞传递。
[0016] 该布置包含新颖的用于从膨胀容积向压缩容积传递功率的布置。所述膨胀容积和压缩容积可以为同一发动机单元的部分，或者不同发动机单元的部分。该布置尤其适合于直线的α配置机。该布置可以被容易地放大，而不损失效率，且因此几何上地很好的适合于大尺寸。该布置可以容易地包含功率控制机构。在一种实施方式中，该功率控制机制包括一个或多个换能器，所述换能器与所述第一和/或第二往复组件相互作用。
[0017] 在一种实施方式中，
控制器被提供，其用于控制下述中的一个或多个：所述发动机的功率输出、从所述第一往复组件向所述第二往复组件传递的功率的量、在所述第一和第二往复组件内的运动之间的
相位差、所述第一和第二往复组件的运动
频率。在一种实施方式中，所述控制器控制在所述第一和/或第二往复组件中的换能器。
[0018] 在一种实施方式中，多对直线悬挂弹簧被提供，以用于引导部件在所述第一和第二往复组件中的一个或两个内的运动。所述多对直线悬挂弹簧提供部件的高度精确的直线引导的
基础。在一种实施方式中，所述膨胀活塞、膨胀器气体弹簧活塞、压缩活塞和/或压缩器气体弹簧活塞可以被引导，以在紧密配合的对应的孔中运动，而无需润滑和/或活塞与孔之间的直接
接触。因而促进了无润滑、长寿命的运行。
[0019] 在一种实施方式中，平衡的发动机运行通过这样的方式而实现：提供两组所述第一往复组件、所述第二往复组件以及所述气体弹簧耦合器容积结构，每组被布置为使得在使用中发动机的
质量中心的
位置保持恒定。
[0020] 在一种实施方式中，平衡的发动机运行通过这样的方式而实现：提供第三往复组件，所述第三往复组件包括另外的压缩活塞和另外的压缩器气体弹簧活塞，所述另外的压缩活塞被配置为在另外的压缩容积中往复，所述另外的压缩器气体弹簧活塞被刚性地连接至所述另外的压缩活塞，并被配置为在气体弹簧耦合器容积中往复。在一种实施方式中，所述第二和第三往复组件被置于所述第一往复组件的相反侧，且被配置为使得由所述第二和第三往复组件内的运动引起的合成的
惯性力沿所述第一往复组件内的往复运动的轴线作用。在一种实施方式中，平衡器质量被提供，其被配置为沿所述第一往复组件内的往复运动的轴线作用。
[0021] 根据一个方面，提供了一种斯特林循环制冷机，包括：膨胀容积结构，其界定膨胀容积；压缩容积结构，其界定压缩容积；气体弹簧耦合器容积结构，其界定气体弹簧耦合器容积；第一往复组件，其包括膨胀活塞和膨胀器气体弹簧活塞，所述膨胀活塞被配置为在所述膨胀容积内往复，所述膨胀器气体弹簧活塞刚性地连接至所述膨胀活塞并且被配置为在气体弹簧耦合器容积内往复；以及第二往复组件，其包括压缩活塞和压缩器气体弹簧活塞，所述压缩活塞被配置为在所述压缩容积内往复，所述压缩器气体弹簧活塞刚性地连接至所述压缩活塞并且被配置为在气体弹簧耦合器容积内往复，其中：所述气体弹簧耦合器容积结构以及所述第一和第二往复组件被配置为使得在使用中功率通过所述气体弹簧耦合器容积从所述膨胀活塞向所述压缩活塞传递。
附图说明
[0022] 本发明的实施方式现在将参考附图仅以示例的方式被描述，附图中对应的附图标记表示对应的部件，且其中：
[0023] 图1示出了
现有技术的，包括曲柄机构的α类斯特林循环发动机；
[0024] 图2示出了现有技术的，γ类斯特林循环发动机；
[0025] 图3示出了α类斯特林循环发动机，其中气体弹簧耦合器允许由膨胀活塞向压缩活塞的功率传递；
[0026] 图4示出了图3中所示的类型的一种布置，其中直线发
电机被提供在膨胀活塞与膨胀器气体弹簧活塞之间；
[0027] 图5示出了气体弹簧；
[0028] 图6示出了气体弹簧耦合器；
[0029] 图7示出了图4中所示的类型的一种布置，除了膨胀器气体弹簧活塞被提供在直线发电机与膨胀活塞之间；
[0030] 图8示出了图4中所示的类型的一种布置，具有额外的提供在压缩活塞与压缩器气体弹簧活塞之间的换能器、控制器以及在气体弹簧耦合器容积中的通
风阀；
[0031] 图9示出了包括平衡的成对的图4中所示类型的第一往复组件、第二往复组件以及气体弹簧耦合器的发动机系统的一半，其中设置有用于无润滑运行的直线悬挂弹簧；
[0032] 图10示出了图9中示出的类型的一种布置，其中加热器-回热器-冷却器系统包括在两对之间分享的共同的加热器，以及两个分离的回热器-冷却器；
[0033] 图11示出这样的发动机，其具有一个包括膨胀活塞和膨胀器气体弹簧活塞的往复组件，和两个包括压缩活塞和压缩器气体弹簧活塞的往复组件(每侧各有一个)，以及被配置为沿中间的往复组件的轴线运动的平衡器质量；
[0034] 图12示出了斯特林循环制冷机；
[0035] 图13示出了多气缸发动机，其中两个分离的发动机单元通过两个气体弹簧耦合器被连接；
[0036] 图14为图13的布置的气体弹簧耦合器之一的侧部截面图；
[0037] 图15为示出图13的布置的两个气体弹簧耦合器的端部截面图；
[0038] 图16为图13的布置的气体弹簧耦合器中的另一个的侧部截面图；
[0039] 图17示出了发动机单元的开放序列(open sequence)。
具体实施方式
[0040] 如前文所述，典型的现有技术α类斯特林循环发动机(如图1所示)需要机械连接，以将功率由膨胀容积Ve传递至压缩容积Vc。但是，这样的机器在运行上相对昂贵，特别是由于其要求频繁的维护。
[0041] 图3示出了替代性方案，其中气体弹簧耦合器14被提供，以用于将功率由膨胀容积Ve传递至压缩容积Vc。该气体弹簧耦合器需要较少的运动部件和/或较少润滑或无润滑。因此，与图1所示的类型的布置相比，在图3中示出的该类型的实施方式能够被更廉价地运行和/或具有更长的维护间隔。
[0042] 在图3中示出的该类型的一种实施方式在图4中以更加具体的方式被示出。在左手侧的为α配置斯特林发动机16，其包括由压缩容积结构18界定的压缩容积Vc、由膨胀容积结构20界定的膨胀容积Ve、冷却器2、回热器4以及加热器6。冷却器2、回热器4以及加热器6可以被称为冷却器-回热器-加热器系统。该冷却器-回热器-加热器系统被配置为与在压缩容积和膨胀容积之间流动的气体换热。在一种实施方式中，加热器6在比冷却器2更高的温度下运行。但这并不是必要的。在替代性的实施方式中，例如，在该系统被配置为起制冷机而非发动机作用的实施方式中(例如见图12以及下文对应的讨论)，对应于“加热器”的部件在比对应于“冷却器”的部件更低的温度下运行。
[0043] 在一种实施方式中，膨胀活塞Pe接合在膨胀容积结构20中，且被配置为在其中以往复方式运动。膨胀活塞Pe为第一往复组件的一部分。在示出的实施方式中，膨胀活塞Pe通过膨胀耦合构件26被机械地(例如，刚性地)连接至直线发电机23的电枢22。在这样的实施方式中，膨胀耦合构件26同样为第一往复组件的一部分。在一种实施方式中，膨胀耦合构件26被以轴或杆的形式提供。在一种实施方式中，电枢22相对于直线发电机23的
定子24的运动产生电。在一种实施方式中，活塞Pe还被耦合至气体弹簧耦合器14，可选地通过膨胀耦合构件26而耦合。在一种实施方式中，活塞Pe被(例如，刚性地)耦合至膨胀器气体弹簧活塞
28，在这种实施方式中，膨胀器气体弹簧活塞28为第一往复组件的一部分，且被配置为在气体弹簧耦合器容积34内往复。气体弹簧耦合器容积34由气体弹簧耦合器容积结构44所界定。膨胀器气体弹簧活塞28为气体弹簧耦合器14的一部分。
[0044] 在一种实施方式中，压缩活塞Pc接合在压缩容积结构18之内，且被配置为在其中以往复方式运动。压缩活塞Pc为第二往复组件的一部分。在示出的实施方式中，压缩活塞Pc被机械地(例如，刚性地)连接至压缩器气体弹簧活塞30，在该实施方式中压缩器气体弹簧活塞30为第二往复组件的一部分，且被配置为在气体弹簧耦合器容积34内往复，可选地通过压缩耦合构件32在气体弹簧耦合器容积34内往复(在该实施方式中压缩耦合构件32同样为第二往复组件的一部分)。在一种实施方式中，压缩耦合构件32被以轴或杆的形式提供。压缩器气体弹簧活塞30也为气体弹簧耦合器14的一部分。
[0045] 在图4示出的实施方式中，第二往复组件不包括电换能器(electrical transducer)。在其他实施方式中，如将在下文所描述的，提供有换能器。在一种实施方式中，换能器为
电动机。
[0046] 在发动机的运行的描述中，参照活塞的不同的面是有帮助的。北(N)/南(S)的方向在图4中示出，其将被用于给出恒定的参考方向。在一种实施方式中，北向对应于压缩活塞Pc向内运动而进入压缩容积Vc的方向和/或膨胀活塞Pe向内运动而进入膨胀容积Ve的方向。在一种实施方式中，南向对应于压缩活塞Pc向外运动而离开压缩容积Vc的方向和/或膨胀活塞Pe向外运动而离开膨胀容积Ve的方向。
[0047] 压缩活塞和膨胀活塞Pc、Pe的向北的面使斯特林发动机部件(压缩和膨胀容积Vc、Ve)中的气体压缩和膨胀。如前文所述，膨胀位移典型地比压缩位移提前60至120度。功率由压缩活塞Pc输入至气体，且功率由气体输出至膨胀活塞Pe。对于发动机，膨胀功率大于压缩功率，这样发生了净功率。气体弹簧耦合器14为基于气体弹簧原理的耦合器，提供了在第一往复组件(其也可以被称为膨胀组件)和第二往复组件(其也可以被称为压缩组件)之间的功率传递。以这种方式，压缩功率(压缩活塞Pc所需要的)被膨胀活塞Pe所提供，且直线发电机23被用于将剩余的功率转化为电功率输出。
[0048] 气体弹簧的运行现在将被更具体地描述。图5示出了简单气体弹簧，该简单气体弹簧包括被连接至封闭容积38的单活塞
气缸组件。活塞36的位移改变了封闭容积38的大小并生成随之而来的压力变化，该压力变化往往提供恢复力。净效应为气体作为弹簧起作用，在压缩时存储
能量并在膨胀时将其释放。如果活塞36为往复组件的一部分，那么气体弹簧力将与该位移同相，并理想地将不消耗任何功率。
[0049] 图6示出具有两个被连接至单个封闭容积38的往复式活塞/气缸组件的气体弹簧。如果活塞40、42相对于对方的位移为同相的或反相的(即，180度异相)，那么气体弹簧力将与两个位移再次为同相或反相，且活塞40、42将均不消耗任何功率。
[0050] 对于位移之间的除0度和180度之外的相位差，研究发现，虽然仍然没有总的功率消耗，但是存在从一个活塞向另一个活塞的净功率传递。这一点可以通过考虑两个活塞具有相同的位移而看出。当活塞同相时，气体压力变化为反相。如果一个活塞关于另一个活塞提前60度，那么最小容积点的考虑确定：压力变化将相对于一个活塞提前30度而相对于另一个活塞滞后30度。因此，每个活塞做相等但相反的功。总的来说，提前的活塞从另一个活塞获得功率。
[0051] 更一般地，气体弹簧耦合器可以具有两个或更多的活塞(即，位移机构)，这些活塞进行某种周期性变化，例如，由正弦运动所确定的周期性变化。位移将组合以产生压力变化。那些最小容积提前于峰值压力的活塞将吸收能量。那些最小容积相对于峰值压力滞后的活塞将损失能量。以这种方式，功率在活塞之间传递。相位关系确定功率传递的极性(polarity)。幅值由扫气容积(swept volume)(即，活塞直径和行程)和相位
角所确定。
[0052] 回到图4中示出的实施方式，可以看出，如果对应的膨胀器气体弹簧活塞28和压缩器气体弹簧活塞30关于气体弹簧耦合器容积34的位移为适合的，即对于压缩器气体弹簧活塞30的位移需要比膨胀器气体弹簧活塞28提前，则气体弹簧耦合器14能够将功率由膨胀活塞Pe传输至压缩活塞Pc。
[0053] 对于斯特林发动机运行，已经说明的是，膨胀活塞Pe必须提前于压缩活塞Pc，且相位差典型地在60至120度的范围内。如果对于气体弹簧耦合器，两个气体弹簧活塞28、30的向南的面被考虑，研究发现，相位差则是不正确的，气体弹簧耦合器能够将功率由压缩活塞Pc传递至膨胀活塞Pe。一种完善该理论的方式为引入180度
相移，该相移是通过组合一个气体弹簧活塞28、30的向北的面和另一个气体弹簧活塞30、28的向南的面。例如，在图4中，膨胀器气体弹簧活塞28的向北的面和压缩器气体弹簧活塞30的向南的面为面向气体弹簧耦合器容积34的表面。如果膨胀活塞Pe提前于压缩活塞Pc 120度，那么由于使用相反的面(即，一个气体弹簧活塞28、30的向北的面和另一个气体弹簧活塞30、28的向南的面)的180度相移导致压缩器气体弹簧活塞30的位移提前于膨胀器气体弹簧活塞28的位移60度。
[0054] 图4示出了一种示例性实施方式。但是，在其他实施方式中，不同的配置被使用，以将功率由膨胀活塞Pe传输至压缩活塞Pc。例如，对于气体弹簧耦合器14，活塞极性(piston polarity)可以被反转，这样使得膨胀器气体弹簧活塞28的向南的面和压缩器气体弹簧活塞30的向北的面面向气体弹簧耦合器容积34。还可能的是，使用压缩活塞Pc或膨胀活塞Pe的南侧面作为气体弹簧耦合器14的一部分。该类型的示例性实施方式在图7中示出。
[0055] 在图7示出的实施方式中，直线发电机23被置于第一往复组件的端部处，且膨胀器气体弹簧活塞28和部分的气体弹簧耦合器容积结构44被置于直线发电机23与膨胀活塞Pe之间。在一种实施方式中，膨胀耦合构件26被提供，可选地以轴或杆的形式提供，膨胀耦合构件26延伸到气体弹簧耦合器容积结构44之外。在一种实施方式中，膨胀耦合构件26被刚性地连接至直线发电机23的电枢22。
[0056] 在上文给出的描述中，气体弹簧耦合器14中的可能的损失并没有讨论。在实践中，这些损失可能是显著的，且对于发动机有效的运行，需要将其保持在最小。需要考虑的损失机制有两种：
[0057] ·活塞密封损失
[0058] ·由于热传递导致的气体弹簧损失
[0059] 活塞密封损失是由于经过气体弹簧耦合器14中的一个或多个活塞28、30的气体
泄漏，其由压力变化所驱动。这是一个常见的工程问题，且能够通过多种手段被控制：小的活塞气缸间隙、接触密封(例如，
活塞环)、
润滑剂等等。
[0060] 由于热传递导致的气体弹簧损失更为复杂，且仅对于一些特定的几何结构被具体分析，但一般机制是所熟知的。气体弹簧的主要的要求为压缩和膨胀过程应当为可逆的。原则上有这样的选择：或者这些过程为等温的(由于温度变化非常小，所述这些过程为可逆的)，或者这些过程为绝热的(由于没有热交换，所以这些过程为可逆的)。在这些极限之间，这些过程在显著的温差下交换热量，且固有的不可逆性导致显著的损失。确定损失大小的因数为佩克莱数(Peclet number)。其为无量纲参数，用来计量一个过程在等温和绝热极端之间的位置。高的佩克莱数表示
绝热过程；低的佩克莱数表示等温过程。
[0061] 研究发现，对于尺寸符合约为1kW的功率输出的在50Hz运行的机器，可逆性更容易通过追求绝热过程而获得。在实践中，这要求热传递应当被尽可能地最小化，这是通过最小化表面积并压低流速实现的。
[0062] 对于随意的几何形状，绝热气体弹簧的精确值并不容易计算。但是对于圆柱形几何形状的损失服从于理论和实验的研究结果，该理论和实验的研究得出了相当可靠的损失相关性(见Kornhauser A.A,Smith J.L，《热传递在气体弹簧性能上的影响》(The Effects of heat Transfer on Gas Spring Performance)，应用力学杂志(Transactions of the ASME)，115卷，1993年3月，70至75页)。使用这种相关性估计损失表明非常高的效率可以使用合适的气体弹簧几何形状来获得。
[0063] 注意到的是，不论在具有位移的情况下还是在每个活塞具有两个面的情况下，均具有在容积上的改变。因此，在发动机的其他部分中可能有非计划中的压力变化，例如，围绕电枢22处。这些变化的幅值可以通过确保具有充足的容积而被降低。尽管如此，但这样的容积可能具有扩大的热传递表面，并因此可能导致显著的损失。在下文的更详细的示例的背景下，这一方面被再次考虑。
[0064] 上文描述的实施方式专注于气体弹簧耦合器14的使用，以提供由膨胀活塞Pe(和/或第一往复组件)至压缩活塞Pc(和/或第二往复组件)的有效的功率传递(即，反馈)。在这种基本形式中，并没有提供用于控制功率或调节运行特性的措施。该反馈主要由几何形状和动力学特性所确定，且其不能通过外部干预而容易地被改变。
[0065] 在一种实施方式中，提供这样的特征，其用于实施同步、控制发动机的功率输出、由第一往复组件向第二往复组件传递的功率的量、在第一往复组件和/或第二往复组件内运动的幅值(位置/行程)、第一和第二往复组件内的运动之间的相位差和/或第一和第二往复组件的运动频率。在一种实施方式中，提供有控制器。在一种实施方式中，控制器控制换能器在第一和/或第二往复组件中的运行。在一种实施方式中，测量装置被提供，以用于测量发动机的一个或多个运行特性。在一种实施方式中，该测量装置测量下述特性中的一个或多个：发动机的功率输出、由第一往复组件向第二往复组件传递的功率的量、在第一往复组件和/或第二往复组件内运动的幅值(位置/行程)、第一和第二往复组件内的运动之间的相位差和/或第一和第二往复组件的运动频率。在一种实施方式中，该测量装置被配置为向控制器提供输入。当多个发动机单元被整合在一起以提供共同输出时，这样的特征尤其有用。
[0066] 图8示出了能够被独立地或一同地使用的多个方式，以扩展基本发动机配置的多功能性。这将在下文被简要地描述。
[0067] 在一种实施方式中，阀46被提供，以用于可控制地为气体弹簧耦合器容积34
通风。阀46提供进行功率控制的简单但有效的方式。当阀46关闭，功率传递将处于其最高效状态，且发动机将在其最大设计功率下运转。当阀46充分地打开时，那么这将破坏反馈，且发动机将停止。在中间状态，存在节流的可能，这样使得一定的功率控制是可能的。节流过程将耗散能量，因此这并不是最有效率的方法。多种阀的几何结构以及其不同的运行机制可以被使用。
[0068] 在一种实施方式中，电磁换能器48集成在压缩器组件(第二往复组件)中。这样的配置的一个示例被示出在图8中。电磁换能器48允许(通过电枢50)作用在压缩耦合构件32上的力的平衡能够被调节，以使得发动机的功率输出、运行频率以及相位能够被控制。换能器48可以以两种方式被一同地或分离地使用：1)通过外部功率输入/输出；以及2)通过经由电相位/幅值改变的
电路在发电机23和换能器48(即，作为电动机)之间的额外的电功率传递。
[0069] 气体弹簧耦合器功率传递机制可以被设计为提供或者过多或者过少的功率。在两种情况下，实施方式可以被提供，在这些实施方式中，电磁换能器48被配置为用于通过增加或减少功率而调节发动机运行。
[0070] 在示例性实施方式中，换能器48具有外部功率输入或被连接至负载，这样其提供衰减，该衰减将减小压缩器组件(第二往复组件)中的功率。
[0071] 在一种实施方式中，直接的电反馈回路52被提供。直接的电反馈回路52以类似于气体弹簧耦合器14的方式运行。在一种实施方式中，不同的无功分量被使用和/或换能器48关于发电机23的极性被改变，以将电反馈设置为用于按照需要加强机械功率传递或反对机械功率传递。
[0072] 在一种实施方式中，发动机被配置为这样使得大多数功率传递被气体弹簧耦合器14所提供。电反馈随后被使用，以微调发动机平衡，这样使得对压缩器组件(第二往复组件)的反馈为稍微不足的。小的外部输入随后被使用，以控制发动机功率和/或确定其运行频率和/或相位，这样使得其可以容易地被与其他功率源结合。在一种实施方式中，阀46被配置为在发电机负载损失时作为紧急“开/关阀”起作用。
[0073] 在使用直线驱动机构的斯特林发动机中，活塞的位置并不由曲柄机构几何上地决定。而是其由两个运动组件(第一和第二往复组件)的动力学特性决定。在实践中，这表示两个第一和第二组件的机械共振需要为相等的，或者接近于运行频率，这取决于需要的发动机相位角。机械共振由运动质量和弹簧
刚度决定。在一种实施方式中，需要最小化运动质量的大小，同时提供必要的强度和刚度。在这样的实施方式中，机械共振的调节主要通过调节弹簧刚度进行。在一种实施方式中，质量也被调节。
[0074] 存在四种可能的弹簧刚度来源：
[0075] ·机械弹簧
[0076] ·由膨胀活塞或压缩活塞Pe、Pc产生的有效弹簧刚度
[0077] ·由气体弹簧耦合器14产生的弹簧刚度
[0078] ·由额外的气体弹簧产生的弹簧刚度
[0079] 对于小型发动机(例如，小于100W功率)，由机械弹簧引起的弹簧刚度是显著的，但对于大于1kW范围的发动机，该弹簧刚度小到可以被忽略。
[0080] 在α配置发动机中，研究发现，压缩活塞Pc具有显著的弹簧刚度。但是膨胀活塞Pe一般具有约为0的有效值，弹簧刚度很可能为小幅的负值。
[0081] 对于压缩器和膨胀器组件(第一和第二往复组件)，显著的弹簧刚度可以由气体弹簧耦合器14产生，其取决于活塞直径和相位等等。
[0082] 额外的气体弹簧可以被添加至压缩器和膨胀器组件(第一和第二往复组件)，以进一步增加弹簧刚度。
[0083] 因此，根据需要调节动力学特性的范围相当大。需要考虑的主要限制为：随着发动机尺寸的增加，行程也增加，以保持直线电动机等的可工作尺寸。对于给定的位移量和压力偏离(pressure excursion)，弹簧刚度随行程增加而迅速减小。因此不可避免的是，随着尺寸增加，最大运行频率减小。研究发现，对于约10kW的发动机，50Hz运行是可能的，但大于这个尺寸，频率可能需要减小。
[0084] 上文给出的描述一般地涉及不需要润滑的直线技术。很好地适合于这种发动机配置的特定技术是一种已经被开发用于在太空使用的制冷机的技术。其使用了弯曲部组合(sets of flexures)，以提供精确的直线悬挂系统——相当于直线
轴承。每个弯曲部可以被称为直线悬挂弹簧。在一种实施方式中，多对直线悬挂弹簧被提供，其引导活塞在孔中的往复运动。接触密封不被使用。替代地，小的间隙被保持在活塞和孔之间(这样使得活塞和对应的孔为“紧密配合”)，这将泄漏损失维持在可接受的程度。在一种实施方式中，该间隙约为10微米。
[0085] 在其他实施方式中，直线
气体轴承被作为替代性的无油机构而使用，以引导斯特林循环发动机的一个或多个活塞的运动。
[0086] 图9示出了一种示例性实施方式，包括使用多对直线悬挂弹簧以引导在对应的紧密配合的孔中运动的活塞。
[0087] 在示出的示例中，直线悬挂弹簧54被提供在发电机23的每个侧面，以引导膨胀活塞Pe和膨胀器气体弹簧活塞28在对应的分别的孔56中的直线的、往复的运动。在示出的示例中，直线悬挂弹簧54也被提供在电动机48的每个侧面，以引导压缩活塞Pc和压缩器气体弹簧活塞30在对应的分别的孔58中的直线的、往复的运动。
[0088] 上文详细描述的实施方式(参照图9之前的附图)具有单个压缩器组件(第一往复组件)和单个膨胀器组件(第二往复组件)，其以约60至120度的相位角进行往复。这些布置是
不平衡的，且其可能产生的振动对于大多数应用是不可接受的。
[0089] 存在多种生产平衡的发动机的方式。一种方法为使用两个分离的发动机并将其布置为使得两组活塞组件
水平地相对，其中热交换器在内侧或在外侧(即，NSSN或SNNS)。每个活塞随后通过镜像
配对被相等地平衡。
[0090] 另一种方法将给出更好的平衡，该方法为具有单个发动机，但对于压缩和膨胀容积均采取平衡的活塞对。通过配对的活塞和两组共同的发动机压力变化，对称性应确保达到非常好的平衡。这样的布置的示例在图9中被示出，在图9中所有的热交换器为两个半部所共有。
[0091] 在图9中示出的示例中，提供有两对第一和第二往复组件，分别为60和62。两个往复组件中的每个的一个往复组件被完全示出，而其他组件的仅一部分(膨胀和压缩活塞以及相邻的直线悬挂弹簧54)被示出(在附图的左手侧)。两个第一往复组件60中的每个的膨胀容积Ve被连接至冷却器-回热器-加热器系统的共有的加热器6。两个第二往复组件62中的每个的压缩容积Vc被连接至该冷却器-回热器-加热器系统的共有的冷却器2。在一种实施方式中，两个第一往复组件60的运动被平衡，以使得两个第一往复组件60的
质量中心保持固定。在一种实施方式中，两个第二往复组件62的运动被平衡，以使得两个第二往复组件62的质量中心保持固定。
[0092] 在一种替代性实施方式中，如图10所示，冷却器-回热器-加热器系统被布置为这样，以使得每个半部具有各自的冷却器2和回热器4，但分享共有的加热器6。
[0093] 图11示出了一种实施方式，其中，用于平衡单个压缩器/膨胀器组件的替代性方式被应用。在该实施方式中，两个压缩器组件被提供(这可以被称为第二和第三往复组件)，通过气体弹簧耦合器14被耦合至单个膨胀组件(第一往复组件)。第二往复组件包括在压缩容积Vc1中运动的压缩活塞Pc1和在气体弹簧耦合器容积64中运动的压缩器气体弹簧活塞30。第三往复组件包括在另一个压缩容积Vc2中运动的另一个压缩活塞Pc2和在气体弹簧耦合器容积64中运动的另一个压缩器气体弹簧活塞31。在示出的实施方式中，两个压缩器组件被关于单个的膨胀器组件的轴线对称地布置，在该膨胀器组件的每侧有一个。通过这种布置，由于两个压缩器组件的直线运动而产生的惯性力将沿单个膨胀组件的轴线作用(即，在第一往复组件中的往复运动沿该轴线发生)。由于单个膨胀组件内的直线运动而产生的惯性力也将沿该单个膨胀组件的轴线作用。在这样的布置中，单个的平衡器68能够完全地平衡所有三个组件，平衡器68被配置为提供平衡质量61平行于或反平行于单个膨胀组件的轴线的运动。
[0094] 在图11中示出的实施方式中，平衡器68具有通过活塞/气体弹簧63而耦合至膨胀器气体弹簧活塞28的南侧的
流体。为了完美的平衡，平衡器位移需要滞后于膨胀器气体弹簧活塞28。这种相位设置需要由平衡器组件向膨胀器组件的功率净传递，并允许平衡器电动机65同样控制发动机的运行(即，频率和输出)。动力学特性可以被设置为这样，使得在没有任何功率输入平衡器68的情况下，功率输出被减小；而在设计输入的情况下，以全功率实现平衡。对于部分负载，完美的平衡可能一般地不被达到，但对于很多应用来说，这并不是严重的缺点。
[0095] 再次参考图9的实施方式，注意到，两个电磁换能器被提供。如上文所述，直线悬挂弹簧54被提供，且在示出的实施方式中，电磁换能器23和48本身被安装在直线悬挂弹簧54之间。电磁换能器的提供允许
电能被由多个组件输入和输出至多个组件。一般来说，但并不排他地，用于膨胀组件(第一往复组件60)的换能器23将主要地或完全地起发电机的作用。一般来说，但并不排他地，用于压缩器组件(第二往复组件62)的换能器48将主要地或完全地起电动机的作用。
[0096] 在图9示出的实施方式中，膨胀器气体弹簧活塞28的向北的面以及压缩器气体弹簧活塞30的向南的面均作用在气体弹簧耦合器容积34上，并提供膨胀器组件(第一往复组件60)与压缩器组件(第二往复组件62)之间的功率传递。膨胀器气体弹簧活塞28的向南的面驱动气体弹簧72，气体弹簧72用于为膨胀器组件补充弹簧刚度。类似地，压缩器气体弹簧活塞30的向北的面驱动气体弹簧70，气体弹簧70用于为压缩器组件补充弹簧刚度。两个活塞28、30的北侧为阶梯式的，且由于
支撑轴74而具有更小的面积。
[0097] 在一种实施方式中，膨胀器气体弹簧活塞28的支撑轴74的横截面积等于膨胀活塞Pe的横截面积。这有助于减少在第一往复组件内的死区容积的尺寸上的变化，例如在换能器23的区域中。与压力变化相关联的损失因此可以被减少，其中压力变化由第一往复组件内的往复运动所引起。在一种实施方式中，压缩器气体弹簧活塞30的支撑轴74的横截面积等于压缩活塞Pc的横截面积。这有助于减少在第二往复组件内的死区容积的尺寸上的变化，例如在换能器48的区域中。与压力变化相关联的损失因此可以被减少，其中压力变化由第二往复组件内的往复运动所引起。
[0098] 特别地参考斯特林发动机(即，产生功率的斯特林循环机)，多种实施方式已经被描述。所描述的实施方式中的任意一种也可以被单独地或组合地应用至用于
泵送热的斯特林循环机，例如，制冷机和
热泵。图12示出了使用这样的配置的斯特林循环制冷机的示例。核心的斯特林循环制冷机部件被绘制在虚线框98中。该配置和图4中的配置相同，除了对应于“加热器”的部件96在比对应于“冷却器”的部件92更低的温度下运行。因此部件96被称为受热器96，且部件92被称为排热器92。如在图4中的实施方式中，第一和第二往复组件被提供并被耦合至气体弹簧耦合器14。气体弹簧耦合器14在第一和第二往复组件之间传递功率，而无需机械的耦合机构。运行类似于图4的实施方式，除了现在全部的膨胀功不足以驱动压缩器组件(第二往复组件)。在一种实施方式中，电动机80被提供，以增加必要的功率输入82。由于不存在净输出，因此发电机是不需要的。在发动机中遇到的功率控制和同步的问题与制冷机并不相关。
[0099] 上文关于图4所给出的详细的描述对图12的实施方式大部分为可适用的，且对应的特征用对应的附图标记指示。
[0100] 上文描述的实施方式包括气体弹簧耦合器，用于在同一发动机的压缩和膨胀容积之间传递功率。其他的实施方式是可能的，其中气体弹簧耦合器用于由一个发动机的膨胀容积向另一个发动机的压缩容积传递功率。这样的布置在图13至16中被示出。
[0101] 图13示意性地示出了“多气缸”发动机，其具有耦合在一起的两个α配置斯特林发动机单元101、102，该两个发动机单元101、102之间具有180度相位角。图15为端部截面图，绘制出了将发动机单元101、102连接在一起的两个气体弹簧耦合器14A和14B。图14为图15中的布置的从左手侧看去的侧部截面图，示出了气体弹簧耦合器14A，气体弹簧耦合器14A被连接至第一发动机单元101的膨胀器气体弹簧活塞111和第二发动机单元102的压缩器气体弹簧活塞114。图16为图15中的布置的从右手侧看去的侧部截面图，示出了气体弹簧耦合器14B，气体弹簧耦合器14B被连接至第一发动机单元101的压缩器气体弹簧活塞112和第二发动机单元102的膨胀器气体弹簧活塞113。如在图15的端部截面图中所看出的，几何结构本质上为四边的，具有位于每个角的交替的膨胀器103、105和压缩器104、106轴线。
[0102] 在图13中，该布置被展开，以允许二维的展示。在整个发动机中的功率流为环形的，其中功率通过气体弹簧耦合器14A由第一发动机单元101的膨胀容积Ve1传递至发动机单元102的压缩容积Vc2。类似地，功率通过气体弹簧耦合器14B由发动机单元102的膨胀容积Ve2传递至发动机单元101的压缩容积Vc1。气体弹簧耦合器14B在图13中没有示出，但将被理解的是，其使功率传递环完整。
[0103] 图13中示出的该类型的布置可以根据两“组”下述元件被描述：气体弹簧耦合器容积、第一往复组件和第二往复组件。第一组的第一往复组件的膨胀器气体弹簧活塞Pe1和第一组的第二往复组件的压缩器气体弹簧活塞Pc2被配置为在第一组的气体弹簧耦合器容积14A内往复，且第二组的第一往复组件的膨胀器气体弹簧活塞Pe2和第二组的第二往复组件的压缩器气体弹簧活塞Pc1被配置为在第二组的气体弹簧耦合器容积14B(图13中未示出)内往复。如可以看出的，发动机单元之一101被连接至第一组的第一往复组件和第二组的第二往复组件，且另一个发动机单元102被连接至第二组的第一往复组件和第一组的第二往复组件。
[0104] 在两个发动机单元101、102之间具有180度相位差的实施方式中，不再需要通过使用气体弹簧活塞28、30的不同的面(如对于单个发动机实施方式所示出的)来引入额外的相位差。例如，在图13至16的布置中，膨胀器气体弹簧活塞111的向南的面通过气体弹簧耦合器14A被连接至压缩器气体弹簧活塞114的向南的面。类似地，膨胀器气体弹簧活塞113的向南的面通过气体弹簧耦合器14A被连接至压缩器气体弹簧活塞112的向南的面。该特征具有两个非常显著的优势：第一，气体弹簧耦合器14A、14B具有更简单且潜在地更廉价、且更有效率的几何结构；第二，发动机之间的180度相位偏移导致了多个“死区”容积(例如，围绕轴/发电机部件的容积；这样的容积并不意在经受那些发动机工作容积或气体弹簧耦合器中的气体所必须经受的压力变化)中的等值且反向的容积变化，这样使得当其均连接在一起时，不存在净容积变化且因此没有压力变化并最小功率损失。
[0105] 图13至16中示出的两个发动机单元101、102并没有被平衡；虽然对应的部件为反相的，但是其并没有对齐且导致了摇摆力偶。好的平衡能够通过增加镜像而被获得，该镜像为每个运动部件提供相反的摇摆力偶，正如前文对于单个单元发动机所已经描述的。这将导致或者四单元发动机(每个单元具有单个的压缩器和膨胀器活塞)或者两单元发动机(其中每个压缩和膨胀空间具有两个相反的活塞)。
[0106] 这可以或者通过具有如前文所述的以“平角裤(boxer)”形式的相反的两个发动机单元、或者替代性地通过具有并排的两个发动机而被完成。
[0107] 在一系列实施方式中，气体弹簧耦合器被提供，其在属于一个或多个α配置斯特林循环机的一个或多个膨胀和压缩组件之间传递一定功率。通过气体弹簧耦合器传递的功率可以构成整个功率传递。替代性地，其可以为传递的一部分，而其余部分被通过其他方式传递，例如，通过电的手段，以给出对发动机运行的一定控制。
[0108] 通过气体弹簧耦合器传递的功率可以在属于同一发动机单元的膨胀容积和压缩容积之间，或者替代性地，其可以在分离的发动机单元之间。该功率传递可以被包含在环中。替代性地，功率传递可以为发动机单元的开放序列的一部分。图17示出该类型的一种示例性实施方式。这里，第一α斯特林发动机单元120通过膨胀组件(第一往复组件)122被连接至气体弹簧耦合器14。第二α斯特林发动机单元121通过压缩器组件(第二往复组件)123也被连接至气体弹簧耦合器容积14。如前文参考图4所描述的实施方式(其中第一和第二往复组件被连接至同一发动机单元16而非不同的发动机单元)，第一往复组件122包括膨胀活塞Pe、膨胀耦合构件26以及膨胀器气体弹簧活塞28，且第二往复组件123包括压缩活塞Pc、压缩耦合构件32以及压缩器气体弹簧活塞30。在示出的实施方式中，第一和第二往复组件122、123中的每个被配置为与换能器124、126(例如，电磁的)相互作用，以输入和/或输出功率。在其他实施方式中，两个换能器中仅提供一个(任意一个)或者不提供换能器。
[0109] 在一种实施方式中，除了与膨胀和压缩组件(第一和第二往复组件)相关联的位移，气体弹簧耦合器被配置为包含额外的位移，该额外的位移调节气体弹簧的运行并因此调节发动机的运行。这样的布置的示例被示出在图17中。这里，可选的弹簧调节组件130被提供，以调节发动机的运行，例如，通过增加或减少功率来调节。在一种实施方式中，弹簧调节组件130包括调节活塞132以及用于允许功率输入和/或输出的调节活塞换能器128。在一种实施方式中，调节活塞
驱动器128包括电磁换能器。在一种实施方式中，弹簧调节组件130被配置为作为主要的向发动机的功率输入和/或从发动机的功率输出而运行。在一种实施方式中，弹簧调节组件130被配置为执行换能器124和126之一或两者的功能，且替代换能器124和126之一或两者而被提供。
[0110] 在一种实施方式中，单个的气体弹簧耦合器具有用于单个膨胀和压缩容积的输入/输出。在其他实施方式中，单个气体弹簧耦合器具有用于多个膨胀和/或压缩容积的多个输入/输出。在每种情况下，相位被配置为给出需要的功率流。还可能的是，具有并联地运行的多个气体弹簧耦合器。
[0111] 在一种实施方式中，额外的气体力被使用，以由各组件输入或输出功率。这样的实施方式的示例在上文参考图11被描述，其中平衡器68也同时作为功率控制机构。在图17中示出的类型的实施方式中，各种活塞中的一个或多个活塞的没有被使用的侧面可以以类似的方式被结合为一个或多个额外的功率传递机构。
