气体平衡低温膨胀式发动机制造技术

按布雷顿循环操作的膨胀式发动机，是在低温温度产生制冷的系统的一部分，其包括压缩机、逆流式换热器和可能在远程的负载，其由从发动机循环的气体冷却。该发动机具有在气缸中的活塞，当活塞在移动时，该活塞上方和下方的压力基本上相同。活塞驱动杆上的低压力提供了使活塞移动趋向热端的力失衡。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体平衡低温膨胀式发动机
本专利技术涉及一种膨胀式发动机，其按布雷顿(Brayton)循环进行操作以在低温温度产生制冷。
技术介绍
一种按布雷顿循环操作以产生制冷的系统包括压缩机，该压缩机向逆流式换热器供给处于排气压力的气体，气体从该换热器通过进气阀进入膨胀空间，该气体绝热地膨胀，通过排气阀排出膨胀了的气体（其更冷），该冷气体循环通过正被冷却的负载，然后该气体通过该逆流式换热器返回到该压缩机。本领域的先驱S.C.Collins的美国专利2,607,322有对早期的膨胀式发动机的设计的描述，其已经被广泛用来液化氦气。膨胀活塞被连接到飞轮和发电机/电动机的曲柄机构驱动作往复运动。在活塞处于冲程的底部（最小冷体积）时进气阀打开，并且高压力气体驱动活塞向上，这促使飞轮速度增大并驱动发电机。在活塞到达顶部之前，进气阀关闭，并且膨胀空间中的气体的压力和温度下降。在冲程的顶部，排气阀打开，并且随着活塞被向下推动，由在其减速时的飞轮驱动，气体流出。根据飞轮的大小，它可以继续驱动发电机/电动机以输出功率，或者它可以提取功率，此时它充当电动机。进气阀和排气阀通常由连接到飞轮的凸轮驱动，如S.C.Collins的美国专利3,438,220中所示的。该专利描述了一种机构，其不同于先前的专利，其联接活塞与飞轮的方式不会在活塞的热端处的密封件上施加侧向力。J.G.Pierce的美国专利5,355,679描述了一种进气阀和排气阀的替代设计，所述进气阀和排气阀类与'220中的阀的类似之处在于都是被凸轮驱动并且具有处于室温的密封件。H.Hattori等人的美国专利5,092,131描述了一种苏格兰轭式驱动机构和由往复运动活塞致动的冷的进气阀和排气阀。所有这些发动机具有作用于活塞的热端上的大气，并且已经被设计成主要是用以液化氦气、氢气和空气。返回气体接近大气压力，供给压力大约是10到15个大气压。压缩机输入功率通常是在15至50千瓦的范围内。较低功率的制冷机通常是按GM、脉冲管或斯特林(Stirling)循环操作。较高功率的制冷机通常是按使用涡轮膨胀机的布雷顿或克劳德(Claude)循环操作。W.E.Gifford和H.O.McMahon的美国专利3,045,436描述了GM循环。较低功率的制冷机使用再生器换热器，其中气体来回流动通过填充床，气体从未离开膨胀机的冷端。这与能够将冷气体分配至远程负载的布雷顿循环制冷机形成对比。'220的Collins类型发动机中的发电机/电动机所回收的能量的量相对于压缩机功率输入来说小，所以在许多应用中，机械简单性通常比效率更重要。J.F.Maguire等人的美国专利6,202,421描述了一种发动机，其通过使用用于活塞的液压驱动机构来去除飞轮和发电机/电动机。进气阀由螺线管致动，并且排气阀由螺线管/气动组合致动。液压驱动的发动机的动机是提供一种小而轻的发动机，其能够可拆卸地连接到超导磁体用以使它冷却下来。权利要求覆盖可拆卸连接。J.L.Smith的美国专利6,205,791描述了一种膨胀式发动机，其具有自由浮动活塞，且工作气体（氦气）围绕着该活塞。活塞上方即热端的气体压力是由连接到两个缓冲体积的阀控制，一个缓存体积的压力是高压力与低压力之间的差值的大约75%，另一个体积的压力是该压力差值的大约25%。电激活的进气阀、排气阀和缓冲阀被正时(timed)打开和关闭，使得活塞被驱动上下移动，且活塞的上方和下方的压力差值小，所以极少气体流动通过活塞和气缸之间的小间隙。活塞中的位置传感器提供用于控制这四个阀的打开和关闭的正时的信号。如果有人将脉冲管想象是用气体活塞代替实心活塞，则会在ZhuShaowei的美国专利5,481,878中看到相同的“双缓冲体积控制”。Shaowei的专利'878的图3示出了四个控制阀的打开和关闭的正时，Smith的专利'791的图3示出了有利的P-V图，其能够由活塞位置与控制阀的打开和关闭之间的关系的良好正时来获得。该P-V图的面积是所产生的功，并且最高效率是通过在'791的图3的点1和3之间相对于P-V功最小化被吸入到膨胀空间中的气体的量来获得（它等于产生的制冷）。进气阀和排气阀相对于活塞位置的打开和关闭的正时对获得好效率来说是重要的。已经被构造成液化氦气的大部分发动机使用了类似于Collins专利'220的凸轮致动阀。Smith的专利'791和Maguire的专利'421示出了电致动阀。其它机构包括如H.Asami等人的美国专利5,361,588所示的在苏格兰轭式驱动轴的端部上的旋转阀和如Sarcia的美国专利4,372,128所示的由活塞驱动轴致动的梭阀(shuttlevalve)。与本专利技术中描述的那些类似的多端口旋转阀的例子在M.Xu等人的美国专利申请2007/0119188中找到。R.C.Longsworth的美国专利6,256,997描述了使用"O"形圈来减少与在冲程的端部处撞击的气动致动活塞相关的振动。这能够适用于本专利技术。R.C.Longsworth的申请日为2010年3月15日的专利申请序列号61/313,868描述了一种按布雷顿循环操作的往复运动膨胀式发动机，其中，活塞具有在热端处的由机械驱动或在高低压力之间交变的气体压力驱动的驱动杆，并且在活塞移动时，驱动杆周围区域中的活塞的热端处的压力基本上相同于活塞的冷端处的压力。该概念的气动致动版本的测试已经表明：没有必要在杆上在高低之间交变压力来促使活塞往复运动，而是有可能将杆上的压力维持在低压力。这简化了发动机的构造，因为它现在仅需致动冷的高压力和低压力阀。R.C.Longsworth的申请日为2010年10月8日的专利申请序列号61/391,207描述了按布雷顿循环操作的往复运动膨胀式发动机的控制，如前一申请中所描述的，其允许它使用以将物质冷却到低温温度的时间最少化。
技术实现思路
本专利技术以新的方式组合在先设计的特征以获得良好效率。它提供了对我们的序列号为61/313,868的专利申请的基本设计概念的简化，其中，存在带有驱动杆的活塞，当它在移动时，具有在驱动杆周围的热端与活塞的冷端之间的小压力差值。驱动杆被连接到通往压缩机的低压力线路，热排出体积通过两条线路被连接到来自压缩机的高压力线路，所述两条线路中每条线路均具有止回阀和固定的或可调剂的阀，当冷的进气阀打开时活塞从冷端移向热端，并在冷的排气阀打开时移向冷端。从压缩机高压力线路到热排出体积的这两条线路中的可调节阀能够使循环在宽范围的速度（和温度）内得到最优化。在来自压缩机的高压力线路与热排出体积之间能够增加第三线路，其具有在活塞处于冷端时打开的主动或被动阀。附图说明图1示出发动机100，其具有以截面示出的在气缸中处于热端的带有驱动杆的活塞，以及阀和换热器的示意图。该示意图示出了连接在热排出体积与压缩机低压力线路之间的线路，带有主动阀。图2示出发动机200，其具有以截面示出的在气缸中处于热端的带有驱动杆的活塞，以及阀和换热器的示意图。该示意图示出了连接在热排出体积与压缩机低压力线路之间的线路，带有在驱动杆中的被动阀。图3示出在图1和2中所示的发动机的压力-体积图。图4示出了在图1和2中所示的发动机的阀打开和关闭顺序。具体实施方式图1和2中示出的本专利技术的两个实施例使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膨胀式发动机，其以处于高压力和低压力的从压缩机供给的气体进行操作用于在低温温度产生制冷，包括：在气缸中的活塞，所述活塞具有在热端处的有低压力作用在其上的驱动杆，在所述气缸的冷端处的进气阀和排气阀在所述活塞接近所述气缸的冷端时且在它移动趋向热端时准许高压力气体进入，并在所述活塞接近所述气缸的热端时且在它移动趋向冷端时将气体排向低压力；和在所述活塞移动时将所述驱动杆的区域之外的所述活塞的热端上的压力维持在与所述活塞的冷端上大致相同的压力的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.12 US 13/106,2181.一种膨胀式发动机，其以从压缩机供给的气体进行操作以在低温产生制冷，所述气体在处于高压的第一线路中供给并在处于低压的第二线路中返回，包括：在气缸中的活塞，所述活塞具有在热端处的驱动杆，来自所述第二线路的低压气体作用在驱动杆上，在所述气缸的冷端处的进气阀和排气阀在所述活塞接近所述气缸的冷端时且在它移动趋向热端时准许高压力气体进入，并在所述活塞接近所述气缸的热端时且在它移动趋向冷端时将气体排向低压力；和控制所述第一线路与所述活塞的热端之间的气体流使得所述活塞的热端上的压力充分不同于所述活塞的冷端上的压力以使所述活塞往复运动的控制机构，并且其中，当所述活塞接近所述冷端时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·邓，R·龙斯沃思，J·博尔歇尔斯，
申请(专利权)人：住友SHI美国低温研究有限公司，
类型：
国别省市：