近等温机器的制作方法

1.本发明涉及一种用于使用活塞和气缸对气体进行近等温压缩和膨胀的机器，其中热吸收和释放结构被附接到活塞。该热吸收和释放结构在气体压缩期间捕获压缩热或者在气体膨胀期间释放热。该热吸收和释放结构然后用气缸底部的气体正下方的液体来传递热。外部热传递回路然后用于使气缸底部的液体温度稳定。


背景技术：

2.在gb 2553987 a中，热吸收和释放结构包括固定到气缸的基座的弯曲翅片。翅片移进和移出液体。在气缸底部中的固定挡板可以用来减少液体飞溅量并因此帮助使液体稳定。需要稳定的液体以防止气液混合并且阻止液体被离开气缸的气体流携带的可能性。
3.尽管gb 2553987 b中的挡板帮助使液体稳定并减少飞溅，但它们的有效性在速度增加的情况下受限制。
4.由于表面张力和液体粘度，液体层会在翅片移进和移出时粘附到翅片上。并不是所有粘附到翅片上的液体都保持附着，一些液体会成为液滴从翅片掉落。随着速度增加，情况尤其如此，因为施加到翅片的较高加速度力促使液体层与翅片分离。
5.在翅片移进和移出液体时，液体因翅片体积而移位，因此液面液位在与翅片相反的方向上移动。通过设计，翅片较薄以限制这种效应，然而，由于液体膜附着到翅片的两侧，因此这增加了翅片的表观厚度。这种表观厚度的增加通常可以达到翅片厚度的2倍或3倍，取决于液体粘度(翅片典型地为0.15mm厚)。液体表面位移典型地是活塞位移的5％至20％。随着速度增加，液体表面将经历增加的加速度力。一旦液体峰值加速度接近或超过重力加速度(9.81m/s2)，液体就会分离，因为重力加速度不足以像液体被抽离的翅片移动得那样快地使液体返回。在高负加速度的那些时段期间，液体中的有效重力场是反向的，使得气体在循环的一部分内迁移到液体表面下方。一旦发生这种情况，气体和液体将会混合并在气缸的底部形成泡沫，并且进一步地，输出气体中可能发生液体损失。例如，如果液体位移只有5mm并且速度是10hz，则峰值负加速度在循环的一部分内超过重力加速度。
6.在翅片向下移动到液体中时，除了上述液体加速效应外，小气泡还可能会因粘度和气体/液体界面处的表面张力效应而被拉下来。
7.气缸底部中的气体/液体混合不利于近等温技术的操作，因为：
8.·
第一，它升高了气缸底部中的液位；升高的液体将可能随气体输出，这是不希望的。
9.·
第二，气缸底部处的起泡液体是可压缩的；这减小了机器的最大压力比，因此降低了系统有效性和功率密度。
10.·
第三，液体中的少量泡沫可能导致失控情况。在气体被压缩和膨胀时，泡沫也响应于变化的压力而膨胀和压缩。泡沫的这种膨胀和压缩会改变泡沫体积。这然后引起其本身的液体加速度，而该液体加速度可能产生更多泡沫。这种类型的起泡问题因翅片被插入和抽离而与液体加速度异相。有可能以一种类型的起泡问题开始，这种类型的起泡问题然
后会引起不同的失控起泡问题。
11.gb 2553987 a还描述了可以如何用包裹在气缸周围的热交换器夹套或在气缸内部的热交换器盘管在内部环境与外部环境之间传递热。为了使这种类型的热交换器可用且有效，需要较大的表面面积(盘管或夹套)。这个热交换器面积必须容纳在气缸中或气缸周围。如果需要高功率传递，则需要较大的热交换器来使这成为可能。因此，该近等温机器可以容纳的热交换器的大小限制了这种类型的近等温机器的功率密度。
12.现有技术中描述的一些装置的一个进一步问题是在例如因泄露而存在液体损失时维持液位。


技术实现要素：

13.根据本发明，一种用于使气体压缩或膨胀的机器，该机器包括：
14.活塞；
15.竖直主气缸或倾向于竖直的主气缸；
16.在该主气缸内部的衬套或密封件，该活塞移动穿过该衬套或该密封件；
17.热吸收和释放结构，该热吸收和释放结构包括附接到该活塞的底部并正交于该底部设置的多个翅片；
18.其中，该活塞在压缩行程中相对于该主气缸向下移动并且在膨胀行程中相对于该主气缸向上移动，该主气缸容纳可变气体体积以及被维持在基本上恒定温度的基本上恒定液体体积，并且气体温度通过该热吸收和释放结构随该活塞在该可变气体体积与该液体之间移动而被控制为与该液体基本上相同的温度；
19.其特征在于，
20.连接器杆被正交地附接到该活塞的基座和补偿器腔室中的补偿器，并且被安装在该主气缸的下方，该补偿器在使用中向上震荡到该主气缸中并向下震荡到补偿器腔室中并且被安装在该主气缸的下方，该补偿器在向上移动时进入该主气缸的体积至少部分地补偿在该热吸收和释放结构的向上移动时该主气缸中的液位下降，并且该补偿器在向下移动时离开该主气缸的体积至少部分地补偿在该热吸收和释放结构的向下移动时该主气缸中的液位增益。
21.在一种布置中，在该主气缸与该补偿腔室之间提供衬套或密封件，该衬套或密封件具有孔口，该补偿器穿过该孔口。
22.在一种布置中，该补偿器沿着其长度具有囊袋，所述囊袋在该补偿器的向上移动期间将液体从该补偿器腔室输送到该主气缸，或在该补偿器的向下移动期间将该液体从该主气缸输送到该补偿器腔室。
23.这些囊袋可以围绕该补偿器形成在囊袋分离器之间。理想地，这些囊袋分离器围绕其周边具有圆柱形岸台(land)，所述岸台与该补偿器同轴。其中，在该主气缸与该补偿腔室之间存在衬套或密封件。至少一个岸台在任一时间与该衬套或该密封件相对，从而最小化液体从该补偿器腔室直接流到下腔室。
24.入口端口可以设置在该补偿器腔室中，在该补偿器的向上移动期间可以通过该入口端口来吸入液体。还将设置出口，在该补偿器的向下移动期间可以通过该出口从该补偿器腔室排出过多的液体。
25.在本发明的发展中或作为独立特征，一种用于使气体压缩或膨胀的机器包括：活塞；竖直主气缸或倾向于竖直的主气缸；热吸收和释放结构，该热吸收和释放结构包括附接到该活塞的底部并正交于该底部设置的多个翅片；其中，该活塞在压缩行程中相对于主气缸向下移动并且在膨胀行程中相对于该主气缸向上移动，该主气缸容纳可变气体体积以及被维持在基本上恒定温度的基本上恒定液体体积，其中，气体温度通过该热吸收和释放结构随该活塞在该可变气体体积与该液体之间移动而被控制为与该液体基本上相同的温度，并且其特征在于，该主气缸被带槽板分成上腔室和下腔室，该带槽板在其中具有狭槽，这些翅片穿过这些狭槽。
26.该带槽板被安装在带槽板组件上，该带槽板组件具有面向该主气缸的内壁的圆柱形壁。支撑翅片可以设置在该带槽板下方，这些翅片形成在这些支撑翅片之间向上和向下移动的热吸收和释放结构。通道可以设置在该带槽板与该主气缸壁之间，该通道完全地或部分地围绕该带槽板。可以从该通道的底部朝向该下腔室设置控制通路。该控制通路可以是该带槽板组件的圆柱形壁与该主气缸的内壁之间的窄间隙、该带槽板组件的圆柱形壁中的窄通路或单独的导管。已经发现，使用控制通路能限制该带槽板组件与该主气缸的壁之间的通道中的晃动，因为在该控制通路中形成的液体惯性和摩擦限制了流动。使用较大的通道能减小晃动幅度。
27.在该实施例中，端口通常在该带槽板的顶部的正下方设置在该主气缸中。该端口允许该主气缸中在该端口上方的液体离开该主气缸。
28.该下腔室可以具有气体排出口。在带槽板是带槽板组件的一部分的情况下，该气体排出口通常将穿过该带槽板。
29.根据本发明的两个机器可以安装在一起以形成近等温斯特林(stirling)热泵。在一种布置中，以120
°
的相位差来驱动这些机器。
30.当与使用往复运动进入和离开液体的热吸收和释放结构的现有机器相比时，该主气缸的底部中的液体稳定性显著提高。因此，来自给定大小的机器的等温效率和输出被提高。该热吸收和释放结构的可制造性被简化，使得组成该热吸收和释放结构的这些翅片可以更紧密地间隔开。
31.本发明改进了主气缸中的液位(体积)控制。在更好的液位控制下，可以减小在该主气缸处于下死点时的最小空高(ullage)体积。这可以提高该机器的压力比和因此潜在功率密度。被吸入该下腔室中的任何小体积的过多液体都可以通过液位控制端口喷射。
附图说明
32.图1示出了根据本发明的近等温机器的示意性竖直截面，展示了主要特征；
33.图2a至图2c展示了对图1所示的补偿器结构的替代补偿器结构
34.图3示意性地示出了对图1所示的液位控制布置的用于气体压缩器的替代液位控制布置；
35.图4是图1、图2和图3所示的机器的带槽板组件的顶部的立体图；
36.图5是图1、图2和图3所示的机器的带槽板组件的底部的立体图；
37.图6示出了在近等温斯特林热泵中使用的本发明的示例；
38.图7示出了图6的近等温斯特林热泵的外部流动循环系统的详细截面图；
39.图8示出了图6的近等温斯特林热泵的液位控制和活塞液体润滑系统；
40.图9示出了图6的近等温斯特林热泵的气体泄露限制器；
41.图10是特别地用于图6的近等温斯特林热泵中的对图1、图2和图3所示的活塞的替代活塞及其相关联的热吸收和释放结构的立体图；以及
42.图11是图10所示的替代活塞及其相关联的热吸收和释放结构的竖直截面。
具体实施方式
43.图1示出了根据本发明的近等温机器1的示意性竖直截面。
44.当在主气缸30中往复运动时，主活塞16使腔室43中的气体压缩或膨胀。多个翅片17附接到活塞的底部并从其正交地延伸，该多个翅片形成机器的热吸收和释放结构。翅片17往复运动进入和离开带槽板20中的狭槽20a，该带槽板是带槽板组件46的部分。带槽板组件46是圆柱形形状，其中带槽板20被安装在带槽板组件46的顶上并且其中组件46的圆柱形壁58使气缸在主气缸30内靠近其内壁向下延伸。(图4和图5更详细地示出了说明性带槽板组件46)。腔室43的底部填充有液压液体19。带槽板组件46大部分浸没在液位19下方，然而，带槽板20的顶面在液位正上方。
45.气体在活塞16、主气缸30与液体19之间被压缩或膨胀。当气体被压缩或膨胀时，该气体主要位于翅片17之间。翅片17为热传递提供较大的表面面积，使得用于气体与翅片17之间的热传递的平均距离较小。当气体快速地被压缩或膨胀时，该气体的温度被保持在与翅片基本上相同的温度，并且在近等温条件下发生气体压缩和膨胀。翅片的温度由其下方的液体来稳定，翅片17在每个气缸行程都插入该液体中。液体温度本身通过外部热传递来稳定。
46.本发明提供了一种补偿在翅片17被插入液体19和从该液体中抽离时发生的液体位移的方法。这种补偿系统确保液位保持在近乎恒定的液位。更大体积的工作液体被封闭在带槽板组件46中，这有助于控制附着到翅片的液膜的厚度。与现有技术相比，在本发明中的活塞的向上行程中附着到翅片17的液膜的厚度减小有助于减少所需的补偿量。
47.主气缸30具有通过带槽板20彼此分离的上腔室43和下腔室45。下面描述腔室之间的液压连接和气体连接。
48.液位补偿由补偿器活塞34提供。补偿活塞34经由连接杆21刚性地连接到主活塞16。补偿活塞34始终在液位19下方操作。补偿器活塞34在下腔室45下方通过衬套或密封件25中的孔口25a移进和移出补偿器腔室31，衬套或密封件25密封下腔室45的底部并将其与补偿器腔室31分开。补偿器活塞34或者衬套或密封件25的孔的截面面积大约等于翅片17的有效截面面积(即，翅片截面面积加上所附着的液膜的截面面积)加上连接杆21的截面面积和附着到杆21的小膜厚度。由于通过翅片和连接杆移位的液体的减小的体积与通过补偿器活塞34穿过衬套或密封件25移动到下腔室45中所获得的体积相同，因此，液位保持恒定。
49.尽管圆柱形衬套或密封件25在附图中被示出为安装在孔口25a中，但衬套或密封件可以安装在孔口25a内的球形轴承内，以允许补偿器活塞相对于孔口25a的轻微相对旋转移动。
50.附着到翅片的液膜厚度难以计算，因为它取决于很多因素，最重要的因素是狭槽20a的宽度、液体粘度(其可以随温度变化)和操作速度。作为第一位近似值，总膜厚度(翅片
17的两侧)是1/2x(狭槽20a的宽度-翅片17厚度)。当狭槽宽度比翅片17厚度宽出不超过0.5mm时，这是相当正确的计算。
51.附着到连接杆21的膜厚度在计算最佳补偿器34面积时不太重要，因为杆21的表面面积与翅片17的面积相比非常小，因此这一项可以从计算中排除而不会产生多少差别。
52.这个计算可以用于最初确定补偿器34面积的大小。但最终面积应通过测试来发现或确认。
53.补偿器34在其表面中具有沿着其长度在分离器48之间呈囊袋形式的任选开口24。分离器48在其末端处具有圆柱形岸台48a，这些岸台与补偿器34同轴。当开口24在腔室45和31之间移动时，它们在腔室之间传递液体并因此在腔室45和31之间混合液体。当补偿器34移动穿过衬套或密封件25时，囊袋式分离器48的至少一个岸台48a在腔室45和31之间进行液压密封。
54.当补偿器34往复运动时，该补偿器经历加速度力，进而向开口24中的液体施加该加速度力。开口24中的液体上的加速度力使其与开口24外部的液体一起循环。这种循环流动可以通过开口24的基座与侧面之间的任选的大半径28或通过成扇形来促成。这种循环流动确保开口24中的液体有效传递到相邻的液体。
55.腔室31和45之间的液体混合还确保腔室之间的快速热传递，因为良好的液体混合确保两个腔室中的温度都接近同一值。如果补偿器34的大小不足以提供所需的热传递，则可以通过增加连接杆21的大小来增加该补偿器的截面面积。通常，杆21被确定大小以在主活塞16与补偿器34之间携载负载，但如果需要，可以增加该杆的截面面积以促进更大的补偿器34，因此腔室之间的液体混合和热传递可以增加。
56.补偿器腔室31中的液体被泵送通过外部热交换器29。由于这是外部热交换器，因此它可以是进行所要求的热传递需要的任何大小。它不受近等温压缩机或膨胀器的物理大小限制，如在gb 2553987 a的机器中。
57.当补偿器34向下移动到补偿器腔室31中时，该补偿器将液体泵送通过止回阀26、然后通过外部热交换器29并且回到液体容器37中。当补偿器34向上移动时，液体33被经由止回阀32抽吸到补偿器腔室31中。泵送过程然后重复。优选的是入口端口(经由止回阀32)朝向补偿器腔室31的底部并且出口端口(经由止回阀26)朝向顶部。这种布置有助于高效的热传递，因为当补偿器34向下移动时，补偿器腔室31中的流向上移动，这有助于将从下腔室45传递的液体扫掠到补偿器腔室31中然后进入外部热交换器回路中，并且在该过程中确保来自容器37的新鲜液体尽可能快地移动到下腔室45中。
58.在带槽板20与主气缸30的内壁之间存在通道59，该通道完全地或部分地围绕带槽板20。为了近等温压缩机或膨胀器的最佳性能，需要维持液位尽可能接近在带槽板组件46的顶部的正下方的预定义液位19。液位由从通道59穿过主气缸的壁的液位控制端口42设置。
59.液位控制系统使用在主气缸30内部相对于外部压力的压力变化来维持正确的液位。近等温压缩机和膨胀器的具体应用将会影响在主气缸内部与外部压力相比较的相对压力差，因此对于不同的应用，需要稍微不同的方法。
60.如果在斯特林循环中使用，则平均内部压力与外部压力大约相同，并且压力差将在这个平均压力左右产生。如果在气体压缩机中使用，则平均内部压力将远高于外部压力
并且将仅在抽吸进气行程中稍微降至低于外部压力。
61.机器设计使得少量的净液体33流到下腔室45的底部中。净流入体积典型地是每循环主气缸位移的0.01％与1％之间。这提供对腔室的缓慢连续填充。一旦液位达到控制端口42，就从主气缸排出过多的液体。
62.图1示出了在机器1以斯特林循环操作的情况下将使用的配置。在图1中，来自端口42的过多液体穿过限制器41和止回阀40回到容器37中。限制器或孔41被确定大小，使得流速略大于进入主气缸的底部的净液体流入。止回阀40防止反向流动。如果本发明用于气体压缩机中，则下面参考图3来描述示例性布置。
63.在斯特林循环(而不是气体压缩机)中，当液位在内部压力高于外部压力时的压缩行程中低于端口42时，经由限制器41和止回阀40排出气体。气体端口15经由再生式热交换器54(参见图6)连接到另一近等温气体压缩机和膨胀器的主气缸，因此工作气体中的一些从循环中丢失，这将主气缸内部的平均压力减少至低于外部压力的压力。由于平均压力现在低于外部压力，因此存在进入主气缸的净气体泄露流。气体泄露路径是在活塞16与衬套或密封件11之间并且经由任选的限制器13和任选的止回阀14。系统应被设计为使得当液位低于控制端口42时，主气缸中的平均压力降低，但量受回到主气缸中的气体泄露的限制。可能难以准确地控制活塞16与衬套或密封件11之间的气体泄露流。在很多情况下，最好尝试并尽可能减少活塞16与衬套或密封件11之间的泄露而使其接近于零，然后使用穿过限制器13和端口12的替代泄露流动路径。止回阀14是任选的以确保气体泄露仅在一个方向上。然而，使用止回阀14存在风险，因为在一些情况下，经由端口12的净气体流入可能太高而使主气缸内部的平均操作压力增加，然后液位控制系统将不工作。止回阀14不是优选的配置。对于斯特林循环，限制器13仅需要装配到主气缸中的一者，或者它可能能够装配在连接气体流通路的任何地方。应注意，衬套或密封件11还充当防止液体通过的密封件。
64.示意图1示出了来自止回阀40的两个任选的流动路径39或44。从液位控制端口输出的气体和液体可以经由39直接馈送回到容器37中，但有利的替代方案是经由44将气液混合物馈送到衬套或密封件11的顶部上的小集液槽10中，使得液体集中在集液槽11中。任何过多的液体简单地溢出并排放回到容器37中。这种集中的液体会润湿活塞16。存在润湿的活塞衬套或密封界面对气体密封和摩擦减少来说更好。
65.由于上文解释的原因，当液位低于液位控制端口42时，平均内部压力减少。该减少的平均压力引起进入主气缸的底部的净液体泄露流入。这个泄露流有两个潜在路径：经由任选的控制限制器36和任选的止回阀47(这不是优选的选择)，或者经由分离器的岸台48a与衬套或密封件25之间的环形间隙。不同于活塞16与其衬套或密封件11之间的气体密封，补偿器与其衬套或密封件之间的液体泄露更容易控制，因为液体具有高得多的密度和粘度，并且补偿器的直径小于活塞。典型地，分离器岸台48a与衬套或密封件25之间的径向间隙是约0.05mm至0.1mm。
66.不使用流量限制器36的优点在于减少部件计数，但如果需要增加泄露流，则可以在有或没有止回阀47的情况下使用该流量限制器。
67.当液位低于液位控制端口42时，主气缸内部的平均压力低于外部压力，因此存在进入主气缸中的净液体泄露流，从而升高液位(在循环的一部分内，泄露向外但净流向内)。一旦液位覆盖液位控制端口42，气体就不再经由这个路线离开主气缸。由于气体仍泄露到
主气缸中(经由限制器13并在活塞16与衬套或密封件11之间)，因此主气缸内的平均压力将缓慢上升。上升的气体压力将缓慢地减少进入主气缸中的净液体泄露流。这与经由液位控制端口42泵出的液体相结合会使情况逆转，并且主气缸内的液位将开始下降。该过程然后将重复，从而将液位保持在约控制端口42液位处。当液位在控制端口液位42附近时，通常存在从端口42排出的混合气液流。
68.图1示出了在出口39或44的水平下方的止回阀40。可能有利的是将一些液体捕集在止回阀出口处，因为这保持止回阀座润湿。如果止回阀干燥地工作，则可能难以在仅用气体工作时防止反向流动。
69.优选的配置是使斯特林循环机器中的两个主气缸具有单独的液位控制端口42、限制器41和止回阀40。当一个主气缸中的液位达到控制端口42时，该主气缸停止喷射气体，但仍在另一主气缸处喷射气体，因此平均压力仍存在减少但没有当两个主气缸都在喷射气体时那么多。这种情况将持续直到第二主气缸中的液位赶上来。一般地，两个主气缸将具有相同的限制器和液体泄漏率，因此它们的液位将紧密地匹配。测试已经表明这非常有效。
70.替代方案是以与gb 2553987 b的图7所示的方式类似的方式将斯特林机器的两个液体腔室45连接在一起。然后，两个主气缸具有相同的液位，并且可以使用单个液位控制端口42来控制两个主气缸中的液位。
71.当图1系统的机器停止时，下腔室45中的液位将由于设计的泄露流而逐渐地降至容器37中的外部液位38。为了确保机器启动，当机器起动时，液位38需要处于或高于衬套或密封件25的水平，但低于端口42以避免溢出上腔室43。溢出上腔室43将形成液压锁，从而防止活塞16移动到其下死点位置，而移动到下死点位置可能是灾难性的。
72.在正常操作中，经由补偿器中的开口24在腔室45和31之间传递的液体不会导致净液体传递。但当液位较低时，下腔室45中可能有明显的飞溅，其中一些气体经由开口24传递到腔室31中。这种传递的气体中的一些然后通过热传递回路27和热交换器29排出。因此，当内部液位较低时，补偿器34可以有助于初始启动。由于主启动过程依赖于小液体泄露流，因此机器完全启动可能需要几分钟。
73.在图2中，开口24不是囊袋，而是它们呈狭槽的形式、顶部和底部平坦并且两侧处是圆形的，这些开口在直径上穿过补偿器34。分离器48将狭槽分离。分离器48具有圆柱形岸台48a，这些岸台48a与补偿器34同轴。当开口24在腔室45和31之间移动时，它们在腔室之间传递液体并因此在腔室45和31之间混合液体。当补偿器34移动穿过衬套或密封件25时，分离器48的至少一个岸台48a在腔室45和31之间进行液压密封。螺纹孔口34b在补偿器34a的顶部处，从连接杆21的端部延伸的螺纹被装配到该螺纹孔口中。
74.对于气体压缩机，上腔室43内的平均压力将大于外部压力，因此需要不同的方法进行液位控制。图3示出了气体压缩机的优选布置。气体压缩机2与图1中的结构的不同之处在于限制器13和止回阀14被移除。活塞16与衬套或密封件11之间的气体泄露应尽可能减少。分离器48与衬套或密封件25之间的任何径向间隙也应尽可能减小以减少跨岸台48a的液体泄露。
75.上腔室43中的压力在气体抽吸行程期间当活塞16向上移动时将低于外部压力。在抽吸行程期间，一些液体被经由止回阀47和限制器36吸入下腔室45中。在这种情况下，需要止回阀47停止压缩行程上的反向流动。
76.仍经由端口42进行液位控制，但在本技术中，该端口不排出任何气体。当液位处于或高于液位控制端口42时，液体流入浮子排气阀49中。当浮子排气腔室中存在足够的液体体积时，浮子升起并允许过多的液体流回到容器37中。
77.浮子排气阀49的替代方案可以是液位传感器，使得当达到预定义液位时，控制阀打开，从而允许流排回到容器37中。
78.带槽板组件46的作用的一部分是控制附着到翅片的液膜的厚度；它还确保主气缸的底部中的液体稳定性。在没有带槽板组件46的情况下，液体飞溅和气液混合将随着速度增加而发生。最终，液体随气体一起传递穿过端口15。一旦液体传递开始，等温压缩机或膨胀器便不能有效地工作。与gb 2553987 a所示的交错挡板相比，带槽板组件46明显提高了液体稳定性。
79.带槽板组件46还可以用于支撑和引导翅片17，从而允许翅片是平坦的而不是gb 2553987a中用来提高结构稳定性的弧形或弯曲翅片，平坦的翅片容易弯曲。
80.图4和图5示出了在图1、图2和图3的机器以及图6的斯特林循环机器中使用的带槽板组件46。这些部分可以通过3d打印或通过机加工(包括使用线腐蚀或放电机加工)来制作。
81.狭槽20a被确定大小以容纳翅片17，使得它们可以在没有摩擦的情况下自由地上下移动穿过狭槽。存在中心孔18以容纳连接杆21。狭槽20a的宽度需要被确定大小以适应在制造期间可能出现的任何公差问题。在图中，狭槽20a被示出为直的以容纳平坦的翅片，但它们可以是弯曲的。在弯曲的狭槽和翅片的情况下，更难获得翅片与狭槽之间的准确公差控制，因此狭槽宽度可能需要增加以适应这种公差问题，这是不利的。
82.典型地，用于平坦翅片17的狭槽宽度需要比翅片厚度大出约0.1mm至0.5mm。在不引发任何摩擦的情况下将狭槽制作得越窄就越有利。
83.当翅片17向上移动离开液体19时，翅片被表面液体层润湿。这个表面层的厚度受狭槽宽度的限制，显然，狭槽宽度越小，表面层越薄。由于不可能确保每个翅片17都在狭槽的中心，液体层在一侧上可以比在另一侧上更厚。
84.在翅片移动离开液体时附着到翅片的液体越少，当活塞16迅速地上下移动时液体因加速度力而与翅片分离的可能性就越小。如果液体分离，则可能形成液滴，这些液滴可以由气体在端口15处携载出去，这是非常不希望的。
85.当翅片17向下移动时，附着到翅片的大部分液体都会穿过狭槽回到下腔室45中。然而，一些液体可能会在翅片向下移动时从翅片移除或刮除。导致狭槽的倒角或半径可以帮助减少在翅片重新插入下腔室45中时移除的液体量。在重新插入期间移除的液体最初将置于带槽板组件46的顶部上，然后排到主气缸30与带槽板组件之间的通道59中。从那里，液体然后穿过带槽板的圆柱形壁与主气缸30的壁之间的通路22排回到下腔室45的底部。
86.与在翅片重新插入时回流的量相比，在翅片被抽取时从腔室35抽出的液体体积之间存在小的差异。这个体积差异允许带槽板的顶部上的气体在翅片重新插入时在狭槽下方向下抽出。
87.如果没有针对排气做准备，则该不想要的气体可能会积聚在狭槽下方。气体难以在翅片17与带槽板20中的狭槽20a的壁之间的窄间隙中排出。在图4和图5中，示出了用于气体排出的两个路线。气体排出狭槽54正交于翅片狭槽并且典型地是2mm至5mm宽。带槽板下
方的任何气体都可以通过这个更大的狭槽向上排出。另外地，容纳连接杆21的中心孔18的直径大于连接杆，因此它也可以排出气体。
88.带槽板下方的相邻翅片和狭槽的底部形成一系列可能隔离的气体囊袋。这些气体囊袋中的每一者都需要排气，这就是为何气体排出口54和中心孔18分到每个潜在的气体囊袋中的原因。
89.由于一些气体可以在带槽板组件下方，因此当以大约25hz的速度操作时可能存在湍流气体/液体混合，但带槽板组件将容纳这种湍流。在较高速度下，增加体积的液体17经由通路22回流到下腔室45。需要小水头差以将液体移动通过通路22。在通路22的入口处，水头由液位控制端口42的液位设定。在下腔室45内，将存在一定小体积的气体，这将降低下腔室45中的有效水头。可能只有几毫米的这个小水头差将促使液体通过通路22回流。
90.在图1、图2和图3中，通路22是带槽板组件的圆柱形壁58与主气缸30的内壁之间的间隙。在图4和图5中，该通路是在至少部分地围绕带槽板20的通道59之间、在圆柱形壁58的底部处的孔口60之间的小导管。
91.通过设计，通路22提供有限量的摩擦和液体流动惯性。这是需要的，因为当翅片插入下腔室45中的液体中时，翅片与液体之间的液体摩擦将液体在下腔室45中向下推动然后向上进入通路22中。相反，当翅片从液体抽离时，液体摩擦将液体拉回到下腔室45中并且在通路22中向下拉动。这种液体摩擦效应可以潜在地导致通路22中的液体晃动，并且控制端口42处的液位19将不稳定。需要设计通路22的流动阻力和液体惯性，以防止任何明显的液体晃动，而同时没有那么大的流动阻力来阻止液体容易回流。还应注意，带槽板组件46与主气缸30之间的通道59的表面面积比通路22的面积大得多，因此在控制端口42处减小了在通路22中发生的少量晃动的幅度。
92.重要的是，系统设计将液位19保持在带槽板20的顶部的正下方。一旦液体永久地在带槽板20的顶部上，便可能发生上腔室43中的气液不稳定性和混合。这种液气混合物然后可以穿过端口15进行传递，而这是非常不希望的。
93.带槽板20下方的支撑翅片23用于引导和支撑翅片17。它们在翅片是平坦的时特别有用。如果翅片17是弯曲的，则支撑翅片23可以被省略，因为翅片17在结构上更硬。
94.在支撑翅片23与补偿器34之间应有足够的间距，因此在补偿器上下移动时，液压液体可以容易在它们之间流动。支撑翅片是台阶式的55，使得翅片之间的中心孔口(补偿器在该中心孔口中移动)在带槽板20下方越远直径越大。这可以在图5中看出，其中形成通路55a以允许流体自由地移动。
95.补偿器活塞34和支撑翅片23允许液体围绕补偿器流动，但当主活塞接近其上死点并且补偿器接近狭槽时，该液体的速度也接近零。由于补偿器34与支撑翅片23之间的流速减小，因此支撑翅片23与补偿器34之间的空间可以减小为更靠近狭槽。这允许支撑翅片23紧接在带槽板20下方以增加带槽板20的强度。
96.可以看出，上腔室43和下腔室45保持通过气体排出口54连接，并且通过狭槽20a和通路22液压地连接。
97.图6是根据本发明的穿过近等温斯特林热泵的竖直截面图，该近等温斯特林热泵包括近等温压缩机和膨胀器。小齿轮50由电动机驱动，该电动机驱动连接到连接杆52的罗斯轭(ross yoke)连杆51，进而驱动近等温压缩机和膨胀器的两个活塞16，其中它们之间的
相位角为约120
°
。
98.两个主气缸的输出端口15经由再生式热交换器54进行连接。
99.近等温斯特林热泵被容纳在加压容器37中。内部气体可以是压缩空气或优选地具有高热导率的气体，诸如氦气或氢气。
100.外部流端口中的一者在图6中标记为27，但将存在四个端口：两个输出端口(热流和冷流)以及两个回流端口。其他端口在这个截面中未示出。
101.图7示出了可以使用的可能的替代外部流动循环系统的详细截面图。入口止回阀32是簧片阀。当补偿器34向上移动时，止回阀32打开并允许流入腔室31中。当补偿器34向下移动时，开口24中的液体与腔室31中的液体混合，因此提供热传递。液体然后通过腔室61和导管53泵送，然后经由簧片止回阀26离开。
102.大部分的热传递是因腔室31中的液体混合而发生的，但主气缸底部具有由薄壁金属材料(诸如铝)制成的插塞57，这在腔室45和61中的液体之间提供了附加的导热热传递路径。尽管这个热传递不明显，但它确实以很少的额外成本提供了一些益处。
103.图8示出了液位控制和活塞液体润滑系统。如先前所述，使用液位控制端口42、流量限制器41和止回阀40进行液位控制。从液位控制系统喷射的液体经由通路44馈送到活塞润湿池10中。通路44将始终保留一些液体以保持止回阀40的阀座润湿，甚至在经由液位控制端口42喷射气体时也是如此。
104.图9示出了气体泄露限制器41。在这种情况下，主气缸对中只有一者具有气体泄露限制器41。该近等温斯特林热泵不使用如图1所示的止回阀14，因此少量的气体可以漏入和漏出，这是近等温斯特林热泵的优选布置。
105.在图1中，活塞16比其衬套或密封件11更长。在图6和图8中，正好相反，存在相对长的主气缸衬套或密封件11，该衬套或密封件与相对短的活塞16形成气体密封件但允许活塞16在主气缸30内往复运动。短活塞和长衬套或密封件11的优点是它减轻了移动部分的重量，这可以是有利的。这种布置在图10和图11中更详细地示出。
106.液体保持器56随活塞上下移动。该液体保持器由塑料或某一其他轻质材料制成。在液体保持器56与衬套或密封件11之间存在小环形间隙62(参见图8)。液体保持器56与衬套或密封件11之间的这个环形间隙可以用液体填充。该液体提供润滑并且帮助减少活塞16与衬套或密封件11之间的气体泄露。
107.在前述描述中，在整个机器中使用相同的液体。在另一者中，在补偿器腔室中使用气体，但在这种情况下，将省略开口24并且衬套或密封件25提供对补偿器31的气密密封。在这种设计中，液体流动布置将被更改，使得对损失的液体的补充将引导到下腔室45中而不经由补偿器腔室31。

技术特征：
1.一种用于使气体压缩或膨胀的机器，该机器包括：活塞；竖直主气缸或倾向于竖直的主气缸；在该主气缸内部的衬套或密封件，该活塞移动穿过该衬套或该密封件；热吸收和释放结构，该热吸收和释放结构包括附接到该活塞的底部并正交于该底部设置的多个翅片；其中，该活塞在压缩行程中相对于该主气缸向下移动并且在膨胀行程中相对于该主气缸向上移动，该主气缸容纳可变气体体积以及被维持在基本上恒定温度的基本上恒定液体体积，并且气体温度通过该热吸收和释放结构随该活塞在该可变气体体积与该液体之间移动而被控制为与该液体基本上相同的温度；其特征在于，连接器杆被正交地附接到该活塞的基座和补偿器腔室中的补偿器，并且被安装在该主气缸的下方，该补偿器在使用中向上震荡到该主气缸中并向下震荡到补偿器腔室中并且被安装在该主气缸的下方，该补偿器在向上移动时进入该主气缸的体积至少部分地补偿在该热吸收和释放结构的向上移动时该主气缸中的液位下降，并且该补偿器在向下移动时离开该主气缸的体积至少部分地补偿在该热吸收和释放结构的向下移动时该主气缸中的液位增益。2.如权利要求1所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该热吸收和释放结构包括正交于该活塞底部设置的多个翅片。3.如权利要求1或2所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，在该主气缸与该补偿腔室之间具有衬套或密封件，该衬套或密封件具有孔口，该补偿器穿过该孔口。4.如权利要求1、2或3所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该补偿器腔室容纳相同的液体，在该主气缸与该补偿腔室之间具有衬套或密封件，该衬套或密封件具有孔口，该补偿器穿过该孔口。5.如权利要求4所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该补偿器具有在分离器之间形成的开口，所述开口在该补偿器的向上移动期间将液体从该补偿器腔室输送到该主气缸，或在该补偿器的向下移动期间从该主气缸输送到该补偿器腔室，这些分离器中的至少一者或多者在该补偿器的整个移动中与该衬套或该密封件对准。6.如权利要求5所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，这些分离器围绕其周边具有圆柱形岸台，所述岸台与该补偿器同轴。7.如权利要求5或6所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，这些开口呈囊袋的形式。8.如权利要求5或6所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，这些开口呈穿过该补偿器的狭槽的形式。9.如任一前述权利要求所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该补偿器腔室具有入口阀和出口阀，液体在该补偿器的向上移动期间被吸入该补偿器腔室中，并且过多的液体在该补偿器的向下移动期间被从该补偿器腔室排出。10.如任一前述权利要求所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该热吸收和释放结构包括正交于该活塞底部设置的多个翅片，其特征在于，该主气缸被带槽板分成上腔室和下腔室，该带槽板在其中具有狭槽，这些翅片穿过这些狭槽。11.如权利要求10所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，具有从该下腔室到该上腔室的气体排出口。12.如权利要求11所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其中，该气体排出口在该带槽板中。
13.如权利要求10至12中任一项所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该带槽板被安装在带槽板组件中，该带槽板组件具有面向该主气缸的内壁的圆柱形壁。14.如权利要求10至13中任一项所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，具有至少部分地围绕该带槽板的通道。15.如权利要求14所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，具有从该通道延伸到该下腔室的控制通路。16.如权利要求10至15中任一项所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，在该主气缸中具有在该带槽板的顶部的正下方的端口，所述端口允许该主气缸中在该端口上方的液体离开该主气缸。17.如权利要求16所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，止回阀连接到该端口。18.如权利要求16或17所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，来自该端口的至少一些液体被传递到该衬套或该密封件的顶部上的集液槽中。19.如任一前述权利要求所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，圆柱形内衬被附接固定到该活塞，在该内衬与该衬套或该密封件之间具有环形间隙。20.如任一前述权利要求所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该机器是安装在一起并形成热泵的两个机器中的一者。21.一种用于使气体压缩或膨胀的机器包括：活塞；竖直主气缸或倾向于竖直的主气缸；热吸收和释放结构，该热吸收和释放结构包括附接到该活塞的底部并正交于该底部设置的多个翅片；其中，该活塞在压缩行程中相对于主气缸向下移动并且在膨胀行程中相对于该主气缸向上移动，该主气缸容纳可变气体体积以及被维持在基本上恒定温度的基本上恒定液体体积，其中，气体温度通过该热吸收和释放结构随该活塞在该可变气体体积与该液体之间移动而被控制为与该液体基本上相同的温度，并且其特征在于，该主气缸被带槽板分成上腔室和下腔室，该带槽板在其中具有狭槽，这些翅片穿过这些狭槽。22.如权利要求21所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，具有从该下腔室到该上腔室的气体排出口。23.如权利要求22所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该气体排出口在该带槽板中。24.如权利要求21至23中任一项所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该带槽板被安装在带槽板组件中，该带槽板组件具有面向该主气缸的内壁的圆柱形壁。25.如权利要求21至24中任一项所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，具有至少部分地围绕该带槽板的通道。26.如权利要求25所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，具有从该通道延伸到该下腔室的控制通路。27.如权利要求21至26中任一项所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，在该主气缸中具有在该带槽板的顶部的正下方的端口，所述端口允许该主气缸中在该端口上方的液体离开该主气缸。28.如权利要求27所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，止回阀连接到该端口。
29.如权利要求27或28所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其中，来自该端口的至少一些液体被传递到该衬套或该密封件的顶部上的集液槽中。30.如任一前述权利要求所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，液体保持器被附接到该活塞，并且在该液体保持器与该衬套或该密封件之间存在环形间隙。31.如权利要求21至30中任一项所述的用于使气体压缩或膨胀的机器，其特征在于，该机器是安装在一起并形成热泵的两个机器中的一者。

技术总结
一种用于使气体压缩或膨胀的近等温机器具有在主气缸中的活塞，其中，热吸收和释放结构附接到该活塞。该主气缸容纳可变气体体积以及被维持在基本上恒定温度的基本上恒定液体体积，气体温度通过该热吸收和释放结构随该活塞的移动而被控制为与该液体基本上相同的温度。提供补偿器以补偿当该活塞在该主气缸中移动时液位的变化。动时液位的变化。动时液位的变化。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：等温线有限公司
技术研发日：2022.01.11
技术公布日：2023/9/23