CN100460781C

CN100460781C - 斯特林发动机

Info

Publication number: CN100460781C
Application number: CNB2005800181716A
Authority: CN
Inventors: 田中章三
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2009-02-11
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: US20070277521A1; CN1965200A; BRPI0511752A; EP1757876A1; JP3765822B2; US7650751B2; EP1757876A4; WO2005119138A1; JP2005345009A; EP1757876B1

Abstract

斯特林发动机具备活塞及置换器。如果通过线性马达使活塞在气缸内往复运动，则置换器与活塞以规定的相位差在气缸内往复运动。置换器及收容它的气缸分别由金属形成与压缩空间对置侧、由低热传导物质形成与膨胀空间对置侧。并且在金属部分上确立嵌合精度。

Description

斯特林发动机

技术领域

本发明涉及斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机由于不使用氟隆而是用氦、氢、氮等作为工作气体，所以作为不会导致臭氧层的破坏的热机构而受到关注。在特许文献1、2中能够看到斯特林发动机的例子。

在斯特林发动机中发挥重要的作用的是通过线性马达等动力源而往复运动的活塞、和相对于该活塞具有规定的相位差而同步往复运动的置换器。活塞和置换器在压缩空间与膨胀空间之间使工作气体流动而形成斯特林循环。在压缩空间中基于等温压缩变化使工作气体的温度上升，在膨胀空间中基于等温膨胀变化使工作气体的温度降低。由此，压缩空间的温度上升，膨胀空间的温度下降。如果使压缩空间(高温空间)的温度通过高温传热头散热，膨胀空间(低温空间)能够通过低温传热头吸收外部的热量。通过该原理，斯特林发动机被作为冷冻机使用。

特许文献1：特开2004-52866号公报(第5-6页，图1)

特许文献2：特开2003-75005号公报(第3-6页，图2)

在斯特林发动机中，置换器及收容它的气缸面对压缩空间(高温空间)和膨胀空间(低温空间)的两者。如果有热量沿着置换器及气缸从压缩空间向膨胀空间移动的情况，则斯特林发动机的效率降低。因此，置换器及气缸优选为隔断热量的移动的构造。

作为隔断热量的移动的构造，一般考虑的是通过低热传导物质、例如合成树脂或陶瓷形成置换器和气缸。另一方面，置换器以气体轴承的结构悬浮在气缸中而高速运动，但通过低热传递物质实现气体轴承所要求的严密的尺寸精度是很困难的。如果采用将置换器与气缸一个个地滑动配合而调整的制造方法，则不能得到需要的间隙。但是，该方法很难说适用于工业性量产。

发明内容

本发明是鉴于上述的问题而做出的，目的是提供一种能够有效地防止热量沿着置换器及气缸从压缩空间向膨胀空间移动、并且能够在确保组装精度的同时进行工业性量产的斯特林发动机。

为了解决上述课题，在本发明中，如下这样构成斯特林发动机，在具备在动力源的作用下往复运动的活塞、和相对于该活塞以规定的相位差往复运动的置换器、使工作气体在压缩空间(高温空间)和膨胀空间(低温空间)之间移动的斯特林发动机中，其特征在于，上述置换器及收容它的气缸分别由金属形成上述压缩空间侧、由热传导比上述金属低的低热传导物质形成上述膨胀空间侧。并且，上述置换器的金属部分的外径比低热传导物质部分的外径大，上述气缸的金属部分的内径比低热传导物质部分的内径小。

根据该结构，由于置换器及收容它的气缸由低热传导物质形成与膨胀空间对置的一侧(膨胀空间侧)，所以能够隔断或抑制热量沿着置换器和气缸从压缩空间向膨胀空间移动。由此提高了斯特林发动机的效率。另一方面，由于置换器和气缸的与压缩空间对置的一侧(压缩空间侧)由金属形成，所以能够承受高温，并且能容易地提高置换器与气缸的嵌合精度。因此，在置换器与气缸之间采用气体轴承的情况下，能够工业性地量产确保气体轴承的形成及维持所需的间隙精度的产品。并且，由于置换器的金属部分的外径比低热传导物质部分的外径大，气缸的金属部分的内径比低热传导物质部分的内径小，所以能够充分确保尺寸精度较差的低热传导物质部分彼此的间隔，能够防止万一的接触。

此外，本发明在上述结构的斯特林发动机中，其特征在于，上述置换器的金属部分与低热传导物质部分的边界部、和上述气缸的金属部分与低热传导物质部分的边界部相互的位置关系(距离)设定在置换器的往复运动中不会重叠。

根据该结构，由于置换器的边界部与气缸的边界部的位置关系(距离)设定成置换器的金属部分与低热传导物质部分的边界部、和气缸的金属部分与低热传导物质部分的边界部在置换器的往复运动中不会重叠，所以，即使在金属部分与低热传导物质部分的边界部上、在金属部分和低热传导部分之间产生了倒阶差，也不会发生倒阶差彼此卡住而阻碍置换器的运动的情况。

此外，本发明在上述结构的斯特林发动机中，其特征在于，在上述置换器的金属部分与上述气缸的金属部分之间构成气体轴承。

根据该结构，由于在置换器的金属部分与气缸的金属部分之间构成气体轴承，所以防止了在斯特林发动机的运转中置换器接触到气缸的内壁，不会发生因接触部的摩擦带来的能量损失、或者接触部的磨损的问题。

此外，本发明在上述结构的斯特林发动机中，其特征在于，上述置换器及/或气缸通过并用螺合部与粘接剂将金属部分与低热传导物质部分接合在一起。

根据该结构，置换器及/或气缸的金属部分与低热传导物质部分的接合很牢固，不会发生金属部分与低热传导物质部分分离的情况。

此外，本发明在上述结构的斯特林发动机中，其特征在于，在上述金属部分与低热传导物质部分重叠的部位上，在重叠的中心附近设有上述螺合部，螺纹槽不露出到外部。

根据该结构，在置换器及/或气缸中，由于螺纹槽不露出到外部，所以能够防止螺纹槽成为工作气体的通路。

此外，在上述结构的斯特林发动机中，上述置换器及/或气缸也可以做成在上述金属部分与低热传导物质部分的接触面整周上涂布粘接剂的结构。

根据该结构，由于置换器及/或气缸在金属部分与低热传导物质部分的接触面整周上涂布粘接剂，所以能够防止螺纹槽成为工作气体的通路。

此外，在上述结构的斯特林发动机中，也可以通过合成树脂的注射成型品构成上述低热传导物质部分。

根据该结构，能够以低成本大量生产低热传导物质部分。

附图说明

图1是斯特林发动机的剖视图。

图2是置换器与收容它的气缸的剖视图。

图3是图2中的圆A的部位的放大剖视图。

图4是表示图2中的圆A的部位的其他结构例的放大剖视图。

标号说明

1 斯特林发动机

10 气缸

11 气缸

11a 金属部分

11b 低热传导物质部分

12 活塞

13 置换器

13a 金属部分

13b 低热传导物质部分

13c 螺合部

具体实施方式

首先，根据图1说明可适用本发明的斯特林发动机的构造。图1是斯特林发动机的剖视图。

作为斯特林发动机1的组装的中心的是气缸10、11。气缸10、11的轴线在同一直线上排列。在气缸10中插入着活塞12，在气缸11中插入着置换器13。活塞12及置换器13在斯特林发动机1的运转中通过后述的气体轴承不与气缸10、11的内壁接触地往复运动。活塞12与置换器13具备规定的相位差而运动。气缸11及置换器13的构造在后面详细说明。

在活塞12的一端上固定着杯状的磁铁保持器14。置换器轴15从置换器13的一端突出。置换器轴15能够沿轴线方向自由滑动地贯通活塞12及磁铁保持器14。

气缸10在与活塞12的工作区域对应的部分的外侧保持有线性马达20。线性马达20具备具有线圈21的外侧磁轭22、设置为与气缸10的外周面接触的内侧磁轭23、插入在外侧磁轭22与内侧磁轭23之间的环状空间中的环状的磁铁24、包围外侧磁轭22的管体25、和将外侧磁轭22、内侧磁轭23及管体25保持为规定的位置关系的合成树脂制的端部托架26、27。磁铁24固定在磁铁保持器14上。

在磁铁保持器14的轮轴部分上固定着弹簧30的中心部。在置换器轴15上固定着弹簧31的中心部。弹簧30、31的外周部固定在端部托架27上。在弹簧30、31的外周部彼此之间配置有衬垫32，由此弹簧30、31保持一定的距离。弹簧30、31是在圆板状的坯材上设置了螺旋状的切口而成的，发挥使置换器13相对于活塞12具有规定的相位差(一般为约90°的相位差)而共振的作用。

在气缸11中的与置换器13的工作区域对应的部分的外侧配置有传热头40、41。传热头40是环状，传热头41是帽状，都由铜或铜合金等热传导较好的金属构成。传热头40、41分别以夹着环状的内部热交换器42、43的形式支撑在气缸11的外侧上。内部热交换器42、43分别具有通气性，将通过内部的工作气体的热量传递给传热头40、41。在传热头40上连结着气缸10及躯干体部50。

由传热头40、气缸10、11、活塞12、置换器13、置换器轴15、以及内部热交换器42包围的环状的空间成为压缩空间45。由传热头41、气缸11、置换器13、以及内部热交换器43包围的空间成为膨胀空间46。

在内部热交换器42、43之间配置有再生器47。再生器47是在容器中填入金属网等的填充材料(基体)、或将金属薄板或合成树脂薄膜卷绕为线圈状而形成的，内部中具有工作气体通过的空隙。再生器管48将再生器47的外侧包围。再生器管48在传热头40、41之间构成气密通路。

覆盖线性马达20、气缸10、及活塞12的筒状的压力容器形成躯干体部50。躯干体部50的内部成为背压空间51。

躯干体部50的构造如下。即，躯干体部50被2分割为与传热头40接合的环状部52、和与该环状部52接合的帽状部53。环状部52、帽状部53都是不锈钢制。环状部52的一端被拉深为锥状而成为锥状部52a，将该部分钎焊在传热头40上。帽状部53是将镜板53a焊接在管的内表面上的构造。

在环状部52的另一端和与其对置的帽状部53的开口端上，设有凸缘形状部54、55。凸缘形状部54、55都是将不锈钢制的环焊接在环状部52与帽状部53上而形成的，最终将凸缘形状部54、55焊接而形成密闭状态的躯干体部50。

在躯干体部50中，配置有用来对线性马达20供给电力的端子部28、和用来将工作气体封入到内部中的管50a。它们都设置成从帽状部53的外周面向放射方向突出。

在躯干体部50中安装有振动抑制装置60。振动抑制装置60由固定在躯干体部50上的基部61、支撑在基部61上的板状的弹簧62、和受弹簧62支撑的块体(质量)63。

活塞12的内部为空洞80。空洞80经由配置在活塞12的端面上的止回阀90与压缩空间45连通。在活塞12的外周面上，形成气体轴承的凹部81在同一圆周上以规定的角度间隔配置有多个。在凹部81的底部上以贯通活塞12的形式打入有金属细管82，通过该金属细管82从空洞80对凹部81供给工作气体。凹部81的环状列在活塞12的轴线方向上隔开间隔而形成2处以上。即，将气体轴承形成在2处以上。

置换器13的内部也成为空洞85。空洞85经由配置在置换器13的端面上的止回阀90与压缩空间45连通。在置换器13的外周面上，形成气体轴承的凹部86在同一圆周上以规定的角度间隔配置有多个。通过在凹部86的底部上打入的金属细管87从空洞85对凹部86供给工作气体。

斯特林发动机1如以下这样工作。如果对线性马达20的线圈21供给交流电，则在外侧磁轭22与内侧磁轭23之间产生贯通磁铁24的磁场，磁铁24沿轴向往复运动。通过供给与由活塞系统(活塞12、磁铁保持器14、磁铁24、以及弹簧30)的总质量与弹簧30的弹簧常数决定的共振频率一致的频率的电力，活塞系统开始平滑的正弦波状的往复运动。

在置换器系统(置换器13、置换器轴15、以及弹簧31)中，设定为使由其总质量和弹簧31的弹簧常数决定的共振频率共振于活塞12的驱动频率。

通过活塞12的往复运动，在压缩空间45中反复进行压缩、膨胀。随着该压力的变化，置换器13也进行往复运动。此时，通过压缩空间45与膨胀空间46之间的流动阻力等而在置换器13与活塞12之间产生相位差。这样，自由活塞构造的置换器13与活塞12具有规定的相位差而同步地振动。

通过上述的工作，在压缩空间45与膨胀空间46之间形成斯特林循环。在压缩空间中，工作气体的温度基于等温压缩变化而上升，在膨胀空间46中，工作气体的温度基于等温膨胀变化而降低。因此，压缩空间45的温度上升，膨胀空间46的温度下降。

在运动中在压缩空间45与膨胀空间46之间往复运动的工作气体在通过内部热交换器42、43时，将其具有的热量通过内部热交换器42、43传递给传热头40、41。由于从压缩空间45向再生器47流入的工作气体是高温的，所以传热头40被加热，传热头40成为热头。由于从膨胀空间46向再生器47流入的工作气体是低温的，所以传热头41被冷却，传热头41成为冷头。通过从传热头40向大气放散热量，由传热头41使特定空间的温度下降，斯特林发动机1发挥作为冷冻机构的功能。

再生器47起到不将压缩空间45与膨胀空间46的热量传递给对方侧的空间、而仅使工作气体通过的作用。从压缩空间45经过内部热交换器42进入到再生器47中的高温的工作气体在通过再生器47时将其热量传递给再生器47，以温度下降的状态流入到膨胀空间46中。从膨胀空间46经过内部热交换器43进入到再生器47中的低温的工作气体在通过再生器47时从再生器47回收热量，以温度上升的状态流入到压缩空间45中。即，再生器47发挥作为热量的保管库的作用。

如果活塞12与置换器13往复运动、工作气体移动，则在斯特林发动机1中产生振动。振动抑制装置60抑制该振动。

压缩空间45之中的高压的工作气体的一部分通过止回阀90而进入到活塞12的空洞80及置换器13的空洞85中。并且从凹部81、86喷出。通过喷出的工作气体，在活塞12的外周面与气缸10的内周面之间、并且在置换器13的外周面与气缸11的内周面之间形成气体的膜，防止活塞12与气缸10的接触、以及置换器13与气缸11的接触。因此，不会发生接触部的摩擦带来的能量损失、或接触部的磨损的问题。

活塞12与气缸10由铝或不锈钢等金属形成。另一方面，置换器13与气缸11一部分由金属形成，其余部分由合成树脂等的低热传导物质形成。以下，根据图2～图4说明置换器13与气缸11的构造。图2是置换器与气缸的剖视图，图3、图4是图2中用圆A包围的部位的放大剖视图。

置换器13及收容它的气缸11都是与压缩空间45对置的一侧(压缩空间侧)由金属形成，与膨胀空间46对置的一侧(膨胀空间侧)由热传导比金属低的低热传导物质形成。置换器13的金属部分13a与低热传导物质部分13b、以及气缸11的金属部分11a与低热传导物质部分11b都以前者盖在后者上的形式嵌合。即为套筒嵌合。嵌合部分由粘接剂接合，但在其自身以高速往复运动的置换器13中，嵌合部分通过并用螺合与粘接剂而接合在一起，提高了接合强度。图3、图4中表示嵌合部分的螺合的构造例。

图3的构造例与图4的构造例都通过形成于金属部分13a的外周面上的阳螺纹部与形成在低热传导物质部分13b的内周面上的阴螺纹部构成螺合部13c。图3的构造例在金属部分13a与低热传导物质部分13b重叠的部位上，在重叠的中心附近设置螺合部13c，螺纹槽不露出到外部。由此，能够防止螺纹槽成为工作气体的通路而发生非预期的工作气体向置换器13的内外的流动(泄漏)。

气缸11的金属部分11a与低热传导物质部分11b由于气缸自身并不运动，所以仅用粘接剂也不会发生接合强度不足。但是，考虑到通过活塞12与置换器13的往复运动而使斯特林发动机1整体振动，也可以在金属部分11a与低热传导物质部分11b之间设置螺合部来实现接合强度的增大。

在置换器13中，粘接剂只要涂布在金属部分13a与低热传导物质部分13b的接触面的适当部位上就可以，但通过涂布在接触面整周上，能够防止工作气体的泄漏，如果涂布在接触面整体上，则能够使接合变得更加牢固。对于气缸11可以说也是相同的。

在上述那样组装的置换器13中，金属部分13a的外径比低热传导物质部分13b的外径大。另一方面，在气缸11中，金属部分11a的内径比低热传导物质部分11b的内径小。低热传导物质一般尺寸精度较差，通过这样设计，能够充分确保低热传导物质部分13b、11b的间隔，能够防止万一的接触。即使在低热传导物质部分13b、11b的膨胀系数较大、因温度变化而尺寸变化很多的情况下，也能够由此确保安全(防接触)。该间隔可以设定为例如120μm的值。

金属部分13a、11a的尺寸精度能够做得较高，所以在两者之间能够确立嵌合精度。并且可得到起到气体轴承的功能的间隙。该间隙可以设定为例如20μm的值。

置换器13的金属部分13a与低热传导物质部分13b的边界部、和气缸11的金属部分11a与低热传导物质部分11b的边界部由于置换器13的移动而相互的距离D(参照图2)变动。将置换器13的边界部与气缸11的边界部的位置关系(距离)设定为使该边界部彼此重叠、即距离D为零。因而，即使在金属部分与低热传导物质部分的边界部上、在金属部分与低热传导物质部分之间产生了倒阶差，也不会发生倒阶差彼此卡住而阻碍置换器13的运动的情况。

低热传导物质部分13b、11b通过合成树脂的注射成型而形成。由此，能够以低成本大量生产低热传导物质部分13b、11b。作为合成树脂，可以采用例如聚碳酸酯。

另外，气缸11的金属部分11a被与气缸10一体化。图2所示的10a是从气缸10延伸的桥接部分。通过做成这样的结构，能够提高气缸10、11的位置匹配精度。

以上说明了本发明的实施方式，但在不脱离发明的主旨的范围内能够再施加各种变更来实施。

工业实用性

本发明能够利用在所有斯特林发动机中。

Claims

1.一种斯特林发动机，具备在动力源的作用下往复运动的活塞、和相对于该活塞以规定的相位差往复运动的置换器，使工作气体在压缩空间、即高温空间和膨胀空间、即低温空间之间移动，其特征在于，

上述置换器及收容它的气缸分别由金属形成上述压缩空间侧、由热传导比上述金属低的低热传导物质形成上述膨胀空间侧；

上述置换器的金属部分的外径比低热传导物质部分的外径大，上述气缸的金属部分的内径比低热传导物质部分的内径小。

2.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，上述置换器的金属部分与低热传导物质部分的边界部、和上述气缸的金属部分与低热传导物质部分的边界部相互的距离设定成在置换器的往复运动中不会重叠。

3.如权利要求1或2所述的斯特林发动机，其特征在于，在上述置换器的金属部分与上述气缸的金属部分之间构成气体轴承。

4.如权利要求1或2所述的斯特林发动机，其特征在于，上述置换器及/或气缸通过并用螺合部与粘接剂将金属部分与低热传导物质部分接合在一起。

5.如权利要求4所述的斯特林发动机，其特征在于，在上述金属部分与低热传导物质部分重叠的部位上，在重叠的中心附近设有上述螺合部，螺纹槽不露出到外部。