CN104100409A - 斯特林循环发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现气缸内摩擦的减少，同时可抑制高温下部件变形造成机械精度降低的斯特林循环发动机。置换器（70）或活塞（20）的基部（71）、（21）由金属形成，滑动部（72）、（23）、（24）由树脂形成。因此，与基部（71）、（21）由树脂等形成的情况相比，能够减小热变形，并能够抑制高温下置换器（70）、活塞（20）的机械精度降低。另外，利用设置于基部（71）、（21）外表面的树脂制滑动部（71）、（23）、（24），能够将气缸内的滑动摩擦抑制得较低。

Description

斯特林循环发动机

 

技术领域

本发明涉及一种利用斯特林循环进行发电、冷却等的斯特林循环发动机。

 

背景技术

以往，具有使置换器（Displacer）和活塞共轴地配置于气缸内的结构的斯特林循环发动机已广为人知，其作为发电机或冷冻机等来实用化。一般，在该类斯特林循环发动机中，活塞中安装有永久磁铁，以夹着其永久磁铁的方式配置有定子和磁轭。在发电机的场合，利用从外部赋予的温度差使工作气体重复发生压缩和膨胀，由此使活塞往复运动，其动能利用永久磁铁和定子的电磁作用而被变换为电气能源。另一方面，在冷冻机的场合，使驱动电流流入定子的电磁线圈中，由此使活塞往复运动，随着其往复运动而使工作气体反复发生压缩和膨胀，为此产生了低温部与高温部间的温度差。

在斯特林循环发动机中，置换器活塞在气缸内往复运动时，两者摩擦造成损失。以往，通过在置换器活塞的外表面或气缸的内表面实施氟树脂等低摩擦的涂敷，以实现降低摩擦损失。但是，例如在发电机等中要求具有比较高温下的耐久性，因而，存在经氟树脂等涂敷而耐热性、耐磨损性不充分的情况。

另一方面，在树脂材料中，例如PPS（polyphenylene sulfide：聚苯硫醚）等那样其摩擦性低且刚性高，耐热性或耐磨损性也比氟树脂涂层更优异。但是，树脂材料与金属等相比通常受热的变形量较大，为此，在将树脂材料用作置换器或活塞的基座材料的情况下，出现了在高温下无法达到期望的机械精度的问题。

 

发明内容

本发明所需解决的技术问题在于：如何实现一种可实现气缸内摩擦的减少，同时可抑制高温下部件变形造成机械精度降低的斯特林循环发动机。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：本发明提供一种斯特林循环发动机，其具有：固定于壳体中的气缸；插入于所述气缸一端且能够往复运动的置换器；以及插入于所述气缸另一端且能够往复运动的活塞。所述置换器和所述活塞中至少一者包括：由金属形成的基部；以及由树脂形成，设置于所述基部的外表面上且能够沿所述气缸内表面滑动的滑动部。

优选地，所述基部和所述滑动部通过嵌入成形而形成为一体。

优选地，所述滑动部具有包围着圆形截面的所述基部整个圆周的环状滑动面。

优选地，所述斯特林循环发动机具有：固定于所述壳体中的定子；设置于所述活塞的所述基部，以产生作用到所述定子上的磁场的磁铁。在所述活塞的所述基部上分开设置有两个所述滑动部。所述磁铁以包围圆筒状的所述基部整个圆周的方式呈环状地设置于所述两个滑动部之间。

优选地，所述基部具有形成为底部宽度大于开口部宽度的槽。将用于形成所述滑动部的树脂填充到所述基部的所述槽中。

优选地，所述斯特林循环发动机具有：面对所述置换器一端部的膨胀室；面对所述置换器另一端部的压缩室；用于连通所述膨胀室与所述压缩室间的气体流路；用于蓄积流通于所述气体流路中的工作气体的热量的蓄热式热交换器。所述置换器的所述基部设置在面对所述压缩室的所述另一端部。

优选地，所述置换器具有头部，所述头部由具有绝热性的材料形成，并设置于面对所述膨胀室的所述一端部。

优选地，所述压缩室形成在所述置换器的所述基部与所述活塞的所述基部之间。

与现有技术相比较，本发明所带来的效果：根据本发明，能够提供一种可实现气缸内摩擦的减少，同时可抑制高温下部件变形而造成机械精度的降低的斯特林循环发动机。

 

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的斯特林循环发动机结构一个例子的剖视图。

图2是图解表示图1所示的斯特林循环机关中的置换器和活塞的主要部分图。

图3是表示图1所示的斯特林循环发动机中的置换器驱动用杆的图。

附图标记说明： 1…壳体，2…上部壳体，3…中间部壳体，5…气缸保持部，6…外部翅片，7…下部壳体，8…盖部，10…上部气缸，11…下部气缸，12…膨胀室，13…吸热翅片，14…蓄热式热交换器（蓄热器），15…散热翅片，16…连通孔，17…压缩室，18…磁轭，20…活塞，21…基部，22…贯通部，23、24…滑动部，25…磁铁，30…定子，33…线圈，36…铁芯，40…支承部，41…支柱，43…支承基台，51、52…弹簧构件，61、62…杆，70…置换器，71…基部，72…滑动部，73…头部。

 

具体实施方式

结合图1至图3以及适用于发电机的斯特林循环发动机为例，举例说明本发明一种较佳实施方式的斯特林循环发动机。

图1是表示本发明一实施方式的斯特林循环发动机结构一个例子的剖视图。另外，图2是图解表示图1所示的斯特林循环发动机中的置换器和活塞的主要部分的图。

图1所示的斯特林循环发动机具有：壳体1；容纳于壳体1中的上部气缸10以及下部气缸11；插入于上部气缸10中且能够往复运动的置换器70；插入于下部气缸11中且能够往复运动的活塞20；活塞20的内侧外侧对置配置定子30以及磁轭18；安装于活塞20的圆筒状壁部上的磁铁25；对置换器70施力弹簧构件（弹性构件）51；对活塞20施力的弹簧构件（弹性构件）52。

在此，壳体1为本发明中的壳体一个例子，上部气缸10以及下部气缸11为本发明中的气缸一个例子，置换器70为本发明中的置换器一个例子，活塞20为本发明中的活塞一个例子，定子30为本发明中的定子一个例子，磁铁25为本发明中的磁铁一个例子。

壳体1为用于密封斯特林循环发动机的工作气体（氦气等）的密封容器。在图1例子中，壳体1由上部壳体2、中间部壳体3、气缸保持部5和下部壳体7组合形成。

上部壳体2和中间部壳体3形成了主要用于容纳上部气缸10的圆柱状内部空间。上部气缸10的顶板侧的内壁呈拱状且带圆弧。气缸保持部5其内壁与下部气缸11的外周抵接，而保持着下部气缸11以定位中心轴位置。

下部壳体7形成了主要容纳有下部气缸11、定子30、磁轭18和弹簧构件51、52的圆柱状内部空间。在下部壳体7的底部附近设置有支承基台43，支承基台43从下侧支承着壳体1内的机构（上部气缸10、下部气缸11等）整体。在下部壳体7的底部的中央设置有开口部，其开口部由盖部8封闭。盖部8具有用于将工作气体导入壳体1内部，或者穿通有电气配线的未图示的管。

上部气缸10和下部气缸11分别具有筒状形状，且各中心轴对齐地配置于壳体1中。在将上部气缸10和下部气缸11视为一个气缸的情况下，置换器70插入于该气缸的上侧端中且能够往复运动，活塞20插入于该气缸的下侧端中且能够往复运动。上部气缸10和下部气缸11能够由分体部件连结形成，也能够形成为一体。

下部气缸11经多个支柱41固定于支承基台43上。在图1例子中，支柱41形成为筒状，螺栓42贯通了设置于支承基台43的孔和筒状支柱41。通过使螺栓42的前端部的雄螺纹与下部气缸11的下表面的雌螺纹相螺合，下部气缸11固定到支承基台43上。弹簧构件51具有供螺栓42贯通的孔，其被夹持固定在支柱41与支承基台43之间。在图1例子中，三片弹簧构件51固定于支承基台43上。

将形成于置换器70的上表面与壳体1之间的空间作为膨胀室12，在此使工作气体发热且其体积增大。另一方面，鼗形成于置换器70与活塞20之间的空间作为压缩室17，在此使工作气体冷却且其体积减少。

包围上部气缸10外壁和壳体1内壁而成的圆筒状空间，形成为将膨胀室12与压缩室17连通的工作气体流路（气体流路）。在上部气缸10与下部气缸11之间设置有与压缩室17相连的连通孔16。将该连通孔16与所述的圆筒状空间（气体流路）连通，使膨胀室12与压缩室17连通。

在所述圆筒状空间（气体流路）中配置有吸热翅片13、蓄热式热交换器（再生器）14以及散热翅片15。吸热翅片13配置于靠近上侧膨胀室12的位置，散热翅片15配置于靠近下侧压缩室17的位置，蓄热式热交换器14配置于吸热翅片13与散热翅片15之间。蓄热式热交换器14夺走从膨胀室12流向压缩室17的工作气体的热量而蓄热，而具有对从压缩室17流向膨胀室12的工作气体施加该蓄积热量的功能。

壳体1在与散热翅片15相接的部分上具有外部翅片6。外部翅片6作为用于将工作气体的热量排出壳体1外部的散热机构。在图1例子中，外部翅片6固定在中间部壳体3与气缸保持部5之间上。外部翅片6利用例如从未图示的泵等供给冷却介质（水等）来冷却，且保持至预定的温度。

另一方面，上部壳体2成为用于将由外部热源供给的热量传递给膨胀室12中的工作气体的吸热机构，上部壳体2的内壁上抵接有吸热翅片13。

置换器70包括：设置于面对膨胀室12的一端部上的头部73；设置于面对压缩室17的另一端部上的基部71；沿着上部气缸10内表面滑动的滑动部72；以及圆筒体74。

头部73为本发明中的头部一个例子，基部71为本发明中的基部一个例子，滑动部72为本发明中的滑动部一个例子。

头部73构成有用于区划膨胀室12的壁面。头部73由例如具有绝热性的树脂（PPS等）形成，用于截断从膨胀室12到压缩室17的热传导。

基部71构成有用于区划压缩室17的壁面。基部71由例如铝黄铜等金属形成，用于保持头部73和滑动部72。基部71由金属形成，与由树脂等形成的情况相比，降低了因温度造成的部件变形量。因此，抑制了高温下机械精度的降低。

滑动部72设置于基部71的外表面且沿着上部气缸10的内表面滑动，并具有包围着圆形截面的基部71整个圆周的环状滑动面。滑动部72由例如PPS等具低摩擦性且耐热性和耐磨损性优异的树脂形成。

该滑动部72和基部71通过嵌入成形形成为一体。具体而言，例如将预先制作的基部71置入预定的模具中，将树脂注入其模具中使其固化，由此使基部71和滑动部72形成为一体。如图2中的左侧放大图所示，基部71具有用于紧固滑动部72的槽75。槽75的底部宽度大于开口部的宽度。在用于形成滑动部72的树脂以填充于该槽75中的状态发生固化时，槽75内部的树脂不会从槽75的开口部中脱落出。由此，基部71与滑动部72强固地接合起来。

通过基部71和滑动部72经嵌入成形而形成为一体，而不需要用于结合这些部件的机构部件，也无需组装作业。由此，不用考虑组装作业的难易度等，而能够尽可能使滑动部72变薄，因此，能够使热变形量多的树脂的使用量变得最小限度。

另外，如图2的左侧的放大图所示，滑动部72的滑动面的缘部101平顺地向离开上部气缸10内表面的方向弯曲。在上部气缸10内置换器70上下往复运动时，工作气体容易从该弯曲的缘部101沿着滑动面顺畅地流动，在滑动部72滑动面与上部气缸10内表面之间的间隙形成有工作气体层。该工作气体层发挥了气体润滑功能，而使滑动部72的滑动面与上部气缸10的内表面难以直接接触，因此，可大幅度减少上部气缸10内的摩擦。

在基部71的压缩室17侧的端壁上，固定有与基部71共轴且直径小于基部71的圆筒体74。在图1例子中，在基部71的端壁的中央部形成有圆形凹部，在该凹部中插入有圆筒体74的上端。

置换器70经与气缸（10、11）的轴向平行地延伸的杆61与弹簧构件51相连接。杆61的一端穿过置换器70的圆筒体74的空洞与基部71相连接。杆61的另一端与安装于下部壳体7的支承基台43上的板状弹簧构件51相连接。置换器70在经杆61连接的弹簧构件51的弹性力作用下，受到上下方向（气缸的轴向）的施力。

图3是表示图1所示的斯特林循环发动机中的杆61的图。如该图所示，杆61的直径在端部65、66较粗（D2、D3），而在中央部64较细（D1）。中央部64的直径一定（D1），端部65、66的直径随着造成末端近而直径D1缓缓变粗。将中央部64的细径D1设定为，在置换器70往复运动的过程中受到弹簧构件51作用力能够使中央部64发生弹性变形那样程度的值。

由于杆61能够发生弹性变形，因此，即使置换器70的中心轴与上部气缸10的中心轴多少有些偏移，杆61在中央部64也会柔软地挠曲，而置换器70在上部气缸10内容易顺畅地往复运动。即，抑制了因置换器70强力地抵接上部气缸10一部分而造成的摩擦增大。

活塞20具备：具有一端封闭的圆筒形状的基部21；以及设置于基部21外表面上的滑动部23、24。基部21为本发明中的基部一个例子，滑动部23、24为本发明中的滑动部一个例子。

基部21在被封闭的一端壁部上面对着置换器70，该端壁部构成了用于区划压缩室17的壁面。基部21由例如铝或黄铜等金属形成，以保持滑动部23、24。由于基部21由金属形成，与由树脂等形成的情况相比，能够减小因温度造成的部件变形量，因此，抑制了高温下机械精度的降低。

滑动部23、24分开地设置在基部21的外表面上，且沿着下部气缸11的内表面滑动，并分别具有包围着圆柱上的基部21整个圆周的环状滑动面。滑动部23、24由例如PPS等低摩擦性且耐热性和耐磨损性优异的树脂形成。

该滑动部23、24和基部21与先前说明的基部71和滑动部72同样，通过嵌入成形形成为一体。另外，如图2中的左侧的放大图所示，基部21具有用于紧固滑动部23、24的槽27、28。槽27、28底部的宽度大于开口部的宽度，因此，在用于形成滑动部23、24的树脂以填充于该槽27、27中的状态固化时，槽75内部的树脂也不会从槽75的开口部中脱落出。由此，基部21与滑动部23、24强固地接合起来。

基部21与滑动部23、24通过嵌入成形而形成为一体，由此能够使热变形量多的树脂的使用量变为最小限度。

另外，如图2中的左侧放大图所示，滑动部23、24的滑动面的缘部102、103向自下部气缸11内表面离开的方向平顺地弯曲。由此，与上述滑动部72的情况同样，在滑动部23、24的滑动面与下部气缸11的内表面间的间隙中形成有工作气体层，因而大幅度减少了下部气缸11内的摩擦。

在面对置换器70的基部21的端壁部中央，形成有供置换器70的圆筒体74容纳的贯通部22。在图1例子中，该贯通部22呈圆筒状地与气缸（10、11）轴向平行延伸。置换器70的圆筒体74穿通贯通部22而上下往复运动。

活塞20的基部21经与气缸（10、11）的轴向平行地延伸的多条杆62，与板状弹簧构件52相连接。在图1例子中，弹簧构件52配置于下部气缸11与弹簧构件51之间，并经未图示的支柱固定在下部气缸11（或支承基台43）上。在弹簧构件52的中央部形成供杆61穿通的贯通孔。多个杆62其一端连接到贯通部22的周围对称位置上，另一端连接到弹簧构件52的所述贯通孔的周围对称位置上。

活塞20的驱动用的杆62与先前说明的杆61（图3）同样，在端部其直径较粗，在中央部其直径较细。杆62的中央部具有一定细那样程度的直径，使得在活塞20往复运动的过程中，能够在弹簧构件52作用下发生弹性变形。由于杆62能够产生弹性变形，因此，即使活塞20的中心轴与下部气缸11的中心轴多少有些不对齐，杆62在中央部也会柔软地弯曲，在下部气缸11内活塞20也容易顺畅地往复运动。即，抑制了因活塞20强力地抵接到下部气缸11一部分而导致摩擦增大。

在活塞20的基部21上固定有磁铁25。磁铁25以包围着圆筒状基部21整个圆周的方式呈环状设置在分离开的滑动部23、24之间。在面对磁铁25的下部气缸11的内表面上固定有磁轭18。磁轭18由铁等磁性材料构成，并以包围磁铁25的方式形成为例如环状。在活塞20的基部21内侧且与磁轭18对置的位置上配置有定子30。磁铁25被夹持在定子30与磁轭18之间，并与活塞20一起上下往复运动。磁铁25产生了作用于定子30和磁轭18上的磁场。

定子30具有：由电线卷绕为环状而形成的线圈33；以及隔着线圈33与磁轭18对置的铁芯36。

线圈33配置在活塞20的圆筒状基部21的内侧。另外，线圈33与活塞20共轴地配置，以使其外周侧与活塞20的磁铁25面对。

铁芯36形成为将与电线缠绕方向垂直的线圈33的截面周围包围的形状，在磁铁25与线圈33面对的部分具有间隙（包围线圈33以外的部分，缝隙）。在图1的例子中，铁芯36分为在上下方向上对称的两个块状件（36A、36B）。通过将薄的磁性材料板（硅钢板等）重叠粘合，分别形成上下两个块状件（36A、36B）。

铁芯36由二板平行圆盘状板构件夹着，该板状构件由未图示的连结件固定于支承部40上。支承部40与下部气缸11共同固定于壳体1上。

在此，对具有上述构成的斯特林循环发动机的动作进行说明。

在置换器70向活塞20朝下方移动时，压缩室17变窄，压缩室17的工作气体流经连通孔16、散热翅片15、蓄热式热交换器14和吸热翅片13，并流入高温的膨胀室12中。流入膨胀室12内的工作气体发热而使体积膨胀，因而提高了膨胀室12和压缩室17的压力。在膨胀室12和压缩室17的压力高于由活塞20区划成的下部壳体7的背压空间9的压力时，活塞20向下方移动。

通过活塞20向下方移动，降低了膨胀室12和压缩室17的压力，当背压空间9的压力变低时，置换器70在该压力差的作用下向上方移动。

置换器70向上方移动时，膨胀室12变窄，因而，膨胀室12的工作气体流经吸热翅片13、蓄热式热交换器14、散热翅片15、连通孔16，流入低温的压缩室17。使流入压缩室17工作气体冷却而体积变小，由此降低了膨胀室12和压缩室17的压力。当膨胀室12和压缩室17的压力降低时，活塞20的移动方向从朝向下方转变为朝向上方。

通过活塞20向上方移动而提升了膨胀室12和压缩室17的压力，当背压空间9的压力变高时，置换器70在该压力差作用下向下方移动。当置换器70向活塞20且朝下方移动时，工作气体再从压缩室17流入膨胀室12内，提升了膨胀室12和压缩室17的压力，活塞20的移动方向从朝向上方转变至朝向下方。

通过以上的重复动作，置换器70和活塞20分别沿上下往复运动。

当活塞20往复运动时，磁铁25在磁轭18与定子30之间进行上下移动，线圈33的磁场发生周期性变化，因此，线圈33中产生电动势并产生电流流动。

如上所述，在本实施方式的斯特林循环发动机中，置换器70活塞20的基部（71、21）由金属形成，滑动部（71、23、24）由树脂形成。因此，与基部（71、21）由树脂等形成的情况相比，这样能够减小热变形，并能够抑制高温下置换器70、活塞20的机械精度降低。并且，利用设置于基部（71、21）外表面上的树脂制滑动部（71、23、24），能够将气缸内的滑动摩擦抑制得较低。进而，与利用氟树脂等涂敷的方式相比，可使用的树脂种类变多，因此，与氟树脂涂敷比，能够使用耐热性和耐磨损性更优异的PPS等树脂，且与现有技术相比更能够提高耐热性、耐磨损性。

另外，在本实施方式的斯特林循环发动机中，基部（71、21）和滑动部（71、23、24）通过嵌入成形来形成为一体。由此，不用考虑组装作业的难易等，能够尽可能使滑动部72变薄，因此能够将热变形量多的树脂的使用量控制在最小限度内。其结果为，能够进一步有效地抑制高温条件下置换器70、活塞20的机械精度降低。

此外，本发明并不仅仅受限于上述实施方式，还包括其他各种变化。

在上述实施方式中，置换器70和活塞20两者均具有由金属的基部和树脂的滑动部构成且经嵌入成形的块状件，但是，在本发明的其他实施方式中，也能够仅仅其中何一者具有该块状件。

上述实施方式中，列举了斯特林循环发动机的发电机例子，本发明并不局限于此也中，也能够适用于例如斯特林循环发动机的冷冻机等。

另外，本发明能够适用于输出1.2kW的斯特林发动机，还能够广泛适用于其他多种斯特林发动机。

本发明包括一切在申请专利范围中所提到范围内的所有替换内容。任何在本发明申请专利范围内所作的等效变化，皆属本案申请的专利范围之内。

Claims (8)

1.一种斯特林循环发动机，其特征在于具有：固定于壳体中的气缸；插入于所述气缸一端且能够往复运动的置换器；插入于所述气缸另一端且能够往复运动的活塞；所述置换器和所述活塞中至少一者包括：由金属形成的基部；以及由树脂形成，设置于所述基部的外表面上且能够沿所述气缸的内表面滑动的滑动部。

2.根据权利要求1所述的斯特林循环发动机，其特征在于：所述基部和所述滑动部通过嵌入成形而形成为一体。

3.根据权利要求2所述的斯特林循环发动机，其特征在于：所述滑动部具有包围着截面圆形的所述基部整个圆周的环状滑动面。

4.根据权利要求3所述的斯特林循环发动机，其特征在于：所述斯特林循环发动机具有：固定于所述壳体中的定子；以及设置于所述活塞的所述基部，以产生作用到所述定子上的磁场的磁铁；在所述活塞的所述基部上分开设置有两个所述滑动部，所述磁铁以包围圆筒状的所述基部整个圆周的方式呈环状地设置于所述两个滑动部之间。

5.根据权利要求3或4所述的斯特林循环发动机，其特征在于：所述基部具有形成为底部宽度大于开口部宽度的槽，将用于形成所述滑动部的树脂填充到所述基部的所述槽中。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的斯特林循环发动机，其特征在于：所述斯特林循环发动机具有：面对所述置换器一端部的膨胀室；面对所述置换器另一端部的压缩室；用于连通所述膨胀室与所述压缩室间的气体流路；以及用于蓄积流通于所述气体流路中的工作气体的热量的蓄热式热交换器；所述置换器的所述基部设置在面对所述压缩室的所述另一端部。

7.根据权利要求6所述的斯特林循环发动机，其特征在于：所述置换器具有头部，所述头部由具有绝热性的材料形成，并设置于面对所述膨胀室的所述一端部。

8.根据权利要求6或7所述的斯特林循环发动机，其特征在于：所述压缩室形成在所述置换器的所述基部与所述活塞的所述基部之间。