CN106401788A - 斯特林循环发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明以提供排热效率高的斯特林循环发动机为目的。特林循环发动机具有壳体(1)、被收容在壳体(1)内的气缸(7)、可在气缸(7)内往复运动的活塞(15)、相对活塞(15)具有相位差地往复运动的移气器(8)、定义在活塞(15)和移气器(8)之间的压缩室(C)、定义在移气器(8)的压缩室(C)相反侧的膨胀室(E)、设置在压缩室(C)附近的排热体(6)、设置在膨胀室(E)附近的吸热体(5)、设置在排热体(6)和吸热体(5)之间的再生器(10)，在壳体(1)的外面和排热体(6)的内面之间形成排热室(21)，在壳体(1)设置使排热室(21)和压缩室(C)连通的第一通路(11)，在壳体(1)设置使排热室(21)和再生器(10)连通的第二通路(12)。

Description

斯特林循环发动机
技术领域
本发明涉及斯特林循环发动机，尤其涉及活塞和移气器被同轴状地配置的斯特林循环发动机。
背景技术
以往，作为这种斯特林循环发动机，已知在壳体的内部设置了气缸、活塞、移气器和驱动机构的斯特林循环发动机(例如参照专利文献1)。另外，一般的斯特林循环发动机由比较厚壁的不锈钢形成占据前述壳体大部分的圆筒部、主干部和连结部。这是基于下述等理由，即：由于作为被封入斯特林循环发动机的壳体内的工作气体大多使用在真实气体中最接近理想气体且容易泄露的氦，所以，有必要使得该氦难以泄漏；由于工作流体以高压被封入，所以，有必要由耐高压的金属制造；加工性以及耐腐蚀性优异，比较廉价。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-68362号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，专利文献1那样的斯特林循环发动机由于在压缩室产生的热从排热翅片经由不锈钢形成的圆筒部被排出，所以，存在不能提高排热效率这样的问题。虽然通过在壳体的周围设置排热部件能够某种程度地提高排热效率，但是，因为热经壳体被排出的情况相同，所以，在提高排热效率上存在限制。
因此，本发明以提供一种解决以上问题点，能够通过提高排热效率来提高整体热效率的斯特林循环发动机为目的。
用于解决课题的手段
本发明的技术方案1记载的斯特林循环发动机构成为具有：壳体、被收容在该壳体内的气缸、可在该气缸内往复运动的活塞、相对于该活塞具有相位差地往复运动的移气器、被定义在前述活塞与移气器之间的压缩室、被定义在前述移气器的压缩室相反侧的膨胀室、被设置在前述压缩室附近的排热体、被设置在前述膨胀室附近的吸热体以及被设置在前述排热体与前述吸热体之间的再生器，其中，在前述壳体的外面与排热体的内面之间形成有排热室，在前述壳体设置有使该排热室和前述压缩室连通的第一通路，且在前述壳体设置有使前述排热室和前述再生器连通的第二通路。
另外，本发明的技术方案2记载的斯特林循环发动机以技术方案1为基础，其中，在前述排热室内设置有排热翅片，使前述排热翅片与前述排热体导热接触。
发明的效果
本发明的技术方案1记载的斯特林循环发动机通过像上面那样构成，能够将在压缩室产生的热不经壳体而是从排热体向外部排出。为此，因为即使使壳体的壁厚变厚，也不会对排热效率造成影响，所以，考虑耐压性以及加工性，能够使壳体的壁厚变厚。
另外，本发明的技术方案2记载的斯特林循环发动机通过在前述排热室内设置排热翅片，使前述排热翅片与前述排热体导热接触，能够更有效地将前述压缩室的热从前述排热体向外部排出。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的斯特林循环发动机的主视图。
图2是该斯特林循环发动机的主要部分纵剖视图。
图3是该斯特林循环发动机的排热体以及排热室的横剖视图及其主要部分放大图。
图4是该斯特林循环发动机的俯视图。
图5是该斯特林循环发动机的仰视图。
具体实施方式
下面，参照随附的图1～图5来说明本发明的实施例。下面说明的实施例并不限定权利要求书记载的本发明内容。另外，下面说明的结构并非都是本发明的必要条件。
实施例1
在图1以及图2中，1是由被形成为大致圆筒状的圆筒部2、主干部3、连结部4、吸热体5和未图示出的气密封接件构成的壳体。圆筒部2、主干部3以及连结部4由不锈钢等构成。而且，前述圆筒部2和连结部4被一体地形成。另外，前述气密封接件由钢等构成。另一方面，吸热体5由铜等构成。
圆筒部2的上下两端开放，在其顶端部2A的外周侧形成阳螺纹2B，且将内面切削加工成顶端部2A的截面准确地成为圆形。据此，圆筒部2的顶端部2A的内面作为气缸发挥作用。
在吸热体5与阳螺纹2B对应地形成阴螺纹5A。而且，通过钎焊等使大致圆环状的连结部4和主干部3连结，通过钎焊等连结主干部3和前述气密封接件，且在利用阳螺纹2B和阴螺纹5A螺纹结合圆筒部2的顶端部2A和吸热体5后，进行钎焊，据此，构成壳体1。另外，圆筒部2的开放的顶端由吸热体5封闭。
延伸至主干部3内部的铝合金制的气缸7相对于圆筒部2以及连结部4被同轴状(轴线Z)插入而被设置在圆筒部2的基端侧的内部。而且，在气缸7的中央部7B的外面设置后述的支架25，且从该支架25向主干部3侧延伸，设置连接用臂部30。另外，气缸7以及支架25是使用铝合金等在进行了压铸等铸造后进行切削加工而得的部件。另外，虽然希望支架25和连接用臂部30为一体，但是也可以分体。
在气缸7的顶端侧以及圆筒部2的顶端部2A的内侧可在轴线Z方向滑动地收容空心圆筒状的移气器8。另外，在移气器8的顶端和吸热体5之间形成膨胀室E。而且，在被装配在移气器8的顶端的盖部件9形成多个通气孔8A。移气器8的内部和膨胀室E通过这些通气孔8A连通。另外，在移气器8的基端部分也形成多个通气孔8B。而且，在移气器8的基端部分，形成有具有轴线Z方向宽度比移气器8的行程更宽的浅的环状的槽8C，在该槽8C形成通气孔8B。另外，移气器8由合成树脂构成。
在圆筒部2的外面和排热体6的内面之间形成圆筒状的排热室21。排热室21的下面部21A由圆筒部2的阶梯部2D的外面定义。另外，排热室21的上面部21B由排热体6的上侧部6A的内面定义。另外，排热室21的外侧面部21C由排热体6的下侧部6B的内面定义。再有，排热室21的内侧面部21D由圆筒部2的扩径部2C的外面定义。在该排热室21内如图2、图3所示，设置排热翅片13。该排热翅片13是将铜板折曲而形成的所谓波纹翅片。另外，排热翅片13的外面与排热体6的内面导热接触。这样，通过在排热室21内设置排热翅片13，能够使与工作气体接触的面积增多，有效地使工作气体的热从排热翅片13向排热体6移动。另外，排热翅片13本身所具有的形成于板间的空隙在上下方向连通，由于与工作气体的移动方向平行，所以，工作气体能够在排热室21内顺畅移动。
排热室21的下部通过形成于圆筒部2的阶梯部2D以及气缸7上的第一通路11与压缩室C连通。另外，排热室21的上部通过形成于圆筒部2以及气缸7上的第二通路12与移气器8内部连通。另外，如前所述那样，通过在移气器8形成槽8C，在该槽8C设置通气孔8B，不依赖往复运动的移气器8的位置就能使通气孔8B和第二通路12连通。再有，在移气器8的内部设置再生器10。
而且，形成从膨胀室E穿过通气孔8A、再生器10、通气孔8B、第二通路12、排热室21以及第一通路11达到气缸7内的压缩室C的路径14。作为工作气体的氦在该路径14移动。
排热体6如上所述，具有上侧部6A和下侧部6B，被一体地形成，且具有上下两端开放的圆筒形状。另外，上侧部6A从下侧部6B的上端向内呈法兰状地延伸。其结果，上侧部6A的内径比下侧部6B的内径小。而且，如前所述那样，该排热体6定义排热室21的上面部21B以及外侧面部21C。另外，排热体6的下侧部6B形成得比排热室21的上下方向的长度长。排热体6的上侧部6A的内端通过钎焊等与圆筒部2的外面气密连结，排热体6的下侧部6B的下端部通过钎焊等与连结部4的外面连结。排热体6由钢等导热率高的金属构成。由于排热翅片13导热抵接地设置在该排热体6的内面，所以，排热室21的热经排热翅片13以及排热体6被有效地向外部排出。
气缸7的顶端部7A被插入圆筒部2的扩径部2C的内部。另外，气缸7的中央部7B被插入连结部4的内部。而且，从气缸7的中央部7B到基端部7C，在其内侧可在轴线Z方向滑动地收容活塞15。另外，活塞15的顶端部15A在动作中可进入气缸7的顶端部7A。而且，活塞15的基端部15B与从气缸7的中央部7B到基端部7C的内面滑动接触。再有，活塞15与驱动机构16的可动件16B同轴状(轴线Z)地连结。
在移气器8的基端侧连接用于控制该移气器8的动作的杆22的一端。另外，杆22贯通活塞15而延伸。
驱动机构16构成为具有固定件16A和可动件16B。固定件16A由电磁线圈19、内侧铁芯20以及外侧铁芯24构成。另一方面，可动件16B由框17和永久磁铁18构成。在电磁线圈19的周围设置外侧铁芯24。该外侧铁芯24是在将预先由绝缘体(例如合成树脂、陶瓷等)包覆的作为强磁性体的铁粉成形为适当形状后，进行烧结而形成的部件，但是，也可以通过层叠多张适当形状的电磁钢板而形成。同样，内侧铁芯20是在将预先由绝缘体(例如合成树脂、陶瓷等)包覆的作为强磁性体的铁粉成形为适当形状后，进行烧结而形成的部件，但是，也可以通过层叠多张适当形状的电磁钢板而形成。框17被形成为短筒状。在该框17的一端固定圆筒状的永久磁铁18。再有，框17相对于活塞15的基端部15B同轴状地连接。而且，固定件16A的外侧铁芯24的内周面接近永久磁铁18的外周地定位，且内侧铁芯20的外周面接近永久磁铁18的内侧地定位。
像前述那样，在气缸7的中央部7B以与气缸7一体且同轴状的方式突出形成有法兰状的支架25。该支架25被构成为其顶端侧的一侧面25A与连结部4的安装部4A抵接，并被螺纹紧固在该安装部4A。另一方面，在支架25的基端侧的另一侧面25B形成环状的凹槽25C。另外，从支架25开始，与气缸7的轴线Z方向大致平行地突出设置多个连接用臂部30。另外，图中40是将气缸7的外面和壳体1的内面的间隙密封的作为所谓填料的O型环。
在壳体1的下端设置振动吸收单元33，被配置成多个板簧34和配重35经被配置在气缸7的轴线Z上的连结部33A同轴状地重叠。另外，在振动吸收单元33的内部，向驱动机构16供给电力的电源连接器(未图示出)被设置在前述气密封接件(未图示出)。另外，37是工作气体封入用的管。
接着，对本实施例的斯特林循环发动机的制造工序进行说明。首先，通过将折曲铜板而形成的波纹翅片做圆成短筒状，形成排热翅片13。而且，将这样形成的排热翅片13插入排热体6。此时，排热翅片13的外面相对于排热体6的下侧部6B的内面导热接触。而且，从这样组装了排热翅片13的排热体6的下侧部6B侧插入圆筒部2。若将该圆筒部2插入到进深侧，则排热体6的上侧部6A的内端与圆筒部2的扩径部2C的外面抵接。另一方面，排热体6的下侧部6B的下端部与连结部4的外面抵接。在这种状态下，将上侧部6A的内端和扩径部2C的外面气密地钎焊，且将下侧部6B的下端部和连结部4的外面气密地钎焊。据此，在壳体1和排热体6之间形成排热室21。此后，将吸热体5连接在圆筒部2的顶端。这样一来，圆筒部2以及连接部4、吸热体5、排热体6和排热翅片13被一体化。另外，通过连接主干部3和前述气密封接件，预先一体化。而且，通过将支架25相对于连结部4螺纹紧固，相对于壳体1固定气缸7。此时，通过将气缸7的顶端部7A的外面引导并插入到圆筒部2的扩径部2C的内面，能够相对于圆筒部2同轴地配置气缸7。另外，通过相对于圆筒部2定位气缸7，气缸7和被形成在圆筒部2的孔的位置相吻合，形成第一通路11以及第二通路12。而且，相对于与气缸7一体地形成的支架25，固定电磁线圈19以及外侧铁芯24。另外，将内侧铁芯20固定在气缸7的基端部7C的外周。这样一来，驱动机构16的固定件16A被固定在气缸7。另外，嵌插成形有永久磁铁18的框17被活塞15的基端和未图示出的连接体夹持，据此，驱动机构16的可动件16B被固定在活塞15。再有，将移气器8、活塞15等装入气缸7内。此后，通过将主干部3和连结部4连接而一体化，将预先组装的振动吸收单元33安装在主干部3。
接着，对本实施例的作用进行说明。根据前述结构，若使交流电流在电磁线圈19流动，则从该电磁线圈19产生交变磁场，在外侧铁芯24集中，通过该交变磁场产生使永久磁铁18在轴线Z方向往复运动的力。与固定有永久磁铁18的框17连接的活塞15通过该力在气缸7内在轴线Z方向往复运动。若活塞15向靠近移气器8的方向移动，则形成在活塞15和移气器8之间的压缩室C内的气体被压缩，穿过第一通路11、排热室21、第二通路12、槽8C、通气孔8B、再生器10以及通气孔8A，到达吸热体5内的膨胀室E，据此，移气器8具有规定的相位差地向靠近活塞15的方向被下推。另一方面，若活塞15向远离移气器8的方向移动，则压缩室C的内部成为负压，膨胀室E内的气体穿过通气孔8A、再生器10、通气孔8B、槽8C、第二通路12、排热室21以及第一通路11，向压缩室C回流，据此，移气器8具有规定的相位差地向远离活塞15的方向被上推。在这样的工序中，通过进行由两个等温变化和等体积变化构成的可逆循环，膨胀室E附近成为低温，另一方面，压缩室C附近成为高温。
另外，在该斯特林循环发动机工作时，在压缩室C内成为高温的工作气体从第一通路11进入排热室21。而且，该高温的工作气体所具有的热从排热翅片13向排热体6移动，进而，从排热体6向外部释放。此时，因为工作气体所具有的热直接向由导热性良好的铜构成的排热翅片13传导，且从该排热翅片13向由导热性良好的铜构成的排热体6传导，所以，排热被良好地进行。因此，以往由于经不锈钢制的壳体进行排热，所以要考虑排热效率而使壳体的壁厚变薄，与此相对，在本发明的情况下，因为即使使壳体1的圆筒部2的壁厚变厚，也不会对排热效率造成影响，所以，考虑耐压性以及加工性，能够使壳体1的圆筒部2的壁厚变厚。另外，本发明通过在形成前述排热室21的排热体6的内面设置排热翅片13，能够更有效地使压缩室C的热从排热翅片13经排热体6向外部排出。
如上所述，本实施方式的斯特林循环发动机具有壳体1、被收容在该壳体1内的气缸7、可在该气缸7内往复运动的活塞15、相对于该活塞15具有相位差地往复运动的移气器8、被定义在前述活塞15和移气器8之间的压缩室C、被定义在前述移气器8的压缩室C相反侧的膨胀室E、被设置在前述压缩室C附近的排热体6、被设置在前述膨胀室E附近的吸热体5和被设置在这些排热体6和吸热体5之间的再生器10而构成，其中，在前述壳体1的外面和排热体6的内面之间形成排热室21，在前述壳体1以及气缸7设置使该排热室21和前述压缩室C连通的第一通路11，且在前述壳体1以及气缸7设置使前述排热室21和前述再生器10连通的第二通路12，据此，在压缩室C中被压缩的气体穿过第一通路11向设置在壳体1的外部的排热室21移动，能够使被压缩的气体所具有的热从排热翅片13向排热体6传导，从该排热体6向斯特林循环发动机的外部有效地排出。另外，由于在压缩室C被压缩的气体穿过第一通路11向配设在壳体1的外部的排热室21移动，所以，壳体1的圆筒部2的厚度、形状不会对热排出效率造成影响，因此，能够考虑耐压性以及加工性，使壳体1的圆筒部2的壁厚变厚。
另外，通过在前述排热室21内设置排热翅片13，使前述排热翅片13与前述排热体6导热接触，能够使热有效地从在压缩室C被压缩的气体向排热翅片13移动。据此，能够提高斯特林循环发动机的排热效率。
另外，本发明并非被上述实施例限定，在本发明的主旨的范围内，可实施各种变形。例如，在上述实施例中，将再生器10设置在移气器8的内部，但是，也可以将再生器10设置在移气器8的外周。另外，也可以使气缸7到中央部7B为止，仅在圆筒部2形成第一通路11以及第二通路12。再有，排热翅片13也可以是所谓的波纹翅片以外的构造。
符号说明
1：壳体；5：吸热体；6：排热体；7：气缸；8：移气器；10：再生器；11：第一通路；12：第二通路；13：排热翅片；15：活塞；21：排热室；C：压缩室；E：膨胀室。

Claims (2)

1.一种斯特林循环发动机，所述斯特林循环发动机构成为具有：壳体、被收容在该壳体内的气缸、可在该气缸内往复运动的活塞、相对于该活塞具有相位差地往复运动的移气器、被定义在前述活塞与移气器之间的压缩室、被定义在前述移气器的压缩室相反侧的膨胀室、被设置在前述压缩室附近的排热体、被设置在前述膨胀室附近的吸热体以及被设置在前述排热体与前述吸热体之间的再生器，其特征在于，
在前述壳体的外面与排热体的内面之间形成有排热室，在前述壳体设置有使该排热室和前述压缩室连通的第一通路，且在前述壳体设置有使前述排热室和前述再生器连通的第二通路。
2.如权利要求1所述的斯特林循环发动机，其特征在于，在前述排热室内设置有排热翅片，使前述排热翅片与前述排热体导热接触。
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