CN1230652C

CN1230652C - 斯特林发动机

Info

Publication number: CN1230652C
Application number: CNB018211887A
Authority: CN
Inventors: 小仓义明
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-10-23
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2021-10-19
Also published as: JP2002130853A; CN1483130A; KR20030077535A; US6874321B2; KR100540105B1; TW575713B; US20040050044A1; WO2002035159A1

Abstract

本发明的斯特林发动机，设置有：在气缸内侧往复运动的活塞；以及借助于该活塞的往复运动而压缩或膨胀的工作介质的作用，在上述气缸内侧往复运动的驱气活塞，使上述活塞及驱气活塞的轴心与上述气缸的筒心一致，并包括：在上述驱气活塞与上述活塞之间形成的第一空间；从上述活塞的上述驱气活塞的相反一侧开始到邻接上述气缸侧壁的至少一部分的部分扩大形成的第二空间；在上述驱气活塞的上述活塞相反一侧形成的第三空间；从上述第一空间侧的上述活塞端面沿往复运动方向设置的第一槽；以该第一槽上的一点为中心沿上述活塞圆周方向设置于全周的第二槽；及贯通上述气缸侧壁设置的孔。根据这种构成，当上述活塞处于其往复运动的中心位置时，将上述第二槽与上述孔结合，使上述第一空间与上述第二空间连通。因此，上述孔的口形状是以上述活塞的往复运动方向为短径的椭圆形形状，进而，在活塞的往复运动时，可缩短第二槽与孔的结合时间，提高活塞动作中心的位置精度。

Description

斯特林发动机

技术领域

本发明涉及用于产生冷热的斯特林发动机，更详细地说，是关于可精确地保持活塞往复运动中心位置的斯特林发动机。

背景技术

以产生冷热(冷量cold)为目的的自由活塞式斯特林发动机，在热循环中，也称作逆斯特林循环发动机。图10是以往斯特林发动机的断面图。一般来说具有气缸3，气缸3包括作直线往复运动的活塞1和驱气活塞2。活塞1及驱气活塞2同轴地配置，驱气活塞2上所形成的杆2a穿过活塞1中心部所设置的滑动孔1a，活塞1、驱气活塞2可通过气缸内周滑动面3a圆滑地滑动。另外，活塞1由活塞支持弹簧5相对压力容器4弹性地支持着。驱气活塞2由驱气活塞支持弹簧6相对压力容器4弹性地支持着。

通过气缸3形成的空间由活塞1分割为两个空间。一个是活塞1的驱气活塞2侧的工作空间(第一及第三空间)7，另一是活塞1的驱气活塞2侧的相反一侧的背面空间(第二空间)8。这些空间中填充有高压氦气等工作介质。活塞1通过线性马达等图中未示的活塞驱动体以给定周期作往复运动。借此，使工作介质在工作空间7内压缩或膨胀。驱气活塞2根据工作空间7内的压缩或膨胀的工作介质的压力变化作直线往复运动。这时，活塞1与驱气活塞2一般设定成保持约90度的相位差，并以相同周期往复运动。

工作空间7由驱气活塞2进一步分割成两个空间。一个是活塞1和驱气活塞2夹持的第一空间7a，另一是气缸3尖端部的第三空间7b。这两个空间通过再生器9连接，再生器9一般是由网眼形状的铜材料等形成。借助于第三空间7b中的工作介质，在气缸3尖端部的冷头中产生冷热。关于该发生原理等的逆斯特林热循环一般来说是公知的，在这里，省略了其说明。

在气缸的滑动面3a与活塞的滑动面1b之间，设置有用于隔断第一空间7a与第二空间8的图中未示的密封装置。密封装置一般用简单结构的廉价的密封圈。但是，膨胀热的影响或长时间运转引起的密封圈的摩耗等并不能完全隔断，在气缸的滑动面3a与活塞的滑动面1b之间产生微小的间隙。在发动机驱动时，由于活塞1的往复运动使第一空间7a、第二空间8中同时产生工作介质的压力变动，两空间的压力差使工作介质通过上述微小间隙，向两空间流动。因而，在第一空间7a的压力高于第二空间8的压力的情况下，工作介质从第一空间7a向第二空间8泄漏。此外，相反地，在第二空间8的压力高于第一空间7a的压力的情况下，工作介质从第二空间8向第一空间7a泄漏。

但是，气缸的滑动面3a与活塞的滑动面1b之间产生的微小间隙通常并不是一定量的，而是因滑动部的表面状态或密封圈的接触状态、摩耗状态等变化的，所以，看起来从第一空间7a到第二空间8的工作介质的流出量、流入量并不完全相同。因此，在连续驱动发动机、假设从第一空间7a向第二空间8一点一点地泄漏工作介质的情况下，当初设定第一空间7a与第二空间8的压力平衡成立的活塞1的往复运动中心位置会逐渐朝向压力降低的第一空间7a侧移动。结果，随着第一空间7a内的工作介质压力的降低，带来了冷却特性降低的问题，活塞1的往复运动中心位置与当初设定的位置错开，也带来了活塞1与驱气活塞2产生冲突等问题。

作为对策，考虑增大活塞支持弹簧5的弹簧常数、使活塞1的支持力增大的方法。但是，这对于防止工作介质从第一空间7a内的泄漏并没有产生效果，不仅如此，活塞1的驱动装置所需要的驱动力的增加也导致输入电力的增加，结果，产生了冷却效率降低的另一问题。

为此，特开2000-39222号公报揭示了一种保持第一空间7a与第二空间8的工作介质的压力平衡、抑制活塞1往复运动中心位置的变动的方法。图11A是特开2000-39222号公报记载的斯特林发动机的断面图。除了活塞1的一部分形状外，其余与图10的结构相同。图11B示出了活塞1处于当初设定的往复运动中心位置的情况下的活塞1周边部分的透视图。在活塞1上设有与第一空间连接的活塞1往复运动方向X的第一槽10a和相对于活塞1往复运动方向X保持倾斜(在图中为90度)的连续的第二槽10b。在气缸3上设置有从第二槽10b贯通第二空间8的圆形孔12。活塞1动作时，在第二槽10b与圆形孔12一致的瞬间，第一空间7a与第二空间8瞬间结合，工作介质流动，两空间的压力保持平衡，活塞1在当初设定的位置往复运动。

为了保持活塞1的往复运动中心位置为当初的设定位置，在上文叙述了在设定活塞1的中心位置，用微小流路将第一空间7a与第二空间8连接的方法是有效的这方面的情况。但是，为了进一步提高冷却性能，增加活塞1的往复运动次数或增加活塞1的往复运动的振幅是必要的。在这种情况下，由于第一空间7a与第二空间8的工作介质的流入、流出也会增加，因此，还需要增大第一、第二槽10a、10b的断面面积。这时，如果单纯地增加第一、第二槽10a、10b的尺寸或断面面积，就会相对活塞1的动作范围扩大第二槽10b与第二空间8连通的范围，另外，也加长了连通的时间。

随之，虽然可以实现第一空间7a与第二空间8的压力平衡，但是，不能将活塞1的往复运动中心位置更精确地保持为当初的设定位置，而且，也会在第一、第二槽7a、7b的部分产生气体流动损失，增加使活塞1动作的输入，几乎不能期待提高斯特林发动机的性能。

发明揭示

本发明就是鉴于上述问题提出的，其目的是提供一种易于加工、廉价地在活塞上形成槽、稳定活塞往复运动的中心位置的斯特林发动机。本发明的另一目的是，提供一种可减少气体从工作空间的流动损失的斯特林发动机。本发明的再一目的是，提供一种气体轴承作用的活塞圆滑的滑动不会因工作介质的流动产生损失的斯特林发动机。

为了完成上述目的，在本发明中，设置有：在气缸内侧往复运动的活塞；以及借助于该活塞的往复运动而压缩或膨胀的工作介质的作用，在上述气缸内侧往复运动的驱气活塞，使上述活塞及驱气活塞的轴心与上述气缸的筒心一致，并包括：在上述驱气活塞与上述活塞之间形成的第一空间；从上述活塞的上述驱气活塞的相反一侧开始到邻接上述气缸侧壁的至少一部分的部分扩大形成的第二空间；在上述驱气活塞的上述活塞相反一侧形成的第三空间；从上述第一空间侧的上述活塞端面沿往复运动方向设置的第一槽；与该第一槽交叉、沿上述活塞圆周方向设置的第二槽；及贯通上述气缸侧壁设置的孔，当上述活塞处于其往复运动的中心位置时，将上述第二槽与上述孔结合，使上述第一空间与上述第二空间连通，所述孔的形状是以所述活塞的往复运动方向为短径或短边的椭圆形或长方形形状，从而孔相对于其面积在往复运动方向上具有较短的尺寸。根据这种结构，能够缩短活塞往复运动时第二槽与孔的结合时间。

另外，设置有：在气缸内侧往复运动的活塞；以及借助于该活塞的往复运动而压缩或膨胀的工作介质的作用，在上述气缸内侧往复运动的驱气活塞，使上述活塞及驱气活塞的轴心与上述气缸的筒心一致，并包括：在上述驱气活塞与上述活塞之间形成的第一空间；从上述活塞的上述驱气活塞的相反一侧开始到邻接上述气缸侧壁的至少一部分的部分扩大形成的第二空间；在上述驱气活塞的上述活塞相反一侧形成的第三空间；从上述第一空间侧的上述活塞端面沿往复运动方向设置的第一槽；与该第一槽交叉、沿上述活塞圆周方向设置的第二槽；及贯通上述气缸侧壁设置的孔，当上述活塞处于其往复运动的中心位置时，将上述第二槽与上述孔结合，使上述第一空间与上述第二空间连通，所述孔为圆形并且在所述第二槽的方向上设置有多个，从而所述多个孔相对于其总面积在往复运动方向上具有较短的尺寸。根据这种结构，活塞往复运动时，第二槽与孔的结合可同时在第二槽上的不同位置多次进行。

在这种情况下，上述第二槽的断面形状做成其深度尺寸大于宽度尺寸。这样，可缩短活塞往复运动时第二槽与孔的结合时间。

或者，上述第一槽的断面形状做成其深度尺寸大于宽度尺寸。这样，可缩小第一槽占据活塞滑动面的表面面积的部分。

另外，上述第一槽的断面面积从其另一端侧向一端部侧逐渐增大，使面对上述第一空间的上述第一槽的一端部为最大。根据这种措施，可抑制工作介质流动所产生的能量损失。

附图的简要说明

图1A是本发明第一实施形式的活塞及气缸的透视图。

图1B是图1A的C-C断面图。

图2是本发明第二实施形式的活塞及气缸的透视图。

图3是本发明第三实施形式的活塞及气缸的透视图。

图4是本发明第四实施形式的活塞及气缸的透视图。

图5是本发明第五实施形式的活塞及气缸的透视图。

图6A本发明第六实施形式的活塞及气缸的透视图。

图6B是图6A的A-A断面图。

图7A是本发明第七实施形式的活塞及气缸的透视图。

图7B是图7A的B-B断面图。

图8是本发明第八实施形式的活塞及气缸的透视图。

图9A是本发明第九实施形式的活塞及气缸的透视图。

图9B是图9A的D-D断面图。

图10是以往的斯特林发动机的断面图。

图11A是以往的斯特林发动机的另一构成的断面图。

图11B是表示该斯特林发动机的活塞周边部分的透视图。

实施发明的最佳形式

以下，参照附图说明本发明的具体实施形式。以下所示的实施形式，除了活塞与气缸之外的构成与以往技术说明的构成相同，因此，省略其说明。在这里，仅用图说明活塞及气缸的构成。另外，在以下说明中，备有活塞的气缸(第一气缸)和备有驱气活塞的气缸(第二气缸)，由一个气缸兼用，但是，第一气缸与第二气缸的配置没有特别的限定，也可以是借助于第一气缸内的活塞的往复运动而压缩或膨胀的工作介质的作用，使驱气活塞在第二气缸内作往复运动的构成。

图1A是本发明第一实施形式的活塞及气缸的透视图。活塞1处于当初设定的使第一空间7a与第二空间8的压力平衡的往复运动中心位置。在活塞滑动面1b上，形成有从第一空间7a侧的活塞端面1c沿着往复运动方向X设置的第一槽10a以及与该第一槽10a交叉、沿着上述活塞1的圆周方向设置于全周的第二槽10b。另外，在气缸3上形成有从第二槽10b贯通第二空间8的孔13。并且，通过活塞1的往复运动，仅在第二槽10b与孔13连通的瞬间，让第一空间7a与第二空间8连通。以达到第一空间7a与第二空间8的压力平衡。由于第二槽10b是在活塞1的全周上形成的，即使活塞1在动作过程中沿圆周方向转动的情况下，也能使第二槽10b与孔13连通。

在这里，孔13的口形状，作为保持第一空间7a与第二空间8的压力平衡所必要的断面面积的、缩短活塞1运转动作时的连通时间的一种形状，是往复运动方向X为短径的椭圆形状。因此，可缩短活塞1运转动作时第二槽10b与孔13的连通时间，提高活塞1动作中心位置的精度。另外，孔13的口形状并没有特别的限定，只要是能缩短活塞1运转动作时第二槽10b与孔13的连通时间的形状，例如以活塞1的往复运动方向X为短边的长方形状，都是可行的。

在图1A的C-C断面图的图1B中，活塞1的内部是空洞的。通过这种结构，能减少活塞1的重量，很容易设计活塞支持弹簧5，同时能减少材料的使用量。为了增大该空洞部分，也可以尽可能地将第一、第二槽10a、10b的深度尺寸设计的比较小。此外，该活塞1内部的空洞化也适用于本发明的所有实施形式，并能得到同样的效果。

图2是本发明第二实施形式的活塞及气缸的透视图。活塞1处于当初设定的往复运动中心位置。在活塞滑动面1b上，形成有从第一空间7a侧的活塞端面1c沿着往复运动方向X设置的第一槽10a以及与该第一槽10a交叉、沿着上述活塞1的圆周方向设置于全周的第二槽10b。另外，在气缸3上形成有多个(在图2中为2个)从第二槽10b贯通第二空间8的孔14。由于第二槽10b是在活塞1的全周上形成的，即使活塞1在动作过程中沿圆周方向转动的情况下，也能使第二槽10b与孔14连通。

在这里，孔14的口径方向的断面面积的总和与形成一个孔14的情况下同等，而形成多个孔14的情况下，可缩小各个孔14的大小，同时，也能缩小第二槽10b的断面面积。结果，可缩短活塞1运转动作时第二槽10b与孔14的连通时间，进而可提高活塞1动作中心位置的精度。另外，孔14的口形状可以是圆形、椭圆形或长方形状。

图3是本发明第三实施形式的活塞及气缸的透视图。活塞1处于当初设定的往复运动中心位置，设置有约束活塞1的圆周方向旋转的装置(例如图10的活塞的支持弹簧5等)。在活塞滑动面1b上，形成有从第一空间7a侧的活塞端面1c沿着往复运动方向X设置的第一槽10a以及从该第一槽10a上的一点开始沿着与第一槽10a的方向垂直的活塞1的圆周方向设置的第二槽10b(在图3中为L形)。另外，第二槽10b仅在孔13与第一槽10a连通最短的部分形成，孔13的口形状是椭圆形状。孔13的口形状并没有特别的限定，只要是能缩短活塞1运转动作时第二槽10b与孔13的连通时间的形状，例如长方形状，都是可行的。

图4是本发明第四实施形式的活塞及气缸的透视图。活塞1处于当初设定的往复运动中心位置，设置有约束活塞1的圆周方向旋转的装置(例如图10的活塞的支持弹簧5等)。在活塞滑动面1b上，形成有从第一空间7a侧的活塞端面1c沿着往复运动方向X设置的第一槽10a以及从该第一槽10a上的一点开始沿着与第一槽10a的方向垂直的活塞1的圆周方向设置的第二槽10b(在图4中为T形)。并且，第二槽10b上设置一个以上的孔14，孔14的口形状是圆形、椭圆形或长方形形状。另外，第二槽10b仅在孔14与第一槽10a连通最短的部分形成。

图5是本发明第五实施形式的活塞及气缸的透视图。活塞1处于当初设定的往复运动中心位置，设置有约束活塞1的圆周方向旋转的装置(例如图10的活塞的支持弹簧5等)。在活塞滑动面1b上，形成有从第一空间7a侧的活塞端面1c沿着往复运动方向X设置的第一槽10a以及从该第一槽10a上的一点开始在相对于第一槽10a的线对称的位置分歧、沿着上述活塞1的圆周方向设置的一对第二槽10b。一对第二槽10b沿着第一槽10a的方向设置两个。并且，在气缸3上分别设置有平均与一个第二槽10b对应的总共4个孔14。孔14的口形状是圆形、椭圆形或长方形形状。另外，第二槽10b仅在孔14与第一槽10a连通最短的部分形成。

在本发明的第四、第五实施形式中，孔14的口径方向的断面面积的总和与形成一个孔14的情况相等，而形成多个孔14的情况下，可缩小各个孔14的大小，同时，也能缩小第二槽10b的断面面积。结果，可缩短活塞1运转动作时第二槽10b与孔14的连通时间，进而可提高活塞1动作中心位置的精度。

图6A是本发明第六实施形式的活塞及气缸的透视图。配置有与第二实施形式同样的活塞1、第一槽10a、第二槽10b、孔14。图6B示出了图6A的A-A断面图。在第二槽10b中，将其断面形状做成深度尺寸大于宽度尺寸的结构，以便确保工作介质的流动所必要的断面面积。结果，可缩短活塞1运转动作时第二槽10b与孔14的连通时间，进而可提高活塞1动作中心位置的精度。

图7A是本发明第七实施形式的活塞及气缸的透视图。配置有与第二实施形式同样的活塞1、第一槽10a、第二槽10b、孔14。图7B示出了图7A的B-B断面图。在第一槽10a中，将其断面形状做成深度尺寸大于宽度尺寸的结构，以便确保工作介质的流动所必要的断面面积。结果，由于缩小了第一槽10a占据活塞滑动面1b的表面面积的部分，因此，在通过气体轴承(在活塞与气缸3之间设置微小的间隙，填充工作介质，减少活塞1的滑动负载的轴承的方法)使活塞1从气缸3悬浮的情况下，工作介质可通过第一槽10a流出、流入，不会有损于气体轴承的效果。

图8是本发明第八实施形式的活塞及气缸的透视图。配置有与第四实施形式同样的活塞1、第一槽10a、第二槽10b、孔14。第一槽10a的断面面积从另一端10d侧向上述活塞的端面1c逐渐增大，使面对该第一空间7a的一端10c部分为最大。结果，可抑制工作介质流动引起的能量损失。

图9A是本发明第九实施形式的活塞及气缸的透视图。配置有与第五实施形式同样的活塞1、第一槽10a、第二槽10b、孔14。在这里，将第一槽10a中的面对第一空间7a的一端部10c与从第一空间7a数起的第一个第二槽10b-1的根部10e之间、以及第一个第二槽10b-1的根部10e与第二个第二槽10b-2的根部10f之间分别划分为10a-1和10a-2。图9B示出了图9A的D-D断面图。如图9B所示，第一槽10a-1的断面面积大于第二槽10a-2的断面面积。

具体地说，设计成使第二槽10b-1、10b-2的短边方向的断面面积与1个孔14的口径断面面积一致，第一槽10a-2的短边方向的断面面积与2个孔14的口径断面面积的总和一致，第一槽10a-1的短边方向的断面面积与4个孔14的口径断面面积的总和一致。结果，能确保工作介质流动所必要的最小限度的第一槽10a、第二槽10b的断面面积，第二槽10b-1、10b-2与孔14连通时，工作介质不会产生压力损失地流动，进而，能将工作介质流动所引起的能量损失抑制到最小。

另外，在上述各实施形式中，第一槽10a、第二槽10b的加工可以通过例如车床加工或立铣刀的铣加工形成，至于孔仅通过钻孔就能形成，因此，双方都能用容易的加工廉价地形成。

工业上的应用性

根据本发明的斯特林发动机，由于缩短了活塞运转动作时活塞上的第一、第二槽及气缸侧壁的孔的连通时间，因此，可使活塞的往复运动中心位置稳定化。

另外，第一、第二槽及孔由成形容易的槽或孔构成，因此，能用低成本成形。

进一步，根据本发明的斯特林发动机，在第一、第二槽中，由于能确保工作介质流动所必要的断面面积，将其断面形状做成深度尺寸大于宽度尺寸的结构，因此，在活塞通过气体轴承从气缸悬浮的情况下，工作介质通过第一、第二槽流出、流入，不会损失气体轴承的效果。

再者，根据本发明的斯特林发动机，由于能确保工作介质流动所必要的最小限度的第一、第二槽的断面面积，所以，可减少工作介质在第一、第二槽部分所产生的气体流动损失。

Claims

1.一种斯特林发动机，其特征是，设置有：在气缸内侧往复运动的活塞；以及借助于该活塞的往复运动而压缩或膨胀的工作介质的作用，在所述气缸内侧往复运动的驱气活塞，使所述活塞及驱气活塞的轴心与所述气缸的筒心一致，并包括：在所述驱气活塞与所述活塞之间形成的第一空间；从所述活塞相对所述驱气活塞的相反一侧开始到与所述气缸侧壁的至少一部分邻接的部分扩大形成的第二空间；在所述驱气活塞相对所述活塞的相反一侧形成的第三空间；从所述第一空间侧的所述活塞端面沿往复运动方向设置的第一槽；与该第一槽交叉、沿所述活塞圆周方向设置的第二槽；及贯通所述气缸侧壁设置的孔，当所述活塞处于其往复运动的中心位置时，将所述第二槽与所述孔结合，使所述第一空间与所述第二空间连通，

所述孔的形状是以所述活塞的往复运动方向为短径或短边的椭圆形或长方形形状，从而孔相对于其面积在往复运动方向上具有较短的尺寸。

2.根据权利要求1记载的斯特林发动机，其特征是，所述第二槽的断面形状做成其深度尺寸大于宽度尺寸。

3、根据权利要求1记载的斯特林发动机，其特征是，所述第一槽的断面形状做成其深度尺寸大于宽度尺寸。

4.根据权利要求1记载的斯特林发动机，其特征是，所述第一槽的断面面积以使面对所述第一空间的所述第一槽的一端部为最大的方式从其另一端侧向所述一端部之侧逐渐增大。

5.一种斯特林发动机，其特征是，设置有：在气缸内侧往复运动的活塞；以及借助于该活塞的往复运动而压缩或膨胀的工作介质的作用，在所述气缸内侧往复运动的驱气活塞，使所述活塞及驱气活塞的轴心与所述气缸的筒心一致，并包括：在所述驱气活塞与所述活塞之间形成的第一空间；从所述活塞相对所述驱气活塞的相反一侧开始到与所述气缸侧壁的至少一部分邻接的部分扩大形成的第二空间；在所述驱气活塞相对所述活塞的相反一侧形成的第三空间；从所述第一空间侧的所述活塞端面沿往复运动方向设置的第一槽；与该第一槽交叉、沿所述活塞圆周方向设置的第二槽；及贯通所述气缸侧壁设置的孔，当所述活塞处于其往复运动的中心位置时，将所述第二槽与所述孔结合，使所述第一空间与所述第二空间连通，

所述孔为圆形并且在所述第二槽的方向上设置有多个，从而所述多个孔相对于其总面积在往复运动方向上具有较短的尺寸。

6.根据权利要求5记载的斯特林发动机，其特征是，所述第二槽的断面形状做成其深度尺寸大于宽度尺寸。

7.根据权利要求5记载的斯特林发动机，其特征是，所述第一槽的断面形状做成其深度尺寸大于宽度尺寸。

8.根据权利要求5记载的斯特林发动机，其特征是，所述第一槽的断面面积以使面对所述第一空间的所述第一槽的一端部为最大的方式从其另一端侧向所述一端部之侧逐渐增大。