TWI512191B - 脈衝管史特靈引擎 - Google Patents

Description

脈衝管史特靈引擎

本發明係有關於一種史特靈引擎，尤指一種脈衝管史特靈引擎，係能使再生加熱器受熱均勻，且可防止長時間處於高溫狀態的再生加熱器所產生的金屬屑掉入至汽缸內部，使脈衝管史特靈引擎在運轉過程中不會有刮缸的情形發生。

史特靈引擎屬於一種外燃機，此種引擎有別於傳統內燃機，其運轉過程不需要靠石化燃料在引擎內部進行燃燒爆炸，因此有低噪音的優點。此外，熱源廣泛是史特靈引擎優點之一，其適用各種型式的熱源例如太陽熱能、焚化爐廢熱、生質能、地熱等熱源。第一台史特靈引擎是由蘇格蘭的Robert Stirling於1816年所製造，引擎是利用氣體可壓縮的特性在引擎系統內進行熱脹冷縮的原理使引擎對外作功，目前史特靈引擎內部常用的工作流體有空氣、氦氣、氮氣、氫氣等。

請參閱第七圖所示，脈衝管史特靈引擎主要包含有一汽缸(1A)、一動力活塞(11A)、一連通管(2A)、一熱管(3A)、一加熱端(31A)、一冷卻端(32A)、一再生加熱器(4A)及一傳動機構(6A)，脈衝管史特靈引擎構造上相較於傳統史特靈引擎簡單許多，其只有一個動力活塞，並無移氣器負責驅趕氣體，因此該動力活塞(11A)必須獨自完成膨脹與壓縮的工作，再請參閱第八a圖及第八b圖所示，假設該動力活塞(11A)初始位置為下死點，當該動力活塞(11A)由初始位置開始往上死點移動，此時工作流體被壓縮，該汽缸(1A)內壓力逐漸增加，此過程中該汽 缸(1A)內的熱能持續由該汽缸(1A)往低溫環境排放，進行等溫壓縮；再請參閱第八c圖及第八d圖所示，當該動力活塞(11A)到達上死點時，此時該汽缸(1A)內壓力已達到最大狀態，並同時將部分工作流體推移至該再生加熱器(4A)內進行吸熱，當工作流體在該加熱端(31A)與該再生加熱器(4A)內已加熱膨脹後，此時引擎內部壓力足以推動該動力活塞(11A)往下死點移動並進行作功；而當該動力活塞(11A)到下死點時，此時工作流體已完全膨脹作功，由於工作流體完全膨脹後引擎內部的壓力已小於環境壓力，因此該動力活塞(11A)往上死點移動，繼續週而復始形成連續循環。

惟習知的脈衝管史特靈引擎於構造上的設計，容易使引擎因加熱器外徑設計較大，導致熱能無法有效地傳至再生加熱器中央部位，而使再生加熱器有受熱不均勻的問題，再者由於再生加熱器靠近加熱部的部位長時間處於高溫狀態，因此容易使其氧化造成結構脆化，導致整體幾何外型嚴重變形，且脆化後的金屬屑容易掉入汽缸內部，導致引擎在運轉過程中容易有嚴重刮缸的情形發生。

爰此，本發明提供一種脈衝管史特靈引擎，係能使再生加熱器受熱均勻，且可防止長時間處於高溫狀態的再生加熱器所產生的金屬屑掉入至汽缸內部，使脈衝管史特靈引擎在運轉過程中不會有刮缸的情形發生。

本發明提供一種脈衝管史特靈引擎，包含：一汽缸，該汽缸內有一動力活塞，僅藉由該動力活塞作為單一動件獨自完成膨脹與壓縮的工作，而不具有移氣器；一連通管，兩端透空，並且該連通管其中一端連通該汽缸；一熱管，套設在該連通管外，該熱管之一端為一加熱端，另一端為一冷卻端，該加熱端連通該連通管的另一端，該冷卻端靠近於該汽缸；一再生加熱器，置入 該熱管中，並設置於該加熱端與該冷卻端之間；一冷卻組件，連接於該熱管的冷卻端及該汽缸；一吸熱組件，連接在該熱管的加熱端；一傳動機構，連結該汽缸之動力活塞；更包括一分隔部，位於該熱管與該汽缸之間，使該再生加熱器、該連通管、該熱管與該分隔部之間界定一容置空間，該容置空間僅經由該再生加熱器連通該汽缸。

進一步，該吸熱組件為環狀體，並置入該熱管內以及套在該連通管上，在該吸熱組件上並設有複數個金屬鰭片或金屬管道。

其中，該熱管包括一中空管體及一蓋體蓋在該中空管體上。

進一步，該冷卻組件包括有一套管套在該連通管上，前述熱管的冷卻端固定在前述套管上，該套管設有複數個金屬鰭片或金屬管道，該冷卻組件並有一第一水冷套件套在該套管外，以及有一第二水冷套件套在該汽缸外。

其中，該再生加熱器為金屬或陶瓷材質並呈多孔結構。

其中，該汽缸外設置有複數金屬鰭片。

其中，該傳動機構為曲柄傳動機構(Crank-drive mechanism)、菱形傳動機構(Rhombic-drive mechanism)、斜盤傳動機構(Swash-plate drive mechanism)、羅斯傳動機構(Ross-drive mechanism)、彈性元件傳動機構或磁力元件傳動機構之任一。

本發明的功效在於：

1.本發明之脈衝管史特靈引擎，於構造的設計可使該再生加熱器受熱更均勻。

2.本發明之脈衝管史特靈引擎，於構造的設計讓長時間處於高溫狀態的該再生加熱器(尤其是指靠近該吸熱組件的部位)所產生的金屬屑直接掉入至該套管的底部，而不會有金屬屑掉入至該汽缸內部的問題，因此本實施例之脈衝管史特靈引擎在運轉過程中不會有刮缸的情形發生。

3.本發明之脈衝管史特靈引擎，於使用上即便變換引擎的運作方向，頂多改變金屬屑於該熱管或該套管內的掉落位置，同樣不會掉入至該汽缸內，而影響到引擎的運作效能，故本實施例之脈衝管史特靈引擎於使用上具有多方向性。

(1)‧‧‧汽缸

(11)‧‧‧動力活塞

(12)‧‧‧金屬鰭片

(13)‧‧‧分隔部

(131)‧‧‧容置空間

(2)‧‧‧連通管

(3)‧‧‧熱管

(31)‧‧‧中空管體

(311)‧‧‧加熱端

(312)‧‧‧冷卻端

(32)‧‧‧蓋體

(4)‧‧‧再生加熱器

(5)‧‧‧冷卻組件

(51)‧‧‧套管

(511)‧‧‧第一套管

(512)‧‧‧第二套管

(513)‧‧‧金屬鰭片

(514)‧‧‧金屬鰭片

(52)‧‧‧第一水冷套件

(53)‧‧‧第二水冷套件

(6)‧‧‧吸熱組件

(61)‧‧‧金屬鰭片

(7)‧‧‧傳動機構

(8)‧‧‧螺絲

(9)‧‧‧密封元件

(S1)‧‧‧空間

(S2)‧‧‧密閉空間

(1A)‧‧‧汽缸

(11A)‧‧‧動力活塞

(2A)‧‧‧連通管

(3A)‧‧‧熱管

(31A)‧‧‧加熱端

(32A)‧‧‧冷卻端

(4A)‧‧‧再生加熱器

(6A)‧‧‧傳動機構

[第一圖]係為本發明脈衝管史特靈引擎之剖視圖。

[第二圖]係為本發明脈衝管史特靈引擎之立體分解圖。

[第三圖]係為本發明脈衝管史特靈引擎之立體外觀圖。

[第四圖]係為本發明脈衝管史特靈引擎之連通管、熱管與冷卻組件的套管之組合示意圖。

[第五圖]係為本發明脈衝管史特靈引擎之內部工作流體於膨脹過程中之示意圖。

[第六圖]係為本發明脈衝管史特靈引擎之內部工作流體於壓縮過程中之示意圖。

[第七圖]係為習知脈衝管史特靈引擎之示意圖。

[第八a圖]係為習知脈衝管史特靈引擎之作動示意圖。

[第八b圖]係為習知脈衝管史特靈引擎之作動示意圖。

[第八c圖]係為習知脈衝管史特靈引擎之作動示意圖。

[第八d圖]係為習知脈衝管史特靈引擎之作動示意圖。

綜合上述技術特徵，本發明脈衝管史特靈引擎的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

本發明之較佳實施例請參閱第一圖、第二圖及第三圖所示，係包括有：一汽缸(1)、一兩端透空之連通管(2)、一熱管(3)、一金屬材質並呈多孔結構之再生加熱器(4)、一冷卻組件(5)、一吸熱組件(6)以及一傳動機構(7)。

該汽缸(1)內有一動力活塞(11)，而於該汽缸(1)之外壁設有複數個呈環狀之金屬鰭片(12)，該動力活塞(11)連結前述的傳動機構(7)，前述連通管(2)之其中一端與該汽缸(1)相互連通，該動力活塞(11)是本發明之脈衝管史特靈引擎的唯一動力輸出元件，僅藉由該動力活塞(11)作為單一動件獨自完成膨脹與壓縮的工作，而不具有移氣器，本實施例之動力活塞(11)係使用石墨作為材料，透過石墨本身具有高耐磨性與潤滑性，以降低該動力活塞(11)在滑移過程中與該汽缸(1)之壁面的摩擦力。要再說明的是，該傳動機構(7)可為常見的曲柄傳動機構(Crank-drive mechanism)、菱形傳動機構(Rhombic-drive mechanism)、斜盤傳動機構(Swash-plate drive mechanism)、羅斯傳動機構(Ross-drive mechanism)、彈性元件傳動機構、或磁力元件傳動機構之任一，而於本實施例中係為曲柄傳動機構(Crank-drive mechanism)，其為習知之技術，因此圖式中未詳繪其構造。

該熱管(3)套設在該連通管(2)外，該熱管(3)包括一中空管體(31)及一蓋體(32)，該中空管體(31)之一端為一加熱端(311)，另一端為一冷卻端(312)，該冷卻端(312)靠近於該汽缸(1)，前述吸熱組件(6)連接在該熱管(3)的加熱端(311)，於本實施例該吸熱組件(6)為環狀體，置入該熱管(3)內以及套設在該連通管(2)上，並以前述蓋體(32)蓋在該中空管體(31)上，而該蓋體(32)有一空間(S1)供工作流體可於該熱管(3)與該連通管(2)間流動，該吸熱組件(6)上設有複數個呈片狀之金屬鰭片(61)，又前述冷卻組件(5)包 括有一套管(51)套在該連通管(2)上，該套管(51)包含有一第一套管(511)及一第二套管(512)，該第一套管(511)連接於該熱管(3)的冷卻端(312)，該第二套管(512)則係固定在前述汽缸(1)上，該套管(51)之內壁設有複數個呈片狀之金屬鰭片(513)，而外壁設有複數個呈環狀之金屬鰭片(514)，前述冷卻組件(5)並有一第一水冷套件(52)套在該第二套管(512)外，以及有一第二水冷套件(53)套在前述汽缸(1)外。又前述再生加熱器(4)係置入於該熱管(3)內以及套設在該連通管(2)上，並且該再生加熱器(4)置放於該吸熱組件(6)與該冷卻組件(5)的套管(51)之間。

詳細而言，該熱管(3)與該汽缸(1)之間有一分隔部(13)，使該再生加熱器(4)、該連通管(2)、該熱管(3)與該分隔部(13)之間界定一容置空間(131)，該容置空間(131)僅經由該再生加熱器(4)連通該汽缸(1)，而非直接連通該汽缸(1)。

本實施例脈衝管史特靈引擎之組裝方式，請參閱第一圖、第二圖及第四圖所示，首先將該連通管(2)之其中一端組設在該汽缸(1)上，然後將前述冷卻組件(5)之套管(51)套設在該連通管(2)外，並將該第二套管(512)鎖固在前述汽缸(1)上，接著將該熱管(3)的中空管體(31)套設在該連通管(2)外並鎖固在該第一套管(511)，將前述再生加熱器(4)置入於該連通管(2)與該中空管體(31)之間(請配合參閱第四圖所示)，並抵靠在該套管(51)內壁的金屬鰭片(513)上，再於該再生加熱器(4)上放置前述吸熱組件(6)，利用該吸熱組件(6)的金屬鰭片(61)與該套管(51)的金屬鰭片(513)讓該再生加熱器(4)可固定在預設的位置上，使該再生加熱器(4)不容易因熱脹冷縮，而隨易滑動改變其設置的位置，最後再將該蓋體(32)焊接在該中空管體(31)， 以於該熱管(3)、該冷卻組件(5)之套管(51)、該連通管(2)與該汽缸(1)之動力活塞(11)間形成一密閉空間(S2)，供填充工作流體，並使工作流體於該密閉空間(S2)內流動。要再說明的是，該中空管體(31)、該冷卻組件(5)及該汽缸(1)彼此間的連結方式，皆係以一螺絲(8)使前述中空管體(31)、該冷卻組件(5)及該汽缸(1)相互螺鎖固定，且於前述中空管體(31)、該冷卻組件(5)及該汽缸(1)彼此間相互連結的位置上設有一密封元件(9)，此種連結方式與密封元件(9)的使用皆係屬習知技術，故在此不加以贅述。

本實施例的脈衝管史特靈引擎，於構造上的設計可使該再生加熱器(4)受熱更均勻，另一方面，讓長時間處於高溫狀態的再生加熱器(4)(尤其是指靠近該吸熱組件(6)的部位)所產生的金屬屑直接掉入至該冷卻組件(5)之套管(51)的底部(請配合參閱第四圖所示)，而不會產生有金屬屑掉入至該汽缸(1)內部的問題，因此本實施例之脈衝管史特靈引擎在運轉過程中不會有刮缸的情形發生，且即便變換引擎的運作方向，頂多改變金屬屑於該熱管(3)或是該套管(51)內的掉落位置，同樣不會掉入至該汽缸(1)內，而影響到引擎的運作效能，故本實施例之脈衝管史特靈引擎於使用上亦具有多方向性。

請參閱第五圖及第六圖所示，本實施例之脈衝管史特靈引擎係透過該密閉空間(S2)內的工作流體因溫度的變化所產生的壓力差，帶動該動力活塞(11)往復作動以驅趕該密閉空間(S2)內的工作流體，當該汽缸(1)內部的工作流體被驅趕至該吸熱組件(6)而受熱時，即因膨脹推動該動力活塞(11)而對外作功，而當工作流體已完全膨脹作功後，透過該汽缸(1)內的工作流體順利對外散熱，讓引擎內部的壓力小於環境壓力，使該動力活塞(11)可進行壓縮過程，然後週而復始地形成連續循環。

更進一步地說明，該吸熱組件(6)主要係用以吸收外部熱源並供應給引擎內部工作流體所需要的高溫熱能，因此在材料選擇上須具備高熱傳導性且能承受長時間下在高溫的特性與足夠的機械強度，而該冷卻組件(5)之套管(51)則係於引擎加熱過程中為避免該再生加熱器(4)的低溫端會因散熱效果不佳，導致該熱管(3)處於高溫高壓的狀態，進而造成該動力活塞(11)壓縮過程的困難，又本實施例之脈衝管史特靈引擎的吸熱組件(6)之金屬鰭片(61)可增進引擎內部的工作流體吸熱的效果，提升引擎的運轉性能，而該冷卻組件(5)之套管(51)亦設有前述金屬鰭片(513)，以增加散熱量。

由於前述連通管(2)之兩端係分別連通該熱管(3)及該汽缸(1)，因此若該連通管(2)長度太短，相對地該汽缸(1)與該吸熱組件(6)之間的距離縮短，導致工作流體冷熱交換太快，無法順利完成膨脹與壓縮，而若是該連通管(2)長度太長，則會導致高溫工作流體有少部分仍存留在該連通管(2)內，使高溫工作流體無法完全進入該汽缸(1)內進行膨脹，且該連通管(2)的壓力降會增加，造成最大功率降低。

又本實施例之脈衝管史特靈引擎的套管(51)及汽缸(1)皆係屬低溫的部位，所以必須在短時間內將引擎內部的熱能往外排出，因此於該套管(51)及該汽缸(1)外各分別套設有前述第一水冷套件(52)與第二水冷套件(53)，以循環方式將自來水輸入該第一水冷套件(52)與該第二水冷套件(53)內，使該套管(51)與該汽缸(1)的外壁面能夠穩定處於低溫狀態，且透過該套管(51)外壁之呈環狀的金屬鰭片(514)與該汽缸(1)外壁之呈環狀的金屬鰭片(12)迅速將熱帶走。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此 限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

(1)‧‧‧汽缸

(11)‧‧‧動力活塞

(12)‧‧‧金屬鰭片

(13)‧‧‧分隔部

(131)‧‧‧容置空間

(2)‧‧‧連通管

(3)‧‧‧熱管

(31)‧‧‧中空管體

(311)‧‧‧加熱端

(312)‧‧‧冷卻端

(32)‧‧‧蓋體

(4)‧‧‧再生加熱器

(5)‧‧‧冷卻組件

(51)‧‧‧套管

(511)‧‧‧第一套管

(512)‧‧‧第二套管

(513)‧‧‧金屬鰭片

(514)‧‧‧金屬鰭片

(52)‧‧‧第一水冷套件

(53)‧‧‧第二水冷套件

(6)‧‧‧吸熱組件

(61)‧‧‧金屬鰭片

(7)‧‧‧傳動機構

(8)‧‧‧螺絲

(9)‧‧‧密封元件

(S1)‧‧‧空間

(S2)‧‧‧密閉空間

Claims (7)

1. 一種脈衝管史特靈引擎，包含：一汽缸，該汽缸內有一動力活塞，僅藉由該動力活塞作為單一動件獨自完成膨脹與壓縮的工作，而不具有移氣器；一連通管，兩端透空，並且該連通管其中一端連通該汽缸；一熱管，套設在該連通管外，該熱管之一端為一加熱端，另一端為一冷卻端，該加熱端連通該連通管的另一端，該冷卻端靠近於該汽缸；一再生加熱器，置入該熱管及該連通管之間，並設置於該加熱端與該冷卻端之間；一冷卻組件，連接於該熱管的冷卻端及該汽缸；一吸熱組件，連接在該熱管的加熱端；一傳動機構，連結該汽缸之動力活塞；更包括一分隔部，位於該熱管與該汽缸之間，使該再生加熱器、該連通管、該熱管與該分隔部之間界定一容置空間，該容置空間僅經由該再生加熱器連通該汽缸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝管史特靈引擎，進一步，該吸熱組件為環狀體，並置入該熱管內以及套在該連通管上，在該吸熱組件上並設有複數個金屬鰭片或金屬管道。
3. 如申請專利範圍第2項所述之脈衝管史特靈引擎，其中，該熱管包括一中空管體及一蓋體蓋在該中空管體上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝管史特靈引擎，進一步，該冷卻組件包括有一套管套在該連通管上，前述熱管的冷卻端固定在前述套管上，該套管設有複數個金屬鰭片或金屬管道，該冷卻組件並有一第一水冷套件套在該套管外，以及有一第二水冷套件套在該汽缸外。
5. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝管史特靈引擎，其中，該再生加熱器為金屬或陶瓷材質並呈多孔結構。
6. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝管史特靈引擎，其中，該汽缸外設置有複數金屬鰭片。
7. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝管史特靈引擎，其中，該傳動機構為曲柄傳動機構、菱形傳動機構、斜盤傳動機構、羅斯傳動機構、彈性元件傳動機構或磁力元件傳動機構之任一。