TWI558965B - 具相位差調整功能的史特靈循環裝置及其相位差調整方法 - Google Patents

Description

具相位差調整功能的史特靈循環裝置及其相位差調整方法

本發明係關於一種史特靈循環裝置，尤指具相位差調整功能的史特靈循環裝置及其相位差調整方法。

目前常見的傳統史特靈循環裝置多半是利用連桿機構帶動活塞與移氣器運動，一旦連桿機構確定，則活塞與移氣器之間的相位角便確定，然而最佳的相位角設計，往往須隨史特靈循環裝置的操作狀態作相對應的改變，但傳統的史特靈循環裝置並無法在運作中及時調整相位角。

例如第八圖及第九圖所示的史特靈循環裝置，其主要包含一汽缸(D1)、一活塞(D2)、一移氣器(D3)及一菱形機構(D4)，該汽缸(D1)界定有一工作空間(D11)，該活塞(D2)及該移氣器(D3)位在該工作空間(D11)中，該菱形機構(D4)連接該活塞(D2)及該移氣器(D3)，用以連動前述活塞(D2)及該移氣器(D3)往復壓縮該工作空間的一工作氣體，並使該活塞(D2)及該移氣器(D3)之間的位置有一相位差(ψ)。該相位差(ψ)詳細而言，如第九圖所示，係示意活塞(D2)及該移氣器(D3)於時間相對位置關係變化的二波形(S0)(S1)，而前述二波形(S0)(S1)的差即為前述的相位差(ψ)。

另檢索有相關先前技術為美國專利公告編號US4330992之「Drive mechanism for Stirling engine displacer and other reciprocating bodies」，但該史特靈循環裝置並不適合在裝置運作中調整相位差，實用性較為不足。

爰此，為方便適時調整史特靈循環裝置中活塞相對移氣器的相位差，以進一步提昇史特靈循環裝置的效能，本發明人致力於研究，提出一種具相位差調整功能的史特靈循環裝置，包含：一汽缸，該汽缸界定實質上密封的一工作空間；複數位移件，位於該工作空間中，前述複數位移件至少之一包含一第一端部、一第二端部及一相位調整單元連接該第一端部及該第二端部；及一連動組件，連接前述複數位移件，用以連動前述複數位移件位移而壓縮該工作空間的一工作氣體，並使前述複數位移件之間的位置有一相位差，該相位調整單元則用以調整前述複數位移件之間的相位差。

進一步，其中一位移件為移氣器，該相位調整單元為一固體彈性件、一阻尼、一氣體彈性件之任一或組合。進一步，該移氣器的第一端部與該移氣器的第二端部之間界定有一氣室，該汽缸上設有一氣壓調節部，該氣壓調節部對應該氣室，以供該氣壓調節部調整該氣室的氣壓。

進一步，該移氣器的第一端部有一軸桿，該移氣器的第二端部伸縮套設於該軸桿，該移氣器的第二端部界定一位移空間，該移氣器更包括一膜片彈簧，該膜片彈簧位在該位移空間，該膜片彈簧分別連接該軸桿及該移氣器的第二端部。

進一步，另一位移件為活塞，該活塞的相位調整單元為一固體彈性件、一阻尼、一氣體彈性件之任一或組合。

進一步，該活塞的第一端部與該活塞的第二端部之間界定有一氣室，該汽缸上設有另一氣壓調節部，該另一氣壓調節部對應該活塞的氣室，該活塞的第一端部有一軸件，該活塞的第二端部活動地連接該軸件，以供該另一氣壓調節部調整該另一氣室的氣壓。

進一步，該活塞更包括一膜片彈簧，該膜片彈簧位在該氣室中，該膜片彈簧並分別連接該軸件及該第二端部。

進一步，該連動組件為一曲柄傳動機構、一斜盤式傳動機構、一菱形傳動機構、一羅斯傳動機構、一彈性元件或一導磁件之任一。

本發明也是一種具相位差調整功能的史特靈循環裝置，包含：一汽缸，該汽缸界定實質上密封的一工作空間；及二位移件，前述二位移件位於該工作空間中，用以在位移時壓縮該工作空間的一工作氣體，前述二位移件之間的位置有一相位差，前述二位移件至少之一包含一第一端部、一第二端部及一相位調整單元連接該第一端部及該第二端部，該相位調整單元用以調整前述二位移件之間的相位差。

本發明亦為一種使用前述之具相位差調整功能的史特靈循環裝置的相位差調整方法，包含下列步驟：該連動組件連動前述位移件，使前述位移件位移而壓縮該工作空間的一工作氣體，並使前述二位移件之間的位置有一相位差；利用前述相位調整單元調整前述位移件在該工作空間位移的阻力與氣體彈力，以調整前述位移件之間的相位差。

本發明的功效在於：

1.本發明之史特靈循環裝置，可在不變動連動組件的條件下，在引擎運轉中及時調整相位角，使裝置隨時保持在最佳運轉狀態下，提高史特靈循環裝置的效率與性能。

2.本發明之史特靈循環裝置的二位移件(活塞、移氣器)，至少之一具有相位調整單元，以藉由該相位調整單元調整前述二位移件的相對位置，達到調節相位角之目的。

3.本發明利用氣體彈性件搭配固體彈性件的構造，即可藉由調節氣室氣壓，在裝置運作中及時調整相位角。

(1)(1C)(1D)‧‧‧汽缸

(11)‧‧‧工作空間

(111)‧‧‧膨脹室

(112)‧‧‧壓縮室

(113)‧‧‧流通空間

(114)‧‧‧多孔隙材

(12)(13)‧‧‧氣壓調節部

(3)(3A)(3B)(3C)(4)(4A)(4B)(4C)‧‧‧位移件

(31)(31C)(41)(41C)‧‧‧第一端部

(311C)‧‧‧軸桿

(411C)‧‧‧軸件

(32)(32C)(42)(42C)‧‧‧第二端部

(321C)‧‧‧基座

(322C)‧‧‧套體

(323C)‧‧‧位移空間

(33)(33B)(43)(43A)‧‧‧相位調整單元

(331C)(431C)‧‧‧膜片彈簧

(331)(331B)(431)(431A)‧‧‧彈性件

(332)(332B)(432)(432A)‧‧‧阻尼件

(332C)(432C)‧‧‧鎖結件

(34)(34B)(44)(44A)(44C)‧‧‧氣室

(5)‧‧‧連動組件

[第一圖]係本發明第一實施例之剖視示意圖。

[第二圖]係本發明第二實施例之剖視示意圖。

[第三圖]係本發明第三實施例之剖視示意圖。

[第四圖]係本發明第四實施例中移氣器及汽缸詳細構造之分解示意圖。

[第五圖]係本發明第四實施例中移氣器及汽缸詳細構造之剖視示意圖。

[第六圖]係本發明第五實施例中活塞及汽缸詳細構造之分解示意圖。

[第七圖]係本發明第五實施例中活塞及汽缸詳細構造之剖視示意圖。

[第八圖]係示意一般史特靈循環裝置的構造示意圖。

[第九圖]係示意一般史特靈循環裝置中活塞與移氣器相位差的示意圖。

綜合上述技術特徵，本發明實施例具相位差調整功能的史特靈循環裝置及其相位差調整方法將可於下述實施例清楚呈現。

先請參閱第一圖，係揭示本發明第一實施例具相位差調整功能的史特靈循環裝置的剖視示意圖，示意具相位差調整功能的史特靈循環裝置主要包含：一汽缸(1)界定實質上密封的一工作空間(11)；複數位移件(3)(4)位於該汽缸(1)的工作空間(11)中；及一連動組件(5)連接前述位移件(3)(4)，用以連動前述位移件(3)(4)位移而壓縮該工作空間(11)的一工作氣體，並使前述位移件(3)(4)之間的位置有一相位差，其中：複數位移件(3)(4)皆位於該汽缸(1)的工作空間(11)中。在本實施例中前述位移件(3)(4)分別為一移氣器及一活塞，皆包含一第一端部(31)(41)、 一第二端部(32)(42)及一相位調整單元(33)(43)連接該第一端部(31)(41)及該第二端部(32)(42)，該相位調整單元(33)(43)則用以調整前述位移件(3)(4)的相位差。但並不以此為限，亦可任一位移件(3)(4)不具有前述相位調整單元(33)(43)。

具體而言，在本實施例中，前述位移件(3)(4)在該第一端部(31)(41)與該第二端部(32)(42)之間皆界定有一氣室(34)(44)，該汽缸(1)上設有複數氣壓調節部(12)(13)，前述氣壓調節部(12)(13)係分別對應前述氣室(34)(44)，以藉由前述氣壓調節部(12)(13)調整前述氣室(34)(44)的氣壓，用以調整(331)(431)之彈力，達到調整相位之功效。另前述位移件(3)(4)在該第一端部(31)(41)與該第二端部(32)(42)之間皆連接有一彈性件(331)(431)及一阻尼件(332)(432)。以藉由前述氣室(34)(44)中的氣體、前述彈性件(331)(431)及前述阻尼件(332)(432)作為前述相位調整單元(33)(43)，調整前述二位移件(3)(4)的相對位置，進而達到調節相位角之目的。又上述氣壓調節部(12)(13)詳細而言係包含一控制閥及一管路元件，以藉由加壓注入氣體或釋放氣體的方式調整前述氣室(34)(44)的氣體壓力，惟此為常見技術，因此不再予以詳述。

該連動組件(5)於本實施例為一菱形傳動機構(Rhombic-drive mechanism)，用以連動前述位移件(3)(4)位移而壓縮該工作空間(11)的工作氣體，該菱形傳動機構為慣用構造因此不再多加詳述。但要強調的是，該連動組件(5)並不以前述菱形傳動機構為限，亦可為一曲柄傳動機構(Crank-drive mechanism)、一斜盤式傳動機構(Swash-plate drive mechanism)、一羅斯傳動機構(Ross-drive mechanism)、一彈性元件或一導磁件之任一或組合。主要目的皆在於連動前述位移件(3)(4)位移，並使前述位移件(3)(4)之間的位置具有一定的相位差。

另，該汽缸(1)的工作空間(11)受前述位移件(3)(4)所分隔，而在前述位移件(3)兩側分別有一膨脹室(111)及一壓縮室(112)，而該汽缸(1)更界定 一流通空間(113)，該流通空間(113)用以容設一多孔隙材(114)，該流通空間(113)並分別連通該膨脹室(111)及該壓縮室(112)。藉此，即可在前述位移件(3)(4)驅趕該工作空間(11)的工作氣體時，使該工作氣體藉由該多孔隙材(114)暫存熱能，進而提高史特靈循環裝置的工作效率。但要特別說明的是，上述多孔隙材(114)的配置方式僅為例示，並不以此為限。

接著請參閱第二圖，係本發明的第二實施例圖。該第二實施例圖與第一實施例圖的差異主要在於，作為移氣器的位移件(3A)並未配置第一實施例之相位調整單元(33)(請配合參閱第一圖)，而是作為活塞的位移件(4A)配置相位調整單元(43A)〈包含彈性件(431A)、阻尼件(432A)以及利用前述氣室(44A)中的氣體〉。請進一步參閱第三圖，係本發明的第三實施例圖。該第三實施例圖與第一實施例圖的差異主要在於，作為移氣器的位移件(3B)配置相位調整單元(33B)〈包含彈性件(331B)、阻尼件(332B)以及利用前述氣室(34B)中的氣體〉，作為活塞的位移件(4B)則未配置相位調整單元。此處旨在說明，作為移氣器的位移件(3A)(3B)或作為活塞的位移件(4A)(4B)，只要其中之一配置有相位調整單元(43A)(33B)，便可藉由該相位調整單元(43A)(33B)調整前述二位移件(3A)(3B)(4A)(4B)的相對位置，進而達到調節相位角之目的。

如第四圖及第五圖所示，係本發明的第四實施例圖，係示意較為詳細的移氣器及汽缸(1C)部份之分解示意圖及剖視示意圖，作為移氣器的位移件(3C)，該位移件(3C)的第一端部(31C)有一軸桿(311C)，該位移件(3C)的第二端部(32C)包含一基座(321C)及一套體(322C)套固於該基座(321C)，該基座(321C)伸縮套設於該軸桿(311C)，該套體(322C)界定一位移空間(323C)，該位移件(3C)更包括一膜片彈簧(331C)，該膜片彈簧(331C)位在該位移空間(323C)，該膜片彈簧(331C)例如但不限於利用複數鎖結件(332C)分別連接該軸桿(311C)及 該位移件(3C)的第二端部(32C)。以藉此較完善的將固體彈性件及氣體彈性件整合至作為移氣器的位移件(3C)。

如第六圖及第七圖所示，係本發明的第五實施例圖，係示意較為詳細的活塞及汽缸(1D)部份的分解示意圖及剖視示意圖，該作為活塞的位移件(4C)的第一端部(41C)有一軸件(411C)，該位移件(4C)的第二端部(42C)活動地連接該軸件(411C)，更包括另一膜片彈簧(431C)，該另一膜片彈簧(431C)位在該氣室(44C)中，該另一膜片彈簧(431C)例如但不限於利用複數鎖結件(432C)並分別連接該軸件(411C)及該第二端部(42C)。以藉此較完善的將固體彈性件及氣體彈性件整合至作為活塞的位移件(4C)。

要補充的是，上述第四實施例及第五實施例使用的膜片彈簧(331C)(431C)詳細來說是碟形彈簧的一種，由碟簧部分和分離指部分組成。主要由一薄彈簧鋼板製成，該薄彈簧鋼板於中心環設有許多徑向延伸的槽，使前述相位調整單元穩定調整位移件的長度。惟上述膜片彈簧僅作為例示，但並不以此為限，亦可利用不同種類的固體彈性件作為相位調整單元。

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)‧‧‧工作空間

(111)‧‧‧膨脹室

(112)‧‧‧壓縮室

(113)‧‧‧流通空間

(114)‧‧‧多孔隙材

(12)(13)‧‧‧氣壓調節部

(3)(4)‧‧‧位移件

(31)(41)‧‧‧第一端部

(32)(42)‧‧‧第二端部

(33)(43)‧‧‧相位調整單元

(331)(431)‧‧‧彈性件

(332)(432)‧‧‧阻尼件

(34)(44)‧‧‧氣室

(5)‧‧‧連動組件

Claims (7)

1. 一種具相位差調整功能的史特靈循環裝置，包含：一汽缸，該汽缸界定實質上密封的一工作空間；複數位移件，位於該工作空間中，前述位移件至少之一包含一第一端部、一第二端部及一相位調整單元連接該第一端部及該第二端部，其中一位移件為移氣器，該相位調整單元為一固體彈性件、一阻尼、一氣體彈性件之任一或組合，其中，該移氣器的第一端部與該移氣器的第二端部之間界定有一氣室，該汽缸上設有一氣壓調節部，該氣壓調節部對應該氣室，以供該氣壓調節部調整該氣室的氣壓；及一連動組件，連接前述位移件，用以連動前述位移件位移而壓縮該工作空間的一工作氣體，並使前述複數位移件之間的位置有一相位差，該相位調整單元則用以調整前述複數位移件之間的相位差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具相位差調整功能的史特靈循環裝置，其中，該移氣器的第一端部有一軸桿，該移氣器的第二端部伸縮套設於該軸桿，該移氣器的第二端部界定一位移空間，該移氣器更包括一膜片彈簧，該膜片彈簧位在該位移空間，該膜片彈簧分別連接該軸桿及該移氣器的第二端部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具相位差調整功能的史特靈循環裝置，其中，另一位移件為活塞，該活塞的相位調整單元為一固體彈性件、一阻尼、一氣體彈性件之任一或組合。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具相位差調整功能的史特靈循環裝置，其中，該活塞的第一端部與該活塞的第二端部之間界定有一氣室，該汽缸上設有另一氣壓調節部，該另一氣壓調節部對應該活塞的氣室，以供該另一氣壓調節部調整該另一氣室的氣壓，該活塞的第一端部有一軸件，該活塞的第二端部活動地連接該軸件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之具相位差調整功能的史特靈循環裝置，其中，該活塞更包括一膜片彈簧，該膜片彈簧位在該氣室中，該膜片彈簧並分別連接該軸件及該第二端部。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具相位差調整功能的史特靈循環裝置，其中，該連動組件為一曲柄傳動機構、一斜盤式傳動機構、一菱形傳動機構、一羅斯傳動機構、一彈性元件或一導磁件之任一或組合。
7. 一種使用如申請專利範圍第1項所述之具相位差調整功能的史特靈循環裝置的相位差調整方法，包含下列步驟：該連動組件連動前述位移件，使前述位移件位移而壓縮該工作空間的一工作氣體，並使前述二位移件之間的位置有一相位差；利用前述相位調整單元調整前述位移件在該工作空間位移的阻力與氣體彈力，以調整前述位移件之間的相位差。