專利名稱：斯特林發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及斯特林發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
斯特林發(fā)動機(jī)由于使用氦氣、氫氣、氮氣等而不是氟隆作為工作氣體，所以作為不會導(dǎo)致臭氧層破壞的熱機(jī)而受到關(guān)注。在特許文獻(xiàn)1-4中可以看到斯特林發(fā)動機(jī)的例子。
特許文獻(xiàn)1特開2000-337725號公報(笫2-4頁，圖1-4)特許文獻(xiàn)2特開2001-231239號公報(第2-4頁，圖1-4)特許文獻(xiàn)3特開2002-213831號公報(第3-4頁，圖1)特許文獻(xiàn)4特開2002-349347號公報(第5-6頁，圖1-4)發(fā)明內(nèi)容關(guān)于斯特林發(fā)動機(jī)，用來使性能提高及成本降低的研究正在廣泛地進(jìn)行著。
本發(fā)明是鑒于上述情況而做出的，其目的是通過削減零部件數(shù)量來使構(gòu)造簡潔化、實現(xiàn)成本降低。
為了達(dá)到上述目的，在本發(fā)明中，如下地構(gòu)成斯特林發(fā)動機(jī)。即，在具有使工作氣體在壓縮空間與膨脹空間之間移動的換置器，和在動力源的作用下在壓力缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動的活塞，通過上述活塞往復(fù)運(yùn)動、上述換置器也往復(fù)運(yùn)動，而產(chǎn)生上述工作氣體的移動的斯特林發(fā)動機(jī)中，沒有上述活塞的共振發(fā)生用彈簧。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于對活塞沒有使用彈簧，所以減少了零部件數(shù)量。通過零部件數(shù)量削減而降低了零部件成本，并且不再需要將活塞連結(jié)到彈簧上時的活塞的定心工序，組裝成本也降低。零部件數(shù)量減少而使構(gòu)造簡潔化，故障也變少。
此外，本發(fā)明是在上述結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機(jī)中，在上述活塞的外周面與上述壓力缸的內(nèi)周面之間形成氣體軸承，并且該氣體軸承在活塞的軸線方向上隔開間隔地配置在2處以上。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于氣體軸承在活塞的軸線方向上隔開間隔地配置在2處以上，所以在往復(fù)運(yùn)動時活塞不會相對于壓力缸傾斜。因而，可靠地避免了活塞與壓力缸的接觸，不會發(fā)生因活塞與壓力缸的摩擦造成的能量損失、或者接觸部位的磨損的問題。
此外，本發(fā)明是在上述結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機(jī)中，設(shè)有防止上述活塞在上述壓力缸中繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)防止機(jī)構(gòu)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，氣體軸承的氣體從壓縮空間供給，向回彈空間流動。為了取得回彈空間與壓縮空間的壓力平衡，需要形成從壓力缸的外側(cè)通過活塞而通向壓縮空間的返回流路。只要活塞不在壓力缸中繞軸線旋轉(zhuǎn)，返回通路就能可靠地發(fā)揮其功能。能夠避免形成氣體軸承的銷孔連通到返回流路，還能夠避免氣體軸承的功能損失的情況。
此外，本發(fā)明是在上述結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機(jī)中，設(shè)有決定上述活塞的往復(fù)運(yùn)動范圍的移動限制機(jī)構(gòu)。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠防止沒有了彈簧的約束的活塞從壓力缸中飛出。
此外，本發(fā)明是在上述結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機(jī)中，在上述活塞與移動限制機(jī)構(gòu)之間配置有沖擊緩沖用的彈性體。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，即使萬一活塞與移動限制機(jī)構(gòu)碰撞也能夠緩和其沖擊，能夠防止噪聲的發(fā)生及機(jī)構(gòu)的損壞。如果使用作為一般的機(jī)械部件的O形圈作為上述彈性體，則彈性體的購買變得容易，成本也便宜。此外，O形圈由于對于溫度、油、化學(xué)物質(zhì)的耐久性較高，所以即使在壓力容器中處于高壓的工作氣體中，劣化的可能性也較小。
此外，本發(fā)明是在上述結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機(jī)中，采用線性馬達(dá)作為上述動力源。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠不使用曲柄和連桿那樣的運(yùn)動變換機(jī)械而使活塞往復(fù)運(yùn)動，是高效率的。


圖1是有關(guān)本發(fā)明的第1實施方式的斯特林發(fā)動機(jī)的剖視圖。
圖2是表示性能試驗結(jié)果的表。
圖3是有關(guān)本發(fā)明的第2實施方式的斯特林發(fā)動機(jī)的部分剖視圖。
圖4是有關(guān)本發(fā)明的第3實施方式的斯特林發(fā)動機(jī)的部分剖視圖。
圖5是有關(guān)本發(fā)明的第4實施方式的斯特林發(fā)動機(jī)的剖視圖。
附圖標(biāo)記說明1 斯特林發(fā)動機(jī)10、11 壓力缸12 活塞13 換置器(移動限制機(jī)構(gòu))14 磁鐵支架20 線性馬達(dá)31 彈簧(共振發(fā)生用)45 壓縮空間46 膨脹空間50 壓力容器51 回彈空間70 內(nèi)凸緣(移動限制機(jī)構(gòu))71 擋板(移動限制機(jī)構(gòu))72 O形圈80 空洞81 連通孔82 銷孔(氣體軸承形成用)90 固定返回流路91 移動返回流路92 透孔(旋轉(zhuǎn)防止機(jī)構(gòu))93 銷(旋轉(zhuǎn)防止機(jī)構(gòu))具體實施方式
下面，根據(jù)圖1、圖2說明本發(fā)明的第1實施方式。圖1是斯特林發(fā)動機(jī)的剖視圖，圖2是表示性能試驗結(jié)果的表。
作為斯特林發(fā)動機(jī)1的組裝的中心的是壓力缸10、11。壓力缸10、11的軸線在同一直線上排列。在壓力缸10中插入著活塞12，在壓力缸11中插入著換置器13?；钊?2及換置器13具有相位差地運(yùn)動。
在活塞12的一端固定著杯狀的磁鐵支架14。換置器軸15從換置器13的一端突出。換置器軸15可沿軸線方向自由滑動地貫穿活塞12及磁支架14。
壓力缸10將線性馬達(dá)20保持在與活塞12的動作區(qū)域相對應(yīng)的部分的外側(cè)。線性馬達(dá)20具有外側(cè)軛架22，具有線圈21；內(nèi)側(cè)軛架23，設(shè)置為與壓力缸10的外表面接觸；環(huán)狀的磁鐵24，插入在外側(cè)軛架22和內(nèi)側(cè)軛架23之間的環(huán)狀空間中；管體25，包圍著外側(cè)軛架22；合成樹脂制的尾架26、27，將外側(cè)軛架22、內(nèi)側(cè)軛架23、以及管體25保持為規(guī)定的位置關(guān)系。磁鐵24固定在磁鐵支架14上。
在換置器軸15上固定著彈簧31的中心部。彈簧31的外周部經(jīng)由隔件32固定在尾架27上。彈簧31是在固板形的平板材料上形成了螺旋狀的切口，起到使換置器13相對于活塞12具有規(guī)定的相位差而發(fā)生共振的作用。
在壓力缸11中的與換置器13的動作區(qū)域相對應(yīng)的部分的外側(cè)配置有傳熱頭40、41。傳熱頭40為環(huán)狀、傳熱頭41為帽狀，都由銅或銅合金等熱傳導(dǎo)性較好的金屬構(gòu)成。傳熱頭40、41以分別夾著內(nèi)部熱交換器42、43的形態(tài)支撐在壓力缸11的外側(cè)。內(nèi)部熱交換器42、43分別具有透氣性，將通過內(nèi)部的工作氣體的熱量傳遞給傳熱頭40、41。在傳熱頭40上連結(jié)著壓力缸10及壓力容器50。
由傳熱頭40、壓力缸10、11、活塞12、換置器13、換置器軸15、以及內(nèi)部熱交換器42圍成的環(huán)狀的空間成為壓縮空間45。由傳熱頭41、壓力缸11、換置器13、以及內(nèi)部熱交換器43圍成的空間成為膨脹空間46。
在內(nèi)部熱交換器42、43之間配置有再生器47。再生器47也具有透氣性，工作氣體通過其內(nèi)部。再生器軟管48包圍再生器47的外側(cè)。再生器軟管48在傳熱頭40、41之間構(gòu)成氣密通路。
筒狀的壓力容器50覆蓋線性馬達(dá)20、壓力缸10、以及活塞12。壓力容器50的內(nèi)部成為回彈空間51。
在壓力容器50上安裝有振動抑制裝置60。振動抑制裝置60由固定在壓力容器50上的框架61、支撐在框架61上的板狀的彈簧62、和受彈簧62支撐的物體(質(zhì)量)63構(gòu)成。
與通常的斯特林發(fā)動機(jī)不同，沒有活塞12的共振發(fā)生用彈簧。但是，由于有在此狀態(tài)下將活塞12從壓力缸10拔出的可能性，所以設(shè)置了決定活塞12的往復(fù)運(yùn)動范圍的移動限制機(jī)構(gòu)。在本實施方式中，在壓縮空間45側(cè)構(gòu)成移動限制機(jī)構(gòu)的是設(shè)在壓力缸10的端部上的內(nèi)凸緣部70。在回彈空間51側(cè)構(gòu)成移動限制機(jī)構(gòu)的是固定在線性馬達(dá)20的尾架27上的擋板71。只要在該往復(fù)移動范圍中，磁鐵24就處于受線圈21驅(qū)動的狀態(tài)。即，將磁鐵24維持在線性馬達(dá)20的磁回路中。
內(nèi)凸緣70承受活塞12的端面，擋板71承受磁鐵支架14的端面。由于如果這些部件直接碰撞會發(fā)出噪聲和振動，所以配置了沖擊緩沖用的彈性體。在本實施方式中，使用O形圈72作為彈性體。內(nèi)凸緣70與擋板71分別通過粘接材料等適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合手段保持著O形圈72。也可以使O形圈72的位置顛倒，將O形圈72安裝在活塞12及磁鐵支架14側(cè)。
銷12的內(nèi)部為空洞80?？斩?0經(jīng)由設(shè)在活塞12的端面上的連通口81連通到壓縮空間45。在活塞12的外周面穿設(shè)著通到空洞80中的銷孔82。銷孔82是用來形成氣體軸承的，在同一圓周上以規(guī)定的角度間隔配置有多個。銷孔82在活塞12的軸線方向上隔開間隔配置在2處以上。即在2處以上形成氣體軸承。在圖示的實施例中將氣體軸承設(shè)置在2處，但并不限于該數(shù)量。
與銷孔82分開地設(shè)有使回彈空間51內(nèi)的氣體返回到壓縮空間45中的返回流路。返回流路由固定返回流路90和移動返回流路91構(gòu)成，所述固定返回流路90貫通線性馬達(dá)20的內(nèi)部支架23和壓力缸10而設(shè)置，所述移動返回流路91以彎曲成L字形的形狀設(shè)置在活塞12的內(nèi)部中。
在從端面的方向觀察壓力缸10與活塞12的情況下，固定返回流路90與移動返回流路91必須為同一角度位置。即，壓力缸10與活塞12的相對角度必須總為一定。所以，設(shè)置了旋轉(zhuǎn)防止機(jī)構(gòu)，以使活塞12不在壓力缸10中繞軸線旋轉(zhuǎn)。在本實施方式中，在磁鐵支架14上設(shè)置了透孔92，將從擋板71突出的銷93穿過該透孔92，來防止活塞12的旋轉(zhuǎn)。由此能夠避免銷孔82與固定返回流路90一致而發(fā)生損害空氣軸承的功能的情況。
斯特林發(fā)動機(jī)1如下這樣動作。如果對線性馬達(dá)20的線圈21供給交流電流，則在外側(cè)軛架22和內(nèi)側(cè)軛架23之間產(chǎn)生貫通磁鐵24的磁場，磁鐵24沿軸線方向往復(fù)運(yùn)動。經(jīng)由磁鐵支架14與磁鐵24連結(jié)的活塞12也在軸線方向上往復(fù)運(yùn)動。
如果活塞12往復(fù)運(yùn)動，則在活塞12左側(cè)的整個空間中產(chǎn)生了相同的壓力變動。這里，如果觀察作用在換置器13上的壓力，則作用在膨脹空間46側(cè)的端面上的壓力與作用在壓縮空間45側(cè)的端面上的壓力由帕斯卡原理而變?yōu)橄嗤?、相互抵消。但是，換置器軸15由于突出到活塞12右側(cè)的回彈空間51中，所以在換置器軸15上作用著對應(yīng)于其截面積的背壓。
背壓與壓縮空間45的壓力變動逆相變動，所以換置器13兩側(cè)的壓力沒有完全抵消，而是產(chǎn)生壓力差。即，如果活塞12向換置器13側(cè)前進(jìn)，則換置器13朝向活塞12后退，壓縮空間45的容積縮小，并且膨脹空間46的容積擴(kuò)大。壓縮空間45的容積縮小部分的工作氣體通過再生器47流入到膨脹空間46中。
反之，如果活塞12遠(yuǎn)離換置器13而后退，則換置器13遠(yuǎn)離活塞12而前進(jìn)，膨脹空間46的容積縮小，并且壓縮空間45的容積擴(kuò)大。膨脹空間46的容積縮小部分的工作氣體通過再生器47返回到壓縮空間45中。
如上述那樣，自由活塞構(gòu)造的換置器13與活塞12的振動頻率同步振動。為了有效地維持該振動，將由換置器系統(tǒng)(換置器13、換置器軸15、以及彈簧31)的總質(zhì)量和彈簧31的彈簧常數(shù)決定的共振頻率設(shè)定為與活塞12的驅(qū)動頻率共振。由此，活塞系統(tǒng)與換置器系統(tǒng)很好地保持一定的相位差而同步振動。
通過活塞12與換置器13的同步振動發(fā)生壓縮/膨脹的循環(huán)。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)定振動的相位差，則在壓縮空間45中發(fā)生較多由隔熱壓縮造成的發(fā)熱，在膨脹空間46中發(fā)生較多由隔熱膨脹造成的冷卻。因此，壓縮空間45的溫度上升，膨脹空間46的溫度下降。
在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在壓縮空間45與膨脹空間46之間往復(fù)運(yùn)動的工作氣體在通過內(nèi)部熱交換器42、43時，將其所具有的熱量通過內(nèi)部熱交換器42、43傳遞給傳熱頭40、41。從壓縮空間45噴出的工作氣體是高溫的，傳熱頭40被加熱。即傳熱頭40成為暖頭。從壓縮空間46噴出的工作氣體是低溫的，傳熱頭41被冷卻。即傳熱頭41成為冷頭。通過從傳熱頭40散熱，由傳熱頭41將特定空間的溫度降低，從而斯特林發(fā)動機(jī)1發(fā)揮作為冷凍機(jī)構(gòu)的功能。
再生器47起到不將壓縮空間45與膨脹空間46的熱量傳遞給對方側(cè)的空間、而僅使工作氣體通過的作用。從壓縮空間45經(jīng)由內(nèi)部熱交換器42進(jìn)入到再生器47中的高溫的工作氣體在通過再生器47時將其熱量傳給再生器47，在溫度降低后的狀態(tài)下流入到膨脹空間46中。從壓縮空間46經(jīng)由內(nèi)部熱交換器43進(jìn)入到再生器47中的低溫的工作氣體在通過再生器47時從再生器47回收熱量，在溫度升高后的狀態(tài)下流入到壓縮空間45中。即，再生器47發(fā)揮作為熱量的保管庫的作用。
壓縮空間45中的高壓的工作氣體的一部分從連通口81進(jìn)入到活塞12的空洞80中。并且從銷孔82噴出。通過噴出的工作氣體在活塞12的外周面和壓力缸10的內(nèi)周面之間形成氣體膜，防止活塞12與壓力缸10的接觸。也可以將與其同樣的氣體軸承設(shè)在換置器13與壓力缸11之間。
由于活塞12的氣體軸承在軸線方向上隔開間隔地設(shè)置了2個以上，所以在往復(fù)運(yùn)動時活塞12不會相對于壓力缸10向軸線方向上傾斜。因而，可靠地避免了活塞12與壓力缸10的接觸，不會發(fā)生因活塞12與壓力缸10的摩擦而造成的能量損失、或者接觸部位的磨損的問題。
如果使活塞12連續(xù)地往復(fù)運(yùn)動，則回彈空間51內(nèi)的氣壓逐漸變高，壓縮空間45與回彈空間51之間的壓力平衡被破壞。固定返回流路90和移動返回流路91是為了防止這種現(xiàn)象而存在的。即，如果活塞12往復(fù)運(yùn)動，則在某一時刻返回流路90、91相一致。此時，氣體從回彈空間51通過固定返回流路90及移動返回流路91返回到壓縮空間45中，恢復(fù)了壓力平衡。
如上述那樣，活塞12與壓力缸10的相對旋轉(zhuǎn)被由透孔92與銷93構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)防止機(jī)構(gòu)阻止。因而，在活塞12的往復(fù)運(yùn)動過程中，固定返回流路90與移動返回流路91在規(guī)定的時刻一定一致。同時，由于防止了銷孔82與固定返回流路90一致，所以不會損害氣體軸承的功能。
活塞12與換置器13往復(fù)運(yùn)動，工作氣體移動，則在斯特林發(fā)動機(jī)1中產(chǎn)生振動。振動抑制裝置60抑制該振動。
將對于上述結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)行實驗的結(jié)果在圖2中表示。實驗是將相同結(jié)構(gòu)的斯特林發(fā)動機(jī)在“無活塞彈簧”的條件和“有活塞彈簧”的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)、用前者的輸出除以后者的輸出而求出輸出指數(shù)的。根據(jù)實驗，輸入60W時的輸出指數(shù)為0.983，輸入80W時同樣為0.976，輸入100W時同樣為0.970。即，即使去掉了活塞彈簧，輸出也幾乎沒有變化。
圖3表示本發(fā)明的第2實施方式。第2實施方式是關(guān)于活塞與壓力缸之間的阻止旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的，圖3是僅表示關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)要素的部分剖視圖。
在第2實施方式中，在壓力缸10的內(nèi)表面上形成沿軸線方向延伸的槽94，在活塞12上形成與槽94卡合的突起95，來阻止旋轉(zhuǎn)。
圖4表示本發(fā)明的第3實施方式。第3實施方式也是關(guān)于活塞與壓力缸之間的阻止旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)的，圖4是僅表示關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)要素的部分剖視圖。
在第3實施方式中，使外部支架22及尾架26、27的內(nèi)表面的截面形狀為多邊形。圖中的情況為八邊形。在該八邊形的內(nèi)面?zhèn)鹊慕巧闲纬闪搜剌S線方向延伸的槽96。磁鐵14的外表面的截面形狀也為八邊形，在各角上形成與槽96卡合的突起97，來阻止旋轉(zhuǎn)。
圖5表示本發(fā)明的第4實施方式。圖5是斯特林發(fā)動機(jī)的剖視圖。第5實施方式的斯特林發(fā)動機(jī)的大部分結(jié)構(gòu)要素與第1實施方式相同。所以，對于與第1實施方式相同的結(jié)構(gòu)要素賦予與在第1實施方式中所使用的相同的標(biāo)號，而省略說明。
在第4實施方式的斯特林發(fā)動機(jī)1中，決定活塞12的移動邊界的移動限制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與第1實施方式不同。在壓縮空間45中，活塞12與換置器13不是如第1實施方式時那樣由設(shè)在壓力缸10上的內(nèi)凸緣隔開而是對置的。即，這里換置器13構(gòu)成移動限制機(jī)構(gòu)。在活塞12的端面上安裝有沖擊緩沖用的O形圈72。該O形圈72也可以配置在換置器13一側(cè)。在回彈空間51中，在磁鐵支架14側(cè)固定著O形圈72。
此外，在本實施方式中，在膨脹空間46中，在換置器13的端面上安裝著沖擊緩沖用的O形圈72，作為有換置器13與傳熱頭41沖突那樣的情況的裝備。該O形圈72也可以配置在傳熱頭41側(cè)。
在該實施方式的情況下，如果活塞12向換置器13側(cè)前進(jìn)過多，則經(jīng)由O形圈72與朝向活塞12后退途中的換置器13碰撞。該碰撞由于是在磁鐵24與尾架26相碰之前發(fā)生的，所以線性馬達(dá)20不會受到傷害。
以上說明了本發(fā)明的各實施方式，但在不脫離發(fā)明主旨的范圍內(nèi)還可以施加各種改變來實施。
工業(yè)實用性本發(fā)明可以廣泛用于自由活塞構(gòu)造的斯特林發(fā)動機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種斯特林發(fā)動機(jī)，具有使工作氣體在壓縮空間與膨脹空間之間移動的換置器、和在動力源的作用下在壓力缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動的活塞，通過上述活塞往復(fù)運(yùn)動，上述換置器也往復(fù)運(yùn)動，產(chǎn)生上述工作氣體的移動；沒有上述活塞的共振發(fā)生用彈簧。
2.如權(quán)利要求1所述的斯特林發(fā)動機(jī)，在上述活塞的外周面與上述壓力缸的內(nèi)周面之間形成氣體軸承，并且該氣體軸承在活塞的軸線方向上隔開間隔地配置在2處以上。
3.如權(quán)利要求1所述的斯特林發(fā)動機(jī)，設(shè)有防止上述活塞在上述壓力缸中繞軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)防止機(jī)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的斯特林發(fā)動機(jī)，設(shè)有決定上述活塞的往復(fù)運(yùn)動范圍的移動限制機(jī)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的斯特林發(fā)動機(jī)，在上述活塞與移動限制機(jī)構(gòu)之間配置有沖擊緩沖用的彈性體。
6.如權(quán)利要求1～4中任一項所述的斯特林發(fā)動機(jī)，采用線性馬達(dá)作為上述動力源。
全文摘要
在斯特林發(fā)動機(jī)中，如果線性馬達(dá)使活塞在壓力缸中往復(fù)運(yùn)動，則換置器也在收容它的壓力缸中往復(fù)運(yùn)動。由此，工作氣體在壓縮空間與膨脹空間之間移動。在換置器上組合有共振發(fā)生用的彈簧，但沒有活塞的共振發(fā)生用彈簧。在活塞上沿軸線方向隔開間隔地在2處以上設(shè)置有空氣軸承。在壓力缸的端部上形成的內(nèi)凸緣與固定在線性馬達(dá)上的擋板決定活塞的移動邊界。通過將從擋板突出的銷裝入到磁鐵支架的透孔中，來防止活塞的旋轉(zhuǎn)。
文檔編號F02G1/053GK1826497SQ200480021188
公開日2006年8月30日 申請日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月22日
發(fā)明者坂元仁, 吉村和士, 高井健二, 山上真司, 北村義之, 安村浩至, 大野公隆 申請人:夏普株式會社