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斯特林发动机

阅读：858发布：2020-05-13

IPRDB可以提供斯特林发动机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且在斯特林发动机中，在缸体的外周面上安装线性马达的内磁轭。为了实现置换器的一端侧的压缩空间和缸体的外周侧的背压空间的压力平衡，在活塞上从压缩空间侧端面到外周面形成第1流路，并在缸体上形成令第1流路连通到背压空间的第2流路。第2流路包括在径向上贯通缸体的壁的贯通孔、和为了连通贯通孔和背压空间而形成在缸体外周面和内磁轭内周面之间的连通通路。，下面是斯特林发动机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种斯特林发动机，具有在缸体内往复运动的活塞、和相对于该活塞以既定的相位差往复运动的置换器，使工作气体在形成于上述置换器的一端侧的压缩空间和形成于上述置换器的另一端侧的膨胀空间之间移动，为了实现形成在上述缸体的外周侧的背压空间和上述压缩空间的压力平衡，在上述活塞上从压缩空间侧端面到外周面形成第 1流路，在上述缸体上形成有在上述活塞到达既定位置时令上述第1 流路和上述背压空间连通的第2流路，上述第2流路包括设置在上述缸体壁上的沿径向贯通的贯通孔、和在安装于上述缸体的外周面上的内磁轭和上述缸体的外周面之间形成的连通通路。

2.如权利要求1所述的斯特林发动机，其特征在于，上述连通通路由形成在上述缸体的外周面上的槽构成。

说明书全文

技术领域

本发明涉及斯特林制冷机、斯特林发电机等斯特林发动机。

背景技术

斯特林发动机，由于不使用氟利昂而使用氦、氢、氮等作为工作气体，所以作为不导致臭氧层破坏的热机而受到关注。作为制冷机而使用的斯特林发动机中，在压力容器内借助线性马达等动力源令活塞往复运动，并令置换器相对于该活塞以既定的相位差而同步地往复运动。活塞和置换器令工作气体在压缩空间和膨胀空间之间进出，形成斯特林循环 (制冷机的情况下，为逆斯特林循环)。在压缩空间中基于等温压缩变化而使工作气体的温度上升，在膨胀空间中基于等温膨胀变化而使工作气体的温度降低。由此，压缩空间的温度上升，膨胀空间的温度降低。若经由高温传热头令压缩空间(高温空间)的热散出，则可经由低温传热头将外部的热吸收到膨胀空间(低温空间)中。
进而，若令活塞连续地往复运动，则形成在收纳活塞的缸体的外周侧的背压空间的内压慢慢上升，背压空间和压缩空间之间的压力平衡被破坏，引起活塞的往复运动中心位置从初期位置向压缩空间侧偏离的现象。若对该现象放置不理，则活塞到达物理运动极限位置、或引起活塞与置换器的碰撞。
为了避免这样的现象，进行了下述设计，即，在活塞上设置连结其外周的滑动面和压缩空间的流路，在缸体上设置连结其内周的滑动面和背压空间的流路，并在活塞到达某位置时两流路连通，保持背压空间和压缩空间之间的压力平衡。这样的斯特林发动机的例子在专利文献1中可见。
此外，斯特林发动机的活塞多由线性马达驱动。线性马达具有外磁轭以及内磁轭、和配置在它们之间的永久磁体，通过令发生在外磁轭和内磁轭之间的磁场的磁通密度与永久磁体的磁通密度重合，可令磁通密度产生疏密，借助此时起作用的力而令永久磁体运动。在该永久磁体上连结活塞，令活塞往复运动。具有这样的活塞驱动机理的斯特林发动机的例子在专利文献2中可见。
专利文献1：特开2002-130853号公报(第3页-第4页、图1、图 11)
专利文献2：特开2003-185284号公报(第2页-第3页、图9)
在采用通过线性马达驱动活塞的构成时，在缸体的外周面上安装线性马达的内磁轭。这样安装的内磁轭由于设置在缸体上而对用于实现背压空间和压缩空间之间的压力平衡的流路产生妨碍。也可以避开流路的方式配置线性马达，但这样的话缸体自身必须加长，缸体的材料成本和加工成本上升，此外，还存在导致斯特林发动机大型化的问题。此外，若不仅缸体，活塞也必须加长，则活塞材料成本和加工成本也上升。将斯特林发动机用作发电机、在缸体的外周面上安装发电机的内磁轭的情况也产生同样的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点提出的，目的在于，在构成为通过令设置在活塞上的流路和设置在缸体上的流路一致而保持斯特林发动机的背压空间和压缩空间之间的压力平衡的斯特林发动机中，当在缸体的外周面上安装线性马达或者发电机的内磁轭时不会导致缸体的变长变大。
为了实现上述目的，本发明是一种斯特林发动机，具有在缸体内往复运动的活塞、和相对于该活塞以既定的相位差往复运动的置换器，使工作气体在形成于上述置换器的一端侧的压缩空间和形成于上述置换器的另一端侧的膨胀空间之间移动，其特征在于，为了实现形成在上述缸体的外周侧的背压空间和上述压缩空间的压力平衡，在上述活塞上从压缩空间侧端面到外周面形成第1流路，在上述缸体上形成有在上述活塞到达既定位置时令上述第1流路和上述背压空间连通的第2流路，上述第2流路包括设置在上述缸体壁上的沿径向贯通的贯通孔、和形成在安装于上述缸体的外周面上的内磁轭和上述缸体的外周面之间的连通通路。
根据该构成，由于可在缸体上重叠设置内磁轭和贯通孔，所以没有必要像勉强避免内磁轭和贯通孔的重合的情况那样令缸体加大加长。因此，缸体的材料成本和加工成本不会上升。同时可避免活塞的加长加大、和与之相伴的活塞的材料成本和加工成本的上升。由于缸体和活塞没有加长加大，所以不用令斯特林发动机的外壳(容器)大型化，可降低外壳的材料成本。此外，由于上述那样地构成第2流路不会对通过该处的气体量产生影响，所以斯特林发动机的性能没有改变。
此外，本发明，在上述构成的斯特林发动机中，其特征在于，上述连通通路由形成在上述缸体的外周面上的槽构成。
根据该构成，可仅通过对缸体实施开孔加工和雕槽加工来形成第 2流路。内磁轭使用烧结成型混合了软磁性铁粉和树脂的材料而成的磁轭，与在该内磁轭上加工槽形的情况相比，槽加工容易，并且易于改变槽的形状。即易于得到最佳形状的槽。
根据本发明，为了实现背压空间和上述压缩空间之间的压力平衡，在活塞上从压缩空间侧端面到外周面上形成第1流路，并在缸体上形成有在活塞到达既定位置时连通第1流路和背压空间的第2流路，上述第2流路包括设置在上述缸体壁上的沿径向贯通的贯通孔、和在安装于上述缸体的外周面上的内磁轭和上述缸体的外周面之间形成的连通通路，所以，没有必要像勉强避免内磁轭和贯通孔的重合的情况那样令缸体加大加长。由此，可防止缸体以及活塞成本升高、和斯特林发动机的大型化。

附图说明

图1是本发明的斯特林发动机的剖视图。
图2是缸体部分的示意性俯视图。
图3是表示没有实施本发明的情况下的缸体部分的示意性俯视图。
附图标记说明
1斯特林发动机
10缸体
12活塞
13置换器
20线性马达
23内磁轭
45压缩空间
46膨胀空间
50压力容器
51背压空间
70第1流路
75第2流路
76贯通孔
77连通通路

具体实施方式

根据图1说明本发明的第1实施方式。图1是斯特林发动机的剖视图。另外，该斯特林发动机用作制冷机。
成为斯特林发动机1的组装的中心的是缸体10、11。缸体10、11 的轴线排列在同一直线上。在缸体10中插入活塞12，在缸体11中插入置换器13。活塞12以及置换器13，在斯特林发动机1的运转中，借助气体轴承的结构而与缸体10、11的内壁不接触地往复运动。活塞12和置换器13以既定的相位差运动。
在活塞12的一方的端部上设置杯状的磁体座14。置换器轴15从置换器13的一方的端部伸出。置换器轴15在轴线方向上可滑动地贯通活塞12以及磁体座14。
缸体10，在相当于活塞12的动作区域的部分的外侧保持线性马达 20。线性马达20，具有：具有线圈21的外磁轭22、与缸体10的外周面接触地设置的内磁轭23、插入到外磁轭22和内磁轭23之间的环状空间中的环状的磁体24、将外磁轭22以及内磁轭23保持为既定的位置关系的合成树脂制端部托架25、26。磁体24固定在磁体座14上。
在磁体座14的凸出的部分上固定弹簧30的中心部。在置换器轴15 上固定弹簧31的中心部。弹簧30、31的外周部固定在端部托架26上。在弹簧30、31的外周部彼此之间配置间隔件32，由此弹簧30、31保持一定的距离。弹簧30、31是在圆板形的原材料上形成螺旋状的切槽而形成的，具有令置换器13相对于活塞12以既定的相位差(一般为大约90 °的相位差)共振的作用。
缸体11中，在相当于置换器13的动作区域的部分的外侧配置传热头40、41。传热头40为环状，传热头41为帽状，都由铜或铜合金等导热性好的金属构成。传热头40、41分别以夹有环状的内部热交换器42、 43的形式被支承在缸体11的外侧。内部热交换器42、43分别具有通气性，将通过内部的工作气体的热量传递给传热头40、41。在传热头40 上连结缸体10以及压力容器50。
在置换器13的一端侧形成压缩空间，在另一端侧形成膨胀空间。被传热头40、缸体10、11、活塞12、置换器13、以及内部热交换器42包围的空间构成压缩空间45。被传热头41、缸体11、置换器13、以及内部热交换器43包围的空间构成膨胀空间46。
在内部热交换器42、43之间配置再生器47。再生器47将树脂薄膜卷绕成圆筒状而形成，在薄膜的一面上存在多个微小的突起而在薄膜之间形成与突起的高度对应的间隙，令该间隙为工作气体的通道。在再生器47的外侧包有再生器管48，在传热头40、41之间构成气密通路。
筒状的压力容器50包住线性马达20、缸体10、以及活塞12。压力容器50内部的缸体10的外周侧的空间构成背压空间51。在压力容器50 的周面上，配置用于向线性马达20供给电力的端子部52、用于向内部密封入工作气体的管53。管53在向压力容器50中密封入既定的气压的工作气体后密闭。
在压力容器50的外面安装动吸振器60。构成动吸振器60的主体的是层叠多层薄板状的弹簧的板状弹簧61、和配置在该弹簧61的周缘的质量块62。在从压力容器50的端面中央伸出的轴63上固定弹簧61的中心。
斯特林发动机1如下地动作。若向线性马达20的线圈21供给交流电，则外磁轭22和内磁轭23之间产生贯通磁体24的磁场，磁体24在轴方向上往复运动。通过供给与共振频率一致的频率的电力，活塞系统开始平滑的正弦波状的往复运动，所述共振频率是由活塞系统(活塞12、磁体座14、磁体24、以及弹簧30)的总质量、和弹簧30的弹性系数而确定的。
在置换器系统(置换器13、置换器轴15、以及弹簧31)中，设定为由其总质量和弹簧31的弹性系数确定的共振频率与活塞12的驱动频率共振。
借助活塞12的往复运动，在压缩空间45中反复进行压缩、膨胀。伴随着该压力的变化，置换器(displacer)13也进行往复运动。此时，由于压缩空间45和膨胀空间46之间的流动阻力等，在置换器13和活塞 12之间产生相位差。因此，自由活塞构造的置换器13与活塞12以既定的相位差同步地往复运动。
借助上述动作，在压缩空间45和膨胀空间46之间形成斯特林循环 (逆斯特林循环)。在压缩空间45中，基于等温压缩变化而使工作气体的温度上升，在膨胀空间46中基于等温膨胀变化而使工作气体的温度降低。因此，压缩空间45的温度上升，膨胀空间46的温度下降。
在运转中在压缩空间45和膨胀空间46之间进出的工作气体在通过内部热交换器42、43时，其具有的热量通过内部热交换器42、43传递给传热头40、41。从压缩空间45流入再生器70的工作气体由于是高温，所以传热头40被加热，传热头40成为热头，从膨胀空间46流入再生器 70的工作气体由于是低温，所以传热头41被冷却，所以传热头41成为冷头。热从传热头40散发到大气中，通过传热头41令特定空间的温度下降，由此斯特林发动机1可有效实现作为制冷机的功能。
再生器47进行下述动作，即，不使压缩空间45和膨胀空间46的热传递到对方侧的空间中，仅使工作气体通过。从压缩空间45经由内部热交换器42而进入再生器47中的高温工作气体在通过再生器47时将其热量传递给再生器47，在温度下降的状态下流入膨胀空间46。从膨胀空间 46经过内部热交换器43而进入再生器47的低温工作气体，在通过再生器47时从再生器47回收热量，在温度上升的状态下流入压缩空间45。即，再生器47起到蓄热机构的作用。
若活塞12和置换器13往复运动且工作气体移动，则斯特林发动机 1中产生振动。动吸振器60抑制该振动。
进而，若活塞10连续往复运动，则背压空间51的内压慢慢升高，背压空间51和压缩空间45之间的压力平衡被破坏，引起活塞12的往复运动中心位置从初期位置向压缩空间45侧偏离的现象。若对该现象放置不理，则活塞12到达物理的运动极限位置、或引起活塞12和置换器13 的碰撞。
为了避免这样的情况，在活塞12上从压缩空间侧端面到外周面形成第1流路70，并在缸体10上形成当活塞12到达既定位置时连通第1流路70和背压空间的第2流路75。
图2是缸体部分的示意性俯视图，在此表示第1流路70和第2流路 75的构成。第1流路70，由形成在活塞12的外周的环状槽71、和将该环状槽71连通到压缩空间45的轴线方向槽72构成。第2流路75由在与内磁轭23重合的部分沿径向贯通缸体10的壁的贯通孔76、和为了连通该贯通孔76和背压空间51而形成在缸体10外周面和内磁轭23内周面之间的连通通路77构成。连通通路77是形成在缸体10的外周面上的槽，在缸体10的轴线方向延伸，其一端与贯通孔76连接，另一端伸出到内磁轭23的外侧。
在活塞12往复运动时，在往复运动的中心位置处环状槽71和贯通孔76的位置一致。于是，通过第1流路70和第2流路75，背压空间51 和压缩空间45连通，保持活塞12位于往复运动的中心时的背压空间51 和压缩空间45之间的压力平衡。
由于连通通路77是槽，所以可仅通过对缸体10进行开孔加工和雕槽加工来形成第2流路75。内磁轭23使用烧结成型混合了软磁性铁粉和树脂的材料而成的磁轭，与在该内磁轭23上加工槽形的情况相比，在缸体10上加工槽形容易，槽的形状也易于改变。即，有易于得到最适合形状的槽的优点。
图3是表示没有实施本发明的情况下的缸体部分的示意性俯视图。在此，表示了以避开贯通孔10的方式配置线性马达20以便内磁轭23不会与缸体10的贯通孔10重合的例子。该情况下的缸体10的长度L2比图2所示的缸体10的长度L1长。于是，缸体10的材料成本和加工成本上升。此外，不仅缸体10，活塞12也必须加长，活塞12的材料成本和加工成本也上升。斯特林发动机1整体也大型化。
与之相对，若采用本发明的构成，由于可在缸体10上重叠设置内磁轭23和贯通孔76，所以没有必要像勉强避免内磁轭23和贯通孔76的重合的情况那样加长加大缸体10。因此，缸体10的材料成本和加工成本不会上升。同时可避免活塞12的加长加大、和与之相伴的活塞12的材料成本和加工成本的上升。由于缸体10和活塞12没有加长加大，所以压力容器50也不会大型化，可降低压力容器50的材料成本。此外，由于上述那样地构成第2流路75不会影响通过该处的气体量，所以斯特林发动机1的性能没有变化。
对以上的本发明的实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内可进一步进行各种变更而加以实施。例如，上述实施方式的斯特林发动机是斯特林制冷机，但也可以是斯特林发电机，只要是将发电机的内磁轭安装在缸体的外周面上的形式的结构，即可适用本发明。
本发明，可利用到在缸体的外周面上安装线性马达、发电机等的内磁轭的所有斯特林发动机中。

标题	发布/更新时间	阅读量
斯特林发动机-专利编号CN1965200A	2020-05-14	78
斯特林发动机-专利编号CN1230652C	2020-05-15	178
斯特林发动机-专利编号CN1826497A	2020-05-14	730
斯特林发动机-专利编号CN101107484A	2020-05-13	858
斯特林发动机-专利编号CN109236489A	2020-05-11	326
斯特林发动机-专利编号CN102356226A	2020-05-12	145
斯特林发动机-专利编号CN100434685C	2020-05-13	919
斯特林发动机-专利编号CN105658939A	2020-05-11	749
斯特林发动机-专利编号CN103210199B	2020-05-11	413
斯特林发动机-专利编号CN103210199A	2020-05-12	750

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