专利名称：斯特林发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及自由活塞型发动机。
背景技术：
近年来，作为一般动力源来说，广泛使用采用了奥托循环或狄塞尔循环等热循环的发动机等的内燃发动机。但是这些内燃发动机排出的废气会污染大气，产生的噪音等公害成为很大的社会问题。
此外，在冷冻机等冷冻循环中，一般采用蒸气压缩式的冷冻循环。作为工作气体的致冷剂使用氟利昂气体，利用其凝缩、蒸发而获得期望的冷却性。然而氟利昂的化学稳定性非常高，一旦释放到大气中会到达平流层，从而破坏臭氧层。为此近年来，以特定氟利昂为对象的使用以及生产受到限制。
因此，不包含这些问题的斯特林发动机循环或者反向斯特林循环的斯特林发动机受到人们的注目。
使用了斯特林循环的斯特林发动机是外燃发动机，即使是在不特定热源，如在内燃发动机那样使用燃料进行燃烧的情况下，由于并不是在高温、高压下的燃烧，所以具有有害物质不易发生等的优点。
上述斯特林发动机作为其工作气体来说，采用了氦气、氢气、氮气等不会对地球环境带来不良影响的气体。
此外，使用了反向斯特林冷冻循环的斯特林冷冻机，作为可以产生极低温水平的寒冷的小型冷冻机之一而被公知。
在图7中表示作为斯特林发动机的一例的自由活塞型斯特林冷冻机的侧视剖视图。
斯特林冷冻机B包括压力容器1；固定在压力容器1内部中的缸体2；配置在缸体2内部的动力活塞3以及置换器4。动力活塞3以及置换器4配置在同轴上，沿着该轴直线往复运动。
置换器4具有置换器活塞41和杆42。杆42贯通形成于动力活塞3的中心部的滑动孔31，动力活塞3以及置换器活塞41可平稳地在缸体内周面21上滑动。此外，动力活塞3弹性支持在动力活塞支持弹簧5上，置换器4经杆42通过置换器支持弹簧6而被弹性支持在压力容器1上。
由压力容器1所形成的空间被动力活塞3分割成两个空间。一侧的空间是动力活塞3的置换器4侧的工作空间7，另一侧是与动力活塞3的置换器4相反的一侧的背压空间8。在这些空间之中填充有高压氦气等工作气体。
动力活塞3通过活塞驱动体(此处是线性电动机9)按规定的周期往复运动。由此，工作气体在工作空间7内被压缩或膨胀。置换器4通过工作空间7和背压空间8的压力差直线地往复运动。此时，动力活塞3和置换器4被设定为，以规定的相位差按照相同的周期进行往复运动。通过使动力活塞3和置换器4以规定的相位差进行往复运动，从而构成冷冻循环。在此处，若运动条件相同的话，位相差是由置换器4的质量、置换器支持弹簧6的弹簧常数以及动力活塞3的工作频率决定的。
此外，工作空间7由置换器活塞41进一步分割成两个空间。一侧的空间是包围在动力活塞3、置换器活塞41以及缸体2内的压缩空间71，另一空间是由缸体2前端部以及置换器活塞41包围的膨胀空间72。在压缩空间71内产生高温，在膨胀空间72内得到冷热。
一般来说，大家都熟知冷热的发生原理等反向冷冻循环，所以在此省略说明。
置换器4以压缩空间71和背压空间8的压力差作为直线往复运动的驱动源，利用置换器4和支持弹簧6的共振来进行往复运动。如果通过滑动孔31使工作空间7和背压空间8之间产生工作气体的流动，则该气体的流动成为流动损失，结果引起斯特林发动机的发动机效率的降低。因而，为了不使滑动孔31内的气体流动所带来的发动机效率降低，优选的情况是使滑动孔31内周面和外周面的直径方向的间隙较小。
此外，在自由活塞型斯特林发动机中，为了提高输出(冷冻能力)而需要提高置换器4的共振频率。
上述驱动频率随着上述共振频率的升高而升高，实际上可以升高置换器的共振频率。共振频率由弹性支持置换器4的质量以及置换器4的弹簧6的弹簧常数来决定。为了升高置换器的共振频率，因而有必要采用减轻置换器4的质量、提高上述弹簧常数等的手段。
置换器4以压缩空间71和背压空间8的压力差为直线往复运动的驱动源，在面向背压空间8的杆42上作用轴方向的力。若为了减轻置换器4的质量而降低杆42的外径，则杆42的强度下降，在反复进行往复运动之中，有可能由于作用于杆上的轴方向的力而变形。当杆42上产生了微小变形的情况下，因为杆42和滑动孔31的间隙较小，所以即使杆42的微小变形，也会干扰杆42和滑动孔31，在干扰处产生滑动摩擦。在产生滑动摩擦时，不能期待置换器4以及动力活塞3的稳定的往复运动，从而产生斯特林发动机的发动机效率的降低、可靠性的下降、寿命缩短等不良情况。
此外，就算可以保持部件彼此的精度，由于杆42和滑动孔31的间隙较小，所以在杆42的强度较低而进行组装以及分解等作业时，也有可能在杆42和滑动孔31间产生干扰，成为产生滑动摩擦的状态。
发明内容
为此，本发明的目的是提供一种斯特林发动机，其动作的可靠性较，动作寿命较长。
此外，本发明的目的是提供一种组装分解等作业性良好的斯特林发动机。
为了实现上述目的，本发明斯特林发动机的特征在于，包括压力容器，在内部封入了工作气体；缸体，固定在上述压力容器内部；动力活塞，设置在上述缸体内部；置换器，在上述缸体内部，与上述动力活塞同轴配置，上述置换器具有置换器活塞，在上述缸体内部滑动；杆，连接固定在该置换器活塞上，并贯通在设置于上述动力活塞的中心部的滑动孔中，上述杆构成为中空的管状形状。
此外，本发明的特征在于，在置换器活塞中该置换器活塞具有中空部，具有用来使工作气体流入到该中空部内的1或2个以上的流入孔和用来使流入的气体流出的1或2个以上的流出孔，上述流入孔在连接上述杆的壁面上从外表面向着上述中空部贯通，上述流出孔在置换器活塞的周侧壁上从中空部向着外周面贯通，在上述杆中具有如下结构，该机构可防止经该杆流入到置换器活塞中的驱动气体在相对于上述压力容器的动力活塞形成于置换器侧的工作空间和相对于上述动力活塞形成于与上述工作空间相反的一侧上的背压空间之间流动。
图1是本发明所述斯特林发动机的侧视剖视图。
图2是用于本发明所述的斯特林发动机的置换器的侧视剖视图。
图3是用于本发明所述的斯特林发动机的置换器的侧视剖视图。
图4是用于本发明所述的斯特林发动机的置换器的侧视剖视图。
图5是用于本发明所述的斯特林发动机的置换器的侧视剖视图。
图6是用于本发明所述的斯特林发动机的置换器的侧视剖视图。
图7是已有例的斯特林发动机的侧视剖视图。
具体实施例方式
下面，参考
本发明的实施方式。为了便于说明，对于与已有例的图7相同的部件使用同一附图标记。
图1是作为本发明所述的斯特林发动机之一的自由活塞型斯特林冷冻机的侧视剖视图。
斯特林冷冻机A包括在内部填充工作气体的压力容器1；固定于压力容器1内部的缸体2；可平稳滑动地配置在缸体2内周面21上的动力活塞3；与动力活塞3同轴配置的置换器4a。动力活塞3通过动力活塞支持弹簧5弹性支持。置换器4a包括可在缸体2内周面21上平稳滑动的置换器活塞41a；贯通设置于动力活塞3的中央部的滑动孔31的杆42a。置换器4a与动力活塞3同样，经杆42a由置换器6弹性支持于压力容器1中。
由缸体2所形成的空间被动力活塞3分割成2个空间。一侧的空间是动力活塞3的置换器4a侧的工作空间7，另一侧是与动力活塞3的置换器4a相反的一侧的背压空间8。在这些空间内，并不限定于此，在此处填充了作为工作气体的高压氦气。
动力活塞3通过活塞驱动体(在此处线性电动机9)以规定的周期进行往复运动。由此，工作气体在工作空间7内被压缩或膨胀。置换器4a通过工作空间7和背压空间8的压力差而直线往复运动。此时，动力活塞3和置换器4a被设定为，以规定的相位差按照同一周期进行往复运动。通过以规定的相位差使动力活塞3和置换器4a进行往复运动，从而构成了反向斯特林冷冻循环。在此处，若运动条件相同的话，则相位差由置换器4a的质量、置换器支持弹簧5的弹簧常数以及动力活塞3的工作频率决定。
此外，工作空间7进一步由置换器活塞41a分割成2个空间。一侧的空间是包围在动力活塞3、置换器活塞41a以及缸体2内的压缩空间71，另一侧是由缸体2前端部以及置换器活塞41a所包围的膨胀空间72。在压缩空间71内产生高温，在膨胀空间72得到冷热。
下面，对于实施例进行说明。另外，各实施例中的斯特林发动机在形状上，除了置换器以外，其余部分都与图1中所示的斯特林发动机相同。
省略置换器以外的部分的图示。
(第1实施例)图2是表示用于本案发明所述的斯特林发动机的置换器的1例的侧视剖视图。
图2中所示置换器4a包括置换器活塞41a；与置换器41a同轴连接的杆42a。置换器活塞41a具有中空部410a。
杆42a形成为中空管状。在杆42a端部的与置换器41a相连的连接部421a的外周面上，形成有阳螺纹部422a。在置换器活塞41a的杆连接壁部411a的中心部上形成有阴螺纹部412a，杆42a的阳螺纹部422a与阴螺纹部412a螺纹连接，通过锁紧螺母Nt，以夹持垫片W的方式紧固从相反侧突出的阳螺纹部422a，由此将杆42a固定在置换器41a上。
因为杆42a是中空的，所以可轻量制作。此外，与同一重量的小直径的杆相比，直径变大截面系数也变大，从而可保持相对于因往复运动而产生的轴力所带来的弯曲的强度。
在本实施例中，尽管置换器41a具有中空部410a，但是并不限定于此，也可使用实心的置换器活塞。但是从置换器的轻量化的观点来看，优选具有中空部的置换器活塞。
(第2实施例)图3表示用于本发明的斯特林发动机的置换器的其它例的侧视剖视图。
图3中所示的置换器4b包括置换器活塞41b和中空管状的杆42b。置换器活塞41b具有中空部410b。置换器活塞41b和杆42b通过与在第1实施例中所示的方法相同的方法连接固定。即将杆42b的阳螺纹部422b螺纹连接在置换器活塞41b的阴螺纹部412b上，以夹持垫片W的方式将锁紧螺母Nt螺纹连接在阳螺纹部422b的突出于中空部410b的部分上，由此连接置换器活塞41b和杆42b。
杆42b，在与置换器活塞连接部421b相反的一侧的端部423b上具有抑制气体的流动的密封部件424b。置换器活塞41b具有中空部410b，备有工作气体流入孔413b和工作气体流出孔414b。在置换器活塞41b的杆连接壁部411b上，形成有1个气体流入孔413b。此外，在置换器活塞41b的周侧壁上，沿着径方向以等中心角度间隔(在此处是180°)形成有2个气体流出孔414b。
当置换器活塞41b滑动时，工作气体从气体流入孔413b流入置换器活塞内部410b中，流入到活塞内部410b的气体从流出孔414b流出。此时，流出气体在缸体2和置换器活塞41b之间t1处(参考图1)形成气体的薄膜，作为气体轴承发挥作用。通过置换器4b的滑动而流入到置换器活塞内部410b中的工作气体虽然也流入到杆42b的中空部420b中，但是，由于气体不会越过气体密封部件424b流动，所以可以防止气体在工作空间和背压空间之间流动。
设置于置换器活塞41b的气体流入孔413b在本例中为1个，但是可以装备多个，即使气体流出孔414b被限定为2个，但是也并不限定于以等中心角度间隔配置，可以广泛采用能充分降低缸体2和置换器活塞41b之间的摩擦的情况。
设置于杆42b的端部423b上的气体密封部件424b只要是可以防止气体流动的地方即可，可以设置在端部422b以外的地方。
(第3实施例)图4中表示用于本发明所述的斯特林发动机的置换器的又一其它例的侧视剖视图。
图4中的置换器4c具有置换器活塞41c和中空管状形状的杆42c。置换器活塞41c与图2中所示的置换器活塞41b同样，也具有中空部410c，备有工作气体流入孔413c和工作气体流出孔414c。
在杆42c的置换器活塞连接部421c的内周面上形成有阴螺纹部425c。在置换器活塞41c的杆连接壁部411c上，具有直径与从外周面延伸的杆42c的外径大体相同的杆连接用的孔415c。此外，还具有从杆连接壁部411c的内周面延伸的、内径与后述的螺栓43c的阴螺纹部的外径大体相同或者比其大的螺栓通孔416c。杆连接用的孔415c的内径形成为大于螺栓通孔416c的内径。杆连接用的孔415c和螺栓通孔416c通过杆连接壁部411c连接。
置换器活塞41c和杆42c的连接固定如下所述。将杆42c插入杆连接用的孔415c中，从置换器活塞41c的中空部410c侧，以夹持垫片W的方式螺纹连接阴螺纹部425c和具有直径与阴螺纹部425c相同的阳螺纹的螺栓43c。使用螺栓43c连接置换器活塞41c和杆42c，由此可以防止通过杆42c中空部420c的置换器活塞41c和背压空间8的气体流动，进而防止工作空间7和背压空间8的气体流动。此外，在置换器4c往复运动的情况下，杆中空部420c为死空间，但是因为工作空间7的气体不会流入到中空部420c内，所以可相应地提高效率。
在上述实施例中，表示了将杆42c插入到杆连接用的孔415c中，并用螺栓43c螺纹连接固定的情况，但是并不限定于上述内容，还可以采用如下方式，即将杆42c压入杆连接用的孔415c中，通过螺纹连接阴螺纹部425c和螺栓43c，从而牢固固定。在将杆42c插入或压入杆连接用的孔415c时，可以在接触面上配置粘接剂以便固定。
此外，在杆42c的嵌合部上形成阳螺纹，在杆连接用的孔415c的内表面上形成阴螺纹，从而可以将杆42c螺纹连接在杆连接用的孔415c上。
通过上述各方法连接杆42c和置换器活塞41c后，可以焊接连接杆42c和置换器活塞41c的杆连接壁部411c，从而牢固地固定。
图5表示在第3实施例中所示的置换器的其它例的侧视剖视图。
图5中所示的置换器4d具有置换器活塞41d，该置换器活塞41d具有与图2中所示的置换器活塞41b同样的形状。
在杆42d的与置换器活塞41d相连接的连接部421d的外周部上形成有阳螺纹部422d，在连接部421d的中空部上备有气体密封部件427d。
置换器活塞41d与杆42d的连接通过与第2实施例的连接方法同样的方法来进行。即，预先使备有气体密封部件427d的杆42d的阳螺纹部422d与置换器活塞41d的阴螺纹部412d相螺纹连接，以夹持垫片W的方式使锁紧螺母Nt与阳螺纹部422d的向着中空部410d突出的部分螺纹连接，由此连接置换器活塞41d和杆42d。此时，与第2实施例不同的是，从气体流入孔413d流入的工作气体被气体密封部件427d遮挡而不会流入到杆42d的中空部420d内，而从气体流出孔414d流出。因而，可以防止通过杆42d的中空部420d的背压空间8和工作空间7之间的气体流动。
本实施例所表示的是，为了不使气体在置换器活塞中空部410c(410d)和杆中空部420c(420d)之间流动，从而通过1根螺栓43c一并紧固置换器活塞41c和杆42c，在杆的连接部421d上装置气体密封部件427d，但是并不限定于此，可以广泛采用可防止置换器活塞中空部和杆中空部之间的气体流动的方式。
(第4实施例)图6中表示用于本发明所述的斯特林发动机的置换器的另一其它例的侧视剖视图。
图6中所示的置换器4e采用了置换器活塞41e，该置换器活塞41e具有与第2实施例中所示的置换器活塞41b相同的形状。即，置换器活塞41e中空，备有气体流入孔413e和气体流出孔414e。杆42e是中空管状形状，备有2个(中心角度间隔180°)从中空部420e向着周侧面外周部贯通的气体流出口428e。此外，杆42e在与置换器活塞41e连接的连接部421e相反的一侧的端部423e上，备有气体密封部件424e。
置换器活塞41e和杆42e的连接方法与第2实施例的方法相同。即设置在杆42e的与置换器活塞41e连接的连接部421e上的阳螺纹部422e，与置换器活塞4e的阴螺纹部412e相螺纹连接。而且，在阳螺纹部422e的向着中空部410e突出的部分上，以夹持垫片W的方式螺纹连接锁紧螺母Nt，由此连接置换器活塞41e和杆42e。
从工作空间7通过气体流入孔413e向着中空部410e流入的气体一部分从气体流出孔414e流出到活塞41e和缸体2之间，余下的部分流入到中空部420e内，通过设置在杆42e上的流出口428e而流出到滑动孔31和杆42e之间的间隙t2(参考图1)，从而形成气体的薄膜。该气体薄膜是降低置换器4e滑动时的滑动孔31内周面和杆42e外周面的摩擦的气体薄膜，形成所谓的气体轴承。
此外，通过置换器4e的滑动，从而可以防止气体从背压空间8流入到杆中空部420e内。由此，防止气体的工作空间7和背压空间8之间的气体的流动。
在本实施例中，列举的情况是杆42e在杆42e的端部423e上装置气体密封部件424e，但是并不限定于该情况，也可广泛采用其它形式，即通过杆中空部420e，不在置换器活塞中空部410e和背压空间8之间引起气体的流动，使从活塞中空部410e向着杆中空部420e流入的气体，通过流出口428e流出到间隙t2处。
流出口428e表示为2个，但是并不限定于该情况，可以广泛采用能够在杆42e周侧面和滑动孔31之间降低滑动摩擦的气体轴承。
第1～第4的实施例说明了斯特林冷冻机，但是并不限定于冷冻机，也可适用于作为热发动机的斯特林发动机等。
根据本发明，通过以中空管状形状形成置换器的杆，从而使置换器整体轻量化，共振频率得以升高，由此可以提高斯特林发动机的输出(冷冻能力)。
此外，根据本发明，通过以中空管状形状形成置换器的杆，从而控制该杆的强度的降低，可以使置换器整体轻量化，由此提供一种斯特林发动机，其运转的可靠性较高，高效率且寿命长。
根据本发明，可以提供一种斯特林发动机，该斯特林发动机可以防止或者降低通过杆的中空部的膨胀空间和背压空间之间的气体的流动，可以相应地防止发动机效率的降低。
此外，在本发明中，在动力活塞的滑动孔和置换器的杆的间隙处做出气体薄膜，形成气体轴承，由此可以降低上述滑动孔和上述杆的滑动摩擦，从而使运转的可靠性相应较高。
权利要求
1.一种自由活塞型的斯特林发动机，其特征在于，包括压力容器，在内部封入了工作气体；缸体，固定在上述压力容器内部；动力活塞，设置在上述缸体内部；置换器，在上述缸体内部，与上述动力活塞同轴地由支持弹簧弹性支持，上述压力容器具有工作空间，相对于动力活塞形成在置换器活塞侧；背压空间，相对于上述动力活塞形成在与上述动力活塞相反的一侧，上述置换器具有置换器活塞，在上述缸体内部滑动；杆，连接固定在该置换器活塞上，并贯通在设置于上述动力活塞的中心部的滑动孔中，上述杆形成为中空的管状形状。
2.一种自由活塞型的斯特林发动机，其特征在于，包括压力容器，在内部封入了工作气体；缸体，固定在上述压力容器内部；动力活塞，设置在上述缸体内部；置换器，在上述缸体内部，与上述动力活塞同轴地由支持弹簧弹性支持，上述压力容器具有工作空间，相对于动力活塞形成在置换器活塞侧；背压空间，相对于上述动力活塞形成在与上述动力活塞相反的一侧，上述置换器具有置换器活塞，在上述缸体内部滑动；杆，连接固定在该置换器活塞上，并贯通在设置于上述动力活塞的中心部的滑动孔中，为了使上述置换器轻量化以提高共振频率，将上述杆取为中空的管状形状。
3.如权利要求1或2所述的斯特林发动机，其特征在于，上述置换器活塞具有中空部，具有使工作气体流入到上述活塞中空部内的1或2个以上的流入孔和使流入到上述中空部内的气体流出的1或2个以上的流出孔，上述流入孔在上述杆所连接的壁面上，从外表面向着中空部贯通，上述流出孔在置换器活塞的侧周壁上，从中空部向着外周面贯通，具有防止通过上述杆的中空部的工作空间和背压空间之间的工作气体的流动的机构。
4.如权利要求3所述的斯特林发动机，其特征在于，防止上述气体的流动的机构防止上述置换器活塞中空部和上述杆中空部之间的气体流动。
5.一种自由活塞型的斯特林发动机，其特征在于，包括压力容器，在内部封入了工作气体；缸体，固定在上述压力容器内部；动力活塞，设置在上述缸体内部；置换器，在上述缸体内部，与上述动力活塞同轴地由支持弹簧弹性支持，上述压力容器具有工作空间，相对于动力活塞形成在置换器活塞侧；背压空间，相对于上述动力活塞形成在与上述动力活塞相反的一侧，上述置换器具有置换器活塞，在上述缸体内部滑动；杆，连接固定在该置换器活塞上，并贯通在设置于上述动力活塞的中心部的滑动孔中，上述置换器活塞具有中空部，具有使工作气体流入到上述活塞中空部内的1或2个以上的流入孔和使流入到上述中空部内的气体流出的1或2个以上的流出孔，上述流入孔在上述杆所连接的壁面上，从外表面向着中空部贯通，上述流出孔从置换器活塞的中空部向着外周面贯通，上述杆具有中空的管状形状，在上述杆中空部中相对于置换器活塞离开上述流出口的位置处，具有防止工作空间和背压空间之间的工作气体的流动的机构，在与该杆的与周侧壁的上述滑动孔重叠的部分具有1或2个以上的气体流出口，该气体流出口在该杆的径向方向上从中空部向着外周部贯通。
全文摘要
本发明提供一种斯特林发动机(A)，包括压力容器(1)，在内部封入了工作气体；缸体(2)，固定在压力容器(1)内部；动力活塞(3)，设置在缸体(2)内部；置换器(4a)，在缸体(2)内部，与动力活塞(3)同轴配置，置换器(4)具有置换器活塞(41a)，在缸体内部(2)滑动；杆(42a)，连接固定在置换器活塞(41a)上，并贯通在设置于动力活塞(3)的中心部的滑动孔(31)中，杆(42a)形成为中空的管状形状。
文档编号F02G1/043GK1926320SQ200480042490
公开日2007年3月7日 申请日期2004年3月18日 优先权日2004年3月18日
发明者坂元仁, 吉村和士, 山上真司, 北村义之, 安村浩至 申请人:夏普株式会社