專利名稱：熱機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱機(jī)，例如斯特林循環(huán)(stirling cycle)。該熱機(jī)是在保持有具有相互不同的溫度區(qū)域的工作氣體的空間，設(shè)置作為上述溫度區(qū)域的邊界的再生器，利用該再生器兩側(cè)的高溫空間及低溫空間的容積變化與工作氣體的移動(dòng)來進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
斯特林循環(huán)的特征在于不僅能利用燃燒熱源，還可以利用廢熱、太陽熱等各種溫差的熱源，但在不同溫度區(qū)域的熱源中為了得到各自的最大輸出能量，需要按照溫差使工作氣體的容積變化量與再生器通過氣體流量的平衡最優(yōu)化。
在廢熱、太陽熱等低溫差熱源中，需要使再生器通過氣體流量的比率大于容積變化量。這是因?yàn)?，斯特林循環(huán)的輸出的源泉是氣體通過再生器時(shí)的氣體的壓力上升，若溫差較小，則氣體的相對(duì)于通過流量的壓力上升變小。因而，如果想從低溫差熱源發(fā)出最大的輸出能量，則與利用高溫差熱源的情況相比，需要相對(duì)于容積變化量而增加再生器通過氣體流量。
另外，作為實(shí)現(xiàn)斯特林循環(huán)的結(jié)構(gòu)，以往大致區(qū)分的話，存在α型、β型和γ型三種結(jié)構(gòu)。α型結(jié)構(gòu)在高溫空間、低溫空間中分別有一個(gè)動(dòng)力活塞，別名稱為雙活塞型。該方式的特征是由于兩個(gè)活塞分別在各空間中完全掃氣，所以死空間非常小。
此外，可以利用兩個(gè)活塞的位移的相位差來改變上述比率，在采用低溫差熱源時(shí)，可通過根據(jù)溫差擴(kuò)大該相位差來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化(參照專利文獻(xiàn)日本專利第3134115號(hào))，其中，在500℃以上的高溫差下可將該相位差擴(kuò)大到90度左右，在100℃左右的低溫差下可將該相位差擴(kuò)大到150度左右。
但是，在上述α型結(jié)構(gòu)中，擴(kuò)大相位差是減小兩個(gè)活塞的相對(duì)位移，為了得到規(guī)定的容積變化量，需要加大活塞直徑，由此活塞力變得過大，進(jìn)而存在耐久性降低、機(jī)械損失增加這樣的問題。
β型結(jié)構(gòu)在低溫側(cè)有一個(gè)動(dòng)力活塞，換置器與動(dòng)力活塞收容于同一個(gè)缸體，相互疊加地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其特征是能夠完全掃氣。在該情況下，由于換置器和動(dòng)力活塞的缸徑被固定為相同，所以為了改變上述比率，要增大換置器的行程、或減小動(dòng)力活塞的行程，但由于各個(gè)活塞速度和活塞力，在再生器通過氣體流量上有極限。
γ型結(jié)構(gòu)在低溫側(cè)有一個(gè)動(dòng)力活塞，由于換置器收容于另一個(gè)缸，所以可以加大其直徑而增加再生器通過氣體流量，根據(jù)溫差使上述比率最優(yōu)化。但是，若加大換置器的直徑，則與換熱器及動(dòng)力活塞連接的連接管的流道的擴(kuò)大縮小變大，壓力損失增大，若為了避免該問題而擴(kuò)大流道，則存在死空間增大這樣的問題，在最優(yōu)化上有極限。
進(jìn)而，為了進(jìn)行小型化、輕量化、并降低成本，需要謀求提高轉(zhuǎn)速。為此，需要克服上述問題，滿足增多再生器通過氣體流量、減小活塞力、還減小死空間這樣的條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題而做成的，其目的在于提供一種滿足使通過再生器的氣體流量增多、減小活塞力、還減小死空間這樣的條件的熱機(jī)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第1方面，主要是一種熱機(jī)，具有高溫空間部和低溫空間部，保持著具有相互不同的溫度區(qū)域的工作氣體；再生器，設(shè)在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間；兩個(gè)動(dòng)力活塞，分別使上述高溫空間部和上述低溫空間部的上述工作氣體的容積發(fā)生變化、并且承受上述工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力；換置器，使上述工作氣體在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間進(jìn)行移動(dòng)，利用上述再生器兩側(cè)的上述高溫空間部和上述低溫空間部的容積變化與上述工作氣體的移動(dòng)來進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。
根據(jù)本發(fā)明的第1方面，在具有分別使高溫空間和低溫空間的工作氣體的容積發(fā)生變化、并且承受工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力的動(dòng)力活塞的α型結(jié)構(gòu)中，設(shè)置獨(dú)立的換置器，從而雖然不完全掃氣，但由于具有α型的要素，所以與γ型結(jié)構(gòu)相比，死空間可以很少，可以確保適合溫差的所需的再生器通過氣體流量，由于是利用兩個(gè)動(dòng)力活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行容積變化，由兩個(gè)活塞分散承受活塞力，所以可以將整個(gè)活塞力抑制得較小。
此外，上述兩個(gè)動(dòng)力活塞也可以具有與上述再生器相對(duì)的受壓面。
根據(jù)上述構(gòu)成，可以得到與上述第1方面同樣的效果。
此外，也可以還具有換置器收容部，該換置器收容部與上述高溫空間部和上述低溫空間部相鄰設(shè)置，與上述高溫空間部和上述低溫空間部的各空間部連通、并收容可往復(fù)動(dòng)的上述換置器。
根據(jù)上述構(gòu)成，可以得到與上述第1方面同樣的效果。
此外，也可以是上述換置器包括相互以180度的相位差進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)活塞，在上述高溫空間部和上述低溫空間部的各空間部中分別配置一個(gè)上述換置器。
根據(jù)上述構(gòu)成，可以得到與上述第1方面同樣的效果。
此外，也可以使上述兩個(gè)動(dòng)力活塞中的任一方與上述兩個(gè)換置器中的任一方相互為一體。
根據(jù)上述構(gòu)成，實(shí)質(zhì)上可以減少一個(gè)活塞，結(jié)構(gòu)簡化，還可以減少工作氣體的泄漏損失或機(jī)械損失。
此外，也可以將上述兩個(gè)動(dòng)力活塞中的另一方與上述兩個(gè)換置器中的另一方設(shè)置成可密封相互間地相對(duì)移動(dòng)。
根據(jù)上述構(gòu)成，由于將動(dòng)力活塞與換置器構(gòu)成為可密封相互間地進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，所以密封部處的滑動(dòng)距離可以很短，可以提高密封的耐久性。
此外，也可以在熱機(jī)單元的排列方向上層疊多個(gè)分別具有上述換置器和上述動(dòng)力活塞的熱機(jī)單元，在相鄰的上述熱機(jī)單元相互間配置由上述各熱機(jī)單元相互共用的一個(gè)換置器或動(dòng)力活塞。
根據(jù)上述構(gòu)成，相鄰的熱機(jī)單元相互共用活塞，可以既謀求結(jié)構(gòu)的簡化，又在把該熱機(jī)用作發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)，通過適當(dāng)層疊標(biāo)準(zhǔn)化的組件而可容易得到所需的輸出能量。進(jìn)而，通過適當(dāng)組合熱泵循環(huán)或冷凍循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于多樣的熱源和輸出溫度的復(fù)合循環(huán)。
此外，也可以是在上述動(dòng)力活塞與上述換置器的至少一方連接壓縮機(jī)。
根據(jù)上述構(gòu)成，通過使熱機(jī)與壓縮機(jī)為一體結(jié)構(gòu)，與將兩者分開設(shè)置的情況相比，能用較少的零件數(shù)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，可以得到把機(jī)械損失抑制到最小限度的系統(tǒng)。
此外，也可以是上述高溫空間部和上述低溫空間部的至少一方包括可上下伸縮的波紋管。
根據(jù)上述構(gòu)成，由于高溫空間部和低溫空間部的至少一方與換置器由可上下伸縮的波紋管連接，所以不需要換置器的滑動(dòng)部，也不需要考慮密封性，可以用更簡單的結(jié)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第2方面，主要是一種熱機(jī)，其包括高溫空間部和低溫空間部，保持著具有相互不同的溫度區(qū)域的工作氣體；再生器，設(shè)在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間；1個(gè)動(dòng)力活塞，使上述高溫空間部和上述低溫空間部中任一空間部的上述工作氣體的容積發(fā)生變化、并且承受上述工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力；換置器，在上述高溫空間部和上述低溫空間部的各空間部中各配置一個(gè)，使上述工作氣體在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間進(jìn)行移動(dòng)，該換置器的受壓面積大于上述動(dòng)力活塞的受壓面積；兩個(gè)動(dòng)力活塞，設(shè)于上述換置器，相互以180度相位差進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，利用上述再生器兩側(cè)的上述高溫空間部和上述低溫空間部的容積變化與上述工作氣體的移動(dòng)來進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。
根據(jù)本發(fā)明的第2方面，除了上述第1方面的效果之外，通過相對(duì)配置兩個(gè)換置器，通過用活塞相互連接可以實(shí)現(xiàn)180度相位差。此外，即使使用大面積的換置器也可以不把工作氣體的壓力變化傳遞到軸系地而用活塞吸收，可以將動(dòng)力活塞的活塞力保持得較小。因而，可以把機(jī)械損失抑制到最小。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
圖2是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
圖3是本發(fā)明的第3實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
圖4是本發(fā)明的第4實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
圖5是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
圖6是本發(fā)明的第6實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
圖7是本發(fā)明的第7實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
圖8是本發(fā)明的第8實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式的斯特林循環(huán)。在以下的附圖的記載中，對(duì)同一或類似的部分標(biāo)注同一或類似的附圖標(biāo)記。在下述的實(shí)施方式的說明中，有時(shí)對(duì)于在前面的實(shí)施方式的說明中已經(jīng)說明過的具有同一附圖標(biāo)記的部分省略其說明。
圖1是表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式的作為熱機(jī)的斯特林循環(huán)的剖視圖。在外殼主體21的上部開口安裝蓋23、在該外殼主體21的下部開口安裝曲軸箱25，從而構(gòu)成外殼27。在外殼主體21的圖中上下方向的大致中央的換熱器殼體部21a中收容固定有換熱器單元29。換熱器單元29在中央設(shè)有作為相互不同的溫度區(qū)域的邊界的再生器31，在該再生器31上下兩側(cè)分別設(shè)有吸熱器33和散熱器35。
吸熱器33具有沿圖中正交于紙面的方向延長的傳熱管33a，在該傳熱管33a內(nèi)流動(dòng)著高溫的傳熱流體，在該傳熱管33a的周圍安裝有多個(gè)翅片。散熱器35也同樣，具有沿圖中正交于紙面的方向延長的傳熱管35a，在該傳熱管35a內(nèi)流動(dòng)著低溫的傳熱流體，在該傳熱管35a的周圍安裝有多個(gè)翅片。另一方面，再生器31是層疊金屬網(wǎng)等而構(gòu)成。
在吸熱器33的上部側(cè)的外殼主體21的高溫側(cè)缸體部21b內(nèi)，收容有沿圖中的上下方向可移動(dòng)的高溫側(cè)動(dòng)力活塞37，在散熱器35的下部側(cè)的外殼主體21的低溫側(cè)缸體部21c內(nèi)，收容有沿圖中的上下方向可移動(dòng)的低溫側(cè)動(dòng)力活塞39。
高溫側(cè)動(dòng)力活塞37通過相對(duì)于換熱器單元29和低溫側(cè)動(dòng)力活塞39可相對(duì)移動(dòng)地貫通該換熱器單元29和低溫側(cè)動(dòng)力活塞39的多個(gè)活塞桿41連接于曲軸53的曲柄銷53a。另一方面，低溫側(cè)動(dòng)力活塞39通過一根活塞桿57連接于曲軸53的曲柄銷53b。
這種高溫側(cè)動(dòng)力活塞37與低溫側(cè)動(dòng)力活塞39連接于曲軸53，以使得成為能夠以相互相位差為90度地進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)。
高溫側(cè)動(dòng)力活塞37和低溫側(cè)動(dòng)力活塞39構(gòu)成分別對(duì)后述的高溫空間45和低溫空間47使工作氣體的容積發(fā)生變化，并且承受工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力的動(dòng)力活塞。
由外殼主體21和各動(dòng)力活塞37、39所圍成的區(qū)域，成為以密封狀態(tài)封入氦等工作氣體而成的工作氣體空間。
在吸熱器33與高溫側(cè)動(dòng)力活塞37之間，形成由吸熱器33所加熱的工作氣體發(fā)生膨脹的高溫空間45，在散熱器35與低溫側(cè)動(dòng)力活塞39之間，形成由散熱器35所散熱的工作氣體被壓縮的低溫空間47。通過在該高溫空間45與低溫空間47之間，使工作氣體相互移動(dòng)而反復(fù)進(jìn)行工作氣體的膨脹·壓縮，從而進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。
與外殼主體21相鄰地設(shè)置換置器缸體體201。在換置器缸體201內(nèi)收容可移動(dòng)的換置器203。換置器203的上下兩側(cè)的空間205、207分別通過連通管209、210而與高溫空間45、低溫空間47連通。
換置器203通過連接桿213連接于曲軸53的曲柄銷53c。這種換置器203使工作氣體在高溫空間45和低溫空間47相互間不產(chǎn)生壓力差地進(jìn)行移動(dòng)。
通過將基于工作氣體的壓力變化的各動(dòng)力活塞37、39的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸53的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而取出到外部，從而該斯特林循環(huán)成為發(fā)動(dòng)機(jī)，相反從外部利用電動(dòng)機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件使曲軸53旋轉(zhuǎn)而使動(dòng)力活塞37、39進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，從而該斯特林循環(huán)成為通過在貫通吸熱器33和散熱器35的傳熱管33a、35a內(nèi)流過的傳熱流體而向外部供給熱或冷的熱泵或冷凍機(jī)。
在第1實(shí)施方式的斯特林循環(huán)中，在具有對(duì)于高溫空間和低溫空間的各空間分別使其工作氣體的容積產(chǎn)生變化、并且承受工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力的高溫側(cè)動(dòng)力活塞37和低溫側(cè)動(dòng)力活塞39的α型結(jié)構(gòu)中，設(shè)有獨(dú)立的換置器203。由此，雖然變得不是完全掃氣，但是由于具有α型的要素，所以與γ型結(jié)構(gòu)相比，死空間可以較少，為了得到適合溫差所必需的熱交換量，可以確保充分的氣體移動(dòng)流量。此外，由于是利用高溫側(cè)動(dòng)力活塞37與低溫側(cè)動(dòng)力活塞39的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行容積變化，用這些各動(dòng)力活塞37、39分散地承受活塞力，所以可以將其整體抑制得較小。
圖2是本發(fā)明的第2實(shí)施方式的作為熱機(jī)的斯特林循環(huán)的剖視圖。第2實(shí)施方式中，設(shè)有與圖1所示的外殼主體21及蓋23成一體的第2外殼主體210和第2蓋230。第2外殼主體210的圖中上下方向大致中央的換熱器殼體部210a中，收容固定有在換熱器殼體部210a與上述換熱器殼體部21a之間范圍配置的換熱器單元290。換熱器單元290在中央設(shè)有再生器310，在該再生器310的上下兩側(cè)分別設(shè)有吸熱器330和散熱器350。
吸熱器330具有沿圖中正交于紙面的方向延長的傳熱管330a，在該傳熱管330a內(nèi)流動(dòng)著高溫的傳熱流體，在該傳熱管330a的周圍安裝有多個(gè)翅片。散熱器350也是同樣，具有沿圖中正交于紙面的方向延長的傳熱管350a，在該傳熱管350a內(nèi)流動(dòng)著低溫的傳熱流體，在該傳熱管350a的周圍安裝有多個(gè)翅片。另一方面，再生器310是層疊金屬網(wǎng)等而構(gòu)成的。
在第2外殼主體210內(nèi)的高溫側(cè)缸體部210b內(nèi)收容有在上下方向可移動(dòng)的第1換置器215，在低溫側(cè)缸體部210c內(nèi)收容有在上下方向可移動(dòng)的第2換置器217。
具有外殼主體21和第2外殼主體210等的外殼270，其高溫側(cè)缸體部21b、210b、低溫側(cè)缸體部21c、210c全都為圓筒形狀，換熱器殼體部21a、210a為了在兩個(gè)外殼部21a、210a之間范圍收容換熱器單元290，俯視中呈大致四方形。
第1換置器215、第2換置器217彼此通過相對(duì)于換熱器單元290可移動(dòng)地貫通該換熱器單元290的多個(gè)桿219連接，兩者成為一體地進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。因而，第1換置器215、第2換置器217由相互以180度相位差進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)活塞構(gòu)成。
第1換置器215與換熱器單元290之間的空間221通過連通路223而連通于高溫空間45，第2換置器217與換熱器單元290之間的空間225通過連通路227而與低溫空間47連通。因而，各空間221、225分別是高溫空間45、低溫空間47的一部分，因此，第1換置器215、第2換置器217分別配置于高溫空間45、低溫空間47。
第2換置器217通過多個(gè)桿228連接于曲軸53的曲柄銷53d。
在上述第2實(shí)施方式的斯特林循環(huán)中，除了第1實(shí)施方式的效果，由于第1換置器215、第2換置器217由相互以180度相位差來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)活塞構(gòu)成，分別配置于高溫空間45側(cè)、低溫空間47側(cè)，所以可以更加減小死容積，也可減小壓力損失。
此外，通過相對(duì)配置該第1換置器215、第2換置器217，用桿219相互連接從而可達(dá)到180度相位差，即使使用大面積的換置器也可以不將工作氣體的壓力變化傳遞到軸系(曲軸53)而用桿219來吸收，可以將活塞力保持得較小。因而，可以把機(jī)械損失抑制到最小。
另外，在第2實(shí)施方式中，可以使第1換置器215、第2換置器217中任一方、例如第1換置器215與高溫側(cè)、低溫側(cè)動(dòng)力活塞37、39中任一方、例如高溫側(cè)動(dòng)力活塞37相互成為一體。該情況下的外殼270被做成為將收容相互一體化的第1換置器215和高溫側(cè)動(dòng)力活塞37的高溫側(cè)缸體部21b、210b、與換熱器殼體部21a、210a連接起來的一個(gè)圓筒形狀。
由此，對(duì)圖2的構(gòu)成，實(shí)質(zhì)上可以減少一個(gè)活塞，可以簡化結(jié)構(gòu)，還可以減少工作氣體的泄漏損失或機(jī)械損失。
圖3是第3實(shí)施方式的作為熱機(jī)的斯特林循環(huán)的剖視圖。第3實(shí)施方式，與圖1所示的第1實(shí)施方式同樣，在外殼主體21的上部開口上安裝蓋23，在該外殼主體21的下部開口安裝曲軸箱25而構(gòu)成外殼27。在外殼主體21的圖中上下方向大致中央的換熱器殼體部21a中，收容固定有換熱器單元29。換熱器單元29在中央設(shè)有再生器31，在再生器31的上下兩側(cè)分別設(shè)有吸熱器33和散熱器35。
吸熱器33具有沿圖中正交于紙面的方向延長的傳熱管33a，在該傳熱管33a內(nèi)流動(dòng)著高溫的傳熱流體，在該傳熱管33a的周圍安裝有多個(gè)翅片。散熱器35也是同樣，具有沿圖中正交于紙面的方向延長的傳熱管35a，在該傳熱管35a內(nèi)流動(dòng)著低溫的傳熱流體，在該傳熱管35a的周圍安裝有多個(gè)翅片。另一方面，再生器31是層疊金屬網(wǎng)等而構(gòu)成的。
在吸熱器33的上部側(cè)的外殼主體21的高溫側(cè)缸體部21b內(nèi)收容沿圖中上下方向可移動(dòng)的第1換置器370，在散熱器35的下部側(cè)的外殼主體21的低溫側(cè)缸體部21c內(nèi)收容沿圖中上下方向可移動(dòng)的第2換置器390。第1換置器370與第2換置器390由貫通換熱器單元29的多個(gè)活塞桿41連接，兩者成為一體地進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。因而，第1換置器370、第2換置器390由相互以180度相位差進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)活塞構(gòu)成。
外殼主體21和各換置器370、390所圍成的區(qū)域成為以密閉狀態(tài)封入氦等工作氣體而成的工作氣體空間。
在吸熱器33與第1換置器370之間，形成由吸熱器33加熱的工作氣體發(fā)生膨脹的高溫空間45，在散熱器35與第2換置器390之間，形成由散熱器35散熱的工作氣體被壓縮的低溫空間47。通過在該高溫空間45與低溫空間47之間，使工作氣體相互移動(dòng)而反復(fù)進(jìn)行工作氣體的膨脹·壓縮，從而進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。
第2換置器390通過多個(gè)活塞桿55與可旋轉(zhuǎn)地支承于曲軸箱25內(nèi)的曲軸53的曲柄銷53e連接。
此外，在低溫空間47設(shè)置通過連通路58連通到外部的缸體部60，在該缸體部60內(nèi)收容有動(dòng)力活塞51。動(dòng)力活塞51通過連接桿56連接于曲軸53的曲柄銷53f。這里的動(dòng)力活塞51連接于曲軸53，以使得相對(duì)于第2換置器390能以90度相位差進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)。此外，使第1換置器370、第2換置器390的受壓面積比動(dòng)力活塞51大。
而且，曲軸箱25形成為覆蓋動(dòng)力活塞51的背部和第2換置器390的背部，從而形成緩沖空間66。緩沖空間66是為了使工作氣體空間的壓力高于大氣壓而設(shè)置的，工作氣體空間的壓力與緩沖空間66內(nèi)的壓力的壓差作用于動(dòng)力活塞51，由此動(dòng)力活塞51所承受的負(fù)載減少。
在第3實(shí)施方式的斯特林循環(huán)中，在第1換置器370與第2換置器390以180度相位差進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)時(shí)，動(dòng)力活塞51進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)而使工作氣體空間的容積發(fā)生變化，從而與第1換置器370與第2換置器390實(shí)質(zhì)上以180度以外的相位差進(jìn)行的動(dòng)作等價(jià)。通過由工作氣體空間的容積變化引起的工作氣體的膨脹·壓縮，進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換，此時(shí)，工作氣體依次往復(fù)流動(dòng)通過吸熱器33、再生器31和散熱器35時(shí)，與由吸熱器33和散熱器35進(jìn)行熱交換的同時(shí)，進(jìn)行通過再生器31的工作氣體的移動(dòng)。
這樣一來，在使第1換置器370與第2換置器390實(shí)質(zhì)上以180度以外的例如150度左右的相位差進(jìn)行工作時(shí)，由于動(dòng)力活塞51的行程容積小于各換置器370、390的行程容積，所以高溫空間與低溫空間的容積變化的相位差實(shí)質(zhì)上可以加大。由此，由于動(dòng)力活塞51只要連接于曲軸53使得相對(duì)于第1換置器370成為能夠以90度相位差進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)即可，所以曲軸53的設(shè)定是容易的，即使是低溫差型的斯特林循環(huán)，也可以做成與高溫差型同樣的容易制作的曲軸。
此外，在該情況下，即使使換熱器單元29薄型化、并加大表面積來謀求小型化，由于是第1換置器370與第2換置器390的相位差為180度、也就是各換置器370、390相互一體地移動(dòng)的構(gòu)成，所以高溫空間45與低溫空間47之間的工作氣體的移動(dòng)變得可靠，此外流路阻力和壓力損失也降低，所以高速旋轉(zhuǎn)變得容易。通過實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)和小型化，特別最適于能夠有效利用地?zé)岬茸匀荒芰炕蚬I(yè)廢熱的低溫差型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。
此外，即使隨著換熱器單元29的薄型化而各換置器370、390的表面積變大，由于第1換置器370與第2換置器390是用多個(gè)活塞桿41來連接，而且第2換置器390連接于曲軸53，所以施加于曲軸53的載荷可以很小，由此曲軸53所需的強(qiáng)度可以小，也可以將機(jī)械損失抑制得很小。
在第3實(shí)施方式的斯特林循環(huán)中，除了第1實(shí)施方式中的效果之外，通過相對(duì)配置該第1換置器370、第2換置器390，通過可以相互用活塞桿41連接來實(shí)現(xiàn)180度相位差，即使使用大面積的換置器也可以不將工作氣體的壓力變化傳遞到軸系(曲軸53)而用活塞桿41吸收，可以將動(dòng)力活塞51的活塞力保持得較小。因此，可以將機(jī)械損失抑制到最小。
圖4是本發(fā)明的第4實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。第4實(shí)施方式，在第2換置器390的中央部形成與低溫空間47連通的缸體部49，在缸體部49內(nèi)收容圖3所示的第3實(shí)施方式的可上下移動(dòng)的動(dòng)力活塞51。
也就是說，在第4實(shí)施方式中，將動(dòng)力活塞51與第2換置器390構(gòu)成為可相互間密封地相對(duì)移動(dòng)。
另一方面，第2換置器390通過多個(gè)活塞桿55連接于支承于曲軸箱25內(nèi)的曲軸53的曲柄銷53a。此外，動(dòng)力活塞51通過活塞桿57連接于曲柄銷53b。這里的動(dòng)力活塞51連接于曲軸53以使得相對(duì)于第2換置器390能以90度相位差相對(duì)移動(dòng)。
在第4實(shí)施方式中，除了第3實(shí)施方式的效果之外，由于將動(dòng)力活塞51與第2換置器390構(gòu)成為可相互間密封地相對(duì)移動(dòng)，所以密封部處的滑動(dòng)距離可以很短，提高了密封的耐久性。
此外，通過在第2換置器390內(nèi)形成缸體部49，可以謀求空間的有效利用，可使整個(gè)裝置的小型化。
圖5是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的簡化剖視圖。第5實(shí)施方式，是相對(duì)于在圖中依次排列上部的第1換置器370、換熱器單元29、第2換置器390的與圖4相同的構(gòu)成，在第2換置器390的下部依次排列第2換熱器單元59、第3活塞61、第3換熱器單元63、第4活塞65。
第1換置器370與第2換置器390，與圖4相同，由多個(gè)活塞桿41連接。進(jìn)而第2換置器390與第3活塞61由貫通第2換熱器單元59的多個(gè)桿42連接，并且第3活塞61與第4活塞65由貫通第3換熱器單元63的多個(gè)桿44連接。此外，第4活塞65通過活塞桿55連接于曲軸53。因而，第1換置器370、第2換置器390、第3活塞61、第4活塞65成為以相互相位差為180度、一體地進(jìn)行動(dòng)作。
此外，設(shè)在第2換置器390的動(dòng)力活塞51、與設(shè)在第4活塞65上的動(dòng)力活塞51，通過貫通第2換熱器單元59、第3活塞61和第3換熱器單元63的桿52連接，設(shè)在第4活塞65的動(dòng)力活塞51通過活塞桿57連接于曲軸53。各動(dòng)力活塞51相對(duì)于第1換置器370、第2換置器390、第3活塞61、第4活塞65以90度的相位差進(jìn)行動(dòng)作。
在該情況下，如果把第1換置器370、換熱器單元29和第2換置器390作為一個(gè)循環(huán)單元S1，則與其相鄰的循環(huán)單元S2由第2換置器390、第2換熱器單元59和第3活塞61構(gòu)成，循環(huán)單元S1與循環(huán)單元S2共用第2換置器390。此外，與循環(huán)單元S2相鄰的循環(huán)單元S3由第3活塞61、第3換熱器單元63和第4活塞65構(gòu)成，循環(huán)單元S2與循環(huán)單元S3共用第3活塞61。
循環(huán)單元S1、S2、S3構(gòu)成熱機(jī)。
像這樣相鄰的循環(huán)單元相互共用活塞，可以既謀求結(jié)構(gòu)的簡化，又在將該循環(huán)單元用作發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)，通過適當(dāng)層疊標(biāo)準(zhǔn)化的組件，可容易地得到所需的輸出能量。進(jìn)而，通過適當(dāng)組合熱泵循環(huán)或冷凍循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于多樣的熱源和輸出溫度的復(fù)合循環(huán)。
再者，雖然在圖5的例子中，將循環(huán)單元取為S1～S3這三個(gè)，但是也可以把它們進(jìn)一步增加到四個(gè)、五個(gè)。
圖6是本發(fā)明的第6實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。第6實(shí)施方式把由再生器31、吸熱器33和散熱器35組成的換熱器單元29收容于換熱器殼體67中。此外，在換熱器殼體67的上部的開口部周緣上安裝波紋管69的下端開口部周緣，在換熱器殼體67的下部的開口部上安裝波紋管71的上端開口部。
而且，波紋管69的上部的開口部周緣安裝于第1換置器370的外周緣部，波紋管71的下部的開口部周緣安裝于第2換置器390的外周緣部。此外，在第2換置器390的下部安裝形成緩沖空間72的下蓋73。活塞桿55和57相對(duì)于下蓋73保持密封性地貫通下蓋73。
進(jìn)而，在換熱器殼體67的外周上固定有圓筒狀的支承外殼74的上端內(nèi)周部，在支承外殼74的下端可旋轉(zhuǎn)地支承曲軸53。
在該例子中，也是第1換置器370與第2換置器380由活塞桿41相互連接。因而，各換置器370、390相互成為一體地以180度的相位差進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。此外，動(dòng)力活塞51相對(duì)于第2換置器390以90度的相位差進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，使工作氣體空間的容積發(fā)生變化，由此各換置器370、390實(shí)質(zhì)上以180度以外的相位差進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。
而且，在該情況下，由于換熱器殼體67與各換置器370、390由可上下伸縮的波紋管69、71連接，所以不需要各換置器370、390的滑動(dòng)部，也不需要考慮密封性，可以用更簡化的結(jié)構(gòu)。
圖7是本發(fā)明的第7實(shí)施方式的斯特林循環(huán)的剖視圖。第7實(shí)施方式是在設(shè)于第1換置器75的缸體部77中設(shè)定動(dòng)力活塞51。一端連接于動(dòng)力活塞51的連接桿79，另一端貫通換熱器單元29和第2換置器81連接于曲軸53。此外，在第1換置器75上密閉地安裝有形成緩沖空間82的上蓋83。
在本例子中，也是第1換置器75與第2換置器81由活塞桿41相互連接。因而，各換置器75、81相互成為一體地以180度的相位差進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。而且，動(dòng)力活塞51相對(duì)于第1換置器75以90度相位差進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，從而使工作氣體空間的容積發(fā)生變化，由此高溫空間45與低溫空間47實(shí)質(zhì)上以180度以外的相位差發(fā)生容積變化。
再者，在圖4所示的第4實(shí)施方式中，也像圖7的例子那樣，也可以把動(dòng)力活塞51設(shè)在第1換置器370。此外，在圖4所示的第4實(shí)施方式、圖6所示的第6實(shí)施方式、圖7所示的第7實(shí)施方式的任一實(shí)施方式中，也可以是動(dòng)力活塞51設(shè)在第1換置器370、75與第2換置器390、81的雙方。在該情況下，成為由貫通換熱器單元29的連接桿相互連接兩個(gè)動(dòng)力活塞51的構(gòu)成。即，兩個(gè)動(dòng)力活塞51同步地進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。
進(jìn)而，在圖3所示的第3實(shí)施方式中，也可以取代在低溫空間47側(cè)設(shè)置動(dòng)力活塞51，而是通過連通路在高溫空間45設(shè)置缸體部，可以在該缸體部內(nèi)收容動(dòng)力活塞51，也可以在低溫空間47和高溫空間45這雙方設(shè)置動(dòng)力活塞51。
此外，在圖5所示的第5實(shí)施方式中，也可以取代在第2換置器390與第4活塞65上分別設(shè)置動(dòng)力活塞51，而可以在第1換置器370與第3活塞61上分別設(shè)置動(dòng)力活塞51，另外也可以在換置器370、390，活塞61、65的所有部件上全都設(shè)置動(dòng)力活塞51。
圖8示出第8實(shí)施方式。第8實(shí)施方式相對(duì)于圖4所示的第4實(shí)施方式，在第1換置器370上連接壓縮機(jī)229。即，在第1換置器370通過活塞桿231連接活塞233，在壓縮機(jī)用缸體部235內(nèi)收容可移動(dòng)的活塞233。壓縮機(jī)用缸體部235固定于蓋23。在壓縮機(jī)用缸體部235的圖8中上部設(shè)置閥機(jī)構(gòu)237，通過活塞233隨著第1換置器370的移動(dòng)而進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起到壓縮機(jī)的作用。
這樣一來，在圖8所示的第8實(shí)施方式中，使作為熱機(jī)的斯特林循環(huán)與壓縮機(jī)229為一體結(jié)構(gòu)。由此，與將兩者分開設(shè)置的情況相比，能用較少的零件數(shù)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，可以得到把機(jī)械損失抑制到最小限度的系統(tǒng)。
如上所述，由實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此，各部的構(gòu)成可以置換成具有同樣的功能的任意構(gòu)成。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性可以提供一種滿足增多通過再生器的氣體量、活塞力小、死空間也小這樣條件的熱機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種熱機(jī)，具有高溫空間部和低溫空間部，保持有具有相互不同的溫度區(qū)域的工作氣體；再生器，設(shè)在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間；兩個(gè)動(dòng)力活塞，分別使上述高溫空間部和上述低溫空間部的的上述工作氣體的容積發(fā)生變化、并且承受上述工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力；以及換置器，使上述工作氣體在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間進(jìn)行移動(dòng)，利用上述再生器兩側(cè)的上述高溫空間部和上述低溫空間部的容積變化與上述工作氣體的移動(dòng)來進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機(jī)，上述兩個(gè)動(dòng)力活塞具有與上述再生器相對(duì)的受壓面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機(jī)，還具有換置器收容部，該換置器收容部與上述高溫空間部和上述低溫空間部相鄰設(shè)置，分別與上述高溫空間部和上述低溫空間部連通、并收容可往復(fù)動(dòng)的上述換置器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機(jī)，上述換置器包括相互以180度的相位差進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)活塞，在上述高溫空間部和上述低溫空間部中分別配置一個(gè)上述換置器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱機(jī)，使上述兩個(gè)動(dòng)力活塞中的任一動(dòng)力活塞與上述兩個(gè)換置器中的任一換置器相互為一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱機(jī)，將上述兩個(gè)動(dòng)力活塞中的另一方與上述兩個(gè)換置器中的另一方設(shè)置成可密封相互間地相對(duì)移動(dòng)。
7.一種熱機(jī)，具有高溫空間部和低溫空間部，保持有具有相互不同的溫度區(qū)域的工作氣體；再生器，設(shè)在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間；
1個(gè)動(dòng)力活塞，使上述高溫空間部和上述低溫空間部中任一空間部的上述工作氣體的容積發(fā)生變化、并且承受上述工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力；換置器，在上述高溫空間部和上述低溫空間部中各配置一個(gè)，使上述工作氣體在上述高溫空間部與上述低溫空間部之間進(jìn)行移動(dòng)，該換置器的受壓面積大于上述動(dòng)力活塞的受壓面積；兩個(gè)動(dòng)力活塞，設(shè)于上述換置器，相互以180度相位差進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，利用上述再生器兩側(cè)的上述高溫空間部和上述低溫空間部的容積變化與上述工作氣體的移動(dòng)來進(jìn)行熱與動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機(jī)，在熱機(jī)單元的排列方向上層疊多個(gè)分別具有上述換置器和上述動(dòng)力活塞的熱機(jī)單元，在相鄰的上述熱機(jī)單元相互間配置由上述各熱機(jī)單元相互共用的一個(gè)換置器或動(dòng)力活塞。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱機(jī)，在熱機(jī)單元的排列方向上層疊多個(gè)分別具有上述換置器和上述動(dòng)力活塞的熱機(jī)單元，在相鄰的上述熱機(jī)單元相互間配置由上述各熱機(jī)單元相互共用的一個(gè)換置器或動(dòng)力活塞。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機(jī)，在上述動(dòng)力活塞與上述換置器的至少一方連接壓縮機(jī)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱機(jī)，在上述動(dòng)力活塞與上述換置器的至少一方連接壓縮機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱機(jī)，上述高溫空間部和上述低溫空間部的至少一方包括可上下伸縮的波紋管。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱機(jī)，上述高溫空間部和上述低溫空間部的至少一方包括可上下伸縮的波紋管。
全文摘要
分別隔成高溫空間(45)和低溫空間(47)的高溫側(cè)動(dòng)力活塞(37)和低溫側(cè)動(dòng)力活塞(39)構(gòu)成分別使高溫空間(45)和低溫空間(47)的工作氣體的容積發(fā)生變化、并且承受工作氣體的壓力變化而傳遞動(dòng)力的動(dòng)力活塞?？梢苿?dòng)地收容于換置器缸體(201)內(nèi)的換置器(203)使工作氣體相對(duì)于高溫空間(45)和低溫空間(47)相互間不發(fā)生壓力差地進(jìn)行移動(dòng)。
文檔編號(hào)F02G1/053GK101044311SQ20058003597
公開日2007年9月26日 申請(qǐng)日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月21日
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