專利名稱：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及斯特林制冷機(jī)、斯特林發(fā)電機(jī)等斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。
背景技術(shù)：
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，由于不使用氟利昂而使用氦、氫、氮等作為工作氣 體，所以作為不導(dǎo)致臭氧層破壞的熱機(jī)而受到關(guān)注。作為制冷機(jī)而使用 的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，在壓力容器內(nèi)借助線性馬達(dá)等動(dòng)力源令活塞往復(fù)運(yùn) 動(dòng)，并令置換器相對(duì)于該活塞以既定的相位差而同步地往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊?和置換器令工作氣體在壓縮空間和膨脹空間之間進(jìn)出，形成斯特林循環(huán) (制冷機(jī)的情況下，為逆斯特林循環(huán))。在壓縮空間中基于等溫壓縮變化 而使工作氣體的溫度上升，在膨脹空間中基于等溫膨脹變化而使工作氣 體的溫度降低。由此，壓縮空間的溫度上升，膨脹空間的溫度降低。若 經(jīng)由高溫傳熱頭令壓縮空間(高溫空間)的熱散出，則可經(jīng)由低溫傳熱 頭將外部的熱吸收到膨脹空間(低溫空間)中。
進(jìn)而，若令活塞連續(xù)地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則形成在收納活塞的缸體的外周 側(cè)的背壓空間的內(nèi)壓慢慢上升，背壓空間和壓縮空間之間的壓力平衡被 破壞，引起活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中心位置從初期位置向壓縮空間側(cè)偏離的現(xiàn) 象。若對(duì)該現(xiàn)象放置不理，則活塞到達(dá)物理運(yùn)動(dòng)極限位置、或引起活塞 與置換器的碰撞。
為了避免這樣的現(xiàn)象，進(jìn)行了下述設(shè)計(jì)，即，在活塞上設(shè)置連結(jié)其 外周的滑動(dòng)面和壓縮空間的流路，在缸體上設(shè)置連結(jié)其內(nèi)周的滑動(dòng)面和 背壓空間的流路，并在活塞到達(dá)某位置時(shí)兩流路連通，保持背壓空間和 壓縮空間之間的壓力平衡。這樣的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的例子在專利文獻(xiàn)1中 可見。
此外，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞多由線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。線性馬達(dá)具有外磁 軛以及內(nèi)磁軛、和配置在它們之間的永久磁體，通過(guò)令發(fā)生在外磁輒和 內(nèi)磁軛之間的磁場(chǎng)的磁通密度與永久磁體的磁通密度重合，可令磁通密 度產(chǎn)生疏密，借助此時(shí)起作用的力而令永久磁體運(yùn)動(dòng)。在該永久磁體上 連結(jié)活塞，令活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。具有這樣的活塞驅(qū)動(dòng)機(jī)理的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 的例子在專利文獻(xiàn)2中可見。
專利文獻(xiàn)l:特開2002-130853號(hào)公報(bào)(第3頁(yè)-笫4頁(yè)、圖1、圖
11)
專利文獻(xiàn)2:特開2003-185284號(hào)公報(bào)(第2頁(yè)-第3頁(yè)、圖9 ) 在采用通過(guò)線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)活塞的構(gòu)成時(shí)，在缸體的外周面上安裝線 性馬達(dá)的內(nèi)磁軛。這樣安裝的內(nèi)磁軛由于設(shè)置在缸體上而對(duì)用于實(shí)現(xiàn)背 壓空間和壓縮空間之間的壓力平衡的流路產(chǎn)生妨礙。也可以避開流路的 方式配置線性馬達(dá)，但這樣的話缸體自身必須加長(zhǎng)，缸體的材料成本和 加工成本上升，此外，還存在導(dǎo)致斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)大型化的問(wèn)題。此外， 若不僅缸體，活塞也必須加長(zhǎng)，則活塞材料成本和加工成本也上升。將 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用作發(fā)電機(jī)、在缸體的外周面上安裝發(fā)電機(jī)的內(nèi)磁軛的情 況也產(chǎn)生同樣的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題點(diǎn)提出的，目的在于，在構(gòu)成為通過(guò)令設(shè) 置在活塞上的流路和設(shè)置在缸體上的流路一致而保持斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的 背壓空間和壓縮空間之間的壓力平衡的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，當(dāng)在缸體的 外周面上安裝線性馬達(dá)或者發(fā)電機(jī)的內(nèi)磁軛時(shí)不會(huì)導(dǎo)致缸體的變長(zhǎng)變 大。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是一種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，具有在缸體內(nèi) 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、和相對(duì)于該活塞以既定的相位差往復(fù)運(yùn)動(dòng)的置換 器，使工作氣體在形成于上述置換器的一端側(cè)的壓縮空間和形成于上 述置換器的另一端側(cè)的膨脹空間之間移動(dòng)，其特征在于，為了實(shí)現(xiàn)形 成在上述缸體的外周側(cè)的背壓空間和上述壓縮空間的壓力平衡，在上 述活塞上從壓縮空間側(cè)端面到外周面形成笫1流路，在上述缸體上形 成有在上述活塞到達(dá)既定位置時(shí)令上述第1流路和上述背壓空間連通 的第2流路，上述第2流路包括設(shè)置在上述缸體壁上的沿徑向貫通的 貫通孔、和形成在安裝于上述缸體的外周面上的內(nèi)磁軛和上述缸體的 外周面之間的連通通路。
才艮據(jù)該構(gòu)成，由于可在缸體上重疊設(shè)置內(nèi)磁軛和貫通孔，所以沒 有必要像勉強(qiáng)避免內(nèi)磁軛和貫通孔的重合的情況那樣令缸體加大加 長(zhǎng)。因此，缸體的材料成本和加工成本不會(huì)上升。同時(shí)可避免活塞的
加長(zhǎng)加大、和與之相伴的活塞的材料成本和加工成本的上升。由于缸 體和活塞沒有加長(zhǎng)加大，所以不用令斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼(容器)大
型化，可降低外殼的材料成本。此外，由于上述那樣地構(gòu)成第2流路 不會(huì)對(duì)通過(guò)該處的氣體量產(chǎn)生影響，所以斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的性能沒有改 變。
此外，本發(fā)明，在上述構(gòu)成的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，其特征在于，上 述連通通路由形成在上述缸體的外周面上的槽構(gòu)成。
根據(jù)該構(gòu)成，可僅通過(guò)對(duì)缸體實(shí)施開孔加工和雕槽加工來(lái)形成第 2流路。內(nèi)磁軛使用燒結(jié)成型混合了軟磁性鐵粉和樹脂的材料而成的 磁軛，與在該內(nèi)磁軛上加工槽形的情況相比，槽加工容易，并且易于 改變槽的形狀。即易于得到最佳形狀的槽。
根據(jù)本發(fā)明，為了實(shí)現(xiàn)背壓空間和上述壓縮空間之間的壓力平 衡，在活塞上從壓縮空間側(cè)端面到外周面上形成第1流路，并在缸體 上形成有在活塞到達(dá)既定位置時(shí)連通第1流路和背壓空間的第2流 路，上述第2流路包括設(shè)置在上述缸體壁上的沿徑向貫通的貫通孔、 和在安裝于上述缸體的外周面上的內(nèi)磁軛和上述缸體的外周面之間形 成的連通通路，所以，沒有必要像勉強(qiáng)避免內(nèi)磁扼和貫通孔的重合的 情況那樣令缸體加大加長(zhǎng)。由此，可防止缸體以及活塞成本升高、和 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的大型化。


圖l是本發(fā)明的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖。 圖2是缸體部分的示意性俯視圖。
圖3是表示沒有實(shí)施本發(fā)明的情況下的缸體部分的示意性俯視圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明 1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 10 缸體 12 活塞 13置換器 20 線性馬達(dá) 23 內(nèi)磁輒
45 壓縮空間 46膨脹空間 50壓力容器 51背壓空間
70 第1流路
75 第2流路
76 貫通孔
77 連通通路
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1說(shuō)明本發(fā)明的第1實(shí)施方式。圖1是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視 圖。另外，該斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用作制冷機(jī)。
成為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)1的組裝的中心的是缸體10、 11。缸體10、 11 的軸線排列在同一直線上。在缸體10中插入活塞12，在缸體11中插入 置換器13?；钊?2以及置換器13，在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)中，借助 氣體軸承的結(jié)構(gòu)而與缸體10、 11的內(nèi)壁不接觸地往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊?2和 置換器13以既定的相位差運(yùn)動(dòng)。
在活塞12的一方的端部上設(shè)置杯狀的磁體座14。置換器軸15從置 換器13的一方的端部伸出。置換器軸15在軸線方向上可滑動(dòng)地貫通活 塞12以及磁體座14。
缸體10，在相當(dāng)于活塞12的動(dòng)作區(qū)域的部分的外側(cè)保持線性馬達(dá) 20。線性馬達(dá)20,具有具有線圈21的外磁軛22、與缸體10的外周面 接觸地設(shè)置的內(nèi)磁軛23、插入到外磁軛22和內(nèi)磁輒23之間的環(huán)狀空間 中的環(huán)狀的磁體24、將外磁軛22以及內(nèi)磁軛23保持為既定的位置關(guān)系 的合成樹脂制端部托架25、 26。磁體24固定在磁體座14上。
在磁體座14的凸出的部分上固定彈簧30的中心部。在置換器軸15 上固定彈簧31的中心部。彈簧30、 31的外周部固定在端部托架26上。 在彈簧30、 31的外周部彼此之間配置間隔件32，由此彈簧30、 31保持 一定的距離。彈簧30、 31是在圓板形的原材料上形成螺旋狀的切槽而形 成的，具有令置換器13相對(duì)于活塞12以既定的相位差(一般為大約90 °的相位差)共振的作用。
缸體11中，在相當(dāng)于置換器13的動(dòng)作區(qū)域的部分的外側(cè)配置傳熱
頭40、 41。傳熱頭40為環(huán)狀，傳熱頭41為帽狀，都由銅或銅合金等導(dǎo) 熱性好的金屬構(gòu)成。傳熱頭40、 41分別以?shī)A有環(huán)狀的內(nèi)部熱交換器42、 43的形式被支承在缸體11的外側(cè)。內(nèi)部熱交換器42、 43分別具有通氣 性，將通過(guò)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)缸體10以及壓力容器50。
在置換器13的一端側(cè)形成壓縮空間，在另一端側(cè)形成膨脹空間。被 傳熱頭40、缸體IO、 11、活塞12、置換器13、以及內(nèi)部熱交換器42包 圍的空間構(gòu)成壓縮空間45。被傳熱頭41、釭體11、置換器13、以及內(nèi) 部熱交換器43包圍的空間構(gòu)成膨脹空間46。
在內(nèi)部熱交換器42、 43之間配置再生器47。再生器47將樹脂薄膜 巻繞成圓筒狀而形成，在薄膜的一面上存在多個(gè)微小的突起而在薄膜之 間形成與突起的高度對(duì)應(yīng)的間隙，令該間隙為工作氣體的通道。在再生 器47的外側(cè)包有再生器管48，在傳熱頭40、 41之間構(gòu)成氣密通路。
筒狀的壓力容器50包住線性馬達(dá)20、缸體10、以及活塞12。壓力 容器50內(nèi)部的缸體10的外周側(cè)的空間構(gòu)成背壓空間51。在壓力容器50 的周面上，配置用于向線性馬達(dá)20供給電力的端子部52、用于向內(nèi)部 密封入工作氣體的管53。管53在向壓力容器50中密封入既定的氣壓的 工作氣體后密閉。
在壓力容器50的外面安裝動(dòng)吸振器60。構(gòu)成動(dòng)吸振器60的主體的 是層疊多層薄板狀的彈簧的板狀彈簧61、和配置在該彈簧61的周緣的 質(zhì)量塊62。在從壓力容器50的端面中央伸出的軸63上固定彈簧61的 中心。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)1如下地動(dòng)作。若向線性馬達(dá)20的線團(tuán)21供給交流 電，則外磁軛22和內(nèi)磁軛23之間產(chǎn)生貫通磁體24的磁場(chǎng)，磁體24在 軸方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)供給與共振頻率一致的頻率的電力，活塞系統(tǒng) 開始平滑的正弦波狀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述共振頻率是由活塞系統(tǒng)(活塞12、 磁體座14、磁體24、以及彈簧30)的總質(zhì)量、和彈簧30的彈性系數(shù)而 確定的。
在置換器系統(tǒng)(置換器13、置換器軸15、以及彈簧31)中，設(shè)定 為由其總質(zhì)量和彈簧31的彈性系數(shù)確定的共振頻率與活塞12的驅(qū)動(dòng)頻 率共振。
借助活塞12的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在壓縮空間45中反復(fù)進(jìn)行壓縮、膨脹。
伴隨著該壓力的變化，置換器(displacer) 13也進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)， 由于壓縮空間45和膨脹空間46之間的流動(dòng)阻力等，在置換器13和活塞 12之間產(chǎn)生相位差。因此，自由活塞構(gòu)造的置換器13與活塞12以既定 的相位差同步地往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
借助上述動(dòng)作，在壓縮空間45和膨脹空間46之間形成斯特林循環(huán) (逆斯特林循環(huán))。在壓縮空間45中，基于等溫壓縮變化而使工作氣體 的溫度上升，在膨脹空間46中基于等溫膨脹變化而使工作氣體的溫度降 低。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)中在壓縮空間45和膨脹空間46之間進(jìn)出的工作氣體在通過(guò) 內(nèi)部熱交換器42、 43時(shí)，其具有的熱量通過(guò)內(nèi)部熱交換器42、 43傳遞 給傳熱頭40、 41。從壓縮空間45流入再生器70的工作氣體由于是高溫， 所以傳熱頭40被加熱，傳熱頭40成為熱頭，從膨脹空間46流入再生器 70的工作氣體由于是低溫，所以傳熱頭41被冷卻，所以傳熱頭41成為 冷頭。熱從傳熱頭40散發(fā)到大氣中，通過(guò)傳熱頭41令特定空間的溫度 下降，由此斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)1可有效實(shí)現(xiàn)作為制冷機(jī)的功能。
再生器47進(jìn)行下述動(dòng)作，即，不使壓縮空間45和膨脹空間46的熱 傳遞到對(duì)方側(cè)的空間中，僅^^工作氣體通過(guò)。從壓縮空間45經(jīng)由內(nèi)部熱 交換器42而進(jìn)入再生器47中的高溫工作氣體在通過(guò)再生器47時(shí)將其熱 量傳遞給再生器47，在溫度下降的狀態(tài)下流入膨脹空間46。從膨脹空間 46經(jīng)過(guò)內(nèi)部熱交換器43而進(jìn)入再生器47的低溫工作氣體，在通過(guò)再生 器47時(shí)從再生器47回收熱量，在溫度上升的狀態(tài)下流入壓縮空間45。 即，再生器47起到蓄熱機(jī)構(gòu)的作用。
若活塞12和置換器13往復(fù)運(yùn)動(dòng)且工作氣體移動(dòng)，則斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 1中產(chǎn)生振動(dòng)。動(dòng)吸振器60抑制該振動(dòng)。
進(jìn)而，若活塞IO連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則背壓空間51的內(nèi)壓慢慢升高， 背壓空間51和壓縮空間45之間的壓力平衡被破壞，引起活塞12的往復(fù) 運(yùn)動(dòng)中心位置從初期位置向壓縮空間45側(cè)偏離的現(xiàn)象。若對(duì)該現(xiàn)象放置 不理，則活塞12到達(dá)物理的運(yùn)動(dòng)極限位置、或引起活塞12和置換器13 的碰撞。
為了避免這樣的情況，在活塞12上從壓縮空間側(cè)端面到外周面形成 第1流路70，并在缸體10上形成當(dāng)活塞12到達(dá)既定位置時(shí)連通第1流 路70和背壓空間的第2流路
圖2是缸體部分的示意性俯視圖，在此表示第1流路70和笫2流路 75的構(gòu)成。笫1流路70，由形成在活塞12的外周的環(huán)狀槽71、和將該 環(huán)狀槽71連通到壓縮空間45的軸線方向槽72構(gòu)成。第2流路75由在 與內(nèi)磁軛23重合的部分沿徑向貫通缸體10的壁的貫通孔76、和為了連 通該貫通孔76和背壓空間51而形成在缸體10外周面和內(nèi)磁軛23內(nèi)周 面之間的連通通路77構(gòu)成。連通通路77是形成在缸體10的外周面上的 槽，在缸體10的軸線方向延伸，其一端與貫通孔76連接，另一端伸出 到內(nèi)磁軛23的外側(cè)。
在活塞12往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的中心位置處環(huán)狀槽71和貫通 孔76的位置一致。于是，通過(guò)第1流路70和第2流路75，背壓空間51 和壓縮空間45連通，保持活塞12位于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的中心時(shí)的背壓空間51 和壓縮空間45之間的壓力平衡。
由于連通通路77是槽，所以可僅通過(guò)對(duì)缸體10進(jìn)行開孔加工和雕 槽加工來(lái)形成第2流路75。內(nèi)磁扼23使用燒結(jié)成型混合了軟磁性鐵粉 和樹脂的材料而成的磁軛，與在該內(nèi)磁軛23上加工槽形的情況相比，在 缸體IO上加工槽形容易，槽的形狀也易于改變。即，有易于得到最適合 形狀的槽的優(yōu)點(diǎn)。
圖3是表示沒有實(shí)施本發(fā)明的情況下的缸體部分的示意性俯視圖。 在此，表示了以避開貫通孔10的方式配置線性馬達(dá)20以便內(nèi)磁扼23不 會(huì)與缸體10的貫通孔10重合的例子。該情況下的缸體10的長(zhǎng)度L2比 圖2所示的缸體10的長(zhǎng)度L1長(zhǎng)。于是，缸體10的材料成本和加工成本 上升。此外，不僅缸體10，活塞12也必須加長(zhǎng)，活塞12的材料成本和 加工成本也上升。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)1整體也大型化。
與之相對(duì)，若采用本發(fā)明的構(gòu)成，由于可在缸體IO上重疊設(shè)置內(nèi)磁 輒23和貫通孔76，所以沒有必要像勉強(qiáng)避免內(nèi)磁軛23和貫通孔76的 重合的情況那樣加長(zhǎng)加大缸體10。因此，缸體10的材料成本和加工成 本不會(huì)上升。同時(shí)可避免活塞12的加長(zhǎng)加大、和與之相伴的活塞12的 材料成本和加工成本的上升。由于缸體10和活塞12沒有加長(zhǎng)加大，所 以壓力容器50也不會(huì)大型化，可降低壓力容器50的材料成本。此外， 由于上述那樣地構(gòu)成第2流路75不會(huì)影響通過(guò)該處的氣體量，所以斯特 林發(fā)動(dòng)機(jī)1的性能沒有變化。
對(duì)以上的本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但在不脫離本發(fā)明的主旨
的范圍內(nèi)可進(jìn)一步進(jìn)行各種變更而加以實(shí)施。例如，上述實(shí)施方式的斯 特林發(fā)動(dòng)機(jī)是斯特林制冷機(jī)，但也可以是斯特林發(fā)電機(jī)，只要是將發(fā)電 機(jī)的內(nèi)磁軛安裝在缸體的外周面上的形式的結(jié)構(gòu)，即可適用本發(fā)明。
本發(fā)明，可利用到在缸體的外周面上安裝線性馬達(dá)、發(fā)電機(jī)等的內(nèi) 磁軛的所有斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中。
權(quán)利要求
1.一種斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，具有在缸體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞、和相對(duì)于該活塞以既定的相位差往復(fù)運(yùn)動(dòng)的置換器，使工作氣體在形成于上述置換器的一端側(cè)的壓縮空間和形成于上述置換器的另一端側(cè)的膨脹空間之間移動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)形成在上述缸體的外周側(cè)的背壓空間和上述壓縮空間的壓力平衡，在上述活塞上從壓縮空間側(cè)端面到外周面形成第1流路，在上述缸體上形成有在上述活塞到達(dá)既定位置時(shí)令上述第1流路和上述背壓空間連通的第2流路，上述第2流路包括設(shè)置在上述缸體壁上的沿徑向貫通的貫通孔、和在安裝于上述缸體的外周面上的內(nèi)磁軛和上述缸體的外周面之間形成的連通通路。
2. 如權(quán)利要求1所述的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于，上述連通通 路由形成在上述缸體的外周面上的槽構(gòu)成。
全文摘要
在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中，在缸體的外周面上安裝線性馬達(dá)的內(nèi)磁軛。為了實(shí)現(xiàn)置換器的一端側(cè)的壓縮空間和缸體的外周側(cè)的背壓空間的壓力平衡，在活塞上從壓縮空間側(cè)端面到外周面形成第1流路，并在缸體上形成令第1流路連通到背壓空間的第2流路。第2流路包括在徑向上貫通缸體的壁的貫通孔、和為了連通貫通孔和背壓空間而形成在缸體外周面和內(nèi)磁軛內(nèi)周面之間的連通通路。
文檔編號(hào)F02G1/053GK101107484SQ20068000255
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者北村義之, 吉村和士, 坂元仁, 山上真司, 高井健二 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社