斯特林循环装置
阅读：905发布：2020-05-15
专利汇可以提供斯特林循环装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型提供一种能够降低 气缸 内的摩擦的 斯特林循环 装置。以置换器（70）及 活塞 （20）的滑动面的边缘部（101、102、103）向离开气缸（10、11）的内面的方向顺畅地弯曲的方式形成。由此，在置换器（70）及活塞（20）在气缸（10、11）的内部往复运动时， 工作 流体 容易从弯曲的边缘部（101、102、103）朝向滑动面顺畅地流动。其结果是由于在置换器（70）及活塞（20）的滑动面和气缸（10、11）的内面之间形成工作气体的层，利用该气体层实现气体润滑功能，因此能够大幅减少气缸（10、11）的内部的摩擦。，下面是斯特林循环装置专利的具体信息内容。
1.一种斯特林循环装置，其特征是，具有：
固定于外壳中的气缸、
可往复运动地插入所述气缸的一端的置换器、
可往复运动地插入所述气缸的另一端的活塞，
所述置换器及所述活塞的至少一方包含具备在所述气缸的内面滑动的滑动面的滑动部，
所述滑动面的边缘部向离开所述气缸的内面的方向顺畅地弯曲。
2.如权利要求1所述的斯特林循环装置，其特征是，其中，
所述滑动部的所述滑动面以包围截面为圆形的所述置换器或所述活塞的全周的方式形成。
3.如权利要求2所述的斯特林循环装置，其特征是，其中，具有： 面向所述置换器的一端部的膨胀室、
面向所述置换器的另一端部的压缩室、
将所述膨胀室和所述压缩室连通的气体流路、
蓄积在所述气体流路流动的工作气体的热的蓄热式热交换器， 所述压缩室形成于所述置换器和所述活塞之间。
4.如权利要求2或3所述的斯特林循环装置，其特征是，其中， 所述置换器及所述活塞的至少一方包含：
由金属形成的基部、和
由树脂形成的所述滑动部。
斯特林循环装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及利用斯特林循环进行发电及冷却等的斯特林循环装置。 背景技术
[0002] 目前已知有将置换器和活塞同轴配置于气缸内的构造的斯特林循环装置，其作为发电机及冷冻机等实用化。同时，在这种斯特林循环装置中，在活塞上安装有永久磁铁，且夹持该永久磁铁配置定子和轭铁。在发电机的情况下，因从外部给予的温度差而工作气体重复压缩和膨胀，由此活塞往复运动，该运动能量通过永久磁铁和定子的电磁作用而变换成电能。另一方面，在冷冻机的情况下，通过在定子的电磁线圈中流过驱动电流，活塞往复运动，伴随该往复运动，工作气体重复压缩和膨胀，由此产生低温部和高温部的温度差。 [0003] 在斯特林循环装置中，置换器及活塞气缸内往复运动时，因两者的摩擦产生损失。目前，通过对置换器和活塞的外面或气缸的内面实施氟树脂等低摩擦的涂层，实现摩擦带来的损失的降低。但是，在斯特林循环装置的能量损失的整体上，气缸内的摩擦带来的损失占很大比例，因此，进一步抑制该摩擦成为课题。
发明内容
发明内容
[0004] 本实用新型是鉴于这样的情况而创立的，其目的在于，提供一种能够降低气缸内的摩擦的斯特林循环装置。
[0005] 本实用新型的斯特林循环装置具有：固定于外壳中的气缸、可往复运动地插入所述气缸的一端的置换器、可往复运动地插入所述气缸的另一端的活塞。所述置换器及所述活塞的至少一方包含具备在所述气缸的内面滑动的滑动面的滑动部。所述滑动面的边缘部向离开所述气缸的内面的方向 顺畅地弯曲。
[0006] 优选的是，所述滑动部的所述滑动面以包围截面为圆形的所述置换器或所述活塞的全周的方式形成。
[0007] 优选的是，所述斯特林循环装置具有：面向所述置换器的一端部的膨胀室、面向所述置换器的另一端部的压缩室、将所述膨胀室和所述压缩室连通的气体流路、蓄积在所述气体流路流动的工作气体的热的蓄热式热交换器。所述压缩室形成于所述置换器和所述活塞之间。
[0008] 优选的是，所述置换器及所述活塞的至少一方包含：由金属形成的基部、和由树脂形成的所述滑动部。
[0009] 实用新型内容
[0011] 图1是表示本实用新型实施方式的斯特林循环装置的构成之一例的剖面图； [0012] 图2是图解图1所示的斯特林循环装置的置换器和活塞的主要部分的图； [0013] 图3是表示图1所示的斯特林循环装置的置换器驱动用的连杆的图。
[0014] 符号说明
[0015] 1…外壳、2…上部外壳、3…中间部外壳、5…气缸保持部、6…外部片、7…下部外壳、8…盖部、10…上部气缸、11…下部气缸、12…膨胀室、13…吸热片、14…蓄热式热交换器（再生器）、15…散热片、16…连通孔、17…压缩室、18…轭铁、20…活塞、21…基部、22…贯通部、23、24…滑动部、25…磁铁、30…定子、33…线圈、36…铁心、40…支承部、41…支柱、43…支承基台、51、52…弹簧部件、61、62…连杆、70…置换器、71…基部、72…滑动部、73…头部。 具体实施方式
[0016] 下面，作为本实用新型实施方式的斯特林循环装置，以适用于发电机 的斯特林循环装置为例进行说明。
[0017] 图1是表示本实用新型实施方式的斯特林循环装置的构成之一例的剖面图。另外，图2是图解图1所示的斯特林循环装置的置换器和活塞的主要部分的图。
[0018] 图1所示的斯特林循环装置具有外壳1、收容于外壳1中的上部气缸10及下部气缸11、可往复地插入上部气缸10的置换器70、可往复地插入下部气缸11的活塞20、与活塞20的内侧和外侧对向配置的定子30及轭铁18、安装于活塞20的圆筒状的壁部的磁铁25、对置换器70施力的弹簧部件（弹性部件）51、对活塞20施力的弹簧部件（弹性部件）52。 [0019] 在此，外壳1为本实用新型的外壳之一例，上部气缸10及下部气缸11为本实用新型的气缸之一例，置换器70为本实用新型的置换器之一例。
[0020] 外壳1为封入了斯特林循环装置的工作气体（氦气等）的密闭容器。图1的例中，外壳1组合上部外壳2、中间部外壳3、气缸保持部5、下部外壳7而形成。
[0021] 上部外壳2和中间部外壳3主要形成收容上部气缸10的圆柱状的内部空间。上部气缸10的天井侧的内壁穹状地带圆顶。气缸保持部5在其内壁与下部气缸11的外周抵接，以决定中心轴的位置的方式保持下部气缸11。
[0022] 下部外壳7主要形成收容下部气缸11、定子30、轭铁18、弹簧部件51、52的圆柱状的内部空间。在下部外壳7的底部附近设有从下侧支承外壳1内的机构（上部气缸10、下部气缸11等）整体的支承基台43。在下部外壳7的底部的中央设有开口部，该开口部由盖部8封闭。盖部8具备用于将工作气体导入外壳1的内部或穿过电配线的未图示的管。 [0023] 上部气缸10和下部气缸11分别具有筒状的形状，使中心轴一致地配置于外壳1中。在将上部气缸10和下部气缸11看为一个气缸的情况下，置换器70可往复地插入该气缸的上侧端，活塞20可往复地插入该气缸的下侧端。上部气缸10及下部气缸11也可以连接其它零件而形成，也可以一体形成。
[0024] 下部气缸11经由多个支柱41固定于支承基台43上。图1的例中，支柱41形成为筒状，螺栓42贯通设于支承基台43的孔和筒状的支柱41。 通过将螺栓42的前端部的阳螺纹和下部气缸11的下面的阴螺纹螺合，将下部气缸11固定于支承基台43上。弹簧部件51具备螺栓42贯通的孔，被夹持于支柱41和支承基台43之间进行固定。图1的例中，将3个弹簧部件51固定于支承基台43上。
[0025] 形成于置换器70的上面和外壳1之间的空间为膨胀室12，在此，工作气体变热而其体积增大。另一方面，形成于置换器70和活塞20之间的空间为压缩室17，在此，工作气体被冷却而体积减小。
[0026] 由上部气缸10的外壁和外壳1的内壁包围的圆筒状的空间为将膨胀室12和压缩室17连通的工作气体的流路（气体流路）。在上部气缸10和下部气缸11之间设有与压缩室17连通的连通孔16。穿过该连通孔16和上述的圆筒状空间（气体流路）将膨胀室12和压缩室17连通。
[0027] 在上述圆筒状的空间（气体流路）配置吸热片13、蓄热式热交换器（再生器）14及散热片15。吸热片13被配置于接近上侧的膨胀室12的位置，散热片15被配置于接近下侧的压缩室17的位置，蓄热式热交换器14配置于吸热片13和散热片15之间。蓄热式热交换器14具有获取从膨胀室12流向压缩室17的工作气体的热进行蓄热，将该蓄热赋予从压缩室17流向膨胀室12的工作气体的功能。
[0028] 外壳1在与散热片15相接的部分具备外部片6。外部片6是用于将工作气体的热排出向外壳1的外部的散热装置。图1的例中，外部片6被固定于中间部外壳3和气缸保持部5之间。外部片6通过图中未示出的泵等供给的冷却媒体（水等）进行冷却，保持规定的温度。
[0029] 另一方面，上部外壳2是将从外部的热源给予的热传递向膨胀室12的工作气体的吸热装置，吸热片13与上部外壳2的内壁抵接。
[0030] 置换器70包含，面向膨胀室12的一端部而设置的头部73、面向压缩室17的另一端部而设置的基部71、在上部气缸10的内面滑动的滑动部72、圆筒体74。
[0031] 基部71为本实用新型的基部之一例，滑动部72为本实用新型的滑动部之一例。 [0032] 头部73构成区划膨胀室12的壁面。头部73例如由具有隔热性的树脂（聚苯硫醚等）形成，遮断从膨胀室12向压缩室17的热传导。
[0033] 基部71构成区划压缩室17的壁面。基部71例如由铝或黄铜等金属形成，保持头部73和滑动部72。通过由金属形成基部71，相比由树脂等形成基部的情况，温度带来的零件的变形量减小。因此，抑制了在高温下的机械的精度降低。
[0034] 滑动部72以在上部气缸10的内面滑动的方式设于基部71的外面，具有包围截面为圆形的基部71的全周的环状的滑动面。滑动部72例如由聚苯硫醚等低摩擦且耐热性、耐磨损性优异的树脂形成。
[0035] 该滑动部72和基部71通过嵌入成形而一体形成。具体而言，例如将预先制作的基部71置入规定的模具，向该模具流入树脂并使其固化，由此一体形成基部71和滑动部72。如图2的左侧的放大图所示，基部71具有用于固定滑动部72的槽75。槽75的底部的宽度比开口部的宽度宽。如果形成滑动部72的树脂以充填于该槽75的状态固化，则槽75的内部的树脂不会从槽75的开口部脱出。由此，将基部71和滑动部72牢固地接合。 [0036] 通过嵌入成形将基部71和滑动部72形成一体，由此不需要用于将它们结合的机构零件，且也不需要组装作业。由此，不用考虑组装作业的难易度等，可以使滑动部72尽可能地薄，因此，可以将热带来的变形量多的树脂的使用量限定在最小限。
[0037] 另外，如图2中左侧的放大图所示，滑动部72的滑动面的边缘部101向从上部气缸10的内面离开的方向顺畅地弯曲。在置换器70在上部气缸10内上下往复动作时，工作流体容易从该弯曲的边缘部101沿滑动面顺畅地流动，在滑动部72的滑动面和上部气缸10的内面的间隙形成工作气体的层。该工作气体的层通过发挥气体润滑的功能，从而滑动部72的滑动面和上部气缸10的内面难以直接接触，所以上部气缸10内的摩擦大幅降低。 [0038] 在基部71的压缩室17侧的端壁，在与基部71同轴上固定比基部71小径的圆筒体74。在图1的例中，在基部71的端壁的中央部形成圆形的凹部，且将圆筒体74的上端插入该凹部。
[0039] 置换器70经由与气缸（10、11）的轴方向平行地延伸的连杆61与弹簧部件51连接。连杆61的一端通过置换器70的圆筒体74的空洞与基部 71连接。连杆61的另一端与在下部外壳7的支承基台43安装的板状的弹簧部件51连接。置换器70通过经由连杆61连接的弹簧部件51的弹力被在上下方向（气缸的轴方向）施力。
[0040] 图3是表示图1所示的斯特林循环装置的连杆61的图。如该图所示，连杆61的直径在端部65、66比较粗（D2、D3），在中央部64比较细（D1）。中央部64的直径为一定（D1），端部65、66的直径随着接近末端而比直径D1逐渐变粗。就中央部64的较细的直径D1而言，被设定为在置换器70的往复动作的过程中，中央部64通过弹簧部件51的弹力可弹性变形的程度的值。
[0041] 由于连杆61可产生弹性变形，从而即使置换器70的中心轴和上部气缸10的中心轴存在一些偏差，连杆61在中央部64也能够柔软地挠曲，置换器70在上部气缸10内容易顺畅地往复移动。即，抑制置换器70与上部气缸10的一部分强接触带来的摩擦的增大。 [0042] 活塞20具有：具有圆筒形状的基部21和设于基部21的外面的滑动部23及24。基部21的一端通过端壁部封闭。
[0043] 基部21为本实用新型的基部之一例，滑动部23、24为本实用新型的滑动部之一例。
[0044] 基部21在封闭的一端壁部面向置换器70，其端壁部构成区划压缩室17的壁面。基部21例如由铝或黄铜等金属形成，保持滑动部23、24。由于基部21由金属形成，从而相比由树脂等形成基部21的情况，温度带来的零件的变形量减小，所以高温下的机械精度的降低被抑制。
[0045] 滑动部23、24以在下部气缸11的内面滑动的方式在基部21的外面分开设置，分别具有包围圆筒状的基部21全周的环状的滑动面。滑动部23、24例如由聚苯硫醚等低摩擦且耐热性·耐磨损性优异的树脂形成。
[0046] 该滑动部23、24和基部21与之前说明的基部71及滑动部72相同，通过嵌入成形而形成一体。另外，如图2中左侧的放大图所示，基部21具有用于固定滑动部23、24的槽27、28。槽27、28由于底部的宽度比开口部的宽度宽，所以如果形成滑动部23、24的树脂在充填于该槽27、27的状态下固化，则槽75的内部的树脂不会从槽75的开口部脱出。由此，基部21和滑动部23、24被牢固地接合。
[0047] 基部21和滑动部23、24通过嵌入成形而形成一体，由此，可以将热带来的变形量多的树脂的使用量限定在最小限。
[0048] 另外，如图2中左侧的放大图所示，滑动部23、24的滑动面的边缘部102、103向从下部气缸11的内面离开的方向顺畅地弯曲。由此，与上述的滑动部72的情况相同，由于在滑动部23、24的滑动面和下部气缸11的内面的间隙形成工作气体的层，所以下部气缸11内的摩擦大幅减少。
[0049] 在面向置换器70的基部21的端壁部的中央形成接收置换器70的圆筒体74的贯通部22。在图1的例中，该贯通部22与气缸（10、11）的轴方向平行，且呈圆筒状延伸。置换器70的圆筒体74通过贯通部22上下往复运动。
[0050] 活塞20的基部21经由与气缸（10、11）的轴方向平行地延伸的多个连杆62与板状的弹簧部件52连接。在图1的例中，弹簧部件52被配置于下部气缸11和弹簧部件51之间，经由未图示的支柱固定于下部气缸11（或支承基台43）上。在弹簧部件52的中央部形成用于穿通连杆61的贯通孔。多个连杆62的一端连接于贯通部22的周围的对称的位置，另一端连接于弹簧部件52的上述贯通孔的周围的对称的位置。
[0051] 活塞20的驱动用的连杆62与之前说明的连杆61（图3）相同，直径在端部粗，在中央部细。连杆62的中央部在活塞20的往复运动过程中，具有通过弹簧部件52可产生弹性变形的程度的一定的直径。由于连杆62可产生弹性变形，从而即使活塞20的中心轴和下部气缸11的中心轴存在一定的偏差，连杆62在中央部也能够柔软地弯曲，活塞20在下部气缸11内容易顺畅地往复运动。即，活塞20与下部气缸11的一部分强接触带来的摩擦的增大被抑制。
[0052] 在活塞20的基部21固定磁铁25。磁铁25在间隔开的滑动部23、24之间以包围圆筒状的基部21的全周的方式环状设置。在面向磁铁25的下部气缸11的内面固定轭铁18。轭铁18由铁等磁性材料构成，以包围磁铁25的方式形成为例如环状。在活塞20的基部21的内侧，在与轭铁18对向的位置配置定子30。磁铁25被夹持于定子30和轭铁18之间，与活塞20圆筒上下往复运动。磁铁25产生对定子30和轭铁18作用的磁场。 [0053] 定子30具有环状卷绕电线而形成的线圈33和夹持线圈33与轭铁18 对向的铁心
36。
36。
[0054] 线圈33被配置于活塞20的圆筒状的基部21的内侧。另外，线圈33以其外周侧面向活塞20的磁铁25的方式与活塞20同轴配置。
[0055] 铁心36形成为包围与电线的卷绕方向垂直的线圈33的截面周围的形状，在磁铁25和线圈33面向的部分具有间隙（不包围线圈33的部分、切缝）。在图1的例中，铁心36被分为在上下方向对称的两个块（36A、36B）。通过将薄的磁性材料的板（硅钢板等）重叠接合，分别形成上下两个块（36A、36B）。
[0056] 铁心36由平行的两个圆盘状的板部件夹持，该板状部件通过未图示的连结件固定于支承部40。支承部40与下部气缸11固定于外壳1上。
[0057] 在此，对具有上述构成的斯特林循环装置的动作进行说明。
[0058] 当置换器70朝向活塞20向下方移动时，压缩室17变窄，因此，压缩室17的工作气体通过连通孔16、散热片15、蓄热式热交换器14、吸热片13流入高温的膨胀室12。流入膨胀室12的工作气体因热而体积膨胀，所以膨胀室12及压缩室17的压力升高。当膨胀室12及压缩室17的压力比由活塞20区划的下部外壳7的背压空间9的压力高时，活塞20向下方移动。
[0059] 通过活塞20向下方移动，膨胀室12及压缩室17的压力降低，当比背压空间9的压力低时，置换器70通过该压力差而向上方移动。
[0060] 当置换器70向上方移动时，膨胀室12变窄，因此，膨胀室12的工作气体通过吸热片13、蓄热式热交换器14、散热片15、连通孔16流入低温的压缩室17。流入压缩室17的工作气体被冷却，体积变小，因此，膨胀室12及压缩室17的压力降低。当膨胀室12及压缩室17的压力降低时，活塞20的移动方向从下方向转变为上方向。
[0061] 当通过活塞20向上方移动，膨胀室12及压缩室17的压力上升，变得比背压空间9的压力高时，置换器70通过该压力差向下方移动。当置换器70朝向活塞20向下方移动时，工作气体再次从压缩室17流入膨胀室12，膨胀室12及压缩室17的压力变高，活塞20的移动方向从上方向转变为下方向。
[0062] 通过以上的重复，置换器70和活塞20分别上下往复运动。
[0063] 当活塞20往复运动时，磁铁25在轭铁18和定子30之间上下移动，线圈33的磁场周期性变化，因此，在线圈33产生电动势，流过电流。
[0064] 如以上所说明，在本实施方式的斯特林循环装置中，以置换器70及活塞20的滑动面的边缘部（101、102、103）向离开气缸（10、11）的内面的方向顺畅地弯曲的方式形成。由此，在置换器70及活塞20在气缸（10、11）的内部往复运动时，工作流体容易从弯曲的边缘部（101、102、103）朝向滑动面顺畅地流动。其结果是由于在置换器70及活塞20的滑动面和气缸（10、11）的内面之间形成工作气体的层，利用该气体层实现气体润滑功能，因此能够大幅减少气缸（10、11）的内部的摩擦。
[0065] 此外，本实用新型不仅限于上述的实施方式，而包含其它各种变化。 [0066] 在上述的实施方式中，置换器70和活塞20的滑动面的边缘部两方均为进行气体润滑而弯曲，但在本实用新型的其它实施方式中，也可以仅任一边缘部弯曲。 [0067] 在上述的实施方式中，列举了斯特林循环装置的发电机的例子，但本实用新型不限于此，例如也可以适用于斯特林循环装置的冷冻机等。
[0068] 另外，本实用新型可以适用于输出为1.2kW的斯特林装置，也可以适用于其它诸斯特林装置。
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