TWI547637B

TWI547637B - The Stirling Engine and Its Exhaust

Info

Publication number: TWI547637B
Application number: TW102148658A
Authority: TW
Inventors: Cheng Feng Yue; Fu-Shan Wang; Hai-Ping Cui; Da-Yu Lin
Original assignee: Cheng Feng Yue
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2016-09-01
Also published as: TW201525270A

Description

史特靈引擎及其移氣器

本發明隸屬一種史特靈引擎之技術領域，具體而言係指一種模組化且可簡化機構之史特靈引擎及其移氣器，藉以降低其熱損失，減少流體阻力耗功、減少熱回收氣體流道的無效空間、加速熱交換速率、增進熱再生效率，且改進熱功率，從而提高其熱功效率。

近年來因氣候暖化、石化能源短缺及高價格，帶給各國相當大的衝擊，因此強調環境維護及低污染的能源相繼被討論及研究，而用於轉換能源之轉換裝置也是重要的討論議題，其中以史特靈引擎被認為是解決能源問題可能的方案之一。史特靈引擎具有高效率的能量轉換、低污染、低噪音、簡單機構之優點，現今已有利用太陽能發電之實例，而未來如何利用史特靈引擎能簡化其機構，提高其熱轉換效率已被廣泛討論。

現有的史特靈機構關係為一種利用外部熱源來產生可逆循環的史特靈循環之外燃機，因此係為一種相較於需要諸如汽油等高度可燃且易點火的燃料之內燃機或其他引擎，可利用低品質低成本燃料完全燃燒或回收廢熱能以節省能源、低污染之熱引擎。

Beta-type史特靈引擎的基本構成，係如第7圖所示，其具有一內部形成溫差氣室(61)的氣缸體(60)，其中溫差氣室(61)的一端為溫度較高之熱區(611)、另一端為溫度較低的冷區(612)，且氣缸體(60)的溫差氣室(61)有滑設一熱再生器活塞(70)及一移氣器(75)，其中該熱再生器活塞(70)及該移氣器(75)為同軸向，且分別利用動力輸出桿(71)連接於一飛輪(80)【圖中為示意簡圖】上。當引擎運轉時，則如第7圖之 (A~D)所示，要持續維持溫差氣室(61)中熱區(611)和冷區(612)的溫差。氣缸體(60)之溫差氣室(61)中的移氣器(75)移動時，以帶動溫差氣室(61)內之氣體在移氣器(75)兩側之熱區(611)及冷區(612)間循環流動，且透過熱再生器(301)以儲熱材料吸收氣體膨脹後所殘留之熱能，再利用移氣器(75)退回熱室端時將工作流體通過儲熱材料而回收熱能。

但該史特靈引擎利用動力輸出桿(71)及熱再生器活塞(70)等設計成運動機構，且形成同軸上之運動方式，其移氣器的動力輸出桿穿過熱再生活塞，此兩者常做相反方向運動，故互相摩擦減損可輸出的動力。因此增加其機件間摩擦損失與損耗，以及機構設計之複雜度，且維護不易，同時增加保養費用之缺點。且如圖所示，其環繞引擎外圍的夾層式腔體熱再生器活塞(30)、熱再生器活塞制動器(52)不僅因複雜構造造成應力集中易招致材料疲勞破壞，且易散失熱能至周遭大氣環境。部份工作流體留在氣道中無法貢獻於熱能回收，此即無效空間大造成熱能回收效率較差。

另如第8圖之Alpha-type史特靈引擎不僅無效空間大造成熱能回收效率較差，其另置的熱再生器活塞腔體會增加熱能散失途徑，也使構造更複雜而更增加機械摩擦所致的動能損耗，且增加製造與維修成本。

前述兩種主要類型的史特靈引擎之熱再生器皆有構造複雜、工作流體流道窄又長所致流動阻力，又機械摩擦所致的動能損耗多、熱能回收裝置無效空間較大、熱能散失途徑較大、低熱能回收速率和效率問題，且這些複雜的熱再生器設計皆易應力集中而材料破壞使其更不適合用於密閉高氣壓操作和長壽命操作。然而高壓操作性能是提高史特靈引擎效率與功率的主要方法之一，長壽命操作也是其應用領域必須之要求。綜合上述，現有史特靈引擎之構成不符實際操作需求，有進一步改良之必要。

有鑑於此，本發明人乃針對前述史特靈引擎及其移氣器在使用時所面臨的問題深入探討，藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，並積極尋求解決之道，經不斷努力之研究與發展，終於成功的開發出一種史特靈引擎及其移氣器，藉以克服史特靈引擎及其移氣器因摩擦所造成的困擾與不便。

因此，本發明之主要目的在於以模組化方法簡化史特靈引擎機構及整合其移氣器與熱再生器，使之適合高氣壓操作條件，減少熱能損失途徑、消除熱能回收之無效空間，而且提高熱能回收速率和效率、同時降低工作流體流動阻力而避免熱再生器活塞損耗移氣器所傳遞的動能，從而提升史特靈引擎之熱功效率，且利用熱再生器活塞運動慣性輔助移氣器實現等容膨脹和等容壓縮而提升熱功效率及功率。可降低製造維修等成本及增長操作壽命。

為此，本發明主要係透過下列的技術手段，來具體實現前述的目的與效能；其包括：一第一腔體，該第一腔體具有一熱室端及一冷室端，且第一腔體於鄰近冷室端端面形成一通孔；一移氣器，該移氣器係滑設於該第一腔體內，該移氣器內部具有一第二腔體，又移氣器之兩端面分別形成有系列第一穿孔及一第二穿孔，且第一、二穿孔分別連通前述第一腔體；一熱再生器活塞，該熱再生器活塞係滑設於該移氣器之第二腔體內；一第三腔體，該第三腔體係設於該第一腔體對應冷室端之端面，且第三腔體利用第一腔體的通孔相互連通，又該第三腔體內滑設有一動力活塞；以及一確位機構，該確位機構可確定與控制前述移氣器與熱再生器活塞之位置。

藉此，透過前述技術手段的展現，使得本發明之史特靈引擎可利用第一腔體作為熱功轉換腔體，使移氣器之第二腔體作為熱再生腔體，並利用第三腔體作為移氣器回彈動力保留及釋放元件，亦以動力活塞為動能輸出裝置，又以氣體為傳遞動能的媒體，如此以簡化該史特靈引擎機構可密封其腔體以提高操作的氣體壓力而增加熱功效率與功率，避免傳統複雜傳動機構之摩擦損失、振動損失與材料應力集中破壞現象，同時使其模組化而降低製造成本及維修成本，並降低散熱損失、儲熱損失及工作流體流動阻力，亦消除熱能回收之無效空間而提高熱能回收效率和擴大熱氣流道而提高熱能回收速率，以提升史特靈引擎之熱效率，且利用熱再生器活塞運動慣性輔助移氣器實現等容膨脹和等容壓縮而提升熱功效率及功率，而能增加產品操作壽命與附加價值，並增進其經濟效益。

為使貴審查委員能進一步了解本發明的構成、特徵及其他目的，以下乃舉本發明之較佳實施例，並配合圖式詳細說明如后，同時讓熟悉該項技術領域者能夠具體實施。

(10)‧‧‧第一腔體

(11)‧‧‧熱室端

(12)‧‧‧冷室端

(13)‧‧‧通孔

(20)‧‧‧移氣器

(21)‧‧‧第二腔體

(22)‧‧‧第一穿孔

(23)‧‧‧第二穿孔

(25)‧‧‧儲熱元件

(30)‧‧‧熱再生器活塞

(301)‧‧‧熱再生器

(40)‧‧‧第三腔體

(45)‧‧‧動力活塞

(46)‧‧‧單向進氣閥

(47)‧‧‧單向出氣閥

(50)‧‧‧確位機構

(51)‧‧‧位置桿

(52)‧‧‧熱再生器活塞制動器

(53)‧‧‧檢知器/移氣器制動器組合

(60)‧‧‧氣缸體

(61)‧‧‧溫差氣室

(611)‧‧‧熱區

(612)‧‧‧冷區

(70)‧‧‧熱再生器活塞

(71)‧‧‧動力輸出桿

(75)‧‧‧移氣器

(80)‧‧‧飛輪

第1圖：係本發明之史特靈引擎的立體剖面示意圖。

第1A圖：係本發明之史特靈引擎的另一實施例示意圖。

第2圖：係本發明之史特靈引擎的P-V【壓力-容積】座標示意圖。

第3圖：係本發明之史特靈引擎於第2圖中絕熱膨脹A~B的動作示意圖。

第4圖：係本發明之史特靈引擎於第2圖中等容降壓B~C的動作示意圖。

第5圖：係本發明之史特靈引擎於第2圖中絕熱收縮C~D的動作示意圖。

第6圖：係本發明之史特靈引擎於第2圖中等容升壓D~A的動作示意圖。

第7圖：係習式Beta-type史特靈引擎的簡要示意圖。

第8圖：係習式Alpha-type史特靈引擎的簡要示意圖。

本發明係史特靈引擎及其移氣器，隨附圖例示之本發明的具體實施例及其構件中，所有關於前與後、左與右、頂部與底部、上部與下部、以及水平與垂直的參考，僅用於方便進行描述，並非限制本發明，亦非將其構件限制於任何位置或空間方向。圖式與說明書中所指定的尺寸，當可在不離開本發明之申請專利範圍內，根據本發明之具體實施例的設計與需求而進行變化。

本發明係一種史特靈引擎及其移氣器，請參看第1圖所揭示者，該史特靈引擎至少包括一第一腔體(10)、一移氣器(20)、一熱再生器活塞(30)、一第三腔體(40)及一確位機構(50)，其中：所述第一腔體(10)具有一熱室端(11)及一冷室端(12)，該第一腔體(10)於冷室端(12)上形成有一通孔(13)；所述移氣器(20)係滑設於該第一腔體(10)內，該移氣器(20)具有一第二腔體(21)，又該移氣器(20)之兩端面分別形成系列第一穿孔(22)及一第二穿孔(23)，且第一、二穿孔(22、23)連通前述之第一腔體(10)，再者史特靈引擎進一步於移氣器(20)的第二腔體(21)內設有至少一儲熱元件(25)，該等儲熱元件(25)係設於第二腔體(21)相鄰第一穿孔(22)內。又如第1A圖所示，該等儲熱元件(25)係設於第二腔體(21)相鄰第一穿孔(22)之腔壁；所述之熱再生器活塞(30)係滑設於該移氣器(20)之第二腔體(21)內；所述之第三腔體(40)係連接於前述第一腔體(10)對應冷室端(12)之一端，且該第三腔體(40)利用第一腔體(10)的通孔(13)相互連通，又第三腔體(40)內有滑設一動力活塞(45)，再者第三腔體(40)於鄰近第一腔體(10)的頂端周緣設有一單向進氣閥(46)，且第三腔體(40) 底面中央有接設有一單向出氣閥(47)；以及所述之確位機構(50)係設於移氣器(20)與第三腔體(40)之間，該確位機構(50)包括一可滑設於第一腔體(10)的通孔(13)與第二腔體(21)及第二穿孔(23)間之位置桿(51)，又該位置桿(51)一端連接前述之熱再生器活塞(30)，且另端對應動力活塞(45)，再者，確位機構(50)於位置桿(51)上有套設一連接於移氣器(20)底面之熱再生器活塞制動器(52)，其中熱再生器活塞制動器(52)可選擇性夾掣位置桿(51)，又確位機構(50)具有一設於第一腔體(10)通孔(13)之檢知器/移氣器制動器組合(53)，該檢知器/移氣器制動器組合(53)可供位置桿(51)穿經，且位置桿(51)外緣與檢知器/移氣器制動器組合(53)內緣間形成一間隙，而前述熱再生器活塞制動器(52)可滑入該間隙內，以確定該移氣器(20)在第一腔體(10)的位置及熱再生器活塞(30)於該第二腔體(21)內之位置；藉此，具熱再生功能的移氣器之發明，可構成一種精簡結構特性的模組化、低散熱損失、低儲熱損失、低工作流體阻力、低機件摩擦損失、低機構振動、低製造與維修成本、高的熱能回收速率和效率、長操作壽命和適合高操作氣體壓力而提升熱功效率與功率之史特靈引擎及其移氣器者。

經由上述之設計，本發明之史特靈引擎於實際使用時，則係如第2圖~第6圖，在實際操作上，該第2圖為史特靈引擎之P-V圖【壓力-容積】，其中包括絕熱膨脹A~B、等容降壓B~C、絕熱收縮C~D、等容升壓D~A等路徑以形成一熱力學循環。

其中第3圖所示為該史特靈引擎之絕熱膨脹A~B機械動作圖，其中該第一腔體(10)之熱室端(11)受熱，其內之氣體膨脹產生之推力使移氣器(20)向下運動，此期間該確位機構(50)的熱再生器活塞制動器(52)鎖固該位置桿(51)，使該移氣器(20)在第二腔體(21)內之熱再生器活塞(30)鎖固在第一穿孔(22)氣閥封閉狀態並無位移，同時位於該第一腔體(10)內移氣器(20)下方之氣體通過通孔(13)流入該第三腔體(40)內，以使第三腔體(40)內的動力活塞(45)向下移動。

而第4圖所示為該史特靈引擎之等容降壓B~C機械動作圖，當進行等容降壓熱力學過程時，因確位機構(50)之檢知器/移氣器制動器組合(53)在檢知移氣器(20)已至第一腔體(10)底部位置，因此熱再生器活塞制動器(52)解開位置桿(51)，以致移氣器(20)內的第二腔體(21)之熱再生器活塞(30)可向下滑動，使部份第一腔體(10)熱室端(11)之熱氣通過移氣器(20)的第一穿孔(22)及儲熱元件(25)流入其第二腔體(21)內而儲蓄完成絕熱膨脹後的氣體剩餘熱能。同時該第二腔體(21)內熱再生器活塞下方之氣體，則通過通孔(13)流入第三腔體(40)內，因此再施加壓力於第三腔體(40)之動力活塞(45)，使其向下滑動而輸出動能。該第一腔體(10)內之熱室端(11)氣體膨脹過程中，其壓力逐漸降低，且冷室端(12)或第三腔體(40)之氣體壓力則逐漸昇高，一直到熱室端(11)氣體壓力等於第三腔體(40)之氣體壓力。此熱室端(11)氣體流入第二腔體(21)內的動作使該熱室端(11)氣壓實現等容降壓。當移氣器(20)抵達第一腔體(10)之冷室端(12)底時，熱再生器活塞(30)向下運動慣性又使該移氣器(20)保持在該位置的時間延長，而幫助完成絕熱膨脹後的氣體將其部份熱量從冷室端(12)腔壁傳出以實現等容降壓。當完成該過程時，確位機構(50)的熱再生器活塞制動器(52)在相對位置桿(51)形成鎖固狀態，使前述移氣器(20)之第二腔體(21)及其內之熱再生器活塞(30)的相對位置保持固定。

又第5圖所示為該史特靈引擎之絕熱收縮C~D機械動作圖，當進行絕熱壓縮熱力學過程時，該第三腔體(40)作為氣體彈簧，以利用產生回復力，因此使第三腔體(40)下方被壓縮氣體推動其內之動力活塞(45)，以使動力活塞(45)上方氣體推動第一腔體(10)內之移氣器 (20)向上滑動。

再者，第6圖所示為該史特靈引擎之等容升壓D~A機械動作圖，當進行等容壓縮熱力學過程時，以利用第三腔體(40)內之動力活塞(45)推動第一腔體(10)內之冷室端(12)氣體推動該移氣器(20)向上滑動而壓縮熱室端氣體。因該確位機構(50)之檢知器/移氣器制動器組合(53)在檢知移氣器(20)已至第一腔體(10)上方之預定位置，因此該確位機構(50)的熱再生器活塞制動器(52)解開位置桿(51)，即熱再生器活塞(30)可停留在第二腔體(21)底部隨移氣器(20)滑動向上以壓縮熱室端(11)氣體，當動力活塞(45)推抵位置桿(51)末端，即推動熱再生器活塞(30)向上滑動，使保存於移氣器(20)的第二腔體(21)內之氣體被熱再生器活塞(30)擠出經儲熱元件(25)及通過第一穿孔(22)而至第一腔體(10)內，所以熱能被回收再利用於下一熱功循環。當完成此熱力學過程時，使該確位機構(50)之熱再生器活塞制動器(52)再形成鎖固狀態，以再進行下一熱力學過程。

另外，第三腔體(40)可增設單向進氣閥(46)僅供氣體進入第三腔體(40)和單向出氣閥(47)僅供氣體排出第三腔體(40)，始終令該第三腔體(40)內的壓力足夠推回移氣器(20)回彈動力。當移氣器(20)推動向下，單向進氣閥(46)被鎖固封閉，而單向出氣閥(47)被打開讓動力活塞(45)將第三腔體(40)下方之氣體排出至儲氣槽或以氣體動力輸出能量。當第三腔體(40)內的壓力大於該第一腔體(10)內之熱室端(11)氣體壓力，則單向進氣閥(46)和單向出氣閥(47)同時被鎖固封閉，動力活塞(45)開始被彈回向上。該動力活塞(45)向上滑超過單向進氣閥(46)的位置且第三腔體(40)下方之氣壓降低時，單向進氣閥(46)被打開讓外部氣體進入第三腔體(40)下方以供下一次壓縮。

經由上述的結構設計及動作說明，本發明之史特靈引擎可利用第一腔體(10)作為熱交換腔體，使移氣器(20)之第二腔體(21)作為熱再生腔體，並利用第三腔體(40)作為移氣器(20)回彈動力保留及釋放元件，如此以簡化該史特靈引擎機構，同時使其模組化，並降低散熱損失、降低儲熱損失、減少氣體流動阻力、避免熱能回收之無效空間、提高的熱能回收速率和效率、輔助實現等容降壓與升壓過程且適合高操作氣體壓力而提升熱功效率與功率，以提升史特靈引擎之熱功效率，而且能降低製造成本及維修成本，增加產品操作壽命和附加價值，並增進其經濟效益。

藉此，可以理解到本發明為一創意極佳之創作，除了有效解決習式者所面臨的問題，更大幅增進功效，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品創作或公開使用，同時具有功效的增進，故本發明已符合發明專利有關「新穎性」與「進步性」的要件，乃依法提出申請發明專利。