实用好文！热气机的专利申请情况分析来了

　　斯特林发动机（StirlingEngine）又叫热气机，是一种封闭式外燃机，具有燃料来源广、热效率高、排气污染少、噪音低、运转特性好、结构简单、维修方便等优点，并且在太阳能碟式发电系统中发挥着重要的作用，越来越受到人们的关注。本文中，笔者从热气机的基本情况、发展历程入手，分析热气机的专利申请情况，以期为行业提供参考。

　　一、热气机起步早效率高

　　热气机于1816年由罗伯特·斯特林发明。热气机比汽油发动机或柴油发动机拥有更高的效率。不过，至今热气机的使用还仅限于一些特殊领域，如潜艇或用于游艇的辅助发电机，这些地方对静音有着非常高的要求。

　　热气机的主要原理首先体现在，发动机内封入一定量的气体，然后斯特林循环的一系列活动会改变发动机内部的气压，从而导致其做功。有几种气体的特性对热气机的运转非常重要：如果向一定空间中注入一定量的气体，当气体的温度升高时，压力就会增加。如果压缩一定数量的气体（减少所占用空间的体积），气体的温度就会升高。以气缸数与动力活塞及移气器的排列构型来划分，热气机又可以分为下列3种类型：

　　（1）α型—又称双气缸型（Twin-cylinderStirlingEngine），此型无移气器，具有二个动力活塞，分别在二个独立的气缸内作动（如图1所示）。

　　（2）β型—又称为同轴活塞型（CoaxialPiston-DisplacerStirlingEngine），具有一个动力活塞与一个移气器，二者位于同一个气缸，且沿相同轴移动，即活塞式热气机。

　　（3）γ型—具有二个独立气缸，其中一个气缸内设置动力活塞，另一个气缸则设置一个移气器，这种属于γ型。

　　二、热气机的发展历程可分为3个阶段：

　　（1）萌芽期（1816年至1910年）

　　1816年至1910年，以老式热气机结构为标志，试图取代蒸汽机，热气机在萌芽中发展。经过专利检索后，获得的第一篇关于热气机的专利申请出现在1965年（公开号：US19650482531A），涉及一种组合热气机及斯特林制冷机。

　　1816年，罗伯特·斯特林发明了闭式循环的热气机。在相关专利中，罗伯特·斯特林描述了回热器的结构和应用，并对第1台闭式循环热气机的构造进行了描述。

　　老式热气机出现后曾经风行一时，但是，由于当时材料基础和工艺水平有限，以及受到内燃机的冲击，没能进一步发展。随着1883年4冲程汽油机发明以及1893年柴油机的出现，老式热气机终究被市场抛弃；1910年，当最后一台老式热气机出厂，标志着老式热气机时代的终结。

　　（2）发展期（1937年至1990年）

　　1937年至1982年，以菱形传动机构及斜盘双作用活塞传动机构为标志，试图取代内燃机，热气机进入了一个重要发展期。

   　1937年，菲利普公司开创研发现代热气机先河。

　　1953年，罗尔夫·梅耶发明的菱形传动机构，使热气机的效率提高了50%。

   　1958年，上述发明人率先与美国通用汽车公司签订专利实施许可协议，后来又与瑞典联合斯特林公司、西德WAN/MWM公司签订协议，进行热气机应用研究。

　　1968年，菲利普公司发明斜盘传动的四缸双作用热气机。设计了4—65型四缸双作用热气机。1975年，这种机器被安装在福特Torino汽车上运行试验。

　　（3）调整期（1995年至今）

　　从1995年起，以斯特林可逆热机为标志，将取代内燃机和潜热式制冷机，热气机进入了发展高潮期。1995年，在日本东京召开的国际热气机学术会议就曾预言：21世纪是热气机的世纪。当时，联合斯特林公司与美国STM公司合作，成功研制了V160型热气机。其结构呈90度V型布置的双缸双活塞发动机。

　　早在1982年，在英国伦敦召开的第一届国际热气机学术会议就曾错误地认为：热气机在汽车行业相对内燃机没有竞争力，应该退出；热气机只能向小功率方向发展，功率不超过50KW；热气机的应用范围限于水下动力、热电联供、太阳能热发电等。

　　2011年，斯特林可逆热机获中国发明专利权，一度阻碍热气机发展的两大难题（体积大、密封难）完全被解决了。

　　2012年，一种太阳能斯特林发动机的专利申请获得中国发明专利权，该技术解决了转子固定、活塞组设计等问题。

　　国外申请美英日占主导

　　在热气机技术领域，主要专利申请人主导了热气机技术的进步。从数据来看，主要专利申请人每年的申请量占据该领域专利申请总量50%以上，且排名前10位的申请人历年所占比例稳步上升（如图2所示），这使得主要申请人每年的申请趋势与该领域每年申请总量趋势大致相同。

　　美国、英国和日本是热气机专利技术的主要来源国。美国在全球范围的专利申请较为均匀，在美、日、欧、德、中、韩等受理局都有超过300件的专利申请。日本申请人除了在本国大量提交专利申请外，还在美国、欧洲专利局和德国提交了相当数量的专利申请。

　　仅从申请量上看，日本的松下电器、爱信精机株式会社、三洋电子在各技术发展阶段都有较强的优势，在活塞传动机构以及斯特林可逆热机的技术优势尤其明显。通用电气公司在可逆热机方面也具有较强的技术实力。而英国的菲利普公司在热气机领域有着举足轻重的地位。早在热气机的发展萌芽期，菲利普公司就开始涉足该领域，无论是专利布局的质量还是数量都一直处于领先地位。即使是在可逆热机的技术方面，菲利普公司的控制器和热交换器专利申请也一直处于领先地位。值得一提的是，该公司在可逆热机的整体机型设计上还没有进行专利申请，这说明这两个技术领域的技术成熟度有待提高。

　　进一步来看，日本申请人比较注重国内专利申请，而提交多边专利申请所占比例在20%至30%之间；美国申请人除了比较注重在欧洲和美国提交专利申请，同时也注重在多个国家和地区提交专利申请；英国的菲利普公司几乎没有提交多边专利申请，主要是在欧洲提交专利申请。

　　三、国内申请高校企业平分秋色

　　进入技术发展调整期之后，中国申请人的热气机领域专利申请量增幅较快，自2012年以来相关专利申请量增幅较快，国内申请人在该领域的专利申请量年均增幅就已经超过了国外申请人该领域的专利申请量。尤其是进入了斯特林可逆热机时代，中国相关专利申请如雨后春笋一般，竞相涌现出来。自2012年后，中国该领域的专利申请人主要是摩尔动力、上海齐耀动力、绍兴文理学院、新动力概念有限公司、中国科学院理化技术研究所、浙江大学、南京航空航天大学以及相当数量的个人申请。其中，摩尔动力在斯特林发动机技术领域，处于绝对优势地位。但是，在全球五大专利局中，中国申请人的侧重点仅仅局限于在中国国内提交专利申请，在他局的申请寥寥无几。

　　上世纪90年代初，国外大多数掌握热气机技术的企业都已来中国申请专利，例如菲利普公司、松下电器、通用电气公司、爱信精机等。国外申请人主要来自日本、美国和英国，其中日本申请人占该领域国外来华专利申请总量的一半以上。2000年以前，日本申请人在申请量上占据一定优势，其他国家在中国相关专利申请较少。2010年以后，各国开始加强在中国提交斯特林发动机专利申请，其中美国相关专利申请增长十分迅猛。

　　此外，国内申请人在热气机技术领域的专利申请，侧重于整体机型、系统热循环和性能仿真技术，这些都属于热气机的关键控制技术，而控制技术是调节热气机工作的核心技术，热气机的控制技术远不如内燃机成熟，因此提高热气机的控制技术，对提高热气机和热气机系统的综合性能有着重要的意义。此外，国内申请人对热气机的构件，如换热器和控制器，设计及改进等方面提交的专利申请数量较少，有待进一步提高。

　　为便于分析相关技术的发明点，笔者以示例分析的方式进行说明。以大连宏海新能源发展有限公司2012年10月31日提交的一件名为“一种燃气式热气机燃烧器喷嘴”（申请号：CN20121042971.9）的专利申请为例，我们首先要判断其所属的技术分支，从摘要中可以判断出其为热气机结构改进。再看权利要求1中，包括燃气喷孔、空气喷孔、混合室、出气孔、燃气腔、空气腔和燃烧腔。从其技术特征可以发现，该技术解决的问题是通过燃烧器的设计改进，研制一种提高燃烧效率、降低燃气和空气消耗量的燃气式热气机燃烧器喷嘴，使燃气能够充分燃烧。结合技术路线图以及对各主要申请地域的判断，可以初步判断该专利申请应当代表了热气机最新发展方向的主要部件。最终，我们可以确定该专利申请应当属于发动机部件这一技术分支。然而，在这一分支领域内，日本和美国的专利申请占据着主导性地位。

　　因此，我们在这一技术分支下进行检索确认与其最相关的现有技术，检索后得到中文文献有125篇；在外文库中相应检索到134篇文献。其中，美国STM公司于1999年7月13日公开的一件美国专利申请（公开号：US5921764A），该申请完全公开了上述中国专利申请（申请号：CN20121042971.9）的发明点，也即在热气机的燃烧器喷嘴上进行改进。

　　随着社会不断发展进步，化石燃料的消耗量日益增大，传统燃料的内燃机将面临着严重的能源危机，而积极解决这个问题的有效途径之一是开发一种可以使用与传统内燃机不同的燃料动力装置，热气机则是目前可行的最佳途径之一。在笔者看来，梳理热气机的技术发展脉络，不仅可以帮助我们了解热气机技术的出现和成长，还有助于我们利用专利分析、专利运用以及专利风险预警手段分析热气机未来发展的趋势。