(57)【要約】      （修正有）【課題】スターリングエンジンにおいて、パワーピストンの外周の摺動クリアランスに異物が噛み込むことを有効に防止できるようにする。【解決手段】ディスプレーサピストンと、ディスプレーサピストンの下方に設けられるパワーピストン７と、ディスプレーサピストンの上側に画成される膨張室と、ディスプレーサピストンとパワーピストンとの間に画成される圧縮室とを結ぶ作動ガスの流通路に介設される再生器と、膨張室に流入する作動ガスを加熱する加熱手段と、圧縮室に流入する作動ガスを冷却する冷却手段とを備える。パワーピストン７の上端面の外周縁部に、異物を受け入れる環状の凹溝７ａを形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサピストンと、ディスプレーサピストンの下方に設けられるパワーピストンと、ディスプレーサピストンの上側に画成される膨張室と、ディスプレーサピストンとパワーピストンとの間に画成される圧縮室と、膨張室と圧縮室とを結ぶ作動ガスの流通路と、流通路に介設され、膨張室から圧縮室に作動ガスが流れるときに作動ガスを予冷すると共に、圧縮室から膨張室に作動ガスが流れるときに作動ガスを予熱する再生器と、膨張室に流入する作動ガスを加熱する加熱手段と、圧縮室に流入する作動ガスを冷却する冷却手段とを備えるスターリングエンジンにおいて、
パワーピストンの上端面の外周縁部に、異物を受け入れる環状の凹溝が形成されていることを特徴とするスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置の動力源等に用いられるスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは、ディスプレーサピストンと、ディスプレーサピストンの下方に設けられるパワーピストンと、ディスプレーサピストンの上側に画成される膨張室と、ディスプレーサピストンとパワーピストンとの間に画成される圧縮室と、膨張室と圧縮室とを結ぶ作動ガスの流通路と、流通路に介設され、膨張室から圧縮室に作動ガスが流れるときに作動ガスを予冷すると共に、圧縮室から膨張室に作動ガスが流れるときに作動ガスを予熱する再生器と、膨張室に流入する作動ガスを加熱する加熱手段と、圧縮室に流入する作動ガスを冷却する冷却手段とを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、ディスプレーサピストンの外周の摺動クリアランスは、一般的に３５μｍ程度と比較的広くなっているが、パワーピストンの外周の摺動クリアランスは、作動ガスが圧縮室からリークすることを抑制するため、一般的に２０μｍ程度と狭くなっている。このような狭い摺動クリアランスに異物が噛み込むと、摺動抵抗が増して効率が低下し、更には、パワーピストンの焼き付きといった故障の原因になる。そのため、クリーンルームでスターリングエンジンの組立を行い、エンジン内に異物が混入することを防止する必要がある。
【０００４】
然し、組立時に異物の混入を防止しても、以下の不具合を生ずることが判明した。即ち、スターリングエンジンをある程度稼働すると、再生器の劣化で、再生器を構成する金属繊維のかす等の異物が圧縮室に侵入し、パワーピストンの外周の摺動クリアランスに異物が噛み込んでしまう。そのため、スターリングエンジンの頻繁なメンテナンスが必要になり、スターリングエンジンの稼働率が低下してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−４１４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、パワーピストンの外周の摺動クリアランスに異物が噛み込むことを有効に防止できるようにしたスターリングエンジンを提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、ディスプレーサピストンと、ディスプレーサピストンの下方に設けられるパワーピストンと、ディスプレーサピストンの上側に画成される膨張室と、ディスプレーサピストンとパワーピストンとの間に画成される圧縮室と、膨張室と圧縮室とを結ぶ作動ガスの流通路と、流通路に介設され、膨張室から圧縮室に作動ガスが流れるときに作動ガスを予冷すると共に、圧縮室から膨張室に作動ガスが流れるときに作動ガスを予熱する再生器と、膨張室に流入する作動ガスを加熱する加熱手段と、圧縮室に流入する作動ガスを冷却する冷却手段とを備えるスターリングエンジンにおいて、パワーピストンの上端面の外周縁部に、異物を受け入れる環状の凹溝が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、再生器の劣化で発生する繊維かす等の異物が圧縮室に侵入しても、この異物は凹溝で捕集される。そのため、パワーピストンの外周の摺動クリアランスに異物が噛み込むことを有効に防止できる。従って、スターリングエンジンのメンテナンスインターバルを引き伸ばして、スターリングエンジンの稼働率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態のスターリングエンジンを具備する発電装置の切断側面図。
【図２】実施形態のスターリングエンジンのパワーピストン部分の拡大切断側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、スターリングエンジン１を動力源とする発電装置を示している。発電装置は、エンジンハウジング２と、エンジンハウジング２の下方に連設した発電ハウジング３とを備えている。
【００１１】
エンジンハウジング２は、ドーム状に形成された上端のヒータヘッド２ａと、ヒータヘッド２ａから下方にのびる円筒状のカバー部２ｂと、内部のシリンダ部２ｃとを備えている。そして、シリンダ部２ｃに中空のディスプレーサピストン４を上下方向に摺動自在に収納している。
【００１２】
シリンダ部２ｃは底壁２ｄを有しており、この底壁２ｄに、ディスプレーサピストン４の下端部に摺動自在に挿通される支持ロッド５を立設している。ディスプレーサピストン４は、上下一対の板ばね６，６を介して支持ロッド５に連結されており、板ばね６のばね定数によってディスプレーサピストン４の固有振動数が調整される。
【００１３】
発電ハウジング３の上端部にはシリンダ穴３ａが形成されており、このシリンダ穴３ａにパワーピストン７を上下方向に摺動自在に収納している。パワーピストン７には、下方にのびるムーバーロッド８が連結されている。このムーバーロッド８は、上下一対の板ばね９，９を介して発電ハウジング３に連結されており、板ばね９のばね定数によってパワーピストン７の固有振動数が調整される。そして、パワーピストン７の固有振動数をディスプレーサピストン４の固有振動数より幾分小さくし、パワーピストン７とディスプレーサピストン４とが位相差を持って振動するようにしている。
【００１４】
ディスプレーサピストン４の上側、即ち、ヒータヘッド２ａとディスプレーサピストン４との間には膨張室１０が画成されている。また、シリンダ部２ｃの底壁２ｄには上下方向の貫通孔２ｅが形成されており、ディスプレーサピストン４とパワーピストン７との間に圧縮室１１が画成される。
【００１５】
膨張室１０と圧縮室１１とにはヘリウム等の作動ガスが充填されており、膨張室１０と圧縮室１１とを結ぶ作動ガスの流通路１２がエンジンハウジング２のカバー部２ｂとシリンダ部２ｃとの間に形成されている。そして、流通路１２に再生器１３を介設すると共に、膨張室１０に流入する作動ガスを加熱する加熱手段１４と、圧縮室１１に流入する作動ガスを冷却する冷却手段１５とを設けている。
【００１６】
再生器１３は、ステンレス等の金属の短繊維の集合体を焼結して成る焼結体や金属の長繊維を積層した積層体で構成されている。そして、膨張室１０から圧縮室１１に作動ガスが流れるときに再生器１３の吸熱で作動ガスを予冷し、圧縮室１１から膨張室１０に作動ガスが流れるときに再生器１３からの放熱で作動ガスを予熱する。
【００１７】
加熱手段１４は、再生器１３よりも膨張室１０側の流通路１２の部分に配置した熱交換フィン１４ａと、この熱交換フィン１４ａの配置部を囲うように配置したバーナ１４ｂとで構成されている。そして、バーナ１４ｂからの熱により熱交換フィン１４ａを介して作動ガスを加熱する。尚、ヒータヘッド２ａに対向するように配置したバーナで加熱手段１４を構成することも可能である。
【００１８】
冷却手段１５は、再生器１３よりも圧縮室１１側の流通路１２の部分に配置した熱交換フィン１５ａと、この熱交換フィン１５ａの配置部を囲うように配置した水冷ジャケット１５ｂとで構成されている。そして、水冷ジャケット１５ｂにその入口１５ｃから出口１５ｄに向けて流す冷却水により熱交換フィン１５ａを介して作動ガスを冷却する。
【００１９】
発電ハウジング３内には発電ユニット１６が配置されている。発電ユニット１６は、ムーバーロッド８に取り付けた複数の磁石１６ａと、発電ハウジング３の内面に固定の鉄心１６ｂに卷回したコイル１６ｃとで構成されている。ムーバーロッド８、即ち、パワーピストン７が上下に振動すると、コイル１６ｃに誘導起電圧が発生し、パワーピストン７の振動周波数に等しい周波数の交流電力が発電される。尚、スターリングエンジン１の起動時には、コイル１６ｃに交流電圧を印加して、発電ユニット１６をリニヤ電動機として機能させ、パワーピストン７を上下に振動させると共に、パワーピストン７の振動に伴う圧縮室１１の圧力変化でディスプレーサピストン４を上下に振動させる。
【００２０】
ここで、ディスプレーサピストン４が上方に移動すると、膨張室１０の容積が減少すると共に圧縮室１１の容積が増加し、膨張室１０内の作動ガスが流通路１２を介して圧縮室１１に流れる。この際、作動ガスは再生器１３で予冷されると共に冷却手段１５で冷却されて、低温状態の作動ガスの量が増し、膨張室１０及び圧縮室１１の圧力が低くなる。また、ディスプレーサピストン４が下方に移動すると、圧縮室１１の容積が減少すると共に膨張室１０の容積が増加し、圧縮室１１内の作動ガスが流通路１２を介して膨張室１０に流れる。この際、作動ガスは再生器１３で予熱されると共に加熱手段１４で加熱されて、高温状態の作動ガスの量が増し、膨張室１０及び圧縮室１１の圧力が高くなる。そして、圧縮室１１の圧力変化によってパワーピストン７が上下に振動し、この振動で発電が行われる。
【００２１】
ところで、ディスプレーサピストン４の外周の摺動クリアランス（ディスプレーサピストン４の外周面とシリンダ部２ｃとの間の隙間）は３５μｍ程度と比較的広く設定されるが、パワーピストン７の外周の摺動クリアランス（パワーピストン７の外周面とシリンダ穴３ａとの間の隙間）は、圧縮室１１からの作動ガスのリークを抑制するために、２０μｍ程度と狭く設定されている。ここで、スターリングエンジン１をある程度稼働させると、再生器１３の上部が加熱手段１４からの熱で劣化して、再生器１３を構成する繊維のかす等の異物が作動ガスの流れに乗って膨張室１０に流入し、ディスプレーサピストン４の外周の摺動クリアランスを経由して異物が圧縮室１１に侵入する。そして、異物がパワーピストン７の外周の摺動クリアランスに噛み込むと、パワーピストン７の摺動抵抗が増加して、発電効率が低下してしまう。そのため、スターリングエンジン１の頻繁なメンテナンスが必要になり、スターリングエンジン１の稼働率が低下してしまう。
【００２２】
そこで、パワーピストン７の上端面の外周縁部に、図２に示す如く、異物を受け入れる環状の凹溝７ａを形成している。尚、本実施形態では、パワーピストン７の上端面の外周寄りの部分に、中央部よりも低い肩部７ｂを形成し、この肩部７ｂに凹溝７ａを形成している。
【００２３】
このようにパワーピストン７に凹溝７ａを形成すれば、再生器１３の劣化で発生する繊維かす等の異物が圧縮室１１に侵入しても、この異物は凹溝７ａで捕集される。そのため、パワーピストン７の外周の摺動クリアランスに異物が噛み込むことを有効に防止できる。従って、スターリングエンジン１のメンテナンスインターバルを引き伸ばして、スターリングエンジン１の稼働率を向上することができる。
【００２４】
以上の効果を確かめるため、上記実施形態の発電装置と、上端面に凹溝を形成しないパワーピストンを組み込み、他は上記実施形態と同一とした比較例の発電装置とを用いて試験を行った。試験では、再生器１３の繊維かす１０ｍｇをパワーピストン７の上端面に載せた状態でスターリングエンジンを組立て、バーナ１４ｂのインプットを７８００Ｗ、水冷ジャケット１５ｂに供給する冷却水の温度を７０℃にしてスターリングエンジンを稼働した。尚、冷却水の温度をこのような高い温度にすると、パワーピストン７の外周の摺動クリアランスが狭められ、異物の噛み込みでパワーピストン７の摺動抵抗が増加し易くなり、発電効率が早期に低下する。
【００２５】
比較例では、発電量がスターリングエンジンの稼働当初は１０００Ｗであったが、５時間稼働すると９４８Ｗに低下した。また、試験後にスターリングエンジンを分解したところ、パワーピストン７の外周面とシリンダ穴３ａの内周面とに多数の削れ痕が付いていた。
【００２６】
これに対し、上記実施形態では、１０時間稼働しても発電量は稼働当初と同じ１０００Ｗであった。また、試験後にスターリングエンジンを分解したところ、パワーピストン７の外周面とシリンダ穴３ａの内周面に若干の擦れ痕が付いていたが、削れたような痕ではなかった。更に、凹溝７ａ内に繊維かすが溜まっていた。この結果から、パワーピストン７の外周の摺動クリアランスに異物が噛み込むことを有効に防止できることが分かる。
【００２７】
以上、発電装置の動力源として用いるスターリングエンジン１に本発明を適用した実施形態について説明したが、発電装置以外の動力源として用いるスターリングエンジンにも同様に本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００２８】
１…スターリングエンジン、４…ディスプレーサピストン、７…パワーピストン、７ａ…凹溝、１０…膨張室、１１…圧縮室、１２…流通路、１３…再生器、１４…加熱手段、１５…冷却手段。
【図１】
2010281228.tif 000003
【図２】
2010281228.tif 000004