(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空間と膨張空間の間でシリンダ内を移動するディスプレーサと、動力源によってシリンダ内を往復運動するピストンとを備え、前記ピストンが往復運動することにより前記ディスプレーサも往復運動して作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、
前記ピストンの共振発生用スプリングを無くすとともに、前記ピストンが前記シリンダの中で軸線まわりに回転するのを防止する回転防止手段を設けたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
圧縮空間と膨張空間の間でシリンダ内を移動するディスプレーサと、リニアモータによってシリンダ内を往復運動するピストンとを備え、前記ピストンが往復運動することにより前記ディスプレーサも往復運動して作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、
前記ピストンの共振発生用スプリングを無くすとともに、前記ピストンのバウンス空間側への移動範囲を定める移動限定手段を設けたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項３】
前記ピストンと移動限定手段との間に衝撃緩衝用の弾性体を配置したことを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスターリング機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。特許文献１〜４にスターリング機関の例を見ることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３７７２５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３１２３９号公報
【特許文献３】
特開２００２−２１３８３１号公報
【特許文献４】
特開２００２−３４９３４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング機関については、性能向上やコストダウンのための研究が盛んに進められている。本発明は、部品点数削減により構造を簡素化し、コストダウンを図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、スターリング機関を次のように構成した。
【０００６】
（１）圧縮空間と膨張空間の間でシリンダ内を移動するディスプレーサと、動力源によってシリンダ内を往復運動するピストンとを備え、前記ピストンが往復運動することにより前記ディスプレーサも往復運動して作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、前記ピストンの共振発生用スプリングを無くすとともに、前記ピストンが前記シリンダの中で軸線まわりに回転するのを防止する回転防止手段を設けた。
【０００７】
この構成によれば、ピストンに対してはスプリングを用いないので、部品点数が減る。部品点数削減により部品コストが下がる他、ピストンをスプリングに連結する際のピストンのセンタリング工程が不要となって組立コストも下がる。部品点数が減って構造が簡素化された分、故障も少なくなる。
【０００８】
上記構成に加え、ピストンがシリンダの中で軸線まわりに回転するのを防止する回転防止手段を設けたことにより、次のような効果がもたらされる。
【０００９】
ピストンを往復運動させていると作動ガスは圧縮空間からシリンダの外側のバウンス空間へと流れるので、バウンス空間と圧縮空間との圧力バランスを保つため、往復運動のあるタイミングで作動ガスがバウンス空間から圧縮空間へと戻る戻り流路を形成しておく必要があるが、ピストンがシリンダの中で軸線まわりに回転しないようにすることにより、戻り通路は確実にその機能を果たす。
【００１０】
（２）また本発明では、圧縮空間と膨張空間の間でシリンダ内を移動するディスプレーサと、リニアモータによってシリンダ内を往復運動するピストンとを備え、前記ピストンが往復運動することにより前記ディスプレーサも往復運動して作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、前記ピストンの共振発生用スプリングを無くすとともに、前記ピストンのバウンス空間側への移動範囲を定める移動限定手段を設けた。
【００１１】
この構成によれば、ピストンに対してはスプリングを用いないので、部品点数が減る。部品点数削減により部品コストが下がる他、ピストンをスプリングに連結する際のピストンのセンタリング工程が不要となって組立コストも下がる。部品点数が減って構造が簡素化された分、故障も少なくなる。また移動限定手段の存在により、スプリングによる拘束のなくなったピストンがシリンダからバウンス空間にとび出すのを防ぐことができる。
【００１２】
スターリング機関の動力源としてリニアモータを用いたのは、クランクとコネクティングロッドのような運動変換機構を用いることなくピストンを往復運動させることができ、高効率であるからである。
【００１３】
このようにリニアモータを動力源とする場合において、リニアモータのマグネットが磁気回路中に在中維持されるようにピストンの往復移動範囲を定めることにより、リニアモータのマグネットが磁気回路中に在中維持されるという作用がもたらされる。
【００１４】
（３）上記のようなスターリング機関において、前記ピストンと移動限定手段との間に衝撃緩衝用の弾性体を配置した。
【００１５】
この構成によれば、ピストンが万一移動限定手段に衝突したとしてもその衝撃を緩和し、騒音の発生や機構の破損を防ぐことができる。前記弾性体として一般的な機械部品であるオーリングを使用すれば、弾性体の調達が容易であり、コストも安い。またオーリングは温度、油、化学物質などに対して耐性が高いので、圧力容器中で高圧の作動ガスにさらしても劣化の懸念が少ない。
【００１６】
上記のようなスターリング機関においては、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間にガスベアリングを形成するとともに、このガスベアリングはピストンの軸線方向に間隔を置いて２箇所以上に配置するのが望ましい。
【００１７】
この構成によれば、ガスベアリングがピストンの軸線方向に間隔を置いて２箇所以上に配置されているので、往復運動時にピストンがシリンダに対して傾くことがない。従ってピストンとシリンダとの接触が確実に回避され、ピストンとシリンダとの摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触箇所の摩耗といった問題が発生しない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態を図１、２に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図、図２は性能試験結果を示す表である。
【００１９】
スターリング機関１の組立の中心となるのはシリンダ１０、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は位相差を備えて動く。
【００２０】
ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。
【００２１】
シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、コイル２１を備えた外側ヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられた内側ヨーク２３と、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、外側ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２６、２７とを備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。
【００２２】
ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３１の外周部はエンドブラケット２７にスペーサ３２を介して固定される。スプリング３１は円板形の平板素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定位相差をもたせて共振させる役割を果たす。
【００２３】
シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には伝熱ヘッド４０、４１が配置される。伝熱ヘッド４０はリング状、伝熱ヘッド４１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。伝熱ヘッド４０、４１は各々リング状の内部熱交換器４２、４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。内部熱交換器４２、４３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を伝熱ヘッド４０、４１に伝える。伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。
【００２４】
伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び内部熱交換器４２で囲まれた環状の空間は圧縮空間４５となる。伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。
【００２５】
内部熱交換器４２、４３の間には再生器４７が配置される。再生器４７も通気性を有し、内部を作動ガスが通る。再生器４７の外側を再生器チューブ４８が包む。再生器チューブ４８は伝熱ヘッド４０、４１の間に気密通路を構成する。
【００２６】
リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を筒状の圧力容器５０が覆う。圧力容器５０の内部はバウンス空間５１となる。
【００２７】
圧力容器５０には振動抑制装置６０が取り付けられる。振動抑制装置６０は、圧力容器５０に固定されるフレーム６１と、フレーム６１に支持された板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されたマス（質量）６３とから成る。
【００２８】
通常のスターリング機関と異なり、ピストン１２の共振発生用スプリングを無くしている。しかし、そのままではシリンダ１０からピストン１２が抜けてしまう虞があるので、ピストン１２の往復運動範囲を定める移動限定手段を設ける。本実施形態において、圧縮空間４５の側で移動限定手段を構成するのはシリンダ１０の端に設けた内フランジ７０である。バウンス空間５１の側で移動限定手段を構成するのはリニアモータ２０のエンドブラケット２７に固定されたストッパ板７１である。この往復移動範囲の中にあるかぎり、マグネット２４はコイル２１によって駆動される状態にある。すなわちリニアモータ２０の磁気回路中にマグネット２４が在中維持されている。
【００２９】
内フランジ７０はピストン１２の端面を受け、ストッパ板７１はマグネットホルダ１４の端面を受ける。これらの部材が直接当たると騒音や振動を発するので、衝撃緩衝用の弾性体を配置する。本実施形態では弾性体としてオーリング７２を使用する。内フランジ７０とストッパ板７１は、それぞれ、接着材など適当な結合手段によりオーリング７２を保持している。オーリング７２の位置を逆にし、ピストン１２及びマグネットホルダ１４の側にオーリング７２を装着してもよい。
【００３０】
ピストン１２の内部は空洞８０となっている。空洞８０はピストン１２の端面に設けられた連通口８１を介して圧縮空間４５に連通する。ピストン１２の外周面には空洞８０に通じるピンホール８２が穿たれている。ピンホール８２はガスベアリングを形成するものであり、同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。ピンホール８２はピストン１２の軸線方向に間隔を置いて２箇所以上に配置する。すなわちガスベアリングを２箇所以上に形成する。図示実施例ではガスベアリングを２箇所に設けることとしているが、その数に限定はない。
【００３１】
ピンホール８２とは別に、バウンス空間５１内のガスを圧縮空間４５に戻す戻り流路が設けられている。戻り流路は、リニアモータ２０の内部ヨーク２３とシリンダ１０とを貫通するように設けた固定戻り流路９０と、ピストン１２の内部にＬ字形に屈曲する形で設けた移動戻り流路９１とにより構成される。
【００３２】
シリンダ１０とピストン１２を端面の方から見た場合、固定戻り流路９０と移動戻り流路９１は同一角度位置になければならない。すなわちシリンダ１０とピストン１２の相対角度は常に一定でなければならない。そこで、ピストン１２がシリンダ１０の中で軸線まわりに回転しないよう、回転防止手段を設ける。本実施形態では、マグネットホルダ１４に透孔９２を設け、この透孔９２にストッパ板７１から突き出すピン９３を通してピストン１２の回転を止めている。ピンホール８２が固定戻り流路９０に合致してしまい、ガスベアリングの機能が損なわれるという事態もこれにより避けることができる。
【００３３】
スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外部ヨーク２２と内部ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生し、マグネット２４は軸線方向に往復運動する。マグネット２４にマグネットホルダ１４を介して連結されたピストン１２も軸線方向に往復運動する。
【００３４】
ピストン１２が往復運動すると、ピストン１２の左側の全空間に同一の圧力変動が生じる。ここでディスプレーサ１３に作用する圧力を観察すると、膨張空間４６側の端面に作用する圧力と圧縮空間４５側の端面に作用する圧力とはパスカルの原理により同一となり、相殺される。しかしながらディスプレーサ軸１５はピストン１２の右側のバウンス空間５１に突出しているため、ディスプレーサ軸１５にはその断面積に応じた背圧がかかる。
【００３５】
背圧は圧縮空間４５の圧力変動と逆相で変動するため、ディスプレーサ１３の両側の圧力は完全には相殺されず、差圧が発生する。つまり、ピストン１２がディスプレーサ１３の側に前進すると、ディスプレーサ１３はピストン１２に向かって後退し、圧縮空間４５の容積が縮小するとともに膨張空間４６の容積が拡大する。圧縮空間４５の容積縮小分の作動ガスは再生器４７を通って膨張空間４６に流れ込む。
【００３６】
逆にピストン１２がディスプレーサ１３から離れて後退すると、ディスプレーサ１３はピストン１２から離れて前進し、膨張空間４６の容積が縮小するとともに圧縮空間４５の容積が拡大する。膨張空間４６の容積縮小分の作動ガスは再生器４７を通って圧縮空間４５に戻る。
【００３７】
上記のようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２の振動周波数と同期して振動する。この振動を効率的に維持するため、ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）の総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数を、ピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。これにより、ピストン系とディスプレーサ系とは良好に一定の位相差をもって同期振動する。
【００３８】
ピストン１２とディスプレーサ１３の同期振動により圧縮／膨張のサイクルが生まれる。振動の位相差を適切に設定すれば、圧縮空間４５では断熱圧縮による発熱が多く発生し、膨張空間４６では断熱膨張による冷却が多く発生する。このため、圧縮空間４５の温度は上昇し、膨張空間４６の温度は下降する。
【００３９】
運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を往復する作動ガスは、内部熱交換器４２、４３を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器４２、４３を通じて伝熱ヘッド４０、４１に伝える。圧縮空間４５から噴出する作動ガスは高温であり、伝熱ヘッド４０は加熱される。すなわち伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から噴出する作動ガスは低温であり、伝熱ヘッド４１は冷却される。すなわち伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド４０より熱を放散し、伝熱ヘッド４１で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。
【００４０】
再生器４７は、圧縮空間４５と膨張空間４６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間４５から内部熱交換器４２を経て再生器４７に入った高温の作動ガスは、再生器４７を通過するときにその熱を再生器４７に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から内部熱交換器４３を経て再生器４７に入った低温の作動ガスは、再生器４７を通過するときに再生器４７から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。すなわち再生器４７は熱の保管庫としての役割を果たす。
【００４１】
圧縮空間４５の中の高圧の作動ガスの一部は連通口８１からピストン１２の空洞８０に入り込む。そしてピンホール８２から噴出する。噴出する作動ガスにより、ピストン１２の外周面とシリンダ１０の内周面との間にガスの膜が形成され、ピストン１２とシリンダ１０との接触が防がれる。これと同様のガスベアリングをディスプレーサ１３とシリンダ１１の間にも設ける。
【００４２】
ピストン１２のガスベアリングは軸線方向に間隔を置いて２個以上設けられているので、往復運動時、ピストン１２がシリンダ１０に対して軸線方向に傾くことがない。従ってピストン１２とシリンダ１０との接触が確実に回避され、ピストン１２とシリンダ１０との摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触箇所の摩耗といった問題が発生しない。
【００４３】
ピストン１２を連続して往復運動させていると、バウンス空間５１内のガス圧が徐々に高くなり、圧縮空間４５とバウンス空間５１の間の圧力バランスが崩れてくる。固定戻り流路９０及び移動戻り流路９１はこの現象を防ぐために存在する。すなわち、ピストン１２が往復運動していると、あるタイミングで戻り流路９０、９１が合致する。この時、バウンス空間５１から固定戻り流路９０及び移動戻り流路９１を通じてガスが圧縮空間４５に帰還し、圧力バランスを回復する。
【００４４】
前述の通り、ピストン１２とシリンダ１０との相対回転は透孔９２とピン９３からなる回転防止手段で止められている。従ってピストン１２の往復運動中、固定戻り流路９０と移動戻り流路９１は所定のタイミングで必ず合致する。同時に、ピンホール８２が固定戻り流路９０に合致することが防がれるので、ガスベアリングの機能が損なわれることもない。
【００４５】
ピストン１２とディスプレーサ１３が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。振動抑制装置６０がこの振動を抑える。
【００４６】
上記構成のスターリング機関の性能について実験した結果を図２に示す。実験は、同一構成のスターリング機関を、「ピストンスプリングなし」の条件と「ピストンスプリングあり」の条件で運転し、前者の出力を後者の出力で除して出力指数を求めたものである。実験によれば、入力６０Ｗのときの出力指数は０．９８３、入力８０Ｗのときは同じく０．９７６、入力１００Ｗのときは同じく０．９７０であった。すなわちピストンスプリングを廃止しても出力は殆ど変わらなかった。
【００４７】
図３に本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態はピストンとシリンダの間の回り止めの構成に係るものであり、図３は関連の構成要素のみ示す部分断面図である。
【００４８】
第２実施形態では、シリンダ１０の内面に軸線方向に延びる溝９４を形成し、ピストン１２には溝９４に係合する突起９５を形成して回り止めとした。
【００４９】
図４に本発明の第３実施形態を示す。第３実施形態もピストンとシリンダの間の回り止めの構成に係るものであり、図４は関連の構成要素のみ示す部分断面図である。
【００５０】
第３実施形態では、外部ヨーク２２及びエンドブラケット２６、２７の内面の断面形状を多角形にした。図の場合八角形となっている。その八角形の内面側の角には軸線方向に延びる溝９６を形成した。マグネットホルダ１４の外面の断面形状も八角形とし、各角には溝９６に係合する突起９７を形成して回り止めとした。
【００５１】
図５に本発明の第４実施形態を示す。図５はスターリング機関の断面図である。第５実施形態のスターリング機関は、大部分の構成要素が第１実施形態と共通である。そこで、第１実施形態と共通の構成要素には第１実施形態で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。
【００５２】
第４実施形態のスターリング機関１は、ピストン１２の移動限界を定める移動限定手段の構成が第１実施形態と異なる。圧縮空間４５において、ピストン１２とディスプレーサ１３は第１実施形態のときのようにシリンダ１０に設けた内フランジで隔てられることなく対面している。すなわちここではディスプレーサ１３が移動限定手段を構成する。ピストン１２の端面に衝撃緩衝用のオーリング７２が装着されている。このオーリング７２はディスプレーサ１３の側に配置してもよい。バウンス空間５１においては、マグネットホルダ１４の側にオーリング７２が固定されている。
【００５３】
また本実施形態では、膨脹空間４６において、ディスプレーサ１３の端面に衝撃緩衝用のオーリング７２を装着し、ディスプレーサ１３が伝熱ヘッド４１に衝突するようなことがあった場合の備えとしている。このオーリング７２は伝熱ヘッド４１の側に配置してもよい。
【００５４】
この実施形態の場合ピストン１２は、ディスプレーサ１３の側に前進しすぎると、ピストン１２に向かって後退する途中だったディスプレーサ１３にオーリング７２を介して衝突する。この衝突はマグネット２４がエンドブラケット２６に当たる前に生じるので、リニアモータ２０がダメージを受けることはない。
【００５５】
以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、圧縮空間と膨張空間の間でシリンダ内を移動するディスプレーサと、動力源によってシリンダ内を往復運動するピストンとを備え、ピストンが往復運動することによりディスプレーサも往復運動して作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、ピストンの共振発生用スプリングを無くしたから、ピストンの共振発生用スプリングが不要である分だけ部品点数が減る。部品点数削減により部品コストが下がる他、ピストンをスプリングに連結する際のピストンのセンタリング工程が不要となって組立コストも下がり、コストダウンを実現することができる。また構造の簡素化により故障も少なくなる。加えて、ピストンを往復運動させていると作動ガスは圧縮空間からシリンダの外側のバウンス空間へと流れるので、バウンス空間と圧縮空間との圧力バランスを保つため、往復運動のあるタイミングで作動ガスがバウンス空間から圧縮空間へと戻る戻り流路を形成しておく必要があるが、ピストンがシリンダの中で軸線まわりに回転しないようにすることにより、戻り通路は確実にその機能を果たす。さらに、ピストンのバウンス空間側への移動範囲を定める移動限定手段を設けることにより、スプリングによる拘束のなくなったピストンがシリンダからバウンス空間にとび出すのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスターリング機関の断面図
【図２】性能試験結果を示す表
【図３】本発明の第２実施形態に係るスターリング機関の部分断面図
【図４】本発明の第３実施形態に係るスターリング機関の部分断面図
【図５】本発明の第４実施形態に係るスターリング機関の断面図
【符号の説明】
１    スターリング機関
１０、１１  シリンダ
１２  ピストン
１３  ディスプレーサ（移動限定手段）
１４  マグネットホルダ
２０  リニアモータ
３１  スプリング（共振発生用）
４５  圧縮空間
４６  膨張空間
５０  圧力容器
５１  バウンス空間
７０  内フランジ（移動限定手段）
７１  ストッパ板（移動限定手段）
７２  オーリング（弾性体）
８０  空洞
８１  連通口
８２  ピンホール（ガスベアリング形成用）
９０  固定戻り流路
９１  移動戻り流路
９２  透孔（回転防止手段）
９３  ピン（回転防止手段）
【要約】【課題】部品点数削減により構造を簡素化し、コストダウンを図ることのできるスターリング機関を提供する。
【解決手段】スターリング機関１では、リニアモータ２０がシリンダ１０の中のピストン１２を往復運動させるとシリンダ１１の中のディスプレーサ１３も往復運動し、圧縮空間４５と膨張空間４６の間を作動ガスが移動する。ディスプレーサ１３には共振発生用のスプリング３１を組み合わせるが、ピストン１２の共振発生用スプリングは無くしてある。ピストン１２には軸線方向に間隔を置いて２箇所以上にガスベアリングが設けられる。シリンダ１０の端に形成された内フランジ７０と、リニアモータ２０に固定されたストッパ板７１がピストン１２の移動限界を定める。ストッパ板７１から突き出したピン９３をマグネットホルダ１４の透孔９２が受け入れることにより、ピストン１２の回転が防止される。
【選択図】      図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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