(57)【要約】【課題】スターリングサイクル機器において、構造を極限にまで簡略化する事で、信頼性の向上と小型化、低コスト化を実現すること。【解決手段】上記課題を解決するため、ディスプレーサとピストンを一体的に結合し、ピストンが作動空間容積を減ずる方向に動作した時にその容積が増加する方向に高温空間を配置し、低温空間より高温空間に流入する作動ガス温度上昇の時間的な遅れによりスターリングサイクルを得る事を特徴としている。【選択図】図１
2014043843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動ガスを封止し相互に連通した高温空間と低温空間より成る作動空間と、高温空間と低温空間の容積比を変化させるディスプレーサと、作動空間の容積を変化させるピストンよりなるスターリングサイクル機器において、ディスプレーサとピストンを一体的に結合し、ピストンが作動空間容積を減ずる方向に動作した時にその容積が増加する方向に高温空間を配置し、低温空間より高温空間に流入する作動ガス温度上昇の時間的な遅れによりスターリングサイクルを得る事を特徴としたスターリングサイクル振動子
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングサイクル機器に関し、特に簡単な構造で温度差を振動動力に変換するスターリングサイクル振動子を提供する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングサイクル機器は作動ガスを封止し、相互に連通する高温空間と低温空間より成る作動空間を備え、高温空間と低温空間の容積比と作動空間容積を所定の位相差で変化させるための駆動装置より成っている。
【０００３】
この中で特許文献１に例示されるよう上記駆動装置として容積比を変化させる手段であるディスプレーサを弾性支持し、バネ質量系の応答特性を利用することで、クランクなどのリンク機構を用いることなく所定の位相差を得る「フリーピストン型スターリングエンジン」と呼ばれる方式が広く知られている。
【０００４】
この方式は、クランクや連接棒といったリンク機構を用いる方式に比べ構造が簡単で信頼性、耐久性に優れ、小型、軽量化にも適していることから一部で実用化がなされている。
【０００５】
しかし、構造が大幅に簡単になったとはいえ、容積比を変化させる手段としてのディスプレーサと作動空間容積を変化させる手段としてのパワーピストンという複数の可動体を必要とし、両者の位相を制御するそれぞれの支持手段を必要としているため、より一層の簡素化が試みられていた。
【０００６】
たとえば、高温空間もしくは低温空間にパルス管と呼ばれる管体を接続し、管内の作動ガスの粗密波を利用して位相差を得ることにより可動体を1個とするパルス管エンジンと呼ばれる形式などがあり、スターリング冷凍機などに応用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許出願広告昭５６−６１９
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「スターリングエンジンの理論と設計」山下巌他  山海堂
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、スターリングサイクル機器において、上記従来提案されている簡略化より、さらに一層簡素な構造を提供することで信頼性の向上と小型化、低コスト化を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
高温空間と低温空間の比率を変化させるディスプレーサと作動空間の容積を変化させるピストンを一体的に結合し、ピストンが作動空間容積を減ずる方向に動作した時にその容積が増加する方向に高温空間を配置し、低温空間より高温空間に流入する作動ガス温度上昇の時間的な遅れによりスターリングサイクルを得る事を手段としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、上記のように構成したため、ディスプレーサとピストンにそれぞれの駆動機構を用いる必要がなく、非常に簡単な構成でスターリングサイクル振動子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明によるスターリングサイクル振動子の構造図である。
【図２】図２は本発明を太陽熱造波装置に応用した場合の実施例を示す図である。
【図３】図３は本発明を高温タイプに適用した例を示す図である
【図４】図４は本発明の動作原理を説明する図である
【発明を実施するための形態】
【００１３】
高温度差タイプ、低温度差タイプ両者に応用可能で最小の可動体で動作するスターリングサイクル振動子に関し、以下実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明を低温度差で動作するスターリングサイクル振動子に適用した実施例の説明図を示す。
【００１５】
断熱性の高い材料より成るケース１０には加熱板１１、冷却板１３およびシリンダー２０が固定され、ピストン３０とともに閉鎖された作動空間６０を形成している。ここで加熱板１１はピストン３０側に、冷却板１３はその対向面に設けられている。
【００１６】
ピストン３０に一体的に固定されたディスプレーサ４０は作動空間６０を、高温空間６０aと低温空間６０ｂに分割しているとともに、両空間を連通する連通路４０aが設けられている。なお、ここでは図示しないが、連通路には公知の蓄熱式熱交換器が設けられる事が望ましい
【００１７】
ばね５０はピストン３０、ディスプレーサ４０の下面に設けられている。このばね５０は可動部質量、および作動空間のガスばねとあいまって所定の共振周波数を持つバネ定数とし、かつディスプレーサ４０を略中央位置を保つ長さに設定されている。
【００１８】
次に以上のように構成されたスターリングサイクル振動子の動作について簡単に説明する。
【００１９】
ピストン３０が図１矢印方向に動くと、低温空間６０ｂの低温の作動ガスは連通路４０aを通って高温空間６０aに流入し、加熱板１１により加熱される。
【００２０】
これを微小時間でみると、作動ガスは加熱板と作動ガスの温度差に比例する微小熱量を受け取り、この微小熱量を作動ガスの熱容量で除した値の微小温度が上昇する。
作動ガス全体の温度上昇は、この微小温度上昇分を時間軸で積分した値となる。すなわち作動ガスの圧力が上昇するまでに若干の遅れが生ずる事になる。これにより例えば数十ミリ秒の遅れを持ってピストン３０を押し戻すことになる。
【００２１】
ピストンが正弦波で動作したとすると、作動ガスの圧力は図４に示す位相遅れを生ずる事になり、ピストン３０、ディスプレーサ４０の共振周波数を上記時間遅れの時定数をもとに適切に設定することで、スターリングサイクルを構成する上で必要な位相差を得ることができる。
【００２２】
ここで、ピストン３０とディスプレーサ４０の一体的な結合は、剛体結合に限定する必要はなく、若干の弾性変形可能な結合方法でも良い。この場合可動部分の慣性による遅れも加味して共振周波数を設計すればよい。
【実施例２】
【００２３】
図２は本発明を太陽熱で動作するスターリングサイクル振動子に応用した例である。ケース１０はガラス、プラスチックなどの透明な材料で作られるとともに、ディスプレーサ４０の上面には、例えば黒色塗装をするなど、光を吸収して熱に変える受熱部が設けてある。同時に全体を湖水等の水面に浮かべる事により、湖水により冷却板１３が冷却される。
【００２４】
またこの例では、作動空間６０の容積を変化させるピストンとしてベローズ２２が用いられ、ベローズ２２の弾性が実施例１のばね５０に相当する機能を兼ね備えている。もちろんベローズの代りにダイヤフラムを用いる事も任意である。
【実施例３】
【００２５】
本発明を高温タイプに応用した図３の実施例では、複数の加熱キャップ１２が配置され、それぞれに対応した複数のディスプレーサ４０が一体的にベローズ２２の可動端に固定され、ベローズ２２はその内部がケース１０の開口１０aにより大気に解放され、ベローズ２２の外部が作動空間容積を変化させるピストンとして作動する。
【００２６】
ここで加熱キャップ１２は２個に限らず、同心円状配列あるいは千鳥配列など熱交換効率を考慮した自由な配列が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
火炎はもとより、太陽光、地熱などさまざまな熱エネルギーを非常に簡単な構造で運動エネルギーに変換することができる。得られた運動エネルギーを図示しない公知のリニア発電機で発電に利用する事や、公知のクランク装置により回転運動を得る事、あるいは直接ピストンの動きを音に変える熱音響装置として用いることもできる。
【００２８】
さらに実施例２のように、これを池や湖沼に浮かべる事により、太陽熱造波機として水面に波紋をおこすことができ、これによりアオコや蚊の発生を抑制するなどの効果も期待できる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ケース  
１１  加熱板
１２  ヒートキャップ
１３  冷却板
２０  シリンダー
２２  ベローズ
３０  ピストン
４０  ディスプレーサ
５０  ばね
６０  作動空間
【図１】
2014043843.tif 000003
【図２】
2014043843.tif 000004
【図３】
2014043843.tif 000005
【図４】
2014043843.tif 000006