(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、このシリンダ内を軸方向に往復動可能に設けられたピストン及びディスプレイサーと、前記ピストンに取り付けられる可動子を有するリニア電磁機構と、前記ピストンの往復動を制御する板バネと、この板バネの周縁部と前記シリンダとの位置関係を固定する支持手段とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、
前記板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である振動部が当接する当接部が設けられたことを特徴とするフリーピストン型スターリングサイクル機関。
【請求項２】
前記当接部が、前記板バネの前記ピストン側の面に当接するように設けられることを特徴とする請求項１記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関。
【請求項３】
シリンダと、このシリンダ内を軸方向に往復動可能に設けられたピストン及びディスプレイサーと、このディスプレイサーの往復動を制御する板バネと、この板バネの周縁部と前記シリンダとの位置関係を固定する支持手段とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、
前記板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である振動部が当接する当接部が設けられたことを特徴とするフリーピストン型スターリングサイクル機関。
【請求項４】
前記当接部が、前記板バネの前記ディスプレイサー側の面に当接するように設けられることを特徴とする請求項３記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関。
【請求項５】
シリンダと、このシリンダ内を軸方向に往復動可能に設けられたピストン及びディスプレイサーと、前記ピストンに取り付けられる可動子を有するリニア電磁機構と、前記ピストンの往復動を制御する第一の板バネと、前記ディスプレイサーの往復動を制御する第二の板バネと、前記第一及び第二の板バネの周縁部と前記シリンダとの位置関係を固定する支持手段とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、
前記第一の板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この第一の板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である振動部が当接する第一の当接部と、前記第二の板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この第二の板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である振動部が当接する第二の当接部が設けられたことを特徴とするフリーピストン型スターリングサイクル機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン及びディスプレイサーの振幅が定まっていないフリーピストン型スターリングサイクル機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、リニアモータによりピストンを往復動させるフリーピストン型スターリングサイクル機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。そして、このようなフリーピストン型スターリングサイクル機関は、ピストン及び可動子の質量と、ピストンの動きを制御する板バネのバネ定数により決まるピストン系の共振周波数と略等しい周波数で前記リニアモータを駆動することで、少ない電力で効率よくピストンを往復動させることができる。なお、ディスプレイサー等の質量と板バネのバネ定数により決まるディスプレイサー系の共振周波数は、前記ピストン系の共振周波数と略等しくなるように調整される。また、外部から熱を受けてピストン及びディスプレイサーを往復動させ、ピストンと協働する発電機によって発電するフリーピストン型スターリングエンジンにおいても、同様に、ピストン系及びディスプレイサー系の共振周波数が略等しくなるように調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５０３８８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなフリーピストン型スターリングサイクル機関は、共振によりピストンの振幅が過大になったり、また、ピストンの振動中心がずれたりすると、シリンダの端部に可動子が衝突する虞があった。また、シリンダの中間部に段部が形成されている場合、シリンダの段部にピストンの先端部が衝突する虞もあった。同様に、共振によりディスプレイサーの振幅が過大になったり、ディスプレイサーの振動中心がずれたりすると、ディスプレイサーの先端が膨張室を構成するケーシングに衝突する虞があった。このような問題を解決するために、衝突が予想される箇所に衝撃を吸収するための部材を設けることが考えられる。しかしながら、このような衝突が予想される箇所にピストン、可動子或いはディスプレイサーが衝突すると、衝突音が発生したり、その衝突のエネルギーが大きいので、結局、ピストンや可動子、シリンダ、ディスプレイサー、或いはケーシングを破損させてしまう虞があった。
【０００５】
本発明は以上の問題点を解決し、装置を破損させずにピストン及びディスプレイサーの振幅が過大にならないようにできるフリーピストン型スターリングサイクル機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、シリンダと、このシリンダ内を軸方向に往復動可能に設けられたピストン及びディスプレイサーと、前記ピストンに取り付けられる可動子を有するリニア電磁機構と、前記ピストンの往復動を制御する板バネと、この板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である周縁部と前記シリンダとの位置関係を固定する支持手段とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、前記板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この板バネの振動部が当接する当接部が設けられるものである。
【０００７】
また、本発明の請求項２に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、請求項１において、前記当接部が、前記板バネの前記ピストン側の面に当接するように設けられるものである。
【０００８】
また、本発明の請求項３に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、シリンダと、このシリンダ内を軸方向に往復動可能に設けられたピストン及びディスプレイサーと、このディスプレイサーの往復動を制御する板バネと、この板バネの周縁部と前記シリンダとの位置関係を固定する支持手段とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、前記板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である振動部が当接する当接部が設けられるものである。
【０００９】
また、本発明の請求項４に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、請求項３において、前記当接部が、前記板バネの前記ディスプレイサー側の面に当接するように設けられるものである。
【００１０】
更に、本発明の請求項５に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、シリンダと、このシリンダ内を軸方向に往復動可能に設けられたピストン及びディスプレイサーと、前記ピストンに取り付けられる可動子を有するリニア電磁機構と、前記ピストンの往復動を制御する第一の板バネと、前記ディスプレイサーの往復動を制御する第二の板バネと、前記第一及び第二の板バネの周縁部と前記シリンダとの位置関係を固定する支持手段とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、前記第一の板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この第一の板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である振動部が当接する第一の当接部と、前記第二の板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この第二の板バネの前記支持手段よりも径方向内側部分である振動部が当接する第二の当接部が設けられるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の請求項１に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、以上のように構成することにより、前記板バネの振幅が大きくなることで、或いは前記板バネの振動中心が偏ることで、前記板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この板バネの振動部が前記当接部に当接する。そして、前記板バネの振動部が前記当接部に当接すると、前記板バネの見かけ上のバネ定数が一時的に大きくなって、前記ピストン系の共振周波数が一時的に変化することで、前記ピストン系は共振状態から逸脱する。これによって、前記ピストンの振幅が一時的に小さくなる。そして、前記ピストンの振幅が小さくなると、前記板バネが前記当接部に当接しなくなるので、前記ピストン系は再び共振状態となり、振幅が回復する。このようにして、前記ピストン系の振幅が過大にならないように制御することができる。
【００１２】
なお、前記当接部が、前記板バネの前記ピストン側の面に当接するように設けられることで、前記板バネの振幅が大きくなった場合や前記板バネの振動中心が前記可動子側に偏った場合に、前記可動子が前記シリンダの端部に衝突する前に、或いは前記ピストンが前記シリンダの段部に衝突する前に、前記板バネの振動部を前記当接部に当接させることができる。
【００１３】
また、本発明の請求項３に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、以上のように構成することにより、前記板バネの振幅が大きくなることで、或いは前記板バネの振動中心が偏ることで、前記板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この板バネの振動部が前記当接部に当接する。そして、前記板バネの振動部が前記当接部に当接すると、前記板バネの見かけ上のバネ定数が一時的に大きくなって、前記ディスプレイサー系の共振周波数が一時的に変化することで、前記ディスプレイサー系は共振状態から逸脱する。これによって、前記ディスプレイサーの振幅が一時的に小さくなる。そして、前記ディスプレイサーの振幅が小さくなると、前記板バネが前記当接部に当接しなくなるので、前記ディスプレイサー系は再び共振状態となり、振幅が回復する。このようにして、前記ディスプレイサー系の振幅が過大にならないように制御することができる。
【００１４】
また、前記当接部が、前記板バネの前記ディスプレイサー側の面に当接するように設けられることで、前記板バネの振幅が大きくなった場合や前記板バネの振動中心が前記可動子側に偏った場合に、前記ディスプレイサーが膨張室を構成するケーシング内壁に衝突する前に、前記板バネの振動部を前記当接部に当接させることができる。
【００１５】
また、請求項５に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、以上のように構成することにより、前記第一の板バネの振幅が大きくなることで、或いは前記第一の板バネの振動中心が偏ることで、前記第一の板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この第一の板バネの振動部が前記当接部に当接する。そして、前記第一の板バネの振動部が前記当接部に当接すると、前記第一の板バネの見かけ上のバネ定数が一時的に大きくなって、前記ピストン系の共振周波数が一時的に変化することで、前記ピストン系は共振状態から逸脱する。これによって、前記ピストンの振幅が一時的に小さくなる。そして、前記ピストンの振幅が小さくなると、前記板バネが前記当接部に当接しなくなるので、前記ピストン系は再び共振状態となり、振幅が回復する。このようにして、前記ピストン系の振幅が過大にならないように制御することができる。また、前記第二の板バネの振幅が大きくなることで、或いは前記第二の板バネの振動中心が膨張室側に偏ることで、前記第二の板バネの軸方向の変形が所定量になった際に、この第二の板バネの振動部が前記当接部に当接する。そして、前記第二の板バネの振動部が前記当接部に当接すると、前記第二の板バネの見かけ上のバネ定数が一時的に大きくなって、前記ディスプレイサー系の共振周波数が一時的に変化することで、前記ディスプレイサー系は共振状態から逸脱する。これによって、前記ディスプレイサーの振幅が一時的に小さくなる。そして、前記ディスプレイサーの振幅が小さくなると、前記第二の板バネが前記当接部に当接しなくなるので、前記ディスプレイサー系は再び共振状態となり、振幅が回復する。このようにして、前記ディスプレイサー系の振幅が過大にならないように制御することができる。したがって、前記ピストン及び／又はディスプレイサーの振幅範囲を確実に制限することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１を示すフリーピストン型スターリングサイクル機関の断面図である。
【図２】同、要部の拡大断面図である。
【図３】同、ピストン用板バネの平面図である。
【図４】同、ディスプレイサー用板バネの平面図である。
【図５】同、Ａ−Ａ断面図である。
【図６】本発明の実施例２を示すフリーピストン型スターリングサイクル機関の要部の拡大断面図である。
【図７】本発明の実施例３を示すフリーピストン型スターリングサイクル機関の要部の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例について、添付図１〜図７を参照して説明する。以下に説明する実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。なお、図１の上下をフリーピストン型スターリングサイクル機関の上下として説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１〜図５は、本発明の実施例１を示す。図１において、１はケーシングであって、胴部２と、連結部３と、排熱体４と、円筒部５と、吸熱体６と、底板７と、ハーメチックシール８とを有して構成されている。胴部２、連結部３、円筒部５及び底板７はステンレス鋼等からなる。一方、排熱体４及び吸熱体６は、より伝熱性に優れた銅等からなる。また、ハーメチックシール８は鋼等からなる。
【００１９】
胴部２は、上下両端が開口した略円筒形状に形成されている。胴部２の側面下部には、ケーシング１内に加圧封入されるヘリウムガス等の冷媒を充填するための充填パイプ１１が連結されている。なお、ケーシング１内に冷媒を充填した後、充填パイプ１１は封止される。
【００２０】
連結部３は、略環状に形成されており、胴部２の上端に熔接されることにより固定されている。なお、連結部３の中央部には、貫通した孔である連結部貫通孔１２が形成されている。
【００２１】
排熱体４は、上下両端が開口した略円筒形状に形成され、連結部３に形成された連結部貫通孔１２の縁部上面に鑞付けされることにより固定されている。なお、連結部３の内面と排熱体４の内面は、面一となっている。
【００２２】
円筒部５は、上下両端が開口した略円筒形状に形成され、排熱体４の上部内側に鑞付けされることにより固定されている。そして、円筒部５は、水平断面が正確に円形となるように内面が切削加工されている。これによって、円筒部５の内面がシリンダの一部として作用する。また、円筒部５の上端部外周面には雄螺子５Ａが形成されている。
【００２３】
吸熱体６は、上端が閉口し下端が開口した蓋状に形成されており、その下端部内周面には雄螺子５Ａに対応した雌螺子６Ａが形成されている。そして、円筒部５と吸熱体６は、雄螺子５Ａと雌螺子６Ａによって螺合された後に鑞付けされる。したがって、円筒部５の上部開口は吸熱体６によって封止されている。
【００２４】
底板７は、略環状に形成されており、胴部２の下端に熔接されることにより固定されている。そして、底板７の中央部には、貫通した孔である底板貫通孔１４が形成されている。
【００２５】
ハーメチックシール８は、上端が開口し下端に複数の小孔８Ａが開口した略円筒状に形成されており、底板貫通孔１４に嵌合され鑞付けされることで底板７に固定されている。そして、このハーメチックシール８には、複数の電極ピン８Ｂが小孔８Ａを貫通して設けられている。更に、小孔８Ａと電極ピン８Ｂの隙間は、ガラス等の絶縁体によって封止されている。したがって、胴部２の下端開口は、底板７とハーメチックシール８によって閉口されている。
【００２６】
次に、ケーシング１内部の構造について説明する。円筒部５の下端側の内部には、胴部２の内部まで延びるアルミニウム合金製のシリンダ１５が、連結部３、排熱体４及び円筒部５に対して同軸（軸線Ｚ）状に挿入されて設けられている。そして、シリンダ１５の中央部には、マウント１６が水平方向に延設されると共に、このマウント１６の外周部から下方に向かって接続用腕部１７が延設されている。接続用腕部１７は、平面視において９０°間隔で４箇所設けられている。なお、シリンダ１５及びマウント１６は、アルミニウム合金等を用いてダイカスト等の鋳造を行った後、切削加工したものである。マウント１６と接続用腕部１７は一体に形成されていることが望ましいが、別体であっても良い。
【００２７】
シリンダ１５の上端側及び円筒部５の内側には、中空円筒状のディスプレイサー１８が軸線Ｚ方向に摺動可能に収容されている。このディスプレイサー１８の内部には、再生器１９が設けられている。また、ディスプレイサー１８の先端と吸熱体６との間には、膨張室Ｅが形成されている。そして、ディスプレイサー１８の先端に装着された蓋部材２０には、複数の通気孔である蓋通気孔２０Ａが形成されている。これらの蓋通気孔２０Ａによって、ディスプレイサー１８の内部と膨張室Ｅとが連通されている。また、ディスプレイサー１８の下端部側面には、ディスプレイサー１８の振幅よりも広い軸線Ｚ方向の幅を持った、浅い溝１８Ａが形成されており、この溝１８Ａに複数の通気孔１８Ｂが形成されている。なお、ディスプレイサー１８は合成樹脂からなる。
【００２８】
シリンダ１５の外面と排熱体４の内面との間には、円筒状の排熱室２１が形成されている。この排熱室２１の内部には、排熱フィン２２が設けられている。前記排熱フィン２２は、銅板を折り曲げて形成された、いわゆるコルゲートフィンである。なお、前記排熱フィン２２の外面は、排熱体４の内面に伝熱的に接触している。このように、排熱室２１内に前記排熱フィン２２を設けることにより、作動気体（冷媒）と接触する面積を多くし、作動気体の熱を効率良く前記排熱フィン２２から排熱体４に移動させることができる。また、前記排熱フィン２２自体が持つ、板間に形成された空隙（図示せず）は上下方向に連通しており、作動気体の移動方向と平行となっているため、作動気体が排熱室２１内を円滑に移動することができる。
【００２９】
排熱室２１の上部は、シリンダ１５に形成された第一通路２３によりディスプレイサー１８に形成された溝１８Ａ及び通気孔１８Ｂに連通しており、これにより排熱室２１とディスプレイサー１８内部とが連通している。なお、前述した通り、ディスプレイサー１８に溝１８Ａを形成し、この溝１８Ａに通気孔１８Ｂを設けたことで、往復動するディスプレイサー１８の位置によらず、通気孔１８Ｂと第一通路２３とを連通させることができる。一方、排熱室２１の下部は、シリンダ１５に形成された第二通路２４により圧縮室Ｃと連通している。なお、第二通路２４は、シリンダ１５の縮径部１５Ａに形成された段部２５の外周側に形成されている。
【００３０】
このような構成により、膨張室Ｅから、蓋通気孔２０Ａ、再生器１９、通気孔１８Ｂ、第一通路２３、排熱室２１、第二通路２４を通って、シリンダ１５内の圧縮室Ｃに至る経路が形成されている。作動気体としての冷媒は、この経路を移動する。
【００３１】
シリンダ１５の内部下側には、ピストン２６が軸線Ｚ方向に摺動可能に収容されている。ピストン２６の上端部分には、シリンダ１５の縮径部１５Ａよりも径小に形成された径小部２６Ａとシリンダ１５の内面を摺動するピストン本体２６Ｂの上端面である上面部２６Ｃが形成されている。したがって、ピストン２６が往復動する際に、径小部２６Ａは、シリンダ１５の縮径部１５Ａ内を摺動することが可能となっている。
【００３２】
ピストン２６の下端部分である基端部２６Ｄは、接続体３１によってリニア電磁機構としての駆動機構３２と同軸状（軸線Ｚ）に連結されている。駆動機構３２は、固定子３２Ａと可動子３２Ｂとを有して構成されている。固定子３２Ａは、電磁コイル３３、内側コア３４及び外側コア３５によって構成されている。一方、可動子３２Ｂは、枠３６及び永久磁石３７によって構成されている。電磁コイル３３の周囲には、外側コア３５が設けられている。この外側コア３５は、絶縁体（例えば合成樹脂やセラミック等）で予め被覆された強磁性体である鉄粉を適宜形状に成形した後、焼結して形成したものであるが、適宜形状の電磁鋼板を複数枚積層することで形成しても良い。同様に、内側コア３４も、絶縁体（例えば合成樹脂やセラミック等）で予め被覆された強磁性体である鉄粉を適宜形状に成形した後、焼結して形成したものであるが、適宜形状の電磁鋼板を複数枚積層することで形成しても良い。枠３６は略円筒状に形成されており、一端側には円筒状の永久磁石３７が固定されている。更に、枠３６の他端は、ピストン２６の基端部２６Ｄに接続されている。そして、永久磁石３７の外周に近接して、固定子３２Ａの外側コア３５の内周面が位置すると共に、永久磁石３７の内側に近接して、固定子３２Ａの内側コア３４の外周面が位置している。
【００３３】
接続体３１には、ピストン２６の動作を制御する板バネとしてのピストン用板バネ４１，４２が接続されている。図３に示す通り、ピストン用板バネ４１，４２は、外形が平面視略円形の薄板状に形成されており、中心部には、貫通した孔である中心孔４３が穿設されている。また、その中心孔４３の周囲には、中心孔４３よりも小径の貫通した孔である内側固定孔４４が複数穿設されている。また、ピストン用板バネ４１，４２の外周部分である周縁部４５には、外側固定孔４６が、平面視において９０°間隔で４箇所穿設されている。なお、ピストン用板バネ４１，４２の周縁部における隣接する外側固定孔４６の間には、略矩形状に切り欠いた切欠部４７が形成されている。さらに、ピストン用板バネ４１，４２には、ばね定数を所定の数値とするための調整孔４８が４箇所形成されている。なお、ピストン用板バネ４１，４２は、バネ鋼により形成される。
【００３４】
図２に示す通り、ピストン用板バネ４１，４２は、内側固定孔４４にボルト４９が挿通され、このボルト４９が接続体３１に穿設された内側螺子孔５０に螺合することにより接続体３１に固定されている。
【００３５】
接続用腕部１７の下端部１７Ａには、円環板状の支持部材５１が固定されている。この支持部材５１には、平面視において９０°間隔で貫通した孔である螺子孔５２が４箇所穿設されており、この螺子孔５２に、六角スタッド等と称される両螺子型六角スペーサー５３の上部に設けられた第一の雄螺子５３Ａが螺合されている。
【００３６】
支持部材５１の径方向内側端部の下面には、当接部材としての弾性リング５４が設けられている。弾性リング５４は、略円環状に形成され、下端が下方に凸の円弧形状を有する。弾性リング５４は、ピストン用板バネ４１の後述する振動部６２の上方に配設されているため、ピストン用板バネ４１の振幅が所定値以上となった時に、ピストン用板バネ４１が当接し振幅をそれ以上大きくしないためのストッパーとして機能する。本実施例では、ピストン用板バネ４１が当接した際の衝撃によるピストン用板バネ４１の変形を防止し、衝突音を緩和するため、弾性リング５４はシリコンやエラストマー等のゴム材から形成されているが、ピストン用板バネ４１の振幅を制限し、ピストン用板バネ４１の当接による変形防止や衝突音の緩和が可能であれば、例えば、略環状に形成された金属製のウェーブワッシャ等を用いてもよい。
【００３７】
第一の雄螺子５３Ａは、ピストン用板バネ４１，４２の外側固定孔４６に挿通される。また、支持部材５１とピストン用板バネ４１との間には、上下が開口した円筒状のスペーサー５５が第一の雄螺子５３Ａを挿通した状態で配設されている。さらに、ピストン用板バネ４１とピストン用板バネ４２との間には、ボルト４９が挿通した内側ワッシャ５６と、第一の雄螺子５３Ａが挿通した外側ワッシャ５７が配設されている。内側ワッシャ５６と外側ワッシャ５７は、何れも円盤状に形成され、厚さが等しいため、ピストン用板バネ４１とピストン用板バネ４２は、平行に配置されている。
【００３８】
ピストン用板バネ４２の下方には、六角スペーサー５３のスペーサー部５３Ｂの上端が当接しており、その下方に、図３に示すピストン用板バネ４１，４２と同材質で且つ略同形状のディスプレイサー用板バネ５９が配設されている。なお、ディスプレイサー用板バネ５９において、ピストン用板バネ４１，４２と共通する部分には、同一の符号を付す。ディスプレイサー用板バネ５９の外側固定孔４６には、六角スペーサー５３の下部に設けられた第二の雄螺子５３Ｃが挿通されている。ディスプレイサー用板バネ５９の下方には、六角ナット６０が第二の雄螺子５３Ｃに螺合して設けられている。すなわち、ディスプレイサー用板バネ５９は、上側に配設された六角スペーサー５３と下側に配設された六角ナット６０により挟持されている。
【００３９】
ディスプレイサー用板バネ５９の中心孔４３Ａには、ロッド６１がビスにより固定されている。このロッド６１は、ピストン用板バネ４１，４２の中心孔４３を貫通し、さらにピストン２６の中心部を貫通して軸線Ｚ方向に延びており、ディスプレイサー１８の下端に接続されている。ディスプレイサー１８は、ロッド６１を介してディスプレイサー用板バネ５９に接続されていることにより、このディスプレイサー用板バネ５９によって動作が制御される。
【００４０】
本実施例では、ピストン用板バネ４１，４２は、外側固定孔４６に第一の雄螺子５３Ａが挿通されて固定されるため、外側固定孔４６よりも径方向内側部分がピストン２６と共に振動する振動部６２となる。同様に、ディスプレイサー用板バネ５９は、外側固定孔４６に第二の雄螺子５３Ｃが挿通されて固定されるため、外側固定孔４６よりも径方向内側部分がディスプレイサー１８と共に振動する振動部６２となる。
【００４１】
ディスプレイサー用板バネ５９の下方には、六角ナット６０で上下から挟持された保護板６３が第二の雄螺子５３Ｃに固定されている。なお、六角スペーサー５３及び六角ナット６０は、スパナ等で容易に締め付けることができるようになっている。このように、本実施例では、支持手段としての支持部材５１、六角スペーサー５３、スペーサー５５、外側ワッシャ５７により、ピストン用板バネ４１，４２の周縁部４５とシリンダ１５との位置関係を固定している。
【００４２】
図１に示す通り、ケーシング１の下方には、振動吸収ユニット６４が設けられている。振動吸収ユニット６４は、底板７に連結された連結部材６５と、複数の板バネ６６と、バランスウエイト６７とを有して構成されている。
【００４３】
ここで、本実施例におけるフリーピストン型スターリングサイクル機関の作用について説明する。電磁コイル３３に交流電流を流すと、この電磁コイル３３から交番磁界が発生して外側コア３５で集中し、この交番磁界によって、永久磁石３７を軸線Ｚ方向に往復動させる力が生じる。この力によって、永久磁石３７が固定された枠３６に接続されたピストン２６が、シリンダ１５内を軸線Ｚ方向に往復動する。ピストン２６がディスプレイサー１８に近付く方向に移動すると、ピストン２６とディスプレイサー１８との間に形成された圧縮室Ｃ内の冷媒が圧縮されて、第二通路２４、排熱室２１、第一通路２３、溝１８Ａ、通気孔１８Ｂ、再生器１９、蓋通気孔２０Ａを通って、吸熱体６内の膨張室Ｅに至ることで、ディスプレイサー１８がピストン２６に近付く方向に所定の位相差をもって押し下げられる。一方、ピストン２６がディスプレイサー１８から遠ざかる方向に移動すると、圧縮室Ｃの内部が負圧となり、膨張室Ｅ内の冷媒が、蓋通気孔２０Ａ、再生器１９、通気孔１８Ｂ、溝１８Ａ、第一通路２３、排熱室２１、第二通路２４を通って、圧縮室Ｃに還流することで、ディスプレイサー１８がピストン２６から遠ざかる方向に所定の位相差をもって押し上げられる。このような工程中において、二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、圧縮室Ｃの近傍は高温となる。
【００４４】
このように、ピストン２６は、駆動機構３２の可動子３２Ｂの動作に伴って往復動し、ピストン用板バネ４１，４２により振幅が制御されている。そして、ピストン２６及び可動子３２Ｂの質量と、ピストン用板バネ４１，４２の合成バネ定数により決まるピストン２６系の共振周波数と略等しい周波数で駆動機構３２を駆動することで、少ない電力で効率よくピストン２６を往復動させることができる。しかしながら、ピストン２６系が共振することにより、ピストン２６の振幅が大きくなってしまうことがある。また、ピストン２６の振動中心がずれることで、正規の振動中心に対し一方向にのみピストン２６の振幅が大きくなってしまうことがある。ピストン２６の振幅量が大きくなるということは、ピストン用板バネ４１，４２の撓みが大きくなることに等しく、ピストン用板バネ４１，４２がＺ軸線方向に所定量以上変形すると、ピストン用板バネ４１の振動部６２の上面が弾性リング５４に当接する。弾性リング５４は、弾性を有することから、ピストン用板バネ４１が当接した場合に収縮しながら、その当接による衝撃を吸収すると共に、ピストン用板バネ４１を押し返す抗力が発生する。したがって、弾性リング５４は、ピストン用板バネ４１に当接による損傷を与えることなくピストン用板バネ４１の振幅を所定値以下に抑えることができる。この所定値とは、図１及び図２に示すように、ピストン用板バネ４１，４２が水平状態の時のピストン２６の上面部２６Ｃからシリンダ１５の段部２５までの距離Ｄ１、枠３６の上端からマウント１６の下面までの距離Ｄ２、或いは枠３６の下部上面からシリンダ１５の下端までの距離Ｄ３、の何れよりも小さく設定される。これにより、ピストン２６の上面部２６Ｃとシリンダ１５の段部２５との衝突、マウント１６と枠３６との衝突、或いは枠３６とシリンダ１５との衝突を防止することができる。
【００４５】
なお、ピストン用板バネ４１が弾性リング５４に当接すると、ピストン用板バネ４１は、弾性リング５４が当接した位置よりも内側が、撓むことができる箇所となる。即ち、ピストン用板バネ４１は、振動部６２の長さが短くなることになる。そして、振動部６２の長さが短くなると、ピストン用板バネ４１の見かけ上のバネ定数、ひいては、ピストン用板バネ４１，４２の合成バネ定数が一時的に大きくなる。このため、一時的に、ピストン２６系の共振周波数と駆動機構３２の駆動周波数にズレが生じる。これによって、ピストン２６系は一時的に共振状態から逸脱する。そして、ピストン２６系が共振状態から逸脱すると、ピストン２６系の振幅が一時的に小さくなる。これによって、ピストン２６系が一往復した後のピストン用板バネ４１は、弾性リング５４に当接しない。ピストン用板バネ４１が弾性リング５４に当接しなければ、ピストン用板バネ４１のバネ定数は本来の値であるため、ピストン用板バネ４１，４２の合成バネ定数、ひいてはピストン２６系の共振周波数は復元する。そして、電磁コイル３３へは同じ周波数の交流電流が供給され続けているので、ピストン２６系は共振状態に復帰する。このようにして、ピストン２６系の振幅が過大にならないようにして、ピストン２６の上面部２６Ｃがシリンダ１５の段部２５に衝突すること、又は可動子３２Ｂの枠３６がシリンダ１５の下端又はマウント１６の下面に衝突することを防止できる。
【００４６】
なお、仮に弾性リング５４がピストン用板バネ４２の反ピストン２６側に設けられたとしても、弾性リング５４にピストン用板バネ４２が当接すれば、上述の通り共振状態から逸脱するので、ピストン２６系の振幅が過大にならないようにすることができる。しかしながら、ピストン２６系の振動中心がピストン２６側に偏位してしまうと、ピストン用板バネ４２が弾性リング５４に当接する前に、ピストン２６の上面部２６Ｃがシリンダ１５の段部２５と衝突したり、枠３６がマウント１６或いはシリンダ１５と衝突したりする虞がある。これに対し、本実施例では、弾性リング５４がピストン用板バネ４１のピストン２６側に設けられることで、ピストン２６の上面部２６Ｃがシリンダ１５の段部２５と衝突する前に、又は枠３６がマウント１６或いはシリンダ１５と衝突する前に、弾性リング５４にピストン用板バネ４１を確実に当てることができる。
【００４７】
弾性リング５４の下端からピストン用板バネ４１までの距離Ｌ１を任意に設定することで、ピストン２６系の振幅を決定することができる。また、六角スペーサー５３から弾性リング５４までの距離Ｌ２を任意に設定することで、ピストン用板バネ４１の振動部６２と弾性リング５４との当接位置を決定することができる。なお、距離Ｌ２を長くすると、ピストン用板バネ４１は中心部寄りで弾性リング５４と当接することになるため、ピストン２６系の振幅制限値が同じであれば、必然的に距離Ｌ１も長くする必要が生じる。また、距離Ｌ２によって、振動部６２のどの位置に弾性リング５４を当接させるかが定まるので、ピストン用板バネ４１の見かけ上のバネ定数、ひいてはピストン用板バネ４１，４２の合成バネ定数も定まる。なお、距離Ｌ２の最適値は、フリーピストン型スターリングサイクル機関の構造によって異なる。即ち、ピストン用板バネ４１，４２の合成バネ定数をどの程度変化させれば共振逸脱の効果が高いかは、フリーピストン型スターリングサイクル機関の構造によって異なる。
【００４８】
本実施例では、ピストン用板バネ４１には貫通した孔である調整孔４８が設けられているが、弾性リング５４を略円環状に形成しているため、ピストン用板バネ４１の振幅が一定以上大きくなると、ピストン用板バネ４１の振動部６２のいずれかの部分が弾性リング５４に必ず当接するようになっている。なお、弾性リング５４の形状は、振動部６２に確実に当接するものであれば適宜変更可能である。
【００４９】
以上のように、本実施形態のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、シリンダ１５と、このシリンダ１５内を軸線Ｚ方向に往復動可能に設けられたピストン２６及びディスプレイサー１８と、前記ピストン２６に取り付けられる可動子３２Ｂを有するリニア電磁機構としての駆動機構３２と、前記ピストン２６の往復動を制御する板バネとしてのピストン用板バネ４１，４２と、このピストン用板バネ４１，４２の周縁部４５と前記シリンダ１５との位置関係を固定する支持手段としての支持部材５１、六角スペーサー５３、スペーサー５５、外側ワッシャ５７とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、前記ピストン用板バネ４１，４２の軸線Ｚ方向の変形が所定量になった際に、このピストン用板バネ４１，４２の振動部６２が当接する当接部としての弾性リング５４が設けられたことにより、ピストン２６の振幅が過大となった場合に、ピストン用板バネ４１の振動部６２が弾性リング５４に当接し、ピストン用板バネ４１の見かけ上のバネ定数、ひいてはピストン用板バネ４１，４２の合成バネ定数が一時的に大きくなり、ピストン２６系の共振周波数が一時的に変化することで、ピストン２６系を共振状態から逸脱させることができる。そして、ピストン２６系が共振状態から逸脱してピストン２６の振幅が小さくなると、ピストン用板バネ４１が弾性リング５４に当接しなくなるので、駆動機構３２が引き続き共振周波数で駆動されることで、ピストン２６系は再び共振状態となり、振幅が回復する。このようにして、ピストン２６系の振幅が過大にならないように制御することができる。
【００５０】
また、前記弾性リング５４が、前記ピストン用板バネ４１の前記ピストン２６側の面に当接するように設けられることにより、前記ピストン用板バネ４１，４２の振幅が大きくなった場合や前記ピストン用板バネ４１，４２の振動中心が前記ピストン２６側に偏った場合に、前記可動子３２Ｂの枠３６が前記シリンダ１５の端部等に衝突する前に、或いは前記ピストン２６が前記シリンダ１５の段部２５に衝突する前に、前記ピストン用板バネ４１，４２の振動部６２を前記弾性リング５４に当接させることができる。
【実施例２】
【００５１】
図６は、本発明の実施例２を示し、上記実施例１と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。本実施例は、ピストン用板バネ４２とディスプレイサー用板バネ５９との間に円環板状の支持部材７１を設け、支持部材７１の径方向内側端部の下面に、当接部材としての弾性リング７２を設けたものである。弾性リング７２は、上記実施例１の弾性リング５４と同材質、同形状である。また、支持部材７１には、平面視において９０°間隔で貫通した孔である貫通孔７３が４箇所穿設されている。
【００５２】
支持部材７１の取付構造について説明する。接続用腕部１７の下端部１７Ａには、円環板状の支持部材５１が固定されている。この支持部材５１には、平面視において９０°間隔で貫通した孔である螺子孔５２が４箇所穿設されており、この螺子孔５２に、六角スタッド等と称される両螺子型六角スペーサー７４の上部に設けられた第一の雄螺子７４Ａが螺合されている。第一の雄螺子７４Ａは、ピストン用板バネ４１，４２の外側固定孔４６に挿通される。また、支持部材５１とピストン用板バネ４１との間には、上下が開口した円筒状のスペーサー５５が第一の雄螺子７４Ａを挿通した状態で配設されている。さらに、ピストン用板バネ４１とピストン用板バネ４２との間には、ボルト４９が挿通した内側ワッシャ５６と、第一の雄螺子７４Ａが挿通した外側ワッシャ５７が配設されている。内側ワッシャ５６と外側ワッシャ５７は、何れも円盤状に形成され、厚さが等しいため、ピストン用板バネ４１とピストン用板バネ４２は、平行に配置されている。ピストン用板バネ４２の下方には、六角スペーサー７４のスペーサー部７４Ｂの上端が当接しており、その下方に、支持部材７１が配設されている。この支持部材７１の貫通孔７３には、六角スペーサー７４の下部に設けられた第二の雄螺子７４Ｃが挿通されている。支持部材７１の下方には、高ナット７５が第二の雄螺子７４Ｃに螺合して設けられている。すなわち、支持部材７１は、上側に配設された六角スペーサー７４と下側に配設された高ナット７５により挟持されている。高ナット７５の下方に、ピストン用板バネ４１，４２と同材質で且つ略同形状のディスプレイサー用板バネ５９が配設されている。ディスプレイサー用板バネ５９の外側固定孔４６には、第二の雄螺子７４Ｃが挿通されている。ディスプレイサー用板バネ５９の下方には、六角ナット６０が第二の雄螺子７４Ｃに螺合して設けられている。すなわち、ディスプレイサー用板バネ５９は、上側に配設された高ナット７５と下側に配設された六角ナット６０により挟持されている。その他の構造は、実施例１と同様である。
【００５３】
弾性リング７２は、ディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２の上方に配設されているため、ディスプレイサー用板バネ５９の振幅が所定値以上となった時に、ディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２が当接し振幅をそれ以上大きくしないためのストッパーとして機能する。
【００５４】
ディスプレイサー１８の往復動は、ピストン２６の往復動によって生じるものであり、ディスプレイサー用板バネ５９及びロッド６１により振幅が制御されている。そして、ディスプレイサー１８及びロッド６１の質量と、ディスプレイサー用板バネ５９のバネ定数により決まるディスプレイサー１８系の共振周波数は、ピストン２６及び可動子３２Ｂの質量と、ピストン用板バネ４１，４２の合成バネ定数により決まるピストン２６系の共振周波数と略等しくなるように設定されている。そして、ピストン２６系の共振周波数と略等しい周波数の交流電流で駆動機構３２を駆動することで、ディスプレイサー１８系も共振するので、少ない電力で効率よくピストン２６及びディスプレイサー１８を往復動させることができる。しかしながら、ディスプレイサー１８系が共振することにより、ディスプレイサー１８の振幅が大きくなってしまうことがある。また、ディスプレイサー１８の振動中心がずれることで、正規の振動中心に対し一方向にのみディスプレイサー１８の振幅が大きくなってしまうことがある。ディスプレイサー１８の振幅量が大きくなるということは、ディスプレイサー用板バネ５９の撓みが大きくなることに等しく、ディスプレイサー用板バネ５９がＺ軸線方向に所定量以上変形すると、ディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２の上面が弾性リング７２に当接する。
【００５５】
弾性リング７２は、弾性を有することから、ディスプレイサー用板バネ５９が当接した場合に収縮しながら、その当接による衝撃を吸収すると共に、ディスプレイサー用板バネ５９を押し返す抗力が発生する。したがって、弾性リング７２は、ディスプレイサー用板バネ５９に当接による損傷を与えることなくディスプレイサー用板バネ５９の振幅を所定値以下に抑えることができる。この所定値とは、図１に示すように、ディスプレイサー用板バネ５９が水平状態の時の蓋部材２０と吸熱体６との距離Ｄ４よりも小さく設定される。これにより、ディスプレイサー１８蓋部材２０と吸熱体６との衝突を防止することができる。なお、ディスプレイサー用板バネ５９が弾性リング７２に当接することで、ディスプレイサー１８系を一時的に共振状態から逸脱させ、ディスプレイサー１８系の振幅を抑制するが、この原理は実施例１と共通する。また、仮に弾性リング７２がディスプレイサー用板バネ５９の反ディスプレイサー１８側に設けられたとしても、ディスプレイサー１８系の振幅が過大にならないようにすることができるが、弾性リング７２がディスプレイサー用板バネ５９のディスプレイサー１８側に設けられることで、ディスプレイサー１８の蓋部材２０が吸熱体６と衝突する前に、弾性リング７２にディスプレイサー用板バネ５９を確実に当てることができる。この理由も実施例１と共通する。
【００５６】
また、実施例１と同様に、弾性リング７２の下端からディスプレイサー用板バネ５９までの距離Ｌ３を任意に設定することで、ディスプレイサー１８系の振幅を決定することができる。また、六角スペーサー７４から弾性リング７２までの距離Ｌ４を任意に設定することで、ディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２と弾性リング７２との当接位置を決定することができる。なお、距離Ｌ４の最適値が、フリーピストン型スターリングサイクル機関の構造によって異なるのは、実施例１と同様である。
【００５７】
以上のように、本実施形態のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、シリンダ１５と、このシリンダ１５内を軸線Ｚ方向に往復動可能に設けられたピストン２６及びディスプレイサー１８と、このディスプレイサー１８の往復動を制御する板バネとしてのディスプレイサー用板バネ５９と、このディスプレイサー用板バネ５９の周縁部４５と前記シリンダ１５との位置関係を固定する支持手段としての支持部材５１、六角スペーサー７４、スペーサー５５、外側ワッシャ５７、支持部材７１、高ナット７５とを有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、前記ディスプレイサー用板バネ５９の軸線Ｚ方向の変形が所定量になった際に、このディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２が当接する当接部としての弾性リング７２が設けられたことにより、ディスプレイサー１８の振幅が大きくなることで、ディスプレイサー用板バネ５９の軸方向の変形が所定量になった際に、このディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２が弾性リング７２に当接する。そして、ディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２が弾性リング７２に当接すると、ディスプレイサー用板バネ５９の見かけ上のバネ定数が一時的に大きくなって、ディスプレイサー１８系の共振周波数が一時的に変化することで、ディスプレイサー１８系は共振状態から逸脱する。これによって、ディスプレイサー１８の振幅が一時的に小さくなる。そして、ディスプレイサー１８の振幅が小さくなると、ディスプレイサー用板バネ５９が弾性リング７２に当接しなくなるので、駆動機構３２が引き続き共振周波数で駆動されることで、ディスプレイサー１８系は再び共振状態となり、振幅が回復する。このようにして、ディスプレイサー１８系の振幅が過大にならないように制御することができる。
【００５８】
また、前記弾性リング７２が、前記ディスプレイサー用板バネ５９の前記ディスプレイサー１８側の面に当接するように設けられることにより、前記ディスプレイサー用板バネ５９の振幅が大きくなった場合や前記ディスプレイサー用板バネ５９の振動中心が前記ディスプレイサー１８側に偏った場合に、前記ディスプレイサー１８の蓋部材２０が膨張室Ｅを構成するケーシング内壁である吸熱体６に衝突する前に、前記ディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２を前記弾性リング７２に当接させることができる。
【実施例３】
【００５９】
図７は、本発明の実施例３を示し、上記実施例１及び実施例２と同一部分に同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。本実施例は、実施例１と実施例２を組み合せたものである。なお、六角スペーサー７４及び高ナット７５を用いるため、実施例１の六角スペーサー５３は使用していない。
【００６０】
本実施例においては、ピストン用板バネ４１，４２及びディスプレイサー用板バネ５９の振幅が共振により所定値以上に大きくなった場合、また、ピストン用板バネ４１，４２及びディスプレイサー用板バネ５９の振動中心が上方にずれた場合に、弾性リング５４及び弾性リング７２により、ピストン２６系の振幅及びディスプレイサー１８系の振幅が過大にならないようにすることができる。そして、これによって、ピストン２６の上面部２６Ｃがシリンダ１５の段部２５に衝突すること、可動子３２Ｂの枠３６がシリンダ１５の下端或いはマウント１６の下面に衝突すること、又はディスプレイサー１８の蓋部材２０が吸熱体６に衝突することを防止できる。これらの原理は、実施例１及び実施例２に記載された通りである。
【００６１】
以上のように、本実施形態のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、シリンダ１５と、このシリンダ１５内を軸線Ｚ方向に往復動可能に設けられたピストン２６及びディスプレイサー１８と、前記ピストン２６に取り付けられる可動子３２Ｂを有するリニア電磁機構としての駆動機構３２と、前記ピストン２６の往復動を制御する第一の板バネとしてのピストン用板バネ４１，４２と、前記ディスプレイサー１８の往復動を制御する第二の板バネとしてのディスプレイサー用板バネ５９と、前記ピストン用板バネ４１，４２の周縁部４５及びディスプレイサー用板バネ５９の周縁部４５と前記シリンダ１５との位置関係を固定する支持手段としての支持部材５１、スペーサー５５、外側ワッシャ５７、支持部材７１、六角スペーサー７４及び高ナット７５と、を有するフリーピストン型スターリングサイクル機関において、前記ピストン用板バネ４１，４２の軸線Ｚ方向の変形が所定量になった際に、このピストン用板バネ４１，４２の振動部６２が当接する第一の当接部としての弾性リング５４と、前記ディスプレイサー用板バネ５９の軸線Ｚ方向の変形が所定量になった際に、このディスプレイサー用板バネ５９の振動部６２が当接する第二の当接部としての弾性リング７２が設けられたことにより、ピストン２６系及び／又はディスプレイサー１８系の振幅が過大にならないように制御することができる。したがって、ピストン２６及び／又はディスプレイサー１８の振幅範囲を確実に制限することができる。
【００６２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、弾性リング５４がピストン用板バネ４２の下面に当接し、弾性リング７２がディスプレイサー用板バネ５９の下面に当接するように構成してもよい。また、弾性リング５４がピストン用板バネ４１の上面及びピストン用板バネ４２の下面に当接し、弾性リング７２がディスプレイサー用板バネ５９の上下両面に当接するように構成してもよい。更に、上記各実施例は、冷凍機として用いられるフリーピストン型スターリング機関であるが、発電機等に用いられるフリーピストン型スターリング機関に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１５  シリンダ
１８  ディスプレイサー
２６  ピストン
３２  駆動機構（リニア電磁機構）
３２Ｂ  可動子
４１  ピストン用板バネ（板バネ、第一の板バネ）
４２  ピストン用板バネ（板バネ、第一の板バネ）
５１  支持部材（支持手段）
５３  六角スペーサー（支持手段）
５４  弾性リング（当接部、第一の当接部）
５５  スペーサー（支持手段）
５７  外側ワッシャ（支持手段）
５９  ディスプレイサー用板バネ（板バネ、第二の板バネ）
６２  振動部
７１  支持部材（支持手段）
７２  弾性リング（当接部、第二の当接部）
７４  六角スペーサー（支持手段）
７５  高ナット（支持手段）
【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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【図６】
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【図７】
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