(57)【要約】【課題】簡易な構成で膨張室の定容部の容積を小さくすると共に、部品点数が少なく組付け作業性に優れたスターリングサイクル機関を提供する。【解決手段】円筒部２を有するケーシング１と、このケーシングの円筒部内２に同軸状に挿入される金属製のシリンダ７と、このシリンダ７の先端側内部に摺動可能に挿入したディスプレイサー８と、このディスプレイサー８の先端と前記円筒部２の先端部２Ｃの間に形成される膨張室Ｅと、この膨張室Ｅからシリンダ７内の圧縮室Ｃに至る経路１４と、シリンダ７の基端側内部に摺動可能に挿入したピストン１５とを備え、前記円筒部２の先端部２Ｃの周縁に、外部に対して凹であると共に前記膨張室Ｅに対して凸である陥没部５を一体形成することにより、膨張室Ｅの定容部の容積を小さくして圧縮比を高め、これによってスターリングサイクル機関の効率を高めることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒状に形成された円筒部を有するケーシングと、このケーシングの円筒部内に同軸状に挿入されるシリンダと、このシリンダの先端側内部に往復動可能に挿入したディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に往復動自在に挿入されたピストンと、前記ディスプレイサーの先端と前記円筒部の先端面の間に形成された膨張室と、前記ディスプレイサーとピストンとの間に形成された圧縮室と、これら膨張室と圧縮室とを繋ぐ経路とを備え、前記円筒部の先端の周縁に、外部に対して凹であると共に前記膨張室に対して凸である陥没部を一体に形成したことを特徴とするスターリングサイクル機関。
【請求項２】
プレス成形によって、前記ケーシングに前記陥没部を一体に形成したことを特徴とする請求項１記載のスターリングサイクル機関。
【請求項３】
前記円筒部の内周と、前記陥没部の基部周縁との境界部に段差部を形成し、この段差部によって前記円筒部とシリンダの間に組み込まれる構成部品を位置決めしてなることを特徴とする請求項１又は２記載のスターリングサイクル機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に挿装されたピストンとディスプレイサーが所定の位相差で往復運動するスターリングサイクル機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のスターリングサイクル機関としては、図３に示すような、ケーシング１００の円筒部１００Ａ内に設けられたシリンダ１０１の内部に、ピストン１０２及びディスプレイサー１０３が摺動可能に挿入されると共に、前記ピストン１０２を駆動機構１０４によって往復駆動させるものがあった。そして、前記ピストン１０２が前記駆動機構１０４によって駆動されて前記シリンダ１０１内で前記ディスプレイサー１０３に近づく方向に移動すると、前記ピストン１０２とディスプレイサー１０３の間に形成された圧縮室１０５内の気体が圧縮されて、放熱フィン１０６、再生器１０７、吸熱フィン１０８を通り、前記ディスプレイサー１０３の先端と前記ケーシング１００の先端部との間に形成された膨張室１０９に至ることで、前記ディスプレイサー１０３が前記ピストン１０２に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン１０２が前記ディスプレイサー１０３から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室１０５の内部が負圧となり、前記膨張室１０９内の気体が前記吸熱フィン１０８、再生器１０７、放熱フィン１０６を通って前記圧縮室１０５に還流することで、前記ディスプレイサー１０３が前記ピストン１０２に対して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、前記膨張室１０９近傍は低温となり、一方、前記圧縮室１０５近傍は高温となるというものである。（例えば特許文献１）。そして、このようなスターリングサイクル機関の膨張室１０９を形成する円筒部１００Ａの先端面は、全体的に緩やかに湾曲した曲面によって構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５５５１３号公報（段落０００２，００１８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記膨張室１０９は、前記ディスプレイサー１０３の往復動によって容積が変動する部分（変容部）と、前記ディスプレイサー１０３の往復動によらず容積がほぼ一定の部分（定容部）からなる。そして、スターリングサイクル機関の効率を向上させるためには、膨張室１０９における定容部の容積を小さくし、前記ディスプレイサー１０３が最下位にある時の前記膨張室１０９の容積と、前記ディスプレイサー１０３が最上位にある時の前記膨張室１０９の容積との比、即ち圧縮比を向上させることが望ましい。そこで、前記ケーシング１００の筒状部１００Ａの先端内面と前記ディスプレイサー１０３の先端との距離を単純に短くすることで、前記膨張室１０９における定容部の容積を小さくすることが考えられる。ところが、このように構成した場合、前記ディスプレイサー１０３が前記ケーシング１００の筒状部１００Ａの先端内面に衝突してしまう虞がある。これは、フリーピストン型のスターリングサイクル機関においては、前記ディスプレイサー１０３のストロークが一定の値に決まっている訳ではなく、何らかの原因でディスプレイサー１０３が大きく動いてしまうことが起こり得るからである。このため、前記吸熱フィン１０８から膨張室１０９に至る経路に対応する円筒部１００Ａの先端内部の周縁部分に、前記ディスプレイサー１０３の先端を避ける形状のリング部材１１０を接着固定することで、前記膨張室１０９における定容部の容積を小さくしていた。しかしながら、このように、前記膨張室１０９内にリング部材１１０という別部品を設けるため、部品点数が増大し、組付け作業性に劣るという問題があった。また、前記膨張室１０９が低温となることで、この膨張室１０９を構成する前記ケーシング１００の円筒部１００Ａの先端近傍も低温となるので、前記円筒部１００Ａの内面に接着固定する構造では、これら円筒部１００Ａ、リング部材１１０及び接着剤の熱収縮率の差によって、前記リング部材１１０が円筒部１００Ａから剥がれる虞もあり、信頼性の面でも問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、簡易な構成で、前記膨張室における定容部の容積を小さくすると共に、部品点数が少なく組付け作業性に優れた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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、略円筒状に形成された円筒部を有するケーシングと、このケーシングの円筒部内に同軸状に挿入されるシリンダと、このシリンダの先端側内部に往復動可能に挿入したディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に往復動自在に挿入されたピストンと、前記ディスプレイサーの先端と前記円筒部の先端面の間に形成された膨張室と、前記ディスプレイサーとピストンとの間に形成された圧縮室と、これら膨張室と圧縮室とを繋ぐ経路とを備え、前記円筒部の先端の周縁に、外部に対して凹であると共に前記膨張室に対して凸である陥没部を一体に形成したものである。
【０００７】
この構成により、円筒部の周縁に形成する陥没部によって、前記円筒部の先端とディスプレイサーとの衝突を避けつつ、前記膨張室の定容部の容積を小さくすることで、スターリングサイクル機関の効率を高めることができる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１記載のスターリングサイクル機関において、プレス成形によって、前記ケーシングに前記陥没部を一体に形成したものである。
【０００９】
この構成により、簡易な構成で前記膨張室の定容部の容積を小さくすることで、スターリングサイクル機関の効率を高めることができる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のスターリングサイクル機関において、前記円筒部の内周と、前記陥没部の基部周縁との境界部に段差部を形成し、この段差部によって前記円筒部とシリンダの間に組み込まれる構成部品を位置決めしてなるものである。
【００１１】
この構成により、円筒部に対して構成部品を簡単に位置決めできると共に、構成部品の組付精度も向上する。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明の一実施形態について、添付図を参照して説明する。図１及び図２において、１は略円筒状に形成された円筒部２と胴部３とで構成されるケーシングである。前記円筒部２はステンレス鋼などからなり、基部２Ａと中間部２Ｂと先端部２Ｃが一体に構成されている。そして、前記円筒部２の先端部２Ｃには、全体として緩やかに隆起する湾曲面４が形成されると共に、この湾曲面４の周縁全体には、凹弧状に湾曲した陥没部５が環状に形成されている。なお、この陥没部５は、前記ケーシング１の外部に対して凹状に形成されていると共に、後述する膨張室Ｅに対して凸状に形成されている。このように湾曲面４の周縁に陥没部５を形成することにより、前記円筒部２の外周面と陥没部５の基部周縁との境界部分に段差部６が形成される。なお、前記円筒部２はプレス成形によって形成され、この円筒部２の成形時において、前記湾曲面４及び陥没部５を同時に一体形成している。
【００１３】
また、前記円筒部２の内部には、前記胴部３の内部まで延びるシリンダ７が、前記円筒部２に対して同軸的に挿入されて設けられている。このシリンダ７の先端部２Ｃ側には、このシリンダ７とは別体の延長シリンダ部７Ａが同軸状に接続されている。そして、前記胴部３側となる前記シリンダ７は、アルミニウム等の金属を用いてダイカスト等の鋳造を行うことによって、後述するマウント２６，２７及び接続用腕部３０と一体に成形されたものであり、鋳造後にシリンダ７の内外周などを切削加工したものである。そして、前記シリンダ７の先端側及び延長シリンダ部７Ａの内側には、ディスプレイサー８が軸方向に摺動可能に収容されている。また、このディスプレイサー８の先端と前記円筒部２の先端部２Ｃの間には膨張室Ｅが形成されており、隙間９によって前記延長シリンダ部７Ａの内外が連通されている。また、前記中間部２Ｂにおいて、前記円筒部２の内周と前記シリンダ７の外周との間に再生器１０が設けられていると共に、前記基部２Ａにおいて、前記シリンダ７の内外を連通する連通孔１１が前記シリンダ７自体に形成されている。また、前記円筒部２の先端部２Ｃの内周と前記延長シリンダ部７Ａの先端外周との間には、吸熱フィン１２が設けられると共に、前記再生器１０と連通孔１１の間において、前記円筒部２の内周と前記シリンダ７の外周との間に放熱フィン１３が設けられている。そして、前記延長シリンダ部７Ａの内部先端から隙間９、吸熱フィン１２、再生器１０、放熱フィン１３、連通孔１１を通って前記シリンダ７内の圧縮室Ｃに至る経路１４が形成されている。更に、前記胴部３内において、前記シリンダ７の基部側の内側には、ピストン１５が軸方向に摺動可能に収容されている。そして、このピストン１５の基端部は、駆動機構１６に対して同軸的に連結されている。なお、この駆動機構１６は、前記ピストン１５の基端に接続体１５Ａによって接続されていると共に、前記シリンダ７の基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の支持体１７と、この支持体１７の先端側の内周面に固定された短円筒状の永久磁石１８と、この永久磁石１８の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル１９と、前記永久磁石１８の内周に近接して設けられた導磁部２０とで構成されている。
【００１４】
また、前記ピストン１５に支持体１７を接続させる接続体１５Ａには、前記ピストン１５の動作を制御するための第一の板バネ２１が接続されている。さらに、前記ディスプレイサー８の基端側には、このディスプレイサー８の動作を制御するためのロッド２２の一端が接続されていると共に、このロッド２２の他端には第二の板バネ２３が接続されている。尚、前記ロッド２２は前記ピストン１５を貫通して延びている。また、前記一対の板バネ２１，２３は、前記胴部３内において前記シリンダ７の基端側の外部に配置されていると共に、前記第一の板バネ２１よりも第二の板バネ２３が前記シリンダ７の基端側から離れた位置に配置されている。尚、前記電磁コイル１９は電磁コア２４に巻かれるように設けられていると共に、この電磁コア２４は電磁コイル１９等と共に一体化されている。
【００１５】
また、前記シリンダ７の中間部の外周面には、該シリンダ７と同軸状に突出するマウント２６が一体に形成されていると共に、このマウント２６よりも基端側の位置に、フランジ状のマウント２７が前記シリンダ７と一体に成形されている。これら一対のマウント２６，２７は間隔をおいて形成されていると共に、前記マウント２６は、前記円筒部２の基部２ＡにＯ−リング２６Ａを介して当接してシリンダ７をケーシング１の円筒部２に固定する。一方、前記マウント２７は、その一側面２７Ａが、前記胴部３内部の取付部３Ａに当接してこの取付部３Ａに対して螺子止めされるように構成されていると共に、その他側面２７Ｂに、前記駆動機構１６を構成する電磁コア２４の一端が当接するように形成されている。また、前記電磁コア２４の他端には固定リング２８が当接しており、この固定リング２８と前記マウント２７とで前記電磁コア２４を挟持してビス２９によって締め付けることによって、前記電磁コア２４、ひいてはこの電磁コア２４と一体化している前記電磁コイル１９が前記マウント２７に固定される。更に、前記マウント２７の他側面２７Ｂから、複数の接続用腕部３０が前記シリンダ７の軸方向と略平行に突設されている。なお、前記接続用腕部３０は、基端３０Ａにおいて前記マウント２７と一体に形成されている。そして、接続用腕部３０の先端部に、前記第一の板バネ２１がスペーサー３１によって取り付けられていると共に、このスペーサー３１に対して、前記第二の板バネ２３がビス３２によって取り付けられている。
【００１６】
尚、図中３３はケーシング１の他端に設けた振動吸収ユニットであり、前記シリンダ７の軸線上に配置された連結部を介して、複数の板バネ３４とバランスウエイト３５が同軸状に重なるように配置されている。
【００１７】
従って、前記シリンダ７は、前記マウント２６を円筒部２の基部４の内側にＯ−リング２６Ａを介して当接させると共に、前記マウント２７の一側面２７Ａを前記胴部３内部の取付部３Ａに当接させてこの取付部３Ａに対して図示しないビスによって螺子止めすることで、前記ケーシング１に対して固定される。この際、前記マウント２６が円筒部２の内面にＯ−リング２６Ａを介して当接することで、前記シリンダ７を円筒部２に対して同軸に配置することができる。また、前記シリンダ７は、このシリンダ７の基端側の外周に導磁部２０を取り付けると共に、前記シリンダ７と一体に形成されたマウント２７に対して、前記固定リング２８及びビス２９によって、前記駆動機構１６を構成する電磁コイル１９及び電磁コア２４を固定する。更に、前記シリンダ７内に前記ディスプレイサー８、ピストン１５等を組み込み、このピストン１５の基端の接続体１５Ａに取り付けられた第一の板バネ２１を前記腕部３０とスペーサー３１との間で挟持して固定すると共に、前記ディスプレイサー８に接続されたロッド２２の他端に接続された第二の板バネ２３を前記スペーサー３１の他端に固定する。その後に、前記胴部３と円筒部２を接続し、予め組み立てられた振動吸収ユニット３３を前記胴部３に取り付ける。
【００１８】
そして、前記構成により、前記電磁コイル１９に交流電流を流すと、この電磁コイル１９から交番磁界が発生して電磁コア２４で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石１８を軸方向に往復動させる力が生じる。この力によって、前記永久磁石１８を固定した支持体１７に接続されたピストン１５がシリンダ７内を軸方向に往復動する。このため、前記ピストン１５が前記ディスプレイサー８に近づく方向に移動すると、前記ピストン１５とディスプレイサー８との間に形成された圧縮室Ｃ内の気体が圧縮されて、前記連通孔１１、放熱フィン１３、再生器１０、吸熱フィン１２、隙間９を通り、前記ディスプレイサー８の先端と円筒部２の先端部６の間に形成された膨張室Ｅに至ることで、前記ディスプレイサー８が前記ピストン１５に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン１５が前記ディスプレイサー８から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Ｃの内部が負圧となり、前記膨張室内の気体が前記膨張室Ｅから前記隙間９、吸熱フィン１２、再生器１０、放熱フィン１３、連通孔１１を通って前記圧縮室Ｃに還流することで、前記ディスプレイサー８が前記ピストン１５に対して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、前記膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Ｃの近傍は高温となる。
【００１９】
このように、本発明のスターリングサイクル機関は、ピストン１５を往復駆動させることで、前記圧縮室Ｃ及び膨張室Ｅ内の気体が圧縮・膨張を繰り返すものであるが、前記膨張室Ｅを形成する湾曲面４の周縁に、前記ディスプレイサー８を避けるように、且つ前記延長シリンダ部７Ａの先端との間に僅かな隙間９を形成するように、膨張室Ｅ側に突出する陥没部５を成形することにより、膨張室Ｅのうちの、前記ディスプレイサー８の往復動によらず容積がほぼ一定の部分である定容部の容積を小さくすることができる。これにより、前記ディスプレイサー８が最下位にある時の前記膨張室Ｅの容積と、前記ディスプレイサー８が最上位にある時の前記膨張室Ｅの容積との比、即ち圧縮比が向上することになり、スターリングサイクル機関の効率を高めることができる。また、前述したように、前記陥没部５が前記ディスプレイサー８を避けるように形成されているため、前記膨張室Ｅの定容部の容積が小さいにも拘わらず、前記ディスプレイサー８が前記円筒部２の先端部２Ｃの内面に衝突しないようにすることができる。また、前述のリング部材１１０等の専用の別部品も不要であるから、組付部品点数を減少させ、組付作業を簡略化することができると共に、前記リング部材１１０等を用いる場合、前記円筒部２、リング部材１１０及び接着剤の熱収縮率の差等によって、前記リング部材１１０が脱落する虞があるが、前記円筒部２の先端部２Ｃに陥没部５を一体形成する本実施例においては、脱落する虞のある別部品が設けられていないため、信頼性を高めることができる。
【００２０】
また、前記円筒部２をプレス成形して陥没部５を形成するものであるから、成形加工が容易であるとともに、成形時に陥没部５を形成するといった簡易な構造でありながら、圧縮比を向上させることでスターリングサイクル機関の効率を向上させることが可能となる。
【００２１】
更に、湾曲面４の周縁に陥没部５を形成することにより、前記円筒部２の外周面と陥没部５の基部周縁との境界部分に段差部６が形成され、円筒部２の内周と前記延長シリンダ部７Ａの先端外周との間に前記吸熱フィン１２、再生器１０、放熱フィン１３を組み込む際、最初に組み込む前記吸熱フィン１２を段差部６に突き当てて位置決めすることができ、その後、前記再生器１０、放熱フィン１３を組み込む際、位置決めされた吸熱フィン１２を基準として簡単に位置決めすることができる。このように、陥没部５を形成することにより、円筒部２に対して前記吸熱フィン１２、再生器１０、放熱フィン１３といった構成部品を簡単に位置決めでき、一層、組み付け作業を簡略化できるとともに、これら吸熱フィン１２、再生器１０、放熱フィン１３の組付精度を向上させることができる。
【００２２】
尚、本発明は上記実施形態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、上述した実施形態は、前記陥没部が前記円筒部の先端部の全周に亘って環状に形成されたものであるが、前記陥没部を、前記円筒部の先端部の全周に亘って断続的に形成してもよい。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１の発明は、略円筒状に形成された円筒部を有するケーシングと、このケーシングの円筒部内に同軸状に挿入されるシリンダと、このシリンダの先端側内部に往復動可能に挿入したディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に往復動自在に挿入されたピストンと、前記ディスプレイサーの先端と前記円筒部の先端面の間に形成された膨張室と、前記ディスプレイサーとピストンとの間に形成された圧縮室と、これら膨張室と圧縮室とを繋ぐ経路とを備え、前記円筒部の先端の周縁に、外部に対して凹であると共に前記膨張室に対して凸である陥没部を一体に形成したものであるから、円筒部の周縁に形成された陥没部によって、前記円筒部の先端とディスプレイサーとの衝突を避けつつ、前記膨張室の定容部の容積を小さくすることで、スターリングサイクル機関の効率を高めることができると共に、組付部品点数を削減して組付作業の簡略化を図ることができる。
【００２４】
請求項２の発明は、請求項１記載のスターリングサイクル機関において、プレス成形によって、前記ケーシングに前記陥没部を一体に形成したものであるから、簡易な構成で前記膨張室の定容部の容積を小さくすることで、スターリングサイクル機関の効率を高めることができる。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のスターリングサイクル機関において、前記円筒部の内周と、前記陥没部の基部周縁との境界部に段差部を形成し、この段差部によって前記円筒部とシリンダの間に組み込まれる構成部品を位置決めしてなるものであるから、円筒部に対して構成部品を簡単に位置決めできると共に、構成部品の組付精度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す全体断面図である。
【図２】本発明の膨張室の拡大断面図である。
【図３】従来例を示す全体断面図である。
【符号の説明】
１  ケーシング
２  円筒部
５  陥没部
６  段差部
７  シリンダ
８  ディスプレイサー
１０  再生器（構成部品）
１２  吸熱フィン（構成部品）
１３  放熱フィン（構成部品）
１４  経路
１５  ピストン
１６  駆動機構
Ｃ  圧縮室
Ｅ  膨張室
【図１】
2004346878.tif 000003
【図２】
2004346878.tif 000004
【図３】
2004346878.tif 000005