(57)【要約】【課題】簡易的にディスプレーサの位置を正確に決めながら固定する。【解決手段】スターリング冷凍機の本体２３の内部には、ディスプレーサ７及びピストン１３が同軸に配置されている。本体２３の一端に取り付けられた吸熱器１はシリンダ８の内外を連通する貫通孔２を有している。シリンダ８の他端からディスプレーサ７を挿入・固定する時に、吸熱器１の貫通孔２に棒状の突起部４を有する位置決め部材３をシリンダ８の外側から挿入して保持しておき、ディスプレーサ７の先端が突起部４の先端と当接するまでディスプレーサ７を挿入する。そして、この位置でディスプレーサロッド２２をディスプレーサスプリング１６にディスプレーサボルト２１で固定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱器が一端に取り付けられたシリンダの内部に同軸に配置されたディスプレーサ及びピストンを有するスターリング機関において、前記シリンダの他端から前記ディスプレーサを挿入・固定する時に、前記ディスプレーサを位置決めする位置決め部材を挿入する貫通孔を前記吸熱器に具備してなることを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
前記位置決め部材の前記貫通孔に挿入する突起部の長さは、前記シリンダの閉塞端側に形成されディスプレーサが往復運動する膨張空間の容積を規定する長さと、前記吸熱器の厚みを足した長さであることを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
前記貫通孔の内面にテーパー面を形成するとともにネジ溝を設け、前記ディスプレーサ固定後の前記貫通孔はネジで塞がれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリング機関。
【請求項４】
吸熱器が一端に取り付けられたシリンダの内部に同軸に配置されたディスプレーサ及びピストンを有するスターリング機関において、前記シリンダの他端から前記ディスプレーサを挿入・固定する時に、前記吸熱器の前記シリンダ内部に臨む面に設置された昇華性物質に、前記ディスプレーサの先端が当接するまでディスプレーサを挿入し固定して成ることを特徴とするスターリング機関。
【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、特にフリーピストン型スターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、一般的なフリーピストン型スターリング冷凍機の構成を断面で示す。シリンダ８がシリンダ型の本体２３と同軸に配設されている。シリンダ８と本体２３の内部にはヘリウム等の作動ガスが封入されている。シリンダ８は本体２３側で途切れる長さとなっているが、本体２３内に円筒型の再生器９が配されることで、再生器９の内側にシリンダ８と同内径の空洞が形成されている。したがって、本体２３も或る意味でシリンダとなる。
【０００３】
シリンダ８内を膨張空間１１と圧縮空間１２とに区画するディスプレーサ７及びピストン１３と、ピストン１３を往復運動させるためのリニアモーター１４と、膨張空間１１側に設けられ外部から熱を奪う吸熱器１と圧縮空間１２側に設けられ外部に熱を放熱する放熱器１５とを有している。なお、１６，１７はそれぞれディスプレーサ６及びピストン１３を支持し、弾性力によってこれらのディスプレーサ７及びピストン１３を往復動させるスプリングである。また１８は放熱用熱交換器、１９は吸熱用熱交換器である。これらは、冷凍機外部との熱のやりとりを促進する役目を果たす。そして、これらの放熱用熱交換器１８と吸熱用熱交換器１９との間には、再生器９が配設されている。
【０００４】
上記の構成で、リニアモーター１４を駆動させると、それに伴いピストン１３が圧縮空間１２側に移動し、圧縮空間１２内の作動ガスが圧縮される。作動ガスの温度は圧縮により上昇するが、放熱用熱交換器１８を通じて放熱器１５より外気と熱交換され冷却されるため、この過程は等温圧縮変化となる。圧縮空間１２内でピストン１３により圧縮された作動ガスは、圧力により再生器９に流入し、膨張空間１１内へ送られる。その際、作動ガスの持つ熱量が再生器９を構成する再生器フィルムに蓄熱される。膨張空間１１内に流入した高圧の作動ガスは、ピストン１３と所定の位相差を保って往復動するディスプレーサ７が圧縮空間１２側に移動する時に、膨張する。
【０００５】
このとき、作動ガスの温度は下降するが、吸熱用熱交換器１９を介して吸熱器１から外気の熱を吸収して加熱されるため、この過程は等温膨張変化となる。やがてディスプレーサ７が膨張空間１１側へ移動を始め、膨張空間１１内の作動ガスは再生器９を通過して、再び圧縮空間１２側へ戻る。その際、再生器９に蓄熱された熱量が作動ガスに与えられ、作動ガスは昇温する。この一連のスターリングサイクルが駆動部の往復動によって繰り返されることにより、吸熱器１は熱が吸収されるため徐々に低温になる。
【０００６】
このように圧縮空間１１と膨張空間１２との間で、作動ガスを再生器９を介して往復動させて吸熱器１から冷熱を取り出すスターリング冷凍機では、ディスプレーサ７の固定位置により圧縮空間１１と膨張空間１２の２つの空間が分割され、この分割比により冷凍機性能や運転時に影響を与える。停止状態ではディスプレーサ７の先端と吸熱器１内側の底部までの距離は、所定の距離に保たれていることが必要であり、これより小さくなると運転時にディスプレーサ７先端と吸熱器１内側の底部との衝突が発生しやすく、これが大きくなると逆に圧縮空間１２側のピストン１３先端とディスプレーサ７後端との衝突が発生しやすくなる等、運転時に支障が発生するため、ディスプレーサ７の固定位置は精度が要求される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
冷凍機組立ての際には図７（ａ）のように先ず本体２３を下向き（吸熱器１を下）に置いて、吸熱用熱交換器１９、再生器９、放熱用交換器１８、シリンダ８、リニアモーター１４と、奥の方から順次組み立て、ディスプレーサ７を挿入する。次に図７（ｂ）に示すように、ピストン１３を挿入し、ピストンスプリング１７、ディスプレーサスプリング１６を本体２３に設置して、ピストン１３をピストンボルト２０でピストンスプリング１７に固定する。
【０００８】
図７（ａ）、（ｂ）に示すように本体２３にディスプレーサ７を挿入した時点ではディスプレーサ７は固定されていないので、本体２３一番奥の吸熱器１の内側底部まで到達する。しかし固定するときには膨張空間１１の容積を確保しなければならないため、ディスプレーサ７は吸熱器の内側底から膨張空間１１の容積分の間隔を設けて固定しなければならない。よってディスプレーサ７を固定する時にはディスプレーサ７を浮かせながら固定する必要がある。実際の組立てでのディスプレーサ固定方法は先ずディスプレーサ７を挿入し、ディスプレーサ７をディスプレーサスプリング１６に固定する際に、図７（ｃ）に示すようにディスプレーサ７先端と吸熱器１内側の底とが必要な膨張空間１１が得られる距離までディスプレーサロッド２２を手で持ち上げて、最終的に図７（ｄ）に示すように持ち上げたままでディスプレーサロッド２２とディスプレーサスプリング１６をディスプレーサボルト２１で固定させる方法が従来一般に行われてきた。
【０００９】
従来のディスプレーサ固定方法の問題点は、ディスプレーサ７を持ち上げたまま固定する必要があることと、膨張空間１１の容積を正確に設ける必要があることである。実際は、ディスプレーサロッド２２を持ち上げる距離はその寸法を図りながら固定する必要があり、そのため、作業性が悪く、時間もかかり熟練度が必要とされる。また、膨張空間の容積の測定は個人差に左右されやすく、結果的に冷凍機性能にバラツキが発生する。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決し、簡易的にディスプレーサの位置を正確に決めながら固定することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のスターリング機関は、吸熱器が一端に取り付けられたシリンダの内部に同軸に配置されたディスプレーサ及びピストンを有するスターリング機関において、前記シリンダの他端から前記ディスプレーサを挿入・固定する時に、前記ディスプレーサを位置決めする位置決め部材を挿入する貫通孔を前記吸熱器に具備してなることを特徴とする。
【００１２】
これにより、挿入したディスプレーサの先端が位置決め部材の先端に当接して止まるので、ディスプレーサの適正な固定位置を容易に決めることができる。
【００１３】
この場合、前記突起部の長さは、前記シリンダの閉塞端側に形成されディスプレーサが往復運動する膨張空間の容積を規定する長さと、前記吸熱器の厚みを足した長さである。
【００１４】
そして、前記貫通孔の内面にテーパー面を形成するとともにネジ溝を設けておくと、前記ディスプレーサ固定後、前記位置決め部材を取り外し、前記貫通孔をネジで塞ぐことができる。
【００１５】
また、本発明のスターリング機関は、吸熱器が一端に取り付けられたシリンダの内部に同軸に配置されたディスプレーサ及びピストンを有するスターリング機関において、前記シリンダの他端から前記ディスプレーサを挿入・固定する時に、前記吸熱器の前記シリンダ内部に臨む面に設置された昇華性物質に、前記ディスプレーサの先端が当接するまでディスプレーサを挿入し固定して成ることを特徴とする。
【００１６】
これにより、挿入したディスプレーサの先端が昇華性物質に当接して止まるので、ディスプレーサの適正な固定位置を容易に決めることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態に係るスターリング機関の組立て手順の説明を行なう。先ず、図２に示すように吸熱器１に直径１〜１．５ｃｍ程度の貫通孔２を設ける。貫通孔２の場所は、ディスプレーサ７先端付近にあたる中心あたりが望ましい。この貫通孔２は最終的にテーパーネジで塞ぐ必要があるため、そのネジの径に合ったテーパー面を貫通孔２に施し、テーパータップ等を用いて雌ねじを切ることにより、貫通孔２にネジ溝を設ける。吸熱器１の材質は一般に熱伝導率の良い銅が使用されるため、加工性は良く容易に加工が可能である。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、吸熱用熱交換器１９、再生器９、放熱用熱交換器１８、シリンダ８、モーター１４を順次組み立てた後に、吸熱器１底部の貫通孔２に位置決め部材３の突起部４を外側から挿入する。この位置決め部材３は図３に示すように、突起構造を有しており、突起部４の径は貫通孔２と同じか若しくは若干小さく、長さは吸熱器１の厚み距離５と必要な膨張空間１１の容積を設けるための距離６で構成されている。よって位置決め部材３を貫通孔２に挿入させることにより、図４に示すように、吸熱器１内側には必要な膨張空間１１の容積を設けるための距離６の分だけ突起物４が突出する状態であり、ディスプレーサ７を本体２３内に挿入しても膨張空間１１の容積は保持される。
【００２０】
このようにディスプレーサ７を本体２３内のシリンダ８、再生器９を通して、内部の位置決め部材３の突起物４先端に当たるところまで挿入する。それから図１（ｂ）に示すようにピストン１３を挿入し、ピストンスプリング１７、ディスプレーサスプリング１６を設置し、ピストンボルト２０でピストンスプリング１７とピストン１３を固定する。
【００２１】
次に図１（ｃ）に示すように、ディスプレーサボルト２１でディスプレーサロッド２２とディスプレーサスプリング１６を固定してから、位置決め部材３を吸熱器１から外し、テーパーネジ１０で貫通孔２を塞ぐ。
【００２２】
冷凍機組立て後は、本体２３とシリンダ８の内部は高圧ヘリウムガスが充満しており、僅かの隙間でもヘリウムガスが漏れると、冷凍機性能や動作時に多大な影響を及ぼす。例えば、ヘリウムガスが漏れることにより、冷凍機内部の圧力が減り、それによってピストン１３やディスプレーサ７の振幅が大きくなり衝突しやすくなることや、ガスが減ることにより性能に影響を与えることが考えられる。そのため、貫通孔２を完全に塞ぐ必要がある。よって、ここでは一般に空圧機器や水管等の配管接続に使われているテーパーネジを使用することにより簡単に塞ぐことができる。尚、ネジのゆるみや漏れを完全に防ぐために、白色の半硬化型シール剤をネジ部品にあらかじめコーティングしたシールネジを使用することが望ましい。
【００２３】
このようにして貫通孔２にテーパーネジ１０を差込み、締付け、最後に冷凍機を恒温槽に投入して再生器やその他部品の水分を脱気してから、キャップを取り付け、高圧のヘリウムガスを充填して冷凍機は完成する。
【００２４】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係るスターリング機関の組立て手順の説明を行なう。ここでは、吸熱器に貫通孔を設けず、代わりに吸熱器内側の底部に昇華性物質を設置することでディスプレーサ先端と吸熱器内側の底部間との膨張空間１１の容積を確保する。尚、固体を温めても液化しないで、どんどん気化してしまうものを昇華性物質と言われ、一般に昇華性物質といえば、ドライアイスやヨウ素、若しくは防虫剤であるナフタレンやパラジクロロベンゼン等があげられる。しかし、ドライアイスの融点は−７８℃であり、またヨウ素の融点は１１３℃であることから、昇華させるための温度の管理が難しく、また温度変化による冷凍機の影響が懸念されるため、ここでは融点が比較的低いナフタレンまたはパラジクロロベンゼンを使用することが望ましい。
【００２５】
第１の実施形態と同様に、図５（ａ）に示すように、本体２３に部品を順次組立て、ディスプレーサ７挿入前に昇華性物質２４であるナフタレン若しくはパラジクロロベンゼンの結晶固体を、膨張空間１１の容積を保持できる大きさに成形し、その昇華性物質２４を吸熱器１内側の底部に設置する。尚、ナフタレンやパラジクロロベンゼンは常温でも少しずつ昇華するため、周囲温度若しくは冷凍機内部温度は２０℃以下に設定しておくのが望ましい。昇華性物質２４を内部に設置後、ディスプレーサ７を本体２３内に通し、内部の昇華性物質２４に接する位置まで挿入する。
【００２６】
それから、図５（ｂ）に示すようにピストン１３を挿入し、ピストンスプリング１７、ディスプレーサスプリング１６を設置し、ピストンボルト２０でピストンスプリング１７とピストン１３を固定し、次に図５（ｃ）に示すように、ディスプレーサボルト２１でディスプレーサロッド２２とディスプレーサスプリング１６を固定する。
【００２７】
ディスプレーサ固定後は、図５（ｄ）に示すように、周囲温度、若しくは冷凍機内部の温度を上げ、内部の昇華性物質２４を昇華させる。昇華したガスは組立て後に行われる脱気工程（真空引き）にて排出される。
【００２８】
ここでパラジクロロベンゼンは融点が５４℃なので５４℃以上になると液体になるので５０℃前後に保ち、またナフタレンの融点は８０℃なので７０〜７５℃に保つようにする。このように所定温度が得られるよう、恒温槽に冷凍機を投入するが、従来でも冷凍機組立て後は内部の水分を脱気する必要があるため恒温槽に投入しており、工数が増加することはなく、昇華性物質の昇華と水分脱気を兼ねて行うことができる。最後にキャップを取り付け、高圧のヘリウムガスを充填して冷凍機は完成する。
【００２９】
上記手段を用いて組立てた冷凍機は従来の方法で組立てた冷凍機に比べて、ディスプレーサ位置固定が短時間でできるようになり、また組立工程も従来と比べ単純化になったため、量産化が可能となり最終的に低コストにも繋がった。また、位置決め部材や昇華性物質をディスプレーサの位置決めに使うことで人による誤差も少なくなり、結果的に冷凍機性能のバラツキが少ない高効率で信頼性の高い冷凍機が得られた。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、スターリング機関の膨張空間側に設けられた吸熱器の底部に貫通孔を設け、ディスプレーサ固定時にその貫通孔に外側から位置決め部材を挿入する、若しくは、吸熱器内側底部に容易に昇華する物質を設置させることにより、ディスプレーサ先端と吸熱器内側の底部間の膨張空間容積を確保させることができ、結果的にディスプレーサの位置固定を容易に行う方法である。
【００３１】
この方式を採用することにより、ディスプレーサ位置固定が簡素化となり、また人による誤差が無くなり、確実に短時間でディスプレーサ位置固定ができ、その結果、高効率で信頼性の高いスターリングエンジンが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスターリング冷凍機組立工程におけるディスプレーサ及びピストンの挿入・固定時の手順を示す断面図である。
【図２】吸熱器を示す斜視図である。
【図３】位置決め部材を示す斜視図である。
【図４】ディスプレーサをシリンダに挿入した際の透視斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るスターリング冷凍機組立工程におけるディスプレーサ及びピストンの挿入・固定時の手順を示す断面図である。
【図６】スターリング冷凍機の一例を示す断面図である。
【図７】従来のスターリング冷凍機組立工程におけるディスプレーサ及びピストンの挿入・固定時の手順を示す断面図である。
【符号の説明】
１  吸熱器
２  貫通孔
３  位置決め部材
４  突起部
５  吸熱器の厚に相当する距離
６  膨張空間の容積を保持するための距離
７  ディスプレーサ
８  シリンダ
９  再生器
１０  テーパーネジ
１１  膨張空間
１２  圧縮空間
１３  ピストン
１４  リニアモーター
１５  放熱器
１６  ディスプレーサスプリング
１７  ピストンスプリング
１８  放熱用熱交換器
１９  吸熱用熱交換器
２０  ピストンボルト
２１  ディスプレーサボルト
２２  ディスプレーサロッド
２３  本体
２４  昇華性物質
【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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