(57)【要約】【課題】スターリングサイクル機関の駆動装置に係る導磁部及び電磁コアの部品点数を削減して組立作業性の向上、寸法精度の向上を図ることができるようにする。【解決手段】ケーシング１に挿入されるシリンダ７を往復動させる駆動機構１６を設ける。この駆動機構１６は、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枠１７と、この枠１７の一端側に固定された円筒状の永久磁石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、電磁コイル１９を巻装する電磁コア２４（２４ａ，２４ｂ）と導磁部２０を、合成樹脂で被覆した鉄粉を適宜形状に成形して焼結することで一体成形する。これにより、電磁コア２４と導磁部２０を高い生産性で量産することができるとともに、高い寸法精度が得られ、組立性も向上する。【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金属製のシリンダと、このシリンダの先端側内部に摺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摺動可能に挿入したピストンと、前記シリンダの基端側の外周側に配置され前記ピストンを往復駆動させる駆動装置とを備え、該駆動装置を、前記ピストンの基端に接続される枠に固定される永久磁石と、この永久磁石の内周側に位置すると共にこの永久磁石に対して磁気的空隙を介して対向配置される導磁部と、前記永久磁石の外周側に位置すると共にこの永久磁石に対して磁気的空隙を介して対向配置される電磁コアと、この電磁コアに巻装される電磁コイルとで構成し、前記電磁コア及び／又は導磁部が、強磁性体粉と、これら強磁性体粉間を電気的に絶縁する絶縁体によって、それぞれ一体成形されていることを特徴とするスターリングサイクル機関用駆動装置。
【請求項２】
前記絶縁体で被覆された強磁性体粉を焼結して前記電磁コア及び／又は導磁部を一体成形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用駆動装置。
【請求項３】
前記絶縁体が合成樹脂であることを特徴とする請求項１乃至２記載のスターリングサイクル機関用駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストン型のスターリングサイクル機関を駆動するスターリングサイクル機関用駆動装置に関する。
【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、ケーシング内に設けられたシリンダの内部に、ピストン及びディスプレイサーが摺動可能に挿入されると共に、前記ピストンを駆動機構によって往復駆動させるものがあった。そして、前記ピストンが前記駆動機構によって駆動されて前記シリンダ内で前記ディスプレイサーに近づく方向に移動すると、前記ピストンとディスプレイサーの間に形成された圧縮室内の気体が圧縮されて、放熱フィン、再生器、吸熱フィンを通り、前記ディスプレイサーの先端と前記ケーシングの先端部との間に形成された膨張室に至ることで、前記ディスプレイサーが前記ピストンに対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストンが前記ディスプレイサーから遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室の内部が負圧となり、前記膨張室内の気体が前記吸熱フィン、再生器、放熱フィンを通って前記圧縮室に還流することで、前記ディスプレイサーが前記ピストン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、前記膨張室近傍は低温となり、一方、前記圧縮室近傍は高温となるというものである。（例えば特許文献１）。
【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】
このようなスターリングサイクル機関において、ピストンを往復駆動する駆動機構は、前記ピストンの基端に接続される短筒状の枠の一端に固定される永久磁石と、この永久磁石の内周側に位置して磁気的空隙を介して対向配置される導磁部と、前記枠の外周側に位置して磁気的空隙を介して対向配置される電磁コアに巻装する電磁コイルとで構成され、電磁コイルに交流電流を流すことにより、この電磁コイルから交番磁界が発生し、この交番磁界により、前記永久磁石を軸方向に往復動させ、永久磁石を固定した枠に接続されたピストンをシリンダ内において軸方向に往復動させているが、図５〜図７に示すように、その導磁部Ｍと電磁コイルの電磁コアＫは、薄い鋼鈑ａを積層して成形しているため、これら導磁部Ｍ及び電磁コアＫの組付けに際し、部品点数が増大し、組付け作業性に劣るものであった。特に、電磁コアＫは複数個に分割され、これら分割された各電磁コアＫ１を周方向に接続して一体化するものであるから、各電磁コアＫ１の両内角部ｂが線接触するように各電磁コアＫ１を位置決めする必要があり、その組付け作業は極めて面倒で手間がかかるものであった。また、分割した各電磁コアＫ１を相互に正確に接続するためには高い寸法精度が要求され、生産コストの向上を招くという問題もあった。更に、前記導磁部Ｍは、複数の平板状の鋼板ａが放射状に配列されることで構成されているため、各鋼板ａの内側では各鋼板ａ同士が接していたとしても、各鋼板ａの外側では各鋼板ａ同士が離れた状態となる。このため、前記導磁部Ｍを精度良く製造することが困難であるという問題もあった。
【０００５】
そこで、本発明は、スターリングサイクル機関の駆動装置に係る導磁部及び電磁コアの部品点数を削減し、組付け作業性に優れ、しかも安価に製造することができるように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金属製のシリンダと、このシリンダの先端側内部に摺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摺動可能に挿入したピストンと、前記シリンダの基端側の外周側に配置され前記ピストンを往復駆動させる駆動装置とを備え、該駆動装置を、前記ピストンの基端に接続される枠に固定される永久磁石と、この永久磁石の内周側に位置すると共にこの永久磁石に対して磁気的空隙を介して対向配置される導磁部と、前記永久磁石の外周側に位置すると共にこの永久磁石に対して磁気的空隙を介して対向配置される電磁コアと、この電磁コアに巻装される電磁コイルとで構成し、前記電磁コア及び／又は導磁部が、強磁性体粉と、これら強磁性体粉間を電気的に絶縁する絶縁体によって、それぞれ一体成形されているものである。
【０００７】
この請求項１の構成によれば、電磁コイルの電磁コア及び／又は導磁部の成形加工が容易となる。
【０００８】
請求項２の発明は、前記絶縁体で被覆された強磁性体粉を焼結して前記電磁コア及び／又は導磁部を一体成形したものである。
【０００９】
この請求項２の構成によれば、均一な電磁コア及び／又は導磁部を高い生産性で量産することができるとともに、高い寸法精度が得られる。
【００１０】
請求項３の発明は、前記絶縁体が合成樹脂であるものである。
【００１１】
この請求項３の構成によれば、電磁コイルの電磁コア及び／又は導磁部の成形加工がより容易になる。
【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〜図５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４と中間部５と先端部６が一体に構成されている。
【００１３】
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６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６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５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４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６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枠１７と、この枠１７の先端側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に枠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。
【００１５】
前記駆動機構１６について詳述する。この駆動機構１６を構成する前記導磁部２０は円筒状に形成されている。また、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。この電磁コア２４は第１の電磁コア２４ａと第２の電磁コア２４ｂとに分割して構成されている。これら第１及び第２の電磁コア２４ａ，２４ｂは内側及び外側にそれぞれフランジ部２５ａ，２５ｂを有し、それぞれ断面形状ほぼコ字型に成形されている。そして、前記第１及び第２の電磁コア２４ａ，２４ｂの内側に電磁コイル１９を配置すると共に、前記第１及び第２の電磁コア２４ａ，２４ｂのそれぞれのフランジ部２５ａ，２５ｂ同士を突き合せることで、前記電磁コア２４を前記電磁コイル１９等と共に一体化している。なお、前記電磁コア２４を構成する第１及び第２の電磁コア２４ａ，２４ｂ及び前記導磁部２０は、図４に示すように、絶縁体である合成樹脂Ｓで予め被覆された強磁性体である鉄粉Ｔを適宜形状に成形した後、これを焼結することで、図２及び図３に示すように、前記第１及び第２の電磁コア２４ａ，２４ｂと円筒状の導磁部２０をそれぞれ一体形成している。そして、このように合成樹脂Ｓと鉄粉Ｔによって前記第１及び第２の電磁コア２４ａ，２４ｂ及び導磁部２０をそれぞれ一体形成することで、これらの電磁コア２４ａ，２４ｂ及び導磁部２０を容易に且つ精度良く形成することができる。尚、前記電磁コア２４及び導磁部２０は、熱によって軟化した熱可塑性の合成樹脂Ｓに大量の鉄粉Ｔを混合し、金型内で成形することで一体形成しても良い。また、前記合成樹脂Ｓとして、熱や化学反応によって硬化する樹脂を用い、これに大量の鉄粉Ｔを混合した後で成形しても良い。また、前記合成樹脂Ｓの代わりに、セラミックス等の他の絶縁体を用いても良い。更に、前記鉄粉Ｔの代わりに、他の強磁性体の粉末を用いても良い。そして、このように前記電磁コア２４及び導磁部２０を合成樹脂Ｓと鉄粉Ｔとで一体形成することで、電磁コイル１９から発生した磁力線によって前記電磁コア２４及び導磁部２０内の鉄粉Ｔに渦電流が流れようとしても、前記各鉄粉Ｔ同士が前記合成樹脂Ｓによって絶縁されていることで、複数の鉄粉Ｔに渡って渦電流が流れることが防止される。
【００１６】
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は間隔をおいて配置されていると共に、前記マウント２６は、前記円筒部２の基部４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。また、前記接続用腕部３０の先端面３０Ｂは、前記シリンダ７の軸方向と直交するように同一面上に形成されており、この先端面３０Ｂに雌螺子を有する螺子孔３０Ｃが前記シリンダ７の軸方向と平行に形成されている。
【００１７】
前記先端面３０Ｂには、前記第一の板バネ２１が当接する。この第一の板バネ２１は、前記先端面３０Ｂに当接した状態で前記腕部３０とスペーサー３１との間で挟持される。なお、前記スペーサー３１は、その本体３１Ａが正六角柱状に形成されており、その一端に前記螺子孔３０Ｃの雌螺子と螺合する雄螺子３１Ｂが前記本体３１Ａと同軸に形成されていると共に、その他端面３１Ｃに雌螺子を有する螺子孔３１Ｄが前記本体３１Ａと同軸に形成されている。そして、前記第一の板バネ２１の外周部に形成された螺子孔２１Ａを介して、前記スペーサー３１の一端の雄螺子３１Ｂを腕部３０の螺子孔３０Ｃの雌螺子と螺合させることで、前記第一の板バネ２１が前記腕部３０とスペーサー３１との間で挟持される。このとき、前記スペーサー３１の本体３１Ａが正六角柱状に形成されているので、スパナ等で締め付けることで簡単に腕部３０に取り付けられる。また、前記複数の先端面３０Ｂが前記シリンダ７の軸方向と直交するように同一面上に形成されているため、これらの先端面３０Ｂに当接する第一の板バネ２１も前記シリンダ７の軸方向に対して直交することになる。更に、前記スペーサー３１は、前記複数の腕部３０にそれぞれ取り付けた状態において、前記スペーサー３１の他端面３１Ｃは、前記シリンダ７の軸方向と直交するように同一面上に形成されており、この他端面３１Ｃに前記第二の板バネ２３が当接する。そして、この第二の板バネ２３は、前記他端面３１Ｃに当接した状態で、前記第二の板バネ２３の外周部に形成された螺子孔２３Ａを介して、ビス３２をスペーサー３１の螺子孔３１Ｄの雌螺子と螺合させることで、前記第二の板バネ２３が前記スペーサー３１に固定される。
【００１８】
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同軸状に複数の板バネ３４とバランスウエイト３５が重なるように配置されている。
【００１９】
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。
【００２０】
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を固定した枠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。
【００２１】
以上のように構成される前記実施形態のスターリングサイクル機関は、前記電磁コイル１９を内蔵する電磁コア２４を構成する第１の電磁コア２４ａと第２の電磁コア２４ｂ及びこれら各電磁コア２４ａ，２４ｂと永久磁石１８を挟んで対向配置される導磁部２０が、合成樹脂Ｓで予め被覆された鉄粉Ｔを適宜形状に成形した後、これを焼結することで一体形成されているから、極めて成形加工が容易である。すなわち、従来は、電磁コアを製造する場合、薄板を積層して成形した積層電磁コアを相互に線接触するように環状に組み付ける必要があるが、本実施例においては、各電磁コア２４ａ，２４ｂが合成樹脂Ｓと鉄粉Ｔからなる一体形成品であるから、こうした煩わしい作業を行う必要もない。また、部品点数も大幅に削減できるため、製造コストを抑えることができるとともに、合成樹脂Ｓで被覆した鉄粉Ｔを焼結して各電磁コア２４ａ，２４ｂ及び導磁部２０をそれぞれ一体成形したものであるから、均一な形状の電磁コア２４ａ，２４ｂ及び導磁部２０を高い生産性で量産することができるとともに、高い寸法精度が得られ、組み立て性の向上を図ることができる。
【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、上述した実施形態においては、電磁コア２４を構成する第１の電磁コア２４ａと第２の電磁コア２４ｂ及び導磁部２０を合成樹脂Ｓと鉄粉Ｔで一体形成した例を示したが、何れか一方のみを合成樹脂Ｓと鉄粉Ｔで一体形成し、他方は薄い鋼板を積層した従来品であってもよい。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、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金属製のシリンダと、このシリンダの先端側内部に摺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摺動可能に挿入したピストンと、前記シリンダの基端側の外周側に配置され前記ピストンを往復駆動させる駆動装置とを備え、該駆動装置を、前記ピストンの基端に接続される枠に固定される永久磁石と、この永久磁石の内周側に位置すると共にこの永久磁石に対して磁気的空隙を介して対向配置される導磁部と、前記永久磁石の外周側に位置すると共にこの永久磁石に対して磁気的空隙を介して対向配置される電磁コアと、この電磁コアに巻装される電磁コイルとで構成し、前記電磁コア及び／又は導磁部が、強磁性体粉と、これら強磁性体粉間を電気的に絶縁する絶縁体によって、それぞれ一体成形されているものであるから、電磁コイルの電磁コア及び／又は導磁部の成形加工が容易となり、部品点数も大幅に削減できる。
【００２４】
また、請求項２の発明は、前記絶縁体で被覆された強磁性体粉を焼結して前記電磁コア及び／又は導磁部を一体成形したものであるから、均一な形状の電磁コア及び／又は導磁部を高い生産性で量産することができるとともに、高い寸法精度が得られ、組み立て性の向上を図ることができる。
【００２５】
更に、請求項３の発明は、前記絶縁体が合成樹脂であるものであるから、電磁コイルの電磁コア及び／又は導磁部の成形加工をより容易にすることができる。
【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】本発明の一実施形態を示す一部を切り欠いた電磁コアの分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す導磁部の斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す電磁コア及び導磁部の材料を拡大した断面図である。
【図５】従来の導磁部を示す斜視図である。
【図６】従来の電磁コアを示す一部を省略した斜視図である。
【図７】従来の電磁コアを示す一部を平面図である。
【符号の説明】
１  ケーシング
２  円筒部
７  シリンダ
８  ディスプレイサー
１５  ピストン
１６  駆動機構
１９  電磁コイル
２０  導磁部
２４  電磁コア
２４ａ  第１の電磁コア
２４ｂ  第２の電磁コア
Ｔ  鉄粉（強磁性体）
Ｓ  合成樹脂（絶縁体）
【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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