(57)【要約】【課題】軽量且つ圧力による変形が少なく、スターリングサイクルの熱機関でディスプレーサーとして用いるのに適した特性を備えたピストンを提供する。【解決手段】スターリング冷凍機関１０のシリンダー１２の中には、ピストン１３及びディスプレーサーとなるピストン１５が直列に挿入されている。ピストン１３、１５は互いに独立して動く。ピストン１５は、両端に配置されるディスク状の端面部４１、４２と、これらの端面部を連結する連結部４３とにより構成される。連結部４３は端面部４１、４２よりも断面積が小さく、その外面が端面部４１、４２より外にはみ出さない。端面部４１、４２の少なくとも一方は、軸方向に厚さを有する環状周壁部４４を備えるものとし、環状周壁部４４にシール効果を発揮させる。端面部４１、４２同士の間の空間は熱伝導率の低い部材４５で埋める。【選択図】　　　図１
2004124896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端面を作動ガスに接触させるピストンにおいて、
両端に配置されるディスク状の端面部と、これらの端面部を連結する連結部とにより構成され、前記連結部は前記端面部よりも断面積が小さく且つその外面が端面部より外にはみ出すものでないことを特徴とするピストン。
【請求項２】
前記端面部の少なくとも一方は、軸方向に所定厚さを有する環状周壁部を備えることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
前記端面部同士の間で直径を異ならせたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のピストン。
【請求項４】
前記端面部の少なくとも一方が、摩擦低減対策の施された外周面を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のピストン。
【請求項５】
前記端面部同士の間の空間を熱伝導率の低い部材で埋めたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のピストン。
【請求項６】
前記端面部の少なくとも一方は前記連結部と別成形した部品であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のピストン。
【請求項７】
前記別成形した部品である端面部と前記連結部との間に位置決め嵌合部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のピストン。
【請求項８】
ピストン軸を前記連結部に一体成形したことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のピストン。
【請求項９】
各々の接触する作動ガスの温度に適合する物性を備えた材料で前記両端面部を形成したことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載のピストン。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかに記載のピストンを用いて作動ガスの吸入と排出を行う熱機関。
【請求項１１】
前記熱機関がスターリング機関であることを特徴とする請求項１０に記載の熱機関。
【請求項１２】
前記熱機関がリニア圧縮機であることを特徴とする請求項１０に記載の熱機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピストン及びこのピストンを用いた熱機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レシプロ形式のピストンを用いる熱機関は身の回りで広く使用されている。自動車のエンジンや冷蔵庫のコンプレッサなどはその代表的なものである。最近ではスターリング機関の実用化の取り組みも進行している。特許文献１にスターリング機関の冷却庫への応用例を見ることができる。
【０００３】
一般的には、ピストンはその一方の端面が作動ガスに接触する。これに対しフリーピストン型スターリング機関ではピストンの両端面が作動ガスに接触する。
【０００４】
フリーピストン型スターリング機関の一例を図７〜９に示す。図７〜９はいずれもスターリング冷凍機関の断面図で、異なる動作状態を示すものである。
【０００５】
スターリング冷凍機関１０はシリンダーブロック１１を中心として組み立てられる。シリンダーブロック１１は中心にシリンダー１２を有し、シリンダー１２の軸線を水平にした形で配置される。シリンダー１２の中には、図において右側にピストン１３、その左側にディスプレーサーとなるピストン１５が、直列に挿入される。ピストン１３及びピストン１５は、スターリング冷凍機関１０の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダー１２の内壁に接触することなく動く。ピストン１３及びピストン１５の動きは互いに独立である。
【０００６】
ピストン１３の一方の端からはピストン軸１４が突出し、ピストン１５の一方の端からはピストン軸１６が突出する。ピストン軸１６はピストン１３及びピストン軸１４の中を軸方向に自由にスライドできるように貫通する。ピストン軸１６とピストン１３及びピストン軸１４との間にもガスベアリングが形成され、スターリング冷凍機関１０の運転中、ピストン軸１６はピストン１３及びピストン軸１４に接触することなく動く。
【０００７】
シリンダーブロック１１はピストン１３の動作領域にあたる部分の外側にリニアモーター２０を保持する。リニアモーター２０は外部鉄心２１、内部鉄心２２及び外部鉄心２１と内部鉄心２２の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２３を備える。マグネット２３はカップ状のマグネットホルダー２４に固定されている。マグネットホルダー２４はピストン軸１４に固定され、マグネット２３を外部鉄心２１と内部鉄心２２のいずれにも接触しないよう支持する。マグネットホルダー２４の端面にあたる箇所には通気口２５が形設されている。
【０００８】
リニアモーター２０を囲むようにケーシング２６が配置される。ケーシング２６はシリンダーブロック１１に固定されるものであり、その内部は気密空間となっている。ピストン軸１４はスプリング２７を介して、ピストン軸１６はスプリング２８を介して、それぞれケーシング２６に連結される。
【０００９】
シリンダーブロック１１のうち、ピストン１５の動作領域にあたる部分の外側には伝熱ヘッド３０、３１が配置される。伝熱ヘッド３０はリング状、伝熱ヘッド３１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。伝熱ヘッド３０、３１は各々リング状の内部熱交換器３２、３３を介在させた形でシリンダーブロック１１の外側に支持される。内部熱交換器３２、３３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を伝熱ヘッド３０、３１に伝える。
【００１０】
伝熱ヘッド３０、シリンダーブロック１１、及び内部熱交換器３２で囲まれた環状の空間はシリンダーブロック１１に形設した通気口３４を介してピストン１３とピストン１５の間隙に連通し、１個の連続した空間を形成する。この空間が圧縮空間３５となる。他方伝熱ヘッド３１、内部熱交換器３３、及びピストン１５の端面で囲まれる空間は膨張空間３６となる。
【００１１】
内部熱交換器３２、３３の間には再生器３７が配置される。再生器３７も通気性を有し、内部を作動ガスが通る。再生器３７の外側を再生器チューブ３８が包む。再生器チューブ３８は伝熱ヘッド３０、３１の間に気密通路を構成する。
【００１２】
スターリング冷凍機関１０は次のように動作する。リニアモーター２０に交流電流を供給すると外部鉄心２１と内部鉄心２２の間にマグネット２３を貫通する磁界が発生し、マグネット２３は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１３、ピストン軸１４、マグネットホルダー２４、マグネット２３、及びスプリング２７）の総質量と、スプリング２７のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。
【００１３】
ピストン１３が往復運動すると、ピストン１３の左側の全空間に同一の圧力変動が生じる。ここでピストン１５に作用する圧力を観察すると、膨張空間３６側の端面に作用する圧力と圧縮空間３５側の端面に作用する圧力とはパスカルの原理により同一となり、相殺される。しかしながらピストン軸１６はピストン１３の右側の背圧空間３９に突出しているため、ピストン軸１６にはその断面積に応じた背圧がかかる。
【００１４】
背圧は圧縮空間３５の圧力変動と逆相で変動するため、ピストン１５の両側の圧力は完全には相殺されず、差圧が発生する。つまり、ピストン１３がピストン１５の側に前進すると、ピストン１５はピストン１３に向かって後退し、圧縮空間３５の容積が縮小するとともに膨張空間３６の容積が拡大する。圧縮空間３５の容積縮小分の作動ガスは再生器３７を通って膨張空間３６に流れ込む（図８参照）。
【００１５】
逆にピストン１３がピストン１５から離れて後退すると、ピストン１５はピストン１３から離れて前進し、膨張空間３６の容積が縮小するとともに圧縮空間３５の容積が拡大する。膨張空間３６の容積縮小分の作動ガスは再生器３７を通って圧縮空間３５に戻る（図９参照）。
【００１６】
上記のようにしてフリーピストン構造のピストン１５はピストン１３の振動周波数と同期して振動する。この振動を効率的に維持するため、ディスプレーサー系（ピストン１５、ピストン軸１６、及びスプリング２８）の総質量と、スプリング２８のバネ定数とにより定まる共振周波数を、ピストン１３の駆動周波数に共振するよう設定する。これにより、ピストン系とディスプレーサー系とは両者の共振振動周波数の位相のずれに応じた一定の位相差をもって同期振動する。
【００１７】
ピストン１３とピストン１５の同期振動により圧縮／膨張のサイクルが生まれる。振動の位相差を適切に設定すれば、圧縮空間３５では断熱圧縮による発熱が多く発生し、膨張空間３６では断熱膨張による冷却が多く発生する。このため、圧縮空間３５の温度は上昇し、膨張空間３６の温度は下降する。
【００１８】
運転中に圧縮空間３５と膨張空間３６の間を往復する作動ガスは、内部熱交換器３２、３３を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器３２、３３を通じて伝熱ヘッド３０、３１に伝える。圧縮空間３５から噴出する作動ガスは高温であり、伝熱ヘッド３０は加熱される。すなわち伝熱ヘッド３０はウォームヘッドとなる。膨張空間３６から噴出する作動ガスは低温であり、伝熱ヘッド３１は冷却される。すなわち伝熱ヘッド３１はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド３０より熱を放散し、伝熱ヘッド３１で特定空間の温度を下げることにより、スターリング冷凍機関１０は冷凍機関としての機能を果たす。
【００１９】
再生器３７は、圧縮空間３５と膨張空間３６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間３５から内部熱交換器３２を経て再生器３７に入った高温の作動ガスは、再生器３７を通過するときにその熱を再生器３７に与え、温度が下がった状態で膨張空間３６に流入する。膨張空間３６から内部熱交換器３３を経て再生器３７に入った低温の作動ガスは、再生器３７を通過するときに再生器３７から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間３５に流入する。すなわち再生器３７は熱の保管庫としての役割を果たす。
【００２０】
【特許文献１】
特開平３−３６４６８号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
スターリングサイクルの熱機関でディスプレーサーとして用いられるピストンは上記のように圧力差で振動するものであるため、慣性が小さいこと、すなわち軽量であることが求められる。そのため、中空構造とすることが提案されている。またこのピストンは両端面で作動ガスに接触し、しかも端面毎に接触する作動ガスの温度が異なる。高温側端面から低温側端面への熱移動を抑制するため、中空部に熱伝導率の低い材料を組み込むという提案もなされている。
【００２２】
しかしながら中空構造のピストンは、周囲の作動ガスの圧力とピストンの内部圧力との差圧によりピストンが変形するという問題があった。また、中空、中実にかかわらず、ピストンとシリンダーとの間のギャップを所定値に保つためには、ピストンの全長にわたり高い外面形状精度を確保しなければならないという問題があった。
【００２３】
本発明は上記問題に鑑みなされたもので、軽量であり、且つ圧力による変形が少ないなど、スターリングサイクルの熱機関でディスプレーサーとして用いるのに適した特性を数多く備えたピストンを提供することを目的とする。さらに、このようなピストンを用いて性能を向上させた熱機関を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明ではピストンを次のように構成した。
【００２５】
（１）両端面を作動ガスに接触させるピストンを、両端に配置されるディスク状の端面部と、これらの端面部を連結する連結部とにより構成し、前記連結部は前記端面部よりも断面積が小さく且つその外面が端面部より外にはみ出すものでないものとした。
【００２６】
この構成によれば、ピストンに中空部がないので作動ガスと中空部との圧力差によってピストンがつぶれたり膨張したりするということがない。またシリンダーとピストンとのギャップを管理するにあたり、端面部だけを管理対象とし、連結部は管理対象外とすることができ、ピストン表面のうち高い加工精度で仕上げねばならない箇所が減り、ピストンの製造コストを低減できる。
【００２７】
（２）上記のようなピストンにおいて、前記端面部の少なくとも一方は、軸方向に所定厚さを有する環状周壁部を備えるものとした。
【００２８】
この構成によれば、環状周壁部の厚さがシール効果を発揮するので作動ガスの漏れが少なくなり、このピストンを用いる熱機関の効率が向上する。
【００２９】
（３）上記のようなピストンにおいて、前記端面部同士の間で直径を異ならせた。
【００３０】
この構成によれば、端面部同士の同軸度のずれを直径の差で吸収することが可能となる。そして、同軸度のずれがあったとしてもピストンがシリンダーに接触することが少なくなり、このピストンを用いる熱機関の効率が向上する。
【００３１】
（４）上記のようなピストンにおいて、前記端面部の少なくとも一方が、摩擦低減対策の施された外周面を備えるものとした。
【００３２】
この構成によれば、ピストンがシリンダーに接触したとしても摩擦損失が少なくなり、このピストンを用いる熱機関の効率が向上する。
【００３３】
（５）上記のようなピストンにおいて、前記端面部同士の間の空間を熱伝導率の低い部材で埋めた。
【００３４】
この構成によれば、ピストンの両端面が異なる温度の作動ガスに接触する場合、高温側端面から低温側端面への熱移動が抑制され、このピストンを用いる熱機関の効率が向上する。
【００３５】
（６）上記のようなピストンにおいて、前記端面部の少なくとも一方は前記連結部と別成形した部品であるものとした。
【００３６】
この構成によれば、断面積の異なる部分を別部品として成形できるため、製作が容易になる。また端面部には端面部に求められる精度の加工を、連結部には連結部に求められる精度の加工を施せば良いため、加工精度が過剰品質にわたることがなくなり、製造コストを低減できる。
【００３７】
（７）上記のようなピストンにおいて、前記別成形した部品である端面部と前記連結部との間に位置決め嵌合部を設けた。
【００３８】
この構成によれば、端面部と連結部の組立精度が高まり、ピストンの品質が向上する。ひいてはこのピストンを用いる熱機関の効率も向上する。
【００３９】
（８）上記のようなピストンにおいて、ピストン軸を前記連結部に一体成形した。
【００４０】
この構成によれば、端面部とピストン軸の同軸度が向上し、シリンダーや他のピストンと接触する率が減る。従ってこのピストンを用いる熱機関の効率が損なわれない。
【００４１】
（９）上記のようなピストンにおいて、各々の接触する作動ガスの温度に適合する物性を備えた材料で前記両端面部を形成した。
【００４２】
この構成によれば、ピストンの両端面が温度の異なる作動ガスに接触する場合、各端面部をその接触する作動ガス温度に適合する物性の材料で形成し、ピストンの温度耐性を向上させることができる。これによりこのピストンを用いる熱機関の信頼性も向上する。
【００４３】
また本発明では熱機関を次のように構成した。
【００４４】
（１０）上記ピストンのいずれかを用いて作動ガスの吸入と排出を行うものとした。
【００４５】
この構成によれば、高効率、高信頼性の熱機関を得ることができる。
【００４６】
（１１）前記熱機関がスターリング機関であるものとした。
【００４７】
この構成によれば、高効率、高信頼性のスターリング機関を得ることができる。
【００４８】
（１２）前記熱機関がリニア圧縮機であるものとした。
【００４９】
この構成によれば、高効率、高信頼性のリニア圧縮機を得ることができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図１〜図６に基づき説明する。
【００５１】
第１実施形態を図１に示す。図１は第１実施形態に係るピストンを用いたスターリング冷凍機関の断面図である。ピストン１５以外のスターリング冷凍機関１０の構成は図７のスターリング冷凍機関１０と同じである。
【００５２】
ピストン１５は次のように構成される。すなわち両端に配置される端面部４１、４２と、これらの端面部４１、４２を連結する連結部４３である。端面部４１、４２はディスク状であり、直径は相等しい。連結部４３は中実で、端面部４１、４２より断面積を小さく、且つその外面が端面部４１、４２より外にはみ出してシリンダー１２の内面に接触することのないように形成されている。すなわちピストン１５の中で端面部４１、４２の外周面のみがシリンダー１２の内面に接触し得る箇所ということになる。
【００５３】
ピストン１５には中空の部分がない。従って、作動ガスと中空部との圧力差によってピストン１５がつぶれたり膨張したりするということがない。
【００５４】
また端面部４１、４２の外周面のみがシリンダー１２の内面に接触し得る箇所なので、シリンダー１２とピストン１５とのギャップを管理するにあたり、端面部４１、４２だけを管理対象とし、連結部４３は管理対象外とすることができる。
【００５５】
シリンダー１２及び端面部４１、４２の断面形状は円形である。円形とするのが加工コストの面で最も有利であるが、必ずしも非円形断面が排除される訳ではない。非円形断面とした場合は、互いの断面の投影が一致するように端面部４１、４２を連結する。
【００５６】
第２実施形態を図２に示す。図２は第２実施形態に係るピストンの断面図である。第１実施形態と共通する構成要素には第１実施形態の説明で使用した符号をそのまま付し、説明は省略する。第３実施形態以下の説明にも同じ原則を適用する。
【００５７】
第２実施形態では、端面部４２に環状周壁部４４を設けた。環状周壁部４４は軸方向に所定の厚さを有する。環状周壁部４４の厚さが端面部４２の厚さより大であることが望ましい。
【００５８】
第２実施形態のピストン１５では環状周壁部４４の厚さがシール効果を発揮し、第１実施形態のピストン１５よりも作動ガスの漏れが少なくなる。また端面部４２の全体を環状周壁部４４の厚さを加えた厚さにする場合に比べ、同じシール性を有しながら重量を減らすことができる。
【００５９】
例えば、ピストンの直径が３０ｍｍでシール部のギャップが１０μｍである場合、シール部の軸方向長さとして２５ｍｍ必要であるものとすると、端面部４１、４２の厚さを５ｍｍ、環状周壁部４４の軸方向厚さを２０ｍｍとすることにより所望のシール性を得ることができる。
【００６０】
環状周壁部４４と同様の環状周壁部を、端面部４１の方にも設けることができる。
【００６１】
第２実施形態においては、端面部４１の直径Ｄ１は端面部４２の直径Ｄ２より小さい。この構成によれば、端面部４１、４２の同軸度のずれを直径の差で吸収することが可能となる。例えば、端面部４１、４２と連結部４３を１個の金属棒から旋盤で削り出し、端面部４１、４２の間に５μｍの同軸ずれが発生する場合を考えた場合、端面部４１の半径を端面部４２の半径より５μｍ以上小さくしておけば、端面部４１が端面部４２より半径方向にはみ出すことがなくなる。従って、同軸度のずれがあったとしてもピストン１５がシリンダー１２に接触することが少なくなり、ピストン１５を用いる熱機関の効率が向上する。
【００６２】
なお端面部４２の直径Ｄ２を端面部４１の直径Ｄ１より小さくしても上記と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
第３実施形態を図３に示す。図３は第３実施形態に係るピストンの断面図である。
【００６４】
第３実施形態では、端面部４１、４２の間の空間を熱伝導率の低い部材４５で埋めた。連結部４３は熱伝導率の低い部材４５で包囲されることになる。部材４５は端面部４１、４２より直径を小さくし、その外面が端面部４１、４２より外にはみ出してシリンダー１２の内面に接触することのないようにする。部材４５としては、例えば発泡スチロールや発泡ポリウレタンを用いることができる。
【００６５】
圧縮空間３５の温度が５０゜Ｃ、膨張空間３６の温度がマイナス３０゜Ｃといった値であった場合、通常であれば熱輻射や対流により端面部４２から端面部４１へと熱が移動する。このような熱移動が生じたのではスターリング冷凍機関１０の効率が下がってしまう。第３実施形態の場合、部材４５が熱輻射や対流を阻止するので、端面部４２から端面部４１への熱移動が抑制される。従ってスターリング冷凍機関１０の効率が向上する。
【００６６】
上述のとおり、部材４５は熱輻射や対流が起きないようにするという役割を担うので、シリンダー１２の内面に接触しないという条件を満たすかぎりにおいて、端面部４１、４２との直径差は小さい方がよい。
【００６７】
第４実施形態を図４に示す。図４は第４実施形態に係るピストンの断面図である。
【００６８】
第４実施形態では、端面部４１、４２と連結部４３とがそれぞれ別成形された別部品となっている。端面部４１、４２はそれぞれ中心に雌ねじ部４６、４７を有し、連結部４３は両端に雄ねじ部４８、４９を有する。雄ねじ部４８を雌ねじ部４６にねじ込み、雄ねじ部４９を雌ねじ部４７にねじ込むことにより、３者は結合される。ピストン軸１６も一方の端に雄ねじ部５１を有し、これを端面部４２の雌ねじ部５０にねじ込むことにより、端面部４２に結合されている。
【００６９】
この構成によれば、端面部４１、４２と連結部４３という、断面積の異なる部分を別部品として成形できるため、製作が容易になる。また端面部４１、４２には端面部４１、４２に求められる精度の加工を、連結部４３には連結部４３に求められる精度の加工を施せば良いため、加工精度が過剰品質にわたることがなくなり、製造コストを低減できる。
【００７０】
例えば端面部４１、４２は、その最終直径に近い直径の丸棒素材から旋盤で切削加工を行い、シリンダー１２の内面に接触する外周面はホーニング加工やラップ仕上で精密に仕上げる。連結部４３はその最終直径に近い直径の丸棒素材から旋盤による切削加工だけで仕上げることができる。
【００７１】
端面部４１、４２と連結部４３との結合手法はねじ結合に限られない。接着や圧入といった手法を採用することもできる。端面部４２とピストン軸１６との結合についても同じである。
【００７２】
第５実施形態を図５に示す。図５は第５実施形態に係るピストンの部分断面図である。
【００７３】
第５実施形態は第４実施形態をさらに進化させたものである。すなわち端面部４１と連結部４３の間に、ぴったりとはまり合う位置決め嵌合部５２を設けた。位置決め嵌合部５２は、雌ねじ部４６に連続するよう端面部４１に形設された位置決め嵌合穴部５３と、雄ねじ部４８に連続するよう連結部４３に形設された位置決め嵌合軸部５４とにより構成される。同様の位置決め嵌合部を端面部４２と連結部４３の間にも設ける。
【００７４】
この構成によれば、端面部４１、４２と連結部４３の組立精度が高まり、ピストン１５の品質が向上する。ひいてはスターリング冷凍機関１０の効率も向上する。
【００７５】
位置決め嵌合部を設けることなく、雌ねじ部と雄ねじ部だけで端面部４１、４２と連結部４３の結合を行うこととすると、ねじ部同士の間のクリアランスで端面部４１、４２の中心と連結部４３の中心とがずれることがある。そのため、シリンダー１２の内面との接触を防ぐためには端面部４１、４２の外周面とシリンダー１２の内面とのギャップを広げる必要がある。これに対し第５実施形態のように位置決め嵌合部を設けることとすれば、端面部４１、４２、及び連結部４３の相互間の同軸度が高まり、端面部４１、４２とシリンダー１２の内面とのギャップを狭くすることができる。
【００７６】
同様の位置決め嵌合部を端面部４２とピストン軸１６の間に設けてもよい。このようにすれば端面部４２とピストン軸１６との同軸度が高まり、ピストン軸１６がピストン１３やピストン軸１４の内面に接触するおそれを少なくすることができる。
【００７７】
第６実施形態を図６に示す。図６は第６実施形態に係るピストンの断面図である。
【００７８】
第６実施形態は、第４実施形態において、連結部４３とピストン軸１６とを一体成形したものである。材料としてはアルミニウムなどを使用する。
【００７９】
この構成によれば、連結部４３とピストン軸１６、ひいては端面部４１、４２とピストン軸１６との同軸度が向上し、シリンダー１２、ピストン１３、ピストン軸１４などに接触するおそれがさらに少なくなる。
【００８０】
第１実施形態〜第６実施形態に、さらに次のような構成を付加することができる。
【００８１】
端面部４１、４２の少なくとも一方が、摩擦低減対策の施された外周面を備えるものとする。これは、外周面にフッ素樹脂のコーティングを施したり、端面部４１、４２そのものをフッ素樹脂で形成することにより達成できる。
【００８２】
ピストン１５は、ガスベアリングの仕組みが働き出すまではシリンダー１２との接触を避けられない。この構成によれば、ピストン１５がシリンダー１２に接触したとしても摩擦損失が少なくなり、スターリング冷凍機関１０の効率が向上する。
【００８３】
第４実施形態〜第６実施形態には、さらに次のような構成を付加することができる。
【００８４】
端面部４１、４２を、各々の接触する作動ガスの温度に適合する物性を備えた材料で形成する。例えば低温ガスに接触する端面部４１は軽量化を主眼として合成樹脂で形成する。１００゜Ｃの高温ガスに接触する可能性のある端面部４２は温度上昇して変形しないようアルミニウムで形成する。
【００８５】
この構成によれば、端面部４１、４２が互いに温度の異なる作動ガスに接触する場合、端面部４１、４２をその接触する作動ガスに適合する物性を備えた材料で形成し、ピストン１５の温度耐性を向上させることができる。これにより、スターリング冷凍機関１０の信頼性も向上する。
【００８６】
冷凍機関以外のスターリング機関に本発明のピストンを用いることができる。スターリング機関の種類が何であれ、高効率、高信頼性のスターリング機関を得ることができる。
【００８７】
またリニア圧縮機に本発明のピストンを用いることができる。この場合も高効率、高信頼性のリニア圧縮機を得ることができる。
【００８８】
以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することが可能である。
【００８９】
【発明の効果】
本発明によれば、軽量であり、且つ圧力による変形が少ないなど、スターリングサイクルの熱機関でディスプレーサーとして用いるのに適した特性を数多く備え、また製造コストの安いピストンを得ることができる。さらに、このようなピストンを用いて性能と信頼性を向上させた熱機関を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るピストンを用いたスターリング冷凍機関の断面図
【図２】本発明の第２実施形態に係るピストンの断面図
【図３】本発明の第３実施形態に係るピストンの断面図
【図４】本発明の第４実施形態に係るピストンの断面図
【図５】本発明の第５実施形態に係るピストンの部分断面図
【図６】本発明の第６実施形態に係るピストンの断面図
【図７】スターリング冷凍機関の断面図
【図８】図７と同様の断面図にして異なる動作状態を示すもの
【図９】図７と同様の断面図にして、さらに異なる状態を示すもの
【符号の説明】
１０　スターリング冷凍機関
１１　シリンダーブロック
１２　シリンダー
１３　ピストン
１４　ピストン軸
１５　ピストン
１６　ピストン軸
４１、４２　端面部
４３　連結部
４４　環状周壁部
４５　熱伝導率の低い部材
４６、４７　雌ねじ部
４８、４９　雄ねじ部
５２　位置決め嵌合部
【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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【図８】
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【図９】
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