(57)【要約】【課題】作動媒体封入時にピストンが過度に移動することがないスターリング機関を提供する。【解決手段】スターリング機関は、圧力容器４と、圧力容器４内に配設されたシリンダ３と、シリンダ３内を往復動するピストン１と、シリンダ３内においてピストン１に対向するディスプレーサ２と、ピストン１の一方に設けられる作動空間７としての圧縮空間７ａおよび膨張空間７ｂと、ピストン１の他方に設けられる背面空間８と、圧力容器４の作動空間７側に設けられた封入部１０と、作動媒体封入時に作動空間７と背面空間８とを連通させる連通手段としての第１および第２の通路３ｂ，１ｃとを備える。【選択図】        図１
2004332675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力容器と、
該圧力容器内に配設されたシリンダと、
該シリンダ内を往復動するピストンと、
前記ピストンの一方に設けられる作動空間と、
前記ピストンの他方に設けられる背面空間と、
前記圧力容器の前記作動空間側または前記背面空間側の少なくとも一方に設けられた作動媒体封入部と、
作動媒体封入時に前記作動空間と前記背面空間とを連通させる連通手段とを備えたスターリング機関。
【請求項２】
前記作動媒体封入部は封入管を含み、
前記封入管は前記圧力容器の前記背面空間を形成する部分を貫通するようにして前記作動空間に連通する、請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
圧力容器と、
該圧力容器内に配設されたシリンダと、
該シリンダ内を往復動するピストンと、
前記ピストンの一方に設けられる作動空間と、
前記ピストンの他方に設けられる背面空間と、
前記圧力容器の前記作動空間側および前記背面空間側の双方に設けられた作動媒体封入部とを備えたスターリング機関。
【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に関し、特に、ピストンとディスプレーサの往復運動に伴う作動ガスの圧縮／膨張を利用して低温／高温または電力または動力を得るスターリング機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング機関の従来例としては、たとえば、特開２０００−３９２２２号公報（従来例１）に示されたものなどが挙げられる。
【０００３】
以下に、従来例１におけるスターリング機関の構成について、図７を用いて説明する。
【０００４】
従来例１におけるスターリング機関は、図７に示すように、シリンダ３の内側面（シリンダ摺動面３ａ）を滑らかに往復摺動するピストン１とディスプレーサ２とを備える。ピストン１とディスプレーサ２とは同軸上に配設されており、ディスプレーサ２の一端を形成するロッド２ａは、ピストン１の中心部に設けられた摺動穴１ｂを貫通している。なお、ピストン１およびディスプレーサ２は、各々ピストン支持バネ５およびディスプレーサ支持バネ６を介して圧力容器４に弾性支持されている。
【０００５】
圧力容器４の内部空間は、ピストン１によって２つの空間に分割されている。該空間の一方は、ピストン１から見てディスプレーサ２側にある作動空間７であり、他方は、ピストン１から見て作動空間７とは反対側、すなわちシリンダ３の後端側にある背面空間８である。これらの空間には、高圧ヘリウムガスなどの作動媒体が充填されている。
【０００６】
また、作動空間７は、ディスプレーサ２によってさらに２つの空間に分割されている。該空間の一方は、ピストン１とディスプレーサ２によって挟まれた圧縮空間７ａであり、他方は、ディスプレーサ２に対して圧縮空間７ａとは反対側、すなわちシリンダ３の先端側にある膨張空間７ｂである。なお、両作動空間７ａ，７ｂは、再生器９を介して連結されている。
【０００７】
ピストン１は、リニアモータなどの図示しない駆動部によって駆動され、所定周期で往復運動する。これにより、作動媒体は作動空間７内で圧縮／膨張される。ディスプレーサ２は、作動媒体の圧縮／膨張に伴う圧力変化によって、直線的に往復運動する。このとき、ピストン１とディスプレーサ２とは、所定の位相差をもって同一周期にて往復運動することになる。
【０００８】
上記構成から成るスターリング機関において、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ａとの間、およびロッド２ａと摺動穴１ｂとの間には、作動空間７と背面空間８とを遮断するガスシールが施されている。なお、該ガスシールは、接触する部材間にシールリングを設けたり、両部材を高精度に嵌合したりすることで実現されている。
【０００９】
しかしながら、どのようなガスシールを施しても、作動空間７と背面空間８とを完全に遮断することはできず、作動媒体が微小な隙間を介して両空間を流動することは避けられない。そのため、ピストン１が作動空間７方向に運動しているときには、圧縮空間７ａの圧力が背面空間８の圧力よりも高くなり、作動媒体は圧縮空間７ａから背面空間８へと流動する。逆に、ピストン１が背面空間８方向に運動しているときには、圧縮空間７ａの圧力が背面空間８の圧力よりも低くなり、作動媒体は背面空間８から圧縮空間７ａへと流動する。
【００１０】
ここで、背面空間８の容積が圧縮空間７ａの容積よりも大きいため、圧縮空間７ａと背面空間８との圧力差は、ピストン１が背面空間８方向に運動しているときより、作動空間７方向に運動しているときの方が大きくなる。そのため、圧縮空間７ａの作動媒体は、ピストン１の往復運動１サイクル毎に少しずつ背面空間８へと流出していくことになる。このような状況を放置しておくと、背面空間８の圧力が徐々に高くなるため、ピストン１の振幅中心位置が初期位置から作動空間７側にずれて、ピストン１が物理的な運動限界位置に達したり、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突したり、ディスプレーサ２が圧力容器４に衝突したりするおそれがある。
【００１１】
これに対し、従来例１においては、作動空間７と背面空間８との圧力バランスを保つことでピストンの振幅中心位置ずれを抑えるために、シリンダ３に、背面空間８とシリンダ摺動面３ａとを結ぶ第１の通路３ｂを設け、ピストン１に、圧縮空間７ａとピストン摺動面１ａとを結ぶ第２の通路１ｃを設けている。なお、第１の通路３ｂの開口部３ｃ（シリンダ摺動面３ａ側）と、第２の通路１ｃの開口部１ｄ（ピストン摺動面１ａ側）とは、ピストン１が予め設定された初期の振幅中心位置に位置した時に対向するように配設されている。
【００１２】
しかしながら、上記のような通路を設けたとしても、実際にピストン１を作動させた際に、作動空間７と背面空間８との圧力差が十分に緩和されず、背面空間８の方が作動空間７よりも圧力が高くなる場合がある。この結果、ピストン１の振幅中心位置が初期位置から作動空間７側にずれることとなる。
【００１３】
これに対し、第１の通路３ｂと第２の通路１ｃとをピストン１の初期の振幅中心位置よりも背面空間８側で連通させることで、ピストン１の振幅中心位置のずれを抑える構造が考えられる。この構造においては、作動空間７と背面空間８とが、作動空間７側の圧力が低い状態で連通するので、作動空間７と背面空間８との圧力差を緩和する効果を高めることができる。
【００１４】
なお、上記の往復運動の結果、たとえばシリンダ３の先端のコールドヘッドにおいて冷熱の発生がなされるなどの効果が得られる。この冷熱の発生原理などの逆スターリング熱サイクルに関しては、一般によく知られているので、ここでは説明を省略する。
【００１５】
【特許文献１】
特開２０００−３９２２２号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなスターリング機関においては、下記のような問題があった。
【００１７】
従来例１に開示されたスターリング機関においては、ヘリウムなどの作動媒体を封入する封入部の位置および封入時に作動空間７と背面空間８とを連通させる手段について明示されていない。
【００１８】
ここで、封入部１０の配設位置に制約を受けず、配設構造が簡単な背面空間８側に設けて作動媒体を封入すると、作動媒体が背面空間８側から作動空間７側へ流れる通路を確保することが困難となり、作動媒体の圧力によってピストン１が移動限界位置を超えて作動空間７側に移動し、バネが壊れる場合があった。
【００１９】
ところで、作動空間７と背面空間８との圧力差の緩和の観点から、上述したように、ピストン１の初期の振幅中心位置において、開口部３ｃを開口部１ｄよりも背面空間８側に位置させる場合があるが、この場合においては、作動媒体封入時の通路の確保が更に困難となる。
【００２０】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、作動媒体封入時にピストンを過度に移動させることなく、作動空間および背面空間の両方に作動媒体を封入することができるスターリング機関を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスターリング機関は、１つの局面では、圧力容器と、該圧力容器内に配設されたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、ピストンの一方に設けられる作動空間と、ピストンの他方に設けられる背面空間と、圧力容器の作動空間側または背面空間側の少なくとも一方に設けられた作動媒体封入部と、作動媒体封入時に作動空間と背面空間とを連通させる連通手段とを備える。
【００２２】
これにより、作動媒体封入時に作動空間と背面空間とを連通させることができるので、ピストンを過度に移動させることなく、作動空間および背面空間に作動媒体を封入することができる。
【００２３】
作動媒体封入部は封入管を含み、封入管は圧力容器の背面空間を形成する部分を貫通するようにして作動空間に連通することが好ましい。
【００２４】
これにより、配設位置に制約を受けることのない封入管を介して、作動媒体を確実に圧力容器内に封入することができる。
【００２５】
本発明に係るスターリング機関は、他の局面では、圧力容器と、該圧力容器内に配設されたシリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、前記ピストンの一方に設けられる作動空間と、前記ピストンの他方に設けられる背面空間と、前記圧力容器の前記作動空間側及び前記背面空間側の双方に設けられた作動媒体封入部とを備える。
【００２６】
これにより、作動空間および背面空間に作動媒体を高速封入することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づくスターリング機関の実施の形態について図１から図６を用いて説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るスターリング機関の断面図である。
【００２９】
本実施の形態に係るスターリング機関は、図１に示すように、圧力容器４と、圧力容器４内に配設されたシリンダ３と、シリンダ３内を往復動するピストン１と、シリンダ３内においてピストン１に対向するディスプレーサ２と、ピストン１の一方に設けられる作動空間７としての圧縮空間７ａおよび膨張空間７ｂと、ピストン１の他方に設けられる背面空間８と、圧力容器４の作動空間７側に設けられた封入部１０と、作動媒体封入時に作動空間７と背面空間８とを連通させる連通手段としての第１および第２の通路３ｂ，１ｃとを備える。
【００３０】
圧縮空間７ａは、ピストン１とディスプレーサ２とによって挟まれた部分に位置し、膨張空間７ｂは、ディスプレーサ２に対して圧縮空間７ａとは反対側、すなわちシリンダ３の先端側に位置する。なお、圧縮空間７ａと膨張空間７ｂとは、再生器９を介して連結されている。
【００３１】
ピストン１およびディスプレーサ２は、シリンダ３の内側面（シリンダ摺動面３ａ）を滑らかに往復運動する。ピストン１とディスプレーサ２とは同軸上に配設されており、ディスプレーサ２の一端を形成するロッド２ａは、ピストン１の中心部に設けられた摺動穴１ｂを貫通している。なお、ピストン１およびディスプレーサ２は、各々ピストン支持バネ５およびディスプレーサ支持バネ６を介して圧力容器４に弾性支持されている。
【００３２】
ここで、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ａとの間、およびロッド２ａと摺動穴１ｂとの間には、接触する部材間にシールリングを設けたり、両部材を高精度に嵌合したりすることにより、作動空間７と背面空間８とを遮断するガスシールが施されている。なお、該ガスシールは、作動空間７と背面空間８とを完全には遮断せず、スターリング機関動作時には、作動媒体が微小な隙間を介して両空間を流動する。
【００３３】
上記の作動媒体の流動に対し、作動空間７と背面空間８との圧力バランスを保つことでピストンの振幅中心位置ずれを抑えるために、シリンダ３に、背面空間８とシリンダ摺動面３ａとを結ぶ第１の通路３ｂを設け、ピストン１に、圧縮空間７ａとピストン摺動面１ａとを結ぶ第２の通路１ｃを設けている。
【００３４】
しかしながら、従来例１に記載したように、ピストン１の初期の振幅中心位置で開口部３ｃと開口部１ｄとを連通させる構成とし、スターリング機関を実際に動作させた際は、背面空間８の方が作動空間７よりも圧力が高くなる傾向にあるため、第１の通路３ｂの開口部３ｃ（シリンダ摺動面３ａ側）と、第２の通路１ｃの開口部１ｄ（ピストン摺動面１ａ側）とが、ピストン１が初期の振幅中心位置よりも僅か背面空間８側にある時に対向する位置関係で設置されている。この結果、第１の通路３ｂと第２の通路１ｃとがピストン１の初期の振幅中心位置よりも僅か背面空間８側で連通し、上記の圧力差を緩和する効果を高めることができる。
【００３５】
また、封入部１０は封入管１１を含み、該封入管１１は作動空間７側の圧力容器４の壁面を貫通して作動空間７（図１においては圧縮空間７ａ）に連通するように設置される。これにより、封入管１１を介して、作動媒体を確実に圧力容器４内の作動空間７側に封入することができる。
【００３６】
本実施の形態に係るスターリング機関においては、上記の構成により、作動空間７側から作動媒体を封入することが可能となる。この結果、作動媒体封入時にはピストン１が作動媒体の圧力によって作動空間７側から背面空間８側に押圧され、作動媒体の封入に伴って、第２の通路１ｃの開口部１ｄが第１の通路３ｂの開口部３ｃに徐々に近づいて連通する。この結果、作動媒体封入時にピストン１が過度に作動空間７側に移動して、ピストン支持バネ５が損傷するのを防止することができる。
【００３７】
なお、作動媒体封入時の作動空間７側と背面空間８側とを連通させる通路の変形例としては、図１中の二点鎖線で示すように、スターリング機関運転時のピストン１の最大振幅位置を超えて、ピストン１を背面空間８側に移動させたときに、シリンダ３の後端部３ｄから背面空間８側にはみ出す位置に開口部１ｅを有する通路をピストン１に設ける構造が考えられる。この構造により、作動媒体封入時に、たとえばピストン１の駆動手段であるリニアモータを用いて、ピストン１を背面空間８側に移動させ、開口部１ｅをシリンダ３の後端部３ｄから背面空間８側にはみ出させることができる。この結果、作動媒体封入時には、作動空間７と背面空間８との通路を確保しながら、スターリング機関動作時には、両空間を遮断することができる。なお、この場合においては、シリンダ３の開口部３ｂを設けなくとも、作動空間７および背面空間８に作動媒体を封入することができる。
【００３８】
図２から図４は、図１に示すスターリング機関の変形例の断面図である。
封入管１１は、図２および図３に示すように、圧縮空間７ａと膨張空間７ｂとの中間に位置する再生器９の部分の圧力容器４の壁面に設置（図２）してもよいし、膨張空間７ｂの部分の圧力容器４の壁面に設置（図３）してもよい。
【００３９】
さらには、図４に示すように、作動空間７側と背面空間８側の両方に封入管１１ａ，１１ｂを設置し、作動媒体封入時に作動空間７側と背面空間８側とを作動媒体封入機１２を介して連通させてもよい。この場合においては、作動空間７側と背面空間８側の両方に設けた封入管１１ａ，１１ｂが、作動空間７と背面空間８とを連通させる連通手段となる。したがって、作動媒体封入時における第１の通路３ｂの開口部３ｃと第２の通路１ｃの開口部１ｄとによる連通は不要となる。
【００４０】
また、作動空間７側と背面空間８側の両方に封入管１１ａ，１１ｂを設置した場合には、それぞれの空間ごとに別個の冷媒封入機によって冷媒を封入することも可能である。この場合においても、作動媒体封入時における第１の通路３ｂの開口部３ｃと第２の通路１ｃの開口部１ｄとによる連通は不要である。
【００４１】
このように、作動空間７側と背面空間８側の両方に封入管１１ａ，１１ｂを設置すると、一方の空間のみから冷媒封入を行う場合に比べて、高速で冷媒を封入することが可能である。
【００４２】
また、作動媒体の封入前には、圧力容器４内部の水分を除去する目的で、該圧力容器４内のガスを吸引する工程を実施する場合がある。ここで、封入管を作動空間７側および背面空間８側の両方に設置することで、ガスを吸引する際に、作動空間７側および背面空間８側の封入管１１ａ，１１ｂを用いて高速かつ高度に水分を除去できる。また、その後作動媒体を封入する際は、上述したように、同じく作動空間７側および背面空間８側の封入管１１ａ，１１ｂを用いて高速封入することができる。
【００４３】
なお、上記のスターリング機関の製造方法は、圧力容器４内にピストン１と、シリンダ３と、該シリンダ３内においてピストン１に対向するディスプレーサ２とを組み付ける工程と、圧力容器４内に作動媒体を作動空間７側と背面空間８側の少なくとも一方（作動空間７側または作動空間７および背面空間８両側）から封入する工程とを備える。
【００４４】
本実施の形態においては、以上の構成により、作動媒体封入時にピストンが過度に移動するのを防止することができる。
【００４５】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係るスターリング機関の断面図である。
【００４６】
本実施の形態に係るスターリング機関は、実施の形態１に係るスターリング機関における封入管１１に関する変形例であり、その他の部分については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００４７】
実施の形態１においては、装置構成が複雑な圧力容器４の作動空間７側に封入管１１を設置しているが、該作動空間７側には再生器９や、圧縮空間７ａと膨張空間７ｂとを連通する連通路が配置されており、その配設位置には制約が多い。
【００４８】
これに対し、本実施の形態に係るスターリング機関においては、封入管１１は、図５に示すように、圧力容器４の背面空間８を形成する部分を貫通するようにして作動空間７（図５においては圧縮空間７ａ）に連通するように設置される。
【００４９】
これにより、実施の形態１と同様に、封入管１１を介して、作動媒体を確実に圧力容器４内の作動空間７側に封入することができる。また、背面空間８側は、装置構成が比較的複雑でなく、封入管１１の配設位置に比較的制約を受けにくいという利点がある。
【００５０】
本実施の形態においても、以上の構成により、作動媒体封入時にピストンが過度に移動するのを防止することができる。
【００５１】
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係るスターリング機関の断面図である。
【００５２】
本実施の形態に係るスターリング機関は、実施の形態１に係るスターリング機関における、作動媒体封入時の連通手段に関する変形例であり、その他の部分については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
実施の形態１においては、第１および第２の通路３ｂ，１ｃを用いて、作動媒体封入時の作動空間７と背面空間８との間の通路を確保するのに対し、本実施の形態に係るスターリング機関においては、図６に示すように、ピストン１に貫通孔１３と、該ピストン１の作動空間７側の端部に逆止弁１４とを設ける。ここで、該逆止弁１４は、スターリング機関を動作させる際に必要となるものであり、背面空間８側から作動空間７側への作動媒体の移動は許容するが、作動空間７側から背面空間８側への移動は許容しない。なお、逆止弁１４としては、たとえば、板バネなどが使用可能である。また、この構造においては、封入管１１は、背面空間８側に設けられる。
【００５４】
上記の構造において、圧力容器４内に作動媒体を背面空間８側から封入すると、封入された作動媒体の圧力により逆止弁１４が開いて、作動媒体が貫通孔１３を介して背面空間８から作動空間７に流入する。したがって、作動媒体封入時に、該作動媒体の通路を確保することができる。
【００５５】
本実施の形態においても、以上の構成により、作動媒体封入時にピストンが過度に移動するのを防止することができる。
【００５６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、作動媒体封入時にピストンが過度に移動することなく、作動空間と背面空間の両方に作動媒体を封入できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るスターリング機関の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るスターリング機関の変形例の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るスターリング機関の他の変形例の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るスターリング機関のさらに他の変形例の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るスターリング機関の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係るスターリング機関の断面図である。
【図７】従来のスターリング機関の断面図である。
【符号の説明】
１  ピストン、１ａ  ピストン摺動面、１ｂ  摺動穴、１ｃ  第２の通路、１ｄ  開口部（第２の通路）、１ｅ  開口部（変形例）、２  ディスプレーサ、２ａ  ロッド、３  シリンダ、３ａ  シリンダ摺動面、３ｂ  第１の通路、３ｃ  開口部（第１の通路）、３ｄ  後端部（シリンダ）、４  圧力容器、７  作動空間、７ａ  圧縮空間、７ｂ  膨張空間、８  背面空間、１０  封入部、１１  封入管、１１ａ，１１ｂ  封入管（連通手段）、１２  作動媒体封入機、１３  貫通孔（ピストン）、１４  逆止弁。
【図１】
2004332675.tif 000003
【図２】
2004332675.tif 000004
【図３】
2004332675.tif 000005
【図４】
2004332675.tif 000006
【図５】
2004332675.tif 000007
【図６】
2004332675.tif 000008
【図７】
2004332675.tif 000009