(57)【要約】【課題】作動流体による熱交換性を高めるのに有利な熱機関を提供する。【解決手段】熱機関は、作動流体を圧縮させる圧縮部１と、圧縮部１で圧縮された作動流体を放熱させる放熱部２と、吸熱部６と、放熱させた作動流体により冷却能または動力が得られる膨脹部３とをもつ。作動流体（例えばヘリウム）には微小粒子が混入されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が封入され前記作動流体が流れる流路をもつ熱機関において、前記流路を形成する壁面における境界層を攪拌させる微小物質が、前記作動流体に混入されていることを特徴とする熱機関。
【請求項２】
作動流体が封入され前記作動流体が流れる流路をもつ熱機関において、前記作動流体を圧縮させる圧縮部と、前記圧縮部で圧縮された前記作動流体を放熱させる放熱部と、吸熱性をもつ吸熱部と、前記作動流体に基づいて冷却能または動力が得られる膨脹部とを具備しており、
前記作動流体が流れる流路を形成する壁面における境界層を攪拌させる微小物質が、前記作動流体に混入されていることを特徴とする熱機関。
【請求項３】
請求項１において、前記微小物質は粒子状または繊維状であることを特徴とする熱機関。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記微小物質の母材は樹脂、炭素、金属、セラミックス、ニ硫化モリブデン、油脂のうちの１種または２種以上を主成分としていることを特徴とする熱機関。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記微小物質のサイズは１０マイクロメートル以下であることを特徴とする熱機関。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記圧縮部および／または前記膨脹部は摺動部を有しており、前記摺動部にはセラミックス層が積層されており、前記微小物質は前記セラミックス層に堆積可能であることを特徴とする熱機関。
【請求項７】
請求項１〜６のうちのいずれか一項において、前記微小物質を吸引または反発させる電場を発生する電場発生装置が設けられていることを特徴とする熱機関。
【請求項８】
請求項１〜７のうちのいずれか一項において、振動流再生型熱機関に適用されることを特徴とする熱機関。
【請求項９】
請求項１〜８のうちのいずれか一項において、スターリング冷凍機またはスターリングエンジンに適用されることを特徴とする熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器に相当する部位をもつ熱機関に関する。本発明は、例えば、作動流体が往復移動（振動）する振動流再生型熱機関に適用することができる。熱機関は冷凍を出力する冷凍機および動力を出力するエンジンを含む。
【背景技術】
【０００２】
作動流体を圧縮させる圧縮部と、圧縮部で圧縮された作動流体を放熱させる放熱部と、吸熱部と、冷却能または動力が得られる膨脹部とを備える熱機関が提供されている。このような熱機関として、スターリング冷凍機が知られている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００３】
放熱部は熱交換器の１種であり、圧縮部で圧縮された作動流体を放熱させるためのものである。即ち、放熱部は、スターリング冷凍機に封入されている作動流体が通過する第１通路と、熱交換する冷却用流体が通過する第２通路とをもつ。第１通路を流れる作動流体と、第２通路を流れる冷却用流体との間において、熱交換が行われる。冷却用流体としては水、空気が挙げられる。
【特許文献１】特開平０５−１２６４２７号公報
【非特許文献１】第９回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集、Ｐ９〜１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した放熱部等の熱交換性を有する熱交換器において、作動流体の熱交換の性能を高めることが要請されている。殊に、スターリング冷凍機においては、作動流体（例えばヘリウム）はガス状で使用されているため、作動流体が液体である場合に比較して、熱伝達効率が必ずしも充分ではない。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、作動流体による熱交換性を高めるのに有利な熱機関を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、熱機関について鋭意開発を進めている。そして、微小物質を作動流体に混入されれば、作動流体が流れる流路を形成する壁面における境界層を攪拌させることができ、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上することを知見し、本発明を完成させた。
【０００７】
（１）即ち、様相１に係る熱機関は、作動流体が封入され作動流体が流れる流路をもつ熱機関において、流路を形成する壁面における境界層を攪拌させる微小物質が、作動流体に混入されていることを特徴とする。
【０００８】
様相１に係る熱機関によれば、作動流体が流路を流れるとき、流路を形成する壁面において境界層が形成される。境界層においては作動流体の動きは制限されるため、作動流体の熱交換性を低下させる。この点本発明によれば、微小物質が作動流体に混入されている。このため、作動流体が流れる流路を形成する壁面において境界層が形成されるとき、境界層に存在している作動流体を微小物質により攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。
【０００９】
（２）様相２に係る熱機関は、作動流体が封入され作動流体が流れる流路をもつ熱機関において、作動流体を圧縮させる圧縮部と、圧縮部で圧縮された作動流体を放熱させる放熱部と、吸熱性をもつ吸熱部と、作動流体に基づいて冷却能または動力が得られる膨脹部とを具備しており、作動流体が流れる流路を形成する壁面における境界層を攪拌させる微小物質が、作動流体に混入されていることを特徴とする。
【００１０】
様相２に係る熱機関によれば、圧縮部の圧縮空間の容積および膨脹部の膨脹空間の容積を所定の位相差をもって周期的に変化させることにより、冷却または動力が得られる。
【００１１】
様相２に係る熱機関によれば、作動流体が流路を流れるとき、流路を形成する壁面において境界層が形成される。境界層においては作動流体の動きは制限されるため、作動流体の熱交換性を低下させる。この点本発明によれば、微小物質が作動流体に混入されている。このため、作動流体が流れる流路を形成する壁面において境界層が形成されるとき、境界層に存在している作動流体を微小物質により攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、微小物質が作動流体に混入されている。このため、作動流体が流れる流路を形成する壁面において境界層が形成されるときであっても、境界層に存在している作動流体を微小物質により攪拌させることができる。この結果、境界層における作動流体の滞留が抑制される。従って、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って熱機関の性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によれば、好ましくは、熱機関は、作動流体を圧縮させる圧縮部と、圧縮部で圧縮された作動流体を放熱させる放熱部と、吸熱性をもつ吸熱部と、作動流体により冷却能または動力が得られる膨脹部とを具備する。
【００１４】
膨脹部は、作動流体により冷却能または動力が得られる部位をいう。膨脹部は、作動流体を膨脹させる膨脹空間を形成する手段が例示される。更に、膨脹部は作動流体を膨脹させる部位である。放熱部と膨脹部との間には、熱再生作用を果たす蓄熱部（蓄冷部）が設けられている形態が例示される。蓄熱部は再生器とも呼ばれる。吸熱部は、被冷却体から吸熱して熱を奪い、被冷却体を冷却するものであるか、エンジンにおいてはバーナ等の加熱手段から吸熱する役割を果たすものである。一般的には、吸熱部は、冷凍機の場合には蓄熱部（再生器）の低温端に、エンジンの場合には高温端付近に配置されている。
【００１５】
吸熱部は吸熱性をもつ。熱機関が冷凍機として働くときには、吸熱部は、コールドヘッドとなり、放熱部の温度よりも低くなる。また、熱機関がエンジンとして働くときには、吸熱部は外部から吸熱して、放熱部の温度よりも高くなる。
【００１６】
作動流体としては熱機関の性能を良好に発揮させるものが採用され、ヘリウム、水素等が例示される。作動流体はスターリングサイクルを形成する形態が例示される。従って本発明はスターリング冷凍機、スターリングエンジンに適用できる。スターリングサイクルは、圧縮部の圧縮空間の容積および膨脹部の膨脹空間の容積を所定の位相差をもって周期的に変化させることにより、冷却または動力を得るサイクルをいう。スターリング冷凍機の場合、または、スターリングエンジンの場合には、放熱部は、圧縮部の近傍に配置され、室温レベルに設置されているのが一般的である。
【００１７】
本発明によれば、微小物質としては粒子状または繊維状である形態が例示される。繊維としてはウィスカを含む。微小物質の母材としては、樹脂、炭素、金属、セラミックス、ニ硫化モリブデン、油脂のうちの１種または２種以上を主成分としている形態が例示される。樹脂は一般的には固体潤滑性をもつ。樹脂としては熱可塑性樹脂でも、熱硬化性樹脂でも良く、高強度のエンジニアプラスチックでも良い。具体的には、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂の１種または２種以上が例示される。
【００１８】
フッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）の１種または２種以上が例示される。フッ素樹脂は非粘着性、低摩擦特性、耐候性、耐燃性、耐熱性、耐低温性（−２５０℃〜＋２５０℃）に優れる。耐薬品性にも優れる。
【００１９】
炭素としては、黒鉛粉末、無定形炭素粉末、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノウォールの１種または２種以上が例示される。セラミックスとしては、酸化物系、窒化物系、炭化物系、ホウ化物系のいずれでも良い。よってアルミナ系、シリカ系、窒化ケイ素系、炭化ケイ素系、ジルコニア系、窒化硼素系、マグネシア系の１種または２種以上が例示される。金属としては純金属でも良いし、合金でも良く、鉄系（例えば炭素鋼系、ステンレス鋼系、合金鋼系）、銅系、亜鉛系、スズ系、チタン系、貴金属系の１種または２種以上が例示される。貴金属系としては白金、金、プラチナ、ロジウム、パラジウムの１種または２種以上が例示される。貴金属系であれば、耐食性が良好である。
【００２０】
微小物質のサイズは、境界層における作動流体を良好に動かすためには、作動流体の分子のサイズよりも大きいことが好ましい。作動流体の組成、熱機関の種類等に応じて、微小物質のサイズは設定される。微小物質のサイズが過剰に大きいと、流路の目詰まりを起こすおそれがある。微小物質のサイズが過剰に大きいと、流路の目詰まりを起こすおそれがある。従って、微小物質のサイズは１０マイクロメートル以下である形態が例示される。８マイクロメートル以下でも、５マイクロメートル以下、２マイクロメートル以下でも良い。５００ナノメートル以下でも、１００ナノメートル以下でも、５０ナノメートル以下、１０ナノメートル以下でも良い。
【００２１】
本発明によれば、圧縮部および／または膨脹部は摺動部を有しており、摺動部にはセラミックス層が積層されており、微小物質はセラミックス層に堆積可能である形態が例示される。微小物質が固体潤滑性を有するとき、微小物質がセラミックス層に堆積すれば、セラミックス層のなじみ性が向上する。
【００２２】
本発明によれば、微小物質の分散密度を境界層付近において高める密度増加手段が設けられていることが好ましい。ここで、微小物質が電荷を有するときには、微小物質を吸引または反発させる電場を発生する電場発生装置が密度増加手段として設けられている形態が例示される。微小物質を吸引または反発させることにより、境界層以外の部位よりも、微小物質の密度を境界層付近において高めることができる。この場合、境界層における作動流体の滞留が抑制され、境界層の攪拌に有利となる。
【００２３】
本発明は、作動流体が往復移動（振動）する振動流再生型熱機関に利用することができる。振動流再生型熱機関としては、スタリーング冷凍機、スタリーングエンジンに適用でき、更にはこれ以外の振動流再生型熱機関にも適用できる。例えば、ビルミエ機関、ＣＹ機関、パルス管冷凍機、熱音響機器等に適用できる。
【００２４】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１および図２を参照して説明する。本実施形態は作動流体が往復移動（振動）する振動流再生型熱機関熱として機能するスターリング冷凍機に適用する。図１はスターリング冷凍機の概念を模式化して示す。スターリング冷凍機には作動流体（例えば５〜３０気圧）が封入されている。作動流体としては熱機関の性能を良好に発揮させるものが採用され、ヘリウムが用いられている。
【００２５】
スターリング冷凍機は、図１に示すように、作動流体を圧縮させる圧縮部１と、放熱部２と、作動流体により冷却能が得られる膨脹部３とを備えている。圧縮部１は、作動流体を圧縮させる圧縮空間１０を形成する圧縮シリンダ１２と、圧縮シリンダ１２内に往復移動可能に設けられた圧縮ピストン１４とを備えている。
【００２６】
放熱部２は、圧縮部１で圧縮された作動流体を放熱させるものである。放熱部２は作動流体が流れる流路をもつ。膨脹部３は、放熱させた作動流体により冷却能を得るための部位をいう。膨脹部３は、作動流体を膨脹させる膨脹空間３０を形成する膨脹シリンダ３２と、膨脹シリンダ３２内に往復移動可能に設けられた膨脹ピストン３４とを備えている。更に、放熱部２と膨脹部３との間には、再生器４（蓄熱部、蓄冷器に相当）および吸熱部６が直列に設けられている。再生器４の内部には蓄冷材が収容されている。再生器４はその内部に作動流体が通過する流路をもつ。吸熱部６は被冷却体から吸熱して熱を奪い、被冷却体を冷却するものであり、コールドヘッドとも呼ばれる。吸熱部６は作動流体が通過する流路をもつ。
【００２７】
作動流体はスターリングサイクルを形成する。スターリングサイクルは、圧縮部１の圧縮空間１０の容積および膨脹部３の膨脹空間３０の容積を所定の位相差をもって周期的に変化させる。これにより吸熱部６において冷却作用を得る。吸熱部６と膨脹部３とは連通している。放熱部２は圧縮部１の近傍に配置されており、室温レベルに設置されている。従って、図１に示すように、圧縮部１、放熱部２、再生器４、吸熱部６、膨脹部３の順に配置されている。つまり放熱部２は圧縮部１と再生器４との間に配置されている。放熱部２、再生器４、吸熱部６は熱交換器として機能する。
【００２８】
本実施形態によれば、スターリング冷凍機が作動するとき、圧縮ピストン１４および膨脹ピストン３４が周期的に作動し、圧縮空間１０と膨脹空間３０との間で、作動流体は、放熱部２、再生器４、吸熱部６を介して往復移動する。膨脹ピストン３４が圧縮ピストン１４と所定の位相差をもって周期的に作動する。このようなスターリングサイクルが連続的に運転されると、吸熱部６により低温の冷凍が出力される。
【００２９】
ところで、作動流体は、上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における流路を流れる。このとき、図２に模式的に示すように、流路のうち作動流体が流れる方向（矢印Ａ１方向）と直交する方向における中央域の流速が速いものの、流路の内壁面と接触する側の流速は遅いか実質的に０となる。このように流路を形成する壁面において、境界層５００が形成される。境界層５００においては作動流体が滞留しがちであるため、作動流体の熱交換性を高めるためには不利である。境界層は、一般的には速度境界層のことであるが、プラントｎ数が１近辺のガス（スターリング機関で一般的に用いられる）であれば、伝熱能に深く関与する温度境界層も速度境界層とほぼ同じ分布挙動を示す。境界層は、速度境界層、温度境界層を含む。
【００３０】
この点本実施形態によれば、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には微小物質１５０が混入されている。微小物質１５０は作動流体において浮遊している。このような本実施形態によれば、放熱部２、再生器４、吸熱部６におけ流路を作動流体が流れるとき、流路を形成する壁面において境界層５００が形成されるときであっても、境界層５００に滞留している作動流体を、微小物質１５０により積極的に攪拌させて乱すことがことができる。
【００３１】
この結果、流路の境界層５００に滞留している作動流体を動かすのに有利となる。従って、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。よって、上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。
【００３２】
上記した微小物質１５０としては樹脂粉とする。樹脂としては熱可塑性樹脂でも、熱硬化性樹脂でも良い。具体的には、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂の１種または２種以上が例示される。微小物質１５０のサイズは、作動流体の分子のサイズよりも大きいことが好ましく、１０マイクロメートル以下、あるいは５マイクロメートル以下、あるいは１マイクロメートル以下とされている。
【００３３】
上記したスターリング冷凍機は、作動流体が圧縮空間１０と膨脹空間３０との間において往復移動（振動）する振動流再生型熱機関である。このように作動流体は往復移動するため、作動流体に分散されている微小物質１５０も往復移動する。故に、微小物質１５０が過剰に移動するものではなく、ほぼ一定領域において作動流体と共に往復移動（振動）するものと推察される。このため微小物質１５０の破損や損傷を抑えるのに有利となる。
【００３４】
（実施形態２）
図３は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には、微小物質１５０Ｂが混入されている。このため、作動流体が流れるとき、境界層５００が形成されるときであっても、実施形態１の場合と同様に、境界層５００に滞留している作動流体を微小物質１５０Ｂにより攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。
【００３５】
微小物質１５０Ｂとしては炭素粒子とする。炭素粒子としては黒鉛粉末、無定形炭素粉末、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノウォールの１種または２種以上が例示される。微小物質１５０のサイズは、作動流体の分子のサイズよりも大きいことが好ましく、５マイクロメートル以下、あるいは１マイクロメートル以下とされている。
【００３６】
（実施形態３）
図４は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には、微小物質１５０と微小物質１５０Ｃとが混入されている。微小物質１５０のサイズよりも、微小物質１５０Ｃのサイズは小さく設定されている。
【００３７】
本実施形態によれば、作動流体が流れるときにおいて、境界層５００が形成されるときであっても、境界層５００に滞留している作動流体を微小物質１５０、微小物質１５０Ｃにより攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。殊に本実施形態によれば、微小物質１５０および微小物質１５０Ｃは同系材質で形成されているものの、微小物質１５０のサイズと微小物質１５０Ｃのサイズとは異なるように設定されている。ここで、微小物質１５０の質量と微小物質１５０Ｃの質量とが相違するため、微小物質１５０の運動エネルギと微小物質１５０Ｃの運動エネルギとが異なる。故に境界層５００に対して複合的に作用させることができ、熱交換性を向上させるのに有利となる。なお、微小物質１５０および微小物質１５０Ｃが異系材質で形成されているとき、微小物質１５０のサイズと微小物質１５０Ｃのサイズとを同一としても良い。
【００３８】
（実施形態４）
図５は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。本実施形態によれば、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には、微小物質１５０と微小物質１５０Ｄとが混入されている。微小物質１５０の材質（例えば樹脂系）と、微小物質１５０Ｂの材質（例えば炭素系）とは異なるように設定されている。本実施形態によれば、作動流体が流れるときにおいて、境界層５００が形成されるときであっても、境界層５００に滞留している作動流体を微小物質１５０、微小物質１５０Ｄにより攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。殊に本実施形態によれば、微小物質１５０および微小物質１５０Ｄは異なる材質で形成されているため、境界層５００に対して複合的に作用させることができ、熱交換性を向上させるのに有利となる。
【００３９】
（実施形態５）
図６は実施形態５を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図１を準用する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。本実施形態によれば、スターリング冷凍機では、作動空間内は、再生器４等の流路の汚れ、目詰まりを抑えるため、無給油のドライ状態に維持されることが多い。汚れ、目詰まりが発生すれば、流動損失、伝熱性低下が誘発される。更に、給油が過剰であると、圧縮部１や膨脹部３で油を液圧縮させるおそれがある。この場合、熱機関の機能低下を招く。このため従来では、圧縮ピストンと圧縮シリンダとの摺動、膨脹ピストンと膨脹シリンダとの摺動は、無給油のドライ状態に維持されることが多い。このため摺動部位は樹脂材料を用い、油潤滑なしで摺動させることが多い。しかし樹脂材料は摩耗がつきまとう。
【００４０】
そこで本実施形態によれば次のようにしている。即ち、図５に示すように、圧縮ピストン１４または膨脹ピストン３４は、金属製（例えば炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼であるが、これらに限定されるものではない）のピストン１０１と、ピストン１０１を作動させる金属製のロッド部１０２と、金属製（例えば炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼であるが、これらに限定されるものではない）の筒形状のシリンダ１０４とをもつ。
【００４１】
ピストン１０１の外周部には、これを１周するようにセラミックスコートによりセラミックス層２００が形成されている。セラミックス層２００はピストン１０１の軸長方向の全長にわたり形成されている。セラミックスとしては、アルミナ系、シリカ系、窒化ケイ素系、炭化ケイ素系、ジルコニア系、窒化硼素系が例示される。摺動の相手材であるシリンダ１０４の内周面は金属のままとされている。従って金属−金属との摺動ではなく、セラミックス−金属の摺動となる。この場合、摺動部分が無給油のドライ状態に維持されたとしても、このため摺動部位の焼付、摺動性等は防止され、長寿命化が図られる。セラミックスコートでは例えば溶射法が採用できる。
【００４２】
本実施形態においても、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には微小物質（樹脂微粒子、炭素粒子）が混入されている。このため作動流体が流れるときにおいて、境界層が形成されるときであっても、境界層に存在している作動流体を微小物質により攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。
【００４３】
更に本実施形態によれば、微小物質（樹脂微粒子、炭素粒子）がセラミックス層２００に堆積することが期待される。故に、セラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。殊に、スターリング冷凍機の運転開始時におけるセラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。なお、ピストン１０１に限らず、ディスプレーサーに適用しても良いことは勿論である。
【００４４】
（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図１を準用する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。図７に示すように、圧縮ピストン１４または膨脹ピストンは、金属製のピストン１０１と、ピストン１０１を作動させる金属製のロッド部１０２と、筒形状のシリンダ１０４をもつ。シリンダ１０４の内周部にはセラミックスコートによりセラミックス層２００が形成されている。セラミックス層２００はピストン１０１の往復移動する距離に相当するぶん、または、それ以上形成されている。摺動の相手材であるピストン１０１の内周面は金属のままとされている。従って金属−金属との摺動ではなく、セラミックス−金属の摺動となる。この場合、摺動部分が無給油のドライ状態に維持されたとしても、このため摺動部位の焼付、摺動性等は防止され、長寿命化が図られる。セラミックスコートでは溶射が採用できる。
【００４５】
本実施形態においても、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には微小物質（例えば、固体潤滑性をもつ樹脂微粒子、炭素微粒子）が混入されている。このため作動流体が流れるときにおいて、境界層が形成されるときであっても、境界層に存在している作動流体を微小物質により攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。
【００４６】
更に本実施形態によれば、微小物質（例えば、固体潤滑性をもつ樹脂微粒子、炭微粒子）がセラミックス層２００に堆積することが期待される。故に、セラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。殊に、スターリング冷凍機の運転開始時におけるセラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。
【００４７】
（実施形態７）
図８は実施形態７を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。図１を準用する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。図８に示すように、圧縮ピストン１４または膨脹ピストンは、金属製（例えば炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼）のピストン１０１と、ピストン１０１を作動させる金属製（例えば炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼）のロッド部１０２とをもつ。ロッド部１０２は、リング形状の軸受部１１０で摺動可能に軸支されている。ロッド部１０２のうち、軸受部１１０の内周部と摺動する領域の外周部には、セラミックスコートによりセラミックス層２００が形成されている。セラミックス層２００は、軸受部１１０と摺動する距離に相当するぶん、または、それ以上形成されている。
【００４８】
摺動の相手材である軸受部１１０の内周部は金属のままとされている。従って金属−金属との摺動ではなく、セラミックス−金属の摺動となる。この場合、摺動部分が無給油のドライ状態に維持されたとしても、このため摺動部位の焼付、摺動性等は防止され、長寿命化が図られる。セラミックスコートでは溶射が採用できる。セラミックス層２００が気孔を有する場合には、セラミックス層２００に樹脂を含浸させても良い。この場合、セラミックス層２００とその相手側とのなじみ性が向上する。
【００４９】
本実施形態においても、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には微小物質（例えば、固体潤滑性をもつ樹脂微粒子、炭素微粒子）が混入されている。このため作動流体が流れるときにおいて、境界層に存在している作動流体を微小物質により攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。
【００５０】
更に本実施形態によれば、微小物質（例えば、固体潤滑性をもつ樹脂微粒子、炭微粒子）がセラミックス層２００に堆積することが期待される。故に、セラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。殊に、スターリング冷凍機の運転開始時におけるセラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。
【００５１】
（実施形態８）
図９は実施形態８を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。図９に示すように、圧縮ピストン１４または膨脹ピストン３４は、金属製のピストン１０１と、ピストン１０１を作動させる金属製のロッド部１０２とをもつ。ロッド部１０２は軸受部１１０で摺動可能に軸支されている。ロッド部１０２のうち、軸受部１１０と摺動する領域の外周部には、セラミックスコートによりセラミックス層２００が形成されている。セラミックス層２００は軸受部１０と摺動する距離に相当するぶん、または、それ以上形成されている。摺動の相手材であるロッド部１０２の外周部は金属のままとされている。従って金属−金属との摺動ではなく、セラミックス−金属の摺動となる。セラミックスコートでは溶射が採用できる。セラミックス層２００が気孔を有する場合には、セラミックス層２００に樹脂を含浸させても良い。この場合、セラミックス層２００とその相手側とのなじみ性が向上する。
【００５２】
本実施形態においても、スターリング冷凍機に封入されている作動流体には微小物質（例えば、固体潤滑性をもつ樹脂微粒子、炭素微粒子）が混入されている。このため作動流体が流れるときにおいて、境界層が形成されるときであっても、境界層に存在している作動流体を微小物質により攪拌させることができる。この結果、作動流体が流れる流路を形成する壁面を利用した熱交換性が向上する。従って上記した熱交換器に相当する放熱部２、再生器４、吸熱部６における熱交換性が向上する。この結果、スターリング冷凍機の性能を向上させることができる。
【００５３】
更に本実施形態によれば、微小物質（例えば固体潤滑性をもつ樹脂微粒子、炭微粒子）がセラミックス層２００に堆積することが期待される。故に、セラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。殊に、スターリング冷凍機の運転開始時におけるセラミックス層２００の摺動相手材に対するなじみ性が向上する。
【００５４】
（実施形態９）
図１０は実施形態９を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を有する。以下、実施形態１と相違する部分を中心として説明する。微小物質１５０を構成する樹脂やカーボンが帯電しやすいことに着目したものである。微小物質１５０は極性をもち、プラス電荷またはマイナス電荷を有することがある。そこで本実施形態によれば、図１０に示すように、微小物質を吸引または反発させる電場を発生する電場発生装置３００が配置されている。電場発生装置３００は、作動ガスが流れる方向（矢印Ａ１方向）に対して交差する方向（矢印Ｂ１方向）における一方に第１電極３０１と、当該交差する方向（矢印Ｂ１方向）における他方に第２電極３０２と、第１電極３０１および第２電極３０２を制御する制御装置３０５とを備えている。
【００５５】
スターリング冷凍機が運転しているとき、制御装置３０５により、必要に応じて、第１電極３０１および第２電極３０２が制御され、第１電極３０１がプラス極とされ、第２電極３０２がマイナス極とされる。微小物質１５０がプラス電荷を有するとき、微小物質１５０が電気力線に沿って第２電極３０２（マイナス極）側に寄せられる。この場合、第２電極３０２（マイナス極）側の境界層５００を乱すのに有利となる。
【００５６】
また微小物質１５０がマイナス電荷を有するとき、微小物質１５０が電気力線に沿って第１電極３０１（プラス極）側に寄せられる。この場合、第１電極３０１（プラス極）側の境界層５００を乱すのに有利となる。なお、制御装置３０５により第１電極３０１の極性、第２電極３０２の極性を所定時間毎に交互に変更することもできる。これにより境界層５００を低減または解消させる領域を拡大することができ、作動流体による熱交換性の向上を期待できる。
【００５７】
第１電極３０１および第２電極３０２は、電気力線に基づいて微小物質１５０を吸引または反発させることにより微小物質１５０の分散密度を境界層５００付近において高める密度増加手段として機能することができる。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、作動流体を圧縮させる圧縮部で圧縮された作動流体を放熱させる放熱部２をもつ熱機関に利用できる。例えば、振動流再生型熱機関に利用できる。具体的には、スタリーング冷凍機、スタリーングエンジン、ビルミエ機関、ＣＹ機関、パルス管冷凍機、熱音響機器等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施形態１に係り、スターリング冷凍機の概念を模式的に示す構成図である。
【図２】実施形態１に係り、流路を流れる作動流体に微小粒子が混入されている概念を模式的に示す構成図である。
【図３】実施形態２に係り、流路を流れる作動流体に微小粒子が混入されている概念を模式的に示す構成図である。
【図４】実施形態３に係り、流路を流れる作動流体に微小粒子が混入されている概念を模式的に示す構成図である。
【図５】実施形態４に係り、流路を流れる作動流体に微小粒子が混入されている概念を模式的に示す構成図である。
【図６】実施形態５に係り、圧縮部または膨脹部のピストン構造を示す断面図である。
【図７】実施形態６に係り、圧縮部または膨脹部のピストン構造を示す断面図である。
【図８】実施形態７に係り、圧縮部または膨脹部のピストン構造を示す断面図である。
【図９】実施形態８に係り、圧縮部または膨脹部のピストン構造を示す断面図である。
【図１０】実施形態９に係り、流路を流れる作動流体に微小粒子が混入されている概念を模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
図中、１は圧縮部、２は放熱部、３は膨脹部、４は再生器、６は吸熱部、１５０は微小粒子、５００は境界層を示す。
【図１】
2007263521.tif 000003
【図２】
2007263521.tif 000004
【図３】
2007263521.tif 000005
【図４】
2007263521.tif 000006
【図５】
2007263521.tif 000007
【図６】
2007263521.tif 000008
【図７】
2007263521.tif 000009
【図８】
2007263521.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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