(57)【要約】【課題】ディスプレーサを構成する金属製ボディと合成樹脂製キャップの接着剤による接合が安定して持続するようにした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１はピストン１２及びディスプレーサ１３を備える。リニアモータ２０によりシリンダ１０内でピストン１２を往復運動させると、ディスプレーサ１３がピストン１２と所定の位相差をもってシリンダ１１内で往復運動し、圧縮空間４５と膨脹空間４６の間で作動ガスを移動させる。ディスプレーサ１３は、圧縮空間４５に対向する金属製のボディ１３ａと、膨脹空間４６に対向する合成樹脂製のキャップ１３ｂとからなり、相手側に向かって突出するように一体成型された連結部１３ｃ、１３ｄを凹凸嵌合させ、接着剤で接合したものである。連結部１３ｃ、１３ｄはボディ１３ａ及びキャップ１３ｂよりも直径が小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源によって往復運動せしめられるピストンと、このピストンに対して所定の位相差をもって往復運動するディスプレーサとを備え、圧縮空間（高温空間）と膨脹空間（低温空間）の間で作動ガスを移動させるスターリング機関において、
前記ディスプレーサは、前記圧縮空間に対向する金属製のボディと、前記膨脹空間に対向する合成樹脂製のキャップとからなり、それぞれ相手側に向かって突出するように一体成型された小径の連結部同士を凹凸嵌合させ、接着剤で接合したものであることを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
前記連結部の一方には雄ねじ、他方には雌ねじを形成し、前記ボディと前記キャップを螺合す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリング機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。特許文献１にスターリング機関の例を見ることができる。
【０００３】
スターリング機関において、性能や信頼性を決定する要となる部品は、リニアモータなどの動力源により往復運動するピストンと、このピストンに対して所定の位相差を有し同期して往復運動するディスプレーサである。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを流動させ、スターリングサイクルを形成する。圧縮空間では等温圧縮変化に基づいて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。これにより、圧縮空間の温度は上昇し、膨張空間の温度は下降する。圧縮空間（高温空間）の温度を高温伝熱ヘッドを通じて放熱すれば、膨脹空間（低温空間）は低温伝熱ヘッドを通じて外部の熱を吸収することが可能となる。この原理により、スターリング機関は冷凍機として用いられる。
【０００４】
スターリング機関において、ディスプレーサは圧縮空間（高温空間）と膨脹空間（低温空間）の両方に面している。スターリング機関の性能向上のためには、圧縮空間内の熱と膨張空間内の冷熱とが互いに干渉しないこと、つまり両空間が断熱されていることが必要である。もしもディスプレーサを伝わって圧縮空間から膨脹空間へ熱が移動するようなことがあると、スターリング機関の効率が低下してしまう。そのため、ディスプレーサ自身が熱の移動を遮断する構造であることが望ましい。
【０００５】
スターリング機関の性能向上にはもう一つの要件がある。それは圧縮空間内の作動ガスと膨張空間内の作動ガスとが互いに干渉しないこと、つまり作動ガスのリークが無いことである。このため、ディスプレーサとシリンダの間の隙間（クリアランス）はできるだけ小さい方が良く、適切なシール構造が必要となる。
【０００６】
ディスプレーサ自身の断熱化は、低熱伝導材料である合成樹脂でディスプレーサを形成することにより達成される。しかしながら樹脂成型は加工精度が低く、寸法のばらつきも大きくなるため、シリンダとのクリアランスが一定となる、寸法精度の高いディスプレーサを量産することは難しい。作動ガスのリーク防止という目的に関しては、加工精度が高く、寸法のばらつきの小さい金属部品が適する。
【０００７】
そこで特許文献１記載のスターリング機関は、ディスプレーサの中で膨脹空間に対向する側は合成樹脂で形成して断熱を図るともに、圧縮空間に対向する側は金属で形成し、高温に耐え、且つシリンダとのクリアランスを小さく保てるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−３４５００９号公報（［００４５］−［００５３］、図１−３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されたディスプレーサを金属と合成樹脂で実現する場合、耐久性を考慮すると、図４のように、金属製のボディ１０１と合成樹脂製のキャップ１０２を、ボディ１０１を凸側、キャップ１０２を凹側としていんろう嵌合させ、嵌合部には接着剤を塗布しておいて強固に接合する構造とするのが自然である。しかしながら金属も合成樹脂も、温度が上昇すれば
線膨張係数  ×  温度変化
で求められる膨張が生じる。両者の線膨張係数が同じであれば問題はないが、合成樹脂の方が線膨張係数が大であるため、同じ温度変化に対しキャップ１０２の方が膨張の値が大きくなり、つまり直径が大きくなり、ボディ１０１との接合部に熱応力が発生する。熱応力がある程度に達すると接着剤が剥がれて隙間が生じ、ガスリークが発生する。これはスターリング機関の性能低下や品質低下を招く。
【０００９】
また、接着剤の量が多すぎたり、塗布する箇所がずれたりすると、ボディ１０１とキャップ１０２の合わせ目から接着剤がにじみ出し、それがシリンダの内面に接触することがある。このような事態は避けねばならないが、かと言って接着剤の量を少なくし過ぎると、接合部の強度不足を招く可能性がある。このように、金属製のボディ１０１と合成樹脂製のキャップ１０２とを組み合わせるディスプレーサは、量産性の観点から品質管理が難しかった。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ディスプレーサを構成する金属製ボディと合成樹脂製キャップの接着剤による接合が安定して持続し、量産も容易になるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）上記目的を達成するために本発明は、動力源によって往復運動せしめられるピストンと、このピストンに対して所定の位相差をもって往復運動するディスプレーサとを備え、圧縮空間（高温空間）と膨脹空間（低温空間）の間で作動ガスを移動させるスターリング機関において、前記ディスプレーサは、前記圧縮空間に対向する金属製のボディと、前記膨脹空間に対向する合成樹脂製のキャップとからなり、それぞれ相手側に向かって突出するように一体成型された小径の連結部同士を凹凸嵌合させ、接着剤で接合したものであることを特徴としている。
【００１２】
この構成によると、ボディとキャップの連結部が小径なので、熱膨張係数の差による膨張寸法差が生じたとしても、その値は小さい。そのため、接着剤の剥がれが生じにくく、ボディとキャップが分離するという事態を招かずに済む。また連結部から接着剤がはみ出したとしてもそれがシリンダ内面に接触することがない。そのため、接着剤のはみ出しを気にしないで素早く組み立てることができ、生産性が向上する。
【００１３】
（２）また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記連結部の一方には雄ねじ、他方には雌ねじを形成し、前記ボディと前記キャップを螺合することを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、接着剤による接合にねじ結合が加わるので、ボディとキャップを一層強固に連結することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、圧縮空間に対向する金属製のボディと、膨脹空間に対向する合成樹脂製のキャップとを組み合わせてディスプレーサを構成するものとし、ボディとキャップは相手側に向かって突出するように一体成型された小径の連結部同士を凹凸嵌合させ、接着剤で接合するから、金属と合成樹脂の熱膨張係数の差による膨張寸法差は、小径の連結部では小さな値でしか表れない。そのため接着剤の剥がれが生じにくく、ボディとキャップが分離という事態を招かずに済むうえ、連結部からはみ出した接着剤がシリンダの内面に接触することはないので、接着剤のはみ出しを気にしないで素早く組み立てることができる。これにより、品質の高いディスプレーサ１３を高い生産性で提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
最初に、本発明が適用されるべきスターリング機関の構造を図１に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図である。
【００１７】
スターリング機関１の組立の中心となるのはシリンダ１０、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は、スターリング機関１の運転中、後述するガスベアリングによりシリンダ１０、１１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン１２とディスプレーサ１３は所定の位相差を備えて動く。シリンダ１１及びディスプレーサ１３の構造は後で詳しく説明する。
【００１８】
ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。
【００１９】
シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、コイル２１を備えた外側ヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられた内側ヨーク２３と、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、外側ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２６、２７とを備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。
【００２０】
マグネットホルダ１４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３０、３１の外周部はエンドブラケット２７に固定される。スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサ３２が配置されており、これによりスプリング３０、３１は一定の距離を保つ。スプリング３０、３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定の位相差をもたせて共振させる役割を果たす。
【００２１】
シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には伝熱ヘッド４０、４１が配置される。伝熱ヘッド４０はリング状、伝熱ヘッド４１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４０、４１は各々リング状の内部熱交換器４２、４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。内部熱交換器４２、４３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４０、４１に伝える。伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。
【００２２】
伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び内部熱交換器４２で囲まれる環状の空間は圧縮空間４５となる。伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。
【００２３】
内部熱交換器４２、４３の間には再生器７０が配置される。再生器７０は容器に金網などの充填材（マトリックス）を詰め込んだり、金属薄板や合成樹脂フィルムをコイル状に巻いたりして形成したものであって、作動ガスが通る空隙を内部に有する。再生器７０の外側を再生器チューブ４８が包む。再生器チューブ４８は伝熱ヘッド４０、４１の間に気密通路を構成する。
【００２４】
リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を覆う筒状の圧力容器が胴体部５０を形成する。胴体部５０の内部はバウンス空間５１となる。
【００２５】
胴体部５０の構造は次のようになっている。すなわち胴体部５０は、伝熱ヘッド４０に接合されるリング状部５２と、このリング状部５２に接合されるキャップ状部５３とに２分割されている。リング状部５２、キャップ状部５３ともステンレス鋼製である。リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。キャップ状部５３はパイプの内面に鏡板５３ａを溶接した構造である。
【００２６】
リング状部５２の他端と、これに向かい合うキャップ状部５３の開口端には、フランジ形状部５４、５５が設けられる。フランジ形状部５４、５５はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部５２とキャップ状部５３に溶接して形成されるものであり、最終的にはフランジ形状部５４、５５を溶接して密閉状態の胴体部５０を形成する。
【００２７】
胴体部５０には、リニアモータ２０に電力を供給するための端子部２８と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ５０ａが配置される。これらはいずれもキャップ状部５３の外周面から放射方向に突出するように設けられる。
【００２８】
胴体部５０には動吸振器６０が取り付けられる。動吸振器６０は、胴体部５０に固定されるベース６１と、ベース６１に支持される板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されるマス（質量）６３とから成る。
【００２９】
ピストン１２の内部は空洞８０となっている。空洞８０はピストン１２の端面に配置される逆止弁９０を介して圧縮空間４５に連通する。ピストン１２の外周面にはガスベアリングを形成する凹部８１が同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。凹部８１の底部にはピストン１２を貫通する形で金属細管８２が打ち込まれ、この金属細管８２を通じて空洞８０から凹部８１に作動ガスが供給される。凹部８１の環状列はピストン１２の軸線方向に間隔を置いて２箇所以上形成する。すなわちガスベアリングを２箇所以上に形成する。
【００３０】
ディスプレーサ１３の内部も空洞８５となっている。空洞８５はディスプレーサ１３の端面に配置される逆止弁９０を介して圧縮空間４５に連通する。ディスプレーサ１３の外周面にはガスベアリングを形成する凹部８６が同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。凹部８６の底部に打ち込まれた金属細管８７を通じて空洞８５から凹部８６に作動ガスが供給される。
【００３１】
スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生し、マグネット２４は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４、及びスプリング３０）の総質量と、スプリング３０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。
【００３２】
ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）にあっては、その総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。
【００３３】
ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には位相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２と所定の位相差を有して同期して振動する。
【００３４】
上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間にスターリングサイクルが形成される。圧縮空間では等温圧縮変化に基づいて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空間４５の温度は上昇し、膨張空間４６の温度は下降する。
【００３５】
運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を往復する作動ガスは、内部熱交換器４２、４３を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器４２、４３を通じて伝熱ヘッド４０、４１に伝える。圧縮空間４５から再生器７０へ流れ込む作動ガスは高温であるため伝熱ヘッド４０は加熱され、伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から再生器７０へ流れ込む作動ガスは低温であるため伝熱ヘッド４１は冷却され、伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、伝熱ヘッド４１で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。
【００３６】
再生器７０は、圧縮空間４５と膨張空間４６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４５から内部熱交換器４２を経て再生器７０に入った高温の作動ガスは、再生器７０を通過するときにその熱を再生器７０に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から内部熱交換器４３を経て再生器７０に入った低温の作動ガスは、再生器７０を通過するときに再生器７０から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。すなわち再生器７０は熱の保管庫としての役割を果たす。
【００３７】
ピストン１２とディスプレーサ１３が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。動吸振器６０がこの振動を抑える。
【００３８】
圧縮空間４５の中の高圧の作動ガスの一部は逆止弁９０を通じてピストン１２の空洞８０及びディスプレーサ１３の空洞８５に入り込む。そして凹部８１、８６から噴出する。噴出する作動ガスにより、ピストン１２の外周面とシリンダ１０の内周面との間、またディスプレーサ１３の外周面とシリンダ１１の内周面の間にガスの膜が形成され、ピストン１２とシリンダ１０との接触、またディスプレーサ１３とシリンダ１１との接触が防がれる。このため接触部の摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触部の摩耗といった問題が発生しない。
【００３９】
シリンダ１０、１１及びピストン１２はアルミニウムやステンレス鋼などの金属で形成される。他方ディスプレーサ１３は、図２に見られるように、圧縮空間４５に対向する側は金属製のボディ１３ａで構成され、膨脹空間４６に対向する側は合成樹脂製のキャップ１３ｂで構成される。合成樹脂としては、例えばポリカーボネートを採用することができる。
【００４０】
ボディ１３ａのキャップ１３ｂに向き合う端面の中心からは円筒形の連結部１３ｃが突出し、キャップ１３ｂのボディ１３ａに向き合う端面の中心からは端の開いた円筒形の連結部１３ｄが突出する。連結部１３ｃはボディ１３ａより直径が小さく、連結部１３ｄはキャップ１３ｂより直径が小さい。連結部１３ｃと連結部１３ｄは凹凸嵌合する。すなわち連結部１３ｃが連結部１３ｄの中に入り込み、両者はいんろう嵌合する。嵌合の前に、連結部１３ｃの外周面もしくは連結部１３ｄの内周面、あるいはその両方に接着剤を塗布しておく。これにより、連結部１３ｃ、１３ｄは接着剤で強固に接合される。
【００４１】
上記のようにして形成したディスプレーサ１３は、スターリング機関１の運転中に膨張する。径方向への熱膨張寸法は
径方向への熱膨張寸法  ＝  材料の線膨張係数  ×  温度変化  ×  直径
で表される。この式から、直径が小さくなるほど熱膨張寸法が小さくなることがわかる。従って、連結部を小径にしておけば、膨張寸法差が小さくなり、熱応力が軽減される。例えば連結部の直径がボディ１３ａとキャップ１３ｂの直径の半分程度であれば、膨張寸法差も半分程度になる。そのため、接着剤の剥がれが生じにくく、ボディ１３ａとキャップ１３ｂが分離するという事態を招かずに済む。また連結部１３ｄの端から接着剤がはみ出したとしても、それがシリンダ１１の内周面に接触することがない。そのため、接着剤のはみ出しを気にしないでディスプレーサ１３を素早く組み立てることができる。これにより、品質の高いディスプレーサ１３を高い生産性で提供できることになる。
【００４２】
連結部１３ｃ、１３ｄの直径が小さい方が良いと言っても、ある程度の寸法以下になると接着面積が小さくなり過ぎ、ディスプレーサ１３の耐久性が劣化する。従って連結部１３ｃ、１３ｄの直径は、ディスプレーサ１３の大きさやそれにかかる圧力、使用温度等を考慮して適切に決める必要がある。
【００４３】
図３には本発明の第２実施形態に係るディスプレーサ１３の構造を示す。この実施形態では、連結部１３ｃの外周面に雄ねじ１３ｅを形成し、連結部１３ｄの内周面には雌ねじ１３ｆを形成し、両者を螺合してボディ１３ａとキャップ１３ｂを連結するものとした。螺合の前に、雄ねじ１３ｅと雌ねじ１３ｆの一方又は双方のねじ溝に接着剤を塗布しておく。この構成によると、接着剤による接合にねじ結合が加わり、ボディ１３ａとキャップ１３ｂは一層強固に連結される。
【００４４】
以上本発明の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できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】スターリング機関の断面図
【図２】ディスプレーサの分解断面図
【図３】第２実施形態に係るディスプレーサの分解断面図
【図４】従来のディスプレーサの断面図
【符号の説明】
【００４７】
１    スターリング機関
１０、１１  シリンダ
１２  ピストン
１３  ディスプレーサ
１３ａ  金属製ボディ
１３ｂ  合成樹脂製キャップ
１３ｃ、１３ｄ  連結部
１３ｅ  雄ねじ
１３ｆ  雌ねじ
【図１】
2007285661.tif 000003
【図２】
2007285661.tif 000004
【図３】
2007285661.tif 000005
【図４】
2007285661.tif 000006