(57)【要約】【課題】コスト上昇を招くことなく、また、スターリング機関の大型化を招くことのない動吸振器を備えるスターリング機関を提供する。【解決手段】第１および第２コイルばね１１４，１１５を用いて、おもり１０１をピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込むことにより動吸振器１００を構成している。これにより、従来のような板ばねを使用せずにコイルばねを使用できるため、動吸振器およびこの動吸振器を有するスターリング機関のコスト上昇を抑制することができる。また、ピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込む構成を採用することで、おもり１０１には、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５と当接する位置に、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５を収容する収容凹部１０１ｈ、１１１ｈを設けることが可能となる。その結果、動吸振器１００の小型化が図られ、スターリング機関４の大型化を抑制することが可能となる。【選択図】図３
2009024893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの内部に収容され、動力源によって往復運動を行なうピストンと、前記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有し、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、
当該スターリング機関は、前記ケーシングの外部に、前記ピストンおよび前記ディスプレーサの移動により発生する振動を吸収する動吸振器を有し、
前記動吸振器は、
前記ピストンの往復運動方向の一方側に配置されるおもりと、
前記おもりと前記ケーシングとの間に配置される第１コイルばねと、
前記おもりを挟んで、前記第１コイルばねとは反対側に配置される第２コイルばねと、
前記第２コイルばねを前記ケーシング側に付勢するための付勢手段とを備え、
前記おもりには、前記第１コイルばね、および、前記第２コイルばねと当接する位置に、前記前記第１コイルばね、および、前記第２コイルばねを収容する収容凹部が設けられる、スターリング機関。
【請求項２】
前記おもりは、円盤形状を有し、
前記おもりの中心と同心円上において、前記第１コイルばね、および、前記第２コイルばねが、それぞれ等ピッチで同じ位置に複数配置されている、請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
前記おもりは、円盤形状を有し、
前記おもりの中心と同心円上において、前記第１コイルばね、および、前記第２コイルばねが、それぞれ等ピッチで交互に複数配置されている、請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項４】
前記おもりは、円盤形状を有し、
前記おもりの中心位置に前記第２コイルばねが配置され、
前記おもりの中心と同心円上において、前記第１コイルばねが、等ピッチで複数配置されている、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し、特に、動吸振器の構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スターリング機関においては、スターリング機関の振動を吸収するため、特許文献１（特開２００５−３４５００９号公報）に開示されるような、ケーシングの外部に板ばねとマス（質量）とを有する動吸振器が取り付けられている。また、リニアコンプレッサにおいても、リニアコンプレッサの振動を吸収のため、下記特許文献２（特開２００１−１０７８５７号公報）ようにケーシングの内部にコイルばねとマス（質量）とを使用した動吸振器が取り付けられている。このように、板ばねやコイルばねを用いてマス（質量）を支持する構造を採用することで、スターリング機関のピストンの位相に対して、マス（質量）が逆位相で振動することにより、振動の吸収を可能としている。また、動吸振器の共振周波数とピストンの駆動周波数を一致させることで、振動を効果的に吸収することができる。
【特許文献１】特開２００５−３４５００９号公報
【特許文献２】特開２００１−１０７８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
スターリング機関において、板ばねを使用した動吸振器では、板ばねがコイルばねと比較してコストが高く、動吸振器が高価となる結果、スターリング機関のコスト上昇が懸念される。また、コイルばねで構成した動吸振器は、コイルばねの長さ方向に、スターリング機関の全長が長くなることが懸念される。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、コスト上昇を招くことなく、また、スターリング機関の大型化を招くことのない動吸振器を備えるスターリング機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るスターリング機関は、ケーシングの内部に収容され、動力源によって往復運動を行なうピストンと、上記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有し、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、以下の構成を備えている。
【０００６】
当該スターリング機関は、上記ケーシングの外部に、上記ピストンや上記ディスプレーサの移動により発生する振動を吸収する動吸振器を有し、上記動吸振器は、上記ピストンの往復運動方向の一方側に配置されるおもりと、上記おもりと上記ケーシングとの間に配置される第１コイルばねと、上記おもりを挟んで、上記第１コイルばねとは反対側に配置される第２コイルばねと、上記第２コイルばねを上記ケーシング側に付勢するための付勢手段とを備え、上記おもりには、上記第１コイルばね、および、上記第２コイルばねと当接する位置に、上記第１コイルばね、および、上記第２コイルばねを収容する収容凹部が設けられる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、コイルばねを用いておもりを、ピストンの往復運動方向に沿って挟み込むことにより動吸振器を構成している。これにより、板ばねを使用せずにコイルばねを使用できるため、動吸振器およびこの動吸振器を有するスターリング機関のコスト上昇を抑制することができる。また、ピストンの往復運動方向に沿って挟み込む構成を採用することで、おもりには、第１コイルばね、および、第２コイルばねと当接する位置に、上記第１コイルばね、および、第２コイルばねを収容する収容凹部を設けることが可能となる。その結果、動吸振器の小型化が図られ、スターリング機関の大型化を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明に基づくスターリング機関の各実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【０００９】
（実施の形態１）
まず、図１を参照して、本発明に基づいた実施の形態１に係るスターリング機関について、図を参照しながら説明する。なお、図１は、本発明に基づいた実施の形態１に係るスターリング機関の構造を示す断面図である。
【００１０】
本実施の形態におけるスターリング機関４は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング３０と、このケーシング３０に組付けられたシリンダ１３と、シリンダ１３内で往復動するピストン１４およびディスプレーサ１５と、再生器１６と、圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとを含む作動空間１７と、高温部２と、低温部３と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ２３と、ピストンスプリング２４と、ディスプレーサスプリング２５と、ディスプレーサロッド２６と、背圧空間２７とを備える。
【００１１】
図２の例では、スターリング機関４の外殻体（外壁）は、単一の容器で構成されず、背圧空間２７側に位置するケーシング３０（ベッセル部分）と、作動空間１７側に位置する高温部２、チューブ１８Ａおよび低温部３とで主に構成される。ケーシング３０は、背圧空間２７を規定する。ケーシング３０には、シリンダ１３、リニアモータ２３、ピストンスプリング２４およびディスプレーサスプリング２５をはじめとする種々の部品が組付けられる。外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
【００１２】
シリンダ１３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン１４とフリーピストンとしてのディスプレーサ１５とを往復動可能に受け入れる。シリンダ１３内において、ピストン１４とディスプレーサ１５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン１４およびディスプレーサ１５によってシリンダ１３内の作動空間１７が圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間１７は、ピストン１４におけるディスプレーサ１５側の端面よりもディスプレーサ１５側に位置する空間であり、ピストン１４とディスプレーサ１５との間に圧縮空間１７Ａが形成され、ディスプレーサ１５と低温部３との間に膨張空間１７Ｂが形成される。圧縮空間１７Ａは主に高温部２によって囲まれ、膨張空間１７Ｂは主に低温部３によって囲まれている。
【００１３】
圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとの間には、シリンダ１３の外周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器１６が配設されており、この再生器１６を介して圧縮空間１７Ａと膨張空間１７Ｂとが連通する。それにより、スターリング機関４内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン１４およびディスプレーサ１５の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現される。
【００１４】
シリンダ１３の外側に位置する背圧空間２７にはリニアモータ２３が配設される。リニアモータ２３は、インナーヨーク２０と、可動マグネット部２１と、アウターヨーク２２およびコイルとを有し、このリニアモータ２３によって、シリンダ１３の軸方向にピストン１４が駆動される。
【００１５】
ピストン１４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング２４と接続される。該ピストンスプリング２４は、ピストン１４に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング２４による弾性力を付加することにより、シリンダ１３内でピストン１４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ１５の一端は、ディスプレーサロッド２６を介してディスプレーサスプリング２５と接続される。ディスプレーサロッド２６はピストン１４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング２５は板バネなどで構成される。このディスプレーサスプリング２５の周縁部と、ピストンスプリング２４の周縁部は、リニアモータ２３からピストン１４の背圧空間２７側（以下、後方と称する場合がある。）に延びる支持部材により支持される。
【００１６】
ピストン１４に対しディスプレーサ１５と反対側には、ケーシング３０によって囲まれた背圧空間２７が配設されている。背圧空間２７は、ケーシング３０内でピストン１４の周囲に位置する外周領域と、ケーシング３０内でピストン１４よりもピストンスプリング２４側（後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間２７内にも、作動媒体が存在する。
【００１７】
高温部２は、ベース部材３０Ａを介してケーシング３０に取付けられる。高温部２と低温部３とは、チューブ１８Ａを介して接続される。高温部２、低温部３の内周面上には、それぞれ内部熱交換器１８と内部熱交換器１９とが設けられる。内部熱交換器１８，１９は、それぞれ、圧縮空間１７Ａ，膨張空間１７Ｂと高温部２，低温部３との間の熱交換を行なう。
【００１８】
ケーシング３０のピストン１４の往復運動方向の一方側である後方側のケーシングの外部には、ピストン１４の移動により発生する振動を吸収する動吸振器１００が配設されている。この動吸振器１００の具体的構成を、図２および図３を参照して説明する。なお、図２は、動吸振器１００の平面図であり、図３は、図２中ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【００１９】
この動吸振器１００は、おもり１０１とケーシング３０との間に配置される第１コイルばね１１４と、おもり１０１を挟んで、第１コイルばね１１４とは反対側に配置される第２コイルばね１１５と、この第２コイルばね１１５をケーシング３０側に付勢するための付勢手段１１０とを備えている。また、おもり１０１には、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５と当接する位置に、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５を収容する収容凹部１０１ｈ，１１１ｈが設けられている。
【００２０】
具体的には、おもり１０１は、円盤形状を有し、このおもり１０１の中心と同心円上において、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５が、それぞれ１２０度の等ピッチで同じ位置に３箇所配置されている。付勢手段１１０としては、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５の内部に配置される支柱管１１２と、ボルトねじ１１１と、第２コイルばね１１５に当接するプレート１１３とを備えている。収容凹部１０１ｈと収容凹部１１１ｈとは、支柱管１１２が通過可能な貫通穴１０１ａで連通している。また、おもり１０１の中心位置には、微調整おもり１０２および固定ボルト１０３が配設されている。また、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５は、おもり１０１が最大振幅になっても圧縮状態が保たれるよう中立状態で予め圧縮して固定されている。
【００２１】
この動吸振器１００は、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する。具体的には、動吸振器１００の振動方向の共振周波数を往復運動機器のピストン１４の駆動周波数と一致させることにより、動吸振器１００より振動を吸収する。共振周波数の微調整は微調整おもり１０２を付加することで調整する。
【００２２】
以上、本実施の形態におけるスターリング機関４によれば、第１および第２コイルばね１１４，１１５を用いて、おもり１０１をピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込むことにより動吸振器１００を構成している。これにより、従来のような板ばねを使用せずにコイルばねを使用できるため、動吸振器およびこの動吸振器を有するスターリング機関のコスト上昇を抑制することができる。
【００２３】
また、ピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込む構成を採用することで、おもり１０１には、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５と当接する位置に、第１コイルばね１１４、および、第２コイルばね１１５を収容する収容凹部１０１ｈ、１１１ｈを設けることが可能となる。その結果、動吸振器１００の小型化が図られ、スターリング機関４の大型化を抑制することが可能となる。
【００２４】
（実施の形態２）
次に、本発明に基づいた実施の形態２に係るスターリング機関について、図４および図５を参照しながら説明する。なお、本実施の形態に係るスターリング機関の基本的構成は、上記実施の形態１におけるスターリング機関４と同一であり、動吸振器の構造のみ異なっている。したがって、以下の説明においては、実施の形態２に係るスターリング機関に採用される動吸振器２００の構造について詳細に説明する。なお、図４は、動吸振器２００の平面図であり、図５は、図４中Ｖ−Ｖ線矢視断面図である。
【００２５】
この動吸振器２００は、おもり２０１とケーシング３０との間に配置される第１コイルばね２１４と、おもり２０１を挟んで、第１コイルばね２１４とは反対側に配置される第２コイルばね２１５と、記第２コイルばね２１５をケーシング３０側に付勢するための付勢手段２１０とを備えている。また、おもり２０１には、第１コイルばね２１４、および、第２コイルばね２１５と当接する位置に、第１コイルばね２１４、および、第２コイルばね２１５を収容する収容凹部２０１ｈ，２１１ｈが設けられている。
【００２６】
具体的には、おもり２０１は、円盤形状を有し、このおもり２０１の中心と同心円上において、第１コイルばね２１４、および、第２コイルばね２１５が、それぞれ６０度ピッチで交互に３箇所ずつ複数配置されている。第２コイルばね２１５の付勢手段２１０としては、第２コイルばね２１５の内部に配置される支柱管２１２と、ボルトねじ２１１と、第２コイルばね２１５に当接するプレート２１３とを備えている。収容凹部２１１ｈの底部には、支柱管２１２が通過可能な貫通穴２１１ａが設けられている。また、おもり２０１の中心位置には、微調整おもり２０２および固定ボルト２０３が配設されている。また、第１コイルばね２１４、および、第２コイルばね２１５は、おもり２０１が最大振幅になっても圧縮状態が保たれるよう中立状態で予め圧縮して固定されている。
【００２７】
この動吸振器２００は、上記動吸振器１００と同様に、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する。具体的には、動吸振器２００の振動方向の共振周波数を往復運動機器のピストン１４の駆動周波数と一致させることにより、動吸振器２００より振動を吸収する。共振周波数の微調整は微調整おもり２０２を付加することで調整する。
【００２８】
以上、本実施の形態におけるスターリング機関４によれば、第１および第２コイルばね２１４，２１５を用いて、おもり２０１をピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込むことにより動吸振器２００を構成している。これにより、従来のような板ばねを使用せずにコイルばねを使用できるため、動吸振器およびこの動吸振器を有するスターリング機関のコスト上昇を抑制することができる。
【００２９】
また、ピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込む構成を採用することで、おもり２０１には、第１コイルばね２１４、および、第２コイルばね２１５と当接する位置に、第１コイルばね２１４、および、第２コイルばね２１５を収容する収容凹部２０１ｈ、２１１ｈを設けることが可能となる。その結果、動吸振器２００の小型化が図られ、スターリング機関４の大型化を抑制することが可能となる。
【００３０】
さらに、第１コイルばね２１４、および、第２コイルばね２１５を、それぞれ６０度ピッチで交互に３箇所ずつ複数配置することで、上記実施の形態１の場合と比較して、装置長さとして、動吸振器１００の場合であれば、コイルばねの長さ２本分以上の長さが必要なのに対して、本実施の形態における動吸振器２００であれば、コイルばねの長さ２本分以下の長さで構成することが可能となり、装置のより小型化を図ることが可能となる。
【００３１】
（実施の形態３）
次に、本発明に基づいた実施の形態３に係るスターリング機関について、図６および図７を参照しながら説明する。なお、本実施の形態に係るスターリング機関の基本的構成は、上記実施の形態１におけるスターリング機関４と同一であり、動吸振器の構造のみ異なっている。したがって、以下の説明においては、実施の形態３に係るスターリング機関に採用される動吸振器３００の構造について詳細に説明する。なお、図６は、動吸振器２００の平面図であり、図７は、図６中ＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図である。
【００３２】
この動吸振器３００は、おもり３０１とケーシング３０との間に配置される第１コイルばね３１４と、おもり３０１を挟んで、第１コイルばね３１４とは反対側に配置される第２コイルばね３１５と、記第２コイルばね３１５をケーシング３０側に付勢するための付勢手段３１０とを備えている。また、おもり３０１には、第１コイルばね３１４、および、第２コイルばね３１５と当接する位置に、第１コイルばね３１４、および、第２コイルばね３１５を収容する収容凹部３０１ｈ，３１１ｈが設けられている。
【００３３】
具体的には、おもり３０１は、円盤形状を有し、このおもり３０１の中心位置に第２コイルばね３１５が配置され、おもり３０１の中心と同心円上において、第１コイルばね３１０が、１２０度ピッチで３箇所配置されている。第１コイルばね３１０のバネ定数の和と、第２コイルばねのバネ定数とは一致させる。第２コイルばね３１５の付勢手段３１０としては、第２コイルばね３１５の内部に配置される支柱管３１２と、ボルトねじ３１１と、第２コイルばね３１５に当接するプレート３１３とを備えている。収容凹部３１１ｈの底部には、支柱管３１２が通過可能な貫通穴３１１ａが設けられている。また、第１コイルばね３１４、および、第２コイルばね３１５は、おもり３０１が最大振幅になっても圧縮状態が保たれるよう中立状態で予め圧縮して固定されている。
【００３４】
この動吸振器３００は、上記動吸振器１００，２００と同様に、ピストン１４やディスプレーサ１５が振動することによって生じるケーシング３０の振動を吸収する。具体的には、動吸振器３００の振動方向の共振周波数を往復運動機器のピストン１４の駆動周波数と一致させることにより、動吸振器２００より振動を吸収する。共振周波数の微調整は微調整おもり等を付加することで調整する。
【００３５】
以上、本実施の形態におけるスターリング機関４によれば、第１および第２コイルばね３１４，３１５を用いて、おもり３０１をピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込むことにより動吸振器３００を構成している。これにより、従来のような板ばねを使用せずにコイルばねを使用できるため、動吸振器およびこの動吸振器を有するスターリング機関のコスト上昇を抑制することができる。
【００３６】
また、ピストン１４の往復運動方向に沿って挟み込む構成を採用することで、おもり３０１には、第１コイルばね３１４、および、第２コイルばね３１５と当接する位置に、第１コイルばね３１４、および、第２コイルばね３１５を収容する収容凹部３０１ｈ、３１１ｈを設けることが可能となる。その結果、動吸振器３００の小型化が図られ、スターリング機関４の大型化を抑制することが可能となる。また、第２コイルばね３１５を、おもり３０１の中心に１箇所設ける構成を採用することで、部品点数の削減を図ることが可能となる。
【００３７】
なお、上記各実施の形態において、コイルばねの配置ピッチ、数量は適宜選択されるものであって、上記各実施の形態に示す配置ピッチ、数量に限定されるものではない。
【００３８】
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すべ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すべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に基づいた実施の形態１に係るスターリング機関の構造を示す断面図である。
【図２】本発明に基づいた実施の形態１に係るスターリング機関に採用される動吸振器の平面図である。
【図３】図２中ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】本発明に基づいた実施の形態２に係るスターリング機関に採用される動吸振器の平面図である。
【図５】図４中Ｖ−Ｖ線矢視断面図である。
【図６】本発明に基づいた実施の形態３に係るスターリング機関に採用される動吸振器の平面図である。
【図７】図６中ＶＩＩ−ＶＩＩ線矢視断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
２  高温部、３  低温部、４  スターリング機関、１３  シリンダ、１４  ピストン、１５  ディスプレーサ、１６  再生器、１７  作動空間、１７Ａ  圧縮空間、１７Ｂ  膨張空間、１８  内部熱交換器、１８Ａ  チューブ、１９  内部熱交換器、２０  インナーヨーク、２１  可動マグネット部、２２  アウターヨーク、２３  リニアモータ、２４  ピストンスプリング、２５  ディスプレーサスプリング、２６  ディスプレーサロッド、２７  背圧空間、３０  ケーシング、１００，２００，３００  動吸振器、１０１，２０１，３０１  おもり、１０１ａ，２０１ａ，３０１ａ  貫通穴、１０１ｈ，１１１ｈ  収容凹部、１０２，２０２  微調整おもり、１０３，２０３  固定ボルト、１１０，２１０，３１０  付勢手段、１１１，２１１，３１１  ボルトねじ、１１２，２１２，３１２  支柱管、１１３，２１３，３１３  プレート、１１４，２１４，３１４  第１コイルばね、１１５，２１５，３１５  第２コイルばね。
【図１】
2009024893.tif 000003
【図２】
2009024893.tif 000004
【図３】
2009024893.tif 000005
【図４】
2009024893.tif 000006
【図５】
2009024893.tif 000007
【図６】
2009024893.tif 000008
【図７】
2009024893.tif 000009