(57)【要約】      （修正有）【課題】膨張空間内での作動媒体の流れのよどみを減少させて外部との熱交換の効率を向上させる。【解決手段】シリンダ３内にピストン１と同軸上に往復可能に配置されるディスプレーサ２を、弾性体４により低温側外部熱交換部６に対して弾性支持する。この弾性体は、ディスプレーサの往復動を駆動力として動作し、膨張空間８内の作動媒体を撹拌する撹拌部材として機能する。撹拌部材により、膨張空間内の作動媒体の流れのよどみは減少され、低温側外部熱交換部と外部との熱交換の効率を向上させることができる。【選択図】図１
2009281660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体の封入されたシリンダ内に配置され往復動されるピストンと、
前記ピストンを駆動する駆動源と、
前記シリンダ内に前記ピストンと同軸上に往復動可能に配置されるディスプレーサと、
前記シリンダ内の前記ディスプレーサの前記ピストン側に形成される圧縮空間と、
前記シリンダ内の前記ディスプレーサの前記ピストンと反対側に形成される膨張空間と、
前記シリンダ周囲部に設けられ前記圧縮空間内の前記作動媒体と外部との間で熱交換を行う高温側外部熱交換部と、
前記シリンダ先端部に設けられ前記膨張空間内の前記作動媒体と外部との間で熱交換を行う低温側外部熱交換部と、
前記圧縮空間と前記膨張空間との間を連絡する前記作動媒体の通路と、
を備え、
前記ディスプレーサの往復動を駆動力として動作し、前記膨張空間内の作動媒体を撹拌する撹拌部材を設けたことを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
前記撹拌部材が、前記ディスプレーサを前記低温側外部熱交換部に対して弾性支持する弾性体であ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。
【請求項３】
前記ディスプレーサを、前記圧縮空間側の小径円柱部と前記膨張空間側の大径円柱部とが段差を有して同軸に連結された異径円柱形状とするとともに、前記シリンダ内部を、前記小径円柱部に対応した小径空洞部と前記大径円柱部に対応した大径空洞部とが段差を有して同軸に連結された異径空洞形状としたことを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。
【請求項４】
ディスプレーサの前記段差とシリンダの前記段差との間に、前記ディスプレーサの往復動の中立位置を基準として前記ディスプレーサのストロークの１／２より大きな間隙が形成されたことを特徴とする請求項３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、外部との熱交換の効率の向上を目指した技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に、冷熱の発生を目的とした従来のフリーピストン型スターリング機関（冷凍機）の構成部品の一構成例を模式的に示した断面図である。スターリング機関１２０は、有底円筒状のケーシング１１２内に、円筒状のシリンダ１０３が同軸上に配置されている。ケーシング１１２とシリンダ１０３の図３紙面左側の開放端には、円盤状の低温側外部熱交換部（コールドヘッド）１０６が取り付けられている。ケーシング１１２とシリンダ１０３との軸方向略中央部には貫通穴が周方向に複数設けられ、各貫通穴に高温側外部熱交換部（ウォームヘッド）１０７が嵌着されている。
【０００３】
高温側外部熱交換部１０７の内面部は、シリンダ１０３の内周面と面一となって後述する圧縮空間１０９に接している。他方、低温側外部熱交換部１０６の内面中央凹部は、後述する膨張空間１０８に接している。
【０００４】
シリンダ１０３内には、ピストン１０１とディスプレーサ１０２が往復直線運動可能に同軸上に配置されている。ディスプレーサ１０２の一端面から棒状に延びて形成されたディスプレーサロッド１１３はピストン１０１の中心部を軸方向に貫通する摺動穴１０１ａを貫通し、ピストン１０１、ディスプレーサ１０２はシリンダ１０３内周摺動面を滑らかに摺動可能である。またピストン１０１はバネ等の弾性体１０５、ディスプレーサ１０２はバネ等の弾性体１０４によって後述する背圧空間１１０内でケーシング１１２に対して弾性支持されている。
【０００５】
シリンダ１０３内に形成される空間はピストン１０１によって軸方向（図３の紙面左右方向）に関して２つの空間に大きく分割される。一つはピストン１０１から見てディスプレーサ１０２のある側に位置する作動空間であり、もう一つはピストン１０１から見てディスプレーサ１０２のある側とは反対側に位置する背圧空間１１０である。この２つの空間には高圧のヘリウムガス等の作動媒体が充填されている。
【０００６】
背圧空間１１０は、シリンダ１０３の図３紙面右側の開放端を通じてシリンダ１０３内部だけでなくケーシング１０２内部に形成されるシリンダ１０３外周の空間にまで広がっている。背圧空間１１０の圧力はスターリング機関１２０が動作中でもおおむね動作圧力の平均圧力に保たれている。
【０００７】
作動空間は、ディスプレーサ１０２によって軸方向（図３の紙面左右方向）に関してさらに２つの空間に分割されている。一つはピストン１０１とディスプレーサ１０２に挟まれた圧縮空間１０９であり、もう一つはシリンダ１０３と低温側外部熱交換部１０６に挟まれた膨張空間１０８である。この２つの空間は再生器１１１を備えた往復通路１１４を介して連結されている。再生器１１１は一般にメッシュ形状の銅材などにより形成されている。
【０００８】
ピストン１０１はリニアモータ等の図示しないピストン駆動体により所定周期で直線往復動される。これにより作動媒体は作動空間（上記圧縮空間１０９と上記膨張空間１０８の和）内で圧縮、膨張される。ディスプレーサ１０２は、作動空間内で圧縮、膨張される作動媒体の圧力変化により直線的に往復動される。このときピストン１０１とディスプレーサ１０２は、一般に約９０度の位相差をもって同一周期にて往復動するよう設定されている。
【０００９】
このようなピストン１０１とディスプレーサ１０２の位相差を伴った往復動により、作動空間内で作動媒体が逆スターリングサイクルとして既知の熱力学的サイクルを構成し、圧縮空間１０９における作動媒体により、高温側外部熱交換部１０７において外部と熱交換して発熱され、膨張空間１０８における作動媒体により、低温側外部熱交換部１０６において外部と熱交換して吸熱される（外部が冷却される）。
【００１０】
ここで、ピストン１０１とディスプレーサ１０２の位相差により膨張空間１０８側では常に吸熱、圧縮空間１０９側では常に発熱が起こるように調整されているが、各空間１０８、１０９内の作動媒体の流動が不均一である場合、各外部熱交換部１０６、１０７を通じて外部と熱交換される熱量が低下する。上記の従来のスターリング機関１２０においては、膨張空間１０８内の作動媒体の流動は専らディスプレーサ１０２の移動によって行われており、膨張空間１０８内における作動媒体の流れによどみが発生している領域ができる。これにより外部熱交換部１０６との熱の授受が減少し、理想的な逆スターリングサイクルよりも外部との熱交換の効率が低下している。
【００１１】
なお、特許文献１には、燃焼ガスから熱量を吸収するヒータチューブに整流板を設け、この整流板によって燃焼ガスの流れを制御することで熱交換効率を向上させることが記載されている。しかし、整流板は不動であり、その形状によって流体の流れを制御するものであり、積極的に流体を動かすものではない。このため、整流板を、上記のスターリング機関において、膨張空間内に整流板を設置したとしても、作動媒体の流れのよどみを減少させるには限界がある。
【００１２】
また、上記のスターリング機関１２０では、ディスプレーサロッド１１３はピストン１０１と同軸を取った状態でピストン１０１内部を貫通しているが、圧縮空間１０９と背圧空間１１０との間でシール性を維持するためにディスプレーサロッド１１３とピストン１０１の嵌合部の加工精度は非常に高いものが要求される。そのため、加工費が大きくなる一因となっている。
【特許文献１】特開昭６１−２２６５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、作動空間内での作動媒体の流れのよどみを減少させて外部との熱交換の効率を向上させること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため本発明のスターリング機関は、作動媒体の封入されたシリンダ内に配置され往復動されるピストンと、前記ピストンを駆動する駆動源と、前記シリンダ内に前記ピストンと同軸上に往復動可能に配置されるディスプレーサと、前記シリンダ内の前記ディスプレーサの前記ピストン側に形成される圧縮空間と、前記シリンダ内の前記ディスプレーサの前記ピストンと反対側に形成される膨張空間と、前記シリンダ周囲部に設けられ前記圧縮空間内の前記作動媒体と外部との間で熱交換を行う高温側外部熱交換部と、前記シリンダ先端部に設けられ前記膨張空間内の前記作動媒体と外部との間で熱交換を行う低温側外部熱交換部と、前記圧縮空間と前記膨張空間との間を連絡する前記作動媒体の通路と、を備え、前記ディスプレーサの往復動を駆動力として動作し、前記膨張空間内の作動媒体を撹拌する撹拌部材を設けたことを特徴としている。
【００１５】
この構成によると、駆動源によりピストンが駆動されることにより、ピストンとディスプレーサが所定の位相差を持って往復動されることにより、圧縮空間及び膨張空間内の作動ガスが逆スターリングサイクルを構成し、圧縮空間における作動媒体により、高温側外部熱交換部において外部と熱交換して発熱され、膨張空間における作動媒体により、低温側外部熱交換部において外部と熱交換して吸熱される。圧縮空間と膨張空間の圧力差により、作動媒体は通路を通って両空間を往来する。このとき、膨張空間内の作動媒体は、ディスプレーサの往復動を駆動力として動作する撹拌部材により撹拌される。これにより、膨張空間内での作動媒体の流れのよどみは減少される。また、撹拌部材は、ディスプレーサの動作を駆動力としているため、撹拌部材を駆動するための新たな駆動力は必要としない。
【００１６】
また本発明は、前記撹拌部材が、前記ディスプレーサを前記低温側外部熱交換部に対して弾性支持する弾性体であることを特徴としている。
【００１７】
この構成によると、撹拌部材を、ディスプレーサの共振系における弾性体と共有できる。つまり、従来は背圧空間に設置されていたディスプレーサの共振系における弾性体を、膨張空間側へ移設したことで、膨張空間内の作動媒体を積極的に攪拌することで外部との熱交換を促進できる。つまり、弾性体によって、共振系のバネと作動媒体の攪拌の機能を共有することができる。さらに、従来は弾性体が背圧空間にあったために弾性体とディスプレーサを接続するディスプレーサロッドが必要であったが、弾性体を膨張空間側へ移設することによって、ディスプレーサロッドが不要となり、それが貫くピストンの貫通孔も不要となった。このことによって、ピストンとディスプレーサとディスプレーサロッド間の同軸を規定する必要がなくなり、加工コストを低減することができる。
【００１８】
ディスプレーサロッドを廃止すると、圧縮空間内でディスプレーサロッドが占めていた体積だけ圧縮空間の体積が増えることになる。ディスプレーサの駆動力は、ディスプレーサの２つの端面に働く（圧縮空間と膨張空間の）圧力差によって生まれる。よって、ディスプレーサロッドを廃止してもディスプレーサの駆動力を従来と同様に得るためには、圧縮空間の体積の増分をキャンセルする必要がある。
【００１９】
そこで本発明では、前記ディスプレーサを、前記圧縮空間側の小径円柱部と前記膨張空間側の大径円柱部とが段差を有して同軸に連結された異径円柱形状とするとともに、前記シリンダ内部を、前記小径円柱部に対応した小径空洞部と前記大径円柱部に対応した大径空洞部とが段差を有して同軸に連結された異径空洞形状としている。
【００２０】
この構成によると、ディスプレーサの２つの端面の面積が圧縮空間側で小さく、膨張空間側で大きくなり、それに合わせてシリンダ内部の空洞の断面積が圧縮空間で小さく、膨張空間で大きくなり、ディスプレーサロッドを廃止したことによる圧縮空間の体積の増分をキャンセルすることが可能となる。よって、ディスプレーサの駆動力を従来と同様に得ることができる。さらに、ディスプレーサが直径の異なる２つの円柱の同軸を合わせたような形状であり、同軸を取るべき上記２つの円柱のどちらかとそれが嵌るシリンダの軸方向の長さが大幅に減少するために同軸精度の要求される長さが減少しコストの低減となる。
【００２１】
また本発明は、前記ディスプレーサの段差と前記シリンダの段差の間に、前記ディスプレーサの往復動の中立位置を基準として前記ディスプレーサのストロークの１／２より大きな間隙が形成されたことを特徴としている。
【００２２】
この構成によると、ディスプレーサの可動域に対応した間隙によるガスバネ効果によって、弾性体のバネ定数を上記ガスバネに振り分けることができる。したがって、従来技術に比べ、弾性体のバネ定数を小さくすることができ、同じ大きさの弾性体であれば破断に対する信頼性をより大きくすることができ、また、同じ信頼性を確保する場合はより弾性体をより小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、膨張空間内の作動媒体は、ディスプレーサの往復動を駆動力として動作する撹拌部材により積極的に撹拌される。これにより、膨張空間内での作動媒体の流れのよどみは減少され、低温側外部熱交換部と外部との熱交換の効率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】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明による冷熱の発生を目的としたフリーピストン型スターリング機関（冷凍機）の構成部品の一構成例を模式的に示した断面図である。スターリング機関２０は、有底円筒状のケーシング１２内に、円筒状のシリンダ３が同軸上に配置されている。ケーシング１２とシリンダ３の図１紙面左側の開放端には、円盤状の低温側外部熱交換部（コールドヘッド）６が取り付けられている。ケーシング１２とシリンダ３との軸方向略中央部には貫通穴が周方向に複数設けられ、各貫通穴に高温側外部熱交換部（ウォームヘッド）７が嵌着されている。
【００２６】
シリンダ３内には、ピストン１とディスプレーサ２が往復直線運動可能に同軸上に配置されている。ピストン１はバネ等の弾性体５により後述する背圧空間１０内でケーシング１１２に対して弾性支持されている。他方、ディスプレーサ２はバネ等の弾性体４によって後述する膨張空間８内で低温側外部熱交換部６に対して弾性支持されている。
【００２７】
高温側外部熱交換部７の内面部は、シリンダ３の内周面と面一となって後述する圧縮空間９に接している。他方、低温側外部熱交換部６の内面中央凹部は、後述する膨張空間８に接している。
【００２８】
シリンダ３内に形成される空間はピストン１によって軸方向（図１の紙面左右方向）に関して２つの空間に大きく分割される。一つはピストン１から見てディスプレーサ２のある側に位置する作動空間であり、もう一つはピストン１から見てディスプレーサ２のある側とは反対側に位置する背圧空間１０である。この２つの空間には高圧のヘリウムガス等の作動媒体が充填されている。
【００２９】
背圧空間１０は、シリンダ３の図１紙面右側の開放端を通じてシリンダ３内部だけでなくケーシング２内部に形成されるシリンダ３外周の空間にまで広がっている。背圧空間１０の圧力はスターリング機関が動作中でもおおむね動作圧力の平均圧力に保たれている。
【００３０】
作動空間は、ディスプレーサ２によって軸方向（図１の紙面左右方向）に関してさらに２つの空間に分割されている。一つはピストン１とディスプレーサ２に挟まれた圧縮空間９であり、もう一つはシリンダ３と低温側外部熱交換部６に挟まれた膨張空間８である。この２つの空間は再生器１１を備えた往復通路１４を介して連結されている。再生器１１は一般にメッシュ形状の銅材などにより形成されている。
【００３１】
ピストン１はリニアモータ等の図示しないピストン駆動体により所定周期で直線往復動される。これにより作動媒体は作動空間（上記圧縮空間９と上記膨張空間８の和）内で圧縮、膨張される。ディスプレーサ２は、作動空間内で圧縮、膨張される作動媒体の圧力変化により直線的に往復動される。このときピストン１とディスプレーサ２は、一般に約９０度の位相差をもって同一周期にて往復動するよう設定されている。
【００３２】
このようなピストン１とディスプレーサ２の位相差を伴った往復動により、作動空間内で作動媒体が逆スターリングサイクルとして既知の熱力学的サイクルを構成し、圧縮空間９における作動媒体により、高温側外部熱交換部７において外部と熱交換して発熱され、膨張空間８における作動媒体により、低温側外部熱交換部６において外部と熱交換して吸熱される。圧縮空間９と膨張空間８の圧力差により、作動媒体は通路を通って両空間を往来する。このとき、膨張空間８内の作動媒体は、ディスプレーサ２の往復動を駆動力として動作する弾性体４により撹拌される。つまり、弾性体４は膨張空間８内の作動媒体を撹拌する撹拌部材としての機能を果たす。これにより、膨張空間８内での作動媒体の流れのよどみは減少され、低温側外部熱交換部６と外部との熱交換の効率を向上させることができる。
【００３３】
次に、従来技術（図３）と本発明（図１）を比較して各部品の構造について説明する。
【００３４】
ピストン１は従来技術（図３）においてはピストン１０１の軸中心をディスプレーサロッド１１３が貫通していたためにそれに対応する貫通孔を形成する必要があったが、本発明（図１）においては、ディスプレーサロッド１１３は不要であるため従来技術にある貫通孔も不要となる。したがって、断面が図１のような円筒状の部品となる。
【００３５】
従来技術（図３）では、ピストン１０１とディスプレーサ１０２とディスプレーサロッド１１３とシリンダ１０３のすべての同軸を高精度に取る必要があったが、本発明（図１）においては、ディスプレーサロッド１１３が必ずしも必要ではないため、ディスプレーサロッド１１３がない図１のような形状の場合、ピストン１とディスプレーサ２とシリンダ３すべての同軸を取る必要はなくなり、加工精度を落とすことができコスト低減ができる。ここで同軸を取る必要があるのは、ピストン１とシリンダ３の嵌合部分と、ディスプレーサ２とシリンダ３の嵌合部分のそれぞれである。
【００３６】
ディスプレーサロッドを廃止すると、圧縮空間内でディスプレーサロッドが占めていた体積だけ圧縮空間の体積が増えることになる。ディスプレーサの駆動力は、ディスプレーサの２つの端面に働く（圧縮空間と膨張空間の）圧力差によって生まれる。よって、ディスプレーサロッドを廃止してもディスプレーサの駆動力を従来技術と同様に得るためには、圧縮空間の体積の増分をキャンセルする必要がある。
【００３７】
そこで本発明では、図１に示すように、ディスプレーサ２を、圧縮空間９側の小径円柱部２ａと膨張空間８側の大径円柱部２ｂとが段差２ｃを有して同軸に連結された異径円柱形状とするとともに、シリンダ３内部を、小径円柱部２ａに対応した小径空洞部３ａと大径円柱部２ｂに対応した大径空洞部３ｂとが段差３ｃを有して同軸に連結された異径空洞形状としている。
【００３８】
これにより、ディスプレーサ２の２つの端面の面積が圧縮空間９側で小さく、膨張空間８側で大きくなり、それに合わせてシリンダ３内部の空洞の断面積が圧縮空間９で小さく、膨張空間８で大きくなり、ディスプレーサロッドを廃止したことによる圧縮空間の体積の増分をキャンセルすることが可能となる。よって、ディスプレーサの駆動力を従来技術と同様に得ることができる。さらに、ディスプレーサ２が直径の異なる２つの円柱の同軸を合わせたような形状であり、同軸を取るべき上記２つの円柱のどちらかとそれが嵌るシリンダの軸方向の長さが大幅に減少するために同軸精度の要求される長さが減少しコストの低減となる。
【００３９】
また本発明では、図１に示すように、ディスプレーサ２の直線往復運動による最大振幅時にディスプレーサ２とシリンダ３の衝突が生じないだけの上記直線往復運動軸方向の間隙１３が最低限必要である。つまり、ディスプレーサ２の段差２ｃとシリンダ３の段差３ｃとの間に、ディスプレーサ２の往復動の中立位置を基準としてスターリング機関２０の動作時のディスプレーサ２の片側最大振幅（ストロークの１／２）より大きい距離が必要ということである。なお、フリーピストン型スターリング機関におけるディスプレーサ２の片側最大振幅は、ディスプレーサ２の底面に加わる力の差の最大値、つまり、ディスプレーサ２の駆動力の最大値と、ディスプレーサ２の重量と、弾性体４のバネ定数と、主に再生器１１による減衰力と、スターリング機関２０の駆動周波数（角振動数）による共振系によって決まる。また、ディスプレーサ２とシリンダ３の円筒面のクリアランスは膨張空間８から圧縮空間９の間での作動媒体の行き来によるスターリングサイクルの性能の低下が十分無視できる程度に狭くなっているため、間隙１３の空間の圧力は準密閉状態となっている。したがって、間隙１３の空間はディスプレーサ２の変位に対してバネの役割も果たす。
【００４０】
なお、図２の変形例に示すように、間隙１３の空間と背圧空間１０を貫通孔１５を介して連通させる構造としてもよい。但しこの場合、間隙１３の圧力は背圧空間１０の圧力と同等、すなわちスターリング機関２０の動作時においてほぼ動作圧力の平均圧力となり、間隙１３の空間にある作動媒体による弾性体としての効果は生じない。
【００４１】
弾性体４は、ディスプレーサ２の共振系におけるバネの役割を果たしている。したがって、ディスプレーサ２の重量と駆動周波数（角振動数）とで決まるバネ定数にしなければならない。本発明においては、間隙１３の空間によるバネの効果があるので、そのバネ定数に弾性体４のバネ定数を足し合わせたものが上記共振系のバネ定数となる。逆に言えば、上記共振系のバネ定数となるように、間隙１３の空間によるバネ定数と弾性体４によるバネ定数を振り分けるような設計にする必要があるということである。ここで、従来技術（図３）での弾性体１０４はディスプレーサ１０２の共振系におけるバネの役割をすべて担っていたが、本発明における弾性体４は間隙１３の空間によるバネの効果があるので、その分、バネ定数を低下させることができる。このことは、所定の変位が必要という制限の上で同じ大きさの弾性体を設計する場合、破断に対する信頼性が向上するというメリットも生じる。一方、図２の変形例に示すように、間隙１３の空間と背圧空間１０を導通させた場合は従来技術（図３）と同様に弾性体４はディスプレーサ２の共振系におけるバネの役割をすべて担うことになる。
【００４２】
また、弾性体４は膨張空間８内の作動媒体を撹拌する撹拌部材としての機能も果たしているため、撹拌効果が大きくなるような形状が望ましい。具体例を図４に示す。弾性体４のスターリング機関における配置例の設置部近辺の断面図を図５に示す。図４のような平板の弾性体（板バネ）を用いる場合、弾性体４は弾性体周辺部の複数の固定孔１７で低温側外部熱交換部６に固定され、ディスプレーサ２は弾性体中央部の支持孔１６で弾性体２に支持される。図５において、ディスプレーサ２は紙面左右方向に直線往復運動するため、それに対応して弾性体４も紙面左右方向に変形する。この変形により弾性体４が設置されている膨張空間８内の作動媒体を攪拌する。また、図５のように、弾性体４を低温側外部熱交換部６に固定する場合、弾性体４が膨張空間８中の作動媒体からの冷熱を熱伝達により低温側外部熱交換部６に伝えることにより、冷却性能が向上する。
【００４３】
なお、図１や図２において、弾性体５は、ピストン１の駆動状態における振幅の中心位置を静止状態の中立位置に保持するためのものである。フリーピストン型スターリング機関でのピストン１の共振系におけるバネはほとんどが作動媒体によるものであるため、弾性体５のバネ定数はあまり厳しく制限されない。上記保持が可能な程度のバネ定数であればよい。形状についてもバネ定数による制約を考える必要はない。
【００４４】
なお、計算機による流体解析によって、本発明の効果を従来技術と比較して確認した。本発明と従来技術の評価形状を図６、図７にそれぞれ示す。出来るだけ計算を簡略にするために、２次元軸対称モデルとした。図６、図７に示す対称軸Ａに対して図面に表された形状を１回転したものが実質計算したモデルである。従来技術（図７）の評価形状は、本発明の評価形状（図６）から弾性体４を取り除いた形状である。
【００４５】
図６および図７において、ディスプレーサ２の左端面およびディスプレーサ１０２の左端面は、一定の周波数（角振動数）で図面左右方向に一定の振幅で振動している。ディスプレーサ２およびディスプレーサ１０２の動作に応じて膨張空間８および膨張空間１０８の容積は常に変化しているがその変化による作動媒体の移動は図６および図７中、作動媒体流入流出部で行われている。さらに、実際のスターリング機関と同様に、ピストン１（ピストン１０１）およびディスプレーサ２（ディスプレーサ１０２）の位相差をもって、作動媒体流入流出部で圧力を規定している。つまり、作動媒体流入流出部では、ピストン１（ピストン１０１）による圧力変化をしながら作動媒体が流入および流出をしているということである。また、本発明においては、弾性体４はディスプレーサ２を弾性支持するものであるため、ディスプレーサ２の振幅と弾性体４の形状により決まる所定の振幅をもってディスプレーサ２と同一の周波数（角振動数）で振動するように設定している。
【００４６】
計算結果を図８、図９に示す。図８は、本発明および従来技術の膨張空間における作動媒体の乱流エネルギーの平均値のスターリングサイクルの１サイクルの変化である。従来技術に比べ、本発明では１サイクル全体に渡って乱流エネルギーの平均値が大きい値を示しており、弾性体４による攪拌効果により乱流が生じ、作動媒体がよりかき混ぜられていることが分かる。
【００４７】
図９は、本発明（図６）および従来技術（図７）の膨張空間における作動媒体の温度の標準偏差の逆スターリングサイクルの１サイクルの変化である。つまり、各時刻における膨張空間の温度のばらつきの度合いを１サイクルを通して計算したものである。観測点の数は、上記膨張空間内の領域を十分細かく区切ったメッシュの数（約５，０００）として計算している。なお、この数は十分正確な結果が得られる分割数であることが重要であってその数は対称とする形状によって変わる。従来技術に比べ、本発明では弾性体４による攪拌効果により１サイクルを通して作動媒体の温度のばらつきが小さくなっていることが分かる。
【００４８】
以上、本発明のスターリング機関の実施の形態を、冷熱を得るための冷凍機を例にして説明してきたが、この技術は冷凍機に限るものではなく、動力を得るための発動機にも応用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、スターリングサイクル装置全般に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明のスターリング機関の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明のスターリング機関の構成を模式的に示した断面図である。
【図３】従来技術のスターリング機関の構成を模式的に示した断面図である。
【図４】フリーピストン型スターリング機関でのディスプレーサ側の弾性体の具体例である平板の弾性体を示す平面図である。
【図５】本発明においてディスプレーサ側の弾性体に平板の弾性体を用いた場合の、弾性体近辺の構成を示す具体的なスターリング機関の断面図である。
【図６】流体解析における本発明の評価形状を示す、スターリング機関の膨張空間近辺の断面図である。
【図７】流体解析における従来技術の評価形状を示す、スターリング機関の膨張空間近辺の断面図である。
【図８】本発明および従来技術の膨張空間における作動媒体の乱流エネルギーの平均値のスターリングサイクルの１サイクルの変化を示すグラフである。
【図９】本発明および従来技術の膨張空間における作動媒体の温度の標準偏差のスターリングサイクルの１サイクルの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１  ピストン
２  ディスプレーサ
３  シリンダ
４  弾性体（撹拌部材）
５  弾性体
６  低温側外部熱交換部
７  高温側外部熱交幹部
８  膨張空間
９  圧縮空間
１０  背圧空間
１１  再生器
１２  ケーシング
１３  間隙
１４  通路
１５  通気孔
１６  ディスプレーサを支持する支持孔
１７  低温側外部熱交換部へ固定される固定孔
２０  スターリング機関
１０１  ピストン
１０２  ディスプレーサ
１０３  シリンダ
１０４  弾性体
１０５  弾性体
１０６  低温側外部熱交換部
１０７  高温側外部熱交幹部
１０８  膨張空間
１０９  圧縮空間
１１０  背圧空間
１１１  再生器
１１２  ケーシング
１１３  ディスプレーサロッド
１２０  スターリング機関
【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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