JP2000039222A - スターリングエンジン - Google Patents
スターリングエンジンInfo
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- JP2000039222A JP2000039222A JP10207270A JP20727098A JP2000039222A JP 2000039222 A JP2000039222 A JP 2000039222A JP 10207270 A JP10207270 A JP 10207270A JP 20727098 A JP20727098 A JP 20727098A JP 2000039222 A JP2000039222 A JP 2000039222A
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-
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
- Actuator (AREA)
Abstract
しない信頼性の高いスターリングエンジンを提供する。 【解決手段】 ピストン1に第1の穴部10を、シリン
ダー3の壁面に第2の穴部11を設ける。作動空間7と
背面空間8とを結ぶ微小流路を形成する。穴部10,1
1は、ピストン1が予め設定された振幅中心位置に位置
したときに結合して、作動空間7と背面空間8とを結ぶ
微小流路を形成する。これにより、作動空間7と背面空
間8との作動媒体圧力差を是正する。
Description
られるスターリングエンジンに関し、特に、ピストン位
置を精密に保持できるスターリングエンジンに関する。
型スターリングエンジンは、熱サイクル的には逆スター
リングサイクルエンジンとも呼ばれている。図6に示す
ように、一般的には、直線往復運動するピストン1とデ
ィスプレーサ2を含むシリンダー3を有する。ピストン
1及びディスプレーサ2は同軸上に構成されており、デ
ィスプレーサに形成されたロッド2−aはピストン中心
部に設けた摺動穴1−aを貫通し、ピストン1、ディス
プレーサ2はシリンダー内周摺動面3−aを滑らかに摺
動可能である。またピストン1はピストン支持バネ5、
ディスプレーサ2はディスプレーサ支持バネ6によって
シリンダー底面3−bに対して弾性支持されている。
トン1によって2つの空間に分割される。一つはピスト
ン1のディスプレーサ2側である作動空間7であり、も
う一つはピストン1のディスプレーサ2側と反対側であ
る背面空間8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。ピストンはリニ
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
で往復動される。これにより作動媒体は作動空間内で圧
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。この時ピストン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。
よってさらに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(第1の
作動空間)7−aであり、もう一つはシリンダー先端部
の膨張空間(第2の作動空間)7−bである。この2つ
の空間は再生器9を介して連結され、再生器9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。膨張空
間7−bにおける作動媒体により、シリンダー先端のコ
ールドヘッドにおいて冷熱の発生がなされる。この冷熱
の発生原理等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。
1−bとの間には、作動空間7−aと背面空間8とを遮
断する図示しないシール手段が設けられる。シール手段
は一般に、単純な構成で安価なシールリングが用いられ
る。しかし、熱膨張の影響や、長期間の運転によるシー
ルリングの摩耗などから完全に遮断することはできず、
シリンダー摺動面3−aとピストン摺動面1−bとの間
には微小な隙間が生じる。エンジン駆動時にはピストン
1の往復動により、作動空間7−a、背面空間8ともに
作動媒体の圧力変動が生じるため、両空間の圧力差によ
り作動媒体は前記微小隙間を通って両空間間を流れる。
したがって、作動空間7−aの圧力が背面空間8の圧力
より高い場合は、作動空間7−aから背面空間8に向か
って作動媒体が漏れることになる。また逆に、背面空間
8の圧力が作動空間7−aの圧力より高い場合は、背面
空間8から作動空間7−aに向かって作動媒体が流れ
る。
トン摺動面1−bとの間に生じる微小隙間は常に一定の
隙間量ではなく、摺動部の表面状態やシールリングの接
触状態、摩耗状態等により変化するため、作動空間7−
aからみた背面空間8への作動媒体の流出量、流入量が
全く同量であることはない。このためエンジンを連続駆
動し、仮に作動空間7−aから背面空間8へ少しずつ作
動媒体が漏れていった場合、ピストン振幅の中心位置は
圧力が低下した作動空間7−a側に徐々に移動する。そ
の結果、作動空間内の作動媒体圧力低下に伴う冷却特性
の低下が生じたり、ピストンの振幅中心が初期位置から
ずれることによりピストン1とディスプレーサ2が衝突
を起こしたりするなどの問題を生じる。
数を大きくしてピストン1の支持力を増す方法が考えら
れるが、作動空間7−a内からの作動媒体の漏洩には効
果がないのに加え、ピストン駆動手段の必要駆動力の増
加は入力電力の増加となり、結果、冷却効率が落ちると
いう別の問題が生じる。
の圧力バランスを保ちピストン振幅の中心位置の変動を
抑える方法が、米国特許USP4,583,364号,
米国特許USP5,461,859号に開示されてい
る。
号に記載のスターリングエンジンの構成を示す図であ
る。ここでは、固定されたセンターポスト13内部に圧
縮空間7−a連結された作動媒体流路13−aと、該セ
ンターポスト13に沿って往復動するピストン1内部に
背面空間8と連結された作動媒体流路10が設けられて
おり、ピストン1が設定された振幅中心位置にある場
合、作動空間7−aと背面空間8は該流路によって結ば
れるようにされている。ピストン1がこの中心位置を通
過するごとに、作動空間7−aと背面空間8との間で、
作動媒体圧力が高い側から低い側へが作動媒体が流れる
ため両空間の圧力差が是正され、ピストンの振幅中心位
置が保持される。
号に記載のスターリングエンジンの構成を示す図であ
る。ここでは、作動空間7−aと背面空間8とを結ぶ流
路に、背面空間側から作動空間側の一方向のみ作動媒体
を流す弁構造14が設けられている。
置を当初の設定位置に保つために、ピストンが設定され
た中心位置で作動空間と背面空間とを微小流路で結ぶ手
法が有効であることは上に述べた。ところが、この微小
流路をピストン及びシリンダーに形成することは非常に
困難である。
364号に開示されたものでは、センターポール13内
に微小流路の一部15が形成される。この微小流路形状
はコ字型であり、センターポール内部に形成されたセン
ターポール中心軸との平行部15−aは単純な穴加工で
形成することはできない。加工方法の一例としては、セ
ンターポール端面から穴加工した後、穴端部を塞ぐ方法
があるが、作動媒体が漏れないように穴端部を確実にシ
ールする工程が必要であり、微小流路形成時のコストア
ップに繋がるばかりでなく、長期間のエンジン運転時に
前記シール部から作動媒体が漏れるようになる危険性が
あり信頼性にも問題がある。
61,859号に開示されたものは、ピストン1が摺動
するシリンダー内周壁面3−aに微小流路の一部3−c
が形成されている。ピストン形状は一般に円筒型であ
り、円筒中心軸に対して同心円形状である。シリンダー
内周壁面形状はピストンが摺動可能となるようにピスト
ン外径寸法に微小なクリアランスを設けた形状であり、
基本的にピストンと同形状である。シリンダー外形状に
ついてもピストンと同様に円筒型が一般であり、旋盤加
工によりシリンダー内周壁面3−aは寸法精度良く仕上
げられる。したがって、シリンダー内周壁面3−aへの
流路加工は、中心軸X回りへの加工は比較的容易である
が、中心軸と平行方向へピストン長さを超える長さの微
小流路加工は非常に困難であり大きなコストアップに繋
がるという問題点がある。
れたもであって、容易な加工で安価に微小流路を形成し
た上で、ピストンの振幅中心位置が変動しない信頼性の
高いスターリングエンジンを提供することを目的とす
る。
リングエンジンは、シリンダーの内側を往復運動するピ
ストンと、前記シリンダーの内側において前記ピストン
に対向し、前記ピストンの動きによって圧縮,膨張する
作動媒体の働きにより駆動されるディスプレーサと、を
備え、前記ディスプレーサーと前記ピストンとの間に第
1の作動空間を、前記ディスプレーサーの前記ピストン
との対向側とは反対側に第2の作動空間を、前記ピスト
ンの前記ディスプレーサーとの対向側とは反対側に背面
空間を有するように密閉して形成されたフリーピストン
型のスターリングエンジンにおいて、前記背面空間は、
前記ピストンの往復運動の方向に垂直な方向において、
前記シリンダーの側壁の少なくとも一部と隣接する部分
にまで延びて形成されており、前記ピストンに設けられ
第1の作動空間と結ばれる第1の流路と、前記シリンダ
ーの側壁を貫通して前記シリンダーに隣接する部分の前
記背面空間と結ばれる第2の流路とを有し、前記ピスト
ンがその往復運動の中立位置にあるときに、第1の流路
と第2の流路とが結合して第1の作動空間と前記背面空
間とを結ぶよう形成されてなるものである。
は、請求項1に記載のスターリングエンジンにおいて、
第2の流路は、少なくとも第1の流路と結合する側の開
口部が前記ピストンの往復運動の方向に対して傾いて形
成されてなるものである。
は、請求項1に記載のスターリングエンジンにおいて、
第1の流路は、少なくとも第2の流路と結合する部分が
前記ピストンの往復運動の方向に対して傾いて形成され
てなるものである。
は、シリンダーの内側を往復運動するピストンと、前記
シリンダーの内側において前記ピストンに対向し、前記
ピストンの動きによって圧縮,膨張する作動媒体の働き
により駆動されるディスプレーサと、を備え、前記ディ
スプレーサーと前記ピストンとの間に第1の作動空間
を、前記ディスプレーサーの前記ピストンとの対向側と
は反対側に第2の作動空間を、前記ピストンの前記ディ
スプレーサーとの対向側とは反対側に背面空間を有する
ように密閉して形成されたフリーピストン型のスターリ
ングエンジンにおいて、前記シリンダーは、前記ピスト
ンの摺動面の長さが前記ピストンの長さよりも短く形成
されており、前記ピストンは、前記ピストンが往復運動
の中立位置にあるときに第1の作動空間と背面空間とを
結び、前記摺動面よりも長く形成された溝部を有してな
るものである。
基づいて説明する。
ターリングエンジンの一構成例を示す断面構成図であ
る。図1に示すように、ピストン1とディスプレーサ2
はシリンダー3の内周壁面3−aを往復摺動可能に配さ
れている。該シリンダー3は密閉された圧力容器4に固
定されている。ピストン1及びディスプレーサ2は同軸
上に構成されており、ディスプレーサ2に形成されたロ
ッド2−aはシリンダー中心部に設けた摺動穴1−aを
貫通し、それぞれはシリンダー内周摺動面3−aを滑ら
かに摺動可能である。また、ピストン1はピストン支持
バネ5、ディスプレーサ2はディスプレーサ支持バネ6
によって圧力容器4に対して弾性支持されており、該ピ
ストン支持バネ5が変形していない状態において、ピス
トン1はある設定された振幅中心位置に位置決めされ
る。
る空間はピストン1によって2つの空間に分割される。
一つはピストン1のディスプレーサ2側である作動空間
7であり、もう一つはピストン1のディスプレーサ2側
と反対側である背面空間8である。作動空間7はディス
プレーサ2でさらに2つの空間に分割されており、一つ
はピストン1とディスプレーサ2とに挟まれた圧縮空間
7−aであり、もう一つはシリンダー先端部の膨張空間
7−bである。この2つの空間は再生器9を介して連結
されている。背面空間8はシリンダー3のピストン1が
挿入された側を取囲むように形成されている。つまり、
背面空間8はシリンダー3の内周摺動面3−aに隣接す
る位置まで延びて形成されている。なお、これらの空間
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。
アモータ等のピストン駆動体(図示せず)により所定周
期で往復動される。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。この時ピストン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
動するようディスプレーサ支持バネ6のバネ定数等は設
定されている。また、シリンダー内周摺動面3−aとピ
ストン摺動面1−bとの間には、圧縮空間7−aと背面
空間8とを遮断するシール手段(図示せず)が設けられ
る。
た振幅中心位置にある場合におけるその主要部を示す図
である。ピストン1には、作動空間側端面1−cとシリ
ンダー側摺動面1−bとを結ぶ微小な第1の穴部(第1
の流路)10が形成されている。この第1の穴部は、例
えば作動空間側端面1−cとシリンダー側摺動面1−b
からのドリル加工のみで形成可能であり、加工後に穴端
部をシールするなどの工程は不要である。
穴部10−aに対向するシリンダー内周壁面位置には、
シリンダー壁面3を貫通し背面空間8と結ばれた第2の
穴部11(第2の流路)が形成されている。この第2の
穴部11も、シリンダー壁3を貫通する穴をシリンダー
外側からのドリル加工のみで形成可能であり非常に形成
は容易である。
第2の穴部11の他の例を示す図である。ここでは、ピ
ストン1の内部に形成され作動空間側端面1−cとシリ
ンダー側摺動面1−bとを結ぶ微小流路が、ピストン中
心軸Xに対して傾きを持つ一本の穴10−bにより形成
されている。
いて、ピストン1に形成された第1の穴部のシリンダー
側開口部10−aと、シリンダー2設けられた第2の穴
部のピストン側開口部11とは、ピストン1が所定の振
幅中心位置にある時、互い対向し合う位置に配される必
要がある。これは、作動空間7−aと背面空間8との間
で作動媒体の流れをスムーズに行うためである。
動されており、ピストン1が所定の振幅中立位置にあっ
て前記作動媒体が微小流路を流れることが可能な時間は
非常に短時間である。そのため、第1の穴部開口部10
−aと第2の穴部11の開口部との位置が僅かでもずれ
ていると、作動媒体の流れはスムーズにいかず作動空間
と背面空間との間の作動媒体圧力調整が十分にできず、
ピストン振幅中心位置を所定位置に保つことができなく
なる。前述のようにピストン1は、ピストン支持バネ5
を介して圧力容器4に弾性支持されている。このため、
ピストン1をピストン支持バネ5に固定する際の取付け
誤差や、ピストン支持バネ5が変形する際に直線的に変
形せずピストンが僅かに回転して往復動されるなどの問
題により、第1の穴部開口部10−aと第2の穴部11
の開口部との位置を精度良く合わせることは非常に困難
である。
のである。この図は、背面空間8側から見たシリンダー
2及びシリンダー1内に収められたピストン1を示して
いる。ここで、ピストン1は所定の振幅中心位置に位置
している。図3において、シリンダー2に設けられた第
2の穴部11は、少なくともそのピストン内側の開口部
11−aがピストンの往復運動方向Xに対して傾き(図
3では90度)を持つように、背面空間8に連通してい
る。
の穴部11は、少なくともその開口部11−aがピスト
ンの往復運動方向Xに対して傾きを持つ形状であり、こ
こでは往復運動方向Xに対して約90度傾いている。こ
のため、ピストンが振幅の中心位置にあるとき、ピスト
ン1に設けられた第1の穴部10の開口部10−aの位
置が上記した理由により多少回転したとしても、第2の
穴部の開口部11−aが第1の穴部の開口部10−aの
位置ずれを吸収できる溝形状であるため、第1の穴部開
口部10−aと第2の穴部開口部11−aの位置は必ず
対向する。
ば溝部)11−aが、ピストン往復運動方向Xに対して
傾斜している構成であり、ピストン1が所定の振幅中心
位置にあるときのみピストン1に設けられた第1の穴部
10と流路を形成し、ピストン1が所定の振幅中心位置
以外にある場合には流路が形成されない。これにより、
第1、第2の穴部を溝ではなく穴にて形成した場合と同
じ効果を得ることができ、作動空間と背面空間との間の
作動媒体圧力調整が確実に行うことができ、ピストン振
幅中心位置を所定位置に保つことが可能となる。
は、上記した第1の穴部10,第2の穴部11の他の例
を示すものであり、背面空間8側から見たシリンダー2
及び、シリンダー内に収められたピストン1を示してい
る。ここで、ピストン1は所定の振幅中心位置に位置し
ている。シリンダー3の壁面を貫通するように設けられ
背面空間8と結ばれた穴部11と、ピストン摺動面に設
けられ、前記穴部11の対向位置にピストン1の往復運
動方向に対して傾きを持つように作動空間と結ばれた溝
部とにより形成された微小流路構成を示している。
bにはピストンの往復運動方向Xに対して傾きを持つ溝
部10−cが形成されている。この溝部10−cは、ピ
ストン作動空間側端部1−cから設けられており溝部内
の作動媒体圧力は作動空間内圧力と等しい。ピストン摺
動部1−bへの溝加工は、例えば旋盤加工やエンドミル
によるフライス加工にて非常に容易に形成可能である。
また、加工後に穴端部をシールするなどの工程も不要で
ある。
往復動したとしても、このピストン1に設けられた傾斜
溝10−cとシリンダー壁面3を貫通して形成された穴
部11とは必ず対向し結合するため、作動空間と背面空
間との間の作動媒体圧力調整が確実に行うことができ、
ピストン振幅中心位置を所定位置に保つことが可能であ
る。
成された傾斜溝が、ピストンの往復運動方向Xの溝10
−dと、運動方向Xに対して傾きを持つ連続溝10−e
によって形成された状態を示す。
等に起因するピストン1の位置ずれを吸収して、常に振
幅中心位置を所定位置に保持できる。
よるスターリングエンジンの他の構成例を示す断面構成
図である。
側からディスプレーサ側まで同一内径ではなく、ディス
プレーサ2により2つの空間に分割された作動空間7の
うち、ピストン1とディスプレーサ2に挟まれた圧縮空
間部3−bの内径がピストン摺動部3−c内径より大き
く形成されている。また、振幅中心位置にあるピストン
1のピストン長さL1に対して、シリンダー3のピスト
ン摺動面長さL2はシリンダー前後方向ともに短くなる
よう形成されている。
復運動方向Xと平行な溝部10−fが形成されている。
この溝部長さL3は、前記シリンダーのピストン摺動面
長さL2より、その前後方向とも僅かに長く形成されて
いる。したがって、ピストン1が所定の振幅中心位置に
ある場合、ピストン摺動部に設けられた溝部10−fに
よって作動空間7−aと背面空間8との間は流路が形成
され、両空間の間で作動媒体の圧力調整が行われる。
で駆動されるピストン1が振幅中心位置を超えると、ピ
ストン摺動部の溝部端部10−gがシリンダーの内周摺
動面3−cによって隠されてしまい、作動空間7−aと
背面空間8との間の流路は形成されず作動媒体の流れは
生じない。
トン摺動面1−bのみにピストン往復運動方向Xと平行
な溝部10−fが形成されている。ピストン摺動部3−
cへの溝加工は、例えばエンドミルによるフライス加工
にて形成可能であり非常に容易で安価である。
ストンとシリンダー壁面に第1の流路,第2の流路を設
け、ピストンが予め設定された振幅中心位置に位置した
ときに、第1の流路と第2の流路が結合して作動空間と
背面空間とを結ぶ微小流路を形成する。
動媒体が流れ、両空間の作動媒体圧力差を是正し、ピス
トンの振幅中心位置ずれを防ぐことができる。
第1の流路,第2の流路は、形成が容易な穴や溝で構成
できるため、スターリングエンジンの製造を非常に安価
に微行える。
らないため、長期間の運転時にも信頼性の高いスターリ
ングエンジンを得ることができる。
ある。
である。
である。
示す図である。
す図である。
ある。
図である。
を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 シリンダーの内側を往復運動するピスト
ンと、前記シリンダーの内側において前記ピストンに対
向し、前記ピストンの動きによって圧縮,膨張する作動
媒体の働きにより駆動されるディスプレーサと、を備
え、前記ディスプレーサーと前記ピストンとの間に第1
の作動空間を、前記ディスプレーサーの前記ピストンと
の対向側とは反対側に第2の作動空間を、前記ピストン
の前記ディスプレーサーとの対向側とは反対側に背面空
間を有するように密閉して形成されたフリーピストン型
のスターリングエンジンにおいて、 前記背面空間は、前記ピストンの往復運動の方向に垂直
な方向において、前記シリンダーの側壁の少なくとも一
部と隣接する部分にまで延びて形成されており、 前記ピストンに設けられ第1の作動空間と結ばれる第1
の流路と、前記シリンダーの側壁を貫通して前記シリン
ダーに隣接する部分の前記背面空間と結ばれる第2の流
路とを有し、前記ピストンがその往復運動の中立位置に
あるときに、第1の流路と第2の流路とが結合して第1
の作動空間と前記背面空間とを結ぶよう形成されてなる
ことを特徴とするスターリングエンジン。 - 【請求項2】 請求項1に記載のスターリングエンジン
において、 第2の流路は、少なくとも第1の流路と結合する側の開
口部が前記ピストンの往復運動の方向に対して傾いて形
成されてなることを特徴とするスターリングエンジン。 - 【請求項3】 請求項1に記載のスターリングエンジン
において、 第1の流路は、少なくとも第2の流路と結合する部分が
前記ピストンの往復運動の方向に対して傾いて形成され
てなることを特徴とするスターリングエンジン。 - 【請求項4】 シリンダーの内側を往復運動するピスト
ンと、前記シリンダーの内側において前記ピストンに対
向し、前記ピストンの動きによって圧縮,膨張する作動
媒体の働きにより駆動されるディスプレーサと、を備
え、前記ディスプレーサーと前記ピストンとの間に第1
の作動空間を、前記ディスプレーサーの前記ピストンと
の対向側とは反対側に第2の作動空間を、前記ピストン
の前記ディスプレーサーとの対向側とは反対側に背面空
間を有するように密閉して形成されたフリーピストン型
のスターリングエンジンにおいて、 前記シリンダーは、ピストン摺動面の長さが前記ピスト
ンの長さよりも短く形成されており、 前記ピストンは、前記ピストンが往復運動の中立位置に
あるときに第1の作動空間と背面空間とを結ぶ、前記ピ
ストン摺動面よりも長く形成された溝部を有してなるこ
とを特徴とするスターリングエンジン。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20727098A JP3574568B2 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | スターリングエンジン |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20727098A JP3574568B2 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | スターリングエンジン |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000039222A true JP2000039222A (ja) | 2000-02-08 |
JP3574568B2 JP3574568B2 (ja) | 2004-10-06 |
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ID=16537024
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP20727098A Expired - Fee Related JP3574568B2 (ja) | 1998-07-23 | 1998-07-23 | スターリングエンジン |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3574568B2 (ja) |
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