JP2000045868A

JP2000045868A - スターリングエンジン

Info

Publication number: JP2000045868A
Application number: JP10212069A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyuki Okano; 哲之岡野; Kazuhiko Ueda; 和彦上田; Shigemi Asai; 重美浅井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】シリンダとピストン、ディスプレーサ間摺動
部の摩擦による摩耗粉の発生を低減させ、信頼性の高い
構造を提供する。【解決手段】シリンダ或いは、ピストン、ディスプレ
ーサの少なくとも一方にセラミックコーティングを施
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリングエン
ジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】摺動部の摩擦は機械損失や摩耗粉の発生
につながるため、エンジンの性能や信頼性に大きく影響
していた。そのため、従来からエンジン内の摺動部にお
いて低摩擦が要求されている。

【０００３】例えば、特開平４―２６３７５０号公報に
おいては、摺動面であるシリンダとピストン、ディスプ
レーサをＰ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．（ＰｏｌｙＴｅｔｒａＦ
ｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ）樹脂により形成する、
或いは、各々の表面にＰ．Ｔ．Ｆ．Ｅ樹脂をコーティン
グして形成することにより摺動面の低摩擦化が図られて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スター
リングエンジンの摺動部においては、上記先行技術のよ
うにＰ．Ｔ．Ｆ．Ｅ．（ＰｏｌｙＴｅｔｒａＦｌｕ
ｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ）樹脂により形成する、或い
は、表面にＰ．Ｔ．Ｆ．Ｅ樹脂をコーティングされたピ
ストン、ディスプレーサがシリンダ内を高速で往復運動
しており、摺動部の温度上昇に伴い樹脂材料の硬さが低
下し、摩耗が激しく生じている。また、摩耗粉により、
摺動部の表面コーティング膜を剥離させる或いは摩耗粉
が摺動部に詰まり摩擦抵抗が増大するといった問題があ
った。

【０００５】更に、シリンダとピストン、ディスプレー
サ間摺動部に気体軸受を設けて摺動部の低摩擦化を図っ
ているスターリングエンジン構造の場合、ガスを噴出す
る小孔の径はガスの流量損失を低減させるために大変小
さく、摩擦により発生した摩耗粉が凝集して小孔に詰ま
るという問題が生じていた。

【０００６】そこで、本発明は、シリンダやピストン、
ディスプレーサ部品を低摩耗で運転することを可能と
し、摺動部での摩耗粉によるエンジン性能の低下や、信
頼性の低下を抑制することを目的としており、従来の製
造工程から大幅な変更をする必要がなく、更に一定時間
運転後の摺動部品に対して、回収して再利用するという
リサイクルが可能であることを特徴とするスターリング
エンジンを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
させるためになされたものであって、請求項１記載の発
明は、シリンダ内を同軸で往復運動するピストンとディ
スプレーサとを有し、前記ピストンおよびディスプレー
サの内部には前記ピストンの往復運動により圧縮された
ガスを蓄える加圧室が各々形成され、前記各々の加圧室
内のガスを前記ピストンおよびディスプレーサと前記シ
リンダとの間の摺動部に供給するスターリングエンジン
において、前記シリンダ或いは、前記ピストンおよびデ
ィスプレーサの少なくともいずれかの面に無機材料をコ
ーティングすることを特徴とするスターリングエンジン
である。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、前記無機材
料は、ＤＬＣ（ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏ
ｎ）、或いは、窒素化合物を主成分とすることを特徴と
する請求項１記載のスターリングエンジンである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図をもとに本発明について
説明する。なお、これによって本発明は限定されるもの
ではない。

【００１０】図１は本発明のスターリングエンジンの構
造図である。図１において、圧力容器１７内に冷媒とし
て高圧のヘリウムガスを封入しており、シリンダ１内を
ピストン４とディスプレーサ２が往復運動している。こ
のシリンダ１とピストン４により形成される作動空間１
６は、ディスプレーサ２により２つの空間に分割されて
おり、１つはピストン４とディスプレーサ２とに挟まれ
た圧縮空間１６ａであり、もう１つはシリンダ１先端部
の膨張空間１６ｂである。この２つの空間は再生器１５
を介して連結されている。

【００１１】また、ピストン４はピストンスプリング９
に支持され、リニア駆動により所定の周波数でシリンダ
１内を往復運動しており、ディスプレーサ２とディスプ
レーサロッド３はディスプレーサスプリング１０の共振
効果により往復運動をしている。

【００１２】また、圧縮空間１６ａのガスは、一方向弁
（７、８）を通って、ピストン４、ディスプレーサ２内
部の高い圧力状態が維持されている加圧室（１１、１
２）に流入する。この加圧室に蓄えられたガスは、小孔
（１３、１４）を通ってピストン４、ディスプレーサ２
とシリンダ１間摺動部に噴出することにより、摺動部に
気体膜を形成するという気体軸受効果によりピストン４
とディスプレーサ２は低摩擦で運転されている。

【００１３】しかしながら、この構造での気体軸受効果
は、加圧室（１１、１２）内にピストン４、ディスプレ
ーサ２をシリンダ１から浮上させるのに十分な圧力が蓄
えられている時に効果を発揮し、運転開始直後や運転停
止時のように加圧室（１１、１２）内のガス圧がピスト
ン４、ディスプレーサ２を浮上させるのに十分蓄えられ
ていない場合には、シリンダ１とピストン４、ディスプ
レーサ２は接触し、摩擦が生じて摩耗粉を発生する原因
となる。

【００１４】特に、エンジンは必要に応じて運転と停止
を繰返し、シリンダ１とピストン４、ディスプレーサ２
は接触して運転する場合が存在し、摩耗粉を発生する。
この摩耗粉がシリンダ１とピストン４、ディスプレーサ
２間摺動部に食い込んだ際には、摩擦抵抗が増大する。
更に、摩耗粉が気体軸受効果を生み出す加圧室（１１、
１２）からシリンダ１とピストン４、ディスプレーサ２
の摺動部にガスを噴出する小孔（１３、１４）に詰まっ
た場合、小孔（１３、１４）からのガスの噴出量は大き
く減少し、ピストン４、ディスプレーサ２の浮上効果は
低減する。そのため摩擦抵抗が増大し、エンジン性能の
低下につながる。

【００１５】また、一定時間運転後のリサイクルを考え
た場合、摺動部品には摩耗が生じていないのが望まし
い。初期からの形状の変化、摺動部の傷が少ない部品
は、回収して、洗浄後、新たなエンジンにその部品を組
込むことが可能であるからである。

【００１６】そこで、図１に示すように、本発明は、ピ
ストン４とディスプレーサ２にセラミックコーティング
（５、６）を施し、更に、シリンダ１とピストン４、デ
ィスプレーサ２間に気体軸受効果を適用することにより
摩耗を低減させ、高信頼性を保つ。

【００１７】ここでは、エンジン構造のシリンダ１材料
にはＡｌをアルマイト処理した材料を用い、ピストン
４、ディスプレーサ２はＡｌを母材にして表面にＣＶＤ
法によりＤＬＣを１μmコーティングした。

【００１８】この表面コーティング方法は、各種の方法
が存在するが、今回の場合、ピストン４やディスプレー
サ２のように曲率を有する部材に対して容易にコーティ
ングが可能であるＣＶＤ法によりコーティングを形成し
た。

【００１９】また、ピストン４、ディスプレーサ２の母
材にＡｌを選択した理由は、気体軸受効果を用いて摺動
部品をシリンダから浮上させるためには摺動部材料が軽
い材質の方が良いと考えるためである。

【００２０】以上のような材料で構成したエンジンに対
して摺動部の摩耗評価をするため、加速試験（起動、停
止試験）を実施し、摺動部のピストン４、ディスプレー
サ２に樹脂コーティングを施した場合とセラミックコー
ティングを施した時の比較を実施した。

【００２１】その結果、樹脂コーティングを施した場
合、信頼性試験時のＣＯＰ（成績係数：Ｃｏｅｆｆｉｃ
ｉｅｎｔＯｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）値の経時変
化は低下傾向を示した。これは、エンジンの起動、停止
時に、ピストン４とディスプレーサ２に施した樹脂コー
ティングから５μm程度の摩耗粉が発生し、それらが凝
集して大きくなり、ピストン４、ディスプレーサ２に設
けた径１００μmの小孔（１３、１４）に詰まっている
ことが確認された。そのため、小孔（１３、１４）から
のガスの噴出量が極端に減少し、気体軸受効果が低減し
て、シリンダ１とピストン４、ディスプレーサ２間摺動
部の摩擦力が増加し、ＣＯＰ値が低減したと考えられ
る。

【００２２】これに対して、ピストン４とディスプレー
サ２にセラミックコーティング（５、６）を施した場合
にはＣＯＰ値の目立った経時変化は確認されなく、目立
った摩耗粉の発生は確認されなかった。

【００２３】更に、エンジンを分解して摺動部分の表面
性状の確認を行ったところ、セラミックコーティングを
施したサンプルのシリンダ１とピストン４、ディスプレ
ーサ２の摩耗や傷は初期状態と比較して顕著な変化がな
く、摺動部に気体軸受効果を適用し、更にセラミックコ
ーティングを施すことにより、樹脂コーティングでは得
られなかった耐摩耗性や高信頼性が得られた。

【００２４】ここで、セラミックコーティング（５、
６）材は、耐摩耗性や摺動性が良好で、しかもシリンダ
１或いは、ピストン４、ディスプレーサ２にコーティン
グできる材料であれば良く、格別限定されるものではな
いが、例えば表１に示すようにＤＬＣ、或いはＣｒＮに
代表される窒素化合物が良好な材料である。

【００２５】これは、ＤＬＣ、ＣｒＮはセラミックコー
ティング材の中でも２００℃程度と比較的低温で母材と
高い密着力を得ることが可能であり、Ａｌのように低融
点金属においては（純Ａｌの融点：６６０℃）、コーテ
ィング形成時の温度が低い方が母材に及ぼす影響が小さ
いために適している為である。

【００２６】なお、この表１中の総合評価は、表中に記
載の耐摩耗性やコーティングの形成温度のみならず摩擦
係数の値なども考慮に入れて評価したものである。

【００２７】

【表１】

【００２８】また、摺動部分にセラミックコーティング
を形成する構造は、上述の摺動部品に限るものではな
い。例えば、気体軸受効果を配していないピストン４と
ディスプレーサロッド３との摺動部部にセラミックコー
ティングを施しても、摩耗低減の効果が得られ、ゴミが
低減し、摺動部の信頼性の向上が図れる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、シリンダ或いは、ピス
トン、ディスプレーサに無機材料にてコーティングする
ことにより、エンジン運転中の摺動部品の摩擦による摩
耗を低減させることが可能であり、摩耗粉の発生を抑
え、信頼性の向上につながる。更に、一定時間運転後の
リサイクルに関しても、初期からの摺動面性状の変化が
少なく、新たなエンジンに運転後の摺動部品を搭載する
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスターリングエンジンの構造図であ
る。

【符号の説明】

１シリンダ２ディスプレーサ３ディスプレーサロッド４ピストン５、６セラミックコーティング７、８一方向弁１１、１２加圧室１３、１４小孔１６ａ圧縮空間１７圧力容器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内を同軸で往復運動するピスト
ンとディスプレーサとを有し、前記ピストンおよびディ
スプレーサの内部には前記ピストンの往復運動により圧
縮されたガスを蓄える加圧室が各々形成され、前記各々
の加圧室内のガスを前記ピストンおよびディスプレーサ
と前記シリンダとの間の摺動部に供給するスターリング
エンジンにおいて、前記シリンダ或いは、前記ピストンおよびディスプレー
サの少なくともいずれかの面に無機材料をコーティング
することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】前記無機材料は、ＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎ
ｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ）、或いは、窒素化合物を
主成分とすることを特徴とする請求項１記載のスターリ
ングエンジン。