JP2000274854A

JP2000274854A - スターリングサイクル機関

Info

Publication number: JP2000274854A
Application number: JP11084349A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Suzuki; 賢太郎鈴木; Hideto Urasawa; 秀人浦澤; Soji Suzuki; 壮志鈴木
Original assignee: Twinbird Corp
Current assignee: Twinbird Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】安価な構造でピストンの回転を防止し、振動
や騒音が少なく、効率の良いスターリングサイクル機関
を提供する。【解決手段】複数の平板形状の永久磁石20をピストン
15を囲むように配列させて磁石群18を構成する。永久磁
石20の側端面間に間隙22を形成する。磁石群18の外周に
電磁コイル19を巻装し、電磁コイル19に交流電流を流し
て交番磁界を発生させて磁石群18を軸方向に移動させ、
この力によってピストン15を軸方向に往復動させる。前
記間隙22により、電磁コイル19と永久磁石20とで合成さ
れる磁界の強さに粗密が生じる。このため永久磁石20は
円周方向に回転しようとせずに、磁界の強い位置におい
て軸方向にのみ往復運動するように力が働くので、ピス
トン15もまた軸方向の往復運動のみをする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却装置などに用
いられるスターリングサイクル機関に関し、特にそのピ
ストンの駆動機構に関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】従来この種のスターリ
ングサイクル機関として、例えば本出願人は特願平１１
−６７５１０号を出願している。この出願に係わるスタ
ーリングサイクル機関は、永久磁石と電磁コイルによっ
ていわゆるリニアモーターを構成し、このリニアモータ
ーによってピストンを軸方向に往復運動させるようにし
たものである。そして、圧縮室及び膨張室を形成するデ
ィスプレーサーが前記ピストンに従動して往復運動する
が、このディスプレーサーの振幅を制御するためのロッ
ド及びピストンには、渦巻状の板バネ等が連結されてい
る。

【０００３】しかしながらこれらのスターリングサイク
ル機関においては、上記バネの構造上の理由から駆動中
にピストンが軸を中心に回動してしまい、振動や騒音を
発生させるという問題があった。これは、ピストンの直
線往復運動に伴って渦巻状の板バネが変形する際、ピス
トンの軸方向を基準として、中央部と縁部の角度が僅か
に変化してしまうため、この角度の変化が繰り返される
ことでピストンを回転運動させる力が加わるためであ
る。そして、駆動力の一部がこの振動によって損失する
ため、エネルギー効率も低くなってしまっていた。

【０００４】本発明は以上の問題点を解決し、安価な構
造でピストンの回動を防止し、振動や騒音が少なく、効
率の良いスターリングサイクル機関を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のスターリングサ
イクル機関は、ピストンと、このピストンを軸方向に往
復駆動する駆動機構と、前記ピストンの往復運動に従動
して軸方向に往復運動するディスプレイサーよりなり、
前記駆動機構が、前記ピストンに固定されると共に筒状
に形成された枠と、この枠の一端部に配列した磁石群
と、この磁石群の外周側に近接して設けたコイルとで構
成され、更に前記磁石群が、前記ピストンを囲むように
板状の永久磁石を配列することで構成されると共に、こ
れらの永久磁石間に磁界の弱くなる部分を形成したもの
である。

【０００６】本発明は以上のように構成することによ
り、コイルに交番電流を印加すると、コイルと永久磁石
とで合成される磁界の強さに粗密が生じ、このため永久
磁石は円周方向に回動しようとせずに、磁界の強い位置
において軸方向にのみ往復運動するように力が働くの
で、ピストンもまた軸方向の往復運動のみをする。

【０００７】また、本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１において、前記磁石群が、前記複数の永久
磁石の側端面の一部を接合させて筒状に配列することで
構成されているものである。

【０００８】本発明は以上のように構成することによ
り、永久磁石を配列して磁石群を構成したときに、永久
磁石同士の接合部近傍においてコイルとの間で合成され
た磁界が弱くなるので、磁石群、ひいてはピストンが円
周方向の回動をせずに軸方向の往復運動のみをする。

【０００９】また、本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１において、前記磁石群が、前記複数の永久
磁石同士を間隔を置いて筒状に配列することで構成され
ているものである。

【００１０】本発明は以上のように構成することによ
り、永久磁石を配列して磁石群を構成したときに、永久
磁石同士の間隙部近傍において磁界が弱くなるので、磁
石群、ひいてはピストンが円周方向の回動をせずに軸方
向の往復運動のみをする。

【００１１】更に本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１から３のいずれかにおいて、少なくとも前
記永久磁石の外周面が平面に形成されているものであ
る。

【００１２】本発明は以上のように構成することによ
り、磁石群を安価に構成できるばかりでなく、永久磁石
間のみならず、永久磁石自身とコイルとの間でも磁界に
粗密が生じるため、より一層磁石群、ひいてはピストン
が回動しにくくなる。

【００１３】更に本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１から４のいずれかにおいて、前記ピストン
が渦巻状の板バネ等に連結されているものである。

【００１４】このようにピストンがこのような渦巻状の
板バネ等に連結されている場合、往復動する際に軸に対
して回転運動する方向の分力を生ずるため、ピストンの
直線往復運動に伴ってこのピストンを回転運動させる力
が加わりやすいが、前述のように磁界によりピストンの
回動が防止される。

【００１５】

【発明の実施形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１乃至図３に基づいて説明する。同図において、
１はシリンダ部２と胴部３とで構成される装置本体であ
り、前記シリンダ部２は、アルミニウムなどからなる基
部４とステンレス鋼などからなる中間部５と銅などから
なる先端部６とで構成されている。

【００１６】前記シリンダ部２の内部には、前記胴部３
まで延びる内部シリンダ７が設けられ、この内部シリン
ダ７には、ディスプレイサー８が軸方向に摺動可能に収
容されている。また、内部シリンダ７の先端と先端部６
の間には膨張室Ｅが形成されており、隙間９によって内
部シリンダ７の内外が連通されている。また、中間部５
において内部シリンダ７の外周に再生器10が設けられて
いると共に、前記基部４において内部シリンダ７の内外
を連通する連通孔11が形成されている。また、内部シリ
ンダ７の先端外周には、吸熱フィン12が設けられ、再生
器10と連通孔11の間において、内部シリンダ７の外周に
放熱フィン13が設けられている。そして、内部シリンダ
７の内部先端から隙間９、吸熱フィン12、再生器10、放
熱フィン13、連通孔11を通って内部シリンダ７内の圧縮
室Ｃに至る経路が形成されている。

【００１７】前記基部４の外周には、外部放熱フィン14
が取り付けられている。また、胴部３内において、内部
シリンダ７内には、ピストン15が軸方向に摺動可能に収
容されている。このピストン15の基端部は、駆動機構16
に同軸的に連結されている。

【００１８】駆動機構16は、前記ピストン15に同軸に固
定されると共に短筒状に形成された枠17と、この枠17の
一端に接着等によって固定された磁石群18と、この磁石
群18の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル19と
で構成されている。前記磁石群18は、図２に示すよう
に、平板形状に形成された複数の永久磁石20を、ピスト
ン15を囲むように略筒状に配置して構成されている。こ
の永久磁石20は希土類、鉄、ほう素系永久磁石などから
なり、燒結によって成型されている。

【００１９】前述のように各永久磁石20は平板形状にな
っており、また、隣り合う永久磁石20同士がそれぞれ等
しい角度（本実施例では１５０度）で接合されているの
で、磁石群18は、軸方向から見て正多角形（本実施例で
は正十二角形）の略筒状をなしている。また、各永久磁
石20は、ピストン15の軸方向と直交する断面形状が長方
形状になっていて各角部の角度が９０度になっており、
隣り合う永久磁石20同士は、これらの永久磁石20が形成
する筒の内周側の一部において側端面21が相互に接合さ
れている。したがって、この筒状の磁石群18の外周側に
おいては、各永久磁石20の側端面21間に間隙22が生じて
いる。

【００２０】なお、23及び24は渦巻状の板バネであり、2
5はディスプレイサー８の振幅を制御するためのロッド
である。

【００２１】以上のように構成される本実施例では、電
磁コイル19に交流電流を流すと、交番磁界が発生し、こ
の交番磁界によって、磁石群18を軸方向に動かす力が加
わる。この力によって、ピストン15が内部シリンダ７内
を軸方向に往復運動する。このため、ピストン15が、デ
ィスプレイサー８の方向に移動すると、ピストン15とデ
ィスプレイサー８との間に形成された圧縮室Ｃ内の気体
は圧縮されて連通孔11、放熱フィン13、再生器10、吸熱
フィン12、隙間９を通って内部シリンダ７の先端と先端
部６の間の膨張室Ｅに至ると共に、ディスプレイサー８
を押し下げる。一方、ピストン15が、ディスプレイサー
８と反対方向に移動すると、圧縮室Ｃの内部が負圧とな
り、気体は膨張室Ｅから隙間９、吸熱フィン12、再生器
10、放熱フィン13、連通孔11を通って内部シリンダ７内
の圧縮室Ｃに還流し、これにより、ディスプレイサー８
を押し上げる。このような工程中において二つの等温変
化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われて、内
部シリンダ７の先端外周に取り付けた吸熱フィン12は低
温となり、一方、圧縮室Ｃの外周に設けたフィン13を通
して基部４の外周に取り付けた外部放熱フィン14は高温
となる。

【００２２】このようなスターリングサイクル機関を冷
蔵庫として使用する場合には、吸熱フィン12側を庫内側
に取り付けて、外部放熱フィン14を庫外に露出させて熱
交換するようにすればよい。

【００２３】以上のように本実施例においては、平板形
状の永久磁石20をピストン15を囲むように配列させて磁
石群18を構成するものであるから、永久磁石20を燒結に
よって成型する際、その型の形状、構造も簡略化でき
る。また、永久磁石20を平板状に形成することによって
大きな平板状の磁石を成型し、これを所定の大きさに切
断して駆動機構16に用いる永久磁石20を成型することも
できるため、永久磁石20の製作加工も極めて容易であ
る。また、平板状の永久磁石20は成型時に反りや歪など
の変形も少ないため、歩留まりも良好で生産性にも優れ
る。このため、安価な平板形状の永久磁石20を用いるこ
とができるので、装置全体のコストも削減することがで
きる。また、永久磁石20を平板状とすることで永久磁石
20を薄型化でき、ひいては装置を小型化することができ
る。

【００２４】また、磁石群18において永久磁石20同士を
その側端面21の一部でのみ接合し、これら側端面21間に
間隙22を形成したので、永久磁石20同士の接合部近傍に
おいて磁界の弱くなる部分が形成され、したがって、電
磁コイル19に交番電流を印加すると、電磁コイル19と永
久磁石20とで合成される磁界の強さに粗密が生じる。し
かも、永久磁石20は、平板状になっていて外周面が平面
になっているので、永久磁石20間のみならず、永久磁石
20自身と電磁コイル19との間においても磁界に粗密が生
じる。このため永久磁石20及び磁石群18は円周方向に回
動しようとせずに、磁界の強い位置において軸方向にの
み往復運動するように力が働き、ピストン15もまた板バ
ネ23、24から加わる回転力に抗して軸方向の往復運動の
みをするので、ピストン15の回動による振動や騒音が抑
えられて、静かで効率の高いスターリングサイクル機関
を得ることができる。さらに、筒状の磁石群18を構成す
る複数の永久磁石20は相互に接合されているので、駆動
機構16の駆動力を極力落とさずに済む。

【００２５】なお、本実施例では、平板状の永久磁石20
をピストン15を囲むように円環状に配列させて磁石群18
を構成した例を示したが、図４に示す第２実施例のよう
に、外周面を平面に、内周面を円筒曲面に形成した永久
磁石26を用いても良い。この場合、磁石群27は、外周面
が正多角筒状に、内周面が円筒状に形成される。

【００２６】図５は本発明の第３実施例を示している。
この第３実施例は、複数の平板状の永久磁石28同士を、
間隔29を置いて筒状に配列することで磁石群30を構成し
たものである。これにより、この磁石群30の周囲におい
て、永久磁石28同士の間隙部近傍とそれ以外の部分とで
の磁界の強弱差が前記第１実施例よりも大きくなり、磁
石群30及びピストンをより一層回動しにくくできる。

【００２７】また、図６は本発明の第４実施例を示して
いる。この第４実施例は、前記第１実施例と同様に、複
数の略平板状の永久磁石31を、その側端面32の一部を接
合させて筒状に配列することにより磁石群33を構成した
ものである。前記側端面32において接合されているの
は、磁石群33が形成する筒の内周側の部分である。そし
て、本第４実施例においては、永久磁石31の、前記筒の
軸方向と直交する断面形状を台形状にしている。この台
形は前記筒の内周側が長辺になっており、外周側が短辺
になっている。これにより、前記筒の外周側に形成され
る永久磁石31の側端面32間の間隙34は、前記第１実施例
のように永久磁石20が断面長方形状である場合に比べて
より大きくなる。したがって、この磁石群33の周囲にお
いて、永久磁石31同士の間隙部近傍とそれ以外の部分と
での磁界の強弱差が前記第１実施例よりも大きくなり、
磁石群33及びピストンをより一層回動しにくくできる。
一方、複数の永久磁石31は相互に接合されているので、
前記第３実施例に比べて駆動機構の駆動力を極力落とさ
ずに済む。

【００２８】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は、前記各実施例に限定されるものではなく、本発明
の要旨内で種々の変形が可能である。例えば、前記実施
例では、磁石群は１２枚の永久磁石によって構成されて
いるが、これ以外の枚数であっても良い。また、前記第
２実施例とは逆に、外周面を円筒曲面に、内周面を平面
に形成した永久磁石をピストンを囲むように円環状に配
列させて磁石群を構成しても良い。さらに、図７に示す
第５実施例、図８に示す第６実施例あるいは図９に示す
第７実施例のように、磁石群35、36、37を構成する永久
磁石38、39、40の外周面および内周面をともに円筒曲面
に形成しても良い。なお、第５実施例は、前記第３実施
例と同様に永久磁石38間に間隔41を置いたもの、第６実
施例は、前記第４実施例と同様に永久磁石39の側端面42
を傾斜させたものである。また、第７実施例は、永久磁
石40をその側端面内周部において一体にしたものであ
る。また、永久磁石は樹脂混入成形によって成形しても
良い。さらに、特に前記第３実施例において、永久磁石
28間の間隙を非磁性体により埋めて永久磁石28を連結し
てもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明のスターリングサイクル機関は、
ピストンと、このピストンを軸方向に往復駆動する駆動
機構と、前記ピストンの往復運動に従動して軸方向に往
復運動するディスプレイサーよりなり、前記駆動機構
が、前記ピストンに固定されると共に筒状に形成された
枠と、この枠の一端部に配列した磁石群と、この磁石群
の外周側に近接して設けたコイルとで構成され、更に前
記磁石群が、前記ピストンを囲むように板状の永久磁石
を配列することで構成されると共に、これらの永久磁石
間に磁界の弱くなる部分を形成したものであり、コイル
に交番電流を印加すると、コイルと永久磁石とで合成さ
れる磁界の強さに粗密が生じ、このため永久磁石は円周
方向に回動しようとせずに、磁界の強い位置において軸
方向にのみ往復運動するように力が働き、ピストンもま
た軸方向の往復運動のみをするので、ピストンの回動に
よる振動や騒音が抑えられて、静かで効率の高いスター
リングサイクル機関を得ることができる。

【００３０】また、本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１において、前記磁石群が、前記複数の永久
磁石の側端面の一部を接合させて筒状に配列することで
構成されているものであり、永久磁石を配列して磁石群
を構成したときに、永久磁石同士の接合部近傍において
コイルとの間で合成された磁界が弱くなり、磁石群、ひ
いてはピストンが円周方向の回動をせずに軸方向の往復
運動のみをするので、駆動機構の駆動力を極力落とさず
に、静かで効率の高いスターリングサイクル機関を得る
ことができる。

【００３１】また、本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１において、前記磁石群が、前記複数の永久
磁石同士を間隔を置いて筒状に配列することで構成され
ているものであり、永久磁石を配列して磁石群を構成し
たときに、永久磁石同士の間隙部近傍において磁界が弱
くなり、磁石群、ひいてはピストンが円周方向の回動を
せずに軸方向の往復運動のみをするので、磁界の強弱差
がより大きくなって、より一層回動しにくくできる。

【００３２】更に本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１から３のいずれかにおいて、少なくとも前
記永久磁石の外周面が平面に形成されているものであ
り、磁石群を安価に構成できるばかりでなく、永久磁石
間のみならず、永久磁石自身とコイルとの間においても
磁界に粗密が生じるため、より一層磁石群、ひいてはピ
ストンを回動しにくくできる。

【００３３】更に本発明のスターリングサイクル機関
は、請求項１から４のいずれかにおいて、前記ピストン
が渦巻状の板バネ等に連結されているものであるが、こ
の場合往復動する際に軸に対して回転運動する方向の分
力を生ずるため、ピストンの直線往復運動に伴ってこの
ピストンを回転運動させる力が加わりやすいので、前述
のように磁界によりピストンの回動を防止できることは
効果的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す断面図である。

【図２】同上Ａ−Ａ断面図である。

【図３】同上永久磁石の斜視図である。

【図４】本発明の第２実施例を示す永久磁石の斜視図で
ある。

【図５】本発明の第３実施例を示す永久磁石の正面図で
ある。

【図６】本発明の第４実施例を示す永久磁石の正面図で
ある。

【図７】本発明の第５実施例を示す永久磁石の正面図で
ある。

【図８】本発明の第６実施例を示す永久磁石の正面図で
ある。

【図９】本発明の第７実施例を示す永久磁石の正面図で
ある。

【符号の説明】

８ディスプレイサー 15 ピストン 16 駆動機構 17 枠 18、27、30、33、35、36、37 磁石群 19 電磁コイル 20、26、28、31、38、39、40 永久磁石 23 板バネ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木壮志新潟県西蒲原郡吉田町大字西太田字潟向 2084番地２ツインバード工業株式会社内Ｆターム(参考） 3J044 AA05 AA20 CC30 DA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンと、このピストンを軸方向に往
復駆動する駆動機構と、前記ピストンの往復運動に従動
して軸方向に往復運動するディスプレイサーよりなり、
前記駆動機構が、前記ピストンに固定されると共に筒状
に形成された枠と、この枠の一端部に配列した磁石群
と、この磁石群の外周側に近接して設けたコイルとで構
成され、更に前記磁石群が、前記ピストンを囲むように
板状の永久磁石を配列することで構成されると共に、こ
れらの永久磁石間に磁界の弱くなる部分を形成したこと
を特徴とするスターリングサイクル機関。
【請求項２】前記磁石群が、前記複数の永久磁石の側
端面の一部を接合させて筒状に配列することで構成され
ていることを特徴とする請求項１記載のスターリングサ
イクル機関。
【請求項３】前記磁石群が、前記複数の永久磁石同士
を間隔を置いて筒状に配列することで構成されているこ
とを特徴とする請求項１記載のスターリングサイクル機
関。
【請求項４】少なくとも前記永久磁石の外周面が平面
に形成されていることを特徴とする請求項１から３のい
ずれか１項に記載のスターリングサイクル機関。
【請求項５】前記ピストンが渦巻状の板バネ等に連結
されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか
１項に記載のスターリングサイクル機関。