【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング機関に関し、特にディスプレーサが往復運動可能に弾性支持されたフリーピストン型のスターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷蔵庫などの冷却手段として、蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。こうした蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置には、作動媒体としての冷媒にフロンが用いられ、フロンの凝縮、蒸発を利用して、所要の冷却性能が達成されている。しかし、フロンはオゾン破壊係数が大きいため、近年、フロンのうち特定フロンを対象として使用と生産とが規制されてきている。このため、特定フロンを用いなくてもすむ技術として、スターリング冷凍機などの研究が進められている。
【０００３】
スターリング冷凍機関は、逆スターリングサイクルによって低温を得るようにしたものであり、作動媒体としてヘリウムガス、水素ガス、窒素ガスなどを採用するので、地球環境に与える影響が少ない。このスターリング冷凍機関によれば、極低温を得ることが容易である。以下、従来のスターリング冷凍機関について説明する。
【０００４】
図８は従来のフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
図８を参照して、フリーピストン型スターリング冷凍機関７では、一端がケーシング１３で密閉されたシリンダ１内に、ディスプレーサ３とピストン２とが配設されており、これらによって圧縮空間８と膨張空間９とが形成されている。そして、これらと再生器５により閉回路が構成され、この閉回路の作動空間にはヘリウムなど作動ガスが充填されている。ピストン２はスプリング１９を介して接続されており、リニアモータ等の外部動力によってシリンダ１の軸方向に振動可能とされている。ディスプレーサ３は、ディスプレーサロッド４を介してスプリング６に接続され、自由に往復運動することが可能である。
【０００５】
このスターリング冷凍機関７の動作としては、前記ピストン２がリニアモータなどの外部動力によってシリンダ１の軸方向に振動することによって、圧縮空間８に封入された作動ガスに周期的な圧力変化をもたらす。そして、圧縮に伴い上昇した背圧の脈動により、作動ガスが再生器５を介して膨張空間９に流入される。このときガス移動量の変化によりディスプレーサ３に周期的な軸方向の振動力が生じるので、ディスプレーサ３はピストン２と同じ周期で所定の位相差を保って往復運動する。そしてこの往復運動により、作動ガスは主として膨張空間９に冷熱を発生する。
【０００６】
フリーピストン型スターリング冷凍機関７において、冷熱は以下の原理によって発生される。すなわち、ピストン２により圧縮された圧縮空間８内の作動ガスは、シリンダ通気口１８、流路１２、高温側熱交換器１０を通過し、再生器５で予冷されて、低温側熱交換器１４を経由して膨張空間９へ移動する。このとき、圧縮空間８で生じた熱は高温側熱交換器１０を介して放熱器１１から外部に放出される。大部分の作動ガスが膨張空間９に流入すると、膨張空間９の圧力は上昇し、作動ガスはディスプレーサ３を押し上げるようにして膨張を始める。そして、ある程度膨張すると、ピストン２の復元力によりディスプレーサ３は逆に押し上げられ、圧力の低くなった膨張空間９内の作動ガスが再び圧縮空間８へ移動する。このときに、作動ガスは低温側熱交換器１４を介して吸熱器１７で外部の空気を冷却する。そして、大部分の作動ガスが圧縮空間８へ移動すると、再びピストン２に圧縮されて次のサイクルに移行する。以上のような一連のサイクルが連続的に繰り返されることにより、極低温の冷熱を取り出すことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
フリーピストン型スターリング機関では、ディスプレーサ３はスプリング６により支持され、圧縮空間８と膨張空間９との圧力差により自由に往復運動可能となっている。したがって、その圧力差が一定の場合に、ディスプレーサ３の重量が大きくなると、ディスプレーサ３は往復運動しにくくなる。その結果、ディスプレーサ３の振幅が小さくなり、冷却効率等の性能が低下するという問題があった。したがって、フリーピストン型スターリング機関の性能の向上のためには、ディスプレーサ３を軽量化する必要がある。
【０００８】
ディスプレーサ３の軽量化については、次の二つの方法が考えられる。
第一の方法としては、ディスプレーサ３の材質をより軽量なものにすることが考えられる。しかし、軽量化によってディスプレーサ３の強度も低下するため、作動ガスの圧力などによるディスプレーサ３の変形が生じやすくなる。このような変形を防ぐためには、ディスプレーサ３の材質をより軽量な材質にするとともに、より強固な材質にする必要がある。しかし、このような材質を選択すれば、コストが高くなるという問題がある。
【０００９】
第二の方法としては、ディスプレーサ３を気密性が高く肉圧の薄い中空形状にすることが考えられる。しかし、この構成をとる場合には、ディスプレーサ３外部の作動ガスの圧力とディスプレーサ３内部の圧力との差でディスプレーサ３の形状に変形が生じ、シリンダ１とディスプレーサ３との摺動性の低下が起こる。ここでシリンダ１とディスプレーサ３との摺動性の低下とは、シリンダ１とディスプレーサ３との間に摩擦が大きくなり、往復運動がしにくくなることを示している。その結果、摺動性の低下によって振幅が小さくなり、かえって冷却効率が低下してしまう。
【００１０】
そこで、本発明は、軽量かつ低コストであって、変形の少ないディスプレーサを実現することによって、フリーピストン型スターリング機関の性能の向上を図ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のスターリング機関は、作動ガスを封入したシリンダ内を往復運動可能に設けられたピストンおよびディスプレーサを有し、かつディスプレーサが往復運動可能に弾性支持されているフリーピストン型スターリング機関であって、ディスプレーサは、内部に中空部分を有し、かつ中空部分とディスプレーサ外部とを連通する孔を有する。
【００１２】
本発明のスターリング機関によれば、ディスプレーサ内部が中空にされるために、中空部分の重量の分だけディスプレーサは軽量かつ低コストとなる。また、孔を通じて、ディスプレーサ外部の作動ガスとディスプレーサ内部の作動ガスとが出入り可能である。したがって、ディスプレーサ外部の作動ガスの圧力とディスプレーサ内部の作動ガスの圧力とが同等となり、ディスプレーサ外部の作動ガスとディスプレーサ内部の作動ガスとの圧力差によるディスプレーサの変形が抑制される。以上の理由により、スターリング機関の性能が向上される。
【００１３】
上記本発明のスターリング機関において好ましくは、ディスプレーサの孔は、シリンダとの摺動面に開口している。
【００１４】
この構成により、静止時には、孔を通じて圧力調整が行われるのでディスプレーサの変形が抑制される。また、動作時には、ディスプレーサとシリンダとの各摺動面間のギャップによる圧力損失により、作動ガスがディスプレーサとシリンダとの摺動面間を通過しにくくなる。その結果、動作時には、作動ガスのディスプレーサ内部への出入りが妨げられる。したがって、動作時の作動ガスの圧力変動に及ぼす孔の影響は少ない。
【００１５】
上記本発明のスターリング機関において好ましくは、ディスプレーサは摺動面に凹部を有し、孔は凹部において開口している。
【００１６】
孔加工時には、バリの発生などにより孔の開口の周囲が凸型の変形を生じることがある。しかし、予め凹部を設けることによって、凸型の変形が生じた場合でも、その凸型の変形がディスプレーサの摺動面より外方に突き出ることを防止できる。したがって、孔加工時の変形によるディスプレーサの摺動性の低下が抑制される。
【００１７】
上記本発明のスターリング機関において好ましくは、ディスプレーサの孔は、圧縮空間に面した部分に開口している。
【００１８】
この構成により、瞬間的な圧力変動が起こる圧縮時にも、作動ガスが圧縮空間から容易にディスプレーサ内に入りこむ。したがって、圧縮時にも、圧縮空間の作動ガスの圧力とディスプレーサ内部の作動ガスの圧力とをほぼ同じにできるので、ディスプレーサの変形を抑制することができる。また、孔を圧縮空間に面した部分に開口したことにより、シリンダとの摺動面に設ける必要がなくなる。このため、孔をシリンダとの摺動面に設けた場合に生ずることのある凸型変形部とシリンダとが接触するおそれがなくなるため、その接触などによる摺動性の低下を防止することができる。
【００１９】
上記本発明のスターリング機関において好ましくは、ディスプレーサは圧縮空間に面した部分に凹部を有し、孔は凹部において開口している。
【００２０】
孔加工時には、バリの発生などにより孔の開口の周囲が凸型の変形を生じることがある。しかし、予め凹部を設けることによって、凸型の変形が生じた場合でも、その凸型の変形がディスプレーサの圧縮空間に面した部分より外方に突き出ることを防止できる。したがって、孔加工時の変形による動作時のディスプレーサとピストンとの衝突が避けられる。
【００２１】
上記本発明のスターリング機関において好ましくは、ディスプレーサの孔は、膨張空間に面した部分に開口している。
【００２２】
この構成により、瞬間的な圧力変動が起こる膨張時にも、作動ガスが膨張空間から容易にディスプレーサ内に入りこむ。したがって、膨張時にも、膨張空間の作動ガスの圧力とディスプレーサ内部の作動ガスの圧力とをほぼ同じにできるので、ディスプレーサの変形を抑制することができる。また、膨張空間の作動ガスをディスプレーサ内に入れることで膨張を助長させることもできる。さらに、孔を膨張空間に面した部分に開口したことにより、シリンダとの摺動面に設ける必要がなくなる。このため、孔をシリンダとの摺動面に設けた場合に生ずることのある凸型変形部とシリンダとが接触するおそれがなくなるため、その接触などによる摺動性の低下を防止することができる。また、孔を膨張空間に面した部分に開口したことにより、圧縮空間に面した部分に孔を設ける必要がなくなる。圧縮空間に面した部分に孔が設けられている場合には、圧縮時に作動ガスがディスプレーサ内に急激に入りこみ、ディスプレーサ内部の圧力が上昇することにより、ディスプレーサが膨らんだ形状に変形を生ずることがある。しかし、孔を膨張空間に面した部分に開口したことにより、このような変形を防止することができる。
【００２３】
上記本発明のスターリング機関において好ましくは、ディスプレーサは膨張空間に面した部分に凹部を有し、孔は凹部において開口している。
【００２４】
孔加工時には、バリの発生などにより孔の周囲が凸型の変形を生じることがある。しかし、予め凹部を設けることによって、凸型の変形が生じた場合でも、ディスプレーサの膨張空間に面した部分が外方に突き出る形状にならない。したがって、孔加工時の変形による動作時のディスプレーサとケーシングとの衝突が避けられる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
【００２７】
図１を参照して、フリーピストン型スターリング冷凍機関７では、一端がケーシング１３により密閉されたシリンダ１の内部の円筒状空間内に、ディスプレーサ３およびピストン２が配設されることにより、前記空間内に圧縮空間８と膨張空間９とが形成され、これらの間に再生器５が設けられて閉回路が構成されている。この閉回路の作動空間には作動ガスが充填されている。ピストン２はスプリング１９を介して接続されており、リニアモータ等の外部動力によってシリンダ１の軸方向に振動可能とされている。ディスプレーサ３は、このピストン２を貫通するディスプレーサロッド４の一端に接続されており、ディスプレーサロッド４の他端は、スプリング６に接続されている。このような構成により、ディスプレーサ３は往復運動可能に弾性支持されている。
【００２８】
本実施の形態のフリーピストン型スターリング冷凍機関７において特に注目すべきは、ディスプレーサ３は、内部に中空部分１５ａを有し、かつその中空部分１５ａとディスプレーサ３の外部とを連通する孔１５ｂを有している。その孔１５ｂは、シリンダ１との摺動面に開口しており、ディスプレーサ３内の中空部分１５ａは、孔１５ｂ以外では外部と通じないように気密性が維持されている。
【００２９】
このスターリング冷凍機関の動作においては、閉回路の作動空間にヘリウムなどの作動ガスが充填されるとともに、前記ピストン２がリニアモータなどの外部動力によってシリンダ１の軸方向に振動する。ピストン２の振動は、圧縮空間８に封入された前記作動ガスに周期的な圧力変化をもたらし、圧縮に伴って上昇した背圧の脈動により、作動ガスが再生器５を介して膨張空間９に流入される。このときガス移動量の変化によりディスプレーサ３に周期的な軸方向の振動力が生じる。
【００３０】
これにより、ディスプレーサ３は、スプリング６によりピストン２と同じ周期で所定の位相差を保ってシリンダ１内を軸方向に往復運動する。ディスプレーサ３およびピストン２が所定の位相差を保って往復運動するとき、作動空間に封入された作動ガスは逆スターリングサイクルとして既知の熱力学サイクルを構成し、主として膨張空間９に冷熱を発生する。
【００３１】
以下に、その原理について説明する。ピストン２により圧縮された圧縮空間８内の作動ガスは、シリンダ通気口１８を通過し、流路１２、高温側熱交換器１０、再生器５、低温側熱交換器１４を経由して膨張空間９へ移動する際に、前記再生器５が半サイクル前に蓄えていた冷熱を受け取り予冷される。
【００３２】
このとき、圧縮空間８で生じた熱は高温側熱交換器１０を介して放熱器１１から外部に放出される。大部分の作動ガスが膨張空間９に流入すると、作動ガスは、膨張空間９の圧力上昇によってディスプレーサ３を押し上げるようにして膨張が始まる。
【００３３】
そして、ある程度膨張すると、ピストン２の復元力によりディスプレーサ３は逆に押し上げられ、圧力の低くなった膨張空間９内の作動ガスは、低温側熱交換器１４を介して吸熱器１７で外部から熱が奪われ外部の空気を冷却し、再生器５、高温側熱交換器１０、流路１２、シリンダ通気口１８を経由して再び圧縮空間８へ移動する。そして、大部分の作動ガスが圧縮空間８へ戻ると、再びピストン２の圧縮を受けて次のサイクルに移行する。以上のような一連のサイクルが連続的に繰り返されることにより、極低温の冷熱を取り出すことができる。
【００３４】
次に、孔１５ｂの効果について説明する。本実施の形態では、ディスプレーサ３内に中空部分１５ａと孔１５ｂとを設けたことにより、その孔１５ｂを介して外部から中空部分１５ａに作動ガスを導くことが可能となる。このため、ディスプレーサ３の内部と外部との各作動ガスの圧力を同等にすることができ、内部と外部の圧力差に基づくディスプレーサ３の変形を抑制することが可能となる。
【００３５】
本実施の形態では、特に孔１５ｂがディスプレーサ３とシリンダ１との摺動面に開口している。このため、静止時には、孔１５ｂを介してディスプレーサ３の内部に作動ガスが流入し、ディスプレーサ３の内部圧力と周囲の圧力が同等となるため、内部と外部との圧力差によるディスプレーサ３の変形が抑制される。
【００３６】
一方、ディスプレーサ３とシリンダ１との摺動面間はギャップが小さいので、圧縮空間８および膨張空間９とディスプレーサ３の内部との間を移動する作動ガスには圧力損失が生じる。圧力損失が生じる状態では、作動ガスはディスプレーサ３とシリンダ１との摺動面間を通過しにくくなっている。したがって、動作時には、圧縮空間８および膨張空間９で作動ガスの瞬間的な圧力変動が起こるので、作動ガスがディスプレーサ３とシリンダ１との摺動面間を通過し、中空部分１５ａに流入するする前に、圧縮空間８および膨張空間９の圧力は変動してしまう。その結果、作動ガスの中空部分１５ａへの出入りは少なくなるので、動作時の作動ガスの圧力変動に及ぼす孔１５ｂの影響を抑制することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図２および図３は本発明の実施の形態２におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関のディスプレーサの構成を示す断面図および斜視図である。
【００３８】
図２を参照して、本実施の形態では、ディスプレーサ３のシリンダ１との摺動面にクリアランスを大きくするための凹部１６が設けられており、その凹部１６に孔１５ｂが開口されている。
【００３９】
なお、これ以外の構成については図１に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４０】
孔１５ｂは通常ドリルなどを用いて穴あけ加工により作成される。しかし、穴あけ加工の際、バリの発生や材料の内部応力バランスが崩れて孔１５ｂの開口の周囲が盛り上がり、凸型の変形を生じることがある。そこで、予めディスプレーサ３の摺動面の孔１５ｂを設ける位置がわずかに凹形状に加工される。これによって、孔１５ｂ周辺が加工によって凸形状となっても、ディスプレーサ３のシリンダ１との摺動面より外方へ突き出ることを抑制できるため、摺動性の低下が軽減される。
【００４１】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
【００４２】
図４を参照して、本実施の形態では、孔１５ｂは、ディスプレーサ３の圧縮空間８に面する部分に開口している。また、孔１５ｂ以外のディスプレーサ３の部分は外部と通じないよう気密性を維持した構成となっている。ここで、圧縮空間８とは、ディスプレーサ３とピストン２との間の空間を意味している。
【００４３】
なお、これ以外の構成については図１に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４４】
これにより、瞬間的な圧力変動が起こる圧縮時にも、作動ガスが圧縮空間８から容易にディスプレーサ３内に入りこむため、圧縮空間８の作動ガスの圧力とディスプレーサ３内部の作動ガスの圧力とをほぼ同じにでき、ディスプレーサ３の変形を抑制することができる。また、孔１５ｂを圧縮空間８に面した部分に開口したことにより、シリンダ１との摺動面に設ける必要がなくなる。このため、孔１５ｂをシリンダ１との摺動面に設けた場合に生ずることのある凸型変形部とシリンダ１とが接触するおそれがなくなるため、その接触などによる摺動性の低下を防止することができる。
【００４５】
（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関のディスプレーサの構成を示す断面図である。
【００４６】
図５を参照して、本実施の形態では、ディスプレーサ３は、ディスプレーサ３の圧縮空間８側の面に凹部１６が設けられており、その凹部１６に孔１５ｂが開口されている。
【００４７】
なお、これ以外の構成については図１に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４８】
これにより、ディスプレーサ３の内部圧力と周囲の圧力が同等となり、圧力差によるディスプレーサ３の変形がなくなるとともに、孔１５ｂの加工時にディスプレーサ３に変形が起こった際にも、ディスプレーサ３の圧縮空間８に面した部分が外方に突き出る形状にはならないので、動作時のピストン２とディスプレーサ３との衝突を避けることができる。
【００４９】
（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
【００５０】
図６を参照して、本実施の形態では、孔１５ｂはディスプレーサ３の膨張空間９に面する部分に開口している。また、孔１５ｂ以外のディスプレーサ３の部分は外部と通じないよう気密性を維持した構成となっている。ここで、膨張空間９とは、ディスプレーサ３とケーシング１３との間の空間を意味している。
【００５１】
なお、これ以外の構成については図１に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５２】
これにより、瞬間的な圧力変動が起こる膨張時にも、作動ガスが膨張空間９から容易にディスプレーサ３内に入りこむため、膨張空間９の作動ガスの圧力とディスプレーサ３内部の作動ガスの圧力とをほぼ同じにでき、ディスプレーサ３の変形を抑制することができる。また、膨張空間９の作動ガスを中空部分１５ａに入れることで膨張を助長させることもできる。さらに、孔１５ｂを膨張空間９に面した部分に開口したことにより、シリンダ１との摺動面に設ける必要がなくなる。このため、孔１５ｂをシリンダ１との摺動面に設けた場合に生ずることのある凸型変形部とシリンダ１とが接触するおそれがなくなるため、その接触などによる摺動性の低下を防止することができる。また、孔１５ｂを膨張空間９に面した部分に開口したことにより、圧縮空間８に面した部分に設ける必要がなくなる。圧縮空間８に面した部分に孔１５ｂが設けられている場合には、圧縮時に作動ガスがディスプレーサ３内に急激に入りこみ、ディスプレーサ３内部の圧力が上昇することにより、ディスプレーサ３が膨らんだ形状に変形を生ずることがある。しかし、孔１５ｂを膨張空間に面した部分に開口したことにより、このような変形を防止することができる。
【００５３】
（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関のディスプレーサの構成を示す断面図である。
【００５４】
図７を参照して、本実施の形態では、ディスプレーサ３は、ディスプレーサ３の膨張空間９側の面に凹部１６が設けられており、その凹部１６に孔１５ｂが開口されている。
【００５５】
なお、これ以外の構成については図１に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
これにより、ディスプレーサ３の内部圧力と周囲の圧力が同等となり圧力差によるディスプレーサ３の変形がなくなるとともに、孔１５ｂの加工時にディスプレーサ３に変形が起こった際にも、ディスプレーサ３の膨張空間９に面した部分が外方に突き出る形状にはならないので、動作時のケーシング１３とディスプレーサ３との衝突を避けることができる。
【００５７】
なお、本実施の形態は全て逆スターリングサイクルによるスターリング冷凍機関についてのものであるが、本発明はスターリングエンジンなどのスターリング機関の装置全般について適用可能である。
【００５８】
以上に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慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、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修正や変形を含むものと意図される。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明のスターリング冷凍機関によれば、ディスプレーサ内部が中空にされるために、中空部分の重量の分だけディスプレーサは軽量かつ低コストとなる。また、孔を通じて、ディスプレーサ外部の作動ガスとディスプレーサ内部の作動ガスとが出入り可能である。したがって、ディスプレーサ外部の作動ガスの圧力とディスプレーサ内部の作動ガスの圧力とが同等となり、ディスプレーサ外部の作動ガスとディスプレーサ内部の作動ガスとの圧力差によるディスプレーサの変形が抑制される。以上の理由により、フリーピストン型スターリング冷凍機関の性能が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関のディスプレーサの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関のディスプレーサの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態３におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態４におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関のディスプレーサの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態５におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態６におけるフリーピストン型スターリング冷凍機関のディスプレーサの構成を示す断面図である。
【図８】従来のフリーピストン型スターリング冷凍機関の断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダ、２ ピストン、３ ディスプレーサ、４ ディスプレーサロッド、５ 再生器、６ スプリング、７ フリーピストン型スターリング冷凍機関、８ 圧縮空間、９ 膨張空間、１０ 高温側熱交換器、１１ 放熱器、１２ 流路、１３ ケーシング、１４ 低温側熱交換器、１５ａ 中空部分、１５ｂ 孔、１６ 凹部、１７ 吸熱器、１８ シリンダ通気口、１９ スプリング。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling engine, and more particularly to a free piston type Stirling engine in which a displacer is elastically supported so as to reciprocate.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a vapor compression refrigeration cycle has been employed as a cooling means of a refrigerator or the like. In such a vapor compression type refrigeration cycle device, chlorofluorocarbon is used as a refrigerant as a working medium, and required cooling performance is achieved by utilizing the condensation and evaporation of chlorofluorocarbon. However, since chlorofluorocarbon has a large ozone depletion coefficient, the use and production of specific fluorocarbons have been regulated in recent years. For this reason, studies on Stirling refrigerators and the like have been advanced as a technique that does not require the use of a specific CFC.
[0003]
The Stirling refrigerating engine is designed to obtain a low temperature by a reverse Stirling cycle and employs a helium gas, a hydrogen gas, a nitrogen gas, or the like as a working medium, and thus has little effect on the global environment. According to this Stirling refrigerating engine, it is easy to obtain an extremely low temperature. Hereinafter, a conventional Stirling refrigerating engine will be described.
[0004]
FIG. 8 is a sectional view of a conventional free-piston Stirling refrigerating engine.
Referring to FIG. 8, in a free-piston Stirling refrigerating engine 7, a displacer 3 and a piston 2 are disposed in a cylinder 1 whose one end is closed by a casing 13, whereby a compression space 8 and an expansion space are provided. 9 are formed. These and the regenerator 5 form a closed circuit, and the working space of the closed circuit is filled with a working gas such as helium. The piston 2 is connected via a spring 19 and can be vibrated in the axial direction of the cylinder 1 by an external power such as a linear motor. The displacer 3 is connected to a spring 6 via a displacer rod 4 and can freely reciprocate.
[0005]
The operation of the Stirling refrigerating engine 7 is such that the piston 2 vibrates in the axial direction of the cylinder 1 by an external power such as a linear motor, thereby causing a periodic pressure change in the working gas sealed in the compression space 8. Then, the working gas flows into the expansion space 9 via the regenerator 5 by the pulsation of the back pressure that has risen due to the compression. At this time, a change in the amount of gas movement generates a periodic axial vibration force in the displacer 3, so that the displacer 3 reciprocates at the same cycle as the piston 2 while maintaining a predetermined phase difference. The working gas mainly generates cold heat in the expansion space 9 due to the reciprocating motion.
[0006]
In the free-piston Stirling refrigerating engine 7, cold heat is generated according to the following principle. That is, the working gas in the compression space 8 compressed by the piston 2 passes through the cylinder vent 18, the flow path 12, and the high-temperature heat exchanger 10, is precooled by the regenerator 5, and is cooled by the low-temperature heat exchanger 14. Move to the expansion space 9 via. At this time, the heat generated in the compression space 8 is released from the radiator 11 to the outside via the high-temperature side heat exchanger 10. When most of the working gas flows into the expansion space 9, the pressure in the expansion space 9 increases, and the working gas starts expanding by pushing up the displacer 3. When the piston 2 expands to some extent, the displacer 3 is pushed up by the restoring force of the piston 2, and the working gas in the expansion space 9, whose pressure is reduced, moves to the compression space 8 again. At this time, the working gas cools the outside air with the heat absorber 17 via the low-temperature side heat exchanger 14. Then, when most of the working gas moves to the compression space 8, it is compressed again by the piston 2 and shifts to the next cycle. By repeating such a series of cycles continuously, it is possible to extract extremely low-temperature cold heat.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the free piston type Stirling engine, the displacer 3 is supported by a spring 6 and can freely reciprocate due to a pressure difference between the compression space 8 and the expansion space 9. Therefore, when the pressure difference is constant and the weight of the displacer 3 increases, the displacer 3 becomes difficult to reciprocate. As a result, there is a problem that the amplitude of the displacer 3 becomes small, and performance such as cooling efficiency is reduced. Therefore, it is necessary to reduce the weight of the displacer 3 in order to improve the performance of the free piston type Stirling engine.
[0008]
The following two methods can be considered for reducing the weight of the displacer 3.
As a first method, it is conceivable to make the material of the displacer 3 lighter. However, since the strength of the displacer 3 is also reduced by the weight reduction, the displacer 3 is easily deformed by the pressure of the working gas or the like. In order to prevent such deformation, it is necessary to make the displacer 3 a lighter material and a stronger material. However, if such a material is selected, there is a problem that the cost is increased.
[0009]
As a second method, it is conceivable that the displacer 3 is formed into a hollow shape with high airtightness and thin wall pressure. However, when this configuration is employed, the shape of the displacer 3 is deformed due to the difference between the pressure of the working gas outside the displacer 3 and the pressure inside the displacer 3, and the slidability between the cylinder 1 and the displacer 3 is reduced. Occur. Here, the decrease in the slidability between the cylinder 1 and the displacer 3 indicates that the friction between the cylinder 1 and the displacer 3 increases and the reciprocating movement becomes difficult. As a result, the amplitude decreases due to the decrease in the slidability, and on the contrary, the cooling efficiency decreases.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to improve the performance of a free-piston Stirling engine by realizing a light-weight, low-cost displacer with less deformation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The Stirling engine of the present invention is a free piston type Stirling engine having a piston and a displacer provided reciprocally in a cylinder filled with a working gas, and wherein the displacer is elastically supported so as to be reciprocable, The displacer has a hollow portion inside and a hole communicating the hollow portion with the outside of the displacer.
[0012]
According to the Stirling engine of the present invention, since the inside of the displacer is hollow, the displacer is light in weight and low in cost by the weight of the hollow portion. The working gas outside the displacer and the working gas inside the displacer can enter and exit through the holes. Therefore, the pressure of the working gas outside the displacer is equal to the pressure of the working gas inside the displacer, and deformation of the displacer due to the pressure difference between the working gas outside the displacer and the working gas inside the displacer is suppressed. For the above reasons, the performance of the Stirling engine is improved.
[0013]
In the above Stirling engine of the present invention, preferably, the hole of the displacer is opened on the sliding surface with the cylinder.
[0014]
With this configuration, at the time of rest, the pressure is adjusted through the holes, so that the deformation of the displacer is suppressed. In operation, the pressure loss due to the gap between the sliding surfaces of the displacer and the cylinder makes it difficult for the working gas to pass between the sliding surfaces of the displacer and the cylinder. As a result, during operation, the working gas is prevented from entering and exiting the inside of the displacer. Therefore, the influence of the holes on the pressure fluctuation of the working gas during operation is small.
[0015]
In the above Stirling engine of the present invention, preferably, the displacer has a concave portion on the sliding surface, and the hole is opened in the concave portion.
[0016]
At the time of forming a hole, the periphery of the opening of the hole may be deformed in a convex shape due to generation of burrs and the like. However, by providing the concave portion in advance, even when the convex deformation occurs, it is possible to prevent the convex deformation from protruding outward from the sliding surface of the displacer. Therefore, a decrease in the slidability of the displacer due to deformation during drilling is suppressed.
[0017]
In the above Stirling engine of the present invention, preferably, the hole of the displacer is opened at a portion facing the compression space.
[0018]
With this configuration, even during compression in which instantaneous pressure fluctuation occurs, the working gas easily enters the displacer from the compression space. Therefore, even during compression, the pressure of the working gas in the compression space and the pressure of the working gas inside the displacer can be made substantially the same, so that the deformation of the displacer can be suppressed. Further, since the hole is opened in a portion facing the compression space, it is not necessary to provide the hole on the sliding surface with the cylinder. For this reason, since there is no danger that the convex deformed portion and the cylinder may come into contact with each other when the hole is provided on the sliding surface with the cylinder, a decrease in slidability due to the contact or the like can be prevented. .
[0019]
In the above Stirling engine of the present invention, preferably, the displacer has a recess at a portion facing the compression space, and the hole is opened at the recess.
[0020]
At the time of forming a hole, the periphery of the opening of the hole may be deformed in a convex shape due to generation of burrs and the like. However, by providing the concave portion in advance, even when the convex deformation occurs, it is possible to prevent the convex deformation from protruding outward from the portion facing the compression space of the displacer. Therefore, collision between the displacer and the piston during operation due to deformation during drilling can be avoided.
[0021]
In the above Stirling engine of the present invention, preferably, the hole of the displacer is opened at a portion facing the expansion space.
[0022]
With this configuration, the working gas can easily enter the displacer from the expansion space even during expansion in which instantaneous pressure fluctuation occurs. Therefore, even at the time of expansion, the pressure of the working gas in the expansion space and the pressure of the working gas inside the displacer can be made substantially the same, so that deformation of the displacer can be suppressed. Further, the expansion can be promoted by introducing the working gas in the expansion space into the displacer. Further, since the hole is opened at a portion facing the expansion space, it is not necessary to provide the hole on the sliding surface with the cylinder. For this reason, since there is no danger that the convex deformed portion and the cylinder may come into contact with each other when the hole is provided on the sliding surface with the cylinder, a decrease in slidability due to the contact or the like can be prevented. . Further, since the holes are opened at the portion facing the expansion space, it is not necessary to provide the holes at the portion facing the compression space. If a hole is provided in the part facing the compression space, the working gas suddenly enters the displacer during compression, and the pressure inside the displacer increases, which may cause the displacer to deform into a bulged shape. is there. However, such deformation can be prevented by opening the hole at the portion facing the expansion space.
[0023]
In the above Stirling engine of the present invention, preferably, the displacer has a recess at a portion facing the expansion space, and the hole is opened at the recess.
[0024]
At the time of forming a hole, the periphery of the hole may be deformed in a convex shape due to generation of burrs and the like. However, even if the convex shape is deformed by providing the concave portion in advance, the portion of the displacer facing the expansion space does not have a shape protruding outward. Therefore, collision between the displacer and the casing during operation due to deformation during drilling can be avoided.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view of a free piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 1 of the present invention.
[0027]
Referring to FIG. 1, in a free-piston Stirling refrigerating engine 7, a displacer 3 and a piston 2 are disposed in a cylindrical space inside a cylinder 1, one end of which is closed by a casing 13, so that the space is reduced. A compression space 8 and an expansion space 9 are formed therein, and a regenerator 5 is provided therebetween to form a closed circuit. The working space of this closed circuit is filled with working gas. The piston 2 is connected via a spring 19 and can be vibrated in the axial direction of the cylinder 1 by an external power such as a linear motor. The displacer 3 is connected to one end of a displacer rod 4 penetrating the piston 2, and the other end of the displacer rod 4 is connected to a spring 6. With such a configuration, the displacer 3 is elastically supported to be able to reciprocate.
[0028]
Of particular note in the free-piston Stirling refrigerating engine 7 of the present embodiment, the displacer 3 has a hollow portion 15a inside and a hole 15b communicating the hollow portion 15a with the outside of the displacer 3. are doing. The hole 15b is open on the sliding surface with the cylinder 1, and the hollow portion 15a in the displacer 3 is kept airtight so that it is not communicated with the outside except for the hole 15b.
[0029]
In the operation of the Stirling refrigerating engine, the working space of the closed circuit is filled with a working gas such as helium, and the piston 2 vibrates in the axial direction of the cylinder 1 by external power such as a linear motor. The vibration of the piston 2 causes a periodic pressure change in the working gas sealed in the compression space 8, and the working gas flows into the expansion space 9 via the regenerator 5 due to the pulsation of the back pressure that rises with the compression. Is flowed in. At this time, a change in the amount of gas movement generates a periodic axial vibration force in the displacer 3.
[0030]
Thus, the displacer 3 reciprocates in the cylinder 1 in the axial direction while maintaining a predetermined phase difference at the same cycle as the piston 2 by the spring 6. When the displacer 3 and the piston 2 reciprocate while maintaining a predetermined phase difference, the working gas sealed in the working space forms a thermodynamic cycle known as a reverse Stirling cycle, and mainly generates cold heat in the expansion space 9.
[0031]
The principle will be described below. The working gas in the compression space 8 compressed by the piston 2 passes through the cylinder vent 18, passes through the flow path 12, the high-temperature side heat exchanger 10, the regenerator 5, and the low-temperature side heat exchanger 14, and expands. When moving to 9, the regenerator 5 receives the cold heat stored a half cycle before and is precooled.
[0032]
At this time, the heat generated in the compression space 8 is released from the radiator 11 to the outside via the high-temperature side heat exchanger 10. When most of the working gas flows into the expansion space 9, the working gas starts to expand by pushing up the displacer 3 due to the increase in the pressure of the expansion space 9.
[0033]
When the gas expands to some extent, the displacer 3 is pushed up by the restoring force of the piston 2, and the working gas in the expansion space 9, which has a low pressure, is heat-exchanged from the outside by the heat absorber 17 through the low-temperature side heat exchanger 14. Then, the outside air is cooled and moves to the compression space 8 again via the regenerator 5, the high-temperature side heat exchanger 10, the flow path 12, and the cylinder vent 18. Then, when most of the working gas returns to the compression space 8, the piston 2 is again compressed and the next cycle is started. By repeating such a series of cycles continuously, it is possible to extract extremely low-temperature cold heat.
[0034]
Next, the effect of the hole 15b will be described. In the present embodiment, since the hollow portion 15a and the hole 15b are provided in the displacer 3, it becomes possible to guide the working gas from the outside to the hollow portion 15a through the hole 15b. For this reason, the pressure of each working gas inside and outside the displacer 3 can be made equal, and deformation of the displacer 3 based on the pressure difference between the inside and the outside can be suppressed.
[0035]
In the present embodiment, in particular, the hole 15b is opened on the sliding surface between the displacer 3 and the cylinder 1. For this reason, when stationary, the working gas flows into the displacer 3 through the hole 15b, and the internal pressure of the displacer 3 becomes equal to the surrounding pressure, so that the deformation of the displacer 3 due to the pressure difference between the inside and the outside is reduced. Be suppressed.
[0036]
On the other hand, since the gap between the sliding surfaces of the displacer 3 and the cylinder 1 is small, a pressure loss occurs in the working gas moving between the compression space 8 and the expansion space 9 and the inside of the displacer 3. In a state where a pressure loss occurs, the working gas does not easily pass between the sliding surfaces of the displacer 3 and the cylinder 1. Therefore, during operation, an instantaneous pressure fluctuation of the working gas occurs in the compression space 8 and the expansion space 9, so that the working gas passes between the sliding surfaces of the displacer 3 and the cylinder 1 and flows into the hollow portion 15 a. Previously, the pressure in the compression space 8 and the expansion space 9 fluctuates. As a result, the flow of the working gas into and out of the hollow portion 15a is reduced, so that the effect of the hole 15b on the pressure fluctuation of the working gas during operation can be suppressed.
[0037]
(Embodiment 2)
2 and 3 are a cross-sectional view and a perspective view showing a configuration of a displacer of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 2 of the present invention.
[0038]
Referring to FIG. 2, in the present embodiment, a concave portion 16 for increasing clearance is provided on a sliding surface of displacer 3 with cylinder 1, and hole 15 b is opened in concave portion 16.
[0039]
The remaining configuration is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0040]
The hole 15b is usually formed by drilling using a drill or the like. However, at the time of drilling, burrs may be generated or the internal stress balance of the material may be lost, and the periphery of the opening of the hole 15b may rise, causing a convex deformation. Therefore, the position where the hole 15b is provided on the sliding surface of the displacer 3 is previously processed into a slightly concave shape. Thereby, even if the periphery of the hole 15b becomes convex due to processing, it is possible to suppress the protrusion of the displacer 3 to the outside from the sliding surface with the cylinder 1, so that a decrease in slidability is reduced.
[0041]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a sectional view of a free-piston Stirling refrigeration engine according to Embodiment 3 of the present invention.
[0042]
Referring to FIG. 4, in the present embodiment, hole 15 b is opened at a portion of displacer 3 facing compression space 8. In addition, portions of the displacer 3 other than the holes 15b are configured to maintain airtightness so as not to communicate with the outside. Here, the compression space 8 means a space between the displacer 3 and the piston 2.
[0043]
The remaining configuration is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0044]
As a result, the working gas easily enters the displacer 3 from the compression space 8 even during the compression in which the instantaneous pressure fluctuation occurs, so that the pressure of the working gas in the compression space 8 and the pressure of the working gas inside the displacer 3 are substantially reduced. The same can be achieved, and the deformation of the displacer 3 can be suppressed. Further, since the hole 15b is opened at the portion facing the compression space 8, it is not necessary to provide the hole 15b on the sliding surface with the cylinder 1. For this reason, there is no possibility that the convex deformed portion and the cylinder 1 may come into contact with each other when the hole 15b is provided on the sliding surface with the cylinder 1, so that a decrease in slidability due to the contact or the like is prevented. be able to.
[0045]
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a displacer of a free-piston Stirling refrigeration engine according to Embodiment 4 of the present invention.
[0046]
Referring to FIG. 5, in the present embodiment, concave portion 16 is provided on surface of displacer 3 on the side of compression space 8 of displacer 3, and hole 15 b is opened in concave portion 16.
[0047]
The remaining configuration is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0048]
As a result, the internal pressure of the displacer 3 becomes equal to the surrounding pressure, the deformation of the displacer 3 due to the pressure difference is eliminated, and even when the displacer 3 is deformed during the processing of the hole 15b, the displacement space 3 Since the facing portion does not have a shape protruding outward, collision between the piston 2 and the displacer 3 during operation can be avoided.
[0049]
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a sectional view of a free-piston Stirling refrigeration engine according to Embodiment 5 of the present invention.
[0050]
Referring to FIG. 6, in the present embodiment, hole 15b is opened at a portion of displacer 3 facing expansion space 9. In addition, portions of the displacer 3 other than the holes 15b are configured to maintain airtightness so as not to communicate with the outside. Here, the expansion space 9 means a space between the displacer 3 and the casing 13.
[0051]
The remaining configuration is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0052]
As a result, the working gas easily enters the displacer 3 from the expansion space 9 even at the time of expansion in which instantaneous pressure fluctuation occurs, so that the pressure of the working gas in the expansion space 9 and the pressure of the working gas inside the displacer 3 are substantially reduced. The same can be achieved, and the deformation of the displacer 3 can be suppressed. The expansion can be promoted by introducing the working gas in the expansion space 9 into the hollow portion 15a. Further, since the hole 15b is opened at the portion facing the expansion space 9, it is not necessary to provide the hole 15b on the sliding surface with the cylinder 1. For this reason, there is no possibility that the convex deformed portion and the cylinder 1 may come into contact with each other when the hole 15b is provided on the sliding surface with the cylinder 1, so that a decrease in slidability due to the contact or the like is prevented. be able to. Further, since the hole 15b is opened at the portion facing the expansion space 9, it is not necessary to provide the hole 15b at the portion facing the compression space 8. When the hole 15b is provided in the portion facing the compression space 8, the working gas rapidly enters the displacer 3 at the time of compression, and the pressure inside the displacer 3 increases, so that the displacer 3 has a bulged shape. Deformation may occur. However, such deformation can be prevented by opening the hole 15b at the portion facing the expansion space.
[0053]
(Embodiment 6)
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a displacer of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 6 of the present invention.
[0054]
Referring to FIG. 7, in the present embodiment, in displacer 3, concave portion 16 is provided on the surface of displacer 3 on the side of expansion space 9, and hole 15 b is opened in concave portion 16.
[0055]
The remaining configuration is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore, the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0056]
As a result, the internal pressure of the displacer 3 becomes equal to the surrounding pressure, so that the deformation of the displacer 3 due to the pressure difference is eliminated. Since the portion does not have a shape protruding outward, it is possible to avoid collision between the casing 13 and the displacer 3 during operation.
[0057]
Although the present embodiment is all directed to a Stirling refrigerating engine using a reverse Stirling cycle, the present invention is applicable to all devices of a Stirling engine such as a Stirling engine.
[0058]
The embodiments disclosed above are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the embodiments described above, and is intended to include any modifications or variations within the meaning and range equivalent to the terms of the claims.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the Stirling refrigerating engine of the present invention, since the inside of the displacer is hollow, the displacer is light in weight and low in cost by the weight of the hollow portion. The working gas outside the displacer and the working gas inside the displacer can enter and exit through the holes. Therefore, the pressure of the working gas outside the displacer is equal to the pressure of the working gas inside the displacer, and deformation of the displacer due to the pressure difference between the working gas outside the displacer and the working gas inside the displacer is suppressed. For the above reasons, the performance of the free piston Stirling refrigeration engine is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a displacer of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a configuration of a displacer of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a displacer of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a displacer of a free-piston Stirling refrigerating engine according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a conventional free-piston Stirling refrigerating engine.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 cylinder, 2 piston, 3 displacer, 4 displacer rod, 5 regenerator, 6 spring, 7 free piston type Stirling refrigerating engine, 8 compression space, 9 expansion space, 10 high temperature side heat exchanger, 11 radiator, 12 flow path , 13 casing, 14 low-temperature side heat exchanger, 15a hollow portion, 15b hole, 16 recess, 17 heat sink, 18 cylinder vent, 19 spring.
