JP2004100983A

JP2004100983A - スターリング機関

Info

Publication number: JP2004100983A
Application number: JP2002259854A
Authority: JP
Inventors: Koji Yasumura; 安村　浩至; Kazushi Yoshimura; 吉村　和士; Yoshiyuki Kitamura; 北村　義之; Hitoshi Sakamoto; 坂元　仁
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】本発明は、安価な構成によってピストンの往復運動中心位置ずれを抑えることが可能なスターリング機関を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、シリンダ３の内側を往復摺動するピストン１とディスプレーサ２によって、圧力容器４の内部を第１、第２作動空間７ａ、７ｂと背面空間８に分割して成るスターリング機関において、ピストン１に設けられ、第１作動空間７ａとピストン摺動面１ａを結ぶ第１流路１ｃと、シリンダ３に設けられ、背面空間８とシリンダ摺動面３ａを結ぶ第２流路３ｂと、を有し、第１、第２流路１ｃ、３ｂをピストン１の初期の往復運動中心位置よりも背面空間８側で連通させて成る構成としている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンとディスプレーサの往復運動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温または電力・動力を得るスターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９はスターリング冷凍機の一従来構成を示す概略断面図である。本図に示すスターリング冷凍機は、シリンダ３の内側面（シリンダ摺動面３ａ）を滑らかに往復摺動するピストン１とディスプレーサ２を有して成る。ピストン１とディスプレーサ２は同軸上に配設されており、ディスプレーサ２の一端を形成するロッド２ａは、ピストン１の中心部に設けられた摺動穴１ｂを貫通している。なお、ピストン１及びディスプレーサ２は、各々ピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６を介して圧力容器４に弾性支持されている。
【０００３】
圧力容器４の内部空間は、ピストン１によって２つの空間に分割されている。一方は、ピストン１から見てディスプレーサ２側にある作動空間７であり、他方は、ピストン１から見て作動空間７とは反対側、すなわちシリンダ３の末端側にある背面空間８である。これらの空間には、高圧ヘリウムガス等の作動媒体が充填されている。また、作動空間７は、ディスプレーサ２によってさらに２つの空間に分割されている。一方は、ピストン１とディスプレーサ２によって挟まれた第１作動空間７ａ（圧縮空間）であり、他方は、ディスプレーサ２から見て第１作動空間７ａとは反対側、すなわちシリンダ３の先端側にある第２作動空間７ｂ（膨張空間）である。なお、両作動空間は、再生器９を介して連結されている。
【０００４】
ピストン１は、リニアモータ等の図示しない駆動部によって、所定周期で往復運動される。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、作動媒体の圧縮・膨張に伴う圧力変化によって、直線的に往復運動される。このとき、ピストン１とディスプレーサ２は、所定の位相差をもって同一周期にて往復運動することになる。
【０００５】
なお、上記構成から成るスターリング冷凍機において、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ａとの間、及びロッド２ａとピストン摺動穴１ｂとの間には、作動空間７と背面空間８とを遮断するガスシールが施されている。なお、該ガスシールは、接触する部材間にシールリングを設けたり、両部材を高精度に嵌合したりすることで実現されている。
【０００６】
しかしながら、どのようなガスシールを施しても、作動空間７と背面空間８を完全に遮断することはできず、作動媒体が微小な隙間を介して両空間を流動することは避けられない。そのため、ピストン１が作動空間７方向に運動しているときには、第１作動空間７ａの圧力が背面空間８の圧力よりも高くなり、作動媒体は第１作動空間７ａから背面空間８へと流動する。逆に、ピストン１が背面空間８方向に運動しているときには、第１作動空間７ａの圧力が背面空間８の圧力よりも低くなり、作動媒体は背面空間８から第１作動空間７ａへと流動する。
【０００７】
ここで、第１作動空間７ａと背面空間８との圧力差は、ピストン１が背面空間８方向に運動しているときより、作動空間７方向に運動しているときの方が大きい。そのため、第１作動空間７ａの作動媒体は、ピストン１の往復運動１サイクル毎に少しずつ背面空間８へと流出していくことになる。このような状況を放置しておくと、背面空間８の圧力が徐々に高くなるため、ピストン１の往復運動中心位置が初期位置から作動空間７側にずれて、ピストン１が物理的な運動限界位置に達したり、ディスプレーサ２が圧力容器４に衝突したりするおそれがある。
【０００８】
そこで、特許文献１には、作動空間と背面空間との圧力バランスを保つことでピストンの往復運動中心位置を保持する技術が開示されている。図１０は特許文献１に開示されたスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。本図に示すスターリング冷凍機において、ピストン１は、第１作動空間７ａとピストン摺動面１ａを結ぶ第１流路１ｃを有しており、シリンダ３は、背面空間８とシリンダ摺動面３ａを結ぶ第２流路３ｂを有している。なお、第１流路１ｃの開口部１ｄ（ピストン摺動面１ａ側）と、第２流路３ｂの開口部３ｃ（シリンダ摺動面３ａ側）は、ピストン１が初期の往復運動中心位置にあるときだけ相対するように配設されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−０３９２２２号公報
【特許文献２】
特表平１０−５０５３９６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、特許文献１に開示されたスターリング冷凍機であれば、第１、第２流路１ｃ、３ｂが連通する瞬間だけ、作動媒体が第１作動空間７ａと背面空間８との間を互いの圧力差に応じて流動できるようになる。従って、背面空間８の圧力が際限なく高まることはなく、ピストン１の往復運動中心位置は、往復運動１サイクル毎にガスシールの隙間を介して第１作動空間７ａから背面空間８へ流出する作動媒体量と、第１、第２流路１ｃ、３ｂを介して背面空間８から第１作動空間７ａに流入する作動媒体量との平衡位置で保持されることになる。
【００１１】
ここで、上記構成によってピストン１の往復運動中心位置を初期位置に維持するためには、ピストン１が該初期位置を中心に往復運動している状態で、ガスシールの隙間を介する作動媒体流動量と、第１、第２流路１ｃ、３ｂを介する作動媒体流動量が平衡していなければならない。言い換えれば、ピストン１駆動開始当初から、両経路を介する作動媒体流動量は平衡している必要があると言える。
【００１２】
しかしながら、上記構成から成るスターリング冷凍機は、ピストン１が初期の往復運動中心位置にあるときに、第１、第２流路１ｃ、３ｂが連通するように構成されていたので、両流路連通時における第１作動空間７ａと背面空間８との圧力差は、前述した通り、ピストン１が背面空間８方向に運動しているときより、作動空間７方向に運動しているときの方が大きかった。
【００１３】
そのため、上記構成から成るスターリング冷凍機では、ピストン１の駆動開始後しばらくの間、ガスシールの隙間と第１、第２流路１ｃ、３ｂの両方から作動媒体が流れ出して背面空間８の圧力が上昇し、ピストン１の往復運動中心位置が初期位置から作動空間７側に所定量ずれた段階で、ようやくガスシールの隙間を介する作動媒体流動量と、第１、第２流路１ｃ、３ｂを介する作動媒体流動量が平衡して、ピストン１の往復運動中心位置が安定する結果となっていた。
【００１４】
このように、上記構成から成るスターリング冷凍機では、ピストン１が物理的な運動限界位置に達したり、ディスプレーサ２が圧力容器４に衝突したりするおそれを完全に払拭することができなかったので、スターリング冷凍機のピストン振幅を狭めて最大冷却性能を低めに抑えざるを得なかった。
【００１５】
なお、特許文献２には、作動空間と背面空間を結ぶ作動媒体流動経路と、該経路内の作動媒体流動方向を背面空間から作動空間方向に限定する一方向弁と、を有し、上記と同様、作動空間と背面空間との圧力バランスを保つことでピストンの往復運動中心位置を保持する技術が開示されている。
【００１６】
確かに、上記構成から成るスターリング冷凍機であれば、一方向弁の働きにより、ピストンが作動空間方向に運動しているときは、作動空間から背面空間への媒体流動を遮断し、ピストンが背面空間方向に運動しているときは、背面空間から作動空間への媒体流動を許可することができるので、背面空間の圧力上昇を回避して、ピストンの往復運動中心位置を初期位置に保持することが可能である。しかしながら、上記構成から成るスターリング冷凍機は、構造が複雑であるために部品点数や工程数が多く、高コストであるという課題を有していた。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、安価な構成によってピストンの往復運動中心位置ずれを抑えることが可能なスターリング機関を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るスターリング機関は、シリンダの内側を往復運動するピストンと、前記シリンダ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、前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に第１作動空間を、前記ディスプレーサから見て第１作動空間とは反対側に第２作動空間を、前記ピストンから見て第１作動空間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スターリング機関において、前記ピストンに設けられ、第１作動空間とピストン外側面を結ぶ第１流路と、前記シリンダに設けられ、前記背面空間とシリンダ内側面を結ぶ第２流路と、を有し、第１、第２流路を前記ピストンの初期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側で連通させて成る。
【００１９】
具体的には、前記ピストンの外側面に設けられた第１流路の開口部を、前記ピストンの初期の往復運動中心位置よりも第１作動空間側にオフセットさせるとよい。或いは、前記シリンダの内側面に設けられた第２流路の開口部を、前記ピストンの初期の往復運動中心位置よりも背面空間側にオフセットさせてもよい。
【００２０】
このような構成とすることにより、一方向弁等を用いない安価な構成によってピストンの往復運動中心位置を従来よりも初期位置近傍で安定させることができるようになる。従って、ピストンが物理的な運動限界位置に達したり、ディスプレーサが圧力容器に衝突したりするおそれが減るので、スターリング機関のピストン振幅を広げて最大性能を向上させることが可能となる。
【００２１】
なお、上記構成から成るスターリング冷凍機において、第１流路の開口部は、前記ピストンの往復運動方向に複数形成された構成にするとよい。或いは、第２流路の開口部を前記ピストンの往復運動方向に複数形成してもよい。このような構成とすることにより、第１、第２流路を介して背面空間から第１作動空間へ流入する作動媒体量をピストン振幅に応じて変化させることができるようになる。従って、ピストン振幅が大きくなり、ガスシールの隙間を介して第１作動空間から背面空間へ流出する作動媒体量が多くなったとしても、それに応じて第１、第２流路経由で背面空間から第１作動空間へ流入する作動媒体量も多くなるので、ピストンの往復運動中心位置ずれを効果的に抑えることができる。
【００２２】
また、上記構成から成るスターリング冷凍機において、第１流路の開口部は、位置に応じて形状及び／または断面積が異なる構成にするとよい。或いは、第２流路について、開口部の形状及び／または断面積を位置に応じて変えてもよい。このような構成とすることにより、第１、第２流路連通時の作動媒体流動量をピストン振幅に応じて調節することができるようになるので、安定状態におけるピストンの往復運動中心位置を微調整することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態について、図１〜図３を参照しながら詳細な説明を行う。図１は本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態を示す概略断面図であり、図２は第１実施形態におけるピストンの周辺構造を示す概略断面図である。なお、前述した従来構成と同様の部材については、図９、図１０と同一の符号を付すことで説明を省略する。
【００２４】
図２に示す通り、本実施形態のスターリング冷凍機において、第１流路１ｃの開口部１ｄと、第２流路３ｂの開口部３ｃは、ピストン１が初期の往復運動中心位置より背面空間８側にあるときに相対するように配設されている。具体的に言うと、第１流路開口部１ｄは、ピストン１の往復運動中心位置の初期位置よりも作動空間７側にオフセットして設けられており、第２流路開口部３ｃは、ピストン１の往復運動中心位置の初期位置に配設されている。なお、第１流路開口部１ｄは、ピストン摺動面１ａの同一円周上に複数箇所設けてもよい。同様に、第２流路開口部３ｃは、シリンダ摺動面３ａの同一円周上に複数箇所設けてもよい。
【００２５】
図３はピストン１の位置と第１作動空間７ａ及び背面空間８の各圧力との相関関係を示す図である。なお、本図中において、ＸｍｉｎとＸｍａｘはピストン１の往復運動両端位置、Ｘｃはピストン１の往復運動中心位置、Ｘａは第１、第２流路１ｃ、３ｂの連通位置、をそれぞれ示している。
【００２６】
まず、ピストン１が背面空間８方向に運動している場合を考える。この場合、第１、第２流路１ｃ、３ｂは、従来（図１０参照）と異なり、ピストン１が初期の往復運動中心位置Ｘｃにあるときではなく、より背面空間８側の位置Ｘａにあるときに連通する。従って、本図からも分かるように、第１作動空間７ａの圧力は従来に比べて低くなり、逆に背面空間８の圧力は僅かながらも高くなるので、両者の差は大きくなる。その結果、背面空間８から第１作動空間７ａへと流入する作動媒体量は従来よりも多くなる。
【００２７】
続いて、ピストン１が第１作動空間７ａ方向に運動している場合を考える。この場合にも、第１、第２流路１ｃ、３ｂは、従来（図１０参照）と異なり、ピストン１が初期の往復運動中心位置Ｘｃにあるときではなく、より背面空間８側の位置Ｘａにあるときに連通する。従って、本図からも分かるように、第１作動空間７ａの圧力は従来に比べて低くなり、逆に背面空間８の圧力は僅かながらも高くなるので、両者の差は小さくなる。その結果、第１作動空間７ａから背面空間８へと流出する作動媒体量は従来よりも少なくなる。
【００２８】
上述のことから、第１流路開口部１ｄを第１作動空間７ａ側にオフセットすることで、ピストン１の往復運動１サイクル毎に第１作動空間７ａから背面空間８に流出する作動媒体量は減少し、オフセットを所定値以上とすることで、逆に背面空間８から第１作動空間７ａに作動媒体が流入するようになることが分かる。
【００２９】
このことを踏まえ、本実施形態のスターリング冷凍機では、ピストン１の往復運動中心位置が初期位置から作動空間７側に所定量ずれるのを待つことなく、ピストン１の駆動開始当初から、往復運動１サイクル毎にガスシールの隙間を介して第１作動空間７ａから背面空間８へ流出する作動媒体量と、第１、第２流路１ｃ、３ｂを介して背面空間８から第１作動空間７ａに流入する作動媒体量が平衡するように、第１流路開口部１ｄのオフセット量が最適化されている。
【００３０】
このような構成とすることにより、一方向弁等を用いない安価な構成によってピストン１の往復運動中心位置を従来よりも初期位置近傍で安定させることができるようになる。従って、ピストン１が物理的な運動限界位置に達したり、ディスプレーサ２が圧力容器４に衝突したりするおそれが減るので、スターリング冷凍機のピストン振幅を広げて最大冷却性能を向上させることが可能となる。
【００３１】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第２実施形態について、図４を参照しながら詳細な説明を行う。図４は第２実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。本図に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機において、第１、第２流路開口部１ｄ、３ｃは、ピストン１が初期の往復運動中心位置より背面空間８側にあるときに相対するように配設されている。具体的に言うと、第１流路開口部１ｄは、ピストン１の往復運動中心位置の初期位置に設けられており、第２流路開口部３ｃは、ピストン１の往復運動中心位置の初期位置よりも背面空間８側にオフセットして配設されている。なお、第１流路開口部１ｄは、ピストン摺動面１ａの同一円周上に複数箇所設けてもよい。同様に、第２流路開口部３ｃは、シリンダ摺動面３ａの同一円周上に複数箇所設けてもよい。
【００３２】
このような構成とすることにより、前出の第１実施形態と同様、一方向弁等を用いない安価な構成によってピストン１の往復運動中心位置を従来よりも初期位置近傍で安定させることができるようになる。従って、ピストン１が物理的な運動限界位置に達したり、ディスプレーサ２が圧力容器４に衝突したりするおそれが減るので、スターリング冷凍機のピストン振幅を広げて最大冷却性能を向上させることが可能となる。
【００３３】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第３実施形態について、図５を参照しながら詳細な説明を行う。図５は第３実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。本図に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、第１実施形態の構成に加えて、第１流路開口部１ｄを往復運動方向に複数形成した構成としている。
【００３４】
このような構成とすることにより、第１、第２流路１ｃ、３ｂを介して背面空間８から第１作動空間７ａへ流入する作動媒体量を、ピストン振幅に応じて変化させることができるようになる。従って、ピストン振幅が大きくなり、ガスシールの隙間を介して第１作動空間７ａから背面空間８へ流出する作動媒体量が多くなったとしても、それに応じて第１、第２流路１ｃ、３ｂ経由で背面空間８から第１作動空間７ａへ流入する作動媒体量も多くなるので、ピストン１の往復運動中心位置ずれを効果的に抑えることができる。なお、複数ある第１流路開口部１ｄの１つは、ピストン１の初期の往復運動中心位置に形成してもよい。
【００３５】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第４実施形態について、図６を参照しながら詳細な説明を行う。図６は第４実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。本図に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、第２実施形態の構成に加えて、第２流路開口部３ｃを往復運動方向に複数形成した構成としている。
【００３６】
このような構成とすることにより、前出の第３実施形態と同様、第１、第２流路１ｃ、３ｂを介して背面空間８から第１作動空間７ａへ流入する作動媒体量をピストン振幅に応じて変化させることができるようになる。従って、ピストン振幅が大きくなり、ガスシールの隙間を介して第１作動空間７ａから背面空間８へ流出する作動媒体量が多くなったとしても、それに応じて第１、第２流路１ｃ、３ｂ経由で背面空間８から第１作動空間７ａへ流入する作動媒体量も多くなるので、ピストン１の往復運動中心位置ずれを効果的に抑えることができる。なお、複数ある第２流路開口部３ｃの１つは、ピストン１の初期の往復運動中心位置に形成してもよい。
【００３７】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第５実施形態について、図７を参照しながら詳細な説明を行う。図７は第５実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。本図に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、第３実施形態の構成に加えて、第１流路開口部１ｄの形状及び／または断面積を位置に応じて変化させた構成としている。このような構成とすることにより、第１、第２流路１ｃ、３ｂ連通時の作動媒体流動量をピストン振幅に応じて調節することができるようになるので、安定状態におけるピストン１の往復運動中心位置を微調整することが可能となる。
【００３８】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第６実施形態について、図８を参照しながら詳細な説明を行う。図８は第６実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。本図に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、第４実施形態の構成に加えて、第２流路開口部３ｃの形状及び／または断面積を位置に応じて変化させた構成としている。このような構成とすることにより、前出の第５実施形態と同様、第１、第２流路１ｃ、３ｂ連通時の作動媒体流動量をピストン振幅に応じて調節することができるようになるので、安定状態におけるピストン１の往復運動中心位置を微調整することが可能となる。
【００３９】
なお、上記の実施形態では、本発明をスターリング冷凍機に適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、スターリングエンジン、発電機、ヒートポンプ、圧縮機などのスターリング機関全般に広く適用することが可能である。
【００４０】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、安価な構成によってピストンの往復運動中心位置ずれを抑えることが可能なスターリング機関を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態を示す概略断面図である。
【図２】第１実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図３】ピストン１の位置と第１作動空間７ａ及び背面空間８の各圧力との相関関係を示す図である。
【図４】第２実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図５】第３実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図６】第４実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図７】第５実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図８】第６実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図９】スターリング冷凍機の一従来構成を示す概略断面図である。
【図１０】特許文献１に開示されたスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　　ピストン
１ａ　　ピストン摺動面
１ｂ　　ピストン摺動穴
１ｃ　　第１流路（ピストン側流路）
１ｄ　　第１流路開口部
２　　ディスプレーサ
２ａ　　ロッド
３　　シリンダ
３ａ　　シリンダ摺動面
３ｂ　　第２流路（シリンダ側流路）
３ｃ　　第２流路開口部
４　　圧力容器
５　　ピストン支持バネ
６　　ディスプレーサ支持バネ
７　　作動空間
７ａ　　第１作動空間
７ｂ　　第２作動空間
８　　背面空間
９　　再生器

Claims

シリンダの内側を往復運動するピストンと、前記シリンダ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、前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に第１作動空間を、前記ディスプレーサから見て第１作動空間とは反対側に第２作動空間を、前記ピストンから見て第１作動空間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スターリング機関において、
前記ピストンに設けられ、第１作動空間とピストン外側面を結ぶ第１流路と、前記シリンダに設けられ、前記背面空間とシリンダ内側面を結ぶ第２流路と、を有し、第１、第２流路を前記ピストンの初期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側で連通させて成ることを特徴とするスターリング機関。
前記ピストンの外側面に設けられた第１流路の開口部は、前記ピストンの初期の往復運動中心位置よりも第１作動空間側にオフセットして形成されてい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。
前記シリンダの内側面に設けられた第２流路の開口部は、前記ピストンの初期の往復運動中心位置よりも背面空間側にオフセットして形成されてい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。
第１流路の開口部は、前記ピストンの往復運動方向に複数形成されていることを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。
第２流路の開口部は、前記ピストンの往復運動方向に複数形成されていることを特徴とする請求項３に記載のスターリング機関。
第１流路の開口部は、位置に応じて形状及び／または断面積が異なることを特徴とする請求項４に記載のスターリング機関。
第２流路の開口部は、位置に応じて形状及び／または断面積が異なることを特徴とする請求項５に記載のスターリング機関。