JP2004340477A

JP2004340477A - Stirling engine and its manufacturing method

Info

Publication number: JP2004340477A
Application number: JP2003137099A
Authority: JP
Inventors: Koji Yasumura; 浩至安村; Kazushi Yoshimura; 和士吉村; Kenji Takai; 健二高井; Shinji Yamagami; 真司山上; Yoshiyuki Kitamura; 義之北村; Hitoshi Sakamoto; 仁坂元
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP3860137B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stirling engine and its manufacturing method capable of preventing a piston from being excessively moved in sealing a working medium by a simple process. <P>SOLUTION: This stirling engine comprises a pressure container 4, a cylinder 3 mounted in the pressure container 4 and having a first passage 3b, a piston 1 mounted reciprocatably in the cylinder 3 and having a second passage 1c, a displacer 2 in opposition to the piston 1 in the cylinder 3, a linear motor 10 applying the electromagnetic force to the piston 1 in sealing the working medium, the working medium sealed in the pressure container 4, and a controller 11 as a control means connected with the linear motor 10, driving and controlling the linear motor 10 in sealing the working medium, and communicating the first and second passages 3b, 1c. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスターリング機関の製造方法に関し、特に、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／高温または電力または動力を得るスターリング機関およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング機関の従来例としては、たとえば、特開２０００−３９２２２号公報（従来例１）に示されたものなどが挙げられる。
【０００３】
以下に、従来例１におけるスターリング機関の構成について、図２および図３を用いて説明する。
【０００４】
従来例１におけるスターリング機関は、図２および図３に示すように、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とを備える。ピストン１とディスプレーサ２と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およびディスプレーサ２は、各々ピストン支持バネ５およ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。
【０００５】
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。該空間の一方は、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の後端側にある背面空間８である。これらの空間には、高圧ヘリウムガスなどの作動媒体が充填されている。
【０００６】
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。該空間の一方は、ピストン１とディスプレーサ２とによって挟まれた圧縮空間７ａであり、他方は、ディスプレーサ２から見て圧縮空間７ａとは反対側、すなわちシリンダ３の先端側にある膨張空間７ｂである。なお、両作動空間７ａ，７ｂは、再生器９を介して連結されている。
【０００７】
ピストン１は、駆動部としてのリニアモータ１０によって駆動され、所定周期で往復運動する。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、直線的に往復運動する。このとき、ピストン１とディスプレーサ２とは、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。
【０００８】
上記構成から成るスターリング機関において、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ａとの間、およびロッド２ａと摺動穴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。
【０００９】
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と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、圧縮空間７ａの圧力が背面空間８の圧力よりも高くなり、作動媒体は圧縮空間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、圧縮空間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から圧縮空間７ａへと流動する。
【００１０】
ここで、背面空間８の容積が圧縮空間７ａの容積よりも大きいため、圧縮空間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くなる。そのため、圧縮空間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の振幅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、ピストン１とディスプレーサ２とが衝突したり、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。
【００１１】
これに対し、従来例１においては、作動空間７と背面空間８との圧力バランスを保つことでピストンの振幅中心位置ずれを抑えるために、シリンダ３に、背面空間８とシリンダ摺動面３ａとを結ぶ第１の通路３ｂを設け、ピストン１に、圧縮空間７ａとピストン摺動面１ａとを結ぶ第２の通路１ｃを設けている。ここで、一般的には、第１の通路３ｂの開口部３ｃ（シリンダ摺動面３ａ側）と、第２の通路１ｃの開口部１ｄ（ピストン摺動面１ａ側）とは、ピストン１が予め設定された初期の振幅中心位置に位置した時に対向するように配設される。
【００１２】
しかしながら、上記のような通路を設けたとしても、実際にピストン１を作動させた際に、作動空間７と背面空間８との圧力差が十分に緩和されず、背面空間８の方が作動空間７よりも圧力が高くなる場合がある。この結果、ピストン１の振幅中心位置が初期位置から作動空間７側にずれることとなる。
【００１３】
これに対し、第１の通路３ｂと第２の通路１ｃとをピストン１の初期の振幅中心位置よりも背面空間８側で連通させることで、ピストン１の振幅中心位置のずれを抑える構造が考えられる。この構造においては、作動空間７と背面空間８とが、作動空間７側の圧力が低い状態で連通するので、作動空間７と背面空間８との圧力差を緩和する効果を高めることができる。
【００１４】
図２は、上記のスターリング機関を、シリンダ３が水平となる方向に設置した場合を示す断面図である。また、図３は、図２に示すスターリング機関を、背面空間８が下側となる方向に設置した場合を示す断面図である。図２において、ピストン１の開口部１ｄは、シリンダ３の開口部３ｃよりも作動空間７側に位置する。また、図３においては、スターリング機構をピストン１の駆動方向が鉛直を向くように設置した結果、ピストン１は重力によって背面空間８側に移動し、開口部１ｄが図２の場合と比べて背面空間８側に移動しているが、該開口部１ｄは依然として開口部３ｃよりも作動空間７側に位置する。
【００１５】
なお、上記の往復運動の結果、たとえばシリンダ３の先端のコールドヘッドにおいて冷熱の発生がなされるなどの効果が得られる。この冷熱の発生原理など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。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−３９２２２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなスターリング機関においては、下記のような問題があった。
【００１８】
上記のスターリング機関の製造工程において、圧縮空間７ａおよび膨張空間７ｂと、背面空間８とに作動媒体を封入する際は、作動媒体を圧力容器４に設置された封入口１２から封入する。
【００１９】
ここで、たとえば図２および図３に示すように、ピストン１の開口部１ｄが、シリンダ３の開口部３ｃよりも作動空間７側にある状態で、装置構成が複雑でない背面空間８側に作動媒体の封入口１２を設けた場合、背面空間８側から作動媒体を封入する際に、背面空間８側から作動空間７側への作動媒体の通路が確保されず、ピストン１が作動空間７側に過大に移動して、ピストン支持バネ５の破損などの結果を招くこととなる。
【００２０】
これに対し、作動媒体を低いガス圧によって徐々に封入することで、上記のガスシールの隙間から作動媒体を作動空間７側に移動させる封入方法が考えられる。
【００２１】
しかしながら、上記のような封入方法においては、作動媒体ガスの封入作業に非常に時間がかかることになる。
【００２２】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、簡便な工程で、作動媒体封入時にピストンが過度に移動することを防止することが可能なスターリング機関およびその製造方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスターリング機関の製造方法は、１つの局面では、圧力容器内に、第１の通路を有するシリンダと、第２の通路を有するピストンと、シリンダ内においてピストンに対向するディスプレーサとを組み込む工程と、ピストンに第１および第２の通路を連通させるような力を作用させながら、圧力容器内に作動媒体を封入する工程とを備える。
【００２４】
これにより、作動媒体封入時にピストンによって隔てられた背面空間と作動空間との間の作動媒体の通路を確保することができるので、作動媒体封入を簡便な工程で行なうことができる。
【００２５】
本発明に係るスターリング機関の製造方法は、他の局面では、圧力容器内に、第１の通路を有するシリンダと、第２の通路を有するピストンと、シリンダ内においてピストンに対向するディスプレーサとを組み込む工程と、ピストンに第１および第２の通路を連通させるような力を作用させながら、圧力容器内のガスを排気した後に、圧力容器内に作動媒体を封入する工程とを備える。
【００２６】
これにより、作動媒体封入工程を行なう前に、簡便な工程で圧力容器内のガスを吸引して水分を除去することができる。
【００２７】
ここで、１つの局面では、ピストンを駆動するリニアモータを用いて、ピストンに力を作用させることが好ましい。
【００２８】
また、他の局面では、ピストンの往復駆動方向に重力を作用させて、前記第１および第２の通路を連通させてもよい。
【００２９】
これにより、ガスの排気または作動媒体封入時にピストンによって隔てられた背面空間と作動空間との間の作動媒体の通路を確保することができる。
【００３０】
本発明に係るスターリング機関は、１つの局面では、圧力容器と、該圧力容器内に配置された第１の通路を有するシリンダと、シリンダ内を往復動可能に配置され、第２の通路を有するピストンと、シリンダ内においてピストンに対向するディスプレーサと、ピストンを駆動するリニアモータと、圧力容器内に封入された作動媒体と、作動媒体の封入時に、リニアモータを駆動制御して、第１および第２の通路を連通させる制御手段とを備える。
【００３１】
これにより、作動媒体封入時にピストンによって隔てられた背面空間と作動空間との間の作動媒体の通路を確保することができるので、作動媒体封入を簡便な工程で行なうことができる。
【００３２】
本発明に係るスターリング機関は、他の局面では、圧力容器と、圧力容器内に配置された第１の通路を有するシリンダと、シリンダ内を往復動可能に配置され、第２の通路を有するピストンと、シリンダ内においてピストンに対向するディスプレーサと、圧力容器内に封入された作動媒体と、作動媒体を封入する封入口と、ピストンを支持するバネとを備えたスターリング機関であって、ピストンの駆動方向が鉛直方向を向くようにスターリング機関を配置したときに、第２の通路のピストン摺動面側の開口部が、第１の通路のシリンダ摺動面側の開口部と対向するか、あるいは、封入口を有する空間側に位置する。
【００３３】
これにより、作動媒体封入時に、封入された作動媒体の圧力によってピストンを移動させ、第１および第２の通路を連通させて、作動媒体の通路を確保することができるので、作動媒体封入を簡便な工程で行なうことができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づくスターリング機関およびその製造方法の実施の形態について説明する。
【００３５】
図１は、本実施の形態に係るスターリング機関の断面図である。
本実施の形態に係るスターリング機関は、図１に示すように、圧力容器４と、圧力容器４内に配置された第１の通路３ｂを有するシリンダ３と、シリンダ３内を往復動可能に配置され、第２の通路１ｃを有するピストン１と、シリンダ３内においてピストン１に対向するディスプレーサ２と、ピストン１に電磁力を作用させて駆動するリニアモータ１０と、圧力容器４内に封入された作動媒体と、リニアモータ１０に接続され、作動媒体封入時にリニアモータ１０を駆動制御して、第１および第２の通路３ｂ，１ｃを連通させる制御手段としてのコントローラ１１とを備える。
【００３６】
また、上記のスターリング機関の製造方法は、圧力容器４内に第１の通路３ｂを有するシリンダ３と、第２の通路１ｃを有するピストン１と、シリンダ３内においてピストン１に対向するディスプレーサ２とを組み付ける工程と、ピストン１に第１および第２の通路３ｂ，１ｃを連通させるような力を作用させながら、作動媒体を封入する工程とを備える。なお、第１および第２の通路を連通させる力は、ピストン１を駆動するリニアモータ１０を用いて作用させるが、この手段については、たとえば重力など他の手段に置換することが可能である。また、作動媒体は、圧力容器４の壁面に設置された封入口１２から封入される。
【００３７】
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。該空間の一方は、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の後端側にある背面空間８である。これらの空間には、高圧ヘリウムガスなどの作動媒体が充填されている。
【００３８】
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。該空間の一方は、ピストン１とディスプレーサ２によって挟まれた圧縮空間７ａであり、他方は、ディスプレーサ２から見て圧縮空間７ａとは反対側、すなわちシリンダ３の先端側にある膨張空間７ｂである。なお、両作動空間７ａ，７ｂは、再生器９を介して連結されている。
【００３９】
ピストン１およびディスプレーサ２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と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およびディスプレーサ２は、各々ピストン支持バネ５およびディスプレーサ支持バネ６に弾性支持されている。
【００４０】
ここで、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ａとの間、およびロッド２ａと摺動穴１ｂとの間には、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により、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、作動空間７と背面空間８を完全には遮断せず、スターリング機関動作時には、作動媒体が微小な隙間を介して両空間を流動する。
【００４１】
上記の作動媒体の流動に対し、作動空間７と背面空間８との圧力バランスを保つことでピストンの振幅中心位置ずれを抑えるために、シリンダ３に、背面空間８とシリンダ摺動面３ａとを結ぶ第１の通路３ｂを設け、ピストン１に、圧縮空間７ａとピストン摺動面１ａとを結ぶ第２の通路１ｃを設けている。
【００４２】
しかしながら、スターリング機関を実際に動作させた際は、従来例１の説明において述べたとおり、背面空間８の方が作動空間７よりも圧力が高くなる傾向にあるため、第１の通路３ｂの開口部３ｃ（シリンダ摺動面３ａ側）と、第２の通路１ｃの開口部１ｄ（ピストン摺動面１ａ側）とが、ピストン１が初期の振幅中心位置よりも背面空間８側にある時に対向する位置関係（振幅中心位置において、ピストン１の開口部１ｄがシリンダ３の開口部３ｃよりも作動空間７側にある状態）で設置されている。この結果、第１の通路３ｂと第２の通路１ｃとがピストン１の初期の振幅中心位置よりも背面空間８側で連通し、上記の圧力差を緩和させることができる。
【００４３】
この状態で、装置構成が複雑でない背面空間８側に作動媒体の封入口１２を設けた場合、背面空間８側から作動媒体を封入する際に、背面空間８側から作動空間７側への作動媒体の通路が確保されず、背面空間８内の圧力が作動空間７内の圧力よりも大きくなり、ピストン１が作動空間７側に過大に移動する。
【００４４】
これに対し、本実施の形態に係るスターリング機関は、リニアモータ１０によって、第２の通路１ｃの開口部１ｄ（ピストン摺動面１ａ側）が、第１の通路３ｂの開口部３ｃ（シリンダ摺動面３ａ側）に対向するようにピストン１を移動させることができる。なお、移動後のピストン１の位置は、リニアモータ１０に印加する電圧をコントローラ１１によって変化させることができ、任意の位置に制御することが可能である。
【００４５】
これにより、作動媒体封入時に第１および第２の通路３ｂ，１ｃを連通させ、ピストン１によって隔てられた背面空間８と作動空間７との間の作動媒体の通路を確保することができるので、作動媒体封入を短時間で行なうことができる。
【００４６】
また、上記の作動媒体の封入前に、圧力容器４内部の水分を除去する目的で、該圧力容器４内のガスを排気する工程を実施する場合がある。
【００４７】
この場合においても、上記と同様に、ピストン１にリニアモータ１０による電磁力を作用させて第１および第２の通路３ｂ，１ｃを連通させながら、圧力容器４内のガスを排気する。なお、該排気工程における作動媒体の吸引部としては、上記の封入口１２を兼用するようにしてもよいし、別途排気口を設けてもよい。
【００４８】
これにより、作動媒体封入工程を行なう前に、短時間で圧力容器４内のガスを吸引して、水分を除去することができる。
【００４９】
なお、上記の電磁力は、必ずしも第１および第２の通路３ｂ，１ｃを完全に連通させるものではなく、たとえば、背面空間８側に封入口１２を設けた時に、ピストン１の初期の振幅中心位置において、ピストン１の開口部１ｄがシリンダ３の開口部３ｃよりも作動空間７側にある状態であったものを、該電磁力の作用により、作動媒体封入時に、開口部１ｄが開口部３ｃよりも背面空間８側にある状態にするものであってもよい。
【００５０】
この場合、封入された作動媒体によって、背面空間８内の圧力が作動空間７内の圧力よりも大きくなり、作動媒体の封入に伴って、ピストン１が作動空間７側に移動する。この結果、第１および第２の通路３ｂ，１ｃが連通する。
【００５１】
また、背面空間８側に封入口１２を設けた時に、ピストン１の初期の振幅中心位置において、ピストン１の開口部１ｄがシリンダ３の開口部３ｃよりも背面空間８側にある状態であったものを、上記の電磁力の作用により、圧力容器４内のガスを排気する際に、開口部１ｄが開口部３ｃよりも作動空間７側にある状態にするケースについても上記と同様の効果を奏する。
【００５２】
なお、リニアモータ１０としては、直流励磁による励磁が例として挙げられる。このとき、励磁によるピストン１の移動量は、印加電圧の大きさにほぼ比例する。したがって、コントローラ１１を用いてリニアモータ１０に印加する直流電圧の大きさを制御することで、第１および第２の通路３ｂ，１ｃを連通させた状態でピストン１を静止させることができ、第１および第２の通路３ｂ，１ｃを継続的に連通させることができる。
【００５３】
上述のスターリング機関の製造方法の変形例としては、ピストン１の往復駆動方向に重力を作用させて、第１および第２の通路３ｂ，１ｃを連通させる方法が考えられる。
【００５４】
この方法が適用可能なスターリング機関としては、たとえば、封入口１２を背面空間８側に設けた場合において、ピストン１の駆動方向が鉛直を向くようにスターリング機関を配置したときに、第２の通路１ｃの開口部１ｄが第１の通路３ｂの開口部３ｃと対向するか、あるいは、開口部３ｃよりも背面空間８側（封入口１２を有する空間側）に位置するようなものが挙げられる。なお、このようなスターリング機関については、ピストン１の重量と、ピストン支持バネ５のバネ定数と、第１および第２の通路３ｂ，１ｃのオフセット量とを調整することによって得ることができる。
【００５５】
これにより、作動媒体封入時に、封入された作動媒体の圧力によってピストン１が背面空間８側から作動空間７側に移動することによって、第１および第２の通路３ｂ，１ｃが連通し、ピストン１によって隔てられた背面空間８と作動空間７との間の作動媒体の通路を確保することができるので、作動媒体封入を短時間で行なうことができる。
【００５６】
なお、上記の様に調整された値の具体例としては、たとえば、ピストン１の重量が０．３ｋｇｆ、ピストン支持バネ５のバネ定数が１５００Ｎ／ｍ、第１および第２の通路３ｂ，１ｃのオフセット量が２ｍｍ以下である場合などが挙げられる。ここで、オフセット量とは、ピストン１の駆動方向が水平となるようにスターリング機関を設置した際に、シリンダ３の開口部３ｃがピストン１の開口部１ｄよりも背面空間８側にオフセットされている量を示す。
【００５７】
また、以上においては、封入口１２が背面空間８側にある場合についてのみ説明したが、該封入口１２が作動空間７側にある場合についても、励磁力の方向を逆にしたり、ピストン１の重量やピストン支持バネ５のバネ定数を調整して、ピストン１を上記と逆向きに移動させることで、上記と同様の効果を得ることが可能である。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は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全ての変更が含まれる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、ピストンに力を加えて移動させ、作動媒体封入時の該作動媒体の通路を確保することができるので、作動媒体封入時にピストンが過度に移動することを防止しつつ、短時間で作動媒体を封入することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態に係るスターリング機関の断面図である。
【図２】従来のスターリング機関の断面図である。
【図３】従来のスターリング機関の断面図（背面空間側を下側にして縦置きした場合）である。
【符号の説明】
１ピストン、１ａピストン摺動面、１ｂ摺動穴、１ｃ第２の通路、１ｄ開口部（第２の通路）、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１の通路、３ｃ開口部（第１の通路）、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圧縮空間、７ｂ膨張空間、８背面空間、９再生器、１０リニアモータ、１１コントローラ、１２封入口。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a Stirling engine, and more particularly, to a Stirling engine that obtains low / high temperature or electric power or power by using compression / expansion of a working gas accompanying reciprocation of a piston and a displacer, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
As a conventional example of the Stirling engine, for example, the one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-39222 (Conventional Example 1) is exemplified.
[0003]
Hereinafter, the configuration of the Stirling engine in Conventional Example 1 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
[0004]
As shown in FIGS. 2 and 3, the Stirling engine in Conventional Example 1 includes a piston 1 and a displacer 2 that smoothly slide back and forth on the inner surface of a cylinder 3 (cylinder sliding surface 3a). The piston 1 and the displacer 2 are arranged coaxially, and a rod 2 a forming one end of the displacer 2 penetrates a sliding hole 1 b provided in the center of the piston 1. The piston 1 and the displacer 2 are elastically supported by the pressure vessel 4 via a piston support spring 5 and a displacer support spring 6, respectively.
[0005]
The internal space of the pressure vessel 4 is divided by the piston 1 into two spaces. One of the spaces is a working space 7 on the displacer 2 side as viewed from the piston 1, and the other is a back space 8 on the opposite side of the working space 7 from the piston 1, that is, the rear end side of the cylinder 3. It is. These spaces are filled with a working medium such as high-pressure helium gas.
[0006]
The working space 7 is further divided into two spaces by the displacer 2. One of the spaces is a compression space 7 a sandwiched between the piston 1 and the displacer 2, and the other is an expansion space 7 b on the side opposite to the compression space 7 a when viewed from the displacer 2, that is, on the tip side of the cylinder 3. is there. The working spaces 7a and 7b are connected via a regenerator 9.
[0007]
The piston 1 is driven by a linear motor 10 as a drive unit, and reciprocates at a predetermined cycle. Thereby, the working medium is compressed / expanded in the working space 7. The displacer 2 linearly reciprocates due to a pressure change accompanying the compression / expansion of the working medium. At this time, the piston 1 and the displacer 2 reciprocate in the same cycle with a predetermined phase difference.
[0008]
In the Stirling engine having the above configuration, a gas seal for shutting off the working space 7 and the back space 8 is provided between the cylinder sliding surface 3a and the piston sliding surface 1a and between the rod 2a and the sliding hole 1b. Is given. The gas seal is realized by providing a seal ring between members that come into contact with each other, or by fitting both members with high precision.
[0009]
However, no matter what kind of gas seal is applied, the working space 7 and the back space 8 cannot be completely shut off, and it is inevitable that the working medium flows through both spaces through a minute gap. Therefore, when the piston 1 is moving in the direction of the working space 7, the pressure in the compression space 7 a becomes higher than the pressure in the back space 8, and the working medium flows from the compression space 7 a to the back space 8. Conversely, when the piston 1 is moving in the direction of the back space 8, the pressure in the compression space 7a becomes lower than the pressure in the back space 8, and the working medium flows from the back space 8 to the compression space 7a.
[0010]
Here, since the volume of the back space 8 is larger than the volume of the compression space 7a, the pressure difference between the compression space 7a and the back space 8 is larger than when the piston 1 is moving in the direction of the back space 8. Greater when moving in the direction. Therefore, the working medium in the compression space 7a flows out to the back space 8 little by little in each cycle of the reciprocating movement of the piston 1. If such a situation is left untreated, the pressure in the back space 8 gradually increases, so that the amplitude center position of the piston 1 shifts from the initial position to the working space 7 side, and the piston 1 is moved to the physical movement limit position. , The piston 1 and the displacer 2 may collide, and the displacer 2 may collide with the pressure vessel 4.
[0011]
On the other hand, in the conventional example 1, in order to suppress the displacement of the center of amplitude of the piston by maintaining the pressure balance between the working space 7 and the back space 8, the back space 8 and the cylinder sliding surface 3a are provided in the cylinder 3. Is provided, and the piston 1 is provided with a second passage 1c connecting the compression space 7a and the piston sliding surface 1a. Here, generally, the opening 1c of the first passage 3b (on the side of the cylinder sliding surface 3a) and the opening 1d of the second passage 1c (on the side of the piston sliding surface 1a) correspond to the piston 1. They are arranged so as to face each other when located at a preset initial amplitude center position.
[0012]
However, even if such a passage is provided, when the piston 1 is actually operated, the pressure difference between the working space 7 and the back space 8 is not sufficiently reduced, and the back space 8 is formed in the working space. The pressure may be higher than 7. As a result, the amplitude center position of the piston 1 is shifted from the initial position to the working space 7 side.
[0013]
On the other hand, a structure is considered in which the first passage 3b and the second passage 1c are communicated with each other on the back space 8 side of the initial amplitude center position of the piston 1 to suppress the deviation of the amplitude center position of the piston 1. Can be In this structure, since the working space 7 and the back space 8 communicate with each other in a state where the pressure on the working space 7 side is low, the effect of reducing the pressure difference between the working space 7 and the back space 8 can be enhanced.
[0014]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a case where the above Stirling engine is installed in a direction in which the cylinder 3 becomes horizontal. FIG. 3 is a sectional view showing a case where the Stirling engine shown in FIG. 2 is installed in a direction in which the back space 8 is on the lower side. 2, the opening 1d of the piston 1 is located closer to the working space 7 than the opening 3c of the cylinder 3. Also, in FIG. 3, the Stirling mechanism is installed so that the driving direction of the piston 1 is oriented vertically, and as a result, the piston 1 moves toward the back space 8 due to gravity, and the opening 1d has a rear surface as compared with the case of FIG. Although moved to the space 8 side, the opening 1d is still located closer to the working space 7 than the opening 3c.
[0015]
As a result of the reciprocating motion, for example, an effect such as generation of cold heat at the cold head at the tip of the cylinder 3 is obtained. Since the reverse Stirling heat cycle such as the principle of generation of the cold heat is generally well known, the description is omitted here.
[0016]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-39222
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described Stirling engine has the following problems.
[0018]
When the working medium is sealed in the compression space 7a and the expansion space 7b and the back space 8 in the manufacturing process of the Stirling engine, the working medium is sealed from the sealing port 12 provided in the pressure vessel 4.
[0019]
Here, as shown in FIGS. 2 and 3, for example, when the opening 1d of the piston 1 is closer to the working space 7 than the opening 3c of the cylinder 3, the piston 1 is operated to the rear space 8 where the device configuration is not complicated. In the case where the medium inlet 12 is provided, when the working medium is sealed from the back space 8 side, a passage of the working medium from the back space 8 side to the working space 7 side is not ensured, and the piston 1 is moved to the working space 7 side. The piston support spring 5 is damaged.
[0020]
On the other hand, a method of gradually filling the working medium with a low gas pressure to move the working medium to the working space 7 from the gap of the gas seal can be considered.
[0021]
However, in the above-described sealing method, it takes a very long time to seal the working medium gas.
[0022]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a simple process and a Stirling engine capable of preventing a piston from excessively moving when a working medium is sealed. It is to provide a manufacturing method thereof.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In one aspect, a method for manufacturing a Stirling engine according to the present invention incorporates, in a pressure vessel, a cylinder having a first passage, a piston having a second passage, and a displacer opposed to the piston in the cylinder. And enclosing the working medium in the pressure vessel while applying a force to connect the first and second passages to the piston.
[0024]
Thereby, the passage of the working medium between the back space and the working space separated by the piston when the working medium is sealed can be secured, so that the working medium can be sealed in a simple process.
[0025]
In another aspect, a method of manufacturing a Stirling engine according to the present invention incorporates, in a pressure vessel, a cylinder having a first passage, a piston having a second passage, and a displacer opposed to the piston in the cylinder. And a step of enclosing the working medium in the pressure vessel after exhausting the gas in the pressure vessel while applying a force for communicating the first and second passages to the piston.
[0026]
Thereby, before performing the working medium enclosing step, the gas in the pressure vessel can be suctioned to remove the water in a simple step.
[0027]
Here, in one aspect, it is preferable to apply a force to the piston using a linear motor that drives the piston.
[0028]
In another aspect, the first and second passages may be communicated by applying gravity in the reciprocating drive direction of the piston.
[0029]
Accordingly, it is possible to secure a passage of the working medium between the back space and the working space separated by the piston when exhausting the gas or filling the working medium.
[0030]
In one aspect, a Stirling engine according to the present invention includes a pressure vessel, a cylinder having a first passage arranged in the pressure vessel, and a second passage arranged reciprocally in the cylinder. A piston, a displacer opposed to the piston in the cylinder, a linear motor for driving the piston, a working medium sealed in the pressure vessel, and a drive control of the linear motor when the working medium is sealed, to control the first and the second motors. And control means for communicating the two passages.
[0031]
Thereby, the passage of the working medium between the back space and the working space separated by the piston when the working medium is sealed can be secured, so that the working medium can be sealed in a simple process.
[0032]
In another aspect, a Stirling engine according to the present invention includes a pressure vessel, a cylinder having a first passage arranged in the pressure vessel, and a piston arranged to be able to reciprocate in the cylinder and having a second passage. A displacer opposed to the piston in the cylinder, a working medium sealed in the pressure vessel, a sealing port for sealing the working medium, and a spring supporting the piston, wherein the piston is driven. When the Stirling engine is arranged so that the direction faces the vertical direction, the opening on the piston sliding surface side of the second passage faces the opening on the cylinder sliding surface side of the first passage, or , On the side of the space having the sealing port.
[0033]
Accordingly, when the working medium is sealed, the piston is moved by the pressure of the sealed working medium, and the first and second passages are communicated with each other, so that the working medium passage can be secured. It can be performed in a simple process.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a Stirling engine and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described.
[0035]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the Stirling engine according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the Stirling engine according to the present embodiment has a pressure vessel 4, a cylinder 3 having a first passage 3 b disposed in the pressure vessel 4, and a reciprocally movable cylinder 3. A piston 1 having a second passage 1c, a displacer 2 facing the piston 1 in the cylinder 3, a linear motor 10 driven by applying an electromagnetic force to the piston 1, and a pressure vessel 4 An operating medium and a controller 11 connected to the linear motor 10 and serving as control means for controlling the driving of the linear motor 10 when the operating medium is filled and for communicating the first and second passages 3b and 1c are provided.
[0036]
The above-described method for manufacturing a Stirling engine includes a cylinder 3 having a first passage 3b in a pressure vessel 4, a piston 1 having a second passage 1c, and a displacer 2 facing the piston 1 in the cylinder 3. And a step of enclosing the working medium while applying a force to allow the first and second passages 3b and 1c to communicate with the piston 1. The force for communicating the first and second passages is applied by using a linear motor 10 for driving the piston 1, but this means can be replaced by another means such as gravity. Further, the working medium is sealed from the sealing port 12 provided on the wall surface of the pressure vessel 4.
[0037]
The internal space of the pressure vessel 4 is divided by the piston 1 into two spaces. One of the spaces is a working space 7 on the displacer 2 side as viewed from the piston 1, and the other is a back space 8 on the opposite side of the working space 7 from the piston 1, that is, the rear end side of the cylinder 3. It is. These spaces are filled with a working medium such as high-pressure helium gas.
[0038]
The working space 7 is further divided into two spaces by the displacer 2. One of the spaces is a compression space 7 a sandwiched between the piston 1 and the displacer 2, and the other is an expansion space 7 b opposite to the compression space 7 a when viewed from the displacer 2, that is, an expansion space 7 b on the tip end side of the cylinder 3. . The working spaces 7a and 7b are connected via a regenerator 9.
[0039]
The piston 1 and the displacer 2 smoothly slide back and forth on the inner surface of the cylinder 3 (cylinder sliding surface 3a). The piston 1 and the displacer 2 are arranged coaxially, and a rod 2 a forming one end of the displacer 2 penetrates a sliding hole 1 b provided in the center of the piston 1. The piston 1 and the displacer 2 are elastically supported by a piston support spring 5 and a displacer support spring 6, respectively.
[0040]
Here, a seal ring is provided between the contacting members between the cylinder sliding surface 3a and the piston sliding surface 1a and between the rod 2a and the sliding hole 1b, or both members are fitted with high precision. For example, a gas seal for shutting off the working space 7 and the back space 8 is provided. Note that the gas seal does not completely shut off the working space 7 and the back space 8, and the working medium flows through both spaces through a small gap when the Stirling engine is operating.
[0041]
In order to suppress the displacement of the center of amplitude of the piston by maintaining the pressure balance between the working space 7 and the back space 8 against the flow of the working medium, the back space 8 and the cylinder sliding surface 3a are attached to the cylinder 3. A first passage 3b is provided for connection, and the piston 1 is provided with a second passage 1c connecting the compression space 7a and the piston sliding surface 1a.
[0042]
However, when the Stirling engine is actually operated, the pressure in the rear space 8 tends to be higher than that in the working space 7 as described in the description of the conventional example 1, so that the opening of the first passage 3b is opened. The portion 3c (cylinder sliding surface 3a side) and the opening 1d of the second passage 1c (piston sliding surface 1a side) face each other when the piston 1 is closer to the back space 8 than the initial amplitude center position. (In the amplitude center position, the opening 1d of the piston 1 is closer to the working space 7 than the opening 3c of the cylinder 3). As a result, the first passage 3b and the second passage 1c communicate with each other on the back space 8 side from the initial amplitude center position of the piston 1, so that the pressure difference can be reduced.
[0043]
In this state, when the working medium filling port 12 is provided on the back space 8 side where the device configuration is not complicated, when the working medium is sealed from the back space 8 side, the operation from the back space 8 side to the working space 7 side is performed. The medium passage is not secured, the pressure in the back space 8 becomes larger than the pressure in the working space 7, and the piston 1 excessively moves to the working space 7 side.
[0044]
On the other hand, in the Stirling engine according to the present embodiment, the opening 1d (the piston sliding surface 1a side) of the second passage 1c is moved by the linear motor 10 to the opening 3c (the cylinder sliding surface) of the first passage 3b. The piston 1 can be moved so as to face the moving surface 3a). The position of the piston 1 after the movement can be controlled to an arbitrary position by changing the voltage applied to the linear motor 10 by the controller 11.
[0045]
This allows the first and second passages 3b and 1c to communicate with each other when the working medium is sealed, and secures a working medium passage between the back space 8 and the working space 7 separated by the piston 1. The working medium can be sealed in a short time.
[0046]
Before the working medium is sealed, a step of exhausting gas from the pressure vessel 4 may be performed in order to remove moisture from the pressure vessel 4.
[0047]
Also in this case, similarly to the above, the gas in the pressure vessel 4 is exhausted while the electromagnetic force of the linear motor 10 acts on the piston 1 to communicate the first and second passages 3b and 1c. In addition, as the suction part of the working medium in the exhausting step, the above-described sealing port 12 may be used in combination, or an exhaust port may be separately provided.
[0048]
Thus, before performing the working medium enclosing step, the gas in the pressure vessel 4 can be sucked in a short time to remove moisture.
[0049]
Note that the above electromagnetic force does not always completely communicate the first and second passages 3b and 1c. For example, when the sealing port 12 is provided on the back space 8 side, the initial amplitude center of the piston 1 is reduced. In the position, the opening 1d of the piston 1 is located closer to the working space 7 than the opening 3c of the cylinder 3, but the opening 1d is changed to the opening 3c when the working medium is sealed by the action of the electromagnetic force. It may be in a state that is closer to the back space 8 side.
[0050]
In this case, the pressure in the back space 8 becomes larger than the pressure in the working space 7 due to the sealed working medium, and the piston 1 moves toward the working space 7 with the sealing of the working medium. As a result, the first and second passages 3b and 1c communicate with each other.
[0051]
Further, when the sealing port 12 is provided on the back space 8 side, the opening 1d of the piston 1 is closer to the back space 8 than the opening 3c of the cylinder 3 at the initial amplitude center position of the piston 1. The same effect can be obtained in a case where the opening 1d is located closer to the working space 7 than the opening 3c when the gas in the pressure vessel 4 is exhausted by the action of the electromagnetic force. Play.
[0052]
As an example of the linear motor 10, excitation by DC excitation is given. At this time, the amount of movement of the piston 1 due to the excitation is substantially proportional to the magnitude of the applied voltage. Therefore, by controlling the magnitude of the DC voltage applied to the linear motor 10 using the controller 11, the piston 1 can be stopped while the first and second passages 3b and 1c are in communication with each other. The first and second passages 3b, 1c can be continuously communicated.
[0053]
As a modified example of the above-described method of manufacturing a Stirling engine, a method of causing the first and second passages 3b and 1c to communicate with each other by applying gravity in the reciprocating drive direction of the piston 1 can be considered.
[0054]
As a Stirling engine to which this method can be applied, for example, when the sealing port 12 is provided on the back space 8 side, when the Stirling engine is arranged so that the driving direction of the piston 1 is vertical, the second passage The opening 1d of 1c is opposed to the opening 3c of the first passage 3b, or the opening 1d of the opening 1c is located on the back space 8 side (space side having the sealing port 12) with respect to the opening 3c. It should be noted that such a Stirling engine can be obtained by adjusting the weight of the piston 1, the spring constant of the piston support spring 5, and the offset amount of the first and second passages 3b and 1c.
[0055]
Thereby, when the working medium is sealed, the pressure of the sealed working medium causes the piston 1 to move from the back space 8 side to the working space 7 side, so that the first and second passages 3b and 1c communicate, and the piston 1 Since the passage of the working medium between the back space 8 and the working space 7 separated by the gap can be ensured, the working medium can be sealed in a short time.
[0056]
As a specific example of the values adjusted as described above, for example, the weight of the piston 1 is 0.3 kgf, the spring constant of the piston support spring 5 is 1500 N / m, and the first and second passages 3b and 1c The case where the offset amount is 2 mm or less is exemplified. Here, the offset amount means that when the Stirling engine is installed such that the driving direction of the piston 1 is horizontal, the opening 3c of the cylinder 3 is offset toward the back space 8 from the opening 1d of the piston 1. Indicates the amount
[0057]
In the above description, only the case where the sealing port 12 is on the back space 8 side has been described. However, even when the sealing port 12 is on the working space 7 side, the direction of the exciting force is reversed, By adjusting the weight and the spring constant of the piston support spring 5 and moving the piston 1 in the opposite direction, the same effect as described above can be obtained.
[0058]
As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims, and includes all modifications within the scope and meaning equivalent to the claims.
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, the piston can be moved by applying a force to secure the passage of the working medium when the working medium is sealed. The working medium can be sealed in time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a Stirling engine according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a conventional Stirling engine.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional Stirling engine (when vertically placed with a back space side down).
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 piston, 1a piston sliding surface, 1b sliding hole, 1c second passage, 1d opening (second passage), 2 displacer, 2a rod, 3 cylinder, 3a cylinder sliding surface, 3b first passage 3c opening (first passage), 4 pressure vessel, 5 piston support spring, 6 displacer support spring, 7 working space, 7a compression space, 7b expansion space, 8 back space, 9 regenerator, 10 linear motor, 11 Controller, 12 Enclosure.

Claims

Incorporating, in a pressure vessel, a cylinder having a first passage, a piston having a second passage, and a displacer opposed to the piston in the cylinder;
Enclosing a working medium in the pressure vessel while applying a force that allows the first and second passages to communicate with the piston.

Incorporating, in a pressure vessel, a cylinder having a first passage, a piston having a second passage, and a displacer opposed to the piston in the cylinder;
Exhausting the gas in the pressure vessel while applying a force for communicating the first and second passages to the piston, and then enclosing a working medium in the pressure vessel. Manufacturing method.

The method according to claim 1, wherein a force is applied to the piston by using a linear motor that drives the piston.

3. The method according to claim 1, wherein the first and second passages are communicated by applying gravity to the reciprocating drive direction of the piston. 4.

A pressure vessel,
A cylinder having a first passage disposed within the pressure vessel;
A piston disposed reciprocally in the cylinder and having a second passage;
A displacer opposed to the piston in the cylinder;
A linear motor that drives the piston,
A working medium sealed in the pressure vessel;
A stirling engine comprising: control means for controlling the drive of the linear motor when the working medium is charged, so as to communicate the first and second passages.

A pressure vessel,
A cylinder having a first passage disposed in the pressure vessel;
A piston disposed reciprocally in the cylinder and having a second passage;
A displacer opposed to the piston in the cylinder;
A working medium sealed in the pressure vessel;
An inlet for enclosing the working medium,
A Stirling engine with a spring that supports the piston,
When the Stirling engine is arranged so that the driving direction of the piston is vertical, the opening on the piston sliding surface side of the second passage is closed by the opening on the cylinder sliding surface side of the first passage. Or a Stirling engine located on the space side having the sealing port.