JP2005036682A

JP2005036682A - スターリング機関

Info

Publication number: JP2005036682A
Application number: JP2003198343A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Matano; 利之又野
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】１個のピストンに対し２個のディスプレーサを設け、破壊の懸念が少なく、制御も容易且つ安価であるスターリング機関を提供する。
【解決手段】スターリング機関１は、ピストン１２を挿入したシリンダ１０の両側に、ディスプレーサ１３Ｌを挿入したシリンダ１１Ｌと、ディスプレーサ１３Ｒを挿入したシリンダ１１Ｒを配置している。ディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒはシャフト１４の両端部に固定される。ディスプレーサ１３Ｌは伝熱ヘッド３１Ｌに対し共振発生用のスプリング４０で連結されている。リニアアクチュエータ２０がピストン１２を往復運動させるとディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒも往復運動し、圧縮空間３４Ｌと膨張空間３５Ｌの間、また圧縮空間３４Ｒと膨脹空間３５Ｒの間を作動ガスが移動する。これにより伝熱ヘッド３０Ｌ、３０Ｒは加熱され、伝熱ヘッド３１Ｌ、３１Ｒは冷却される。
【選択図】図１

Description

【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する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。特許文献１〜４にスターリング機関の例を見ることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３７７２５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３１２３９号公報
【特許文献３】
特開２００２−３４９３４７号公報
【特許文献４】
特表２００１−５０９８７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング機関については、様々な手法で機能の向上が図られている。特許文献４に記載された装置では、スターリングエンジンとスターリングタイプのヒートポンプを１つの圧力容器内に一体化し、スターリングエンジン側のディスプレーサとスターリングヒートポンプ側のディスプレーサを１個のピストンで駆動している。
【０００５】
特許文献４記載の構成によれば、独立のスターリングエンジンに独立のスターリングヒートポンプを組み合わせて用いるのに比べ、全体の部品点数を削減することができるとともに、装置の体積も圧縮することができる。しかしながらこの構成には欠点もある。すなわち、圧力容器は共通であるものの、スターリングエンジンとスターリングヒートポンプは互いに独立しており、独立の制御を行う必要がある。片方が停止した場合、他方が動作を続けていると、ピストンとディスプレーサの衝突やスプリングの破損といった内部的な破壊につながるおそれがある。また、装置全体に与える振動も激しくなる。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、１個のピストンに対し２個のディスプレーサを設けた構造でありながら、破壊の懸念が少なく、制御も容易且つ安価であるスターリング機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、スターリング機関を次のように構成した。
【０００８】
（１）圧縮空間と膨張空間の間で作動ガスを移動させるディスプレーサと、動力源によってシリンダ内を往復運動せしめられるピストンとを備え、前記ピストンが往復運動することにより前記ディスプレーサも往復運動して前記作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、１本のシャフトの両端部に前記ディスプレーサを１個ずつ固定するとともに、これらのディスプレーサの間に１個のピストンを置き、このピストンが両側のディスプレーサに作用を及ぼすようにした。
【０００９】
この構成によれば、ピストンの両側のディスプレーサが同じ動きをするので、スターリング機関としての制御は単一制御で済む。従って制御装置を簡略化し、コストダウンに結びつけることができる。また一方のディスプレーサが停止したにも関わらず他方のディスプレーサが動き続けるといったことがないので、内部的な破壊につながるおそれが少なく、安全性が高い。
【００１０】
（２）上記のように構成されたスターリング機関において、前記ディスプレーサに共振発生用のスプリングを連結した。
【００１１】
この構成によれば、ピストンとディスプレーサを確実に共振させることができる。
【００１２】
（３）上記のように構成されたスターリング機関において、前記スプリングを２個のディスプレーサのそれぞれに、互いに反発力を及ぼすように配置した。
【００１３】
この構成によれば、２個のディスプレーサの連結体を中立位置に保つことが容易であり、スムーズに共振を開始させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態を図１に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図である。
【００１５】
スターリング機関１の組立の中心となるのはシリンダ１０及びその両側に配置されるシリンダ１１Ｌ、１１Ｒである。シリンダ１０、１１Ｌ、１１Ｒの軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が、シリンダ１１Ｌにはディスプレーサ１３Ｌが、シリンダ１１Ｒにはディスプレーサ１３Ｒが、それぞれ挿入される。ディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒは１本のシャフト１４の両端部に固定されている。シャフト１４はピストン１２の中心を貫くが、両者は固定されない。すなわちピストン１２はディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体に対し独立した動きをする。
【００１６】
シリンダ１０及びピストン１２は電磁式リニアアクチュエータ２０の一部を構成する。リニアアクチュエータ２０は、シリンダ１０及びピストン１２の他、シリンダ１０の外周面に固定される永久磁石２１、ピストン１２に設けられる内側ヨーク２２、永久磁石２１を外側から囲むように永久磁石２１に対向配置されるコイル２３、及びコイル２３を包むように設けられる外側ヨーク２４により構成される。
【００１７】
コイル２３に電流を流すとコイル２３の周囲に磁場が発生する。コイル２３による磁場と永久磁石２１による磁場の相互作用で、内側ヨーク２２と外側ヨーク２４の間の磁束分布パターンが変化し、これに伴って内側ヨーク２２を取り付けたピストン１２が一方向に移動する。コイル２３に流す電流の方向を変えると磁束分布パターンが逆方向に変化し、ピストン１２は逆方向に移動する。すなわちコイル２３に交流電流を流すことにより、ピストン１２は往復運動することになる。このメカニズムは本出願人の出願に係る特願２００３−６９０８に詳しく説明されている。
【００１８】
シリンダ１１Ｌのうち、ディスプレーサ１３Ｌの動作領域にあたる部分の外側には伝熱ヘッド３０Ｌ、３１Ｌが配置される。同様に、シリンダ１１Ｒには伝熱ヘッド３０Ｒ、３１Ｒが配置される。伝熱ヘッド３０Ｌ、３０Ｒはリング状、伝熱ヘッド３１Ｌ、３１Ｒはキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。
【００１９】
伝熱ヘッド３０Ｌ、３１Ｌは各々リング状の内部熱交換器３２Ｌ、３３Ｌを介在させた形でシリンダ１１Ｌの外側に支持される。伝熱ヘッド３０Ｒ、３１Ｒは各々リング状の内部熱交換器３２Ｒ、３３Ｒを介在させた形でシリンダ１１Ｒの外側に支持される。内部熱交換器３２Ｌ、３３Ｌ及び３２Ｒ、３３Ｒはそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を伝熱ヘッド３０Ｌ、３１Ｌ及び３０Ｒ、３１Ｒに伝える。
【００２０】
伝熱ヘッド３０Ｌ、３０Ｒはシリンダ１０の両端部に連結される。伝熱ヘッド３０Ｌ、３０Ｒはこの状態でリニアアクチュエータ２０の外装ケース２５を挟み付け、密閉空間２６を形成する。
【００２１】
伝熱ヘッド３０Ｌ、シリンダ１０、１１Ｌ、ピストン１２、ディスプレーサ１３Ｌ、内部熱交換器３２Ｌ、及びシャフト１４で囲まれた環状の空間が圧縮空間３４Ｌとなる。伝熱ヘッド３０Ｒ、シリンダ１０、１１Ｒ、ピストン１２、ディスプレーサ１３Ｒ、内部熱交換器３２Ｒ、及びシャフト１４で囲まれた環状の空間が圧縮空間３４Ｒとなる。伝熱ヘッド３１Ｌ、シリンダ１１Ｌ、ディスプレーサ１３Ｌ、及び内部熱交換器３３Ｌで囲まれる空間が膨張空間３５Ｌとなる。伝熱ヘッド３１Ｒ、シリンダ１１Ｒ、ディスプレーサ１３Ｒ、及び内部熱交換器３３Ｒで囲まれる空間が膨張空間３５Ｒとなる。
【００２２】
内部熱交換器３２Ｌ、３３Ｌの間には再生器３６Ｌが配置される。内部熱交換器３２Ｒ、３３Ｒの間には再生器３６Ｒが配置される。。再生器３６Ｌ、３６Ｒも通気性を有し、内部を作動ガスが通る。再生器３６Ｌの外側を再生器チューブ３７Ｌが包む。再生器チューブ３７Ｌは伝熱ヘッド３０Ｌ、３１Ｌの間に気密通路を構成する。再生器３６Ｒの外側を再生器チューブ３７Ｒが包む。再生器チューブ３７Ｒは伝熱ヘッド３０Ｒ、３１Ｒの間に気密通路を構成する。
【００２３】
ディスプレーサ１３Ｌと伝熱ヘッド３１Ｌとを共振発生用のスプリング４０が連結する。スプリング４０は圧縮コイルスプリングである。
【００２４】
スターリング機関１は次のように動作する。リニアアクチュエータ２０のコイル２３に交流電流を供給すると、前述のメカニズムによりピストン１２が往復運動を開始する。ピストン１２が往復運動すると、その左右の空間に圧力変動が生じる。ピストン１２が中立位置にあり、ディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒもスプリング４０により中立位置を保っているときの圧縮空間３４Ｌ、３４Ｒの圧力をＰ＝０とすると、ピストン１２の往復運動により、圧力Ｐは正圧から負圧、また負圧から正圧へと周期的に変化する。変化の方向は圧縮空間３４Ｌと圧縮空間３４Ｒとで互いに逆である。これにより、交番で向きの変わる力がディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体に作用し、ディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体は振動する。
【００２５】
ピストン１２が図において左方に移動すると、少し遅れてディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体も左方に移動する。ディスプレーサ１３Ｌが伝熱ヘッド３１Ｌに接近し、膨張空間３５Ｌの容積が縮小すると同時に、ピストン１２とディスプレーサ１３Ｌとの位相差により圧縮空間３４Ｌは拡大期に入る。これにより、膨張空間３５Ｌの容積縮小分の作動ガスが再生器３６Ｌを通って圧縮空間３４Ｌに移動する。
【００２６】
ピストン１２の右側においては、ディスプレーサ１３Ｒがピストン１２に接近し、圧縮空間３４Ｒの容積が縮小するとともに、膨脹空間３５Ｒの容積が拡大する。圧縮空間３４Ｒの容積縮小分の作動ガスは再生器３６Ｒを通って膨脹空間３５Ｒに移動する。
【００２７】
ピストン１２が図において右方に移動すると、上記と全く逆の現象が起きる。
【００２８】
このようにピストン１２とディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体は一定の位相差をもって同期振動を行う。すなわちピストン１２とディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体は共振する。スプリング４０の存在が共振の発生を助ける。ピストン１２とディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体が一定の位相差をもって共振することにより、圧縮／膨張のサイクルが生まれる。
【００２９】
振動の位相差を適切に設定すれば、圧縮空間３４Ｌ、３４Ｒでは断熱圧縮による発熱が多く発生し、膨張空間３５Ｌ、３５Ｒでは断熱膨張による冷却が多く発生する。このため、圧縮空間３４Ｌ、３４Ｒの温度は上昇し、膨張空間３５Ｌ、３５Ｒの温度は下降する。ピストン１２とディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体との位相差は、スプリング４０のバネ定数を変えることにより自由に設定できる。
【００３０】
圧縮空間３４Ｌと膨張空間３５Ｌの間を往復する作動ガスは、内部熱交換器３２Ｌ、３３Ｌを通過する際に、その有する熱を内部熱交換器３２Ｌ、３３Ｌを通じて伝熱ヘッド３０Ｌ、３１Ｌに伝える。圧縮空間３４Ｒと膨張空間３５Ｒの間を往復する作動ガスは、内部熱交換器３２Ｒ、３３Ｒを通過する際に、その有する熱を内部熱交換器３２Ｒ、３３Ｒを通じて伝熱ヘッド３０Ｒ、３１Ｒに伝える。圧縮空間３４Ｌ、３４Ｒから噴出する作動ガスは高温であり、伝熱ヘッド３０Ｌ、３０Ｒは加熱される。すなわち伝熱ヘッド３０Ｌ、３０Ｒはウォームヘッドとなる。膨張空間３５Ｌ、３５Ｒから噴出する作動ガスは低温であり、伝熱ヘッド３１Ｌ、３１Ｒは冷却される。すなわち伝熱ヘッド３１Ｌ、３１Ｒはコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド３０Ｌ、３０Ｒより熱を放散し、伝熱ヘッド３１Ｌ、３１Ｒで特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。
【００３１】
再生器３６Ｌは、圧縮空間３４Ｌと膨張空間３５Ｌの熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間３４Ｌから内部熱交換器３２Ｌを経て再生器３６Ｌに入った高温の作動ガスは、再生器３６Ｌを通過するときにその熱を再生器３６Ｌに与え、温度が下がった状態で膨張空間３５Ｌに流入する。膨張空間３５Ｌから内部熱交換器３３Ｌを経て再生器３６Ｌに入った低温の作動ガスは、再生器３６Ｌを通過するときに再生器３６Ｌから熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間３４Ｌに流入する。すなわち再生器３６Ｌは熱の保管庫としての役割を果たす。再生器３６Ｒの役割も同様である。
【００３２】
本発明の第２実施形態を図２に示す。図２はスターリング機関の断面図である。第２実施形態のスターリング機関１ａは、大部分の構成要素が第１実施形態と共通である。そこで、第１実施形態と共通の構成要素には第１実施形態で用いたのと同じ符号を付し、説明は省略する。同じ原則を第３実施形態以下の実施形態にも適用し、既出の構成要素には前と同じ符号を付し、説明は省略するものとする。
【００３３】
第２実施形態では、ディスプレーサ１３Ｌと伝熱ヘッド３１Ｌの間にスプリング４０Ｌを配置し、ディスプレーサ１３Ｒと伝熱ヘッド３１Ｒの間にスプリング４０Ｒを配置した。スプリング４０Ｌ、４０Ｒは第１実施形態のスプリング４０と同形であり、ディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体を両側から押す。すなわちスプリング４０Ｌ、４０Ｒは互いに反発力を及ぼす。これにより、ディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体が中立位置をとりやすくなり、スムーズに共振を開始させることができる。
【００３４】
スプリング４０Ｌ、４０Ｒは位置ずれしないように保持されていれば良く、ディスプレーサ１３Ｌ又は１３Ｒと伝熱ヘッド３１Ｌ又は３１Ｒに端部を連結する必要はない。
【００３５】
本発明の第３実施形態を図３に示す。第３実施形態のスターリング機関１ｂでは、ディスプレーサ１３Ｌとシリンダ１０とを共振発生用のスプリング４１で連結した。スプリング４１はテーパ形の圧縮コイルスプリングであって、大直径の側の端がシリンダ１０に連結され、小直径の側の端がディスプレーサ１３Ｌに連結されている。
【００３６】
本発明の第４実施形態を図４に示す。第４実施形態では、ディスプレーサ１３Ｌとシリンダ１０の間にスプリング４１Ｌを配置し、ディスプレーサ１３Ｒとシリンダ１０の間にスプリング４１Ｒを配置した。スプリング４１Ｌ、４１Ｒは第３実施形態のスプリング４１と同形であり、スプリング４１Ｌはディスプレーサ１３Ｌを伝熱ヘッド３１Ｌに向けて押し、スプリング４１Ｒはディスプレーサ１３Ｒを伝熱ヘッド３１Ｒに向けて押す。すなわちスプリング４１Ｌ、４１Ｒは互いに反発力を及ぼす。これにより、ディスプレーサ１３Ｌ、１３Ｒの連結体が中立位置をとりやすくなり、スムーズに共振を開始させることができる。
【００３７】
スプリング４１Ｌ、４１Ｒは位置ずれしないように保持されていれば良く、ディスプレーサ１３Ｌ又は１３Ｒとシリンダ１０に端部を連結する必要はない。
【００３８】
以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、圧縮空間と膨張空間の間で作動ガスを移動させるディスプレーサと、動力源によってシリンダ内を往復運動せしめられるピストンとを備え、前記ピストンが往復運動することにより前記ディスプレーサも往復運動して前記作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、１本のシャフトの両端部に前記ディスプレーサを１個ずつ固定するとともに、これらのディスプレーサの間に１個のピストンを置き、このピストンが両側のディスプレーサに作用を及ぼすようにしたものであり、ピストンの両側のディスプレーサが互いに連結されて同じ動きをするので、スターリング機関としての制御は単一制御で済む。従って制御装置を簡略化し、コストダウンに結びつけることができる。また一方のディスプレーサが停止したにも関わらず他方のディスプレーサが動き続けるといったことがないので、内部的な破壊につながるおそれが少なく、安全性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスターリング機関の断面図
【図２】本発明の第２実施形態に係るスターリング機関の断面図
【図３】本発明の第３実施形態に係るスターリング機関の断面図
【図４】本発明の第４実施形態に係るスターリング機関の断面図
【符号の説明】
１スターリング機関
１０、１１Ｌ、１１Ｒシリンダ
１２ピストン
１３Ｌ、１３Ｒディスプレーサ
１４シャフト
２０リニアアクチュエータ
３４Ｌ、３４Ｒ圧縮空間
３５Ｌ、３５Ｒ膨張空間
４０、４１、４０Ｌ、４０Ｒ、４１Ｌ、４１Ｒスプリング

Claims

圧縮空間と膨張空間の間で作動ガスを移動させるディスプレーサと、動力源によってシリンダ内を往復運動せしめられるピストンとを備え、前記ピストンが往復運動することにより前記ディスプレーサも往復運動して前記作動ガスの移動が生じるようにしたスターリング機関において、
１本のシャフトの両端部に前記ディスプレーサを１個ずつ固定するとともに、これらのディスプレーサの間に１個のピストンを置き、このピストンが両側のディスプレーサに作用を及ぼすようにしたことを特徴とするスターリング機関。
前記ディスプレーサに共振発生用のスプリングを連結したことを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。
前記スプリングを２個のディスプレーサのそれぞれに、互いに反発力を及ぼすように配置したことを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。