JP2005113685A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 動作効率の優れたスターリング機関を提供する。
【解決手段】 スターリング冷凍機は、ケーシング２と、ケーシング２に組付けられたシリンダ３と、シリンダ３内で往復動するピストン４およびディスプレーサ５と、ピストン４をシリンダ３内で往復動させるリニアモータ１３と、ケーシング２内でディスプレーサ５に弾性力を付与するディスプレーサスプリング１５と、ピストン４におけるディスプレーサ５側の端面と接する作動空間７と、ピストン４におけるディスプレーサ５側とは反対側の端面と接する背圧空間１７とを備え、背圧空間１７の容積を作動空間７の容積よりも大きくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スターリング機関に関し、特に、フリーピストン型スターリング機関に関する。

従来から、スターリング機関の一例として、フリーピストン型スターリング冷凍機は知られている。このスターリング冷凍機では、ケーシングに組付けられたシリンダ内にディスプレーサとピストンとを配設して膨張空間と圧縮空間とを含む作動空間を設けている。作動空間の内部にはヘリウムなどの作動媒体が存在しており、膨張空間と圧縮空間とは作動媒体通路を介して連通している。作動媒体通路には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器が配設されている。

ピストンは、後端でピストンスプリングと一体化され、リニアモータなどによってシリンダの軸方向に往復駆動される。ディスプレーサは、ピストンを貫通するディスプレーサロッドを介してディスプレーサスプリングと一体化される。該ディスプレーサスプリングとピストンスプリングとはボルトにより連結され、背圧空間内に配置される。

ピストンをシリンダの軸方向に往復運動させると、作動媒体に周期的な圧力変化がもたらされ、それによりディスプレーサも所定の位相差をもってシリンダの軸方向に往復運動する。

なお、上記のようなフリーピストン型のスターリング機関が、たとえば特開２００３−１９４４３０号公報、特開２００３−３５２０３２号公報、特開２００３−１４３２１号公報、特開２００２−８９９８５号公報、特開２０００−３９２２２号公報などに記載されている。
特開２００３−１９４４３０号公報 特開２００３−３５２０３２号公報 特開２００３−１４３２１号公報 特開２００２−８９９８５号公報 特開２０００−３９２２２号公報

上述のように、フリーピストン型スターリング機関ではピストンとディスプレーサとは所定の位相差をもってシリンダの軸方向に往復運動するが、その際に、作動空間内の圧力のみならず背圧空間内の圧力も、ピストンやディスプレーサの動作に影響を及ぼすものと考えられる。つまり、ピストンやディスプレーサが効率的に動作し得る作動空間や背圧空間内の圧力というものが存在するものと考えられる。作動空間内の圧力や背圧空間内の圧力に影響を及ぼす要素の一つとして作動空間の容積と背圧空間の容積とを挙げることができ、該作動空間の容積と背圧空間の容積との関係がピストンやディスプレーサの動作効率に影響を及ぼすものと考えられる。

そこで、作動空間の容積と背圧空間の容積との関係に着目し検討したところ作動空間の容積と背圧空間の容積との関係によっては、スターリング機関の動作効率が低下する場合があるという問題があることがわかった。

しかしながら、上記のいずれの文献においても、作動空間の容積と背圧空間の容積との関係に着目したものはなく、作動空間の容積と背圧空間の容積との関係に関する記載は全くない。また、上記の文献の中のいくつかの図面には、背圧空間の容積が作動空間の容積よりも大きく描かれているものもあるが、いずれの文献においても作動空間の容積と背圧空間の容積との関係に関する記載が全くない以上、偶然にこのように図示されているだけであり上記の各文献に、背圧空間の容積を作動空間の容積よりも大きくするという思想が記載されているとは言えない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、動作効率の優れたスターリング機関を提供することを目的とする。

本発明に係るスターリング機関は、ケーシングと、前記ケーシングに組付けられたシリンダと、前記シリンダ内で往復動するピストンおよびディスプレーサと、前記ピストンを前記シリンダ内で往復動させるピストン駆動手段と、前記ケーシング内で前記ディスプレーサに弾性力を付与するディスプレーサスプリングと、前記ピストンにおける前記ディスプレーサ側の端面と接する作動空間と、前記ピストンにおける前記ディスプレーサ側とは反対側の端面と接する背圧空間とを備え、前記背圧空間の容積を前記作動空間の容積よりも大きくしている。

上記背圧空間の容積を作動空間の容積の２倍以上１０倍以下とすることが好ましい。より好ましくは、４倍以上１０倍以下程度とする。

本発明によれば、背圧空間の容積を作動空間の容積よりも大きくしているので、ピストンやディスプレーサが往復動した際にピストンやディスプレーサが背圧空間内の作動媒体から直接的および間接的に受ける圧力や抵抗を低減することができる。その結果、スターリング機関の動作効率を向上することができる。

以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施の形態について説明する。図１は、スターリング機関の一例であるスターリング冷凍機１の概略構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、本発明をスターリング冷凍機に適用した例について説明するが、スターリング冷凍機以外のスターリング機関にも本発明は適用可能であると考えられる。

図１に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機１は、ケーシング２と、該ケーシング２に組付けられたシリンダ３と、シリンダ３内で往復動するピストン４およびディスプレーサ５と、再生器６と、圧縮空間７ａと膨張空間７ｂとを含む作動空間７と、放熱部（ウォームヘッド）８と、吸熱部（コールドヘッド）９と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ１３と、ピストンスプリング１４と、ディスプレーサスプリング１５と、ディスプレーサロッド１６と、背圧空間１７とを備える。

ケーシング２は、スターリング冷凍機１の外殻（外壁）を構成する部分であり、シリンダ３をはじめとする種々の部品が該ケーシング２に組付けられる。図１の例では、ケーシング２は、単一の容器で構成されず、背圧空間１７を規定するとともにリニアモータ１１、ピストンスプリング１４およびディスプレーサスプリング１５を受け入れるベッセル部分と、放熱部８、再生器６および吸熱部９の外壁部分とで主に構成される。該ケーシング２の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。

シリンダ３は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン４とディスプレーサ５とを往復動可能に受け入れる。シリンダ３内において、ピストン４とディスプレーサ５とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン４およびディスプレーサ５によってシリンダ３内の作動空間７が圧縮空間７ａと膨張空間７ｂとに区画される。より詳しくは、作動空間７は、ピストン４におけるディスプレーサ５側の端面よりもディスプレーサ５側に位置する空間であり、ピストン４とディスプレーサ５との間に圧縮空間７ａが形成され、ディスプレーサ５と吸熱部９との間に膨張空間７ｂが形成される。圧縮空間７ａは主に放熱部８によって囲まれ、膨張空間７ｂは主に吸熱部９によって囲まれている。

圧縮空間７ａと膨張空間７ｂとの間には再生器６が配設されており、この再生器６を介してこれら両空間が連通する。それにより、スターリング冷凍機１内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン４およびディスプレーサ５の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが実現する。

シリンダ３の外側に位置する背圧空間１７にはリニアモータ１３を配設する。リニアモータ１３は、インナーヨーク１０と、可動マグネット部１１と、アウターヨーク１２とを有し、このリニアモータ１３によって、シリンダ３の軸方向にピストン４を駆動する。

ピストン４の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング１４と接続される。該ピストンスプリング１４は、ピストン４に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング１４に弾性力を付加することにより、シリンダ３内でピストン４をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ５の一端は、ディスプレーサロッド１６を介してディスプレーサスプリング１５と接続される。ディスプレーサロッド１６はピストン４を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング１５は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング１５の周縁部と、ピストンスプリング１４の周縁部は、リニアモータ１３からピストン４の駆動軸のディスプレーサ配置方向とは反対方向（以下、後方と称する場合がある。）に延びる支持部材により支持される。

ピストン４に対しディスプレーサ５と反対側には、ケーシング２のベッセル部分によって囲まれた背圧空間１７が配設されている。背圧空間１７は、ケーシング２のベッセル部分内でピストン４の周囲に位置する外周領域と、ケーシング２のベッセル部分内でピストン４よりもピストンスプリング１４側（後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間１７内にも、作動媒体が存在する。

本実施の形態では、背圧空間１７の容積（体積）を作動空間７の容積（体積）よりも大きくすることを重要な特徴としている。

本願発明者がスターリング機関について研究を進める中で、背圧空間１７の容積と作動空間７の容積との関係が、スターリング機関の動作効率に影響を与えることがわかってきた。そこで、本願発明者が、背圧空間１７の容積と、作動空間７の容積と、スターリング機関の動作効率との関係について様々な検討を重ねた結果、背圧空間１７の容積を作動空間７の容積よりも大きくすることによりスターリング機関の動作効率を向上できることを知得した。

背圧空間１７の容積が小さいと、たとえばピストンスプリング１４やディスプレーサスプリング１５および可動マグネット部１１がケーシング２のベッセル部分の後端（図１において吸熱部９と反対側に位置するケーシング２の端部）側に近づくように変形した場合に、背圧空間内の作動媒体の圧力上昇度が大きくなり、比較的大きな圧力がピストン４の後方端面に作用することとなる。また、ピストンスプリング１４やディスプレーサスプリング１５が変形する際に作動媒体から受ける抵抗も大きくなるものと考えられる。そのため、ピストンスプリング１４やディスプレーサスプリング１５のスムーズな変形が阻害され、ピストン４やディスプレーサ５を駆動するために大きな動力が必要となることが考えられる。

それに対し、背圧空間１７の容積を大きくすることにより、背圧空間１７内においてピストン４やディスプレーサ５の動作に応じてピストンスプリング１４やディスプレーサスプリング１５が変形する際に、背圧空間１７内の作動媒体から受ける圧力や抵抗を低減することができる。それにより、ピストン４やディスプレーサ５がスムーズに往復動することができ、ピストン４やディスプレーサ５を駆動するために必要な動力を低減することができる。その結果、スターリング機関の動作効率を向上することができる。

本願発明者は、上記のような知見を基にさらに研究を行ない、スターリング機関における背圧空間１７の容積と作動空間７の容積の間の好適な比率を見出すに至った。以下、背圧空間１７の容積と作動空間７の容積の間の好適な比率について説明する。

上記背圧空間１７の容積は、作動空間７の容積の２倍以上１０倍以下程度とすることが好ましく、より好ましくは、背圧空間１７の容積は、作動空間７の容積の４倍以上１０倍以下程度である。背圧空間１７の容積をこのような範囲内のものとすることにより、スターリング機関の動作効率を向上することができる。

次に、本願発明者が行ったシミュレーション結果について、図２〜図４を用いて説明する。

図２は、出力１００Ｗの小型スターリング機関（スターリング冷凍機）のシミュレーション結果を示し、図３は、出力２００Ｗの中型スターリング機関（スターリング冷凍機）のシミュレーション結果を示し、図４は、出力４００Ｗの大型スターリング機関（スターリング冷凍機）のシミュレーション結果を示している。

シミュレーション条件は、小型スターリング機関の場合、駆動周波数７４．７Ｈｚ、ガス圧（絶対圧）３．４５ＭＰａ、低温側温度０℃、高温側温度４０℃であり、中型スターリング機関の場合、駆動周波数６８．８Ｈｚ、ガス圧（絶対圧）２．９ＭＰａ、低温側温度０℃、高温側温度４０℃であり、大型スターリング機関の場合、駆動周波数６７．８Ｈｚ、ガス圧（絶対圧）３．４ＭＰａ、低温側温度０℃、高温側温度４０℃である。

図２〜図４に示すように、背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値が大きくなるにつれてスターリング機関の成績係数（ＣＯＰ）が向上しているのがわかる。つまり、作動空間７の容積に対して背圧空間１７の容積を大きくすることにより、スターリング機関の動作効率を向上することができる。

また、背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値を２以上、つまり背圧空間１７の容積を作動空間７の容積の２倍以上とすることにより、スターリング機関の動作効率を向上するとともに、リニアモータ１３などのピストン４の駆動手段や、ピストンスプリング１４やディスプレーサスプリング１５などの各要素を組込むための空間を、背圧空間１７内に容易に確保することもできる。

なお、背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値が１０より大きい、つまり背圧空間１７の容積を作動空間７の容積の１０倍より大きくすると、スターリング機関が大型化しすぎることに加え、スターリング機関の動作効率の顕著な向上もあまり期待できないことから、背圧空間１７の容積を作動空間７の容積の１０倍以下とすることが好ましい。

より好ましくは、背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値を４以上１０以下程度、つまり背圧空間１７の容積を作動空間７の容積の４倍以上１０倍以下程度とする。この場合には、図２〜図４に示すように、スターリング機関の成績係数（ＣＯＰ）を安定して高い値に保持することができる。したがって製造上の誤差がある程度生じた場合においても、スターリング機関の成績係数（ＣＯＰ）を高い値とすることができる。

なお、本願発明者が現在開発しているスターリング機関の成績係数（ＣＯＰ）は、図２〜図４において矢印で示すように、２．２〜２．６程度であり、このときの背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値は、７〜８程度である。

他方、成績係数（ＣＯＰ）値に着目すると、小型、中型、大型のいずれのスターリング機関の成績係数（ＣＯＰ）値も、２以上とすることが可能となることがわかる。具体的には、図２に示す小型（１００Ｗ）のスターリング機関の場合には、背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値を約２．５以上、つまり背圧空間１７の容積を作動空間７の容積の約２．５倍以上とすることにより、成績係数（ＣＯＰ）値を２以上とすることができ、図３に示す中型（２００Ｗ）のスターリング機関の場合には、背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値を約３以上、つまり背圧空間１７の容積を作動空間７の容積の約３倍以上とすることにより、成績係数（ＣＯＰ）値を２以上とすることができ、図４に示す大型（４００Ｗ）のスターリング機関の場合には、背圧空間１７の容積／作動空間７の容積の比の値を約５以上、つまり背圧空間１７の容積を作動空間７の容積の約５倍以上とすることにより、成績係数（ＣＯＰ）値を２以上とすることができる。

また、上記の結果より、スターリング機関が小型、中型、大型となるにつれて成績係数（ＣＯＰ）値が低下する傾向にあることもわかる。したがって、スターリング機関の能力が大きくなるにつれて背圧空間１７の容積を大きくすることが好ましいと言える。

次に、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１の動作について説明する。

まず、リニアモータ１３を作動させてピストン４を駆動する。リニアモータ１３によって駆動されたピストン４は、ディスプレーサ５に接近し、圧縮空間７ａ内の作動媒体（作動ガス）を圧縮する。

ピストン４がディスプレーサ５に接近することにより、圧縮空間７ａ内の作動媒体の温度は上昇するが、放熱部８によってこの圧縮空間７ａ内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間７ａ内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。

ピストン４がディスプレーサ５に接近した後にディスプレーサ５は吸熱部９側に移動する。他方、ピストン４によって圧縮空間７ａ内において圧縮された作動媒体は再生器６内に流入し、さらに膨張空間７ｂへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器６に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。

膨張空間７ｂ内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ５がピストン４側（ケーシング２のベッセル部分の後端側）へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ５が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサロッド１６もピストン４側へ移動し、ディスプレーサスプリング１５の中央部も後方側に突出するように変形する。このとき、上述のように背圧空間１７の容積を大きくすることにより、背圧空間１７内の作動媒体がベッセル部分の後端側で圧縮される程度を軽減することができ、また背圧空間１７内の作動媒体から受ける抵抗も低減することができる。それにより、ディスプレーサスプリング１５が背圧空間１７内でスムーズに変形し得るようにすることができる。同様にピストンスプリング１４も、背圧空間１７内でスムーズに変形し得るようになる。したがって比較的少ない動力でピストン４やディスプレーサ５を駆動することができ、スターリング機関の動作効率を向上することができる。

上記のように膨張空間７ｂ内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間７ｂ内の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部９によって外部の熱が膨張空間７ｂ内へと伝熱されるため、膨張空間７ｂ内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。

その後、ディスプレーサ５がピストン４から遠ざかる方向に移動し始める。それにより、膨張空間７ｂ内の作動媒体は再生器６を通過して再び圧縮空間７ａ側へと戻る。その際に再生器６に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。

この一連の過程（等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程）が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部９は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示し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すべての変形が含まれる。

本発明の１つの実施の形態におけるスターリング冷凍機の概略構成を示す断面図である。 小型（１００Ｗ）スターリング機関の背圧空間の容積／作動空間の容積の比の値と、成績係数（ＣＯＰ）との関係を示すシミュレーション結果である。 中型（２００Ｗ）スターリング機関の背圧空間の容積／作動空間の容積の比の値と、成績係数（ＣＯＰ）との関係を示すシミュレーション結果である。 大型（４００Ｗ）スターリング機関の背圧空間の容積／作動空間の容積の比の値と、成績係数（ＣＯＰ）との関係を示すシミュレーション結果である。

符号の説明

１ スターリング冷凍機、２ ケーシング、３ シリンダ、４ ピストン、５ ディスプレーサ、６ 再生器、７ 作動空間、７ａ 圧縮空間、７ｂ 膨張空間、８ 放熱部、９ 吸熱部、１０ インナーヨーク、１１ 可動マグネット部、１２ アウターヨーク、１３ リニアモータ、１４ ピストンスプリング、１５ ディスプレーサスプリング、１６ ディスプレーサロッド、１７ 背圧空間。

Claims (3)

1. ケーシングと、
   前記ケーシングに組付けられたシリンダと、
   前記シリンダ内で往復動するピストンおよびディスプレーサと、
   前記ピストンを前記シリンダ内で往復動させるピストン駆動手段と、
   前記ケーシング内で前記ディスプレーサに弾性力を付与するディスプレーサスプリングと、
   前記ピストンにおける前記ディスプレーサ側の端面と接する作動空間と、
   前記ピストンにおける前記ディスプレーサ側とは反対側の端面と接する背圧空間とを備え、
   前記背圧空間の容積を前記作動空間の容積よりも大きくしたスターリング機関。
2. 前記背圧空間の容積を前記作動空間の容積の２倍以上１０倍以下とした、請求項１に記載のスターリング機関。
3. 前記背圧空間の容積を前記作動空間の容積の４倍以上１０倍以下とした、請求項１に記載のスターリング機関。

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