JP2005147094A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスベアリングによる浮上力を効率よく働かし、スターリング機関としての性能、信頼性向上を図る。
【解決手段】 シリンダ３Ａ内で軸方向に往復動し内部空間を有するピストン１及びディスプレーサ２と、前記ピストン１に対して同心状に固定され放射方向に磁性を有する永久磁石１５と、該永久磁石１５に対し軸方向に交番磁界を発生するリニアモータ１６と、ピストン端面１ｃに設けられた連通孔２９と、該連通孔２９に設けられた逆止弁と、ピストン摺動面１ｃに設けられ同一円周上に所定の角度間隔で並ぶ複数のピンホール３０とを備えたスターリング機関において、前記ピンホール３０を前記永久磁石１５の軸方向の中心位置に設けた。
【選択図】 図２

Description

本発明はスターリング機関に関するものである。

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。スターリング機関は、シリンダ内で、構成部品であるピストン及びディスプレーサを往復摺動させる機構を備えており、シリンダとピストンもしくはディスプレーサとの間、またはその両方との間には、ガスベアリングが形成されている（特許文献１参照）。ガスベアリングは、ピストンを例とすると、ピストンの往復動によってピストン内部の空洞に作動ガスを導き、ピストン摺動面に設けられたピンホールから作動ガスを噴出する機構である。ガス噴出により、ピストンに対する浮上力を得て、シリンダとの間に隙間をつくり、ピストン、シリンダの磨耗の防止、中心位置の確保に寄与し、性能、信頼性向上を果たす。
特開２００２−３４９３４７号公報

スターリング機関は、ガスベアリングにより上記の効果を得ているが、そのためには効率良くピストンに対する浮上力を得る必要がある。特に、リニアモータでピストンを駆動するフリーピストン型スターリング冷凍機では、ピストンには一体で動作する永久磁石が組みつけられている。永久磁石はピストンに対して同心状に固定され放射方向に磁性を有していて、リニアモータによって該永久磁石に対し軸方向に交番磁界を発生することで、永久磁石の磁界とリニアモータにより生ずる交番磁界との相互作用で、ピストンはその方向に往復動する。このとき、ピストンの放射方向に働く磁力を利用しているが、必ずしもピストンの全周で均一に磁力が働くとは限らないので、磁力の偏りによるサイドロードがピストンに作用し、ピストンとシリンダの軸心がずれてしまう。

したがって、永久磁石による力を大きくするとモータとしての効率が良くなる反面、サイドロードも大きくなり、それに打ち勝つだけの浮上力に相当するガス噴出量が必要となってくる。こうしたとき、ガス噴出量をむやみに大きくするだけでは、ガス流動ロスが大きくなること、ガス噴出量の安定性が損なわれる可能性があり、結果として性能低下が生じてしまう。

また、スターリング機関の設置の仕方には、配置するスペースに依存して、直立姿勢に配置する縦置き、横臥姿勢に配置する横置きの両者が考えられる。上記の例では縦置きを前提に考えたが、スターリング機関の設置を横置きとした場合、ピストン、ディスプレーサはそれぞれ自重による荷重を受けつつ往復動する。このとき、ピストン及びディスプレーサがクランク軸などの剛体に固定されているのであれば、傾くことはなく、さしたる問題は起こらない。しかし、前述のフリーピストン型スターリング機関においては、ピストン及びディスプレーサがスプリングなどの弾性体に一端面側で支持されているため、縦置き状態の場合と比較し、ピストン、ディスプレーサは自重により自由端である他端面側が下向きに傾くことになり、ピストン摺動面あるいはディスプレーサ摺動面とシリンダ内周面との間の隙間の偏りに起因するガス流動ロスの増加、また浮上が充分でなければ摺動摩擦の発生の虞がある。ガス流動ロスが増加するとスターリング機関の性能が低下し、摺動摩擦が発生すると、性能、信頼性ともに低下する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ガスベアリングによる浮上力を効率良く働かせ、スターリング機関としての性能、信頼性向上を図るための手段を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、作動ガスの封入されたシリンダと、該シリンダ内で軸方向に往復動し内部空間を有するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンに対して同心状に固定された永久磁石と、該永久磁石に対し軸方向に交番磁界を発生する駆動装置と、ピストン端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ピストン摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備えたスターリング機関において、前記第２の連通孔を前記永久磁石の軸方向の中心に対応する位置に設けたことを特徴とする。

この構成によると、高圧の作動ガスはピストンの第１の連通孔と逆止弁を通って内部空間に入り、第２の連通孔からピストンとシリンダ間の隙間に噴出され、その結果できるガス層によってガスベアリングが形成され、ピストンはシリンダと接触せずにシリンダ内部を往復動する。このとき、ピストンに作用するサイドロードと浮上力の作用点が一致するので、サイドロードに打ち勝つ浮上力が効率良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。

また、作動ガスの封入されたシリンダと、該シリンダ内で軸方向に往復動し内部空間を有するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンに対して同心状に固定された永久磁石と、該永久磁石に対し軸方向に交番磁界を発生する駆動装置と、ピストン端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ピストン摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備えたスターリング機関において、ピストン摺動面に設けた前記第２の連通孔を２列以上備え、ピストン支持部に最も近い列の前記第２の連通孔を前記永久磁石の軸方向の中心に対応する位置と同程度若しくはそれよりピストン支持部寄りの位置に設けたことを特徴とする。

この構成によると、高圧の作動ガスはピストンの第１の連通孔と逆止弁を通って内部空間に入り、第２の連通孔からピストンとシリンダ間の隙間に噴出され、その結果できるガス層によってガスベアリングが形成され、ピストンはシリンダと接触せずにシリンダ内部を往復動する。このとき、ピストンに作用する浮上力の作用点が複数存在することになるので、サイドロードに打ち勝つ浮上力がピストン摺動面全体でバランス良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。

また、ピストン支持部に最も近い列の前記第２の連通孔の数を、他の列の前記第２の連通孔の数より多くすることにより、ピストン摺動面の全体でバランス良く浮上力を得ることができる。なお、ピストン支持部に最も近い列の前記第２の連通孔の穴径を、他の列の前記第２の連通孔の穴径より大きくしてもよい。

また、作動ガスの封入されたシリンダと、該シリンダ内で軸方向に往復動し内部空間を有するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンに対して同心状に固定された永久磁石と、該永久磁石に対し軸方向に交番磁界を発生する駆動装置と、ピストン端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ピストン摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備え、横臥姿勢に設置して使用するスターリング機関において、前記第２の連通孔の少なくとも一つをピストン摺動面の底部若しくはその近傍に設けたことを特徴とする。

この構成によると、高圧の作動ガスはピストンの第１の連通孔と逆止弁を通って内部空間に入り、第２の連通孔からピストンとシリンダ間の隙間に噴出され、その結果できるガス層によってガスベアリングが形成され、ピストンはシリンダと接触せずにシリンダ内部を往復動する。このとき、ピストンに作用する浮上力の作用点がピストン摺動面底部で大きくなるので、ピストンの荷重に打ち勝つ浮上力が効率良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。

この場合、ピストン摺動面の下半分に位置する前記第２の連通孔の数を、ピストン摺動面の上半分に位置する前記第２の連通孔の数より多くすることにより、さらに効率良く浮上力を得ることができる。なお、ピストン摺動面の下半分に位置する前記第２の連通孔の穴径を、ピストン摺動面の上半分に位置する第２の連通孔の穴径より大きくしてもよい。また、ピストン摺動面の頂部若しくはその近傍に前記第２の連通孔を配置しないようにすることで、ピストンの浮上力が打ち消されることがなく、安定してピストンを往復動させることができる。

さらに、ディスプレーサ端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ディスプレーサ摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備え、前記第２の連通孔の少なくとも一つをディスプレーサ摺動面の底部若しくはその近傍に設けたことを特徴とする。

この構成によると、高圧の作動ガスはディスプレーサの第１の連通孔と逆止弁を通って内部空間に入り、第２の連通孔からディスプレーサとシリンダ間の隙間に噴出され、その結果できるガス層によってガスベアリングが形成され、ディスプレーサはシリンダと接触せずにシリンダ内部を往復動する。このとき、ディスプレーサに作用する浮上力の作用点がディスプレーサ摺動面底部で大きくなるので、ディスプレーサの荷重に打ち勝つ浮上力が効率良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。

この場合、ディスプレーサ摺動面の下半分に位置する前記第２の連通孔の数を、ディスプレーサ摺動面の上半分に位置する前記第２の連通孔の数より多くすることにより、さらに効率良く浮上力を得ることができる。なお、ディスプレーサ摺動面の下半分に位置する前記第２の連通孔の穴径を、ディスプレーサ摺動面の上半分に位置する第２の連通孔の穴径より大きくしてもよい。また、ディスプレーサ摺動面の頂部若しくはその近傍に前記第２の連通孔を配置しないようにすることで、ディスプレーサの浮上力が打ち消されることがなく、安定してディスプレーサを摺動させることができる。

また、ピストン摺動面に設けた前記第２の連通孔を２列以上備えた場合は、ピストン支持部から最も遠い列の前記第２の連通孔の数を、他の列の前記第２の連通孔の数より多くすることにより、ピストン摺動面の全体でバランス良く浮上力を得ることができる。なお、ピストン支持部から最も遠い列の前記第２の連通孔の穴径を、他の列の前記第２の連通孔の穴径より大きくしてもよい。

本発明によると、スターリング機関を縦置きにする場合は、ピストンに作用する磁力によるサイドロードに打ち勝つ浮上力が効率良く得られ、横置きにする場合は、ピストン及びディスプレーサに作用する自重に打ち勝つ浮上力が効率良く得られるため、摺動摩擦を低減することができ、結果として性能低下を抑制することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、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を例に挙げて説明する。

図１は、フリーピストン型スターリング冷凍機の一例を示す断面図である。このスターリング冷凍機は、耐圧容器４内に配置された諸構成により、スターリングサイクルを動作させコールドヘッド１３を冷却するものである。

各構成について説明すると、耐圧容器４は、主に、背面空間８側に配置されるベッセル４Ｂと、作動空間７側に配置される外筒３Ｃとから形成される。ベッセル４Ｂは、さらに二つの構造体に分割されており、コールドヘッド１３側がベッセル本体４Ｄであり、コールドヘッド１３側とは相対する側（以下、「防振装置４２側」と称する。）がベッセルキャップ４Ｃである。

耐圧容器４内には、連通穴１２Ａを備えて接合されたシリンダ３Ａ及びシリンダ３Ｂが配置される。シリンダ３Ａ，３Ｂには、シリンダ３Ａ及び３Ｂの軸と同軸上で往復動可能なピストン１及びディスプレーサ２が挿入されており、更には、ピストン１を駆動するリニアモータ１６がシリンダ３Ａの外側に備えられている。

耐圧容器４内は大別して２つの空間に仕切られており、その一つは主にベッセル４Ｂとピストン１により囲まれる背面空間８であり、他の一つは主にピストン１、外筒３Ｃ、及びコールドヘッド１３によって囲まれる作動空間７である。そして、作動空間７はディスプレーサ２によってさらに二つの空間に仕切られており、ディスプレーサ２とピストン１の間に存在する空間が圧縮空間９、ディスプレーサ２とコールドヘッド１３の間に存在する空間が膨張空間１０である。

この圧縮空間９と膨張空間１０はシリンダ３Ｂと外筒３Ｃとの間に形成された連通路１２を介して連通しており、連通路１２内には、高温側内部熱交換器２１、再生器１１、低温側内部熱交換器２２が圧縮空間９から膨張空間１０に向かって順に配置されている。

コールドヘッド１３は、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性材料を略有底円筒状に形成されたものであり、底部１３Ａがシリンダ３Ｂの開口と対向し、淵部１３Ｂが低温側内部熱交換器２２と対向するよう配置される。また、ウォームヘッド４１は、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性材料をリング状に形成したものであり、その内周が高温側内部熱交換器２１の外周と対向して配置される。

耐圧容器４の軸方向のコールドヘッド１３と反対側の端部には、装置の防振用の防振装置４２が配置される。防振装置４２は、主に、質量体支持バネ２３と質量体３７とから構成されており、質量体支持バネ２３のバネ定数と、系の質量から求まる共振周波数が、ピストン１の振動系及びディスプレーサ２の振動系が有する共振周波数と同一になるように設計されたものである。このように設計することにより、ピストン１及びディスプレーサ２の運転に基づく振動エネルギーを受けて、防振装置４２が激しく振動することになり、それによって、振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、結果的に防振装置４２を含むスターリング冷凍機全体振動系の振動を低減することができる。

リニアモータ１６は、主に、環状に配置された永久磁石１５と、永久磁石１５を保持するスリーブ１４と、アウターヨーク１７Ａと、インナーヨーク１７Ｂとから構成される。アウターヨーク１７Ａは、略コ字状の平板鉄心を環状に積層固定したものの内部にボビンに巻回したコイル２０を配置したものを、非磁性体で軸方向両側から挟みこんで形成され、インナーヨーク１７Ｂは、平板鉄心を環状に積層固定し形成される。アウターヨーク１７Ａの内周とインナーヨーク１７Ｂの外周との間には隙間１９が形成されており、その隙間１９にはスリーブ１４に保持された永久磁石１５が配置される。

スリーブ１４は有底円筒状をしており、その周縁部１４ｃの先端側の内周に環状の掘り込みが設けられている。そして、その掘り込みに複数辺の円弧状の永久磁石１５が全体として環状になるように配置される。スリーブ１４の底部１４ｂの中心にはロッド２ａが挿通可能な貫通穴が設けられ、その貫通穴の周縁から周縁部１４ｃ形成側とは相対する側に突出し内周面に螺子穴を備えたボス部１４ａが形成される。そして、底部１４ｂの周縁部１４ｃ配置側の面には、ピストン１が、そのピストン１の軸と底部１４ｂの中心とが同軸に配置されるように調整され、ボルト等の固定手段を用いて固定される。

アウターヨーク１７Ａの防振装置４２側の端面には、その端面から防振装置４２側に向かって、固定軸２４が複数本立設される。この固定軸２４には、その外周に螺子が形成されたものを用いており、所定の高さ位置にピストン支持バネ５、及びディスプレーサ支持バネ６が固定されている。ピストン支持バネ５、ディスプレーサ支持バネ６は、円形状の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ピストン支持バネ５の中心部には、スリーブ１４のボス部１４ａを介してピストン１が弾性支持され、ディスプレーサ支持バネ６には、ロッド２ａのネジ部２ｂを介してディスプレーサ２が弾性支持されている。

そして、リニアモータ１６に交番電圧を加えると、永久磁石１５は往復動し、それに伴ってピストン１も往復動を行う。そして、ディスプレーサ２は、ピストン１の動作に対して４分の１周期程度位相が遅れた状態で往復動を行い、作動空間７内でスターリングサイクルを形成する。その結果、高温側内部熱交換器２１は高温に加熱され、低温側熱交換器２２は低温に冷却されることになる。

高温側内部熱交換器２１の熱はウォームヘッド４１に伝達されて外部に放出され、低温側内部熱交換器２２にはコールドヘッド１３を介して外部から熱が供給されるようになる。つまり、コールドヘッド１３は外部から見れば非常に低温な状態となり、この低温を利用することによりさまざまな対象物を冷却することが可能となる。

ピストン１は、図３等に示すように、当初圧縮空間９と背面空間８との圧力が平衡するように設定した往復動の中心位置にある。ピストン摺動面１ｂ上には、圧縮空間９側のピストン端面１ｃから往復動方向Ｘに沿って設けられた第１の溝２５と、この第１の溝２５上の一点を中心として前記ピストン１の円周方向に沿って全周に設けられた第２の溝２６とが形成されている。また、シリンダ３Ａ及びアウターヨーク１７Ａには、第２の溝２６から背面空間８に貫通する穴２７が形成されている。そして、ピストン１の往復動により第２の溝２６と穴２７が連通する瞬間だけ圧縮空間９と背面空間８とが連通し、圧縮空間９と背面空間８との圧力平衡が図られる。第２の溝２６はピストン１の全周に形成されているため、ピストン１が動作中に円周方向に若干回転した場合でも、第２の溝２６と穴２７とは連通可能となる。

ここで、穴２７の口形状は、圧縮空間９と背面空間８との圧力の平衡を図るために必要な断面積を保ちつつ、ピストン１の運転動作時の連通時間を短くする形状の１つとして、往復動方向Ｘを短径とする長円形状とする。これにより、ピストン１の運転動作時に第２の溝２６と穴２７とが連通する時間が短くなるため、ピストン１の動作中心位置の精度を向上させることができる。なお、穴２７の口形状はピストン１の運転動作時に第２の溝２６と穴２７とが連通する時間を短くする形状であれば特に限定はなく、例えば、ピストン１の往復動方向Ｘを短辺とする長方形状でもよい。

さて、このようにシリンダ３Ａ，３Ｂ内を往復動するピストン１及びディスプレーサ２は、シリンダ３Ａ，３Ｂの内周面と接触しない状態で往復運動できるようにガスベアリングによりシリンダ３Ａ，３Ｂの内周面から浮いた状態で往復動するようになっている。

ピストン端面１ｃ及びディスプレーサ端面２ｃには、ピストン内部空間２８（以下、「空洞」と呼ぶ。）及びディスプレーサ内部空間３６（同）と圧縮空間９とを連通する連通孔（第１の連通孔）２９，３５が設けられ、圧縮空間９から空洞２８，３６方向へのみ作動ガスを流すことができる逆止弁（図示せず）が設けられている。

また、ピストン摺動面１ｂ及びディスプレーサ摺動面２ｄには、空洞２８及び空洞３６と、ピストン１、ディスプレーサ２とシリンダ３Ａ，３Ｂとで挟まれた空間とを連通する微小なピンホール（第２の連通孔）３０，３７が設けられている。

よって、圧縮空間９で作られた高圧ガスはピストン１及びディスプレーサ２の逆止弁（図示せず）を通ってそれぞれの空洞２８，３６に入り、それぞれのピンホール３０，３７からピストン１とシリンダ３Ａ間、ディスプレーサ２とシリンダ３Ｂ間の隙間に噴出され、その結果できるガス層によってガスベアリングが形成され、ピストン１、ディスプレーサ２はシリンダ３Ａ，３Ｂと接触せずにシリンダ３Ａ，３Ｂ内部を往復動する。

以下に具体的な実施例を用いて、ピストン１とシリンダ３Ａとの間に形成されるガスベアリングについて説明する。まず、スターリング冷凍機をコールドヘッド１３が下になるように、直立姿勢で設置した縦置きの場合について説明する。

図２は、実施例１に係るピストン及びシリンダの斜視図であり、図３は、その軸方向の断面図であり、そして、図４は、図３のＣ−Ｃ線断面図である。ピストン１は中心を軸方向に貫通する円柱状の貫通穴１ａを有し、且つ、その外側に断面ドーナツ状の空洞２８を有するように、所定の肉厚で形成された円柱状の構造体である。ピストン摺動面１ｂ周囲には、同一円周上（必ずしも同一円周上でなくてもよい）に所定の角度間隔（例えば、９０°）に並ぶピンホール３０が一列設けられており、該ピンホール３０は空洞２８に通じている。ピストン摺動面１ｂ上のピンホール３０は、図３に示すように、スリーブ１４に固定された永久磁石１５の往復動方向Ｘの中心部で該永久磁石１５と対峙する位置に設けられている。

本例のように、スターリング冷凍機を縦置きに設置する場合は、ピストン１に作用するサイドロードは、主として永久磁石１５とコイル２０（図１参照）の磁界間の相互作用で生ずる。そのため、永久磁石１５はいわばサイドロードの作用点となり得る部分である。一方で、ピンホール３０の設けられたピストン摺動面１ｂの円周上は、ガスベアリングによる浮上力の作用点となり得る部分である。したがって、両者の位置が大きくずれていると、ピストン１に傾きが生じて摺動が阻害される虞がある。そこで、上記のように両者の位置を一致させることで、サイドロードに打ち勝つ浮上力が効率よく得られ、摺動摩擦を低減することができる。

図５は、実施例２に係るピストン及びシリンダの斜視図であり、図６は、その軸方向の断面図であり、そして、図７は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。この実施例では、ピストン摺動面１ｂ周囲に、同一円周上（必ずしも同一円周上でなくてもよい）に所定の角度間隔（例えば、９０°）に並ぶ複数のピンホールを２列（すなわち、ピンホール３１とピンホール３２）備えている。一方の列のピンホール３１は、図６に示すように、ピストン１の先端に近い位置に配置され、他方の列のピンホール３２は、スリーブ１４に固定された永久磁石１５の往復動方向Ｘの中心よりもピストン１の根元寄りでスリーブ１４の周縁部１４ｃと対峙する位置に設けられている。本例によると、サイドロードに打ち勝つ浮上力がピストン摺動面１ｂ全体でバランス良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。なお、本例ではピストン摺動面１ｂ周囲のピンホールは２列としたが、２列以上としても構わない。

図８は、実施例３に係るピストン及びシリンダの斜視図であり、図９は、その軸方向の断面図であり、そして、図１０は、図９のＣ−Ｃ線断面図である。この実施例では、上記実施例２と同様に、ピストン摺動面１ｂ周囲に、ピンホールを２列（すなわち、ピンホール３１とピンホール３２）備えている。一方の列ピンホール３１は、図９に示すように、ピストン１の先端に近い位置に配置され、他方の列のピンホール３２は、スリーブ１４に固定された永久磁石１５の往復動方向Ｘの中心部で該永久磁石１５と対峙する位置に設けられている。さらに、後者のピンホール３２は、前者のピンホール３１よりも配列の角度間隔が小さく（例えば、４５°）、従ってその分、数多く設けられ、相対的に浮上力が大きくなる設計にしている。本例によると、サイドロードに打ち勝つ浮上力が効率良く、かつ、ピストン摺動面１ｂ全体でバランス良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。

図１１は、実施例４に係るピストン及びシリンダの斜視図であり、図１２は、その軸方向の断面図であり、そして、図１３は、図１２のＣ−Ｃ線断面図である。この実施例では、上記実施例２と同様に、ピストン摺動面１ｂ周囲に、ピンホールを２列（すなわち、ピンホール３１とピンホール３２）を備えている。そして、上記実施例３と同様に、一方の列ピンホール３１は、ピストン１の先端に近い位置に配置され、他方の列のピンホール３２は、スリーブ１４に固定された永久磁石１５の往復動方向Ｘの中心部で該永久磁石１５と対峙する位置に設けられている。さらに、後者のピンホール３２は、前者のピンホール３１と数は等しいが穴径が大きく設けられており、相対的に浮上力が大きくなる設計にしている。本例によると、サイドロードに打ち勝つ浮上力が効率良く、かつ、ピストン摺動面１ｂ全体でバランス良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。

次に、スターリング冷凍機を横臥姿勢で設置する横置きの場合について説明する。このように、スターリング冷凍機を横置きに設置する場合は、縦置きの場合に比べて性能が若干低下する。それは、両者の性能を比較した次のような実験結果によって裏付けられる。

実験は、同一構成のスターリング機関を、横置き条件、縦置き条件で運転し、前者の出力を後者の出力で除して出力指数を求めたものである。実験によれば、入力３０Ｗのときの出力指数は０．９６４、入力９０Ｗのときは０．９８であり、横置き条件で性能が低下した。すなわち、横置きとすることで、ピストン１とディスプレーサ２には自重によりその先端ほど下向きに大きな荷重がかかるため、ピストン１とシリンダ３Ａ、ディスプレーサ２とシリンダ３Ｂの隙間が均一ではなくなり、それによるガス流動ロスの増加、また浮上が充分確保されなければピストン１とシリンダ３Ａ、またはディスプレーサ２とシリンダ３Ｂに摺動摩擦が発生してしまう可能性があり、性能の低下を招くとともに、長期信頼性が低下する。

以下に、具体的な実施例を挙げて、そうした課題を解決するための手段について説明する。なお、以下の実施例では、ピストン１とシリンダ３Ａとの間の摺動摩擦の低減を図ることを目的とした構成についてのみ説明するが、ディスプレーサ２とシリンダ３Ｂとの間にも同様の構成を適用することで、上記課題が解決されることはいうまでもない。

図１４は、実施例５に係るピストン及びシリンダの斜視図であり、図１５は、その軸方向の断面図であり、そして、図１６は、図１５のＣ−Ｃ線断面図である。ピストン摺動面１ｂ周囲には、ピストン１の先端に近い位置で同一円周上（必ずしも同一円周上でなくてもよい）に所定の角度間隔（例えば、１２０°）で並ぶ複数のピンホール３０を一列設けている。すべてのピンホール３０は同じ穴径であるが、そのうちの一つは、ピストン摺動面１ｂの底部に位置させて、ガスベアリングにより充分な浮上力を得るようにしている。また、ピンホール３０の角度間隔を適切に選んで、ピストン摺動面１ｂの頂部にピンホール３０を配置しないようにしているため、浮上力が打ち消されることがなく、安定してピストン１を摺動させることができる。

なお、下半分に相対的に多くのピンホールを設けることにより、ガスベアリングにより浮上力を得るようにしてもよい。これによると、ピストン１の自重による荷重に打ち勝つ浮上力が効率良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。また、ピンホール３０の角度間隔を適切に選んで、ピストン摺動面１ｂの頂部にピンホール３０を配置しないようにしているため、浮上力が打ち消されることがなく、安定してピストン１を摺動させることができる。

あるいは、下半分に相対的に大きなピンホールを設けることにより、ガスベアリングにより浮上力を得るようにしてもよい。これによると、ピストン１の自重による荷重に打ち勝つ浮上力が効率良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。また、ピンホール３０の角度間隔を適切に選んで、ピストン摺動面１ｂの頂部にピンホール３０を配置しないようにしているため、浮上力が打ち消されることがなく、安定してピストン１を摺動させることができる。

図１７は、実施例６に係るピストン及びシリンダの斜視図である。この実施例は、同じく実施例５の変形である。すなわち、ピストン摺動面１ｂ周囲に、同一円周上（必ずしも同一円周上でなくてもよい）に所定の角度間隔（例えば、９０°）に並ぶ複数のピンホールを２列（すなわち、ピストン支持部から遠い方の列のピンホール３１とピストン支持部に近い方の列のピンホール３２）備え、ピストン支持部から遠い方の列のピンホール３１の数を５つ、近い方の列のピンホール３２の数を３つ設けている。このように、ピストン支持部から最も遠い列に、他の列のピンホールより数多くのピンホールを設けることにより、ガスベアリングにより浮上力を得るようにしている。本例によると、ピストン１の自重による荷重に打ち勝つ浮上力が効率良く、かつ、ピストン摺動面１ｂ全体でバランス良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。また、ピンホール３１，３２の角度間隔を適切に選んで、ピストン摺動面１ｂの頂部にピンホール３１，３２を配置しないようにしているため、浮上力が打ち消されることがなく、安定してピストン１を摺動させることができる。なお、本例ではピストン摺動面１ｂ周囲のピンホールは２列としたが、２列以上としても構わない。

図１８は、実施例７に係るピストン及びシリンダの斜視図である。この実施例は、同じく実施例５の変形であるが、実施例６の変形ともいえる。ピストン摺動面１ｂ周囲に、同一円周上（必ずしも同一円周上でなくてもよい）に所定の角度間隔（例えば、１２０°）に並ぶ複数のピンホールを２列（すなわち、ピストン支持部から遠い方の列のピンホール３１とピストン支持部に近い方の列のピンホール３２）備え、ピストン支持部から遠い方の列のピンホール３１の穴径を、近い方の列のピンホール３２の穴径より大きく設定している。このように、ピストン支持部から最も遠い列に、他の列のピンホールより穴径の大きなピンホールを設けることにより、ガスベアリングにより浮上力を得るようにしている。本例によると、ピストン１の自重による荷重に打ち勝つ浮上力が効率良く、かつ、ピストン摺動面１ｂ全体でバランス良く得られ、摺動摩擦を低減することができる。また、ピンホール３１，３２の角度間隔を適切に選んで、ピストン摺動面１ｂの頂部にピンホール３１，３２を配置しないようにしているため、浮上力が打ち消されることがなく、安定してピストン１を摺動させることができる。

本発明はスターリング機関の摺動機構に関するものであり、リニアモータで駆動されるフリーピストン型スターリング冷凍機などへの利用が見込まれる。

は、フリーピストン型スターリング冷凍機の一例を示す断面図である。 は、実施例１に係るスターリング冷凍機に使用されるピストン及びシリンダの斜視図である。 は、同上ピストン及びシリンダの軸方向の断面図である。 は、図３のＣ−Ｃ線断面図である。 は、実施例２に係るスターリング冷凍機に使用されるピストン及びシリンダの斜視図である。 は、同上ピストン及びシリンダの軸方向の断面図である。 は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。 は、実施例３に係るスターリング冷凍機に使用されるピストン及びシリンダの斜視図である。 は、同上ピストン及びシリンダの軸方向の断面図である。 は、図９のＣ−Ｃ線断面図である。 は、実施例４に係るスターリング冷凍機に使用されるピストン及びシリンダの斜視図である。 は、同上ピストン及びシリンダの軸方向の断面図である。 は、図１２のＣ−Ｃ線断面図である。 は、実施例５に係るスターリング冷凍機に使用されるピストン及びシリンダの斜視図である。 は、同上ピストン及びシリンダの軸方向の断面図である。 は、図１５のＣ−Ｃ線断面図である。 は、実施例６に係るスターリング冷凍機に使用されるピストン及びシリンダの斜視図である。 は、実施例７に係るスターリング冷凍機に使用されるピストン及びシリンダの斜視図である。

符号の説明

１ ピストン
１ｂ ピストン摺動面
１ｃ ピストン端面
２ ディスプレーサ
３Ａ，３Ｂ シリンダ
４ 耐圧容器
８ 背面空間
９ 圧縮空間
１０ 膨張空間
１５ 永久磁石
１７Ａ アウターヨーク
１７Ｂ インナーヨーク
２０ コイル
２８ 空洞（ピストン内部空間）
２９，３５ 連通孔（第１の連通孔）
３０，３１，３２，３７ ピンホール（第２の連通孔）
３６ 空洞（ディスプレーサ内部空間）

Claims (11)

1. 作動ガスの封入されたシリンダと、該シリンダ内で軸方向に往復動し内部空間を有するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンに対して同心状に固定された永久磁石と、該永久磁石に対し軸方向に交番磁界を発生する駆動装置と、ピストン端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ピストン摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備えたスターリング機関において、前記第２の連通孔を前記永久磁石の軸方向の中心に対応する位置に設けたことを特徴とするスターリング機関。
2. 作動ガスの封入されたシリンダと、該シリンダ内で軸方向に往復動し内部空間を有するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンに対して同心状に固定された永久磁石と、該永久磁石に対し軸方向に交番磁界を発生する駆動装置と、ピストン端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ピストン摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備えたスターリング機関において、ピストン摺動面に設けた前記第２の連通孔を２列以上備え、ピストン支持部に最も近い列の前記第２の連通孔を前記永久磁石の軸方向の中心に対応する位置と同程度若しくはそれよりピストン支持部寄りの位置に設けたことを特徴とするスターリング機関。
3. ピストン支持部に最も近い列の前記第２の連通孔の数を、他の列の前記第２の連通孔の数より多く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。
4. ピストン支持部に最も近い列の前記第２の連通孔の穴径を、他の列の前記第２の連通孔の穴径より大きく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。
5. 作動ガスの封入されたシリンダと、該シリンダ内で軸方向に往復動し内部空間を有するピストン及びディスプレーサと、前記ピストンに対して同心状に固定された永久磁石と、該永久磁石に対し軸方向に交番磁界を発生する駆動装置と、ピストン端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ピストン摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備え、横臥姿勢に設置して使用するスターリング機関において、前記第２の連通孔の少なくとも一つをピストン摺動面の底部若しくはその近傍に設けたことを特徴とするスターリング機関。
6. ディスプレーサ端面に設けられた第１の連通孔と、該第１の連通孔に設けられた逆止弁と、ディスプレーサ摺動面に設けられた複数の第２の連通孔とを備え、前記第２の連通孔の少なくとも一つをディスプレーサ摺動面の底部若しくはその近傍に設けたことを特徴とする請求項５に記載のスターリング機関。
7. ディスプレーサ摺動面及び又はピストン摺道面の下半分に位置する前記第２の連通孔の数を、ディスプレーサ摺動面及び又はピストン摺道面の上半分に位置する前記第２の連通孔の数より多くしたことを特徴とする請求項５又は６に記載のスターリング機関。
8. ディスプレーサ摺動面及び又はピストン摺道面の下半分に位置する前記第２の連通孔の穴径を、ディスプレーサ摺動面及び又はピストン摺道面の上半分に位置する第２の連通孔の穴径より大きくしたことを特徴とする請求項５又は６に記載のスターリング機関。
9. ディスプレーサ摺動面及び又はピストン摺道面の頂部若しくはその近傍に前記第２の連通孔を配置しないようにしたことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載のスターリング機関。
10. ピストン摺動面に設けた前記第２の連通孔を２列以上備え、ピストン支持部から最も遠い列の前記第２の連通孔の数を、他の列の前記第２の連通孔の数より多くしたことを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載のスターリング機関。
11. ピストン摺動面に設けた前記第２の連通孔を２列以上備え、ピストン支持部から最も遠い列の前記第２の連通孔の穴径を、他の列の前記第２の連通孔の穴径より大きくしたことを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載のスターリング機関。

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