JP2005172287A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数削減により構造を簡素化し、コストダウンを図ることのでき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では、リニアモータ２０がシリンダ１０の中のピストン１２を往復運動させるとディスプレーサ１３も往復運動し、圧縮空間４５と膨張空間４６の間を作動ガスが移動する。ディスプレーサ１３には共振発生用のスプリング３１を組み合わせるが、ピストン１２の共振発生用スプリングは無くしてある。ピストン１２には軸線方向に間隔を置いて２箇所以上にガスベアリングが設けられる。シリンダ１０の端に形成された内フランジ７０と、リニアモータ２０に固定されたストッパ板７１がピストン１２の移動限界を定める。ストッパ板７１から突き出したピン９３をマグネットホルダ１４の透孔９２が受け入れることにより、ピストン１２の回転が防止される。
【選択図】 図１

Description

本発明はスターリング機関に関する。

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。特許文献１〜５にスターリング機関の例を見ることができる。
特開２０００−３３７７２５号公報（第２−４頁、図１−４） 特開２００１−２３１２３９号公報（第２−４頁、図１−４） 特開２００２−２１３８３１号公報（第３−４頁、図１） 特開２００２−３４９３４７号公報（第５−６頁、図１−４） 特開２０００−３０４３６６号公報（第４頁、図１）

スターリング機関については、性能向上やコストダウンのための研究が盛んに進められている。本発明は、部品点数削減により構造を簡素化し、コストダウンを図ることを目的とする。

また、スターリング機関の内部にはピストン、ディスプレーサ及びこれを往復駆動するモータという可動部品があるが、これらの可動部品の往復ストロークは電流、環境温度、負荷熱量などの条件によって変化する。このため、運転中に作動ガスの圧力が変化したり、ガスバランスが崩れたりすると、往復ストロークが過大になり、可動部品同士が、あるいは可動部品と固定部品とが、衝突することがある。部品同士が衝突すれば振動や騒音が発生するし、部品の破損にも結びつきかねない。

この問題に対処するため、特許文献３に記載された装置では、ピストンに取り付けられた環状永久磁石を駆動用コイルで往復動させてピストンを駆動するとともに、環状永久磁石の可動範囲外に位置検知用コイルを配置し、この位置検知用コイルによって環状永久磁石が可動範囲を超えたことが検知されたら前記駆動用コイルに供給する交流電流の電圧値を変更してピストンの往復動の振幅を設計基準値以下に抑えるようにしている。

しかしながら特許文献３記載の構成では位置検知コイルなどの特別な部品、また起電力の計算や電圧値の変更を行わせる制御部が必要であり、コストアップを招く。またディスプレーサ側の振動は制御対象とできない。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ピストン側、ディスプレーサ側を問わず、可動部品同士、あるいは可動部品と固定部品の衝突のダメージを軽減できる、実現容易且つ安価な構造を提供することを目的とする。

本発明では、スターリング機関を次のように構成した。

（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、前記ピストンの共振発生用スプリングを無くしてスターリング機関を形成した。

（２）前述のように構成されたスターリング機関において、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間にガスベアリングを形成するとともに、このガスベアリングはピストンの軸線方向に間隔を置いて２箇所以上に配置した。

（３）前述のように構成されたスターリング機関において、前記ピストンが前記シリンダの中で軸線まわりに回転するのを防止する回転防止手段を設けた。

（４）前述のように構成されたスターリング機関において、前記ピストンの往復運動範囲を定める移動限定手段を設けた。

（５）前述のように構成されたスターリング機関において、前記ピストンと移動限定手段との間に衝撃緩衝用の弾性体を配置した。

（６）前述のように構成されたスターリング機関において、前記ピストンの端面とディスプレーサの端面とを対面させるとともに、対面する面同士の間に緩衝部材を配置した。

（７）前述のように構成されたスターリング機関において、前記ピストン、ディスプレーサ、又はディスプレーサ軸の端面と、これら３部品以外の部品の面とを対面させるとともに、対面する面同士のうち、衝突の可能性のある面同士の間に緩衝部材を配置した。

（８）前述のように構成されたスターリング機関において、衝撃吸収物質を緩衝部材として用いた。

（９）前述のように構成されたスターリング機関において、金属製のバネを緩衝部材として用いた。

（１０）前述のように構成されたスターリング機関において、前記動力源としてリニアモータを用いた。

（１１）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、前記ピストンの端面とディスプレーサの端面とを対面させるとともに、対面する面同士の間に緩衝部材を配置した。

（１２）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、前記ピストン、ディスプレーサ、又はディスプレーサ軸の端面と、これら３部品以外の部品の面とを対面させるとともに、対面する面同士のうち、衝突の可能性のある面同士の間に緩衝部材を配置した。

（１３）前述のように構成されたスターリング機関において、衝撃吸収物質を緩衝部材として用いた。

（１４）前述のように構成されたスターリング機関において、金属製のバネを緩衝部材として用いた。

（１５）前述のように構成されたスターリング機関において、前記動力源としてリニアモータを用いた。

（１）本発明の構成によれば、ピストンに対してはスプリングを用いないので、部品点数が減る。部品点数削減により部品コストが下がる他、ピストンをスプリングに連結する際のピストンのセンタリング工程が不要となって組立コストも下がる。部品点数が減って構造が簡素化された分、故障も少なくなる。

（２）ガスベアリングがピストンの軸線方向に間隔を置いて２箇所以上に配置されているので、往復運動時にピストンがシリンダに対して傾くことがない。従ってピストンとシリンダとの接触が確実に回避され、ピストンとシリンダとの摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触箇所の摩耗といった問題が発生しない。

（３）ガスベアリングのガスは圧縮空間から供給され、バウンス空間へと流れる。バウンス空間と圧縮空間との圧力のバランスをとるため、シリンダの外側からピストンを通って圧縮空間へと抜ける戻り流路を形成しておく必要がある。ピストンがシリンダの中で軸線まわりに回転しなければ、戻り通路は確実にその機能を果たす。ガスベアリングを形成するピンホールが戻り流路に連通してしまい、ガスベアリングの機能が損なわれるという事態も避けることができる。

（４）ピストンの往復運動範囲を定める移動限定手段を設けたことにより、スプリングによる拘束のなくなったピストンがシリンダからとび出すのを防ぐことができる。

（５）ピストンと移動限定手段との間に衝撃緩衝用の弾性体を配置することにより、ピストンが万一移動限定手段に衝突したとしてもその衝撃を緩和し、騒音及び振動の発生や部品の破損を防ぐことができる。前記弾性体として一般的な機械部品であるオーリングを使用すれば、弾性体の調達が容易であり、コストも安い。またオーリングは温度、油、化学物質などに対して耐性が高いので、圧力容器中で高圧の作動ガスにさらしても劣化の懸念が少ない。

（６）ピストンとディスプレーサの対面する端面同士の間に緩衝部材を配置したから、ピストンとディスプレーサが万一衝突したとしてもその衝撃を緩和し、騒音及び振動の発生や部品の破損を防ぐことができる。

（７）ピストン、ディスプレーサ、又はディスプレーサ軸の端面と、これら３部品以外の部品の面との、対面する面同士のうち、衝突の可能性のある面同士の間に緩衝部材を配置したから、対面する面同士の間に万一衝突が発生したとしてもその衝撃を緩和し、騒音及び振動の発生や部品の破損を防ぐことができる。

（８）衝撃吸収物質を緩衝部材として用いたから、衝突の衝撃力が分散され、騒音、振動、及び部品の破損を効果的に防止することができる。

（９）金属製のバネを緩衝部材として用いたから、その緩衝部材の設置個所が高温に、あるいは低温にさらされるような場所であっても緩衝部材の物性に変化が少なく、安定した緩衝作用を得ることができる。

（１０）動力源としてリニアモータを用いたことにより、クランクとコネクティングロッドのような運動変換機構を用いることなくピストンを往復運動させることができ、高効率である。

（１１）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、ピストンが往復運動することによりディスプレーサも往復運動して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、ピストンとディスプレーサの対面する端面同士の間に緩衝部材を配置したから、ピストンとディスプレーサが万一衝突したとしてもその衝撃を緩和し、騒音及び振動の発生や部品の破損を防ぐことができる。

（１２）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、ピストンが往復運動することによりディスプレーサも往復運動して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、ピストン、ディスプレーサ、又はディスプレーサ軸の端面と、これら３部品以外の部品の面との、対面する面同士のうち、衝突の可能性のある面同士の間に緩衝部材を配置したから、対面する面同士の間に万一衝突が発生したとしてもその衝撃を緩和し、騒音及び振動の発生や部品の破損を防ぐことができる。

（１３）上記（１１）又は（１２）のように構成されたスターリング機関において、衝撃吸収物質を緩衝部材として用いたから、衝突の衝撃力が分散され、騒音、振動、及び部品の破損を効果的に防止することができる。

（１４）上記（１１）又は（１２）のように構成されたスターリング機関において、金属製のバネを緩衝部材として用いたから、その緩衝部材の設置個所が高温に、あるいは低温にさらされるような場所であっても緩衝部材の物性に変化が少なく、安定した緩衝作用を得ることができる。

（１５）上記（１１）〜（１４）のいずれかのように構成されたスターリング機関において、動力源としてリニアモータを用いたから、クランクとコネクティングロッドのような運動変換機構を用いることなくピストンを往復運動させることができ、高効率である。

以下、本発明の第１実施形態を図１、２に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図、図２は性能試験結果を示す表である。

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、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は位相差を備えて動く。

ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。

シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、コイル２１を備えた外側ヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられた内側ヨーク２３と、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、外側ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２６、２７とを備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。

ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３１の外周部はエンドブラケット２７にスペーサ３２を介して固定される。スプリング３１は円板形の金属素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定位相差（一般的には約９０゜の位相差）をもたせて共振させる役割を果たす。

シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には伝熱ヘッド４０、４１が配置される。伝熱ヘッド４０はリング状、伝熱ヘッド４１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。伝熱ヘッド４０、４１は各々リング状の内部熱交換器４２、４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。内部熱交換器４２、４３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４０、４１に伝える。伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。

伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び内部熱交換器４２で囲まれた環状の空間は圧縮空間４５となる。伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。

内部熱交換器４２、４３の間には再生器４７が配置される。再生器４７は容器内に金網などの充填材（マトリックス）を詰め込み、通気性を持たせたものであって、内部を作動ガスが通る。再生器４７の外側を再生器チューブ４８が包む。再生器チューブ４８は伝熱ヘッド４０、４１の間に気密通路を構成する。

リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を筒状の圧力容器５０が覆う。圧力容器５０の内部はバウンス空間５１となる。

圧力容器５０には振動抑制装置６０が取り付けられる。振動抑制装置６０は、圧力容器５０に固定されるフレーム６１と、フレーム６１に支持された板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されたマス（質量）６３とから成る。

本発明のスターリング機関１は、通常のスターリング機関と異なり、ピストン１２の共振発生用スプリングを無くしている。しかし、そのままではシリンダ１０からピストン１２が抜けてしまうおそれがあるので、ピストン１２の往復運動範囲を定める移動限定手段を設ける。本実施形態において、圧縮空間４５の側で移動限定手段を構成するのはシリンダ１０の端に設けた内フランジ７０である。バウンス空間５１の側で移動限定手段を構成するのはリニアモータ２０のエンドブラケット２７に固定されたストッパ板７１である。この往復移動範囲の中にあるかぎり、マグネット２４はコイル２１によって駆動される状態にある。すなわちリニアモータ２０の磁気回路中にマグネット２４が在中維持されている。

内フランジ７０はピストン１２の端面を受け、ストッパ板７１はマグネットホルダ１４の端面を受ける。これらの部材が直接当たると騒音や振動を発するので、衝撃緩衝用の緩衝部材として機能する弾性体を配置する。本実施形態では弾性体としてオーリング７２を使用する。内フランジ７０とストッパ板７１は、それぞれ、接着材など適当な結合手段によりオーリング７２を保持している。オーリング７２の位置を逆にし、ピストン１２及びマグネットホルダ１４の側にオーリング７２を装着してもよい。

ピストン１２の内部は空洞８０となっている。空洞８０はピストン１２の端面に設けられた連通口８１を介して圧縮空間４５に連通する。ピストン１２の外周面には空洞８０に通じるピンホール８２が穿たれている。ピンホール８２はガスベアリングを形成するものであり、同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。ピンホール８２はピストン１２の軸線方向に間隔を置いて２箇所以上に配置する。すなわちガスベアリングを２箇所以上に形成する。図示実施形態ではガスベアリングを２箇所に設けることとしているが、その数に限定はない。

ピンホール８２とは別に、バウンス空間５１内のガスを圧縮空間４５に戻す戻り流路が設けられている。戻り流路は、リニアモータ２０の内部ヨーク２３とシリンダ１０とを貫通するように設けた固定戻り流路９０と、ピストン１２の内部にＬ字形に屈曲する形で設けた移動戻り流路９１とにより構成される。

シリンダ１０とピストン１２を端面の方から見た場合、固定戻り流路９０と移動戻り流路９１は同一角度位置になければならない。すなわちシリンダ１０とピストン１２の相対角度は常に一定でなければならない。そこで、ピストン１２がシリンダ１０の中で軸線まわりに回転しないよう、回転防止手段を設ける。本実施形態では、マグネットホルダ１４に透孔９２を設け、この透孔９２にストッパ板７１から突き出すピン９３を通してピストン１２の回転を止めている。ピンホール８２が固定戻り流路９０に合致してしまい、ガスベアリングの機能が損なわれるという事態もこれにより避けることができる。

次に、スターリング機関１の動作について説明する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外部ヨーク２２と内部ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生し、マグネット２４は軸線方向に往復運動する。マグネット２４にマグネットホルダ１４を介して連結されたピストン１２も軸線方向に往復運動する。

ピストン１２が往復運動すると、ピストン１２の左側の全空間に同一の圧力変動が生じる。ここでディスプレーサ１３に作用する圧力を観察すると、膨張空間４６側の端面に作用する圧力と圧縮空間４５側の端面に作用する圧力とはパスカルの原理により同一となり、相殺される。しかしながらディスプレーサ軸１５はピストン１２の右側のバウンス空間５１に突出しているため、ディスプレーサ軸１５にはその断面積に応じた背圧がかかる。

背圧は圧縮空間４５の圧力変動と逆相で変動するため、ディスプレーサ１３の両側の圧力は完全には相殺されず、差圧が発生する。つまり、ピストン１２がディスプレーサ１３の側に前進すると、ディスプレーサ１３はピストン１２に向かって後退し、圧縮空間４５の容積が縮小するとともに膨張空間４６の容積が拡大する。圧縮空間４５の容積縮小分の作動ガスは再生器４７を通って膨張空間４６に流れ込む。

逆にピストン１２がディスプレーサ１３から離れて後退すると、ディスプレーサ１３はピストン１２から離れて前進し、膨張空間４６の容積が縮小するとともに圧縮空間４５の容積が拡大する。膨張空間４６の容積縮小分の作動ガスは再生器４７を通って圧縮空間４５に戻る。

上記のようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２の振動周波数と同期して振動する。この振動を効率的に維持するため、ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）の総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数を、ピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。これにより、ピストン系とディスプレーサ系とは良好に一定の位相差をもって同期振動する。

ピストン１２とディスプレーサ１３の同期振動により圧縮／膨張のサイクルが生まれる。振動の位相差を適切に設定すれば、圧縮空間４５では断熱圧縮による発熱が多く発生し、膨張空間４６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４５の温度は上昇し、膨張空間４６の温度は下降する。

運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を往復する作動ガスは、内部熱交換器４２、４３を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器４２、４３を通じて伝熱ヘッド４０、４１に伝える。圧縮空間４５から噴出する作動ガスは高温であり、伝熱ヘッド４０は加熱される。すなわち伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から噴出する作動ガスは低温であり、伝熱ヘッド４１は冷却される。すなわち伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド４０より熱を放散し、伝熱ヘッド４１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。

再生器４７は、圧縮空間４５と膨張空間４６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４５から内部熱交換器４２を経て再生器４７に入った高温の作動ガスは、再生器４７を通過するときにその熱を再生器４７に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から内部熱交換器４３を経て再生器４７に入った低温の作動ガスは、再生器４７を通過するときに再生器４７から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。すなわち再生器４７は熱の保管庫としての役割を果たす。

圧縮空間４５の中の高圧の作動ガスの一部は連通口８１からピストン１２の空洞８０に入り込む。そしてピンホール８２から噴出する。噴出する作動ガスにより、ピストン１２の外周面とシリンダ１０の内周面との間にガスの膜が形成され、ピストン１２とシリンダ１０との接触が防がれる。これと同様のガスベアリングをディスプレーサ１３とシリンダ１１の間にも設ける。

ピストン１２のガスベアリングは軸線方向に間隔を置いて２個以上設けられているので、往復運動時、ピストン１２がシリンダ１０に対して軸線方向に傾くことがない。従ってピストン１２とシリンダ１０との接触が確実に回避され、ピストン１２とシリンダ１０との摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触箇所の摩耗といった問題が発生しない。

ピストン１２を連続して往復運動させていると、バウンス空間５１内のガス圧が徐々に高くなり、圧縮空間４５とバウンス空間５１の間の圧力バランスが崩れてくる。固定戻り流路９０及び移動戻り流路９１はこの現象を防ぐために存在する。すなわち、ピストン１２が往復運動していると、あるタイミングで戻り流路９０、９１が合致する。この時、バウンス空間５１から固定戻り流路９０及び移動戻り流路９１を通じてガスが圧縮空間４５に帰還し、圧力バランスを回復する。

前述の通り、ピストン１２とシリンダ１０との相対回転は透孔９２とピン９３からなる回転防止手段で止められている。従ってピストン１２の往復運動中、固定戻り流路９０と移動戻り流路９１は所定のタイミングで必ず合致する。同時に、ピンホール８２が固定戻り流路９０に合致することが防がれるので、ガスベアリングの機能が損なわれることもない。

ピストン１２とディスプレーサ１３が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。振動抑制装置６０がこの振動を抑える。

上記構成のスターリング機関の性能について実験した結果を図２に示す。実験は、同一構成のスターリング機関を、「ピストンスプリングなし」の条件と「ピストンスプリングあり」の条件で運転し、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６０Ｗのときの出力指数は０．９８３、入力８０Ｗのときは同じく０．９７６、入力１００Ｗのときは同じく０．９７０であった。すなわちピストンスプリングを廃止しても出力は殆ど変わらなかった。

本発明の第２実施形態を図３に示す。第２実施形態はピストンとシリンダの間の回り止めの構成に係るものであり、図３は関連の構成要素のみ示す部分断面図である。

第２実施形態では、シリンダ１０の内面に軸線方向に延びる溝９４を形成し、ピストン１２には溝９４に係合する突起９５を形成して回り止めとした。

本発明の第３実施形態を図４に示す。第３実施形態もピストンとシリンダの間の回り止めの構成に係るものであり、図４は関連の構成要素のみ示す部分断面図である。

第３実施形態では、外部ヨーク２２及びエンドブラケット２６、２７の内面の断面形状を多角形にした。図の場合八角形となっている。その八角形の内面側の角には軸線方向に延びる溝９６を形成した。マグネットホルダ１４の外面の断面形状も八角形とし、各角には溝９６に係合する突起９７を形成して回り止めとした。

本発明の第４実施形態を図５に示す。図５はスターリング機関の断面図である。第５実施形態のスターリング機関は、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。図６に示す第５実施形態及び図７に示す第６実施形態においても同様とする。

第４実施形態のスターリング機関１は、ピストン１２の移動限界を定める移動限定手段の構成が第１実施形態と異なる。圧縮空間４５において、ピストン１２の一方の端面とディスプレーサ１３の一方の端面は第１実施形態のときのようにシリンダ１０に設けた内フランジで隔てられることなく対面している。すなわちここではディスプレーサ１３が移動限定手段を構成する。ピストン１２の端面に衝撃緩衝用のオーリング７２が装着されている。このオーリング７２はディスプレーサ１３の側に配置してもよい。バウンス空間５１においては、マグネットホルダ１４の側にオーリング７２が固定されている。

また本実施形態では、膨脹空間４６において、ディスプレーサ１３の端面に衝撃緩衝用のオーリング７２を装着し、ディスプレーサ１３が伝熱ヘッド４１に衝突するようなことがあった場合の備えとしている。このオーリング７２は伝熱ヘッド４１の側に配置してもよい。

この実施形態の場合ピストン１２は、ディスプレーサ１３の側に前進しすぎると、ピストン１２に向かって後退する途中だったディスプレーサ１３にオーリング７２を介して衝突する。この衝突はマグネット２４がエンドブラケット２６に当たる前に生じるので、リニアモータ２０がダメージを受けることはない。

またディスプレーサ１３が伝熱ヘッド４１に衝突するときは、オーリング７２が伝熱ヘッド４１の内面に衝突して衝撃をやわらげる。

本発明の第５実施形態を図６に示す。図６はスターリング機関の断面図である。

第５実施形態では、第４実施形態で緩衝部材として機能したオーリング７２を緩衝体７３で置き換えた。緩衝体７３は衝撃吸収物質によって構成される。オーリング７２のような弾性物質は、物体が衝突した場合、一旦変形して衝撃を吸収した後、弾発力で復元して衝突した物体をはね返すが、ここでいう衝撃吸収物質はそうではない。変形して圧力を分散させる、低反発タイプのものである。

緩衝体７３の配置される場所は、スターリング機関１内部の高温部位であったり、低温部位であったりする。そのため、耐熱性、耐冷性を備えることが求められる。この条件を満たす材料としては、シリコン主体のゲルがある。この材料は耐熱性、耐冷性だけでなく防振性や耐久性にも優れる。

あまり高温や低温でない、常温程度の使用環境であれば、上記ゲルに代え、低反発ウレタンを用いることもできる。

緩衝体７３は、ピストン１２の一方の端面と、この端面に対面するディスプレーサ１３の端面とにそれぞれ固定されている。また、ストッパ板７１に対面するマグネットホルダ１４の端面にも固定されている。ディスプレーサ１３と伝熱ヘッド４１の対面する面同士にもそれぞれ固定されている。ディスプレーサ軸１５の端面と、これに対面する圧力容器５０の内面にもそれぞれ固定されている。個々の緩衝体７３は、その配置箇所あるいは固定対象に合わせて形状、寸法の設計がなされている。

上記のように緩衝体７３を配置することにより、ピストン１２とディスプレーサ１３の衝突、マグネットホルダ１４とストッパ板７１の衝突、ディスプレーサ１３と伝熱ヘッド４１の衝突、及びディスプレーサ軸１５と圧力容器５０の衝突を緩衝体７３の衝撃吸収作用で緩衝することができる。

ピストン１２とディスプレーサ１３、ディスプレーサ１３と伝熱ヘッド４１、ディスプレーサ軸１５と圧力容器５０のように、衝突する部品の双方に緩衝体７３が設けられている箇所にあっては、どちらか一方の部品から緩衝体７３を撤去することができる。

上記配置個所のすべてに緩衝体７３を配置しなければならないということはない。部品の衝突の可能性がなければ緩衝体７３を配置する必要はない。

本発明の第６実施形態を図７に示す。図７はスターリング機関の断面図である。

第６実施形態では、第５実施形態で緩衝部材として機能した緩衝体７３を金属製のバネで置き換えた。すなわちバネ線材からなる圧縮コイルバネ７５と円形の金属板からなるバンパー７６を組みあわせて緩衝器７４を形成し、この緩衝器７４を、第６実施形態において緩衝体７３のあった箇所に配置している。個々の緩衝器７４は、その配置箇所あるいは固定対象に合わせて形状、寸法の設計がなされている。

上記のように緩衝器７４を配置することにより、ピストン１２とディスプレーサ１３の衝突、マグネットホルダ１４とストッパ板７１の衝突、ディスプレーサ１３と伝熱ヘッド４１の衝突、及びディスプレーサ軸１５と圧力容器５０の衝突を緩衝器７４で緩衝することができる。

ピストン１２とディスプレーサ１３、ディスプレーサ１３と伝熱ヘッド４１、ディスプレーサ軸１５と圧力容器５０のように、衝突する部品の双方に緩衝器７４が設けられている箇所にあっては、どちらか一方の部品から緩衝器７４を撤去することができる。

上記配置個所のすべてに緩衝器７４を配置しなければならないということはない。部品の衝突の可能性がなければ緩衝器７４を配置する必要はない。

緩衝器７４は金属製なので、高温になる圧縮室４５に配置されたとしても、あるいは低温になる膨脹室４６に配置されたとしても、弾性はあまり変わらず、安定した緩衝作用を得ることができる。

この実施形態ではバネ線材からなる圧縮コイルバネ７５と円形の金属板からなるバンパー７６を組み合わせて緩衝器７４を形成したが、１枚の金属板から切り起こし成形するにより、バネとバンパーを一体成形することも可能である。

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。なお緩衝部材の配置に係る発明は、ピストンの共振用スプリングを無くしたものに対象が限定されることはない。

本発明は、フリーピストン型スターリング機関全般に利用可能である。

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 性能試験結果を示す表 本発明の第２実施形態に係るスターリング機関の部分断面図 本発明の第３実施形態に係るスターリング機関の部分断面図 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 本発明の第５実施形態に係るスターリング機関の断面図 本発明の第６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、１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ ディスプレーサ（移動限定手段）
１４ マグネットホルダ
２０ リニアモータ
３１ スプリング（共振発生用）
４５ 圧縮空間
４６ 膨張空間
５０ 圧力容器
５１ バウンス空間
７０ 内フランジ（移動限定手段）
７１ ストッパ板（移動限定手段）
７２ オーリング（弾性体）
７３ 緩衝体
７４ 緩衝器
７５ 圧縮コイルバネ
７６ バンパー
８０ 空洞
８１ 連通口
８２ ピンホール（ガスベアリング形成用）
９０ 固定戻り流路
９１ 移動戻り流路
９２ 透孔（回転防止手段）
９３ ピン（回転防止手段）

Claims (15)

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、
   前記ピストンの共振発生用スプリングを無くしたことを特徴とするスターリング機関。
2. 前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間にガスベアリングを形成するとともに、このガスベアリングはピストンの軸線方向に間隔を置いて２箇所以上に配置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。
3. 前記ピストンが前記シリンダの中で軸線まわりに回転するのを防止する回転防止手段を設け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。
4. 前記ピストンの往復運動範囲を定める移動限定手段を設け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。
5. 前記ピストンと移動限定手段との間に衝撃緩衝用の弾性体を配置したことを特徴とする請求項４に記載のスターリング機関。
6. 前記ピストンの端面とディスプレーサの端面とを対面させるとともに、対面する面同士の間に緩衝部材を配置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。
7. 前記ピストン、ディスプレーサ、又はディスプレーサ軸の端面と、これら３部品以外の部品の面とを対面させるとともに、対面する面同士のうち、衝突の可能性のある面同士の間に緩衝部材を配置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。
8. 衝撃吸収物質を緩衝部材として用いることを特徴とする請求項６又は７に記載のスターリング機関。
9. 金属製のバネを緩衝部材として用いることを特徴とする請求項６又は７に記載のスターリング機関。
10. 前記動力源としてリニアモータを用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のスターリング機関。
11. 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、
    前記ピストンの端面とディスプレーサの端面とを対面させるとともに、対面する面同士の間に緩衝部材を配置したことを特徴とするスターリング機関。
12. 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、
    前記ピストン、ディスプレーサ、又はディスプレーサ軸の端面と、これら３部品以外の部品の面とを対面させるとともに、対面する面同士のうち、衝突の可能性のある面同士の間に緩衝部材を配置したことを特徴とするスターリング機関。
13. 衝撃吸収物質を緩衝部材として用いることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のスターリング機関。
14. 金属製のバネを緩衝部材として用いることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のスターリング機関。
15. 前記動力源としてリニアモータを用いることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載のスターリング機関。

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