JP2005345009A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 ディスプレーサ及びシリンダを伝わって圧縮空間から膨脹空間へ熱が移動することを効果的に防止するとともに、組付精度を確保しつつ工業的に量産できる構造の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及びディスプレーサ１３を備える。リニアモータ２０によりシリンダ１０内でピストン１２を往復運動させると、ディスプレーサ１３がピストン１２と所定の位相差をもってシリンダ１１内で往復運動する。ディスプレーサ１３及びこれを受容するシリンダ１１は、圧縮空間４５に対向する側は金属で、膨脹空間４６に対向する側は低熱伝導物質で、それぞれ形成する。そして金属部分において嵌め合い精度を確立する。
【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、２にスターリング機関の例を見ることができる。

スターリング機関において重要な役割を果たすのは、リニアモータなどの動力源により往復運動するピストンと、このピストンに対して所定の位相差を有し同期して往復運動するディスプレーサである。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを流動させ、スターリングサイクルを形成する。圧縮空間では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。これにより、圧縮空間の温度は上昇し、膨張空間の温度は下降する。圧縮空間（高温空間）の温度を高温伝熱ヘッドを通じて放熱すれば、膨脹空間（低温空間）は低温伝熱ヘッドを通じて外部の熱を吸収することが可能となる。この原理により、スターリング機関は冷凍機として用いられる。
特開２００４−５２８６６号公報（第５−６頁、図１） 特開２００３−７５００５号公報（第３−６頁、図２）

スターリング機関において、ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダは圧縮空間（高温空間）と膨脹空間（低温空間）の両方に面している。ディスプレーサ及びシリンダを伝わって圧縮空間から膨脹空間へ熱が移動するようなことがあると、スターリング機関の効率が低下してしまう。そのため、ディスプレーサ及びシリンダは熱の移動を遮断する構造であることが望ましい。

熱の移動を遮断する構造として一般的に考えられるのは、ディスプレーサとシリンダを低熱伝導物質、例えば合成樹脂やセラミックで形成することである。一方、ディスプレーサはシリンダの中にガスベアリングの仕組みで浮かせて高速運動させるのであるが、ガスベアリングに求められる厳しい寸法精度を低熱伝導物質で実現するのはきわめて困難である。ディスプレーサとシリンダを１個ずつすり合わせて調整するといった製造手法を採用すれば、必要な間隙を得ることが不可能ではない。しかしながらこの手法は工業的に量産するのに適するとは言い難い。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ディスプレーサ及びシリンダを伝わって圧縮空間から膨脹空間へ熱が移動することを効果的に防止するとともに、組付精度を確保しつつ工業的に量産できる構造のスターリング機関を提供することを目的とする。

本発明では、スターリング機関支持構造を次のように構成する。

（１）動力源によって往復運動せしめられるピストンと、このピストンに対して所定の位相差をもって往復運動するディスプレーサとを備え、圧縮空間（高温空間）と膨脹空間（低温空間）の間で作動ガスを移動させるスターリング機関において、前記ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダは、前記圧縮空間に対向する側を金属で、前記膨脹空間に対向する側を低熱伝導物質で、それぞれ形成する。

（２）前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は金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも外径大であり、前記シリンダは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも内径小であるものとする。

（３）前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おける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部と、前記シリンダにおける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部とが、ディスプレーサの往復運動中に重なることのないように、ディスプレーサの境界部とシリンダの境界部の位置関係（距離）が設定されている。

（４）前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及び／又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物質部分が螺合部と接着剤の併用により接合されている。

（５）前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及び／又はシリンダは、前記金属部分と低熱伝導物質部分とが重なる箇所において、重なりの中心寄りに前記螺合部が設けられ、外部にねじ溝が露出しない。

（６）前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及び／又はシリンダは、前記金属部分と低熱伝導物質部分との接触面全周に接着剤が塗布される。

（７）前記のように構成されたスターリング機関において、前記低熱伝導物質部分が合成樹脂の射出成型品よりなる。

（１）本発明の構成では、ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダを、膨脹空間に対向する側は低熱伝導物質で形成したから、ディスプレーサとシリンダを伝わり圧縮空間から膨脹空間へ熱が移動することを遮断ないし抑制することができる。これによりスターリング機関の効率が向上する。一方でディスプレーサとシリンダの圧縮空間に対向する側は金属で形成したから、高温に耐え、且つディスプレーサとシリンダの嵌め合い精度を容易に高めることができる。このため、ディスプレーサとシリンダとの間にガスベアリングを採用する場合、ガスベアリングの形成及び維持に必要な間隙精度を確保したものを工業的に量産することができる。

（２）ディスプレーサは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも外径大であり、シリンダは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも内径小であるものとしたから、寸法精度の落ちる低熱伝導物質部分同士の間隔が十分に確保され、万一の接触を防ぐことができる。

（３）ディスプレーサにおける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部と、シリンダにおける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部とが、ディスプレーサの往復運動中に重なることのないように、ディスプレーサの境界部とシリンダの境界部の位置関係（距離）が設定されているから、金属部分と低熱伝導部分の境界部で金属部分と低熱伝導物質部分の間に逆段差が生じていたとしても、逆段差同士が引っかかってディスプレーサの動きが阻害されることはない。

（４）ディスプレーサ及び／又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物質部分が螺合部と接着剤の併用により接合されているから、接合がきわめて強固であり、金属部分と低熱伝導物質部分が分離するようなことがない。

（５）ディスプレーサ及び／又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物質部分とが重なる箇所において、重なりの中心寄りに螺合部が設けられ、外部にねじ溝が露出しないから、ねじ溝が作動ガスの通路となることを防ぐことができる。

（６）ディスプレーサ及び／又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物質部分との接触面全周に接着剤が塗布されるから、ねじ溝が作動ガスの通路となることを防ぐことができる。

（７）低熱伝導物質部分が合成樹脂の射出成型品よりなるから、低熱伝導物質部分を低コストで大量生産することができる。

最初に、本発明が適用されるべきスターリング機関の構造を図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。

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、スターリング機関１の運転中、後述するガスベアリングによりシリンダ１０、１１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン１２とディスプレーサ１３は所定の位相差を備えて動く。シリンダ１１及びディスプレーサ１３の構造は後で詳しく説明する。

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。

マグネットホルダ１４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。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３０、３１の外周部はエンドブラケット２７に固定される。スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサ３２が配置されており、これによりスプリング３０、３１は一定の距離を保つ。スプリング３０、３１は円板形の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に対し所定の位相差（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で囲まれる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は容器に金網などの充填材（マトリックス）を詰め込んだり、金属薄板や合成樹脂フィルムをコイル状に巻いたりして形成したものであって、作動ガスが通る空隙を内部に有する。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を覆う筒状の圧力容器が胴体部５０を形成する。胴体部５０の内部はバウンス空間５１となる。

胴体部５０の構造は次のようになっている。すなわち胴体部５０は、伝熱ヘッド４０に接合されるリング状部５２と、このリング状部５２に接合されるキャップ状部５３とに２分割されている。リング状部５２、キャップ状部５３ともステンレス鋼製である。リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。キャップ状部５３はパイプの内面に鏡板５３ａを溶接した構造である。

リング状部５２の他端と、これに向かい合うキャップ状部５３の開口端には、フランジ形状部５４、５５が設けられる。フランジ形状部５４、５５はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部５２とキャップ状部５３に溶接して形成されるものであり、最終的にはフランジ形状部５４、５５を溶接して密閉状態の胴体部５０を形成する。

胴体部５０には、リニアモータ２０に電力を供給するための端子部２８と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ５０ａが配置される。これらはいずれもキャップ状部５３の外周面から放射方向に突出するように設けられる。

胴体部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、胴体部５０に固定されるベース６１と、ベース６１に支持される板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されるマス（質量）６３とから成る。

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の端面に配置される逆止弁９０を介して圧縮空間４５に連通する。ピストン１２の外周面にはガスベアリングを形成する凹部８１が同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。凹部８１の底部にはピストン１２を貫通する形で金属細管８２が打ち込まれ、この金属細管８２を通じて空洞８０から凹部８１に作動ガスが供給される。凹部８１の環状列はピストン１２の軸線方向に間隔を置いて２箇所以上形成する。すなわちガスベアリングを２箇所以上に形成する。

ディスプレーサ１３の内部も空洞８５となっている。空洞８５はディスプレーサ１３の端面に配置される逆止弁９０を介して圧縮空間４５に連通する。ディスプレーサ１３の外周面にはガスベアリングを形成する凹部８６が同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。凹部８６の底部に打ち込まれた金属細管８７を通じて空洞８５から凹部８６に作動ガスが供給される。

スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外側ヨーク２２と内側ヨーク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は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４、及びスプリング３０）の総質量と、スプリング３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。

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）にあっては、その総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。

ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には位相差が生じる。こ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と所定の位相差を有して同期して振動する。

上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間にスターリングサイクルが形成される。圧縮空間では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。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から再生器４７へ流れ込む作動ガスは高温であるため伝熱ヘッド４０は加熱され、伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から再生器４７へ流れ込む作動ガスは低温であるため伝熱ヘッド４１は冷却され、伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、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。

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。

圧縮空間４５の中の高圧の作動ガスの一部は逆止弁９０を通じてピストン１２の空洞８０及びディスプレーサ１３の空洞８５に入り込む。そして凹部８１、８６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、またディスプレーサ１３の外周面とシリンダ１１の内周面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、またディスプレーサ１３とシリンダ１１との接触が防がれる。このため接触部の摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触部の摩耗といった問題が発生しない。

ピストン１２とシリンダ１０はアルミニウムやステンレス鋼などの金属で形成される。他方ディスプレーサ１３とシリンダ１１は、一部は金属で、残りは合成樹脂などの低熱伝導物質で形成される。以下、ディスプレーサ１３とシリンダ１１の構造を図２〜４に基づき説明する。図２はディスプレーサとシリンダの断面図、図３、４は図２中に円Ａで囲んだ箇所の拡大断面図である。

ディスプレーサ１３及びこれを受容するシリンダ１１は、いずれも圧縮空間４５に対向する側が金属で形成され、膨脹空間４６に対向する側が低熱伝導物質で形成されている。ディスプレーサ１３の金属部分１３ａと低熱伝導物質部分１３ｂ、及びシリンダ１１の金属部分１１ａと低熱伝導物質部分１１ｂは、いずれも後者が前者にかぶさる形で嵌合する。すなわちいんろう嵌合となっている。嵌合部分は接着剤で接合されるが、それ自身が高速で往復運動するディスプレーサ１３にあっては、嵌合部分が螺合と接着剤の併用により接合され、接合強度を高めている。図３、４に嵌合部分の螺合の構造例を示す。

図３の構造例も図４の構造例も、金属部分１３ａの外周面に形成された雄ねじ部と、低熱伝導物質部分１３ｂの内周面に形成された雌ねじ部により螺合部１３ｃが構成されている。図３の構造例は金属部分１３ａと低熱伝導物質１３ｂが重なる箇所において、重なりの中心寄りに螺合部１３ｃが設けられ、外部にねじ溝が露出しない。これにより、ねじ溝が作動ガスの通路となって、ディスプレーサ１３の内外に予期せぬ作動ガスの流れ（漏れ）が生じることを防止できる。

シリンダ１１の金属部分１１ａと低熱伝導物質部分１１ｂは、シリンダ自身が運動する訳ではないので、接着剤だけでも接合強度が不足することはない。しかしながらピストン１２とディスプレーサ１３の往復運動によりスターリング機関１全体が振動することを考慮し、金属部分１１ａと低熱伝導物質部分１１ｂの間に螺合部を設けて接合強度の増大を図ってもよい。

ディスプレーサ１３において、接着剤は金属部分１３ａと低熱伝導物質部分１３ｂの接触面の適当個所に塗布すれば良いが、接触面全周に塗布することにより作動ガスの漏れを防止でき、接触面全体に塗布すれば接合を一層強固なものとすることができる。シリンダ１１についても同じことが言える。

上記のように組み立てられたディスプレーサ１３は、金属部分１３ａの方が低熱伝導物質部分１３ｂよりも外径が大きくなっている。他方シリンダ１１は、金属部分１１ａの方が低熱伝導物質部分１１ｂよりも内径が小さくなっている。低熱伝導物質の方が一般的に寸法精度が落ちるが、このように設計しておくことにより、低熱伝導物質部分１３ｂ、１１ｂの間隔が十分に確保され、万一の接触を防ぐことができる。低熱伝導物質部分１３ｂ、１１ｂの膨脹係数が大きく、温度変化により寸法がかなり変化する場合にも、これにより安全（接触防止）を確かめることができる。この間隔は、例えば１２０μｍといった値に設定できる。

金属部分１３ａ、１１ａは寸法精度を高くできるので、両者の間で嵌め合い精度を確立する。そしてガスベアリングの機能する間隙を得る。この間隙は、例えば２０μｍといった値に設定できる。

ディスプレーサ１３における金属部分１３ａと低熱伝導物質部分１３ｂとの境界部と、シリンダ１１における金属部分１１ａと低熱伝導物質部分１１ｂとの境界部とは、ディスプレーサ１３の移動により互いの距離Ｄ（図２参照）が変動する。この境界部同士が重なり合う、すなわち距離Ｄがゼロになることのないように、ディスプレーサ１３の境界部とシリンダ１１の境界部の位置関係（距離）が設定されている。従って、金属部分と低熱伝導部分の境界部で金属部分と低熱伝導物質部分の間に逆段差が生じていたとしても、逆段差同士が引っかかってディスプレーサ１３の動きが阻害されるようなことはない。

低熱伝導物質部分１３ｂ、１１ｂは合成樹脂の射出成型により形成する。これにより、低熱伝導物質部分１３ｂ、１１ｂを低コストで大量生産することが可能となる。合成樹脂としては、例えばポリカーボネートを採用することができる。

なお、シリンダ１１の金属部分１１ａはシリンダ１０と一体化されている。図２に示す１０ａはシリンダ１０から伸びるブリッジ部分である。このような構成とすることにより、シリンダ１０、１１の位置合わせ精度を高めることができる。

以上本発明の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できる。

本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。

スターリング機関の断面図 ディスプレーサとこれを受容するシリンダの断面図 図２中の円Ａの箇所の拡大断面図 図２中の円Ａの箇所の拡大断面図

符号の説明

１ スターリング機関
１０ シリンダ
１１ シリンダ
１１ａ 金属部分
１１ｂ 低熱伝導物質部分
１２ ピストン
１３ ディスプレーサ
１３ａ 金属部分
１３ｂ 低熱伝導物質部分
１３ｃ 螺合部

Claims (5)

1. 動力源によって往復運動せしめられるピストンと、このピストンに対して所定の位相差をもって往復運動するディスプレーサとを備え、圧縮空間（高温空間）と膨脹空間（低温空間）の間で作動ガスを移動させるスターリング機関において、
   前記ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダは、前記圧縮空間に対向する側を金属で、前記膨脹空間に対向する側を低熱伝導物質で、それぞれ形成することを特徴とするスターリング機関。
2. 前記ディスプレーサは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも外径大であり、前記シリンダは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも内径小である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. 前記ディスプレーサにおける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部と、前記シリンダにおける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部とは、ディスプレーサの往復運動中に重なることのないように互いの距離が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリング機関。
4. 前記ディスプレーサ及び／又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物質部分が螺合部と接着剤の併用により接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスターリング機関。
5. 前記金属部分と低熱伝導物質部分とが重なる箇所において、重なりの中心寄りに前記螺合部が設けられ、外部にねじ溝が露出しないことを特徴とする請求項４に記載のスターリング機関。

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