JP2007285661A - Stirling engine - Google Patents

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Toshio Takahashi
富志雄 高橋
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Stirling engine with stable and continuous bonding by an adhesive of a metal body and a synthetic resin cap composing a displacer. <P>SOLUTION: The Stirling engine 1 is provided with a piston 12 and the displacer 13. When the piston 12 is reciprocated in a cylinder 10 by a linear motor 20, the displacer 13 is reciprocated in a cylinder 11 with a predetermined phase difference with respect to the piston 12, and working gas is moved between a compression space 45 and an expansion space 46. The displacer 13 is comprised of the metal body 13a facing the compression space 45, and the synthetic resin made cap 13b facing the expansion space 46, and connection parts 13c, 13d integrally formed so as to protrude toward each other are engaged and bonded by the adhesive. The connection parts 13c, 13d are smaller than the body 13a and the cap 13d in diameter. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はスターリング機関に関する。     The present invention relates to a Stirling engine.

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にスターリング機関の例を見ることができる。   The Stirling engine is attracting attention as a heat engine that does not cause destruction of the ozone layer because helium, hydrogen, nitrogen or the like is used as a working gas instead of Freon. An example of a Stirling engine can be seen in Patent Document 1.

スターリング機関において、性能や信頼性を決定する要となる部品は、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づ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。   In Stirling engines, the components that determine the performance and reliability are a piston that reciprocates by a power source such as a linear motor, and a displacer that reciprocates synchronously with a predetermined phase difference with respect to this piston. is there. The piston and displacer flow the working gas between the compression space and the expansion space to form a Stirling cycle. In the compression space, the temperature of the working gas increases based on the isothermal compression change, and in the expansion space, the temperature of the working gas decreases based on the isothermal expansion change. Thereby, the temperature of compression space rises and the temperature of expansion space falls. If the temperature of the compression space (high temperature space) is radiated through the high temperature heat transfer head, the expansion space (low temperature space) can absorb external heat through the low temperature heat transfer head. Based on this principle, the Stirling engine is used as a refrigerator.

スターリング機関において、ディスプレーサは圧縮空間(高温空間)と膨脹空間(低温空間)の両方に面している。スターリング機関の性能向上のためには、圧縮空間内の熱と膨張空間内の冷熱とが互いに干渉しないこと、つまり両空間が断熱されていることが必要である。もしもディスプレーサ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、ディスプレーサ自身が熱の移動を遮断する構造であることが望ましい。   In a Stirling engine, the displacer faces both the compression space (high temperature space) and the expansion space (low temperature space). In order to improve the performance of the Stirling engine, it is necessary that the heat in the compression space and the cold heat in the expansion space do not interfere with each other, that is, both the spaces are insulated. If heat is transferred from the compression space to the expansion space through the displacer, the efficiency of the Stirling engine is reduced. Therefore, it is desirable that the displacer itself has a structure that blocks heat transfer.

スターリング機関の性能向上にはもう一つの要件がある。それは圧縮空間内の作動ガスと膨張空間内の作動ガスとが互いに干渉しないこと、つまり作動ガスのリークが無いことである。このため、ディスプレーサとシリンダの間の隙間(クリアランス)はできるだけ小さい方が良く、適切なシール構造が必要となる。   There is another requirement for improving the performance of Stirling engines. That is, the working gas in the compression space and the working gas in the expansion space do not interfere with each other, that is, there is no leakage of the working gas. For this reason, the gap (clearance) between the displacer and the cylinder should be as small as possible, and an appropriate seal structure is required.

ディスプレーサ自身の断熱化は、低熱伝導材料である合成樹脂でディスプレーサを形成することにより達成される。しかしながら樹脂成型は加工精度が低く、寸法のばらつきも大きくなるため、シリンダとのクリアランスが一定となる、寸法精度の高いディスプレーサを量産することは難しい。作動ガスのリーク防止という目的に関しては、加工精度が高く、寸法のばらつきの小さい金属部品が適する。   The heat insulation of the displacer itself is achieved by forming the displacer with a synthetic resin which is a low heat conductive material. However, since resin molding has low processing accuracy and large dimensional variation, it is difficult to mass-produce a displacer with high dimensional accuracy in which the clearance with the cylinder is constant. For the purpose of preventing working gas leakage, metal parts with high processing accuracy and small dimensional variations are suitable.

そこで特許文献1記載のスターリング機関は、ディスプレーサの中で膨脹空間に対向する側は合成樹脂で形成して断熱を図るともに、圧縮空間に対向する側は金属で形成し、高温に耐え、且つシリンダとのクリアランスを小さく保てるようにしている。
特開2005−345009号公報([0045]−[0053]、図1−3)
Therefore, in the Stirling engine described in Patent Document 1, the side of the displacer facing the expansion space is made of synthetic resin to insulate, and the side facing the compression space is made of metal to withstand high temperatures, and the cylinder To keep the clearance between and small.
JP-A-2005-345209 ([0045]-[0053], FIG. 1-3)

特許文献1に記載されたディスプレーサを金属と合成樹脂で実現する場合、耐久性を考慮すると、図4のように、金属製のボディ101と合成樹脂製のキャップ102を、ボディ101を凸側、キャップ102を凹側としていんろう嵌合させ、嵌合部には接着剤を塗布しておいて強固に接合する構造とするのが自然である。しかしながら金属も合成樹脂も、温度が上昇すれば
線膨張係数 × 温度変化
で求められる膨張が生じる。両者の線膨張係数が同じであれば問題はないが、合成樹脂の方が線膨張係数が大であるため、同じ温度変化に対しキャップ102の方が膨張の値が大きくなり、つまり直径が大きくなり、ボディ101との接合部に熱応力が発生する。熱応力がある程度に達すると接着剤が剥がれて隙間が生じ、ガスリークが発生する。これはスターリング機関の性能低下や品質低下を招く。
When the displacer described in Patent Document 1 is realized with a metal and a synthetic resin, considering durability, as shown in FIG. 4, the metal body 101 and the synthetic resin cap 102 are placed on the convex side of the body 101. It is natural to have a structure in which the cap 102 is fitted into the concave side, and the fitting portion is coated with an adhesive and firmly joined. However, both the metal and the synthetic resin
The expansion required by the coefficient of linear expansion x temperature change occurs. If both have the same linear expansion coefficient, there is no problem. However, since the linear expansion coefficient of the synthetic resin is larger, the cap 102 has a larger expansion value for the same temperature change, that is, the diameter is larger. Thus, thermal stress is generated at the joint portion with the body 101. When the thermal stress reaches a certain level, the adhesive is peeled off and a gap is formed, causing a gas leak. This leads to performance degradation and quality degradation of the Stirling engine.

また、接着剤の量が多すぎたり、塗布する箇所がずれたりすると、ボディ101とキャップ102の合わせ目から接着剤がにじみ出し、それがシリンダの内面に接触することがある。このような事態は避けねばならないが、かと言って接着剤の量を少なくし過ぎると、接合部の強度不足を招く可能性がある。このように、金属製のボディ101と合成樹脂製のキャップ102とを組み合わせるディスプレーサは、量産性の観点から品質管理が難しかった。   Further, if the amount of the adhesive is too large or the place to be applied is shifted, the adhesive may ooze out from the joint between the body 101 and the cap 102, which may come into contact with the inner surface of the cylinder. Such a situation must be avoided. However, if the amount of the adhesive is too small, the strength of the joint portion may be insufficient. As described above, the displacer that combines the metal body 101 and the synthetic resin cap 102 is difficult to control quality from the viewpoint of mass productivity.

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ディスプレーサを構成する金属製ボディと合成樹脂製キャップの接着剤による接合が安定して持続し、量産も容易になるようにすることを目的とする。     The present invention has been made in view of the above points, and has an object of stably joining a metal body constituting a displacer and a synthetic resin cap with an adhesive, and facilitating mass production. To do.

(1)上記目的を達成するために本発明は、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は、前記圧縮空間に対向する金属製のボディと、前記膨脹空間に対向する合成樹脂製のキャップとからなり、それぞれ相手側に向かって突出するように一体成型された小径の連結部同士を凹凸嵌合させ、接着剤で接合したものであることを特徴としている。   (1) To achieve the above object, the present invention comprises a piston reciprocated by a power source, and a displacer reciprocating with a predetermined phase difference with respect to the piston, and a compression space (high temperature space) and expansion In a Stirling engine that moves a working gas between spaces (cold spaces), the displacer includes a metal body that faces the compression space and a synthetic resin cap that faces the expansion space. The small-diameter connecting portions integrally molded so as to protrude toward the side are fitted into an uneven shape and joined with an adhesive.

この構成によると、ボディとキャップの連結部が小径なので、熱膨張係数の差による膨張寸法差が生じたとしても、その値は小さい。そのため、接着剤の剥がれが生じにくく、ボディとキャップが分離するという事態を招かずに済む。また連結部から接着剤がはみ出したとしてもそれがシリンダ内面に接触することがない。そのため、接着剤のはみ出しを気にしないで素早く組み立てることができ、生産性が向上する。   According to this configuration, since the connecting portion between the body and the cap has a small diameter, even if an expansion dimensional difference due to a difference in thermal expansion coefficient occurs, the value is small. Therefore, it is difficult for the adhesive to peel off, and the situation where the body and the cap are separated does not occur. Even if the adhesive protrudes from the connecting portion, it does not contact the inner surface of the cylinder. Therefore, it is possible to quickly assemble without worrying about the protruding adhesive, which improves productivity.

(2)また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記連結部の一方には雄ねじ、他方には雌ねじを形成し、前記ボディと前記キャップを螺合することを特徴としている。   (2) Further, the present invention is characterized in that, in the Stirling engine configured as described above, a male screw is formed on one side of the connecting portion and a female screw is formed on the other side, and the body and the cap are screwed together.

この構成によると、接着剤による接合にねじ結合が加わるので、ボディとキャップを一層強固に連結することができる。   According to this configuration, since the screw connection is added to the bonding by the adhesive, the body and the cap can be more firmly connected.

本発明によると、圧縮空間に対向する金属製のボディと、膨脹空間に対向する合成樹脂製のキャップとを組み合わせてディスプレーサを構成するものとし、ボディとキャップは相手側に向かって突出するように一体成型された小径の連結部同士を凹凸嵌合させ、接着剤で接合するから、金属と合成樹脂の熱膨張係数の差による膨張寸法差は、小径の連結部では小さな値でしか表れない。そのため接着剤の剥がれが生じにくく、ボディとキャップが分離という事態を招かずに済むうえ、連結部からはみ出した接着剤がシリンダの内面に接触することはないので、接着剤のはみ出しを気にしないで素早く組み立てることができる。これにより、品質の高いディスプレーサ13を高い生産性で提供できる。   According to the present invention, the displacer is configured by combining a metal body facing the compression space and a synthetic resin cap facing the expansion space so that the body and the cap protrude toward the other side. Since the integrally formed small-diameter connecting portions are unevenly fitted and joined with an adhesive, the expansion dimensional difference due to the difference in thermal expansion coefficient between the metal and the synthetic resin can be expressed only with a small value in the small-diameter connecting portion. Therefore, it is difficult for the adhesive to peel off and the body and the cap do not need to be separated, and the adhesive protruding from the connecting portion does not come into contact with the inner surface of the cylinder, so that the adhesive does not worry about protruding. Can be assembled quickly. Thereby, the high quality displacer 13 can be provided with high productivity.

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。   First, the structure of a Stirling engine to which the present invention is to be applied will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a sectional view of a Stirling engine.

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。   The centers of the assembly of the Stirling engine 1 are the cylinders 10 and 11. The axes of the cylinders 10 and 11 are aligned on the same straight line. A piston 12 is inserted into the cylinder 10, and a displacer 13 is inserted into the cylinder 11. During the operation of the Stirling engine 1, the piston 12 and the displacer 13 reciprocate without contacting the inner walls of the cylinders 10 and 11 by a gas bearing described later. The piston 12 and the displacer 13 move with a predetermined phase difference. The structures of the cylinder 11 and the displacer 13 will be described in detail later.

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。   A cup-shaped magnet holder 14 is fixed to one end of the piston 12. A displacer shaft 15 protrudes from one end of the displacer 13. The displacer shaft 15 passes through the piston 12 and the magnet holder 14 so as to freely slide in the axial direction.

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。   The cylinder 10 holds the linear motor 20 outside the portion corresponding to the operation region of the piston 12. The linear motor 20 includes an outer yoke 22 having a coil 21, an inner yoke 23 provided so as to be in contact with the outer peripheral surface of the cylinder 10, and a ring shape inserted into an annular space between the outer yoke 22 and the inner yoke 23. , A tube 25 surrounding the outer yoke 22, an outer yoke 22, an inner yoke 23, and synthetic resin end brackets 26 and 27 that hold the tube 25 in a predetermined positional relationship. The magnet 24 is fixed to the magnet holder 14.

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をもたせて共振させる役割を果たす。   The central portion of the spring 30 is fixed to the hub portion of the magnet holder 14. The center portion of the spring 31 is fixed to the displacer shaft 15. The outer peripheral portions of the springs 30 and 31 are fixed to the end bracket 27. A spacer 32 is disposed between the outer peripheries of the springs 30 and 31, whereby the springs 30 and 31 maintain a certain distance. The springs 30 and 31 are disc-shaped materials with spiral cuts and serve to resonate the displacer 13 with a predetermined phase difference with respect to the piston 12.

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。   Heat transfer heads 40 and 41 are disposed outside the portion of the cylinder 11 corresponding to the operating region of the displacer 13. The heat transfer head 40 has a ring shape, and the heat transfer head 41 has a cap shape, both of which are made of a metal having good heat conductivity such as copper or copper alloy. The heat transfer heads 40 and 41 are respectively supported outside the cylinder 11 with ring-shaped internal heat exchangers 42 and 43 interposed therebetween. Each of the internal heat exchangers 42 and 43 has air permeability, and transfers the heat of the working gas passing through the inside to the heat transfer heads 40 and 41. The cylinder 10 and the pressure vessel 50 are connected to the heat transfer head 40.

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。   An annular space surrounded by the heat transfer head 40, the cylinders 10 and 11, the piston 12, the displacer 13, the displacer shaft 15, and the internal heat exchanger 42 becomes a compression space 45. A space surrounded by the heat transfer head 41, the cylinder 11, the displacer 13, and the internal heat exchanger 43 becomes an expansion space 46.

内部熱交換器42、43の間には再生器70が配置される。再生器70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70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。   A regenerator 70 is disposed between the internal heat exchangers 42 and 43. The regenerator 70 is formed by filling a container with a filler (matrix) such as a wire mesh, or winding a thin metal plate or a synthetic resin film in a coil shape, and has a gap through which a working gas passes. A regenerator tube 48 wraps outside the regenerator 70. The regenerator tube 48 forms an airtight passage between the heat transfer heads 40 and 41.

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。   A cylindrical pressure vessel covering the linear motor 20, the cylinder 10, and the piston 12 forms the body portion 50. The interior of the body part 50 is a bounce space 51.

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。   The structure of the body part 50 is as follows. That is, the body part 50 is divided into two parts: a ring-like part 52 joined to the heat transfer head 40 and a cap-like part 53 joined to the ring-like part 52. Both the ring-shaped part 52 and the cap-shaped part 53 are made of stainless steel. One end of the ring-shaped portion 52 is narrowed down in a tapered shape and brazed to the heat transfer head 40. The cap-shaped part 53 has a structure in which an end plate 53a is welded to the inner surface of the pipe.

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。   Flange-shaped portions 54 and 55 are provided at the other end of the ring-shaped portion 52 and the open end of the cap-shaped portion 53 facing the ring-shaped portion 52. The flange-shaped portions 54 and 55 are both formed by welding a stainless steel ring to the ring-shaped portion 52 and the cap-shaped portion 53. Finally, the flange-shaped portions 54 and 55 are welded and sealed. The body part 50 in a state is formed.

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。   The body portion 50 is provided with a terminal portion 28 for supplying power to the linear motor 20 and a pipe 50a for enclosing a working gas therein. These are all provided so as to protrude in the radial direction from the outer peripheral surface of the cap-shaped portion 53.

胴体部50には動吸振器60が取り付けられる。動吸振器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。   A dynamic vibration absorber 60 is attached to the body portion 50. The dynamic vibration absorber 60 includes a base 61 fixed to the body portion 50, a plate-like spring 62 supported by the base 61, and a mass (mass) 63 supported by the spring 62.

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。   The interior of the piston 12 is a cavity 80. The cavity 80 communicates with the compression space 45 via a check valve 90 disposed on the end face of the piston 12. On the outer peripheral surface of the piston 12, a plurality of concave portions 81 forming a gas bearing are arranged on the same circumference at a predetermined angular interval. A metal thin tube 82 is driven into the bottom of the recess 81 so as to penetrate the piston 12, and the working gas is supplied from the cavity 80 to the recess 81 through the metal thin tube 82. Two or more annular rows of the recesses 81 are formed at intervals in the axial direction of the piston 12. That is, gas bearings are formed at two or more locations.

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。   The inside of the displacer 13 is also a cavity 85. The cavity 85 communicates with the compression space 45 via a check valve 90 disposed on the end face of the displacer 13. On the outer peripheral surface of the displacer 13, a plurality of recesses 86 forming gas bearings are arranged on the same circumference at predetermined angular intervals. The working gas is supplied from the cavity 85 to the recess 86 through the metal thin tube 87 driven into the bottom of the recess 86.

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。   The Stirling engine 1 operates as follows. When an alternating current is supplied to the coil 21 of the linear motor 20, a magnetic field penetrating the magnet 24 is generated between the outer yoke 22 and the inner yoke 23, and the magnet 24 reciprocates in the axial direction. By supplying power with a frequency that matches the resonance frequency determined by the total mass of the piston system (piston 12, magnet holder 14, magnet 24, and spring 30) and the spring constant of the spring 30, the piston system has a smooth sine. Start wavy reciprocating motion.

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。   In the displacer system (the displacer 13, the displacer shaft 15, and the spring 31), the resonance frequency determined by the total mass and the spring constant of the spring 31 is set to resonate with the driving frequency of the piston 12.

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。   By the reciprocating motion of the piston 12, the compression space 45 is repeatedly compressed and expanded. As the pressure changes, the displacer 13 also reciprocates. At this time, a phase difference is generated between the displacer 13 and the piston 12 due to flow resistance between the compression space 45 and the expansion space 46. In this way, the displacer 13 having a free piston structure vibrates in synchronization with the piston 12 with a predetermined phase difference.

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づ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。   By the above operation, a Stirling cycle is formed between the compression space 45 and the expansion space 46. In the compression space, the temperature of the working gas increases based on the isothermal compression change, and in the expansion space 46, the temperature of the working gas decreases based on the isothermal expansion change. For this reason, the temperature of the compression space 45 rises and the temperature of the expansion space 46 falls.

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70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70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。   When the working gas reciprocates between the compression space 45 and the expansion space 46 during operation passes through the internal heat exchangers 42 and 43, the working gas passes through the internal heat exchangers 42 and 43 and the heat transfer heads 40 and 41. To tell. Since the working gas flowing into the regenerator 70 from the compression space 45 is high temperature, the heat transfer head 40 is heated, and the heat transfer head 40 becomes a warm head. Since the working gas flowing into the regenerator 70 from the expansion space 46 is low in temperature, the heat transfer head 41 is cooled, and the heat transfer head 41 becomes a cold head. The Stirling engine 1 functions as a refrigeration engine by dissipating heat from the heat transfer head 40 to the atmosphere and lowering the temperature of the specific space by the heat transfer head 41.

再生器70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70に入った高温の作動ガスは、再生器70を通過するときにその熱を再生器70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70に入った低温の作動ガスは、再生器70を通過するときに再生器70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70は熱の保管庫としての役割を果たす。   The regenerator 70 functions to pass only the working gas without transferring the heat of the compression space 45 and the expansion space 46 to the counterpart space. The hot working gas that has entered the regenerator 70 from the compression space 45 through the internal heat exchanger 42 gives the heat to the regenerator 70 when passing through the regenerator 70, and enters the expansion space 46 in a state where the temperature is lowered. Inflow. The low-temperature working gas that has entered the regenerator 70 from the expansion space 46 via the internal heat exchanger 43 recovers heat from the regenerator 70 when passing through the regenerator 70, and enters the compression space 45 in a state where the temperature has risen. Inflow. That is, the regenerator 70 serves as a heat storage.

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。動吸振器60がこの振動を抑える。   When the piston 12 and the displacer 13 reciprocate and the working gas moves, the Stirling engine 1 is vibrated. The dynamic vibration absorber 60 suppresses this vibration.

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。   A part of the high-pressure working gas in the compression space 45 enters the cavity 80 of the piston 12 and the cavity 85 of the displacer 13 through the check valve 90. And it ejects from the recessed parts 81 and 86. FIG. A gas film is formed between the outer peripheral surface of the piston 12 and the inner peripheral surface of the cylinder 10 by the jetting working gas, and between the outer peripheral surface of the displacer 13 and the inner peripheral surface of the cylinder 11. And the contact between the displacer 13 and the cylinder 11 are prevented. For this reason, the problem of the energy loss by the friction of a contact part, or abrasion of a contact part does not generate | occur | produce.

シリンダ10、11及びピストン12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は、図2に見られるように、圧縮空間45に対向する側は金属製のボディ13aで構成され、膨脹空間46に対向する側は合成樹脂製のキャップ13bで構成される。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。   The cylinders 10 and 11 and the piston 12 are made of a metal such as aluminum or stainless steel. On the other hand, as shown in FIG. 2, the displacer 13 has a metal body 13a on the side facing the compression space 45, and a cap 13b made of synthetic resin on the side facing the expansion space 46. For example, polycarbonate can be used as the synthetic resin.

ボディ13aのキャップ13bに向き合う端面の中心からは円筒形の連結部13cが突出し、キャップ13bのボディ13aに向き合う端面の中心からは端の開いた円筒形の連結部13dが突出する。連結部13cはボディ13aより直径が小さく、連結部13dはキャップ13bより直径が小さい。連結部13cと連結部13dは凹凸嵌合する。すなわち連結部13cが連結部13dの中に入り込み、両者はいんろう嵌合する。嵌合の前に、連結部13cの外周面もしくは連結部13dの内周面、あるいはその両方に接着剤を塗布しておく。これにより、連結部13c、13dは接着剤で強固に接合される。   A cylindrical connecting portion 13c protrudes from the center of the end face of the body 13a facing the cap 13b, and a cylindrical connecting portion 13d having an open end protrudes from the center of the end face of the cap 13b facing the body 13a. The connecting portion 13c has a smaller diameter than the body 13a, and the connecting portion 13d has a smaller diameter than the cap 13b. The connecting portion 13c and the connecting portion 13d are concavo-convexly fitted. That is, the connecting portion 13c enters the connecting portion 13d, and both are engaged with each other. Before the fitting, an adhesive is applied to the outer peripheral surface of the connecting portion 13c, the inner peripheral surface of the connecting portion 13d, or both. Thereby, the connection parts 13c and 13d are firmly joined with the adhesive.

上記のようにして形成したディスプレーサ13は、スターリング機関1の運転中に膨張する。径方向への熱膨張寸法は
径方向への熱膨張寸法 = 材料の線膨張係数 × 温度変化 × 直径
で表される。この式から、直径が小さくなるほど熱膨張寸法が小さくなることがわかる。従って、連結部を小径にしておけば、膨張寸法差が小さくなり、熱応力が軽減される。例えば連結部の直径がボディ13aとキャップ13bの直径の半分程度であれば、膨張寸法差も半分程度になる。そのため、接着剤の剥がれが生じにくく、ボディ13aとキャップ13bが分離するという事態を招かずに済む。また連結部13dの端から接着剤がはみ出したとしても、それがシリンダ11の内周面に接触することがない。そのため、接着剤のはみ出しを気にしないでディスプレーサ13を素早く組み立てることができる。これにより、品質の高いディスプレーサ13を高い生産性で提供できることになる。
The displacer 13 formed as described above expands during operation of the Stirling engine 1. The thermal expansion dimension in the radial direction is expressed by the thermal expansion dimension in the radial direction = linear expansion coefficient of the material × temperature change × diameter. From this equation, it can be seen that the smaller the diameter, the smaller the thermal expansion dimension. Therefore, if the connecting portion has a small diameter, the difference in expansion dimension is reduced and the thermal stress is reduced. For example, if the diameter of the connecting portion is about half of the diameter of the body 13a and the cap 13b, the difference in expansion dimension is also about half. Therefore, it is difficult for the adhesive to peel off, and it is not necessary to cause a situation where the body 13a and the cap 13b are separated. Even if the adhesive protrudes from the end of the connecting portion 13d, it does not contact the inner peripheral surface of the cylinder 11. Therefore, the displacer 13 can be quickly assembled without worrying about the adhesive protruding. Thereby, the high-quality displacer 13 can be provided with high productivity.

連結部13c、13dの直径が小さい方が良いと言っても、ある程度の寸法以下になると接着面積が小さくなり過ぎ、ディスプレーサ13の耐久性が劣化する。従って連結部13c、13dの直径は、ディスプレーサ13の大きさやそれにかかる圧力、使用温度等を考慮して適切に決める必要がある。   Even if it is said that it is better that the diameters of the connecting portions 13c and 13d are smaller, the bonding area becomes too small and the durability of the displacer 13 deteriorates if the diameter is smaller than a certain size. Accordingly, the diameters of the connecting portions 13c and 13d need to be appropriately determined in consideration of the size of the displacer 13, the pressure applied thereto, the operating temperature, and the like.

図3には本発明の第2実施形態に係るディスプレーサ13の構造を示す。この実施形態では、連結部13cの外周面に雄ねじ13eを形成し、連結部13dの内周面には雌ねじ13fを形成し、両者を螺合してボディ13aとキャップ13bを連結するものとした。螺合の前に、雄ねじ13eと雌ねじ13fの一方又は双方のねじ溝に接着剤を塗布しておく。この構成によると、接着剤による接合にねじ結合が加わり、ボディ13aとキャップ13bは一層強固に連結される。   FIG. 3 shows the structure of the displacer 13 according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, a male screw 13e is formed on the outer peripheral surface of the connecting portion 13c, a female screw 13f is formed on the inner peripheral surface of the connecting portion 13d, and both are screwed together to connect the body 13a and the cap 13b. . Prior to screwing, an adhesive is applied to one or both of the thread grooves of the male screw 13e and the female screw 13f. According to this configuration, screw connection is added to the bonding by the adhesive, and the body 13a and the cap 13b are more firmly connected.

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。     Although the embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.

本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。     The present invention is applicable to all Stirling engines.

スターリング機関の断面図Cross section of Stirling engine ディスプレーサの分解断面図Disassembled sectional view of the displacer 第2実施形態に係るディスプレーサの分解断面図Exploded sectional view of a displacer according to the second embodiment 従来のディスプレーサの断面図Cross section of conventional displacer

符号の説明Explanation of symbols

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
13a 金属製ボディ
13b 合成樹脂製キャップ
13c、13d 連結部
13e 雄ねじ
13f 雌ねじ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stirling engine 10, 11 Cylinder 12 Piston 13 Displacer 13a Metal body 13b Synthetic resin cap 13c, 13d Connection part 13e Male screw 13f Female screw

Claims (2)

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は、前記圧縮空間に対向する金属製のボディと、前記膨脹空間に対向する合成樹脂製のキャップとからなり、それぞれ相手側に向かって突出するように一体成型された小径の連結部同士を凹凸嵌合させ、接着剤で接合したものであることを特徴とするスターリング機関。
A Stirling that includes a piston reciprocated by a power source and a displacer that reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston, and moves the working gas between the compression space (high temperature space) and the expansion space (low temperature space). In the institution
The displacer includes a metal body facing the compression space and a synthetic resin cap facing the expansion space, and each of the small-diameter coupling portions integrally molded so as to protrude toward the other side. A Stirling engine characterized by being fitted with irregularities and joined with an adhesive.
前記連結部の一方には雄ねじ、他方には雌ねじを形成し、前記ボディと前記キャップを螺合す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。   2. The Stirling engine according to claim 1, wherein a male screw is formed on one side of the connecting portion and a female screw is formed on the other side, and the body and the cap are screwed together.
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