JP2008261520A - スターリング機関およびスターリング機関搭載機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能な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4は、作動媒体が封入されたケーシング24と、ケーシング24内の背圧空間23と作動空間17との間に設けられ、作動空間17内の作動媒体の圧力変動を与えるピストン14と、ケーシング24内の圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間に設けられ、ピストン14による圧力変動により作動するディスプレーサ15とを備える。ディスプレーサ15は、軸方向の両端部に面積が互いに異なる開口を有する筒状部材15Aと、筒状部材15Aの軸方向の両端部に位置する開口を塞ぐように筒状部材15Aに取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形しながら筒状部材15Aの軸方向に往復運動する受圧膜15B,15Cと、受圧膜15B,15Cの変形状態を合わせるように受圧膜15B,15Cを繋ぐ連接棒15Dとを含む。
【選択図】図2
【解決手段】スターリング冷凍機4は、作動媒体が封入されたケーシング24と、ケーシング24内の背圧空間23と作動空間17との間に設けられ、作動空間17内の作動媒体の圧力変動を与えるピストン14と、ケーシング24内の圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間に設けられ、ピストン14による圧力変動により作動するディスプレーサ15とを備える。ディスプレーサ15は、軸方向の両端部に面積が互いに異なる開口を有する筒状部材15Aと、筒状部材15Aの軸方向の両端部に位置する開口を塞ぐように筒状部材15Aに取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形しながら筒状部材15Aの軸方向に往復運動する受圧膜15B,15Cと、受圧膜15B,15Cの変形状態を合わせるように受圧膜15B,15Cを繋ぐ連接棒15Dとを含む。
【選択図】図2
Description
本発明は、スターリング機関およびスターリング機関搭載機器に関し、特に、ケーシング内に作動媒体が封入された構造を有するスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器に関する。
ケーシング内に作動媒体が封入された構造を有するスターリング機関が従来から知られている。スターリング機関は、たとえば冷凍機として用いられる。
図10は、従来のスターリング冷凍機を示す側断面図である。図10に示されるスターリング冷凍機4は、放熱部2および吸熱部3を含むケーシング24と、該ケーシング24に組付けられたシリンダ13A,13Bと、シリンダ13A,13B内でそれぞれ往復動するピストン14およびディスプレーサ15と、ディスプレーサロッド150と、再生器16と、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとを含む作動空間17と、熱交換器18,19と、リニアモータ20と、ピストンスプリング21と、ディスプレーサスプリング22と、背圧空間23とを含んで構成される。
ケーシング24の内部には、作動媒体が充填される。シリンダ13A,13B内において、ピストン14とディスプレーサ15とは同軸上に間隔をあけて配置される。
圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間には、再生器16が配設されており、この再生器16を介して圧縮空間17Aと膨張空間17Bとが連通する。それにより、スターリング冷凍機4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14およびディスプレーサ15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される。
シリンダ13Aの外側に位置する背圧空間23にはリニアモータ20が配設される。リニアモータ20は、インナーヨーク20Aと、アウターヨーク20Bと、コイル20Cと、可動マグネット20Dとを含む。このリニアモータ20によって、シリンダ13Aの軸方向にピストン14が駆動される。
ピストン14の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング21と接続される。ディスプレーサ15の一端は、ディスプレーサロッド150を介してディスプレーサスプリング22と接続される。ディスプレーサロッド150はピストン14を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング22は板バネなどで構成される。
ピストン14に対しディスプレーサ15と反対側には、背圧空間23が配設されている。この背圧空間23内にも、作動媒体が存在する。
放熱部2、吸熱部3の内周面上には、それぞれ熱交換器18と熱交換器19とが設けられる。熱交換器18,19は、それぞれ、圧縮空間17A,膨張空間17Bと放熱部2,
吸熱部3との間の熱交換を行なう。
吸熱部3との間の熱交換を行なう。
図10に示されるスターリング冷凍機は、いわゆる「エクステンディドロッド型」のディスプレーサを有するスターリング冷凍機である。このようなスターリング機関は、たとえば、特開2003−166768号公報(特許文献1)に記載されている。
図11は、従来のスターリング冷凍機の変形例を示す側断面図である。図11を参照して、本変形例では、ディスプレーサ15を受け入れるシリンダ13Bのピストン14側の端部から吸熱部3に向かって突出するディスプレーサロッド150に、スプリング151を介してディスプレーサ15が取り付けられている。ここでは、ディスプレーサロッド150はピストン14を貫通していない。
図11に示されるスターリング冷凍機は、いわゆる「ポスティッドロッド型」のディスプレーサを有するスターリング冷凍機である。このようなスターリング機関は、たとえば、特開2005−345013号公報(特許文献2)に記載されている。
また、特開2005−2919号公報(特許文献3)においては、シリンダの軸線方向の中央部にゴム製のディスプレーサを取り付けることによりスターリング機関のディスプレーサを構成することが記載されている。
特開2003−166768号公報
特開2005−345013号公報
特開2005−2919号公報
特許文献1に記載されたエクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機においては、ディスプレーサロッドがピストンを貫通するように構成する必要があるため、各部品の高い寸法精度とこれらの部品の高い組付け精度が要求されることになる。このため、部品加工や組立て作業が非常に困難になり、部品点数も多くなるため、高コストになるという問題を有している。
特許文献2に記載されたポスティッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機は、ディスプレーサロッドがピストンを貫通しないため、上述のエクステンディッドロッド型ディスプレーサを備えたフリーピストン型スターリング冷凍機に比べて、若干低コストに製作することが可能になるが、シリンダとディスプレーサとのクリアランスを最適化する必要がある、または、ディスプレーサとディスプレーサロッドとのクリアランスを最適化する必要がある等の問題が解決されず、高い部品精度、組立精度が要求されるという課題を残している。
特許文献3に記載のスターリング機関では、1枚のディスプレーサダイヤフラムでディスプレーサを構成することにより、スターリング機関を低コストで製作することが可能になるが、このような構成では、ディスプレーサの動作が安定しない場合がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能なスターリング機関および該スターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器を提供することにある。
本発明に係るスターリング機関は、背圧空間と圧縮空間および膨張空間を含む作動空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、背圧空間と作動空間との間に設けられ、作動空間内の作動媒体に圧力変動を与えるピストンと、圧縮空間と膨張空間との間に設けられ、ピストンによる圧力変動により作動するディスプレーサとを備え、ディスプレーサは、軸方向の両端部に開口を有する筒状部材と、筒状部材の軸方向の両端部に位置する開口を塞ぐように筒状部材に取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形するように筒状部材の軸方向に往復運動する第1と第2可動体と、第1と第2可動体の変形状態を合わせるように該第1と第2可動体を繋ぐ連接手段とを含み、筒状部材の圧縮空間側の開口の面積が該筒状部材の膨張空間側の開口の面積よりも小さく設定されている。
上記構成によれば、筒状部材の両端に位置する開口の面積を互いに異ならせることで、第1と第2可動体が受ける圧力を異ならせることができる。したがって、ピストンの往復動に伴なう作動空間の圧力の周期的変動に応じて、連接手段で繋がれた第1と第2可動体を周期的に往復動させることができる。より具体的には、圧縮空間側の開口面積を膨張空間側の開口面積よりも小さく設定することにより、ピストンに対して所定の位相差だけ進んだ可動体の動きを安定して作り出しやすくなる。この結果、ピストンに対して所定の位相差をもって安定して動作するディスプレーサを形成することができる。すなわち、上記構成によれば、ディスプレーサロッドが不要になり、ディスプレーサの組付けが容易に行なえるようになるため、スターリング機関の組立性の大幅な向上を図ることができる。したがって、スターリング機関を低コストで製作することが可能になる。
上記スターリング機関において、好ましくは、連接手段は、第1と第2可動体の中央部に固定された棒状部材を含む。
上記構成によれば、簡単な構造で第1と第2可動体の変形状態を合わせることができる。
上記スターリング機関は、好ましくは、筒状部材に取り付けられた第1と第2可動体を中立位置に付勢する弾性力付与手段をさらに備える。
上記構成によれば、弾性力付与手段の弾性係数を調整することにより、可動体の共振周波数を調整することができる。
上記スターリング機関において、好ましくは、第1と第2可動体は、それぞれ、ピストンによる作動空間内の圧力変動により弾性変形可能な板状部材を含む。
上記構成によれば、別個の弾性部材を用いることなく可動体の共振周波数を調整することができる。
上記スターリング機関は、好ましくは、圧縮空間と膨張空間との間に設けられる再生器をさらに備え、再生器は、筒状部材の外周面上にフィルムを巻回することにより形成される。
上記構成によれば、再生器を巻回するボビンを筒状部材で兼用することができるので、スターリング機関の構造を簡素化することができる。
本発明に係るスターリング機関搭載機器は、上述したスターリング機関を備える。
これにより、低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能なスターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器が得られる。
これにより、低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能なスターリング機関を備えたスターリング機関搭載機器が得られる。
本発明によれば、低コストで製作でき、安定的な動作を実現可能なスターリング機関を得ることができる。
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
図1は、本発明の1つの実施の形態に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
本実施の形態に係るスターリング冷却庫1は、図1に示すように、放熱部2と吸熱部3とを有するスターリング冷凍機4(スターリング機関)と、放熱部2に取付けられた高温側蒸発器5、高温側凝縮器7およびパイプ2A,2Bを含む第1高温側循環回路(第1循環回路)と、高温側蒸発器5、循環ポンプ6、発露防止パイプ9およびパイプ2C,2D,2E,2Fを含む第2高温側循環回路(第2循環回路)と、吸熱部3に取付けられた低温側凝縮器10、低温側蒸発器11およびパイプ3A,3Bを含む低温側循環回路とを備える。第1高温側循環回路は、スターリング冷凍機4の放熱部2の冷却を行ない、第2高温側循環回路は、発露防止パイプ9に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機4の吸熱部3との熱交換を行なう。
本実施の形態に係るスターリング冷却庫1は、図1に示すように、放熱部2と吸熱部3とを有するスターリング冷凍機4(スターリング機関)と、放熱部2に取付けられた高温側蒸発器5、高温側凝縮器7およびパイプ2A,2Bを含む第1高温側循環回路(第1循環回路)と、高温側蒸発器5、循環ポンプ6、発露防止パイプ9およびパイプ2C,2D,2E,2Fを含む第2高温側循環回路(第2循環回路)と、吸熱部3に取付けられた低温側凝縮器10、低温側蒸発器11およびパイプ3A,3Bを含む低温側循環回路とを備える。第1高温側循環回路は、スターリング冷凍機4の放熱部2の冷却を行ない、第2高温側循環回路は、発露防止パイプ9に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機4の吸熱部3との熱交換を行なう。
第1と第2高温側循環回路内には水(H2O)などが冷媒として封入されている。高温
側蒸発器5において蒸発した冷媒はパイプ2A(高温側導管)を介して高温側凝縮器7に達する(図1中の破線矢印)。高温側凝縮器7において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器7近傍に気流を生じさせるファン8が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ2B(高温側戻り管)を介して高温側蒸発器5に戻る。第1高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、放熱部2で発生した熱を伝達することができるように、高温側凝縮器7が高温側蒸発器5より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。
側蒸発器5において蒸発した冷媒はパイプ2A(高温側導管)を介して高温側凝縮器7に達する(図1中の破線矢印)。高温側凝縮器7において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器7近傍に気流を生じさせるファン8が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ2B(高温側戻り管)を介して高温側蒸発器5に戻る。第1高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、放熱部2で発生した熱を伝達することができるように、高温側凝縮器7が高温側蒸発器5より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。
一方、高温側蒸発器5の下部には、パイプ2Cが接続されている。高温側蒸発器5からパイプ2Cに液相の冷媒が流入する。パイプ2Cに流入した冷媒は、パイプ2Dを介して、スターリング冷凍機4よりも下方に設けられた循環ポンプ6に達する。循環ポンプ6から吐出された冷媒は、パイプ2Eを介して発露防止パイプ9に送られる。ここで、発露防止パイプ9内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機4の放熱部2から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ9を冷却庫の前面に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ9内を流れた冷媒は、パイプ2Fを介して高温側蒸発器5内に戻る。このように、第2循環回路においては、循環ポンプ6による強制循環が行なわれている。
低温側循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器10において凝縮した冷媒はパイプ3A(低温側導管)を介して低温側蒸発器11に達する。低温側蒸発器11において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器11近傍に気流を生じさせるファン12が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、パイプ3B(低温側戻り管)を介して低温側凝縮器10に戻る。低温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、吸熱部3で発生した冷熱を伝達することができるように、低温側蒸発器11が低温側凝縮器10より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。
スターリング冷凍機4を作動させると、該冷凍機4の放熱部2で発生した熱が、高温側凝縮器7を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機4の吸熱部3で発生した冷熱は、低温側蒸発器11を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器11近傍に送られ、繰り返し冷却される。
次に、図2を用いて、スターリング冷凍機4の構造の一例およびその動作について説明する。
図2に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機4は、放熱部2および吸熱部3を含むケーシング24と、該ケーシング24に組付けられたシリンダ13と、シリンダ13内で往復動するピストン14と、ピストン14に対して吸熱部3側に設けられたディスプレーサ15と、ディスプレーサ15の外周に設けられた再生器16と、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとを含む作動空間17と、熱交換器18,19と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ20と、ピストンスプリング21と、背圧空間23とを含んで構成される。
ケーシング24は、背圧空間23を規定する。ケーシング24には、シリンダ13、リニアモータ20およびピストンスプリング21をはじめとする種々の部品が組付けられる。ケーシング24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13は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン14を往復動可能に受け入れる。このピストン14によってケーシング24内の空間が作動空間17と背圧空間17とに区画される。作動空間17内には、ディスプレーサ15が設けられる。このディスプレーサ15によって作動空間17が圧縮空間17Aと膨張空間17Bとに区画される。図2の例では、ピストン14とディスプレーサ15とは同軸上に間隔をあけて配置される。より詳しくは、作動空間17は、ピストン14におけるディスプレーサ15側の端面よりもディスプレーサ15側に位置する空間であり、ピストン14とディスプレーサ15との間に圧縮空間17Aが形成され、ディスプレーサ15と吸熱部3との間に膨張空間17Bが形成される。圧縮空間17Aは主に放熱部2によって囲まれ、膨張空間17Bは主に吸熱部3によって囲まれている。
ピストン14に対しディスプレーサ15と反対側には、ケーシング24によって囲まれた背圧空間23が配設されている。背圧空間23は、ケーシング24内でピストン14の周囲に位置する外周領域と、ケーシング24内でピストン14よりもピストンスプリング21側(以下、単に「後方側」と称する場合がある。)に位置する後方領域とを含む。この背圧空間23内にも、作動媒体が存在する。
シリンダ13の外側に位置する背圧空間23にはリニアモータ20が配設される。リニアモータ20は、インナーヨーク20Aと、アウターヨーク20Bと、コイル20Cと、可動マグネット20Dとを含む。このリニアモータ20によって、シリンダ13の軸方向にピストン14が駆動される。
ピストン14の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング21と接続される。該ピストンスプリング21は、ピストン14に弾性力を付与する。該ピストンスプリング21による弾性力を付加することにより、シリンダ13内でピストン14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15は、内部空間を有する筒状部材15Aと、弾性体からなる受圧膜15B,15Cと、受圧膜15B,15Cを接続する連接棒15Dと、圧力調整孔15Eと、筒状部材15Aと受圧膜15B,15Cとの間に設けられる円錐バネ15Fとを含んで構成される。
筒状部材15Aと受圧膜15B,15Cとは、ネジ、接着剤、スナップフィット等の締結手段によって締結されることによって一体化される。同様に、受圧膜15B,15Cと連接棒15Dとは、ネジ、接着剤、スナップフィット等の締結手段によって締結されることによって一体化される。
受圧膜15B,15Cは、筒状部材15Aの両端部に設けられた開口を塞ぐように設けられる。なお、受圧膜15B側(すなわち圧縮空間17A側)の開口の面積は、受圧膜15C側(すなわち膨張空間17B側)の開口の面積よりも小さい。
受圧膜15B,15Cは、リニアモータ20により駆動されるピストン14の往復動によって生じる作動空間17内の作動ガス圧の変動を受けて、凸面形状に変形するように軸方向に往復動する。ここで、受圧膜15B,15Cは、「弾性力付与手段」としての円錐バネ15Fにより中立位置に向けて付勢されているため、共振周波数が一致するようなバネ定数を持つ円錐バネ15Fを選定し組み込むことでピストン14とディスプレーサ15との共振動作が成立し、ディスプレーサ15は所定の周期で安定して運動する。このディスプレーサ15の往復動は、ピストン14の往復動と一定の位相差をもって同期的に行なわれる。この位相差については、一般的には90°程度が最適条件であるといわれている。
筒状部材15Aの側面に設けられた圧力調整孔15Eは、スターリング冷凍機4の組立時に、ディスプレーサ15の内部空間と作動空間17とを接続し、ガスの置換・供給をするために使用するものである。圧力調整孔15Eは、微細孔であるため、スターリング冷凍機4の運転時に周期的に変動する圧力に対しては応答できず、ディスプレーサ15の動作には影響をおよぼさない。
圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間には、筒状部材15Aの外周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器16が配設されており、この再生器16を介して圧縮空間17Aと膨張空間17Bとが連通する。それにより、スターリング冷凍機4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14およびディスプレーサ15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される。
放熱部2、吸熱部3の内周面上には、それぞれ熱交換器18と熱交換器19とが設けられる。熱交換器18,19は、それぞれ、圧縮空間17A,膨張空間17Bと放熱部2,
吸熱部3との間の熱交換を行なう。
吸熱部3との間の熱交換を行なう。
本冷凍機は、いわゆる逆スターリングサイクルを利用して冷凍効果を得るものである。上述したように、ピストン14はリニアモータ20により駆動されて正弦運動する。ピストン14の動きにより圧縮空間17A内の作動媒体は正弦波状の圧力変化を示す。圧縮された作動媒体は放熱部2で圧縮熱を放出し、再生器16を通過する際に予冷され、膨張空間17Bへと流入する。
膨張空間17Bへと流入した作動媒体は、ディスプレーサ15の正弦運動により膨張し、これによって膨張空間17B内の温度は著しく低下する。このとき発生した極低温(たとえば−50℃程度)を吸熱部3を介して冷却庫内へ伝達することにより、所望の冷却効果が得られる。
図3は、スターリング冷凍機4におけるディスプレーサの変形例を示す断面斜視図である。図3を参照して、図2に示される円錐バネ15Fに代えて、筒状部材15Aに固定された渦巻き型板バネ15Gが設けられてもよい。渦巻き型板バネ15Gは、連接棒15Dを介して受圧膜15B,15Cを中立位置に向けて付勢する「弾性力付与手段」として機能する。
図4は、スターリング冷凍機4におけるディスプレーサの他の変形例を示す断面斜視図である。図4の例では、図2,図3に示される円錐バネ15Fおよび渦巻きバネ15Gに代わる部材は設けられていない。このように、ディスプレーサ15において、受圧膜15B,15Cを中立位置に付勢する「弾性力付与手段」は、必ずしも必須の構成ではない。
次に、図5〜図7を用いて、ディスプレーサ15の動作を説明する。
スターリング冷凍機4では、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとが再生器16を介して連通しているため、作動空間17全体の圧力の周期的変動の際に、圧縮空間17Aの圧力と膨張空間17Bの圧力とがほぼ等しいと仮定することができる。図5は、受圧膜15B,15Cが中立位置にある状態を示す。図5の状態から、圧縮空間17Aおよび膨張空間17Bの圧力が上昇すると、熱交換器18,19によってケーシング24に固定されている筒状部材15Aは、変形・移動しないが、柔軟な部分を有する受圧膜15B,15Cは、筒状部材15Aの内側に押し込まれようとする。しかし、受圧膜15B,15Cには面積差があり、受圧膜15B,15C面上に発生される内側に押そうとする力は、その面積差に応じて異なる。受圧膜15B,15Cは、連接棒15Dにより繋がれているため、上記のように受圧膜15B,15Cが受ける力が異なる場合、面積の小さい側(本実施の形態では受圧膜15B)は、面積の大きい側(本実施の形態では受圧膜15C)の動きに追随する事になる。以上の結果として、圧縮空間17Aおよび膨張空間17Bの圧力が上昇した場合は、受圧膜15B,15Cは、図6に示すように、ともに圧縮空間17A側(図6中の右側)に移動する。
スターリング冷凍機4では、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとが再生器16を介して連通しているため、作動空間17全体の圧力の周期的変動の際に、圧縮空間17Aの圧力と膨張空間17Bの圧力とがほぼ等しいと仮定することができる。図5は、受圧膜15B,15Cが中立位置にある状態を示す。図5の状態から、圧縮空間17Aおよび膨張空間17Bの圧力が上昇すると、熱交換器18,19によってケーシング24に固定されている筒状部材15Aは、変形・移動しないが、柔軟な部分を有する受圧膜15B,15Cは、筒状部材15Aの内側に押し込まれようとする。しかし、受圧膜15B,15Cには面積差があり、受圧膜15B,15C面上に発生される内側に押そうとする力は、その面積差に応じて異なる。受圧膜15B,15Cは、連接棒15Dにより繋がれているため、上記のように受圧膜15B,15Cが受ける力が異なる場合、面積の小さい側(本実施の形態では受圧膜15B)は、面積の大きい側(本実施の形態では受圧膜15C)の動きに追随する事になる。以上の結果として、圧縮空間17Aおよび膨張空間17Bの圧力が上昇した場合は、受圧膜15B,15Cは、図6に示すように、ともに圧縮空間17A側(図6中の右側)に移動する。
他方、ピストン14がディスプレーサ15から遠ざかる方向へ移動し、圧縮空間17Aおよび膨張空間17Bの圧力が低下すると、受圧膜15B,15Cは、両方とも外側に膨らもうとする。この際も、受圧膜15Bは、受圧膜15Cの動きに追随し、受圧膜15B,15Cは、図7に示すように、ともに膨張空間17B側(図7中の左側)に移動する。
このように、受圧膜15B,15Cは、作動空間17全体の圧力変動に対応して往復動する。上記の説明によれば、理論的には、ピストン14とディスプレーサ15とは、180°の位相差をもって往復動することになる。しかしながら、実際には、再生器16の流動抵抗による圧力伝播の遅れ等により、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間には、僅かな圧力差が生じている。そして、作動空間17全体の圧力変動と、圧縮空間17A,膨張空間17Bの圧力差とが相乗的に機能することにより、適度な位相ズレ角(たとえば60°以上120°以下程度、典型的には90°程度)をもってディスプレーサ15がピストン14と共振する。なお、位相ズレ角は、ピストン14の周波数(たとえば70Hz程度)、再生器16および熱交換器18,19の圧力損失および作動媒体の封入圧力(たとえば2.5MPa〜4.0MPa程度、好ましくは3.0MPa〜3.4MPa程度)などを調整することにより、目標の値に適宜設定することが可能である。
次に、図8,図9を用いて、本実施の形態に係るスターリング冷凍機4の変形例について説明する。図8の例では、受圧膜支持部14Bの先端部に受圧膜14Aを取り付けてピストンを構成している。このようにすることで、シリンダとピストンとのクリアランス調整が不要となり、より一層容易な組立性を確保することができる。また、図9では、圧縮機と膨張機とを別装置として構成し、これらを互いに組合わせることでスターリング冷凍機4が示されている。本実施の形態におけるスターリング冷凍機4では、ディスプレーサロッドがピストン14を貫通しないため、ピストン14とディスプレーサ15とを同軸に設ける必要がなく、図9のような構成を採用することが可能である。
なお、本実施の形態では、「ケーシング24」を全て一体の部材として示したが、これは、図示および説明の便宜上そのように示しただけである。実際にスターリング冷凍機を製作する際は、複数の分割体を組合わせてケーシングを構成する必要がある。
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るスターリング冷凍機4は、背圧空間23と圧縮空間17Aおよび膨張空間17Bを含む作動空間17とを有し、作動媒体が封入されたケーシング24と、背圧空間23と作動空間17との間に設けられ、作動空間17内の作動媒体の圧力変動を与えるピストン14と、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間に設けられ、ピストン14による圧力変動により作動するディスプレーサ15とを備え、ディスプレーサ15は、軸方向の両端部に面積が互いに異なる(より具体的には、圧縮空間17A側の面積が膨張空間17B側の面積よりも小さい)開口を有する筒状部材15Aと、筒状部材15Aの軸方向の両端部に位置する開口を塞ぐように筒状部材15Aに取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形するように筒状部材15Aの軸方向に往復運動する「第1と第2可動体」としての受圧膜15B,15Cと、受圧膜15B,15Cの変形状態を合わせるように受圧膜15B,15Cを繋ぐ「連接手段」としての連接棒15Dとを含む。
連接棒15Dは、受圧膜15B,15Cの中央部に固定された「棒状部材」である。また、受圧膜15B,15Cは、それぞれ、ピストン14による作動空間17内の圧力変動により弾性変形可能な「板状部材」である。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示され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更が含まれることが意図される。
1 スターリング冷却庫、2 放熱部、2A〜2F パイプ(高温側循環回路)、3 吸熱部、3A,3B パイプ(低温側循環回路)、4 スターリング冷凍機、5 高温側蒸発器、6 循環ポンプ、7 高温側凝縮器、8 ファン、9 発露防止パイプ、10 低温側凝縮器、11 低温側蒸発器、12 ファン、13,13A,13B シリンダ、14 ピストン、14A 受圧膜、14B 受圧膜支持部、15 ディスプレーサ、15A 筒状部材、15B,15C 受圧膜、15D 連接棒、15E 圧力調整孔、15F 円錐バネ、15G 渦巻き型板バネ、16 再生器、17 作動空間、17A 圧縮空間、17B 膨張空間、18,19 熱交換器、20 リニアモータ、20A インナーヨーク、20B アウターヨーク、20C コイル、20D 可動マグネット、21 ピストンスプリング、22 ディスプレーサスプリング、23 背圧空間、24 ケーシング、150 ディスプレーサロッド、151 スプリング。
Claims (6)
- 背圧空間と圧縮空間および膨張空間を含む作動空間とを有し、作動媒体が封入されたケーシングと、
前記背圧空間と前記作動空間との間に設けられ、前記作動空間内の前記作動媒体に圧力変動を与えるピストンと、
前記圧縮空間と前記膨張空間との間に設けられ、前記ピストンによる圧力変動により作動するディスプレーサとを備え、
前記ディスプレーサは、
軸方向の両端部に開口を有する筒状部材と、
前記筒状部材の軸方向の両端部に位置する前記開口を塞ぐように前記筒状部材に取り付けられ、それぞれ、凸面形状に変形するように前記筒状部材の軸方向に往復運動する第1と第2可動体と、
前記第1と第2可動体の変形状態を合わせるように該第1と第2可動体を繋ぐ連接手段とを含み、
前記筒状部材の前記圧縮空間側の開口の面積が該筒状部材の前記膨張空間側の開口の面積よりも小さく設定された、スターリング機関。 - 前記連接手段は、前記第1と第2可動体の中央部に固定された棒状部材を含む、請求項1に記載のスターリング機関。
- 前記筒状部材に取り付けられた前記第1と第2可動体を中立位置に付勢する弾性力付与手段をさらに備えた、請求項1または請求項2に記載のスターリング機関。
- 前記第1と第2可動体は、それぞれ、前記ピストンによる圧力変動により弾性変形可能な板状部材を含む、請求項1から請求項3のいずれかに記載のスターリング機関。
- 前記圧縮空間と前記膨張空間との間に設けられる再生器をさらに備え、
前記再生器は、前記筒状部材の外周面上にフィルムを巻回することにより形成される、請求項1から請求項4のいずれかに記載のスターリング機関。 - 請求項1から請求項5のいずれかに記載のスターリング機関を備えた、スターリング機関搭載機器。
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