JP2009092007A - Stirling engine - Google Patents

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Kosuke Watanabe
耕輔 渡辺
Hideo Okada
英生 岡田
Takenori Haraguchi
雄典 原口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problems that size of an engine is large in former technology because of a crank mechanism connecting a power source and a drive part, and that oil seal countermeasure is indispensable since a large quantity of lubricating oil is used on a crank chamber. <P>SOLUTION: This engine is provided with a rotary motor 20 rotating and driving a cylindrical rotor 23 including a cavity 23a penetrating through the same in an axial direction and provided in such a manner that the same can freely rotate in a circumference direction but can not linearly move in an axial direction, a cylindrical piston 12 inserted in the cavity 23a of the rotor 23 and provided in such a manner that the same can not rotate in the circumference direction but can freely linearly move in the axial direction, a circumferential direction guide groove 27 formed on an outer circumference surface of the cavity 23a of the rotor 23, and a projection 29 provided on an outer circumference surface of the piston 12 and engaged in the circumferential direction guide groove 27. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はスターリングサイクルで駆動する冷却装置および発電装置に最適なスターリング機関に関するものである。   The present invention relates to a cooling device that is driven in a Stirling cycle and a Stirling engine that is optimal for a power generator.

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。冷凍機として用いるスターリング機関では、回転モーターなどの動力源によりピストンを往復直線運動させ、このピストンに対しディスプレーサーを、所定の位相差をもって同期往復直線運動させる。ピストンとディスプレーサーの往復直線運動は圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では作動ガスの温度が低下する。圧縮空間(高温空間)の熱を高温伝熱ヘッドを通じて放熱して等温圧縮変化を実現し、外部の熱を低温伝熱ヘッドを通じ膨脹空間(低温空間)に吸収して等温膨張変化を実現すれば、逆スターリングサイクルが形成される。   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. In a Stirling engine used as a refrigerator, a piston is reciprocated linearly by a power source such as a rotary motor, and a displacer is synchronously reciprocated linearly with a predetermined phase difference with respect to the piston. The reciprocating linear motion of the piston and the displacer causes the working gas to move back and forth between the compression space and the expansion space. The working gas temperature rises in the compression space, and the working gas temperature falls in the expansion space. If the heat in the compression space (high temperature space) is dissipated through the high temperature heat transfer head to achieve isothermal compression change, and the external heat is absorbed into the expansion space (low temperature space) through the low temperature heat transfer head, the isothermal expansion change is realized. A reverse Stirling cycle is formed.

従来のスターリング機関の構造としては、例えば、特許文献1に記載されているように、駆動部にリニア(式)モーターを利用したものがある。この構造は、図7に示すように、外郭構造100内にシリンダー101と、外郭構造100内を膨張空間105と圧縮空間106に区画するディスプレーサー102とピストン103と、ピストン103を往復させるためのリニアモーター109と、膨張空間104と圧縮空間105との間を連通する連通路に設けられた再生器106と、再生器106の膨張空間105側と圧縮空間106側にそれぞれに熱交換器として吸熱器107、放熱器108とを有している。また板ばね110、111はそれぞれディスプレーサー102とピストン103を支持し、弾性力によってこれらを往復動させる。またリニアモーター109は電源端子を介して外部電源と接続されている構造である。このようにリニアモーター方式のスターリング機関は非常にコンパクトな構造であったものの特殊なモーターであるリニアモーターが必要となりコストが高く、ローコスト化が課題であった。   As a structure of a conventional Stirling engine, for example, as described in Patent Document 1, there is one using a linear (type) motor for a drive unit. As shown in FIG. 7, this structure includes a cylinder 101 in the outer structure 100, a displacer 102 that partitions the outer structure 100 into an expansion space 105 and a compression space 106, a piston 103, and a piston 103 for reciprocating the piston 103. The linear motor 109, the regenerator 106 provided in the communication path communicating between the expansion space 104 and the compression space 105, and the heat absorption as a heat exchanger on the expansion space 105 side and the compression space 106 side of the regenerator 106, respectively. And a radiator 107. The leaf springs 110 and 111 support the displacer 102 and the piston 103, respectively, and reciprocate them by elastic force. The linear motor 109 is connected to an external power supply via a power supply terminal. Thus, although the linear motor type Stirling engine has a very compact structure, a linear motor which is a special motor is required, which is expensive and has a problem of low cost.

一方、コスト削減のため安価な回転(式)モーターを利用したスターリング機関の構造が、例えば、特許文献2や特許文献3に記載されている。特許文献2は、回転モーターからの回転運動をクランク機構を介してピストン等を往復動させているのに対して、特許文献3は、1つ以上の円周方向案内溝が形成された円周カムと、ピストンおよびディスプレーサーと前記円周カムとを連結するロッドから構成され、前記ピストンと前記ディスプレーサーが前記円周カムの円周方向案内溝によって動作を規定されることによりスターリングサイクルシステムの駆動をさせていた。
特開2005−69168号公報(図1) 特開昭64―53049号公報(第7図) 特開平6―235350号公報(図1)
On the other hand, the structure of a Stirling engine using an inexpensive rotary (type) motor for cost reduction is described in Patent Document 2 and Patent Document 3, for example. While Patent Document 2 reciprocates a piston or the like through a crank mechanism with a rotary motion from a rotary motor, Patent Document 3 discloses a circumference in which one or more circumferential guide grooves are formed. The rod is configured to connect a cam, a piston and a displacer, and the circumferential cam, and the piston and the displacer are regulated by a circumferential guide groove of the circumferential cam, thereby allowing the Stirling cycle system to I was driving.
Japanese Patent Laying-Open No. 2005-69168 (FIG. 1) JP-A-64-53049 (FIG. 7) JP-A-6-235350 (FIG. 1)

しかしながら、特許文献2の場合、クランク機構であるためサイズが大きくなり、またクランク室に多量の潤滑オイルを使用することでオイルシール対策が不可欠であった。   However, in the case of Patent Document 2, since it is a crank mechanism, the size becomes large, and an oil seal countermeasure is indispensable by using a large amount of lubricating oil in the crank chamber.

また、特許文献3の場合、円周カムとピストンおよびディスプレーサーがそれぞれロッドによって連結されており、その作動空間が必要となりスターリング機関が大型化するといった課題が発生していた。   In the case of Patent Document 3, the circumferential cam, the piston, and the displacer are connected to each other by a rod, so that there is a problem that the working space is required and the Stirling engine is enlarged.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安価な回転モーターを使用しかつ小型化が可能なスターリング機関を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a Stirling engine that uses an inexpensive rotary motor and can be downsized.

上記目的を達成するために本発明のスターリング機関は、軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、ローターの前記空洞の外周面に形成された円周方向案内溝と、前記ピストンの外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、を備え、前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記円周方向案内溝に沿ってピストンの前記突起が移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴としている。   In order to achieve the above object, a Stirling engine of the present invention has a cavity that penetrates in the axial direction, and rotates to drive a cylindrical rotor that is circumferentially rotatable and incapable of linear linear motion. A motor, a cylindrical piston that is inserted into the cavity of the rotor, cannot rotate in the circumferential direction, and is freely movable in the axial direction, and a circumferential direction formed on the outer peripheral surface of the cavity of the rotor A guide groove and a protrusion provided on the outer peripheral surface of the piston and engaged with the circumferential guide groove, and when the rotor is driven to rotate, along the circumferential guide groove of the rotor. The piston is reciprocated linearly by moving the projection of the piston.

また、本発明のスターリング機関は、軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、前記ピストンの外周面に形成された前記円周方向案内溝と、ローターの前記空洞の外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、を備え、前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記突起がピストンの前記円周方向案内溝に沿って移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴としている。   A Stirling engine according to the present invention includes a rotary motor that rotates a cylindrical rotor that has a hollow that penetrates in the axial direction, is circumferentially rotatable, and is non-linearly movable in the axial direction. A cylindrical piston that is inserted into the cavity and cannot be rotated in the circumferential direction and is linearly movable in the axial direction, the circumferential guide groove formed on the outer peripheral surface of the piston, and a rotor A protrusion provided on an outer peripheral surface of the cavity and engaged with the circumferential guide groove, and when the rotor is driven to rotate, the protrusion of the rotor follows the circumferential guide groove of the piston. The piston is reciprocated linearly by being moved.

上記の円周方向案内溝は、正弦波状であれば、ピストンの往復直線運動を単振動とすることができ、ストロークの制御等がしやすくなる。この場合、円周方向案内溝を1周期の整数倍の波数の正弦波状とすれば、単位時間当たりのピストンの往復数をその波数に比例して増加させることができる。さらに、上記の突起を、その波数で円周を等分した位置に整数個設ければ、ローターの回転運動を安定してピストンの往復直線運動に変換することができるようになる。   If the circumferential guide groove has a sine wave shape, the reciprocating linear motion of the piston can be a single vibration, and the stroke can be easily controlled. In this case, if the circumferential guide groove has a sine wave shape having a wave number that is an integral multiple of one cycle, the number of reciprocations of the piston per unit time can be increased in proportion to the wave number. Furthermore, if the above-mentioned protrusions are provided in integer numbers at positions where the circumference is equally divided by the wave number, the rotational motion of the rotor can be stably converted into the reciprocating linear motion of the piston.

本発明によると、ローターまたはピストンの円周方向案内溝とピストンまたはローターの突起とを直接嵌合させることでクランク機構や連結ロッドを廃止することができる。すなわち、クランク機構やロッド等の連結部を介在せずに回転モーターによりピストンを直接駆動することができ、スターリング機関の小型化およびローコスト化を実現できる。   According to the present invention, the crank mechanism and the connecting rod can be eliminated by directly fitting the circumferential guide groove of the rotor or piston and the protrusion of the piston or rotor. That is, the piston can be directly driven by the rotary motor without interposing a connecting part such as a crank mechanism or a rod, and the Stirling engine can be reduced in size and cost.

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。最初に、本発明のピストンの使用対象である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主要部の断面図である。   The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. First, the structure of a Stirling engine that is a target of use of the piston of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a sectional view of a main part of a Stirling engine.

スターリング機関1は冷凍機として用いられるフリーピストンタイプのものであり、その組立の中心となるのはシリンダー10である。特に、ここでは冷凍機に関する説明である。シリンダー10には、円柱形のピストン12およびディスプレーサー13が挿入される。ピストン12及びディスプレーサー13は、スターリング機関の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダー10の内壁に接触することなく往復直線運動する。ピストン12とディスプレーサー13は所定の位相差を備えて動く。   The Stirling engine 1 is a free piston type used as a refrigerator, and a cylinder 10 is the center of its assembly. In particular, here is a description of a refrigerator. A cylindrical piston 12 and a displacer 13 are inserted into the cylinder 10. The piston 12 and the displacer 13 reciprocate linearly without contacting the inner wall of the cylinder 10 by the mechanism of the gas bearing during operation of the Stirling engine. The piston 12 and the displacer 13 move with a predetermined phase difference.

ディスプレーサー13の一方の端からはディスプレーサー軸15が突出する。ディスプレーサー軸15はピストン12を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。   A displacer shaft 15 projects from one end of the displacer 13. The displacer shaft 15 penetrates the piston 12 so that it can slide freely in the axial direction.

シリンダー10は、ピストン12の動作領域の大部分が欠落され、その欠落部およびその外側に回転モーター20を保持する。回転モーター20は現在一般的に市場に出ているモーターと同等の形状のもので、モーターの回転軸の径方向に内側からローター23がその外側にステーター22およびコイル21の組品が配置されているようなものである。すなわち、回転モーター20は、コイル21を備えたステーター22と、ピストン12の外周面に対面するように設けられ、軸方向に貫通する空洞23aを有する円筒形のローター23と、ステーター22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24とを備える。マグネットは埋め込み型(IPMモーター)の場合、ローター23に内包されて固定されている。ローター23は、軸方向の両端部において、エンドブラケット24との間に設けられたベアリング25、26によって、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に支持される。   Most of the operating area of the piston 12 is missing from the cylinder 10, and the rotary motor 20 is held on the missing part and the outside thereof. The rotary motor 20 has the same shape as a motor that is generally on the market at present, and a rotor 23 is arranged from the inside in the radial direction of the rotating shaft of the motor, and an assembly of the stator 22 and the coil 21 is arranged outside thereof. It is like. That is, the rotary motor 20 includes a stator 22 having a coil 21, a cylindrical rotor 23 provided so as to face the outer peripheral surface of the piston 12, and a cavity 23 a penetrating in the axial direction, and the stator 22. And a synthetic resin end bracket 24 held in a positional relationship. In the case of an embedded type (IPM motor), the magnet is enclosed in the rotor 23 and fixed. The rotor 23 is supported at both axial end portions by bearings 25 and 26 provided between the end bracket 24 and the end bracket 24 so that the rotor 23 can rotate in the circumferential direction and cannot move linearly in the axial direction.

ピストン12の軸方向についてディスプレーサー13とは反対側の端面部分にはスプリング30の中心部が固定される。ディスプレーサー軸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、支柱33を用いてエンドブラケット24に固定される。すなわちピストン12およびディスプレーサー13は、スプリング30、31により周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動可能に支持される。   The central portion of the spring 30 is fixed to the end surface portion on the opposite side of the displacer 13 in the axial direction of the piston 12. 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 24 using a support 33. That is, the piston 12 and the displacer 13 are supported by the springs 30 and 31 so that they cannot rotate in the circumferential direction and can move linearly in the axial direction.

スプリング30、31の外周部同士の間にはスペーサー(不図示)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。フリーピストン型スターリング機関の場合は、スプリング30、31は例えば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、ディスプレーサー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)を持たせて共振させる役割を果たす。フリーピストン型以外の場合は、クランク機構などによって同様の動作をさせる。   A spacer (not shown) is disposed between the outer peripheral portions of the springs 30 and 31, and thereby the springs 30 and 31 maintain a certain distance. In the case of a free piston type Stirling engine, the springs 30 and 31 are, for example, disc-shaped materials with spiral cuts, and the displacer 13 is moved from the piston 12 by a predetermined phase difference (generally about a phase difference). It plays a role of resonating with a phase difference of 90 °. In the case of other than the free piston type, the same operation is performed by a crank mechanism or the like.

上述したように、ローター23は、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に支持され、このローター23内側に配されるピストン12は、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動可能に支持される。回転モーター20によって、ローター12はピストン12の軸の周方向に回転するため、ピストン12を往復直線運動させるためには、運動方向の変換機構が必要となる。   As described above, the rotor 23 is supported so as to be freely rotatable in the circumferential direction and cannot be linearly moved in the axial direction, and the piston 12 arranged inside the rotor 23 is not rotatable in the circumferential direction and is capable of linearly moving in the axial direction. Supported. Since the rotor 12 is rotated in the circumferential direction of the axis of the piston 12 by the rotary motor 20, a movement direction conversion mechanism is required to cause the piston 12 to reciprocate linearly.

図2は、ローターの周方向の1箇所で軸方向に切断して見た空洞の外周面(ローターの内周面)の展開図である。図2に示すように、ローター23の空洞23aの外周面(ローター23の内周面)には、一定の幅と厚みで形成された円周方向案内溝27が形成されている。円周方向案内溝27は、平面で見たときに、1周期分の正弦波状である。そして、図1に示すように、ピストン12の外周面には、円周方向案内溝27に係合される円柱形の突起29が1個設けられている。これによって、ピストン12の突起29はローター23の円周方向案内溝27に沿って移動し、その結果、ピストン12はシリンダー10の円筒軸方向に往復直線運動する。   FIG. 2 is a development view of the outer peripheral surface of the cavity (the inner peripheral surface of the rotor) as seen by cutting in the axial direction at one location in the circumferential direction of the rotor. As shown in FIG. 2, circumferential guide grooves 27 having a constant width and thickness are formed on the outer peripheral surface of the cavity 23 a of the rotor 23 (inner peripheral surface of the rotor 23). The circumferential guide groove 27 is sinusoidal for one cycle when viewed in a plane. As shown in FIG. 1, one cylindrical protrusion 29 that is engaged with the circumferential guide groove 27 is provided on the outer peripheral surface of the piston 12. Accordingly, the protrusion 29 of the piston 12 moves along the circumferential guide groove 27 of the rotor 23, and as a result, the piston 12 reciprocates linearly in the direction of the cylinder axis of the cylinder 10.

なお、円周方向案内溝27を1周期の整数倍の波数の正弦波状としてもよい。この場合、ピストン12の往復直線運動の往復数は、ローター23が1回転したとき上記正弦波の波数に等しい。つまり、単位時間当たりのピストン12の往復数はローター12の単位時間当たりの回転数と上記正弦波の波数をかけた値である。また、ピストン12の振幅は正弦波に形成された円周方向案内溝27の振幅に相当する。この場合、突起29を、その波数でピストン12の外周円周を等分した位置に整数個設ければ、ローター23の回転運動を安定してピストン12の往復直線運動に変換することができるようになる。   The circumferential guide groove 27 may have a sine wave shape having a wave number that is an integral multiple of one period. In this case, the reciprocating number of the reciprocating linear motion of the piston 12 is equal to the wave number of the sine wave when the rotor 23 makes one revolution. That is, the reciprocation number of the piston 12 per unit time is a value obtained by multiplying the rotation number of the rotor 12 per unit time by the wave number of the sine wave. The amplitude of the piston 12 corresponds to the amplitude of the circumferential guide groove 27 formed in a sine wave. In this case, by providing an integral number of protrusions 29 at positions where the outer circumference of the piston 12 is equally divided by the wave number, the rotational motion of the rotor 23 can be stably converted into the reciprocating linear motion of the piston 12. become.

ローター23の空洞23a内へのピストン12の挿入方法の一例を説明する。図3は、円筒の一部を切欠いて示すローター23の斜視図である。図3に示すように、ローター23の空洞23aの外周面には、軸方向の端面から円周方向案内溝27まで延びる突起挿入溝23bが形成されている。よって、ピストン12をローター23の空洞23aに挿入し、ピストン12の周方向位置を調節して突起29を突起挿入溝23bに係合させ、さらにピストン12を挿入すれば、突起29を円周方向案内溝27に係合させることができる。この突起挿入溝23bには、最終的に、突起挿入溝23bと同一形状でローター23と同一材質の溝埋め棒材23cが圧入後溶接されて、突起挿入溝23bが埋められる。   An example of a method for inserting the piston 12 into the cavity 23a of the rotor 23 will be described. FIG. 3 is a perspective view of the rotor 23 shown by cutting a part of the cylinder. As shown in FIG. 3, a protrusion insertion groove 23 b extending from the axial end face to the circumferential guide groove 27 is formed on the outer peripheral surface of the cavity 23 a of the rotor 23. Therefore, if the piston 12 is inserted into the cavity 23a of the rotor 23, the circumferential position of the piston 12 is adjusted to engage the projection 29 with the projection insertion groove 23b, and further the piston 12 is inserted, the projection 29 is circumferentially moved. The guide groove 27 can be engaged. Finally, a groove filling bar 23c having the same shape as the protrusion insertion groove 23b and the same material as that of the rotor 23 is press-fitted and welded to the protrusion insertion groove 23b to fill the protrusion insertion groove 23b.

ここで、ローター23の空洞23aの外周面に突起挿入溝23bを形成する位置について考察する。図4は、スターリング機関の運転時の円周方向案内溝27内を移動する突起29の軌跡を模式的に示す図である。圧縮空間45と背圧空間51の間には圧力差が存在する。具体的には、背圧空間51の圧力をP1、圧縮空間45の圧力をP2とすると、
(1)ピストン12が往復動の中心位置(振幅ゼロの位置)にあるときは、P1=P2
(2)ピストン12が往復動の中心位置に対し背圧空間側にあるときは、P1>P2
(3)ピストン12が往復動の中心位置に対し背圧空間側にあるときは、P1<P2
となる。このため、図4に示すように、突起29は常に図中の中心線C方向に力を受け、円周方向案内溝27の対向する壁面のうち中心線Cからの距離が近い方の壁面と接触しながら摺動することになる。従って、摺動面の断差の影響をなくしてスムーズに突起29を移動させるためには、円周方向案内溝27の対向する壁面のうち中心線Cからの距離が遠い方の壁面に通じるように、突起挿入溝23bを形成するのが望ましい。図3の例では、円周方向案内溝27の中心線Cに対して背圧空間51側に偏倚した部分のピークに対して、対向する壁面のち中心線Cに対して遠い方、すなわち背圧空間51側の壁面に通じるように、突起挿入溝23bを形成している。
Here, the position where the protrusion insertion groove 23b is formed on the outer peripheral surface of the cavity 23a of the rotor 23 will be considered. FIG. 4 is a diagram schematically showing the trajectory of the protrusion 29 that moves in the circumferential guide groove 27 during operation of the Stirling engine. There is a pressure difference between the compression space 45 and the back pressure space 51. Specifically, when the pressure of the back pressure space 51 is P1, and the pressure of the compression space 45 is P2,
(1) When the piston 12 is at the center position of the reciprocating motion (position with zero amplitude), P1 = P2
(2) When the piston 12 is on the back pressure space side with respect to the center position of the reciprocating motion, P1> P2
(3) When the piston 12 is on the back pressure space side with respect to the center position of the reciprocating motion, P1 <P2
It becomes. Therefore, as shown in FIG. 4, the protrusion 29 always receives a force in the direction of the center line C in the drawing, and the wall surface of the opposing wall surfaces of the circumferential guide groove 27 that is closer to the center line C It will slide while in contact. Therefore, in order to smoothly move the protrusion 29 without affecting the difference between the sliding surfaces, the distance from the center line C among the opposing wall surfaces of the circumferential guide groove 27 is communicated. In addition, it is desirable to form the protrusion insertion groove 23b. In the example of FIG. 3, the peak of the portion biased toward the back pressure space 51 with respect to the center line C of the circumferential guide groove 27 is farther from the center line C after the opposing wall surfaces, that is, the back pressure. The protrusion insertion groove 23b is formed so as to communicate with the wall surface on the space 51 side.

ピストン12、突起29、ローター23、円周方向案内溝27の寸法の一例は次のようなものである。
ピストン φ40mm
突起 φ8mm、L10mm
ローター(内径) φ42mm
円周方向案内溝 振幅±7mm
An example of dimensions of the piston 12, the protrusion 29, the rotor 23, and the circumferential guide groove 27 is as follows.
Piston φ40mm
Protrusion φ8mm, L10mm
Rotor (inner diameter) φ42mm
Circumferential guide groove Amplitude ± 7mm

なお、図1ではピストン12側に突起29、ローター23側に円周方向案内溝27が設けられているが、図5のように、ピストン12側に円周方向案内溝27、ローター12側に突起29が設けられてもよい。この場合も、上記と同様の理由により、図6に示すように、円周方向案内溝27の中心線Cに対して背圧空間51側に偏倚した部分に対して、対向する壁面のち中心線Cに対して遠い方、すなわち背圧空間51側の壁面に通じるように、ピストン12の外周面に突起挿入溝12aを形成すれば、突起挿入溝12aに溝埋め棒材12bが圧入後溶接されても、摺動面の断差の影響をなくしてスムーズに突起29を移動させることができてよい。   In FIG. 1, a protrusion 29 is provided on the piston 12 side and a circumferential guide groove 27 is provided on the rotor 23 side. However, as shown in FIG. 5, the circumferential guide groove 27 is provided on the piston 12 side and the rotor 12 side is provided on the rotor 12 side. A protrusion 29 may be provided. Also in this case, for the same reason as described above, as shown in FIG. 6, the center line of the opposite wall surface with respect to the portion deviated toward the back pressure space 51 with respect to the center line C of the circumferential guide groove 27 If the protrusion insertion groove 12a is formed on the outer peripheral surface of the piston 12 so as to communicate with the wall farther from C, that is, the wall on the back pressure space 51 side, the groove filling rod 12b is welded after being pressed into the protrusion insertion groove 12a. However, the projection 29 may be moved smoothly without the influence of the gap of the sliding surface.

図1に示すように、シリンダー10のうち、ディスプレーサー13の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41が配置される。高温側伝熱ヘッド40はリング状、低温側伝熱ヘッド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。高温側伝熱ヘッド40の内周面にはリング状の高温側内部熱交換器42が装着され、低温側伝熱ヘッド41の内周面には同じくリング状の低温側内部熱交換器43が装着される。高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器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高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41に伝える。高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43は、例えば銅や銅合金の薄板をコルゲート加工し、圧縮する等して形成することができる。   As shown in FIG. 1, a high temperature side heat transfer head 40 and a low temperature side heat transfer head 41 are arranged outside the portion corresponding to the operating region of the displacer 13 in the cylinder 10. The high temperature side heat transfer head 40 has a ring shape, and the low temperature side 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. A ring-shaped high-temperature side internal heat exchanger 42 is mounted on the inner peripheral surface of the high-temperature side heat transfer head 40, and a ring-shaped low-temperature side internal heat exchanger 43 is also mounted on the inner peripheral surface of the low-temperature side heat transfer head 41. Installed. Each of the high temperature side internal heat exchanger 42 and the low temperature side internal heat exchanger 43 has air permeability, and transfers the heat of the working gas passing through the inside to the high temperature side heat transfer head 40 and the low temperature side heat transfer head 41. The high temperature side internal heat exchanger 42 and the low temperature side internal heat exchanger 43 can be formed, for example, by corrugating and compressing a thin plate of copper or copper alloy.

高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41はこのように高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43を介在させた形でシリンダー10の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド40にはシリンダー10及び胴体部50が連結される。   The high temperature side heat transfer head 40 and the low temperature side heat transfer head 41 are thus supported outside the cylinder 10 with the high temperature side internal heat exchanger 42 and the low temperature side internal heat exchanger 43 interposed therebetween. The cylinder 10 and the body portion 50 are connected to the high temperature side heat transfer head 40.

高温側伝熱ヘッド40、シリンダー10、ディスプレーサー13、ピストン12、ディスプレーサー軸15、及び高温側内部熱交換器42で囲まれる環状の空間は圧縮空間45となる。低温側伝熱ヘッド41、シリンダー10、ディスプレーサー13、及び低温側内部熱交換器43で囲まれる空間は膨張空間46となる。   An annular space surrounded by the high temperature side heat transfer head 40, the cylinder 10, the displacer 13, the piston 12, the displacer shaft 15, and the high temperature side internal heat exchanger 42 becomes a compression space 45. A space surrounded by the low temperature side heat transfer head 41, the cylinder 10, the displacer 13, and the low temperature side internal heat exchanger 43 becomes an expansion space 46.

高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43の間には再生器70が配置される。再生器70の外側を再生器チューブ48が包み、高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド41の間に気密通路を構成する。再生器チューブ48は、例えばステンレス鋼で形成することができる。   A regenerator 70 is disposed between the high temperature side internal heat exchanger 42 and the low temperature side internal heat exchanger 43. A regenerator tube 48 wraps the outside of the regenerator 70 to form an airtight passage between the high temperature side heat transfer head 40 and the low temperature side heat transfer head 41. The regenerator tube 48 can be formed of stainless steel, for example.

回転モーター20、シリンダー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の内部は背圧空間51となる。   A cylindrical pressure vessel covering the rotary motor 20, the cylinder 10, and the piston 12 forms the body portion 50. The interior of the body part 50 is a back pressure 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、高温側伝熱ヘッド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、高温側伝熱ヘッド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 high temperature side 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 to a taper shape and brazed to the high temperature side 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 of the state is formed.

胴体部50には、回転モーター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 electric power to the rotary motor 20 and a pipe 50a for enclosing the 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に支持されるバランスウェイト63とから成る。つまり、振動抑制装置60はパッシブ型の動吸振器である。   A vibration suppressing device 60 is attached to the body portion 50. The vibration suppression device 60 includes a base 61 fixed to the body portion 50, a plate-like spring 62 supported by the base 61, and a balance weight 63 supported by the spring 62. That is, the vibration suppressing device 60 is a passive dynamic vibration absorber.

スターリング機関1は次のように動作する。回転モーター20のコイル21に交流電流を供給すると回転モーター20のステーター22とローター23間に電磁力が発生し、ローター23は軸周方向に回転し、ローター23の回転運動がピストン12の往復直線運動に変換されピストン12が動作する。   The Stirling engine 1 operates as follows. When an alternating current is supplied to the coil 21 of the rotary motor 20, an electromagnetic force is generated between the stator 22 and the rotor 23 of the rotary motor 20, the rotor 23 rotates in the axial direction, and the rotary motion of the rotor 23 is a reciprocating straight line of the piston 12. It is converted into motion and the piston 12 operates.

ピストン12の往復直線運動により、膨張空間46および圧縮空間45では作動ガスの圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサー13も往復直線運動を行う。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、ディスプレーサー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ー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 linear motion of the piston 12, the working gas is repeatedly compressed and expanded in the expansion space 46 and the compression space 45. As the pressure changes, the displacer 13 also performs a reciprocating linear motion. 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との間に逆スターリングサイクルが形成される。圧縮空間45では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間46では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, an inverse Stirling cycle is formed between the compression space 45 and the expansion space 46. In the compression space 45, the temperature of the working gas increases, and in the expansion space 46, the temperature of the working gas decreases. 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の間を行き来する作動ガスは、高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43を通過する際に、その有する熱を高温側内部熱交換器42と低温側内部熱交換器43を通じて高温側伝熱ヘッド40と低温側伝熱ヘッド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高温側伝熱ヘッド40は加熱され、高温側伝熱ヘッド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低温側伝熱ヘッド41は冷却され、低温側伝熱ヘッド41はコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド40より熱を大気へ放散し、低温側伝熱ヘッド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は冷凍機器としての機能を果たす。   The working gas that travels between the compression space 45 and the expansion space 46 during operation passes through the high-temperature side internal heat exchanger 42 and the low-temperature side internal heat exchanger 43 to transfer the heat of the working gas to the high-temperature side internal heat exchanger The temperature is transferred to the high temperature side heat transfer head 40 and the low temperature side heat transfer head 41 through 42 and the low temperature side internal heat exchanger 43. Since the working gas flowing into the regenerator 70 from the compression space 45 is high temperature, the high temperature side heat transfer head 40 is heated, and the high temperature side heat transfer head 40 becomes a worm head. Since the working gas flowing into the regenerator 70 from the expansion space 46 is at a low temperature, the low temperature side heat transfer head 41 is cooled, and the low temperature side heat transfer head 41 becomes a cold head. By dissipating heat from the high temperature side heat transfer head 40 to the atmosphere and lowering the temperature of the specific space with the low temperature side heat transfer head 41, the Stirling engine 1 functions as a refrigeration device.

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から高温側内部熱交換器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から低温側内部熱交換器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は蓄熱手段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 via the high temperature side internal heat exchanger 42 gives its heat to the regenerator 70 when passing through the regenerator 70, and the expansion space with the temperature lowered. 46 flows in. The low-temperature working gas that has entered the regenerator 70 from the expansion space 46 through the low-temperature side internal heat exchanger 43 collects heat from the regenerator 70 when passing through the regenerator 70, and the compressed space in a state where the temperature has risen. 45 flows in. That is, the regenerator 70 serves as a heat storage means.

ピストン12とディスプレーサー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。   When the piston 12 and the displacer 13 reciprocate and the working gas moves, the Stirling engine 1 is vibrated. The vibration suppressing device 60 suppresses this vibration.

本実施形態によると、ローター23の円周方向案内溝27とピストン12の突起29とを直接嵌合させることでクランク機構や連結ロッドを廃止することができる。すなわち、クランク機構やロッド等の連結部を介在せずに回転モーターによりピストンを直接駆動することができ、スターリング機関の小型化およびローコスト化を実現できる。   According to the present embodiment, the crank mechanism and the connecting rod can be eliminated by directly fitting the circumferential guide groove 27 of the rotor 23 and the protrusion 29 of the piston 12. That is, the piston can be directly driven by the rotary motor without interposing a connecting part such as a crank mechanism or a rod, and the Stirling engine can be reduced in size and cost.

なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、円周方向案内溝は、正弦波状としたが、その他三角波状やパルス波状とすることもできる。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment. For example, the circumferential guide groove has a sine wave shape, but may have a triangular wave shape or a pulse wave shape.

スターリング機関の一例の断面図Cross section of an example Stirling engine 円周方向案内溝が形成されているローターの空洞の外周面の展開図Development view of the outer peripheral surface of the rotor cavity where circumferential guide grooves are formed 円筒の一部を切欠いて示すローターの斜視図A perspective view of a rotor with a part cut out of a cylinder スターリング機関の運転時の円周方向案内溝内を移動する突起の軌跡を模式的に示す図The figure which shows typically the locus | trajectory of the protrusion which moves in the circumferential guide groove at the time of driving | operation of a Stirling engine. 円周方向案内溝と突起が図1と逆の配置の場合のスターリング機関の断面図Sectional view of Stirling engine with circumferential guide grooves and protrusions opposite to FIG. 図5のスターリング機関のピストンの斜視図5 is a perspective view of the piston of the Stirling engine of FIG. は、特許文献1に記載された従来のスターリング機関の断面図Is a cross-sectional view of a conventional Stirling engine described in Patent Document 1

符号の説明Explanation of symbols

1 スターリング機関
10 シリンダー
12 ピストン
13 ディスプレーサー
15 ディスプレーサー軸
20 回転モーター
21 コイル
22 ステーター
23 ローター
23a 空洞
23b 突起挿入溝
23c 溝埋め棒材
24 エンドブラケット
25、26 ベアリング
27 円周方向案内溝
29 突起
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stirling engine 10 Cylinder 12 Piston 13 Displacer 15 Displacer shaft 20 Rotating motor 21 Coil 22 Stator 23 Rotor 23a Cavity 23b Protrusion insertion groove 23c Groove filling rod material 24 End bracket 25, 26 Bearing 27 Circumferential guide groove 29 Protrusion

Claims (5)

軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、
ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、
ローターの前記空洞の外周面に形成された円周方向案内溝と、
前記ピストンの外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、
を備え、
前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記円周方向案内溝に沿ってピストンの前記突起が移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴とするスターリング機関。
A rotary motor having a cavity penetrating in the axial direction, rotating in the circumferential direction, and rotationally driving a cylindrical rotor disposed so as not to be linearly movable in the axial direction;
A cylindrical piston that is inserted into the cavity of the rotor and is non-rotatable in the circumferential direction and arranged so as to be linearly movable in the axial direction;
A circumferential guide groove formed on the outer peripheral surface of the cavity of the rotor;
A protrusion provided on the outer peripheral surface of the piston and engaged with the circumferential guide groove;
With
A Stirling engine, wherein when the rotor is rotationally driven, the piston reciprocates linearly by moving the projection of the piston along the circumferential guide groove of the rotor.
軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、
ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、
前記ピストンの外周面に形成された前記円周方向案内溝と、
ローターの前記空洞の外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、
を備え、
前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記突起がピストンの前記円周方向案内溝に沿って移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴とするスターリング機関。
A rotary motor having a cavity penetrating in the axial direction, rotating in the circumferential direction, and rotationally driving a cylindrical rotor disposed so as not to be linearly movable in the axial direction;
A cylindrical piston that is inserted into the cavity of the rotor and is non-rotatable in the circumferential direction and arranged so as to be linearly movable in the axial direction;
The circumferential guide groove formed on the outer peripheral surface of the piston;
A protrusion provided on the outer peripheral surface of the cavity of the rotor and engaged with the circumferential guide groove;
With
A Stirling engine, wherein when the rotor is rotationally driven, the protrusion of the rotor is moved along the circumferential guide groove of the piston, whereby the piston reciprocates linearly.
前記円周方向案内溝は、正弦波状であることを特徴とする請求項1または2に記載のスターリング機関。   The Stirling engine according to claim 1, wherein the circumferential guide groove has a sinusoidal shape. 前記円周方向案内溝は1周期の整数倍の波数の正弦波状であることを特徴とする請求項1または2に記載のスターリング機関。   The Stirling engine according to claim 1, wherein the circumferential guide groove has a sine wave shape having a wave number that is an integral multiple of one cycle. 前記突起は前記波数で円周を等分した位置にその波数だけ設けられ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。   5. The Stirling engine according to claim 4, wherein the protrusion is provided at a position obtained by equally dividing the circumference by the wave number.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024016613A1 (en) * 2022-07-21 2024-01-25 睿创微纳(无锡)技术有限公司 Integrated stirling refrigerator

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