JP2017031888A

JP2017031888A - スターリングサイクル機関

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Publication number: JP2017031888A
Application number: JP2015152745A
Authority: JP
Inventors: 井上　峰幸; Mineyuki Inoue; 峰幸井上; 淳谷川; Atsushi Tanigawa; 壮志鈴木; Soji Suzuki
Original assignee: Twinbird Corp
Current assignee: Twinbird Corp
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-07-31
Also published as: US20170030295A1; CN106401788B; JP6510928B2; CN106401788A

Abstract

【課題】排熱効率の高いスターリングサイクル機関を提供することを目的とする。【解決手段】ケーシング１と、このケーシング１内に収容されたシリンダ７と、このシリンダ７内を往復動可能なピストン１５と、このピストン１５に対し位相差を持って往復動するディスプレイサー８と、ピストン１５とディスプレイサー８の間に定義された圧縮室Ｃと、ディスプレイサー８の反圧縮室Ｃ側に定義された膨張室Ｅと、圧縮室Ｃの近傍に設けられた排熱体６と、膨張室Ｅの近傍に設けられた吸熱体５と、これら排熱体６と吸熱体５の間に設けられた再生器１０とを有して構成されたスターリングサイクル機関において、ケーシング１の外面と排熱体６の内面との間に排熱室２１を形成し、この排熱室２１と圧縮室Ｃとを連通させる第一通路１１をケーシング１に設けると共に、排熱室２１と再生器１０とを連通させる第二通路１２をケーシング１に設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、スターリングサイクル機関に関するものであり、特に、ピストンとディスプレイサーが同軸状に配置されるスターリングサイクル機関に関するものである。

従来、この種のスターリングサイクル機関としては、ケーシングの内部に、シリンダとピストンとディスプレイサーと駆動機構を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。なお、前記ケーシングの大部分を占める、円筒部と胴部と連結部は、比較的肉厚のステンレス鋼によって形成されるのが一般的である。これは、スターリングサイクル機関のケーシング内に封入される作動気体として、実在気体中で理想気体に最も近く、且つ漏れ易いヘリウムが使われることが多いため、このヘリウムが漏れ難いようにする必要があること、作動流体が高圧で封入されるため、高圧に耐える金属で製造する必要があること、加工性及び耐食性に優れ比較的安価であること、等の理由による。

特開２０１３−６８３６２号公報

しかしながら、特許文献１のようなスターリングサイクル機関は、圧縮室で発生した熱が、排熱フィンからステンレス鋼によって形成された円筒部を介して排出されるため、排熱効率を高くできないという問題があった。ケーシングの周囲に排熱部材を設けることで、ある程度排熱効率を高めることができるものの、熱がケーシングを介して排出されることは同じであるので、排熱効率を高めることに限界があった。

そこで、本発明は以上の問題点を解決し、排熱効率を高くすることで、全体の熱効率を高めることができるスターリングサイクル機関を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のスターリングサイクル機関は、ケーシングと、このケーシング内に収容されたシリンダと、このシリンダ内を往復動可能なピストンと、このピストンに対し位相差を持って往復動するディスプレイサーと、前記ピストンとディスプレイサーの間に定義された圧縮室と、前記ディスプレイサーの反圧縮室側に定義された膨張室と、前記圧縮室の近傍に設けられた排熱体と、前記膨張室の近傍に設けられた吸熱体と、これら排熱体と吸熱体の間に設けられた再生器とを有して構成されたスターリングサイクル機関において、前記ケーシングの外面と排熱体の内面との間に排熱室を形成し、この排熱室と前記圧縮室とを連通させる第一通路を前記ケーシングに設けると共に、前記排熱室と前記再生器とを連通させる第二通路を前記ケーシングに設けたものである。

また、本発明の請求項２に記載のスターリングサイクル機関は、請求項１において、前記排熱室内に排熱フィンを設け、前記排熱フィンを前記排熱体と伝熱的に接触させたものである。

本発明の請求項１に記載のスターリングサイクル機関は、以上のように構成することにより、圧縮室で発生した熱を、ケーシングを介さずに排熱体から外部に排出させることができる。このため、ケーシングの肉厚を厚くしても排熱効率に影響を与えないので、耐圧性及び加工性を考慮して、ケーシングの肉厚を厚くすることができる。

また、本発明の請求項２に記載のスターリングサイクル機関は、前記排熱室内に排熱フィンを設け、前記排熱フィンを前記排熱体と伝熱的に接触させたことで、前記圧縮室の熱を、より効率的に前記排熱体から外部に排出させることができる。

本発明の実施例１を示すスターリングサイクル機関の正面図である。同、スターリングサイクル機関の要部縦断面図である。同、スターリングサイクル機関の排熱体及び排熱室の横断面図及びその要部拡大図である。同、スターリングサイクル機関の平面図である。同、スターリングサイクル機関の底面図である。

以下、本発明の実施例について、添付図１〜図５を参照して説明する。以下に説明する実施例は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。

図１及び図２において、１は略円筒状に形成された円筒部２と、胴部３と、連結部４と、吸熱体５と、図示しないハーメチックシールとで構成されるケーシングである。円筒部２、胴部３、及び連結部４は、ステンレス鋼等からなる。そして、前記円筒部２と連結部４は、一体に形成されている。また、前記ハーメチックシールは、鋼等からなる。一方、吸熱体５は、銅等からなる。

円筒部２は上下両端が開放しており、その先端部２Ａの外周側に雄螺子２Ｂを形成していると共に、先端部２Ａの断面が正確に円形となるように内面を切削加工している。これによって、円筒部２の先端部２Ａの内面が、シリンダとして作用する。

吸熱体５には、雄螺子２Ｂに対応して、雌螺子５Ａが形成されている。そして、略リング状の連結部４を胴部３と鑞付け等で連結させ、胴部３と前記ハーメチックシールとを鑞付け等で連結すると共に、円筒部２の先端部２Ａと吸熱体５とを、雄螺子２Ｂと雌螺子５Ａによって螺合させた後、鑞付けすることで、ケーシング１は構成されている。なお、円筒部２の開放した先端は、吸熱体５によって封止されている。

円筒部２の基端側の内部には、胴部３の内部まで延びるアルミニウム合金製のシリンダ７が、円筒部２及び連結部４に対して同軸状（軸線Ｚ）に挿入されて設けられている。そして、シリンダ７の中央部７Ｂの外面には、後述するマウント２５が設けられると共に、このマウント２５から胴部３側に延びて、接続用腕部３０が設けられている。なお、シリンダ７及びマウント２５は、アルミニウム合金等を用いてダイカスト等の鋳造を行った後、切削加工したものである。また、マウント２５と接続用腕部３０は、一体であることが望ましいが、別体であっても良い。

シリンダ７の先端側及び円筒部２の先端部２Ａの内側には、中空円筒状のディスプレイサー８が軸線Ｚ方向に摺動可能に収容されている。また、ディスプレイサー８の先端と吸熱体５との間には、膨張室Ｅが形成されている。そして、ディスプレイサー８の先端に装着された蓋部材９には、複数の通気孔８Ａが形成されている。これらの通気孔８Ａによって、ディスプレイサー８の内部と膨張室Ｅとが連通されている。また、ディスプレイサー８の基端部分にも、複数の通気孔８Ｂが形成されている。そして、ディスプレイサー８の基端部分には、ディスプレイサー８のストロークよりも広い軸線Ｚ方向の幅を持った、浅い環状の溝８Ｃが形成されており、この溝８Ｃに通気孔８Ｂが形成されている。なお、ディスプレイサー８は合成樹脂からなる。

円筒部２の外面と排熱体６の内面との間には、円筒状の排熱室２１が形成されている。排熱室２１の下面部２１Ａは、円筒部２の段部２Ｄの外面により定義されている。また、排熱室２１の上面部２１Ｂは、排熱体６の上側部６Ａの内面により定義されている。また、排熱室２１の外側面部２１Ｃは、排熱体６の下側部６Ｂの内面により定義されている。更に、排熱室２１の内側面部２１Ｄは、円筒部２の拡径部２Ｃの外面により定義されている。この排熱室２１の内には、図２，図３に示すとおり、排熱フィン１３が設けられている。この排熱フィン１３は、銅板を折り曲げて形成された、いわゆるコルゲートフィンである。なお、排熱フィン１３の外面は、排熱体６の内面に伝熱的に接触している。このように、排熱室２１内に排熱フィン１３を設けることにより、作動気体と接触する面積を多くし、作動気体の熱を効率良く排熱フィン１３から排熱体６に移動させることができる。また、排熱フィン１３自体が持つ、板間に形成された空隙は上下方向に連通しており、作動気体の移動方向と平行となっているため、作動気体が排熱室２１内を円滑に移動することができる。

排熱室２１の下部は、円筒部２の段部２Ｄ及びシリンダ７に形成された第一通路１１により圧縮室Ｃと連通している。また、排熱室２１の上部は円筒部２及びシリンダ７に形成された第二通路１２によりディスプレイサー８内部と連通している。なお、前述した通り、ディスプレイサー８に溝８Ｃを形成し、この溝８Ｃに通気孔８Ｂを設けたことで、往復動するディスプレイサー８の位置によらず、通気孔８Ｂと第二通路１２とを連通させることができる。更に、ディスプレイサー８の内部には、再生器１０が設けられている。

そして、膨張室Ｅから、通気孔８Ａ、再生器１０、通気孔８Ｂ、第二通路１２、排熱室２１、及び第一通路１１を通って、シリンダ７内の圧縮室Ｃに至る経路１４が形成されている。作動気体としてのヘリウムは、この経路１４を移動する。

排熱体６は、上述したように、上側部６Ａと下側部６Ｂを有して一体に形成されると共に、上下両端が開放した円筒形状を有する。なお、上側部６Ａは、下側部６Ｂの上端から内向きフランジ状に延びている。この結果、上側部６Ａの内径は、下側部６Ｂの内径よりも小さい。そして、前述した通り、この排熱体６は、排熱室２１の上面部２１Ｂ及び外側面部２１Ｃを定義している。なお、排熱体６の下側部６Ｂは、排熱室２１の上下方向の長さよりも長く形成されている。排熱体６の上側部６Ａの内端は円筒部２の外面に鑞付け等で気密に連結されており、排熱体６の下側部６Ｂの下端部は連結部４の外面に鑞付け等で連結されている。排熱体６は、銅等の熱伝導率の高い金属からなる。この排熱体６の内面には、排熱フィン１３が伝熱的に当接して設けられているため、排熱室２１の熱は排熱フィン１３及び排熱体６を介して効率良く外部へ排出される。

円筒部２の拡径部２Ｃの内部には、シリンダ７の先端部７Ａが挿入されている。また、から連結部４の内部には、シリンダ７の中央部７Ｂが挿入されている。そして、シリンダ７の中央部７Ｂから基端部７Ｃにかけて、その内側には、ピストン１５が軸線Ｚ方向に摺動可能に収容されている。なお、ピストン１５の先端部１５Ａは、動作中、シリンダ７の先端部７Ａに入り込むことが可能である。そして、ピストン１５は、その基端部１５Ｂが、シリンダ７の中央部７Ｂから基端部７Ｃにかけての内面に摺接する。更に、ピストン１５は、駆動機構１６の可動子１６Ｂと同軸状（軸線Ｚ）に連結されている。

ディスプレイサー８の基端側には、このディスプレイサー８の動作を制御するためのロッド２２の一端が接続されている。なお、ロッド２２は、ピストン１５を貫通して延びている。

駆動機構１６は、固定子１６Ａと可動子１６Ｂとを有して構成されている。固定子１６Ａは、電磁コイル１９、内側コア２０及び外側コア２４によって構成されている。一方、可動子１６Ｂは、枠１７と永久磁石１８によって構成されている。電磁コイル１９の周囲には、外側コア２４が設けられている。この外側コア２４は、絶縁体（例えば合成樹脂やセラミック等）で予め被覆された強磁性体である鉄粉を適宜形状に成形した後、焼結して形成したものであるが、適宜形状の電磁鋼板を複数枚積層することで形成しても良い。同様に、内側コア２０は、絶縁体（例えば合成樹脂やセラミック等）で予め被覆された強磁性体である鉄粉を適宜形状に成形した後、焼結して形成したものであるが、適宜形状の電磁鋼板を複数枚積層することで形成しても良い。枠１７は短筒状に形成されている。この枠１７の一端には、円筒状の永久磁石１８が固定されている。更に、枠１７は、ピストン１５の基端部１５Ｂに対し同軸状に接続されている。そして、永久磁石１８の外周に近接して、固定子１６Ａの外側コア２４の内周面が位置すると共に、永久磁石１８の内側に近接して、内側コア２０の外周面が位置する。

前述したように、シリンダ７の中央部７Ｂには、フランジ状のマウント２５がシリンダ７と一体且つ同軸状に突出形成されている。このマウント２５は、その先端側の一側面２５Ａが連結部４の取付部４Ａに当接し、この取付部４Ａに螺子止めされるように構成されている。一方、マウント２５の基端側の他側面２５Ｂには環状の凹溝２５Ｃが形成されている。また、マウント２５からは、複数の接続用腕部３０がシリンダ７の軸線Ｚ方向と略平行に突設されている。なお、図中４０は、シリンダ７の外面とケーシング１の内面との隙間をシールする、いわゆるパッキンとしてのＯリングである。

ケーシング１の下端には振動吸収ユニット３３が設けられており、シリンダ７の軸線Ｚ上に配置された連結部３３Ａを介して同軸状に複数の板バネ３４とバランスウエイト３５が重なるように配置されている。また、振動吸収ユニット３３の内部には駆動機構１６に電力を供給する電源コネクタ（図示せず）が前記ハーメチックシール（図示せず）に設けてある。なお、３７は作動気体の封入用のパイプである。

次に、本実施例のスターリングサイクル機関の製造工程について説明する。まず、銅板を折り曲げて形成したコルゲートフィンを、短筒状に丸めることで、排熱フィン１３を形成する。そして、このようにして形成された排熱フィン１３を、排熱体６に挿入する。この際、排熱フィン１３の外面が、排熱体６の下側部６Ｂの内面に対し、伝熱的に接触する。そして、このように排熱フィン１３が組み付けられた排熱体６の下側部６Ｂ側から、円筒部２を挿入する。この円筒部２を奥まで挿入すると、排熱体６の上側部６Ａの内端は、円筒部２の拡径部２Ｃの外面に当接する。一方、排熱体６の下側部６Ｂの下端部は、連結部４の外面に当接する。この状態で、上側部６Ａの内端と拡径部２Ｃの外面を気密に鑞付けすると共に、下側部６Ｂの下端部と連結部４の外面を気密に鑞付けする。これによって、ケーシング１と排熱体６の間に排熱室２１が形成される。その後、円筒部２の先端に吸熱体５を接続する。このようにして、円筒部２及び接続部４と、吸熱体５と、排熱体６と、排熱フィン１３が一体化される。また、胴部３と前記ハーメチックシールとを接続することで、予め一体化しておく。そして、マウント２５を連結部４に対して螺子止めすることで、シリンダ７をケーシング１に対して固定する。この際、シリンダ７の先端部７Ａの外面が、円筒部２の拡径部２Ｃの内面に案内されて挿入されることで、シリンダ７を円筒部２に対して同軸に配置することができる。また、シリンダ７が円筒部２に対し位置決めされることで、シリンダ７と円筒部２に形成された孔の位置が合わせられて、第一通路１１及び第二通路１２が形成される。そして、シリンダ７と一体に形成されたマウント２５に対して、電磁コイル１９及び外側コア２４を固定する。また、シリンダ７の基端部７Ｃの外周に、内側コア２０を固定する。このようにして、駆動機構１６の固定子１６Ａがシリンダ７に固定される。また、永久磁石１８がインサート成形された枠１７を、ピストン１５の基端と図示しない接続体とで挟持することで、駆動機構１６の可動子１６Ｂがピストン１５に固定される。更に、シリンダ７内にディスプレイサー８、ピストン１５等を組み込む。その後に、胴部３と連結部４とを接続することで一体化し、予め組み立てられた振動吸収ユニット３３を胴部３に取り付ける。

次に、本実施例の作用について説明する。前記構成により、電磁コイル１９に交流電流を流すと、この電磁コイル１９から交番磁界が発生して外側コア２４で集中し、この交番磁界によって、永久磁石１８を軸線Ｚ方向に往復動させる力が生じる。この力によって、永久磁石１８が固定された枠１７に接続されたピストン１５が、シリンダ７内を軸線Ｚ方向に往復動する。ピストン１５がディスプレイサー８に近付く方向に移動すると、ピストン１５とディスプレイサー８との間に形成された圧縮室Ｃ内の気体が圧縮されて、第一通路１１、排熱室２１、第二通路１２、溝８Ｃ、通気孔８Ｂ、再生器１０、及び通気孔８Ａを通って、吸熱体５内の膨張室Ｅに至ることで、ディスプレイサー８がピストン１５に近付く方向に所定の位相差をもって押し下げられる。一方、ピストン１５がディスプレイサー８から遠ざかる方向に移動すると、圧縮室Ｃの内部が負圧となり、膨張室Ｅ内の気体が、通気孔８Ａ、再生器１０、通気孔８Ｂ、溝８Ｃ、第二通路１２、排熱室２１、及び第一通路１１を通って、圧縮室Ｃに還流することで、ディスプレイサー８がピストン１５から遠ざかる方向に所定の位相差をもって押し上げられる。このような工程中において、二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、圧縮室Ｃの近傍は高温となる。

なお、このスターリングサイクル機関の作動時に、圧縮室Ｃ内で高温になった作動気体は、第一通路１１から排熱室２１に入る。そして、この高温の作動気体が持つ熱は、排熱フィン１３から排熱体６に移動し、更に、排熱体６から外部に放出される。この際、作動気体が持つ熱は、熱伝導性の良好な銅で構成される排熱フィン１３に直接伝導すると共に、この排熱フィン１３から熱伝導性の良好な銅で構成される排熱体６へ伝導するので、排熱が良好に行われる。従って、従来は、ステンレス製のケーシングを介して排熱を行っていたため、排熱効率を考慮してケーシングの肉厚を薄くしていたのに対し、本発明の場合、ケーシング１の円筒部２の肉厚を厚くしても、排熱効率に影響を与えないので、耐圧性及び加工性を考慮して、ケーシング１の円筒部２の肉厚を厚くすることができる。また、本発明は、前記排熱室２１を形成する排熱体６の内面に排熱フィン１３を設けることで、圧縮室Ｃの熱を、より効率的に排熱フィン１３から排熱体６を介して外部に排出させることができる。

以上のように、本実施形態のスターリングサイクル機関は、ケーシング１と、このケーシング１内に収容されたシリンダ７と、このシリンダ７内を往復動可能なピストン１５と、このピストン１５に対し位相差を持って往復動するディスプレイサー８と、前記ピストン１５とディスプレイサー８の間に定義された圧縮室Ｃと、前記ディスプレイサー８の反圧縮室Ｃ側に定義された膨張室Ｅと、前記圧縮室Ｃの近傍に設けられた排熱体６と、前記膨張室Ｅの近傍に設けられた吸熱体５と、これら排熱体６と吸熱体５の間に設けられた再生器１０を有して構成されたスターリングサイクル機関において、前記ケーシング１の外面と排熱体６の内面との間に排熱室２１を形成し、この排熱室２１と前記圧縮室Ｃとを連通させる第一通路１１を前記ケーシング１及びシリンダ７に設けると共に、前記排熱室２１と前記再生器１０とを連通させる第二通路１２を前記ケーシング１及びシリンダ７に設けたことにより、圧縮室Ｃにおいて圧縮された気体が第一通路１１を通じてケーシング１の外部に設けられた排熱室２１に移動し、圧縮された気体が有する熱を排熱フィン１３から排熱体６に伝導させ、この排熱体６からスターリングサイクル機関の外部へ効率良く排出することができる。また、圧縮室Ｃにおいて圧縮された気体が第一通路１１を通じてケーシング１の外部に配設された排熱室２１に移動するため、ケーシング１の円筒部２の厚さや形状が熱排出効率に影響を与えないため、耐圧性及び加工性を考慮して、ケーシング１の円筒部２の肉厚を厚くすることができる。

また、前記排熱室２１内に排熱フィン１３を設け、前記排熱フィン１３を前記排熱体６と伝熱的に接触させたことにより、圧縮室Ｃにおいて圧縮された気体から排熱フィン１３に効率良く熱を移動させることができる。これによって、スターリングサイクル機関の排熱効率を高めることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施例では、再生器１０をディスプレイサー８の内部に設けたが、再生器１０をディスプレイサー８の外周に設けてもよい。また、シリンダ７を中央部７Ｂ迄とし、円筒部２にのみ第一通路１１及び第二通路１２を形成しても良い。更に、排熱フィン１３は、いわゆるコルゲートフィン以外の構造であっても良い。

１ケーシング
５吸熱体
６排熱体
７シリンダ
８ディスプレイサー
１０再生器
１１第一通路
１２第二通路
１３排熱フィン
１５ピストン
２１排熱室
Ｃ圧縮室
Ｅ膨張室

Claims

ケーシングと、このケーシング内に収容されたシリンダと、このシリンダ内を往復動可能なピストンと、このピストンに対し位相差を持って往復動するディスプレイサーと、前記ピストンとディスプレイサーの間に定義された圧縮室と、前記ディスプレイサーの反圧縮室側に定義された膨張室と、前記圧縮室の近傍に設けられた排熱体と、前記膨張室の近傍に設けられた吸熱体と、これら排熱体と吸熱体の間に設けられた再生器とを有して構成されたスターリングサイクル機関において、
前記ケーシングの外面と排熱体の内面との間に排熱室を形成し、この排熱室と前記圧縮室とを連通させる第一通路を前記ケーシングに設けると共に、前記排熱室と前記再生器とを連通させる第二通路を前記ケーシングに設けたことを特徴とするスターリングサイクル機関。
前記排熱室内に排熱フィンを設け、前記排熱フィンを前記排熱体と伝熱的に接触させたことを特徴とする請求項１記載のスターリングサイクル機関。