JP3583770B2 - スターリング機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、フリーピストン型スターリング機関に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
近年、一般的な動力源として、オットーサイクルやディーゼルサイクル等の熱サイクルを用いたエンジン等の内燃機関が広く用いられている。しかしながらこれらの内燃機関の排出する排気ガスは大気を汚染し、発生する騒音などの公害は大きな社会問題となっている。
【０００４】
また、冷凍機等の冷凍サイクルには、一般に蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。作動ガスとしての冷媒にはフロンガスが用いられ、その凝縮、蒸発を利用して所望の冷却性能を得ている。ところが、フロンは非常に化学安定性が高く、一旦、大気中に放出されると成層圏まで達し、オゾン層を破壊してしまう。このため近年、特定フロンを対象として、その使用及び生産が規制されている。
【０００５】
そこで、これらの問題を包含しないスターリングサイクル又は逆スターリングサイクルを用いたスターリング機関が注目されている。
【０００６】
スターリングサイクルを用いたスターリングエンジンは外燃機関であり、熱源を特定しない、内燃機関のように燃料を用いて燃焼を行う場合でも、高温、高圧下での燃焼ではないので有害物質が発生しにくい等の利点を有している。
【０００７】
前記スターリング機関はその作動ガスとして、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の地球環境に悪影響を与えないガスを採用している。
【０００８】
また、逆スターリング冷凍サイクルを用いたスターリング冷凍機は、特開２００２−１９５６７４号公報に示されているように極低温レベルの寒冷を発生させることのできる小型冷凍機の一つとして知られている。
【０００９】
図７にスターリング機関の一例としてフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面図を示す。
【００１０】
スターリング冷凍機Ｂは、圧力容器１と、圧力容器１内部に固定されたシリンダ２と、シリンダ２内部に配設されたパワーピストン３及びディスプレーサ４を有している。パワーピストン３及びディスプレーサ４は同軸上に配置されており、該軸に沿って直線往復運動する。
【００１１】
ディスプレーサ４はディスプレーサピストン４１とロッド４２を有している。ロッド４２はパワーピストン３の中心部に形成された摺動孔３１を貫通しており、パワーピストン３及びディスプレーサピストン４１は、シリンダ内周摺動面２１を滑らかに摺動可能である。また、パワーピストン３はパワーピストン支持ばね５に、ディスプレーサ４はロッド４２を介して、ディスプレーサ支持ばね６によって、圧力容器１に弾性支持されている。
圧力容器１によって形成される空間はパワーピストン３によって２つの空間に分割される。一方の空間はパワーピストン３のディスプレーサ４側の作動空間７であり、他方はパワーピストン３のディスプレーサ４と反対側である背圧空間８である。これらの空間には高圧ヘリウムガス等の作動ガスが充填されている。
【００１２】
パワーピストン３はピストン駆動体（ここではリニアモータ９）によって所定の周期で往復運動する。これにより作動ガスは作動空間７内で圧縮又は膨張される。ディスプレーサ４は作動空間７と背圧空間８の圧力差によって直線的に往復動される。このときパワーピストン３とディスプレーサ４は、所定の位相差をもって同一周期にて往復動するように設定されている。パワーピストン３とディスプレーサ４を所定の位相差を持って往復運動させることで逆スターリング冷凍サイクルが構成される。ここで位相差は、運転条件が同一であればディスプレーサ４の質量、ディスプレーサ支持ばね６のばね定数及びパワーピストン３の動作周波数によって決まるものである。
【００１３】
また、作動空間７は、ディスプレーサピストン４１によってさらに２つの空間に分割される。一方の空間はパワーピストン３、ディスプレーサピストン４１及びシリンダ２に囲まれた圧縮空間７１であり、他方はシリンダ２先端部及びディスプレーサピストン４１で囲まれた膨張空間７２である。圧縮空間７１で高温が発生し、膨張空間７２で冷熱が得られる。
【００１４】
冷熱の発生原理等の逆スターリング冷凍サイクルに関しては、一般によく知られているのでここでは説明を省略する。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００２−１９５６７４号公報
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ディスプレーサ４は圧縮空間７１と背圧空間８の圧力差を直線往復動の駆動源とし、ディスプレーサ４と支持ばね６の共振を利用して往復動している。摺動孔３１を通じて作動空間７と背圧空間８の間で作動ガスの流れが生じると、そのガスの流動が流動ロスとなり、結果として、スターリング機関の機関効率の低下を引き起こす。それゆえ、摺動孔３１におけるガス流動による機関効率の低下を招かないようにするために、摺動孔３１内周面とロッド４２外周面の直径方向のクリアランスは小さいほうが好ましい。
【００１７】
また、フリーピストン型スターリング機関において、出力（冷凍機の場合は冷凍能力）を向上させるためには、ディスプレーサ４の共振周波数を高くしパワーピストン 4 の動作周波数を高くする必要がある。
【００１８】
前記駆動周波数は前記共振周波数が高くなると高くなるものであり実質的にディスプレーサの共振周波数を高くしてやればよい。共振周波数はディスプレーサ４の質量及びディスプレーサ４を弾性支持しているばね６のばね定数によって決定する。ディスプレーサの共振周波数を高くするには、ディスプレーサ４の質量を軽くする、前記ばね定数を高くする等の手段をとる必要がある。
【００１９】
ディスプレーサ４は圧縮空間７１と背圧空間８の圧力差を直線往復動の駆動源としており、背圧空間８に面しているロッド４２には軸方向の力が作用する。ディスプレーサ４の軽量化のためにロッド４２の外径を小さくすると、ロッド４２の強度が落ちてしまい、往復運動を繰り返しているうちに、ロッドに作用する軸方向の力によって変形することがあり得る。ロッド４２に微小な変形を生じた場合、ロッド４２と摺動孔３１のクリアランスが小さいのでロッド４２の微小な変形でもロッド４２と摺動孔３１が干渉してしまい、干渉した箇所で摺動摩擦が発生する。摺動摩擦が発生するとディスプレーサ４及びパワーピストン３の安定した往復運動は望めなくなり、スターリング機関の出力の低下、信頼性の低下、寿命が短くなる等の不具合が発生する。
【００２０】
また、部品同士の精度は取れていたとしても、ロッド４２と摺動孔３１のクリアランスが小さいため、ロッド４２の強度が低いと組み立て及び分解等の作業を行うときに、ロッド４２と摺動孔３１に干渉が生じ摺動摩擦が発生する状態になることもあり得る。
【００２１】
そこで本発明は、高効率で、動作の信頼性が高く、動作寿命の長いスターリング機関を提供することを目的とする。
【００２２】
また本発明は、組み立て分解等の作業性が良好なスターリング機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために本発明は、フリーピストン型のスターリング機関であって、内部に作動ガスが封入された圧力容器と、前記圧力容器内部に固定されたシリンダと、前記シリンダ内部に配設されたパワーピストンと、前記シリンダ内部に前記パワーピストンと同軸上に、支持ばねにて弾性支持されたディスプレーサとを有しており、前記ディスプレーサは前記シリンダ内部を摺動するディスプレーサピストンと、該ディスプレーサピストンに連結固定され、前記パワーピストンの中心部に設けられた摺動孔を貫通するロッドを有しており、前記ロッドが中空のパイプ形状で構成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
この構成によると、ロッドが中空パイプ形状でありロッド部の質量が減少しディスプレーサ自体の質量が減少することで、該ディスプレーサの共振周波数を高くすることができ、さらには、ディスプレーサの駆動周波数も高くすることができる。また、ロッドの中空パイプ化は、軽量化のためにロッドを小径のものと変更する場合に比べて、強度を保てるため、軽量化、強度の両面で有効である。また、ロッドの外径が大きいので取り扱いが便利である。
【００２５】
その結果、効率が良く、組み立て分解等の作業性が良好で、動作信頼性の高いスターリング機関を提供することができる。
【００２６】
前記ディスプレーサピストンは、それには限定されないが、中空部を有するものが好ましい。中空部を有するディスプレーサピストンはそれだけ軽量に形成することができ、より高効率なスターリング機関とすることができる。
【００２７】
また本発明は、上記構成の、ディスプレーサピストンにおいて、該ディスプレーサピストンは中空部を有しており、該中空部に作動ガスを流入させるための１又は２以上の流入孔と、流入してきたガスを流出させるための１又は２以上の流出孔を有しており、前記流入孔は前記ロッドを連結している壁面に外面から前記中空部に向けて貫通しており、前記流出孔はディスプレーサピストンの周側壁に中空部から外周面に向けて貫通しており、前記ロッドにおいて、該ロッドを介してディスプレーサピストンに流入してきた駆動ガスが前記圧力容器のパワーピストンに対してディスプレーサ側に形成された作動空間と、前記パワーピストンに対して前記作動空間と反対側に形成された背圧空間との間を流動するのを防止する手段を有していることを特徴とするものである。
【００２８】
前記ガスの流動を防止する手段の一例として、ロッド先端部にガスシール部材を設けるものを挙げることができる。前記ガスシール部材はロッドと一体に形成されていてもよい。
【００２９】
この構成によると、前記ディスプレーサピストン中空部に流入してきたガスは、一部ガス流出孔から流出し、残りはロッドに流入する。ガス流動防止手段が設けてあることによって、前記ロッドを介しての作動空間と背圧空間の間のガスの流動は防止できる。それゆえ、流動ロスの少ない効率の良いスターリング機関とすることができる。
【００３０】
また、前記ガスの流動を防止する手段として、前記ロッドの前記ディスプレーサピストンと連結する連結部にガスシール部材を設けたものも例示できる。
【００３１】
上記構成によると、前記ロッドの中空部に作動空間から作動ガスが流入することがなくなる。前記ロッドの中空部はディスプレーサが往復動するときに死空間になり作動空間のガスが流入することで、出力が低下する要因となるが、該中空部には作動空間のガスが流入しないので、出力の低下を防ぐことができる。
【００３２】
前記ガスの流動を防止する手段として、ロッドの中空部とディスプレーサピストンの中空部とが貫通しないように連結するものを採用してもよい。前記流動を防止する手段として、それには限定されないが、ディスプレーサピストンと、ロッドを１本のボルトで共締めする方法を例示できる。
【００３３】
上記構成によると、流動を防止する部材（例えばガスシール部材）を別途設ける場合に比べて、該防止手段が破損する可能性が低いので、より動作信頼性の高いスターリング機関とすることができる。
【００３４】
さらに本発明は、上記構成のロッドにおいて、ロッドの周側壁に該周側壁から中空部へ径方向に貫通した１又は２以上のガス流出口を有している。
【００３５】
この構成によると、ディスプレーサピストン及び（又は）背圧空間からロッド中空部に流入してきたガスをガス流出口より排出するので、前記パワーピストンに設けられた摺動孔とロッドの間隙にガスの薄膜を形成してロッドと摺動孔との摺動摩擦を低減できる。また、作動空間又は背圧空間からロッド中空部に流入してきたガスは前記流出口より流出するので、一方の空間から他方の空間へのガスの流動を低減できる。
【００３６】
それゆえ、動作効率が良く、動作の信頼性が高いスターリング機関を提供できる。
【００３７】
また本発明は、上記構成のロッドにおいて、ディスプレーサピストンに対して前記ガス流動孔より離れた位置に、ガス流動を防止する部材を有している。
【００３８】
この構成によると、前記ロッドの周側壁に設けられたガス流出口からガスが流出することで前記ロッドの外周部と前記摺動孔との間にガスベアリングを形成することによって該ロッドと該摺動孔との摺動摩擦を低減できる。また、ロッド中空部を介しての作動空間と背圧空間の間のガス流動を防ぐことができるので、前記流動ロスによる出力の低下を防ぐことができる。
【００３９】
前記ガス流動を防止する部材として、ガスシール部材を例示できる。また、前記ガス流動を防止する部材は、ロッドと一体的に形成されていてもよい。
【発明の実施の形態】
【００４０】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。説明の便宜上、従来例の図８と同一の部材については同一の符号を付している。
【００４１】
図１は本発明に係るスターリング機関の１つであるフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面図である。
【００４２】
スターリング冷凍機Ａは、内部に作動ガスを充填された圧力容器１と、圧力容器１内部に固定されたシリンダ２と、シリンダ２内周面２１に滑らかに摺動可能に配置されたパワーピストン３と、パワーピストン３と同軸に配置されたディスプレーサ４ａを有している。パワーピストン３はパワーピストン支持ばね５で弾性支持されている。ディスプレーサ４ａはシリンダ２内周面２１に滑らかに摺動可能なディスプレーサピストン４１ａと、パワーピストン３の中央部に設けられた摺動孔３１を貫通するロッド４２ａを有している。ディスプレーサ４ａもパワーピストン３と同様にロッド４２ａを介してディスプレーサ支持ばね６にて圧力容器１に弾性支持されている。
【００４３】
シリンダ２によって形成される空間はパワーピストン３によって２つの空間に分割される。一方の空間はパワーピストン３のディスプレーサ４ａ側の作動空間７であり、他方はパワーピストン３のディスプレーサ４ａと反対側である背圧空間８である。これらの空間には、それには限定されないが、ここでは、作動ガスとして高圧ヘリウムガスが充填されている。
【００４４】
パワーピストン３はピストン駆動体（ここではリニアモータ９）によって所定の周期で往復運動する。これにより作動ガスは作動空間７内で圧縮又は膨張される。ディスプレーサ４ａは作動空間７と背圧空間８の圧力差によって直線的に往復動される。このときパワーピストン３とディスプレーサ４ａは、所定の位相差をもって同一周期にて往復動するように設定されている。パワーピストン３とディスプレーサ４ａを所定の位相差をもって往復運動させることで逆スターリング冷凍サイクルが構成される。ここで位相差は、運転条件が同一であればディスプレーサ４ａの質量、ディスプレーサ支持ばね５のばね定数及びパワーピストン３の動作周波数によって決まるものである。
【００４５】
また、作動空間７は、ディスプレーサピストン４１ａによってさらに２つの空間に分割される。一方の空間はパワーピストン３、ディスプレーサピストン４１ａ及びシリンダ２に囲まれた圧縮空間７１であり、他方はシリンダ２先端部及びディスプレーサピストン４１ａで囲まれた膨張空間７２である。圧縮空間７１で高温が発生し、膨張空間７２で冷熱が得られる。
【００４６】
次に実施例について説明していく。なお、各実施例でのスターリング機関はディスプレーサを除き図１に示すスターリング機関と同一形状である。
ディスプレーサ以外の部分の図示を省略する。
【００４７】
（第１の実施例）
図２は本願発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサの１例を示す側断面図である。
【００４８】
図２示すディスプレーサ４ａは、ディスプレーサピストン４１ａと、ディスプレーサピストン４１ａと同軸上に連結されたロッド４２ａを有している。ディスプレーサピストン４１ａは中空部４１０ａを有している。
【００４９】
ロッド４２ａは、中空パイプ形状に形成されている。ロッド４２ａ端部のディスプレーサピストン４１ａとの連結部４２１ａは、外周面に雄ねじ部４２２ａが形成されている。ディスプレーサピストン４１ａのロッド連結壁部４１１ａの中心部には、雌ねじ部４１２ａが形成されており、雌ねじ部４１２ａにロッド４２ａの雄ねじ部４２２ａを螺合し、反対側から突出してきた雄ねじ部４２２ａをロックナットＮｔでワッシャＷを挟んで締めることでロッド４２ａをディスプレーサピストン４１ａに固定する。
【００５０】
ロッド４２ａは中空４２０ａであるので、軽量に製作することができる。また、同一重量の小径のロッドに比べると直径が大きく断面係数も大きくなり、往復動によって生じる軸力による曲げに対する強度を保つことができる。
【００５１】
本実施例において、ディスプレーサピストン４１ａは中空部４１０ａを有するものとしたがそれに限定されるものではなく、中実のディスプレーサピストンを用いてもよい。しかしながら、ディスプレーサの軽量化の観点から中空部を有するものが好ましい。
【００５２】
（第２の実施例）
図３に本発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサの他の例の側断面図を示す。
【００５３】
図３に示すディスプレーサ４ｂは、ディスプレーサピストン４１ｂと中空パイプ形状のロッド４２ｂを有している。ディスプレーサピストン４１ｂは中空部４１０ｂを有している。ディスプレーサピストン４１ｂとロッド４２ｂは第１実施例に示す方法と同じ方法で連結固定される。すなわち、ロッド４２ｂの雄ねじ部４２２ｂをディスプレーサピストン４１ｂの雌ねじ部４１２ｂに螺合し、雄ねじ部４２２ｂの中空部４１０ｂに突出した部分にロックナットＮｔをワッシャＷを挟んで螺合することで、ディスプレーサピストン４１ｂとロッド４２ｂを連結する。
【００５４】
ロッド４２ｂは、ディスプレーサピストン連結部４２１ｂとは反対側の端部４２３ｂにガスの流動を抑制するシール部材４２４ｂを備えている。ディスプレーサピストン４１ｂは、中空部４１０ｂを有し、作動ガス流入孔４１３ｂと作動ガス流出孔４１４ｂを備えている。ガス流入孔４１３ｂは、ディスプレーサピストン４１ｂのロッド連結壁部４１１ｂに１つ形成されている。また、ガス流出孔４１４ｂは、ディスプレーサピストン４１ｂの周側壁に径方向に等中心角度間隔（ここでは１８０°）で２個形成されている。
【００５５】
ディスプレーサ４１ｂが摺動するときに、作動ガスがガス流入孔４１３ｂよりディスプレーサピストン内部４１０ｂに流入し、ピストン内部４１０ｂに流入したガスは流出孔４１４ｂから流出する。このとき、流出ガスはシリンダ２とディスプレーサピストン４１ｂの間ｔ１（図１参照）にガスの薄膜を形成しガスベアリングとして作用する。ディスプレーサ４ｂの摺動によってディスプレーサピストン内部４１０ｂに流入した作動ガスはロッド４２ｂの中空部４２０ｂにも流入するが、ガスシール部材４２４ｂを越えてガスは流動しないので、作動空間と背圧空間の間にガスが流動するのを防ぐことができる。
【００５６】
ディスプレーサピストン４１ｂに設けられたガス流入孔４１３ｂは本例では１個であったが複数備えていてもよく、ガス流出孔４１４ｂもまた２個に限定されるものでも、等中心角度間隔に配置されると限定されるものでもなく、シリンダ２とディスプレーサピストン４１ｂの間の摩擦を十分に低減できるものを広く採用できる。
【００５７】
ロッド４２ｂの端部４２３ｂに設置されたガスシール部材４２４ｂは、ガスの流動を防止できる場所であれば、端部４２２ｂ以外の場所に設けてもよい。
【００５８】
（第３の実施例）
図４に本発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサのさらに他の例の側断面図を示す。
【００５９】
図４に示すディスプレーサ４ｃは、ディスプレーサピストン４１ｃと中空パイプ形状のロッド４２ｃを有している。ディスプレーサピストン４１ｃは、図２に示すディスプレーサピストン４１ｂと同様に中空部４１０ｃを有しており、作動ガス流入孔４１３ｃと作動ガス流出孔４１４ｃを備えている。
【００６０】
ロッド４２ｃのディスプレーサピストン連結部４２１ｃの内周面には、雌ねじ部４２５ｃが形成されている。ディスプレーサピストン４１ｃのロッド連結壁部４１１ｃには外周面よりロッド４２ｃの外径と略同径のロッド連結用のねじ孔４１５ｃを有しており、内周面よりロッド連結部４２１ｃに形成した雌ねじと同径、同ピッチの雌ねじ部４１６ｃを有している。ねじ孔４１５ｃ及び雌ねじ部４１６ｃは同軸上に配置されており、ロッド連結壁部４１１ｃの略中間地点で連続している。
【００６１】
ロッド４２ｃをねじ孔４１５ｃに挿入し、連結部４２１ｃを雌ねじ部４１６ｃに沿わせたのち、ディスプレーサピストン４１ｃ中空部側から、雌ねじ部４１６ｃ及び雌ねじ部４２５ｃと同一径の雄ねじを有するボルト４３ｃとワッシャＷで共締めして、ディスプレーサピストン４１ｃとロッド４２ｃを連結固定する。ボルト４３ｃを用いてディスプレーサピストン４１ｃとロッド４２ｃを連結したことで、ロッド４２ｃ中空部４２０ｃを通じてのディスプレーサピストン４１ｃと背圧空間８、ひいては作動空間７と背圧空間８とのガスの流動を防止することができる。また、ディスプレーサ４ｃが往復運動する場合、ロッド中空部４２０ｃは死空間になってしまうが、中空部４２０ｃに作動空間７のガスが流入しないので、それだけ効率を高めることが可能である。
【００６２】
図５に第３実施例に示すディスプレーサの他の例の側断面図を示す。
【００６３】
図５に示すディスプレーサ４ｄは、図２に示すディスプレーサピストン４１ｂと同一の形状を有するディスプレーサピストン４１ｄを有している。
【００６４】
ロッド４２ｄのディスプレーサピストン４１ｄと連結する連結部４２１ｄの外周部には雄ねじ部４２２ｄが形成されており、連結部４２１ｄの中空部にはガスシール部材４２７ｄが備えられている。
【００６５】
ディスプレーサピストン４１ｄとロッド４２ｄの連結は、第２実施例の連結方法と同一の方法で行っている。すなわち、予めガスシール部材４２７ｄを備えたロッド４２ｄの雄ねじ部４２２ｄをディスプレーサピストン４１ｄの雌ねじ部４１２ｄに螺合し、雄ねじ部４２２ｄの中空部４１０ｄに突出した部分にロックナットＮｔをワッシャＷを挟んで螺合することで、ディスプレーサピストン４１ｄとロッド４２ｄを連結する。このとき、第２実施例とは異なり、ガス流入孔４１３ｄから流入した作動ガスは、ガスシール部材４２７ｄに遮られて、ロッド４２ｄの中空部４２０ｄには流入せず、ガス流出孔４１４ｄから流出する。それゆえ、ロッド４２ｄの中空部４２０ｄを通じての背圧空間８と作動空間７の間のガスの流動は防止できる。
【００６６】
本実施例は、ディスプレーサピストン中空部４１０ｃ（４１０ｄ）とロッド中空部４２０ｃ（４２０ｄ）の間でガスが流動しないように、ディスプレーサピストン４１ｃとロッド４２ｃを１本のボルト４３ｃで共締めするもの、ガスシール部材４２７ｄをロッドの連結部４２１ｄに備えたものを例示しているが、それに限定されるものではなく、ディスプレーサピストン中空部とロッド中空部の間のガスの流動を防ぐことができるものを広く採用することができる。
【００７１】
（第５の実施例）
図６に本発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサのさらに他の例の側断面図を示す。
【００７２】
図６に示すディスプレーサ４ｆは、第２実施例で示したディスプレーサピストン４１ｂと同一形状を有するディスプレーサピストン４１ｆを採用している。すなわち、ディスプレーサピストン４１ｆは中空であり、ガス流入孔４１３ｆとガス流出孔４１４ｆを備えている。ロッド４２ｆは中空パイプ形状であり、中空部４２０ｆから周側面外周部に向けて貫通しているガス流出口４２８ｆを２個（中心角度間隔１８０°）備えている。また、ロッド４２ｆはディスプレーサピストン４１ｆとの連結部４２１ｆとは反対側の端部４２３ｆにガスシール部材間４２４ｆを備えている。
【００７３】
ディスプレーサピストン４１ｆとロッド４２ｆの連結方法は第２実施例と同じ方法である。すなわち、ロッド４２ｆのディスプレーサピストン４１ｆとの連結部４２１ｆに設けられた、雄ねじ部４２２ｆをディスプレーサピストン４ｆの雌ねじ部４１２ｆと螺合する。そして、雄ねじ部４２２ｆの中空部４１０ｆに突出した部分にロックナットＮｔをワッシャＷを挟んで螺合することで、ディスプレーサピストン４１ｆとロッド４２ｆを連結する。
【００７４】
作動空間７からガス流入孔４１３ｆを通って中空部４１０ｆへ流入したガスは、一部はガス流出孔４１４ｆからピストン４１ｆとシリンダ２の間に流出し、残りは、中空部４２０ｆに流入して、ロッド４２ｆに設けられている流出口４２８ｆを通って摺動孔３１とロッド４２ｆの間の隙間ｔ２（図１参照）に流出し、ガスの薄膜を形成する。このガスの薄膜はディスプレーサ４ｆ摺動時の摺動孔３１内周面とロッド４２ｆ外周面の摩擦を低減するガス薄膜、いわゆる、ガスベアリングを形成する。
【００７５】
また、ディスプレーサ４ｆの摺動によって背圧空間８からロッド中空部４２０ｆにガスが流入するのを防止できる。それによって、ガスの作動空間７と背圧空間８の間のガスの流動を防止できる。
【００７６】
本実施例において、ロッド４２ｆはガスシール部材４２４ｆをロッド４２ｆの端部４２３ｆに備えるものを挙げたが、それに限定されるものではなく、ロッド中空部４２０ｆを介して、ディスプレーサピストン中空部４１０ｆと背圧空間８の間にガスの流動が起こらず、ピストン中空部４１０ｆからロッド中空部４２０ｆへ流入したガスが、流出口４２８ｆを通して隙間ｔ２に流出するものを広く採用することができる。
【００７７】
流出口４２８ｆは、２個のものを示したがそれに限られるものではなく、ロッド４２ｆ周側面と摺動孔３１の間で摺動摩擦を低減できるガスベアリングを形成できるものを広く採用できる。
【００７８】
第１〜第４の実施例はスターリング冷凍機について述べたが、冷凍機に限定されるものではなく、熱機関であるスターリングエンジン等にも、適用可能である。
【００７９】
本発明によると、ディスプレーサのロッドを中空パイプ形状で形成することにより、ディスプレーサ全体を軽量化し共振周波数を高くすることにより、スターリング機関の効率を高めることができる。
【００８０】
また本発明によると、ディスプレーサのロッドを中空パイプ形状で形成することにより、該ロッドの強度の低下を抑えて、ディスプレーサ全体を軽量化することができ、それにより、運転の信頼性が高く、高効率で、寿命の長いスターリング機関を提供することができる。
【００８１】
さらに本発明によると、ロッドの中空部を介しての膨張空間と背圧空間との間のガスの流動を防止あるいは低減でき、それだけ、出力の低下を防ぐことができるスターリング機関を提供することができる。
【００８２】
また本発明では、パワーピストンの摺動孔とディスプレーサのロッドの間隙に十分なガスの薄膜を作り、ガスベアリングを形成することで、前記摺動孔と前記ロッドの摺動摩擦を低減でき、それだけ、運転の信頼性が高く、寿命の長いスターリング機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかるスターリング機関の１例であるスターリング冷凍機の側断面図である。
【図２】 本発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサの一例の側断面図である。
【図３】 本発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサの他の例の側断面図である。
【図４】 本発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサのさらに他の例の側断面図である。
【図５】 本発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサのさらに他の例の側断面図である。
【図６】 本願発明に係るスターリング機関に用いられるディスプレーサのさらに他の例の側断面図である。
【図７】 従来例のスターリング機関の１例であるフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ スターリング冷凍機
１ 圧力容器
２ シリンダ
３ パワーピストン
３１ 摺動孔
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｆ ディスプレーサ
４１、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｆ ディスプレーサピストン
４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄ、４１０ｆ 中空部
４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ 連結壁部
４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｄ、４１２ｆ 雌ねじ部
４１３ｂ、４１３ｃ、４１３ｄ、４１３ｆ ガス流入孔
４１４ｂ、４１４ｃ、４１４ｄ、４１４ｆ ガス流出孔
４１５ｃ ねじ孔
４１６ｃ 雌ねじ部
４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｆ ロッド
４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｃ、４２０ｄ、４２０ｆ 中空部
４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ、４２１ｄ、４２１ｆ 連結部
４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｄ、４２２ｆ 雄ねじ部
４２３ｂ、４２３ｃ、４２３ｆ 連結部とは反対側の端部
４２４ｂ、４２４ｆ ガスシール部材
４２５ｃ 雌ねじ部
４２７ｄ ガスシール部材
４２８ｆ ガス流出口
４３ｃ ボルト
５ パワーピストン支持ばね
６ ディスプレーサ支持ばね
７ 作動空間
７１ 圧縮空間
７２ 膨張空間
８ 背圧空間
９ リニアモータ

Claims (3)

1. フリーピストン型のスターリング機関であって、
   内部に作動ガスが封入された圧力容器と、
   前記圧力容器内部に固定されたシリンダと、
   前記シリンダ内部に配設されたパワーピストンと、
   前記シリンダ内部に前記パワーピストンと同軸上に、支持ばねにて弾性支持されたディスプレーサとを有しており、
   前記圧力容器はパワーピストンに対してディスプレーサピストン側に形成された作動空間と、前記パワーピストンに対して前記作動空間と反対側に形成された背圧空間とを有しており、
   前記ディスプレーサは前記シリンダ内部を摺動するディスプレーサピストンと、該ディスプレーサピストンに連結固定され、前記パワーピストンの中心部に設けられた摺動孔を貫通するロッドを有しており、
   前記ロッドは中空のパイプ形状で形成されており、
   前記ディスプレーサピストンは中空部を有しており、
   作動ガスを前記ピストン中空部に流入させる１又は２以上の流入孔と、
   前記中空部に流入したガスを流出させる１又は２以上の流出孔とを有しており、
   前記流入孔は前記ロッドが連結している壁面に外面から前記中空部に向けて貫通しており、
   前記流出孔はディスプレーサピストンの側周壁に中空部から外周面に向けて貫通しており、
   前記ロッドの中空部を介する作動空間と背圧空間の間の作動ガスの流動を防止する手段を有することを特徴とするスターリング機関。
2. 前記ガスの流動を防止する手段は、前記ディスプレーサピストン中空部と前記ロッド中空部の間のガスの流動を防止する請求項１に記載のスターリング機関。
3. フリーピストン型のスターリング機関であって、
   内部に作動ガスが封入された圧力容器と、
   前記圧力容器内部に固定されたシリンダと、
   前記シリンダ内部に配設されたパワーピストンと、
   前記シリンダ内部に前記パワーピストンと同軸上に、支持ばねにて弾性支持されたディスプレーサとを有しており、
   前記圧力容器はパワーピストンに対してディスプレーサピストン側に形成された作動空間と、前記パワーピストンに対して前記作動空間と反対側に形成された背圧空間とを有しており、
   前記ディスプレーサは、前記シリンダ内部を摺動し中空部を有するディスプレーサピストンと、前記パワーピストンの中心部に設けられた摺動孔を貫通するロッドを有しており、
   前記ディスプレーサピストンは中空部を有しており、
   作動ガスを前記ピストン中空部に流入させる１又は２以上の流入孔と、
   前記中空部に流入したガスを流出させる１又は２以上の流出孔を有しており、
   前記流入孔は前記ロッドが連結している壁面に外面から前記中空部に向けて貫通しており、
   前記流出孔はディスプレーサピストンの中空部から外周面に向けて貫通しており、
   前記ロッドは中空のパイプ形状を有しており、該ロッドの周側壁の前記摺動孔と重なる部分に該ロッドの径方向に１又は２以上の中空部から外周部に貫通するガス流出口と、前記ディスプレーサピストンに対して前記流出口よりも離れた位置に、作動空間と背圧空間の間の作動ガスの流動を防止する手段とを有することを特徴とするスターリング機関。

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