JP3781560B2

JP3781560B2 - スターリングエンジン

Info

Publication number: JP3781560B2
Application number: JP21206698A
Authority: JP
Inventors: 哲之岡野; 和彦上田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: JP2000045867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスターリングエンジンに関し、特に、スターリングエンジンの摺動信頼性を高める構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来のスターリングエンジンの構造図である。
図５に示すように、フリーピストン形スターリングエンジンにおいて、１つのシリンダ１内には往復運動するピストン４とディスプレーサ２が収容されている。ピストン４はピストンスプリング８により支持されてリニア駆動し、ディスプレーサ２はディスプレーサスプリング９とディスプレーサロッド３により連結されて往復運動をしている。スターリングエンジン内には、この往復運動により圧縮空間１８ａ、膨張空間１８ｂが形成され、ある一定の位相差を持って運動することにより発熱、吸熱を生じる。
【０００３】
また、ピストン４・ディスプレーサ２内部には、圧縮空間１８ａから一方向弁（６、７）を通じて作動ガスが流入し、高い圧力状態が維持されている加圧室（１０、１１）を有している。
【０００４】
この加圧室のガスを利用して、ピストン４・ディスプレーサ２とシリンダ１間においては、摺動部にガスを噴出して気体膜を形成し、低摩擦を図る構造となっている。
【０００５】
また、ディスプレーサロッド３とピストンキャップ５間摺動部においては、少なくとも一方に摩擦係数の低い表面コーティング（テフロンコートなど）を施すことにより低摩擦化を図る手法が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示すように、ディスプレーサロッド３はディスプレーサ２に対して一体的に固定されているため、ディスプレーサロッド３の固定時には取付け誤差が生じる。また、ピストン４とディスプレーサ２は気体軸受効果により、シリンダ１に対して独立して位置バランスを取るため、それぞれの軸心位置は大きく異なる可能性があるため、ピストンキャップ５とディスプレーサロッド３が摺動する際の摩擦を少なくするためには、摺動部のクリアランスを大きく設定する必要があった。
【０００７】
そのため、圧縮空間１８ａからのガスがディスプレーサロッド３とピストンキャップ５間摺動部のクリアランス部を通じて背面空間１９に流出し、圧縮効率の低下につながるという問題が生じていた（一般にガスの流出量はクリアランスの３乗に比例する）。
【０００８】
また、摺動部の処理が表面コーティングによるものだけの場合には、高速運転時に温度上昇が大きくなり、それに伴いコーティング材料の硬さが低下し、摩耗が激しくなる。また、摩耗粉により摺動部の表面コーティング膜を剥離させる或いは摩耗粉が摺動部に詰まり摩擦抵抗が増大する場合が存在した。
【０００９】
そこで、本発明は、ディスプレーサロッド３とピストンキャップ５間摺動部のの摩擦抵抗などの機械的ロスを低減させ、更に、摺動部でのガスの流量損失を低減させることを目的としており、従来構造から大きな変更をする必要が無く、簡単な構造で摺動部品間の低摩擦化や圧縮効率の向上を可能とする構造を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した目的を達成させるためになされたものであって、シリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンに連動して、前記シリンダ内を往復運動するディスプレーサと、前記ピストンに保持されたピストンキャップと、前記ディスプレーサに設けられ、前記ピストンキャップと摺動するディスプレーサロッドとを備えたスターリングエンジンにおいて、前記ピストンまたは前記ディスプレーサ内部に、前記ピストンの往復運動により圧縮されたガスを蓄える加圧室を形成し、前記加圧室内のガスを前記ピストンキャップと前記ディスプレーサロッドと間の摺動部に供給することを特徴とするスターリングエンジンである。
【００１３】
また、本発明は、前記ディスプレーサ内部の加圧室に蓄えられたガスを、前記ディスプレーサロッド内部に設けた気体流路を通って、前記ディスプレーサロッドの表面小孔から噴出させるようにしてもよい。
【００１４】
あるいは、本発明は、前記ピストン内部に蓄えられたガスを、前記ピストンキャップに設けた小孔から噴出させるようにしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図をもとに本発明の実施例と本発明に対する参考例について詳細に説明する。なお、これによって本発明は限定されるものではない。
【００１６】
［参考例１］図１は参考例１のスターリングエンジンの構造図である。
【００１７】
参考例１においては、圧力容器２３内に冷媒として高圧のヘリウムガスを封入しており、シリンダ１内をピストン４とディスプレーサ２が往復運動している。圧力容器２３とシリンダ１により形成される空間は、ピストン４によって２つの空間に分割される。１つは、ピストン４のディスプレーサ２側である作動空間１８であり、もう１つはピストン４のディスプレーサ２側と反対側である背面空間１９である。作動空間１８はディスプレーサ２でさらに２つの空間に分割されており、１つはピストン４とディスプレーサ２とに挟まれた圧縮空間１８ａであり、もう１つはシリンダ１先端部の膨張空間１８ｂである。この２つの空間は再生器１７を介して連結されている。背面空間１９はシリンダ１を取り囲むように圧力容器２３によって形成されている。
【００１８】
その際の圧縮空間１８ａと膨張空間１８ｂの圧力は、圧力容器２３内に封入したガス圧を基準としてピストン４の往復運動の変位に対応して変動する。
【００１９】
また、圧縮空間１８ａから一方向弁（６、７）を通じて流入されて高い圧力状態が維持されている加圧室（１０、１１）よりガスをピストン４・ディスプレーサ２とシリンダ１間摺動部に噴出することにより、摺動部に気体膜を形成してピストン４とディスプレーサ２は運動する。なお、加圧室（１０、１１）から摺動部に噴出するガスは、オリフィス（１４、１５）を用いてガス流出量を絞りこんでいるため、流量損失はほとんどなく、加圧室（１０、１１）内には圧縮空間１８ａのガス圧変動の最高圧力と等しい程度のガス圧が蓄えられている。
【００２０】
また、今回用いたピストン４径約３０ｍｍに対してピストン４・ディスプレーサ２とシリンダ１間摺動部の直径方向クリアランスを約２５μmとしている。これは加工、組立が容易であり、かつ、ガスの圧縮、膨張率にも大きな影響を与えない値とされている。
【００２１】
ピストン４はピストンスプリング８に支持され、リニア駆動により所定の周波数でシリンダ１内を往復運動しており、ディスプレーサ２とディスプレーサロッド３はディスプレーサスプリング９の共振効果により往復運動をしている。この時、ディスプレーサロッド３とピストン４に保持されているピストンキャップ５ａとは互いに摺動している。
【００２２】
ここで、ディスプレーサロッド３はディスプレーサ２にネジ止め等により一体的に固定されているため、組み付け誤差が生じたり、ディスプレーサ２とピストン４は気体軸受効果により互いに独立してシリンダ１内で位置バランスを取ってピストン４に保持されているため、ピストンキャップ５ａとディスプレーサ２に結合されているディスプレーサロッド３との間には、軸心の違いにより大きな摩擦が発生する場合が存在する。
【００２３】
そこで、ディスプレーサロッド３とピストンキャップ５ａとの摩擦を低減させるために、ピストンキャップ５ａをピストン４に対して径方向に移動できる構造とする。具体的には、ピストンキャップ５ａの凸部をピストン４の保持部に対して径方向に隙間を設けて保持する。また、ピストンキャップ５ａがピストン４に対して円滑に動けるようにするため、これらの保持部には、少なくとも一方にテフロンコートなどの表面処理をして摺動抵抗を低減させ、径方向の軸心のズレに対して良好に移動することが可能とされる。
【００２４】
更に、移動を容易にするために、ピストンキャップ５ａ材質はＡｌなどのように軽い材料にする。今回の例においては、ピストン４とピストンキャップ５ａ間に設けた直径隙間は０．２ｍｍとした（なおピストンキャップ５ａの保持部の径は約２０ｍｍである）。この値は、隙間を大きくしすぎると逆に運動中に振動源となると考え、各部品の加工精度を考慮に入れて決定された値である。
【００２５】
このような構造にすることにより、ピストンキャップ５ａがディスプレーサロッド３の軸心にならい、低摩擦で駆動することが可能である。従って、従来の構造においてピストンキャップ５ａとディスプレーサロッド３との間の直径方向クリアランスは約０．１ｍｍの隙間を設けていたが、組立誤差を吸収可能な構造としているため、数μm程度で良い。そのため、摩擦低減効果と共に気体の流体損失が減少されるため、性能の向上につながる。
【００２６】
［参考例２］図２は参考例２のスターリングエンジンの構造図である。なお、参考例１と同一構成については、詳細な説明を省略する。
【００２７】
ディスプレーサロッド３がディスプレーサ２に対して傾いて取付けられた際に、ピストンキャップとの同軸度が大きく異なるため、大きな摩擦抵抗が生じる。
【００２８】
図２に示すように、ピストンキャップ５ｂとピストン４の保持部は互いに等しい曲率を有する形状にして、ピストンキャップはピストンの軸方向に傾斜可能な構造とした。また、円滑にピストンキャップ５ｂがピストン４内で移動できるようにするため、保持部にはテフロンコートを施している。
【００２９】
このような構造にすることにより、ピストンキャップ５ｂがディスプレーサロッド３にならい、摺動部品の軸心が一致するため、低摩擦化を図ることが可能である。
【００３０】
参考例２においても参考例１と同様にピストンキャップ５ｂとディスプレーサロッド３との間の直径方向クリアランスは、数μm程度で良く、気体の流体損失が減少されるため、性能の向上につながる。
【００３１】
このように参考例１、２に示す構造を採用することにより、シリンダ１、ピストン４、ディスプレーサ２、ディスプレーサロッド３の軸心がずれて加工、組立されて運動している場合においても、ピストンキャップがピストン４に対して移動して軸心の違いを吸収する構造にしているために、摩擦やこじりの発生を防止し、摺動損失の増大による圧縮機の効率低下や、摺動部の摩耗と行った信頼性低下を防止することが可能である。更に、部品の加工精度や組立精度に対して厳しい要求をする必要が無いためコストダウンが可能である。
［実施例１］図３は実施例１のスターリングエンジンの構造図である。なお、参考例１と同一構成については、詳細な説明を省略する。
【００３２】
実施例１は、ディスプレーサ２の加圧室１０に蓄えられたガスを、ディスプレーサロッド３内部の気体流路１２を通り、摺動部に存在する小孔１３よりガスを噴出して低摩擦化を図る構造である。
【００３３】
ディスプレーサロッド３に設けた気体流路１２形状は、ディスプレーサロッド３に対して径を大きくしすぎると、ディスプレーサロッド３の強度が低減するため望ましくない。また、気体流路１２は、ドリル加工により仕上げることにより容易に作成可能である。
【００３４】
ディスプレーサロッド３に設けた小孔１３はドリルにより内径１００μmに仕上げ、ガスの流体損失を少なくした。また、小孔１３はロッドの円周方向に４分配して力学的にバランスのとれた状態とした。図３においては軸方向に１箇所の小孔１３を配置しているのみであるが、更に気体軸受効果を向上させるためには軸方向に２カ所配置すると良い。この小孔１３よりディスプレーサロッド３とピストンキャップ５ｃ間摺動部に噴出したガスは、圧力が低い方へ流出し、摺動部には気体膜が形成され低摩擦効果が生まれる。
【００３５】
更に、圧縮空間１８ａから背面空間１９へ流出するガスは、小孔１３から流出されるガス圧が高い状態であるために、流出をブロックされるため、流量の損失を低減することが可能である。
【００３６】
この構造を採用することにより、ディスプレーサロッド３とピストンキャップ５ｃ間摺動部のクリアランスを小さくすることが可能であるのみならず、圧縮空間１８ａからのガス流出を低減させることが可能であるために圧縮効率の向上にもつながる。
【００３７】
ここで、摺動部の摩擦力の大きさは潤滑剤の粘性係数に比例する。気体の粘性係数は普通の潤滑油の１／１０００のオーダであるため摺動部の摩擦力も１／１０００になると考えられるために、このようにディスプレーサロッド３とピストンキャップ５ｃとの間に気体軸受効果を採用することにより、低摩擦化を実現することが可能である。
【００３８】
［実施例２］図４は実施例２のスターリングエンジンの構造図である。なお、参考例１と同一構成については、詳細な説明を省略する。また、低摩擦化の原理は、実施例１と同様に気体軸受効果によるものである。以下、実施例１と異なる点について述べる。
【００３９】
図４に示すように、ピストンキャップ５ｄに小孔１６を設けている。この子孔１６よりピストン４の加圧室１１に蓄えられたガスを噴出し摺動部に気体膜が形成される。この時の小孔形状に関しても実施例１と同様の理由により内径１００μmにした。また、この構造にすることによっても、実施例１と同様に、ガスの圧縮空間１８ａから背面空間１９への流出をブロックする効果があるために、圧縮空間１８ａの流量損失を低減することが可能である。
【００４０】
なお、図３および４の小孔は自成絞り、オリフィス絞りなどの静圧気体軸受に用いられる形式を採用することができる。この際の小孔形状は、ピストン４内部に蓄えたガスの損失を少なくするために径を小さくし、長さは長くすることにより、流路抵抗を増やす。更に、摺動部における力学的なバランスを保つために円周方向に小孔を等分配する。
【００４１】
また、摺動部のクリアランスは、流量損失が少なくなるように、動的に安定な範囲内で、互いに摺動する面の表面粗さ、加工精度を考慮に入れ、できるだけ小さくなるような値に設定すると良い。
【００４２】
また、参考例１、２と実施例１、２の構造を組み合わせることにより、更に、摺動部の低摩擦化に対して効果が現れる。
【００４３】
これらの実施例と参考例に関して信頼性試験を実施したところ、摺動部の傷などが大きく低減されていることを確認している。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、シリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンに連動して、前記シリンダ内を往復運動するディスプレーサと、前記ピストンに保持されたピストンキャップと、前記ディスプレーサに設けられ、前記ピストンキャップと摺動するディスプレーサロッドとを備えたスターリングエンジンにおいて、前記ピストンまたは前記ディスプレーサ内部に、前記ピストンの往復運動により圧縮されたガスを蓄える加圧室を形成し、前記加圧室内のガスを前記ピストンキャップと前記ディスプレーサロッドと間の摺動部に供給することにより、摺動部には気体膜が形成され摩擦が低減され、信頼性が向上される。それと同時に、摺動部のクリアランスを小さくすることが可能でありクリアランス部に於ける流量損失が低減され効率が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例１のスターリングエンジンの構造図である。
【図２】参考例２のスターリングエンジンの構造図である。
【図３】実施例１のスターリングエンジンの構造図である。
【図４】実施例２のスターリングエンジンの構造図である。
【図５】従来のスターリングエンジン構造である。
【符号の説明】
１シリンダ
２ディスプレーサ
３ディスプレーサロッド
４ピストン
５、５ａ〜５ｄピストンキャップ
６、７一方向弁
８ピストンスプリング
９ディスプレーサスプリング
１０、１１加圧室
１２気体流路
１８ａ圧縮空間
１８ｂ膨張空間
１９背面空間
２３圧力容器

Claims

シリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンに連動して、前記シリンダ内を往復運動するディスプレーサと、前記ピストンに保持されたピストンキャップと、前記ディスプレーサに設けられ、前記ピストンキャップと摺動するディスプレーサロッドとを備えたスターリングエンジンにおいて、
前記ピストンまたは前記ディスプレーサ内部に、前記ピストンの往復運動により圧縮されたガスを蓄える加圧室を形成し、前記加圧室内のガスを前記ピストンキャップと前記ディスプレーサロッドと間の摺動部に供給することを特徴とするスターリングエンジン。
前記ディスプレーサ内部の加圧室に蓄えられたガスを、前記ディスプレーサロッド内部に設けた気体流路を通って、前記ディスプレーサロッドの表面小孔から噴出させることを特徴とする請求項１記載のスターリングエンジン。
前記ピストン内部に蓄えられたガスを、前記ピストンキャップに設けた小孔から噴出させることを特徴とする請求項１記載のスターリングエンジン。