JP3799411B2

JP3799411B2 - スターリングサイクル機関

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Publication number: JP3799411B2
Application number: JP2003334275A
Authority: JP
Inventors: 隆志高橋; 秀人浦澤
Original assignee: Twinbird Corp
Current assignee: Twinbird Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: JP2005009475A

Description

本発明は、スターリングサイクル機関に関する。

従来、この種のスターリングサイクル機関としては、ケーシング内に設けられたシリンダの内部に、ピストン及びディスプレイサーが摺動可能に挿入されると共に、前記ピストンを駆動機構によって往復駆動させるものがあった。そして、前記ピストンが前記駆動機構によって駆動されて前記シリンダ内で前記ディスプレイサーに近づく方向に移動すると、前記ピストンとディスプレイサーの間に形成された圧縮室内の気体が圧縮されて、放熱フィン、再生器、吸熱フィンを通り、前記ディスプレイサーの先端と前記ケーシングの先端部との間に形成された膨張室に至ることで、前記ディスプレイサーが前記ピストンに対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストンが前記ディスプレイサーから遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室の内部が負圧となり、前記膨張室内の気体が前記吸熱フィン、再生器、放熱フィンを通って前記圧縮室に還流することで、前記ディスプレイサーが前記ピストンに対して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、前記膨張室近傍は低温となり、一方、前記圧縮室近傍は高温となるというものである。（例えば特許文献１）。
特開２００１−３５５５１３号公報（段落０００２，００１８）

このようなスターリングサイクル機関において、前述したように、ピストンを往復駆動する駆動機構によって、前記ピストンはシリンダ内において軸方向に往復動させられると共に、前記ピストンに従動して前記ディスプレイサーもシリンダ内において軸方向に往復動させられていた。このとき、前記ピストン及びディスプレイサーは前記シリンダ内で摺動することになるので、この種のスターリングサイクル機関において、前記ピストン、ディスプレイサー及びシリンダの耐摩耗性及び潤滑性が極めて重要である。そして、これらピストン、ディスプレイサー及びシリンダの耐摩耗性及び潤滑性を向上させるために潤滑油を用いると、この潤滑油がスターリングサイクル機関内で飛散し、前記再生器に詰まって気体の流通を妨害してしまう虞があるため、従来は、前記ピストン及び／又はディスプレイサーの表面に気体潤滑機構を形成したり、前記ピストン及び／又はディスプレイサーの表面やシリンダの内面に自己潤滑性を有するＰＴＦＥ（四弗化エチレン樹脂；polytetrafluoroethylene）の被膜を形成したりしていた。

しかしながら、気体潤滑機構を形成する場合、ピストン及び／又はディスプレイサーとシリンダの間のごく狭い隙間にスターリングサイクル機関内部の気体を継続して噴出させ続けてガスフィルムを形成する必要があるため、ピストン及び／又はディスプレイサーの構造が複雑化してしまい、加工に手間がかかることで価格の上昇を招くばかりでなく、信頼性の低下を招く虞があった。また、ＰＴＦＥの皮膜を形成する場合、ＰＴＦＥに自己潤滑性があるとはいえ、前記ピストン及び／又はディスプレイサーがシリンダ内で摺動することによって、表面のＰＴＦＥが摩耗してしまう虞があるばかりでなく、摩耗したＰＴＦＥが粉末状となり、前記再生器に詰まってしまう虞があった。

そこで、本発明は、構造を単純化して組立作業を簡略化すると共に、シリンダ、ディスプレイサー及びピストンの耐摩耗性及び潤滑性を高めることで信頼性を高めることを目的とする。

請求項１の発明は、ケーシングと、このケーシングに同軸状に挿入されたシリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されたディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されたピストンと、前記シリンダの基端側の外周側に配置され前記ピストンを往復駆動させる駆動装置とを備え、前記シリンダの内周面或いは前記ピストン及び／又はディスプレイサーの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴としたスターリングサイクル機関である。

また、請求項２の発明は、ピストンと、ディスプレイサーと、これらピストンとディスプレイサーが摺動可能に挿入されたシリンダとを有し、前記シリンダの内周面或いは前記ピストン及び／又はディスプレイサーの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴としたスターリングサイクル機関である。

これらの請求項１及び２の構成によれば、シリンダの内周面或いはピストン及び／又はディスプレイサーの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成形性に優れたエンジニアリングプラスチックで成型することで、必要な耐摩耗性、精度及び強度を有するシリンダ、ピストン、ディスプレイサー等を容易に形成することができ、そして、他方に無電解メッキによる平滑な皮膜層を形成したことにより、耐磨耗性に優れたものにすることができる。また、気体潤滑機構が不要となるから、組付部品点数が削減でき、組立性作業性にも優れたものにすることができる。

また、請求項３の発明は、ピストンと、ディスプレイサーと、これらピストンとディスプレイサーが摺動可能に挿入されたシリンダと、前記ピストン及び／又はディスプレイサーの外面に取り付けられたピストンリングとを有し、前記シリンダの内周面或いは前記ピストンリングの何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴としたスターリングサイクル機関である。

この請求項３の構成によれば、シリンダの内周面或いはピストンリングの何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成形性に優れたエンジニアリングプラスチックで成型することで、必要な耐摩耗性、精度及び強度を有するシリンダ又はピストンリングを容易に形成することができる。そして、他方に無電解メッキによる平滑な皮膜層を形成したことにより、耐磨耗性に優れたものにすることができる。また、気体潤滑機構が不要となるから、組付部品点数が削減でき、組立性作業性にも優れたものにすることができる。

また、請求項４の発明は、シリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されたディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されると共に同軸の貫通孔が形成されたピストンと、前記ディスプレイサーに一端が接続されてこのディスプレイサーの往復動を制限すると共に前記貫通孔に挿入されたディスプレイサーロッドとを備え、前記貫通孔の内面或いは前記ディスプレイサーロッドの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴としたスターリングサイクル機関である。

この請求項４の構成によれば、貫通孔の内面或いはディスプレイサーロッドの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成形性に優れたエンジニアリングプラスチックで成型することで、必要な耐摩耗性、精度及び強度を有するピストン又は外面を備えたディスプレイサーロッドを容易に形成することができる。そして、他方に無電解メッキによる平滑な皮膜層を形成したことにより、耐磨耗性に優れたものにすることができる。また、気体潤滑機構が不要となるから、組付部品点数が削減でき、組立性作業性にも優れたものにすることができる。

また、請求項５の発明は、シリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されたディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されると共に同軸の貫通孔が形成されたピストンと、前記貫通孔に挿入された摺動接触体と、前記ディスプレイサーに一端が接続されてこのディスプレイサーの往復動を制限すると共に前記貫通孔内の摺動接触体に挿入されたディスプレイサーロッドとを備え、前記摺動接触体或いは前記ディスプレイサーロッドの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴としたスターリングサイクル機関である。

この請求項５の構成によれば、摺動接触体或いはディスプレイサーロッドの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成形性に優れたエンジニアリングプラスチックで成型することで、必要な耐摩耗性、精度及び強度を有する摺動接触体又はディスプレイサーロッドを容易に形成することができる。そして、他方に無電解メッキによる平滑な皮膜層を形成したことにより、耐磨耗性に優れたものにすることができる。また、気体潤滑機構が不要となるから、組付部品点数が削減でき、組立性作業性にも優れたものにすることができる。

また、請求項６の発明は、前記エンジニアリングプラスチックが、短繊維が混合された繊維強化プラスチックであるものである。

この請求項６の構成によれば、シリンダ、ピストン、ディスプレイサー、ピストンリング、ディスプレイサーロッド、摺動接触体等の耐摩耗性、精度及び強度が更に向上する。

更に、請求項７の発明は、前記エンジニアリングプラスチックに二硫化モリブデン及びＰＴＦＥ等の固体潤滑剤が添加されているものである。

この請求項７の構成によれば、シリンダとピストン、ディスプレイサー及び／又はピストンリングとの摺動面、又はディスプレイサーロッドとピストン及び／又は摺動接触体との摺動面の潤滑性が向上する。

請求項１乃至５の発明によれば、必要な耐摩耗性、精度及び強度を有するシリンダ、ピストン、ディスプレイサー、ピストンリング、ディスプレイサーロッド及び／又は摺動接触体が形成されるので、スターリングサイクル機関の信頼性、耐久性及び効率を高めることができるばかりでなく、これらのシリンダ、ピストン、ディスプレイサー、ピストンリング、ディスプレイサーロッド及び／又は摺動接触体等をよく知られたプラスチック成形によって容易に製造することができる。

また、請求項６の発明によれば、前記エンジニアリングプラスチックが繊維強化プラスチックであるものであるから、シリンダ、ピストン、ディスプレイサー、ピストンリング、ディスプレイサーロッド、摺動接触体等の耐摩耗性、精度及び強度が更に向上するので、スターリングサイクル機関の信頼性、耐久性及び効率を更に高めることができる。

更に、請求項７の発明によれば、前記エンジニアリングプラスチックに固体潤滑剤が添加されているものであるから、シリンダとピストン、ディスプレイサー及び／又はピストンリングとの摺動面の潤滑性が向上するので、潤滑のための複雑な構造が不要となり、シリンダ、ピストン、ディスプレイサー及び／又はピストンリングの構造が単純化され、シリンダ、ピストン、ディスプレイサー及び／又はピストンリングの成形加工が容易にできると共に、部品点数が削減できるので、組立性の向上を図ることができ、これによって製造コストの低減を図ることができるばかりでなく、シリンダ、ピストン、ディスプレイサー及び／又はピストンリングの構造が単純になることによって、スターリングサイクル機関の信頼性を更に高めることができる。

以下、本発明の第１実施形態について、添付図を参照して説明する。なお、本実施形態では、スターリングサイクル機関の一例として、フリーピストン型のスターリング冷凍機を用いて説明する。また、以下の説明における上下は、図１の姿勢を基準とする。図１において、１は略円筒状に形成された円筒部２と胴部３とで構成されるケーシングである。前記円筒部２はステンレス鋼などからなり、基部４と中間部５と先端部６が一体に構成されている。

前記円筒部２の内部には、前記胴部３の内部まで延びるシリンダ７が、前記円筒部２に対して同軸的に挿入されて設けられている。このシリンダ７の先端部６側には、このシリンダ７とは別体の延長シリンダ部７Ａが同軸状に接続されている。そして、前記胴部３側となる前記シリンダ７は、アルミニウム等の金属を用いてダイカスト等の鋳造を行うことによって、後述するマウント26，27及び接続用腕部30と一体に成形されたものであり、鋳造後にシリンダ７の内外周などを切削加工したものである。そして、前記シリンダ７の先端側及び延長シリンダ部７Ａの内側には、ディスプレイサー８が軸方向に摺動可能に収容されている。また、このディスプレイサー８の先端と前記円筒部２の先端部６の間には膨張室Ｅが形成されており、隙間９によって前記延長シリンダ部７Ａの内外が連通されている。また、前記中間部５において、前記円筒部２の内周と前記シリンダ７の外周との間に再生器10が設けられていると共に、前記基部４において、前記シリンダ７の内外を連通する連通孔11が前記シリンダ７自体に形成されている。また、前記円筒部２の先端部６の内周と前記延長シリンダ部７Ａの先端外周との間には、吸熱フィン12が設けられると共に、前記再生器10と連通孔11の間において、前記円筒部２の内周と前記シリンダ７の外周との間に放熱フィン13が設けられている。そして、前記延長シリンダ部７Ａの内部先端から隙間９、吸熱フィン12、再生器10、放熱フィン13、連通孔11を通って前記シリンダ７内の圧縮室Ｃに至る経路14が形成されている。更に、前記胴部３内において、前記シリンダ７の基部側の内側には、ピストン15が軸方向に摺動可能に収容されている。そして、このピストン15の基端部は、駆動機構16に対して同軸的に連結されている。なお、この駆動機構16は、前記ピストン15の基端に接続体15Ａによって接続されていると共に前記シリンダ７の基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の支持体17と、この支持体17の先端側の内周面に固定された短円筒状の永久磁石18と、この永久磁石18の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル19と、前記永久磁石18の内周に近接して設けられた導磁部20とで構成されている。また、前記ピストン15には、このピストン15と同軸にロッド貫通孔15Ｂが形成されており、このロッド貫通孔15Ｂに、後述するロッド22が挿通される。

また、前記シリンダ７の内周面には、表面の硬度を高めて耐磨耗性を向上させるために、亜鉛−クロム酸やニッケル等の無電解メッキによる平滑な皮膜層７Ｂが形成される。一方、前記ピストン15及びディスプレイサー８は、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックであるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド；polyphenylene sulfide）によって一体成形される。なお、これらピストン15及びディスプレイサー８を形成するＰＰＳは、炭素の短繊維が混合されることでＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック；carbon fiber reinforced plastic）となっており、寸法安定性、機械的強度及び耐摩耗性が更に向上されている。また、前記ＰＰＳは、二硫化モリブデンやＰＴＦＥ等の固体潤滑剤が添加されていることで、潤滑性が付加されている。そして、前記ピストン15及びディスプレイサー８は、よく知られているプラスチックの成型手法によって、簡単に製造される。

また、前記ピストン15に支持体17を接続させる接続体15Ａには、前記ピストン15の動作を制御するための第一の板バネ21が接続されている。更に、前記ディスプレイサー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（ディスプレイサーロッド）の一端が接続されていると共に、このロッド22の他端には第二の板バネ23が接続されている。なお、前記ロッド22は前記ピストン15のロッド貫通孔15Ｂを貫通して延びている。また、前記ロッド22は、比較的硬質なステンレス鋼で形成されている。更に、前記一対の板バネ21，23は、前記胴部３内において前記シリンダ７の基端側の外部に配置されていると共に、前記第一の板バネ21よりも第二の板バネ23が前記シリンダ７の基端側から離れた位置に配置されている。なお、前記電磁コイル19は電磁コア24に巻かれるように設けられていると共に、この電磁コア24は電磁コイル19等と共に一体化されている。

また、前記シリンダ７の中間部の外周面には、該シリンダ７と同軸状に突出するマウント26が一体に形成されていると共に、このマウント26よりも基端側の位置に、フランジ状のマウント27が前記シリンダ７と一体に成形されている。これら一対のマウント26，27は間隔をおいて形成されていると共に、前記マウント26は、前記円筒部２の基部４にＯ−リング26Ａを介して当接してシリンダ７をケーシング１の円筒部２に固定する。一方、前記マウント27は、その一側面27Ａが、前記胴部３内部の取付部３Ａに当接してこの取付部３Ａに対して螺子止めされるように構成されていると共に、その他側面27Ｂに、前記駆動機構16を構成する電磁コア24の一端が当接するように形成されている。また、前記電磁コア24の他端には固定リング28が当接しており、この固定リング28と前記マウント27とで前記電磁コア24を挟持してビス29によって締め付けることによって、前記電磁コア24、ひいてはこの電磁コア24と一体化している前記電磁コイル19が前記マウント27に固定される。更に、前記マウント27の他側面27Ｂから、複数の接続用腕部30が前記シリンダ７の軸方向と略平行に突設されている。なお、前記接続用腕部30は、基端30Ａにおいて前記マウント27と一体に形成されている。そして、接続用腕部30の先端部に、前記第一の板バネ21がスペーサー31によって取り付けられていると共に、このスペーサー31に対して、前記第二の板バネ23がビス32によって取り付けられている。

なお、図中33はケーシング１の他端に設けた振動吸収ユニットであり、前記シリンダ７の軸線上に配置された連結部を介して、複数の板バネ34とバランスウエイト35が同軸状に重なるように配置されている。

したがって、前記シリンダ７は、前記マウント26を円筒部２の基部４の内側にＯ−リング26Ａを介して当接させると共に、前記マウント27の一側面27Ａを前記胴部３内部の取付部３Ａに当接させてこの取付部３Ａに対して図示しないビスによって螺子止めすることで、前記ケーシング１に対して固定される。この際、前記マウント26が円筒部２の内面にＯ−リング26Ａを介して当接することで、前記シリンダ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、前記シリンダ７は、このシリンダ７の基端側の外周に導磁部20を取り付けると共に、前記シリンダ７と一体に形成されたマウント27に対して、前記固定リング28及びビス29によって、前記駆動機構16を構成する電磁コイル19及び電磁コア24を固定する。更に、前記シリンダ７内に前記ディスプレイサー８、ピストン15等を組み込み、このピストン15の基端の接続体15Ａに取り付けられた第一の板バネ21を前記腕部30とスペーサー31との間で挟持して固定すると共に、前記ディスプレイサー８に接続されたロッド22の他端に接続された第二の板バネ23を前記スペーサー31の他端に固定する。その後に、前記胴部３と円筒部２を接続し、予め組み立てられた振動吸収ユニット33を前記胴部３に取り付ける。

そして、前記構成により、前記電磁コイル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電磁コア24で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石18を軸方向に往復動させる力が生じる。この力によって、前記永久磁石18を固定した支持体17に接続されたピストン15がシリンダ７内を軸方向に往復動する。このため、前記ピストン15が前記ディスプレイサー８に近づく方向に移動すると、前記ピストン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、前記連通孔11、放熱フィン13、再生器10、吸熱フィン12、隙間９を通り、前記ディスプレイサー８の先端と円筒部２の先端部６の間に形成された膨張室Ｅに至ることで、前記ディスプレイサー８が前記ピストン15に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン15が前記ディスプレイサー８から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Ｃの内部が負圧となり、前記膨張室内の気体が前記膨張室Ｅから前記隙間９、吸熱フィン12、再生器10、放熱フィン13、連通孔11を通って前記圧縮室Ｃに還流することで、前記ディスプレイサー８が前記ピストン15に対して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、前記膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Ｃの近傍は高温となる。

そして、前記駆動装置16の電磁コイル19で発生する交番磁界によって、前記永久磁石18を軸方向に往復動させる力が生じるので、この力によって、前記永久磁石18を固定した支持体17に接続されたピストン15がシリンダ７内で軸方向に往復動すると共に、前記ピストン15の往復動に従動して、前記ディスプレイサー８も、前記ピストン15と所定の位相差をもって往復動する。このとき、前記ピストン15及びディスプレイサー８は、前記シリンダ７の内面に対して摺接し、同時に、前記ロッド22が前記ピストン15のロッド貫通孔15Ｂの内面と摺接するが、前記シリンダ７の内周面に耐磨耗性に優れた皮膜層７Ｂが形成されているため、ピストン15及びディスプレイサー８の摺動面となるシリンダ７の内周面の耐摩耗性が向上し、また、前記ロッド22自体も比較的硬質なステンレス鋼によって形成されていることで耐摩耗性が高いと共に、前記ピストン15及びディスプレイサー８も耐摩耗性に優れたＰＰＳによって一体成形されているから、ピストン15、ディスプレイサー８及びシリンダ７、ロッド22の摩耗を大幅に抑えることが可能である。また、前記ピストン15及びディスプレイサー８が機械的強度及び寸法安定性に優れたＰＰＳによって形成されていることで、前記ピストン15及びディスプレイサー８が破損する虞を小さくすることができると共に、前記ピストン15及びディスプレイサー８が熱膨張してシリンダ７の内面に密着することで動かなくなってしまうという虞を小さくすることができる。逆に言えば、前記ピストン15及びディスプレイサー８とシリンダ７との空隙を更に小さくしたとしても、熱膨張によって前記ピストン15及びディスプレイサー８がシリンダ７に密着して動かなくなってしまう虞が小さいので、前記ピストン15及びディスプレイサー８とシリンダ７との空隙から漏れる気体の量を減少させ、スターリングサイクル機関の効率を向上させることができる。更に、前記ＰＰＳをＣＦＲＰとすると共に、二硫化モリブデンやＰＴＦＥ等の固体潤滑剤を添加することによって、ピストン15及びディスプレイサー８の強度、精度及び耐摩耗性が更に高められていると共に潤滑性が付加されているので、前記シリンダ７とピストン15及びディスプレイサー８との摺動部位、及び前記ロッド22と前記ピストン15のロッド貫通孔15Ｂとの摺動部位における摩耗が更に抑えられると共に、潤滑性の向上が図られ、シリンダ７、ピストン15及びディスプレイサー８の信頼性、耐久性を高めることができる。また、無電解メッキによって皮膜層７Ｂを形成したシリンダ７の内周面にＰＰＳによって一体成形したピストン15及びディスプレイサー８を組み込むだけなので、従来構造に比べ、シリンダ７、ピストン15及びディスプレイサー８の構造が単純となり、成形加工が容易にできると共に、気体潤滑機構なども不要となるから組付部品点数が削減でき、組立性作業性にも優れるものである。更に、前記ピストン15及びディスプレイサー８自体も、よく知られているプラスチックの成型手法によって、簡単に製造することができる。

なお、この実施形態では、上述したＰＰＳによってピストン及びディスプレイサーを一体成形した例を示したが、これとは逆に、上述したＰＰＳによってシリンダを形成するようにしてもよく、また、前記ロッドの表面を、上述したＰＰＳによって被覆してもよい。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図２は、本発明の第２実施形態を示すスターリングサイクル機関のピストン部分の断面図である。なお、上記した第１実施形態とピストン36以外は同一であるので、同一部分には同一符号を示し、その詳細な説明は省略して詳述する。この実施形態では、ピストン36の外面に外周に沿って二つの溝37が形成され、その溝37には、ＰＰＳで形成されたピストンリング38が嵌め込まれ、前記ピストン36が往復動すると、前記ピストンリング38とシリンダ７の内面とが摺動するようになっている。なお、第１実施形態と同様に、ＰＰＳは機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、更に炭素の短繊維が混合されて寸法安定性、機械的強度及び耐摩耗性が更に向上されており、その上、二硫化モリブデンやＰＴＦＥ等の固体潤滑剤が添加されて潤滑性が付加されている。

本実施形態によると、前記ピストン36が往復動しても、このピストン36が直接前記シリンダ７の内面と接触しないため、前記ピストン36が摩耗することはない。したがって、通常のメンテナンスにおいては前記ピストンリング38を交換するだけでよく、交換が容易でコストも安価ですむ。更に、前記ピストンリング38自体も、上記のようなＰＰＳで形成されているため、成形が容易で、変形が少なく、摩耗しにくく、耐久性が高い。更に、前記ピストンリング38自身の潤滑性によって、前記シリンダ７の内面の摩耗も低減することができ、このシリンダ７の耐久性も向上させることができる。

なお、この実施形態では、前記ピストン36の外面に前記溝37を設けて前記ピストンリング38を取り付けたが、必ずしも前記溝37を設ける必要はなく、前記溝37を形成せずに前記ピストンリング38を取り付けてもよい。また、前記ディスプレイサー８の外面に前記ピストンリング38を取り付けることもできる。更に、この実施形態では、前記ピストンリング38を上述したＰＰＳで形成したが、これとは逆に、前記シリンダ７を上述したＰＰＳで形成してもよい。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図３は、本発明の第３実施形態を示すスターリングサイクル機関のピストン部分の断面図である。なお、第１実施形態とピストン39以外は同一であり、同一部分には同一符号を示し、その詳細な説明は省略して詳述する。この実施形態では、ピストン39のロッド貫通孔39Ａには二つのスリーブ40(摺動接触体)が嵌通されており、このスリーブ40と前記ロッド22とが摺動するようになっている。ここで前記スリーブ40は、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックであり、更に炭素の短繊維が混合されて寸法安定性、機械的強度及び耐摩耗性が更に向上され、その上、二硫化モリブデンやＰＴＦＥ等の固体潤滑剤が添加されて潤滑性が付加されたＰＰＳで製造されている。

本実施形態によると、前記ピストン39とロッド22とが相対運動しても、前記ピストン39のロッド貫通孔39Ａの内面は前記ロッド22と直接接していないため、前記ピストン39自体が摩耗することはなく、メンテナンスの際には前記スリーブ40を交換するだけでよい。したがってコストが安価ですむ。更に、前記スリーブ40自体も上記ＰＰＳによって形成されているため、摩耗が少なく、寸法安定性に優れ、機械的強度が高く、潤滑性が高いため、長期間にわたって安定した動作を確保することができ、耐久性を向上させることができる。また、前記スリーブ40自身の潤滑性が高いため、これと摺接する前記ロッド22の摩耗も低減され、前記ロッド22の耐久性も向上させることができる。

なお、この実施形態では、前記スリーブ40を上述したＰＰＳで形成したが、これとは逆に、前記ロッド22の外周面を上述したＰＰＳで被覆してもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態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、上述した実施形態においては、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックとしてＰＰＳを用いたが、これ以外のエンジニアリングプラスチック、例えばＰＯＭ（ポリオキシメチレン；polyoxymethylene）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン；poly ether ether ketone （登録商標））等を用いてもよい。また、前記実施形態では、上記条件を満たしたエンジニアリングプラスチックに炭素の短繊維を混合することでＣＦＲＰとしたが、炭素の代わりにガラスの短繊維を混合することでＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック；glass fiber reinforced plastic）としてもよい。更に、上記各実施形態では、スターリングサイクル機関の一例として、逆スターリングサイクルを応用したフリーピストン型のスターリング冷凍機を用いて説明したが、これ以外のスターリングサイクル機関、例えばフリーピストン型以外のスターリング冷凍機や、スターリングサイクルを応用したスターリングエンジンに適用してもよい。

本発明の第１実施形態を示すスターリングサイクル機関の全体断面図である。本発明の第２実施形態を示すスターリングサイクル機関のピストン部分の断面図である。本発明の第３実施形態を示すスターリングサイクル機関のピストン部分の断面図である。

符号の説明

１ケーシング
２円筒部
７シリンダ
７Ｂ皮膜層
８ディスプレイサー
15，36，39 ピストン
15Ｂ，39Ａロッド貫通孔（貫通孔）
16 駆動機構
22 ロッド（ディスプレイサーロッド）
38 ピストンリング
40 スリーブ（摺動接触体）

Claims

ケーシングと、このケーシングに同軸状に挿入されたシリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されたディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されたピストンと、前記シリンダの基端側の外周側に配置され前記ピストンを往復駆動させる駆動装置とを備え、前記シリンダの内周面或いは前記ピストン及び／又はディスプレイサーの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴とするスターリングサイクル機関。
ピストンと、ディスプレイサーと、これらピストンとディスプレイサーが摺動可能に挿入されたシリンダとを有し、前記シリンダの内周面或いは前記ピストン及び／又はディスプレイサーの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴とするスターリングサイクル機関。
ピストンと、ディスプレイサーと、これらピストンとディスプレイサーが摺動可能に挿入されたシリンダと、前記ピストン及び／又はディスプレイサーの外面に取り付けられたピストンリングとを有し、前記シリンダの内周面或いは前記ピストンリングの何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴とするスターリングサイクル機関。
シリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されたディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されると共に同軸の貫通孔が形成されたピストンと、前記ディスプレイサーに一端が接続されてこのディスプレイサーの往復動を制限すると共に前記貫通孔に挿入されたディスプレイサーロッドとを備え、前記貫通孔の内周面或いは前記ディスプレイサーロッドの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴とするスターリングサイクル機関。
シリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されたディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されると共に同軸の貫通孔が形成されたピストンと、前記貫通孔に挿入された摺動接触体と、前記ディスプレイサーに一端が接続されてこのディスプレイサーの往復動を制限すると共に前記貫通孔内の摺動接触体に挿入されたディスプレイサーロッドとを備え、前記摺動接触体或いは前記ディスプレイサーロッドの外周面の何れか一方を、耐摩耗性、寸法安定性、機械的強度及び成型性に優れたエンジニアリングプラスチックによって形成し、他方には無電解メッキによる平滑な皮膜層が形成され、気体潤滑機構を備えないことを特徴とするスターリングサイクル機関。
前記エンジニアリングプラスチックは短繊維が混合された繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のスターリングサイクル機関。
前記エンジニアリングプラスチックに二硫化モリブデン及びＰＴＦＥ等の固体潤滑剤が添加されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のスターリングサイクル機関。