JP3862662B2

JP3862662B2 - スターリング機関

Info

Publication number: JP3862662B2
Application number: JP2003019881A
Authority: JP
Inventors: 浩至安村; 和士吉村; 真司山上; 義之北村; 仁坂元
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: JP2004232508A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンとディスプレーサの往復運動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温・高温または電力・動力を得るスターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８はスターリング機関のひとつであるスターリング冷凍機の一従来構成を示す概略断面図である。本図に示すスターリング冷凍機は、シリンダ３の内側面（シリンダ摺動面３ａ）を滑らかに往復摺動するピストン１とディスプレーサ２を有して成る。ピストン１とディスプレーサ２は同軸上に配設されており、ディスプレーサ２の一端を形成するロッド２ａは、ピストン１の中心部に設けられた摺動穴１ｂを貫通している。なお、ピストン１およびディスプレーサ２は、各々ピストン支持バネ５およびディスプレーサ支持バネ６を介して圧力容器４に弾性支持されている。
【０００３】
圧力容器４の内部空間は、ピストン１によって２つの空間に分割されている。一方は、ピストン１から見てディスプレーサ２側にある作動空間７であり、他方は、ピストン１から見て作動空間７とは反対側、すなわちシリンダ３の末端側にある背面空間８である。これらの空間には、高圧ヘリウムガス等の作動媒体が充填されている。また、作動空間７は、ディスプレーサ２によってさらに２つの空間に分割されている。一方は、ピストン１とディスプレーサ２によって挟まれた第１作動空間７ａ（圧縮空間）であり、他方は、ディスプレーサ２から見て第１作動空間７ａとは反対側、すなわちシリンダ３の先端側にある第２作動空間７ｂ（膨張空間）である。なお、両作動空間は、再生器９を介して連結されている。
【０００４】
ピストン１は、リニアモータ等の図示しない駆動部によって、所定周期で往復運動される。これにより、作動媒体は作動空間７内で圧縮・膨張される。ディスプレーサ２は、作動媒体の圧縮・膨張に伴う圧力変化によって、直線的に往復運動される。このとき、ピストン１とディスプレーサ２は、所定の位相差をもって同一周期にて往復運動することになる。
【０００５】
なお、上記構成から成るスターリング冷凍機において、シリンダ摺動面３ａとピストン摺動面１ａとの間、およびロッド２ａとピストン摺動穴１ｂとの間には、作動空間７と背面空間８とを遮断するガスシールが施されている。なお、該ガスシールは、接触する部材間にシールリングを設けたり、両部材を高精度に嵌合したりすることで実現されている。
【０００６】
しかしながら、どのようなガスシールを施しても、作動空間７と背面空間８を完全に遮断することはできず、作動媒体が微小な隙間を介して両空間を流動することは避けられない。そのため、ピストン１が作動空間７方向に運動しているときには、第１作動空間７ａの圧力が背面空間８の圧力よりも高くなり、作動媒体は第１作動空間７ａから背面空間８へと流動する。逆に、ピストン１が背面空間８方向に運動しているときには、第１作動空間７ａの圧力が背面空間８の圧力よりも低くなり、作動媒体は背面空間８から第１作動空間７ａへと流動する。
【０００７】
ここで、第１作動空間７ａと背面空間８との圧力差は、ピストン１が背面空間８方向に運動しているときより、作動空間７方向に運動しているときの方が大きい。そのため、第１作動空間７ａの作動媒体は、ピストン１の往復運動１サイクル毎に少しずつ背面空間８へと流出していくことになる。このような状況を放置しておくと、背面空間８の圧力が徐々に高くなるため、ピストン１の往復運動中心位置が初期位置から作動空間７側にずれて、ピストン１が物理的な運動限界位置に達したり、ピストン１とディスプレーサ２が衝突したり、ディスプレーサ２が圧力容器４に衝突したりするおそれがある。
【０００８】
そこで、特許文献１に、作動空間と背面空間との圧力バランスを保つことでピストンの往復運動中心位置ずれを抑える技術が開示されている。図９は特許文献１に開示されたスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。本図に示すスターリング冷凍機において、ピストン１は、第１作動空間７ａとピストン摺動面１ａを結ぶ第１流路１ｃを有しており、シリンダ３は、背面空間８とシリンダ摺動面３ａを結ぶ第２流路３ｂを有している。なお、第１流路１ｃの開口部１ｄ（ピストン摺動面１ａ側）と、第２流路３ｂの開口部３ｃ（シリンダ摺動面３ａ側）は、ピストン１が初期の往復運動中心位置にあるときだけ対向するように配設されている。
【０００９】
しかしながら、出願人が特願２００２−２５９８５４で問題提起したように、このような流路を設けたとしても実際には背面空間８の方が作動空間７よりも圧力が高くなり、ピストン１の往復運動中心位置が初期位置から作動空間７側にずれる。
【００１０】
そこで、上記の問題を解決する技術として、出願人は特願２００２−２５９８５４において、第１流路１ｃと第２流路３ｂをピストン１の初期の往復運動中心位置よりも背面空間８側で連通させることでピストン１の往復運動中心位置ずれを抑える技術を提案している。図１０は、特願２００２−２５９８５４に記載したスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。本図に示すスターリング冷凍機において、ピストン１は、第１作動空間７ａとピストン摺動面１ａを連通する第１流路１ｃを有しており、シリンダ３は、背面空間８とシリンダ摺動面３ａを連通する第２流路３ｂを有している。なお、第１流路１ｃのピストン摺動面１ａ側の開口部（以下、第１流路開口部１ｄと称する）と、第２流路３ｂのシリンダ摺動面３ａ側の開口部３ｃ（以下、第２流路開口部３ｃと称する）は、ピストン１が初期の往復運動中心位置よりも背面空間８側にあるときだけ対向するように配設されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−０３９２２２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、特願２００２−２５９８５４に記載したスターリング冷凍機であれば、ピストン１の初期の往復運動中心位置近傍で、ピストン１の往復運動１サイクル毎に第１作動空間７ａから背面空間８へ流動する作動媒体流量と、背面空間８から第１作動空間７ａへ流動する作動媒体流量を平衡させることができる。
【００１３】
しかしながら、上記構成から成るスターリング冷凍機の組立時に、第１流路開口部１ｄが第2流路開口部３ｃに対して作動空間７側にあった場合に、作動媒体を封入する作業を開始すると作動媒体を作動空間に円滑に流入できなくなり新たな問題を生じることがある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、背面空間８に設けた作動媒体流入口（図示せず）から作動媒体を封入する作業を開始すると、背面空間８から作動空間７側に作動媒体が流動する流路が無いため、作動空間７に作動媒体が流入できず、背面空間８内の作動媒体の圧力上昇が開始する。そして、ピストン１はその圧力上昇の影響を受けて作動空間７側へ移動することになるが、第１流路開口部１ｄと第２流路開口部３ｃとが対向することがないため、ピストン１の作動空間７側への移動は継続され、ピストン１が物理的な運動限界位置に達し、ピストン１やピストン支持バネ５が破損するという問題があった。
【００１５】
なお、上述の特願２００２−２５９８５４に記載したスターリング冷凍機では、図１１のように第１流路１ｃと第２流路３ｂがピストン１の初期の往復運動中心位置よりも背面空間８側で連通し、且つピストン１の初期の往復運動中心位置でも連通する構成も提案している。
【００１６】
しかしながら、上記構成から成るスターリング冷凍機でも、スターリング冷凍機の作動媒体の封入作業において、図１２のようにピストン１の初期位置がピストン１の自重等の原因によって作動空間７側にずれていると、第１流路開口部１ｄと第２流路開口部３ｃとが対向せず、背面空間８側から作動媒体を封入すると、作動空間７側に作動媒体が流動する流路が無く、ピストン１が作動空間７側に押されることによって、ピストン１が物理的な運動限界位置に達し、ピストン１やピストン支持バネ５が破損するという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、スターリング機関の組立時におけるピストンやピストン支持バネの破損がなく、ピストンの往復運動中心位置ずれを抑制したスターリング機関を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るスターリング機関は、シリンダの内側をリニアモータによって往復運動するピストンと、前記シリンダの内側において前記ピストンに対向し、前記ピストンの動きによって駆動されるディスプレーサーと、を備え、前記ピストンと前記ディスプレーサーとの間に第１作動空間を、前記ディスプレーサーから見て前記第1作動空間とは反対側に第２作動空間を、前記ピストンから見て前記第１作動空間とは反対側に背面空間を、有するように密閉して形成され、前記背面空間に設けた作動媒体流入口から作動媒体を封入するフリーピストン型のスターリング機関において、前記ピストンには前記第１作動空間と前記ピストン外周面とを連通する第１流路が設けられ、前記シリンダには前記背面空間と前記シリンダ内周面とを連通する第２流路が設けられ、前記第１流路と前記第２流路とが、前記ピストンの動作によって、前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側および前記第１作動空間側で瞬間的に連通するよう形成される。
【００１９】
具体的には、前記ピストンの外周面に設けられた前記第１流路の開口部を複数設け、一方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記第１作動空間側にオフセット、他方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側にオフセットさせるとよい。或いは、前記シリンダの内周面に設けられた前記第２流路の開口部を複数設け、一方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側にオフセット、他方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記第１作動空間側にオフセットさせるとよい。
【００２０】
このような構成とすることにより、スターリング機関の組立時（作動媒体封入時）においてピストンやピストン支持バネが破損することなく、スターリング機関を組み立てることが可能となる。
【００２１】
なお、上記構成から成るスターリング機関において、第１流路の開口部は、位置に応じて形状および／または断面積が異なる構成にするとよい。或いは、第２流路について、開口部の形状および／または断面積を位置に応じて変えてもよい。このような構成とすることにより、第１、第２流路連通時の作動媒体流量を調節することができるようになるので、無駄な作動媒体の流動によるスターリング機関の性能低下を抑えつつ、ピストンの往復運動中心位置ずれを抑えることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態について、図１〜図３を参照しながら詳細な説明を行う。図１は本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態を示す概略断面図であり、図２は第１実施形態におけるピストンの周辺構造を示す概略断面図である。なお、以下に示す実施形態においてはいずれも前述した従来構成と同様の部材については、図８〜図１２と同一の符号を付すことで説明を省略する。
【００２３】
図２に示す通り、本実施形態のスターリング冷凍機において、第１流路開口部１ｄと、第２流路開口部３ｃは、ピストン１が初期の往復運動中心位置よりも背面空間８側および第１作動空間７ａ側の両方（少なくとも２箇所）で対向するように配設されている。具体的に言うと、第１流路開口部１ｄは作動空間側第１流路開口部１ｅと背面空間側第１流路開口部１ｆに分けられ、作動空間側第１流路開口部１ｅは、ピストン１の往復運動中心位置の初期位置よりも作動空間７側にオフセット、背面空間側第１流路開口部１ｆは、ピストン１の初期の往復運動中心位置よりも背面空間８側にオフセットして設けられており、第２流路開口部３ｃは、ピストン１の初期の往復運動中心位置に配設されている。なお、作動空間側第１流路開口部１ｅおよび／または背面空間側第１流路開口部１ｆは、２箇所以上設けてもよい。又、ピストン摺動面１ａの同一円周上に複数箇所設けてもよく、その場合、第２流路開口部３ｃは前記開口部１ｄに対応させてシリンダ摺動面３ａの同一円周上に複数箇所設ける。
【００２４】
ここで、スターリング冷凍機の組立時において、背面空間８側から作動媒体を封入すると、図３のようにピストン１が第１作動空間７ａ側に押され、背面空間側第１流路開口部１ｆとシリンダ３の第２流路開口部３ｃとが対向するまで移動する。背面空間側第１流路開口部１ｆと第２流路開口部３ｃとが対向すると、第１流路１ｃと第２流路３ｂを通して作動媒体が背面空間８から第１作動空間７ａに流動することができ、ピストン１がそれ以上押されることはなく、ピストン１やピストン支持バネ５が破損することなく作動媒体を所定の圧力まで封入することができる。
【００２５】
なお、ピストン１の位置が自重等の影響により作動空間７側に少しずれたときであっても、ピストン１の背面空間側第１流路開口部１ｆがシリンダ３の第２流路開口部３ｃよりも背面空間８側に配置されるか、または背面空間側第１流路開口部１ｆが第２流路開口部３ｃと対向している状態になるよう、ピストン１の背面空間側第１流路開口部１ｆのオフセット量を設定する必要がある。
【００２６】
また、オフセット量を大きくすると、スターリング冷凍機運転時に第１作動空間７ａから背面空間８へ流れる作動媒体の流量が増えることにより、背面空間８の圧力が高くなり、ピストン１の往復運動の中心位置が作動空間７側に移動する原因となるため、背面空間８側へのオフセット量は必要最小限にすることが望ましい。このような構成とすることにより、スターリング冷凍機の組立時において、ピストン１やピストン支持バネ５が破損することなく、作動媒体を封入することができる。
【００２７】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第２実施形態について、図４、図５を参照しながら詳細な説明を行う。図４は第２実施形態におけるピストンの周辺構造を示す概略断面図である。
【００２８】
図４に示す通り、本実施形態のスターリング冷凍機において、第１流路開口部１ｄと、第２流路開口部３ｃは、ピストン１が初期の往復運動中心位置より背面空間８側および作動空間７側の両方（少なくとも２箇所）で対向するように配設されている。具体的に言うと、第２流路開口部３ｃは作動空間側第２流路開口部３ｄと背面空間側第２流路開口部３ｅに分けられ、作動空間側第２流路開口部３ｄはピストン１の往復運動中心位置の初期位置よりも作動空間７側にオフセット、背面空間側第２流路開口部３ｅはピストン１の往復運動中心位置の初期位置よりも背面空間８側にオフセットして設けられており、第１流路開口部１ｄはピストン１の往復運動中心位置の初期位置に配設されている。なお、作動空間側第２流路開口部３ｄおよび／または背面空間側第２流路開口部３ｅは２箇所以上設けてもよい。又、シリンダ摺動面３ａの同一円周上に複数箇所設けてもよく、その場合、第１流路開口部１ｄは前記開口部３ｃに対応させて前記ピストン摺動面１ａの同一円周上に複数箇所設ける。
【００２９】
ここで、スターリング冷凍機の組立時において、背面空間８側から作動媒体を封入すると、図５のようにピストン１が第１作動空間７ａ側に押され、第１流路開口部１ｄとシリンダ３の作動空間側第２流路開口部３ｄとが対向するまで移動する。第１流路開口部１ｄと作動空間側第２流路開口部３ｄとが対向すると、第１流路１ｃと第２流路３ｂを通して作動媒体が背面空間８から第１作動空間７ａに流動することができ、ピストン１がそれ以上押されることはなく、ピストン１やピストン支持バネ５が破損することなく作動媒体を所定の圧力まで封入することができる。
【００３０】
なお、ピストン１の位置が自重等の影響により作動空間７側に少しずれたときであっても、シリンダ３の作動空間側第２流路開口部３ｄがピストン１の第１流路開口部１ｄよりも作動空間７側に配置されるか、または作動空間側第２流路開口部３ｄが第１流路開口部１ｄと対向している状態となるよう、シリンダ３の作動空間側第２流路開口部３ｄのオフセット量を設定する必要がある。また、オフセット量を大きくすると、第１作動空間７ａと背面空間８との圧力差が大きいときに第１流路開口部１ｄと作動空間側第２流路開口部３ｄとが対向することになるため、スターリング冷凍機運転時に第１作動空間７ａから背面空間８へ流れる作動媒体の流量が増えることになり、それによって背面空間８の圧力が高くなってしまい、ピストン１の往復運動の中心位置が作動空間７側に移動する原因となるため、作動空間７側へのオフセット量は必要最低限にすることが望ましい。このような構成とすることにより、スターリング冷凍機の組立時において、ピストン１やピストン支持バネ５が破損することなく、作動媒体を封入することができる。
【００３１】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第３実施形態について、図６を参照しながら詳細な説明を行う。図６は第３実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。本図に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、第１実施形態の構成に加えて、ピストン１の第１流路開口部１ｄの形状および／または断面積を位置に応じて変化させた構成としている。このような構成とすることにより、無駄な作動媒体の流動によるスターリング冷凍機の性能低下を抑えつつ、ピストン１の往復運動中心位置の作動空間７側への移動を抑制することができる。
【００３２】
ここで、背面空間側第１流路開口部１ｆの断面積を大きくすると、スターリング冷凍機の運転時において、第１作動空間７ａから背面空間８へ流動する作動媒体の流量が増えることにより、背面空間８の圧力が高くなり、ピストン１の往復運動の中心位置が作動空間７側に移動する原因となるため、背面空間側第１流路開口部１ｆの断面積は作動空間側第１流路開口部１ｅの断面積よりも小さくし、必要最小限にすることが望ましい。このような構成とすることにより、スターリング冷凍機の組立時において、ピストン１やピストン支持バネ５が破損することなく、無駄な作動媒体の流動によるスターリング冷凍機の性能低下を抑えつつ、ピストン１の往復運動中心位置の作動空間７側への移動を抑制することができる。
【００３３】
即ち、背面空間側第１流路開口部１ｆは背面空間８に作動媒体を封入するためのものであり、作動空間側第１流路開口部１ｅはピストン１の往復運動中心位置の作動空間７側への移動を抑制するためのものであって、ピストン１の往復運動における作動空間側第１流路開口部１ｅの媒体流量が背面空間側第１流路開口部１ｆの媒体流量および第１作動空間７ａから背面空間８へ漏洩する媒体流量と同じになるように断面積が設定されている。
【００３４】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第４実施形態について、図７を参照しながら詳細な説明を行う。図７は第４実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。本図に示すように、本実施形態のスターリング冷凍機は、第２実施形態の構成に加えて、シリンダ３の第２流路開口部３ｃの形状および／または断面積を位置に応じて変化させた構成としている。このような構成とすることにより、無駄な作動媒体の流動によるスターリング冷凍機の性能低下を抑えつつ、ピストン１の往復運動中心位置の作動空間７側への移動を抑制することができる。
【００３５】
ここで、作動空間側第２流路開口部３ｄの断面積を大きくすると、スターリング冷凍機の運転時において、第１作動空間７ａから背面空間８へ流動する作動媒体の流量が増えることにより、背面空間８の圧力が高くなり、ピストン１の往復運動の中心位置が作動空間７側に移動する原因となるため、作動空間側第２流路開口部３ｄの断面積は背面空間側第２流路開口部３ｅの断面積よりも小さくし、必要最小限にすることが望ましい。このような構成とすることにより、スターリング冷凍機の組立時において、ピストン１やピストン支持バネ５が破損することなく、無駄な作動媒体の流動によるスターリング冷凍機の性能低下を抑えつつ、ピストン１の往復運動中心位置の作動空間７側への移動を抑制することができる。
【００３６】
なお、上記の実施形態では、本発明をスターリング冷凍機に適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、スターリングエンジン、発電機、ヒートポンプ、圧縮機などのスターリング機関全般に広く適用することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、スターリング機関の組立における作動媒体封入時にピストンやピストン支持バネの破損がなく、運転時にピストンの往復運動中心位置がずれるのを抑制できるスターリング機関を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態において流路が連通した時のピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態において流路が連通した時のピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図８】スターリング冷凍機の一従来構成を示す概略断面図である。
【図９】特許文献１に開示されたスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。
【図１０】出願人が先に出願したスターリング冷凍機の構成を示す概略断面図である。
【図１１】出願人が先に出願したスターリング冷凍機におけるピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【図１２】出願人が先に出願したスターリング冷凍機においてピストン位置がずれた時のピストン周辺構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ピストン
１ａピストン摺動面
１ｂピストン摺動穴
１ｃ第１流路（ピストン側流路）
１ｄ第１流路開口部
１ｅ作動空間側第１流路開口部
１ｆ背面空間側第１流路開口部
２ディスプレーサ
３シリンダ
３ａシリンダ摺動面
３ｂ第２流路（シリンダ側流路）
３ｃ第２流路開口部
３ｄ作動空間側第２流路開口部
３ｅ背面空間側第２流路開口部
５ピストン支持バネ
７作動空間
７ａ第１作動空間
８背面空間

Claims

シリンダの内側をリニアモータによって往復運動するピストンと、前記シリンダの内側において前記ピストンに対向し、前記ピストンの動きによって駆動されるディスプレーサーと、を備え、前記ピストンと前記ディスプレーサーとの間に第１作動空間を、前記ディスプレーサーから見て前記第1作動空間とは反対側に第２作動空間を、前記ピストンから見て前記第１作動空間とは反対側に背面空間を、有するように密閉して形成され、前記背面空間に設けた作動媒体流入口から作動媒体を封入するフリーピストン型のスターリング機関において、
前記ピストンには前記第１作動空間と前記ピストン外周面とを連通する第１流路が設けられ、前記シリンダには前記背面空間と前記シリンダ内周面とを連通する第２流路が設けられ、前記第１流路と前記第２流路とが、前記ピストンの動作によって、前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側および前記第１作動空間側で瞬間的に連通するよう形成されることを特徴とするスターリング機関。
前記ピストンの外周面に設けられた前記第１流路の開口部は複数設けられ、一方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記第１作動空間側にオフセット、他方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側にオフセットして形成され、
前記第１流路の複数の開口部は、位置に応じて形状および／または断面積が異なることを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。
前記シリンダの内周面に設けられた前記第２流路の開口部は複数設けられ、一方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記背面空間側にオフセット、他方は前記ピストンの所期の往復運動中心位置よりも前記第１作動空間側にオフセットして形成され、
前記第２流路の複数の開口部は、位置に応じて形状および／または断面積が異なることを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。