JP6253965B2

JP6253965B2 - スターリングサイクル機関

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Publication number: JP6253965B2
Application number: JP2013248821A
Authority: JP
Inventors: 能男成澤; 勝司難波; 壮志鈴木
Original assignee: Twinbird Corp
Current assignee: Twinbird Corp
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: JP2015105629A

Description

本発明は、フリーピストン型の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、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往復摺動可能に挿入されると共に、前記ピストンを駆動機構（本発明の電磁機構に相当する）によって往復駆動させるものがあった。そして、前記シリンダは、このシリンダに形成されたフランジ状のマウントを、前記ケーシングに固定された取付部材にビス止めすることにより、前記ケーシングに固定されていた（例えば特許文献１)。なお、図７に示すように、前記取付部材１００は、前記ケーシング１０１の胴部１０２の端面部１０３に、前記ケーシング１０１の軸Ｘ´に対して直交する当接面１０５を形成し、この当接面１０５に対し熔接することで固定されていた。

特許第３７６９７５１号公報

しかしながら、このようなフリーピストン型のスターリングサイクル機関は、長期間の使用により、熔接部分Ｗ´が破断して、前記取付部材１００が前記ケーシング１０１から外れてしまう虞があった。詳述すると、図８（ａ）（ｂ）に示すように、ピストンとディスプレイサーの往復運動や前記ケーシング１０１内の温度上昇等によって圧力変動が生じると、前記ケーシング１０１の胴部１０２が変形する。この際、前記胴部１０２は、円筒状に形成された側面部１０４の径が拡縮するように変形し難いが、矢印で示したように、前記端面部１０３が内外に出没するようには変形し易い。そして、矢印で示すように、前記端面部１０３が内外に出没するように変形すると、前記当接面１０５は、同一平面状であることを保つことができない。一方、前記取付部材１００には、シリンダのマウントがビス止めされるので、変形し難い。これらの要因によって、前記当接面１０５と取付部材１０５の熔接部分Ｗ´に過大な応力が加わることになる。なお、前記駆動機構に通電することで前記ピストンを往復動させるフリーピストン型のスターリング冷凍機ばかりでなく、外部から熱を与えることでピストンとディスプレイサーを往復動させるフリーピストン型のスターリング発電機等でも、同様の問題があった。

本発明は以上の問題点を解決し、長期使用に対し信頼性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。

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、小径円筒状に形成された先端側の円筒部と大径円筒状に形成された基端側の胴部とを有するケーシングと、このケーシング内に同軸状に挿入された金属製のシリンダと、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、前記シリンダの外周に取り付けられて該シリンダを前記ケーシング内部に固定するマウントと、前記ケーシングの内面に固定されて前記マウントを支持するための取付部材とを有するスターリングサイクル機関において、前記取付部材が、前記シリンダの中心軸線と直交して形成されると共に前記マウントが取り付けられる平環状の取付部と、この取付部の外周部に設けられた短円筒状の補強環と、この補強環から突出して設けられた複数の固定部とを有すると共に、これらの固定部が前記胴部の筒状側面部に熔接固定されるものである。

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、前記取付部材とケーシングとが同一素材によって形成されるものである。

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、前記ケーシング内の圧力が変動しても、前記取付部材とケーシングとの熔接部分に、変形による応力が加わり難いので、熔接部分の破損を抑制して故障し難くすることができる。

なお、前記取付部材を、平環状の前記取付部と、短円筒状の補強環と、この補強環から突出して形成された前記固定部とで一体形成することで、前記取付部材自体の変形を抑えることができるので、この取付部材とケーシングとの熔接部分に、変形による応力が加わり難いようにして、熔接部分の破損を確実に抑制して故障し難くすることができる。

また、前記取付部材とケーシングとを同一素材によって形成することで、前記ケーシングと取付部材が共に熱膨張しても、熔接部分に応力が加わり難いようにして、熔接部分の破損をより確実に抑制することができる。

本発明の一実施形態を示すスターリングサイクル機関の断面図である。同、Ａ−Ａ拡大断面図である。同、取付部材の底面図である。同、取付部材のＢ−Ｂ断面図である。同、取付部材のケーシングへの取付構造を示す断面図である。同、熔接部分付近の拡大図であり、（ａ）は外方へ膨張した状態、（ｂ）は内方へ収縮した状態を示す。従来のスターリングサイクル機関において、取付部材のケーシングへの取付構造を示す断面図である。同、熔接部分付近の拡大図であり、（ａ）は外方へ膨張した状態、（ｂ）は内方へ収縮した状態を示す。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至図６に基づいて説明する。１は本発明のスターリングサイクル機関としてのスターリング冷凍機である。このスターリング冷凍機１は、ステンレス鋼等からなるケーシング２を有する。そして、このケーシング２は、第一ケーシング体３と第二ケーシング体４とを有する。前記第一ケーシング体３は、小径円筒状に形成された円筒部５と、基端が開放した大径部６とを有して一体に形成される。そして、前記円筒部５は、閉塞された先端部７と、中間部８と、基部９とを有する。また、前記大径部６は、略円形の突曲面状に形成された一端面部１０と、短円筒状の側面部１１とを有する。同様に、前記第二ケーシング体４は、円筒状の側面部１２と、略円形の突曲面状に形成された他端面部１３とを有する。そして、前記大径部６と前記第二ケーシング体４とで、円筒状の胴部１４が形成される。

前記第一ケーシング体３の大径部６の内側には、取付部材１５が固定される。この取付部材１５は、平環状の取付部１６と、この取付部１６の外周部に直交して設けられた短円筒状の補強環１７と、この補強環１７から突出して設けられた複数の固定部１８とを有する。なお、前記取付部１６には、その中央に挿入孔１９が形成されると共に、複数の螺子孔２０が環状に並んで形成される。また、前記補強環１７と固定部１８は、前記取付部１６の中心軸線Ｘと平行に形成される。そして、前記取付部１６と補強環１７と固定部１８は、プレス機械により折り曲げることで、一体に形成される。また、前記取付部材１５は、前記ケーシング体３と同じステンレス鋼によって形成される。更に、前記取付部材１５は、その固定部１８を前記大径部６の側面部１１の内面に熔接することで、第一ケーシング体３に固定される。なお、前記取付部材１５は、その取付部１６の中心軸線Ｘと前記円筒部５の中心軸線Ｘとが一致するように、前記第一ケーシング体３に固定される。即ち、前記取付部材１５の取付部１６は、前記第一ケーシング体３の円筒部５の中心軸線Ｘに対し直交する。

前記円筒部５の内部には、前記胴部１４の内部まで延びるシリンダ２１が、前記円筒部５に対して同軸的に挿入されて設けられる。即ち、前記シリンダ２１の中心軸線Ｘは、前記円筒部５の中心軸線Ｘと一致する。このシリンダ２１の先端側には、このシリンダ２１とは別体の延長シリンダ２２が同軸状に接続される。そして、前記胴部１４側となる前記シリンダ２１は、アルミニウム合金等の金属を用いて、後述するマウント４１及び接続用腕部４７と一体に成形される。そして、前記シリンダ２１の先端側及び延長シリンダ２２の内側には、ディスプレイサー２３が中心軸線Ｘ方向に摺動可能に収容される。また、このディスプレイサー２３の先端と前記円筒部５の先端部７の間には膨張室Ｅが形成され、隙間２４によって前記延長シリンダ２２の内外が連通される。また、前記中間部８において、前記円筒部５の内周と前記シリンダ２１及び延長シリンダ２２の外周との間に再生器２５が設けられると共に、前記基部９において、前記シリンダ２１の内外を連通する連通孔２６が前記シリンダ２１自体に形成される。また、前記円筒部５の先端部７の内周と前記延長シリンダ部２２の先端外周との間には、吸熱フィン２７が設けられると共に、前記再生器２５と連通孔２６の間において、前記円筒部５の内周と前記シリンダ２１の外周との間に排熱フィン２８が設けられる。そして、前記延長シリンダ２２の内部先端から隙間２４、吸熱フィン２７、再生器２５、排熱フィン２８、連通孔２６を通って前記シリンダ２１内の圧縮室Ｃに至る経路２９が形成される。更に、前記胴部４内において、前記シリンダ２１の基部側の内側には、ピストン３０が中心軸線Ｘ方向に摺動可能に収容される。そして、このピストン３０の基端部は、駆動機構３１に対して同軸的に連結される。なお、この駆動機構３１は、接続体３２によって前記ピストン３０の基端に接続されて前記シリンダ２１の基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の枠３３と、この枠３３の一端に固定された円筒状の永久磁石３４と、この永久磁石３４の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル３５と、この電磁コイル３５が巻かれるように設けられたコア３６と、前記永久磁石３４の内周に近接して設けられた導磁部３７とで構成される。

また前記ピストン３０に枠３３を接続させる接続体３２には、前記ピストン３０の動作を制御するための第一の板バネ３８が接続される。さらに、前記ディスプレイサー２３の基端側に、このディスプレイサー２３の動作を制御するためのロッド３９の一端が接続されると共に、このロッド３９の他端に、第二の板バネ４０が接続される。なお、前記ロッド３９は、前記ピストン３０の中心を貫通して中心軸線Ｘ方向に延びる。また、前記第一及び第二の板バネ３８，４０は、前記胴部８内において前記シリンダ２１の基端側の外部に配置されると共に、前記第一の板バネ３８よりも第二の板バネ４０が前記シリンダ２１の基端側から離れた位置に配置される。

また、前記シリンダ２１の外周面には、フランジ状のマウント４１が前記シリンダ２１と一体に成形される。このマウント４１は、その一側面４２が前記取付部材１５の取付部１６に当接し、この取付部１６の螺子孔２０に対してビス４３によって螺子止めされるように構成される。また、前記マウント４１の他側面４４に、前記駆動機構３１を構成するコア３６の一端が当接するように形成される。また、前記コア３６の他端には固定リング４５が当接し、この固定リング４５と前記マウント４１とで前記コア３６を挟持してビス４６で締め付けることにより、前記コア３６、ひいてはこのコア３６に保持された前記電磁コイル３５が、前記マウント４１に固定される。更に、前記マウント４１の他側面４４から、複数の接続用腕部４７が、前記シリンダ２１の中心軸線Ｘと平行に突設される。なお、前記接続用腕部４７は、その基端において、前記マウント４１と一体に形成される。また、複数の前記接続用腕部４７の先端面４８は、前記シリンダ２１の中心軸線Ｘと直交するように同一平面上に形成されており、この先端面４８に雌螺子を有する螺子孔４９が前記シリンダ２１の中心軸線Ｘと平行に形成される。そして、前記腕部４７には、フランジ状の前記マウント４１の円周方向に沿って、補強用リブ５０が薄肉状に形成される。そして、このように前記シリンダ２１に対してマウント４１及び腕部４７が一体に設けられることで、これらシリンダ２１、マウント４１及び腕部４７の精度を高めることができるばかりでなく、前記腕部４７に補強用リブ５０が一体に形成されることで、前記腕部４７の強度が高められる。なお、このように前記腕部４７の強度が高められることによって、この腕部４７の組み立て時等における歪みが抑えられることになり、間接的に組み立て精度の向上に貢献することになる。

前記先端面４８には、前記第一の板バネ３８が当接する。この第一の板バネ３８は、前記先端面４８に当接した状態で、前記腕部４７とスペーサー５１との間で挟持される。なお、前記スペーサー５１は、その本体５２が正六角柱状に形成されており、その一端に前記螺子孔４９の雌螺子と螺合する雄螺子５３が前記本体５２と同軸に形成されると共に、その他端面５４に雌螺子を有する螺子孔が前記本体５２と同軸に形成される。そして、前記第一の板バネ３８の外周部に形成された螺子孔を介して、前記スペーサー５１の一端の雄螺子５３を前記腕部４７の螺子孔４９の雌螺子と螺合させることで、前記第一の板バネ３８が前記腕部４７とスペーサー５１との間で挟持される。このとき、前記スペーサー５１の本体５２の外面が正六角柱状に形成されているので、スパナ等で締め付けることで簡単に前記腕部４７に取り付けられる。また、前記複数の先端面４８が前記シリンダ２１の中心軸線Ｘと直交するように同一平面上に形成されるため、これらの先端面４８に当接する前記第一の板バネ３８も、前記シリンダ２１の中心軸線Ｘに対して直交する。更に、前記スペーサー５１を前記複数の腕部４７にそれぞれ取り付けた状態において、前記スペーサー５１の他端面５４は、前記シリンダ２１の中心軸線Ｘと直交するように同一平面上に形成されており、前記他端面５４に前記第二の板バネ４０が当接する。そして、この第二の板バネ４０は、前記他端面５４に当接した状態で、前記第二の板バネ４０の外周部に形成された螺子孔を介して、ビス５６をスペーサー５１の螺子孔の雌螺子と螺合させることで、前記第二の板バネ４０が前記スペーサー５１に固定される。そして、このように前記腕部４７に対してスペーサー５１を取り付けることで第一の板バネ３８を挟持すると共に、前記スペーサー５１に第二の板バネ４０を取り付けるように構成することで、独立した前記第一の板バネ３８及び第二の板バネ４０を前記シリンダ２１に対して簡単に固定することができるばかりでなく、これらの板バネ３８，４０が共通の腕部４７に対して取り付けられることで、前記第一の板バネ３８及び第二の板バネ４０の固定のための構造を単純化することができると共に、スターリング冷凍機１全体を小型化することができる。また、前記腕部４７の先端面４８に雌螺子を有する螺子孔４９を形成し、この螺子孔４９と螺合する雄螺子５３をスペーサー５１に形成したことで、前記第一の板バネ３８と第二の板バネ４０を順次固定してゆくことができるので、これら第一の板バネ３８及び第二の板バネ４０をより簡単に前記シリンダ２１に対して固定することができる。

なお、図１における５７は、前記第二ケーシング体４の他端面部１３に設けられた振動吸収ユニットであり、前記シリンダ２１の中心軸線Ｘと同軸となるように配置された取付部５８及びこの取付部５８に接続される接続部５９を介して、同軸状に複数の板バネ６０とバランスウエイト６１が重なるように配置される。

前記シリンダ２１は、前記マウント４１の一側面４２を、前記取付部材１５の取付部１６に当接させて、この取付部１６に対して螺子止めすることで、前記ケーシング２内に固定される。また、前記シリンダ２１には、このシリンダ２１の基端側の外周に前記導磁部３７が取り付けられると共に、前記シリンダ２１と一体に形成されたマウント４１に対して、前記固定リング４５及びビス４６によって、前記駆動機構３１を構成する電磁コイル３５及びコア３６が固定される。更に、前記シリンダ２１内に前記ディスプレイサー２３、ピストン３０等を組み込み、このピストン３０の基端の接続体３２に取り付けられた第一の板バネ３８を前記腕部４７とスペーサー５１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２３に接続されたロッド３９の他端に接続された第二の板バネ４０を前記スペーサー５１の他端に固定する。その後、前記第一ケーシング体３と第二ケーシング体４を接続し、予め組み立てられた前記振動吸収ユニット５７を前記取付部５８に取り付ける。

そして、前記構成により、前記電磁コイル３５に交番電流を流すと、この電磁コイル３５から交番磁界が発生してコア３６で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石３４を中心軸線Ｘ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３４を固定した枠３３に接続されたピストン３０が、前記シリンダ２１内を中心軸線Ｘ方向に往復動する。このため、前記ピストン３０が前記ディスプレイサー２３に近づく方向に移動すると、前記ピストン３０とディスプレイサー２３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２６、排熱フィン２８、再生器２５、吸熱フィン２７、隙間２４を通り、前記ディスプレイサー２３の先端と円筒部５の先端部７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２３が前記ピストン３０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３０が前記ディスプレイサー２３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Ｅ内の気体が前記膨張室Ｅから前記隙間２４、吸熱フィン２７、再生器２５、排熱フィン２８、連通孔２６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２３が前記ピストン３０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、このように前記ピストン３０及びディスプレイサー２３が往復動すると、前記振動吸収ユニット５７で振動が吸収されるとはいえ、僅かな振動が残る可能性があるが、前述した通り、前記シリンダ２１とマウント４１と腕部４７が一体に形成されていることによって、振動によってこれらシリンダ２１とマウント４１と腕部４７の結合が緩むなどということが起こり得ず、長期に渡って強度及び精度が保たれる。また、前述した通り、前記腕部４７が補強用リブ５０によって補強されていることで強度が高められているため、振動による変形が抑えられることになるため、スターリング冷凍機１の動作中における精度も高く保たれる。

また、前記駆動機構３１の作動によって発生するジュール熱、及び前記圧縮室Ｃで発生した熱によって、前記胴部１４内の気体の温度が上昇して圧力が上昇すると共に、この圧力が前記ピストン３０の往復動に伴って変動する。この圧力は、前記胴部１４を膨張させたり収縮させたりするように働く。なお、前記胴部１４は、その側面部１１，１２が円筒状であるため、直径が拡縮するような方向Ｆの変形が起こり難い。また、前記胴部１４の他端面部１３も、球面に近い形状に形成されているため、変形が起こり難い。一方、前記胴部１４の一端面部１０は、前記他端面部１４に比べて平坦であることから、矢印Ｄで示すように、内外に出没するような変形が起こり易い。この点は、従来技術の問題点で述べた通りである。しかしながら、たとえ一端面部１０が内外に出没するように変形したとしても、図６（ａ）（ｂ）に記載したように、熔接部分Ｗが殆ど変形しないので、この熔接部分Ｗには、変形による応力は殆ど加わらず、振動による応力のみが加わる。従って、前記スターリング冷凍機１を長期間使用しても、熔接部分Ｗが破断する虞を減じることができる。また、前記駆動機構３１の作動によって発生するジュール熱、及び前記圧縮室Ｃで発生した熱によって、前記第一ケーシング体３及び取付部材１５が膨張しても、前述した通り、両者が何れも同じステンレス鋼で形成されているので、同等に膨張する。従って、熱膨張によっても、前記第一ケーシング体３と取付部材１５の熔接部分Ｗに、変形による応力が殆ど加わらない。

更に、前記取付部材１５は、前述した通り、平環状の取付部１６と、この取付部１６の外周部に直交して設けられた短円筒状の補強環１７と、この補強環１７から突出して設けられた固定部１８とを有する。このため、前記取付部材１５自体の変形を抑えることができるので、この取付部材１５と第一ケーシング体３との熔接部分Ｗに、変形による応力が加わり難いようにして、熔接部分Ｗの破断を確実に抑制することができる。

以上のように本発明は、小径円筒状に形成された先端側の円筒部５と大径円筒状に形成された基端側の胴部１４とを有するケーシング２と、このケーシング２内に同軸状に挿入される金属製のシリンダ２１と、このシリンダ２１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２３と、前記シリンダ２１の基端側内部に摺動可能に挿入されたピストン３０と、前記シリンダ２１の外周に取り付けられて該シリンダ２１を前記ケーシング２内部に固定するマウント４１と、前記ケーシング２の内面に固定されて前記マウント４１を支持するための取付部材１５とを有するスターリングサイクル機関としてのスターリング冷凍機１において、前記取付部材１５を、前記シリンダ２１の中心軸線Ｘ方向と直交して形成されると共に前記マウント４１が取り付けられる取付部１６と、この取付部１６に対し交差して形成される複数の固定部１８とを有すると共に、これらの固定部１８を、前記胴部１４を構成する第一ケーシング体３の筒状側面部１１に熔接固定したことで、前記ケーシング２内の圧力が変動しても、前記取付部材１５とケーシング２との熔接部分Ｗに、変形による応力が加わり難いので、熔接部分Ｗの破損を抑制することができるものである。

また、本発明は、前記取付部材１５を、平環状の前記取付部１６と、短円筒状の補強環１７と、この補強環１７から突出して形成された前記固定部１８とで一体形成することで、前記取付部材１５自体の変形を抑えることができるので、この取付部材１５と第一ケーシング体３との熔接部分Ｗに、変形による応力が加わり難いようにして、熔接部分Ｗの破損を確実に抑制して故障し難くすることができるものである。

更に、本発明は、前記取付部材１５と第一ケーシング体３とを同一素材であるステンレス鋼によって形成することで、前記第一ケーシング体３と取付部材１５が共に熱膨張しても、熔接部分Ｗに応力が加わり難いようにして、熔接部分Ｗの破損をより確実に抑制することができるものである。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施形態では、取付部材を、平環状の前記取付部と、この取付部の外周部に直交して設けられた短円筒状の補強環と、この補強環から突出して設けられた複数の固定部とを有するように一体に形成したが、前記補強環を長く形成して、この補強環自体を固定部としてもよい。

１スターリング冷凍機（スターリングサイクル機関）
２ケーシング
３第一ケーシング体
４第二ケーシング体
５円筒部
１１側面部
１４胴部
１５取付部材
１６取付部
１７補強環
１８固定部
２１シリンダ
２３ディスプレイサー
３０ピストン
４１マウント
Ｘ軸

Claims

小径円筒状に形成された先端側の円筒部と大径円筒状に形成された基端側の胴部とを有するケーシングと、このケーシング内に同軸状に挿入された金属製のシリンダと、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、前記シリンダの外周に取り付けられて該シリンダを前記ケーシング内部に固定するマウントと、前記ケーシングの内面に固定されて前記マウントを支持するための取付部材とを有するスターリングサイクル機関において、
前記取付部材が、前記シリンダの中心軸線と直交して形成されると共に前記マウントが取り付けられる平環状の取付部と、この取付部の外周部に設けられた短円筒状の補強環と、この補強環から突出して設けられた複数の固定部とを有すると共に、これらの固定部が前記胴部の筒状側面部に熔接固定されることを特徴とするスターリングサイクル機関。
前記取付部材とケーシングとが同一素材によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のスターリングサイクル機関。