WO2005119138A1 - スターリング機関 - Google Patents

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WO2005119138A1
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displacer
cylinder
conductive material
metal
low thermal
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English (en)
French (fr)
Inventor
Shohzoh Tanaka
Original Assignee
Sharp Kabushiki Kaisha
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Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2258/00—Materials used
    • F02G2258/20—Materials used having heat insulating properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2280/00—Output delivery
    • F02G2280/10—Linear generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

Definitions

  • the present invention relates to a Stirling engine.
  • a Stirling engine has attracted attention as a heat engine that does not cause destruction of the ozone layer because it uses helium, hydrogen, nitrogen, or the like as a working gas instead of freon.
  • Patent Documents 1 and 2 show examples of Stirling engines.
  • a piston that reciprocates by a power source such as a linear motor and a displacer that reciprocates synchronously with a predetermined phase difference with respect to the piston play an important role.
  • the piston and the displacer move the working gas between the compression space and the expansion space to form a Stirling cycle.
  • the temperature of the working gas increases based on the isothermal compression change
  • the temperature of the working gas decreases based on the isothermal expansion change.
  • the temperature of the compression space rises, and the temperature of the expansion space falls.
  • the expansion space can absorb external heat through the low-temperature heat transfer head.
  • a Stirling engine is used as a refrigerator.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-52866 (Pages 5-6, FIG. 1)
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-75005 (Pages 3-6, FIG. 2)
  • a displacer and a cylinder that receives the displacer are formed in a compression space.
  • displacers and cylinders are generally considered. Is formed of a low heat conductive material, for example, a synthetic resin or ceramic. On the other hand, the displacer floats in a cylinder by means of a gas bearing and moves at high speed. Force It is extremely difficult to achieve the strict dimensional accuracy required for gas bearings with a low thermal conductive material. It is not impossible to obtain the required clearance by adopting a manufacturing method that adjusts the displacer and cylinder one by one. But while saying that this method is suitable for industrial mass production!
  • the present invention has been made in view of the above points, and effectively prevents the transfer of heat from a compression space to an expansion space through a displacer and a cylinder.
  • the purpose is to provide a Stirling engine with a structure that can be mass-produced.
  • a Stirling engine is configured as follows.
  • the displacer and the cylinder for receiving the displacer are formed of metal on a side facing the compression space and a low heat conductive material on a side facing the expansion space.
  • the displacer and the cylinder for receiving the displacer are formed of a low heat conductive material on the side facing the expansion space, so that the heat transmitted to the displacer and the cylinder and the compression space force is prevented from moving to the expansion space. Or can be suppressed. This will increase the efficiency of the stelling engine.
  • the side of the displacer and the cylinder facing the compression space is made of metal, so that it can withstand high temperatures and easily increase the fitting accuracy of the displacer and the cylinder. For this reason, when a gas bearing is used between the displacer and the cylinder, the one that ensures the gap accuracy required for forming and maintaining the gas bearing can be mass-produced industrially.
  • the displacer has a larger outer diameter in a metal portion than in a low heat conductive material portion, and the cylinder has a larger diameter in a metal portion. It is characterized in that the inner diameter is smaller than that of the low heat conductive material portion.
  • the displacer has a larger outer diameter in the metal portion than in the low heat conductive material portion, and the cylinder has a smaller inner diameter in the metal portion than the low heat conductive material portion. The space between the low thermal conductive material portions that fall is sufficiently ensured, and an emergency contact can be prevented.
  • the boundary between the metal part and the low thermal conductive material part in the displacer and the boundary between the metal part and the low thermal conductive material part in the cylinder are provided.
  • the positional relationship (distance) between the boundary of the displacer and the boundary of the cylinder is set so that they do not overlap during the reciprocating movement of the displacer.
  • the present invention provides the Stirling engine having the above configuration, wherein the displacer and
  • the Z or cylinder is characterized in that the metal part and the low thermal conductive material part are joined together by using the screw part and the adhesive together.
  • the displacer and the Z or the cylinder are provided with the screw portion near a center of the overlap at a portion where the metal portion and the low thermal conductive material portion overlap, The screw groove is not exposed to the outside.
  • the displacer and the Z or the cylinder may have a configuration in which an adhesive is applied to an entire circumference of a contact surface between the metal portion and the low heat conductive material portion.
  • the displacer and the Z or the cylinder are coated with the adhesive on the entire periphery of the contact surface between the metal portion and the low thermal conductive material portion, the screw groove is prevented from forming a passage for the working gas. be able to.
  • the low heat conductive material portion may be formed of an injection molded product of a synthetic resin.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a Stirling engine.
  • FIG. 3 Enlarged cross-sectional view of circle A in Fig. 2.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing another configuration example of a portion indicated by a circle A in FIG. 2
  • FIG. 1 is a sectional view of a Stirling engine.
  • the center of the assembly of the Stirling engine 1 is the cylinders 10 and 11.
  • the axes of cylinders 10 and 11 are on the same straight line.
  • a piston 12 is inserted into the cylinder 10, and a displacer 13 is inserted into the cylinder 11.
  • Piston 12 and displacer 13 are While the engine 1 is operating, it reciprocates without contacting the inner walls of the cylinders 10 and 11 by the gas bearing described later.
  • the piston 12 and the displacer 13 move with a predetermined phase difference.
  • the structures of the cylinder 11 and the displacer 13 will be described later in detail.
  • a cup-shaped magnet holder 14 is fixed to one end of the piston 12.
  • a displacer shaft 15 protrudes from one end of the displacer 13. The displacer shaft 15 penetrates the piston 12 and the magnet holder 14 so as to freely slide in the axial direction.
  • the cylinder 10 holds a linear motor 20 outside a portion corresponding to an operation area of the piston 12.
  • the linear motor 20 includes an outer yoke 22 having a coil 21, an inner yoke 23 provided to be in contact with the outer peripheral surface of the cylinder 10, and a ring inserted into an annular space between the outer yoke 22 and the inner yoke 23.
  • the magnet 24 is fixed to the magnet holder 14.
  • the center of the spring 30 is fixed to the hub of the magnet holder 14.
  • the center of a spring 31 is fixed to the positioner shaft 15.
  • the outer peripheral portions of the springs 30 and 31 are fixed to the end bracket 27.
  • a spacer 32 is disposed between the outer peripheral portions of the springs 30 and 31 so that the springs 30 and 31 maintain a fixed distance.
  • the springs 30 and 31 are made of a disk-shaped material with spiral cuts, and the displacer 13 has a predetermined phase difference (generally, a phase difference of about 90 °) with respect to the piston 12. It plays the role of resonating.
  • Heat transfer heads 40 and 41 are arranged outside a portion of the cylinder 11 corresponding to an operation area of the displacer 13.
  • the heat transfer head 40 has a ring shape, and the heat transfer head 41 has a cap shape, and each of them is a metal having good heat conductivity, such as copper or a copper alloy.
  • the heat transfer heads 40 and 41 are supported outside the cylinder 11 with ring-shaped internal heat exchanges 42 and 43 interposed therebetween.
  • the internal heat exchangers 42 and 43 have air permeability, and transfer the heat of the working gas passing through the inside to the heat transfer heads 40 and 41.
  • the cylinder 10 and the pressure vessel 50 are connected to the heat transfer head 40.
  • An annular space surrounded by the heat transfer head 40, the cylinders 10, 11, the piston 12, the displacer 13, the displacer shaft 15, and the internal heat exchanger 42 is a compression space 45.
  • Heat transfer head The space surrounded by 41, the cylinder 11, the displacer 13, and the internal heat exchanger 43 becomes an expansion space 46.
  • a regenerator 47 is arranged between the internal heat exchangers 42 and 43.
  • the regenerator 47 is formed by filling a container with a filler (matrix) such as a wire net or winding a thin metal plate or a synthetic resin film in a coil shape, and has a void inside through which a working gas passes.
  • a regenerator tube 48 wraps the outside of the regenerator 47.
  • the regenerator tube 48 forms an airtight passage between the heat transfer heads 40 and 41.
  • the inside of the body 50 is a back pressure space 51.
  • the structure of the body 50 is as follows. That is, the body 50 is divided into a ring-shaped part 52 joined to the heat transfer head 40 and a cap-shaped part 53 joined to the ring-shaped part 52. Both the ring-shaped part 52 and the cap-shaped part 53 are made of stainless steel. One end of the ring-shaped portion 52 is narrowed down to a tapered shape to form a tapered portion 52 a, which is brazed to the heat transfer head 40.
  • the cap 53 has a structure in which a head plate 53a is welded to the inner surface of the pipe.
  • Flange-shaped portions 54 and 55 are provided at the other end of the ring-shaped portion 52 and the open end of the cap-shaped portion 53 facing the other end.
  • Each of the flange-shaped portions 54 and 55 is formed by welding a stainless steel ring to the ring-shaped portion 52 and the cap-shaped portion 53, and finally the flange-shaped portions 54 and 55 are welded.
  • a closed body 50 is formed.
  • the body 50 is provided with a terminal 28 for supplying electric power to the linear motor 20, and a pipe 50a for filling a working gas therein. These are all provided so as to protrude in the radial direction of the outer peripheral surface force of the cap-shaped portion 53.
  • a vibration suppressing device 60 is attached to the body 50.
  • the vibration suppressing device 60 includes a base 61 fixed to the body 50, a plate-shaped spring 62 supported by the base 61, and a mass (mass) 63 supported by the spring 62.
  • the inside of the piston 12 is a cavity 80.
  • the cavity 80 communicates with the compression space 45 via a check valve 90 arranged on the end face of the piston 12.
  • a plurality of concave portions 81 forming a gas bearing are arranged at a predetermined angular interval on the same circumference.
  • a metal tube 82 is driven into the bottom of the piston 81 so as to penetrate the piston 12, and working gas is supplied from the cavity 80 to the recess 81 through the metal tube 82.
  • Two or more annular rows of the concave portions 81 are formed at intervals in the axial direction of the piston 12. That is, gas bearings are formed in two or more places.
  • the inside of the displacer 13 is also a cavity 85.
  • the cavity 85 communicates with the compression space 45 via a check valve 90 disposed on the end face of the displacer 13.
  • a plurality of concave portions 86 forming gas bearings are arranged on the same circumference at predetermined angular intervals.
  • Working gas is supplied from the cavity 85 to the concave portion 86 through the metal thin tube 87 driven into the bottom of the concave portion 86.
  • the Stirling engine 1 operates as follows. When an alternating current is supplied to the coil 21 of the linear motor 20, a magnetic field penetrating the magnet 24 is generated between the outer yoke 22 and the inner yoke 23, and the magnet 24 reciprocates in the axial direction. By supplying power at a frequency that matches the resonance frequency determined by the total mass of the piston system (piston 12, magnet holder 14, magnet 24, and spring 30) and the panel constant of spring 30, the piston system becomes smooth. Start a sinusoidal reciprocating motion.
  • the resonance frequency determined by the total mass and the panel constant of the spring 31 is set so as to resonate with the drive frequency of the piston 12.
  • the displacer 13 Due to the reciprocating motion of the piston 12, compression and expansion are repeated in the compression space 45. With this change in pressure, the displacer 13 also reciprocates. At this time, a phase difference occurs between the displacer 13 and the piston 12 due to a flow resistance or the like between the compression space 45 and the expansion space 46. Thus, the displacer 13 having the free piston structure oscillates synchronously with the piston 12 with a predetermined phase difference.
  • the working gas that reciprocates between the compression space 45 and the expansion space 46 is subjected to internal heat exchange.
  • the heat of the heat is transmitted to the heat transfer heads 40, 41 through the internal heat exchangers 42, 43. Since the working gas flowing into the regenerator 47 from the compression space 45 has a high temperature, the heat transfer head 40 is heated, and the heat transfer head 40 becomes a warm head. Since the working gas flowing into the regenerator 47 from the expansion space 46 has a low temperature, the heat transfer head 41 is cooled, and the heat transfer head 41 becomes a cold head.
  • the Stirling engine 1 functions as a refrigeration engine by dissipating heat to the atmosphere from the heat transfer head 40 and lowering the temperature in a specific space with the heat transfer head 41.
  • the regenerator 47 does not transmit the heat of the compression space 45 and the expansion space 46 to the space on the other side, but functions to pass only the working gas.
  • the high-temperature working gas entering the regenerator 47 from the compression space 45 via the internal heat exchanger 42 gives the heat to the regenerator 47 when passing through the regenerator 47, and in a state where the temperature is lowered, the expansion space 46 Flows into.
  • the low-temperature working gas that has entered the regenerator 47 from the expansion space 46 via the internal heat exchanger 43 recovers heat from the regenerator 47 when passing through the regenerator 47. Flows into. That is, the regenerator 47 serves as a heat storage.
  • a part of the high-pressure working gas in the compression space 45 enters the cavity 80 of the piston 12 and the cavity 85 of the displacer 13 through the check valve 90. And it gushes from the concave parts 81 and 86. Due to the ejected working gas, a gas film is formed between the outer peripheral surface of the piston 12 and the inner peripheral surface of the cylinder 10 and between the outer peripheral surface of the displacer 13 and the inner peripheral surface of the cylinder 11. Contact between the cylinder 10 and the displacer 13 and the cylinder 11 is prevented. Therefore, there is no problem of energy loss due to friction of the contact portion or wear of the contact portion.
  • the piston 12 and the cylinder 10 are formed of a metal such as aluminum or stainless steel.
  • the other part of the displacer 13 and the cylinder 11 is made of a metal, and the rest is made of a low thermal conductive material such as a synthetic resin.
  • FIGS. 2 is a cross-sectional view of the displacer and the cylinder
  • FIGS. 3 and 4 are enlarged cross-sectional views of a portion surrounded by a circle A in FIG.
  • the displacer 13 and the cylinder 11 that receives the displacer 13 are both formed of metal on the side facing the compression space 45 and made of a low heat conductive material on the side facing the expansion space 46.
  • the metal part 13a and the low thermal conductive material part 13b of the displacer 13 and the metal part 1 la and the low thermal conductive material part 1 lb of the cylinder 11 are fitted together in such a manner that the latter covers the former with V, even if the gap is shifted. In other words, the fitting is performed.
  • the fitting portion is joined by an adhesive, but in the displacer 13 which reciprocates at a high speed by itself, the fitting portion is joined by a combination of the screwing and the adhesive to increase the joining strength.
  • Figures 3 and 4 show examples of the screwing structure of the fitting part.
  • a screw portion 13c is formed by a male screw portion formed on the outer peripheral surface of the metal portion 13a and a female screw portion formed on the inner peripheral surface of the low heat conductive material portion 13b. Is configured.
  • the screw portion 13c is provided near the center of the overlap at the place where the metal portion 13a and the low thermal conductive material 13b overlap, and the screw groove is not exposed to the outside.
  • the thread groove serves as a passage for the working gas, and it is possible to prevent an unexpected flow (leakage) of the working gas from occurring inside and outside the displacer 13.
  • the metal portion 11a and the low thermal conductive material portion l ib of the cylinder 11 do not necessarily move because the cylinder itself does not move, so that the bonding strength does not become insufficient even with the adhesive alone.
  • a threaded portion is provided between the metal part 11a and the low thermal conductive material part l ib to increase the joining strength. You may try.
  • the adhesive may be applied to an appropriate portion of the contact surface between the metal portion 13a and the low thermal conductive material portion 13b.
  • the adhesive may be applied to the entire periphery of the contact surface, the leakage of the working gas can be prevented. Applying it to the entire contact surface can further strengthen the bonding. The same is true for cylinder 11.
  • the metal portion 13a has a larger outer diameter than the low thermal conductive material portion 13b.
  • the inner diameter of the metal portion 11a is smaller than that of the low thermal conductive material portion 1 lb.
  • the dimensional accuracy of the low thermal conductive material is lower, but by designing in this way, the space between the low thermal conductive material portions 13b and lib is sufficiently ensured and accidental contact can be prevented.
  • Low thermal conductive material part The expansion (13b, 13b) of the coefficient of expansion is large, so even if the dimensions change significantly due to temperature changes, this can confirm safety (prevention of contact). This interval can be set to a value such as 120 m.
  • the metal parts 13a and 11a can have high dimensional accuracy, the fitting accuracy is established between them. Then, a gap in which the gas bearing functions is obtained. This gap can be set, for example, to a value of 20 / zm.
  • the boundary between the metal portion 13a and the low thermal conductive material portion 13b in the displacer 13 and the boundary between the metal portion 1 la and the low thermal conductive material portion 1 lb in the cylinder 11 are mutually moved by the displacement of the displacer 13.
  • the distance D fluctuates.
  • the positional relationship (distance) between the boundary of the displacer 13 and the boundary of the cylinder 11 is set so that the boundaries do not overlap, that is, the distance D does not become zero. Therefore, even if a reverse step is generated between the metal part and the low thermal conductive material part at the boundary between the metal part and the low thermal conductive part, the movement of the displacer 13 is hindered by the attractive force of the reverse steps. There is nothing.
  • the low thermal conductive material portions 13b and lib are formed by injection molding of a synthetic resin. This makes it possible to mass-produce the low heat conductive material portions 13b and lib at low cost.
  • the synthetic resin for example, polycarbonate can be used.
  • the metal portion 11a of the cylinder 11 is integrated with the cylinder 10.
  • 10a shown in FIG. 2 is a bridge portion extending from the cylinder 10.
  • the present invention can be used for all Stirling engines.

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Abstract

　スターリング機関はピストン及びディスプレーサを備える。リニアモータによりシリンダ内でピストンを往復運動させると、ディスプレーサがピストンと所定の位相差をもってシリンダ内で往復運動する。ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダは、圧縮空間に対向する側は金属で、膨脹空間に対向する側は低熱伝導物質で、それぞれ形成する。そして金属部分において嵌め合い精度を確立する。

Description

明 細 書
スターリング機関
技術分野
[0001] 本発明はスターリング機関に関する。
背景技術
[0002] スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いる ので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。特許文献 1、 2にスターリング機関の例を見ることができる。
[0003] スターリング機関において重要な役割を果たすのは、リニアモータなどの動力源に より往復運動するピストンと、このピストンに対して所定の位相差を有し同期して往復 運動するディスプレーサである。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間 で作動ガスを流動させ、スターリングサイクルを形成する。圧縮空間では等温圧縮変 化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では等温膨脹変化に基づいて作動 ガスの温度が低下する。これにより、圧縮空間の温度は上昇し、膨張空間の温度は 下降する。圧縮空間（高温空間）の温度を高温伝熱ヘッドを通じて放熱すれば、膨脹 空間 (低温空間）は低温伝熱ヘッドを通じて外部の熱を吸収することが可能となる。こ の原理により、スターリング機関は冷凍機として用いられる。
特許文献 1：特開 2004— 52866号公報 (第 5— 6頁、図 1)
特許文献 1：特開 2003 - 75005号公報 (第 3 - 6頁、図 2)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] スターリング機関において、ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダは圧縮空間
(高温空間）と膨脹空間 (低温空間）の両方に面して 、る。ディスプレーサ及びシリン ダを伝わって圧縮空間から膨脹空間へ熱が移動するようなことがあると、スターリング 機関の効率が低下してしまう。そのため、ディスプレーサ及びシリンダは熱の移動を 遮断する構造であることが望まし 、。
[0005] 熱の移動を遮断する構造として一般的に考えられるのは、ディスプレーサとシリンダ を低熱伝導物質、例えば合成樹脂やセラミックで形成することである。一方、ディスプ レーサはシリンダの中にガスベアリングの仕組みで浮かせて高速運動させるのである 力 ガスベアリングに求められる厳しい寸法精度を低熱伝導物質で実現するのはき わめて困難である。ディスプレーサとシリンダを 1個ずつすり合わせて調整するといつ た製造手法を採用すれば、必要な間隙を得ることが不可能ではない。し力しながらこ の手法は工業的に量産するのに適するとは言!、難、、。
[0006] 本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、ディスプレーサ及びシリンダを伝わ つて圧縮空間から膨脹空間へ熱が移動することを効果的に防止するとともに、組付 精度を確保しつつ工業的に量産できる構造の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
[0007] 上記課題を解決するために本発明では、スターリング機関を次のように構成する。
すなわち動力源によって往復運動せしめられるピストンと、このピストンに対して所定 の位相差をもって往復運動するディスプレーサとを備え、圧縮空間（高温空間）と膨 脹空間 (低温空間）の間で作動ガスを移動させるスターリング機関において、前記デ イスプレーサ及びこれを受容するシリンダは、前記圧縮空間に対向する側を金属で、 前記膨脹空間に対向する側を低熱伝導物質で、それぞれ形成することを特徴として いる。
[0008] この構成によると、ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダを、膨脹空間に対向 する側は低熱伝導物質で形成したから、ディスプレーサとシリンダを伝わり圧縮空間 力も膨脹空間へ熱が移動することを遮断ないし抑制することができる。これによりスタ 一リング機関の効率が向上する。一方でディスプレーサとシリンダの圧縮空間に対向 する側は金属で形成したから、高温に耐え、且つディスプレーサとシリンダの嵌め合 い精度を容易に高めることができる。このため、ディスプレーサとシリンダとの間にガス ベアリングを採用する場合、ガスベアリングの形成及び維持に必要な間隙精度を確 保したものを工業的に量産することができる。
[0009] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記ディスプレーサは金属 部分の方が低熱伝導物質部分よりも外径大であり、前記シリンダは金属部分の方が 低熱伝導物質部分よりも内径小であることを特徴としている。
[0010] この構成によると、ディスプレーサは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも外径 大であり、シリンダは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも内径小であるから、寸 法精度の落ちる低熱伝導物質部分同士の間隔が十分に確保され、万一の接触を防 ぐことができる。
[0011] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記ディスプレーサにおけ る金属部分と低熱伝導物質部分との境界部と、前記シリンダにおける金属部分と低 熱伝導物質部分との境界部とが、ディスプレーサの往復運動中に重なることのないよ うに、ディスプレーサの境界部とシリンダの境界部の位置関係（距離）が設定されるこ とを特徴としている。
[0012] この構成によると、金属部分と低熱伝導部分の境界部で金属部分と低熱伝導物質 部分の間に逆段差が生じていたとしても、逆段差同士が引つ力かってディスプレーサ の動きが阻害されることはな 、。
[0013] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記ディスプレーサ及び
Z又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物質部分が螺合部と接着剤の併用により接 合されて!/、ることを特徴として!、る。
[0014] この構成によると、ディスプレーサ及び Z又はシリンダにおける金属部分と低熱伝 導物質部分の接合がきわめて強固であり、金属部分と低熱伝導物質部分が分離す るようなことがない。
[0015] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記ディスプレーサ及び Z 又はシリンダは、前記金属部分と低熱伝導物質部分とが重なる箇所において、重なり の中心寄りに前記螺合部が設けられ、外部にねじ溝が露出しな 、ことを特徴として ヽ る。
[0016] この構成によると、ディスプレーサ及び Z又はシリンダにおいて、外部にねじ溝が露 出しな 、から、ねじ溝が作動ガスの通路となることを防ぐことができる。
[0017] また、上記構成のスターリング機関において、前記ディスプレーサ及び Z又はシリ ンダは、前記金属部分と低熱伝導物質部分との接触面全周に接着剤が塗布される 構成としてもよい。 [0018] この構成によると、ディスプレーサ及び Z又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物 質部分との接触面全周に接着剤が塗布されるから、ねじ溝が作動ガスの通路となる ことを防ぐことができる。
[0019] また、上記構成のスターリング機関において、前記低熱伝導物質部分を合成樹脂 の射出成型品により構成してもよい。
[0020] この構成によると、低熱伝導物質部分を低コストで大量生産することができる。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]スターリング機関の断面図
[図 2]ディスプレーサとこれを受容するシリンダの断面図
[図 3]図 2中の円 Aの箇所の拡大断面図
[図 4]図 2中の円 Aの箇所の他の構成例を示す拡大断面図
符号の説明
[0022] 1 スターリング機関
10 シリンダ
11 シリンダ
11a 金属部分
l ib 低熱伝導物質部分
12 ピストン
13 ディスプレーサ
13a 金属部分
13b 低熱伝導物質部分
13c 螺合部
発明を実施するための最良の形態
[0023] 最初に、本発明が適用されるべきスターリング機関の構造を図 1に基づき説明する
。図 1はスターリング機関の断面図である。
[0024] スターリング機関 1の組立の中心となるのはシリンダ 10、 11である。シリンダ 10、 11 の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ 10にはピストン 12が挿入され、シリンダ 11に はディスプレーサ 13が挿入される。ピストン 12及びディスプレーサ 13は、スターリン グ機関 1の運転中、後述するガスベアリングによりシリンダ 10、 11の内壁に接触する ことなく往復運動する。ピストン 12とディスプレーサ 13は所定の位相差を備えて動く。 シリンダ 11及びディスプレーサ 13の構造は後で詳しく説明する。
[0025] ピストン 12の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ 14が固定される。ディスプレ ーサ 13の一方の端からはディスプレーサ軸 15が突出する。ディスプレーサ軸 15はピ ストン 12及びマグネットホルダ 14を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。
[0026] シリンダ 10はピストン 12の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ 20を保持 する。リニアモータ 20は、コイル 21を備えた外側ヨーク 22と、シリンダ 10の外周面に 接するように設けられた内側ヨーク 23と、外側ヨーク 22と内側ヨーク 23の間の環状空 間に挿入されたリング状のマグネット 24と、外側ヨーク 22を囲む管体 25と、外側ョー ク 22、内側ヨーク 23、及び管体 25を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンド ブラケット 26、 27とを備える。マグネット 24はマグネットホルダ 14に固定されている。
[0027] マグネットホルダ 14のハブの部分にはスプリング 30の中心部が固定される。デイス プレーサ軸 15にはスプリング 31の中心部が固定される。スプリング 30、 31の外周部 はエンドブラケット 27に固定される。スプリング 30、 31の外周部同士の間にはスぺー サ 32が配置されており、これによりスプリング 30、 31は一定の距離を保つ。スプリン グ 30、 31は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレ ーサ 13をピストン 12に対し所定の位相差 (一般的には約 90°の位相差)をもたせて 共振させる役割を果たす。
[0028] シリンダ 11のうち、ディスプレーサ 13の動作領域にあたる部分の外側には伝熱へッ ド 40、 41が配置される。伝熱ヘッド 40はリング状、伝熱ヘッド 41はキャップ状であつ て、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属力 なる。伝熱ヘッド 40、 41は各々 リング状の内部熱交 42、 43を介在させた形でシリンダ 11の外側に支持される。 内部熱交換器 42、 43はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を 伝熱ヘッド 40、 41に伝える。伝熱ヘッド 40にはシリンダ 10及び圧力容器 50が連結 される。
[0029] 伝熱ヘッド 40、シリンダ 10、 11、ピストン 12、ディスプレーサ 13、ディスプレーサ軸 15、及び内部熱交換器 42で囲まれる環状の空間は圧縮空間 45となる。伝熱ヘッド 41、シリンダ 11、ディスプレーサ 13、及び内部熱交換器 43で囲まれる空間は膨張 空間 46となる。
[0030] 内部熱交換器 42、 43の間には再生器 47が配置される。再生器 47は容器に金網 などの充填材 (マトリックス)を詰め込んだり、金属薄板や合成樹脂フィルムをコイル状 に卷いたりして形成したものであって、作動ガスが通る空隙を内部に有する。再生器 47の外側を再生器チューブ 48が包む。再生器チューブ 48は伝熱ヘッド 40、 41の 間に気密通路を構成する。
[0031] リニアモータ 20、シリンダ 10、及びピストン 12を覆う筒状の圧力容器が胴体部 50を 形成する。胴体部 50の内部は背圧空間 51となる。
[0032] 胴体部 50の構造は次のようになっている。すなわち胴体部 50は、伝熱ヘッド 40に 接合されるリング状部 52と、このリング状部 52に接合されるキャップ状部 53とに 2分 割されている。リング状部 52、キャップ状部 53ともステンレス鋼製である。リング状部 5 2の一端はテーパ状に絞り込まれてテーパ状部 52aとなり、この部分が伝熱ヘッド 40 にロウ付けされる。キャップ状部 53はパイプの内面に鏡板 53aを溶接した構造である
[0033] リング状部 52の他端と、これに向かい合うキャップ状部 53の開口端には、フランジ 形状部 54、 55が設けられる。フランジ形状部 54、 55はいずれもステンレス鋼製のリ ングをリング状部 52とキャップ状部 53に溶接して形成されるものであり、最終的には フランジ形状部 54、 55を溶接して密閉状態の胴体部 50を形成する。
[0034] 胴体部 50には、リニアモータ 20に電力を供給するための端子部 28と、内部に作動 ガスを封入するためのパイプ 50aが配置される。これらはいずれもキャップ状部 53の 外周面力 放射方向に突出するように設けられる。
[0035] 胴体部 50には振動抑制装置 60が取り付けられる。振動抑制装置 60は、胴体部 50 に固定されるベース 61と、ベース 61に支持される板状のスプリング 62と、スプリング 6 2に支持されるマス (質量) 63とから成る。
[0036] ピストン 12の内部は空洞 80となっている。空洞 80はピストン 12の端面に配置される 逆止弁 90を介して圧縮空間 45に連通する。ピストン 12の外周面にはガスベアリング を形成する凹部 81が同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。凹部 81の底部にはピストン 12を貫通する形で金属細管 82が打ち込まれ、この金属細管 8 2を通じて空洞 80から凹部 81に作動ガスが供給される。凹部 81の環状列はピストン 12の軸線方向に間隔を置いて 2箇所以上形成する。すなわちガスベアリングを 2箇 所以上に形成する。
[0037] ディスプレーサ 13の内部も空洞 85となっている。空洞 85はディスプレーサ 13の端 面に配置される逆止弁 90を介して圧縮空間 45に連通する。ディスプレーサ 13の外 周面にはガスべァリングを形成する凹部 86が同一円周上に所定の角度間隔で複数 個配置されている。凹部 86の底部に打ち込まれた金属細管 87を通じて空洞 85から 凹部 86に作動ガスが供給される。
[0038] スターリング機関 1は次のように動作する。リニアモータ 20のコイル 21に交流電流を 供給すると外側ヨーク 22と内側ヨーク 23の間にマグネット 24を貫通する磁界が発生 し、マグネット 24は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン 12、マグネットホルダ 14、 マグネット 24、及びスプリング 30)の総質量と、スプリング 30のパネ定数とにより定ま る共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな 正弦波状の往復運動を開始する。
[0039] ディスプレーサ系（ディスプレーサ 13、ディスプレーサ軸 15、及びスプリング 31)に あっては、その総質量と、スプリング 31のパネ定数とにより定まる共振周波数がピスト ン 12の駆動周波数に共振するよう設定する。
[0040] ピストン 12の往復運動により、圧縮空間 45では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧 力の変化に伴って、ディスプレーサ 13も往復運動を行う。このとき、圧縮空間 45と膨 脹空間 46との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ 13とピストン 12との間には位 相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ 13はピストン 12と所 定の位相差を有して同期して振動する。
[0041] 上記の動作により、圧縮空間 45と膨脹空間 46との間にスターリングサイクルが形成 される。圧縮空間では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間 4 6では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空間 45 の温度は上昇し、膨張空間 46の温度は下降する。
[0042] 運転中に圧縮空間 45と膨張空間 46の間を往復する作動ガスは、内部熱交翻 4 2、 43を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器 42、 43を通じて伝熱ヘッド 40 、 41に伝える。圧縮空間 45から再生器 47へ流れ込む作動ガスは高温であるため伝 熱ヘッド 40は加熱され、伝熱ヘッド 40はウォームヘッドとなる。膨張空間 46から再生 器 47へ流れ込む作動ガスは低温であるため伝熱ヘッド 41は冷却され、伝熱ヘッド 4 1はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド 40より熱を大気へ放散し、伝熱ヘッド 41で特定 空間の温度を下げることにより、スターリング機関 1は冷凍機関としての機能を果たす
[0043] 再生器 47は、圧縮空間 45と膨張空間 46の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガ スだけを通す働きをする。圧縮空間 45から内部熱交換器 42を経て再生器 47に入つ た高温の作動ガスは、再生器 47を通過するときにその熱を再生器 47に与え、温度 が下がった状態で膨張空間 46に流入する。膨張空間 46から内部熱交換器 43を経 て再生器 47に入った低温の作動ガスは、再生器 47を通過するときに再生器 47から 熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間 45に流入する。すなわち再生器 47は 熱の保管庫としての役割を果たす。
[0044] ピストン 12とディスプレーサ 13が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング 機関 1に振動が生じる。振動抑制装置 60がこの振動を抑える。
[0045] 圧縮空間 45の中の高圧の作動ガスの一部は逆止弁 90を通じてピストン 12の空洞 80及びディスプレーサ 13の空洞 85に入り込む。そして凹部 81、 86から噴出する。 噴出する作動ガスにより、ピストン 12の外周面とシリンダ 10の内周面との間、またディ スプレーサ 13の外周面とシリンダ 11の内周面の間にガスの膜が形成され、ピストン 1 2とシリンダ 10との接触、またディスプレーサ 13とシリンダ 11との接触が防がれる。こ のため接触部の摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触部の摩耗と 、つた問題が 発生しない。
[0046] ピストン 12とシリンダ 10はアルミニウムやステンレス鋼などの金属で形成される。他 方ディスプレーサ 13とシリンダ 11は、一部は金属で、残りは合成樹脂などの低熱伝 導物質で形成される。以下、ディスプレーサ 13とシリンダ 11の構造を図 2〜4に基づ き説明する。図 2はディスプレーサとシリンダの断面図、図 3、 4は図 2中に円 Aで囲ん だ箇所の拡大断面図である。 [0047] ディスプレーサ 13及びこれを受容するシリンダ 11は、いずれも圧縮空間 45に対向 する側が金属で形成され、膨脹空間 46に対向する側が低熱伝導物質で形成されて いる。ディスプレーサ 13の金属部分 13aと低熱伝導物質部分 13b、及びシリンダ 11 の金属部分 1 laと低熱伝導物質部分 1 lbは、 V、ずれも後者が前者にかぶさる形で嵌 合する。すなわちいんろう嵌合となっている。嵌合部分は接着剤で接合されるが、そ れ自身が高速で往復運動するディスプレーサ 13にあっては、嵌合部分が螺合と接 着剤の併用により接合され、接合強度を高めている。図 3、 4に嵌合部分の螺合の構 造例を示す。
[0048] 図 3の構造例も図 4の構造例も、金属部分 13aの外周面に形成された雄ねじ部と、 低熱伝導物質部分 13bの内周面に形成された雌ねじ部により螺合部 13cが構成さ れている。図 3の構造例は金属部分 13aと低熱伝導物質 13bが重なる箇所において 、重なりの中心寄りに螺合部 13cが設けられ、外部にねじ溝が露出しない。これにより 、ねじ溝が作動ガスの通路となって、ディスプレーサ 13の内外に予期せぬ作動ガス の流れ (漏れ)が生じることを防止できる。
[0049] シリンダ 11の金属部分 11aと低熱伝導物質部分 l ibは、シリンダ自身が運動する 訳ではないので、接着剤だけでも接合強度が不足することはない。し力しながらピスト ン 12とディスプレーサ 13の往復運動によりスターリング機関 1全体が振動することを 考慮し、金属部分 11aと低熱伝導物質部分 l ibの間に螺合部を設けて接合強度の 増大を図ってもよい。
[0050] ディスプレーサ 13において、接着剤は金属部分 13aと低熱伝導物質部分 13bの接 触面の適当個所に塗布すれば良いが、接触面全周に塗布することにより作動ガスの 漏れを防止でき、接触面全体に塗布すれば接合を一層強固なものとすることができ る。シリンダ 11についても同じことが言える。
[0051] 上記のように組み立てられたディスプレーサ 13は、金属部分 13aの方が低熱伝導 物質部分 13bよりも外径が大きくなつている。他方シリンダ 11は、金属部分 11aの方 が低熱伝導物質部分 1 lbよりも内径が小さくなつて 、る。低熱伝導物質の方が一般 的に寸法精度が落ちるが、このように設計しておくことにより、低熱伝導物質部分 13b 、 l ibの間隔が十分に確保され、万一の接触を防ぐことができる。低熱伝導物質部分 13b、 l ibの膨脹係数が大きぐ温度変化により寸法がかなり変化する場合にも、こ れにより安全 (接触防止）を確かめることができる。この間隔は、例えば 120 mとい つた値に設定できる。
[0052] 金属部分 13a、 11aは寸法精度を高くできるので、両者の間で嵌め合い精度を確 立する。そしてガスベアリングの機能する間隙を得る。この間隙は、例えば 20 /z mと いった値に設定できる。
[0053] ディスプレーサ 13における金属部分 13aと低熱伝導物質部分 13bとの境界部と、 シリンダ 11における金属部分 1 laと低熱伝導物質部分 1 lbとの境界部とは、ディスプ レーサ 13の移動により互いの距離 D (図 2参照）が変動する。この境界部同士が重な り合う、すなわち距離 Dがゼロになることのないように、ディスプレーサ 13の境界部と シリンダ 11の境界部の位置関係 (距離)が設定されている。従って、金属部分と低熱 伝導部分の境界部で金属部分と低熱伝導物質部分の間に逆段差が生じていたとし ても、逆段差同士が引つ力かってディスプレーサ 13の動きが阻害されるようなことは ない。
[0054] 低熱伝導物質部分 13b、 l ibは合成樹脂の射出成型により形成する。これにより、 低熱伝導物質部分 13b、 l ibを低コストで大量生産することが可能となる。合成樹脂 としては、例えばポリカーボネートを採用することができる。
[0055] なお、シリンダ 11の金属部分 11aはシリンダ 10と一体化されている。図 2に示す 10 aはシリンダ 10から伸びるブリッジ部分である。このような構成とすることにより、シリン ダ 10、 11の位置合わせ精度を高めることができる。
[0056] 以上本発明の実施形態につき説明した力 発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに 種々の変更をカ卩えて実施することができる。
産業上の利用可能性
[0057] 本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 動力源によって往復運動せしめられるピストンと、このピストンに対して所定の位相 差をもって往復運動するディスプレーサとを備え、圧縮空間 (高温空間）と膨脹空間（ 低温空間）の間で作動ガスを移動させるスターリング機関にぉ 、て、
前記ディスプレーサ及びこれを受容するシリンダは、前記圧縮空間に対向する側を 金属で、前記膨脹空間に対向する側を低熱伝導物質で、それぞれ形成することを特 徴とするスターリング機関。
[2] 前記ディスプレーサは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも外径大であり、前 記シリンダは金属部分の方が低熱伝導物質部分よりも内径小であ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。
[3] 前記ディスプレーサにおける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部と、前記シリ ンダにおける金属部分と低熱伝導物質部分との境界部とは、ディスプレーサの往復 運動中に重なることのな 、ように互 、の距離が設定されて 、ることを特徴とする請求 項 1又は 2に記載のスターリング機関。
[4] 前記ディスプレーサ及び Z又はシリンダは、金属部分と低熱伝導物質部分が螺合 部と接着剤の併用により接合されていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載のスタ 一リング機関。
[5] 前記金属部分と低熱伝導物質部分とが重なる箇所において、重なりの中心寄りに 前記螺合部が設けられ、外部にねじ溝が露出しないことを特徴とする請求項 4に記載 のスターリング機関。
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