WO2006077805A1 - スターリング機関 - Google Patents

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WO2006077805A1
WO2006077805A1 PCT/JP2006/300480 JP2006300480W WO2006077805A1 WO 2006077805 A1 WO2006077805 A1 WO 2006077805A1 JP 2006300480 W JP2006300480 W JP 2006300480W WO 2006077805 A1 WO2006077805 A1 WO 2006077805A1
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piston
space
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peripheral surface
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Inventor
Yoshiyuki Kitamura
Kazushi Yoshimura
Kenji Takai
Shinji Yamagami
Jin Sakamoto
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Sharp Kabushiki Kaisha
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • 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
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • 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
    • 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
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • 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
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/40—Piston assemblies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
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    • 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 such as a Stirling refrigerator and a Stirling generator.
  • a Stirling engine uses helium, hydrogen, nitrogen, or the like as a working gas instead of Freon, and has attracted attention as a heat engine that does not cause destruction of the ozone layer.
  • a piston is reciprocated by a power source such as a linear motor in a pressure vessel, and a displacer is synchronously moved back and forth with a predetermined phase difference with respect to the piston.
  • the piston and displacer cause working gas to flow between the compression space and the expansion space, forming a Stirling cycle (in the case of a refrigerator, this is a reverse 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 increases and the temperature of the expansion space decreases. If heat in the compression space (high temperature space) is radiated through the high temperature heat transfer head, external heat can be absorbed into the expansion space (low temperature space) through the low temperature heat transfer head.
  • the piston is provided with a flow path that connects the outer sliding surface and the compression space, and the cylinder has a flow path that connects the inner sliding surface and the back pressure space. Is provided, and when the piston comes to a certain position, both flow paths communicate to maintain the pressure balance between the back pressure space and the compression space.
  • An example of such a Stirling engine can be seen in Patent Document 1.
  • the piston of a Stirling engine is often driven by a linear motor.
  • Linear motor The outer yoke and the inner yoke, and a permanent magnet disposed between them, and the magnetic flux density of the magnetic field generated between the outer yoke and the inner yoke is superposed on the magnetic flux density of the permanent magnet. The density is made dense, and the permanent magnet is moved by the force acting at that time.
  • a piston is connected to the permanent magnet to reciprocate the piston.
  • Patent Document 1 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-130853 (Page 3 to Page 4, Figures 1 and 11)
  • Patent Document 2 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-185284 (2nd page-3rd page, Fig. 9)
  • the inner yoke of the linear motor is attached to the outer peripheral surface of the cylinder.
  • the inner yoke attached in this way hinders the provision of a flow path in the cylinder for balancing the pressure between the back pressure space and the compression space.
  • a linear motor may be arranged so as to avoid the flow path, but doing so requires the cylinder itself to be lengthened, which increases the material cost and calorie cost of the cylinder and increases the size of the Stirling engine.
  • the problem is.
  • the material cost and the cost of the piston also increase. The same problem occurs when using a Stirling engine as a generator and attaching the generator inner yoke to the outer peripheral surface of the cylinder.
  • the present invention has been made in view of the above points, and the pressure balance between the back pressure space and the compression space of the Stirling engine is matched between the flow path provided in the piston and the flow path provided in the cylinder.
  • the purpose is to prevent an increase in the length of the cylinder when a linear motor or an inner yoke of a generator is attached to the outer peripheral surface of the cylinder.
  • the present invention includes a piston that reciprocates in a cylinder and a displacer that reciprocates with a predetermined phase difference with respect to the piston, and is formed on one end side of the displacer. Formed in the compressed space and the other end of the displacer.
  • a Stirling engine that moves the working gas to and from the expanded space, and in order to balance the pressure between the back pressure space formed on the outer peripheral side of the cylinder and the compression space, the piston is compressed by
  • a first flow path is formed from an end surface on the space side to an outer peripheral surface, and a second flow path is formed in the cylinder for communicating the first flow path with the back pressure space when the piston reaches a predetermined position.
  • the second through a radial through hole provided in the cylinder wall, an inner yoke attached to the outer peripheral surface of the cylinder, and a communication passage formed between the outer peripheral surface of the cylinder. It is characterized by comprising a flow path.
  • the present invention is characterized in that, in the Stirling engine configured as described above, the communication passage is formed by a groove formed on an outer peripheral surface of the cylinder.
  • the second flow path can be formed only by drilling and grooving the cylinder.
  • the inner yoke is made of a mixture of soft magnetic iron powder and resin that is sintered and molded. Compared to the case where the groove shape is covered with this inner yoke, the groove processing is easier and the shape of the groove. It is easy to change. In other words, it is easy to obtain an optimally shaped groove.
  • the piston in order to balance the pressure between the back pressure space and the compression space, the piston forms the first flow path from the compression space side end surface to the outer peripheral surface, and the cylinder has the piston in a predetermined position.
  • a second flow path that connects the first flow path to the back pressure space when the first flow path is reached, a through hole provided in the cylinder wall in the radial direction, and an outer peripheral surface of the cylinder Since the second flow path is configured by the communication passage formed between the inner yoke attached to the cylinder and the outer peripheral surface of the cylinder, the cylinder can be used as if the inner yoke and the through hole are forcibly avoided. There is no need to lengthen the length. This can prevent an increase in the cost of the cylinder and piston and an increase in the size of the Stirling engine.
  • FIG. Figure 1 is a cross-sectional view of a Stirling engine. This Stirling engine is used as a refrigerator.
  • the cylinders 10 and 11 are central to the assembly of the Stirling engine 1.
  • the axes of cylinders 10 and 11 are aligned on the same straight line.
  • Piston 12 is inserted into cylinder 10, and cylinder 11
  • the displacer 13 is inserted.
  • the piston 12 and the displacer 13 reciprocate without contacting the inner walls of the cylinders 10 and 11 by the gas bearing mechanism during operation of the Stirling engine 1.
  • the piston 12 and the displacer 13 move with a predetermined phase difference.
  • a cup-shaped magnet holder 14 is provided at 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 that they can slide in the axial direction.
  • the cylinder 10 holds the linear motor 20 outside the portion corresponding to the operation region of the piston 12.
  • the linear motor 20 includes an outer yoke 22 having a coil 21, an inner yoke 23 provided so as 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. And a synthetic resin end bracket 25 and 26 for holding the outer yoke 22 and the inner yoke 23 in a predetermined positional relationship.
  • the magnet 24 is fixed to the magnet holder 14.
  • the central portion of the spring 30 is fixed to the hub portion of the magnet holder 14.
  • the center portion of the spring 31 is fixed to the positioner shaft 15.
  • the outer peripheries of the springs 30 and 31 are fixed to the end bracket 26.
  • a spacer 32 is disposed between the outer peripheries of the springs 30 and 31 so that the springs 30 and 31 maintain a certain distance.
  • the springs 30 and 31 are disc-shaped materials 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 the portion of the cylinder 11 corresponding to the operating region of the displacer 13.
  • the heat transfer head 40 has a ring shape and the heat transfer head 41 has a cap shape, both of which are made of a metal having good heat conductivity such as copper or copper alloy.
  • the heat transfer heads 40 and 41 are supported outside the cylinder 11 with ring-shaped internal heat exchangers 42 and 43 interposed therebetween.
  • Each of the internal heat exchangers 42 and 43 has air permeability, and transfers the heat of the working gas passing through the inside to the heat transfer heads 40 and 41.
  • a cylinder 10 and a pressure vessel 50 are connected to the heat transfer head 40.
  • the displacer 13 has a compression space on one end side and an expansion space on the other end side.
  • Heat transfer head 40, cylinders 10, 11, piston 12, displacer 13, and internal heat exchanger 42 The space surrounded by is the compression space 45.
  • a space surrounded by the heat transfer head 41, the cylinder 11, the displacer 13, and the internal heat exchanger 43 is an expansion space 46.
  • a regenerator 47 is arranged between the internal heat exchangers 42 and 43.
  • the regenerator 47 is formed by winding a resin film into a cylindrical shape, and a number of minute protrusions are scattered on one side of the film to form gaps between the films at the height of the protrusions. It is a way.
  • a regenerator tube 48 wraps the outside of the regenerator 47 to form an airtight passage between the heat transfer heads 40 and 41.
  • a cylindrical pressure vessel 50 wraps the linear motor 20, the cylinder 10, and the piston 12.
  • the space on the outer peripheral side of the cylinder 10 inside the pressure vessel 50 is a back pressure space 51.
  • a terminal portion 52 for supplying electric power to the linear motor 20 and a pipe 53 for enclosing a working gas therein are arranged on the peripheral surface of the pressure vessel 50.
  • the pipe 53 is sealed after a working gas of a predetermined pressure is sealed in the pressure vessel 50.
  • a dynamic vibration absorber 60 is attached to the outer surface of the pressure vessel 50.
  • the main component of the dynamic vibration absorber 60 is a plate-like spring 61 in which a plurality of thin plate-like springs are stacked, and a mass 62 arranged on the periphery of the spring 61.
  • the center of the spring 61 is fixed to the shaft 63 protruding from the center of the end face of the pressure vessel 50.
  • 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 passing through 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 with 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 spring constant of the spring 30, the piston system A smooth sinusoidal reciprocation is started.
  • the resonance frequency determined by the total mass and the panel constant of the spring 31 is set to resonate with the driving frequency of the piston 12. .
  • the compression space 45 is repeatedly compressed and expanded.
  • the displacer 13 also reciprocates. At this time, there is a difference between the displacer 13 and the piston 12 due to the flow resistance between the compression space 45 and the expansion space 46. A phase difference occurs. Therefore, the displacer 13 having a free piston structure reciprocates in synchronization with the piston 12 with a predetermined phase difference.
  • a Stirling cycle (reverse Stirling cycle) is formed between the compression space 45 and the expansion space 46.
  • 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. For this reason, the temperature of the compression space 45 rises and the temperature of the expansion space 46 falls.
  • 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, and passes only the working gas.
  • the hot working gas that has entered the regenerator 47 from the compression space 45 through the internal heat exchanger 42 gives the heat to the regenerator 47 when passing through the regenerator 47, and the expansion space 46 in a state where the temperature is lowered.
  • 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 as it passes through the regenerator 47, and the compressed space 45 rises in a state where the temperature has risen.
  • the regenerator 47 serves as a heat storage means.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the cylinder portion, in which the configuration of the first flow path 70 and the second flow path 75 is shown.
  • the first flow path 70 includes an annular groove 71 formed on the outer periphery of the piston 12 and an axial groove 72 that communicates the annular groove 71 with the compression space 45.
  • the second flow path 75 has a through hole 76 that penetrates the wall of the cylinder 10 in a radial direction at a portion that overlaps the inner yoke 23, and an outer peripheral surface of the cylinder 10 and the inner yoke so that the through hole 76 and the back pressure space 51 communicate with each other.
  • 23 Consists of a communication passage 77 formed between the inner peripheral surface.
  • the communication passage 77 is a groove formed on the outer peripheral surface of the cylinder 10, extends in the axial direction of the cylinder 10, one end thereof is connected to the through hole 76, and the other end protrudes outside the inner yoke 23.
  • the second flow path 75 can be formed only by drilling and grooving the cylinder 10.
  • the inner yoke 23 is made by sintering and molding a mixture of soft magnetic iron powder and resin. Compared to machining the groove shape in the inner yoke 23, the groove shape is processed in the cylinder 10. It is easy and the shape of the groove is easy to change. That is, there is a merit that it is easy to obtain an optimally shaped groove.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a cylinder portion showing a case where the present invention is not carried out.
  • the linear motor 20 is arranged so as to avoid the through hole 10 so that the inner yoke 23 does not overlap the through hole 10 of the cylinder 10.
  • the length L2 of the cylinder 10 is longer than the length L1 of the cylinder 10 in FIG.
  • the material cost and processing cost of the cylinder 10 increase.
  • not only the cylinder 10 but also the piston 12 must be lengthened, and the material cost and processing cost of the piston 12 also increase.
  • Stirling engine 1 as a whole will also become larger.
  • the inner yoke 23 and the through hole 7 are provided in the cylinder 10. Since 6 can be provided in an overlapping manner, it is not necessary to lengthen the cylinder 10 as in the case where the overlap between the inner yoke 23 and the through hole 76 is forcibly avoided. Therefore, the material cost and the cost of the cylinder 10 will not rise. At the same time, it is possible to avoid the lengthening of the piston 12 and the accompanying increase in material cost and processing cost of the piston 12. Since the cylinder 10 and the piston 12 do not become long, the pressure vessel 50 does not need to be enlarged, and the material cost of the pressure vessel 50 can be reduced. Further, since the configuration of the second flow path 75 as described above does not affect the amount of gas passing therethrough, the performance of the Stirling engine 1 does not change.
  • the Stirling engine of the above embodiment may be a force Stirling generator, which is a Stirling refrigerator, as long as it is of a type in which the inner yoke of the generator is attached to the outer peripheral surface of the cylinder.
  • the present invention can be used for all Stirling engines in which an inner yoke such as a linear motor or a generator is attached to the outer peripheral surface of a cylinder.

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Abstract

　スターリング機関において、シリンダの外周面にリニアモータのインナーヨークを取り付ける。ディスプレーサの一端側の圧縮空間とシリンダの外周側の背圧空間との圧力バランスをとるため、ピストンには圧縮空間側端面から外周面にかけて第１流路を形成し、シリンダには第１流路を背圧空間に連通させる第２流路を形成する。第２流路は、シリンダの壁を径方向に貫通する貫通孔と、貫通孔と背圧空間とを連通すべくシリンダ外周面とインナーヨーク内周面の間に形成された連絡通路と、により構成される。

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冷凍機、スターリング発電機等の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。冷凍機として 用レ、るスターリング機関では、圧力容器内でリニアモータなどの動力源によりピストン を往復運動させ、このピストンに対しディスプレーサを、所定の位相差をもって同期往 復運動させる。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行 き来させ、スターリングサイクル (冷凍機の場合、逆スターリングサイクルということにな るが）を形成する。圧縮空間では等温圧縮変化に基づ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。高温伝熱ヘッドを介して圧 縮空間（高温空間）の熱を放熱すれば、低温伝熱ヘッドを介して外部の熱を膨脹空 間（低温空間）に吸収することが可能になる。
[0003] さて、ピストンを連続して往復運動させていると、ピストンを収納したシリンダの外周 側に形成された背圧空間の内圧が徐々に高くなり、背圧空間と圧縮空間の間の圧力 バランスが崩れて、ピストンの往復運動中心位置が初期位置から圧縮空間側にずれ るという現象が起きる。この現象を放置すると、ピストンが物理的な運動限界位置に達 したり、ピストンとディスプレーサが衝突を起こしたりする。
[0004] このような事態を避けるため、ピストンにはその外周の摺動面と圧縮空間とを結ぶ流 路が設けられ、シリンダにはその内周の摺動面と背圧空間を結ぶ流路が設けられ、 ピストンがある位置に来たときに両流路が連通して、背圧空間と圧縮空間の間の圧力 バランスが保たれるといった工夫がなされている。そのようなスターリング機関の例を 特許文献 1に見ること力 sできる。
[0005] また、スターリング機関のピストンはリニアモータで駆動することが多レ、。リニアモー タは、アウターヨーク及びインナーヨークと、その間に配置された永久磁石を備え、ァ ウタ一ヨークとインナーヨークの間に発生する磁界の磁束密度と永久磁石の磁束密 度を重ね合わせることにより、磁束密度に粗密を生じさせ、そのときに働く力により永 久磁石を動かす。この永久磁石にピストンを連結して、ピストンを往復運動させる。こ のようなピストン駆動メカニズムを備えたスターリング機関の例を特許文献 2に見ること ができる。
特許文献 1 :特開 2002— 130853号公報 (第 3頁—第 4頁、図 1、図 11)
特許文献 2 :特開 2003— 185284号公報 (第 2頁—第 3頁、図 9)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] ピストンをリニアモータで駆動する構成を採用した場合、シリンダの外周面にリニア モータのインナーヨークが取り付けられることになる。このように取り付けられたインナ 一ヨークは、背圧空間と圧縮空間の間の圧力バランスをとるための流路をシリンダに 設けるうえで妨げとなる。流路を回避するようにリニアモータを配置してもよいが、その ようにするとシリンダそのものを長くしなければならなくなり、シリンダの材料コストやカロ ェコストが上昇する他、スターリング機関が大型化してしまうという問題もはらむ。また 、シリンダのみならずピストンまで長くしなければならないということになると、ピストン の材料コストやカ卩ェコストも上昇する。スターリング機関を発電機として用レ、、シリンダ の外周面に発電機のインナーヨークを取り付ける場合にも同様の問題が発生する。
[0007] 本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、スターリング機関の背圧空間と圧縮 空間の間の圧力バランスを、ピストンに設けた流路とシリンダに設けた流路を合致さ せることにより保つ構成のスターリング機関において、シリンダの外周面にリニアモー タ又は発電機のインナーヨークを取り付ける場合にそれがシリンダの長大化を招かな レ、ようにすることを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008] 上記目的を達成するために本発明は、シリンダ内で往復運動するピストンと、該ピス 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、前記ディ スプレーサの一端側に形成された圧縮空間と前記ディスプレーサの他端側に形成さ れた膨脹空間との間で作動ガスを移動させるスターリング機関であって、前記シリン ダの外周側に形成された背圧空間と前記圧縮空間との圧力バランスをとるため、前 記ピストンには圧縮空間側端面から外周面にかけて第 1流路を形成し、前記シリンダ には前記ピストンが所定位置に来たときに前記第 1流路を前記背圧空間に連通させ る第 2流路を形成してなるものにおいて、前記シリンダ壁に設けた径方向に貫通する 貫通孔と、前記シリンダの外周面に取り付けたインナーヨークと前記シリンダの外周 面との間に形成した連絡通路と、により前記第 2流路が構成されて成ることを特徴とし ている。
[0009] この構成によると、シリンダにインナーヨークと貫通孔を重ねて設けることが可能な ので、インナーヨークと貫通孔の重なり合いを無理に回避する場合のようにシリンダを 長大化する必要がない。そのため、シリンダの材料コストや加工コストが上昇すること がない。同時にピストンの長大化と、それに伴うピストンの材料コストや加工コストの上 昇も避けることができる。シリンダやピストンが長大化しないのでスターリング機関の外 殻 (ベッセル)も大型化せずに済み、外殻の材料コストも低減できる。また、第 2流路 を上記のように構成したことがそこを通るガス量に影響を及ぼすものではないので、ス ターリング機関の性能は変化しなレ、。
[0010] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記連絡通路が、前記シリ ンダの外周面に形成された溝より成ることを特徴としている。
[0011] この構成によると、シリンダに対し穴明け加工と溝彫り加工を施すのみで第 2流路を 形成することができる。インナーヨークには軟磁性鉄粉と樹脂を混合したものを焼結 成型したものが用いられる力 このインナーヨークに溝形状をカ卩ェするのに比べ、溝 加工が容易であるうえ、溝の形状を変化させやすい。すなわち最適形状の溝を得や すい。
発明の効果
[0012] 本発明によると、背圧空間と前記圧縮空間との圧力バランスをとるため、ピストンに は圧縮空間側端面から外周面にかけて第 1流路を形成し、シリンダにはピストンが所 定位置に来たときに第 1流路を背圧空間に連通させる第 2流路を形成してなるものに おいて、前記シリンダ壁に設けた径方向に貫通する貫通孔と、前記シリンダの外周面 に取り付けたインナーヨークと前記シリンダの外周面との間に形成した連絡通路と、 により前記第 2流路を構成したから、インナーヨークと貫通孔の重なり合いを無理に回 避する場合のようにシリンダを長大化する必要がない。これにより、シリンダ及びピスト ンのコストアップと、スターリング機関の大型化を防ぐことができる。
図面の簡単な説明
園 1]本発明に係るスターリング機関の断面図
園 2]シリンダ部分の模型的平面図
園 3]本発明を実施しなかった場合を示すシリンダ部分の模型的平面図
符号の説明
1 スターリング機関
10 シリンダ
12 ピストン
13 ディスプレーサ
20 リニアモータ
23 インナーヨーク
45 圧縮空間
46 膨脹空間
50 圧力容器
51 背圧空間
70 第 1流路
75 第 2流路
76 貫通孔
77 連絡通路
発明を実施するための最良の形態
[0015] 本発明の第 1実施形態を図 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。なお、このスターリング機関は冷凍機として用いられるものである。
[0016] 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が揷入され、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、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ 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。
[0017] 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が設けられる。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を軸線方向にスライドできるように貫通する。
[0018] 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を備えたアウターヨーク 22と、シリンダ 10の外周面 に接するように設けられたインナーヨーク 23と、アウターヨーク 22とインナーヨーク 23 の間の環状空間に揷入されたリング状のマグネット 24と、アウターヨーク 22及びイン ナーヨーク 23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 25、 26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。
[0019] 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 26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。
[0020] 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からなる。伝熱ヘッド 40、 41は各々 リング状の内部熱交換器 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。
[0021] ディスプレーサ 13の一端側には圧縮空間、他端側には膨脹空間が形成される。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、及び内部熱交換器 42 で囲まれる空間が圧縮空間 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で囲まれる空間が膨張空間 46となる。
[0022] 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は樹脂フィルム を円筒形に卷回したものであり、フィルムの片面に微小な突起を多数点在させてフィ ルム間に突起の高さ分の間隙を形成し、これを作動ガスの通り道としている。再生器 47の外側を再生器チューブ 48が包み、伝熱ヘッド 40、 41の間に気密通路を構成す る。
[0023] リニアモータ 20、シリンダ 10、及びピストン 12を筒状の圧力容器 50が包む。圧力容 器 50内部のシリンダ 10の外周側の空間は背圧空間 51となる。圧力容器 50の周面 には、リニアモータ 20に電力を供給するための端子部 52と、内部に作動ガスを封入 するためのパイプ 53が配置される。パイプ 53は圧力容器 50に所定気圧の作動ガス を封入した後密閉される。
[0024] 圧力容器 50の外面には動吸振器 60が取り付けられる。動吸振器 60の主体をなす のは薄板状のスプリングを複数枚重ねた板状のスプリング 61と、このスプリング 61の 周縁に配置されたマス 62である。圧力容器 50の端面中央から突き出す軸 63にスプ リング 61の中心を固定する。
[0025] 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 供給するとアウターヨーク 22とインナーヨーク 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のバネ定数とによ 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。
[0026] 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。
[0027] 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。そのため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 位相差で同期して往復運動する。
[0028] 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 (逆スタ 一リングサイクル）が形成される。圧縮空間 45では等温圧縮変化に基づいて作動ガ スの温度が上昇し、膨脹空間 46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。
[0029] 運転中に圧縮空間 45と膨張空間 46の間を行き来する作動ガスは、内部熱交換器 42、 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 4 0、 41に伝える。圧縮空間 45から再生器 70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 70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 41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。
[0030] 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 蓄熱手段としての役割を果たす。
[0031] 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。動吸振器 60がこの振動を抑える。
[0032] さて、ピストン 10を連続して往復運動させていると、背圧空間 51の内圧が徐々に高 くなり、背圧空間 51と圧縮空間 45の間の圧力バランスが崩れて、ピストン 12の往復 運動中心位置が初期位置力 圧縮空間 45側にずれるという現象が起きる。この現象 を放置すると、ピストン 12が物理的な運動限界位置に達したり、ピストン 12とディスプ レーサ 13が衝突を起こしたりする。 [0033] このような事態を避けるため、ピストン 12には圧縮空間側端面から外周面にかけて 第 1流路 70が形成され、シリンダ 10にはピストン 12が所定位置に来たときに第 1流路 70を背圧空間に連通させる第 2流路 75が形成される。
[0034] 図 2はシリンダ部分の模型的平面図であり、ここに第 1流路 70と第 2流路 75の構成 が示されている。第 1流路 70は、ピストン 12の外周に形成された環状溝 71と、この環 状溝 71を圧縮空間 45に連通させる軸線方向溝 72により構成される。第 2流路 75は 、インナーヨーク 23と重なる部分でシリンダ 10の壁を径方向に貫通する貫通孔 76と 、この貫通孔 76と背圧空間 51とを連通すべくシリンダ 10外周面とインナーヨーク 23 内周面との間に形成された連絡通路 77により構成される。連絡通路 77はシリンダ 10 の外周面に形成された溝であって、シリンダ 10の軸線方向に延び、その一端は貫通 孔 76に接続し、他端はインナーヨーク 23の外側に突き出している。
[0035] ピストン 12が往復運動するとき、往復運動の中心位置で環状溝 71と貫通孔 76の位 置が合致する。すると第 1流路 70と第 2流路 75を通じて背圧空間 51と圧縮空間 45 が連通することになり、ピストン 12が往復運動の中心に位置するときの背圧空間 51と 圧縮空間 45の間の圧力バランスが保たれる。
[0036] 連絡通路 77は溝であるから、シリンダ 10に対し穴明け加工と溝彫り加工を施すの みで第 2流路 75を形成することができる。インナーヨーク 23には軟磁性鉄粉と樹脂を 混合したものを焼結成型したものが用いられるが、このインナーヨーク 23に溝形状を 加工するのに比べ、シリンダ 10に溝形状を加工するのは容易であり、溝の形状も変 化させやすい。すなわち最適形状の溝を得やすいというメリットがある。
[0037] 図 3は本発明を実施しなかった場合を示すシリンダ部分の模型的平面図である。こ こにはシリンダ 10の貫通孔 10にインナーヨーク 23が重ならないように、貫通孔 10を 回避する形でリニアモータ 20を配置した例が示されている。このようにした場合のシリ ンダ 10の長さ L2は、図 2のシリンダ 10の長さ L1よりも長くなつてしまう。するとシリンダ 10の材料コストや加工コストが上昇する。また、シリンダ 10のみならずピストン 12まで 長くしなければならず、ピストン 12の材料コストや加工コストも上昇する。スターリング 機関 1全体も大型化してしまう。
[0038] これに対し本発明の構成を採用すれば、シリンダ 10にインナーヨーク 23と貫通孔 7 6を重ねて設けることが可能なので、インナーヨーク 23と貫通孔 76の重なり合いを無 理に回避する場合のようにシリンダ 10を長大化する必要がなレ、。そのため、シリンダ 10の材料コストやカ卩ェコストが上昇することがなレ、。同時にピストン 12の長大化と、そ れに伴うピストン 12の材料コストや加工コストの上昇も避けることができる。シリンダ 10 やピストン 12が長大化しないので圧力容器 50も大型化せずに済み、圧力容器 50の 材料コストも低減できる。また、第 2流路 75を上記のように構成したことがそこを通るガ ス量に影響を及ぼすものではないので、スターリング機関 1の性能は変化しない。
[0039] 以上本発明の実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに 種々の変更を加えて実施することができる。例えば上記実施形態のスターリング機関 はスターリング冷凍機であった力 スターリング発電機でも、発電機のインナーヨーク をシリンダの外周面に取り付ける型式のものであれば、本発明の適用が可能である。 産業上の利用可能性
[0040] 本発明は、シリンダの外周面にリニアモータ、発電機などのインナーヨークを取り付 ける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] シリンダ内で往復運動するピストンと、該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、前記ディスプレーサの一端側に形成された圧縮 空間と前記ディスプレーサの他端側に形成された膨脹空間との間で作動ガスを移動 させるスターリング機関であって、前記シリンダの外周側に形成された背圧空間と前 記圧縮空間との圧力バランスをとるため、前記ピストンには圧縮空間側端面から外周 面にかけて第 1流路を形成し、前記シリンダには前記ピストンが所定位置に来たとき に前記第 1流路を前記背圧空間に連通させる第 2流路を形成してなるものにおいて、 前記シリンダ壁に設けた径方向に貫通する貫通孔と、前記シリンダの外周面に取り 付けたインナーヨークと前記シリンダの外周面との間に形成した連絡通路と、により前 記第 2流路が構成されて成ることを特徴とするスターリング機関。
[2] 前記連絡通路が、前記シリンダの外周面に形成された溝より成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。
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