JP3773522B1 - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 ピストンが往復運動中心位置にあるとき圧縮空間と背圧空間との間の圧力バランスを、ピストン側流路とシリンダ側流路を合致させて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取り付けるインナーヨークによってシリンダの長大化を招かないようにする。
【解決手段】 シリンダ１０の外周面にリニアモータ２０のインナーヨーク２３を取り付ける。ディスプレーサ１３の一端側の圧縮空間４５とシリンダ１０の外周側の背圧空間５１との圧力バランスをとるため、ピストン１２には圧縮空間４５側端面から外周面にかけて第１流路７０を形成し、シリンダ１０には第１流路７０を背圧空間５１に連通させる第２流路７５を形成する。第２流路７５は、シリンダ１０の壁を径方向に貫通する貫通孔７６と、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内周面の間に形成された連絡通路７７と、により構成される。
【選択図】 図１

Description

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。

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。冷凍機として用い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。

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。

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に見ることができる。

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い。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、アウター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。
特開２００２−１３０８５３号公報（第３頁−第４頁、図１、図１１） 特開２００３−１８５２８４号公報（第２頁−第３頁、図９）

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ーヨークは、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加工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加工コストも上昇する。スターリング機関を発電機として用い、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。

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いようにすることを目的とする。

（１）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。

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い。

（２）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。

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が、このインナーヨークに溝形状を加工するのに比べ、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。

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。

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。

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、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。

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。

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の間の環状空間に挿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。

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。ディスプレーサ軸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ペーサ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。

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ヘッド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はキャップ状であって、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。

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。

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巻回したものであり、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。

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。

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。

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。

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のバ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。

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。

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。

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４０、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。

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に入っ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。

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。

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から圧縮空間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。

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。

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。

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。

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。

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よりも長くなってしまう。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。

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７６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い。そのため、シリンダ１０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。

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が、スターリング発電機で、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。

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。

本発明に係るスターリング機関の断面図 シリンダ部分の模型的平面図 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

Claims (2)

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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