JP3667328B2 - スターリング機関 - Google Patents

Description

本発明は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得るので、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１〜３にスターリング機関の例を見ることができる。
特開２０００−３３７７２５号公報（第２−４頁、図１） 特開２００１−２３１２３９号公報（第２−４頁、図１） 特開２００２−３４９３４７号公報（第５−６頁、図１）

スターリング機関は、未だ量産には至っていない。量産化するには、少なくとも組立性を良くし、組立後の品質安定性を確保することが必要である。

スターリング機関は微妙なバランスのもとで運転を成立させるものであり、所期の性能を発揮させるためには設計及び組立調整を適切に、且つ入念に行うことが必要となる。そのため、１台毎に性能チェックが欠かせない。しかしながらスターリング機関は、構成要素が圧力容器内に封入されており、所期の性能が出ていないことを発見しても、調整し直すことが容易ではなかった。この問題に対処するに際しては、スターリング機関の外殻を構成する圧力容器の構造を見直す必要がある。本願発明者は、圧力容器が分割構造であること、またその分割位置の設定が組立性や品質安定性に大きな影響を与えることを見いだした。

本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、組立性が良く、組立後の品質安定性が確保されるとともに、性能チェック後の調整が容易なスターリング機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明ではスターリング機関を次のように構成した。

（１）シリンダと、シリンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと位相差を有して往復動するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと、前記シリンダ、ピストン、ディスプレーサ及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機関において、前記リニアモータは両端に合成樹脂製エンドブラケットを備えるものであり、他方前記圧力容器には分割部を設け、この分割部は、前記リニアモータの軸線方向中央部に位置するものとした。

圧力容器の分割部は、圧力容器に固着されたハーメチック端子（リニアモータへの電源供給端子）とリニアモータのリード線との接続や、リード線の引き回しがやりやすくなるという点で、前記リニアモータのピストン支持側端とディスプレーサ側端の間に位置させるのが好ましいが、分割部がリニアモータの軸線方向中央部に位置するように構成することにより、この要件は満たされるものである。

（２）シリンダと、シリンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと位相差を有して往復動するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと、前記シリンダ、ピストン、ディスプレーサ及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機関において、前記圧力容器に分割部を設け、この分割部は、シール部材を用いて封止する仮封止と、熔接により封止する本封止の両方が可能な形状であるものとした。

（３）前述のように構成されたスターリング機関において、前記分割部は、少なくとも一方の圧力容器形成体にフランジ形状部を設け、このフランジ形状部にシール部材配置部を設けるとともに、このフランジ形状部の外側周方向に本封止をするための熔接箇所を配置した。

（４）前述のように構成されたスターリング機関において、前記分割部が、前記リニアモータのピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に位置するものとした。

リニアモータが両端に合成樹脂製エンドブラケットを備えるタイプのものであるならば、分割部は、リニアモータの軸線方向中央部に位置するのが好ましい。

（１）圧力容器に分割部を設け、この分割部は、両端に合成樹脂製ブラケットを備えるリニアモータの軸線方向中央部に位置するものとしたから、圧力容器を分割すればリニアモータのピストン支持側が露出する。この状態でリニアモータの配線作業、あるいはピストンやディスプレーサの組立作業を行えるので、組立性が良い。また、無理な組立作業を行わなくて済むことにより、品質安定性を向上できる。

また、分割部がリニアモータの軸線方向中央部に位置するものとしたから、分割部はリニアモータの両端の合成樹脂製エンドブラケットに対し均等な距離を有している。このため、分割部を熔接して圧力容器を封止するとき、熔接熱による損傷を受けにくい。これもまた品質安定性の確保に寄与する。

（２）圧力容器に分割部を設け、この分割部は、シール部材を用いて封止する仮封止と、熔接により封止する本封止の両方が可能な形状であるものとしたから、圧力容器を仮封止して組み立てた状態でまず性能チェックを行い、不具合が見つかればすぐに圧力容器を分解して不具合の原因を排除することができる。従って、不具合のある製品を不良品として廃棄せずに済み、資源の無駄が生じない。また、全ての製品を品質基準を満たす形で出荷することができ、製品の信頼性が高まる。

（３）分割部は、少なくとも一方の圧力容器形成体にフランジ形状部を設け、このフランジ形状部にシール部材配置部を設けるとともに、このフランジ形状部の外側周方向に本封止をするための熔接箇所を配置したから、フランジ形状部にシール部材を配置することにより容易に仮封止を行うことができる。そして本封止の際の熔接箇所がフランジ形状部の外側周方向となるので、圧力容器内に配設された構成物に対して、熔接時の熱による変形等の悪影響が及ぶのを抑制することができる。なお、このような熱の影響は、例えばリニアモータのエンドブラケットを樹脂で製造した場合のように、圧力容器内に樹脂体を備える場合に生じやすいため、このような構成物を備えるものに対して好適な構造となる。

（４）分割部が、リニアモータのピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に位置するものとしたから、圧力容器を仮封止して組み立てた状態で性能チェックを行い、不具合があった場合には圧力容器を分割してリニアモータやピストン、ディスプレーサの支持部を露出させることができる。これにより、点検・調整を容易に行うことができる。

リニアモータが両端に合成樹脂製エンドブラケットを備えるタイプのものである場合、分割部がリニアモータの軸線方向中央部に位置することとすれば、分割部はリニアモータの両端の合成樹脂製エンドブラケットに対し均等な距離を保っている。このため、分割部を熔接して本封止を行うとき、両側のエンドブラケットは熔接部から均等に遠ざかっているので、熔接熱による損傷を受けにくい。これもまた品質安定性の確保に寄与する。

以下、本発明の第１実施形態を図１〜３に基づき説明する。図１はスターリング機関の完成品の断面図、図２は仮接合の段階における断面図、図３は図２の要部拡大図である。

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を軸方向に自由にスライドできるように貫通する。スターリング機関１の運転中、ディスプレーサ軸１５はピストン１２に接触することなく動く。

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及び内側ヨーク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２６，２７と、該エンドブラケット２６，２７間を一定の距離に保つためのスペーサ２５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、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３のいずれにも接触しないように支持されている。

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、ピストン１２、ディスプレーサ１３のそれぞれと共振を起こす。

シリンダ１１のうち、端部（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。

伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、及び内部熱交換器４２で囲まれた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。

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も通気性を有し、内部を作動ガスが通る。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。

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が覆う。圧力容器５０の内部はバウンス空間５１となる。圧力容器５０の構造は後で詳細に説明する。

圧力容器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、圧力容器５０に固定されるフレーム６１と、フレーム６１に支持された板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されたマス（質量）６３とからなる。

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。

また、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）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を、ピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。

そして、ピストン１２を往復運動させると、圧縮空間は圧縮、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とになる。上記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の振動周波数とは位相差を有して同期して振動する。

このような動作により、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の間を往復する作動ガスは、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を通じて良好に伝熱ヘッド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は蓄熱装置としての役割を果たす。

圧力容器５０の構造は次のようになっている。すなわち圧力容器５０は、伝熱ヘッド４０に接合される圧力容器形成体の一方であるリング状部５２と、このリング状部５２に接合される圧力容器形成体の他方であるドーム状部５３とに２分割されている。分割面はスターリング機関１の軸線と直角であり、且つリニアモータ２０を横切る位置にある。横切る位置は、リニアモータ２０のピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に寄った位置とする。この実施形態では、リニアモータ２０の軸線方向中央部を横切っている。

リング状部５２、ドーム状部５３ともステンレス鋼製である。リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。テーパ状の絞り込み部５２ａは、バウンス空間５１の容積を縮小するのに役立つ。リング状部５２の他端と、これに向かい合うドーム状部５３の開口端には、フランジ形状部５４、５５が配設される。

フランジ形状部５４、５５の構造を図３を用いて詳細に説明する。フランジ形状部５４、５５ともに、別体として成形したステンレス鋼製のリングをリング状部５２とドーム状部５３に熔接して形成される。熔接は隅肉熔接５６である。フランジ形状部５４、５５の内側周方向には、フランジ形状部５４側を凹とし、フランジ形状部５５側を凸とするシール部材配置部５７が設けられる。仮封止時にはシール部材配置部５７にリング状のシール部材７０を配置することにより、密閉を保つことができる。

フランジ形状部５４、５５の接合面と反対側の面には、仮封止時の締付リング７１、７２と当接する当接面であり、隅肉熔接５６を施したときに当接面からロウ材が流れ出ないように、凹状の段差を備えた形状に形成されている。

フランジ形状部５４、５５の内周面にはそれぞれ環状溝７４が形成される。環状溝７４には、フランジ形状部５４、５５とリング状部５２、ドーム状部５３の間の気密を保つリング状のシール部材７５が配置される。

フランジ形状部５４、５５は最終的には互いの端面の外側同士を熔接し、熔接部５８（図１参照）をもって本接合される。熔接のため、フランジ形状部５４、５５の合わせ目には外側周方向に熔接箇所となる開先部５９が形設され（図３参照）、ロウ材を盛りやすくしてある。本発明では、熔接による本接合に先だって仮接合を行い、その状態でスターリング機関としての性能チェックを行う。

仮封止は次のようにして行う。まず図３に示すように、フランジ形状部５４側のシール部材配置部５７にシール部材７０を入れる。シール部材７０はＯリングである。それからフランジ形状部５５の端面側をフランジ形状部５４の端面に当接させると、シール部材７０はフランジ形状部５４、５５間に挟まれる形になる。

続いて、図２に示すように、フランジ形状部５４、５５を１対の締付リング７１、７２で挟む。この締付リング７１、７２をボルト７３で締め付けると、シール部材７０は圧縮されて変形し、フランジ形状部５４、５５の間の気密性が高まる。これにより、圧力容器５０の内圧を高めても作動ガスが漏れることはなくなる。

仮封止の状態でスターリング機関１の性能チェックを行う。不具合が見つかればボルト７３を緩めて締付リング７１、７２による締付を解き、ドーム状部５３をリング状部５２から取り外す。そして各部の点検や調整を行う。リニアモータ２０を横切る位置に分割部があるので、ドーム状部５３を取り外せばリニアモータ２０が露出状態になり、リニアモータ２０の点検・調整を容易に行うことができる。

点検・調整を行い、不具合の原因を排除した後、再びドーム状部５３をかぶせて仮接合し、性能を再度チェックする。

所期の性能を確認できたら仮封止から本封止に移る。締付リング７１、７２を取り外し、テーパ部５９を熔接することにより本封止を行う。熔接を始める前にシール部材７０を取り外す。なお、熔接の熱に耐えられるものであれば、シール部材７０はそのままフランジ形状部５４、５５の間に残してもよい。シール部材７５は、取り外し可能ではないため、熔接の熱に耐えられることが必須条件となる。

本封止の熔接箇所はフランジ形状部５４、５５の外周部同士であり、圧力容器５０内の構成要素から遠ざかっている。従って、圧力容器５０内の構成要素が熔接の熱で損傷を受ける率が低くなる。

本実施形態では、圧力容器５０の分割部はリニアモータ２０の軸線方向中央部に位置している。そのため、熔接箇所とエンドブラケット２６、２７との間に均等に距離を確保することができ、エンドブラケット２６、２７のいずれにも熔接の熱が届きにくい。従って、合成樹脂製のエンドブラケット２６、２７を用いた場合であっても熱で損傷を受けにくい。特に、本実施形態の構成では、エンドブラケット２７にスプリング３０、３１を固定するようにしている。そのため、エンドブラケット２７が変形すると、スプリング３０、３１の位置がずれる場合がある。この位置ずれが発生すると、圧縮空間４５、膨脹空間４６の容積や、ピストン及びディスプレーサの振動系に影響を与えることになる。しかし、上記構成によれば、熔接時の熱の影響によりこのような位置ずれが発生しないため、良好に性能を発揮することが可能となる。

本実施形態では、分割部を仮封止と本封止の両方が可能な形状にしているが、本封止のみが可能な形状を採用することも可能である。この場合、仮封止を解除して点検や調整を行うということはできないが、組立工程における配線作業、具体的には圧力容器に固着されたハーメチック端子（リニアモータへの電源供給端子）とリニアモータのリード線との接続や、リード線の引き回しがやりやすくなるという効果は共通である。また、熔接の熱による悪影響を受け難いという利点も共通である。

第２実施形態を図４に示す。図４はスターリング機関の完成品の断面図である。第１実施形態と同一の構成要素や機能的に共通する構成要素には第１実施形態の説明で使用した符号をそのまま付し、説明は省略する。

圧力容器５０は、開口端にリングを熔接してフランジ形状部５５を形成したドーム状部５３と、伝熱ヘッド４０とにより構成される。圧力容器５０の分割面はリニアモータ２０よりもディスプレーサ１３側となる。

圧力容器５０のフランジ形状部５５と、伝熱ヘッド４０に係合するフランジ形状部８０とをボルト７３で締め付け、仮封止を行う。フランジ形状部５５とフランジ形状部８０の間、伝熱ヘッド４０の外周面とフランジ形状部８０の内周面との間、及び伝熱ヘッド４０の外側面とフランジ形状部８０の内側面の間にはそれぞれシール部材７０を挟み込んでおき、気密性を高める。

第２実施形態においては、「仮封止」として指定された締付トルクでボルト７３を締め付けておいてスターリング機関１の性能チェックを行う。不具合が見つかればボルト７３を緩めてフランジ形状部５５、８０の連結を解き、ドーム状部５３を伝熱ヘッド４０から取り外して各部の調整を行う。調整し直した後、再びドーム状部５３をかぶせて仮接合し、性能チェックを行う。所期の性能を確認できたら、ボルト７３とフランジ形状部８０とを取外し、伝熱ヘッド４０とフランジ形状部５５とを熔接し、本封止を行う。

以上本発明の各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可能である。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はスターリング機関全般に利用可能である。

本発明の第１実施形態に係るスターリング機関の完成品の断面図 上記スターリング機関の仮接合の段階における断面図 図２の要部拡大図 本発明の第２実施形態に係るスターリング機関の完成品の断面図

符号の説明

１ スターリング機関
１０、１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ ディスプレーサ
２０ リニアモータ
４５ 圧縮空間
４６ 膨張空間
５０ 圧力容器
５１ バウンス空間
５２ リング状部
５３ ドーム状部
５４、５５ フランジ形状部
５７ シール部材配置部
５８ 熔接部
７１、７２ 締付リング
７３ ボルト
８０ フランジ形状部

Claims (4)

1. シリンダと、シリンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと位相差を有して往復動するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと、前記シリンダ、ピストン、ディスプレーサ及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機関において、
   前記リニアモータは両端に合成樹脂製エンドブラケットを備えるものであり、他方前記圧力容器には分割部を設け、この分割部は、前記リニアモータの軸線方向中央部に位置することを特徴とするスターリング機関。
2. シリンダと、シリンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと位相差を有して往復動するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと、前記シリンダ、ピストン、ディスプレーサ及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機関において、
   前記圧力容器に分割部を設け、この分割部は、シール部材を用いて封止する仮封止と、熔接により封止する本封止の両方が可能な形状であることを特徴とするスターリング機関。
3. 前記分割部は、少なくとも一方の圧力容器形成体にフランジ形状部を設け、このフランジ形状部にシール部材配置部を設けるとともに、このフランジ形状部の外側周方向に本封止をするための熔接箇所を配置したことを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。
4. 前記分割部が、前記リニアモータのピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に位置することを特徴とする請求項２又は３に記載のスターリング機関。

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