JP4339086B2 - フリーピストン型スターリングエンジン - Google Patents

Description

本発明は、フリーピストン型スターリングエンジンに使用される改良されたロッドに関する。

従来、スターリングエンジンやスターリングエンジンの逆サイクルであるスターリング冷凍機のβ型として、同一のシリンダ内にディスプレーサピストンとパワーピストンを直列に配置した構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この構成においては、ディスプレーサピストンのピストン軸とパワーピストンのピストン軸は各々別々に構成されており、それぞれが別々のクランク腕に接続されているα型に対し、小型化に適し、直列にディスプレーサピストンとパワーピストンを配置するため、摺動損失が少なく、機械効率が高い構成として知られている。スターリングエンジン及び冷凍機はオイルレスで用いられるため、より高い信頼性を確保する観点からディスプレーサピストンやパワーピストンの摺動部はガスベアリングによって、壁面からフローティングさせる構成が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
このような構成において、ディスプレーサピストンやパワーピストンなどの部品の寸法、角度、又は平面度にばらつきがあると、ディスプレーサピストンやパワーピストンが軸方向に対して径方向に振れて芯ずれを起こすことが知られている。この芯ずれは、シリンダとディスプレーサピストンやパワーピストンが接触して摩擦や変形を引き起こす。このためディスプレーサピストンやパワーピストンなどの部品の寸法や角度、平面度のばらつきを極力小さくする必要があるが、実際の加工には加工精度に限界があるので、ある程度の許容誤差を設定せざるを得ない。
しかし、許容誤差範囲内といえども芯ずれの発生は避けられない。このため、ディスプレーサピストンに相当するピストンのピストンロッドの径方向に撓性を持たせ、ピストンロッドの径方向の撓性によりシリンダ内を往復運動するピストン部品のミスアラインメントに起因する径方向の力を軽減する技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
特開平６−１４７００９号公報（請求項１および図１など） 特表平９−５１０５３４号公報（請求項１、請求項６、第１１頁１４行〜２２行、第１８頁２５行〜第１９頁１４行、図２、および図１１）

特許文献１における従来技術は、ディスプレーサピストンとパワーピストンを対面配置させているが、両者のピストンロッドは別々に構成されており、作動軸がシリンダ内に並列に並ぶのでシリンダの径が大きくなる。また、ディスプレーサピストンやパワーピストンなどの部品の寸法や角度、平面度のばらつきを緩衝する技術についての記載はない。
特許文献２における従来技術は、ディスプレーサピストンに対応するピストン部品のミスアラインメントに起因する径方向の力を軽減する記載はあるが、ディスプレーサピストンとパワーピストンを直列に対面配置させて、ディスプレーサピストンとパワーピストンの各々における部品の寸法や角度、平面度のばらつきを緩衝する技術についての記載はない。また、ガスベアリングによって、摺動壁面からディスプレーサピストン及びパワーピストンをフローティングさせるものは、構成が複雑となり、部品点数が増えてしまう。さらにごみ噛み時に、均一にディスプレーサピストン及びパワーピストンをフローティングできるかがが課題となる。

本発明はこのような課題を解決するもので、ディスプレーサピストンとパワーピストンを直列に配置した構成において、ディスプレーサピストン、パワーピストン、板バネなどの部品の寸法や角度、平面度のばらつきを緩衝し、かつ簡単な構成でコストを低下させることが可能なフリーピストン型スターリングエンジンを提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明のフリーピストン型スターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが直列に配置され、前記パワーピストン内の連通孔を貫通してロッドが配置されており、前記ロッドの一端は前記ディスプレーサピストンに連結され、他端はバネ要素に連結されており、前記ロッドを、前記ディスプレーサピストンに連結されるバネ性を有する第１の細径ロッドと、前記バネ要素に連結されるバネ性を有する第２の細径ロッドと、前記第１の細径ロッドおよび前記第２の細径ロッドに連結され、前記パワーピストン内の前記連通孔において摺動可能な軸受けとから構成し、前記第１の細径ロッドおよび前記第２の細径ロッドは、その軸方向には剛性を有し、径方向には撓性を有するバネ材により構成されたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のフリーピストン型スターリングエンジンにおいて、前記第１の細径ロッドと前記ピストンとを連結する第１の連結具および前記第２の細径ロッドと前記バネ要素とを連結する第２の連結具を有することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載のフリーピストン型スターリングエンジンにおいて、前記第１の細径ロッドおよび前記第２の細径ロッドを、前記軸受けに焼きばめまたは圧入により連結したことを特徴とする。

本発明によれば、フリーピストン型スターリングエンジンおいて、ディスプレーサピストンとパワーピストンが直列に配置されているので、ディスプレーサピストンとパワーピストンを構成するシリンダを一体または同軸にすることができ、フリーピストン型スターリングエンジンを小さく構成することができる。
また、ディスプレーサピストン、パワーピストン、板バネなどの部品の寸法や角度、平面度ばらつきを、ディスプレーサピストン部については第１の細径ロッドのバネ性で、パワーピストン部については第２の細径ロッドのバネ性で確実に緩衝することができる。
また、ロッドの構成が一軸性であるので、低コストで製造することができる。

本発明の第１の実施の形態によるフリーピストン型スターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが直列に配置された構成において、パワーピストン内の連通孔を貫通してロッドが配置されており、このロッドの一端がディスプレーサピストンに、他端がバネ要素に連結されており、ロッドをディスプレーサピストンに連結されるバネ性を有する第１の細径ロッドと、バネ要素に連結されるバネ性を有する第２の細径ロッドと、第１の細径ロッドおよび第２の細径ロッドに連結され、パワーピストン内の連通孔において摺動可能な軸受けとから構成し、第１の細径ロッドおよび第２の細径ロッドは、その軸方向には剛性を有し、径方向には撓性を有するバネ材により構成されたものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンやリニアモータ式コンプレッサなどのリニア型駆動装置において、ディスプレーサピストン、パワーピストン、バネ要素などの部品の寸法や角度、平面度のばらつきに起因するディスプレーサピストンでの芯ずれおよびパワーピストンでの芯ずれを各々第１の細径ロッドおよび第２の細径ロッドのばね性により緩衝させ、確実に吸収することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるフリーピストン型スターリングエンジン又はスターリング冷凍機において、第１の細径ロッドとディスプレーサピストンおよび第２の細径ロッドとバネ要素とを各々連結具で接続したものである。本実施の形態によれば、第１の細径ロッドとディスプレーサピストンおよび第２の細径ロッドとバネ要素とを簡単な構成で確実に連結することができる。したがって、低コストで製造することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるフリーピストン型スターリングエンジン又はスターリング冷凍機において、第１の細径ロッドおよび第２の細径ロッドを軸受に焼きばめまたは圧入により連結したものである。本実施の形態によれば、細径ロッドと軸受けを簡単な構成で固定することができる。したがって、低コストで製造することができる。

以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例によるフリーピストン型スターリングエンジンの側断面概略図、図２は、本実施例におけるロッドとディスプレーサピストンおよび板バネの連結された状態の斜視図、図３は、本実施例におけるロッドとディスプレーサピストンおよび板バネの連結を説明する分解斜視図、図４（ａ）は本実施例における第２の細径ロッドと軸受け部の連結方法を説明する斜視図、同図（ｂ）は本実施例における第１の細径ロッドとディスプレーサピストンの連結方法を説明する斜視図である。

図１において、シリンダ１内にディスプレーサピストン１１が挿入されてディスプレーサピストン部２が形成されている。ディスプレーサピストン部２の下方にはパワーピストン部３がシリンダ１内に直列して配置されている。パワーピストン部３は、シリンダ１内で上下方向に移動するパワーピストン４と、パワーピストン４の外周に配置され、シリンダ１に固定されるインナーヨーク５と、パワーピストン４の下端部に固定され、インナーヨーク５の外周に配置される永久磁石（可動部）７と、永久磁石７の外周に配置されるアウターヨーク６とを有して、発電機を構成している。インナーヨーク５にはコイル８を備えており、またパワーピストン４の中心部には貫通孔を有している。ディスプレーサピストン部２は、上部にはヒータ９を、外周部には再生器１０および冷却器１２を備えている。
ディスプレーサピストン１１とパワーピストン４との間には、中空部２０が設けられており、この中空部２０とパワーピストン４の貫通孔４１内にロッド１５が挿通される。ロッド１５の上端はディスプレーサピストン１１に固定され、その下端は板バネ１３に連結される。
ディスプレーサピストン１１は、図２に示すように、上部ハウジング１２１と下部ハウジング１２２から構成され、下部ハウジング１２２を上部ハウジング１２１にはめ込んで構成される。パワーピストン４の下方には、板バネ１３が設けられ、ディスプレーサピストン１１と板バネ１３間にロッド１５が連結される。
ロッド１５は、ディスプレーサピストン１１側の第１の細径ロッド１６、板バネ１３側の第２の細径ロッド１７およびこれらを連結する軸受け１８から構成される。第１の細径ロッド１６および第２の細径ロッド１７は、その軸方向すなわち長さ方向には剛性を有し、径方向には撓性を有する線材で、バネ鋼により構成される。一方、軸受け１８はパワーピストン４内の連通孔４１を摺動するので、機械的強度を有する鋼材で構成される。
なお、図１ではディスプレーサピストン１１とパワーピストン４の支持部材はシリンダ１の一部品である。しかし、シリンダの軸方向の円筒研磨加工を平易にするために、ディスプレーサピストン１１とパワーピストン４の支持部材を分離した２部品のシリンダにすることもできる。この場合、２部品の各シリンダ間の芯ずれが発生した場合、ロッド１５の第１の細径ロッド１６および第２の細径ロッド１７の径方向の撓性を緩衝する効果が、より顕著に表れ、芯ずれによる側力を吸収することができる。

つぎに、図３および図４によりロッド１５とディスプレーサピストン１１および板バネ１３の連結方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、軸受け１８は、中心部に孔１８１を形成したパイプ状をしている。この軸受け１８の孔１８１に第２の細径ロッド１７を一方から挿入し、焼きばめまたは圧入により固定する。図４（ａ）では図示を省略しているが、同様にして細径ロッド１６を焼きばめまたは圧入により固定する。
つぎに、図４（ｂ）に示すように、第１の細径ロッド１６を連結具１９に固定する。連結具１９は、鍔部１９１と、鍔部１９１の片側から中央に孔１９２を有する円柱状部１９９が延長しており、反対側にねじ部１９４が形成されている。この連結具１９の孔１９２に第１の細径ロッド１６を下方から挿入し、焼きばめまたは圧入により固定する。つぎに、連結具１９のねじ部１９４をディスプレーサピストン１１の下部ハウジング１２２の底面に貫通させ、下部ハウジング１２２の内部からワッシャ２２を介してナット２１によりねじ止めして固定する。ロッド１５を固定した下部ハウジング１２２を上部ハウジング１２１にはめ込んでディスプレーサピストン１０とロッド１５の接続は完了する。
ロッド１５と板バネ１３との連結は、連結具１９を図４（ｂ）の状態と上下を反対にして連結具１９の孔１９２に第２の細径ロッド１７を焼きばめまたは圧入により固定し、連結具１９のねじ部１９４を板バネ１３の孔１３１に貫通させ、板バネ１３の反対側からワッシャ２２を介してナット２１によりねじ止めして固定する。

つぎに、動作を説明する。図１におけるスターリングエンジンの動作は周知であるので、ここではその動作説明を省略し、ロッド１５の動作についてのみ説明する。ディスプレーサピストン１１が上下方向に移動すると、ロッド１５も上下方向に移動する。これにつれて板バネ１３の中心部も上下方向に変位する。このとき、ロッド１５の第１の細径ロッド１６および第２の細径ロッド１７は中空部２０や連通孔４１内に接触していないので、自由に上下動が可能である。一方、軸受け部１８はパワーピストン４内の連通孔４１内周面を摺動して上下動する。したがって、ロッド１５は上下方向にのみ移動し、径方向には移動しない。
一方、ディスプレーサピストン１１およびバネ要素などの部品に寸法や角度、平面度のばらつきがある場合は、ディスプレーサピストン１１がシリンダ１内で径方向に移動して上下動の軸に対して芯ずれしようとするが、ロッド１５を構成し、ディスプレーサピストン１１に連結している第１の細径ロッド１６が径方向に撓性を有しているので、ディスプレーサピストン１１のシリンダ１内における径方向の移動を第１の細径ロッド１６の径方向の撓性が緩衝する。したがって、ロッド１５はディスプレーサピストン１１のシリンダ１内における径方向による影響を緩衝することができる。
同様に、パワーピストン４および板バネ１３などの部品に寸法や角度、平面度のばらつきがある場合は、第２の細径ロッド１７が径方向に撓性を有しているので、パワーピストン４のシリンダ１内における径方向の移動は軸受け１８を介して第２の細径ロッド１７に伝えられ、第２の細径ロッド１７の径方向の撓性により緩衝される。

以上のように、本実施例によれば、ディスプレーサピストン、パワーピストン、板バネなどの部品の寸法や角度、平面度のばらつきを、ディスプレーサピストン部については第１の細径ロッドおよび第２の細径ロッドのバネ性で確実に緩衝することができる。

なお、本発明は、スターリングエンジンにて説明したが、スターリングエンジンの逆サイクルであるスターリング冷凍機においても適用できることは言うまでもない。

本発明の一実施例によるフリーピストン型スターリングエンジンの側断面概略図 本実施例におけるロッドとディスプレーサピストンおよび板バネの連結された状態の斜視図 本実施例におけるロッドとディスプレーサピストンおよび板バネの連結を説明する分解斜視図 （ａ）は本実施例における第２の細径ロッドと軸受け部の連結方法を説明する斜視図、（ｂ）は本実施例における第１の細径ロッドとディスプレーサピストンの連結方法を説明する斜視図

１ シリンダ
４ パワーピストン
５ インナーヨーク
６ アウターヨーク
７ 永久磁石
８ コイル
９ ヒータ
１０ 再生器
１１ ディスプレーサピストン
１３ 板バネ
１５ ロッド
１６ 第１の細径ロッド
１７ 第２の細径ロッド
１８ 軸受け
１９ 連結具
２０ 中空部
２１ ナット
２２ ワッシャ
１２１ 上部ハウジング
１２２ 下部ハウジング
１８１、１９２ 孔
１９１ 鍔部
１９４ ねじ部
１９９ 円柱状部

Claims (3)

1. ディスプレーサピストンとパワーピストンとが直列に配置され、前記パワーピストン内の連通孔を貫通してロッドが配置されており、前記ロッドの一端は前記ディスプレーサピストンに連結され、他端はバネ要素に連結されており、前記ロッドを、前記ディスプレーサピストンに連結されるバネ性を有する第１の細径ロッドと、前記バネ要素に連結されるバネ性を有する第２の細径ロッドと、前記第１の細径ロッドおよび前記第２の細径ロッドに連結され、前記パワーピストン内の前記連通孔において摺動可能な軸受けとから構成し、前記第１の細径ロッドおよび前記第２の細径ロッドは、その軸方向には剛性を有し、径方向には撓性を有するバネ材により構成されたことを特徴とするフリーピストン型スターリングエンジン。
2. 前記第１の細径ロッドと前記ディスプレーサとを連結する第１の連結具および前記第２の細径ロッドと前記バネ要素とを連結する第２の連結具を有することを特徴とする請求項１に記載のフリーピストン型スターリングエンジン。
3. 前記第１の細径ロッドおよび前記第２の細径ロッドを、前記軸受けに焼きばめまたは圧入により連結したことを特徴とする請求項１に記載のフリーピストン型スターリングエンジン。

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