JP2009092007A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術においては、動力源と駆動部をつなぐクランク機構であるためサイズが大きくなり、またクランク室に多量の潤滑オイルを使用することでオイルシール対策が不可欠であった。
【解決手段】軸方向に貫通する空洞２３ａを有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローター２３を回転駆動する回転モーター２０と、ローター２３の空洞２３ａに挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストン１２と、ローター２３の空洞２３ａの外周面に形成された円周方向案内溝２７と、ピストン１２の外周面に設けられ、円周方向案内溝２７に係合される突起２９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明はスターリングサイクルで駆動する冷却装置および発電装置に最適なスターリング機関に関するものである。

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、回転モーターなどの動力源によりピストンを往復直線運動させ、このピストンに対しディスプレーサーを、所定の位相差をもって同期往復直線運動させる。ピストンとディスプレーサーの往復直線運動は圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では作動ガスの温度が低下する。圧縮空間（高温空間）の熱を高温伝熱ヘッドを通じて放熱して等温圧縮変化を実現し、外部の熱を低温伝熱ヘッドを通じ膨脹空間（低温空間）に吸収して等温膨張変化を実現すれば、逆スターリングサイクルが形成される。

従来のスターリング機関の構造としては、例えば、特許文献１に記載されているように、駆動部にリニア（式）モーターを利用したものがある。この構造は、図７に示すように、外郭構造１００内にシリンダー１０１と、外郭構造１００内を膨張空間１０５と圧縮空間１０６に区画するディスプレーサー１０２とピストン１０３と、ピストン１０３を往復させるためのリニアモーター１０９と、膨張空間１０４と圧縮空間１０５との間を連通する連通路に設けられた再生器１０６と、再生器１０６の膨張空間１０５側と圧縮空間１０６側にそれぞれに熱交換器として吸熱器１０７、放熱器１０８とを有している。また板ばね１１０、１１１はそれぞれディスプレーサー１０２とピストン１０３を支持し、弾性力によってこれらを往復動させる。またリニアモーター１０９は電源端子を介して外部電源と接続されている構造である。このようにリニアモーター方式のスターリング機関は非常にコンパクトな構造であったものの特殊なモーターであるリニアモーターが必要となりコストが高く、ローコスト化が課題であった。

一方、コスト削減のため安価な回転（式）モーターを利用したスターリング機関の構造が、例えば、特許文献２や特許文献３に記載されている。特許文献２は、回転モーターからの回転運動をクランク機構を介してピストン等を往復動させているのに対して、特許文献３は、１つ以上の円周方向案内溝が形成された円周カムと、ピストンおよびディスプレーサーと前記円周カムとを連結するロッドから構成され、前記ピストンと前記ディスプレーサーが前記円周カムの円周方向案内溝によって動作を規定されることによりスターリングサイクルシステムの駆動をさせていた。
特開２００５−６９１６８号公報（図１） 特開昭６４―５３０４９号公報（第７図） 特開平６―２３５３５０号公報（図１）

しかしながら、特許文献２の場合、クランク機構であるためサイズが大きくなり、またクランク室に多量の潤滑オイルを使用することでオイルシール対策が不可欠であった。

また、特許文献３の場合、円周カムとピストンおよびディスプレーサーがそれぞれロッドによって連結されており、その作動空間が必要となりスターリング機関が大型化するといった課題が発生していた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安価な回転モーターを使用しかつ小型化が可能なスターリング機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のスターリング機関は、軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、ローターの前記空洞の外周面に形成された円周方向案内溝と、前記ピストンの外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、を備え、前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記円周方向案内溝に沿ってピストンの前記突起が移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴としている。

また、本発明のスターリング機関は、軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、前記ピストンの外周面に形成された前記円周方向案内溝と、ローターの前記空洞の外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、を備え、前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記突起がピストンの前記円周方向案内溝に沿って移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴としている。

上記の円周方向案内溝は、正弦波状であれば、ピストンの往復直線運動を単振動とすることができ、ストロークの制御等がしやすくなる。この場合、円周方向案内溝を１周期の整数倍の波数の正弦波状とすれば、単位時間当たりのピストンの往復数をその波数に比例して増加させることができる。さらに、上記の突起を、その波数で円周を等分した位置に整数個設ければ、ローターの回転運動を安定してピストンの往復直線運動に変換することができるようになる。

本発明によると、ローターまたはピストンの円周方向案内溝とピストンまたはローターの突起とを直接嵌合させることでクランク機構や連結ロッドを廃止することができる。すなわち、クランク機構やロッド等の連結部を介在せずに回転モーターによりピストンを直接駆動することができ、スターリング機関の小型化およびローコスト化を実現できる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。最初に、本発明のピストンの使用対象である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主要部の断面図である。

スターリング機関１は冷凍機として用いられるフリーピストンタイプのものであり、その組立の中心となるのはシリンダー１０である。特に、ここでは冷凍機に関する説明である。シリンダー１０には、円柱形のピストン１２およびディスプレーサー１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサー１３は、スターリング機関の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダー１０の内壁に接触することなく往復直線運動する。ピストン１２とディスプレーサー１３は所定の位相差を備えて動く。

ディスプレーサー１３の一方の端からはディスプレーサー軸１５が突出する。ディスプレーサー軸１５はピストン１２を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。

シリンダー１０は、ピストン１２の動作領域の大部分が欠落され、その欠落部およびその外側に回転モーター２０を保持する。回転モーター２０は現在一般的に市場に出ているモーターと同等の形状のもので、モーターの回転軸の径方向に内側からローター２３がその外側にステーター２２およびコイル２１の組品が配置されているようなものである。すなわち、回転モーター２０は、コイル２１を備えたステーター２２と、ピストン１２の外周面に対面するように設けられ、軸方向に貫通する空洞２３ａを有する円筒形のローター２３と、ステーター２２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２４とを備える。マグネットは埋め込み型（ＩＰＭモーター）の場合、ローター２３に内包されて固定されている。ローター２３は、軸方向の両端部において、エンドブラケット２４との間に設けられたベアリング２５、２６によって、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に支持される。

ピストン１２の軸方向についてディスプレーサー１３とは反対側の端面部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサー軸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、支柱３３を用いてエンドブラケット２４に固定される。すなわちピストン１２およびディスプレーサー１３は、スプリング３０、３１により周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動可能に支持される。

スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサー（不図示）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。フリーピストン型スターリング機関の場合は、スプリング３０、３１は例えば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、ディスプレーサー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）を持たせて共振させる役割を果たす。フリーピストン型以外の場合は、クランク機構などによって同様の動作をさせる。

上述したように、ローター２３は、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に支持され、このローター２３内側に配されるピストン１２は、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動可能に支持される。回転モーター２０によって、ローター１２はピストン１２の軸の周方向に回転するため、ピストン１２を往復直線運動させるためには、運動方向の変換機構が必要となる。

図２は、ローターの周方向の１箇所で軸方向に切断して見た空洞の外周面（ローターの内周面）の展開図である。図２に示すように、ローター２３の空洞２３ａの外周面（ローター２３の内周面）には、一定の幅と厚みで形成された円周方向案内溝２７が形成されている。円周方向案内溝２７は、平面で見たときに、１周期分の正弦波状である。そして、図１に示すように、ピストン１２の外周面には、円周方向案内溝２７に係合される円柱形の突起２９が１個設けられている。これによって、ピストン１２の突起２９はローター２３の円周方向案内溝２７に沿って移動し、その結果、ピストン１２はシリンダー１０の円筒軸方向に往復直線運動する。

なお、円周方向案内溝２７を１周期の整数倍の波数の正弦波状としてもよい。この場合、ピストン１２の往復直線運動の往復数は、ローター２３が１回転したとき上記正弦波の波数に等しい。つまり、単位時間当たりのピストン１２の往復数はローター１２の単位時間当たりの回転数と上記正弦波の波数をかけた値である。また、ピストン１２の振幅は正弦波に形成された円周方向案内溝２７の振幅に相当する。この場合、突起２９を、その波数でピストン１２の外周円周を等分した位置に整数個設ければ、ローター２３の回転運動を安定してピストン１２の往復直線運動に変換することができるようになる。

ローター２３の空洞２３ａ内へのピストン１２の挿入方法の一例を説明する。図３は、円筒の一部を切欠いて示すローター２３の斜視図である。図３に示すように、ローター２３の空洞２３ａの外周面には、軸方向の端面から円周方向案内溝２７まで延びる突起挿入溝２３ｂが形成されている。よって、ピストン１２をローター２３の空洞２３ａに挿入し、ピストン１２の周方向位置を調節して突起２９を突起挿入溝２３ｂに係合させ、さらにピストン１２を挿入すれば、突起２９を円周方向案内溝２７に係合させることができる。この突起挿入溝２３ｂには、最終的に、突起挿入溝２３ｂと同一形状でローター２３と同一材質の溝埋め棒材２３ｃが圧入後溶接されて、突起挿入溝２３ｂが埋められる。

ここで、ローター２３の空洞２３ａの外周面に突起挿入溝２３ｂを形成する位置について考察する。図４は、スターリング機関の運転時の円周方向案内溝２７内を移動する突起２９の軌跡を模式的に示す図である。圧縮空間４５と背圧空間５１の間には圧力差が存在する。具体的には、背圧空間５１の圧力をＰ１、圧縮空間４５の圧力をＰ２とすると、
（１）ピストン１２が往復動の中心位置（振幅ゼロの位置）にあるときは、Ｐ１＝Ｐ２
（２）ピストン１２が往復動の中心位置に対し背圧空間側にあるときは、Ｐ１＞Ｐ２
（３）ピストン１２が往復動の中心位置に対し背圧空間側にあるときは、Ｐ１＜Ｐ２
となる。このため、図４に示すように、突起２９は常に図中の中心線Ｃ方向に力を受け、円周方向案内溝２７の対向する壁面のうち中心線Ｃからの距離が近い方の壁面と接触しながら摺動することになる。従って、摺動面の断差の影響をなくしてスムーズに突起２９を移動させるためには、円周方向案内溝２７の対向する壁面のうち中心線Ｃからの距離が遠い方の壁面に通じるように、突起挿入溝２３ｂを形成するのが望ましい。図３の例では、円周方向案内溝２７の中心線Ｃに対して背圧空間５１側に偏倚した部分のピークに対して、対向する壁面のち中心線Ｃに対して遠い方、すなわち背圧空間５１側の壁面に通じるように、突起挿入溝２３ｂを形成している。

ピストン１２、突起２９、ローター２３、円周方向案内溝２７の寸法の一例は次のようなものである。
ピストン φ40ｍｍ
突起 φ8ｍｍ、Ｌ10ｍｍ
ローター（内径） φ42ｍｍ
円周方向案内溝 振幅±7ｍｍ

なお、図１ではピストン１２側に突起２９、ローター２３側に円周方向案内溝２７が設けられているが、図５のように、ピストン１２側に円周方向案内溝２７、ローター１２側に突起２９が設けられてもよい。この場合も、上記と同様の理由により、図６に示すように、円周方向案内溝２７の中心線Ｃに対して背圧空間５１側に偏倚した部分に対して、対向する壁面のち中心線Ｃに対して遠い方、すなわち背圧空間５１側の壁面に通じるように、ピストン１２の外周面に突起挿入溝１２ａを形成すれば、突起挿入溝１２ａに溝埋め棒材１２ｂが圧入後溶接されても、摺動面の断差の影響をなくしてスムーズに突起２９を移動させることができてよい。

図１に示すように、シリンダー１０のうち、ディスプレーサー１３の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１が配置される。高温側伝熱ヘッド４０はリング状、低温側伝熱ヘッド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。高温側伝熱ヘッド４０の内周面にはリング状の高温側内部熱交換器４２が装着され、低温側伝熱ヘッド４１の内周面には同じくリング状の低温側内部熱交換器４３が装着される。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器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高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１に伝える。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３は、例えば銅や銅合金の薄板をコルゲート加工し、圧縮する等して形成することができる。

高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１はこのように高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を介在させた形でシリンダー１０の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド４０にはシリンダー１０及び胴体部５０が連結される。

高温側伝熱ヘッド４０、シリンダー１０、ディスプレーサー１３、ピストン１２、ディスプレーサー軸１５、及び高温側内部熱交換器４２で囲まれる環状の空間は圧縮空間４５となる。低温側伝熱ヘッド４１、シリンダー１０、ディスプレーサー１３、及び低温側内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。

高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３の間には再生器７０が配置される。再生器７０の外側を再生器チューブ４８が包み、高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１の間に気密通路を構成する。再生器チューブ４８は、例えばステンレス鋼で形成することができる。

回転モーター２０、シリンダー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。

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、高温側伝熱ヘッド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５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、高温側伝熱ヘッド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。

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を形成する。

胴体部５０には、回転モーター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の外周面から放射方向に突出するように設けられる。

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６２に支持されるバランスウェイト６３とから成る。つまり、振動抑制装置６０はパッシブ型の動吸振器である。

スターリング機関１は次のように動作する。回転モーター２０のコイル２１に交流電流を供給すると回転モーター２０のステーター２２とローター２３間に電磁力が発生し、ローター２３は軸周方向に回転し、ローター２３の回転運動がピストン１２の往復直線運動に変換されピストン１２が動作する。

ピストン１２の往復直線運動により、膨張空間４６および圧縮空間４５では作動ガスの圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサー１３も往復直線運動を行う。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、ディスプレーサー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ー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。

上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間に逆スターリングサイクルが形成される。圧縮空間４５では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では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、高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通過する際に、その有する熱を高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通じて高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド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高温側伝熱ヘッド４０は加熱され、高温側伝熱ヘッド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低温側伝熱ヘッド４１は冷却され、低温側伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、低温側伝熱ヘッド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は冷凍機器としての機能を果たす。

再生器７０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から高温側内部熱交換器４２を経て再生器７０に入った高温の作動ガスは、再生器７０を通過するときにその熱を再生器７０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から低温側内部熱交換器４３を経て再生器７０に入った低温の作動ガスは、再生器７０を通過するときに再生器７０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７０は蓄熱手段としての役割を果たす。

ピストン１２とディスプレーサー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。

本実施形態によると、ローター２３の円周方向案内溝２７とピストン１２の突起２９とを直接嵌合させることでクランク機構や連結ロッドを廃止することができる。すなわち、クランク機構やロッド等の連結部を介在せずに回転モーターによりピストンを直接駆動することができ、スターリング機関の小型化およびローコスト化を実現できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、円周方向案内溝は、正弦波状としたが、その他三角波状やパルス波状とすることもできる。

スターリング機関の一例の断面図 円周方向案内溝が形成されているローターの空洞の外周面の展開図 円筒の一部を切欠いて示すローターの斜視図 スターリング機関の運転時の円周方向案内溝内を移動する突起の軌跡を模式的に示す図 円周方向案内溝と突起が図１と逆の配置の場合のスターリング機関の断面図 図５のスターリング機関のピストンの斜視図 は、特許文献１に記載された従来のスターリング機関の断面図

符号の説明

１ スターリング機関
１０ シリンダー
１２ ピストン
１３ ディスプレーサー
１５ ディスプレーサー軸
２０ 回転モーター
２１ コイル
２２ ステーター
２３ ローター
２３ａ 空洞
２３ｂ 突起挿入溝
２３ｃ 溝埋め棒材
２４ エンドブラケット
２５、２６ ベアリング
２７ 円周方向案内溝
２９ 突起

Claims (5)

1. 軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、
   ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、
   ローターの前記空洞の外周面に形成された円周方向案内溝と、
   前記ピストンの外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、
   を備え、
   前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記円周方向案内溝に沿ってピストンの前記突起が移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴とするスターリング機関。
2. 軸方向に貫通する空洞を有し、周方向回転自在、且つ、軸方向直線運動不能に配設される円筒形のローターを回転駆動する回転モーターと、
   ローターの前記空洞に挿入されるとともに、周方向回転不能、且つ、軸方向直線運動自在に配設された円柱形のピストンと、
   前記ピストンの外周面に形成された前記円周方向案内溝と、
   ローターの前記空洞の外周面に設けられ、前記円周方向案内溝に係合される突起と、
   を備え、
   前記ローターが回転駆動されたとき、ローターの前記突起がピストンの前記円周方向案内溝に沿って移動されることにより、前記ピストンが往復直線運動することを特徴とするスターリング機関。
3. 前記円周方向案内溝は、正弦波状であることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリング機関。
4. 前記円周方向案内溝は１周期の整数倍の波数の正弦波状であることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリング機関。
5. 前記突起は前記波数で円周を等分した位置にその波数だけ設けられた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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