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JP2014066218A - Stirling cycle engine - Google Patents

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JP2014066218A
JP2014066218A JP2012213289A JP2012213289A JP2014066218A JP 2014066218 A JP2014066218 A JP 2014066218A JP 2012213289 A JP2012213289 A JP 2012213289A JP 2012213289 A JP2012213289 A JP 2012213289A JP 2014066218 A JP2014066218 A JP 2014066218A
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Japan
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displacer
cylinder
ceramic material
stirling cycle
cycle engine
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JP2012213289A
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Takashi Takahashi
隆志 高橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Stirling cycle engine that can be used under high temperature while keeping heat insulation between a high temperature part and a low temperature part.SOLUTION: A displacer 70 and an upper cylinder 10 housing it are made of a ceramic material. Thereby, compared to a conventional Stirling cycle engine in which a displacer and a cylinder are made of a resin material, a Stirling cycle engine of the present invention can be continuously operated under high temperature. Also, compared to a conventional Stirling cycle engine in which a displacer and a cylinder are formed of metal with high heat conductivity such as stainless, a performance for shielding heat of a high-temperature expansion chamber and a low-temperature compression chamber is high, and therefore, efficiency of power generation can be improved.

Description

本発明は、スターリングサイクルを利用して発電や冷却等を行うスターリングサイクル機関に関する。   The present invention relates to a Stirling cycle engine that performs power generation, cooling, and the like using a Stirling cycle.

ディスプレイサとピストンをシリンダ内に同軸に配置した構造のスターリングサイクル機関が従来より広く知られており、発電機や冷凍機などとして実用化されている。一般に、この種のスターリングサイクル機関では、ピストンに永久磁石が取り付けられており、その永久磁石を挟んで固定子とヨークが配置されている。発電機の場合、外部から与えられた温度差によって作動気体が圧縮と膨張を繰り返すことによりピストンが往復運動し、その運動エネルギーが永久磁石と固定子との電磁作用によって電気エネルギーに変換される。他方、冷凍機の場合、固定子の電磁コイルに駆動電流を流すことによってピストンが往復運動し、その往復運動に伴って作動気体が圧縮と膨張を繰り返すことにより低温部と高温部との温度差が発生する。   A Stirling cycle engine having a structure in which a displacer and a piston are coaxially arranged in a cylinder has been widely known, and has been put into practical use as a generator or a refrigerator. Generally, in this type of Stirling cycle engine, a permanent magnet is attached to a piston, and a stator and a yoke are arranged with the permanent magnet interposed therebetween. In the case of a generator, the working gas is repeatedly compressed and expanded by a temperature difference given from the outside, so that the piston reciprocates, and the kinetic energy is converted into electric energy by the electromagnetic action between the permanent magnet and the stator. On the other hand, in the case of a refrigerator, the piston reciprocates by passing a driving current through the electromagnetic coil of the stator, and the working gas repeats compression and expansion along with the reciprocation, thereby causing a temperature difference between the low temperature part and the high temperature part. Occurs.

太陽熱発電装置では、太陽の光を集束することによって、高温部の温度が例えば800℃やそれ以上になる場合がある。このような発電装置にスターリングサイクル機関を適用しようとした場合、高温部側に位置するディスプレイサやシリンダの耐熱性能が問題となる。   In the solar thermal power generation device, the temperature of the high temperature part may be, for example, 800 ° C. or higher by focusing the sunlight. When applying a Stirling cycle engine to such a power generator, the heat resistance performance of the displacer and the cylinder located on the high temperature side becomes a problem.

一般に、ディスプレイサやこれを収容するシリンダには、比較的耐熱性の高いPPS(Poly
Phenylene Sulfide)などの樹脂材料が使用される。樹脂材料の使用限界温度は、耐熱性の優れたものでも概ね300℃以下であり、800℃もの高温で連続的に運転する装置に樹脂材料は使用できない。
In general, displacers and the cylinders that house them include PPS (Poly
A resin material such as Phenylene Sulfide) is used. The use limit temperature of the resin material is approximately 300 ° C. or less even if it has excellent heat resistance, and the resin material cannot be used in an apparatus that operates continuously at a high temperature of 800 ° C.

より耐熱性を高めるため、例えばステンレス等の金属材料を用いることも考えられる。しかしながら、ティスプレイサ等に金属材料を使用した場合、熱伝導率が高くなるため、高温部と低温部との断熱性能が低くなり、これによって発電効率が低下するという問題がある。また、金属材料を使用した場合、樹脂に比べて重量が重くなるという問題や、部品点数が増えてコストが増すという問題がある。   In order to further improve the heat resistance, it is also conceivable to use a metal material such as stainless steel. However, when a metal material is used for a sprayer or the like, the thermal conductivity is increased, so that the heat insulation performance between the high temperature portion and the low temperature portion is lowered, thereby causing a problem that the power generation efficiency is lowered. In addition, when a metal material is used, there is a problem that the weight becomes heavier than that of the resin, and there is a problem that the number of parts increases and the cost increases.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温部と低温部との断熱を保ちつつ、高い温度で使用できるスターリングサイクル機関を提供することにある。   This invention is made | formed in view of this situation, The objective is to provide the Stirling cycle engine which can be used at high temperature, keeping the heat insulation of a high temperature part and a low temperature part.

本発明に係るスターリングサイクル機関は、ケーシングの中に中心軸を揃えて配置された第1シリンダ及び第2シリンダと、前記第1シリンダに往復動可能に挿入されたディスプレイサと、前記第2シリンダに往復動可能に挿入されたピストンと、前記ディスプレイサの一方の端部に面した高温の膨張室と、前記ディスプレイサの他方の端部と前記ピストンとに面した低温の圧縮室と、前記膨張室と前記圧縮室とを連通する気体流路と、前記気体流路に流れる作動気体の熱を蓄える蓄熱式熱交換器とを有し、前記第1シリンダ及び前記ディスプレイサの少なくとも一方がセラミックス材料又はカーボン材料で形成される。   The Stirling cycle engine according to the present invention includes a first cylinder and a second cylinder that are arranged in a casing with a central axis aligned, a displacer that is reciprocally inserted into the first cylinder, and the second cylinder. A piston inserted in a reciprocating manner, a high-temperature expansion chamber facing one end of the displacer, a low-temperature compression chamber facing the other end of the displacer and the piston, A gas flow path communicating with the expansion chamber and the compression chamber; and a heat storage heat exchanger for storing heat of the working gas flowing in the gas flow path, wherein at least one of the first cylinder and the displacer is a ceramic. Made of material or carbon material.

好適に、上記スターリングサイクル機関は、前記第1シリンダの内面と摺動する前記ディスプレイサの摺動部がカーボン材料又はセラミックス材料で形成される。   Preferably, in the Stirling cycle engine, the sliding portion of the displacer that slides with the inner surface of the first cylinder is formed of a carbon material or a ceramic material.

好適に、前記ディスプレイサは、セラミックス材料で形成され、前記膨張室に面するヘッド部と、金属で形成され、前記ヘッド部を保持する基部と、カーボン材料又はセラミックス材料で形成され、前記基部の外面に設けられた前記摺動部とを含む。   Preferably, the displacer is formed of a ceramic material, and is formed of a head portion facing the expansion chamber, formed of metal, a base portion that holds the head portion, and formed of a carbon material or a ceramic material. And the sliding portion provided on the outer surface.

好適に、前記摺動部は、断面が円形の前記基部の全周を囲むリング状の摺動面を有する。   Suitably, the said sliding part has a ring-shaped sliding surface surrounding the perimeter of the said base part with a circular cross section.

好適に、前記第2シリンダの内面と摺動する前記ピストンの摺動部が、カーボン材料又はセラミックス材料で形成される。   Preferably, the sliding portion of the piston that slides with the inner surface of the second cylinder is formed of a carbon material or a ceramic material.

好適に、前記第1シリンダ及び前記ディスプレイサの少なくとも一方を形成する前記セラミックス材料は、アルミナ系セラミックス材料、ジルコニア系セラミックス材料、炭化珪素系セラミックス材料、窒化珪素系セラミックス材料、窒化アルミニウム系セラミックス材料、ステアタイト系セラミックス材料、又は、サイアロン系セラミックス材料である。   Preferably, the ceramic material forming at least one of the first cylinder and the displacer is an alumina based ceramic material, a zirconia based ceramic material, a silicon carbide based ceramic material, a silicon nitride based ceramic material, an aluminum nitride based ceramic material, It is a steatite ceramic material or a sialon ceramic material.

本発明によれば、高温部と低温部との断熱を保ちつつ、高い温度で使用できるスターリングサイクル機関を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the Stirling cycle engine which can be used at high temperature can be provided, maintaining the heat insulation with a high temperature part and a low temperature part.

本発明の実施形態に係るスターリングサイクル機関の構成の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a structure of the Stirling cycle engine which concerns on embodiment of this invention. 図1に示すスターリンサイクル機関におけるディスプレイサとピストンの要部を図解した図である。It is the figure which illustrated the principal part of the displacer and piston in the Stalin cycle engine shown in FIG.

以下、本発明の実施形態に係るスターリングサイクル機関として、発電機に適用されたスターリングサイクル機関を例に挙げて説明する。   Hereinafter, a Stirling cycle engine applied to a generator will be described as an example of a Stirling cycle engine according to an embodiment of the present invention.

図1は、本発明の実施形態に係るスターリングサイクル機関の構成の一例を示す断面図である。また図2は、図1に示すスターリンサイクル機関におけるディスプレイサとピストンの要部を図解した図である。
図1に示すスターリングサイクル機関は、ケーシング1と、ケーシング1の中に収容された上部シリンダ10及び下部シリンダ11と、上部シリンダ10に往復動可能に挿入されたディスプレイサ70と、下部シリンダ11に往復動可能に挿入されたピストン20と、ピストン20の内側と外側に対向して配置された固定子30及びヨーク18と、ピストン20の円筒状の壁部に取り付けられた磁石25と、ディスプレイサ70を付勢するバネ部材(弾性部材)51と、ピストン20を付勢するバネ部材(弾性部材)52とを有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a Stirling cycle engine according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating the main parts of the displacer and the piston in the Stalin cycle engine shown in FIG.
A Stirling cycle engine shown in FIG. 1 includes a casing 1, an upper cylinder 10 and a lower cylinder 11 housed in the casing 1, a displacer 70 inserted into the upper cylinder 10 so as to reciprocate, and a lower cylinder 11. Piston 20 inserted so as to be able to reciprocate, stator 30 and yoke 18 arranged facing the inside and outside of piston 20, magnet 25 attached to the cylindrical wall of piston 20, displacer A spring member (elastic member) 51 that biases 70 and a spring member (elastic member) 52 that biases the piston 20 are included.

ここで、ケーシング1は本発明におけるケーシングの一例であり、上部シリンダ10は本発明における第1シリンダの一例であり、下部シリンダ11は本発明における第2シリンダの一例であり、ディスプレイサ70は本発明におけるディスプレイサの一例であり、ピストン20は本発明におけるピストンの一例である。   Here, the casing 1 is an example of the casing in the present invention, the upper cylinder 10 is an example of the first cylinder in the present invention, the lower cylinder 11 is an example of the second cylinder in the present invention, and the displacer 70 is the main cylinder. It is an example of the displacer in the invention, and the piston 20 is an example of the piston in the present invention.

ケーシング1は、スターリングサイクル機関の作動気体(ヘリウムガス等)を封入した密閉容器である。図1の例において、ケーシング1は、上部ケーシング2と、中間部ケーシング3と、シリンダ保持部5と、下部ケーシング7とを組み合わせて形成される。
上部ケーシング2と中間部ケーシング3は、主に上部シリンダ10を収容する円柱状の内部空間を形成する。上部シリンダ10の天井側の内壁は、ドーム状に丸みを帯びている。シリンダ保持部5は、その内壁において下部シリンダ11の外周と当接しており、中心軸の位置が定まるように下部シリンダ11を保持する。
The casing 1 is a sealed container in which working gas (helium gas or the like) of a Stirling cycle engine is enclosed. In the example of FIG. 1, the casing 1 is formed by combining an upper casing 2, an intermediate casing 3, a cylinder holding portion 5, and a lower casing 7.
The upper casing 2 and the intermediate casing 3 form a columnar internal space that mainly accommodates the upper cylinder 10. The inner wall on the ceiling side of the upper cylinder 10 is rounded like a dome. The cylinder holding part 5 is in contact with the outer periphery of the lower cylinder 11 on its inner wall, and holds the lower cylinder 11 so that the position of the central axis is determined.

下部ケーシング7は、主に下部シリンダ11,固定子30,ヨーク18,バネ部材51,52を収容する円柱状の内部空間を形成する。下部ケーシング7の底部付近には、ケーシング1内の機構(上部シリンダ10,下部シリンダ11等)の全体を下側から支持する支持基台43が設けられている。下部ケーシング7の底部の中央には開口部が設けられており、その開口部は蓋部8によって閉塞されている。蓋部8は、ケーシング1の内部に作動気体を導入したり、電気配線を通したりするための図示しない管を備える。   The lower casing 7 forms a cylindrical internal space that mainly accommodates the lower cylinder 11, the stator 30, the yoke 18, and the spring members 51 and 52. Near the bottom of the lower casing 7 is provided a support base 43 that supports the entire mechanism (the upper cylinder 10, the lower cylinder 11, etc.) in the casing 1 from below. An opening is provided in the center of the bottom of the lower casing 7, and the opening is closed by a lid 8. The lid portion 8 includes a pipe (not shown) for introducing working gas into the casing 1 and for passing electrical wiring.

上部シリンダ10と下部シリンダ11は、それぞれ筒状の形状を有し、中心軸を揃えてケーシング1の中に配置される。上部シリンダ10と下部シリンダ11を1つのシリンダと見なした場合、ディスプレイサ70は当該シリンダの上側の端に往復動可能に挿入され、ピストン20は当該シリンダの下側の端に往復動可能に挿入される。上部シリンダ10及び下部シリンダ11は、別々の部品をつなげて形成されてもよいし、一体に形成されてもよい。   The upper cylinder 10 and the lower cylinder 11 each have a cylindrical shape, and are arranged in the casing 1 with the central axes aligned. When the upper cylinder 10 and the lower cylinder 11 are regarded as one cylinder, the displacer 70 is removably inserted into the upper end of the cylinder, and the piston 20 is reciprocally movable at the lower end of the cylinder. Inserted. The upper cylinder 10 and the lower cylinder 11 may be formed by connecting separate parts, or may be formed integrally.

本実施形態において、上部シリンダ10はセラミックス材料により形成される。このセラミックス材料には、PPS等の樹脂材料に比べて耐熱温度が高く、かつ、ステンレス等の金属材料に比べて熱伝導率の低いものが使用される。   In the present embodiment, the upper cylinder 10 is formed of a ceramic material. As this ceramic material, a material having a higher heat resistance temperature than a resin material such as PPS and a lower thermal conductivity than a metal material such as stainless steel is used.

下部シリンダ11は、複数の支柱41を介して支持基台43に固定される。図1の例において、支柱41は筒状に形成されており、支持基台43に設けられた孔と筒状の支柱41をボルト42が貫通する。ボルト42の先端部の雄ネジと下部シリンダ11の下面の雌ネジとを螺合することで、下部シリンダ11が支持基台43に固定される。バネ部材51は、ボルト42が貫通する孔を備えており、支柱41と支持基台43との間に挟まれて固定される。図1の例では、3枚のバネ部材51が支持基台43に固定される。   The lower cylinder 11 is fixed to the support base 43 via a plurality of support columns 41. In the example of FIG. 1, the support column 41 is formed in a cylindrical shape, and a bolt 42 passes through a hole provided in the support base 43 and the cylindrical support column 41. The lower cylinder 11 is fixed to the support base 43 by screwing the male screw at the tip of the bolt 42 with the female screw on the lower surface of the lower cylinder 11. The spring member 51 has a hole through which the bolt 42 passes, and is fixed by being sandwiched between the support column 41 and the support base 43. In the example of FIG. 1, three spring members 51 are fixed to the support base 43.

ディスプレイサ70の上面とケーシング1との間に形成される空間は膨張室12であり、ここで作動気体が熱せられてその体積が増大する。他方、ディスプレイサ70とピストン20との間に形成される空間は圧縮室17であり、ここで作動気体が冷却されてその体積が減少する。   A space formed between the upper surface of the displacer 70 and the casing 1 is an expansion chamber 12 where the working gas is heated to increase its volume. On the other hand, the space formed between the displacer 70 and the piston 20 is the compression chamber 17, where the working gas is cooled to reduce its volume.

上部シリンダ10の外壁とケーシング1の内壁とに囲まれた円筒状の空間は、膨張室12と圧縮室17とを連通する作動気体の流路(気体流路)になっている。上部シリンダ10と下部シリンダ11との間には、圧縮室17とつながる連通孔16が設けられている。この連通孔16と上記の円筒状空間(気体流路)を通じて、膨張室12と圧縮室17がつながっている。   A cylindrical space surrounded by the outer wall of the upper cylinder 10 and the inner wall of the casing 1 is a working gas flow path (gas flow path) that communicates the expansion chamber 12 and the compression chamber 17. A communication hole 16 connected to the compression chamber 17 is provided between the upper cylinder 10 and the lower cylinder 11. The expansion chamber 12 and the compression chamber 17 are connected through the communication hole 16 and the cylindrical space (gas flow path).

上記円筒状の空間(気体流路)には、吸熱フィン13,蓄熱式熱交換器(再生器)14および放熱フィン15が配置される。吸熱フィン13は上側の膨張室12に近い位置に配置され、放熱フィン15は下側の圧縮室17に近い位置に配置され、蓄熱式熱交換器14は吸熱フィン13と放熱フィン15の間に配置される。蓄熱式熱交換器14は、膨張室12から圧縮室17へ流れる作動気体の熱を奪って蓄熱し、圧縮室17から膨張室12へ流れる作動気体に当該蓄熱した熱を与える機能を有する。   In the cylindrical space (gas channel), a heat absorption fin 13, a heat storage heat exchanger (regenerator) 14, and a heat radiation fin 15 are arranged. The heat absorption fins 13 are disposed at positions close to the upper expansion chamber 12, the heat radiation fins 15 are disposed at positions close to the lower compression chamber 17, and the heat storage heat exchanger 14 is disposed between the heat absorption fins 13 and the heat radiation fins 15. Be placed. The heat storage heat exchanger 14 has a function of taking heat of the working gas flowing from the expansion chamber 12 to the compression chamber 17 and storing the heat, and giving the stored heat to the working gas flowing from the compression chamber 17 to the expansion chamber 12.

ケーシング1は、放熱フィン15と接する部分に外部フィン6を備える。外部フィン6は、作動気体の熱をケーシング1の外部に排出するための放熱手段である。図1の例において、外部フィン6は、中間部ケーシング3とシリンダ保持部5との間に固定される。外部フィン6は、例えば不図示のポンプ等から供給される冷却媒体(水など)によって冷却され、所定の温度に保持される。
他方、上部ケーシング2は、外部の熱源から与えられた熱を膨張室12の作動気体に伝える吸熱手段であり、上部ケーシング2の内壁に吸熱フィン13が当接している。
The casing 1 includes external fins 6 at portions that contact the heat radiating fins 15. The external fins 6 are heat radiating means for discharging the heat of the working gas to the outside of the casing 1. In the example of FIG. 1, the external fin 6 is fixed between the intermediate casing 3 and the cylinder holding portion 5. The external fins 6 are cooled by a cooling medium (water or the like) supplied from, for example, a pump (not shown) and held at a predetermined temperature.
On the other hand, the upper casing 2 is a heat absorbing means that transfers heat applied from an external heat source to the working gas in the expansion chamber 12, and the heat absorbing fins 13 are in contact with the inner wall of the upper casing 2.

ディスプレイサ70は、膨張室12に面する一方の端部に設けられたヘッド部73と、圧縮室17に面する他方の端部に設けられた基部71と、上部シリンダ10の内面を摺動する摺動部72と、円筒体74とを含む。
ヘッド部73は本発明におけるヘッド部の一例であり、基部71は本発明における基部の一例であり、摺動部72は本発明における摺動部の一例である。
The displacer 70 slides on the head 73 provided at one end facing the expansion chamber 12, the base 71 provided at the other end facing the compression chamber 17, and the inner surface of the upper cylinder 10. A sliding portion 72 and a cylindrical body 74.
The head portion 73 is an example of the head portion in the present invention, the base portion 71 is an example of the base portion in the present invention, and the sliding portion 72 is an example of the sliding portion in the present invention.

ヘッド部73は、膨張室12を区画する壁面を構成する。ヘッド部73は、PPS等の樹脂材料に比べて耐熱温度が高く、かつ、ステンレス等の金属材料に比べて熱伝導率の低いセラミックス材料によって形成される。ヘッド部73を熱伝導率の低いセラミックス材料で形成することにより、膨張室12から圧縮室17への熱伝導が遮断される。   The head portion 73 constitutes a wall surface that partitions the expansion chamber 12. The head portion 73 is formed of a ceramic material having a heat resistant temperature higher than that of a resin material such as PPS and lower thermal conductivity than that of a metal material such as stainless steel. By forming the head portion 73 from a ceramic material having a low thermal conductivity, heat conduction from the expansion chamber 12 to the compression chamber 17 is blocked.

基部71は、圧縮室17を区画する壁面を構成する。基部71は、例えばアルミや真鍮等の金属で形成されており、ヘッド部73と摺動部72を保持する。基部71を金属で形成することによって、これを樹脂などで形成する場合に比べて、温度による部品の変形量が小さくなる。従って、高い温度における機械的精度の低下が抑制される。   The base 71 constitutes a wall surface that partitions the compression chamber 17. The base portion 71 is made of, for example, a metal such as aluminum or brass, and holds the head portion 73 and the sliding portion 72. By forming the base 71 from a metal, the amount of deformation of the component due to temperature is smaller than when the base 71 is formed from a resin or the like. Accordingly, a decrease in mechanical accuracy at a high temperature is suppressed.

摺動部72は、上部シリンダ10の内面を摺動するように基部71の外面に設けられており、断面が円形の基部71の全周を囲むリング状の摺動面を有する。摺動部72は、PPS等の樹脂材料に比べて耐熱温度が高く、かつ、熱による変形量の小さいカーボン材料によって形成される。   The sliding portion 72 is provided on the outer surface of the base portion 71 so as to slide on the inner surface of the upper cylinder 10, and has a ring-shaped sliding surface surrounding the entire circumference of the base portion 71 having a circular cross section. The sliding portion 72 is formed of a carbon material that has a higher heat-resistant temperature than a resin material such as PPS and has a small deformation amount due to heat.

基部71の圧縮室17側の端壁には、基部71と同軸上に基部71より小径の円筒体74が固定される。図1の例では、基部71の端壁の中央部に円形の凹部が形成され、この凹部に円筒体74の上端が差し込まれている。   A cylindrical body 74 having a diameter smaller than that of the base 71 is fixed to the end wall of the base 71 on the compression chamber 17 side so as to be coaxial with the base 71. In the example of FIG. 1, a circular recess is formed at the center of the end wall of the base 71, and the upper end of the cylindrical body 74 is inserted into this recess.

ディスプレイサ70は、シリンダ(10,11)の軸方向と平行に延びたロッド61を介して、バネ部材51に接続される。ロッド61の一方の端は、ディスプレイサ70の円筒体74の空洞を通って基部71に接続される。ロッド61の他方の端は、下部ケーシング7の支持基台43に取り付けられた板状のバネ部材51に接続される。ディスプレイサ70は、ロッド61を介して接続されたバネ部材51の弾性力により、上下方向(シリンダの軸方向)に付勢される。   The displacer 70 is connected to the spring member 51 via a rod 61 extending in parallel with the axial direction of the cylinder (10, 11). One end of the rod 61 is connected to the base 71 through the cavity of the cylindrical body 74 of the displacer 70. The other end of the rod 61 is connected to a plate-like spring member 51 attached to the support base 43 of the lower casing 7. The displacer 70 is urged in the vertical direction (cylinder axial direction) by the elastic force of the spring member 51 connected via the rod 61.

ピストン20は、円筒形状を有する基部21と、基部21の外面に設けられた摺動部23及び24を有する。基部21の一方の端は、端壁部によって閉塞される。   The piston 20 includes a base portion 21 having a cylindrical shape and sliding portions 23 and 24 provided on the outer surface of the base portion 21. One end of the base 21 is closed by the end wall.

基部21は、閉塞された一方の端壁部においてディスプレイサ70に面しており、この端壁部が圧縮室17を区画する壁面を構成する。基部21は、例えばアルミや真鍮等の金属で形成されており、摺動部23,24を保持する。基部21を金属で形成することによって、これを樹脂などで形成する場合に比べて、温度による部品の変形量が小さくなるため、高温における機械的精度の低下が抑制される。   The base portion 21 faces the displacer 70 at one end wall portion that is closed, and this end wall portion constitutes a wall surface that partitions the compression chamber 17. The base portion 21 is formed of a metal such as aluminum or brass, and holds the sliding portions 23 and 24. By forming the base portion 21 from a metal, the amount of deformation of the component due to temperature is smaller than when the base portion 21 is formed from resin or the like, so that a decrease in mechanical accuracy at high temperatures is suppressed.

摺動部23,24は、下部シリンダ11の内面を摺動するように基部21の外面に離間して設けられており、円筒状の基部21の全周を囲むリング状の摺動面をそれぞれ有する。摺動部23,24は、PPS等の樹脂材料に比べて耐熱温度が高く、かつ、熱による変形量の小さいカーボン材料によって形成される。   The sliding portions 23 and 24 are provided on the outer surface of the base portion 21 so as to slide on the inner surface of the lower cylinder 11, and ring-shaped sliding surfaces surrounding the entire circumference of the cylindrical base portion 21 are provided. Have. The sliding parts 23 and 24 are made of a carbon material having a higher heat resistance temperature and a smaller deformation amount due to heat than a resin material such as PPS.

ディスプレイサ70に面した基部21の端壁部の中央には、ディスプレイサ70の円筒体74を受け入れる貫通部22が形成される。図1の例において、この貫通部22は、シリンダ(10,11)の軸方向と平行に円筒状に延びている。ディスプレイサ70の円筒体74は、貫通部22を通って上下に往復運動する。   In the center of the end wall portion of the base portion 21 facing the displacer 70, a through portion 22 that receives the cylindrical body 74 of the displacer 70 is formed. In the example of FIG. 1, the penetrating portion 22 extends in a cylindrical shape parallel to the axial direction of the cylinder (10, 11). The cylindrical body 74 of the displacer 70 reciprocates up and down through the penetrating portion 22.

ピストン20の基部21は、シリンダ(10,11)の軸方向と平行に延びた複数本のロッド62を介して、板状のバネ部材52に接続される。図1の例において、バネ部材52は、下部シリンダ11とバネ部材51との間に配置されており、図示しない支柱を介して下部シリンダ11(若しくは支持基台43)に固定される。バネ部材52の中央部には、ロッド61を通すための貫通孔が形成される。複数のロッド62は、その一方の端が貫通部22の周囲の対称な位置に接続され、他方の端がバネ部材52の上記貫通孔の周囲の対称な位置に接続される。   The base 21 of the piston 20 is connected to a plate-like spring member 52 via a plurality of rods 62 extending in parallel with the axial direction of the cylinders (10, 11). In the example of FIG. 1, the spring member 52 is disposed between the lower cylinder 11 and the spring member 51, and is fixed to the lower cylinder 11 (or the support base 43) via a post (not shown). A through hole for passing the rod 61 is formed in the center of the spring member 52. One end of each of the plurality of rods 62 is connected to a symmetrical position around the through portion 22, and the other end is connected to a symmetrical position around the through hole of the spring member 52.

ピストン20の基部21には、磁石25が固定される。磁石25は、離間した摺動部23,24の間に、円筒状の基部21の全周を囲むようにしてリング状に設けられている。磁石25に面する下部シリンダ11の内面には、ヨーク18が固定される。ヨーク18は、鉄などの磁性材料からなり、磁石25を取り囲むように例えばリング状に形成される。ピストン20の基部21の内側には、ヨーク18と対向する位置に固定子30が配置される。磁石25は、固定子30とヨーク18との間に挟まれて、ピストン20とともに上下に往復動する。磁石25は、固定子30とヨーク18に作用する磁界を発生する。   A magnet 25 is fixed to the base 21 of the piston 20. The magnet 25 is provided in a ring shape so as to surround the entire circumference of the cylindrical base portion 21 between the separated sliding portions 23 and 24. A yoke 18 is fixed to the inner surface of the lower cylinder 11 facing the magnet 25. The yoke 18 is made of a magnetic material such as iron, and is formed, for example, in a ring shape so as to surround the magnet 25. A stator 30 is disposed inside the base portion 21 of the piston 20 at a position facing the yoke 18. The magnet 25 is sandwiched between the stator 30 and the yoke 18 and reciprocates up and down together with the piston 20. The magnet 25 generates a magnetic field that acts on the stator 30 and the yoke 18.

固定子30は、電線をリング状に巻いて形成されたコイル33と、コイル33を挟んでヨーク18と対向するコア36を有する。   The stator 30 includes a coil 33 formed by winding an electric wire in a ring shape, and a core 36 facing the yoke 18 with the coil 33 interposed therebetween.

コイル33は、ピストン20の円筒状の基部21の内側に配置される。またコイル33は、その外周側がピストン20の磁石25と面するように、ピストン20と同軸に配置される。   The coil 33 is disposed inside the cylindrical base portion 21 of the piston 20. Further, the coil 33 is arranged coaxially with the piston 20 so that the outer peripheral side thereof faces the magnet 25 of the piston 20.

コア36は、電線の巻回方向と垂直なコイル33の断面の周りを取り囲む形状に形成されており、磁石25とコイル33とが面する部分に隙間(コイル33を囲んでいない部分、切れ目)を有する。図1の例において、コア36は上下方向に対称な2つのブロック(36A,36B)に分かれている。薄い磁性材料の板(ケイ素鋼板等)を重ねて接着することにより、上下の2つのブロック(36A,36B)がそれぞれ形成される。   The core 36 is formed in a shape that surrounds the cross section of the coil 33 perpendicular to the winding direction of the electric wire, and a gap (a portion that does not surround the coil 33, a cut) is formed in a portion facing the magnet 25 and the coil 33. Have In the example of FIG. 1, the core 36 is divided into two blocks (36A, 36B) symmetrical in the vertical direction. The upper and lower blocks (36A, 36B) are respectively formed by overlapping and bonding thin magnetic material plates (silicon steel plates or the like).

コア36は、平行な2枚の円盤状の板部材によって挟まれ、この板状部材が不図示の連結具によって支持部40に固定される。支持部40は、下部シリンダ11とともにケーシング1に固定される。   The core 36 is sandwiched between two parallel disk-shaped plate members, and the plate-shaped member is fixed to the support portion 40 by a coupling tool (not shown). The support portion 40 is fixed to the casing 1 together with the lower cylinder 11.

ここで、上述した構成を有するスターリングサイクル機関の動作を説明する。   Here, the operation of the Stirling cycle engine having the above-described configuration will be described.

ディスプレイサ70がピストン20に向かって下方に移動すると、圧縮室17が狭くなるため、圧縮室17の作動気体が連通孔16,放熱フィン15,蓄熱式熱交換器14,吸熱フィン13を通り、高温の膨張室12に流れこむ。膨張室12に流れ込んだ作動気体は熱せられて体積が膨張するため、膨張室12及び圧縮室17の圧力が高まる。膨張室12及び圧縮室17の圧力が、ピストン20によって区画された下部ケーシング7の背圧空間9の圧力より高くなると、ピストン20が下方に移動する。   When the displacer 70 moves downward toward the piston 20, the compression chamber 17 becomes narrow, so that the working gas in the compression chamber 17 passes through the communication hole 16, the heat radiation fin 15, the heat storage heat exchanger 14, and the heat absorption fin 13. It flows into the hot expansion chamber 12. Since the working gas flowing into the expansion chamber 12 is heated and expands in volume, the pressure in the expansion chamber 12 and the compression chamber 17 increases. When the pressure in the expansion chamber 12 and the compression chamber 17 becomes higher than the pressure in the back pressure space 9 of the lower casing 7 defined by the piston 20, the piston 20 moves downward.

ピストン20が下方へ移動することにより膨張室12及び圧縮室17の圧力が低下して、背圧空間9の圧力より低くなると、ディスプレイサ70がこの圧力差により上方へ移動する。   When the pressure of the expansion chamber 12 and the compression chamber 17 decreases due to the downward movement of the piston 20 and becomes lower than the pressure of the back pressure space 9, the displacer 70 moves upward due to this pressure difference.

ディスプレイサ70が上方へ移動すると、膨張室12が狭くなるため、膨張室12の作動気体が吸熱フィン13,蓄熱式熱交換器14,放熱フィン15,連通孔16を通り、低温の圧縮室17に流れこむ。圧縮室17に流れ込んだ作動気体は冷却されて体積が小さくなるため、膨張室12及び圧縮室17の圧力が低くなる。膨張室12及び圧縮室17の圧力が低下すると、ピストン20の移動方向が下方向から上方向へ転じる。   When the displacer 70 moves upward, the expansion chamber 12 becomes narrow, so that the working gas in the expansion chamber 12 passes through the heat absorption fins 13, the heat storage heat exchanger 14, the heat radiation fins 15, and the communication holes 16, and the low temperature compression chamber 17. Flow into. Since the working gas that has flowed into the compression chamber 17 is cooled to reduce its volume, the pressure in the expansion chamber 12 and the compression chamber 17 is reduced. When the pressure in the expansion chamber 12 and the compression chamber 17 decreases, the moving direction of the piston 20 turns from the lower direction to the upper direction.

ピストン20が上方へ移動することにより膨張室12及び圧縮室17の圧力が上昇して、背圧空間9の圧力より高くなると、ディスプレイサ70がこの圧力差により下方へ移動する。ディスプレイサ70がピストン20に向かって下方に移動すると、再び圧縮室17から膨張室12へ作動気体が流れ込み、膨張室12及び圧縮室17の圧力が高まって、ピストン20の移動方向が上方向から下方向へ転じる。
以上の繰り返しにより、ディスプレイサ70とピストン20がそれぞれ上下に往復運動する。
When the pressure of the expansion chamber 12 and the compression chamber 17 rises due to the upward movement of the piston 20 and becomes higher than the pressure of the back pressure space 9, the displacer 70 moves downward due to this pressure difference. When the displacer 70 moves downward toward the piston 20, the working gas again flows from the compression chamber 17 to the expansion chamber 12, the pressure in the expansion chamber 12 and the compression chamber 17 increases, and the movement direction of the piston 20 changes from the upward direction. Turn down.
By repeating the above, the displacer 70 and the piston 20 reciprocate up and down.

ピストン20が往復運動すると、ヨーク18と固定子30の間を磁石25が上下に移動し、コイル33の磁界が周期的に変化するため、コイル33に起電力が発生して電流が流れる。   When the piston 20 reciprocates, the magnet 25 moves up and down between the yoke 18 and the stator 30, and the magnetic field of the coil 33 changes periodically, so that an electromotive force is generated in the coil 33 and a current flows.

以上説明したように、本実施形態に係るスターリングサイクル機関では、ディスプレイサ70とこれを収容する上部シリンダ10がセラミックス材料によって形成される。これにより、ディスプレイサとシリンダが樹脂材料で形成される従来のスターリングサイクル機関に比べて、格段に高い温度において連続的に運転することが可能である。従って、本実施形態に係るスターリングサイクル機関は、例えば、高温部が800℃台の温度に達する集光型の太陽熱発電装置に適用可能である。   As described above, in the Stirling cycle engine according to the present embodiment, the displacer 70 and the upper cylinder 10 that accommodates the displacer 70 are formed of a ceramic material. Thereby, it is possible to operate continuously at a significantly higher temperature than a conventional Stirling cycle engine in which the displacer and the cylinder are formed of a resin material. Therefore, the Stirling cycle engine according to the present embodiment is applicable to, for example, a concentrating solar thermal power generation apparatus in which the high temperature part reaches a temperature in the 800 ° C. range.

また、本実施形態に係るスターリングサイクル機関によれば、ディスプレイサとシリンダが熱伝導率の高いステンレス等の金属で形成される従来のスターリングサイクル機関に比べて、高温の膨張室と低温の圧縮室とを断熱する性能が高いため、発電の効率を向上できる。   In addition, according to the Stirling cycle engine according to the present embodiment, the high-temperature expansion chamber and the low-temperature compression chamber are compared with the conventional Stirling cycle engine in which the displacer and the cylinder are made of a metal such as stainless steel having high thermal conductivity. Therefore, the efficiency of power generation can be improved.

更に、本実施形態に係るスターリングサイクル機関によれば、重量が重い金属材料の替わりに重量の軽いセラミックス材料を使用することで、装置を軽量化することができる。   Furthermore, according to the Stirling cycle engine according to the present embodiment, the weight of the apparatus can be reduced by using a light weight ceramic material instead of a heavy metal material.

しかも、本実施形態に係るスターリングサイクル機関によれば、ディスプレイサ70や上部シリンダ10にセラミックス材料を使用することにより、金型を使ってこれらの部品を成形することが可能になるため、金属材料に比べて部品点数を減らすことができる。   In addition, according to the Stirling cycle engine according to the present embodiment, by using a ceramic material for the displacer 70 and the upper cylinder 10, it becomes possible to mold these parts using a metal mold. The number of parts can be reduced compared to.

また、本実施形態に係るスターリングサイクル機関では、シリンダ(10,11)の内面と摺動するデイスプレイサ70の摺動部72やピストン20の摺動部23,24がカーボン材料によって形成される。これにより、ディスプレイサやピストンの摺動部に樹脂材料を使用していた従来のスターリングサイクル機関に比べて、高い温度において連続的に運転することが可能になる。一般に、樹脂材料は熱による変形量が大きいため、これを摺動部に使用した場合、高温になると変形が生じて摺動性能が低下するという問題がある。本実施形態によれば、温度による変形量の小さいカーボン材料を使用することにより、高温においても安定した摺動性能を保つことができるため、長時間の連続運転が可能となる。   Further, in the Stirling cycle engine according to the present embodiment, the sliding portion 72 of the displacer 70 and the sliding portions 23 and 24 of the piston 20 that slide with the inner surfaces of the cylinders (10, 11) are formed of a carbon material. As a result, it is possible to continuously operate at a higher temperature as compared with a conventional Stirling cycle engine that uses a resin material for sliding parts of the displacer and the piston. In general, since a resin material has a large amount of deformation due to heat, when it is used for a sliding portion, there is a problem that deformation occurs at a high temperature and sliding performance is lowered. According to the present embodiment, by using a carbon material having a small deformation amount due to temperature, stable sliding performance can be maintained even at a high temperature, so that continuous operation for a long time is possible.

なお、本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、他の種々のバリエーションを含んでいる。   In addition, this invention is not limited only to embodiment mentioned above, The other various variation is included.

上述した実施形態では、ディスプレイサ70において金属の基部71とカーボン材料の摺動部72を設けているが、本発明はこの例に限定されない。本発明の他の実施形態では、ディスプレイサの基部と摺動部をカーボン材料によって一体に形成してもよい。
また、上述した実施形態では、ピストン20において金属の基部21とカーボン材料の摺動部23,24を設けているが、本発明の他の実施形態では、ピストンの基部と摺動部をカーボン材料によって一体に形成してもよい。
In the above-described embodiment, the displacer 70 is provided with the metal base 71 and the carbon material sliding portion 72, but the present invention is not limited to this example. In another embodiment of the present invention, the base portion and the sliding portion of the displacer may be integrally formed of a carbon material.
In the above-described embodiment, the piston 20 is provided with the metal base 21 and the sliding portions 23 and 24 of the carbon material. However, in another embodiment of the present invention, the piston base and the sliding portion are made of the carbon material. May be formed integrally.

また、上述した実施形態では、ディスプレイサ70やピストン20における摺動部(72,23,24)をカーボン材料によって形成しているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、ディスプレイサやディスプレイサの摺動部をセラミックス材料によって形成してもよい。この場合も、摺動部を樹脂材料で形成する従来のスターリングサイクル機関に比べて耐熱性能を高めることができる。
なお、本発明の他の実施形態では、ディスプレイサの基部と摺動部をセラミックス材料によって一体に形成してもよいし、ヘッド部を含んだディスプレイサの全体をセラミックス材料によって一体に形成してもよい。
また、本発明の他の実施形態では、ピストンの基部と摺動部をセラミックス材料によって一体に形成してもよい。
In the above-described embodiment, the sliding portions (72, 23, 24) in the displacer 70 and the piston 20 are formed of a carbon material, but the present invention is not limited to this. In another embodiment of the present invention, the displacer and the sliding portion of the displacer may be formed of a ceramic material. Also in this case, the heat resistance can be improved as compared with a conventional Stirling cycle engine in which the sliding portion is formed of a resin material.
In another embodiment of the present invention, the base portion and sliding portion of the displacer may be integrally formed of a ceramic material, or the entire displacer including the head portion may be integrally formed of a ceramic material. Also good.
In another embodiment of the present invention, the base portion and the sliding portion of the piston may be integrally formed of a ceramic material.

また、上述した実施形態では、ディスプレイサ70のヘッド部73をセラミックス材料によって形成しているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、ディスプレイサのヘッド部をカーボン材料によって形成してもよい。その場合、基部と摺動部を含んだディスプレイサの全体をカーボン材料によって一体に形成してもよい。   In the embodiment described above, the head portion 73 of the displacer 70 is formed of a ceramic material, but the present invention is not limited to this. In another embodiment of the present invention, the head portion of the displacer may be made of a carbon material. In that case, the entire displacer including the base portion and the sliding portion may be integrally formed of a carbon material.

また、上述した実施形態では、上部シリンダ10をセラミックス材料によって形成しているが、本発明はこの例に限定されない。本発明の他の実施形態では、ディスプレイサが収容されるシリンダをカーボン材料によって形成してもよい。この場合も、樹脂材料のシリンダを用いる従来のスターリングサイクル機関に比べて、耐熱性を大幅に向上できる。   In the above-described embodiment, the upper cylinder 10 is formed of a ceramic material, but the present invention is not limited to this example. In another embodiment of the present invention, the cylinder in which the displacer is accommodated may be formed of a carbon material. Also in this case, the heat resistance can be greatly improved as compared with a conventional Stirling cycle engine using a cylinder made of resin material.

上述した実施形態においてディスプレイサやシリンダに使用されるセラミックス材料は任意であり、例えば、アルミナ系セラミックス材料、ジルコニア系セラミックス材料、炭化珪素系セラミックス材料、窒化珪素系セラミックス材料、窒化アルミニウム系セラミックス材料、ステアタイト系セラミックス材料、サイアロン系セラミックス材料などがその例として挙げられる。ディスプレイサやピストンの摺動部に使用されるセラミックス材料についても任意であり、例えば上記の各セラミックス材料がその例として挙げられる。   The ceramic material used for the displacer and the cylinder in the above-described embodiment is arbitrary, for example, an alumina-based ceramic material, a zirconia-based ceramic material, a silicon carbide-based ceramic material, a silicon nitride-based ceramic material, an aluminum nitride-based ceramic material, Examples thereof include steatite ceramic materials and sialon ceramic materials. The ceramic material used for the displacer and the sliding portion of the piston is also arbitrary. For example, the above ceramic materials can be given as examples.

上述した実施形態では、スターリングサイクル機関の発電機の例を挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばスターリングサイクル機関の冷却装置などに適用することも可能である。   In the embodiment described above, an example of a generator of a Stirling cycle engine is given, but the present invention is not limited to this, and can be applied to a cooling device of a Stirling cycle engine, for example.

1…ケーシング、2…上部ケーシング、3…中間部ケーシング、5…シリンダ保持部、6…外部フィン、7…下部ケーシング、8…蓋部、10…上部シリンダ、11…下部シリンダ、12…膨張室、13…吸熱フィン、14…蓄熱式熱交換器(再生器)、15…放熱フィン、16…連通孔、17…圧縮室、18…ヨーク、19…ヨーク保持部、20…ピストン、21…基部、22…貫通部、23,24…摺動部、25…磁石、30…固定子、33…コイル、36…コア、40…支持部、41…支柱、43…支持基台、51,52…バネ部材、61,62…ロッド、70…ディスプレイサ、71…基部、72…摺動部、73…ヘッド部。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Casing, 2 ... Upper casing, 3 ... Middle part casing, 5 ... Cylinder holding part, 6 ... External fin, 7 ... Lower casing, 8 ... Cover part, 10 ... Upper cylinder, 11 ... Lower cylinder, 12 ... Expansion chamber , 13 ... endothermic fins, 14 ... heat storage heat exchanger (regenerator), 15 ... radiating fins, 16 ... communication hole, 17 ... compression chamber, 18 ... yoke, 19 ... yoke holding part, 20 ... piston, 21 ... base part , 22 ... penetrating part, 23, 24 ... sliding part, 25 ... magnet, 30 ... stator, 33 ... coil, 36 ... core, 40 ... support part, 41 ... column, 43 ... support base, 51, 52 ... Spring member, 61, 62 ... rod, 70 ... displacer, 71 ... base, 72 ... sliding part, 73 ... head part.

Claims (6)

ケーシングの中に中心軸を揃えて配置された第1シリンダ及び第2シリンダと、
前記第1シリンダに往復動可能に挿入されたディスプレイサと、
前記第2シリンダに往復動可能に挿入されたピストンと、
前記ディスプレイサの一方の端部に面した高温の膨張室と、
前記ディスプレイサの他方の端部と前記ピストンとに面した低温の圧縮室と、
前記膨張室と前記圧縮室とを連通する気体流路と、
前記気体流路に流れる作動気体の熱を蓄える蓄熱式熱交換器と
を有し、
前記第1シリンダ及び前記ディスプレイサの少なくとも一方がセラミックス材料又はカーボン材料で形成された、
スターリングサイクル機関。
A first cylinder and a second cylinder arranged in a casing with the central axis aligned,
A displacer inserted into the first cylinder in a reciprocable manner;
A piston inserted into the second cylinder so as to reciprocate;
A high-temperature expansion chamber facing one end of the displacer;
A cold compression chamber facing the other end of the displacer and the piston;
A gas flow path communicating the expansion chamber and the compression chamber;
A heat storage heat exchanger for storing heat of the working gas flowing in the gas flow path,
At least one of the first cylinder and the displacer is formed of a ceramic material or a carbon material;
Stirling cycle agency.
前記第1シリンダの内面と摺動する前記ディスプレイサの摺動部が、カーボン材料又はセラミックス材料で形成された、
請求項1に記載のスターリングサイクル機関。
A sliding portion of the displacer that slides with the inner surface of the first cylinder is formed of a carbon material or a ceramic material;
The Stirling cycle engine according to claim 1.
前記ディスプレイサは、
セラミックス材料で形成され、前記膨張室に面するヘッド部と、
金属で形成され、前記ヘッド部を保持する基部と、
カーボン材料又はセラミックス材料で形成され、前記基部の外面に設けられた前記摺動部と
を含む、
請求項2に記載のスターリングサイクル機関。
The displacer is
A head portion formed of a ceramic material and facing the expansion chamber;
A base formed of metal and holding the head portion;
The sliding portion formed of a carbon material or a ceramic material and provided on the outer surface of the base portion,
The Stirling cycle engine according to claim 2.
前記摺動部は、断面が円形の前記基部の全周を囲むリング状の摺動面を有する、
請求項3に記載のスターリングサイクル機関。
The sliding portion has a ring-shaped sliding surface surrounding the entire circumference of the base portion having a circular cross section.
The Stirling cycle engine according to claim 3.
前記第2シリンダの内面と摺動する前記ピストンの摺動部が、カーボン材料又はセラミックス材料で形成された、
請求項1乃至4の何れか一項に記載のスターリングサイクル機関。
The sliding portion of the piston that slides with the inner surface of the second cylinder is formed of a carbon material or a ceramic material.
The Stirling cycle engine according to any one of claims 1 to 4.
前記第1シリンダ及び前記ディスプレイサの少なくとも一方を形成する前記セラミックス材料は、アルミナ系セラミックス材料、ジルコニア系セラミックス材料、炭化珪素系セラミックス材料、窒化珪素系セラミックス材料、窒化アルミニウム系セラミックス材料、ステアタイト系セラミックス材料、又は、サイアロン系セラミックス材料である、
請求項1乃至5の何れか一項に記載のスターリングサイクル機関。
The ceramic material forming at least one of the first cylinder and the displacer is an alumina-based ceramic material, a zirconia-based ceramic material, a silicon carbide-based ceramic material, a silicon nitride-based ceramic material, an aluminum nitride-based ceramic material, or a steatite-based material. A ceramic material or a sialon-based ceramic material,
The Stirling cycle engine according to any one of claims 1 to 5.
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NL2024827B1 (en) * 2020-02-04 2021-09-13 Jacobus Maria Schilder Johannes Energy transfer apparatus and associated methods
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