【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスターリング機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。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。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３７７２５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３１２３９号公報
【特許文献３】
特開２００２−３４９３４７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフリーピストン構造のスターリング機関では、２個のピストンを用意し、その一方を動力源によって駆動せしめられるパワーピストンとし、他方をパワーピストンに共振するディスプレーサとしていた。そしてこれらのピストンを直列に配置するため、機関全体として一定以上の長さを必要とすることとなり、コンパクト化が難しかった。
【０００５】
また、ピストンを用いる場合、ピストンとシリンダのクリアランスが正確に保たれず、ピストンとシリンダの接触が発生するようなことがあると、機関の寿命が低下する。そのため、ピストンをベアリングで支持することが必要になる。高度の加工技術を必要とするガスベアリングを用いることとすれば、それだけでコストアップの要因となる。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、飛躍的なコンパクト化を実現できるとともに、部品点数が少なく低コストで製造できるスターリング機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、スターリング機関を次のように構成した。
【０００８】
（１）圧縮空間と膨張空間の間で作動ガスを移動させるディスプレーサと、動力源によってシリンダ内を往復運動せしめられるパワーピストンとを備え、前記パワーピストンの運動により前記ディスプレーサに動きが生じ、前記作動ガスの移動とそれに伴う熱変化が生じるようにしたスターリング機関において、前記ディスプレーサをダイヤフラムにより構成した。
【０００９】
この構成によれば、ピストンに代え、薄いダイヤフラムをディスプレーサとして用いるから、スターリング機関の長さを圧縮し、小型にすることができる。またピストン型のディスプレーサに比べ部品点数が少なくて済み、コスト安であるとともに、ピストンとシリンダの間の接触摩耗がないため長寿命化を図ることができる。
【００１０】
（２）圧縮空間と膨張空間の間で作動ガスを移動させるディスプレーサダイヤフラムと、前記ディスプレーサダイヤフラムとの間に前記圧縮空間を形成するパワーダイヤフラムと、前記パワーダイヤフラムを振動させる動力源とを備え、前記パワーダイヤフラムの振動と、これと位相差をもって振動する前記ディスプレーサダイヤフラムの振動とにより、前記作動ガスの移動とそれに伴う熱変化を生ぜしめるものとした。
【００１１】
この構成によれば、ピストンに代え、薄いダイヤフラムをディスプレーサとして用いるとともに、パワーピストンの側もダイヤフラムで置き換えたから、全体の長さがきわめて短くなり、小型のスターリング機関とすることができる。またピストンを用いる場合と比べ部品点数が少なくて済み、コスト安であるとともに、ピストンとシリンダの間の接触摩耗がないため長寿命化を図ることができる。
【００１２】
（３）上記のようなスターリング機関において、前記パワーダイヤフラムの動力源がピエゾ素子であるものとした。
【００１３】
この構成によれば、動力源が小さなピエゾ素子なのでスターリング機関をさらに小型軽量にできる。そしてダイヤフラムをピエゾ素子で直接駆動するため、機関の単位体積当たりの冷凍能力が高まる。モータを使用しないので部品コストが下がるうえ、機構部品が少ないことから信頼性も高い。
【００１４】
（４）ディスプレーサダイヤフラムにより圧縮空間と膨張空間を区画したユニットを複数個設け、各ユニットの圧縮空間と他のユニットの膨張空間をペアにして再生器で接続するという形で全ユニットを連環状に連結し、前記各ユニットのディスプレーサダイヤフラムを互いに所定の位相差をもって振動させることにより、圧縮空間と膨張空間のそれぞれのペアの間で作動ガスの移動とそれに伴う熱変化を生ぜしめるものとした。
【００１５】
この構成によれば、ピストンに代え、薄いダイヤフラムをディスプレーサとして用いるから、スターリング機関の長さを圧縮し、小型にすることができる。また複数のディスプレーサダイヤフラムの協調動作により、小型でありながら大能力のスターリング機関とすることができる。
【００１６】
（５）上記のようなスターリング機関において、前記ディスプレーサダイヤフラムの振動の動力源がピエゾ素子であるものとした。
【００１７】
この構成によれば、動力源が小さなピエゾ素子なのでスターリング機関をさらに小型軽量にできる。そしてダイヤフラムをピエゾ素子で直接駆動するため、機関の単位体積当たりの冷凍能力が高まる。モータを使用しないので部品コストが下がるうえ、機構部品が少ないことから信頼性も高い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、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。
【００１９】
スターリング機関１ａ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にはパワーピストン１２が挿入される。シリンダ１１には、その軸線方向の中央部にディスプレーサダイヤフラム１３が取り付けられる。ディスプレーサダイヤフラム１３はシリンダ１１を、図において左右に区画する。ディスプレーサダイヤフラム１３の材質はゴムである。パワーピストン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。
【００２０】
シリンダ１０はパワーピストン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、外部ヨーク２２と内部ヨーク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、外部ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５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。
【００２１】
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。スプリング３０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る。
【００２２】
シリンダ１１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。
【００２３】
伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、パワーピストン１２、ディスプレーサダイヤフラム１３、及び内部熱交換器４２で囲まれた空間は圧縮空間４５となる。伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサダイヤフラム１３、及び内部熱交換器４３で囲まれた空間は膨張空間４６となる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
スターリング機関１ａ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部ヨーク２２と内部ヨーク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（パワーピストン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。
【００２７】
パワーピストン１２が往復運動すると、パワーピストン１２の左側の空間に圧力変動が生じる。圧縮空間４５の内面の総面積をＳ１とし、膨脹空間４６の内面の総面積をＳ２とし、空間内の圧力をＰとすると、ディスプレーサダイヤフラム１３には次式で示される力Ｆが加わる。なおＳ２はＳ１より大きい。
Ｆ＝Ｐ・（Ｓ２−Ｓ１）
【００２８】
パワーピストン１２が停止し、ディスプレーサダイヤフラム１３がフラットな状態を保っているときの圧力をＰ＝０とすると、パワーピストン１２の往復運動により、圧力Ｐは正圧から負圧、また負圧から正圧へと周期的に変化する。そのため、交番で向きの変わる力Ｆがディスプレーサダイヤフラム１３にかかり、ディスプレーサダイヤフラム１３は振動する。
【００２９】
パワーピストン１２が図において左方に移動すると、少し遅れてディスプレーサダイヤフラム１３が左方に凸となる。これにより、膨張空間４６の容積が縮小するとともに圧縮空間４５の容積が拡大し、膨張空間４６の容積縮小分の作動ガスは再生器４７を通って圧縮空間４５に移動する。逆にパワーピストン１２が図において右方に移動すると、少し遅れてディスプレーサダイヤフラム１３が右方に凸となる。これにより、圧縮空間４５の容積が縮小するとともに膨脹空間４６の容積が拡大し、圧縮空間４５の容積縮小分の作動ガスは再生器４７を通って膨脹空間４６に移動する。
【００３０】
このようにパワーピストン１２とディスプレーサダイヤフラム１３が一定の位相差をもって同期振動することにより、圧縮／膨張のサイクルが生まれる。振動の位相差を適切に設定すれば、圧縮空間４５では断熱圧縮による発熱が多く発生し、膨張空間４６では断熱膨張による冷却が多く発生する。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。パワーピストン１２とディスプレーサダイヤフラム１３の位相差は、ダイヤフラムの材質や厚み、ガス圧を変更してバネ定数を変えることにより、自由に設定できる。
【００３１】
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を通じて伝熱ヘッド４０、４１に伝える。圧縮空間４５から噴出する作動ガスは高温であり、伝熱ヘッド４０は加熱される。すなわち伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から噴出する作動ガスは低温であり、伝熱ヘッド４１は冷却される。すなわち伝熱ヘッド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１ａは冷凍機関としての機能を果たす。
【００３２】
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は熱の保管庫としての役割を果たす。
【００３３】
続いて本発明の第２実施形態を図２に基づき説明する。図２はスターリング機関の断面図である。
【００３４】
第２実施形態のスターリング機関１ｂはシリンダを１個だけ有する。シリンダ６０には、その軸線方向の中央部にゴム製のディスプレーサダイヤフラム６１が取り付けられる。
【００３５】
シリンダ６０の外側には伝熱ヘッド７０、７１が配置される。伝熱ヘッド７０はリング状、伝熱ヘッド７１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７０、７１は各々リング状の内部熱交換器７２、７３を介在させた形でシリンダ６０の外側に支持される。内部熱交換器７２、７３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７０、７１に伝える。伝熱ヘッド７０にはゴム製のパワーダイヤフラム７４が取り付けられる。
【００３６】
伝熱ヘッド７０、シリンダ６０、内部熱交換器７２、ディスプレーサダイヤフラム６１、及びパワーダイヤフラム７４で囲まれた空間が圧縮空間７５となる。伝熱ヘッド７１、シリンダ６０、内部熱交換器７３、及びディスプレーサダイヤフラム６１で囲まれた空間が膨張空間７６となる。
【００３７】
内部熱交換器７２、７３の間には再生器７７が配置される。再生器７７も通気性を有し、内部を作動ガスが通る。再生器７７の外側を再生器チューブ７８が包む。再生器チューブ７８は伝熱ヘッド７０、７１の間に気密通路を構成する。
【００３８】
パワーダイヤフラム７４の動力源はピエゾ素子８０である。ピエゾ素子８０は積層型で、電圧の印加によりたわみ変形する。このピエゾ素子８０をパワーダイヤフラム７４の外面に貼り付け固定する。ピエゾ素子８０には発振回路８１より交番電圧が印加される。
【００３９】
スターリング機関１ｂは次のように動作する。発振回路８１がピエゾ素子８０に交番電圧を印加すると、ピエゾ素子８０には交番するたわみが生じ、これによりパワーダイヤフラム７４が振動する。パワーダイヤフラム７４が振動すると、パワーダイヤフラム７４の左側の空間に圧力変動が生じる。第１実施形態で説明したのと同様の仕組みにより、交番で向きの変わる力がディスプレーサダイヤフラム６１にかかり、ディスプレーサダイヤフラム６１は振動する。
【００４０】
パワーダイヤフラム７４が図において左方に凸になると、少し遅れてディスプレーサダイヤフラム６１が左方に凸となる。これにより、膨張空間７６の容積が縮小するとともに圧縮空間７５の容積が拡大し、膨張空間７６の容積縮小分の作動ガスが再生器７７を通って圧縮空間７５に移動する。逆にパワーダイヤフラム７４が図において右方に凸になると、少し遅れてディスプレーサダイヤフラム６１が右方に凸となる。これにより、圧縮空間７５の容積が縮小するとともに膨脹空間７６の容積が拡大し、圧縮空間７５の容積縮小分の作動ガスが再生器７７を通って膨脹空間７６に移動する。
【００４１】
このようにパワーダイヤフラム７４とディスプレーサダイヤフラム６１が一定の位相差をもって同期振動することにより、圧縮／膨張のサイクルが生まれる。振動の位相差を適切に設定すれば、圧縮空間７５では断熱圧縮による発熱が多く発生し、膨張空間７６では断熱膨張による冷却が多く発生する。このため、圧縮空間７５の温度は上昇し、膨張空間７６の温度は下降する。これにより、伝熱ヘッド７０は加熱され、伝熱ヘッド７１は冷却されて、スターリング機関１ｂは冷凍機関としての機能を果たす。
【００４２】
続いて本発明の第３実施形態を図３に基づき説明する。図２はスターリング機関の断面図である。
【００４３】
第３実施形態のスターリング機関１ｃは、シリンダ１０１の内部をディスプレーサダイヤフラム１０２により圧縮空間１０３と膨脹空間１０４に区画したユニット１００を複数個有する。図３においては、ユニット１００の数は３となっている。説明の便宜のため、３個のユニット１００のそれぞれにａ、ｂ、ｃの識別符号を付す。
【００４４】
ユニット１００ａの圧縮空間１０３はユニット１００ｃの膨脹空間１０４とペアをなし、ユニット１００ｂの圧縮空間１０３はユニット１００ａの膨脹空間１０４とペアをなし、ユニット１００ｃの圧縮空間１０３はユニット１００ｂの膨脹空間１０４とペアをなす。ペアをなす圧縮空間１０３と膨脹空間１０４は再生器ユニット１１０を介して接続される。その結果、ユニット１００ａ、１００ｂ、１００ｃの全てが連環状に連結される。
【００４５】
再生器ユニット１１０は、伝熱ヘッド１１１、１１２と、伝熱ヘッド１１１、１１２の内部に設置された内部熱交換器１１３、１１４と、内部熱交換器１１３、１１４を連絡する再生器１１５と、再生器１１５の外側を包む再生器チューブ１１６からなる。
【００４６】
ディスプレーサダイヤフラム１０２はそれ自身が動力源によって振動せしめられる。動力源はピエゾ素子１２０である。ピエゾ素子１２０は積層型で、電圧の印加によりたわみ変形する。このピエゾ素子１２０をディスプレーサダイヤフラム１０２の片面に貼り付け固定する。ピエゾ素子１２０には発振回路１２１より交番電圧が供給される。３個のピエゾ素子１２０が所定の位相差をもって振動するよう、各ピエゾ素子１２０に設けられた発振回路１２１は制御部１２２によって統合制御される。
【００４７】
スターリング機関１ｃは次のように動作する。発振回路１２１がピエゾ素子１２０に交番電圧を印加すると、ピエゾ素子１２０には交番するたわみが生じ、これによりディスプレーサダイヤフラム１０２が振動する。ディスプレーサダイヤフラム１０２が振動すると、圧縮空間１０３と膨脹空間１０４に圧力変動が生じる。
【００４８】
ユニット１００ａのディスプレーサダイヤフラム１０２が右側に凸となった場合、ユニット１００ａの圧縮空間１０３から作動ガスが押し出され、再生器ユニット１１０を通ってユニット１００ｃの膨脹空間１０４に移動する。ユニット１００ｃのディスプレーサダイヤフラム１０２が右側に凸となった場合、ユニット１００ｃの圧縮空間１０３から作動ガスが押し出され、再生器ユニット１１０を通ってユニット１００ｂの膨脹空間１０４に移動する。ユニット１００ｂのディスプレーサダイヤフラム１０２が右側に凸となった場合、ユニット１００ｂの圧縮空間１０３から作動ガスが押し出され、再生器ユニット１１０を通ってユニット１００ａの膨脹空間１０４に移動する。
【００４９】
ユニット１００ａのディスプレーサダイヤフラム１０２が左側に凸となった場合、ユニット１００ａの膨脹空間１０４から作動ガスが押し出され、再生器ユニット１１０を通ってユニット１００ｂの圧縮空間１０３に移動する。ユニット１００ｂのディスプレーサダイヤフラム１０２が左側に凸となった場合、ユニット１００ｂの膨脹空間１０４から作動ガスが押し出され、再生器ユニット１１０を通ってユニット１００ｃの圧縮空間１０３に移動する。ユニット１００ｃのディスプレーサダイヤフラム１０２が左側に凸となった場合、ユニット１００ｃの膨脹空間１０４から作動ガスが押し出され、再生器ユニット１１０を通ってユニット１００ａの圧縮空間１０３に移動する。
【００５０】
ユニット１００ａ、１００ｂ、１００ｃの間でディスプレーサダイヤフラム１０２を一定の位相差をもって同期振動させることにより、圧縮／膨張のサイクルが生まれる。振動の位相差を適切に設定すれば、圧縮空間１０３では断熱圧縮による発熱が多く発生し、膨張空間１０４では断熱膨張による冷却が多く発生する。このため、圧縮空間１０３の温度は上昇し、膨張空間１０４の温度は下降する。これにより、伝熱ヘッド１１１は加熱され、伝熱ヘッド１１２は冷却されて、スターリング機関１ｂは冷凍機関としての機能を果たす。
【００５１】
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。例えば、ダイヤフラムの材料はゴムに限定されない。合成樹脂など曲げ弾性を備えた材料でありさえすれば何でも使用可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、ディスプレーサをダイヤフラムにより構成したから、スターリング機関の長さを圧縮し、小型にすることができる。またピストン型のディスプレーサに比べ部品点数が少なくて済み、コスト安であるとともに、ピストンとシリンダの間の接触摩耗がないため長寿命化を図ることができる。ディスプレーサのみならずパワーピストンの側もダイヤフラムで置き換えることにより、さらに小型化を図ることができる。そしてダイヤフラムをピエゾ素子で直接駆動することにより、スターリング機関のさらなる小型軽量化と、低コスト化、信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスターリング機関の断面図
【図２】本発明の第２実施形態に係るスターリング機関の断面図
【図３】本発明の第３実施形態に係るスターリング機関の断面図
【符号の説明】
１ａ スターリング機関
１０、１１ シリンダ
１２ パワーピストン
１３ ディスプレーサダイヤフラム
１４ マグネットホルダ
２０ リニアモータ
４０、４１ 伝熱ヘッド
４２、４３ 内部熱交換器
４５ 圧縮空間
４６ 膨張空間
４７ 再生器
１ｂ スターリング機関
６０ シリンダ
６１ ディスプレーサダイヤフラム
７０、７１ 伝熱ヘッド
７２、７３ 内部熱交換器
７４ パワーダイヤフラム
７５ 圧縮空間
７６ 膨脹空間
７７ 再生器
８０ ピエゾ素子
１ｃ スターリング機関
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ ユニット
１０１ シリンダ
１０２ ディスプレーサダイヤフラム
１０３ 圧縮空間
１０４ 膨脹空間
１１０ 再生器ユニット
１１１、１１２ 伝熱ヘッド
１１３、１１４ 内部熱交換器
１１５ 再生器
１２０ ピエゾ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling engine.
[0002]
[Prior art]
The Stirling engine is attracting attention as a heat engine that does not cause destruction of the ozone layer because helium, hydrogen, nitrogen or the like is used as a working gas instead of Freon. Examples of Stirling engines can be found in Patent Documents 1 to 3.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-337725 A [Patent Document 2]
JP 2001-231239 A [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-349347
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional Stirling engine having a free piston structure, two pistons are prepared, one of which is a power piston that is driven by a power source, and the other is a displacer that resonates with the power piston. Since these pistons are arranged in series, the engine as a whole requires a certain length or more, and it is difficult to make it compact.
[0005]
Further, when the piston is used, if the clearance between the piston and the cylinder is not accurately maintained, and the contact between the piston and the cylinder may occur, the life of the engine is reduced. Therefore, it is necessary to support the piston with a bearing. If gas bearings that require advanced processing techniques are used, that alone will increase costs.
[0006]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a Stirling engine that can achieve dramatic downsizing and can be manufactured at a low cost with a small number of components.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the Stirling engine is configured as follows.
[0008]
(1) A displacer that moves the working gas between the compression space and the expansion space, and a power piston that is reciprocated in the cylinder by a power source. The movement of the power piston causes the displacer to move, and the operation In a Stirling engine in which gas movement and accompanying heat change occur, the displacer is constituted by a diaphragm.
[0009]
According to this configuration, since a thin diaphragm is used as the displacer instead of the piston, the length of the Stirling engine can be reduced and the size can be reduced. In addition, the number of parts is less than that of a piston-type displacer, the cost is low, and there is no contact wear between the piston and the cylinder, so that the life can be extended.
[0010]
(2) a displacer diaphragm that moves a working gas between a compression space and an expansion space, a power diaphragm that forms the compression space between the displacer diaphragm, and a power source that vibrates the power diaphragm, The movement of the working gas and the accompanying heat change are caused by the vibration of the power diaphragm and the vibration of the displacer diaphragm that vibrates with a phase difference.
[0011]
According to this configuration, instead of the piston, a thin diaphragm is used as a displacer, and the power piston side is also replaced with a diaphragm. Therefore, the overall length is extremely short, and a small Stirling engine can be obtained. In addition, the number of parts can be reduced compared to the case of using a piston, the cost is low, and there is no contact wear between the piston and the cylinder, so that the life can be extended.
[0012]
(3) In the above Stirling engine, the power source of the power diaphragm is a piezo element.
[0013]
According to this configuration, since the power source is a small piezo element, the Stirling engine can be further reduced in size and weight. Since the diaphragm is directly driven by the piezo element, the refrigeration capacity per unit volume of the engine is increased. Since no motor is used, the cost of parts is reduced and the reliability is high because there are few mechanical parts.
[0014]
(4) A plurality of units that divide the compression space and the expansion space by a displacer diaphragm are provided, and the compression space of each unit and the expansion space of another unit are paired and connected by a regenerator so that all units are connected in a ring shape. The displacer diaphragms of the respective units are vibrated with a predetermined phase difference from each other, thereby causing movement of the working gas between the pair of the compression space and the expansion space and the accompanying heat change.
[0015]
According to this configuration, since a thin diaphragm is used as the displacer instead of the piston, the length of the Stirling engine can be reduced and the size can be reduced. In addition, by the cooperative operation of a plurality of displacer diaphragms, it is possible to provide a small-sized but high-capacity Stirling engine.
[0016]
(5) In the above Stirling engine, the power source for the vibration of the displacer diaphragm is a piezo element.
[0017]
According to this configuration, since the power source is a small piezo element, the Stirling engine can be further reduced in size and weight. Since the diaphragm is directly driven by the piezo element, the refrigeration capacity per unit volume of the engine is increased. Since no motor is used, the cost of parts is reduced and the reliability is high because there are few mechanical parts.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a sectional view of a Stirling engine.
[0019]
The cylinders 10 and 11 are the center of the assembly of the Stirling engine 1a. The axes of the cylinders 10 and 11 are aligned on the same straight line. A power piston 12 is inserted into the cylinder 10. A displacer diaphragm 13 is attached to the cylinder 11 at the center in the axial direction. The displacer diaphragm 13 divides the cylinder 11 into left and right in the figure. The material of the displacer diaphragm 13 is rubber. A cup-shaped magnet holder 14 is fixed to one end of the power piston 12.
[0020]
The cylinder 10 holds the linear motor 20 outside the portion corresponding to the operation region of the power piston 12. The linear motor 20 includes an outer yoke 22 having a coil 21, an inner yoke 23 provided so as to be in contact with the outer surface of the cylinder 10, and a ring-like shape inserted into an annular space between the outer yoke 22 and the inner yoke 23. A magnet 24, a tube 25 surrounding the outer yoke 22, an outer yoke 22, an inner yoke 23, and synthetic resin end brackets 26 and 27 for holding the tube 25 in a predetermined positional relationship are provided. The magnet 24 is fixed to the magnet holder 14.
[0021]
The central portion of the spring 30 is fixed to the hub portion of the magnet holder 14. The outer periphery of the spring 30 is fixed to the end bracket 27. The spring 30 is a disc-shaped material with a spiral cut.
[0022]
Heat transfer heads 40 and 41 are disposed outside the cylinder 11. The heat transfer head 40 has a ring shape, and the heat transfer head 41 has a cap shape, both of which are made of a metal having good heat conductivity such as copper or copper alloy. The heat transfer heads 40 and 41 are respectively supported outside the cylinder 11 with ring-shaped internal heat exchangers 42 and 43 interposed therebetween. Each of the internal heat exchangers 42 and 43 has air permeability, and transfers the heat of the working gas passing through the inside to the heat transfer heads 40 and 41. The cylinder 10 and the pressure vessel 50 are connected to the heat transfer head 40.
[0023]
A space surrounded by the heat transfer head 40, the cylinders 10 and 11, the power piston 12, the displacer diaphragm 13, and the internal heat exchanger 42 becomes a compression space 45. A space surrounded by the heat transfer head 41, the cylinder 11, the displacer diaphragm 13, and the internal heat exchanger 43 becomes an expansion space 46.
[0024]
A regenerator 47 is disposed between the internal heat exchangers 42 and 43. The regenerator 47 is also air permeable, and the working gas passes through it. A regenerator tube 48 wraps outside the regenerator 47. The regenerator tube 48 forms an airtight passage between the heat transfer heads 40 and 41.
[0025]
A cylindrical pressure vessel 50 covers the linear motor 20, the cylinder 10, and the piston 12. The inside of the pressure vessel 50 becomes a bounce space 51.
[0026]
The Stirling engine 1a operates as follows. When an alternating current is supplied to the coil 21 of the linear motor 20, a magnetic field passing through the magnet 24 is generated between the outer yoke 22 and the inner yoke 23, and the magnet 24 reciprocates in the axial direction. By supplying power with a frequency that matches the resonance frequency determined by the total mass of the piston system (power piston 12, magnet holder 14, magnet 24, and spring 30) and the spring constant of the spring 30, the piston system is smooth. Start a sinusoidal reciprocating motion.
[0027]
When the power piston 12 reciprocates, pressure fluctuation occurs in the space on the left side of the power piston 12. When the total area of the inner surface of the compression space 45 is S1, the total area of the inner surface of the expansion space 46 is S2, and the pressure in the space is P, a force F represented by the following formula is applied to the displacer diaphragm 13. S2 is larger than S1.
F = P · (S2-S1)
[0028]
If the pressure when the power piston 12 is stopped and the displacer diaphragm 13 is kept flat is P = 0, the pressure P is changed from positive pressure to negative pressure and from negative pressure to positive pressure by the reciprocating motion of the power piston 12. Periodically changes to pressure. Therefore, a force F that changes the direction by alternating force is applied to the displacer diaphragm 13, and the displacer diaphragm 13 vibrates.
[0029]
When the power piston 12 moves to the left in the figure, the displacer diaphragm 13 protrudes to the left with a slight delay. As a result, the volume of the expansion space 46 is reduced and the volume of the compression space 45 is increased, and the working gas corresponding to the volume reduction of the expansion space 46 moves to the compression space 45 through the regenerator 47. On the contrary, when the power piston 12 moves to the right in the figure, the displacer diaphragm 13 protrudes to the right with a slight delay. As a result, the volume of the compression space 45 is reduced and the volume of the expansion space 46 is increased. The working gas corresponding to the volume reduction of the compression space 45 moves to the expansion space 46 through the regenerator 47.
[0030]
As described above, the power piston 12 and the displacer diaphragm 13 vibrate synchronously with a constant phase difference, thereby generating a compression / expansion cycle. If the phase difference of vibration is set appropriately, the compression space 45 generates a lot of heat due to adiabatic compression, and the expansion space 46 generates a lot of cooling due to adiabatic expansion. For this reason, the temperature of the compression space 45 rises and the temperature of the expansion space 46 falls. The phase difference between the power piston 12 and the displacer diaphragm 13 can be freely set by changing the spring constant by changing the material, thickness and gas pressure of the diaphragm.
[0031]
When the working gas reciprocates between the compression space 45 and the expansion space 46 during operation passes through the internal heat exchangers 42 and 43, the working gas passes through the internal heat exchangers 42 and 43 and the heat transfer heads 40 and 41. To tell. The working gas ejected from the compression space 45 has a high temperature, and the heat transfer head 40 is heated. That is, the heat transfer head 40 becomes a warm head. The working gas ejected from the expansion space 46 is at a low temperature, and the heat transfer head 41 is cooled. That is, the heat transfer head 41 is a cold head. The Stirling engine 1a functions as a refrigeration engine by dissipating heat from the heat transfer head 40 and lowering the temperature of the specific space with the heat transfer head 41.
[0032]
The regenerator 47 functions to pass only the working gas without transferring the heat of the compression space 45 and the expansion space 46 to the counterpart space. The hot working gas that has entered the regenerator 47 from the compression space 45 through the internal heat exchanger 42 gives the heat to the regenerator 47 when passing through the regenerator 47, and enters the expansion space 46 in a state where the temperature is lowered. Inflow. The low-temperature working gas that has entered the regenerator 47 from the expansion space 46 through the internal heat exchanger 43 recovers heat from the regenerator 47 when passing through the regenerator 47, and enters the compression space 45 in a state where the temperature has risen. Inflow. That is, the regenerator 47 serves as a heat storage.
[0033]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a sectional view of the Stirling engine.
[0034]
The Stirling engine 1b of the second embodiment has only one cylinder. A rubber displacer diaphragm 61 is attached to the cylinder 60 at the center in the axial direction.
[0035]
Heat transfer heads 70 and 71 are disposed outside the cylinder 60. The heat transfer head 70 has a ring shape and the heat transfer head 71 has a cap shape, both of which are made of a metal having good heat conductivity such as copper or a copper alloy. The heat transfer heads 70 and 71 are supported outside the cylinder 60 with ring-shaped internal heat exchangers 72 and 73 interposed therebetween. Each of the internal heat exchangers 72 and 73 has air permeability, and transfers the heat of the working gas passing through the inside to the heat transfer heads 70 and 71. A rubber power diaphragm 74 is attached to the heat transfer head 70.
[0036]
A space surrounded by the heat transfer head 70, the cylinder 60, the internal heat exchanger 72, the displacer diaphragm 61, and the power diaphragm 74 becomes a compression space 75. A space surrounded by the heat transfer head 71, the cylinder 60, the internal heat exchanger 73, and the displacer diaphragm 61 is an expansion space 76.
[0037]
A regenerator 77 is disposed between the internal heat exchangers 72 and 73. The regenerator 77 is also breathable, and the working gas passes through it. A regenerator tube 78 wraps the outside of the regenerator 77. The regenerator tube 78 forms an airtight passage between the heat transfer heads 70 and 71.
[0038]
The power source of the power diaphragm 74 is a piezo element 80. The piezo element 80 is a laminated type, and is bent and deformed by applying a voltage. The piezo element 80 is attached and fixed to the outer surface of the power diaphragm 74. An alternating voltage is applied to the piezo element 80 from the oscillation circuit 81.
[0039]
The Stirling engine 1b operates as follows. When the oscillating circuit 81 applies an alternating voltage to the piezo element 80, an alternating deflection occurs in the piezo element 80, which causes the power diaphragm 74 to vibrate. When the power diaphragm 74 vibrates, pressure fluctuations occur in the space on the left side of the power diaphragm 74. By a mechanism similar to that described in the first embodiment, a force that changes its direction by alternating force is applied to the displacer diaphragm 61, and the displacer diaphragm 61 vibrates.
[0040]
When the power diaphragm 74 is convex leftward in the figure, the displacer diaphragm 61 is convex leftward with a slight delay. As a result, the volume of the expansion space 76 is reduced and the volume of the compression space 75 is increased, and the working gas corresponding to the volume reduction of the expansion space 76 moves to the compression space 75 through the regenerator 77. Conversely, when the power diaphragm 74 is convex rightward in the figure, the displacer diaphragm 61 is convex rightward with a slight delay. As a result, the volume of the compression space 75 is reduced and the volume of the expansion space 76 is increased, and the working gas corresponding to the volume reduction of the compression space 75 moves to the expansion space 76 through the regenerator 77.
[0041]
Thus, the power diaphragm 74 and the displacer diaphragm 61 vibrate synchronously with a certain phase difference, thereby generating a compression / expansion cycle. If the phase difference of vibration is set appropriately, the compression space 75 generates a lot of heat due to adiabatic compression, and the expansion space 76 generates a lot of cooling due to adiabatic expansion. For this reason, the temperature of the compression space 75 rises and the temperature of the expansion space 76 falls. Thereby, the heat transfer head 70 is heated, the heat transfer head 71 is cooled, and the Stirling engine 1b functions as a refrigeration engine.
[0042]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a sectional view of the Stirling engine.
[0043]
The Stirling engine 1c of the third embodiment includes a plurality of units 100 in which the inside of the cylinder 101 is partitioned into a compression space 103 and an expansion space 104 by a displacer diaphragm 102. In FIG. 3, the number of units 100 is three. For convenience of explanation, identification codes a, b, and c are attached to the three units 100, respectively.
[0044]
The compression space 103 of the unit 100a is paired with the expansion space 104 of the unit 100c, the compression space 103 of the unit 100b is paired with the expansion space 104 of the unit 100a, and the compression space 103 of the unit 100c is paired with the expansion space 104 of the unit 100b. Make a pair. The paired compression space 103 and expansion space 104 are connected via a regenerator unit 110. As a result, all of the units 100a, 100b, and 100c are connected in a continuous ring shape.
[0045]
The regenerator unit 110 includes heat transfer heads 111 and 112, internal heat exchangers 113 and 114 installed inside the heat transfer heads 111 and 112, and a regenerator 115 that communicates the internal heat exchangers 113 and 114. The regenerator tube 116 wraps the outside of the regenerator 115.
[0046]
The displacer diaphragm 102 itself is vibrated by a power source. The power source is a piezo element 120. The piezo element 120 is a laminated type and is deformed by application of voltage. The piezo element 120 is attached and fixed to one side of the displacer diaphragm 102. An alternating voltage is supplied from the oscillation circuit 121 to the piezo element 120. The oscillation circuit 121 provided in each piezo element 120 is integrated and controlled by the control unit 122 so that the three piezo elements 120 vibrate with a predetermined phase difference.
[0047]
The Stirling engine 1c operates as follows. When the oscillating circuit 121 applies an alternating voltage to the piezo element 120, an alternating deflection is generated in the piezo element 120, which causes the displacer diaphragm 102 to vibrate. When the displacer diaphragm 102 vibrates, pressure fluctuation occurs in the compression space 103 and the expansion space 104.
[0048]
When the displacer diaphragm 102 of the unit 100a is convex to the right, the working gas is pushed out from the compression space 103 of the unit 100a and moves to the expansion space 104 of the unit 100c through the regenerator unit 110. When the displacer diaphragm 102 of the unit 100c is convex to the right side, the working gas is pushed out from the compression space 103 of the unit 100c and moves to the expansion space 104 of the unit 100b through the regenerator unit 110. When the displacer diaphragm 102 of the unit 100b is convex to the right, the working gas is pushed out from the compression space 103 of the unit 100b and moves to the expansion space 104 of the unit 100a through the regenerator unit 110.
[0049]
When the displacer diaphragm 102 of the unit 100a is convex to the left, the working gas is pushed out from the expansion space 104 of the unit 100a and moves to the compression space 103 of the unit 100b through the regenerator unit 110. When the displacer diaphragm 102 of the unit 100b is convex to the left, the working gas is pushed out from the expansion space 104 of the unit 100b and moves to the compression space 103 of the unit 100c through the regenerator unit 110. When the displacer diaphragm 102 of the unit 100c is convex leftward, the working gas is pushed out from the expansion space 104 of the unit 100c, and moves to the compression space 103 of the unit 100a through the regenerator unit 110.
[0050]
By causing the displacer diaphragm 102 to oscillate synchronously with a constant phase difference between the units 100a, 100b, and 100c, a compression / expansion cycle is generated. If the phase difference of vibration is set appropriately, the compression space 103 generates a lot of heat due to adiabatic compression, and the expansion space 104 generates a lot of cooling due to adiabatic expansion. For this reason, the temperature of the compression space 103 rises and the temperature of the expansion space 104 falls. Thereby, the heat transfer head 111 is heated, the heat transfer head 112 is cooled, and the Stirling engine 1b functions as a refrigeration engine.
[0051]
Each embodiment of the present invention has been described above, but various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the material of the diaphragm is not limited to rubber. Any material can be used as long as it is a material having bending elasticity such as a synthetic resin.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the displacer is constituted by a diaphragm, the length of the Stirling engine can be compressed and reduced in size. In addition, the number of parts is less than that of a piston-type displacer, the cost is low, and there is no contact wear between the piston and the cylinder, so that the life can be extended. By replacing not only the displacer but also the power piston side with a diaphragm, the size can be further reduced. By directly driving the diaphragm with a piezo element, the Stirling engine can be further reduced in size, weight, cost, and reliability.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view of a Stirling engine according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a Stirling engine according to a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a Stirling according to a third embodiment of the present invention. Cross section of the engine 【Explanation of symbols】
1a Stirling engine 10, 11 Cylinder 12 Power piston 13 Displacer diaphragm 14 Magnet holder 20 Linear motor 40, 41 Heat transfer heads 42, 43 Internal heat exchanger 45 Compression space 46 Expansion space 47 Regenerator 1b Stirling engine 60 Cylinder 61 Displacer diaphragm 70 71 Heat transfer heads 72, 73 Internal heat exchanger 74 Power diaphragm 75 Compression space 76 Expansion space 77 Regenerator 80 Piezo element 1c Stirling engine 100a, 100b, 100c Unit 101 Cylinder 102 Displacer diaphragm 103 Compression space 104 Expansion space 110 Regenerator Unit 111, 112 Heat transfer head 113, 114 Internal heat exchanger 115 Regenerator 120 Piezo element
