WO2005003652A1 - スターリング機関 - Google Patents

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WO2005003652A1
WO2005003652A1 PCT/JP2004/009133 JP2004009133W WO2005003652A1 WO 2005003652 A1 WO2005003652 A1 WO 2005003652A1 JP 2004009133 W JP2004009133 W JP 2004009133W WO 2005003652 A1 WO2005003652 A1 WO 2005003652A1
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WO
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piston
pressure vessel
stirling engine
linear motor
flange
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PCT/JP2004/009133
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kazushi Yoshimura
Kenji Takai
Yoshiyuki Kitamura
Shinji Yamagami
Jin Sakamoto
Hiroshi Yasumura
Original Assignee
Sharp Kabushiki Kaisha
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/95—Pressurised crankcases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2280/00—Output delivery
    • F02G2280/10—Linear generators

Definitions

  • the present invention relates to a Stirling engine, particularly to a free piston type Stirling engine.
  • a Stirling engine has attracted attention as a heat engine that does not cause destruction of the ozone layer because it can use helium, hydrogen, nitrogen, or the like instead of freon as a working gas.
  • Patent Literature 1_3 shows an example of a Stirling engine.
  • Patent Document 1 JP-A-2000-337725 (pages 2-4, FIG. 1)
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-231239 (Pages 2-4, FIG. 1)
  • Patent Document 3 JP-A-2002-349347 (pages 5-6, FIG. 1)
  • the Stirling engine has not yet reached mass production.
  • mass production it is necessary to at least improve the assemblability and ensure the quality stability after assembly.
  • the Stirling engine is designed to operate under a delicate balance, and it is necessary to appropriately and carefully perform design and assembly adjustment in order to achieve the desired performance. Therefore, performance checks are indispensable for each unit. However, it was not easy for the Stirling engine to readjust its components, even if it discovered that the components were sealed in the pressure vessel and the expected performance was not achieved. To address this problem, it is necessary to review the structure of the pressure vessel that constitutes the outer shell of the Stirling engine. The inventor of the present invention has found that the pressure vessel having the divided structure and the setting of the dividing position greatly affect the assemblability and the quality stability.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a Stirling engine with good assemblability, ensuring quality stability after assembling, and easily adjusting after performance checking. And
  • a Stirling engine is configured as follows. That is, a cylinder, a piston arranged reciprocally in the cylinder, a displacer reciprocating with a phase difference from the piston, a linear motor driving the piston, the cylinder, the piston, and
  • a Stirling engine having a pressure vessel that covers a linear motor, a dividing part is provided in the pressure vessel, and the dividing part is located closer to a displacer disposition side than a piston support side end of the linear motor.
  • the position of the dividing portion is preferably between the end on the piston support side and the end on the displacer side of the linear motor. This is because, when the split part is at this position, it is easier to connect the hermetic terminal (power supply terminal to the linear motor) fixed to the pressure vessel to the lead wire of the linear motor, and to route the lead wire. It is.
  • the division portion may be the linear motor.
  • the divided portion has an equal distance from the synthetic resin end brackets at both ends of the linear motor. Therefore, when the divided portion is welded to seal the pressure vessel, it is hardly damaged by welding heat. This also contributes to ensuring quality stability.
  • the Stirling engine is configured as follows. That is, a cylinder, a piston disposed reciprocally in the cylinder, a displacer reciprocating with a phase difference from the piston, a linear motor driving the piston, the cylinder, the piston, and the linear
  • a Stirling engine having a pressure vessel covering a motor, a divided portion is provided in the pressure vessel, and the divided portion is temporarily sealed by using a sealing member, and is permanently sealed by welding. Both have a possible shape.
  • the divided portion may include a flange-shaped portion provided on at least one of the pressure vessel forming bodies, and a seal member disposing portion provided on the flange-shaped portion. It is characterized in that a welding portion for performing the main sealing is arranged in the outer circumferential direction of the portion.
  • provisional sealing can be easily performed by disposing the seal member on the flange-shaped portion.
  • the welding point at the time of the main sealing is in the outer circumferential direction of the flange-shaped portion, it is possible to suppress adverse effects such as deformation due to heat during welding on components disposed in the pressure vessel. can do.
  • Such an influence of heat is likely to occur when a resin component is provided in a pressure vessel, for example, when an end bracket of a linear motor is made of resin.
  • the present invention provides a structure suitable for a structure provided with a component.
  • the present invention is characterized in that, in the Stirling engine having the above-described configuration, the split portion is located closer to a displacer disposition side than a piston support side end of the linear motor.
  • the present invention is characterized in that, in the Stirling engine having the above-described configuration, the divided portion is located at a central portion in the axial direction of the linear motor.
  • the divided portion maintains an equal distance from the synthetic resin end brackets at both ends of the linear motor. For this reason, when performing the main sealing by welding the divided portions, the end brackets on both sides are evenly distant from the welded portions, and thus are less likely to be damaged by welding heat. This also contributes to ensuring quality stability.
  • the pressure vessel has a divided structure, and the position and shape of the divided portion are devised.
  • FIG. 1 is a sectional view of a finished product of the Stirling engine of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the Stirling engine of the first embodiment at a stage of temporary joining.
  • FIG. 3 is an enlarged view of a main part of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a completed product of the Stirling engine of the second embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a completed Stirling engine
  • FIG. 2 is a cross-sectional view at the stage of temporary joining
  • FIG. 3 is an enlarged view of a main part of FIG.
  • the center of the assembly of the Stirling engine 1 is the cylinders 10 and 11.
  • the axes of cylinders 10 and 11 are aligned on the same straight line.
  • a piston 12 is inserted into the cylinder 10, and a displacer 13 is inserted into the cylinder 11.
  • the piston 12 and the displacer 13 reciprocate during the operation of the Stirling engine 1 without contacting the inner walls of the cylinders 10 and 11 by the mechanism of the gas bearing.
  • a cup-shaped magnet holder 14 is fixed to one end of the piston 12.
  • a displacer shaft 15 protrudes from one end of the displacer 13. The displacer shaft 15 penetrates the piston 12 and the magnet holder 14 so that it can slide freely in the axial direction. During operation of the stirling engine 1, the displacer shaft 15 moves without touching the piston 12.
  • the cylinder 10 holds a linear motor 20 outside a portion corresponding to an operation area of the piston 12.
  • the linear motor 20 includes an outer yoke 22 having a coil 21, an inner yoke 23 provided in contact with the outer surface of the cylinder 10, and a ring shape inserted into an annular space between the outer yoke 22 and the inner yoke 23.
  • a synthetic resin end bracket 26, 27 for holding the outer yoke 22 and the inner yoke 23 in a predetermined positional relationship, and a spacer for maintaining a fixed distance between the end brackets 26, 27. 25.
  • the magnet 24 is fixed to the magnet holder 14 and is supported so as not to contact either the outer yoke 22 or the inner yoke 23.
  • the center of the spring 30 is fixed to the hub of the magnet holder 14.
  • the center of a spring 31 is fixed to the positioner shaft 15.
  • the outer peripheral portions of the springs 30 and 31 are fixed to the end bracket 27.
  • a spacer 32 is disposed between the outer peripheral portions of the springs 30 and 31 so that the springs 30 and 31 maintain a fixed distance.
  • the springs 30 and 31 are each formed by making a spiral cut into a disk-shaped material, and resonate with each of the piston 12 and the displacer 13.
  • an end portion (a portion corresponding to an operation area of the displacer 13) is provided outside.
  • Heat transfer heads 40 and 41 are arranged.
  • the heat transfer head 40 has a ring shape and the heat transfer head 41 has a cap shape, and both are made of a metal having good heat conductivity such as copper or a copper alloy.
  • the heat transfer heads 40 and 41 are supported outside the cylinder 11 with the ring-shaped internal heat exchangers 42 and 43 interposed therebetween.
  • the internal heat exchangers 42 and 43 have air permeability, and transfer 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.
  • An annular space surrounded by the heat transfer head 40, the cylinders 10, 11, the piston 12, and the internal heat exchanger 42 is a compression space 45.
  • the space surrounded by the heat transfer head 41, the cylinder 11, the displacer 13, and the internal heat exchanger 43 becomes an expansion space 46.
  • a regenerator 47 is arranged between the internal heat exchangers 42 and 43.
  • the regenerator 47 is also breathable
  • a regenerator tube 48 wraps the outside of the regenerator 47.
  • the regenerator tube 48 forms an airtight passage between the heat transfer heads 40 and 41.
  • the linear motor 20, the cylinder 10, and the piston 12 are covered by a cylindrical pressure vessel 50.
  • the inside of the pressure vessel 50 becomes a bounce space 51.
  • the structure of the pressure vessel 50 will be described later in detail.
  • the vibration suppressor 60 is attached to the pressure vessel 50.
  • the vibration suppressing device 60 has a frame 61 fixed to the pressure vessel 50, a plate-shaped spring 62 supported by the frame 61, and a mass (mass) 63 supported by the spring 62.
  • the Stirling engine 1 operates as follows. When an alternating current is supplied to the coil 21 of the linear motor 20, a magnetic field penetrating 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 at a frequency that matches the resonance frequency determined by the total mass of the piston system (piston 12, magnet holder 14, magnet 24, and spring 30) and the spring constant of spring 30, the piston system becomes smooth. Start a sinusoidal reciprocating motion.
  • the resonance frequency determined by the total mass of 1) and the panel constant of the spring 31 is set so as to resonate with the drive frequency of the piston 12.
  • the compression space is repeatedly compressed and expanded. With this change in pressure, the displacer 13 also reciprocates. At this time, the compression space 45 A phase difference is generated between the displacer 13 and the piston 12 due to the flow resistance between the air and the expansion space 46. As described above, the displacer 13 having the free piston structure vibrates in synchronization with the vibration frequency of the piston 12 with a phase difference.
  • a Stirling cycle is formed between the compression space 45 and the expansion space 46.
  • the temperature of the working gas rises based on the isothermal compression change, and in the expansion space 46, the temperature of the working gas decreases based on the change in the isothermal expansion. Therefore, the temperature of the compression space 45 rises, and the temperature of the expansion space 46 falls.
  • the working gas that reciprocates between the compression space 45 and the expansion space 46 during operation passes through the internal heat exchangers 42, 43, and satisfactorily transfers its heat through the internal heat exchangers 42, 43. Communicate to heat transfer heads 40 and 41. Since the working gas flowing into the regenerator 47 from the compression space 45 has a high temperature, the heat transfer head 40 is heated, and the heat transfer head 40 becomes a warm head. Since the working gas flowing into the regenerator 47 from the expansion space 46 has a low temperature, the heat transfer head 41 is cooled, and the heat transfer head 41 becomes a cold head. By dissipating heat to the atmosphere from the heat transfer head 40 and lowering the temperature of the specific space with the heat transfer head 41, the Stirling engine 1 functions as a refrigerating engine.
  • the regenerator 47 does not transmit the heat of the compression space 45 and the expansion space 46 to the space on the other side, but functions to pass only the working gas.
  • the high-temperature working gas entering the regenerator 47 from the compression space 45 via the internal heat exchanger 42 gives the heat to the regenerator 47 when passing through the regenerator 47, and in a state where the temperature is lowered, the expansion space 46 Flows into.
  • the low-temperature working gas that has entered the regenerator 47 from the expansion space 46 via the internal heat exchanger 43 recovers heat from the regenerator 47 when passing through the regenerator 47. Flows into. That is, the regenerator 47 plays a role as a heat storage device.
  • the structure of the pressure vessel 50 is as follows. That is, the pressure vessel 50 has a ring-shaped part 52 that is one of the pressure vessel forming bodies joined to the heat transfer head 40, and a dome-shaped part that is the other of the pressure vessel forming body that is joined to the ring-shaped part 52. 53 and two.
  • the division plane is perpendicular to the axis of the Stirling engine 1 and crosses the linear motor 20.
  • the crossing position is a position closer to the displacer arrangement side than the end of the linear motor 20 on the piston support side. In this embodiment, the center of the linear motor 20 in the axial direction is crossed. Yes.
  • Both the ring-shaped portion 52 and the dome-shaped portion 53 are made of stainless steel.
  • One end of the ring-shaped portion 52 is narrowed down in a taper shape and brazed to the heat transfer head 40.
  • the tapered narrowing portion 52a helps to reduce the volume of the bounce space 51.
  • Flange-shaped portions 54 and 55 are provided at the other end of the ring-shaped portion 52 and the open end of the dome-shaped portion 53 facing the other end.
  • Both of the flange-shaped portions 54 and 55 are formed by welding a stainless steel ring molded separately to the ring-shaped portion 52 and the dome-shaped portion 53.
  • the weld is fillet weld 56.
  • a seal member disposing portion 57 having a concave portion on the flange-shaped portion 54 side and a convex portion on the flange-shaped portion 55 side is provided.
  • the hermetic seal can be maintained by disposing the ring-shaped seal member 70 in the seal member disposition portion 57.
  • the surface opposite to the joining surface of the flange-shaped portions 54, 55 is a contact surface that comes into contact with the tightening rings 71, 72 at the time of temporary sealing. It is formed in a shape with a concave step so that the brazing material does not flow out of the contact surface.
  • An annular groove 74 is formed on each of the inner peripheral surfaces of the flange portions 54 and 55.
  • a ring-shaped seal member 75 for maintaining airtightness between the flange-shaped portions 54 and 55, the ring-shaped portion 52, and the dome-shaped portion 53 is arranged.
  • Flange-shaped portions 54 and 55 are finally welded to each other outside of their end faces, and are permanently joined with a welded portion 58 (see FIG. 1).
  • a groove 59 is formed in the outer circumferential direction at the joint between the flange-shaped portions 54 and 55, which serves as a welding point (see Fig. 3), so that the brazing material can be easily filled.
  • the temporary joining is performed before the actual joining by welding, and in that state, the performance as a staring engine is checked.
  • Temporary sealing is performed as follows. First, as shown in FIG. 3, the seal member 70 is inserted into the seal member arrangement portion 57 on the flange-shaped portion 54 side.
  • the sealing member 70 is an O-ring. Then, when the end surface side of the flange-shaped portion 55 is brought into contact with the end surface of the flange-shaped portion 54, the seal member 70 is sandwiched between the flange-shaped portions 54 and 55.
  • the flange-shaped portions 54 and 55 are sandwiched between a pair of tightening rings 71 and 72.
  • these tightening rings 71, 72 are tightened with Bonoreto 73, the sealing member 70 is compressed. Deformation increases the airtightness between the flange-shaped portions 54 and 55. This prevents the working gas from leaking even if the internal pressure of the pressure vessel 50 is increased.
  • the performance of the Stirling engine 1 is checked in the temporarily sealed state. If a defect is found, loosen the bolt 73 and release the tightening with the tightening rings 71 and 72, and remove the dome 53 from the ring 52. Then, check and adjust each part. Since there is a split portion at a position crossing the linear motor 20, removing the dome-shaped portion 53 exposes the linear motor 20, so that inspection and adjustment of the linear motor 20 can be easily performed.
  • the dome-shaped portion 53 is covered again and temporarily joined, and the performance is checked again.
  • the process shifts from temporary sealing to main sealing.
  • the fastening rings 71 and 72 are removed, and the tapered portion 59 is welded to perform the main sealing.
  • the seal member 70 may be left between the flange portions 54 and 55 as long as it can withstand the heat of welding. Since the seal member 75 is not removable, it is essential that the seal member 75 withstand the heat of welding.
  • the welded portion of the main seal is the outer peripheral portions of the flange-shaped portions 54 and 55, and is distant from the components inside the pressure vessel 50. Thus, the rate at which components within the pressure vessel 50 are damaged by the heat of welding is reduced.
  • the divided portion of the pressure vessel 50 is located at the center of the linear motor 20 in the axial direction. Therefore, a uniform distance can be secured between the welding portion and the end brackets 26 and 27, and the heat of welding hardly reaches both the end brackets 26 and 27. Therefore, even when the synthetic resin end brackets 26 and 27 are used, they are not easily damaged by heat.
  • the springs 30 and 31 are fixed to the end bracket 27. Therefore, when the end bracket 27 is deformed, the positions of the springs 30 and 31 may be shifted. When this displacement occurs, it affects the volume of the compression space 45 and the expansion space 46 and the vibration system of the piston and the displacer. However, according to the above configuration, such a displacement does not occur due to the influence of heat at the time of welding, so that good performance can be exhibited.
  • the divided portion has a shape that allows both temporary sealing and main sealing. It is also possible to adopt a shape that allows only sealing. In this case, it is not possible to release the temporary sealing and perform the inspection and adjustment, but the wiring work in the assembly process, specifically,
  • the common effect is that the hermetic terminals (power supply terminals for the linear motor) and the lead wires of the linear motor are easily connected, and the lead wires can be easily routed. In addition, they have the same advantage that they are not easily affected by the heat of welding.
  • FIG. 4 shows a second embodiment.
  • Figure 4 is a cross-sectional view of the completed Stirling engine.
  • the same components as those in the first embodiment or components that are functionally common are denoted by the same reference numerals used in the description of the first embodiment, and description thereof is omitted.
  • the pressure vessel 50 is composed of a dome-shaped portion 53 in which a ring is welded to an open end to form a flange-shaped portion 55, and a heat transfer head 40.
  • the division surface of the pressure vessel 50 is located closer to the displacer 13 than the linear motor 20 is.
  • the flange-shaped portion 55 of the pressure vessel 50 and the flange-shaped portion 80 that engages with the heat transfer head 40 are tightened with bolts 73 to perform temporary sealing. Between the flange portion 55 and the flange portion 80, between the outer peripheral surface of the heat transfer head 40 and the inner peripheral surface of the flange portion 80, and between the outer surface of the heat transfer head 40 and the inner surface of the flange portion 80. A seal member 70 is sandwiched between them to enhance airtightness.
  • the performance of the Stirling engine 1 is checked by tightening the bolt 73 with a tightening torque designated as “temporary sealing”. If a defect is found, loosen the bolt 73 to release the connection between the flange-shaped parts 55 and 80, remove the dome-shaped part 53 from the heat transfer head 40, and adjust each part. After re-adjustment, cover the dome-shaped part 53 again and make a temporary connection to check the performance. When the expected performance is confirmed, the bolt 73 and the flange-shaped portion 80 are removed, and the heat transfer head 40 and the flange-shaped portion 55 are welded, and the main sealing is performed.
  • the present invention can be widely used for producing a Stirling engine.

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Abstract

　本発明のスターリング機関は、筒状の圧力容器でシリンダ、ピストン、及びリニアモータを覆う。圧力容器はリニアモータのピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に寄った位置でリング状部とドーム状部に分割される。分割部において、リング状部とドーム状部にはそれぞれ外向きのフランジ形状部が形成されている。双方のフランジ形状部同士を合わせて締付リングとボルトで締め付け、圧力容器の仮封止を行う。この状態で性能チェックを行った後、フランジ形状部の外周部同士を熔接して圧力容器の本封止を行う。

Description

明 細 書
スターリング機関
技術分野
[0001] 本発明はスターリング機関、中でもフリーピストン形のスターリング機関に関する。
背景技術
[0002] スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用い得 るので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。特許文献 1 _3にスターリング機関の例を見ることができる。
特許文献 1 :特開 2000-337725号公報（第 2-4頁、図 1)
特許文献 2 :特開 2001-231239号公報（第 2-4頁、図 1)
特許文献 3：特開 2002-349347号公報（第 5—6頁、図 1)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] スターリング機関は、未だ量産には至っていない。量産化するには、少なくとも組立 性を良くし、組立後の品質安定性を確保することが必要である。
[0004] スターリング機関は微妙なバランスのもとで運転を成立させるものであり、所期の性 能を発揮させるためには設計及び組立調整を適切に、且つ入念に行うことが必要と なる。そのため、 1台毎に性能チェックが欠かせなレ、。し力 ながらスターリング機関 は、構成要素が圧力容器内に封入されており、所期の性能が出ていないことを発見 しても、調整し直すことが容易ではなかった。この問題に対処するに際しては、スター リング機関の外殻を構成する圧力容器の構造を見直す必要がある。本発明の発明 者は、圧力容器を分割構造とすること、及び分割位置の設定が、組立性や品質安定 性に大きな影響を与えることを見レ、だした。
[0005] 本発明は上記事項に鑑みてなされたものであり、組立性が良ぐ組立後の品質安 定性が確保されるとともに、性能チェック後の調整が容易なスターリング機関を提供 することを目的とする。
課題を解決するための手段 [0006] 上記目的を達成するため、本発明ではスターリング機関を次のように構成する。す なわち、シリンダと、シリンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと 位相差を有して往復動するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと 、前記シリンダ、ピストン、及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機 関において、前記圧力容器に分割部を設けるともに、この分割部は、前記リニアモー タのピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に寄った位置にあるものとする。分 割部の位置は前記リニアモータのピストン支持側端とディスプレーサ側端の間とする のが好ましい。なぜならば、分割部がこの位置にあると、圧力容器に固着されたハー メチック端子（リニアモータへの電源供給端子）とリニアモータのリード線との接続や、 リード線の引き回しがやりやすくなるからである。
[0007] この構成によると、圧力容器を分割すればリニアモータのピストン支持側が露出す る。この状態でリニアモータの配線作業、あるいはピストンやディスプレーサの組立作 業を行えるので、組立性が良い。また、無理な組立作業を行わなくて済むことにより、 品質安定性が向上する。
[0008] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記分割部が、前記リニア モー
タの軸線方向中央部に位置することを特徴とする。
[0009] この構成によると、分割部はリニアモータの両端の合成樹脂製エンドブラケットに対 し均等な距離を有することになる。このため、分割部を熔接して圧力容器を封止する とき、熔接熱による損傷を受けにくい。これもまた品質安定性の確保に寄与する。
[0010] また本発明では、スターリング機関を次のように構成する。すなわち、シリンダと、シ リンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと位相差を有して往復動 するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと、前記シリンダ、ピストン 、及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機関において、前記圧力 容器に分割部を設け、この分割部は、シール部材を用レ、て封止する仮封止と、熔接 により封止する本封止の両方が可能な形状になっているものとする。
[0011] この構成によると、圧力容器を仮封止して組み立てた状態でまず性能チェックを行 レ、、不具合が見つかればすぐに圧力容器を分解して不具合の原因を排除することが できる。従って、不具合のある製品を不良品として廃棄せずに済み、資源の無駄が 生じない。また、全ての製品を品質基準を満たす形で出荷することができ、製品の信 頼性が高まる。
[0012] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記分割部は、少なくとも 一方の圧力容器形成体にフランジ形状部を設け、このフランジ形状部にシール部材 配置部を設けるとともに、このフランジ形状部の外側周方向に本封止をするための熔 接箇所を配置した構成であることを特徴とする。
[0013] この構成によると、フランジ形状部にシール部材を配置することにより容易に仮封止 を行うことができる。そして本封止の際の熔接箇所がフランジ形状部の外側周方向と なるので、圧力容器内に配設された構成物に対して、熔接時の熱による変形等の悪 影響が及ぶのを抑制することができる。なお、このような熱の影響は、例えばリニアモ ータのエンドブラケットを樹脂で製造した場合のように、圧力容器内に樹脂製構成物 を備える場合に生じやすいのであるが、このような樹脂製構成物を備えるものに好適 な構造を本発明は提供するものである。
[0014] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記分割部が、前記リニア モータのピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に寄った位置にあることを特徴 とする。
[0015] この構成によると、圧力容器を仮封止して組み立てた状態で性能チェックを行った 結果不具合を発見した場合には、圧力容器を分割してリニアモータやピストン、ディ スプレーサの支持部を露出させることができる。これにより、点検 ·調整を容易に行うこ とができる。
[0016] また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記分割部が、前記リニア モータの軸線方向中央部に位置することを特徴とする。
[0017] この構成によると、分割部はリニアモータの両端の合成樹脂製エンドブラケットに対 し均等な距離を保つ。このため、分割部を熔接して本封止を行うとき、両側のエンド ブラケットは熔接部から均等に遠ざかっているので、熔接熱による損傷を受けにくい。 これもまた品質安定性の確保に寄与する。
発明の効果 [0018] 本発明によると、圧力容器を分割構造とし、その分割部の位置と形状に工夫をこら すこ
とにより、組立性の向上、品質安定性の向上、信頼性の向上、点検'調整の容易さの 向上など、様々な効果を享受できる。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]第 1実施形態のスターリング機関の完成品の断面図である。
[図 2]第 1実施形態のスターリング機関の仮接合の段階における断面図である。
[図 3]図 2の要部拡大図である。
[図 4]第 2実施形態のスターリング機関の完成品の断面図である。
符号の説明
[0020] 1 スターリング機関
10、 11 シリンダ
12 ピストン
13 ディスプレーサ
20 リニアモータ
45 圧縮空間
46 膨張空間
50 圧力容器
51 バウンス空間
52 リング状部
53 ドーム状部
54、 55 フランジ形状部
57 シール部材配置部
58 熔接部
71、 72 締付ジング
73 ボノレ卜
80 フランジ形状部
発明を実施するための最良の形態 [0021] 以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図 1一 3に第 1実施形態を示 す。図 1はスターリング機関の完成品の断面図、図 2は仮接合の段階における断面 図、図 3は図 2の要部拡大図である。
[0022] スターリング機関 1の組立の中心となるのはシリンダ 10、 11である。シリンダ 10、 11 の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ 10にはピストン 12が揷入され、シリンダ 11に はディスプレーサ 13が揷入される。ピストン 12及びディスプレーサ 13は、スターリン グ機関 1の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ 10、 11の内壁に接触する ことなく往復運動する。
[0023] ピストン 12の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ 14が固定される。ディスプレ ーサ 13の一方の端からはディスプレーサ軸 15が突出する。ディスプレーサ軸 15はピ ストン 12及びマグネットホルダ 14を軸方向に自由にスライドできるように貫通する。ス ターリング機関 1の運転中、ディスプレーサ軸 15はピストン 12に接触することなく動く
[0024] シリンダ 10はピストン 12の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ 20を保持 する。リニアモータ 20は、コイル 21を備えた外側ヨーク 22と、シリンダ 10の外面に接 するように設けられた内側ヨーク 23と、外側ヨーク 22と内側ヨーク 23の間の環状空間 に挿入されたリング状のマグネット 24と、外側ヨーク 22及び内側ヨーク 23を所定の位 置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット 26、 27と、該エンドブラケッ ト 26, 27間を一定の距離に保っためのスぺーサ 25とを備える。マグネット 24はマグ ネットホルダ 14に固定され、外側ヨーク 22と内側ヨーク 23のいずれにも接触しないよ うに支持されている。
[0025] マグネットホルダ 14のハブの部分にはスプリング 30の中心部が固定される。デイス プレーサ軸 15にはスプリング 31の中心部が固定される。スプリング 30、 31の外周部 はエンドブラケット 27に固定される。スプリング 30、 31の外周部同士の間にはスぺー サ 32が配置されており、これによりスプリング 30、 31は一定の距離を保つ。スプリン グ 30、 31は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ピストン 12 、ディスプレーサ 13のそれぞれと共振を起こす。
[0026] シリンダ 11のうち、端部（ディスプレーサ 13の動作領域にあたる部分）の外側には 伝熱ヘッド 40、 41が配置される。伝熱ヘッド 40はリング状、伝熱ヘッド 41はキャップ 状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。伝熱ヘッド 40、 4 1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。
[0027] 伝熱ヘッド 40、シリンダ 10、 11、ピストン 12、及び内部熱交換器 42で囲まれた環 状の空間は圧縮空間 45となる。伝熱ヘッド 41、シリンダ 11、ディスプレーサ 13、及び 内部熱交換器 43で囲まれる空間は膨張空間 46となる。
[0028] 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 ユーブ 48は伝熱ヘッド 40、 41の間に気密通路を構成する。
[0029] リニアモータ 20、シリンダ 10、及びピストン 12を筒状の圧力容器 50が覆う。圧力容 器 50の内部はバウンス空間 51となる。圧力容器 50の構造は後で詳細に説明する。
[0030] 圧力容器 50には振動抑制装置 60が取り付けられる。振動抑制装置 60は、圧力容 器 50に固定されるフレーム 61と、フレーム 61に支持された板状のスプリング 62と、ス プリング 62に支持されたマス（質量） 63と力 なる。
[0031] スターリング機関 1は次のように動作する。リニアモータ 20のコイル 21に交流電流を 供給すると外側ヨーク 22と内側ヨーク 23の間にマグネット 24を貫通する磁界が発生 し、マグネット 24は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン 12、マグネットホルダ 14、 マグネット 24、及びスプリング 30)の総質量と、スプリング 30のバネ定数とにより定ま る共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな 正弦波状の往復運動を開始する。
[0032] また、ディスプレーサ系（ディスプレーサ 13、ディスプレーサ軸 15、及びスプリング 3
1)の総質量と、スプリング 31のパネ定数とにより定まる共振周波数を、ピストン 12の 駆動周波数に共振するよう設定する。
[0033] そして、ピストン 12を往復運動させると、圧縮空間は圧縮、膨脹が繰り返される。こ の圧力の変化に伴って、ディスプレーサ 13も往復運動を行う。このとき、圧縮空間 45 と膨脹空間 46との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ 13とピストン 12との間には 位相差が生じることになる。上記のようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ 1 3はピストン 12の振動周波数とは位相差を有して同期して振動する。
[0034] このような動作により、圧縮空間 45と膨脹空間 46との間にスターリングサイクルが形 成される。圧縮空間では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空 間 46では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空 間 45の温度は上昇し、膨張空間 46の温度は下降する。
[0035] 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 4 2、 43を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器 42、 43を通じて良好に伝熱へ ッド 40、 41に伝える。圧縮空間 45から再生器 47へ流れ込む作動ガスは高温である ため伝熱ヘッド 40は加熱され、伝熱ヘッド 40はウォームヘッドとなる。膨張空間 46か ら再生器 47へ流れ込む作動ガスは低温であるため伝熱ヘッド 41は冷却され、伝熱 ヘッド 41はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド 40より熱を大気へ放散し、伝熱ヘッド 41 で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関 1は冷凍機関としての機能を 果たす。
[0036] 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に入つ た高温の作動ガスは、再生器 47を通過するときにその熱を再生器 47に与え、温度 が下がった状態で膨張空間 46に流入する。膨張空間 46から内部熱交換器 43を経 て再生器 47に入った低温の作動ガスは、再生器 47を通過するときに再生器 47から 熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間 45に流入する。すなわち再生器 47は 蓄熱装置としての役割を果たす。
[0037] 圧力容器 50の構造は次のようになっている。すなわち圧力容器 50は、伝熱ヘッド 4 0に接合される圧力容器形成体の一方であるリング状部 52と、このリング状部 52に接 合される圧力容器形成体の他方であるドーム状部 53とに 2分割されている。分割面 はスターリング機関 1の軸線と直角であり、且つリニアモータ 20を横切る位置にある。 横切る位置は、リニアモータ 20のピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に寄 つた位置とする。この実施形態では、リニアモータ 20の軸線方向中央部を横切って いる。
[0038] リング状部 52、ドーム状部 53ともステンレス鋼製である。リング状部 52の一端はテ ーパ状に絞り込まれ、伝熱ヘッド 40にロウ付けされる。テーパ状の絞り込み部 52aは 、バウンス空間 51の容積を縮小するのに役立つ。リング状部 52の他端と、これに向 かい合うドーム状部 53の開口端には、フランジ形状部 54、 55が配設される。
[0039] フランジ形状部 54、 55の構造を図 3を用いて詳細に説明する。フランジ形状部 54 、 55ともに、別体として成形したステンレス鋼製のリングをリング状部 52とドーム状部 5 3に熔接して形成される。熔接は隅肉熔接 56である。フランジ形状部 54、 55の内側 周方向には、フランジ形状部 54側を凹とし、フランジ形状部 55側を凸とするシール 部材配置部 57が設けられる。仮封止時にはシール部材配置部 57にリング状のシー ル部材 70を配置することにより、密閉を保つことができる。
[0040] フランジ形状部 54、 55の接合面と反対側の面には、仮封止時の締付リング 71、 72 と当接する当接面であり、隅肉熔接 56を施したときに当接面からロウ材が流れ出ない ように、凹状の段差を備えた形状に形成されている。
[0041] フランジ形状部 54、 55の内周面にはそれぞれ環状溝 74が形成される。環状溝 74 には、フランジ形状部 54、 55とリング状部 52、ドーム状部 53の間の気密を保つリン グ状のシール部材 75が配置される。
[0042] フランジ形状部 54、 55は最終的には互いの端面の外側同士を熔接し、熔接部 58 ( 図 1参照）をもって本接合される。熔接のため、フランジ形状部 54、 55の合わせ目に は外側周方向に熔接箇所となる開先部 59が形設され (図 3参照）、ロウ材を盛りやす くしてある。本発明では、熔接による本接合に先だって仮接合を行い、その状態でス ターリング機関としての性能チェックを行う。
[0043] 仮封止は次のようにして行う。まず図 3に示すように、フランジ形状部 54側のシール 部材配置部 57にシール部材 70を入れる。シール部材 70は Oリングである。それから フランジ形状部 55の端面側をフランジ形状部 54の端面に当接させると、シール部材 70はフランジ形状部 54、 55間に挟まれる形になる。
[0044] 続いて、図 2に示すように、フランジ形状部 54、 55を 1対の締付リング 71、 72で挟 む。この締付リング 71、 72をボノレト 73で締め付けると、シール部材 70は圧縮されて 変形し、フランジ形状部 54、 55の間の気密性が高まる。これにより、圧力容器 50の 内圧を高めても作動ガスが漏れることはなくなる。
[0045] 仮封止の状態でスターリング機関 1の性能チェックを行う。不具合が見つかればボ ノレト 73を緩めて締付リング 71、 72による締付を解き、ドーム状部 53をリング状部 52 から取り外す。そして各部の点検や調整を行う。リニアモータ 20を横切る位置に分割 部があるので、ドーム状部 53を取り外せばリニアモータ 20が露出状態になり、リニア モータ 20の点検 ·調整を容易に行うことができる。
[0046] 点検'調整を行い、不具合の原因を排除した後、再びドーム状部 53をかぶせて仮 接合し、性能を再度チェックする。
[0047] 所期の性能を確認できたら仮封止から本封止に移る。締付リング 71、 72を取り外し 、テーパ部 59を熔接することにより本封止を行う。熔接を始める前にシール部材 70を 取り外す。なお、熔接の熱に耐えられるものであれば、シール部材 70はそのままフラ ンジ形状部 54、 55の間に残してもよい。シール部材 75は、取り外し可能ではないた め、熔接の熱に耐えられることが必須条件となる。
[0048] 本封止の熔接箇所はフランジ形状部 54、 55の外周部同士であり、圧力容器 50内 の構成要素から遠ざかっている。従って、圧力容器 50内の構成要素が熔接の熱で 損傷を受ける率が低くなる。
[0049] 本実施形態では、圧力容器 50の分割部はリニアモータ 20の軸線方向中央部に位 置している。そのため、熔接箇所とエンドブラケット 26、 27との間に均等に距離を確 保することができ、エンドブラケット 26、 27のいずれにも熔接の熱が届きにくい。従つ て、合成樹脂製のエンドブラケット 26、 27を用いた場合であっても熱で損傷を受けに くレ、。特に、本実施形態の構成では、エンドブラケット 27にスプリング 30、 31を固定 するようにしてレ、る。そのため、エンドブラケット 27が変形すると、スプリング 30、 31の 位置がずれる場合がある。この位置ずれが発生すると、圧縮空間 45、膨脹空間 46の 容積や、ピストン及びディスプレーサの振動系に影響を与えることになる。しかし、上 記構成によれば、熔接時の熱の影響でこのような位置ずれが発生することがなレ、た め、良好に性能を発揮することが可能となる。
[0050] 本実施形態では、分割部を仮封止と本封止の両方が可能な形状にしているが、本 封止のみが可能な形状を採用することも可能である。この場合、仮封止を解除して点 検ゃ調整を行うということはできないが、組立工程における配線作業、具体的には圧 力容器に固着さ
れたハーメチック端子（リニアモータへの電源供給端子）とリニアモータのリード線との 接続や、リード線の引き回しがやりやすくなるという効果は共通である。また、熔接の 熱による悪影響を受け難いとレ、う利点も共通である。
[0051] 第 2実施形態を図 4に示す。図 4はスターリング機関の完成品の断面図である。第 1 実施形態と同一の構成要素や機能的に共通する構成要素には第 1実施形態の説明 で使用した符号をそのまま付し、説明は省略する。
[0052] 圧力容器 50は、開口端にリングを熔接してフランジ形状部 55を形成したドーム状 部 53と、伝熱ヘッド 40とにより構成される。圧力容器 50の分割面はリニアモータ 20よ りもディスプレーサ 13側に寄った位置にある。
[0053] 圧力容器 50のフランジ形状部 55と、伝熱ヘッド 40に係合するフランジ形状部 80と をボルト 73で締め付け、仮封止を行う。フランジ形状部 55とフランジ形状部 80の間、 伝熱ヘッド 40の外周面とフランジ形状部 80の内周面との間、及び伝熱ヘッド 40の外 側面とフランジ形状部 80の内側面の間にはそれぞれシール部材 70を挟み込んでお き、気密性を高める。
[0054] 第 2実施形態においては、「仮封止」として指定された締付トルクでボルト 73を締め 付けておいてスターリング機関 1の性能チェックを行う。不具合が見つかればボルト 7 3を緩めてフランジ形状部 55、 80の連結を解き、ドーム状部 53を伝熱ヘッド 40から 取り外して各部の調整を行う。調整し直した後、再びドーム状部 53をかぶせて仮接 合し、性能チェックを行う。所期の性能を確認できたら、ボルト 73とフランジ形状部 80 とを取外し、伝熱ヘッド 40とフランジ形状部 55とを熔接し、本封止を行う。
[0055] 以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるも のではなぐ発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更をカ卩えて実施することがで きる。
産業上の利用可能性
[0056] 本発明は、スターリング機関を製作するうえで広く利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] シリンダと、シリンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと位相差 を有して往復動するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと、前記 シリンダ、ピストン、及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機関にお いて、
前記圧力容器に分割部が設けられ、この分割部は、前記リニアモータのピストン支 持側端よりもディスプレーサ配置側に寄った位置にある。
[2] 請求項 1に記載のスターリング機関にぉレ、て、
前記分割部は、前記リニアモータの軸線方向中央部に位置する。
[3] シリンダと、シリンダ内に往復動自在に配置されたピストンと、前記ピストンと位相差 を有して往復動するディスプレーサと、前記ピストンを駆動するリニアモータと、前記 シリンダ、ピストン、及びリニアモータを覆う圧力容器とを備えたスターリング機関にお いて、
前記圧力容器に分割部が設けられ、この分割部は、シール部材を用いて封止する 仮封止
と、熔接により封止する本封止の両方が可能な形状になっている。
[4] 請求項 3に記載のスターリング機関において、
前記分割部は、少なくとも一方の圧力容器形成体にフランジ形状部を設け、このフ ランジ形状部にシール部材配置部を設けるとともに、このフランジ形状部の外側周方 向に本封止をするための熔接箇所を配置する。
[5] 請求項 3又は 4に記載のスターリング機関において、
前記分割部は、前記リニアモータのピストン支持側端よりもディスプレーサ配置側に 寄った位置にある。
[6] 請求項 5に記載のスターリング機関において、
前記分割部は、前記リニアモータの軸線方向中央部に位置する。
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