| 【発明の名称】 |
スターリング機関及びそれを用いた貯蔵庫 |
| 【発明者】 |
【氏名】北村 義之
【住所又は居所】大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号 シャープ株式会社内
【氏名】吉村 和士
【住所又は居所】大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号 シャープ株式会社内
【氏名】高井 健二
【住所又は居所】大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号 シャープ株式会社内
【氏名】山上 真司
【住所又は居所】大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号 シャープ株式会社内
【氏名】安村 浩至
【住所又は居所】大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号 シャープ株式会社内
【氏名】坂元 仁
【住所又は居所】大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号 シャープ株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】エネルギー損失を抑制するととともにコスト削減を図ることのできるスターリング機関及びそれを用いた冷蔵庫等の貯蔵庫を提供することを目的とする。
【解決手段】作動媒体を封入したシリンダ３と、シリンダ３に摺動可能に内嵌して軸方向に並設されるピストン１及びディスプレーサ２とを備え、ピストン１及びディスプレーサ２の往復運動によりシリンダ３内に圧縮空間９及び膨張空間１０を形成するスターリング機関４０において、ピストン１の外周面は研磨加工等の精密加工を施した第１外周面１ｂと精密加工が施されない第２外周面１ｃとを有する。また、ディスプレーサ２は材質及び径の異なる第１、第２部材２ｂ、２ｃから成る。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストン及び前記ディスプレーサの一方または両方の外周面は精密加工を要する部分と精密加工を要さない部分とから成ることを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストンは前記ディスプレーサに突設されたロッドを摺動可能に挿通する貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔の内周面は精密加工を要する部分と精密加工を要さない部分とから成ることを特徴とするスターリング機関。
【請求項３】
作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストン及び前記ディスプレーサの一方または両方の外周面は加工精度の異なる第１、第２外周面部から成ることを特徴とするスターリング機関。
【請求項４】
作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストンは前記ディスプレーサに突設されたロッドを摺動可能に挿通する貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔の内周面は加工精度の異なる第１、第２内周面部から成ることを特徴とするスターリング機関。
【請求項５】
前記加工精度は径の均一性または面粗さから成ることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のスターリング機関。
【請求項６】
加工精度の高い側の周面に機械的処理、化学的処理または電気的処理を施したことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載のスターリング機関。
【請求項７】
加工精度の異なる周面が異なる径から成ることを特徴とする請求項３〜請求項６のいずれかに記載のスターリング機関。
【請求項８】
加工精度の異なる周面を別部材により形成したことを特徴とする請求項３〜請求項７のいずれかに記載のスターリング機関。
【請求項９】
加工精度の異なる周面が異なる材質から成ることを特徴とする請求項３〜請求項８のいずれかに記載のスターリング機関。
【請求項１０】
作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動によって前記ピストンに対向する前記ディスプレーサの一端側に圧縮空間を形成するとともに前記ディスプレーサの他端側に膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ディスプレーサは材質及び外径の異なる第１、第２部材から成ることを特徴とするスターリング機関。
【請求項１１】
膨張空間側に配される第１部材の熱伝導率が圧縮空間側に配される第２部材の熱伝導率よりも低いことを特徴とする請求項１０に記載のスターリング機関。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれかに記載のスターリング機関を備えたことを特徴とする貯蔵庫。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストン及びディスプレーサの往復運動によって、シリンダ内の作動媒体を圧縮・膨張させて低温、高温或いは動力を得るスターリング機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷蔵庫に搭載される冷凍機は一般に冷媒の凝縮及び蒸発を利用した蒸気圧縮式の冷凍サイクルが採用されている。しかし、蒸気圧縮式の冷凍サイクルの冷媒として用いられるフロンは、オゾン層破壊による環境への悪影響が指摘され、近年使用及び生産が規制されてきている。
【０００３】
このため、フロンを用いた冷凍サイクルに替えて、逆スターリングサイクルによる冷凍サイクルを運転するスターリング機関を用いた冷凍機が提案されている。逆スターリングサイクルは作動媒体としてヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等の自然媒体を使用するため、環境への悪影響を防止することができる。
【０００４】
所謂フリーピストン型のスターリング機関は、特許文献１、２に開示されている。図１６は、このスターリング機関を示す断面図である。スターリング機関４０は金属から成るピストン１及びディスプレーサ２がシリンダ３内に同軸上に配設されている。ピストン１及びディスプレーサ２とシリンダ３の内壁との間にはこれらが移動可能なように微小な外部クリアランスが形成されている。これにより、ピストン１及びディスプレーサ２はシリンダ３の内周壁面を滑らかに往復運動可能になっている。
【０００５】
ディスプレーサ２に突設されるディスプレーサロッド２ａは、ピストン１の中心を軸方向に貫通する貫通孔１ａに挿通されている。ディスプレーサロッド２ａと貫通孔１ａとの間にはディスプレーサロッド２ａが移動可能なように微小な内部クリアランスが形成されている。これにより、ピストン１に対してディスプレーサ２が滑らかに往復運動可能になっている。
【０００６】
シリンダ３は耐圧容器４に固定支持され、ディスプレーサ２はディスプレーサロッド２ａを介してディスプレーサ支持ばね６によって耐圧容器４に弾性支持されている。また、ピストン１はピストン支持ばね７によって耐圧容器４に弾性支持されている。
【０００７】
耐圧容器４とシリンダ３によって形成される空間はピストン１によって前後に分割されている。ピストン１よりもディスプレーサ２側には互いに連通する圧縮空間９及び膨張空間１０を有する作動空間２０が形成される。ピストン１よりもディスプレーサ２と反対側には背圧空間８が形成される。作動空間２０及び背圧空間８には高圧のヘリウムガス等の作動媒体が充填されている。
【０００８】
ピストン１はリニアモータ１３によって所定の周期で往復運動する。ディスプレーサ２はピストン１に対して例えば９０゜の位相差で往復運動する。これにより、作動媒体が圧縮空間９で圧縮されるととともに膨張空間１０で膨張して膨張空間１０側を低温にできるようになっている。
【０００９】
また、特許文献３にはディスプレーサの他の構成が開示されている。図１７はこのディスプレーサを示す断面図である。ディスプレーサ２０は樹脂成形品から成る第１部材３０ｂと、金属から成るとともに第１部材３０ｂと同径の第２部材３０ｃとを固着して構成されている。これにより、耐摩耗性を維持して金属単体によって構成するよりも熱伝導を抑制し、熱損失を低減してスターリング機関の冷却効率を向上することができるようになっている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−１７４０８７号公報（第３頁−第４頁、第１図）
【特許文献２】
特開平６−７４５８８号公報（第３頁−第５頁、第１図）
【特許文献３】
特開平９−１５２２１４号公報（第３頁−第５頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示す上記従来のスターリング機関４０によると、ピストン１とシリンダ３との間の外部クリアランスや、ピストン１の貫通孔１ａとディスプレーサロッド２ａとの間の内部クリアランスが大きいと圧縮効率が低下する。即ち、外部クリアランス及び内部クリアランスを介して作動空間２０と背圧空間８の間を作動媒体が流通してエネルギー損失が発生する。
【００１２】
一方、外部クリアランス及び内部クリアランスが小さいとピストン１及びディスプレーサ２が円滑に往復運動できなくなる。このため、ピストン１の外周面及び貫通孔１ａの内周面は均一な径及び所定の面粗さを得るように精密加工が施されている。これにより、外部クリアランス及び内部クリアランスを最小限に抑制して圧縮効率の低下を防止している。
【００１３】
しかしながら、ピストン１の外周面及び貫通孔１ａの内周面に精密加工を施して高精度に加工すると加工コストがかかり、スターリング機関４０のコストが増大する課題があった。
【００１４】
また、上記特許文献３に開示されるディスプレーサ２０は、第１部材３０ｂと第２部材３０ｃとの外径が一致しているため、一体化する際に同軸精度が低いとディスプレーサ２０がシリンダ３の内壁と接触する。これにより、ディスプレーサ２０がスムーズに移動できずスターリング機関の機械的損失が増加してエネルギー効率が低下する。
【００１５】
このため、高い位置合せ精度で第１、第２部材３０ｂ、３０ｃを組み立てる必要がありディスプレーサ２０のコストを増大させる問題があった。特に、第１部材３０ｃが樹脂成形品から成るので寸法精度が低く、寸法公差と同軸度の公差とを合わせて所定値以下にする必要があり、より高い位置合せ精度が要求される。
【００１６】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、コスト削減を図ることのできるスターリング機関及び及びそれを用いた冷蔵庫等の貯蔵庫を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストン及び前記ディスプレーサの一方または両方の外周面は精密加工を要する部分と精密加工を要さない部分とから成ることを特徴としている。尚、摺動とは直接摺動するものの他に油膜やガス膜を介して摺動するものを含む。
【００１８】
この構成によると、ピストン及びディスプレーサが往復運動すると作動媒体を圧縮及び膨張してスターリングサイクルまたは逆スターリングサイクル運転が行われる。ピストンとディスプレーサの少なくとも一方は外周面の一部分に精密加工が施され、均一な径と所定の面粗さに仕上げられる。
【００１９】
また本発明は、作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストンは前記ディスプレーサに突設されたロッドを摺動可能に挿通する貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔の内周面は精密加工を要する部分と精密加工を要さない部分とから成ることを特徴としている。この構成によると、ピストンは内周面の一部分に精密加工が施され、均一な径と所定の面粗さに仕上げられる。
【００２０】
また本発明は、作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストン及び前記ディスプレーサの一方または両方の外周面は加工精度の異なる第１、第２外周面部から成ることを特徴としている。
【００２１】
この構成によると、ピストンとディスプレーサの少なくとも一方は例えば第１外周面部に機械的処理、化学的処理または電気的処理を施して均一な径と所定の面粗さに仕上げるとともに、第２外周面部は上記各処理が行われずに第１外周面部よりも加工精度が低く不均一な径と粗い面粗さになっている。
【００２２】
また本発明は、作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動により前記シリンダ内に圧縮空間及び膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ピストンは前記ディスプレーサに突設されたロッドを摺動可能に挿通する貫通孔が形成されるとともに、前記貫通孔の内周面は加工精度の異なる第１、第２内周面部から成ることを特徴としている。
【００２３】
この構成によると、ピストンは例えば第１内周面部に機械的処理、化学的処理または電気的処理を施して均一な径と所定の面粗さに仕上げるとともに、第２内周面部は第１内周面部よりも加工精度が低く不均一な径と粗い面粗さになっている。
【００２４】
また本発明によると、上記構成のスターリング機関において、第１外周面部と第２外周面部とが異なる径から成っている。また、第１内周面部と第２内周面部とが異なる径から成っている。
【００２５】
また本発明によると、上記構成のスターリング機関において、第１外周面部と第２外周面部とが異なる部材から成っている。また、第１内周面部と第２内周面部とが異なる部材から成っている。
【００２６】
また本発明によると、上記構成のスターリング機関において、第１外周面部と第２外周面部とが異なる材質から成っている。また、第１内周面部と第２内周面部とが異なる材質から成っている。
【００２７】
また本発明によると、作動媒体を封入したシリンダと、前記シリンダに摺動可能に内嵌して並設されるピストン及びディスプレーサとを備え、前記ピストン及び前記ディスプレーサの往復運動によって前記ピストンに対向する前記ディスプレーサの一端側に圧縮空間を形成するとともに前記ディスプレーサの他端側に膨張空間を形成するスターリング機関において、前記ディスプレーサは材質及び外径の異なる第１、第２部材から成ることを特徴としている。
【００２８】
この構成によると、ピストン及びディスプレーサが往復運動すると作動媒体を圧縮及び膨張してスターリングサイクルまたは逆スターリングサイクルが運転される。ピストン及びディスプレーサの少なくとも一方は例えば樹脂成形品から成る第１部材と、金属から成って第１部材よりも外径の大きい第２部材とを同軸に位置合せして組み立てられる。
【００２９】
また本発明によると、上記構成のスターリング機関において、膨張空間側に配される第１部材の熱伝導率が圧縮空間側に配される第２部材の熱伝導率よりも低いことを特徴としている。この構成によると、ディスプレーサの熱損失を低減して高い冷却効率を得ることができる。
【００３０】
また本発明の貯蔵庫は、上記各構成のスターリング機関を備えたことを特徴としている。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。説明の便宜上、従来例の図１６と同一の部分については同一の符号を付している。図１は第１実施形態のスターリング機関を示す断面図である。スターリング機関４０は、軸方向に分割された略円筒形状のシリンダー３内に、ピストン１及びディスプレーサ２が内嵌されている。ピストン１とディスプレーサ２とは圧縮空間９を介して同軸に配置されている。
【００３２】
ピストン１は金属から成り、中心線上に貫通孔１ａが形成されている。図２はピストン１の詳細を示す断面図である。ピストン１は一部材から成り、外径がそれぞれＤ１、Ｄ２から成る第１、第２外周面１ｂ、１ｃを有している。これにより、第１外周面１ｂとシリンダ３の内周面との間に形成される外部クリアランスＣ１は、第２外周面１ｃとシリンダ３の内周面との間に形成される外部クリアランスＣ２よりも小さくなっている。
【００３３】
また、第１外周面１ｂは研磨加工によって第２外周面１ｃよりも細かい面粗さに仕上げられるとともに、均一な外径になっている。これにより、ピストン１を円滑に往復運動可能にするとともに外部クリアランスＣ１を流通する作動媒体を最小限に抑制できるようになっている。第１外周面１ｂには上記のような研磨加工や研削加工等の機械的処理を施してもよく、メッキやコーティング等の電気的処理やエッチング等の化学的処理を施してもよい。
【００３４】
ディスプレーサ２には貫通孔１ａに挿通されるディスプレーサロッド２ａが突設され、図３に示すように、樹脂成形品から成る第１部材２ｂと金属から成る第２部材２ｃとを固着して構成されている。
【００３５】
第１部材２ｂを熱伝導率が低い樹脂により形成することでディスプレーサ２の熱損失を低減して高い冷却効率が得られるようにしている。第２部材２ｃを低熱伝導性を有する材料により形成するとより望ましく、圧縮空間９が高温になるため耐熱性を有した耐熱性樹脂やセラミック等を用いるとよい。
【００３６】
また、シリンダ３と第２部材２ｃとのクリアランスは通常約１０〜３０μｍに形成される。第１部材２ｂは第２部材２ｃよりも外径が小さく形成され、ディスプレーサ２の往復運動時の作動媒体のガス損失を増加させないためにシリンダ３とのクリアランスは３００μｍ以下が望ましい。
【００３７】
図１において、シリンダ３の先端にはディスプレーサ２との間に膨張空間１０が設けられている。圧縮空間９と膨張空間１０とはヘリウム等の作動媒体が流通する媒体流通路１１により連通して作動空間２０を構成している。媒体流通路１１内には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器１２が配されている。
【００３８】
シリンダー３の略中間には鍔部３ａが突設されている。鍔部３ａにはドーム状の耐圧容器４が取り付けられ、背圧空間８が形成されている。ピストン１は後端でピストン支持バネ５と一体化され、ディスプレーサ２はロッド２ａを介してディスプレーサ支持バネ６と一体化されている。ピストン支持バネ５とディスプレーサ支持バネ６はボルト２２により連結されている。後述するように、ピストン１が往復運動するとディスプレーサ２はその慣性力によってピストン１に対して例えば９０゜の位相差を有して往復運動を行うようになっている。
【００３９】
シリンダ３の後部には内側ヨーク１８が外嵌されている。内側ヨーク１８には隙間１９を介して外側ヨーク１７が対峙している。外側ヨーク１７には駆動用コイル１６が内装され、隙間１９には環状の永久磁石１５が移動可能に配されている。永久磁石１５はカップ状のスリーブ１４を介してピストン１と一体化されている。これにより、駆動用コイル１６に電圧を印加することによってピストン１を軸方向に移動させるリニアモータ１３が構成されている。
【００４０】
上記構成のスターリング機関４０は、リニアモータ１３によってピストン１が往復運動すると、ディスプレーサ２の慣性力によってピストン１に対して所定の位相差でディスプレーサ２が往復運動する。これにより、圧縮空間９と膨張空間１０との間を作動媒体が移動して逆スターリングサイクル運転が行われる。即ち、作動媒体が圧縮されることによって高温側となる圧縮空間９で発生した熱は媒体流通路１１を介して大気中へ放出され、更に作動媒体は再生器１２に熱を蓄積して膨張空間１０へ移動する。
【００４１】
再生器１２により冷却された作動媒体は低温側となる膨張空間１０で膨張することによって更に冷却される。そして、作動媒体が媒体流通路１１を通じて圧縮空間９へ移動する際に再生器１２に蓄えられた熱を奪って再生器１２を冷却する。この動作を繰り返して冷却が行われるようになっている。
【００４２】
本実施形態によると、ピストン１の第１外周面１ｂに研磨加工等の精密加工を施し、第２外周面１ｃは精密加工を要しないので、従来よりもピストン１の加工工数を削減することができる。また、第１外周面１ｂよりも第２外周面１ｃの径を小さくしているので従来よりもピストン１の体積が減少して材料コストを削減できる。従って、スターリング機関４０のコスト削減を図ることができる。
【００４３】
尚、第１外周面１ｂの長さＬ１（図２参照）が短くなると作動空間２０と背圧空間８との間を作動媒体が容易に流通してエネルギー損失が大きくなる可能性がある。図４はピストン１の全長Ｌ（図２参照）に対して第１外周面１ｂの長さＬ１を１／２にした時のピストン１の振幅に対するスターリング機関４０のエネルギー損失量の変化を全長Ｌに精密加工を施した場合と比較して示している。縦軸はエネルギー損失量（単位：Ｗ）を示し、横軸はピストン１の振幅（単位：ｍｍ）を示している。
【００４４】
同図から明らかなように、第１外周面１ｂの長さＬ１を１／２にした時に、スターリング機関４０のエネルギー損失量はピストン１の全長Ｌに精密加工を施した場合と比較して１Ｗ以下である。従って、第１外周面１ｂにのみ精密加工を施しても充分な冷却効率を得ることができる。
【００４５】
また、図３に示すようにディスプレーサ２の第１部材２ｂは第２部材２ｃよりも外径が小さいので、第２部材２ｃと一体化する際に同軸度の位置合せ精度が低くてもシリンダ３とのディスプレーサ２との接触を回避することができる。従って、冷却効率の低下を防止するとともに、組立工数削減によるコスト削減を図ることができる。特に、第１部材２ｂが樹脂成形品により形成して部品精度が低くても容易にディスプレーサ２を組み立てることができる。
【００４６】
次に、図５は第２実施形態のスターリング機関のピストン１の断面図を示している。説明の便宜上、前述の図１〜図３に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。ピストン１は、外径の異なる第１、第２部材５１、５２から成っている。
【００４７】
第１実施形態と同様に、第１部材５１は外部クリアランスＣ１が小さくなるように大きな外径で形成され、第２部材５２は第１部材５１よりも小さな外径で形成され外部クリアランスＣ２が大きくなっている。そして、第１部材５１から成る第１外周面１ｂには研磨加工等の精密加工が施され、外部クリアランスＣ１によるエネルギー損失を抑制するようになっている。
【００４８】
従って、上記と同様に、従来よりもピストン１の加工工数を削減することができる。また、第１外周面１ｂよりも第２外周面１ｃの径を小さくしているので従来よりもピストン１の体積が減少して材料コストを削減できる。従って、スターリング機関４０のコスト削減を図ることができる。
【００４９】
また、第１、第２部材５１、５２はそれぞれ異なる材料から成っている。例えば、第１部材５１に金属材料を用い、第２部材５２に有機材料を用いることができる。プラスチック等の有機材料は一般的に金属材料よりも加工が容易で、かつ安価であるため、ピストン１の加工コスト及び材料コストを削減してスターリング機関４０のコスト削減をさらに図ることができる。
【００５０】
次に、図６は第３実施形態のスターリング機関のピストン１の断面図を示している。説明の便宜上、前述の図５に示す第２実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は、第１部材５１に中空の中空部５６を形成している。第１部材５１の作動空間２０側の端面には作動空間２０と中空部５６を連通する通気孔５７が設けられる。第１部材５１の外周には作動空間２０側の端面から所定の距離を隔てて複数の微小孔５５を設けている。通気孔５７にはピストン１の内側に逆止弁５８が設けられる。その他の構成は第２実施形態と同一である。
【００５１】
シリンダ３内でピストン１が往復運動すると、作動媒体が作動空間２０から逆止弁５８を通過してピストン１の中空部５６へ流入する。更に作動媒体は微小孔５５を通ってピストン１の外部に噴出する。これにより、ピストン１の外周面とシリンダ３の内周面との間に作動媒体による層が形成され、気体軸受が形成される。従って、第２実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、ピストン１とシリンダ３との接触を効果的に防止することができる。
【００５２】
尚、図７に示すように、ピストン１の摺動性を向上させる潤滑材５１ａを第１部材５１の第１外周面１ｂに蒸着等によりコーティングしてもよい。また、上記と同様に、研磨加工等の機械的処理、エッチング加工等の化学的処理或いはメッキ等の電気的処理を行ってもよい。
【００５３】
次に、図８は第４実施形態のスターリング機関のピストン１の概略断面図を示している。説明の便宜上、前述の図６に示す第３実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態は、通気孔５７（図６参照）に替えて第１部材５１周壁を貫通して作動空間２０側から外周面に延びるガス流路５３を設けている。また、シリンダ３には貫通孔３ａが形成されている。その他の部分は第２実施形態と同様である。
【００５４】
ピストン１が往復運動して所定位置（往復運動の中心位置）に配されると、ガス流路５３の開口５３ａは瞬間的にシリンダ３の貫通孔３ａに対向する。この時、ガス流路５３を介して作動空間２０と背圧空間８とが連通する。従って、所定の時期に作動空間２０と背圧空間８との間で作動媒体の一部を流動させることにより作動空間２０と背圧空間８とのガスバランスをとることができ、耐圧容器４の内部の全密閉系で効率の良い逆スターリングサイクルを実現できる。
【００５５】
次に、図９は第５実施形態のスターリング機関のピストン１の断面図を示している。説明の便宜上、図１〜図８に示す第１〜第４実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。ピストン１は、貫通孔１ａの孔径の異なる第１、第２部材５１、５２から成っている。
【００５６】
第１部材５１は、貫通孔１ａとディスプレーサロッド２ａ（図１参照）との間に形成される内部クリアランスが小さくなるように、小さな内径ｄ１を有しており、第２部材５２は第１部材５１の内径ｄ１よりも大きな内径ｄ２を有している。これにより、ピストン１には径の異なる第１、第２内周面１ｄ、１ｅが形成されている。
【００５７】
また、第１内周面１ｄはリーマ加工等によって第２内周面１ｅよりも細かい面粗さに仕上げられるとともに、均一な内径になっている。これにより、ディスプレーサ２がピストン１に対して円滑に往復運動できるとともに内部クリアランスを流通する作動媒体を最小限に抑制できるようになっている。第１内周面１ｄには上記のようなリーマ加工等の機械的処理を施してもよく、メッキやコーティング等の電気的処理やエッチング等の化学的処理を施してもよい。
【００５８】
本実施形態によると、ピストン１の第１内周面１ｄに精密加工を施し、第２内周面１ｅは精密加工を要しないので、従来よりもピストン１の加工工数を削減することができる。また、第１内周面１ｄよりも第２内周面１ｅの径を大きくしているので従来よりもピストン１の体積が減少して材料コストを削減できる。従って、スターリング機関４０のコスト削減を図ることができる。更に、ピストンが第１、第２部材５１、５２から成るので、加工精度及び径の異なる第１、第２内周面１ｄ、１ｅを容易に形成することができる。
【００５９】
尚、第１、第２部材５１、５２を異なる材料により形成してもよい。例えば、第１部材５１に金属材料を用いて第２部材５２に有機材料を用いることができる。プラスチック等の有機材料は一般的に金属材料よりも加工が容易で、かつ安価であるため、ピストン１を作製する際の加工コストと材料コストを低減できる。
【００６０】
また、図１０に示すように、第１部材５１に径の異なる第１内周面１ｄ及び第３内周面１ｆを設けて貫通孔１ａを形成してもよい。この時、第２部材５２の第２内周面１ｅと第３内周面１ｆの径は同じでもよく異なってもよい。
【００６１】
尚、第１〜第４実施形態のピストンに本実施形態と同様の貫通孔１ａを形成してもよい。例えば、図１１は第６実施形態のスターリング機関のピストンを示しており、第１実施形態のピストンの貫通孔１ａを第５実施形態と同一にしている。即ち、ピストン１はそれぞれ外径Ｄ１、Ｄ２から成る第１、第２外周面１ｂ、１ｃを有するとともに、内径ｄ１、ｄ２、ｄ２から成る第１、第２、第３内周面１ｄ、１ｅ、１ｆを有している。これにより、精密加工を要する第１内周面１ｄ及び第１外周面１ｂを短くしてピストン１の加工コストを更に削減することができる。
【００６２】
次に、図１２は第７実施形態のスターリング機関のディスプレーサを示す断面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図３に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。第１実施形態と異なる点は、ディスプレーサ２の第１部材２ｂが先細りのテーパ形状になっている点である。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００６３】
第１実施形態によると、第１部材２ｂの加工精度が低く外径がばらつくとディスプレーサ２の先端がシリンダ３に接触する場合が生じるが、本実施形態によると係る接触を回避することができ組立工数をより削減することができる。
【００６４】
次に、図１３は第８実施形態のスターリング機関のディスプレーサを示す断面図である。説明の便宜上、前述の図１〜図３に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。第１実施形態と異なる点は、ディスプレーサ２の第１部材２ｂを中空にして中空部２ｄを形成している点である。その他の部分は第１実施形態と同一である。
【００６５】
本実施形態によると、中空部２ｄ内には空気や作動媒体が封入されるため、第１部材２ｂの熱伝導を低下させることができる。これにより、ディスプレーサ２の熱損失を低減してより高い冷却効率を得ることができる。尚、第２部材２ｃを中空にして中空部を設けてもよく、ピストン１（図１参照）を中空にしてもよい。
【００６６】
次に、図１４は第９実施形態のスターリング機関のディスプレーサを示す断面図である。説明の便宜上、前述の図１３に示す第８実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。第８施形態と異なる点は、第１部材２ｂの中空部２ｄ内にガスの移動を規制する規制部材２ｅを設けている点である。その他の部分は第８施形態と同一である。
【００６７】
本実施形態によると、規制部材２ｅによって中空部２ｄ内のガスの対流による伝熱を規制できるため、第１部材２ｂの熱伝導が更に低下して熱損失を低減することができる。規制部材２ｅとして、セラミックファイバー、グラスファイバー、ロックウール等から成る綿状、帯状、粉末状の断熱材や、発泡スチロール等の成形品、等を用いると熱伝導率が低いためより望ましい。
【００６８】
次に、図１５は第１０実施形態のスターリング機関のディスプレーサを示す断面図である。説明の便宜上、前述の図１３に示す第８実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。第８実施形態と異なる点は、第１部材２ｂの中空部２ｄとシリンダ３（図１参照）内との間を連通する連通路２ｆを第１部材２ｂに設けている点である。その他の部分は第８実施形態と同一である。
【００６９】
本実施形態によると、低圧となる膨張空間に面した第１部材２ｂの外面側と、第１部材２ｂの内面側とが同じ圧力になるため、圧力差によって生じる第１部材２ｂの変形を防止することができる。これにより、ディスプレーサ２とシリンダ３（図１参照）との接触を更に防止することができる。
【００７０】
尚、第１〜第１０実施形態のスターリング機関を冷蔵庫、冷凍庫、自動販売機、ショーケース、携帯型冷温蔵庫等の貯蔵庫に搭載することによって、冷却効率の高い貯蔵庫を低コストで得ることができる。また、第１〜第１０実施形態において、ピストン１及びディスプレーサ２がシリンダ３内に軸方向に並設された所謂フリーピストン型のスターリング機関について説明しているが、所定の位相差で往復運動するピストン及びディスプレーサがそれぞれ別のシリンダ内に配されて逆スターリングサイクルを運転するスターリング機関であってもよい。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によると、ピストンまたはディスプレーサの第１外周面に研磨加工等の精密加工を施し、第２外周面は精密加工を要しないので、従来よりもピストン等の加工コストを削減することができる。また、第１外周面よりも第２外周面の径を小さくしているので従来よりもピストン等の体積が減少して材料コストを削減できる。従って、スターリング機関のコスト削減を図ることができる。
【００７２】
また本発明によると、ピストンの第１内周面にリーマ加工等の精密加工を施し、第２内周面は精密加工を要しないので、従来よりもピストンの加工コストを削減することができる。また、第１内周面よりも第２内周面の径を小さくしているので従来よりもピストンの体積が減少して材料コストを削減できる。従って、スターリング機関のコスト削減を図ることができる。
【００７３】
また、本発明によると、シリンダ内を摺動するディスプレーサまたはピストンが材質及び外径の異なる第１、第２部材から成るため、第１、第２部材を一体化する際に同軸度の位置合せ精度が低くてもシリンダとディスプレーサ等との接触を回避することができる。従って、組立コスト削減によるコスト削減を図ることができる。特に、第１部材または第２部材が樹脂成形品から成って部品精度が低くても容易にピストンを組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のスターリング機関を示す断面図である。
【図２】本発明による第１実施形態のピストンを示す断面図である。
【図３】本発明による第１実施形態のディスプレーサを示す断面図である。
【図４】本発明による第１実施形態のスターリング機関のエネルギー損失量の変化を示す図である。
【図５】本発明第２実施形態のピストンを示す断面図である。
【図６】本発明による第３実施形態のピストンを示す断面図である。
【図７】本発明による第３実施形態のピストンの他の態様を示す断面図である。
【図８】本発明による第４実施形態のピストンを示す断面図である。
【図９】本発明による第５実施形態のピストンを示す断面図である。
【図１０】本発明による第５実施形態のピストンの他例を示す断面図である。
【図１１】本発明による第６実施形態のピストンを示す断面図である。
【図１２】本発明による第７実施形態のディスプレーサを示す断面図である。
【図１３】本発明による第８実施形態のディスプレーサを示す断面図である。
【図１４】本発明による第９実施形態のディスプレーサを示す断面図である。
【図１５】本発明による第１０実施形態のディスプレーサを示す断面図である。
【図１６】従来のスターリング機関を示す断面図である。
【図１７】従来のスターリング機関のディスプレーサを示す断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン
１ａ 貫通孔
１ｂ 第１外周面
１ｃ 第２外周面
１ｄ 第１内周面
１ｅ 第２内周面
１ｆ 第３内周面
２、３０ ディスプレーサ
２ａ ディスプレーサロッド
２ｂ、５１ 第１部材
２ｃ、５２ 第２部材
２ｄ 空洞部
２ｅ 規制部材
２ｆ 連通路
３ シリンダ
９ 圧縮空間
１０ 膨張空間
４０ スターリング機関
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５０４９
【氏名又は名称】シャープ株式会社
【住所又は居所】大阪府大阪市阿倍野区長池町２２番２２号
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| 【出願日】 |
平成１５年１月２３日（２００３．１．２３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８５５０１
【弁理士】
【氏名又は名称】佐野 静夫
【識別番号】１００１１１８１１
【弁理士】
【氏名又は名称】山田 茂樹
【識別番号】１００１２１２５６
【弁理士】
【氏名又は名称】小寺 淳一
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| 【公開番号】 |
特開２００４−３４３６（Ｐ２００４−３４３６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１６年１月８日（２００４．１．８） |
| 【出願番号】 |
特願２００３−１４７７７（Ｐ２００３−１４７７７） |
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