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【発明の名称】 スターリング機関
【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
【要約】 【課題】本発明は、作動ガスの熱交換効率が高く、かつ装置の組立て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。

【解決手段】本発明は、ピストン５とディスプレーサ３の往復運動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温を得るスターリング冷凍機において、ディスプレーサ３と同心的に配設されたスタッファ１１及びシリンダ２の外周部に溝部を設けて弾性体１５を配設することで、スタッファ１１及びシリンダ２と圧接リング１２ａ、１２ｂを弾接的に配設した構成としている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に作動ガスを封入した圧力容器と、該圧力容器内部を作動空間と背圧空間に仕切るピストンと、該ピストンと同軸上に配設され、前記作動空間を圧縮空間と膨張空間に仕切るディスプレーサと、該ディスプレーサを同心的に取り囲む筒状部材と、前記圧力容器と前記筒状部材との間にて、前記圧縮空間と前記膨張空間を繋ぐ作動ガス経路に配設された熱交換器と、前記筒状部材と前記熱交換器との間に配設され、前記熱交換器を前記圧力容器に押しつけることで両者間の隙間をなくす圧接リングと、を有し、前記ピストンと前記ディスプレーサの往復運動に伴う前記作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温または動力を得るスターリング機関において、
前記筒状部材と前記圧接リングとを弾接的に配設したことを特徴とするスターリング機関。
【請求項２】
前記筒状部材の外周部には、前記圧接リングとの接触箇所に溝部が設けられており、該溝部には弾性体が配設されていることを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。
【請求項３】
前記筒状部材の外周部は、少なくとも前記圧接リングとの接触箇所が弾性体で形成されており、内周部は剛性体で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスターリング機関。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンとディスプレーサの往復運動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温または動力を得るスターリング機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３はスターリング冷凍機の一従来構成を示す概略断面図である。本図に示すスターリング冷凍機は、作動ガスが充填された圧力容器１内に、シリンダ２と、ディスプレーサ３と、ディスプレーサロッド４と、ピストン５と、ディスプレーサ支持バネ６と、ピストン支持バネ７と、リニアモータ１０と、スタッファ１１と、圧接リング１２ａ、１２ｂと、吸熱部１３ａと、放熱部１３ｂと、再生器１４と、を有して成る。圧力容器１の内部空間は、同一軸上に配設されたピストン５及びディスプレーサ３によって、作動空間（圧縮空間８ａ・膨張空間８ｂ）と背圧空間９に仕切られている。なお、圧縮空間８ａと膨張空間８ｂは、吸熱部１３ａ、再生器１４、及び放熱部１３ｂによって繋がれた閉回路とされている。
【０００３】
上記構成から成るスターリング冷凍機では、ピストン５とディスプレーサ３の往復運動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温を得ることができる。ここで、スターリング冷凍機の冷却能力を向上するためには、吸熱部１３ａ及び放熱部１３ｂに作動ガスを余さず通して、その熱交換効率を高める必要がある。そのため、吸熱部１３ａとスタッファ１１との間には、吸熱部１３ａを圧力容器１に押しつけて両者間の隙間をなくす圧接リング１２ａが挿入されている。同様に、放熱部１３ｂとシリンダ２との間には、放熱部１３ｂを圧力容器１に押しつけて両者間の隙間をなくす圧接リング１２ｂが挿入されている。なお、圧接リング１２ａ、１２ｂは、いずれもステンレス鋼製である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４９２４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
確かに、上記構成から成るスターリング冷凍機であれば、作動ガスが吸熱部１３ａと圧力容器１との隙間や、放熱部１３ｂと圧力容器１との隙間をすり抜けて再生器１４に不正流入するおそれを低減することができるので、スターリング冷凍機の冷却能力をある程度向上することが可能である。
【０００６】
しかし、上記構成から成るスターリング冷凍機では、圧接リング１２ａ、１２ｂとスタッファ１１及びシリンダ２がいずれも剛性体で形成されていたため、各基幹部材間（圧力容器１−吸熱部１３ａ−圧接リング１２ａ−スタッファ１１−ディスプレーサ３間、及び圧力容器１−放熱部１３ｂ−圧接リング１２ｂ−シリンダ２−ディスプレーサ３間）の同軸度が狂うと、圧接リング１２ａ、１２ｂとスタッファ１１及びシリンダ２との間に隙間が生じ、そこから作動ガスが再生器１４に不正流入して、スターリング冷凍機の冷却能力が低下してしまうおそれがあった。そのため、上記構成から成るスターリング冷凍機では、各基幹部材間の同軸度を高精度に維持しなければならず、装置の組立てが非常に難しかった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、作動ガスの熱交換効率が高く、かつ装置の組立て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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るスターリング機関は、内部に作動ガスを封入した圧力容器と、該圧力容器内部を作動空間と背圧空間に仕切るピストンと、該ピストンと同軸上に配設され、前記作動空間を圧縮空間と膨張空間に仕切るディスプレーサと、該ディスプレーサを同心的に取り囲む筒状部材と、前記圧力容器と前記筒状部材との間にて、前記圧縮空間と前記膨張空間を繋ぐ作動ガス経路に配設された熱交換器と、前記筒状部材と前記熱交換器の間に配設され、前記熱交換器を前記圧力容器に押しつけることで両者間の隙間をなくす圧接リングと、を有し、前記ピストンと前記ディスプレーサの往復運動に伴う前記作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温または動力を得るスターリング機関において、前記筒状部材と前記圧接リングを弾接的に配設した構成としている。
【０００９】
より具体的に述べると、前記筒状部材の外周部には、前記圧接リングとの接触箇所に溝部を設け、該溝部に弾性体を配設した構成とすればよい。或いは、前記筒状部材の外周部について、少なくとも前記圧接リングとの接触箇所を弾性体で形成し、内周部を剛性体で形成した構成としてもよい。
【００１０】
このような構成とすることにより、各基幹部材間の同軸度が多少狂ったとしても、圧接リングと筒状部材とのシール性は弾性体により保持されることになる。従って、作動ガスの熱交換効率を高めて装置の冷却能力向上を図ることが可能となる。また、各基幹部材の組立て精度を多少緩和しても、その同軸度を維持することができるので、装置の組立性向上を図ることも可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態について説明する。図１は本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態を示す概略断面図である。本図に示すスターリング冷凍機はフリーピストン型であり、外枠となる圧力容器１の内部空間は、同一軸上に配設されたピストン５及びディスプレーサ３によって、作動空間（圧縮空間８ａ・膨張空間８ｂ）と背圧空間９に仕切られている。なお、圧力容器１には、高圧の作動ガス（ヘリウムガス等）が充填されており、圧縮空間８ａと膨張空間８ｂは、吸熱部１３ａ、再生器１４、及び放熱部１３ｂによって繋がれた閉回路とされている。
【００１２】
リニアモータ１０によってシリンダ２の内側を軸方向に往復摺動されるピストン５は、その後端部に接続されたピストン支持バネ７を介して圧力容器１に弾性支持されている。なお、シリンダ２は圧力容器１に固定支持されている。
【００１３】
作動ガスの圧力変化によってシリンダ２及びそれに連結されるスタッファ１１の内側を軸方向に往復摺動されるディスプレーサ３は、ピストン５の軸中心に穿たれた摺動孔５ａを貫通するディスプレーサロッド４の一端に接続されており、該ディスプレーサロッド４の他端に接続されたディスプレーサ支持バネ６を介して圧力容器１に弾性支持されている。なお、シリンダ２及びスタッファ１１は、ディスプレーサ３と同心的に配設されており、圧力容器１とシリンダ２及びスタッファ１１との隙間には、前述した吸熱部１３ａ、再生器１４、及び放熱部１３ｂから成る作動ガス流路が形成されている。
【００１４】
圧力容器１とスタッファ１１との間に配設された吸熱部１３ａは、低温側熱交換器であり、膨張空間８ｂで作動ガスが膨張するときに外部から熱を奪う機能を有する。なお、吸熱部１３ａとスタッファ１１との間には、ステンレス鋼製の圧接リング１２ａが挿入されており、吸熱部１３ａは、該圧接リング１２ａによって圧力容器１に押さえつけられている。
【００１５】
圧力容器１とシリンダ２との間に配設された放熱部１３ｂは、高温側熱交換器であり、圧縮空間８ａで作動ガスが圧縮されるときに発生する熱の一部を外部へ放出する機能を有する。なお、放熱部１３ｂとシリンダ２との間にはステンレス鋼製の圧接リング１２ｂが挿入されており、放熱部１３ｂは、該圧接リング１２ｂによって圧力容器１に押さえつけられている。
【００１６】
吸熱部１３ａと放熱部１３ｂとの間に充填された再生器１４は、細い針金のマトリックスやホイルを巻回した環状の隙間によって構成されており、圧縮空間８ａから膨張空間８ｂに移る作動ガスの熱を受け取って蓄えておき、膨張空間８ｂから圧縮空間８ａに戻る作動ガスに蓄えておいた熱を与える機能を有する。
【００１７】
なお、本実施形態におけるスターリング冷凍機の特徴的な構成として、上記したスタッファ１１及びシリンダ２の外周面には、各々圧接リング１２ａ、１２ｂとの接触箇所に溝部が形成されており、該溝部には弾性体１５（ゴム製のＯリングなど）が配設されている。
【００１８】
続いて、上記構成から成るスターリング冷凍機の動作について説明する。リニアモータ１０によって駆動されるピストン５は、シリンダ２内を軸方向に往復運動する。ピストン５の往復運動は、圧力容器１内に封入された作動ガスに周期的な圧力変動をもたらし、支持バネ６、７を介してディスプレーサ３に軸方向の往復運動を生じさせる。このとき、ディスプレーサ３は、ピストン５と同じ周期でかつ異なった位相をもって、シリンダ２及びスタッファ１１内を軸方向に往復運動することになる。なお、ディスプレーサ３の振幅は、ピストン５とディスプレーサ３との位相差に影響を受ける。ピストン５とディスプレーサ３との位相差は装置の運転条件が同一であるならば、ディスプレーサ３の質量、支持バネ６、７のバネ定数、及び共振周波数によって決定される。
【００１９】
ここで、ピストン５とディスプレーサ３が適当な位相差（約９０°）を保って往復運動すると、ピストン５によって圧縮された圧縮空間８ａ内の作動ガスは、放熱部１３ｂ、再生器１４、及び吸熱部１３ａを経由して、膨張空間８ｂへ移動する。その際、作動ガスは放熱部１３ｂを介して外部へ熱を放出するとともに、再生器１４に熱を預ける形で予冷される。大部分の作動ガスが膨張空間８ｂに流入すると、今度はディスプレーサ３の動きによって作動ガスが膨張され、その温度は低下する。
【００２０】
その後、膨張空間８ｂ内の作動ガスは、吸熱部１３ａ、再生器１４、及び放熱部１３ｂを経由して圧縮空間８ａに戻る。その際、作動ガスは吸熱部１３ａを介して外部から熱を奪い、再生器１４に預けておいた熱を回収して圧縮空間８ａに入る。大部分の作動ガスが圧縮空間８ａに戻ると、再びピストン５の動きによって作動ガスが圧縮され、動作は次サイクルに移行する。
【００２１】
このような動作が連続的に繰り返されることにより、膨張空間８ｂ外部に設けられた冷却ヘッドでは低温を得ることができる。従って、冷却ヘッドに隣接して冷凍室を形成しておけば、該冷凍室内に貯蔵した被冷却物（食品等）を冷却することができる。
【００２２】
ここで、本実施形態のスターリング冷凍機は、前述した通り、スタッファ１１と圧接リング１２ａとの間、及びシリンダ２と圧接リング１２ｂとの間に、各々弾性体１５を介在させることで、両部材を弾接的に配設した構成としている。
【００２３】
このような構成とすることにより、各基幹部材間（圧力容器１−吸熱部１３ａ−圧接リング１２ａ−スタッファ１１−ディスプレーサ３間、及び圧力容器１−放熱部１３ｂ−圧接リング１２ｂ−シリンダ２−ディスプレーサ３間）の同軸度が多少狂ったとしても、圧接リング１２ａ、１２ｂとスタッファ１１及びシリンダ２とのシール性は弾性体１５によって保持されることになる。従って、作動ガスは、不正流路（スタッファ１１と圧接リング１２ａとの間、及びシリンダ２と圧接リング１２ｂとの間）を通過することなく、正常に吸熱部１３ａ及び放熱部１３ｂを経由して再生器１４に流入するようになるので、作動ガスの熱交換効率を高めて装置の冷却能力向上を図ることが可能となる。また、本実施形態のスターリング冷凍機であれば、各基幹部材の組立て精度を多少緩和しても、その同軸度を維持することができるので、装置の組立性向上を図ることも可能となる。
【００２４】
次に、本発明に係るスターリング冷凍機の第２実施形態について説明する。図２は本発明に係るスターリング冷凍機の第２実施形態を示す概略断面図である。本図に示す通り、本実施形態のスターリング冷凍機は、前出の第１実施形態（図１参照）とほぼ同様の構成から成るが、スタッファ１１と圧接リング１２ａとの間に弾性体を設ける代わりに、スタッファ１１の外周部と内周部を各々異なる素材で形成した点に特徴を有している。具体的には、圧接リング１２ａと接触するスタッファ外周部１１ａを弾性体素材（ゴム等）で形成し、ディスプレーサ３と接触するスタッファ内周部１１ｂを剛性体素材（樹脂等）で形成した構成としている。このような構成とすることにより、前出の第１実施形態と同様、スターリング冷凍機の冷却能力向上や組立性向上を図ることが可能となる。
【００２５】
なお、上記した各実施形態では、本発明をスターリング冷凍庫に適用した場合を例に挙げて説明を行ったが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、ピストンとディスプレーサの往復運動に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して低温または動力を得るスターリング機関に広く適用することが可能である。
【００２６】
【発明の効果】
上記で説明したように、本発明によれば、作動ガスの熱交換効率が高く、かつ装置の組立てが容易なスターリング機関を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング冷凍機の第１実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係るスターリング冷凍機の第２実施形態を示す概略断面図である。
【図３】スターリング冷凍機の一従来構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１　　圧力容器
２　　シリンダ
３　　ディスプレーサ
４　　ディスプレーサロッド
５　　ピストン
５ａ　　摺動孔
６　　ディスプレーサ支持バネ
７　　ピストン支持バネ
８ａ　　圧縮空間（作動空間）
８ｂ　　膨張空間（作動空間）
９　　背圧空間
１０　　リニアモータ
１１　　スタッファ
１１ａ　　スタッファ外周部（弾性体素材）
１１ｂ　　スタッファ内周部（剛性体素材）
１２ａ、１２ｂ　　圧接リング
１３ａ　　吸熱部（低温側熱交換器）
１３ｂ　　放熱部（高温側熱交換器）
１４　　再生器
１５　　弾性体（Ｏリング）
【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
【出願日】 平成１４年８月２８日（２００２．８．２８）
【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
【公開番号】 特開２００４−８４５９８（Ｐ２００４−８４５９８Ａ）
【公開日】 平成１６年３月１８日（２００４．３．１８）
【出願番号】 特願２００２−２４８６５４（Ｐ２００２−２４８６５４）