JP2006308213A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 摺接部における摩擦によるエネルギーロスの発生を防止することにより、高効率に運転することができるスターリング冷凍機を提供する。
【解決手段】 スターリング冷凍機１００は、作動ガスが充填されたシリンダ１２０と、このシリンダ１２０内に嵌挿されたピストン１３０およびディスプレーサ１４０と、ピストン１３０に設けられた貫通孔１３４を挿通するディスプレーサロッド１４５とを備える。シリンダ１２０−ピストン１３０間、シリンダ１２０−ディスプレーサ１４０間およびディスプレーサロッド１４５−ピストン１３０間に構成される摺接部において、シリンダ１２０、ピストン１３０、ディスプレーサ１４０およびディスプレーサロッド１４５の表面を四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層にて覆うとともに、この被覆層の表面にフッ素系グリースを含む潤滑剤を塗布する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スターリング機関に関し、特に、シリンダ内に嵌挿されたピストンおよびディスプレーサの摺動性の向上が図られたスターリング機関に関する。

スターリング機関に代表されるような熱サイクル装置においては、シリンダ内にピストンが嵌挿され、このピストンが上記シリンダ内を往復動することによってシリンダ内に充填された作動ガスの圧縮または膨張が行なわれ、この作動ガスの圧縮または膨張により、各種の熱サイクルが実現されることとなる。このような熱サイクル装置においては、シリンダ内を往復動するピストンとシリンダとの摺接部において発生する摩擦によるエネルギーロスを低減することが好ましく、この摺接部における摩擦によるエネルギーロスを低減することにより、駆動出力の向上や発電効率の向上、冷凍効率の向上等が図られることになる。

たとえば、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機にあっては、一般にシリンダ内部にピストンおよびディスプレーサが配置され、ピストンはリニアモータによって駆動されてシリンダ内を往復動し、ディスプレーサはピストンの往復動によって生じる作動ガスのガス圧変動を受けてシリンダ内を往復動するように構成される。ここで、ディスプレーサは、直接リニアモータ等の駆動手段によって駆動される作動体ではないがピストンと同様にシリンダ内を往復動する作動体であり、フリーピストンとも称される。上記動作の際、シリンダの内周面とピストンの外周面およびシリンダの内周面とディスプレーサの外周面との間の摩擦係数が大きい場合には、この部分において摩擦によるエネルギーロスが発生し、スターリング冷凍機の冷却効率が低下することになる。したがって、この部分における摺動性の向上が図られれば、これら摺接部における摩擦によるエネルギーロスの発生が抑制でき、結果として冷凍効率の向上を図ることができる。

なお、上述のスターリング冷凍機の一般的な構成が開示された文献として、たとえば、特開２００４−３１７１０８号公報（特許文献１）や特開２００５−０４２５７１号公報（特許文献２）等がある。
特開２００４−３１７１０８号公報 特開２００５−０４２５７１号公報

本発明は、上記の摺接部における摩擦によるエネルギーロスを低減すべくなされたものであり、摺接部における摺動性を向上することにより、高効率に運転することができるスターリング機関を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面に基づくスターリング機関は、作動ガスが充填された第１および第２のシリンダと、上記第１のシリンダ内に配置され、駆動手段によって駆動されて上記第１のシリンダ内を摺動するピストンと、上記第２のシリンダ内に配置され、上記ピストンが摺動することによって生じる上記作動ガスのガス圧変動を受けて上記第２のシリンダ内を摺動するディスプレーサとを備えたものであって、上記第１のシリンダと上記ピストンとの摺接部において、上記第１のシリンダの表面および上記ピストンの表面の少なくともいずれか一方が四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層にて覆われるとともに、この被覆層の表面にフッ素系グリースを含む潤滑剤が塗布されていることを特徴とするものである。

本発明の第２の局面に基づくスターリング機関は、作動ガスが充填された第１および第２のシリンダと、上記第１のシリンダ内に配置され、駆動手段によって駆動されて上記第１のシリンダ内を摺動するピストンと、上記第２のシリンダ内に配置され、上記ピストンが摺動することによって生じる上記作動ガスのガス圧変動を受けて上記第２のシリンダ内を摺動するディスプレーサとを備えたものであって、上記第２のシリンダと上記ディスプレーサとの摺接部において、上記第２のシリンダの表面および上記ディスプレーサの表面の少なくともいずれか一方が四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層にて覆われるとともに、この被覆層の表面にフッ素系グリースを含む潤滑剤が塗布されていることを特徴とするものである。

本発明の第３の局面に基づくスターリング機関は、作動ガスが充填された第１および第２のシリンダと、上記第１のシリンダ内に配置され、駆動手段によって駆動されて上記第１のシリンダ内を摺動するピストンと、上記第２のシリンダ内に配置され、上記ピストンが摺動することによって生じる上記作動ガスのガス圧変動を受けて上記第２のシリンダ内を摺動するディスプレーサと、上記ディスプレーサを支持するために上記ディスプレーサの上記ピストン側端面から延設され、上記ピストンに設けられた軸方向の貫通孔を挿通するディスプレーサロッドとを備えたものであって、上記ディスプレーサロッドと上記ピストンとの摺接部において、上記ディスプレーサロッドと上記ピストンとの摺接部において、上記ディスプレーサロッドの表面および上記ピストンの貫通孔内周面の少なくともいずれか一方が四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層にて覆われるとともに、この被覆層の表面にフッ素系グリースを含む潤滑剤が塗布されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、摺接部における摩擦によるエネルギーロスの発生を防止することができるため、高効率に運転することができるスターリング機関を提供することが可能になる。

以下、本発明の一実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機を例示して説明を行なう。

図１は、本発明の一実施の形態におけるスターリング冷凍機の模式断面図である。また、図２ないし図４は、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の摺接部の拡大断面図であり、それぞれの図は、図１中に示す領域Ａ，Ｂ，Ｃに対応した拡大断面図である。

まず、図１を参照して、本実施の形態におけるスターリング冷凍機の構造について説明する。図１に示すように、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００は、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動ガスが作動媒体として内部に充填されたケーシング１１０を有している。ケーシング１１０の内部には、作動ガスが充填されたシリンダ１２０が配置されている。シリンダ１２０は、ピストン１３０が嵌挿される第１のシリンダであるピストン側シリンダ１２０Ａと、ディスプレーサ１４０が嵌挿される第２のシリンダであるディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂとに分割されており、これらピストン側シリンダ１２０Ａの中心軸とディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂの中心軸とが重なるように、ピストン側シリンダ１２０Ａとディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂとが同軸上に配置されている。

シリンダ１２０内におけるディスプレーサ１４０の往復動方向の両端部外側には、圧縮空間１５０と膨張空間１６０とが設けられている。圧縮空間１５０は、ピストン１３０およびディスプレーサ１４０によって区画され、放熱器１５２によって囲まれている。放熱器１５２は、圧縮空間１５０に生じる圧縮熱を除去するためのものである。膨張空間１６０は、ディスプレーサ１４０とディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂの閉塞端とによって区画され、吸熱器１６２によって囲まれている。この吸熱器１６２は、膨張空間１６０に生じる冷熱を取り出すためのものである。これら圧縮空間１５０および膨張空間１６０は、ディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂの径方向外側に設けられた作動ガスの流路を介して連通しており、この流路上には再生器１８０が配置されている。再生器１８０は、内部を通過する作動ガスの熱を一時的に蓄積する一種の蓄熱材である。

ピストン側シリンダ１２０Ａの径方向外側に位置する背圧空間１１２内には、リニアモータ１７０が設置されている。リニアモータ１７０は、ピストン１３０に設けられたマグネットホルダの先端に位置する可動マグネット１７１と、この可動マグネット１７１を挟み込むように位置するインナーヨーク１７２およびアウターヨーク１７３と、同じくインナーヨーク１７２とアウターヨーク１７３の間に位置し、電源に接続されたピストン駆動用コイル１７４とから構成される。このピストン駆動用コイル１７４に外部の電源から電力が供給されることによりリニアモータ１７０が作動し、可動マグネット１７１が駆動されることによってピストン１３０がピストン側シリンダ１２０Ａ内を軸方向に往復動する。なお、ピストン１３０は、フラットスプリング１９１を介してケーシング１１０に固定されているため、ピストン側シリンダ１２０Ａ内を所定の周期をもって滑らかに摺動する。

ディスプレーサ１４０は、上述のピストン１３０の往復動によって生じる作動ガスのガス圧変動を受けてディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂ内を軸方向に往復動する。ディスプレーサ１４０は、その往復動方向の端面のうちのピストン１３０側に位置する端面から延設されたディスプレーサロッド１４５によって支持されている。ディスプレーサロッド１４５は、ピストン１３０に設けられた貫通孔１３４を挿通し、その先端がフラットスプリング１９２等を介してケーシング体１１０に固定されているため、ディスプレーサ１４０は、上述のピストン１３０の摺動と所定の位相差をもってディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂ内を所定の周期で滑らかに摺動することになる。

リニアモータ１７０によってピストン１３０を駆動すると、ピストン１３０が圧縮空間１５０側に移動して圧縮空間１５０内の作動ガスを圧縮する。圧縮された作動ガスは、再生器１８０を通って膨張空間１６０に移動する。膨張空間１６０に流入した作動ガスは、ディスプレーサ１４０が圧縮空間１５０側に移動することに伴って膨張し、この圧力低下にしたがって膨張空間１６０内の作動ガス温度も低下することになる。したがって、上述の動作を繰り返すことにより、膨張空間１６０内の作動ガス温度は極低温に冷却され、これに伴って吸熱器１６２にも極低温が発生することになる。

以上において説明した本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００にあっては、ピストン１３０の外周面とピストン側シリンダ１２０Ａの内周面とによって摺接部が構成され、スターリング冷凍機１００の冷却効率の向上を図るためには、このピストン１３０とピストン側シリンダ１２０Ａとの摺接部における摺動性の向上が不可欠である。そこで、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００においては、図２に示すように、ピストン側シリンダ１２０Ａの基部１２１の内周側の表面１２１ａを四フッ化エチレン系樹脂（ＰＴＦＥ系樹脂）を含む被覆層１２２にて覆うとともに、ピストン１３０の基部１３１の外周側の表面１３１ａを四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層１３２にて覆い、かつこれら被覆層１２２，１３２間にフッ素系グリースを含む潤滑材を塗布することにより、グリース塗布層２００を形成している。

また、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００にあっては、ディスプレーサ１４０の外周面とディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂの内周面においても摺接部が構成されており、スターリング冷凍機１００の冷却効率の向上を図るためには、このディスプレーサ１４０とディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂとの摺接部における摺動性の向上をも図ることが必要である。そこで、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００においては、図３に示すように、ディスプレーサ側シリンダ１２０Ｂの基部１２１の内周側の表面１２１ａを四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層１２２にて覆うとともに、ディスプレーサ１４０の基部１４１の外周側の表面１４１ａを四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層１４２にて覆い、かつこれら被覆層１２２，１４２間にフッ素系グリースを含む潤滑材を塗布することにより、グリース塗布層２００を形成している。

さらに、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００にあっては、ディスプレーサロッド１４５の外周面とピストン１３０の内周面、すなわちピストン１３０の貫通孔１３４の表面においても摺接部が構成され、スターリング冷凍機１００の冷却効率の向上を図るためには、このディスプレーサロッド１４５とピストン１３０との摺接部における摺動性の向上をも図ることが必要である。そこで、本実施の形態におけるスターリング冷凍機１００においては、図４に示すように、ディスプレーサロッド１４５の基部１４６の表面１４６ａを四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層１４７にて覆うとともに、ピストン１３０の基部１３１の内周側の表面１３１ｂを四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層１３２にて覆い、かつこれら被覆層１４７，１３２間にフッ素系グリースを含む潤滑材を塗布することにより、グリース塗布層２００を形成している。

ここで、シリンダ１２０、ピストン１３０およびディスプレーサ１４０の基部１２１，１３１，１４１は、シリンダ１２０、ピストン１３０およびディスプレーサ１４０の外殻を構成する部位であり、硬質の材料にて形成される。この基部１２１，１３１，１４１は、通常はステンレス合金等の金属材料にて形成される場合が多いが、他にも硬質の樹脂材料にて形成することも可能であり、特にその材質が限定されるものではない。

また、基部１２１，１３１，１４１の表面に形成される被覆層１２２，１３２，１４２は、エポキシ樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂等いずれの樹脂材料を主成分としていてもよく、少なくとも上述のように四フッ化エチレン系樹脂をその成分の一部として含んでいればよい。

また、被覆層１２２，１３２，１４２上に塗布されるフッ素系グリースを含む潤滑剤としては、四フッ化エチレンを増ちょう材として含有するものであればよく、基油としてはポリフルオロエーテル、一般鉱油、有機化ベンゾナイト、シリカゲル、ウレア等いずれのものを用いてもよい。

以上のように、各摺接部において対面配置される基部の表面に四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層を形成し、これら被覆層の間にフッ素系グリースを含む潤滑材を塗布する構成とすることにより、各摺接部における摺接面の表面粗さが減少するとともに摩擦係数も大幅に減少するため、各摺接部における摺動性が著しく向上し、摺接部における摩擦によるエネルギーロスが防止されるようになる。したがって、スターリング冷凍機の冷凍効率を向上させることが可能になる。

なお、上述の一実施の形態においては、シリンダ、ピストンおよびディスプレーサにて構成される各摺接部のいずれにおいても、対面配置される基部の両方の表面に四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層を形成した場合を例示して説明を行なったが、必ずしも基部の両方の表面に被覆層が形成される必要はなく、片方の表面のみに被覆層を形成する構成としても摺動性の改善が図られる。

また、上述の一実施の形態においては、シリンダ−ピストン間、シリンダ−ディスプレーサ間およびピストン−ディスプレーサロッド間の３箇所すべての摺接部において本発明を適用した場合を例示して説明を行なったが、このようにすべての摺接部に本発明を適用する必然性はなく、いずれか１箇所または２箇所とした場合にもスターリング冷凍機の冷凍効率の向上は図られる。

本発明者は、上記摺動性の改善がスターリング冷凍機の冷凍効率にどの程度寄与するかについて、確認のための検証実験を行なった。以下においては、その結果について説明する。

（実施例１）
実施例１として、本発明者は、シリンダの内周面とディスプレーサロッドの外周面とにテフロン（登録商標）コーティングが施されたフリーピストン型スターリング冷凍機を準備し、シリンダ−ピストン間、シリンダ−ディスプレーサ間およびピストン−ディスプレーサロッド間の３箇所すべての摺接部においてフッ素系グリースを２μｍ〜５μｍの厚みとなるように塗布し、これを用いて検証実験を行なった。その結果、ピストン振幅を種々の振幅に切換えた場合にも、被覆層およびグリースの塗布を行なわなかったものに比べ、ピストン振幅の全領域にわたってスターリング冷凍機の出力が約１０％向上し、冷凍効率が約４％向上することが確認された。

（実施例２）
実施例２として、本発明者は、ピストンの外周面、ディスプレーサの外周面およびディスプレーサロッドの外周面のそれぞれにテフロン（登録商標）コーティングが施されたフリーピストン型スターリング冷凍機を準備し、シリンダ−ピストン間、シリンダ−ディスプレーサ間およびピストン−ディスプレーサロッド間の３箇所すべての摺接部においてフッ素系グリースを２μｍ〜５μｍの厚みとなるように塗布し、これを用いて検証実験を行なった。その結果、ピストン振幅を種々の振幅に切換えた場合にも、被覆層およびグリースの塗布を行なわなかったものに比べ、ピストン振幅の全領域にわたってスターリング冷凍機の出力が約１０％向上し、冷凍効率が約４％向上することが確認された。

（実施例３）
実施例３として、本発明者は、シリンダの内周面、ピストンの外周面、ピストンの内周面、ディスプレーサの外周面およびディスプレーサロッドの外周面のそれぞれにテフロン（登録商標）コーティングが施されたフリーピストン型スターリング冷凍機を準備し、シリンダ−ピストン間、シリンダ−ディスプレーサ間およびピストン−ディスプレーサロッド間の３箇所すべての摺接部においてフッ素系グリースを２μｍ〜５μｍの厚みとなるように塗布し、これを用いて検証実験を行なった。その結果、ピストン振幅を種々の振幅に切換えた場合にも、被覆層およびグリースの塗布を行なわなかったものに比べ、ピストン振幅の全領域にわたってスターリング冷凍機の出力が約１５％向上し、冷凍効率が約６％向上することが確認された。

なお、上述の一実施の形態においては、第１および第２のシリンダが別体にて形成されたスターリング冷凍機を例示して説明を行なったが、必ずしもこれらが分割されている必要はなく、第１および第２のシリンダが一体化されていてもよい。また、上述の一実施の形態においては、ピストンおよびディスプレーサが同軸上に配置されたスターリング冷凍機を例示して説明を行なったが、必ずしもこれらが同軸上に配置される必要はなく、そのため、第１および第２のシリンダが異軸上に配置されていてもよい。

また、上述の一実施の形態においては特に言及しなかったが、本発明は、ピストンまたは／およびディスプレーサのシリンダとの摺接面に高圧のガスを噴出する微細孔を設け、この微細孔によって気体軸受けが構成されたスターリング冷凍機に対しても当然に適用が可能である。

また、上述の一実施の形態においては、スターリング機関の応用例であるスターリング冷凍機に本発明を適用した場合を例示して説明を行なったが、熱機関としてのスターリング機関自体に本発明を適用することも当然に可能である。

このように、今回開示した上記一実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機の模式断面図である。 本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機の図１中における領域Ａの拡大断面図であり、ピストンとシリンダとによって構成される摺接部の拡大断面図である。 本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機の図１中における領域Ｂの拡大断面図であり、ディスプレーサとシリンダとによって構成される摺接部の拡大断面図である。 本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機の図１中における領域Ｃの拡大断面図であり、ピストンとディスプレーサロッドとによって構成される摺接部の拡大断面図である。

符号の説明

１００ スターリング冷凍機、１１０ ケーシング、１１２ 背圧空間、１２０ シリンダ、１２０Ａ ピストン側シリンダ、１２０Ｂ ディスプレーサ側シリンダ、１２１，１３１，１４１，１４６ 基部、１２１ａ，１３１ａ，１３１ｂ，１４１ａ，１４６ａ 表面、１２２，１３２，１４２，１４７ 被覆層、１３０ ピストン、１３４ 貫通孔、１４０ ディスプレーサ、１４５ ディスプレーサロッド、１５０ 圧縮空間、１５２ 放熱器、１６０ 膨張空間、１６２ 吸熱器、１７０ リニアモータ、１７１ 可動マグネット、１７２ アウターヨーク、１７２ インナーヨーク、１７３ アウターヨーク、１７４ ピストン駆動用コイル、１８０ 再生器、１９１，１９２ フラットスプリング、２００ グリース塗布層。

Claims (3)

1. 作動ガスが充填された第１および第２のシリンダと、前記第１のシリンダ内に配置され、駆動手段によって駆動されて前記第１のシリンダ内を摺動するピストンと、前記第２のシリンダ内に配置され、前記ピストンが摺動することによって生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて前記第２のシリンダ内を摺動するディスプレーサとを備えたスターリング機関であって、
   前記第１のシリンダと前記ピストンとの摺接部において、前記第１のシリンダの表面および前記ピストンの表面の少なくともいずれか一方が四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層にて覆われるとともに、この被覆層の表面にフッ素系グリースを含む潤滑剤が塗布されてなる、スターリング機関。
2. 作動ガスが充填された第１および第２のシリンダと、前記第１のシリンダ内に配置され、駆動手段によって駆動されて前記第１のシリンダ内を摺動するピストンと、前記第２のシリンダ内に配置され、前記ピストンが摺動することによって生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて前記第２のシリンダ内を摺動するディスプレーサとを備えたスターリング機関であって、
   前記第２のシリンダと前記ディスプレーサとの摺接部において、前記第２のシリンダの表面および前記ディスプレーサの表面の少なくともいずれか一方が四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層にて覆われるとともに、この被覆層の表面にフッ素系グリースを含む潤滑剤が塗布されてなる、スターリング機関。
3. 作動ガスが充填された第１および第２のシリンダと、前記第１のシリンダ内に配置され、駆動手段によって駆動されて前記第１のシリンダ内を摺動するピストンと、前記第２のシリンダ内に配置され、前記ピストンが摺動することによって生じる前記作動ガスのガス圧変動を受けて前記第２のシリンダ内を摺動するディスプレーサと、前記ディスプレーサを支持するために前記ディスプレーサの前記ピストン側端面から延設され、前記ピストンに設けられた軸方向の貫通孔を挿通するディスプレーサロッドとを備えたスターリング機関であって、
   前記ディスプレーサロッドと前記ピストンとの摺接部において、前記ディスプレーサロッドの表面および前記ピストンの前記貫通孔内周面の少なくともいずれか一方が四フッ化エチレン系樹脂を含む被覆層にて覆われるとともに、この被覆層の表面にフッ素系グリースを含む潤滑剤が塗布されてなる、スターリング機関。

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