JP2006292135A - Gas bearing structure and Stirling engine and Stirling cooler - Google Patents
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Abstract
【課題】 加工性およびガスシール性を向上させた気体軸受構造と、該構造を備えたスターリング機関およびスターリング冷却庫とを提供する。
【解決手段】 気体軸受構造は、シリンダ内で往復運動するピストン14を支持する気体軸受構造であって、ピストン14の外周面141にピストン14の周方向に沿って断続的に形成された溝部の底面143Aからピストン14の内部空間147に達する噴出孔144を通じて内部空間147からシリンダの内周面に向かってガスを噴出する「ガス噴出機構」を備え、ピストン14の周方向において、溝部の底面143Aがピストン14の外周面141に達するように該溝部が形成されている。
【選択図】 図5PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas bearing structure with improved workability and gas sealability, and a Stirling engine and a Stirling cooler provided with the structure.
A gas bearing structure is a gas bearing structure that supports a piston 14 that reciprocates in a cylinder, and includes a groove portion that is intermittently formed in an outer peripheral surface 141 of the piston 14 along a circumferential direction of the piston 14. A “gas ejection mechanism” that ejects gas from the inner space 147 toward the inner circumferential surface of the cylinder through the ejection hole 144 reaching the inner space 147 of the piston 14 from the bottom surface 143A is provided. The groove is formed so as to reach the outer peripheral surface 141 of the piston 14.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、気体軸受構造およびスターリング機関ならびにスターリング冷却庫(Stirling Refrigerator/Freezer)に関し、特に、加工性およびガスシール性を向上させた気体軸受構造と、該構造を備えたスターリング機関およびスターリング冷却庫とに関する。 The present invention relates to a gas bearing structure, a Stirling engine, and a Stirling Refrigerator / Freezer, and more particularly, to a gas bearing structure with improved workability and gas sealability, and a Stirling engine and a Stirling cooler having the structure. And about.
ピストンの気体軸受構造が従来から知られている。 A gas bearing structure of a piston is conventionally known.
たとえば、特開2004−293792号公報において、作動ガスを充填したシリンダ内に嵌装されて往復運動する、ガス貯留室を内側に備えたピストンの外壁に、ガス貯留室に流入した作動ガスをシリンダの内壁に向かって噴出するための連通孔が形成された連通孔部材を設けることによって構成されたピストンの気体軸受構造が開示されている。ここでは、外壁上に凹部が設けられ、凹部の底面上に連通孔部材が配設されている。凹部の底面上に連通孔を設けることで、孔形成時にピストンの外周面が変形することが抑制される。これにより、軸受構造としての機能が向上する。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-293792, the working gas that flows into the gas storage chamber is inserted into the outer wall of a piston that is fitted in the cylinder filled with the working gas and reciprocates and that has the gas storage chamber inside. There is disclosed a gas bearing structure of a piston constituted by providing a communicating hole member in which a communicating hole for ejecting toward the inner wall is formed. Here, a recess is provided on the outer wall, and a communicating hole member is provided on the bottom surface of the recess. By providing the communication hole on the bottom surface of the recess, deformation of the outer peripheral surface of the piston during hole formation is suppressed. Thereby, the function as a bearing structure improves.
また、スターリング機関においてピストンと同軸上で往復運動するディスプレーサやディスプレーサロッドに中空部を設けることが、特許第3583770号公報などに記載されている。
しかしながら、上記のような気体軸受構造においては、以下のような問題があった。 However, the gas bearing structure as described above has the following problems.
特開2004−293792号公報においては、ピストンの外周面に円柱状凹部や帯状凹部が設けられている。ここで、円柱状凹部を設けるための加工は加工性が悪い。一方で、帯状凹部を設けるとピストンの軸方向のガスリーク量が大きくなる。この結果、たとえば、ピストンがガス圧縮膨張機に設けられている場合には、ガス圧縮膨張機の性能が低下する。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-293792, a cylindrical recess or a belt-like recess is provided on the outer peripheral surface of the piston. Here, the process for providing the cylindrical recess has poor processability. On the other hand, if a strip-shaped recess is provided, the amount of gas leakage in the axial direction of the piston increases. As a result, for example, when the piston is provided in the gas compression / expansion machine, the performance of the gas compression / expansion machine decreases.
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、加工性およびガスシール性を向上させた気体軸受構造と、該構造を備えたスターリング機関およびスターリング冷却庫とを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas bearing structure with improved workability and gas sealability, and a Stirling engine and a Stirling cooler having the structure. And to provide.
本発明に係る気体軸受構造は、筒状部と、内部にガス室を有し、筒状部の内壁に沿って往復運動する柱状部と、柱状部の外周面に該柱状部の周方向に沿って断続的に形成された溝部の底面からガス室に達する孔部を通じてガス室から筒状部の内周面に向かってガスを噴出するガス噴出機構とを備え、溝部を構成する底面が、少なくとも1方向において、該溝部に隣接する柱状部の外周面と段差なく連続(交差)するように上記溝部が形成されている。ここで、上記底面は、平面状に構成されてもよく、曲面(円弧面)状に構成されてもよい。また、溝部の底面と柱状部の外周面とは、上記の通り「少なくとも1方向」において段差なく連続するが、たとえば、溝部の底面が凹球状に形成された場合には、溝部の底面と柱状部の外周面とは「全方向」において段差なく連続することになる。上記「1方向」は、換言すると、「底面の加工方向」と言うことができる。該「1方向」は、たとえば柱状部の周方向または軸心方向と一致させることが一般的であると考えられるが、該「1方向」は、周方向および軸心方向と交差する斜め方向であってもよい。 The gas bearing structure according to the present invention includes a cylindrical portion, a columnar portion having a gas chamber therein, and reciprocating along the inner wall of the cylindrical portion, and an outer peripheral surface of the columnar portion in the circumferential direction of the columnar portion. A gas ejection mechanism that ejects gas from the gas chamber toward the inner peripheral surface of the cylindrical portion through the hole portion that reaches the gas chamber from the bottom surface of the groove portion that is intermittently formed along the bottom surface, In at least one direction, the groove is formed so as to be continuous (intersect) with the outer peripheral surface of the columnar portion adjacent to the groove without any step. Here, the bottom surface may be formed in a flat shape or a curved surface (arc surface). In addition, the bottom surface of the groove and the outer peripheral surface of the columnar part are continuous without any step in “at least one direction” as described above. For example, when the bottom surface of the groove is formed in a concave spherical shape, the bottom surface of the groove and the columnar part The outer peripheral surface of the portion is continuous in “omnidirectional” with no step. In other words, the “one direction” can be referred to as a “bottom direction of processing”. The “one direction” is generally considered to coincide with, for example, the circumferential direction or the axial direction of the columnar portion, but the “one direction” is an oblique direction intersecting the circumferential direction and the axial direction. There may be.
上記構成によれば、溝部の底面と柱状部の外周面との交差角度が鈍角になるので、加工性が向上する。そして、「底面の加工方向(切削方向)」が柱状部の周方向である場合には、軸方向のガスリーク量を低減し、気体軸受構造におけるガスシール性を向上させることができる。 According to the said structure, since the crossing angle of the bottom face of a groove part and the outer peripheral surface of a columnar part becomes an obtuse angle, workability improves. When the “bottom direction (cutting direction)” is the circumferential direction of the columnar portion, the amount of gas leakage in the axial direction can be reduced, and the gas sealing performance in the gas bearing structure can be improved.
上記気体軸受構造において、複数のガス噴出機構を、柱状部の周方向に並ぶように等角度間隔で複数形成することが好ましい。これにより、柱状部を安定して保持する気体軸受構造を得ることができる。 In the gas bearing structure, it is preferable that a plurality of gas ejection mechanisms are formed at equiangular intervals so as to be aligned in the circumferential direction of the columnar part. Thereby, the gas bearing structure which hold | maintains a columnar part stably can be obtained.
上記気体軸受構造において、ガス噴出機構を軸方向に千鳥配置することが好ましい。これにより、筒状部内における柱状部の動きをより安定させることができる。 In the gas bearing structure, it is preferable that the gas ejection mechanisms are staggered in the axial direction. Thereby, the movement of the columnar part in the cylindrical part can be further stabilized.
上記気体軸受構造において、柱状部の外周面からガス室に達する孔に管を組付けることによりガス噴出機構における孔部を形成することが好ましい。これにより、より微小な小孔を設けることができ、流量を絞り込むことで損失を低減することができる。 In the gas bearing structure, it is preferable to form a hole portion in the gas ejection mechanism by assembling a tube to a hole reaching the gas chamber from the outer peripheral surface of the columnar portion. As a result, it is possible to provide finer holes and reduce the loss by narrowing the flow rate.
本発明に係るスターリング機関は、上記気体軸受構造を含むスターリング機関であって、外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダと、シリンダ内で往復運動するピストンと、シリンダ内でピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、ディスプレーサに接続され、ピストンを軸方向に貫通するディスプレーサロッドと、ピストンとディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、ディスプレーサに対してピストン側の反対の側に形成された膨張空間と、ピストンに対してディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、圧縮空間と膨張空間とを連通する連通路に配設された再生器とを備え、ピストンまたはディスプレーサまたはディスプレーサロッドに上記ガス噴出機構が設けられている。これにより、高性能で比較的安価なスターリング機関が提供される。 A Stirling engine according to the present invention is a Stirling engine including the gas bearing structure, and includes an outer shell, a cylinder assembled in an outer shell enclosing a working medium, a piston reciprocating in the cylinder, and a cylinder A displacer that reciprocates with respect to the piston with a phase difference, a displacer rod that is connected to the displacer and penetrates the piston in the axial direction, a compression space formed between the piston and the displacer, and a piston side with respect to the displacer An expansion space formed on the opposite side of the piston, a back pressure space formed on the opposite side of the displacer side with respect to the piston, and a regenerator disposed in a communication passage that connects the compression space and the expansion space. The gas ejection mechanism is provided on the piston, the displacer or the displacer rod. This provides a high performance and relatively inexpensive Stirling engine.
1つの局面では、上記スターリング機関において、好ましくは、気体軸受構造におけるガス噴出機構が、ピストンにおいて背圧空間側と圧縮空間側とに分離して形成され、ピストンの背圧空間側に設けられるガス噴出機構の数を、ピストンの圧縮空間側に設けられるガス噴出機構の数よりも少なくする。これにより、加工工数を低減するとともにピストンの軸方向のガスリーク量を低減することができ、結果として、ガスシール性が向上する。 In one aspect, in the Stirling engine, preferably, the gas ejection mechanism in the gas bearing structure is formed separately on the back pressure space side and the compression space side in the piston, and the gas provided on the back pressure space side of the piston The number of ejection mechanisms is made smaller than the number of gas ejection mechanisms provided on the compression space side of the piston. As a result, the number of processing steps can be reduced and the amount of gas leakage in the axial direction of the piston can be reduced. As a result, the gas sealing performance is improved.
他の局面では、上記スターリング機関において、好ましくは、気体軸受構造におけるガス噴出機構が、ピストンにおいて背圧空間側と圧縮空間側とに分離して形成され、ピストンの背圧空間側に設けられるガス噴出機構における孔部の径を、ピストンの圧縮空間側に設けられるガス噴出機構における孔部の径よりも小さくする。これにより、ピストンの軸方向のガスリーク量を低減することができ、結果として、ガスシール性が向上する。 In another aspect, in the Stirling engine, preferably, the gas ejection mechanism in the gas bearing structure is formed separately on the back pressure space side and the compression space side in the piston, and the gas provided on the back pressure space side of the piston The diameter of the hole in the ejection mechanism is made smaller than the diameter of the hole in the gas ejection mechanism provided on the compression space side of the piston. Thereby, the amount of gas leakage in the axial direction of the piston can be reduced, and as a result, the gas sealing performance is improved.
本発明に係るスターリング冷却庫は、上記スターリング機関を備える。これにより、高性能で比較的安価なスターリング冷却庫が提供できる。 A Stirling refrigerator according to the present invention includes the Stirling engine. Thereby, a high-performance and relatively inexpensive Stirling cooler can be provided.
本発明によれば、気体軸受構造の加工性及びガスシール性を向上させることができる。 According to the present invention, the workability and gas sealability of the gas bearing structure can be improved.
以下に、本発明に基づく気体軸受構造およびスターリング機関ならびにスターリング冷却庫の実施の形態について説明する。 Embodiments of a gas bearing structure, a Stirling engine, and a Stirling cooler according to the present invention will be described below.
なお、本願明細書において、「冷却庫」とは、「冷蔵庫」、「冷凍庫」および「冷凍冷蔵庫」の全てを含む概念である。 In the present specification, the “cooling box” is a concept including all of “refrigerator”, “freezer”, and “freezer refrigerator”.
また、実施の形態1,2においては、スターリング機関としてのスターリング冷凍機、および、該スターリング冷凍機を備えたスターリング機関搭載機器としてのスターリング冷却庫について説明するが、スターリング機関は、本来スターリング冷凍機に限定されるものではなく、たとえば、発電機としても用いられる。 In the first and second embodiments, a Stirling refrigerator as a Stirling engine and a Stirling refrigerator as a Stirling engine-equipped device equipped with the Stirling refrigerator will be described. The Stirling engine is originally a Stirling refrigerator. For example, it is used also as a generator.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係るスターリング冷却庫の配管系統図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a piping system diagram of a Stirling cooler according to Embodiment 1 of the present invention.
スターリング冷却庫1は、図1に示すように、高温部2と低温部3とを有するスターリング冷凍機4(スターリング機関)と、高温部2に取付けられた高温側蒸発器5、高温側凝縮器7およびパイプ2A,2Bを含む第1高温側循環回路(第1循環回路)と、高温側蒸発器5、循環ポンプ6、発露防止パイプ9およびパイプ2C〜2Eを含む第2高温側循環回路(第2循環回路)と、低温部3に取付けられた低温側凝縮器10、低温側蒸発器11およびパイプ3A,3Bを含む低温側循環回路とを備える。第1高温側循環回路は、スターリング冷凍機4の高温部2の冷却を行ない、第2高温側循環回路は、発露防止パイプ9に熱を供給する。また、低温側循環回路は、冷却庫内の空気とスターリング冷凍機4の低温部3との熱交換を行なう。
As shown in FIG. 1, the Stirling refrigerator 1 includes a Stirling refrigerator 4 (Stirling engine) having a
第1と第2高温側循環回路内には水(H2O)などが冷媒として封入されている。高温
側蒸発器5において蒸発した冷媒はパイプ2A(高温側導管)を介して高温側凝縮器7に達する(図1中の破線矢印)。高温側凝縮器7において外気との熱交換が行なわれることで冷媒が凝縮する。この熱交換を促進するために、高温側凝縮器7近傍に気流を生じさせるファン8が設けられている。凝縮した冷媒は、パイプ2B(高温側戻り管)を介して高温側蒸発器5に戻る。第1高温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、高温部2で発生した熱を高温側凝縮器7に伝達することができるように、高温側凝縮器7が高温側蒸発器5より上方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整(大気圧よりも減圧)されている。
Water (H 2 O) or the like is sealed as a refrigerant in the first and second high temperature side circulation circuits. The refrigerant evaporated in the high temperature side evaporator 5 reaches the high
一方、高温側蒸発器5の下部には、パイプ2Cが接続されている。高温側蒸発器5からパイプ2Cに液相の冷媒が流入する。パイプ2Cに流入した冷媒は、スターリング冷凍機4よりも下方に設けられた循環ポンプ6に達する。循環ポンプ6から吐出された冷媒は、パイプ2Dを介して発露防止パイプ9に送られる。ここで、発露防止パイプ9内を流れる冷媒は、スターリング冷凍機4の高温部2から与えられた熱により比較的高温に保たれている。したがって、発露防止パイプ9を冷却庫の前面開口部に配置することで、ドア部等における発露を抑制することができる。発露防止パイプ9内を流れた冷媒は、パイプ2Eを介して高温側蒸発器5内に戻る。このように、第2高温側循環回路においては、循環ポンプ6による強制循環が行なわれている。
On the other hand, a
低温側循環回路内には二酸化炭素や炭化水素などが冷媒として封入されている。低温側凝縮器10において凝縮した冷媒はパイプ3A(低温側導管)を介して低温側蒸発器11に達する。低温側蒸発器11において冷媒が蒸発することで熱交換が行なわれる。この熱交換を促進するために、低温側蒸発器11近傍に気流を生じさせるファン12が設けられている。熱交換の後、ガス化された冷媒は、パイプ3B(低温側戻り管)を介して低温側凝縮器10に戻る。低温側循環回路においては、このように、冷媒の蒸発と凝縮とによる自然循環を利用して、低温部3で発生した冷熱を低温側蒸発器11に伝達することができるように、低温側蒸発器11が低温側凝縮器10より下方に配置されている。また、冷媒の沸点を調整するために、循環回路系内の圧力が調整されている。
Carbon dioxide, hydrocarbons, and the like are sealed as refrigerant in the low temperature side circulation circuit. The refrigerant condensed in the low
スターリング冷凍機4を作動させると、該冷凍機4の高温部2で発生した熱が、高温側凝縮器7を介して空気と熱交換される。一方、スターリング冷凍機4の低温部3で発生した冷熱は、低温側蒸発器11を介して冷却庫内の空気と熱交換される。冷却庫内からの暖かくなった気流は、再び低温側蒸発器11近傍に送られ、繰り返し冷却される。
When the Stirling refrigerator 4 is operated, heat generated in the
上述した冷却サイクルの実施に伴い、低温側蒸発器11に着霜が生じる。この着霜に対する除霜方法については、一般によく知られた技術を援用可能であるので、詳細な説明は行なわない。
With the implementation of the cooling cycle described above, frost forms on the low
上述した除霜を実施することで、除霜水が発生する。除霜水は、ドレンパイプ12Aを介して、冷却庫本体底面の下部に設置されたドレンパン12B(蒸発皿)に導かれる。ドレンパン12Bの近傍には、ファン12Cが設けられており、ファン12Cによってドレンパン12B内に溜まった除霜水表面近傍に気流が形成され、比較的乾いた空気が除霜水上に供給されることにより、除霜水の蒸発が促進される。
By performing the defrosting described above, defrosted water is generated. The defrost water is guided to the
次に、図2を用いて、スターリング冷凍機4の構造の一例およびその動作について説明する。 Next, an example of the structure of the Stirling refrigerator 4 and its operation will be described with reference to FIG.
図2に示すように、本実施の形態のスターリング冷凍機4は、フリーピストン型のスターリング機関であって、ケーシング30と、該ケーシング30に組付けられたシリンダ13と、シリンダ13内で往復動するピストン14およびディスプレーサ15と、再生器16と、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとを含む作動空間17と、高温部2と、低温部3と、ピストン駆動手段としてのリニアモータ23と、ピストンスプリング24と、ディスプレーサスプリング25と、ディスプレーサロッド26と、背圧空間27とを備える。
As shown in FIG. 2, the Stirling refrigerator 4 of the present embodiment is a free piston type Stirling engine, and includes a
図2の例では、スターリング冷凍機4の外殻体(外壁)は、単一の容器で構成されず、背圧空間27側に位置するケーシング30(ベッセル部分)と、作動空間17側に位置する高温部2、チューブ18Aおよび低温部3とで主に構成される。ケーシング30は、背圧空間27を規定する。ケーシング30には、シリンダ13、リニアモータ23、ピストンスプリング24およびディスプレーサスプリング25をはじめとする種々の部品が組付けられる。上記外殻体の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填される。
In the example of FIG. 2, the outer shell (outer wall) of the Stirling refrigerator 4 is not constituted by a single container, but is positioned on the
シリンダ13は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン14とフリーピストンとしてのディスプレーサ15とを往復動可能に受け入れる。シリンダ13内において、ピストン14とディスプレーサ15とは同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン14およびディスプレーサ15によってシリンダ13内の作動空間17が圧縮空間17Aと膨張空間17Bとに区画される。より詳しくは、作動空間17は、ピストン14におけるディスプレーサ15側の端面よりもディスプレーサ15側に位置する空間であり、ピストン14とディスプレーサ15との間に圧縮空間17Aが形成され、ディスプレーサ15と低温部3との間に膨張空間17Bが形成される。圧縮空間17Aは主に高温部2によって囲まれ、膨張空間17Bは主に低温部3によって囲まれている。
The
圧縮空間17Aと膨張空間17Bとの間には、シリンダ13の外周面上に所定の隙間を有しながらフィルムが巻回されてなる再生器16が配設されており、この再生器16を介して圧縮空間17Aと膨張空間17Bとが連通する。それにより、スターリング冷凍機4内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン14およびディスプレーサ15の動作に合わせて流動することにより、後述する逆スターリングサイクルが実現される。
Between the
シリンダ13の外側に位置する背圧空間27にはリニアモータ23が配設される。リニアモータ23は、インナーヨーク20と、可動マグネット部21と、アウターヨーク22およびコイルとを有し、このリニアモータ23によって、シリンダ13の軸方向にピストン14が駆動される。
A
ピストン14の一端は、板バネなどで構成されるピストンスプリング24と接続される。該ピストンスプリング24は、ピストン14に弾性力を付与する弾性力付与手段として機能する。該ピストンスプリング24に弾性力を付加することにより、シリンダ13内でピストン14をより安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ15の一端は、ディスプレーサロッド26を介してディスプレーサスプリング25と接続される。ディスプレーサロッド26はピストン14を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング25は板バネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング25の周縁部と、ピストンスプリング24の周縁部は、リニアモータ23からピストン14の背圧空間27側(以下、後方と称する場合がある。)に延びる支持部材により支持される。
One end of the
ピストン14に対しディスプレーサ15と反対側には、ケーシング30によって囲まれた背圧空間27が配設されている。背圧空間27は、ケーシング30内でピストン14の周囲に位置する外周領域と、ケーシング30内でピストン14よりもピストンスプリング
24側(後方側)に位置する後方領域とを含む。この背圧空間27内にも、作動媒体が存在する。
A
高温部2は、ベース部材30Aを介してケーシング30に取付けられる。高温部2と低温部3とは、チューブ18Aを介して接続される。高温部2、低温部3の内周面上には、それぞれ内部熱交換器18と内部熱交換器19とが設けられる。内部熱交換器18,19は、それぞれ、圧縮空間17A,膨張空間17Bと高温部2,低温部3との間の熱交換を行なう。
The
ケーシング30の後方側には、板バネ28を介してバランスマス29が取付けられている。バランスマス29は、ピストン14やディスプレーサ15が振動することによって生じるケーシング30の振動を吸収する質量部材である。具体的には、ピストン14やディスプレーサ15が振動することによってケーシング30に振動が生じた場合に、このケーシング30の振動に対して追従するようにバランスマス29が振動することにより、スターリング冷凍機4の振動が低減される。
A
次に、このスターリング冷凍機4の動作について説明する。 Next, the operation of the Stirling refrigerator 4 will be described.
まず、リニアモータ23を作動させてピストン14を駆動する。リニアモータ23によって駆動されたピストン14は、ディスプレーサ15に接近し、圧縮空間17A内の作動媒体(作動ガス)を圧縮する。
First, the
ピストン14がディスプレーサ15に接近することにより、圧縮空間17A内の作動媒体の温度は上昇するが、高温部2によってこの圧縮空間17A内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧縮空間17A内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
When the
ピストン14がディスプレーサ15に接近した後にディスプレーサ15は低温部3側に移動する。他方、ピストン14によって圧縮空間17A内において圧縮された作動媒体は再生器16内に流入し、さらに膨張空間17Bへと流れ込む。その際、作動媒体の持つ熱が再生器16に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容冷却過程に相当する。
After the
膨張空間17B内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ15がピストン14側(後方側)へ移動することにより膨張する。このようにディスプレーサ15が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング25の中央部も後方側に突出するように変形する。
The high-pressure working medium that has flowed into the expansion space 17B expands when the
上記のように膨張空間17B内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間17B内の作動媒体の温度は下降するが、低温部3によって外部の熱が膨張空間17B内へと伝達されるため、膨張空間17B内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
When the working medium expands in the expansion space 17B as described above, the temperature of the working medium in the expansion space 17B decreases, but external heat is transferred into the expansion space 17B by the
その後、ディスプレーサ15がピストン14から遠ざかる方向(前方側)に移動し始める。それにより、膨張空間17B内の作動媒体は再生器16を通過して再び圧縮空間17A側へと戻る。その際に再生器16に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当する。
Thereafter, the
この一連の過程(等温圧縮過程−等容冷却過程−等温膨張過程−等容加熱過程)が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、低温部3は徐々に低温になり、極低温(たとえば−50℃程度)を有するに至る。一方で、高温部2は徐々に高温(たとえば60℃程度)になる。上述したように、低温部3における冷熱は、低温側循環回路を介して冷却庫内に供給され、高温部2における熱は、第1と第2高温側循環回路を介して冷却庫外に放出される。
By repeating this series of processes (isothermal compression process-isovolume cooling process-isothermal expansion process-isovolume heating process), an inverse Stirling cycle is configured. As a result, the
図3は、本実施の形態に係る「気体軸受構造」に含まれるピストン14の一例を示した斜視図である。また、図4,図5は、それぞれ図3におけるIV−IV断面図,V−V断面図である。図3〜図5を参照して、ピストン14は、内部空間147を有する中空形状を有する。また、ピストン14は、外周面141および軸方向端面142を有する。ピストン14の外周面141上には底面143Aを有する溝部143が形成され、底面143A上には、内部空間147から矢印OUTの方向にガスを噴出させる噴出孔144が形成される。噴出孔144からガスが噴出されることにより、ピストン14がシリンダ13の内壁と非接触な状態で保持される。ここで、溝部143および噴出孔144は「ガス噴出機構」を形成する。このような「ガス噴出機構」が設けられることにより、シリンダ13内をピストン14が往復運動する際の摺動抵抗が低減される。ピストン14の(圧縮空間17A側の)軸方向端面142上には、内部空間147に達する流入孔145が形成されている。圧縮空間17Aからピストン14の内部空間147に流入するガスは、流入孔145を介して矢印INの方向に流入する。これにより、「ガス噴出機構」に必要なガスが供給される。以上によって、シリンダ13内を往復運動するピストン14を保持する「気体軸受構造」が構成される。そして、ピストン14はディスプレーサロッド26を受け入れるロッド挿入部146を有する。
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the
図3に示すように、溝部143および噴出孔144を含む「ガス噴出機構」は、ピストン14の周方向(矢印DR2方向)に並ぶように複数形成されている。換言すると、溝部143は、ピストン14の周方向に沿って断続的に形成されている。
As shown in FIG. 3, a plurality of “gas ejection mechanisms” including the
図4に示すように、流入孔145の内部空間147側端部には、逆止弁148が設けられる。逆止弁148の開弁方向は矢印DR3方向である。つまり、逆止弁148は、ピストン14外部からピストン14の内部空間147へと流入する流れを許容しながら、ピストン14の内部空間147からピストン14外部へと流出する流れを抑制する。これにより、内部空間147内の圧力を、安定して相対的に高く保つことができる。換言すると、気体軸受に用いられるガスを内部空間147内に安定して貯留することができる。
As shown in FIG. 4, a
図5に示すように、複数の噴出孔144は、ピストン14の周方向(矢印DR2方向)に90°の等角度間隔で形成されている。換言すると、図5に示す例では、4つの噴出孔144がピストン14の周方向に沿って等角度間隔で形成されている。また、溝部の底面143Aは、ピストン14の周方向において、外周面141と段差なく連続するように形成されている。換言すると、溝部の底面143Aは、ピストン14の周方向において、その外周面141と段差なく連続(交差)するように形成されている。
As shown in FIG. 5, the plurality of ejection holes 144 are formed at equal angular intervals of 90 ° in the circumferential direction of the piston 14 (arrow DR2 direction). In other words, in the example shown in FIG. 5, the four
上記構成において、凹部である溝部143の底面143A上にガスの噴出孔144を設けることにより、噴出孔144を形成するための加工時にピストン14の外周面が変形することが抑制される。さらには、「気体軸受構造」において、噴出孔144から噴出されたガスを溝部143内に満たし、比較的広い領域でピストン14を支持することができる。これにより、「軸受構造」としての機能が向上する。また、溝部143をピストン14の周方向に沿って断続的に形成することで、ピストン14の軸方向におけるガスシール性の低下を抑制することができる。また、ピストン14の周方向において、溝部143の底面143Aとピストン14の外周面141とが段差なく連続(交差)するように該溝部143を形成することで、ピストン14の軸方向および周方向においてともに段差を有する凹部を形成する場合と比較して、凹部(溝部143)形成時の加工が容易になる。そして、2軸の工作機械を使用すれば、2箇所同時に切除でき、さらに加工時間が短縮できる。すなわち、本実施の形態に係る「気体軸受構造」によれば、「軸受構造」としての機能、ピストン14の軸方向におけるガスシール性およびピストン14の加工性を同時に満足させることができる。
In the above configuration, by providing the
図6,図7は、それぞれ図3〜図5に示されるガス噴出機構の変形例を示した軸方向断面図(図5に対応する断面図)である。図6,図7を参照して、複数の噴出孔144は、ピストン14の周方向(矢印DR2方向)に120°の等角度間隔で3つ形成されてもよいし、180°の等角度間隔で2つ形成されてもよい。
6 and 7 are axial cross-sectional views (cross-sectional views corresponding to FIG. 5) showing modifications of the gas ejection mechanism shown in FIGS. 3 to 5, respectively. Referring to FIGS. 6 and 7, the plurality of ejection holes 144 may be formed at three equal angular intervals of 120 ° in the circumferential direction (arrow DR2 direction) of the
図8は、ガス噴出機構の他の変形例を示した斜視図である。図8に示すように、溝部143および噴出孔144を含む「ガス噴出機構」は、ピストン14の軸方向に千鳥状に配置されていてもよい。このようにすることで、噴出孔144の数が少ない場合でも、シリンダ13内におけるピストン14の動きをより安定させることができる。なお、「ガス噴出機構」は、ピストン14の周方向に千鳥状に配置されてもよい。
FIG. 8 is a perspective view showing another modification of the gas ejection mechanism. As shown in FIG. 8, the “gas ejection mechanism” including the
図9は、ガス噴出機構のさらに他の変形例を示した側断面図である。図9に示すように、金属製の連通管149を用いてガスの噴出孔144を形成してもよい。換言すると、本変形例では、ピストン14の外周面141から内部空間147に達する孔に連通管149を組付けることにより、「ガス噴出機構」に含まれる噴出孔144を形成している。これにより、噴出孔144の径をより微小なものにすることができ、流量を絞り込むことで損失を低減することができる。また、金属管を用いることで、噴出孔144周辺の静電帯電が抑制され、結果として、埃などの付着が抑制される。したがって、噴出孔144の流路を安定して確保することができる。
FIG. 9 is a sectional side view showing still another modification of the gas ejection mechanism. As shown in FIG. 9, a
以上においては、シリンダ13内で往復運動するピストン14に「ガス噴出機構」を設けた「気体軸受構造」の一例について説明したが、同様の思想を、シリンダ13内で往復運動するディスプレーサ15に適用してもよいし、ピストン14のロッド挿入部146内で往復運動するディスプレーサロッド26に適用してもよい。
In the above description, an example of a “gas bearing structure” in which a
図10は、上述した「気体軸受構造」と同様の思想をディスプレーサ15およびディスプレーサロッド26に適用した場合の、該ディスプレーサ15およびディスプレーサロッド26を示した側断面図である。
FIG. 10 is a side sectional view showing the
図10に示すように、ディスプレーサ15は内部空間157を有する中空形状である。また、ディスプレーサ15は、外周面151および軸方向端面152を有する。ディスプレーサ15の外周面151上には底面153Aを有する溝部153が形成され、底面153A上には、内部空間157から矢印OUTの方向にガスを噴出させる噴出孔154が形成される。噴出孔154からガスが噴出されることにより、ディスプレーサ15がシリンダ13の内壁と非接触な状態で保持される。ここで、溝部153および噴出孔154は「ガス噴出機構」を形成する。このような「ガス噴出機構」が設けられることにより、シリンダ13内をディスプレーサ15が往復運動する際の摺動抵抗が低減される。ディスプレーサ15の(圧縮空間17A側の)軸方向端面152上には、内部空間157に達する流入孔155が形成されている。圧縮空間17Aからディスプレーサ15の内部空間157に流入するガスは、流入孔155を介して矢印INの方向に流入する。これにより、「ガス噴出機構」に必要なガスが供給される。以上によって、シリンダ13内を往復運動するディスプレーサ15を保持する「気体軸受構造」が構成される。
As shown in FIG. 10, the
また、流入孔155の内部空間157側端部に、ディスプレーサ15外部からディスプレーサ15の内部空間157へと流入する流れを許容しながら、ディスプレーサ15の内部空間157からディスプレーサ15外部へと流出する流れを抑制する逆止弁が設けられる(図示省略)。これにより、内部空間157内の圧力を、安定して相対的に高く保つことができる。換言すると、気体軸受に用いられるガスを内部空間157内に安定して貯留することができる。
Further, the flow that flows out from the
ディスプレーサ15に接続されたディスプレーサロッド26は、内部空間157に連通する内部空間267を有する中空形状を有する。また、ディスプレーサロッド26は、外周面261を有する。ディスプレーサロッド26の外周面261上には底面263Aを有する溝部263が形成され、底面263A上には、内部空間267からガスを噴出させる噴出孔264が形成される。噴出孔264からガスが噴出されることにより、ディスプレーサロッド26がピストン14のロッド挿入部146の内壁と非接触な状態で保持される。ここで、溝部263および噴出孔264は「ガス噴出機構」を形成する。このような「ガス噴出機構」が設けられることにより、ロッド挿入部146内をディスプレーサロッド26が往復運動する際の摺動抵抗が低減される。ここで、「ガス噴出機構」に必要なガスは、ディスプレーサ15の内部空間157から供給される。以上によって、ピストン14のロッド挿入部146内を往復運動するディスプレーサロッド26を保持する「気体軸受構造」が構成される。
The
図10に示す例でも、溝部の底面153A,263Aは、それぞれディスプレーサ15およびディスプレーサロッド26の周方向(矢印DR2の方向)に沿って断続的に形成され、ディスプレーサ15およびディスプレーサロッド26の周方向において、それらの外周面151,261と段差なく連続するように形成されている。換言すると、溝部の底面153A,263Aは、それぞれディスプレーサ15およびディスプレーサロッド26の周方向において、それらの外周面151,261と段差なく交差するように形成されている。このようにすることで、上述したピストン14の「気体軸受構造」と同様の効果を奏する。
Also in the example shown in FIG. 10, the bottom surfaces 153A and 263A of the groove portions are formed intermittently along the circumferential direction of the
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る気体軸受構造は、スターリング冷凍機4に含まれる気体軸受構造であって、シリンダ13(筒状部)と、シリンダ13の内壁に沿って往復運動するピストン14(柱状部)と、ピストン14の外周面141にピストン14の周方向(矢印DR2の方向)に沿って断続的に形成された溝部143の底面143Aからピストン14の内部空間147(ガス室)に達する噴出孔144(孔部)を通じて内部空間147からシリンダ13の内周面に向かってガスを噴出する「ガス噴出機構」とを備え、溝部143の底面143Aが溝部143に隣接するピストン14の外周面141と段差なく交差するように溝部143を形成している。なお、上記「筒状部/柱状部」の組合わせとして、「シリンダ13/ディスプレーサ15」または「ピストン14のロッド挿入部146/ディスプレーサロッド26」が適用されてもよい。
The above contents are summarized as follows. That is, the gas bearing structure according to the present embodiment is a gas bearing structure included in the Stirling refrigerator 4, and includes a cylinder 13 (cylindrical portion) and a piston 14 (columnar shape) that reciprocates along the inner wall of the
上記について換言すると、本実施の形態に係るスターリング冷凍機4は、上記「気体軸受構造」を含む「スターリング機関」であって、ケーシング30を含む外殻体と、作動媒体を封入した外殻体内に組み付けられたシリンダ13と、シリンダ13内で往復運動するピストン14と、シリンダ13内でピストン14に対し位相差をもって往復運動するディスプレーサ15と、ディスプレーサ15に接続され、ピストン14を軸方向に貫通するディスプレーサロッド26と、ピストン14とディスプレーサ15との間に形成された圧縮空間17Aと、ディスプレーサ15に対してピストン14の反対側に形成された膨張空間17Bと、圧縮空間17Aと膨張空間17Bとを連通する連通路に配設された再生器16とを備え、ピストン14またはディスプレーサ15またはディスプレーサロッド26に内部空間147,157,267および上記「ガス噴出機構」が設けられている。
In other words, the Stirling refrigerator 4 according to the present embodiment is a “Stirling engine” including the “gas bearing structure”, and an outer shell body including a
本実施の形態においては、ピストン14における圧縮空間17A側に位置する部分と背圧空間27側に位置する部分とにおいて、同じ数の「ガス噴出機構」を設けた場合について主に説明したが、背圧空間27側に位置する部分に設ける「ガス噴出機構」の数を、圧縮空間17A側に位置する部分に設ける「ガス噴出機構」の数よりも少なくしてもよい(たとえば、圧縮空間側:4本,背圧空間側:3本)。スターリング冷凍機4においては、背面空間27の容積が圧縮空間17Aの容積よりも大きいため、背面空間27の圧力変動は、圧縮空間17Aの圧力変動よりも小さい。すなわち、ピストン14が背圧空間27方向に運動している場合でも、背圧空間27の圧力は比較的上昇しにくく、内部空間147と背圧空間27との圧力差を比較的大きく保つことができるので、背圧空間27側の「ガス噴出機構」からは、ガスが噴出されやすい。したがって、背圧空間27側に位置する部分に設ける「ガス噴出機構」の数を減じたとしても、気体軸受構造としての機能を十分に果たすことができる。結果として、ガスベアリングの機能を確保しながら、ピストンの軸方向におけるガスリーク量を低減することができる。なお、「ガス噴出機構」の本数を減じることに代えて、背圧空間側の「ガス噴出機構」を構成する噴出孔144の孔径を相対的に小さく設定してもよい。
In the present embodiment, the case where the same number of “gas ejection mechanisms” is provided in the portion located on the
(実施の形態2)
図11は、実施の形態2に係る「気体軸受構造」に含まれるピストン14の一例を示した斜視図である。また、図12,図13は、それぞれ図11におけるXII−XII断面図,XIII−XIII断面図である。図11〜図13を参照して、本実施の形態に係る気体軸受構造は、実施の形態1に係る気体軸受構造の変形例であって、ピストン14の軸方向(矢印DR1方向)において、溝部143の底面143Aが溝部143に隣接するピストン14の外周面141と段差なく連続(交差)するように溝部143を形成したことを特徴とする。
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a perspective view showing an example of the
図12に示すように、溝部143の底面143Aは、円弧状に形成される。そして、矢印DR1方向において、ピストン14の外周面141と段差無く連続している。
As shown in FIG. 12, the
本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、加工性およびガスシール性に優れた「気体軸受構造」を得ることができる。 Also in the present embodiment, as in the first embodiment, a “gas bearing structure” excellent in workability and gas sealability can be obtained.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上述した各実施の形態の特徴部分を適宜組合わせることは、当初から予定されている。たとえば、溝部143の底面143Aを凹球状に形成して、ピストンの軸方向(矢印DR1方向)および周方向(矢印DR2方向)を含む全ての方向において、溝部143の底面143Aが溝部143に隣接するピストン14の外周面141と段差なく連続(交差)するように溝部143を形成してもよい。また、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
Although the embodiments of the present invention have been described above, it is planned from the beginning to appropriately combine the characteristic portions of the respective embodiments described above. For example, the
1 スターリング冷却庫、2 高温部、2A〜2E パイプ(高温側循環回路)、3 低温部、3A,3B パイプ(低温側循環回路)、4 スターリング冷凍機、5 高温側蒸発器、6 循環ポンプ、7 高温側凝縮器、8 ファン、9 発露防止パイプ、10 低温側凝縮器、11 低温側蒸発器、12 ファン、12A ドレンパイプ、12B ドレンパン、12C ファン、13 シリンダ、14 ピストン、15 ディスプレーサ、16 再生器、17 作動空間、17A 圧縮空間、17B 膨張空間、18,19 内部熱交換器、18A チューブ、20 インナーヨーク、21 可動マグネット、22 アウターヨーク、23 リニアモータ、24 ピストンスプリング、25 ディスプレーサスプリング、26 ディスプレーサロッド、27 背圧空間、28 板バネ、29 バランスマス、30 ケーシング、30A ベース部材、141,151,261 外周面、142,152 軸方向端面、143,153,263 溝部、143A,153A,263A 底面、144,154,264 噴出孔、145,155 流入孔、146 ロッド挿入部、147,157,267 内部空間、148 逆止弁、149 連通管、DR1 ピストン/ディスプレーサ軸方向、DR2 ピストン/ディスプレーサ周方向、DR3 開弁方向。 1 Stirling cooler, 2 high temperature section, 2A-2E pipe (high temperature side circulation circuit), 3 low temperature section, 3A, 3B pipe (low temperature side circulation circuit), 4 Stirling refrigerator, 5 high temperature side evaporator, 6 circulation pump, 7 High-temperature side condenser, 8 fans, 9 Condensation prevention pipe, 10 Low-temperature side condenser, 11 Low-temperature side evaporator, 12 Fan, 12A Drain pipe, 12B Drain pan, 12C Fan, 13 Cylinder, 14 Piston, 15 Displacer, 16 Regeneration , 17 working space, 17A compression space, 17B expansion space, 18, 19 internal heat exchanger, 18A tube, 20 inner yoke, 21 movable magnet, 22 outer yoke, 23 linear motor, 24 piston spring, 25 displacer spring, 26 Displacer rod, 27 back Space, 28 leaf spring, 29 balance mass, 30 casing, 30A base member, 141, 151, 261 outer peripheral surface, 142, 152 axial end surface, 143, 153, 263 groove, 143A, 153A, 263A bottom surface, 144, 154 H.264 injection hole, 145, 155 inflow hole, 146 rod insertion part, 147, 157, 267 internal space, 148 check valve, 149 communication pipe, DR1 piston / displacer axial direction, DR2 piston / displacer circumferential direction, DR3 valve opening direction .
Claims (6)
内部にガス室を有し、前記筒状部の内壁に沿って往復運動する柱状部と、
前記柱状部の外周面に該柱状部の周方向に沿って断続的に形成された溝部の底面から前記ガス室に達する孔部を通じて前記ガス室から前記筒状部の内周面に向かってガスを噴出するガス噴出機構とを備え、
前記溝部を構成する底面が、少なくとも1方向において、該溝部に隣接する前記柱状部の外周面と段差なく連続するように前記溝部を形成した、気体軸受構造。 A tubular part;
A columnar part having a gas chamber therein and reciprocating along the inner wall of the cylindrical part;
Gas from the gas chamber toward the inner peripheral surface of the cylindrical portion through a hole reaching the gas chamber from the bottom surface of a groove portion intermittently formed along the circumferential direction of the columnar portion on the outer peripheral surface of the columnar portion. A gas ejection mechanism for ejecting
A gas bearing structure in which the groove portion is formed such that a bottom surface constituting the groove portion is continuous with at least one direction with an outer peripheral surface of the columnar portion adjacent to the groove portion without a step.
外殻体と、
作動媒体を封入した前記外殻体内に組み付けられたシリンダと、
前記シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記シリンダ内で前記ピストンに対し位相差をもって往復運動するディスプレーサと、
前記ディスプレーサに接続され、前記ピストンを軸方向に貫通するディスプレーサロッドと、
前記ピストンと前記ディスプレーサとの間に形成された圧縮空間と、
前記ディスプレーサに対して前記ピストン側の反対の側に形成された膨張空間と、
前記ピストンに対して前記ディスプレーサ側の反対の側に形成された背圧空間と、
前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通する連通路に配設された再生器とを備え、
前記ピストンまたは前記ディスプレーサまたは前記ディスプレーサロッドに前記ガス噴出機構を設けた、スターリング機関。 A Stirling engine including the gas bearing structure according to claim 1 or 2,
The outer shell,
A cylinder assembled in the outer shell enclosing the working medium;
A piston that reciprocates within the cylinder;
A displacer that reciprocates with a phase difference with respect to the piston in the cylinder;
A displacer rod connected to the displacer and extending axially through the piston;
A compression space formed between the piston and the displacer;
An expansion space formed on the opposite side of the piston to the displacer;
A back pressure space formed on the side opposite to the displacer with respect to the piston;
A regenerator disposed in a communication path communicating the compression space and the expansion space;
A Stirling engine in which the gas ejection mechanism is provided in the piston, the displacer, or the displacer rod.
前記ピストンの背圧空間側に設けられる前記ガス噴出機構の数を、前記ピストンの圧縮空間側に設けられる前記ガス噴出機構の数よりも少なくした、請求項3に記載のスターリング機関。 The gas jetting mechanism in the gas bearing structure is formed by separating the back pressure space side and the compression space side in the piston,
The Stirling engine according to claim 3, wherein the number of the gas ejection mechanisms provided on the back pressure space side of the piston is smaller than the number of the gas ejection mechanisms provided on the compression space side of the piston.
前記ピストンの背圧空間側に設けられる前記ガス噴出機構における前記孔部の径を、前記ピストンの圧縮空間側に設けられる前記ガス噴出機構における前記孔部の径よりも小さくした、請求項3に記載のスターリング機関。 The gas jetting mechanism in the gas bearing structure is formed by separating the back pressure space side and the compression space side in the piston,
The diameter of the hole in the gas ejection mechanism provided on the back pressure space side of the piston is smaller than the diameter of the hole in the gas ejection mechanism provided on the compression space side of the piston. The listed Stirling organization.
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