JP5038820B2 - スターリングサイクル機関 - Google Patents

Description

本発明は、スターリングサイクル冷却機又はスターリングサイクル発動機のようなスターリングサイクル機関に関するものである。

従来、この種のスターリングサイクル機関としては、シリンダ内部に摺動可能に挿入されたピストンと、前記シリンダの基端側の外周側に配置されて前記ピストンを往復駆動させる駆動装置（本願発明の電磁機構に相当する）とを備えたフリーピストン型スターリングサイクル機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。そして、前記駆動装置は、前記ピストンの基端に接続されると共に前記シリンダの基端側の外周に同軸状に延設された短筒状の支持体及びこの支持体に固定された永久磁石とから成る可動子と、前記永久磁石の外周に近接して設けられた環状の電磁コイル及び電磁コアと前記永久磁石の内周に近接して設けられた導磁部（本願発明の内ヨークに相当する）とから成る固定子とで構成されている。なお、前記導磁部は、通常、図１３に示すように、所定の形状に打ち抜かれた鋼板を、その面方向が中心軸に対して放射状となるように配列することで、全体として筒状に構成されている。また、フリーピストン型スターリング冷凍機の電磁往復駆動機構（本願発明の電磁機構に相当する）を構成する保持体に可動ヨーク（本願発明の内ヨークに相当する）を設け、この可動ヨークに永久磁石を取り付けたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。そして、このように前記可動ヨークに前記永久磁石を取り付けることで、これら可動ヨークと永久磁石の間隙が無くなり、この結果、磁束密度の減少が抑えられて、前記電磁往復駆動機構の出力密度が高められる。
特許第３７６９７５１号公報 特開２００４−１８０３７７号公報

しかしながら、このようなフリーピストン型スターリングサイクル機関においては、前記ピストンの外周側に前記駆動装置の可動子が配され、更にその外側に前記駆動装置の固定子が配されるので、スターリングサイクル機関全体の外径が大きくなってしまうという問題があった。そして、このようにスターリングサイクル機関の外径が大きくなってしまうと、内圧に耐えるためにケーシングの肉厚を厚くしなければならなくなるので、重量が増加してしまうばかりでなく、コストアップに繋がってしまうという問題があった。なお、電磁コイルの巻き数を減らして銅の量を減らすことで固定子の外径を小さくすることも可能であるが、このようにしてしまうと、前記コイルが発生させる磁界が弱くなるので、電磁機構の能力（駆動装置であれば機械動力の出力、発電装置であれば機械動力の発電量）が低下してしまうという問題が生ずる。また、電磁コイルを構成する電線の太さを細くすることで、電磁コイルの巻き数を確保しつつ銅の量を減らして固定子の外径を小さくすることも考えられるが、電線が細くなることによって銅損が増え、効率が悪化してしまうという問題も生ずる。

本発明は以上の問題点を解決し、安価で機関全体の外径が小さく且つ効率の高いフリーピストン型スターリングサイクル機関を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、シリンダと、このシリンダ内を往復動可能なピストンと、固定子と可動子とで構成される電磁機構とを有するスターリングサイクル機関において、前記シリンダの下端部近傍にマウントを形成し、このマウントに前記固定子を固定し、前記可動子が、磁束伝導性素材からなる内ヨークと、この内ヨークの外側に設けられた永久磁石とを有して構成されており、前記電磁機構の可動子と前記ピストンとを軸方向に配列し、前記電磁機構の固定子と前記シリンダとを軸方向に配列すると共に、前記可動子の外径を前記ピストンの外径以下に形成し、前記固定子の内径を前記シリンダの内径以上に形成したものである。

また、本発明の請求項２に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、請求項１において、前記可動子の永久磁石が、前記可動子を構成する可動子基部と前記ピストンとで挟まれて保持されているものである。

また、本発明の請求項３に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、請求項１又は２のいずれか１項において、前記ピストンの少なくとも前記可動子側を電気絶縁体で構成したものである。

更に、本発明の請求項４に記載のフリーピストン型スターリングサイクル機関は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記内ヨークが、複数の線材により構成されると共に、前記線材が前記可動子及びピストンの軸方向とほぼ平行に配列されるものである。

本発明の請求項１に記載のスターリングサイクル機関は、以上のように構成することにより、ピストンの外径及びシリンダの内径が同じであれば、従来の構造に比べて前記電磁機構の可動子の外径を小さくすることができ、これによって、この可動子の外側に位置する前記電磁機構の固定子の内径及び外径も小さくすることができ、ひいてはスターリングサイクル機関全体の外径を小さくすることができる。そして、前記可動子の外側に位置する前記固定子の内径及び外径が小さくなる場合、コイルを構成する電線の太さ及び巻き数、即ち電磁コイルの断面積が同じであれば、コイルの平均直径が小さくなるので、従来の構造に比べてコイル電線の長さを短くすることができる。従って、使用する銅の量を減らせるだけでなく、銅損も抑えて前記電磁機構の効率を向上させることができる。また、前記可動子の外径を前記ピストンの外径以下に形成することにより、前記ピストンと共に前記可動子が前記シリンダ側に移動したとしても、前記可動子が前記シリンダに接することが防止できる。また、前記固定子の内径を前記シリンダの内径以上に形成することにより、前記可動子と共に前記ピストンが前記固定子側に移動したとしても、前記ピストンが前記固定子に接することが防止できる。

また、前記ピストンと可動子基部とで前記可動子の永久磁石を挟持することで、前記ピストンと可動子とを一体化することができるので、前記ピストンと可動子を容易に組み立てることができるばかりでなく、前記スターリングサイクル機関の軸方向への寸法拡大を最小限に抑えることができる。

また、前記ピストンの少なくとも前記可動子側を電気絶縁体で構成したことにより、前記ピストンに渦電流が発生しないので、いわゆる渦電流損を抑えることができ、これによって、前記電磁機構の効率の低下を抑えることができる。

更に、前記内ヨークを複数の線材で構成すると共に、これらの線材を前記可動子及びピストンの軸方向とほぼ平行に配列することで、鋼板を筒状に且つ放射状に配列することで構成された従来の内ヨークに比べて、前記内ヨークの占積率を高くして前記電磁機構の磁束保持容量を高めることができる。逆に言えば、前記内ヨークの断面積が同じであれば、前記内ヨークの外径又は内径を従来の鋼板を用いた構造に比べてより小さくすることができ、これによって、前記可動子の外径、この可動子の外側に位置する前記固定子の内径及び外径、ひいてはスターリングサイクル機関全体の外径をより小さくすることができる。

以下、本発明の第一の実施例について、図１乃至図５に基づいて説明する。なお、本実施形態では、フリーピストン型スターリングサイクル機関の一例として、フリーピストン型のスターリングサイクル冷凍機を用いて説明する。また、以下の説明における上下は、図１の姿勢を基準とする。図１において、１はケーシングである。このケーシング１は、軸心Ｚを中心とした略円筒状に形成された円筒部２Ａとこの円筒部２Ａの下端に形成された円盤部２Ｂとを有する上ケーシング２と、スターリングサイクル冷凍機の胴部を形成する下ケーシング３とで構成される。前記上ケーシング２はステンレス鋼等からなり、前記円筒部２Ａの基部４と中間部５と先端部６と円盤部２Ｂが一体に形成されている。

前記ケーシング１の内部には軸心Ｚと同軸状にシリンダ７が設けられている。このシリンダ７は、アルミニウム等の金属を用いてフランジ状のマウント８及び接続用腕部９と一体に成形されたものである。また、前記マウント８は、前記シリンダ７の下端部近傍に、前記シリンダ７と一体に成形されている。そして、前記マウント８は、その一側面８Ａが、前記上ケーシング２の円盤部２Ｂの下面に形成された取付部２Ｃに当接して、この取付部２Ｃに対して螺子止めされるように構成されていると共に、その他側面８Ｂに、後述する電磁駆動機構１９（しばしば「リニアモータ」と呼ばれる）の固定子３５を構成する外ヨーク３８の上端が当接するように形成されている。更に、前記接続用腕部９は、前記マウント８から前記シリンダ７の軸方向とほぼ平行に且つ下方に延びて形成されていると共に、その先端（下端）には、雌螺子部９Ａが形成されている。そして、前記シリンダ７の先端部６側には、前記シリンダ７とは別体の延長シリンダ１０が軸心Ｚと同軸状に接続されている。そして、前記シリンダ７の先端側及び前記延長シリンダ１０の内側には、ディスプレイサー１１が軸（軸心Ｚ）方向に摺動可能に収容されている。また、このディスプレイサー１１の先端と前記円筒部２の先端部６の間には膨張室Ｅが形成されており、隙間１２によって前記延長シリンダ１０の内外が連通されている。また、前記中間部５において、前記円筒部２の内周と前記延長シリンダ１０の外周との間に再生器１３が設けられていると共に、前記基部４において、前記シリンダ７の内外を連通する連通孔１４が前記シリンダ７自体に形成されている。また、前記円筒部２の先端部６の内周と前記延長シリンダ１０の先端外周との間には、受熱部としての伝熱フィン１５が設けられると共に、前記再生器１３と連通孔１４の間において、前記円筒部２の内周と前記シリンダ７の外周との間に排熱部としての伝熱フィン１６が設けられている。そして、前記延長シリンダ１０の内部先端から隙間１２、伝熱フィン１５、再生器１３、伝熱フィン１６、連通孔１４を通って前記シリンダ７内の圧縮室Ｃに至る経路が形成されている。

更に、前記上ケーシング２の基部４及び前記下ケーシング３の内部には、可動子組立体１７が収容されている。この可動子組立体１７は、上側に設けられた略円筒状のピストン１８と、このピストン１８の下側に設けられた電磁機構としての電磁駆動機構１９の可動子２０とで構成されている。なお、前記ピストン１８は、前記可動子２０に対して軸心Ｚを中心として上に位置し同軸に連結されている。また、前記ピストン１８には、このピストン１８と同軸にロッド貫通孔２１が形成されており、このロッド貫通孔２１に、後述するディスプレイサーロッド３１が挿通されている。一方、前記可動子２０は、可動子基部を構成する基部本体２２と、この基部本体２２の外周に取り付けられる内ヨーク２３と、この内ヨーク２３の外周に取り付けられる永久磁石２４と、この永久磁石２４を軸方向に位置決めするためのスペーサ２５と、前記可動子基部を構成すると共に前記内ヨーク２３を前記基部本体２２に固定するための固定部材２６とで構成されている。また、前記基部本体２２の中央には、前記ロッド貫通孔２１に対応してロッド貫通孔２７が形成されている。そして、前記可動子２０の上端側となる前記固定部材２６に形成された雄螺子部２８を、前記ピストン１８の下端側からこのピストン１８内に挿入して、このピストン１８の内側に形成された雌螺子部２９に螺合させることで、図４に示すように、前記ピストン１８と前記可動子２０とが軸心Ｚと同軸に且つ軸方向に隣接して連結されている。また、前記永久磁石２４は、前記固定部材２６の雄螺子部２８を前記ピストン１８の雌螺子部２９に螺合させることで、前記内ヨーク２３及びスペーサ２５を介して間接的に、前記ピストン１８と基部本体２２（即ち可動子基部）に挟持される。このように、前記永久磁石２４を前記ピストン１８と基部本体２２とで挟持することで、前記永久磁石２４を前記可動子２０に容易に保持させることができ、これによって、前記可動子組立体１７を容易に組み立てることができるばかりでなく、前記ピストン１８と可動子２０とが軸方向に隣接することになるので、前記可動子組立体１７の軸方向への寸法拡大を最小限に抑えることができる。なお、前記ピストン１８の外径Ｒｐは、前記可動子２０の外径Ｒｍよりもやや大きく形成されている。

なお、前記ピストン１８は、電気絶縁体によって成形されている。また、前記スペーサ２５も、電気絶縁体によって成形されている。なお、前記スペーサ２５は、前記ピストン１８と同じ材質を用いて構成しても良い。

また、前記基部本体２２には、前記ピストン１８及び前記可動子２０の動作を制御するための第一の板バネ３０の中央部が接続されている。更に、前記ディスプレイサー１１の基端側には、このディスプレイサー１１の動作を制御するためのディスプレイサーロッド３１の一端が接続されていると共に、このディスプレイサーロッド３１の他端には複数の第二の板バネ３２の中央部が接続されている。なお、前記ディスプレイサーロッド３１は、前記ピストン１８のロッド貫通孔２１及び前記基部本体２２のロッド貫通孔２７を貫通して延びている。そして、前記第一の板バネ３０の外周部は、前記接続用腕部９の先端に当接している。また、前記第一の板バネ３０の外周部と前記第二の板バネ３２の外周部との間には、筒状のスペーサ３３が設けられている。そして、前記第二の板バネ３２、スペーサ３３及び第一の板バネ３０を貫通するボルト３４を前記接続用腕部９の雌螺子９Ａに螺合させることによって、前記第一の板バネ３０と第二の板バネ３２との間に間隔を設けた状態でこれらの板バネ３０，３２が前記接続用腕部９に固定されている。従って、前記下ケーシング３内において、前記第一の板バネ３０は、前記スペーサ３３の長さ分、第二の板バネ３２よりも前記シリンダ７の基端側の近くに配置されている。

３５は前記駆動機構１９の固定子である。この固定子３５は、ボビン３６に巻き付けられた電磁コイル３７と、この電磁コイル３７を上下から挟み込むように取り付けられる外ヨーク３８，３９とを有して構成されている。なお、前記外ヨーク３８，３９には、前記接続用腕部９を避けるように切欠部３８Ａ、３９Ａが形成されている。そして、前記固定子３５は、前記マウント８と固定リング４０との間に配されており、この固定リング４０を貫通するボルト４１を前記マウント８に形成された図示しない雌螺子に螺合させて締め付けることで、前記マウント８、ひいてはこのマウント８と一体に形成されている前記シリンダ７に固定される。なお、前記固定子３５の外ヨーク３８，３９には、前記ボルト４１を避けるように、図示しない切欠部が形成されている。そして、この状態において、図３に示すように、前記シリンダ７と前記固定子３５は軸心Ｚと同軸で且つ軸方向に並んで配されている。また、前記シリンダ７の内径Ｒｃは、前記固定子３５の内径Ｒｓよりもやや小さく形成されている。そして、前記可動子組立体１７のピストン１８は、前記シリンダ７内に摺動可能に挿入されていると共に、前記可動子組立体１７の可動子２０は、前記固定子３５の内側に位置する。

なお、前記下ケーシング３には、前記電磁駆動機構１９の固定子３５の電磁コイル３７に電力を供給するためのコネクタ４２が設けられている。

次に、本実施形態の作用について説明する。まず、前記コネクタ４２に図示しない電源コードを接続する。そして、前記ケーシング１の外に設けられた図示しない電源から、同じく図示しない駆動回路及び前記電源コードを介して、所定の周波数の交番電流を前記電磁駆動機構１９の固定子３５の電磁コイル３７に供給する。このように、前記電磁コイル３７に交番電流を流すことで、この電磁コイル３７から交番磁界が発生して前記外ヨーク３８，３９で集中し、この交番磁界によって、前記可動子２０の永久磁石２４を軸方向に往復動させる力が生じる。この力によって、前記永久磁石２４及び内ヨーク２３を有する前記可動子２０に接続されたピストン１８が前記シリンダ７内を軸方向に往復動する。このため、前記ピストン１８が前記ディスプレイサー１１に近づく方向に移動すると、ピストン１８の上部にある全ての気体が圧縮される。圧縮された気体はピストン１８の他側の気体の圧力よりも高い圧力を持つので、ディスプレイサーロッド３１上に動力が生じ、それにより気体を動かすようにディスプレイサー１１を動かす。圧縮室Ｃ内の温かい気体は前記連通孔１４、伝熱フィン１６、再生器１３、伝熱フィン１５、隙間１２を通り、前記ディスプレイサー１１の先端と円筒部２の先端部６の間に形成された膨張室Ｅに至る。一方、前記ピストン１８が前記ディスプレイサー１１から遠ざかる方向に移動すると、前記ピストン１８上の気体が減圧された圧力を受けることになってディスプレイサー１１が反対に動き、前記膨張室Ｅ内の気体が、この膨張室Ｅから前記隙間１２、伝熱フィン１５、再生器１３、伝熱フィン１６、連通孔１４を通って前記圧縮室Ｃに還流する。このような工程中において二つのほぼ等温の変化とほぼ等体積の変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室Ｅの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Ｃの近傍は高温となる。

なお、前述したように、本願発明では、前記ピストン１８と前記電磁駆動機構１９の可動子２０とが軸方向に隣接して配置されていると共に、前記シリンダ７と前記電磁駆動機構１９の固定子３５とが軸方向に隣接して配置されていることで、内側から外側に向かってほぼ同軸に、ピストン１８´、シリンダ７´、内ヨーク２３´（従来の構造では固定子３５´に含まれる）、可動子２０´、固定子３５´の順に配置される従来の構造に比べて、前記可動子２０の外径Ｒｍを小さくでき、これに伴って、この可動子２０の外側に位置する前記固定子３５の内径Ｒｓ及び外径も小さくできるので、スターリングサイクル冷凍機の胴部の径を小さくすることができる。即ち、図５に示すように、前記ピストン１８の外径Ｒｐ及び前記シリンダ７の内径Ｒｃが従来構造のピストン１８´の外径Ｒｐ´及びシリンダ７´の内径Ｒｃ´と同じであれば（Ｒｐ＝Ｒｐ´、Ｒｃ＝Ｒｃ´）、従来構造のシリンダ７´と内ヨーク２３´と可動子２０´の分、前記固定子３５の内径Ｒｓを従来構造の固定子３５´の内径Ｒｓ´よりも小さくすることができる。（なお、本発明における前記固定子３５の内径Ｒｓの従来構造における固定子３５´の内径Ｒｓ´に対する減少量は、厳密には、従来構造における各要素間の間隙や、前記シリンダ７の外径Ｒｃと前記固定子３５の内径Ｒｓとの差も考慮する必要がある。）そして、このように前記固定子３５の内径Ｒｓ及び外径が従来の構造に比べて小さくできることで、前記固定子３５に巻かれる前記電磁コイル３７を構成する電線の太さ及び巻き数を従来の構造と同じにした場合、前記電磁コイル３７を構成する電線の長さを従来の構造に比べて短くでき、これによって、銅損を低減させて、電力効率を向上させると共に質量を減らすことができる。一方、前述したように、前記ピストン１８と前記電磁駆動機構１９の可動子２０とが軸方向に配置されていると共に、前記シリンダ７と前記電磁駆動機構１９の固定子３５とが軸方向に配置されていることにより、スターリングサイクル冷凍機の軸方向の寸法が長くなってしまう虞があるものの、前記ピストン１８と可動子２０とが隣接していると共に、前記シリンダ７と固定子３５とが隣接していることにより、前記スターリングサイクル冷凍機の軸方向への寸法拡大を最小限に抑えることができる。

そして、前述したように、前記シリンダ７の内径Ｒｃが、前記固定子３５の内径Ｒｓよりもやや小さく形成されていると共に、前記ピストン１８の外径Ｒｐが、前記可動子２０の外径Ｒｍよりもやや大きく形成されていることで、前記可動子２０の永久磁石２４が前記シリンダ７の内面に摺接しないようにでき、また、前記ピストン１８も、前記固定子３５の外ヨーク３８，３９の内面に摺接しないようにできる。従って、駆動時に何らかの原因で前記ピストン１８及び可動子２０がオーバーストロークしてしまった場合に、或いは組立時に、前記ピストン１８が前記外ヨーク３８，３９の内面に摺接して前記ピストン１８が傷付いたり破損したりすることを防止できると共に、前記永久磁石２４が前記シリンダ７の内面に摺接して前記シリンダ７或いは前記永久磁石２４が傷付いたり破損したりすることを防止できる。

更に、前記ピストン１８が電気絶縁体で形成されていることによって、前記固定子３５が発生させる磁界に往復動する前記ピストン１８が入ったとしても、このピストン１８に渦電流が発生しないので、渦電流に起因するエネルギー損失、いわゆる渦電流損を抑制することができ、これによって、前記電磁駆動機構１９の効率を改善することができる。

以上のように本実施形態は、シリンダ７と、このシリンダ７内を往復動可能なピストン１８と、このピストン１８を往復動させる電磁機構としての電磁駆動機構１９とを有するスターリングサイクル機関としてのフリーピストン型スターリングサイクル冷凍機において、可動子２０を、導磁性素材の内ヨーク２３の外側に永久磁石２４が配置されるように構成し、前記電磁駆動機構１９を構成する前記可動子２０と前記ピストン１８とを軸心Ｚの軸方向に配置すると共に、前記電磁駆動機構１９を構成する固定子３５と前記シリンダ７とを軸方向に配置することで、前記電磁駆動機構１９の可動子２０の外径Ｒｍを小さくすることができ、これによって、前記可動子２０の外側に設けられる前記固定子３５の外径、ひいてはスターリングサイクル冷凍機全体の外径を小さくすることができるものである。そして、前記可動子２０の外側に位置する前記固定子３５の内径Ｒｓ及び外径が小さくなることで、従来の構造に比べて、前記電磁コイル３７を構成する電線の太さ及び巻き数、即ち前記電磁コイル３７の断面積を変えずにコイル電線の長さを短くすることができるので、銅損を抑えて前記電磁駆動機構１９の効率を向上させることができる。

また、前記ピストン１８と前記可動子２０の可動子基部を構成する前記基部本体２２とで、前記可動子２０を構成する前記永久磁石２４を挟持することで、前記ピストン１８と可動子２０とを一体化して前記可動子組立体１７を構成することができるので、前記ピストン１８と可動子２０を容易に組み立てることができるばかりでなく、前記ピストン１８が前記可動子２０に直接固定されることで前記ピストン１８が前記可動子２０と隣接するので、前記スターリングサイクル冷凍機の軸方向への寸法拡大を最小限に抑えることができる。

また、前記可動子２０の外径Ｒｍを前記ピストン１８の外径Ｒｐ以下（Ｒｍ≦Ｒｐ）、望ましくは、前記可動子２０の外径Ｒｍを前記ピストン１８の外径Ｒｐよりも小さく（Ｒｍ＜Ｒｐ）形成することにより、前記ピストン１８と共に前記可動子２０が前記シリンダ７内に入ったとしても、前記可動子２０が前記シリンダ７に接して前記可動子２０やシリンダ７が傷付いたり破損したりすることが防止できるものである。

また、前記固定子３５の内径Ｒｓを前記シリンダ７の内径Ｒｃ以上（Ｒｓ≧Ｒｃ）、望ましくは、前記固定子３５の内径Ｒｓを前記シリンダ７の内径Ｒｃよりも大きく（Ｒｓ＞Ｒｃ）形成することにより、前記可動子２０と共に前記ピストン１８が前記固定子３５内に入ったとしても、前記ピストン１８が前記固定子３５に接してこの固定子３５や前記ピストン１８が傷付いたり破損したりすることが防止できるものである。

更に、前記ピストン１８を電気絶縁体によって構成したことにより、前記ピストン１８が往復動して前記固定子３５が発生させる磁界に入ったとしても、前記ピストン１８に渦電流が発生せず、従って、渦電流損を抑制することができ、これによって、前記電磁駆動機構１９の効率を向上させることができる。

次に、本発明の第二の実施形態について、図６に基づいて説明する。なお、本実施形態と第一の実施形態とは可動子組立体５０以外の構成が共通すると共に、作用も共通するので、それらの共通する構成及び作用については説明を省略する。前記可動子組立体５０は、上側に設けられた略円筒状のピストン１８と、このピストン１８の下側に設けられた電磁機構としての電磁駆動機構５１の可動子５２とで構成されている。なお、前記ピストン１８は、前記可動子５２に対して同軸に連結されている。一方、前記可動子５２は、可動子基部を構成する基部本体５３と、この基部本体５３の外周に取り付けられる内ヨーク５４と、この内ヨーク５４の外周に取り付けられる永久磁石２４と、この永久磁石２４を軸方向に位置決めするためのスペーサ５５と、前記可動子基部を構成すると共に前記内ヨーク５４を前記基部本体５３に固定するための固定部材２６とで構成されている。なお、前記スペーサ５５は、前記ピストン１８と同様に、電気絶縁体によって形成されている。また、前記基部本体５３の中央には、前記ピストン１８のロッド貫通孔２１に対応してロッド貫通孔５６が形成されている。そして、前記可動子５２の上端側となる前記固定部材２６に形成された雄螺子部２８を、前記ピストン１８の下端側からこのピストン１８内に挿入して、このピストン１８の内側に形成された雌螺子部２９に螺合させることで、前記ピストン１８と前記可動子５２とが同軸に且つ軸方向に隣接して連結されている。また、前記永久磁石２４は、前記固定部材２６の雄螺子部２８を前記ピストン１８の雌螺子部２９に螺合させることで、前記スペーサ５５を介して間接的に、前記ピストン１８と基部本体５３（即ち可動子基部）に挟持される。このように、前記永久磁石２４を前記ピストン１８と基部本体５３とで挟持することで、前記永久磁石２４を前記可動子５２に容易に保持させることができ、これによって、前記可動子組立体５０を容易に組み立てることができるばかりでなく、前記ピストン１８と可動子５２とが軸方向に隣接することになるので、前記可動子組立体５０の軸方向への寸法拡大を最小限に抑えることができる。なお、前記ピストン１８の外径Ｒｐは、前記可動子５２の外径Ｒｍよりもやや大きく形成されている。

次に、本発明の第三の実施形態について、図７に基づいて説明する。なお、本実施形態と上述した各実施形態とは可動子組立体６０以外の構成が共通すると共に、作用も共通するので、それらの共通する構成及び作用については説明を省略する。前記可動子組立体６０は、上側に設けられた略円筒状のピストン１８と、このピストン１８の下側に設けられた電磁機構としての電磁駆動機構６１の可動子６２とで構成されている。なお、前記ピストン１８は、前記可動子６２に対して同軸に連結されている。一方、前記可動子６２は、可動子基部を構成する基部本体６３と、この基部本体６３の外周に取り付けられる内ヨーク５４と、この内ヨーク５４の外周に取り付けられる永久磁石２４と、前記可動子基部を構成すると共に前記内ヨーク５４を前記基部本体６３に固定するための固定部材２６とで構成されている。なお、前記基部本体６３は、前記ピストン１８と同様に、電気絶縁体によって形成されている。また、前記基部本体６３の中央には、前記ピストン１８のロッド貫通孔２１に対応してロッド貫通孔６５が形成されている。そして、前記可動子６２の上端側となる前記固定部材２６に形成された雄螺子部２８を、前記ピストン１８の下端側からこのピストン１８内に挿入して、このピストン１８の内側に形成された雌螺子部２９に螺合させることで、前記ピストン１８と前記可動子６２とが同軸に且つ軸方向に隣接して連結されている。また、前記永久磁石２４は、前記固定部材２６の雄螺子部２８を前記ピストン１８の雌螺子部２９に螺合させることで、前記ピストン１８と基部本体６３（即ち可動子基部）に直接挟持される。このように、前記永久磁石２４を前記ピストン１８と基部本体６３とで挟持することで、前記永久磁石２４を前記可動子６２に容易に保持させることができ、これによって、前記可動子組立体６０を容易に組み立てることができるばかりでなく、前記ピストン１８と可動子６２とが軸方向に隣接することになるので、前記可動子組立体６０の軸方向への寸法拡大を最小限に抑えることができる。また、前記基部本体６３が電気絶縁体によって形成されているので、前記基部本体６３のうち前記内ヨーク５４の外側及び下方を覆う部分が、前記固定子３５が発生させる磁界に入ったとしても、前記基部本体６３に渦電流が発生せず、渦電流に起因するエネルギー損失、いわゆる渦電流損を抑制することができ、これによって、前記電磁駆動機構６１の効率を向上させることができる。なお、前記ピストン１８の外径Ｒｐは、前記可動子６２の外径Ｒｍよりもやや大きく形成されている。

次に、本発明の第四の実施形態について、図８及び図１２に基づいて説明する。なお、本実施形態と上述した各実施形態とは可動子組立体７０以外の構成が共通すると共に、作用も一部共通するので、それらの共通する構成及び作用については説明を省略する。前記可動子組立体７０は、上側に設けられた略円筒状のピストン１８と、このピストン１８の下側に設けられた電磁機構としての電磁駆動機構７１の可動子７２とで構成されている。なお、前記ピストン１８は、前記可動子７２に対して同軸に連結されている。一方、前記可動子７２は、可動子基部を構成する基部本体７３と、この基部本体７３の外周に配される内ヨーク７４と、この内ヨーク７４の外周に取り付けられる永久磁石２４と、この永久磁石２４を軸方向に位置決めするためのスペーサ５５と、前記可動子基部を構成すると共に前記内ヨーク７４をスペーサ７５を介して前記基部本体７３に固定するための固定部材７６とで構成されている。なお、前記スペーサ５５，７５は、前記ピストン１８と同様に、電気絶縁体によって形成されている。そして、前記基部本体７３の中央には、前記ピストン１８のロッド貫通孔２１に対応してロッド貫通孔７７が形成されている。また、前記内ヨーク７４は、所定の長さに揃えられた複数の直線状の線材７４Ａを全体として筒状となるように配列することで構成されている。なお、これらの直線状の線材７４Ａは、表面に電気絶縁層（例えば酸化被膜）が形成された電磁鋼（珪素鋼等）から構成され、より高い占積率を得るために、断面形状を円形或いは占積率が高くなる他の形状とすると共に、前記ピストン１８及び可動子７２の軸方向に対して平行となるように配列されている。なお、円形以外で占積率が高くなる断面形状を有する線材として、例えば図１０に示すように、断面形状が正六角形となる線材７４Ｂを用いたり、図１１に示すように、断面形状が正方形となる線材７４Ｃを用いたり、図１２に示すように、断面形状が正三角形となる線材７４Ｄを用いたりしてもよい。また、前記線材７４Ａの断面は、渦流損を最小限にするような形状を選択する。そして、前記可動子７２の上端側となる前記固定部材７６に形成された雄螺子部７８を、前記ピストン１８の下端側からこのピストン１８内に挿入して、このピストン１８の内側に形成された雌螺子部２９に螺合させることで、前記ピストン１８と前記可動子７２とが同軸に且つ軸方向に隣接して連結されている。また、前記永久磁石２４は、前記固定部材７６の雄螺子部７８を前記ピストン１８の雌螺子部２９に螺合させることで、下方の前記スペーサ５５を介して間接的に、前記ピストン１８と基部本体７３（即ち可動子基部）に挟持される。このように、前記永久磁石２４を前記ピストン１８と基部本体７３とで挟持することで、前記永久磁石２４を前記可動子７２に容易に保持させることができ、これによって、前記可動子組立体７０を容易に組み立てることができるばかりでなく、前記ピストン１８と可動子７２とが軸方向に隣接することになるので、前記可動子組立体７０の軸方向への寸法拡大を最小限に抑えることができる。なお、前記ピストン１８の外径Ｒｐは、前記可動子７２の外径Ｒｍよりもやや大きく形成されている。

次に、本実施形態の作用について説明する。本実施形態では、前述したように前記内ヨーク７４を複数の直線状の線材７４Ａで構成すると共に、これらの線材７４Ａが前記可動子７２及びピストン１８の軸方向に対してほぼ平行となるように配列することで、鋼板を筒状に且つ放射状に配列して構成された従来の内ヨークに比べて、前記内ヨーク７４全体が占める空間の断面積に対する前記線材７４Ａの総断面積（占積率）を高くして、前記電磁駆動機構７１の効率を高めることができる。逆に言えば、前記内ヨーク７４を構成する線材７４Ａの総断面積が従来構造の内ヨークを構成する鋼板の総断面積と同じであれば、前記内ヨーク７４の外径を従来構造の内ヨークの外径に比べてより小さくすることができ、これによって、前記可動子７２の外径Ｒｍ、この可動子７２の外側に位置する前記固定子３５の内径Ｒｓ及び外径、ひいてはスターリングサイクル機関全体の外径をより小さくすることができる。（なお、この場合の断面積とは、前記ピストン１８及び可動子７２の軸（軸心Ｚ）に対して直交する方向に切断した場合の断面積である。）以下、上記各実施形態の作用と共通するので、説明を省略する。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施形態では、スターリングサイクル機関の一例として、逆スターリングサイクルと呼ばれるサイクルを応用したフリーピストン型のスターリングサイクル冷凍機を用いて説明したが、動力を作り出すスターリングサイクルを応用したスターリングサイクル機関（発動機又は「プライムムーバー（原動機）」と呼ばれるもの）に適用してもよい。（この場合、電磁機構は、上記各実施形態に記載された電磁駆動機構ではなく、しばしば「リニア交流発電機」と呼ばれる発電機となる。）また、上記実施形態では、前記ピストンと可動子とが隣接して設けられているが、要は前記ピストンと可動子とが同軸状に且つ軸方向に配列されていればよいので、前記ピストンと可動子との間にスペーサ等が入ってもよい。それゆえ、リニアコンプレッサー又はその他の同様のリニア動力機器に応用することも可能である。同様に、上記実施形態では、前記シリンダと固定子とが隣接して設けられているが、要は前記シリンダと固定子とが同軸状に且つ軸方向に配列されていればよいので、前記シリンダと固定子との間にスペーサ等が入ってもよい。また、上記第三の実施形態において、基部本体のうち、内ヨークの外側及び下方を覆う部分が磁界中に入る可能性がないのであれば、前記基部本体を金属で構成してもよい。更に、上記実施形態では、前記ピストン全体を電気絶縁体で構成したが、要は渦電流の発生を抑制できればよいので、前記ピストンのうち前記固定子が発生させる磁界内に入る可能性のある前記可動子側の部分のみを電気絶縁体で構成するようにしてもよい。

Claims (4)

1. シリンダと、このシリンダ内を往復動可能なピストンと、固定子と可動子とで構成される電磁機構とを有するスターリングサイクル機関において、
   前記シリンダの下端部近傍にマウントを形成し、このマウントに前記固定子を固定し、前記可動子が、磁束伝導性素材からなる内ヨークと、この内ヨークの外側に設けられた永久磁石とを有して構成されており、前記電磁機構の可動子と前記ピストンとを軸方向に配列し、前記電磁機構の固定子と前記シリンダとを軸方向に配列すると共に、前記可動子の外径を前記ピストンの外径以下に形成し、前記固定子の内径を前記シリンダの内径以上に形成したことを特徴とするスターリングサイクル機関。
2. 前記可動子の永久磁石が、前記可動子を構成する可動子基部と前記ピストンとで挟まれて保持されていることを特徴とする請求項１記載のスターリングサイクル機関。
3. 前記ピストンの少なくとも前記可動子側を電気絶縁体で構成したことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のスターリングサイクル機関。
4. 前記内ヨークが、複数の磁束伝導性線材により構成されると共に、前記線材が前記可動子及びピストンの軸方向とほぼ平行に配列されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスターリングサイクル機関。
   

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