JP2000515612A - 熱機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱機関は従来より公知である。これら熱機関は、通常、理論的に最も有利な圧力−容積サイクルに関する機関とはかなり相違し、あるいは複雑な構造を有している。本発明の目的は、こうした欠点を排除し、新規な熱機関を達成することにある。本発明の利点は、圧力−容積サイクルの理想的な同調に近いこと、組込型の動力制御であることおよび、機械損失が非常に小さいことを含む。これは、逆向きにリンク結合したコネクティングロッド(9)と４チャンバー型のシリンダおよびクランクシャフト(7)によって達成され、クランクシャフトには挿入可能な転がり要素を有する転がり接触軸受が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 熱機関 本発明は、請求項１前文において定義された熱機関に関するものである。 閉じたカルノーサイクル過程によって機能する熱機関は、エンジンまたは冷凍 機として用いることができ、これらは熱エネルギーまたは機械的エネルギーのい ずれかを用いて起動することによる。作動ガスは機関の閉鎖系内に収容される。 有用な熱力学的過程を得るために、ガスは、機関の種々のチャンバー内で、圧 縮、伝達、膨張および初期状態への復帰の各段階を受ける。機関の効率は、その 同調の精度に依存する。ピストン間の位相シフトを実行するため、例えば二本の クランクシャフトとレバー機構を有して機能する菱形クランク機構が開発されて いる。 従来のエンジンは、圧力−容積サイクルに関して以下の欠点を有する。すなわ ち、従来のエンジンは、理論的に最も有利な値とはかなり相違していること、ま たはこれらエンジンが複雑なことである。さらに、複雑な菱形クランク機構を設 けたエンジンにおいては、周期的な段階の調整が不正確である。 本発明の目的は、上述した欠点の無い新しい形式の熱機関を達成することにあ る。これを実行するために、本発明による熱機関は、請求項１の特徴記載部分で 示される特徴を有する。 本発明の利点は、圧力−容積サイクルの理想的な同調に近いこと、機械的損失 が小さいことおよび、比較的単純な構造であることと見なすことができることに ある。本発明による解決策により、サイクル過程の正確な同調が、ピストンの「 伸びきった」上死点を用いることにより達成される。さらに、本発明による組込 型の動力制御回路は、実施が簡単である。 以下、添付図面を参照することにより、実施例を補助として、本発明を詳細に 説明する。 図１は、本発明による熱機関の動作を示すグラフである。 図２は、本発明による熱機関の構造を、ピストンを通る平面に沿った断面で示 す図である。 図３は、本発明による熱機関を用いた動力調整システムを模式的に示す図であ る。 図示の熱機関は、５シリンダ型（図１のシリンダ21〜25）のスターリングエン ジンである。 図２の断面図は、４個のチャンバー、すなわち加熱チャンバー１、圧縮チャン バー３および圧力平衡チャンバー２，４を有するシリンダを示し、これらチャン バーは相互に接続している(図１および図３参照)。圧縮チャンバー３は加熱チャ ンバー１と144°の遅れで接続している(図１参照)。ピストン26，27が同じ一つ のロッド６に取り付けられている。ピストンロッド６には、圧力平衡チャンバー ４とクランクケース28との間のシール材29が設けられ、コネクティングロッド９ が、ピストンロッド６と逆向きになるように、すなわちピストンとは逆方向に、 フォーク6aおよびブラケット8aを介してリンク結合している。 逆向きにリンク結合した短いコネクティングロッド９は、サイクル過程の正確 な同調を可能とする。なぜならば、加熱チャンバー１および圧縮チャンバー３の 「延びきった」上死点での容積は、図１のピストン動作曲線の緩やかな頂点ｈで 最小となるからである。第一のシリンダ21においてピストンが低い位置にあると き、第三のシリンダ23にあるピストンは最高位置にある(図１参照)。クランクシ ャフトが72°回転すると、圧縮チャンバー３の容積は1/2に減少し、一方加熱チ ャンバー１の体積は同じに保たれる(等温変化、シリンダ22，24)。次の72°の回 転の間、圧縮されたガスは圧縮チャンバーから同体積で加熱チャンバーへ流入す る(等容変化、シリンダ23，25)。次の72°の回転の間には、ガスは加熱チャンバ ー内で等温膨張する。すなわち、圧縮チャンバーの容積は変化しない(シリンダ2 4，21)。最後の144°の回転の間には、ガスは加熱チャンバーから同体積で圧縮 チャンバーへ流入する(等容冷却、シリンダ25，22，21，23)。圧縮チャンバー３ における圧縮比はシリンダの数およびコネクティングロッドの相対長さに依存す る。フォーク6aおよびブラケット8aの代わりに、二本のクランクシャフトと、こ れらをピストンロッドと接続するＴ字型ジョイントからなるツインクランクシャ フト構造を使用することも可能である。 スターリングエンジンの動力制御システムを図示する模式図（図３）は、動力 制御のために用いる動力制御ユニット31を示す。ここではチャンバー２および４ が相互に接続し、また圧力リザーバ32とも接続している。さらに、シリンダーの 各チャンバーは、図３に示すように互いに接続している。 動力制御ユニット31において、各シリンダのチャンバー２は、弁13を通してチ ャンバー４と接続し、それによってガスはこの弁を経てチャンバー４からチャン バー２へと流れる。チャンバー４は、ばねで付勢された減圧弁11を通して圧力リ ザーバ32と、また圧力制御された可変チェック弁12を通してチャンバー２と接続 する。弁13はポンプ弁として作用する。 出力される動力は、機関内のガス循環量の増加または減少によって、以下のよ うに制御される。 動力制御ユニット31を通して相互に接続するチャンバー２，４の総容積は、現 実には不変を維持する。動力が最大の場合において、チャンバー２および４なら びに圧力リザーバ32は圧力が等しい。動力を減少させるためには、チェック弁12 のばね圧力を減少させ、かつチャンバー２間の自由な流れを防ぐ。その間、同時 にチャンバー２にはポンプとして作用する力が加えられる。動作ガスはチャンバ ー２および４を通過して圧力リザーバ32へ流入する。ピストンが、チャンバー３ および４がチャンネル５を介して相互に接続するまで低い位置にあるとき、圧縮 チャンバーの圧力は、チャンバー２および４の圧力と平衡化される。同時に、チ ャンネル５はガス漏れの負の効果を排除する。 リザーバ圧力および制御圧力が弁12のばね圧力を越えたときには、弁12は解放 され、機関は選択した動力レベルで作動することとなる。動力は弁11を通して増 加する。弁のばね圧力を減少させることにより、正圧を有するガスはリザーバ32 から機関内へと流れ、動力が減少するときまで等しく分配される。ばね圧力がリ ザーバの過圧を越えるとき、弁11は閉鎖することとなる。 機械損失を減少させ、かつ始動時の損傷を避けるため、クランクシャフト７に は、挿入可能な転がり要素を有する転がり軸受30が設けられている。主軸受の外 側リングならびにコネクティングロッドはクランクシャフト上を滑動し、そこか ら転がり要素は溝10を経て挿入される。ピストンロッド上のシール材29はア コーディオン型の螺旋形状をなし、その半分は右巻きであり、他の半分は左巻き である。ばね状の構造はまた、突出したピストンロッドによる静的な不釣り合い を減少させる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．閉じたサイクル過程の原理によって作動する熱機関であって、 コネクティングロッド(9)がピストンロッド(6)と逆向きにリンク結合し、それ によって加熱チャンバー(1)および圧縮チャンバー(3)の容積が、ピストンの動作 曲線中に形成される穏やかな頂点(h)で最小となることを特徴とする熱機関。 ２．請求項１記載の熱機関において、 前記ピストンが低い位置にあるときに、前記ピストン下のチャンバー(2,4)が 加圧されて圧縮チャンバー(3)と等しい圧力を有することを特徴とする熱機関。 ３．請求項１記載の熱機関において、 前記ピストン下のチャンバー(2,4)が、前記圧縮チャンバーと協動して動力制 御圧縮機または圧力チャンバーとして作用することを特徴とする熱機関。 ４．請求項１記載の熱機関において、 クランクシャフト(7)に挿入可能な転がり要素がはめ込まれていることを特徴 とする熱機関。 ５．多数のシリンダを有し、動力を動力制御ユニット(31)およびこれと接続した 圧力リザーバ(32)によって制御する、請求項１記載の熱機関であって、 前記動力制御ユニットが、前記各シリンダに圧力制御型チェック弁(12)を具え 、前記弁(12)を、ポンプ弁(13)の補助により減圧弁(11)と同期させて制御するこ とを特徴とする熱機関。 ６．請求項１記載の熱機関において、 圧力を平衡させるために、圧力平衡チャンバー(2,4)にチャンネル(5)を固定し 、またはピストンロッドに孔部を設けたことを特徴とする熱機関。 ７．請求項１記載の熱機関において、 クランクケースとシリンダチャンバーとの間のシール材(29)がアコーディオン型 の螺旋形状をなし、その半分が右巻きで、他の半分が左巻きであることを特徴と する熱機関。