JP2001525904A - スターリングサイクル機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スターリングサイクル機械がシリンダ１２の中を往復動するピストン１１を有し、このピストン１１とシリンダ１２の端の間に高温室２３を形成する。この高温室２３中の作動流体に対する熱交換は、この作動流体がこの高温室２３の外部でその室２３に連通する流路２４にある間に行う。このピストン１１は、高温室２３の表面３１を形成する凹形円頂部を有する。シールを、このピストン１１の上部周辺周りに形成した、このピストン１１の一般的直径より大きい直径のランド３３およびこのランド３３とシリンダ壁の間の隙間に沿う作動流体の自由流れを中断するためにこのランド３３に作った少なくとも一つの環状溝３６によって備える。

Description

【発明の詳細な説明】 スターリングサイクル機械 この発明は、スターリングサイクル機械、特に、そのような機械に使用するピ ストンに関する。スターリングサイクル機械と言うとき、スターリングサイクル に類似するが、古典的スターリングサイクルの個々の位相の幾らかが重複および 併合したサイクルで作動する機械を含める。この発明は、主として、加えた熱か ら機械的動力を発生するスターリングサイクルヒートエンジンを参照して説明す るが、スターリングサイクルヒートポンプにも当てはまる。典型的に、この発明 は、屡々ディスプレーサと称する種類のピストンに適用する。代替案としてまた はそれに加えて、押しのけ容積の高温端に結合した別のパワーピストンを有する 種類のスターリングサイクルエンジンでは、この発明をこのパワーピストンに適 用してもよい。この発明は、主としてそのディスプレーサピストンへの応用に関 連して説明する。 スターリングサイクルエンジンは、内燃機関に比べてよく知られる魅力を有す るが、幾つかの実際的難点のために一般的には採用されていない。そのような難 点の一つは、従来の潤滑剤が使用できない環境に於けるこのエンジンの高温端で のシリンダ内のピストンに対する効果的長寿命シールの供給である。一つの慣習 は、深いドーム形円頂部のピストンを使い、シールをこの円頂部の十分下に設け 、それによって主高温部から十分離すことである。しかし、このピストンの周り の環状隙間の丸みが付き且つ発散する上部は、高温給気ガスがこのシリンダ壁と ピストンの間の環状部に入るのを促進する。この環状部でポンプ損失が起こる。 その上、高温ガスのこの環状部への移動は、熱をこのシールの方へ下へ移す傾向 があり、このシールの寿命および効率を減らす。また、ピストンが往復動すると 、ピストンが上死点近くにあるときの高温シリンダ壁からピストンへの一般的に 伝導性の熱伝達およびピストンが下死点近くにあるときの加熱ピストンからシリ ンダ壁の冷たい部分への対応する熱伝達によって、シャトル損失が起こる。 この発明の目的は、ピストンの改良した構成を提供することである。 この発明の一つの態様によれば、スターリングサイクル機械で、ピストンがこ の機械の高温室を形成するシリンダの中で往復動し、この高温室の中の作動流体 に対する熱交換をこの作動流体がこの高温室の外部でその室に連通する流路にあ る間に行い、このピストンが高温室の表面を形成する凹形円頂部を有する機械に 於いて、このピストンの凹形円頂面がこのピストンの円筒形外面と結合してこの ピストンに対する鋭い周辺縁を形成することを特徴とする。 このピストンの上死点で、この高温室内の容積を小さく確立するために、この 高温室を形成するシリンダの端壁が全体として対応する凸形内面を有する。 この発明の第２の態様によれば、この発明が明確に関係する種類のスターリン グ機械は、このピストンが、このピストンの上部周辺周りの一般的直径より大き い直径のランドを包含することを特徴とする。 添付の図面を参照してこの発明の実施例を説明する。それらの図面で： 図１は、２シリンダ・スターリングサイクルエンジンの全体的配置と僅かな詳 細を示す側面立面図であり； 図２は、図１の線II−IIによる断面図で、シリンダの一つ、即ちディスプレー サシリンダの詳細を示し； 図３は、図１の線III−IIIによる断面図で、パワーピストンを組込んだ他のシ リンダを通る断面を示し、図２および図３は、大まかには互いの鏡像として示し ；および 図４は、ピストンの詳細を示す。 図２のディスプレーサシリンダの詳細を、最初に図１を幾らか相互参照して説 明する。ディスプレーサピストン１１をディスプレーサシリンダ１２内で往復動 するように構成する。図示する構成は、多くの点でＷＯ９１／１６５３４に記載 されているものに対応する。特に、非常に深いピストン１１を上軸受１４および 下軸受１５によって支柱管１３上で案内する。シリンダ１２の内面それ自体は、 ピストン案内のために直接は使わない。このピストンの下縁周りのシール装置１ ６がこのピストンの上高温端から十分離れている。このピストンの垂直運動を、 プッシュロッド１７、クランクレバー１９の一部を形成するロッカーアーム１８ 、このクランクレバーおよびコンロッド２１を介してクランク軸２０に結合する 。 この構成は、多くの点でＷＯ９１／１６５３３に記載されているものに対応し、 このエンジンの従来通りに潤滑したクランクと関連部品の間のシールおよび必要 なオイルレスピストン装置を部分球形のフェースシール２２によって形成可能に する。 更なる機械的詳細は、上に引用する既刊の特許文献から確立できるので、説明 しない。 ピストン１１の上のシリンダ１２内の空間がこのエンジンのための高温作動室 ２３を形成する。ダクト２４がこの高温作動室２３から、燃焼燃料またはその他 の熱源からの熱をこの作動ガスへ伝えられるようにする加熱器２５へ続く。ピス トン１１の下の空間２６がこのエンジンのための低温作動室を形成する。低温ガ ス源は、後に図３に関連して説明する。 図３に示すように、パワーピストン５１がパワーシリンダ５２内を往復動可能 であり、支柱管５３で案内されている。パワーピストン５１の垂直運動を、大ま かにはディスプレーサピストン１１をクランク軸２０に結合するのと同じ方法で 、同じクランク軸に結合する。便宜上、これら二つのクランク軸結合をそれらが 相互に同相であることを示唆するような方法で示すが、実際には、従来スターリ ングエンジンの作動に要求するように、それらを互いに適当な位相角に設定する 。 冷却器５４をパワーピストン５１の直ぐ上に配置し、再生器５５をこの冷却器 ５４の上に配置する。 図１、図３および図３の比較によって示すように、高温作動室２３からダクト ２４および加熱器２５を通って更なるダクト５６へ、そこから今度は再生器５５ および冷却器５４を通ってピストン５１の上のパワーシリンダ５２の作動容積へ 達する作動ガスのための接続がある。更なるダクト５８が作動容積５７と図２に 示す低温空間２６の間を連絡する。このダクトの連続性を示すために、図２と図 ３の両方で参照番号５８を使う。 作用は、この種のスターリングエンジン配置に普通の通りである。ディスプレ ーサピストンが作動流体を、高温作動室２３と低温作動室２６の間で、加熱器、 再生器および冷却器を介して、交互に移動させる。この作動ガスが高温作動室２ ３の中で優勢であるとき、このガスの大部分は高温であり比較的高圧が生じ、一 方、このピストンが上死点にあり且つ作動ガスが低温作動室の中で優勢であると き、それは低圧になっている。この高圧作動ガスをパワーピストンの下方行程に よって膨張させることによって、このエンジンから仕事を取出す。次に、このパ ワーピストンを一般的に低温且つ低圧の作動流体で持上げ、圧縮中は、膨張中に 取出した仕事より幾らか少ない仕事を加えればよい。この高温高圧膨張と低温低 圧圧縮がこの様に正味仕事出力をもたらす。 これまで説明したように、このエンジンは普通またはＷＯ９１／１６５３３お よびＷＯ９１／１６５３４に記載される特徴に基づく。 この発明は、特にディスプレーサピストン１１の詳細に関し、その詳細を図２ および図４に示す。このピストン円頂部の上面３１は凹形で、このピストンの円 筒形外面と鋭利な縁をなして結合する。ＷＯ９１／１６５３３に記載する構成に よれば、ピストン１１は、シリンダ壁１２と接触または圧迫せず、内部で案内さ れる。ピストン１１とシリンダ１２の間に設けた小さな隙間をこのピストンの基 部近くでシール１６によって封止する。 高温室内の空間を上死点で最小に保つために、このシリンダ端の内端面３４が 凸形で、全体としてこのピストンの凹形上端面の形に対応する。高温ガスをこの シリンダの中へ連絡するのは、この端面に於いてであり、図示の例では中央であ る。 主として凹形上ピストン面に基づく、この高温作動室２３の構成は、幾つかの 利点を有する。このピストンが上死点の方へ上がるとき、この鋭利な外縁は、高 温ガスをシリンダ壁から削ぎ落とし、特にガスがピストンとシリンダ壁の間の隙 間を通って流下するのを防止する傾向がある。 また、ピストンが下がり、高温ガスがシリンダに流入するとき、このガスは、 この凹形上ピストン面に当たって渦を巻き、このピストンの周辺で上方に動く傾 向がある。これもそのようなガスがピストンとシリンダの間の隙間を流下するの を防止する傾向がある。ピストン円頂部に対する適当に鋭利な縁３２、例えば、 図４に示すように約３０°の角度がこの隙間を通る流出係数を０．７の典型的数 字から多分０．３へ下げることができる。ピストンスカートが長ければ、シール １６を高温ガスの主要容積から十分離し、それが次に低温で作動することを助け 、 それによって寿命を長くする。 凹形ピストン円頂部の凸形円頂部に比べた付加的利点は、高温室内で優勢な正 圧がこのピストン円頂部の壁に、凸形ピストンで起こる圧縮負荷とは違って、張 力で負荷を掛けるので発生する。この張力負荷は、構造安定の向上に繋がり、主 要往復動部品に重要な重量軽減を可能にする。 ピストンを内部で支柱管１３上で案内する構成を使うことは、ＷO９１／１６ ５３３に説明してあるように、シリンダの中のピストンの運動の非常に密接した 制御を可能にし、ピストンとシリンダの間に特に小さい隙間を選択できるように するので、特に有利である。 このピストンは、その上部周辺周りの一般的直径より大きい直径のランド３３ を包含する。このランドは、このエンジンの使用中に遭遇するあらゆる温度でピ ストンとシリンダの間の接触を避けるのに比例する最小隙間をシリンダに有する 。ランド３３の前に、このピストンスカートとピストン壁の間により広い隙間が ある。エンジンの効率に於ける伝導性シャトル損失は、ピストンとシリンダ壁の 間の熱伝達と共に増加し、それで大きい隙間はシャトル損失を減らす傾向にある 。しかし、大きい隙間は、この隙間でのポンプ損失および高温ガスからの熱損失 を増す傾向がある。このランドに関連する小さい隙間は、この隙間へのガス流入 を防ぐ傾向があり、それによってこれらのポンプおよび熱損失を減少する。 高温ガスがピストンとシリンダの間の隙間を通ってシールの方へ流下するのを 更に防ぐために、このピストンのランド３３は、図４によりはつきり示すように 、その周辺周りに環状溝３６および３７を備えてもよい。このピストンとシリン ダの間の隙間を流下しようとするあらゆる作動ガスは、最初に上溝３６に直面す る。溝３６は、一般的にそれが防ごうとする流れの方向に逆らって傾斜する。溝 ３６の鈍い上部角は、この溝の主要部の中へ滑らかに丸みが付けられ、その外縁 は、この根元の丸みからこのピストンのシリンダ壁との鋭利な接合点へ滑らかに 上方に延びる。この環状隙間から溝の方へ漏れるガスは、この傾斜した溝の丸み の付いた上縁に付着しがちであり、それで図４に示す溝３６の構成では時計方向 である渦を起こす。それでこの溝の根元での流れの回転方向は、この溝の鋭利な 縁の上を流れ、次第にピストンとシリンダの間の主環状隙間の方へ流れさせられ る流 れの方向とは反対である。溝、特に溝３６について示す形状の溝の効果は、作動 ガスのこの隙間へ下る流れを更に制限することである。 勿論、このエンジンの静止状態では、ピストンとシリンダ壁の間の隙間に作動 圧力の作動ガスがある。このシステムの中の一般的圧力は、動作中に周期的に変 わる。圧力が増すと、ピストンとシリンダ壁の間の隙間へ更に流入する傾向があ り、圧力が減ると、この隙間から流出する傾向がある。一つの目的は、可能な限 り、この隙間に既にあるガスが高温ガスに変わり、それからの熱の消散効率が悪 く、それがシールの温度の望ましくない上昇を生ずることを避けることである。 上に説明した種々の要因は、この隙間へのガスの流入を減らすことを意図し、多 分それらは、この隙間の中のガスの混合を防ぐ傾向もあり、それによってこのシ ールに近い低温ガスを維持する傾向がある。この隙間へのガスの流入を減少また は遅延するもう一つの目的は、高温ガスの大部分が、それから膨張仕事を取出す 間、高温室内にとどまり、それによってこのエンジンの効率を向上する結果に繋 がることである。 勿論、圧力が増すと、幾らかのガスがこの隙間に流入し、圧力が減ると、幾ら かが流出する。下溝３７は、それが特にこの隙間から上方への流出を防ぐ際に効 果的であるように、その形状が逆であることを除いて、上溝３６に相当する。こ れは、今度は、作動サイクル中の隙間内のガスの変化を制限することに貢献する 。もし、これらの隙間への流入および流出に対する更に大きな抵抗を望むなら、 三つ以上の溝を設けてもよい。 この発明をこれまで別のパワーピストンを備えるスターリングエンジンのディ スプレーサピストンの高温端を特に参照して説明してきた。図示するエンジンに 使用する通常のやり方は、パワーピストンが比較的低温で作動し且つスターリン グエンジンの高温シリンダの通常の問題がないように、パワーピストンをこのエ ンジンの低温側に接続する。しかし、このディスプレーサピストン用に示す構成 が高温シリンダの通常の問題を克服する限り、パワーピストンをこのエンジンの 高温側に接続し、およびこのディスプレーサピストン用に示す特徴の幾つかまた は全てと共に凹形ピストンを使い、それによってパワーピストンが高温環境で首 尾よく且つ都合よく作動できるようにすることが実際的に成るかも知れない。そ れで、この発明は、スターリングエンジンのディスプレーサピストンに使うこと に限定されない。それどころか、それを高温作業を経験し且つシールが従来の潤 滑剤なしに作動する必要がある、あらゆる閉サイクル往復動エンジンに使うこと が有益かも知れない。 同様に、上に説明したスターリングサイクルエンジンを、クランク軸に機械的動 力を加えて、‘冷却器’５４として示す熱交換器から‘加熱器’２５をして示す ものへ熱を汲み出すヒートポンプとして使いまたは使うために採用してもよい。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． スターリングサイクル機械で、ピストン（１１）がこの機械の高温室（ ２３）を形成するシリンダ（１２）の中で往復動し、この高温室（２３）の中の 作動流体に対する熱交換をこの作動流体がこの高温室（２３）の外部でその室（ ２３）に連通する流路（２４）にある間に行い；このピストン（１１）が高温室 （２３）の表面（３１）を形成する凹形円頂部を有する機械に於いて；このピス トン（１１）の凹形円頂面（３１）がこのピストンの円筒形外面と結合してこの ピストンに対する鋭い周辺縁を形成することを特徴とする機械。 ２． 請求項１で請求するスターリングサイクル機械に於いて、この高温室（ ２３）の端壁が凸形内面（３４）を有し、および高温室（２３）へのこの作動流 体のための入口がこの室（２３）の凸形端壁（３４）内にあることを特徴とする 機械。 ３． 請求項１または請求項２によるスターリングサイクル機械に於いて、こ のピストン（１１）の上端がこのシリンダ壁に関して隙間を有し、およびこのシ リンダ（１２）に関するピストンシール（３３、３６、３７）がこの凹形円頂部 （３１）から遠く離れていることを特徴とする機械。 ４． 請求項１から請求項３の何れか一項によるスターリングサイクル機械に 於いて、このピストン（１１）の凹形円頂部（３１）に近い外面がこのピストン （１１）とシリンダ壁の間の隙間に沿う作動流体の自由流れを中断するようにさ れた少なくとも一つの環状溝（３６）を有することを特徴とする機械。 ５． 請求項４によるスターリングサイクル機械に於いて、この溝（３６）は 、この溝（３６）がそれの制限する流れの方向に向いた鋭いリップを有するよう に、切込み輪郭を有することを特徴とする機械。 ６． スターリングサイクル機械で、ピストン（１１）がこの機械の高温室（ ２３）を形成するシリンダ（１２）の中で往復動し、この高温室（２３）の中の 作動流体に対する熱交換をこの作動流体がこの高温室（２３）の外部でその室（ ２３）に連通する流路（２４）にある間に行う機械に於いて；このピストン（１ １）が、このピストン（１１）の上部周辺周りの一般的直径より大きい直径のラ ンド （３３）を包含することを特徴とする機械。 ７． 請求項６によるスターリングサイクル機械に於いて、このランド（３３ ）の外面がこのランド（３３）とシリンダ壁の間の隙間に沿う作動流体の自由流 れを中断するようにされた少なくとも一つの環状溝（３６）を有することを特徴 とする機械。 ８． 請求項７によるスターリングサイクル機械に於いて、この溝（３６）は、 この溝（３６）がそれの制限する流れの方向に向いた鋭いリップを有するように 、切込み輪郭を有することを特徴とする機械。