JP2004138064A - ２個の可動部材を有する２サイクルスターリングエンジン - Google Patents

２個の可動部材を有する２サイクルスターリングエンジン Download PDF

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Abstract

【課題】　２個の可動部材しかない改善された２サイクル・スターリングエンジンを提供する。
【解決手段】　互いに入り組んで運動するピストンを有する２サイクル・スターリングエンジンにおいて、シリンダ本体の中に外側ダブルピストンを軸方向移動可能に配置し、この中に内側ダブルピストンを軸方向移動可能に配置する。
【選択図】　図１

Description

　本発明はスターリングエンジンの分野に属する。
　ドイツ特許第１９９３８０２３号は、互いに入り組んで運動するピストンを有し、内側作動ピストンの行程範囲が外側ピストンの行程範囲内にあって同心であるスターリングエンジンを初めて開示する。ドイツ特許第１００１６７０７号は自由ピストン型としてのこの種のエンジンを初めて開示する。
　スターリングエンジンの構造に基づき単数又は複数のスターリングサイクル（循環過程）の実現のために変速機を廃止することが許されるならば、エンジンの圧力変動を隔膜又は圧電セラミックスの駆動のために利用することができる。例えばドイツ特許第１０２４０７５０号はこのような変速機なしのスターリングエンジンを記述する。
　発明の課題は、２個の可動部材しかない改善された２サイクルスターリングエンジンを開示することである。さらにこのエンジンの圧縮比を増加する方策を提案する。
　この課題は本発明に基づき独立請求項１に記載の２サイクルスターリングエンジンによって解決される。
　発明の有利な実施態様が従属請求項の主題である。
　次に図１〜図７を参照して発明を詳述する。
　外側ダブルピストン２の運動は、内側ピストンの停止時でも作動ガス総容積に影響する。運転の際に内側ダブルピストン３は外側ダブルピストン２より高い速度に達する。
　変動する作動ガス圧力に駆動されて、内側ダブルピストン３は外側ダブルピストン２より先行する。内側ダブルピストン３はその運動によって室６.１、６.２の中の緩衝ガスの圧力変化を生じ、それによって外側ピストンを同じ方向に強制する。磁石２.７と外側の磁石１.２の相互作用により外側ダブルピストン２とシリンダ壁の衝突が防止される。
　図２の位置ＡからＢへ、第１ガスサイクルの熱交換器からの等容熱供給及び第２ガスサイクルの熱交換器への等容熱排出が示されている。続いて第１サイクルの等温加熱と第２サイクルの等温冷却が位置ＢからＣへと行われる。作動ガス体積は第１サイクルで増加し、第２サイクルで減少する。位置ＣからＤまでに第１サイクルに対して熱交換器への等容熱排出と第２サイクルに対して熱交換器からの等容熱供給が行われる。図２の位置ＤからＡへの間に第１サイクルの作動ガス体積の減少とともに等温冷却が、第２サイクルの作動ガス体積の増加とともに等温加熱が起こる。
　図１はエンジンとその主要部品の基本構造を示す。２つのガスサイクルは１８０°の位相のずれで作動する。緩衝ガス室６.１及び６.２を連絡するために、ピストン棒３.３を中空にすることができる。この場合緩衝ガス体積は一定であり、ピストン位置に無関係である。内側ダブルピストン３の運動とともに緩衝ガス室６.１及び６.２の中に圧力変化を得るために、ピストン棒３.３の開口断面の縮小により緩衝ガス室に所定の圧力損失が生じさせられる。
　必要なピストン密封面を存続して内側ピストン３.１及び３.２をカップ状に形成し、カップの開口部を磁石２.７に対向させることもできる。それによって緩衝ガス圧力が低いレベルになる。
　次にエンジンの構造を説明する。
　シリンダ本体１の中に外側ダブルピストン２が軸方向移動可能に配置され、この中に内側ダブルピストン３が軸方向移動可能に配置されている。
　シリンダ本体１は２個の外側端面境界壁及びこれと平行な中間隔壁を備えており、その空洞部に２つの同じ室が形成される。
　シリンダ本体１の中間隔壁は、少なくとも１個のすべりパッキン１.１を収容するために中心穴を備えている。外側ダブルピストン２においては、中空ピストン棒２.３により２個の外側ピストン２.１及び２.２が連結されており、中空ピストン棒２.３はすべりパッキン１.１に気密に通されている。
　内側ダブルピストン３においては、ピストン棒３.３により２個の内側ピストン３.１及び３.２が連結されており、ピストン棒３.３は中空ピストン棒２.３の中にあるすべりパッキン２.４に気密に通されている。
　シリンダ本体１の端面境界面は磁石１.２を備えており、磁石１.２は外側ダブルピストン２の端面境界面の磁石２.７と相互に反発し合う（このためにばねを用いることも可能である）。
　外側ピストン２.１は磁石の反対側の端面境界面に開口２.５を備えている。開口２.５はガス室４.２とガス室４.３を連絡する。外側ピストン２.２は磁石の反対側の端面境界面に開口２.６を備えている。開口２.６はガス室５.１とガス室５.２を連絡する。
　外側ピストン２.１は上記の開口２.５の代わりに、磁石に面した端面境界面に開口を備えることができる。その場合この開口はガス室４.１とガス室６.１を連絡する。この場合にはガス室４.２は緩衝室になる。
　外側ピストン２.２は上記の開口２.６の代わりに、磁石に面した端面境界面に開口を備えることができる。その場合この開口はガス室６.２とガス室５.３を連絡する。この場合にはガス室５.２は緩衝室になる。
　ガス室４.１は加熱器８、熱交換器９及び冷却器１０を介してガス室４.３に接続し、ガス室５.１は冷却器１１、熱交換器１２及び加熱器１３を介してガス室５.３に接続する。
　同様に適宜な配列で加熱器と冷却器を互いに交換することもできる。即ち加熱器８又は１３の代わりに冷却器が配置され、もしくは冷却器１０又は１１の代わりに加熱器が配置される。
　圧縮比の増加及び緩衝室の役割をする室の圧力振幅の制限のために、エンジンが変更される。この課題は、２つの緩衝ガス室を作動ガス室に変換することによって解決される。
　図３はエンジンの基本構造を示す。シリンダ本体１００の中に２個のダブルピストン、即ち外側ピストン２００及び内側ピストン３００がある。シリンダ本体は外側ピストン２００を取り囲み、一方、外側ピストン２００は内側ピストン３００を収容する。
　シリンダ及びピストンの端面には、反発するように配置された円筒形磁石がある。
　第１の作動サイクルは次の各室４０１、４０２、４０３、４０４と空洞部８００、９００、１０００と空洞部を連絡する管路で進行する。第２の作動サイクルは次の各室５０１、５０２、５０３、５０４と空洞部１１００、１２００、１３００と空洞部を連絡する管路で進行する。
　本発明に基づくスターリングエンジンの構成は、ガス室４０３がガス室４０４に接続し、ガス室５０１がガス室５０４に接続することを一つの特徴としている。この場合第１のガス連絡路は２つの作動ガスサイクルの一方に、第２のガス連絡路は第２の作動ガスサイクルに接続する。２つの作動ガスサイクルは互いに密封されている。
　相互の連絡孔は、中空ピストン棒２０３の、円周状かつ中心軸と平行に延びる穴（通路２０８及び２０９）として構成されている。外側ダブルピストン２００の内側仕切りに相互のガス連絡路を実現することができる。
　別法として、通路の少なくとも１つを内側ダブルピストン３００のピストン棒３０３に形成することも可能である。
　加熱器とシリンダの熱絶縁のために、２つのサイクルに対して各々１個のパルス管を、パルス管の中心軸がエンジンのシリンダ本体１００の中心軸に垂直になるように適宜に配置する。
　外側ダブルピストン２００からシリンダ壁を通って外部への機械的動力取出しが必要な場合は（図６参照）、外側ダブルピストン２００にピストン棒２１０が固定される。直線行程運動の遂行のために、ピストン棒はシリンダ壁を気密に貫いて外へ導き出される。このためにパッキン１０３が必要である。上記の配置では、パッキン１０３はエンジンの低温側にある。
　外側ダブルピストン２００の行程制限をシリンダ本体の外で実現することに関連して、磁石１０２を廃止することができる。さらに外部への動力伝達及び外側ダブルピストン２００の行程制限のために、ピストン棒は隔膜の中心点、クランク軸に枢結された連接棒又はリニアジェネレータのコイル枠と結合される。
　図７は完全に磁石なしで済むエンジンを示す。そのために作動ガス室４０４及び５０４が緩衝ガス室４０４Ｐ及び５０４Ｐに変換される。こうして内側ダブルピストン３００の運動により圧縮された緩衝ガスが、外側ダブルピストン２００への衝撃伝達のために利用される。
　また作動ガス室４０４及び５０４並びに連絡通路２０８及び２０９をそのままにして、磁石が廃止されるように、これらの通路の横断面によりその中で作用する気体ばねが調整される。ダンピングは例えば外部の熱伝達部材を介して調整することができる。
　図４は各作動ガスサイクルのための熱伝達部品、即ち加熱器、熱交換器及び冷却器の配列の概要を示す。２つの加熱器を加熱器本体の逐次配列のコイルとして構成することにより、バーナ使用運転のための加熱器８００と加熱器１３００が統合される。別の適宜な配列は冷却器１０００及び１１００の結合である。例えば２つのサイクルに対して多管式熱交換器として構成する場合は、これらの冷却器のガス側が分離され、水側が統合される。
　図５は状態変化の経過と系の機能を明らかにする。
　位置Ａで２つのピストンは左側にある。第１サイクルの作動ガスは膨張の前に高い圧力下にある（例えば１５バール）。体積は室４０３に合わせて圧縮される。第２サイクルの作動ガスは圧縮の前に低い圧力下にある（例えば５バール）。体積は大きく、室５０２、５０３及び５０４の中にある。
　内側ダブルピストン３００がＡからＢへ移動するとき、外側ダブルピストン２００は左側の位置に停止している。内側ダブルピストン３００の左から右への運動はピストンの両側の圧力差によって起こる。同時に第１サイクルの加熱器からの熱供給及び第２サイクルの冷却器への熱排出が行われる。運動の終りに２つのサイクルの圧力は近接している。圧力は今２つのサイクルで例えば１０バールである。
　左側の磁石２０７は第１サイクルで減圧の後に、左側の磁石１０２によって反発される。内側ダブルピストン３００の運動エネルギーは衝撃として外側ダブルピストン２００に伝達される。その際右側の磁石３０４はＢからＣへの運動とともに右側の磁石２０７を介して外側ダブルピストン２００を右側へ変位させる。その場合第１サイクルの容積は恒常的に高く、第２サイクルの容積は恒常的に低い。変位運動によって２つの熱交換器を流れが通るから、第１サイクルの圧力が低下し（例えば５バールに）、第２サイクルの圧力が上昇する（例えば１５バールに）。
　内側ダブルピストン３００がＣからＤへ移動するときに、外側ダブルピストン２００は右側位置に停止している。内側ダブルピストン３００の右から左への運動はピストンの両側の圧力差によって起こる。同時に第１サイクルの冷却器への熱排出と第２サイクルの加熱器からの熱供給が行われる。運動の終りに２つのサイクルの圧力は再び近接している。圧力は今２つのサイクルで例えば１０バールである。
　右側の磁石２０７は第２サイクルで減圧の後に、右側の磁石１０２によって反発される。内側ダブルピストン３００の運動エネルギーは衝撃として外側ダブルピストン２００に伝達される。その際左側の磁石３０４はＤからＡへの運動とともに左側の磁石２０７を介して外側ダブルピストン２００を左側へ変位させる。その場合第１サイクルの容積は恒常的に低く、第２サイクルの容積は恒常的に高い。変位運動によって２つの熱交換器を流れが通るから、第１サイクルの圧力が上昇し（例えば１５バールに）、第２サイクルの圧力が低下する（例えば５バールに）。
　上記の明細書、特許請求の範囲及び図で開示した発明の特徴は単独でも、また任意の組合せとしても、種々の実施形態で発明を実現するために重要である。
エンジン及びその主要部品の基本構造の図である。 第１及び第２のガスサイクルの各段階の概略図である。 エンジンの基本構造の図である。 熱伝達部品の配列の概略図である。 状態変化の経過及び系の機能の説明図である。 外側ダブルピストンからシリンダ壁を通って外部へ動力取出しを行うエンジンの図である。 まったく磁石無しのエンジンの図である。
符号の説明
１　シリンダ本体
１.１　２つのガスサイクルの分離のためのパッキン
１.２　２.７の反発のための磁石
２　外側ダブルピストン
２.１　第１ガスサイクルの外側ピストン
２.２　第２ガスサイクルの外側ピストン
２.３　２のピストン棒
２.４　２.３のパッキン
２.５　２.１のガス連絡孔
２.６　２.２のガス連絡孔
２.７　１.２の反発のための磁石
３　内側ダブルピストン
３.１　第１ガスサイクルの内側ピストン
３.２　第２ガスサイクルの内側ピストン
３.３　３のピストン棒
４　第１ガスサイクルの作動ガス
４.１　ガス室４.１
４.２　ガス室４.２
４.３　ガス室４.３
５　第２ガスサイクルの作動ガス
５.１　ガス室５.１
５.２　ガス室５.２
５.３　ガス室５.３
６.１　緩衝ガス室１
６.２　緩衝ガス室２
７　ガス連絡路
８　４の加熱器
９　４の熱交換器
１０　４の冷却器
１１　５の冷却器
１２　５の熱交換器
１３　５の加熱器
１００　シリンダ本体
１０１　２つのガスサイクルの分離のためのパッキン
１０２　磁石２０７の反発のための磁石
１０３　シリンダ本体のピストン棒パッキン（ピストン棒２１０のための）
２００　外側ダブルピストン
２０１　第１ガスサイクルの外側ピストン
２０２　第２ガスサイクルの外側ピストン
２０３　外側ダブルピストンのピストン棒
２０４　ピストン棒２０３のパッキン
２０５　外側ダブルピストン２００の第１ガスサイクルのガス連絡孔
２０６　外側ダブルピストン２００の第２ガスサイクルのガス連絡孔
２０７　シリンダ本体の磁石１０２及び磁石３０４の反発のための磁石
２０８　ガス室５０１とガス室５０４の間の作動ガス連絡路
２０９　ガス室４０３とガス室４０４の間の作動ガス連絡路
２１０　機関からの動力取出しのための外側ピストンのピストン棒
３００　内側ダブルピストン
３０１　第１ガスサイクルの内側ピストン
３０２　第２ガスサイクルの内側ピストン
３０３　内側ダブルピストンのピストン棒
３０４　磁石２０７の反発のための内側ダブルピストンの磁石
４００　第１ガスサイクルの作動ガス
４０１　ガス室４０１
４０２　ガス室４０２（２０５により４０１に接続）
４０３　ガス室４０３（８００、９００、１０００により４０１に接続）
４０４　ガス室４０４（２０９により４０３に接続）
４０４Ｐ　４０４に代わる緩衝ガス室
５００　第２ガスサイクルの作動ガス
５０１　ガス室５０１
５０２　ガス室５０２（２０６により５０３に接続）
５０３　ガス室５０３（１１００、１２００、１３００により５０１に接続
５０４　ガス室５０４（２０８により５０１に接続）
５０４Ｐ　５０４に代わる緩衝ガス室
７０１　シリンダ本体への第１ガスサイクルの冷却器接続部
７０２　シリンダ本体への第１ガスサイクルの加熱器接続部
７０３　シリンダ本体への第２ガスサイクルの加熱器接続部
７０４　シリンダ本体への第２ガスサイクルの冷却器接続部
８００　第１ガスサイクルの加熱器
８０１　加熱器８００とシリンダ本体の熱絶縁ためのパルス管
９００　第１ガスサイクルの熱交換器
１０００　第１ガスサイクルの冷却器
１００１　冷却器１０００の水接続部
１１００　第２ガスサイクルの冷却器
１１０１　冷却器１１００の水接続部
１２００　第２ガスサイクルの熱交換器
１３００　第２ガスサイクルの加熱器
１３０１　加熱器１３００とシリンダ本体の熱絶縁のためのパルス管　

Claims (20)

  1. 　互いに入り組んで運動するピストンを有する２サイクルスターリングエンジンにおいて、シリンダ本体１の中に外側ダブルピストン２が軸方向移動可能に配置され、外側ダブルピストン２の中に内側ダブルピストン３が軸方向移動可能に配置されていることを特徴とするスターリングエンジン。
  2. 　シリンダ本体１が２つの外側端面境界壁及びこれと平行な中間隔壁を備えており、その空洞部に２個の同じ室が形成されることを特徴とする、請求項１に記載のスターリングエンジン。
  3. 　少なくとも１個のすべりパッキン１.１を収容することができるように、シリンダ本体１の中間隔壁が中心穴を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のスターリングエンジン。
  4. 　外側ダブルピストン２が中空のピストン棒２.３により２個の外側ピストン２.１及び２.２を連結し、中空のピストン棒２.３がすべりパッキン１.１に気密に通されていることを特徴とする、請求項１乃至３いずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  5. 　内側ダブルピストン３がピストン棒３.３により２個の内側ピストン３.１及び３.２を連結し、ピストン棒３.３が中空ピストン棒２.３の中にあるすべりパッキン２.４に気密に通されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  6. 　シリンダ本体１の端面境界面が磁石１.２を備えており、磁石１.２が外側ダブルピストン２の端面境界面の磁石２.７と相互に反発し合う（ばねも可能である）ことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  7. 　外側ピストン２.１の磁石の反対側の端面境界面が、ガス室４.２とガス室４.３を連絡する開口２.５を備えていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  8. 　外側ピストン２.２の磁石の反対側の端面境界面が、ガス室５.１とガス室５.２を連絡する開口２.６を備えていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  9. 　外側ピストン２.１の磁石の反対側の端面境界面が、ガス室４.１とガス室６.１を連絡する開口２.５を備えており、ガス室４.２が緩衝室になることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  10. 　外側ピストン２.２の磁石の反対側の端面境界面が、ガス室６.２とガス室５.３を連絡する開口２.６を備えており、ガス室５.２が緩衝室になることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  11. 　ガス室４.１が加熱器８、熱交換器９及び冷却器１０を介してガス室４.３に接続され、ガス室５.１が冷却器１１、熱交換器１２及び加熱器１３を介してガス室５.３に接続されることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  12. 　加熱器８又は１３の代わりに冷却器が配置され、冷却器１０又は１１の代わりに加熱器が配置されていることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  13. 　内側ダブルピストン３のピストン棒３.３が中空であり、それによって緩衝ガス室６.１が緩衝ガス室６.２に接続されることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  14. 　ガス室４０３がガス室４０４に接続され、ガス室５０１がガス室５０４に接続されていることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  15. 　第１のガス連絡路が２つの作動ガスサイクルの一方に接続し、第２のガス連絡路が第２の作動ガスサイクルに接続することを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  16. 　通路２０８及び２０９による２つのガス連絡路が外側ダブルピストン２００の中空ピストン棒２０３に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  17. 　通路の少なくとも１つが内側ダブルピストン３００のピストン棒３０３に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  18. 　加熱器とシリンダの熱絶縁のために、２つのサイクルに対して各々１個のパルス管が配置され、パルス管の中心軸がエンジンのシリンダ本体１００の中心軸に対して垂直であることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  19. 　外側ダブルピストン２００が動力取出しのためにピストン棒２１０と結合され、ピストン棒２１０がシリンダ壁を気密に貫いて外に導き出されていることを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のスターリングエンジン。
  20. 　外部への動力伝達及び外側ダブルピストン２００の行程制限のために、ピストン棒２１０が隔膜の中心点、クランク軸に枢結された連接棒又はリニアジェネレータのコイル枠と結合されていることを特徴とする、請求項１９に記載のスターリングエンジン。
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