JP2005076557A - Stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スターリングエンジンの小型化と出力性能向上を図った技術に関する。 The present invention relates to a technique for downsizing a Stirling engine and improving output performance.
従来より、スターリングエンジンは、原理的にカルノーサイクルに相当する高い熱効率を得ることができる点、外燃機関であり多種多様の熱源{特に、輸送(貯蔵)が困難な排熱等}を利用できる点、また、内燃機関のような爆発的な燃焼を伴わないため騒音が小さい点、内燃機関に較べ不完全燃焼の発生が少なく排気有害成分の排出に対しても有利である点等に鑑み、新たな動力源として注目され、種々の型式のものが提案され、例えば、本願出願人も出力、燃費の向上を図ったスターリングエンジンを提案している(特許文献1参照)。
しかしながら、スターリングエンジンには、なお、コンパクト化、高出力化、低振動化の点等に改良の余地があった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、よりコンパクトで高出力、かつ振動の少ないスターリングエンジンを提供することを目的とする。
However, the Stirling engine still has room for improvement in terms of compactness, high output, and low vibration.
The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and an object thereof is to provide a Stirling engine that is more compact, has a high output, and has little vibration.
このため本発明は、1対のシリンダ内にそれぞれピストンを嵌挿して各シリンダ内のピストン両側に容積可変な1対の空間を形成し、前記各シリンダ内の同一側空間同士を、それぞれ加熱器、再生熱交換器、冷却器を介して連通すると共に、これら一対の連通空間内にそれぞれ作動ガスを封入し、前記一対の各ピストンにそれぞれ連結されて往復動を回転動に変換する各一対の往復動/回転動変換部材の端部相互を、発電機の回転軸を介して回転位相差を持たせて連結し、前記一対のピストンを両側に作用する作動ガスの圧力変化により駆動し、前記一対の往復動/回転動変換部材を介して前記発電機の回転軸を回転駆動する構成とした。 For this reason, the present invention forms a pair of spaces with variable volumes on both sides of the pistons in each cylinder by inserting the pistons into a pair of cylinders. The regenerative heat exchanger and the cooler communicate with each other, and a working gas is sealed in each of the pair of communication spaces, and each pair of pistons is connected to each of the pair of pistons to convert a reciprocating motion into a rotational motion. The end portions of the reciprocating / rotating motion converting member are connected to each other with a rotational phase difference via a rotating shaft of a generator, and the pair of pistons are driven by a pressure change of working gas acting on both sides, It was set as the structure which rotationally drives the rotating shaft of the said generator through a pair of reciprocating / rotational motion conversion member.
このようにすれば、コンパクト化、高出力化による発電出力向上を可及的に促進でき、振動も低減できる。 In this way, it is possible to promote as much as possible the improvement in power generation output due to compactness and high output, and vibration can be reduced.
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係るスターリングエンジンの機構の断面図を示す。
図において、スターリングエンジン1の本体は、上部ケーシング11と下部ケーシング12とを連結して構成される。上部ケーシング11には、高温側シリンダ21と低温側シリンダ22とが平行に直立して形成され、各シリンダ21,22内には上下方向摺動自由にピストン23,24が嵌挿されている。前記ピストン23,24の下端には往復動/回転動変換部材である出力ロッド25,26が連結され、該出力ロッド25,26の下端部は、各シリンダ21,22の底壁及び下部ケーシング12の上壁を上下方向摺動自由に貫通して下方に伸びる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the mechanism of a Stirling engine according to the present invention.
In the figure, the main body of the Stirling engine 1 is configured by connecting an
ここで、図示しないが、各ピストン23,24とシリンダ21,22の周壁との間は、ピストン23,24に嵌挿したピストンリングを介して気密に保持される。
前記シリンダ21のピストン23上方の空間とシリンダ22のピストン24上方の空間は、加熱器(ヒーター;H)27,再生熱交換器(RG)28,冷却器(クーラー;C)29を介装した作動ガス通路30を介して、作動ガスがほとんど抵抗なく流動自由に連通接続されている。同様に、前記シリンダ21のピストン23下方の空間とシリンダ22のピストン24下方の空間は、加熱器(ヒーター;H)31,再生熱交換器(RG)32,冷却器(クーラー;C)33を介装した作動ガス通路34を介して、作動ガスがほとんど抵抗なく流動自由に連通接続されている。
Here, although not shown in the figure, the space between the
The space above the
下部ケーシング12は、略円筒状に形成され、エンジンで駆動される負荷である発電機が中央部に収納保持されている。該発電機35はハウジングの両側に回転軸36の両端部36a,36bが突出して設けられ、これら両端部36a,36bに円形プレート37,38を介して回転軸32に対し、相互に回転位相差を持たせて偏心する偏心軸39,40が連結され、該偏心軸39,40に軸受ローラ41,42が回転自由に嵌挿保持されている。
The
前記2本の出力ロッド25,26の下端には、該出力ロッド25,26の作動する方向と直交する方向(図示のように出力ロッドを上下動させるように配置した場合は水平方向)に長い長円形状の長孔43a,44aを開口した係合部材43,44が連結されている。
そして、前記長孔43a,44aに前記軸受ローラ41,42を介して偏心軸39,40を係合する。
The lower ends of the two
Then, the
ここで、前記回転位相差θは、偏心軸39の方が偏心軸40より、回転軸36回転方向に対し約90°進角するように設定されている。
図2は、上記スターリングエンジンの作動を説明する。
上記のように、作動ガスの移動には流動抵抗がなく、2つのシリンダ22,24の上部空間と、加熱器27,再生熱交換器28,冷却器29,作動ガス通路30の内部空間と、の合計である密閉された全空間(以下作動空間Aという)における圧力は一様とし、同じく2つのシリンダ22,24の下部空間と、加熱器31,再生熱交換器32,冷却器33,作動ガス通路34の内部空間と、の合計である密閉された全空間(以下作動空間Bという)における圧力は一様とし、ピストン23がピストン24に対し回転位相差90°進角した状態で回転軸36が図示の方向に回転するものとする。
Here, the rotational phase difference θ is set so that the
FIG. 2 illustrates the operation of the Stirling engine.
As described above, there is no flow resistance for the movement of the working gas, the upper space of the two
a(ピストン23が上死点)〜b(ピストン24が上死点)
ピストン23は下降し、ピストン24は上昇する。この間は、上側の作動空間A全体の容積は一定に近い状態であるが(正確にはその中間位置で容積最小となる)、ピストン24側の空間容積が減少し、冷却器27で冷却されていた作動ガスが再生熱交換器26で熱交換された後、加熱器25を通って加熱されてピストン23側の空間に流れ込むので、作動ガスの熱量が増大して圧力が増大する。すなわち、等容加熱に近い行程である。一方、下側の作動空間Bでは、全体の容積は一定に近い状態であるが(正確にはその中間位置で容積最大となる)、ピストン23側の空間容積が減少し、加熱器31で加熱されていた作動ガスが再生熱交換器32で熱交換された後、冷却器33を通って冷却されてピストン24側の空間に流れ込むので、作動ガスの熱量が減少して圧力が減少する。すなわち、等容冷却(排熱)に近い行程である。
a (
The
b〜c(ピストン23が下死点)
ピストン23,24共に下降する。作動空間Aは、容積が増大して圧力が減少し、作動空間Bは、容積が減少して圧力が増大する。
c〜d(ピストン24が下死点)
ピストン23は上昇し、ピストン24は下降する。この間は、上記a〜bとは作動空間Aと作動空間Bの作用が入れ替った作用となる。すなわち、作動空間Aは等容冷却に近い作用を生じ、作動空間Bは等容加熱に近い作用を生じる。
bc (piston 23 is bottom dead center)
Both
cd (piston 24 is bottom dead center)
The
d〜a
ピストン23,24共に上昇する。この間は、上記b〜cとは作動空間Aと作動空間Bの作用が入れ替った作用となる。すなわち、作動空間Aは、容積が減少して圧力が増大し、作動空間Bは、容積が増大して圧力が減少する。作動空間Aは等容冷却に近い作用を生じ、作動空間Bは等容加熱に近い作用を生じる。作動空間が減少し圧力が増大する。
d ~ a
Both
図3は、発電機の回転軸36が一回転するときの圧力−全容積(p−V)線図を示す(括弧無しの符号a〜dは、作動空間A、括弧付き符号a〜dは、作動空間Bの特性を示す)ようになるため、正の仕事が行なわれることになり、また、ピストンの一方の側のみに作動空間を設けたスターリングエンジンに比較して、ピストン23,24両側の差圧が倍増し、駆動出力が倍増する。
FIG. 3 shows a pressure-total volume (p-V) diagram when the
そして、上記のように、ダブルアクティング型スターリングサイクルとすることで、小型で高出力を得ることができることに加え、1回転で2サイクルの作動が行われるのでスムースに回転し、振動が少ない。
また、スターリングエンジンの出力軸が、スターリングエンジンによって駆動される負荷としての発電機の回転軸36で構成されることによって、さらに、小型化、高出力化が促進される。すなわち、負荷である発電機を一体に組み込んでスターリングエンジンを構成しているのであり、従来のスターリングエンジンの出力軸(クランク軸)の外側に負荷(発電機等)の回転軸を連結して駆動するものに比較して、軸継手等が不要となり、スターリングエンジンで発電機を駆動する使用形態として大幅なコンパクト化を図ることができる。
As described above, the double-acting type Stirling cycle can achieve a high output with a small size. In addition, since the operation of two cycles is performed with one rotation, the rotation is smooth and there is little vibration.
Further, since the output shaft of the Stirling engine is constituted by the rotating
また、従来、エンジン出力軸と負荷である発電機の回転軸とを、それぞれ軸受で支持するのに対し、本発明ではエンジン出力軸を兼ねる発電機の回転軸のみを軸受で支持すればよいので、軸受の数を大きく減らすことができ、機械損失も減少し、性能も向上する。
また、エンジン出力軸を発電機の回転軸で構成することにより、上記軸受の数を大きく減らせることとも相まって製造コストを低減でき、駆動伝達経路の短縮により運転効率、したがって、ランニングコストも向上する。
Further, conventionally, the engine output shaft and the rotating shaft of the generator as a load are each supported by a bearing, whereas in the present invention, only the rotating shaft of the generator that also serves as the engine output shaft needs to be supported by the bearing. The number of bearings can be greatly reduced, the mechanical loss is reduced, and the performance is improved.
In addition, by configuring the engine output shaft as a rotating shaft of a generator, the manufacturing cost can be reduced in combination with the fact that the number of the bearings can be greatly reduced, and the driving efficiency and thus the running cost can be improved by shortening the drive transmission path. .
一方、負荷である発電機35の側から見ると、2つのピストン23,24の中央部に回転質量となる発電機35を配置し、回転軸36を両側で駆動する対称的な駆動形態となるから、従来のエンジン外部に発電機回転軸の一端部を連結して駆動する形態に比較して、回転性が大幅に安定する。
なお、発電機を一体に組み込んであるとはいえ、発電機を容易に交換できるものであり、故障時の交換の他、使用状況に応じて出力の異なる発電機を選択して交換することも容易に行える。
On the other hand, when viewed from the side of the
Even though the generator is integrated, the generator can be easily replaced.In addition to replacement at the time of failure, it is also possible to select and replace generators with different outputs depending on the usage situation. Easy to do.
なお、スターリングエンジンは、可逆機構であり、発電機を電動機として逆にスターリングエンジンを駆動することで、スターリングエンジンをヒートポンプとして作動して熱出力を得られることが知られているが、このように、スターリングエンジンをヒートポンプとして使用する場合も本発明が有効である。 The Stirling engine is a reversible mechanism, and it is known that the Stirling engine can be operated as a heat pump to obtain heat output by driving the Stirling engine on the contrary using the generator as an electric motor. The present invention is also effective when the Stirling engine is used as a heat pump.
1 スターリングエンジン
21 高温側シリンダ
22 低温側シリンダ
23,24 ピストン
25,26 出力ロッド
35 発電機
36 回転軸
27,31 加熱器
28,32 再生熱交換器
29,33 冷却器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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---|---|---|---|---|
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-
2003
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