JP2005106011A - ピストン機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】ピストン機関の各構成要素の位置精度を確保しつつ、重量増加を抑制すること。
【解決手段】このスターリングエンジン100は、いわゆるα型のスターリングエンジンであって、高温側シリンダ101内に収められた高温側ピストン102と、低温側シリンダ103内に収められた低温側ピストン104とが直列に配置されている。高温側シリンダ101と低温側シリンダ103とは、基準体である基板10に支持されている。クランク軸110は、クランク軸支持体20に設けられた軸受25で回転可能に支持される。近似直線機構113は、クランク軸支持体20に設けられた近似直線機構支持部26によって支持される。クランク軸支持体20は、高温側及び低温側シリンダ101、103と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板10に固定される。
【選択図】 図1
【解決手段】このスターリングエンジン100は、いわゆるα型のスターリングエンジンであって、高温側シリンダ101内に収められた高温側ピストン102と、低温側シリンダ103内に収められた低温側ピストン104とが直列に配置されている。高温側シリンダ101と低温側シリンダ103とは、基準体である基板10に支持されている。クランク軸110は、クランク軸支持体20に設けられた軸受25で回転可能に支持される。近似直線機構113は、クランク軸支持体20に設けられた近似直線機構支持部26によって支持される。クランク軸支持体20は、高温側及び低温側シリンダ101、103と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板10に固定される。
【選択図】 図1
Description
本発明は、ピストン機関に関し、さらに詳しくは、ピストン機関の各構成要素の相対的な位置精度を確保しつつ、重量増加を抑制できるピストン機関に関する。
ピストン機関の一種であるスターリングエンジンは、理論熱効率に優れるという特徴があり、近年、乗用車やバス等の車両に搭載される内燃機関の排熱等を回収するために、スターリングエンジンが注目されている。特許文献1には、触媒コンバータで発生する高い排気浄化反応熱エネルギを、スターリングエンジンの駆動エネルギに活用する技術が開示されている。
ところで、スターリングエンジンは、取り出す出力を大きくするために、内部に高圧の作動流体を封入するので、スターリングエンジンの筺体には、圧力容器としての機能も求められる。このため、耐圧性を確保しつつ、スターリングエンジン構成要素同士の相対的な取り付け位置精度を確保するためには、スターリングエンジンの筺体の強度を高める必要がある。このため、筺体の大型化、重量増加という問題がある。特許文献1には、スターリングエンジンの加熱部を、排気浄化用触媒コンバータ内に設けられる触媒を担持させた受熱体に接続する技術が開示されているが、上記問題点に関しては言及がない。
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、各構成要素の相対的な位置精度を確保しつつ、重量増加を抑制できるピストン機関を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明に係るピストン機関は、作動流体が導入されるシリンダと、前記作動流体と接する頂部を有するとともに、前記作動流体によって前記シリンダ内を往復運動するピストンと、回転運動するクランク軸と、前記ピストンと前記クランク軸とを連結するコンロッドと、前記シリンダの前記作動流体の導入側に配置されて、前記シリンダが組み付けられる基準体と、を有することを特徴とする。
このピストン機関は、ピストン機関を構成する構成要素の位置基準となる基準体を、シリンダの作動流体の導入側に配置して、当該シリンダを基板に組み付け、この基準体によってピストン機関を構成するシリンダやクランク軸その他の構成要素との相対的な位置精度を確保する。これにより、前記構成要素の相対的な位置精度を保持するために、ピストン機関の筺体等の強度向上や補強等は必要ないので、ピストン機関の構成要素の位置精度を確保しつつ、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、さらに、前記クランク軸を回転可能に支持するクランク軸支持体を備え、このクランク軸支持体は、前記シリンダとは独立して前記基準体に取り付けられることを特徴とする。
このピストン機関は、クランク軸支持体を介してクランク軸を基準体に固定するので、クランク軸と、ピストン機関のその他の構成要素との位置精度を前記基準体によって確保することができる。その結果、クランク軸等の位置精度を確保するための補強部材を新た
に追加する必要はないので、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。
に追加する必要はないので、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、フレキシブルカップリングを介して、前記クランク軸に対して出力又は入力を行うことを特徴とする。
このピストン機関では、フレキシブルカップリングを介して、ピストン機関の筺体内に配置されたクランク軸に対して出力又は入力を行う。このような構成により、ピストン機関の筺体の膨張を許容できるので、筺体の肉厚増加や補強等は不要になる。その結果、ピストン機関の重量増加を抑えることができる。
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記ピストンは、空気軸受によって前記シリンダ内に支持されることを特徴とする。
このピストン機関は、空気軸受によってピストンをシリンダ内に支持するので、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、ピストン機関の熱効率を向上させることができる。また、基準体によってピストン機関を構成するシリンダやクランク軸その他の構成要素との相対的な位置精度を確保するので、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受の機能を発揮させることができる。
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記基準体を、前記ピストン機関を搭載する対象の被搭載部に取り付けることを特徴とする。
このような構成により、搭載対象に対するピストン機関の搭載が容易になるとともに、確実にピストン機関を搭載対象へ固定することができる。
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記ピストン機関はスターリングエンジンであり、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする。
このピストン機関は、簡単な構成でピストン機関の構成要素の相対的な位置精度を保持できるので、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、少なくとも前記クランク軸を内部に密封配置する筺体を備え、運転中は前記筺体内部が加圧されることを特徴とする。
本発明では、ピストン機関の各構成要素は筺体と独立させているので、筺体の膨張を許容できる。これにより、筺体の肉厚増加や補強等が不要になるので、スターリングエンジンの重量増加を抑えることができる。特に、作動流体を加圧する方式のスターリングエンジンでは筺体の補強等が不要になるので、重量増加抑制の観点から有利である。
また、次の本発明に係るピストン機関は、前記ピストン機関において、前記熱交換器の少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする。
このピストン機関では、重量増加を抑制できるので、乗用車やバス、トラック等の車両に用いられる内燃機関の排熱回収に用いる場合には、車両全体の重量増加を抑制できる。
この発明に係るピストン機関では、ピストン機関を構成する構成要素の位置基準となる基準体によって、ピストン機関を構成するシリンダやクランク軸その他の構成要素との相対的な位置精度を確保するようにした。これにより、前記構成要素の相対的な位置精度を保持するために、ピストン機関の筺体等の強度向上や補強等の必要はなくなるので、ピストン機関の構成要素の位置精度を確保しつつ、ピストン機関の重量増加を抑制することができる。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明においては、ピストン機関としてスターリングエンジンを例に説明するが、本発明の適用対象はこれに限られない。例えば、スターリング冷凍機関や、スターリングエンジン以外のピストン機関に対しても本発明は適用できる。
図1は、本発明に係るシリンダ支持構造を備えたスターリングエンジンを示す断面図である。図2は、図1の矢印A方向から見た断面図である。図3−1は、空気軸受を示す説明図である。図3−2は、高温側シリンダと低温側シリンダとの関係を示す説明図である。本発明に係るピストン機関であるスターリングエンジン100は、いわゆるα型のスターリングエンジンであって、高温側シリンダ101内に収められた高温側ピストン102と、低温側シリンダ103内に収められた低温側ピストン104とが直列に配置されている。高温側シリンダ101と低温側シリンダ103とは、基準体である基板10に支持されている。本発明においては、この基板10が、スターリングエンジン100の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、高温側シリンダ101や高温側ピストン102といった、スターリングエンジン100の各構成要素の相対的位置精度を確保できる。
高温側シリンダ101と低温側シリンダ103とは、ヒータ105と再生器106とクーラー107とで構成される熱交換器108によって接続されている。ヒータ105の一端は高温側シリンダ101に接続され、他端は再生器106に接続される。再生器106は、一端がヒータ105に接続され他端はクーラー107に接続される。クーラー107の一端は再生器106に接続され、他端は低温側シリンダ103に接続される。また、高温側シリンダ101と低温側シリンダ103とには作動流体(ここでは空気)が封入されており、ヒータ105から供給される熱及びクーラー107で排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン102、低温側ピストン104を駆動する。
図3−1に示すように、高温側ピストン102と低温側ピストン104とは、高温側シリンダ101と低温側シリンダ103内に空気軸受112を介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン100の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、内燃機関120の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下においてもスターリングエンジン100を運転することができる。
空気軸受112を構成するために、ピストンとシリンダとの間隔tは全周にわたって数十μmとする。これを実現するために、本発明においては高温側シリンダ101と高温側ピストン102と低温側シリンダ103と低温側ピストン104とをガラスによって構成することが好ましい。なお、ガラスに限られず、セラミックスのような高弾性率材料で高
温側シリンダ101と高温側ピストン102と低温側シリンダ103と低温側ピストン104とを構成してもよいし、異なる材料を組み合わせてこれらを構成してもよい。また、加工性を考慮して、金属材料を使用してもよい。
温側シリンダ101と高温側ピストン102と低温側シリンダ103と低温側ピストン104とを構成してもよいし、異なる材料を組み合わせてこれらを構成してもよい。また、加工性を考慮して、金属材料を使用してもよい。
ここで、上記熱交換器108のヒータ105は、内部を流れる作動流体を加熱するため、高温熱源内に配置される。このため、熱交換器108は、スターリングエンジン100と比較して熱膨張が大きくなる。この熱膨張により、高温側シリンダ101と低温側シリンダ103とは、その中心軸ZhとZlとの中心軸間距離lが大きくなる。これによって、シリンダとピストンとのクリアランスを維持できなくなる結果、空気軸受112の機能が発揮できなくなるおそれがある。なお、高温側シリンダ101の中心軸Zh、低温側シリンダ103の中心軸Zl、中心軸間距離lについては図3−2を参照されたい。
実施例に係る本発明では、図3−2に示すように、基板10を高温側及び低温側シリンダ101、103の作動流体の導入側101i、103iに配置して、両シリンダを基板10に組み付ける。かかる位置に基板10を配置する構成により、熱交換器108(特にヒータ105)の熱膨張を拘束して、前記中心軸間距離lの増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン100の運転中、ヒータ105が高温になって熱膨張した場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受112の機能を発揮させることができる。また、前記中心軸間距離lの増大を抑制するために最も効率のよい位置、すなわち、熱交換器108(特にヒータ105)の熱膨張を効率的に拘束できる位置に基板10を配置する。これにより、他に拘束部材を設ける必要はないので、スターリングエンジン100の重量増加を抑制することができる。
高温側ピストン102、低温側ピストン104の往復運動は、コンロッド109によってクランク軸110に伝達され、ここで回転運動に変換される。コンロッド109は、図2に示す近似直線機構113によって支持されており、高温側ピストン102、低温側ピストン104を略直線状に往復運動させる。なお、この近似直線機構113は、グラスホッパ機構を利用している。このように、コンロッド109を近似直線機構113によって支持することにより、高温側及び低温側ピストン102、104のサイドフォースF(ピストンの径方向に向かう力、図2参照)がほとんど0になるので、負荷能力の小さい空気軸受112によって十分にピストンを支持することができる。ここで、上記コンロッド109、クランク軸110及び近似直線機構113は、筺体114内に密封して配置される。そして、筺体114内をポンプ等の加圧手段115で加圧することによって、間接的に高温側シリンダ101、熱交換器108及び低温側シリンダ103内の作動流体を加圧して、スターリングエンジン100の出力を向上させる。
図4−1は、クランク軸支持体を示す説明図である。図4−2は、図4−1の矢印B方向からみた図である。クランク軸110は、クランク軸支持体20に設けられた軸受25で、回転可能に支持される(図1参照)。図4−1、図4−2に示すように、クランク軸支持体20は板状の部材であり、基板10に固定される。また、近似直線機構113は、クランク軸支持体20に設けられた近似直線機構支持部26によって支持される。このとき、クランク軸支持体20は、高温側及び低温側シリンダ101、103と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板10に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダ101、103は、クランク軸110及び近似直線機構113の振動や、クランク軸110の熱膨張等の影響を受けないので、空気軸受112の機能が十分に確保される。また、クランク軸110や近似直線機構113の位置精度は、クランク軸支持体20を介して基板10により確保できるので、クランク軸110の位置精度を確保するための補強部材を新たに追加する必要はない。これにより、スターリングエンジン100の重量増加を抑制することができる。
図1に示すように、スターリングエンジン100を構成する高温側シリンダ101、高温側ピストン102、クランク軸110、近似直線機構113等の各構成要素は、筺体114に格納される。実施例において、筺体114は、複数の板材114a〜114eを締結手段であるボルト118を用いて基板10に固定することにより構成される。なお、スターリングエンジン100の各構成要素を格納する筺体114は、位置基準となる基準体(基板10)を備えていればよく、本実施例に開示した構成に限定されるものではない。
筺体114内は、加圧手段115により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ101、102、及び熱交換器108内の作動流体(本実施例では空気)を加圧して、スターリングエンジン100からより多くの出力を取り出すためである。この加圧により筺体114は膨張して、加圧前と比較して寸法が大きくなる。この加圧に起因する筺体114の膨張によって、スターリングエンジン100を構成する高温側シリンダ101、高温側ピストン102、クランク軸110、近似直線機構113等の各構成要素の相対的な位置関係にずれが生ずることがある。このずれを抑えるためには、筺体114の膨張を抑えるために筺体114自体の肉厚を厚くする等して高剛性としたり、筺体114に補強等を設けたりする必要があり、スターリングエンジン100の重量増加を招く。
本発明では、基準体である基板10を、スターリングエンジン100を構成する前記各構成要素の位置基準とし、前記各構成要素は筺体114と独立させている。このような構成により、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できるので、筺体114の膨張によって各構成要素の相対的な位置関係はほとんど影響を受けることはない。これにより、空気軸受112の機能を確保できるとともに、スターリングエンジン100を安定して運転できる。また、前記各構成要素は筺体114と独立させているので、筺体114の膨張を許容できる。これにより、筺体114の肉厚増加や補強等が不要になるので、スターリングエンジン100の重量増加を抑えることができる。
また、本発明では、筺体114にはシール軸受116が取り付けられており、出力軸117がシール軸受116により支持される。出力軸117とクランク軸110とは、フレキシブルカップリング30を解して連結されており、これを介して筺体114の外部へスターリングエンジン100の出力が伝達される。このように、フレキシブルカップリング30を介することによって、筺体114の膨張によってクランク軸110の中心軸と筺体114との相対位置が変化しても、この位置変化を許容して安定して出力を取り出すことができる。これにより、筺体114の膨張を許容でき、その結果、筺体114の肉厚増加や補強等は不要になるので、スターリングエンジン100の重量増加を抑えることができる。なお、この実施例において、フレキシブルカップリング30には、オルダムカップリングを使用するが、この他にも、例えばディスクタイプやチェーンタイプのフレキシブルカップリングを使用することができる。なお、このスターリングエンジン100をスターリング冷凍機として使用する場合には、出力軸117からクランク軸110へ動力を入力することになる。
図5−1、図5−2は、本発明に係るピストン機関の搭載例を示す説明図である。この搭載例は、実施例の本発明に係るピストン機関であるスターリングエンジン100を、内燃機関の排熱回収に用いるものである。この例では、スターリングエンジン100で発電機125を駆動することにより、内燃機関120の排熱を電気エネルギとして回収している。
図5−2に示すように、スターリングエンジン100に備えられる熱交換器108の少なくともヒータ105を、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等といった内燃機関120の排気通路122内に配置する。このような構成により、スターリングエンジン100によって前記内燃機関120の排ガスGの持つ排熱を回収することができる。こ
のとき、基準体である基板10を、搭載対象である排気通路122に設けられた取付フランジ123(被搭載部)へ、スペーサ126を介してボルト124で固定することによって、スターリングエンジン100を搭載する。
のとき、基準体である基板10を、搭載対象である排気通路122に設けられた取付フランジ123(被搭載部)へ、スペーサ126を介してボルト124で固定することによって、スターリングエンジン100を搭載する。
スターリングエンジン100の搭載にあたっては、基板10の一部を張り出させて基板側フランジ10fを形成し、この基板側フランジ10fと前記取付フランジ123とを組み合わせると、スターリングエンジン100を排気通路122へ容易に取り付けることができる。このようにすれば、スターリングエンジン100の搭載が容易になるとともに、確実にスターリングエンジンを搭載対象である排気通路122へ固定することができる。
以上、この実施例に係る本発明では、基準体である基板を高温側及び低温側シリンダの作動流体の導入側に配置して、両シリンダを基板に組み付ける。このように、熱交換器(特にヒータ)の熱膨張を効率的に拘束できる位置に基板を配置するので、他に拘束部材を設ける必要はない。その結果、スターリングエンジンの重量増加を抑制できるとともに、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受の機能を発揮させることができる。
また、この実施例に係る本発明では、基準体である基板を、スターリングエンジンを構成する各構成要素の位置基準とし、各構成要素はスターリングエンジンの筺体と独立させる。このような構成により、加圧により筺体が膨張しても、各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。これにより、空気軸受の機能を確保できる。さらに、スターリングエンジンの各構成要素は筺体と独立させているので、筺体の膨張を許容できる。これにより、筺体の肉厚増加や補強等が不要になるので、スターリングエンジンの重量増加を抑えることができる。
また、この実施例に係る本発明では、クランク軸や近似直線機構はクランク軸支持体を介して基板10に固定されるので、これらの位置精度は基板10により確保することができる。その結果、クランク軸等の位置精度を確保するための補強部材を新たに追加する必要はないので、スターリングエンジンの重量増加を抑制することができる。さらに、クランク軸や近似直線機構を支持するクランク軸支持体は、高温側及び低温側シリンダ101、103と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダは、クランク軸及び近似直線機構の振動や、クランク軸の熱膨張等の影響を受けないので、空気軸受の機能を十分に確保することができる。
また、この実施例に係る本発明では、クランク軸の出力は、フレキシブルカップリングを介して筺体の外に取り出される。このような構成により、筺体の膨張によってクランク軸の中心軸と筺体との相対位置が変化しても、この位置変化を許容して安定して出力を取り出すことができる。これにより、筺体の膨張を許容でき、その結果、筺体の肉厚増加や補強等は不要になるので、スターリングエンジンの重量増加を抑えることができる。
以上のように、本発明に係るピストン機関は、スターリングエンジン等のピストン機関に有用であり、特に、ピストン機関の各構成要素の位置精度確保、及びピストン機関の重量抑制に適している。
10 基板
20 クランク軸支持体
25 軸受
26 近似直線機構支持部
30 フレキシブルカップリング
100 スターリングエンジン
101 低温側シリンダ
101i、103i 作動流体の導入側
101 高温側シリンダ
102 高温側ピストン
103 低温側シリンダ
104 低温側ピストン
108 熱交換器
110 クランク軸
112 空気軸受
113 近似直線機構
114 筺体
120 内燃機関
122 排気通路
20 クランク軸支持体
25 軸受
26 近似直線機構支持部
30 フレキシブルカップリング
100 スターリングエンジン
101 低温側シリンダ
101i、103i 作動流体の導入側
101 高温側シリンダ
102 高温側ピストン
103 低温側シリンダ
104 低温側ピストン
108 熱交換器
110 クランク軸
112 空気軸受
113 近似直線機構
114 筺体
120 内燃機関
122 排気通路
Claims (8)
- 作動流体が導入されるシリンダと、
前記作動流体と接する頂部を有するとともに、前記作動流体によって前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
回転運動するクランク軸と、
前記ピストンと前記クランク軸とを連結するコンロッドと、
前記シリンダの前記作動流体の導入側に配置されて、前記シリンダが組み付けられる基準体と、
を有することを特徴とするピストン機関。 - さらに、前記クランク軸を回転可能に支持するクランク軸支持体を備え、このクランク軸支持体は、前記シリンダとは独立して前記基準体に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載のピストン機関。
- フレキシブルカップリングを介して、前記クランク軸に対して出力又は入力を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のピストン機関。
- 前記ピストンは、空気軸受によって前記シリンダ内に支持されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のピストン機関。
- 前記基準体を、前記ピストン機関を搭載する対象の被搭載部に取り付けることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のピストン機関。
- 前記ピストン機関はスターリングエンジンであり、ヒータと再生器とクーラーとで構成される熱交換器から送られる作動流体を前記シリンダ内に導入し、前記ピストンを駆動することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のピストン機関。
- 少なくとも前記クランク軸を内部に密封配置する筺体を備え、運転中は前記筺体内部が加圧されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のピストン機関。
- 前記熱交換器の少なくとも前記ヒータが、内燃機関の排気経路に配置されて、当該内燃機関の排熱を回収することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のピストン機関。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003343418A JP2005106011A (ja) | 2003-10-01 | 2003-10-01 | ピストン機関 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP (1) | JP2005106011A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011106305A (ja) * | 2009-11-13 | 2011-06-02 | Leben Hanbai:Kk | スターリングエンジン |
-
2003
- 2003-10-01 JP JP2003343418A patent/JP2005106011A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011106305A (ja) * | 2009-11-13 | 2011-06-02 | Leben Hanbai:Kk | スターリングエンジン |
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