JP2007064222A - 複動スターリング機関用の水素均等化システム - Google Patents

Abstract

【課題】サイクル容積間の精密ガス移送を可能にし、別個のサイクル容積間の作動ガス充填量を均等化するシステムを提供する。
【解決手段】作動ガス圧均等化システムには、複数ピストンの各々に取り付けられ駆動装置に接続された連接棒と、連接棒の各々に作用し作動ガスの均等化容積を画成する第１及び第２の連接棒シールと、シリンダ孔内でピストンをシールするため、ピストン各々に備えられた１対のピストンリングとが含まれ、該ピストンリングが軸方向に隔てられていることで、ピストンリング対、ピストン、シリンダ孔により区切られた環状ピストンシール容積が形成され、更に環状ピストンシール容積を均等化容積と連通させる、連接棒の各々により形成される通路と、サイクル容積を均等化容積と連通させ、弁均等化容積からサイクル容積への作動ガスの流れを可能にする弁とが含まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱機関に係り、特に機関内で別個量の作動ガス間の圧力を均等化する特徴を有する改良型スターリングサイクル機関に関する。

スターリング機関の基本概念は、１８１７年にロバート・スターリングによって登録された特許にさかのぼる。この機関は、量と圧力の変化を伴う温度差のある複数区域間で作動ガスを往復させることによって作動する。スターリング機関は、可逆的な熱力学サイクルを有し、したがって熱源からの機械的出力を放出する手段として使用するか、又は機械的な入力エネルギーを加えることによるヒートポンプとして働くことができる。種々の熱源、例えば燃焼化石燃料又は集光太陽エネルギーを使用することにより、機関は機械的動力を放出できる。このエネルギーは、発電に使用したり、直接に機械式に接続して負荷を与えることができる。スターリング機関の数多くの潜在的用途は、例えば自動車の原動力、太陽エネルギー産生、廃熱再利用、遠隔地発電を含むことが確認されている。

本発明の譲受人であるＳＴＭ動力社（旧名スターリング・サーマル・モータ社）は、何年にもわたってスターリング機関技術を著しく進歩させてきた。それらの技術革新の例は、回転斜板によって機械式に連結された一群の並列複動シリンダを用いるコンパクトで高効率の基本スターリング機関の開発である。多くの用途において、回転斜板アクチュエータにより、回転斜板角度を、したがってピストン行程及び掃気量を、機関の作動上の諸要求に応じて変更することができる。

譲受人は、スターリング機関設計で著しい進歩を達成したが、更なる洗練を得る必要は常に存在する。複動式多シリンダ・スターリング機関の場合、隔離された量の作動ガス、通常はヘリウム又は水素ガスが機関内を往復動する。これらの隔離された量は、スターリング機関の熱力学サイクルにより周期的に圧縮され、膨張させられ、温度差のあるスペース間を往復する。作動中の動的状態、漏れ、始動状態に応じて、隔離されたサイクル容積の各々に含まれるガス量は変化する。隔離されたサイクル容積において「充填」質量又は量に差が生じることにより、機関の作動が不均衡になり不正確になる。加えて、この不均衡により、望ましくない機械的力が機関の可動部品に加わり、更に作動中、機関の騒音や振動が増大し、熱効率に悪影響を与え、始動トルクを増大させる。

スターリング機関の作動部品間のシールが理想的になされ、作動中、作動ガスの充填量が一様であっても、機関が一度停止すると、サイクル容積は異なる圧縮段階で停滞する。このため、不可避的に、作動ガスが、ある時間にわたって高圧区域から低圧区域へ漏出する。その結果、サイクル間で充填量に差が生じるが、これは、各サイクルで別々の量が決まっているからである。このため、機関の始動時には、作動ガス・サイクル間に充填量のかなりの差が生じる。本発明は、別個のサイクル容積間の作動ガス充填量を均等化するシステムを提供する。

多シリンダ・スターリング機関内で隔離されたサイクル容積間の圧力均等化を得る一つの手法が、譲受人の米国特許第５，８１３，２２９号に記載されている。該特許では、サイクル容積の各々が小直径の細管を介して連通できるようにされている。このシステムは、ある時間にわたって圧力を均等化するが、圧力の均等状態が存在しない場合でも、サイクル間のガス交換により、一定の効率損失が生じる欠点がある。その原因は、細管が位相外れの圧力変動にさらされ、その結果、細管を定常的にガス流が往復通過するからである。

本発明によれば、複数最小圧力を、したがって、それらの全充填量を均等化できるように、サイクル容積間の精密ガス移送を可能にするシステムが提供される。これは、円滑に回転するエンジンを製造するように作用し、先行技術によるスターリング機関の既述の欠点に対処したものである。

本発明のスターリング機関の技術革新は、譲受人によって既に開発された多くのエンジン構成に実現されている。それらには、米国特許第４，４８１，７７１号、第４，５７９，０４６号、第４，６１５，２６１号、第４，６６９，７３６号、第４，８３６，０９４号、第５，６１１，２０１号、第５，７０６、６６９号、第５，７２２，２３９号、第５，８６５，０９１号、第５，９３８，２０７号が含まれ、これらの特許は、ここに引用することで本明細書に援用するものである。以上に引用した特許に記載のスターリング機関の多くが有する基本特徴は、本発明と関係付けて実施することもできる。

本発明のシステムは中空の連接棒を有するピストンを利用しており、連接棒は１対の別個の連接棒シールを貫通している。連接棒の内部通路は、軸方向に隔てられた１対のピストン・シールリング間の環状ピストンシール容積と連通している。連接棒の内部通路は、各シリンダごとの容積と連通し、これらの容積は、すべて通路を介して接続され、均等化容積又はプレナム（囲われ空間）を形成している。このプレナムは、個々のサイクル容積と連通する弁、例えば逆止め弁等を使用することにより最小サイクル圧レベルに維持される。作動時、均等化容積は、システム内で最低の最小サイクル圧に維持される。作動ガスは、ピストンリングからの作動ガス漏れにより、プレナム圧と異なる最小圧を示すどのサイクル容積内へも移動可能である。

本発明の分野に関わりのある当業者には、本発明の付加的な効果及び利点が、添付図面を参照して以下で説明する好適実施例と、添付の特許請求の範囲とにより明らかになるだろう。

図１を見ると、多シリンダ複動スターリング機関が略示され、全体が符号１０で示されている。スターリング機関１０は、４つの概して等しいシリンダ組立体１２から成り、各組立体がシリンダ孔１４を有し、該シリンダ孔内をピストン１６が往復動可能である。連接棒１８は、ピストン１６の各々に連結され、かつ駆動システム、例えば引用により本明細書に援用する本出願人の既述の米国特許に記載した種類の運動学的な回転斜板型駆動システムと接続されている。他の公知駆動システムは、磁気連結システムや、共振状態で作動するいわゆる「自由ピストン」設計を含んでいる。駆動システム２３は、ピストン１６の概して正弦曲線状の運動を生じることが略示されている。スターリング機関１０のシリンダ組立体１２は、好ましくは方形の集団（クラスター）に構成されるが、図１では説明目的で並列して示している。したがって、図１の左側に示されたシリンダ組立体１２は、実際には、右側に示したシリンダ組立体１２と１つのものである。

１対のピストンリング２０，２２は、ピストン１６とシリンダ孔１４の内径との間の半径方向空隙内でシールし、これらのシールリングが環状のピストンシール容積５８を画成している。連接棒シール２４により、連接棒１８の往復動が可能になる一方、液密シール得られる。同じように、連接棒シール２６により、連接棒１８の液密シールが得られる。連接棒シール２４，２６は、シリンダ組立体１２の各々に対し部分的な均等化容積を画成するように隔てられている。ピストン１６の各々は、図１にサイクル容積Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして示された別々の作動ガス・サイクル容積対の可動境界として機能する。先述のように、スターリング機関に通常使用される作動ガスは、ヘリウム及び水素（ある場合には空気）を含んでいる。サイクル容積Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各々は、ピストン１６のうちの１つのピストンの下面とシールリング２２とにより、一方の境界が区切られ、接続されたシリンダ組立体１２の隣接ピストン１６の上面と上部ピストンリング２０とにより他方の境界が区切られている。

各シリンダ組立体１２の下部は、導管３６を介し、冷却器３０、復熱器３２、加熱器３４を含む積み重ね熱交換機を経て接続されている。冷却器３０の区域のガス流は熱を除去されるが、その熱は、作動ガスが加熱器３４内を通過する際、作動ガスに伝えられる。復熱器３２は、熱エネルギーを貯蔵する機能を有し、高温ガス流の通過時には加熱され、相対的に低温のガスの通過時には放熱する。冷却器３０、復熱器３２、加熱器３４はスターリング機関の周知の基本構成部品である。導管３６，３８は、隣接シリンダ組立体１２間のサイクル容積Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと先述の積み重ね熱交換器とを連通させている。作動時、可動境界で区切られたサイクル容積各々の圧力の周期的変動は、既述のように、駆動システム２３によって得られる連接棒１８それぞれの相互調整された位相外れ往復運動によって生じる。

サイクル容積Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを均等化容積２８に連通させるために、逆止め弁４０が設けられている。逆止め弁４０は、図１に示した方向で両容積間に圧力差が生じた場合にのみ、つまりサイクル容積内の圧力がより低くなった場合にのみ、均等化容積２８から、接続されているサイクル容積へガスが流れるように方向付けされている。各シリンダ組立体の均等化容積２８は、導管２９を介して接続され、集合均等化容積又はプレナム（同じく符号２８で示す）を形成している。

連接棒１８は中心通路４２を有し、この通路により、ピストンリング２２，２４間の環状ピストンシール容積５８と連通している。図２を参照して、この構成を更に詳しく説明する。図２は、中空のドーム形内部４４を有するピストン１６を示している。ピストン１６は、引用により本明細書に援用する米国特許第５，８６５，０９１号に説明しているように構成されている。連接棒１８は摩擦かん合用テーパ孔４６を介してピストン１６に取り付けられ、固定ナット４８により定位置に固定されている。ピストンリング２２，２４は、環状スペーサ５０によって軸方向に隔てられている。環状スペーサ５０は、中空のドーム状内部４４に連通する内部通路５２を特徴としている。同じく、連接棒の通路４２も中空のドーム状内部４４の容積と連通している。中空のドーム状内部４４により、均等化プレナムの組み合わせ容積が増大し、更にピストン１６内のガス圧が減圧され、それによって付加的にピストン上下の対流による熱伝達が低減される。

スターリング機関１０の負荷除去のために、一連の弁５４が採用され、これらの弁は、均等化容積２８を有する導管３６を開き、電気式遠隔制御装置によって開閉可能である。弁５４が、例えばソレノイドを励起させることで開かれると、スターリング機関１０は、熱力学の閉サイクルによって作動しなくなる。弁５４により、始動状態の場合、又は作動中に機関の完全停止が必要な場合に、機関の負荷除去が可能である。注意すべき点は、弁５４が逆止め弁４０（圧力で起動される）と同じ容積間を連通させる点である。これらの弁の相違点は、弁５４は、逆止め弁４０より流量が大であり、外部から起動できる点である。別個の２組の弁４０と弁５４とは、実質的には本発明の長所を具現するものではない。本発明の別の実施例では、弁４０は省くことができ、弁５４は、遠隔制御信号によって始動時に開くように機能し、閉じられる場合は、圧力起動式一方弁として働き、したがって逆止め弁４０として機能する。

均等化容積２８は、それぞれの機関内に画成される。つまり、それは、逆止め弁４０（又は前記のような弁５４）の作動によってサイクル容積が受ける最小サイクル圧力に維持されるプレナムである。作動ガスは、共通のプレナム５６を通ることなしには１つのサイクル容積から他のサイクル容積へ移ることはできない。このようにして、プレナム５６内のガス圧は、逆止め弁４０の動作によって各サイクルでの最小サイクル圧に維持される。既述のように、スターリング機関が停止すると、各シリンダ組立体１２のピストン１６は異なる位置に停止し、隔離されたサイクル容積Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは異なる容積と圧力を有することになる。

スターリング機関１０が、停止したまま或る時間が過ぎると、例えばピストンリング２０，２２からの漏れにより、隔離されたサイクル容積Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの圧力が均等化に向う。停止した機関ごとのサイクル容積間の充填量のこの不均等は、エンジンの始動に要する高いトルクを生じさせ、かつ作動中に不均衡を生じさせる。始動トルクを低減するには、弁５４を起動して開弁することで、サイクル容積の各々を共通のプレナム５６に連通させる。この状態でエンジンは負荷を解除され、エンジンの最初の数回転の間にサイクル容積間の圧力が均等化できる。始動後まもなく、弁５４は閉じられ、システムは定常作動に達する。

ピストンリング２２，２４間のスペースをプレナム５６に接続することにより、最小圧力が維持され、本発明のシステムの場合の均等化機能が得られる。この接続により、プレナム５６の関与なしでの隣接容積間のガス充填量の正味移動が防止される。作動時、プレナム５６は、サイクル容積Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各々の最小「平均圧」に維持される。個々のサイクル容積に最小圧の変動が生じた場合、その周期的な圧力変動時に、作動ガスが該容積へ又は該容積からシールリング２０及び／又はシールリング２２を通過して漏出する。

本発明の範囲内で種々の変化形が可能である。例えば本発明の一具体例では、種々の導管２９，３６，３８を通路又は連通路として備えることができ、別個の管や連結管を必要としない。
以上の説明は本発明の好適実施例について行ったが、本発明は、特許請求の範囲の適正な枠及び正しい意味から逸脱することなしに変更態様、変化形、改変が可能であることが理解されよう。

本発明の特徴を有する４シリンダ複動スターリング機関を略示した図。 図１に示した機関と接続して使用されるピストンの断面図。

符号の説明

１０ スターリング機関
１２ シリンダ組立体
１４ シリンダ孔
１６ ピストン
１８ 連接棒
２０，２２ ピストンリング
２４，２６ 連接棒シール
２８ 均等化容積
２９ 導管
３０ 冷却器
３２ 復熱器
３４ 加熱器
３６ 導管
３８ 導管
４０ 逆止め弁
４２ 中心通路
４４ ピストンの中空のドーム形内部
４６ テーパ孔
４８ 固定ナット
５０ 環状スペーサ
５２ 通路
５４ 弁
５６ プレナム

Claims (8)

1. 多シリンダ複動式熱ガス機関用の作動ガス圧均等化システムであって、該機関には、ピストンにより分けられた作動ガスの概して隔離された複数サイクル容積を画成するシリンダ孔内を往復動可能な複数ピストンを有する型のスターリング機関が含まれ、前記ピストンの運動がサイクル容積の圧力変化を生じさせる駆動装置によって制御される形式のものにおいて、前記均等化システムには、
   複数ピストンの各々に取り付けられ、駆動装置と接続された連接棒と、
   連接棒の各々に作用し、作動ガスの均等化容積を間に画成する第１連接棒シールと第２連接棒シールと、
   シリンダ孔内でピストンをシールするため、ピストン各々に備えられた１対のピストンリングとが含まれ、該ピストンリングが軸方向に隔てられていることで、ピストンリング対、ピストン、シリンダ孔により区切られた環状ピストンシール容積が形成され、更に
   環状ピストンシール容積を均等化容積と連通させる、連接棒の各々により形成される通路と、
   サイクル容積を均等化容積と連通させ、弁均等化容積からサイクル容積への作動ガスの流れを可能にする弁とが含まれている、多シリンダ複動式熱ガス機関用の作動ガス圧均等化システム。
2. 前記均等化容積が、複数シリンダ各々が有する別個の部分的均等化容積から成り、該部分的均等化容積が、導管を介して互いに接続され、均等化容積を形成する、請求項１に記載の作動ガス圧均等化システム。
3. 更に、サイクル容積と均等化容積間を連通させ、かつこれら両容積間を流体連通させる制御信号により操作可能な１つ以上のアンローダ弁を含み、それにより機関の負荷を除去し、更に閉弁により機関の正常な作動を可能にする、請求項１に記載の作動ガス圧均等化システム。
4. 前記弁が、作動ガスの流れを均等化容積からサイクル容積への方向でのみ許容する逆止め弁である、請求項１に記載の作動ガス圧均等化システム。
5. 前記ピストンリングが環状スペーサによって軸方向に隔てられている、請求項１に記載の作動ガス圧均等化システム。
6. 前記環状スペーサが通路の一部を形成する、請求項５に記載の作動ガス圧均等化システム。
7. 前記ピストンが中空の内部を有し、該内部が均等化容積の一部を含んでいる、請求項１に記載の作動ガス圧均等化システム。
8. 前記弁がアンローダ弁として機能し、該アンローダ弁が、制御信号により開弁することでサイクル容積と均等化容積間に流体を連通させ、それにより機関の負荷を除去可能であり、更に前記アンローダ弁は閉弁可能であり、しかも閉弁されると、作動ガスの流れを均等化容積からサイクル容積への方向でのみ許容する逆止め弁として機能する、請求項１に記載の作動ガス圧均等化システム。

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