JP2008057523A - Stirling engine and stirling refrigerator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スターリング機関及びスターリングエンジン並びにスターリング冷凍機に関するものである。 The present invention relates to a Stirling engine, a Stirling engine, and a Stirling refrigerator.
従来のスターリングエンジンは、作動気体が加熱、冷却されることによる膨張、収縮に伴って作動室内の圧力変化に対応してピストンが作動するように構成されていた。 The conventional Stirling engine is configured such that the piston operates in response to a pressure change in the working chamber as the working gas is expanded and contracted by heating and cooling.
従来のスターリング機関の基本サイクルは図15に示すようにシリンダ100内の一側にディスプレーサ101が摺動自在に設けられると共に、シリンダ100内の他側にピストン102が摺動自在に設けられている。そして、シリンダ100の一側端は閉じているが、他側端には開口部100Aが形成されている。そしてシリンダ100内において該シリンダ100に一側端とディスプレーサ101との間に高温(膨張)部103が形成されると共に、ディスプレーサ101とピストン102との間に低温(圧縮)部104が形成され、さらに高温(膨張)部103と低温(圧縮)部104との間にはシリンダ100に内蔵した作動ガスなどと称する作動流体(図示せず)が移動可能な通路105が設けられており、この通路105には、高温(膨張)部103から低温(圧縮)部104にかけて加熱部106、再生器107、冷却器108が配置されている。
In the basic cycle of a conventional Stirling engine, a
そして、図15に示す第1行程においてはピストン102は下死点、ディスプレーサ101は上死点にあり、作動気体はすべて低温(圧縮)部104にある。図16に示す第2行程においては、ディスプレーサ101は上死点に留まり、ピストン102は低温にて作動流体を圧縮する。図17に示す第3行程においては、ピストン102は上死点に留まる。ディスプレーサ101は作動流体を低温(圧縮)部104から高温(膨張)部103へ移動する。そして、図18に示す第4行程においては、高温作動流体は膨張し、ピストン102とディスプレーサ101は両方とも下死点にある。次にピストン102は下死点に留まったままディスプレーサ101は上昇し、作動流体を低温(圧縮)部104に戻して再び第1行程の状態につなげるというものである。
In the first stroke shown in FIG. 15, the
しかし、作動流体としてヘリウムや水素等の比熱の小さい気体が熱効率を向上させるために用いられ、しかも高圧化するにつれてエンジンのシール部分からの作動流体の漏れが大きな問題となっており、性能低下、メンテナンスの難しさ、エンジン本体の重量の増大、製造コスト及びメンテナンスコストの増大等があり、スターリングエンジンが従来の内燃機関よりも優れていると言われながら商用化されていないのが現実である。 However, a gas with small specific heat, such as helium or hydrogen, is used as the working fluid to improve the thermal efficiency, and as the pressure increases, the leakage of the working fluid from the seal part of the engine has become a major problem, resulting in performance degradation. There are difficulties in maintenance, an increase in the weight of the engine body, an increase in manufacturing costs and maintenance costs, and the fact that Stirling engines are said to be superior to conventional internal combustion engines but are not commercialized.
この作動気体の漏れとは、パワーピストンのピストンリングからエンジン本体(クランク室)内への漏れを意味しているものではなく、出力軸の摺動部分や回転部分を通してエンジンの外部への漏れである。 This leakage of working gas does not mean leakage from the piston ring of the power piston into the engine body (crank chamber), but leakage from the sliding or rotating part of the output shaft to the outside of the engine. is there.
そして、ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッド機構とを具備し、該リンクロッド機構は、一端がディスプレーサに連結され他端部が該ディスプレーサシリンダの冷却側室または加熱側室の一方に連通して形成された密封シリンダ内に摺動可能に配設された第1のロッドと、一端がクランクシャフトに連結された第2のロッドと、第2のロッドの他端に一端が連結され他端部に密封シリンダの外周面に沿って摺動可能に且つ第1のロッドの他端部と重合して配設されたホルダーを備えた第3のロッドと、第3のロッドの他端部と第1のロッドの他端部に設けられ第3のロッドの駆動力を第1のロッドに伝達する磁気駆動機構とによって構成されたものが知られている
しかしながら、前記従来技術による方法では第1のロッドからの作動気体の漏れ(作動室から機体本体、すなわちクランク室内)は防止できる。
And a link rod mechanism that connects the displacer and the crankshaft. The link rod mechanism is formed such that one end is connected to the displacer and the other end communicates with one of the cooling side chamber and the heating side chamber of the displacer cylinder. A first rod slidably disposed in the sealed cylinder, a second rod having one end connected to the crankshaft, and one end connected to the other end of the second rod and the other end A third rod provided with a holder slidable along the outer peripheral surface of the sealing cylinder and superposed with the other end of the first rod; the other end of the third rod; However, there is a known magnetic drive mechanism that is provided at the other end of the rod and transmits the driving force of the third rod to the first rod. It is possible to prevent leakage of the working gas from the cylinder (from the working chamber to the main body, that is, the crank chamber).
ところが、パワーピストンのピストンリングからの作動気体の漏れ、すなわち作動室から機体本体、すなわちクランク室への漏れはどのようなエンジンでもピストンリングを使う以上避けられないものであるが、今日問題となっているのはエンジン本体からの外部への漏れである。特に摺動部分からの漏れを防止するのは非常に難しく、ピストンリングからエンジン本体(クランク室)への漏れはどのようなエンジンでもピストンリングを使用している以上避けることができない。そこで、摺動部分をエンジン本体(クランク室)内に一体化して設けることにより、多少容易な回転部分のシール構造をとっているのが一般的である。 However, the leakage of the working gas from the piston ring of the power piston, that is, the leakage from the working chamber to the fuselage body, that is, the crank chamber, is inevitable as long as the piston ring is used in any engine. What is leaking from the engine body to the outside. In particular, it is very difficult to prevent leakage from the sliding portion, and leakage from the piston ring to the engine body (crank chamber) cannot be avoided as long as the piston ring is used in any engine. Therefore, it is general that the sliding portion is integrated in the engine main body (crank chamber) so as to have a somewhat easy rotating portion sealing structure.
そこで、摺動部分をエンジン本体(クランク室)内に一体化して設けることにより、多少容易な回転部分のシール構造をとっているのが一般的である。したがって、クランク室は高圧になるため、高圧に耐える構造になり、エンジンの大型化、重量増、製造コストの増大となる。また、回転部分のシールについても非常に高度な、精密なシール構造が要求され、メンテナンスの難しさにましてメンテナンスコストの増大となる。これがスターリングエンジンの普及しない原因の一つであるといわれている。 Therefore, it is general that the sliding portion is integrated in the engine main body (crank chamber) so as to have a somewhat easy rotating portion sealing structure. Therefore, since the crank chamber is at a high pressure, it has a structure that can withstand the high pressure, which leads to an increase in size, weight, and manufacturing cost of the engine. Also, a very high-precision seal structure is required for the seal of the rotating part, which increases the maintenance cost compared to the difficulty of maintenance. This is said to be one of the reasons why Stirling engines are not popularized.
また、作動気体の漏れに対して高圧の作動気体を詰めたボンベをエンジン本体に抱かせて漏れた作動機体を常に充填する構造のものもある。 Further, there is a structure in which a cylinder filled with a high-pressure working gas is held in an engine body to always fill the leaked working machine body against the working gas leakage.
前述のエンジンの構造では高圧の作動流体がクランク室にたまり、やがてクランクシャフトのシール部から大気へと漏れるという問題は依然として残っている。 In the engine structure described above, the problem remains that high-pressure working fluid accumulates in the crank chamber and eventually leaks from the seal portion of the crankshaft to the atmosphere.
したがって、クランク室は高圧に耐える構造にしなければならないし、高度なシール構造が必要になってくる等前述のいろいろな問題が発生する。 Therefore, the crank chamber must have a structure that can withstand high pressure, and the above-described various problems occur, such as the need for an advanced seal structure.
そこで、後述する本件発明のフリーピストン型のスターリングエンジンではエンジン本体が密閉されており、シールがないのでピストンリングからの漏れはエンジン本体の中だけで外部への漏れはない、これが作動気体の漏れに関しては理想的な構造である。すなわち、エンジン本体が密閉されており、エンジン外部に繋がるシール部がないのが特徴であり、ピストンリングからの漏れはエンジン本体の中だけで外部への漏れはない。したがって、作動流体の漏れに関しては理想的な構造となる。 Therefore, in the free piston type Stirling engine of the present invention to be described later, the engine body is hermetically sealed and there is no seal, so the leakage from the piston ring is only inside the engine body and there is no leakage to the outside. Is an ideal structure. That is, the engine main body is hermetically sealed and there is no seal portion connected to the outside of the engine, and the leakage from the piston ring is only in the engine main body and does not leak to the outside. Therefore, it becomes an ideal structure regarding the leakage of the working fluid.
ところが、フリーピストン型のスターリングエンジンではエンジンが密閉されているためピストンの動力をエンジンの外部へ取り出す方法がまだ確立されていない。すなわち、フリーピストン型のスターリングエンジンではエンジンが密閉されているためにピストンを負荷の変動に関係なく動かすため制御が難しいばかりでなく、ピストンの動力をエンジンの外部へ取り出すのが難しいという問題がある。 However, in a free piston type Stirling engine, since the engine is hermetically sealed, a method for extracting the power of the piston to the outside of the engine has not yet been established. That is, in a free piston type Stirling engine, since the engine is sealed, not only is the control difficult because the piston is moved regardless of the load fluctuation, but it is also difficult to extract the piston power to the outside of the engine. .
また、スターリング機関の一例として、フリーピストン型スターリング冷凍機が知られている。このスターリング冷凍機では、ケーシングに組付けられたシリンダ内にディスプレーサとピストンとを配設して膨張空間と圧縮空間とを含む作動空間を設けている。作動空間の内部にはヘリウムなどの作動媒体が存在しており、膨張空間と圧縮空間とは作動媒体通路を介して連通している。作動媒体通路には、作動媒体の熱を蓄積するとともに蓄積した熱を作動媒体に供給する再生器が配設されている。ピストンは、後端でピストンスプリングと一体化され、リニアモータなどによってシリンダの軸方向に往復駆動される。ディスプレーサは、ピストンを貫通するディスプレーサロッドを介してディスプレーサスプリングと一体化される。該ディスプレーサスプリングとピストンスプリングとはボルトにより連結され、背圧空間内に配置される(例えば特許文献2)。 Moreover, a free piston type Stirling refrigerator is known as an example of a Stirling engine. In this Stirling refrigerator, a displacer and a piston are arranged in a cylinder assembled to a casing to provide an operating space including an expansion space and a compression space. A working medium such as helium is present inside the working space, and the expansion space and the compression space communicate with each other through the working medium passage. In the working medium passage, a regenerator for accumulating the heat of the working medium and supplying the accumulated heat to the working medium is disposed. The piston is integrated with a piston spring at the rear end, and is reciprocated in the axial direction of the cylinder by a linear motor or the like. The displacer is integrated with the displacer spring via a displacer rod that passes through the piston. The displacer spring and the piston spring are connected by a bolt and disposed in the back pressure space (for example, Patent Document 2).
また、従来のスターリング冷凍機においては、ピストンとディスプレーサを同軸上に配置することによりシリンダを共有化したスターリング冷凍機が一般化しつつある。また、ディスプレーサを直接駆動することなく、ピストンの往復動によって生じる冷媒ガスの圧力変化を受けてディスプレーサがピストンと共振するように構成された、いわゆるフリーピストン型のスターリング冷凍機が一般化しつつある。 Moreover, in the conventional Stirling refrigerator, the Stirling refrigerator which shared the cylinder by arrange | positioning a piston and a displacer on the same axis is becoming common. In addition, so-called free piston type Stirling refrigerators configured such that the displacer resonates with the piston in response to a pressure change of the refrigerant gas caused by the reciprocating movement of the piston without directly driving the displacer are becoming common.
このようなものでは、ピストンがシリンダ内を軸方向に往復動する。ピストン系の総質量と板バネのバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の交流電力をリニアモータに供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復動を開始する。また、ディスプレーサ系においては、ディスプレーサ系の総質量と板バネのバネ定数とにより定まる共振周波数をピストン3の駆動周波数に共振するように設定することにより、ピストン系が往復動する力を受けてディスプレーサ系も滑らかに正弦波状の往復動を開始する。
In such a case, the piston reciprocates in the cylinder in the axial direction. By supplying the linear motor with AC power having a frequency that matches the resonance frequency determined by the total mass of the piston system and the spring constant of the leaf spring, the piston system starts a smooth sinusoidal reciprocation. Further, in the displacer system, the resonance frequency determined by the total mass of the displacer system and the spring constant of the leaf spring is set so as to resonate with the driving frequency of the
そして、圧縮室内の作動空間においては、ピストンの往復動に伴って作動ガスの圧縮・膨張が繰り返される。この圧力変化に伴い、ディスプレーサも往復動を開始する。このとき、圧縮室と膨張室との間の流動抵抗等により、ピストンとディスプレーサとの間には位相差が生じる。以上のようにフリーピストン型スターリング冷凍機においては、定常運転時においてディスプレーサがピストンと所定の位相差と振幅比をもって同期的に振動する。 In the working space in the compression chamber, the working gas is repeatedly compressed and expanded as the piston reciprocates. Along with this pressure change, the displacer also starts to reciprocate. At this time, there is a phase difference between the piston and the displacer due to flow resistance between the compression chamber and the expansion chamber. As described above, in the free piston type Stirling refrigerator, the displacer vibrates synchronously with the piston with a predetermined phase difference and amplitude ratio during steady operation.
このようなスターリング冷凍機の動作により、圧縮室内と膨張室内との間において逆スターリングサイクルが実現する。圧縮室内においては等温圧縮変化に基づいて作動ガスの温度が上昇し、膨張室7内においては等温膨張変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。
By such operation of the Stirling refrigerator, a reverse Stirling cycle is realized between the compression chamber and the expansion chamber. In the compression chamber, the temperature of the working gas increases based on the isothermal compression change, and in the
運転中において圧縮室と膨張室との間を往復動する作動ガスは、内部熱交換器を通過する際に熱を内部熱交換器を通じて放熱部および吸熱部に伝熱する。圧縮室から再生器に流れ込む作動ガスは高温であるため、放熱部は加熱される。これに対し、膨張室から再生器に流れ込む作動ガスは低温であるため、吸熱部は冷却される。以上により、特定の空間から吸熱部を介して熱を奪い、その熱を放熱部を介して大気に放散することにより、スターリング冷凍機が冷凍機関として機能することになる。ここで、再生器は、圧縮室と膨張室との間を流動する作動ガスの熱を相互に伝えることなく、作動ガスをそれぞれの空間に移動させる、いわゆる蓄熱装置としての機能を発揮する(例えば特許文献3)。
従来のスターリングエンジンの最大の問題点は作動気体がエンジンの外に漏れることである。作動流体として使用されるヘリウムや水素はその分子量が非常に小さく、例えばシール材として高分子の分子と分子の間からも透過するほどの微粒子である。したがって、現在の高度なシール技術をもってしてもシール部からの漏れをなくすことは不可能である。 The biggest problem with conventional Stirling engines is that working gas leaks out of the engine. Helium or hydrogen used as a working fluid has a very small molecular weight, and is, for example, a fine particle that can penetrate even between molecules of a polymer as a sealing material. Therefore, it is impossible to eliminate leakage from the sealing portion even with the current advanced sealing technology.
そこで、現在のフリーピストン型のスターリングエンジンではシール部をなくし、エンジン本体を完全密閉してこの問題を解決しているものである。もう一つの問題は発生した動力をエンジンの外部に取り出す方法である。フリーピストン型のステーリングエンジンではエンジン本体が完全密閉されているために、内部にリニア発電機を組み込み発電し、電力の形で取り出している。しかしながら、このようなものにおいては大電力を取り出すことは難しい。 Therefore, the current free piston type Stirling engine eliminates the seal portion and completely seals the engine body to solve this problem. Another problem is how to extract the generated power to the outside of the engine. In the free piston type staying engine, the engine body is completely sealed, so a linear generator is built inside to generate power and take it out in the form of electric power. However, in such a thing, it is difficult to take out large electric power.
ところで、従来のフリーピストンエンジンは、シリンダーに機械ばね或いはガスばねを取り付け(復元力)、ピストン質量(慣性力)と負荷(粘性に相当)との兼ね合いにより、共振周波数で運転している。そして、振動系の兼ね合いにより適切なピストンストロークが得られ、さらにピストンに適切な位相差が生じた場合、通常のスターリングエンジンと同様の原理で動くものである。ところがフリーピストンエンジンはピストンのストロークが負荷変動や運転条件(温度や圧力)によって変化する。このようにストロークの変化は、エンジン述力に大きく影響するので、エンジンの開発に当っては高度の技術を必要とする。 By the way, a conventional free piston engine has a mechanical spring or gas spring attached to a cylinder (restoring force), and operates at a resonance frequency due to a balance between piston mass (inertial force) and load (corresponding to viscosity). When an appropriate piston stroke is obtained due to the balance of the vibration system and an appropriate phase difference is generated in the piston, the piston moves on the same principle as a normal Stirling engine. However, in a free piston engine, the piston stroke changes depending on load fluctuations and operating conditions (temperature and pressure). As described above, the change in the stroke greatly affects the engine descriptive force, so that advanced technology is required for the development of the engine.
また、高い周波数で運転するエンジンではピストンストロークが増大し、シリンダー端面に衝突する危険がある。このようにフリーピストン型エンジンは振動系の非常に狭い共振周波数での運転であるため、過度な負荷変動が生ずるとエンジンは運転不能になってしまう。 Further, in an engine operating at a high frequency, the piston stroke increases and there is a danger of colliding with the cylinder end face. As described above, since the free piston type engine is operated at a very narrow resonance frequency of the vibration system, the engine becomes inoperable when an excessive load fluctuation occurs.
その上、フリーピストン型エンジンは完全に密閉された缶体の中にピストンが内蔵されているため、出力の取出しが難しく、現在用いられているのはリニアー発電機によって発電した電力の形で取り出している。しかし、リニアー発電機は一般の回転式発電機に比べ発電効率が劣る。また、エンジン本体の中に内蔵されるため、発電機を大型化できない、したがって大出力のエンジンは期待できないという問題を有している。 In addition, since the piston is built in a completely sealed can body, it is difficult to take out the output, and the free piston type engine is currently used in the form of electric power generated by a linear generator. ing. However, linear generators are inferior in power generation efficiency compared to general rotary generators. Moreover, since it is built in the engine body, there is a problem that the generator cannot be increased in size, and therefore a high-power engine cannot be expected.
解決しようとする問題点は、スターリング機関及びスターリングエンジン並びにスターリング冷凍機において、可動部のシール部をなくして作動気体の漏れを防ぎ、また高性能とする点である。また、ディスプレーサを効率的に駆動する点である。 The problem to be solved is that in the Stirling engine, Stirling engine and Stirling refrigerator, the seal part of the movable part is eliminated to prevent leakage of the working gas and to achieve high performance. In addition, the displacer is driven efficiently.
請求項1の発明は、基台に対して移動動可能に設けられ内部を密封しディスプレーサシリンダとピストンシリンダとを備えるシリンダと、
前記ディスプレーサシリンダ内を圧縮空間と膨張空間とに区画するディスプレーサと、
前記ディスプレーサの圧縮空間または膨張空間の一方と連通する作動空間からなる前記ピストンシリンダと、
前記ピストンシリンダ内に設けられるピストンと、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段とを具備することを特徴とするスターリング機関である。
The invention of
A displacer that divides the displacer cylinder into a compression space and an expansion space;
The piston cylinder comprising a working space communicating with one of the compression space or the expansion space of the displacer;
A piston provided in the piston cylinder;
A Stirling engine comprising a fixing means for fixing the piston relative to the base.
請求項2の発明は、基台に対して往復動可能に設けられた内部を密封したシリンダと、
前記シリンダの往復運動を回転運動に転換する出力取り出し機構を備えると共に、ディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサシリンダ内を圧縮空間と膨張空間とに区画するディスプレーサと、
前記ディスプレーサの圧縮空間または膨張空間の一方と連通する作動空間からなるピストンシリンダと、
前記ピストンシリンダ内にピストンを配設し、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段とを具備することを特徴とするスターリングエンジンである。
The invention of
An output take-out mechanism that converts a reciprocating motion of the cylinder into a rotational motion, a displacer cylinder, and a displacer that divides the displacer cylinder into a compression space and an expansion space;
A piston cylinder comprising a working space communicating with one of the compression space or the expansion space of the displacer;
A piston is disposed in the piston cylinder;
A Stirling engine comprising a fixing means for fixing the piston relative to the base.
請求項3の発明は、前記ピストンは前記ピストンシリンダーの内部に配置し、磁石又は磁性体に連結すると共に前記ピストンシリンダの外部から遠隔で固定することを特徴とするスターリングエンジンである。
The invention of
請求項4の発明は、前記ピストンシリンダの外部には磁石又は磁性体から成る磁気機構を配設し、前記請求項3記載の磁石又は磁性体を吸引することにより固定することを特徴とするスターリングエンジンである。 According to a fourth aspect of the present invention, a magnetic mechanism made of a magnet or a magnetic material is disposed outside the piston cylinder, and the Stirling is fixed by attracting the magnet or the magnetic material according to the third aspect. It is an engine.
請求項5の発明は、前記シリンダは前記請求項2の構成をなし、完全に密封したことを特徴とするスターリングエンジンである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a Stirling engine characterized in that the cylinder has the structure of the second aspect and is completely sealed.
請求項6の発明は、基台に対して往復動可能に設けられた内部を密封したシリンダと、
このシリンダに一側を連結すると共に他側を出力軸に連結したリンクロッド機構とを備え、
前記シリンダ内の一側に形成したディスプレーサシリンダ部と、
該ディスプレーサシリンダ部内に摺動可能に配設され該ディスプレーサシリンダ部内を加熱側室と冷却側室とに区画するディスプレーサと、
前記加熱側室と冷却側室とを連通する再生手段と、
前記シリンダ内の他側に形成したピストンシリンダ部と、
前記ピストンシリンダ部内に摺動可能に配設されるピストンと、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段と
を具備するスターリングエンジンである。
The invention of
A link rod mechanism that connects one side to the cylinder and the other side to the output shaft;
A displacer cylinder portion formed on one side of the cylinder;
A displacer that is slidably disposed in the displacer cylinder section and divides the displacer cylinder section into a heating side chamber and a cooling side chamber;
Regenerating means for communicating the heating side chamber and the cooling side chamber;
A piston cylinder part formed on the other side in the cylinder;
A piston slidably disposed in the piston cylinder portion;
It is a Stirling engine provided with the fixing means which fixes the said piston relatively with respect to the said base.
請求項7の発明は、前記ピストンは前記加熱側室又は冷却側室に臨んで設けられることを特徴とする請求項6記載のスターリングエンジンである。 A seventh aspect of the present invention is the Stirling engine according to the sixth aspect, wherein the piston is provided facing the heating side chamber or the cooling side chamber.
請求項8の発明は、前記固定手段が磁気機構であることを特徴とする請求項6又は7記載のスターリングエンジンである。
The invention according to
請求項9の発明は、前記シリンダの軸心の一側に前記ディスプレーサシリンダ部が形成され、前記シリンダの軸心の他側に前記ピストンシリンダ部が形成され、
前記固定手段は前記ピストンシリンダ部の内に摺動自在に設けられ前記ピストンに連結した第1の磁石と、前記ピストンシリンダ部の外に設けられ前記基台側に固定されると共に前記第1の磁石と極性が反対な第2の磁石により形成されることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載のスターリングエンジンである。
In the invention according to
The fixing means is slidably provided in the piston cylinder part and is connected to the piston, and is provided outside the piston cylinder part and fixed to the base side and the first magnet The Stirling engine according to any one of
請求項10の発明は、基台に対して移動動可能に設けられ内部を密封しディスプレーサシリンダとピストンシリンダとを備えるシリンダと、
前記ディスプレーサシリンダ内を圧縮空間と膨張空間とに区画するディスプレーサと、
前記ディスプレーサの圧縮空間または膨張空間の一方と連通する作動空間からなる前記ピストンシリンダと、
前記ピストンシリンダ内に設けられるピストンと、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段と、
前記シリンダに設けた往復駆動手段を具備することを特徴とするスターリング冷凍機である。
The invention according to
A displacer that divides the displacer cylinder into a compression space and an expansion space;
The piston cylinder comprising a working space communicating with one of the compression space or the expansion space of the displacer;
A piston provided in the piston cylinder;
Fixing means for fixing the piston relative to the base;
A Stirling refrigerator comprising a reciprocating drive means provided in the cylinder.
請求項11の発明は、前記ディスプレーサ側と前記シリンダ側にそれぞれ極性が同じ磁石を相互に磁界が及ぶように設けたことを特長とする請求項1記載のスターリング機関である。 An eleventh aspect of the present invention is the Stirling engine according to the first aspect, wherein magnets having the same polarity are provided on the displacer side and the cylinder side so that the magnetic fields extend to each other.
請求項12の発明は、前記ディスプレーサ側と前記シリンダ側にそれぞれ極性が同じ磁石を相互に磁界が及ぶように設けたことを特長とする請求項2記載のスターリングエンジンである。 A twelfth aspect of the invention is the Stirling engine according to the second aspect, wherein magnets having the same polarity are provided on the displacer side and the cylinder side so that the magnetic fields extend to each other.
請求項13の発明は、前記ディスプレーサ側と前記シリンダ側にそれぞれ極性が同じ磁石を相互に磁界が及ぶように設けたことを特長とする請求項10記載のスターリング冷凍機である。 A thirteenth aspect of the present invention is the Stirling refrigerator according to the tenth aspect, wherein magnets having the same polarity are provided on the displacer side and the cylinder side, respectively, so that the magnetic fields extend to each other.
請求項1の発明によれば、スラーリング機関は密閉され例えば往復移動等移動可能なシリンダの中にピストンを内蔵した上、そのピストンを固定手段によってシリンダの外から遠隔で固定するものである。シリンダは完全に密閉されているため作動ガス(流体)のシリンダからの漏れは皆無である。また、作動ガスの漏れがないから高圧化やメンテナンスも容易である。 According to the first aspect of the present invention, the slurling engine is sealed and, for example, incorporates a piston in a movable cylinder such as reciprocating movement, and the piston is remotely fixed from the outside of the cylinder by the fixing means. Since the cylinder is completely sealed, there is no leakage of working gas (fluid) from the cylinder. Also, since there is no leakage of working gas, high pressure and maintenance are easy.
請求項2の発明によれば、スラーリングエンジンは密閉されたシリンダの中にピストンを内蔵した上、そのピストンを固定手段によってシリンダの外から遠隔で固定するものである。そして、ピストンを固定すると膨張した作動流体はシリンダを駆動し、これに連動させて出力取り出し機構を介して動力を取り出すことができるように構成しており、シリンダは完全に密閉されているため作動流体のエンジンシリンダからの漏れは皆無である。また、作動ガスの漏れがないから高圧化、高出力かがはかれ小型化できると同時にメンテナンスも容易である。 According to the second aspect of the present invention, the thrust engine incorporates the piston in a sealed cylinder and fixes the piston remotely from the outside of the cylinder by the fixing means. When the piston is fixed, the expanded working fluid drives the cylinder, and in conjunction with this, it is configured so that power can be taken out via the output take-out mechanism. There is no fluid leakage from the engine cylinder. In addition, since there is no leakage of working gas, high pressure and high output can be achieved, miniaturization and easy maintenance.
このように、スターリングエンジンは従来のフリーピストン型のスターリングエンジンのように作動流体の漏れをなくしたことと共に、通常のスターリングエンジンの直線運動を回転運動に変える簡便な方法で発生した動力を取り出すことができるもので、それぞれの利点をあわせ持った画期的なスターリングエンジンを提供するものである。 In this way, the Stirling engine eliminates the leakage of the working fluid like the conventional free piston type Stirling engine, and takes out the power generated by a simple method of changing the linear motion of the normal Stirling engine into a rotational motion. This is an innovative Stirling engine that combines the advantages of each.
請求項3の発明によれば、前記発明において、前記ピストンは前記ピストンシリンダーの内部に配置し、磁石又は磁性体に連結すると共に前記ピストンシリンダの外部から遠隔で固定するものである。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、前記発明において、前記ピストンシリンダの外部には磁石又は磁性体から成る磁気機構を配設し、前記請求項3記載の磁石又は磁性体を吸引することにより固定するものである。
According to invention of Claim 4, in the said invention, the magnetic mechanism which consists of a magnet or a magnetic body is arrange | positioned outside the said piston cylinder, and it fixes by attracting | sucking the magnet or said magnetic body of the said
請求項5の発明によれば、前記発明において、前記シリンダは前記請求項2の構成をなし、完全に密封したものである。
According to the invention of
請求項6の発明によれば、作動気体をディスプレーサシリンダとピストンシリンダ内に形成された密閉空間に封入して完全密封でき、作動気体の漏洩をなくすことができる。また、シリンダの中の作動ガスの膨張だけでなく、作動気体の収縮でもトルクを発生することができ高出力を図ることができる。 According to the sixth aspect of the invention, the working gas can be sealed in a sealed space formed in the displacer cylinder and the piston cylinder, and leakage of the working gas can be eliminated. Further, not only the expansion of the working gas in the cylinder but also the contraction of the working gas can generate torque, and a high output can be achieved.
請求項7の発明によれば、ピストンと前記加熱側室又は冷却側室との間に作動ガスの作動室を形成することができる。
According to the invention of
請求項8の発明によれば、磁気機構により無接触でピストンを確実に対して固定状態とすることができる。 According to the eighth aspect of the present invention, the piston can be reliably fixed to the magnetic mechanism without contact.
請求項9の発明によれば、第1の磁石と第2の磁石の極性を反対とすることで、磁石との吸引力を利用して無接触状態でピストンを所定位置に固定することができる。
According to the invention of
請求項10の発明によれば、シリンダは完全に密閉されているため作動ガス(流体)のシリンダからの漏れは皆無である。また、作動ガスの漏れがないから高圧化やメンテナンスも容易である。
According to the invention of
請求項11〜13の発明によれば、負荷変動などで振動の速さが変わっても、ディスプレーサーの振動は位相差を持った状態で同期できる。
According to the invention of
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below do not limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, all of the configurations described below are not necessarily essential requirements of the present invention.
図1〜5は実施例1を示しており、一実施形態のスターリングエンジンのシリンダ1は、図1に示すように、設置用固定フレームや車体等の基台2の一側に、該基台2に対して円筒状のシリンダ1を往復動可能に設ける。シリンダ1の軸心Xは基台2の上面2Aと平行に配置されており、直線状の円筒部3と、その軸心Xの一側及び他側に形成された開口部を気密に閉塞する一側蓋部4及び他側蓋部5からなり、シリンダ1の内部は密閉空間としている。ここで、シリンダ1の内部が密封されるとは、シリンダ1に対して一側蓋部4及び他側蓋部5のようなシリンダ1の内外を区画するような箇所が摺動などにより相対的に動くことなく、相対的には固定していることをいい、この固定手段段としてはシール箇所が被シール部材に対して相対的に移送せず、シール材を被シール部材に対して相対的に固定して密封するようなボルト締めなどでもよい。ようするに、内外を区画するような箇所の漏れのおそれをなくする構造であればよい。そして、上面2Aとシリンダ1との間には軸心Xと平行に軸状の摺動案内部材6が設けられている。この摺動案内部材6の一側及び他側は基台2に第1の台部7を介して固定されている。さらに、シリンダ1の一側に固定した一側支持部材8の先端を摺動案内部材6に摺動自在に連結し、またシリンダ1の他側、すなわち後述する他側蓋部5に固定した他側支持部材9の先端を摺動案内部材6に摺動自在に連結することにより、シリンダ1は摺動案内部材6、ひいては基台2に対して往復動可能に設けられる。
1 to 5 show a first embodiment. As shown in FIG. 1, a
そして、基台2の他側には動力取り出しとなる出力軸10の回転中心Yが軸心Xと直交する方向に設けられている。この出力軸10は基台2の一側に設けた第2の台部11上に軸受け12を設け、この軸受け12により出力軸10は回動可能に支持されている。そして、この出力軸10にはフライホイール13が同軸状に設けられており、このフライホイール13とシリンダ1の他側、すなわち他側蓋部5との間に、シリンダの往復運動を回転運動に転換する出力取り出し機構たるリンクロッド機構14が介在している。このリンクロッド機構14は、一端を他側蓋部5に回動自在に連結すると共に、他端をフライホイール13に回転中心Yと偏心して回動自在に連結している(偏心長さZ)。これにより、リンクロッド機構14を介して軸心X方向のシリンダ1の往復動をフライホイール13に回転運動に変換できるようになっている。
On the other side of the
前記シリンダ1内の一側にディスプレーサシリンダ部1Aが形成され、一方他側にはピストンシリンダ部1Bが形成される。これらディスプレーサシリンダ部1Aとピストンシリンダ部1Bは軸心Xに沿って連通状態に形成されているものであり、外部に対しては密閉されている。そして、ディスプレーサシリンダ部1Aにはディスプレーサ15が軸心X方向に摺動可能に配設されており、ディスプレーサ15によりディスプレーサシリンダ部1A内は一側に加熱側室16、他側に冷却側室17が区画形成されるようになっている。
A
また、ディスプレーサシリンダ部1Aには加熱側室16と冷却側室17とを連通する再生手段18が設けられる。実施例ではディスプレーサ15の一側と他側とが連通状態に形成されており、この間に再生手段18が設けられている。したがって、密閉した加熱側室16や冷却側室17の空間に封入されたヘリウムや水素等の比熱の小さい気体が作動気体Gとなって、ディスプレーサ15の一側と他側間を通過して再生されるようになっている。尚、この再生手段18は加熱側室16と冷却側室17を連通するバイパス路の途中に設けられるようにしてもよい。また、冷却側室17に対応するディスプレーサシリンダ部1Aの外周面には冷却手段たる冷却用フィン19が設けられている。この冷却用フィン19により冷却側室17は冷却されるようになっている。
Further, the
前記ピストンシリンダ部1Bにピストン20が相対的に摺動自在で、基台2に対して固定手段21を介して相対的に固定するように設けられる。このピストン20はピストンシリンダ部1Bにおけるピストン20の両側を仕切る機能を有するもので、その周面にはリング状のシール部材20Aが設けられて気密性が保たれるようになっている。そしてこのピストン20の一側面20Bは冷却側室17に臨むようにディスプレーサ15に対向している。
A
そして、ディスプレーサ15に一端を連結すると共にピストン20を摺動自在に貫通した軸状の第1の連結部材22の他端が位相制御手段であるコイルスプリング23に連結している。このコイルスプリング23の一側には連結板24が設けられており、この連結板24はピストンシリンダ部1Bに摺動自在に設けられていると共に、第1の連結部材22の他端が連結している。一方、コイルスプリング23の他側は他側蓋部5の内面に当接している。これによりスプリング23が圧縮されるとその反発力で連結板24、第1の連結部材22を介してディスプレーサ15を押し戻すようになっている。
One end is connected to the
前記固定手段21はピストンシリンダ部1Bの内に摺動自在に設けられ前記ピストン20に連結した第1の磁石25と、ピストンシリンダ部1Bの外に設けられ前記基台2側に固定されると共に前記第1の磁石25と極性が反対な第2の磁石26により形成される。第1の磁石25は第1の連結部材22とピストンシリンダ部1Bの内周面との間に設けられると共に、第1の磁石25は軸心Xを中心としてその全周面或いはほぼ全周面に設けられている。そして第1の磁石25は、第1の連結部材22とピストンシリンダ部1Bと摺動自在に設けられており、この第1の磁石25とピストン20とは第1の連結部材22を外嵌するようなパイプ状の第2の連結部材27によって一体固定化している。一方、第2の磁石26は上面2Aに第3の台部28を介して固定されるものであり、この第2の磁石26は前記第1の磁石25の周囲においてピストンシリンダ部1Bの外側に設けられる。したがって第2の磁石26は第1の磁石25に対向するように軸心Xを中心としてその全周面或いはほぼ全周面に設けられている。そしてピストンシリンダ部1Bと第2の磁石26との間にはわずかな隙間(図示せず)を形成するなどして摺動自在に設けられている。したがって、第1の磁石25、第2の磁石26とそれらの近傍にあるピストンシリンダ部1Bの材質を透磁性材料とすることで磁気機構が形成され、第1の磁石25により磁界、第2の磁石26による磁界により第1の磁石25を基台2に対して相対的に固定位置とし、これにより第1の磁石25と一体なピストン20を基台2に対して相対的に固定位置とすることができる。具体的には第1の磁石25と第2の磁石26との極性を反対にして両者の吸引力によってピストン20を所定位置に固定できるようにする。尚、磁気機構は磁石同士の組み合わせではなく、少なくとも一方を磁石とし、他方を鉄などの磁性材としてもよい。また、磁石は電磁石など磁界を生ずるものであればよい。
The fixing means 21 is slidably provided in the
次に前記構成についてその作用を説明する。前記構成ではピストン20を固定することによって、外側のシリンダ1を駆動しシリンダ1に連結されたリンクロッド機構14によって回転軸を回転させるものである。一方、ディスプレーサ15はフリーピストンエンジンと同様にスプリング23のたわみを利用して、シリンダ1の動きに対して位相を約90度先行させることによってエンジンを有効に動かす役目を果たすようになっている。
Next, the operation of the above configuration will be described. In the above configuration, the
さらに作用を詳述する。図2はシリンダ1が下死点に位置し、ディスプレーサ15が下死点後90度の位置にある状態を示している。ディスプレーサ15には連通した第2の連結部材27を備え、その他端にはスプリング23が連結している。そして、この状態ではスプリング23は伸び始めている。そしてシリンダ1の加熱側室16を加熱するとその内側の作動気体Gは膨張し圧力増加する。シリンダ1内の作動気体Gは金網などで作られた再生手段18を通過しながら、ディスプレーサ15に熱を与え、すなわち熱交換を行い冷却側室17に入りピストン20とディスプレーサ15との間が作動室となって、該作動室に作動気体Gが導入される。ここでピストン20は固定されているため、高圧の作動気体Gはシリンダ1を一側方向に移動させることとなる。シリンダ1が一側方向に動くと連結されたリンクロッド機構14は出力軸10を矢印方向に動かす。
Further, the operation will be described in detail. FIG. 2 shows a state in which the
図3ではディスプレーサ15のスプリング23は最大に伸びきった状態となり、ディスプレーサ15は上死点、ピストン20は下死点後90度の状態となる。
In FIG. 3, the
作動気体Gはなお膨張を続け、図4に示すようにシリンダ1は上死点に到達する。一方、スプリング23は圧縮され続け下死点前90度の状態になる。ここで作動気体Gは冷却側室17で冷却され、その堆積を縮め作動室の圧力が減少する。そしてピストン20が固定されているために、シリンダ1内の圧力が低くなり、シリンダ1は他側方向に移動する。
The working gas G continues to expand, and the
図5ではシリンダ1は下死点前90度、ディスプレーサ15は下死点の状態を示す。このときにはスプリング23は最も縮まった状態となる。
In FIG. 5, the
そして再び、図2に示す第1行程へ移行するものである。 Again, the process proceeds to the first step shown in FIG.
以上のように、前記実施例では基台2に対して往復動可能に設けられた内部を密封したシリンダ1に、ディスプレーサ15を摺動自在に設けたディスプレーサシリンダ部1A、ピストン20を摺動自在に設けたピストンシリンダ部1Bを形成し、このシリンダ1に一側を連結すると共に他側を出力軸10に連結したリンクロッド機構14とを備え、さらにピストン20を基台2に対して相対的に固定する固定手段を21を設け、シリンダ1自体を往復動させるようにしたことにより、シリンダ1を完全密封することで作動気体Gの漏れをなくすことができ、さらにシリンダ1の中の作動気体Gの膨張だけでなく、作動気体Gの収縮でもトルクを発生することができる。
As described above, in the above-described embodiment, the
さらに、前記ピストン20は冷却側室17に臨んで設けられ、この冷却側室17におけるピストン20との間に形成される作動室により作動気体Gの作用を有効に利用することができる。
Further, the
また、固定手段21が第1の磁石25、第2の磁石26などによる磁気機構であることによって、無接触でピストン20を確実に基台2に対して固定状態とすることができる。
Further, since the fixing means 21 is a magnetic mechanism using the
しかも、第1の磁石25と第2の磁石26の極性を反対とすることで、第1の磁石25と第2の磁石26との吸引力を利用して内側の第1の磁石25と外側の第2の磁石26とが無接触状態でピストン20を所定位置に固定することができる。
In addition, by making the polarities of the
図6〜9は実施例2を示しており、前記実施例1及び従来技術と同様な部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。実施例2では、高温(膨張)部103と低温(圧縮)部104との間の通路105には、高温(膨張)部103から低温(圧縮)部104にかけて加熱部106、再生器107、冷却器108が配置されている。さらに、シリンダ1は従来技術とは異なり開口はなく、シリンダ1の内部は外部と完全に遮断された状態でディスプレーサ101、ピストン102や作動流体等が設けられている。また、発電機のような場合には設置用台、車両の場合には車体のような固定側となるスターリングエンジンが取り付けられる基台2に対してピストン102は固定手段21によって相対的に定位置に固定されている。また、シリンダ1の軸心Xの延長線上に、軸心Xに沿って往復動する運動を回転運動に変換するためのリンクロッド機構(出力取り出し機構)14の中心が配置されている。このリンクロッド機構(出力取り出し機構)14は基台2側に設けられる。
6 to 9 show a second embodiment, and the same parts as those in the first embodiment and the prior art are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In the second embodiment, a
そして、図6に示す第1行程においてはピストン20は下死点、ディスプレーサ15は上死点にあり、作動気体はすべて低温(圧縮)部17にある。この状態ではディスプレーサ15がシリンダ1の一側端を外側に押圧することによりシリンダ1はピストン20に対して一側に移動している。図7に示す第2行程においては、ディスプレーサ15は上死点に留まり、ピストン20は低温にて作動流体を圧縮する。図8に示す第3行程においては、ピストン102は上死点に留まる。ディスプレーサ101は作動流体を低温(圧縮)部104から高温(膨張)部103へ移動して、ピストン102に接することで、ディスプレーサ101も基台2に対して相対的に固定状態となる。そうすると、高温(膨張)部103の膨張によってシリンダ1はピストン20とは反対方向に移動し、この軸心X方向の移動をリンクロッド機構14により回転運動に変換することができる。そして、図9に示す第4行程においては、高温作動流体は膨張し、ピストン102とディスプレーサ101は両方とも下死点にある。次にピストン102は下死点に留まったままディスプレーサ101は上昇し、作動流体を低温(圧縮)部104に戻して再び第1行程の状態につなげるというものである。
In the first stroke shown in FIG. 6, the
このように、基台2に対して軸心X方向に往復動可能に設けられた内部を作動流体を密封した密閉容器からなるシリンダ1と、前記シリンダ1内の一側に軸心X方向に摺動自在に設けられるディスプレーサ15と、前記シリンダ1内の他側に軸心X方向に摺動自在に設けられるピストン20と、ピストン20が相対的に定位置を保つようにピストン20を基台2に間接的に固定する固定手段21と、前記シリンダ1に連結されて該シリンダ1と基台2との間に介在し軸心X方向の該シリンダ1の往復運動を回転運動に転換する出力取り出し機構としてのリンクロッド機構14とを備えることにより、低温(圧縮)部104、ら高温(膨張)部103との圧力差を利用すると共に、ピストン20を相対的に固定することでスターリングサイクルの作動においてシリンダ1自体を軸心X方向に往復動させることで、作動流体の漏れを完全になくして動力を取り出すことができる。尚、ディスプレーサ101とピストン20との同期制御はバネなど適宜周知手段によって行う。
As described above, the
図10は実施例3を示しており、スターリング機関として、スターリング冷凍機にも利用する場合である。これは前記実施例における出力取り出し機構を入力機構として、該入力機構によってシリンダを往復移動等移動させ、そして冷却側を冷蔵室、冷凍室に臨ませたり或いはパイプ中等の冷媒(熱媒体)などを熱移動手段を介してスターリング冷凍機としても利用することができる。尚、前記実施例1と同一部分については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。 FIG. 10 shows Example 3, which is used as a Stirling engine for a Stirling refrigerator. In this embodiment, the output take-out mechanism in the above embodiment is used as an input mechanism, and the cylinder is reciprocated and moved by the input mechanism, and the cooling side is exposed to the refrigerator compartment, the freezer compartment, or a refrigerant (heat medium) in the pipe or the like. It can also be used as a Stirling refrigerator through the heat transfer means. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same part as the said Example 1, and the detailed description is abbreviate | omitted.
実施例3では完全に密閉されたシリンダ1を軸心Xに沿って往復運動させるためにシリンダ1の他側蓋部5に偏心長さZとなるリンクロッド機構14を介してモータやエンジンなどの冷凍用回転型駆動源31が接続されている。冷凍用回転型駆動源31の回転軸32は第2の台部11上に軸受け12を介して設けられている。したがって、冷凍用回転型駆動源31を作動すると回転軸32の回転力はリンクロッド機構14により、シリンダ1を軸心Xに沿って往復運動する。この駆動源31とリンクロッド機構14によりシリンダ1の往復駆動手段30が形成される。すなわち、冷凍サイクルでは前述のように、ピストン20は往復動を開始する。また、ディスプレーサ15は、ピストン20が往復動する力を受けてディスプレーサ15も往復動を開始する。
In the third embodiment, in order to reciprocate the completely sealed
圧縮室となる冷却側室17内の作動空間においては、ピストン20の往復動に伴って作動ガスの圧縮・膨張が繰り返される。この圧力変化に伴い、ディスプレーサ15も往復動を開始する。このようなスターリング冷凍機の動作により、圧縮室17A内と膨張室16A内との間において逆スターリングサイクルが実現する。圧縮室17A内においては等温圧縮変化に基づいて作動ガスの温度が上昇し、膨張室16A内においては等温膨張変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。
In the working space in the cooling
運転中において圧縮室17Aと膨張室16Aとの間を往復動する作動ガスGは、圧縮室17Aに対応してシリンダ1に設けられた放熱部32および膨張室16Aに対応してシリンダ1に設けられた吸熱部33に伝熱する。圧縮室17Aから再生手段18に流れ込む作動ガスは高温であるため、放熱部32は加熱される。これに対し、膨張室16Aから再生手段1に流れ込む作動ガスは低温であるため、吸熱部33は冷却される。以上により、特定の空間から吸熱部33を介して熱を奪い、その熱を例えば放熱部32を介して大気に放散することにより、スターリング冷凍機が冷凍機関として機能することになる。ここで、再生手段18は、圧縮室17Aと膨張室16Aとの間を流動する作動ガスの熱を相互に伝えることなく、作動ガスGをそれぞれの空間に移動させる、いわゆる蓄熱装置としての機能を発揮する。
During operation, the working gas G that reciprocates between the
以上のように、前記実施例では実施例1と同様に、シリンダ1は完全に密閉されているため作動ガスGのシリンダ1からの漏れは皆無である。また、作動ガスGの漏れがないから高圧化やメンテナンスも容易である。
As described above, in the above embodiment, as in the first embodiment, the
さらに、実施例1と同様に前述の請求項3〜9に対応して個々の作用効果を奏する。
Further, as in the first embodiment, the individual effects are exhibited in correspondence with the above-described
図11〜図14は実施例4を示しており、前記実施例1及び従来技術と同様な部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。 FIGS. 11 to 14 show a fourth embodiment, in which parts similar to those of the first embodiment and the prior art are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図14に示すように、ピストン20と一体に構成された内側の磁石25を外側の磁石26によって吸引し基台2に固定する。ピストン20を固定すると膨張収縮した作動ガスGは外側の(パワー)シリンダー1を往復運動させ、これに連動したロッド(リンクロッド機構14)を介してクランク軸(出力軸10)を回転させ動力を取り出すように構成している。
As shown in FIG. 14, the
一方、ディスプレーサー15に連結したロッド(第1の連結部材22)の他側方向である一端に円筒状の第3の磁石41を備える。この第3の磁石41は連結板24に他側へ向けて円筒状となって備えられている。尚、磁石支持部材である連結板24や、ロッド(第1の連結部材22)はステンレス鋼などの非磁性材料とする。
On the other hand, a cylindrical
さらに、パワーシリンダー1の他側蓋部5の中央部にも第4の磁石42を設ける。この磁石42は前記磁石41と同極の磁石であって、両者はシリンダー1内で対向する配置になっている。すなわち磁石41と磁石42は、反発する磁極を持った磁石を取り付ける。また、ピストン固定用磁石である第2の磁石26の他側端面に磁石42に反発する第5の磁石43を取り付ける。この磁石43は磁石42と同極であって相互に反発するように対向するように配置されている。この場合にはシリンダー1は非磁性材料で透磁性材料によって形成されており、第2の磁石26と兼用してもよい。
Furthermore, a
したがって、図11に示す膨張行程では、暖められた作動ガスGの膨張によってシリンダー1は右方向に移動し、リンクロッド機構14は反時計方向に回転する。次に図12に示す冷却行程では、シリンダー1が完全に右に移動すると、暖められた加熱側の作動ガスGはディスプレーサー15によって冷却側に送り込まれた作動ガスGは冷却される。次に図13に示す圧縮行程では、冷却された作動ガスGの収縮でシリンダー1は左方向に移動する。さらに図14に示す加熱行程では、冷やされた作動ガスGがディスプレーサー15によって加熱側に送り込まれて暖められる。
Therefore, in the expansion stroke shown in FIG. 11, the
そして、図11の状態から図12の状態になるように、シリンダー1が右方向に移動したとすると、磁石42がディスプレーサー15側の磁石41に接近する。両磁石41,42は同極の磁石であるために反発し磁石41は右方向に移動する。すなわち、ロッド(第1の連結部材22)を介してディスプレーサー15を右方向に移動することとなる。
Then, assuming that the
また、逆にピストン固定用の磁石25の端面に取り付けた磁石43に接近した場合は、ディスプレーサー用磁石41は左方向に移動することとなる。このようにディスプレーサー用磁石41と他側蓋部5の磁石42との反発、ディスプレーサー用磁石41と固定用磁石25に取り付けた磁石43との反発を繰り返してディスプレーサー15が往復移動することとなる。この往復移動は、それぞれの磁石41,42,43相互間の固有振動数で駆動されるのではなく、パワーシリンダー1の動きによって磁石41は磁石42及び磁石43によって励起され磁石と磁石の間を確実に移動することになる。また、磁石41,42,43、ロッド(第1の連結部材22)及びディスプレーサー1の質量による慣性力などによってパワーシリンダー1の動きに遅れて(位相差をもって)駆動されることとなる。
On the other hand, when approaching the
磁石41が磁石42及び磁石43にそれぞれ接近すると同極であるために反発力が発生する。この反発力は接近した距離の二乗に反比例して大きな力が発生するため、磁石41と磁石42が衝突することはないと同時に固有振動数に関係なく、確実にディスプレーサー15を駆動することができる。この磁石41,42,43は一種のクッション材として働き、例えば従来のフリーピストン型のエンジンではスプリングに直接ディスプレーサーが衝突するためスプリングを壊す危険性があったが磁石の場合機械的な接触はない無いので破壊されることはなくなる。
When the
したがって、この実施例では前記実施例1と同様に、ピストン20が固定されているため、パワーシリンダー1が往復動をし、パワーシリンダー1に連結されたロッド(リンクロッド機構14)を介してクランク軸(出力軸10)を回転させることができ、従来のキナマティックエンジンと同様に出力を容易に取り出すことができる。
Therefore, in this embodiment, since the
さらに、従来のフリーピストン型のエンジンのようにディスプレーサー150とピストン2の2つの振動体の振動数の一致に束縛されないので、負荷変動などで振動の速さが変わっても、ディスプレーサー15の振動は必ずそれに位相差を持った状態で同期する。このように、前記実施例では負荷が変動しても、また、出力の振動数を大幅に変化させても振動は止まらない特長を有する。
Furthermore, unlike the conventional free piston type engine, it is not constrained by the coincidence of the frequency of the two vibrating bodies of the displacer 150 and the
以上のように、前記実施例においては、前記ディスプレーサ15側に連結手段としての第1の連結部材22を介して他側蓋部5側に対向する磁石41を一体に設け、そしてこの磁石41に対向するように他側蓋部5に磁石42を設けると共に、磁石42と反対側に位置して磁石41と対向するように磁石25側に磁石43を設け(尚、磁石43に代えて磁石25あるいは磁石26によって兼用してもよい)、これら磁石41,42,43は極性が同じに設定されて相互に反発するようになっており、しかもこれら磁石41,42間は相互に磁界が及ぶようになっており、磁石42,43間も相互に磁界が及ぶようになっており、これによりディスプレーサー15の振動は位相差を持った状態で同期することができる。
As described above, in the above-described embodiment, the
以上のように本発明に係るスターリングエンジンは、各種の用途に適用できる。例えば、出力取り出し機構はシリンダの一側やシリンダの中央部に連結してもよいなど各種の変形が可能である。尚、実施例2や実施例4のような構成をスターリング冷凍機に利用できる。さらに、実施例4のものをスターリング冷凍機に利用できる。 As described above, the Stirling engine according to the present invention can be applied to various uses. For example, the output take-out mechanism can be variously modified such as being connected to one side of the cylinder or the center of the cylinder. In addition, a structure like Example 2 or Example 4 can be utilized for a Stirling refrigerator. Furthermore, the thing of Example 4 can be utilized for a Stirling refrigerator.
1 シリンダ
1A ディスプレーサシリンダ部
1B ピストンシリンダ部
2 基台
14 リンクロッド機構(出力取り出し機構)
15 ディスプレーサ
16 加熱側室
17 冷却側室
18 再生手段
20 ピストン
21 固定手段
25 第1の磁石
26 第2の磁石
X 軸心
30 往復駆動手段
41 第3の磁石
42 第4の磁石
43 第5の磁石
1
14 Link rod mechanism (output extraction mechanism)
15 Displacer
16 Heating side chamber
17 Cooling side chamber
18 Reproduction means
20 piston
21 Fixing means
25 First magnet
26 Second magnet X-axis
30 Reciprocating drive means
41 Third magnet
42 Fourth magnet
43 Fifth magnet
Claims (13)
前記ディスプレーサシリンダ内を圧縮空間と膨張空間とに区画するディスプレーサと、
前記ディスプレーサの圧縮空間または膨張空間の一方と連通する作動空間からなる前記ピストンシリンダと、
前記ピストンシリンダ内に設けられるピストンと、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段とを具備することを特徴とするスターリング機関。 A cylinder which is provided so as to be movable with respect to the base and has a displacer cylinder and a piston cylinder sealed inside;
A displacer that divides the displacer cylinder into a compression space and an expansion space;
The piston cylinder comprising a working space communicating with one of the compression space or the expansion space of the displacer;
A piston provided in the piston cylinder;
A Stirling engine comprising fixing means for fixing the piston relative to the base.
前記シリンダの往復運動を回転運動に転換する出力取り出し機構を備えると共に、ディスプレーサシリンダと、前記ディスプレーサシリンダ内を圧縮空間と膨張空間とに区画するディスプレーサと、
前記ディスプレーサの圧縮空間または膨張空間の一方と連通する作動空間からなるピストンシリンダと、
前記ピストンシリンダ内に設けられるピストンと、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段とを具備することを特徴とするスターリングエンジン。 A cylinder sealed inside that is reciprocally movable with respect to the base;
An output take-out mechanism that converts a reciprocating motion of the cylinder into a rotational motion, a displacer cylinder, and a displacer that divides the displacer cylinder into a compression space and an expansion space;
A piston cylinder comprising a working space communicating with one of the compression space or the expansion space of the displacer;
A piston provided in the piston cylinder;
A Stirling engine comprising fixing means for fixing the piston relative to the base.
このシリンダに一側を連結すると共に他側を出力軸に連結したリンクロッド機構とを備え、
前記シリンダ内の一側に形成したディスプレーサシリンダ部と、
該ディスプレーサシリンダ部内に摺動可能に配設され該ディスプレーサシリンダ部内を加熱側室と冷却側室とに区画するディスプレーサと、
前記加熱側室と冷却側室とを連通する再生手段と、
前記シリンダ内の他側に形成したピストンシリンダ部と、
前記ピストンシリンダ部内に摺動可能に配設されるピストンと、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段と
を具備するスターリングエンジン。 A cylinder sealed inside that is reciprocally movable with respect to the base;
A link rod mechanism that connects one side to the cylinder and the other side to the output shaft;
A displacer cylinder portion formed on one side of the cylinder;
A displacer that is slidably disposed within the displacer cylinder section and divides the displacer cylinder section into a heating side chamber and a cooling side chamber;
Regenerating means for communicating the heating side chamber and the cooling side chamber;
A piston cylinder portion formed on the other side of the cylinder;
A piston slidably disposed in the piston cylinder portion;
A Stirling engine comprising fixing means for fixing the piston relative to the base.
前記固定手段は前記ピストンシリンダ部の内に摺動自在に設けられ前記ピストンに連結した第1の磁石と、前記ピストンシリンダ部の外に設けられ前記基台側に固定されると共に前記第1の磁石と極性が反対な第2の磁石により形成されることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。 The displacer cylinder part is formed on one side of the cylinder axis, and the piston cylinder part is formed on the other side of the cylinder axis;
The fixing means is slidably provided in the piston cylinder part and is connected to the piston, and is provided outside the piston cylinder part and fixed to the base side and the first magnet The Stirling engine according to any one of claims 6 to 8, wherein the Stirling engine is formed by a second magnet having a polarity opposite to that of the magnet.
前記ディスプレーサシリンダ内を圧縮空間と膨張空間とに区画するディスプレーサと、
前記ディスプレーサの圧縮空間または膨張空間の一方と連通する作動空間からなる前記ピストンシリンダと、
前記ピストンシリンダ内に設けられるピストンと、
前記ピストンを前記基台に対して相対的に固定する固定手段と、
前記シリンダに設けた往復駆動手段を具備することを特徴とするスターリング冷凍機。 A cylinder which is provided so as to be movable with respect to the base and has a displacer cylinder and a piston cylinder sealed inside;
A displacer that divides the displacer cylinder into a compression space and an expansion space;
The piston cylinder comprising a working space communicating with one of the compression space or the expansion space of the displacer;
A piston provided in the piston cylinder;
Fixing means for fixing the piston relative to the base;
A Stirling refrigerator comprising reciprocating drive means provided in the cylinder.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006324807A JP2008057523A (en) | 2006-07-31 | 2006-11-30 | Stirling engine and stirling refrigerator |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006209019 | 2006-07-31 | ||
JP2006324807A JP2008057523A (en) | 2006-07-31 | 2006-11-30 | Stirling engine and stirling refrigerator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008057523A true JP2008057523A (en) | 2008-03-13 |
Family
ID=39240558
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006324807A Pending JP2008057523A (en) | 2006-07-31 | 2006-11-30 | Stirling engine and stirling refrigerator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008057523A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014020295A (en) * | 2012-07-19 | 2014-02-03 | Honda Motor Co Ltd | Stirling engine |
-
2006
- 2006-11-30 JP JP2006324807A patent/JP2008057523A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014020295A (en) * | 2012-07-19 | 2014-02-03 | Honda Motor Co Ltd | Stirling engine |
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