JP2008261625A - カンチレバー式クランクシャフトスターリングサイクル機 - Google Patents

Abstract

【課題】スターリングサイクルの運転効率及び寿命の向上を図る。
【解決手段】２つのピストンを有するスターリング機関であり、その２つのピストンは固定された起点に関する各ピストンの正弦変位の間に特定の位相関係を与えるように調和駆動リンク機構へ接続する。その調和駆動リンク機構は、主クランクシャフトと、この主クランクシャフトに対して内側に取り付け、主クランクシャフトに関して反対方向に回転するようにギアセットを介して接続された偏心クランクシャフトとを有する。その偏心クランクシャフトは、主シャフトに関して片持ち支持してもよく、この場合、機関のピストンは偏心クランクシャフトへ支持ベアリングの外側で偏心クランクシャフトへ接続する。正味の角度モーメントが零の機関の操作を与えるように、はずみ車が偏心クランクシャフトへ接続される。
【選択図】図２

Description

発明の分野

本発明は、スターリングサイクル熱機関または冷凍器の改良に関し、更に詳しくは、スターリングサイクル熱機関または冷凍器の機械的および熱的部品の改良に関し、これは機関（エンジン）運転効率とその寿命の向上と、大きさ、複雑さおよびコストの削減とに寄与する。

発明の背景
機関および冷凍器を含むスターリングサイクル機は長い技術的伝統を有し、その詳細はWalker，Stirling Engines，Oxford University Press (1980)に説明されており、この文献は引用により本明細書に組み込まれている。スターリングサイクル機関の主要な基礎をなすのは、スターリング熱サイクルの機械的実現である。そのスターリング熱サイクルは、シリンダ内の等積加熱、ガスの等熱膨張（駆動ピストンによりガスの作動が実行されている間）、等積冷却および等熱圧縮である。段階が等積でも等熱でもないこのサイクルの慣習的な実現は、本発明の目的の範囲内にあり、本説明においては、請求された本発明の目的を限定することなく理想的な場合の意味を示し得る。

本発明の様々な局面がスターリングサイクル機関およびスターリングサイクル冷凍器の双方に適用され、これらの双方を本説明および請求項においては一括して「スターリングサイクル」機と称する。スターリングサイクル機の更なる局面とその改良は"Stirling Cycle Machine Improvements" と題された係属中の米国特許出願（出願日１９９８年７月１４日）に説明されており、これは本明細書に引用により組み込まれている。

スターリング機関の作動原理は図１ａ−１ｆを参照して簡単に説明してあり、ここでは同一の参照符号は同一または類似の部品を示す。スターリングサイクル機関の様々な機械的配置が当技術分野では公知であるので、全体的に符号１０で示される特定のスターリングサイクル機関は単に例示の目的で図示してある。図１ａ乃至１ｄにおいては、ピストン１２（または「圧縮ピストン」と称する）および第２のピストン（「膨張ピストン」として知られる）１４はシリンダ１６内で同期往復移動する。圧縮ピストン１２および膨張ピストン１４は、別体の相互接続されたシリンダ内でも移動し得る。ピストンシール１８はピストン１２とピストン１４との間でシリンダ１６内に包含された作動流体が何れかのピストン１２の周りから漏出するのを防止する。この作動流体は以下に説明するようにその熱力学的特性の故に選択されており、代表的には、数気圧下に用いられるヘリウムである。膨張ピストン１４の位置により占められる流体の体積は膨張空間２２と称される。圧縮ピストン１２の位置により占められる流体の体積は圧縮空間２４と称される。膨張空間２２と圧縮空間２４との間に流体を流通させるために、スターリング機関１０が図示の形態か他の形態にかによらず、流体は再生器２６を通過する。再生器２６は、大きな体積対表面領域比を有する材料の集合であり、これは流体が膨張空間２２から加熱に入るときに流体から熱を吸収すると共に、流体が圧縮空間２４から膨張空間２２へ復帰するときに流体を加熱する役割を果たす。

機関サイクルの第１段階、即ちその開始状態が図１ａに示される段階中においては、ピストン１２が圧縮空間２４における流体を圧縮する。この圧縮は、熱が流体から周囲環境へ除去されるので、実質的に一定温度で起こる。実際には、以下の説明に述べるようにクーラー６８（図２に示される）が設けられている。圧縮の後の機関１０の状態は図１ｂに示されている。サイクルの第２段階中においては、膨張ピストン１４が圧縮ピストン１２と同期して移動して、流体の一定体積を維持する。流体が膨張空間２２へ移送されるにつれて、流体は再生器を流通して再生器２６から熱を獲得することにより、流体の圧力を増大させる。この移送段階の終わりにおいては、流体は図１ｃに示すように高圧にて膨張空間２２内に保持される。

機関サイクルの第３（膨張）段階中は、圧縮空間２２の体積が熱が機関１０の外側から進入するにつれて増大することにより、熱が仕事へ変換される。実際には、熱はヒータ６４（図２に示す）により流体へ与えられ、これは以下の説明において詳細に説明される。膨張段階の終わりにおいては、膨張空間２２は、図１ｄに示すように、高温流体で満たされる。機関サイクルの第４段階中においては、流体は膨張空間２２から圧縮空間２４へ移送されて、流体が再生器２６を通過するにつれて再生器２６を加熱する。この第２の移送段階の終わりにおいては、図１ａに示すように、流体は圧縮空間２４にあり、圧縮段階の反復のための準備がなされる。このスターリングサイクルは図１ｅに示すようにＰ−Ｖ（圧力−体積）ダイアグラムでおよび図１ｆに示すようにＴ−Ｓ（温度−エントロピー）ダイアグラムで示される。スターリングサイクルは、作動流体がサイクルの途中で通常交換されない閉じたサイクルである。

スターリングサイクル冷凍器の作動原理についても図１ａ−１ｅを参照して説明でき、ここでは同一の符号が、同一または類似の部品を示すために用いられている。上述した機関と、冷凍器として採用されたスターリング機との間の差異は、圧縮空間２２が典型的に周囲温度と熱的に連通すると共に、膨張体積２４が外部冷却負荷（図示せず）へ接続されていることである。冷凍器操作は正味の作動入力を必要とする。

スターリングサイクル機関は実際の適用では一般的に使用されるには至らず、スターリングサイクル冷凍器は、その開発に幾つかの困難な問題があるので、極低温の特定の分野に限定される。これらは、効率、振動、寿命、およびコストなど実際に考慮すべき事項を包含する。本発明はこれらの考慮すべき事項に取り組む。

本明細書および添付の請求の範囲で用いられる用語「調和駆動」とは、回転および正弦直線運動を相互変換するギアセットを採用する駆動装置構成を示すものとする。調和クランク駆動装置は（Moellerにより"Prime Movers for Series Hybrid Vehicles"(Society of Automotive Engineers,Inc.,1997に説明されたように）ディーゼル機関に適用されており、また、Bartoliniおよび Caresanaにより"A New Small Stirling Engine Prototype for Auxilary Employements [原文のまま] Aboard,"(ASME,1995)に説明されたように、スターリング機関の単ピストンへ適用されており、これらの文献は共に引用により本明細書に組み込まれている。しかしながら、Bartoliniおよび Caresanaによる単ピストン実施例は、力学的不均衡を生じ、その結果、非効率的な操作と摩耗をもたらす。

発明の概要
本発明の一つの局面によれば、その一実施例においては、スターリングサイクル機関のような機械が与えられる。この機械は２つのピストンを有する。そのピストンの各々は、接続ロッドを有し、各々のシリンダ内で各々のロッド軸に沿った往復直線運動を受け、且つ各々のロッド軸に沿った起点に関する変位を有し、その起点は各シリンダに関して固定されている。第２ロッド軸は、第１ロッド軸に対して平行な第１平面および第１のロッド軸に対して角度をなす第２の平面に置かれている。更に、この機械は正味の角度モーメントにより特徴付けられる調和駆動リンク機構を有する。この調和駆動リンク機構は、第１のロッド軸に沿った第１のピストンの変位がクランク角の正弦関数であり、且つ第２のロッド軸に沿った第２のピストンの変位がクランク角の正弦関数になる方式で第１および第２の接続ロッドへ接続されており、第２のピストンの変位が、第１のロッド軸に沿った第１のピストンの変位に関して位相ずれをなし、この位相ずれは第２の平面と第１のロッド軸との間の角度に実質的に等しい。最後に、この機械は第１と第２のシリンダ内に包含された作動流体を有し、この作動流体は、加熱、膨張、冷却および圧縮の連続的閉止サイクルを受ける。

本発明の代替的実施例においては、リンク機構は、主クランクシャフトと、主クランクシャフトに対して内側に配置され、第１の接続ロッドおよび第２の接続ロッドの双方へ接続された偏心クランクシャフトと、偏心クランクシャフトと主クランクシャフトとを反対方向へ回転させる方式で、偏心クランクシャフトを主クランクシャフトへ接続する遊星ギアセットとを有してもよい。代替的に、偏心クランクシャフトは片持ち端に隣接して第１および第２の接続ロッドの双方へ接続してもよく、遊星ギアセットを片持ち端に対して遠方に配置してもよく、この遊星ギアセットは、偏心クランクシャフトが前方角度モーメントにより特徴付けられ、且つ主クランクシャフトが後方角度モーメントにより特徴付けられる方式で、偏心クランクシャフトを主クランクシャフトへ接続する。このリンク機構は、調和駆動リンク機構の正味の角度モーメントが実質的に零になるように偏心シャフトへ接続されたはずみ車を有する。

本発明の更なる代替的実施例によれば、この機械は更に、力学的エネルギを電気エネルギに変換するように主クランクシャフトへ接続されたジェネレータと、主クランクシャフトへ実質的に一定のトルクを与える方式でジェネレータ上の電流負荷を制御するプロセッサとを有してもよい。第１と第２の接続ロッドは各ロッド軸を横断する方向への屈曲に関して柔軟にし得る。

本発明のこの更なる実施例によれば、この機械は、熱エネルギをマニホルドを横断して第１の流体から第２の流体へ伝導させる熱交換器を有してもよく、この熱交換器はマニホルドから第１／または第２の流体へ延出する複数のピンを含む。

本発明の更なる局面によれば、その一つの実施例において吸気マニホルドが設けられ、これは、機械のヒーターヘッドを加熱するように、燃焼軸を有する燃焼チャンバ内で燃焼させる空気燃料混合体を形成する方式で、空気と、自動点火温度を有する燃料とを混合する。この吸気マニホルドは、燃焼軸に関して軸対称であり、放射状に内方へ向けて空気流を移送する入口および出口を有する配管と、放射状内方向き空気流へ燃料を射出する燃料射出器であり、空気と燃料とを空気燃料混合体を形成するように混合させて、その空気燃料混合体は、その炎速度を上回る流速を有するようにさせる燃料射出器と、配管の出口に流体連通する入口を有する鐘型形状スロートであり、この鐘型形状スロートは出口を有すると共に、更に断面輪郭と断面領域とを有し、その断面領域は入口から出口へ一定に保たれる鐘型形状スロートとを有してもよい。これらは内方空気流へ回転成分を分与するように通路内に配置された空気渦巻器としてもよい。

本発明は、添付図面と共になされる以下の説明を参照することにより一層容易に理解されるであろう。

好適実施例の詳細な説明
ここで図２を参照すると、断面図で示されるスターリングサイクル機関が全体的に符号２８で示されている。本発明については図２に示されるスターリング機関を参照して一般的に説明するが、冷凍器のみならず様々な機関が本発明の対象である様々な実施例および改良から同様に恩恵を受けることを理解されたい。図２に示すスターリング機関２８をアルファ形態と称し、これは各々の個別のシリンダ内の直線運動を受ける圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２により特徴付けられる。即ち圧縮ピストン３０は圧縮シリンダ３４内にあり、膨張ピストン３２は膨張シリンダ３６内にある。

更に圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２に加えて、スターリング機関２８の主要部品はヒーター６４、再生器６６およびクーラー６８を含む。一括してピストンと称される圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２は、各々の体積３８および４０内の往復直線運動で移動するように束縛されている。シリンダライナー４２は各々のシリンダ表面に沿って設けられ得る。シリンダ内室の体積は、機関２８のヒーター６４およびクーラー６８（ここではそれぞれ熱区画および冷却区画と称する）にほぼ等しい。圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２の往復直線運動の相対位相（位相角度）は、クランク室４６に収容された駆動機構４４に対するそれらの各々の継手により決められる。以下に非常に説明する駆動機構４４は、ピストンの相対的タイミングを制御して、直線運動および回転運動を相互変換するように採用し得る機関設計の当技術分野で公知の様々な機構の一例である。圧縮ピストン３０および膨張ピストン３２はそれぞれ第１接続ロッド４８および第２接続ロッド５０を介して駆動機構４４へ接続されている。圧縮シリンダ３８の体積は圧縮段階中に圧縮作動流体の冷却を可能とするように配管４５を介してクーラー６８へ接続されている。より詳しくは配管４５は、クーラー６８、再生器６６およびヒーター６４を備える環状熱交換器へ圧縮体積３８を接続する。配管４５と環状プレナム４７との間の流れの分岐は図９を参照して以下に説明する。

本発明の好適実施例によれば、ロッド４８および５０は、座屈することなく必要な圧縮負荷を支持する充分な張力および収縮剛性を与えつつ、駆動装置不整合（例えば機関構造の加圧および加熱に起因して生じ得る）に適合するように曲げに関して柔軟になる方式で制作されている。ロッド４８および５０は、好ましくは高張金属、例えばＳ−７ツール鋼などからつくられ、任意の断面のロッドが本発明の目的の範囲内にあるが、有利なのは楕円断面である。

ここで駆動機構４４の操作について図３を参照して説明する。本発明の好適実施例によれば、新規なリンク機構（Ｌ駆動リンク機構と称し得る）が、相対的位相遅延を有する正弦直線運動を受ける２つの部材を接続するように設けられている。遊星ギアセットは全体的に符号７０により示されている。この遊星ギアセット７０は本発明の一実施例において、（図１に示す）ピストン１２および１４（代替的に圧縮ピストン１２および膨張ピストン１４と称する）の往復直線運動を結合するために採用し得る。この遊星ギアセット７０は内部ギア７２およびピニオンギア７４からなり、内部ギア７２のピッチ径はピニオンギア７４のピッチ径の２倍に等しい。内部ギア７２が固定されたままであり、且つピニオンギア７４が内部ギア７２の内側の回動を可能とするとき、ピニオンギア７４の外周７６における各点は、線上の基点に関して純粋な正弦運動で直線に沿って移動する。

図４ａ−４ｈは、図３を参照して説明したように、固定された内部ギア７２に関して回動するピニオンギア７４の反対側に接続ロッド４８および５０を介して接続されたピストン１２および１４の各々の直線移動を示す。ピストン１２および１４は互いに角度をなして移動し、好ましくは直角から約１０゜以内の範囲内の角度である。ピストン１２および１４は、互いに関してピストン移動の軸の角度的方向に実質的に等しい位相角度関係で純粋な正弦線形運動を掃引する。従って、例えば正確に直交するように向き付けられたピストン移動については、ピストン１２および１４は、互いに関して実質的に矩象（９０゜位相ずれ）をなして移動する。ピニオンギア７４の回転を伴うピストンの移動の連続的段階は図４ａ−４ｈに示されている。

図５ａを参照すると、ピニオンギア７４に関して１８０゜の位相ずれで回転する複数の釣り合い錘７８（明瞭化のために、１つのみの釣り合い錘７８が示されている）の使用は、機関を動的に平衡させる。図５ｂに示される駆動装置の断面図を参照すると、１組の「捻れ釣り合い錘」８０が偏心クランクシャフト８９の軸に関して加えられているとすれば、駆動装置をその中心線に関して対称に負荷する必要はない。主釣り合い錘７８に加えて設けられた２つの対向する釣り合い錘８０の組は、主釣り合い錘７８が機関を並進運動において平衡させながら、オフセットピストンにより形成されたモーメントを平衡させ得る。図５ａにおける斜視図と図５ｂ、図６ａおよび図６ｂにおける上部断面図および側断面図に示された本発明の実施例においては、釣り合い錘７８は圧縮ピストンベアリング８２および膨張ピストンベアリング８４をそれぞれ反対位相で回転させるように設けられている。本発明のリンク機構駆動装置の実施例に必要な部品は、以下に詳細に説明するように、菱形(rhombic)駆動機構よりも遙かに少ない。更に新規なリンク駆動装置により置換される体積は、同一のピストンストロークを有する菱形駆動装置の置換の体積よりも小さい。更に、２つの直交するピストンの正弦運動は、単純な釣り合い錘により完全に平衡することができ、ピストンシールに側方負荷を負わせることがないので、摩擦が低減して、機関寿命が延び、乾式操作を可能とする。

ここで図７ａを参照すると、図２のＡＡに沿って破断したスターリング機関２８の断面図が示されている。偏心圧縮ピストンベアリング８２および膨張ピストンベアリング８４は、機関２８のハウジング９２に関して主（または外側）クランクシャフト９０を支持する主ベアリングセット８８から片持ち支持されて、偏心クランクシャフト８６の周りに配置されている。図３を参照して説明したように、偏心クランクシャフト８６は主クランクシャフト９０に対して偏心する軸に関して回転して、遊星ギアセット９８を構成するピニオンギア９４および内部ギア９６の存在により、主クランクシャフト９０を回転の反対方向に同一の回転速度で駆動させる。機関に関して固定された任意の点に関する主クランクシャフト８６の位置は「クランク角」を規定する。この方式により構成されたクランクシャフトを「調和クランクシャフト」と称する。

この片持ち式クランクシャフト形態は、スターリング機関作動流体（即ち再生器を汚染させて機関の効率操的操作を阻害することがないように清浄に保たねばならない作動流体）を汚染させることなく、ギアセット９６の注油を都合よく可能とする。次いで主クランクシャフト９０はトルクを機械的負荷へ付与し得る。機械的負荷の一例はジェネレータ回転子１００であり、これは電気エネルギを発生するようにジェネレータ固定子１０２に関して回転駆動される。偏心はずみ車１０４および線形釣り合い錘１０６は、偏心クランクシャフト８６へ接続されているので、主ベアリングセット８８に関して片持ち支持される。偏心はずみ車１０４は、前方回転成分と後方回転成分との回転モーメントを含む正味の慣性を零にするために設けられている。従って、機関速度の変化に起因する機関の振動は都合よく回避される。偏心はずみ車１０４は、本発明の目的の範囲内で、図７ａに示したもの以外の配置にしてもよい。例えば図７ｂを参照すると、図２のスターリング機関の代替的実施例が断面図で示されており、ここでは偏心はずみ車１０４は、ピストンベアリング８２および８４の位置から遠方の偏心クランクシャフト８６の端部１０５に配置されている。図７ａを再び参照すると、偏心クランクシャフト８６は、主クランクシャフト９０に関してベアリング１０８および１１０により支持されている。主釣り合い錘１１２および捻れ釣り合い錘１１４は、ピストンを含めて全ての偏心クランクシャフトアセンブリに関する主クランクシャフト９０の動的平衡のために設けられている。

主クランクシャフト９０上の負荷は、機関のサイクルの経過に亘って方向を変えないことが好ましい。この方式では、前方および後方慣性の平衡の存在により、遊星ギアセット９８上のトルク逆転は都合よく防止されるので、ギアのバックラッシに伴う雑音および摩耗が防止される。主車軸９０上の負荷が一定であるならば、遊星歯車セット９８上のトルクは均一方向となり、所定の正味のパワー出力を得るためにも最小化される。加えられた負荷が電気ジェネレータであるならば、一定トルク操作は最高のジェネレータ効率ももたらす。更に本発明の実施例によれば、上述した有益な操作を実現するために遊星ギアセット９８上に一定トルクを与えるように、ジェネレータ上の電流負荷を調整してもよく、この調整は、電気技術分野で公知のように、例えばプロセッサのような負荷調整器１０３によりなされる。更に、ジェネレータ回転子１００は、はずみ車の質量の全てまたは一部を与えてもよく、ジェネレータは機関を始動するスターターとしての役割を果たしてもよい。

ここで図８ａおよび図８ｂを参照すると、燃焼源からスターリングサイクル機関２８の内室へ大量の熱を伝導させる本発明の一実施例による新規な構造が断面図で示されている。バーナー１５０により生成された高温ガス３００から機関の内部体積３０６に包含された作動流体への熱伝導の効率を向上させる目的で、ヒーターヘッド６４の両側面に大きな浸水面領域が必要である。高い表面領域を達成するために、多数の金属ピン３１０がヒーターヘッド６４の内面３１２と外面３１４との双方に形成されている。その形成はインベストメント鋳造法などにより低コストで達成し得る。金属ピン３１０はヒーターヘッド６４の両側面における浸水面領域を増大するのみならず、攪乱をも生じさせ、この攪乱は流体の混合を増大するので、熱の流れを更に増大させる。この構造はクーラー６８（図２に示す）における熱伝導または、ガスの体積の間に効率的な熱伝導が要求される任意の適用を採用し得る。

図９ａを参照すると、へーダー配管４００の系の斜視図が示されており、このへーダー配管４００は、熱交換ネットワークを流通する作動流体（即ちクーラーヘッド６８を通過し、再生器６６（図２に示す）を通じてヒーターヘッド６４（図２に示す）を通過する作動流体）の圧縮体積３８と環状領域との間の作動流体の流れを与える。作動流体の環状流は環状ヘッダー４７において最高点に達し、この環状ヘッダー４７に対しては、シリンダ体積３８とヘッダー４７の全環状領域との間の等長流路を形成するように分岐配管４００が接続されている。環状流領域の各点とシリンダ体積との間の流れインピーダンスを実質的に均一にすることにより、熱交換器を流通する流れの不均一に起因する損失は都合よく低減でき、更に、作動流体の流れは、熱交換領域に閉じ込められたループの中にあるので、力学的な仕事の目的についての損失を最小化し得る。図９ｂは図９ａの分岐配管４００の系を平面図へ「展開した」模式図を示し、圧縮空間３８と環状ヘッダー４７との間の分岐配管４００を介する流体連通を示している。

スターリング機関は、高い熱効率と低い汚染物質放出とを与える能力を能力を有するが、その目的は特に、スターリングエンジンのヒータヘッド６４（図２に示す）を加熱するのに採用されたバーナーにおける熱効率の要求に置かれている。このような熱効率の成分は、燃焼を与えるようにバーナーを通じた酸化体（代表的には空気であるが、本明細書および添付の請求項においては「空気」に限定されない）の効率的圧送、ヒーターヘッドを離れる高温排気の回収を含む。様々な適用においては、熱効率の上述した目的を達成するように、空気（または酸化体）を燃焼に先立ってヒーターヘッドの温度近傍まで予熱させる。

低放出を達成するためには、燃料および空気は、一酸化炭素（ＣＯ）の放出を制限するのに充分な量の酸化体とよく混合させねばならず、且つ窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成を制限するのに充分に低い火炎温度で燃焼させねばならない。高い熱効率を達成するのに望ましい予熱空気の高温は、低放出目標を達成するには燃料と空気とを予め混合するのが困難であり、更に火炎温度を制限する目的で多量の過剰な空気を必要とすることから、低放出目標を達成することを煩雑にする。

本明細書および添付の請求項において、用語「自動点火温度」は、空気および燃料圧力の条件の存在する下で、温度低下触媒を伴わずに、燃料が点火する温度を表す。代表的な予熱空気温度は殆どの燃料の自動点火温度を上回り、燃料空気混合体をそれが燃料チャンバへ入る前に点火する可能性がある。

この問題の一つの解決策は、予備混合されていない拡散火炎の使用である。しかしながら、このような拡散火炎は、よく混合されていないことから、結果として生じるＣＯおよびＮＯｘの放出が、望ましい放出よりも高くなる。火炎力学の詳細な説明は、TurnsによりAn Introduction to Combusion:Concepts and Application,(McGraw-Hill,1996)に示されており、この文献は引用により本明細書に組み込まれている。火炎温度を制限するように与えられた何らかの空気流増大は典型的に、空気ポンプまたはブロワーにより消費される動力を典型的に増大させるので、前熱効率を低下させる。

これから説明するように、本発明によれば、低放出および高い熱効率は、予備混合火炎を生成することにより、燃料の自動点火温度を越えて加熱された空気の存在においてさえも与えることができ、更に付加的に、空気入口と火炎領域との間の圧力降下を最小化することにより、ブロワー動力消費が最小化される。

用語「炎速度」は、火炎前面が特定の燃料空気混合体を通じて伝搬する速度として規定されている。本明細書および以下の請求項の範囲において、用語「燃焼軸」とは流体の燃焼において優勢な流体流の方向を示すものである。

ここで図１０ａ−１０ｃを参照すると、吸気マニホルド５９９が本発明の一実施例によるスターリングサイクル機関または他の燃焼アプリケーションへの適用のために示されている。本発明の好適実施例においては、燃料は、燃料の自動点火温度を越えて予熱し得る空気と予備混合されており、火炎は、燃料と空気とがよく混合されるまで、火炎の形成を防止されている。図１０ａは吸気マニホルド５９９と燃焼チャンバ６１０とを含む装置の好適実施例を示す。吸気マニホルド５９９は、空気６００を受け入れる入口６０３を有する軸対称配管６０１を有する。空気６００は典型的には１０００Ｋを越える温度へ予熱され、これは燃料の自動点火温度を越え得る。配管６０１は、燃焼軸に関して内方へ放射状に流れる空気６００を配管６０１内に配置された渦巻器(swirler)６０２へ移送する。

図１０ｂは本発明の一実施例による渦巻器６０２を含む配管６０１の断面図を示す。図１０ｂの実施例において、渦巻器６０２は、空気６００の流れを放射状に内方へ指向させて空気に回転成分を与える幾つかの螺旋状ベーン７０２を有する。配管の渦巻器区画の径は、渦巻器６０２の入口７０４から出口７０６へ向かって、渦巻器ベーン７０２の長さによる規定に応じて縮小する。この渦巻器ベーン７０２の径の縮小は、その径に実質的に反比例する空気６００の流量率を増大する。この流量率は、燃料の炎速度を上回るように増大する。渦巻器６０２の出口７０６において、燃料６０６（好適実施例においてはプロパンである）は内方空気流へ射出される。

好適実施例において、燃料６０６は、図１０ｃに示すように一連のノズル８００を通じて燃料射出器６０４により射出される。更に詳しくは、図１０ｃは配管６０１の断面を示し、燃料ジェットノズル８００を含む。ノズル８００の各々は渦巻器ベーン７０２の出口に位置しており、２つの隣接するベーンの間の中心に集まる。ノズル８００はこの方式で空気と燃料との混合の効率を増大させる。ノズル８００は同時に燃料６０６を空気流６００に交差して射出する。空気流は炎速度よりも早いので、空気と燃料との混合体の温度が燃料の自動点火温度を越える点においてさえも、火炎は形成されない。プロパンが使用された好適実施例においては、予熱温度は、ヒーターヘッドの温度による制約として、約１０００Ｋである。

再び図１０ａを参照すると、混合された空気および燃料（以下、「空気燃料混合体」６０９と称する）はスロート６０８を通じる方向へ移行し、そのスロートは輪郭付けられた整形板６２２を有して、配管６０１の出口６０７へ取り付けられている。スロート６０８は内部半径６１４および外部寸法６１６を有する。空気燃料混合体の移行は、燃焼軸６２０に関して実質的に沿って且つ放射状に内方へ向かう方向から、燃焼軸に対して実質的に平行な方向へ向かう。スロート６０８の整形板６２２は逆鐘型形状を有し、燃焼軸に関するスロート６０８の断面領域がスロートの入口６１１からスロートの出口６１２にかけて一定に保たれるようにされている。この輪郭は段差がなく円滑であるので、渦巻器の出口からスロート６０８の出口へ流速が保持されて、分離と、表面に沿った結果的な再循環とが回避される。この一定断面領域は、空気と燃料とを、流速の減少とそれによる圧力降下とを伴わうことなく、連続的に混合させることを可能とする。円滑で一定の断面は、効率的な渦巻器をもたらし、ここで渦巻器効率は、渦巻流動的圧力に変換される渦巻器を横断する静圧降下の一部分を示す。典型的に８０％を越える良好な渦巻効率が本発明の実施により達成し得る。従って、燃焼空気ファンの渦流動力消費は最小化し得る。

スロートの出口６１２が、空気燃料混合体６０９をそれを減速させるチャンバ６１０内へ拡散させることを可能とするように外側へ向かってフレア状にされていることにより、火炎は局所的に集中されて保持されるので、トロイダル状の火炎が形成される。渦巻器６０２により生成された回転モーメントは、この技術分野でよく知られているように、火炎安定化環状渦を生成する。

本明細書に説明したデバイスおよび方法は、本発明を説明した意味でのスターリング機関以外のアプリケーションにも適用し得る。説明した本発明の実施例は単に例示を意図しており、様々な変形例および変更例が当業者には明白であろう。このような変形例および変更例の全てが、添付の請求の範囲に規定された本発明の目的の範囲内にあるように意図されている。

図１ａ−１ｅは従来技術のスターリングサイクル機関の作動原理を示す。 図２は本発明の一実施例によるスターリングサイクル機関の側断面図である。 図３は本発明の一実施例による圧縮ピストンおよび膨張ピストンの往復運動を結合する遊星ギアセットの模式的な断面図である。 図４ａ−４ｈは本発明の一実施例による偏心リンク結合駆動ロッドを有するスターリングサイクル機関の操作の原理を示す。 図５ａは本発明の一実施例によるスターリングサイクル機関の二つのピストンの直交直線運動を結合するために採用された新規なＬリンク駆動装置の斜視図である。 図５ｂは本発明の一実施例による捻れ釣り合い錘を示す図５ａのＬリンク駆動装置の断面における側面図である。 図６ａは本発明の一実施例による二つのピストンの直交直線運動を結合する新規なＬリンク機構を採用するスターリングサイクル機関の上断面図である。 図６ｂは本発明の一実施例による二つのピストンの直交直線運動を結合する新規なＬリンク機構を採用する図６ａのスターリングサイクル機関の側断面図である。 図７ａは本発明の一実施例による片持ち式クランクシャフトを示すスターリングサイクル機関の図２の線ＡＡに沿った断面図である。 図７ｂは本発明の代替的実施例による片持ち式クランクシャフトを示すスターリングサイクル機関の図２の線ＡＡに沿った断面図であり、ここでは、はずみ車が機関シリンダに対する偏心クランクシャフト遠位端の端部に配置されている。 図８ａは本発明の一実施例によるピン熱交換器を採用するスターリングサイクル機関の断面図である。 図８ｂは図８ａのピン熱交換器の拡大詳細図である。 図９ａは本発明の一実施例による流れの均一性を向上させる分岐管を示す図２のスターリング機関の底面から視た斜視図である。 図９ｂは図９ａの分岐管の系の平面図である。 図１０ａは本発明の好適実施例によるスターリングサイクル機関のための燃料吸気マニホルドの側面からの断面図である。 図１０ｂはＢＢに沿って破断した図１０ａの燃料吸気マニホルド上部からの断面図を示す。 図１０ｃはＡＡに沿って破断した図１０ａの燃料吸気マニホルド上部からの断面図であり、燃料ジェットノズルを示す図である。

Claims (20)

1. 機械であって、
   ａ．第１の接続ロッドを有する第１のピストンであり、第１のシリンダ内で第１のロッド軸に沿った往復直線運動を受けると共に、第１のロッド軸に沿って置かれて且つ第１のシリンダに関して固定された第１の起点に関して第１のロッド軸に沿った変位を有する第１のピストンと、
   ｂ．第２の接続ロッドを有し、第２のシリンダ内で第２のロッド軸に沿った往復直線運動を受ける第２のピストンであり、その第２のロッド軸は、第１のロッド軸に関して平行な第１の面に置かれ、且つ第１のロッド軸に関して角度を形成する第２の面に置かれており、第２のピストンは、第２のロッド軸に沿って置かれて且つ第２のシリンダに関して固定された第２の起点に関して第２のロッド軸に沿った変位を有する第２のピストンと、
   ｃ．正味の角度モーメントを有する調和駆動リンク機構であり、第１の軸に沿った第１のピストンの前記変位がクランク角の正弦関数となり、且つ第２の軸に沿った第２のピストンの前記変位が前記クランク角の正弦関数となる方式で、第１および第２の接続ロッドに対して接続されており、第２のピストン変位が、第１のロッド軸に沿った第１のピストンの変位に関して位相ずれをなし、この位相ずれは第２の平面と第１のロッド軸との間の角度に実質的に等しい調和駆動リンク機構と、
   ｄ．第１と第２のシリンダ内に包含され、加熱、膨張、冷却および圧縮の連続的閉止サイクルを受ける作動流体とを備える機械。
2. 請求項１の機械において、前記連続的サイクルがスターリングサイクルである機械。
3. 請求項１の機械において、前記リンク機構が、
   ａ．主クランクシャフトと、
   ｂ．この主クランクシャフトに対して内側に配置され、第１の接続ロッドおよび第２の接続ロッドの双方へ接続された偏心クランクシャフトと、
   ｃ．前記偏心クランクシャフトと前記主クランクシャフトとを反対方向へ回転させる方式で、前記偏心クランクシャフトを前記主クランクシャフトへ接続する遊星ギアセットとを含む機械。
4. 請求項１の機械において、前記リンク機構が、
   ａ．主クランクシャフトと、
   ｂ．片持ち端を有する偏心クランクシャフトであり、前記主クランクシャフトに対して内側に配置され、前記片持ち端に隣接して第１の接続ロッドおよび第２の接続ロッドの双方へ接続された偏心クランクシャフトと、
   ｃ．前記片持ち端に対して遠方に配置された遊星ギアセットであり、前記偏心クランクシャフトが前方角度モーメントにより特徴付けられ、且つ前記主クランクシャフトが後方角度モーメントにより特徴付けられる方式で、前記偏心クランクシャフトを主クランクシャフトへ接続する遊星ギアセットとを備える機械。
5. 請求項４の機械において、前記リンク機構が、
   ａ．ピッチ径を有する内部ギアであり、第１と第２のロッド軸に対して実質的に平行な面に配置された内部ギアと、
   ｂ．固定された前記内部ギアの前記ピッチ径の半分に等しいピッチ径を有し、前記偏心クランクシャフトへ接続されたピニオンギアとを含む装置。
6. 請求項４の機械において、前記リンク機構が、前記ピニオンギアと反対位相で回転する少なくとも一つの釣り合い錘を更に含む機械。
7. 請求項４の機械において、前記調和駆動リンク機構の前記正味の角度モーメントが実質的に零になるように前記偏心シャフトへ接続されたはずみ車を更に備える機械。
8. 請求項１の機械において、力学的エネルギを電気エネルギに変換するように前記主クランクシャフトへ接続されたジェネレータを更に含む機械。
9. 請求項８の機械において、前記主クランクシャフトへ実質的に一定のトルクを与える方式で前記ジェネレータの電流負荷を制御するプロセッサを更に含む機械。
10. 請求項１の機械において、第１の接続ロッドが、第１のロッド軸を横断する方向への屈曲に関して柔軟である機械。
11. 請求項１の機械において、第２の接続ロッドが、第２のロッド軸を横断する方向への屈曲に関して柔軟である機械。
12. 請求項１の機械において、熱エネルギをマニホルドを横断して第１の流体から第２の流体へ伝導させる熱交換器を更に含み、この熱交換器はマニホルドから第１の流体へ延出する複数のピンを含む機械。
13. 請求項１の機械において、熱エネルギをマニホルドを横断して第１の流体から第２の流体へ伝導させる熱交換器を更に含み、この熱交換器はマニホルドから第２の流体へ延出する複数のピンを含む機械。
14. 請求項１の機械において、熱エネルギをマニホルドを横断して第１の流体から第２の流体へ伝導させる熱交換器を更に含み、この熱交換器は、
    ａ．前記マニホルドから第１の流体へ延出する複数のピンと、
    ｂ．前記マニホルドから第２の流体へ延出する複数のピンとを含む機械。
15. 請求項１の機械において、前記機械のヒーターヘッドを加熱するように、燃焼軸を有する燃焼チャンバ内で燃焼させる空気燃料混合体を形成する方式で、空気と、自動点火温度を有する燃料とを混合する吸気マニホルドを更に備え、前記空気燃料混合体は炎速度を有し、前記吸気マニホルドは、
    ａ．前記燃焼軸に関して軸対称であり、放射状に内方へ向けて空気流を移送する入口および出口を有する配管と、
    ｂ．前記放射状内方向き空気流へ燃料を射出する燃料射出器であり、空気と燃料とを空気燃料混合体を形成するように混合させて、その空気燃料混合体は、その炎速度を上回る流速を有するようにさせる燃料射出器と、
    ｃ．前記配管の前記出口に流体連通する入口を有する鐘型形状スロートであり、出口を有すると共に、更に断面輪郭と断面領域とを有し、その断面領域は前記入口から出口へ一定に保たれる鐘型形状スロートとを含む機械。
16. 請求項１５の機械において、内方向き空気流へ回転成分を分与するように前記配管内に配置された空気渦巻器を更に備える機械。
17. 請求項１５の機械において、前記燃料がガスである機械。
18. 請求項１５の機械において、前記燃料がプロパンである機械。
19. 燃焼軸を有するバーナーへ射出するための空気燃料混合体を形成するように空気と燃料とを化合させる吸気マニホルドであり、前記空気燃料混合体は特定の条件設定の下に自動点火温度および炎速度を有し、前記吸気マニホルドは、
    ａ．前記燃焼軸に関して放射状に内方へ向けて空気流を移送する入口および出口を有する配管であり、前記空気流が流速を有する配管と、
    ｂ．前記配管と前記バーナーとの間に配置された整形器内に配置され、前記内方向き空気流へ回転成分を分与する空気渦巻器であり、入口径と出口径とを有し、前記空気の流速が前記燃料の炎速度を上回るように、前記入口径が前記出口径よりも大きい空気渦巻器と、
    ｃ．空気と燃料とを混合させて空気燃料混合体を形成するように、前記放射状内方向き空気流へ燃料を射出する燃料射出器と、
    ｄ．前記配管の前記出口に流体連通する入口を有する鐘型形状スロートであり、出口を有すると共に、断面領域が前記入口から出口へ一定に保たれる断面輪郭を有する鐘型形状スロートとを含む機械。
20. 自動点火温度を有する燃料を空気に化合させる方法であって、
    ａ．炎速度を上回る速度で空気をスロートの入口へ推進させ、そのスロートは出口と、前記入口から前記出口に亘って一定の断面領域とを有する段階と、
    ｂ．空気燃料混合体を形成するように燃料を空気へ混合させて、前記空気燃料混合体を、前記スロートの外側の前記空気燃料混合体内に火炎が形成されるように前記出口から排出させる段階とを含む方法。

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