JP2011163216A

JP2011163216A - ピストン駆動装置

Info

Publication number: JP2011163216A
Application number: JP2010027044A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ikedo; 勇二池戸
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】多気筒型ピストン駆動装置に関し、Zクランク型駆動装置における摩擦損失を低減させる事。
【解決手段】揺動ヨークが単一軸の回転動作のみを取り出せるよう複数に分割することを手段とした。すなわち、主軸に対して傾斜した傾斜軸を備えたZクランクと、傾斜軸に対して回転可能に設けたスリップリングと、スリップリングに回転可能に支持され、主軸を含む第１の面内で回動可能な第１揺動ヨークと、主軸を含み第１の面に交叉する第２の面内で回動可能な第２揺動ヨークとを備え、第１揺動ヨークと第２揺動ヨークはその端部が各シリンダーに対応するピストンに系合するとともに、第１揺動ヨークには該第１の面内の回動を許容し主軸まわりの回転を規制する規制手段を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は多気筒スターリングサイクル機器などに適用して好適なピストン駆動装置に関し、摺動摩擦による機械損失を大きく低減させる手段に関するものである。

内燃機関、油圧ポンプ、空気圧モータを含め出力向上、トルク変動の平準化、動的バランスを取り振動を低減させるなどの目的にて複数のシリンダーを備えた多気筒型とすることは一般的である。

一方、スターリングサイクル機器は作動ガスを封止し、相互に連通する高温空間と低温空間を備え、両空間の体積を約９０度の位相差で変化させるための駆動装置より成っている。

特にスターリングサイクル機器の場合４組の高温空間と低温空間を構成するシリンダー対を環状に配置し、それぞれを９０度の位相差で駆動するよう構成して、それぞれの高温空間を隣接する低温空間を連通させる事により上記多気筒化と９０度の位相差を簡単な構造で得ることができる事が知られている。

ここで、上記シリンダーに対応するピストンを駆動する手段として、一般的なスライダークランク機構の他に以下の例に示す駆動機構が知られている。

特許文献１の図に例示されるように、主軸に対して傾斜して固定した円盤であるスワッシュプレートを揺動回転させ、スワッシュプレート外周に摺動要素を介してそれぞれのピストンに系合させたスワッシュプレート式。あるいは特許文献２の図に例示されるように、主軸に対して傾斜して設けた傾斜軸にスリップリングを系合させ、スリップリング外周部に球面ジョイントを介してそれぞれのピストンに系合させたZランク式等があった。

特許公開１９７８−１３４１３６号広報特許公開１９８４−００３１５０号広報

「スターリングエンジンの開発」一色尚次工業調査会第１２回スターリングサイクルシンポジウム講演論文集」日本機械学会

しかしながら、一般的なスライダークランク機構においてはシリンダーへの側圧が避けられず、スワッシュプレート式においてはその外周の摺動要素が、また、Zクランク式においては球面ジョイント部分が摺動摩擦となることが避けられず、この部分の機械損失を低減する事は困難な課題であった。

これらの課題は２軸の回転を伴う歳差運動から直接所定方向の運動を取り出すために生ずるものであり、この課題解決のため揺動ヨークが単一軸の回転動作のみを取り出すよう揺動ヨークを複数に分割することを手段とした。

すなわち。複数のシリンダーを円周上に配置した多気筒型ピストン駆動装置において、主軸に対して傾斜した傾斜軸を備えたZクランクと、傾斜軸に対して回転可能に設けたスリップリングと、スリップリングに回転可能に支持され、主軸を含む第１の面内で回動可能な第１揺動ヨークと、主軸を含み第１の面に交叉する第２の面内で回動可能な第２揺動ヨークとを備え、第１揺動ヨークと第２揺動ヨークはその端部が各シリンダーに対応するピストンに系合するとともに、第１揺動ヨークには該第１の面内の回動を許容し主軸まわりの回転を規制する規制手段を設けたこと特徴としている。

本発明によれば、２方向の回転運動が混成するために生ずる複雑な動きを排除することで、シリンダーへの側圧も排除でき、標準のボールベアリングを要所に採用することで全ての摩擦を転がり摩擦のみとすることも可能で、従来技術の摺動摩擦による機械損失を大幅に低減させる事ができる。

図１は本発明のスターリングエンジンへの適用例を示す断面図である。図２は実施例の高温空間と低温空間の配置を説明する図である。図３は実施例の揺動ヨークの形状例を示す図である図４は実施例の第１、第２の揺動ヨークの配置を示す図である。

図１及び図２を用いて４気筒複動型スターリングエンジンに本発明を適用した場合の実施例を説明する。

表面を加熱することにより内部の高温空間１０ａに流入する作動ガスを加熱する熱交換器としてのヒートキャップ１０と、表面を冷却することにより内部の低温空間４０ａに流入する作動ガスを冷却する熱交換器としてのクーラーキャップ４０が対向する位置に直線上に配置されている。

ヒートキャップ１０とクーラーキャップ４０の内部にはそれぞれ高温シリンダー２０と低温シリンダー３０が配置され、さらにそれぞれのシリンダーには対応する高温ピストン１１と低温ピストン４１が挿通され、両ピストンはコネクティングロッド５０により連結されている。

これらの上記一連の構造体は図２に示されるよう主軸６１のまわりに環状に４組が配置され、それぞれの高温空間１０ａは、ヒートキャップ１０と高温ピストン１１との隙間、連通部１０ｂ、連通管８０、連通部４０ｂ、低温シリンダー３０とクーラーキャップ４０との隙間を経由して隣接する低温空間４０ａに連通している。

ここで連通管８０には内部に金属メッシュを積層充填するなど蓄熱式の熱再生交換機とすることにより熱効率を向上させることが望ましい。

一方、主軸６１には主軸に対して傾斜した傾斜軸６２が固定されることにより、その全体での軸線は図１の１点鎖線で示されるZ型を呈し、両者でZクランク６０を構成している。

傾斜軸６２にはその外周にベアリングを介してスリップリング６３が回転可能に嵌合し、これによりZクランク６０の回転運動からスリップリング６３の歳差運動のみが取り出される。

第１揺動ヨーク６４はスリップリング６３に対して回転可能となるよう回転軸受部６４ａを介して支持され、また、スロット部６４ｃに主軸が挿通している事、及び該スロット部６４ｃが同時に本体に固定されたガイドローラ７０に挿通していることにより第１揺動ヨーク６４は主軸を含む第１の面内での回転のみが許容される。

第２揺動ヨーク６５は図３に示す第１揺動ヨーク６４と鏡面対象の形状であり、図４に示されるよう、スリップリング６３に対して、第１揺動ヨーク６４の回転軸受部６４ａと直交する軸で回転可能となるよう対向して設けられている。これにより第２揺動ヨーク６５は主軸を含み上記第１の面に直交する第２の面内での回転のみが許容される。

こうしてスリップリング６３の歳差運動から、主軸を含む第１の面内での回転とそれに直交する第２の面内での回転運動に分離することができる。また第１揺動ヨーク６４と第２揺動ヨーク６５は端部に連結ローラ６４ｂ、６５ｂが設けられており、それぞれの連結ローラは、前記コネクティングロッド５０の長穴部５０ａに系合し、それぞれの揺動ヨークの上記各面内の回転運動がそれぞれのピストンの往復運動に変換される。

以上の構成により、主軸６１の回転は機械損失の少ない転がり摩擦のみでピストンの往復運動に変換される。また、本実施例のように上記第１の面と第２の面が直交するよう配置した場合、それぞれのコネクティングロッド５０は相互に９０度の位相差を持ってピストンを駆動する。

相互に連通した高温空間１０ａと低温空間４０ａと、それぞれの容積を所定の位相差をもって変化させる手段を備えた熱機関はスターリングサイクル機器として広く知られるものである。このため、各行程の動作は詳述しないが、これによりヒートキャップの外部に与えられた燃焼ガスなどの熱エネルギーを主軸６１の回転運動エネルギーに変換することができる。

以上の実施例においてはヒートキャップ１０を加熱することにより高温空間１０ａの作動ガスを加熱する構造の熱交換方式で説明したが、連結管８０と高温空間１０ａの間に多数の細管を設けた公知の多管式熱交換器を用いる事も可能である。

本実施例では加熱源の熱エネルギーを回転運動エネルギーに変換する例で説明したが、逆に回転運動エネルギーを熱エネルギーに変換するヒートポンプとしての応用も逆スターリングサイクルとして広く知られ、本発明はこれらに応用しても高い効果が期待できる事はもちろんである。

以上スターリングサイクル機器での実施例にて説明したが本発明はこれに限らず、空気圧モータや油圧ポンプなどの多気筒型ピストン駆動装置に適用でき、従来方式における２方向の回転運動が混成するために生ずる複雑な動きを排除することができ、このため標準のボールベアリングを要所に採用することができ、全ての摩擦を転がり摩擦のみとできるため、従来技術の摺動摩擦による機械損失を大幅に低減させる事ができる。

１０ヒートキャップ、１０ａ高温空間、１０ｂ連結空間
１１高温ピストン
２０高温シリンダー、
３０低温シリンダー
４０クーラーキャップ
４１低温ピストン
５０コネクティングロッド
６０ Zクランク
６１主軸
６２傾斜軸
６３スリップリング
６４第１揺動ヨーク、６４ａ回転軸受部、６４ｂ連結ローラ、６４ｃスロット部
６５第２揺動ヨーク
７０ガイドローラ
８０連通管

Claims

複数のシリンダーを円周上に配置した多気筒型ピストン駆動装置において、主軸に対して傾斜した傾斜軸を備えたZクランクと、傾斜軸に対して回転可能に設けたスリップリングと、スリップリングに回転可能に支持され、主軸を含む第１の面内で回動可能な第１揺動ヨークと、主軸を含み第１の面に交叉する第２の面内で回動可能な第２揺動ヨークとを備え、第１揺動ヨークと第２揺動ヨークはその端部が各シリンダーに対応するピストンに系合するとともに、第１揺動ヨークには該第１の面内の回動を許容し主軸まわりの回転を規制する規制手段を設けたこと特徴とする多気筒型ピストン駆動装置。