JP2013515189A

JP2013515189A - スターリングエンジン

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Publication number: JP2013515189A
Application number: JP2012545050A
Authority: JP
Inventors: 楊永順
Original assignee: 楊永順
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2030-05-21
Also published as: EP2518298A1; US20120260648A1; WO2011075930A1; CA2785290A1; JP5307941B2; CA2785290C; US8800281B2; EP2518298A4

Abstract

４組のシリンダアッセンブリーと、伝達出力機構とを備えるスターリングエンジンである。伝達出力機構は、ロッキングアームシャフトサポート（１００）と、クランクシャフトサポート（２００）と、第１のロッキングアームアッセンブリー（４）と、第２のロッキングアームアッセンブリー（５）と、クランクシャフトロングアームリンク（３０１）とクランクシャフトショートアームリンク（３０２）とヒンジ接続され、前記クランクシャフトサポート（２００）に回動自在に取り付けられるクランクシャフト（３００）とを備える。第１のロッキングアームアッセンブリー（４）は、第１の直軸（４１）と、第１のロングアーム（４２）と、第２のロングアーム（４３）とを備え、第２のロングアーム（４３）には、クランクシャフトロングアームリンク（３０１）とヒンジ接続するための第１のヒンジ接続部（４３１）が設けられる。第２のロッキングアームアッセンブリー（５）は、第２の直軸（５１）と、第３のロングアーム（５２）及び第４のロングアーム（５３）と、ショートアーム（５４）と備え、ショートアーム（５４）には、クランクシャフトショートアームリンク（３０２）とヒンジ接続するための第２のヒンジ接続部（５３１）が設けられ、クランクシャフトロングアームリンク（３０１）とショートアーム（５４）とは平行であり、クランクシャフトショートアームリンク（３０２）と第２のロングアーム（４３）とは平行である。当該スターリングエンジンは、構成が簡単であり、製造コストが低く、騒音が小さい。

Description

本発明は、スターリングエンジンに関する。

スターリングエンジンは、外部からの熱により、異なる温度で気体を周期的に膨縮させる閉鎖循環往復式エンジンである。

図１に示すように、従来は、第１の種類とする４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンは、４組のシリンダアッセンブリーと、動力を伝達出力するための伝達出力機構とを備える。

４組のシリンダアッセンブリーは、各構成が同様であり、時計回り又は逆時計回りの順に、それぞれ第１のシリンダアッセンブリーＡと、第２のシリンダアッセンブリーＢと、第３のシリンダアッセンブリーＣと、第４のシリンダアッセンブリーＤとする。４組のシリンダアッセンブリーにおける４つのシリンダが、それぞれ正方形の４つの頂点に配置される。

第１のシリンダアッセンブリーＡは、上端開口と下端がシールされるシリンダと、順に接続されるヒータ１７Ａと、再生器１８Ａと、クーラ１９Ａとを備える。シリンダの中間部に、シリンダを換気シリンダ部１２Ａとパワーシリンダ部１３Ａとに区画するためのシールセパレータ１１Ａが固定される。換気シリンダ部１２Ａの内部に、換気シリンダ部１２Ａの壁との間に無間隙あるいは気体潤滑用の極小な間隙がある換気ピストン１４Ａが配置される。パワーシリンダ部１３Ａの内部に、リンク１６Ａとヒンジ接続されるパワーピストン１５Ａが配置される。パワーピストン１５Ａとパワーシリンダ部１３Ａの壁との間には間隙がない。パワーピストン１５Ａとシールセパレータ１１Ａとの間に存在するチャンバをパワーシリンダ部シールチャンバ１３１Ａとする。ピストンロッドが、シールセパレータ１１Ａのシール穴を挿通して、換気ピストン１４Ａとパワーピストン１５Ａとを連結する。ヒータ１７Ａは、換気シリンダ部１２Ａの外部の下端部に直接に配置されてもよく、加熱経路２０Ａを介して換気シリンダ部１２Ａの外部の下端部に連通されてもよい。ヒータ１７Ａは、換気シリンダ部１２Ａの下端部を熱端１２２Ａとして形成させるように加熱し、且つ、常に当該熱端１２２Ａを高温状態に保持するためのものである。クーラ１９Ａは、換気シリンダ部１２Ａの上端部に直接に配置されてもよく、冷却経路２１Ａを介して換気シリンダ部１２Ａの外部の上端部に連通されてもよい。クーラ１９Ａは、換気シリンダ部１２Ａの上端部を冷端１２１Ａとして形成させるように冷却し、且つ、常に当該冷端１２１Ａを低温状態に保持するためのものである。一般的に、換気シリンダ部１２Ａの熱端１２２Ａと冷端１２１Ａとの温度の差が大きければ大きいほうがよい。

他の３組のシリンダアッセンブリーは、各組の構成が第１のシリンダアッセンブリーと同様であるので、便宜上、各組のシリンダの部品に異なる末尾アルファベットを付ける。第２のシリンダアッセンブリーの部品の末尾アルファベットはＢであり、第３のシリンダアッセンブリーの部品の末尾アルファベットはＣであり、第４のシリンダアッセンブリーの部品の末尾アルファベットはＤである。

第１のシリンダアッセンブリーＡの換気シリンダ部１２Ａの冷端１２１Ａと第２のシリンダアッセンブリーＢのパワーシリンダ部シールチャンバ１３１Ｂの下端部とが、第１の連通経路１０Ａを介して連通され、第２のシリンダアッセンブリーＢの換気シリンダ部１２Ｂの冷端１２１Ｂと第３のシリンダアッセンブリーＣのパワーシリンダ部シールチャンバ１３１Ｃの下端部とが、第２の連通経路１０Ｂを介して連通され、第３のシリンダアッセンブリーＣの換気シリンダ部１２Ｃの冷端１２１Ｃと第４のシリンダアッセンブリーＤのパワーシリンダ部シールチャンバ１３１Ｄの下端部とが、第３の連通経路１０Ｃを介して連通され、第４の動力循環装置Ｄの換気シリンダ部１２Ｄの冷端１２１Ｄと第１のシリンダアッセンブリーＡのパワーシリンダ部シールチャンバ１３１Ａの下端部とが、第４の連通経路１０Ｄを介して連通される。隣接する２組のシリンダアッセンブリーのピストンの間の動作位相の差が９０°（度）であり、対角位置に位置する２組のシリンダアッセンブリーのピストンの間の動作位相の差が１８０°（度）である。

当該従来の４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンは、気体の熱膨張・冷化収縮理論に基づいて製作されたものである。４組のシリンダアッセンブリーのガス経路が接続された後、各組のシリンダアッセンブリーのパワーピストンの下方におけるパワーシリンダ部シールチャンバとそれと連通する隣接のシリンダアッセンブリーの換気シリンダ部に一定の気体が封じられ、気体を換気シリンダ部の冷端と熱端との間に移動させ、気体全体の温度を変化させる。換気ピストンが換気シリンダ部の中間位置に位置するとき、換気シリンダ部の冷端における気体の体積と熱端における気体の体積とが等しくなり、この時の換気シリンダ部内の気体全体の平均温度を設定値Ｐとする。換気シリンダ部内の気体全体の平均温度が設定値Ｐより高い場合、気体が膨張して仕事をし、換気シリンダ部内の気体全体の平均温度が設定値Ｐより低い場合、気体が収縮して仕事をする。

図１及び図１Ａに示すように、第１のシリンダアッセンブリーＡのパワーピストン１５Ａが上死点に位置し、換気ピストン１４Ａが換気シリンダ部１２Ａの上端部に位置する。第３のシリンダアッセンブリーＣのパワーピストン１５Ｃが下死点に位置し、換気ピストン１４Ｃが換気シリンダ部１２Ｃの下端部に位置する。第２のシリンダアッセンブリーＢと第４のシリンダアッセンブリーＤは、パワーピストン１５Ｂ、１５Ｄがそれぞれ中間位置に位置し、換気ピストン１４Ｂ、１４Ｄがそれぞれ換気シリンダ部１２Ｂ、１２Ｄの中間位置に位置する。

第１のシリンダアッセンブリーＡの換気ピストン１４Ａが、換気シリンダ部１２Ａの冷端１２１Ａに位置し、一定の体積を有するため、この時の換気シリンダ部１２Ａの熱端における気体の体積が冷端により大きい。このため、換気シリンダ部１２Ａ内の気体全体の平均温度が設定値Ｐより高く、気体が膨張し、体積が大きくなる。そして、膨張した気体が、加熱経路２０Ａと、ヒータ１７Ａと、再生器１８Ａと、クーラ１９Ａと、第１の冷却経路２１Ａとを順に通って、第１のシリンダアッセンブリーＡの換気シリンダ部１２Ａの冷端１２１Ａに充填される。同時に、第１のシリンダアッセンブリーＡの冷端１２１Ａにおける気体が、第１の連通経路１０Ａを介して第２のシリンダアッセンブリーＢのパワーシリンダ部１３Ｂのシールチャンバ１３１Ｂに入り、パワーピストン１５Ｂを上方へ押して仕事をする。第１のシリンダアッセンブリーＡの換気ピストン１４Ａが冷端１２１Ａから中間位置まで下方へ移動する過程に、換気シリンダ部１２Ａ内の気体平均温度が常に設定値Ｐより高い。気体が常に膨張して仕事をする。換気ピストン１４Ａが中間位置に位置する時点だけに、換気シリンダ部１２Ａ内の気体平均温度が設定値Ｐと等しい。このとき、パワーシリンダ部１３Ｂ中の気体が仕事をしない。

第１のシリンダアッセンブリーＡの換気ピストン１４Ａが下方へ中間位置に移動したとき、第２のシリンダアッセンブリーＢのパワーピストン１５Ｂが、膨張した気体で上方へ押されて上死点に移動される。伝達出力機構の調整制御によって、第３のシリンダアッセンブリーＣの換気ピストン１４Ｃとパワーピストン１５Ｃが上方へ中間位置に移動され、第４のシリンダアッセンブリーＤの換気ピストン１４Ｄが下方へ換気シリンダ部の下部に移動され、そしてパワーピストン１５Ｄが下方へ下死点位置に移動される。第１のシリンダアッセンブリーＡの換気ピストン１４Ａが、換気シリンダ部１２Ａの中間位置から下方へ続けて移動するとき、換気シリンダ部１２Ａの熱端１２２Ａの体積を占めるので、換気シリンダ部１２Ａ内の気体の平均温度が設定値Ｐより低くなる。換気ピストン１４Ａが換気シリンダ部１２Ａの中間位置から底端まで移動する過程に、換気シリンダ部１２Ａ内の気体の平均温度が常に設定値Ｐより低く、気体が収縮し、体積が小さくなり、換気シリンダ部１２Ａの内部が負圧になるので、パワーシリンダ部１２Ｂの外部からの大気圧により、第２のシリンダアッセンブリーＢのパワーピストン１５Ｂが上死点から中間位置まで下方へ移動される。このとき、伝達出力機構の調整制御によって、第３のシリンダアッセンブリーＣの換気ピストン１４Ｃが上方へ換気シリンダ部の上部に移動され、パワーピストン１５Ｃが上方へ上死点に移動され、第４のシリンダアッセンブリーＤの換気ピストン１４Ｄとパワーピストン１５Ｄが上方へ中間位置に移動される。

第１のシリンダアッセンブリーＡの換気ピストン１４Ａが換気シリンダ部１２Ａの下端部から上端部まで上方へ移動する動作は、上記の上端部から下端部まで移動する動作と反対になるので、ここで省略する。ただし、第１のシリンダアッセンブリーＡの換気ピストン１４Ａは、換気シリンダ部１２Ａの上端部から下端部まで移動し更に上端部に戻るというサイクルにおいて、換気シリンダ部１２Ａの中間位置を２回通る。前記のように、換気ピストン１４Ａが換気シリンダ部１２Ａの中間位置に位置する際に、換気シリンダ部１２Ａ内の気体全体の平均温度は設定値Ｐになり、気体が膨縮しない。換気ピストン１４Ａが当該中間位置を通って上方または下方へ移動することは、以下のように行う。隣接する２組のシリンダアッセンブリーの隣接するピストンの間の位相の差が９０°（度）であるので、第１のシリンダアッセンブリーＡの換気ピストン１４Ａが換気シリンダ部１２Ａの中間位置に位置する際に、第４のシリンダアッセンブリーＤのパワーピストン１５Ｄが下死点又は上死点に位置する。すると、第４のシリンダアッセンブリーＤの換気ピストンが換気シリンダ部の上端部又は下端部に位置するので、第４のシリンダアッセンブリーＤの換気シリンダ部内の気体は、その全体の平均温度が平均温度の設定値Ｐより高くあるいは低く膨縮する。第４のシリンダアッセンブリーの換気シリンダ部１２Ｄの冷端１２１Ｄと第１のシリンダアッセンブリーＡのパワーシリンダ部１３Ａのシールチャンバ１３１Ａとの間に経路が連通されているので、第４のシリンダアッセンブリーの換気シリンダ部内の気体の膨縮により、第１のシリンダアッセンブリーＡのパワーピストン１５Ａを上方又は下方へ移動させて中間位置を通ることができる。他の各シリンダの動作理論がこれと同じである。これにより、４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンにおける４組のシリンダアッセンブリーは、伝達出力機構の調整制御によりズームに動き続けることができる。

図１Ａからわかるように、各パワーピストンが上死点・下死点だけに位置するとき、それぞれと協働するパワーピストンが中間位置に位置し、気体が仕事をしない。パワーピストンが他の位置に位置するとき、気体が仕事をする。

図１に示す４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンにおいて、クランクシャフトに１つのフライホイールを取り付けることが可能である。フライホイールの回動による慣性によって、各組シリンダの換気ピストンがもっと穏やかに中間位置を通ることができる。これによって、スターリングエンジンの動作をもっと穏やか且つ確実に行うことができる。

図２に示す従来の第２の種類とする４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンと第１の種類とする４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンとの相違点は、換気ピストンと換気シリンダ部シリンダ部の壁との間には気体の通過が可能な間隙が存在するので、シリンダアッセンブリーの換気シリンダ部の熱端と冷端が経路を介して連通される必要が無くなり、シリンダアッセンブリーの換気シリンダ部の冷端と隣接するシリンダアッセンブリーのパワーシリンダ部のシールチャンバとの間だけに経路が設けられることである。例えば、第１のシリンダアッセンブリーの換気シリンダ部の冷端１２１Ａと第２のシリンダアッセンブリーのシールチャンバ１３１Ｂとの間には経路１０Ａ設けられるが、第１のシリンダアッセンブリーの換気シリンダ部の熱端１２２Ａと冷端１２１Ａとの間に経路を設ける必要がない。換気ピストンが換気シリンダ部内に上下に移動するとき、換気シリンダ部内の気体が、換気シリンダ部の壁と換気ピストンとの間における間隙を通って冷端と熱端との間に移動する。第２の種類とする当該４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンの構成と第１の種類とする４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンの構成とは類似し、動作理論が同じなので、ここで省略する。

図３に示す従来の二作用式のスターリングエンジンは、４組のシリンダアッセンブリーと動力を伝達出力するための伝達出力機構を備える。

４組のシリンダアッセンブリーは、各組の構成が同様であり、時計回り又は逆時計回りの順に、それぞれ第１のシリンダアッセンブリーＥと、第２のシリンダアッセンブリーＦと、第３のシリンダアッセンブリーＧと、第４のシリンダアッセンブリー１１とする。４組のシリンダアッセンブリーにおける４つのシリンダが、それぞれ正方形の４つの頂点に配置される。

第１のシリンダアッセンブリーＥは、両端がシールカバーでシールされるシリンダ２０Ｅと、順に接続される第１のヒータ２２Ｅと、第１の再生器２３Ｅと、第１のクーラ２４Ｅとを備える。シリンダ２０Ｅ内に、シリンダ２０Ｅとの間に気体の通過可能な間隙が存在していないピストン２１Ｅが配置される。ピストン接続ロッド２５Ｅが、シールカバーに形成されるシール穴から延出し、一端がピストン２１Ｅに剛性接続され、他端がリンク２６Ｅにヒンジ接続される。ヒータ２２Ｅは、シリンダ２０Ｅの下端部を熱端２０２Ｅとして形成させるように経路を介して、あるいは直接にシリンダ２０Ｅの下端部と連通し、常に当該熱端２０２Ｅを高温状態に保持するためのものである。クーラ２４Ｅは、シリンダ２０Ｆの上端部を冷端２０１Ｆとして形成させるように経路を介してあるいは直接にシリンダ２０Ｆの上端部と連通し、常に冷端２０１Ｆを低温状態に保持するためのものである。第４のシリンダアッセンブリーＨのクーラ２４Ｈは、第１のシリンダアッセンブリーのシリンダ２０Ｅの上端部を冷端２０１Ｅとして形成させるように経路を介してあるいは直接に第１のシリンダアッセンブリーのシリンダ２０Ｅの上端部と連通し、常に当該冷端２０１Ｅを低温状態に保持するためのものである。作動する際に、熱端と冷端との温度の差が大きければ大きいほうがよい。

第２のシリンダアッセンブリーＦと、第３のシリンダアッセンブリーＧと、第４のシリンダアッセンブリーＨの構成が第１のシリンダアッセンブリーＥの構成と同様である。各組のシリンダアッセンブリーのクーラが後組のシリンダアッセンブリーのシリンダの上端部に連通されて、シリンダの冷端が形成される。隣接する両組のシリンダアッセンブリーのピストンの動作位相の差が９０°（度）である。

第１のシリンダアッセンブリーＥの熱端２０２Ｅが、ヒータ２２Ｅと、再生器２３Ｅと、クーラ２４Ｅとを介して、第２のシリンダアッセンブリーＦの冷端２０１Ｆに連通される。第１のシリンダアッセンブリーＥのピストン２１Ｅと、熱端２０２Ｅと、ヒータ２２Ｅと、再生器２３Ｅと、クーラ２４Ｅと、第２のシリンダアッセンブリーＦの冷端２０１Ｆと、第２のシリンダアッセンブリーのピストン２１Ｆによって第１の動力循環機構が構成される。第２のシリンダアッセンブリーＦの熱端２０２Ｆが、ヒータ２２Ｆと、再生器２３Ｆと、クーラ２４Ｆとを介して第３のシリンダアッセンブリーＧの冷端２０１Ｇに連通される。第２のシリンダアッセンブリーＦのピストン２１Ｆと、熱端２０２Ｆと、ヒータ２２Ｆと、再生器２３Ｆと、クーラ２４Ｆと、第３のシリンダアッセンブリーＧの冷端２０１Ｇと、第３のシリンダアッセンブリーのピストン２１Ｇとによって第２の動力循環機構が構成される。第３のシリンダアッセンブリーＧの熱端２０２Ｇが、ヒータ２２Ｇと、再生器２３Ｇと、クーラ２４Ｇと介して第４のシリンダアッセンブリーＨの冷端２０１Ｈに連通される。第３のシリンダアッセンブリーＧのピストン２１Ｇと、熱端２０２Ｇと、ヒータ２２Ｇと、再生器２３Ｇと、クーラ２４Ｇと、第４のシリンダアッセンブリーＨの冷端２０１Ｈと、第４のシリンダアッセンブリーのピストン２１Ｈとによって第３の動力循環機構が構成される。第４のシリンダアッセンブリーＨの熱端２０２Ｈが、ヒータ２２Ｈと、再生器２３Ｈと、クーラ２４Ｈとを介して第１のシリンダアッセンブリーＥの冷端２０１Ｅに連通される。第４のシリンダアッセンブリーＥのピストン２１Ｈと、熱端２０２Ｈと、ヒータ２２Ｈと、再生器２３Ｈと、クーラ２４Ｈと、第１のシリンダアッセンブリーＥの冷端２０１Ｅと、第１のシリンダアッセンブリーのピストン２１Ｅとによって第４の動力循環機構が構成される。４組の動力循環機構が、４台の二作用式のスターリングエンジンに相当し、機器の構成が大幅にコンパクトされ、全体体積及び重量が低下される。

動力循環機構において、一方のピストンの熱端側と他方のピストンの冷端側との運動方向が反対するとき、封じられた気体の体積が速くに膨張或いは收縮するので、ピストンが仕事をする。一方のピストンの熱端側と他方のピストンの冷端側との運動方向が同じであるとき、封じられた気体が一方のシリンダの熱端側と他方のシリンダの冷端側との間に速くに移動するので、ピストンが仕事をしない。

図３及び図３Ａに示すように、第１の動力循環機構のピストン２１Ｅが上死点に位置し、第３の動力循環機構のピストン２１Ｇが下死点に位置し、第２、４の動力循環機構のピストン２１Ｆ、ピストン２１Ｈがそれぞれ中間位置に位置する。

第１の動力循環機構において、フライホイールによる慣性によって、軸を９０°回動する。これによって、ピストン２１Ｅの熱端側が中間位置まで下方へ移動され、同時に、ピストン２１Ｆの冷端側が下死点まで下方へ移動される。ピストン２１Ｅの熱端側とピストン２１Ｆの冷端側の移動方向が同じなので、０°〜９０°の過程において、ピストン２１Ｅとピストン２１Ｆとが仕事をしなく、シリンダＥの熱端２０２Ｅにおける気体がシリンダＦの冷端２０１Ｆに移動される。

ピストン２１Ｅが中間位置に到達し、ピストン２１Ｆが下死点に到達するとき、第１の動力循環機構内の封じられた気体がシリンダＦの冷端２０１Ｆで多い。このため、これからの９０°〜１８０°の過程において、気体が收縮し、二つのピストンが気体の体積が小さくなる方向へ運動される。つまり、ピストン２１Ｅの熱端２０２Ｅを中間位置から下死点まで下方へ移動させ、ピストン２１Ｆの冷端２０１Ｆを下死点から中間位置まで上方へ移動させるとき、二つのピストン２１Ｅと２１Ｆは、それぞれのピストンロッドを介して外部へ仕事をする。

そして、フライホイールによる慣性によって、軸がピストン２１Ｅの熱端２０２Ｅが下死点から中間位置まで上方へ移動される。このとき、ピストン２１Ｆの冷端２０１Ｆが、中間位置から上死点まで上方へ移動するので、ピストン２１Ｆの冷端２０１Ｆの移動方向とピストン２１Ｅの熱端２０２Ｅの移動方向とが同じである。このため、１８０°〜２７０°の過程において、ピストン２１Ｅとピストン２１Ｆとが仕事をしなく、シリンダＦの冷端２０１Ｆにおける気体がシリンダＥの熱端２０２Ｅに移動される。

ピストン２１Ｅが中間位置に到達し、ピストン２１Ｆが上死点に到達するとき、第１の動力循環機構内の封じられた気体がシリンダＥの熱端２０２Ｅで多い。このため、これからの２７０°〜３６０°の過程において、気体が膨張し、二つのピストンが気体の体積を大きくなる方向へ運動される。つまり、ピストン２１Ｅの熱端２０２Ｅを中間位置から上死点まで上方へ移動させ、ピストン２１Ｆの冷端２０１Ｆを上死点から中間位置まで下方へ移動させるとき、二つのピストン２１Ｅと２１Ｆは、それぞれのピストンロッドを介して外部へ仕事をする。

そのため、第１の動力循環機構のピストン２１Ｅの熱端２０２Ｅが順に上死点、中位置、下死点、中位置、上死点に移動するサイクルに、一つの収縮仕事過程と、一つの膨張仕事過程と、二つの気体移動過程とが含まれる。第１の動力循環機構のピストン２１Ｆの冷端２０１Ｆが順に中位置、下死点、中位置、上死点、中位置に移動するサイクルに、一つの収縮仕事過程と、一つの膨張仕事過程と、二つの気体移動過程とが含まれる。

第１の動力循環機構が０°〜９０°の気体移動過程で動作するとき、第２の動力循環機構が気体収縮過程で動作する。このとき、ピストン２１Ｆの熱端側が中間位置から下死点まで下方へ移動され、ピストン２１Ｇの冷端側が下死点から中間位置まで上方へ移動される。また、第３の動力循環機構が気体移動過程で動作し、フライホイールによる慣性によって、ピストン２１Ｇの熱端側が中間位置まで上方へ移動され、ピストン２１Ｈの冷端側が上死点まで上方へ移動される。また、第４の動力循環機構が気体膨張過程で動作し、ピストン２１Ｈの熱端側が上死点まで上方へ移動され、ピストン２１Ｅの冷端側が中間位置まで下方へ移動される。

以上、第１の動力循環機構の動作過程を説明した。当該種類の二作用式スターリングエンジンの４組の動力循環機構が同時に動作する過程は、以下のようになる。スターリングエンジンの出力軸が、０°〜９０°の位相に位置するとき、第１の動力循環機構内の気体が気体移動過程にあり、第２の動力循環機構内の気体が収縮過程にあり、第３の動力循環機構内の気体が気体移動過程にあり、第４の動力循環機構内の気体が膨張過程にある。スターリングエンジンの出力軸が９０°〜１８０°の位相に位置するとき、第１の動力循環機構が収縮仕事を行い、第２の動力循環機構が気体移動を行い、第３の動力循環機構が膨張仕事を行い、第４の動力循環機構が気体移動を行う。スターリングエンジンの出力軸が１８０°〜２７０°の位相に位置するとき、第１の動力循環機構が気体移動を行い、第２の動力循環機構が膨張仕事を行い、第３の動力循環機構が気体移動を行い、第４の動力循環機構が収縮仕事を行う。スターリングエンジンの出力軸が２７０°〜３６０°の位相に位置するとき、第１の動力循環機構が膨張仕事を行い、第２の動力循環機構が気体移動を行い、第３の動力循環機構が収縮仕事を行い、第４の動力循環機構が気体移動を行う。すると、二作用式スターリングエンジン中の４組の動力循環機構がズームに動き続けることができる。

上記の４組のシリンダアッセンブリーを正確に動かせるために、伝達出力機構によって各シリンダのピストンの動作位相を調整制御する必要があり、これによって動力を出力する。図４に示すように、従来のスターリングエンジン用の伝達出力機構が、出力ギヤ３０及び当該出力ギヤ３０と噛み合う第１の伝達ギヤ３１と第２の伝達ギヤ３２を備える。第１の伝達ギヤ３１に第１のクランクシャフト３３が接続され、第１のクランクシャフト３３に二つのリンク接続部３３１が設けられ、リンク接続部３３１ごとに一つのリンク（図示省略）が接続される。第２の伝達ギヤ３２に第２のクランクシャフト３４が連続され、第２のクランクシャフト３４に二つのリンク接続部３４１が設けられ、リンク接続部３４１ごとに一つのリンク（図示省略）が接続される。クランクシャフト３３、３４に４つのリンクが接続され、当該４つのリンクがそれぞれ４組のシリンダアッセンブリーの４つのリンクとヒンジ接続される。すると、４つのリンクの往復運動が、クランクシャフトと、伝達ギヤを介して最後に出力ギヤ３０に伝達され、動力が出力される。

しがしながら、使用過程に、このようなギヤ伝達機構の構成が複雑であり、コストが高い。また、使用過程に、潤滑性に対する要求が高い。このため、動作コストが高くなる。また、ギヤ伝達機構が動作する際に、騒音が大きい。

従来、傾斜ディスク構造によって動力の出力を実現する方法を採用することがある。同様に、傾斜ディスク構造にも、潤滑性に対する要求が高く、動作コストが高く、騒音が大きい問題がある。

本発明は、従来のスターリングエンジンにおける伝達出力機構のコストが高く、騒音が大きいという課題を解決するものである。

上記の課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用する。

本発明に係るスターリングエンジンは、４組のシリンダアッセンブリーと、動力を伝達出力するための伝達出力機構とを備える。前記伝達出力機構は、ロッキングアームシャフトサポートと、クランクシャフトサポートと、第１のロッキングアームアッセンブリーと、第２のロッキングアームアッセンブリーと、クランクシャフトロングアームリンクとクランクシャフトショートアームリンクとヒンジ接続され、前記クランクシャフトサポートに回動自在に取り付けられるクランクシャフトとを備える。前記第１のロッキングアームアッセンブリーは、隣接する両シリンダの中心間の距離に近い長さを有する第１の直軸と、当該第１の直軸の半分以上の長さを有する第１のロングアームと第２のロングアームとを備え、前記第１のロングアームと第２のロングアームは、それぞれの一端が前記第１の直軸の両端部に直交するように固定接続されると共に前記第１の直軸の両側に位置され、それぞれの他端が前記４組のシリンダアッセンブリーの一方の対角箇所にある２組のシリンダアッセンブリーの二つのリンクにそれぞれヒンジ接続され、前記第１のロングアームと第２のロングアームとの間の角度は、１２０°〜２４０°である。前記第２のロングアームに、前記クランクシャフトロングアームリンクとヒンジ接続するための第１のヒンジ接続部が設けられる。前記第２のロッキングアームアッセンブリーは、隣接する両シリンダの中心間の距離に近い長さを有する第２の直軸と、当該第２の直軸の半分以上の長さを有する第３のロングアームと第４のロングアームと、当該第２の直軸の半分以下の長さを有するショートアームとを備え、前記第３のロングアームと第４のロングアームは、それぞれの一端が前記第２の直軸の両端に直交するように固定接続されると共に前記第２の直軸の両側に位置され、それぞれの他端が前記４組のシリンダアッセンブリーの他方の対角箇所にある２組のシリンダアッセンブリーの二つのリンクにそれぞれヒンジ接続され、前記第３のロングアームと第４のロングアームとの間の角度は、１２０°〜２４０°である。前記ショートアームは、その一端部が前記第３のロングアームと前記第２の直軸との固定接続端部に固定接続され、その他端部には、前記クランクシャフトショートアームリンクとヒンジ接続する第２のヒンジ接続部が設けられる。前記第１のロッキングアームアッセンブリーの前記第１のヒンジ接続部と前記第１の直軸との距離が、前記第２のロッキングアームアッセンブリーの前記第２のヒンジ接続部と前記第２の直軸との距離と等しい。前記第１のロッキングアームアッセンブリーの第１の直軸と前記第２のロッキングアームアッセンブリーの第２の直軸とが互いに平行になり、回動自在に前記ロッキングアームシャフトサポートに取り付けられ、前記クランクシャフトロングアームリンクと前記ショートアームとが平行になり、前記クランクシャフトショートアームリンクと前記第２のロングアームとが平行になる。

前記第１の直軸と第２の直軸の一方が、中空の直軸であり、当該中空の直軸が、他方の直軸の外面に回動可能に外嵌され、他方の直軸の両端のそれぞれが当該中空の直軸から伸び出すことが好ましい。

前記第１のロングアームと第２のロングアームとの間の角度が１６０°〜２２０°であり、前記第３のロングアームと第４のショートアームとの間の角度が１６０°〜２２０°であることが好ましい。

前記クランクシャフトが、前記ロッキングアームアッセンブリーの上方又は下方に位置することが好ましい。

前記スターリングエンジンが内包され、一定圧力が形成される密閉のケーシングをさらに備えることが好ましい。

以上の内容によって、本発明に係るスターリングエンジンの利点及び効果は、以下のとおりである。本発明においては、伝達出力機構が、複数のリンク部品のみによって構成され、一つのクランクシャフトだけを備えるので、構成が簡単であり、製造コストが低い。また、使用過程において、伝達出力機構によって、４組のシリンダアッセンブリーによる循環動力が、それぞれ第１のロッキングアームアッセンブリーと、第２のロッキングアームアッセンブリーを介してクランクシャフトに伝達出力され、複雑な潤滑系によって潤滑する必要がないので、稼動コストをさらに低下することができる。また、このような複数のリング部品で構成された伝達出力機構が、稼動において騒音が小さい。

本発明の利点及び主旨は、以下の実施例及び図面でより明確に説明される。

図１は、従来の第１の種類とする４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンにおける４組のシリンダアッセンブリーの構成を示す模式図である。図１Ａは、図１に示す４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンの動作方法を示す図である。図２は、従来の第２の種類とする４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンにおける４組のシリンダアッセンブリーの構成を示す模式図である。図３は、従来の二作用式スターリングエンジンの４組のシリンダアッセンブリーの構造を示す模式図である。図３Ａは、図３に示す二作用式スターリングエンジンの動作方法を示す図である。図４は、従来のスターリングエンジンにおける伝達出力機構の構成を示す模式図である。図５は、本発明に係るスターリングエンジンにおける伝達出力機構の実施例１の構成を示す模式図である。図６は、図５に示す実施例１の伝達出力機構における第１のロッキングアームアッセンブリーの構成を示す模式図である。図７は、図５に示す実施例１の伝達出力機構における第２のロッキングアームアッセンブリーの構成を示す模式図である。図８は、本発明に係るスターリングエンジンにおける伝達出力機構の実施例２の構成を示す模式図である。

本発明に係るスターリングエンジンは、４組のシリンダアッセンブリーと、動力を伝達出力するための伝達出力機構を備える。

４組のシリンダアッセンブリーは、その構成及び隣接するシリンダアッセンブリーの間のガス経路の接続関係が従来と同様なので、ここで省略する。

図５〜図７に示すように、本発明の実施例１のスターリングエンジンの伝達出力機構が、ロッキングアームシャフトサポート１００と、クランクシャフトサポート２００と、第１のロッキングアームアッセンブリー４と、第２のロッキングアームアッセンブリー５と、クランクシャフトロングアームリンク３０１とクランクシャフトショートアームリンク３０２とがヒンジ接続され、クランクシャフトサポートに回動自在に取り付けられるクランクシャフト３００とを備える。

第１のロッキングアームアッセンブリー４は、隣接する両シリンダの中心間の距離に近い長さを有する第１の直軸４１と、当該第１の直軸４１の半分以上の長さを有する第１のロングアーム４２及び第２のロングアーム４３とを備える。第１のロングアーム４２と第２のロングアーム４３は、それぞれの一端が第１の直軸４１の両端部に直交するように固定接続されると共に、第１の直軸４１の両側に位置される。また、第１のロングアーム４２と第２のロングアーム４３のそれぞれ他端に、Ａ組のシリンダアッセンブリーとＣ組のシリンダアッセンブリーの二つのリンクとそれぞれヒンジ接続するための第３のヒンジ接続部４２１と第４のヒンジ接続部４３２がそれぞれ設けられる。第１のロングアーム４２と第２のロングアーム４３との間に２００°の角度が形成されるが、当該角度が２００°に限定されず、１６０°〜２２０°の範囲内に望ましい。通常、１２０°〜２４０°の範囲内であればよい。第２のロングアーム４３に、クランクシャフトロングアームリンク３０１とヒンジ接続するための第１のヒンジ接続部４３１が設けられる。

第２のロッキングアームアッセンブリー５は、隣接する両シリンダの中心間の距離に近い長さを有する第２の直軸５１と、当該第２の直軸５１の半分以上の長さを有する第３のロングアーム５２及び第４のロングアーム５３と、当該第２の直軸５１の半分以下の長さを有するショートアーム５４とを備える。第３のロングアーム５２と第４のロングアーム５３は、それぞれの一端が、第２の直軸５１の両端部に直交するように固定接続されると共に、第２の直軸５１の両側に位置される。また、第３のロングアーム５２と第４のロングアーム５３のそれぞれの他端に、Ｄ組のシリンダアッセンブリーとＢ組のシリンダアッセンブリーの二つのリンクとそれぞれヒンジ接続するための第５のヒンジ接続部５２１及び第６のヒンジ接続部５３２がそれぞれ設けられる。第３のロングアーム５２と第４のロングアーム５３との間に２００°の角度が形成されるが、当該角度が２００°に限定されず、１６０°〜２２０°の範囲内に望ましい。通常、１２０°〜２４０°の範囲内であればよい。ショートアーム５４は、一端部が第３のロングアーム５２と第２の直軸５１との固定接続端部に固定接続され、他端部に、クランクシャフトショートアームリンク３０２とヒンジ接続するための第２のヒンジ接続部５４１が設けられる。第１のロッキングアームアッセンブリー４の第１のヒンジ接続部４３１と第１の直軸４１との距離が、第２のロッキングアームアッセンブリー５の第２のヒンジ接続部５４１と第２の直軸５１との距離と等しい。

第１のロッキングアームアッセンブリー４の第１の直軸４１と、第２のロッキングアームアッセンブリー５の第２の直軸５１とが互いに平行になり、両者が軸受あるいは他の手段によって、ロッキングアームシャフトサポート１００に回動可能かつ水平に取り付けられる。伝達出力機構の各部品の取り付けが完了した後、クランクシャフトロングアームリンク３０１がショートアーム５４と平行になり、クランクシャフトショートアームリンク３０２が第２のロングアーム４３と平行になる。クランクシャフト３００が、ロッキングアームアッセンブリーの上方又は下方に設置できる。

本実施例のスターリングエンジンが、密閉のケーシングを更に備える。スターリングエンジンが、当該ケーシング内に設けられ、当該ケーシングによって密閉に囲まれる。また、当該ケーシング内には、一定圧力の気体を充填してもよい。各シリンダアッセンブリーのパワーピストンが圧力を受ける状態で動作することにより、スターリングエンジンのパワーを向上することできる一方、各ピストンから気体が多少漏れても、漏れた気体がケーシング内に滞在しているので、ケーシング内の気体全体の量が減少することが無い。

本実施例において、伝達出力機構の第３のヒンジ接続部４２１と、第４のヒンジ接続部４３２と、第５のヒンジ接続部５２１と、第６のヒンジ接続部５３２とをそれぞれ図１に示す４組のシリンダアッセンブリーの４つのリンクにヒンジ接続することによって、４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンが組み合わされる。伝達出力機構の第３のヒンジ接続部４２１と、第４のヒンジ接続部４３２と、第５のヒンジ接続部５２１と、第６のヒンジ接続部５３２とをそれぞれ図２に示す４組のシリンダアッセンブリーの４つのリンクにヒンジ接続することによって、４組のシリンダ・ダブルピストン・同軸換気式スターリングエンジンが組み合わされる。伝達出力機構の第３のヒンジ接続部４２１と、第４のヒンジ接続部４３２と、第５のヒンジ接続部５２１と、第６のヒンジ接続部５３２とをそれぞれ図３に示す４組のシリンダアッセンブリーの４つのリンクにヒンジ接続することによって、二作用式スターリングエンジンが組み合わされる。伝達出力機構は、４組のシリンダアッセンブリーによる循環動力をクランクシャフトに伝達出力する。伝達出力機構が複数のリンク部品のみによって構成されるので、構成が簡単であり、コストが低い。また、使用過程において、複雑な潤滑系によって潤滑する必要がないので、稼動コストをさらに低下することができる。また、複数のリンク部品によって構成される伝達出力機構は稼動中の騒音が小さい。

図５、図６及び図８に示すように、本発明に係るスターリングエンジンにおける実施例２の伝達出力機構の構成と実施例１との相違点は、第１の直軸４１が中空管状になり、第２の直軸５１の外面に回動可能に外嵌され、第２の直軸５１の両端が第１の直軸４１から伸び出すことである。これは、稼動過程において、第２の直軸５１の両端にそれぞれ固定されている第４のロングアーム５３、第３のロングアーム５２、ショートアーム５４と、第１の直軸４１の両端にそれぞれ固定されている第１のロングアーム４２、第２のロングアーム４３とが干渉することを避けるためである。勿論、当該実施例２において、第２の直軸５１が中空管状になり、第１の直軸４１の外面に回動可能に外嵌され、第１の直軸４１の両端が第２の直軸５１から伸び出してもよい。これ以外の構成が実施例１と同じなので、ここで省略する。

今回開示した実施の形態は、本発明の特徴を明確に説明するためのものであり、制限的なものではない。本発明の保護範囲は実施の形態と同等又はその変形を含む。よって、本発明の保護範囲は上記の説明による最大の範囲である。

以上のように、本発明に係るスターリングエンジンは、加熱する熱源に対する要求が低く、使用可能な燃料の範囲が広い。例えば、流体燃料油、気体燃料、固体燃料石炭、作物わら、工場廃熱、再生エネルギー、原子力、地熱、太陽エネルギー、海洋温度差エネルギー、昼夜の温度差エネルギーなどを含む全ての熱エネルギーを使用することができる。太陽エネルギーを熱源とすると、廃気を排出する必要がないので、効率がもっと高い。本発明に係るスターリングエンジンは、ジェネレータによる発電と、ポンプによる送水と、コンプレッサーによる冷凍と、ブロワーによる送風と、農業機械への動力提供とに適用することができる。

Claims

４組のシリンダアッセンブリーと、動力を伝達出力するための伝達出力機構とを備えるスターリングエンジンにおいて、
前記伝達出力機構は、ロッキングアームシャフトサポートと、クランクシャフトサポートと、第１のロッキングアームアッセンブリーと、第２のロッキングアームアッセンブリーと、クランクシャフトロングアームリンクとクランクシャフトショートアームリンクとがヒンジ接続され、前記クランクシャフトサポートに回動自在に取り付けられるクランクシャフトとを備え、
前記第１のロッキングアームアッセンブリーは、隣接する両シリンダの中心間の距離に近い長さを有する第１の直軸と、当該第１の直軸の半分以上の長さを有する第１のロングアームと第２のロングアームとを備え、
前記第１のロングアームと第２のロングアームは、それぞれの一端が前記第１の直軸の両端部に直交するように固定接続されると共に前記第１の直軸の両側に位置され、それぞれの他端が前記４組のシリンダアッセンブリー中の一方の対角箇所にある２組のシリンダアッセンブリーの二つのリンクにそれぞれヒンジ接続され、
前記第１のロングアームと第２のロングアームとの間の角度は、１２０°〜２４０°であり、
前記第２のロングアームに、前記クランクシャフトロングアームリンクとヒンジ接続するための第１のヒンジ接続部が設けられ、
前記第２のロッキングアームアッセンブリーは、隣接する両シリンダの中心間の距離に近い長さを有する第２の直軸と、当該第２の直軸の半分以上の長さを有する第３のロングアームと第４のロングアームと、当該第２の直軸の半分以下の長さを有するショートアームとを備え、
前記第３のロングアームと第４のロングアームは、それぞれの一端が前記第２の直軸の両端に直交するように固定接続されると共に前記第２の直軸の両側に位置され、それぞれの他端が前記４組のシリンダアッセンブリーの他方の対角箇所にある２組のシリンダアッセンブリーの二つのリンクにそれぞれヒンジ接続され、
前記第３のロングアームと第４のロングアームとの間の角度は、１２０°〜２４０°であり、
前記ショートアームは、その一端部が、前記第３のロングアームと前記第２の直軸との固定接続端部に固定接続され、その他端部には、前記クランクシャフトショートアームリンクとヒンジ接続する第２のヒンジ接続部が設けられ、
前記第１のロッキングアームアッセンブリーの前記第１のヒンジ接続部と前記第１の直軸との距離が、前記第２のロッキングアームアッセンブリーの前記第２のヒンジ接続部と前記第２の直軸との距離と等しく、
前記第１のロッキングアームアッセンブリーの第１の直軸と前記第２のロッキングアームアッセンブリーの第２の直軸とが互いに平行になり、回動自在に前記ロッキングアームシャフトサポートに取り付けられ、
前記クランクシャフトロングアームリンクと前記ショートアームとは平行であり、前記クランクシャフトショートアームリンクと前記第２のロングアームとは平行である
ことを特徴とするスターリングエンジン。
前記第１の直軸と第２の直軸の一方が中空の直軸であり、当該中空の直軸が、他方の直軸の外面に回動可能に外嵌され、他方の直軸の両端のそれぞれが当該中空の直軸から伸び出すことを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
前記第１のロングアームと第２のロングアームとの間の角度は１６０°〜２２０°であり、前記第３のロングアームと第４のショートアームとの間の角度は１６０°〜２２０°であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリングエンジン。
前記クランクシャフトが、前記ロッキングアームアッセンブリーの上方又は下方に位置することを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン。
前記スターリングエンジンが内包され、一定圧力が形成される密閉のケーシングをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン。