JP2021025418A - β type Stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、β型スターリングエンジンに関する。 The present invention relates to a β-type Stirling engine.
ディスプレーサピストン及びパワーピストンを同一シリンダに収めるβ型のスターリングエンジンが知られている(例えば下記特許文献1)。スターリングエンジンを稼働場所に設置する場合、クランクケースがフレームを介して稼働場所に取り付けられるが、クランクケースとフレームは別の部品として別体で構成されていた。これはクランクケースとフレームとでそれぞれの役割・機能が異なっており、別構成とした方が設計的自由度があり、構造変更も比較的容易に行なえるという利点などがあったためである。 A β-type Stirling engine in which a displacer piston and a power piston are housed in the same cylinder is known (for example, Patent Document 1 below). When the Stirling engine is installed in the operating location, the crankcase is attached to the operating location via the frame, but the crankcase and the frame are separate parts. This is because the roles and functions of the crankcase and the frame are different, and there is an advantage that the structure can be changed relatively easily if the crankcase and the frame have different configurations.
しかしながら、従来構造においては、クランクケースとフレームが別部品であったため、両者を結合させるための組立を考慮する必要があり、フレームは複数の部品から構成しなければいけない制約などから、部品点数が増加しコストが高くなる、また組立コストも掛かるなど、コスト的に不利な状態であった。 However, in the conventional structure, since the crankcase and the frame are separate parts, it is necessary to consider the assembly for connecting the two parts, and the frame has to be composed of a plurality of parts. Therefore, the number of parts is large. It was in a disadvantageous state in terms of cost, such as an increase in cost, an increase in cost, and an increase in assembly cost.
そこで、本発明は上記課題に鑑み、コストを削減できるβ型スターリングエンジンを提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, an object of the present invention is to provide a β-type Stirling engine capable of reducing costs.
本発明のβ型スターリングエンジンは、往復動するピストンを内包する第1の円筒部と、前記ピストンの往復動により回転可能なクランク軸を内包する第2の円筒部とが交差して十字状に形成されたクランクケースと、
前記クランクケースを稼働場所に設置するためのフレームと、を備え、
前記フレームは、前記クランクケースと一体的に形成されているものである。
In the β-type Stirling engine of the present invention, a first cylindrical portion containing a reciprocating piston and a second cylindrical portion containing a crankshaft rotatable by the reciprocating movement of the piston intersect to form a cross. With the formed crankcase,
A frame for installing the crankcase in an operating place is provided.
The frame is integrally formed with the crankcase.
また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、前記第1の円筒部の中心軸及び前記第2の円筒部の中心軸を含む仮想中心面に対して対称に形成された第1の端面及び第2の端面を有するものでもよい。 Further, in the β-type Stirling engine of the present invention, the frame is formed symmetrically with respect to a virtual central plane including the central axis of the first cylindrical portion and the central axis of the second cylindrical portion. It may have an end face and a second end face.
また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、前記第1の円筒部の中心軸に直交する平坦な第3の端面を有するものでもよい。 Further, in the β-type Stirling engine of the present invention, the frame may have a flat third end surface orthogonal to the central axis of the first cylindrical portion.
また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、前記第1の円筒部のうち前記第2の円筒部から突出する突出部の突出方向先端部から中間部までの間、及び前記第2の円筒部のうち前記第1の円筒部から突出する突出部の突出方向先端部から中間部までの間で、前記クランクケースに結合されているものでもよい。 Further, in the β-type Stirling engine of the present invention, the frame is formed between the tip of the first cylindrical portion in the protruding direction and the middle portion of the protruding portion protruding from the second cylindrical portion, and the second cylindrical portion. Of the cylindrical portions of the above, the one protruding from the first cylindrical portion may be coupled to the crankcase between the tip portion in the protruding direction and the intermediate portion.
また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、四角筒状の形状を有しており、
前記四角筒を構成する4つの板部材は、前記第1の円筒部のうち前記第2の円筒部から突出する2つの突出部と、前記第2の円筒部のうち前記第1の円筒部から突出する2つの突出部と、にそれぞれ結合されているものでもよい。
Further, in the β-type Stirling engine of the present invention, the frame has a square tubular shape.
The four plate members constituting the square cylinder are formed from two projecting portions of the first cylindrical portion protruding from the second cylindrical portion and from the first cylindrical portion of the second cylindrical portion. It may be coupled to each of the two protruding portions.
本発明によれば、フレームをクランクケースと一体的に形成することで、部品点数の削減、製作の容易化、組立の容易化によりコストを削減することができる。 According to the present invention, by forming the frame integrally with the crankcase, it is possible to reduce the cost by reducing the number of parts, facilitating manufacturing, and facilitating assembly.
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[スターリングエンジン]
図1は、スターリングエンジン1の側面断面を示す概略図であり、図2は、スターリングエンジン1の正面断面を示す概略図であり、図3は、スターリングエンジン1の斜視図である。なお、図1及び図2では、後述するフレーム18を図示していない。
[Stirling engine]
FIG. 1 is a schematic view showing a side cross section of the Stirling engine 1, FIG. 2 is a schematic view showing a front cross section of the Stirling engine 1, and FIG. 3 is a perspective view of the Stirling engine 1. Note that in FIGS. 1 and 2, the
各図において、第1方向D1は、左右方向D1であって、第2方向D2は、上下方向D2であって、第3方向D3は、前後方向D3である。第1方向D1のうち、矢印方向は、右方向であって、その反対方向は、左方向であり、第2方向D2のうち、矢印方向は、上方向であって、その反対方向は、下方向であり、第3方向D3のうち、矢印方向は、前方向であって、その反対方向は、後方向である。なお、これらの前後方向、左右方向、上下方向は、スターリングエンジン1を説明するために便宜上定めたものであり、スターリングエンジン1を設置する向きにより実際の方向とは異なる。 In each figure, the first direction D1 is the left-right direction D1, the second direction D2 is the vertical direction D2, and the third direction D3 is the front-rear direction D3. In the first direction D1, the arrow direction is the right direction and the opposite direction is the left direction, and in the second direction D2, the arrow direction is the upward direction and the opposite direction is the downward direction. It is a direction, and in the third direction D3, the arrow direction is the front direction, and the opposite direction is the rear direction. The front-rear direction, the left-right direction, and the up-down direction are defined for convenience in order to explain the Stirling engine 1, and differ from the actual directions depending on the direction in which the Stirling engine 1 is installed.
図1及び図2に示すように、スターリングエンジン1は、空気、ヘリウムガス、水素等の作動ガスが封入されたシリンダ2の内部に、ディスプレーサピストン3及びパワーピストン4がそれぞれ往復動可能に収容されている。スターリングエンジン1は、ディスプレーサピストン3及びパワーピストン4が同一のシリンダ2内に収容される、いわゆるβ型のスターリングエンジンである。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the Stirling engine 1, the
シリンダ2は、一端を開口する一方で他端を閉塞した構成で有り、閉塞端部側にディスプレーサピストン3を配置する一方、開口端部側にパワーピストン4を配置している。シリンダ2内には、閉塞端部とディスプレーサピストン3との間に膨張空間5が形成され、ディスプレーサピストン3とパワーピストン4との間に圧縮空間6が形成されている。なお、シリンダ2内の膨張空間5と圧縮空間6とを合わせて、作動空間と呼ぶ。
The
スターリングエンジン1は、シリンダ2内の作動空間における作動ガスの温度を昇降させる熱交換器7が配設されている。熱交換器7は、膨張空間5と連通して外部からの入熱により作動ガスを加熱するヒータ8と、圧縮空間6と連通して外部への放熱により作動ガスを冷却するクーラ9と、ヒータ8とクーラ9とを連結する再生器10とを備えている。ディスプレーサピストン3がシリンダ2の開口端部側に向けて移動すると、ヒータ8で加熱された作動ガスが膨張空間5に流入することで、作動ガスの温度が上昇する。一方、ディスプレーサピストン3がシリンダ2の閉塞端部側に向けて移動すると、クーラ9で冷却された作動ガスが圧縮空間6に流入することで、作動ガスの温度が低下する。従って、熱交換器7とシリンダ2内の作動空間との間で作動ガスが順逆に流れることで、シリンダ2の作動空間における内圧が変化し、パワーピストン4の往復動を促す。
The Stirling engine 1 is provided with a
ヒータ8は、一端部が膨張空間5に連通し、他端部が再生器10の一端部に連通している。ヒータ8は、焼却炉等で発生する排ガスの熱を受けることで、内部を通過する作動ガスを加熱する。図1及び図2では、管状のヒータ8を2個のみ示しているが、実際には図3のように多数のヒータ8が設けられている。
One end of the
再生器10の他端部はクーラ9に連通している。また、クーラ9は圧縮空間6に連通している。クーラ9内には作動ガスと熱交換可能に冷却水が流れており、この熱交換によって作動ガスを冷却する。
The other end of the
再生器10及びクーラ9は、シリンダ2の外周部に配置されている。再生器10は、例えば、金属繊維や金網を積層させたものや、作動ガスの流路をハニカム形状などで配列させたものや、綿状金属繊維を内包させたものなどで構成されており、蓄熱式熱交換器として機能する。すなわち、再生器10は、ヒータ8からクーラ9に高温の作動ガスが流れる際には、作動ガスの熱を蓄熱する一方で、クーラ9からヒータ8に低温の作動ガスが流れる際には、蓄熱した熱を作動ガスに放熱する。
The
スターリングエンジン1は、シリンダ2の開口端部側に、パワーピストン4の往復動作を回転動作に変換して回転動力を出力する出力取り出し装置11を備える。出力取り出し装置11は、ディスプレーサピストン3及びパワーピストン4それぞれと連結しクランクボックス13a内に軸支したクランク軸12をクランクケース13内に内包している。そして、クランク軸12の一端側が出力軸となり、クランクケース13内で、フライホイール14aを介してモータ発電機15の入力軸16と連結されている。なお、クランク軸12の他端側には、フライホイール14bが設けられている。
The Stirling engine 1 is provided with an
ディスプレーサピストン3及びパワーピストン4は、出力取り出し装置11のクランク軸12と接続することで、シリンダ2内を互いに所定の位相差で往復動する。なお、本実施形態では、ディスプレーサピストン3及びパワーピストン4の往復動作における位相差を90°としている。
The
出力取り出し装置11は、ディスプレーサピストン3に合わせて往復動するディスプレーサピストンヨーク51のクランク軸案内溝(貫通溝)51aに固定されたプレート51cと、パワーピストン4に合わせて往復動するパワーピストンヨーク(往復動部)52,53のクランク軸案内溝(貫通溝)52a,53aに固定されたプレート52c,53cのそれぞれに、軸受57〜59を介してクランク軸12のクランクピン54〜56が嵌合わされたスコッチ・ヨーク機構で構成されている。
The output take-out
図2に示すように、ディスプレーサピストンヨーク51は、その中央部分に、クランク軸12及びディスプレーサピストン3それぞれの軸方向に対して交差する方向(横方向)に長いクランク軸案内溝51aが設けられている。ディスプレーサピストンヨーク51におけるクランク軸案内溝51aを挟んだ両側部には、ディスプレーサピストン3の軸方向に沿う方向(縦方向)に、往復動案内穴(貫通穴)51bが穿設されている。そして、ディスプレーサピストンヨーク51の往復動案内穴51bには、ロータリブッシングなどの直動軸受63を介して、クランクボックス13aに固定されたガイド軸60が挿入されている。ディスプレーサピストンヨーク51は、一端がディスプレーサピストン3と連結したロッド66の他端と連結しており、ディスプレーサピストン3の往復動に合わせて、ディスプレーサピストン3と同一方向(縦方向)で往復動する。
As shown in FIG. 2, the display
図2に示すように、パワーピストンヨーク52は、その中央部分に、横方向に長いクランク軸案内溝52aが設けられており、クランク軸案内溝52aを挟んだ両側部に、往復動案内穴(貫通穴)52bが縦方向に穿設されている。そして、パワーピストンヨーク52の往復動案内穴52bには、直動軸受64を介して、クランクボックス13aに固定されたガイド軸61が挿入されている。パワーピストンヨーク52は、一端がパワーピストン4と連結したブリッジ67の他端と連結しており、パワーピストン4の往復動に合わせて縦方向で往復動する。パワーピストンヨーク53は、パワーピストンヨーク52と同様の形状をしているため、詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 2, the
図1及び図2に示すように、パワーピストン4及びブリッジ67の中心には、パワーピストン4の軸方向に沿う方向(縦方向)に貫通穴4a,67aが設けられており、ディスプレーサピストン3と連結したロッド66が貫装されている。ロッド66は、パワーピストン4及びブリッジ67と相対的に移動可能であるとともに、パワーピストン4におけるロッド66の挿入部分にオイルシールなどによる動的シール機構(図示省略)が構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, through
図1に示すように、クランク軸12は、ブリッジ67とパワーピストンヨーク52,53を介して連結したクランクピン55,56の間に、ロッド66とディスプレーサピストンヨーク51を介して連結したクランクピン54を設けており、同位相のクランクピン55,56に対して所定の位相差(例えば、90°)でクランクピン54が取り付けられている。
As shown in FIG. 1, the
ディスプレーサピストン3は、クランク軸12の回転動力で往復動し、作動ガスが膨張空間5と圧縮空間6の間を行き来して、作動空間の内圧が変化する。この圧力変化によりパワーピストン4が往復動し、その往復動力がブリッジ67を介してパワーピストンヨーク52,53に伝達される。これにより、パワーピストンヨーク52,53がそれぞれ、ガイド軸61,62のそれぞれに沿って縦方向に往復動する。そして、パワーピストンヨーク52,53それぞれの往復動により、クランク軸案内溝52a,53aそれぞれをクランクピン55,56それぞれが回転しながら横方向に往復することで、クランク軸12が回転する。従って、パワーピストン4の往復動力を受けた出力取り出し装置11は、スコッチ・ヨーク機構により回転動力に変換してクランク軸12より出力し、フライホイール14a及び入力軸16を介してモータ発電機15を回転させる。モータ発電機15の回転により発電する。
The
[クランクケース]
図4及び図5は、クランクケース13を示している。クランクケース13は、往復動するパワーピストン4を内包する第1の円筒部131と、クランク軸12を内包する第2の円筒部132とが直角に交差して十字状(又は略逆T字状)に形成されている。
[Crankcase]
4 and 5 show the
第1の円筒部131は、シリンダ2の外側に配置される。第1の円筒部131の中心軸131aは、上下方向D2に沿って延びている。第1の円筒部131は、第2の円筒部132からそれぞれ反対方向に突出する上突出部1311及び下突出部1312を有する。上突出部1311は、下突出部1312よりも突出量が大きくなっている。上突出部1311がパワーピストン4及びシリンダ2を収容し、下突出部1312がクランクボックス13aを収容する。上突出部1311の開口部は、熱交換器7の下部に接続される。下突出部1312の開口部は、円盤状の蓋部材1313で閉塞される。蓋部材1313には、クランクボックス13aが固定される。
The first
第2の円筒部132は、クランク軸12の外側に配置される。第2の円筒部132の中心軸132aは、左右方向D1に沿って延びている。第2の円筒部132は、第1の円筒部131からそれぞれ反対方向に突出する左突出部1321及び右突出部1322を有する。左突出部1321は、右突出部1322よりも突出量が大きくなっている。左突出部1321は、クランク軸12及び入力軸16を収容し、右突出部1322はクランク軸12を収容する。左突出部1321の開口部は、モータ発電機15に接続される。右突出部1322の開口部は、円盤状の蓋部材1323で閉塞される。
The second
クランクケース13は、クランクケース13を稼働場所に設置するためのフレーム18を備えている。フレーム18は、クランクケース13と一体的に形成されている。ここで、フレーム18をクランクケース13と一体的に形成する方法としては、例えば、別々に形成したクランクケース13とフレーム18を溶接等により接合して一体とする方法、クランクケース13とフレーム18を鋳造等により一体成型する方法、別々に形成したクランクケース13とフレーム18をボルト等により接合して一体とする方法等が挙げられる。本実施形態では、別々に形成したクランクケース13とフレーム18を溶接により接合している例を示す。
The
フレーム18をクランクケース13と一体的に形成することで、部品点数の削減、製作の容易化、組立の容易化によりコストを削減することができる。また、フレーム18をクランクケース13と一体的に形成することで、形状の簡素化により小型化、軽量化を図ることができる。
By integrally forming the
さらに、フレーム18をクランクケース13と一体的に形成することで、クランクケース13だけでなく、フレーム18も強度部材となるため、クランクケース13内部の高圧の作動気体によるクランクケース13の破損を抑制することができる。また、フレーム18は、クランクケース13内部の作動気体によるクランクケース13の膨張や変形を抑制するとともに、スターリングエンジン1の振動を抑制することができる。
Further, by forming the
フレーム18は、全体として四角筒状をしている。すなわち、フレーム18は、四角筒を構成する4つの板部材(上面板181、下面板182、左側面板183、及び右側面板184)を有する。上面板181及び下面板182は、第1の円筒部131の中心軸131aと直交するように配置される。また、左側面板183及び右側面板184は、第2の円筒部132の中心軸132aと直交するように配置される。
The
上面板181、下面板182、左側面板183、及び右側面板184は、第1の円筒部131の2つの突出部1311,1312と、第2の円筒部132の2つの突出部1321,1322と、に結合されている。これにより、強度、剛性を有する四角筒状のフレーム18が、周囲を取り囲むようにクランクケース13と結合されているため、スターリングエンジン1の特定の方向や部位が大きく振動することを抑制することができる。
The
フレーム18は、第1の円筒部131のうち第2の円筒部132から突出する突出部1311,1312の突出方向先端部から中間部までの間、及び第2の円筒部132のうち第1の円筒部131から突出する突出部1321,1322の突出方向先端部から中間部までの間で、クランクケース13に結合されている。
The
本実施形態では、上面板181は、第1の円筒部131の上突出部1311の開口部に結合されている。また、下面板182は、第1の円筒部131の下突出部1312の開口部に結合されている。左側面板183は、第2の円筒部132の左突出部1321の開口部から第1の円筒部131との接続部までの間の中間部、すなわち左突出部1321の中腹部に結合されている。また、右側面板184は、第2の円筒部132の右突出部1322の開口部に結合されている。これにより、フレーム18が、クランクケース13の弱い部分(突出部の開口部及び中腹部)を補強する構造物またはリブの役割を果たすため、クランクケース13の耐圧性の向上、破壊に対する安全性の向上に寄与する。
In this embodiment, the
図3に示すように、フレーム18の下面板182を鉛直方向下方に向けた状態でスターリングエンジン1を稼働場所に設置した場合、ヒータ8は鉛直方向上方を向いた状態となる。下面板182の底面(第3の端面に相当)は、略平坦となっており、フレーム18の下面板182の底面を鉛直方向下方に向けた状態で容易に設置することができる。なお、下面板182を稼働場所に直接固定してもよいが、図3に示すようなスペーサ182aを介して固定するようにしてもよい。
As shown in FIG. 3, when the Stirling engine 1 is installed in the operating place with the
フレーム18は、第1の円筒部131の中心軸131a及び第2の円筒部132の中心軸132aを含む仮想中心面133(図4(a)参照)に対して対称に形成された前端面185(第1の端面に相当)及び後端面186(第2の端面に相当)を有する。
The
前端面185と後端面186は、平坦面となっており、フレーム18の前端面185又は後端面186を鉛直方向下方に向けた状態でスターリングエンジン1を稼働場所に容易に設置することができる。フレーム18の前端面185又は後端面186を鉛直方向下方に向けた状態でスターリングエンジン1を稼働場所に設置した場合、ヒータ8は水平方向を向いた状態となる。
The
フレーム18の前端面185を鉛直方向下方に向けることにより、フレーム18の下面板182側から見て、モータ発電機15をスターリングエンジン1の右側に向けて設置することができる。一方、フレーム18の後端面186を鉛直方向下方に向けることにより、フレーム18の下面板182側から見て、モータ発電機15をスターリングエンジン1の左側に向けて設置することができる。フレーム18の前端面185と後端面186が鏡対称に形成されていることで、このように設置方向を容易に変更することができる。
By directing the
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, it should be considered that the specific configuration is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is shown not only by the description of the above-described embodiment but also by the scope of claims, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1 スターリングエンジン
2 シリンダ
3 ディスプレーサピストン
4 パワーピストン
12 クランク軸
13a クランクボックス
13 クランクケース
131 第1の円筒部
131a 第1の円筒部の中心軸
132 第2の円筒部
132a 第2の円筒部の中心軸
15 モータ発電機
18 フレーム
1
Claims (5)
前記クランクケースを稼働場所に設置するためのフレームと、を備え、
前記フレームは、前記クランクケースと一体的に形成されている、β型スターリングエンジン。 A crankcase formed in a cross shape by intersecting a first cylindrical portion containing a reciprocating piston and a second cylindrical portion containing a crankshaft rotatable by the reciprocating movement of the piston.
A frame for installing the crankcase in an operating place is provided.
The frame is a β-type Stirling engine integrally formed with the crankcase.
前記四角筒を構成する4つの板部材は、前記第1の円筒部のうち前記第2の円筒部から突出する2つの突出部と、前記第2の円筒部のうち前記第1の円筒部から突出する2つの突出部と、にそれぞれ結合されている、請求項1〜4の何れか1項に記載のβ型スターリングエンジン。
The frame has a square tubular shape and has a square tubular shape.
The four plate members constituting the square cylinder are formed from two projecting portions of the first cylindrical portion protruding from the second cylindrical portion and from the first cylindrical portion of the second cylindrical portion. The β-type Stirling engine according to any one of claims 1 to 4, which is coupled to each of two protruding portions.
Priority Applications (1)
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