JP2654197B2 - スターリングエンジンの圧縮機駆動装置 - Google Patents

スターリングエンジンの圧縮機駆動装置

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ヒートポンプ系に用いられる往復動型圧
縮機を、スターリングエンジンによって低騒音で駆動す
るスターリングエンジンの圧縮機駆動装置に関するもの
である。
〔従来の技術〕
第11図は例えば特開昭64−53051号公報に示された従
来のスターリングエンジンの圧縮機駆動装置を示すシス
テム構成図であり、図において、1はスターリングエン
ジンであり、形式は単気筒β(ベータ)型ディスプレー
サ型のスターリングエンジンである。2はスターリング
エンジン1の出力軸であるクランク軸、3はクランク軸
2に装着されたフライホイール、4はプーリ、5は圧縮
機、6はクランク軸、7はクランク軸6に装着されたプ
ーリ、8はスターリングエンジン1側のプーリ4と圧縮
機5側のプーリ7とを結合し、スターリングエンジン1
の動力により圧縮機5を駆動するベルトであり、圧縮機
5はヒートポンプ装置に組み込まれ、冷房や暖房を行
う。
また、10は冷房回路の四方弁、11は室外熱交換器、12
は膨張弁、13は室内熱交換機である。さらに、第12図に
おいて、9はスターリングエンジン1や圧縮機5を取り
付けている架台、9aは架台9に並設され、スターリング
エンジン1および圧縮機5の振動を吸収するようにこれ
らを支持するばねダンパである。
次に動作について説明する。
まず、スターリングエンジン1では、ディスプレーサ
によってヘリウムなどの作動ガスを高温側、低温側に移
送すると、この作動ガスの圧力がその温度に応じて高く
なったり、低くなったりする。そこで、この圧力の変化
によって動力ピストンを往復作動させてクランク軸2に
動力を出力する。一方、この動力はベルト8を介してク
ランク軸6に伝えられ、圧縮機5を駆動する。この圧縮
機5はヒートポンプ装置の一部を構成し、室内熱交換器
13からの冷媒を断熱圧縮する。ここで断熱圧縮された高
温の冷媒は室外熱交換器11で放熱された後、膨張弁12で
膨張蒸発し、低温の冷媒となって室内熱交換器13に送ら
れ、室内を冷房する。なお、室内の暖房時には、四方弁
10を切り換えて、冷媒の流れを逆にする。このようにし
て、スターリングエンジン1はヒートポンプ装置の圧縮
機5を駆動する。
ところで、このスターリングエンジン1は作動中のト
ルク脈動の振幅が、第13図に示すように、クランク軸2
の1回転につき1回大きくなり、平均値の数倍〜10数倍
に達する。一方、マルチベーン型やスクロール型の圧縮
機5のトルク脈動は比較的小振幅であり、そのスターリ
ングエンジン1のトルク脈動の振幅が、圧縮駆動機構に
よる発生振動の大部分を占めている。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来のスターリングエンジンの圧縮機駆動装置は、以
上のように構成されているので、圧縮機駆動機構による
発生振動の大部分を占めるスターリングエンジン1の脈
動トルクが、上記架台9を振動させるとともに、騒音を
著しくするなどの課題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされ
たもので、スターリングエンジンとこれにより駆動され
る圧縮機との各トルク脈動を相互に相殺することによ
り、上記架台の振動を大きく低減することができるスタ
ーリングエンジンの圧縮機駆動装置を得ることを目的と
する。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係るスターリングエンジンの圧縮機装置
は、スターリングエンジンのクランク軸と圧縮機のクラ
ンク軸とを、そのスターリングエンジンのクランク軸の
1回転中に発生するトルク脈動の最大値と、上記圧縮機
のクランク軸の1回転中に負荷として生じるトルク脈動
の最大値とが、完全にまたは略一致するクランク角度と
なるように、軸継手によって結合したものである。
〔作用〕 この発明における軸継手は、スターリングエンジンの
クランク軸と圧縮機のクランク軸とを結合して、スター
リングエンジンの動力をその圧縮機に伝えるとともに、
スターリングエンジンのトルク脈動特性および圧縮機の
トルク脈動特性にもとづき、これらの総合したトルク脈
動が最小となる上記両クランク軸の相対角度を、任意に
調整および設定可能にする。
〔発明の実施例〕
以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
1図において、1は単気筒β型ディスプレーサ型のスタ
ーリングエンジン、5は単気筒の往復動型圧縮機(以
下、圧縮機という)、15はスターリングエンジンのクラ
ンク軸2と圧縮機5のクランク軸6とを結合する軸継手
である。第2図(a)はスターリングエンジン1の要部
の説明図であり、16はディスプレーサ、17は動力ピスト
ンであり、これが上死点にある場合を示し、第2図
(b)はクランク軸2を第1図の矢印A方向から見たも
のである。また、第3図(a)は圧縮機5の要部を示
し、シリンダ20内にピストン19を摺動自在に設けたもの
からなり、ここではピストン19が下死点にある場合を示
す。第3図(b)は圧縮機5のクランク軸6を矢印B方
向から見たものであり、θはスターリングエンジン1側
の動力ピストン17の上死点を基準とした場合における圧
縮機5のピストン19の下死点の相対量、つまりクランク
軸2に対するクランク軸6の相対回転角を意味する。な
お、この実施例ではスターリングエンジン1の動力ピス
トン17が上死点、圧縮機5のピストン19が下死点にある
とき、θ=0に設定してある。第4図および第5図は上
記軸継手15の構造を具体的に示し、図において、31,32
は軸継手フランジで、軸継手フランジ31はこれに取り付
けたキー溝31aをクランク軸2に設けたキー溝2aに嵌合
することにより、そのクランク軸2と一体回転するよう
になっている。また、軸継手フランジ32は、これに取り
付けたキー32aをクランク軸6に設けたキー溝6aに対し
て着脱可能に嵌合することにより、そのクランク軸6と
一体回転するようになっている。33はキー32aをキー溝6
aに対する嵌合を解除できるように、キー32aを押圧する
止めねじである。なお、図示しないが、上記キー溝6aは
クランク軸6の周囲に一定の角度を隔てて複数本設けら
れ、上記止めねじ33の操作により、これらのキー溝のい
ずれかにキー32aを選択的に嵌合できるようになってい
る。34は軸継手フランジ31,32の各フランジ部を貫通
し、これらをナット35により締結する固定ボルト、36,3
7はクランク軸2,6の取付誤差を吸収するために、各軸継
手フランジ31,32とこれらの間に介装された介装取付板3
8との間、および介装取付板38とナット35との間にそれ
ぞれ介装された弾性材である。
次に動作について説明する。
いま、単気筒β型ディスプレーサ型のスターリングエ
ンジン1と圧縮機5の各クランク軸2,6のトルク脈動お
よびこのトルク脈動の差を原理的な計算により求める
と、第6図に示すようになる。これによれば、スターリ
ングエンジン1の平均トルク38.8(N・m)と圧縮機5
の負荷トルクが釣り合っており、クランク軸2,6が180度
において、スターリングエンジン1の動力ピストン17が
上記のように上死点にあり、圧縮機5のピストン19は下
死点にある。そして、このようなθ=0度の状態にあっ
ては、スターリングエンジン1と圧縮機5の各トルクの
最大値と最小値の差は、図示のように、約360(N・
m)にも達する。
これに対して、θ=60度とするように、上記クランク
軸2に対するクランク軸6の相対角度を、軸継手15の調
整によって設定した場合には、第7図に示すように、圧
縮機5のトルク脈動の立上がり,立下がりが60度進む。
このため、上記各トルクの最大値と最小値の差は、約22
6(N・m)になり、スターリングエンジン1の単体の
トルク脈動の約63%に低減する。換言すれば、スターリ
ングエンジン1のクランク軸2と圧縮機5のクランク軸
6との結合角度を、キー溝6aのいずれかにキー32aを嵌
合させることにより適当に選定することで、これらの相
互のトルク脈動差を小さくすることができることとな
る。そして、かかる効果は、上記実施例のほか、クラン
ク軸の1回転につき1回のトルク脈動を発生するあらゆ
る他のスターリングエンジンの圧縮駆動装置においても
得られ、例えば特開昭63−17058号公報に示された2ピ
ストン型のスターリングエンジンや特開昭64−15752号
公報に示されたγ型ディスプレーサ型のスターリングエ
ンジンにより、圧縮機5を駆動するものにも、同様にし
て適用することができる。
第8図は2気筒の圧縮機5Aを模式的に示した説明図で
あり、19a,19bは直列2シリンダ型のピストン、αは両
ピストンの位相角を示す。このように各ピストン19a,19
bを配置した場合、当然、単気筒の場合とはトルク脈動
の状況が変る。すなわち、αが180度以上360度以下で
は、第9図に示すように、クランク軸6の1回転につき
2回のトルク脈動となる。また、αが180度以下の、例
えば40度では、第10図のように、トルク脈動の頂部がや
や平坦となり、この部分で幅が広くなる。従って、スタ
ーリングエンジン1のトルク脈動と圧縮機5Aのトルク脈
動の差は約120(N・m)に低減する。この圧縮機5Aの
使用例では、スターリングエンジン1に対してクランク
軸2,6の位相角度を40度とし、αも40度としたが、これ
によれば単気筒の圧縮機5と同様に、スターリングエン
ジン1単体で発生するトルク脈動の約69%に低減でき、
これらのスターリングエンジン1および圧縮機5Aを支持
する架台に作用する力および振動を軽減することができ
る。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によればスターリングエンジ
ンのクランク軸の1回転中に発生するトルク脈動の最大
値と、圧縮機のクランク軸の1回転中に負荷として生じ
るトルク脈動の最大値とが、完全に、または略一致する
クランク角度となるように、軸継手によって各クランク
軸を結合するように構成したので、スターリングエンジ
ンのトルク脈動特性および圧縮機のトルク脈動特性にも
とづき、これらの総合したトルク脈動が最小となるよう
に、上記両クランク軸の相対角度を任意に調整でき、こ
れによりこれらのスターリングエンジンおよび往復動型
圧縮機を設置する架台の振動および騒音を最小限に軽減
できるものが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例によるスターリングエンジ
ンの圧縮機駆動装置を示す正面図、第2図はこの発明に
おけるスターリングエンジンの要部の説明図、第3図は
この発明における圧縮機の要部の説明図、第4図はこの
発明における軸継手の構造を示す正面断面図、第5図は
同じく右側面図、第6図はこの発明におけるスターリン
グエンジンと圧縮機の各クランク軸のトルク脈動および
各脈動差を示したトルク脈動特性図、第7図は軸継手に
より圧縮機のクランク軸角度を60度変位させた場合のト
ルク脈動特性図、第8図は2気筒の圧縮器を模式的に示
す説明図、第9図は第8図に示す圧縮機におけるクラン
ク軸のトルク脈動を示すトルク脈動特性図、第10図は第
8図に示す圧縮機における2つのピストン位相差を40度
とした場合のトルク脈動および脈動差を示すトルク脈動
特性図、第11図は従来のスターリングエンジンの圧縮機
駆動装置を示す概略構成図、第12図は第11図に示す圧縮
機駆動装置を示す正面図、第13図は従来のスターリング
エンジンと圧縮機のトルク脈動を示すトルク脈動特性図
である。 1はスターリングエンジン、2はクランク軸、5は往復
動型圧縮機(圧縮機)、6はクランク軸、15は軸継手。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】スターリングエンジンのクランク軸と、こ
    のスターリングエンジンによって駆動される往復動型圧
    縮機のクランク軸と、上記スターリングエンジンのクラ
    ンク軸の1回転中に発生するトルク脈動の最大値、およ
    び上記往復動型圧縮機のクランク軸の1回転中に負荷と
    して生じるトルク脈動の最大値が、完全に一致または略
    一致するクランク角度となるように、上記各クランク軸
    を結合する軸継手とを備えたスターリングエンジンの圧
    縮機駆動装置。
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JP6988560B2 (ja) * 2018-02-23 2022-01-05 株式会社デンソー 動力伝達装置、および、冷凍機

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