JP3351800B2 - 熱機関 - Google Patents
熱機関Info
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- JP3351800B2 JP3351800B2 JP50029999A JP50029999A JP3351800B2 JP 3351800 B2 JP3351800 B2 JP 3351800B2 JP 50029999 A JP50029999 A JP 50029999A JP 50029999 A JP50029999 A JP 50029999A JP 3351800 B2 JP3351800 B2 JP 3351800B2
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- Japan
- Prior art keywords
- heat engine
- pressure
- chamber
- engine according
- pistons
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、請求項１前文において定義された熱機関に
関するものである。
関するものである。
閉じたカルノーサイクル過程によって機能する熱機関
は、エンジンまたは冷凍機として用いることができ、こ
れらは熱エネルギーまたは機械的エネルギーのいずれか
を用いて起動することによる。作動ガスは機関の閉鎖系
内に収容される。
は、エンジンまたは冷凍機として用いることができ、こ
れらは熱エネルギーまたは機械的エネルギーのいずれか
を用いて起動することによる。作動ガスは機関の閉鎖系
内に収容される。
有用な熱力学的過程を得るために、ガスは、機関の種
々のチャンバー内で、圧縮、伝達、膨張および初期状態
への復帰の各段階を受ける。機関の効率は、その同調の
精度に依存する。ピストン間の位相シフトを実行するた
め、例えば二本のクランクシャフトとレバー機構を有し
て機能する菱形クランク機構が開発されている。
々のチャンバー内で、圧縮、伝達、膨張および初期状態
への復帰の各段階を受ける。機関の効率は、その同調の
精度に依存する。ピストン間の位相シフトを実行するた
め、例えば二本のクランクシャフトとレバー機構を有し
て機能する菱形クランク機構が開発されている。
従来のエンジンは、圧力−容積サイクルに関して以下
の欠点を有する。すなわち、従来のエンジンは、理論的
に最も有利な値とはかなり相違していること、またはこ
れらエンジンが複雑なことである。さらに、複雑な菱形
クランク機構を設けたエンジンにおいては、周期的な段
階の調整が不正確である。
の欠点を有する。すなわち、従来のエンジンは、理論的
に最も有利な値とはかなり相違していること、またはこ
れらエンジンが複雑なことである。さらに、複雑な菱形
クランク機構を設けたエンジンにおいては、周期的な段
階の調整が不正確である。
本発明の目的は、上述した欠点の無い新しい形式の熱
機関を達成することにある。これを実行するために、本
発明による熱機関は、請求項１の特徴記載部分で示され
る特徴を有する。
機関を達成することにある。これを実行するために、本
発明による熱機関は、請求項１の特徴記載部分で示され
る特徴を有する。
本発明の利点は、圧力−容積サイクルの理想的な同調
に近いこと、機械的損失が小さいことおよび、比較的単
純な構造であることと見なすことができることにある。
本発明による解決策により、サイクル過程の正確な同調
が、ピストンの「伸びきった」上死点を用いることによ
り達成される。さらに、本発明による組込型の動力制御
回路は、実施が簡単である。
に近いこと、機械的損失が小さいことおよび、比較的単
純な構造であることと見なすことができることにある。
本発明による解決策により、サイクル過程の正確な同調
が、ピストンの「伸びきった」上死点を用いることによ
り達成される。さらに、本発明による組込型の動力制御
回路は、実施が簡単である。
以下、添付図面を参照することにより、実施例を補助
として、本発明を詳細に説明する。
として、本発明を詳細に説明する。
図示の熱機関は、５シリンダ型（図１のシリンダ21〜
25）のスターリングエンジンである。
25）のスターリングエンジンである。
図２の断面図は、４個のチャンバー、すなわち加熱チ
ャンバー１、圧縮チャンバー３および圧力平衡チャンバ
ー2,4を有するシリンダを示し、これらチャンバーは相
互に接続している（図１および図３参照）。圧縮チャン
バー３は加熱チャンバー１と144゜の遅れで接続してい
る（図１参照）。ピストン26,27が同じ一つのロッド６
に取り付けられている。ピストンロッド６には、圧力平
衡チャンバー４とクランクケース28との間のシール材29
が設けられ、コネクティングロッド９が、ピストンロッ
ド６と逆向きになるように、すなわちピストンとは逆方
向に、フォーク6aおよびブラケット８を介してリンク結
合している。
ャンバー１、圧縮チャンバー３および圧力平衡チャンバ
ー2,4を有するシリンダを示し、これらチャンバーは相
互に接続している（図１および図３参照）。圧縮チャン
バー３は加熱チャンバー１と144゜の遅れで接続してい
る（図１参照）。ピストン26,27が同じ一つのロッド６
に取り付けられている。ピストンロッド６には、圧力平
衡チャンバー４とクランクケース28との間のシール材29
が設けられ、コネクティングロッド９が、ピストンロッ
ド６と逆向きになるように、すなわちピストンとは逆方
向に、フォーク6aおよびブラケット８を介してリンク結
合している。
逆向きにリンク結合した短いコネクティングロッド９
は、サイクル過程の正確な同調を可能とする。なぜなら
ば、加熱チャンバー１および圧縮チャンバー３の「延び
きった」上死点での容積は、図１のピストン動作曲線の
緩やかな頂点ｈで最小となるからである。第一のシリン
ダ21においてピストンが低い位置にあるとき、第三のシ
リンダ23にあるピストンは最高位置にある（図１参
照）。クランクシャフトが72゜回転すると、圧縮チャン
バー３の容積は1/2に減少し、一方加熱チャンバー１の
体積は同じに保たれる（等温変化、シリンダ22,24）。
次の72゜の回転の間、圧縮されたガスは圧縮チャンバー
から同体積で加熱チャンバーへ流入する（等容変化、シ
リンダ23,25）。次の72゜の回転の間には、ガスは加熱
チャンバー内で等温膨張する。すなわち、圧縮チャンバ
ーの容積は変化しない（シリンダ24,21）。最後の144゜
の回転の間には、ガスは加熱チャンバーから同体積で圧
縮チャンバーへ流入する（等容冷却、シリンダ25,22,2
1,23）。圧縮チャンバー３における圧縮比はシリンダの
数およびコネクティングロッドの相対長さに依存する。
フォーク6aおよびブラケット８の代わりに、二本のクラ
ンクシャフトと、これらをピストンロッドと接続するＴ
字型ジョイントからなるツインクランクシャフト構造を
使用することも可能である。
は、サイクル過程の正確な同調を可能とする。なぜなら
ば、加熱チャンバー１および圧縮チャンバー３の「延び
きった」上死点での容積は、図１のピストン動作曲線の
緩やかな頂点ｈで最小となるからである。第一のシリン
ダ21においてピストンが低い位置にあるとき、第三のシ
リンダ23にあるピストンは最高位置にある（図１参
照）。クランクシャフトが72゜回転すると、圧縮チャン
バー３の容積は1/2に減少し、一方加熱チャンバー１の
体積は同じに保たれる（等温変化、シリンダ22,24）。
次の72゜の回転の間、圧縮されたガスは圧縮チャンバー
から同体積で加熱チャンバーへ流入する（等容変化、シ
リンダ23,25）。次の72゜の回転の間には、ガスは加熱
チャンバー内で等温膨張する。すなわち、圧縮チャンバ
ーの容積は変化しない（シリンダ24,21）。最後の144゜
の回転の間には、ガスは加熱チャンバーから同体積で圧
縮チャンバーへ流入する（等容冷却、シリンダ25,22,2
1,23）。圧縮チャンバー３における圧縮比はシリンダの
数およびコネクティングロッドの相対長さに依存する。
フォーク6aおよびブラケット８の代わりに、二本のクラ
ンクシャフトと、これらをピストンロッドと接続するＴ
字型ジョイントからなるツインクランクシャフト構造を
使用することも可能である。
スターリングエンジンの動力制御システムを図示する
模式図（図３）は、動力制御のために用いる動力制御ユ
ニット31を示す。ここではチャンバー２および４が相互
に接続し、また圧力リザーバ32とも接続している。さら
に、シリンダの各チャンバーは、図３に示すように互い
に接続している。
模式図（図３）は、動力制御のために用いる動力制御ユ
ニット31を示す。ここではチャンバー２および４が相互
に接続し、また圧力リザーバ32とも接続している。さら
に、シリンダの各チャンバーは、図３に示すように互い
に接続している。
動力制御ユニット31において、各シリンダのチャンバ
ー２は、弁13を通してチャンバー４と接続し、それによ
ってガスはこの弁13を経てチャンバー４からチャンバー
２へと流れる。チャンバー４は、ばねで付勢された減圧
弁11を通して圧力リザーバ32と、また圧力制御された可
変チェック弁12を通してチャンバー２と接続する。弁13
はポンプ弁として作用する。
ー２は、弁13を通してチャンバー４と接続し、それによ
ってガスはこの弁13を経てチャンバー４からチャンバー
２へと流れる。チャンバー４は、ばねで付勢された減圧
弁11を通して圧力リザーバ32と、また圧力制御された可
変チェック弁12を通してチャンバー２と接続する。弁13
はポンプ弁として作用する。
出力される動力は、機関内のガス循環量の増加または
減少によって、以下のように制御される。
減少によって、以下のように制御される。
動力制御ユニット31を通して相互に接続する各シリン
ダのチャンバー2,4の総容積は、現実には不変を維持す
る。動力が最大の場合において、チャンバー２および４
ならびに圧力リザーバ32は圧力が等しい。動力を減少さ
せるためには、チェック弁12のばね圧力を減少させてチ
ェック弁12を流れるガス流量を増加させ、それによって
チャンバー４からチャンバー２へ流れるガスの量を減少
させると共に、ポンプ弁13が閉じることにより各シリン
ダのチャンバー２間の自由な流れを防ぐ。その間、同時
にポンプ弁13によってチャンバー２にはポンプとして作
用する力が加えられる。機関の動作時において、動作ガ
スはチャンバー２および４を通過して圧力リザーバ32へ
流入する。ピストンが、チャンバー３および４がチャン
ネル５を介して相互に接続するまで低い位置にあると
き、圧縮チャンバー３の圧力は、チャンバー２および４
の圧力と平衡化される。チャンバー３および４はチャン
ネル５によって連通しており、またチャンバー２はチャ
ンバー４と接続しているからである。同時に、チャンネ
ル５はガス漏れの負の効果を排除する。
ダのチャンバー2,4の総容積は、現実には不変を維持す
る。動力が最大の場合において、チャンバー２および４
ならびに圧力リザーバ32は圧力が等しい。動力を減少さ
せるためには、チェック弁12のばね圧力を減少させてチ
ェック弁12を流れるガス流量を増加させ、それによって
チャンバー４からチャンバー２へ流れるガスの量を減少
させると共に、ポンプ弁13が閉じることにより各シリン
ダのチャンバー２間の自由な流れを防ぐ。その間、同時
にポンプ弁13によってチャンバー２にはポンプとして作
用する力が加えられる。機関の動作時において、動作ガ
スはチャンバー２および４を通過して圧力リザーバ32へ
流入する。ピストンが、チャンバー３および４がチャン
ネル５を介して相互に接続するまで低い位置にあると
き、圧縮チャンバー３の圧力は、チャンバー２および４
の圧力と平衡化される。チャンバー３および４はチャン
ネル５によって連通しており、またチャンバー２はチャ
ンバー４と接続しているからである。同時に、チャンネ
ル５はガス漏れの負の効果を排除する。
リザーバ圧力および制御圧力が弁12のばね圧力を越え
たときには、弁12は解放され、機関は制御圧力に応じて
選択した動力レベルで作動することとなる。動力は弁11
を通して増加する。弁11によって制御圧力が制御される
からである。弁のばね圧力を減少させることにより、正
圧を有するガスはリザーバ32から機関内へと流れ、動力
が減少するときまで等しく分配される。ばね圧力がリザ
ーバの過圧を越えるとき、弁11は閉鎖することとなる。
たときには、弁12は解放され、機関は制御圧力に応じて
選択した動力レベルで作動することとなる。動力は弁11
を通して増加する。弁11によって制御圧力が制御される
からである。弁のばね圧力を減少させることにより、正
圧を有するガスはリザーバ32から機関内へと流れ、動力
が減少するときまで等しく分配される。ばね圧力がリザ
ーバの過圧を越えるとき、弁11は閉鎖することとなる。
機械損失を減少させ、かつ始動時の損傷を避けるた
め、クランクシャフト７には、挿入可能な転がり要素を
有する転がり軸受30が設けられている。主軸受の外側リ
ングならびにコネクティングロッドはクランクシャフト
上を滑動し、そこから転がり要素は溝10を経て挿入され
る。ピストンロッド上のシール材29はアコーディオン型
の螺旋形状をなし、その半分は右巻きであり、他の半分
は左巻きである。ばね状の構造はまた、突出したピスト
ンロッドによる静的な不釣り合いを減少させる。
め、クランクシャフト７には、挿入可能な転がり要素を
有する転がり軸受30が設けられている。主軸受の外側リ
ングならびにコネクティングロッドはクランクシャフト
上を滑動し、そこから転がり要素は溝10を経て挿入され
る。ピストンロッド上のシール材29はアコーディオン型
の螺旋形状をなし、その半分は右巻きであり、他の半分
は左巻きである。ばね状の構造はまた、突出したピスト
ンロッドによる静的な不釣り合いを減少させる。
図面の簡単な説明 図１は、本発明による熱機関の動作を示すグラフであ
る。
る。
図２は、本発明による熱機関の構造を、ピストンを通
る平面に沿った断面で示す図である。
る平面に沿った断面で示す図である。
図３は、本発明による熱機関を用いた動力調整システ
ムを模式的に示す図である。
ムを模式的に示す図である。
Claims (7)
- 【請求項１】閉じたサイクル過程の原理によって作動す
る熱機関であって、 第一のピストン（26）によって第一の圧力平衡チャンバ
ー（２）から分離した加熱チャンバー（１）と、第二の
ピストン（27）によって第二の圧力平衡チャンバー
（４）から分離した圧縮チャンバー（３）とを有するシ
リンダを具え、 前記第一および第二のピストン（26,27）を一つのピス
トンロッド（６）に取り付け、 コネクティングロッド（９）がクランクシャフト（７）
と前記ピストンロッド（６）との間を逆向きにリンク結
合し、それによって前記加熱チャンバー（１）および前
記圧縮チャンバー（３）の容積を同時にピストンの動作
曲線中に形成される穏やかな頂点（ｈ）で最小とする熱
機関。 - 【請求項２】請求項１記載の熱機関において、 前記ピストン（26,27）が低い位置にあるときに、前記
各ピストン下の前記各圧力平衡チャンバー（2,4）が加
圧されて前記圧縮チャンバー（３）の圧力と等しい圧力
を有する熱機関。 - 【請求項３】請求項１記載の熱機関において、 前記各ピストン下の前記各圧力平衡チャンバー（2,4）
が、前記圧縮チャンバー（３）と共に動力制御圧縮機ま
たは加圧チャンバーとして作用することを特徴とする熱
機関。 - 【請求項４】請求項１記載の熱機関において、 前記クランクシャフト（７）に挿入可能な転がり要素
（30）が嵌め込まれている熱機関。 - 【請求項５】請求項１記載の熱機関において、 多数のシリンダを有し、動力を動力制御ユニット（31）
およびこれと接続した圧力リザーバ（32）によって制御
し、 前記動力制御ユニット（31）が前記各シリンダに対して
圧力制御型チェック弁（12）を具え、 前記各チェック弁（12）をポンプ弁（13）の補助により
減圧弁（11）と同期させて制御する熱機関。 - 【請求項６】請求項１記載の熱機関において、 圧力を平衡させるために前記圧力平衡チャンバー（４）
内に配置した少なくとも一つのチャンネル（５）をさら
に具える熱機関。 - 【請求項７】請求項１記載の熱機関において、 前記シリンダとクランクケース（28）との間にシール材
（29）をさらに具え、 このシール材がアコーディオン型の螺旋形状をなし、そ
の半分が右巻きで、他の半分が左巻きである熱機関。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI972321A FI102490B1 (fi) | 1997-05-30 | 1997-05-30 | Lämpökone |
| FI972321 | 1997-05-30 | ||
| PCT/FI1998/000456 WO1998054458A1 (en) | 1997-05-30 | 1998-05-29 | Thermal machine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000515612A JP2000515612A (ja) | 2000-11-21 |
| JP3351800B2 true JP3351800B2 (ja) | 2002-12-03 |
Family
ID=8548952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP50029999A Expired - Fee Related JP3351800B2 (ja) | 1997-05-30 | 1998-05-29 | 熱機関 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6314731B1 (ja) |
| EP (1) | EP0985091B1 (ja) |
| JP (1) | JP3351800B2 (ja) |
| DE (2) | DE69816446T2 (ja) |
| FI (1) | FI102490B1 (ja) |
| WO (1) | WO1998054458A1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6253550B1 (en) * | 1999-06-17 | 2001-07-03 | New Power Concepts Llc | Folded guide link stirling engine |
| US8096118B2 (en) | 2009-01-30 | 2012-01-17 | Williams Jonathan H | Engine for utilizing thermal energy to generate electricity |
| CN103939146B (zh) * | 2014-05-09 | 2016-04-13 | 西南石油大学 | 一种利用高压气体压力能的多缸活塞动力机 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL148378B (nl) * | 1968-09-07 | 1976-01-15 | Philips Nv | Heetgasmotor. |
| DE2439213A1 (de) | 1974-08-16 | 1976-03-04 | Karlheinz Dr Rer Nat Raetz | Stirling-motor mit membranbalgkolben |
| GB2033489B (en) * | 1978-10-20 | 1982-11-17 | Aga Ab | Power output control of hot gas engines |
| US4428197A (en) * | 1980-08-18 | 1984-01-31 | Liljequist Jon L | Stirling mechanical arrangements especially for double-acting pistons |
| US4711091A (en) * | 1986-02-21 | 1987-12-08 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Apparatus for preventing the rise of oil in a stirling engine |
| JPS62247160A (ja) * | 1986-03-31 | 1987-10-28 | Aisin Seiki Co Ltd | スタ−リングエンジンの始動装置 |
| JPH03271551A (ja) * | 1990-03-21 | 1991-12-03 | Aisin Seiki Co Ltd | スターリング機関一体型圧縮機 |
| SE467837B (sv) * | 1990-04-03 | 1992-09-21 | Carlqvist Stig G Motor Consult | Energiomvandlare, som arbetar enligt stirling- ericsson eller liknande termodynamiska cykler |
| IL96453A0 (en) * | 1990-11-23 | 1991-08-16 | Ist Engineering Ltd | Piston-cylinder assembly particularly useful in stirling cycle machines |
-
1997
- 1997-05-30 FI FI972321A patent/FI102490B1/fi active
-
1998
- 1998-05-29 JP JP50029999A patent/JP3351800B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1998-05-29 DE DE69816446T patent/DE69816446T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1998-05-29 WO PCT/FI1998/000456 patent/WO1998054458A1/en active IP Right Grant
- 1998-05-29 US US09/424,597 patent/US6314731B1/en not_active Expired - Fee Related
- 1998-05-29 DE DE0985091T patent/DE985091T1/de active Pending
- 1998-05-29 EP EP98922842A patent/EP0985091B1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FI102490B (fi) | 1998-12-15 |
| DE69816446T2 (de) | 2004-04-15 |
| US6314731B1 (en) | 2001-11-13 |
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| EP0985091A1 (en) | 2000-03-15 |
| JP2000515612A (ja) | 2000-11-21 |
| WO1998054458A1 (en) | 1998-12-03 |
| DE985091T1 (de) | 2000-08-17 |
| FI102490B1 (fi) | 1998-12-15 |
| EP0985091B1 (en) | 2003-07-16 |
| DE69816446D1 (de) | 2003-08-21 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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