JP3537084B2 - スターリングエンジンのロッド支持構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は往復式駆動機関の一
種であるスターリングエンジンのロッド支持構造に関
し、特にエンジンの摺動部における摩擦損失を低減させ
てエンジンの駆動効率を向上させることが出来るロッド
支持構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】固定のシリンダとシリンダ内を往復動す
るピストンを備えた往復式駆動機関において、シリンダ
とピストンの間の摩擦と摩耗を低減させるための構成が
例えば特開平１０−１３１８５６号公報等に提案されて
いる。

【０００３】図７はシリンダとピストンを有する往復式
駆動機関において、シリンダおよびピストンの摩擦を低
減させるための構成の概略図である。図７において、密
閉ケーシング２５の内部に、シリンダ２１と、シリンダ
２１内を往復運動するピストン２２とが配置されてい
る。ピストン２２のロッド２３側の端部の軸心部には軸
心方向に沿って突出した連結部２２ａが設けられてい
る。ロッド２３の端部には該連結部２２ａが挿入される
連結凹部２３ａが設けられている。この連結凹部２３ａ
には、挿入された連結部２２ａが連結凹部２３ａ内で径
方向に自由に動けるように、連結部２２ａと連結凹部２
３ａ間に適当な隙間が形成されている。ロッド２３の他
方の端部２３ｂは、ケーシング２５内に支持された円盤
状のスプリング２４の軸心部に固定されている。スプリ
ング２４は、軸心部が軸方向に沿って伸縮し得る弾性力
を有している。

【０００４】ピストン２２はピストン駆動装置（図示せ
ず）によりシリンダ２１内を往復運動する。ピストン２
２が往復運動するとき、ロッド２３もピストン２２と一
体となって往復運動する。このとき、ピストン２２およ
びロッド２３にはスプリング２４の伸縮によってスプリ
ング２４の軸心に沿った弾性力が働く。このため、スプ
リング２４の軸心とピストン２２の軸心とが一致してい
ない場合は、ピストン２２の往復運動により、ピストン
２２とロッド２３にはそれぞれの軸心方向に対して鉛直
の一方向に偏った力が働き、ロッド２３はピストン２２
の軸心に対して傾斜状態になり、ピストン２２はシリン
ダ２１の内周に押し付けるられることになる。これによ
り、シリンダ２１とピストン２２との間に局所的に大き
な摩擦および摩耗が発生する原因となる。

【０００５】特にこのような構成では、スプリング２４
の軸心Ｘとピストン２２の軸心Ｘ’を精密に一致させて
組み立てることは容易ではなく、組立て精度を上げるた
めには多くの時間と費用を要するために、組み立て時の
スプリング２４の軸心Ｘとピストン２２の軸心Ｘ’とが
精密に一致してない状態になるが、上記のようにピスト
ン２２に対してロッド２３の端部が径方向に自由に動け
る構造の採用により、ピストン２２の往復運動時にピス
トン２２がシりンダ２１に押し付けられる力が軽減さ
れ、ピストン２２とシリンダ２１間の局所的な摩擦およ
び摩耗の発生が抑制される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような構成のロッ
ド支持構造をスターリングエンジンに適用した場合の例
を図８を参照して説明する。スターリングエンジンで
は、圧力容器３５内に配置されたシリンダ３１内にピス
トン３６と共にディスプレーサ３２が配置されている。
ディスプレーサ３２のロッド３３側の端部の軸心には、
軸心方向に沿って突出した連結部３２ａが設けられてい
る。ロッド３３の端部には該連結部３２ａが挿入される
連結凹部３３ａが設けられている。この連結凹部３３ａ
には挿入された連結部３２ａと連結凹部３３ａの間に連
結部３２ａが、連結凹部３３ａ内で径方向に自由に動け
るよう適当な隙間が形成されている。ロッド３３の他方
の端部３３ｂは、ピストン３６の軸心部に設けられたピ
ストン貫通孔３６’の内部を貫通して、ディスプレーサ
スプリング３８に固定されている。ピストン３６一方の
端部はピストンスプリング３７の軸心部に固定されてい
る。ピストン３６はピストン駆動装置（図示せず）によ
りシリンダ３１内を往復運動する。ディスプレーサ３２
は圧力容器内の作動媒体ガスのピストン３６の往復運動
による圧力変動（圧縮と膨張の繰返し）によってシリン
ダ３１内を往復運動をする。このとき同時に、ロッド３
３はピストン貫通孔３６’内を往復運動する。

【０００７】図８に示すスターリングエンジンの構造に
おいて、ディスプレーサスプリング３８の組立て時の取
付け誤差により、ロッド３３の軸心とピストン貫通穴３
６’の軸心とが一致していない状態では、図９に示すよ
うにロッド３３の一方の端部３２ａはディスプレーサ２
２に対して径方向に自由に移動できるものの、他方の端
部３３ｂはディスプレーサスプリング３８に対して固定
されているために、ロッド３３がピストン貫通穴３６’
の軸心に対して傾斜する状態になる。これにより、ピス
トン貫通穴３６’とロッド３３間とが接触し、ピストン
３６およびロッド３３は局所的に摩擦して摩耗が発生す
るおそれがある。

【０００８】更に、このピストン貫通穴３６’とロッド
３３間の接触によってピストン３６にはシリンダ３１に
押付けられる力が発生し、ピストン３６とシリンダ３１
間の摩擦と摩耗の原因ともなる。

【０００９】本発明はこのような問題を解決することに
より、スターリングエンジンにおけるシリンダおよびピ
ストン等の局所的な摩擦を防止して、駆動効率が向上さ
れるロッド支持構造を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のスターリングエ
ンジンの支持構造は、圧カ容器の内部に配置されたシリ
ンダと、シリンダ内にシリンダと同軸上に配置されシリ
ンダ内を摺動的に往復運動するピストンおよびディスプ
レーサと、一方の端部はディスプレーサに支持されてお
り、他方の端部はピストンの中心部に設けられた貫通孔
を貫通してシリンダ外に設けられたディスプレーサスプ
リングに直接または間接的に支持されているロッドを有
するスターリングエンジンにおいて、ロッドの両端部が
径方向に自由度を有することを特徴とする。

【００１１】好ましくは、前記ロッドの一方の端部はデ
ィスプレーサまたはディスプレーサスプリングに対して
低摩擦材を介して摺動可能になっている。

【００１２】好ましくは、前記ロッドの一方の端部が軸
方向に沿って設けられた可撓性を有する連結部材を介し
てディスプレーサまたはディスプレーサスプリングに取
付けられている。

【００１３】好ましくは、前記ロッドとディスプレーサ
またはディスプレーサスプリングとが自在継手を介して
支持されている。

【００１４】好ましくは、前記ロッドの一方の端部にデ
ィスプレーサまたはディスプレーサスプリングに対して
突き当てられるフランジが設けられている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。

【００１６】(実施の形態１）図１は本発明のロッド支
持構造を有するスターリングエンジンの概略構成図であ
る。

【００１７】このスターリングエンジンは、作動媒体ガ
スが充填された圧力容器１と圧力容器１内に配置された
円筒形のシリンダ２を有しており、シリンダ２は圧力容
器１に固定されている。シリンダ２の内部には軸心部に
ピストン貫通孔３’を有するピストン３がシリンダ２と
同心状に配置されており、その一方の端面は圧力容器１
の内部のシリンダ２の外側に取り付けられたピストンス
プリング８の軸心部に固定されている。ピストンスプリ
ング８はシリンダ２内部をピストン３がスライドする力
により伸縮する。シリンダ２の内部には円筒形のディス
プレーサ４がピストン３と圧縮空間５ａを隔ててシリン
ダ２と同心状に配置されている。丸棒形のロッド１０は
ピストン貫通穴３’内を貫通している。ロッド１０の一
方の端部１０ａはディスプレーサ４に支持され、他方の
端部１０ｂは圧力容器１の内部のピストンスプリング８
のさらに外側に取り付けられたディスプレーサスプリン
グ９に支持されている。ディスプレーサ４はシリンダ２
内部をスライドするようになっており、ロッド１０はデ
ィスプレーサ４と一体となって動かされ、ピストン貫通
穴３’内を往復運動する。従ってディスプレーサ４はロ
ッド１０を介してディスプレーサスプリング９を支点と
してシリンダ２の内部を摺動可能になっている。

【００１８】図２はロッド１０端部１０ａとディスプレ
ーサ４との支持構造の拡大図である。

【００１９】ディスプレーサ４におけるピストン３側の
端面の軸心部に支持孔４ａが設けられている。ロッド１
０の一方の端部１０ａはロッド１０の本体より小径にな
っており、その外周面にネジ溝部が設けられている。端
部１０ａの外径は支持孔４ａの内径より小さく、支持孔
４ａと端部１０ａと間には隙間が形成されている。端部
１０ａは支持孔４ａに挿入されており、ナット１１がネ
ジ結合され支持孔４ａの端面に圧接されている。これに
より、端部１０ａは支持孔４ａ内にて径方向に自由に移
動し得る状態で支持孔４ａ内に支持されている。

【００２０】図１に示すように、ディスプレーサスプリ
ング９の軸心部にも支持孔９ａが設けられており、この
支持孔９ａ内にロッド１０の他方の端部１０ｂが挿入さ
れている。ロッド１０の端部１０ｂはロッド１０の本体
より小径でネジ溝部が設けられている。端部１０ｂの外
径は支持孔９ａの内径より小さく、支持孔９ａと端部１
０ｂと間には隙間が形成されている。端部１０ｂは支持
孔９ａに挿入されており、そのネジ溝にナット１１がネ
ジ結合されている。これにより、端部１０ｂは支持孔９
ａ内にて径方向に自由に移動し得る状態で支持孔９ａ内
に支持されている。

【００２１】シリンダ２の内部にはディスプレーサ４を
挟んでピストン３側の圧縮空間５ａと、圧力容器１側の
膨張空間５ｂが形成されている。シリンダ２の圧縮空間
５ａ側の壁には連絡管６ａが、膨張空間５ｂ側の壁には
連絡管６ｂが各々設けられている。圧縮空間５ａと膨張
空間５ｂの間には再生器７が配置されている。圧力容器
１内には作動媒体として高圧のヘリウムガスが封入され
ている。

【００２２】このような構成のスターリングエンジンを
組立てる場合には、ピストンスプリング８はピストン３
がシリンダ２内を滑らかに摺動できるように、軸心がシ
リンダ２の軸心と一致されて圧力容器１の内周面に取り
付けられる。ディスプレーサスプリング９もディスプレ
ーサ４がシリンダ２内を滑らかに摺動できるように、軸
心がシリンダ２の軸心と一致されて圧力容器１の壁に取
り付けられる。ロッドのディスプレーサ４側の端部１０
ａをディスプレーサ４の支持孔４ａに挿入して端部１０
ａをナット１１でネジ結合し、ディスプレーサ４とロッ
ド１０とが連結された状態でピストン３の貫通穴３’内
を貫通させる。この時ディスプレーサ４の支持孔４ａに
は適当な間隙が設けられているため、ロッド１０の端部
１０ａは支持孔４ａ内で径方向に移動する自由度を有し
ている。これにより、ロッド１０の軸心とピストン３の
貫通穴３’との軸心を容易に一致させることができる。

【００２３】次に、ロッド１０をピストンスプリング８
の軸心部に設けた軸孔内を通過させ、ロッド１０のディ
スプレーサスプリング９側の端部１０ｂをディスプレー
サスプリング９の支持孔９ａに挿入し、端部１０ｂをナ
ット１１でネジ結合する。この時も支持孔９ａと端部１
０ｂとの間には適当な間隙が設けられているために、挿
入されたロッドの１０の端部１０ｂは径方向に移動する
自由度があるため、ロッド１０の軸心とピストン貫通穴
３’との軸心を容易に一致させることができる。従って
ロッド１０がピストン貫通穴３’に対して傾斜すること
も防止できる。

【００２４】スターリングエンジンの運転時ではピスト
ン３がピストン駆動装置（図示せず）により往復運動す
ることにより、圧縮空間５ａのガスはピストン３と同一
の一定周期で圧縮と膨張をされる。この時ディスプレー
サ４は圧縮空間５ａよりの一定周期の圧力と吸引力によ
って往復運動する。ディスプレーサ４の往復運動によ
り、ロッド１０は往復運動しているピストン３の貫通孔
３’内を往復運動する。

【００２５】この時、ピストン３とディスプレーサ４は
シリンダ２内でそれぞれ径方向にも振動するが、ロッド
１０はディスプレーサ４の連結孔４ａとディスプレーサ
スプリング９の連結孔９ａの各々の内部で径方向への自
由度を有しているためにその自由度の範囲内でこれらの
軸心の変動に追従することができる。従って、エンジン
運転時における動的な状態においてもロッド１０とピス
トン貫通穴３’間の摩擦と摩耗が低減される。

【００２６】（実施の形態２）図３は本発明の実施の形
態１のロッド支持構造において、さらにロッド１０のデ
ィスプレーサ側の端部１０ａに一対の円板状の低摩擦部
材１２が設けられた図である。低摩擦部材１２はデイス
プレーサ４の端面とナット１１との間およびデイスプレ
ーサ４の端面とロッド１０の本体の端面との間にそれぞ
れ配置されている。低摩擦部材にはフッ素系コーティン
グが施されたワッシャや、テフロン樹脂によるワッシ
ャ、または低摩擦処理の施されているゴム材等で構成さ
れているものでもよい。このような低摩擦部材１２に代
えて、デイスプレーサ４の端面とナット１１との間の両
面およびデイスプレーサ４の端面とロッド１０の本体の
端面が接触する部分の間の両面のそれぞれに、直接に低
摩擦材料をコーティングするようにしてもよい。

【００２７】この様に、低磨擦材を備えるロッド支持構
造により、運転中においてロッド１０の往復運動の加速
度に応じて発生する軸方向の力によるロッド１０のディ
スプレーサ側の端部１０ａとディスプレーサの端面との
間の摩擦力が低滅され、ロッド１０は径方向へ円滑に移
動される。その結果、ロッド１０の軸心とピストン貫通
穴３’の軸心とが迅速に一致され、ロッド１０とピスト
ン貫通穴３’の間の局所的な摩擦および磨耗が確実に防
止される。なお、この実施の形態ではロッド１０のディ
スプレーサ４側に対してのみ本発明の支持構造を採用し
たが、ロッド１０のディスプレーサスプリング９側に対
しても、同構造の採用が可能である。

【００２８】（実施の形態３）図４は、本発明の実施の
形態３のロッド支持構造の説明図である。ロッド１０の
ディスプレーサ４側のロッド支持構造はこれまでと同様
である。ロッド１０はディスプレーサスプリング９側の
端部１０ｃがピストン貫通穴３’内に位置するようにこ
れまでより短かくされ、その端部１０ｃの軸心にロッド
１０の軸方向に沿って延びる可撓性の連絡部材１３が一
体的に取付られている。連絡部材１３は軸方向への十分
な剛性と径方向への可撓性とを有するようにロッド１０
の径より小径となっている。連絡部材１３はピストンス
プリング８の軸孔を通って端部がディスプレーサスプリ
ング９の軸心部に一対のネジで結合で固定されている。

【００２９】このような構成では、ディスプレーサ４と
ロッド１０が一体となって往復運動する時、ロッド１０
に取付けられた連絡部材１３がロッド１０の径方向に撓
むことにより、ロッド１０の端部は径方向への自由度を
有するため、ロッド１０の軸心とピストン貫通穴３’の
軸心とが容易に一致させることができる。その結果、ロ
ッド１０とピストン貫通穴３’との局部的なの摩擦と摩
耗が軽減される。さらに、ロッド端部１０ｃの軸方向の
ガタツキや騒音の発生も抑制される。連結部材には例え
ばグラスファイバーや炭素繊維のような繊維材で一方向
のみの剛性を強化された材料を用いても良い。ロッド１
０を金属製とし、連絡部材１３を樹脂製にするなどの強
度の異なる材質としても良い。

【００３０】（実施の形態４）図５は本発明の実施の形
態４のロッド支持構造の説明図である。ロッド１０はピ
ストン貫通穴３’とピストンスプリング８の軸孔とを通
過しており、その端部１０ｃがディスプレーサスプリン
グ９に対して適当な間隔をあけた状態で配置されてい
る。そして、ロッド１０の端部１０ｃには自在継手１５
が取付けられている。自在継手１５には、連絡ロッド１
６の一方の端部が取付けられており、連絡ロッド１６の
他方の端部はディスプレーサスプリング９の軸心部に固
定されている。ロッド１０の端部１０ｃはピン１４ａに
よって、自在継手１５に対してピン１４ａを中心にして
回動可能な状態で連結されており、また、連絡ロッド１
６の端部はピン１４ａと直交状態で取り付けられたピン
１４ｂによって、自在継手１５に対してピン１４ｂを中
心にして回動可能な状態で連結されている。

【００３１】このようなロッド１０の支持構造の構成に
より、ロッド１０の端部１０ｃも径方向に自由度を有す
るため、ディスプレーサスプリング９の軸心とロッド１
０の軸心とが不一致の場合でも、ロッド１０は自由に径
方向に移動することができ、ロッドの軸心とピストン貫
通穴３’の軸心が容易に一致して、運転中のロッド１０
とピストン貫通穴３’との局所的な摩擦と摩耗が低減さ
れる。

【００３２】（実施の形態５）図６は本発明の実施の形
態５のロッド支持構造の説明図である。このロッド支持
構造では図２に示すロッド１０の支持構造において、デ
ィスプレーサ４の端面とロッド１０本体の端面が接触す
る部分に該ロッド１０本体より径の大きいフランジ１０
ｄが設けられている。

【００３３】ディスプレーサスプリング９の軸心とロッ
ド１０の軸心とが不一致である場合、本発明の構成によ
り、ロッド１０のフランジ１０ｄの端面とディスプレー
サ４の端面との接触面積が大きくなるために、双方の端
面の間の摩擦力が分散され、ロッド１０は径方向に移動
し易くなり、ロッド１０の傾きが緩和される。このた
め、接触面積が小さい場合にはロッド１０は径方向には
移動せずに、互いの接触面の不均等が原因で接触面を支
点としてロッド１０が大きく傾く場合があったものがな
くなる。

【００３４】運転中においても、ロッド１０の軸方向の
力がフランジ１０ｄの面内に分散されるため、ディスプ
レーサ４とロッド１０の間に発生する摩擦力が緩和さ
れ、ロッド１０の径方向への自由度が向上する。また、
ロッド１０の軸心とピストン貫通穴３’の軸心が一致す
ることにより、ロッド４とピストン貫通穴３’との局所
的な摩擦と摩耗が低減される。

【００３５】なお、ここではロッド１０のディスプレー
サ４側に対してのみ本発明の支持構造を採用したが、ロ
ッド１０のディスプレーサスプリング９側に対しても同
構造の採用が可能である。

【００３６】

【発明の効果】このように本発明のロッド支持構造を採
用することにより、ロッドの各端部がそれぞれ自由度を
有するようになるため、シリンダ軸心とディスプレーサ
スプリングの軸心との不一致があっても、ピストンおよ
びディスプレーサとロッドとのそれぞれの摺動部の局所
的な摩擦と磨耗が軽減され、それによりスターリングエ
ンジンの駆動効率と安定運転の信頼性を向上できる。従
って、スターリングエンジンの組立て時に、多くの費用
と時間をかけてディスプレーサスプリングの軸心とシリ
ンダの軸心との一致精度を高める必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスターリングエンジンのロッド支持構
造の実施形態の一例を示す概略構成図である。

【図２】図１のロッド支持構造の要部の拡大図である。

【図３】低摩擦部材を備えた本発明のロッド支持構造の
一例を示す概略構成図である。

【図４】可撓性部品を取付けた本発明のロッド支持構造
の一例を示す概略構成図である。

【図５】自在継手を備えた本発明のロッド支持構造の一
例を示す概略構成図である。

【図６】フランジを設けた本発明のロッド支持構造の一
例を示す概略構成図である。

【図７】従来技術の往復駆動機関の基本構成を示す概略
図である。

【図８】従来技術の往復駆動機関の基本構成をスターリ
ングエンジンに採用した構成図である。

【図９】従来構造をスターリングエンジンに組込んだ場
合の課題の説明図である。

【符号の説明】

１ 圧力容器 ２ シリンダ ３ ピストン ３’ピストン貫通穴 ４ ディスプレーサ ４ａ ディスプレーサ４の支持孔 ５ａ 圧縮空間 ５ｂ 膨張空間 ６ａ 連絡管 ６ｂ 連絡管 ７ 再生器 ８ ピストンスプリング ９ ディスプレーサスプリング ９ａ ディスプレーサスプリング９の支持孔 １０ ロツド １０ａ ロッドのディスプレーサ側の端部 １０ｂ ロッドのディスプレーサスプリング側の端部 １０ｃ ロッドのディスプレーサスプリング側の端部 １０ｄ フランジ １１ ナット １２ 低摩擦部材 １３ 連結部材 １４ａ ピン １４ｂ ピン １５ 自在継手 １６ 連絡ロッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高井 健二 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−253947（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02G 1/053 F25B 9/14

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力容器の内部に配置されたシリンダ
   と、該シリンダ内を往復移動するように配置されたピス
   トンおよびディスプレーサと、一方の端部がディスプレ
   ーサに支持されており、他方の端部はピストンの中心部
   に設けられた貫通孔を貫通してシリンダ外に設けられた
   ディスプレーサスプリングに直接または間接的に支持さ
   たロッドとを有するスターリングエンジンにおいて、該
   ロッドの両端部のそれぞれが径方向への自由度を有する
   ことを特徴とするロッド支持構造。
2. 【請求項２】 前記ロッドの一方の端部がディスプレー
   サまたはディスプレーサスプリングに対して低摩擦材を
   介して摺動可能になっている請求項１記載のロッド支持
   構造。
3. 【請求項３】 前記ロッドの一方の端部が軸方向に沿っ
   て設けられた可撓性を有する連結部材を介してディスプ
   レーサまたはディスプレーサスプリングに取付けられて
   いる請求項１記載のロッド支持構造。
4. 【請求項４】 前記ロッドとディスプレーサまたはディ
   スプレーサスプリングとが自在継手を介して支持されて
   いる請求項１記載のロッド支持構造。
5. 【請求項５】 前記ロッドの一方の端部にディスプレー
   サまたはディスプレーサスプリングに対して突き当てら
   れるフランジが設けられている請求項１記載のロッド支
   持構造。