JP4306467B2 - Stirling engine and hybrid system - Google Patents
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Description
本発明は、スターリングエンジンに関し、特に、小型化が実現し易く、他の部品の組付け性に悪影響を与え難いスターリングエンジンに関する。 The present invention relates to a Stirling engine, and more particularly to a Stirling engine that can be easily miniaturized and hardly adversely affects the ease of assembly of other components.
近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。 In recent years, Stirling engines with excellent theoretical thermal efficiency have attracted attention in order to recover exhaust heat and factory exhaust heat of internal combustion engines mounted on vehicles such as passenger cars, buses, and trucks.
特開平8−210715号公報(特許文献1)には、ウェイトバランスに関する技術的配慮がなされたスターリングエンジンに関する技術が記載されている。この技術によれば、圧縮ピストンおよび膨張ピストンの係止点に対向してクランク軸に、バランスウェイトによって構成されるウェイトバランス機構が配設されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-210715 (Patent Document 1) describes a technique related to a Stirling engine in which technical considerations regarding weight balance are made. According to this technique, the weight balance mechanism constituted by the balance weight is disposed on the crankshaft so as to face the locking points of the compression piston and the expansion piston.
また、特開平10−61492号公報(特許文献2)には、クランクシャフトとバランスウェイトとを一体化した技術が記載されている。この特許文献2には、この技術によれば、クランクシャフトとバランスウェイトとの結合が不要になり、部品点数や組立工数が削減されると共に、バランスウェイト用の鋳造鋳型も不要となる旨が記載されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 10-61492 (Patent Document 2) describes a technique in which a crankshaft and a balance weight are integrated. Patent Document 2 describes that, according to this technology, the connection between the crankshaft and the balance weight becomes unnecessary, the number of parts and the number of assembly steps are reduced, and the casting mold for the balance weight is also unnecessary. Has been.
ところで、スターリングエンジンの装置規模(全体構成)の小型化が要求される場合がある。特に、このスターリングエンジンが例えば車両の内燃機関の排気ガスのような排熱を熱源として作動する場合には、車両の床下に配される内燃機関の排気管に隣接するスペースのように、限られた空間にスターリングエンジンを搭載しなくてはならない場合がある。その場合、スターリングエンジンの装置規模は、コンパクトに抑えられる必要がある。 By the way, there is a case where downsizing of the device scale (overall configuration) of the Stirling engine is required. In particular, when the Stirling engine is operated using exhaust heat such as exhaust gas from an internal combustion engine of a vehicle as a heat source, the space is limited, such as a space adjacent to an exhaust pipe of the internal combustion engine disposed under the floor of the vehicle. In some cases, it may be necessary to install a Stirling engine in the open space. In that case, the scale of the Stirling engine needs to be kept compact.
コンパクト化の要請があるスターリングエンジンに対して、バランスウェイトが設けられる場合、その配置に工夫が施されなければ、コンパクト化の実現が困難になる上に、他の部品の組付けが難しくなるという問題がある。 If a balance weight is provided for a Stirling engine that is required to be compact, it will be difficult to achieve compactness and it will be difficult to assemble other parts if the arrangement is not devised. There's a problem.
本発明の目的は、スターリングエンジンの小型化が実現し易く、他の部品の組付け性に悪影響を与え難いバランスウェイトを有するスターリングエンジン及びハイブリッドシステムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a Stirling engine and a hybrid system having a balance weight that can easily reduce the size of the Stirling engine and hardly adversely affect the assembly of other components.
本発明のスターリングエンジンは、α型2気筒スターリングエンジンであって、クランクシャフトと高温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部と、前記クランクシャフトと低温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部との間で、かつ前記クランクシャフトにおける前記高温側パワーピストン側及び前記低温側パワーピストン側のいずれか一方のみに単一のバランスウェイトが設けられ、前記スターリングエンジンの出力は、前記高温側パワーピストンの第1シリンダ内の第1ピストンと前記低温側パワーピストンの第2シリンダ内の第2ピストンとに共通に接続された駆動軸を介して取り出され、前記第1ピストンが上死点にあるときの前記第1ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離は、前記第2ピストンが上死点にあるときの前記第2ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離よりも大きくなるように構成されていることを特徴としている。 A Stirling engine of the present invention is an α-type two-cylinder Stirling engine, and includes a connecting portion between a crankshaft and a connecting rod of a high-temperature side power piston, and a connecting portion between the crankshaft and a connecting rod of a low-temperature side power piston. during in, and a single balance weight provided we are one only of the high-temperature side power piston side and the low-temperature side power piston side in the crankshaft, an output of the Stirling engine, the high-temperature side power piston The first piston in the first cylinder and the second piston in the second cylinder of the low temperature side power piston are taken out through a drive shaft connected in common, and the first piston is at top dead center The distance between the top of the first piston and the drive shaft is such that the second piston Is characterized in that it is configured to be larger than the distance between the top portion and the drive shaft of the second piston when in the dead center.
上記本発明によれば、スターリングエンジンの小型化が実現し易く、また、ベアリングのようなクランクシャフトを挿通させて組付ける部品の組付け性への悪影響が抑制される。また、組み付けに際してクランクシャフトを挿通させる部品(ベアリングやコネクティングロッドなど)の組付け性に悪影響が及ぶことが抑制される。また、前記クランクシャフトと前記高温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部と、前記クランクシャフトと前記低温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部との間に、バランスウェイトが設けられるため、回転するクランクシャフトを支持する際に支持中心の近傍で重量の不釣合いが是正されることになり、効果的である。また、その相違を利用して、第1シリンダの上部を例えば車両の排気管の内部のように受熱可能な領域に配置するとともに、冷却器及び第2シリンダは、受熱可能な領域の外に配置することが容易である。 According to the present invention, the Stirling engine can be easily reduced in size, and adverse effects on the assembling properties of components to be assembled by inserting a crankshaft such as a bearing can be suppressed. Further, it is possible to suppress an adverse effect on the assemblability of components (bearings, connecting rods, etc.) through which the crankshaft is inserted during assembly. In addition, since a balance weight is provided between the connecting portion between the crankshaft and the connecting rod of the high temperature side power piston and the connecting portion between the crankshaft and the connecting rod of the low temperature side power piston, it rotates. When supporting the crankshaft, the weight imbalance is corrected near the support center, which is effective. Further, by utilizing the difference, the upper portion of the first cylinder is disposed in a region where heat can be received, for example, inside an exhaust pipe of a vehicle, and the cooler and the second cylinder are disposed outside the region where heat can be received. Easy to do.
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記高温側パワーピストン及び前記低温側パワーピストンが直列に配置され、冷却器と再生器と加熱器とを有する熱交換器とを備え、前記熱交換器は、前記高温側パワーピストンの第1シリンダと前記低温側パワーピストンの第2シリンダとを結ぶように前記熱交換器の少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されていることを特徴としている。 In the Stirling engine of the present invention, the high temperature side power piston and the low temperature side power piston are arranged in series, and include a heat exchanger having a cooler, a regenerator, and a heater, and the heat exchanger includes the high temperature side At least a part of the heat exchanger has a curved shape so as to connect the first cylinder of the side power piston and the second cylinder of the low temperature side power piston.
上記本発明によれば、2つのシリンダが直列に配置され、かつ熱交換器が第1及び第2のシリンダとを結ぶようにその少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されているので、搭載スペースがコンパクトに抑えられ、車両のような限られたスペースに搭載される場合であっても設置の自由度が増す。更に、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、その領域内で加熱器をカーブ形状に形成すれば伝熱面積を極力大きく確保することができる。また、冷却器または再生器をカーブ形状にした場合には、角のある形状に比べて流路抵抗を低減することができる。流路抵抗の観点から、熱交換器の一部にでも角の部分がないように構成される。熱交換器の流路の軸線は、角の部分が形成されないように直線同士の組み合わせではなく、曲線と直線との組合わせまたは曲線のみから、構成されるのが良い。 According to the present invention, two cylinders are arranged in series, and at least a part of the heat exchanger is configured to have a curved shape so as to connect the first and second cylinders. The mounting space can be kept compact, and the degree of freedom of installation is increased even when mounted in a limited space such as a vehicle. Furthermore, for example, when a region where heat can be received, such as the inside of a pipe, is limited, if the heater is formed in a curved shape within the region, the heat transfer area can be as large as possible. Further, when the cooler or the regenerator has a curved shape, the channel resistance can be reduced as compared with a cornered shape. From the viewpoint of flow path resistance, a part of the heat exchanger is configured to have no corners. It is preferable that the axis of the flow path of the heat exchanger is not composed of a combination of straight lines but a combination of a curved line and a straight line or only a curved line so that a corner portion is not formed.
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記加熱器は、前記第1シリンダと前記第2シリンダとを結ぶような前記カーブ形状を有するように構成され、前記冷却器及び前記再生器は、前記第2シリンダの延在方向に沿う直線状に構成されていることを特徴としている。 In the Stirling engine of the present invention, the heater is configured to have the curved shape that connects the first cylinder and the second cylinder, and the cooler and the regenerator are provided in the second cylinder. It is characterized by being configured in a straight line along the extending direction.
上記本発明によれば、加熱器のカーブ形状の部分を、例えば管の内部のように受熱可能な領域であって限定された領域に対応させて設計・配置すれば、その領域内で伝熱面積を極力大きく確保することができる。また、冷却器及び再生器がシリンダの延在方向に沿う直線状に構成されているため、流路抵抗が少ない。 According to the present invention, if the curved portion of the heater is designed and arranged corresponding to a limited area that can receive heat, such as the inside of a tube, heat transfer is performed in that area. The area can be as large as possible. Further, since the cooler and the regenerator are configured in a straight line along the extending direction of the cylinder, the flow resistance is small.
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記バランスウェイトは、前記クランクシャフトにおける前記高温側パワーピストン側のみに設けられていることを特徴としている。 The Stirling engine of the present invention is characterized in that the balance weight is provided only on the high temperature side power piston side of the crankshaft.
上記本発明によれば、高温側パワーピストン側のコネクティングロッドで支持する重量の方が低温側パワーピストンのコネクティングロッドで支持する重量に比べて重いため、バランスウェイトは、クランクシャフトにおける高温側パワーピストン側のみに設けられていると、有効に不釣合重量を是正することができる。また、スターリングエンジンの大きさが低温側パワーピストン側の大きさによって決まる場合には、バランスウェイトは、クランクシャフトにおける高温側パワーピストン側のみに設けられていると、スターリングエンジンの全体の大きさに与える影響を最小限に抑制しつつ、バランスウェイトの配置スペースを確保することができる。 According to the present invention, since the weight supported by the connecting rod on the high temperature side power piston side is heavier than the weight supported by the connecting rod of the low temperature side power piston, the balance weight is the high temperature side power piston on the crankshaft. If it is provided only on the side, the unbalance weight can be corrected effectively. In addition, when the size of the Stirling engine is determined by the size of the low temperature side power piston, the balance weight is provided only on the high temperature side power piston side of the crankshaft. An arrangement space for the balance weight can be ensured while minimizing the influence on the balance weight.
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記距離の相違は、前記第1ピストンのピストンピンと前記第1ピストンとを連結する第1連結軸の長さと、前記第2ピストンのピストンピンと前記第2ピストンとを連結する第2連結軸の長さの相違に対応していることを特徴としている。本発明によれば、簡易な構成で上記発明を構成することができる。 In the Stirling engine of the present invention, the difference in the distance is that the length of the first connecting shaft that connects the piston pin of the first piston and the first piston, and the piston pin of the second piston and the second piston are connected. It corresponds to the difference in the length of the second connecting shaft. According to the present invention, the above-described invention can be configured with a simple configuration.
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記距離の相違は、前記第1ピストンの長さと前記第2ピストンの長さの相違に対応していることを特徴としている。 In the Stirling engine of the present invention, the difference in distance corresponds to a difference in length between the first piston and the second piston.
上記本発明によれば、第1ピストンの長さを長く形成することで、第1ピストンの頂面側を受熱可能な領域に配置し、第1ピストンの頂面側から離間する方向に温度勾配を大きく持たせ、頂面側に比べて相対的に温度の低く熱膨張の影響がない第1ピストンの頂面側から離間した位置にて第1のシリンダとの間をシールさせることができる。 According to the present invention, by forming the length of the first piston to be long, the top surface side of the first piston is arranged in the heat-receivable region, and the temperature gradient is in a direction away from the top surface side of the first piston. Can be kept large, and the space between the first cylinder and the first cylinder can be sealed at a position that is relatively low in temperature compared to the top surface side and is not affected by thermal expansion.
本発明のスターリングエンジンにおいて、前記第1シリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、前記スターリングエンジンにより回収される排気熱が供給される排気通路に露出するように設けられ、前記第1シリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、概ね同一であることを特徴としている。 In the Stirling engine of the present invention, the surface connected to the heater in the first cylinder and the surface connected to the heater in the regenerator are exhaust gas to which exhaust heat recovered by the Stirling engine is supplied. The surface of the first cylinder connected to the heater and the surface of the regenerator connected to the heater are substantially the same so as to be exposed in the passage.
上記本発明によれば、排気通路内において、前記第1シリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面との間に大きな段差が形成されないので、排気通路を流れる熱源となる流体の流動に対して流動抵抗が抑制される。 According to the present invention, a large step is not formed in the exhaust passage between the surface connected to the heater in the first cylinder and the surface connected to the heater in the regenerator. The flow resistance is suppressed against the flow of the fluid that becomes the heat source flowing through the exhaust passage.
本発明のスターリングエンジンにおいて、更に、前記高温側パワーピストンのピストンと前記低温側パワーピストンのピストンの少なくともいずれか一方に直接的又は間接的に連結され、当該連結されたピストンがシリンダ内を往復運動するときに近似直線運動するように設けられた近似直線機構を備えたことを特徴としている。 In the Stirling engine of the present invention, the piston is further directly or indirectly connected to at least one of the piston of the high temperature side power piston and the piston of the low temperature side power piston, and the connected piston reciprocates in the cylinder. In this case, an approximate linear mechanism is provided so as to perform an approximate linear motion.
本発明のハイブリッドシステムは、上記本発明のスターリングエンジンと、車両の内燃機関とを備えたハイブリッドシステムであって、前記スターリングエンジンは、前記車両に搭載され、前記スターリングエンジンの加熱器が前記内燃機関の排気系から受熱するように設けられたことを特徴としている。 A hybrid system of the present invention is a hybrid system including the above-described Stirling engine of the present invention and an internal combustion engine of a vehicle, wherein the Stirling engine is mounted on the vehicle, and a heater of the Stirling engine is the internal combustion engine. It is provided to receive heat from the exhaust system.
本発明のハイブリッドシステムにおいて、前記スターリングエンジンの熱交換器は、前記高温側パワーピストンのシリンダ及び前記低温側パワーピストンのシリンダの上部同士を連結し、かつ前記内燃機関の排気管の内径寸法と、前記加熱器の端部と前記加熱器の最上部の距離とが概ね同じ大きさになる構成に合わせて、前記カーブ形状が設定されていることを特徴としている。 In the hybrid system of the present invention, the heat exchanger of the Stirling engine connects the upper parts of the cylinder of the high temperature side power piston and the cylinder of the low temperature side power piston, and the inner diameter dimension of the exhaust pipe of the internal combustion engine, The curve shape is set according to a configuration in which the distance between the end of the heater and the uppermost portion of the heater is approximately the same.
本発明では、例えば以下の構成が採用される。
(1)排気熱回収用スターリングエンジンにおいて、高温側シリンダ側または低温側シリンダ側のいずれか一方にのみバランスウェイト(カウンタウェイト)が設けられている構成。
(2)上記(1)において、バランスウェイトの数は1つのみである構成。
(3)上記(1)又は(2)において、バランスウェイトは、アンバランス重量が大きなシリンダ側(高温側シリンダ側)に配置される構成。
In the present invention, for example, the following configuration is adopted.
(1) A configuration in which a balance weight (counter weight) is provided only on either the high temperature side cylinder side or the low temperature side cylinder side in the exhaust heat recovery Stirling engine.
(2) In the above (1), the number of balance weights is only one.
(3) In the above (1) or (2), the balance weight is arranged on the cylinder side (high temperature side cylinder side) where the unbalance weight is large.
本発明の排気熱回収用スターリングエンジンでは、エンジンサイズを可能な限りコンパクトにするという課題がある。そのコンパクト化のためには、エンジン全高、全幅を限界まで追い込む必要がある。そこで、本発明では、低温側シリンダ側のカウンタウェイトをなくし、ピストンが近似直線リンクに干渉しない限界まで全長を短くする。ベアリングの組付け性を考えて、カウンタウェイトは、熱交換器の構成上、スペースがあり、かつ不釣合重量の大きな高温側シリンダ側に1つのみ配置する。 The Stirling engine for exhaust heat recovery according to the present invention has a problem of making the engine size as compact as possible. In order to make it more compact, it is necessary to drive the engine height and width to the limits. Therefore, in the present invention, the counter weight on the low temperature side cylinder side is eliminated, and the total length is shortened to the limit where the piston does not interfere with the approximate linear link. Considering the ease of assembly of the bearing, only one counterweight is arranged on the high temperature side cylinder side which has a space and has a large unbalanced weight due to the structure of the heat exchanger.
本発明のスターリングエンジンによれば、小型化が実現し易く、他の部品の組付け性に悪影響が及び難い。 According to the Stirling engine of the present invention, downsizing is easy to achieve and it is difficult to adversely affect the assembling property of other parts.
以下、本発明のスターリングエンジンの一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the Stirling engine of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態のスターリングエンジンを示す正面図である。図1に示すように、本実施形態のスターリングエンジンは、α型(2ピストン形)のスターリングエンジン10であり、二つのパワーピストン20、30を備えている。二つのパワーピストン20、30は、直列並行に配置されている。低温側パワーピストン30のピストン31は、高温側パワーピストン20のピストン21に対して、クランク角で90°程度遅れて動くように位相差がつけられている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a front view showing a Stirling engine of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the Stirling engine of this embodiment is an α-type (two-piston type)
高温側パワーピストン20のシリンダ(以下高温側シリンダという)22の上部の空間(膨張空間)には、加熱器47によって加熱された作動流体が流入する。低温側パワーピストン30のシリンダ(以下低温側シリンダという)32の上部の空間(圧縮空間)には、冷却器45によって冷却された作動流体が流入する。
The working fluid heated by the
再生器(再生熱交換器)46は、膨張空間と圧縮空間を作動流体が往復する際に熱を蓄える。即ち、膨張空間から圧縮空間へと作動流体が流れる時には、再生器46は、作動流体より熱を受け取り、圧縮空間から膨張空間へと作動流体が流れる時には、蓄えられた熱を作動流体に渡す。
The regenerator (regenerative heat exchanger) 46 stores heat when the working fluid reciprocates between the expansion space and the compression space. That is, when the working fluid flows from the expansion space to the compression space, the
2つのピストン21、31の往復動に伴い、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ22の膨張空間と低温側シリンダ32の圧縮空間にある作動流体の割合が変化するとともに、全内容積も変わるため、圧力の変動が生じる。2つのピストン21、31がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、膨張ピストン21についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、圧縮ピストン31については逆に低くなる。このため、膨張ピストン21は外部に対し大きな正の仕事(膨張仕事)を行い、圧縮ピストン31は外部から仕事(圧縮仕事)を受ける必要がある。膨張仕事は、一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸40を介して出力として取り出される。
As the two
本実施形態のスターリングエンジン10は、車両においてガソリンエンジン(内燃機関)と共に用いられてハイブリッドシステムを構成する。即ち、スターリングエンジン10は、ガソリンエンジンの排気ガスを熱源として用いた排気熱回収装置である。スターリングエンジン10の加熱器47が車両のガソリンエンジンの排気管100の内部に配置され、排気ガスから回収した熱エネルギーにより作動流体が加熱されてスターリングエンジン10が作動する。
The
本実施形態のスターリングエンジン10は、排気管100の内部にその加熱器47が収容されるというように車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。そのために、スターリングエンジン10では、2つのシリンダ22、32をV字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。
The
加熱器47が排気管100の内部に配置されるに際しては、排気管100の内部において相対的に高温の排気ガスが流れる排気ガスの上流側(ガソリンエンジンに近い側)100aに、加熱器47の高温側シリンダ22側が位置し、相対的に低温の排気ガスが流れる下流側(ガソリンエンジンから遠い側)100bに加熱器47の低温側シリンダ32側が位置するように配置される。加熱器47の高温側シリンダ22側をより多く加熱するためである。
When the
高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32のそれぞれは、円筒状に形成されており、基準体である基板42に支持されている。本実施形態においては、この基板42が、スターリングエンジン10の各構成要素の位置基準となる。このように構成されることで、スターリングエンジン10の各構成要素の相対的位置精度が確保される。また、この基板42は、スターリングエンジン10が排熱回収対象である排気管(排気通路)100等に取り付けられるときの基準として用いられることができる。
Each of the high
排気管100のフランジ100fに対して、断熱材(スペーサ、図示せず)を介して、基板42が固定されている。基板42には、高温側シリンダ22の側面(外周面)22cに設けられたフランジ22fが固定されている。また、基板42には、再生器46の側面(外周面)46cに設けられたフランジ46fが固定されている。
A
排気管100とスターリングエンジン10とは、基板42を介して取り付けられる。このとき、基板42と、高温側シリンダ22において加熱器47が接続される側の端面(頂部22bの上面)、及び低温側シリンダ32において冷却器45が接続される側の端面(頂面32a)とが実質的に平行になるように、スターリングエンジン10が基板42に取り付けられる。あるいは、基板42とクランクシャフト61(又は駆動軸40)の回転軸とが平行になるように、もしくは排気管100の中心軸とクランクシャフト61の回転軸とが平行になるように、スターリングエンジン10が基板42に取り付けられる。これにより、既存の排気管100に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気管100にスターリングエンジン10を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である車両の内燃機関本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン10を排気管100に搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン10を異なる排気管に取り付ける場合でも、加熱器47の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。
The
スターリングエンジン10は、車両の床下に配された排気管100に隣接するスペースに、横置き、即ち、車両の床面(図示せず)に対して、高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、2つのピストン21、31は、水平方向に往復動される。本実施形態では、説明の便宜上、2つのピストン21、31の上死点側を上方向、下死点側を下方向であるとして説明する。
The
作動流体は、その平均圧力が高い程、冷却器45や加熱器47による同じ温度差に対しての圧力差が大きくなるので高い出力が得られる。そのため、上記のように、高温側シリンダ22、低温側シリンダ32内の作動流体は高圧に保持されている。
The higher the average pressure of the working fluid, the higher the pressure difference with respect to the same temperature difference caused by the cooler 45 and the
ピストン21,31は、円柱状に形成されている。ピストン21、31の外周面とシリンダ22、32の内周面との間には、それぞれ数十μmの微小クリアランスが設けられており、そのクリアランスには、スターリングエンジン10の作動流体(空気)が介在している。ピストン21,31は、それぞれシリンダ22、32に対して空気軸受48により非接触の状態で支持されている。したがって、ピストン21,31の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また、一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。但し、シリンダ22、32の内周面には、固定潤滑材が付されている。空気軸受48の作動流体の摺動抵抗は元々極めて低いが、更に低減するために、固定潤滑材が付されている。上記のように、空気軸受48は、作動流体(気体)により膨張空間、圧縮空間それぞれの気密を保ち、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールを行う。
The
加熱器47は、複数の伝熱管(管群)47tを有し、それらの複数の伝熱管47tが概ねU字形の形状に形成されてなるものである。各伝熱管47tの第1端部47taが高温側シリンダ22の上部(頂部)(頂面22a側の端面)22bに接続されている。各伝熱管47tの第2端部47tbが再生器46の上部(加熱器47側の端面)46aに接続されている。上記のように、加熱器47が概ねU字形に形成されている理由については後述する。
The
再生器46は、蓄熱材(マトリックス、図示せず)と、そのマトリックスが収容される再生器ハウジング46hとを備えている。再生器ハウジング46hには、高圧の作動流体が入るため、再生器ハウジング46hは、耐圧容器である。再生器46では、マトリックスとして、積層された金網が用いられている。
The
再生器46には、上述した機能から、以下の条件が要求される。即ち、伝熱性能と蓄熱容量が高く、流動抵抗(流動損失、圧力損失)が小さいことのほか、作動流体の流れ方向の熱伝導率が小さく、温度勾配を大きくとれることが要求される。その金網の材料は、ステンレス鋼であることができる。積層された各金網のメッシュを通過するときに、その金網に作動流体の熱が蓄熱される。 The following conditions are required for the regenerator 46 from the above-described functions. That is, the heat transfer performance and the heat storage capacity are high, the flow resistance (flow loss, pressure loss) is small, the thermal conductivity in the flow direction of the working fluid is small, and a large temperature gradient is required. The wire mesh material can be stainless steel. When passing through the mesh of each laminated wire mesh, the heat of the working fluid is stored in the wire mesh.
加熱器47において高温側シリンダ22との接続部分(横断面形状)は、高温側シリンダ22の上部(加熱器47との接続部分)の開口形状(真円)と同じ形状・大きさとされている。同様に、加熱器47において再生器46との接続部分は、再生器46の上面と同じ形状・大きさとされている。即ち、加熱器47、再生器46の断面形状は、高温側シリンダ22及び低温側シリンダ32の開口形状と同じ形状・大きさに形成されている。この構成により、作動流体の流路抵抗(流通抵抗)が低減される。
In the
再生器46の上部は、排気管(排気ダクト)100の内部に配設されている。以下に、再生器46の上部が排気管100の内部に設けられている理由について説明する。
The upper part of the
本実施形態では、スターリングエンジン10の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン10を効果的に作動させる必要がある。そのため、膨張空間に、なるべく高温の作動流体が流れるべく、高温側シリンダ22の頂部(上部)22b及び高温側シリンダ22の側面22cの上部が、排気管100の内部に配設されている。これにより、上死点近傍での膨張ピストン21の上部は、排気管100の内部に位置することになり、膨張ピストン21の上部が効果的に加熱される。
In this embodiment, since the heat source of the
一方、2つのシリンダ22、32が直列並行に配置されてなるスターリングエンジン10において、第1端部47taから第2端部47tbまでの全体が排気管100の内部に配設される加熱器47の、上記高温側シリンダ22が接続される第1端部47taと反対側の第2端部47tbには、再生器46の上面46aが接続されている。スターリングエンジン10の出力に直接的には関与しない無効容積の増大を抑制すべく、加熱器47の第2端部47tbと再生器46の上面46aとは、接続用の配管を介することなく、直接的に接続されている。この再生器46の上面46aは、上下方向において、高温側シリンダ22の頂部22bと概ね同じ位置となるように排気管100の内部に収容されている。
On the other hand, in the
以下、排気管100の内部において、再生器46の上面46aが、上下方向において、高温側シリンダ22の頂部22bと概ね同じ位置となるように配置されている理由について説明する。
Hereinafter, the reason why the
その第一の理由は、排気管100内を流れる排気ガスの流動抵抗の増大や、よどみの発生を抑制するためである。即ち、排気ガスが、排気管100の延在方向(図中左右方向)に沿うように直線状に円滑に流れるようにするため、再生器46の上面46aと、高温側シリンダ22の頂部22bとの間に上下方向の段差が形成されないように構成されている。
The first reason is to suppress an increase in flow resistance of exhaust gas flowing through the
第二の理由は、スターリングエンジン10の装置規模のコンパクト化のためである。即ち、スターリングエンジン10は、車両の床下に配される内燃機関の排気管に隣接する限られた空間に搭載されることから、スターリングエンジン10の小型化が要求されている。ここでは、スターリングエンジン10の小型化の指標として、排気管100の内部に収容される加熱器47の第1及び第2端部47ta、47tbのそれぞれから、クランクシャフト61(駆動軸40)までの上下方向の長さ寸法を考えることとする。
The second reason is to make the
この場合、加熱器47の第1及び第2端部47ta、47tbのそれぞれから、クランクシャフト61までの上下方向の長さを決定付けるのは、高温側パワーピストン20側ではなく、低温側のパワーピストン30側の長さである。その理由は、上下方向において、高温側パワーピストン20側の構成要素が高温側シリンダ22のみであるのに対して、低温側のパワーピストン30側は低温側シリンダ32に加えて冷却器45及び再生器46がある分だけ、上下方向の長さが大きくなることにある。
In this case, it is not the high temperature
ここで、本実施形態では、高温側シリンダ22の上下方向の長さが低温側シリンダ32に比べて大きく形成されている。その結果として、上述した構成要素の数の差に伴って生じる、高温側パワーピストン20側と低温側のパワーピストン30側の上下方向の長さの差が緩和されている。
Here, in the present embodiment, the length in the vertical direction of the high
しかしながら、それでも、低温側のパワーピストン30側の長さの方が長いことには変わりがない。このことから、スターリングエンジン10の上下方向の長さを決定付けるのは、低温側のパワーピストン30側の長さということになる。
However, the length of the
以上のことから、本実施形態では、カウンタウェイト90が、スターリングエンジン10全体の上下方向の大きさに与える影響を最小限に抑えるべく、スターリングエンジン10全体の上下方向の大きさに影響を与えることなくスペースを確保可能な高温側シリンダ22側にカウンタウェイト90が設けられている。そのカウンタウェイト90の配置と数については、後述する。
From the above, in this embodiment, the
次に、上記のように、加熱器47が概ねU字形(カーブ形状)に形成される理由について説明する。
Next, the reason why the
スターリングエンジン10の熱源は、上記のように車両のガソリンエンジンの排気ガスであり、スターリングエンジンに専用に用意された熱源ではない。そのため、それほど高い熱量が得られるわけではなく、排気ガスの例えば約800℃程度の熱量でスターリングエンジン10が作動する必要がある。そのために、スターリングエンジン10の加熱器47は排気管100内の排ガスから効率的に受熱する必要がある。
The heat source of the
加熱器47、再生器46、冷却器45からなる熱交換器の体積は、出力に直接的には関与しない無効容積となっており、熱交換器の体積が増えると、スターリングエンジン10の出力が減少する。一方で、熱交換器の体積をコンパクトにすると、その分、熱交換が困難となり受熱量が減少し、スターリングエンジン10の出力が減少する。これらのことから、無効容積の減少と受熱量の増加とを両立させるためには、熱交換器の効率を上げる必要がある。そのために、加熱器47は効率的に受熱する必要がある。
The volume of the heat exchanger composed of the
排気管100内の排ガスから効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器47の全てを過不足なく排気管100内に収容するとともに、排気ガスから受熱しないように冷却器45を排気管100の外に出す構成が必要である。このことから、排気管100においてスターリングエンジン10が取り付けられるフランジ100fを基準にすると、少なくとも冷却器45の高さ分だけ低温側シリンダ32の取付位置は、高温側シリンダ22よりも低い位置となる。即ち、低温側シリンダ32の上部に形成される圧縮空間の位置は、高温側シリンダ22の上部に形成される膨張空間の位置よりも低い位置となり、圧縮ピストン31の上死点は、膨張ピストン21の上死点の位置よりも低い位置となる。
In order to efficiently receive heat from the exhaust gas in the
本実施形態では、圧縮ピストン31と膨張ピストン21の上死点の位置を変えるために、各ピストンピン60a、60bとそれぞれのピストン31、21との間を、長さの異なる延長部(ピストン支柱部)64b、64aで連結している。膨張ピストン21の上死点の位置の方が圧縮ピストン31の上死点の位置よりも高い分だけ、膨張ピストン21に連結される延長部64aは、圧縮ピストン31に連結される延長部64bよりも長さが長い。
In the present embodiment, in order to change the positions of the top dead centers of the
本実施形態では、膨張ピストン21自体と圧縮ピストン31自体の高さ(各ピストン21,31の上面と各ピストン21,31における延長部64a、64bとの連結点21c、31cとの間の距離)は同じになるように構成されていることから、長さの異なる延長部64a、64bを用いて各ピストン21,31の上死点の位置を変えている。この構成に代えて、膨張ピストン側と圧縮ピストン側とで延長部自体の長さは同じにし、膨張ピストン自体と圧縮ピストン自体の高さを変えるようにして構成することで、膨張ピストンと圧縮ピストンの上死点の位置を変える構成を採ることもできる。このように、膨張ピストン自体の上下方向の長さを圧縮ピストン自体に比べて大きくする技術的意義について次に説明する。
In the present embodiment, the height of the
スターリングエンジン10の効率の低下を抑制するため、高温側パワーピストン20における膨張空間以外の空間及び低温側のパワーピストン30における圧縮空間以外の空間、即ち、高温側パワーピストン20及び低温側のパワーピストン30のそれぞれにおけるクランクシャフト61の周辺の空間は、常温に保たれる必要がある。そのため、膨張空間の高温の作動流体がクランクシャフト61の高温側パワーピストン20側の周辺の空間に流入したり、圧縮空間の低温の作動流体がクランクシャフト61の低温側のパワーピストン30側の周辺の空間に流入することがないように、高温側シリンダ22と膨張ピストン21とのシール及び低温側シリンダ32と圧縮ピストン31とのシールが確実に行われる必要がある(後述のように、そのシールには空気軸受48が使用されている)。
In order to suppress a decrease in the efficiency of the
一方で、上記のように、膨張空間を高温にすべく、高温側シリンダ22の頂部22b及び側面22cの上部は、排気管100の内部に収容されるため、高温側シリンダ22の上部及び膨張ピストン21の上部が熱膨張する。高温側シリンダ22及び膨張ピストン21のそれぞれの上部の熱膨張する部分では、シールが確実に行えないおそれがある。このことから、上記のように、膨張ピストン21及び高温側シリンダ22の上下方向の長さを長く設定し、これにより、膨張ピストン21の上下方向に温度勾配を持たせて、熱膨張の影響を受けない部分(膨張ピストン21の下部)にてシールが確実に行えるようにすることができる。また、高温側シリンダ22と膨張ピストン21との間は、膨張ピストン21の下部(熱膨張の影響を受けない部分)にてシールされるので、そのシール部の移動距離を十分に確保して膨張空間を十分に圧縮するために、高温側シリンダ22の上下方向の長さが長く設定されることができる。
On the other hand, as described above, since the
熱源の種類を問わず、その熱源から効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器は、熱エネルギーを受熱するための伝熱面積がなるべく大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置可能であるという意味において、上記実施形態の構成が望ましい。 Regardless of the type of heat source, in order to receive heat efficiently from the heat source and efficiently exchange heat, the heater has a large heat transfer area for receiving heat energy and the cooler receives heat. The configuration of the above-described embodiment is desirable in the sense that it can be placed in a place that does not.
特に、排熱を利用する場合には熱エネルギーは管を介して排ガスとして供給される場合が殆どであることとも相俟って、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、伝熱面積が極力大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置される構成としては、上述したスターリングエンジン10の構成が優れている。以下に、スターリングエンジン10の構成の技術的意義について更に述べる。
In particular, when exhaust heat is used, heat energy is often supplied as exhaust gas through a pipe, and therefore, a heat-receivable region such as the inside of the pipe is limited. In this case, the configuration of the
無効容積部分(冷却器、再生器、加熱器)が小さい方が良いことは前述の通りであるが、無効容積部分に湾曲した形状を有している場合、湾曲部の数が多いと流路抵抗が大きくなり、また湾曲部の曲率が小さいと流路抵抗は大きくなる。即ち、作動流体の圧力損失を考慮すると、湾曲部の数は単一であり曲率は大きい方が良い。この点に関し、加熱器47は概ねU字形であり、湾曲形状となっているが、湾曲部の数は1つである。また、冷却器45は、スターリングエンジン10の小型化(上下寸法の短縮)のために、湾曲部を有した構成とされており、上記のような特徴を有する構成とされている。
As described above, it is preferable that the ineffective volume portion (cooler, regenerator, heater) is small. However, when the ineffective volume portion has a curved shape, the flow path is increased when the number of the curved portions is large. If the resistance increases and the curvature of the curved portion is small, the flow path resistance increases. That is, when the pressure loss of the working fluid is taken into consideration, it is better that the number of curved portions is single and the curvature is large. In this regard, the
また、図1に示すように、上記実施形態の無効容積部分の曲率に関しては、直列並行に配置された2つのシリンダ22、32の上部同士を連結し、かつ排気管100の内部において作動流体の流動抵抗の増大を抑制すべく概ね同一面上に設定された高温側シリンダ22の頂部22b及び再生器46の上面46aと、排気管100の上部内面との間の上下方向の高さと、加熱器47の端部47ta、47tbと中央部47cの最上部との間の高さが概ね同じ高さhになる構成に合わせて、その曲率(カーブ形状)が設定されている。排気管100の内部のような限定された空間内で排気ガスのような流体の熱源との接触面積を大きく確保するためには、上記のようなカーブ形状が望ましい。
Further, as shown in FIG. 1, regarding the curvature of the ineffective volume portion of the above embodiment, the upper portions of two
以上の観点からすると、無効容積部分のうち加熱器は、その全体が排気管の内部のような熱源からの熱を受ける限定された空間(受熱空間)内に収容されるとともに、その受熱空間内で、熱源からの伝熱面積を最大限に確保可能でかつ流路抵抗が最小となるように、例えばU字形やJ字形のようなカーブ形状に構成されるのがよい。 From the above viewpoint, the heater of the ineffective volume portion is housed in a limited space (heat receiving space) that receives heat from a heat source such as the inside of the exhaust pipe, and in the heat receiving space. Therefore, it is preferable that the heat transfer area from the heat source is configured to have a curved shape such as a U shape or a J shape so that the heat transfer area can be maximized and the flow resistance is minimized.
再生器46は、作動流体の流路抵抗を最小限にしつつ配置するために、低温側シリンダ32の延在方向(軸線方向)に沿って(同一軸線上に)直線状に構成される。このように、加熱器47の第2端部47tbに連結される再生器46は、低温側シリンダ32の延在方向に沿って設けられる。加熱器47の第1端部47taは、高温側シリンダ22の上部に隙間無く接続される。これらのことから、少なくとも加熱器47の第1端部47ta及び第2端部47tb側には、それぞれ高温側シリンダ22、低温側シリンダ32の延在方向に沿う部分を有し、加熱器47の中央部47cは、上述したようなカーブ形状を有する場合が多いことになる。
In order to arrange the
上述した技術的理由から、加熱器47は、直列並行に配置された2つのシリンダ22,32間で、途中で方向変換(ターン)する形状に構成されている。加熱器47は、直列並行に配置された2つのシリンダ22,32間を連結する曲線部分とを有している。
For the technical reasons described above, the
次に、上記のように、カウンタウェイト90の配置と数について説明する。
Next, the arrangement and number of
本実施形態のスターリングエンジン10では、単一のカウンタウェイト90が、クランクシャフト61のうち高温側パワーピストン20側に収用された部分であって、高温側パワーピストン20と低温側パワーピストン30との間(中央部)の近傍に設けられている。即ち、カウンタウェイト90は、クランクシャフト61のうち高温側パワーピストン20側に収用された部分であって、高温側パワーピストン20のコネクティングロッド65aがクランクシャフト61に接続された部分と、低温側パワーピストン30のコネクティングロッド65bがクランクシャフト61に接続された部分との間に、1つのみ配設されている。カウンタウェイト90は、クランクシャフト61に対して別部材としてではなく、同体として一体的に設けられている。
In the
上記のように、本実施形態では、圧縮ピストン31と膨張ピストン21の上死点の位置を変える技術的意義があり、それらの上死点の位置を変えるために、各ピストンピン60a、60bとそれぞれのピストン31、21との間を、長さの異なる延長部(ピストン支柱部)64b、64aで連結している。膨張ピストン21の上死点の位置の方が圧縮ピストン31の上死点の位置よりも高い分だけ、膨張ピストン21に連結される延長部64aは、圧縮ピストン31に連結される延長部64bよりも長さが長い。または、この長さの異なる延長部を設ける構成に代えて、上記のように、圧縮ピストン31の上下方向の長さに比べて、膨張ピストン21の上下方向の長さが大きくされることもできる。これらのいずれの構成が採用されたとしても、高温側パワーピストン20のコネクティングロッド65aで支持する重量の方が低温側パワーピストン30のコネクティングロッド65bで支持する重量に比べて、重い。
As described above, in the present embodiment, there is a technical significance of changing the positions of the top dead centers of the
そのため、クランクシャフト61においては、高温側パワーピストン20のコネクティングロッド65aがクランクシャフト61に接続された側の方が、低温側パワーピストン30のコネクティングロッド65bがクランクシャフト61に接続された側に比べて、不釣合重量が大きい。このことから、カウンタウェイト90は、クランクシャフト61のうち(低温側パワーピストン30に収容された部分ではなく、)高温側パワーピストン20に収用された部分に設けられることが有効である。
Therefore, in the
また、クランクシャフト61にカウンタウェイト90を設けると、そのカウンタウェイト90が設けられた箇所においては、クランクシャフト61の径方向の大きさが大きくなる(拡径される)。クランクシャフト61の周囲の各種部材(ピストン21、31を含む)は、カウンタウェイト90に干渉しないように配置される必要があるが、このことは、スターリングエンジン10の上下方向の長さが大きくなる要因となり易い。上記のように、本実施形態のスターリングエンジン10の上下方向の長さを決定付けるのは、低温側のパワーピストン30側の長さである。このことから、カウンタウェイト90が、スターリングエンジン10全体の上下方向の大きさに与える影響を最小限に抑制しつつ配置スペースを確保可能であるのは、高温側パワーピストン20側ということになる。このことも、カウンタウェイト90が高温側パワーピストン20側に設けられている理由の一つである。
Further, when the
クランクシャフト61は、クランクケース41に対して、3つのベアリング(軸受)95(95a〜95c)で回転自在に支持されている。クランクシャフト61の高温側パワーピストン20側の端部は、ベアリング95aで支持され、クランクシャフト61の低温側パワーピストン30側の端部は、ベアリング95bで支持され、クランクシャフト61の中央部は、ベアリング95cで支持されている。ベアリング95a〜95cは転がりベアリングであることができる。
The
ここで、回転するクランクシャフト61を支持する際に支持中心となるのは、クランクシャフト61の長さ方向の中央部を支持するベアリング95cである。このため、クランクシャフト61は、ベアリング95cの近傍で重量の不釣合いが是正されることが効果的である。このことから、カウンタウェイト90は、ベアリング95cの近傍に設けられている。
Here, when supporting the
次に、クランクシャフト61においてカウンタウェイト90が設けられるのが一方のパワーピストン側(高温側パワーピストン20側)のみであり、両方のパワーピストン側(高温側パワーピストン20側及び低温側パワーピストン30側)には設けられない理由について説明する。
Next, the
その理由は、ベアリング95cの組付け性を考慮したものである。図2に示すように、ベアリング95a〜95cの組付けに際しては、クランクケース41の底面部41aが取り付けられる前の状態において、ベアリング95a〜95cをクランクシャフト61に挿通させるように組み付けられる。この組み付け作業に際して、クランクシャフト61の各端部に組み付けられるベアリング95a、95bは、クランクシャフト61に挿通した状態でクランクシャフト61の長手方向に移動させる必要が無い。そのため、ベアリング95a、95bの組付けに際しては、仮にカウンタウェイト90が両方のパワーピストンに設けられていても問題は無く、カウンタウェイト90が一方のパワーピストン側のみに設けられている必要は無い。
The reason is that the assembling property of the
これに対して、ベアリング95cにおいては、仮にカウンタウェイトが両方のパワーピストン20、30側に設けられているとすると、即ち、図2の例ではカウンタウェイト90に加えて、カウンタウェイト90V1が設けられているとすると、ベアリング95cをクランクシャフト61の端部から挿通させて、クランクシャフト61の中央部(ベアリング95cの組付け位置)まで移動させることができない(図の左右のいずれの端部側から挿通させてもカウンタウェイト90又は90V1に干渉してしまう)。そこで、本実施形態では、一方のパワーピストン20側のみにカウンタウェイト90を設け、カウンタウェイトが設けられない他方のパワーピストン30側の端部からベアリング95cを挿通させて、クランクシャフト61の中央部まで移動ができるようにしている。
On the other hand, in the
なお、この場合、図3に示すように、2つ割(分割型、半割型)のベアリング97をベアリング95cとして用いれば、クランクシャフト61に挿通した状態でクランクシャフト61の長手方向に移動する必要が無く、所定の位置にてベアリング97を組み付けられることが可能である。そのため、2つ割のベアリング97を用いた場合には、両方のパワーピストン20、30側にカウンタウェイト90、90V1を設けた場合であっても、カウンタウェイト90、90v1との干渉が問題となることなく、クランクシャフト61の中央部に組付けることが可能である。しかしながら、本実施形態のスターリングエンジン10は、車両の排気ガスを熱源として作動するため、小型であり、クランクシャフト61の径も小さい(例えば10mm)。このような小径のクランクシャフト61に対して使用されるベアリングであって、分割型のベアリングは、一般に高価であり、コストアップにつながる。本実施形態では、軸受の選択の自由度を増すためにも、ベアリング95cは、分割型ではなく、一般的な一体型のものとする。このことから、クランクシャフト61においてカウンタウェイト90が設けられるのは、一方のパワーピストン側(高温側パワーピストン20側)のみとされる。
In this case, as shown in FIG. 3, if a two-part (divided type, half-type)
次に、クランクシャフト61においてカウンタウェイト90の数が単一(1つのみ)とされている理由について説明する。
Next, the reason why the
仮に、図2の符号90V2に示すように、一方のパワーピストン側(高温側パワーピストン20側)に複数のカウンタウェイトが設けられる場合には、クランクシャフト61に、高温側パワーピストン20のコネクティングロッド65aを組付ける作業性が悪くなる場合が多い。即ち、クランクシャフト61にコネクティングロッド65aが組み付けられる場合には、クランクシャフト61の高温側パワーピストン20側の端部からコネクティングロッド65aをクランクシャフト61に挿通させてクランクシャフト61の長手方向に沿って移動させるが、カウンタウェイト90V2があると干渉してしまい、クランクシャフト61の長手方向に沿って移動させることができない。そのため、カウンタウェイト90V2がある場合には、コネクティングロッド65aにおけるクランクシャフト61との接続部分を分割型にする必要があり、コストアップにつながる。このことから、クランクシャフト61において、コネクティングロッド65aの接続部位を挟む位置に、複数のカウンタウェイト90、90V2が設けられることは好ましくなく、カウンタウェイト90の数は単一とされるべきである。
If a plurality of counterweights are provided on one power piston side (on the high temperature
次に、ピストン・シリンダのシール構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。 Next, the piston / cylinder seal structure and the piston / crank mechanism will be described.
上記のように、スターリングエンジン10の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン10を作動させる必要がある。そこで、本実施形態では、スターリングエンジン10の内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。本実施形態では、スターリングエンジンの内部フリクションのうち最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、ピストンリングを使用せずに、その代わりに、シリンダ22、32とピストン21、31との間には、それぞれ空気軸受(エアベアリング)48が設けられる。
As described above, since the heat source of the
空気軸受48は、摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン10の内部フリクションを大幅に低減させることができる。空気軸受48を用いても、シリンダ22、32とピストン21、31との間の気密は確保されるため、高圧の作動流体が膨張・収縮の際に漏れるという問題は生じない。
Since the
空気軸受48は、シリンダ22、32とピストン21、31の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力(分布)を利用して,ピストン21、31が空中に浮いた形となる軸受である。本実施形態の空気軸受48では、シリンダ22、32とピストン21、31との間の直径クリアランスは数十μmである。空中に物体を浮上させる空気軸受を実現するには、機構的に空気圧が強くなる部分(圧力勾配)ができるようにする他に、後述するように高圧の空気を吹きつけるものでもよい。
The
本実施形態では、高圧の空気を吹き付けるタイプの空気軸受ではなく、医療用ガラス製注射器のシリンダとピストンの間で用いられている空気軸受と同じ構成の空気軸受が用いられる。 In the present embodiment, an air bearing having the same configuration as that of an air bearing used between a cylinder and a piston of a medical glass syringe is used instead of an air bearing that blows high-pressure air.
また、空気軸受48を使用することで、ピストンリングで用いる潤滑油が不要となるので、潤滑油によりスターリングエンジン10の熱交換器(再生器46,加熱器47)が劣化するという問題が発生しない。なお、本実施形態では、ピストンリングにおける摺動抵抗と潤滑油の問題が解消されれば足りるので、流体軸受のうち油を使用する油軸受を除いた、気体軸受であれば空気軸受48に限られることなく適用することができる。
Further, since the use of the
本実施形態のピストン21、31とシリンダ22、32との間には、静圧空気軸受を用いることも可能である。静圧空気軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体(本実施形態ではピストン21、31)を浮上させるものである。また、静圧空気軸受に代えて、動圧空気軸受を用いることも可能である。
It is also possible to use a static pressure air bearing between the
空気軸受48を用いて、ピストン21、31をシリンダ22、32内で往復運動させる際には、直線運動精度を空気軸受48の直径クリアランス未満にしなくてはならない。また、空気軸受48の負荷能力が小さいため、ピストン21、31のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。即ち、空気軸受48は、シリンダ22、32の直径方向(横方向,スラスト方向)の力に耐える能力(耐圧能力)が低いため、シリンダ22、32の軸線に対するピストン21、31の直線運動精度が高い必要がある。特に、本実施形態で採用する、微小クリアランスの空気圧を用いて浮上させて支持するタイプの空気軸受48は、高圧の空気を吹き付けるタイプに比べても、スラスト方向の力に対する耐圧能力が低いため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。
When the
上記の理由から、本実施形態では、ピストン・クランク部にグラスホッパの機構(近似直線リンク)50を採用する。グラスホッパの機構50は、他の直線近似機構(例えばワットの機構)に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に、本実施形態のスターリングエンジン10は、自動車の排気管の内部にその加熱器47が収容されるというように限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。また、グラスホッパの機構50は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパの機構50は、機構の構成が比較的簡単であるため、構成(製造・組み立て)し易い。
For this reason, in this embodiment, the grasshopper mechanism (approximate linear link) 50 is employed in the piston / crank portion. The
以下に、グラスホッパの近似直線機構50について説明する。
Hereinafter, the approximate
A.ピストン・クランク機構の概要:
図4−1は、従来のスターリングエンジンにおけるピストン・クランク機構を示す説明図であり、図4−2は、本実施形態のスターリングエンジン10におけるピストン・クランク機構を示す説明図である。図4−1に示すように、従来の機構は、シリンダ110と、ピストン120と、コネクティングロッド130と、クランクシャフト140とを備えている。ピストン120と、コネクティングロッド130は、ピストン120の中央部付近においてピストンピン160で互いに連結されている。コネクティングロッド130とクランクシャフト140は、クランクピン162で連結されている。ピストン120が上下に往復運動すると、クランクシャフト140がその軸142(「駆動軸」とも呼ぶ)を中心に回転する。
A. Outline of piston / crank mechanism:
FIG. 4A is an explanatory view showing a piston / crank mechanism in a conventional Stirling engine, and FIG. 4B is an explanatory view showing a piston / crank mechanism in the
図4−2は、スターリングエンジン10のピストン・クランク機構の概略構成を示している。本実施形態において、ピストン・クランク機構は、高温側パワーピストン20側と低温側パワーピストン30側とで共通の構成を採用しているため、以下では、低温側パワーピストン30側についてのみ説明し、高温側パワーピストン20側についての説明は省略する。
FIG. 4B shows a schematic configuration of the piston / crank mechanism of the
スターリングエンジン10のピストン・クランク機構は、シリンダ32と、ピストン31と、コネクティングロッド65と、クランクシャフト61とを備えており、さらに近似直線機構50も備えている。近似直線機構50は、上述した通り、グラスホッパの近似直線機構である。
The piston / crank mechanism of the
図2及び図4−2に示すように、ピストン31には、ピストン支柱部64bが接続されている。ピストン31とピストン支柱部64bとが別体として形成されていている。このピストン31の下端部とピストン支柱部64の上端部は、ピン67によって互いに回動可能に連結されている。ピストン支柱部64は、ピストン支柱部64の下端においてピストンピン60で互いに連結されている。コネクティングロッド65とクランクシャフト61は、クランクピン62で連結されている。ピストン31が上下に往復運動すると、クランクシャフト61がその軸40(「駆動軸」とも呼ぶ)を中心に回転する。
As shown in FIGS. 2 and 4-2, the
近似直線機構50は、2つの横方向リンク52,54と、1つの縦方向リンク56とを有している。第1の横方向リンク52の一端は、ピストンピン60の位置においてピストン支柱部64の下端に回動可能に連結されている。第2の横方向リンク54の一端は、第1の横方向リンク52の中間の所定の位置において第1の横方向リンク52に回動可能に連結されている。第2の横方向リンク54の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。縦方向リンク56の一端は、第1の横方向リンク52のピストンピン60とは反対側の端部において、第1の横方向リンク52と回動可能に連結されている。縦方向リンク56の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。
The approximate
図4−1及び図4−2において、黒丸で表されている連結部(駆動軸40など)は、その軸を中心に回転または回動するが、シリンダ32との相対位置が変化しない連結点(以下「支点」と呼ぶ)である。また、白丸で表されている連結部(ピストンピン60など)は、その軸を中心に回転または回動するとともに、シリンダ32との相対位置が変化する連結点(以下「移動連結点」と呼ぶ)である。ここで、「回転」とは360度以上の範囲で回ることを意味しており、「回動」とは、360度未満の範囲で回ることを意味している。
In FIGS. 4A and 4B, a connecting portion (such as the drive shaft 40) represented by a black circle rotates or rotates about the axis, but does not change the relative position with the
なお、図4−1及び図4−2では、本実施形態のスターリングエンジン10のうち、ピストン・クランク機構とシリンダ32以外は図示が省略されている。
4A and 4B, the illustration of the
図5の(A)〜(C)は、本実施形態のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。図5の(A)は、シリンダ32と、ピストン31と、コネクティングロッド65と、クランクシャフト61のみを示している。また、図5の(B)は、近似直線機構50のみを示している。図5の(C)は、図4−2に示した機構と同じものであり、図5の(A),(B)の構成を組合わせたものである。
(A)-(C) of FIG. 5 is explanatory drawing which shows the link structure of the piston crank mechanism of this embodiment. FIG. 5A shows only the
図5の(A)〜(C)においては、以下のように各種の連結点が表されている。
(1)移動連結点A:ピストンピン60(図4−2)の中心軸。
(2)移動連結点B:第1の横方向リンク52の移動連結点Aとは反対側の端部にある連結点。
(3)移動連結点C:コネクティングロッド65の移動連結点Aとは反対側の端部にある連結点。
(4)移動連結点M:第1の横方向リンク52の中間点にある連結点。
(5)支点P:クランクシャフト61の中心軸(駆動軸)。
(6)支点Q:第2の横方向リンク54の移動連結点Mと反対側の端部にある連結点。
(7)支点R:縦方向リンク56の移動連結点Bと反対側の端部にある連結点。
In (A) to (C) of FIG. 5, various connection points are represented as follows.
(1) Moving connection point A: central axis of the piston pin 60 (FIG. 4-2).
(2) Moving connection point B: A connection point at the end of the first
(3) Moving connecting point C: A connecting point at the end of the connecting
(4) Moving connection point M: A connection point at the midpoint of the first
(5) Support point P: the central axis (drive shaft) of the
(6) Support point Q: A connection point at the end of the second
(7) Support point R: A connection point at the end of the
移動連結点Aはピストンピン60の中心軸であり、ピストン31の往復運動に伴って上下方向Z(図5の(B))に沿って移動する。本明細書において、上下方向Zとは、シリンダ32の軸方向中心線(「軸中心」とも呼ぶ)に沿った方向を意味する。移動連結点A,Bは、第1の横方向リンク52の両端の連結点である。移動連結点Bは、縦方向リンク56が支点Rを中心に回動するのに伴って、円弧状の軌跡上を移動する。また、この移動連結点Bは、第2の横方向リンク54の支点Qの上下方向位置Xとほぼ同じ上下方向位置をとるように設定されている。
The moving connection point A is the central axis of the
なお、仮想的に縦方向リンク56の長さを無限大に設定し、移動連結点Bが、支点Qと同一の上下方向位置X上を直線的に移動するようにすれば、移動連結点Aは上下方向Zに沿って完全な直線に近い運動を行う。現実には、縦方向リンク56の長さは有限なので、移動連結点Aは直線運動からわずかにずれた軌跡上を移動する(これについては後述する)。ほぼ完全な直線運動機構は、縦方向リンク56の代わりに、移動連結点Bを直線的に案内するガイド部を採用すれば実現可能であるが、このガイド部と移動連結点Bとの摩擦が増大する。従って、摩擦の低減の観点からは、本実施形態の近似直線機構50の方が完全な直線運動機構よりも好ましい。
If the length of the
第1の横方向リンク52の中間にある移動連結点Mの位置は、以下の関係を満足するように設定されている。
AM×QM=BM2
The position of the moving connection point M in the middle of the first
AM × QM = BM 2
ここで、AMは連結点A,M間の距離を意味し、QMは連結点Q,M間の距離、BMは連結点B,M間の距離をそれぞれ意味している。 Here, AM means the distance between the connection points A and M, QM means the distance between the connection points Q and M, and BM means the distance between the connection points B and M, respectively.
図6−1〜図6−4は、ピストン31の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示している。近似直線機構50の3つの移動連結点A,B,Mのうちで、移動連結点A,Mはピストン31の移動に伴ってかなり大きく移動するが、縦方向リンク56の上端の移動連結点Bはあまり移動しないことが解る。図6−1には、近似直線機構50の形状変化の程度を示す指標として利用できる2つの角度θ、φが示されている。第1の角度θは、横方向Xから測った第2の横方向リンク54の角度∠MQXである。また、第2の角度φは、上下方向Zからの縦方向リンク56の傾き角で∠BRZである。これらの角度θ,φの値が取る範囲は、移動連結点Aの移動範囲(即ちピストン31のストローク)の設定と、近似直線機構50の各リンクの長さに依存する。
6A to 6D show changes in the shape of the piston / crank mechanism accompanying the movement of the
上記のように、ピストン31の下端部とピストン支柱部64の上端部は、ピン67によって互いに回動可能に連結されている。この構成では、ピストン支柱部64の下端の軌跡が直線から多少ずれた場合にも、そのズレが、ピストン31を傾かせる力として働かない(即ち、ピストン支柱部64の下端のズレがピストン31にほとんど影響を与えない)という利点がある。即ち、グラスホッパの機構50の往復運動時に生じる直線運動からのズレを吸収するために、ピストン31とピストン支柱部64とをリジッドにではなく、相対的に移動可能な状態(フリーな状態)で連結する。本実施形態では、一例としてピン67を用いて連結している。また、ピストンとピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを近似直線機構及びコネクティングロッドと組み付ける作業が容易になるという利点もある。一方、図示はしないが、ピストン支柱部64とピストン31とを一体として構成した場合には、仮に何らかの原因でピストン31がシリンダ32に対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部64が近似直線運動を行うときに、その傾きが矯正されるという利点がある。
As described above, the lower end portion of the
図7−1は、本実施形態におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例を示す説明図であり、図7−2は、移動連結点Aの軌跡とを示す説明図である。図7−1に示されている寸法は、上述した関係(AM×QM=BM2)を満足していることが解る。図7−2に示されているように、移動連結点Aの軌跡は、近似的な直線部分を含んでおり、この近似的な直線部分がピストン31のストロークの範囲として利用される。このとき、ピストン31のストロークの範囲は、上死点における直線からのズレ量が、下死点における直線からのズレ量よりも小さくなるように設定される。ここで、「直線からのズレ量」の「直線」とは、シリンダ32の軸方向中心線を意味している。図7−2の例では、上死点におけるズレ量は約5μmであり、下死点におけるズレ量は約20μmである。なお、この数値は常温で測定したものである。
FIG. 7A is an explanatory diagram illustrating an example of specific dimensions of the piston / crank mechanism in the present embodiment, and FIG. 7B is an explanatory diagram illustrating a trajectory of the moving connection point A. It can be seen that the dimensions shown in FIG. 7-1 satisfy the relationship (AM × QM = BM 2 ) described above. As shown in FIG. 7B, the trajectory of the moving connection point A includes an approximate straight line portion, and this approximate straight line portion is used as the stroke range of the
上死点における移動連結点Aの直線からのズレ量が、下死点におけるズレ量よりも小さくなるように設定する理由は、上死点近傍では圧縮空気による力がピストン31にかかるからである(同様に、高温側パワーピストン20では、上死点近傍では膨張空気による力がピストン21にかかるからである)。即ち、上死点におけるズレ量が小さければ、圧縮空気による力によってピストン31に(又は膨張空気による力によってピストン21に)かかるスラスト(横方向の力)が小さくなるので、ピストン31とシリンダ32(又はピストン21とシリンダ22)との摩擦を低減することができる。一方、下死点では圧縮空気による力(又は膨張空気による力)が掛からないので、多少のズレがあっても上死点に比べて摩擦への影響は小さい。
The reason why the amount of deviation from the straight line of the moving connection point A at the top dead center is set to be smaller than the amount of deviation at the bottom dead center is that the force by the compressed air is applied to the
なお、移動連結点Aの軌跡における近似的直線部分は、各リンク52、54,56の長さを大きくすることによって大きくすることが可能であるが、リンクを長くすると近似直線機構50のサイズが大きくなるという問題がある。換言すれば、上死点や下死点における直線からのズレ量と、近似直線機構50のサイズとは、トレードオフの関係にある。これらの点を考慮すると、ピストン31の上死点における移動連結点Aの直線からのズレ量は、常温で測定して約10μm以下になるように近似直線機構50を構成することが好ましい。また、下死点におけるズレ量は、約20μm以下になるようにすることが好ましい。
The approximate straight line portion in the locus of the moving connection point A can be increased by increasing the length of each
図7−2に示すように、ピストン31のストロークの範囲を設定した場合には、第2の横方向リンク54の角度θは、8.8°〜−17.9°の範囲の値をとる(図7−1)。角度θの最大値(8.8°)は、ピストン31が上死点にある場合(図6−1)に相当し、最小値(−17.9°)はピストン31が下死点にある場合(図6−3)に相当する。縦方向リンク56の角度φは、0°〜2.2°の範囲の値をとる。角度φの最小値(0°)は、連結点Q、A、M、Bがほぼ一直線上に並ぶ場合に相当し、最大値(2.2°)は、角度θの絶対値が最も大きくなる場合(この例では下死点)に相当する。なお、これらの角度θ、φの値の範囲は、近似直線機構50の各リンクの寸法と、ピストン31のストローク範囲の設定に依存する。
As shown in FIG. 7-2, when the range of the stroke of the
B.具体的形状例:
図8及び図9は、本実施形態におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示している。上記の通り、ピストン31は、円柱状に形成されている。ピストン31の外周面には、ピストンリング用の溝及びピストンリングは設けられていない。ピストン31の平面視(横断面)形状は、高精度な真円状に形成されている。シリンダ32は円筒状に形成されており、シリンダ32の内周部の平面視形状は、高精度な真円状に形成されている。ピストン31の外周面とシリンダ32の内周部との間には、上記の通り、空気軸受48が設けられている。ピストン31及びシリンダ32の内周部のそれぞれの平面視形状が高精度な真円状に形成されていることにより、シール性の良い空気軸受48が実現される。
B. Specific shape examples:
8 and 9 show an example of a specific shape of the piston / crank mechanism in the present embodiment. As described above, the
ピストンピン60とピストン31との間には、ピストンピン60とピストン31との間を所定の距離以上確保するために、ピストン支柱部64が設けられている。ピストン支柱部64によって、ピストンピン60とピストン31との間に所定距離以上開くことによって、ピストン31が往復移動する際に、ピストン31と近似直線機構50が接触しないようにすることができる。
A
ピストン支柱部64の長さは、ピストン31の上端からピストンピン60までの長さが、ピストン31のストロークの約1/2倍以上で1倍未満の範囲の値になるように設定されていることが好ましい。その理由は、ピストン支柱部64の長さが過度に短いと、上死点において近似直線機構50がシリンダ32又はピストン31に衝突する可能性があるためである。また、ピストン支柱部64の長さが過度に長いとその重量が増加する分だけエネルギ損失が増すためである。
The length of the
図9に示すように、ピストン支柱部64と、コネクティングロッド65と、第1、第2の横方向リンク52、54とは、ピストン31が上下動したときにも互いに干渉しないように構成されている。具体的には、図9の例では、ピストン支柱部64は、シリンダ32の軸方向中心に設けられており、ピストン支柱部64の両側が、コネクティングロッド65の2枚の板状部材で挟まれている。コネクティングロッド65の外側には、第1の横方向リンク52の2枚の板状部材が配置されている。これら3種類の部材64,65,52は、ピストンピン60で連結されている。また、第1の横方向リンク52の更に外側には、第2の横方向リンク54の2枚の板状部材が設置されている。即ち、この例では、コネクティングロッド65と2つの横方向リンク52、54とは、端部が2つの板状部材に分かれた二股構造をそれぞれ有しており、中央のピストン支柱部64を両側から挟むような位置にそれぞれ配置されている。
As shown in FIG. 9, the
図10は、図8からクランクが回転し、横方向リンク52、54が水平になった位置における要部縦断面図であり、図11は、図10のC−C断面図である。なお、図11では、図示の便宜上、コネクティングロッド65とピストン支柱部64とにそれぞれハッチングを付している。
10 is a longitudinal sectional view of a main part at a position where the crank is rotated from FIG. 8 and the
図10は、図8からクランクが回転し、横方向リンク52、54が水平になった位置における要部縦断面図であり、図11は、図10のC−C断面図である。なお、図11では、図示の便宜上、コネクティングロッド65とピストン支柱部64とにそれぞれハッチングを付している。
10 is a longitudinal sectional view of a main part at a position where the crank is rotated from FIG. 8 and the
図11の構成において、第2の横方向リンク54の端部は二股構造になっており、他の部材64,65,52,60の外側に配置されている。そして、近似直線機構が動作する際には、第2の横方向リンク54の二股構造の間を、第1の横方向リンク52の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されている。このような構成によれば、コネクティングロッド65を短くしても、第1の横方向リンク52の端部と第2の横方向リンク54の端部とが干渉することが無いので、ピストン・クランク機構の縦方向の寸法の増大を抑制することができる。
In the configuration of FIG. 11, the end of the second
また、図11に示す構成では、第1の横方向リンクの端部と、ピストン支柱部64の下端(ピストンの下端)と、コネクティングロッド65の上端とが、1つのピストンピン60で連結されている。このような構成によれば、第1の横方向リンク52とピストン支柱部64とコネクティングロッド65とが1つのピストンピン60で連結されるので、この連結部分の構造が単純になり、コンパクトにできるという利点がある。
Further, in the configuration shown in FIG. 11, the end of the first lateral link, the lower end of the piston support 64 (the lower end of the piston), and the upper end of the connecting
さらに、図11に示す構成では、第1の横方向リンク52の端部と、ピストン支柱部64の下端と、コネクティングロッド65の上端と、の3つの端部のうち2つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの1つの端部が前記2つの端部の二股構造の中心に配置されている。このような構成によれば、第1の横方向リンク52とピストン支柱部64とコネクティングロッド65との連結部分が対称な形になるので、非対称な形状とすることによるサイドフォースが発生することを防止できるという利点がある。
Further, in the configuration shown in FIG. 11, two of the three end portions of the end portion of the first
以上のように、上述した実施形態や変形例では、ピストン・クランク機構に近似直線機構50を設けることによって、ピストン31の下端がシリンダ32の軸中心に沿った近似的な直線状軌跡を移動するようにしたので、ピストン31の直線運動精度が高く、ピストン31のサイドフォースを実質的にゼロにすることが可能となり、ピストン31とシリンダ32との間にスラスト方向の耐圧能力の低い空気軸受48を設けても、問題が生じない。
As described above, in the above-described embodiments and modifications, the piston / crank mechanism is provided with the approximate
グラスホッパの近似直線機構は、近似直線上を移動する点(移動連結点A)が機構の一方の端部近傍に偏っているので、スターリングエンジン10のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。
The approximate linear mechanism of the grasshopper is particularly suitable for restricting the movement of the piston of the
以上に述べた実施形態では、スターリングエンジン10は、車両の内燃機関の排ガスを熱源とすべく排気管100に取り付けた構成について説明した。但し、本発明のスターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限定されるものではない。
In the embodiment described above, the configuration in which the
10 スターリングエンジン
20 高温側パワーピストン
21 膨張ピストン
22 高温側シリンダ
22a 高温側シリンダの上面
30 低温側パワーピストン
31 圧縮ピストン
32 低温側シリンダ
40 駆動軸
41 クランクケース
41a 底面部
45 冷却器
45a 冷却器の上面
46 再生器
46a 再生器の上面
46b 再生器の下面
47 加熱器
47ta 第1端部
47tb 第2端部
50 近似直線機構
61 クランクシャフト
64a、64b 延長部
65a、65b コネクティングロッド
90 カウンタウェイト(バランスウェイト)
95a、95b、95c ベアリング
100 排気管
DESCRIPTION OF
95a, 95b,
Claims (10)
クランクシャフトと高温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部と、前記クランクシャフトと低温側パワーピストンのコネクティングロッドとの連結部との間で、かつ前記クランクシャフトにおける前記高温側パワーピストン側及び前記低温側パワーピストン側のいずれか一方のみに単一のバランスウェイトが設けられ、
前記スターリングエンジンの出力は、前記高温側パワーピストンの第1シリンダ内の第1ピストンと前記低温側パワーピストンの第2シリンダ内の第2ピストンとに共通に接続された駆動軸を介して取り出され、
前記第1ピストンが上死点にあるときの前記第1ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離は、前記第2ピストンが上死点にあるときの前記第2ピストンの頂部と前記駆動軸との間の距離よりも大きくなるように構成されている
ことを特徴とするスターリングエンジン。 an α-type 2-cylinder Stirling engine,
A connecting portion between the crankshaft and the high-temperature side power piston connecting rod, the crank shaft and between the connecting portion of the connecting rod of the low-temperature side power piston, and the high-temperature side power piston side and the low temperature in the crankshaft either the side power piston side only a single balance weight provided et al is in,
The output of the Stirling engine is taken out via a drive shaft commonly connected to a first piston in the first cylinder of the high temperature side power piston and a second piston in the second cylinder of the low temperature side power piston. ,
The distance between the top of the first piston and the drive shaft when the first piston is at top dead center is the distance between the top of the second piston and the drive when the second piston is at top dead center. A Stirling engine configured to be larger than the distance between the shafts .
前記高温側パワーピストン及び前記低温側パワーピストンが直列に配置され、
冷却器と再生器と加熱器とを有する熱交換器とを備え、
前記熱交換器は、前記高温側パワーピストンの第1シリンダと前記低温側パワーピストンの第2シリンダとを結ぶように前記熱交換器の少なくとも一部がカーブ形状を有するように構成されている
ことを特徴とするスターリングエンジン。 The Stirling engine according to claim 1,
The high temperature side power piston and the low temperature side power piston are arranged in series,
A heat exchanger having a cooler, a regenerator, and a heater,
The heat exchanger is configured such that at least a part of the heat exchanger has a curved shape so as to connect the first cylinder of the high temperature side power piston and the second cylinder of the low temperature side power piston. Stirling engine characterized by
前記加熱器は、前記第1シリンダと前記第2シリンダとを結ぶような前記カーブ形状を有するように構成され、前記冷却器及び前記再生器は、前記第2シリンダの延在方向に沿う直線状に構成されている
ことを特徴とするスターリングエンジン。 The Stirling engine according to claim 2 ,
The heater is configured to have the curved shape that connects the first cylinder and the second cylinder, and the cooler and the regenerator are linear along the extending direction of the second cylinder. A Stirling engine characterized by being configured in
前記バランスウェイトは、前記クランクシャフトにおける前記高温側パワーピストン側のみに設けられている
ことを特徴とするスターリングエンジン。 The Stirling engine according to any one of claims 1 to 3,
The balance weight is provided only on the high temperature side power piston side of the crankshaft .
前記距離の相違は、前記第1ピストンのピストンピンと前記第1ピストンとを連結する第1連結軸の長さと、前記第2ピストンのピストンピンと前記第2ピストンとを連結する第2連結軸の長さの相違に対応している
ことを特徴とするスターリングエンジン。 The Stirling engine according to any one of claims 1 to 4 ,
The difference in distance is that the length of the first connecting shaft that connects the piston pin of the first piston and the first piston, and the length of the second connecting shaft that connects the piston pin of the second piston and the second piston. A Stirling engine characterized by the difference in height.
前記距離の相違は、前記第1ピストンの長さと前記第2ピストンの長さの相違に対応している
ことを特徴とするスターリングエンジン。 The Stirling engine according to any one of claims 1 to 4 ,
The difference in the distance corresponds to the difference in the length of the first piston and the length of the second piston .
前記第1シリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、前記スターリングエンジンにより回収される排気熱が供給される排気通路に露出するように設けられ、
前記第1シリンダにおいて前記加熱器と接続される面と、前記再生器において前記加熱器と接続される面は、概ね同一である
ことを特徴とするスターリングエンジン。 The Stirling engine according to any one of claims 2 to 6 ,
A surface connected to the heater in the first cylinder and a surface connected to the heater in the regenerator are provided so as to be exposed to an exhaust passage to which exhaust heat recovered by the Stirling engine is supplied. And
A Stirling engine characterized in that a surface connected to the heater in the first cylinder and a surface connected to the heater in the regenerator are substantially the same.
更に、
前記高温側パワーピストンのピストンと前記低温側パワーピストンのピストンの少なくともいずれか一方に直接的又は間接的に連結され、当該連結されたピストンがシリンダ内を往復運動するときに近似直線運動するように設けられた近似直線機構
を備えたことを特徴とするスターリングエンジン。 The Stirling engine according to any one of claims 1 to 7 ,
Furthermore,
It is connected directly or indirectly to at least one of the piston of the high temperature side power piston and the piston of the low temperature side power piston so that the connected piston reciprocates in the cylinder so as to perform an approximate linear motion. A Stirling engine comprising an approximate linear mechanism provided.
車両の内燃機関とを備えたハイブリッドシステムであって、
前記スターリングエンジンは、前記車両に搭載され、
前記スターリングエンジンの加熱器が前記内燃機関の排気系から受熱するように設けられた
ことを特徴とするハイブリッドシステム。 And Stirling engine according to any one of claims 1 to 8,
A hybrid system comprising an internal combustion engine of a vehicle,
The Stirling engine is mounted on the vehicle,
A hybrid system, wherein a heater of the Stirling engine is provided to receive heat from an exhaust system of the internal combustion engine .
前記スターリングエンジンの熱交換器は、前記高温側パワーピストンのシリンダ及び前記低温側パワーピストンのシリンダの上部同士を連結し、かつ前記内燃機関の排気管の内径寸法と、前記加熱器の端部と前記加熱器の最上部の距離とが概ね同じ大きさになる構成に合わせて、前記カーブ形状が設定されている
ことを特徴とするハイブリッドシステム。 The hybrid system according to claim 9 , wherein
The heat exchanger of the Stirling engine connects the upper portions of the cylinder of the high temperature side power piston and the cylinder of the low temperature side power piston, and the inner diameter dimension of the exhaust pipe of the internal combustion engine, and the end of the heater The hybrid system , wherein the curve shape is set in accordance with a configuration in which the distance of the uppermost portion of the heater is approximately the same .
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