JP4638943B2 - ダブルピストンユニットを２つ備えた４サイクルスターリングエンジン - Google Patents

ダブルピストンユニットを２つ備えた４サイクルスターリングエンジン Download PDF

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Description

本発明は、アルファタイプのダブルピストンユニットを２つ備えた４サイクルスターリングエンジンに関する。
複式スターリングモータは、シーメンス社の装置の異なるバリエーションにおいて知られている。このモータは、４つのシリンダーが隣り合って設定され、それぞれ膨張空間と圧縮空間を有している。
シーメンス社の複式スターリングモータは、４つのシリンダーが隣り合って設定され、それぞれ膨張空間と圧縮空間を有している。
本発明に係る４サイクルスターリング装置は、従来技術における大きな機械的摩擦、高い熱伝導損失等の問題点を解決するという目的を達成するため、位相シフトで互いに移動する第１ダブルピストンユニットおよび第２ダブルピストンユニットを備えたアルファ型４サイクルスターリング装置であって、前記第１および第２ダブルピストンユニットのそれぞれは、第１および第２膨張ピストンと、該第１および第二膨張ピストンにピストンロッドを介して連結された第１および第２圧縮ピストンと、一端が前記第１および第２圧縮ピストンに連結され他端が接続部又はギヤに機械的に連結されたピストンロッドエクステンションとを有し、前記第１および第２ダブルピストンユニットは、前記第１および第２膨張ピストンのそれぞれが２つの膨張室のそれぞれで作用し、且つ前記第１および第２圧縮ピストンのそれぞれが２つの圧縮室のそれぞれで作用するように構成されていることを特徴とする。ここで、接続部又はギヤとは外部の装置、周辺機器等をいう。
ダブルピストンユニットは、膨張ピストンと圧縮ピストン、２つの膨張ピストン、または２つの圧縮ピストンで構成されても良い。
４サイクルシーメンススターリングモータと比較した場合、下記の利点が得られる。
・よりシンプルなギアリングとより少ない機械的摩擦
・作動ガスの低い混合損失
・特にシリンダー壁の領域における、低い熱伝導損失
・よりコンパクトな構造
・圧縮空間に対する膨張空間の変化の可能性
ダブルピストンユニットを２つ備えた４サイクルスターリングエンジンの構成図。
符号の説明
１ 第１ダブルピストンユニットの膨張ピストン
２ 第１ダブルピストンユニットの圧縮ピストン
３ 第１ダブルピストンユニットのピストンロッド
４ 第１ダブルピストンユニットのピストンロッドエクステンション
５ シリンダー筐体
６ 第２ダブルピストンユニットの膨張ピストン
７ 第２ダブルピストンユニットの圧縮ピストン
８ 第２ダブルピストンユニットのピストンロッド
９ 第２ダブルピストンユニットのピストンロッドエクステンション
１０ ４サイクル加熱器
１１ 蓄熱器 サイクル１
１２ 蓄熱器 サイクル２
１３ 蓄熱器 サイクル３
１４ 蓄熱器 サイクル４
１５ 冷却器 サイクル１
１６ 冷却器 サイクル２
１７ 冷却器 サイクル３
１８ 冷却器 サイクル４
１９ シーリング用ピストンロッドリング
２０ 断熱材
２１ ピストンロッドシール
２２ 線形ガイド
２３ コンロッド
２４ クランクシャフト
２５ 発電機
２６ クランク筐体
２７ サイクル１からサイクル２へのサイクルバイパス弁
２８ サイクル３からサイクル４へのサイクルバイパス弁
Ｚ１ サイクル１
Ｚ２ サイクル２
Ｚ３ サイクル３
Ｚ４ サイクル４
図１に従うサイクル結合は、各サイクルがスターリングモータプロセスを実行するように作られている。図１において、第１ダブルピストンユニットとそれに追従する第２ダブルピストンユニットの下方への動きを伴う膨張が第１周期において起こり、第２周期における圧縮、第３周期における熱の等積供給、第４周期における熱の等積除去が起こる。これにより、クランクシャフトのトルク力軌道は非常に安定し好ましい。
図１に示された本発明に係る４サイクルスターリング装置では、第１膨張ピストン１の下方のシリンダー空間は、第１加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、第２圧縮ピストン７の下方のシリンダー空間に接続され、第１膨張ピストン１の上方のシリンダー空間は、第２加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、第２圧縮ピストン７の上方のシリンダー空間に接続されている。加えて、第２膨張ピストン６の上方のシリンダー空間は、第３加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、第１圧縮ピストン２の下方のシリンダー空間に接続され、第２膨張ピストン６の下方のシリンダー空間は、第４加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、第１圧縮ピストン２の上方のシリンダー空間に接続されている。
各場合において、ダブルピストンユニットの第１ピストンは第２ピストンのガイドとして利用されるため、規定の環状間隙を有するピストンリングなしの動作の可能性が存在する。
個別の温度レベルと圧力レベルが考慮されたダブルピストンユニットの複動ピストンは、好ましくは外部の耐圧隔壁において両側が利用され得る、メンブレンまたはベローズと見なされ得る。
ピストン１、２、６、７のシリンダーの直径は互いに異なっている。これにより、例えば、膨張空間（膨張室）は、圧縮空間（圧縮室）よりも大きく設計され得る。さらに、シリンダーの直径を変化させることにより、時計回りまたは反時計回りに稼働するプロセスの同時実現を用いてシステムの最適化を実行し得る（説明は下記参照）。ここで、膨張室および圧縮室とは、ピストンが配置されるシリンダー空間全体をいう場合と、ピストンによってその両側に形成される２つのシリンダー空間をいう場合とがある。
次々に横たわる４つの単管螺旋、または、対で巻かれた４つの単管螺旋が、中空のキャストベースボディに配置された加熱器を適用しても良い。燃焼器はキャストベースボディ内に位置しても良い。
４−ＳＣの希釈作動ガス結合管の蓄熱器マトリクス材を均一の流れとするために、両側面の粘性が低く、ガスを一手に分配し、好ましくは球体の、流れ体が、マトリクス材の前方に設置されても良い。
個々のシリンダー中央におけるシールの簡単な変更を許容するため、ピストンロッド３と８にはピストンリング１９の形でシールが設計されている。
サイクルバイパス弁２７、２８は、部分負荷運転において関連するサイクルの閉ループ制御に用いても良い。
４サイクルシーメンススターリングモータと比較した場合、下記の利点が得られる。
・よりシンプルなギアリングとより少ない機械的摩擦
・作動ガスの低い混合損失
・特にシリンダー壁の領域における、低い熱伝導損失
・よりコンパクトな構造
・圧縮空間に対する膨張空間の変化の可能性
本発明に従う他の装置は、互いに位相シフトをもって動き、２サイクルが機械的エネルギーを準備するために使われ、残りの２サイクルが熱源の冷却とヒートシンクの加熱に使われる、２つのダブルピストンユニットを備えた４サイクルユニバーサルエンジンである。
このために、図１の加熱器の４つの作動ガス領域が、２つ、特にサイクル１の作動ガス領域とサイクル２の作動ガス領域に縮小される。もはや加熱器内にはない（局所的熱的に分離された）、サイクル３とサイクル４の残りの加熱作動ガス領域は、一つまたは二つの熱源に熱的に結合されている。サイクル３とサイクル４の除熱領域（冷却領域）は、一つまたは二つのヒートシンクに結合されても良い。従って、例えば、サイクル１とサイクル２の機械的エネルギーの余剰分を用いて、２つの他のサイクルにおいて冷却を実現する、冷却装置を構築しても良い。もちろん、他の方法として、サイクル３とサイクル４が機械的エネルギーの供給に用いられ、サイクル１とサイクル２が冷却プロセス用に用いられても良い。冷却装置に代わるヒートポンプの代替アプリケーションも、言うまでもなく、利用される。例えば、サイクル１とサイクル２を熱パワープロセスとして利用し、サイクル３を冷却装置として利用し、サイクル４をヒートポンプとして利用する装置を構築しても良い。このために、サイクル３とサイクル４の加熱作動ガス領域は、異なる温度レベルのため熱的に分離される必要がある。
装置は、ピストン１上方のシリンダー空間が、第１加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、ピストン６上方のシリンダー空間に連結され、ピストン１下方のシリンダー空間が、第２加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、ピストン６下方のシリンダー空間に連結されるように構築されても良い。加えて、ピストン２上方のシリンダー空間が、第１熱源−蓄熱器−ヒートシンクアセンブリを介して、ピストン７上方のシリンダー空間に連結され、ピストン２下方のシリンダー空間が、第２熱源−蓄熱器−ヒートシンクアセンブリを介して、ピストン７下方のシリンダー空間に連結される。
本発明に従うさらなる装置は、ピストン１上方のシリンダー空間を、第１加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、ピストン７下方のシリンダー空間に連結し、ピストン１下方のシリンダー空間を、第２加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して、ピストン７上方のシリンダー空間に連結する状態にある。加えて、ピストン２上方のシリンダー空間が、第１熱源−蓄熱器−ヒートシンクアセンブリを介して、ピストン６下方のシリンダー空間に連結され、ピストン２下方のシリンダー空間が、第２熱源−蓄熱器−ヒートシンクアセンブリを介して、ピストン６上方のシリンダー空間に連結される。
４サイクル冷却装置のさらなるダブルピストンユニットが、４サイクルモータの２つのダブルピストンユニット用のクランクシャフトの２つのクランクに連結された場合に、２つの４サイクルエンジンの有利な組み合わせが達成される。大出力、異なる温度レベルの良好な分離、シンプルなギアを備えた、滑らかに動く装置が、これにより達成される。
［利点］
・前述した装置により、１回転方向で４つのプロセスを操作することができる。４つの時計回りの熱動力プロセスまたは４つの反時計回り冷却装置プロセスまたはヒートポンププロセス、または２つの時計回り及び２つの反時計回りプロセス。
・例えば、太陽光を利用しまたは植物油で動く、比較的に高効率のシンプルな冷却装置が、部分負荷領域において構築されても良い。熱的に作動される従来型のシステムのＣＯＰは、０．５と１．１の間に位置する（３．５−４．５ＣＯＰ領域の圧縮装置と比較）。
・装置は、冷却と同様に、械的、電気的または熱的エネルギーを供給し得る。設計変更により、あるエネルギー形態の要素が、利用方法に適合されても良い。
位相シフトの実現とエネルギー変換のためのギア装置は、線形発電機―線形モータの形態で実現されても良い。このために、外部の固定されたコイル体または磁石体と相互に作用する磁石体またはコイル体が、ピストンロッドエクステンションに固定される。１つのダブルピストンユニットのエネルギー剰余分は、他のダブルピストンユニットを駆動するために、このようにして利用されても良い。その結果、線形発電機―線形モータシステムは、永久に、発電機作用とモータ作用を繰り返す。
ボクサー形態の２つのダブルピストンユニット装置と組み合わせた線形発電機―線形モータシステムは、有利である。２つのダブルピストンユニットの可動および固定コイル体と磁石体は、部分的にまたは完全に一体化されても良い。単一のクランクシャフトクランクに連結されたＶ配置は、図１およびボクサー形態に従い、ダブルピストンユニット装置とは切り離されて実現されても良い。
大出力、異なる温度レベルの良好な分離、シンプルなギアを備えた、滑らかに動く装置が、達成される。

Claims (2)

  1. 位相シフトで互いに移動する第１ダブルピストンユニットおよび第２ダブルピストンユニットを備えたアルファ型４サイクルスターリング装置であって、前記第１および第２ダブルピストンユニットのそれぞれは、第１および第２膨張ピストン（１、６）と、該第１および第二膨張ピストン（１、６）にピストンロッド（３、８）を介して連結された第１および第２圧縮ピストン（２、７）と、一端が前記第１および第２圧縮ピストン（２、７）に連結され他端が接続部に機械的に連結されたピストンロッドエクステンション（４，９）とを有し、前記第１および第２ダブルピストンユニットは、前記第１および第２膨張ピストンのそれぞれが２つの膨張室のそれぞれで作用し、且つ前記第１および第２圧縮ピストンのそれぞれが２つの圧縮室のそれぞれで作用するように構成されていることを特徴とする４サイクルスターリング装置。
  2. 前記第１膨張ピストン（１）の上方のシリンダー空間は、第１加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して前記第２圧縮ピストン（７）の上方のシリンダー空間に接続され、前記第１膨張ピストン（１）の下方のシリンダー空間は、第２加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して前記第２圧縮ピストン（７）の下方のシリンダー空間に接続され、前記第２膨張ピストン（６）の上方のシリンダー空間は、第３加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して第１圧縮ピストン（２）の下方のシリンダー空間に接続され、前記第２膨張ピストン（６）の下方のシリンダー空間は、第４加熱器−蓄熱器−冷却器アセンブリを介して第１圧縮ピストン（２）の上方のシリンダー空間に接続されていることを特徴とする請求項１記載の４サイクルスターリング装置。
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