JP5632187B2 - Heat engine - Google Patents

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Description

本発明は、互い異なる温度域を持つ作動ガスが保持された空間に、前記温度域の境界としての再生器を設け、この再生器の両側の高温空間及び低温空間の容積変化と作動ガスの移動を利用して熱と動力との変換を行う熱機関、例えばスターリングサイクルに関する。   In the present invention, a regenerator as a boundary of the temperature range is provided in a space in which the working gas having different temperature ranges is held, and the volume change of the high temperature space and the low temperature space on both sides of the regenerator and movement of the working gas are provided. The present invention relates to a heat engine that converts heat and power using, for example, a Stirling cycle.

スターリングサイクルは、燃焼熱源だけでなく、廃熱や太陽熱などの様々な温度差の熱源を利用できることを特徴としているが、異なる温度域の熱源においてそれぞれ最大の出力を得るためには、作動ガスの容積変化量と再生器通過ガス流量とのバランスを温度差に合わせて最適化する必要がある。   The Stirling cycle is characterized by the fact that not only combustion heat sources but also heat sources with various temperature differences such as waste heat and solar heat can be used. It is necessary to optimize the balance between the volume change and the regenerator passing gas flow rate according to the temperature difference.

廃熱や太陽熱などの低温度差熱源においては容積変化量に比べ、再生器通過ガス流量の比率を大きくする必要がある。なぜならば、スターリングサイクルの出力の源泉は、再生器を通過するときのガスの圧力上昇であり、温度差が小さいとガスの通過流量に対する圧力上昇が少なくなるからである。したがって、低温度差熱源から最大の出力を出そうとすれば、高温度差熱源を利用する場合に比較して容積変化量に対する再生器通過ガス流量を増やす必要がある(例えば、下記特許文献1参照)。   In a low temperature difference heat source such as waste heat or solar heat, it is necessary to increase the ratio of the regenerator passing gas flow rate compared to the volume change amount. This is because the source of the output of the Stirling cycle is the increase in pressure of the gas when passing through the regenerator, and if the temperature difference is small, the increase in pressure with respect to the gas flow rate is reduced. Therefore, if the maximum output is to be output from the low temperature difference heat source, it is necessary to increase the regenerator passage gas flow rate with respect to the volume change amount as compared with the case where the high temperature difference heat source is used (for example, Patent Document 1 below). reference).

特開2006−118430号公報JP 2006-118430 A

このように、特に低温度差熱源を利用するスターリングサイクルでは、高温度差熱源を利用する場合に比較して容積変化量に対する再生器通過ガス流量を増やす必要がある。   As described above, particularly in the Stirling cycle using the low temperature difference heat source, it is necessary to increase the regenerator passage gas flow rate with respect to the volume change amount as compared with the case where the high temperature difference heat source is used.

そこで、本発明は、低温度差熱源を利用する際の再生器通過ガス流量を増やすことで、充分な圧力変化を確保できるようにすることを目的としている。   Therefore, an object of the present invention is to ensure a sufficient pressure change by increasing the regenerator passage gas flow rate when using a low temperature difference heat source.

本発明は、互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に、前記温度域の
境界としての再生器を設け、この再生器の両側の高温空間及び低温空間の容積変化と作動
ガスの移動を利用して熱と動力との変換を行う熱機関において、前記作動空間の容積変化
をもたらすとともに、前記作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する第1ピストンを設
け、前記作動ガスを前記高温空間と低温空間との間を移動させる第2及び第3ピストンを
、前記再生器に対して互いに180度の位相差で運動させるよう構成して前記温空間及び温空間にそれぞれ設け、前記第2及び第3ピストンのうちの一方を、前記第1ピスト
ン内に設けたシリンダ部に移動可能に収容し、前記第1ピストンと前記第2及び第3ピス
トンとを180度よりも小さな位相差で運動させるよう設定したことを特徴とする。
The present invention provides a regenerator as a boundary of the temperature range in a working space in which working gases having different temperature ranges are held, and changes in volume of the high temperature space and the low temperature space on both sides of the regenerator and the working gas. In a heat engine that performs conversion between heat and power using movement, a first piston is provided that changes the volume of the working space and transmits power in response to a pressure change of the working gas. respectively the second and third piston to move between the hot space and the cold space, the low-temperature space and high temperature space and configured for moving a phase difference of 180 degrees from each other with respect to the regenerator One of the second and third pistons is movably accommodated in a cylinder portion provided in the first piston, and the first piston and the second and third pistons are smaller than 180 degrees. Characterized by being configured for moving in phase difference.

本発明によれば、互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に対し、作動ガスの容積変化を行わせるとともに作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する第1ピストン及び、作動ガスを高温空間と低温空間との間を移動させる第2,第3ピストンを設けることにより、温度差に応じた必要な再生器通過ガス流量を確保して、充分な圧力変化を確保することができる。   According to the present invention, the first piston that changes the volume of the working gas and transmits the power by receiving the pressure change of the working gas in the working space in which the working gases having different temperature ranges are held, and the working By providing the second and third pistons that move the gas between the high temperature space and the low temperature space, it is possible to ensure the necessary regenerator passing gas flow rate according to the temperature difference and to ensure sufficient pressure change. it can.

また、第2,第3ピストンを対向配置してディスプレーサを構成することで、相互に連結ロッドで連結することで再生器に対する180度の位相差での運動を達成でき、大面積のピストンを使用しても作動ガスの圧力変化を連結ロッドで吸収することができ、クランクシャフトに作用するピストン力を小さく保つことができる。したがって、クランクシャフトの軸径を小さく抑えることができる。   In addition, the displacer is configured with the second and third pistons facing each other. By connecting them with connecting rods, movement with a phase difference of 180 degrees relative to the regenerator can be achieved, and a large area piston is used. Even so, the pressure change of the working gas can be absorbed by the connecting rod, and the piston force acting on the crankshaft can be kept small. Therefore, the shaft diameter of the crankshaft can be kept small.

本発明の第1の実施形態を示す熱機関のクランクシャフトの軸方向から見た断面図である。It is sectional drawing seen from the axial direction of the crankshaft of the heat engine which shows the 1st Embodiment of this invention. 図1のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 本発明の第2の実施形態を示す熱機関のクランクシャフトの軸方向から見た断面図である。It is sectional drawing seen from the axial direction of the crankshaft of the heat engine which shows the 2nd Embodiment of this invention. 図3のB−B断面図である。It is BB sectional drawing of FIG. 本発明の第3の実施形態を示す熱機関のクランクシャフトの軸方向から見た断面図である。It is sectional drawing seen from the axial direction of the crankshaft of the heat engine which shows the 3rd Embodiment of this invention. 図5のC−C断面である。It is CC sectional view of FIG. 本発明の第4の実施形態を示す、図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 which shows the 4th Embodiment of this invention. 参考例を示す、図1に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 1 which shows a reference example.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施形態]
図1,図2は、本発明の第1の実施形態に係わるスターリングサイクルを備える熱機関としてのスターリングエンジンを示している。ハウジング本体1の上部開口にはカバー3を、同下部開口にはクランクケース5をそれぞれ設けてハウジング7を構成している。
[First Embodiment]
1 and 2 show a Stirling engine as a heat engine having a Stirling cycle according to the first embodiment of the present invention. A cover 3 is provided in the upper opening of the housing body 1 and a crankcase 5 is provided in the lower opening to constitute a housing 7.

なお、上記した図1,図2を含めて以下の説明で使用する各図においては、図示簡素化のため、ハウジング本体1、カバー3及びクランクケース5の3つの部材を一体化したものとして示している。   In each drawing used in the following description including FIG. 1 and FIG. 2, the three members of the housing main body 1, the cover 3, and the crankcase 5 are shown as an integrated unit for the sake of simplicity. ing.

ハウジング本体1の図中で上下方向ほぼ中央の熱交換器ハウジング部1aには、熱交換器ユニット9を収容固定している。熱交換器ユニット9は、中央に互いに異なる温度域の境界としての再生器11を、その上下両側に吸熱器13及び放熱器15をそれぞれ設けている。   A heat exchanger unit 9 is accommodated and fixed in the heat exchanger housing portion 1a at the center in the vertical direction in the figure of the housing body 1. The heat exchanger unit 9 is provided with a regenerator 11 as a boundary between different temperature ranges at the center, and a heat absorber 13 and a radiator 15 on both upper and lower sides.

吸熱器13は、図2中で紙面に直交する方向に延びる伝熱管13aを備え、この伝熱管13a内には、熱交換器ハウジング部1aの外部を通して高温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンを装着している。放熱器15も同様に、図2中で紙面に直交する方向に延びる伝熱管15aを備え、この伝熱管15a内には、熱交換器ハウジング部1aの外部を通して低温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンを装着している。一方、再生器11は、金網などを積層して構成している。   The heat absorber 13 includes a heat transfer tube 13a extending in a direction orthogonal to the paper surface in FIG. 2, and a high-temperature heat transfer fluid flows through the outside of the heat exchanger housing portion 1a in the heat transfer tube 13a. Wears multiple fins. Similarly, the radiator 15 includes a heat transfer tube 15a extending in a direction orthogonal to the paper surface in FIG. 2, and a low-temperature heat transfer fluid flows through the outside of the heat exchanger housing portion 1a in the heat transfer tube 15a. A plurality of fins are attached around. On the other hand, the regenerator 11 is formed by laminating a wire mesh or the like.

吸熱器13の図中上部側に位置するハウジング本体1には高温側シリンダ部1bを形成し、この高温側シリンダ部1b内の高温空間17に、第3ピストン(他方のピストンに相当)としての第1ディスプレーサ19を図中で上下方向に移動可能に収容する。一方、放熱器15の図中下部側の位置するハウジング本体1には低温側シリンダ部1cを形成し、この低温側シリンダ部1c内の低温空間20に、第1ピストンとしてのパワーピストン21を図中で上下方向に移動可能に収容する。第1ディスプレーサ19及びパワーピストン21の外周には、ピストンリング23,25をそれぞれ装着している。   A high temperature side cylinder portion 1b is formed in the housing body 1 located on the upper side of the heat absorber 13 in the drawing, and a third piston (corresponding to the other piston) is formed in the high temperature space 17 in the high temperature side cylinder portion 1b. The first displacer 19 is accommodated so as to be movable in the vertical direction in the figure. On the other hand, a low temperature side cylinder portion 1c is formed in the housing body 1 located on the lower side of the radiator 15 in the figure, and a power piston 21 as a first piston is shown in the low temperature space 20 in the low temperature side cylinder portion 1c. It is housed so that it can move vertically. Piston rings 23 and 25 are mounted on the outer circumferences of the first displacer 19 and the power piston 21, respectively.

上記した第1ディスプレーサ19とパワーピストン21とは、外径を同等としてある。また、これら第1ディスプレーサ19とパワーピストン21との間に位置する熱交換器ユニット9は、第1ディスプレーサ19及びパワーピストン21の外周面より径方向外側に突出するよう大きく形成してあり、平面視(図1,図2中で上下方向から見た図)でほぼ正方形状としてある。その際、熱交換器ユニット9の外周縁は、ハウジング本体1の熱交換器ハウジング部1aに対応して形成してある凹部1dに挿入配置している。   The first displacer 19 and the power piston 21 have the same outer diameter. The heat exchanger unit 9 positioned between the first displacer 19 and the power piston 21 is formed so as to protrude radially outward from the outer peripheral surfaces of the first displacer 19 and the power piston 21. As viewed (viewed from above and below in FIGS. 1 and 2), the shape is substantially square. At that time, the outer peripheral edge of the heat exchanger unit 9 is inserted and disposed in a recess 1 d formed corresponding to the heat exchanger housing part 1 a of the housing body 1.

パワーピストン21の熱交換器ユニット9に対向する側には、ピストン収容部となるシリンダ部21aを形成してあり、このシリンダ部21aには、第1ディスプレーサ19よりも外径の小さい、第2ピストン(一方のピストンに相当)としての第2ディスプレーサ27を図中で上下方向に移動可能に収容している。第2ディスプレーサ27の外周にはピストンリング29を装着している。   A cylinder portion 21 a serving as a piston accommodating portion is formed on the side of the power piston 21 facing the heat exchanger unit 9, and the cylinder portion 21 a has a second outer diameter smaller than that of the first displacer 19. A second displacer 27 as a piston (corresponding to one piston) is accommodated so as to be movable in the vertical direction in the figure. A piston ring 29 is attached to the outer periphery of the second displacer 27.

第1ディスプレーサ19と第2ディスプレーサ27とは、熱交換器ユニット9の中心に設けた貫通孔9aに対して軸方向(図1中で上下方向)に移動可能に貫通する連結ロッド31により互いに連結している。そして、第2ディスプレーサ27は、クランクケース5内にて回転可能に収容しているクランクシャフト33に1本のコネクティングロッド35を介して連結している。   The first displacer 19 and the second displacer 27 are connected to each other by a connecting rod 31 penetrating through a through hole 9a provided in the center of the heat exchanger unit 9 so as to be movable in the axial direction (vertical direction in FIG. 1). doing. The second displacer 27 is connected to a crankshaft 33 rotatably accommodated in the crankcase 5 via a single connecting rod 35.

したがって、第1ディスプレーサ19と第2ディスプレーサ27とは、一方が上死点に位置するときに他方が下死点に位置することになり、熱交換器ユニット9に対して互いに180度の位相差で運動する二つのピストンで構成していることになる。   Accordingly, when one of the first displacer 19 and the second displacer 27 is located at the top dead center, the other is located at the bottom dead center, and the phase difference of 180 degrees relative to the heat exchanger unit 9 is obtained. It consists of two pistons that move in

一方、パワーピストン21は、第1ディスプレーサ19に対し180度よりも小さい位相差、例えば90度の位相差で運動するように、2本のコネクティングロッド37を介してクランクシャフト33に連結している。   On the other hand, the power piston 21 is connected to the crankshaft 33 via the two connecting rods 37 so as to move with a phase difference smaller than 180 degrees relative to the first displacer 19, for example, a phase difference of 90 degrees. .

ここで、シリンダ部21aを内部に備えるパワーピストン21は、円筒形状の周壁部21bと、円板状の底壁部21cと、周壁部21bの底壁部21cと反対側の熱交換器ユニット9に対向する位置にあるピストン頂部21dとを備えている。   Here, the power piston 21 including the cylinder part 21a includes a cylindrical peripheral wall part 21b, a disk-shaped bottom wall part 21c, and a heat exchanger unit 9 on the opposite side of the peripheral wall part 21b from the bottom wall part 21c. And a piston top portion 21d located at a position opposite to.

そして、上記底壁部21cの中心に設けた貫通孔21c1には、第2ディスプレーサ27の下面中央に取り付けた連結具39を、図中で上下方向に移動可能に挿入し、連結具39に取り付けたピストンピン41に、前記したコネクティングロッド35の小端部35aを回転可能に連結している。   A connecting tool 39 attached to the center of the lower surface of the second displacer 27 is inserted into the through hole 21c1 provided in the center of the bottom wall portion 21c so as to be movable in the vertical direction in the figure, and attached to the connecting tool 39. The small end portion 35a of the connecting rod 35 is rotatably connected to the piston pin 41.

また、図2に示すように、パワーピストン21の底壁部21cの外周側におけるクランクシャフト33に対応する位置には、クランクシャフト33側に向けて突出するボス部21eを形成し、このボス部21eに設けたピストンピン43に、前記したコネクティングロッド37の小端部37aを回転可能に連結している。   Further, as shown in FIG. 2, a boss portion 21e protruding toward the crankshaft 33 is formed at a position corresponding to the crankshaft 33 on the outer peripheral side of the bottom wall portion 21c of the power piston 21, and this boss portion is formed. The small end portion 37a of the connecting rod 37 is rotatably connected to a piston pin 43 provided on 21e.

上記したコネクティングロッド35及び2本のコネクティングロッド37のそれぞれの大端部35b及び37bは環状に形成してあり、この環状の大端部35b及び37b内に、クランクシャフト33に対し偏心して形成してある偏心円板部33a及び33bを回転可能に連結している。   The large ends 35b and 37b of the connecting rod 35 and the two connecting rods 37 are formed in an annular shape, and are formed eccentrically with respect to the crankshaft 33 in the annular large ends 35b and 37b. The eccentric disc parts 33a and 33b are connected rotatably.

以上より、クランクシャフト33の回転により、1本のコネクティングロッド35を介して第1,第2ディスプレーサ19,27が、互いに180度の位相差で運動すると同時に、2本のコネクティングロッド37を介してパワーピストン21が、第1ディスプレーサ19に対し180度よりも小さい位相差、例えば90度の位相差で運動する。   As described above, the rotation of the crankshaft 33 causes the first and second displacers 19 and 27 to move with a phase difference of 180 degrees through the one connecting rod 35 and simultaneously through the two connecting rods 37. The power piston 21 moves with respect to the first displacer 19 with a phase difference smaller than 180 degrees, for example, a phase difference of 90 degrees.

そして、吸熱器13と第1ディスプレーサ19との間に、吸熱器33にて加熱された作動ガスが膨脹する前記した高温空間17が、放熱器15と第2ディスプレーサ27及びパワーピストン21との間には、放熱器15にて放熱された作動ガスが圧縮される前記した低温空間20がそれぞれ形成される。この高温空間17と低温空間20との間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹、圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。   The high-temperature space 17 in which the working gas heated by the heat absorber 33 expands between the heat absorber 13 and the first displacer 19 is between the heat radiator 15, the second displacer 27, and the power piston 21. The above-described low-temperature spaces 20 are formed in which the working gas radiated by the radiator 15 is compressed. Between the high temperature space 17 and the low temperature space 20, the working gas is moved and the expansion and compression of the working gas are repeated to convert heat and power.

ここで、上記したハウジング本体1と、第1ディスプレーサ19及びパワーピストン21とに囲まれた領域が、ヘリウムなどの作動ガスが密閉状態で封入される作動空間となる。この際、パワーピストン21は、低温空間20に対し作動ガスの容積変化をもたらすとともに、作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する機能を備えている。一方、第1,第2ディスプレーサ19,27は、作動ガスを高温空間17及び低温空間20相互間で移動させる機能を備えている。   Here, a region surrounded by the housing main body 1, the first displacer 19, and the power piston 21 is a working space in which a working gas such as helium is sealed in a sealed state. At this time, the power piston 21 has a function of changing the volume of the working gas with respect to the low temperature space 20 and transmitting power by receiving a pressure change of the working gas. On the other hand, the first and second displacers 19 and 27 have a function of moving the working gas between the high temperature space 17 and the low temperature space 20.

なお、第1,第2ディスプレーサ19,27は外径が互いに異なっていることから、ディスプレーサとして機能するだけでなく、容積変化をもたらすパワーピストンとしても機能している。   Since the first and second displacers 19 and 27 have different outer diameters, they function not only as a displacer but also as a power piston that causes a volume change.

作動ガスの圧力変化に基づくパワーピストン21の往復運動をクランクシャフト33が回転運動として外部に取り出すことで、本スターリングサイクルはエンジンとなり、逆にクランクシャフト33に外部からモータなどの駆動手段によって回転させてパワーピストン21を往復移動させることで、吸熱器13及び放熱器15を貫通する伝熱管13a及び15a内を流れる伝熱流体を介して外部に温熱や冷熱を供給するヒートポンプや冷凍機となる。   The reciprocating motion of the power piston 21 based on the pressure change of the working gas is taken out as a rotational motion by the crankshaft 33, so that the present Stirling cycle becomes an engine. By reciprocating the power piston 21, a heat pump or a refrigerator that supplies hot and cold heat to the outside via the heat transfer fluid flowing through the heat transfer tubes 13 a and 15 a that penetrate the heat absorber 13 and the heat radiator 15 is obtained.

上記した第1の実施形態によるスターリングサイクルでは、第1ディスプレーサ19と第2ディスプレーサ27とが熱交換器ユニット9に対して180度の位相差で往復移動する際に、パワーピストン21が往復移動して作動空間の容積変化をもたらすことになる。このため、高温空間17と低温空間20とは、実質的に180度以外の位相差で容積変化することと等価となる。   In the Stirling cycle according to the first embodiment described above, when the first displacer 19 and the second displacer 27 reciprocate with a phase difference of 180 degrees with respect to the heat exchanger unit 9, the power piston 21 reciprocates. As a result, the volume of the working space is changed. For this reason, the high temperature space 17 and the low temperature space 20 are substantially equivalent to a volume change with a phase difference other than 180 degrees.

作動空間の容積変化による作動ガスの膨脹,圧縮により、熱と動力との変換が行われ、このとき作動ガスは、吸熱器13、再生器11及び放熱器15を順次往復流となって通過する際に、吸熱器13及び放熱器15にて熱交換を行うと同時に、再生器11を通過する作動ガスの移動が行われる。   Heat and power are converted by the expansion and compression of the working gas due to the volume change of the working space. At this time, the working gas passes through the heat absorber 13, the regenerator 11 and the radiator 15 as a reciprocating flow sequentially. At the same time, the heat absorber 13 and the radiator 15 perform heat exchange, and at the same time, the working gas passing through the regenerator 11 is moved.

この際、本実施形態では、互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に対し、作動ガスの容積変化を行わせるとともに作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達するパワーピストン21及び、作動ガスを高温空間17と低温空間20との間を移動させる第1,第2ディスプレーサ19,27を設けることにより、温度差に応じた必要な再生器通過ガス流量を確保して、充分な圧力変化を確保することができる。   In this case, in the present embodiment, the power piston 21 that causes the working space in which the working gases having different temperature ranges are held to change the volume of the working gas and transmits the power by receiving the pressure change of the working gas, and By providing the first and second displacers 19 and 27 for moving the working gas between the high-temperature space 17 and the low-temperature space 20, a necessary regenerator passage gas flow rate corresponding to the temperature difference can be ensured and sufficient. A pressure change can be secured.

このように、高温空間17と低温空間20とを、実質的に180度以外の例えば150度前後の位相差で容積変化させる際には、パワーピストン27の行程容積が各ディスプレーサ19,27のそれより小さいので、高温空間17と低温空間20の容積変化の位相差は、実質的に大きくすることができる。これにより、パワーピストン21は、第1ディスプレーサ19に対して90度の位相差で相対移動可能となるようクランクシャフト33に連結すればよいので、クランクシャフト33の設定は容易であり、低温度差型のスターリングサイクルであっても、高温度差型と理論上同等な最大出力を得ることが容易に可能となる。   Thus, when changing the volume of the high temperature space 17 and the low temperature space 20 with a phase difference of substantially 150 degrees other than 180 degrees, the stroke volume of the power piston 27 is that of each displacer 19, 27. Since it is smaller, the phase difference of the volume change between the high temperature space 17 and the low temperature space 20 can be substantially increased. Accordingly, the power piston 21 may be connected to the crankshaft 33 so as to be movable relative to the first displacer 19 with a phase difference of 90 degrees. Therefore, the setting of the crankshaft 33 is easy, and the low temperature difference Even in a Stirling cycle of a mold, it is possible to easily obtain a maximum output that is theoretically equivalent to a high temperature difference mold.

また、この場合、熱交換器ユニット9を薄型化して表面積を大きくしコンパクト化を図っても、熱交換器ユニット9に対する第1ディスプレーサ19と第2ディスプレーサ27との位相差が180度、つまり各ディスプレーサ19,27相互が一体移動する構成であることから、高温空間17と低温空間20との間の作動ガスの移動がより確実になり、また流路抵抗の低減および圧力損失も低減することから、高速回転が容易となる。高回転化及びコンパクト化が達成されることで、特に、地熱などの自然エネルギや産業廃棄熱を有効利用可能な低温度差型のスターリングエンジンに最適なものとなる。   Further, in this case, even if the heat exchanger unit 9 is thinned to increase the surface area and reduce the size, the phase difference between the first displacer 19 and the second displacer 27 with respect to the heat exchanger unit 9 is 180 degrees, that is, each Since the displacers 19 and 27 are configured to move together, the movement of the working gas between the high temperature space 17 and the low temperature space 20 becomes more reliable, and the flow resistance and pressure loss are also reduced. , High speed rotation becomes easy. Achievement of high rotation and compactness is particularly suitable for low temperature difference type Stirling engines that can effectively use natural energy such as geothermal heat and industrial waste heat.

上記した第1の実施形態によるスターリングサイクルでは、パワーピストン21のピストン頂部21dによる受圧面積を、内部にシリンダ部21aを形成することで第1ディスプレーサ19の受圧面積より小さくしている。その際、パワーピストン21の支持構造として、2本のコネクティングロッド37により外周側の2箇所を連結支持することで、小さい受圧面積であっても構造の複雑化を抑制しつつ支持をより確実にすることができる。   In the Stirling cycle according to the first embodiment described above, the pressure receiving area by the piston top portion 21d of the power piston 21 is made smaller than the pressure receiving area of the first displacer 19 by forming the cylinder portion 21a therein. At that time, as the support structure of the power piston 21, the two connecting rods 37 are connected and supported at two locations on the outer peripheral side, thereby supporting the support more reliably while suppressing the complication of the structure even with a small pressure receiving area. can do.

また、本実施形態では、二つのピストンで構成した第1,第2ディスプレーサ19,27相互を、連結ロッド31で互いに連結している。このため、第1ディスプレーサ19と第2ディスプレーサ27に掛かるピストン力は連結ロッド31で吸収され、各ディスプレーサ19,27の面積差分のみクランクシャフト33に作用することから、機械損失が低減して高速回転が容易となる。   In the present embodiment, the first and second displacers 19 and 27 formed by two pistons are connected to each other by the connecting rod 31. For this reason, the piston force applied to the first displacer 19 and the second displacer 27 is absorbed by the connecting rod 31, and only the area difference between the displacers 19 and 27 acts on the crankshaft 33. Therefore, the mechanical loss is reduced and high-speed rotation is achieved. Becomes easy.

その際、本実施形態では、二つのピストンで構成した第1,第2ディスプレーサ19,27相互を、これらの中心にて1本の連結ロッド31で互いに連結している。ここで、膨張側の第1ディスプレーサ19は、圧縮側の第2ディスプレーサ27に対して高温(例えば300℃)となり、したがって第2ディスプレーサ27との間で熱膨張差が発生する。   At this time, in the present embodiment, the first and second displacers 19 and 27 constituted by two pistons are connected to each other by a single connecting rod 31 at their centers. Here, the first displacer 19 on the expansion side has a higher temperature (for example, 300 ° C.) than the second displacer 27 on the compression side, so that a difference in thermal expansion occurs between the first displacer 27 and the second displacer 27.

しかしながら、第1,第2ディスプレーサ19,27相互の中心を1本の連結ロッド31で連結していることから、連結ロッド31の傾きや、連結ロッド31と熱交換器ユニット9の貫通孔9aとの間など部品相互の干渉もしくは摺動抵抗を抑え、第1,第2ディスプレーサ19,27の往復運動についても摩擦抵抗が低減されて効率よくなされることになる。   However, since the centers of the first and second displacers 19 and 27 are connected by one connecting rod 31, the inclination of the connecting rod 31, the through-hole 9 a of the connecting rod 31 and the heat exchanger unit 9, and Interference or sliding resistance between components, such as between, is suppressed, and the reciprocating motion of the first and second displacers 19 and 27 is also efficiently performed with reduced frictional resistance.

また、連結ロッド31が1本であることから、その分組立誤差が減少し、組立作業性が向上する上、部品点数も削減され、加工精度の要求も小さくなって、コスト低下に有効となる。   In addition, since there is only one connecting rod 31, the assembly error is reduced accordingly, the assembly workability is improved, the number of parts is reduced, the processing accuracy requirement is reduced, and the cost is reduced. .

例えば、図8に示す参考例の熱機関では、2つのディスプレーサ101,103相互を2本の連結ロッド105,107で連結している。この場合、一方のディスプレーサ103に形成したシリンダ部103a内にパワーピストン109を収容することになる。   For example, in the heat engine of the reference example shown in FIG. 8, two displacers 101 and 103 are connected to each other by two connecting rods 105 and 107. In this case, the power piston 109 is accommodated in the cylinder portion 103 a formed on the one displacer 103.

このように、2つのディスプレーサ101,103を2本の連結ロッド105,107で連結する構成では、2つのディスプレーサ101,103相互の熱膨張差によって連結ロッド105,107相互の間隔が不均一になって連結ロッド105,107が傾くことになる。その結果、連結ロッド105,107と熱交換ユニット9の貫通孔9aとの間など部品相互が干渉もしくは摺動抵抗が増大する恐れがある。   As described above, in the configuration in which the two displacers 101 and 103 are connected by the two connecting rods 105 and 107, the distance between the connecting rods 105 and 107 becomes non-uniform due to the difference in thermal expansion between the two displacers 101 and 103. Accordingly, the connecting rods 105 and 107 are inclined. As a result, there is a risk that components such as between the connecting rods 105 and 107 and the through hole 9a of the heat exchange unit 9 may interfere with each other or increase sliding resistance.

[第2の実施形態]
第2の実施形態は、図3,図4に示すように、前記図1のパワーピストン21に相当するパワーピストン21Aの外径を、図1のパワーピストン21よりも外径を大きくすることで、パワーピストン21Aの外径を第1ディスプレーサ19の外径より大きくしている。このためパワーピストン21Aを収容しているハウジング本体1の低温側シリンダ部1cの直径が、図1の同直径より大きくなっており、これに対応してクランクケース5も大きくなっている。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, as shown in FIGS. 3 and 4, the outer diameter of the power piston 21A corresponding to the power piston 21 of FIG. 1 is made larger than that of the power piston 21 of FIG. The outer diameter of the power piston 21A is made larger than the outer diameter of the first displacer 19. For this reason, the diameter of the low temperature side cylinder part 1c of the housing main body 1 which accommodates the power piston 21A is larger than the same diameter of FIG. 1, and the crankcase 5 is also correspondingly large.

なお、第2の実施形態では、図1の構造において、パワーピストン21の外径はそのままで、第1ディスプレーサ19の外径をパワーピストン21の外径よりより小さくしてもよい。   In the second embodiment, the outer diameter of the power piston 21 may be left as it is in the structure of FIG. 1, and the outer diameter of the first displacer 19 may be made smaller than the outer diameter of the power piston 21.

その他の構成は第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付してある。但し、パワーピストン21Aの各部については、図1の符号に「A」を付加している。   Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same reference numerals are given to the same components as those of the first embodiment. However, “A” is added to the reference numerals in FIG. 1 for each part of the power piston 21A.

ここで、パワーピストン21は、2本のコネクティングロッド37でクランクシャフト33に連結しているが、第1ディスプレーサ19については、1本のコネクティングロッド35でクランクシャフト33に連結している。このため、パワーピストン21と第1ディスプレーサ19とが同径の場合には、これらに作用するピストン力が同等となり、第1,第2ディスプレーサ19,27の駆動系はパワーピストン21の駆動系に比較して負担が2倍大きくなる。   Here, the power piston 21 is connected to the crankshaft 33 by the two connecting rods 37, but the first displacer 19 is connected to the crankshaft 33 by the single connecting rod 35. For this reason, when the power piston 21 and the first displacer 19 have the same diameter, the piston force acting on them is equivalent, and the drive system of the first and second displacers 19 and 27 is changed to the drive system of the power piston 21. In comparison, the burden is twice as large.

しかしながら、本実施形態では、パワーピストン21Aの外径を第1ディスプレーサ19の外径より大きくすることで、パワーピストン21Aが負担するピストン力を相対的に大きくでき、第1,第2ディスプレーサ19,27の双方に作用するピストン力を軽減させることができる。   However, in the present embodiment, by making the outer diameter of the power piston 21A larger than the outer diameter of the first displacer 19, the piston force borne by the power piston 21A can be relatively increased, and the first and second displacers 19, 27 can reduce the piston force acting on both.

ここで、パワーピストンの面積=C×(第1ディスプレーサの面積−第2ディスプレーサの面積)とし、C=パワーピストンの支持点数/ディスプレーサの支持点数とすると、各支持点における荷重を等しくすることができる。   Here, assuming that the area of the power piston = C × (the area of the first displacer−the area of the second displacer) and C = the number of support points of the power piston / the number of support points of the displacer, the load at each support point can be made equal. it can.

したがって、この場合第1,第2ディスプレーサ19,27の双方に作用するピストン力と、パワーピストン21Aに作用するピストン力とをより均衡させることができ、1本のコネクティングロッド35に作用する力をより軽減することができる。   Therefore, in this case, the piston force acting on both the first and second displacers 19 and 27 and the piston force acting on the power piston 21A can be more balanced, and the force acting on one connecting rod 35 can be increased. It can be reduced more.

特に、パワーピストン21Aの外径を第1ディスプレーサ19の外径より大きくするとともに、さらに、図3に示すように第2ディスプレーサ27の外径を第1ディスプレーサ19の外径より小さくすることで、第1,第2ディスプレーサ19,27の双方に作用するピストン力と、パワーピストン21Aに作用するピストン力とをより一層均衡させることができる。   In particular, by making the outer diameter of the power piston 21A larger than the outer diameter of the first displacer 19, and further making the outer diameter of the second displacer 27 smaller than the outer diameter of the first displacer 19 as shown in FIG. The piston force acting on both the first and second displacers 19 and 27 and the piston force acting on the power piston 21A can be further balanced.

また、第2の実施形態において、第2ディスプレーサ27の外径を大きくして第1ディスプレーサ19の外径と同等とした場合には、第1,第2ディスプレーサ19,27はディスプレーサとしてのみ機能することになり、ピストン力をパワーピストン21Aのみに作用させることができる。   In the second embodiment, when the outer diameter of the second displacer 27 is increased to be equal to the outer diameter of the first displacer 19, the first and second displacers 19 and 27 function only as a displacer. That is, the piston force can be applied only to the power piston 21A.

[第3の実施形態]
第3の実施形態は、図5,図6に示すように、図1または図3の構造に対し、第1ディスプレーサ19の熱交換器ユニット9と反対側に第2の熱交換器ユニット90を配置するとともに、第2の熱交換器ユニット90の第1ディスプレーサ19と反対側に第2パワーピストン210及び第3ディスプレーサ270を配置している。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, a second heat exchanger unit 90 is provided on the opposite side of the heat exchanger unit 9 of the first displacer 19 with respect to the structure of FIG. 1 or FIG. 3. The second power piston 210 and the third displacer 270 are disposed on the opposite side of the second heat exchanger unit 90 from the first displacer 19.

第2パワーピストン210は、パワーピストン21のシリンダ部21aに相当するシリンダ部210aを備えている。このシリンダ部210aに往復移動可能に収容した第3ディスプレーサ270と第1ディスプレーサ19とは、第2連結ロッド310によって互いに連結している。したがって、第1ディスプレーサ19及び第2ディスプレーサ27と第3ディスプレーサ270とは、互いに一体となって往復移動する。   The second power piston 210 includes a cylinder part 210 a corresponding to the cylinder part 21 a of the power piston 21. The third displacer 270 and the first displacer 19 accommodated in the cylinder portion 210a so as to be reciprocally movable are connected to each other by the second connecting rod 310. Accordingly, the first displacer 19, the second displacer 27, and the third displacer 270 reciprocate integrally with each other.

また、ここでのパワーピストン21は、第2の実施形態のパワーピストン21Aのように第1ディスプレーサ19よりも外径を大きくしてあり、第2パワーピストン210の外径はパこのワーピストン21の外径と同等としている。   The power piston 21 here has an outer diameter larger than that of the first displacer 19 like the power piston 21A of the second embodiment, and the outer diameter of the second power piston 210 is the power piston 21. It is equivalent to the outer diameter.

ここでこれらパワーピストン21及び第2パワーピストン210の外径は、上述したように第1ディスプレーサ19の外径より大きく、かつ平面視でほぼ正方形状とした熱交換器ユニット9,90の一辺の長さより大きくしており、各パワーピストン21,210の外周縁部を、第1ディスプレーサ19及び熱交換器ユニット9,90の外周縁部より外側へ突出させている。   Here, the outer diameters of the power piston 21 and the second power piston 210 are larger than the outer diameter of the first displacer 19 as described above, and are substantially equal to one side of the heat exchanger units 9 and 90 having a square shape in plan view. The outer peripheral edge portion of each power piston 21, 210 protrudes outward from the outer peripheral edge portions of the first displacer 19 and the heat exchanger units 9, 90.

そして、この外側へ突出した部分の各パワーピストン21,210相互を、複数の例え4本のパワーピストン連結ロッド47によって互いに連結している。したがって、ここでの各パワーピストン21,210は、互いに一体となって往復運動することになる。上記4本のパワーピストン連結ロッド47は、ハウジング本体1の熱交換器ハウジング部1aに、上下方向に貫通して形成してあるハウジング貫通孔1a1に移動可能に挿入してある。   The power pistons 21 and 210 of the portion protruding outward are connected to each other by a plurality of, for example, four power piston connecting rods 47. Accordingly, the power pistons 21 and 210 here reciprocate integrally with each other. The four power piston connecting rods 47 are movably inserted into a housing through hole 1a1 formed in the heat exchanger housing part 1a of the housing body 1 so as to penetrate in the vertical direction.

したがって、本実施形態では、第1,第2ディスプレーサ19,27及びパワーピストン21をそれぞれ備えた一つの熱機関ユニット49と、第1,第3ディスプレーサ19,270及び第2パワーピストン210をそれぞれ備えた他の一つの熱機関ユニット51とを、ピストン移動方向に複数積層していることになる。この際、互いに隣接する熱機関ユニット49,51相互間に位置する第1ディスプレーサ19は、各熱機関ユニット49,51相互で共用していることになる。   Accordingly, in the present embodiment, one heat engine unit 49 provided with the first and second displacers 19 and 27 and the power piston 21 respectively, and the first and third displacers 19 and 270 and the second power piston 210 are provided. A plurality of other heat engine units 51 are stacked in the piston moving direction. At this time, the first displacer 19 positioned between the heat engine units 49 and 51 adjacent to each other is shared by the heat engine units 49 and 51.

このように隣り合う熱機関ユニット49,51相互がピストン(第1ディスプレーサ19)を共用して、構造の簡素化を図りつつ、このスターリングサイクルをエンジンサイクルとして使用する場合には、標準化されたモジュールを適宜積層することで、必要とする出力を容易に得ることができ、さらに、ヒートポンプサイクルや冷凍サイクルを適宜組み合わせることで、多様な熱源および出力温度に対応した複合サイクルを実現することができる。   When the Stirling cycle is used as an engine cycle while the adjacent heat engine units 49 and 51 share the piston (first displacer 19) and simplify the structure, a standardized module is used. By appropriately stacking, it is possible to easily obtain the required output, and further, by appropriately combining the heat pump cycle and the refrigeration cycle, it is possible to realize a combined cycle corresponding to various heat sources and output temperatures.

なお、上記図5の例においては、熱機関ユニット49,51を二つとしたが、これを
さらに三つ四つと増加させることも可能である。
In the example of FIG. 5 described above, the two heat engine units 49 and 51 are used. However, it is possible to increase the number to three or four.

また、上記図5の例において、パワーピストン21と第2パワーピストン210とをパワーピストン連結ロッド47で連結せずに、第2パワーピストン210を、パワーピストン21と同様に2本のコネクティングロッド及びクランクシャフトを別途設定して往復移動させるようにしてもよい。その場合においても、パワーピストン21,210相互は、互いに180度位相差で運動させることはもちろんである。   In the example of FIG. 5 described above, the power piston 21 and the second power piston 210 are not connected by the power piston connecting rod 47, and the second power piston 210 is connected to the two connecting rods and the power piston 21 in the same manner as the power piston 21. A crankshaft may be separately set and reciprocated. Even in this case, the power pistons 21 and 210 can move with a phase difference of 180 degrees.

[第4の実施形態]
第4の実施形態は、図7に示すように、前記した各実施形態で使用していたクランクシャフト33に代えてリニア発電機ユニット(リニア電動機でもよい)53を使用している。リニア発電機ユニット53は、第2ディスプレーサ27に連結した1本コネクティングロッド55に対応するリニア発電機57と、パワーピストン21に連結した2本コネクティングロッド59に対応するリニア発電機61,63とを備えている。
[Fourth Embodiment]
As shown in FIG. 7, the fourth embodiment uses a linear generator unit (or a linear motor) 53 instead of the crankshaft 33 used in each of the above-described embodiments. The linear generator unit 53 includes a linear generator 57 corresponding to the single connecting rod 55 connected to the second displacer 27 and linear generators 61 and 63 corresponding to the two connecting rods 59 connected to the power piston 21. I have.

これら各リニア発電機57,61,63は同等の構成であり、クランクケース5側に固定したコイルを有するステータ65と、ステータ65内にて図7中で上下方向に移動可能な移動体となるプランジャ67とを備えている。各プランジャ67は、コネクティングロッド55,59にそれぞれ一体化して設けてある。   Each of these linear generators 57, 61, 63 has the same configuration, and becomes a stator 65 having a coil fixed to the crankcase 5 side, and a movable body movable in the vertical direction in FIG. And a plunger 67. Each plunger 67 is provided integrally with the connecting rods 55 and 59, respectively.

また、第1ディスプレーサ19とカバー3側の内面に設けたスプリング受69との間にはスプリング71を、パワーピストン21とクランクケース5側の内面に設けたスプリング受73との間にはスプリング75をそれぞれ設けている。これら各スプリング71,75は、第1ディスプレーサ19,パワーピストン21をそれぞれ中立位置(ピストン移動行程の中間位置)に保持するように機能している。   A spring 71 is provided between the first displacer 19 and a spring receiver 69 provided on the inner surface on the cover 3 side, and a spring 75 is provided between the power piston 21 and a spring receiver 73 provided on the inner surface on the crankcase 5 side. Are provided. Each of these springs 71 and 75 functions to hold the first displacer 19 and the power piston 21 at the neutral position (intermediate position of the piston movement stroke).

この場合、作動ガスの圧力変化に基づいて、パワーピストン21及び第1,第2ディスプレーサ19,27が往復運動することで、各プランジャ67がステータ65内を往復移動してリニア発電機57,61,63が発電する。このとき、スプリング71,75は強制振動されてパワーピストン21及び第1,第2ディスプレーサ19,27の往復運動を補完する。その際、第1,第2ディスプレーサ19,27とパワーピストン21とが、前記した各実施形態と同様に、180度よりも小さい例えば90度の位相差で運動するように、第1,第2ディスプレーサ19,27とパワーピストン21の質量及び、各スプリング71,75のばね定数の調整を行う。   In this case, the power piston 21 and the first and second displacers 19 and 27 reciprocate based on the pressure change of the working gas, so that each plunger 67 reciprocates in the stator 65 and the linear generators 57 and 61. 63 generate electricity. At this time, the springs 71 and 75 are forcibly vibrated to complement the reciprocating motion of the power piston 21 and the first and second displacers 19 and 27. At this time, the first and second displacers 19 and 27 and the power piston 21 are moved with a phase difference of, for example, 90 degrees smaller than 180 degrees as in the above-described embodiments. The masses of the displacers 19 and 27 and the power piston 21 and the spring constants of the springs 71 and 75 are adjusted.

逆に、リニア発電機ユニット53をリニア電動機として利用する場合には、リニア発電機57,61,63がリニア電動機となり、該リニア電動機に交流電源から通電することで第1,第2ディスプレーサ19,27とパワーピストン21を往復移動させる。これにより、吸熱器13及び放熱器15を貫通する伝熱管13a及び15a内を流れる伝熱流体を介して外部に温熱や冷熱を供給するヒートポンプや冷凍機となる。   On the other hand, when the linear generator unit 53 is used as a linear motor, the linear generators 57, 61, 63 become linear motors, and the first and second displacers 19, 27 and the power piston 21 are reciprocated. Thereby, it becomes a heat pump or a refrigerator that supplies warm and cold heat to the outside through the heat transfer fluid flowing in the heat transfer tubes 13a and 15a that penetrate the heat absorber 13 and the radiator 15.

11 再生器
17 高温空間
19 第1ディスプレーサ(第3ピストン,他方のディスプレーサ)
20 低温空間
21,21A パワーピストン(第1ピストン)
21a シリンダ部
27 第2ディスプレーサ(第2ピストン,一方のディスプレーサ)
31 連結ロッド
49,51 熱機関ユニット
210 第2パワーピストン
270 第3ディスプレーサ
11 Regenerator 17 High-temperature space 19 First displacer (third piston, other displacer)
20 Low temperature space 21, 21A Power piston (first piston)
21a Cylinder part 27 2nd displacer (2nd piston, one displacer)
31 connecting rod 49, 51 heat engine unit 210 second power piston 270 third displacer

Claims (5)

互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に、前記温度域の境界としての再生器を設け、この再生器の両側の高温空間及び低温空間の容積変化と作動ガスの移動を利用して熱と動力との変換を行う熱機関において、前記作動空間の容積変化をもたらすとともに、前記作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する第1ピストンを設け、前記作動ガスを前記高温空間と低温空間との間を移動させる第2及び第3ピストンを、前記再生器に対して互いに180度の位相差で運動させるよう構成して前記温空間及び温空間にそれぞれ設け、前記第2及び第3ピストンのうちの一方を、前記第1ピストン内に設けたシリンダ部に移動可能に収容し、前記第1ピストンと前記第2及び第3ピストンとを180度よりも小さな位相差で運動させるよう設定したことを特徴とする熱機関。 A regenerator is provided as a boundary of the temperature region in a working space in which working gases having different temperature regions are held, and the change in volume of the high and low temperature spaces on both sides of the regenerator and the movement of the working gas are utilized. In the heat engine for converting heat and power, there is provided a first piston that changes the volume of the working space, transmits power in response to a pressure change of the working gas, and converts the working gas to the high-temperature space. the second and third piston to move between a cold space, and configured for moving a phase difference of 180 degrees from each other with respect to the regenerator respectively to the low temperature space and high temperature space, the second And one of the third pistons is movably accommodated in a cylinder portion provided in the first piston, and the first piston and the second and third pistons are operated with a phase difference smaller than 180 degrees. Heat engine, characterized in that set so as to. 前記第2,第3ピストン相互を、連結ロッドで連結したことを特徴とする請求項1に記載の熱機関。   The heat engine according to claim 1, wherein the second and third pistons are connected to each other by a connecting rod. 前記第2,第3ピストン相互を、これら各ピストンの中心にて1本の連結ロッドで連結したことを特徴とする請求項2に記載の熱機関。   The heat engine according to claim 2, wherein the second and third pistons are connected to each other by a single connecting rod at the center of each piston. 前記第1ピストンの直径を、前記第2,第3ピストンのうちの他方のピストンの直径より大きくしたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の熱機関。   4. The heat engine according to claim 1, wherein a diameter of the first piston is made larger than a diameter of the other of the second and third pistons. 前記第2,第3ピストン及び前記第1ピストンをそれぞれ備えた一つの熱機関ユニットを、ピストン移動方向に複数積層し、この複数の熱機関ユニットの隣接するもの相互間に、この各熱機関ユニット相互で共用する一つのピストンを、前記第2,第3ピストンのうちの他方として配置したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の熱機関。   A plurality of heat engine units each including the second and third pistons and the first piston are stacked in the piston moving direction, and each heat engine unit is disposed between adjacent ones of the plurality of heat engine units. The heat engine according to any one of claims 1 to 4, wherein one piston shared with each other is arranged as the other of the second and third pistons.
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