JP5918173B2 - スターリングサイクルマシン - Google Patents
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Description
本出願は、2007年4月23日に出願した仮特許出願番号60/925,818号で発明の名称が「4気筒のスターリングエンジン」と、2007年4月23日に出願した仮特許出願番号60/925,814号で発明の名称が「ロッキングビーム駆動装置」の優先権主張をすると共に、両出願が参照によって本出願に組込まれる。
ここでは図2から図4を参照して、スターリングサイクルマシンの実施形態は、1個の実施形態によって、断面図で示される。エンジンの実施形態は、数字300で一般に示される。スターリングサイクルマシンは図2から図4に示されるスターリングエンジン300の実施形態に関して一般に記述されている。しかし、冷凍機とコンプレッサを含むが、これらに限定されない多くの型式の機械とエンジンは、ここに記述される外燃機関と内燃機関を含んでいるが、これらに限定されない様々な実施形態や改良から同様に利益を得ることが了解される。
ここでは図8と図11を参照する。図11は、クランク軸814の1回転におけるピストン802、804、806、808の動作を示す。クランク軸814の1/4回転で、ピストン802がそのシリンダの頂上にあり、別名上死点として知られている。ピストン806は上向きのミッドストローク(midstroke)にある。ピストン804は、そのシリンダの底にあり、別名下死点として知られている。また、ピストン808は下方へのミッドストロークにある。クランク軸814の1/2回転で、ピストン802は下方へのミッドストロークにある。ピストン806は上死点にある。ピストン804は上向きのミッドストロークにある。また、ピストン808は下死点にある。クランク軸814の3/4回転で、ピストン802は下死点にある。ピストン806は下方へのミッドストロークにある。ピストン804は上死点にある。また、ピストン808は上向きのミッドストロークにある。最後に、クランク軸814の完全な回転で、ピストン802は上向きのミッドストロークにある。ピストン806は下死点である。ピストン804は下方へのミッドストロークにある。また、ピストン808は上死点にある。各1/4回転中に、ピストン802と806の間には90度の位相差、ピストン802と804の間には180度の位相差、およびピストン802と808の間には270度の位相差がある。図12Aは、先行ピストンと後続ピストンで約90度位相が不一致のピストンの関係を示す。加えて、図11は、仕事を運搬する機械手段の典型的な実施形態を示す。このように、クランク軸814の完全な回転で、すべてのピストンが各々のシリンダのトップから底まで移動することにより、仕事は、ピストン802からピストン806へ運ばれ、ピストン804へ運ばれ、ピストン808まで運ばれる。
スターリングサイクルマシンのある実施形態では、潤滑流体が使用される。潤滑流体がクランク室から漏れるのを防ぐために、シールが使用される。
転動形ダイアフラム及び/又はベローズの様々な実施形態が上述されており、それらの作用はシールである。さらなる実施形態は、転動形ダイアフラム及び/又はベローズのパラメーターに関係する上述と下記の追加の記述に基づいて、当該技術の専門家にとって明らかになる。
Lt=Pd*Aa
ここで、Ltは引張荷重、Pdは圧力差、Aaは環状の面積である。そして、
Aa=p/4*(D2−d2)
ここで、Dはシリンダ内径、dはピストン直径である。
ベローズ材料中の応力の引張成分は次のように近似できる:
St=Lt/(p*(D+d)*tb)
これは次のように通分される:
St=Pd/4*(D−d)/tb
後で、次のように定義されるシリンダ内径(D)とピストン直径(d)に対するひだの半径(Rc)の関係を示す:
Rc=(D−d)/4
したがって、Stに対するこの公式はその最終式に通分される:
St=Pd*Rc/tb
ここで、tbはベローズ材料の厚みである。
Sh=Pd*Rc/tb
Rc=(D−d)/4
M=E*I/R
ここで、Mは曲げモーメント、Eは弾性係数、Iは慣性モーメント、Rは曲げの半径である。古典的な曲げ応力Sbは次式で計算される:
Sb=M*Y/I
ここで、Yは曲げの中立軸からの距離である。代入によって、次式が導かれる
Sb=(E*I/R)*Y/I
Sb=E*Y/R
曲げが中央の中立軸に関係していると仮定する:
Ymax=tb/2
Sb=E*tb/(2*R)
Sh=Pd*Rc/tb
E、膜材料の弾性係数;
tb、膜厚(及び/又は繊維径);
Sut、転動形ダイアフラム及び/又はベローズの最大抗張力;そして、
Slcf、転動形ダイアフラム及び/又はベローズの疲労限度の制限値.
ここで図13Gを参照して、当該マシンの実施形態が示され、ここで、エンジン1326は、例えばスターリングサイクルエンジン等であり、少なくとも1個のピストン棒シール1314、ピストンシール1324およびピストンガイドリング1322(図16に1616で示される)を備える。ピストンシール1324とピストンガイドリング1322の様々な実施形態は、以下で述べられると共に、前述された米国特許出願シリアル番号10/175,502番(現在放棄されている)で述べられており、この内容は参照文献として組込まれる。
ここでは図22を参照して、機械用のエンジン2200の一実施形態の代表的な具体例が、ロッキングビーム駆動2202と潤滑流体2204を有して示される。ある実施形態では、潤滑流体は油である。潤滑流体はクランク室2206中のエンジン部品に潤滑油を塗るために用いられ、例えば流体力学の圧力によって潤滑油の塗られた軸受に供給される。エンジン2200の可動部に潤滑油を塗ることは、さらにエンジン部品間の摩擦を低減すると共に、増加エンジン効率とエンジン寿命を更に増加する役目をする。ある実施形態では、潤滑流体は、油だめとして知られているエンジンの底に置かれ、クランク室全体に分配される。潤滑流体は潤滑流体ポンプを経由してエンジン2200の別部品に配達される。そこでは潤滑流体ポンプはフィルタされた入口を経由して油だめから潤滑流体を集める。典型的な実施形態では、潤滑流体は油である。したがって、潤滑流体ポンプはここに油ポンプと呼ばれる。しかしながら、用語「油ポンプ」は、油が潤滑流体として使用されるような、典型的な実施形態と別の実施形態について記述するために専ら使用される。また、用語は潤滑流体あるいは潤滑流体ポンプを制限するためには解釈されない。
例えばスターリングサイクルエンジンのような外燃機関は、高出力を達成するためにチューブヒータヘッドを使用する。図28は、実施形態となるスターリングサイクルエンジンのシリンダとチューブヒータヘッドの断面図である。チューブヒータヘッド2800の典型的な形態は、図28に示されるように、燃焼室2804を囲むU字型のヒーター管2802のかごを使用する。シリンダ2806は例えばヘリウムのような、作動流体を有する。作動流体はピストン2808によって排出され、ヒーター管2802を通り抜ける。バーナ2810は、伝導によってヒーター管2802を通して作動流体を熱するために使用される、高温の燃焼ガスを生成するために燃料と空気の組合せを燃焼する。ヒーター管2802は再生器2812をシリンダ2806に接続する。再生器2812は、エンジンのサイクル中に作動流体から熱を吸収するか又は作動流体を熱する役目をする、体積に対する表面積の比が大きな材料のマトリックスである。ヒーター管2802は、ヒーター管2802を通過する燃焼ガスの流れに高表面積(high surface area)と高い熱伝達係数を提供する。チューブヒータヘッドの様々な実施形態は下に議論されると共に、先に述べられた米国特許第6543215号と第7308787号は、引用によってそれらの全体が組み入れられる。
ここでは、図51Aと図51Bを参照して、フィンあるいはピンは高温流体の燃焼生成物と固体のヒータヘッドの間の界面面積を増加させるために二者択一で使用される。これにより、今度は、エンジンの作動流体へ熱を伝達する。ヒータヘッド5100は、ヒータヘッドと膨張シリンダライナー5115の間の空間の中に、伝熱ピン5124を有する。ここで、伝熱ピン5124がヒータヘッド5100の内表面に示される。加えて、伝熱ピン5130もヒータヘッド5100の外面に配置される。これは、図51Bのスターリングサイクルエンジン5196の膨張容積5198の径に沿って得られた断面図で示されるが、この径は図51Aの膨張容積5198の径とは異なる径である。この結果、伝熱ピンを過ぎた燃焼器5122から流れる燃焼ガスからヒータヘッド5100への(それ故、作動流体への)伝導による熱伝達に対して大きな表面積を提供する。破線5131は、膨張シリンダの縦軸を表わす。また図51Bは、一実施形態によって、ヒータヘッド5100の頂部の内面と外面を覆う伝熱ピン5133を示す。内側に面する伝熱ピン5124は、ヒータヘッド5100から、膨張ピストンによって膨張容積5198から排出されると共に再生器室5132を通り抜けた作動流体への、伝導による熱伝達用に大きな表面積を提供する役目をする。ヒータヘッド5100の追加の実施形態は米国特許第6381958番と第6966182番に開示される。これらは、前述されており、引用によってそれらの全体が組み入れられる。
ヒータヘッドの壁面は、運転中の温度において、作動ガスの高圧に耐えられるだけの十分な強度を有する必要がある。スターリンサイクルエンジンは、できるだけ高い作動ガス圧力下で運転することが望ましく、したがって、ヒータヘッドが高圧に耐えるようにすることは非常に有利になる。ヒータヘッドを設計する際、与えられた運転温度において圧力を上げると、一般的にはヒータヘッドの板厚を直接比例させて厚くする必要があることを考慮しなければならない。一方、ヒータヘッド壁を厚くすることにより、外部の熱源と作動ガスとの間の熱伝導経路が長くなる。
上述され、また米国特許第6591609番と第6862883番に記述されるように、スターリングサイクルの異なる位相中で作動流体に熱を加えたり、除去するために、再生器はスターリングサイクルマシンで使用される。スターリングサイクルマシンに用いられる再生器は高い熱伝達率を有さねばならず、これは典型的には作動流体に対する高い熱伝達率領域と低い流れ抵抗を意味する。低い流れ抵抗は、作動流体を圧送するのに必要なエネルギを低減することにより、エンジンの全効率にも寄与する。更に、再生器は剥落又は破砕を防ぐ方式で製作される必要がある。その理由は、破砕片が作動流体に包含されて圧縮又は膨張シリンダへ移送されて、ピストンシールに対する損傷をもたらすためである。
ここでは図65Aから図65Cを参照して、スターリングサイクルエンジンのようなエンジンの様々な断面図が、ある実施形態に従って示される。エンジン6500は、密閉的にシールされる。クランク室6502は、低温端圧力容器として役立ち、内部容積6504内に充填ガスを含む。クランク室6502は、十分に厚い鋼または他の構造材料を使用することによって、熱性能を犠牲にすることなく、任意の強度で作製される。ヒータヘッド6506は、高温端圧力容器として役立ち、好ましくはインコネル625、GMR−235などのような高温超合金から製造される。ヒータヘッド6506が、外部熱源(図示せず)から作動流体へ伝導によって、熱エネルギを移動するために使用される。熱エネルギは、太陽放射線または燃焼気体のような種々の熱源から提供される。例えば、上述したように、作動流体を加熱するために使用される高温の燃焼ガス(図65Bで6507として示される)を生成するために、バーナーが用いられる。シリンダ6522の膨張領域(または高温領域)は、ヒータヘッド6506の内側に配置され、そして図1に関して上述したように、作動ガス量の部分を規定する。ピストン6528は、シリンダ6522内に含まれる作動流体を置換するために使用される。
Stirling Engine Thermal System Improvements”に記載されており、参照によってその全体がここに取り込まれる。
ここで図68から図69Bを参照すると、一実施形態によるスターリングサイクルエンジン又は他の燃焼応用例へ適用するための吸込マニホルド6899が示してある。吸込マニホルド6899の様々な実施形態は、米国特許第6381958号にさらに開示される。ある実施形態によれば、燃料を空気(これは燃料の自動発火温度よりも高温に加熱される)と事前混合し、燃料と空気とがよく混合されるまで、火炎が形成されないようにしてある。図68は、吸込マニホルド6899及び燃焼室6810を含むある実施形態を示す。吸込マニホルド6899は、空気6800を受け入れる入口6803を有する軸対称導管6801を含む。空気6800は或る温度、代表的には900K以上(この温度は燃料の自動発火温度を上回る)まで予熱される。導管6801によって、燃焼軸6820に関して内側へ放射状に流れる空気6800が導管6801内に配置された旋回翼6802まで運ばれる。
定義:この発明の詳細な説明の節で使用されるように、もし前後関係が他の場合を必要としない限り、以下の用語が次の意味を表すものとする:[燃料と空気の当量比]Φ=[実際の燃料と空気の質量比]/[化学量論の燃料と空気の質量比]。化学量論の燃料と空気の質量比は、燃料+空気の化学方程式を平衡させるために必要とされる質量比として定義される。化学量論の燃料と空気の質量比は、プロパン(0.0638gの燃料/g空気)のような一般の燃料で周知であり、バイオガスのようなガスには計算可能である。
m’FUEL ∝ (PFUEL−PTHROAT)0.5/TFUEL 0.5
PTHROAT ∝ m’ AIR 2*T venturi
m’ FUEL ∝ [PFUEL-(m’ AIR 2*T venturi)] 0.5/TFUEL 0.5
m’ FUEL ∝
m’ AIR*(TVENTURI/TFUEL)0.5
このように、ベンチュリ管プレナム(図72に7241として示される)内の支配的な燃料制限7378(図72に7278として示される)を設けることで、広範囲の気流速度とベンチュリ管温度に渡ってほぼ安定した空気と燃料の混合比が提供される。
m’ FUEL/m’ AIR ∝ constant
ある実施形態に従って、スターリングエンジンのようなエンジンの加圧燃焼室への燃料流量は、燃料ポンプの運転パラメーターの変化により測定される。燃料ポンプの様々な実施形態は、以下の記述と共に、米国特許第7111460号、2006年9月26日発行、Jensen他と米国特許出願シリアル番号11/534,979号(2006年9月25日出願、2007年2月8日公開)に詳述され、これらは、ここに引用によってそれらの全体が組み入れられる。希望の性能は、燃焼室への燃料流量を測定するために通常使用される絞り板か弁、あるいは別の流量制限的な装置なしで達成されてもよい。
今図88、図89Aから図89Cを参照すると、スターリングサイクルエンジンのようなロッキングビーム駆動8802(さらに図8に810、812として示される)と複数のピストン(さらに図8に802、804、806、808として示される)があり、ピストンのヒータヘッド8804を熱するために単一バーナ(図89Aと図89Bで8900として示される)を有するエンジン8800の様々な実施形態が示される。ヒータヘッド8804は、前節に示された様々な実施形態のうちの1個である、図89Aの中の数字8902で示された(さらに図91Cと図91Dで9116として示される)チューブヒータヘッドや、図89Cの数字8904で示されるような(さらに図53Dから図53Fで5100として示される)ピンまたはフィンのヒータヘッドを含むものであるが、これに制限されない。図89Bは、ヒータヘッド8904にぴったり合うヒータヘッドライニング8926を有するピンヒータヘッド8904を含む。バーナ8900は、前節と米国特許第6971235番(2005年12月6日発行、Langenfeld他)に示された様々な実施形態のうちの一つでも良く、この米国特許は参考文献でその全体がここに組み入れられる。
(図88に8806として示される)に含まれる作動流体に対して、熱したガスに含まれる熱を移送する。さらにPPV炎が各ヒータヘッド8804にわたって平等に分配するのを支援するために、燃焼室8901は、その表面に開口部8924を有する。
今、図90から図91Bを参照して、図90に示されるように、エンジン9000の各ヒータヘッド9002が個々のバーナ9004で加熱される別の実施形態が示される。ヒータヘッド9002は、図91Bから図91Dに数字9116で示されるチューブヒータヘッド、図91Aの数字9118で示される(さらに図53Dから図53Fで5100として示される)ピンまたはフィンのヒータヘッドを含む、前の節に記述された様々な実施形態のいずれかでもよいが、これに制限されない。バーナ9004は、前の節や米国特許第6971235番に示された様々な実施形態のうちの任意の1個でもよい。
Claims (1)
- ロッカーピボットを有するロッキングビームと;
少なくとも1本のシリンダと;
少なくとも1本のピストンであって、前記ピストンはそれぞれのシリンダ内に収容され、これによって前記ピストンがそれぞれの前記シリンダ内でほぼ直線的に往復運動するように構成されたピストンと;
近位端部と遠位端部を有する少なくとも1個の継ぎ手アセンブリ(coupling assembly)であって、前記近位端部が前記ピストンに接続され、前記遠位端部が前記ロッキングビームに端ピボットで接続されると共に、これによって前記ピストンの直線運動が前記ロッキングビームの回転運動に変換されるように構成された継ぎ手アセンブリと;
ピストン棒にシール可能に接続されているシールであって、不織布を備える転動形ダイアフラムであるシールとを備え;
前記シリンダは閉鎖端と開放端を有し;
前記開放端がさらに前記シリンダに接続されたリニア軸受を有し;
前記リニア軸受が前記継ぎ手アセンブリを収容するための開口部を有する;
機械のためのロッキングビーム駆動機構。
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