JP5945574B2 - スターリングエンジンのためのロッドシールアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は熱エンジンに関し、詳しくは改善されたスターリングサイクルエンジンに関する。かかるスターリングサイクルエンジンは、エンジン性能、製造性、及び信頼性を向上させるべく多くの改善点及び設計上の特徴を組み入れている。

スターリングエンジンの基本概念はロバート・スターリングにより１８１７年に登録された特許まで遡る。当時以来、かかるエンジンは熱心な精査及び評価の対象となっている。世界中で様々なスターリングエンジンシステムの試作品が作られて限定的に運転されている。スターリングエンジンの一の潜在的適用分野は、ハイブリッド電気用途を目的とした原動機すなわちエンジンパワーユニットとしての自動車である。スターリングエンジンの他の潜在的使用分野は、据え付けの補助動力ユニット、海洋用途、及び太陽エネルギー変換のようなものがある。

スターリングエンジンは、可逆熱力学サイクルを有するので、熱源から機械的出力エネルギーを送り出す手段として、又は機械的入力エネルギーの適用を介してヒートポンプとして振る舞う手段として使用することができる。燃焼される化石燃料若しくはバイオガスのような様々な熱源又は集光型太陽エネルギーを使用して、当該エンジンにより機械的エネルギーを送り出すことができる。かかるエネルギーは、発電するべく使用することができ、又は直接的に負荷に機械接続されることができる。

米国特許第５，８６５，０９１号明細書 米国特許第４，７３６，５８６号明細書 米国特許第３，８０６，１３７号明細書 米国出願公開第２００３／０００６５６２（Ａ１）号明細書

本願の譲受人であるスターリングバイオパワー社及びその前身の会社は、長年にわたりスターリング機械の技術を著しく進歩させてきた。本譲受人がスターリング機械設計を著しく進歩させてきたにもかかわらず、特に意図する用途が大量生産である場合に、当該機械をさらに改善するべき一定の必要性が存在する。

本願に係るスターリングエンジンは、本譲受人及びその前身の会社によって以前に開発されたものと多くの類似性を有する。これは、米国特許第４，４３９，１６９号、第４，４８１，７７１号、第４，５３２，８５５号、第４，５７９，０４６号、第４，６１５，２６１号、第４，６６９，７３６号、第４，８３６，０９４号、第４，８８５，９８０号、第４，７０７，９９０号、第４，９９６，８４１号、第４，９７７，７４２号、第４，９９４，００４号、及び第５，０７４，１１４号に記載されたものを含む。これらは本明細書に参照として組み入れられる。上記参照される特許に記載された多くのスターリング機械の基本的特徴もまた、本願との関連で実装される。

本願発明に係るスターリングエンジンは、いわゆる「モジュラー」構造を有する。ドライブケース及びシリンダブロックを含む本エンジンの主な要素は、あわせ面に沿ってボルト接続される。かかるあわせ平面を当該ピストンのためのピストンロッドシールが横切る。ドライブケース又はシリンダブロックのいずれかに取り付けられる摺動ロッドシールを使用することができる。当該ロッドシールは、当該ピストン接続ロッドの一端における高圧エンジン作動ガスの大気への漏れを制御する。

スターリングエンジンの過去の設計の多くでは、当該エンジンハウジングの大容積が作動ガスの高い作動圧力にさらされる。本発明のエンジンによれば、高圧作動流体が当該シリンダボア並びに関連熱伝達装置及び通路の対向端に可能な範囲内で閉じ込められる。したがって、本発明に係るスターリングエンジンの高圧ガス領域は内燃機関において遭遇されるものと類似するので、かかるスターリングエンジンは、高圧要素故障への配慮の点で同様に考えることができる。かかる利益は本発明では、高圧作動流体をシリンダブロック及び接続要素内に閉じ込めている間ドライブケースを周囲圧力に近い相対的に低い圧力に維持することによって達成される。当該接続要素は、シリンダエクステンション、リジェネレータハウジング、及びヒータヘッドを含む。

当該エンジンのピストンはピストンロッドによってクロスヘッドに接続される。当該エンジンのクロスヘッドは、スウォッシュプレートを取り囲み、ピストン接続ロッド及びピストンの往復運動を当該スウォッシュプレートの回転に変換する。本発明のスターリングエンジンは、各クロスヘッドに対しドライブケース内に取り付けられた一対の平行ガイドロッドを実装する。クロスヘッドは、当該ガイドロッドを受け入れる一対のジャーナルを特徴とする。

当該エンジンのヒータヘッドを通過した後の燃焼排気ガスは依然として有用な熱を含む。かかる追加的な熱を使用して流入燃焼空気を加熱する空気プレヒータを、熱効率を向上させる手段として使用することが周知である。本発明によれば、高熱効率を有するコンパクトな構成を与える空気プレヒータが記載される。

４つの複動シリンダを用いる本発明に係るタイプのスターリングエンジンでは、４つの別個の作動ガス容積が存在する。これらは、（当該ピストンにわたる漏れを除き）一と他とが隔離されている。当該エンジンを滑らかに、かつ力のアンバランスを最小限にして動作させるべく、かかる４つの容積の各々の平均圧力を均等にする必要がある。本発明によれば、これは部分的には、小オリフィスを介して当該４つの容積をともに接続することによって達成される。加えて、各サイクルの平均圧力が所定範囲内にあることを決定するシステムが与えられる。漏れを生じさせる要素故障が発生した場合、当該エンジンに破壊的影響を与え得る著しいアンバランスが生じる可能性がある。本発明に係るスターリングエンジンは、かかる故障の発生時に当該エンジンの負荷を解除する圧力制御システムを特徴とする。

本発明に係るスターリングエンジンは、上述の負荷解除の特徴を部分的に与える制御バルブ要素を特徴とする。当該制御バルブは、意図した作動ガスの複数の漏れ経路の一も与える。これは、本発明に係る圧力バランシングシステムの一部を形成する。

上述のタイプのスターリングエンジンの重要な要素は、当該機械の高圧ディスプレーサピストンと低圧ドライブケースとの間に高信頼性のシールを与えることを含む。かかる２つの容積を分離することがピストンロッドシールアセンブリである。各ピストン接続ロッドは、ピストンロッドシールを介して往復する。当該ピストンロッドシールは、作動ガスの大気への低損失率を維持するべくピストンロッドに対して信頼性のあるシールを行う。かかる領域を介してガス漏れを絶対的にシールすることは達成できそうにない。しかしながら、本発明に係るピストンロッドシールアセンブリは低レベルの漏れを与え、作動ガスがドライブケース領域における潤滑油の「ポンピング」を介して汚染されることを低減する。

当該スターリングエンジンの効率を向上させる他の重要な設計的特徴は、ピストンアセンブリの設計によってもたらされる。ディスプレーサピストンが、当該エンジンの高温及び低温流体スペースを分離し、かかる領域のガス圧力に対して反動する。これにより、機械的パワーが送り出される。効率を向上させるには、高温スペースと低温スペースとの間でのピストンにわたる熱伝導損失を最小限にする必要がある。さらに、ピストンリングとシリンダボアとの間には高信頼性の摺動ガスシールが必要である。熱損失が生じることに加え、ピストンシールにわたる漏れによって、当該スターリングエンジンの個々のサイクル容積間での作動ガスの正味質量交換も生じる。ピストンシールにわたる漏れの著しい違いによって、当該サイクル容積におけるガス容積の急変が生じ得る。かかるアンバランスを低減するべく本発明に係る手段が与えられるが、かかるアンバランスが生じる率を低減することが望ましい。

本発明に係る追加的な利益及び利点が、添付図面と連携して参酌される好ましい実施例及び添付の請求項の以下の記載から、本発明に関連する当業者にとって明らかとなる。

本発明に係るスターリングエンジンを通る長手方向断面図である。 図１に示すドライブケースアセンブリの拡大断面図である。 図示のシリンダブロックセクションの拡大断面図である。 本発明に係るエンジンのヒータアセンブリを詳細に示す、図１から取った拡大断面図である。 ヒータアセンブリを省略して当該エンジンのヒータアセンブリ端部から取ったシリンダブロック要素の端面図である。 本発明に係るピストンアセンブリの断面図である。 図６のピストンシール部分の拡大図である。 図７に示すシールの正面図である。 本発明に係るロッドシールアセンブリの断面図である。 図８にも示すキャップシールアセンブリの拡大断面図である。 図９に示すシールの正面図である。 図８に示すベースシールアセンブリの拡大断面図である。 本発明に係るスターリングエンジンの圧力バランシング回路を示すダイヤグラム図である。 本発明に係るソレノイド動作制御バルブの断面図である。

本発明に係るスターリングエンジンは、組み付けられた状態で図１に示され、一般的に参照番号１０で示される。スターリングエンジン１０は、複数の主要要素と、ドライブケースアセンブリ１２、シリンダブロックアセンブリ１４、及びヒータアセンブリ１６（図４に最も良く示される）とを含む。

全体構造
ドライブケースアセンブリ１２はハウジング１８を含む。ハウジング１８は、対向端において一対のほぼ平坦なあわせ面２０及び２２を有する。あわせ面２２は、シリンダブロックアセンブリ１４に取り付けられるべく構成される。ドライブケースハウジング１８は中空の内部を有し、ドライブシャフトベアリングを取り付けるためのジャーナル２４を含む。ドライブケースハウジング１８の内部周縁に配列されるのは、一連のクロスヘッドガイド２６である。一対の隣接ガイド２６が、当該エンジン（以下に記載）の４つのクロスヘッドアセンブリ５６のそれぞれに与えられる。スターリングエンジン１０のさらなる記載から明らかとなるが、隣接ガイド２６が極めて精密な公差内で平行である走行面を有することが必須である。

ドライブシャフト４０の一端にジャーナルベアリング２４が与えられる。ドライブケースハウジング１８も中心キャビティを与える。当該中心キャビティの中には油ポンプが配置される。油ポンプ４４は、ジェロータタイプのような様々なタイプであってよい。高圧潤滑油が、ドリル通路４５を通ってスプレイノズル内へ強制される。当該スプレイノズルは、ピストンロッド（以下に記載）に潤滑剤の膜をスプレイする。加えて、潤滑剤が、スウォッシュプレート５２の潤滑を与えるべく、ドライブシャフト４０内の内部通路４１に強制的に通される。

ドライブケース１８の下側にサンプポート５０が与えられる。エンジン１０の潤滑システムはサンプタイプとして特徴付けることができる。ドライブケース１２の内部キャビティに油が集められて吸引によって油ポンプ４４に向けられる。その後、様々な位置にポンピングされて上述のようにスプレイされる。

ドライブシャフト４０がスウォッシュプレート５２を支持する。スウォッシュプレート５２は、ほぼ円形かつ平坦であるが、当該ドライブシャフトの回転軸に関して所定角度傾斜して配向される。ドライブシャフト４０の回転により、スウォッシュプレート５２は傾斜した軸まわりに回転する。基本的なスウォッシュプレート構成は、本譲受人及びその前身の会社によって従来のスターリングエンジンにおいて実装された周知の設計である。ドライブシャフト４０の一端に取り付けられるのは出力カプラ５４である。出力カプラ５４は、機械的負荷への接続を可能とする。これも上述のように様々なタイプであってよい。フライホイール５３がドライブシャフト４０に関して回転する。誘導ピックアップ５５が、フライホイール５３の外径付近に配置される。誘導ピックアップ５５は、フライホイールの回転に関連する電気信号を与えるべく当該外径における歯又はギャップに応答する。

シリンダブロックアセンブリ１４が、対向して開けられた一連の４つのロッドシールボア４８を画定する。当該ロッドシールボア４８はこれらの間を接続する通路３７及び３５を有する（図５に図示）。シリンダブロックアセンブリ１４は、ロッドシールボア４８に関して整列された４つのシリンダボア９４をさらに画定する。追加的な要素がシリンダブロック表面９０に取り付けられる。シリンダエクステンション１１６及びリジェネレータハウジング１２２は、シリンダブロックにボルト結合されたシリンダブロック表面９０に接続される。

クロスヘッドアセンブリ
引き続き図１及び２を参照すると、クロスヘッドボディ５８がキャリパを形成する。当該キャリパは、中心ブリッジ６４によって接続された一対のレッグ６０及び６２を有する。各レッグ６０及び６２は、ガイド２６に沿った走行面を画定する。クロスヘッドレッグ６２はスライダカップボア７２も形成する。ボア７２内には、半球面７５を形成するスライダカップ７４が配置される。クロスヘッドレッグ６０は、機械加工によって半球面７６が与えられた表面を有する。スライダ要素７８及び８０も球状の外面を画定する。当該外面は、つがいとなるスライダカップ面７５及び７６内にはまり込む。対向する平面８２及び８４が当該スライダ要素に形成されてスウォッシュプレート５２と係合する。当該スウォッシュプレートの表面は、当該スライダ要素との線接触を生じさせるべく円錐状又は中高に作られる。

シリンダブロック
図１及び３に最も良く示されるように、シリンダブロックアセンブリ１４は、一対の対向する平行かつほぼ平坦なあわせ面８８及び９０を有するシリンダブロック鋳造物８６を含む。あわせ面８８によってシリンダブロック鋳造物８６は、ドライブケースハウジングあわせ面２２に取り付けることができる。ボルト９２がかかる２つの部品をつなぎ合わせる。本発明に係るスターリングエンジン１０は、４シリンダエンジンである。したがって、シリンダブロック鋳造物８６は、互いに平行な４つのシリンダボア９４を画定する。図１に示すように、シリンダボア９４は大径セグメントと、ロッドシールアセンブリ９８のための小径クリアランスボアセクションとを画定する。ピストンアセンブリ９６が当該大径セグメントを通って往復する。シリンダブロック鋳造物８６には４つのクーラボア１０２も形成される。これらは互いに平行であって、シリンダボア９４に対しても平行である。図５に最も良く示されるように、シリンダボア９４は、正方形クラスタで配列されるが、クーラボア１０２のそれの内側の円上に存在する。スターリングエンジン１０は複動タイプなので、シリンダブロック鋳造物８６は、リジェネレータボア１０２の下端と隣接シリンダボア９４の下端とを接続する作動ガス通路（図示せず）を含む。シリンダブロック鋳造物８６は、クーラント通路をさらに形成する。当該クーラント通路は、シリンダブロック１４を通る液体クーラントの流れを与える。圧力トランスデューサポート３４により、各ピストンアセンブリ９６の底部においてサイクル圧力を測定する圧力トランスデューサ（図示せず）の取り付けが可能となる。

クーラアセンブリ
クーラアセンブリ（図示せず）がシリンダブロッククーラボア内に配置される。クーラアセンブリは、当該ハウジングの両端間に延びる複数の管を有する多管熱交換器を含む。スターリングサイクル作動ガスは、クーラハウジングの両端間を往復させられ、かつ、当該管の内部に送られる。好ましくは液体であるクーラントは当該作動ガスから熱を除去するべく、ブロッククーラント通路１０７を通り、かつ、クーラアセンブリを通る直交流れの態様でポンピングされる。

シリンダエクステンション
シリンダブロックアセンブリ１４は、管状頂部又はエクステンション１１６をさらに備える。当該エクステンション１１６は、シリンダブロックボア９４の延長を形成する。その開放端において、管状シリンダエクステンション１１６はスカート１１７を形成する。スカート１１７によって、当該エクステンションが案内によりシリンダボア９４と正確に整合することができる。シール１１８が、シリンダブロックボア９４と管状シリンダエクステンション１１６との間の流体シールを与える。対向端におけるシリンダエクステンション１１６がヒータ管マニホルド１２０を形成する。

リジェネレータハウジング
カップ形状のリジェネレータハウジング１２２が与えられる。これはクーラボア１０２と同軸に整合される。リジェネレータハウジング１２２は、ヒータアセンブリ１６と連通するマニホルド１２８を有する開放端及び閉止頂部１２６を画定する。リジェネレータハウジング１２２内にはリジェネレータ（図示せず）が配置される。これは、スターリングエンジンの周知のリジェネレータ技術に従って、高ガス流並びに高い熱伝導及び熱吸収特性を有する材料からなる。

ヒータアセンブリ
ヒータアセンブリ１６が、当該スターリングサイクル作動ガスに熱エネルギーを投入する手段を与え、図４に示される。燃焼器（図示せず）が使用されて化石燃料及び他の可燃性材料を燃やす。代替的には、集光型太陽エネルギーのような熱源又は他の熱源から熱を投入することもできる。スターリングエンジン１０においては、燃焼ガスが当該エンジンの中心に向けて軸方向に流れる。当該燃焼ガスは当該中心において、径方向外側に流れるように偏向される。ヒータ管１３６は、当該エンジンの径方向外側に流れる当該高ガスから熱を伝導するべく配列される。ヒータ管１３６は内側バンド及び外側バンドを形成してこれらの間に熱吸収フィン１４０を有するべく配列される。ヒータ管マニホルド１２０及び１２８は、ヒータ管１３６の内側及び外側バンドを接続する内部通路を有する。

空気プレヒータ
ヒータ管１３６を通過する燃焼ガスは依然高温にあり、エンジン１０の熱効率を向上させるべく回収することができる有用な熱エネルギーを有する。これは、環状リング構成を有し、かつ、ヒータ管１３６の外側バンクを取り囲む空気プレヒータ（図示せず）の使用を介して達成される。空気プレヒータは、排気ガスからの排熱を伝達する。

ピストンアセンブリ
ピストンアセンブリ９６は組み付けられた状態で図６に示される。図示のように、ピストンアセンブリ９６は、ピストンドーム１４６、ピストンベース１４８、及びリングアセンブリ１５０を主に含む。ピストンアセンブリ９６はシリンダライナ１４４内を摺動する。シリンダライナ１４４はシリンダブロックボア９４内に取り付けられる。

ピストンドーム１４６は、中空ドーム頂部１５２及び機械加工ベースセクション１５４を形成する。ドーム頂部１５２は中空内部１５６を有する。ピストンアセンブリ９６が作動ガスにより形成される高温スペースと低温スペースとを分離するので、ピストンアセンブリ９６の上端と下端との間の熱交換を最小限にすることが望ましい（当該上端は図６の右側に、当該下端は左側に示す）。ピストンアセンブリ９６を介したその両端間での熱伝達は、スターリングエンジン１０に対する熱効率損失を表す。したがって、ドーム頂部１５２は伝導性熱伝達を最小限にするべく薄壁構造を有し、内部１５６は伝導性熱経路を最小限にするべく中空にされる。ピストンベースセクション１５４は、機械加工されて外方へ階段状となる直径を有する。ベースセクション１５４の当該端部は、ピストンベース１４８と組み付けるためのねじセクションを形成する。

ピストンベース１４８は、機械加工されたボアセクションを有する。当該ボアセクションは内部ねじセクション１６２を形成する。内部ねじセクション１６２が外部ねじセクション１５８と噛み合うことにより、図６に示すようにピストンドーム１４６及びベースセクション１５４がともに螺合して組み付けられる。シール溝１６０に配置されたシール１６４が、かかる要素間のシール接続を与える。

図７も参照すると、ピストンベース１４８の外面は、エラストマーピストンベアリング１６８を受け入れるベアリング溝１６６を特徴とする。ベアリング１６８は、シリンダライナの内面（又はボア）１４５を直接支承するのに十分な厚さを有する。これにより、ピストンアセンブリ９６の金属要素がシリンダライナ１４４の内部ボア表面に直接接触することを防止する。ベアリング１６８は、ボア１４５とのガスシールを与えない（すなわちシールではなくベアリングとして作用する）。ピストンベースセクション１４８の下端が、押さえねじ１７２を使用したピストンベースプレート１７０の締め付けにより所定位置にサンドイッチされるピストンリングアセンブリ１５０の設置領域を与える。リングアセンブリ１５０は図７に詳細に示される。

リングアセンブリ１５０は環状溝１７４内にはめ込まれる。リングアセンブリ１５０は、上側リングセット１７６及び下側リングセット１７８を含む一対のリングセットを形成する。リングセット１７６及び１７８は、ピストンベースランド１８４の対向する径方向表面に対称的に配置される。ピストンベースランド１８４は、ピストンベースプレート１７０とピストンベース１４８との締め付け係合を介して所定位置に維持される。ピストンベースランド１８４は、鋼材で形成されるのが好ましく、環状外溝１８６を特徴とする。上側リングセット１７６はリング１７７及び１７９を含む。下側リングセット１７８はリング１８１及び１８３を含む。リングセット１７６及び１７８のリングはエラストマー材で形成されるのが好ましい。エキスパンダリング１８０もまたエラストマー材で形成され、リングセット１７６及び１７８の径方向内側に配置される。また、エキスパンダリング１８０は、上側セットのリング１７７及び下側セットのリング１８１を支承するシーリングリップ１８２を有する。リングセット１７６及び１７８、エキスパンダリング１８０、及びベアリング１６８はすべて、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材から形成される。

上側リングセット１７６のリング１７７及び下側リングセット１７８のリング１８１は双方とも図７ａに示され、径方向分割部１８５を特徴とする。径方向分割部１８５は、作動ガスが当該リングにわたって制御された態様で通過する小さな漏れ経路を与える。しかしながら、リング１７９及び１８３は隙間がなく、径方向分割部を特徴としない。リング１７７及び１８１の径方向分割部１８５により、これがなければポンピング条件を導き得る圧力アンバランスの発生が回避される。

ピストンベースセクション１４８は中心テーパボア１８８を形成する。ピストンロッド１９２は、テーパボア１８８内にはまり込むテーパ上端１８７を有する。ピストンロッド１９２はねじ付き端部１９０を有する。ねじ付き端部１９０は、ピストンロッドのテーパ端をピストンベースのテーパボア１８８にプレスばめするべくアセンブリツールによって係合され得る。ピストンロッド１９２はテーパボア１８８にプレスばめをすることができる。当該操作が完了した後にかかる部品が接続される。ピストンドーム１４６は組み付けられた状態においてベース１５４と螺合されている。

ロッドシールアセンブリ
ロッドシールアセンブリ９８は図８、９、及び１０に最も良く示される。図示のように、ロッドシールアセンブリ９８を通過しているピストンロッド１９２が示される。図示のように、ピストンロッド１９２は中心ドリルボア１９６を含む。中心ドリルボア１９６は、そのねじ付き端部１９０から、ロッドシールアセンブリ９８内の径方向通路１９４と交差する所定点まで延びる。通路１９６及び１９４は、ピストンドーム内部１５６と連通し、かつ、上述したとおりサイクル最小圧力に維持されるキャビティを有するロッドシールアセンブリ９８の中空内部キャビティ２１０に連通する。ロッドシールアセンブリ９８は、ハウジング２０２、キャップシールアセンブリ２０４、及びベースシールアセンブリ２０６を含む追加の主要要素を含む。

ハウジング２０２は鋼のような剛性材から形成されて、ピストンアセンブリ９６に面するその端部に凹形段状ボア２０８を形成する。内部ボア２１０は、ベースシールアセンブリ２０６を収容するべく中空内部容積及び段状ボアを形成する。径方向通路２１２が、４つのロッドシールアセンブリ９８のそれぞれの内部キャビティ２１０を当該ブロック内にドリルされた通路３７に連通させるべく与えられる。内部キャビティ２１０がピストンキャビティ１５６とともに接続されて、最小サイクル圧力近くにある容積を画定する。当該容積は本明細書では後に、図１２における容積２８２として示される。径方向通路２１４は、ピストンロッド１９２の外面に対して潤滑及び冷却を与えるべく潤滑油がスプレイされる流れ通路を与える。ハウジング２０２の外径は複数の溝を特徴とし、その配置はブロック１４のロッドシールボア４８内の所定位置にシールされかつ取り付けられることを特徴とする。

キャップシールアセンブリ２０４は図９に示される。ねじを使用してキャップシールプレート２１６に締め付けることにより所定位置に維持される。キャップシールアセンブリ２０４は、キャップシールプレート２１６が締め付けられかつ位置決めされたときに与えられる中空内部キャビティ内に閉じ込められる。図示のように、ピストンアセンブリ９６に最も近いその端部において、キャップシールアセンブリは、Ｌ字断面構成を有するキャップシールスペーサ２２０を含む。波形ばね２２２が、キャップシールスペーサ２２０が形成する径方向キャビティ内に装填されて、キャップシールアセンブリ２０４の他の要素に対して軸方向負荷を与えるべく使用される。キャップシールスペーサ２２０は、内径２２６を有するキャップシール２２４を支承する。内径２２６はピストンロッド１９２の外面を支承する。キャップシール２２４は半円外溝２２８を有する。コイルばね２３０がキャップシール２２４のまわりに配置されて、径方向内側に向かって当該キャップシールに圧縮力を与える。これにより、当該ピストンロッドに対するシールが向上される。キャップシール２２４は、意図されたガス漏れ経路を与える径方向分割部２３２を特徴とする。キャップシール２２４はキャップシールシートワッシャ２３４を支承する。キャップシールアセンブリ２０４は、ピストンロッド１９２の外径に沿ってワイピング機能を与えるべく使用される。これにより、キャップシールアセンブリ２０４にわたる圧力変動が低減され、シールアセンブリ９８の残りの要素に対するより効率的なガスシールが与えられる。キャップシールアセンブリ２０４はさらに、ピストンロッド１９２の外面から潤滑油を除去するべく油ワイピング機能を与える。これにより、サイクルガスの汚染を回避することができる。

図１０に最も良く示されるように、ベースシールアセンブリ２０６がハウジング内部ボア２１０内に配置される。一対の環状ばねシート２３６及び２３８が与えられる。これにより、ベースシールアセンブリ２０６のための軸方向負荷を与える力が生じる。ばねシート２３６及び２３８は、コイルばね２４２を位置付けるポスト２４０及び２４１を特徴とする。図示のように、ばねシート２３６は、軸方向負荷を与える力を付与するべく内部ボア２１０内のショルダを支承する。シールプラグ２４４がハウジングボア内の所定位置に配置される。シールプラグ２４４は、図８に示される溝２４８内に設置されたスナップリング２４６を介してそこに維持される。シールプラグ２４４は、ピストンロッド１９２に対してスプレイを行うべく潤滑油の伝達を目的とする通路２１４をさらに特徴とする。プラグ２４４の径方向端面２５４が研磨される。これを支承するのは、ポリイミド材から作られたワッシャ２５６、及び内側Ｏリング２５８である。ワッシャ２５６及びＯリング２５８により、シート２６０がプラグ２４４に対して低摩擦でシフトすることができる。これにより、エンジン１０が動作している間、ロッド１９２に関してシールシート２６０が中心合わせされる。

シールシート２６０は、凹形半球面２６２及び突出内側ポスト２６４を特徴とする。突出内側ポスト２６４は、Ｏリング２５８をこの閉じ込め位置に閉じ込める。ロッドシール２６６は、突出管状セクション２６８及びヘッド２７０を形成する。ヘッド２７０は凸形半球面２７２を形成する。凸形半球面２７２は、シール２７６を維持するシール溝２７４をさらに形成する。理想的には、シール溝２７４は、その側面がシール２６６の半球面２７２の接線となるように形成される。シールシート２６０の半球面２６２及びシール２６６のそのあわせ面２７２により当該シールは、エンジン１０が動作している間、ピストンロッド１９２の曲げに応答することができる。また、ロッドシールアセンブリ９８に関する当該ピストンロッドの任意のミスアラインメントに対する調整も可能となる。キャップシール２２４及びロッドシール２６６を含むキャップシールアセンブリ２０４のエラストマー要素は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）材で形成される。表面２６２及び２７２は「半球」と記載されるが、純粋な球形から派生した他の整合する凹凸形状が使用されてもよい。

圧力等化システム及び制御バルブアセンブリ
スターリングエンジン１０の動作では、当該エンジンの４つの密閉容積内に含まれる作動流体の全質量が、厳密に等しい作動流体質量を有するべく維持されることが重要となる。これは、当該密閉容積同士の平均圧力の差すなわち力のアンバランスが当該エンジン内で生じることを回避するべく必要である。作動ガスの、ピストンアセンブリ９６にわたる及びロッドシール９８にわたる微小な漏れのみならず、ヒータヘッドアセンブリ１６及び他の漏れ経路を介しての不可避な損失も存在する。したがって、本発明に係るスターリングエンジンは、当該４つの分離されたサイクル容積（それぞれは一のピストンアセンブリ９６の頂部及び一の隣接ピストンアセンブリの底部を境界とする）に存在する作動ガスの質量を等化することができるメカニズムを与える。加えて、ドライブシャフト４０に及ぼすべく必要な始動トルクを低減することも望ましい。これにより、低トルク出力を有する小容量始動モータでも、当該エンジンを始動するべく使用することができる。かかるシステムは図１１及び１２に最も良く示される。作動ガス２７８（典型的には水素及びヘリウム）のサイクル容積は、当該図面においてサイクル容積＃０、＃１、＃２、及び＃３として示される。

図１１は、圧力バランスを与えるシステムをダイヤグラムで示す。当該ダイヤグラムに示されるように、各サイクルのガスは、当該図面中「サイクル＃０」等として個々に示されるサイクル容積２７８として表される。かかるサイクル容積は複数の経路を介して相互接続されている。２つの圧力容積がエンジン１０に形成される。当該圧力容積は、図５に示すように当該エンジンを見た場合に正方形配列となる、シリンダブロック１４内にドリルされた通路３７を含む。通路３７は、ロッドシール内部キャビティ２１０及びピストン内部１５６に接続されて集合的に最小圧力容積２８２を形成する。例えば０．４ｍｍの直径を有するキャピラリ管の形態である制限器２８６を有する通路３５が、ピストンアセンブリ９６の底部に形成された作動流体スペースと連通することによって、サイクリックに変化するサイクル圧力にさらされる。通路３５の内部容積が、当該エンジンの中心スペース３９における制限器２８６を過ぎた通路３５の交差点において平均圧力容積２８０を形成する。

上述のように、サイクル容積＃０、＃１、＃２、及び＃３の間ではピストンアセンブリ９６のリングにわたって微小な漏れが生じる。かかる漏れ経路は、図１１において制限器２８４としてダイヤグラムで示される。シリンダブロック１４内にドリルされた通路３５は共通容積を与える。当該共通容積を介して、制限器２８６を介してのサイクル漏れが生じる。これにより、作動ガスの少量の正味流れが平均圧力容積２８０内に維持される。制限器２８６に及ぼされる圧力がサイクル容積２７８の最大と最小との間でサイクルをなすので、当該制限器を介して双方向で少量の正味流れが生じる。これにより、容積２８０は、ほぼ平均サイクル圧力（ここで「平均」とは、当該最小及び最大圧力の平均である圧力だけではなく、当該サイクル最小及び最大の間の任意の中間圧力も称する）に維持される。制限器２８６は図１１にダイヤグラムで表されている。上述のように、ロッドシール容積２１０は最小圧力容積２８２に維持される。バルブポート２９４が、ロッドシール通路２１５を介して最小サイクル圧力容積２８２にさらされ、かつ、ロッドシールアセンブリ９８を取り囲む径方向スペース２３５（ともに通路３５及び制限器２８６を介して接続される）においてサイクル圧力２７８にさらされる。ハウジングポート２９４は、キャップシールハウジング２０２においてキャップシール通路２１５と整合する。キャップシールハウジング２０２とシリンダブロック８６との間の径方向スペース２３５は、ピストン９６の底部と連通することによって、作動ガス容積のサイクリックに変化するガス圧力を受ける。

バルブアセンブリ２８８は各サイクル容積に与えられる。詳細は以下に記載する。ダイヤグラム上、バルブアセンブリ２８８はソレノイド作動チェックバルブ２９０として機能する。バルブアセンブリ２８８はまた、制限器として機能するバルブオリフィス２９２を介する漏れ経路を生じさせる。バルブ２８８が電気作動すると、サイクル容積２７８同士間の、最小圧力容積２８２内への自由な流れが生じる。これによりエンジン始動トルクが最小化され、ピストンアセンブリ９６が低始動トルクで往復することができる。

バルブ２８８は図１２に詳細に示される。バルブアセンブリ２８８はそれぞれが、キャップシール通路２１５内に延びるプラグ２９３を有するシリンダブロック８６のポート２９４内に設置される。図１１に示すように、バルブアセンブリ２８８は、最小圧力容積２８２とサイクル容積２７８との間の流体移動を制御する。かかる２つの圧力容積は、プラグ２９３のヘッド端２９５まわりのＯリング３００によって与えられるシールを介して分離される。バルブアセンブリ２８８は、ねじ付き端部３０４を有するバルブ本体３０２を含む。ねじ付き端部３０４によって、バルブ本体３０２を関連ポート２９４内の所定位置に固定することができる。バルブ本体３０２は、内部が段状のボア３０６を形成する。ねじ込みキャップ３１０を設置することにより、スリーブアセンブリ３０８がバルブ本体３０２に関して所定位置に締め付けられる。スリーブアセンブリ３０８内には可動プランジャ３１２が存在する。可動プランジャ３１２は、コイルばね３１６によりシート３１４に対して通常位置に維持される。コイル巻線３２０がスリーブアセンブリ３０８を取り囲む。電流が巻線３２０を通ると、プランジャ３１２がシート３１４から離れるように移動し、容積２８２と２７８との間の流体の自由な通過が可能となって、ともに有効にサイクル容積に接続される。かかるサイクル間のガスの自由な通過により始動トルクが低減され、当該エンジンの負荷を迅速に解除することが必要なエンジン要素又は他の要素の故障状態において、パワー出力を迅速に低減することができる。プランジャ３１２がばねに負荷を与えられることによってシート３１４と係合するので、通路２９６における高圧によって、プランジャ３１２がシート３１４とのシール係合から離れて移動するように付勢される。これによりバルブアセンブリ２８８は、コイル巻線３２０に電流が流れていない状態において、チェックバルブ２９０として機能する。一実施例では、バルブ２８８は、約１．０Ｍｐａより小さいプランジャのリフトオフ（又はクラッキング）圧力を有する（すなわち、プランジャ３１２は当該圧力差においてシートから離れる）。プランジャ３１２が作動しない限り、逆方向の（サイクル容積２７８から最小圧力バルブ２８２への）ガス流が禁止される（制御された「漏れ」が制限器２９２にわたって生じるにもかかわらず）。

図１１を参照すると、最小圧力容積２８２が、プランジャ３１２のリフトオフ圧力よりも大きな圧力によって、サイクル容積２７８のいずれかのサイクリックな圧力変動で生じる最低圧力よりも小さな圧力にある場合はいつも、バルブアセンブリ２８８を介して伝達される流体が存在しない。しかしながら、サイクル容積２７８のいずれか一が経験する最小圧力が、当該リフトオフ圧力よりも大きな圧力分だけ最小圧力容積２８２の圧力よりも小さい場合は、バルブアセンブリプランジャ３１２に、これを開けようと付勢する正味の力が作用する。コイルばね３１６によってプランジャに及ぼされるばね力は、かかる圧力差が所定量（リフトオフ圧力）を超える場合にプランジャ３１２がシートから離れて流体が最小圧力容積２８２から移動することができるように調整される。これにより、当該容積において所望の低圧力値が維持される。図１２に示されかつ図１１にダイヤグラムが示されるオリフィス２９２は、サイクル容積２７８と最小圧力容積２８２との間の制御された漏れを与える。かかるメカニズムは、サイクル容積２７８同士間でガスが交換される他の方法となる。これにより、各サイクル＃０、＃１、＃２、及び＃３のガス質量が、エンジン１０が動作しているときにバランスされるように維持される。

上述のように、バルブアセンブリ２８８が作動すると、ガスのサイクル容積２７８相互間の「短絡」又は自由な流れによってスターリングエンジン１０の熱力学サイクル動作が中断されるが、低始動トルクによって当該エンジンの機械要素を動かすことが可能となる。また、上述の負荷解除という特徴を与えることもできる。エンジン１０の停止動作後の長期間、当該エンジンの様々な圧力容積において圧力が等化される傾向となる。一旦エンジン１０が動作し、かつ、バルブアセンブリ２８８の電源が断たれる（プランジャ３１２がシートに着くことができる）と、サイクル容積２７８の圧力が、サイクリックな態様で最小レベルから最大レベルまで変化する。上述のように、サイクル容積２７８のいずれか一が、チェックバルブのリフトオフ圧力を超える量によって、最小圧力容積２８２における既存圧力よりも小さな圧力レベルになると、最小圧力容積２８２は、サイクル容積２７８が経験する最小圧力よりもわずかに大きな定常圧力まで「ポンピングダウン」される。したがって動作中は、サイクル＃０、＃１、＃２、又は＃３のいずれか一が他のサイクルとの圧力アンバランスを示す場合であって、サイクリックな変動中のその最小圧力が他のサイクルのそれよりも低い場合は、その各チェックバルブ２９０の動作によって、作動ガスの当該サイクルへの正味の流れが生じる。各制限器２９２によって与えられる連続漏れ経路が、各制限器を介して正味の周期的な流れを生じさせる。これは、各サイクル容積２７８における作動ガスの容積又は質量が当該エンジンの動作中に等化される他の手段となる。サイクル容積２７８同士間でガスを交換する他のメカニズムは、上述のように平均圧力に維持する当該エンジンの中心スペース３９への漏れ経路によって生じる。当該エンジンが動作している間、ガスの微小量の定常的な往復が各制限器２８６を介して生じる。平均圧力容積２８０が各サイクル容積２７８と連通するので、かかるメカニズムは当該サイクル容積同士間でガスを交換する手段を与える。サイクル２７８における作動ガスの任意の漏れが、当該エンジンの効率上の不利を導く最大及び最小圧力の振幅を低減させる効果を有することが認められている。しかしながら、制限器２８８及び２８６を介する漏れガスを微小レベルに維持することによって、任意の性能低下が無視できるようになる。

なお、本発明は上記の図示及び記載に係る正確な構成に限定されるものではなく、様々な変形例及び修正例が、以下の特許請求の範囲に規定された本発明の要旨及び範囲から逸脱することなくなされ得る。

Claims (19)

1. スターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリであって、
   前記エンジンは２以上のピストンアセンブリがシリンダボア内で往復するタイプであり、
   各ピストンアセンブリは前記エンジン内に含まれる作動ガスの隔離されたサイクル容積を分離し、
   各ピストンアセンブリは接続ロッドに取り付けられ、
   前記接続ロッドは、前記エンジンが動作している間、直線的に往復する態様のストロークを行い、
   前記ロッドシールアセンブリは、前記サイクル容積からの前記作動ガスの漏れを制御するべく前記接続ロッドとのシールを行い、
   前記ロッドシールアセンブリは、
   剛性のハウジングと、
   キャップシールアセンブリと、
   ベースシールアセンブリと
   を含み、
   前記キャップシールアセンブリは、前記ハウジングによって前記ピストンアセンブリに隣接して維持され、かつ、前記接続ロッドに係合するキャップシールを有し、
   前記ベースシールアセンブリは、前記ハウジングによって前記ピストンアセンブリから離間して維持され、かつ、前記接続ロッドに係合するロッドシールを有し、
   前記ハウジングは、前記キャップシールアセンブリと前記ベースシールアセンブリとの間に内部キャビティを形成し、
   前記ロッドシールは、前記接続ロッドの曲げに応答する凸形半球面を形成するスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
2. スターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリであって、
   前記エンジンは２以上のピストンアセンブリがシリンダボア内で往復するタイプであり、
   各ピストンアセンブリは、前記エンジン内に含まれる作動ガスの隔離されたサイクル容積を分離し、
   各ピストンアセンブリは接続ロッドに取り付けられ、
   前記接続ロッドは、前記エンジンが動作している間、直線的に往復する態様のストロークを行い、
   前記ロッドシールアセンブリは、前記サイクル容積からの前記作動ガスの漏れを制御するべく前記接続ロッドとのシールを行い、
   前記ロッドシールアセンブリは、
   剛性のハウジングと、
   キャップシールアセンブリと、
   ベースシールアセンブリと
   を含み、
   前記キャップシールアセンブリは、前記ハウジングによって前記ピストンアセンブリに隣接して維持され、かつ、前記接続ロッドとのシールを行い、
   前記ベースシールアセンブリは、前記ハウジングによって前記ピストンアセンブリから離間して維持され、
   前記ベースシールアセンブリは、
   前記キャップシールアセンブリに対向して前記ハウジングの一端に配置されたシールプラグと、
   凹形半球面を形成するシールシートと、
   前記接続ロッドのための内部ボアと、前記シールシートの凹形半球面を支承しかつ前記接続ロッドの曲げに応答する凸形半球面とを有するロッドシールと、
   前記ロッドシールに対して圧縮力を与えるべく前記ハウジングに配置されたばねと
   を有し、
   前記ハウジングは、前記キャップシールアセンブリと前記ベースシールアセンブリとの間に内部キャビティを形成するスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
3. 前記エンジンが動作している間、前記ハウジングに関する前記ロッドシールのシフトを許可する手段を有する前記ベースシールアセンブリをさらに含む、請求項１又は２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
4. 前記キャップシールに径方向負荷を与える第２ばねを有する前記キャップシールアセンブリをさらに含む、請求項１又は２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
5. ＰＴＦＥ材から形成された前記キャップシールをさらに含む、請求項１又は２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
6. ＰＴＦＥ材から形成された前記ロッドシールをさらに含む、請求項１又は２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
7. 前記ロッドは、前記ピストンアセンブリの内部と前記内部キャビティとを連通させる中心通路を有する、請求項１又は２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
8. 前記ピストンアセンブリの内部及び前記ハウジングの内部キャビティは、前記エンジンが動作している間の前記サイクル容積の最小圧力近くに維持される、請求項７に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
9. 前記エンジンは複数の前記ロッドシールアセンブリを有し、前記ハウジングの内部キャビティのそれぞれが前記作動ガスの等しい圧力を有するべくともに接続される、請求項８に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
10. 前記作動ガスは水素又はヘリウムである、請求項１又は２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
11. 径方向分割部を有する前記キャップシールをさらに含む、請求項１に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
12. キャップシールスペーサを有する前記キャップシールアセンブリと、
    前記キャップシールスペーサ及び前記キャップシールに軸方向負荷を与える第１ばねと
    をさらに含む、請求項１に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
13. 前記キャップシールアセンブリに対向して前記ハウジングの一端に配置されたシールプラグと、
    凹形半球面を形成するシールシートと、
    第１及び第２ばねシートと
    を有する前記ベースシールアセンブリをさらに含み、
    前記ロッドシールは前記接続ロッドのための内部ボアを有し、かつ、前記凸形半球面は前記シールシートの凹形半球面を支承し、
    前記第１及び第２ばねシートは、これらの間にばねを有し、かつ、前記ロッドシールに対して圧縮力を与えるべく前記ハウジングに配置される、請求項１に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
14. 平坦な端面を形成する前記シールプラグと、
    前記シールシートと前記シールプラグとの間に配置され、かつ、前記平坦な端面と接触するワッシャと
    をさらに含み、
    前記ワッシャによって、前記シールプラグと前記シールシートとが相対的に径方向移動できる、請求項１３に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
15. 前記凸形半球面に形成されたＯリング溝を有する前記ロッドシールと、
    前記Ｏリング溝に配置され、かつ、前記凹形半球面と接触するＯリングと
    をさらに含む、請求項１４に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
16. 径方向分割部及びキャップシールスペーサを有する前記キャップシールアセンブリと、
    前記キャップシールスペーサ及び前記キャップシールに軸方向負荷を与える第１ばねと
    をさらに含む、請求項２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
17. 第１及び第２ばねシートを有する前記ベースシールアセンブリをさらに含み、
    前記第１及び第２ばねシートは、これらの間に前記ばねを有し、かつ、前記凸形半球面を前記凹形半球面に付勢する圧縮力を前記ロッドシールに対して与えるべく前記ハウジングに配置される、請求項２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
18. 平坦な端面を形成する前記シールプラグと、
    前記シールシートと前記シールプラグとの間に配置され、かつ、前記平坦な端面と接触するワッシャと
    をさらに含み、
    前記ワッシャによって、前記シールプラグと前記シールシートとが相対的に径方向移動できる、請求項２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。
19. 前記凸形半球面に形成されたＯリング溝を有する前記ロッドシールと、
    前記Ｏリング溝に配置され、かつ、前記凹形半球面と接触するＯリングと
    をさらに含む、請求項２に記載のスターリングサイクルエンジンのためのロッドシールアセンブリ。

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