JP7202365B2 - 段付ピストンを有する高温ガスエンジン - Google Patents

Description

本明細書は、例えばスターリングエンジンなどの、少なくとも１つのダブルアクティング型の変位又は作動ピストンを備えた高温ガスエンジンに関する。

スターリングエンジンは、おそらく高温ガスエンジンの最も有名な代表である。作動ガスとして空気が使用される場合、高温空気エンジンという用語も使用される。そのようなエンジンの中には、外部燃焼エンジン及びヒートポンプ又は冷却装置の両方として動作できるものがある。他の既知のタイプの熱ガスエンジンは、例えば、マンソンエンジン、エリクソンエンジンなどである。今日、「スターリングエンジン」という概念は、閉鎖ガス回路を備えたさまざまな高温ガスエンジンの総称として使用される（つまり、作動ガスは周囲の大気と接触せずにエンジン内でのみ循環する）。スターリングエンジンは、アルファ型、ベータ型、ガンマ型と呼ばれる３つの基本的な種類で区別されており、さらに、個々の種類のさまざまなバリエーションがあり、その一部は特別な名前で知られている（たとえば、ライダーモータ、シーメンスモータなど）。さらに、アルファ型はシングルアクティング機械とダブルアクティング機械とに区別される。そして、これらのすべての種類の多くの特定の構成が知られている。スターリングエンジンの異なる種類と構成はそれぞれ異なる観点から長所と短所を持っている。

ＷＯ２００９／０８２９９７ Ａ２ ＤＥ １０２ ２９ ４４２ Ａ１ ＵＳ ３，９４０，９３４ ＵＳ ４，０６９，６７１ ＵＳ ４，１９５，５５４ ＤＥ １９９ ０４ ２６９ Ａ１ ＧＢ ２５５４４５８ Ａ ＧＢ ２１７４４５７ Ａ ＷＯ ２０１０／０９３６６６ Ａ２

本発明は、変位ピストン（ベータおよびガンマ型）またはダブルアクティングの作動ピストン（ダブルアクティングアルファ型）を有するスターリングエンジン及びその他のタイプの高温ガスエンジンの特定の欠点を回避できる改良された高温ガスエンジンを提供することを目的としている。

上記の目的は、請求項１、１５又は２５に記載のスターリングエンジンによって達成される。様々な例示的な実施形態およびさらなる発展は、従属請求項の主題である。

一実施形態の高温ガスエンジンが記載される。この高温ガスエンジンは、接続ロッドを備えたギア（力伝達機構、クランク機構）と、シリンダ内に配置され、より大きい直径の第１部分とより小さい直径の第２部分とを有するダブルアクティングの段付ピストンと、を有する。前記段付ピストンは少なくとも部分的に中空である。前記ロッドは前記第２部分の内側を貫通し、段付ピストンの前記第１部分で回動可能に連結されている。

高温ガスエンジンは、一般的な実施形態では、クランクシャフトを有するギアと、シリンダ内に配置されたとダブルアクティングピストン（差動ピストン）とを有している。シリンダとピストンは、シリンダ内にリング形状シリンダ空間が形成されるように構成されている。ピストンが少なくとも部分的に中空であり、接続ロッドがピストン内部の位置で回動可能に取り付けられ、リング形状シリンダ空間が接続ロッドの周りに延びるように構成されている。ピストンは、段付ピストンとして構成された差動ピストン又はシリンダと同軸に配置され、シリンダ内部に突出する管上の外側を案内される差動ピストンのいずれかであり、その結果、ピストンの下にリング形状シリンダ空間が形成される。

さらなる例示的な実施形態によれる高温ガスエンジンは、接続ロッドを備えたギアと、シリンダと、シリンダの内部に少なくとも部分的に配置された管とを有する。少なくとも部分的に中空の差動ピストンの一端は、管とシリンダの内壁の間に配置され、その結果、リング形状シリンダ空間が形成される。接続ロッドは管を貫通し、作動ピストンの内側で回動可能に連結されている。

さらなる例示的な実施形態による高温ガスエンジンは、環境圧力が支配しているギア空間に配置されたギアを有する。さらに、スターリングエンジンは、シリンダ内に配置され、より大きい直径の第１部分とより小さい直径の第２部分とを有するダブルアクティングの段付ピストンを有する。前記段付ピストンは少なくとも部分的に中空であり、前記ギアに機械的に結合されたピストンロッドを内部に有する。前記段付きピストンの、前記ギアに面した前記第２部分は、スターリングエンジンの作動ガス用の緩衝空間への開口部を有しており、前記段付ピストンの内部にシール装置の少なくとも一部が配置され、前記シール装置は、前記緩衝空間と前記ギア空間との間でピストンロッドの貫通を密封する。

本発明によれば、変位ピストン（ベータおよびガンマ型）またはダブルアクティングの作動ピストン（ダブルアクティングアルファ型）を有するスターリングエンジン及びその他のタイプの高温ガスエンジンの特定の欠点を回避できる。

ガンマ型のスターリングエンジンの概略構造を示している。 ダブルアクティングアルファ型のスターリングエンジンの概略構造を示している。 段付ピストンとして構成された変位ピストンを備えたガンマ型のスターリングエンジンの例示的な実施形態を示している。 段付ピストンとして構成された作動ピストンを備えたダブルアクティングアルファ型のスターリングエンジンのピストンシリンダユニットの例示的な実施形態を示している。 図３と同様のガンマ型のスターリングエンジンの実施形態を示し、作動ピストンが（シングルアクティング）段付ピストンとして構成されている。 図５の例と機能的に類似しているが、並列に配置されたピストンおよびシリンダを有するガンマ型のスターリングマシンの実施形態を示している。 ガンマ型のスターリングエンジンの例示的な実施形態を示し、これは、図６の例と機能的に類似しているが、クランク駆動としていわゆるロスヨークギアを有している。 段付ピストンとして構成された作動ピストンとして、ダブルアクティングアルファ型のスターリングエンジンのピストンシリンダユニットの例示的な実施形態を示し、この作動ピストンは、傾斜板ギアを介してシャフトに連結されている。 段付ピストンとして構成された変位ピストンを備えたベータ型のスターリングエンジンの実施形態を示している。 機能および運動学に関して、図３の例と実質的に同等である例示的な実施形態を示している。変位ピストンとして、段付ピストンの代わりに、少なくとも部分的に中空の作動ピストンが使用される。この作動ピストンは、シリンダ内に突出する管と、シリンダ内壁との間に配置されている。 機能および運動学に関して、図５の例と実質的に同等である例示的な実施形態を示している。しかし、段付ピストンの代わりに、少なくとも部分的に中空の差動ピストンが使用され、作動ピストンとしてリング形状ピストンが使用される。差動ピストンもリング形状ピストンも、各々、シリンダ内に突出する管と、シリンダ内壁との間に配置されている。 作動ピストンを備えたダブルアクティングアルファ型（図４のものと同様）のスターリングエンジンのピストンシリンダユニットの例示的な実施形態を示している。作動ピストンは、シリンダに突出する管とシリンダの内壁との間に配置される差動ピストンとして構成されている。 本明細書で説明する例示的な実施形態による段付ピストンを備えたマンソンエンジンの例を示している。 図４によるスターリングエンジンの段付ピストンとクランク機構との間の代替的な結合を示している。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。

本発明は、図に示される例を参照して以下により詳細に説明される。 図は必ずしも縮尺通りではなく、本発明は示された態様に限定されない。 むしろ、本発明が基づく原理を提示することに重点を置いている。

以下に説明する例示的な実施形態は、主に異なるタイプのスターリングエンジンに関する。ただし、ここで説明する概念（特にピストンの基本形状とトランスミッションとの機械的結合）は、少なくとも部分的に他のタイプの高温ガスエンジンに適用できる。加えて、以下に記載の様々な例示的実施形態で説明されるシリンダおよびピストンの構成は、多シリンダエンジンに任意に組み合わせることができる。図１は、ガンマ型のスターリングエンジンの構造を示す図である。このようなガンマ型スターリングエンジンの動作モードは、以下の原理を基づいている。たとえば、変位シリンダＶＺ内のクランク機構（たとえば、クランクシャフト１０と接続ロッド１２）により作動する変位ピストンＶＫが、熱交換器（ヒータＥ）、再生器Ｒ及び冷却器Ｋにより変位シリンダＶＺのホットサイドＨとクールサイドＣとの間を往復運動する。結果として生じる圧力変化は、作動ピストンＡＫ（図１の右側）に作用し、作動ピストンＡＫは、結果として生じる力をクランクシャフト１０に伝達し、そこでトルクを生成する。変位ピストンＶＫのピストンロッド１３は、変位シリンダＶＺから導出され（シール３０）、短い接続ロッド１２を介してクランクシャフト１０に接続されている。変位ピストンＶＫから９０度遅れて移動する作動ピストンＡＫは、ラインＬを介して変位シリンダＶＺに接続されている。水平方向の力を受けるために接続ロッドヘッドをガイドする構成要素は示されていない。特許文献１及び特許文献２の刊行物に様々な例が記載されている。

変位シリンダＶＺ内に配置されたガンマ型の変位ピストンＶＫ（図１参照）に匹敵する構造が、図２に例として示されているアルファ型（シーメンス型とも呼ばれる）のダブルアクティングスターリングエンジンに使用される。しかしながら、図１のガンマ型とは異なり、アルファ型のダブルアクティングスターリングエンジンは、別個の変位ピストンまたは変位シリンダではなく、互いに接続された複数の作動ピストン及び作動シリンダユニットを有する。ここで、図２に示すように、作動シリンダＡＺの高温端Ｈは、ヒータＥ、再生器Ｒ及び冷却器Ｋを介して次の作動シリンダＡＺ’の低温端Ｃに接続されている。この点で、このタイプは複数のシリンダを備えた機械でのみ機能する。図２に示すように、しばしば４つのピストンシリンダユニットが使用され、各ユニットは同一に構成され、それらのピストンは９０度位相がずれて動作する（クランクシャフトの一回転に対して）。個々の作動ピストンの角度位置を図２に示す。４つ以上のピストンシリンダユニットを備えた機械も可能である。水平方向の力を受けるために接続ロッドヘッドをガイドする構成要素は示されていない。示されているダブルアクティングスターリングエンジンは、シーメンスの高温ガスエンジンとも呼ばれます。その他のさまざまな例は、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５に記載されている。

図１及び図２の両方の例では、ピストン（図１に記載のガンマ型では変位ピストンＶＫ、図２に記載のダブルアクティングアルファ型では作動ピストンＡＫ）が作動ガスで満たされた気密のシリンダ（ガンマ型の場合は変位シリンダＶＺ、ダブルアクティングアルファ型の場合は作動シリンダＡＺ）内で移動する点で共通している。ピストン力は、ピストンＶＫ又はＡＫに取り付けられたピストンロッド１３を介して伝達される。図示の例では、ピストンロッド１３は、シリンダＶＺ又はＡＺの冷却端Ｃで開口部により案内され密封される（図１、シール３０を参照）。ピストンロッド１３の外側端部は、振動運動を規定するクランク機構の接続ロッド（例えば、接続ロッド１２、クランクシャフト１０）に接続することができる。ここで説明する例示的な実施形態において、「ピストンロッド」という用語は、それぞれのピストンにしっかりと接続された（旋回不可能な）ロッドを示し、ピストンロッドはピストンの縦軸Ｓに沿ってのみ移動できる。対照的に、接続ロッドは、ピストンの縦軸Ｓに対して旋回可能に取り付けられている。

図示の構造では、ピストンロッド１３は、シリンダＶＺ（図１参照）又はＡＺ（図２参照）から導出される領域で接続ロッド１２の傾斜位置によって引き起こされるそれぞれの水平方向の力を吸収する。これらの水平方向の力は、ピストンロッド１３の軸受に関して問題になる可能性がある。したがって、多くの構成では、ピストンロッド１３の負担を軽減するために追加の縦方向ガイド（クロスヘッドガイドなど）が取り付けられる。しかしながら、そのような機械要素は、装置全体の全体の高さを増加させる可能性があり、これが比較的短い接続ロッド１２が通常使用される理由である。これらは、好ましくない、クランク半径ｒ_ｋと接続ロッドの長さｌ_ｐとの比率（ラムダ値、図１を参照）を引き起こし、これは水平方向の高い力と２次慣性力の高い割合との両方に影響を与える。さらに、ピストンの動きが正弦曲線から大きく外れると、スターリングエンジンの熱力学的プロセスにとって好ましくない場合がある。

オイル潤滑クランク駆動の場合、オイルがプロセス空間や作動ガスに到達しないようにピストンロッド１３に沿って対策を講じる必要がある。このようなシールにより、スターリングエンジンの全体が高くなる。ここで、クランク機構は一般に、ピストンの振動並進運動を回転に変換するように設計された機械的機能ユニットと見なされている。したがって、クランク機構は、必ずしも、図１又は図２による例のように接続ロッドがクランクシャフト上で直接向きが変えられる構成である必要はない。別の実施形態では、クランク機構はロスヨーク機構（Ｒｏｓｓ－Ｙｏｋｅ－Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｕｍ）を有することができる。さらなる代替の実施形態では、ピストンの振動運動を回転に変換するために、斜板カムをシャフトに接続することができる。

図３は、ガンマ型のスターリングエンジンの改良された実施形態の例を示す図である。示されている例は、図１の例と本質的に同じであるが、変位ピストンＶＫは、ピストンロッド１３を有する代わりに、その下端（低温側Ｃ）の外径ｄが変位ピストンＶＫの上部の外形Ｄより小さい中空シリンダ（管）を有する。つまり、ピストンＶＫは（ダブルアクティング）段付ピストンとして設計された差動ピストンであり、大きな直径Ｄの第１部分Ｓ_１と小さな直径ｄの第２部分Ｓ_２を備えている。

段付ピストンとして構成される変位ピストンＶＫは、少なくとも部分的に中空であり、直径ｄの中空シリンダー（段付ピストンの部分Ｓ_２）により、その上端が大きな直径Ｄの部分（変位ピストンＶＫの部分Ｓ_１）の領域で段付ピストンＶＫの内側に段付ピストンＶＫに対して回転可能に取り付けられている十分に長い接続ロッド１２の貫通を可能にしている。したがって、接続ロッド１２は、ピストンＶＫの下端でピストンＶＫに接続されておらず、ピストンＶＫ内の部分Ｓ_１内にまで延びている。それにより、図１の例と比較して、接続ロッド１２を著しく長くすることができる。より大きな直径Ｄの領域（部分Ｓ_１）は、ここに示す例示的な実施形態では明確に区切られており、段付ピストンの段差で、直径が小さい値ｄから大きい値Ｄに（軸方向）広がっている。小さい直径ｄから大きい直径Ｄへの移行が１つの段で行われず、徐々に行われる場合、大きい直径の領域Ｓ_１では、どの（軸）円筒部分でも直径が、小さい直径ｄよりも大きい。

接続ロッド１２の回動軸はＡで示されている。接続ロッド１２は、異なる種類のベアリングによりピストン内で回動運動することができる。たとえば、円筒形のすべりベアリング又は転がりベアリングを使用できる。あるいは、球面上のピボットベアリングを使用できる。これは、例えば、接続ロッド１２の上端に配置される。前述のように、接続ロッドは、段付ピストンの第１部分Ｓ_１（ピストンＶＫの直径が小径ｄよりも大きい）で回転可能に取り付けられている。これは、接続ロッド１２の回動軸Ａが部分Ｓ_１にあることを意味する。

変位シリンダＶＺの中心軸Ｓに垂直なピストンの水平方向の力を吸収するために、段付ピストンＶＫの大径Ｄ（部分Ｓ１）の領域と小径ｄ（部分Ｓ_２）の領域とにガイド要素Ｆ（摺動面）を配置することが有効である。（クランク半径／接続ロッドの長さ）の比率が小さいため、ピストン中心軸Ｓに垂直なピストン力は比較的小さい。この力は２つのガイド面Ｆに分割されるため、摺動面の表面負荷は非常に小さくなる。この配置により、例えば摩擦係数の低いＰＴＦＥ－グラファイト化合物で作られた、ガイド要素Ｆとしてオイルフリーのスライド要素が使用できる。また、２つのスライド要素Ｆは、ピストンＶＫの正確な直線的な案内をもたらし、一体化した、又は近接したガイド要素で発生する可能性がある傾斜運動を防ぐ。

たとえば、中空シリンダによって定義される円形領域（ｄ^２×π／４）に対する円環面の面積（（Ｄ^２－ｄ^２）×π／４）が約１：１の分割に対応して、段付ピストンの小さい直径ｄ（中空シリンダの外径）が、段付ピストンの大きい直径Ｄの約７０％になるように、段付きピストンＶＫの直径の寸法が決められ得る。段付ピストンＶＫの第２セクションＳ_２とシリンダ表面の間には、動作中に冷却作動ガスで満たされる環状の容積がある。したがって、段付シリンダの段の下の領域は、段付ピストンＶＫ又は変位シリンダＶＺの低温側Ｃである。段付ピストンＶＫの上の変位シリンダＶＺのシリンダ容積には、動作中に高温の作動ガスで満たされる。したがって、段付ピストンＶＫの第１部分Ｓ_１の上の領域は高温側Ｈである。

段付ピストンＶＫの第２部分Ｓ_２には、シールリング２０が配置されている。同様に、段付ピストンＶＫの第１部分Ｓ_１には、さらなるシールリング２１が配置されている。シールリング２１は、変位シリンダＶＺの低温側Ｃに対して高温側Ｈをシールする一方、シールリング２０は、その下にある緩衝空間Ｐに対して変位シリンダＶＺの低温側Ｃをシールする（段付ピストンがダブルアクティングアルファ機械の作動ピストンであり、ピストンリングがシールリングとして提供される図４も参照、）。図示されているガンマ機械の場合、変位シリンダＶＺの高温側Ｈと低温側Ｃは、ヒータＥ、再生器Ｒ、および冷却器Ｋを介して接続されて おり、２つの側は、実質的に同じ圧力が支配している。シールリング２１は、本質的に、プロセスガスが段付ピストンＶＫとシリンダ内壁との間を流れる（漏れる）のを防ぐのに役立つ。これとは対照的に、シールリング２０は、変位シリンダＶＺの内部を緩衝空間Ｐに対してシールしなければならないため、シールリング２０は一般にピストンリングとして構成される。同様に、作動ピストンＡＫに配置されたシール２２は、作動シリンダＡＺの作動空間を、その下にある緩衝空間Ｐに対してシールする必要があるため、シール２２は一般に、同様にピストンリングとして構成される。

ここで説明する例示的な実施形態では、ピストンガイドＦとピストンシール２０、２１（ピストンリング）を、ピストンとともに移動する要素としてピストンに又はピストン内に取り付けるか、又は固定の非移動要素としてシリンダの内側に配置し、ピストン軸に沿ってスライドするかどうかは重要ではない。図３に示すように、ピストンリング２１およびガイド要素Ｆは、段付ピストンの大きい直径Ｄの領域に配置され、ガイド要素はシリンダＶＺの内壁上を摺動する。対照的に、段付きピストンの小径ｄの領域では、ガイド要素Ｆ及びピストンリング２０は、シリンダの内側に固定的に取り付けられている。上述の組み立ての状況は、スターリングエンジンの機能には影響しないので、特定の構造に最適なバリエーションを選択できる。したがって、これ以降の説明では、この点については説明しない。

図４は、アルファ型のダブルアクティングスターリングエンジンであるピストンシリンダユニットの改良された実施形態の一例を示している。このピストンシリンダユニットについては、いくつか（例えば、図２の例のように４つ）を連結してダブルアクティングアルファ機械を形成することができる。示される例は、図２の例のピストンシリンダユニットと本質的に同じであるが、作動ピストンＡＫ、ＡＫ’は、その下端（低温側Ｃ）に、ピストンロッド１３を設ける代わりに中空シリンダ（管）を有し、この中空シリンダは、それぞれのピストンＡＫ、ＡＫ’の上部の直径Ｄよりも小さい直径ｄを有している。この例の作動ピストンＡＫは、前の例で段付ピストンとして設計された、図３の例における変位ピストンＶＫと本質的に同じように構成でき、これに関連する説明が参照される。図３及び図４の２つのエンジンタイプの動作モードは異なる（図１及び図２の上記の説明を参照）。ただし、段付ピストンとして構成された作動ピストンＡＫは、たとえばシールなど、前の例の段付ピストンとして設計されたＶＫ変位ピストンとは異なる。作動シリンダＡＺ、ＡＺ’の高温側Ｈ（膨張空間）と低温側Ｃ（圧縮空間）の圧力差に耐えなければならないため、シールリング２０、２１は、両方とも、本例では（圧力負荷のかかる）ピストンリングとして構成される。

オイル潤滑クランク駆動では、機械全体の長さを大幅に増やすことなく、小さなピストン径（部分Ｓ_２）のガイドの領域にオイルス掻き取りエレメントＡ（オイル掻き取りリング）を取り付ける。低いラムダ値（ｒ_Κ／ｌ_Ｐ）により、低い２次質量力を伴うほぼ正弦波のピストン運動と、ヒータＥ、再生器Ｒ及び冷却器Ｋを通るガス質量流の良好な流れが可能になる。図４の図では、作動ピストンＡＫはほぼ中間位置にあるため、クランクシャフト１０の屈曲部は現れていない。

図５は、図３の例と同様に構成されたガンマ型のスターリングエンジンのさらなる例示的な実施形態を示している。図３とは異なり、作動ピストンＡＫはシングルアクティング段付ピストンとして設計されている。段付ピストンは、大きい外径Ｄ’の第１部分Ｓ_１’と、小さい外径ｄ’のＳ_２’部分とを有する。作動シリンダＡＺの作動空間ＡＲは、シリンダの内壁と段付ピストンの第２部分Ｓ_２’との間に形成される環状空間である。結果として、変位シリンダＶＺの低温側Ｃと作動シリンダとの間の接続ラインＬは、前述の環状空間（シリンダ空間ＡＲ）に通じている。

作動ピストンＡＫは、その長手軸に沿って貫通する開口部を有し、そのため、作動ピストンＡＫの端面上の緩衝空間Ｐとシリンダ空間Ｐ’との間で圧力の均等化を行うことができる。作動ピストンを通る図５に描かれた矢印は、作動ピストンＡＫの開口部を通るガス流が可能であり、これにより上述の圧力均等化が可能になることを示している。作動ピストンＡＫに連結された接続ロッド１２は、変位ピストンＶＫと同様に、より大きい直径Ｄ’の領域Ｓ_１’で作動ピストンＡＫの内部に回動可能に取り付けられている。シールリング２３は、作業シリンダＡＺのシリンダ空間ＡＲ（作業空間／環状空間）を緩衝空間Ｐに対して密封する。同様に、シールリング２２は、作業空間ＡＲを、緩衝空間Ｐと同じ圧力が支配する前部シリンダ空間Ｐ’に対して密封する。両方のシール２２、２３はピストンリングとして構成することができる。残りについては（特に、変位シリンダＶＺ及びクランク機構に関して）、図３の説明が参照される。図３の例と比較して、図５の変形例は、変位シリンダＶＺと作業シリンダＡＺとの間のより短いラインＬを可能にし、その結果、比較的長い連接棒１１を備えたより小さなデッドスペースを可能にする。

図６は、ガンマ型のスターリングエンジンのさらなる例示的な実施形態を示し、ピストンの機能及び構成に関する限り、前述の図５の例と非常に類似している。図５の例と図６の例と間の主な違いは、シリンダの相対的な互いの位置である。図６では、変位シリンダＶＺおよび作業シリンダＡＺの縦軸Ｓ及びＳ’は平行であるが、前の例では、縦軸Ｓ及びＳ’は本質的に直角をなし、したがってＶ型エンジンを形成する。シリンダの平行配置は、変位シリンダＶＺと作業シリンダＡＺの間のさらに短いライン接続Ｌを可能にし、その結果、前の例と比較してさらに小さいデッドスペースを可能にする。残りの構成については、図３及び５の説明が参照される。

図７は、図６の例の変形を示している。図６と図７の例の本質的な違いは、図７に示す、いわゆるロスヨーク機構（Ｒｏｓｓ－Ｙｏｋｅ－Ｍｅｃｈａｍｓｍｕｓ）を有するクランク機構にある。ロスヨーク機構では、接続ロッド１１と１２はピストンをクランクシャフト１０に直接接続せず、接続ロッド１１と１２のピストンと反対側の端部が、ピストンの振動運動をクランクシャフト１０が伝達するロッカ１４（ヨーク）に回動可能に取付けられている。ロッカ１４は、さらなる接続ロッド１３を介してトランスミッションハウジングに追加的に取り付けられている。このようなロスヨーク機構はそれ自体知られているため、詳細には説明しない。クランク駆動以外は、図７の例は、図６の例と実質的に同じように構成されており、上記の説明が参照される。

図８は、図４の例の変形例を示しており、４つ以上のシリンダユニット（作動シリンダＡＺ、ＡＺ’）が斜板ギアを介して出力軸１０を駆動する。図８に示された断面図には、（変速機に関して）互いに対向して配置された２つのシリンダユニットが示されている。この場合、シャフト１０の「クランク」は、接続ロッド１１及び１２が（例えば、球面軸受によって）回動可能に連結された傾斜板によって形成されている。斜板ギア自体は既知であるため、ここではさらに説明しない。

図２の例と同様に、アルファ型のダブルアクティングスターリングエンジンを形成する少なくとも４つのシリンダユニットが必要である。図８の右下のボックスは、そのようなモータをどのように構成できるかを示す概略上面図を示している。２つのシリンダＡＺ及びＡＺ’が平面Ｅ_１及びＥ_２にそれぞれ配置され、シリンダの縦軸は、それぞれ互いに垂直な平面Ｅ_１及びＥ_２上にある（必ずしもそうである必要はない）。 第１の平面Ｅ_１のシリンダＡＺは、（ヒータＥ、再生器Ｒおよび冷却器Ｋを介して）第２の平面Ｅ_２の対応するシリンダＡＺに接続されている。これは、再び、第１の平面など第２のシリンダＡＺ’などに接続される。このようにして、４－シリンダエンジンが形成される。ただし、前述のように、５つ以上のシリンダを使用した構成も可能である。

上述のガンマ型スターリングエンジン及び（ダブルアクティング）アルファ型の例で説明したような段付ピストンは、ベータ型スターリングエンジンでも使用できる。ベータマシンの例を図９に示す。ガンママシンと同様に（図３を参照）、ベータマシンは変位ピストンＶＫと作動ピストンＡＫを備えている。ただし、図３の例とは異なり、変位ピストンＶＫと作動ピストンＡＫは同じシリンダＺ内を移動する。ガンママシン（図３を参照）と同様に、変位ピストンＶＫは段付ピストンとして構成され、接続ロッド１２は、段付ピストンＶＫは、クランクシャフト１０に接続し、（少なくとも部分的に中空の）段付ピストンＶＫの第２の部分Ｓ_２を通り、段付ピストンＶＫの第１の部分Ｓ_１で段付ピストンＶＫに回動可能に取り付けられている。変位ピストンＶＫの図示された構成によれば、比較的長い接続ロッド１２の使用とラムダ値の改善を可能にする。段付ピストンＶＫの大径Ｄ（部分Ｓ_１）の領域にガイド要素Ｆ（摺動面）を設けて、シリンダＺの中心軸Ｓに垂直なピストン横力を吸収することができる。段付ピストンとして構成された変位ピストンＶＫに関して、残りの構成は、図３の説明が参照される。

作動ピストンＡＫは、リング形状のピストン（リングピストン）として設計されており、変位ピストンＶＫと同軸に動く。リングピストンＡＫの外径はＤ_Ａで示され、リングピストンの内径は（ピストンの遊びを除いて）段付ピストンＶＫの小径ｄに対応する。段付ピストンＶＫの、直径ｄが小さい部分Ｓ_２は、リングピストンＡＫ内を通過する。シールリング（ピストンリング）は、リングピストンＡＫ上に配置され、シールリングの一方（シール２２ａ）は、外側をシールし、他方（シール２２ｂ）は、内側をシールする。同様に、ガイド摺動面Ｆは、リングピストンＡＫ（の内側と外側）に配置できる。これに関して、ピストンリング２２ｂを段付ピストンＶＫの部分Ｓ２に配置したり、ガイド摺動面ＦをシリンダＺ上に配置したりするなど、他の構成も可能である。

図９に示すように、リングピストンとして構成された作動ピストンＡＫは、中心軸Ｓに対して対称に配置された２つの接続ロッド１１ａ、１１ｂを介してクランクシャフト１０に接続されている。接続ロッド１１ａ、１１ｂの上端の回動のための空間をより多く得るため、シリンダＺは段付の構成であり、これにより、段付ピストンＶＫの部分Ｓ_１の外径Ｄと比較して、リングピストンＡＫの外径Ｄ_Ａを大きくすることができる。より大きな外径Ｄ_Ａから得られるピストン面積（リング面積（Ｄ_Ａ ^２－ｄ^２）×π／４）は、それに応じて作動ピストンのピストンストロークを減らすために使用できる。接続ロッド１２よりも必然的に短い接続ロッド１１ａ、１１ｂにより、変位ピストンＶＫの接続ロッド１２と同様に好ましいラムダ値を得ることができる。段付ピストン（変位ピストンＶＫ）及びリングピストン（作動ピストンＡＫ）のピストン面積（リング面積）及び対応するピストンストロークは、ストローク体積の比が約１：１になるように選択できる。図６では、変位ピストンＶＫはほぼ中間でるため、クランクシャフト１０の屈曲部は見えない。ガンママシンの場合と同様に、変位ピストンＶＫは（クランクシャフト１０の角度位置に対して）作動ピストンＡＫより約９０度先行する。クランクシャフト１０は、図３の例のように、緩衝空間Ｐに配置されている。

図１０は、図３の例示的な実施形態の変形例を示している。図３及び図１０の例は、機能的および運動学的に同等である。２つの例は、変位シリンダＶＺ及びその中に配置された変位ピストンＶＫの構造のみが異なり、ピストンストロークおよびシリンダ容積は両方の変形で同じとすることができる。図１０によれば、段付ピストンの代わりに幾分異なって構成された差動ピストンが使用されている。本実施例では、差動ピストンは、変位シリンダＶＺの内部（および差動ピストンの内部）に突出する管Ｒに同軸に案内される。作動ピストンは（少なくとも部分的に）中空であり、管Ｒとシリンダ内壁との間に配置されているため、段付ピストンを使用する場合のように、管Ｒの外面とシリンダの内面の間で作動ピストンの下にリング形状のシリンダ空間（リング空間）が生じる。図１０には不図示のガイドが、差動ピストンの外側またはシリンダの内壁に配置され得る。管Ｒはエンジンハウジングに（ネジ止めなどにより）しっかりと固定されており、シール２０はリング状空間（すなわち、変位シリンダＶＺの低温側Ｃ）を作動ピストンの内側に対してシールする。作動ピストンの内側の圧力は緩衝空間Ｐと同じである。図１０の管Ｒ内を走る矢印は、ガス流および圧力均等化の可能性を再び示している（図５に類似）。シール２１は、図３を参照して既に説明したように、漏れを防止する。接続ロッド１２は、管Ｒを貫通し、作動シャルピストンＶＫの内部で回動する。したがって、図３の例と同様に、接続ロッドの長さｌｐに対するクランク半径ｒ_Ｋの、同じ好ましい比率（ラムダ値、図１を参照）を達成することができる。残りの構成については、図３に関する説明が参照される。

図１１の例は、図５の例の変形である。両方の例は機能的および運動学的に同等である。図１１によれば、変位シリンダＶＺおよび変位ピストンＶＫは、図１０の例と同じように構成される。この構成は、図５の段付ピストンに代替するものである。作動ピストンＡＫ内に突出する管Ｒ’が配置され、管Ｒ’の外面との間が密閉される（例えば、ピストンリング２３を参照）。管Ｒ’は、変位シリンダＶＺの管Ｒと同様に、エンジンハウジングにしっかりと固定されており、前述のように、作動シリンダＡＺに突き出ている。図５のように、作動ピストンＡＫは中空であり、作動ピストンＡＫの正面の緩衝空間Ｐとシリンダ空間Ｐ’との間の圧力均等化を可能にする。シールリング２２は、図５と本質的に同じである。シールリング２３は、作動ピストンＡＫと管Ｒ’との間を密閉する。

図１２の例は、図４の例の変形であり、図４の段付ピストンが差動ピストンに置き換えられている。作動シリンダＡＺ及び作動ピストンＡＫ（差動ピストン）は、図１１の変位ピストンＶＫおよび変位シリンダと本質的に同じように構成されており、上記の説明が参照される。図４を参照して既に説明したように、図２の例と同様に、いくつか（例えば４つ）のシリンダユニットをアルファ型のダブルアクティングスターリングエンジンに接続することができる。

図１３は、マンソンエンジンという名前で知られるようになった高温ガスエンジンの例を示し図である。作動ガスは閉回路内を循環しないため（ただし、弁を介して緩衝空間又は大気に接続される）、図示のマンソンエンジンは実際にはスターリングエンジンではない。段付ピストンは、変位ピストンと作動ピストンの両方として機能し、この例では符号ＡＫが付されている。ピストン運動の上死点および下死点では、たとえば、機械的なバルブ制御により、弁Ｖが短時間開かれる。この弁Ｖは、（段付ピストンの狭い部分とシリンダＡＺの内壁の間の）リング形状のシリンダ空間を緩衝空間Ｐ内の周囲圧力に接続する。機械的バルブ制御は、例えば、回転中心４０の周りに旋回可能に取り付けられ、シャフト１０に配置されたカム４４ａ及び４４ｂによって傾けられるレバー４１を含むことができる。レバー４１は、この傾斜運動をバネ４２の復元力に抗して弁Ｖのタペットに伝達する。レバー４１の下端には、シャフト１０上で従動回転するローラ４３を取り付けることができる。マンソンエンジンの構造と機能はそれ自体既知であり（例えば、特許文献６及び特許文献７）、したがってここではさらに説明しない。他の例示的な実施形態に関して説明された、段付ピストンの大径Ｄの領域における接続ロッド１２の回動運動の利点は、マンソンエンジンにも当てはまる。

スターリングエンジンの構成によっては、トランスミッション（図１４のトランスミッション空間Ｇを参照）が緩衝空間として使用されず、大気圧下で動作する。そのような場合、（作動ガスの圧力下にある）緩衝空間はギア空間から密封する必要があり、これは、たとえばピストンロッドとともに特別なシール要素を使用して行われる。その際に、シール要素をバネで付勢している、いわゆる「レニングラードシール（Ｌｅｎｉｎｇｒａｄｅｒ Ｄｉｃｈｔｕｎｇ）」が有効であることが実証されている。シール機能を果たすため、２つの円錐形に形成された板が、シール要素をピストンロッドに押し付ける。このようなシール要素は、それ自体、知られている。

そのような例が図１４に示されている。図１４は、アルファ型のダブルアクティングスターリングエンジンのピストンシリンダユニットを示している。これらのピストンシリンダユニットのいくつか（例えば、図２の例のように４つ）を、ダブルアクティングアルファ型エンジン形成に結合することができる。高さを節約するために、示されている例では、ダブルアクティング段付ピストンが作動ピストンＡＫとして設けられている。前の例のように、段付ピストンＡＫは、大きい直径Ｄの第１部分Ｓ_１と小さい直径ｄの第２部分Ｓ_２とを備え、段付ピストンＡＫは少なくとも部分的に中空である（少なくとも直径ｄの第２部分Ｓ_２の領域で）。しかしながら、図４の例とは対照的に、段付ピストンＡＫは、クランク駆動の接続ロッドに直接接続されておらず、代わりに（図２の例のように）ピストンロッド１３を有している。しかしながら、図２の例とは対照的に、ピストンロッド１３のガイドおよびシール要素は、段付ピストンの、クランク機構に面するピストンシャフト内（外径ｄを有する部分Ｓ_２）に配置することができる。この実施形態では、ピストンロッド１３は、例えば、接続ロッドを介して、図２の例と同じまたは同様の方法でクランクシャフトに接続されている（関連する欠点を伴う）。したがって、ピストンロッド１３をロスヨーク、研削板エンジン、または斜板エンジンに接続する方がよい場合がある。これらのタイプのギアは、その構造により接続ロッドのたわみが小さいか、接続ロッドを必要としないためである。そのようなギアは、例えば特許文献８又は特許文献９により知られている。

クランク機構（例えば、クランクシャフト１０、例えば図２を参照）に面する、段付ピストンＡＫの第２部分Ｓ_２は、スターリングエンジンの作動ガス用の緩衝空間Ｐに開口している。隔壁３３は、緩衝空間Ｐとギアが配置されるギア空間Ｇとの間でクランクケースを分離する（図１４に不図示、図７及び図８を参照）。段付ピストンＡＫに接続されたピストンロッド１３は、隔壁３３の開口部を貫通している。シールは、隔壁３３に固定されたスリーブ３１を備え、このスリーブ３１の中をピストンロッド１３が延びている。リング状シール要素３５が、スリーブ３１内で、ピストンロッド１３の周りに配置されている。シール要素３５は、ピストンロッド１３の縦軸Ｓ（シリンダ軸Ｓ）に沿って、２つの円錐形板３４の間に挟まれる。これに必要な付勢力は、ピストンロッド１３の周りのスリーブ３１内に配置することができるバネ３２によって生成され（例えば、らせんバネの場合）、ピストンロッド１３の縦軸Ｓに沿って板３４に力を及ぼす。図２及び図４による例では、緩衝空間Ｐとギア空間Ｇとの間に分離はなく、クランク機構は緩衝空間に配置されている。しかし、この例では、緩衝空間Ｐと歯車空間Ｇを分離することができるため、ギアは環境圧力下で動作できる。図２による構造では、理論的には緩衝空間を必要としないといえる。図５による本実施例では、別の緩衝空間Ｐを設けることが有利であり得る。さもないと、下部ピストン部分Ｓ２が、変位容積により、過剰な圧力振動を生じ、その結果、ハウジング及び隔壁３３に過剰な力が生じることになるからである。

３…バネ
１０…ギア
１１ａ、１１ｂ、１２…接続ロッド
２０、２１…シールリング
１３…ピストンロッド
３１…スリーブ
３５…シール要素
Ｆ…ガイド要素
Ｇ…ギア空間
Ｐ…緩衝空間
Ｒ、Ｒ’…管
Ｓ_１…第１部分
Ｓ_２…第２部分
ＶＺ、ＡＺ、Ｚ…シリンダ
ＶＫ、ＡＫ…段付ピストン

Claims (26)

1. 高温ガスエンジンであって、
   接続ロッド（１２）を備えたギア（１０）と、
   シリンダ（ＶＺ、ＡＺ、Ｚ）内に配置され、より大きい直径（Ｄ）の第１部分とより小さい直径（ｄ）の第２部分とを有するダブルアクティングの段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）と、
   を有し、
   前記段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）は少なくとも部分的に中空であり、前記ロッド（１２）は前記第２部分（Ｓ_２）の内側を貫通し、段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）の前記第１部分（Ｓ_１）で回動可能に連結されており、前記段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）の、前記ギアに面した前記第２部分（Ｓ _２ ）は、高温ガスエンジンの作動ガス用の緩衝空間（Ｐ）への開口部を有している高温ガスエンジン。
2. 請求項１に記載の高温ガスエンジンであって、
   前記段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）は、前記第１部分（Ｓ_１）と前記第２部分（Ｓ_２）との両方において、シリンダ表面上をスライドするスライド面を有している高温ガスエンジン。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高温ガスエンジンであって、
   前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ、Ｚ）は、前記段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）の前記第１部分（Ｓ_１）及び前記第２部分（Ｓ_２）においてピストン表面上をスライドするガイド要素（Ｆ）を有する高温ガスエンジン。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
   前記段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）は、前記第１部分（Ｓ_１）と前記第２部分（Ｓ_２）とにシールリング（２０、２１）を有している高温ガスエンジン。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
   前記接続ロッド（１２）は、滑り軸受、ローラ軸受、又は球面ジョイント軸受によって、前記段付ピストン（ＶＫ、ＡＫ）内に取り付けられている高温ガスエンジン。
6. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
   第１のシールリング（２１）が前記第１部分（Ｓ１）と前記シリンダ（∨Ｚ）の内壁との間に配置され、第２のシールリング（２０）が前記第２部分（Ｓ２）と前記シリンダ（∨Ｚ）の前記内壁との間に設けられた高温ガスエンジン。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
   前記ギア（１０）は、前記緩衝空間（Ｐ）に配置されている高温ガスエンジン。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
   前記高温ガスエンジンは、アルファ型のダブルアクティングスターリングエンジン、又はベータ型又はガンマ型のスターリングエンジンであり、
   前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ）と前記第２部分（Ｓ_２）との間に位置するリング形状容積は、動作中に冷却された作動ガスで満たされる高温ガスエンジン。
9. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
   前記高温ガスエンジンは、ベータ型のスターリングエンジンであり、前記シリンダ（Ｚ）内に配置されたリング形状ピストン（ＡＫ）を有し、前記段付ピストン（ＶＫ）の前記第２部分（Ｓ_２）が前記リング形状ピストン（ＡＫ）を貫通して案内される高温ガスエンジン。
10. 請求項９に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記ギア（１０）は、ピストン長手軸（Ｓ）に対して対称的にリング形状ピストン（ＡＫ）上に回動可能に取り付けられた２つのさらなる接続ロッド（１１ａ、１１ｂ）を有する高温ガスエンジン。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記シリンダ（Ｚ）は段付シリンダとして構成されており、より小さな直径（Ｄ）の第１部分とより大きな直径（Ｄ_Ａ）の第２部分とを有し、
    前記リング形状ピストン（ＡＫ）は、前記シリンダ（Ｚ）の前記第２部分に配置されている高温ガスエンジン。
12. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
    別のシリンダ（ＡＺ）内に配置された別のピストン（ＡＫ）をさらに有し、前記別のピストン（ＡＫ）は、別の接続ロッド（１１）によって前記ギアに接続されている高温ガスエンジン。
13. 請求項１２に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記段付ピストンは変位ピストン（ＶＫ）であり、前記別のピストンは、段付ピストン又はリング形状ピストンとして構成されている作動ピストン（ＡＫ）である高温ガスエンジン。
14. 請求項１２又は請求項１３に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記シリンダ（ＶＺ）と前記別のシリンダ（ＡＺ）との両方に、各々、リング形状シリンダ空間が形成され、
    前記シリンダ（ＶＺ）の前記リング形状シリンダ空間と、前記別のシリンダ（ＡＺ）の前記リング形状シリンダ空間とは、ライン（Ｌ）を介して接続されている高温ガスエンジン。
15. 高温ガスエンジンであって、
    接続ロッド（１２）を備えたギア（１０）と、
    シリンダ（ＶＺ、ＡＺ、Ｚ）と、
    前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ）に突き出ている管（Ｒ、Ｒ’）と、
    前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ、Ｚ）に配置された差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）であって、前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ、Ｚ）と前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）とが、前記シリンダ内でリング形状シリンダ空間を形成し、前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）の一端が、前記管（Ｒ、Ｒ’）と前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ）の内壁との間に配置されている差動ピストンと、
    を有し、
    前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）は少なくとも部分的に中空であり、前記接続ロッド（１２）は前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）の内側の位置に回動可能に取り付けられており、前記リング形状シリンダ空間は前記ロッド（１２）の周りに広がっている高温ガスエンジン。
16. 請求項１５に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記管（Ｒ）がエンジンハウジングと前記高温ガスエンジンの作動ガスのための緩衝空間（Ｐ）とに固定的に接続された高温ガスエンジン。
17. 請求項１６に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記管（Ｒ）は、前記緩衝空間（Ｐ）を前記作動ピストン（ＶＫ；ＡＫ）の内部に接続し、前記緩衝空間（Ｐ）と前記差動ピストン（ＶＫ；ＡＫ）とが同じ圧力になる高温ガスエンジン。
18. 請求項１５乃至請求項１７の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
    第１のシールリング（２１）が前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）と前記シリンダ（ＶＺ）の前記内壁との間に設けられている高温ガスエンジン。
19. 請求項１５乃至請求項１８の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記管（Ｒ、Ｒ’）は、前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）が上死点にあるときに前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）の内部にも突き出るように、前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ）内に突き出ている高温ガスエンジン。
20. 請求項１５乃至請求項１９の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記管（Ｒ、Ｒ’）、前記作動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）及び前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ）は、互いに同軸に配置されている高温ガスエンジン。
21. 請求項１５乃至請求項２０の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記管（Ｒ、Ｒ’）は前記シリンダ（ＶＺ、ＡＺ）に対して移動しない高温ガスエンジン。
22. 請求項１５乃至請求項２１の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記管（Ｒ、Ｒ’）と前記差動ピストン（ＶＫ、ＡＫ）の内壁との間に第２のシールリング（２０）が配置されている高温ガスエンジン。
23. 請求項１５乃至２２の何れか一項に記載の高温ガスエンジンであって、
    別のシリンダ（ＡＺ）内に配置された別のピストン（ＡＫ）をさらに有し、前記別のピストン（ＡＫ）は、別の接続ロッド（１１）によって前記ギアに接続されている高温ガスエンジン。
24. 請求項２３に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記シリンダ（ＶＺ）と前記別のシリンダ（ＡＺ）との両方に、各々、リング形状シリンダ空間が形成され、
    前記シリンダ（ＶＺ）の前記リング形状シリンダ空間と、前記別のシリンダ（ＡＺ）の前記リング形状シリンダ空間とは、ラインを介して接続されている高温ガスエンジン。
25. 高温ガスエンジンであって、
    環境圧力が支配しているギア空間（Ｇ）に配置されたギア（１０）と、
    シリンダ（ＶＺ）内に配置され、より大きい直径（Ｄ）の第１部分とより小さい直径（ｄ）の第２部分とを有するダブルアクティングの段付ピストン（ＡＫ）と、
    を有し、
    前記段付ピストン（ＡＫ）は少なくとも部分的に中空であり、前記ギアに機械的に結合されたピストンロッド（１３）を内部に有し、
    前記段付きピストン（ＡＫ）の、前記ギアに面した前記第２部分（Ｓ_２）は、スターリングエンジンの作動ガス用の緩衝空間（Ｐ）への開口部を有しており、
    前記段付ピストン（ＡＫ）の内部にシール装置の少なくとも一部が配置され、前記シール装置は、前記緩衝空間（Ｐ）と前記ギア空間（Ｇ）との間でピストンロッド（１３）の貫通を密封する高温ガスエンジン。
26. 請求項２５に記載の高温ガスエンジンであって、
    前記シール装置は、スリーブ（３１）を有し、前記スリーブ（３１）内にバネ（３）が配置され、前記バネ（３）は、前記スリーブ（３１）と前記ピストンロッド（１３）との間に配置されたシール要素（３５）を押す高温ガスエンジン。

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