JP7261686B2 - β型スターリングエンジン - Google Patents

Description

本発明は、β型スターリングエンジンに関する。

ディスプレーサピストン及びパワーピストンを同一シリンダに収めるβ型のスターリングエンジンが知られている（例えば下記特許文献１）。スターリングエンジンを稼働場所に設置する場合、クランクケースがフレームを介して稼働場所に取り付けられるが、クランクケースとフレームは別の部品として別体で構成されていた。これはクランクケースとフレームとでそれぞれの役割・機能が異なっており、別構成とした方が設計的自由度があり、構造変更も比較的容易に行なえるという利点などがあったためである。

しかしながら、従来構造においては、クランクケースとフレームが別部品であったため、両者を結合させるための組立を考慮する必要があり、フレームは複数の部品から構成しなければいけない制約などから、部品点数が増加しコストが高くなる、また組立コストも掛かるなど、コスト的に不利な状態であった。

特開昭６２－２０３９６８号公報

そこで、本発明は上記課題に鑑み、コストを削減できるβ型スターリングエンジンを提供することを目的とする。

本発明のβ型スターリングエンジンは、往復動するピストンを内包する第１の円筒部と、前記ピストンの往復動により回転可能なクランク軸を内包する第２の円筒部とが交差して十字状に形成されたクランクケースと、
前記クランクケースを稼働場所に設置するためのフレームと、を備え、
前記フレームは、前記クランクケースと一体的に形成されているものである。

また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、前記第１の円筒部の中心軸及び前記第２の円筒部の中心軸を含む仮想中心面に対して対称に形成された第１の端面及び第２の端面を有するものでもよい。

また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、前記第１の円筒部の中心軸に直交する平坦な第３の端面を有するものでもよい。

また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、前記第１の円筒部のうち前記第２の円筒部から突出する突出部の突出方向先端部から中間部までの間、及び前記第２の円筒部のうち前記第１の円筒部から突出する突出部の突出方向先端部から中間部までの間で、前記クランクケースに結合されているものでもよい。

また、本発明のβ型スターリングエンジンにおいて、前記フレームは、四角筒状の形状を有しており、
前記四角筒を構成する４つの板部材は、前記第１の円筒部のうち前記第２の円筒部から突出する２つの突出部と、前記第２の円筒部のうち前記第１の円筒部から突出する２つの突出部と、にそれぞれ結合されているものでもよい。

本発明によれば、フレームをクランクケースと一体的に形成することで、部品点数の削減、製作の容易化、組立の容易化によりコストを削減することができる。

スターリングエンジンの側面断面を示す概略図である。 スターリングエンジンの正面断面を示す概略図である。 スターリングエンジンの全体構成を示す斜視図である。 クランクケースの斜視図である。 クランクケースの正面図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

［スターリングエンジン］
図１は、スターリングエンジン１の側面断面を示す概略図であり、図２は、スターリングエンジン１の正面断面を示す概略図であり、図３は、スターリングエンジン１の斜視図である。なお、図１及び図２では、後述するフレーム１８を図示していない。

各図において、第１方向Ｄ１は、左右方向Ｄ１であって、第２方向Ｄ２は、上下方向Ｄ２であって、第３方向Ｄ３は、前後方向Ｄ３である。第１方向Ｄ１のうち、矢印方向は、右方向であって、その反対方向は、左方向であり、第２方向Ｄ２のうち、矢印方向は、上方向であって、その反対方向は、下方向であり、第３方向Ｄ３のうち、矢印方向は、前方向であって、その反対方向は、後方向である。なお、これらの前後方向、左右方向、上下方向は、スターリングエンジン１を説明するために便宜上定めたものであり、スターリングエンジン１を設置する向きにより実際の方向とは異なる。

図１及び図２に示すように、スターリングエンジン１は、空気、ヘリウムガス、水素等の作動ガスが封入されたシリンダ２の内部に、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４がそれぞれ往復動可能に収容されている。スターリングエンジン１は、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４が同一のシリンダ２内に収容される、いわゆるβ型のスターリングエンジンである。

シリンダ２は、一端を開口する一方で他端を閉塞した構成で有り、閉塞端部側にディスプレーサピストン３を配置する一方、開口端部側にパワーピストン４を配置している。シリンダ２内には、閉塞端部とディスプレーサピストン３との間に膨張空間５が形成され、ディスプレーサピストン３とパワーピストン４との間に圧縮空間６が形成されている。なお、シリンダ２内の膨張空間５と圧縮空間６とを合わせて、作動空間と呼ぶ。

スターリングエンジン１は、シリンダ２内の作動空間における作動ガスの温度を昇降させる熱交換器７が配設されている。熱交換器７は、膨張空間５と連通して外部からの入熱により作動ガスを加熱するヒータ８と、圧縮空間６と連通して外部への放熱により作動ガスを冷却するクーラ９と、ヒータ８とクーラ９とを連結する再生器１０とを備えている。ディスプレーサピストン３がシリンダ２の開口端部側に向けて移動すると、ヒータ８で加熱された作動ガスが膨張空間５に流入することで、作動ガスの温度が上昇する。一方、ディスプレーサピストン３がシリンダ２の閉塞端部側に向けて移動すると、クーラ９で冷却された作動ガスが圧縮空間６に流入することで、作動ガスの温度が低下する。従って、熱交換器７とシリンダ２内の作動空間との間で作動ガスが順逆に流れることで、シリンダ２の作動空間における内圧が変化し、パワーピストン４の往復動を促す。

ヒータ８は、一端部が膨張空間５に連通し、他端部が再生器１０の一端部に連通している。ヒータ８は、焼却炉等で発生する排ガスの熱を受けることで、内部を通過する作動ガスを加熱する。図１及び図２では、管状のヒータ８を２個のみ示しているが、実際には図３のように多数のヒータ８が設けられている。

再生器１０の他端部はクーラ９に連通している。また、クーラ９は圧縮空間６に連通している。クーラ９内には作動ガスと熱交換可能に冷却水が流れており、この熱交換によって作動ガスを冷却する。

再生器１０及びクーラ９は、シリンダ２の外周部に配置されている。再生器１０は、例えば、金属繊維や金網を積層させたものや、作動ガスの流路をハニカム形状などで配列させたものや、綿状金属繊維を内包させたものなどで構成されており、蓄熱式熱交換器として機能する。すなわち、再生器１０は、ヒータ８からクーラ９に高温の作動ガスが流れる際には、作動ガスの熱を蓄熱する一方で、クーラ９からヒータ８に低温の作動ガスが流れる際には、蓄熱した熱を作動ガスに放熱する。

スターリングエンジン１は、シリンダ２の開口端部側に、パワーピストン４の往復動作を回転動作に変換して回転動力を出力する出力取り出し装置１１を備える。出力取り出し装置１１は、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４それぞれと連結しクランクボックス１３ａ内に軸支したクランク軸１２をクランクケース１３内に内包している。そして、クランク軸１２の一端側が出力軸となり、クランクケース１３内で、フライホイール１４ａを介してモータ発電機１５の入力軸１６と連結されている。なお、クランク軸１２の他端側には、フライホイール１４ｂが設けられている。

ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４は、出力取り出し装置１１のクランク軸１２と接続することで、シリンダ２内を互いに所定の位相差で往復動する。なお、本実施形態では、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４の往復動作における位相差を９０°としている。

出力取り出し装置１１は、ディスプレーサピストン３に合わせて往復動するディスプレーサピストンヨーク５１のクランク軸案内溝（貫通溝）５１ａに固定されたプレート５１ｃと、パワーピストン４に合わせて往復動するパワーピストンヨーク（往復動部）５２，５３のクランク軸案内溝（貫通溝）５２ａ，５３ａに固定されたプレート５２ｃ，５３ｃのそれぞれに、軸受５７～５９を介してクランク軸１２のクランクピン５４～５６が嵌合わされたスコッチ・ヨーク機構で構成されている。

図２に示すように、ディスプレーサピストンヨーク５１は、その中央部分に、クランク軸１２及びディスプレーサピストン３それぞれの軸方向に対して交差する方向（横方向）に長いクランク軸案内溝５１ａが設けられている。ディスプレーサピストンヨーク５１におけるクランク軸案内溝５１ａを挟んだ両側部には、ディスプレーサピストン３の軸方向に沿う方向（縦方向）に、往復動案内穴（貫通穴）５１ｂが穿設されている。そして、ディスプレーサピストンヨーク５１の往復動案内穴５１ｂには、ロータリブッシングなどの直動軸受６３を介して、クランクボックス１３ａに固定されたガイド軸６０が挿入されている。ディスプレーサピストンヨーク５１は、一端がディスプレーサピストン３と連結したロッド６６の他端と連結しており、ディスプレーサピストン３の往復動に合わせて、ディスプレーサピストン３と同一方向（縦方向）で往復動する。

図２に示すように、パワーピストンヨーク５２は、その中央部分に、横方向に長いクランク軸案内溝５２ａが設けられており、クランク軸案内溝５２ａを挟んだ両側部に、往復動案内穴（貫通穴）５２ｂが縦方向に穿設されている。そして、パワーピストンヨーク５２の往復動案内穴５２ｂには、直動軸受６４を介して、クランクボックス１３ａに固定されたガイド軸６１が挿入されている。パワーピストンヨーク５２は、一端がパワーピストン４と連結したブリッジ６７の他端と連結しており、パワーピストン４の往復動に合わせて縦方向で往復動する。パワーピストンヨーク５３は、パワーピストンヨーク５２と同様の形状をしているため、詳細な説明は省略する。

図１及び図２に示すように、パワーピストン４及びブリッジ６７の中心には、パワーピストン４の軸方向に沿う方向（縦方向）に貫通穴４ａ，６７ａが設けられており、ディスプレーサピストン３と連結したロッド６６が貫装されている。ロッド６６は、パワーピストン４及びブリッジ６７と相対的に移動可能であるとともに、パワーピストン４におけるロッド６６の挿入部分にオイルシールなどによる動的シール機構（図示省略）が構成されている。

図１に示すように、クランク軸１２は、ブリッジ６７とパワーピストンヨーク５２，５３を介して連結したクランクピン５５，５６の間に、ロッド６６とディスプレーサピストンヨーク５１を介して連結したクランクピン５４を設けており、同位相のクランクピン５５，５６に対して所定の位相差（例えば、９０°）でクランクピン５４が取り付けられている。

ディスプレーサピストン３は、クランク軸１２の回転動力で往復動し、作動ガスが膨張空間５と圧縮空間６の間を行き来して、作動空間の内圧が変化する。この圧力変化によりパワーピストン４が往復動し、その往復動力がブリッジ６７を介してパワーピストンヨーク５２，５３に伝達される。これにより、パワーピストンヨーク５２，５３がそれぞれ、ガイド軸６１，６２のそれぞれに沿って縦方向に往復動する。そして、パワーピストンヨーク５２，５３それぞれの往復動により、クランク軸案内溝５２ａ，５３ａそれぞれをクランクピン５５，５６それぞれが回転しながら横方向に往復することで、クランク軸１２が回転する。従って、パワーピストン４の往復動力を受けた出力取り出し装置１１は、スコッチ・ヨーク機構により回転動力に変換してクランク軸１２より出力し、フライホイール１４ａ及び入力軸１６を介してモータ発電機１５を回転させる。モータ発電機１５の回転により発電する。

［クランクケース］
図４及び図５は、クランクケース１３を示している。クランクケース１３は、往復動するパワーピストン４を内包する第１の円筒部１３１と、クランク軸１２を内包する第２の円筒部１３２とが直角に交差して十字状（又は略逆Ｔ字状）に形成されている。

第１の円筒部１３１は、シリンダ２の外側に配置される。第１の円筒部１３１の中心軸１３１ａは、上下方向Ｄ２に沿って延びている。第１の円筒部１３１は、第２の円筒部１３２からそれぞれ反対方向に突出する上突出部１３１１及び下突出部１３１２を有する。上突出部１３１１は、下突出部１３１２よりも突出量が大きくなっている。上突出部１３１１がパワーピストン４及びシリンダ２を収容し、下突出部１３１２がクランクボックス１３ａを収容する。上突出部１３１１の開口部は、熱交換器７の下部に接続される。下突出部１３１２の開口部は、円盤状の蓋部材１３１３で閉塞される。蓋部材１３１３には、クランクボックス１３ａが固定される。

第２の円筒部１３２は、クランク軸１２の外側に配置される。第２の円筒部１３２の中心軸１３２ａは、左右方向Ｄ１に沿って延びている。第２の円筒部１３２は、第１の円筒部１３１からそれぞれ反対方向に突出する左突出部１３２１及び右突出部１３２２を有する。左突出部１３２１は、右突出部１３２２よりも突出量が大きくなっている。左突出部１３２１は、クランク軸１２及び入力軸１６を収容し、右突出部１３２２はクランク軸１２を収容する。左突出部１３２１の開口部は、モータ発電機１５に接続される。右突出部１３２２の開口部は、円盤状の蓋部材１３２３で閉塞される。

クランクケース１３は、クランクケース１３を稼働場所に設置するためのフレーム１８を備えている。フレーム１８は、クランクケース１３と一体的に形成されている。ここで、フレーム１８をクランクケース１３と一体的に形成する方法としては、例えば、別々に形成したクランクケース１３とフレーム１８を溶接等により接合して一体とする方法、クランクケース１３とフレーム１８を鋳造等により一体成型する方法、別々に形成したクランクケース１３とフレーム１８をボルト等により接合して一体とする方法等が挙げられる。本実施形態では、別々に形成したクランクケース１３とフレーム１８を溶接により接合している例を示す。

フレーム１８をクランクケース１３と一体的に形成することで、部品点数の削減、製作の容易化、組立の容易化によりコストを削減することができる。また、フレーム１８をクランクケース１３と一体的に形成することで、形状の簡素化により小型化、軽量化を図ることができる。

さらに、フレーム１８をクランクケース１３と一体的に形成することで、クランクケース１３だけでなく、フレーム１８も強度部材となるため、クランクケース１３内部の高圧の作動気体によるクランクケース１３の破損を抑制することができる。また、フレーム１８は、クランクケース１３内部の作動気体によるクランクケース１３の膨張や変形を抑制するとともに、スターリングエンジン１の振動を抑制することができる。

フレーム１８は、全体として四角筒状をしている。すなわち、フレーム１８は、四角筒を構成する４つの板部材（上面板１８１、下面板１８２、左側面板１８３、及び右側面板１８４）を有する。上面板１８１及び下面板１８２は、第１の円筒部１３１の中心軸１３１ａと直交するように配置される。また、左側面板１８３及び右側面板１８４は、第２の円筒部１３２の中心軸１３２ａと直交するように配置される。

上面板１８１、下面板１８２、左側面板１８３、及び右側面板１８４は、第１の円筒部１３１の２つの突出部１３１１，１３１２と、第２の円筒部１３２の２つの突出部１３２１，１３２２と、に結合されている。これにより、強度、剛性を有する四角筒状のフレーム１８が、周囲を取り囲むようにクランクケース１３と結合されているため、スターリングエンジン１の特定の方向や部位が大きく振動することを抑制することができる。

フレーム１８は、第１の円筒部１３１のうち第２の円筒部１３２から突出する突出部１３１１，１３１２の突出方向先端部から中間部までの間、及び第２の円筒部１３２のうち第１の円筒部１３１から突出する突出部１３２１，１３２２の突出方向先端部から中間部までの間で、クランクケース１３に結合されている。

本実施形態では、上面板１８１は、第１の円筒部１３１の上突出部１３１１の開口部に結合されている。また、下面板１８２は、第１の円筒部１３１の下突出部１３１２の開口部に結合されている。左側面板１８３は、第２の円筒部１３２の左突出部１３２１の開口部から第１の円筒部１３１との接続部までの間の中間部、すなわち左突出部１３２１の中腹部に結合されている。また、右側面板１８４は、第２の円筒部１３２の右突出部１３２２の開口部に結合されている。これにより、フレーム１８が、クランクケース１３の弱い部分（突出部の開口部及び中腹部）を補強する構造物またはリブの役割を果たすため、クランクケース１３の耐圧性の向上、破壊に対する安全性の向上に寄与する。

図３に示すように、フレーム１８の下面板１８２を鉛直方向下方に向けた状態でスターリングエンジン１を稼働場所に設置した場合、ヒータ８は鉛直方向上方を向いた状態となる。下面板１８２の底面（第３の端面に相当）は、略平坦となっており、フレーム１８の下面板１８２の底面を鉛直方向下方に向けた状態で容易に設置することができる。なお、下面板１８２を稼働場所に直接固定してもよいが、図３に示すようなスペーサ１８２ａを介して固定するようにしてもよい。

フレーム１８は、第１の円筒部１３１の中心軸１３１ａ及び第２の円筒部１３２の中心軸１３２ａを含む仮想中心面１３３（図４（ａ）参照）に対して対称に形成された前端面１８５（第１の端面に相当）及び後端面１８６（第２の端面に相当）を有する。

前端面１８５と後端面１８６は、平坦面となっており、フレーム１８の前端面１８５又は後端面１８６を鉛直方向下方に向けた状態でスターリングエンジン１を稼働場所に容易に設置することができる。フレーム１８の前端面１８５又は後端面１８６を鉛直方向下方に向けた状態でスターリングエンジン１を稼働場所に設置した場合、ヒータ８は水平方向を向いた状態となる。

フレーム１８の前端面１８５を鉛直方向下方に向けることにより、フレーム１８の下面板１８２側から見て、モータ発電機１５をスターリングエンジン１の右側に向けて設置することができる。一方、フレーム１８の後端面１８６を鉛直方向下方に向けることにより、フレーム１８の下面板１８２側から見て、モータ発電機１５をスターリングエンジン１の左側に向けて設置することができる。フレーム１８の前端面１８５と後端面１８６が鏡対称に形成されていることで、このように設置方向を容易に変更することができる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１ スターリングエンジン
２ シリンダ
３ ディスプレーサピストン
４ パワーピストン
１２ クランク軸
１３ａ クランクボックス
１３ クランクケース
１３１ 第１の円筒部
１３１ａ 第１の円筒部の中心軸
１３２ 第２の円筒部
１３２ａ 第２の円筒部の中心軸
１５ モータ発電機
１８ フレーム

Claims (4)

1. 往復動するピストンを内包する第１の円筒部と、前記ピストンの往復動により回転可能なクランク軸を内包する第２の円筒部とが交差して十字状に形成されたクランクケースと、
   前記クランクケースを稼働場所に設置するためのフレームと、を備え、
   前記フレームは、前記クランクケースと一体的に形成され、
   前記フレームは、前記第１の円筒部のうち前記第２の円筒部から突出する突出部の突出方向先端部から中間部までの間、及び前記第２の円筒部のうち前記第１の円筒部から突出する突出部の突出方向先端部から中間部までの間で、前記クランクケースに結合されている、β型スターリングエンジン。
2. 往復動するピストンを内包する第１の円筒部と、前記ピストンの往復動により回転可能なクランク軸を内包する第２の円筒部とが交差して十字状に形成されたクランクケースと、
   前記クランクケースを稼働場所に設置するためのフレームと、を備え、
   前記フレームは、四角筒状の形状を有しており、前記クランクケースと一体的に形成され、
   前記四角筒を構成する４つの板部材は、前記第１の円筒部のうち前記第２の円筒部から突出する２つの突出部と、前記第２の円筒部のうち前記第１の円筒部から突出する２つの突出部と、にそれぞれ結合されている、β型スターリングエンジン。
3. 前記フレームは、前記第１の円筒部の中心軸及び前記第２の円筒部の中心軸を含む仮想中心面に対して対称に形成された第１の端面及び第２の端面を有する、請求項１または２に記載のβ型スターリングエンジン。
4. 前記フレームは、前記第１の円筒部の中心軸に直交する平坦な第３の端面を有する、請求項３に記載のβ型スターリングエンジン。

Images