JPH0633729B2 - スタ−リング機関 - Google Patents

スタ−リング機関

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JPH0633729B2
JPH0633729B2 JP58042648A JP4264883A JPH0633729B2 JP H0633729 B2 JPH0633729 B2 JP H0633729B2 JP 58042648 A JP58042648 A JP 58042648A JP 4264883 A JP4264883 A JP 4264883A JP H0633729 B2 JPH0633729 B2 JP H0633729B2
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JP
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power piston
piston
displacer
plunger
crankshaft
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JP58042648A
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JPS59168249A (ja
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房夫 寺田
勝治 吉川
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00Constructional features
    • F02G2270/50Crosshead guiding pistons

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明はディスプレーサピストンをフリーピストンとし
たハイブリッド式のスターリング機関に関する。
(ロ) 従来技術 従来のディスプレーサ型スターリング機関はパワーピス
トンとディスプレーサピストンとをリンク機構を用いて
連動させるか、又は両ピストンをオールフリーにして系
全体の共振を利用するかの何れかであった。前者の場合
はリンク機構を内蔵するクランク室構造そのものが複雑
で、大型となると共にコストが高くなる欠点を有してお
り、後者の場合は低コストであるものの共振系の為、両
ピストン間の運動位相角差が大きく取れず、効率が劣
り、また、パワーピストンの慣性力がエンジンの振動に
直接関与するのでこれを打消す為に2シリンダの対向型
にするか、あるいはあまり影響を受けない極めて小出力
の構造にするかの何れかでしか設計できないなどの欠点
を有していた。
(ハ) 発明の目的 本発明はパワーピストンのバッファー空間の変動圧力
と、この圧力と断続的に連通しディスプレーサピストン
を吸引及び押圧してパワーピストンに追従させる中空室
内の密封圧力とよりフリーなディスプレーサピストンを
パワーピストンと連動させる、所謂リンク方式とフリー
方式の夫々の長所を取り入れた小型軽量で且つ製造コス
トが安く効率の高い斬新なるスターリング機関を提供す
ることにある。
(ニ) 発明の構成 本発明では、作動ガスを封入したシリンダと、このシリ
ンダ内を前記作動ガスの外部加熱圧力で往復運動し膨張
空間、圧縮空間、バッファー空間を形成するディスプレ
ーサピストン及びパワーピストンと、このパワーピスト
ンとリンク機構を介して連結されたクランクシャフト
と、ディスプレーサピストンを上下点で停止させるスト
ッパーとを備えてなるスターリング機関において、ディ
スプレーサピストンと、中空部を有するパワーピストン
と、クランクシャフトとを上下方向に順次配置する一
方、前記パワーピストンの下にパワーピストンと一体の
クロスヘッド部と、このクロスヘッド部を摺動自在に支
持する軸受部とを設け、前記パワーピストンの中空部内
に前記ディスプレーサピストンと連繋して往復運動する
プランジャーを摺動自在に設けると共に、前記クロスヘ
ッド部とクランクシャフトとをコンロッドを介して連結
してなり、前記プランジャーに連通路を設けると共に、
前記パワーピストンに開口を設け、これらの連通路と開
口とを介して前記プランジャーで区画されたクランクシ
ャフト側の中空部と前記バッファー空間とを断続的に連
通させる構成である。この構成により、作動ガスの膨
張、収縮によって生ずる動力をパワーピストンで受けて
外部へ出力を取り出す際、バッファー空間の変動圧力と
断続的に連通するパワーピストンの中空室内の気体をプ
ランジャーで閉じ込めてこの中空室内の密封圧力でディ
スプレーサピストンを吸引及び押圧してパワーピストン
に追従させ、且つディスプレーサピストンをストッパー
で上下死点で停止させることにより、作動ガスを膨張空
間と圧縮空間とに交互に入れ替える働きをするディスプ
レーサピストンとパワーピストンとの運動位相角を90
゜に近づける(運動位相角が90゜で最大効率が得られ
る)ように図ったものである。
(ホ) 実施例 第1図、第2図は本発明の実施例に於ける異なる動作状
態を示すスターリング機関の縦断面図、第3図はその動
作行程図で、(1)はヘリウム、チッ素、水素、アルゴ
ン、空気等の作動ガスが封入されたシリンダ、(2)(3)は
該シリンダ内を後述の如く連動して往復運動するパワー
ピストン及びディスプレーサピストン、(4)はこのディ
スプレーサピストンの上方の膨張空間(5)と連通する加
熱パイプ、(6)はこの加熱パイプと共に上方のバーナー
熱源(7)にて外部から加熱される加熱壁、(8)は加熱パイ
プ(4)の他端と連通された多孔質の金綱又は焼結体が入
れてある熱再生器、(9)は冷却水が流れる冷却器、(10)
は圧縮空間(11)と連通開放された作動ガス流入出用の開
口である。
又、(12)はディスプレーサピストン(3)とディスプレー
サロッド(13)を介して接続されたプランジャーで、パワ
ーピストン(2)の中央に形成された筒状部の中空室(14)
内をディスプレーサピストン(3)と一体に往復運動する
ように摺動自在に嵌入されている。(15)はパワーピスト
ン(2)と一体に形成されたクロスヘッド部、(16)はこの
クロスヘッド部が摺動自在に嵌入されバッファー空間
(18)とクランク室(35)とを区画する軸受部で、
パワーピストン(2)の筒状部に穿設された開口(17)に
よりパワーピストン(2)軸受部(16)との間のバッファー
空間(18)とプランジャー(12)下方の中空室(14)とがプラ
ンジャー(12)の連通路(19)を介して断続的に連通される
ようになっている。(20)はバッファー空間(18)とプラン
ジャー(12)上方の空間部(21)とを連通する背圧逃し孔
で、ディスプレーサロッド(13)の外径を空間部(21)の内
径と略等しく設定して空間部(21)の内容積が実質的に略
零となっていれば設ける必要はない。(22)(23)はディス
プレーサピストン(3)を上下死点で停止させる為の緩衝
用ストッパーで、シリンダ(1)の頂部と側部とに夫々設
けられている。
(24)はパワーピストン(2)上面と固着されプランジャー
(12)上方の空間部(21)を密封する封止部材、(25)は一端
がクロスヘッド部(15)とクロスピン(26)で、他端がクラ
ンクシャフト(27)と夫々回転自在に枢支されたコンロッ
ド、(28)はクランクシャフト(27)の回転軌跡、(29)はロ
ッドシール、(30)(31)はシールリング、(32)は潤滑オイ
ルを掻き落す油掻きリング、(33)はオイルリング、(34)
はクランク室(35)を形成するシェルである。
次に本発明のスターリング機関の動作を第3図に基づい
て説明する。
I.等温膨張行程(同図(イ)参照) 作動ガスがバーナー熱源(7)により約600℃に加熱さ
れて膨張を開始すると、その圧力が加熱パイプ(4)、熱
再生器(8)、冷却器(9)を経て圧縮空間(11)にかかりパワ
ーピストン(2)を押し下げる。パワーピストン(2)の降下
に伴ってバッファー空間(18)の内容積が減少し、この内
部圧力が上昇する。この時、開口(17)はプランジャー(1
2)で閉じられ中空室(14)内の気体は封入された状態とな
っている為、この密封圧力で吸引されてディスプレーサ
ピストン(3)はパワーピストン(2)に追従して下降する。
そしてディスプレーサピストン(3)は下死点に至ると側
部ストッパー(23)で停止されパワーピストン(2)と引き
離される。
II.等容放熱行程(同図(ロ)参照) パワーピストン(2)更に降下すると、第2図の如く開口
(17)と連通路(19)とが一致し、圧力の高いバッファー空
間(18)内の気体は圧力が低くなっている中空室(14)内へ
流入して中空室(14)の内部圧力が上昇した後、再び開口
(17)はプランジャー(12)で閉じられる。この時、膨張空
間(5)から圧縮空間(11)に移動する約600℃の作動ガ
スはこの熱を熱再生器(8)に与え、自ら約200℃に温
度降下し、更に冷却器(9)を通って冷却される。
III.等温圧縮行程(同図(ハ)参照) パワーピストン(2)がその慣性力によって下死点を通過
すると、今度は圧縮空間(11)に入った作動ガスが冷却に
よって収縮し始め、パワーピストン(2)を上昇させよう
とすると同時にその慣性力によって圧縮が開始される。
そしてパワーピストン(2)が上昇すると、高圧状態で封
入されている中空室(14)内の密封圧力でディスプレーサ
ピストン(3)が上方に押し上げられ上死点に至ると頂部
ストッパー(22)で停止する。
IV.等容吸熱行程(同図(ニ)参照) パワーピストン(2)が更に上昇して開口(17)と連通路(1
9)とが一致し、圧力の高い中空室(14)内の密封気体は圧
力が低くなっているバッファー空間(18)へ流出して中空
室(14)の内部圧力が下がるとディスプレーサピストン
(3)がパワーピストン(2)に引き付けられる。そしてパワ
ーピストン(2)が上死点に達した後前述の等温膨張行程
へと移行する。この時、圧縮空間(11)より膨張空間(5)
に移動する作動ガスは熱再生器(8)で蓄熱されている熱
によって約600℃まで吸熱昇温される。
上記4つのサイクルの繰り返しにより往復運動するパワ
ーピストン(2)の動きはコンロッド(25)によってクラン
クシャフト(27)の回転運動に変換され出力が外部に取り
出される。
(ヘ) 発明の効果 本発明スターリング機関はパワーピストン(2)の中空室
(14)内に摺動自在に嵌入されディスプレーサピストン
(3)と一体に往復運動するプランジャー(12)と、パワー
ピストン(2)に穿設されプランジャー(12)の連通路(19)
を介して中空室(14)パワーピストン(2)のバッファー空
間(18)とを断続的に連通させる開口(17)と、ディスプレ
ーサピストン(3)を上下死点で停止させるストッパー(2
2)(23)とを備えたので、パワーピストン(2)のバッファ
ー空間(18)変動圧力と断続的に連通する中空室(14)内の
気体をプランジャー(12)で閉じ込めてこの密封圧力によ
りディスプレーサピストン(3)を等温膨張行程で吸引
し、等温圧縮行程で押し上げてパワーピストン(2)に追
従させ、且つこの追従の動きをストッパー(22)(23)で切
り離す動作行程の繰り返しによりディスプレーサピスト
ン(3)がフリーであるにも拘らず両ピストン(2)(3)の運
動位相角を90゜に近づけることができ、従来のオール
フリー式ディスプレーサ型スターリング機関と比較して
高い効率のもとで運転することができる。
しかも従来のリンク式ディスプレーサ型スターリング機
関と比較してディスプレーサピストン(3)連動用のリン
ク機構がない為、これによる動力損失がなく、効率のア
ップと小型軽量化が図られ且つ安価に製作することがで
きる。
又、パワーピストン(2)の慣性力とディスプレーサピス
トン(3)の慣性力との比(略質量比に等しい)を大きく
とることが、運動位相角を90゜に近づける要件でもあ
り、この為に従来のオールフリー方式ではパワーピスト
ン(2)をあまり軽くすることができなかったが、本発明
のハイブリッド方式ではクランクシャフト(27)の回
転による慣性質量等をパワーピストン(2)の慣性質量
に加算して設計できるのでパワーピストン(2)自体を
極めて軽量とすることができ、この軽量化を図るために
本発明はバッファー空間(18)とクランク室(35)
とを区画する軸受部(16)を設けて、この軸受部内に
パワーピストン(2)のクロスヘッド部(15)を摺動
自在に嵌入すると共にプランジャー(12)を摺動自在
に嵌入させる中空室(14)をパワーピストン(2)の
筒状部に形成したものである。
このように、本発明ではパワーピストン(2)の軽量化
を図ったので、重いパワーピストン(2)が上下往復運動
する際その慣性力によって生じる振動を何らかの方法
(前述したように例えば2シリンダの対向型)で打ち消
さなければ外部にもろに伝達してしまうオールフリー方
式に対し、本発明のハイブリッド方式ではパワーピスト
ン(2)自体の慣性力をクランクシャフト(27)のバランス
ウエイトと釣合わせることにより外部への振動伝達を極
めて小さく抑制することができる。
更に本発明によるハイブリッド型スターリング機関は従
来のリンク式ディスプレーサ型スターリング機関と比較
して、実施例の如くディスプレーサロッド(13)がパワー
ピストン(2)を貫通していないので出力軸であるクラン
クシャフト(27)をシリンダ(1)の略真下に配設でき、且
つディスプレーサロッド(13)とクランクシャフト(27)と
の連結が不要である為、極めてシンプルな設計が可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は本発明の実施例に於ける異なる動作
状態を示すスターリング機関の縦断面図、第3図はその
動作行程図である。 (1)……シリンダ、(2)……パワーピストン、(3)……デ
ィスプレーサピストン、(5)……膨張空間、(11)……圧
縮空間、(12)……プランジャー、(14)……中空室、(17)
……開口、(18)……バッファー空間、(19)……連通路、
(22)(23)……ストッパー。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】作動ガスを封入したシリンダと、このシリ
    ンダ内を前記作動ガスの外部加熱圧力で往復運動し膨張
    空間、圧縮空間、バッファー空間を形成するディスプレ
    ーサピストン及びパワーピストンと、このパワーピスト
    ンとリンク機構を介して連結されたクランクシャフト
    と、ディスプレーサピストンを上下点で停止させるスト
    ッパーとを備えてなるスターリング機関において、ディ
    スプレーサピストンと、中空部を有するパワーピストン
    と、クランクシャフトとを上下方向に順次配置する一
    方、前記パワーピストンの下にパワーピストンと一体の
    クロスヘッド部と、このクロスヘッド部を摺動自在に支
    持する軸受部とを設け、前記パワーピストンの中空部内
    に前記ディスプレーサピストンと連繋して往復運動する
    プランジャーを摺動自在に設けると共に、前記クロスヘ
    ッド部とクランクシャフトとをコンロッドを介して連結
    してなり、前記プランジャーに連通路を設けると共に、
    前記パワーピストンに開口を設け、これらの連通路と開
    口とを介して前記プランジャーで区画されたクランクシ
    ャフト側の中空部と前記バッファー空間とを断続的に連
    通させることを特徴とするスターリング機関。
JP58042648A 1983-03-14 1983-03-14 スタ−リング機関 Expired - Lifetime JPH0633729B2 (ja)

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JPS59168249A JPS59168249A (ja) 1984-09-21
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