JPH0723705B2

JPH0723705B2 - スタ−リングエンジン

Info

Publication number: JPH0723705B2
Application number: JP30860186A
Authority: JP
Inventors: 澄香川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1986-12-26
Publication date: 1995-03-15
Anticipated expiration: 2010-03-15
Also published as: JPS63162953A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、スターリングエンジンに係わり、特にピスト
ン背面空間に通じるバッファタンクあるいはクランク室
を設けたスターリングエンジンに関する。

（従来の技術）近年、省エネルギー化の一環として、スターリングエン
ジンが見直され、熱心な研究が行われている。スターリ
ングエンジンには種々の形態のものがあるが、例えば俗
にＬ型と呼称されている２ピストン方式のものを例にと
ると、それぞれパワーピストンを内蔵した２つのパワー
シリンダ間に再生熱交換器を閉流路構成に接続し、再生
熱交換器の一端と一方のパワーシリンダとの間の流路を
ヒータで加熱し、再生熱交換器他端と他方のパワーシリ
ンダとの間の流路をクーラで冷却するように構成されて
いる。この機関は、静粛で、理論的効率が高く、あるゆ
る熱源を使用できるという特徴を有している。

ところで、この種のスターリングエンジンでは、ピスト
ンが往復運動する際にピストン背面空間における作動ガ
スが抵抗となり、エンジンの出力，効率が低下する虞れ
がある。そこで、ピストン背面空間におけるポンピンク
損失を低減させるために、ピストン背面空間部のシリン
ダに配管孔を設け、これと十分な容量を持つバッファタ
ンクを結ぶ構成が取られている。さらに、クランク室内
におけるポンピング損失を低減させるために、クランク
室内にも配管孔を設け、これを上記バッファタンクに接
続する構成が取られている。

この構成では、ピストン背面空間或いはクランク室内に
ある作動ガス或いは空気が圧縮力を受ける時には、これ
を配管孔よりパイプを通してパッファタンクに逃がす。
逆に、作動ガス或いは空気が膨脹力を受ける時には、バ
ッファタンクより作動ガス或いは空気をピストン背面空
間或いはクランク室内へ移動させる。これにより、ピス
トン背面空間及びクランク室内の作動ガス或いは空気の
圧縮変動幅を減らし、上記問題を解決している。

しかしながら、上記のようにバッファタンクを設けた構
造にあっては次のような問題があった。即ち、クランク
室内の作動ガス或いは空気は、クランク機構による攪拌
によって生じる液体状態及び蒸気状態の潤滑油を含んで
いる。このため、潤滑油を含んだ作動ガス或いは空気が
バッファタンク及びピストン背面空間に移動することに
より、潤滑油がピストンリング，シリンダ等に付着し、
ピストンリングの本来の役割である封入能力の低かを招
き付着した潤滑油が作動空間に侵入し、潤滑油の炭化物
の作動空間室内への付着，作動ガスへの混入等を招く。
これにより、機関性能の低下を招き、油上がりによる信
頼性低下が生じるという問題があった。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来装置では、クランク室からバッファタン
クを介してピストン背面空間に潤滑油が侵入する虞れが
あり、これが信頼性低下及び機関性能低下を招く要因と
なっていた。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、ピストン背面空間に潤滑油が侵入する
のを防止することができ、信頼性向上及び機関性能向上
をはかり得るスターリングエンジンを提供することにあ
る。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、クランク室部からバッファタンクを介
してピストン背面空間に潤滑油が侵入するのを防止する
ために、気体に対しては両方向の流れを可能とし、液体
に対しては一方向の流れを可能とした流体素子を用いる
ことにある。

即ち本発明は、内部に作動流体が封入され、且つピスト
ンによって閉じられてなる作動空間を有したスターリン
グエンジン本体と、このスターリングエンジン本体の外
部に設けられたバッファタンクと、上記ピストンの背面
空間と上記バッファタンクとを接続する第１の配管と、
上記ピストンに連結されるクランクを収容したクランク
室部と上記バッファタンクとを接続する第２の配管とを
具備してなるスターリングエンジンにおいて、前記第１
及び第２の配管の少なくとも一方に、該配管中を流れる
気体に対しては両方向の流れを可能とし、液体に対して
は一方向の流れを可能とする流体素子を設けるようにし
たものである。

（作用）上記構成であれば、ピストン背面空間，バッファタンク
及びクランク室部を結ぶ配管中に流体素子を設けている
ので、配管中における作動ガス或いは空気中の潤滑油
を、作動ガス或いは空気がクランク室部側からピストン
背面空間側に移動する際に潤滑油を吸収することができ
る。このため、クランク室部からバッファタンクを介し
てピストン背面空間に潤滑油が侵入するのを防止でき、
作動空間への潤滑油の侵入を防止することが可能とな
る。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

図は同実施例に係わるスターリングエンジンの概略構成
を示す断面図である。図中１はスターリングエンジン本
体を示している。この本体１は、大きく別けて、作動流
体の膨脹用に供されるパワーシリンダ（以後、膨脹シリ
ンダと称する）２と、この膨脹シリンダ２内に摺動自在
に装着されたパワーピストン（以後、膨脹ピストンと称
する）３と、作動流体の圧縮に供されるパワーシリンダ
（以後、圧縮シリンダと称する）４と、この圧縮シリン
ダ４内に摺動自在に装着されたパワーピストン（以後、
圧縮ピストンと称する）５と、膨脹シリンダ２と圧縮シ
リンダ４との間に設けられたヒータ6,再生熱交換器７及
びクーラ８と、膨脹ピストン３及び圧縮ピストン５にそ
れぞれクランク（コネクティングロッド）9,10,クラン
ク軸11,12を介して連結された出力軸13とで構成されて
いる。

前記ヒータ６は、膨脹シリンダ２のヘッド14を取囲むよ
うに一部に断熱材15を配置して形成された燃焼室16と、
この燃焼室16内に配置された複数の熱交換器17と、燃焼
室16に臨むように配置された燃料供給用のノズル18と、
燃焼室16を取囲むように配置され燃焼に必要な空気を燃
焼排ガスで予熱する空気予熱器19とで構成されている。

前記各熱交換器17は、各流体通路の一端側を膨脹シリン
ダ２内の頂部に通じさせ、他端側をヘッド14内に形成さ
れたマニホールド20に通じさせて、全体で漏斗を形成す
る如く配置されている。マニホールド20は接続管21を介
して再生熱交換器７に接続され、この再生熱交換器７は
熱交換器によって構成されたクーラ８を介して圧縮シリ
ンダ４内の頂部に接続されている。そして、膨脹シリン
ダ２と膨脹ピストン３とで囲まれた空間，各熱交換器1
7,マニホールド20,接続管21,再生熱交換器7,クーラ8,圧
縮シリンダ４と圧縮ピストン５とで囲まれた空間からな
る閉じられた空間、つまり作動空間には作動流体として
のHeが封入されている。前記ノズル18は図示しない燃料
調節弁を介して図示しない燃料供給源に接続されてお
り、また空気予熱器19の空気導入口22は図示しない送風
機の吐出側に接続されている。

また、前記クランク9.10等を収容したクランク室部25の
上部には、集合空間30が形成されている。前記膨脹ピス
トン３のクロスヘッド部31には、その外周部にピストン
背面空間32と集合空間30とを連通させる連通孔33が形成
されている。この連通孔33は、クロスヘッド部31の外周
部をその上下全長に亙って切削することにより形成され
たものである。また、集合空間30は、クランク室部25上
のシリンダ下部を切削或いは鋳造等の製造方式により形
成された部分と、クロスヘッド部31により形成されたも
のである。そして、この集合空間30は、パイプ（第１の
配管）34を介してバッファタンク50に接続されている。

一方、圧縮シリンダ４の圧縮ピストン５に対しても同様
に、上記集合空間30に相当する集合空間40が設けられて
いる。この集合空間40は、圧縮ピストン５のクロスヘッ
ド部41を切削して形成された連通孔43によってピストン
背面空間42に連通されている。そして、集合空間30,40
は、接続空間51を介して接続されている。

クランク室部60は、パイプ（第２の配管）52を介してバ
ッファタンク50に接続されている。そして、このパイプ
52の途中には、本発明に係わる流体素子60及びフィルタ
61,62等が設けられている。流体素子60は、配管52内を
流れる気体に対しては両方向の流れを可能とし、液体に
対しては一方向の流れを可能とするものであり、作動ガ
ス或いは空気の流動抵抗を減らすために、一方向性（ク
ランク室側からバッファタンク側）の油吸収性能を有す
る。また、流体素子60の下部は、流体素子60で吸収され
た潤滑油を戻すために、弁63を介して油戻し管64により
クランク室部25の油溜め部に連結されている。

流体素子60の潤滑油の吸収能力を高めるために、流体素
子60とクランク室部25との間に荒い目のフィルタ61が設
けられ、流体素子60とバッファタンク50との間に細い目
のフィルタ62が設けられている。フィルタ61は液体状態
の潤滑油を吸収する役割を果たし、フィルタ62は蒸気状
態の潤滑油を吸収する役割を果たす。また、フィルタ6
1,62の下部は、油戻しのために油戻し管64に接続されて
いる。なお、弁64は、エンジン停止時等に解放すること
により、重力を用いて吸収した油を油室65に戻す役割を
果たす。

次に、上記のように構成されたスターリングエンジンの
動作を説明する。まず、ノズル18から燃料を送出し、こ
れに着火させる。また、外部動力源によって出力軸13を
一時的に回転させる。出力軸が外部動力源によって回転
しているので、この出力軸13がクランク軸11,12,クラン
ク9,10を介して連結されている膨脹ピストン３及び圧縮
ピストン５は、ある位相差を持って往復動する。この往
復動によって膨脹ピストン３が圧縮行程に移ると、膨脹
シリンダ２内のHeが各熱交換器7,クーラ８を介して圧縮
シリンダ４内に流れ込み、膨脹ピストン３が上死点に達
した時点でHeの殆どが圧縮シリンダ４内に流れ込む。こ
のとき、Heは再生熱交換器７を通過する間に、その保有
している熱が再生熱交換器７に蓄熱され、またクーラ８
を通過する間にさらに冷却される。出力軸13の回転に伴
って圧縮ピストン５が下死点から上死点に向けて移動を
開始すると、圧縮シリンダ４内の低温のHeが圧縮され、
いままでとは逆の経路で膨脹シリンダ２内に流れ込む。
このとき、Heは再生熱交換器７を通過する間に吸熱して
高温に加熱され、次に各熱交換器17を通過する間にさら
に加熱される。膨脹シリンダ２内に流れ込んだ高温のHe
は、膨脹して膨脹ピストン３を押し下げる。以後、上述
の動作が繰返され、外部動力源を断った状態での出力軸
13が回転を継続し、スターリングエンジンとしての機能
を発揮する。

ところで、膨張ピストン３の往復運動によりピストン背
面空間32には作動流体の圧力変動が生じる。例えば、ピ
ストン３の下降時には作動流体は圧縮される。このと
き、ピストン背面空間32は連結孔33を介して集合空間30
に接続されているので、上記圧縮変動幅はこの集合時間
30により一旦低減される。その後、圧縮された作動流体
をパイプ34を通してバッファタンク50に逃がすこととな
る。さらに、膨脹ピストン３の上昇時には、ピストン背
面空間32の作動流体は膨脹される。この膨脹による圧力
変動幅も、上記と同様に集合空間30の作用により一旦低
減される。そして、バッファタンク50からパイプ34を通
して作動流体が供給されることになる。

また、クランク室部25内も圧縮・膨脹による圧力変動を
受ける。クランク室部25内の作動ガス或いは空気が圧縮
された場合は、作動ガス或いは空気をパイプ52を介して
バッファタンク50に逃がす。さらに、クランク室部25内
の作動ガス或いは空気が膨脹された場合は、バッファタ
ンク50から作動ガス或いは空気を供給することになる。

このとき、クランク室部25には潤滑油が収容されている
ので、クランク室部25における作動ガスは、クランク機
構による攪拌等によって生じる液体状態及び蒸気状態の
潤滑油を含んでいる。クランク室部25内の圧縮時にはこ
の潤滑油を含む作動ガスがバッファタンク50側に移動す
ることになる。この作動ガスがバッファタンク50内に入
ると、膨脹シリンダ２内の膨脹の際にピストン背面空間
32に潤滑油を含む作動ガスが導入されることになる。こ
れに対し本実施例では、流体素子60及びフィルタ61,62
等を設けることにより、クランク室部25からバッファタ
ンク50側に流れる作動ガスから潤滑油を吸収している。
このため、バッファタンク50側に潤滑油が入り込むこと
はなく、作動空間に潤滑油が進入する等の不都合は未然
に回避される。さらに、流体素子60として一方向性の油
吸収性能を有するものを用いているので、作動ガスに対
する流動抵抗も小さくすることが可能である。

かくして、本実施例によれば、クランク室部25とバッフ
ァタンク50との間のパイプ52の途中に流体素子60及びフ
ィルタ61,62を設けることにより、バッファタンク50内
に移動する作動ガスから潤滑油を取除くことができる。
このため、作動空間に潤滑油が侵入する等の不都合を未
然に防止することができ、これにより機関性能向上及び
信頼性の向上をはかり得る。また、本実施例では集合空
間30,40を設けているので、ピストン背面空間32,42の圧
力変動を直接バッファタンク50で補償するものとは異な
り、バッファタンク50に要求される圧力補償能力が少な
くて済む。このため、バッファタンク50の容量を小さく
できる等の利点もある。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。実施例は２ピストン方式に適用した例
であるが、本発明はディスプレーサ方式等にも適用可能
である。また、流体素子としては、気体に対しては両方
向の流れを可能とし、液体に対しては一方向の流れを可
能とするものであればよく、各種形態のものを適宜選択
すればよい。さらに、流体素子の両側に配置したフィル
タは必ずしも必要ではなく、省略してもよい。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、クランク室部から
バッファタンクを介してピストン背面空間に至る配管の
途中に流体素子を設けているので、潤滑油を含む作動ガ
スや空気がピストン背面空間に侵入するのを防止するこ
とができ、これにより信頼性の向上及び機関性能の向上
をはかり得、その有用性は絶大である。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係わるスターリングエンジンの
概略構成を示す断面図である。１……スターリングエンジン本体、２……膨脹シリン
ダ、３……膨脹ピストン、４……圧縮シリンダ、５……
圧縮ピストン、６……ヒータ、７……再生熱交換器、８
……クーラ、16……燃焼室、17……熱交換器、18……ノ
ズル、19……空気予熱器、30,40……集合空間、31,41…
…クロスヘッド部、32,42……ピストン背面空間、33,43
……連通孔、34……第１の配管、50……バッファタン
ク、51……接続空間、52……第２の配管、60……流体素
子、61,62……フィルタ、５……油タンク。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に作動流体が封入され、且つピストン
によって閉じられてなる作動空間を有したスターリング
エンジン本体と、このスターリングエンジン本体の外部
に設けられたバッファタンクと、前記ピストンの背面空
間と前記バッファタンクとを接続する第１の配管と、前
記ピストンに連結されるクランクを収容したクランク室
部と前記バッファタンクとを接続する第２の配管と、前
記第１及び第２の配管の少なくとも一方に設けられ、該
配管中に流れる気体に対しては両方向の流れを可能と
し、液体に対してはピストン背面空間側からクランク室
部側への一方向の流れを可能とする流体素子とを具備し
てなることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】前記流体素子は、前記第２の配管の途中に
設けられ、該配管中における作動ガス或いは空気中の潤
滑油を、作動ガス或いは空気がクランク室部からバッフ
ァタンクへ移動する際に吸収する構造を有するものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のスター
リングエンジン。
【請求項３】前記流体素子とクランク室部との間に液体
状の潤滑油を吸着するための荒い目のフィルタを設け、
前記流体素子とバッファタンクとの間にミスト状の潤滑
油を吸着するための細い目のフィルタを設けたことを特
徴とする特許請求の範囲第２項記載のスターリングエン
ジン。
【請求項４】前記流体素子及びフィルタによって吸収さ
れた潤滑油を、前記クランク室部の油溜め部に戻すため
の油戻し管を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第
２項記載のスターリングエンジン。