JPH08158940A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】効率低下を回避しながらスターリング機関のコ
ンパクト化を図る。 【構成】駆動変換室１３の上下のシリンダボア１６，１
７は駆動変換室１３を挟んで直列に対向配置されてい
る。シリンダボア１６，１７内を第１の作動室１６-1，
１７-1と第２の作動室１６-2，１７-2とに区画するピス
トン１８，１９のピストンロッド１８-2，１９-2は連結
体２０によって一体的に連結されている。偏心軸２-1に
は旋回体２１がラジアルベアリング２２を介して回転可
能に支持されている。旋回体２１の上下の辺面２１-1，
２１-2と連結体２０の上下の辺部２０-1，２０-2との間
には平面ベアリング２３，２４が介在されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピストンによってシリ
ンダボア内を第１の作動室と第２の作動室とに区画し、
第１のシリンダボア内の第１の作動室と第２のシリンダ
ボア内の第２の作動室とを作動通路で接続すると共に、
第２のシリンダボア内の第１の作動室と第３のシリンダ
ボア内の第２の作動室とを作動通路で接続し、第３のシ
リンダボア内の第１の作動室と第４のシリンダボア内の
第２の作動室とを作動通路で接続すると共に、第４のシ
リンダボア内の第１の作動室と第１のシリンダボア内の
第２の作動室とを作動通路で接続し、各作動通路上に高
温熱交換器、再生熱交換器及び低温熱交換器を介在した
スターリング機関に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開昭６１−２４７８４６号公報、特開
平１−２８０６６８号公報に開示されるように、スター
リング機関ではシリンダボア内のピストンを往復動させ
るたの機構として斜板式駆動機構、クランク式駆動機構
が用いられている。回転運動を斜板式駆動機構あるいは
クランク式駆動機構によって往復直線運動されるシリン
ダボア内のピストンのロッドにはガイドピストンが止着
されている。シリンダボア内のピストンの傾きはシリン
ダボア内にピストンによって区画された一対の作動室間
のガス洩れをもたらす。このようなガス洩れはスターリ
ング機関の効率低下に繋がる。ガイドピストンはシリン
ダボア内のピストンの傾きを防止する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シリンダボア
内のピストンの傾きを防止するにはシリンダボア内のピ
ストンからガイドピストンを適度に離間しておかねばな
らない。シリンダボア内のピストンとガイドピストンと
のこのような離間構成はスターリング機関のコンパクト
化の上で不利である。

【０００４】本発明は、効率低下を回避しながらスター
リング機関のコンパクト化を図ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そのために請求項１の発
明では、第１のシリンダボアと第３のシリンダボアとを
直列配置する共に、第２のシリンダボアと第４のシリン
ダボアとを直列配置し、各シリンダボアにピストンを収
容し、直列配置した一方のシリンダボア内のピストンと
他方のシリンダボア内のピストンとを連結体で結合して
一体化し、駆動軸の回転を連結体の往復直線運動に変換
する往復駆動機構を連結体と駆動軸との間に介在した。

【０００６】請求項２の発明では、直列配置された一対
のシリンダボア内の第２の作動室を前記往復駆動機構を
挟んで対向させ、第２の作動室から遮断された駆動変換
室に往復駆動機構を収容した。

【０００７】請求項３の発明では、ハウジング内に駆動
変換室を形成すると共に、駆動変換室内に予圧を付与
し、駆動軸の端部をオイルシール室によって包囲すると
共に、オイルシール室に駆動変換室の予圧を作用させ
た。

【０００８】請求項４の発明では、駆動軸に対して偏心
した偏心軸と、偏心軸に相対回転可能に支持された旋回
体と、旋回体の旋回運動におけるピストンの往復動方向
の成分を回転子を介して受承する連結体とを備えた往復
駆動機構を構成した。

【０００９】請求項５の発明では、前記回転子を平面ベ
アリングとした。

【００１０】

【作用】請求項１の発明では、駆動軸の回転が往復駆動
機構によって連結体の往復直線運動に変換される。連結
体に一体的に結合された一対のピストンは直列配置され
た一対のシリンダボア内で往復動する。一方のピストン
は他方のピストンのガイドとなり、各ピストンがシリン
ダボア内で傾くことはない。

【００１１】請求項２の発明では、対向する一対の第２
の作動室から遮断された駆動変換室内で往復駆動機構が
駆動軸の回転運動を連結体の往復直線運動に変換する。
請求項３の発明では、ハウジングの外部と駆動変換室と
がオイルシール室によって隔てられる。駆動変換室の予
圧はオイルシール室に波及し、オイルシール室が予圧の
漏洩を阻止する。

【００１２】請求項４の発明では、駆動軸の回転に伴っ
て偏心軸が駆動軸の周りを旋回し、偏心軸上の旋回体の
旋回運動におけるピストンの往復動方向の成分が回転子
を介して連結体に伝達される。

【００１３】請求項５の発明では、偏心軸上の旋回体の
旋回運動におけるピストンの往復動方向の成分が平面ベ
アリングを介して連結体に伝達される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を具体化した第１実施例を図１
〜図６に基づいて説明する。図１に示すようにハウジン
グ１内には駆動軸２が一対のラジアルベアリング３，４
を介して回転可能に支持されている。駆動軸２には偏心
軸２-1が一体形成されている。ハウジング１には開口筒
部１-1が一体形成されており、駆動軸２の一端部２-2が
開口筒部１-1から外部に突出している。この突出端部２
-2は図示しない外部駆動源に連結されている。

【００１５】開口筒部１-1内には区画リング５及びリッ
プシール６が嵌入止着されている。区画リング５の外周
面と開口筒部１-1の内周面との間にはシールリング５-1
が介在されている。区画リング５とリップシール６との
間の突出端部２-2にはばね座７及びゴム製のシールリン
グ８がスライド可能に嵌合支持されている。シールリン
グ８の背面にはばね受け９が接合支持されており、ばね
座７とばね受け９との間には圧縮ばね１０が介在されて
いる。シールリング８と区画リング５との間にはカーボ
ン系のシールリング１１が介在されている。ばね座７は
突出端部２-2の段差２-3によって図１の右方向の移動を
規制されている。従って、圧縮ばね１０はばね受け９及
びシールリング８を介してシールリング１１を区画リン
グ５の端面に押接する。

【００１６】区画リング５とリップシール６との間には
液状の潤滑油が充填されており、区画リング５とリップ
シール６との間がオイルシール室１２となっている。リ
ップシール６はハウジング１内に駆動変換室１３を区画
する。一対のラジアルベアリング３，４及び偏心軸２-1
は駆動変換室１３内に収容されている。駆動変換室１３
内の駆動軸２にはバランスウェイト１４，１５が止着さ
れている。バランスウェイト１４，１５は偏心軸２-2の
回転アンバランスを相殺する。

【００１７】図１及び図２に示すように駆動変換室１３
の上下には一対のシリンダボア１６，１７が形成されて
いる。シリンダボア１６，１７は駆動変換室１３を挟ん
で直列に対向配置されている。各シリンダボア１６，１
７内にはピストン１８，１９が収容されている。ピスト
ン１８，１９の周面にはシール用ピストンリング１８-
1，１９-1が嵌められている。ピストン１８はシリンダ
ボア１６内を第１の作動室１６-1と第２の作動室１６-2
とに区画する。ピストン１９はシリンダボア１７内を第
１の作動室１７-1と第２の作動室１７-2とに区画する。
第２の作動室１６-2，１７-2側のピストン１８，１９の
端面にはピストンロッド１８-2，１９-2が結合されてい
る。各ピストンロッド１８-2，１９-2の端部は駆動変換
室１３と第２の作動室１６-2，１７-2とを隔てる隔壁１
-2，１-3を貫通して駆動変換室１３に突出している。隔
壁１-2とピストンロッド１８-2との間にはロッドシール
２５が介在されており、隔壁１-3とピストンロッド１９
-2との間にはロッドシール２６が介在されている。

【００１８】図２に示すようにピストンロッド１８-2，
１９-2の突出端部は四角環状の連結体２０によって一体
的に連結されている。連結体２０の上辺部２０-1と下辺
部２０-2とは平行である。ピストンロッド１８-2の突出
端部は連結体２０の上辺部２０-1に結合しており、ピス
トンロッド１９-2の突出端部は連結体２０の下辺部２０
-2に結合している。

【００１９】四角環状の連結体２０の環内部にて偏心軸
２-1には四角環状の旋回体２１がラジアルベアリング２
２を介して相対回転可能に支持されている。旋回体２１
の上辺面２１-1と下辺面２１-2とは平行である。旋回体
２１の上辺面２１-1と連結体２０の上辺部２０-1との間
には平面ベアリング２３が介在されている。旋回体２１
の下辺面２１-2と連結体２０の下辺部２０-2との間には
平面ベアリング２４が介在されている。

【００２０】図３に示すように駆動変換室１３の左右に
は一対のシリンダボア２７，２８が形成されている。シ
リンダボア２７，２８は駆動変換室１３を挟んで直列に
対向配置されている。各シリンダボア２７，２８内には
ピストン２９，３０が収容されている。ピストン２９，
３０の周面にはシール用ピストンリング２９-1，３０-1
が嵌められている。ピストン２９はシリンダボア２７内
を第１の作動室２７-1と第２の作動室２７-2とに区画す
る。ピストン３０はシリンダボア２８内を第１の作動室
２８-1と第２の作動室２８-2とに区画する。第２の作動
室２７-2，２８-2側のピストン２９，３０の端面にはピ
ストンロッド２９-2，３０-2が結合されている。各ピス
トンロッド２９-2，３０-2の端部は駆動変換室１３と第
２の作動室２７-2，２８-2とを隔てる隔壁１-4，１-5を
貫通して駆動変換室１３に突出している。隔壁１-4とピ
ストンロッド２９-2との間にはロッドシール３１が介在
されており、隔壁１-5とピストンロッド３０-2との間に
はロッドシール３２が介在されている。

【００２１】ピストンロッド２９-2，３０-2の突出端部
は四角環状の連結体３３によって一体的に連結されてい
る。連結体３３の左辺部３３-1と右辺部３３-2とは平行
である。ピストンロッド２９-2の突出端部は連結体３３
の左辺部３３-1に結合しており、ピストンロッド３０-2
の突出端部は連結体３３の右辺部３３-2に結合してい
る。

【００２２】四角環状の連結体３３の環内部にて偏心軸
２-1には四角環状の旋回体３４がラジアルベアリング３
５を介して相対回転可能に支持されている。旋回体３４
の左辺面３４-1と右辺面３４-2とは平行である。旋回体
３４の左辺面３４-1と連結体３３の左辺部３３-1との間
には平面ベアリング３６が介在されている。旋回体３４
の右辺面３４-2と連結体３３の右辺部３３-2との間には
平面ベアリング３７が介在されている。

【００２３】本発明でいう第１のシリンダボア、第２の
シリンダボア、第３のシリンダボア及び第４のシリンダ
ボアは、シリンダボア１６、シリンダボア２７、シリン
ダボア１７及びシリンダボア２８となる。

【００２４】第１の作動室１６-1と第２の作動室２７-2
とは作動通路３８で接続されている。作動通路３８上に
は低温熱交換器３８-1、再生熱交換器３８-2及び高温熱
交換器３８-3が介在されている。第１の作動室１７-1と
第２の作動室２８-2とは作動通路３９で接続されてい
る。作動通路３９上には低温熱交換器３９-1、再生熱交
換器３９-2及び高温熱交換器３９-3が介在されている。
第１の作動室２７-1と第２の作動室１７-2とは作動通路
４０で接続されている。作動通路４０上には低温熱交換
器４０-1、再生熱交換器４０-2及び高温熱交換器４０-3
が介在されている。第１の作動室２８-1と第２の作動室
１６-2とは作動通路４１で接続されている。作動通路４
１上には低温熱交換器４１-1、再生熱交換器４２-2及び
高温熱交換器４３-3が介在されている。

【００２５】駆動軸２の回転に伴い、偏心軸２-1が駆動
軸２の周りを旋回し、旋回体２１，３４は偏心軸２-1の
回りを相対回転しながら駆動軸２の周りを旋回する。旋
回体２１の旋回運動における上下方向の成分、即ちピス
トン１８，１９の往復動方向の成分は平面ベアリング２
３，２４を介して連結体２０に伝達される。従って、連
結体２０によって一体化されたピストン１８，１９はシ
リンダボア１６，１７内を往復動する。又、旋回体３４
の旋回運動における左右方向の成分、即ちピストン２
９，３０の往復動方向の成分は平面ベアリング３６，３
７を介して連結体３４に伝達される。従って、連結体３
４によって一体化されたピストン２９，３０はシリンダ
ボア２７，２８内を往復動する。

【００２６】図２及び図３ではピストン１８が第１の作
動室１６-1に対して上死点位置にあり、ピストン１９が
第１の作動室１７-1に対して下死点位置にある。ピスト
ン２９，３０はシリンダボア２７，２８内の中間位置に
ある。図４は図２及び図３の状態から駆動軸２を左回り
に９０°回転した状態を示し、図５は図４の状態から駆
動軸２を左回りに９０°回転した状態を示す。図６は図
５の状態から駆動軸２を左回りに９０°回転した状態を
示す。ピストン１８，２９の往復動により第１の作動室
１６-1、作動通路３８及び第２の作動室２７-2からなる
領域が容積変化し、ピストン２９，１９の往復動により
第１の作動室２７-1、作動通路３９及び第２の作動室１
７-2からなる領域が容積変化する。ピストン１９，３０
の往復動により第１の作動室１７-1、作動通路４０及び
第２の作動室２８-2からなる領域が容積変化し、ピスト
ン３０，１８の往復動により第１の作動室２８-1、作動
通路４１及び第２の作動室１６-2からなる領域が容積変
化する。これら各領域内の作動ガスが前記容積変化によ
って圧縮と膨張とを繰り返す。即ち、シリンダボア１６
を第１のシリンダボアとすれば、シリンダボア２７がシ
リンダボア１６に対して第２のシリンダボアとなる。
又、シリンダボア１７を第１のシリンダボアとすれば、
シリンダボア２８がシリンダボア１７に対して第２のシ
リンダボアとなる。

【００２７】第２の作動室１６-2，１７-2，２７-2，２
８-2から駆動変換室１３へのガス洩れを防止するため、
駆動変換室１３内には作動ガスを封入すると共に、第２
の作動室１６-2，１７-2，２７-2，２８-2内の平均圧と
同程度の予圧が駆動変換室１３内に付与されている。駆
動変換室１３内の高圧はリップシール６を介してオイル
シール室１２へ波及し、オイルシール室１２内は駆動変
換室１３内の圧力と同じになる。オイルシール室１２内
の圧力は、シールリング８を偏心軸２-1に押接すると共
に、シールリング１１を区画リング５に押接する。従っ
て、オイルシール室１２内の液状潤滑油がハウジング１
外へ洩れることはない。又、駆動変換室１３内の圧力が
リップシール６を偏心軸２-1に押接するため、オイルシ
ール室１２内の液状潤滑油が駆動変換室１３側へ洩れる
こともない。

【００２８】ピストン１８，１９，２９，３０を介した
第１の作動室１６-1，１７-1，２７-1，２８-1と第２の
作動室１６-2，１７-2，２７-2，２８-2との間のガス洩
れ防止はスターリング機関の効率を高める上で重要であ
る。ピストン１８，１９，２９，３０のシリンダボア１
６，１７，２７，２８内での傾きはピストンリング１８
-1，１９-1，２９-1，３０-1のシール性能を低下させ
る。ピストンリング１８-1，１９-1，２９-1，３０-1の
シール性能の低下はガス洩れをもたらす。そのため、ピ
ストン１８，１９，２９，３０のシリンダボア１６，１
７，２７，２８内での傾き防止はガス洩れ防止のために
必要である。ピストン１８，１９の一方は他方のガイド
ピストンとなっており、一方が他方のシリンダボア１
６，１７内での傾きを防止する。同様に、ピストン２
９，３０の一方は他方のガイドピストンとなっており、
一方が他方のシリンダボア２７，２８内での傾きを防止
する。連動するピストンの一方を他方のガイドとする構
成は専用のガイドを用いる従来構成に比してスターリン
グ機関のコンパクト化の上で有利である。

【００２９】作動ガスに混入した潤滑油は低温熱交換
器、再生熱交換器及び高温熱交換器での熱交換効率を低
下させるため、シリンダボア１６，１７，２７，２８内
への潤滑油の侵入防止が必要である。そのためには駆動
変換室１３内での液状潤滑油の使用を行わなければよ
い。特開平１−２８０６６８号公報の従来装置では往復
駆動機構としてクランク機構が用いられており、クラン
ク機構は直列配置された一対のシリンダ間に配置されて
いる。クランク機構では液状潤滑油の使用が避けられ
ず、この液状潤滑油がシリンダ内に侵入する。しかし、
本実施例では偏心軸２-1と旋回体２１，３４との間に介
在されたラジアルベアリング２２，３５、旋回体２１，
３４と連結体２０，３３との間に介在された平面ベアリ
ング２３，２４，３６，３７の潤滑には流動しないグリ
ースを使用できる。従って、駆動変換室１３からシリン
ダボア１６，１７，２７，２８へ潤滑油が侵入すること
はない。

【００３０】なお、ばね座７、シールリング８、ばね受
け９、圧縮ばね１０及びシールリング１１からなるシャ
フトシール機構の代わりにリップシールを用いることも
できる。

【００３１】次に、図７及び図８の実施例を説明する。
この実施例では駆動軸２に一対のカム４２，４３が止着
されており、ピストン１８，１９のピストンロッド１８
-2，１９-2を連結する四角環状の連結体４４には回転子
４５，４６が取り付けられている。上側の回転子４５は
カム４２に接しており、下側の回転子４６はカム４３に
接している。駆動軸２の回転に伴ってカム４２は回転子
４５を介して連結体４４を押し上げ、カム４３は回転子
４６を介して連結体４４を押し下げる。従って，ピスト
ン１８，１９が連結体４４と一体的に上下動する。ピス
トン２９，３０も同様にカムを用いた往復駆動機構によ
って上下動される。ピストン２９，３０側の往復駆動機
構のカムはカム４２，４３に対して９０°位相をずらし
てある。その他の構成は第１実施例と同じである。図８
は図７の状態から駆動軸２を１８０°回転した状態を示
す。

【００３２】回転子４５，４６とカム４２，４３のカム
面との間の潤滑には流動しないグリースを使用できる。
従って、駆動変換室１３からシリンダボア１６，１７，
２７，２８へ潤滑油が侵入することはない。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１の発明で
は、直列配置された一対のシリンダボア内の一方のピス
トンと他方のピストンとを連結体で結合して一体化し、
往復駆動機構によって駆動軸の回転を連結体の往復直線
運動に変換するようにしたので、一方のピストンが他方
のピストンのガイドとなって各ピストンがシリンダボア
内で傾くことはなく、第１の作動室と第２の作動室との
間でのガス洩れを防止しながらスターリング機関のコン
パクト化を図り得る。

【００３４】請求項２の発明では、直列配置された一対
のシリンダボア内の第２の作動室を前記往復駆動機構を
挟んで対向させ、第２の作動室から遮断された駆動変換
室に往復駆動機構を収容したので、一方のピストンが駆
動変換室を挟んで他方のピストンのガイドとなって各ピ
ストンがシリンダボア内で傾くことはなく、第１の作動
室と第２の作動室との間でのガス洩れを防止しながらス
ターリング機関のコンパクト化を図り得る。

【００３５】請求項３の発明では、駆動変換室内に予圧
を付与し、ハウジングから外部に突出する駆動軸の端部
をオイルシール室によって包囲すると共に、オイルシー
ル室に駆動変換室の予圧を作用させたので、オイルシー
ル室が予圧の漏洩を阻止し、シリンダボアから駆動変換
室へのガス洩れが防止される。

【００３６】請求項４及び請求項５の発明では、駆動軸
に対して偏心した偏心軸と、偏心軸に相対回転可能に支
持された旋回体と、旋回体の旋回運動におけるピストン
の往復動方向の成分を回転子を介して受承する連結体と
を備えた往復駆動機構を構成したので、往復駆動機構の
潤滑に流動しない潤滑剤を使用でき、シリンダボアへの
潤滑油侵入を防止し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した第１実施例の側断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図。

【図４】図２の状態から駆動軸を９０°回転した状態を
示す断面図。

【図５】図４の状態から駆動軸を９０°回転した状態を
示す断面図。

【図６】図５の状態から駆動軸を９０°回転した状態を
示す断面図。

【図７】別例を示す断面図。

【図８】図７の状態から駆動軸を１８０°回転した状態
を示す断面図。

【符号の説明】

１…ハウジング、２…駆動軸、２-1…往復駆動機構を構
成する偏心軸、２-2…突出端部、１２…オイルシール
室、１３…駆動変換室、１６，１７，２７，２８…シリ
ンダボア、１６-1，１７-1，２７-1，２８-1…第１の作
動室、１６-2，１７-2，２７-2，２８-2…第２の作動
室、２０，３３，４４…連結体、２１，３４…旋回体、
２３，２４，３６，３７…平面ベアリング、４２，４３
…往復駆動機構を構成するカム、４５，４６…回転子。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストンによってシリンダボア内を第１の
   作動室と第２の作動室とに区画し、第１のシリンダボア
   内の第１の作動室と第２のシリンダボア内の第２の作動
   室とを作動通路で接続すると共に、第２のシリンダボア
   内の第１の作動室と第３のシリンダボア内の第２の作動
   室とを作動通路で接続し、第３のシリンダボア内の第１
   の作動室と第４のシリンダボア内の第２の作動室とを作
   動通路で接続すると共に、第４のシリンダボア内の第１
   の作動室と第１のシリンダボア内の第２の作動室とを作
   動通路で接続し、各作動通路上に高温熱交換器、再生熱
   交換器及び低温熱交換器を介在したスターリング機関に
   おいて、 第１のシリンダボアと第３のシリンダボアとを直列配置
   する共に、第２のシリンダボアと第４のシリンダボアと
   を直列配置し、各シリンダボアにピストンを収容し、直
   列配置した一方のシリンダボア内のピストンと他方のシ
   リンダボア内のピストンとを連結体で結合して一体化
   し、駆動軸の回転を連結体の往復直線運動に変換する往
   復駆動機構を連結体と駆動軸との間に介在したスターリ
   ング機関。
2. 【請求項２】直列配置された一対のシリンダボア内の第
   ２の作動室を前記往復駆動機構を挟んで対向させ、第２
   の作動室から遮断された駆動変換室に往復駆動機構を収
   容した請求項１に記載のスターリング機関。
3. 【請求項３】駆動変換室をハウジング内に形成すると共
   に、駆動変換室内に予圧を付与し、駆動軸の端部をオイ
   ルシール室によって包囲し、駆動変換室の予圧をオイル
   シール室に作用させた請求項１及び請求項２のいずれか
   １項に記載のスターリング機関。
4. 【請求項４】駆動軸に対して偏心した偏心軸と、偏心軸
   に相対回転可能に支持された旋回体と、旋回体の旋回運
   動におけるピストンの往復動方向の成分を回転子を介し
   て受承する連結体とを備えた往復駆動機構を構成した請
   求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のスターリン
   グ機関。
5. 【請求項５】前記回転子は平面ベアリングである請求項
   ４に記載のスターリング機構。