JPS5847141A - 自由ピストン型スターリング機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ピストンならびに排気機構（ｄｉｓｐｌ−ａ
ｃｅｒ）の定習装置を備えた自由ピストン型スターリン
グ機関に関し、特に中心部ポート装置、ガス作用ばねお
よびスピン潤滑を備える如きスターリング機関に関する
。

自由ピストン型スターリング機関のピストンおよび排気
機構が往復運動を行なう時、１つの空間内から他の空間
へのガスの不均一な漏洩が生じ易く、これはもし制御さ
れなければ、ガスが漬れる空間内における平均圧力増加
を生じ、これにより機関のハウジング内でピストンまた
は排気機構をある方向に押圧することになる。この状態
は、円筒状壁面と可動円筒状！！面との闇の環状空隙を
通るガスの流量が正弦波形を早さないために生じ、これ
は低い圧力よりも高い圧力においてその状態が顕著にな
る。ガスは比較的高い圧力ピークを有する空間から比較
的低い圧力ピークを有する空間内に漏洩し、低い圧力差
におけるよりも高い圧力差における方がガスの漏洩が大
きくなる。

中央部ボートの通気操作は、排気機構またはピストンが
中央位置にある時適正なガス流−を提供する。このよう
に、過度に高い圧力も逃すため通気を行なうことにより
、また過度に低い圧りを１袢させるためある鰻のガスを
供給することにより、ある特定の空間内における過度に
低いか過度に高い圧力差は避けることができる。

過去においては、機関のハウジング内に弁または通路を
設けることにより、−あるいは大きな圧力変化の下に習
かれる空間とガス圧りが全系統の平均圧力またはその付
近に維持される基準空間との間に周期的に流体を介在さ
せることにより、往復要素の適正な位置関係が維持され
てきた。

１９７５年８月１９日発行の３　ｈｕｍａｎの米国特許
第３８９９８８８＠は、その内部でピストンが゛往復運
動を行なう円筒状の壁面の中心部に形成された垂直方向
の溝を構成するピストン定置装置を開示している。この
溝は、両方向において実質的に同じ流体の流動抵抗を有
するバイパス通路として作用する。ピストンが往復運動
する時、前記溝を経由するガスの漏洩は、前記溝の中心
部付近にピストンの揺動運動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ
　）の中心を維持しようとする傾向を有する。この構成
の主な欠点は、前記溝との流体の連通関係が適正なピス
トン位置において確保されるように、シリンダとピスト
ン位置面との闇に厳しい公差の嵌合が存在しなければな
らないことである。緊密な嵌合のためには、機関の壁面
の内面の高価な機械加工即ちホーニング（油砥磨）加工
を必要とする。本発明においては、これとは対照的に、
主支持面が中心ロッドの外面とピストンと排気機構の円
筒状内壁面とにより提供されるため、ピストンとハウジ
ングの間に緩い嵌合状態が可、能であり、それらの間に
安価なピストン・リングを設けることができる。往復運
動を行なう構成要素における開口はその直径において機
関のハウジングよりも実質的に小さいため、前記の３　
ｈｕｍａｎの米国特許におけるピストンの外壁面と機関
のハウジング間におけるよりも、本発明における中心部
０ツドとピストンの内壁面・−に厳しい公差の嵌合状態
を提供する方が安価となる。

１９８０年１月１５日発行の３ｅａｌｅ等の米国特許第
４１８３２１４号は、円部状の内孔とその内部に形成さ
れたガス作用ばねが設けられた排気機構を開示している
。ロッドは“スパイダにより一端部において機関のハウ
ジングに対して固定されている。他端部は、前記排気機
構内部に設けられた円筒状の内孔において摺動可能であ
る。前記排気機構の中心位置が保持できるように、排気
機構と固定ロッドに中心部の通気用通路が設けられてい
る。この配置における主な欠点は、スパイダがピストン
と排気機構の運動に対する障害となることである。これ
らの往復運動を行なう構成要素は、′スターリング・サ
イクルにおけるある１点において一肺になろうとする傾
向がある。スパイダがピストンと排気機構間で固定位習
を維持するため、ピストンと排気機構の行程を合致させ
ることは不可能であり、このため出力と効率を低下させ
る。

本発明においては、静止中央ロッドは往復運動する構成
要素の運動と干渉しない点においてＩｓウジングに対し
固定されている。更に、本発明の中心部ロッドの構成は
、スピン潤滑を行なうためにピストンと排気機構の回転
運動を可能にする。しかし、Ｂ４１１ａ１８等の先行特
許においては、前記スパイダは旋回運動するピストンま
たは排気機構と干渉して最優にはこれによりその作用が
損なわれることになる。

自由ピストン型スターリング機関のための本発明の中心
部ボート作用兼支持装置は、動力ビストンと排気機構の
往復運動軸心に沿って延在する中心部の静止ロッドを含
むものである。この中心部ロッドは、ピストンおよび排
気機構に形成された軸心方向に延在する円部状の内壁面
と緊密に嵌合して摺動する係合関係にある支持用外表面
が設けられている。好ましくは中心部０ツドは機関のハ
ウジング内に形成されたガスを保有する基準空間と流体
連通する中心腔部を含み、第１と第２の通路はそれぞれ
、前記中心腔部と、往復運動するビストンと排気機構の
揺動運動の望ましい中間点においてロッドの外側の支持
面との間に流通連通を提供する。前記ピストンは、更に
、その円筒状の内表面からガスを保有する作用空間まで
延在するチャネルすなわち内孔が設・けられ、前記排気
機構にはガスを保有する区画とその円筒状の内表面から
前記区画まで延在するチャネル即ち内孔とが設けられて
いる。このように、ピストンと排気機構がそれらの揺動
運動の所要の中間点を通過する時、中心部０ツドの前記
中心腔部と作用空間との闇、ならびに中心腔部と前記排
気機構の区画との間に周期的な流体連通状態が提供され
るのである。

本発明の主な目的の１つは、中心部ロッドとピストンお
よび排気機構の内表面とが緊密に嵌合することしか必要
とせず、またピストンと排気機構の外表面と機関のハウ
ジング間においては緩い嵌合状態ならびにピストン・リ
ングの使用を可能にすることにより、比較的安価にｉｌ
Ｉ滑されるスターリング機関を提供することにある。

本発明の別の目的は、ピストンと排気機構の双方の中心
部通気を有効に行なう手段の一部にある。

本発明の更に別の目的は、流体力学的な潤滑作用ツタめ
ピストンおよび排気機構を旋回させることにある。

本発明の他の目的は、高出力および＾い効率を轡るため
にピストンと排気機構の行程に重なりを許すことにある
。

本発明の他の長所については、以下の配達ならびに図面
を照合することによって更に明瞭になるであろう。

第１図は、作用中１１１１２と反動空間即ち基準空間１
３とを画成するハウジング１１が設けられた全体的に番
号１０で示される自由ピストン型スターリング機関を示
している。この作用空間と反動空間は、空気、水素、ヘ
リウム等の如きガスを保有している。排気ピストン１４
は、ハウジング１１の内壁面の一部より形成され、ある
いは作用空間１２内に他の方法で形成された排気シリン
ダ１５内で往復運動するように摺動可能である。動力ビ
ストン１６は、別の望ましくはハウジング１１の） ′内壁面の一部により、あるいは作用空間１２と連通関
係になるように他の方法で形成された動力ビストン・シ
リンダー７内に往復・運動自在に取付けられている。排
気ピストン１４と動力ビストン１６は、動力ビストンが
作用空間１２と流体連通関係にある限り第２図に示すよ
うに不整合状態に館かれることは全く可能であるが、第
１図に例示された如く軸心方向に整合されることが望ま
しい。

作用空間１２は更に高部空間１８と低温空間１９とに分
割することができる。第１図および第２図における構造
部は、熱１１２０から関連する高部空間１８への熱の付
加により、および熱交換器即ちヒート・シンク２１によ
・つて低部空間１９からの熱の除去によって、機関とし
て作用させられる。

熱エネルギの伝達を向上するために再生器２２を通常の
方法で設けることができる。当技術において周知の如く
、以上その概略を述べた形式の諸装蹟は、線形同期発電
機またはポンプを駆動するためにも使用することができ
、また冷凍および加熱装置として作動させること、およ
び往復運動の機械的エネルギを動力ビストン１６に対し
て付与することにより他の熱ポンプの用途に対しても使
用することができる。従って、本発明の構成はスターリ
ング・サイクル装置の全ての作動モードにおいて良好に
使用することができることを理解すべきである。

第１図に示すように、長い中心部ロッド２３は一端部２
４においてハウジング１１内で固定され、排気ピストン
１４と勤カビストン１６の往復運動の軸心に沿って延在
する。この動力ビストンおよび排気機構は各々円筒状の
内壁面２５と２６が設けられている。この円筒状のピス
トンの内壁面２５は動力ビストンを介して軸心方向に延
在し、これによりその内部に中心孔２７を画成する。一
方、排気機構の円筒状の内壁面２６は排気機構の一端部
２８から排気機構の中心部まで延在し、これによりこの
排気機構内部に中心孔２９を画成している。

中心部ロッド２３には、ピストンの円筒状の内壁面２５
および排気機構の円筒状の内壁面２５が摺動運動自在に
係合する外側の支持面３０が設番ノられている。この外
側の支持面３０と、排気機構およびピストンの円筒状の
内壁面は、前記排気機構およびピストンが静止状態の中
心部０ツド２３に対して往復運動を行なうように係合す
る時、その間に緊密な嵌合状態を提供するように機械加
工されている。動力ビストン１６と排気ピストン１４は
また、往復運動の際回転運動しながら係合して、これに
よりそれぞれその円筒状壁面２５．２６問および中心部
ロッドの外側の支持面３０に流体力学的な即ち旋回潤滑
作用を行なうことが望ましい。

中心部０ツドとピストンの円筒状内壁面間に設けられた
緊密な嵌合関係は、動力ビストンの外壁面３１と動力ビ
ストン・シリンダ１７の囲繞壁面間に厳しい公差の嵌合
状態を提供するための必要性を省いている。その代り、
好都合にもその間に緩い嵌合状態を用いることができ、
またピストンが揺動運動する時、反動空間１３と作用中
＠１２閤のガスの漏洩を制限するために１つ以上のピス
トン・リング３２を１ｔＱＧノることができる。排気機
構が往復運動する時、当技術において周知の如く、＾濃
空ｌ！１１８と低温空間１９間において再生装胃がガス
の流動を必要とするため、排気機構と排気シリンダ１５
間にはピストン・リングは必要ではない。

中心部ロッドの外側の支持面３０と排気機構とピストン
の円鏑状内壁面２５．２６間の厳しい公差の嵌合状態は
中心部の通気操作の提供のため□、ならびに自由ピスト
ン型スターリング機関の排気機構およびピストンに対す
る前述の支持装胃の提供のため有利に使用することがで
きる。この目的のため、中心部ロッドには、１つ以上の
部分３４により基準空間即ち反動空間１３と流通関係に
ある軸心方向に延在する中心腔部３３が設けられること
が望ましい。このように、前記の基準空間に保有された
ガスもまた中心腔部３３内を循環する。

この中心腔部は、前記中心部ロッドの固定端部２４の反
対側の自由端部３５において閉鎖されている。

本発明のこのような望ましい形態の適正な機能にとって
は、反動中１Ｉ１１３が、その内部に保有されるガスの
圧力の変化が無視できる程度の実質的な容積を包含する
ことが必要である。反動中１１１３内に保有されるガス
は全系統の平均圧力に維持されることが理想的である。

もし前記反動空間の容積がその内部のガスが動力ビスト
ンの揺動運動において実質的な圧力の変動を受は得るよ
うな小さなものであったならば、基準容積域として前記
反動空間を使用する代りに、ガスを保有する補助的な基
準空間（第２図）と中心部ロッドの中心腔部３３との藺
に流体流通状態を提供することが望ましい。

中心部ロッドの中心腔部３３とその外側の支持面３０闇
の流体流通状態は、それぞれ第１と第２の通路３６と３
７によって提供される。第１の通路３６は動力ビストン
１６の３８に示された所要の揺動運動の略々中間点にお
いて外側の支持面上に配置される。中心部０ツドの第２
の通路３７は、排気ピストン１４の３９に示される所要
の揺動運動の略々中間点において外側の支持面上に配置
されている。

動力ビストン１６には更に、ピストンの円筒状の内壁面
２５から作用中ｌＩ！１２まで延在するチャネル即ち内
孔４０が設けられることが望ましい。

チャ門ル４０は、動力ビストンがその所要の揺動運動の
中間点を通過する時にチャネル４０は中心部ロッドの第
１の通路３６と整合関係になるピストンの内壁面上の開
口４１を有する。このように、中心部ロッドの中心腔部
３３を介して作用空間１２と規準中ｆ１１３との藺に周
期的な流体流通関係が生じる。この開口４１は、ピスト
ンが回転する峙チャネル４０と第１の通路３６１ｆｌの
適正な整合関係が確立できるように、ピストンの内壁面
２５上に環状溝′として形成されることが望ましい。

排気機構の円筒状の内壁面２６により画成される中心孔
２９に隣接する排気ピストン１４の中心部にガスを保有
する区画即ちガス作用ばね４２を形成することができる
。排気機構が中心部０ツドの自由端部３５に対して往復
運動を行なう時、区画４２内に保持されるガスは交互に
圧縮および膨張を繰返す。第１図に承すように、この自
由端部３５にはまた排気機構の区画４２に連通しがっ内
部でガス作用ばねが作動する別の空間として作用する腔
部４３が設けることができる。

動力ビストンとやや類似する方法で、排気機構には排気
機構の円筒状の内壁面２６がらガス作用ばね区画４２ま
で延在するチャネル４４を設けることができる。排気機
構がその所要の揺動運動の中間点を通過する時、このチ
ャネル４４は、中心部Ｏラドの第２の通路３７と連通関
係となる排気機構の内壁面上に開口４５を有する。この
ように、ガス作用ばね区画４２と反動中１１１１１３間
には中心部ロッドの中心腔部を介して周期的な流通状態
が生じ得る。開口４５は、チャネル４４と第２の通路３
７との闇の適正な整合関係がピストンの回転運動の際に
確保できるように、排気機構の内壁面２６上の環状溝と
して形成されている。。

第２図は、軸心方向に整合されない排気ピストン１１４
と動力ビストン１１６が設けられた自由ピストン型スタ
ーリング機関を示している。しかし、本発明によれば、
この動力ビストンには第１の中心部ロッド１２３ａが設
けられ、前記排気機構には１２の中心部０ツド１２３ｂ
が設けられている。第１図に示された中心部○ラドと同
様に、第２図に示、された別の第１と第２の中心部ロッ
ドはその各端部においてハウジング１１１に対し固定さ
れ、それぞれ外側の支１９＋１１３０ａおよび１３０ｂ
が設けられている。図から判るように、軸心方向には整
合されない排気機構およびピストンに対する中心部通気
兼支持＠纜は、第１図に示された軸心方向に整合された
排気機構およびピストンと実質的に同じ構ｆＲ要素を使
用し、かつこれと実質的に同じ方法で作用するものであ
る。

反動即ち基準空間に保有されるガスは全系統における平
均圧力に保持される。一般に、圧力の充分な変動量を有
する自由ピストン型スターリング機関内のガスを保有す
るどの空間も、即ち圧力の変動を惹起する動力ビストン
または排気機構の如き装置の所要の中心位習において前
記基準空間と連通させられねばならない。この周期的な
流体流通状態の必要は、ある空間から他の空間への不均
一な漏洩を相殺しなければならない必要の結果である。

この不均一な１１洩量は、もし平衡□されなければ平均
圧力の上昇をもたらし、これが動力ビストンをある方向
に押圧することになる。この効果は更に、本発明の背端
において述べたように、環状空隙からのガスの流量の非
線形特性をもたらす結果なる。非対称的な圧力の変動下
にあって比較的高い圧ｈビークを有するどの空間からで
もガスは常に漏出しようとするのである。

ガス作用ばねを備えた排気機構の採用により、当技術に
おいて周知の方法により排気機構の作用力学が援用され
る。排気機構がその中間点に循環作用する際、前記のガ
ス作用ばね内のガスは、排気機構のチャネルおよび中心
部ロッドの第２の通路が整合関係になる位置において前
記反動空間と周期的に連通関係になる。この反動空間は
、そ・の内部に保有されるガスの圧力が実質的に一定の
状態を維持するように充分に大きい。従って、この反動
空間は、前記のガス作用ばねが排気機構を作用空間内の
適正位置に保持する範囲内に維持されるように、ガス作
用ばねに対して作用する。排気機構が往復運動する時、
このガス作用ばね区画内のガス圧力は反動空間のガス圧
力と周期的に関連させられる。このように、排気機構は
同じ制限された空間内で揺動運動を継続するのである。

これと若干似た方法で、作用空間は周期的に、中心部Ｏ
ラドの中心腔部と流通状態になり、その枯東中心部Ｏツ
ドの第１の通路と周期的に整合関係になるピストンのチ
ャネルを介して前記反動空間と流通状態となるのである
。排気機構のガス作用ばねと同様に、作用空間は適正な
ピストンの所要の揺動運動の中間点において反動空間と
流体流通機械的になる。

この中心部の通気効果は、動力ビストンが摺動作用的に
ハウジングと係合するためピストン・リングが設けられ
る時、更に重要性を加えることになる。動力ビストンの
外表面の周囲のガスの漏洩量を最小限度に抑えるための
ピストン・リングの使用は非常に望ましいが、それはこ
の方法によりハウジングとピストンの外表面の間に安価
な緩やかな嵌合状態を用いることが可能になるためであ
る。しかし、このピストン・リングは、これがガスを漏
らす状態に関しては、どのサイクルにおいて生じるもの
かは全く予想がつかない。このように、この中心部の通
気装置なくしては、ピストンはある時はあまりにも内側
にあり、またある時はあまりにも外側にあることになる
。

ングを使用しなければならない場合は必要となるが、こ
れはもし中心部ロッドの反対側においてハウジングが中
心部で通気されなければ、ハウジングとピストンの外Ｉ
１面間の緩い嵌合のためピストンの往復運動の中間点に
おいて適正な整合関係を得ることが不可能となる。緩い
嵌合の場合には、ガスは反動空間と作用空間間において
予測不能な状態で流動することになるのである。

ピストン・リングはその漏洩特性において不安定である
という事実にも拘わらず、緊密な嵌合状態の中心部ロッ
ドにより中心部の通気の効果が不安定なピストン・リン
グの漏洩特性の欠点を克服する故に、本発明においては
有効に使用することができるのである。

ピストンの外径部における緩い嵌合による別の利点は、
これが緊密な嵌合の中心部ロッドにおけるガス′ＩＩＪ
８１効果を提供する旋回運動を促進することである。

本発明の望ましい各実施態様について本文に詳細に示し
記したがい構造および構成の詳細については本発明の主
旨即ち頭書の特許請求の範囲から逸脱することなく多く
の変更が可能であることは理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は排気機構および動力ビストンがその内部で軸心
方向に整合される形式の、本発明による中心部通気兼支
持装冒を実施した自由ピストン型スターリング機関を示
す図、第２図は排気機構と動力ビストンが軸心方向に整
合されない本発明の別の実施態様を示す第１図と類似の
図、および第３図は本発明の望ましい実施態様を示す断
面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、作用空間と基準空間を画成するハウジングと、前記
   作用空間および基準空間内に保有されたガスと、前記作
   用空間内で往復運動する排気機構と、前記作用空間と連
   通する往復運動する動力ビストンとを含む改良された自
   由ピストン型スターリング機関において、 （ａ）前記勤カビストン内を軸心方向に延在しかつ前記
   動力ビストン内の中心部内孔を画成する円筒状のピスト
   ンの内壁面と、 （ｂ）前記排気機構の一端部からその中心部まで延在し
   、かつ前記排気機構の中心部開口を画成する排気機構の
   円筒状の内壁面と、 （Ｃ）前記ハウジング内に固定され、前記のピストンの
   円筒状の内壁面と前記の排気機構の円筒状の内壁面とが
   摺動自在に係合させられる外側の支持面を提供する長い
   中心部Ｏラドとを設けることを特徴とする自由ピストン
   型スターリング機関。 ２、前記中心部ロンドには前記の基準空間と流体流通状
   態にある軸心方向に延在する中心腔部が設けられ、該中
   心部ロッドには更に前記中心腔部と前記０ツドの外側の
   支持面との間に流体流通状態を提供する第１の通路が設
   けられ、該第１の通路が前記の往復運動する動力ビスト
   ンの所要の揺動運動の実質的に中間点において前記の外
   側支持面上に配置されることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の自由ピスト１ン型スターリング機関。 ３、前記動力ビストンには前記ピストンの内壁面から作
   用空間まで延在するチャネルが、Ｉ９けられ、該チャネ
   ルは、前記ピストンが所要の揺動運動の中間点を通過す
   る時前記中心部ロッドの外側支持面２上の第１の通路と
   整合関係になることにより前記作用空間と前記中心部ロ
   ッドの中心腔部との閑に周期的な流体流通状態を提供す
   る前記ピストンの内壁面上の開口を有することを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の自由ピストン型スター
   リング機関。 ・　４．前記中心部ロンドには前記基準空間と流体流通
   状態にある軸心方向に延在する中心腔部が設けられ、前
   記中心部ロンドは更に前記中心腔部上前記ロンドの外側
   支持面との間に流体流通状態を提供する第２の通路が設
   けられ、該第２の通路は前記の往復運動する排気機構の
   前記の所要の揺動運動の略々中園点において前記外側支
   持面上に配置されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の自由ピストン型スターリング機関。 ５、前記排気機構の中心部がガスを保有する区画を画成
   し、前記排気機構には前記排気機構の内壁面から前記の
   ガスを保有する区画まで延在するチャネルが設けられ、
   該チャネルは、前記排気機構が所要の揺動運動の中間点
   を通過する時前記中心部ロンドの外側支持面上の第２の
   通路と整合関係となることにより前記ガスを保有する区
   画と前記中心部０ツドの中心腔部との間に周期的な流体
   流通状態を提供する前記排気機構の内壁面上の開口を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の自由
   ピストン型スターリング機関。 ６、前記排気機構と動力ビストンが軸心方向に整合され
   ず、かつその各々に中心部ロンドが設けられることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の自由ピストン型ス
   ターリング機関。 １、前記ハウジングと動力ビストンの闇、および前記ハ
   ウジングと排気機構の間に緩い嵌合状態が提供され、前
   記動力ビストンには前記ハウジングと摺動作用的に係合
   する１つ以上のピストンが設けられることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の自由ピストン型スターリン
   グ機関。 ８、前記動力ビストンおよび排気機構が回転運動ならび
   に往復運動を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の自由ピストン型スターリング機関。 ９、作用空間と基準空間を画成するハウジングと、前記
   作用空間と前記基準空間内に保有されたガスと、前記作
   用空間内で４！復運動する排気機構と、前記作用空間と
   連通する往復運動する動力ビストンとを含む改良された
   自由ピストン型スターリング機関において、 （ａ）前記動力ビストン内を軸心方向に延在しかつ前記
   動力ビストン内の中心部内孔を画成する円筒状のピスト
   ンの内壁面と、 （ｂ）前記排気機構の一端部から延在し、かつ前記排気
   機構の中心部開口を画成する排気機構の円筒状の内壁面
   と、 （Ｃ）前記ハウジング内に固定され、前記のピストンの
   円筒状の内壁面と前記の排気機構の円筒状の内壁面とが
   摺動自在に係合させられる外側の支持面を提供する長い
   中心部ロッドとを設けることを特徴とする自由ピストン
   型スターリングｍｍ。