JPS5930903B2 - 熱空気機関 - Google Patents

熱空気機関

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JPS5930903B2
JPS5930903B2 JP18193582A JP18193582A JPS5930903B2 JP S5930903 B2 JPS5930903 B2 JP S5930903B2 JP 18193582 A JP18193582 A JP 18193582A JP 18193582 A JP18193582 A JP 18193582A JP S5930903 B2 JPS5930903 B2 JP S5930903B2
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JP
Japan
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piston
displacer
cooler
cylinder
heater
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JPS5970858A (ja
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見次 橋本
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Sanden Corp
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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
    • F02G2243/00Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/02Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having pistons and displacers in the same cylinder
    • F02G2243/04Crank-connecting-rod drives

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は主として教材用に利用する小出力の熱空気機関
の構造に関するもので、主な目的とするところは従来用
いられていたピストン部分のシールを排除しながらも高
効率にて運転できる熱空気機関を提供することにある。
既に知られているスターリングエンジン等の熱ガス機関
は、密閉空間内に封入した空気、水素、ヘリウム等の作
動ガスを加熱、冷却することにより、作動ガスの膨張と
圧縮を繰り返して動力を発生するようにした外燃機関で
あり、熱効率が高くしかも騒音が低い等の理由で近年そ
の研究が盛んに行なわれつつあり、その研究段階におい
て取扱いおよび操作が容易でかつ小容量の加熱源でも効
率よく良好に作動し得る小出力の教材用熱ガス機関が望
まれている。
そのためには水素、ヘリウム等の高価なガスを使うより
大気圧空気を作動ガスとして使う方が手輸で安全である
他方、水素、ヘリウム等のガスを使う熱ガス機関では出
力を増大させるためにそれらの作動ガスの内部圧力を高
める必要があり、そのためには複雑で性能のよいシール
構造を必要としていたが、小出力の空気を用いた教材用
熱ガス機関では作動ガス(空気)の洩わを最小におさえ
れば大気圧を平均圧力として有効に作動しうろことが知
られている。
本発明は上記の点に鑑み作動ガスとして空気を用いると
ともに作動ガス空間を作動ガスが有効に往復動するよう
に構成し、このことで小出力ながら効率のよい熱空気機
関を得ようとするものである。
以下図面を用いて本発明の詳細な説明するが第1図は正
面図、第2図は平面図、第3図は右側面図、第4図は第
1図のA−A線断面図、第5図は第1図のB−B線断面
図、第6図はデイスプレ−サービストンとパワーピスト
ンとディスプレーサ−ガイド17の溝を示す断面図であ
る。
主に第3図、第4図を参照して、102は2枚の板材1
,2をシール部材8を介して重合形成した加熱器であり
、501は加熱器102同様の冷却器であり、これは冷
却筒6の底板と板材5を0リング34を介して重ね合わ
せて形成したものである。
加熱器102と冷却器506の作動ガス伝熱側壁には環
状の溝36,3Bが切り込まれている。
加熱器102と冷却器506は間隔を介して互いに対向
し、両者間に高温膨張シリンダー3と再生器4とが並列
に配置される。
ところで高温膨張シリンダー3の加熱器102と冷却器
506に接する部分はシール部材9,40でシールされ
ており、同様に再生器4の端面もシール部材10゜44
でシールされている。
このため高温膨張シリンダー3と再生器4から空気(以
下構成説明において作動ガスと呼ぶ。
)が洩れることはない。また再生器4はその両開口が加
熱器102および冷却器506の溝36,38を通じて
高温膨張シリンダー3および低温圧縮シリンダー7の内
部に連通され、内部に図示しないが細かいメツシュの金
網が多数枚充填されている。
さて前記した冷却器506の冷却筒6は冷却水槽47を
形成していてその底面には高温膨張シリンダー3と同一
軸上にシール部材46を介して低温圧縮シリンダーIを
配置しである。
さて次に動力伝達機構において、低温圧縮シリンダー7
の上面にはアームサポート11とクランクサポート12
が設けられている。
またアームサポート11にはディスプレーサ−ピストン
アーム20とパワーピストンアーム23の一端がそれぞ
れ連結ピン22.31で支持され、クランクサポート1
2,12にはクランク14のクランク軸45.45が回
転自在に固定され、さらに該クランク軸45,45には
フライホイール13.13が固定されている。
さて高温膨張シリンダー3と低温圧縮シリンダー7内に
はディスプレイサービストン15とパワーピストン16
が配置され、両ピストン15,16は両シリンダー3,
7内をある位相差(例えば90°)をもってすり合わせ
の往復運動をし得るようになっている。
またディスプレーサ−ピストン15の上部に一体形成さ
れたディスプレーサ−ガイド17は内部が中空になって
おり、パワーピストン16のピストンボテ゛イ32内で
すり合わせの往復運動をする。
なおディスプレーサ−ガイド17の動きは後述の連結板
18の動きと同一である。
第5図をも参照するとそれぞれのピストン15゜16は
連結板18,19の一端に固定され、またそれぞれの連
結板18,19の他端は連結ピン21.27を介しディ
スプレーサ−ピストンアーム20およびパワーピストン
アーム23に連結されている。
このためディスプレーサ−ピストン15とパワーピスト
ン16の往復運動により両ピストンアーム20,23は
揺動運動する。
一方ディスプレーサ−ピストンアーム20およびパワー
ピストンアーム23の他端は連結ピン26.30を介し
て連接棒24.25に連結されまた該連接棒24.25
の他端はそわぞれベアリング29,29を介してクラン
ク14のクランクピン28に連結されている。
このためクランクピン28を固定したクランク車48,
49,50゜51は回転運動をし同様にクランク車48
,51に固定したクランク軸45,45を介してフライ
ホイール13.13が回転運動する。
ここでディスプレーサ−ピストン15の高温膨張シリン
ダー3とのすり合わせ表面とパワーピストン16の低温
圧縮シリンダー7とのすり合わせ表面には環状の溝41
,42が多数切り込まれており、さらにディスプレーサ
−ガイド17のピストンボディ32とのすり合わせ表面
にも環状の溝43が切り込まれている。
なお上記した環状の溝4L42,43は第6図から理解
できよう。
そして寸法としては高温膨張シリンダー3と低温圧縮シ
リンダー7の内径φD1と各ピストン15,16の外径
φD2はφDにφD2j’(0,02〜0.04)程度
の関係となっており、ディスプレーサ−ガイド17の摺
接するピストンボディ32の内径φD3と該ディスプレ
ーサ−ガイド17の外径φD4はφD3二φD4+(0
,01〜0.03)程度の関係となっている。
概してディスプレーサ−ピストン15やパワーピストン
16等は精密仕上げが要求される。
以上のような構成からなる実施例の作用について以下に
説明する。
まず冷却器506の冷却水槽47に冷却水を入れ、適当
な燃焼装置、たとえばガスバーナ33で加熱器102の
底面を加熱すると高温膨張シリンダー3、加熱器102
、再生器4、冷却器506゜低温圧縮シリンダー7の内
部空間に密封された作動ガスは加熱器102側で加熱さ
れ、冷却器506側で冷却される。
このときフライホイール13゜13を手動回転させると
クランク14のクランクピン28に連結されている連接
棒24,25が作動し、これにより各連結ピン26,3
0によって連結されているディスプレーサ−ピストンア
ーム20、パワーピストンアーム23が揺動する。
この結果、前記各アーム20,23に連結ピン21゜2
7で連結している連結板18.19は上下動し起動力が
与えられ、最終的にはディスプレーサ−ピストン15と
パワーピストン16は温度と圧力の周期的な変化に同期
してすり合わせの往復運動を継続する。
というのは起動後はディスプレーサ−ピストンアーム2
0とパワーピストンアーム23とはある位相差(例えば
90°)をもって揺動することで、連結板18.19に
連結されているディスプレーサ−ピストン15とパワー
ピストン16がそれぞれ高温膨張シリンダー3および低
温圧縮シリンダー7内を前記の位相差で往復運動するた
め、内部空間に密封された作動ガスが加熱器側と冷却器
側を移動するからである。
換言すれば起動後は密封された作動ガスが加熱空間35
、加熱器102の溝36、再生器4の空間37、冷却器
506の溝38および冷却空間39からなる作動ガス通
路を往復動し、周期的にその温度と圧力が変化し、パワ
ーピストン16の往復運動が継続される。
なお上記したパワーピストン16の動作原理は通常のス
ターリング機関の動作原理と全く同様である。
勿論パワーピストン16およびディスプレーサ−ピスト
ン15の往復運動の継続により連結板19.18を介し
てアーム23.20が揺動し、連接棒25,24を通じ
てクランク車48,49゜50.51およびフライホイ
ール13,13は回転を継続する。
さてここでこの機関の効率を上げるためには作動ガス空
間内に密封された空気の平均圧力を高めることが必要で
あるが、本発明のように大気圧空気を使用する小出力の
教材用熱空気機関にあっては作動ガス空間外への空気の
洩れおよび作動空間内における空気の加熱空間35と冷
却空間39との交流を断つことが電装である。
ところで第4図を参照して実施例の熱空気機関の空気の
洩れは、■加熱器102の板材1,2相互の接合面、■
冷却器506の板材5と冷却筒6の接合面、■高温圧縮
シリンダー3と加熱器102および冷却器506の接合
面、■再生器4と加熱器102および冷却器506の接
合面、■低温圧縮シリンダー7と冷却器506の接合面
、■パワーピストン16と低温圧縮シリンダー7のすり
合わせ面、■ディスプレーサーガイド17とピストンボ
ディ32のすり合わせ面で生じることが考えられ、他方
作動ガス空間内における空気の交流は■ディスプレーサ
ーピストン15と高温膨張シリンダー3のすり合わせ面
で生ずることが考えられるが、上記した■〜■の接合面
にはシール部材8゜9.40,10,44,46やOリ
ング34が介在されているため空気洩れはないといって
よい。
したがって機関の効率を上げるためには上記■〜■のす
り合わせ面からの洩れや空気交流を排除もしくは最小に
抑えることが極めて重要である。
そのために従来はピストンリングをピストン側に装着す
る方法をとっていたが、ピストンリングによるシール方
式ではシールは比較的良好であるが、ピストンリングの
摩擦による出力減少は避けられなかった。
そこで本発明では上記■〜■のすり合わせ面からの空気
の洩れや空気の交流を最小に抑えるためにディスプレー
サ−ピストン15とパワーピストン16とディスプレー
サ−ガイド17のすり合わせ表面に各々溝41,42,
43を切りこんで上記目的を達成したものである。
上記のように構成すると作動空間内の空気は各すり合わ
せ面において洩れたとしても、何段もこの溝を通過する
ことによってラビリンスのシール効果により、空気の洩
れ量をわずかにとどめることができる。
また本発明によれば、ディスプレーサ−ピストン15、
パワーピストン16、ディスプレーサ−ガイド17のす
り合わせ表面に旋盤で小さな溝を切るだけでよく、従来
必要とされた複雑なシール機構を必要とせず安価に製作
可能であり、またピストンリングも不要であることから
ピストンリング装着時の摩擦力も回避でき、小出力なが
ら効率のよい熱空気機関が得られる。
また本発明によれば各構成要素がコンパクトに配置され
ているため取扱いおよび操作が容易であり、作動ガスに
大気圧空気を使用するので安全かつ安価な熱空気機関を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による一実施例の正面図、第2図は同様
の平面図、第3図は同様の右側面図、第4図は第1図の
A−A線断面図、第5図は第1図のB−B線断面図、第
6図はディスプレーサ−ピストンとパワーピストンとデ
ィスプレーサ−ガイドの溝を示す断面図である。 1・・・・・・板材、2・・・・・・板材、3・・・・
・・高温膨張シリンダー、4・・・・・・再生器、5・
・・・・・板材、6・・・・・・冷却筒、7・・・・・
・低温圧縮シリンダー、8・・・・・・シール部材、9
・・・・・・シール部材、10・・・・・・シール部材
、11・・・・・・アームサポート、12・・・・・・
クランクサポート、13・・・・・・フライホイール、
14・・・・・・クランク、15・・・・・・ディスプ
レーサ−ピストン、16・・・・・・パワーピストン、
17・・・・・・ディスプレーサ−ガイド、18・・・
・・・連結板、19・・・・・・連結板、20・・・・
・・ディスプレーサ−ピストンアーム、21・・・・・
・連結ピン、22・・・・・・連結ピン、23・・・・
・・パワーピストンアーム、24・・・・・・連接棒、
25・・・・・・連接棒、26・・・・・・連結ピン、
27・・・・・・連結ピン、28・・・・・・クランク
ピン、29・・・・・・ベアリング、30・・・・・・
連結ピン、31・・・・・・連結ピン、32・・・・・
・ピストンボディ、33・・・・・・ガスバーナ、34
・・・・・・0リング、35・・・・・・加熱空間、3
6・・・・・・加熱器の溝、37・・・・・・再生器空
間、38・・・・・・冷却器の溝、39・・・・・・冷
却空間、40・・・・・・シール部材、41・・・・・
・ディスプレーサ−ピストンの溝、42・・・・・・パ
ワーピストンの溝、43・・・・・・ディスプレーサ−
ガイドの溝、44・・・・・・シール部材、45・・・
・・・クランク軸、46・・・・・・シール部材、47
・・・・・・冷却水槽、48・・・・・・クランク車、
49・・・・・・クランク車、50・・・・・・クラン
ク車、51・・・・・・クランク車、102・・・・・
・加熱器、506・・・・・・冷却器。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 加熱器と冷却器を間隔を介して互いに対向させると
    ともに該加熱器と冷却器間に高温膨張シリンダーと再生
    器を並列に配置し、しかも該冷却器上部に該高温膨張シ
    リンダーと同軸上に低温圧縮シリンダーを配置し、これ
    ら高温膨張シリンダーおよび低温圧縮シリンダーの内部
    にそれぞれディスプレーサ−ピストンとパワーピストン
    を往復動自在に配置した熱空気機関において、前記ディ
    スプレーサ−ピストンとパワーピストンのすり合わせ表
    面に各々多数の環状溝を刻設したことを特徴とする熱空
    気機関。 2 加熱器と冷却器を間隔を介して互いに対向させると
    ともに該加熱器と冷却器間に高温膨張シリンダーと再生
    器を並列に配置し、しかも該冷却器上部に該高温膨張シ
    リンダーと同軸上に低温圧縮シリンダーを配置し、これ
    ら高温膨張シリンダーおよび低温圧縮シリンダーの内部
    にそれぞれディスプレーサ−ピストンとパワーピストン
    を往復動自在に配置した熱空気機関において前記ディス
    プレーサ−ピストンの上部に筒状のディスプレーサ−ガ
    イドを設けるとともに該ディスプレーサ−ガイドをパワ
    ーピストン内に挿通し、往復動し得るようにし、しかも
    ディスプレーサ−ガイドのすり合わせ表面およびディス
    プレーサ−ピストンとパワーピストンのすり合わせ表面
    に各々多数の環状溝を刻設したことを特徴とする熱空気
    機関0
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JPS5970858A JPS5970858A (ja) 1984-04-21
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