JPS593150A - スタ−リングサイクル装置 - 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、スターリングサイクルに対応する熱力学的過
程を通る流体を利用した熱サイクル装置に関する。この
装置は一般に、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換
する原動機、ヒートポンプ又は冷凍装置として使用され
る。

７個以上の回転軸に動力学的に連結されて往復運動する
９個の複動ピストンによって、スターリングサイクル装
置を形成することは、従来から知られている。この熱サ
イクル装置において、作動流体は、７つの作動室から次
の作動室へと周期的に移され、その際に高熱源と再生熱
交換器と冷熱源とを次々に通過する。作動流体は常時交
換されるわけではないため、長くその品質を保たねばな
らない。この装置においては、作動流体の汚損特に再生
熱交換器を水土させて高熱源及び低熱源との熱交換効率
を低下させる潤滑物ｐの作動流体への侵入を防ぐための
封止装置を用いることが必要になる。

作動流体のかかる汚損を回避するために、潤滑される熱
サイクル装置の桟橋的要素を全くなくすことも考えられ
るが、ピストンの往ゆ運動を装置の出力軸の回転運動に
変えるために必砂な機わル、的伝動装置が襟雑なため、
この解決策も、充分満足できるものではない。他方、相
対的な往復直線運動を行うピストンとシリンダーとの間
の完全な封止を得ることも、実際には不可能なため、種
棒的な封止装置即ち作動ガスの通過に対する絶対的なせ
き止め部分を形成する可変形要素を利用した封止装置が
用いられている。しかし−この積極的な制止装置も、加
速の問題と、封止装置の両側に生ずる可変の圧力差の発
生とによって、制止装置が劣化するため、充分満足すべ
きものではな（・。摩擦ライニングを用（・た摩擦によ
る圭１止装置は、絶対的に有効ではな（、成る期間の経
過後には、機械的伝動装置の油性物質によって作動流体
が汚排されるようになる。

本発明の目的は、これらの欠点のないスターリングサイ
クル装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明により、回転軸を内
部に取付けたケーシングと、上記回転軸の回りに平行に
配設した少くとも３個の作動シリンダーと、各々の該作
動シリンダー中に配設された複動ピストンと、該複動ピ
ストンの往復運動を上記回転軸の回転運動に変換するた
めの機械的伝動装置と、を有し、上記ケーシングは、上
記回転軸を内部に取付けた第１室と上記伝動装置を内部
に取付けた第２室とを備えているものにおいて、上記機
械的伝動装置が、回動について不動にされ且つ上記回転
軸の回りに円錐面を描くように軌道運動を行う揺動板と
、各々の複動ピストンを該揺動板に連結する連接部とに
より形成されたことと、上記第１室と第２室との間の全
ての連通を阻止するように上記ケーシングと揺動板との
間に弾性継手を介在させたことと、各々の上記連接部を
、複動ピストンに固着した部材のハウジング中に取付け
、対応の上記弾性連結部の近傍にある上記揺動板の部分
と対応の複動ピストンに連結された上記部材とを連結し
ている弾性継手によって、上記ハウジング中の空所を上
記第２室から遮断゛したことを特徴とするスターリング
サイクル装置６が提供される。

次に添付図面に示した本発明の好ましい実施例について
更に詳述する。

第１図及び第一図を参照して、本発明が適用されるスタ
ーリングサイクルを利用した装置ないし佛関の、それ自
体としては既知の動作原理について説明する。

この装置は、少くとも３個の複動ピストン４によって基
本的に形成され、ピストン４は中心回転軸５０輔糾回り
に対称に且つ互に平行に配設されている。一般には、９
個のピストン４が設けられる。この場合にはピストン４
は互に９００の位相差をもって同じ周期の往復運動を行
う。各々の複動ピストン”４　Ｋ第１作動室６及び第２
作動室７が組合され、室６，７の容積はピストン４の往
復運動の関数として変化する。６個の第１作動室６の各
々は、高熱源８、再生熱交換器９及び冷熱源１０を次々
に通る回路により、シリンダーの第２作動室７に連通し
ている。このスターリングサイクル装置は、ピストン４
の往復運動を中心回転軸５の回転運動に変換するための
機械的な伝動装Ｆも備えている。第１図には、本発明に
よる装置を形成する種々の機械的翼素が図示されている
。即ち、装置ケーシング１１中には、中心回転＠５と、
回転軸５０回りに平行に配設された作動シリンダー１２
と、これらのシリンダー１２の各々に配設された複動ピ
ストン４と、ピストン４を回転軸５に連結している機械
的伝動装置とが取付けられている。ケーシング１１は、
回転軸５を内部に取付けた第１室１と、機械的伝動装置
を内部に取付けた第λ室２とを有している。この機械的
伝動装置は主に円筒形のボス１３により形成され、この
ボスには、径方向に延長するアーム１４が固着されてい
る。各々のアーム１４の先端は対応のピストン４に連接
棒１５を介し連結されている。ハブ１３は回転軸５の中
心部の回りに回動自在に数個けてあり、ハブ１３０回動
軸は回転軸５０回転軸線との間に成る角度αをなしてい
る。従って、ノ・ブ１３とアーム１４とにより形成され
た組立体は、回転軸５の軸線の回りに円錆゛面を描く軸
線をもって軌道運動を行う揺動板を形成して℃・る。し
かし、この揺動板は、適切な案内要素１６．１７により
回転しないようにされている。案内要素１６゜１７は駆
動トルクを発生させるために軸５に対するケーシング１
１０反力を発生させる。案内要素１６．１７はピストン
４に対してアーム１４の先端を正確に位置決めする働き
もしている。

第１室１は、ハブ１３をケーシング１１に連結する弾性
継手により第Ω室２から完全に遮断されている。この弾
性継手は、第１図に示すように、ハブ１３の回りに配設
した２個のベロー】８゜１９により形成され、一方のベ
ロー１８は、ケーシング１１に連結した径方向に突出す
る環状部分２０とハブ１３の一端とを流体密に連結し、
他方のベロー１９は、同じケーシングｌ】に連結した別
の径方向に突する環状部分２１とノ・プ１３の他端とを
液密に連結している。

このように液密の継手となるベロー１８　、１．９を配
したことにより、室１，２０間の連通は完全に遮断され
る。このようにして、運動中の機械的要素の潤滑を可能
にする雰囲気が室１１中において確保される。例えばケ
ーシング１１と回転軸５との間の全部の軸受並びにハブ
１３と回転軸５の中心部との間の全部の軸受（これらの
全部の軸受は第１室１の内部に配設される）を潤滑状態
とすることができる。室１はこのようにケーシング１１
の内側壁と、ベロー１８，１９とハブ１３の内側壁とに
よって、外界及び第λ室２に対し遮断されている。ハブ
１３はケーシング１１に対して回動せず、単に揺動運動
のみを行うので、ベロー１８．１９０両端を固着するこ
とができ、完全な流体密が保たれる。更にハブ１３の揺
動角は比較的小さいため、ベロー１８．１９は小さな振
幅の運動のみを行い、軸５の高速回転にも耐えられる。

そのため第１室１からの潤滑相のような湿潤性の粒子が
第Ω室２に侵入し得なくすることができる０ 他方では、揺動板の各々のアーム４は、−個の連接棒１
５を介して、各々の複動ピストン４に連結されている。

連接棒１５は、アーム１４０両側に配され、球関節継手
２２を介しアーム１４に連結されている。連接棒１５と
その連接部である球関節継手２２とはピストン４の内部
又はピストン４に強固に連結した別の部材の内部のハウ
ジング中に収納されている。そのほかに、これらの連接
要素を収納するハウソングが室２から完全に遮断された
７つの室を形成するように、アーム１４をピストン４に
連結するベロー２３が、上訴３ノ・ウノング３のところ
に配設されている。そのため、連接棒１５、球関節継手
２２などの連接要素の作動を容易にするための潤滑性零
囲勿が室３中に保たれ、いかなる潤滑物質も室２に侵入
できなくなる。

従って、第λ室２は、ケーシング１１の壁部、封止ガス
ケット、環状部分２０，２］及びハブ１３の外面によっ
て画定される。しかし複動ピストン４とピストン４がそ
の内部において運動するシリンダー１２との間の制止は
、完全ではあり得す、作動室６，７から第Ω室２へ、又
はその逆に第λ室２かも作動室６，７へ、少−ボのガス
が漏れることかある。本発明の構成により、第コ室２中
に完全に純粋な雰囲気を保つことができるので、ピスト
ン４のところからの漏れによって、作動室６．７中に収
納された作動ガスが汚損されるおそれはない。特に作動
ガスと同じ組成のガスを第２室２に満たすことができる
。そのため作動ガスは、熱交換器、高熱源８、再生熱交
換器９及び冷熱源１０を横切って、非常に長い時間に亘
って移動し、いかなる油性の物質も熱交換器の表面に付
着しないように、またそれによって装置の熱交換効率従
ってその作動及び効率が長期間に亘って保たれるように
する。

第３図に示した実施例による装置の動力学的構成は、上
述した構成と同様であり、やはり遮断された室ｌ、２を
備えている。ただ７つの相違点は複動ピストン４の構成
にある。即ち復動ピストン４は、球関節継手２２０両側
にではなく、その−側に配設されている。ピストン４の
他側には、ピストン４に一体的に連結した別のピストン
４０があり、ピストン４０はシリンダー４１の内部にお
（・℃往復運動し、ポンプの形成に役立ち得る。即ちこ
の実施例による装置は、モーターと２ングとを同時に組
合せたものとなる。この装置の用途は異なるとしても、
ピストン４に連結された部材とアーム１４との間にある
連結棒１５の構成は同一であり、これらは同一のハウジ
ング３の内部にあり、また第λ室２を完全に遮断するた
めのベロー１８．１９．２３の構成も同一である。

第７図に示した実施例においても、第３図と同様に、ピ
ストン４は、連接部の一側に配設されているが、連接部
の他側には別のピストンは設げられ−ｃいない。複動ピ
ストン４に固着された部材に、同−のハウジング３が形
成され、ハウジング３はベロー２３によって第λ室２か
ら分配されている。

室１．２は上記の例と同一のベロー１．８．１９により
互に遮断されている。ただ７つの相違点は、ピストン４
に連結した部材とアーム１４との間の連結が単一の連接
棒２４によって行われ、この連結棒は王縮負荷と引張り
負荷との下に作動することができ、ピストン４に連結し
た上記部材とアーム１４０球状の先端とに連結されてい
ることである。

本発明の特に好ましい構成例を示した第Ｓ図を参照して
更に説明する。第Ｓ図の半断面図において、装置のケー
シングは、組立てを容易にするために、ｄつのケーシン
グ部分１１．１１’　　により形成されている。ケーシ
ング部分１１．１１’　　中には、λつの軸部分５．５
′　から成る回転軸が取付けてあり、軸部分５．５′は
互に一体に結合され、コ個の軸受２５．２６’　　によ
り支持されている。この例による装置は、９個の複動ピ
ストン４を有し、これらのピストンは、軸部分５．５′
ノ軸線と平行に、これから等距離に、互に９０°の間隔
に配設されている。各々の復動ピストンはガ゛スケット
により封止した２個のピストン部分２６．２７によって
形成され、これらのピストン部分は連接部の両側に配設
してあり、剛性の連結部材２８を介して一体に連結され
ている。高熱源と連通ずる室６側にあるピストン部分２
６は、ピストンヘッドを形成する壁厚の小な円筒状の延
長部分２９を備えている。他方のピストン部分２７は、
中空形状であり、中空の内部は、作動室７側のピストン
ヘッドを形成する部材３０により塞がれている。ピスト
ン部分２６は、連接部側に凹面になったボンネット状の
部材３１を有し、ピストン部分２７の中空内部に固定し
た部材３０も、連接部側に凹面になった球面を備えてい
る。部イ′Ａ’　３０．３１の球面には、２個の連接棒
１５．１５’　がそれぞれ係合する。連接棒１５．１５
’　の他端は各々凹面を有し、これらの凹面には、対応
の径方向アーム１４の先端の周面に取付けたコ部分から
成る球状部材３２．３２′　が収納されて（・る。従つ
て揺動板は、グ個の復動ピストンに対応する９個の径方
向アーム１４を有し、これらのアームは、回転軸（軸部
分５．５′から成る・）の中央部を囲む円筒状ハブ１３
に一体的に連結されている。ハブ１３と軸部分５．５′
　　との間にはころがり軸受３３．３４が介在されてい
る。ハブ１３を囲むベロー１８の一端は、ハブ１３の一
端に固着され、他端は環状部分２００円形の縁端に固着
されている。環状部分２０の周囲部分はケーシング１１
に固着されている。ベロー１９も同様にハブ１３に取イ
１けてあり、環状部分２０と対称に配設された環状部分
２１の縁部とハブ１３の他端とを連結している。

復動ピストン４が往復運動すると、揺動板の先端に取付
けた球状部材３２は、ピストン４に対して相対的にわず
かな往復運動を行う。そのため連接棒１５．１５”　は
、復動ピストン４に連結した部材３０．３１及び球状部
材３２．３２／　　に対し相対的にわずかな揺動運動を
行う。連接棒１５．１５′　　と部材３０．３１との間
の相対運動の振幅が小さいため、対応の摩擦面の潤滑は
行わない。

摩耗を防止するために、例えば鋼の表面と炭素面との間
に摩擦が生ずるように、上記λつの要素の材料を選定し
てもよい。その反対に、球状部材２３．３２′　　と連
接棒１５．１５′　　との間の相対運動は一層太き（・
ので、相対運動を行うこれらの要素については潤滑が必
要であり、この理由から、潤滑材が第２室２の方に移行
することを防止するための封止装置が必要になる。この
封止装置は、２個のベロー２３．２３′　　によって形
成され、そのうちベロー２３は、揺動板に連結した球状
部材３２の周囲部分と連接棒１５とを流体密に連結して
おり、ベロー２３′　は、球状部材３２′　　の周囲部
分と連接棒１５′とを流体密に連結している。そのため
λつのハウジング３．３′は完全に相互から分１准され
、好ましくは非圧縮性の液体潤滑材又はグリースをハウ
ジング３．３′に充てんすることが可能になる。

連結棒１５．１５′、ベロー２３．２３′及び部材３１
，３２．３２／は、ピストン４０部分２７に形成した孔
によってこれらの要素を挿入した後、この部分２７に部
材３０をねじ止めすることによって、ピストン４の内部
に取付けられる。

この機械的な構造を動力学的に仔細に検討すると、球状
部材３２が長手方向の極限位置にある場合に、連接棒１
５．１５′のところに多少の遊隙が生ずることがわかる
。しかし実際の構造例では、動力学的作動に関連したこ
の遊隙の変動は百分の故ｍｒｎを超えず、従って完全に
満足すべき値であることが、計算によって証明される。

上述した動力学的機構は、揺動板が自由に揺動すると共
に、回動については完全に不動にされる場合にのみ正確
に作動し得る。揺動板を回動について不動にする装置は
、径方向に延長し両側にノツチ３５を備えた部分３３を
ハブ１３０回りに形成し、ノツチ３５を環状部分２０．
２１にそれぞれ形成した対応の歯部３４に係合可能−と
−することによって実現される。円筒面Ａ−Ａのところ
で切断し装置のほぼ半回転分について展開した第６図に
は、環状部分２０．２１の歯部と共働する揺動板の部分
３３の構成が詳細に示されてし・る。円筒面Ａ−Ａのと
ころでは、揺動板の部分３３は、両側に歯部を形成する
波形の形状を有している。一般的に言うと、環状部分２
０．２１は、中心Ｏに頂角をもったかさ歯車を形成する
歯部３４を有し、揺動板の部分３３の両側にある歯部に
ついても同様である。揺動板の歯数は環状部材２０．２
１の歯部３４の歯数に等しくする。

本発明は上述した実施例のみに限定されず、それ以外の
全ての変形を包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による装置の縦断面図、第２図は本発明
による装置の熱力学的動作説明図、第３図は本発明の変
形実施例による装置の縦断面図、第７図は本発明の別の
変形実施例による装置の縦断面図、第５図は本発明の特
に好ましい実り小側による装置の縦断面図、第４図はＡ
−Ａ面に沿い切断し半回転分について展開して示寸展開
図で・ある。 符号の説明 １・・・・第１室。２・・・・第２室。　３　・・ハウ
ソング。 ４・・・・復動ピストン。５・・・・回転軸。　　１１
・・・・ケーシング。１２・・・・シリンダー。１３・
・・・ノ為ブ（揺動板）。１４・・・・アーム（揺動板
）。 １５・・・・連接棒（連接部）。１８．１９．２３・・
・ベロー（弾性継手）。２２・・・・球関節継手（連接
部）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ／）回転軸を内部罠取付けたケーシングと、上記回転軸
   の回りに平行に配設した少くとも３個の作動シリンダー
   と、各々の該作動シリンダー中に配設された複動ピスト
   ンと、該複動ピストンの往復運動を上記回転軸の回転運
   動に変換するための機械的伝動装置とを有し、上記ケー
   シングは、上記回転軸を内部に取付けた第１室１と上記
   伝動装置を内部に取付けた第λ室２とを備えている、ス
   ターリングサイクル装置であって、上記機械的伝動装置
   が、回動について不動にされ上記回転軸の回りに円錐面
   を描くように軌道運動を行う揺動板１３，１４と、各々
   の複動ピストン４を揺動板１３，１４に連結する連接部
   とにより形成されたことと、第１室１と第コ室２との間
   の全ての連通を阻止するようにケーシング１１と揺動板
   １３１１４との間に弾性継手１８．１９を介在させたこ
   とと、各々の連接部１５．２２を、初動ピストン４に固
   着した部拐のハウジング３中に取付け、対応の上記弾性
   連結部の近傍にある揺動板１４の部分と対応の複動ピス
   トン４に連結された上記部材とを連結している弾性継手
   ２３によって、上記ハウジング３中の空所を第コ室２が
   ら遮断したことを特徴とする熱機関。 、り揺動板が、一般に、径方向に延長するアーム１４を
   備えたハブ１３の形であり、ハブ１３は、回転軸５０回
   転軸線に対し成る角度をなす別の回転軸線に従って、回
   転軸５の中心部分の回りに回転するように取付けてあり
   、弾性継手１８゜１９はハブ１３の回りに配設した２個
   のベローによって形成し、一方のベロー１８はハブ１３
   の他端と装置のケーシング１１に連結した別の径方向の
   環状部分２１とを流体密に連結して℃・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サイクル
   装置。 ３）上記揺動板を各々の複動ピストン４に、２個の連接
   棒１５によって連結し、これらの連接棒は揺動板１３．
   １４の両側に配設し、球関節継手２２により揺動板１３
   ，１４に連接したことと、揺動板１４に連結した球状部
   材３２０球面の周領域に一方の連接棒１５を流体密に連
   結している２個のベロー２３　＋　２３’　　によって
   、対応の弾性継手２３を形成し、他方のベロー２３′は
   他方の連接棒１５’　　を球状部月３２の球面の周囲域
   に流体密に連結させることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項又は第、２項記制のスターリングサイクル装置。 ｔｌ）ケーシング１１に連結した径方向環状部分２０．
   ２１が、上記揺動板の径方向膨大部分３３の方に指向し
   た周囲歯部３４を有し、膨大部３３は、径方向環状部分
   ２０，２１の一方又は他方・の歯部３４と交互に噛合う
   対応の歯部な両側に有し、揺動板の径方向膨大部分３３
   の歯数は環状部分２０，２１の歯数に等しくしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載のスターリングサ
   イクル装置。 ３）回転軸５とケーシング１１との間に配設された軸受
   ２５．２６及び回転軸５とハブ１３との間に配設された
   軸受３４　＋　３６を静ｊ　１ｉｉ７することを可能に
   する雰囲気を、弾性継手１３．１９により第１室１中に
   封入したことと、球閏！ｉｌ１手３２の潤滑を行わぜる
   非圧縮性の液体潤７Ｎ４Ａをベロー２３　、２３’　　
   によりハウソング３に封入したことと、熱機関の作動ガ
   スと同じ性嘗の、潤滑性又は汚伊性の成分を全く含まな
   ℃・ガスを、他のλつの室即ち室１と・・ウノング３と
   から遮断された室２に詞太し、この室２には複動ピスト
   ン４と関連のシリンダー１２　、　＋　２’　　との間
   を通る淵れガスが集められ供給されろようにしたことを
   特徴とする特許請求の有５四記ダ項記載のスターリング
   サイクル装置。