JPS5939161Y2 - 往復運動部の密閉機構 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、往復運動部の密閉機構に関し、特にスター
リングエンジンなど往復運動部の密閉に高い信頼性及び
耐久性を要求されるクローズドサイクル（密閉サイクル
）機構に用いて最適な往復運動部の密閉機構に関する。

一般に、スターリングエンジンは、複ピストンで弁をも
たない密閉サイクルの往復動式外燃機関であって、内部
に封入した作動気体を熱交換器を介して加熱及び冷却す
ることにより作動される構成となっていて、在来の内燃
機関に比べて騒音が低く熱効率が高いことなどから最近
研究開発が促進されている。

スターリングエンジンの実用化に際し重要な要素技術の
１つに、往復運動部の潤滑油等の不純物がシリンダ側へ
侵入することの無く往復運動部を密閉する機構が挙げら
れる。

往復運動部において作動気体を完全に密封するためには
、往復運動部の間隙に油等を保持させる必要がある。

作動気体を完全に密封できたとしても、シリンダ側に油
等の不純物が侵入したのでは（１）〜（４）の問題が生
ずる。

（１）作動気体と混合しく例えば水素）の熱伝導率が低
下する。

（２）熱交換器表面に油が付着して性能劣化をおこしそ
の熱伝達率が低下する。

（３）油がカーボンとなってピストンリング表面を摩耗
させる。

（４）油が熱分解して不純物ガスを発生させる。

これらはすべてスターリングエンジンの発生仕事を低下
させ、かつスターリングエンジン自体の耐久性をも低下
させる原因となる。

従来の往復運動部の密閉機構には、第５図に示すように
往復動されるロッドＬとロッドＬの案内部Ｎとの間隙に
円筒状のうすいのゴム面膜（ロールノック）Ｒを取り付
けてシリンダＣ内の高圧密閉気体Ｇと、ロッドＬと案内
部Ｎ間の油ＯＩＬとを物理的に遮断した形式のものがあ
る。

この密閉機構は、調圧器Ｊによって調圧された油ＯＩＬ
によりゴム面膜Ｒの背面を支え、高圧化された密閉気体
Ｇによるゴム面膜Ｒの破裂を防ぐ構成となっており、調
圧器Ｊがクランク室に側に放出された油ＯＩＬは、オイ
ル−ポンピングリングＯＲによりロッドＬの往復動に伴
いゴム面膜Ｒ側にもどされるようになっている。

ところがこの種の密閉機構では、ゴム面膜Ｒの内、外周
径のちがいから生ずる内外ひずみ差によっておこる（応
力集中による）予知できないゴム面膜Ｒの破裂がさけら
れないため、スターリングエンジンの実用化段階で致命
的問題となりかねない。

この考案は以上の点に鑑み成されたものであって、すな
わちこの考案は、耐久性及び信頼性に難点のあるゴム面
膜などの構成部品を使用せずに、往復運動部の往復動を
妨げることなく往復運動部とその案内部との間隙を密閉
して、シリンダ室内の高圧作動気体を完全に密閉でき、
高い信頼性及び耐久性を確保できる往復運動部の密閉機
構を提供することを目的とする。

したがって上記目的を達成するためにこの考案の往復運
動部の密閉機構は、シリンダとクランク室を往復動自在
として設げられる往復運動部とその案内部との間隙には
、該間隙をふさぐ二重のベローを有し、外側ベローの上
端は上記案内部側に固着され、かつ内側ベローの上端は
往復運動部側に固着されていると共に、外側及び内側ベ
ローの雨下端にはフランジ形のピストンが固着されてい
るベローズフラムが設けられており、上記外側ベロー、
案内部、ピストン上面とで囲まれる第１の油収容空間と
、内側ベロー、往復運動部、ピストン上面とで囲まれる
第２の油収容空間と、案内部、往復運動部、ピストン底
面で囲まれる第３の油収容空間に接続され、往復運動部
の位置にかかわらす、上記シリンダ室内に密閉された気
体がベローズ７ラムに加える圧力と、ベローズフラムを
へたてた油の圧力とを等しくする油回路を具備する構成
とされたことを特徴とする。

以下、図示の一実施例によりこの考案を説明する。

第１図は、この考案に係るベローズフラム式の密閉機構
を示しており、高圧の作動気体Ｇを有するシリンダ室１
と大気圧側のクランク室２との間に形成された案内部３
の中央には、ピストンロッド４が挿通されていて、該ピ
ストンロッド４はシリンダ室１の軸方向に沿って往復動
可能とされている。

該ピストンロッド４の外周に形成された溝部４ａと案内
部３との間隙には、シリンダ室１側の位置に金属あるい
は硬質ゴム製の二重構造ベローズフラム５及びこのベロ
ーズフラム５の下端に取り付けられたフランジ形のピス
トン６が装着されており、該ピストン６は、案内部３０
ストローク規制端３ａによりストローク規制されるよう
になっている。

上記ベローズフラム５及びピストン６の詳細構造は第２
図に示してあり、ベローズフラム５は、同心状の外側ベ
ロー７と内側ベロー８とを有しており、外側ベロー７の
上端はその全周にわたって案内部３に固着されていると
共に、内側ベロー８の上端はその全周にわたってピスト
ンロッド４の溝部４ａに固着されている。

また上記ピストン６は、ピストンロッド４の下降（また
は上昇）によっておこる案内部３の壁面とピストンロッ
ド４の壁面及びピストン６の底面によって囲まれる油収
容空間Ｓ３の容積増加を利用して、油ＯＩＬをクランク
室２側から吸い上げると共に、ピストンロッド４の上昇
（または下降）によっておこる油収納空間Ｓ３の容積減
少及び次に述べるチェックバルブ１１，１４の動きによ
って、油ＯＩＬをベローズ７ラム５の背面空間、すなわ
ち外側ベロー７と案内部３及びピストン６の上面との間
の油収容空間Ｓ、と内側ベロー８とピストンロッド４の
溝部４ａ及びピストン６の上面との間の油収容空間Ｓ２
に送りこむためのものである。

しかして、上記ベローズフラム５は、ピストンロッド４
の往復運動を妨げることなくピストンロッド４と案内部
３との間隙を密閉して、シリンダ室１内と高圧作動気体
Ｇと油ＯＩＬとの間を密閉できるようになっていると共
に、ピストン６が油ＯＩＬを吸い上げる動きを妨げない
構成となっている。

次に、案内部３内に形成された油回路を説明する。

油収容空間Ｓ３の案内部３壁面側とクランク室２とは、
油ドレイン路９により接続開口されていると共に、油収
容空間Ｓ３の底面側とクランク室とは油路１０で接続さ
れており、その途中にクランク室２側から油収容空間Ｓ
３に向けてのみ油を通すチェックバルブ１１が設けられ
ている。

この油路１０は、油収容空間Ｓ３とチェックバルブ１１
との間が分岐されて油量調節弁１２に至る油路１３が形
成されており、その途中には油収容空間Ｓ３から油＃調
節弁１２側に向けてのみ油を通すチェックバルブ１４が
設けられている。

また、油収容空間Ｓ１の上部は、油路１５により油量調
節弁１２に接続されており、該油量調節弁１２はクラン
ク室２側にドレイン１６を介して接続開口されている。

さらに、油量調節弁１２の軸には断面Ｔ字形の油案内路
１２ａが形成されており、この油案内路１２ａは軸の外
周に取り付けられたベローズフラム１２ｂ及び油路１５
に接続開口されている。

尚、油量調節弁１２は小室Ｐ内にあり、該小室Ｐはシリ
ンダ室１と通路１７を介して接続されている。

また、油量調節弁１２は、ベローズフラム５の油収容空
間Ｓ１ 、Ｓ２内の油量が適正となる様に作動する構成
されている。

次に、以上の構成における作用を説明する。

まず第３図Ａは、ピストンロッド４が最も下がった状態
を示しており、ピストンロッド４がここまで下がる間に
、ピストン６は、その下部が案内部３０ストローク規制
端３ａに規制されることから、油収容空間Ｓ３の容積は
増加し、油ＯＩＬはクランク室２側からチェックパルプ
１１を経て油収容空間Ｓ３に吸い上げられる。

一方、ピストンロッド４が下がる間に油収容空間Ｓ２の
容積は減少するので、油収容空間Ｓ２内の油ＯＩＬは、
該油収容空間Ｓ２から押し出されて油量調節弁１２を押
し上げてドレイン１６を経てクランク室２側にもどり油
としてもどされる。

尚、油路１３にはチェックパルプ１４が設けられており
、このもどり油が油路１３を経て油収容空間Ｓ３に流れ
こむおそれはない。

次に、第３図Ｂは、ピストンロッド４が上下動振幅の中
心位置にある状態を示しており、上述した第３図Ａの状
態から第３図Ｂの状態に移る間に、油収容空間Ｓ３の容
積は減少するので、油収容空間Ｓ３内の油ＯＩＬはチェ
ックバルブ１４を経て油収容空間Ｓ１ 、Ｓ２へ押し上
げられる。

また、油収容空間Ｓ２の容積は増加する由であるが、そ
の増加量は油収容空間Ｓ３の容積減少畦に比して少ない
ので、余計な分の油量は油量調節弁１２を経てクランク
室２側にもどされる。

伺、第３図Ａの状態から第３図Ｂの状態に移る間にピス
トン５についたベローズフラム５と、油量調節弁１２に
ついたベローズフラム１２ｂの伸縮が同期して油が振動
し、相方のベローズフラム５と１２ｂが破損するといっ
た問題がおこりうるかのごとく見うけられる。

しかしながら、油は非圧縮性であること及び油が振動す
るためには、空間１内の油ＯＩＬが圧縮されなくてはな
らないことより、その危惧は不要と判断できる。

次に、第３図Ｃはピストンロッド４が最も上がった状態
を示しており、第３図Ｂから第３図Ｃに移る間に、ピス
トンロッド４の上昇と共にピストン６も上昇され油収容
空間Ｓ３の容積は増加し、油収容空間Ｓ１ の容積が減
少する。

したがって、第３図Ａの状態における作用と同様に、油
佼容空間Ｓ３の容積の増加に伴い、油ＯＩＬはクランク
室２側からチェックバルブ１１を経て油収容空間Ｓ３に
吸い上げられると共に、油収容空間Ｓ１の容積の減少に
伴い、油収容空間Ｓ１内の油ＯＩＬは押し出されて油量
調節弁１２を押し上げてドレイン１６を経てクランク室
２側にもどされる。

さらに第４図は、油収容空間Ｓ３内の油量が一定以上に
なった場合を示している。

この場合では、油ＯＪＬはチェックバルブ１４を経るこ
となくクランク室２側へもどされる様になっている。

油収容空間Ｓ３内の油量が一定以上になり得る可能性は
、第３図Ａから第３図Ｂの状態に移る時にはピストンロ
ッド４がピストン６をいっしょに押し上げたのに対し、
第３図Ｃから第３図Ｂに移る時にはピストン６を下げる
力は、シリンダ室１の内圧力と油収容空間Ｓ２の容積変
動である点にある。

即ち、第３図Ａ、Ｂ、Ｃの順に動作が移る時に油量調節
弁１２を経てクランク室２側へもどる油量よりも、第３
図Ｃ，Ｂ、Ａの順に動作が移る時に油量調節弁１２を経
てクランク室２側へもどる油量の方が少なくなって、そ
のわずかであると考えられるが余り分が油収容空間８３
に、たくわえられてゆ＜場合には、ベローズフラム５の
伸縮量が増し耐久性が低下することになりかねない。

したがって、この様な危惧をとりのぞくため油収容空間
Ｓ３内の余分な油ＯＩＬは、油ドレイン路９を経てクラ
ンク室２側へもどされる様になっている。

しかして、ピストンロッド４の下降に伴う油収容空間Ｓ
３の容積増加により油をクランク室２側から吸い上げ、
ピストンロッド４の上昇によって生ずる？′蛾容空間Ｓ
２の容積の減少及びチェックパルプ１１，１４の働らき
により油をベローズフラム５に送りこめる。

これにより、シリンダ室１に密閉された作動気体Ｇがベ
ローズフラム５に与える圧力を補償する油量と、ピスト
ンロッド４の外周面に付着してクランク室２側へ漏洩し
た油量、即ち油収容空間Ｓ３よりもれた油量を補償する
油量との合計油量が常に油収容空間５ｌ）Ｓ２及びＳ３
に供給されることになる。

また、二重構造のベローズフラム５の伸縮によって、シ
リンダ室１内に密閉された作動気体Ｇのベローズフラム
５に加える圧力とベローズフラム５をへたてた油ＯＩＬ
の圧力とをピストンロッド４の位置にかかわらず等しく
でき、ベローズフラム５の負荷状態を良好にできる。

そして、油ＯＩＬはピストンロッド４の動きに伴い油回
路及びクランク室２を循環するいわゆる呼吸作用をして
いるので、摩擦により温度上昇をおこしかねないピスト
スロット４、案内部３及びベローズフラム５を冷却でき
る。

また、二重構造のベローズフラム５は、これと等しい長
さを有する従来の単一構造のベローズフラムに比べて２
倍の伸装置が得られベローズフラムのコンパクト化が図
れる。

以上のことから、密閉された作動気体Ｇの高圧力により
ベローズフラム５が破裂するおそれはなく、シリンダ室
１内の作動気体を完全に密閉できることになる。

以上説明したようにこの考案によれば、往復運動部とそ
の案内部との間隙に二重構造のベローフラムとベローフ
ラムの下端に固着されたピストンを設け、シリンダ室内
の高圧気体がベローズフラムに加える圧力とベローズフ
ラムをへたてた油の圧力を等しくする油回路を具備する
横取としたので、往復運動部の往復動を妨げることなく
往復運動部とその案内部との間隙を密閉して、シリンダ
室内の気体に油等の不純物が混入することなく完全に密
閉でき、かつ気体の圧力によるベローズフラムの破裂を
防いで高い信頼性及び耐久性を確保できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この考案に係る密閉機構の一実施例を示す断
面図、第２図は、ベローズフラムとピストンの斜視図、
第３図Ａ、Ｂ、Ｃは、密閉機構の動作説明図、第４図は
、油収容空間Ｓ３内の油量が一定以上となった場合の動
作説明図、第５図は、従来の密閉機構を示す断面図であ
る。 １・・・シリンダ室、２・−・クランク室、３・・・案
内部、４・・・往復運動部としてのピストンロッド、５
・・・ベローズフラム、６・・・ピストン、７・・・外
側ベロー８・−・内側ベロー、Ｓｌ・・・第１の油収容
空間、Ｓ２・・・第２の油収容空間、Ｓ３・・・第３の
油収容空間。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. シリンダとクランク室を往復動自在として設けられる往
   復運動部とその案内部との間隙には、該間隙をふさぐ二
   重のベローを有し、外側ベローの上端は上記案内部側に
   固着され、かつ内側ベローの上端は往復運動部側に固着
   されていると共に、外側及び内側ベローの雨下端にはフ
   ランジ形のピストンが固着されているベローズフラムが
   設けられており、上記外側ベロー、案内部、ピストン上
   面とで囲まれる第１の油収容空間と、内側ベロー往復運
   動部、ピストン上面とで囲まれる第２の油収容空間と、
   案内部、往復運動部、ピストン底面で囲まれる第３の油
   収容空間に接続され、往復運動部の位置にかかわらず、
   上記シリンダ室内に密閉された気体がベローズフラムに
   加える圧力と、ベローズフラムをへたてた油の圧力とを
   等しくする油回路を具備する構成とされたことを特徴と
   する往復運動部の密閉機構。