JPS5985456A - スタ−リングエンジン - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、膨張シリンダと圧縮シリンダにそれ、ぞれ加
熱器と冷却器とを付属せしめるとともに、両者を再生器
によって互いに連結したスターリングエンジンに係り、
特にその膨張ピストン部の改良に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕一般に、上記ス
ターリングエンジンは、熱エネルギによって膨張シリン
ダ等内のピストンを往復運動させる熱サイクル部と、そ
の出力を回転力として取り出すクランク機構部とを有し
ている。ところで、上記スターリングエンジンの動作液
体としては−Ｈｅ　、　Ｈ２，Ｎ、等の不凝縮性気体が
使用されており、零の動作液体は、シリンダ部およびそ
れらの連結部内に充填密封されている。

すなわち、第１図は上記スターリングエンジンの概略構
成図であって、機械室ｌの頂壁邪には膨張シリンダ２お
よび圧縮シリンダ３が突設されており、上記膨張シリン
ダ２には高温熱源によって加熱される加熱部４が接続さ
れ、圧縮シリンダ３には冷熱源によって冷却される冷却
器５が接続され、さらに上記加熱部４および冷却器５は
再生器６を介して互いに接続されている。

一方、上記膨張シリンダ２および圧縮シリンダ３内には
、それぞれ膨張ピストン７および圧縮ピストン８が往復
動可能に配設されており、両ピストン７．８はそれぞれ
コネクティングロッド９゜１０によって前記機械室ｌ内
に水平に配設されたクランク４ｉ１１］１１に連結され
、両ピストン７．８が互いに所足位相差をもって往復動
するようにしである。

ところで、上記膨張シリンダ２．圧縮シリンダ３、加熱
器６４．冷却器５および再生器６並びにそれらを結ぶ配
管中には、Ｈｅ　、　ｌ（２、或はＮ２等の動作流体が
封入されており、両ピストン部においては両ピストン７
．８に装着されたピストンリング１２゜１３によってシ
ールされている。

しかして、加熱ｓ４で動作流体が高温熱源によって加熱
されると、膨張して膨張ピストン７が圧下され、クラン
ク軸１１の回動が行なわ゛れる。また、上記膨張ピスト
ン７が上昇行程に移ると、動作流体は加熱部４を通過し
て再生器６に移送され、そこで再生器６内に充填されて
いる蓄熱材に熱を与え、冷却器５へと流れて冷却され、
圧縮ピストン８の上昇行程に伴なって圧縮される。この
ようにして圧縮された動作流体は逆に加熱部４側に流れ
、その途中で前記再生器６内の蓄熱材から熱を奪いなが
ら温度を上昇して、加熱部４へ流れ込み、そこで再び高
温熱源によって加熱膨張せしめられる。

ところで、この種のスターリングエンジンにおいては、
上述の様に両ピストン７．８に装着されるピストンリン
グ１２　、１３によってシールされているか、特に膨張
ピストン７のピストンリング１２ハ膨張室の、高温ガス
の影響をうけ、ピストンリング１２の信頼性を著るしく
低下させる原因となっていた。

特に、この膨張ピストンのピストンリングは潤滑油が膨
張室に侵入するのを防止するために、膨張ピストンリン
グを膨張シリンダ上にはば乾燥状態で摺動させる必要が
ある。この膨張ピストンリングの材料としては摩擦係数
の小さい樹脂材料を用いるのが一般的であり、このため
膨張ピストンリングの温度は極力下げる必要がある。

ところで従来の膨張ピストンの構造では、膨張ピストン
ヘッドは絶えず膨張室内の高温ガスにさらされているた
め、非常に高温となり、また膨張ピストンリングのある
膨張ピストンベースも、高温の膨張ピストンヘッドから
の熱伝導や熱輻射の影響をうけ高温と力る欠点があった
。

この膨張ピスト／ベースでの温度上昇をさけるため、膨
張ピストンの肉厚を薄くするなどの対策が従来おこなわ
れているが、この方法では膨張ピストンヘッドからの熱
伝導は防止できるが、熱輻射の影響は防止できなかった
。またこの熱輻射を防止するために、膨張ピストン内に
充てん物を挿入することにより熱輻射を防止することが
試みられているか、重量が大きくなる割には効果の少Ｇ
）ものであった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点に鑑み、熱輻射による膨張ピスト
ンヘッドから膨張ピストンベースへの熱移動量を大巾に
低減し、膨張ピストンリングの温度を低下し、信頼性向
上をはかるようにした、スターリングエンジンを提供す
ることを目的とする。

さらに本発明は、膨張ピストンの軽量化を実現し、軽量
で振動の少なくできるようにしたスターリングエンジン
を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、膨張シリンダと圧縮シリンダにそれぞれ加熱
器と冷却器とを付属せしめるとともに、両者を再生器に
よって互いに連結したスターリン、ゲニンジンにおいて
、膨張ピストン内に薄い熱輻射防止板を１枚以上設け、
これを膨張ピストンベースに支持するように構成したこ
とを特徴とする。

また上記スターリングエンジンにおいて、膨張ピストン
ヘッドを膨張ピストンベースと異なる材料で形成し、上
記膨張ピストンヘッドと膨張ピストンベースの間に弾性
を有する金属体を挿入してシールするように構成したこ
とを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、第２図及至第４図を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。

第２図において、本発明の主要構成要素の名称と機能を
以下説明する。

クランクケース１０１はクランク機構、エンジン全体を
保持、その内部に作動ガスと潤滑油などを内蔵する。

クランク室１０３はクランクケース内空間であり、クラ
ンク機構、作動ガスおよび潤滑油などが存在する。

クランク軸１０５は膨張ピストン、圧縮ピストンの往復
運動を回転運動に変えるクランク機構の一部であり、軸
出力を取り出す。

クランクビン１０７はクランク軸と膨張コンロッドを回
転自在に結合する。

膨張コンロッド１０９はクランク軸と膨張ロッドを連結
し、膨張ピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に
変換する。

圧縮コンロッド１１１はクランク軸と圧縮ロッドを連結
し、圧縮ピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に
変換する。

潤滑油１１３は潤滑オタよび冷却を目的とする油で、ク
ランクケース内に封入され、各摺動部に潤滑機構により
供給される。

膨張シリンダ１１５は往復動する膨張ピストンを内蔵し
、この膨張シリンダと膨張ピストン間に膨張室を形成す
る。

膨張下部シリ：・ダ１１７は膨張側ベアリングを固定す
るとともに、膨張ロッドの往復運動の方向を拘束する。

膨張側ベアリング１１９は膨張下部シリンダ内に固定さ
れ、膨張ロッドのなめらかな往復運動を実現する。

膨張ロッド１２１は膨張下部シリンダ内を往復動する。

膨張ロッドビン１２３は膨張ロッドと膨張コノロッドを
連結する。

膨張ピストン１２５は膨張シリンダ内を往復動し、この
膨張ピストンと膨張シリンダ間に膨張室を形成する。

膨張ピストンリング１２７は膨張ピストンの溝内に装着
され、膨張室内作動ガスの漏れを防止する。

膨張ロントビストンリング１２９は膨張ロッドの溝内に
装着され、潤滑油が膨張ピストン背面に移動するのを防
止する。

膨張結合ビン１３１は膨張ピストンと膨張ロッドを結合
する。

膨張ピストン背面空間１３３は膨張ピストンの背面と膨
張下部シリンダ間に形成される空間である。

熱遮へい板１３５は膨張ピストン内部に配置され、膨張
ピストンヘッドの高温源からの熱輻射を防止する。

支持棒１３７は熱遮へい板を膨張ピストン下部に固定す
る棒である。

通路管１３９は膨張ピストン背面空間を膨張ピストンが
往復動するさいの圧力脈動を低減するために、サージタ
ンクへ連通する通路管である。

膨張ピストン背面通路１４１は通路管内のガスであるＯ 冷却水入口管１４３は膨張ピストンリングを冷却するだ
めの水を供給する。

冷却水出口管１４５は膨張ピストンリングを冷却するた
めの水を卦ト出する。

冷却水１４７は冷却ジャケットと膨張シリンダ内に供給
され、膨張ピストンリングを冷却する。

膨張室１４９は膨張ピストンと膨張シリンダ間に形成さ
れ、作動ガスが膨張する空間である。

加熱器入口空間１５１は膨張室と加熱器を結ぶ空間であ
る。

膨張ピストン内空間１５３は膨張ピストン内に形成され
る空間である。

圧縮シリンダ１５５は往復動する圧縮ピストンを内蔵し
、この圧縮シリンダと圧縮ピストン間に圧縮室を形成す
る。

圧縮下部シリンダ１５７は圧縮側ベアリングを固定する
とともに、圧縮ロッドの往復運動の方向を拘束する。

圧縮側ベアリング１５９は圧縮下部シリンダ内に固定さ
れ、圧縮ロッドのなめらかな往復動を実現する。

圧縮ロッド１６１は圧縮下部シリンダ内を往復動ずる２ 圧縮ロッドビン１６３は圧縮ロッドと膨張゛ろンロッド
を連結する。

圧縮ピストン１６５は圧縮シリンダ内を往復動し、この
圧縮ピストンと圧縮シリンダ間に圧縮室を形成する。

圧縮ピストンリング１６７は圧縮ピストンの溝内に装着
され、圧縮室内作動ガスの漏れを防止する。

圧縮ロントビストンリング１６９は圧縮ロッドの溝内に
装着され、潤滑油が圧縮ピストンの背面に移動するのを
防止する。

圧縮結合ビン１７１は圧縮ピストンと圧縮ロッドを結合
する。

圧縮ピストン背面空間１７３は圧縮ピストンの背面と圧
縮下部シリンダ間に形成される空間である。

通路管１７９は圧縮ピストン背面空間を圧縮ピストンが
往復動するさいの圧力脈動を低減するための、サージタ
ンクへ連通する通路管である。

圧縮ピストン背面通路１８１は通路管内のガスである。

圧縮室１８９は圧縮ピストンと圧縮シリンダ間に形成さ
れ、作動ガスが圧縮する空間である。

冷却器入口空間１９Ｉは圧縮室と冷却器を結ぶ空間であ
る。

冷却器ベローズ２０１は冷却器の外殻をなすもので、機
関全体の熱膨張による変形などを吸収する。

冷却器圧縮側フランジ２０３は圧縮シリンダと冷却器を
連結する。

冷却器再生側フランジ２０５は再生器と冷却器を連結す
る。

冷却管２０７は圧縮室と再生室を連続させる管であり、
作動ガスを冷却する。

冷却管内棒２０９は冷却管内に挿入され、冷却管内での
作動ガスのデッドスペースを小さくする。

冷却管支持板２１１は冷却管を適当な配置に支持する。

シール溝２１３はオーリングを装置して作動ガスの漏れ
を防止するための溝である。

オーリング２１５はシール溝内に装置され、作動ガスの
漏れを防止する。

冷却水入口管２１７は冷却器内作動ガスを冷却するため
の水を供給する。

冷却水２１９は冷却器ベローズと冷却管内に供給され、
冷却器内作動ガスを冷却する。

冷却水出口管２２１は冷却器内作動ガスを冷却するため
の水を排出する。

冷却室２２３は冷却管と冷却管内棒の間の空間で、作動
ガスを冷却する。

再生器ケ−３２２５は冷却器と加熱器を接続し、内部に
再生用充てん物を保持する。

充てん物２２７は再生器ケース内に保持され、熱の再生
作用を行なう。

再生室２２９は再生器内の作動ガスが通過する空間であ
る。

加熱管２３１は燃焼器内に位置し、この内部を作動ガス
が通過するときに、作動ガスを加熱する。

加熱室２３３は加熱管と加熱管内棒の間の空間で、作動
ガスを加熱する。

加熱管内棒２３５は加熱管内に挿入され、加熱管内での
作動ガスのデッドスペースを小さくする。

加熱器フランジ２３７は膨張シリンダと加熱器を接続す
る。

加熱器支持板２３９は加熱管を適当な配置に支持するＯ ダクト２４１は高温の燃焼ガスを内部に保ち、外気と断
熱する。

燃焼室２４３は高温の燃焼ガスが存在し、加熱器内作動
ガスを加熱する。

燃焼器２４５は燃料と９気を混合、肩入して高温の燃焼
ガスを得る。

燃料２４７は燃焼器に供給する燃料である。

排気管２４９は高温の燃焼ガスが加熱器で熱交換した後
の排気ガスを排出する。

排気２５１は加熱器で熱交換した後の吠温の燃焼ガスで
ある。

サージタンク２５３は：＋７！１ｉ当な谷状をもち、膨
張ピストン背面空間と圧縮ピストン背面空間に両端を連
通し、圧力脈動を減衰する。

サージタンク室２５５はサージタンク内の空間で、この
空間内で圧力脈動が減衰される。

さらに第２図を参照して、本発明のスターリングエンジ
ンの構成システムを概略説明する。クランクケース１０
１の上部には膨張リング１１５および圧縮シリンダ１５
５が突設されており、上記膨張シリンダ１１５の上部に
は加熱器４の樵数本の加熱管２３１の一端が接続され、
その加熱管２３１の他端は再生器６に接続されている。

また、圧縮シリンダ１５コには冷却水によって冷却され
る冷却器５が接続されており、その冷却器５が上記再生
量６に接続されている。

一方、上記膨張シリンダ１１５および圧縮シリンダ１５
５内には、それぞれ膨張ピストン１２５および圧縮ピス
トン１６５が往復動可能に配設されており、両ピストン
１２５，１６５はそれぞれコネクティングロッド１０９
，１１１によってクランク軸１０５に連結され、両ピス
トンが互いに所定位相差例えば９００をもって往復動す
るようにしである。

ところで、上記膨張ピスト、ン１２５は、第３図に示す
様に、膨張ピストンヘッド３０１と、膨張ピスト／ベー
ス３０３で外殻を構成し、膨張ピストン１２５内部には
熱遮へい仮１３５が支持棒１３７で膨張ピストンベース
３０３に固定されている。上記熱遮へい板１３５と支持
棒１３７は、ナツトで容易に固定することができるが、
場合によっては溶接も可能である。

さらに第４図は、本発明の一実施例を示し、熱遮へい板
３０９の高温側表面に熱輻射率の高い材料を表面コーテ
ィングして熱遮へいＭ　３０７を形成する０ 第５図は、本発明の別の一実施例を示し、膨張ピストン
１２５は膨張ピストンヘッド３０１と膨張ピストンベー
ス３０３の異なる材料で形成される。例えば膨張ピスト
ンヘッド３０１は高温ガスにさらされるからステンレス
材など高温で耐圧性のある材料が必要であるか膨張ピス
トンベース３０３　Ｆｉ比較的低温であるからアルミな
どの比重の軽い材料を使うことができる。膨張ピストン
ヘッド３０１と膨張ピストンベース３０３の間には弾性
金属シールリング３１１を挿入し、ピストンヘッド３０
１とピストンペース３０３の熱膨張の差から生じる熱応
力破壊や作動ガスのリーク力どの問題を解決している。

なお膨張ピストンヘッド３０１と膨張ピストンベース３
０３は止めネジ３１３で一応止められている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明において（４、膨張ピスト
／内に薄い熱遮へい板を、一枚以上設け、これを膨張ピ
ストンのペースに支持するように構成したので、熱輻射
による膨張ピスト／ヘッドからの熱移動量を大巾に低減
し、膨張ピストンリングの温度を下げることができ、大
巾な信頭性の向上を実現できる。

また膨張室内高温ガスからの熱リーク量が減少するため
、エンジンの性能向上を実現するときができるなどまわ
めて実用性の高いものである。

さらに膨張ピストンヘッドと膨張ピストンベースな異な
る材料で形成し、上記膨張ピストンヘッドと膨張ピスト
ンベースの間に弾性なＭする金属体を挿入してシールす
るようにしたので膨張ピストンを軽量化でき、振動が小
さく効率の良いスターリングエンジンを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はスターリングエンジンの概略構成図、第２図は
本発明のスターリングエンジンの一部断面側面図、第３
図は本発明のスターリングエンジンにおける高温ピスト
ンの縦断面図、第４図は本発明のスターリングエンジン
における熱遮へい板の拡大縦断面図、第５図は本発明の
スターリングエンジンにおける高温ピストンの縦断面図
である。 １２５：膨張ピストン １３５：熱遮へい板 １３７：支持棒 ３０１　：膨張ピストンヘッド ３０３：膨張ピストンベース ３０５づナツト ３０７：熱遮へい膜 ３１１　：弾性金属シールリング ３１３：ボルト 代理人弁理士　則近憲佑（ほか１名） 第　　８　図 第５図 ゛シ３

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）膨張シリンダと圧縮シリンダにそれぞれ加熱器と
   冷却器とを付属せしめるとともに、両者を再生器によっ
   て互いに連結したスターリングエンジンにおいて、膨張
   ピストン内に薄い熱遮へい板を１枚以上設け、これを膨
   張ピストンのベースに支持するように構成したことを特
   徴とするスターリングエンジン。
2. （２）熱遮へい板は、高温側表面に熱輻射率の高い材料
   の表面処理を施した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エンジン。
3. （３）膨張ピストンヘッドと膨張ピストンベースを異な
   る材料で形成し、上記膨張ピストンヘッドと膨張ピスト
   ンベースの間に弾性を有する金属体を挿入してシールす
   るように構成したことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載のスターリングエンジン。