JPS6069252A - スターリングサイクルのガス機関 - 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】 〔発明の対象〕 本発明は、ガス機関の機器構成に関するものである。

〔本発明の利用分野〕

本発明は、ガス機関、特に冷凍機、原動機、ヒートポン
プ等に利用されるものである。

〔従来技術〕

（１） 従来よりスターリングサイクルのガス機関は、入力を高
温度の熱源とすれば動力を発生する外燃機関となり、逆
に動力を与えることによって極低温度を発生する冷凍機
やヒートポンプとなり、さらに液化天然ガスの冷熱と数
十度Ｃの廃熱とすると原動機、等になることが知られて
いる。例えば、出願人の一方が先に出願した特願昭５７
−１６４８４８号に記載されたものがある。このものは
第４図に示す如く、圧縮ピストン２の背圧側１６と駆動
室８とを隔離させるようにダイヤフラム１８をロッド５
と圧縮ピストンシリンダ１７の内壁面とにそれぞれ固定
し且つ各気筒の前記圧縮ピストン２の背圧側１６を互い
に連通させたものである。

〔従来技術の問題点とその技術的分析〕このように従来
のガス機関の機器構成においては、非常に高効率である
が、振動と騒音が大きく、又、短期間でクランク室の油
が作動流体に入り機関が停止してしまう。さらにガスシ
ール材、等の部品に耐久性がない、機構が複雑であるた
め保（２） 守が面倒であり、しかも部品数が多い為高価格である。

〔技術的課題〕

そこで本発明は、振動の発生を防ぎ、作業流体に潤滑油
が混入しないようにし、このための機構を単純化したこ
とを、その技術的課題とするものである。

〔技術的手段〕

上記技術的課題を解決するために講じた技術的手段は、
鉛直方向の１本の膨張ピストンと二つの圧縮室の容積が
同位相で変化する２本の圧縮ピストンとを、一本のクラ
ンク軸にそれぞれ独立のクランクピンを設けてバンク角
４５〜９０度の範囲で接続し配置して構成することであ
る。

〔技術的手段の作用〕

上記技術的手段は、次のように作用する。すなわち、一
本のクランク軸の回転により、鉛直方向の１本の膨張ピ
ストンと、二つの圧縮室の容積同位相で変化する２本の
圧縮ピストンとを、それぞれ独立のクランクビンを介し
てバンク角４５〜９（３） ０度の範囲で、上下の往復運動を行なわせる。

従って、二つの圧縮ピストンの仕事が同位相で且つ、同
量なので振動の原因となる二つのピストンの質量中心の
変動が少なくなり動くバランスが良く、機械振動が極め
て低い。装置としてのまとまりが良い。冷凍機としての
場合、低温を発生する膨張ピストン及び膨張シリンダが
装置中心に配置できるので、冷凍が利用し易い。

バンク角が９０から４５度に近付くに従い圧縮室と蓄熱
器との距離が短くなって作動流体の圧力損失が低下して
効率が向上する。

１本のクランク軸に、それぞれ独立のクランクピンを設
けることにより、圧縮ピストンと膨張ピストンとの位相
角並びにバンク角が任意に変えられることと、膨張ピス
トンおよび圧縮ピストンのストロークが変えられる（出
力の可変が容易）。

冷凍機では冷凍温度、原動機では入力温度、および死容
積により効率の最大となる位相角が異なるが、その対応
が容易となった。膨張室および圧縮室の容積をピストン
−シリンダ直径とストロ−（４） りで決める設計自由度が大きくとれる。膨張ピストンの
ストロークを圧縮ピストンより短くしてモーショナルヒ
ートリークを少なくして効率があげられる等の利点を有
する。

〔本発明によって生じた特有の効果３ 以上の如く本発明によれば、次の特有の効果が得られる
。すなわち （イ）振動の発生を防ぐため、通常のガス機関の機器構
成では、一つの膨張室に対し、一つの圧縮室をもってい
るのが基本的な機器構成であるが、本発明では、一つの
膨張室に対し、２本のガイドピストン及びダイアフラム
付き圧縮ピストンにより同位相で容積可変される二つの
圧縮室を設けた。これにより、鉛直方向で仕事の発生を
する膨張ピストンに対し、圧縮仕事をする圧縮ピストン
が、バンク角４５〜９０度で配置されるので、それぞれ
の圧縮ピストンの運動に伴う質量中心の変動が少なくな
るためクランクシャフトを介しガス機関への振動発生の
力の成分は極めて少ない（９０度では殆ど無くなる）。

（５） （ロ）それぞれ膨張ピストンおよび圧縮ピストンと、油
潤滑されるガイドピストンとの間にダイアフラムがある
為、作動流体に油が入り機関の焼き付き事故、凍結事故
、など発生がない。又、精製器、油分離、等がクランク
ケース内と作動流体間で連結され、作動流体に高純度が
補償されると同時に、ダイアフラムの両面が、はぼ同圧
力になるため、ダイアフラムの耐久性が増すようになっ
た（ハ）機構を単純化するため、クランクシャフトに膨
張ピストンと圧縮ピストンとの位相を決め、且つ、それ
ぞれのストロークをきめるクランクビンを、それぞれ独
立に設けた。これにより簡単にストローク並びに膨張ピ
ストンと圧縮ピストンとの位相差の変更が出来るように
なり、出力の可変の設計自由度が大きくなった。従って
、本発明では、従来のガス機関としての基本的な機器構
成、ピストン往復動機構ならびに位相差を決める技術、
等であるロンビックドライブ、ギヤによる位相変換、多
気筒複動型機器構成、等によらずにガス（６） 機関の構成が可能となった為、部品数が少なくなり、低
価格で保守の容易なガス機関が提供出来るようになった
。

（実施例〕 以下、上記技術的手段の具体例を示す実施例について説
明する。

本発明のガス機関の機器構成の詳細について、第１図か
ら説明する。膨張シリンダー２内の膨張ピストン（デイ
スプーサとも言う）１は、クランク軸８、クランクピン
７ａより連接棒６ａ、ガイドピストン５ａ、ダイヤフラ
ム１０ａのつけられたピストンロッド９ａに連結され上
下動し、膨張室１５の容積を可変する。即ち、冷凍機や
原動機の場合では、膨張ピストンｌは、膨張時に流体か
らクランク軸８を回す仕事をさせられて低温や動力の発
生をする。

圧縮ピストン（パワーピストンとも言う）３ｂ。

３ｃは、同位相で上下動するようクランク軸８に、それ
ぞれのクランクビン７ｂ、７ｃ、連続棒６ｂ、６ｃ、ガ
イドピストン５ｂ、５ｃ、そしてダ（７） イアフラム１０ｂ、１０ｃ付きのピストンロッド９ｂ、
９ｃを介して連結され、流体を圧縮室１６ｂ、１６ｃに
おいて同位相で容積可変する。即ち、冷凍機とした場合
は、膨張室１５と放熱器、蓄熱器、熱交換器、等（以後
、熱機器と言う）を介し圧縮室１６ｂ、１６Ｃとの間を
行き来する流体に圧縮仕事を加える。

空間１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、それぞれクランクケー
ス内部１４と流体（但し、油汚染されている。）が導通
しているため同圧力であり、又、図示しないが、それぞ
れのダイアフラムは、裏面のクランクケース内部１４側
より歪の蓄積と温度上昇による疲労を除き耐久性を向上
させるべ（冷えた油で冷却している為、油雰囲気の流体
がはいっている。

バッファー空間１１　ａ、１　ｌ　ｂ、１１　ｃは、膨
張ピストン１、圧縮ピストン３ｂ、３ｃが、それぞれ上
下動してもその容積が変らないため、殆ど圧力変動せず
又、このバッファー空間１１ａ、１１ｂ、ｌｌｃの流体
は、クランクケース内部１４（８） に流体の不純物を取り除くためのフィルター、油分離器
等より成る精製器２１を介して導通されて流入可能にな
っている為、高純度が保証される。

それぞれのダイアフラム１０ａ、１０ｂ、１０Ｃは、高
純度の流体とクランクケース内部１４の油雰囲気の流体
とを分割する役目をするが、上下動による歪での発熱も
油冷却で除去されると同時に、バッファー空間とクラン
クケース内部の圧力とが、前述した精製器２１で、はぼ
同圧力にされてダイアフラムの表裏にかかる圧力差が殆
ど無くなる為、耐久性が増すようになった。

膨張空間１５と圧縮空間１６ｂ、１６ｃとの間で作動す
る流体の圧力は、使用目的にもよるが、冷凍機の場合で
９〜２０気圧、原動機で５０〜１６０気圧の範囲内の適
当な圧力で封入さ、運転が始まるとその圧力は、調圧器
２０ｂ、２０Ｃで調整される。調圧器２０　ｂ、２０　
ｃは、１サイクル内の圧力範囲を制御し、かつ安全弁の
役もし、第１図では２ケ示されているが、流路接続点２
２ｂと２２Ｃを連結し導通すれば、１ケでもよい。又（
９） 、調圧器２０ｂ、２０Ｃは、配管の放熱器入口２３ｂ、
２３Ｇとバッファー空間１１ａ、ｌｌｂ。

１１Ｃとの間に接続してもよい。配管２３ｂ、２３Ｃを
直結すれば、先と同様１ケでもよい。放熱器１９ｂ、１
９ｃ、蓄熱器１８ｂ、１８ｃ、熱交換器１７ｂ、１７ｃ
は、それぞれ２ケずつ図示されているが、１ケづつ、或
いは複数ケづつでもよい。熱交換器１７は、原動機では
高温度で吸熱し、数十率のフィン管から構成されるが、
冷凍機では極低温度で吸熱し冷凍の発生部となる。２４
はピストンリングを示す。

第１図においては、膨張ピストン１が鉛直で、クランク
軸８の中心に配置し、その両側に圧縮ピストン３ｂ、３
ｃを、それぞれバンク角（クランクケース１３に取り付
けられた鉛直の膨張シリンダー２と圧縮シリンダー２と
の開き角度）を６０度（二つの圧縮ピストン３ｂ、３ｃ
同士の開き角は１２０度）にしたピストン往復動系であ
る。これを第２図に基づいて更に詳細に説明する。ガイ
ドピストン５ｂ及び５ｃは、それぞれ圧縮ピスト（１０
） ン３ｂ、３ｃが上死点になるよう連接棒６ｂ、６Ｃを介
しクランクピン７ｂ、７ｃでクランク軸８に接続したと
きガイドピストン６ａ、すなわち膨張ピストン１は、上
死点より９０度ずれるように連接棒６ａを介しクランク
ピン７ａで連結する。

クランク軸８の軸中心８ｅより、それぞれのクランクピ
ン７ａ、７ｂ、７ｃの角度は、７ａを０度とすると、７
ｃは、それより３０度遅れ、７ｂは１５０度遅れとなる
。このクランクピン７ａ、７ｂ、７ｃの取り付は角度で
クランク軸８を右廻りとすれば、圧縮室１６ｂ、１６Ｃ
の容積は、同位相で膨張室１５に９０度遅れて変化する
。なを鉛直の膨張ピストン１のクランク軸８への取り付
は位置は、二つの圧縮ピストン３ｂ、３ｃの間のみなら
ず、片側に寄せて、即ちベアリング２５に寄せて接続し
ても良い。　第３図は、圧縮ピストン３ｂ、３ｃのバン
ク角が、それぞれ９０度の場合のクランク軸８に於ける
それぞれのクランクピン７ａ、７ｂ、７ｃの位置を示も
のである。クランクピン７ａ、７ｂ、７ｃが、それぞれ
独立である（１１） 為、ガス機関の効率向上の上から有利な設計が出来る。

即ち、はぼ常温で動作する圧縮ピストン７ｂ、７ｃのス
トロークは、長く取れる為、軸中心８ｅよりクランクピ
ン７ｂ、７ｃまでの距離をそれぞれ長くし、圧縮室１６
ｂ、１６ｃの容積を大きく設計出来る自由度がある。し
かしながら膨張ピストン１については、例えば、はぼ常
温のフランジ２６で固定されている膨張シリンダー２の
上部が、冷凍機にする場合では極低温度（絶対温度で５
に〜３０Ｋ）となり、原動機では高温度（９００に〜１
２００Ｋ）となり、それぞれ膨張ピストンｌ及び膨張シ
リンダー２の長さが比較的短いのにも掬わず、常温との
温度差が非常に大きい。

即ち、ガス機関の定常状態に於いては、一般に、膨張ピ
ストン及び膨張シリンダー２の断面による固体熱伝導損
失が距離が短い為、大きい事を意味するが、問題は、極
低温又は高温度から常温変進の温度勾配がつけられてい
る膨張シリンダー２の内を同じく極低温又は高温度から
常温迄、温度勾配がついている膨張ピストン１が往復動
作する為（１２） 、それぞれの相対する面（静止している膨張シリンダー
内壁の面積と上下動する膨張ピストン外壁１の面積）の
間で１サイクルごとに極端な温度差の発生から熱伝達が
行われ、これが効率を低下させる大きな原因となること
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のガス機関の基本的な機器構成に関す
る一実施例を示すもので、圧縮ピストンがバンク角６０
度でクランクシャフトに接続された状態を示す回路図、 第２図は、バンク角６０度の時の膨張ピストンおよび圧
縮ピストン用のガイドピストンと、それらのクランクピ
ンの位置を示す概略図、第３図はバンク角９０度の時の
膨張ピストンおよび圧縮ピストン用のガイドピストンと
、それらのクランクピンの位置を示す概略図、 そして第４図は、ダイヤフラムを使用したスターリング
サイクル冷凍機要部の断面図である。 ■・・・膨張ピストン、 ３ｂ、３ｃ・・・圧縮ピストン、 （１３） ５ａ、５ｂ、５ｃ・・・ガイドピストン、？ａ、７ｂ、
７ｃ・・・クランクピン、８・・・クランク軸、 １０ａ、１０ｂ、１０ｃ・−・ダイアフラム、１７ｂ、
１１Ｃ・・・熱交換器、 １８ｂ、１８Ｃ・・・蓄熱器、 １９ｂ、１９Ｃ・・・放熱器。 特許出願人 アイシン精機株式会社 代表者中井令夫 石　崎　嘉　宏 （１４）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉛直に上下動するガイドピストン及びダイアフラ
   ム付き膨張ピストン１本と、バンク角４５〜９０度の範
   囲で二つの圧縮室の容積可変を同位相で行うそれぞれガ
   イドピストン及びダイアフラム付きの２本の圧縮ピスト
   ンとをそれぞれ独立のクランクピンを持つ１本のクラン
   ク軸に接続し、熱交換器、蓄熱器、放熱器等から構成し
   たガス機関の機器構成。