JPS61502003A - 二ピストンｖ型スタ−リング - 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】 ４、　請求の範囲第３項記載の発明であって、前記冷却手段は中空のクランク軸 を備え、そのクランク軸の中を冷却媒体が通る発明。

５、請求の範囲第４項記載の発明であって、低温ダクトの無駄容積を最小にする ように圧縮ス（−スにすぐ隣接して軸線方向にそれぞれ位置させられる冷却手段 および蓄熱器手段と、前記蓄熱器と膨張シリンダに連結されてスターリングサイ クルを完結する加熱器手段とを更に含む発明。

６、請求の範囲第５項記載の発明であって、作動ガスが圧縮シリンダｔ−側路で きるようＫする流れ転換弁を導管内に備える制御器を含み、流れ転換弁の調整に よυサイクル中の作動ガスの平均量を決定して、サイクルの圧力波をしたがって 動力出力ｔ−ｖ４Ｕする発明。

７、　請求の範囲第１項記載の発明であって、作動ガスが圧縮シリンダを側路で きるようにする流れ転換弁を導管内に備える制御器を含み、流れ転換弁の調整に よりサイクル中の作動ガスの平均量を決定して、サイクルの圧力波をしたがって 動力出力を調整する発明。

８、請求の範囲第１項記載の発明であって、複数の前記スターリングサイクルを 一緒に組合せて共通多気筒スターリングサイクル機械を構成する発明。

９・　請求の範囲第２項記載の発明でおって、複数の前記スターリングサイクル を一緒に組合せて共通多気筒スターリングサイクル機械を構成する発明。

１０．１つまたはそれ以上のスターリングサイクルを含むスターリングサイクル 機械において、６ｘメーリングサイクルは、゛ （、）　低温圧縮スペース内を往復する圧縮ピストンと、 （ｂ）　この圧縮ピストンに対して位相が約９０２ずれるように配置され、高温 の膨張ス（−ス内を往復する膨張ピストンと、 （ａ）　冷却手段と、 （ｄ）　低温ダクトの容積を最小にするように低温圧縮スペースにすぐ隣接して 位置させられる蓄熱器手段と、 （ｅ）　この蓄熱手段と前記膨張スペースに連結されて前記スターリングサイク ルを完結する加熱手段と 全備えるスターリングサイクル機械。

明　細　書 ニピストンＶ型スターリング 発明の分野 本発明は、スターリングエンシンを提供することに向けられておシ、とくにニピ ストンＶ型であるスターリングエンジンに関するものである。

発明の背景 スターリングエンジンが復活して以来、それに対する関心が高まってきているた めに、スターリングエンジンの設計についての改良がたゆまず続けられテキタ。

スターリングエンシンの基本的な動作原理がジー轡ウォーカー（ｃ、ｗａｌｋｅ ｙ）著［スターリングエンジン（Ｓｔｉｒｆｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｓ　）　Ｊ第１ 版、１９８０年、に述べられている。はぼこれに関しては、スターリングエンジ ンは作動流体（ガス〕の加熱と冷浸の原理で動作し、有用な仕事を行な、うため にガスの膨張と圧縮が利用される。上記の本には種々の設計と、それに駆除する 利点が示されてｂる。

典型的なスターリング・サイクルは次のような隣接する領域、すなわち、圧縮（ または低温）スペースと、冷却器と、蓄熱器と、加熱器と、膨張（ｔたは高温） スペースとに分けられる封じこめられた容積よ構成る。しかし、実際の構造にお いては、それらのスペースは役にたたない領域すなわち連結ダクトによシ必然的 に連結される。熱力学的には、それは、作動流体が高温である領域の間で起る時 には厳しさが少く、かつ、作動流体の密度が一層高い冷却器領域において起る時 より密度が低い。＃１とんどの場合に、最大の連結容積は加熱器と膨張スペース の間、および冷却器と低温ス（−スの間である。それら２つのスペースのうち、 低温ダクトが動力密度および効率の点で最も不利であるから、この設計の目的は その容積を減することである。

また、現在のスターリングエンジンの多くは、熱伝導率および比熱が高く、かつ 粘性が低いという理由で、作動流体として水Ｘまたはヘリウムのような空気より 軽いガスを利用している。しかし、空気よシ軽い（ガスを利用する）スターリン グエンジンの欠点は、一定量のガスを保持する必要があること、したがって、作 動スペースと周囲との間にかなり完全なシールを必要とすることである。現在の 水素およびヘリウムエンジンは、クランクケースから油が洩れること、および作 動スペースからクランクケースへ作動流体が洩れることを防止するために、ピス トンとクロスヘッド（これは横方向の荷重上ｅ、ａする）の間のロッドにすべ９ シールを使用している。

そのような構造はエンジンを複雑にし、重量および体積を大きくする。

他の設計は作動流体として空気を使用しようとしている。そのような空気サイク ルのエンジンは空気より軽い（流体を使用する）エンノンに存するシール要求を 避け、かつ他の利点を有するが、空気の比較的低い流動性を補償するためには種 々の設計上の障害を克服せねばならず、とくに、そのような空気サイクルのエン ジンの多くは比較的重くなシがちであるから出力と重量の比を高くし、かつ更に 改良および簡単化をする必要がある。

いずれの状況、すなわち、空気サイクルのスターリングエンジンまたは空気より 軽い（流体を使用する）サイクルのスターリングエンノンのいずれにおいても、 それらのエンシンを効率的にし、設計を簡単にし、重量ｔ＠くし、しかも運転効 率を維持または向上することが望ましい。

得られた設計は比較的簡単であるにもかかわらず効率的で、運転に空気または空 気より軽い作ｗＪＪ流体を利用できる。更に、この設計の性質のためＫ、そのス ターリングエンジンはモノニール式でおるから、大型エンジンを製作するために 多数のモジュールを組合せることが容易にできる。

スターリングエンジンの従来の設計の多くはおる種の用途に受け容れられること が判明しているが、効率が一層高く、かつより安価な二ン・シンを得るためにそ のような設計を改良する必要が常に存在する。

発明の概要 本発明の主な目的は、比較的簡単で、安価であり、しかも効率の高いスターリン グエンノンを得ることである。

本発明の別の目的は、スターリングエンシンの無駄な容積スペースを減少するこ とによりそれの熱力学的効率を高くすることである。

本発明の別の目的は、従来利用されていた複雑なピストンシール設計を無くシ１ 、それに駆除する諸欠点を解消することである。

本発明の更に別の目的はそのための間単にされた制御器を得て、それを一層簡単 にし、それのコストを低減することでおる。

本発明は、ニピストン単動９０度Ｖ型に、とくに適当なスターリングエンジンの 設計を提供するものである。ニピストン単動９０度Ｖ型により、低温圧縮ダクト の容積を最小にするように、圧縮スペースに隣接して低温ピストンのすぐ上方に 冷却器と蓄熱器が位置させられる。また、クランクケースを加圧することを含む ピストンおよびシール装置が得られる。これによシピストンシールと、クロスヘ ッドまたはピストンロンドの必要がなくされる。また、簡単にされた出力制御装 置が含まれる。

得られた設計は比較的簡単であるにもかかわらず効率的で、運転に空気または空 気よシ軽い作動流体を利用できる。更に、この設計の性質のために、そのスター リングエンジンはモジュール式であるから、大型エンジンを製作するために多数 のモジュールを組合せることが容易にできる。

したがって、前記諸目的および諸利点ならびにその他のことは本発明により実現 され、それらについての説明を図面を参照して行なうことにする。

第１図は、本発明をＱＪ入れた単動二ピストンＶ型スターリングエンジンの略図 、 第２図は、本発明を取り入れたスターリングエンジンの主な部品の分解図、 第３図は５本発明１０人れた圧縮制御器の略図更に詳しく図面を参照して、第１ 図にはニピストンスターリングエンゾンすなわちサイクル１０の基本的な構成が 示されている。これに関して、サイクル中に容積の変化を最大にできるように、 ピストン−ｒイスグレー・す型ではなくてニピストン構造が利用されている。こ のエンジンは、フラット・ヘッドの圧縮ピストン１２と、ドーム形の膨張ピスト ン１４を含む。それらのピストンは、同じクランク軸２０に連結されている連接 棒１６，１８によシ駆動される。ピストンの軸線は、２個のピストンの間の希望 の位相分離に等しいクランク回転角だけ分離されるように配置される。典型的に は、理想的な角度は約９０度で、膨張側は製作が容易で、平衡が良くとれるよう になる。

図示のように、圧゛縮ピストン１２は円筒形の圧縮スペース２２の内部に位置さ せられ、膨張スペースがハウジング２４により形成される。各ピストンにハピス トンリング２５が設けられる。このピストンリングはサイクルとクランクケース とのシールを行なう。圧縮スペースのすぐ近くに冷却器２６と蓄熱器２８とが設 けられる。冷却器と蓄熱器とは標準的なやり方に従って作ることができる。また 、目的のために適当な任意の冷却器を利用できるが、１９８４年４月３０日に出 願され、本願と同一人に譲渡された「スターリングエンジン用の熱交換器（Ｈｅ ａｔ　Ｅｘａｈｕｎｇｅｒ　ｆｏｒ　ａ　５ｔｉｒｉｎ、ｇ　Ｅｎｇｌｎｅｓ） 　Ｊと題する未決の米国特針山Ｈ（第６０５　、４７３号）に従って作られた冷 却器がとくに適切でおる。

蓄熱器２８はハウジング３０の内部に位置させられる。冷却器２６はおそらくそ れ自体のハウジング３２を含む。

連結ダクト３４が蓄熱器を加熱管３６へ連結する。

膨張スペース２４も連結ダクト３８ｔ−介して加熱管３６へ連結される。加熱管 の形が、煙道スタック内に挿入するために適切なトンネルを形成しているが、こ の目的のために適当な任意の加熱装置を利用できるから、これは単なる例示であ る。

現在オイルレス空気圧縮機で使用されているように、ピストンスカートの上にポ リテト−）７０ロエチレンのような低摩擦デクステックパッド４０．４２が設け られる。

ピストンロンド、ロツドシールマタハクロスヘッドを使用していないから、スタ ーリングサイクル中に洩れるかもしれない油を潤滑剤として使用することはやめ るのが望ましい。これに関して、連接棒１６．１８はころ軸受４４によりクラン ク軸２０へ連結される。そのローラー軸受はグリース漬にされてシールされるか 、乾式潤滑剤（黒鉛ケージ）を利用する。これによりそれらの部材を潤滑するた めの？！４滑油の必要が解消される。

しかし、このエンジンにかかる荷重が比較的大きいから、ころ軸受を積極的に冷 却することが望ましい。その冷却は、ピストンのころ軸受のための内側レース４ ６（１つだけが示されている）として機能し、かつ冷却ルー′ｆ４８の部分とし て機能するクランク軸２０（中空）の中に冷却剤を通すことによシ行なうことが できる。おるいは、ピストンの動きによシポンプ送りされる空気をころ軸受と外 側レースへ送ることができる。必要があれば、純粋の流れルーｆを作ることによ シ外部冷却器の中に空気を通すために、逆止め弁手段を含ませることができる。

シリンダブロック５２のクランクケース領域５０は平均サイクル圧まで加圧され る。その平均サイクル圧は軸受とピストンリングから、それらに加えられている 荷重の多くを除去するように機能する。これに関して、および第２図に示すよう に％滝部キャップ５６に加えて圧力シール５４が設けられる。クランク軸２０は クランクケース内で主軸受５８によシ支持される。

次に、制御装置が示されている＄３図を参照する。

この制御装置６０は従来利用されていた複雑な装置（たとえば、１９７６年１２ 月２８日に付与された米国特許第３．９９９，３８８号参照）よシも効率が低い が、その制御装置６０は満足できる動作を行ない、しかも安価であるという利点 を有する。簡単な（直線応答のための）多重オリスイス流れ転換弁６２が設けら れる。その弁は、導管６４を介して、冷却器２６と圧縮ピストン１２０間の低温 スペースに連結され、かつ導率６６′ｔ−介してクランクケース５０へ連結され る。その弁６２は、広幅弁板にょシふさがれる多重オリフィス板を備えるだけで あって、圧縮ピストンの周囲に側路ｔ−構成する。最大出力より小さい出力を発 生する場合は、弁６２は希望の程度まで開かれて作動ガスのいくらかの部分がク ランクケース５゜へ（平均圧力で）転換して流れることができるようにし、それ から熱交換器を通る代ＤＫ再び戻ってサイクルの圧力波を減少させる。この弁を 作動させるためには僅かな力を必要とするだけで、手動レバー等で作動させるこ とができる。

明らかなように、この構造の設計は非常に簡単で、比較的低コストでおるにもか かわらず信頼度が高い。

このエンシンは、モジュール式であり、共通の燃焼器を共用して他のモジュール に連結して、共通のクランク軸軸線上に配置することが容易にできる。多重サイ クルエンノンにおいては、圧縮制御装置が全てに対して連動式に使用されるだけ であることに注意されたい。また、類似のサイクルを連結することにより、アセ ンブリに十分な動的平衡を持たせることができる。

したがって、本発明によりそれの諸口的および諸利点が実現され、かつ、ここで 好適な実施例を開示および詳しく説明したが、それの範囲はそれにより限定すべ きではなく、むしろそれの範囲は添付した請求の範囲によシ決定すべきである。

１１？！ 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．低温の圧縮スペース内を往復する圧縮ピストンおよびこの圧縮ピストンに対 して位相が約９０度異なつて膨張スペース内を往復する膨長ピストンと、低温ダ クトの容積を最小にするように低温圧縮スペースにすぐ隣接して軸線方向に整列 させられる冷却手段にすぐ隣接して位置させられる蓄熱器手段と、この蓄熱器と 前記膨張スペースに連結されてスターリングサイクルを完結する加熱手段とを備 えるスターリングサイクル。
2. ２．圧縮シリンダと膨張シリンダおよびクランクケース領域を含むエンジンハウ ジングと、このハウジンダ内のそれぞれのシリンダ内に位置させられ、軸受手段 を介してクランク軸に連結される圧縮ピストンおよび膨張ピストンと、前記クラ ンク軸と前記軸受手段を冷却してクランクケース内の潤滑油の必要を無くす手段 とを備え、前記クランク軸は、前記ピストンおよび加記ハウジングにより形成さ れたクランクケース領域内に位置させられ、前記ピストンの往復運動中にそれら のピストンと、それに組合されているそれぞれのシリンダと間の摩擦を最少にす るために、ピストンとシリンダの間にバツド手段を含み、前記クランクケースは 加圧されてピストンを作動ガスが通ることを禁止するスターリングサイクル。
3. ３．請求の範囲第２項記載の発明であつて、前記ピストンにはスカートが設けら れ、前記バツド手段はその上に位置させられるプラスチツクバツドを備える発明 。
4. ４．請求の範囲第３項記載の発明であつて、前記冷却手段は中空のクランク軸を 備え、そのクランク軸の中を冷却媒体が通る発明。
5. ５．請求の範囲第４項記載の発明であつて、低温ダクトの無駄容積を最小にする ように圧縮スペースにすぐ隣接して軸線方向にそれぞれ位置させられる冷却手段 および蓄熱器手段と、前記蓄熱器と膨張シリンダに連結されてスターリングサイ クルを完結する加熱器手段とを更に含む発明。
6. ６．請求の範囲第５項記載の発明であつて、作動ガスが圧縮シリンダを側路でき るようにする流れ転換弁を導管内に備える制御器を含み、流れ転換弁の調整によ りサイクル中の作動ガスの平均量を決定して、サイクルの圧力波をしたがつて動 力出力を調整する発明。
7. ７．請求の範囲第１項記載の発明であつて、作動ガスが圧縮シリンダを側路でき るようにする流れ転換弁を導管内に備える制御器を含み、流れ転換弁の調整によ りサイクル中の作動ガスの平均量を決定して、サイクルの圧力波をしたがつて動 力出力を調整する発明。
8. ８．請求の範囲第１項記載の発明であつて、複数の前記スターリングサイクルを 一緒に組合せて共通多気筒スターリングサイクル機械を構成する発明。
9. ９．請求の範囲第２項記載の発明であつて、複数の前記スターリングサイクルを 一緒に組合せて共通多気筒スターリングサイクル機械を構成する発明。
10. １０．１つまたはそれ以上のスターリングサイクルを含むスターリングサイクル 機械において、各スターリングサイクルは、 （ａ）低温圧縮スペース内を往復する圧縮ピストンと、 （ｂ）この圧縮ピストンに対して位相が約９０度ずれるように配置され、高温の 膨張スペース内を往復する膨張ピストンと、 （ｃ）冷却手段と、 （ｄ）低温ダクトの容積を最小にするように低温圧縮スペースにすぐ隣接して位 置させられる蓄熱器手段と、 （ｅ）この蓄熱手段と前記膨張スペースに連結されて前記スターリングサイクル を完結する加熱手段と を備えるスターリングサイクル機械。