JPS63162953A - 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】 「発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スターリングエンジンに係わり、特にピスト
ン背面空間に通じるバッファタンクあるいはクランク室
を設けたスターリングエンジンに関する。

（従来の技術） 近年、省エネルギー化の一環として、スターリングエン
ジンが見直され、熱心な研究が行われている。スターリ
ングエンジンには種々の形態のものがあるが、例えば俗
にＬ型と呼称されている２ピストン方式のものを例にと
ると、それぞれパワーピストンを内蔵した２つのパワー
シリンダ間に再生熱交換器を閉流路構成に接続し、再生
熱交換器の一端と一方のパワーシリンダとの間の流路を
ヒータで加熱し、１り１熱交換器他端と他方のパワーシ
リンダとの間の流路をクーラで冷却するように構成され
ている。この機関は、静粛で、理論的効率が高く、ある
ゆる熱源を使用できるという特徴を有している。

ところで、この種のスターリングエンジンでは、ピスト
ンが往復運動する邪にピストン背面空間における作動ガ
スが抵抗となり、エンジンの出力。

効率が低下する虞れがある。そこで、ピストン背面空間
におけるボンピンク損失を低減させるために、ピストン
背面空間部のシリンダに配管孔を設け、これと十分な容
量を持つバッファタンクを結ぶ構成が取られている。さ
らに、クランク室内におけるポンピング損失を低減させ
るために、クランク室内にも配管孔を設け、これを上記
バッファタンクに接続する構成が取られている。　゛こ
の構成では、ピストン背面空間或いはクランク室内にあ
る作動ガス或いは空気が圧縮力を受ける時には、これを
配管孔よりパイプを通してバッファタンクに逃がす。逆
に、作動ガス或いは空気が膨張力を受ける時には、バッ
ファタンクより作動ガス或いは空気をピストン背面空間
或いはクランク室内へ移動させる。これにより、ピスト
ン背面空間及びクランク室内の作動ガス或いは空気の圧
縮変動幅を減らし、上記問題を解決している。

しかしながら、上記のようにバッファタンクを設けた構
造にあっては次のような問題があった。

即ち、クランク室内の作動ガス或いは空気はＪクランク
機構による撹拌によって生じる液体状態及び蒸気状態の
潤滑油を含んでいる。このため、潤滑油を含んだ作動ガ
ス或いは空電がバッファタンク及びピストン背面空間に
移動することにより、潤滑油がピストンリング、シリン
ダ等に付着し、ピストンリングの本来の役割である封入
能力の低かを招き付着した潤滑油が作動空間に侵入し、
潤滑油の炭化物の作動空間室内への付着１作動ガスへの
混入等を招く。これにより、機関性能の低下を招き、油
上がりによる信頼性低下が生じるという問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来装置では、クランク室からバッファタン
クを介してピストン背面空間に潤滑油が侵入する虞れが
あり、これが信頼性低下及び機関性能低下を招く要因と
なっていた。

本発明は−１−記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、ピストン背面空間に潤滑油が侵入
するのを防１にすることができ、信頼性向上及び機関性
能向上をはかり得るスターリングエンジンを提供するこ
とにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明の骨子は、クランク室部からバッファタンクを介
してピストン背面空間に潤滑油が侵入するのを防１１−
するために、気゛体に対しては両方向の流れを可能とし
、液体に対しては−ｈ″向の流れを可能とした流体素子
を用いることにある。

即ち本発明は、内部に作動流体が封入され、且つピスト
ンによって閉じられてなる作動空間を９したスターリン
グエンジン本体と、このスターリングエンジン本体の外
部に設けられたバッファタンクと、上記ピストンの背面
空間と上記バッファタンクとを接続する第１の配管と、
Ｌ記ピストンに連結されるクランクを収容したクランク
室部と」二記バッファタンクとを接続する第２の配管と
を具備してなるスターリングエンジンにおいて、前記第
１及び第２の配管の少なくとも一方に、該配管中を流れ
る気体に対しては両方向の流れを可能とし、液体に対し
ては一方向の流れを可、能とする流体素子を設けるよう
にしたものである。

（作用） １−記構底であれば、ピストン背面空間、バッファタン
ク及びクランク室部を結ぶ配管中に流体素子を設けてい
るので、配管中における作動ガス或いは空気中の潤滑油
を、作動ガス或いは空気がクランク室部側からピストン
背面空間側に移動する際に潤滑油を吸収することができ
る。このため、クランク室部からバッファタンクを介し
てピストン背面空間に潤滑油が侵入するのを防止でき、
作動空間への潤滑油の侵入を防止することが可能となる
。

（実施例） 以ド、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

図は同実施例に係わるスターリングエンジンの概略構成
を示す断面図である。図中１はスターリングエンジン本
体を示している。この本体１は、大きく別けて、作動流
体の膨張用に供されるパワーシリンダ（以後、膨張シリ
ンダと称する）２と、この膨張シリンダ２内に摺動自在
に装着されたパワーピストン（以後、膨張ピストンと称
する）３と、作動流体の圧縮に供されるパワーシリンダ
（以後、圧縮シリンダと称する）４と、この圧縮シリン
ダ４内に摺動自在に装着されたパワーピストン（以後１
、圧縮ピストンと称する）５と、膨張シリンダ２と圧縮
シリンダ４との間に設けられたヒータ６、再生熱交換器
７及びクーラ８と、膨張ピストン３及び圧縮ピストン５
にそれぞれクランク（コネクティ′ングロッド’）　９
．１０．　　クランク軸１１、１２を介して連結された
出力軸１３とで構成されている。

前記ヒータ６は、膨張シリンダ２のヘッド１４を取囲む
ように一部に断熱材１５を配置して形成された燃焼室１
Ｂと、この燃焼室１Ｂ内°に配置された複数の熱交換器
１７と、燃焼室１Ｂに臨むように配置された燃料供給用
のノズル１８と、燃焼室１Ｂを取囲むように配置され燃
焼に必要な空気を燃焼排ガスで予熱する空気予熱器１９
とで構成されている。

前記各熱交換器１７は、各流体通路の一端側を膨張シリ
ンダ２内の頂部に通じさせ、他端側をヘッド１４内に形
成されたマニホールド２０に通じさせて、全体で漏斗を
形成する如く配置されている。マニホールド２０は接続
管２１を介して再生熱交換器７に接続され、この再生熱
交換器７は熱交換器によって構成されたクーラ８を介し
て圧縮シリンダ４内の頂部に接続されている。そして、
膨張シリンダ２と膨張ピストン３とで囲まれた空間、各
熱交換器１７．マニホールド２０．接続管２１．再生熱
交換器７、クーラ８．圧縮シリンダ４と圧縮ピストン５
とで囲まれた空間からなる閉じられた空間、つまり作動
空間には作動流体としてのＨｅが封入されている。前記
ノズル１８は図示しない燃料調節弁を介して図示しない
燃料供給源に接続されており、また空気予熱器１９の空
気導入口２２は図示しない送風機の吐出側に接続されて
いる。

また、前記クランク９．１０等を収容したクランク室部
２５の上部には、集合空間８Ｇが形成されている。前記
膨張ピストン３のクロスヘッド部３１には、その外周部
にピストン背面空間３２と集合空間３０とを連通させる
連通孔３３が形成されている。この連通孔３３は、クロ
スヘッド部３１の外周部をその」二下全長に亙って切削
することにより形成されたものである。また、集合空間
３０は、クランク室部２５上のシリンダ下部を切削或い
は鋳造等の製造方式により形成された部分と、クロスヘ
ッド部３１により形成されたものである。そして、この
集合空間３０は、バイブ（第１の配管）３４を介してバ
ッファタンク５０に接続されている。

一方、圧縮シリンダ４の圧縮ピストン５に対しても同様
に、上記集合空間３０に相当する集合空間４０が設けら
れている。この集合空間４０は、圧縮ピストン５のクロ
スヘッド部４１を切削して形成された連通孔４３によっ
、てピストン背面空間４２に連通されている。そして、
集合空間３０．４０は、接続空間５１を介して接続され
ている。

クランク室部６０は、バイブ（第２の配管）５２を介し
てバッファタンク５０に接続されている。そして、この
バイブ５２の途中には、本発明に係わる流体素子６０及
びフィルタ８１．６２等が設けられている。

流体索子６０は、配管５２内を流れる気体に対して°は
両方向の流れを可能とし、液体に対しては一方向の流れ
を可能とするものであり、作動ガス或いは空気の流動抵
抗を減らすために、一方向性（クランク室側からバッフ
ァタンク側）の油吸収性能を冑する。また、流体索Ｔ−
６０の下部は、流体索子６０で吸収された潤滑油を戻す
ために、弁６３を介して油戻し管６４によりクランク室
部２５の油溜め部に連結されている。

流体素子６０の潤滑油の吸収能力を高めるために、流体
索子６０とクランク室部２５との間に荒い目のフィルタ
６１が設けられ、流体素子６０とバッファタンク５０と
の間に細い目のフィルタ６２が設けられている。フィル
タ６１は液体状態の潤滑油を吸収する役割を果たし、フ
ィルタ６２は蒸気状態の潤滑油を吸収する役割を果たす
。また、フィルタｌｉｔ、　８２の下部は、油戻しのた
めに油戻し管６４に接続されている。なお、弁６４は、
エンジン停市時等に解放することにより、重力を用いて
吸収した油を油室６５に戻す役割を果たす。

次に、上記のように構成されたスターリングエンジンの
動作を説明する。まず、ノズル１８から燃料を送出し、
これに着火させる。また、外部動力源によって出力軸１
３を一時的に回転させる。出力軸が外部動力源によって
回転しているので、この出力軸１３にクランク軸１１．
　’１２．　　クランク９．１０を介して連結されてい
る膨張ピストン３及び圧縮ピストン５は、ある位相差を
持って往復動する。この往復動によって膨張ピストン３
が圧縮行程に移ると、膨張シリンダ２内のＨｅが各熱交
換器７゜クーラ８を介して圧縮シリンダ４内に流°れ込
み、膨張ピストン３が上死点に達した時点でＨｅの殆ど
か圧縮シリンダ４内に流れ込む。このとき、Ｈｅは再生
熱交換器７を通過する間に、その保有している熱が再生
熱交換器７に蓄熱され、またクーラ８を通過する間にさ
らに冷却される。出力軸Ｉ３の回転に伴って圧縮ピスト
ン５が下死点からに死点に向けて移動を開始すると、圧
縮シリンダ４内の低温のＨｅが圧縮され、いままでとは
逆の経路で膨張シリンダ２内に流れ込む。この、とき、
Ｈｅは再生熱交換器７を通過する間に吸熱して高温に加
熱され、次に各熱交換器１７を通過する間にさらに加熱
される。膨張シリンダ２内に流れ込んだ高温のＨｅは、
膨張して膨張ピストン３を押し下げる。以後、上述の動
作が繰返され、外部動力源を断った状態でも出力軸１３
が回転を継続し、スターリングエンジンとしての機能を
発揮する。

ところで、膨張ピストン３の往復運動によりピストン背
面空間３２には作動流体の圧力変動が生じる。例えば、
ピストン３の下降時には作動流体は圧縮される。このと
き、ピストン背面空間３２は連結孔３３を介して集合空
間３０に接続されているので、上記圧縮変動幅はこの集
合空間３０により一旦低減される。その後、圧縮された
作動流体をバイブ３４を通してバッファタンク５０に逃
がすこととなる。

さらに、膨張ピストン３のＬ経時に、は、ピストン背面
空間３２の作動流体は膨張される。この膨張による圧力
変動幅も、１−記と同様に集合空間３００作用により一
旦低減される。そして、バッファタンク５０からバイブ
３４を通して作動流体が供給されることになる。

また、クランク室部２５内も圧縮・膨張による圧力変動
を受ける。クランク室部２５内の作動ガス或いは空気が
圧縮された場合は、作動ガス或いは空気をバイブ５２を
介してバッファタンク５ｏに逃がす。

さらに、クランク室部２５内の作動ガス或いは空気が膨
張された場合は、バッファタンク５０から作動ガス或い
は空気を供給することになる。

このとき、クランク室部２５には潤滑油か収容されてい
るので、クランク室部２５における作動ガスは、クラン
ク機構による撹拌等によって生じる液体状態及び蒸気状
態の潤滑油を含んでいる。クランク室部２５内の圧縮時
にはこの潤滑油を含む作動ガスがバッファタンク５０側
に移動することになる。

この作動ガスがバッファタンク５０側に入ると、膨張シ
リンダ２内の膨張の際にビスートン背而空間３２に潤滑
油を含む作動ガスが導入されることになる。

これに対し本実施例では、流体素子６０及びフィルタ８
１．６２等を設けることにより、クランク室部２５から
バッファタンク５０側に流れる作動ガスから潤滑油を吸
収している。このため、バッファタンク５０側に潤滑油
が入り込むことはなく、作動空゛間に潤滑油が進入する
等の不都合は未然に回避される。

さらに、流体素子ＧＯとして一方向性の油吸収性能を有
するものを用いているので、作動ガスに対する流動抵抗
も小さくすることがｎｌ能である。

かくして、本実施例によれば、クランク室部２５とバッ
ファタンク５０との間のバイブ５２の途中に流体素子６
０及びフィルタ６１．８２を設けることにより、バッフ
ァタンク５０内に移動する作動ガスから潤滑油を取除く
ことができる。このため、作動空間に潤滑油が侵入する
等の不都合を未然に防１１−することができ、これによ
り機関性能向−１−及び信頼性の向上をはかり得る。ま
た、本実施−では集合空間３０、４０を設けているので
、ピストン背面空間３２゜４２の圧力変動を直接バッフ
ァタンク５０で補償するものとは異なり、バッファタン
ク５０に要求される圧力補償能力が少なくて済む。この
ため、バッファタンク５０の容量を小さくできる等の利
点もある。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施す
ることができる。実施例は２ピストン方式に適用した例
であるが、本発明はディスプレーサ方式等にも適用可能
である。また、流体素子としては、気体に対しては両方
向の流れを可能とし、液体に対しては一方向の流れを可
能とするものであればよく、各種形態のものを適宜選択
すればよい。さらに、流体素子の両側に配置したフィル
タは必ずしも必要ではなく、省略してもよい。

［発明の効果］ 以、１−詳述したように本発明によれば、クランク室部
からバッファタンクを介してピストン背面空間に至る配
管の途中に流体素子を設けているので、潤滑油を含む作
動ガスや空気がピストン背面空間に侵入するのを防出す
ることができ、これにより信頼性の向上及び機関性能の
向上をはかり得、その有用性は絶大である。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係わるスターリングエンジンの
概略構成を示す断面図である。 １・・・スターリングエンジン本体、２・・・膨張シリ
ンダ、３・・・膨張ピストン、４・・・圧縮シリンダ、
５・・・圧縮ピストン、６・・・ヒータ、７・・・再生
熱交換器、８・・・クーラ、１６・・・燃焼室、１７・
・・熱交換器、１８・・・ノズル、１９・・・空気予熱
器、３０．４０・・・集合空間、３１．４１・・・クロ
スへ・ラド部、３２゜４２・・・ピストン背面空間、３
３．４３・・・連通孔、′３４・・・第１の配管、５０
・・・バ・ソファタンク、５１・・・接続空間、５２・
・・第２の配管、６０・・・流体素子、６１．６２・・
・フィルタ、５・・・油タンク。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に作動流体が封入され、且つピストンによっ
   て閉じられてなる作動空間を有したスターリングエンジ
   ン本体と、このスターリングエンジン本体の外部に設け
   られたバッファタンクと、前記ピストンの背面空間と前
   記バッファタンクとを接続する第１の配管と、前記ピス
   トンに連結されるクランクを収容したクランク室部と前
   記バッファタンクとを接続する第２の配管と、前記第１
   及び第２の配管の少なくとも一方に設けられ、該配管中
   に流れる気体に対しては両方向の流れを可能とし、液体
   に対してはピストン背面空間側からクランク室部側への
   一方向の流れを可能とする流体素子とを具備してなるこ
   とを特徴とするスターリングエンジン。
2. （２）前記流体素子は、前記第２の配管の途中に設けら
   れ、該配管中における作動ガス或いは空気中の潤滑油を
   、作動ガス或いは空気がクランク室部からバッファタン
   クへ移動する際に吸収する構造を有するものであること
   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
   エンジン。
3. （３）前記流体素子とクランク室部との間に液体状の潤
   滑油を吸着するための荒い目のフィルタを設け、前記流
   体索子とバッファタンクとの間にミスト状の潤滑油を吸
   着するための細い目のフィルタを設けたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載のスターリングエンジン。
4. （４）前記流体素子及びフィルタによって吸収された潤
   滑油を、前記クランク室部の油溜め部に戻すための油戻
   し管を設け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。