JPS6331660B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばスターリング機関ピストン装
置の流体力学的潤滑システムの装置関する。

フリーピストンスターリング機関の主たる利点
は、作動ガスが、漏洩による機関の汚染あるいは
損失を防ぐため機関内で完全に密封されることで
ある。フリーピストンスターリング機関を石油系
の油、グリースの如き従来の潤滑剤で潤滑するの
は好ましくない。何故かと言えばそのような潤滑
剤は作動ガス中に蒸発し、機関の効率を低下する
からである。

更に、このような機関では、機関の寿命を延長
し、且つ機関の摩耗および保守を減少するため潤
滑することが好ましい。

従つて本発明の目的は、作動流体あるいは装置
運転中ピストンに作用する流体を用いてピストン
の流体力学的潤滑を行なうことであり、特に機関
の作動ガスを用いてスターリング機関のピストン
を潤滑することである。

本発明では、充分な角速度でピストンを旋回さ
せるため、ピストンにトルクが加えられ、ピスト
ンは、ピストンによつて作動しあるいは作動され
る流体の一部をピストン外表面にそつて装入およ
び引き出す。この流体の層がピストンおよびピス
トンと関連したシリンダーの境界面および相対的
滑動面を分離する。

更に詳細に述べると、流体の吸入あるいは排出
中、タービン効果の発生によりトルクが加えられ
る。このトルクは、ピストンを旋回させてタービ
ン効果が生ずるよう、流体が膨脹室を出入りする
とき、流体の流れをピストン上に衝突させること
によつて、ピストンに加えられる。

好ましくは、入口ポートあるいは出口ポート
は、ピストンあるいは複数のピストンの周りのシ
リンダーを介して形成されている。ブレードある
いはスロツト壁のようなタービン表面がピストン
内およびピストンの周りに間隔をあけて形成され
ている。ポートは、装置の平常運転中、流体がポ
ート、を通つて流れ、ピストンに円周方向の分力
を与えるためタービン表面へ周期的に衝動を与え
るよう位置づけられている。フリーピストンスタ
ーリング機関の如く、多くの装置ではポートの位
置の選定によつて、本発明による流体力学的潤滑
の利点が得られていれば、装置の平常運転は支障
なく維持される。

次に図面について本発明を説明する。

第１図は、デイスプレーサピストン１０と動力
ピストン１２とが、単一、協働シリンダー１４内
で往復動するフリーピストンスターリング
（Stirling）機関を図示したものである。

図示の機関では、熱がその端部１６に加えら
れ、その中間域１８から排出される。従つて、こ
の機関は冷却域１８に隣接する圧縮空間２０およ
び加熱端１６に隣接する膨脹空間２２を有し、こ
れ等の空間はデイスプレーサ１０の両端に形成さ
れている。この機関は、膨脹部２２に流体連通し
ている膨脹空間ポート２４および圧縮空間２０に
流体連通している圧縮空間ポート２６を具備して
いる。これ等のポート２４および２６は、互に従
来の再生器２８を介して連通している。

この機関は従来の公知技術と同様に運転され
る。作動ガスが膨脹空間および圧縮空間内に含ま
れ、デイスプレーサによつて交互に加熱膨脹空間
２２と冷却圧縮空間２０との中へ送られる。作動
ガスの加熱と冷却との繰返しによつて、ガスがそ
の圧力の膨脹・増加および収縮・減少を交互に行
なう。これ等の圧力の繰返し変化により、動力ピ
ストンを往復動させ、又往復動するデイスプレー
サピストンを適切なタイミング位相とする。フリ
ーピストンスターリング機関の基本的作動につい
ては先行技術で詳細に記載されているから、ここ
では更に記載する必要はないと思う。

複数の内方へ延びたスロツト３０が、デイスプ
レーサピストンのシールスカート部３２の周囲に
配列されている。同様に、複数のそのようなスロ
ツト３４が動力ピストン１２の周囲に配列されて
いる。これ等のスロツトの内壁がタービン表面を
形成し、この表面に対して作動ガスが、これ等の
ピストンにタービン効果およびトルクを発生する
ため圧縮空間と膨脹空間との間を流れるとき、衝
動を与えることができる。

第１図に図示した具体例では、圧縮空間ポート
２６は、デイスプレーサピストン１０が圧縮空間
２０の最も近いあるいは近接しているストローク
端では、デイスプレーサピストン１０のスロツト
３０に一致するように位置付けられており、且つ
圧縮空間２０に最も近いあるいは近接しているス
トローク端では動力ピストンのスロツト３４に一
致するように位置付けられている。

圧縮部ポート２６は、ピストンに一方向より平
均したトルクを与えるためピストンスロツトのタ
ービン面へ作動ガスの流れを導く位置にある。下
記の如く、２つのピストンの周期的往復運動は、
ピストンのスロツトが、ガスが一方向に流れてい
るサイクルの一部の間は、ポート２６と一致する
ようなものである。例えば、図示の具体例では、
ガスが圧縮空間２０に流入しているサイクルの一
時点では、ガスはデイスプレーサピストン１０の
スロツト３０に衝動を与え、且つ作動ガスが圧縮
空間２０を去り、膨脹空間２２へ流入している時
点では、動力ピストン１２のスロツト３４へ衝動
を与える。どちらかのピストンのスロツト壁がポ
ートに一致している間は、流動ガスが衝動トルク
をピストンに加える。

またもう一つの方法として、デイスプレーサタ
ービンスロツトは、膨脹空間２２内へ作動流体を
流入することにより、衝動を与えようとするデイ
スプレーサピストンの対抗端に形成してもよい。
その他の方法として、スロツトは第６図に示す如
くデイスプレーサの両端に設けてもよい。

ポートおよびタービン表面の構造形態および配
置方向は、タービン技術でよく知られている如く
非常に多くの方法で変更することができる。例え
ば、スロツトを曲線状としてもよく、および／ま
たは入口ポートを流体の流れに対して接線方向の
分力を与えるためシリンダー状壁面と斜めに傾斜
してもよい。その他種々のタービンシステムにつ
いては、先行タービン技術で充分論議されている
ので、更に詳細に論議しない。

更に、タービン表面は、ピストンあるいはピス
トンロツドに取付けられた別個の構造体に形成す
ることもできる。しかしながら本発明の目的とし
て、そのようなシステムはピストンの一部であつ
て機能的には同一であるから、これ等のシステム
はピストンの一部と考えられる。

更にもう一つの方法として、ポートは、往復動
するピストン室、膨張室装置の端壁（単数又は複
数）に位置させ且つ流体の流れが、流体吸入、排
出中ピストンに適切なトルクを与えるようピスト
ン上のタービン表面に適切な協働タービン表面を
設けることもできる。

更にその他の方法として、シリンダー壁のポー
トは、ピストンストロークの最端部間に介在して
もよい。これ等のポートは、タービン表面が流体
のポートと一致している期間、すべての流れが一
方向になるような位置に設ける必要はない。た
だ、ポートが一致している間、一方向あるいは他
の方向への正味又は平均流れとなる必要がある。

更にその他の方法として、ポートあるいはター
ビン表面は、円周的に間隔をあけて配置するより
も、付加的に多少軸方向に間隔をとることができ
る。例えば、長い時間、幅広いトルクパルスを提
供するためシリンダーの周囲に幾分螺旋状にポー
トを配置することもできる。

第１図の具体例では、２つのピストンの境界
部、即ちピストンロツド４０とその往復動に関連
のある孔４２が互に相対的に回転するのを保証す
るため、デイスプレーサピストン１０と動力ピス
トン１０とを反対方向に旋回させるのが望まし
い。これは、これ等の境界面も潤滑されることを
保証している。勿論、この２つの面は異なるスピ
ードで同じ方向に旋回されるが、効果が少い。

第１図に図示した具体例でこれを実施するに
は、スロツト３０とスロツト３４は運転位置で同
方向に形成することができる。この位置では、作
動ガスがデイスプレーサピストン１０のタービン
表面３２に衝動を与えるときは、作動ガスは圧縮
空間２０内へ流入し、且つ作動ガスが動力ピスト
ン１２のタービン表面３４へ衝動を与えるときは
作動ガスは圧縮空間２０から流出するので反対の
旋回トルクが提供される。

ピストンに作用しあるいはピストン上で作用さ
れる流体がピストンを流体力学的に潤滑するた
め、旋回をタービン効果が生ずる方向へ与えると
いう本発明のシステムによる利点は、同軸フリー
ピストンスターリング機関に限定されるものでは
ない。

例えば、本発明はデイスプレーサピストンと動
力ピストンとが異なるシリンダー内で往復動する
フリーピストンスターリング機関にも使用可能で
ある。更に、双方のピストンが往復動し且つピス
トン軸の周りを自由に回転するピストンを有する
広範囲の膨脹室装置にも使用可能である。例え
ば、多くのこのようなピストン装置は、ピストン
を有し、このピストンは、中間ピストンあるいは
接合棒によつてクランクシヤフトに連結されてい
る。このような装置のピストンロツドに適切なベ
アリングを付加すると、往復動以外にそのピスト
ンに自由な回転を与えることができる。従つて、
本発明の原理は、膨脹室、往復動ピストン型の他
のエンジン、ポンプおよび動力機関に使用可能で
ある。

第５図は、第１図に図示した本発明の具体例の
作動を図示したものである。第５図の図表Ａは、
シリンダー１４内のデイスプレーサピストンと動
力ピストンとの対向面の位置を表わす点を期間の
函数として図示したものである。水平線Ｐは圧縮
空間ポート２６のシリンダー内の位置を表わして
いる。勿論、更に詳細な図表では、実際には、こ
の水平線Ｐはポートの幅を表わす間隔によりへだ
てられた一対の平行な水平線より成つている。図
表Ａでは、縦軸上の正の方向への増加は、高温あ
るいは膨脹空間２２へより接近した位置を示す。

デイスプレーサピストン面が水平線Ｐより負に
なる時はいつも、あるいは、動力ピストン面が水
平線Ｐより正になる時はいつも、それぞれのピス
トン内のスロツトは、圧縮空間ポート２６と一致
する。

図表Ａは作動ガスの流動スピードと時間との関
係をプロツトしたものである。

図表Ａの点４０では、デイスプレーサピストン
スロツトが圧縮空間ポート２６と一致し始めてい
る。このポート位置の一致は点４２まで続く。従
つて、点４０から点４２までの時間間隔の間で
は、トルクパルスがガスによつてデイスプレーサ
ピストンに加えられ、ガスは斜線部４４で図示さ
れた圧縮空間に流入している。

同様に、点４６から点４８までの時間間隔の間
では、斜線部５０で図示された作動ガスの流れよ
りパルスを受ける。

第７図は、フリーピストンスターリング機関に
使用する本発明の他の具体例を図示したものであ
る。この機関では、トルクを与えるためタービン
表面へ衝動を与える作動流体の流れは、高温空間
と低温空間との間の従来のガス流路とは異なる構
造体から得られる。この図表はその変更に関する
構造体のみを図示したものであり、第１図に図示
されている多くの構造体を繰返したものではな
い。

第７図の具体例は、第１図の装置と同じ方法
で、シリンダー６４内に設けられた高温空間６
６、低温空間６８、動力ピストン６２およびデイ
スプレーサピストン６０を有する。

しかし第７図に図示した構造体は、付加的に貯
蔵室７０を具備し、この貯蔵室は逆止弁７２を介
してポート７３あるいは数箇所のそのようなポー
トと連通している。この貯蔵室はポート７４およ
び７６とも連通している。複数の環状に配列され
たポートはポート７４および７６と代えることも
できる。

ポート７３がデイスプレーサ６０により露出さ
れ、作動空間内の作動ガス圧力が、貯蔵室７０内
のガス圧力より大きいときはいつも、作動ガスは
貯蔵室内へ流入する。従つて、作動サイクルの高
圧部では、ガスは逆止弁７２を通り貯蔵室７０の
中へ流入する。

ポート７４および７６は、これ等のポートが作
動サイクルの比較的低圧部中に、タービン表面と
一致するよう位置づけられている。次いで、この
ようなポートの一致が生じたとき、ガスが貯蔵室
から流れ上述と同様な方法でピストン上へトルク
を与えるためタービン表面へ衝動を与えることが
できる。このようにして、貯蔵室７０は、作動サ
イクルの高圧空間中に作動流体を貯え、サイクル
の低圧空間中に、作動流体をタービン表面に対し
て流出させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によるフリーピストンスター
リング機関の軸方向断面概略図である。第２図は
第１図の具体例で図示したデイスプレーサピスト
ンの底面図である。第３図は第１図の具体例で図
示した動力ピストンの平面図である。第４図は斜
め方向のポートを図示したシリンダー内のポート
の他の具体例の断面図である。第５図は、本発明
の好ましい具体例の作動を図示した図表である
（上方が図表Ａ、下方が図表Ｂ）。第６図は、本発
明のもう一つ他のデイスプレーサピストン構造体
の側面図である。第７図は、本発明のもう一つ他
の具体例の概略図である。 １０……デイスプレーサピストン、１２……動
力ピストン、１４……シリンダー、２０……圧縮
空間、２２……膨脹空間、２４，２６……ポー
ト、３０，３４……スロツト、４０……ピストン
ロツド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 往復動し且つピストン軸の回りを回転するよ
   うに内部に設置されたピストンを備えた少なくと
   も１つのシリンダーを有し、流体があるときは該
   シリンダー部へ流入し、またあるときは該シリン
   ダーから流出し、該流体の吸入および排出のため
   の流体ポート手段を有する膨張室装置において、 (a) 該ピストン上に形成され且つ該ピストンの周
   囲に配置された複数のタービン表面と、 (b) 該ピストンを該ピストン軸の回りに回転せし
   め、流体力学的潤滑のため、該流体の一部をピ
   ストンの外面の周りへ装入し、該ピストン上に
   平均したトルクを与え、該ピストン表面に衝動
   を与えるよう該流体の流れを導くように位置づ
   けし且つ形成された、上記シリンダーに開口し
   ている少なくとも１つの流体ポートを有するポ
   ート手段とを具備していることを特徴とする膨
   張室装置。 ２ 該ポートが該シリンダーの円筒壁に形成され
   ている特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 該ポートがピストン行程の端部付近に形成さ
   れ、且つ該タービン表面が該ピストンの対応する
   端部の周りに形成されている特許請求の範囲第１
   項記載の装置。 ４ 該ポートが複数、該シリンダー壁に形成され
   且つ該シリンダーの軸の周りに配置されている特
   許請求の範囲第１項記載の装置。 ５ 該ポートがピストン行程の端部近くに形成さ
   れ且つ該タービン表面が該ピストンのたいおうす
   る端部の周りに形成されている特許請求の範囲第
   ４項記載の装置。 ６ 該ポートが、接線方向の流体の流れを提供す
   るため該シリンダーの表面に対して斜めに形成さ
   れている特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７ 共働するシリンダー内で往復動するデイスプ
   レサーピストンおよび動力ピストンを有するフリ
   ーピストンスターリングエンジンにおける潤滑を
   助ける構造体において、 少なくとも該ピストンの第１ピストンの周りに
   形成された配置された複数のタービン表面と、 該ピストン上に平均トルクを加えるため該表面
   上に作動ガスの流れを導くように位置づけされ且
   つ形成された、少なくとも１つの該シリンダーの
   壁の、少なくとも１つの作動ガスポートとを具備
   し、 該第１ピストンに旋回を生ぜしめるため該第一
   ピストン上に平均旋回トルクをくわえてタービン
   効果を生ぜしめ、且つ流体力学的潤滑のため該ピ
   ストンの周りにガスを装入することを特徴とする
   構造体。 ８ 該ポートを流れる作動ガスの定方向流動中、
   該タービン表面を占める位置にタービン効果を提
   供するため、該ポートが該壁の長手方向に沿つて
   位置づけされている特許請求の範囲第７項記載の
   潤滑構造体。 ９ 該タービン表面が双方の該ピストンの周りに
   形成され、該ピストンの各々のタービン表面が、
   双方の該ピストンの旋回のため、該ピストンに関
   連したシリンダー内で作動ガスポートと同じよう
   に共働する特許請求の範囲第７項記載の潤滑構造
   体。 １０ 該機関がシリンダーを有する形式の機関で
   あり、該シリンダー内で該デイスプレーサピスト
   ンおよび該動力ピストンが共に往復動し、該ター
   ビン表面が該ピストンの端部の周りに形成され、
   且つ同方向へ方向づけられ、また該ポートが、該
   ピストンに対抗するトルクを加えるため該ピスト
   ンの行程終端近くで該ピストンへ連絡している作
   動ガスポートである特許請求の範囲第９項記載の
   潤滑構造体。 １１ 該タービン表面が、該デイスプレーサピス
   トンの両端に形成され、圧縮空間ポートも膨張空
   間ポートも共に、該デイスプレーサピストンへ同
   一方向にトルクを加えるため、デイスプレーサピ
   ストンのそれぞれの端部の該タービン表面上に作
   動ガスの流れを導く特許請求の範囲第８項記載の
   構造体。 １２ 該タービン表面が、該ピストンの隣接する
   円周面に対して斜めに、該ピストン壁に形成され
   たスロツト壁を具備する特許請求の範囲第７項記
   載の潤滑構造体。