JPWO2010067728A1 - ピストンの気体潤滑構造およびスターリングエンジン - Google Patents
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Abstract
Description
なお、異物の侵入を防止するためには、例えば異物を予め除去すればよいとも考えられる。しかしながら、例えばスターリングエンジンの場合、気体潤滑が行われる数十μm程度のシリンダ、ピストン間のクリアランスに侵入する微小な異物を熱交換器から予め完全に除去するのは困難という事情がある。また、仮に異物を除去できたとしても、例えば金網を内蔵する熱交換器からは機関運転中に微小な金属片が剥がれ落ちることがあるために、これには対処できないという事情もある。
低温側シリンダ32の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器45で冷却された作動流体が流入する。
再生器46は、膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器46は具体的には、作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。
作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばHe、H2、N2等の気体を適用することができる。
さらに常温T0下の層60の厚さは、使用条件下で発生する熱膨張があっても、高温側シリンダ22との間に形成されるクリアランスを維持可能な厚さとなっている。具体的には層60の厚さtは、次の式1で示される範囲内で設定されている。
t≦h/{(1+4ν)(αr−αc)ΔT}・・・(式1)
ここで、νはポアソン比、ΔTは常温T0と最高使用温度T1との温度差である。
一方、半径クリアランスに侵入可能な異物の大きさは、基本的に常温T0時の半径クリアランスhより小さな異物に限られ、例外的に層60が高温側シリンダ22に接触した状態を想定して最大で半径クリアランスの大きさの2倍(2h)程度となる。
また、侵入した異物同士が結合して成長する場合でも、異物が半径クリアランスhと層60の厚さtとを足した大きさ(h+t)になるまで、異物の侵入、成長を許容できる。
また、層60は固体潤滑機能を持つ材料であるフッ素系の樹脂で形成されているため、層60そのものに起因して凝着が発生することも防止される。
このように気体潤滑構造1Aおよびスターリングエンジン10Aは、半径クリアランスに異物が侵入し、また成長した場合であっても凝着が発生することを抑制でき、以って異物に対する耐性を大幅に高めることができる。
また、以下、式1の導出方法について詳述する。
t´´=(1+αr×ΔT)×t・・・・(式2)
しかし、実際には周方向と高さ方向の伸びが、膨張ピストン21Aの母材の伸びに制約される。膨張ピストン21Aの母材の伸びtpは次の式3で示される。
tp=(1+αc×ΔT)×t・・・・(式3)
但しαc=αpである。
Δt´={(t´´2−tp2)/tp2}×t´´
=[{(1+αr×ΔT)2−(1+αc×ΔT)2}
/(1+αc×ΔT)2]×t´´・・・・(式4)
t´=t´´+Δt´・・・・(式5)
式5に式2と式4を代入すると式6になる。
t´={(1+αr×ΔT)2/(1+αc×ΔT)2}×t´´
={(1+αr×ΔT)3/(1+αc×ΔT)2}×t・・・・(式6)
ここで、熱膨張後の半径クリアランスh´をゼロ以上とすると、熱膨張後の金属部半径クリアランスH´と厚さt´との関係は次の式7で示される。
H´≧t´・・・・(式7)
また熱膨張後の金属部半径クリアランスH´は次の式8で示される。
H´=(1+αc×ΔT)×H・・・・(式8)
H/t≧(1+αr×ΔT)3/(1+αc×ΔT)3
=[1+(αr−αc)×ΔT/(1+αc×ΔT)]3
≒1+3(αr−αc)×ΔT/(1+αc×ΔT)・・・(式9)
また金属部半径クリアランスHは次の式10で示される。
H=h+t・・・・(式10)
式10を用いて式9を整理すると、次の式11になる。
t≦(1+αc×ΔT)×h/{3(αr−αc)×ΔT}
=h/{3(αr−αc)×ΔT}・・・・(式11)
ここで、式11はポアソン比ν=0.5の場合(例えば水)のものである。このため、固体の場合として式11にポアソン比νを入れると式1を導出できる。
t≦h/{(1+4ν)(αr−αc)ΔT}・・・・(式1)
なお、本実施例では膨張ピストン21Bと高温側シリンダ22とを備えたスターリングエンジン10Bの場合について詳述したが、本発明に係るピストンとシリンダには適宜の素材が適用されてよい。
このためこれに応じて、膨張ピストン21Cは2つの円錐台形の組み合わせを有し、膨張ピストン21Cの上部と下部とを接続する鼓状の補強部材70を内部にさらに備えている。補強部材70は、上の部分が膨張ピストン21Cと一体となっており、下の部分は溶接によって設けられている。補強部材70の肉厚は薄肉となっている。温度低減領域(縮径部21aC)、拡径部21bCおよび補強部材70の形状は膨張ピストン21Cの中心軸線で略対称な形状となっている。
また温度低減領域を縮径部21aCとしたことで、金属が露出した縮径部21aCの熱膨張を許容することができる。すなわち、これにより金属が露出した縮径部21aCで異物の凝着が発生することを防止できる。またこれにより、温度低減領域の軸線に沿った方向の長さを短くし、温度低減領域のサイズを小さくすることができる。
また温度低減領域(縮径部21aC)と拡径部21bCの肉厚を薄肉にしたことで、伝熱Q1を低減することができる。またこれにより、温度低減領域の軸線に沿った方向の長さを短くし、温度低減領域のサイズを小さくすることができる。
また補強部材70を備えたことにより、温度低減領域(縮径部21aC)、拡径部21bCの肉厚を薄肉にしたことに対して剛性を確保することができる。
さらに補強部材70の肉厚を薄肉にしたことで、補強部材70を通じた膨張ピストン21Cの頂面から拡径部21bCへの伝熱Q2を低減することができる。
さらにスターリングエンジン10Cでは、温度低減領域(縮径部21aC)、拡径部21bCおよび補強部材70の形状を膨張ピストン21Cの中心軸線で略対称な形状としたことで、膨張ピストン21Cの熱変形を均一にすることができる。これにより、熱変形による悪影響が気体潤滑に及ぶことも防止できる。
このように気体潤滑構造1Cおよびスターリングエンジン10Cは、気体潤滑構造1Aおよびスターリングエンジン10Aと比較してさらに層60を設けた部分のピストン温度を耐熱温度以下に抑制することなどができる。
例えば実施例3では、膨張ピストン21Cの頂面を残す形でヘッド部を有底円筒状に中空にした上で縮径部21aCを設けたが、例えば図7に示す気体潤滑構造1Dのようにヘッド部を特段中空にすることなく設けられた縮径部21aDも実現可能である。また薄肉化は例えば図8に示す気体潤滑構造1Eのように拡径部21bEの肉厚に対してのみ行われてもよい。
また本発明の気体潤滑構造はスターリングエンジンに好適であるが、必ずしもその適用がスターリングエンジンに限られるものではなく、本発明のスターリングエンジンは車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限られない。
10 スターリングエンジン
20 高温側気筒
21 膨張ピストン
22 高温側シリンダ
30 低温側気筒
45 冷却器
46 再生器
47 加熱器
50 グラスホッパの機構
60 層
70 補強部材
100 排気管
110 コネクティングロッド
111 駆動軸
Claims (8)
- シリンダと、
前記シリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンと、
前記ピストンの外周面に設けられ、前記ピストンの母材よりも線膨張率が高く、且つ柔軟性のある材料で形成される層と、
を備えるピストンの気体潤滑構造。 - 常温下の前記層の厚さは、前記層と前記シリンダとの間に形成されるクリアランスの大きさ以上であることを特徴とする請求項1記載のピストンの気体潤滑構造。
- 常温下の前記層の厚さは、使用条件下で発生する熱膨張があっても、前記層と前記シリンダとの間にクリアランスを形成可能な厚さであることを特徴とする請求項1または2記載のピストンの気体潤滑構造。
- 前記ピストンは、前記層が設けられるとともに、前記シリンダとの間で気体潤滑が行われる拡径部と、前記拡径部の上に設けられる縮径部とを備えた段付きピストンであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のピストンの気体潤滑構造。
- 前記ピストンの肉厚のうち、少なくとも前記拡径部の肉厚が薄肉であることを特徴とする請求項4記載のピストンの気体潤滑構造。
- 前記ピストンは、2つの円錐台形の組み合わせを有し、前記ピストンの上部と下部とを接続する鼓状の補強部材を内部に備えることを特徴とする請求項4または5記載のピストンの気体潤滑構造。
- 請求項1から6いずれか1項記載のピストンの気体潤滑構造と、
前記ピストンに連結されて前記ピストンを支持する近似直線機構と、
を備えるスターリングエンジン。 - 前記ピストンが高温側ピストンである請求項7記載のスターリングエンジン。
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