WO2019225640A1 - スターリングエンジン - Google Patents

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WO2019225640A1
WO2019225640A1 PCT/JP2019/020249 JP2019020249W WO2019225640A1 WO 2019225640 A1 WO2019225640 A1 WO 2019225640A1 JP 2019020249 W JP2019020249 W JP 2019020249W WO 2019225640 A1 WO2019225640 A1 WO 2019225640A1
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WO
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communication hole
lubricating oil
crankcase
piston
power piston
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Inventor
真人 北崎
小林　将
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Yanmar Co Ltd
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Yanmar Co Ltd
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details

Definitions

  • the present invention relates to a Stirling engine.
  • Patent Document 1 discloses a configuration in which a crankshaft connected to a displacer piston and a power piston is sealed in a crankcase in a Stirling engine in which a displacer piston and a power piston are housed in the same cylinder, and lubricating oil is stored in the crankcase. . Furthermore, a configuration is disclosed in which lubricating oil is circulated by providing an oil supply valve and an oil return valve that are opened and closed by utilizing pressure fluctuations in the crankcase caused by reciprocation of the power piston.
  • a normal (internal combustion type) engine detects the amount of oil (presence / absence) of lubricating oil during operation by turning on / off a hydraulic switch.
  • the Stirling engine has an inert gas hermetically sealed as a working gas, so the crankcase has an internal pressure higher than that of a normal engine. Have difficulty. In a situation where the Stirling engine is operated by waste heat after being installed in a flue of an incinerator, it is always in an operating state during a period of receiving the supply of waste heat, and therefore it is essential to detect the amount of lubricating oil during operation.
  • Patent Document 1 does not disclose any configuration for confirming the amount of lubricating oil in the crankcase when the engine is operating.
  • an object of the present invention is to provide a Stirling engine capable of accurately confirming the amount of lubricating oil in the crankcase during engine operation.
  • a Stirling engine of the present invention includes a reciprocating displacer piston and a power piston, A crankshaft connected to the displacer piston and the power piston; A connecting member that connects the displacer piston or the power piston and the crankshaft; A crankcase that supports the crankshaft and has a lubricating oil reservoir that stores lubricating oil; An inner cylinder that is at an inner surface of the crankcase and is erected in the lubricating oil reservoir, and that houses at least a part of the connecting member when the displacer piston or the power piston is located at a bottom dead center; Formed on the side surface of the inner cylinder, and at least one side hole communicating between the inside and the outside of the inner cylinder; A first communication hole formed on an inner surface of the crankcase surrounded by the inner cylinder and communicating between the inside and the outside of the crankcase; A second communication hole formed on the inner surface of the crankcase at a position away from the lubricating oil reservoir and communicating between the inside and the outside of the crankcase; A lubricating
  • an opening area of the first communication hole is larger than a total opening area of the side holes.
  • the Stirling engine of the present invention extends from the inner surface of the crankcase closer to the lubricating oil reservoir than the second communication hole to a position facing and spaced from the second communication hole, and covers the second communication hole. It is preferable to further include a two-hole cover.
  • the Stirling engine of the present invention includes a reciprocating displacer piston and a power piston, A crankshaft connected to the displacer piston and the power piston; A connecting member that connects the displacer piston or the power piston and the crankshaft; A crankcase that supports the crankshaft and has a lubricating oil reservoir that stores lubricating oil; A barrel erected on the lubricating oil reservoir at the inner surface of the crankcase; A plunger provided inside the barrel and pressed by the connecting member when the displacer piston or the power piston moves to a bottom dead center; At least one side hole formed on a side surface of the barrel and communicating between the inside and the outside of the barrel; A first communication hole formed on an inner surface of the crankcase surrounded by the barrel and communicating between the inside and the outside of the crankcase; A second communication hole formed on the inner surface of the crankcase at a position away from the lubricating oil reservoir, and communicating between the inside and the outside of the crankcase; A lubricating oil path connecting the first communication hole and the second communication
  • the lubricating oil in the section in which the displacer piston or the power piston moves to the bottom dead center, the lubricating oil can be flowed toward the oil amount meter through the first communication hole, while the displacer piston or the power piston is top dead.
  • the check valve can prevent the lubricating oil from flowing back through the lubricating oil path, so that the amount of lubricating oil in the crankcase during engine operation can be accurately confirmed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a side cross-section of the Stirling engine 1
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a front cross-section of the Stirling engine 1.
  • FIG. 3 is an enlarged schematic view showing a part of the Stirling engine 1 of FIG.
  • the ⁇ -type Stirling engine 1 will be described as an example.
  • a Stirling engine 1 includes a displacer piston 3 and a power piston 4 that are reciprocally housed in a cylinder 2 in which a working gas such as air, helium gas, or hydrogen is sealed. ing.
  • the cylinder 2 has a configuration in which one end is opened and the other end is closed.
  • a displacer piston 3 is arranged on the closed end side, and a power piston 4 is arranged on the open end side.
  • an expansion space 5 is formed between the closed end and the displacer piston 3
  • a compression space 6 is formed between the displacer piston 3 and the power piston 4.
  • the expansion space 5 and the compression space 6 in the cylinder 2 are collectively referred to as a working space.
  • the Stirling engine 1 is provided with a heat exchanger 7 that raises and lowers the temperature of the working gas in the working space in the cylinder 2.
  • the heat exchanger 7 includes a heater 8 that communicates with the expansion space 5 and heats the working gas by heat input from outside, a cooler 9 that communicates with the compression space 6 and cools the working gas by heat radiation to the outside, and a heater 8 and a regenerator 10 that connects the cooler 9 to each other.
  • the heater 8 has one end communicating with the expansion space 5 and the other end communicating with one end of the regenerator 10.
  • the heater 8 heats the working gas passing through the inside by receiving heat of exhaust gas generated in an incinerator or the like. Although only two tubular heaters 8 are shown in FIGS. 1 and 2, a large number (three or more) of heaters 8 are actually provided.
  • the other end of the regenerator 10 communicates with the cooler 9. Further, the cooler 9 communicates with the compression space 6. Cooling water flows in the cooler 9 so as to exchange heat with the working gas, and the working gas is cooled by this heat exchange.
  • the regenerator 10 and the cooler 9 are arranged on the outer periphery of the cylinder 2.
  • the regenerator 10 is composed of, for example, a laminate of metal fibers or a wire mesh, an array of working gas flow paths arranged in a honeycomb shape, or an envelope of cotton-like metal fibers. Functions as a regenerative heat exchanger. That is, the regenerator 10 stores the heat of the working gas when the high-temperature working gas flows from the heater 8 to the cooler 9, while stores the heat when the low-temperature working gas flows from the cooler 9 to the heater 8. Heat is released to the working gas.
  • the Stirling engine 1 includes an output take-out device 11 that converts the reciprocating motion of the power piston 4 into rotational motion and outputs rotational power on the opening end side of the cylinder 2.
  • the output take-out device 11 supports a crankshaft 12 connected to the displacer piston 3 and the power piston 4 in a crankcase 13.
  • One end side of the crankshaft 12 serves as an output shaft, and is connected to the input shaft 16 of the generator 15 via the flywheel 14 in the crankcase 13.
  • a buffer space 17 is formed by the space 17 a on the opening end side of the power piston 4 in the cylinder 2 and the space 17 b in the crankcase 13.
  • the displacer piston 3 and the power piston 4 reciprocate in the cylinder 2 with a predetermined phase difference by being connected to the crankshaft 12 of the output take-out device 11.
  • the phase difference in the reciprocating operation of the displacer piston 3 and the power piston 4 is 90 °.
  • the output take-out device 11 includes a plate 51c fixed to a crankshaft guide groove (through groove) 51a of a displacer piston yoke 51 that reciprocates according to the displacer piston 3, and a power piston yoke that reciprocates according to the power piston 4 (
  • the crank pins 54 to 56 of the crankshaft 12 are fitted to the plates 52c and 53c fixed to the crankshaft guide grooves (through grooves) 52a and 53a of the reciprocating motion portions 52 and 53 via bearings 57 to 59, respectively.
  • the scotch-yoke mechanism The scotch-yoke mechanism.
  • the displacer piston yoke 51 is provided with a crankshaft guide groove 51 a that is long in a direction (lateral direction) intersecting with the axial directions of the crankshaft 12 and the displacer piston 3 at the center portion thereof. Yes.
  • Reciprocating guide holes (through holes) 51b are formed in both sides of the displacer piston yoke 51 across the crankshaft guide groove 51a in a direction along the axial direction of the displacer piston 3 (vertical direction).
  • a guide shaft 60 fixed to the crankcase 13 is inserted into the reciprocating guide hole 51 b of the displacer piston yoke 51 via a linear motion bearing 63 such as a rotor rib bushing.
  • the displacer piston yoke 51 is connected at one end to the other end of the rod 66 connected to the displacer piston 3, and reciprocates in the same direction (vertical direction) as the displacer piston 3 in accordance with the reciprocating motion of the displacer piston 3.
  • the power piston yoke 52 is provided with a crankshaft guide groove 52a that is long in the lateral direction at the center thereof, and reciprocating guide holes (on both sides of the crankshaft guide groove 52a).
  • a through-hole) 52b is formed in the vertical direction.
  • a guide shaft 61 fixed to the crankcase 13 is inserted into the reciprocating guide hole 52 b of the power piston yoke 52 via a linear bearing 64.
  • the power piston yoke 52 is connected at one end to the other end of the bridge 67 connected to the power piston 4, and reciprocates in the vertical direction in accordance with the reciprocation of the power piston 4. Since the power piston yoke 53 has the same shape as the power piston yoke 52, a detailed description thereof is omitted.
  • through holes 4a and 67a are provided at the center of the power piston 4 and the bridge 67 in the direction (vertical direction) along the axial direction of the power piston 4, and the displacer piston 3 and A connected rod 66 is penetrated.
  • the rod 66 is movable relative to the power piston 4 and the bridge 67, and a dynamic seal mechanism (not shown) such as a mechanical seal is formed at the insertion portion of the rod 66 in the power piston 4.
  • the crankshaft 12 includes a crank pin 54 connected via a rod 66 and a displacer piston yoke 51 between a crank pin 55 and 56 connected via a bridge 67 and power piston yokes 52 and 53.
  • the crankpin 54 is attached to the crankpins 55 and 56 having the same phase with a predetermined phase difference (for example, 90 °).
  • a bridge insertion hole 68 into which the bridge 67 is inserted is provided at a portion of the crankcase 13 that is connected to the cylinder 2.
  • the bridge insertion hole 68 of the crankcase 13 is formed at a connecting portion between the cylinder 2 and the crankcase 13, and the bridge 67 is configured such that the cylinder 2 side portion of the bridge 67 is inserted into and removed from the bridge insertion hole 68. Reciprocates according to the power piston 4. In order to reduce the fluctuation of the internal pressure due to the volume change accompanying the reciprocation of the power piston 4 in the buffer space 17a on the opening end side of the power piston 4 in the cylinder 2, the buffer space 17a in the cylinder 2 and the crankcase 13 A communication port 17d is provided between the buffer space 17b.
  • the displacer piston 3 reciprocates with the rotational power of the crankshaft 12, and the working gas moves back and forth between the expansion space 5 and the compression space 6 to change the internal pressure of the working space. Due to this pressure change, the power piston 4 reciprocates and the reciprocating power is transmitted to the power piston yokes 52 and 53 via the bridge 67. Thereby, the power piston yokes 52 and 53 reciprocate in the vertical direction along the guide shafts 61 and 62, respectively. Then, the reciprocating motion of the power piston yokes 52 and 53 causes the crankshaft 12 to reciprocate in the lateral direction while rotating the crankpins 55 and 56 respectively in the crankshaft guide grooves 52a and 53a.
  • the output take-out device 11 that receives the reciprocating power of the power piston 4 converts it into rotational power by the Scotch-yoke mechanism and outputs it from the crankshaft 12, and rotates the generator 15 via the flywheel 14 and the input shaft 16.
  • the crankcase 13 includes a lubricating oil reservoir 13a that stores lubricating oil to be supplied to the sliding portion of the output take-out device 11.
  • the lubricating oil reservoir 13 a is determined by the installation posture of the Stirling engine 1 and corresponds to the lower part in the vertical direction in the crankcase 13.
  • An inner cylinder 131 is erected on the inner surface of the crankcase 13 and in the lubricating oil reservoir 13a. As shown in FIG. 1, the inner cylinder 131 extends in a direction (vertical direction) along the axial direction of the displacer piston 3.
  • the inner cylinder 131 is configured to accommodate at least a part of the displacer piston yoke 51 or the power piston yokes 52 and 53 when the displacer piston 3 or the power piston 4 is located at the bottom dead center. That is, the displacer piston yoke 51 or the power piston yokes 52 and 53 correspond to the connecting member of the present invention.
  • the inner cylinder 131 is disposed so as to accommodate a part of the displacer piston yoke 51.
  • a side surface 131 a of the inner cylinder 131 is disposed between the displacer piston yoke 51 and the power piston yokes 52 and 53.
  • the side surface 131a of the inner cylinder 131 is formed with at least one side hole 132 that communicates the inside and outside of the inner cylinder 131.
  • the side hole 132 functions as a suction hole for sucking lubricating oil into the inner cylinder 131.
  • a first communication hole 133 that communicates the inside and outside of the crankcase 13 is formed on the inner surface of the crankcase 13 surrounded by the inner cylinder 131.
  • the first communication hole 133 functions as a discharge hole for discharging the lubricating oil to the outside of the crankcase 13.
  • the opening area of the first communication hole 133 is preferably larger than the total opening area of the side holes 132. If the opening area of the first communication hole 133 is smaller than the total opening area of the side holes 132, the displacer piston yoke 51 moves in a direction approaching the first communication hole 133, and the pressure of the lubricating oil in the inner cylinder 131 increases. In this case, the lubricating oil is likely to be discharged out of the crankcase 13 from the side hole 132 instead of the first communication hole 133.
  • a second communication hole 134 that communicates the inside and outside of the crankcase 13 is formed at a position on the inner surface of the crankcase 13 and away from the lubricating oil reservoir 13a. That is, the second communication hole 134 is provided at a position higher in the vertical direction than the oil level of the lubricating oil in the crankcase 13.
  • the second communication hole 134 functions as a return hole for returning the lubricating oil discharged from the first communication hole 133 to the crankcase 13.
  • the first communication hole 133 and the second communication hole 134 are connected by a lubricating oil path 135 provided outside the crankcase 13.
  • the lubricating oil discharged from the first communication hole 133 flows to the second communication hole 134 through the lubricating oil path 135.
  • the lubricating oil path 135 is provided with a check valve 136 having a forward direction from the first communication hole 133 toward the second communication hole 134. By providing the check valve 136, it is possible to prevent the lubricating oil in the lubricating oil path 135 from flowing back to the first communication hole 133 side.
  • an oil meter 137 is provided on the second communication hole 134 side of the check valve 136.
  • the oil meter 137 can measure the flow rate of the lubricating oil flowing through the lubricating oil path 135. Thereby, the presence or absence of the lubricating oil in the crankcase 13 circulating through the lubricating oil path 135 can be confirmed.
  • a turbine flow meter can be used as the oil amount meter 137.
  • the oil meter 137 may output a signal depending on the presence or absence of lubricating oil.
  • the Stirling engine 1 extends from the inner surface of the crankcase 13 closer to the lubricating oil reservoir 13a than the second communication hole 134 to a position facing away from the second communication hole 134 and covers the second communication hole 134. It is preferable to further include a double communication hole cover 134a. Accordingly, it is possible to prevent the lubricating oil stirred in the crankcase 13 during driving of the engine from entering the second communication hole 134 and flowing back through the lubricating oil path 135. The presence or absence of lubricating oil can be accurately confirmed.
  • FIG. 4 is an enlarged schematic view showing a part of the Stirling engine 1 according to the second embodiment.
  • This Stirling engine 1 is provided inside the barrel 138 on the inner surface of the crankcase 13 and standing in the lubricating oil reservoir 13a, and the displacer piston 3 or the power piston 4 moves to the bottom dead center.
  • a plunger 139 that is sometimes pressed by the displacer piston yoke 51 or the power piston yokes 52 and 53, at least one side hole 140 that is formed on the side surface of the barrel 138 and communicates with the inside and outside of the barrel 138, and is surrounded by the barrel 138
  • a first communication hole 133 is formed on the inner surface of the crankcase 13 and communicates with the inside and outside of the crankcase 13.
  • the Stirling engine 1 includes a second communication hole 134, a lubricating oil path 135, a check valve 136, and an oil meter 137, as in the first embodiment.
  • the second embodiment as in the first embodiment, the presence or absence of lubricating oil in the crankcase 13 circulating through the lubricating oil path 135 can be confirmed.
  • a return spring 141 that urges the plunger 139 in a direction away from the first communication hole 133 is provided in the barrel 138.
  • the Stirling engine 1 is disposed so that the displacer piston yoke 51 and the power piston yokes 52 and 53 reciprocate in the vertical direction, and the output extraction device 11 is provided below the cylinder 2.
  • the Stirling engine 1 is arranged so that the displacer piston yoke 51 and the power piston yokes 52 and 53 reciprocate in the horizontal direction, and the output take-out device 11 is disposed on the side of the cylinder 2. You may make it provide.
  • the ⁇ -type Stirling engine 1 has been described.
  • other types of Stirling engines such as ⁇ -type and ⁇ -type may be used.

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Abstract

スターリングエンジン１は、ディスプレーサピストン３とクランク軸１２とを連結するディスプレーサピストンヨーク５１と、潤滑油貯留部１３ａを有するクランクケース１３と、潤滑油貯留部１３ａに立設され、ディスプレーサピストン３が下死点に位置するときに、ディスプレーサピストンヨーク５１の少なくとも一部を収容する内筒１３１と、内筒１３１の側面１３１ａに形成される側面孔１３２と、内筒１３１に囲まれたクランクケース１３の内面に形成される第１連通孔１３３と、クランクケース１３の内面であって潤滑油貯留部１３ａから離れた位置に形成される第２連通孔１３４と、第１連通孔１３３と第２連通孔１３４を接続する潤滑油経路１３５と、潤滑油経路１３５に設けられる逆止弁１３６及び油量計１３７と、を備える。

Description

スターリングエンジン
　本発明は、スターリングエンジンに関する。
　下記特許文献１は、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを同一シリンダに収めるスターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストン及びパワーピストンと連結されるクランク軸をクランクケースに密閉し、クランクケース内に潤滑油を溜める構成を開示する。さらに、パワーピストンの往復動によるクランクケース内の圧力変動を利用して開閉する給油弁と油戻し弁を設けて潤滑油を循環させる構成を開示する。
　ところで、通常（内燃式）のエンジンは、運転中の潤滑油の油量（有無）を油圧スイッチのオン・オフで検知する。一方、スターリングエンジンは、作動ガスとして不活性ガスを密閉している関係上、クランクケースの内圧が通常のエンジンより高く、このような静圧が高い状態では油圧スイッチによる潤滑油の油量検知が困難である。そして、焼却炉の煙道に据え付けて廃熱によってスターリングエンジンを運転する状況では、廃熱の供給を受ける期間、常に運転状態となるため、運転中における潤滑油の油量検知が必須である。
　しかし、特許文献１は、エンジン作動時のクランクケース内の潤滑油の油量を確認する構成を一切開示していない。
特開昭６３－２０３９６８号公報
　そこで、本発明は上記課題に鑑み、エンジン作動時のクランクケース内の潤滑油の油量を精度よく確認することができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。
　本発明のスターリングエンジンは、往復動するディスプレーサピストン及びパワーピストンと、
　前記ディスプレーサピストン及びパワーピストンと連結されるクランク軸と、
　前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンと前記クランク軸とを連結する連結部材と、
　前記クランク軸を軸支するとともに、潤滑油を貯留する潤滑油貯留部を有するクランクケースと、
　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部に立設され、前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンが下死点に位置するときに、前記連結部材の少なくとも一部を収容する内筒と、
　前記内筒の側面に形成され、前記内筒の内外を連通する少なくとも一つの側面孔と、
　前記内筒に囲まれた前記クランクケースの内面に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第１連通孔と、
　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部から離れた位置に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第２連通孔と、
　前記第１連通孔と前記第２連通孔を前記クランクケースの外で接続する潤滑油経路と、
　前記潤滑油経路に設けられ、前記第１連通孔から前記第２連通孔に向かう方向を順方向とする逆止弁と、
　前記潤滑油経路であって前記逆止弁よりも前記第２連通孔側に設けられた油量計と、を備えるものである。
　本発明のスターリングエンジンにおいて、前記第１連通孔の開口面積は、前記側面孔の総開口面積よりも大きいことが好ましい。
　本発明のスターリングエンジンは、前記第２連通孔よりも前記潤滑油貯留部側の前記クランクケースの内面から前記第２連通孔から離間して対向する位置まで延び、前記第２連通孔を覆う第２連通孔カバーをさらに備えることが好ましい。
　また、本発明のスターリングエンジンは、往復動するディスプレーサピストン及びパワーピストンと、
　前記ディスプレーサピストン及びパワーピストンと連結されるクランク軸と、
　前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンと前記クランク軸とを連結する連結部材と、
　前記クランク軸を軸支するとともに、潤滑油を貯留する潤滑油貯留部を有するクランクケースと、
　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部に立設されるバレルと、
　前記バレルの内部に設けられ、前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンが下死点に移動するときに前記連結部材によって押圧されるプランジャと、
　前記バレルの側面に形成され、前記バレルの内外を連通する少なくとも一つの側面孔と、
　前記バレルに囲まれた前記クランクケースの内面に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第１連通孔と、
　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部から離れた位置に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第２連通孔と、
　前記第１連通孔と前記第２連通孔を前記クランクケースの外で接続する潤滑油経路と、
　前記潤滑油経路に設けられ、前記第１連通孔から前記第２連通孔に向かう方向を順方向とする逆止弁と、
　前記潤滑油経路であって前記逆止弁よりも前記第２連通孔側に設けられた油量計と、を備えるものでもよい。
　本発明によれば、ディスプレーサピストン又はパワーピストンが下死点まで移動する区間では、第１連通孔を通じて潤滑油を油量計に向かって流すことができ、一方、ディスプレーサピストン又はパワーピストンが上死点まで移動する区間では、逆止弁によって潤滑油が潤滑油経路を逆流することを防止できるため、エンジン作動時のクランクケース内の潤滑油の油量を精度よく確認することができる。
第１実施形態に係るスターリングエンジンの側面断面を示す概略図ある。 図１のスターリングエンジンの正面断面を示す概略図である。 図１のスターリングエンジンの一部を拡大して示す模式図である。 第２実施形態に係るスターリングエンジンの一部を拡大して示す模式図である。 他の実施形態に係るスターリングエンジンの正面断面を示す概略図である。
　以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、スターリングエンジン１の側面断面を示す概略図であり、図２は、スターリングエンジン１の正面断面を示す概略図である。また、図３は、図１のスターリングエンジン１の一部を拡大して示す模式図である。なお、以下では、β型のスターリングエンジン１を例に挙げて説明する。
　図１及び図２に示すように、スターリングエンジン１は、空気、ヘリウムガス、水素等の作動ガスが封入されたシリンダ２の内部に、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４がそれぞれ往復動可能に収容されている。
　シリンダ２は、一端を開口する一方で他端を閉塞した構成で有り、閉塞端部側にディスプレーサピストン３を配置する一方、開口端部側にパワーピストン４を配置している。シリンダ２内には、閉塞端部とディスプレーサピストン３との間に膨張空間５が形成され、ディスプレーサピストン３とパワーピストン４との間に圧縮空間６が形成されている。なお、シリンダ２内の膨張空間５と圧縮空間６とを合わせて、作動空間と呼ぶ。
　スターリングエンジン１は、シリンダ２内の作動空間における作動ガスの温度を昇降させる熱交換器７が配設されている。熱交換器７は、膨張空間５と連通して外部からの入熱により作動ガスを加熱するヒータ８と、圧縮空間６と連通して外部への放熱により作動ガスを冷却するクーラ９と、ヒータ８とクーラ９とを連結する再生器１０とを備えている。ディスプレーサピストン３がシリンダ２の開口端部側に向けて移動すると、ヒータ８で加熱された作動ガスが膨張空間５に流入することで、作動ガスの温度が上昇する。一方、ディスプレーサピストン３がシリンダ２の閉塞端部側に向けて移動すると、クーラ９で冷却された作動ガスが圧縮空間６に流入することで、作動ガスの温度が低下する。従って、熱交換器７とシリンダ２内の作動空間との間で作動ガスが順逆に流れることで、シリンダ２の作動空間における内圧が変化し、パワーピストン４の往復動を促す。
　ヒータ８は、一端部が膨張空間５に連通し、他端部が再生器１０の一端部に連通している。ヒータ８は、焼却炉等で発生する排ガスの熱を受けることで、内部を通過する作動ガスを加熱する。図１及び図２では、管状のヒータ８を２個のみ示しているが、実際には多数（３個以上）のヒータ８が設けられている。
　再生器１０の他端部はクーラ９に連通している。また、クーラ９は圧縮空間６に連通している。クーラ９内には作動ガスと熱交換可能に冷却水が流れており、この熱交換によって作動ガスを冷却する。
　再生器１０及びクーラ９は、シリンダ２の外周部に配置されている。再生器１０は、例えば、金属繊維や金網を積層させたものや、作動ガスの流路をハニカム形状などで配列させたものや、綿状金属繊維を内包させたものなどで構成されており、蓄熱式熱交換器として機能する。すなわち、再生器１０は、ヒータ８からクーラ９に高温の作動ガスが流れる際には、作動ガスの熱を蓄熱する一方で、クーラ９からヒータ８に低温の作動ガスが流れる際には、蓄熱した熱を作動ガスに放熱する。
　スターリングエンジン１は、シリンダ２の開口端部側に、パワーピストン４の往復動作を回転動作に変換して回転動力を出力する出力取り出し装置１１を備える。出力取り出し装置１１は、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４それぞれと連結したクランク軸１２をクランクケース１３内に軸支させている。そして、クランク軸１２の一端側が出力軸となり、クランクケース１３内で、フライホイール１４を介して発電機１５の入力軸１６と連結されている。また、シリンダ２内におけるパワーピストン４より開口端部側の空間１７ａと、クランクケース１３内の空間１７ｂとにより、バッファ空間１７を形成している。
　ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４は、出力取り出し装置１１のクランク軸１２と接続することで、シリンダ２内を互いに所定の位相差で往復動する。なお、本実施形態では、ディスプレーサピストン３及びパワーピストン４の往復動作における位相差を９０°としている。
　出力取り出し装置１１は、ディスプレーサピストン３に合わせて往復動するディスプレーサピストンヨーク５１のクランク軸案内溝（貫通溝）５１ａに固定されたプレート５１ｃと、パワーピストン４に合わせて往復動するパワーピストンヨーク（往復動部）５２，５３のクランク軸案内溝（貫通溝）５２ａ，５３ａに固定されたプレート５２ｃ，５３ｃのそれぞれに、軸受５７～５９を介してクランク軸１２のクランクピン５４～５６が嵌合わされたスコッチ・ヨーク機構で構成されている。
　図２に示すように、ディスプレーサピストンヨーク５１は、その中央部分に、クランク軸１２及びディスプレーサピストン３それぞれの軸方向に対して交差する方向（横方向）に長いクランク軸案内溝５１ａが設けられている。ディスプレーサピストンヨーク５１におけるクランク軸案内溝５１ａを挟んだ両側部には、ディスプレーサピストン３の軸方向に沿う方向（縦方向）に、往復動案内穴（貫通穴）５１ｂが穿設されている。そして、ディスプレーサピストンヨーク５１の往復動案内穴５１ｂには、ロータリブッシングなどの直動軸受６３を介して、クランクケース１３に固定されたガイド軸６０が挿入されている。ディスプレーサピストンヨーク５１は、一端がディスプレーサピストン３と連結したロッド６６の他端と連結しており、ディスプレーサピストン３の往復動に合わせて、ディスプレーサピストン３と同一方向（縦方向）で往復動する。
　図２に示すように、パワーピストンヨーク５２は、その中央部分に、横方向に長いクランク軸案内溝５２ａが設けられており、クランク軸案内溝５２ａを挟んだ両側部に、往復動案内穴（貫通穴）５２ｂが縦方向に穿設されている。そして、パワーピストンヨーク５２の往復動案内穴５２ｂには、直動軸受６４を介して、クランクケース１３に固定されたガイド軸６１が挿入されている。パワーピストンヨーク５２は、一端がパワーピストン４と連結したブリッジ６７の他端と連結しており、パワーピストン４の往復動に合わせて縦方向で往復動する。パワーピストンヨーク５３は、パワーピストンヨーク５２と同様の形状をしているため、詳細な説明は省略する。
　図１及び図２に示すように、パワーピストン４及びブリッジ６７の中心には、パワーピストン４の軸方向に沿う方向（縦方向）に貫通穴４ａ，６７ａが設けられており、ディスプレーサピストン３と連結したロッド６６が貫装されている。ロッド６６は、パワーピストン４及びブリッジ６７と相対的に移動可能であるとともに、パワーピストン４におけるロッド６６の挿入部分にメカニカルシールなどによる動的シール機構（図示省略）が構成されている。
　図１に示すように、クランク軸１２は、ブリッジ６７とパワーピストンヨーク５２，５３を介して連結したクランクピン５５，５６の間に、ロッド６６とディスプレーサピストンヨーク５１を介して連結したクランクピン５４を設けており、同位相のクランクピン５５，５６に対して所定の位相差（例えば、９０°）でクランクピン５４が取り付けられている。クランクケース１３におけるシリンダ２との連結部分には、ブリッジ６７が嵌挿されるブリッジ挿入穴６８が設けられている。クランクケース１３のブリッジ挿入穴６８は、シリンダ２とクランクケース１３との連結部分に構成されており、ブリッジ６７のシリンダ２側部分がブリッジ挿入穴６８に対して挿脱するようにして、ブリッジ６７がパワーピストン４に合わせて往復動する。シリンダ２内におけるパワーピストン４より開口端部側のバッファ空間１７ａにおける、パワーピストン４の往復動に伴う容積変化による内圧の変動を低減する為に、シリンダ２内のバッファ空間１７ａとクランクケース１３内のバッファ空間１７ｂとの間に連通口１７ｄを設けている。
　ディスプレーサピストン３は、クランク軸１２の回転動力で往復動し、作動ガスが膨張空間５と圧縮空間６の間を行き来して、作動空間の内圧が変化する。この圧力変化によりパワーピストン４が往復動し、その往復動力がブリッジ６７を介してパワーピストンヨーク５２，５３に伝達される。これにより、パワーピストンヨーク５２，５３がそれぞれ、ガイド軸６１，６２のそれぞれに沿って縦方向に往復動する。そして、パワーピストンヨーク５２，５３それぞれの往復動により、クランク軸案内溝５２ａ，５３ａそれぞれをクランクピン５５，５６それぞれが回転しながら横方向に往復することで、クランク軸１２が回転する。従って、パワーピストン４の往復動力を受けた出力取り出し装置１１は、スコッチ・ヨーク機構により回転動力に変換してクランク軸１２より出力し、フライホイール１４及び入力軸１６を介して発電機１５を回転させる。
　クランクケース１３は、出力取り出し装置１１における摺動部分に供給するための潤滑油を貯留する潤滑油貯留部１３ａを備える。潤滑油貯留部１３ａは、スターリングエンジン１の設置姿勢によって決定され、クランクケース１３内の鉛直方向下部に相当する。
　クランクケース１３の内面であって潤滑油貯留部１３ａには、内筒１３１が立設されている。内筒１３１は、図１に示すようにディスプレーサピストン３の軸方向に沿う方向（縦方向）に延びている。内筒１３１は、ディスプレーサピストン３又はパワーピストン４が下死点に位置するときに、ディスプレーサピストンヨーク５１又はパワーピストンヨーク５２，５３の少なくとも一部を収容するように構成されている。すなわち、ディスプレーサピストンヨーク５１又はパワーピストンヨーク５２，５３が本発明の連結部材に相当する。本実施形態では、内筒１３１は、ディスプレーサピストンヨーク５１の一部を収容するように配置されている。内筒１３１の側面１３１ａは、ディスプレーサピストンヨーク５１とパワーピストンヨーク５２，５３の間に配置される。
　内筒１３１の側面１３１ａには、内筒１３１の内外を連通する少なくとも一つの側面孔１３２が形成されている。側面孔１３２は、潤滑油を内筒１３１内に吸入する吸入孔として機能する。
　内筒１３１に囲まれたクランクケース１３の内面には、クランクケース１３の内外を連通する第１連通孔１３３が形成されている。第１連通孔１３３は、潤滑油をクランクケース１３の外へ排出する排出孔として機能する。
　ディスプレーサピストン３が下死点まで移動する区間、すなわちディスプレーサピストンヨーク５１が第１連通孔１３３に接近する方向へ移動する区間では、内筒１３１内の潤滑油の圧力が高まり、図３に示すように第１連通孔１３３から潤滑油がクランクケース１３の外へ排出される。一方、ディスプレーサピストン３が上死点まで移動する区間、すなわちディスプレーサピストンヨーク５１が第１連通孔１３３から離隔する方向へ移動する区間では、内筒１３１内の潤滑油の圧力が下がり、内筒１３１内に潤滑油が流入する。このとき、内筒１３１の側面１３１ａに側面孔１３２を設けているため、図３に示すように潤滑油が側面孔１３２から内筒１３１内に流入しやすい。
　第１連通孔１３３の開口面積は、側面孔１３２の総開口面積よりも大きいことが好ましい。第１連通孔１３３の開口面積が側面孔１３２の総開口面積よりも小さいと、ディスプレーサピストンヨーク５１が第１連通孔１３３に接近する方向へ移動し、内筒１３１内の潤滑油の圧力が高まった場合に、第１連通孔１３３ではなく側面孔１３２から潤滑油がクランクケース１３の外へ排出されやすくなる。
　クランクケース１３の内面であって潤滑油貯留部１３ａから離れた位置には、クランクケース１３の内外を連通する第２連通孔１３４が形成されている。すなわち、第２連通孔１３４は、クランクケース１３内の潤滑油の油面よりも鉛直方向で高い位置に設けられている。第２連通孔１３４は、第１連通孔１３３から排出された潤滑油をクランクケース１３に戻す戻し孔として機能する。
　第１連通孔１３３と第２連通孔１３４は、クランクケース１３の外に設けられた潤滑油経路１３５で接続されている。第１連通孔１３３から排出された潤滑油は、潤滑油経路１３５を介して第２連通孔１３４へ流れる。潤滑油経路１３５には、第１連通孔１３３から第２連通孔１３４に向かう方向を順方向とする逆止弁１３６が設けられている。逆止弁１３６を設けることにより、潤滑油経路１３５内の潤滑油が第１連通孔１３３側へ逆流することを防止できる。
　また、潤滑油経路１３５には、逆止弁１３６よりも第２連通孔１３４側に油量計１３７が設けられている。油量計１３７は、潤滑油経路１３５を流れる潤滑油の流量を計測することができる。これにより、潤滑油経路１３５を介して循環するクランクケース１３内の潤滑油の有無を確認することができる。なお、油量計１３７としては、例えばタービン流量計を用いることができる。また、油量計１３７は、潤滑油の有無により信号を出力するようにしてもよい。
　また、スターリングエンジン１は、第２連通孔１３４よりも潤滑油貯留部１３ａ側のクランクケース１３の内面から第２連通孔１３４から離間して対向する位置まで延び、第２連通孔１３４を覆う第２連通孔カバー１３４ａをさらに備えるのが好ましい。これにより、エンジンの駆動中にクランクケース１３内で撹拌された潤滑油が、第２連通孔１３４から侵入して潤滑油経路１３５を逆流することを防止でき、油量計１３７によるクランクケース１３内の潤滑油の有無を正確に確認することができる。
　［第２実施形態］
　図４は、第２実施形態に係るスターリングエンジン１の一部を拡大して示す模式図である。このスターリングエンジン１は、クランクケース１３の内面であって潤滑油貯留部１３ａに立設されるバレル１３８と、バレル１３８の内部に設けられ、ディスプレーサピストン３又はパワーピストン４が下死点に移動するときにディスプレーサピストンヨーク５１又はパワーピストンヨーク５２，５３によって押圧されるプランジャ１３９と、バレル１３８の側面に形成され、バレル１３８の内外を連通する少なくとも一つの側面孔１４０と、バレル１３８に囲まれたクランクケース１３の内面に形成され、クランクケース１３の内外を連通する第１連通孔１３３と、を備えている。また、このスターリングエンジン１は、第１実施形態と同様に、第２連通孔１３４と、潤滑油経路１３５と、逆止弁１３６と、油量計１３７と、を備えている。第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、潤滑油経路１３５を介して循環するクランクケース１３内の潤滑油の有無を確認することができる。なお、バレル１３８内には、プランジャ１３９を第１連通孔１３３から離隔する方向へ付勢するリターンスプリング１４１が設けられている。
　［他の実施形態］
　前述の第１及び第２実施形態では、ディスプレーサピストンヨーク５１及びパワーピストンヨーク５２，５３が鉛直方向に往復動するようにスターリングエンジン１を配置し、シリンダ２の下方に出力取り出し装置１１を設ける例を示したが、図５に示すように、ディスプレーサピストンヨーク５１及びパワーピストンヨーク５２，５３が水平方向に往復動するようにスターリングエンジン１を配置し、シリンダ２の側方に出力取り出し装置１１を設けるようにしてもよい。
　また、前述の第１及び第２実施形態では、β型のスターリングエンジン１に基づいて説明したが、α型やγ型等の他の形式のスターリングエンジンであっても構わない。
　以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
　　　１　　スターリングエンジン
　　　３　　ディスプレーサピストン
　　　４　　パワーピストン
　　１２　　クランク軸
　　１３　　クランクケース
　　１３ａ　潤滑油貯留部
　　５１　　ディスプレーサピストンヨーク
　　５２　　パワーピストンヨーク
　　５３　　パワーピストンヨーク
　１３１　　内筒
　１３１ａ　側面
　１３２　　側面孔
　１３３　　第１連通孔
　１３４　　第２連通孔
　１３４ａ　第２連通孔カバー
　１３５　　潤滑油経路
　１３６　　逆止弁
　１３７　　油量計
　１３８　　バレル
　１３９　　プランジャ
　１４０　　側面孔
 

 

Claims (4)

  1. 　往復動するディスプレーサピストン及びパワーピストンと、
    　前記ディスプレーサピストン及びパワーピストンと連結されるクランク軸と、
    　前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンと前記クランク軸とを連結する連結部材と、
    　前記クランク軸を軸支するとともに、潤滑油を貯留する潤滑油貯留部を有するクランクケースと、
    　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部に立設され、前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンが下死点に位置するときに、前記連結部材の少なくとも一部を収容する内筒と、
    　前記内筒の側面に形成され、前記内筒の内外を連通する少なくとも一つの側面孔と、
    　前記内筒に囲まれた前記クランクケースの内面に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第１連通孔と、
    　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部から離れた位置に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第２連通孔と、
    　前記第１連通孔と前記第２連通孔を前記クランクケースの外で接続する潤滑油経路と、
    　前記潤滑油経路に設けられ、前記第１連通孔から前記第２連通孔に向かう方向を順方向とする逆止弁と、
    　前記潤滑油経路であって前記逆止弁よりも前記第２連通孔側に設けられた油量計と、を備える、スターリングエンジン。
  2. 　前記第１連通孔の開口面積は、前記側面孔の総開口面積よりも大きい、請求項１に記載のスターリングエンジン。
  3. 　前記第２連通孔よりも前記潤滑油貯留部側の前記クランクケースの内面から前記第２連通孔から離間して対向する位置まで延び、前記第２連通孔を覆う第２連通孔カバーをさらに備える、請求項１又は２に記載のスターリングエンジン。
  4. 　往復動するディスプレーサピストン及びパワーピストンと、
    　前記ディスプレーサピストン及びパワーピストンと連結されるクランク軸と、
    　前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンと前記クランク軸とを連結する連結部材と、
    　前記クランク軸を軸支するとともに、潤滑油を貯留する潤滑油貯留部を有するクランクケースと、
    　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部に立設されるバレルと、
    　前記バレルの内部に設けられ、前記ディスプレーサピストン又は前記パワーピストンが下死点に移動するときに前記連結部材によって押圧されるプランジャと、
    　前記バレルの側面に形成され、前記バレルの内外を連通する少なくとも一つの側面孔と、
    　前記バレルに囲まれた前記クランクケースの内面に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第１連通孔と、
    　前記クランクケースの内面であって前記潤滑油貯留部から離れた位置に形成され、前記クランクケースの内外を連通する第２連通孔と、
    　前記第１連通孔と前記第２連通孔を前記クランクケースの外で接続する潤滑油経路と、
    　前記潤滑油経路に設けられ、前記第１連通孔から前記第２連通孔に向かう方向を順方向とする逆止弁と、
    　前記潤滑油経路であって前記逆止弁よりも前記第２連通孔側に設けられた油量計と、を備える、スターリングエンジン。
     

     
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JPS56171614U (ja) * 1980-05-23 1981-12-18
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