JPH04311656A - ワットリンクを持つスターリングサイクル機器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スターリングエンジン
、逆スターリングヒートポンプのようなスターリングサ
イクル機器におけるクランク装置の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスターリングサイクル機器におい
ては、シリンダ内を往復動するピストンの駆動下端を案
内しシリンダ中心線上で往復動させるため、ピストンの
下方にクロスヘッドを備えており、このクロスヘッドお
よびクランクケース内の潤滑には液体潤滑油が使用され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のスターリングサ
イクル機器は、クランクケース内で液体潤滑油を使用す
るので、給油ポンプ、オイルセパレータ、バッファ空間
、ロッドのオイルシール機構などを必要とするため、構
造が複雑かつ容積大となり、しかも作動空間内や熱交換
器への油の洩れを完全には防止できないので、ロングラ
ンが極めて困難であった。また、クロスヘッドは側方力
を受け、かつスライダーが全ストローク長さを移動する
ため摩擦損失がかなり大きいという問題点があった。 そこで本発明は、摩擦損失が小さく、クランクケース内
には潤滑油の補給を必要とせず、かつ耐久性があり、し
かもコンパクトなクランクケースを有するスターリング
サイクル機器を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の問題点を
解決するためになされたものである。すなわち、本発明
はクランク室内のメカニズムにおいて、従来問題とされ
てきた摩擦の大きなクロスヘッドのような滑り対偶を全
廃し、従来やはり面倒であった液体潤滑油の補給を不要
とし、その代りに容易に無潤滑軸受を使用することので
きる回転対偶だけでメカニズムを形成しようとするもの
であり、回転対偶のみで構成される簡単な機構としては
、最高に高度な直線近似往復運動が実現できるワットの
リンク機構を用いることを特徴としている。

【０００５】

【作用】ワットのリンク機構とは図５に示すように、Ｚ
形に組み合わせた三本のリンクａ，ｂ，ｃのうちの中央
縦リンクｂの上にＣＥ：ＢＥ＝ＡＢ：ＣＤとなるような
点Ｅを取るとき、点Ｅの小範囲の上下往復運動に対して
極めて高精度な近似直線運動を行う機構である。点Ｅは
この機構の直線運動点と呼ばれる。この直線運動点Ｅに
てピストンを保持しつつ、クランクロッドの小端でピス
トンを上下運動させたとき、クランクロッドから発生す
る側方力はワットクランクに吸収されピストンには伝わ
らない。なお、実際に理論計算を行った結果では、図５
において、いまＡＢ＝ＣＤとしかつＥ点の上下運動範囲
（ピストンのストローク）がほぼＢＣの長さに等しいと
いう条件下で、Ｅ点の厳正直線から外れる最大値（すな
わち最大偏差値）は、ストロークを５０ｍｍとし、ＡＢ
＝ＣＤを７５ｍｍ，１００ｍｍ，２００ｍｍの三通りに
したときに、それぞれ０．０６７ｍｍ，０．０１５ｍｍ
，０．０００１７５ｍｍとなって、いずれの場合も０．
１ｍｍより十分小さい値になり事実上は厳正直線運動を
行うと見なしてよい。

【０００６】

【実施例】二つの実施例によって本発明を説明する。わ
かり易くするため、図１には第一の実施例のパワーピス
トン（以下ＰＰという）の駆動機構だけの側面図を、図
２には第一の実施例のディスプレーサピストン（以下Ｄ
Ｐという）の駆動機構だけの側面図をそれぞれ示す。図
１と図２で共通する部品の符号は同一である。

【０００７】まず図１において、１はシリンダ、２はＤ
Ｐ、３はＰＰであり、ＤＰ，ＰＰは串型に配置されてい
る。４はクランクケース、５は回転軸、６は主クランク
、７はクランクピン、８は主クランクロッドであり、Ｐ
Ｐ３の下方に突き出された腕９と主クランクロッド８の
小端部はピストンピン１０によって結合されている。 本実施例ではクランクケース４に取り付けられた軸方向
の二本の丸棒１１，１２を両端支点とし、水平かん子１
３，１４と縦かん子１５とで構成されるワットリンク１
６が設けられていて、その直線運動点１７にピストンピ
ン１０が一致するよう貫通されており、そのピストンピ
ン１０は極めて精度の高い近似直線に沿って上下運動を
行う。１８はバランスウェイトである。ここで重要なこ
とは、ピストンピン１０、クランクピン７、およびワッ
トリンクを含む全ての回転対偶の個所には、含油焼結合
金やグリース密封型玉軸受などの無給油軸受を使用する
ことである。また、この図１では一組のワットリンクだ
けを示しているが、実際は力のバランス上、図３に示す
ように軸方向に二つに分けて平行に設けるのが通例であ
る。

【０００８】次いで、図２においてはこの第一実施例に
おけるＤＰ２の駆動機構を示す。１９はＤＰ２を下方よ
りＰＰ３を貫通して駆動するための駆動ロッドであり、
その下方にはスコップの把手状の把手部２０が設けられ
ていて、その握り部２１の中央にはＤＰ駆動ピン２２が
取り付けられている。また、丸棒１１，１２にはそれら
を両支点とし、水平かん子２３，２４と縦かん子２５よ
り成る別のワットリンク２６が設けられており、その直
線運動点２７には前記ＤＰ駆動ピン２２とが一致して回
転対偶結合している。

【０００９】ここで、図２のＤＰ駆動機構が図１のＰＰ
駆動機構と違うのは、下部の水平かん子２４に直角に分
岐する分岐枝２８が設けられていて、その水平かん子２
４と分岐枝２８とで逆Ｌ字形レバー２９を形成している
ことであり、そして分岐枝２８の先端にはピン３０が設
けられ、主クランク６のクランクピン７より主クランク
ロッド８に対し約９０度方向に張り出された副クランク
ロッド３１の小端部がピン３０に組み合わされているこ
とである。

【００１０】いま、主クランク６が回転するとき、副ク
ランクロッド３１と逆Ｌ字形レバー２９およびワットリ
ンクの縦かん子２５および駆動ロッド１９を経てＤＰが
上下に動かされる。図１と図２から明らかなように、主
クランク６の位置が同一であってもＤＰ２とＰＰ３の位
置の位相は異なり、両者は約９０度の位相角差をもって
運動する。ここで重要なことは、図２のＤＰ駆動メカニ
ズムにおいても、やはり全てのピンのある回転対偶点に
は無給油軸受が使用されていることである。

【００１１】図３は、図１と図２の第一実施例によるワ
ットリンクの両者を併せたスターリングサイクル機器の
クランク機構の全体の斜めスケッチ図である。図３のよ
うに、Ｚ形のワットリンクは三組設けてあって、両端の
二組がＰＰの上下運動を分担して司り、中央の一組がＤ
Ｐの上下運動を分担して司る。すなわち図３においては
、左右両側に図１に示されたＰＰ用ワットリンク１６と
３２が、中央に図２に示されたＤＰ用ワットリンク２６
が設けられている。

【００１２】なお、二組のワットリンクのうちの一組を
軸方向に二つに分けて同一形状のワットリンク二つをも
ってＰＰもしくはＤＰの運動を担当させることは自由で
あり、また対象となるスターリングサイクル機器として
は、ＤＰとＰＰとが必ずしも同一の軸心を有する円筒内
に配置されているばかりでなく、それぞれの中心線を別
位置とする場合も含むものである。

【００１３】次いで第二の実施例によって本発明を説明
しよう。図４に第二の実施例を軸方向より見た側面図を
略示する。見やすくするため本図ではワットリンクの一
組は太い実線で、他の一組は点線で示してある。３２以
下の符号のものの部品名と作用は第一の実施例と同じで
ある。すなわち、支持棒１１，１２を両端支点とするワ
ットリンク１６の水平かん子１３には、支持点より反対
方向に張り出し棒３３が「く」の字形に取り付けられて
、その先端にはピン３４が取り付けられていて、そこに
クランクピン７よりのクランクロッド３５の小端部が連
結されている。また、本実施例のクランクケース４には
別の二本の支持棒３６，３７が前記支持棒１１，１２と
全く軸対称に設けられるとともに、支持棒３６，３７を
両端支点とし、上下の水平かん子３８，３９と縦かん子
４０をもって構成されるＤＰ用のワットリンク４１が、
ＰＰ用ワットリンク１６とは左右対称的に設けられてい
て、その水平かん子３８はやはり前方に「く」の字形に
張り出された張り出し棒４２が取り付けられ、その先端
のピン４３はクランクピン７より別の副クランクロッド
４４の小端に連結されている。

【００１４】このように構成してあると、クランクロッ
ド３５と４４は常に互いに約９０度前後をなす方向を向
くので、回転軸５の回転によってワットリンク１６と４
１とは約９０度付近の位相角差をもって揺動し、よって
ＰＰとＤＰもその位相角差をもって上下直線往復運動を
なす。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、スターリングサイクル
機器に関し、回転対偶のみから成るワットリンクを変形
多用することで、従来のようにクロスヘッド使用の際潤
滑油を給油したりスプラッシュする必要がなく、しかも
ＰＰの下方を直接クランク室内の空間に面することがで
き、給油が不可欠であった従来のスターリングサイクル
機器に設置されたオイルポンプ、オイルセパレータ、油
上り防止のためのバッファ空間ならびにバッファタンク
などが全く不要となり、その結果としてスターリングサ
イクル機器は従来に比べ、極めてコンパクトでかつシン
プルになり、かつ摩擦損失が大きく軽減され、よって経
済性が急増するなどの特別な効果を奏することができる
。またシリンダ内への油上り現象による熱交換器の汚染
除去などのため従来必要であったメンテナンスが軽減さ
れ、スターリングサイクル機器の耐久性が著しく増大す
るという効果を奏することもできる。またオイルパンが
ないのでエンジンの姿勢も上下横方向が自由にとれるの
でソーラー用に向く。とくにスターリングサイクル機器
で重要なことは、その機械摩擦損失の軽減であるが、ワ
ットリンクの採用はその目的に大いに合致する。すなわ
ち、発明者の実験室におけるスターリングエンジンの実
験の結果、従来のクロスヘッド給油方式やスコットラッ
セルリンク方式などに比べて、本方式の採用により機械
摩擦損失において約２／３以下となり、またエンジンの
重量が７５％以下となるなどの好成績を示している。 また、メンテナンスの点でも飛躍的に秀れていることも
実証済みである。

【００１６】以上のように、ジェームスワットの発見以
来公知のワットリンクを若干変更し、かつそれを複数個
利用することによって、従来からメンテナンスや耐久性
の点で問題があり実用化が遅れている複雑なスターリン
グサイクル機器を簡素化し無給油でメンテナンスレスと
し、同時に高い耐久性を持たせることが出来る。また、
クンクケースにオイルセパレータを必要とした従来型と
比較し十分にコンパクト化が図れる。またエンジンの姿
勢が変化するソーラー用にも十分適する。よって本発明
は、今後の新エネルギ利用時代に注目を浴びるソーラー
用やバイオマス用などの、各種のスターリングエンジン
や逆スターリングヒートポンプのようなスターリングサ
イクル機器の実用化に対し、極めて画期的な貢献をする
ものと認められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例のパワーピストン駆動機構
を示す縦断面図。

【図２】本発明の第一実施例のディスプレーサピストン
駆動機構を示す縦断面図。

【図３】本発明の第一実施例の一部断面斜視図。

【図４】本発明の第二実施例を示す縦断面図。

【図５】ワットのＺ形近似直線リンク機構の説明図。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　　　シリンダ ２　　　　　　　　　　　　ディスプレーサピストン３
　　　　　　　　　　　　パワーピストン４　　　　　
　　　　　　　クランクケース５　　　　　　　　　　
　　クランク軸６　　　　　　　　　　　　主クランク
７　　　　　　　　　　　　クランクピン８，３５　　
　　　　主クランクロッド９　　　　　　　　　　　　
腕（ピストンの）１０　　　　　　　　　　ピストンピ
ン１６，３２　　　　パワーピストン用ワットリンク１
９　　　　　　　　　　ディスプレーサ駆動ロッド２６
，４１　　　　ディスプレーサピストン用ワットリンク
２９　　　　　　　　　　逆Ｌ字形レバー３１，４４　
　　　副クランクロッド

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリンダ内を摺動するピストンから延
   出されたピストンの駆動下端を、ワットのＺ形近似直線
   リンク機構の直線運動点に設けたピンに回動自由に結合
   するとともに、このＺ形近似直線リンク機構を含むクラ
   ンク装置の全てのピン結合部に無給油軸受を使用し、か
   つ、クランク装置全体を密閉クランクケース内に収容し
   たことを特徴とするワットリンクを持つスターリングサ
   イクル機器。
2. 【請求項２】　　ディスプレーサピストンとパワーピス
   トンを串型に上下に配置するスターリングサイクル機器
   において、クランクケース内にディスプレーサピストン
   およびパワーピストンを案内するワットのＺ形近似直線
   リンク機構をそれぞれ設け、それぞれの縦かん子上の直
   線運動点にピンを設けて、一方でパワーピストンの駆動
   下端を、他方ではディスプレーサピストンの駆動下端を
   保持して、シリンダの中心線に沿って高精度の近似直線
   運動をするように構成するとともに、回転軸に設けた一
   個のクランクピンより互いに約９０度前後をなす方向に
   二本のクランクロッドを設け、各クランクロッドの小端
   部をそれぞれのワットリンクの直線運動点または任意の
   かん子上の任意の点、もしくはかん子から任意方向に張
   り出させた側棒上の点に、ピンにより回動自由に取り付
   けたことを特徴とする請求項１記載のワットリンクを持
   つスターリングサイクル機器。