JPH0631569B2 - スタ−リング機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はディスプレーサピストンをフリーピストンとし
たハイブリッド式のスターリング機関に関するものであ
る。

従来のディスプレーサ型スターリング機関はパワーピス
トンとディスプレーサピストンとをリング機関を用いて
連動させるか、又はディスプレーサピストンをオールフ
リーにして系全体の共振を利用するかの何れかであっ
た。前者の場合はリンク機関を内蔵するクランク室構造
そのものが複雑で、大型となると共にコストが高くなる
欠点を有しており、後者の場合は低コストと優れている
ものの共振系の為、両ピストン間の運動位相角差が大き
く取れず、効率が劣ると共にパワーピストンの慣性力が
エンジンの振動に直接関与するのでこれを打消す為に２
シリンダの対向型にするか、あるいはあまり影響を受け
ない極めて小出力の構造にするかの何れかでしか設計で
きないなどの欠点を有していた。

本発明は斯かる点に鑑み、その目的とするところはパワ
ーピストンのバッファー空間変動圧を用いてフリーなデ
ィスプレーサピストンを連動させる所謂リンク方式とフ
リー方式の夫々の長所を取り入れたコンパクトで且つ低
コスト、高効率、低振動の斬新なるスターリング機関を
提供することにある。この目的を達成する為に、本発明
は、作動ガスを封入したシリンダと、このシリンダ内を
前記作動ガスの外部加熱圧力で往復運動し膨張空間、圧
縮空間、バッファー空間を形成するディスプレーサピス
トン及びパワーピストンと、このパワーピストンとリン
ク機構を介して連結されたクランクシャフトとを備えて
なるスターリング機構において、ディスプレーサピスト
ンと、中空部を有するパワーピストンと、クランクシャ
フトとを上下方向に順次配置する一方、前記パワーピス
トンの下にパワーピストンと一体のクロスヘッド部と、
このクロスヘッド部を摺動自在に支持する軸受部とを設
け、前記パワーピストンの中空部内に前記ディスプレー
サピストンと連繋して往復運動するプランジャーを摺動
自在に設けると共に、前記クロスヘッド部とクランクシ
ャフトとをコンロッドを介して連結し、このプランジャ
ーで区画されたクランクシャフト側の中空部と前記バッ
ファー空間とを連通させる開口を設ける構成としたもの
である。この構成により、作動ガスの膨張、収縮によっ
て生ずる動力をパワーピストンで受けてクランクシャフ
トに出力伝達させる際、プランジャーにパワーピストン
のバッファー空間の変動圧をかけることによって作動ガ
スを膨張空間と圧縮空間とに交互に入れ替える働きをす
るディスプレーサピストンを確実に作動させるよう図っ
たものである。

以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１図
はスターリング機関の縦断面図で、(1)はヘリウム、チ
ッ素、アルゴン、空気等の作動ガスが封入されたシリン
ダ、(2)(3)は該シリンダ内を後述の如く連動して往復運
動するパワーピストン及びディスプレーサピストン、
(4)は該ディスプレーサピストンの上方の膨張空間(5)と
連通する加熱パイプ、(6)は該加熱パイプと共に上方の
バーナー熱源(7)にて外部から加熱される加熱壁、(8)は
加熱パイプ(4)の他端と連通され多孔質の金網又は焼結
体が入れてあり熱再生器、(9)は冷却水が流れる冷却
器、(10)は圧縮空間(11)と連通開放された作動ガス流入
出用の開口である。

又、(12)はディスプレーサピストン(3)とディスプレー
サロッド(13)を介して接続されたプランジャーで、パワ
ーピストン(2)の中央に形成された筒状の中空部(14)内
をディスプレーサピストン(3)と一体に往復運動するよ
うに摺動自在に嵌入されている。(15)はパワーピストン
(2)と一体に形成されたクロスヘッド部、(16)は該クロ
スヘッド部が摺動自在に嵌入された軸受部で、パワーピ
ストン(2)に穿設された開口(17)によりパワーピストン
(2)と軸受部(16)との間のバッファー空間(18)とプラン
ジャー(12)下方にあるクランクシャフト（２２）側の中
空部(14a)とが連通されている。(19)はパワーピストン
(2)の上面と固着されたプランジャー(12)上方の中空部
(14b)を密封する封止部材、(20)は一端がクロスヘッド
部(15)とクロスピン(21)で、他端が、デイスプレーサピ
ストン（３）と反対側に位置するクランクシャフト(22)
と夫々回転自在に枢支されたコンロッド、(23)はクラン
クシャフト(22)の回転軌跡、(24)はロッドシール、(25)
(26)はシールリング、(27)は潤滑オイルを掻き落す油掻
きリング、(28)はオイルリング、(29)はクランク室(30)
を形成するシェルである。

次に本発明のスターリング機関の動作を第２図に基づい
て説明する。

Ｉ．等温膨張行程（同図(イ)参照） 作動ガスがバーナー熱源(7)により約600℃に加熱されて
膨張を開始すると、その圧力が加熱パイプ(4)、熱再生
器(8)、冷却器(9)を経て圧縮空間(11)にかかりパワーピ
ストン(2)を押し下げる。パワーピストン(2)の降下に伴
ってバッファー空間(18)の内容積が減少し、この内部圧
力が上昇する。そしてこの内部圧力がディスプレーサピ
ストン(3)の慣性力やシリンダ(1)壁との間に生じている
摩擦力及びディスプレーサロッド(24)間の摩擦力、プラ
ンジャー(12)と中空部(14)壁間の摩擦力等に打ち勝ち始
めるとこの圧力が開口(17)よりプランジャー(12)下方の
中空部(14a)に加わり、相対的にディスプレーサピスト
ン(3)をパワーピストン(2)から引き離そうとする。

II．等容放熱行程（同図(ロ)参照） 更に、パワーピストン(2)が降下し、バッファー空間(1
8)の内部圧力が最大に近づくにつれてこの内部圧力がま
すますパワーピストン(2)とディスプレーサピストン(3)
を引き離すように作用すると共にディスプレーサピスト
ン(3)の慣性力も前述の膨張行程と逆向きに作用し両ピ
ストン(2)(3)を引き離す力を倍加させる。この時前記膨
張行程時に述べた各種摩擦力等が阻止方向に作用してい
る。そしてこの行程が終りに近づくと今度はプランジャ
ー(12)と封止部材(19)とで囲まれた中空部(14b)内の圧
力がバッファー空間(18)の内部圧力より高くなり、ディ
スプレーサピストン(3)の上昇に対してブレーキ作用を
開始する。この時膨張空間(5)により圧縮空間(11)に移
動する約600℃の作動ガスはこの熱を熱再生器(8)に与
え、自らは約200℃に温度降下し、更に冷却器(9)を通る
ことで冷却される。

III．等温圧縮行程（同図(ハ)参照） パワーピストン(2)がその慣性力によって下死点を通過
すると、今度は圧縮空気(11)に入った作動ガスが冷却に
よって収縮し始め、パワーピストン(2)を上昇させよう
とすると同時にその慣性力によって圧縮が開始される。
そしてパワーピストン(2)が上昇するとそのバッファー
空間(18)の内容積が徐々に広がってこの内部圧力が低下
し、逆にプランジャー(12)と封止部材(19)間の中空部(1
4b)内圧力との差が決定的となってディスプレーサピス
トン(3)の上向きの慣性力を極めて小さなものにしてし
まう。そしてこの行程が終りになると、ディスプレーサ
ピストン(3)の慣性力とブレーキ作用及び前記膨張行程
時に述べた各種摩擦力が拮抗し、その時点でディスプレ
ーサピストン(3)はシリンダ(1)の上死点に到達し、一瞬
静止状態となり、下降開始する。

IV．等容吸熱行程（同図(ニ)参照） 更に、パワーピストン(3)が上昇すると、バッファー空
間(18)の内部圧力が最小となり、ディスプレーサピスト
ン(3)がパワーピストン(2)に引き付けられるよう作用す
る。この際、上述した各種の摩擦力やプランジャー(12)
と封止部材(19)間の中空部(14b)内圧力はディスプレー
サピストン(3)の下降に対して徐々にそのブレーキ力を
強めるよう作用している。そしてパワーピストン(2)が
上死点を通過すると、それらのブレーキ力に加えてバッ
ファー空間(18)の内容積が減少し始め、今度はパワーピ
ストン(2)とディスプレーサピストン(3)を引き離す方向
に作用し始め、前述の等温膨張行程へと移行する。この
時、圧縮空間(11)より膨張空間(5)に移動する作動ガス
は熱再生器(8)で蓄熱されている熱によって約600℃まで
吸熱昇温される。

上記４つのサイクルの繰り返しにより往復運動するパワ
ーピストン(2)の動きはコンロッド(20)によってクラン
クシャフト(22)の回転運動に変換され出力が外部に取り
出される。

以上の如く本発明スターリング機関はバッファー空間(1
8)と連通するパワーピストン(2)の密封中空部(14)内に
ディスプレーサピストン(3)と一体に往復運動するプラ
ンジャー(12)を摺動自在に嵌入してバッファー空間(18)
の変動圧を用いたので、ディスプレーサピストン(3)が
フリーであるにも拘らず高精度に連動制御することがで
きる。しかも、パワーピストン(2)はコンロッド(20)等
のリンク機構により一定ストロークのもとでクランクシ
ャフト(22)に連結されることによりバッファー空間(18)
内の変動圧を定常値に容易に保つことができ、且つバッ
ファー空間(18)の内容積、プランジャー(12)上方の密封
中空部(14b)内容積、ディスプレーサピストン(3)の質量
等を最適に選べば、ディスプレーサピストン(3)のスト
ロークや両ピストン(2)(3)間の運動位相角など、性能、
効率に直接影響を与える諸因子を最適に制御することが
可能である。

又、パワーピストン(2)の慣性力とディスプレーサピス
トン(3)の慣性力との比（略質量比に等しい）を大きく
取ることが、運動位相角を理論的に大きくする（運動位
相角を90゜に近づけて最大効率を得る為）要件であり、
この為に従来のオールフリー方式ではパワーピストン
(2)をあまり軽くすることができなかったが、本発明の
ハイブリッド方式ではクランクシャフト(22)の回転によ
る慣性質量をパワーピストン(2)の慣性質量に加算して
設計できるのでパワーピストン(2)自体を極めて軽量と
することができる。従って重いパワーピストン(2)が上
下往復運動する際その慣性力によって生じる振動を何ら
かの方法（前述したように例えば２シリンダの対向型）
で打ち消さなければ外部にもろに伝達してしまうオール
フリー方式に対し、本発明のハイブリッド方式ではパワ
ーピストン(2)自体の慣性力をクランクシャフト(22)の
バランスウエイトと釣合わせることにより外部への振動
伝達を極めて小さく抑制することができる特徴を有して
いる。

更に、本発明によるハイブリッド型スターリング機関
は、従来のリンク式ディスプレーサ型スターリング機関
と比較してディスプレーサロッド(13)がパワーピストン
(2)を貫通していないので出力軸であるクランクシャフ
ト(22)をシリンダ(1)の略真下に配設でき、且つディス
プレーサロッド(13)とクランクシャフト(22)との連結が
不要である為極めてシンプルな設計が可能であり、しか
もディスプレーサピストン(3)連動用のリンク機構がな
い為これによってもたらされる動力損失が全くない等、
低コストと高効率化及び小型軽量化が図られ極めて優れ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明スターリング機関の縦断面図、第２図は
本発明スターリング機関の動作行程図である。 (1)……シリンダ、(2)……パワーピストン (3)……ディスプレーサピストン、(5)……膨張空間 (11)……圧縮空間、(12)……プランジャー (14)……中空部、(18)……バッファー空間 (22)……クランクシャフト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上遠野 良一 群馬県邑楽郡大泉町大字坂田180番地 東 京三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−109243（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−619（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動ガスを封入したシリンダと、このシリ
   ンダ内を前記作動ガスの外部加熱圧力で往復運動し膨張
   空間、圧縮空間、バッファー空間を形成するディスプレ
   ーサピストン及びパワーピストンと、このパワーピスト
   ンとリンク機構を介して連結されたクランクシャフトと
   を備えてなるスターリング機関において、ディスプレー
   サピストンと、中空部を有するパワーピストンと、クラ
   ンクシャフトとを上下方向に順次配置する一方、前記パ
   ワーピストンの下にパワーピストンと一体のクロスヘッ
   ド部と、このクロスヘッド部を摺動自在に支持する軸受
   部とを設け、前記パワーピストンの中空部内に前記ディ
   スプレーサピストンと連繋して往復運動するプランジャ
   ーを摺動自在に設けると共に、前記クロスヘッド部とク
   ランクシャフトとをコンロッドを介して連結し、このプ
   ランジャーで区画されたクランクシャフト側の中空部と
   前記バッファー空間とを連通させる開口を設けたことを
   特徴とするスターリング機関。