JPS5896147A

JPS5896147A - スタ−リングサイクル機関

Info

Publication number: JPS5896147A
Application number: JP19500681A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ishizaki; 嘉宏石崎
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1981-12-02
Filing date: 1981-12-02
Publication date: 1983-06-08
Also published as: JPH0323742B2

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】本発明は、作動流体を主として気体（特別な場合は液体
、混合気体、２和気体もある）とし、熱サイクルか理想
的には２の等容過程と２つの等温過程からなるスターリ
ングサイクル機関の機器構成に関するものである。

スターリング機関は液化天然ガスの冷熱を利用して勢力
を発生させたり、化石溶料や太陽熱等で加熱して、勢力
の発生をざらにモータ等の動力を機関に加えて、極低温
を発生させ、冷凍機やヒートポンプとすることが出来る
可逆サイクル機関である。

これらの目的・用遼等に関しては、既知のことであり、
ざらに出願人の特許でも詳しく述べているので、ここで
は一般σＪダブル・アクティング・タイプの原動機の欠
点と、本発明の機器構成とその特長並びに原理的な動作
について述べる。

一般のスターリングサイフルロ関（以後ガス機関と言う
）のうち原物−関を目的とする代表的な機器構成、は、
第】図に示すごとく、ピストンの両端で作動流体を圧縮
・膨張させるダブル・アクティングｅタイプで、４つの
ピストンシリンダから成り立っている。

１〜４はシリンダ、５〜８はピストン、９〜１２はピス
トンロンドで図示しないがビス）ン往復動機構（クラン
クシャフト、揺動板１回転斜＆、２連または８達クラン
クシヤフト等）に９０度の位相差で往復動Ｔるようそれ
ぞれ連結されている。

作動流体（通常はガスで、７レオン、水素。

ヘリウム等或は混合気体、特殊例としてメタン水）は、
それぞれの熱サイクルを形成、Ｔる膨張部１８〜１６と
圧縮部１７〜２０との間にヒーターチウプ２１〜２４．
蓄熱器２５〜２８．放熱器２９〜８２を介してつながっ
ている内部に数ｌＯ気圧から２００気圧で封入されてい
る。

但し、８８〜８６は、ピストンリング、８７〜４０は作
動流体をロンドでシールするグランド・バッキングであ
り、高圧（１００〜２００に圧）の作動流体がピストン
往復動−構のクランクケースへ漏えいするのを防ぐ。動
力はヒーターチウプ２１〜２４が６００〜ｓｏｏ’ｃに
加熱されると作動流体が膨張空間１３〜１６でそれぞわ
、のピストン５〜８を押す仕事シすると同時にし圧縮空
間１７〜２０では、作動流体を押す仕４ＩをＴるため、
膨張仕事と圧縮仕事の差が有効仕事として図示しないピ
ストン往復動機構より得゛らｊる。但し、放熱器２９〜
８２は作動流体が圧縮時においては５０〜１２０℃とな
るためその熱を大気に放熱する。この原動機は、第２図
に示すように理想的には４つのサイクルの作動流体が９
０度の位相差で、高圧で正弦的にそれぞれ変動（１４０
〜２５０気圧、第２図の例、横軸はクランク角）しなが
ら、動力を発生するのであるが、それぞれの膨張空間と
９０度位相の異なるそれぞれのサイクルの圧縮空間とを
同一ピストンσ）両地でピストンリングを介して形成し
ていることである。例えば、第１図の膨張空間１４．ヒ
ーターチウブ２２．蓄熱器２６、放熱器８０．圧縮部１
９のサイクルの作動流体の圧力変化Ｔｒ１２図のｂとす
ると、圧力が一番高くなる時はクランク角約１５０度で
２５０気圧となり、こ０２時ピストンリング８４のシー
ルか完全でないと膨張空間１４の高温度（５００〜７０
０℃）の作動流体（例えば水素、ヘリウム、水等）は、
クランク角が９０度進んで作動しているサイクルａ（こ
の時χ点で１８０気圧）のＦＩ−縮空間】８に漏れてし
まうことである。

この結果、作動流体の質量が１のサイクルでは増え、ｂ
のサイクルでは減ることにより、ｌ）最適な設計値（温
度、流量、圧力等）より造られたヒーターチウプ、蓄熱
器、放熱器σ」熱バランスが崩れるため、出力及び熱効
率の低下を招く。

２）各サイクルの作動流体の最低及び最大圧カがそれぞ
れ異なるため発生仕事鎗も異なり、アンバランスとなっ
て、振動の発生をきたＴ８）この振動の発生により、そ
れぞれのピストンやピストンロッドも振動Ｔることｋよ
り、これらによる作動流体のシール性はざらに低下シ、
ロッドシールやピストンリングから漏えい量も増え、機
関を停止（導く。

４）特に原動機で使用する場合、高温の作動流体がピス
トンリングから漏えいＴると、主としてプラスチックで
作られたピストンリングが加熱されるため、劣化を速め
原動機の耐久性を低下させる。

本発明は以上述べた通常のガス機関の欠点を除去した１
器構成に関することである。

第８図に本発明の機本機器ｍ成を示Ｔ０ガイドピストン
付の比較的長いピストン４８．４４とその比較的長いシ
リンダ４１．４２　（以後、長ビスートン、長シリンダ
と言う）により、作動流体の容積可変空間４５．４６（
以後可愛空間と言う）は、装動型でガイドピストン付の
比較的短いピストン４７と比較的短いシリンダ４８（以
後、短ピストン、短シリンダと言う）により形成される
作動流体の可変空間４９゜５０との間に熱交換器５１．
５３ａ、蓄熱器５８１５４、熱交換器５５．５６を介し
て連結されている。長ピストン４８．４４、短ピストン
４７は、ピストンロッド５７．５８．５９、ガイドビス
シン６０．６１．６２を介して図示しない動力を取り出
すまたは電気モータや発電機と直結、またはギヤー、チ
ェーン等を介してピストン往復動機構（回転斜板、揺−
板、１軸または多軸のクランクシャフト等）に接続だれ
ている０長ピストン４８．４４の上下動とグランドシー
ル６８により形成されるガス空間部６８と６４は本発明
の主要部で、６５．６６の流体口よりそれぞれパイプに
て連結されており、長ピストン４８．４４のほぼ１８０
度の位相差で上下動しても、作動流体がここで圧縮され
ることはない。またはこのガス空間部と空間部７２＆：
は、作動流体が適当な圧力で＠５図に示す様に弁圧縮ｇ
Ａ等により供給されるようになっている。第８図に戻り
、グランドシール６８．油除去器７１で形ｊＬ！れる空
間６９はガイドピストン６０゜６１．６２より侵入Ｔる
油を除去Ｔることを目的とし、強いては高圧（２０〜２
００気圧）で、封入されている作動流体のガス空間部６
８゜６４と空間部７２に油の入るのを防ぐ。従って、空
間６９で除去された油は接続ロア０より図示しないが、
それぞｒＬピストン往復動―構部や油溜に戻Ｔ機榊が設
けられている。尚、７８番ゴクリーンな作動流体Ｑ）供
給口、？４はピストンリング、７５はガイドシリンダで
、それぞれ図示しないが実施例ではクランクケースと一
体化梱成である。

スターリング−関、丁なわちガスー関が白燈機関と大き
く異なる特長は、作動流体を高圧力で密封する、いわゆ
る閉サイクルであることと、且つその作動流体が油等を
完全に除去されていなければならないことである。丁な
わち前者で、もし作動流体が漏えいして圧力が低下する
とそれに伴なって出力も低下してしまうことと、後者で
は少しでも油が入ると原動機の場合では油が懲えて炭化
し、熱交換器ゆ蓄熱器の熱効率の低下から発生動力が減
少してしまい、またガス冷凍機の場合では、油が固化し
て週転不能となるからである。

従って、本発明では、短及び長ピストンとそれぞれのシ
リンダで形成される高圧力の作動流体の可変空間４５．
４９．５０．４６と通常油潤滑されているガイドピスト
ン６０．６１．６２及びそれらのピストン往復動１ｌｉ
ｔ＃を含むクランクケースとの間に中圧力でクリーンな
作動流体が入るガス空間部６８．６４、空間部７２を設
けて圧力差をつけ、さらに低圧で作動流体中の油を切っ
て、クランクケースに戻すことのできる空間６９を設け
たことにより高圧で作動する容積可変空間、多数の熱交
換器や蓄熱器に油が侵入することはない。尚、比較的長
いピストン・シリンダの形状を第５図の如く、凸型また
は小ピストン部を複数段にして、２個（ｌｖ、２Ｖ）ま
たをゴＩ！数個の作動流体の膨張、または圧縮可変空間
を構成することができる。

また、＠８図短ピストン４７においても、鶴５図に示す
如く、上部に小直径のピストン１１０ｔ一連結し、吸入
弁Ｉ１１．吐出弁１１２．オイルフィルタ１１８．精製
器１１４．弁１１５を付け、作動流体の圧縮機として構
成でき、作動流体の圧力が低下した場合でも、これによ
り、クランクケース内の作動流体Ｔｔ１１６よりクリー
ンにして高年にして戻Ｔことができる。長ピストンや短
ピストンで構成される可変空間からは作動流体はピスト
ン、リング、ロンド、シールより常にクランク室に少し
ずつ漏れている。

従って、短ピストンに小ピストンを連結し、吸入、吐出
弁を付けて圧縮機を構成することにより、クランク室よ
りσ）作動流体をクリーン（戻すことができ、またガス
空間部６８．６４、可変空間４９．５０、空間部７２σ
）圧力をバッフ了タンク１１７、調整弁１１８を通じて
適当に調整することができる。すなわち可変空間の圧力
を高くして、クランクケースから入るのを防ぐのと同じ
に原動−では発生動力を冷凍−では冷凍温度及び冷凍出
力を調整することになる。尚、短ピストンを改良し７て
圧ｍ機機能を附加させる代わり（独立の圧縮ｌ！ｉを用
いても同様の効果をを持たせ＾ことが可能である。

尚、この長ピストンは＠６図に示！如く、薄肉のセラミ
ック、全編等によるピストンキャップ８０と吸入チェッ
ク弁８１．安全弁８２を内包Ｔるピストン素子８８かポ
ルト８４σＪ？＆で構成ざ１１ピストンキヤツプ８０の
内部８７には高温または極低温度になる可変空間４５．
４６によるキャップ上部８９と常温との温度差による熱
損失を防ぐため熱輻射用には多数の小穴のあけらｈた金
属板８５とこわらを浮かし、内部σ」作ＩＥｎ流体によ
る対流熱損失整除くための断熱材８６とが交互に積層さ
れている。キャップ内部に作動流体と同質の流体を高圧
であらかじめ吸入チェック弁８１にて封入することは可
変空間４５．４６が高圧になってもピストンキャップ８
０を薄肉円筒状にして、軽量化できるため、ピストン往
復動機構に係る損失を少なくできる。一般のピストンで
は、直径１００１Ｎで外圧がかかるため、耐熱合金でも
ｌＯａ以上厚くないと変形する。また、吸入圧力が設定
された吸入チェック弁８１があるため、ガス空り部ｅａ
、６４の圧力が異常（高くなった時でも、これにより、
ピストンキャップ内部８６に回収できる。また、安全弁
８２があるため、この圧力段？定を可変空間の作動流体の最大圧力、または、中間圧力
でもピストンキャップ８０は破ｌＫされることなく、今
迄σ）ガス機関のピストンよりも薄肉にして軽量化でき
る。例えば１００１１１１直径で、肉厚８ｆｌでもよい
。第４図は本発明のガス機関における作動流体の汗力変
動図（横軸はクランクシャフト角）で１４０〜２５０気
圧変動しているか、ピストンキャップ内に＋ｉｌ”Ｊ２
０　（１気汗になるよう封入すれば千ヤツプにかかる圧
力変動は約±５０気圧で済むことになる。すなわち常温
で約１００気圧で封入し、定常状態になると、ピストン
キャップ内に温度勾設ができ、膨張して圧力上昇し約２
００気圧となる。尚、８８はピストンリング５７（５９
）、ピストンロッド９０はガスシールで、ピストンキャ
ップ８０に断熱材８６と熱輻射シールド板を交互に積層
し吸入チェック弁８１．安全弁８２ケ取り付けたピスト
ン素子８８をボルト８４で取り付けわば、ガス機関用の
長ピストン（ピストンキャップが高温度または極低温度
になる）か独立に製造できる。

ガス機関に実際の取り付けた際に＆コ、クランクケース
、ピストン往抜動機榴よりガイドピストン６０．６２’
！Ａ−介したピストンロッド５７゜５９σ】ネジ部９８
をピストン素子内のナツト９１、ワッシャ９２で締め付
は留める。９４は長ピストン取り付の回転または固定さ
せるときの小穴でｉ）る。また、作動流体をヘリウムガ
スとＴる時、原動機ではピストンキャップ内の流体をア
ルゴン、その他の気体Ｔｒｇ＆人チェック弁８１σ）代
わりに図示しないが、安全弁８２を付けずに、封じ切り
弁にて密封しても良い。また、冷凍機にする場合におい
てもあらかじめ低温になると固化して真空になるような
気体を封入してもよい。

第７図は、本発明のガス機関を４組にして、大型の原動
機＆：適用した長短ピストン群の配置実施例で、複動型
のガイドピストン付短ピストンをクランクシャフトの両
端にして、ガイドピストン付の長ビストνも含めて、バ
ンク角４５度にそれぞれ配置した場合である。これでは
１２本のピストンが往復動するが、長ピストン８本かク
ランク角４５度ずつで動力を発生すると同時に４本の短
ピストンも作動流体の隆線（マイナスの動力）をするた
め、動バランスがよく、撮動の発生かほとんどない。ま
た、クランク軸の両端に短ピストンが配置されるため高
温度に加熱されている熱交換器（第８図の５５．５６が
４組必要、ヒーターチウブとも言う）のまとめか容易に
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はダブルアクティング方式のガス機関の原理図、
第２図はダブルアクティング方式の圧力変動説明図、第
８図は基本機器構成を示す図、第４図は本発明にか＼る
圧力変動説明図、第５図はピストン原理図、第６図はピ
ストン構造図、そし、て第７図は４組のガス機関を大型
原動機に適用した長短ピストン群の配置ｌ［説明図であ
る。４１．４２．４８・・・シリンダ、４８＠４４・・・比
較的長いピストン、４７・・・比較的短いピストン、６
０．６１．６２・・・ガイドピストン、６８．６４・・
・可変ガス空間部、６９・・・ガス空間。特許出願人アイシン精機株式会社代表者中井令夫石　　崎　　嘉　　　宏

Claims

【特許請求の範囲】ｌ）ガイドピストン付の比較的長いピストン２本とガイ
ドピストン付の比較的短いピストン１本のそｔしぞｎの
シリンダ、並びに多数の蓄熱器、熱交換器等により２つ
の熱サイクルを構成する１組、または多数組から成るガ
ス機関において、前記それぞれのピストンとピストン往
復動１構とをガイドピストンを介して連結し、油を除去
するためのガス空間を設け、さらに比較的長いピストン
とロッドシール間に可変ガス空間部を設け、この可変ガ
ス空間部に作動流体と同じ流体を導くように構成したこ
とを特長とするスターリングサイクル機関。２）ガイドピストン付の比較的長いピストン２本とガイ
ドピストン付の比較的短いピストン１本のそれぞれのシ
リンダ、並びに多数の蓄熱器、熱交換器等により２つσ
）熱サイクルを構成する１組、または多数組から成るガ
ス機関において、前記比較的長いピストンのロッドシー
ルと相対する部分に作動流体の一部がピストン内部に吸
入、またはピストン内部より吐出するまたは吸入、吐出
する機構部を取り付けたことを特長とするスターリング
サイクル機関。８）ガイドピストン付の比較的長いピストン２本とガイ
ドピストン付の比較的短いピストン１本のそれぞれのシ
リンダ、並びに多数の蓄熱器、熱交換器等により２つの
熱サイクルを構成する１組、または多数組から成るガス
機関において、前記比較的長いピストンとロッドシール
間で構成される可変ガス空間に膨張部や圧縮部で圧力変
動Ｔる作動流体のほぼその中間圧力、またはそれ以下の
圧力で作動流体を導いて機関が運転されるようにしたこ
とを特長とするスターリングサイクル機関。４）ガイドピストン付の比較的長いピストン２本トガイ
ドピストン付の比較的短いピストン１本のそれぞれのシ
リンダ、並びに多数の蓄熱器、熱交換器等により２つの
熱サイクルを構成する１組、または多数組から成るガス
機関において、前記比較的長いピストンを薄くて多数の
穴あき金属、またはセラミック板と断熱材が詰められた
ピストンキャップとシールリング、及び流体の封入弁と
ピストンロンドを接続する慟構部を内蔵するピストン素
子部とを多数のボルトで接続して構成し、且つ用いるよ
うにしたことを特長とするスターリングサイクル機関。５）ガイドピストン付の比較的長いピストン２本とガイ
ドピストン付の比較的短いピストン１本のそれぞれのシ
リンダ、並びに多数の蓄熱器、熱交換器等により２つの
熱サイクルを構成する１組、または多数組から成るガス
機関において、前記比較的短いピストンシリンダの一部
を圧縮機に再構成し、ここでの作動流体をクランクケー
ス内から吸入し、油分離精鯛し、高圧にして可変容積空
間、可変ガス空間、ガス空間部等に供給できるようにし
たことを特長とするスターリングサイクル機関０６）ガイドピストン付の比較的長いピストン２本とガイ
ドピストン付の比較的短いピストン１本のそれぞれのシ
リンダ、並びに多数の蓄熱器、熱交換器等により２つの
熱サイクルを構成、する１組、または多数組から成るガ
ス機関において、前記ガイドピストン付の比較的長いピ
ストン２本とガイドピストン付の比較的短いピストン１
本のそれぞれのシリンダ、並びに多数の蓄熱器、熱交換
器等により２つの熱サイクルを構成Ｔるガス機関を１組
組み合わせそれぞれの短ピストンをクランクシャフトの
両端に配しガイドピストン付の長ピストンも含めてバン
ク角をほぼ４５度に構成したことを特長とするスターリ
ングサイクル機関。