スターリングエンジン
【課題】スコッチ・ヨーク機構を備えたスターリングエンジンにおいて、組立作業が容易で、組立精度がよいスターリングエンジンを提供すること。
【解決手段】本発明のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とをスコッチ・ヨーク機構９０を介してクランクシャフト８０に連結し、スコッチ・ヨーク機構９０及びクランクシャフト８０を高圧雰囲気下に維持するクランクケース５０と、クランクシャフト８０の両端のクランクシャフト軸受１２３、１２４及びヨーク９４ａ、９４ｂの動作方向を規制するガイドシャフト９５ａ、９５ｂを固定するクランクボックス１００とを備え、クランクボックス１００を、クランクケース５０とは別部材で構成したことを特徴とする。
【解決手段】本発明のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とをスコッチ・ヨーク機構９０を介してクランクシャフト８０に連結し、スコッチ・ヨーク機構９０及びクランクシャフト８０を高圧雰囲気下に維持するクランクケース５０と、クランクシャフト８０の両端のクランクシャフト軸受１２３、１２４及びヨーク９４ａ、９４ｂの動作方向を規制するガイドシャフト９５ａ、９５ｂを固定するクランクボックス１００とを備え、クランクボックス１００を、クランクケース５０とは別部材で構成したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱やバイオマスなどの熱源を活用できるスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱やバイオマスなどの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それら熱源の有効活用に適している。
スターリングエンジンは、低い温度にも熱源できることから、その目標性能を達成するにはピストンシールや機構の摩擦に起因する機械損失の軽減が開発課題の一つである。
スターリングエンジンに用いられるスコッチ・ヨーク機構は、出力軸に偏心して取り付けられたクランクピン軸受が長円形の溝の中を転がることにより、ヨークを往復動させる機構であり、ピストンおよび出力軸に垂直な方向に直動軸受等のガイドを設けることによって、ピストンに作用するサイドスラストを打ち消すことができる。
そして、スコッチ・ヨーク機構は、クロスヘッド機構や通常のクランク機構に比べて高さを短縮しやすく、また、各部にグリース封入式の軸受を用いることによって潤滑装置を簡単化できるため、比較的低出力の小型エンジンに適している。
一方、スコッチ・ヨーク機構は、ヨークの往復部の質量増大による機械損失の増加、クランクピンとヨーク部の接点の強度や耐摩耗性に問題があり、本発明者らは、摺動損失を低減し、信頼性の高いスコッチ・ヨーク機構とするスターリングエンジンを既に提案している（特許文献１）。
【特許文献１】特願２００６−２８３３２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のスターリングエンジンでは、スコッチ・ヨーク機構をクランクケースに取り付ける構成であるため、精度が要求される組立作業が極めて困難であり、熟練を要するという問題を有していた。特にクランクケースは、耐圧部材によって耐圧構造をとらなければならないため、組立精度を高めることが極めて困難であった。
【０００４】
そこで本発明は、スコッチ・ヨーク機構を備えたスターリングエンジンにおいて、組立作業が容易で、組立精度がよいスターリングエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを備え、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとをスコッチ・ヨーク機構を介してクランクシャフトに連結し、前記クランクシャフトの両端にはクランクシャフト軸受を備え、前記スコッチ・ヨーク機構を、前記クランクシャフトに偏心して取り付けられたクランクピンと、前記クランクピンのまわりに設けた軸受と、長溝を形成したヨークと、前記ヨークの動作方向を前記ディスプレーサピストン及び前記パワーピストンの動作方向に規制するガイドシャフトとで構成し、前記軸受が前記長溝内を転がることで前記ヨークが前記ガイドシャフトに沿って往復動するスターリングエンジンであって、前記スコッチ・ヨーク機構及び前記クランクシャフトを高圧雰囲気下に維持するクランクケースと、前記クランクシャフト軸受及び前記ガイドシャフトを固定するクランクボックスとを備え、前記クランクボックスを、前記クランクケースとは別部材で構成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとが摺動するシリンダと、前記シリンダを固定するベースフランジと、前記シリンダの外周部に配置する筒状の冷却部とを備え、前記冷却部の一方の端部に形成した冷却部用フランジを前記ベースフランジの一方の面に固定し、前記クランクボックスの天板に形成した耳部を前記ベースフランジの他方の面に固定することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記シリンダの一端側の外周面に前記冷却部の内周面が当接し、前記シリンダの他端側の外周面に前記天板に形成した開口部の内周面が当接することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックスと前記シリンダとを同一部材で一体成型したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックスと前記ベースフランジとを同一部材で一体成型したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックス、前記ベースフランジ、及び前記シリンダを同一部材で一体成型したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックスを、前記クランクシャフトを貫通させるための開口部を形成した一対の側板と、前記ガイドシャフトの固定面を形成する天板及び底板とによって形成し、前記天板には、前記パワーピストンの摺動空間となる開口部を形成し、一対の前記側板に設けた前記開口部にはそれぞれベアリングホルダを固定し、前記クランクシャフト軸受を、前記ベアリングホルダ内に収めることで、前記クランクシャフトを前記クランクボックスに取り付けることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクケースの胴部側面には発電機接続筒部を備え、前記発電機接続筒部の端部には発電機接続フランジを設け、発電機ケースの一端には発電機ケース側フランジを備え、前記発電機接続フランジと前記発電機ケース側フランジとを接続し、前記クランクシャフトの一端を、カップリングを介して発電機用シャフトに接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、耐圧を考慮することなくクランクボックスを構成することができ、このクランクボックスにクランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定する構成を容易に設計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ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンは、スコッチ・ヨーク機構及びクランクシャフトを高圧雰囲気下に維持するクランクケースと、クランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定するクランクボックスとを備え、クランクボックスを、クランクケースとは別部材で構成したものである。本実施の形態によれば、高圧雰囲気下に維持するクランクケースとは別部材としてクランクボックスを設けることで、耐圧を考慮することなくクランクボックスを構成することができ、このクランクボックスにクランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定する構成を容易に設計することができる。そして、このクランクボックスにクランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定した状態で、組立を行うことが可能であるため、組立を精度よく容易に行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によ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とパワーピストンとが摺動するシリンダと、シリンダを固定するベースフランジと、シリンダの外周部に配置する筒状の冷却部とを備え、冷却部の一方の端部に形成した冷却部用フランジをベースフランジの一方の面に固定し、クランクボックスの天板に形成した耳部をベースフランジの他方の面に固定するものである。本実施の形態によれば、ベースフランジの一方の面に冷却部を取り付け、ベースフランジの他方の面にクランクボックスを取り付けるため、ベースフランジを基準に精度を確保することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、シリンダの一端側の外周面に冷却部の内周面が当接し、シリンダの他端側の外周面に天板に形成した開口部の内周面が当接するものである。本実施の形態によれば、シリンダをベースフランジの両面から突出させ、このシリンダの外周面に冷却部の内周面とクランクボックスの開口部内周面を当接させることで、それぞれの軸心調整を容易に行うことができる。
本発明の第４の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックスとシリンダとを同一部材で一体成型したものである。本実施の形態によれば、クランクボックスとシリンダとを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックスとベースフランジとを同一部材で一体成型したものである。本実施の形態によれば、クランクボックスとベースフランジとを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックス、ベースフランジ、及びシリンダを同一部材で一体成型したものである。本実施の形態によれば、クランクボックス、ベースフランジ、及びシリンダを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックスを、クランクシャフトを貫通させるための開口部を形成した一対の側板と、ガイドシャフトの固定面を形成する天板及び底板とによって形成し、天板には、パワーピストンの摺動空間となる開口部を形成し、一対の側板に設けた開口部にはそれぞれベアリングホルダを固定し、クランクシャフト軸受を、ベアリングホルダ内に収めることで、クランクシャフトをクランクボックスに取り付けるものである。本実施の形態によれば、クランクボックスを直方体に形成し、直方体を形成するそれぞれの面を利用してクランクシャフトやパワーピストンを固定するため、それぞれの部材の取り付け角度のずれを最小限に抑えることができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクケースの胴部側面には発電機接続筒部を備え、発電機接続筒部の端部には発電機接続フランジを設け、発電機ケースの一端には発電機ケース側フランジを備え、発電機接続フランジと発電機ケース側フランジとを接続し、クランクシャフトの一端を、カップリングを介して発電機用シャフトに接続するものである。本実施の形態によれば、クランクシャフトだけでなく発電機用シャフトについてもクランクケースに固定しないので、組立精度を高めることができるとともに組立作業を容易に行うことができる。
【実施例】
【０００８】
以下本発明の一実施例によるスターリングエンジンについて説明する。
まず、図１を用いて同スターリングエンジンの外観構成について説明する。
図１は本実施例によるスターリングエンジンの構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施例によるスターリングエンジンは、加熱部１０、再生部２０、冷却部３０を、ベースフランジ４０の一方に積み重ねて構成している。また、同スターリングエンジンは、ベースフランジ４０の他方にクランクケース５０を備えている。クランクケース５０には、発電機ケース６０とエンコーダケース５１とを備えている。
同スターリングエンジンは、加熱部１０を、例えば船舶のディーゼルエンジンから発生する排気ガスを排出する熱源ガス流路内に設置して用いる。
冷却部３０は、筒状の冷却部用胴部３１と、この冷却部用胴部３１の両端に形成した冷却部用フランジ３２、３３とを備える。一方の冷却部用フランジ３２は、ベースフランジ４０の一方の面に固定される。
再生部２０は、筒状の再生部用胴部２１と、この再生部用胴部２１の両端に形成した再生部用フランジ２２、２３とを備える。一方の再生部用フランジ２２は、他方の冷却部用フランジ３３に固定される。
加熱部１０は、Ｕ字状に曲げられた複数のヒーター管１１と、これらのヒーター管１１の開口端部を固定する加熱部用フランジ１２とを備える。この加熱部用フランジ１２は、他方の再生部用フランジ２３に固定される。なお、ヒーター管１１には、多数の熱交換フィン１３を設けている。
クランクケース５０は、筒状のクランクケース胴部５２と、このクランクケース胴部５２の一端に形成したクランクケース胴部フランジ５３とを備える。また、クランクケース胴部５２の側面には、筒状のエンコーダケース５１と同一軸線上に、発電機接続筒部５４を備える。この発電機接続筒部５４の端部には、発電機接続フランジ５５を設けている。
発電機ケース６０の一端には、発電機ケース側フランジ６１を備えており、発電機ケース側フランジ６１と発電機接続フランジ５５とが接続される。なお、クランクケース５０内は、高圧雰囲気下に維持され、本実施例においては、発電機ケース６０内もクランクケース５０内と同じ高圧雰囲気下に維持される。
【０００９】
次に、図２から図１１を用いて同スターリングエンジンの内部構成について説明する。
図２は同スターリングエンジンの構成を示す一部断面斜視図、図３は同スターリングエンジンの構成を示す側面断面図である。
同スターリングエンジンは、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とを有している。ディスプレーサピストン７１及びパワーピストン７２は、それぞれクランクシャフト８０に連結されている。クランクシャフト８０の一端は、カップリング８１を介して発電機用シャフト６２と接続され、他端は、カップリング８２を介してエンコーダ６３と接続されている。また、クランクシャフト８０の一端側には、フライホイール６４を設けている。ここでカップリング８１、８２は、クランクシャフト８０と発電機用シャフト６２との軸心づれを許容できるゴムカップリングが適している。
ディスプレーサピストン７１及びパワーピストン７２の移動範囲には、シリンダ７３が設けられている。
シリンダ７３の外周部には、冷却部３０とベースフランジ４０が位置する。
ディスプレーサピストン７１には、ディスプレーサキャップ７１ａが設けられている。
加熱部１０には、加熱部用フランジ１２の中央部に、加熱部ヘッド１４を形成している。
この加熱部ヘッド１４は、ディスプレーサキャップ７１ａの頂部と同形状に形成されている。そして、加熱部ヘッド１４とディスプレーサキャップ７１ａとの間にディスプレーサピストン７１の一方の空間が形成され、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２との間にディスプレーサピストン７１の他方の空間が形成される。
ヒーター管１１の一端側端部１１ａは、ディスプレーサピストン７１の一方の空間に連通している。またヒーター管１１の他端側端部１１ｂは、再生部２０と連通し、再生部２０は冷却部３０と連通し、冷却部３０はディスプレーサピストン７１の他方の空間に連通している。
再生部２０の内部には、シリンダ７３と同心円状の筒材２４が配置されている。そして再生部２０の内周面と筒材２４との間には、複数の円管が再生部２０の軸方向に配置される。各円管の隙間にはオーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網のマトリックス材を詰めている。作動ガスは、マトリックス材を通り抜けて、ヒーター管１１又は冷却部３０に流れる。作動ガスは、この再生部２０を通り抜けるときに、マトリックス材から吸熱し、又はマトリックス材に放熱する。なお、円管及びマトリックス材については図示を省略する。
冷却部３０内は、冷却水が流れる通路と作動ガスが流れる通路に区分され、作動ガスは冷却水で冷却される。
【００１０】
ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とは、スコッチ・ヨーク機構９０を介してクランクシャフト８０に連結している。なお、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とは位相を所定角度ずらしている。
ここでスコッチ・ヨーク機構９０について、図４から図９を用いて説明する。
図４は、本実施例によるスコッチ・ヨーク機構の構成を示す要部正面図、図５は、同スコッチ・ヨーク機構を示す要部斜視図、図６は、パワーピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図、図７は、ディスプレーサピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図、図８は、クランクシャフトにおける連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図である。
パワーピストン７２とクランクシャフト８０とを連結するスコッチ・ヨーク機構９０ａは、クランクシャフト８０に偏心して取り付けられたピストン用クランクピン９１ａと、ピストン用クランクピン９１ａのまわりに設けたピストン用軸受９２ａと、長溝９３ａを形成したピストンヨーク９４ａとで構成され、ピストン用軸受９２ａが長溝９３ａ内を転がることでピストンヨーク９４ａが往復動する。なお、スコッチ・ヨーク９０ａは、図６に示すようにパワーピストンボード７４によってパワーピストン７２と連結している。また、ピストンヨーク９４ａの両側部には、パワーピストン７２の動作方向にガイドシャフト９５ａが設けられている。ピストンヨーク９４ａは、リニアベアリングを介してガイドシャフト９５ａに設けている。ガイドシャフト９５ａは、ピストンヨーク９４ａの動作方向をパワーピストン７２の動作方向に規制する。
ピストンヨーク９４ａの長溝９３ａの内周面には２枚のプレート９６ａ、９７ａを設けている。長溝９３ａのパワーピストン７２側の内周面には上側プレート９６ａが、長溝９３ａのパワーピストン７２と反対側の内周面には下側プレート９７ａが設けられている。ピストン用軸受９２ａは、上側プレート９６ａと下側プレート９７ａとを摺動面としている。
ピストンヨーク９４ａにはアルミニウム合金を用い、プレート９６ａ、９７ａには炭素鋼を用いる。このように、プレート９６ａ、９７ａを、ピストンヨーク９４ａの材料よりも硬い材料で構成することで、プレート９６ｂ、９７ｂのみをピストン用軸受９２a外周壁面との接触面であるプレート９６ｂ、９７ｂに摺動性を高めるための最適な材料、硬度、表面処理等を施すことで、耐摩耗性を高めることができる。さらに、万一、磨耗等で交換する場合もピストンヨーク９４ａを交換することなく、プレート９６ｂ、９７ｂのみの交換で済み、メンテナンス性のよいスターリングエンジンとなる。なお、ピストン用軸受９２ａにはボールベアリングを用いて外輪を回動する。
【００１１】
特に図４及び図７に示すように、ディスプレーサピストン７１とクランクシャフト８０とを連結するスコッチ・ヨーク機構９０ｂは、クランクシャフト８０に偏心して取り付けられたディスプレーサ用クランクピン９１ｂと、ディスプレーサ用クランクピン９１ｂのまわりに設けたディスプレーサ軸受９２ｂと、長溝９３ｂを形成したディスプレーサヨーク９４ｂとで構成され、ディスプレーサ用軸受９２ｂが長溝９３ｂ内を転がることでディスプレーサ用ヨーク９４ｂが往復動する。なお、スコッチ・ヨーク９０ｂは、ディスプレーサロッド７５によってディスプレーサピストン７１と連結している。また、ディスプレーサヨーク９４ｂの両側部には、ディスプレーサピストン７１の動作方向にガイドシャフト９５ｂが設けられている。ディスプレーサヨーク９４ｂは、リニアベアリングを介してガイドシャフト９５ｂに設けている。ガイドシャフト９５ｂは、ディスプレーサヨーク９４ｂの動作方向をディスプレーサピストン７１の動作方向に規制する。
ディスプレーサヨーク９４ｂの長溝９３ｂの内周面には２枚のプレート９６ｂ、９７ｂを設けている。長溝９３ｂのディスプレーサピストン７１側の内周面には上側プレート９６ｂが、長溝９３ｂのディスプレーサピストン７１と反対側の内周面には下側プレート９７ｂが設けられている。ディスプレーサ用軸受９２ｂは、上側プレート９６ｂと下側プレート９７ｂとを摺動面としている。
ディスプレーサヨーク９４ｂにはアルミニウム合金を用い、プレート９６ｂ、９７ｂには炭素鋼等を用いる。このように、プレート９６ｂ、９７ｂを、ディスプレーサヨーク９４ｂの材料よりも硬い材料で構成することで、プレート９６ｂ、９７ｂのみをピストン用軸受９２a外周壁面との接触面であるプレート９６ｂ、９７ｂに摺動性を高めるための最適な材料、硬度、表面処理等を施すことで、耐摩耗性を高めることができる。さらに、万一、磨耗等で交換する場合もディスプレーサヨーク９４ｂを交換することなく、プレート９６ｂ、９７ｂのみの交換で済み、メンテナンス性のよいスターリングエンジンとなる。なお、ディスプレーサ用軸受９２ｂにはボールベアリングを用いて外輪を回動する。
【００１２】
次に、スコッチ・ヨーク機構を収容するクランクボックスについて、図２から図１０を用いて説明する。
図９は、本実施例によるクランクボックスの斜視図、図１０は、同クランクボックスをベースフランジに取り付けた状態を示す要部斜視図である。
図９に示すように、クランクボックス１００は、クランクシャフト８０を貫通させるための開口部１０１、１０２を形成した側板１０３、１０４と、スコッチ・ヨーク機構９０のガイドシャフト９５ａ、９５ｂの固定面を形成する天板１０５及び底板１０６とによって形成されている。一方の側板１０３は、他方の側板１０４と対向する位置にあり、天板１０５は底板１０６と対向する位置にある。
天板１０５には、パワーピストン７２の摺動空間となる開口部１０７を形成し、底板１０６には、開口部１０８を形成している。また、天板１０５には、一対の耳部１０９が設けられ、この耳部１０９にはベースフランジ取付孔１１０が形成されている。
また、天板１０５及び底板１０６には、ガイドシャフト取付孔１１１が形成されている。図５に示すように、ガイドシャフト取付孔１１１に、ガイドシャフト９５ａ、９５ｂが固定される。
また、図３及び図１０に示すように、開口部１０１にはベアリングホルダ１２１が、開口部１０２にはベアリングホルダ１２２が固定される。そして、図８に示すクランクシャフト８０の両端に備えたクランクシャフト軸受１２３、１２４を、それぞれベアリングホルダ１２１、１２２内に収めることで、クランクシャフト８０がクランクボックス１００に取り付けられる。
ガイドシャフト取付孔１１１へのガイドシャフト９５ａ、９５ｂの取り付けによって、図６に示すパワーピストン７２側のスコッチ・ヨーク機構９０ａと、図７に示すディスプレーサピストン７１側のスコッチ・ヨーク機構９０ｂとをクランクボックス１００に取り付ける。そして、図８に示すクランクシャフト８０を挿入し、開口部１０１にはベアリングホルダ１２１を、開口部１０２にはベアリングホルダ１２２を取り付ける。このようにして、クランクボックス１００にクランクシャフト８０を取り付けた状態を図５に示す。
【００１３】
次にクランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付けについて説明する。
図１０に示すように、クランクボックス１００は、ベースフランジ４０の他方の面に取り付けられる。また、シリンダ７３は、フランジ部７３ａをベースフランジ４０の他方の面に当接させボルト結合する。なお、クランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付け前に、ベースフランジ４０に、シリンダ７３を取り付けておくことが好ましい。シリンダ７３の一方の端部は、ベースフランジ４０の一方の面よりも突出しており、クランクボックス１００の組み付け状態では、クランクボックス１００内に位置する。従って、シリンダ７３をベースフランジ４０に取り付けることで、クランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付け調整を、シリンダ７３を基準面として行うことができる。
クランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付けは、ベースフランジ取付孔１１０にボルトを挿入して取り付けられる。
【００１４】
次にクランクケースについて説明する。
図１１は、クランクケースの一部断面斜視図である。
クランクケース胴部フランジ５３には、ボルト孔５３ａが形成され、また、発電機接続フランジ５５にも、ボルト孔５５ａが形成されている。
クランクケース５０は、クランクケース胴部フランジ５３をベースフランジ４０の一方の面に、ボルト孔５３ａを用いてボルト固定する。また、発電機ケース６０は、発電機接続フランジ５５と発電機ケース側フランジ６１とをボルト孔５５ａを用いてボルト固定する。
上記構成において、スタート時には発電機を動力源としてディスプレーサピストン７１を動作させることで、ディスプレーサピストン７１の一方の空間と他方の空間内の作動ガスが移動する。作動ガスは、加熱部１０で加熱・膨張して一方の空間に導入され、冷却部３０で冷却・収縮して他方の空間に導入されることで、一方の空間及び他方の空間内に圧力変動が生じる。この作動空間内の圧力変動によってパワーピストン７２が動作することで出力を得ることができる。
【００１５】
上記説明の通り、本実施例によれば、スコッチ・ヨーク機構９０及びクランクシャフト８０を高圧雰囲気下に維持するクランクケース５０と、クランクシャフト軸受１２３、１２４及びガイドシャフト９５ａ、９５ｂを固定するクランクボックス１００とを備え、クランクボックス１００をクランクケース５０とは別部材で構成し、スコッチ・ヨーク機構９０をクランクボックス１００内に収めるとともに、クランクシャフト８０もクランクボックス１００で支持する構成とし、クランクケース５０は、単なるカバーとして機能させている。従って、耐圧構造をとらなければならないクランクケース５０では、組立精度を必要とせず、組立精度が必要となるクランクボックス１００は、耐圧構造とする必要がないため、クランクボックス１００を精度良く製造できるとともに、組立精度を高めることができる。
また本実施例によれば、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とが摺動するシリンダ７３と、シリンダ７３を固定するベースフランジ４０と、シリンダ７３の外周部に配置する筒状の冷却部３０とを備え、冷却部３０の一方の端部に形成した冷却部用フランジ３２をベースフランジ４０の一方の面に固定し、クランクボックス１００の天板１０５に形成した耳部１０９をベースフランジ４０の他方の面に固定することで、ベースフランジ４０を基準に精度を確保することができる。
また本実施例によれば、シリンダ７３の一端側の外周面に冷却部３０の内周面が当接し、シリンダ７３の他端側の外周面に天板１０５に形成した開口部１０７の内周面が当接する。従って、シリンダ７３をベースフランジ４０の両面から突出させ、このシリンダ７３の外周面に冷却部３０の内周面とクランクボックス１００の開口部１０７の内周面を当接させることで、それぞれの軸心調整を容易に行うことができる。
また本実施例によれば、クランクボックス１００を、クランクシャフト８０を貫通させるための開口部１０１、１０２を形成した一対の側板１０３、１０４と、ガイドシャフト９５ａ、９５ｂの固定面を形成する天板１０５及び底板１０６とによって形成し、天板１０５にはパワーピストン７２の摺動空間となる開口部１０７を形成し、一対の側板１０３、１０４に設けた開口部１０１、１０２にはそれぞれベアリングホルダ１２１、１２２を固定し、クランクシャフト軸受１２３、１２４をベアリングホルダ１２１、１２２内に収めることで、クランクシャフト８０をクランクボックス１００に取り付けている。従って、クランクボックス１００を直方体に形成し、直方体を形成するそれぞれの面を利用してクランクシャフト８０やパワーピストン７２を固定するため、それぞれの部材の取り付け角度のずれを最小限に抑えることができる。
また本実施例によれば、クランクケース５０の胴部５２側面には発電機接続筒部５４を備え、発電機接続筒部５４の端部には発電機接続フランジ５５を設け、発電機ケース６０の一端には発電機ケース側フランジ６１を備え、発電機接続フランジ５５と発電機ケース側フランジ６１とを接続し、クランクシャフト８０の一端を、カップリング８１を介して発電機用シャフト６２に接続している。従って、クランクシャフト８０だけでなく発電機用シャフト６２についてもクランクケース５０に固定しないので、組立精度を高めることができるとともに組立作業を容易に行うことができる。
【００１６】
なお、本実施例では、クランクボックス１００とシリンダ７３とを別部材として説明したが、クランクボックス１００とシリンダ７３とを同一部材で一体成型してもよい。クランクボックス１００とシリンダ７３とを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
また、本実施例では、クランクボックス１００とベースフランジ４０とを別部材として説明したが、クランクボックス１００とベースフランジ４０とを同一部材で一体成型してもよい。クランクボックス１００とベースフランジ４０とを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
また、クランクボックス１００、ベースフランジ４０、及びシリンダ７３を同一部材で一体成型してもよい。クランクボックス１００、ベースフランジ４０、及びシリンダ７３を同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明のスターリングエンジンは、廃熱やバイオマスなどの熱源ガスを活用した発電装置や動力装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施例によるスターリングエンジンの構成を示す斜視図
【図２】同スターリングエンジンの構成を示す一部断面斜視図
【図３】同スターリングエンジンの構成を示す側面断面図
【図４】本実施例によるスコッチ・ヨーク機構の構成を示す要部正面図
【図５】同スコッチ・ヨーク機構を示す要部斜視図
【図６】パワーピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構
【図７】ディスプレーサピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図
【図８】クランクシャフトにおける連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図
【図９】本実施例によるクランクボックスの斜視図
【図１０】同クランクボックスをベースフランジに取り付けた状態を示す要部斜視図
【図１１】クランクケースの一部断面斜視図
【符号の説明】
【００１９】
１０ 加熱部
１１ ヒーター管
１２ 加熱部用フランジ
１３ 熱交換フィン
２０ 再生部
２１ 再生部用胴部
２２、２３ 再生部用フランジ
３０ 冷却部
３１ 冷却部用胴部
３２、３３ 冷却部用フランジ
４０ ベースフランジ
５０ クランクケース
５１ エンコーダケース
５２ 胴部
５３ クランクケース胴部フランジ
５４ 発電機接続筒部
５５ 発電機接続フランジ
６０ 発電機ケース
６１ 発電機ケース側フランジ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱やバイオマスなどの熱源を活用できるスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱やバイオマスなどの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それら熱源の有効活用に適している。
スターリングエンジンは、低い温度にも熱源できることから、その目標性能を達成するにはピストンシールや機構の摩擦に起因する機械損失の軽減が開発課題の一つである。
スターリングエンジンに用いられるスコッチ・ヨーク機構は、出力軸に偏心して取り付けられたクランクピン軸受が長円形の溝の中を転がることにより、ヨークを往復動させる機構であり、ピストンおよび出力軸に垂直な方向に直動軸受等のガイドを設けることによって、ピストンに作用するサイドスラストを打ち消すことができる。
そして、スコッチ・ヨーク機構は、クロスヘッド機構や通常のクランク機構に比べて高さを短縮しやすく、また、各部にグリース封入式の軸受を用いることによって潤滑装置を簡単化できるため、比較的低出力の小型エンジンに適している。
一方、スコッチ・ヨーク機構は、ヨークの往復部の質量増大による機械損失の増加、クランクピンとヨーク部の接点の強度や耐摩耗性に問題があり、本発明者らは、摺動損失を低減し、信頼性の高いスコッチ・ヨーク機構とするスターリングエンジンを既に提案している（特許文献１）。
【特許文献１】特願２００６−２８３３２３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のスターリングエンジンでは、スコッチ・ヨーク機構をクランクケースに取り付ける構成であるため、精度が要求される組立作業が極めて困難であり、熟練を要するという問題を有していた。特にクランクケースは、耐圧部材によって耐圧構造をとらなければならないため、組立精度を高めることが極めて困難であった。
【０００４】
そこで本発明は、スコッチ・ヨーク機構を備えたスターリングエンジンにおいて、組立作業が容易で、組立精度がよいスターリングエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを備え、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとをスコッチ・ヨーク機構を介してクランクシャフトに連結し、前記クランクシャフトの両端にはクランクシャフト軸受を備え、前記スコッチ・ヨーク機構を、前記クランクシャフトに偏心して取り付けられたクランクピンと、前記クランクピンのまわりに設けた軸受と、長溝を形成したヨークと、前記ヨークの動作方向を前記ディスプレーサピストン及び前記パワーピストンの動作方向に規制するガイドシャフトとで構成し、前記軸受が前記長溝内を転がることで前記ヨークが前記ガイドシャフトに沿って往復動するスターリングエンジンであって、前記スコッチ・ヨーク機構及び前記クランクシャフトを高圧雰囲気下に維持するクランクケースと、前記クランクシャフト軸受及び前記ガイドシャフトを固定するクランクボックスとを備え、前記クランクボックスを、前記クランクケースとは別部材で構成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとが摺動するシリンダと、前記シリンダを固定するベースフランジと、前記シリンダの外周部に配置する筒状の冷却部とを備え、前記冷却部の一方の端部に形成した冷却部用フランジを前記ベースフランジの一方の面に固定し、前記クランクボックスの天板に形成した耳部を前記ベースフランジの他方の面に固定することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記シリンダの一端側の外周面に前記冷却部の内周面が当接し、前記シリンダの他端側の外周面に前記天板に形成した開口部の内周面が当接することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックスと前記シリンダとを同一部材で一体成型したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックスと前記ベースフランジとを同一部材で一体成型したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックス、前記ベースフランジ、及び前記シリンダを同一部材で一体成型したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクボックスを、前記クランクシャフトを貫通させるための開口部を形成した一対の側板と、前記ガイドシャフトの固定面を形成する天板及び底板とによって形成し、前記天板には、前記パワーピストンの摺動空間となる開口部を形成し、一対の前記側板に設けた前記開口部にはそれぞれベアリングホルダを固定し、前記クランクシャフト軸受を、前記ベアリングホルダ内に収めることで、前記クランクシャフトを前記クランクボックスに取り付けることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記クランクケースの胴部側面には発電機接続筒部を備え、前記発電機接続筒部の端部には発電機接続フランジを設け、発電機ケースの一端には発電機ケース側フランジを備え、前記発電機接続フランジと前記発電機ケース側フランジとを接続し、前記クランクシャフトの一端を、カップリングを介して発電機用シャフトに接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、耐圧を考慮することなくクランクボックスを構成することができ、このクランクボックスにクランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定する構成を容易に設計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ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンは、スコッチ・ヨーク機構及びクランクシャフトを高圧雰囲気下に維持するクランクケースと、クランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定するクランクボックスとを備え、クランクボックスを、クランクケースとは別部材で構成したものである。本実施の形態によれば、高圧雰囲気下に維持するクランクケースとは別部材としてクランクボックスを設けることで、耐圧を考慮することなくクランクボックスを構成することができ、このクランクボックスにクランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定する構成を容易に設計することができる。そして、このクランクボックスにクランクシャフト軸受及びガイドシャフトを固定した状態で、組立を行うことが可能であるため、組立を精度よく容易に行うことができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によ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とパワーピストンとが摺動するシリンダと、シリンダを固定するベースフランジと、シリンダの外周部に配置する筒状の冷却部とを備え、冷却部の一方の端部に形成した冷却部用フランジをベースフランジの一方の面に固定し、クランクボックスの天板に形成した耳部をベースフランジの他方の面に固定するものである。本実施の形態によれば、ベースフランジの一方の面に冷却部を取り付け、ベースフランジの他方の面にクランクボックスを取り付けるため、ベースフランジを基準に精度を確保することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、シリンダの一端側の外周面に冷却部の内周面が当接し、シリンダの他端側の外周面に天板に形成した開口部の内周面が当接するものである。本実施の形態によれば、シリンダをベースフランジの両面から突出させ、このシリンダの外周面に冷却部の内周面とクランクボックスの開口部内周面を当接させることで、それぞれの軸心調整を容易に行うことができる。
本発明の第４の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックスとシリンダとを同一部材で一体成型したものである。本実施の形態によれば、クランクボックスとシリンダとを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックスとベースフランジとを同一部材で一体成型したものである。本実施の形態によれば、クランクボックスとベースフランジとを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックス、ベースフランジ、及びシリンダを同一部材で一体成型したものである。本実施の形態によれば、クランクボックス、ベースフランジ、及びシリンダを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクボックスを、クランクシャフトを貫通させるための開口部を形成した一対の側板と、ガイドシャフトの固定面を形成する天板及び底板とによって形成し、天板には、パワーピストンの摺動空間となる開口部を形成し、一対の側板に設けた開口部にはそれぞれベアリングホルダを固定し、クランクシャフト軸受を、ベアリングホルダ内に収めることで、クランクシャフトをクランクボックスに取り付けるものである。本実施の形態によれば、クランクボックスを直方体に形成し、直方体を形成するそれぞれの面を利用してクランクシャフトやパワーピストンを固定するため、それぞれの部材の取り付け角度のずれを最小限に抑えることができる。
本発明の第８の実施の形態は、第１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、クランクケースの胴部側面には発電機接続筒部を備え、発電機接続筒部の端部には発電機接続フランジを設け、発電機ケースの一端には発電機ケース側フランジを備え、発電機接続フランジと発電機ケース側フランジとを接続し、クランクシャフトの一端を、カップリングを介して発電機用シャフトに接続するものである。本実施の形態によれば、クランクシャフトだけでなく発電機用シャフトについてもクランクケースに固定しないので、組立精度を高めることができるとともに組立作業を容易に行うことができる。
【実施例】
【０００８】
以下本発明の一実施例によるスターリングエンジンについて説明する。
まず、図１を用いて同スターリングエンジンの外観構成について説明する。
図１は本実施例によるスターリングエンジンの構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施例によるスターリングエンジンは、加熱部１０、再生部２０、冷却部３０を、ベースフランジ４０の一方に積み重ねて構成している。また、同スターリングエンジンは、ベースフランジ４０の他方にクランクケース５０を備えている。クランクケース５０には、発電機ケース６０とエンコーダケース５１とを備えている。
同スターリングエンジンは、加熱部１０を、例えば船舶のディーゼルエンジンから発生する排気ガスを排出する熱源ガス流路内に設置して用いる。
冷却部３０は、筒状の冷却部用胴部３１と、この冷却部用胴部３１の両端に形成した冷却部用フランジ３２、３３とを備える。一方の冷却部用フランジ３２は、ベースフランジ４０の一方の面に固定される。
再生部２０は、筒状の再生部用胴部２１と、この再生部用胴部２１の両端に形成した再生部用フランジ２２、２３とを備える。一方の再生部用フランジ２２は、他方の冷却部用フランジ３３に固定される。
加熱部１０は、Ｕ字状に曲げられた複数のヒーター管１１と、これらのヒーター管１１の開口端部を固定する加熱部用フランジ１２とを備える。この加熱部用フランジ１２は、他方の再生部用フランジ２３に固定される。なお、ヒーター管１１には、多数の熱交換フィン１３を設けている。
クランクケース５０は、筒状のクランクケース胴部５２と、このクランクケース胴部５２の一端に形成したクランクケース胴部フランジ５３とを備える。また、クランクケース胴部５２の側面には、筒状のエンコーダケース５１と同一軸線上に、発電機接続筒部５４を備える。この発電機接続筒部５４の端部には、発電機接続フランジ５５を設けている。
発電機ケース６０の一端には、発電機ケース側フランジ６１を備えており、発電機ケース側フランジ６１と発電機接続フランジ５５とが接続される。なお、クランクケース５０内は、高圧雰囲気下に維持され、本実施例においては、発電機ケース６０内もクランクケース５０内と同じ高圧雰囲気下に維持される。
【０００９】
次に、図２から図１１を用いて同スターリングエンジンの内部構成について説明する。
図２は同スターリングエンジンの構成を示す一部断面斜視図、図３は同スターリングエンジンの構成を示す側面断面図である。
同スターリングエンジンは、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とを有している。ディスプレーサピストン７１及びパワーピストン７２は、それぞれクランクシャフト８０に連結されている。クランクシャフト８０の一端は、カップリング８１を介して発電機用シャフト６２と接続され、他端は、カップリング８２を介してエンコーダ６３と接続されている。また、クランクシャフト８０の一端側には、フライホイール６４を設けている。ここでカップリング８１、８２は、クランクシャフト８０と発電機用シャフト６２との軸心づれを許容できるゴムカップリングが適している。
ディスプレーサピストン７１及びパワーピストン７２の移動範囲には、シリンダ７３が設けられている。
シリンダ７３の外周部には、冷却部３０とベースフランジ４０が位置する。
ディスプレーサピストン７１には、ディスプレーサキャップ７１ａが設けられている。
加熱部１０には、加熱部用フランジ１２の中央部に、加熱部ヘッド１４を形成している。
この加熱部ヘッド１４は、ディスプレーサキャップ７１ａの頂部と同形状に形成されている。そして、加熱部ヘッド１４とディスプレーサキャップ７１ａとの間にディスプレーサピストン７１の一方の空間が形成され、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２との間にディスプレーサピストン７１の他方の空間が形成される。
ヒーター管１１の一端側端部１１ａは、ディスプレーサピストン７１の一方の空間に連通している。またヒーター管１１の他端側端部１１ｂは、再生部２０と連通し、再生部２０は冷却部３０と連通し、冷却部３０はディスプレーサピストン７１の他方の空間に連通している。
再生部２０の内部には、シリンダ７３と同心円状の筒材２４が配置されている。そして再生部２０の内周面と筒材２４との間には、複数の円管が再生部２０の軸方向に配置される。各円管の隙間にはオーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網のマトリックス材を詰めている。作動ガスは、マトリックス材を通り抜けて、ヒーター管１１又は冷却部３０に流れる。作動ガスは、この再生部２０を通り抜けるときに、マトリックス材から吸熱し、又はマトリックス材に放熱する。なお、円管及びマトリックス材については図示を省略する。
冷却部３０内は、冷却水が流れる通路と作動ガスが流れる通路に区分され、作動ガスは冷却水で冷却される。
【００１０】
ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とは、スコッチ・ヨーク機構９０を介してクランクシャフト８０に連結している。なお、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とは位相を所定角度ずらしている。
ここでスコッチ・ヨーク機構９０について、図４から図９を用いて説明する。
図４は、本実施例によるスコッチ・ヨーク機構の構成を示す要部正面図、図５は、同スコッチ・ヨーク機構を示す要部斜視図、図６は、パワーピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図、図７は、ディスプレーサピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図、図８は、クランクシャフトにおける連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図である。
パワーピストン７２とクランクシャフト８０とを連結するスコッチ・ヨーク機構９０ａは、クランクシャフト８０に偏心して取り付けられたピストン用クランクピン９１ａと、ピストン用クランクピン９１ａのまわりに設けたピストン用軸受９２ａと、長溝９３ａを形成したピストンヨーク９４ａとで構成され、ピストン用軸受９２ａが長溝９３ａ内を転がることでピストンヨーク９４ａが往復動する。なお、スコッチ・ヨーク９０ａは、図６に示すようにパワーピストンボード７４によってパワーピストン７２と連結している。また、ピストンヨーク９４ａの両側部には、パワーピストン７２の動作方向にガイドシャフト９５ａが設けられている。ピストンヨーク９４ａは、リニアベアリングを介してガイドシャフト９５ａに設けている。ガイドシャフト９５ａは、ピストンヨーク９４ａの動作方向をパワーピストン７２の動作方向に規制する。
ピストンヨーク９４ａの長溝９３ａの内周面には２枚のプレート９６ａ、９７ａを設けている。長溝９３ａのパワーピストン７２側の内周面には上側プレート９６ａが、長溝９３ａのパワーピストン７２と反対側の内周面には下側プレート９７ａが設けられている。ピストン用軸受９２ａは、上側プレート９６ａと下側プレート９７ａとを摺動面としている。
ピストンヨーク９４ａにはアルミニウム合金を用い、プレート９６ａ、９７ａには炭素鋼を用いる。このように、プレート９６ａ、９７ａを、ピストンヨーク９４ａの材料よりも硬い材料で構成することで、プレート９６ｂ、９７ｂのみをピストン用軸受９２a外周壁面との接触面であるプレート９６ｂ、９７ｂに摺動性を高めるための最適な材料、硬度、表面処理等を施すことで、耐摩耗性を高めることができる。さらに、万一、磨耗等で交換する場合もピストンヨーク９４ａを交換することなく、プレート９６ｂ、９７ｂのみの交換で済み、メンテナンス性のよいスターリングエンジンとなる。なお、ピストン用軸受９２ａにはボールベアリングを用いて外輪を回動する。
【００１１】
特に図４及び図７に示すように、ディスプレーサピストン７１とクランクシャフト８０とを連結するスコッチ・ヨーク機構９０ｂは、クランクシャフト８０に偏心して取り付けられたディスプレーサ用クランクピン９１ｂと、ディスプレーサ用クランクピン９１ｂのまわりに設けたディスプレーサ軸受９２ｂと、長溝９３ｂを形成したディスプレーサヨーク９４ｂとで構成され、ディスプレーサ用軸受９２ｂが長溝９３ｂ内を転がることでディスプレーサ用ヨーク９４ｂが往復動する。なお、スコッチ・ヨーク９０ｂは、ディスプレーサロッド７５によってディスプレーサピストン７１と連結している。また、ディスプレーサヨーク９４ｂの両側部には、ディスプレーサピストン７１の動作方向にガイドシャフト９５ｂが設けられている。ディスプレーサヨーク９４ｂは、リニアベアリングを介してガイドシャフト９５ｂに設けている。ガイドシャフト９５ｂは、ディスプレーサヨーク９４ｂの動作方向をディスプレーサピストン７１の動作方向に規制する。
ディスプレーサヨーク９４ｂの長溝９３ｂの内周面には２枚のプレート９６ｂ、９７ｂを設けている。長溝９３ｂのディスプレーサピストン７１側の内周面には上側プレート９６ｂが、長溝９３ｂのディスプレーサピストン７１と反対側の内周面には下側プレート９７ｂが設けられている。ディスプレーサ用軸受９２ｂは、上側プレート９６ｂと下側プレート９７ｂとを摺動面としている。
ディスプレーサヨーク９４ｂにはアルミニウム合金を用い、プレート９６ｂ、９７ｂには炭素鋼等を用いる。このように、プレート９６ｂ、９７ｂを、ディスプレーサヨーク９４ｂの材料よりも硬い材料で構成することで、プレート９６ｂ、９７ｂのみをピストン用軸受９２a外周壁面との接触面であるプレート９６ｂ、９７ｂに摺動性を高めるための最適な材料、硬度、表面処理等を施すことで、耐摩耗性を高めることができる。さらに、万一、磨耗等で交換する場合もディスプレーサヨーク９４ｂを交換することなく、プレート９６ｂ、９７ｂのみの交換で済み、メンテナンス性のよいスターリングエンジンとなる。なお、ディスプレーサ用軸受９２ｂにはボールベアリングを用いて外輪を回動する。
【００１２】
次に、スコッチ・ヨーク機構を収容するクランクボックスについて、図２から図１０を用いて説明する。
図９は、本実施例によるクランクボックスの斜視図、図１０は、同クランクボックスをベースフランジに取り付けた状態を示す要部斜視図である。
図９に示すように、クランクボックス１００は、クランクシャフト８０を貫通させるための開口部１０１、１０２を形成した側板１０３、１０４と、スコッチ・ヨーク機構９０のガイドシャフト９５ａ、９５ｂの固定面を形成する天板１０５及び底板１０６とによって形成されている。一方の側板１０３は、他方の側板１０４と対向する位置にあり、天板１０５は底板１０６と対向する位置にある。
天板１０５には、パワーピストン７２の摺動空間となる開口部１０７を形成し、底板１０６には、開口部１０８を形成している。また、天板１０５には、一対の耳部１０９が設けられ、この耳部１０９にはベースフランジ取付孔１１０が形成されている。
また、天板１０５及び底板１０６には、ガイドシャフト取付孔１１１が形成されている。図５に示すように、ガイドシャフト取付孔１１１に、ガイドシャフト９５ａ、９５ｂが固定される。
また、図３及び図１０に示すように、開口部１０１にはベアリングホルダ１２１が、開口部１０２にはベアリングホルダ１２２が固定される。そして、図８に示すクランクシャフト８０の両端に備えたクランクシャフト軸受１２３、１２４を、それぞれベアリングホルダ１２１、１２２内に収めることで、クランクシャフト８０がクランクボックス１００に取り付けられる。
ガイドシャフト取付孔１１１へのガイドシャフト９５ａ、９５ｂの取り付けによって、図６に示すパワーピストン７２側のスコッチ・ヨーク機構９０ａと、図７に示すディスプレーサピストン７１側のスコッチ・ヨーク機構９０ｂとをクランクボックス１００に取り付ける。そして、図８に示すクランクシャフト８０を挿入し、開口部１０１にはベアリングホルダ１２１を、開口部１０２にはベアリングホルダ１２２を取り付ける。このようにして、クランクボックス１００にクランクシャフト８０を取り付けた状態を図５に示す。
【００１３】
次にクランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付けについて説明する。
図１０に示すように、クランクボックス１００は、ベースフランジ４０の他方の面に取り付けられる。また、シリンダ７３は、フランジ部７３ａをベースフランジ４０の他方の面に当接させボルト結合する。なお、クランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付け前に、ベースフランジ４０に、シリンダ７３を取り付けておくことが好ましい。シリンダ７３の一方の端部は、ベースフランジ４０の一方の面よりも突出しており、クランクボックス１００の組み付け状態では、クランクボックス１００内に位置する。従って、シリンダ７３をベースフランジ４０に取り付けることで、クランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付け調整を、シリンダ７３を基準面として行うことができる。
クランクボックス１００のベースフランジ４０への取り付けは、ベースフランジ取付孔１１０にボルトを挿入して取り付けられる。
【００１４】
次にクランクケースについて説明する。
図１１は、クランクケースの一部断面斜視図である。
クランクケース胴部フランジ５３には、ボルト孔５３ａが形成され、また、発電機接続フランジ５５にも、ボルト孔５５ａが形成されている。
クランクケース５０は、クランクケース胴部フランジ５３をベースフランジ４０の一方の面に、ボルト孔５３ａを用いてボルト固定する。また、発電機ケース６０は、発電機接続フランジ５５と発電機ケース側フランジ６１とをボルト孔５５ａを用いてボルト固定する。
上記構成において、スタート時には発電機を動力源としてディスプレーサピストン７１を動作させることで、ディスプレーサピストン７１の一方の空間と他方の空間内の作動ガスが移動する。作動ガスは、加熱部１０で加熱・膨張して一方の空間に導入され、冷却部３０で冷却・収縮して他方の空間に導入されることで、一方の空間及び他方の空間内に圧力変動が生じる。この作動空間内の圧力変動によってパワーピストン７２が動作することで出力を得ることができる。
【００１５】
上記説明の通り、本実施例によれば、スコッチ・ヨーク機構９０及びクランクシャフト８０を高圧雰囲気下に維持するクランクケース５０と、クランクシャフト軸受１２３、１２４及びガイドシャフト９５ａ、９５ｂを固定するクランクボックス１００とを備え、クランクボックス１００をクランクケース５０とは別部材で構成し、スコッチ・ヨーク機構９０をクランクボックス１００内に収めるとともに、クランクシャフト８０もクランクボックス１００で支持する構成とし、クランクケース５０は、単なるカバーとして機能させている。従って、耐圧構造をとらなければならないクランクケース５０では、組立精度を必要とせず、組立精度が必要となるクランクボックス１００は、耐圧構造とする必要がないため、クランクボックス１００を精度良く製造できるとともに、組立精度を高めることができる。
また本実施例によれば、ディスプレーサピストン７１とパワーピストン７２とが摺動するシリンダ７３と、シリンダ７３を固定するベースフランジ４０と、シリンダ７３の外周部に配置する筒状の冷却部３０とを備え、冷却部３０の一方の端部に形成した冷却部用フランジ３２をベースフランジ４０の一方の面に固定し、クランクボックス１００の天板１０５に形成した耳部１０９をベースフランジ４０の他方の面に固定することで、ベースフランジ４０を基準に精度を確保することができる。
また本実施例によれば、シリンダ７３の一端側の外周面に冷却部３０の内周面が当接し、シリンダ７３の他端側の外周面に天板１０５に形成した開口部１０７の内周面が当接する。従って、シリンダ７３をベースフランジ４０の両面から突出させ、このシリンダ７３の外周面に冷却部３０の内周面とクランクボックス１００の開口部１０７の内周面を当接させることで、それぞれの軸心調整を容易に行うことができる。
また本実施例によれば、クランクボックス１００を、クランクシャフト８０を貫通させるための開口部１０１、１０２を形成した一対の側板１０３、１０４と、ガイドシャフト９５ａ、９５ｂの固定面を形成する天板１０５及び底板１０６とによって形成し、天板１０５にはパワーピストン７２の摺動空間となる開口部１０７を形成し、一対の側板１０３、１０４に設けた開口部１０１、１０２にはそれぞれベアリングホルダ１２１、１２２を固定し、クランクシャフト軸受１２３、１２４をベアリングホルダ１２１、１２２内に収めることで、クランクシャフト８０をクランクボックス１００に取り付けている。従って、クランクボックス１００を直方体に形成し、直方体を形成するそれぞれの面を利用してクランクシャフト８０やパワーピストン７２を固定するため、それぞれの部材の取り付け角度のずれを最小限に抑えることができる。
また本実施例によれば、クランクケース５０の胴部５２側面には発電機接続筒部５４を備え、発電機接続筒部５４の端部には発電機接続フランジ５５を設け、発電機ケース６０の一端には発電機ケース側フランジ６１を備え、発電機接続フランジ５５と発電機ケース側フランジ６１とを接続し、クランクシャフト８０の一端を、カップリング８１を介して発電機用シャフト６２に接続している。従って、クランクシャフト８０だけでなく発電機用シャフト６２についてもクランクケース５０に固定しないので、組立精度を高めることができるとともに組立作業を容易に行うことができる。
【００１６】
なお、本実施例では、クランクボックス１００とシリンダ７３とを別部材として説明したが、クランクボックス１００とシリンダ７３とを同一部材で一体成型してもよい。クランクボックス１００とシリンダ７３とを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
また、本実施例では、クランクボックス１００とベースフランジ４０とを別部材として説明したが、クランクボックス１００とベースフランジ４０とを同一部材で一体成型してもよい。クランクボックス１００とベースフランジ４０とを同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
また、クランクボックス１００、ベースフランジ４０、及びシリンダ７３を同一部材で一体成型してもよい。クランクボックス１００、ベースフランジ４０、及びシリンダ７３を同一部材で一体成型することで、組立作業を容易にし、組立精度を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明のスターリングエンジンは、廃熱やバイオマスなどの熱源ガスを活用した発電装置や動力装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施例によるスターリングエンジンの構成を示す斜視図
【図２】同スターリングエンジンの構成を示す一部断面斜視図
【図３】同スターリングエンジンの構成を示す側面断面図
【図４】本実施例によるスコッチ・ヨーク機構の構成を示す要部正面図
【図５】同スコッチ・ヨーク機構を示す要部斜視図
【図６】パワーピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構
【図７】ディスプレーサピストンとクランクシャフトとの連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図
【図８】クランクシャフトにおける連結を示すスコッチ・ヨーク機構の要部斜視図
【図９】本実施例によるクランクボックスの斜視図
【図１０】同クランクボックスをベースフランジに取り付けた状態を示す要部斜視図
【図１１】クランクケースの一部断面斜視図
【符号の説明】
【００１９】
１０ 加熱部
１１ ヒーター管
１２ 加熱部用フランジ
１３ 熱交換フィン
２０ 再生部
２１ 再生部用胴部
２２、２３ 再生部用フランジ
３０ 冷却部
３１ 冷却部用胴部
３２、３３ 冷却部用フランジ
４０ ベースフランジ
５０ クランクケース
５１ エンコーダケース
５２ 胴部
５３ クランクケース胴部フランジ
５４ 発電機接続筒部
５５ 発電機接続フランジ
６０ 発電機ケース
６１ 発電機ケース側フランジ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサピストンとパワーピストンとを備え、
前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとをスコッチ・ヨーク機構を介してクランクシャフトに連結し、
前記クランクシャフトの両端にはクランクシャフト軸受を備え、
前記スコッチ・ヨーク機構を、
前記クランクシャフトに偏心して取り付けられたクランクピンと、
前記クランクピンのまわりに設けた軸受と、
長溝を形成したヨークと、
前記ヨークの動作方向を前記ディスプレーサピストン及び前記パワーピストンの動作方向に規制するガイドシャフトとで構成し、
前記軸受が前記長溝内を転がることで前記ヨークが前記ガイドシャフトに沿って往復動するスターリングエンジンであって、
前記スコッチ・ヨーク機構及び前記クランクシャフトを高圧雰囲気下に維持するクランクケースと、
前記クランクシャフト軸受及び前記ガイドシャフトを固定するクランクボックスとを備え、
前記クランクボックスを、前記クランクケースとは別部材で構成したことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとが摺動するシリンダと、前記シリンダを固定するベースフランジと、前記シリンダの外周部に配置する筒状の冷却部とを備え、
前記冷却部の一方の端部に形成した冷却部用フランジを前記ベースフランジの一方の面に固定し、
前記クランクボックスの天板に形成した耳部を前記ベースフランジの他方の面に固定することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
前記シリンダの一端側の外周面に前記冷却部の内周面が当接し、前記シリンダの他端側の外周面に前記天板に形成した開口部の内周面が当接することを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記クランクボックスと前記シリンダとを同一部材で一体成型したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
前記クランクボックスと前記ベースフランジとを同一部材で一体成型したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
前記クランクボックス、前記ベースフランジ、及び前記シリンダを同一部材で一体成型したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
前記クランクボックスを、前記クランクシャフトを貫通させるための開口部を形成した一対の側板と、前記ガイドシャフトの固定面を形成する天板及び底板とによって形成し、前記天板には、前記パワーピストンの摺動空間となる開口部を形成し、一対の前記側板に設けた前記開口部にはそれぞれベアリングホルダを固定し、前記クランクシャフト軸受を、前記ベアリングホルダ内に収めることで、前記クランクシャフトを前記クランクボックスに取り付けることを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項８】
前記クランクケースの胴部側面には発電機接続筒部を備え、前記発電機接続筒部の端部には発電機接続フランジを設け、発電機ケースの一端には発電機ケース側フランジを備え、前記発電機接続フランジと前記発電機ケース側フランジとを接続し、前記クランクシャフトの一端を、カップリングを介して発電機用シャフトに接続することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項１】
ディスプレーサピストンとパワーピストンとを備え、
前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとをスコッチ・ヨーク機構を介してクランクシャフトに連結し、
前記クランクシャフトの両端にはクランクシャフト軸受を備え、
前記スコッチ・ヨーク機構を、
前記クランクシャフトに偏心して取り付けられたクランクピンと、
前記クランクピンのまわりに設けた軸受と、
長溝を形成したヨークと、
前記ヨークの動作方向を前記ディスプレーサピストン及び前記パワーピストンの動作方向に規制するガイドシャフトとで構成し、
前記軸受が前記長溝内を転がることで前記ヨークが前記ガイドシャフトに沿って往復動するスターリングエンジンであって、
前記スコッチ・ヨーク機構及び前記クランクシャフトを高圧雰囲気下に維持するクランクケースと、
前記クランクシャフト軸受及び前記ガイドシャフトを固定するクランクボックスとを備え、
前記クランクボックスを、前記クランクケースとは別部材で構成したことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとが摺動するシリンダと、前記シリンダを固定するベースフランジと、前記シリンダの外周部に配置する筒状の冷却部とを備え、
前記冷却部の一方の端部に形成した冷却部用フランジを前記ベースフランジの一方の面に固定し、
前記クランクボックスの天板に形成した耳部を前記ベースフランジの他方の面に固定することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
前記シリンダの一端側の外周面に前記冷却部の内周面が当接し、前記シリンダの他端側の外周面に前記天板に形成した開口部の内周面が当接することを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記クランクボックスと前記シリンダとを同一部材で一体成型したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
前記クランクボックスと前記ベースフランジとを同一部材で一体成型したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
前記クランクボックス、前記ベースフランジ、及び前記シリンダを同一部材で一体成型したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
前記クランクボックスを、前記クランクシャフトを貫通させるための開口部を形成した一対の側板と、前記ガイドシャフトの固定面を形成する天板及び底板とによって形成し、前記天板には、前記パワーピストンの摺動空間となる開口部を形成し、一対の前記側板に設けた前記開口部にはそれぞれベアリングホルダを固定し、前記クランクシャフト軸受を、前記ベアリングホルダ内に収めることで、前記クランクシャフトを前記クランクボックスに取り付けることを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項８】
前記クランクケースの胴部側面には発電機接続筒部を備え、前記発電機接続筒部の端部には発電機接続フランジを設け、発電機ケースの一端には発電機ケース側フランジを備え、前記発電機接続フランジと前記発電機ケース側フランジとを接続し、前記クランクシャフトの一端を、カップリングを介して発電機用シャフトに接続することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【図３】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−６２９０６（Ｐ２００９−６２９０６Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３２２６５（Ｐ２００７−２３２２６５）
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（５０６０６５７２５）株式会社ｅスター (17)
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（５０６０６５７２５）株式会社ｅスター (17)
【出願人】（５０１２０４５２５）独立行政法人海上技術安全研究所 (185)
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