JP2014517192A

JP2014517192A - 外燃機関

Info

Publication number: JP2014517192A
Application number: JP2014509851A
Authority: JP
Inventors: ダヴィデジェンティーレ
Original assignee: Innovative Technological Systems Srl
Current assignee: Innovative Technological Systems Srl
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2014-07-17
Also published as: ES2557632T3; US20140290207A1; SI2707588T1; ITUD20110070A1; EP2707588A1; US9790791B2; WO2013050836A1; EP2707588B1; BR112013028928A2

Abstract

第１及び第２のピストン２０、３０がそれぞれ内部で摺動可能な第１及び第２のシリンダー１１、１２を備える外燃機関である。第１及び第２のシリンダー１１、１２は、第１及び第２のピストン２０、３０の周期的な運動を決定するのに好適な熱伝達流体が通過するために互いに流体接続されている。この外燃機関はさらに回転軸Ｚの周りで回転するとともにクランク手段２５が強固に結合された駆動軸２１を備える。クランク手段２５には、互いに平行なかつ回転軸Ｚから径方向に離れて配置される回動軸Ｊ、Ｋを有する少なくとも第１及び第２のピン２６、３２が設けられる。外燃機関は、第１のピン２６と第２のピン３２をそれぞれ第１のピストン２０と第２のピストン３０に接続するのに好適な第１の運動学的接続手段２２、２３と第２の運動学的接続手段３１をさらに備える。第１のピン２６と第２のピン３２は、回転軸Ｚに対して第１の鋭角βに等しい所望の角度をなすように、それぞれの回動軸Ｊ、Ｋが角度的にオフセットした状態で配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば空気、窒素、ヘリウム又は他のガスといった熱力学的流体の等温膨張及び等温圧縮のサイクルを用いてディスプレーサー及びピストンの交互の周期的な運動を決定し、機械的作用が得られる確定的な駆動軸の回転を引き起こすスターリングエンジンとしても知られる外燃機関に関する。

熱力学的流体において生じる温度差を用い、ディスプレーサー及びピストンを周期的かつ交互に運動させる、スターリングエンジンとしても知られている外燃機関が既知である。

特にスターリングエンジンは、第１のシリンダー及び第２のシリンダーを備え、それらは互いに対して直交して、すなわちそれぞれの軸が互いに対して９０°の角度をなした状態で配置され、ディスプレーサーとも呼ばれる第１のピストンと、第２のピストンとが内部を摺動する、いわゆるγ型で知られている。ディスプレーサー及び第２のピストンは、それぞれの連接棒によって単一のクランクピン付近で接続されている。第２のピストンは、機械的作用を取り出す駆動軸と連動する。

第１のシリンダーには、ヘッド付近、すなわちディスプレーサーの上死点付近に配置される高温部分、及びディスプレーサーの下死点付近に配置される低温部分が設けられる。第１のシリンダーの高温部分及び低温部分は、第１のシリンダー内に収容される熱力学的流体に熱を伝えるために、それぞれ加熱及び冷却される。

第１のシリンダーの高温部分及び低温部分は好適には、例えば第１のシリンダーの外側ジャケットとディスプレーサーとの間に流出部を設けることによって互いに流体接続される。

第１のシリンダーの低温部分付近には、第１のシリンダーと第２のシリンダーとの間に流体接続を生じさせるように、第２のシリンダーのヘッドに接続するパイプが設けられる。

高温部分からの熱によって生じる熱力学的流体の膨張を用いることによって、第２のピストンは下死点に向かって移動する。ディスプレーサーは低温部分に向かって移動するが、これには、既に加熱されている熱力学的流体の冷却を必要とし、したがって第２のピストンを上死点に向かって引き込む流体の収縮を必要とする。

第２のピストンの上死点から下死点への交互の運動によって、駆動軸が回転し、したがって機械的作用が発生する。

このタイプのエンジンは静かであり、環境に対する影響が少なく、限られたメンテナンスしか必要としないが、公称出力の変化及び調節が可能ではなく、常に略同じ能力で作動する。

この制約に起因して、そのようなエンジンは専ら、連続かつ一定のエネルギーの送達が必要とされる用途において用いられている。

このタイプのエンジンの適応性を高めるために、本出願人名義の国際特許出願である特許文献１が既知であり、この場合、エンジンのｃｃ容積を変化させ、したがってエンジン自体の機能モード又は回転速度を変化させるために、第１のシリンダーと第２のシリンダーとの間の角度を変えるという可能性を提供する。

この解決策はエンジンの回転速度を変化させることを可能にし、したがって、ユーザーの要求に応じてエンジンを機能要件にほぼ瞬時に適合できるが、いずれの場合においても、静的エンジンよりも複雑であり、また、特定の構成では、機能性能がやや低い可能性があり、これは、第１のシリンダー及び第２のシリンダーが互いに直交状態から離れるほどより顕著になる。効率の低下は、第１のシリンダー及び第２のシリンダー内のアイドル体積（膨張／圧縮によって有用な作用を発生させない流体）の増大によって決まる。このことは、適用先で略一定のエネルギー供給が必要とされる特定の状況において、このタイプのエンジンが可変構成を断念することにつながり得る。

実際、特定の要件及び要求を満たし、特に、あまり複雑ではなく、経済的コストをより少なくするためには、静的エンジンを実現する必要があり、したがって、第１のシリンダーと第２のシリンダーとの間の角度を可変とする構成を備えず、良好な性能を有し、かつ嵩張らないエンジンを実現する必要がある。

それどころか、第１のシリンダー及び第２のシリンダーの配置を考えると、γ型のエンジンの中には、特定の用途では許容されない非常に嵩張るエンジンがある。

同じ特許文献１は、連接棒及びバー等の運動学的接続手段が、第１のピストン及び第２のピストン、並びに、回転軸の周りを回転し、第１のピストン及び第２のピストンを交互の動きで移動させるように構成されているクランク手段にそれぞれ結合される、外燃機関の一実施形態も記載している。

クランク手段は、第２のピストンの移動と同一の第１のピストンの移動を実現するように、互いに対して角度的にオフセットし、回転軸から同じ距離に配置される第１のクランクピン及び第２のクランクピンを含む。

エンジンのこの実施形態は、幾つかの特定の用途では、作動流体の熱交換が第１のシリンダー及び第２のシリンダーにおいて最適化されないとすると、熱力学的観点からの効率がそれほど高いわけではない場合がある。

実際、高温流体の膨張及び圧縮中に吸収される機械的作用は、流体が受ける体積変化が同じであるとすると、より低温の流体の膨張及び圧縮中に吸収される機械的作用よりも常に大きいことが知られている。これを考慮すると、現行の技術水準において記載されているエンジンは、高温部分及び低温部分における熱交換の関係、並びにエンジンの機能する運動学を最適化することはできない。

国際公開第２０１０／０７０４２８号

本発明の目的は、コンパクト、製造容易、効率的、かつ安価な外燃機関を得ることである。

本出願人は現行の技術水準の欠点を克服するとともにこれらの目的及び他の目的並びにこれらの利点及び他の利点を得るため本発明を考案、試験及び具現した。

本発明は、独立請求項において記載されるとともに特徴付けられ、一方で従属請求項は、本発明の他の特徴又は本発明の主な着想に対する変形形態を記載する。

上記目的によると、外燃機関は、
互いに対して角度的にオフセットした所定の位置に配置された、第１のシリンダー及び第２のシリンダーであって、第１のピストン及び第２のピストンがそれぞれ第１のシリンダー及び第２のシリンダー内部で摺動可能であり、第１のシリンダー及び第２のシリンダーは、第１のピストン及び第２のピストンの周期的な運動を決定するのに好適な熱伝達流体が移動するために互いに流体接続される、第１のシリンダー及び第２のシリンダーと、
回転軸の周りで回転するとともにクランク手段が強固に結合された駆動軸であって、上記クランク手段には、互いに対して平行であり、また回転軸から径方向に離れている回動軸を有する少なくとも第１のピン及び少なくとも第２のピンが設けらる、駆動軸、並びに
クランク手段とともに駆動軸を回転させるように、第１のピン及び第２のピンをそれぞれ第１のピストン及び第２のピストンにそれぞれ接続するのに好適な、第１の運動学的接続手段及び第２の運動学的接続手段と、
を備える。

本発明の１つの特徴によると、第１のピン及び第２のピンは、回転軸に対して第１の鋭角に等しい所望の角度をなすよう、それぞれの回動軸が角度的にオフセットした状態で配置される。

さらに、本発明によると、第２のピストンの移動に対する第１のピストンの区別された移動を決定するように、第１のピンは、回転軸に対して第１の距離だけ径方向に離れており、第２のピンは、回転軸に対して第２の距離だけ径方向に離れている。

このように、エンジンの熱力学的サイクルの効率を最適化し、特に第２のピストンの機械的作用への変換を最適化して、第１のシリンダー内の熱交換を最適化し、第１のピストンの熱力学的な機能モードを第２のピストンに対して切り離すことが可能である。実際、体積変化が第２の作動ピストンによって実現され、第１のピストン、すなわちディスプレーサーを第１のシリンダーの熱交換器に向かって移動させる作動流体の温度変化が第１のピストン、すなわちディスプレーサーによって実現されるとすると、エンジンの機能を第１のシリンダーの高温部分及び低温部分に関しても最適化するために２つの運動学を区別することが有用である。

さらに、第１のピン及び第２のピンの角度オフセットの特定の構成、並びにピストンの移動を区別することにより、製造が容易で、かつ、例えば連接棒−クランク機構の死点に起因する好ましくない運動学的状態が回避される、運動学的機構を実現できる。

別の特徴によると、回転軸に対する第１のピンの第１の径方向距離は、回転軸に対する第２のピンの第２の径方向距離よりも大きい。これにより、第２のピストンに比べて第１のピストンがチャンバー内で大きく移動する。したがって、第１のシリンダー内の加熱／冷却により多くの量の作動流体が関与することが可能となり、すなわち、エンジンの熱力学的サイクルから得られる利用可能な出力を増大できる。

特に、第１のシリンダーは、高温チャンバー及び低温チャンバーを備え、高温チャンバーと低温チャンバーの間には第１のピストンが設けられる。高温チャンバー及び低温チャンバーの加熱／冷却に起因する熱伝達流体の膨張／圧縮の効果によって、第１のピストンが第１のシリンダー内を摺動する。

好ましい実施形態によると、第１のピストン及び第２のピストンは、互いに対して第２の鋭角の角度をなして配置される、第１の軸及び第２の軸に沿って、第１のシリンダー及び第２のシリンダー内をそれぞれ摺動可能である。

第１の角度は、１０°〜６０°、有利には１５°〜５０°、好ましくは２０°〜４０°であり、第２の角度は、１０°〜６０°、有利には１５°〜５０°、好ましくは２０°〜４０°であることが有利である。

したがって、この特定の構成は、γ型のスターリングエンジン、及び互いに対して９０°の角度で配置されるシリンダーと比較して、全体的な横方向の嵩を低減できる。

別の実施形態によると、第１の角度及び第２の角度の和は、約８５°〜９５°、例えば有利には約９０°である。直交位相とも呼ばれるこの特定の構成は、駆動軸の回転力に対する反力を回避することによって、シリンダー内で生じる膨張／圧縮のサイクルを最適化することができる、。

特に有利な実施形態によると、クランク手段は、クランクボタンが強固に結合された、駆動軸に対して径方向に延びる少なくとも２つのアームを含み、少なくとも第１のピン及び第２のピンを含む。この実施形態は、構造的な観点からも、また運動学的な接続手段のピンへの組み付けに関しても有利である。

別の実施形態によると、クランクボタンは、隣接かつ分離して配置され、間に第１のピンが介装される２つのプレート部材を含み、また２つの第２のピンが設けられ、それらは２つのプレート要素の外面にそれぞれ結合されるとともに、第２のピストンの第２の運動学的接続手段にも接続される。

別の実施形態によると、第１のシリンダー及び第２のシリンダーの第１の軸及び第２の軸は、駆動軸の回転軸に対して略直交する平面上にある。この特定の形態によって、エンジンの支承構造に対する慣性荷重のより均一な分布が可能となり、嵩の更なる低減も可能となる。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、添付の図面を参照して非限定的な例として与えられる好ましい実施形態の以下の説明から明らかとなるであろう

本発明による外燃機関の斜視図である。図１の変形形態による外燃機関の断面図である。図２の細部の断面図である。１つの動作状態における図２の細部を示す図である。図４の細部の斜視図である。

理解しやすくするために、可能であれば、図面の同一の共通の部材を特定するのに同じ参照符号が用いられている。１つの実施形態の部材及び特徴は、更なる説明がなくても他の実施形態に簡便に組み込むことができることが理解される。

添付の図面を参照すると、スターリングエンジンとも呼ばれる外燃機関が全体的に参照符号１０によって示されており、所定の位置に配置され、互いに対して角度α（この場合は鋭角であり、特に図２では約４０°に等しい角度）だけ、角度をなしている第１の軸Ｘ及び第２の軸Ｙに沿ってそれぞれ軸方向に形成される第１のシリンダー１１及び第２のシリンダー１２を備える。

第１のシリンダー１１は、そのヘッド付近に、好適には加熱手段、この場合は熱伝達流体が移動する管の束から作られる熱交換器１６によって加熱される第１の部分すなわち高温チャンバー１３、及び、第１のシリンダー１１のジャケットに形成される冷却チャネル１９に流される冷却流体を用いて熱交換によって冷却される低温部分、すなわち低温チャンバー１７を備える。

他の実施形態（図１）では、高温チャンバー１３は、第１のシリンダー１１の外側部分に対する直火によって、又は、例えばレンズ、パネル若しくは鏡といった１つ若しくは複数の熱集中部によって加熱される。

高温チャンバー１３では、例えば約４００℃〜５００℃といった、比較的高い温度に達することができる

低温チャンバー１７は、例えば第２のシリンダー１２の外面を覆う自然対流又は強制対流を用いるフィン付きバッテリーを設けることによって冷却することもでき、低温チャンバー１７内は、例えば約１３０℃〜１４０℃といった、比較的低い温度に達することがある。

低温チャンバー１７の熱交換面を増やすために、その内面に複数の冷却フィンを設けることができる。

第１のシリンダー１１内には（図２）、第１の軸Ｘに沿って摺動する第１のピストン、すなわちディスプレーサー２０が配置されており、バー２２、第１の連接棒２３及びクランク２５によって駆動軸２１に運動学的に接続されている。

第１のシリンダー１１は、そのジャケットの内周に、例えば高い熱交換容量を有する多孔性金属材料から作られる再生器２７を含む。したがって再生器２７は、効率的な熱交換特性を有し、流体の高い負荷損失を防止するサイズである。

第１のピストン２０は、再生器２７とともに、高温チャンバー１３を低温チャンバー１７から流体的に分離する。

特に、再生器２７は、高温チャンバー１３及び低温チャンバー１７が互いに対して流体的に短絡することを防止し、高温流体と低温流体との間で優れた熱交換を実現する。駆動軸２１は、図面では見えないが回転軸Ｚの周りにおいてベンチピン上で回転するように配置される。より詳細には、回転軸Ｚを、第１の軸Ｘ及び第２の軸Ｙがある平面に対して略直交して配置することが有利である。実際には、このように、エンジンの全体的な嵩を低減し、また、エンジンの慣性荷重をベンチピン上でより均一に分布させることが可能である。

バー２２は、エンジンのケーシングに固定されるとともに中実であるブロック２４によって第１の軸Ｘに沿って軸方向に摺動するように拘束されており、一端がディスプレーサー２０に対して、他端が第１の連接棒２３に対して回動する。

また、第１の連接棒２３は第１のピン２６付近でクランク２５に対して回動する。

第２の軸Ｙに沿って摺動する第２のシリンダー１２内には、第２のピストン３０が配置され、軸Ｙに対して互いに対称に配置される２つの第２の連接棒３１によって、対応する２つの第２のピン３２付近でクランク２５に接続される。第２の連接棒３１を１つのみではなく２つ設けることによって、図面では見えないが駆動軸２１が回転するベンチピンの作動時間を増大させるように駆動軸２１に対する屈折荷重の均等な分布を得ることができる。

第２のピストン３０及び第２のシリンダー１２は、作動チャンバー３３を画定し、その内部で熱力学的流体が膨張／圧縮する。

第２のシリンダー１２の作動チャンバー３３及び第１のシリンダー１１の低温チャンバー１７は、接続パイプ３５によって流体的に相互接続され、低温チャンバー１７内にある流体が、熱力学的流体の膨張／圧縮の効果によって接続パイプ３５を移動することができる。

より詳細には、接続パイプ３５は、第２のシリンダー１２のそのヘッド付近に接続され、第１のシリンダー１１にディスプレーサー２０の下死点付近で接続される。

第１のシリンダー１１及び第２のシリンダー１２の特定の配置を仮定すると、接続パイプ３５の伸長をかなり低減することができ、したがって負荷損失を低減することによってエンジンの効率を高めることができる。

第１のシリンダー１１及び第２のシリンダー１２はともに、第１のプレート３７及び第２のプレート３８を含む単一の固定されている支持構造体３６に固定取付けされ、第１のプレート３７及び第２のプレート３８には第１のシリンダー１１及び第２のシリンダー１２がそれぞれ接続される。第１のプレート３７及び第２のプレート３８は、２つの軸Ｘ及びＹ間の角度αに略等しい角度だけ互いに対して角度をなして配置される。

クランク２５は、駆動軸２１に対して径方向に延びる２つのアーム４２を含み、２つのアーム４２は駆動軸２１に直接接続され、２つのアーム４２には、２つのアーム４２間にクランクボタン４０を嵌め入れて固定するためのそれぞれの孔４３が形成される。アーム４２には、孔４３が形成される側とは反対の側に、ピストンの周期的な運動中にフライホイール機能を発揮するカウンターウェイト４５が設けられる。

クランクボタン４０は第１のピン２６及び２つの第２のピン３２を含み、第１のピン２６及び２つの第２のピン３２には第１の連接棒２３及び第２の連接棒３１がそれぞれ接続される。

クランクボタン４０は、その２つの第２のピン３２を用いて締め代による結合によってクランク２５のアーム４２の孔４３付近に接続される。

第１のピン２６及び第２のピン３２は、互いに対して、また駆動軸２１の回転軸Ｚに対して略平行に配置される第１の回動軸Ｊ及び第２の回動軸Ｋをそれぞれ有する。クランク２５の回転中に、第１のピン２６及び第２のピン３２は駆動軸２１の回転軸Ｚの周りを回転する。

特に、クランクボタン４０には、略三角形の形状であり、互いに対して隣接かつ分離して配置され、その間に第１のピン２６が介装される２つのプレート部材４１が設けられる。２つのプレート部材４１の外側には、その代わりに、２つの第２のピン３２が配置される。

２つのプレート部材４１、すなわち第１のピン２１及び第２のピン３３を一体に作ることが有利である。

クランクボタン４０は、アーム４２に連結されると、第１のピン２１の第１の回動軸Ｊ及び第２のピン２２の第２の回動軸Ｋを、それぞれ第１の距離Ｂ及び第２の距離Ｒだけ回転軸Ｚから離れて配置される。

図４を参照すると、第１の距離Ｂは第２の距離Ｒよりも大きい。この実施形態は、第１のシリンダー１１内でより多くの流体が膨張／圧縮、すなわち加熱／冷却に関与することを可能にし、これにより、エンジンの熱力学的サイクルから得られる出力が増大する。

さらに、第１のピン２６及び第２のピン３２は、互いに対して、また回転軸Ｚに対して第２の角度βの角度をなして配置される。

角度α及び角度βの和は、ディスプレーサー２０と第２のピストン３０との間の位相角に等しい。

位相角は、８５°〜９５°であり、有利には９０°に等しく、すなわち、ピストンの交互の運動中に、駆動軸２１の回転運動に好ましくない圧力のピークが生成されないものであることが有利である。

図２を参照すると、クランク２５、クランクボタン４０、及び少なくともいくつかの連接棒２３、３１は収容ケーシング４６内に収容されており、好適には、既知の方法では収容ケーシング４６の底部の油だめ４７によって提供される油浴において潤滑性を得る。

本発明の分野及び範囲から逸脱することなく上述したような外燃機関に変更を加え、及び／又は部品を付け加えてもよいことが明らかである。

Claims

外燃機関であって、
互いに対して所定の位置で角度的にオフセットして配置される第１のシリンダー（１１）及び第２のシリンダー（１２）であって、第１のピストン（２０）及び第２のピストン（３０）はそれぞれ前記第１のシリンダー（１１）及び前記第２のシリンダー（１２）の内部で摺動可能であり、前記第１のシリンダー（１１）及び前記第２のシリンダー（１２）は、前記第１のピストン（２０）及び前記第２のピストン（３０）の周期的な運動を決定するのに好適な熱伝達流体が移動するために互いに流体接続される、第１のシリンダー（１１）及び第２のシリンダー（１２）と、
回転軸（Ｚ）の周りで回転するとともに、クランク手段（２５）が強固に結合された駆動軸（２１）であって、前記クランク手段（２５）には、互いに対して平行であり、また前記回転軸（Ｚ）から径方向に離れて配置される回動軸（Ｊ、Ｋ）を有する少なくとも第１のピン（２６）及び少なくとも第２のピン（３２）が設けられる、駆動軸（２１）、並びに
前記クランク手段（２５）とともに前記駆動軸（２１）を回転させるように前記第１のピン（２６）及び前記第２のピン（３２）をそれぞれ前記第１のピストン（２０）及び前記第２のピストン（３０）にそれぞれ接続するのに好適な第１の運動学的接続手段（２２、２３）及び第２の運動学的接続手段（３１）と、
を備え、
前記第１のピン（２６）及び前記第２のピン（３２）は、前記回転軸（Ｚ）に対して第１の鋭角（β）に等しい所望の角度をなすよう、前記回動軸（Ｊ、Ｋ）に対しそれぞれ角度的にオフセットした状態で配置され、並びに、前記第２のピストン（３０）の移動に対する前記第１のピストン（２０）の区別された移動を決定するように、前記第１のピン（２６）及び前記第２のピン（３２）は、前記回転軸（Ｚ）に対して第１の距離（Ｂ）及び第２の距離（Ｒ）だけ径方向に離れ、前記第１の距離（Ｂ）及び前記第２の距離（Ｒ）は互いに異なることを特徴とする、外燃機関。
前記第１の距離（Ｂ）は前記第２の距離（Ｒ）よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の外燃機関。
前記第１の角度（β）は、１０°〜６０°、有利には１５°〜５０°、好ましくは２０°〜４０°であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の外燃機関。
前記第１のピストン（２０）及び前記第２のピストン（３０）は、互いに対して第２の鋭角（α）の角度をなして配置される第１の軸（Ｘ）及び第２の軸（Ｙ）のそれぞれに沿って前記第１のシリンダー（１１）及び前記第２のシリンダー（１２）内を摺動可能であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の外燃機関。
前記第２の角度（α）は、１０°〜６０°、有利には１５°〜５０°、好ましくは２０°〜４０°であることを特徴とする、請求項４に記載の外燃機関。
前記第１の角度（β）及び前記第２の角度（α）の和は、約８５°〜９５°であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の外燃機関。
前記クランク手段（２５）は、クランクボタン（４０）が強固に結合された、前記駆動軸（２１）に対して径方向に延びる少なくとも２つのアーム（４２）を含み、少なくとも前記第１のピン（２６）及び前記第２のピン（３２）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の外燃機関。
前記クランクボタン（４０）は、隣接かつ分離して配置され、間に前記第１のピン（２６）が介装される２つのプレート部材（４１）を含むこと、及び、前記２つのプレート部材（４１）のうちの一方の外面に２つの第２のピン（３２）がそれぞれ結合して設けられることを特徴とする、請求項７に記載の外燃機関。
前記第１のシリンダー（１１）及び前記第２のシリンダー（１２）のそれぞれの前記第１の軸（Ｘ）及び前記第２の軸（Ｙ）は、前記駆動軸（２１）の前記回転軸（Ｚ）に対して略直交する平面上にあることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の外燃機関。