JP2003502570A - 折り返しガイドリンクスターリングエンジン - Google Patents
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Abstract
Description
かつ、その大きさ、複雑さ及びコストを小さくすることに貢献するスターリング
サイクルヒートエンジン(熱機関)又は冷蔵庫の機械構成要素に関連する改良に
属する。
しており、その詳細は、オックスフォード大学出版局により1980に出版されたウ
ォーカー(Walker)による「スターリングエンジン(Stirling Engines)」に詳細
に説明されている。この著作は、参照のために本明細書に盛込まれる。スターリ
ングサイクルエンジンの基礎となる原理はスターリング熱力学的サイクル、即ち
、シリンダ内のガスの等積加熱、ガスの等温膨張(この間に仕事はピストンを駆
動することによって行われる)、等積冷却、および等温圧縮の機械的な実現であ
る。また、スターリングサイクル冷蔵庫は理想的なスターリング熱力学的サイク
ルに近似する熱力学的サイクルの機械的な実現である。理想的なスターリング熱
力学的サイクルにおいて、動作流体は、等積加熱、等温膨張、等積冷却、および
等温圧縮の連続するサイクルを受ける。ステージが等積又は等温のどちらでもな
いサイクルの実用的な実現は本発明の範囲内に含まれ、特許請求の範囲を限定す
ることなく、本明細書において理想的なケースという言葉を借りて言及されるか
もしれない。
リングサイクルマシンと呼ばれるスターリングサイクルエンジンとスターリング
サイクル冷蔵庫の両方に適用される。「アルファ」構成で構成されて、第1「圧
縮」ピストンと第2「膨脹」ピストンを使うスターリングサイクルエンジンの動
作原理は1998年7月14日に出願された係属中の米国特許出願第09/115,383号に十
分に説明されている。この文献は、参照のために本明細書に盛込まれる。
図において同じ又は同様の部品を示すために同じ番号が使用される。多くのスタ
ーリングサイクルマシンの機械的なレイアウトは当該技術分野で知られており、
一般に番号10によって指定される特定のスターリングエンジンは説明の目的だけ
のために示される。図la―1dにおいて、ピストン12と、ディスプレーサ14はシリ
ンダ群16の中で同期した往復運動を行う。これらのシリンダ群は、スターリング
エンジンのいくつかの実施形態において単筒とすることができる。ディスプレー
サ14は、通常、シールを有していない。しかしながら、シールを有するディスプ
レーサ14(膨脹ピストンとして一般的に知られている)を使用することもできる。
シールを有していないディスプレーサも膨脹ピストンも共に「膨脹」シリンダに
おけるスターリングエンジン中で働くであろう。シリンダ群16の中に含まれる動
作流体は、シールによってピストン12とディスプレーサ14の周りに逃げることが
抑制される。動作流体は以下での記述で議論するようにその熱力学的性質に関し
て選択され、通常、いくつかの大気の圧力下ではヘリウムである。ディスプレー
サ14の位置は、動作流体が温インタフェース18か冷インタフェース20のいずれに
接触するかを支配する。これらのインタフェースはそれぞれ、動作流体に熱が供
給されているインタフェース、動作流体から熱を奪うインタフェースである。熱
の供給と奪い取りについて以下に詳細に議論する。ピストン12の位置によって支
配される動作流体の容積はすきま容積22と呼ばれる。
態は図1aに示される)、ピストン12はすきま容積22内の流体を圧縮する。熱が流
体から周囲環境に伝達されるので、圧縮は実質的に一定の温度で起こる。実際に
は、冷却機(図示省略)が備えられる。圧縮の後のエンジン10の状態は図lbに示さ
れる。サイクルの第2フェーズの間に、ディスプレーサ14が冷インタフェース20
の方向に移動し、動作流体は冷インタフェース20の領域から温インタフェース18
の領域へ排出される。このフェーズは転送フェーズと呼ばれる。転送フェーズの
終わりに、動作流体が一定のボリュームで加熱されたので、流体はより高い圧力
である。増加した圧力は圧力計24の読みによって図1cで象徴的に表現される。
は、エンジンl0から熱が奪われるにつれ増加し、その結果、熱を仕事に変換する
。実際には、熱はヒーター(図示省略)によって流体に提供される。膨脹フェーズ
の終わりでは、すきま容積22は図1dで表現されるように冷たい流体で満たされて
いる。エンジンサイクルの第4フェーズの間、流体は、ディスプレーサ14の反対
方向の動きによって温インタフェース18の領域から冷インタフェース20の領域ま
で移される。この第2転送フェーズの終わりでは、流体は図laで表現されるよう
にすきま容積22と冷インタフェース20に満たされ、圧縮フェーズの反復の準備が
できている。スターリングサイクルは図leに示すようにP-V(圧力-体積)ダイヤグ
ラムで表現される。
で通るとき、熱交換器(図示省略)を通ることとしてもよい。この熱交換器は、流
体が温インタフェース18の領域から流れるときに流体から熱を吸収し、流体が冷
インタフェース20の領域から流れるときに流体を加熱する役目を果たすような大
きな表面積−体積比を持つ材料マトリクスとすることができる。
明することができる。そこでは、同じ又は同様の部品を示すために同じ番号が使
用される。上で説明したエンジンと、冷蔵庫として使われるスターリングマシン
との違いは、すきま容積22が、通常、周囲温度と熱伝達状態にあり、かつ、膨脹
容積24が外部の冷房負荷(図示省略)に接続されていることである。冷蔵庫の運
転は最終的な仕事の入力を必要とする。
ず、そして、スターリングサイクル冷蔵庫は、その開発に対する気が遠くなるよ
うな工学的挑戦のために、低温工学の専門分野に制限された。これらの挑戦は、
効率、振動、寿命、および費用のような実用的な問題にかかわる。本発明はこれ
らの問題に対処する。
大な問題は、シリンダ内のピストンの心ずれから生じて摺動するピストンによっ
て発生する摩擦と、回転するクランク軸に連結されたリンク機構によってピスト
ンに生じる横力に関する問題である。図2に示すような典型的な従来技術のピス
トンクランク軸構成では、ピストン10はシリンダ14内で長縦方向12に往復運動す
る。ピストン10は、ピン18などのピボットにおいて連結棒16の一端に連結される
。連結棒16の他端20は、クランク軸22の回転軸26から固定距離24だけ隔てた位置
でクランク軸22に連結される。クランク軸22が回転軸26を中心に回転するので、
クランク軸に連結された連結棒の端部20は円形の軌跡を描き、一方、ピストン10
に連結された連結棒の端部28は直線の軌跡を描く。連結棒縦軸34とピストン軸30
によって定められる連結棒角度32は、クランク軸が回転すると変化する。最大連
結棒角度は、クランク軸上の連結棒のオフセットと、連結棒の長さに依存するで
あろう。連結棒によって伝えられる力は、ピン18を介してそれぞれピストン10に
作用する縦軸成分38と横方向成分40に分解することができる。最大連結棒角度32
を最小にすることにより、ピストンに作用する横力40を減少させ、その結果、摩
擦が減少し、エンジンの機械的効率は増加するであろう。クランク軸22上での連
結棒のオフセット24を減少させるか、または連結棒の長さを増加させることによ
って最大連結棒角度を最小にすることができる。しかしながら、クランク軸上で
の連結棒のオフセットを減少させると、ピストンのストローク長を減少させるこ
とになり、結果として、ピストンの1サイクルにつき仕事量がΔ(pV)だけ減る
。連結棒の長さを増すことで連結棒角度をゼロに減少させることはできないのに
、クランクケースのサイズを増加させるので、携帯できるコンパクトなエンジン
ではなくなる結果となる。
を減少させるために、ガイドリンク42を誘導装置として使用して横力を処理する
と共に、ピストン10の運動を直線運動に抑制することが知られている。ガイドリ
ンクのデザインでは、連結棒16は、ガイドリンク42と連結棒16の組み合わせに取
り替えられる。ガイドリンク42は、2セットのローラ又はガイド、前部ローラ46
と、後部ローラ48によってピストンシリンダ14の壁44と一直線上に並べられて、
直線運動をするように抑制される。ガイドリンク42の端部50は連結棒16に連結さ
れ、連結棒16は、クランク軸の回転軸26からある距離オフセットした位置でク
ランク軸22に順次接続されている。ガイドリンク42がピストン10の延長として働
き、通常シリンダ壁44に伝達されるピストンに作用する横力は代わりに2セット
のローラ46,48によって処理される。両セットのローラ46,48はガイドリンク42
の整列を維持し、かつ、連結棒によってガイドリンクに伝達される横力を処理し
なければならない。クランクケース(図示省略)のサイズを減少させるために前部
ローラセットと後部ローラセットとの距離dを減少させることとしてもよい。し
かしながら、ローラ間の距離を減少させると、後部ローラセットがガイドリンク
と連結棒16の連結点52によって定まるレバー58の支点56として作用するので、前
部ローラセットに作用する横加重54は増加するでだろう。
ストンがピストンシリンダ内に最大に伸長したときに、2セットのローラがガイ
ドリンクとの接触及び整列を維持するようにガイドリンクがピストンシリンダ内
に延伸するので、ガイドリンクは十分な長さのものでなければならないからであ
る。
転運動を受けるクランク軸に縦軸上を往復直線運動するピストンを結合するため
のリンク機構が供給される。縦軸と自転軸は互いに実質的に垂直である。リンク
機構は、ピストンに連結されたピストン側に近い第1端部と、ピストンから遠い
側の第2端部とを有するガイドリンクを有し、前記回転軸はガイドリンクの前記
基端と末端の間に配設される。リンク機構は、連結端とクランク軸端とを備える
連結棒を有し、連結端はピストンから遠い方のガイドリンクの端部に回転可能に
連結され、クランク軸端はクランク軸の自転軸からオフセットした連結棒接続ポ
イントにおいてクランク軸に連結されている。最後に、リンク機構はガイドの末
端で横荷重を支持するガイドリンクガイドアセンブリを有する。ガイドリンクガ
イドアセンブリは、クランク軸の回転に関して固定された回転中心と、ガイドリ
ンクの末端と転がり接触するリムとを有する第1ローラを含むことができる。
端と接触させるための機構を備えることができる。さらなる実施形態では、ガイ
ドリンクガイドアセンブリは、第1ローラに対向する第2のローラであって、回
転中心と、ガイドリンクの末端と転がり接触する縁とを有する第2ローラを含む
ことができる。第2ローラは縦軸に関して第2ローラの回転中心の位置を位置決
めする精密位置決め装置をさらに含むことができる。好ましい実施形態では、精
密位置決め装置は第2ローラの回転中心と縦軸の間の距離を変えるための偏心軸
を持っているバーニヤメカニズムである。ガイドリンクの両端は異なった材料に
よって形成することができ、また、端部が摩耗したときに交換のために取り外せ
るようにすることとしてもよい。
な自転軸を中心に回転可能なクランク軸とを備えるマシンが供給される。マシン
は、長さを有するガイドリンクであって、ピストンに連結されたピストンに近い
方の第1端部と、自転軸がガイドリンクの基端と末端の間に配列されるようにピ
ストンから遠い方に位置する第2端部とを有するガイドリンクを有する。マシン
は連結端とクランク軸端を備える連結棒を有し、連結端はピストンから遠い方に
ガイドリンクの端部に回転可能に接続され、クランク軸端はクランク軸の自転軸
からオフセット下クランク軸接続ポイントにおいてクランク軸に連結されている
。最後に、ガイドリンクはその長さに沿った離散的な複数の点において実質的に
直線経路をたどるように抑制される。
往復運動し、圧縮ピストンが第2縦軸に沿って往復運動をするタイプの改良され
たスターリングサイクルマシンが提供される。本明細書及び特許請求の範囲で使
用されるように、ディスプレーサピストンはシールのないピストンかシールがあ
るピストン(「膨脹」ピストンとして一般的に知られている)のどちらかである。
改良発明は、それぞれのピストンをクランク軸に結合するための折り返されたガ
イドリンクリンク機構を有する。一層の実施形態では、改良発明は精密位置決め
を行うガイドリンクガイドアセンブリを有する。別の一層の実施形態では、改良
発明は、第1及び第2縦軸上の往復運動が実質的に同一平面で行われるように第
1連結棒と第2連結棒をクランク軸に結合するクランク軸カップリングアセンブ
リから成る。クランク軸カップリングアセンブリは「フォークと刃」タイプのア
センブリとすることができる。
。その改良発明は圧力包囲体に接続された少なくとも1個の支持ブラケットに結
合されたベアリングマウントを有し、ベアリングマウントは圧力包囲体の寸法変
化がベアリングマウントから実質的に切り離されるように圧力包囲体に結合され
る。別の実施形態では、長さを有するガイドリンクに連結され縦軸上を往復運動
するピストンをシリンダ内で整列させる方法であって、第1ガイド要素であって
、該第1ガイド要素をガイドリンクに接触させるバネ機構を有する第1ガイド要
素をガイドリンクの長さに沿って与え、第1ガイド要素に対向させて設けた第2
ガイド要素であって、第2ガイド要素を縦軸に関して位置決めする精密位置決め
装置を有する第2のガイド要素をガイドリンクの長さに沿って与えることを含ん
でなる方法である。好ましい実施形態では、精密位置決め装置は第2ガイド要素
と縦軸の間の距離を変えるための偏心軸を持つバーニヤメカニズムである。
素であって、該ガイド要素をガイドリンクに接触させるバネ機構を持つ第1ガイ
ド要素と、第1ガイド要素に対向させて設けた第2ガイド要素であって、縦軸に
関して第2ガイド要素を位置決めする精密位置決め装置を持つ第2ガイド要素と
を備える整列装置が提供される。
理解される。
ガイドリンクリンク機構を示す。ピストン101はピストン接続ポイント102でガイ
ドリンク103のピストン端に堅固に結合される。ガイドリンク103は回転可能に連
結棒接続ポイント104において連結棒105に接続される。ピストン接続ポイント10
2と連結棒接続ポイント104はガイドリンク103の縦軸120を決定する。
回転軸107から固定距離オフセットしている)において回転可能に接続されてい
る。クランク軸回転軸107はガイドリンク103の縦軸120と直交し、クランク軸回
転軸107は連結棒接続ポイント104とピストン接続ポイント102の間に配列される
。好ましい実施形態では、クランク軸回転軸107は縦軸120に交差している。
ラ111の間で拘束されている。ローラ109とローラ111の中心は数字110と112によ
ってそれぞれ指定される。図4に示すガイドリンクピストンリンク機構100の位置
はサイクルの中間ストロークポイントの位置である。この位置は、クランク軸接
続ポイント108とクランク軸回転軸107の2点間の半径116がクランク軸回転軸107
とガイドリンク103の縦軸によって定義される平面と直交しているときに生じる
。好ましい実施形態では、ローラ109、111は、中間ストロークでのローラ109、1
11の中心110、112によって決定される線上に連結棒接続ポイント104が位置する
ように、ガイドリンク103に関して置かれる。ローラ109、111が使用されて摩耗
するにつれ、ガイドリンクの心ずれは増加するだろう。好ましい実施形態におい
て、第1ローラ109は、ガイドリンク103との転がり接触を維持するためにバネ装
着されている。発明の実施形態によると、ピストンに近いガイドリンクの一部11
3をアルミニウムなどの軽量の材料とすることができ、一方、ピストンから遠い
側のガイドリンクの「テール」部114がローラ109、111との摩擦による摩耗を減
らすために鉄鋼などの耐久材料とすることができるように、ガイドリンク103は
サブコンポーネントを包むことができる。
11と、ピストン101によって維持される。クランク軸106がクランク軸回転軸107
を中心に回転すると、連結棒接続ポイント104はガイドリンク103の縦軸120に沿
って直線経路をたどる。ピストン101と、ガイドリンク103は、一端においてピス
トン101を備え、他端においてガイドリンク103のロッドエンド114を備えるレバ
ーを形成する。このレバーの支点はローラ109、111の中心110、112によって決ま
る線上にある。レバーは連結棒接続ポイント104に作用する力によって負荷され
る。連結棒接続ポイント104がガイドリンク103の縦軸に沿って経路をたどるのに
従って、連結棒接続ポイント104と前記支点の間の距離(第1レバーアーム)はゼ
ロからピストン101のストローク距離の半分に変化する。第2レバーアームは支
点からピストン101まで距離である。第2レバーアーム対第1ーアームのレバー
比は常に1以上であり、好ましくは5〜15までの範囲である。ピストン101の横力
は前記レバー比によって決まる連結棒接続ポイント104に作用する力であり、レ
バー比が大きいほどピストン101での横力はより小さい。
よって、クランク軸の軸とピストンシリンダ間の距離をローラハウジングを収容
するために増やす必要はない。さらに、ピストンを整列させるのに1セットのロ
ーラが必要なだけであり、その結果、ローラハウジングのサイズとエンジンの全
体的なサイズを減少することができるという利点を有する。発明によると、(完
全に整列されたピストンの横力がゼロである標準のガイドリンクデザインと異な
り)ピストンに作用する横力はゼロではなく、その横力は、ガイドリンクによっ
て創成された大きいレバーアームによる簡単な連結棒クランク軸アレンジメント
によって経験する横力よりも小さい大きさのオーダである。
心のずれで更なる摩擦が発生するかもしれない。ここで、図5a-5eに関してその
整列問題の解決について議論する。図5aは、発明の好ましい実施形態に従ってバ
ーニヤ整列を使用することでピストン動作の精密整列を与えるためのピストン20
1とガイドアセンブリ209の概要図である。ピストン201はシリンダ200内において
縦軸202に沿って往復運動を行う。ガイドリンク204はピストン201と結合される
。ガイドリンク204の一端は第1ローラ205と、それに対向する第2ローラ207の間
で拘束されている。ローラ205とローラ207の中心は数字206と208によってそれぞ
れ指定される。ピストン201がシリンダ200に触れるのを防ぐためにピストンガイ
ドリング203をピストン201の一端で使用することができる。しかしながら、ピス
トン201が縦軸202に沿って直線運動するように整列されないならば、ガイドリン
グと結合されないピストン201の長さに沿った他のポイントがシリンダ200に接触
することがあり得る。好ましい実施形態では、ピストン201が縦軸202に沿って直
線上を移動してシリンダ200に関して実質的に中心に位置されるように、ピスト
ン201はローラ205、207とガイドリンク204を使用して整列される。
のによって、ピストン201をピストンシリンダ200に関して整列させることができ
る。第1ローラ205は、ガイドリンク204に対して転がり接触を維持することがで
きるようにバネ装着されている。第2ローラ207は偏心フランジに取り付けられ
ており、そのフランジの回転により第2ローラ207を縦軸202に関して横に動かす
ように設けられている。第2ローラ207を所定位置に固定するために単一のピン(
図示省略)を用いることができる。第2ローラ207の動きがガイドリンク204とピ
ストン201を縦軸202に関して横に動かす。この様に、ピストン201は、シリンダ2
00に関して実質的に中心に置かれるシリンダ200内の直線上を移動するように整
列される。
212と、上端213を有するロック用偏心軸211に回転可能に取り付けられている。
ローラ207は、ロック用偏心軸211の回転軸からオフセットしたローラ回転軸を有
するロック用偏心軸211の部分210に回転可能に設けられている。下端212は下側
ブラケット(図示省略)に回転可能に取り付けられている。上端213は上側ブラケ
ット214に回転可能に取り付けられている。図5cは図5bに示す実施形態の斜視図
である。上側ブラケット214は複数の貫通したブラケット孔220を有する。好まし
い実施形態では、18個のブラケット孔が上側ブラケット214に貫通して設けられ
る。ブラケット孔220はロック用偏心軸211の回転軸から所定距離だけオフセット
し、そのオフセット距離によって決まる円周上で均等に離間される。
数のロック用孔215を有する。ロック用孔215の数はブラケット孔220の数と同じ
であるべきでない。好ましい実施形態では、ロック用孔215の数は19である。ロ
ック用孔215は、ブラケット孔220のオフセット距離と同じ距離だけロック用軸器
211の回転軸からオフセットしている。ロック用孔215はそのオフセット距離によ
って決まる円周上で等しく離間されている。また、図5dはロックナット216を示
す。このロックナット216はそれが緩んだときにロック用偏心軸211を回転させる
。ロックナット216は、それが締め付けられたとき、ロック用偏心軸211と上側ブ
ラケット214を堅固に連結する。図5eは図5dと同じものを示すが、ロック用孔215
をさらに示す。
ンクはロックナット216を用いて緩んだ状態に組み立てられる。ピストン201(図5
a)は、ロック用偏心軸211を回転させるのによって、目視によりピストンシリン
ダ200(図5a)の中に整列される。ロック用偏心軸211が回転されると、ローラ回転
軸208(図5a)はガイドにリンク縦軸202(図5a)に対して縦横両方向に変位すること
になる。本発明の大きなレバー比は、ピストンシリンダ200(図5a)の中にピスト
ン201(図5a)を並べるために縦軸202(図5a)に関してローラ回転軸208(図5a)を非
常に小さい量だけ変位させることだけを必要とする。発明の実施形態によると、
最大の変位範囲は0.0−1.27mm(0.000インチから0.050インチ)までするこ
とができる。好ましい実施形態では、最大変位は0.254mmと0.762mm(0.
010インチと0.030インチ)の間である。ロック用偏心軸211が回転されるにつれ
、ロック用孔215はブラケット孔220に並ぶ。図5dはそのような整列230を示す。
ピストン201(図5a)がピストンシリンダ200(図5a)に対して一旦整列されると、ピ
ン(図示省略)が整列されたブラケット孔に、そして、整列されたロック用孔に挿
入され、その結果、ロック用偏心軸211をロックする。そして、ロックナット216
が締め付けられてロック用偏心軸211にブラケット214を堅固に連結する。
デザインされた重複折り返しガイドリンクピストンリンク機構(数字300によっ
て示す)をコンパクトなスターリングエンジンに組み入むことができる。ここで
図6を参照して、ピストン301、311はそれぞれスターリングサイクルエンジンの
ディスプレーサと圧縮ピストンである。本明細書(特許請求の範囲を含む)で使
用されるように、ディスプレーサピストンはシールを有していないピストンかシ
ールを有するピストン(通常、「膨脹ピストン」として知られている)のどちらか
である。スターリングサイクルは、互いに90°位相のずれた往復直線運動を実行
する2個のピストンに基づく。2つのピストンが直角に向けられるとき、この位
相は達成され、それぞれの連結棒は共通のクランク軸のピンを共有する。この配
向のさらなる利点は振動と騒音を減少させることである。さらに、***するため
に、2個のピストンを同一平面内に設けることができ、それにより、ピストンの
平面に直交する振動をなくすことができるという利点が生じる。好ましい実施形
態において、以下で説明するように「フォークと刃」タイプのクランク軸カップ
リングアセンブリを使用して、連結棒306、316をそれぞれクランク軸接続ポイン
ト307と317においてクランク軸308に結合し、ピストン301と311を同一平面内で
運動させることとしてもよい。
ランク軸400にはクランク軸ピン401がある。クランク軸ピン401はクランク軸回
転軸402に関して回転する。第1カプリング要素403は「刃」リンクである。言い
換えれば、図7で見られるように、「刃」は、カップル第1連結棒をクランク軸ピ
ン401に連結するために使用される単一のリンクである。第2カップリング要素4
04は「フォーク」リンクを含んでいる。図7に見られる「フォーク」は、第2連
結棒をクランク軸ピン401と結合するのに使用される1組のリンクである。第1及
び第2カップリング要素403、404を使用して2つの連結棒を同じクランク軸ピン
へ連結し、これらの連結棒の運動を実質的に同一平面内で行わせることととする
ことができる。再び図6を参照すると、図7に示す「フォークと刃」タイプのクラ
ンク軸カップリングアセンブリを使用して第1連結棒306と第2連結棒316をそれ
ぞれクランク軸接続ポイント307と317でクランク軸308に接続するのことができ
る。一般に図6に示すスターリングエンジンに関して発明を説明しているが、冷
蔵庫と同様に多くのエンジンが同様に本発明の対象である様々な実施形態と改良
の利益を得られることが理解される。
ピストン311とディスプレーサピストン301がそれぞれの異なったシリンダの中で
直線運動を行う、即ち、圧縮シリンダ320の中で圧縮ピストン311が運動し、膨脹
シリンダ322の中でディスプレーサピストン301が運動することを特徴とするアル
ファ構成と呼ばれる。ガイドリンク303とガイドリンク313はそれぞれピストン接
続ポイント302と312でディスプレーサピストン301と圧縮ピストン311に堅固に結
合される。連結棒306と316はガイドリンク303と313の末端の接続ポイント305と3
15において回転可能にクランク軸308にクランク軸308の接続ポイント307と317に
おいて連結される。ガイドリンク303と313に作用する横荷重はローラの組304と3
14によって取り去られる。上で図4と5に関して議論したように、ローラ組304と3
14の精密整列を使用してピストン301と311をシリンダ320と322内にそれぞれ整列
させることができる。
作動する。典型的にクランクケースを使用してクランク軸を支え、スターリング
エンジンが作動する気密状態を維持する。クランク軸はその両端でクランクケー
ス自体に取り付けられるクランク軸受マウントによって支えられるだろう。しか
しながら、クランクケースは加圧されると、その形状が変化し、あるいは、寸法
が変わる。同じ構造がクランク軸を支えるのに使用されるならば、クランクケー
スの変形はクランク軸の心のずれをもたらし、そのため物凄い重荷がベアリング
に作用し、エンジンの寿命かなり短くするかもしれない。クランクケースの変形
によって引き起こされるクランク軸の心のずれを減少又は防止するために、クラ
ンクケースの支持機能は図9aに示すようにクランクケースに関する圧力機能と切
り離すことができる。
。ピストンガイドリンク503とローラ507のアセンブリは、図4、7、および8に関
して説明されるように示されている。冷部ベースプレート501は圧力包囲体504に
連結されてクランクケースを形成しかつ気密量を決定する。上側ブラケット506
と下側ブラケット505は、冷部ベースプレート501のブラケットベースマウント50
2に設けられたブラケット取り付け孔509を使用して冷部ベースプレート501に取
り付けられる。好ましい実施形態では、上側ブラケット506と下側ブラケット505
はねじを使用して冷部ベースプレート501に取り付けられる。クランク軸508はそ
の両端においてクランク軸受マウント(図示省略)によってで支えられる。クラン
ク軸受マウントは上側ブラケット506と下側ブラケット505に取り付けられる。こ
の様に、これらの軸受マウントはクランクケースに直接取り付けられていないこ
とが利点である。ローラ507もまた、図5a-5eに関して説明したように、上側ブラ
ケット506と、下側ブラケット505に連結されている。
図である。クランク軸508は下側ブラケット505に接続される。下側ブラケット50
5は冷部ベースプレート501に取り付けられる。冷部ベースプレート501に設けた
開口510はピストンとシリンダのために提供される。上で説明されるように、好
ましい実施形態では、クランク軸508はその両端でクランク軸受マウント(図示省
略)によって支えられる。軸受マウントは次に上側ブラケット506と下側ブラケッ
ト505に取り付けられる。この構成は、利点として、スターリングエンジンの気
密運転条件によって引き起こされるクランクケースの変形をエンジン整列から切
り離す。クランクケースが高圧力下でまだ変形している間、変形はクランク軸の
整列に影響しないだろう。なぜならば、クランク軸がクランクケースに直接取り
付けられていないからである。この構成はまた、利点として、軸受けマウント間
の距離(クランクケースの対向両面間の距離ではなく、上下ブラケット間の距離)
を短くするのによって軸受荷重を減少させる。好ましい実施形態において、冷部
ベースプレートの領域をまた局部的に補強して、気密の運転条件によるブラケッ
トマウントの局部変形をさらに減少させることもできる。
外の他の応用に適用できる。発明の説明された実施形態は単に例示的であること
を意図し、多数の変形と変更は当業者にとって明らかであろう。そういった全て
の変形と変更は特許請求の範囲に記載された発明に含まれることを意図する。
る図である。
ンク機構の断面図である。
ンク機構の断面図である。
ン動作の精密整列を与えるためのピストン・ガイドアセンブリの断面図である。
図5bは発明の実施形態に従った整列メカニズムの側面図である。図5cは発明の実
施形態に従った図5bの精密整列メカニズムの斜視図である。図5dは発明の実施形
態に従った図5bの精密整列メカニズムの平面図である。図5eは発明の実施形態に
従ってロック用孔とブラケット孔の両方を備える図5bの精密整列メカニズムの平
面図である。
ストンマシンのための折り返されたガイドリンクリンク機構の断面図である。
リングアセンブリの断面図である。
。図9bは発明の好ましい実施形態に従う冷部ベースプレートと、その冷部ベース
プレート上に設けた下ブラケットの斜視図である。
Claims (24)
- 【請求項1】 回転軸回りに回転運動を行うクランク軸に縦軸上で往復直線
運動を行うピストンを連結するリンク機構であって、前記縦軸と前記回転軸は互
いに実質的に垂直であり、 前記ピストンに近い方に位置して前記ピストンに連結された第1端部と、前記
ピストンから遠い方に位置する第2端部とを有するガイドリンクであって、前記
回転軸が前記ガイドリンクの前記基端部と前記末端部の間に配設されたガイドリ
ンクと、 連結端とクランク軸端を有する連結棒であって、前記連結端は前記ピストンか
ら遠い方の前記ガイドリンクの端部に連結棒接続ポイントにおいて回転可能に連
結され、前記クランク軸端は前記クランク軸の回転軸からオフセットしたクラン
ク軸接続ポイントにおいて前記クランク軸に接続された連結棒と、 前記ガイドリンクの前記末端部において横加重を支持するガイドリンクガイド
アセンブリであって、前記クランク軸の回転軸に関して固定された回転中心と、
前記ガイドリンクの末端部と転がり接触するリムとを備える第1ローラを有する
ガイドリンクガイドアセンブリとを、 含んでなるリンク機構。 - 【請求項2】 前記ガイドリンクガイドアセンブリは前記第1ローラの前記
リムを前記ガイドリンクの前記末端部に接触させるバネ機構をさらに含んでなる
請求項1のリンク機構。 - 【請求項3】 前記ガイドリンクガイドアセンブリは、前記第1ローラに対
向する第2ローラであって、回転中心と、前記ガイドリンクの前記末端部と転が
り接触するリムを有する第2ローラをさらに含んでなる請求項2のリンク機構。 - 【請求項4】 前記第2ローラは、前記第2ローラの前記回転中心を前記縦
軸に関して位置決めする精密位置決め装置をさらに含んでなる請求項3のリンク
機構。 - 【請求項5】 前記精密位置決め装置は、前記第2ローラの前記回転中心と
前記縦軸との間の距離を変化させる偏心軸を有するバーニヤメカニズムである請
求項3のリンク機構。 - 【請求項6】 前記第1及び第2ローラの中心によって定められる直線は、
前記クランク軸接続ポイントが中間ストローク位置にあるときに、前記連結棒接
続ポイントを含む請求項3のリンク機構。 - 【請求項7】 縦軸を有するピストンと、 前記縦軸に実質的に直角な回転軸回りに回転可能なクランク軸と、 長さを有するガイドリンクであって、前記ピストンに連結された第1端部を有
し、かつ、ピストンより遠い方の第2端部を有し、前記回転軸が前記ガイドリン
クの前記基端部と前記末端部の間に配設されたガイドリンクと、 連結端と、クランク軸端を有する連結棒であって、前記連結端は前記ピストン
から遠い方の前記ガイドリンクの前記端部に回転可能に連結され、前記クランク
軸端は前記クランク軸の前記回転軸からオフセットしたクランク軸接続ポイント
において前記クランク軸に連結された連結棒とを、 含んでなるマシンであって、前記ガイドリンクは前記長さ上の異なる点において
実質的に直線経路に追従するマシン。 - 【請求項8】 回転軸回りに回転運動するクランク軸に縦軸上を往復直線運
動するピストンを連結するガイドリンクであって、前記縦軸と前記回転軸は実質
的に互いに垂直であり、 前記ピストンに連結され、前記ピストンに近い方に位置する第1端部と、前記
ピストンに遠い方に位置する第2端部とを有し、該第2端部は前記回転軸が前記
ガイドリンクの前記前記第1端部と前記第2端部の間に配設されるように前記回
転軸から離間した点において前記クランク軸に連結されているガイドリンク。 - 【請求項9】 摩耗した前記第2端部の交換のために前記第2端部から取り
外し可能に前記第1端部を前記第2端部に連結するカップリングをさらに含んで
なる請求項8のガイドリンク。 - 【請求項10】 ディスプレーサピストンが第1縦軸上で往復運動を行い、
かつ、圧縮ピストンが第2縦軸上で往復運動を行うタイプの改良されたスターリ
ングサイクルマシンであって、 該マシンに機械的エネルギを伝えるためにクランク軸回転軸回りに回転運動す
るクランク軸と、 第1及び第2ガイドリンクであって、該第1ガイドリンクは前記ディスプレー
サピストンに近い方に位置して前記ディスプレーサピストンに連結された第1端
部を有し、前記第2ガイドリンクは前記圧縮ピストンから遠い方に位置し前記圧
縮ピストンに連結された第1端部を有し、前記各ガイドリンクは第2端部を有し
、各回転軸が該ガイドリンクの前記基端部と前記末端部の間に配設された第1及
び第2ガイドリンクと、 それぞれの連結棒が連結端とクランク軸端を有する2本の連結棒であって、前
記連結端は、前記2本のガイドリンクのうちの対応する一方のガイドリンクの端
部であって、対応する前記ピストンから遠い方の端部に連結棒接続ポイントにお
いて回転可能に連結され、前記クランク軸端は前記クランク軸の前記回転軸から
オフセットしたクランク軸接続ポイントにおいて前記クランク軸に接続された2
本の連結棒と、 2つのガイドリンクガイドアセンブリであって、該各ガイドリンクガイドアセ
ンブリは前記2本のガイドリンクのうちの対応する一方の前記末端部に接して該
末端部において横加重を支持する2つのガイドリンクガイドアセンブリとを、 含んでなるスターリングサイクルマシン。 - 【請求項11】 前記各ガイドリンクガイドアセンブリはさらに第1ローラ
を含み、該第1ローラは、前記クランク軸の前記回転軸に関して固定された回転
中心と、対応する前記ガイドリンクの前記末端部に接するリムとを含んでなる請
求項10のスターリングサイクルマシン。 - 【請求項12】 前記各ガイドリンクガイドアセンブリは、前記第1ローラ
の前記リムを対応する前記ガイドリンクの前記末端部に接触させるバネ機構をさ
らに含んでなる請求項11のスターリングサイクルマシン。 - 【請求項13】 前記各ガイドリンクガイドアセンブリは、前記第1ローラ
に対向する第2ローラであって、回転中心と、前記ガイドリンクの前記末端部と
転がり接触するリムとを有する第2ローラを含んでなる請求項12のスターリン
グサイクルマシン。 - 【請求項14】 前記2つの第2ローラのうちの少なくとも一方は該少なく
とも一方の第2ローラの前記回転中心を対応する前記縦軸に関して位置決めする
精密位置決め装置を含んでなる請求項13のスターリングサイクルマシン。 - 【請求項15】 前記精密位置決め装置は、前記第2ローラの前記回転中心
と、対応する前記縦軸の間の距離を変える偏心軸を有するバーニヤメカニズムで
ある請求項14のスターリングサイクルマシン。 - 【請求項16】 前記第1及び第2縦軸は実質的に同一平面に存在する請求
項10のスターリングサイクルマシン。 - 【請求項17】 ディスプレーサピストンが第1縦軸上で往復運動を行い、
かつ、圧縮ピストンが第2縦軸上で往復運動を行うタイプの改良されたスターリ
ングサイクルマシンであって、 該マシンに機械的エネルギに伝えるためにクランク軸回転軸回りに回転運動す
るクランク軸と、 第1及び第2ガイドリンクであって、該第1ガイドリンクは前記ディスプレー
サピストンに近い方に位置して前記ディスプレーサピストンに連結された第1端
部を有し、前記第2ガイドリンクは前記圧縮ピストンから遠い方に位置し前記圧
縮ピストンに連結された第1端部を有し、前記各ガイドリンクは第2端部を有し
て、各回転軸が該ガイドリンクの前記基端部と前記末端部の間に配設された第1
及び第2ガイドリンクと、 連結端とクランク軸端を有する第1連結棒であって、前記連結端は、前記第1
ガイドリンクの端部であって、前記ディスプレーサピストンから遠い方の端部に
連結棒接続ポイントにおいて回転可能に連結され、前記クランク軸端は前記クラ
ンク軸の前記回転軸からオフセットしたクランク軸接続ポイントにおいて前記ク
ランク軸に接続された第1連結棒と、 連結端とクランク軸端を有する第2連結棒であって、前記連結端は、前記第2
ガイドリンクの端部であって、前記圧縮ピストンから遠い方の端部に連結棒接続
ポイントにおいて回転可能に連結され、前記クランク軸端は前記クランク軸の前
記回転軸からオフセットしたクランク軸接続ポイントにおいて前記クランク軸に
接続された第2連結棒と、 前記第1及び第2縦軸上の往復運動が実質的に同一平面内で生じるように前記
第1連結棒と、前記第2連結棒を前記クランク軸に連結するクランク軸カップリ
ングアセンブリと、 2つのガイドリンクガイドアセンブリであって、該各ガイドリンクガイドアセ
ンブリは前記2本のガイドリンクのうちの対応する一方の前記末端部に接して該
末端部において横加重を支持する2つのガイドリンクガイドアセンブリとを、 含んでなるスターリングサイクルマシン。 - 【請求項18】 前記クランク軸カップリングアセンブリは、前記第1連結
棒と前記クランク軸を連結するフォークカップリング要素と、前記第2連結棒と
前記クランク軸を連結する刃カップリング要素とをさらに含んでなる請求項17
のスターリングサイクルマシン。 - 【請求項19】 ディスプレーサピストンが第1縦軸上を第1シリンダ内で
往復運動し、圧縮ピストンが第2縦軸上を第2シリンダ内で往復運動し、前記両
方のピストンは1つのクランク軸に連結されたタイプの改良されたスターリング
サイクルマシンであって、 加熱、膨脹、冷却、圧縮の連続した閉鎖サイクルを受ける動作流体を内包する
ための圧力包囲体と、 前記圧力包囲体に連結された少なくとも1つの支持ブラケットと、 前記クランク軸を支持する軸受マウントであって、前記圧力包囲体の寸法変化
が前記軸受マウントから実質的に切り離されるように前記支持ブラケットに連結
されている軸受マウントとを、 含んでなるスターリングサイクルマシン。 - 【請求項20】 長さを有するガイドリンクに連結され縦軸上を往復運動す
るピストンをシリンダ内で整列させる方法であって、 前記ガイドリンクの前記長さに沿って位置する第1ガイド要素であって、該ガ
イド要素を前記ガイドリンクに当接させるバネ機構を有する第1ガイド要素を与
え、 第2ガイド要素であって、該第2ガイド要素を前記縦軸に関して位置決めする
精密位置決め装置を有する第2ガイド要素を前記第1ガイド要素に対向させ、 前記縦軸に関する前記ガイドリンクと前記ピストンの位置を変えるために前記
第2ガイド要素の位置を動かす、 ことを含んでなる方法。 - 【請求項21】 前記第1ガイド要素は回転中心と、前記第1ガイドリンク
と転がり接触するリムとを有するローラであり、前記第2ガイド要素は回転中心
と、前記第2ガイドリンクと転がり接触するリムとを有するローラである請求項
20の方法。 - 【請求項22】 前記精密位置決め装置は、前記第2ガイド要素と前記縦軸
との間の距離を変化させる偏心軸を有するバーニヤ機構である請求項20の方法
。 - 【請求項23】 長さを有するガイドリンクに連結され縦軸上を往復運動す
るピストンをシリンダ内で整列させる整列装置であって、 前記ガイドリンクの前記長さに沿って位置する第1ガイド要素であって、該ガ
イド要素を前記ガイドリンクに当接させるバネ機構を有する第1ガイド要素と、 前記第1ガイド要素に対向するように配設された第2ガイド要素であって、該
第2ガイド要素を前記縦軸に関して位置決めする精密位置決め装置を有する第2
ガイド要素と、 を含んでなる整列装置。 - 【請求項24】 前記精密位置決め装置は、前記第2ガイド要素と前記縦軸
との間の距離を変化させる偏心軸を有するバーニヤ機構である請求項23の整列
装置。
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