JP2013234637A - Stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスターリングエンジンに関する。 The present invention relates to a Stirling engine.
ピストン内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出することで、ピストンの気体潤滑を行うスターリングエンジンが知られている。かかるスターリングエンジンでは例えばピストン内部に気体を導入する導入部と、当該導入部を介してピストン内部に強制的に気体を供給する気体供給部とを備えることで、ピストン内部に気体を導入することができる。 A Stirling engine that performs gas lubrication of a piston by introducing gas into the piston and ejecting the introduced gas between the corresponding cylinders is known. In such a Stirling engine, for example, a gas can be introduced into the piston by including an introduction part that introduces gas into the piston and a gas supply part that forcibly supplies gas into the piston through the introduction part. it can.
この点、かかる構成上本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献1で開示されている。このほかスターリングエンジンに関し、回転数に基づき気体の制御を行う点で本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献2、3で開示されている。また、圧力制御を行う点で本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献4で開示されている。
In this regard, for example,
ピストンは運動速度が遅い場合ほど、上死点や下死点で停止する時間が長くなる。このため、ピストンは運動速度が遅い場合ほど対応するシリンダと接触し易くなる。これに対し、スターリングエンジンではピストンが停止している場合でも、ピストンの浮上に必要な静圧が得られるようにピストン内部に気体を供給することができる。ところが、ピストンの運動速度がより高い場合にはピストンの停止時間がより短くなる分、ピストンとシリンダが接触する可能性は低くなる。このため、この場合には同じようにピストン内部に気体を供給し続けると、必要以上に大きな静圧を発生させる分、エネルギ損失が生じることになる。 The slower the piston moves, the longer it takes to stop at the top dead center or the bottom dead center. For this reason, the lower the movement speed of the piston, the easier it is to contact the corresponding cylinder. On the other hand, in the Stirling engine, even when the piston is stopped, gas can be supplied into the piston so as to obtain a static pressure necessary for the floating of the piston. However, when the movement speed of the piston is higher, the possibility that the piston and the cylinder come into contact with each other is reduced because the stop time of the piston becomes shorter. For this reason, in this case, if the gas is continuously supplied into the piston in the same manner, an energy loss is generated as much static pressure as necessary is generated.
本発明は上記課題に鑑み、ピストン内部に強制的に気体を供給することでピストンの気体潤滑を行う場合に、必要以上に大きな静圧を発生させることでエネルギ損失が発生することを抑制可能なスターリングエンジンを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention can suppress the occurrence of energy loss by generating a static pressure greater than necessary when gas lubrication of the piston is performed by forcibly supplying gas into the piston. The object is to provide a Stirling engine.
本発明は内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出するピストンと、前記ピストンの内部に気体を導入する導入部と、前記導入部を介して前記ピストンの内部に強制的に気体を供給する気体供給部と、前記ピストンの平均移動速度に応じて前記気体供給部を制御する制御部とを備えるスターリングエンジンである。 The present invention introduces a gas into the interior, and a piston that ejects the introduced gas between the corresponding cylinders, an introduction portion that introduces the gas into the piston, and the interior of the piston via the introduction portion. It is a Stirling engine provided with the gas supply part which supplies gas forcibly to the inside, and the control part which controls the said gas supply part according to the average moving speed of the said piston.
本発明は前記ピストンの平均移動速度が高い場合ほど、前記ピストンの内部に供給する気体の量が減少するように前記制御部が前記気体供給部を制御する構成とすることができる。 The present invention may be configured such that the control unit controls the gas supply unit such that the amount of gas supplied to the inside of the piston decreases as the average moving speed of the piston increases.
本発明は前記ピストンの往復運動を直線運動に変換するクランクシャフトをさらに備え、前記ピストンの平均移動速度として前記クランクシャフトの回転数を用いる構成とすることができる。 The present invention may further include a crankshaft that converts a reciprocating motion of the piston into a linear motion, and the number of revolutions of the crankshaft may be used as an average moving speed of the piston.
本発明によれば、ピストン内部に強制的に気体を供給することでピストンの気体潤滑を行う場合に、必要以上に大きな静圧を発生させることでエネルギ損失が発生することを抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when performing gas lubrication of a piston by forcibly supplying gas inside a piston, it can suppress that an energy loss generate | occur | produces by generating a static pressure larger than necessary.
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1はスターリングエンジン10の概略構成図である。スターリングエンジン10は多気筒(ここでは2気筒)α型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン10は直列平行に配置された高温側気筒20および低温側気筒30を備えている。高温側気筒20は高温側ピストンである膨張ピストン21と高温側シリンダ22とを、低温側気筒30は低温側ピストンである圧縮ピストン31と低温側シリンダ32とを備えている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a Stirling
高温側シリンダ22の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器47で加熱された作動流体が流入する。加熱器47は流通する作動流体と内燃機関の排気との間で熱交換を行う。そしてこれにより、排気から回収した熱エネルギーで作動流体を加熱する。この点、スターリングエンジン10では内燃機関の排気が高温熱源を構成している。
The upper space of the high
低温側シリンダ32の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器45で冷却された作動流体が流入する。冷却器45は冷却媒体である冷却水との間で熱交換を行うことで、作動流体を冷却する。再生器46は膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器46は具体的には作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。
The upper space of the low
膨張空間と圧縮空間とは冷却器45、再生器46および加熱器47における作動流体の流通空間とともに作動空間を構成している。作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばHe、H2、N2等の気体を適用することができる。
The expansion space and the compression space constitute a working space together with a working fluid circulation space in the
次にスターリングエンジン10の動作について説明する。加熱器47が作動流体を加熱すると、作動流体が膨張し、膨張ピストン21を圧下する。次に膨張ピストン21が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器47を通過し、再生器46に移送される。そして、再生器46で熱を放出して冷却器45へと流れる。冷却器45で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン31の上昇に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器46から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器47へ流れ込む。そして、再び加熱され、膨張する。このようにピストン21、31は作動流体の往復流動に応じて運動する。
Next, the operation of the Stirling
ところで、スターリングエンジン10ではピストン21、31と対応するシリンダ22、32との間で気体潤滑を行っている。気体潤滑ではピストン21、31とシリンダ22、32との間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力(分布)を利用して,ピストン21、31を空中に浮いた形にする。気体潤滑は摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン10の内部フリクションを大幅に低減させることができる。
By the way, in the Stirling
空中に物体を浮上させる気体潤滑には具体的には加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体を浮上させる静圧気体潤滑が適用されている。この点、膨張ピストン21には内部に気体を導入する高温側導入管23と、対応するシリンダ22との間に気体を噴出する噴出部21aとが設けられている。また、圧縮ピストン31にも膨張ピストン21と同様に低温側導入管33と噴出部31aとが設けられている。導入管23、33は例えばチューブで実現できる。ピストン21、31は内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダ22、32との間に噴出する気体潤滑ピストンとなっている。
For gas lubrication that floats an object in the air, specifically, hydrostatic gas lubrication that jets a pressurized fluid and floats the object by the generated static pressure is applied. In this regard, the
スターリングエンジン10はさらにクランクシャフト61とクランクケース62とを備えている。クランクシャフト61はピストン21、31の往復運動を回転運動に変換する。クランクシャフト61はクランクケース62に設けられている。クランクケース62はクランクシャフト61のクランク部を収容している。クランクケース62には隔壁部62aが設けられている。隔壁部62aはクランクケース62の内部空間を高温側気筒20側の内部空間と低温側気筒30側の内部空間とに区分する。隔壁部62aはこれらの内部空間を互いに連通するように設けることができる。
The Stirling
スターリングエンジン10はさらに気体供給ポンプ65とモータ66と気体供給配管67とを備えている。気体供給ポンプ65はピストン21、31の内部に強制的に気体を供給する。気体供給ポンプ65は具体的にはスターリングエンジン10の作動流体を供給することができる。モータ66はアクチュエータであり、気体供給ポンプ65を駆動する。気体供給ポンプ65とモータ66とはスターリングエンジン10の外部に設けられている。気体供給ポンプ65やモータ66は例えばスターリングエンジン10の内部に設けられてもよい。
The Stirling
気体供給配管67は気体供給ポンプ65と導入管23、33とを接続する。気体供給配管67は具体的には外部で気体供給ポンプ65に接続されるとともに、外部からクランクケース62内に導入されている。そして、クランクケース62内で気筒配列方向に沿って延伸し、高温側気筒20側の内部空間で高温側導入管23に、低温側気筒30側の内部空間で低温側導入管33にそれぞれ接続されている。
The
気体供給ポンプ65、モータ66および気体供給配管67は気体供給部に相当する。導入管23、33それぞれは導入部に相当する。気体供給部は例えば気体供給ポンプ65およびモータ66によって構成されていると把握されてもよい。この場合、導入部は導入管23、33および気体供給配管67のうち、膨張ピストン21または圧縮ピストン31から気体供給ポンプ65までの部分それぞれによって構成されていると把握することができる。
The
スターリングエンジン10はさらにECU70を備えている。ECU70は電子制御装置であり、ECU70にはスターリングエンジン10の回転数(以下、SE回転数と称す)を検出可能なSE回転数センサ81や、高温熱源とする排気を排出する内燃機関の回転数NEを検出可能なクランク角センサ82がセンサ・スイッチ類として電気的に接続されている。また、モータ66が制御対象として電気的に接続されている。クランク角センサ82の出力または回転数NEは例えば内燃機関制御用のECUを介して取得されてもよい。或いはECU70が内燃機関制御用のECUであってもよい。SE回転数は具体的にはクランクシャフト61の回転数である。
The
ECU70ではCPUがROMに格納されたプログラムに基づき必要に応じてRAMの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、例えば以下に示す制御部が実現される。
In the
制御部はピストンの平均移動速度に応じてモータ66を制御する。ピストンの平均移動速度は膨張ピストン21または圧縮ピストン31の平均移動速度とすることができる。以下では、ピストンの平均移動速度としてSE回転数を用いる場合について説明する。制御部はSE回転数に基づきモータ66を制御する。また、SE回転数が高い場合ほど、ピストン21、31の内部に供給する気体の量が減少するようにモータ66を制御する。そしてこれにより、ピストン21、31を浮上させる静圧(以下、供給静圧と称す)が低下するようにモータ66を制御する。制御部はさらに具体的には次に説明するようにモータ66を制御する。
The control unit controls the
図2はSE回転数に応じた必要静圧を示す図である。縦軸は必要静圧、横軸はSE回転数を示す。ここで、ピストン21、31が上死点や下死点に位置する場合には運動速度がほぼゼロとなる。このためこの場合には、ピストン21、31を静圧のみで浮上させる必要がある。一方、SE回転数が高くなれば、ピストン21、31の運動速度がほぼゼロとなる時間(以下、ピストン停止時間と称す)も短くなる。そしてこれにより、対応するシリンダ22、32と接触する前にピストン21、31が動き始めるようになることで、接触が回避されやすくなる。結果、必要静圧も低くなる。
FIG. 2 is a diagram showing the required static pressure according to the SE rotation speed. The vertical axis represents the required static pressure, and the horizontal axis represents the SE rotation speed. Here, when the
この点、ピストン停止時間はSE回転数に比例して減少する。このため、必要静圧は例えば直線L1、L2またはL3で示すようにSE回転数に比例して減少する。一方、SE回転数が高まると、ピストン21、31の浮上に寄与する動圧も大きくなる。そして、動圧はピストン21、31および対応するシリンダ22、32間のクリアランスで発生する気体の流速の2乗に比例して大きくなる。また、この流速はピストン21、31の運動速度に比例して大きくなる。したがって、SE回転数に比例して大きくなる。このため、必要静圧は曲線Cで示すようにSE回転数の2乗に比例して減少する。
In this respect, the piston stop time decreases in proportion to the SE rotation speed. For this reason, the required static pressure decreases in proportion to the SE rotation speed as indicated by a straight line L1, L2 or L3, for example. On the other hand, when the SE rotation speed increases, the dynamic pressure contributing to the floating of the
したがって、必要静圧はピストン停止時間の観点から必要となる第1の静圧と、動圧の観点から必要となる第2の静圧とのうち、少なくともいずれかによって決まってくる。この点、直線L1で示すように第1の静圧がSE回転数の使用回転数域全般に亘って曲線Cで示す第2の静圧を上回る場合には、必要静圧は第1の静圧によって決まってくる。また、直線L3で示すように第1の静圧がSE回転数の使用回転数域全般に亘って直線Cで示す第2の静圧を下回る場合には、必要静圧は第2の静圧によって決まってくる。 Therefore, the required static pressure is determined by at least one of the first static pressure required from the viewpoint of piston stop time and the second static pressure required from the viewpoint of dynamic pressure. In this regard, when the first static pressure exceeds the second static pressure indicated by the curve C over the entire operating rotational speed range of the SE rotational speed as indicated by the straight line L1, the required static pressure is the first static pressure. It depends on the pressure. Further, when the first static pressure is lower than the second static pressure indicated by the straight line C over the entire operating rotational speed range of the SE rotational speed as indicated by the straight line L3, the required static pressure is the second static pressure. It depends on.
一方、直線L2で示すようにSE回転数が所定回転数αよりも低い場合に第1の静圧が曲線Cで示す第2の静圧を下回り、SE回転数が所定回転数αよりも高い場合に第1の静圧が曲線Cで示す第2の静圧を上回る場合には、必要静圧は第1および第2の静圧によって決まってくる。具体的にはSE回転数が所定回転数αよりも低い場合には必要静圧が第2の静圧によって決まり、SE回転数が所定回転数αよりも高い場合には必要静圧が第1の静圧によって決まってくる。SE回転数が所定回転数αである場合はいずれかの場合に含むことができる。 On the other hand, when the SE rotational speed is lower than the predetermined rotational speed α as indicated by the straight line L2, the first static pressure is lower than the second static pressure indicated by the curve C, and the SE rotational speed is higher than the predetermined rotational speed α. In the case where the first static pressure exceeds the second static pressure indicated by the curve C, the required static pressure is determined by the first and second static pressures. Specifically, when the SE rotational speed is lower than the predetermined rotational speed α, the required static pressure is determined by the second static pressure, and when the SE rotational speed is higher than the predetermined rotational speed α, the required static pressure is the first. It depends on the static pressure. The case where the SE rotational speed is the predetermined rotational speed α can be included in any case.
この点、第1の静圧と第2の静圧との関係はスターリングエンジン10の設計要件によって異なってくる。このため、制御部は具体的には第1の静圧がSE回転数の使用回転数域全般に亘って第2の静圧を上回る場合には、SE回転数に比例して供給静圧が低下するようにモータ66を制御することができる。また、第1の静圧がSE回転数の使用回転数域全般に亘って第2の静圧を下回る場合には、SE回転数の2乗に比例して供給静圧が低下するようにモータ66を制御することができる。
In this regard, the relationship between the first static pressure and the second static pressure varies depending on the design requirements of the
一方、SE回転数が所定回転数αよりも低い場合に第1の静圧が第2の静圧を下回り、SE回転数が所定回転数αよりも高い場合に第1の静圧が第2の静圧を上回る場合には、制御部はSE回転数が所定回転数αよりも低い場合にSE回転数の2乗に比例して供給静圧が低下するようにモータ66を制御することができる。また、SE回転数が所定回転数αよりも高い場合にSE回転数に比例して供給静圧が低下するようにモータ66を制御することができる。
On the other hand, when the SE rotational speed is lower than the predetermined rotational speed α, the first static pressure is lower than the second static pressure, and when the SE rotational speed is higher than the predetermined rotational speed α, the first static pressure is the second static pressure. When the static pressure exceeds the static pressure, the control unit may control the
設計要件によって異なってくるこれらの場合にモータ66を制御するにあたり、制御部はさらに具体的にはSE回転数に比例して必要静圧を低く設定する直線L(直線L1、L2およびL3のうちいずれか)と、SE回転数の2乗に比例して必要静圧を低く設定する曲線Cとのうち少なくともいずれかとSE回転数とに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ66を制御する。直線Lと曲線Cとは例えばマップデータで予め設定しておくことができる。
In controlling the
次にECU70の制御動作の一例を図3に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図3ではスターリングエンジン10の設計要件上、SE回転数が所定回転数αよりも低い場合に第1の静圧が第2の静圧を下回り、SE回転数が所定回転数αよりも高い場合に第1の静圧が第2の静圧を上回る場合について説明する。ECU70はSE回転数を検出するとともに(ステップS1)、検出したSE回転数が所定回転数αよりも低いか否かを判定する(ステップS2)。
Next, an example of the control operation of the
肯定判定であれば、ECU70は検出したSE回転数と曲線Cとに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ66を制御する(ステップS3)。そしてこれにより、SE回転数の2乗に比例して静圧が小さくなるようにモータ66を制御する。否定判定であれば、ECU70は検出したSE回転数と直線L(具体的にはここでは直線L2)とに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ66を制御する(ステップS4)。そしてこれにより、SE回転数に比例して静圧が小さくなるようにモータ66を制御する。ステップS3またはS4の後には本フローチャートを一旦終了する。
If the determination is affirmative, the
次にスターリングエンジン10の作用効果について説明する。スターリングエンジン10はピストン21、31と導入管23、33と気体供給ポンプ65、モータ66および気体供給配管67とECU70とを備える構成で、SE回転数に応じて気体供給部の一部であるモータ66を制御する。すなわち、スターリングエンジン10はSE回転数に応じて必要静圧が変化することに対し、SE回転数に応じてモータ66を制御することで供給静圧を変化させる。そしてこれにより、ピストン21、31の内部に強制的に気体を供給することでピストン21、31の気体潤滑を行う場合に、必要以上に大きな静圧を発生させることでエネルギ損失が発生することを抑制できる。
Next, the effect of the
スターリングエンジン10は具体的にはSE回転数が高い場合ほど、ピストン21、31の内部に供給する気体の量が減少するようにモータ66を制御する。すなわち、スターリングエンジン10はSE回転数が高い場合ほど必要静圧が低くなることに照らして、具体的にはこのようにモータ66を制御することができる。
Specifically, the
スターリングエンジン10はさらに具体的にはSE回転数に比例して必要静圧を低く設定する直線Lと、SE回転数の2乗に比例して必要静圧を低く設定する曲線Cとのうち少なくともいずれかとSE回転数とに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ66を制御する。そしてこれにより、設計要件によって必要静圧が異なってくることに対し、エネルギ損失の発生を好適に抑制できる。
More specifically, the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
スターリングエンジン 10
膨張ピストン 21
高温側シリンダ 22
高温側導入管 23
圧縮ピストン 31
低温側シリンダ 32
低温側導入管 33
クランクシャフト 61
気体供給ポンプ 65
モータ 66
気体供給配管 67
ECU 70
High
High temperature
Low
Low temperature
Claims (3)
前記ピストンの内部に気体を導入する導入部と、
前記導入部を介して前記ピストンの内部に強制的に気体を供給する気体供給部と、
前記ピストンの平均移動速度に応じて前記気体供給部を制御する制御部とを備えるスターリングエンジン。 A piston that introduces gas into the interior and that jets the introduced gas between the corresponding cylinders;
An introduction part for introducing gas into the piston;
A gas supply unit that forcibly supplies gas into the piston through the introduction unit;
A Stirling engine comprising: a control unit that controls the gas supply unit according to an average moving speed of the piston.
前記ピストンの平均移動速度が高い場合ほど、前記ピストンの内部に供給する気体の量が減少するように前記制御部が前記気体供給部を制御するスターリングエンジン。 The Stirling engine according to claim 1,
A Stirling engine in which the control unit controls the gas supply unit so that the amount of gas supplied to the inside of the piston decreases as the average moving speed of the piston increases.
前記ピストンの往復運動を直線運動に変換するクランクシャフトをさらに備え、前記ピストンの平均移動速度として前記クランクシャフトの回転数を用いるスターリングエンジン。
The Stirling engine according to claim 1 or 2,
A Stirling engine further comprising a crankshaft that converts a reciprocating motion of the piston into a linear motion, and using a rotational speed of the crankshaft as an average moving speed of the piston.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012109121A JP2013234637A (en) | 2012-05-11 | 2012-05-11 | Stirling engine |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017505882A (en) * | 2014-02-17 | 2017-02-23 | セッポ ライティネン | External combustion engine with a sequential piston driving device |
-
2012
- 2012-05-11 JP JP2012109121A patent/JP2013234637A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2017505882A (en) * | 2014-02-17 | 2017-02-23 | セッポ ライティネン | External combustion engine with a sequential piston driving device |
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