JP4734082B2

JP4734082B2 - スターリング発電機

Info

Publication number: JP4734082B2
Application number: JP2005304951A
Authority: JP
Inventors: 勝政荒岡; 澄香川; 琢郎武内
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP2007113468A

Description

本発明は、スターリング発電機に係り、スターリング発電機に関する。

従来から、スターリング機関は、省エネルギ対策の一環として見直しおよび強化がなされ、これに伴ってコジェネレーションの熱機関への適用や超電導のパルス管冷凍機への適用、あるいは可搬式スターリング発電機への改良等、熱心な研究が行われ、その成果、発展が期待されている。

このように、期待度合の高いスターリング機関には、種々のタイプのもの、例えば原理的なもの、多気筒タイプのもの、斜板タイプのもの等がある。

原理的なタイプのスターリング機関は、例えば、特許文献１に見られるように、パワーピストンを内蔵した２つのパワーシリンダ間に再生熱交換器を閉流路に構成し、再生熱交換器の一側端と一方のパワーシリンダとの間の流路に高温熱交換器を設けて作動ガスを加熱する一方、再生熱交換器の他側端と他方のパワーシリンダとの間の流路に低温熱交換器を設けて作動ガスを冷却する構成になっている。

このときの各パワーピストンを駆動するピストンロッドは、回転角（位相角）を約９０度ずらして出力軸となるクランク軸に接続するとともに、各パワーピストン内の作動ガスが移動−膨張−移動−圧縮を連続的に繰り返し、各パワーピストンの挙動により出力軸にエネルギ（駆動力）が取り出されている。

また、多気筒タイプのスターリング機関は、例えば、特許文献２に見られるように、水平方向に互いに対向配置し、往復動する一対の膨張ピストンと、鉛直方向に往復動する一つの複動型の圧縮ピストンを備え、一対の膨張ピストンを互いが同位相で往復するようクランクシャフトに接続するとともに、圧縮ピストンを一対の膨張ピストンに対し、一定の位相差で往復動させ、しかも一対の膨張ピストンの軸心が圧縮ピストンの軸心と同一平面になるようにクランクシャフトに接続させる構成にし、クラッチシャフトを軸支するベアリングへの偏荷重を抑制したものである。

また、斜板タイプのスターリング機関は、例えば、特許文献３に見られるように、回転軸の軸心に対し、交差させて斜板を設けるとともに、この斜板上にシューを設け、シュー上にガイドピストンを摺動させ、回転軸および斜面の回転力をガイドピストンに往復動の駆動力として与える構成にしたものである。

このように、スターリング機関は、従来から数多くのタイプが実現しており、用途に応じて使い分けられていた。
特開平１−２４９９４８号公報（特許第２８１８１６９号）特開平１−２８０６６８号公報（特許第２７１０７８４号）特開平５−３１２２４２号公報（特許第３０４３９００号）

特許文献１〜３等に見られるスターリング機関は、運転中、騒音が極めて低く、しかも、熱効率も内燃機関に較べて比較的高い優れた外燃機関ではあるが、それでも幾つかの問題を抱えている。

すなわち、この種の機関は、パワーピストン内の作動ガスを高温、高圧で運転し、しかもパワーピストンの回転角（位相角）を約９０°ずらす構造であり、さらに、出力軸の回転運転をパワーピストンの往復運動に変換する構造であるため、機関全体として大型化し、かつ重量化する不具合、不都合があった。

また、この種の機関は、構成要素を接続する機構体に大きな作用力が働くため、機械損失が多くなり、熱効率の低下を招く要因になっている。

また、斜板タイプのように、斜板上に、例えば４つのピストン軸を摺動させる、いわゆるダブルアクティングタイプでも、回転運動から往復運動に変換させる際、変換機構が複雑な方向の動きをし、この動きに伴って大きな作用力が働くため、機関全体を何らかの工夫でコンパクトにできても、耐久性に乏しく、機械損失も多くなり、熱効率の低下を招く要因になっていた。

本発明は、このような背景技術に照らしてなされたもので、より一層の熱効率の向上を図るとともに、軽量、小型化の下、可搬性を図ったスターリング発電機を提供することを目的とする。

本発明に係るスターリング発電機は、上述の目的を達成するために、電動発電機の駆動力で回転する出力軸と軸受を介して取り付けられ、かつ前記出力軸の軸中心線に対し、斜めに交差させる軸中心線を持つように配置された斜板軸と、この斜板軸と軸受を介して接続された斜板と、この斜板に接続された伝達軸と、この伝達軸をスベリ軸受を介して支持する球面軸受と、この球面軸受を収容する開口内部を有するピストンロッドと、前記斜板軸の他方に接続され、回転支持される回転軸と、前記ピストンロッドの往復移動を案内し、片方に開口が設けられた筒状のガイドと、前記出力軸、前記斜板軸、前記回転軸を軸支する軸受、前記スベリ軸受および前記球面軸受に潤滑油を供給する潤滑油通路と、供給された潤滑油を戻す循環路と、前記潤滑油通路に潤滑油を送り出す潤滑油循環ポンプとを備え、前記斜板軸は、この斜板軸の前記出力軸側の端面が前記出力軸の端面に接続され、前記スベリ軸受は、球面軸受の内径側に設けられ、前記球面軸受は、前記ピストンロッドの開口内部空間壁との間に隙間を形成しているものである。

また、本発明に係るスターリング発電機は、上述の目的を達成するために、電動発電機の駆動力で回転する出力軸と軸受を介して取り付けられ、かつ前記出力軸の軸中心線に対し、斜めに交差させる軸中心線を持つように配置された斜板軸と、この斜板軸に軸受を介して接続されるとともに前記斜板軸の外径側に向って山形状に突き出す形状に形成された斜板と、この斜板に接続された２股軸と、この２股軸に接続されたアーム回転体と、このアーム回転体に軸受を介して取り付けられた駆動軸と、この駆動軸に軸受を介して取り付けられたピストンロッドと、前記斜板軸の他方に接続され、回転支持される回転軸と、前記ピストンロッドの往復移動を案内するガイドと、前記出力軸、前記斜板軸および前記回転軸を軸支する軸受に潤滑油を供給する潤滑油通路と、供給された潤滑油を戻す循環路と、前記潤滑油通路に潤滑油を送り出す潤滑油循環ポンプとを備え、前記アーム回転体は、アーム軸を備えるとともに、このアーム軸を前記２股軸に挿通させる構成にされ、前記アーム軸の中心点を通る横断中心線と前記駆動軸の軸中心線との間に、隙間が確保されたものである。

本発明に係るスターリング発電機は、組立て構成要素をより一層少なくさせる構成にしたので、機械損失を少なくさせて熱効率をより一層向上させることができ、軽量、小型の下、可搬性を容易に実現することができる。

以下、本発明に係るスターリング発電機の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係るスターリング発電機の第１実施形態の概略全体平面図である。

本実施形態に係るスターリング発電機は、ハウジング１内に収容され、起動時、電動機として機能し、その後、発電機として機能する電動発電機２と、この電動発電機２に軸を介して接続し、回転運動を揺動運動に変える斜板装置３と、この斜板装置３の揺動運動に応動してピストン４ａ，４ｂに往復運動させるピストン装置５とを備える構成になっている。

電動発電機２は、ステータ６と回転子コイル７を備えた出力軸８とを組み合せて構成するとともに、出力軸８は軸受９ａ，９ｂ，９ｃを介して取り付けられ、出力軸８の軸端に設けた潤滑油循環ポンプ１０から潤滑油通路１１ａを介して軸受９ａ，９ｂ，９ｃに潤滑油を供給するようになっている。

また、潤滑油循環ポンプ１０は、潤滑油通路１１ａおよび斜板装置３の潤滑油通路１１ｂ，１１ｃ等を介して軸受９ｄ，９ｅ等に潤滑油を供給している。なお、潤滑油循環ポンプ１０には、ハウジング１内に設けた戻り通路、油溜り等を介して潤滑油を戻す循環系（図示せず）が設けられている。

また、斜板装置３は、電動発電機２の出力軸８に軸受９ｄ、９ｅを介して取り付けられ、しかも出力軸８の軸中心線ＣＬ_１に対し、斜めに交差させる軸中心線ＣＬ_２を持つ、斜板軸２０と、この斜板軸２０と軸受９ｄ，９ｅを介して接続される板状の斜板１２と、この斜板１２の縁端に接続され、ピストン装置５のピストンロッド１３ａ，１３ｂの開口内部空間Ｅに収容される伝達軸１４と、内径側にスベリ軸受１６を設け、伝達軸１４と接続される球面軸受１５と、ピストンロッド１３の往復移動を案内し、片方に開口を設けた筒状のガイド２２と、斜板軸１２に接続させて支持する回転軸２３とを備え、出力軸８、斜板軸１２、回転軸２３の回転運動に対し、斜板１２を点Ｐ_１を基点に揺動させる構成になっている。

なお、回転軸２３は、回転可能なように軸受９ｆ，９ｇによって支持されている。

一方、ピストン装置５は、シリンダ１７ａ，１７ｂのそれぞれに収容され、シール部１７を備えるピストンロッド１３ａ，１３ｂの駆動力により往復動するピストン４ａ，４ｂと、シリンダ１７ａ，１７ｂの周辺に設けられ、シリンダ１７ａ，１７ｂから高温熱交換器（図示せず）を介して供給される作動ガスを再生する再生器１８ａ，１８ｂと、再生器１８ａ，１８ｂからの作業ガスを冷却させてシリンダ１７ａ，１７ｂに再び戻す低温熱交換器１９ａ，１９ｂとを備え、作動ガス、例えばヘリウムガスの膨張、圧縮の繰返しをピストン４ａ，４ｂの往復動によって行わせている。

図２は、図１のＡ−Ａ矢視方向から見て切断したときの斜板装置３の正面図である。

斜板装置３は、ハウジング１の横断面中央に斜板軸２０を接続した斜板１２を配置している。この斜板１２は、９０°ピッチの等配位置に振り分けて４つの伝達軸１４を備えている。

球面軸受１５は、ピストンロッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの開口内部空間壁との間に隙間２４を形成している。

なお、斜板１２、伝達軸１４、スベリ軸受１６、球面軸受１５、ピストンロッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、側面に開口２１を備えたガイド２２内に収容されている。

次に、本実施形態に係るスターリング発電機の作用を説明する。

斜板装置３は、電動発電機２から与えられる回転駆動力を揺動運動に変えるようになっている。すなわち、電動発電機２から出力軸８に駆動力が与えられると、出力軸８は回転し、その回転力は出力軸８に軸受９ｄ、９ｅを介して取り付けられた斜板軸２０に与えられる。

このとき、斜板軸２０の軸中心線ＣＬ_２が出力軸８の軸中心線ＣＬ_１に対し、斜めになっているので、斜板１２は点Ｐ_１を基点に揺動する。

点Ｐ_１を基点に揺動すると、揺動運動中、斜板１２の縁端に設けた４つの伝達軸１４は、軌跡「８」の字を描く。これに伴って、球面軸受１５も軌跡「８」の字を描く。この場合、球面軸受１５とピストンロッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの開口空間内部壁との間に隙間２４を形成しているので、伝達軸１４、球面軸受１５は軌跡「８」の字の挙動を行うことができる。

伝達軸１４等が軌跡「８」の字の挙動を行うと、ピストンロッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは往復運動し、ピストン４ａ，４ｂが作動ガスに対し、膨張、圧縮の仕事を繰返し行わせる。

このように、本実施形態に係るスターリング発電機は、電動発電機２から与えられる回転運動を揺動運動に変える斜板装置３を設けるとともに、斜板装置３に設けた伝達軸１４に軌跡「８」の字の挙動を行わせ、この挙動に対応して応動し、ピストンロッド１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに往復運動を行わせることにより、組立て構成要素をより一層少なくさせ、かつ簡素化させたので、機械損失を少なくさせて熱効率を向上させることができ、軽量、小型化の下、可搬性を容易に実現することができる。

図３は、本発明に係るスターリング発電機の第２実施形態を示す概略平面図である。

なお、第１実施形態の構成要素と同一構成要素には同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態に係る斜板装置３は、電動発電機（図示せず）の出力軸８に接続され、他端を回転軸２３に接続され、かつ出力軸８の軸中心線ＣＬ_３に対して軸中心線ＣＬ_４が斜めになるように設けられた斜板軸２０と、この斜板軸２０に対し、外径側に山形状に突き出し、平板で作製された斜板１２ａ，１２ｂを備えている。

なお、斜板１２ａ，１２ｂは、斜板軸２０および回転軸２３に軸受２５ａを介して接続している。

また、斜板装置３は、斜板１２ａ，１２ｂの山形状の先端位置に軸受２５ｂを介して２股軸２６ａ，２６ｂが取り付けられている。

これら２股軸２６ａ，２６ｂは、図４に示すように、アーム回転体２７に接続されている。アーム回転体２７は、軸受２５ｃを介して駆動軸２８に取り付けられている。さらに駆動軸２８は軸受２５ｄを介してピストン装置５のピストン４ａ，４ｂを往復運動させる中空のピストンロッド１３ｅに接続している。

なお、中空のピストンロッド１３ｅは、ガイド２９によって保持されている。

また、２股軸２６ａ，２６ｂは、図５に示すように、脚部３０ａ，３０ｂを貫通するアーム軸３１と、アーム軸３１に接続されたアーム回転体２７を備えている。このアーム回転体２７は、図６に示すように、筒状に形成され、アーム軸３１と筒軸が直交するように接続され、筒内には駆動軸２８を挿入させている。

このような構成を備える斜板装置３の作用を説明する。

図３に示すように、電動発電機の出力軸８から回転駆動力が与えられると、斜板軸２０が回転する。このとき、斜板１２ａ，１２ｂおよび２股軸２６ａ，２６ｂは、斜板軸２０の軸中心線ＣＬ_４と２股軸２６ａ，２６ｂの軸中心線ＣＬ_５の交点Ｏ_１を基点に揺動する。

斜板１２ａ，１２ｂは、２股軸２６ａ，２６ｂが揺動すると、アーム回転体２７のアーム軸３１は、図３および図４に示すように、その中心点Ｏ_２を基点に軌跡「８」の字の一部である軌跡線Ｌ上を挙動する。

この場合、中心点Ｏ_２が軌跡「８」の字を描けるように、アーム軸３１の中心点Ｏ_１を通る横断中心線と駆動軸２８の軸中心線ＣＬ_７との間を、図４に示すように、隙間Ｇを確保させている。

また、アーム軸３１の挙動に対応して応動する駆動軸２８は、その駆動力を中空のピストンロッド１３ｅに与えて往復動させ、ピストンロッド１３ｅの往復動駆動力によってピストン４ａ，４ｂを往復動させる。

このように、本実施形態は、斜板装置３の斜板軸２０の軸中心線ＣＬ_４と電動発電機の出力軸８の軸中心線ＣＬ_３とを斜めに交差させるように配置させ、斜板軸２０に外径側に山形状に突き出した斜板１２ａ，１２ｂを備えるとともに、斜板１２ａ，１２ｂの山形状の先端に２股軸２６ａ，２６ｂを設けて回転運動を揺動運動に変え、この揺動運動によってピストンロッド１３ｅを往復動させる構成にしたことにより、組立て構成要素をより一層少なくさせ、かつ簡素化させたので、機械損失を少なくさせて熱効率を向上させることができ、軽量、小型化の下、可搬性を容易に実現することができる。

本発明に係るスターリング発電機の第１実施形態を示す概略全体平面図。図１のＡ−Ａ矢視方向から見て切断したときの斜板装置の正面図。本発明に係るスターリング発電機の第２実施形態を示す概略平面図。図３の“Ｘ”部を抜き出した斜板装置の部分拡大図。図４の“Ｙ”部を抜き出した２股軸とアーム回転体との組立を示す図。本発明に係るスターリング発電機に適用するアーム回転体を示す斜視図。

符号の説明

１ハウジング
２電動発電機
３斜板装置
４ａ，４ｂピストン
５ピストン装置
６ステータ
７回転子コイル
８出力軸
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ軸受
１０潤滑油循環ポンプ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ潤滑油通路
１２，１２ａ，１２ｂ斜板
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｅピストンロッド
１４伝達軸
１５球面軸受
１６スベリ軸受
１７ａ，１７ｂシリンダ
１８ａ，１８ｂ再生器
１９ａ，１９ｂ低温熱交換器
２０斜板軸
２１開口
２２ガイド
２３回転軸
２４隙間
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，… 軸受
２６２股軸
２７アーム回転体
２８駆動軸
２９ガイド
３０ａ，３０ｂ脚部
３１アーム軸

Claims

電動発電機の駆動力で回転する出力軸と軸受を介して取り付けられ、かつ前記出力軸の軸中心線に対し、斜めに交差させる軸中心線を持つように配置された斜板軸と、
この斜板軸と軸受を介して接続された斜板と、
この斜板に接続された伝達軸と、
この伝達軸をスベリ軸受を介して支持する球面軸受と、
この球面軸受を収容する開口内部を有するピストンロッドと、
前記斜板軸の他方に接続され、回転支持される回転軸と、
前記ピストンロッドの往復移動を案内し、片方に開口が設けられた筒状のガイドと、
前記出力軸、前記斜板軸、前記回転軸を軸支する軸受、前記スベリ軸受および前記球面軸受に潤滑油を供給する潤滑油通路と、
供給された潤滑油を戻す循環路と、
前記潤滑油通路に潤滑油を送り出す潤滑油循環ポンプとを備え、
前記斜板軸は、この斜板軸の前記出力軸側の端面が前記出力軸の端面に接続され、
前記スベリ軸受は、球面軸受の内径側に設けられ、
前記球面軸受は、前記ピストンロッドの開口内部空間壁との間に隙間を形成していることを特徴とするスターリング発電機。
電動発電機の駆動力で回転する出力軸と軸受を介して取り付けられ、かつ前記出力軸の軸中心線に対し、斜めに交差させる軸中心線を持つように配置された斜板軸と、
この斜板軸に軸受を介して接続されるとともに前記斜板軸の外径側に向って山形状に突き出す形状に形成された斜板と、
この斜板に接続された２股軸と、
この２股軸に接続されたアーム回転体と、
このアーム回転体に軸受を介して取り付けられた駆動軸と、
この駆動軸に軸受を介して取り付けられたピストンロッドと、
前記斜板軸の他方に接続され、回転支持される回転軸と、
前記ピストンロッドの往復移動を案内するガイドと、
前記出力軸、前記斜板軸および前記回転軸を軸支する軸受に潤滑油を供給する潤滑油通路と、
供給された潤滑油を戻す循環路と、
前記潤滑油通路に潤滑油を送り出す潤滑油循環ポンプとを備え、
前記アーム回転体は、アーム軸を備えるとともに、このアーム軸を前記２股軸に挿通させる構成にされ、
前記アーム軸の中心点を通る横断中心線と前記駆動軸の軸中心線との間に、隙間が確保されたことを特徴とするスターリング発電機。