(57)【要約】  【課題】 少ない部品点数で複数の可動体に所定の位相差で斉一で安定した動作を与え、かつ各可動体の駆動装置を配列中央近傍より外に設けることが可能で、配列中央を種々の作動空間として利用できる駆動装置を提供すること。   【解決手段】基台１１０上に配列された複数の固定体としてのシリンダー１４０と該シリンダー内を往復動する可動体としてのピストン１４２を備え、それぞれの可動体を所定の位相差を持って駆動する駆動装置であって、基台に対して回転方向の動きが規制され、第１の所定方向への移動が許容された第１部材としてのクロスプレート１３０と、上記第１部材に係合して回転方向への動きが規制されるとともに上記第１の方向と垂直な第２の方向への移動が許容された第２部材としての駆動板１２０とを備え、上記可動体は駆動板１２０に係合して駆動されることを特徴とする。       【選択図】  図１
2008190366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、基台上に設けられた複数の固定体と、固定体に対して複数の可動体を所定の位相差で駆動するよう構成された駆動装置であって、基台に対して回転方向の動きが規制され、第１の所定方向への移動が許容された第１部材と、該第１部材に係合して回転方向への動きが規制されるとともに上記第１の方向と垂直な第２の方向への移動が許容された第２部材とを備え、上記可動体は上記第２部材に係合して駆動されることを特徴とする可動体駆動装置。
【請求項２】
上記第１部材は、中央近傍に開口を設けた環状となし、上記第２部材は該開口より偏寄した位置で係合するクランク装置により駆動されることを特徴とする請求項１の可動体駆動装置。
【請求項３】
配列中央軸方向に延在し、配列中央に近接する方向と遠ざかる方向に往復動可能なディスプレーサを備える一方、上記第２部材を複数備え、ディスプレーサは該複数の第２部材により駆動されるとともに、該複数の第２部材を同期駆動するクランク装置を備えたことを特徴とする請求項２記載のスターリングエンジンの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関、油圧ポンプ、スターリングエンジンなど、配列中央から放射状に複数のシリンダーを配列したいわゆる星型配列シリンダー機器などに適用して好適な、複数の可動体を所定の位相差をもって駆動する駆動装置に関する。          
【背景技術】
【０００２】
従来から負荷変動抑制などの目的のため、複数の可動体を所定の位相差で駆動する駆動装置があり、例えば星型配列シリンダーのピストン駆動装置など航空用エンジン、オイルポンプのプランジャー駆動装置を始めとして数多く試みられてきた。その手段として、以下さまざまな方法が発明されている。
【０００３】
特許文献１及び図５に例示するようクランクとピストンを連結する主コネクティングロッド５３とこれに結合された複数のコネクティングロッド５２を用いるもの。
【０００４】
特許文献２に示されるように主軸に設けた偏芯環状カム部材によりピストンの往復運動を得るもの。
【０００５】
特許文献３及び図６に例示されるようリンク６３ａ、６３ｂ、６３ｃにより支持された並進部材６２によりコネクティングロッド６１を駆動するもの。
【０００６】
特許文献４に示されるようクランク駆動装置をそれぞれのシリンダー端に設け、これを配列中央より外に設けたけ駆動軸からチェーンなどにより同期駆動するもの。
【０００７】
また、配列中央を廃棄熱の流路とし、配列中央軸方向に延在するディスプレーサピストンで周囲を囲繞するよう配列することにより廃熱の利用を図った参考文献５に示されるスターリングエンジンも提案されている。
【特許文献１】特明３９１１８
【特許文献２】特公昭３２−００２４２３
【特許文献３】特明８７４７４
【特許文献４】特開昭５９−０７７００１
【特許文献５】特開２００４−１０８２４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら上述の従来技術ではいずれも部品点数が多く、また、配列中央近傍に駆動装置を配置することが必要で、特にこの部分を種々の作動空間、たとえば内燃機関においてはＯＨＶ弁駆動装置、また油圧ポンプにおいては逆止め弁および油の流路として、さらに排熱利用スターリングエンジンにおいては高温排熱ガスの流路として用いることは困難であった。
【０００９】
また、特許文献１及び図５に示す構造においては各コネクティングロッド５２の連結部５２ａの動きは同図矢印Ａ、Ｂ、Ｃに示すよう厳密に斉一とすることはできず、側圧や開弁のタイミングなどに対する設計的配慮や信頼性評価をそれぞれのシリンダーごとに行わなければならなかった。また特に後述するピストンの側圧を抑制するための直線運動機構の採用などは非常に困難であった。
【００１０】
例えば特許文献２に示される構造ではピストンの駆動点は外周に配置されてはいるが、その偏芯カム部材自体の回転軸は配列中央である必要がある。また、ピストンと偏芯カム係合部の周速も大きく負荷、磨耗の点で好ましくない。
【００１１】
同様に特許文献４に示される構造も駆動装置は外周に配置されてはいるものの、これら全体を駆動する大径フライホイールの軸は配列中央に設けられている。加えて、クランクを始めとする種々の駆動装置はシリンダーの数だけ設ける必要があり、構造の複雑化が避けられない。
【００１２】
特許文献５においても駆動のためのクランク装置または電磁アクチュエータがシリンダーの数だけ必要となり、多気筒化にあたっては装置の複雑化が避けられない。
また、配列中央軸方向に延在するディスプレーサピストンの傾きをおさえるためにはさらに付帯機構が必要なものであった。
【００１３】
一方、特許文献３及び図６に示された構造のみが平行リンクによる並進部材により駆動することで、各ピストンに斉一な動きを得るとともに、配列中央より若干偏寄した位置で駆動できる構造が示唆されている。
【００１４】
しかし一組の四節平行リンクのみで駆動する場合、対向する一対のリンクが一直線にきた瞬間は思案点となり、並進部材６２の姿勢を強固に維持することができない。このため、配列中央を種々の作動空間として利用するだけ大きく偏寄した位置に駆動軸を設けることは負荷バランス上からも困難である。
【００１５】
また、上記思案点をなくす構造として同図６に示すよう３本のリンクで並進部材を支持する構造も示されているが、この場合４節リンクを構成する基台、並進部材６２、リンク６３ａ、６３ｂ、により一義的に決定される並進部材６２の姿勢と、リンク６３ｂ、６３ｃにより決定される並進部材６２の姿勢とが矛盾しないためには各対応要素の寸法が厳密に同一であることが求められ、温度変化による膨張などを考慮すると安定な動作を期待しにくいものと考えられる。
【００１６】
本発明はこのような点に鑑みて為されたもので、少ない部品点数で各可動体に所定の位相差で斉一で安定した動作を与え、かつ各可動体の駆動装置を配列中央近傍より外に設けることが可能で、配列中央を種々の作動空間として利用できる駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達するため本発明によれば、例えば配列中央から放射状に配列されたシリンダーを備え、対応する各ピストンを所定の位相差で駆動する駆動装置において、回転方向の動きが規制され、第１の所定方向への移動が許容された第１部材と、上記第１部材に係合して回転方向への動きが規制されるとともに上記第１の方向と垂直な第２の方向への移動が許容された第２部材とを備え、各ピストンは上記第２部材に係合して駆動されるよう構成したことを特徴としている。
【００１８】
さらに、第１部材を、上記の配列中央近傍に開口を設けた環状となし、第２部材を上記開口より偏寄した位置で係合するクランク装置により駆動されるよう構成することもできる。
【００１９】
加えて、上記第２部材を複数組備え、該複数の第２部材を同期駆動するクランク装置を備えたことを特徴とするよう構成し、配列中央軸方向に延在するディスプレーサピストンを該複数の第２部材により駆動するよう構成することもできる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、たとえば星型配列シリンダーを備えた機器においては、気筒数の各シリンダーとピストン以外に必要な部品としては、気筒数に関わらず２部材を付加するだけ、すなわち上記第１部材と上記第２部材を付加するのみでピストン駆動装置が構成できる。なおかつ全ての気筒において、各ピストンの位置や配置角度に関わらず、相互の位相差以外は斉一な動きを与えることができる。
【００２１】
これにより例えば第３の実施例で後述するよう、内転サイクロイドを応用した直線運動機構、もしくは公知の近似直線運動機構の採用により側圧を極小とすることも容易である。
【００２２】
さらに、請求項２のように構成すれば、配列中央を種々の作動空間として開放することができ、以下実施例に記載する事例を始めとして、さまざまな応用が可能となる。
【００２３】
請求項３のように構成することにより排気管の軸方向に延在する多数の長大なディスプレーサも第１部材と第２部材をさらに一組付加するのみで傾きなく平行駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２５】
図１〜図４は本発明をスターリングエンジンに適用した第１の実施例に関わり、図１はその平面図、図２及び図３は高さ関係を表す部分断面図、図４は駆動装置の構造を明瞭にするための斜視図である。
【００２６】
基台１１０には３組のガイドローラ１１１、一対の第１ガイドピン１１２、及び主軸と偏芯クランクより成るクランク装置１５０が回転可能に軸支されている。
【００２７】
また、基台１１０はその内部に８本の連通管部１１３が設けられ、それぞれの端部は後述する互いに９０度の相対位置に配置された一組のシリンダーブロック１４０相互を連結する収縮側開口部１１３ａ、及び膨張側開口部１１３ｂが形成されている。
【００２８】
基台１１０の中央開口１１４は燃焼ガスなどの熱源を配する空間であり後述するヒートキャップ１４１を臨ませて加熱空間として作用するとともに、基台１１０はアルミニウムなど熱の良導体で形成され、また、必要に応じてその背面に図示しない冷却水ジャケットを設けることにより、上記連通管部は内部を通過するガスの冷却用熱交換器としても機能する。
【００２９】
クロスプレート１３０には一対の第２ガイドピン１３２が植設されているとともに、第１ガイド長穴部１３１が設けられ上記第１ガイドピン１１２に系合してその回転方向の動きが規制され、図示Ｘ方向の動きのみが許容されている。
【００３０】
駆動板１２０にはその円形開口部１２３の一部が上記ガイドローラ１１１に係合することにより高さ方向の動きが規制され、駆動板に形成された第２ガイド長穴部１２１が上記第２ガイドピン１３２に係合して回転方向の動きが規制され、図示Ｙ方向の動きが許容される。すなわち、基台１１０に対しては回転を伴わないＸＹ平面内の並進運動のみが許容されることになる。
【００３１】
さらに駆動板１２０は上記クランク装置１５０に係合して駆動され、また、駆動板には駆動長穴部１２２が形成され、後述するピストン１４２の一端に係合しピストンを駆動するとともに、ピストンで発生する動力をクランク装置に伝達するよう構成されている。
【００３２】
シリンダーブロック１４０はシリンダー１４３、ピストン１４２、加熱熱交換器としてのヒートキャップ１４１から成る。これらにより膨張空間１４４と収縮空間１４５を形成し、一つのシリンダーブロックの膨張空間１４４は膨張側開口部１１３ｂ、連通管部１１３、収縮側開口部１１３ａ、を経由して互いに９０度の相対位置に配置された次のシリンダーブロックの収縮空間１４５に連結されている。
【００３３】
次に以上のように構成されたスターリングエンジンの動作について簡単に説明する。
【００３４】
上記のように中央開口１１４に臨んだヒートキャップ１４１は燃焼ガスなどの熱源により加熱され、一方連通管部１１３及び収縮空間１４５は外気もしくは図示しない冷却水により冷却され両者に温度差が与えられる。
【００３５】
クランク装置１５０の回転は駆動板１２０に前述のように回転を伴わない並進運動を与え、この運動は駆動長穴部１２２を介して各ピストンを駆動する。
【００３６】
ここでこの駆動長穴部１２２は各ピストン１４２の作動方向と直角に形成されているため、駆動板の運動によりピストン１４２は作動方向にのみ駆動力を生じ、それぞれのピストン１４２は配置角度差に等しい位相差をもった往復運動を与えられる。
【００３７】
例えば図１においてＡを付したシリンダーブロックの収縮空間１４５は９０度の相対位置に配置されたＢを付したシリンダーブロックの膨張空間１４４と連通している。これらは本実施例では他の７組のシリンダーブロックについても同様である。
【００３８】
以上のように温度差を与えられ、相互に連通した膨張空間と収縮空間と、それぞれの容積を所定の位相差をもって変化させる手段を備えた熱機関はスターリングサイクル機器として広く知られるものである。このため、各行程の動作は詳述しないが、これにより中央開口１１４に配した燃焼ガスなどの熱エネルギーをクランク装置１５０の動力として取り出すことができる。
【００３９】
次に図７及び図８に示した第２の実施例について説明する。
【００４０】
図７及び図８は本発明を特に排気管の廃熱の有効利用に適した形態に適用した例であり、図７はその平面図、図８はその断面図である。
【００４１】
基台と一体の排気管７１は一対の第１ガイドピン７１ａ、およびクランク装置７５の軸受を、排気の入口と出口の両端にそれぞれ一組備え、後述するディスプレーサピストン７４を収容する膨張空間７１ｃ収縮空間７１ｄを介して外周には放熱部７１ｂが形成されている。
【００４２】
ディスプレーサピストン７４は排気管７１を囲繞するよう配置され、特に受熱面積を増大させるため排気流動方向に延在する長形となっている。
【００４３】
クロスプレート７３、７７は十字状に第１ガイド長穴部７３ａ、７７ａ第２ガイド長穴部７３ｂ、７７ｂが形成され、第１ガイド長穴部７３ａ、７７ａは排気管７１両端でそれぞれ上記第１ガイドピン７１ａに係合している。
【００４４】
駆動板７２、７６は第２ガイドピン７２ａを備え、上記第２ガイド長穴部７３ｂ、７７ｂに系合し、それぞれがクランク装置７５により同期駆動されるとともに、それぞれが上記ディスプレーサピストン７４に系合している。
【００４５】
クランク装置７５はモータ７８により回転駆動され、これにより駆動板７２、７６は同一の並進運動を行うため、これらに連結されたディスプレーサピストン７４は長手方向に傾くことなく正確な往復運動を与えられる。
【００４６】
以上構成を説明した第２の実施例で実際に出力を取り出す手段は、図示されていないが、別個の発電装置を備えたパワーピストンに連結して位相差を電子回路により制御するか、または第１の実施例と同様にディスプレーサピストン７４に連結されたパワーピストンとシリンダーを設け、これにより形成される気室と隣接する収縮空間７１ｄとを連通管により連結するなどの種々の公知手段が採用できる。
【００４７】
つづいて図９に示す本発明を内燃機関に適用した第３の実施例について説明する。
【００４８】
基台９１には一対の第１ガイドピン９１ａ、およびクランク装置９５に加え内歯歯車９１ｂがそれぞれのシリンダーブロック９４に対応して形成されている。
【００４９】
クロスプレート９３は十字状に第１ガイド長穴部９３ａ、第２ガイド長穴部９３ｂをそなえ、第１ガイド長穴部９３ａはそれぞれ上記第１ガイドピン９１ａに係合している。
【００５０】
駆動板９２は第２ガイドピン９２ａを備え、上記第２ガイド長穴部９３ｂに係合し、クランク装置９５により駆動されるとともに、後述するピニオン９６を軸支している。
【００５１】
ピニオン９６はその歯数が上記内歯歯車９１ｂの１／２となるよう設定され、同内歯歯車９１ｂ噛合するとともに、ピッチ円上でコネクティングロッド９７の一端を軸支している。
【００５２】
弁装置９８はクランク装置９５よりギヤ及びチェーンを介して駆動され、シリンダー９４の吸排気を制御する。
【００５３】
以上のように構成されたピストン駆動装置では、駆動板９２とそれに軸支されたピニオン９６が斉一な円運動を行うため、内転サイクロイドによる厳正直線運動をコネクティングロッド９７に与えることができる。
【００５４】
このためピストンに加わる有害な側圧を極小とすることができ、損失の低減、磨耗の低減に極めて有効で、特にディーゼル機関などコネクティングロッドの軸力が高い方式に置いてその効果は顕著なものと成る。
【００５５】
以上スターリングエンジン、及び内燃機関に応用した実施形態について説明したが、本発明はこれにとどまらず、たとえばオイルポンプにおけるプランジャーなど複数の可動部分を、相互に所定の位相差で駆動する機器において有効なものである。
【００５６】
なお、実施例ではシリンダー等の固定体をすべて同心円状に配置しているが、本発明によれば、駆動板上の任意の点はすべて斉一な動きを為すものであるため、同心円以外の任意の配置において同等の作用効果が期待できる。
【００５７】
さらに実施例はいずれも駆動板の内側にシリンダーを配した例で説明したが、駆動板の外側にシリンダー配置しても同様の効果を引き出す構成が可能であることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は内燃機関、外燃機関、スターリングエンジン、ヒートポンプ、コンプレッサー、オイルポンプ、油圧モータなど多くの産業で利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施例に関わる部分断面を含む平面図。
【図２】第１の実施例図１におけるＣ−Ｃ断面図
【図３】第１の実施例図１におけるＤ−Ｄ断面図
【図４】本発明の第１の実施例の駆動要部を示す斜視図。
【図５】従来例を示す図
【図６】従来例を示す図
【図７】本発明の第２の実施例に関わる部分断面を含む平面図。
【図８】第２の実施例図７におけるＥ−Ｅ断面図。
【図９】本発明の第３の実施例に関わる平面図。
【符号の説明】
【００６０】
１１０、９１                      基台
１１１                            ガイドローラ
１１２、７１ａ、９１ａ            第１ガイドピン
１１３                            連通管部
１１３ａ                          収縮側開口部
１１３ｂ                          膨張側開口部
１１４                            中央開口
１２０、７２、７６、９２          駆動板
１２１、７３ｂ、７７ｂ、９３ｂ    第２ガイド長穴部
１２２                            駆動長穴部
１２３                            円形開口部
１３０、７３、７７、９３          クロスプレート
１３１、７３ａ、７７ａ、９３ａ    第１ガイド長穴部
１３２、７２ａ、９２ａ            第２ガイドピン
１４０、９４                      シリンダーブロック
１４１                            ヒートキャップ
１４２、６４                      ピストン
１４３、５４                      シリンダー
１４４、７１ｃ                    膨張空間
１４５、７１ｄ                    収縮空間
１５０、５５、７５、９５          クランク装置
５２、６１、９７                  コネクティングロッド
５２ａ                            連結部
５３                              主コネクティングロッド
６２                              並進部材
６３、６３ａ、６３ｂ、６３ｃ      リンク
７１                              排気管
７１ｂ                            放熱部
７４                              ディスプレーサ                              
７６                              第２駆動板
７７                              第２クロスプレート
７８                              モータ
９１ｂ                            内歯歯車
９６                              ピニオン
９８                              弁装置
【図１】
2008190366.tif 000003
【図２】
2008190366.tif 000004
【図３】
2008190366.tif 000005
【図４】
2008190366.tif 000006
【図５】
2008190366.tif 000007
【図６】
2008190366.tif 000008
【図７】
2008190366.tif 000009
【図８】
2008190366.tif 000010
【図９】
2008190366.tif 000011