(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸回りに回転運動を行うクランク軸（１０６）に縦軸上で往復直線運動を行うピストン（１０１）を連結するリンク機構（１００）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の近い端部と、前記ピストンから遠い方に位置する第２の遠い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近い端部と前記遠い端部の間に配設されたガイドリンク（１０３）と、
前記ガイドリンクの前記遠い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（１０９、１１１）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前記遠い端部と転がり接触するリムとを備える第１ローラ（１０９）を有するガイドリンクガイドアセンブリと、
連結端とクランク軸端を有する連結棒であって、前記ピストンの往復直線運動をさせる間に前記ガイドリンクガイドアセンブリを横切る連結棒接続ポイント（１０４）で、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遠い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回転軸からオフセットしたクランク軸接続ポイント（１０８）において前記クランク軸に接続された連結棒（１０５）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（１０９、１１１）は前記第１ローラ（１０９）の前記リムを前記ガイドリンクの前記遠い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（１１１）であって、回転中心と、前記ガイドリンクの前記遠い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（１１１）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（２１１）を有するバーニヤメカニズムである請求項４のリンク機構。
【請求項６】
前記第１及び第２ローラ（１０９、１１１）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（１０４）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（１０１）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（１０６）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の近い端部を有し、かつ、ピストンから遠い方の第２の遠い端部を有し、前記回転軸が前記ガイドリンクの前記近い端部と前記遠い端部の間に配設されたガイドリンク（１０３）と、
前記ガイドリンクの前記遠い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（１０９、１１１）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前記遠い端部と転がり接触するリムとを備える第１ローラ（１０９）を有するガイドリンクガイドアセンブリと、
連結端と、クランク軸端を有する連結棒（１０５）であって、前記ピストンの往復直線運動をさせる間に前記ガイドリンクガイドアセンブリを横切る連結棒接続ポイント（１０４）で、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遠い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（１０６）に縦軸上を往復直線運動するピストン（１０１）を連結するガイドリンク（１０３）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の近い端部と、前記ピストンに遠い方に位置する第２の遠い端部とを有し、該第２の遠い端部は前記回転軸が前記ガイドリンクの第１の前記近い端部と第２の前記遠い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であって、
前記ガイドリンクは、さらに前記ガイドリンクの前記遠い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（１０９、１１１）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前記遠い端部と転がり接触するリムとを備える第１ローラ（１０９）を有するガイドリンクガイドアセンブリが設けられると共に、
連結端と、クランク軸端を有する連結棒（１０５）であって、前記ピストンの往復直線運動をさせる間に前記ガイドリンクガイドアセンブリを横切る連結棒接続ポイント（１０４）で、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遠い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が設けられるガイドリンク。
【請求項９】
摩耗した第２の前記遠い端部の交換のために第２の前記遠い端部から取り外し可能に第１の前記近い端部を第２の前記遠い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の近い端部を有し、前記第２ガイドリンクは前記圧縮ピストンから近い方に位置し前記圧縮ピストンに連結された第１の近い端部を有し、前記各ガイドリンクはそれぞれ前記ディスプレーサピストン又は前記圧縮ピストンから遠い方の第２の遠い端部を有し、各回転軸が該ガイドリンクの前記近い端部と前記遠い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前記遠い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遠い端部に接して該遠い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遠い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遠い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遠い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の近い端部を有し、前記第２ガイドリンクは前記圧縮ピストンから近い方に位置し前記圧縮ピストンに連結された第１の近い端部を有し、前記各ガイドリンクはそれぞれ前記ディスプレーサピストン又は前記圧縮ピストンから遠い方の第２の遠い端部を有して、各回転軸が該ガイドリンクの前記近い端部と前記遠い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前記遠い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前記遠い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遠い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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、エンジンの改良に属し、特に、エンジンの作動効率と寿命を高め、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。
【０００２】
【背景技術】
エンジンと冷蔵庫を含むスターリングサイクルマシンは長い技術的な遺産を有しており、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。
【０００３】
本発明の様々な局面は、本明細書及び特許請求の範囲において集合的にスター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。
【０００４】
スターリングエンジンの作動原理は図に1a-1eに言及して容易に説明される。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。
【０００５】
エンジンサイクルの第１フェーズ（段階）の間に（エンジンサイクルの開始状態は図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。
【０００６】
エンジンサイクルの第３フェーズ(膨張行程)の間、すきま容積22のボリュームは、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。
【０００７】
さらに、流体は、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。
【０００８】
スターリングサイクル冷蔵庫の動作原理についてもまた、図1a-1eに関して説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。
【０００９】
一般に、スターリングサイクルエンジンは実際的な応用として使用されておらず、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。
【００１０】
コンパクトなスターリングエンジンを含むあるエンジンの設計で行きあたる重大な問題は、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。
【００１１】
図3の従来技術のエンジン構成について言及すると、ピストンに作用する横力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。
【００１２】
ガイドリンクは一般にクランクケースのサイズを増加させる。なぜならば、ピ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。
【００１３】
発明の一実施形態の局面によると、クランク軸の回転軸（自転軸）に関して回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近い端部と遠い端部の間に配設される。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遠い端部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、ガイドリンクの遠い端部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。
【００１４】
本発明の別の実施形態によると、第１ローラのリム（縁）をガイドリンクの遠い端部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、ガイドリンクの遠い端部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。
【００１５】
本発明の別の局面によると、縦軸を持つピストンと、この縦軸に実質的に垂直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近い端部と遠い端部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。
【００１６】
まだ本発明の別の局面によると、ディスプレーサピストンが第１縦軸に沿って往復運動し、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。
【００１７】
発明の別の局面によると、改良型スターリングサイクルエンジンが提供される。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。
【００１８】
別の一層の実施形態では、ガイドリンクの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。
【００１９】
【発明の実施形態】
本発明は、添付の図面を参照して、以下の説明を読むことによってより容易に理解される。
【００２０】
ここで図4を参照すると、本図は、一般に数字100によって指定される折り返し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102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。
【００２１】
連結棒105はクランク軸106にクランク軸接続ポイント108（これはクランク軸回転軸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。
【００２２】
ガイドリンク103の一端114は、第1ローラ109と、それに対向している第２ローラ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、111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113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。
【００２３】
ピストンシリンダ14に関するガイドリンク103の縦軸120の整列はローラ109、111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。
【００２４】
ピストンから遠い方のクランク軸の軸の側面に前記接続ポイントを動かすのによって、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。
【００２５】
ピストンに作用する横力は騒音と摩耗を大きくする。シリンダ内のピストンの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201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。
【００２６】
発明の好ましい実施形態によると、第２ローラ207の中心208の位置を調整するのによって、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200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。
【００２７】
図5bは、精密整列メカニズムの1実施形態の側面図である。ローラ207は、下端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。
【００２８】
図5dは図5bに示す実施形態の平面図である。ロック用偏心軸211の上端213は複数のロック用孔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。
【００２９】
組み立ての際に、ピストンは以下の方法で整列される。折り返されたガイドリ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5a)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。
【００３０】
発明の好ましい実施形態によると、図6に断面図で示され、そこに示すように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、排泄するために、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。
【００３１】
図7は「フォークと刃」タイプのカップリングアセンブリの断面図である。クランク軸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404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。
【００３２】
図6の断面図、かつ、図8の斜視図に示すスターリングエンジンの構成は、圧縮ピストン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315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314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314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。
【００３３】
上で図la-1fに関して説明されるように、スターリングエンジンは気密状態で作動する。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。
【００３４】
図9aは発明の好ましい実施形態に従ったスターリングエンジンの斜視図である。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502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。
【００３５】
図9bは、図9aの下側ブラケット505と結合された冷部ベースプレート501の斜視図である。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505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。
【００３６】
本明細書に説明される装置と方法は、発明で説明するスターリングエンジン以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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図1a-1eは従来技術のスターリングサイクルマシンの作動原理について説明する図である。
【図２】  エンジンのための従来技術のリンク機構を示す断面図である。
【図３】  エンジンのための別の従来技術のリンク機構であって、ガイドリンクを持つリンク機構の断面図である。
【図４】  本発明の好ましい実施形態に従ったエンジンのための折り返しガイドリンクリンク機構の断面図である。
【図５】  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・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。
【図６】  本発明の好ましい実施形態に従ったスターリングサイクルマシンのような2ピ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。
【図７】  発明の好ましい実施形態に従った「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の断面図である。
【図８】  図6の重複折り返しガイドリンクリンク機構の1実施形態の斜視図である。
【図９】  図9aは発明の好ましい実施形態に従ったスターリングエンジンの斜視図である。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。
【図１】
0004690616.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
0004690616.tif 000008
【図５ｄ】
0004690616.tif 000009
【図５ｅ】
0004690616.tif 000010
【図６】
0004690616.tif 000011
【図７】
0004690616.tif 000012
【図８】
0004690616.tif 000013
【図９ａ】
0004690616.tif 000014
【図９ｂ】
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