(57)【要約】エンジンの変位の調節を可能にするために設けられた多シリンダ・スターリング・エンジン用の油圧アクチュエータ。この油圧アクチュエータは、斜板アセンブリの構成要素間での、相対的回転の調整を行う回転翼構造７４、７６を内蔵する。この相対的回転により、斜板５８が斜板５８の回転角度との間でなす角度が調整され、従って、各ピストンの連接棒のストロークが変化し、それによってそのシリンダ・ボア内の各ピストンの行程容積が調節される。
2006523282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な斜板を有し、回転軸の周りを回転する駆動軸を備え、複数の往復動ピストンがクロス・ヘッドを介して前記斜板と係合し、前記ピストンの往復動ストロークが、前記斜板の平面によって形成された前記回転軸に対する角度に応じて変更可能であるタイプのスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータであって、
前記回転軸の周りで回転可能であり、前記回転軸から傾いた中心ジャーナル軸を形成する円筒状の斜板ジャーナルを有する駆動軸と、
前記ジャーナル軸の周りで回転できるようにジャーナル支承された斜板リングであって、前記ジャーナル軸に対する垂線から傾き、前記クロス・ヘッドと係合する斜板平面を形成するディスクを有し、前記駆動軸及び前記斜板リングが、協働して、環状の油圧キャビティを形成する斜板リングと、
互いに直径上で反対側に設置され、前記油圧キャビティ中に径方向外側に延びる１対の駆動軸羽根と、
直径上で反対側に設置され、前記油圧キャビティ中に径方向内側に延びる１対の斜板リング羽根とを備え、
前記１対の駆動軸羽根と１対の斜板リング羽根は前記油圧キャビティを４つの分離された空洞に分割し、
前記駆動軸内の液体供給通路が、直径上で反対側に設置された第１の対の前記空洞に液体を供給する第１の通路と、直径上で反対側に設置された第２の対の前記空洞に液体を供給する第２の通路とを含み、前記液体を、前記第１又は第２の通路中に供給して、前記第１又は第２の対の空洞をそれぞれ拡大させることができ、それにより前記斜板リングが前記駆動軸のジャーナルに対して相対的に回転して、前記斜板平面の角度を変化させる、斜板アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１及び第２の通路に作動油をそれぞれ供給するための第１及び第２の供給ポートをさらに備え、前記供給ポートが前記駆動軸の外径と連通する、請求項１に記載のスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータ。
【請求項３】
少なくとも１つの斜板リング羽根と少なくとも１つの駆動軸羽根の間に配置され、前記斜板リングと前記駆動軸の間の相対的回転の範囲内で物理的ストッパを形成するための停止ブロックをさらに備える、請求項１に記載のスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータ。
【請求項４】
前記エンジンは、前記ピストンが前記斜板に係合して、前記斜板及び前記駆動軸を回転させることによって機械的出力を生成する、請求項１に記載のスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータ。
【請求項５】
前記エンジンが複動型である、請求項１に記載のスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータ。
【請求項６】
前記第１及び前記第２の通路が、管をその中に取り付けた前記駆動軸内の穴によって画定され、前記管は、前記管の内側又は前記管の外側に流れる前記液体を分離することによって形成される前記第１及び前記第２の通路に前記穴を分割する、請求項１に記載のスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータ。
【請求項７】
前記第１及び第２の通路に前記液体を供給するための流体回路をさらに備え、前記流体回路は、前記液体を加圧下で前記第１又は第２の通路の一方に供給し、前記第１又は第２の通路のうちの他方中の前記液体を排出させ、それによって前記斜板リングを前記駆動軸ジャーナルに対して相対的に回転させる方向制御弁を備える、請求項１に記載のスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータ。
【請求項８】
前記駆動軸と相互作用して、前記駆動軸の回転位置に応じた出力を提供する第１の近接プローブと、前記斜板リングと相互作用する第２の近接プローブとをさらに備え、前記第１及び第２の近接プローブの出力の位相差が、前記斜板平面の角度の指標を提供する、請求項１に記載のスターリング・エンジン用の斜板アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関に関し、詳細にはエンジンの変位を調節するための機構を組み込んだ改良型のスターリング・サイクル・エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング・エンジンが特定の動作状態に要求される出力要件を満たすために、何らかの出力調節手段が必要である。ある手法は、機械の往復動ピストンの行程容積又は変位の調整によるものである。本発明の譲受人は、かかる変化の調整を実現するための多数の手法を開発してきた。本明細書に記載するタイプのスターリング・エンジンでは、変化の調整は、斜板がその回転軸との間でなす角度を変化させることによって実現される。斜板フェース面がその回転軸に直角な平面に近づくとき、ピストンの行程容積は減少する。逆に、斜板フェース面がその回転軸に直角な平面から傾いているとき、ピストンの行程容積は増加する。
【０００３】
本願の譲受人は、斜板角度を所望のように変化させるための組み込まれた様々な機械式、電気式、及び油圧式システムを有する。一連の装置は、米国特許第４５３２８５５号に記載されるような油圧作動の斜板調整を提供する。米国特許第４９９４００４号、５６１１２０１号、及び５８３６８４６号に記載されたものを含めて様々な電動アクチュエータも、譲受人によって記載されている。これらの特許によって記載される装置は実行可能な設計であるが、簡単、急速な過渡応答、及び信頼性という特徴を有するかかる調整システムを実現することは引き続き必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、それらの望ましい機能を実現することを目的とする。本発明はさらに、可変斜板制御システムの一部として必要とされる斜板角度の測定を行う必要性に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、油圧作動システムを組み込んだ斜板アクチュエータ・システムが記載される。この機構は、油圧を使用して、回転翼を動かして、斜板角度の調整を実現する。
【０００６】
本発明は、さらに斜板角度を測定する２つの手法を提供するが、それらは、それぞれ回転する駆動軸の一部分と、又はエンジンのクロス・ヘッドの往復運動と相互作用する１つ又は複数の近接プローブを使用する。
【０００７】
本発明のその他の利益及び利点は、好ましい実施例についての以下の説明及び添付の特許請求の範囲を添付の図面と併せ読めば、本発明が関係する分野の当業者には明らかになるであろう。
【実施例】
【０００８】
本発明の用途に適したタイプのスターリング・エンジンが、図１に組み立てられた状態で示され、参照番号１０によって全体的に示されている。スターリング・エンジン１０は、駆動ケース・アセンブリ１２、シリンダ・ブロック・アセンブリ１４、及びヒータ・アセンブリ（図示せず）を含むいくつかの主要な構成要素を組み込んでいる。
【０００９】
駆動ケース・アセンブリ１２は、ハウジング１８を組み込み、ハウジング内では駆動軸２０が回転できるようにジャーナル支承されている。以下により詳細に説明する斜板２２は、対向した全般的に平行な１対のフェース面２４、２６を備えている。各フェース面２４、２６は、好ましくは、径方向の０．６°程度のわずかなテーパを備え、それによって表面２４、２６と各隣接するクロス・ヘッド軸受２９の間に流体被膜を設けることが容易になっている。クロス・ヘッド２８は、両側のフェース面２４、２６と係合し、連接棒３０と連結され、連接棒３０は、ピストン３２と連結されている。クロス・ヘッド２８は、ガイド・ロッド３４を使って、軸に沿って往復運動するように保持されている。この機械式連結機構により、ピストン３２の往復運動が駆動軸２０の回転運動に変換される。やはり明らかなように、斜板フェース面２４、２６（斜板の平面）が駆動軸２０の長手方向の回転軸３６との間でなす角度が、ピストン３２用のストローク又は変位距離を規定する。
【００１０】
シリンダ・ブロック・アセンブリ１４は、ピストン３２が往復運動するいくつかのシリンダ・ボア４０を組み込んでいる。周知のスターリング熱力学サイクルでは、ピストン３２は、ヘリウムや水素などの作動ガスを低温スペースと高温スペースの間で往復させる。この場合、ピストン３２のドームより上のガス・ボリューム及びヒータ・アセンブリ（図示せず）が、エンジンの高温スペースを構成する。低温スペースは、部分的に、気体冷却器４２によって規定される。再生器４４が、気体冷却器４２とヒータ・アセンブリの間に配置されている。この説明で例としているスターリング・エンジン１０は、多シリンダ複動型である。この場合、あるピストン３２の高温スペースと、隣接するシリンダ及びピストンの低温スペースの間でガス・ボリュームによる連結が行われる。図１のエンジン１０は、電気作動型の斜板アクチュエータ４６を組み込んでいる。図２及び３は、アクチュエータ４６の代わりに使用される本発明の斜板アクチュエータ４８を示す。
【００１１】
スターリング・エンジン１０の構造に関するその他の細部は、参照により本明細書に組み込まれた米国特許第５６１１２０１号を参照して実現することができる。
【００１２】
次に具体的に図２を参照すると、斜板アクチュエータ４８の構成要素がより詳細に示されている。駆動軸２０は、軸受胴５０、５２を備える適当なジャーナル軸受内で回転する。これらのジャーナル軸受は、通常の方法で潤滑油が供給される。駆動軸２０は斜板ジャーナル５４を組み込み、斜板ジャーナル５４はその中心の長手方向軸５６が駆動軸中心線３６に対して角度αだけ傾いた円筒状表面である。斜板リング５８が、斜板ジャーナル５４上に、１対の転動体軸受アセンブリ６０、６２を介して、回転可能に取り付けられている。斜板フェース面２４、２６は、図２に示すようにジャーナル軸５６と直角な平面から角度βだけずれた平行面を画定している。このようにして、斜板ジャーナル５４と斜板リング５８の間の相対的回転により、フェース面２４、２６によって形成される平面の角度が、駆動軸の長手方向の軸３６に対して変化するが、それは角度Φとして示されている。斜板リング５８と斜板ジャーナル５４の相対的な回転位置により、角度α及びβが増加して、斜板角度Φを広げ、又は減少して、角度Φを狭める程度が決まる。図２に示すように、角度Φはその最大の状態であり、その際角度α及びβがその値一杯まで増加して、角度Φを最大にしている。角度α及びβは互いに等しいことが好ましい。
【００１３】
斜板フェース面２４、２６の角度位置を、従って斜板アクチュエータ４８の変位を測定する１つの手段として、１対の電気信号出力が近接プローブから与えられる。図２に示すように、駆動軸２０の突出したショルダ部が、突出タブ４９を形成している。タブ４９は、電気誘導近接プローブ５１と相互作用する。タブ４９が近接プローブ５１の先まで回転するたびに、電気出力信号がもたらされる。同じように、斜板リング５８は、突出した弧状のタブ５９を形成する。タブ５９は、電気誘導近接プローブ６３と相互作用し、タブ５９が近接プローブ６３を通り過ぎるたびに、電気出力信号を提供する。角度位置のある範囲全体にわたってプローブ６３と相互作用する必要があるため、タブ５９は弧状の形状になっている。駆動軸２０と斜板リング５８の間の相対的な角度位置が、斜板角度Φに直接関係しているので、近接プローブ５１、６３間の出力の位相差を使用して、かかる指標を提供することができる。適切な制御システムの使用によって、近接プローブ５１、６３からの出力間の位相差により斜板角度を連続的に監視することが可能である。この出力は、所望の変位をエンジン１０にもたらすように斜板アクチュエータ４８を制御するため、適切な制御システムによって使用される。瞬時に変位を計算するための他の技術は、互いに９０°離れた任意の２つのクロス・ヘッド２８の線形変位を、適切に配置された近接プローブ又はセンサ５１でクロス・ヘッドごとに測定し、変位又は斜板角度を、又は所望に応じてその両方を等しくするものである。
【００１４】
図３を見ると最もよく分かるように、駆動軸２０及び斜板リング５８は、協働して、分割された全体的に環状の油圧キャビティ６４を形成している。このキャビティ６４は、別々の分離された４つの空洞６６、６８、７０、７２に分割される。部分的には、これらの空洞は、斜板ジャーナル５４から延びる１対の直径上反対側に配置された径方向外側に延びる羽根７４、７６によって分離されている。もう１対の径方向に向いた羽根７８、８０が、斜板リング５８から径方向内向きの方向に延びている。羽根７４、７６、７８、８０を貫通する液体シール通路が、それぞれ先端シール７５、７７、７９、８１によって形成されている。
【００１５】
空洞６６、６８、７０、７２は、対向した対として動作する。作動油は、連結された１対の空洞６６、６８に供給通路８２を介して、又空洞７０、７２に油供給通路８４を介して供給される。図２、３を見ると最もよく分かるように、中心の油通路８６には、駆動軸２０の外径と連通する別々のポート８８、９０から供給される。中心の管９２が、油通路８６を２つの別々の通路に分割している。ポート８８中に流入する油は管９２の外側を通り、通路８２中を流れる。反対に、ポート９０に供給される油は、管９２の内部を通り、通路８４中に流れる。通路９８が、軸受６０、６２に潤滑油を提供するために設けられている。
【００１６】
通路８２、８４の位置は、図３を参照すると最もよく示されている。通路８２は、駆動軸２０を横切って対角方向に延び、羽根７４、７６にちょうど隣接する位置でキャビティ６６、６８中に開口している。通路８４も、駆動軸２０を横切って対角方向に延び、やはり羽根７４、７６にちょうど隣接するが、羽根の通路８２とは反対側の位置で、空洞７０、７２と、連通している。
【００１７】
通路８２、８４内の与えられた作動油の圧力を制御することによって、駆動軸２０に対する斜板リング５８の角度を、従ってエンジンのストロークを調節することができる。図３は、液体の量が通路８２を通って供給される状態が、通路８４に比べておおむね等しく、そのため空洞６６、６８の容積が空洞７０、７２のものとほぼ同じになることを示す。この状態は、ストロークを制御することによる、最小量と最大量の間のエンジン変位に対応している。作動油がより大きい圧力で通路８２に供給されるとき、空洞６６、６８を充填し、空洞は膨張する。それによって斜板リング５８は駆動軸２０に対して時計回りの方向に回転し、遂には羽根７８が、図３に参照番号７８ａで示す想像線の位置に達する（羽根８０は同じ角度位置変化を受ける）。羽根７８ａがこの位置に来たとき、停止ブロック９４に接触し、それ以上の相対的回転は許されなくなる。この位置は、最大又は最小の斜板角度及び対応するピストン３２のストロークの極限位置を表している。
【００１８】
逆の極限位置に斜板アクチュエータ４８を回転させたいときは、作動油が通路８４中を送られる。この状態では、空洞６６、６８から液体が排出されるにつれて、空洞７０、７２が膨張する。これによって斜板ジャーナル５４は、駆動軸２０に対して逆時計回りの方向に回転し、最終的には、羽根７８が図３に参照番号７８ｂで示す位置に達し、そこで停止ブロック９６に接触する。中間位置及び極限位置をこれまで説明したが、加える圧力を適切に制御することにより、両極限の間の任意の所望の相対的角度位置に構成要素を配置することが可能である。
【００１９】
次に図４を参照すると、作動油を斜板アクチュエータ４８に供給し、それによって斜板アクチュエータ４８が前述のような位置変化を受けることを可能にする、油圧アクチュエータ回路が示されている。図４は油圧アクチュエータ回路１０２を示す。図４に示すように、作動油はリザーバ１０４内に貯蔵され、その圧力はポンプ１０６を使用して高められる。アキュムレータ１０３は、ある圧力に保持されたある蓄積量を提供する。高圧液体は、管路１０８に沿って、４方向の方向制御弁１１０のあるポートに供給される。ソレノイド１１２は、方向制御弁１１０のスプールの位置を、図４に概略的に示す流体ポート連結８８、９０がもたらされるように制御する。スプールのある位置では、管路１０８は、ポート８８及び通路８２と連結している管路１１４に連結される。もう一方の管路１１６は、ポート９０を介して通路８４と連結される。戻り管路１１８により、作動油はまたリザーバ１０４に戻ることができる。圧力制御弁１２０、１２２が、それぞれ管路１１４、１１６中に取り付けられ、作動油の戻り管路１１８中への流出を制御する。圧力逃がし弁１２３は、超過圧力状態の場合に、液体をリザーバ１０４に排出する。フィルタ１０５は、作動油から汚染物を除去するために設けられている。
【００２０】
油圧アクチュエータ回路１０２の動作中、斜板角度を変化させたいとき、制御信号が方向制御弁ソレノイド１１２に送られる。弁１１０の左側及び右側に概略的に示した位置の間でスプールをシフトさせることによって、管路１１４、１１６が選択的に、供給管路１０８及び戻り管路１１８と連結され、加圧され、又は所望に応じて戻り液体経路を提供する。作動油がアクチュエータ羽根７６、７８を通って、一般的に徐々に漏れるはずなので、アクチュエータの位置が所望の設定位置から離れるとき、弁１１０を作動させることが絶えず必要である。
【００２１】
上記の説明は本発明の好ましい実施例を構成するが、本発明は、添付の特許請求の範囲の適正な範囲及び公正な趣旨から逸脱することなく、修正、変形、及び変更が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を組み込むのに適した従来技術のタイプのスターリング・エンジンの代表的な長手方向の断面図である。
【図２】本発明による、油圧斜板アクチュエータを通る長手方向の断面図である。
【図３】回転翼アクチュエータの内部圧力キャビティを示す、図２から抜き出した断面図である。
【図４】第１の実施例による、本発明の斜板アクチュエータを制御するための油圧アクチュエータ回路の略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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