JP2003138986A - スターリングエンジン - Google Patents
スターリングエンジンInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高効率スターリングエンジンの実用化への具体
的で有効な手段を経済的に提供する点にある。 【解決手段】シリンダ内を回転しながら往復直線運動す
るピストンを備えたスターリングエンジンの回転ピスト
ンの回転を利用し、回転するピストンと相対する位置で
ピストンとシリンダのそれぞれにピストンの回転角度位
置により、ガスの通過、遮断を行う弁を設け、ピストン
の回転角度位置により内部ガスを分割し、複数のピスト
ンの相互の位相を調節せしめて、加熱膨張、冷却圧縮等
のスターリングサイクルを有効に利用する。
的で有効な手段を経済的に提供する点にある。 【解決手段】シリンダ内を回転しながら往復直線運動す
るピストンを備えたスターリングエンジンの回転ピスト
ンの回転を利用し、回転するピストンと相対する位置で
ピストンとシリンダのそれぞれにピストンの回転角度位
置により、ガスの通過、遮断を行う弁を設け、ピストン
の回転角度位置により内部ガスを分割し、複数のピスト
ンの相互の位相を調節せしめて、加熱膨張、冷却圧縮等
のスターリングサイクルを有効に利用する。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は本発明者による特開
２００１−２８９１１９に示されるシリンダ内を回転し
ながら往復直線運動するピストンを備えたスターリング
エンジンに関する。 【０００２】 【従来の技術】スターリングエンジンは加熱器、再生熱
交換器、冷却器と２組のシリンダとピストンを使用し、
それぞれのシリンダ内を往復運動するピストンの動作に
位相差を与えて内部ガスに等温膨張、等容冷却、等温圧
縮、等容加熱のスターリングサイクルを有効に行わせる
ので、カルノーサイクルと同様の高い熱効率を得られる
可能性のある高性能エンジンと考えられている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】前記スターリングエン
ジンは、ピストンの動作に位相差を与えるための機構は
機械的に一定条件に固定されており、更に内部ガスは全
空間に同じ圧力で分布しているため、出力動作時に十分
な加熱膨張を行い難い欠点が有り、理想から外れたサイ
クルを行い効率が低下する問題点がある。 【０００４】 【課題を解決する為の手段及びその作用】本発明はシリ
ンダ内を回転しながら往復直線運動するピストンを備え
たスターリングエンジンの回転ピストンの回転を利用
し、回転するピストンと相対する位置でピストンとシリ
ンダのそれぞれにピストンの回転角度位置により、ガス
の通過、遮断を行う弁を設け、ピストンの回転角度位置
により、複数のピストンの相互の位相を調節せしめて、
ガスのサイクルのエネルギーを有効に利用することが出
来る。この様に回転ピストンによる弁作用により内部ガ
スを分割し加熱膨張、冷却圧縮等のサイクルを有効に行
うことで出力及び熱効率を高めることが可能になる。特
にフリーピストンに使用した場合、膨張側ピストンに対
する圧縮側ピストンを回転弁によりガス圧力から遮断す
ることが出来るので、クランクを使用したピストンの死
点付近の回転速度を遅くしたのと同様の効果を与え、ピ
ストン相互間の位相差の幅を拡大し、高温ガスが冷却部
に流入し難く高温度を保ちながら膨張することが出来
る。 【０００５】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１に従来の対向ピ
ストン型スターリングエンジンについて説明する。右側
の加熱膨張側シリンダ１とその中を直線往復動作を行う
ピストン２があり、ピストンは連接棒３、スコッチヨー
ク４に結ばれ、さらにヨーク内でクランク中心６の周囲
を半径７に従って回転し、ヨーク内をシリンダ軸の直角
方向に揺動するベアリング８があり、ヨークはスライド
枠５の内部を滑動するように構成されている。 【０００６】左側の冷却圧縮側のシリンダ１２とピスト
ン１３は、両シリンダの中間にある加熱器９、再生熱交
換器１０、冷却器１１を挟んで対称的に配置されてお
り、スコッチヨーク、クランク、ベアリング等も同様の
構成で組み立てられる。クランクの回転方向はいずれも
小矢印に示す右回転方向とする。 【０００７】サイクルは図の上ＡからＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅと
進む。加熱側ピストン２がＡにおいて上死点位置にある
とき、冷却側ピストンは９０度前の位相にあり、内部ガ
スを圧縮しつつある状態である。Ｂにおいて冷却側ピス
トンは上死点となり、ガスは大部分が加熱側に移り、加
熱側ピストンは膨張行程を行い出力を発生する。Ｃにお
いて加熱側ピストンは下死点に達し、冷却側ピストンは
後退動作を行う。Ｄにおいて加熱側ピストンは排気行程
を行い、冷却側ピストンは吸入行程を終える。ＤからＥ
に移行するときに内部ガスは冷却圧縮を受けてサイクル
は一巡し、Ａに戻る。スターリングサイクルにおける等
温膨張はＢからＣにおいて行われ、等容冷却はＣからＤ
において行われ、等温圧縮はＤからＥにおいて行われ、
等容加熱はＤからＥの後の一部で行われている。 【０００８】以上に概要の動作を示したが、クランク機
構によって決められた位相差９０度は常に一定であり、
従ってガスは理想とは異なるサイクル動作を行ってい
る。特にＢからＣにおいて加熱側ピストンは正しく動作
しているが、冷却側ピストンは既に後退を始めており、
内部ガスは一部が冷却器を通じて冷却されて圧縮側シリ
ンダに移動し、全体のガス圧力が低下し出力を低下せし
めている。即ち、ガス空間は常に全体が同じ圧力で一体
であり、各部分の容積比に応じた温度分布を持つので、
冷却部分が多いほど平均温度と圧力が低下することにな
る。 【０００９】本発明は弁によってガス空間を分割するこ
とでクランクの位相とは別に、ガスの動作するサイクル
の位相幅を拡大することによって、加熱ガスの冷却を防
止して加熱膨張を有効に行わしめることで、出力の増加
と効率の向上を図るものである。また、ＡからＢにおけ
る冷却圧縮行程においても弁を使用することにより加熱
側ピストンへのガスの流入を防止し、有効な冷却圧縮を
行うことができる。 【００１０】図２により本発明による対向ピストン型ス
ターリングエンジンについて説明する。図１のＡにおけ
る符号と同じものは説明を省くが、新たに追加されたも
のについて説明する。ピストン２の連結棒３はラジアル
兼スラストベアリング１５によってピストンの回転動作
と切離され、ヨークは軸２４によって結ばれるが、ピス
トン２はシリンダ１の内部で回転しながらヨーク４と同
じ直線往復動作を行う。ベアリングブロック１５は外周
をガイドユニット１４により支持されながら往復運動に
伴い、直線回転変換手段により同一方向に回転しながら
直線往復運動を行う。これは良く利用されている円筒溝
カムとスライダーによる方法と同様な機構を利用でき
る。円筒溝カムを使用する場合、クランクを使用せずピ
ストンの回転運動をそのままシリンダと同軸の出力とし
て利用することも出来て、非常にシンプルな構成を取り
うる。 【００１１】また、電磁的手段を用い、ベアリングブロ
ック１５の外周に永久磁石、または誘導コイル等を固定
し、ガイドユニット１４に回転磁界発生手段を設け、図
示しないセンサーによりピストンの回転位置を検知し、
所定の回転角度を維持するように制御を行えば、極めて
正確にピストンの回転と直進動作の組み合わせを作るこ
とができる。 【００１２】シリンダ側の開口部１６は通路１８により
加熱器９に通じており、シリンダと加熱器は隔壁１９で
隔てられている。ピストン側の開口部１７はピストン内
の通路によりピストン頭部の空間に通じている。開口部
１７はピストンの両側面に対称に設けてあり、圧力のバ
ランスをとっている。 【００１３】冷却側シリンダとピストンは加熱側と対称
的な構成をとっており、隔壁２０によってピストン空間
と冷却器空間は隔てられ、シリンダ側開口部２１は通路
２２により冷却器に接続され、ピストン側開口部２３は
ピストン内の通路によりピストン１３の頭部の空間に通
じている。 【００１４】以上の構成によるスターリングエンジンは
従来のものと異なり、ガス空間は弁によりサイクル動作
に対応して連続または遮断されるので、最も望ましい熱
サイクルに近づけることが可能になる。 【００１５】特に加熱側ピストンの出力行程において、
加熱ガスが冷却側シリンダ空間に流出することを防ぎガ
スの低温化を防止することにより、加熱膨張の効果を充
分利用することで出力を増し、熱効率を高めるが、再生
熱交換器の負担を軽減する効果も大きい。 【００１６】また、冷却側ピストンがガスを圧縮する行
程において、冷却圧縮ガスが加熱シリンダ側に流出する
ことを防止し、圧縮動力を減少し圧縮効果を高めること
ができる。 【００１７】図３は図２におけるシリンダ開口部、およ
びピストン開口部を示したものである。加熱器からの加
熱ガスは通路１８によりシリンダ開口部１６を経て、対
面するピストン開口部１７およびピストン内部通路２５
を経て、ピストン頭部の開口部２６よりシリンダ１内に
流入する。このガスの圧力により膨張側ピストン２は押
出され出力を発生する。ピストン２は右方向に回転し開
口部は閉じるが、ピストンは押出されているので、弁部
分はシリンダ側開口部を外れて全頭部がガスの直接流入
に面することになる。 【００１８】冷却圧縮側ピストンも同じ構成をとってい
るので、シリンダ、ピストンの回転弁作用は、ピストン
の死点近くに限定されたものとなる。熱サイクルにおい
てもこのピストンの死点近くのガスの動きが最も重要な
意味を持つのである。 【００１９】図４に本発明に用いた太陽熱利用による単
位スターリングエンジンの概略断面図を示す。この単位
エンジンは複数個がガス通路を直列に結んだ状態で、互
いに位相差を持って運転される。加熱器９は１００倍程
度に集光された太陽光に面したフィン３２の裏面にガス
通路２６を有し、シリンダ内部にも環状フィンを持ち、
ピストン２８の頭部に設けたフィン３１と交互に貫入状
態となったときがピストンの上死点状態である。この例
ではピストンの加熱ガス側には弁を設けていない。上死
点状態でピストン頭部に前段のエンジンの冷却圧縮ガス
が通路４０より導入され冷却器３９、再生熱交換器３
８、通路３７を経て、ガス通路２６に導かれ加熱を受け
て加熱側シリンダに至る。ピストンが下降するにつれガ
スは膨張し、ピストンは押し下げ圧力により出力を発生
する。このとき前段単位エンジンのピストンは下死点付
近にあって弁を閉じているから、ガス圧力は前段ピスト
ンを押し上げる力が少なく、回転するのみで上昇し難
い。図２におけるピストン１３が上死点状態にある場合
と同様である。図１の例におけるＢ状態に相当するが、
Ｂのピストン１３は高圧のガスをピストン頭部全面で受
け止めねばならないので、クランク、ヨーク、ベアリン
グ等に大きい負担が生じる。本発明によれば、図２にお
けるピストン１３が上死点においてもガス圧力は弁によ
って遮断されているので、クランク等の負担が非常に軽
減される。ピストン２８は下降し、下死点近くでピスト
ンの下部にあるピストン側弁３５、シリンダ側弁３６が
遮断作用を始める。このとき下部のガス空間にある圧縮
ガスは通路３３をへて次段の単位エンジンに送られる。
図４におけるピストン側に設けられた複数の磁極２９
と、対面するシリンダ側に設けた磁気回路および発電制
動力発生手段３０により、ピストンは回転および直進動
作を行い、また前記磁気回路および発電制動力発生手段
を利用し電力を発生する。 【００２０】図５により再生熱交換器をピストン頭部内
に設けた例について説明する。ピストンの１部分を示す
４２には、再生熱交換器４７，４８への通孔４３，４４
がピストン頭部に開いており、それぞれ下部のガス出入
り口４５，４６に結ばれている。再生熱交換器４７，４
８は多孔性セラミック、金属網等が充填され下方のガス
出入り口はノズルを構成している。再生熱交換器はガス
通過抵抗及びガスの流れ方向の熱伝導が少ないことが望
まれ、更に大量の熱を吸収、吐出せねばならないので非
常に精密に設計製作されるエンジンの中枢部分である。 【００２１】ピストンが膨張行程を終えて、排気行程に
進んだ時をＸ１にしめす。熱ガスは４３，４４よりピス
トン内に入り４７，４８により熱交換を行い冷却され４
５，４６より噴出するが、このガスは可成りの速度をも
ち、その反動によりピストンは矢印時計方向の回転力を
うける。ガスはピストンに対面するシリンダ４９の開口
部５０より外部の冷却器へ導かれる。ピストンは回転し
ながら上昇し、上死点Ｘ２、に達したとき４５は閉じら
れ次のサイクルに移る。 【００２２】Ｙ１位置でガス出口４５はガス入り口とな
り、シリンダ側通路５１により前段の単位エンジンから
の冷却圧縮ガスを吹き込まれ、同方向の回転力を受け
る。ピストンは回転しながらＹ１からＹ２の間に加熱膨
張サイクルを行う。ガスは４５，４６よりピストン内部
を上昇し熱交換を受け熱ガスとなってピストン頭部シリ
ンダ内に噴出する。この例では加熱器はシリンダ内にあ
り、図４に示すシリンダ、ピストンのフィン等によりガ
スは加熱を受ける。 【００２３】ピストンはガスベアリングにより浮動状態
で回転するので、回転に必要な動力は僅かであり、図４
に示す磁極２９、磁気回路及び制動手段３０により、ピ
ストンの回転と直進運動は希望通りに制御されるので、
大口径ピストン、小ストローク動作、超軽量ピストンを
使用すれば高温度のみならず、低温度差の熱利用等にも
有効に利用される。 【００２４】 【発明の効果】この装置の場合、シリンダ内部に収めら
れた機構部品はピストンのみであり、ピストンはガスベ
アリングにより支えられ回転するので僅かな動力しか消
費しない。また、潤滑油、パッキング等の消耗部品は不
用であり、非常に信頼性が高く、耐久性に富み、経済的
に制作可能である。また、機械的動力の消費が僅かなた
め全体の熱効率は高い。例えば、摂氏５００度の加熱器
と摂氏５０度の冷却器を使用すると理論熱効率は約５８
％に達する。加熱器、ピストン頭部、再生熱交換器等に
セラミック等を使用し、ピストン２８に軽量の断熱セラ
ミック等を使用すれば、加熱温度を摂氏１０００度に高
めることも可能であり、摂氏８０度の冷却器を使用する
と、理論熱効率は約７２％に達する。熱温水の利用も可
能であり、ボイラー損失、ガス流動損失、熱再生損失、
電気回路損失等を考慮しても実用価値の高いスターリン
グエンジンを経済的に提供できる有意義な発明である。
２００１−２８９１１９に示されるシリンダ内を回転し
ながら往復直線運動するピストンを備えたスターリング
エンジンに関する。 【０００２】 【従来の技術】スターリングエンジンは加熱器、再生熱
交換器、冷却器と２組のシリンダとピストンを使用し、
それぞれのシリンダ内を往復運動するピストンの動作に
位相差を与えて内部ガスに等温膨張、等容冷却、等温圧
縮、等容加熱のスターリングサイクルを有効に行わせる
ので、カルノーサイクルと同様の高い熱効率を得られる
可能性のある高性能エンジンと考えられている。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】前記スターリングエン
ジンは、ピストンの動作に位相差を与えるための機構は
機械的に一定条件に固定されており、更に内部ガスは全
空間に同じ圧力で分布しているため、出力動作時に十分
な加熱膨張を行い難い欠点が有り、理想から外れたサイ
クルを行い効率が低下する問題点がある。 【０００４】 【課題を解決する為の手段及びその作用】本発明はシリ
ンダ内を回転しながら往復直線運動するピストンを備え
たスターリングエンジンの回転ピストンの回転を利用
し、回転するピストンと相対する位置でピストンとシリ
ンダのそれぞれにピストンの回転角度位置により、ガス
の通過、遮断を行う弁を設け、ピストンの回転角度位置
により、複数のピストンの相互の位相を調節せしめて、
ガスのサイクルのエネルギーを有効に利用することが出
来る。この様に回転ピストンによる弁作用により内部ガ
スを分割し加熱膨張、冷却圧縮等のサイクルを有効に行
うことで出力及び熱効率を高めることが可能になる。特
にフリーピストンに使用した場合、膨張側ピストンに対
する圧縮側ピストンを回転弁によりガス圧力から遮断す
ることが出来るので、クランクを使用したピストンの死
点付近の回転速度を遅くしたのと同様の効果を与え、ピ
ストン相互間の位相差の幅を拡大し、高温ガスが冷却部
に流入し難く高温度を保ちながら膨張することが出来
る。 【０００５】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１に従来の対向ピ
ストン型スターリングエンジンについて説明する。右側
の加熱膨張側シリンダ１とその中を直線往復動作を行う
ピストン２があり、ピストンは連接棒３、スコッチヨー
ク４に結ばれ、さらにヨーク内でクランク中心６の周囲
を半径７に従って回転し、ヨーク内をシリンダ軸の直角
方向に揺動するベアリング８があり、ヨークはスライド
枠５の内部を滑動するように構成されている。 【０００６】左側の冷却圧縮側のシリンダ１２とピスト
ン１３は、両シリンダの中間にある加熱器９、再生熱交
換器１０、冷却器１１を挟んで対称的に配置されてお
り、スコッチヨーク、クランク、ベアリング等も同様の
構成で組み立てられる。クランクの回転方向はいずれも
小矢印に示す右回転方向とする。 【０００７】サイクルは図の上ＡからＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅと
進む。加熱側ピストン２がＡにおいて上死点位置にある
とき、冷却側ピストンは９０度前の位相にあり、内部ガ
スを圧縮しつつある状態である。Ｂにおいて冷却側ピス
トンは上死点となり、ガスは大部分が加熱側に移り、加
熱側ピストンは膨張行程を行い出力を発生する。Ｃにお
いて加熱側ピストンは下死点に達し、冷却側ピストンは
後退動作を行う。Ｄにおいて加熱側ピストンは排気行程
を行い、冷却側ピストンは吸入行程を終える。ＤからＥ
に移行するときに内部ガスは冷却圧縮を受けてサイクル
は一巡し、Ａに戻る。スターリングサイクルにおける等
温膨張はＢからＣにおいて行われ、等容冷却はＣからＤ
において行われ、等温圧縮はＤからＥにおいて行われ、
等容加熱はＤからＥの後の一部で行われている。 【０００８】以上に概要の動作を示したが、クランク機
構によって決められた位相差９０度は常に一定であり、
従ってガスは理想とは異なるサイクル動作を行ってい
る。特にＢからＣにおいて加熱側ピストンは正しく動作
しているが、冷却側ピストンは既に後退を始めており、
内部ガスは一部が冷却器を通じて冷却されて圧縮側シリ
ンダに移動し、全体のガス圧力が低下し出力を低下せし
めている。即ち、ガス空間は常に全体が同じ圧力で一体
であり、各部分の容積比に応じた温度分布を持つので、
冷却部分が多いほど平均温度と圧力が低下することにな
る。 【０００９】本発明は弁によってガス空間を分割するこ
とでクランクの位相とは別に、ガスの動作するサイクル
の位相幅を拡大することによって、加熱ガスの冷却を防
止して加熱膨張を有効に行わしめることで、出力の増加
と効率の向上を図るものである。また、ＡからＢにおけ
る冷却圧縮行程においても弁を使用することにより加熱
側ピストンへのガスの流入を防止し、有効な冷却圧縮を
行うことができる。 【００１０】図２により本発明による対向ピストン型ス
ターリングエンジンについて説明する。図１のＡにおけ
る符号と同じものは説明を省くが、新たに追加されたも
のについて説明する。ピストン２の連結棒３はラジアル
兼スラストベアリング１５によってピストンの回転動作
と切離され、ヨークは軸２４によって結ばれるが、ピス
トン２はシリンダ１の内部で回転しながらヨーク４と同
じ直線往復動作を行う。ベアリングブロック１５は外周
をガイドユニット１４により支持されながら往復運動に
伴い、直線回転変換手段により同一方向に回転しながら
直線往復運動を行う。これは良く利用されている円筒溝
カムとスライダーによる方法と同様な機構を利用でき
る。円筒溝カムを使用する場合、クランクを使用せずピ
ストンの回転運動をそのままシリンダと同軸の出力とし
て利用することも出来て、非常にシンプルな構成を取り
うる。 【００１１】また、電磁的手段を用い、ベアリングブロ
ック１５の外周に永久磁石、または誘導コイル等を固定
し、ガイドユニット１４に回転磁界発生手段を設け、図
示しないセンサーによりピストンの回転位置を検知し、
所定の回転角度を維持するように制御を行えば、極めて
正確にピストンの回転と直進動作の組み合わせを作るこ
とができる。 【００１２】シリンダ側の開口部１６は通路１８により
加熱器９に通じており、シリンダと加熱器は隔壁１９で
隔てられている。ピストン側の開口部１７はピストン内
の通路によりピストン頭部の空間に通じている。開口部
１７はピストンの両側面に対称に設けてあり、圧力のバ
ランスをとっている。 【００１３】冷却側シリンダとピストンは加熱側と対称
的な構成をとっており、隔壁２０によってピストン空間
と冷却器空間は隔てられ、シリンダ側開口部２１は通路
２２により冷却器に接続され、ピストン側開口部２３は
ピストン内の通路によりピストン１３の頭部の空間に通
じている。 【００１４】以上の構成によるスターリングエンジンは
従来のものと異なり、ガス空間は弁によりサイクル動作
に対応して連続または遮断されるので、最も望ましい熱
サイクルに近づけることが可能になる。 【００１５】特に加熱側ピストンの出力行程において、
加熱ガスが冷却側シリンダ空間に流出することを防ぎガ
スの低温化を防止することにより、加熱膨張の効果を充
分利用することで出力を増し、熱効率を高めるが、再生
熱交換器の負担を軽減する効果も大きい。 【００１６】また、冷却側ピストンがガスを圧縮する行
程において、冷却圧縮ガスが加熱シリンダ側に流出する
ことを防止し、圧縮動力を減少し圧縮効果を高めること
ができる。 【００１７】図３は図２におけるシリンダ開口部、およ
びピストン開口部を示したものである。加熱器からの加
熱ガスは通路１８によりシリンダ開口部１６を経て、対
面するピストン開口部１７およびピストン内部通路２５
を経て、ピストン頭部の開口部２６よりシリンダ１内に
流入する。このガスの圧力により膨張側ピストン２は押
出され出力を発生する。ピストン２は右方向に回転し開
口部は閉じるが、ピストンは押出されているので、弁部
分はシリンダ側開口部を外れて全頭部がガスの直接流入
に面することになる。 【００１８】冷却圧縮側ピストンも同じ構成をとってい
るので、シリンダ、ピストンの回転弁作用は、ピストン
の死点近くに限定されたものとなる。熱サイクルにおい
てもこのピストンの死点近くのガスの動きが最も重要な
意味を持つのである。 【００１９】図４に本発明に用いた太陽熱利用による単
位スターリングエンジンの概略断面図を示す。この単位
エンジンは複数個がガス通路を直列に結んだ状態で、互
いに位相差を持って運転される。加熱器９は１００倍程
度に集光された太陽光に面したフィン３２の裏面にガス
通路２６を有し、シリンダ内部にも環状フィンを持ち、
ピストン２８の頭部に設けたフィン３１と交互に貫入状
態となったときがピストンの上死点状態である。この例
ではピストンの加熱ガス側には弁を設けていない。上死
点状態でピストン頭部に前段のエンジンの冷却圧縮ガス
が通路４０より導入され冷却器３９、再生熱交換器３
８、通路３７を経て、ガス通路２６に導かれ加熱を受け
て加熱側シリンダに至る。ピストンが下降するにつれガ
スは膨張し、ピストンは押し下げ圧力により出力を発生
する。このとき前段単位エンジンのピストンは下死点付
近にあって弁を閉じているから、ガス圧力は前段ピスト
ンを押し上げる力が少なく、回転するのみで上昇し難
い。図２におけるピストン１３が上死点状態にある場合
と同様である。図１の例におけるＢ状態に相当するが、
Ｂのピストン１３は高圧のガスをピストン頭部全面で受
け止めねばならないので、クランク、ヨーク、ベアリン
グ等に大きい負担が生じる。本発明によれば、図２にお
けるピストン１３が上死点においてもガス圧力は弁によ
って遮断されているので、クランク等の負担が非常に軽
減される。ピストン２８は下降し、下死点近くでピスト
ンの下部にあるピストン側弁３５、シリンダ側弁３６が
遮断作用を始める。このとき下部のガス空間にある圧縮
ガスは通路３３をへて次段の単位エンジンに送られる。
図４におけるピストン側に設けられた複数の磁極２９
と、対面するシリンダ側に設けた磁気回路および発電制
動力発生手段３０により、ピストンは回転および直進動
作を行い、また前記磁気回路および発電制動力発生手段
を利用し電力を発生する。 【００２０】図５により再生熱交換器をピストン頭部内
に設けた例について説明する。ピストンの１部分を示す
４２には、再生熱交換器４７，４８への通孔４３，４４
がピストン頭部に開いており、それぞれ下部のガス出入
り口４５，４６に結ばれている。再生熱交換器４７，４
８は多孔性セラミック、金属網等が充填され下方のガス
出入り口はノズルを構成している。再生熱交換器はガス
通過抵抗及びガスの流れ方向の熱伝導が少ないことが望
まれ、更に大量の熱を吸収、吐出せねばならないので非
常に精密に設計製作されるエンジンの中枢部分である。 【００２１】ピストンが膨張行程を終えて、排気行程に
進んだ時をＸ１にしめす。熱ガスは４３，４４よりピス
トン内に入り４７，４８により熱交換を行い冷却され４
５，４６より噴出するが、このガスは可成りの速度をも
ち、その反動によりピストンは矢印時計方向の回転力を
うける。ガスはピストンに対面するシリンダ４９の開口
部５０より外部の冷却器へ導かれる。ピストンは回転し
ながら上昇し、上死点Ｘ２、に達したとき４５は閉じら
れ次のサイクルに移る。 【００２２】Ｙ１位置でガス出口４５はガス入り口とな
り、シリンダ側通路５１により前段の単位エンジンから
の冷却圧縮ガスを吹き込まれ、同方向の回転力を受け
る。ピストンは回転しながらＹ１からＹ２の間に加熱膨
張サイクルを行う。ガスは４５，４６よりピストン内部
を上昇し熱交換を受け熱ガスとなってピストン頭部シリ
ンダ内に噴出する。この例では加熱器はシリンダ内にあ
り、図４に示すシリンダ、ピストンのフィン等によりガ
スは加熱を受ける。 【００２３】ピストンはガスベアリングにより浮動状態
で回転するので、回転に必要な動力は僅かであり、図４
に示す磁極２９、磁気回路及び制動手段３０により、ピ
ストンの回転と直進運動は希望通りに制御されるので、
大口径ピストン、小ストローク動作、超軽量ピストンを
使用すれば高温度のみならず、低温度差の熱利用等にも
有効に利用される。 【００２４】 【発明の効果】この装置の場合、シリンダ内部に収めら
れた機構部品はピストンのみであり、ピストンはガスベ
アリングにより支えられ回転するので僅かな動力しか消
費しない。また、潤滑油、パッキング等の消耗部品は不
用であり、非常に信頼性が高く、耐久性に富み、経済的
に制作可能である。また、機械的動力の消費が僅かなた
め全体の熱効率は高い。例えば、摂氏５００度の加熱器
と摂氏５０度の冷却器を使用すると理論熱効率は約５８
％に達する。加熱器、ピストン頭部、再生熱交換器等に
セラミック等を使用し、ピストン２８に軽量の断熱セラ
ミック等を使用すれば、加熱温度を摂氏１０００度に高
めることも可能であり、摂氏８０度の冷却器を使用する
と、理論熱効率は約７２％に達する。熱温水の利用も可
能であり、ボイラー損失、ガス流動損失、熱再生損失、
電気回路損失等を考慮しても実用価値の高いスターリン
グエンジンを経済的に提供できる有意義な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の対向ピストン型スターリングエンジン。
【図２】本発明の対向ピストン型スターリングエンジ
ン。 【図３】シリンダ、ピストン開口部説明図。 【図４】本発明の単位スターリングエンジンの概略断面
図。 【図５】ピストン、シリンダの１部分を示す実施例。 【符号の説明】 １ 加熱膨張側シリンダ ２ 加熱膨張側ピストン ３ 連接棒 ４ スコッチヨーク ５ スライド枠 ６ クランク中心 ７ クランク半径 ８ ベアリング ９ 加熱器 １０ 再生熱交換器 １１ 冷却器 １２ 冷却圧縮側シリンダ １３ 冷却圧縮側ピストン １４ ガイドユニット １５ ラジアル兼スラストベアリング（ベアリングブロ
ック） １６ シリンダ側開口部 １７ ピストン側開口部 １８ 通路 １９ 隔壁 ２０ 隔壁 ２１ シリンダ側開口部 ２２ 通路 ２３ ピストン側開口部 ２４ 軸 ２５ ピストン内部通路
ン。 【図３】シリンダ、ピストン開口部説明図。 【図４】本発明の単位スターリングエンジンの概略断面
図。 【図５】ピストン、シリンダの１部分を示す実施例。 【符号の説明】 １ 加熱膨張側シリンダ ２ 加熱膨張側ピストン ３ 連接棒 ４ スコッチヨーク ５ スライド枠 ６ クランク中心 ７ クランク半径 ８ ベアリング ９ 加熱器 １０ 再生熱交換器 １１ 冷却器 １２ 冷却圧縮側シリンダ １３ 冷却圧縮側ピストン １４ ガイドユニット １５ ラジアル兼スラストベアリング（ベアリングブロ
ック） １６ シリンダ側開口部 １７ ピストン側開口部 １８ 通路 １９ 隔壁 ２０ 隔壁 ２１ シリンダ側開口部 ２２ 通路 ２３ ピストン側開口部 ２４ 軸 ２５ ピストン内部通路
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】シリンダ内を回転しながら往復直線運動す
るピストンを備えたスターリングエンジンの回転ピスト
ンの回転を利用し、回転するピストンと相対する位置で
ピストンとシリンダのそれぞれにピストンの回転角度位
置により、ガスの通過、遮断を行う弁を設け、内部ガス
を弁により分割し、複数のピストンの相互の位相を調節
せしめてスターリングサイクルを行うことを特徴とする
スターリングエンジン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001338910A JP3766969B2 (ja) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | スターリングエンジン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001338910A JP3766969B2 (ja) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | スターリングエンジン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003138986A true JP2003138986A (ja) | 2003-05-14 |
| JP3766969B2 JP3766969B2 (ja) | 2006-04-19 |
Family
ID=19153332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001338910A Expired - Fee Related JP3766969B2 (ja) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | スターリングエンジン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3766969B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012172584A (ja) * | 2011-02-21 | 2012-09-10 | Hiroshi Sekita | スターリングエンジン |
| CN104848576A (zh) * | 2015-04-30 | 2015-08-19 | 中国科学院理化技术研究所 | 热驱动斯特林制冷机 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106762209B (zh) * | 2017-02-28 | 2018-09-14 | 宁波华斯特林电机制造有限公司 | 一种带散热结构的双头斯特林电机设备 |
-
2001
- 2001-11-05 JP JP2001338910A patent/JP3766969B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN104848576A (zh) * | 2015-04-30 | 2015-08-19 | 中国科学院理化技术研究所 | 热驱动斯特林制冷机 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3766969B2 (ja) | 2006-04-19 |
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