JP2008151086A - Volumetric variation member for stirling engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To devise a Stirling engine preventing leakage of working gas with the usage of a bellows so that deterioration in output and thermal efficiency caused by increase of a dead space can be prevented and a special bellows can be dispensed with. <P>SOLUTION: The volumetric variation member for the Stirling engine comprises a structure for storing the bellows having the working gas in a cylinder fitted with a piston, and filling the whole of a region formed by a wall surface of the bellows and a cylinder inner surface and a piston upper surface with fluid, and forms a series of cycles for pushing out the piston by transmitting elongation movement of the bellows by expansion of the working gas sealed in the bellows to the piston through a filling liquid, and compressing the sealed working gas by transmitting the compression force for pushing the piston from the outside to the bellows through the filling liquid. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はスターリングエンジン用部材に関するもの、詳しくはベローズを使用して作動ガスの漏洩を防止したスターリングエンジン用体積変動部材に関するものである。 The present invention relates to a Stirling engine member, and more particularly to a Stirling engine volume fluctuation member that uses a bellows to prevent leakage of working gas.

スターリングエンジンとは、内部に作動ガスを封入し、この作動ガスを加熱して膨張させることによってその体積を増大させ、この膨張させた作動ガスを冷却しつつ圧縮して元の体積に戻す一連のサイクルを構成し、膨張の際に得られる仕事量と圧縮の際に要する仕事量との差を出力として取り出す熱機関のことである。
スターリングエンジンはその理論熱効率が熱機関の理論上の限界値であるカルノー機関の熱効率に等しくなるため、高い熱効率を持つ原動機を実現するべく多くの学者や研究機関によって研究開発がなされてきた。しかしながらその結果は必ずしも成功したものとは言えず、ピストンやロッド等の摺動部分からの作動ガスの漏洩、ラジエータからの過大な放熱と予期に反した低い熱効率、高度の加工技術を要する複雑な熱交換器、加速減速性能不足等、未解決の問題が数多く残っている。これらの中でもとりわけ大きな問題は摺動部分からの作動ガスの漏洩と低い熱効率に関するものである。
ピストンやロッド等の摺動部分からの作動ガスの漏洩に関しては〔特許文献1〕及び〔特許文献2〕においてベローズを使用する方法が開示されている。しかしながら〔特許文献1〕の方法は中間の空気室が一種の死空間として働き出力の低下が懸念されるものであり、〔特許文献2〕の方法はベローズに耐圧の高いものが必要でコスト高になることや内部加熱がやり難い等、いずれも実用化する上で問題の大きいものである。
A Stirling engine is a series of products that enclose a working gas inside, increase the volume by heating and expanding the working gas, and compress the expanded working gas to the original volume while cooling. It is a heat engine that constitutes a cycle and extracts the difference between the work amount obtained during expansion and the work amount required during compression as an output.
Since the theoretical thermal efficiency of a Stirling engine is equal to the thermal efficiency of a Carnot engine, which is the theoretical limit value of a heat engine, research and development have been conducted by many scholars and research institutions to realize a motor with high thermal efficiency. However, the results are not always successful, leakage of working gas from sliding parts such as pistons and rods, excessive heat dissipation from the radiator, unexpectedly low thermal efficiency, and complex processing requiring advanced processing techniques. Many unsolved problems remain, such as insufficient heat exchangers and acceleration / deceleration performance. Among these, a particularly serious problem is related to leakage of working gas from the sliding portion and low thermal efficiency.
Regarding leakage of working gas from sliding parts such as pistons and rods, [Patent Document 1] and [Patent Document 2] disclose a method of using a bellows. However, in the method of [Patent Document 1], an intermediate air chamber acts as a kind of dead space and there is a concern about a decrease in output. In the method of [Patent Document 2], a bellows requires a high pressure resistance, and the cost is high. Both are difficult to put into practical use.

公開特許公報 昭56−77537Published patent publication Sho 56-77537 公開特許公報 昭58−150001Published Patent Publication Sho 58-150001 一色尚次著 「スターリングエンジンの開発」工業調査会 1995年6月26日発行Hisashi Ishiki, "Development of Stirling Engine" Industrial Research Committee, published on June 26, 1995 山下巌 他著 「スターリングエンジンの理論と設計」山海堂 1999年7月30日発行Satoshi Yamashita et al. “Theory and Design of Stirling Engines” Sankaido, July 30, 1999

本発明はベローズを使用して作動ガスの漏洩を防止する方式のスターリングエンジンを、死空間の増加による出力及び熱効率の低下をなくし、且、耐圧が高い特殊なベローズのようなものが必要ないスターリングエンジンとなるように改良することをその課題とした。 The present invention is a Stirling engine that uses a bellows to prevent leakage of working gas, eliminates a decrease in output and thermal efficiency due to an increase in dead space, and does not require a special bellows with high pressure resistance. The task was to improve the engine.

これらの課題を解決するために、本発明者は、液体が持つ非圧縮性、従容性、圧力伝達性に注目し、これをこの課題の解決に利用できるのではないかと考え研究を重ねた結果、以下に示す方法により課題を解決できることを見出した。 In order to solve these problems, the present inventor paid attention to the incompressibility, tolerability, and pressure transmission properties of the liquid, and as a result of repeated research considering that this could be used to solve this problem. The present inventors have found that the problem can be solved by the following method.

スターリングエンジンに限らずレシプロエンジン全般に言えることであるが、レシプロエンジンにはピストンを嵌合したシリンダのように必ず体積が変化する部分があり、シリンダ内部にある気体の体積を変化させ、圧力と体積との積(圧力が変化するときは圧力と体積との積分)に相当する仕事量と圧縮の際に必要な仕事量との差を出力として取り出そうとするものである。
本発明においては一般的なレシプロエンジンのピストンを嵌合したシリンダのように、体積を変動させる機能を持つ構成部材を体積変動部材と称するものとする。またシリンダにピストンを嵌合させて一体となしたものをピストン・シリンダと称するものとする。
This is true not only for Stirling engines, but for reciprocating engines as a whole, but reciprocating engines always have a part that changes in volume like a cylinder fitted with a piston. The difference between the amount of work corresponding to the product of volume (the integration of pressure and volume when pressure changes) and the amount of work necessary for compression is to be taken out as an output.
In the present invention, a component having a function of changing the volume, such as a cylinder fitted with a piston of a general reciprocating engine, is referred to as a volume changing member. Further, a unit in which a piston is fitted to a cylinder and integrated is called a piston / cylinder.

最初にピストン・シリンダ内にベローズを納め、ベローズの壁面とシリンダ内面及びピストン上面によって形成される領域全体に液体を充填したものを想定する。本発明ではこのようにピストン・シリンダの中にベローズを納めベローズの壁面とシリンダ内面及びピストン上面によって形成される領域全体に液体を充填したものをベローズ・ピストンと、またこのシリンダ内面とベローズ壁面及びピストン上面とによって形成される液体が充填された領域を液封室と称するものとする。
上記ベローズ・ピストンのベローズの内部には水素ガス或いはヘリウムガスを作動ガスとして封入する。作動ガスの封入圧力はエンジン出力によって異なり0.1メガパスカルから20メガパスカル程度である。この作動ガスとしては若干性能は劣るが空気或いは窒素ガスを使用することも可能である。
Assume that a bellows is first placed in a piston / cylinder, and the entire region formed by the wall surface of the bellows, the inner surface of the cylinder, and the upper surface of the piston is filled with liquid. In the present invention, the bellows piston is stored in the piston / cylinder in this way, and the entire region formed by the wall surface of the bellows, the cylinder inner surface and the upper surface of the piston is filled with liquid, and the cylinder inner surface and the bellows wall surface and A region filled with the liquid formed by the upper surface of the piston is referred to as a liquid sealing chamber.
Hydrogen gas or helium gas is sealed as working gas inside the bellows of the bellows piston. The sealed pressure of the working gas varies depending on the engine output and is about 0.1 to 20 megapascals. As this working gas, the performance is slightly inferior, but it is also possible to use air or nitrogen gas.

ベローズ・ピストンにはシリンダ内部にベローズが一個だけありその内部に作動ガスを封入したものと、アルファ型スターリングエンジンに使うもののように外側と内側にベローズがありこれらの間に作動ガスを封入したものとがある。
このベローズ・ピストンの働きは、作動ガスをベローズ内に納めて作動ガスが漏れないようにすると共に、ベローズ内に封入された作動ガスの膨張によるベローズの伸長の動きを液封室内の液体充填物質を介してピストンに伝達してピストンを押し出し、逆に外部からピストンを押し込む圧縮力が働いた場合にはこの力を液体充填物質を介してベローズに伝達してベローズ内の封入ガスを圧縮するようにするものである。
このようにベローズ・ピストンは、ベローズの動きをピストンに、或いはピストンの動きをベローズに伝達するがそれを媒介するのは液体である。液体は気体と異なり圧力の変化に対して体積は殆んど変化しないため、ピストンからベローズ或いはベローズからピストンへの変位の伝達は瞬間的に行われ、しかもピストンの変位量とベローズの変位量は体積で見ると同じであるという特徴をもっている。
The bellows piston has only one bellows inside the cylinder and encloses the working gas inside it, and the bellows piston that has a bellows on the outside and inside like the one used in the alpha-type Stirling engine. There is.
The function of the bellows piston is to store the working gas in the bellows so that the working gas does not leak, and the expansion of the bellows due to the expansion of the working gas enclosed in the bellows is a liquid filling substance in the liquid seal chamber. When the compression force that pushes out the piston by pushing to the piston from the outside works, this force is transmitted to the bellows via the liquid filling material to compress the sealed gas in the bellows. It is to make.
Thus, the bellows piston transmits the movement of the bellows to the piston or the movement of the piston to the bellows, but it is the liquid that mediates it. Since the volume of liquid does not change with pressure changes unlike gas, displacement of displacement from the piston to the bellows or from the bellows to the piston is instantaneous, and the displacement of the piston and the displacement of the bellows are It has the same feature as volume.

従来のスターリングエンジンでは体積変動部材としてピストンを嵌合したシリンダが使用されている。しかし、これは冒頭述べようにピストンやロッド等の摺動部分からの作動ガスの漏洩が大きな問題であり、スターリングエンジンの実用化を阻んでいる大きな要因の一つである。この問題のあるピストン・シリンダに代えてベローズ・ピストンをスターリングエンジンの体積変動部材として使用し、このベローズの内部に作動ガスを封入した構造とすることで、封入されている作動ガスがピストンとシリンダとの摺動面に接触することが排除されるので封入ガスが漏洩することを防止することが可能となり、本発明に課せられた課題は解決する。ピストン・シリンダとベローズ・ピストンは体積変動部材としての機能は殆んど変わらないため、ピストン・シリンダの場合と同様に作動ガスの膨張による体積変化はベローズ・ピストンのピストンの動きとなり、このピストンの動きを駆動装置により動力として取り出すことが出来る。
これによって出力を低下させることなく作動ガスが摺動部分に触れる状態を排除し作動ガスの漏洩をなくすことが可能となる。この場合、作動ガスの圧力はピストンとシリンダが担うのでベローズ自体はそれ程耐圧は必要ではなく、前記の二つの課題を解決できる。後程詳述するが、これら以外にもその効果として等温膨張、等温圧縮による熱効率の上昇が期待できるものである。
In a conventional Stirling engine, a cylinder fitted with a piston is used as a volume changing member. However, as mentioned at the outset, leakage of working gas from sliding parts such as pistons and rods is a major problem, which is one of the major factors hindering the practical use of Stirling engines. Instead of this problematic piston / cylinder, a bellows / piston is used as a volume changing member of the Stirling engine, and the working gas is sealed inside the bellows, so that the sealed working gas is contained in the piston / cylinder. Therefore, it is possible to prevent the enclosed gas from leaking, which solves the problem imposed on the present invention. Since the piston / cylinder and the bellows piston have almost the same function as the volume changing member, the volume change due to the expansion of the working gas becomes the movement of the bellows piston as in the piston / cylinder. The movement can be taken out as power by the driving device.
As a result, it is possible to eliminate the state in which the working gas touches the sliding portion without lowering the output, thereby eliminating the leakage of the working gas. In this case, since the pressure of the working gas is borne by the piston and the cylinder, the bellows itself is not required to have such a pressure resistance, and the above two problems can be solved. As will be described in detail later, in addition to these, an increase in thermal efficiency due to isothermal expansion and isothermal compression can be expected.

ベローズ・ピストンの液封室に充填する液体は密度が低く粘度が小さいものが適している。低温で使用するベローズ・ピストンではスピンドル油等粘性の低い油を使用する。しかし、アルファ型スターリングエンジンの高温側で使用するベローズ・ピストンについては若干注意が必要である。比較的低い温度で使用するベローズ・ピストンでは耐熱性の高いシリコーン油等が使用出来る。しかし摂氏数百度で使用するベローズ・ピストンではこのような油類は熱分解を起こすため使用できない。この場合には使用条件下で液体である物質、例えば金属ナトリウムのようなものを溶融状態で使用することが必要になる。勿論このような溶融金属は比較的低い温度で使用するベローズ・ピストンに対しても、その融点以上の温度で使用するものあれば使用可能である。 A liquid having a low density and a low viscosity is suitable for the liquid filling chamber of the bellows piston. For bellows and pistons used at low temperatures, use low viscosity oil such as spindle oil. However, it is necessary to pay some attention to the bellows piston used on the high temperature side of the Alpha Stirling engine. For bellows and pistons used at relatively low temperatures, silicone oil with high heat resistance can be used. However, in the bellows piston used at several hundred degrees Celsius, such oils cannot be used because they cause thermal decomposition. In this case, it is necessary to use a substance that is liquid under use conditions, such as metal sodium, in the molten state. Of course, such a molten metal can be used for a bellows piston used at a relatively low temperature as long as it is used at a temperature higher than its melting point.

ベローズの周囲に液体が充填されているということは、作動ガスを体積変動部材内で加熱或いは冷却しようとする場合には非常に好都合である。何故ならばベローズの周囲に充填した液体を伝熱媒体として外部に設けた熱交換器に送って循環させることで、等温圧縮、等温膨張式スターリングエンジンが簡単に実現できるからである。充填された液体が圧力と熱の双方を伝達する機能を果たしており極めて効率的なわけである。このように充填液を循環させるようにしたベローズ・ピストンを循環型ベローズ・ピストンと呼ぶものとする。この場合、充填液には作動ガスと同じ圧力が掛かるため、ベローズ・ピストンと熱交換器との間は循環ポンプを含め気体を含まない密閉された循環系としなければならない。循環型に対してフィンで熱交換するようにしたものをフィン型と呼ぶものとする。 The fact that the bellows is filled with a liquid is very convenient when the working gas is to be heated or cooled in the volume changing member. This is because an isothermal compression and isothermal expansion Stirling engine can be easily realized by sending and circulating the liquid filled around the bellows to a heat exchanger provided outside as a heat transfer medium. The filled liquid fulfills the function of transferring both pressure and heat and is extremely efficient. The bellows piston in which the filling liquid is circulated in this way is called a circulation type bellows piston. In this case, since the same pressure as the working gas is applied to the filling liquid, a sealed circulation system including no circulation gas including a circulation pump must be provided between the bellows piston and the heat exchanger. The heat exchange with fins for the circulation type is called a fin type.

ベローズ・ピストンで他に注意しなければならない点はピストンの上面とベローズ下面とを全面に渡って固定することはしてはならないことである。何故ならばベローズが縮んだ時に襞の部分にあった充填液の行き場がなくなり圧力が異常に上昇してベローズを破壊するためである。これを避けるためにピストンの上面とベローズ下面との間に充填液が回り込むことが出来るようにしておかなければならない。もし固定するのであれば、固定点は中心だけとすると共にベローズ下面をダイアフラム状の可撓性のあるものにして、充填液が回り込むことが出来るようにしておく必要がある。 Another point to note with the bellows piston is that the upper surface of the piston and the lower surface of the bellows should not be fixed over the entire surface. This is because when the bellows is shrunk, there is no place for the filling liquid in the ridges, and the pressure rises abnormally to destroy the bellows. In order to avoid this, it is necessary to allow the filling liquid to go around between the upper surface of the piston and the lower surface of the bellows. If fixed, the fixing point should be only the center and the bottom surface of the bellows should be flexible like a diaphragm so that the filling liquid can be circulated.

本発明によって得られる主たる効果は下記のとおりである。
(1)作動ガスはベローズ内にありピストンやロッド等の外気につながった摺動部分に接触することはない。したがってピストンやロッド等の摺動部分から作動ガスが漏洩することはない。
(2)液体は圧力が変化しても体積は殆んど変化しないという性質があり、ピストン・シリンダ内に充填された液体の体積は作動ガスの圧力が変化しても殆んど変化せず、ベローズ内の作動ガスの圧力変化を直ちにピストン及びこれにつながる駆動装置に伝達できる。従って死空間の増加はなく出力が低下することはない。
(3)ベローズは液体を充填したピストン・シリンダ内に納められているため、ベローズの内圧にほぼ等しい圧力がシリンダ内部に発生して圧力が相殺されるので、作動ガスの圧力が高い場合でもベローズの耐圧はそれ程高くなくて良い。このためベローズは薄い金属で作ることが出来る。このことはベローズの熱抵抗が小さくなることを意味している。
(4)充填液に油を使用した場合には、ピストンとシリンダとの摺動部分は油潤滑されることになるため、ピストンの潤滑が良くなりサイドスラスト問題が解消される。このため駆動装置にロンビック機構やクロスヘッド機構、スコッチヨーク機構等の複雑な仕組みを使用する必要がなくなり、通常のエンジンに使われているクランク機構が使用できる。勿論従来使われてきた上記の諸機構も使用可能である。
(5)ベローズの周囲の液封室に充填する液体を外部に設けた熱交換器に送って循環させることで、等温圧縮、等温膨張式スターリングエンジンが簡単に実現できる。これにより熱効率の向上が期待出来るので冒頭で述べた“ラジエータからの過大な放熱と低い熱効率”という問題が解決出来ることになる。この場合ベローズの襞によって伝熱面積が大きくなるため伝熱性能の向上が期待できる。
(6)熱交換器には液体だけが流れ作動ガスは流れて行かないため熱交換器のために死空間が増大するということはない。このため熱伝達係数が低い燃焼ガスに対しては伝熱面積の大きい大型の熱交換器を使用して熱交換性能を良くすることが出来る。
(7)動力損失が大きいロッドシールやメカニカルシールが不要なため熱効率が向上する。
The main effects obtained by the present invention are as follows.
(1) The working gas is in the bellows and does not come into contact with sliding parts connected to the outside air such as pistons and rods. Therefore, the working gas does not leak from sliding parts such as pistons and rods.
(2) The liquid has the property that the volume hardly changes even if the pressure changes, and the volume of the liquid filled in the piston / cylinder hardly changes even if the pressure of the working gas changes. The pressure change of the working gas in the bellows can be immediately transmitted to the piston and the driving device connected thereto. Therefore, there is no increase in the dead space and the output does not decrease.
(3) Since the bellows is housed in a piston / cylinder filled with liquid, a pressure approximately equal to the internal pressure of the bellows is generated inside the cylinder to cancel the pressure. Therefore, even if the pressure of the working gas is high, The withstand voltage of is not so high. For this reason, bellows can be made of thin metal. This means that the thermal resistance of the bellows is reduced.
(4) When oil is used as the filling liquid, the sliding portion between the piston and the cylinder is oil-lubricated, so that the piston is lubricated and the side thrust problem is solved. For this reason, it is not necessary to use a complicated mechanism such as a Lombic mechanism, a crosshead mechanism, or a Scotch yoke mechanism for the drive device, and a crank mechanism used in a normal engine can be used. Of course, the above-described various mechanisms that have been used in the past can also be used.
(5) An isothermal compression and isothermal expansion Stirling engine can be easily realized by sending the liquid filling the liquid seal chamber around the bellows to an external heat exchanger and circulating it. As a result, improvement in thermal efficiency can be expected, so that the problem of “excessive heat radiation from the radiator and low thermal efficiency” described at the beginning can be solved. In this case, an improvement in heat transfer performance can be expected because the heat transfer area is increased by the bellows rod.
(6) Since only the liquid flows through the heat exchanger and the working gas does not flow, there is no increase in dead space due to the heat exchanger. For this reason, for a combustion gas having a low heat transfer coefficient, a large heat exchanger having a large heat transfer area can be used to improve the heat exchange performance.
(7) Since no rod seal or mechanical seal with large power loss is required, the thermal efficiency is improved.

これらの効果の中で第1項及び第7項は公知のベローズ型スターリングエンジンでも同様のことが言え本発明に限ったものではない。しかし、第2項〜第6項は本発明になるスターリングエンジンに特徴的なものであり公知のスターリングエンジンには見られないものである。殊に第2項、第3項、第5項、第6項及び第7項はスターリングエンジンの出力及び熱効率を上げる上で極めて重要な役割を果たすものである。 Among these effects, the first and seventh terms are the same for a known bellows-type Stirling engine, and are not limited to the present invention. However, the second to sixth terms are characteristic of the Stirling engine according to the present invention and are not found in known Stirling engines. In particular, the second, third, fifth, sixth and seventh terms play an extremely important role in increasing the output and thermal efficiency of the Stirling engine.

ここでスターリングエンジンの熱効率を高める上で、何故等温圧縮、等温膨張が必要になるのかについて簡単に説明する。
従来のスターリングエンジンでは圧縮された作動ガスを加熱する際、作動ガスが高温熱交換器や再生熱交換器を通る前に低温熱交換器を通る構造になっており、断熱圧縮がなされると断熱圧縮で温度が上がった作動ガスが持つ熱を低温熱交換器で冷却して捨てることになるからである。断熱膨張の場合には熱の損失はないが、断熱膨張で温度が下がった作動ガスを加熱してから再生熱交換器に送ることになるわけで、余分な熱を再生熱交換器に貯えなければならないことになり、再生熱交換器の容量を大きくしなければならないという問題が発生する。
これらの問題を解決するためにスターリングエンジンの基本に戻り、作動ガスの等温膨張、等温圧縮を実現することが必要になるわけである。
Here, the reason why isothermal compression and isothermal expansion are required to increase the thermal efficiency of the Stirling engine will be briefly described.
In the conventional Stirling engine, when the compressed working gas is heated, the working gas passes through the low temperature heat exchanger before passing through the high temperature heat exchanger and the regenerative heat exchanger. This is because the heat of the working gas whose temperature has increased due to compression is cooled by a low-temperature heat exchanger and discarded. In the case of adiabatic expansion, there is no heat loss, but the working gas that has fallen in temperature due to adiabatic expansion is heated before being sent to the regenerative heat exchanger, so extra heat must be stored in the regenerative heat exchanger. As a result, the capacity of the regenerative heat exchanger must be increased.
In order to solve these problems, it is necessary to return to the basics of the Stirling engine and realize isothermal expansion and isothermal compression of the working gas.

従来のスターリングエンジンが等温圧縮、等温膨張が出来ない理由を一言で言うと、従来のスターリングエンジンは作動ガスをシリンダやベローズ等の体積変動部材とは別に設けた熱交換器に送りそこで加熱冷却しているためである。この点について簡単に説明する。今パワーピストンが圧縮行程にある場合を考える。体積変動部材とは別に設けた熱交換器で冷却して圧縮する場合、早い段階で冷却されてシリンダの低温室側に入った作動ガスは、後で圧力が上がってきても最初に冷却されただけで、その後は冷却されないまま圧力が上がるために断熱圧縮となり等温圧縮とはならないわけである。このため作動ガスの温度はシリンダに入ったときより上昇する。膨張行程にある場合はこれとは逆に、早い段階で加熱されてシリンダの高温室側に入った作動ガスは、加熱されないまま圧力が下がるので断熱膨張になり等温膨張とはならないわけである。 The reason why a conventional Stirling engine cannot be isothermally compressed or expanded is simply explained. A conventional Stirling engine sends a working gas to a heat exchanger that is provided separately from a variable volume member such as a cylinder or bellows. It is because it is doing. This point will be briefly described. Consider the case where the power piston is in the compression stroke. When cooling and compressing with a heat exchanger provided separately from the volume variable member, the working gas that was cooled at an early stage and entered the low temperature chamber side of the cylinder was first cooled even if the pressure later increased. However, since the pressure increases without cooling after that, it becomes adiabatic compression and not isothermal compression. For this reason, the temperature of working gas rises from the time of entering a cylinder. In the expansion stroke, on the contrary, the working gas that is heated at an early stage and enters the high temperature chamber side of the cylinder is adiabatic expansion and does not become isothermal expansion because the pressure is lowered without being heated.

等温膨張、等温圧縮を実現するには、膨張行程の初期の段階で体積変動部材に入った作動ガスを膨張中常に加熱していること、圧縮行程の初期の段階で体積変動部材に入った作動ガスを圧縮中常に冷却していることが必要になる。このためには体積変動部材内の作動ガスを体積変動部材内で加熱冷却することが必要となる。本発明においては体積変動部材の内部にある作動ガスを加熱することを内部加熱、体積変動部材の内部にある作動ガスを冷却することを内部冷却と呼ぶこととする。この用語を用いると、等温膨張、等温圧縮を実現するには内部加熱、内部冷却することが必要であるということが出来る。 To achieve isothermal expansion and isothermal compression, the working gas that has entered the volume variable member in the initial stage of the expansion stroke is always heated during expansion, and the operation that has entered the volume variable member in the initial stage of the compression stroke. It is necessary to keep the gas cool during compression. For this purpose, it is necessary to heat and cool the working gas in the volume changing member in the volume changing member. In the present invention, heating the working gas inside the volume changing member is called internal heating, and cooling the working gas inside the volume changing member is called internal cooling. When this term is used, it can be said that internal heating and internal cooling are necessary to achieve isothermal expansion and isothermal compression.

従来のスターリングエンジンでこれらを実現することは相当困難であり、通常は外部に設けた熱交換器で加熱、冷却する外部加熱、外部冷却であるが、本発明になるベローズ・ピストンでは内部加熱、内部冷却が比較的簡単に実現できる。何故ならばベローズ・ピストン内に充填されている液体を、外部に設けた熱交換器に送り再びベローズ・ピストンに戻して循環させることによって、ベローズ表面は外部に設けた熱交換器に近い温度に維持され、内部に封入されている作動ガスもこれに近い温度に加熱或いは冷却されるからである。従来のスターリングエンジンのように作動ガスを体積変動部材から外へ引き出し熱交換器に送る必要がなくなり、その分死空間を小さく出来ることになる。更に、作動ガス〜ベローズ〜伝熱媒体の間の熱交換は、伝熱媒体とベローズ間は液体と金属のため熱伝達係数が大きく、ベローズと作動ガス間も作動ガスの圧力が高いためやはり熱伝達係数が大きいため、結果として優れた熱交換性能を持つこととなる。しかも段落番号〔0013〕の第3項に記したようにベローズの肉厚は薄くすることが出来るためベローズの熱抵抗を小さく出来、更に段落番号〔0013〕の第5項に記したようにベローズの襞が伝熱面積増大に寄与し伝熱量が増大する。 It is quite difficult to realize these with a conventional Stirling engine. Usually, heating is performed by a heat exchanger provided outside, and external heating and cooling are performed by an external heat exchanger. Internal cooling can be realized relatively easily. This is because the liquid filled in the bellows piston is sent to an external heat exchanger and returned to the bellows piston for circulation, so that the bellows surface is brought to a temperature close to that of the external heat exchanger. This is because the working gas that is maintained and sealed inside is also heated or cooled to a temperature close to this. Unlike the conventional Stirling engine, it is not necessary to draw the working gas out of the volume variable member and send it to the heat exchanger, and the dead space can be reduced accordingly. Furthermore, the heat exchange between the working gas and the bellows to the heat transfer medium has a large heat transfer coefficient because the liquid and metal are between the heat transfer medium and the bellows, and the heat gas pressure is also high between the bellows and the working gas. Since the transfer coefficient is large, the result is excellent heat exchange performance. Moreover, since the thickness of the bellows can be reduced as described in paragraph 3 of paragraph [0013], the thermal resistance of the bellows can be reduced, and further, as described in paragraph 5 of paragraph [0013]. This contributes to an increase in the heat transfer area and increases the amount of heat transfer.

ベローズ・ピストンの構造及びベローズ・ピストンを用いてスターリングエンジンを構成する方法を実施例に基づいて説明する。 A structure of a bellows piston and a method of constructing a Stirling engine using the bellows piston will be described based on embodiments.

図1はベータ型スターリングエンジンに使用する二重ベローズ・ピストンの構造を示した断面図である。
本機は公知のベータ型スターリングエンジンと比較して、ベローズ・ピストンで動力を発生させベローズ・ピストン内で作動ガスを冷却している点が異なっているが、スターリングエンジンとしての作動原理等は公知のベータ型スターリングエンジンと同じである。駆動装置は公知のロンビック機構等が使用出来るが本発明の対象ではないので省略する。以下、本機の構造について図面に沿って説明する。
シリンダ111とパワーピストン113によってつくられる空間には薄いステンレス鋼板で造った外ベローズ101と内ベローズ102が納められており、外ベローズ101とシリンダ111の内面との間の液封室115には粘度の低いスピンドル油等の機械油を充填液として充填し、外ベローズ101と内ベローズ102との間の低温空間116にはヘリウムガス又は水素ガスを封入する。低温空間116と高温空間117は後述するようにつながっておりこのガスは同時に高温空間にも封入されることになる。このガスはスターリングエンジンの作動ガスとして機能するものであり、性能を若干犠牲にしてもよければ空気や窒素ガスを使用してもよい。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a double bellows piston used in a beta type Stirling engine.
This machine is different from the known beta type Stirling engine in that power is generated by the bellows piston and the working gas is cooled in the bellows piston. It is the same as the beta type Stirling engine. A known Lombic mechanism or the like can be used as the driving device, but it is not an object of the present invention, and thus the description thereof is omitted. The structure of this machine will be described below with reference to the drawings.
An outer bellows 101 and an inner bellows 102 made of a thin stainless steel plate are accommodated in a space created by the cylinder 111 and the power piston 113, and the liquid seal chamber 115 between the outer bellows 101 and the cylinder 111 has a viscosity. Machine oil such as low spindle oil is filled as a filling liquid, and helium gas or hydrogen gas is sealed in the low temperature space 116 between the outer bellows 101 and the inner bellows 102. The low temperature space 116 and the high temperature space 117 are connected as will be described later, and this gas is simultaneously enclosed in the high temperature space. This gas functions as a working gas for the Stirling engine, and air or nitrogen gas may be used if the performance may be slightly sacrificed.

通常のスターリングエンジンでは作動ガスを外部に設けた熱交換器に導きそこで加熱冷却するが、本機のように作動ガスを外部に引き出すことなくシリンダ壁或いはベローズ壁を通して加熱冷却すると熱効率の向上が期待できる。高温空間117と低温空間116はディスプレーサピストン110によって仕切られてはいるが、ディスプレーサピストン110は再生熱交換器の役割をも兼ねており、円盤状の金網を積層して作ってありその内部を非常に低い圧力損失でもって作動ガスが自由に通過できるようになっている。
高温の作動ガスがディスプレーサピストン110に押されて低温空間116に向かうときには作動ガスが持っている熱をディスプレーサピストン110に与え、逆に低温の作動ガスがディスプレーサピストン110に押されて高温空間117に向かうときには与えた熱をディスプレーサピストン101から受け取るようになっている。このようにディスプレーサピストン110の内部に作動ガスを通す方法は〔非特許文献1〕にも記されており公知のものである。
In a normal Stirling engine, the working gas is led to an external heat exchanger and heated and cooled there. However, if the working gas is heated and cooled through the cylinder wall or bellows wall without drawing the working gas to the outside as in this machine, improvement in thermal efficiency is expected. it can. Although the high-temperature space 117 and the low-temperature space 116 are separated by the displacer piston 110, the displacer piston 110 also serves as a regenerative heat exchanger, and is formed by laminating a disk-shaped wire mesh. The working gas can pass freely with low pressure loss.
When the hot working gas is pushed by the displacer piston 110 toward the low temperature space 116, the heat of the working gas is given to the displacer piston 110, and conversely, the cold working gas is pushed by the displacer piston 110 into the high temperature space 117. When heading, the applied heat is received from the displacer piston 101. The method of passing the working gas through the displacer piston 110 as described above is also described in [Non-Patent Document 1] and is known.

ディスプレーサピストン110の直径はシリンダ111の内径より僅かに小さくしてディスプレーサピストン110とシリンダ壁が接触しないようにしてある。当然作動ガスの一部はこの間隙を通過することになるが、ディスプレーサピストン110はその内部を作動ガスが通り抜けて再生熱交換器として機能するタイプであり、ディスプレーサピストン110とシリンダ111との間の僅かな間隙はスターリングエンジンの性能に大きな悪影響を及ぼすものではない。 The diameter of the displacer piston 110 is slightly smaller than the inner diameter of the cylinder 111 so that the displacer piston 110 and the cylinder wall do not contact each other. Naturally, a part of the working gas passes through this gap, but the displacer piston 110 is a type in which the working gas passes through the inside and functions as a regenerative heat exchanger, and between the displacer piston 110 and the cylinder 111. The slight gap does not have a significant adverse effect on the performance of the Stirling engine.

シリンダ111の高温空間117側の外壁面に設けてあるフィン112は外壁に加えられる燃焼ガスの熱を効率よく受け取り作動ガスに伝えるためのものである。本例では高温側はシリンダ外壁を直接加熱する形式である。
本機は作動ガスに対しては摺動面がなくシールは不用であるが、シリンダ111とパワーピストン113との摺動面及びパワーピストンロッド114とディスプレーサピストンロッド118との摺動面についてはシールが必要である。しかしこのシールは液漏れを防ぐためのものでよく、水素ガスやヘリウムガスに対するオイルレスシールに比べると非常に簡単である。
The fins 112 provided on the outer wall surface on the high temperature space 117 side of the cylinder 111 are for efficiently receiving the heat of the combustion gas applied to the outer wall and transmitting it to the working gas. In this example, the high temperature side directly heats the cylinder outer wall.
This machine has no sliding surface for working gas and does not require sealing, but the sliding surface between the cylinder 111 and the power piston 113 and the sliding surface between the power piston rod 114 and the displacer piston rod 118 are sealed. is required. However, this seal may be used to prevent liquid leakage and is much simpler than an oilless seal against hydrogen gas or helium gas.

液封室115内の充填液は等温圧縮を実現するために作動ガスの圧縮中に発生する熱を除去する担体として機能することが必要であり、冷却効果を高めるべく液出口120から循環ポンプ(図示せず)によって熱交換器(図示せず)に送り、そこで充填液を冷却した後液戻り口121に戻るようになっている。この循環系は作動ガスの圧力がそのまま掛かるため完全に密封し圧力が抜けないようにし、更に気体を含まないようにする。ここで使用する循環ポンプは、揚程はそれ程大きくなくてもよいが作動ガスの圧力に耐えることが出来るシール性が必要である。上記の熱交換器には充填液だけが流れ作動ガスは流れて行かないため死空間の増大を気にする必要がなく、伝熱面積の大きい大型のものが使用出来る。 The filling liquid in the liquid sealing chamber 115 needs to function as a carrier for removing heat generated during compression of the working gas in order to realize isothermal compression, and a circulation pump ( It is sent to a heat exchanger (not shown) by a not-shown), where it is returned to the liquid return port 121 after cooling the filling liquid. Since the pressure of the working gas is applied as it is in this circulation system, it is completely sealed so that the pressure is not released, and further, no gas is contained. The circulating pump used here needs to have a sealing property that can withstand the pressure of the working gas, although the lift does not have to be so large. In the above heat exchanger, only the filling liquid flows and the working gas does not flow, so there is no need to worry about an increase in the dead space, and a large heat transfer area can be used.

ディスプレーサピストン110の位相がパワーピストン113より90度進んでいる点は通常のスターリングエンジンと同じであり、作動原理その他も通常のスターリングエンジンと変わるところはない。
作動ガスがディスプレーサピストン110によって高温空間117に送り込まれることによって作動ガスの圧力が高くなりベローズ下面103を押し下げるが、この動きは直ちに液封室115に充填された充填液に伝わりパワーピストン113を押し下げ、パワーピストンロッド114を通して駆動装置(図示せず)に伝わり、駆動装置から出力として取り出される訳であるが、これらは公知のスターリングエンジンと同じである。
The point that the phase of the displacer piston 110 is advanced by 90 degrees from the power piston 113 is the same as that of a normal Stirling engine, and the operation principle and the like are not different from those of a normal Stirling engine.
When the working gas is fed into the high temperature space 117 by the displacer piston 110, the pressure of the working gas increases and pushes down the lower surface 103 of the bellows. This movement is immediately transmitted to the filling liquid filled in the liquid sealing chamber 115 and pushes down the power piston 113. These are transmitted to a driving device (not shown) through the power piston rod 114 and taken out as an output from the driving device, but these are the same as the known Stirling engine.

図2はスターリングエンジンに使用する循環型ベローズ・ピストンを示した一部断面図である。このベローズ・ピストンはアルファ型スターリングエンジンの他にガンマ型スターリングエンジンや回転斜板式複動4気筒型スターリングエンジンを模したエンジンを構成することが出来る。
シリンダ211とピストン213によってつくられる空間には薄いステンレス鋼板で造ったベローズ201が納められ、ベローズ201内部のガス空間216にはヘリウムガスを封入する。ベローズ201とシリンダ211の内面との間の液封室215に充填する液体については段落番号〔0010〕で述べたとおりである。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a circulating bellows piston used in a Stirling engine. This bellows piston can constitute an engine imitating a gamma-type Stirling engine or a rotary swash plate type double-acting four-cylinder Stirling engine in addition to an alpha-type Stirling engine.
A bellows 201 made of a thin stainless steel plate is accommodated in a space created by the cylinder 211 and the piston 213, and helium gas is sealed in the gas space 216 inside the bellows 201. The liquid filled in the liquid sealing chamber 215 between the bellows 201 and the inner surface of the cylinder 211 is as described in paragraph [0010].

液封室215には中の充填液を送り出すための液出口220及びその液が戻るための液戻り口221がそれぞれ複数個付いており、同一ベローズ・ピストンの複数個の液出口220は一つにまとめられて循環ポンプ(図示せず)に入り、そこから熱交換器(図示せず)に送られて熱交換を行った後それぞれの液戻り口221に分かれて戻るようになっている。この循環系は気体を含まない密閉系でなければならないのは〔実施例1〕と同じである。液出口220或いは液戻り口221の一部はピストン213の上昇によって塞がれるが全ての液出口220或いは液戻り口221が塞がれるわけではなく問題ない。 The liquid sealing chamber 215 is provided with a plurality of liquid outlets 220 for sending out the filling liquid therein and a plurality of liquid return ports 221 for returning the liquid, and there is one liquid outlet 220 for the same bellows piston. Are combined into a circulation pump (not shown), sent from there to a heat exchanger (not shown) for heat exchange, and then returned to each liquid return port 221. This circulatory system must be a closed system containing no gas, as in [Example 1]. A part of the liquid outlet 220 or the liquid return port 221 is blocked by the upward movement of the piston 213, but not all the liquid outlets 220 or the liquid return ports 221 are blocked.

シリンダ211の上部は少し窪んでおりこの中央には通気口210が付いている。上部の窪みはベローズが縮んだときその内部に残る作動ガスの量を出来るだけ少なくするためである。ピストンロッド214は駆動装置(図示せず)につながっている。
このベローズ・ピストンは別に設けた熱交換器で充填液の加熱或いは冷却を行うが、作動ガスの加熱或いは冷却は体積変動部材の内部で行っているため、これを使用したスターリングエンジンは動作的には内部加熱冷却型である。
The upper part of the cylinder 211 is slightly depressed, and a vent hole 210 is attached at the center. The upper depression is for reducing the amount of working gas remaining in the bellows when it shrinks. The piston rod 214 is connected to a driving device (not shown).
This bellows piston heats or cools the filling liquid with a heat exchanger provided separately. However, since the working gas is heated or cooled inside the volume changing member, the Stirling engine using this is operatively operated. Is an internal heating / cooling type.

図3はスターリングエンジンに使用するフィン型ベローズ・ピストンを示した一部断面図である。〔実施例2〕は充填液を別に設けた熱交換器とシリンダ211との間を循環させて熱交換を行うタイプであるが、本例ではシリンダ311の上部にフィン312を付けて熱交換するようになっている。
基本的には〔実施例2〕と同じであり、ベローズ301、シリンダ311、ピストン313、液封室315、ガス空間316で構成されている。充填液は圧力と熱を伝達するだけであり循環のための液出口、液戻り口は付いていない。充填液が循環されないため伝熱性能は少し劣るが、ピストンの上下運動で充填液が揺動されるためある程度の伝熱性は確保できる。充填液は〔実施例2〕と同じく使用温度によって変更する必要がある。
このベローズ・ピストンではシリンダ311の外壁を直接加熱或いは冷却するが、作動ガスは充填液を介して体積変動部材内部で加熱或いは冷却されることになるため、これを使用したスターリングエンジンは〔実施例2〕と同じく動作的には内部加熱冷却型である。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a fin-type bellows piston used in a Stirling engine. [Embodiment 2] is a type in which heat is exchanged by circulating between a heat exchanger separately provided with a filling liquid and the cylinder 211. In this example, heat is exchanged by attaching fins 312 to the upper part of the cylinder 311. It is like that.
This is basically the same as [Embodiment 2], and includes a bellows 301, a cylinder 311, a piston 313, a liquid sealing chamber 315, and a gas space 316. The filling liquid only transmits pressure and heat, and does not have a liquid outlet or liquid return port for circulation. Since the filling liquid is not circulated, the heat transfer performance is slightly inferior. However, since the filling liquid is swung by the vertical movement of the piston, a certain degree of heat transfer can be secured. The filling liquid needs to be changed depending on the use temperature as in [Example 2].
In this bellows piston, the outer wall of the cylinder 311 is directly heated or cooled, but the working gas is heated or cooled inside the volume changing member via the filling liquid. The operation is the internal heating / cooling type as in 2].

図4は作動ガスを別に設けた高温熱交換器或いは低温熱交換器で加熱或いは冷却するタイプのスターリングエンジンに使用するベローズ・ピストンを示した一部断面図である。フィンがあるとフィンから熱が放散されて熱効率が低下するためフィンは付いていないがそれ以外は構造的に〔実施例3〕と同じであり、ベローズ401、シリンダ411、ピストン413、液封室415、ガス空間416で構成されている。充填液は〔実施例2〕と同じく使用温度によって変更する必要がある。
作動ガスは外部に設けられた熱交換器によって加熱冷却されることになるため、これを使用したスターリングエンジンは外部加熱冷却型となる。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a bellows piston used in a Stirling engine of the type heated or cooled by a high temperature heat exchanger or a low temperature heat exchanger separately provided with a working gas. If there is a fin, the heat is dissipated from the fin and the heat efficiency is lowered, so the fin is not attached. However, the rest is structurally the same as in [Example 3], and is the same as the bellows 401, cylinder 411, piston 413, liquid sealing chamber. 415 and a gas space 416. The filling liquid needs to be changed depending on the use temperature as in [Example 2].
Since the working gas is heated and cooled by a heat exchanger provided outside, the Stirling engine using this is an external heating and cooling type.

図5はベローズ・ピストンを使用して内部加熱冷却型スターリングエンジンを構成した例を示した模式図である。
この例では外部に取り付けるのは再生熱交換器だけであり作動ガスの加熱冷却はベローズ内部で行っており内部加熱冷却型アルファ型スターリングエンジンである。作動ガスを体積変動部材の内部で加熱冷却することが出来るため、等温膨張、等温圧縮となる。
この図ではベローズ・ピストンはフィン型になっており、高温側ベローズ・ピストン501は外部高温熱源511によって加熱され、低温側ベローズ・ピストン502は外部低温熱源513によって冷却されているが、図2に示した循環型ベローズ・ピストンを使用して別に設けた熱交換器によって充填液を加熱或いは冷却することも出来る。高温側ベローズ・ピストン501と低温側ベローズ・ピストンは再生熱交換器512を間に入れて連結されている。充填液を介して体積変動部材内部に存在する作動ガスを加熱冷却するためこの方式のスターリングエンジンは内部加熱冷却型となる。
高温側ベローズ・ピストン501及び低温側ベローズ・ピストン502はコネクティングロッド531によってクランクシャフト532に連結されフライホイール533を駆動する。高温側ベローズ・ピストン501の位相が低温側ベローズ・ピストン502の位相に対して90°進むように設定されている。
FIG. 5 is a schematic view showing an example in which an internal heating / cooling type Stirling engine is configured using a bellows piston.
In this example, only the regenerative heat exchanger is attached to the outside, and the working gas is heated and cooled inside the bellows, which is an internal heating and cooling type alpha Stirling engine. Since the working gas can be heated and cooled inside the volume varying member, it becomes isothermal expansion and isothermal compression.
In this figure, the bellows piston is fin-shaped, the high temperature side bellows piston 501 is heated by the external high temperature heat source 511, and the low temperature side bellows piston 502 is cooled by the external low temperature heat source 513. The filling liquid can also be heated or cooled by a heat exchanger provided separately using the circulation type bellows piston shown. The high temperature side bellows piston 501 and the low temperature side bellows piston are connected with a regenerative heat exchanger 512 interposed therebetween. This type of Stirling engine is an internal heating and cooling type in order to heat and cool the working gas existing inside the volume changing member through the filling liquid.
The high temperature side bellows piston 501 and the low temperature side bellows piston 502 are connected to the crankshaft 532 by a connecting rod 531 to drive the flywheel 533. The phase of the high temperature side bellows piston 501 is set to advance 90 ° with respect to the phase of the low temperature side bellows piston 502.

ベローズ・ピストンを使用して外部加熱冷却型スターリングエンジンを構成した1例を図6に示す。ここに示した加熱冷却方式は通常広く採用されている方式であり、高温側ベローズ・ピストン601と低温側ベローズ・ピストン602は、高温熱交換器611、再生熱交換器612、低温熱交換器613を間に入れて連結されており、外部加熱冷却型アルファ型スターリングエンジンである。作動ガスを外部に設けた熱交換器によって加熱冷却する方式であるため、等温膨張、等温圧縮は期待出来ない。
高温側ベローズ・ピストン601は図4に示したフィンが付いていないタイプのものを使用する。図3に示したフィン付きの物を使用すると高温側のベローズ・ピストンではフィンから熱が放散されて熱効率が低下する。
ベローズ・ピストンをピストン・シリンダに置き換えると通常のスターリングエンジンと同じである。駆動装置は〔実施例5〕と同じであり、高温側ベローズ・ピストンの位相は低温側ベローズ・ピストンに対して90°進ませてある。
An example in which an external heating / cooling type Stirling engine is constructed using a bellows piston is shown in FIG. The heating / cooling method shown here is generally widely used, and the high temperature side bellows piston 601 and the low temperature side bellows piston 602 include a high temperature heat exchanger 611, a regenerative heat exchanger 612, and a low temperature heat exchanger 613. Is an external heating and cooling alpha type Stirling engine. Since the working gas is heated and cooled by a heat exchanger provided outside, isothermal expansion and isothermal compression cannot be expected.
As the high temperature side bellows piston 601, the type shown in FIG. 4 without fins is used. When the object with fins shown in FIG. 3 is used, heat is dissipated from the fins in the high temperature side bellows piston, and the thermal efficiency is lowered.
Replacing the bellows piston with a piston / cylinder is the same as a normal Stirling engine. The drive device is the same as in [Embodiment 5], and the phase of the high temperature side bellows piston is advanced by 90 ° with respect to the low temperature side bellows piston.

図7はベローズ・ピストンを使用してガンマ型スターリングエンジンを構成する方法を示した模式図である。ガンマ型スターリングエンジンをベローズ・ピストンで構成するには、複動式ピストンに代わるものとしてベローズ・ピストンが2個、出力ピストンに代わるものとしてベローズ・ピストンが1個、合計3個のベローズ・ピストンが必要である。
高温側ベローズ・ピストン701と低温側ベローズ・ピストン702は、高温熱交換器711、再生熱交換器712、低温熱交換器713を間に入れて連結されている。出力用ベローズ・ピストン703は図7のように低温側ベローズ・ピストン702と並列になるように接続されている。高温側ベローズ・ピストン701と低温側ベローズ・ピストン702とは180°の位相差がありコンプリメンタリな関係にある。出力用ベローズ・ピストン703の位相は高温側ベローズ・ピストン701に対して90°遅らせてある。これらはクランクシャフトで実現しているがクランクシャフト自体は公知の技術であり詳細は省略する。
本例は〔実施例6〕のアルファ型スターリングエンジンに更に1個のベローズ・ピストンを加えたものと構造的には同じである。
FIG. 7 is a schematic view showing a method of constructing a gamma-type Stirling engine using a bellows piston. To construct a gamma-type Stirling engine with a bellows piston, two bellows pistons replace the double-acting piston, one bellows piston replaces the output piston, and a total of three bellows pistons. is necessary.
The high temperature side bellows piston 701 and the low temperature side bellows piston 702 are connected with a high temperature heat exchanger 711, a regenerative heat exchanger 712, and a low temperature heat exchanger 713 interposed therebetween. The output bellows piston 703 is connected in parallel with the low temperature side bellows piston 702 as shown in FIG. The high temperature side bellows piston 701 and the low temperature side bellows piston 702 have a complementary relationship with a phase difference of 180 °. The phase of the output bellows piston 703 is delayed by 90 ° with respect to the high temperature side bellows piston 701. These are realized by a crankshaft, but the crankshaft itself is a known technique and will not be described in detail.
This example is structurally the same as that of the [alpha] type Stirling engine of [Embodiment 6] with one bellows piston added.

上記のように複動式ピストンの機能を180°の位相差を持った2個のベローズ・ピストンで実現できることは、回転斜板式複動4気筒型スターリングエンジンに相当するスターリングエンジンを構成することができることを意味している。
回転斜板式複動4気筒型スターリングエンジンに相当するスターリングエンジンは、回転斜板の片側に4個の高温側ベローズ・ピストンを等間隔に配備し、回転斜板の反対側にこれと向き合うように4個の低温側ベローズ・ピストンを配備することで構成することが出来る。それぞれの高温側ベローズ・ピストンは再生熱交換器を間に入れて隣に位置する低温側ベローズ・ピストンに連結する。右隣、左隣の何れの側に連結していっても良いが連結を逆にすると回転は逆になる。これらのベローズ・ピストンは、循環型、フィン型、外部加熱冷却型の何れでもよいが、図4に示す外部加熱冷却型を使用する場合には当然のことながら再生熱交換器の前後に高温熱交換器と低温熱交換器を取り付ける必要がある。また循環型とする場合には、それぞれのベローズ・ピストン毎に温度或いは圧力変動パターンが異なるため、それぞれのベローズ・ピストン毎に循環ポンプと熱交換器が必要であり循環ポンプや熱交換器を共用することは出来ない。
The fact that the function of a double-acting piston can be realized by two bellows pistons having a phase difference of 180 ° as described above constitutes a Stirling engine corresponding to a rotating swash plate type double-acting four-cylinder Stirling engine. It means you can do it.
A Stirling engine equivalent to a rotary swash plate type double-cylinder four-cylinder Stirling engine has four high temperature side bellows pistons arranged at equal intervals on one side of the rotary swash plate and faces the opposite side of the rotary swash plate. It can be configured by deploying four low temperature side bellows pistons. Each high temperature side bellows piston is connected to the adjacent low temperature side bellows piston with a regenerative heat exchanger in between. It may be connected to either the right side or the left side, but if the connection is reversed, the rotation is reversed. These bellows pistons may be any of circulation type, fin type, or external heating / cooling type, but when using the external heating / cooling type shown in FIG. It is necessary to install an exchanger and a low-temperature heat exchanger. In the case of the circulation type, the temperature or pressure fluctuation pattern differs for each bellows / piston. Therefore, a circulation pump and a heat exchanger are required for each bellows / piston, and the circulation pump and heat exchanger are shared. I can't do it.

従来の複動シリンダを使った回転斜板式複動4気筒型スターリングエンジンの場合、ピストンロッドには押し引き両方向の力が交互に働くため、ピストンロッドの先端部のシューと回転斜板との間隙が問題となりこの調整を誤ると騒音の発生原因となるが、本例のように回転斜板の両側に高温側ベローズ・ピストンと低温側ベローズ・ピストンを向き合わせて配備すると、高温側ベローズ・ピストンのピストンロッドと低温側ベローズ・ピストンのピストンロッドに働く力は強弱の違いはあるものの共に回転斜板を押す力となり、回転斜板とシューとの間に間隙が出来ることはなく、これによる騒音発生の恐れはない。 In the case of a rotary swash plate type double-acting four-cylinder Stirling engine using a conventional double-action cylinder, force in both directions is alternately applied to the piston rod, so the gap between the shoe at the tip of the piston rod and the rotary swash plate If this adjustment is performed incorrectly, noise may be generated. However, if the high temperature side bellows piston and the low temperature side bellows piston are placed facing each other on both sides of the rotating swash plate as shown in this example, the high temperature side bellows piston Although the force acting on the piston rod and the piston rod of the low-temperature side bellows piston has a difference in strength, they both push the rotating swash plate, and there is no gap between the rotating swash plate and the shoe. There is no fear of occurrence.

二重ベローズ・ピストンを示す断面図である。It is sectional drawing which shows a double bellows piston. 液循環型ベローズ・ピストンを示す一部断面図である。It is a partial sectional view showing a liquid circulation type bellows piston. フィン型ベローズ・ピストンを示す一部断面図である。It is a partial sectional view showing a fin type bellows piston. 加熱冷却機構を持たないベローズ・ピストンを示す一部断面図である。It is a partial cross section figure which shows the bellows piston which does not have a heating-cooling mechanism. 内部加熱冷却式アルファ型スターリングエンジンを構成した模式図である。It is the schematic diagram which comprised the internal heating cooling alpha type Stirling engine. 外部加熱冷却式アルファ型スターリングエンジンを構成した模式図である。It is the schematic diagram which comprised the external heating cooling type alpha type Stirling engine. ガンマ型スターリングエンジンを構成した模式図である。It is the schematic diagram which comprised the gamma type Stirling engine.

符号の説明Explanation of symbols

101 外ベローズ 102 内ベローズ 103 ベローズ下面
110 ディスプレーサピストン 111 シリンダ 112 フィン
113 パワーピストン 114 パワーピストンロッド 115 液封室
116 低温空間 117 高温空間 118 ディスプレーサピストンロッド
120 液出口 121 液戻り口 201 ベローズ 203 ベローズ下面
210 通気口 211 シリンダ 213 ピストン
214 ピストンロッド 215 液封室 216 ガス空間 220 液出口
221 液戻り口 301 ベローズ 311 シリンダ 312 フィン
313 ピストン 315 液封室 316 ガス空間 401 ベローズ
411 シリンダ 413 ピストン 415 液封室 416 ガス空間
501 高温側ベローズ・ピストン 502 低温側ベローズ・ピストン
511 外部高温熱源 512 再生熱交換器 513 外部低温熱源
531 コネクティングロッド 532 クランクシャフト
533 フライホイール 601 高温側ベローズ・ピストン
602 低温側ベローズ・ピストン 611 高温熱交換器
612 再生熱交換器 613 低温熱交換器
701 高温側ベローズ・ピストン 702 低温側ベローズ・ピストン
703 出力ピストン 711 高温熱交換器 712 再生熱交換器
713 低温熱交換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Outer bellows 102 Inner bellows 103 Bellows lower surface 110 Displacer piston 111 Cylinder 112 Fin 113 Power piston 114 Power piston rod 115 Liquid seal chamber 116 Low temperature space 117 High temperature space 118 Displacer piston rod 120 Liquid outlet 121 Liquid return port 201 Bellows 203 Bellows lower surface 210 Vent 211 211 Cylinder 213 Piston 214 Piston rod 215 Liquid sealed chamber 216 Gas space 220 Liquid outlet 221 Liquid return port 301 Bellows 311 Cylinder 312 Fin 313 Piston 315 Liquid sealed chamber 316 Gas space 401 Bellows 411 Cylinder 413 Piston 415 Liquid sealed chamber 416 Gas Space 501 High temperature side bellows piston 502 Low temperature side bellows piston 511 External high temperature heat source 5 2 regenerative heat exchanger 513 external cold heat source 531 connecting rod 532 crankshaft 533 flywheel 601 high temperature side bellows piston 602 cold side bellows piston 611 high temperature heat exchanger 612 regenerative heat exchanger 613 cold heat exchanger
701 High temperature side bellows piston 702 Low temperature side bellows piston 703 Output piston 711 High temperature heat exchanger 712 Regenerative heat exchanger 713 Low temperature heat exchanger

Claims (2)

内部に作動ガスを封入し、該作動ガスを加熱して膨張させることによってその体積を増大させ、膨張させた該作動ガスを冷却しつつ圧縮して元の体積に戻す一連のサイクルを構成し、膨張の際に得られる仕事量と圧縮の際に要する仕事量との差を出力として取り出す所謂スターリングエンジンと呼ばれる熱機関に使用されているピストンを嵌合したシリンダからなる作動ガスを封入している体積変動部材に代わる体積変動部材として使用するものであって、ピストンを嵌合したシリンダ内にベローズを納め、該ベローズの壁面と該シリンダ内面及び該ピストン上面によって形成される領域全体にわたって使用条件下において液体である物質を充填し該ベローズの内部に作動ガスを封入している構造からなる体積変動部材であって、該ベローズの内部に封入された該作動ガスの膨張による該ベローズの伸長の動きを該液体充填物質を介して該ピストンに伝達して該ピストンを押し出し、外部からの該ピストンを押し込む圧縮力を該液体充填物質を介して該ベローズに伝達して該ベローズ内に封入された該作動ガスを圧縮する一連のサイクルを構成し、該作動ガスの膨張の際に得られる仕事量と該作動ガスの圧縮の際に要する仕事量との差を出力として取り出すスターリングエンジンに使用する体積変動部材。 Enclose the working gas inside, increase the volume by heating and expanding the working gas, constitute a series of cycles to cool and compress the expanded working gas back to its original volume, A working gas consisting of a cylinder fitted with a piston used in a so-called Stirling engine, which takes out the difference between the work amount obtained at the time of expansion and the work amount required at the time of compression as an output, is enclosed. Used as a volume variable member in place of a volume variable member, wherein a bellows is accommodated in a cylinder fitted with a piston, and is used over the entire region formed by the wall surface of the bellows, the inner surface of the cylinder and the upper surface of the piston. A volume varying member having a structure in which a liquid substance is filled and a working gas is sealed inside the bellows, The expansion movement of the bellows due to the expansion of the working gas sealed inside is transmitted to the piston through the liquid filling material to push out the piston, and the compression force for pushing the piston from the outside is applied to the liquid filling material. A series of cycles for compressing the working gas that is transmitted to the bellows through the bellows and sealed in the bellows, and the work amount obtained when the working gas is expanded and the working gas is compressed A variable volume member used for a Stirling engine that takes out the difference from the required work as an output. ピストンを嵌合したシリンダ内に納められたベローズの壁面と該シリンダ内面及び該ピストン上面によって形成される領域全体にわたって充填された使用条件下で液体である物質を、該領域と該シリンダの外部に設けられた高温熱交換器又は低温熱交換器との間を循環させることによって、該ベローズ内に封入された作動ガスを加熱又は冷却するようにした請求項1記載のスターリングエンジンに使用する体積変動部材。 A substance that is liquid under operating conditions filled over the entire area formed by the wall surface of the bellows housed in the cylinder fitted with the piston, the inner surface of the cylinder, and the upper surface of the piston, is transferred to the outside of the area and the cylinder. The volume fluctuation used in the Stirling engine according to claim 1, wherein the working gas enclosed in the bellows is heated or cooled by circulating between the high temperature heat exchanger or the low temperature heat exchanger provided. Element.
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