JP4904560B2 - ロータリースターリングエンジン - Google Patents

Description

本発明は、振動損失の少ないロータリー式のスターリングエンジンに関する。

従来、振動損失低減を目的として、往復ピストン機構を回避したスターリングエンジンが考案されている。例えばパワーピストン部にロータリーエンジン機構を採用し、その外側にパワーローターの３倍速で回転するロータリーディスプレーサを配置したロータリースターリングエンジンが知られている。（特許文献１参照）

上記した従来のロータリースターリングエンジンは、パワーピストン部を構成するローターハウジングに吸入口および排出口を設け作動ガスの吸排気を行っていた。
特開平１０−８９１４８号 公報

以上に述べた従来のロータリースターリングエンジンでは、ロータリーディスプレーサの容積室で加熱された高圧作動ガスがローターハウジングの吸入口を通してローターを回転させているとき、ローターのアペックスシールが前記吸入口を通過する瞬間、前記高圧作動ガスが隣接するピストン室に漏れ、出力が低下するという問題があった。

また、ローターハウジングの排出口では、ローターのアペックスシールが前記排出口を通過する瞬間にも、作動ガスが隣接するピストン室から漏れ、出力が低下するという問題があった。

本発明は、回転のどの瞬間においても、作動ガスが隣接するピストン室へ漏れることをなくし、漏れによる出力低下を改善することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、パワーピストンとディスプレーサとからなるγ形スターリングエンジンにおいては、パワーピストンのピストン室への作動ガスの吸排気口を通常のロータリーエンジンのステーターに相当するロータリーハウジングに設けるのではなく、通常のロータリーエンジンのローターに相当するパワーピストンのピストン室側に設ける手段をとった。

これを実現するために、通常のロータリーエンジンのローターをパワーピストンとして加熱冷却器に固定するとともに、通常固定されているロータリーエンジンのステーターを固定せず、ロータリーハウジングとして偏芯回転できるようにした。

それにともない、エキセントリックシャフトの回転中心を通常のロータリーエンジンのステーター中心軸ではなく、固定されたローター、すなわちパワーピストンの中心軸に一致させ外部に回転動力として取り出す機構とした。

上記した機構にすることにより、本発明のパワーピストン部では、通常回転するローターがパワーピストンとして固定され、通常固定されているステーターが逆方向に偏芯回転するロータリーハウジングとなる。

さらに、通常のロータリーエンジンではローター回転速度の３倍で回転するエキセントリックシャフトはローター、すなわちパワーピストンを固定することにより、２倍速で回転することになる。

前述したように、パワーピストンは加熱冷却器に固定されているので、加熱冷却器に設けられた３個の円筒状容積室から個別に３本の連結パイプを通してパワーピストンのピストン室側の３面とを連結することができ、円筒状容積室の作動ガスの圧力をピストン室に伝達することが可能となる。

各円筒状容積室にはそれぞれロータリーディスプレーサが互いに１２０°の位相差でエキセントリックシャフトに固定されており、該エキセントリックシャフトと同期して回転できるようになっている。

上記した構造は、３組のγ形スターリングエンジンが１２０°の位相差で組合され統合された構成になっている。

一方、膨張ピストンと圧縮ピストンとからなるα形スターリングエンジンにおいては、膨張ピストン室および圧縮ピストン室への作動ガスの吸排気口を通常のロータリーエンジンのローターに相当する膨張ピストンおよび圧縮ピストンのピストン室側に設ける手段をとった。これを実現する異なる２方式について以下説明する。

第１の方式は、膨張ピストンおよび圧縮ピストンを構成する２つの通常のロータリーエンジンの各ローターを回転しないように固定する。これらは、適当な間隔を隔てて互いに中心軸が一致するよう固定ピストンシャフトに連結され、固定膨張ピストンおよび固定圧縮ピストンとする。また、固定膨張ピストンおよび固定圧縮ピストンに対応する２つのステーターは固定せず、回転膨張ピストンハウジングおよび回転圧縮ピストンハウジングとして各独立に偏芯回転できるようにする。

このような構成にすることにより、上記の固定膨張ピストンと回転膨張ピストンハウジングで形成される３個の膨張ピストン室および固定圧縮ピストンと回転圧縮ピストンハウジングで形成される３個の圧縮ピストン室を、それぞれ対応する固定膨張ピストン側に設けられた吸排気口と固定圧縮ピストン側に設けられた吸排気口とを３個の再生器を介して連結パイプで連結、固定できるようになる。

固定膨張ピストン、固定圧縮ピストンおよび固定ピストンシャフトを貫通するエキセントリックシャフトは、固定膨張ピストンおよび固定圧縮ピストンの中心軸に回転軸を一致させ、１２０°の位相差で変化する３個の膨張ピストン室および３個の圧縮ピストン室の圧力変化を回転膨張ピストンハウジングおよび回転圧縮ピストンハウジングを介して受け、外部に回転動力として取り出す機構となっている。

上記の構造は、３組のα形スターリングエンジンが１２０°の位相差で組合され統合された構成になっている。

第２の方式は、上記した第１の方式の回転部位と固定部位とを交替させた構造となっている。すなわち、通常のロータリーエンジンの各ローターに相当する膨張ピストンおよび圧縮ピストンは適当な間隔を隔てて互いに中心軸が一致するようピストンシャフトに連結、一体化され、回転膨張ピストンおよび回転圧縮ピストンとして、偏芯回転できるようにし、通常のロータリーエンジンのステーターに相当する膨張ピストンハウジングおよび圧縮ピストンハウジングは固定し、固定膨張ピストンハウジングおよび固定圧縮ピストンハウジングとする。

このような構成にすることにより、上記の回転膨張ピストンと固定膨張ピストンハウジングで形成される３個の膨張ピストン室および回転圧縮ピストンと固定圧縮ピストンハウジングで形成される３個の圧縮ピストン室を、それぞれ対応する回転膨張ピストン側に設けられた吸排気口と回転圧縮ピストン側に設けられた吸排気口とを３個の再生器を介して連結パイプで連結できるようになる。

一体化された回転膨張ピストン、回転圧縮ピストンおよび回転ピストンシャフトを貫通するエキセントリックシャフトは、固定膨張ピストンハウジングおよび固定圧縮ピストンハウジングの中心軸に回転軸を一致させ、１２０°の位相差で変化する３個の膨張ピストン室および３個圧縮ピストン室の圧力変化を回転膨張ピストンおよび回転圧縮ピストンを介して受け、外部に回転動力として取り出す機構となっている。

上記の構造は、第１の方式と同様に３組のα形スターリングエンジンが１２０°の位相差で組合され統合された構成になっている。

上記した本発明による手段を採ることにより、ピストン室への作動ガスの吸排気口を、通常のロータリーエンジンのローター側に設けることが可能となり、従来のロータリースターリングエンジンで問題となっていた吸排気口での作動ガスの隣接ピストン室への漏れをなくすことができ、漏れによる出力低下を防止することが可能となった。さらに、ロータリーエンジンの３個のピストン室を有効に稼動させることができる構造であるので、小型で振動損失が少ないロータリースターリングエンジンが実現可能となった。

以下、パワーピストンとディスプレーサとからなるγ形スターリングエンジンへの本発明の適用について、その実施の形態を図１から図８を用いて説明する。

図１右は、本発明の実施例１を説明するロータリースターリングエンジンの正面断面図であり、同図左はパワーピストン部を軸左方向から見た側面断面図である。

図１において、１０はパワーピストンであり通常のロータリーエンジンではローター５０に相当する。１１はロータリーハウジングであり通常のロータリーエンジンではステーター５１に相当する。１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃはパワーピストン１０とロータリーハウジング１１に囲まれた３つのピストン室であり通常のロータリーエンジンでは燃焼室５２に相当する。１３はパワーピストンギア、１４はハウジングギアでありそれぞれパワーピストン１０およびロータリーハウジング１１に固定され歯数比３：２で内接しながら噛み合っている。これらは、通常のロータリーエンジンのローター側ギアとステーター固定ギアに相当する。４０はスターリングエンジン用エキセントリックシャフトであり、通常のロータリーエンジンのロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０に相当する。両者の形状は類似しているが、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０が小径のステーター固定ギアの中心を中心軸として回転するのに対し、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０は大径のパワーピストンギア１３の中心を中心軸として回転する。なぜならば、通常のロータリーエンジンは当然ながらステーター５１を固定させているため、ローター５０がステーター固定ギアをガイドに偏芯しながら回転するのに対し、本発明のロータリースターリングエンジンではパワーピストン１０を固定させているため、相対的にロータリーハウジング１１がパワーピストンギア１３をガイドに偏芯しながら逆回転するため、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０はパワーピストンギア１３の中心を中心軸として２倍速で正回転する。

一方、静止状態にあるパワーピストン１０は円筒状の加熱冷却器２０に同芯状に固定され、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０が両者を貫通している。加熱冷却器２０には３つの円筒状容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが同芯状に並んで作られており、各容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ内にはそれぞれ半円カバー状のロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが１２０°の位相差で配置され、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０に固定されている。

各ピストン室１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃはそれぞれ個別に容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに連結パイプ３０ａ、３０ｂ、３０ｃで連結され、各容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに封止されている作動ガスの圧力を各ピストン室１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに伝達するような構造となっている。

なお、図２は構造をわかり易くするため、分解斜視図とした。図２（１）はスターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０およびこれに固定されている半円カバー状のロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを本体から取り出した図である。図２（２）は本発明のロータリースターリングエンジン本体であるが、パワーピストン部をわかり易くするためロータリーハウジング１１の前面を分解して図示した。また、加熱冷却器２０についても約１／４を取り除き内部をわかり易く図示した。

図３から図５で通常のロータリーエンジンの動きを参考にしながら本発明のロータリースターリングエンジンの基本動作を説明する。

図３から図５において、左側には通常のロータリーエンジンの動きを、中央部に本発明によるロータリースターリングエンジンのパワーピストン部の動きを、右側に加熱冷却器内のロータリーディスプレーサの動きを示した。

各回転体には矢印を付記し回転の状態を明示するとともに各図左上にそれらの角度を下方向を基準として時計回りを正方向として示した。ロータリーエンジンにおいてはローター５０の回転角をθｒ、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角をθｓとし、ロータリースターリングエンジンにおいてはロータリーハウジング１１の回転角をθｈ、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角をθｓ、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの角度をθｄとした。

説明の都合上、図３（１）の状態を動作初期状態とする。

図３（１）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝０°、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝０°で、燃焼室５２の容積を最大とする。一方、ロータリースターリングエンジンではロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝０°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝０°で、ピストン室Ａ１２Ａの容積を最大とする。ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝９０°に設定することにより、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱冷却器２０の加熱部２３と冷却部２４に対し同じ面積で接する。

なお、加熱部２３の外部温度Ｔ１を冷却部２４の外部温度Ｔ２より高く設定したとき、熱エネルギーはＴ１から加熱部２３を通り作動ガスに伝達され冷却部２４を経てＴ２に流れる。

次に、動作状態が図３（２）に移行した状態を説明する。

図３（２）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝１５°回転したとき、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝４５°となり、燃焼室５２の容積はやや減少する。一方、ロータリースターリングエンジンではロータリーエンジンのローター５０に相当するパワーピストン１０を固定しているため、ロータリーハウジング１１が逆回転し回転角θｈ＝−１５°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝３０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様にやや減少する。ロータリーディスプレーサＡ２２Ａはスターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０に固定しているため回転角θｄ＝１２０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱冷却器２０の冷却部２４にやや多く接するようになる。このため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度がやや下がり、その結果作動ガス圧がやや低下し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積を少なくするような力を受けるので、ロータリーハウジング１１は図３（３）の状態になろうとする。

図３（３）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝３０°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝９０°になる。燃焼室５２の容積は更に減少する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−３０°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝６０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、更に減少する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝１５０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは冷却部２４に更に多く接するようになる。このため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は更に下がり、作動ガス圧が低下し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａは更にその容積を少なくするような力を受けるので、ロータリーハウジング１１は図３（４）の状態になろうとする。

図３（４）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝４５°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝１３５°になる。燃焼室５２の容積は更に減少する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１が更に逆回転し回転角θｈ＝−４５°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝９０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、更に減少する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝１８０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは冷却部２４にだけ接するようになる。このため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は更に下がり、作動ガス圧は低下し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａは更にその容積を少なくするような力を受けるので、ロータリーハウジング１１は図４（５）の状態になろうとする。

図４（５）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝６０°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝１８０°になる。燃焼室５２の容積は更に減少する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−６０°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝１２０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、更に減少する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝２１０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱部２３に接し始めるが、冷却部２４に多く接しているため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は更に下がり、作動ガス圧は低下し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積を少なくするような力を受け、ロータリーハウジング１１は図４（６）の状態になろうとする。

図４（６）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝７５°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝２２５°になる。燃焼室５２の容積は更に減少する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−７５°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝１５０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、更に減少する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝２４０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱部２３への接面積を増加させるが、冷却部２４に多く接しているため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は下がり、作動ガス圧は低下し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積を少なくするような力を受け、ロータリーハウジング１１は図４（７）の状態になろうとする。

図４（７）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝９０°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝２７０°になる。燃焼室５２の容積は最小になる。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−９０°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝１８０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、最小になる。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝２７０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱部２３と冷却部２４とに同じ面積で接するため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は低いまま変化せず、作動ガス圧も変化がなく、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａは力を受けない状態になる。しかし、慣性力により回転は継続されロータリーハウジング１１は図４（８）の状態に移行する。

図４（８）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝１０５°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝３１５°になる。燃焼室５２の容積は僅かに増加する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−１０５°、スターリングエンジン用エキセントリンクシャフト４０の回転角θｓ＝２１０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、僅かに増加する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝３００°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱部２３への接面積を増加させるため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は上がり始める、作動ガス圧は上昇しはじめ、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積を増加させるような力を受け、ロータリーハウジング１１は図５（９）の状態になろうとする。

図５（９）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝１２０°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝３６０°になる。燃焼室５２の容積はさらに増加する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−１２０°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝２４０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、さらに増加する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝３３０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱部２３への接面積を増加させるため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は上がり、作動ガス圧は上昇し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積をさらに増加させるような力を受け、ロータリーハウジング１１は図５（１０）の状態になろうとする。

図５（１０）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝１３５°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝４０５°になる。燃焼室５２の容積はさらに増加する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−１３５°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝２７０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、さらに増加する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝３６０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは加熱部２３にだけ接するようになり、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は上がり続け、作動ガス圧は上昇し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積をさらに増加させるような力を受け、ロータリーハウジング１１は図５（１１）の状態になろうとする。

図５（１１）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝１５０°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝４５０°になる。燃焼室５２の容積はさらに増加する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−１５０°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝３００°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、さらに増加する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝３９０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは冷却部２４に僅かに接するようになるが、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は上がり続け、作動ガス圧は上昇し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積をさらに増加させるような力を受け、ロータリーハウジング１１は図５（１２）の状態になろうとする。

図５（１２）において、ロータリーエンジンではローター５０の回転角θｒ＝１６５°となり、ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト６０の回転角θｓ＝４９５°になる。燃焼室５２の容積はさらに増加する。一方、ロータリースターリングエンジンでは、ロータリーハウジング１１がさらに逆回転し回転角θｈ＝−１６５°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝３３０°となり、ピストン室Ａ１２Ａの容積はロータリーエンジンと同様、さらに増加する。このとき、ロータリーディスプレーサＡ２２Ａの回転角θｄ＝４２０°となり、容積室Ａ２１Ａ内の作動ガスは冷却部２４への接面積を増加させるが加熱部２３への接面積の方が大きいため、容積室Ａ２１Ａの作動ガスの温度は上がり、作動ガス圧は上昇し、連結パイプＡ３０ａで接続されているピストン室Ａ１２Ａはその容積を増加させるような力を受け、ロータリーハウジング１１は図３（１）の初期状態になろうとし、慣性力も作用して回転は継続される。

次に図６から図８でロータリースターリングエンジンのパワーピストン１０に接している３つのピストン室１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃと、これらに対応するロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃとの位相関係および動作状態を説明する。

図６（１）は動作初期状態であり、図３（１）に対応する。

図６（１）において、ピストン室Ａ１２Ａは容積が最大であり、ピストン室Ｂ１２Ｂおよびピストン室Ｃ１２Ｃはともに最大容積の約１／４となっている。対応するディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの回転角をそれぞれθｄ＝９０°、２１０°、３３０°に設定する。このとき前述したように、容積室Ａ２１Ａの作動ガスはロータリーディスプレーサＡ２２Ａにより加熱部２３と冷却部２４に同じ面積で接しているため圧力の変化はなく、ピストン室Ａ１２Ａに接するロータリーハウジング１１には回転力が働かない。

しかし、容積室Ｂ２１Ｂの作動ガスはロータリーディスプレーサＢ２２Ｂにより冷却部２４に多く接しているため減圧方向に状態変化し、ピストン室Ｂ１２Ｂの容積が減少する方向、すなわちロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させる力を発生する。

また、容積室Ｃ２１Ｃの作動ガスはロータリーディスプレーサＣ２２Ｃにより加熱部２３に多く接しているため加圧方向に状態変化し、ピストン室Ｃ１２Ｃの容積が増加する方向、すなわちロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させる力を発生する。結果として、ロータリースターリングエンジンは図６（２）の状態になろうとする。

図６（２）において、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１５°、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝３０°となり、ロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃはそれぞれ３０°進角する。その結果、容積室Ａ２１Ａの作動ガスはロータリーディスプレーサＡ２２Ａにより冷却部２４に多く接することになり、減圧方向に変化するので、ピストン室Ａ１２Ａは減圧し、これに接するロータリーハウジング１１には反時計方向の回転力が発生する。一方、容積室Ｂ２１Ｂの作動ガスはロータリーディスプレーサＢ２２Ｂにより冷却部２４に多く接しているため、減圧方向に状態変化し、ピストン室Ｂ１２Ｂの容積が減少する方向、すなわちロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させる力を発生する。また、容積室Ｃ２１Ｃの作動ガスはロータリーディスプレーサＣ２２Ｃによりそのほとんどが加熱部２３に接するため加圧方向に状態変化し、ピストン室Ｃ１２Ｃの容積を増加する方向、すなわちロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させる力を発生する。結果として、ロータリースターリングエンジンは図６（３）の状態になろうとする。

以下、図６（３）（４）、図７（５）（６）（７）（８）、図８（９）（１０）（１１）（１２）の各回転部位の動作状態は上記したと同様な回転、すなわちロータリーハウジング１１は反時計方向に回転し、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０は時計方向にロータリーハウジング１１の２倍の速度で回転する。

動作状態図８（１２）の次のステップでは、ロータリースターリングエンジンは図６（１）の初期状態にもどり、回転運動は継続される。

なお、上記ではロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを対応するピストン室１２Ａ，１２Ｂ、１２Ｃに対し９０°位相の進んだ位置に固定されている状態で説明したが、固定位置は９０°に限定されるものではなく任意の位置に固定してもよい。また、加熱冷却器２０での熱の伝達遅れや連結パイプ３０ａ、３０ｂ、３０ｃの長さの差により作動ガス圧の伝達時間に差が発生するため、最適な動作タイミングに合わせるには、スターリングエンジン用エキセントリックシャフト４０へのロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの固定位置を個別に調整できるようにするとよい。

以上、本発明のロータリースターリングエンジンについて機械的動作にかかわる各部の動きを説明したが、次に熱伝達部の構造上の工夫について図１および図２を用いて説明する。

加熱冷却器２０は外部の温度を内部の作動ガスに効率よく伝達させるため、たとえばアルミニウム合金やステンレス材料などの高熱伝導材で加熱部２３と冷却部２４を構成する。一方、ロータリーディスプレーサの軸受部２５は温度差の大きい加熱部２３と冷却部２４に挟まれる位置にあるため、たとえば低熱伝導材料であるエンジニアリングプラスチックで構成し、高温の加熱部２３から低温の冷却部２４への無駄な熱エネルギーの流れを阻止する材料構成とすれば、結果としてロータリースターリングエンジンのエネルギー変換効率を高めることができる。

以上、本発明のγ形スターリングエンジンへの適用について説明した。

以下、本発明の他の実施例として、膨張ピストンと圧縮ピストンとからなるα形スターリングエンジンについて、まず第１の方式の適用例を図９から図１７を用いて説明する。

図９および図１０でその構造および各部の基本的な動きを説明する。図９中央は本発明のα形スターリングエンジンの第１の方式を示す正面断面図であり、両側は軸方向左側から見た膨張ピストン部１１９および圧縮ピストン部２１９の側面断面図である。図１０はその構造をわかり易くするための分解斜視図であり、ピストンハウジング部の側板を外し、本体（２）からエキセントリックシャフト（１）を取り出した図となっている。

膨張ピストン部１１９は、通常のロータリーエンジンのローターを固定膨張ピストン１１０として固定するとともに、ステーターは固定せず回転膨張ピストンハウジング１１１として偏芯回転できるようにした。一方、圧縮ピストン部２１９は、通常のロータリーエンジンのローターを固定圧縮ピストン２１０として固定するとともに、ステーターは固定せず回転圧縮ピストンハウジング２１１として偏芯回転できるようにした。固定膨張ピストン１１０および固定圧縮ピストン２１０は適当な間隔を隔てて互いに中心軸が一致するよう固定ピストンシャフト５１０に連結、固定し、一体化されている。膨張ピストン部１１９および圧縮ピストン部２１９を貫通するエキセントリックシャフト４１０は、固定膨張ピストン１１０および固定圧縮ピストン２１０の中心軸に回転軸を一致させ、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１を同期回転させると同時に、外部に回転動力として取り出す機構とした。

固定膨張ピストン１１０と回転膨張ピストンハウジング１１１で形成される３個の膨張ピストン室をそれぞれ１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃとする。一方、固定圧縮ピストン２１０と回転圧縮ピストンハウジング２１１で形成される３個の圧縮ピストン室をそれぞれ２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃとする。膨張ピストン室１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃと圧縮ピストン室２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃは、それぞれ対応する固定膨張ピストン１１０に設けられた吸排気口１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと固定圧縮ピストン２１０に設けられた吸排気口２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃとを３個の再生器７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃを介して連結パイプで連結する。再生器７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃは固定ピストンシャフト５１０に固定されている。なお、図９では図が煩雑になるので、再生器Ｂ７００Ｂ、再生器Ｃ７００Ｃおよびそれらの連結パイプを図示しなかった。

次に図１１から図１３で膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合の動作原理を説明する。図１１から図１３において、左側には膨張ピストンの動きを、右側には圧縮ピストンの動きを示す。各回転体には矢印を付記し回転の状態を明示するとともに、図中左欄には初期状態を基準とし時計回りを正方向として、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１の回転角をθｈおよびエキセントリックシャフト４１０の回転角θｓを示した。

回転ピストンハウジングおよびエキセントリックシャフトの動きは実施例１の図３から図５で説明したと同様に、通常のロータリーエンジンのローターに相当する固定膨張ピストン１１０および固定圧縮ピストン２１０を固定したため、相対的に回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１が膨張ピストンギア１０３および圧縮ピストンギア２０３をガイドに独立に偏芯しながら逆回転するする。一方、両者を貫通するエキセントリックシャフト４１０は膨張ピストンギア１０３および圧縮ピストンギア２０３の中心を中心軸として２倍速で正回転する。

膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合、膨張ピストン部１１９に対し圧縮ピストン部２１９のエキセントリックシャフト４１０の偏芯角を−９０°に設定する。このとき、回転膨張ピストンハウジング１１１に対し回転圧縮ピストンハウジング２１１は４５°進んだ状態となる。

以下、図１１（１）の状態を動作初期状態として各部の動きと膨張ピストン室Ａ１０２Ａおよび圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積変化を説明する。なお、膨張ピストン部１１９は外部より加熱されており、圧縮ピストン部２１９は外部より冷却されているものとする。

図１１（１）において、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積は最大であり、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積はその約１／２となっている。圧縮ピストン室Ａ２０２Ａに入っている作動ガス量より膨張ピストン室Ａ１０２Ａに入っている作動ガス量の方が多いため作動ガス総量は膨張し、両ピストン室の容積和が大きくなる図１１（２）に状態が変化する。すなわち、図１１（２）は回転膨張ピストンハウジング１１１がθｈ＝−１５°偏芯回転し、やや膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積を減少させるが、回転圧縮ピストンハウジング２１１もθｈ＝−１５°偏芯回転し、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積は増加する。両ピストン室は膨張ピストン吸排気口ａ１０２ａから再生器Ａ７００Ａを通り圧縮ピストン吸排気口ａ２０２ａに通じているため、両ピストン室の容積和は増加する。このとき、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝３０°回転する。図１７（１）に膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移を示した。

図１１（２）の状態においても、やや膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅの方が圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多いため、更に回転は進み図１１（３）の状態に変化する。すなわち、図１１（３）では、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１がθｈ＝−３０°に偏芯回転し、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝６０°回転する。膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移は図１７（１）に示した。

次に、図１１（３）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅより圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃがやや多くなり、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを減少させる方向に状態が変化する。すなわち、さらに回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１がθｈ＝−４５°に偏芯回転し、図１１（４）の状態になる。このとき、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝９０°に回転する。

図１１（３）から図１２（８）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅより圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃが多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを減少させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１は反時計方向に偏芯回転し、図１３（９）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１はθｈ＝−１２０°、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝２４０°に回転する。

次に、図１３（９）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅは圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃよりがやや多くなり、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを増加させる方向に状態が変化する。すなわち、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１はさらに反時計方向に偏芯回転し、図１３（１０）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１はθｈ＝−１３５°、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝２７０°に回転する。

図１３（９）から図１３（１２）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅは圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを増加させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１は反時計方向に偏芯回転し、図１１（１）の状態にもどる。すなわち、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１はθｈ＝−１８０°、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝３６０°に回転する。以降、同様な過程を繰り返し、回転は継続される。

以上、回転の動作原理を膨張ピストン室Ａ１０２Ａと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの各容積変化で説明したが、膨張ピストン室Ｂ１０２Ｂと圧縮ピストン室Ｂ２０２Ｂについても、また膨張ピストン室Ｃ１０２Ｃと圧縮ピストン室Ｃ２０２Ｃについても、１２０°および２４０°の位相差を持って同様な容積変化が起こり、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１を偏芯回転させることに寄与し、エキセントリックシャフト４１０に回転動力を生じる。すなわち、３組のα形スターリングエンジンが１２０°の位相差で組合され統合された構成になっている。

以上、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合の動作原理について説明したが、膨張ピストン部１１９と圧縮ピストン部２１９との温度差が低い場合、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化の位相差を大きく調整することがある。次に、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化の位相差を１２０°に調整する場合の動作原理を以下図１４から図１６を用いて説明する。

まず、図１４（１）に示すように、膨張ピストン部１１９に対し圧縮ピストン部２１９のエキセントリックシャフト４１０の偏芯角を−１２０°に設定する。その結果、回転膨張ピストンハウジング１１１に対し回転圧縮ピストンハウジング２１１は６０°進んだ状態となる。これを動作初期状態とする。

図１４（１）において、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積は最大であり、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積はその１／３以下となっている。圧縮ピストン室Ａ２０２Ａに入っている作動ガス量より膨張ピストン室Ａ１０２Ａに入っている作動ガス量の方が多いため作動ガス総量は膨張し、両ピストン室の容積和が大きくなる図１４（２）に状態が変化する。すなわち、図１４（２）は回転膨張ピストンハウジング１１１がθｈ＝−１５°偏芯回転し、やや膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積を減少させるが、回転圧縮ピストンハウジング２１１もθｈ＝−１５°偏芯回転し、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積は増加する。両ピストン室は膨張ピストン吸排気口ａ１０２ａから再生器Ａ７００Ａを通り圧縮ピストン吸排気口ａ２０２ａに通じているため、両ピストン室の容積和は増加する。このとき、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝３０°回転する。図１７（２）に膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移を示した。

図１４（２）の状態においても、やや膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅの方が圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多いため、更に回転は進み図１４（３）の状態に変化する。すなわち、図１４（３）では、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１がθｈ＝−３０°に偏芯回転し、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝６０°回転する。膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移は図１７（２）に示した。

次に、図１４（３）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃは等しく、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１には回転力は作用しない。しかし、慣性力の作用により回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１は偏芯回転し図１４（４）の状態、すなわちθｈ＝−４５°、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝９０°に回転する。

図１４（４）から図１５（８）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅより圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃが多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを減少させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１は反時計方向に偏芯回転し、図１６（９）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１はθｈ＝−１２０°、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝２４０°に回転する。

次に、図１６（９）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃは等しく、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１には回転力は作用しない。しかし、慣性力の作用により回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１は偏芯回転し、図１６（１０）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１はθｈ＝−１３５°、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝２７０°に回転する。

図１６（１０）から図１６（１２）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅは圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを増加させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１は反時計方向に偏芯回転し、図１４（１）の状態にもどる。すなわち、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１はθｈ＝−１８０°、エキセントリックシャフト４１０はθｓ＝３６０°に回転する。以降、同様な過程を繰り返し、回転は継続される

以上、回転の動作原理を膨張ピストン室Ａ１０２Ａと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの各容積変化で説明したが、膨張ピストン室Ｂ１０２Ｂと圧縮ピストン室Ｂ２０２Ｂについても、また膨張ピストン室Ｃ１０２Ｃと圧縮ピストン室Ｃ２０２Ｃについても、１２０°および２４０°の位相差で同様な容積変化が起こり、回転膨張ピストンハウジング１１１および回転圧縮ピストンハウジング２１１を偏芯回転させることに寄与し、エキセントリックシャフト４１０に回転動力を生じる。すなわち、３組のα形スターリングエンジンが１２０°の位相差で組合され統合された構成になっている。

以上、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合と１２０°の位相差を持つ場合との動作原理について説明したが、任意の位相差に調整することが可能である。

以上、本発明のα形スターリングエンジンについて、第１の方式の適用例を説明した。次に、第２の方式の適用例を図１８から図２６を用いて説明する。

第２の方式は前述した様に、上記した第１の方式の回転部位と固定部位とを交替させた構造となっている。以下、図１８および図１９でその構造および各部の基本的な動きを説明する。

図１８中央は本発明のα形スターリングエンジンの第２の方式を示す正面断面図であり、両側は軸方向左側から見た膨張ピストン部１２９および圧縮ピストン部２２９の側面断面図である。図１９はその構造をわかり易くするための分解斜視図であり、ピストンハウジング部の側板を外し、本体（２）からエキセントリックシャフト（１）を取り出した図となっている。

膨張ピストン部１２９は、通常のロータリーエンジンのローターと同様に回転膨張ピストン１２０として偏芯回転するとともに、ステーターは固定し固定膨張ピストンハウジング１２１として固定する。一方、圧縮ピストン部２２９は、通常のロータリーエンジンのローターと同様に回転圧縮ピストン２２０として偏芯回転するとともに、ステーターは固定し固定圧縮ピストンハウジング２２１として固定する。回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は適当な間隔を隔てて互いに中心軸が一致するよう回転ピストンシャフト５２０に連結し、一体化して偏芯回転できるようになっている。膨張ピストン部１２９および圧縮ピストン部２２９を貫通するエキセントリックシャフト４２０は、固定膨張ピストンハウジング１２１および固定圧縮ピストンハウジング２２１の中心軸に回転軸を一致させ、一体化された回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０を偏芯回転させると同時に、外部に回転動力として取り出す機構とした。

回転膨張ピストン１２０と固定膨張ピストンハウジング１２１で形成される３個の膨張ピストン室をそれぞれ１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃとする。一方、回転圧縮ピストン２２０と固定圧縮ピストンハウジング２２１で形成される３個の圧縮ピストン室をそれぞれ２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃとする。膨張ピストン室１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃと圧縮ピストン室２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃは、それぞれ対応する回転膨張ピストン１２０に設けられた吸排気口１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと回転圧縮ピストン２２０に設けられた吸排気口２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃとを３個の再生器７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃを介して連結パイプで連結する。再生器７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃは回転ピストンシャフト５２０に固定、一体化され回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０とともに偏芯回転する。なお、図１８および図１９では図が煩雑になるので、再生器Ｂ７００Ｂ、再生器Ｃ７００Ｃおよびそれらの連結パイプを図示しなかった。

次に図２０から図２２で膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合の動作原理を説明する。図２０から図２２において、左側には膨張ピストンの動きを、右側には圧縮ピストンの動きを示す。各回転体には矢印を付記し回転の状態を明示するとともに、図中左欄には初期状態を基準とし時計回りを正方向として、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０の回転角をθｐおよびエキセントリックシャフト４２０の回転角θｓを示した。

回転膨張ピストン１２０、回転圧縮ピストン２２０およびエキセントリックシャフト４２０の動きは、通常のロータリーエンジンと同様、エキセントリックシャフト４２０は、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０の回転の３倍速で回転する。

膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合、膨張ピストン部１２９、圧縮ピストン部２２９およびエキセントリックシャフト４２０の初期状態を図２０（１）に示すように設定する。すなわち、固定膨張ピストンハウジング１２１に対し固定圧縮ピストンハウジング２２１は４５°傾斜した状態に固定し、回転膨張ピストン１２０に対し回転圧縮ピストン２２０は９０°進んだ状態に連結させる。膨張ピストン部１２９および圧縮ピストン部２２９のエキセントリックシャフト４２０の偏芯方向は一致させる。

以下、図２０（１）の状態を動作初期状態として各部の動きと膨張ピストン室Ａ１０２Ａおよび圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積変化を説明する。なお、膨張ピストン部１２９は外部より加熱されており、圧縮ピストン部２２９は外部より冷却されているものとする。

図２０（１）において、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積は最大であり、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積はその約１／２となっている。圧縮ピストン室Ａ２０２Ａに入っている作動ガス量より膨張ピストン室Ａ１０２Ａに入っている作動ガス量の方が多いため作動ガス総量は膨張し、両ピストン室の容積和が大きくなる図２０（２）に状態が変化する。すなわち、図２０（２）は回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０がθｐ＝１５°偏芯回転し、やや膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積を減少させるが、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積は増加する。両ピストン室は膨張ピストン吸排気口ａ１０２ａから再生器Ａ７００Ａを通り圧縮ピストン吸排気口ａ２０２ａに通じているため、両ピストン室の容積和は増加する。このとき、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝４５°回転する。図２６（１）に膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移を示した。

図２０（２）の状態においても、やや膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅの方が圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多いため、更に回転は進み図２０（３）の状態に変化する。すなわち、図２０（３）では、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０がθｐ＝３０°に偏芯回転し、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝９０°回転する。膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移は図２６（１）に示した。

次に、図２０（３）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅより圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃがやや多くなり、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを減少させる方向に状態が変化する。すなわち、さらに回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０がθｐ＝４５°に偏芯回転し、図２０（４）の状態になる。このとき、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝１３５°に回転する。

図２０（３）から図２１（８）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅより圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃが多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを減少させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は偏芯回転し、図２２（９）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０はθｐ＝１２０°、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝３６０°に回転する。

次に、図２２（９）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅは圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃよりがやや多くなり、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを増加させる方向に状態が変化する。その結果、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は偏芯回転し、図２２（１０）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０はθｐ＝１３５°、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝４０５°に回転する。

図２２（９）から図２２（１２）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅは圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを増加させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は偏芯回転し、θｐ＝１８０°、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝５４０°に回転する。これは１８０°回転しているが図２０（１）と同じ状態であり、以降も同様な過程を繰り返し回転は継続される。すなわち、図２６（１）から分かるように、スターリングエンジンとしての１周期はピストン回転角θｐ＝１８０°に相当する。また、スターリングエンジンとしての膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化位相差９０°はピストン回転角θｐ＝４５°に相当する。

以上、回転の動作原理を膨張ピストン室Ａ１０２Ａと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの各容積変化で説明したが、膨張ピストン室Ｂ１０２Ｂと圧縮ピストン室Ｂ２０２Ｂについても、また膨張ピストン室Ｃ１０２Ｃと圧縮ピストン室Ｃ２０２Ｃについても、１２０°および２４０°の位相差を持って同様な容積変化が起こり、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０を偏芯回転させることに寄与し、エキセントリックシャフト４２０に回転動力を生じる。すなわち、３組のα形スターリングエンジンが１２０°の位相差で組合され統合された構成になっている。

以上、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合の動作原理について説明したが、膨張ピストン部１２９と圧縮ピストン部２２９との温度差が低い場合、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化の位相差を大きく調整することがある。たとえば、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化の位相差を１２０°に調整する場合の動作原理を以下図２３から図２５を用いて説明する。

膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が１２０°の位相差を持つ場合、膨張ピストン部１２９、圧縮ピストン部２２９およびエキセントリックシャフト４２０の初期状態を図２３（１）に示すように設定する。すなわち、固定膨張ピストンハウジング１２１と固定圧縮ピストンハウジング２２１の長径方向を一致させ固定する。回転膨張ピストン１２０に対し回転圧縮ピストン２２０は１２０°進んだ状態に連結させる。膨張ピストン部１２９および圧縮ピストン部２２９のエキセントリックシャフト４２０の偏芯方向は一致させる。

図２３（１）の状態を動作初期状態とする。図２３（１）において、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積は最大であり、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積はその１／３以下となっている。圧縮ピストン室Ａ２０２Ａに入っている作動ガス量より膨張ピストン室Ａ１０２Ａに入っている作動ガス量の方が多いため作動ガス総量は膨張し、両ピストン室の容積和が大きくなる図２３（２）に状態が変化する。すなわち、図２３（２）では回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０がθｐ＝１５°偏芯回転し、やや膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積を減少させるが、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積は増加する。両ピストン室は膨張ピストン吸排気口ａ１０２ａから再生器Ａ７００Ａを通り圧縮ピストン吸排気口ａ２０２ａに通じているため、両ピストン室の容積和は増加する。このとき、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝４５°回転する。図２６（２）に膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移を示した。

図２３（２）の状態においても、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅの方が圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多いため、更に回転は進み図２３（３）の状態に変化する。すなわち、図２３（３）では、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０がθｐ＝３０°に偏芯回転し、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝９０°回転する。膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅ、圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃおよび両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃの推移は図２６（２）に示した。

次に、図２３（３）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃは等しく、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０には回転力は作用しない。しかし、慣性力の作用により回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は偏芯回転し図２３（４）の状態、すなわちθｐ＝４５°、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝１３５°に回転する。

図２３（４）から図２４（８）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅより圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃが多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを減少させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は偏芯回転し、図２５（９）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０はθｐ＝１２０°、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝３６０°に回転する。

次に、図２５（９）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃは等しく、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０には回転力は作用しない。しかし、慣性力の作用により回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は偏芯回転し、図２５（１０）の状態になる。すなわち、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０はθｐ＝１３５°、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝４０５°に回転する。

図２５（１０）から図２５（１２）の状態では、膨張ピストン室Ａ１０２Ａの容積Ｖｅは圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの容積Ｖｃより多く、両ピストン室の容積和Ｖｅ＋Ｖｃを増加させる方向に状態が変化し続ける。その結果、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０は偏芯回転し、θｐ＝１８０°、エキセントリックシャフト４２０はθｓ＝５４０°に回転する。これは１８０°回転しているが図２３（１）と同じ状態であり、以降も同様な過程を繰り返し回転は継続される。すなわち、図２６（２）から分かるように、スターリングエンジンとしての１周期はピストン回転角θｐ＝１８０°に相当する。また、スターリングエンジンとしての膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化位相差１２０°はピストン回転角θｐ＝６０°に相当する。

以上、回転の動作原理を膨張ピストン室Ａ１０２Ａと圧縮ピストン室Ａ２０２Ａの各容積変化で説明したが、膨張ピストン室Ｂ１０２Ｂと圧縮ピストン室Ｂ２０２Ｂについても、また膨張ピストン室Ｃ１０２Ｃと圧縮ピストン室Ｃ２０２Ｃについても、１２０°および２４０°の位相差を持って同様な容積変化が起こり、回転膨張ピストン１２０および回転圧縮ピストン２２０を偏芯回転させることに寄与し、エキセントリックシャフト４２０に回転動力を生じる。すなわち、３組のα形スターリングエンジンが１２０°の位相差で組合され統合された構成になっている。

以上、膨張ピストン室と圧縮ピストン室の容積変化が９０°の位相差を持つ場合と１２０°の位相差を持つ場合と動作原理について説明したが、任意の位相差に調整することが可能である。

本発明は外燃機関としてよく知られているスターリングエンジンにかかわるものであり、温度差を動力に変換する熱機関であるが、逆に回転動力を入力し温度差を発生させるヒートポンプとしても利用可能である。

本発明の実施例１を説明するロータリースターリングエンジンの断面図 同分解斜視図 本発明の実施例１を説明するロータリースターリングエンジンの基本動作説明図 図３に続く基本動作説明図 図４に続く基本動作説明図 本発明の実施例１を説明するロータリースターリングエンジンの動作説明図 図６に続く動作説明図 図７に続く動作説明図 本発明の実施例２を説明するロータリースターリングエンジンの断面図 同分解斜視図 本発明の実施例２を説明するロータリースターリングエンジンの動作説明図 図１１に続く動作説明図 図１２に続く動作説明図 本発明の実施例２を説明するロータリースターリングエンジンの動作説明図 図１４に続く動作説明図 図１５に続く動作説明図 本発明の実施例２を説明するロータリースターリングエンジンのピストン容積推移図 本発明の実施例３を説明するロータリースターリングエンジンの断面図 同分解斜視図 本発明の実施例３を説明するロータリースターリングエンジンの動作説明図 図２０に続く動作説明図 図２１に続く動作説明図 本発明の実施例３を説明するロータリースターリングエンジンの動作説明図 図２３に続く動作説明図 図２４に続く動作説明図 本発明の実施例３を説明するロータリースターリングエンジンのピストン容積推移図

符号の説明

１０ パワーピストン
１１ ロータリーハウジング
１２Ａ ピストン室Ａ
１２Ｂ ピストン室Ｂ
１２Ｃ ピストン室Ｃ
１３ パワーピストンギア
１４ ロータリーハウジングギア
２０ 加熱冷却器
２１Ａ 容積室Ａ
２１Ｂ 容積室Ｂ
２１Ｃ 容積室Ｃ
２２Ａ ロータリーディスプレーサＡ
２２Ｂ ロータリーディスプレーサＢ
２２Ｃ ロータリーディスプレーサＣ
２３ 加熱部
２４ 冷却部
２５ 軸受部
３０ａ 連結パイプＡ
３０ｂ 連結パイプＢ
３０ｃ 連結パイプＣ
４０ スターリングエンジン用エキセントリックシャフト
５０ ローター
５１ ステーター
５２ 燃焼室
６０ ロータリーエンジン用エキセントリックシャフト
１１９ 膨張ピストン部
１１０ 固定膨張ピストン
１１１ 回転膨張ピストンハウジング
２１９ 圧縮ピストン部
２１０ 固定圧縮ピストン
２１１ 回転圧縮ピストンハウジング
４１０ エキセントリックシャフト
５１０ 固定ピストンシャフト
１２９ 膨張ピストン部
１２０ 回転膨張ピストン
１２１ 固定膨張ピストンハウジング
２２９ 圧縮ピストン部
２２０ 回転圧縮ピストン
２２１ 固定圧縮ピストンハウジング
４２０ エキセントリックシャフト
５２０ 回転ピストンシャフト
１０２Ａ 膨張ピストン室Ａ
１０２Ｂ 膨張ピストン室Ｂ
１０２Ｃ 膨張ピストン室Ｃ
１０２ａ 膨張ピストン吸排気口ａ
１０２ｂ 膨張ピストン吸排気口ｂ
１０２ｃ 膨張ピストン吸排気口ｃ
１０３ 膨張ピストンギア
１０４ 膨張ハウジングギア
２０２Ａ 圧縮ピストン室Ａ
２０２Ｂ 圧縮ピストン室Ｂ
２０２Ｃ 圧縮ピストン室Ｃ
２０２ａ 圧縮ピストン吸排気口ａ
２０２ｂ 圧縮ピストン吸排気口ｂ
２０２ｃ 圧縮ピストン吸排気口ｃ
２０３ 圧縮ピストンギア
２０４ 圧縮ハウジングギア
７００Ａ 再生器Ａ
７００Ｂ 再生器Ｂ
７００Ｃ 再生器Ｃ

Claims (3)

1. ロータリーエンジンのローターをパワーピストンとして加熱冷却器に固定するとともに、該ロータリーエンジンのステーターを固定せずロータリーハウジングとして偏芯回転できるようにし、該ロータリーエンジンのエキセントリックシャフトの回転中心を該パワーピストンの中心軸に一致させ外部に回転動力として取り出す機構とし、該加熱冷却器に３個の円筒状容積室を設け、該各容積室と該パワーピストンのピストン室側の３面に設けられた吸排気口とを個別に連結パイプで連結し、該各円筒状容積室にはそれぞれロータリーディスプレーサを１２０°の位相差で配置して、該ロータリーディスプレーサを該エキセントリックシャフトと同期して回転できるようにしたことを特徴とするロータリースターリングエンジン。
2. 膨張ピストン部は、ロータリーエンジンのローターを固定膨張ピストンとして固定するとともに、ステーターを固定せず回転膨張ピストンハウジングとして偏芯回転できるようにし、
   圧縮ピストン部は、ロータリーエンジンのローターを固定圧縮ピストンとして固定するとともに、ステーターを固定せず回転圧縮ピストンハウジングとして偏芯回転できるようにし、
   該固定膨張ピストンおよび該固定圧縮ピストンは適当な間隔を隔てて互いに中心軸が一致するよう固定ピストンシャフトに連結、固定し、
   膨張ピストン部および圧縮ピストン部を貫通するエキセントリックシャフトは、該固定膨張ピストンおよび該固定圧縮ピストンの中心軸に回転軸を一致させ、該回転膨張ピストンハウジングおよび回転圧縮ピストンハウジングを同期回転させると同時に、外部に回転動力として取り出す機構とし、
   該エキセントリックシャフトの回転に同期して体積が変化する該固定膨張ピストンと該回転膨張ピストンハウジングで形成される３個の膨張ピストン室および該固定圧縮ピストンと該回転圧縮ピストンハウジングで形成される３個の圧縮ピストン室は、それぞれ対応する該固定膨張ピストン側に設けられた吸排気口と該固定圧縮ピストン側に設けられた吸排気口とを３個の再生器を介して連結パイプで連結したことを特徴とするロータリースターリングエンジン。
3. 膨張ピストン部は、ロータリーエンジンのローターを回転膨張ピストンとして偏芯回転できるようにするとともに、ステーターを固定膨張ピストンハウジングとして固定し、
   圧縮ピストン部は、ロータリーエンジンのローターを回転圧縮ピストンとして偏芯回転できるようにするとともに、ステーターを固定圧縮ピストンハウジングとして固定し、
   該固定膨張ピストンハウジングおよび該固定圧縮ピストンハウジングは適当な間隔を隔てて互いの中心が一致するように固定し、
   該回転膨張ピストンおよび該回転圧縮ピストンは互いの中心軸を一致させ、同期して偏芯回転できるように回転ピストンシャフトに連結、一体化し、
   膨張ピストン部および圧縮ピストン部を貫通するエキセントリックシャフトは、該固定膨張ピストンハウジングおよび該固定圧縮ピストンハウジングの中心軸に回転軸を一致させ、該回転ピストンシャフトを介して一体化された該回転膨張ピストンおよび該回転圧縮ピストンを偏芯回転させると同時に、外部に回転動力として取り出す機構とし、
   該エキセントリックシャフトに対し２／３倍の速度で変化する該回転膨張ピストンと該固定膨張ピストンハウジングで形成される３個の膨張ピストン室および該回転圧縮ピストンと該固定圧縮ピストンハウジングで形成される３個の圧縮ピストン室は、それぞれ対応する該回転膨張ピストン側に設けられた吸排気口と該回転圧縮ピストン側に設けられた吸排気口とを３個の再生器を介して連結パイプで連結したことを特徴とするロータリースターリングエンジン。

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