JP5597574B2 - スターリングエンジン - Google Patents
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Description
前記加熱側シリンダ10内の流体を加熱する加熱器60と,前記冷却側シリンダ20内の流体を冷却する冷却器70をそれぞれ設け,
前記加熱側シリンダ10及び冷却側シリンダ20における流体の導入口12,22及び排出口13,23の形成側の死点を前記加熱側ピストン11及び冷却側ピストン21の上死点とし,
前記加熱側ピストン11が上死点と下死点との間の中間点から下死点に至る膨張サイクル(図2におけるT0−T1)において前記加熱側シリンダ10と該加熱側シリンダ10に連通する前記加熱器60内の空間を,前記冷却側シリンダ20より遮断すると共に密閉し,前記冷却側ピストン21が下死点から中間点に至る収縮サイクル(図2におけるT2−T3)において,前記冷却側シリンダ20と該冷却側シリンダ20に連通する前記冷却器70内の空間を,前記加熱側シリンダ10より遮断すると共に密閉するバルブ機構(実施例においてロータリバルブ81〜84)を設けたことを特徴とする(請求項1)。
前記冷却側シリンダ20の前記導入口22に連通された冷却器70の入口と,前記加熱側シリンダ10の排出口13間を連通する冷却側通路51をそれぞれ設け,
前記バルブ機構を,
前記加熱側ピストン11が中間点から下死点に至る前記膨張サイクル(図2中のT0−T1)において前記加熱側通路41及び冷却側通路51のいずれ共に閉じ,
前記加熱側ピストン11が下死点から中間点に至るサイクル(図2中のT1−T2)において前記冷却側通路51を開くと共に前記加熱側通路41を閉じ,
前記冷却側ピストン21が下死点から中間点に至る前記収縮サイクル(図2中のT2−T3)において前記冷却側通路51及び前記加熱側通路41のいずれ共に閉じ,
前記冷却側ピストン21が中間点から上死点に至るサイクル(図2中のT3−T0)において前記加熱側通路41を開くと共に前記冷却側通路51を閉じる,開閉弁(実施形態においてロータリバルブ81〜84)によって構成するものとしても良い(請求項2)。
前記加熱側ピストン11が中間点から下死点に至る前記膨張サイクル(図2中のT0−T1)において前記第1バルブ81,第2バルブ82,第4バルブ84を閉じると共に前記第3バルブ83を開き〔図3(A)〕,
前記加熱側ピストン11が下死点から中間点に至るサイクル(図2中のT1−T2)において前記第1バルブ81,第2バルブ82,第3バルブ83を開くと共に,第4バルブ84を閉じ〔図3(B)〕,
前記加熱側ピストン11が中間点から上死点に至る前記収縮サイクル(図2中のT2−T3)において第1バルブ81を開くと共に,第2バルブ82,第3バルブ83,第4バルブ84を閉じ〔図3(C)〕,
前記加熱側ピストン11が上死点から中間点に至るサイクル(図2中のT3−T0)において第1バルブ81,第3バルブ83,第4バルブ84を開くと共に第2バルブ82を閉じる〔図3(D)〕ように各バルブ81〜84を制御するようにしても良い(請求項3)。
前記加熱側シリンダ10及び冷却側シリンダ20の軸線上における前記上死点側の端部にそれぞれ導入口12,22を形成すると共に,
前記加熱器60の前記排気管68を前記加熱側シリンダ10の前記導入口12に連通して,前記加熱器60を前記加熱側シリンダ10の軸線延長上に配置すると共に,前記冷却器70の前記排気管78を前記冷却用シリンダ20の前記導入口22に連通して,前記冷却器70を前記冷却側シリンダ20の軸線延長上に配置した構成とすることもできる(請求項8)。
図1に,本発明の2ピストン形スターリングエンジン1の全体構成を示す。
以上のように構成された本発明の2ピストン形スターリングエンジン1の動作について,図1及び図2,図3を参照して説明する。
加熱側ピストン11が上死点側から中間点に到達した位置にあり,且つ,冷却側ピストン21が上死点に達した位置にある状態を原位置(T0),図3(A)とし,この位置から本発明の2ピストン形スターリングエンジン1の1サイクルの動作を説明すると,この位置に至る前の状態(T3−T0),図3(D)−(A)において第1バルブ81,第3バルブ83,第4バルブ84は開,第2バルブ82は閉の状態にあり,冷却側シリンダ20内の空気は排気されるとともに,加熱側シリンダ10は吸入し,空気は加熱器60で加熱されつつ加熱側シリンダ10内に移動されている。
このようにして,第1バルブ81及び第2バルブ82をいずれも閉じた状態として,加熱器60がケーシング61及び伝熱体63を介してケーシング61内の空気を加熱しつつ加熱側シリンダ10内に継続して吸入すると,この加熱された空気は膨張するが,前述したように第1バルブ81及び第2バルブ82はいずれも閉じた状態にあるために,加熱側シリンダ10とこれに連通する加熱器60のケーシング61内の空間62は,加熱側通路41及び冷却側通路51のいずれからも切り離された,密閉された状態となっている。
以上のようにして,加熱側ピストン11が下死点まで移動すると(T1),図3(B),それまで閉じていた第1バルブ81,第2バルブ82がいずれも開くと共に,第3バルブ83は開,第4バルブ84は閉を維持することから,加熱側シリンダ10は第2バルブ82,冷却側通路51,第3バルブ83及び冷却器70を介して冷却側シリンダ20に連通し,負圧となっていた冷却側通路51,冷却器70及び冷却側シリンダ20内に加熱側シリンダ10より排気された空気の導入が開始される。
冷却側ピストン21が下死点にあるとき(T2),図3(C),第3バルブ83及び第4バルブ84は閉位置にあり,冷却側シリンダ20及びこの冷却側シリンダ20の入口22に連通する冷却器70は,冷却側通路51及び加熱側通路41より遮断された,密閉された空間となっている。
クランクシャフト32に取り付けられたフライホイール33の回転により,クランクシャフト32に連結された加熱側ピストン11は上死点から中間点に向かって移動し,冷却側ピストン21は中間点から上死点に向かって移動する。
10 加熱側シリンダ
10a 上死点側端部
11 加熱側ピストン
11a ピストンロッド
11b クロスヘッド
11c コネクティングロッド
12 導入口
13 排出口
15 端板
16 入口流路
17 排気流路
20 冷却側シリンダ
20a 上死点側端部
21 冷却側ピストン
21a ピストンロッド
21b クロスヘッド
21c コネクティングロッド
22 導入口
23 排出口
25 端板
26 入口流路
27 排気流路
30 クランクケース
31 クランクアーム
32 クランクシャフト
33 フライホイール
41 加熱側通路
41a 伝熱部
42 排気補助容器
51 冷却側通路
51a 伝熱部
52 排気補助容器
60 加熱器
61 ケーシング(加熱器の)
61a 開口端部
62 空間(加熱器内の)
63 伝熱体
68 排気管
69 入口
70 冷却器
71 ケーシング(冷却器の)
71a 開口端部
72 空間(冷却器のケーシング内の)
73 伝熱体
74 水冷ジャケット
75 冷却水の流路
76 給水口
77 排水口
78 排気管
79 入口
81 第1バルブ(高温側吸入バルブ)
82 第2バルブ(高温側排気バルブ)
83 第3バルブ(低温側吸入バルブ)
84 第4バルブ(低温側排気バルブ)
90 再生器
91 伝熱体
100 スターリングエンジン(β形)
100’ スターリングエンジン(γ形)
110 加熱室
111 ディスプレーサ
112 パワーピストン
120 冷却室
130,130’,131 シリンダ
160 加熱器
170 冷却器
200 2ピストン形スターリングエンジン(α形)
210 加熱側シリンダ
210’ 加熱室
211 加熱側ピストン
220 冷却側シリンダ
220’ 冷却室
221 冷却側ピストン
230 連通路
260 加熱器
270 冷却器
Claims (11)
- 相互に連通する加熱側シリンダ及び冷却側シリンダ,前記加熱側シリンダに収容された加熱側ピストン,前記加熱側ピストンに対し90°の位相遅れを以て動作する,前記冷却側シリンダに収容された冷却側ピストンを備えた2ピストン形のスターリングエンジンにおいて,
前記加熱側シリンダ内の流体を加熱する加熱器と,前記冷却側シリンダ内の流体を冷却する冷却器をそれぞれ設け,
前記加熱側シリンダ及び冷却側シリンダにおける流体の導入口及び排出口の形成側の死点を前記加熱側ピストン及び冷却側ピストンの上死点とし,
前記加熱側ピストンが上死点と下死点との間の中間点から下死点に至る膨張サイクルにおいて前記加熱側シリンダと該加熱側シリンダに連通する前記加熱器内の空間を,前記冷却側シリンダより遮断すると共に密閉し,前記冷却側ピストンが下死点から中間点に至る収縮サイクルにおいて前記冷却側シリンダと該冷却側シリンダに連通する前記冷却器内の空間を,前記加熱側シリンダより遮断すると共に密閉するバルブ機構を設けたことを特徴とする2ピストン形スターリングエンジン。 - 前記加熱側シリンダの前記導入口に連通された前記加熱器の入口と,前記冷却側シリンダの前記排出口間を連通する加熱側通路と,
前記冷却側シリンダの前記導入口に連通された前記冷却器の入口と,前記加熱側シリンダの前記排出口間を連通する冷却側通路をそれぞれ設けると共に,
前記加熱側ピストンが中間点から下死点に至る前記膨張サイクルにおいて前記加熱側通路及び冷却側通路のいずれ共に閉じ,
前記加熱側ピストンが下死点から中間点に至るサイクルにおいて前記冷却側通路を開くと共に前記加熱側通路を閉じ,
前記冷却側ピストンが下死点から中間点に至る前記収縮サイクルにおいて前記冷却側通路及び前記加熱側通路のいずれ共に閉じ,
前記冷却側ピストンが中間点から上死点に至るサイクルにおいて前記加熱側通路を開くと共に前記冷却側通路を閉じる,開閉弁を前記バルブ機構として設けたことを特徴とする請求項1記載の2ピストン形スターリングエンジン。 - 前記開閉弁として,前記加熱側通路と前記加熱器の入口間に設けられた第1バルブ,前記加熱側シリンダの前記排出口と前記冷却側通路間に設けられた第2バルブ,前記冷却側通路と前記冷却器の入口間に設けた第3バルブ,及び前記冷却側シリンダの排出口と前記加熱側通路間に設けられた第4バルブを設け,
前記加熱側ピストンが中間点から下死点に至る前記膨張サイクルにおいて前記第1バルブ,第2バルブ,第4バルブを閉じると共に前記第3バルブを開き,
前記加熱側ピストンが下死点から中間点に至るサイクルにおいて前記第1バルブ,第2バルブ,第3バルブを開くと共に,第4バルブを閉じ,
前記加熱側ピストンが中間点から上死点に至る前記収縮サイクルにおいて第1バルブを開くと共に,第2バルブ,第3バルブ,第4バルブを閉じ,
前記加熱側ピストンが上死点から中間点に至るサイクルにおいて第1バルブ,第3バルブ,第4バルブを開くと共に第2バルブを閉じることを特徴とする請求項2記載の2ピストン形スターリングエンジン。 - 前記開閉弁が,前記加熱側ピストン及び冷却側ピストンによって回転されるクランクシャフトの回転に従って動作するロータリバルブによって構成されることを特徴とする請求項2又は3記載の2ピストン形スターリングエンジン。
- 前記加熱器及び冷却器内に形成された流体の流路中に,熱伝導性の良い材料によって構成され,且つ,流体透過性を有する網状体ないしは多孔体によって構成された伝熱体を設けたことを特徴とする請求項2〜4いずれか1項記載の2ピストン形スターリングエンジン。
- 前記加熱側通路及び前記冷却側通路の少なくとも一部分を熱伝導性の良い材質で形成してそれぞれに伝熱部を形成すると共に,前記加熱側通路の前記伝熱部と前記冷却側通路の前記伝熱部の双方を共に熱伝導性の良い材質から成る伝熱体で覆い,前記加熱側通路を通る流体と前記冷却側通路を通る流体の熱交換を行う再生器としたことを特徴とする請求項2〜5いずれか1項記載の2ピストン形スターリングエンジン。
- 前記加熱器と前記加熱側シリンダ,及び前記冷却器と前記冷却側シリンダを,それぞれ一体的に形成したことを特徴とする請求項1〜6いずれか1項記載の2ピストン形スターリングエンジン。
- 前記加熱器及び前記冷却器に,有底円筒状のケーシングと,前記ケーシング内に同心状に配置された排気管をそれぞれ設け,
前記加熱側シリンダ及び冷却側シリンダの軸線上における前記上死点側の端部にそれぞれ導入口を形成すると共に,
前記加熱器の前記排気管を前記加熱側シリンダの前記導入口に連通して,前記加熱器を前記加熱側シリンダの軸線延長上に配置すると共に,前記冷却器の前記排気管を前記冷却用シリンダの前記導入口に連通して,前記冷却器を前記冷却側シリンダの軸線延長上に配置したことを特徴とする請求項2又は3記載の2ピストン形スターリングエンジン。 - 前記加熱側シリンダの上死点側端部と前記加熱器のケーシングの開口端とを,共通の端板で塞ぐと共に,この端板に,前記加熱器の前記排気管の外周と前記ケーシングの内周間に形成された前記加熱器の入口に一端を連通する前記加熱器の入口流路と,前記加熱側シリンダの排気口に一端を連通する排気流路を形成すると共に,前記入口流路の他端に設けられて前記加熱側通路と連通されるバルブと,前記排気流路の他端に連通され前記冷却側通路に連通するバルブをそれぞれ前記端板に設けたことを特徴とする請求項8記載の2ピストン形スターリングエンジン。
- 前記冷却側シリンダの上死点側端部と前記冷却器のケーシングの開口端とを,共通の端板で塞ぐと共に,この端板に,前記冷却器の前記排気管の外周と前記ケーシングの内周間に形成された前記冷却器の入口に一端を連通する前記冷却器の入口流路と,前記冷却側シリンダの排気口に一端を連通する排気流路を形成すると共に,前記入口流路の他端に設けられて前記冷却側通路と連通されるバルブと,前記排気流路の他端に連通されて前記加熱側通路に連通するバルブをそれぞれ前記端板に設けたことを特徴とする請求項8又は9記載の2ピストン形スターリングエンジン。
- 前記加熱器の排気管の外周とケーシングの内周間,及び前記冷却器の排気管の外周とケーシングの内周間に,それぞれ流体通過性を有する網状もしくは板状の金属から成る伝熱体を,気体の通過を阻害しない程度に充填したことを特徴とする請求項8〜10いずれか1項記載の2ピストン形スターリングエンジン。
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