JP6407563B2 - スターリング機関 - Google Patents

Description

本発明は、作動流体を加熱及び冷却することで、作動流体の膨張及び収縮より動力を得るスターリング機関に関する。

スターリング機関（β型，及びΓ型）は、一般的に、作動流体が充填された閉鎖容器内を高温空間（膨張空間）及び低温空間（圧縮空間）の２つの空間に仕切り往復動作する１つのディスプレーサピストンにより作動流体を高温部−低温部の間で往復させ、作動流体温度変動に伴う閉鎖容器内の圧力の変動をパワーピストンにより動力として外部に出力する。ここで、作動流体は、熱と機械仕事を変換する圧縮性媒体である。閉鎖容器の（高温空間、低温空間ともに）内部の作動流体圧力はほぼ等しく、温度のみが各部で局在化している。

従来のスターリング機関では、閉鎖容器（高温空間及び低温空間）の高温側は、作動流体を加熱する加熱器に流路的に接続され、閉鎖容器（高温空間及び低温空間）の低温は、作動流体を冷却する冷却器に流路的に接続される。そして、加熱器と冷却器は、高温空間から送られる作動流体と低温空間から送られる作動流体との間で熱交換をする再生器と流路的に連通する（例えば、特許文献１参照）。すなわち、高温空間−加熱器−再生器−冷却器−低温空間、という流路的に直列連結された５要素で閉鎖容器は構成される。この構成において、両端部となる高温空間から低温空間の間を作動流体が往復流動する。機関が外部から熱を受ける加熱器において、作動流体と高温熱源の熱を媒体する流体とが対向流と並行流とを繰り返して熱交換をする。また、機関が外部に熱を放出する冷却器においても、作動流体と低温熱源の熱を媒体する流体とが対向流と並行流とを繰り返して熱交換をする。そのため、加熱器及び冷却器における熱交換量が制限される。つまり、熱交換器側から見れば最適化されていない（最適化された状態とは，対向流熱交換のこと）。
作動流体往復流の往路・復路にはそれぞれ役割と呼称があり、低温空間から高温空間へ作動流体が移動して閉鎖容器内の圧力と平均温度が上昇する行程を膨張行程と呼ぶ。また逆に、高温空間から低温空間へ作動流体が移動して閉鎖容器内の圧力と平均温度が降下する行程を圧縮行程と呼ぶ。パワーピストンは膨張行程で外部へ仕事を行い、圧縮行程では外部から仕事をもらう。

スターリング機関では、作動流体は、圧縮行程において閉鎖容器の高温空間を出て、順に加熱器、再生器、及び冷却器を介して冷却されて、低温空間に送られる。ここで、作動流体は、加熱器を通ることで無駄に加熱されて、その熱を一旦、再生器に蓄えている。また、作動流体は、膨張行程においてシリンダ内の低温空間を出て、順に冷却器、再生器、及び加熱器を介して加熱されて、高温空間に送られる。ここで、作動流体は、冷却器を通ることで無駄に冷却され、やはり再生器に負担をかけている。そのため、再生器に過度の熱交換による負荷がかかり、損失が発生する。

また，再生器が一旦蓄えた熱で加熱器も高温となるため、熱源流体と加熱器内作動流体の温度差が小さくなり，熱源流体からは多くの熱を作動流体に受け入れる事に制限がかかる。これらの理由により、低温の熱源を利用してスターリング機関を作動することが困難であった。

そこで、特許文献２には、２つのパルスコンバータという不完全な流路切替え分岐を用いることで、作動流体が、シリンダ内の高温空間から出て加熱器を通ることなく再生器そして冷却器に送られ、またシリンダ内の低温空間から出て冷却器を通ることなく再生器そして加熱器に送られる循環流式のスターリング機関が開示されている。ここで、一方のパルスコンバータは加熱器と再生器との間の継手になるマニホルドに形成され、そのマニホルドは溶接等により加熱器及び再生器と一体成形される。他方のパルスコンバータは冷却器と再生器との間の継手になるマニホルドに形成され、そのマニホルドは溶接等により冷却器及び再生器と一体成形される。

実際のスターリング機関の用途において、特に加熱器は、バイオマス燃焼ガスに晒されて損傷を受ける、また異物が付着して汚染されるため、消耗が激しい。このため、再生器等を交換せずに加熱器のみを交換する需要が存在する。しかし、パルスコンバータを備えた加熱器は、加熱器がマニホルドを含めて再生器と一体形成されているため、その他の非消耗部を含む機関全体の交換を要することとなってしまう。

特開平９−６８１０４号公報 特開２０１１−１３７５８４号公報

本発明は、加熱器が交換可能な循環式のスターリング機関を提供することを課題とする。

本発明のスターリング機関は、
作動流体を加熱及び冷却することで、前記作動流体の膨張及び収縮より動力を得るスターリング機関であって、
作動流体が充填される内部空間を膨張空間及び圧縮空間に仕切るディスプレーサピストンを有する膨張シリンダと、
前記膨張シリンダに着脱可能に接続され、前記圧縮空間から送られる作動流体を加熱して前記膨張空間に送る加熱器と、
前記膨張空間から送られる作動流体と前記圧縮空間から送られる作動流体との間で熱交換をする再生器と、
前記加熱器が着脱可能に接続され、前記膨張シリンダの前記膨張空間側と前記加熱器と前記再生器との間を連通し、前記加熱器から前記再生器への作動流体の流れを阻止する第１逆止弁と、前記再生器から前記膨張空間への作動流体の流れを阻止する第２逆止弁と、が設けられた分岐流路と、
を備えることを特徴とする。

ここで、「作動流体」とは、熱交換をするための媒体となる流体である。

これによれば、第１及び第２逆止弁を有する分岐流路により、圧縮行程時、膨張シリンダの膨張空間側から出る作動流体は加熱器を介することなく再生器に送られ、逆に、膨張行程時に再生器から出る作動流体は直に膨張空間に送られることはなく、必ず加熱器に送られてから膨張空間に入ることで、作動流体を順に再生器、加熱器、膨張シリンダの膨張空間、及び再生器に流して循環することができるうえに、加熱器を膨張シリンダ及び再生器から取り外すことができる。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記分岐流路、前記第１逆止弁及び前記第２逆止弁が、前記再生器に固着されるマニホルドに設けられていることを特徴とする。

これによれば、逆止弁と分岐流路を合体させて構成することができる。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記第１逆止弁及び前記第２逆止弁が、リード弁であることを特徴とする。

これによれば、閉鎖されたマニホルド内に機械的駆動が不要で故障の少ないリード弁を用いて機器の劣化を防止することができる。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記膨張空間から送られる作動流体を冷却して前記圧縮空間に送る冷却器と、
前記膨張シリンダの前記圧縮空間側と前記冷却器と前記再生器との間を連通し、前記冷却器から前記再生器への作動流体の流れを阻止する第３逆止弁と、前記再生器から前記圧縮空間への作動流体の流れを阻止する第４逆止弁と、が設けられた別の分岐流路と、
をさらに備えることを特徴とする。

これによれば、第３及び第４逆止弁を有する別の分岐流路により、膨張シリンダの圧縮空間側から出る作動流体は冷却器を介することなく再生器に送られ、再生器から出る作動流体は直に圧縮空間に送られることなく冷却器に送られることで、作動流体を順に再生器、冷却器、膨張シリンダの圧縮空間、及び再生器に流して循環することができる。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記膨張シリンダの前記膨張空間側に連通する出力空間を形成するパワーピストンを有する出力シリンダと、
前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとを互いに位相差をもって作動するピストン・回転機構部とをさらに備えることを特徴とする。

これによれば、出力空間が膨張空間に連通しており、出力空間が圧縮空間に連通していた従来のスターリング機関と相違して、ディスプレーサピストンにより圧せられる膨張空間内の作動流体が加熱器に逆流せずに出力空間に流入する。熱効率が増大し、動力の出力が増加する。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記膨張シリンダ及び前記出力シリンダをそれぞれ２備え、前記２の膨張シリンダの膨張空間側の端部同志及び前記２の出力シリンダの出力空間側の端部同志が隣接するように、前記２の膨張シリンダ及び前記２の出力シリンダが同軸に配置されていることを特徴とする。

これによれば、２のシリンダが互いに逆向きに配される。スターリング機関においては伝熱面積を大きくするため機関全体に対する非ピストン部分の容積である死容積比が大きくなりやすい。この対策としてピストンを大きくすることが考えられるが、そうするとピストンの重量が増しピストンの振動がスターリング機関の安定性を害するおそれがある。互いに逆向き、かつ同軸で動作するピストンは、その加速度振動が相殺されるので、振動が抑制される。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記２の膨張シリンダの２の膨張空間又は前記２の出力シリンダの２の出力空間の少なくとも一方が共有されていることを特徴とする。

ここで「共有」とは、２の空間が接続され作動流体が相互に流通することを言う。

これによれば、可動部動作に伴う振動加速度の大部分が抑制される。膨張シリンダの膨張空間には加熱器から作動流体が流入し、出力シリンダの出力空間には膨張空間から作動流体が流入する。また、振動を相殺するために互いに逆向きの２のシリンダは同位相で作動する。２の膨張空間及び２の出力空間について、それらを分離する必要はない。むしろ、共有することで２の膨張空間及び２の出力空間内の圧力が等しくなり、位相も等しくなる。振動の相殺に好適である。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記同軸に配置された２の膨張シリンダ及び前記同軸に配置された２の出力シリンダを平行に２組備え、該２組の４の膨張シリンダ及び出力シリンダは、同一の組の２は同位相で作動し、他の組の２は前記２と１８０度の位相差で作動することを特徴とする。

これによれば、振動の相殺がさらに効率的になる。同一の組の２が同位相で作動して上述の相殺効果を生む。１８０度の位相差で作動する他の組は、上述の相殺効果を経て残存する振動をさらに相殺する。

本発明のスターリング機関は、さらに、
前記作動流体が、非凝縮性流体と気液相変化する凝縮性流体の混合物から成ることを特徴とする。

ここで、「凝縮性流体」とは、加熱器による加熱の後は気相にあり冷却器による冷却の後は液相にある流体である。例えば水蒸気（水）が凝縮性流体である。

これによれば、気体によってパワーピストンが駆動され、凝縮性流体を用いてもパワーピストンから効率よく仕事を取り出すことができる。

本発明のスターリング機関によれば、作動流体が順に再生器、加熱器、膨張シリンダの膨張空間、及び再生器に流れて循環し、加熱器を膨張シリンダ及び再生器から取り外して交換することができる循環式のスターリング機関を構成する。

図１は、スターリング機関１０の概略構成を示す図である。 図２は、スターリング機関１０の構成例を示す全体図である。 図３は、マニホルド６８を示す図である。 図４は、作動流体１１の流れを説明する図である。 図５は、シリンダと回転−直動機構とを説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係るスターリング機関１０について説明する。

（スターリング機関の概略構成）
図１に、スターリング機関１０の概略構成を示す。本実施形態では、ディスプレーサ型のスターリング機関（Γ型）を採用する。スターリング機関１０は、膨張シリンダ２０、出力シリンダ３０、ピストン・回転機構部４０、加熱器６１、冷却器６４、及び再生器６３から構成される。膨張シリンダ２０、出力シリンダ３０等には熱と機械仕事とを変換する圧縮性媒体（作動流体と呼ぶ）１１が充填される。作動流体１１として、空気、ヘリウム、水素等の気体、又は水蒸気、その他の気液相変化流体を用いることができる。

膨張シリンダ２０は、その内部を膨張空間２１及び圧縮空間２２に仕切るディスプレーサピストン２３を有し、これを用いて膨張空間２１及び圧縮空間２２の間で作動流体１１を移動することで圧力差を発生する。ディスプレーサピストン２３は、それに連結したディスプレーサピストンロッド（以下、「Ｄ・ロッド」と呼ぶ）２４により膨張シリンダ２０内を往復駆動される。

出力シリンダ３０は、膨張シリンダ２０内の膨張空間２１に連通する出力空間３１を形成するパワーピストン３２を有し、これを用いて膨張シリンダ２０内で生じた圧力差を動力（仕事）として外部に出力する。パワーピストン３２は、それに連結したパワーピストンロッド（以下、「Ｐ・ロッド」と呼ぶ）３３により出力シリンダ３０内を往復駆動される。なお、パワーピストン３２は、膨張する作動流体１１から仕事を取り出す機能と、仕事を与えることで作動流体１１を圧縮する機能と、を有する。

ディスプレーサピストン２３及びパワーピストン３２は、後述するように、ピストン・回転機構部４０により互いに位相差をもって、例えばディスプレーサピストン２３がパワーピストン３２に対して約９０度の位相差で先行して、動作するように連結されている。

ピストン・回転機構部４０は、ディスプレーサピストン２３及びパワーピストン３２の往復運動を回転運動に変換する機構であり、サイドスラストを軽減した回転−直動機構である。例えば所謂スコッチ・ヨーク機構を採用することができる。以下、広く用いられているスコッチ・ヨーク機構を例に説明する。ピストン・回転機構部４０は、ディスプレーサ・スコッチ・ヨーク機構４１及びパワーピストン・スコッチ・ヨーク機構５１から構成される。

ディスプレーサ・スコッチ・ヨーク機構４１は、Ｄ・ロッド２４の先端が連結されたディスプレーサドライブヨーク（以下、「Ｄ・ヨーク」と呼ぶ）４２、Ｄ・ヨーク４２にスライド自在に装着されたディスプレーサドライブスコッチスライダ（以下、「Ｄ・スライダ」と呼ぶ）４３、及びＤ・スライダ４３を回転するディスプレーサドライブギヤ（以下、「Ｄ・ギヤ」と呼ぶ）４４を有する。この構成のディスプレーサ・スコッチ・ヨーク機構４１において、Ｄ・ギヤ４４によりＤ・スライダ４３が回転しながらＤ・ヨーク４２内を横方向にスライドすることで、Ｄ・ヨーク４２が上下方向に往復運動する。Ｄ・ヨーク４２の往復運動により、これにＤ・ロッド２４を介して連結されたディスプレーサピストン２３が上下方向に往復運動することとなる。

パワーピストン・スコッチ・ヨーク機構５１は、Ｐ・ロッド３３の先端が連結されたパワーピストンドライブヨーク（以下、「Ｐ・ヨーク」と呼ぶ）５２、Ｐ・ヨーク５２にスライド自在に装着されたパワーピストンドライブスコッチスライダ（以下、「Ｐ・スライダ」と呼ぶ）５３、及びＰ・スライダ５３を回転するパワーピストンドライブギヤ（以下、「Ｐ・ギヤ」と呼ぶ）５４、Ｐ・ギヤ５４の回転出力軸５５に設けられたフライホイール（はずみ車）５６を有する。この構成のパワーピストン・スコッチ・ヨーク機構５１において、Ｐ・ギヤ５４によりＰ・スライダ５３が回転しながらＰ・ヨーク５２内を横方向にスライドすることで、Ｐ・ヨーク５２が上下方向に往復運動する。Ｐ・ヨーク５２の往復運動により、これにＰ・ロッド３３を介して連結されたパワーピストン３２が上下方向に往復運動することとなる。

以上、スコッチ・ヨーク機構の例を説明した。ピストンがコンロッドから受けるサイド
スラストに対応するものである。ピストン内部に潤滑油を使用すると発生するオイルミストが細線金網製の再生器６３の熱交換性能を低下させてしまうため、潤滑油を使用せずにサイドスラストを吸収するものである。サイドスラストを軽減した回転−直動機構であれば、スコッチ・ヨーク機構でなくともよく、ロス・ヨーク機構、ロンビック機構、ハイポサイクロイド機構等の各種形態が可能である。また、サイドスラストを吸収するクロスヘッドを設けることや、コンロッドとピストンとの間にスイングアームやシーソーアームを設けることによってもよい。シーソーアームを用いる例について後述する。

ここで、Ｄ・ギヤ４４とＰ・ギヤ５４は、ディスプレーサピストン２３がパワーピストン３２に対して約９０度の位相差で先行して動作するように噛み合っている。

加熱器６１は、外部の高温熱源６２の熱を作動流体１１に伝える流路であり、膨張シリンダ２０（膨張空間２１）に連通する。作動流体１１は、後述する分岐流路６６の機能により、加熱器６１の流路を、再生器６３から膨張シリンダ２０（膨張空間２１）に向かって一方向に流れる。それにより、作動流体１１は、対向流熱交換、すなわち高温熱源６２の熱を伝える媒体の流れに対向して流路を流れることで、その媒体との間で効率良く熱交換をする。

冷却器６４は、外部の低温熱源６５の熱を作動流体１１に伝える流路であり、膨張シリンダ２０（圧縮空間２２）の下部に連通する。作動流体１１は、後述する分岐流路６７の機能により、冷却器６４の流路を、再生器６３から膨張シリンダ２０（圧縮空間２２）に向かって一方向に流れる。それにより、作動流体１１は、対向流熱交換、すなわち低温熱源６５の熱を伝える媒体の流れに対向して流路を流れることで、その媒体との間で効率良く熱交換をする。

再生器６３は、加熱器６１と冷却器６４との間に設けられ、膨張シリンダ２０（膨張空間２１）から再生器６３に送られる作動流体１１と、膨張シリンダ２０（圧縮空間２２）から再生器６３に送られる作動流体１１と、の間で熱交換をする。再生器６３として、例えば、多数の金属細管束等から構成される対向流蓄熱式熱交換器を採用することができる。

加熱器６１と再生器６３と膨張シリンダ２０（膨張空間２１）の上側部は、分岐流路６６により連通している。分岐流路６６は、加熱器６１から再生器６３への作動流体１１の流れを阻止する第１逆止弁、及び再生器３６から膨張空間への作動流体の流れを阻止する第２逆止弁を備える。この分岐流路６６により、作動流体１１は、順に再生器６３、加熱器６１、膨張シリンダ２０の膨張空間２１、及び再生器６３を流れて循環することとなる。

（分岐流路の具体的構成例）
以下、スターリング機関１０の具体的な構成例に基づいて、分岐流路６６を説明する。

図２に、スターリング機関１０の構成例を示す。加熱器６１がスターリング機関１０の他部材から突出して配されている。消耗時の交換のためである。加熱器６１はマニホルド６８に着脱可能に接続され、マニホルド６８は両側が再生器６３に固着されている。再生器６３及び冷却器６４はそれぞれ２つ備えられている。マニホルド６８は、図において他部材に隠される部分で膨張シリンダ２０（膨張空間２１）に接続されている。

図３に、マニホルド６８を示す。中段に示すとおり、マニホルド６８には流路６６ｂ及び６６ｃが設けられている。これらの流路の両端は、２つの再生器６３にそれぞれ接続されている。流路６６ｂは加熱器６１に、流路６６ｃは膨張シリンダ２０（膨張空間２１）に、それぞれ流路の中央で接続されている。

上段に示すように流路６６ｂには２つのリード弁６６ｂ_１が設けられ、加熱器６１から再生器６３への作動流体１１の流れを阻止する。また、下段に示すように流路６６ｃには２つのリード弁６６ｃ_１が設けられ、再生器６３から膨張シリンダ２０（膨張空間２１）への作動流体１１の流れを阻止する。

作動流体１１の流れを、図４を用いて説明する。図４は、図３に示された流路を模式的に示したものである。流路６６ｂ及び６６ｃの両端は、再生器６３に接続する流路６６ａに接続している。

以下、リード弁の作用を説明する。例えば、図において符号を付したリード弁６６ｂ_１は、溝部６６ｂ_２を中心に回転する。図において左方から右方への作動流体１１の流れは、リード弁６６ｂ_１が持ち上げられて阻止されない。一方、図において右方から左方への作動流体１１の流れは、リード弁６６ｂ_１が凹部６６ｂ_０に係止されて阻止される。他のリード弁についても同様である。

以上の構造の分岐流路６６（流路６６ａ、６６ｂ及び６６ｃ並びにリード弁６６ｂ_１及び６６ｃ_１）により、作動流体１１は、順に再生器６３、加熱器６１、膨張シリンダ２０の膨張空間２１、及び再生器６３を流れて循環することとなる。

冷却器６４と再生器６３と膨張シリンダ２０（膨張空間２２）の間にも、同様に、冷却器６４から再生器６３への作動流体１１の流れを阻止する第３逆止弁（非図示）、及び再生器６３から膨張空間２２への作動流体の流れを阻止する第４逆止弁（非図示）を備えた分岐流路６７を設ける。作動流体１１は、順に再生器６３、冷却器６４、膨張シリンダ２０の圧縮空間２２、及び再生器６３を流れて循環することとなる。

ただし、分岐流路６７をマニホルド内に設置する必要はない。また、高温である加熱器６１の側に比して、低温である冷却器６４の側は、分岐流路による上記循環によって得られる熱効率の増大が小さいため、分岐流路６７を設けない設計も可能である。

膨張シリンダ２０、出力シリンダ３０、加熱器６１、冷却器６４、再生器６３、及びこれらを連結する流管（分岐流路６６，６７を含む）により密閉容器が形成され、密閉容器、ディスプレーサピストン２３、及びパワーピストン３２により形成される閉じた空間内に作動流体１１が充填される。なお、密閉容器は、その容器壁面を介して外部と熱交換をすることができる。

（回転−直動機構の具体的構成例）
以下、スターリング機関１０の具体的な構成例に基づいて、回転−直動機構を説明する。

図２に、スターリング機関１０の構成例を示す。図において、ディスプレーサピストン２３及びパワーピストン３２の軸に沿った部分を断面で示してある。

ディスプレーサピストン２３は、シーソーアーム７２に連結されている。パワーピストン３２は、シーソーアーム７３に連結されている。２つのシーソーアーム７２及び７３は、図の右方に支点を有し、ディスプレーサピストン２３及びパワーピストン３２の同軸運動（往復運動）をロッド７１の往復運動に変換する。なお、ロッド７１は、２つのシーソーアーム７２及び７３に対応して２本存する。ロッド７１の往復運動は、コンロッド７０において回転運動に変換される。コンロッド７０とロッド７１との接続によって２本のロッド７１の位相差が９０度に保たれ、シーソーアーム７２及び７３を経て、ディスプレーサピストン２３とパワーピストン３２との位相差も９０度に保たれる。

図５に、ピストンと回転−同軸運動の関係を示す。図２に示した構造を簡略化・模式化したものである。図５（Ａ）の上側に平面図を下側に正面方向から見た断面図を示す。出力シリンダ３０の外周にドーナツ形状（円柱の中心から小円柱を除去した形状）の膨張シリンダ２０が設けられている。

（シリンダの配置）
図５（Ｂ）は、シリンダの配置を示した図である。各々のシリンダは図５（Ａ）と同様である。２の膨張シリンダ２０ａ、２０ｂ及び２の出力シリンダ３０ａ、３０ｂが設けられている。膨張シリンダ２０ａ及び２０ｂは、膨張空間２１ａ及び２１ｂ側の端部同志が隣接するように同軸に配置されている。出力シリンダ３０ａ及び３０ｂは、出力空間３１ａ及び３１ｂ側の端部同志が隣接するように同軸に配置されている。

コンロッド７０、ロッド７１ａ及び７１ｂ、シーソーアーム７２ａ及び７２ｂにより、ディスプレーサピストン２３ａ及び２３ｂは、同位相で作動する。膨張シリンダ２０ａ及び２０ｂが逆向きであるので、ディスプレーサピストン２３ａ及び２３ｂは逆向きに作動する。振動が相殺される。

コンロッド７０、ロッド７１ａ及び７１ｂ、シーソーアーム７３ａ及び７３ｂにより、パワーピストン３２ａ及び３２ｂは、同位相で作動する。出力シリンダ３０ａ及び３０ｂが逆向きであるので、パワーピストン３２ａ及び３２ｂは逆向きに作動する。振動が相殺される。

上方のシリンダと下方のシリンダとの間には隔壁８が存在するが、隔壁８をなくし、膨張空間２１ａ及び２１ｂ、出力空間３１ａ及び３１ｂ側を共有してもよい。これにより、共有された空間の圧力が等しくなり、振動の相殺が確実になる。

図５（Ｂ）の配置を、上下（図面に直行する方向）に２段設けることもできる。この場合、上段のピストンと下段のピストンを１８０度の位相差で作動させることにより、振動が相殺される。

（スターリング機関の動作）
上述の構成のスターリング機関１０において、ディスプレーサピストン２３が膨張シリンダ２０内を移動しても、それに連通する密閉容器の全体の容積は変化しない。そのため、密閉容器内において作動流体１１の圧力差はほとんど生じず、容器内の圧力は一様に上昇又は下降する。これに対して、密閉容器内の各部において、作動流体１１の温度差が生じる。

上述の構成のスターリング機関１０の動作（膨張行程時及び圧縮行程時における動作）について説明する。

まず、膨張行程時において、Ｄ・ギヤ４４の回転駆動によってディスプレーサピストン２３が降下する。それにより、膨張シリンダ２０の圧縮空間２２内の作動流体１１が押出され、分岐流路６７の機能により膨張シリンダ２０の下部から冷却器６４に入ることなく、膨張シリンダ２０の下側部から分岐流路６７を介して再生器６３に入る。再生器６３により、作動流体１１が予熱される。作動流体１１は、再生器６３から出ると、分岐流路６６の機能により膨張シリンダ２０の上側部から膨張空間２１に入ることなく、分岐流路６６を介して加熱器６１に入る。加熱器６１により、作動流体１１が高温熱源６２から熱を受けて加熱される。そして、作動流体１１は、高温になり、膨張シリンダ２０の上部から膨張空間２１に入る。

ここで、作動流体１１が再生器６３及び加熱器６１にて加熱されることで、その圧力がボイル・シャルルの法則に従って上昇し、膨張空間２１、そして出力シリンダ３０の出力空間３１へ伝播することで、出力シリンダ３０内でパワーピストン３２を下死点付近まで押し下げて機械仕事を出力する。このとき、作動流体１１は加熱器６１を通過しつつ高温熱源６２から熱を受けて膨張仕事をするため、膨張空間２１と加熱器６１にある作動流体１１はその温度をほとんど低下することなく高温に保つ。

次に、圧縮行程時において、Ｄ・ギヤ４４の回転駆動によってディスプレーサピストン２３が反転して上昇する。それにより、膨張シリンダ２０の膨張空間２１内の作動流体１１が押出され、分岐流路６６の機能により膨張シリンダ２０の上部から加熱器６１に入ることなく、膨張シリンダ２０の上側部から分岐流路６６を介して再生器６３に入る。再生器６３により、作動流体１１が予冷される。作動流体１１は、再生器６３から出ると、分岐流路６７の機能により膨張シリンダ２０の下側部から圧縮空間２２に入ることなく、分岐流路６７を介して冷却器６４に入る。冷却器６４により、作動流体１１が低温熱源６５から熱を受けて冷却される。そして、作動流体１１は、低温になり、膨張シリンダ２０の下部から圧縮空間２２に入る。

これに続いて、パワーピストン３２は、Ｐ・ギヤ５４の回転駆動により、ディスプレーサピストン２３に対して約９０度の位相差遅れて下死点から上昇する。それにより、出力空間内の作動流体１１が押出され、膨張空間２１を介して、順に分岐流路６６、再生器６３、及び冷却器６４に送られる。このとき、作動流体１１は冷却器６４を通過しつつ低温熱源６５から熱を受けて圧縮仕事をするため、圧縮空間２２と冷却器６４にある作動流体１１は（断熱圧縮の場合と比べて）その温度をほとんど上昇することなく一定に保つ。

なお、パワーピストン３２は、作動流体１１に仕事を与えて作動流体１１を圧縮する。これに必要なエネルギは、フライホイール５６に蓄積された回転運動エネルギの一部を利用する。（多気筒エンジンの場合、他の気筒で発生する仕事エネルギを利用する。）

最後に、上述の膨張行程時の動作と圧縮行程時の動作とを繰り返す。それにより、機械仕事を継続してＰ・ギヤ５４の回転出力軸５５に出力する。

以上詳細に説明したように、本実施形態のスターリング機関１０は、作動流体１１が充填される膨張シリンダ２０と、膨張シリンダ２０に着脱可能に接続され、膨張シリンダ２０の圧縮空間２２から送られる作動流体１１を加熱して膨張シリンダ２０の膨張空間２１に送る加熱器６１と、膨張空間２１から送られる作動流体１１と圧縮空間２２から送られる作動流体１１との間で熱交換をする再生器６３と、加熱器６１が着脱可能に接続され、膨張シリンダ２０の膨張空間２１側と加熱器６１と再生器６３との間を連通し、加熱器６１から再生器６３への作動流体１１の流れを阻止する逆止弁６６ｂ_１と、再生器６３から膨張空間２１への作動流体１１の流れを阻止する逆止弁６６ｃ_１と、が設けられた分岐流路６６と、を含んで構成される。分岐流路６６により、作動流体１１を順に再生器６３、加熱器６１、膨張シリンダ２０の膨張空間２１、及び再生器６３に流して循環することができ、また加熱器６１が膨張シリンダ２０、再生器６３等と別体であることから、加熱器６１を膨張シリンダ２０及び再生器６３から取り外して交換することができる。

また、本実施形態のスターリング機関１０は、膨張空間２１から送られる作動流体１１を冷却して圧縮空間２２に送る冷却器６４と、膨張シリンダ２０の圧縮空間２２側と冷却器６４と再生器６３との間を連通し、冷却器６４から再生器６３への作動流体１１の流れを阻止する逆止弁６７ｂ_１と、再生器６３から圧縮空間２２への作動流体１１の流れを阻止する逆止弁６７ｃ_１と、が設けられた分岐流路６７と、をさらに含んで構成される。分岐流路６７により、作動流体１１を順に再生器６３、冷却器６４、膨張シリンダ２０の圧縮空間２２、及び再生器６３に流して循環することができる。

また、分岐流路６６，６７の機能により、作動流体１１が、加熱器６１、膨張シリンダ２０の膨張空間２１、再生器６３、冷却器６４、膨張シリンダ２０の圧縮空間２２、再び再生器６３を循環する。それにより、加熱器６１は高温熱源６２との対向流熱交換により効率良く作動流体１１を加熱することができ、冷却器６４は低温熱源６５との対向流熱交換により効率良く作動流体１１を冷却することができる。熱効率が増大するため、高温熱源６２と低温熱源６５との温度差が小さくても作動するスターリング機関を提供することができる。また、再生器６３の熱負荷が低減する。

また、本実施形態のスターリング機関１０は、膨張シリンダ２０の膨張空間２１側に連通する出力空間３１を形成するパワーピストン３２を有する出力シリンダ３０と、ディスプレーサピストン２３とパワーピストン３２とを互いに位相差をもって作動するピストン・回転機構部４０と、をさらに含んで構成される。出力シリンダ３０の出力空間３１が膨張シリンダ２０の膨張空間２１に連通することで、特に作動流体１１に例えば水蒸気（水）などの凝縮性流体を混合して二流体動作する場合において、圧縮空間２２側に連通する出力空間３１を形成する従来のスターリング機関よりも熱回収量が増加し、動力の出力が増加する。なお、凝縮性流体は、低温の冷却器６４及び圧縮空間２２内では液相、高温の加熱器６１及び膨張空間２１では気相の状態にある。凝縮性流体が気相状態に膨張する際に、その膨張仕事を膨張空間２１に連通する出力空間３１を介してパワーピストン３２への仕事として有効に取り出すことができる。

本発明のスターリング機関は、加熱器のみを交換するのに好適である。自家発電等における利用が考えられる。

１０ スターリング機関
１１ 作動流体
２０ 膨張シリンダ
２１ 膨張空間
２２ 圧縮空間
２３ ディスプレーサピストン
３０ 出力シリンダ
３１ 出力空間
３２ パワーピストン
４０ 回転機構部
６１ 加熱器
６２ 高温熱源
６３ 再生器
６４ 冷却器
６４ 低温熱源
６６ 分岐流路
６６ｂ_１ 逆止弁
６６ｃ_１ 逆止弁
６７ 分岐流路
６８ マニホルド
７２ シーソーアーム
７３ シーソーアーム

Claims (8)

1. 作動流体を加熱及び冷却することで、前記作動流体の膨張及び収縮より動力を得るスターリング機関であって、
   作動流体が充填される内部空間を膨張空間及び圧縮空間に仕切るディスプレーサピストンを有する膨張シリンダと、
   前記膨張シリンダに着脱可能に接続され、前記圧縮空間から送られる作動流体を加熱して前記膨張空間に送る加熱器と、
   前記膨張空間から送られる作動流体と前記圧縮空間から送られる作動流体との間で熱交換をする再生器と、
   前記加熱器が着脱可能に接続され、前記膨張シリンダの前記膨張空間側と前記加熱器と前記再生器との間を連通し、前記加熱器から前記再生器への作動流体の流れを阻止する第１逆止弁と、前記再生器から前記膨張空間への作動流体の流れを阻止する第２逆止弁と、が設けられた分岐流路と、
   を備え,
   前記分岐流路、前記第１逆止弁及び前記第２逆止弁が、前記再生器に固着されるマニホルドに設けられていることを特徴とする、スターリング機関。
2. 前記第１逆止弁及び前記第２逆止弁が、リード弁であることを特徴とする、請求項１に記載のスターリング機関。
3. 前記膨張空間から送られる作動流体を冷却して前記圧縮空間に送る冷却器と、
   前記膨張シリンダの前記圧縮空間側と前記冷却器と前記再生器との間を連通し、前記冷却器から前記再生器への作動流体の流れを阻止する第３逆止弁と、前記再生器から前記圧縮空間への作動流体の流れを阻止する第４逆止弁と、が設けられた別の分岐流路と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のスターリング機関。
4. 前記膨張シリンダの前記膨張空間側に連通する出力空間を形成するパワーピストンを有する出力シリンダと、
   前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとを互いに位相差をもって作動するピストン・回転機構部とをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスターリング機関。
5. 前記膨張シリンダ及び前記出力シリンダをそれぞれ２備え、前記２の膨張シリンダの膨張空間側の端部同志及び前記２の出力シリンダの出力空間側の端部同志が隣接するように、前記２の膨張シリンダ及び前記２の出力シリンダが同軸に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のスターリング機関。
6. 前記２の膨張シリンダの２の膨張空間又は前記２の出力シリンダの２の出力空間の少なくとも一方が共有されていることを特徴とする、請求項５に記載のスターリング機関。
7. 前記同軸に配置された２の膨張シリンダ及び前記同軸に配置された２の出力シリンダを平行に２組備え、
   該２組の４の膨張シリンダ及び出力シリンダは、同一の組の２は同位相で作動し、他の組の２は前記２と１８０度の位相差で作動することを特徴とする、請求項５又は６に記載のスターリング機関。
8. 前記作動流体が、非凝縮性流体と気液相変化する凝縮性流体との混合物から成ることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１項に記載のスターリング機関。