JPH01142247A - フリーピストン・スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は熱機関の一種であり、しかも外燃機関の一種
であるフリーピストン・スターリングエンジン（以下Ｆ
ＰＳＥと略称する）に関する。

従来の技術 従来のこの種ＦＰＳＥは第６図から第８図のような構造
になっていた。すなわち容器１内にはヘリウム、水素等
のスターリングエンジンの作業流体（以下Ｈ８と略称す
る）が封入されている。２は作業流体を加熱するための
加熱器、３は作業流体を冷却するだめの冷却器、４は再
生器である。

６は高温の作業流体の存在する膨張空間、６は容器１内
の空間を高温の作業流体の存在する膨張空間６と、低温
の作業流体が存在する圧縮空間７とに分割するように容
器１の内壁とすきまを介してあるいは接触しながら容器
１に対して運動するディスプレーサ、８は容器１の内壁
と摺動しながら容器内を上下に運動するピストン、９は
ピストン８に結合された電機子、１ｏは界磁で電機子９
と共にリニアオルタネータを構成している。

また１１はディスプレーサ６の一部をなすロッ、ド、１
２は容器１とロッド１１とで囲まれたガスばね空間であ
る。またイツト１１は容器１の一部である軸受１３で支
持されている。

１４はロッドに穿設された流路、１６はロッド１１の表
面に設けられた環状溝、１６．１７はバウンス空間１８
とロッド１１と軸受１３とのすきまとを連通ずる流路、
１９はエンジンの停止時にディスプレーサ６が容器１に
衝突しない位置に保持するための圧縮コイルばね、２０
．２１はばねがディスプレーサ６の中心軸の直角方向に
移動するのを防ぐためのばね座である。

またバウンス空間１８の体積はガスばね空間１２の体積
より相当大きく、またバウンス空間１８のは均圧装置（
図示せず）のはたらきでほぼ等しくなるように構成され
ている。

またバウンス空間１８の圧力振幅はガスばね空間１２お
よび作動空間（圧縮空間７．冷却器３．再生器４．加熱
器２．膨張空間６を合わせた空間）の圧力振幅にくらべ
て十分小さい。

作用について説明すると、ディスプレーサ６が下方に下
がると、圧縮空間７の体積は減少し、膨張空間６の体積
は増加する。その為２、圧縮空間７の圧力は膨張空間６
の圧力より高くなシ、この差圧によって圧縮空間７およ
び冷却器３の中にある低温の作業流体は再生器４．加熱
器２を通って膨張空間６の方へ流れていく、このとき作
業流体は再生器４および加熱器２によって加熱される、
そして再生器４は逆に冷却される。

このようにして低温の作業流体が加熱される為作動空間
の圧力が増加しピストン８を引下げる。このトキヒスト
ン８はリニアオルタネータ９，１゜に対して仕事をする
。一方デイスプレーサ６が下がり続けるとガスばね空間
１２の圧力が次第に増加し、ついにはディスプレーサ６
は下がるのが止まシ今度は逆に上昇を始める。

ディスプレーサ６が上昇すると今度は圧縮空間７０体積
は増加し膨張空間５の体積は減少する。その為膨張空間
５の圧力は圧縮空間７の圧力より高くなシこの差圧によ
って、膨張空間５トよび加熱器２の中にある高温の作業
流体は再生器４．冷却器３を通って圧縮空間７の方へ流
れていく。このとき作業流体は再生器４および冷却器３
によって冷却される。そして再生器４は逆に加熱される
。

このようにして高温の作業流体が冷却される為作動空間
の圧力が低くなりピストン８を引き上げる。

このときピストン８はリニアオルタネータ９，１゜に対
して仕事をする。

一部デイスプレーサ６が上がシ続けるとガスばね空間１
２の圧力は次第に減少し、ついにはディスプレーサ６は
上昇するのが止まり今度は逆に下降を始める。

以上述べたような−まわりの過程に於て作業流体は加熱
器２によって得た熱の一部をリニアオルタネータ９，１
０に対する仕事に変え、また一部を冷却器３にすてるの
である。

また通常ディスプレーサ６の位置の位相はピストン８の
位置の位相に対して６０°〜９０’進んでいる。

ところでＦＰＳＥに於てはガスばね空間１２と圧縮空間
７との間でロッド１１と軸受１３とのすきまを通ってＨ
８が移動する為、ガスばね空間１２の平均圧力ＰＧｓは
運転時間の経過と共に変化する。ＰＧｓが増加するとデ
ィスプレーサ６の平均位置ｘＤは次第に増加し、容器と
衝突する。またＰＧｓが減少するとＩＤは次第に減少、
容器と衝突する。ＰＧｓを一定にして衝突を防止するた
めにディスプレーサ６が中間位置に来ると、環状溝１５
と流路１６，１７とが連通し、その結果ガスばね空間１
２とバウンス空間１８とは連通ずる。

そしてガスばね空間１２の圧力はバウンス空間１８の圧
力とほぼ等しくなる。その結果ガスばね空間１２の平均
圧力ＰＧｓは運転中バウンス空間１８の平均圧力ＰＢｓ
と等しくなりディスプレーサ６の平均位置ｘＤは常に一
定に床たれ、容器に衝突することがない。

また環状溝１６がある為に、運転中にディスプレーサ６
がその中心軸のまわりに回転することがあっても環状溝
１６と流路１８，１７とが連通したときには必ず流路１
６，１７と流路１４とが連通ずる。

発明が解決しようとする問題点 しかし、このような構造のものでは環状溝１５内の圧力
は流路１６，１７と連通ずる時以外は常にガスばね空間
１２の圧力に等しく、そのために環状溝１６がないとき
に比べ、ガスばね空間１２と圧縮空間７との間をロッド
１１と軸受１３とのすきまを通って往来するＨ８の質量
が増加する。

これは環状溝１５があることによりガスばね空間１２と
圧縮空間７との間の流通抵抗が減少するためである。こ
の往来するＨ８の質量の増加により圧力エネルギが熱に
変わる量が増加し、その為エンジンの図示効率が低下す
る。

本発明は、上記問題点を解消し、エンジンの図示効率の
低下を防ぐものである。

問題点を解決するための手段 本発明はディスプレーサ内に設けられその一端はガスば
ね空間に開口し他端はロッドの容器との摺動面に円形断
面Ｃ１で開口する流路Ｐ１と、その一端は容器内のガス
ばね空間以外の空間ＳＲに開口し他端はロッドとの摺動
面に容器の壁より円形断面Ｃ２で開口する流路Ｐ２とが
連通ずるときに円形断面Ｃ１の中心と円形断面Ｃ２の中
心とがずれないようにディスプレーサの回転運動を規制
する手段である。

作　　　用 本発明に於ては従来例に於けるような環状溝がないので
ガスばね空間と圧縮空間との間での作業流体の移動量は
従来例よシ減少する。しかも、ディスプレーサの運動に
伴って流路Ｐ１と流路Ｐ２とが連通し、従ってガスばね
空間とガスばね空間以外の空間ＳＲとが連通ずるとき、
ディスプレーサの回転運動を規制する手段の働きで流路
Ｐ１の円形断面Ｃ１と流路Ｐ２の円形断面Ｃ２がずれな
いのでガスばね空間とガスばね空間以外の空間ＳＲとの
間での作業流体の移動は従来例と同様に行われるのであ
る。

実施例 以下、本発明の第１の実施例を第１図から第４図にもと
づいて説明する。なお、説明を簡けつにするために従来
例と同一の構成は同一の番号を付し、また同一の構成１
作用をする所の説明は省略する。

先ず構成について説明する。２２はばね座２゜の平面部
に加工された穴、２３はばね座２１の平面部に加工され
た穴で各人２２．２３には圧縮コイルばね１９の両端に
加工された折曲部２４が入り、圧縮コイルばね１９の両
端が固定されるので、ディスプレーサ６が容器１に対し
、その中心軸まわりに回らないようになっているっ さらに流路１４はその一端はガスばね空間に開口し他端
は軸受１３との摺動面に円形断面Ｃ１で開口しており、
流路１６，１７はその一端はロッド１１との摺動面に軸
受１３より円形断面Ｃ２で開口している。しかも円形断
面Ｃ１と円形断面Ｃ２の断面形状は同じになっている。

しかもディスプレーザ６の運動中に流路１６，１７と流
路１４とが連通ずるときに、円形断面Ｃ１の中心と円形
断面Ｃ２の中心がずれないようになっている。

したがって、従来例と異り、環状溝１５がなくなったの
で、従来よりガスばね空間１２と圧縮空間７との間のＨ
８の流通抵抗が増加し、その為にこの２つの空間の間を
往復するＨ６の質量が減少し、エンジンの図示効率が増
加する。

また穴２２．２３と折曲部２４のはたらきでディスプレ
ーサ６が容器１に対し中心軸回シに回らなくなっている
ので、流路１６，１７と流路１４との連通時に断面Ｃ１
と０２の中心がずれないので、連通時、ガスばね空間１
２とバウンス空間１８間でのＨ６の流動がすみやかに行
われ、したがってガスばね空間１２の平均圧力ＰＧＳは
バウンス空間１８の平均圧力ＰＢＳとは等しく保たれ、
従来例と同様にディスプレーサ６の平均位置！Ｄは−に
床たれる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

第５図は第２の実施例を示しており、この実施例が第１
の実施例と異なるのは第６図に示すようにロッド１１に
フランジ部２６が設けられておシ、フランジ部２６と容
器１とにわたって金属ベローズ２６が設けられている点
と第１の実施例に於て設けられている圧縮コイルばね１
９の折曲部２４および容器１に設けられた穴２２．２３
がないことである。金属ベローズ２６は一端は容器１に
固定されており、他端はフランジ部２６に固定されてい
る。

また空間２７と空間２８とはフランジ部２６に設けられ
た連通穴２９．３０によって連通している。

次に、この第２の実施例における作用を説明する。第１
の実施例と異なるところのみ説明すると、本実施例に於
ては金属ベローズ２６が容器１とフランジ部２６とにわ
たって設けられている為、ディスプレーサ６は容器１に
対して中心軸方向には運動可能であるが、その中心軸ま
わりに回らないようになっている。

したがって第１の実施例と同様の理由でエンジンの図示
効率が増加する。

また以上２つの実施例以外にもディスプレーサ６の容器
１に対する回転運動を規制する方法として例えばロッド
１１．容器１の各々に磁石を取付けて互いに吸引させる
方法や、ロッド１１に設けた溝と容器１に取付けた突起
とで行う方法がある。

発明の効果 本発明は、環状溝を用いることなくディスプレーサの平
均位置を一定に保つようにしたものであり、エンジンの
図示効率の低下を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のフリーピストン・スタ
ーリングエンジンの縦断面図、第２図は同フリーピスト
ン・スターリングエンジンの要部拡大縦断面図、第３図
は第２図のｘ、ｘ’断面図、第４図は第１図の圧縮コイ
ルばね部分の部分拡大斜視図、第５図は本発明の第２の
実施例のフリーピストン・スターリングエンジンの要部
拡大縦断面図、第６図は従来例のフリーピストン・スタ
ーリングエンジンの縦断面図、第７図は同フリーピスト
ン・スターリングエンジンの要部拡大縦断面図、第８図
は第７図のＹ、Ｙ’断面図である。 １・・・・・・容器、２・・・・−・加熱器、３・・・
・・・冷却器、４・・・・・・再生Ｎ、６・・・・・・
デイスフ９レーサ、８・・・・・・ピストン、９・・・
・・・電機子、１ｏ・・・・・・界磁、１１・・山・ロ
ッド、１２・・・・・・ガスばね空間、１４，１６．１
７・・・・・・流路、１９・・・・・・圧縮コイルばね
、２０．２１・・・・・・ばね座、２２．２３・・・・
・・穴、２４・・・・・・折曲部、２６・・・・・・ベ
ローズ、２９．３０・・川・連通穴、１６・・・・・・
環状溝。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 第４１２Ｉ 第５図 ？タ　　　　　３０ 第６図、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）容器と、前記容器内に封入された作業流体と、前
   記容器内の空間を高温の作業流体の存在する膨張空間と
   低温の作業流体の存在する圧縮空間とに分割するように
   前記容器の内壁とすきまを介してあるいは接触しながら
   前記容器に対して運動するディスプレーサと、前記膨張
   空間と前記圧縮空間とを連通する流路と、前記流路の前
   記膨張空間側から、圧縮空間側へ順次設けられた加熱器
   ・再生器・冷却器と、前記容器に対して運動するととも
   に作業流体から仕事をされるピストンと、前記ディスプ
   レーサの一部であるロッドと前記容器とで囲まれディス
   プレーサの運動に伴ってその体積が変化するガスばね空
   間と、前記ディスプレーサ内に設けられその一端はガス
   ばね空間に開口し他端はロッドの前記容器との摺動面に
   円形断面Ｃ＿１で開口する流路Ｐ＿１と、その一端は前
   記容器内のガスばね空間以外の空間Ｓ＿Ｒに開口し他端
   はロッドとの摺動面に前記容器の壁より前記円形断面Ｃ
   ＿２で開口する流路Ｐ＿２と、前記ディスプレーサの運
   動中に流路Ｐ＿１と流路Ｐ＿２とが連通するときに前記
   円形断面Ｃ＿１の中心と前記円形断面Ｃ＿２の中心とが
   ずれないようにディスプレーサの回転運動を規制する手
   段とを有するフリーピストン・スターリングエンジン。
2. （２）回転運動を規制する手段は、両端を折曲され、そ
   の一端を前記ディスプレーサに設けた穴に嵌合させ、他
   端を前記容器に設けた穴に嵌合させて、かつロッドに巻
   回された圧縮ばねであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のフリーピストン・スターリングエンジン
   。
3. （３）回転運動を規制する手段は、その各端がそれぞれ
   前記ディスプレーサおよび前記容器に固定された金属ベ
   ローズを具備したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のフリーピストン・スターリングエンジン。
4. （４）円形断面Ｃ＿１と円形断面Ｃ＿２とを同一形状と
   した特許請求の範囲第１項記載のフリーピストン・スタ
   ーリングエンジン。