JPH03185253A

JPH03185253A - スターリング機関

Info

Publication number: JPH03185253A
Application number: JP32402689A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Iwamoto; 昭一岩本; Fujio Toda; 戸田　富士夫; Masahiro Matsuo; 松尾　政弘; Koichi Hirata; 宏一平田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-12-15
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1991-08-13

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〉本発明はスターリング機関に関する。

〈従来の技術〉従来のスターリング機関としては代表的なものとして、
第７図に示すようなものがある（株式会社工業調査会発
行　「スフ−リングエンジンの開発」　（−色尚次著）
６６頁〜７０頁参照）。

図において、（ａ）〜（ロ）はディスプレーサ型スター
リング機関を示し、夫々（ａ）　　並列２クランク機構Ｑ））２シリンダＬレバーａ構（Ｃ）、（ｄ）　　Ｌレバー及びＷクランク機構（ｅ）
　　ロッピックａ構（ｆ）　　片ロソビック機構（濁　２シリンダー・スワッシュプレート機構Ｑ１）１
シリンダー・スワッシュプレート機構である。また（ｉ
）〜（ロ）はＬ型入ターリング機関を示し、夫々（ｉ）　　単純り型機構（ｊ）　　対向ピストンａ、構［有］）　Ｔ字型ビス１フ機構、ロス型（１）並列機構（ｍ）複動４シリンダ−Ｌ型機構（ｎ）　　複動４シリンダ−Ｌ型スワツシユプレート機
横（０）Ｖ−４型機構（ｐ）Ｈ−４型機構である。尚、図において、ＤＰはデイスプレーサビスト
ン、ＰＰはパワーピストン、ＨはヒーターＣはクーラー
及びＲＧは再生熱交換器を示す。

〈発明が解決しようとする課題〉しかしながら、このような従来のスターリング機関にお
いては、ディスプレーサ型スクーリング機関ではデイス
プレーサビストンとパワーピストンとの間に約９０°の
位相差が必要であり、またＬ型入ターリング機関では高
温側ピストンと低温側ピストンの間にやはり約９０°の
位相差が必要である。

ここで、該位相差を得るために２つのクランク８！横を
設ける必要があり、機構が複雑となり、また各々のクラ
ンク機構において回転運動と往復運動との組み合わせと
なっているため、装置が大型化しＨ擦抵抗も大きく、効
率が低下すると共に、振動も発生するという問題点もあ
る。

本発明はこのような従来の実情に鑑みてなされたもので
、ディスプレーサをロータリ型とする等従来とは全く異
なる新しい駆動方式の採用により上記問題点を解決した
スターリング機関を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉このため本発明に係るスターリング機関は、−部が加熱
、他部が冷却される周壁を有する円筒状の第１シリンダ
と、周壁の一部が他部に比較して相対的に前記第１シリ
ンダ内壁に近接し該第１シリンダ内に軸回り回転自由に
嵌挿されたロータリディスプレーサと、容積可変部材に
より画成されて容積可変となる第２シリンダとを備え、
前記第１シリンダの内部空間と第２シリンダとを連通し
て作動流体が封入された容積可変な密閉空間を形成する
と共に、前記容積可変部材の容積可変方向の動作を前記
ロータリディスプレーサの回転する方向に変換するよう
に該容積可変部材と該ロータリディスプレーサとを連結
する連結機構とを備えてなり、前記密閉空間内の作動流
体が第１シリンダ壁による加熱または冷却を受けて圧力
変化することにより前記容積可変部材を駆動して前記ロ
ータリディスプレーサを回転するようにした。

また例えば、前記第２シリンダが、前記ロータリディス
プレーサの回転軸方向と直交する方向に往復動する容積
可変部材であるピストンにより容積可変となり、連結機
構がクランク機構である構成としてもよい。

〈作用〉本発明によれば、第１シリンダの周壁内部の空間に存在
する作動流体はロータリディスプレーサの周壁の一部が
他部に比較して相対的に前記第１シリンダ内壁に近接し
ており、この近接した部分では第１シリンダ周壁と内部
空間との間の熱交換量が他部に比較して小さい。

従って、ディスプレーサの回転時に加熱部に近接する割
合が多いときには、前記第１シリンダの周壁内部の空間
内の作動流体が冷却され、冷却部に近接する割合が多い
ときには、作動流体が加熱される。そして、かかる加熱
、冷却が繰り返されて作動流体は周期的に温度変化する
。

そして、第２シリンダが前記第１シリンダの内部空間と
連通して容積可変な密閉空間を形成するので、前記温度
変化により密閉空間内の作動流体の圧力が変化する。こ
こで、第２シリンダは容積可変部材により画成されて容
積可変となるので、該密閉空間は作動流体の平衡を保つ
ために、第２シリンダの容積可変部材が移動して、第２
シリンダの容積が変化する。

そして、さらに連結機構により前記容積可変部材の容積
可変方向の動作が前記ロータリディスプレーサの回転す
る方向に変換され、当該ロータリディスプレーサが回転
する。

前記第２シリンダが前記ロータリディスプレーサの回転
軸方向と直交する方向に設けられると共に往復動するピ
ストンにより容積可変となるように構成された場合は、
密閉空間内の作動流体の平衡を保つために、ピストンが
往復動して第２シリンダの容積を変化させる。

〈実施例〉以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図〜第３図は本発明に係るスターリング機関の構造
を示す。

図において第１シリンダを構成するシリンダライナ１は
、略円筒状の周壁２と、中心部に後述するロータリディ
スプレーサ３１の回転軸３２が嵌挿される嵌挿孔３を有
する端壁４と、端壁４と同様に嵌挿孔５を有する中間壁
６と、を有している。さらに、前記端壁４と反対側の周
壁端部にはボルト８等により蓋７が固定されて、シリン
ダライナ１内外の連通を遮断する。

また、中間壁６と蓋７との間の周壁２には容積可変部材
としてのピストン４１が嵌挿される第２シリンダ９が該
周壁２の径方向外方に突出して設けられている。

ロータリディスプレーサ３１は、回転軸３２に断面が半
円状の本体３３が取り付けられ、該本体３３とバランス
させるために両端にバランサ３４が設けられている。尚
、前記本体３３の外径は周壁２の肉様より僅かに小さく
設定されており、クリアランスＣを有する。また回転軸
３２は嵌挿孔３及び５において夫々ベアリング１０．１
１を介して軸支されており、もって、ロータリディスプ
レーサ３１は前記本体３３の部分が他部に比較して相対
的に前記周壁２に近接し、該周壁２内に軸回り回転自由
に嵌挿される。

さらに、嵌挿孔３においては外部との連通を遮断するた
めシール材１２が挿入されている。尚、前記回転軸３２
の前記シール材１２より外方に突出した一端部３９は始
動用軸部であり、かつ例えばファン等が取付けられる（
本実施例では図示せず）出力取出し用軸部である。

また、回転軸３２にはフライホイール３５が取り付けら
れており、該フライホイール３５には回転中心に取り付
けられた前記回転軸３２に対して偏心した位置にクラン
クビン３６が設けられている。

前記クランクビン３６と前記ピストン４１とはクランク
４２により連結され、クランクビン３６、ピストン４１
及びクランク４２により、前記ピストン４１の第２シリ
ンダ９内部における容積可変方向の動作である往復動を
前記ロータリディスプレーサ３１の回転する方向に変換
するように該ピストン４１と該ロータリディスプレーサ
３１とを連結する連結機構が構成されている。尚、連結
機構を構成しているクランク４２等により、ピストン４
１とロータリディスプレーサ３１とは９０″の位相差を
有して連結されている。

そして、端壁４．中間壁６及び周壁２により第１空間１
３が形成され、中間壁６，１１．周壁２及び第２シリン
ダ９により第２空間１４が形成され、前記第１空間１３
と第２空間１４とはシール材１２やピストン４１等によ
って外部と遮断されると共に、中間壁６に設けた連通路
１５により連通され、全体として容積可変な密閉空間１
９を形成している。

尚、本スターリング機関を運転する際は、周壁２の一側
を加熱側１６として例えばバーナ等の熱源により加熱し
、一方周壁２の他側は冷却側１７とすると共に、前記回
転軸３２の一端部３９により始動させる。尚本実施例で
は冷却側１７の冷却効果向上のため周壁２に冷却フィン
１８を設けている。

次に本実施例の作用を第４図に基づいて説明する。

第４図（Ａ）に示される位置では、第２シリンダ９内の
ピストン４１が下死点（ＢＤＣ）にあるが、この時点か
ら僅かにロータリディスプレーサ３１の本体３３が図示
時計回りに回転した位置にあると、加熱側１６による加
熱が冷却側１７による冷却を上回って、第１空間１３内
の作動流体の温度が上昇し気体圧力が上昇し始める。従
って前記密閉空間１９内の作動流体の圧力が上昇し始め
る。

よって、作動流体の平衡を保つために、第２シリンダ９
内のピストン４１が図で上方に移動する。

このピストン４１の動きがクランク４２．クランクピン
３６を介してロータリディスプレーサ３１に伝達され、
該ロータリディスプレーサ３１を図示時計回り方向に回
転駆動する。同時に、第２シリンダ９の容積が拡大し、
もって第２空間１４の容積、即ち密閉空間１９の容積が
拡大する（第４図（Ａ）から（Ｂ）参照）。

第４図（Ｂ）の位置では、ロータリディスプレーサ３１
が冷却側１７に近接して全面にわたって冷却側を遮蔽す
る一方、加熱側１６が全面にわたって開放されるので、
作動流体に供給される加熱量は最大となる。

即ち、第４図において（Ａ）から（Ｂ）に示す行程が加
熱行程である。

そして、さらに作動流体が膨張して、ロータリディスプ
レーサ３１を同方向に回転させつつ、ピストン４１が上
死点（ＴＤＣ）に達した時点で膨張行程は終了する。こ
の時点では第４図（Ｃ）に示すように、ロータリディス
プレーサ３１は加熱側１６と冷却側１７との中間位置に
ある。

即ち、第４図において（Ｂ）から（Ｃ）に示す行程が膨
張行程である。

一方、第４図（Ｃ）に示される位置では、第２シリンダ
９内のピストン４１が上死点（ＴＤＣ）にあるが、この
時点より冷却側１７による冷却が加熱側１６による加熱
を上回って冷却されるので、第１空間１３内の作動流体
の温度が下降し、気体圧力が下降し始める。従って前記
密閉空間１９内の作動流体の圧力も下降し始める。

即ち、第４図において（Ｃ）から（Ｄ）に示す行程が冷
却行程である。

よって、作動流体の平衡を保つために、第２シリンダ９
内のピストン４１が図で下方に移動して、第２シリンダ
９の容積が収縮し、もって第２空間１４の容積、即ち密
閉空間１９の容積が収縮する（第４図（Ｃ）から（Ｄ）
参照）。

そして、さらに作動流体が収縮して、ピストン４１が下
死点（ＢＤＣ）に達した時点で収縮行程は終了し、第４
図（Ａ）に示す位置に戻される。

即ち、第４図において（Ｄ）から（Ａ）に示す行程が圧
縮行程である。

このような作動流体の加熱、冷却による圧力変化が繰り
返されて、ピストン４１の往復とこれに連動するロータ
リディスプレーサ３１の回転が継続する。

このようにして、ロータリディスプレーサ３１の回転運
動をピストン４１を介して取り出すようにしたので、従
来のディスプレーサ型スターリング機関やＬ型入ターリ
ング機関のように、往復運動を回転運動に変換した後に
再びピストンを介して取り出す必要が無く、１つのクラ
ンク機構を設けるだけで済み、もって駆動損失も小さく
、機構が簡単で、しかも小型化が可能なスターリング機
関を得ることが可能となる。

本実施例では、本体３３の外径は周壁２の内径より僅か
に小さく設定されており、クリアランスＣを有するので
、ロータリディスプレーサ３１が回転する際に周壁２と
接触することが無く、摩擦抵抗も無く、駆動損失が生じ
ることも無い、さらにバランサ３４及びフライホイール
３５の取り付けと相まって振動の発生も防止できる。尚
、前記本体３３と周壁２との間のクリアランスＣを介し
て、ロータリディスプレーサ３１が回転運動をする際に
作動流体が漏れるが、その量は前記本体３３と周壁２と
が相対している面積が大きいこともあってその量は僅か
であり、効率の低下は僅かである。

但し、ロータリディスプレーサ３１の表面を摩擦抵抗中
に形成して、周壁２内面を摺動する断熱性を重視した方
式を採用することも可能であり、特にロータリディスプ
レーサ３１の少なくとも摺動部を断熱材で形成すれば断
熱性が高い。両者何れの方式を採るかは、摩擦抵抗と断
熱性との兼ね合いで決定すればよい。

尚、本実施例では第２シリンダとして、周壁２の径方向
外方に突出して設けられてピストン４１が嵌挿される往
復動型の第２シリンダ９を用いたが、第２シリンダは第
１空間１３と連通ずる空間の容積が前記ロータリディス
プレーサ３１の回転運動に応じて変化すればよいので、
バンケット型等の回転運動型の第２シリンダを用いても
よいし、またピストン４１を用いること無く、ベロフラ
ムやダイヤフラムを用いたシリンダでもよい。

また、第５図及び第６図に示す他の実施例の如く、本体
３３と相対する側のバランサ３４の間に例えば断熱材等
で形成した突起部３８を設けて空間容積を狭めると共に
、空間全体を周壁に近づけることができるので加熱、冷
却効率が高まる。即ち、第１空間１３内の作動流体の温
度変化がより顕著になり、もって気体圧力の変化も顕著
になることにより、作動流体の膨張圧縮が顕著に行われ
て前記ロータリディスプレーサ３１の回転速度を上昇さ
せることが可能となる。

また、周壁２を加熱側１６と冷却側１７とで別々に形威
し断熱材を挟持して周壁２を形成することにより、該周
壁２を介しての熱伝導を抑制することができ、密閉空間
１９内の作動流体の温度変化がより顕著になり、効率の
低下を抑制することが可能となる。

尚、本発明に係るスターリング機関の使用形態として、
ロータリディスプレーサの回転軸の回転を出力としてそ
のまま取り出すものの他、第２シリンダの往復動または
回転するピストンにより密閉空間とは反対側に容積可変
な空間を形威し、この空間をポンプ室としてポンプ（コ
ンプレッサ）機能を持たせることもできる。

さらに本発明に係るロータリディスプレーサを用いたス
ターリング機関を、圧縮ピストンで圧縮した冷媒を熱交
換器を通してロータリディスプレーサの一側の背面室へ
送り、ロータリディスプレーサ内の蓄冷機を通過させて
ロータリディスプレーサの他側の膨張室へ流入させ、冷
媒を低温化させるスターリングサイクル冷凍機に用いる
と、該冷凍機の小型化が可能となる。

〈発明の効果〉以上説明したように、本発明によれば、ディスプレーサ
をロータリ型とする等従来とは全く異なる新しい駆動方
式の採用により、回転運動を用いてスターリング機関を
構成することが可能となり、もって駆動損失も小さく、
軽量、コンパクト、安価でしかも静粛な小型発電機等の
動力源が得られることとなる。

また、従来に比較して往復運動を回転連動に変換する機
構の数が減少するので、振動の発生も少ないスターリン
グ機関を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るスターリング機関の実施例の全体
構成を示す横断面図、第２図は第１図におけるＡ−Ａ断
面矢視図、第３図は第１図におけるＢ−Ｂ断面矢視図、
第４図は同上実施例の作用を説明する概略断面図、第５
図は本発明に係るスターリング機関の他の実施例の全体
構成を示す横断面図、第６図は第５図におけるＤ−Ｄ断
面矢視図、第７図は従来の種々のスターリング機関を示
す概略図である。１・・・シリンダライナ　　９・・・第２シリンダ１３
・・・第１空間　　１４・・・第２空間　　１５・・・
連通路１６・・・加熱側　　１７・・・冷却側　　　３
１・・・ロータリディスプレーサ　　３２・・・回転軸
　　３３・・・本体　　３５・・・フライホイール　　
４１・・・ピストン　　４２・・・クランク

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一部が加熱、他部が冷却される周壁を有する円筒
状の第１シリンダと、周壁の一部が他部に比較して相対
的に前記第１シリンダ内壁に近接し該第１シリンダ内に
軸回り回転自由に嵌挿されたロータリディスプレーサと
、容積可変部材により画成されて容積可変となる第２シ
リンダとを備え、前記第１シリンダの内部空間と第２シ
リンダとを連通して作動流体が封入された容積可変な密
閉空間を形成すると共に、前記容積可変部材の容積可変
方向の動作を前記ロータリディスプレーサの回転する方
向に変換するように該容積可変部材と該ロータリディス
プレーサとを連結する連結機構とを備えてなり、前記密
閉空間内の作動流体が第１シリンダ壁による加熱または
冷却を受けて圧力変化することにより前記容積可変部材
を駆動して前記ロータリディスプレーサを回転するよう
にしたことを特徴とするスターリング機関。
（２）前記第２シリンダが、前記ロータリデイスプレー
サの回転軸方向と直交する方向に往復動する容積可変部
材であるピストンにより容積可変となり、連結機構はク
ランク機構である請求項１記載のスターリング機関。