JPH0378554A - 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、スターリング・エンジン、特にスターリン
グ・エンジンの小型化に関する。

〔従来の技術］ 従来の技術によるスターリング・エンジンには、クラン
ク機構型とフリーピストン型とがある。

前者は、第２図に示すようにピストン２１とディスプレ
ーサ２２とが約１／４周期分の位相差をもって夫々連結
棒２３．２４を介してクランク軸２５に連結され、夫々
作動ガスが充填されているピストン側のシリンダ２６と
ディスプレーサ側のシリンダ２７とが通路２８を介して
連通されて構成されている。なお、クランク軸２５には
、はずみ車２９が固着されている。

後者は、作動ガスが充填され、且つ互に連通しているピ
ストン側のシリンダとディスプレーサ側のシリンダとに
は、ピストン及びディスプレーサとがフリーの状態で嵌
装されている。

いずれの型式にしても、ディスプレーサ側のシリンダの
外周部には、熱交換器（再生器）が設けられている。

ディスプレーサ側のシリンダの上部を冷却し、下部を加
熱している状態で、デイプレーサを上下に動かすことに
より、シリンダ内部の作動ガスの圧力が変えられる。そ
の結果、ピストン側のシリンダ内の圧力が外気圧に対し
上下して、クランク機構型においてはクランク機構によ
り、フリーピストン型においてはピストン及びディスプ
レーサの慣性並びに作動ガスの弾性によって生じる自励
振動により、ディスプレーサに対し夫々約１／４周期分
の位相差が維持されたピストンがシリンダ内を往復動す
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の技術によるスターリング・エンジンにおいて、ク
ランク機構型の場合には、ピストンとディスプレーサと
の間の位相差維持手段として、クランク機構が用いられ
ているので、クランク機構及びはずみ車という外部機構
を必要とする上、そのため、スターリング・エンジンの
構造の簡易・小型化は困難である上、作動ガスの漏洩を
もたらす滑動密封部の増加や摩擦をもたらす滑動接触部
の増加が避けられない、従って、メンテナンスフリーで
、且つ小型であることを必要とする用途、例えば宇宙用
エンジン等には不適である。

又、フリーピストン型式の場合には、スターリング・エ
ンジンの構造は簡易であり、小型化は容易である上、ク
ランク機構型より滑動密封部及び滑動接触部が少ない、
しかし、小型化により自励振動数が高くなり、自励振動
数が高くなると、作動ガスの熱交換器の伝熱面との接触
時間が短縮化され、熱伝導が不十分となり、スターリン
グ・エンジンの実用的機能が失なわれる。

この発明は、スターリング・エンジンにおいて作動ガス
の熱交換器の伝熱面との接触時間を十分に確保した上、
構成の簡易・小型化を実現するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明によるスターリング・エンジンは、ピストン用
シリンダとディスプレーサ用シリンダとが単一の空間を
形成するように例えば同軸線関係に一体に態結合されて
おり、ディスプレーサ用シリンダの蓋壁部には、適宜の
加熱手段が、円形底壁部には、適宜の冷却手段が夫々設
けられており、ピストン用シリンダ内には出力部材が取
付けられたピストンが気密を維持して滑動自在に嵌装さ
れていると共に、ディスプレーサ用シリンダ内には、軸
線方向に変位し得るように、且つ適宜の流通路をあけた
、例えば外周に所要の流通隙間があけられるか、所要の
流通孔が形成されて、ディスプレーサが嵌装されており
、ピストン用シリンダ、ディスプレーサ用シリンダ及び
ピストンにより形成され、ディスプレーサにより分割さ
れ、且つディスプレーサの外周隙間で連通された２区分
空間からなるシリンダ空間には、作動ガスが充填されて
おり、弾性部材、例えばコイルばねをもってピストンに
連結されているディスプレーサに対しディスプレーサ用
シリンダ内においてディスプレーサに対し軸線方向に磁
力を働かせる手段を具備している。

〔作　　用〕

最初、ディスプレーサは、ディスプレーサ用シリンダの
底壁部に近接した位置にあり、ディスプレーサにより分
割された底壁部側の区分空間（以下冷却空間という）は
殆どなく、蓋壁部側の区分空間（以下加熱空間という）
が大部分であるものとする。

先ず加熱手段でディスプレーサ用シリンダの蓋壁部を加
熱し、冷却手段で底壁部を冷却する。

すると、加熱空間の作動ガスは加熱され、その圧力は上
昇し、外気より大きくなる。その結果、ピストンはピス
トン用シリンダ内を滑動し出力部材を前進作動する。そ
れと共にピストンは、コイルばねを介してディスプレー
サを引張るが、初期には、ディスプレーサを底壁部に接
近する方向に働く働く磁力がディスプレーサを蓋壁部に
接近する方向に作用する力より大きいので、ディスプレ
−サは変位しない。やがて、ピストンの変位の増大、即
ちコイルばねの変形の増大によりばね力が増大し、ディ
スプレーサを蓋壁部に接近する方向に作用する力がディ
スプレーサを底壁部に接近する方向に働く磁力がより大
きくなると、ディスプレーサは、前者の力により蓋壁部
に近接乃至接触するように変位する。従って、加熱空間
は縮小すると共に冷却空間は拡大する。

すると、加熱空間の高温の作動ガスは、流通路を通過し
て底壁部側の区分空間（以下冷却空間という）へ流入し
、冷却空間で冷却され、その圧力は下降し、外気より小
さくなる。その結果、ピストンはピストン用シリンダ内
を逆方向に向って滑動し出力部材は後退作動する。それ
と共にピストンは、コイルばねを逆に変形しながらディ
スプレーサを押込むが、初期には、ディスプレーサを蓋
壁部に接近する方向に働く磁力がディスプレーサを底壁
部に接近する方向に作用する力より大きいので、ディス
プレーサは変位しない、やがて、ピストンの変位の増大
、即ちコイルばねの変形の増大によりばね力が増大し、
ディスプレーサを底壁部に接近する方向に作用する力が
ディスプレーサを蓋壁部に接近する方向に働く磁力がよ
り大きくなると、ディスプレーサは、前者の力により底
壁部に近接乃至接触するように変位する。従って、加熱
空間は拡大すると共に冷却空間は縮小する。

すると、冷却空間の低温の作動ガスは、流通路を通過し
て熱交換器に加熱されながら加熱空間へ流入する。

かくして、上記の作動サイクルが反復され、ピストンが
ピストン用シリンダ内を往復滑動されることにより、出
力部材は、前進・後退作動を反復して、適宜の機構を介
して負荷に対し出力する。

即ちスターリングエンジンが運転されるのである。

上記の作動の説明によっても理解し得るように、ディス
プレーサは、ピストンに対し常に一定の位相差だけ遅れ
て間欠的に変位するのであって、ディスプレーサに働く
磁力及びディスプレーサとピストンとを連結するコイル
ばねは、スターリングエンジンにおける必須の要件であ
るディスプレーサとピストンとの作動における所定の位
相差、例えば約π／２の位相差の維持手段として機能し
ている。

〔実　施　例〕

この発明の実施例を図面に従って説明する。

第１図において、スターリング・エンジンの大径同情状
のディスプレーサ用シリンダ１と小径円筒状のピストン
用シリンダ２とが同軸線関係に一体に結合されている。

ディスプレーサ用シリンダ１は、円筒側壁部３と、磁性
体である内側の円形蓋壁部４及び熱伝導率の高い材料、
例えばアルミニウムの外側の円環形量壁部５で一体とな
った蓋壁部と、円環形量壁部５と同材質の円形底壁部６
とから構成され、中心孔４ａが穿設された内側の円形蓋
壁部４の外側面に小径円筒状のピストン用シリンダ２の
基端が結合されており、小径円筒状のピストン用シリン
ダ２の先端のみが開口部となっている単一の空間が形成
されているのである。円形底壁部６の内側面には、磁性
体板７、例えば鋼板が固着されている。

ディスプレーサ用シリンダ１は、上記の構成に限らず、
要は蓋壁部及び底壁部が熱伝導性を備え、且つ磁性体で
構成にされているようにすればよく、同者とも単にスチ
ールだけで構成されていてもよいが、例えば蓋壁部会体
を円形底壁部６と同様に熱伝導率の高い材料で形成し、
その内側に磁性体板７を固着するのも好ましい構成であ
る。

ディスプレーサ用シリンダ１の蓋壁部、特に外側の円環
形量壁部５の外側には、適宜の加熱手段が設けられ、蓋
壁部、特に円形底壁部６の外側には、適宜の冷却手段が
設けられる。

ピストン用シリンダ２内にはピストン８が気密を維持し
て滑動自在に嵌装されていると共に、ディスプレーサ用
シリンダ１内には、流通路を形成するべくディスプレー
サ用シリンダ１の内径より２ｄだけ直径が短い円筒形の
ディスプレーサ９が軸線方向に十分変位し得るように嵌
装され、ディスプレーサ９の外周には所要の流通隙間ｄ
があけられる。

ディスプレーサ９の外周に流通隙間ｄをあける代りに、
ディスプレーサ９自体に軸線方向の流通孔を貫通させて
おいてもよい。しかし、この場合には、後記の熱交換手
段との関係もあって、ディスプレーサ９がディスプレー
サ用シリンダ１内にピストン８と同様に気密を維持して
滑動自在に嵌装される。

ディスプレーサ９には、熱交換手段が設けられ、作動ガ
スの通過に伴う熱の無駄な放出を防止することが好まし
い。

ディスプレーサ９における熱交換手段としては、微細メ
ツシュのステンレス鋼網が用いられる。

流通隙間ｄのディスプレーサ９の場合には、ディスプレ
ーサ９の両面に同形のステンレス鋼網を積層して取付け
、流通孔のディスプレーサ９の場合には、ステンレス鋼
網の積層体をもって流通孔を充填する。

流通隙間ｄのディスプレーサ９の場合には、ディスプレ
ーサ９の軸線方向の変位を安定させるために、ディスプ
レーサ用シリンダ１内において円形底壁部６の中心に案
内支持杆１０が植設され、ディスプレーサ９の中心に穿
設された中心孔９ａに挿通されていることが好ましい。

ディスプレーサ用シリンダ１、ピストン用シリンダ２及
びピストン８により形成され、ディスプレーサ９により
分割され、且つディスプレーサ９の外周隙間ｄで連通し
た２区分空間からなるシリンダ空間には、ヘリウム、水
素、又は空気等で代表される作動ガスが充填されている
。

ディスプレーサ９とピストン８とは、円形蓋壁部４の中
心孔４ａに挿通されたコイルばね１１をもって連結され
、には、磁石（永久磁石、又は電磁石）１２が埋め込ま
れている。

円形蓋壁部４が磁性体であり、且つ円形底壁部６の内側
面の固着されているものが磁性体板７であるのに対し、
ディスプレーサ９の内部に埋め込まれているものが磁石
１２である関係を逆にして、蓋壁部及び底壁部に磁石１
２を設け、ディスプレーサ９自体を磁性体にするか、又
はディスプレーサ９に磁性体を設けるかしてもよい。

更には、ディスプレーサ９に対しディスプレーサ用シリ
ンダ１内において軸線方向に磁力を働かせる手段として
、ディスプレーサ用シリンダ１の蓋壁部及び底壁部に磁
石１２を設ける代りに、ディスプレーサ用シリンダ１の
同情側壁部３の内部乃至外周部の軸線方向の略中央部に
ソレノイドを設け、且つディスプレーサ９に磁石１２を
設ける形式、又は、ディスプレーサ９自体を磁性体にす
るか、ディスプレーサ９に磁性体を設けるかの形式があ
る。ディスプレーサ９に磁性体を設けるの形式の場合に
は、ソレノイドの軸線方向の寸法に対し、ディスプレー
サ９の可動範囲は十分にとる必要がある。

上記の磁石１２が電磁石である形式は、蓋壁部及び底壁
部に磁石を設ける場合に好適であるが、ディスプレーサ
９に磁石を設ける場合にも、その導線は、ディスプレー
サ９からコイルばね１１同様に中心孔４ａに挿通され、
更にピストン８及び出力軸１３（中空軸）を通して外部
に電源に接続される。

ピストン８に取付けられた出力軸１３は、ピストン用シ
リンダ２の開口部から突出し、適宜の機構を介して負荷
に接続されている。

上記の第１図に示すスターリング・エンジンの作用につ
いて説明する。

最初、ディスプレーサ９は、円形底壁部６に近接した位
置にあり、ディスプレーサ９により分割された円形底壁
部側の区分空間（以下冷却空間という）は殆どなく、蓋
壁部側の区分空間（以下加熱空間という）が大部分であ
るものとする。

先ず外部から加熱手段で円形底壁部側 し、冷却手段で円形底壁部６を冷却する。加熱手段の熱
源としては、燃料の燃焼熱のほかに、太陽熱、アイソト
ープの崩壊熱等が使用される。それと共に、外部から冷
却手段で円形底壁部６を冷却する。

すると、加熱空間の作動ガスは加熱され、その圧力は上
昇し、外気より大きくなる。その結果、ピストン８はピ
ストン用シリンダ２内をその開口部に向って滑動し出力
軸１３は突出作動する。それと共にピストン８は、コイ
ルばね１１を伸長しながらディスプレーサ９を引張るが
、初期には磁石１２と磁性体板７との間に働く磁気吸引
力が伸長するコイルばね１１の引張りばね力と磁石１２
・円形蓋壁部４間に働く磁気吸引力との和より大きいの
で、ディスプレーサ９は変位しない。やがて、ピストン
８の変位の増大、即ちコイルばね１１の伸長の増大によ
り引張りばね力が増大し、コイルばね１１の引張りばね
力と磁石１２・円形蓋壁部４間に働く磁気吸引力との和
が磁石１２・磁性体板７間に働く磁気吸引力を超過する
と、ディスプレーサ９は、前者の和の力により蓋壁部に
近接乃至接触するように案内支持杆１０に案内されて変
位する。従って、加熱空間は縮小すると共に冷却空間は
拡大する。

すると、加熱空間の高温の作動ガスは、熱交換手段に放
熱しながら流通隙間ｄを通過して円形底壁部側の区分空
間（以下冷却空間という）へ流入し、冷却空間で冷却さ
れ、その圧力は下降し、外気より小さくなる。その結果
、ピストン８はピストン用シリンダ２内を円形蓋壁部４
に向って滑動し出力軸１３は退縮作動する。それと共に
ピストン８は、コイルばね１１を圧縮しながらディスプ
レーサ９を押込むが、初期には磁石１２と円形蓋壁部４
との間に働く磁気吸引力が圧縮されるコイルばね１１の
圧縮ばね力と磁石１２・磁性体板７間に働く磁気吸引力
との和より大きいので、ピストン８は変位いない。やが
て、ピストン８の変位の増大、即ちコイルばね１１の圧
縮の増大により圧縮ばね力が増大し、コイルばね１１の
圧縮ばね力と磁石１２・磁性体板７間に働く磁気吸引力
との和が磁石１２・円形蓋壁部４間に働く磁気吸引力を
超過すると、ディスプレーサ９は、前者の和の力により
底壁部に近接乃至接触するように案内支持杆１０に案内
されて変位する。従って、加熱空間は拡大すると共に冷
却空間は縮小する。すると、冷却空間の低温の作動ガス
は、熱交換手段に加熱されながら流通隙間ｄを通過して
加熱空間へ流入する。

かくして、上記の作動サイクルが反復され、ピストン８
がピストン用シリンダ２内を往復滑動されることにより
、出力軸１３は、突出・退縮作動を反復して、適宜の機
構を介して負荷に対し出力する。即ちスターリングエン
ジンが運転されるのである。

ディスプレーサ用シリンダ１の蓋壁部及び底壁部に磁石
１２を設け、ディスプレーサ９自体を磁性体にするか、
又はディスプレーサ９に磁性体を設けるかした形式にお
いても、上記と全く同様の作動が行われることは容易に
理解されよう。

又、ディスプレーサ用シリンダ１の円筒側壁部３の内部
乃至外周部にソレノイドを設け、且つディスプレーサ９
に磁石１２を設ける形式、又は、ディスプレーサ９自体
を磁性体にするか、ディスプレーサ９に磁性体を設ける
かの形式の場合には、ディスプレーサ９は、磁力の働き
によりコイルの阿端に近接した状態、即ちディスプレー
サ９は、ディスプレーサ用シリンダ１の蓋壁部及び底壁
部に近接乃至接触した状態に留まろうとする傾向をもつ
。その性質は、図示の実施例に関する既述の作用の場合
と全く同様であり、延いては、この変形の実施例におい
ても、ディスプレーサ９の往復動は、図示の実施例の場
合と変りはない。

上記の作動の説明によっても理解し得るように、ディス
プレーサ９は、ピストン８に対し常に所定の位相差だけ
遅れて間欠的に変位するのであって、ディスプレーサ用
シリンダ１内でディスプレーサ９に働く磁力及びディス
プレーサ９とピストン８とを連結するコイルばね１１は
、スターリングエンジンにおける必須の要件であるディ
スプレーサ９とピストン８との作動における所定の位相
差（例えばπ／２の位相差）の維持手段として機能して
いる。

〔発明の効果］ この発明のスターリング・エンジンによれば、フリーピ
ストン型であるので、クランク機構及びはずみ車という
外部機構を必要しないので、スターリング・エンジンの
構造は、簡易・小型化が容易である上、作動ガスの漏洩
をもたらす滑動密封部や摩擦をもたらす滑動接触部は少
なく、しかもフリーピストン型にも拘らず自励振動数を
減少させることができるので、小型化が可能である。

従って、メンテナンスフリーで、且つ小型であることを
必要とする多くの用途、例えば宇宙用エンジン等には好
適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例におけるスターリングエン
ジンの断面図、 第２図は、従来の技術のスターリングエンジン（クラン
ク機構型）の原理図である。 １：ディスプレーサ用シリンダ ２：ピストン用シリンダ ４：円形蓋壁部 ５：円環形量壁部 ７：磁性体板 ９：ディスプレーサ 】１：コイルばね　１２：磁石 ３：円筒側壁部 ４ａ、９ａ：中心孔 ６：円形底壁部 ８：ピストン １０：案内支持杆 １３：出力軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ピストン用シリンダとディスプレーサ用シリンダとが
   単一の空間を形成するように結合されており、ディスプ
   レーサ用シリンダの熱伝導性を有する蓋壁部には、適宜
   の加熱手段が、熱伝導性を有する底壁部には、適宜の冷
   却手段が夫々設けられ、ピストン用シリンダ内には出力
   部材が取付けられたピストンが気密を維持して滑動自在
   に嵌装されていると共に、ディスプレーサ用シリンダ内
   には、軸線方向に変位し得るように、且つ適宜の流通路
   をあけたディスプレーサが嵌装されており、ピストン用
   シリンダ、ディスプレーサ用シリンダ及びピストンによ
   り形成され、ディスプレーサにより分割され、且つディ
   スプレーサにおける流通路で連通された２区分空間から
   なるシリンダ空間には、作動ガスが充填されており、弾
   性部材をもってピストンに連結されているディスプレー
   サに対しディスプレーサ用シリンダ内において軸線方向
   に磁力を働かせる手段を具備しているスターリング・エ
   ンジン