JPS5818541A - スタ−リングサイクル装置 - 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】 本発明はロータリーピストン機関を利用してきわめて簡
単な機構によりスターリングサイクルを行なわせる装置
に関するもので′ある。

一般にスターリング機関と呼ばれている外燃機関は、等
温圧縮、等容積加熱、等１Ｍ膨張、等容積冷却の４過程
から成るスターリングサイクルを行なう機関であって、
その熱５効率はカルノーサイクルと等しく、熱機関の内
では最も高い−３− 効率を持ち、燃料経済性に優れている機関である。また
外燃機関であるため極めて広範囲な種類の燃料が利用で
きる等、エネルギーの節減が重要な課題となっている今
日に於いて本機関の利用による省エネルギー効果はきわ
めて大きいものである。

また本機関は振動、騒音がきわめて低くまた排ガス対策
の容易な低公害機関であることが知られている。

しかし、スターリング機関はこの様に理論的にはきわめ
て優れているものの、スターリングサイクルを行わせる
ためには、複雑な機構が必要とされるため実用化が困難
で、広く一般に普及されるに至っていない。

これは従来のスターリング機関には次の様な種々の問題
点があったためである。

その第１は機構の複雑さであって、作動流体に等温圧縮
、等容積加熱、等温膨張、等容積冷却の４過程を行なわ
せるためには特殊な機構が必要となり、このため種々の
機構が提案されているがいづれも長短があり充分とは云
えないものであった。例へば、従来考えられている詞と
シテ、ディスプレーサ−型のスターリング機関を第１図
に示すと、１は熱源からの受熱器（以下加熱器と呼ぶ）
、２は冷熱源への与熱器（以下冷却器とＦｌ’ぶ）、３
は等容積冷却過程にある作動流体の熱を等容積加熱過程
の作動流体に与えるための熱交換器（以下再生器と呼ぶ
）であり、ビストス４と、ディスプレーサ−５を組み合
せてスターリングサイクルを行なわせるものであるが、
この方式に於いてはディスプレーサ−４と上部ケーシン
グにより形成される空隙６を高温膨張部、ディスプレー
サ−４と、ピストン５との相対運動により形成される空
隙７を低温圧縮部とし、この両空隙６．７の容積変化に
より、作動流体を前記加熱器、再生器、冷却器に送給し
、スターリングサイクルを行なわせる５− 必要とし、しかもその両作動空隙６．７０位相差は完全
に９０°ずれていす、円滑なスター１ノングサイクルの
作動が行なえるとは云い錬い０他の例としては、回転斜
板に４個のシリング゛−を連結して、互いに９０°づつ
位相をずらせて作動させ、相隣接するピストンをディス
プレーサ−として利用する複動４シリンダ一式スターリ
ング機関があるが、この方式も回転斜板の機構が複雑と
なり、大きな回転斜板や、またスラストを生じるためス
ラスト軸受は等を要し、装置は重く大きくなり、機械的
ロスも大きいものとならざるを得ない。

第２の問題点とし〒は従来の方式はいづれも往復式のピ
ストンを利用するため、高温高圧の作動流体を完全にシ
ールすることが困難な点でシャフトがピストン中央部を
貫通している部分と、ピストン中央部と機関のケーシン
グの間との２箇所をシールする必要があり、この部分の
６− シールは困難なものであった。このためロールソックス
シール等が考案されているが、充分ではない。また別の
改嵜案としては、例へは特許公開公報５１−９８４５０
に見られる様な逆Ｔ型スターリング機関等も考案されて
いる力（、その機構はやはり複雑であって工業的には成
功していない。

第３の問題点としてきらに重要な点は、スターリング機
関は熱効率が理論的にはカルノーサ身クルの熱効率と等
しく、最も優れた機関とされているが、こ−に大きな錯
誤が隠されていることである。スターリング機関内に於
いて、作動流体が高温熱源から熱を受は取り、その一部
を機械的仕事に換え、残りを冷熱源に与えたときに、受
取った熱望ネルギーが機械的仕事に変換される効率は、
成程熱機関中最も高いのであるが、一番重要なのは、そ
の高温熱源を得る手段に大きな問題点が隠されているの
である。

スターリング機関の高温熱源としては、一般に燃料を燃
焼させて得ているｔ（、燃焼の酸素源−７− は殆んどが空気であり大量の燃焼排ガスが発生する。い
ま高温熱源の湿度を例へば１ｏｏｏ０ｃに保つものとす
ると、燃焼排ガスはほぼその温度に近い状態で加熱器か
ら排出される。この排ガスをそのまま排棄してしまう°
と、スターリング機関側で如何に効率が高くとも、燃焼
系での効率が低いために、両者を総合した熱効率はきわ
めて低いものとなってしまう。高温熱源のエネルギー源
として電気エネルギーまたは輻射エネルギー等を使用す
る七きは、この点は解決されるかに見えるが、実際はこ
れらのエネルギーは、その殆んどが燃焼によるエネルギ
ーから２次的に得られるもので、ここでの効率は通常低
いものであるから、間Ｎは一向に解決されたこ〜とには
ならない。燃焼により高温を得る場合に、通常は空気を
排ガスで予熱する等のことが行なわれるか、これによる
熱効率の向上は小さいものでしかなく、前記の低効率を
Ｒ躍的に改善できるものではない。

本発明は全く新しい機構により、従来のこれサイクル装
置を提案するもので、その構成の概要は次のとおりであ
る。

先づ本発明のスターリングサイクル装置の作動用シリン
ダーとしては、作動室が２室のロータリーピストン機関
を使用する。このロータリーピストン機関は、内面周囲
輪郭が単節ベリトロコイド曲線によね形成されたロータ
ーへウシング内に、外周形状がそのペリトロコイド曲線
の内包絡線により形成されたローターを我納シたもので
あり、ローターの両側に２室の作動室が形成されるもの
である。ローター側面の中央部には、出力軸であるエキ
セントリ、クシャフトのロータルジャーナル部と筋合さ
せるための円孔をうがち、　同じくローターの側面にけ
べＩＪ　）ロコイド曲線の偏心量の２倍に相当する噛み
合い半径を持つ内歯々車を備え、この内歯々車の噛み合
い中心は先の円孔の中心と一致させる。次に、対応する
ローターへウジングの側面には、べＩＪ　）ロコイド曲
線の偏心量に相画する９− 噛み合い半径を持つ外歯々車を固定し、上記ローターの
内歯々車と噛み合わせ、所謂歯数比２：１の位相歯車を
形成させる。エキセントリソロ−タージャーナル中心に
対して自由に回転することができ、かつエキセントリッ
クシャフトはローターへウジング≠〒；城側面の固定外
画々車の中央を貫通する様組み立てられる。このため該
ローターは、エキセンドリスクシャフトの回転につれて
偏心したロータージャーナル上を自転しつつ位相歯車の
作用によりエキセントリ、クシャフト中心に対し公転し
、ローターが１回転する間に出力軸であるエキセンドリ
ンクシャフトから２回転の出力を取り出すことができる
。

本発明のスターリングサイクル装置は、上記の様な２室
の作動室を持つロータリーピストン機関を組合せて構成
されるものであって、従来に例を見ない全く新規なもの
である。次にスタ１０− 一リングサイクル装置としての構成を述べる。

前記のロータリーピストン機関の作動室容積の異なる大
小２基を組合せて一対となし、その一対または２対を同
一シャフト上に配置するか同期回転する様連結し、各ロ
ータリーピストン機関の各作動室を、大低温作動室、小
低温作動室、小高温作動室、大高温作動室とにわけ、こ
れらの各作動室を上記の順に従い流体通路で連結する。

さらに該流体通路上の大低温作動室と小低温作動室の間
には冷却器を設け、該流体通路の小高温作動室と、大高
温作動室との間には燃焼器を設け、該流体通路の小低温
作動室と、小高温作動室との間には再生器を設け、大高
温作動室からの流体通路は該再生器を経由させ、その出
口には定温排出弁を設け、弁下流は大気に開放する。−
万人低温作動室の吸入部にはフィルター等を取付けた空
気導入部を設ける。

さて、か＼る構成の装置に於いてロータリーピストン機
関の主軸を回転させれば、各機関のローターは同期回転
を行ない、大低温作動室は−Ｐ】ト 空気を吸引し、該空気はローターの回転につれて大低温
作動室すら小低温作動室、小高温作動室へと送給され、
等温圧縮、等容積加熱の過程が行なわれ、次に小高温作
動室から大高温作動室に該空気が送給される間に、燃焼
器に於いて燃料が添加され、該高温空気により燃焼が行
なわれ、生成した燃焼ガスは大高温作動室に流入膨張し
てローターに回転を与える０大低湛作動室からの排出ガ
スは再生器で熱回収された後、定温排出弁で定温になる
様流量を調節されつつ大気中に放出される。

本発明のスターリングサイクル装置は、か＼る構成によ
り成り立っており、次に述べるきわめて優れた特徴を持
っている。

（１）　　運動部の機構が回転運動のみから成り立って
おり、クランク機構、ロンピッ′り機構や回転斜板機構
の如く、動力損失が多く複雑な機構を全く必要としない
ため、その作動はきわて円滑であり、また各作動室の容
積変化は完全な正弦波形である。

（２）　　本発明に利用する単節ペリトロコイドロータ
リーピストン機関の作動室の内容積を増減するにはロー
ターの外周形状、寸法を変えることなくローターの厚み
を増減し、それに応じてハウジングの奥行を増減するの
みで対応できるため、本スターリングサイクル装置の全
体のケーシングは外周寸法の等しい２連ないしは４連の
ローター、・・ウジングを直列に配置して一体と成した
形状にすることができ、きわめてコンパクトにすること
ができる。

（３）　　またロータリーピストン機関を利用すること
によりローターの回転によって自動的に各流体通路は連
結され、また遮断されるので作動流体の逆止弁を設ける
必要は全くなく、必要最少個数の切替弁のみで充分であ
る。

（４）作動流体の通路は完、全な閉鎖系であり、シール
を必要とする所は少く、わづかにローターのサイド部と
サイトノ＼ウジングの隙間からシャフト側に漏洩する作
動流体はシールの容易な回転軸部で、メカニカルシール
等の通常１３− のシール機構を用いることで容易に止めることができる
。

（５）　　さらに最も重要なこととしては、従来のスタ
ーリング機関では高温熱源を得るための燃焼系の熱効率
が低いために、装置全体として°の効率はどうしても低
くならざるを得なかったものが、本発明の機関では燃焼
ガスそのものが作動流体として利用され、排出ガスは再
生器で熱の回数が行なわれるため、燃焼過程を含めた総
合熱効率をきわめて高くすることができることである。

（６）　　また専用の燃焼室に於いて燃焼を行なわせる
ため、燃焼室の壁−温の変動が少く、常に安定した燃焼
状態を保つことができ、さらに渦流給気による燃料と空
気の混合の改善や成層燃焼方式の知見をとり入れること
により、失火の無い有害成分の発生のきわめて少い燃焼
状態を保持することができる。

次に本発明の具体的な実施例について、添付の図面に従
って詳述する。

先づ、第２図はスターリング機関の指圧線図であ′って
、Ａ点は作動流体が最も低エネルギーの状態の点であり
、その圧力はＰａ１容積Ｖａで示される。本発明のスタ
ーリングサイクル装置に於いては、大気圧下の空気また
はそれに近い状態となる。Ａ　−Ｂは等温圧縮過程、Ｂ
〜Ｃは等容積加熱過程を示し、Ｃ、Ｄは等温膨張過程、
Ｄ’　−Ａは等容積冷却過程を示すＯＢ％Ｏ％Ｄ点はＡ
点と並んでそれぞれ基準の状態を示しそれぞれ、圧力、
容積は（ｐｂ、ｖｂ）、（ｐｃ、Ｖｂ）、（ｐａＳｖａ
）で表きれる。

以上は理想的なスターリングサイクルであるが、本発明
のスターリングサイクル装置に於いては、作動流体は空
気ないしは酸素濃度が調節された支燃性のガスまたは、
燃焼排ガスでありこれが１サイクル毎に出入りし、父、
燃焼器の前後ではガス量の増減がある。通常の燃焼テハ
′ガス量が増加するため、等温膨張過程の終点はＤ点で
はなくＤ′９点きなり、再生器の出口の状態１八点でな
くＡ′点となる。即ち修正されたスタ＝１５− 一すングサイクル々なる。本発明のスターリングサイク
ル装置の設計にあたっては、この点を考慮に入れ、Ｖｄ
をＶａに対し大きくするか、吸入ガス量を制限し実質的
Ｋ　Ｖ　ａを小さくして調整をはかる。

次に第３図は本発明に使用する単節べＩＪ　）ロフィド
曲線により形成されたロータリーピストン機関の正面断
面図である。同じく第４図は、その側断面図である。な
お本発明のスターリングサイクル装置バカ）かるロータ
リーピストン機関を複数個連結して構成されるが、第４
図ではその内１個のみを示した５第３図に於いて１１は
ローター・・ウジングで、その内面輪郭１２は単節ペリ
トロコイド曲線により形成せられる。

一般に単節ぺＩＪ　トロコイド曲線はＸ−Ｙ座標面で偏
心量をＥ１ベリトロコイド創成半径をＲとすると次式に
より示される。

Ｘ二Ｅ鴎２０＋Ｒ助θ ”ｆ−Ｅ　ｓｉｎ　２θ＋Ｒｓｉｎ　Ｏ本発明に使用さ
れるぺＩＪ　）ロコイドではＲ／Ｅの値がほぼ３から２
０の間位の適当な範囲で決められる。本実施例第３図で
はＲ／Ｅ＝　５である○通常は、さらに上記ベリトロコ
イドをそのま＼法線方向に等寸法でわずカ・に拡大した
曲線が使用される。その理由は、ローターのアペックス
シールの作用を円滑ならしめるためで、これは従来の２
節ベリトロコイドを利用したバンケルエンジンと同様な
原理によるものである。

第３２図の１５ｉ１’ｉロータ〜で、その外周形状１６
は単節ヘリトロコイドの内包絡線で形成されるか、また
は、この内包結線に内接する円あるいけこの内包結線の
内側でそのＦｉＩ３串が大きい円で形成される。この外
周面には必−要に応じてくぼみ１７を設ける。口〜ター
の２箇所の頂点部にはアペックスシール１８を取付ける
。また頂部側面にはコーナーシール１９を取付け、側面
外周部に沿って溝を設はサイドシール２ｏを取付け、バ
ネの力でローターハウジングの側面１３（サイドハウジ
ングと称す）と密着させ、作動室３１ないしは３２から
シャフト部へ作動流体１７− の漏洩を防止する。また、ローターの中央にはロータル
ジャーナル孔が設けられ、その周囲にはサイドシールと
同様な形式のオイルシール２１が設けられ潤滑油か作動
室に過剰に流入するのを防ぐ。口〜ターの側面には内歯
々車２７を設け、これに対応するサイドハウジングには
固定外歯々車２６を設ける。内歯々車の噛み合い半径は
該ぺ’Ｊ　）ロコイドの偏心量Ｅの２倍であり、その噛
み合い中心はロータージャーナル２３の中心と一致させ
る。エキセントリックシャフト２２はサイドハウジング
に固定された外歯々車２６の中央を貫通し、軸ベアリン
グ２５を介して自由に回転する様サイドハウジング１３
ないしは隔壁１４に取付けられ、エキセントリックシャ
フトの回転中心は固定外歯々車２６の噛み合い中心と一
致させる。固定外歯々車２６の噛み合い半径は前記偏心
量と一致させる。エキセントリックシャフトのローター
ジャーナル部２３はローターの中央のロータージャーナ
ル孔とローターベアリング２４を介して嵌１８− 合しローター内部には空洞２８を設はローターの釣り合
いを図ると共に、この空洞内にオイルポンプからシャフ
ト内やサイドハウジングまたは隔壁を通じてオイルを循
環させてローターの過熱を防ぐ。ハウジングにも適宜冷
媒通路２９を設は冷却水、または冷媒を流通させ過熱を
防ぐ。ロータージャーナル部には空孔３０を設け１釣り
合いを図る。作動室３１ないしは３２への作動流体の流
入排出孔は、サイドボード形式３３か、ペリフェラルボ
ート３４の形式で設ける。ペリフェラルボートの場合は
、ローターがボートの開孔部に達したとき、一時的に両
作動室が連通し、作動流体の逆流のおそれが生じるがサ
イドボートの場合はこの様なことは起らずｓ　合−ｂ：
　ｍい。ロータリーピストンのシャフト部には作動室か
ら作動流体が若干漏洩して来るが、シャフト部は加圧に
保ち軸封装置３１５をサイドハウジングや、必要ならば
隔壁に設け、作動流体が機関外部や相隣れる作動機関に
漏洩するのを防ぐ。

−１９一 本発明に使用するロータリーピストン機関は、ローター
の回転によって一方の作動室容積は最大から最小再び最
大へと変化し、他方の作動室はその逆の変化を行なうが
、その容積変化の状態はいづれも完全な正弦波を示す。

なお一方の作動室が最大容積のときは他方は最小であり
、通常のピストンの如く上死点、上死点の区分は明確で
ないので学に死点と称す。

次にかかるロータリーピストン機関を組み合わせてスタ
ーリングサイクル機関上なすための構成について詳述す
る。第５図は前記ロータリーピストン機関の作動室容積
の異なる大、小を組合せて一対となしたるもの２対を利
用する４ピストン式スターリングサイクル装置を示し、
第６図は前記一対を利用する２ピストン式スターリング
サイクル装置を示す。

先づ第５図の４ピストン式スターリング装置について詳
述する。

第５図の４１は大低温作動機関、４２は小低温作動機関
、４３は小高温作動機関、４４は大高温作動機関を示す
。各機関共、前述のロータリーピストン機関を利用する
が、作動室容積の大小の差は、ローターおよびローター
、・１ウジングの回転軸にそった方向の長さを調節する
ことで所定の容積差にすることができる。従って４基の
機関は、外周寸法が等しく奥行きのみの異なるロータリ
ーピストン機関を、同一回転軸上に並べて配置すること
ができる。勿論４基の機関は外周寸法を異なるものとす
ることもできるし、４基の機関は間を離して、互いに連
結して同期回転させる方式としても良い。４基のロータ
リーピストン機関は円滑な回転をさせるために向きを変
えて連結し、または、さらに適宜なバランス用重りを取
付ける。なお第５図では便宜上作動室容積の大なる機関
の径を大きく、小なる機関の径を小さく記載しである。

また第５図に於いて、４基の機関４１．４２．４３、′
４４の添字はそれぞれａがケーシング、ｂがローター、
Ｃがエキセントリックシャフト、ｄは作動室１、ｅ・は
作動室２を示す。

２１− さて、４基の機関は、流体通路４１．４９．５０．５１
で接続しこの通路上、に冷却器４５、再生器４６、燃焼
器４７を設ける。冷却器４５は、流体通路４８から流入
する作動流体と、冷熱源５２とを熱交換させ作動流体の
熱を冷熱源に与える作用を行なう。再生器４６Ｆ１大高
濡作動機関４４からの高温の作動流体を流体通路５１を
介して導入し、小低温作動機関４２から流体通路４９を
介して流入する低温の作動流体に熱交換により熱を与え
る作用を行なう。燃焼器４７け、小高温作動機関４３か
ら流体通路５０を通り導入される高温の作動流体（空気
または支燃性の含酸素力不−以下支燃性ガス七呼ぶ）に
、５３から燃料を添加し燃焼させる作用を行なう。

次にこの４０−タリーピストンスターリングサイクル機
関の作動の態様について詳述する。

大低温作動機関４１のローターは死点にあり作動室４’
ｌｅの内容積は最大となっている。作動室内には吸入さ
れた支燃性ガスが充満しており、その状態は第２図のス
ターリングサイクルの指圧線図のＡ点で示される。その
圧りは一般にには大気圧に近い状態であるが、過給器を
設けた場合にはそれより高い圧力となる０ 機関４１０ローター４１’ｂの右回りの回転により作動
室４１ｅの容積は減少し、支燃性ガスは排出され流体通
路４８を通り゛、冷却器４５を経苗して小低温作動機関
４２の作動室４２ｄに流入する。機関４２のローター４
２ｂはローター４１ｂと連動しておりその作１室４２θ
は容積を減じ、４２ｄは増加しつつある。ここに支燃性
ガスが流入し、その圧力は、作動室４１θと４２ｄの容
積比に逆比例して圧縮され高くなるが、冷却器４５によ
り一定の温度に保たれ所謂等温圧縮操作をうける。即ち
こ−では第２図の指圧線図のＡ　−＋　３３の過程が行
なわれる。一方０ 吸入する。導入部−ＩＰ＝４＝にはフィルターならびに
混合器等が設けられる。

−２３− と＼で支燃性ガスについて詳述すると、本発明のスター
リングサイクル装置に於いては、支燃性ガスは作動流体
として利用せられると同時に、燃焼器に於いて添加せら
れた燃料を完全に燃焼させるに必要な酸素を供給する役
目を果すものである。第２図の指圧線図に於いて、スタ
ーリングサイクルの各Ｍ準の状態ＡＳＢ、Ｏ。

Ｄの設定の如何によって補給すべき熱量が決まり、燃料
の量が求まるから、大低温作動機関の吸入圧力と吸入容
積とから供給支燃性ガスのｍ−酸素濃度を決定すること
ができる。支燃性ガスは、富酸素ガスと空気との混合な
いしは、空気と大高温作動機関から再生器を径て排出さ
れる燃焼排ガスの一部を混合して調整される。

さて、機関４１のローター４１ｂが次の死点迄回転した
時点では機関４２０−ター４２ｂも死点に達し作動室４
２ｄの内容積は最大となっており、一方作動室４１θの
作動室内容積は最小となっで支燃性ガスの、作動室４２
ｄへの移動は完了している。両機関のローターが更に死
才柵昭５８−１８５４１　（７２ 点を越えて回転を続けると、自動的に作動室と作動流体
の入口、出口の相互関係か入れ替り、機関４１では作動
室４１ｄが流体通路４８と接続はれ、また機関４２に於
いては、作動室４２ｅが流体通路４８に接続され、古び
同様の等温圧縮過程がくり返される。

一方、機関４２の作動室４２ｄｔｉ流体通路４９と接続
され、支燃性ガスは、′流体通路４９から再生器４６を
経て、次の小高温作動機関４３の作動室４３ｅに流入す
る。ここで小低温作動機関４２こ小高温作動機関４３の
作動室は痔容積であり、支燃性ガスは再生器４６で熱を
与えられ高温・となるも、体積は増加せず、第２図の指
圧線図に於ける等容積加熱過程Ｂ−０が行な−われる。

機関４２．４３共に各ローターが回転し死点に達すると
、既に述べたと同様に作動室と流体通路の関係が切替わ
る。即ち、機関４３の作動室４３ｅは、流体通路５０と
接続され、高温高圧の支燃性ガスは流体通路５０を通り
、燃焼器４７に流入する。燃焼器では小高温作動機関か
らの高温高圧の支燃性ガスに燃料を噴射し燃焼　□させ
る０燃料は液体状、ガス状のいづれでも良く、また低速
運転のスターリングサイクル装置の場合は微粉状の固体
燃料も利用できる。

燃焼室は円筒状または紡錘状の空洞内に支燃性ガスを流
入させ燃料を旋回流状に噴霧添加する方法や、ガスを渦
流状に流入はせ、燃料をこの渦流にそって導入するかま
たは十字流状に導入し、分散燃焼させる方法等が行なわ
れる。燃料の着火は、スターリングサイクルの高温側作
動温度が低いときは、電気火花や、赤熱ヒーター等の補
助着火源を設ける。

こ＼でスターリングサイクルに於いて、支燃性の作動流
体に燃料を添加して燃焼させ熱源とする場合、サイクル
の設計如何によっては、少量の燃料を多量の支燃性ガス
中で燃焼させねばならない一断面、希薄燃焼状態となる
。この場合には、既に述べた燃焼方法のみでなく、さら
に、燃料添加を部分的に濃くした成層燃焼法や、ｚｂ− 副室を設け、こ−で燃料濃度を高めて燃焼させなのち、
主燃焼室に噴出させ完全燃焼をはかる方法が利用され、
また副室内に高温の着火源を設けることも行なわれる。

燃焼室への燃料の供給を適切に制御することが、定温膨
張過程の遂行には重要であって、機関４３０ローターの
回転により排出され、燃焼器に流入する支燃性ガスの流
量は、正弦波形を画いて変化するので、これにほぼ比例
して燃料を供給し、燃料−支燃性ガス比を一定に株ち安
定した燃焼状態を得ると共に定温燃焼に近くする。燃焼
室に入る支燃性ガス量と燃料との制御は、燃焼室人ＯＫ
ベンチュリーを設け、その負王で燃料の吸入量を調節す
る方法や、ローターの回転に同期した小型のロータリー
ポンプにより、ガス流量を比例して燃料を供給する方法
等が採用できる。

かくして、燃焼温度が定温になる様、燃料添加量が制御
され生成した燃焼ガスは、大高温作動機関４４の作動室
４，４ｄＫ流入し、ｋ張して、−２７− ローター４４ｂに回転を与える。

この過程は、第２図の指圧線図に於けるＣ〜Ｄの定温膨
張過程である。こ−でローター４４ｂに与えられた回転
力はエキセントリックシャフトから出力として取り出さ
れる。一方この間に機関４２と４３の間では作動室４２
ｅと同じく４３ｄが流体通路で接続されており既に述べ
たと同様にくり返り等容積加熱過程が進行してρる。

機関４３．４４の各ローター、が次の死点に達すると流
体通路が切替わり、機関４４の作動室４４ｄけ流体通路
５１と１続され、作動室４４内の燃焼ガスは流体通路５
１を通り再生器４６を経て定温排出弁５４を通り大気中
に放出される。再生器４６は熱交換器で・既に述べた通
り、機関４２から機関４３に流入する作動流体が貫流し
ており、機関４４からの作動流体はこの流体に熱を与え
、自身は冷却され定温に調節されな後大気に放出される
。この過程は第２図の指圧線図のＤ　−Ａの等客種冷却
過程である。この相開昭５８−１８５４４　　（８） 過程で機関４４から排出される燃焼ガスの持っている熱
は再生器４６を経由して等容積加熱過程の作動流体に与
えられる。即ち熱再生が行なわれる。なおこの間に機関
４４のもう一方の作動室４４ｅには機関４３の作動室４
３ｄから燃焼器４７を通り燃焼ガスが流入し、くり返し
、定温膨張過程が進行し・ている。

かくして機関４１に流入した支燃性ガスはスターリング
サイクルの各過程を経由しながら各機関を循環し、・等
温圧縮、等容積加熱、等温膨張、等容積冷却の四過程を
経由して再び大気中に放出されていき、該各過程がくり
返し継続されることとなるのである。

こ＼で本発明のスターリングサイクル装置の作動の態様
が従来のスターリング−ｆＩＡｒＩＡと若ｆ異なってい
るのは作動流体が空気または酸素を含む支燃性のガスま
たは燃焼生成ガスであり、特に等温膨張過程の燃焼室の
過程の前後に於いて、　　　゛作動流体のモル数の増加
があることで、このため一般の、スターリングサイクル
に於いては等温２９− 圧縮過程の圧縮比と等温膨張過程の膨張比が等しく設計
せられるものが、本発明のサイクルに於いては等しく設
計すると、等温膨張過程が成り立たなくなる。この概要
は既に第２図の説明のところで述べた通りであるが、本
実施例に於いては、機関４４の作動室内容積を機関４１
の作動室内容積に比較して大きい内容積を与えて改善を
図ることができる。これによって第２歯に示さる如く、
等温膨張過程の完丁した状態はＤ点でなくＤ′点と修正
され、再生器を排出される状態もＡ′点となり、この点
けＡ点と等温であり熱損失も少く抑えられる。

また、大高温作動室から再生器を経た燃焼排ガスは大気
中に放出せられるが、その排出口端を単に大気中に開放
させた場合は、大高温作動室内の圧力の高い流体はきわ
めて短時間に大気中に放出され、再生器での熱回収が不
充分となる。この防止には再生露出口に弁、細孔等の適
当な絞りを設けて、排出量を調節するか、または、放出
端の温度を検出しとれが一定温度となる様調節弁を設け
て制御する方法等を採用し、Ｄ′〜Ａ′の過程が等容積
変化となる様調節する。

本発明のロータリーピストン機関を利用せるスターリン
グサイクル装置の各部の運動は、すべて回転運動のみに
より構成されているため、エネルギーロスの少ないきわ
めてなめらかな回転力を取り出すことができ、さらに注
目すべきことは４０−タリーピストンスターリングサイ
クル装置に於いては、各機関の各ローターの回転により
自動的に各作動室と各流体通路との接続関係が切替えら
れるために、各循環路上に開閉弁、逆止弁等を全く設け
る必要が無く、機構をきわめて簡単にすることができる
。

さて、本発明は以上に述べた４０−タリーピストン式ス
ターリングサイクル装置に於いぞ目的を達成されるもの
であるが、作動流体の流体通路上に若干数の切替弁を設
けることにより、さらに小型の２０−タリーピストン式
スターリングサイクル装置を全く同様な原理に基づいて
構成することかできるのである。

−３１− その実施の１例を第６図に示し、その作動の態様につい
て詳述する。先づ第６図に於いて５５はロータリーピス
トン式の複動大作動機関５６け同じく複動小作動機関で
ある。機関５５．５６の各部は添字ａＳｂｚ　Ｏｘ　ｄ
ｓ　ｅで示すがａＨケーシング、ｂがローター、Ｃがエ
キセン−ト’）ｙクシャフト、ｄが作動室ｌＳｅは作動
室２を示す。機関５５は作動室５５ｄと５５ｅとを持ち
、一方が大高温作動室、他方が大低温作動室として動く
。機関５６も同様に作動室を２室。持ち、一方が小高温
作動室、他方がφ低温作動室として働く。図に於いて５
７は冷却器５８は再生器、５９は燃焼器である。機関５
５．５６の作動流体の入口、出口にはそれぞれ、各機関
のローターの回転周期に合わせ外作動を行なわせること
のできる切替弁６０，６１，６２．６３を設ける。ロー
タリーピストン機関の５５および５６は同一シャフト上
に組立てられるか、または互いにシャフトを連結して同
期回転をさせる。機関５５．５６、冷却器５・７、再生
器５８、燃焼器５９０間はそれぞれ流体通路６４．６５
．６６．６７で第６図に示す様に結ぶ。　　′さて、本
方式のスターリングサイクル４１［の作動様式を図に従
って詳述する。既述の如く機関５５および５６のロータ
ーは同期回転していのＡの状態にある。この作動室５５
θ内の作動抗体は、ローター５５ｂの右回りの回転によ
り排出され、切替弁６０により流体通路６４を通り冷却
器５７に於いて冷熱媒６８によシ一定温度に冷却されつ
つ切替弁６１を通り、機部５６θと作動室５６ｄの容積
比に逆比例して圧縮される。即ち等温圧縮過程Ａ〜Ｂが
行なわれる。

機関５５．５６の各ローターが回転し、死点に達すると
これに合わせて切替弁６０．６１．６２．６３が切替え
られる。この切替の方法としては機関のシャフトと同期
させて１．ローター３３− ！５ｆ死点に達したときに、カム機構または切欠き歯車
等の機構により答弁を切替るか、またはシャフトの回転
角上のローターが死点に達する位置に於いて電気信号を
発生させ、この信号に従って答弁を切替る方式等を採用
することができる。切替弁としては電磁弁、流体作動弁
、機械作動弁等を使用し、三方弁または二方弁の組合せ
を使用することができる。

さて、機関５６０ローターが死点を越えて回転すると、
作動室５６ｄから、切替弁６２により流体通路６６を通
り再生器５８を経て、切替弁６１により再び機関５６０
反対側の作動室５６ｅＫ！続する流体通路が形成される
。作動室５６ｄ内の加圧された支燃性ガスは、ローター
の回転により排出され、再生器を通り、こ＼で加熱され
て高温−高圧の状態になり、作動室５６ｅに流入する。

作動室５６ｅは共に小作動室でありその容積は等しく、
作動流体は等容加熱されることとなる。即ち、第２図の
指圧線図のＢ−０の等容積加熱過程が行なわれる。機関
５６のローターがさらに半回転して次の死点に達すると
切替弁６０．６１．６２１．６３が再び作動し、機関５
６に於いては作動室５６ｅから切替弁６２を経て、流体
通路６７により燃焼器５９に導かれ、該燃焼器から切替
弁６３を経てもう一方の機関５５の作動室５５ｄへと通
じる流体通路が形成される。一方、作動室５６ｄには作
動室５５ｅから切替弁６０、冷却器５７、切替弁６１を
経て、作動室５６ｆ１に流入する流体通路が形成され、
既に述べた等温圧縮過程Ａ〜Ｂが再びくり返される。

小高温作動室５６θ内の高温高圧の作動流体は、ロータ
ーの回転により排出されて上記流体通路を通り燃焼器５
９で一定温度に加熱されつつ大高温作動室ｊ５ｄに流入
し、膨張して、機関５５のロータ−５５ｂＫ回転力を与
える。

燃焼器に於いては、既に４０１タリ一ピストン機関式ス
ターリングサイクル装置の燃焼器について述べたと全く
同様に各種の燃料が支燃性ガス内に噴射供給されＸ外部
点火または自己着−３５− 人により燃焼し、大高温作動室に流入する燃焼生成ガス
を定温に保つ。こ−で小高湿作動室から排出される支燃
性ガスの量は、ローターの回転角に対して正弦波形を示
して排出されるため、燃焼室への燃料の供給もこのガス
量に比例して供給し、燃焼生成ガスが定温を保つ様調節
する。

この具体的な調節の手法に就いては、既述の各種の方法
が利用きれる。

かくして、作動流体は作動室５６ｅと５５（１の内容積
の比に従って膨張するが、燃焼器５９により一定温度に
加熱保持されるので、第２図に示した指圧線図の定温膨
張過程Ｏｘ　Ｄが行なわれることとなる。

、ローター５５１）に与えられた回転力は、エキセン゛
トリックシャフト５’　５　ｃを介して機関５６のロー
ターに伝えられ、また出力として系外に取り出される。

両機関５５．５６の各ローターが回転を続け、再び死点
に達すると、各切替弁６０．６１．６２．６３が再び作
動し、前記流体通路は閉じ流体通路６６、再生器５８を
経て再び機関５６の他の作動室５６ｅに通じる流体通路
が開かれくり返し等容積加熱過程が行なわれる。一方機
関５５に於いては切替弁’６０．６３の作動によ定温で
大気中に放出される流体通路が開かれ、作動室５５ｄ内
の燃焼ガスはローター５５１）の回転により排出され、
再生器５８で作動室５６ｄＸ５ｚらのガスと熱交換しこ
れに熱を与え、ガス自身は冷却され最終排出温度を調ｗ
ｆＪすれつつ大気中に放散される。この過程はほぼ等容
積変化であり、こ＼で第２図の指圧線図に示すＤ　−Ａ
の等容積冷却過程が行なわれる。

両機関のローターが回転し再度死点に達すると各切替弁
が再び作動し、各機関の各作動室の相互関係は最初の状
態に戻り、再びスターリングサイクルの各過程が引き続
いてくり返されることとなる。尚、以上の説明は作動流
体の流れに沿って説明したが、実際には各機関のロータ
室５６ｄと小高湿作動室５６ｅ間の定容積加熱過程とは
同時に並行して行なわれることとなる。

さて、以上の説明により明らかな如く２０−タリーピス
トン式の装置に於いてもスターリングサイクル装置を構
成することができ、円滑なエネルぞ一ロスの少ないなめ
らかな回転力を取り出すことができるのである。

なお、前記の４０−タリーピストン機関およびこの２０
−タリーピストン機関に於いては、レシプロ式の機関と
異なり本質的に連動部分の不つり合いは小さいが、さら
になめらかな回転を得るためにはローターの向きをつり
合いを考えた配置とし、さらに、つり合いのための錘り
及びフライホイール等を取付けることにより全３８− く均一な回転出力を得ることができるのである。

次に本発明のスターリングサイクル機関の冷却器、再生
器はいづれも常に同じ圧力、温度条件で使用されるため
、その設計および使用材料の選定は容易であるが、主と
して金属製または高強度セラミック製のノ飄二カム構造
や、スノぐイラル式の熱交換器が適している。勿論、通
常の多管式その他の一般の良く知られている構造の熱交
換器の使用も充分可能であるが、作動室以外に貯溜する
作動流体の量は少ない方が機関の効率を高くすることが
でき好都合である。

また、再生器については、スターリングサイクルの設計
にもよるが、高温側と低湿側の各々流入する流体の各時
間毎のモル数は必ずしも、均一でなく従って交換される
熱量も時間的に一均一でない。このため、再生器に一部
蓄ＩＰ！器の機能を持たせることが望ましく、高温、低
温の各流体流路にフイし状の突起を設けるか充填物を挿
入し、また両流体の伝熱壁内に蓄熱材を内蔵させる等の
手段を採用することにより、再生器−３９− 効十を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のディスプレーサ−とピストンを組合せた
スターリングサイクル機関の概略図である。 第２図はスターリングサイクルの各過程を表した指圧線
図である。 第３図は本発明に使用されるロータリーピストン機関の
正面断面図である。 第４図は同じくその側断面図である。 第５図は本発明にかかる４０−タリーピストン方式スタ
ーリングサイクル装置の作動＠４１ｐＲ明図である。 第６図は本発明にかかる２０−タリーピストン方式スタ
ーリングサイクル装置の作動説明図である。 １〜乙７ 第６図 手続補正ｉ４！ｉ（自発） 昭和５７年７月７日 １　　事件の表示　　　昭和５６年特許願１１８０１１
号２　　発明の名称　　　スターリングサイクル装置３
　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ４　補正命令の日付　　自発補正 ５　補正の対象 （１）　　明細書の発明の詳細な説明の欄６　補正の内
容　　別紙のとおり ６　補正の内容 明細書の発明の詳細な説明の欄を次の通り補正する。 （１）第１８頁第２行「この空洞、内に」の次に１必要
に応じて」を挿入する。 （２）第１８頁第５行から第６行の「冷媒通路２９を設
け」の次に「必要に応じて」を挿入する。 （３）第２０頁第１４行「重り」を「錘り」に改める。 （４）第２３頁第１６行「機関４２」の次に１の」を挿
入する。 （５）第２７頁第６行「機関」を「機関」と改める０ （６）葛２８頁第７行「定温膨張過程」を「等温膨張過
程」と改める。 （７）第３３頁１７行「作動室」の次に「５６ｄと」を
挿入する。 （８）第３４頁第１２行「作動流体」を「支燃性ガス」
と改める。 （９）第３５頁第９行の「作動流体」を１燃焼生成ガス
」と改める。 ぐ１０）第３５頁第１２行「定温膨張過程」を「等温膨
張過程」と改める。 （１１）第３７頁第３行「定温圧縮過程」を１等温圧縮
過程」と改める。 （１２）第３７頁第４行から第５行「定温膨張過程」を
１等温膨張過程」と改める。 （１３）第３７頁第７行「定容積冷却過程」を１等容積
冷却過程」と改める。 （１４）第３７頁第８行「定容積加熱」を「等容積加熱
」に改める。 （１５）第１９頁第５行「正弦波を示す。なお」の次に
１同一機関の」を挿入する。 以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内面周囲形状が単節ぺＩＪ　）ロコイド曲線により形成
   せられなローターハウジング内に、歯車比２：１の位相
   歯車を備え、かつエキセン）　ＩＪソックャフトに支え
   られ断面がレンズ状のローターを収納し、作動室を２室
   持つロータリーピストン機関を利用し、その作動室容量
   が大、小０２基を組合せて一対となし、該組合せの一対
   ないしは複数対を組合せて同一シャフト上に配置しまた
   は互いに連結して各ローターを同期回転させ、該各ロー
   タリーピストン機関の各作動を 室のうち、大作動室翫大低温作動室と大高温作１動室と
   し、小作動室を小低温作動室と小高温作動室とし、大低
   温作動室と小低温作動室間には冷却器を設け、小低温作
   動室と小高温作動室間には再生器を設け、小高温作動室
   と大高温作動室間には燃焼器を設け、大低温作動室、冷
   却器２− １小低温作動室八再生器、小高温作動室、燃焼器、大高
   温作動室、前記再生器の順に流体通路で結び、該各ロー
   タリーピストン機関の各ローターの回転に応じて、大低
   温作動室で支燃性ガスを吸入し、該吸入ガスを前記流体
   通路を通じて順次該各作動室に送給し、燃焼器には燃料
   を供給して燃焼させ、該各作動室間の容積差ならびに冷
   却器、再生、器、燃焼器による熱の授受により等温圧縮
   、等容積加熱、等温膨張、等容積冷却を行なわせた後排
   出することを特徴とするスターリングサイクル装置。