JPS5830455A - 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、等温膨張、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
の熱効率はカル／−ヤイクルと等しく、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か知られている。

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は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柚々の問題
点があったためである。

その第１Ｖｉ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かあり充分とは
云えないものであった。例へば、従来考えられている例
として、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（以下冷却器と呼ぶ）、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４合せてスターリングサイクルを行なわせる
ものであるか、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＠６．７０位相差は完全
に９０°ずれていす、円滑なスターリングサイクルの作
動が行なえるとは云い難い。

他の例としては、回転斜板に４個のシリンダーを連結し
て、互いに９０°づつ位相をずらせて作動させ、相瞬接
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
転斜板の機構が複軸となり、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の問題点として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
改醤案としては、例へは特許公開公報５１．−９８４５
０に見られる様な逆Ｔ型スターリング機関等も考案され
ているが、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の問題点としてさらに重要な点は、スターリング機
関は熱効率が理論的にはカルノーサイクルの熱効率と等
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
取った熱エ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が、燃焼の酸素源−７− はんんどが空気であり大量の燃焼排ガスが発生する。い
ま高温熱源の温度を列へば１０００　’。

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
菓してしまうと、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
ー等を使用するときは、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、問題は一向に解決され
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が、
これによる熱効率の向上は小さいものでしかなく、前記
の低効率を飛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、従来のこれら諸欠点を
完全に克服した新規なスターリング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
輪郭が単節ぺＩＪ　）ロコイド曲線により形成されたロ
ーターハウジング内に、外周形状かそのぺＩＪ　）ロコ
イド曲線の内包絡線により形成されたローターを収納し
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
あるエキセントリックシャフトのロータージャーナル部
と嵌合させるための円孔をうがち１．同じくローターの
側面にはべりト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菌々車を備え、との内歯々車の噛
み合い中心は先の円孔の中心と一致させる。次に、対応
するローターハウジングの側面には、ペリトロコイド曲
線の偏心量に相当する９− 噛み合い半径を持つ外歯々車を固定し、Ｉ―記コロ−タ
ー内歯々車と噛み合わせ、所謂歯数比２：１の位相歯車
を形成きせる。エキセントリックシャフトは、そのロー
タージャーナル部か■ココローター側面の円孔部に挿入
され、従ってローターはロータージャーナルに支えられ
、ロータージャーナル中心に対して自由に回転すること
かでき、かつエキセントリックシャフトはローター・・
ウジング側面の固定外歯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、エキセントリックシ
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ｆｆｆの作用によりエキセントリック
シャフト中心に対し公転し、ローターか１回転する間に
出力軸であるエキセントリックシャフトから２回転の出
力を取り出すこ吉かできる。

本発明のスターリングサイクル装置は、に記の様な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、従来に列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犬
２基と小１基を組合せ、または大３基と小２基を組合せ
て同一シャフト１−に配置するか同期回転する様連結し
、各機関の各作動室を、大低温作動室、小高温作動室、
小高温作動室、大高温作動室および定容積作動室とにわ
け、これらの各作動室をト記の順に従い流体通路で連結
する。さらに該流体通路りの大低温作動室と小低濡作動
室の間には冷却器を設け、該流体通路の小高温作動室と
、犬高湛作動室七の間には燃焼器を設け、該流体通路の
小低濡作動室と、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、
定容積作動室に導きその下流は大気に開放さて、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−１１− 支燃性ガスを吸引し、該ガスはローターの回転につれて
大低温作動室から小低温作動室へと送給されて等濡圧縮
をうけ、次に小低温作動室から小高温作動室へと送給さ
れて等容積加熱が行なわれ、次に小高温作動室から大高
温作動室へと送給きれる間に、燃焼器に於いて燃料が添
加され、燃焼が行なわれ、生成燃焼ガスは大高温作動室
に流入し、膨張してローターに回転を与える。大低温作
動室からの排出ガスは再生器で熱回収きれた後、定容積
作動室に入り等容積冷却されたのち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カ・ら成り立ってお
り、クランク機構、ロンビック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ベ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桑連な、５ いしは湊連のローターハ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
イドハウジングの隙間からシャフトｉ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Ｆ＄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
生器で熱の面取が行なわれるため、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ン　　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
の混合の改善ヤ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飼について、添付の図面に従
って詳述する。

１４− 先づ、第２図はスターリング機関の指圧線図であって１
人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Ｐａ）容積Ｙａ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　
−０け等容積加熱過程を示し、Ｏ、Ｄは等温膨張過程、
Ｄ　−Ａは等容積冷却過程を示す。”ｉ”％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）、　−（ｐｃＸｖｂ）、（ｐ　ａ　
Ｘｖａ　）で表される。

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、又、
燃焼器の前後ではガス量の増減がある。通常の燃焼では
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′点となシ、再生器の出口の状態もＡ点でなくＡ
・点となる。即ち修正されたスタ−１５− 一リングサイクルとなる。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Ｈｊ５限し実
質的に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ペリトロコイド曲線
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はかかるロータリーピ
ストン機関を複数個連結して構成されるか゛、第４図で
はその内１個のみを示した１、第３図に於いて１１はロ
ーターハウジングで、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。

一般に単節べＩＪ　）ロコイド曲ｍはＸ−Ｙ座標面で偏
心量をＥ、ペ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　＝　Ｂ　ａｉ　２θ十Ｒａ１ｌｓＯＹ　＝　Ｅｉ　
ｓｉｎ　２θ＋Ｒｓｉｎθ本発明に使用ぐれるペリトロ
コイドではＲ／Ｅの値かほぼ３から２０の間位の適当な
範囲で決められる。本実施列第３図ではＲ／Ｅ＝５であ
る。通常は、さらに上記ペリトロコイドをそのま＼法線
方向に等寸法でわずか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２Ｍｉ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３図の１５はローターで、その外周形状１６は単節ペ
リトロフィトの内包結線で形成されるか、または、この
内包結線に内接する円あるいはこの内包絡線の内側でそ
の曲率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。ローターの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２０を取（を室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ー
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が設けられ潤滑油が作！
１１室に過剰に流入するのを防ぐ。ローターの側面には
内歯々車２７を設け、これに対応するサイド／へウジン
グには固定外歯々車２６を設ける０内歯々車の噛み合い
半径は該ぺＩＪ　）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ツ）２２Ｉ−ｉサイド
ハウジングに固定された外爾々車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／１
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画々車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・釣り
合いを図る。作動室３１ないしけ３２への作動流体の流
入排出孔は、サイドボード形式３３カへペリフェラルボ
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、−・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
サイドポートの場合はこの様なことは起らず都合が良い
。ロータリーピストンのシャフト部には作動室から作動
１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３５をサイドへウジングや、必要ならば隔壁に
設け、作動流体が機関外部や相瞬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
の回転による作動室容積の変化の状態は完全な正弦波を
示し一方の作動室か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＜４二元点、下死点の区分は明確
でないので拳に死点と称す。

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と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
の異なる犬、小を組合せて利用する５ピストン式スター
リングサイクル装置を示し、第６図Ｉ″ｉ３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５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は小低濡作動機関
、４３は小高温作動機関、４４は大高温作動機関、４５
は定容積作動機関を示す。

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ハ
ウジングの回転軸にそった方向の長さ、即ち第４図に於
いて１１及び１５の長さＬを調節することで容易に所定
の容積差にすることができる。従って５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、同一１可転軸上に並べて配置することかできる
。勿論５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、５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０５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、ざらに適宜なバランス用錘りを□取付ける
。なお第５図では便宜Ｊ−作動室容積の犬なる機関の径
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、５基の機関４１．４２．４３．４４．
４５の添字はそれぞれａがケーシング、ｂがローター、
Ｃがエキセンドリンクシャフト、ｄｔｒｉ作動室１、ｅ
は作動室２を示す。

さて、５基の機関は、流体通路４８．４９、−２１＝ ５０．５１で接続し、この通路Ｊ−に冷却器５２、再生
器５４、燃焼器５３を設ける。冷却器５２は、流体通路
４８から流入する作動流体と、冷熱源５５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
５４は大高温作動機関４４からの高温の作動流体を流体
通路５１を介して導入し１小低温作動機関４２ふら流体
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ｑ−える作用を行なう。燃焼器５３は、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（空気捷たは支燃性の含酸素ガス−以下支燃性ガ
スと呼ぶ）に、５６から燃料を添加し燃焼させる作用を
行なう。

次にこの５０−タリーピストンスク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４１
θ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
ターリングライク２２− ルの指圧線図のＡ点で示される。その圧力は、一般には
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。

機関４１のローター４１ｂの右回りの回転により作動室
４１θ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５２を柱由して小低濡作動機関４２
の作動室４２ｄに流入する。機関４２のローター４２１
〕はローター４１ｂと連動しておりその作動室４２ｅけ
容積を減し、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４２６の容積
比に逆比例して圧縮され高くなるが、冷却器５２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−Ｂの過程が行なわれる。

一方ならびに混合器等が設けられる。

−２３− こ＼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基準の状１４１４Ａ、、Ｂ、Ｏ１
Ｄの設定の如何によって補給すべき熱量か決まり、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所要酸素濃度を決定すること
ができる。支燃性カスは、′ｄ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４１０ローター４１１）が次の死点の 迄回転した時点では機関４外ローター４２ｂも死点に達
し作動室４２ｄ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て支燃性ガスの、
作動室４２ｄへの移動は完了している。両機関のロータ
ーが更に死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、出口の相互関係が入れ替り、機関４
１では作動室４１（ｌか流体通路４８と接続され、また
機関４２に於いては、作動室４２ｅか流体通路４８に接
続され、再び同様の等温圧縮過程がくり返される。

−・方、機関４２の作動室４２ｄけ流体通路４３の作動
室４３θに流入する。ここで小高温作動機関４２と小高
温作動機関４３の作動室は５ダ 等容積であり、支燃性ガスは再生器日で熱を与えられ高
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４３θ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５ｏを通り
、燃焼器らの高温高圧の支燃性カスに燃料を噴射し燃焼
させる。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協力１１する方法や、ガス
を渦流状に流入させ、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け、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、ザイクル
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所謂、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、２６− 両室を設け、こ＼で燃料ｍ度を高めて燃焼させたのち、
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保ち安
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、燃焼室入口に
ベンチュリーを設け、その負圧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、ガス流量と比例して燃料を供給する方法
等か採用できる。

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
４４ｄに流入し、膨張して、−２７− ローター４４１）Ｋ回転を与える。

この過程は、第２図の指圧線図に於ける０〜Ｄ′の定温
膨張過程である。ζ＼でローター４４ｂに与えられた回
転力はエキセンドリンクシャフトから出力として取り出
される。一方この開面 に機構４２と４３の間では作動室４２ｅ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
し等容積加熱過程が進行している。

機関４３．４４の各ローターが次の死点に達すると流体
通路が切魯わり、機関４４の作動室機関４２から機関４
３に流入する作動流体が貫流しており、機関４４からの
作動流体はこの流圧線図のＤ′〜Ａ′の等容積冷却過程
である。この特開ａｐ５ａ−３０４５５（８） 程の作動流体に与えられる。即ち熱再生か行なわれる。

なおこの間に機関４４のもう一方の作かくして機ｒｉＡ
４ｘ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機関と若干異なっているのけ作動
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け等湿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
泪すると、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
実施列に於いては、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Ｌｊ、えて改
善を図ることができる。これによって第２図に示ζる如
く、等温膨張過程の完でした状態はＤ点でなくＤ’点と
修正きれ、再生器を通り定容積作動機関を経て排出され
る状態はへ′点とガリ、この点はＡ点と等湿であり熱損
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人気
中に放出せられるか、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
めて短時間に人気中に放出され、再生器での熱面ＩＩＭ
が不充分となる。このため再生器用ＤＫ大高湛作動機関
４４と等容積の作動室を持つ定容積作動機関４５を一３
〇− 接続して、そのローターを機関４４と同期回転させ、排
燃焼ガスを再生器を経て等容積冷却させたのち大気中に
放出きせるのである。

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
より構成させているため、エネルギーロスの少ないきわ
めてなめらｂな回転力を取り出すことができ、ざらにｒ
Ｉ目すべきことは５０−タリーピスドンスタ−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１＝　Ｋ開閉弁、逆上弁等を全
く設ける必要が無く、機構をきわめて簡単にすることか
できる。

さて、本発明は以上に述べた５０−タリーピストン式ス
ターリングサイクル装置に於いて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３０−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
−３１− 画成することができるのである０ その実施の】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６１はロータリーピス
トン式の複動小作動機関、６２は同しく複動小作動機関
、６３は定容積作動機関である。機関６１．６２．６３
の各部は添字ａ、、ｂＸｃ１ｄ、、ｅで示すかａ、　ｎ
ケーシング、ｂかローター、ｃかエギセントす、クシャ
フト、ｄが作動室１、θは作動室２を示ず。機関６１は
作動室６　］、　ｄと６１−　ｅとを持ち、一方か大高
温作動室、他力か大低温作動室として動く。機関６２も
同様に作動室を２室持ち、一方か小高温作動室、他方か
小低温作動室として働く。機関６３は一方の作動室が定
容積作動室として働く。図に於いて６５は冷却器、６７
は再生器、６６は燃焼器である。機関６１．６２の作動
流体の入口、出１］にはそれぞれ、各機関のローターの
回転周期に合わせた作動を行なわせたけ〃いにシャフト
を連結して同期回転をさせ燃焼器６６の間はそれぞれ流
体通路７２．７３．７４．７５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機関の作動様式を
図に従って詳述する。既述の如く機関６１および６２の
ローターは同期回転してい図のＡの状態にある。この作
動室６１ｅ内の支燃性カスは、ローター６１ｂの右回り
の回転により排出され、切替弁６９により流体通路７２
を通り冷却器６５に於いて冷熱媒７８により一定温度に
冷却されつつ切替弁７０を通り、機関６２の作動室６２
ｄに流入する。この作動室６２ｄは小低温作動室であり
、支燃性ガスは作動室６１θと作動室６２ｄの容積比に
逆比例して圧縮される。即ち等湛圧縮過程Ａ　−Ｂが行
なわれる。機関６１．６２の各ローターが回転し、＝３
３− 死点て達するとこれに合わせて切替弁６８．６９．７０
．７１か切替えられる○この切替の方法としては機関の
ローターと同期させ、ローターが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等により答弁を切替
るか、またはシャフトの回転角Ｉ−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
。

きて、機関６２のローターｂ死点を越えて回転すると、
作動室６２（ｊから、切替弁７１により流体通路７４を
通り再生器６７を経て、切替弁７０により再び機関６２
の反対側の作動室６２ｅに接続する流体通路力・形成さ
れる。作動室６２ｄ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、再生器を通り加熱さ人する
・作動ゲ２°０共“小作動室７ありそ３４− の容積は等しく、作動流体は等容積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
か行なわれる。機関６２のローターが式らに半回転して
次の死点に達すると切替弁６８．６９．７０．７１が再
び作動し、機関６２に於いては作動室６．２ｅから切替
弁７１を醇て、流体通路７５により燃焼器６６に導かれ
、該燃焼器から切替弁６８を経てもう一方の機関６１の
作動室５１．　ｄへと通じる流体面Ｗ５が形成される。

一方、作動室６２ｄには作動室６１．　ｅから切替弁６
９、冷却器６５、切替弁７０を経て、作動室６２ｄに流
入する流体通路が形成され、既に述べた等濡圧縮過程Ａ
、　ｘ　Ｂが再びくり返される。

小高温作動室６２ｅ内の高温高圧の支燃性ガにより一定
温度に加熱きれつつ大高温作動室６１ｄに流入し、膨張
して、機関６１のローター６１ｂに回転力を与える。

−３５−− 燃焼器に於いては、既に５０−タリーピストン機関式ス
ターリングサイクル装置の燃・暁器について述べたと全
く同様に各種の燃料か支燃性ガス内に噴射供給され、外
部点火または自己着火により燃焼し、大高温作動室に流
入する燃焼生成ガスを定流に保つ。こ−で小低温作動室
から排出きれる支燃性ガスの量は、ロータ〜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
が利用される。

燃焼器を出た燃焼生成カスは作動室６２ｅと６１６の内
容積の比に従って膨張する力・、燃焼器６６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
等温膨張過程０〜Ｄが行なわれることとなる。

ローター６１ｂに与えられた回転力は、エキセントリッ
クシャフト６１ｃを介して機関６２のローターに伝えら
れ、また出力として糸外に取り出される。

両機関６１．６２の各ローターが回転を続は再ひ死点に
達すると、各切替弁６８．６９．７０．７１が再び作動
し１前記流体通路は閉しられ、機関６２に於いては、作
動室６２ｔｉから流体通路７４、再生器６７を経て再び
機関６２の能の作動室６２ｅに通じる流体通路か開かれ
、〈り返し等容積加熱過程か行なわれる。−ｊ５機関６
１に於いては切替弁６９．６８の作動により、大高温作
動室５１ｄから流体通路７３、再生器６７を経て、定容
積作動機関６３の作動室ｊ ６３％に通じる流体通路か形成される。作動室６１（］
と６３θの内容積は等りぐ、作動室６Ｊｄ内の燃焼ガス
は再生器６７で作動室６２ｄからの流体と熱交換しこれ
に熱を与え、該ガス自身は冷却され作動室６３ｅに流入
するが、その体積は変化せず第２図の指圧線図に示すＤ
　”Ｗ　Ａの等容積冷却過程が行なわれる。機関６３の
ロ３７− に放出される。このとき反対側の作動室６３ｔｉは具体
的な役割は無いか、弁７７から空気を吸の 入し、機関樵６１に送り過給機の役割を行なわせたり、
空気と燃焼生成ガスの一部を同時に吸入し、混合後、機
関６１に送る役割をさせたりすることができる。

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反関係は最初の状
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Ｊ二の説明は作動
流体の流れ動室６２ｄ間における等温圧縮過程と小低温
作動室６２ｅと大高温作動室６１．　ｄ間における等温
膨張過程は同時に並行して行なわれ、また次の半回転で
は、大高温作動室６１ｄと定容積作動室６３ｅ間の等容
積冷却過程と、小低温作動室６２６と小高温作動室６２
０間の等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。

３８− さて、以トの説明により明らかな如く３０−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
成することかでき、円滑なエネルギーロスの少ないなめ
らかな１μｍ転力全敗り出すことができるのである。

なお、前記の５０一タリーピストン機ｊ彬お」：ひこの
３０〜タリ一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運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／こめ
の錘り及びフランホイール等を取付けることにより全く
均一な１可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
、その設廚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ハニカム構造や
、スパイラル式の熱交換器か適している。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、高温側と低温側の各々流入する流体の各時
間毎のモル数目必ずしも、均一でなく従って交換される
熱量も時間的に均一でない。このため、再生器に一部蓄
熱器の機能を持たせることが墜ましく、高温、低温の各
流体流路にフィン状の突起を設けるか充」貨物を挿入し
、また両流体の伝熱壁内に蓄熱器を内蔵させる等の手段
を採用することにより、再生礼１寺開日ｐ５８−　　３
０４５５（１１）効率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基ロータリーピストン方式スタ
ーリングサイクル装置の作動秦井説明図である。 第６図は本発明にかかる李ロー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。 坐２図 手続補正書（自発） 特許庁長官　　　島田春樹殿 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 〔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８頁第２行「提案するもので、Ｊの次に「本
発明者が先に提案した特願昭５６−１１８０１１号の発
明を改良するものであり、」を挿入する。 （２）　第１８頁第２行「釣り合いを図ると共に、」の
次に１必要があれば」を挿入する。 （３）　第１８頁第６行「を設は冷却水」を「を設け、
必要に応じて冷却水」と改める。 （４）　第１９頁第３行「正弦波を示し」の次に「同一
機関に於いてはＪを挿入する。 （５）　第２８頁第１０行「循環し、」を「貫流し、」
に改める。 （６）　第２９頁第、１３行「れる。」の次にまただし
Ａ点が大気圧の場合は、Ａ′点も大気圧かそれに近い圧
になるように再生器での冷却を制限しなければならない
ことは明らかである。」を挿入する。 　２− （７）　第３５頁第１６行［等温膨張過程Ｃ〜ＤＪを「
等温膨張過程Ｃ−Ｄ’Ｊと改める。 （８）　第３６頁第１７行「Ｄ〜Ａ」を「Ｄ　−Ａ’」
と改める。 （９）　第３７頁第６行「ことができる。」の次に１そ
れには例えば、流体通路８０上に三方の切替弁を設け、
該切替弁の下流の一方は大気に開放し、他方は支燃性ガ
スの吸入部７６に接続し、該切替弁は他の切替弁の６８
等と連動させ、機関６１が燃焼室からの燃焼生成ガスを
流路７５、切替弁６８を介して作動室に吸入するときは
、該切替弁は機関６３の作動室内のガスを大気に放出せ
しめ、なおこのとき機関６３の他の作動室は既に述べた
如く、弁７７を介して支燃性ガスを吸入させ、次に、切
替弁６８が作動し機関６１が支燃性ガスを吸入するとき
は、該切替弁も連動して作動し機関６３から排出される
支燃性ガスを吸入部７６に導く様にする等の手段を構じ
ることにより、　３　− 容易に実施することができる。」を挿入する。 （１０）第３８頁第１２行「フランホイール」をＵ７ラ
イホイールコと改める。 以　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内面周囲形状か単節べＩＪ　）ロコイド曲線によす形１
   ｉせられたローター７Ｘウジング内に、歯車比２：１の
   位相歯車を備え、かつエキセントリックシャフトに支え
   られたレンズ状のローターか収納され、２室の作動室を
   持つロータリーピストン機関を利用し、その作動室容積
   か犬、小の３基ないしは複数基を組合せて同一シャフト
   上に配置するかまたは互いに連結し、該各ロータリーピ
   ストン機関の各作動室のうち、大作動室を大低温作動室
   と大高温作動室および定容積作動室とＬ１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、小低温作動
   室、再生器、小高温作動室、燃２− 焼器、大高温作動室、前記再生器、定容積作動室の順に
   流体通路で結ひ・該各ロータリーピストン機関の各ロー
   ターの同期回転に応して、大低温作動室で空気ないしけ
   支燃性ガスを吸入し該吸入ガスを前記流体通路を通して
   順次杉苔作動室に送給し、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７１Ｔ
   ｌ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。１