JPS59155555A - スタ−リング機関 - 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】 本発明はフリーピストン式ディスプレーサ−と単節ベリ
トロコイドロータリーピストンを組合せてスターリング
サイクルを行なわせる新規なスターリング機関を提供す
るものである。

スターリング機関と］暗ばれる外熱機関は、等濡圧縮、
等芥加熱、等温膨張、等容冷却から成るスターリングサ
イクルを行なうものであってその熱効率はカルノーサイ
クルと等しく、しかも利用できる熱源は流況であって如
何なる形態の熱源も利用できるため、エネルギーの節減
がｊＩ（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、騒音がきわめて少く排ガス中の有
害成分もまた少い優れた熱機関として知られている。さ
らにスターリング機関は可逆であり、外部動力で駆動す
れば熱ポンプとして、また冷凍機としても利用できるも
のである。

しかし、スターリング機関は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なわせるために
は複雑な機構が必要となり機械的エネルギーのロスが大
きく、また高圧の作動ガスを効率良くシールすることが
困鍵なためまだ広く実用化されるに至っていないのが現
状である。

本発明は、従来問題となっていた高圧の作動ガスのシー
ルや、ピストンリングによる摩擦損失、ロンビックやス
ワッシュプレート等の複雑な機構による機械的損失など
を解決した新規なスターリング機関を提供するものであ
る。

即ち、本発明のスターリング機関はフリーピストン式デ
ィスプレーサ−と、パワーピストンとして単節ベリトロ
コイドロータリーピストンを組合せたものであって、フ
リーピストンは両’Ａ　Ｌ　ティスプレーサー室を設け
、その両ディスプレーサー室の間にはディスプレーサ−
を駆動するための小ピストン室を設け、両ディスフレー
サー室はその外端が高温部、内端が低温部とし、高温部
と低温部との間には加熱器、再生器、冷却器を設け、パ
ワーピストンとしてはケーシングの内周が単節ベリトロ
フィト曲線にて形成され、かつ該べＩＪ　トロコイドの
包結線にてその外周を形成されたローターを組込んだる
構造の作動室を二室有するロータリーピストンヲ利用し
、該各ディスプレーサー室の低温部から切替弁を経てロ
ータリーピストンの１汲込側作動室へ作動カスを導＜流
路と、ロータリーピストンの排出側作動室から切替弁を
経て各ティスブレーサー室へ作動ガスを回収する流路を
設け、がつ一端のディスプレーサ−室の低温部からディ
スプレーサ−駆動小ピストン宰の該ディスプレーサー側
竹動室へ作動ガスを導く流路と、他端のディスプレーサ
−室の低温部がら該小ピストン室の反対側作動室へ作動
ガス音導く流路を設け、各室および各流路に作動ガスを
充填し、前記加熱器、再生器、冷却器からの熱を作動ガ
ス室 に授受させ、昇圧したディスプレーサ−がらの△ 作動ガスをロー々リービスンの吸込側作動室へ送入し、
〃１．出側作、動室がらの作動ガスを反対側ディスプレ
ーサ−４に回収しロータリーピストンのロータ〜を回転
せしめ、エキセントリックシャフトから回転力を取出す
ことができる方式の新規な機関を提供するものである。

本発明に依れば、従来のスターリング機関の大きな欠点
であった作動ガスのシール問題は、単にロータリーピス
トンの出力シャフト軸部をシール効率の高いメカニカル
シールとすることで容易にｆ「決でき、さらに摺動部の
機械的エネルギーのロスが少い効率の良いスターリング
機関を得ることができる。

さて、本発明の詳細について図面を参照しつつ詳述する
と、まづ第１図は本発明の構成を示すものであって、図
の１及び２けフリーピストンの各ディスプレーサ−室の
外筒ケーシング、３はディスプレーサ−駆動小ピストン
室の外筒ケーシング、４及び５はディスプレーサ−１６
ハ両ティスプレーヤーを結ぶシャフト、７はデイスプレ
ー型−駆動小ピストン、８及び９は各ディスプレーザー
室丙の高温部、１０及び１】はその低温部、１２はディ
スプレーサ−駆動小ピストン室の１０と連通ずる作動室
、１３は同じく１１と連通した作動室、１手及び１５は
その作動ガスを連通させる連絡流路、１６および１７は
各ディスプレーサ−に付設された加熱器、１８及び１９
は再生器、２０及び２１は冷却器である。

このフリーピストン式ディスプレーサ−に於いて、両デ
ィスプレーサ−４及び５ならびにディスプレーサ−駆動
小ピストン７は共通のシャフト６にて連結され、ケーシ
ング内を本図上テは左右に自由に往復できる様に保持さ
れる。

次に２２はパワーピストンとして利用される単ｍペリト
ロコイドロータリーピストンの外殻ケーンング、２３は
そのロークー、２４は同ローターが死点に達した位置を
示し、２５はロータリーピストンの吸込側作動室、２６
はロータリーピストンの排出側作動室である。２７及び
２８は作動ガスの流路切替弁で、図示の場合はｊは 左側のディスプレーサ−室かディスプレーサ−の位置が
右端にあり、作動ガスは高圧力となりこのガスを流路３
１から前記切替弁２７を経て作動室２５に供給し、作動
室２６からの排出ガスは切替弁２８により流路３２を経
て右側のディスプレーサ−室に回収される。２９及び３
０はディスプレーザー室の高温部と加熱器をそれぞれ結
ぶ作動ガス流路である。

本機関のローターは本図では右回りに回転させるが、逆
転は切替弁の作動順序を変えることにより容易である。

また本図に於いてディスプレーサ−とロータリーピスト
ンのロータ−ノ作動の位相差は９０度となっているが、
これは通常のスターリング機関と同しく６０度程度から
１２０度程程度範囲で可変である。

次に本機関の作動の態様について詳述すると第１図に於
いて、左ディスプレーサ−室は高温部８が最大容積で作
動ガスの大部分は高温となって膨張し、内部の圧力は最
大となっている。

右ディスプレーサ−室は低湿部が最大容積で、作動ガス
は冷却され収縮して内部の圧力は最低となっている。図
示する様に、パワーピストンの吸込側作動室２５は切替
弁２７によ、り高圧側ディスプレーサ−室に接続されて
おり、排出側作動室２６は切替弁２８により低圧側ディ
スプレーサ−に接続されている。ローター２３はこの圧
力差により右回りに回転し、この回転力はエキセントリ
ックシャフトから外部に取出される。一方、ディスプレ
ーサ−駆動小ピストン７の作動室ｊ３は流路１５を通じ
て低圧側ディスプレー十−室と連通しているため、両作
動室の圧力差によつディスプレーサ−を図に示す様に右
端に移動せしめている。

ローターが回転して、作動室２５の容積が増し、（’を
動室２６の容積が減少すると、高圧側ディスプレーサ−
室内の作動ガスは膨張してその圧力は低ドしていき、一
方、低圧側ディスプレーツー室内では作動室２６から排
出された作動ガスの流入により圧力は」１昇する。これ
によりディスプレーサ−駆動小ピストン７の両側の作動
室１２．１３の圧力バランスが変り、ピストン７は図に
於いて左に移動を始め、一体に連結された両ディスプレ
ーサ−を左に駆動する。

この結果、右ディスプレーサ−室では高温部９の容積が
増し圧力は更に上昇し、左ディスプレーサ−室では低温
部の容積が増し今迄高温であった作動カスは低温部に移
行し収縮して圧力は更に低下していく。

さてパワーピストンのロークーがさらに回転し図示の２
４の位置すなわち死点に達すると、切替弁２７．２８が
作動し今迄左ディスプレーサー室と連通していた吸込側
作動室は石ディスプレーザー室と接続し、今迄右ディス
プレーサー室と連通していた排出側作動室は左ディスプ
レーサ−室と接続される。なを、この間にテイスプレー
サー４及び５は図に於いて左に移動し１、続けており、
左右のテイスプレーサー室の圧力関係は逆転して右ディ
スプレーサ−室の方がその内部の作動ガスの圧力が高く
なっており、このガスが吸込側作動室に流入し、排出側
作動室内のガスは左ディスプレーサ−室に回収され、ロ
ーターは続けて右回りに回転する。以後は同様なくり返
しとなり、ローターは連続して回転し出力を取出すこと
ができる。

本発明は以」二の構成と原理により高温の熱源から効率
良く動力を取出すことができるものであるが、本発明の
態様は第１図に示した４’ｌｌｌ成にｆｉｌ（られるも
のでは無く、例えば加熱器としてディスプレーザー室の
高温部の外壁を直接加熱する方法をとることができるし
、冷却器も同様に低温部の外壁を直接冷却する方法とす
ることができる。またこの場合、ディスプレーサ−の内
部の空部に蓄熱材を充填し作動ガスを通過させ、再生器
として利用することができる。

また、本発明ではディスブレーダ−と外筒部の間の作動
ガスのシールとして、通常のシールリングの使用以外に
第２図に示す様に、ディスプレーサ−の外周に多段の溝
を設け、シール効率全あげることができる。第２図に於
いて５４は外筒ケーシング、３５はディスプレーサ−１
３６は前述せる多段の溝、３７はディスプレーサ−内部
の隔壁、３８はディスプレーサ−内部の伝熱を防止する
ための断熱材である。前述のディプレーサー内部を再生
器として利用するときは、この部位に蓄熱材が充填され
る。３９はディスプレーサ−室低温部の外筒部に設けら
れた放熱フィンであり、必要に応じて設けられる、即ち
シャフトの軸受部の過熱防止や冷却器の補助としてであ
る。

さて、本発明に於いてディスプレーづ−はディスプレー
サー駆動小ピストンの作用により往復動を行なうが、こ
の往復動は、左右のディスプレーサ−室内の作動ガスの
圧力バランスにより成り立つものであって、作動ガスの
全圧力、ディスプレーサ−の往復動の慣性力、ティスプ
レーサー室の内容積とロータリーパワービス１ンの作動
室容積の比、高温部と低温部との温度差、加熱器、冷却
器、再生器に於ける熱伝達の速度、作動ガスに対する流
路の抵抗などの影響が考えらねいその作動に円滑さを欠
く場合が無いとは云えないが、ディスプレーツー駆動小
ピストン室と各ディスプレーサ−室とのｉｌ　路流路を
第３Ａ図、第３Ｂ図に示す如くし、その作動を円ｆ？ｌ
ならしめることができる。

第３　Ａ図に於いて、４０はティスプレー勺−室の外筒
ケーシング、４１はディスプレーツー駆動小ピストン室
の外筒ケーンング、４２はディスプレーサ−と小ピスト
ン４３を連結するンヤフト、４４はシャフトの軸受部、
４５は連絡流路、４６．４７は小ピストン室の各作動室
である。ここで−図示せる如く、連絡流路は小ピストン
作動室の端壁より４８に示す距離はど左に開「ｊさせる
。さて連絡流路をかかる構造とすわば、小ピストン４３
が左ディスプレーサ−室の圧力により右に移動し図示の
位置迄くると、作動室４６内に作動ガスが閉じ込められ
、以後は４６内の圧力が４７の圧力と均衡する迄小ピス
トン４３が右方に移動して停＋ｉ−Ｌ、、左ディスプレ
ーサ−室内の作動ガス圧力が若干でも低下し始めると、
作動室４６内に閉じこ−））られたガス圧力により小ピ
ストン４３が直ちに左に移動し始めるため、ディスプレ
ーサ−が左端または右端の死点に於いて作動遅れを生じ
るのを解消し、またディスプレーサー駆動小ピストン４
３が両端の壁面に激突するのを防ぐことができる。

第３Ｂ図では、連絡流路４５の開口端の位置が変えられ
る様に、図示の如く左右に移動なスライドバルブ４９を
設け、これを外から調節し、即ち第３Ａ図に於ける距離
４８を調節し、ディスプレーサ−の作動をさらに円滑に
することができる。

第４図、第５図は本発明のパワーピストンとして利用さ
れる単節ペリトロコイドロータリーピストンの説明図で
ある。

第４図は正面断［Ｉ′ＩＩ図で、５０はロータリーピス
トンのハウジングでその内向周囲形状はＩｊ１節ペリト
ロコイドｄｆ＋　ＦｉＩにて形成される。５１（・ま口
−ターでその外周形状は該ベリトロコイド曲線の内包絡
線ないしはそれに近い孤で形成される。５２はローター
を支え、かつ外部に回転を取出すエキセントリックシャ
フトのロータージャーナル部、５３はローター側面に設
けた内歯歯車、５４はサイドハウジングに設けた固定外
歯歯車で、５３と５４の歯数比は２対１で位相歯車を構
成させる。５５は前記エキセントリックシャフト、５６
はローター側面のシールリングでサイドハウジングと接
しガス又はオイルをシールする。５７は同じくローター
側面に取付けたサイドシールで作動ガスのシャフト部へ
の漏洩を防止する。５８はアペックスシール、５９はロ
ーター内空洞、６０はロータージャーナル部内の空孔、
６１．６２はサイドハウジングに設けた作動ガスの吸入
口または排出口で、必要に応じ三箇所ないし四箇斬殺け
られる。なを、この吸排出口はべり７エラルボートとす
ることも０丁能である。

第５図で、第４図と同じ符号を何したものは同じ部位を
示す。第５図で６３はアペックスシールの分割されたコ
ーナ一部、６４はコーナーシール、６５はアペックスシ
ールの抑えバネ、６６はローター内空洞とシャフト周囲
空間部との連絡孔で、必要に応じて冷却オイルの流入出
孔などに利用される。６７はローター支持ベアリング、
６８はシャフト支持ベアリング、６９はシャフトのスラ
スト受ヘアリング、７０は耐圧メカニカルシールで、ロ
ーターとシイドハウジングの間隙から位相歯車やシャフ
ト周辺に漏れこんだ作動ガスがさらに大気中に逸散する
のを防ぐ。７１は抑えリング、７２はサイドハウジング
である。

第６図は本発明の構成に必要な作動ガスの切替弁につい
て、具体的な一実施例を示したものである。図に於いて
７３はロータリーパワーピストンのハウジング、７４は
ローター、７５ａ、７５ｂはローター両側の作動室、７
６ａ１７６　ｂ、　７６　Ｃｓ　７６　ｄは作動室に作
動ガスが出入するサイドボートで四箇斬殺けられる。こ
れは第４図に於４−］る６１．６２と一致するものであ
る。７７ａ、”　７７ｂ、７７ｃ、？７ｄは上記の各ボ
ートを開閉するための弁である。７８及び７９は作動ガ
スの流入、流出口で、各ディスプレーサ−室の低温部き
接続されている。なを８０は出力軸を示す。

本切替弁の作動の態様を述べる。図に於いて作動室７５
ａは高圧側、７５ｂは低圧側とすると、高圧側のディス
プレーサ−室からの作動ガスは７８から７６ａを通り７
５ａに流入し、一方、７５ｂ内の作動ガスは７６ｄ、７
９を通り低圧側のティスプレーづ一室に回収され、ロー
ターは作動室７５ａの内容積が増す方向に回転する。ロ
ーターが回転し死点を越える位置で、弁７７ａ、７Ｔｄ
はカム機構等により機械的に、あるいはシャフトの特定
の回転位置で発する電気信壮等により電磁的に閉じられ
、弁７７ｂ、７７ｃは開かれる。かくて第１図の説明に
於いて既述した如く、ディスプレーサー室とパワーピス
トンの作動室の接続関係が入替り引き続いて新らしい高
圧側作動室に、反転して高圧となったディスプレーサ−
室から作動ガスが７９．７６ｃを通り供給され、他の作
動室からは作動ガスが７６ｂ、７８を通り回収され、以
後はこれが繰返えされる。なを本発明に於いて利用され
る切替弁は本実施例に限られるものでは無く、一般に使
用されている三方弁や、二方弁の組合せ、スライド弁の
組合せにより目的が達成できる。

用されるスターリング機関として侵れた特徴を持つ新規
な考案を提供するものであり、第７図はその新しい発明
を説明するものである。

スターリング機関は熱効率が高く、低温度差の熱源間に
於いても効率良く動力を得ることができる筈であるが、
実際にかかる機関は成功した例は無い。第７図に示すス
ターリング機関は第１図に示すスターリング機関と主要
な部分は殆どその構成は同じであるが、各テイスブレー
づ−室からの作動ガスの圧力を作動液に伝え、該作動液
をロータリーパワーピストンの作動室に送給、υ［、出
し回転させるもので、次の様な特徴をもっている。

先づロータリーピストンのローターのアペックスシール
が低回転に於いてはシール効力が若干低下してくるのを
防ぐことができ、また作動液により摩擦ロスを低減でき
、きわめて効率の良い機関を得ることができる。

第７図について詳細に説明すると、８１及び８２はフリ
ーピストン式ディスプレーヴーの各ティスプレー叩−室
の外筒ケーシング、８３はディスプレーヅー駆動小ピス
トン室の外筒ケーシング、８４及び８５はディスプレー
サ−１こ）画デ、イスプレーサ−を８６のシャフトで連
結し、このシャフトの中間にはディスプレーザー駆動小
ピストン８７を設ける。８８．８９は各テイスブレーサ
ー室内の高温ｍ、９ｏ及ｏ：ｑｌはその低湿部、９２は
９０と連通せるディスプレーサ−駆動小ピストン作動室
、９３は同じく９１と連通した作動室、９４及び９５は
作動ガスを連通させるための連絡流路、９６及び９７ハ
各ディスプレーサ−に細膜された加熱器、９８及び９９
は再生器、１．　ＯＯ及び１０１は冷却器である。各デ
ィスプレーサ−室の高温部から前記加熱器再生器、冷却
器を通り低温部までを作動ガスの流路で結ぶ。１．０２
はロータリーパワーピストンの外殻ケーシング、１ｏ３
けそのローター、１０４はロークーが死点に達した位置
、１０５は吸込側作動室、１０６は排出側作動室、１０
７及び１．０８は作動ガス流路の切替弁、１０９及び１
１０は作動ガスの高温側流路、】１１及び１１２は作動
液の流路、１】３及び１１４は作動液の貯槽、１】６及
び１１７は作動ガスの低温側の流路、１１５は作動液を
示す。

本スターリング機関の作動の態様は第１図に提示ぜるス
フ−リング機関と殆ど同じであり、作動液貯槽を設け、
作動液を充填し、作動ガス圧を作動液に伝え、作動液に
よりパワーピストンを駆動する部分が異なるのみて、原
理的に差は無いが低温度差で効率の良い機関となる。な
を本機関で使用される作動液は分解、反応を起さず安定
で、粘性の低い液体なら種類は問わないが水、Ｍａｌｔ
のほかフロン二フロロカーボン系液状物などが適してい
る。作動ガスについてもｊｍ常利用きれる水素、ヘリウ
ムのほかに、本機関に於いては作動液の蒸気を単独また
は上記ガスと混合された状態で使用することができる。

また本機関に於いても第２図から第６図に示したぞ１１
Ｉ造、作動態様は当然適用できる。

さてこれ迄に於いて、るる述へた如く本発明は、フリー
ピストン式ディスプレーサ−と、１１を節ペリトロコイ
ドロータリーピストンを巧みに糾合ぜて、きわめて摩擦
損失の少いまた機械的エイ・ルギーロスの少い、さらに
作動ガスの漏洩もきわめて少い優れたスターリンク機関
を提供−４るものであるか、なを、本機関をロータリー
ピストンのロークーの釣り合い、バランスを考えて二連
、二連と連結して作動させねばさらに静粛で安定した回
転を与える機関とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すものである。 第２図は本発明のディスプレーサーとンリングー間のガ
スシール部を示すものである。 第３Ａ図はディスプレーサ−室ト、テイスプレーサー駆
動小ピストンの作動室間の作動ガス流路の構造を示すも
のである。 第３Ｂ図は第３Ａ図と同し部位の他の例を示すものであ
る。 第４図は本発明のパワーピストンに用いるロータリーピ
ストンの断面を示すものである。 第Ｓ図は第４図のロータリーピストンの側断面を示すも
のである。 第６図は作動ガス流路の切替弁の例を示すものである。 第７図は第１図の機関に於いてパワーピストンの駆動に
液体を使用する例である。 特許出願人　　藤円至成 第１図 ３８ 第２図 第３Ａ図 第３Ｂ図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　両端にディスプレーサ−室を設り、該両ディスプレ
   ーづ一室の間にディスプレーサ−駆動用小ピストン室を
   設けたるフリーピストン式ディスプレーサ−と、屯節ベ
   リトロコイドロータリーピストンを利用したるパワーピ
   ストンを組合せ、該各ディスプレーサ−”４　ノ低温側
   から切替弁を介して作動ガスを該ロータリーピストンの
   １吸込側作動室に導入し、排出側作動室から作動ガスを
   該切替弁を介して回収する流路を設け、かつ該低温側作
   動ガスをディスプレーサ−駆動用小ピストン室の各駆動
   側作動室に導く流路を設け、該各ディスプレーザー室に
   付設したる加熱器、再生器、冷却器からの熱の授受によ
   り該各ディスプレーづ一室内の作動ガスを昇圧または減
   圧させ、該ディスプレーサ−ならびに該ロータリーピス
   トンを駆動せしめることを特徴とするスターリング機関
   。 ２　両端にテイスプレーサー室を設け、該両ディスプレ
   ーサー室の間にディスプレーヴー駆動用小ピストン室を
   設けたるフリーピストン式ディスプレーサ−と、単節ベ
   リトロコイドロータリーピストンを利用したるパワーピ
   ストンを組合せ、該各テイスプレーサー室の低温側から
   のイ／ロ動ガス圧を作動液貯槽を介して作動液に伝え、
   該作動液は切替弁を介して該ロータリーピストンの吸込
   側作動室に導入し、Ｊｕｌ出側作動室からは作動液を該
   切替弁を介、して［１１Ｊ記作動液貯槽に回収する流路
   を設け、かつ該各テイスプレーサー室の低温側作動ガス
   をディスプレーサ−駆動用小ピストン室の各駆動側作動
   室に導く流路を設け、該各ディスプレーサー室に有膜し
   たる加熱器、再生器、冷却器からの熱の授受により該各
   ディスプレーサー室内の作動ガスを昇圧または減圧させ
   、該ディスプレーサ−ならびに該ロータリ−ピストンを
   駆動せしめることを特徴とするスターリング機関。