JPS59203853A - 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−と単節ペリ
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呼ばれる外熱機関は、等温圧縮、等
答加熱、等濡膨張、等各冷却から成るスターリングサイ
クルをｈなうもＬ／ｌ　−Ｃ１←）つ−Ｃその熱効率は
カルノーサイクルと恰しく、シかも利用できる熱源は広
汎であって如何なるｊ上体の熱源も利用できるため、エ
ネルギーの節減が重要な課題となっている今［：１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、騒音かきわめて少
く、排ガス中の右′）Ｆ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、外部動力で駆動ず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、スターリング機関番Ｊ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１′１１６か必貿とムリ機械的エイ・ルギ
ーのロスが犬きく、また１′８、１１１．の作動ガスを
効率良くンールすることか田面［へため、未だ広く実用
化されるに至っていないのか現状である。

本発明は、従来問題となっていた高ＬＬ、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などの複雑な機構による機械的損
失等の問題点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。

また本発明は、本発明者が特願５８−３１３１７号に於
いて提案したスターリング機関の改良にかかるものであ
り、さらにはディスプレーサ−と加熱器、再生器、冷却
器を一体化したフンバクトなスターリング機関を提供す
るものである。即ち、本発明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ペリトロコイ
ドロータリーピストンを組合せたものであって、フリー
ピストンは両端にディスプレーサ−室を設け、その両デ
ィスプレーサー室の間にはフリーピストンを駆動するた
めの小ヒストンを、役け、両ディスプレーサ−はその外
端が高温部、内端が低温部とし、高温部の壁面は外から
廿　　　　・ 熱を与えられ加熱器として作用へ、低温部は外に熱を奪
われ冷却器として作用させ、ディスプレーサ−はその内
部に蓄熱材を充填し作動ガスを流通させる再生器とし、
パワーピストンはケーシング内周が単節ペリトロコイ１
曲線にて形成され、かつ該べＩＪ　）ロコイドの包絡線
にてその外周を形成されたローターを組込んだ構造の、
作動室を二室有するロータリーピストンを利用し、各デ
ィスプレーサ−の低温部からの作動ガスをディスプレー
サ−駆動小ピストンのそれぞれディスプレーサ−に近い
側の作動室に導く流路を設け、かつ該作動ガスを切替弁
を介して前記ロータリーピストンの吸込側作動室に導く
流路および、ロータリーピストンの作動室から排出され
る作動ガスを切替弁を介して各部・ｆスプレーサーの低
温部に還流さぜる流路を設け、各部に作動ガスを充填し
、加熱器、＋」ｉ　４：器、冷却器での熱の授受により
昇圧した作動ガスを、ディスプレーサ−駆動小ピストン
の作動室およびパワーピストンの作動室に送給ならびニ
’ｒ”；（流せしめてフリーピストンならびにバワービ
スンを駆動させる方式の新規な機関を提供するものであ
る。

さらに本発明では、前記の昇圧した作動ガスをパワーピ
ストンに送給、還流させるにあたり、作動カス圧を一旦
作動液体貯構内の作動液体に伝え、この作動液体を切替
弁を介してロータリーピストンに送給ならびに還流せし
め、ロータリーピストンを回転させる新規な機関も提案
するものである。

本発明によれば、従来のスターリング世間の欠点であっ
た作動ガスのシール問題が、単にロータリーピストンの
出力軸をシール効果の高いメカニ力ルンールとすること
で容易に解決でき、さらに摺動部の機械的ロスの少い効
率の良いスターリング機関をイすることができる。

さて、本発明の詳細についてさらに図面を参１−Ｋ（し
つつ詳述すると、まづ第１図、第２図は本発明の全体の
構成を示すもので、第１図はパワーピストンを作動ガス
で直接駆動する構成を、第２図は作動液体で駆動する構
成を示すものである。

第１図に於いて１および２はツリーピストンの各ディス
プレーサ−？；＜の外商ケー／／　り、：３はディスプ
レーサ−駆動小ピストン５．−の外１３、Ｊう−リング
、４および５はティスゲレーリー−Ｃ５その内部は再４
ト藩を成し、６は両テイスブレーサーを結ぶシャフト、
７はディスプレー〜リー駆動小ピストン、８および９は
各ディスプレ、−サーの高温部、１０および１１はその
低ｎ１、ｉ部′Ｃある。１２はディスプレーサ−に＋＜
　動小ピストンの作動室でディスプレーサ−４の低ｌ晶
部１０と＋１１〔＋ｆＪｉｌ、、１３はその反対側の作
動室でディスプレーヤー５の低温部１１と連通し、２６
と２７＋、、ｔその連絡流路、１４および１５はディス
プレーヤーの高温部を加熱する熱媒宰で本例の場合は燃
焼ガスが通過する。１６および１７は燃焼杆：：１８お
よび１９は燃焼室である。２０４：↓加熱ｊ？Ｒ突起で
再生器から流出する作動ガスの整流と熱伝達率を向上さ
せる効果を持つ。２２及び２３はディスプレーサ−の低
温部を／′８却するだめの冷媒を流通させる冷媒室で、
２＊は２０と同じ効果をもつ冷却品突起である。

次に５１はパワーピストンとして利用する単節ペリトロ
コイドロータリーピストンノ外１°ｍハウジングでその
内周は章節ペリトロコイド［１１１線にてＩＥＪ成され
る。５２はローターで、後述する如くロータージャーナ
ル上を週回し、常にその側に作動室を２室持つ。７３．
７４がその作動室である。７７および７８は作動ガスを
パワーピストンに導く流路、８２及び８２′は連動して
作動ガス流路を切替える切替弁である。

第２図に於いて、各部の符号は第１図と共通であるが、
８６および８７は作動液体貯槽で、ここで作動ガスの動
圧を作動液体に臥え、作動液体は流路８８および８９を
辿りパワーピストンに流入または還流する。

第３図はディスプレーサ一部の詳細を示すもの−Ｃ１各
部の符号は第１図と共通している。

３０はディスプレーヤー内部の再生器で蓄熱材が充填し
である。３１はディスプレーサ−の高温側四部で、リン
グ状に隆起した加熱部突起の２１とかみ合わさる様形成
されている。なをこの２１は２０と同じである。この２
１と３１の組合せにより、ディスプレーヤーが往復動し
ｆ１１動ガスが３２から流出、流入するときにガス流を
整流すると共に加熱壁面の流動を良くし、ｃ／ｅ熱を増
大させる効果を４’Ｊつ。３３は同様に低湿側四部で、
２５と組合さって同様の幼果を示すものである。３４は
作動カスの低ＷｊＡ　ｌ’、’ｌの流出入口、３６は熱
媒の排出（−１，３７は冷゛媒の流入１１３８は同排出
口、３９は低ｎ１１冒１（１１作動ガスのバ１７−ピス
トンへの流出１］、４０はンヤフト６の軸受である。

第４図はディスプレーサ−１″１９向と外ハ１１の断面
の詳細を示すもので、４２は外１′、ｉ内を””Ｉ　ｒ
ｊ１Ｍ部から低温部へ直接熱が達ζるのを防ぐ所執ＡＫ
　、冷媒室内の４３は伝熱を増すためのフイ／、４４は
ディスプレーサ−と外筒との間隙ケ作動カスが漏洩する
のを減少させるためのフィン、４５はディスプレーサ−
内の隔壁である。

第５図はディスプレーサ−駆動小ヒストン室−＼の作動
ガス流路の詳細を示すものである。図に於いて４６は作
動ガスの小ピストン室への流入位１ｉｊ（を変えるため
のスライドブＩΣ、４７はその流入口であり、４９はこ
のスライド弁を駆動する機構を示ず。

第６図はロータリーピストンの断面図で、まず５１は外
商ハウジングでその内周は単刃ベリトロフィト曲線によ
り形成され、その内部に外ｖｉ＋がペリトロコイドの包
路線により形成さねたローター５１を工１又納し、ロー
ターはロータージャーナル５３と嵌合し、ローター側向
の内爾歯＋ｌＩ：％　５６と固定外歯歯車５７０作用で
ロータージャーナル−Ｆを公転しながらシャフト５４に
回転を′Ｊ−える仔構成されている。５８はローター１
；ｎｌ四のメイルシール、５９はサイドシールである。

６０はアベンクスンール、６３はコーナーノール、６４
はローター内に設けられた空ｉ１１部、６５はローター
ジャーナル部に設けた空孔、７２はハウジング内に設け
られた空洞部でパワーピストンの冷却が必要なときには
冷媒の流通させる。７５．７６はそれぞれ１′１１Ｉｌ
Ｊ′堅７３及び７４への作動ガスまたは作動液体の流出
入ＩＩｃある。

第７図は第６図に示したロータリーヒフ、ｌ・ンの側断
面図である。図のねシじの大１７１９分は第督５）閾と
共通である。図に於いて６１はアベックスンールのサイ
ドハウジング５５と接する部分の分割片、６２はアペン
クスンールをノ＼ウジングに川１しつけるためのパイ・
、６５はローターのりとバ司とンヤフト周囲空間１ｆｆ
（とを連絡するだめの孔で、必要に応じ複数個、役り冷
却用オイルを流通ごせることができる。６７は口〜ター
ヘアリング６Ｂはシャフトベアリング、６９はンヤフト
のスラストベアリング、７０はパワーヒストンのシャフ
ト部の空隙から作動ガスか漏洩するのを防止するメカニ
カルシール、７１は／−ルを固定するリングである。７
７．７８Ｌ１作動カスまたは作動液体が流入、流出する
流路である。

第８図は切替弁の一例を示したもので、図に於いて５１
は外筒ハウジング、５２はローターでいづれも上面より
見たものである。７３及び７４は作動室、８１は作動ガ
スまたは作動液体の流入、流出口で添字ＦｈｓｂｚＣＸ
ｄはそれぞれの位置を示す。８２はローターの回転と連
動して作動する切替弁であり、ａｓ　ｂｓ　ｃＮ　ｄの
各位置に一個づつ設けられる。

さて本発明は以上第１図から第８図に於いてるる詳述し
た各部の構造を総合して成るものであるが、必ずしも口
れらに限られるもので無く種々の公知の構成を附加する
ことができる。

次に本機関の作動の態様について詳述する々まず第１図
に於いて、左ディスプレーサー至ハ高温部８が最大容Ｉ
Ｍ＋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。右ディスプレーザー室は低
温部１１が最人容ｌｉｔで、作動ガスの大部分は低ｌ晶
となって収縮し、内部の圧力は最小となっている。ここ
でパワーピストンの吸込側作動室７４は切替弁のヤ ８２を介して高圧側ディスプレーサ−に接続さ△ れ、抽出側作動室７３はｕＪ替弁の８２を介して主 低圧側ディスプレーサ−に接続さねている。口△ −ター５２はこの圧力差により図示する知く、右回りに
回転し、この回転力はエギセントリノクシフト５４から
外部に取出される。−力、−バイスプレーサ−駆動小ピ
ストン７の両側の作動室のうち１２は流路２６を通して
、−６圧側ディスプレーサ−と連通し、他方、作動室１
３は流路２７を通じて低圧側ディスプレーサ−と連通し
ているため、両作動室の圧力差によりディスプレーサ−
を図に於いて右端に移動させている。

ローターが回転して、作動室７４の容積が増し、作動室
７３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下していき、一方、
ｌｌ−１＝　ｌ−１−ＩＬ！、１１　ディスプレーサ−
室内では作動ｑ：　７３からＰ（出された作動ガスの流
入により圧力は」二昇する。これによりディスプレーサ
−駆動小ピストン７の両側の作動室の圧力バランスが変
り、ピストン７は１−ｊに於いて左に移動を始め、連結
された両ナイスプレーサ−も左に移動する。この結果右
テイスゾレーサー室では高温部の容積が増しさらに圧力
が上昇し、左ディスプレーザー室では低温部のＪＯの容
積が増し高温側の作動ガスは低温部に移行し収縮して圧
力はさらに低下していく。

さて、パワーピストンのローターが回転を続け、作動室
７４の容積が最大、同じく７３の容積が最小の位面すな
わち死点に達すると、ローターと連動した切替弁８２．
８２が作動し、今迄左ディスプレーサ−と連通していた
吸込側作動室は右ディスプレーサ−と接続し、今迄右デ
ィスプレーサ−と連通していた排出側作動室は左ディス
プレーサ−と接続される。なをこの間に両ディスプレー
サ−は１９４に於いて左に移動し続１ｊており、左右の
ディスプレーサ−室の圧力関係は逆転して右ディスプレ
ーサー室の方がその内部の１ト、力は高くなっており、
このガスが吸込側イウ動室に流入し、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、ローターは引
続き右回りに回転し、以後はそのくり返しにより連続し
て回転し出力が取出される。

本発明は以上の構成と原理により高ｌ晶の熱源から効率
良く動力を取出すことができるもの−Ｃあるが、本発明
の態様は勿論以上に述べた１ｉｌＩＩ＋□＋１に限られ
るものでは無く、第２図に４（シた知く作動ガスから作
動液体に圧力を伝えたのち、この作動液体によりパワー
ピストンを駆動させる方法、また第３図から第　図に示
した様な各部の詳細な構造について、それぞれ単独また
はそれらの組合により構成されるものであることは云う
までもない。

なを第５図について若干補足をすると、スライドバルブ
４６はディスプレーサ−駆動小ピストンの作動室１３へ
作動ガスを流出入させる流路２７の開口位置４７を、［
ズに於いて左右に移動させ、小ピストン７によって作動
室１３内に閉しこめられるガスの量を調節する。ここに
閉じこめられたガスは、ディスプレーサ−が左右両端に
激突するのを防ぐクッションの役目を果すと共に、作動
室１２室内の圧力がわづかでも低下し始めると、１３内
に閉じこめられたガス圧力により小ピストン７が直ちに
左に移動し始ぬるため、ディスプレーサ−が右端の死点
に於いて作動遅れを生じるのを無くすことができる（て 。なを本機構は流路２６側も同じく設け、スラハ イドバルブの調節は連動して行なわなければならない。

また第５図に於いてスライドバルブの調節は、作動室１
２と１３の圧力差が大なるほど流出入１］４７の位置を
図に於いて左に移動させて行なう。

さて、以上本発明の詳細についてる＼述べた如く、本発
明はフリーピストン式ディスプレーサ−と単節ペリトロ
フィトロータリーピストンを巧みに組合せて、摩擦損失
のきわめて少い、また複雑な機構を必要としない、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グ機
関を提供するものであるが、さらに本機関をロータリー
ピストンのローターのバランスを考えて二連、二連と連
結して作動させれば、静粛で安定した回転を与える機関
とすることができる。まり本機関のディスプレーサ−、
パワーヒストンのケーシングを炭化珪素、窒化珪素、ジ
ルフニγ系セラミンクス等の耐高温高強度材料で構成す
ることにより、熱効率を上げることができまた、第４図
の断熱材４２などを省くことができさらに優れた機関と
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体のｔＪｔ成を示すものである。 第２図は本発明に於いて、パワーヒストンを作動液体に
て駆動する構成を示Ｊものである。 第３図は本発明のディスフレーサ一部の詳細を示すもの
である。 第４図はディスプレーサ−および外ｍ４　（ｆ）　！、
３’１　部の詳細を示すものである。 第５図はディスプレーサ−堅とディスプレーサ−駆動小
ピストンの作動室間の作動カス流路および作動室への流
出入口部の詳細を示すものである。 第６図は本発明のパワービストノとして用いるロータリ
ーピストンの断面図である。 第７図は第６図に示したロータリーピストンの側断面図
を示すものである。 第８図はパワーピストンに流出入する作動ガス流路の切
替弁の例を示すものである。 以上 第４図 ５ 第５図 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　両端にディスプレーサ−を備え、該両ディピストン
   ヲ設けたるフリーピストン式ディスプレーサ−と、単節
   ペリトロコイドロータリーピストンを組合せたスターリ
   ング機関に於いて、両ディスプレーサー共ディスプレー
   サ−駆動小ピストン側の壁面を低温に保ち冷却器と成し
   、該各ディスプレーザーの反対側の壁面を高温に保ち加
   熱器と成し、ディスプレーザー内部には蓄熱材を充填し
   て再生器と成し、作動ガスをディスプレーサーの往復動
   により加熱器から再生器を通り冷却器へ、またその逆方
   向・＼と流通せしめ、作動カスの加熱および冷却を行な
   わせると共に、該各ディス仕り プレーサ−の冷却器Ａ！Ｊ）らの作動ガスをディスプレ
   ーサ−駆動小ピストンの各作動室に導きディスプレーサ
   −を往復動せしめ、かつ該作動ガスを切替弁を介して交
   互にロータリーピストンの吸込側作動室に供給し、かつ
   ロータリーピストンの排出側作動室からの作動ガスを前
   記切替弁と連動せる切替弁を介して各ディスプレーサ−
   に還流せしめることによりロータリーピストンを回転ぜ
   しぬることを特徴とするスターリング機関。 ２　両端にディスプレーサ−を備え、該両ディスプレー
   ザーの中間にディスプレーサル駆動小ピストンを設けた
   るフリーピストン式ディスプレーサ−と、単Ｍ゛ｊペリ
   トロフィトロークリーピストンを組合せたスターリング
   機関に於いて、両テイスブレーサー共ティスフレーサー
   駆動小ピストン側の壁面を低１’ｉ’ｌｌｉに保ち冷却
   器と成し、該各ディスプレー隼−の反スｋｌ　（１１１
   ＋の壁面を高温に保ち加熱器と成し、ディスプレーザー
   内部には蓄熱材を充填して再生器と成し、作動ガスをデ
   ィスプレー→ノーの往復動によ゛り加熱器から再生器を
   通り冷却器へ、またその逆方向へと流通せしめ、作動ガ
   スの加熱および冷却を行なわせると共に、該各部イスプ
   レーサーの冷却器側からの作動ガスをディスプレーサ−
   駆動小ピストンの各作動室に導きディスプレーサ−を往
   復動せしめ、かつ該作動ガスを各作動液貯槽に導き、該
   各作動液貯槽からの作動液を切替弁を介して交互にロー
   タリーピストンの吸込側作動室に供給し、かつロータリ
   ーピストンの排出側作動室からの作動液を前記切替弁上
   連動せる切替弁を介して目ｉＪ記各作動液貯槽に還流せ
   しめることによりロータリーピストンを回転せしめるこ
   とを特徴とするスターリング機関。