(57)【要約】      （修正有）【課題】ロータリーディスプレーサを用いたγ型スターリングエンジンにおいて、作動流体の移動時の無駄な熱流を低減し、高熱効率スターリングエンジンを提供する。【解決手段】容積室２１に、ロータリーディスプレーサ２２とともにスライド式ヒートパイプ２７の両端に固定された吸熱再生器６１および放熱再生器６２を内在させる。ロータリーディスプレーサ２２の回転により、容積室２１内の作動流体は吸放熱再生器６１、６２の隙間を通って移動し、これらと熱の授受を行う。吸放熱再生器６１、６２間の熱伝達はスライド式ヒートパイプ２７で行い、吸熱再生器６１で蓄えた熱エネルギーを半サイクル後放熱再生器６２から作動流体に戻すことで熱効率の向上を図る。なお、カム機構によりロータリーディスプレーサ２２と吸放熱再生器６１、６２の衝突を回避する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動ピストンをレシプロパワーピストンとしてコネクティングロッドおよびクランクシャフトを介して外部に回転動力として取り出す機構とし、該クランクシャフトに同期回転するロータシャフトに固定され加熱冷却器に設けられた円筒状の容積室内の作動流体を加熱部と冷却部に周期的に移動させるロータリーディスプレーサを具備し、該容積室とピストン室を連結パイプで接続し該容積室内の作動流体圧力を該レシプロパワーピストンに伝えるスターリングエンジンにおいて、
該容積室の該加熱部と該冷却部との境界に往復動できるスライド式ヒートパイプを設け、該スライド式ヒートパイプの両端に吸熱再生器および放熱再生器を接合させ、該ロータリーディスプレーサの回転先端が該スライド式ヒートパイプに接合された該吸熱再生器または該放熱再生器に接近したとき該クランクシャフトと該スライド式ヒートパイプ間に設けたカム機構により、該スライド式ヒートパイプを退避動作させ、該吸熱再生器または該放熱再生器と該ロータリーディスプレーサとの衝突を回避することを特徴とするロータリースターリングエンジン。
【請求項２】
ロータリーエンジンのローターを固定パワーピストンとして加熱冷却器に固定するとともに、該ロータリーエンジンのステーターを固定せずロータリーハウジングとして偏芯回転できるようにし、該ロータリーエンジンのエキセントリックシャフトの回転中心を該固定パワーピストンの中心軸に一致させ外部に回転動力として取り出す機構とし、該加熱冷却器に３個の円筒状容積室を設け、該３個の各容積室と該固定パワーピストンのピストン室側の３面に設けられた吸排気口とを個別に連結パイプで連結するとともに、該各３個の容積室にはそれぞれ該各容積室内の作動流体を該加熱部と該冷却部に周期的に移動させる３個のロータリーディスプレーサを１２０°の位相差で配置して、各３個の該ロータリーディスプレーサを該エキセントリックシャフトと同期して回転できるようにしたスターリングエンジンにおいて、
該各３個の容積室内にはそれぞれ該加熱部と該冷却部との境界に往復動できるスライド式ヒートパイプを設け、該３個のスライド式ヒートパイプの両端にそれぞれ吸熱再生器および放熱再生器を接合させ、該各３個のロータリーディスプレーサの回転先端が該各３個のスライド式ヒートパイプに接合された該吸熱再生器または該放熱再生器に接近したとき該エキセントリックシャフトと同期して回転するロータシャフトと該各３個のスライド式ヒートパイプ間に設けた個別の３個のカム機構により、該各３個のスライド式ヒートパイプを個別に退避動作させ、該各３個の吸熱再生器または該各３個の放熱再生器と該各３個のロータリーディスプレーサとの衝突を回避することを特徴とするロータリースターリングエンジン。
【請求項３】
請求項１および２記載のロータリースターリングエンジンにおいて、
該スライド式ヒートパイプの外面および該スライド式ヒートパイプの両端に接合された該吸熱再生器および該放熱再生器にウイックを付設し、
作動流体として、不飽和乃至飽和蒸気熱媒体を用いることを特徴とするロータリースターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動損失の少ないロータリー式のγ型スターリングエンジンに関する。          
【背景技術】
【０００２】
従来のγ型スターリングエンジンは、往復動するパワーピストンと往復動するディスプレーサピストンを備え、両ピストンはそれぞれコネクティングロッドを介し、クランクシャフトに９０°の位相差で連結されるとともに回転動力を取り出す構造になっている。このため、従来のγ型スターリングエンジンは、パワーピストンとディスプレーサピストンが往復運動するため、振動損失が大きく、結果として熱効率の低下を招いていた。
【０００３】
これを改善するため、振動損失の軽減を目的に、ディスプレーサを往復動ピストン機構ではなくロータリー式回転機構にしたスターリングエンジンが考案されている。例えば、特許文献１および非特許文献１に記載されているスターリングエンジンは図１０に示すように、レシプロパワーピストン１の往復運動を、コネクティングロッド３を介してロータシャフト７並びにロータリーディスプレーサ２２の回転運動に変え、加熱部２３および冷却部２４を備えたロータハウジング２６で構成される容積室２１内に封入された作動流体をロータシャフト７の回転に同期させて、加熱部２３および冷却部２４に周期的に接するようにさせる構造になっている。容積室２１内の作動流体は、加熱部２３および冷却部２４に周期的に接することにより圧力が脈動し、結果としてレシプロパワーピストン１を往復動させる。
【０００４】
一方、特許文献２にはディスプレーサをロータリー式回転機構にするのみならず、パワーピストンについてもロータリー式回転機構とし、完全に往復動機構を排除した低振動損失のスターリングエンジンが開示されている。ディスプレーサをロータリー式回転機構とする基本的な考え方は上記と同じであるが、パワーピストンをロータリー式回転機構とする方法は、次のような構成となっている。すなわち、通常のロータリーエンジンのローターを固定パワーピストンとして加熱冷却器に固定するとともに、通常固定されているロータリーエンジンのステーターを固定せず、ロータリーハウジングとして偏芯回転できるようになっている。
それとともに、エキセントリックシャフトの回転中心を通常のロータリーエンジンのステーター中心軸ではなく、固定されたローター、すなわち固定パワーピストンの中心軸に一致させ外部に回転動力として取り出す構造となっている。
【０００５】
このような構造をとることにより、エキセントリックシャフトが時計方向に１回転するとき、ロータリーハウジングは反時計方向に１／２回転する。このとき、固定パワーピストンとロータリーハウジングで囲まれた３個のピストン室の容積はロータリーハウジングの１／２回転に対し１２０°の位相差で略正弦関数的に１回変化する。特許文献２のγ型スターリングエンジンでは、加熱冷却器に３個の円筒状の容積室を設け、各容積室内にはエキセントリックシャフトにロータリーディスプレーサを１２０°の角度で固定し同期回転できるようにしてあるので、各容積室内に封入されている作動流体は、エキセントリックシャフト１回転に対し１サイクルの圧力変化をする。３個の各容積室と３個のピストン室はそれぞれパイプで接続されているので、作動流体の圧力変化が対応するピストン室に伝達されロータリーハウジングを反時計方向に回転させる力を発生させ、エキセントリックシャフトを時計方向に回転させる。
【特許文献１】特開平３−１８５２５３号  公報
【特許文献２】特開２００８−１１５８５１号  公報
【非特許文献１】岩本昭一、他「ロータリディスプレーサ形スターリング機関の開発」設計工学  Vol.28,No.10,pp35〜40(1993年10月)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上に述べた回転式のディスプレーサを用いた従来のγ型スターリングエンジンは、振動損失の低減を可能としたが、再生器が無く熱効率を低下させていた。すなわち、上記背景技術の項で図１０を用いて説明した特許文献１のスターリングエンジンでは、容積室２１内の作動流体はロータリーディスプレーサ２２により加熱部２３と冷却部２４との間を、再生器を通ることなく周期的に移動する。このため、作動流体を介して加熱部２３から冷却部２４に無駄な熱の流れが生じ、熱効率を低下させていた。
また、特許文献２のスターリングエンジンでは、容積室内の作動流体が加熱部と冷却部に交互に接するようにロータリーディスプレーサで遮蔽する構造であり、再生器が設けられていないため、特許文献１のスターリングエンジンと同様に、作動流体が加熱部で吸熱した熱を冷却部に無駄に放熱し、熱効率を低下させていた。
本発明の課題は、回転式のディスプレーサを用いたγ型スターリングエンジンにおいて、作動流体が加熱部と冷却部とを周期的に移動するときの無駄な熱流を低減し、かつ振動損失の少ない高熱効率スターリングエンジンを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、加熱冷却器部にロータリーディスプレーサとともに再生器を内在させる手段を採った。なお、パワーピストン部は基本的に特許文献１および２記載の構造と同じ構造を採るので、以下加熱冷却器部について採った手段を詳述する。
【０００８】
回転式ロータリーディスプレーサを内在する加熱冷却器は円筒状の容積室を持ち、向き合う内壁は加熱部と冷却部となっている。本発明では、両者の境界に往復動できるスライド式ヒートパイプを設置し、その両端に吸熱再生器および放熱再生器を接合させる構造とした。ロータリーディスプレーサの回転により作動流体が加熱器側から冷却器側に移動するとき、スライド式ヒートパイプはロータリーディスプレーサの反対側に位置し、作動流体が吸熱再生器の隙間を通って移動するようにして高温の作動流体の熱エネルギーを吸熱再生器に与える。吸熱再生器に与えられた熱エネルギーはヒートパイプを介して放熱再生器に移動し、放熱再生器を高温にする。
【０００９】
次にロータリーディスプレーサの回転先端がスライド式ヒートパイプに接合された吸熱再生器に接近したとき、クランクシャフトとスライド式ヒートパイプ間に設けたカム機構により、スライド式ヒートパイプを退避動作させ、吸熱再生器とロータリーディスプレーサとの衝突を回避するとともに、放熱再生器を作動流体の流路に移動させる。
さらにロータリーディスプレーサが回転し、冷却器側に移動した作動流体を再び加熱器側に移動させるときは、すでにスライド式ヒートパイプはロータリーディスプレーサの反対側に位置しており、作動流体が放熱再生器の隙間を通って移動するようになっている。このとき、低温の作動流体は高温になっている放熱再生器から熱エネルギーを回収し、暖められながら加熱器側に移動する。
ロータリーディスプレーサの回転先端がスライド式ヒートパイプに接合された放熱再生器に接近したとき、クランクシャフトとスライド式ヒートパイプ間に設けたカム機構により、スライド式ヒートパイプを反対方向に退避動作させ、放熱再生器とロータリーディスプレーサとの衝突を回避するとともに、吸熱再生器を作動流体の流路に戻す。
【００１０】
以上の動作を１サイクルとしてロータリーディスプレーサを回転させたとき、作動流体が加熱器側に多くある状態では作動流体の圧力が高くなり、冷却器側に多くある状態では作動流体の圧力は低くなる。請求項１に記載した往復動型のスターリングエンジンでは、容積室とピストン室とは連結パイプで接続されているので、作動流体の脈動圧力はピストン室に伝達されピストンを往復動させ、クランクシャフトに回転動力を発生させる。
【００１１】
請求項２に記載したロータリー型のスターリングエンジンでは、加熱冷却器に３個の円筒状容積室を設け、３個の各容積室と固定パワーピストンのピストン室側の３面に設けられた吸排気口とを個別に連結パイプで連結するとともに、各３個の容積室にはそれぞれ各容積室内の作動流体を加熱部と冷却部に移動させる３個のロータリーディスプレーサを１２０°の角度で配置して、各ロータリーディスプレーサをエキセントリックシャフトと同期して回転できるようにする。各容積室内のロータリーディスプレーサおよび吸放熱再生器が接合されたスライド式ヒートパイプは１２０°の位相差で上記と同じ動きをする。かくして各容積室の作動流体の脈動圧力は対応する３個のピストン室に伝達されロータリーハウジングを回転させ、結果としてエキセントリックシャフトに回転動力を発生させる。
【００１２】
請求項３は、作動流体として不飽和乃至飽和蒸気熱媒体を用いた場合、加熱器側で蒸気となった熱媒体をスライド式ヒートパイプに接合された吸熱再生器に付設されたウイックで結露させ低温低圧の飽和蒸気熱媒体にし、冷却器側に通過させる。吸熱再生器に付設されたウイックに結露した液体の熱媒体は、毛細管力によってスライド式ヒートパイプ外面に付設されたウイックを経由し、反対側の放熱再生器に付設されたウイックに移動する。放熱再生器に付設されたウイックに移動した液体の熱媒体は、ロータリーディスプレーサの回転が進みスライド式ヒートパイプが移動して放熱再生器が作動流体の流路になったとき蒸発し、冷却器側から移動してきた熱媒体とともに加熱器側に送られ高温高圧の不飽和乃至飽和蒸気熱媒体となる。
すなわち、吸熱再生器のウイックで結露した不飽和乃至飽和蒸気熱媒体の液体は、スライド式ヒートパイプ外面のウイックを経由し、放熱再生器のウイックで蒸発する液体循環経路を構成するとともに、吸熱再生器で回収した不飽和乃至飽和蒸気熱媒体の液化潜熱をスライド式ヒートパイプ内部の熱伝達機構を介して放熱再生器で気化潜熱として再生できるので、低熱損失熱サイクルが構成できる。
【００１３】
気体の圧力はほぼ絶対温度に比例するのに対し、不飽和乃至飽和蒸気熱媒体の圧力は絶対温度の指数関数で近似的に変化するので、熱媒体に不飽和乃至飽和蒸気熱媒体を採用することで、所望の圧力差を得るのに必要な加熱器と冷却器の温度差を小さくでき、低温度差高熱効率スターリングエンジンを得ることが可能となる。
なお、スライド式ヒートパイプ内部は通常のヒートパイプと同様、作動液が減圧密封され内壁には作動液を還流させるためのウイックが付設されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、振動損失の少ないロータリーディスプレーサを用いたγ型スターリングエンジンにおいて、加熱冷却器部に上記ロータリーディスプレーサとともに再生器を内在させる手段を採ったことにより、高熱効率スターリングエンジンを得ることができた。
また、熱媒体に不飽和乃至飽和蒸気を使ったとき、容積室内に液体循環経路を設けるとともに、液化潜熱を気化潜熱として再生できるようにしたので、さらなる高熱効率化を図ることが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の第１の実施例ついて、その実施の形態を図１から図４を用いて説明する。  
【実施例１】
【００１６】
図１（ａ）は、本発明の実施例１を説明するロータリースターリングエンジンの正面断面図であり、同図（ｂ）はパワーピストン部を軸左方向から見た側面断面図、同図（ｃ）は同様に軸左方向から見た側面断面図でロータリーディスプレーサ、再生器などの位置関係を示すものである。
図1において、レシプロパワーピストン１は、コネクティングロッド３およびクランクシャフト４を介し動力シャフト６にて外部に回転動力を取り出す機構となっている。クランクシャフト４は同時にロータシャフト７に連結され、これに軸固定されている回転溝カム盤５０およびロータリーディスプレーサ２２を回転させる。ロータリーディスプレーサ２２は、その回転により加熱冷却器２０に設けられた円筒状の容積室２１内の作動流体を加熱部２３と冷却部２４に移動させる。また、容積室２１は冷却側連結パイプ３０ｃおよび加熱側連結パイプ３０ｈに接続され、ロータリーディスプレーサ２２に邪魔されることなく容積室２１内の作動流体圧力をレシプロパワーピストン１に伝える構造となっていて、レシプロパワーピストン１は作動流体の圧力を受けて往復運動を行う。
一方、容積室２１内には、加熱冷却器２０の加熱部２３と冷却部２４の境界に往復動できるスライド式ヒートパイプ２７が設置され、その両端に吸熱再生器６１および放熱再生器６２を接合させる構造とした。スライド式ヒートパイプ２７の両側にはスライド式ヒートパイプ２７の動きをガイドし、ロータリーディスプレーサ２２の回転を妨げないように部分円筒状のヒートパイプガイド２８を設置する。
また、ロータリーディスプレーサ２２とスライド式ヒートパイプ２７の両端に固定された吸放熱再生器６１、６２との衝突回避動作は、回転溝カム盤５０とスライド式ヒートパイプ２７の２箇所に設けられたカムフォロワ５１で行う。すなわち、ロータリーディスプレーサ２２の回転先端がスライド式ヒートパイプ２７に接合された吸熱再生器６１に接近したとき、上記カム機構により、スライド式ヒートパイプ２７をロータリーディスプレーサ２２とは反対の方向に退避動作させる。このとき同時に放熱再生器６２を作動流体の流路に移動させる。次の半回転でロータリーディスプレーサ２２の回転先端がスライド式ヒートパイプ２７に接合された放熱再生器６２に接近したとき、同様にカム機構により、スライド式ヒートパイプ２７をロータリーディスプレーサ２２とは反対の方向に退避動作させる。このとき同時に吸熱再生器６１を作動流体の流路に移動させる機構となっている。
【００１７】
以下、動作の詳細をレシプロパワーピストン１、回転溝カム盤５０、ロータリーディスプレーサ２２、スライド式ヒートパイプ２７などの可動部品の位置関係を示す図２〜図４を使って説明する。
ここで図２（１）を初期状態（θ＝０°）とする。
図２（１）では、レシプロパワーピストン１は上死点にあり、ロータリーディスプレーサ２２は加熱部２３と冷却部２４の中間に位置している。スライド式ヒートパイプ２７はロータリーディスプレーサ２２とは反対側（図中左側）にあって、吸熱再生器６１は容積室２１に封入されている作動流体の流路に位置する。作動流体は、加熱部２３と冷却部２４に均等に接しているため膨張も収縮もしない。
【００１８】
次に、ロータシャフト7が慣性力で４５°回転した図２（２）の行程を説明する。
図２（２）では、レシプロパワーピストン１は上死点よりやや下方にあり、ロータリーディスプレーサ２２は加熱部２３側に回転が進み、スライド式ヒートパイプ２７は図２（１）と同じ左側にあって、吸熱再生器６１は容積室２１に封入されている作動流体の流路に位置する。加熱部２３の作動流体は吸熱再生器６１に熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動する。作動流体は加熱部２３より冷却部２４に多く接するようになるため収縮し、レシプロパワーピストン１を下方に動かす働きをする。吸熱再生器６１に与えられた熱エネルギーはスライド式ヒートパイプ２７を通って放熱再生器６２に伝達されその温度を上昇させる。
【００１９】
次に、ロータシャフト7が９０°回転した図２（３）の行程を説明する。
図２（３）では、レシプロパワーピストン１はピストンシリンダ２の中間点まで下降し、ロータリーディスプレーサ２２は加熱部２３側に位置する。加熱部２３にあった作動流体のほとんどは吸熱再生器６１に熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動し、さらに冷却部２４で冷却される。その結果、作動流体の収縮は進み、レシプロパワーピストン１を下方に動かす働きをする。吸熱再生器６１に与えられた熱エネルギーは、スライド式ヒートパイプ２７を通って放熱再生器６２に伝達されその温度を上昇させる。
【００２０】
次に、ロータシャフト7が１３５°回転した図３（４）の行程を説明する。
図３（４）では、レシプロパワーピストン１はさらに下降を続け、回転溝カム盤５０を回転させ、スライド式ヒートパイプ２７はその２箇所に設置されたカムフォロワ５１により右側にスライドし、吸熱再生器６１とロータリーディスプレーサ２２の衝突を回避する。このとき同時に放熱再生器６２は作動流体の流路に移動する。冷却部２４の作動流体は高温になっている放熱再生器６２から熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動する。しかし、作動流体はまだ加熱部２３より冷却部２４に多く接するようになっているため収縮状態にあり、レシプロパワーピストン１を下方に動かす働きをする。放熱再生器６２は作動流体に熱エネルギーを与える代わりにその温度は下降方向に転じ、スライド式ヒートパイプ２７を通して吸熱再生器６１に蓄えられている熱エネルギーの供給を受け、吸熱再生器６１の温度を徐々に低下させる。
【００２１】
次に、ロータシャフト7が１８０°回転した図３（５）の行程を説明する。
図３（５）では、レシプロパワーピストン１は下死点にあり、ロータリーディスプレーサ２２は加熱部２３と冷却部２４の中間に位置する。スライド式ヒートパイプ２７は図２（４）と同じ右側にあって、放熱再生器６２は作動流体の流路に位置する。作動流体は、加熱部２３と冷却部２４に均等に接しているため膨張も収縮もしない。
【００２２】
次に、ロータシャフト7が慣性力で２２５°に回転した図３（６）の行程を説明する。
図３（６）では、レシプロパワーピストン１は下死点よりやや上方にもどり、ロータリーディスプレーサ２２は冷却部２４側に回転が進み、スライド式ヒートパイプ２７は図３（５）と同じ右側にあって、放熱再生器６２は作動流体の流路に位置する。冷却部２４の作動流体は高温の放熱再生器６２から熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動する。作動流体は冷却部２４より加熱部２３に多く接するようになるためさらに加熱され膨張し、レシプロパワーピストン１を上方に動かす働きをする。放熱再生器６２は失われた熱エネルギーをスライド式ヒートパイプ２７を通って吸熱再生器６１から回収し、吸熱再生器６１の温度を下降させる。
【００２３】
次に、ロータシャフト7が２７０°回転した図４（７）の行程を説明する。
図４（７）では、レシプロパワーピストン１はピストンシリンダ２の中間点まで上昇し、ロータリーディスプレーサ２２は冷却部２４側に位置する。冷却部２４にあった作動流体のほとんどは放熱再生器６２から熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動し、さらに加熱される。その結果、作動流体の膨張は進み、レシプロパワーピストン１を上方に動かす働きをする。放熱再生器６２は失われた熱エネルギーを、スライド式ヒートパイプ２７を通して吸熱再生器６１から回収し、吸熱再生器６１の温度を下降させる。
【００２４】
次に、ロータシャフト7が３１５°回転した図４（８）の行程を説明する。
図４（８）では、レシプロパワーピストン１はさらに上昇を続け、回転溝カム盤５０を回転させ、スライド式ヒートパイプ２７はその２箇所に設置されたカムフォロワ５１により左側にスライドし、放熱再生器６２とロータリーディスプレーサ２２の衝突を回避する。このとき同時に吸熱再生器６１は作動流体の流路に移動する。加熱部２３の作動流体は低温になっている吸熱再生器６１に熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動する。しかし、作動流体はまだ冷却部２４より加熱部２３に多く接するようになっているため膨張状態にあり、レシプロパワーピストン１を上方に動かす働きをする。吸熱再生器６１は作動流体から熱エネルギーを吸収しその温度は上昇方向に転じ、スライド式ヒートパイプ２７を通して放熱再生器６２に熱エネルギーを伝え、放熱再生器６２の温度を徐々に上昇させる。
【００２５】
次に、ロータシャフト7が３６０°回転した図４（９）の行程を説明する。
図４（９）では、レシプロパワーピストン１は上死点にあり、ロータリーディスプレーサ２２は加熱部２３と冷却部２４の中間に位置している。スライド式ヒートパイプ２７は左側にあって、吸熱再生器６１は作動流体の流路に位置する。作動流体は、加熱部２３と冷却部２４に均等に接しているため膨張も収縮もしない。この状態は図２（１）と同じであり、ローターシャフト７は慣性力で回転し、図２（２）の状態に行程が進む。かくして、実施例１のロータリースターリングエンジンは回転を継続する。なお、クランクシャフト４はフライホイール５を兼ねる構造とすることにより回転を滑らかにできる。
以上、本発明の実施例として往復動パワーピストンをもつγ型スターリングエンジンへの適用例について説明した。
【実施例２】
【００２６】
次に、ロータリー型パワーピストンをもつγ型スターリングエンジンへの適用について、その実施の形態を図５から図８を用いて説明する。
図５（ａ）は、本発明の実施例２を説明するロータリースターリングエンジンの正面断面図であり、同図（ｂ）はパワーピストン部を軸左方向から見た側面断面図、同図（ｃ）は同様に軸左方向から見た側面断面図で位相の異なる３組のロータリーディスプレーサ、再生器などの位置関係を示すものである。
図５において、１０は固定パワーピストンであり通常のロータリーエンジンではローターに相当する。１１はロータリーハウジングであり通常のロータリーエンジンではステーターに相当する。１２Ａ、１２B、１２Cは固定パワーピストン１０とロータリーハウジング１１に囲まれた３つのピストン室であり通常のロータリーエンジンでは燃焼室に相当する。１３は固定パワーピストンギア、１４はロータリーハウジングギアでありそれぞれ固定パワーピストン１０およびロータリーハウジング１１に設置され歯数比３：２で内接しながら噛み合っている。これらは、通常のロータリーエンジンのローター側ギアとステーター固定ギアに相当する。４０はエキセントリックシャフトであり、通常のロータリーエンジンのエキセントリックシャフトに相当する。ただし、両者の形状は類似しているが、通常のロータリーエンジンのエキセントリックシャフトが小径のステーター固定ギアの中心を中心軸として回転するのに対し、本発明のエキセントリックシャフト４０は大径の固定パワーピストンギア１３の中心を中心軸として回転する。なぜならば、通常のロータリーエンジンは当然ながらステーターを固定させているため、ローターがステーター固定ギアをガイドに偏芯しながら回転するのに対し、本実施例のロータリースターリングエンジンでは固定パワーピストン１０を固定させているため、相対的にロータリーハウジング１１が固定パワーピストンギア１３をガイドに偏芯しながら逆回転するため、エキセントリックシャフト４０は固定パワーピストンギア１３の中心を中心軸として２倍速で正回転する。
【００２７】
一方、静止状態にある固定パワーピストン１０は円筒状の加熱冷却器２０に同芯状に固定され、エキセントリックシャフト４０が両者を貫通し、加熱冷却器２０内ではロータシャフト７となっている。加熱冷却器２０は下部が加熱部２３、上部が冷却部２４で構成され、両者は熱的に断熱ロータハウジング２５で隔てられている。加熱冷却器２０には３つの円筒状容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが同芯状に並んで作られており、各容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ内にはそれぞれ実施例１と同様にロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃおよび両端に吸放熱再生器が固定されたスライド式ヒートパイプ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃと、両者の衝突を回避するとともに吸放熱再生器を適宜作動流体の流路に移動させる回転溝カム盤５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃが１２０°の位相差で配置されている。
また、実施例１と同様に各スライド式ヒートパイプ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃの両側にはその動きをガイドするように部分円筒状のヒートパイプガイド２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃが加熱冷却器２０に固定されている。
【００２８】
さらに、固定パワーピストン１０とロータリーハウジング１１に囲まれた３つのピストン室１２Ａ、１２B、１２Cはそれぞれ個別に容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに連結パイプで連結され、各容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに封入されている作動流体の圧力を各ピストン室１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに伝達するような構造となっている。すなわち、各ピストン室１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに接続されるピストン室側連結パイプ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、ロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに邪魔されないように、冷却側連結パイプ３０Ａｃ、３０Ｂｃ、３０Ｃｃと加熱側連結パイプ３０Ａｈ、３０Ｂｈ、３０Ｃｈに分岐（図示せず）し、各容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに接続されている。こうすることで、各容積室２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ内の作動流体の圧力変動を各ピストン室１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃに伝達し、ロータリーハウジング１１に回転力を与え、結果としてエキセントリックシャフト４０ならびに動力シャフト６に回転動力を発生する。
【００２９】
図５（ｂ）および（ｃ）には、真下方向を角度０°とし時計方向に、エキセントリックシャフト４０の回転角θｓ＝３０°のときの各可動部の角度および位置関係を示した。このときロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１５°、ロータリーディスプレーサ２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの各回転角θｄ＝−６０°、６０°、１８０°であり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは左側、スライド式ヒートパイプ２７Ｂ、２７Ｃは右側に位置する。
【００３０】
以下、動作の詳細を可動部品の位置関係を示す図６〜図８を使って説明する。ただし、説明は容積室２１Ａ内の可動部品とパワーピストン部の動きを詳細に述べ、容積室２１Ｂ、２１Ｃ内の可動部品の動きについては各１２０°および２４０°の位相差で同様な動きをするだけであるので説明は省略する。
まず、図６（１）を初期状態とする。
すなわち、真下方向を角度０°としたとき、エキセントリックシャフト４０は回転角θｓ＝０°、ロータリーハウジング１１は回転角θｈ＝０°、ロータリーディスプレーサ２２Ａは回転角θｄ＝−９０°であり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは左側に位置する。このとき、ロータリーディスプレーサ２２Ａは加熱部２３と冷却部２４の中間に位置している。スライド式ヒートパイプ２７Ａはロータリーディスプレーサ２２Ａとは反対側にあって、吸熱再生器６１Ａは容積室２１Ａに封入されている作動流体の流路に位置する。作動流体は、加熱部２３と冷却部２４に均等に接しているため膨張も収縮もしない。
【００３１】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７が慣性力でθｓ＝３０°回転した図６（２）の行程を説明する。
図６（２）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１５°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝−６０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは左側にあり、吸熱再生器６１Ａは作動流体の流路に位置する。加熱部２３の作動流体は吸熱再生器６１Ａに熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動する。吸熱再生器６１Ａは暖められ、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して放熱再生器６２Ａの温度を上昇させる。一方、作動流体は加熱部２３より冷却部２４に多く接するようになるため収縮し、ピストン室１２Ａの体積が少なくなるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００３２】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝６０°回転した図６（３）の行程を説明する。
図６（３）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−３０°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝−３０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは左側にあり、吸熱再生器６１Ａは作動流体の流路に位置する。加熱部２３の作動流体は吸熱再生器６１Ａに熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動する。吸熱再生器６１Ａはより暖められ、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して放熱再生器６２Ａの温度をさらに上昇させる。一方、作動流体は加熱部２３より冷却部２４にさらに多く接するようになるため収縮し、ピストン室１２Ａの体積がより少なくなるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００３３】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝９０°回転した図６（４）の行程を説明する。
図６（４）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−４５°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは左側にあり、吸熱再生器６１Ａは作動流体の流路に位置する。加熱部２３の作動流体のほとんどは吸熱再生器６１Ａに熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動する。吸熱再生器６１Ａはより暖められ、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して放熱再生器６２Ａの温度をさらに上昇させる。一方、作動流体はほとんど冷却部２４に接するようになるためさらに収縮し、ピストン室１２Ａの体積がより少なくなるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００３４】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝１２０°回転した図７（５）の行程を説明する。
図７（５）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−６０°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝３０°となる。ロータシャフト７に固定されている回転溝カム盤５０Ａの回転により、スライド式ヒートパイプ２７Ａはその２箇所に設置されたカムフォロワ５１Ａを介し右側にスライドし、吸熱再生器６１Ａとロータリーディスプレーサ２２Ａの衝突を回避する。このとき同時に放熱再生器６２Ａは作動流体の流路に移動する。冷却部２４の作動流体は高温になっている放熱再生器６２Ａから熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動し始める。しかし、作動流体はまだ加熱部２３より冷却部２４に多く接するようになっているため収縮状態にあり、ピストン室１２Ａの体積がより少なくなるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００３５】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝１５０°回転した図７（６）の行程を説明する。
図７（６）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−７５°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝６０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは右側にあり、放熱再生器６２Ａは作動流体の流路に位置する。冷却部２４の作動流体は高温の放熱再生器６２Ａから熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動する。放熱再生器６２Ａは冷却され、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して吸熱再生器６２Ａの温度を下げる。一方、作動流体はまだ加熱部２３より冷却部２４に多く接するようになっているため収縮状態にあり、ピストン室１２Ａの体積がより少なくなるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００３６】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝１８０°回転した図７（７）の行程を説明する。
図７（７）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−９０°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝９０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは右側にあり、放熱再生器６２Ａは作動流体の流路に位置する。冷却部２４の作動流体は高温の放熱再生器６２Ａから熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動する。放熱再生器６２Ａは冷却され、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して吸熱再生器６２Ａの温度を下げる。一方、作動流体は加熱部２３と冷却部２４に均等に接するため膨張も収縮もせず、ピストン室１２Ａには力が作用しない。ただし、慣性力および他のピストン室１２Ｂ、１２Ｃの圧力変化によりロータリーハウジング１１は反時計方向に回転し、エキセントリックシャフト４０は時計方向に回転する。
【００３７】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝２１０°回転した図７（８）の行程を説明する。
図７（８）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１０５°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝１２０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは右側にあり、放熱再生器６２Ａは作動流体の流路に位置する。冷却部２４の作動流体は高温の放熱再生器６２Ａから熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動する。放熱再生器６２Ａは冷却され、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して吸熱再生器６２Ａの温度を下げる。一方、作動流体は冷却部２４より加熱部２３に多く接するようになるため膨張し、ピストン室１２Ａの体積を増加させるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００３８】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝２４０°回転した図８（９）の行程を説明する。
図８（９）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１２０°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝１５０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは右側にあり、放熱再生器６２Ａは作動流体の流路に位置する。冷却部２４の作動流体は高温の放熱再生器６２Ａから熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動する。放熱再生器６２Ａは冷却され、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して吸熱再生器６２Ａの温度を下げる。一方、作動流体は冷却部２４より加熱部２３に多く接しているため膨張し、ピストン室１２Ａの体積を増加させるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００３９】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝２７０°回転した図８（１０）の行程を説明する。
図８（１０）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１３５°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝１８０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは右側にあり、放熱再生器６２Ａは作動流体の流路に位置する。冷却部２４の作動流体は高温の放熱再生器６２Ａから熱エネルギーを回収しながら加熱され加熱部２３に移動する。放熱再生器６２Ａは冷却され、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して吸熱再生器６２Ａの温度をさらに下げる。一方、作動流体のほとんどは加熱部２３に接するようになるためさらに膨張し、ピストン室１２Ａの体積をより増加させるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００４０】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝３００°回転した図８（１１）の行程を説明する。
図８（１１）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１５０°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝２１０°となる。ロータシャフト７に固定されている回転溝カム盤５０Ａの回転により、スライド式ヒートパイプ２７Ａはその２箇所に設置されたカムフォロワ５１Ａを介し左側にスライドし、放熱再生器６２Ａとロータリーディスプレーサ２２Ａの衝突を回避する。このとき同時に吸熱再生器６１Ａは作動流体の流路に移動する。加熱部２３の作動流体は低温になっている吸熱再生器６１Ａに熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動し始める。吸熱再生器６１Ａは加熱され、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して放熱再生器６２Ａの温度は上昇に転じる。一方、作動流体は冷却部２４より加熱部２３に多く接しているため膨張は継続し、ピストン室１２Ａの体積を増加させるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
【００４１】
次に、エキセントリックシャフト４０、すなわちロータシャフト７がθｓ＝３３０°回転した図８（１２）の行程を説明する。
図８（１２）では、ロータリーハウジング１１の回転角θｈ＝−１６５°、ロータリーディスプレーサ２２Ａの回転角θｄ＝２４０°となり、スライド式ヒートパイプ２７Ａは左側にあり、吸熱再生器６１Ａは作動流体の流路に位置する。加熱部２３の作動流体は吸熱再生器６１Ａに熱エネルギーを与えながら冷却され冷却部２４に移動する。吸熱再生器６１Ａは加熱され、スライド式ヒートパイプ２７Ａを通して放熱再生器６２Ａの温度を上昇させる。一方、作動流体は冷却部２４より加熱部２３にまだ多く接しているため膨張は継続し、ピストン室１２Ａの体積を増加させるような力が働き、ロータリーハウジング１１を反時計方向に回転させ、結果としてエキセントリックシャフト４０を時計方向に回転させる。
次の工程では、図６(１)で説明した初期状態にもどる。かくして、実施例２のロータリースターリングエンジンは回転を継続する。
【実施例３】
【００４２】
次に、作動流体として不飽和乃至飽和蒸気熱媒体を用いた場合の実施例について、図１および図9を用いて説明する。なお、実施例３は、実施例１および実施例２で説明したレシプロパワーピストン型スターリングエンジンおよびロータリーパワーピストン型スターリングエンジンのロータリーディスプレーサに共通に適用できるので、以下実施例１への適用について説明し、実施例２への適用説明は省略する。
実施例３は、作動流体として不飽和乃至飽和蒸気熱媒体を用いた場合、冷却時の結露、液状熱媒体の移動、加熱時の蒸発を主にスライド式ヒートパイプ２７の外面に付設されたウイックで行うものである。その実施の形態を図９のスライド式ヒートパイプ２７の組立図に示した。
図９（ａ）（ｂ）（ｃ）はその部品で、２７ｘはロングヒートパイプ、２７ｙはショートヒートパイプ、１９は外部ウイックである。
ロングヒートパイプ２７ｘおよびショートヒートパイプ２７ｙは銅など高熱伝導材で中空薄板形状に作られ、内部は通常のヒートパイプと同様、水などの作動液が減圧密封されており、内壁には作動液を還流させるためのウイック（図示せず）が付設されている。さらに、中央部にはロータシャフト７と干渉しないようにヒートパイプ貫通孔２９が形成されている。
また、外部ウイック１９は同様に銅など高熱伝導材でメッシュ状に織り込まれ薄板形状に作られ、中央部にはロータシャフト７と干渉しないようにヒートパイプ貫通孔２９が形成されている。
【００４３】
作動流体にヘリウムなどのガスを使用する場合、スライド式ヒートパイプ２７は図９（ｄ）に示すように、ロングヒートパイプ２７ｘおよびショートヒートパイプ２７ｙを交互に積層し、隙間を持つ両端部が吸熱再生器６１および放熱再生器６２となる。作動流体はこの隙間を通って熱交換し、熱エネルギーは吸熱再生器６１から放熱再生器６２に伝達される。なお、端面にはカムフォロワ５１が２ヶ所設けられ、左右にスライドさせる働きをする。
【００４４】
一方、作動流体として不飽和乃至飽和蒸気熱媒体を用いる実施例３の場合、スライド式ヒートパイプ２７は図９（ｅ）に示すように、外部ウイック１９およびショートヒートパイプ２７ｙを交互に積層し、隙間を持つ両端部が吸熱再生器６１および放熱再生器６２となる。作動流体はこの隙間を通って熱交換し、熱エネルギーは吸熱再生器６１から放熱再生器６２に伝達される。また、吸熱再生器６１では高温の不飽和乃至飽和蒸気熱媒体が冷却され結露し、結露した液体は外部ウイック１９の毛細管力によって放熱再生器６２に運ばれる。
放熱再生器６２の外部ウイック１９に移動した液体の熱媒体は、図１のようにロータリーディスプレーサ２２の回転が進みスライド式ヒートパイプ２７が移動して放熱再生器６２が作動流体の流路になったとき蒸発し、冷却器２３から移動してきた作動流体とともに加熱器２３に送られ高温高圧の不飽和乃至飽和蒸気熱媒体となる。
【００４５】
すなわち、吸熱再生器６１の外部ウイック１９で結露した不飽和乃至飽和蒸気熱媒体の液体は、スライド式ヒートパイプ２７の外部ウイック１９を経由し、放熱再生器６２の外部ウイック１９で蒸発する液体循環経路を構成するとともに、吸熱再生器６１で回収した不飽和乃至飽和蒸気熱媒体の液化潜熱をスライド式ヒートパイプ２７内部の熱伝達機構を介して放熱再生器６２で気化潜熱として再生できるので、低熱損失熱サイクルが構成できる。
気体の圧力はほぼ絶対温度に比例するのに対し、不飽和乃至飽和蒸気熱媒体の圧力は絶対温度の指数関数で近似的に変化するので、熱媒体に不飽和乃至飽和蒸気熱媒体を採用することで、所望の圧力差を得るのに必要な加熱器と冷却器の温度差を小さくでき、低温度差高熱効率スターリングエンジンを得ることが可能となる。
なお、不飽和乃至飽和蒸気熱媒体として具体的には常温付近での飽和蒸気圧差が大きく気化潜熱の小さい、かつ安全安価な水、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコールなどのアルコール類、アンモニアなどが好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は外燃機関としてよく知られているスターリングエンジンにかかわるものであり、温度差を動力に変換する熱機関であるが、逆に回転動力を入力し温度差を発生させるヒートポンプとしても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例１を説明するロータリースターリングエンジンの断面図
【図２】本発明の実施例１を説明するロータリースターリングエンジンの動作説明図
【図３】図２に続く動作説明図
【図４】図３に続く動作説明図
【図５】本発明の実施例２を説明するロータリースターリングエンジンの断面図
【図６】本発明の実施例２を説明するロータリースターリングエンジンの動作説明図
【図７】図６に続く動作説明図
【図８】図７に続く動作説明図
【図９】本発明の実施例３を説明するスライド式ヒートパイプの部品組立図
【図１０】ロータリーディスプレーサを用いた従来のスターリングエンジンの断面図
【符号の説明】
【００４８】
１  レシプロパワーピストン
２  ピストンシリンダ
３  コネクティングロッド
４  クランクシャフト
５  フライホイール
６  動力シャフト
７  ロータシャフト
８  ピストンハウジング
１０  固定パワーピストン
１１  ロータリーハウジング
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ  ピストン室
１３  固定パワーピストンギア
１４  ロータリーハウジングギア
１９  外部ウイック
２０  加熱冷却器
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ  容積室
２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ  ロータリーディスプレーサ
２３  加熱部
２４  冷却部
２５  断熱ロータハウジング
２６  ロータハウジング
２７、２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ  スライド式ヒートパイプ
２７ｘ  ロングヒートパイプ
２７ｙ  ショートヒートパイプ
２８、２８Ａ、２８Ｂ、２８Ｃ  ヒートパイプガイド
２９  ヒートパイプ貫通孔
３０ｃ、３０Ａｃ、３０Ｂｃ、３０Ｃｃ  冷却側連結パイプ
３０ｈ、３０Ａｈ、３０Ｂｈ、３０Ｃｈ  加熱側連結パイプ
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ  ピストン室側連結パイプ
４０  エキセントリックシャフト
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ  回転溝カム盤
５１、５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ  カムフォロワ
６１、６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ  吸熱再生器
６２、６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃ  放熱再生器
【図１】
2010144518.tif 000003
【図２】
2010144518.tif 000004
【図３】
2010144518.tif 000005
【図４】
2010144518.tif 000006
【図５】
2010144518.tif 000007
【図６】
2010144518.tif 000008
【図７】
2010144518.tif 000009
【図８】
2010144518.tif 000010
【図９】
2010144518.tif 000011
【図１０】
2010144518.tif 000012