(57)【要約】【課題】  作動ガスの加熱および冷却をシリンダ内部で行うことができるものであって、あらゆる形式のスターリングエンジンに適用することができ、加熱器或いは冷却器と作動ガスの間との伝熱面積を大きくでき、強度面及び性能面に悪影響を及ぼさない加熱冷却方法の開発をその課題とした。【解決手段】  内部に熱源を送り内部から加熱もしくは冷却することによって、その部分の外壁面を高温度もしくは低温度となすことができる熱源部分と閉塞部分を持った熱源管をシリンダ内部にシリンダの中心軸と平行に複数本数納め、熱源管に対応する位置に貫通孔をあけたピストンをシリンダ内壁面と熱源管の外壁面の双方に嵌合させる構造をしたシリンダ複合体を用い、ピストンを移動させて熱源管の熱源部分を露出させこれに接触する作動ガスを加熱或いは冷却する方法によって課題を解決した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に内部から加熱もしくは冷却することによってその部分の外壁面を高温度もしくは低温度となすことができる熱源部分とその下に閉塞部分を持った円柱状の熱源管を、又は、一端に内部から加熱することによってその部分の外壁面を高温度となすことができる熱源部分と他端に内部から冷却することによってその部分の外壁面を低温度となすことができる熱源部分と両者の間にそれらを隔離する閉塞部分を持った円柱状の熱源管を、シリンダ内部に該シリンダの中心軸と平行に複数本数納め、該熱源管に対応する位置に中心軸と平行な貫通孔をもったピストンを該熱源管の外壁面と該シリンダの内壁面の双方に一個又は二個嵌合させたシリンダ複合体にあって、該ピストンを移動させることによって該シリンダの内壁面と該ピストンで形成される内部空間を出現させると共に熱源管の熱源部分を露出させ、該内部空間に送入されるスターリング機関の作動ガスを該熱源管の熱源部分に接触させることによって該作動ガスを加熱もしくは冷却又は加熱及び冷却する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリング機関における作動ガスの加熱方法および冷却方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンはその理論熱効率が、あらゆる熱機関の理論上の限界値であるカルノー機関の熱効率に等しいため、その高い熱効率を実現するべく多くの学者や研究機関によって研究開発がなされてきた。しかしそれらの結果は必ずしも成功したものとは言えず、スターリングエンジンの熱効率はカルノー機関の熱効率はおろかディーゼルエンジンの熱効率にも及ばないのが現状である。
【０００３】
本発明者はスターリングエンジンの熱効率が上がらない大きな原因が、断熱圧縮されて温度が上昇した作動ガスを冷却器に通して冷却した後加熱している点にあることを究明した。同様のことが冷却の際にも発生し、断熱膨張して温度が降下した作動ガスが加熱器を通って加熱された後冷却されるために容量の大きな再生熱交換器が必要になるという無駄も発生している。シリンダの外壁を直接加熱すれば作動ガスを冷却した後加熱するという問題は回避できるが、伝熱面積が小さいことやシリンダの外壁温度が作動ガスの温度より高くなり強度面で問題が発生し、補強のため外壁を厚くすると伝熱性能が悪くなるというジレンマが起こることから、模型エンジン等小出力のエンジンで使用されるにとどまり大出力のエンジンでこの方式が使用されることは殆どない。
【０００４】
本発明者は作動ガスの加熱および冷却をシリンダ内部で行うことによってこれらの問題を回避できるのではないかと考え研究を重ねた結果、伝熱面積及び強度面の問題を解決したシリンダ内部で加熱及び冷却を行うガンマ型スターリングエンジンを構成することができるガス加熱冷却装置を完成し「特許文献１」として特許出願した。更に研究を重ねダブルアクティング型スターリングエンジンに対しても「特許文献２」として特許出願した。また内部加熱と直接の関係はないが、再生熱交換器についてもその効率を上げることができる通気性蓄熱板を開発し「特許文献３」として特許出願した。
本発明者はこれらに満足することなく作動ガスのシリンダ内部での加熱冷却方法の一般化を追及し、あらゆる形式のスターリングエンジンに適用可能な方法の開発について研究を推し進めた。
【特許文献１】特願２００８−９４６３１号
【特許文献２】特願２００８−１２４３３４号
【特許文献３】特願２００８−１７７６５５号
【特許文献４】特開２００８−１５１０８６号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
作動ガスの加熱および冷却をシリンダ内部で行うことができるものであって、あらゆる形式のスターリングエンジンに適用することができ、加熱器或いは冷却器と作動ガスの間との伝熱面積を大きくでき、強度面及び性能面に悪影響を及ぼさない加熱冷却方法の開発をその課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
作動ガスの加熱や冷却をシリンダ内部で行うと言っても、単純に加熱器或いは冷却器をシリンダ内に置いて加熱や冷却を行っただけではシリンダ内部で加熱や冷却を行ったとは言えないものである。加熱器或いは冷却器を単にシリンダ内に置いただけでは、この加熱器或いは冷却器が邪魔になりピストンがその近辺の作動ガスを掃気することができないため、加熱器或いは冷却器がある部分はシリンダとして有効に機能することができず、加熱器或いは冷却器を外部に設けそれをシリンダと同じ太さのパイプで接続したのと機能的に変わらないからである。ピストンが往復して掃気、吸気する範囲がシリンダとしての有効な範囲である。
作動ガスの加熱や冷却をシリンダ内部で行うためには加熱器或いは冷却器近辺の作動ガスを掃気できる構造になっていなければならず、このための機構について考えることが必要である。
【０００７】
従来の加熱器や冷却器は細管の内部に作動ガスを流し、この細管の外部を加熱或いは冷却して内部の作動ガスを加熱或いは冷却するものである。しかし、本発明においてはこの従来の固定概念を根底から覆し、内部に中空部分を設けそこに燃焼ガスや冷却水等の熱源を送り、中空部分とそれを形成する壁面からなる熱源部分の外壁面に接触する作動ガスを加熱或いは冷却する構造になっている。これは「特許文献１」及び「特許文献２」においても同じである。この理由はこのようにしたほうが加熱器や冷却器をシリンダ内に納めやすいからである。
【０００８】
このように内部から加熱もしくは冷却することによってその部分の外壁面を高温度もしくは低温度となすことができる熱源部分と閉塞部分を持ち、この熱源部分の外壁に接触する作動ガスを加熱或いは冷却することができる細管のことを熱源管と呼ぶものとする。但し「管」とは言っても中空状態になっているのは片端部或いは両端部のみで中間部は閉塞した状態であり、管というよりは一端或いは両端に中空部分を持つ円柱というべきものである。
【０００９】
この熱源管には熱源部分を一端のみに備えたものと、一端に高温熱源を他端に低温熱源を備えたものとがある。この熱源管をシリンダ内にシリンダの中心軸と平行に配備し、熱源管に対応する位置に貫通孔をあけたピストンをシリンダの内壁面と熱源管の外壁面の双方に嵌合させることによって作動ガスをシリンダ内部で加熱或いは冷却し、加熱或いは冷却した作動ガスを掃気することが可能になる。
【００１０】
この熱源管はスターリングエンジンの形式に合うようにその形状を若干変える必要はあるが、あらゆる形式のスターリングエンジンに対して、さらにはスターリングサイクルをベースにしたヴィルミエ機関、スターリング冷凍機、スターリングヒートポンプ等に対してその作動ガスの加熱或いは冷却を行うことが可能である
上述したように、本発明においては、熱源管をシリンダ内部にシリンダの中心軸と平行に配備し、熱源管に対応する位置に貫通孔をあけたピストンをシリンダ内壁面と熱源管の外壁面の双方に嵌合させる構造をしたものを用い、このピストンを往復させて熱源管の熱源部分を露出隠蔽させることによって熱源の種類に応じてこれに接触する作動ガスを加熱或いは冷却するものである。このように熱源管を持ったシリンダにピストンを嵌合させたものをシリンダ複合体と呼ぶものとする。
【００１１】
以下シリンダ複合体による作動ガスの加熱及び冷却メカニズムについて説明する。
最初、ピストンが上死点にあるものとする。この場合熱源管の熱源部分はピストンによって隠蔽されており、内部空間はピストンに占拠され殆ど認められない。ピストンを上死点から下死点に移動させることで上部のピストンに隠蔽されていた熱源部分を露出させると共にシリンダ内壁面とピストンによって形成される内部空間を出現させ、この内部空間に送入された作動ガスは露出した熱源部分の表面に接触することになり、熱源の種類に応じ作動ガスを加熱或いは冷却することができる。ピストンが下死点から上死点に移動すると熱源管の表面に接触していた作動ガスはピストンによって掃気され、同時に熱源部分は隠蔽され、作動ガスの加熱或いは冷却は休止されることになる。
【００１２】
アルファ型スターリングエンジンに使用する熱源管では中空部分は熱源管の一端にしかなく加熱或いは冷却のいずれか一方しかできないが、ベータ型、ガンマ型及びダブルアクティング型のスターリングエンジンに使用する熱源管は、熱源管の一端に加熱用中空部分を他端に冷却用中空部分を設け、中央に閉塞部分を置いて両者を隔離した状態で一本化したものである。このようにするとピストンの反対側でも逆位相で同様の現象が起こるため、１個のピストンの往復で加熱及び冷却をそれぞれに行うことができることになる。
なお、ベータ型ではディスプレーサピストンと出力ピストンの２個のピストンが嵌装されているが、出力ピストンは動力の発生に関与するもので常に低温室内を往復しているものであり、作動ガスの加熱冷却に関与するものではない。
【００１３】
伝熱面積が不足する点についてはシリンダ内部に設ける熱源管の数を増すことで解決することができる。熱源管は任意とまでは行かないが相当な自由度でもって設置本数を増すことができるため、単位行程容積当たりの伝熱面積を外壁加熱による場合と比較して大幅に増大させることが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
これによって作動ガスをシリンダ内部で加熱すること、或いは作動ガスをシリンダ内部で冷却することができ、強度面に悪影響を及ぼすことなく加熱可能となり、伝熱面積も大きくすることができるようになった。この方法はあらゆる形式のスターリングエンジンに適用できるものであるが、詳細については「発明を実施するための最良の形態」のところで具体的に説明する。
【００１５】
以上の効果によって問題となっていた課題をすべて解決することができたが、さらに本発明によって次の波及効果が得られることになる。
（１）断熱圧縮されて温度が上昇した作動ガスが冷却されることなく加熱されることになり熱効率が高くなる。また、余分な冷却をしないためラジエータが小さくすむ。
（２）断熱膨張されて温度が降下した作動ガスが加熱されることなく冷却されることになり再生熱交換器の容量を小さくすることができる。
（３）シリンダの外に加熱あるいは冷却のための熱交換器を設ける必要がないため死空間が小さくなり出力が増大する。また、作動ガスの流路が短縮されるため流動損失が減少しこの面からも熱効率の向上が期待できる。
（４）気体燃料、液体燃料、固体燃料その他の熱源が使用できる。ただし、熱源の種類によっては、溶融金属や溶融塩等の熱媒を循環させる方式やヒートパイプによる加熱方式としなければならない場合がある。
（５）一般に使用されている複雑な構造をしたヒータ管に比べ熱源管は構造がシンプルで製作が簡単であり、軽量化とコストダウンを図ることができる。
（６）熱源管はシリンダの上壁面と下壁面とをつなぐ補強材として機能させることができる。
これら６項目のうち項目（１）は波及効果というよりは、この効果を得んがために本発明の完成に心血を注いできたものであり本発明の主目的ともいうべきものである。
なお、伝熱面積は外壁加熱方式を併用することによってさらに増大させることができるが、そうすると外壁温度が作動ガスの温度より高くなり強度面で問題が残る。外壁加熱方式を併用しない場合にはシリンダの表面温度が作動ガスの温度より高くなることはなく強度面で有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明になる作動ガスを加熱又は冷却する方法について、各形式のスターリングエンジンに適用した詳細な実施形態を、図面およびこれらに付した符号を引用して具体的に説明する。なお、作動ガスは図面には現れていないが、一般的に使用されている水素、ヘリウム、窒素、空気等を使用すれば良く特別なものは不要である。
【００１７】
スターリングエンジンの基本形式には、アルファ型、ベータ型、ガンマ型、ダブルアクティング型の４種類があるが、それぞれのスターリングエンジンを構成することができるシリンダ複合体及びこれらの複合体を用いてスターリングエンジンを構成する方法について説明する。スターリングエンジンにはこれら４種類以外にクランク機構を使用しないフリーピストン型スターリングエンジンというものがあるが、これは基本的にはベータ型スターリングエンジンと同じであり、ベータ型スターリングエンジンで示す加熱冷却方法が殆どそのまま使用できるので説明については省略する。
【００１８】
最初に熱源管について説明する。熱源管は対象となるスターリングエンジンの型によって構造が若干異なってくる。図７はそれぞれの型のスターリングエンジンに使用する熱源管を示した断面模式図で（Ａ）はアルファ型に、（Ｂ）はベータ型に、（Ｃ）はガンマ型及びダブルアクティング型に使用するものである。（Ｃ）に示したものは「特許文献１」及び「特許文献２」においては棒状加熱冷却器と称しているものである。
【００１９】
図７（Ａ）に示す熱源管２０の一端には、内部を熱源によって加熱或いは冷却しその部分の外壁に接触する作動ガスを加熱或いは冷却することができる中空部分２１があり、その下に閉塞部分２３を持った構造をしたものである。この中空部分２１の壁面には外から作動ガスの圧力（シリンダ内圧）がかかるため十分な強度が要求される。この点は他の形式のスターリングエンジンに使用される熱源管も同じである。
上端と下端にはネジ溝２９が切られておりシリンダの上部と下部にあけられた穴にはめ込み、シリンダ内の作動ガスが漏れないようにナットで密閉固定するようになっている。
【００２０】
作動ガスはこの熱源管２０の中空部分２１の外壁に接触して熱移動が生じ加熱或いは冷却されるわけである。厳密には接触による熱移動だけではなく放射熱による熱移動も存在する。
アルファ型スターリングエンジンの場合、高温側シリンダに使用する熱源管と低温側シリンダに使用する熱源管は基本的には同じ形状でよく、中空部分２１の内部に燃焼ガス或いは加熱された熱媒を流して熱源部分２２を高温にすれば加熱器になり、冷却水を流して熱源部分２２を低温にすれば冷却器となる。
【００２１】
図７（Ｂ）はベータ型スターリングエンジンに使用する熱源管３０を示したものである。ベータ型スターリングエンジンは構造が複雑なため熱源管の適用が困難ではないかと危惧したが、研究の結果シール性に若干問題が残るものの類似の方法を適用できることが判明した。シール性については後で説明する。
ここで使用する熱源管３０の構造は加熱器３２となる中空部分３１の下に閉塞部分３３があり、さらにその下に冷却器３５となる中空部分３４があるもので、全体として一本の棒状の構造をしたものである。上端と下端にはシリンダに固定するためのネジ溝３９が切られている。
【００２２】
ベータ型スターリングエンジンは同一のシリンダ内にディスプレーサピストンと出力ピストンが嵌合しているため熱源管もこれら二つのピストンに嵌合する必要がある。出力ピストンは常に低温室を往復しており、このため冷却器３５となる中空部分３４の長さは加熱器３２となる中空部分３１より長くなっている。加熱器３２と冷却器３５が閉塞部分３３によって隔離され一体化されているため、ディスプレーサピストンの往復に伴い熱源管３０の上部の加熱器３２と下部の冷却器３５が交互に露出されることになり、加熱と冷却がそれぞれで行なわれることになる。
【００２３】
図７（Ｃ）に示すガンマ型スターリングエンジン或いはダブルアクティング型スターリングエンジンに使用する熱源管４０は、図７（Ｂ）の熱源管３０と違って、上方の中空部分４１と下方の中空部分４４を同じ長さにしたものである。中間の閉塞部分４３によって加熱器４２と冷却器４５は隔離されている。上端と下端にはネジ溝４９が切られている。ピストンの往復に伴い熱源管４０の上部の加熱器４２と下部の冷却器４５が交互に露出されることになり、加熱と冷却がそれぞれで行われる点は図７（Ｂ）と同じである。
【００２４】
次に熱源管の熱源について説明する。
高温熱源としては、電力、気体燃料、液体燃料、固体燃料のいずれもが使用できる。しかし、電力のような質の高いエネルギーをわざわざ熱に変えた後さらにそれを動力に変えるのは不合理であり、エンジンの性能試験等特殊な場合を除き実用性があるものではない。通常使用する熱源は気体燃料、液体燃料、固体燃料等の燃料であるが、太陽熱や原子炉で発生する熱も利用可能である。ただし、粘度の高い液体燃料や流動性がない固体燃料、移動が困難な太陽熱や原子炉で発生する熱エネルギー等に対しては、溶融金属や溶融塩等の熱媒循環或いはヒートパイプ等による間接加熱方式としなければならない場合がある。
低温熱源としては新水もしくはラジエータに通して放冷した循環水を使用することができる。低温熱源の温度は熱効率に影響するため、できるだけ低くする工夫が必要である。
特殊な場合として高温熱源に常温の水或いは空気を用い低温熱源に液化天然ガス等の超低温液体を使用することも可能である。
【００２５】
熱源管の中空部分の内部で燃料を燃焼させて作動ガスを加熱しようとする場合、中空部分の内部に伝熱材を入れて伝熱性能を高めることが必要になる場合がある。
通常作動ガスは封入圧力が高いため熱源管と作動ガスとの間の熱伝達率は大きくこの間の伝熱不足が問題になることは殆どない。しかし燃焼ガスの場合、燃焼は大気圧下で行われるため燃焼ガスと熱源管との間の熱伝達率は小さく伝熱不足の問題が発生する。これを解決するために伝熱材を使用するのであるが、図７（Ａ）のアルファ型スターリングエンジンに使用する熱源管を気体燃料による燃焼ガスで加熱する場合を例にとって説明する。勿論、他の形式に使用する熱源管に対しても同様に適用可能である。
【００２６】
図８に示すように燃焼ガスが流れる中空部分２１の内部にこの内壁面と接触するように伝熱材１８を充填し伝熱性能を高めることによってこの問題を補ったものである。これによって燃焼ガスの接触面積が大きくなり伝熱性能が向上する。熱源管を冷却器として使用する場合は金属と水との間の熱伝達であるため熱伝達率が大きく特別な対策は必要ないことが多いが、水切り板を挿入する等して冷却水の内壁面への当たりを強め冷却能力を高める方法をとってもよい。
【００２７】
このような目的に使用する伝熱材１８としては
（１）金属製のリボン又は針金を波状に折り曲げたもの。
（２）放射状に切込みを入れた金属円板の各片を適宜にねじり扇風機の羽根状としたもの。
（３）中空部分２１の形状に合わせて小さな円板状に切った金網。
等を必要量積層して使用すればよい。いずれの場合でも充填材１８が詰まりすぎていて燃焼ガスの流動に支障を与えることがないように注意すると共に、伝熱材１８と中空部分２１の内壁面との接触を完全にして熱の移動が十分に行われるよう注意する必要がある。この部分が接触していないと熱伝導による熱の移動がなくなり放射熱による熱移動だけになるため伝熱材１８の効果が著しく減少することになる。
【００２８】
燃料を燃焼させるに当たっては大量の空気が必要になるため空気送入管を太くする必要がある。空気量が少ないと中空部分２１や伝熱材１８にススが堆積するので注意が必要である。図８のように空気送入管２６と燃料送入管２５を二重管とし外側の太い方を空気送入管２６、内側の細い方を燃料送入管２５とすると空気送入管２６のほうを太くでき伝熱材１８の加工も楽になる。
中空部分２１の奥まで伝熱材１８を充填するとその奥で燃料に点火することが困難になるので点火プラグ等による点火が必要になる。空気送入管２６をセラミック等の電気絶縁材料で作り燃料送入管２５を金属材料で作ると、燃料送入管２５を燃料点火用電極として利用することができる。燃料送入管２５と熱源管２０との間に高電圧をかけることによって先端で火花放電を起こし燃料に点火するものである。勿論この場合、燃料送入管２５は熱源管２０から電気的に浮かせておくことが必要である。なおこの点火方法は伝熱材を使用しない通常の熱源管に対しても適用できる。
【００２９】
燃料と空気との混合を中空部分２１の先端部で一度に行うと、先端部のみで燃焼が起こり、この部分の温度が異常に上昇するため燃料を僅かしか送ることができなくなることがある。このような場合には図８に示すように、空気送入管２６の先端部を絞り先端の流量を少なくすると共に空気送入管２６の途中に中間吐出口１９を設け、空気を一次空気、二次空気という形に分割して供給し段階的に燃焼させるとよい。
【００３０】
次にピストンについて説明する。
図９はピストンの斜視図を示したものである。内部に熱源管を納めたシリンダに嵌合させるピストン１２は、図９に示すように縦方向に熱源管の直径より僅かに太い貫通孔１６が熱源管に対応する位置に熱源管の本数と同数あけられており練炭のような形状になっている。図を見やすくするため貫通孔の数は６個としているが、６個では熱源管を６本しか設けることができず伝熱面積が小さく容量不足である。熱源管の本数はシリンダと熱源管の直径によって大きく異なるが、通常十数本ないし数十本あるいはそれ以上必要でありピストンにもそれと同数の貫通孔が必要である。
この貫通孔が熱源管に嵌合し、さらにピストン本体がシリンダの内壁に嵌合してシリンダ内を往復する構造になっている。
【００３１】
アルファ型スターリングエンジンでは高温側と低温側はそれぞれ別個のシリンダになっており、シリンダ内に嵌装されるピストンはそれぞれ一個である。このため熱源管は一個のピストンと嵌合すればよく、ピストンの長さはアルファ型の場合それほど長くする必要はない。
ベータ型スターリングエンジンでは１個のシリンダにディスプレーサピストンと出力ピストンがそれぞれ１個合計２個入っており、しかも、ディスプレーサピストンを挟んで高温のシリンダ室と低温のシリンダ室が１個のシリンダに共存しており、これらをできるだけ引き離し熱伝導損失を小さくしなければならない関係上、ディスプレーサピストンの長さは長くなければならない。出力ピストンについてはシールに問題がなければそれほど長くする必要はない。
【００３２】
ガンマ型、ダブルアクティング型の場合、ピストンは１個であるがやはり高温のシリンダ室と低温のシリンダ室がベータ型と同様にピストンを挟んで１個のシリンダに共存しており、ピストンの長さは同様の理由で長くなっている。
ピストンの素材はアルファ型及びダブルアクティング型は通気性のない剛実体でなくてはならないが、ベータ型とガンマ型のディスプレーサピストンでは通気性のある素材を用いてディスプレーサピストンと再生熱交換器を兼用させる場合と、ディスプレーサピストンには通気性のない剛実体を用い再生熱交換器はシリンダの外に別個に設ける場合がある。この場合でも出力ピストンは常に通気性のない剛実体で作られていなくてはならない。
【００３３】
次にこの加熱冷却方法を用いたシリンダ複合体を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、以下に示す例はいずれも図を見やすくするため熱源管の数を６本（断面図に表れているものは２本）としているが、６本では伝熱面積が小さく容量不足であり実際にはもっと多くの熱源管が必要であることは既に述べたとおりである。
【実施例１】
【００３４】
図１はアルファ型スターリングエンジンを構成することができるシリンダ複合体１１０の断面模式図である。以後、このようにアルファ型スターリングエンジンを構成することができるシリンダ複合体のことを単にアルファ型シリンダ複合体と呼ぶものとする。ベータ型、ガンマ型、ダブルアクティング型についても同様である。
【００３５】
この構造はシリンダ１１１の内部にその中心軸と平行に熱源管２０が複数本数納められており、ナット２８で密閉固定されている。シリンダ１１１の内壁面とこの熱源管２０の外壁面の双方に嵌合してピストン１１２が嵌装されており、ピストンロッド１１５によって駆動され或いはピストンロッド１１５を駆動するようになっている。ピストンロッド１１５はロッドシール１１７によってシールされている。シリンダ１１１の下部空間１４０には開放孔１４１が多数あいておりシリンダの下部空間１４０は外気とつながっている。この場合にはロッドシール１１７は大した意味を持たずロッドシール１１７はなくても良い。このようにすると構造は簡単になるが、ピストン１１２とシリンダ１１１、ピストン１１２と熱源管２０とのシールが外部シールとなりこの部分に厳しいシール性が要求される。
【００３６】
ピストンのシールは通常難しいため、一般的に行われているように開放孔１４１をふさぎ下部空間１４０を密閉した上で下部空間１４０をバッファータンク（図示せず）に接続し、作動ガスと同種のガスをバッファータンクに封入しシールの主体をロッドシール１１７に頼るようにする方法や、クランクケース全体を密閉しロータリーシールによって出力を取り出す方法等を採用しても良い。但し、これらによって作動ガスのシールという点では改善されるが、高圧部分が大型化し、場合によっては圧力容器としての許可が必要になるという別の問題が発生する。将来のシール技術の向上に期待したい。
【００３７】
図１に示したシリンダ複合体１１０では中空部分２１に燃料送入管１２５と空気送入管１２６が挿入されており高温用のものであるが、低温用とする場合には燃料送入管１２５と空気送入管１２６に代えて冷却水送入管（図示せず）を挿入し冷却水を送入すればよい。
加熱又は冷却が終わった燃焼ガスもしくは熱媒又は冷却水は集合室１３１に集められ排出管１３３より排出される。図には示していないが燃焼ガスは熱回収が図られ、冷却水はラジエータに通して放冷し循環使用が図られる。集合室１３１に代えて集合管を設け、熱源管２０の中空部分２１を直接集合管に接続しても良い。高温用の場合このほうがシリンダ上部の外壁温度は低くなり強度面では有利である。
【００３８】
これまでの説明で明らかであるとは思うがこのシリンダ複合体で作動ガスが加熱或いは冷却される仕組について具体例によって再度簡単に説明する。
ピストン１１２が上死点にあるときは上部のシリンダ室はピストン１１２によって占拠され熱源管２０の熱源部分２２は隠蔽され作動ガスとの熱交換はない。ピストン１１２が降下するにつれ、シリンダ内壁面とピストン１１２によって構成される内部空間すなわちシリンダ室が上部に出現し、熱源管２０の熱源部分２２が露出し、通気口１３５から送入された作動ガスがその表面に接触し、熱源の種類に応じて作動ガスの加熱或いは冷却が行われる。ピストン１１２が下死点から上昇に転ずるとシリンダ室はピストン１１２によって占拠されだし、作動ガスは掃気され通気口１３５から出てゆき、熱源管２０の熱源部分２２は隠蔽されその能力は弱まり、ピストン１１２が上死点に達すると作動ガスの加熱或いは冷却を休止し最初の状態に戻る。これにより作動ガスの加熱或いは冷却をシリンダ内で行うことができるわけである。
【００３９】
このシリンダ複合体を用いてスターリングエンジンを構成するには、高温用のシリンダ複合体と低温用のシリンダ複合体を用意しそれぞれの通気口を再生熱交換器を介して接続し、高温側ピストンと低温側ピストンとを公知のスターリングエンジンと同様９０°の位相差を持たせてクランクシャフトに接続すればよい。
加熱及び冷却が高温側のシリンダと低温側のシリンダとでそれぞれ９０°の位相差を持って繰り返されることによって、一般のスターリングエンジンと同様、作動ガスの膨張と圧縮が行われ回転出力を得ることができる。しかもシリンダの外に加熱器や冷却器を置いた場合のように、断熱圧縮された作動ガスが冷却された後加熱器に入るという無駄な工程がなくなるため熱効率の向上を期待することができる。
【実施例２】
【００４０】
次にベータ型スターリングエンジンについて説明する。図２は熱源管３０を使用して作動ガスの加熱冷却を行うベータ型シリンダ複合体２１０の断面模式図である。ベータ型シリンダ複合体はディスプレーサピストン２４２と出力ピストン２１２の２個のピストンを持っているのが特徴である。図２に示したシリンダ複合体は、ディスプレーサピストン２４２が通気性を持った素材でできており、ディスプレーサピストンと再生熱交換器を兼用させたものである。このようにディスプレーサピストンと再生熱交換器を兼用させることは、「特許文献１」に記しているほか一般の文献にも記されており公知である。
熱源管３０の上部の中空部分３１には燃料送入管２２５と空気送入管２２６が挿入され内部で燃焼させるようになっている。熱源管３０の下部の中空部分３４には冷却水送入管２２７が挿入されている。熱源管の説明のところでも述べたが、ベータ型の熱源管３０は上部にディスプレーサピストン２４２下部に出力ピストン２１２が嵌装されている関係で、下部の中空部分３４のほうが上部の中空部分３１より長くなっている。
【００４１】
ベータ型スターリングエンジンではシリンダ２１１と出力ピストン２１２との間及び出力ピストン２１２と熱源管３０との間のシールは外部シールとなるため、アルファ型スターリングエンジンの場合と同様厳しいシール性が要求される。アルファ型スターリングエンジンの場合と同様、下部空間２４０をバッファータンクに接続する方法やクランクケースを密閉してロータリーシールによって作動ガスの漏れを防止する方法を利用することも可能である。
【００４２】
このエンジンではディスプレーサピストン２４２は熱源管３０の上部の加熱器３２と下部の冷却器３５の間を往復し加熱器３２と冷却器３５を交互に露出隠蔽する。作動ガスは再生熱交換器を兼ねたディスプレーサピストン２４２の内部を通りディスプレーサピストン２４２と熱交換を行いながら移動し冷却器３５及び加熱器３２によって冷却及び加熱される。出力ピストン２１２は動力を取り出すためのものであり常に冷却器３５の領域を往復している。尚、前記のアルファ型シリンダ複合体１１０では内部空間は１個であったが、ベータ型シリンダ複合体２１０では、上部にシリンダ内壁面とディスプレーサピストン２４２とで構成される高温の内部空間、下部にディスプレーサピストン２４２とシリンダ内壁面と出力ピストン２１２によって構成される低温の内部空間の２個の内部空間が出現する。これは次に述べる通気性をもたないディスプレーサピストンを使用したベータ型シリンダ複合体にあっても同様である。
【００４３】
ディスプレーサピストン２４２と出力ピストン２１２とは９０°の位相差をもたせて駆動する必要があるが、この点に関しては公知のものと変わることはなく数多くある公知の技術を利用すればよい。図２ではロンビック機構の使用を考え出力ピストンロッド２１５の中をディスプレーサピストンロッド２４５が通る二重ロッド方式としているが、片ロンビック方式やＬ型レバー方式、その他の公知の方法もロッドと熱源管とが干渉しないように注意すれば使用可能である。
【００４４】
このエンジンも公知のベータ型スターリングエンジンとは作動ガスの加熱冷却方法が異なるだけであり、ディスプレーサピストン２４２の行程と出力ピストン２１２の行程をオーバーラップさせることができる点等、公知のものと異なるところはないので詳細は省略する。公知のものと同様にディスプレーサピストン２４２と出力ピストン２１２との間に９０度の位相差を持たせることによって回転出力を得ることができる。しかも熱効率はアルファ型の場合と同様の理由で公知のものより高くなることが期待できる。
【実施例３】
【００４５】
図３は再生熱交換器を外部に取り付けるようにしたベータ型シリンダ複合体３１０の断面模式図である。
再生熱交換器をディスプレーサピストンと兼用する図２に示した方式では、再生熱交換器が高速度でシリンダ内を往復運動することになる。簡単な構造の再生熱交換器であればディスプレーサピストンと兼用しても問題は起こらないが、「特許文献３」に示すような複雑な構造の通気性蓄熱板を再生熱交換器に使用する場合、この通気性蓄熱板に熱源管と嵌合する穴を多数あける等、更に複雑な加工をしなければならず加工が困難であることや、このような複雑な加工を施した通気性蓄熱板を多数積層して構成された再生熱交換器が高速往復運動に耐えられるか等の問題がある。複雑な構造の再生熱交換器の場合、高速往復運動に追随できず破損する恐れが多分にあると考えてよい。
【００４６】
複雑な構造を持った性能の高い再生熱交換器を使用する場合には、再生熱交換器はディスプレーサピストン３４２とは分離して、若干流路が長くなり死空間が大きくなるがシリンダ３１１の外に別個に設けたほうが安全である。
このベータ型シリンダ複合体３１０はこのような考えの下に構成されたものである。熱源管３０を含む基本構造は図２のものと同じであるが、ディスプレーサピストン３４２が通気性のない剛実体でできている点と、外部の再生熱交換器と接続するための高温通気口３３５と低温通気口３３６が上下に設けられている点が異なっている。これを用いてスターリングエンジンを構成する方法は再生熱交換器の部分を除いて図２と同じであり、その性能も死空間が大きくなった分、若干出力が低下するが殆ど差異はない。
【実施例４】
【００４７】
図４は熱源管４０を使用して加熱冷却を行ったガンマ型シリンダ複合体４１０の断面模式図である。この型の場合も上記ベータ型スターリングエンジンと同じく再生熱交換器とディスプレーサピストンを兼用することが可能であり、図４はこれを兼用した方式のものであり「特許文献１」に記したものである。このようにすると死空間と管路が小さくなり、高効率、大出力のエンジンを得ることができるが、ディスプレーサピストン４４２が破損する懸念がある点は「実施例２」と同様である。
【００４８】
構造及び作動ガスを加熱冷却するメカニズムについては、これまでの実施例と特に変わった点はなく取り立てて説明する必要もないかと考えるが、次に述べる「実施例５」を含めガンマ型シリンダ複合体では上部に高温の内部空間、下部に低温の内部空間の２個の内部空間が構成される。
ガンマ型スターリングエンジンの出力ピストンはディスプレーサピストンとは別のシリンダに納められる。低温通気口４３６はこのシリンダに接続するためのものである。
【００４９】
ガンマ型スターリングエンジンの特徴は外部シールがディスプレーサピストン４４２のピストンロッド４１５のロッドシール４１７と出力ピストンのシールの２個所である点である。ディスプレーサピストン４４２のシールは内部シールであるため作動ガスの漏れはそれほど気にしなくても良い。出力ピストンのシールは外部シールであるため厳しいシール性が必要になるが、ガンマ型スターリングエンジンでは出力ピストンは作動ガスの加熱冷却とは直接関係するものでなく、その形状や機能は通常のピストンシリンダと同じでありピストンに熱源管を貫通させる必要はない。このような一般的な形状のピストンに対してはベローズによるシール法を利用することができる。ベローズの例として「特許文献４」が公知である。ロッドシールに対してもこのベローズによるシール法を応用すると作動ガスの漏れを大幅に少なくすることができる。
【実施例５】
【００５０】
図５は外部に再生熱交換器を持つガンマ型シリンダ複合体５１０の断面模式図である。このように外部に再生熱交換器を置く理由はベータ型シリンダ複合体と同じである。
このガンマ型シリンダ複合体５１０は、ディスプレーサピストン５４２が通気性のない剛実体でつくられている点と、再生熱交換器を接続するための高温通気口５３５が付いている点が図４のものとは異なっているがそれ以外は図４と同じである。再生熱交換器は高温通気口５３５と低温通気口５３６の間に接続され、出力ピストンシリンダは低温通気口５３６から分岐して接続される。熱源管４０は「実施例４」と同じものであり、作動ガスの経路は異なるが作動ガスの加熱冷却方法自体は同様の方法で行われる。ディスプレーサピストン５４２と出力ピストンが９０度の位相差を持たせる点は他のスターリングエンジンと同じである。熱効率はアルファ型の場合と同様の理由で公知のものより高くなることが期待できる。
【実施例６】
【００５１】
図６は熱源管４０を使用して加熱冷却を行ったダブルアクティング型シリンダ複合体６１０の断面模式図である。ダブルアクティング型スターリングエンジンはアルファ型スターリングエンジンを４組直線状或いは環状に並べたものといえる。アルファ型スターリングエンジンとこのダブルアクティング型スターリングエンジンはピストンと再生熱交換器を兼用することは不可能であり、ピストン６１２は剛実体で作られている。ダブルアクティング型シリンダ複合体の場合も上部に高温の内部空間、下部に低温の内部空間の２個の内部空間が構成され上部に高温通気口６３５、下部に低温通気口６３６が付いている。
【００５２】
ダブルアクティング型の場合、外部シールはロッドシール６１７だけであり、ピストン６１２とシリンダ６１１との間のシールは内部シールでシール対策という点では有利である。ガンマ型スターリングエンジンと同様ベローズによるシール法の適用が考えられる。
このダブルアクティング型シリンダ複合体６１０及びこれを使用したダブルアクティング型スターリングエンジンの詳細は「特許文献２」に詳しく示しておりそちらを参照されたい。このエンジンの熱効率も同様に公知のものより高くなることが期待できる。
【００５３】
以上本発明を各種スターリングエンジンに適用する方法について説明したが、スターリングサイクルをベースに作動するヴィルミエ機関、スターリング冷凍機、スターリングヒートポンプ等の作動ガスを加熱冷却するシステムに対しても本発明はスターリングエンジンと同様に有効に利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】アルファ型シリンダ複合体の断面模式図
【図２】ベータ型シリンダ複合体の断面模式図
【図３】ベータ型シリンダ複合体の断面模式図
【図４】ガンマ型シリンダ複合体の断面模式図
【図５】ガンマ型シリンダ複合体の断面模式図
【図６】ダブルアクティング型シリンダ複合体の断面模式図
【図７】熱源管の断面模式図
【図８】伝熱材をもつ熱源管の断面模式図
【図９】ピストンの斜視図
【符号の説明】
【００５５】
１２ピストン
１６貫通孔
１８伝熱材
１９中間吐出口
２０熱源管
２１中空部分
２２熱源部分
２３閉塞部分
２５燃料送入管
２６空気送入管
２９ネジ溝
３０熱源管
３１中空部分
３２加熱器
３３閉塞部分
３４中空部分
３５冷却器
３９ネジ溝
４０熱源管
４１中空部分
４２加熱器
４３閉塞部分
４４中空部分
４５冷却器
４９ネジ溝
１１０アルファ型シリンダ複合体
１１１シリンダ
１１２ピストン
１１５ピストンロッド
１１７ロッドシール
１２５燃料送入管
１２６空気送入管
１２８ナット
１３１集合室
１３３排出管
１３５通気口
１４０下部空間
１４１開放孔
２１０ベータ型シリンダ複合体
２１１シリンダ
２１２出力ピストン
２１５出力ピストンロッド
２２５燃料送入管
２２６空気送入管
２２７冷却水送入管
２４０下部空間
２４２ディスプレーサピストン
２４５ディスプレーサピストンロッド
３１０ベータ型シリンダ複合体
３１１シリンダ
３３５高温通気口
３３６低温通気口
３４２ディスプレーサピストン
４１０ガンマ型シリンダ複合体
４１５ピストンロッド
４１７ロッドシール
４３６低温通気口
４４２ディスプレーサピストン
５１０ガンマ型シリンダ複合体
５３５高温通気口
５３６低温通気口
５４２ディスプレーサピストン
６１０ダブルアクティング型シリンダ複合体
６１１シリンダ
６１２ピストン
６１７ロッドシール
６３５高温通気口
６３６低温通気口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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