(57)【要約】【課題】  スターリングエンジンの比出力（単位重量あたりの出力）が小さいという問題の原因を解明して対策を立て、比出力の大きいスターリングエンジンをつくることを課題とした。【解決手段】単一シリンダ形式のスターリングエンジンであって、該出力ピストンが上死点又はその近辺に到達した時ディスプレーサピストンを作動ガスの通過および熱伝達に問題を生じない範囲で出来る限り高速度で出力ピストンに接触又は近接するように降下させることで作動ガスを加熱して膨張させ、この作動ガスの膨張により出力ピストンを押下する行程において、出力ピストンが下死点又はその近辺に到達するまでディスプレーサピストンと接触又は近接した状態を保ったまま降下させることによって動力の発生に関与する作動ガスを多くして比出力を大きくした。【選択図】図１
2006220060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内部に該シリンダに嵌合したディスプレーサピストンと出力ピストンを持ち、該シリンダ内部に封入されている作動ガスを冷却して圧縮する操作及び該作動ガスを加熱して膨張させる操作によって該出力ピストンを降下させる過程において、該作動ガスの膨張によって発生する動力と該作動ガスを圧縮するのに要する動力との差を出力として取り出す単一シリンダ形式のスターリングエンジンであって、該出力ピストンが上死点又はその近辺に到達した時該ディスプレーサピストンを作動ガスの通過および熱伝達に問題を生じない範囲で出来る限り高速度で該出力ピストンに接触又は近接するように降下させることで該作動ガスを加熱して膨張させ、この膨張した作動ガスにより該出力ピストンを押下する行程において該出力ピストンが下死点又はその近辺に到達するまで該ディスプレーサピストンと接触又は近接した状態のまま降下させることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
シリンダの外壁の一端を加熱し該シリンダの外壁の他端を冷却し、該シリンダ内部に封入されている作動ガスをディスプレーサピストンを冷却部に移動することによって加熱部に移動させて加熱し、該シリンダ内部に封入されている該作動ガスを該ディスプレーサピストンを加熱部に移動することによって冷却部に移動させて冷却する作動ガスの加熱冷却方式とした請求項１記載のスターリングエンジン
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングエンジンに関するものである。詳しくはアルファ型、ベータ型、ガンマ型、フリーピストン型等様々な形式があるスターリングエンジンの中で、ベータ型と称される単一シリンダ形式のスターリングエンジンについて、これを改良したものである。なお本出願の特許請求の範囲及び明細書で言う単一シリンダ形式とはシリンダが１本しかない場合のみを指すのではなく、複数個のシリンダを一体となしそれらの出力を機械的或いは電気的に結合して１個のエンジンを形成している場合であっても、各シリンダがそれぞれディスプレーサピストン及び出力ピストンを持ちそれぞれが単一シリンダ形式のスターリングエンジンとして作動していると見做される場合を含むものである。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは今から約２００年前に発明されその後多くの研究がなされてきたにも拘らず未だ広く実用化されるには至っていない。その理由として、単位重量当りの出力（比出力）がガソリンエンジンに比べて小さいこと、作動ガスのシールが困難なことやシールによる動力損失が大きいこと、速度制御が困難なこと、投入した熱エネルギーの５０％以上が冷却水の方に流れ自動車用とするには大きなラジエータが必要なこと等の問題が解決されていないためと考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明はスターリングエンジンがもつこれらの諸問題中、最初に掲げた単位重量当りの出力（比出力）がガソリンエンジンに比べて小さいという問題を解決することをその課題とした。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
通常のスターリングエンジンがガソリンエンジンに比べ比出力が小さいという問題の原因について検討した結果、スターリングエンジンは動力の発生に関与する作動ガスの比率が小さいことがその一つであることを見出した。このことはスターリングエンジンの出力を示す理論式には潜在的に含まれているものであるが、この点を明確に指摘した文献は本発明者の知る限りでは存在していないものである。以下、動力の発生に関与する作動ガスの比率が小さくなる理由を具体的に説明する。
【０００５】
スターリングエンジンは作動ガスの膨張によって発生する動力と作動ガスを圧縮するのに要する動力との差を出力として取り出すという原理によるものであり、加熱膨張した後冷却圧縮される作動ガスだけが動力の発生に関与するわけであるが、ディスプレーサピストンを使用した通常のスターリングエンジンの場合その量はごく僅かなものでしかないのである。シリンダの高温側にあるディスプレーサピストンが低温側に動くときその行程容積分の作動ガスが高温熱交換器に送られ加熱されて膨張し動力が発生するように思われるが、実際はそうはならないのである。シリンダが膨張した作動ガスで一杯になると作動ガスはそれ以上高温熱交換器に行くことができず、従ってそれ以上作動ガスが膨張することはないわけである（厳密には作動ガスが圧縮される分を補正しなければならない）。従って通常のスターリングエンジンでは多量の作動ガスが封入されていても動力の発生に関与する作動ガスは膨張した状態でディスプレーサピストンの行程容積に相当する量程度でしかなく、系全体の作動ガスのごく一部が動力の発生に関与しているに過ぎないものである。
【０００６】
上記の関係を判り易いように具体的な例によって説明する。今その一例として、ディスプレーサピストンの行程容積が１２００ミリリットル、高温熱交換器内の作動ガス温度が９００Ｋ、低温熱交換器で冷却された作動ガス温度が３００Ｋである場合について考えるものとする。
今の場合温度が３倍になっているため作動ガスは３倍に膨張するわけであるが、行程容積１２００ミリリットル分の作動ガスが３倍に膨張するのではない。ある量の作動ガスが３倍に膨張して１２００ミリリットルになるわけである。従って膨張する前の体積は４００ミリリットルである。すなわち動力の発生に関与する作動ガスは４００ミリリットルだけであり、これ以外の作動ガスはただ単に圧力を伝達する役割しか果たしていないのである。
４００ミリリットルが１２００ミリリットルになるわけであるため膨張による体積の増加量は８００ミリリットルしかなく、出力ピストンの行程容積を８００ミリリットル以上にしても無意味である。出力ピストンの行程容積は高温室の温度を無限大にした極限の状態でもディスプレーサピストンの行程容積と同じにすることが出来る程度のものでありそれ以上にすることは無意味である。但し上記の説明は圧力変化による影響を無視しているため実際とは若干異なっている。
【０００７】
この関係は作動ガスを加熱するための高温熱交換器や作動ガスを冷却するための低温熱交換器を持たない外壁加熱冷却型のスターリングエンジンに対しては成り立たないと考えるかもしれないがそうではない。外壁加熱冷却型のスターリングエンジンの場合でも高温室と低温室は再生熱交換器（これは外部に設けられる場合とディスプレーサピストンがこの働きを兼ねる場合とがある）を介して連結されており、出力ピストンを低温室側に設ける限り作動ガスが高温になって膨張しても出力ピストンを押し下げる前に再生熱交換器や低温室の壁面で冷却されるため同じことが言えるのである。
【０００８】
出力ピストンを高温室側に設けると熱膨張した作動ガスが出力ピストンを降下させることとなり動力の発生に関与する作動ガスの量はもう少し増加するが、出力ピストンに高温の作動ガスが流れ込むことになり、出力ピストンを高温状態でシールしなければならないことや、シリンダや出力ピストン、ピストンリング等を耐熱性のあるものにして全体を保温しなければならないこと等の問題が新たに発生する。
【０００９】
ディスプレーサピストンの行程容積分以外に出力ピストンに流れる分も動力の発生に関与するのではないかと考えるかもしれないが、通常のスターリングエンジンでは出力ピストンが低温室側に設けられているため、出力ピストンを上昇降下させている作動ガスは熱膨張には直接関係しておらず動力の発生には無関係である。上記のように膨張した状態でのディスプレーサピストンの行程容積分の作動ガスが圧縮されたり膨張したりして動力を発生しているわけでこれ以外の作動ガスは単に圧力を伝達する役割を果たしているだけである。
【００１０】
膨張する作動ガスの量を出来るだけ多くすればスターリングエンジンの比出力が上がることは明らかである。本発明では膨張行程におけるディスプレーサピストンの移動方式を出力ピストンに追従降下するようにすることによって出力ピストンやピストンリングの耐熱性のような新たな問題の発生を伴うことなく動力の発生に関与する作動ガスの比率を高め、小型で出力の大きいスターリングエンジンを製造することを可能としたものである。
以下本発明の特徴を判りやすく説明する。
通常のベータ型或いはガンマ型スターリングエンジンは、出力ピストン、ディスプレーサピストン共その変移量が時間軸に対してほぼサインカーブを描いて連続的に往復運動し、９０°或いはこれに近い位相差でディスプレーサピストンが出力ピストンに先行して動くように設計されている。
これに対して本発明では出力ピストン３、２３の動きは通常のスターリングエンジンと同じでその変位量は時間軸に対してほぼサインカーブを描いて連続的に往復運動しているが、ディスプレーサピストン２、２２の動きは大きく異なっている。
【００１１】
膨張する作動ガスの圧力によって出力ピストン３、２３を降下させ出力を得ようとするところは通常のスターリングエンジンと同じであるが、通常のスターリングエンジンでは出力ピストンが半分程度降下したところでディスプレーサピストンは上昇に転ずるのに対し、本発明になるスターリングエンジンでは、出力ピストン３、２３が上死点又はその近辺に到達し圧縮行程から膨張行程に移ろうとする時に高温室８の上部壁面に接触又は近接しているディスプレーサピストン２、２２を出力ピストン３、２３に接触又は近接するように速やかに降下させ、ディスプレーサピストン２、２２を出力ピストン３、２３に接触又は近接させた状態のまま出力ピストン３、２３を降下させるところに特徴がある。すなわちディスプレーサピストン２、２２が出力ピストン３、２３に接触又は近接した状態で出力ピストン３、２３に追従して降下するわけである。
【００１２】
このようにすることで膨張する作動ガスの量は通常のスターリングエンジンに比べてほぼ出力ピストン３、２３の行程容積分だけ多くなり、出力もそれだけ大きくなるわけである。シリンダ外壁を加熱冷却するのではなくシリンダとは別に熱交換器を設けた方式では、熱交換器が持つ容積が死空間として残るためこの効果は減殺されるが、シリンダの外壁を加熱冷却する方式では死空間はほぼ再生熱交換器内部の空隙だけとなり、再生熱交換器内部に滞留する分を除く殆んど全ての作動ガスが動力の発生に関与することとなってその効果は極めて大きいものである。
【００１３】
続いて出力ピストン３、２３が下死点又はその近辺に到達し膨張行程から圧縮行程に移ろうとする時、出力ピストン３、２３に接触又は近接しているディスプレーサピストン２、２２を高温室８の上部壁面に接触又は近接するように上昇させて圧縮行程に移るわけである。この場合にはディスプレーサピストン２、２２は出力ピストン３、２３の動きに追従する必要はなく単独で高温室８の上部壁面に接触又は近接するように上昇させればよい。
【００１４】
次に本発明になるスターリングエンジンの構造及び作動原理について説明する。
図１は本発明になるスターリングエンジンの概略を示す模式図で、シリンダ外部に高温熱交換器、再生熱交換器、低温熱交換器を備えた形式のもので出力ピストン３が上死点にありディスプレーサピストン２が出力ピストン３の上部に接触している状態にあるときを示したものである。このスターリングエンジンはベータ型と呼ばれる通常の単一シリンダ方式のスターリングエンジンと類似した構造を持つものである。
ヘリウム、水素等の作動ガスを封入したシリンダ１内で、ディスプレーサピストン２、出力ピストン３、ディスプレーサピストンロッド４、出力ピストンロッド５が往復運動するように設けられている。通常のベータ型スターリングエンジンにおいては、ディスプレーサピストンは９０°或いはこれに近い位相差をもって出力ピストンに先行して連続的に駆動されるように設計されているが本発明ではディスプレーサピストン２はディスプレーサピストン駆動装置６により間歇的に駆動されるようになっている。このディスプレーサピストン駆動装置６については後で詳しく説明する。
【００１５】
シリンダ１の上部には高温室８がありここからパイプが出ており高温熱交換器１５、再生熱交換器１６、低温熱交換器１７の順に接続されてシリンダ１の下部にある低温室９に接続されている。ディスプレーサピストン２の下部はこの接続口を塞ぐことがないよう若干細くなっている。シリンダ１の下部には出力ピストン３があり出力ピストンロッド５につながり、その先端にはヨーク１４がありコンロッド１１によってクランクホイール７を回転させる。このクランクホイール７は回転軸１３を介して後ろにある歯車１２につながっている。１対の歯車１２はかみ合っているため対称的に回転しヨーク１４が傾かないようになっている。また、このクランクホイール７と歯車１２はフライホイールの役割をも果たしており、回転を滑らかにすると共に圧縮行程で必要なエネルギーを出力ピストン３に供給している。出力は歯車１２の回転軸１３から取り出すことが出来る。
【００１６】
本発明に限ったことではないがディスプレーサピストン２の大きさ（長さ）はある程度以上あることが必要であり通常のスターリングエンジンでもそのようになっている。これはこの長さが短いとシリンダ１の同一壁面に高温の作動ガスと低温の作動ガスが交互に接触することとなり、熱エネルギーのロスが発生するためである。さらに後の図２に記したディスプレーサピストンと再生熱交換器を共用する形式の場合には、これが短いと再生熱交換器としての能力が不足することにもなる。
【００１７】
以上が本発明になるスターリングエンジンの一例の構造であるが次にこの作動原理について説明する。
図３はシリンダ外部に高温熱交換器、再生熱交換器、低温熱交換器を備えた上記の形式のスターリングエンジンについてディスプレーサピストン２及び出力ピストン３の挙動を行程ごとに示した作動原理説明図である。但し、この図では図１に示している出力機構、駆動機構等は省略した。
若干最初の説明と重複するところもあるが、この図を用いて本発明になるスターリングエンジンの作動原理を説明する。
【００１８】
通常のスターリングエンジンではディスプレーサピストンは出力ピストンの位相より常に９０°進んで連続的に動いている。これに対して本発明になるスターリングエンジンではディスプレーサピストン２は高温室８の上部壁面に接触又は近接しているか、或いは出力ピストン３の上端に接触又は近接した状態で降下しているか、或いは出力ピストン３から離れて速やかに上昇している過程にあるかの何れかである。
【００１９】
今、図３(Ａ)に示すように、ディスプレーサピストン２がシリンダ１の高温室８の上部壁面に接触しており、出力ピストン３は上昇中で作動ガスを圧縮している過程にあるものとする。
出力ピストン３が上昇し上死点近辺に到達するとディスプレーサピストン２は出力ピストン３の上端に接触するまで降下する。この時の状態を図示したものが図３（B）である。
ディスプレーサピストン２の降下によって低温室９側にあった作動ガスは低温熱交換器１７、再生熱交換器１６、高温熱交換器１５を通って高温室８側に移動する。この際作動ガスは再生熱交換器１６から再生熱を受け取り更に高温熱交換器１５で加熱されてその温度が上昇する。温度が上昇した作動ガスは膨張して出力ピストン３を押し下げる。出力ピストン３はディスプレーサピストン２と接触したままディスプレーサピストン２と共に膨張した作動ガスに押されて降下し動力を発生する。この時の状態を図示したものが図３（C）である。
【００２０】
ディスプレーサピストン２は出力ピストン３と接触している時にも間に作動ガスが入り込むことが出来るように接触面は若干凹凸をもっている必要がある。そうしないと次の行程で出力ピストン３から引き離す際に非常に大きな力が必要になるためである。ディスプレーサピストン２が出力ピストン３に近接しているだけで接触せずに降下する時にはこの凹凸は必要ない。
間に作動ガスが入り込むことによってディスプレーサピストン２の上下に圧力がかかりディスプレーサピストン２を押し下げる力は打ち消されるが、ディスプレーサピストン駆動装置６（図３では省略）の力によって出力ピストン３の降下に伴い出力ピストン３と共に降下する。
【００２１】
出力ピストン３が下死点近辺に到達するとディスプレーサピストン２は出力ピストン３から離れて上昇に転じ、シリンダ１の高温室８の上部壁面に接触するまで上昇する。この時の状態を図示したものが図３（D）である。前行程で膨張し高温室８側に移動した作動ガスが今度は高温熱交換器１５、再生熱交換器１６、低温熱交換器１７を通って低温室９側に移動する。作動ガスは再生熱交換器１６に熱を与えた後更に低温熱交換器１７によって冷却されてその温度が降下する。
【００２２】
ディスプレーサピストン２が高温室８の上部壁面に到達するころ出力ピストン３は下死点を通過して上昇行程に入り作動ガスの圧縮を開始する。
この一連の行程の繰り返しでスターリングエンジンは回転を続けることとなる。
【００２３】
図２は別の構造を持つ本発明になるスターリングエンジンの概略を示す模式図で、シリンダ外壁を加熱冷却する形式のもので図１と同じく出力ピストン２３が上死点にありディスプレーサピストン２２が出力ピストン２３の上部に接触している状態にあるときを示したものである。その構造及び作動原理について説明する。
このスターリングエンジンが図１に示したスターリングエンジンと大きく異なっている点は作動ガスの加熱冷却方式である。
ヘリウム、水素等の作動ガスを封入したシリンダ２１内で、ディスプレーサピストン２２、出力ピストン２３、ディスプレーサピストンロッド４、出力ピストンロッド５が往復運動するように設けられている点や、ディスプレーサピストン２２がディスプレーサピストン駆動装置６により間歇的に駆動される点は先の形式とおなじである。
【００２４】
ただ、ディスプレーサピストン２２は目の細かい金網で出来た円板を積層して枠内に収納したものであり、その内部を作動ガスが容易に通過できる構造になっており、再生熱交換器の機能をも兼ねている点が先の形式と異なっている。更に高温熱交換器１５がなくなりその代わりにシリンダ２１の上部にはフィン２４がついておりバーナでシリンダ２１を直接加熱している点や、低温熱交換器１７がなくなりその代わりシリンダ２１の下部には冷却水入口２６、冷却水出口２７を備えた冷却ジャケット２５があり、出力ピストン２３が往復する範囲を含めシリンダ２１の下部一帯を冷却水により冷却する構造になっている点も先の形式と異なっている。
【００２５】
ディスプレーサピストン２２の下には出力ピストン２３があり出力ピストンロッド５につながり、その先端にはヨーク１４がありコンロッド１１によってクランクホイール７を回転させ１対の歯車１２を回転させる点や、１対の歯車１２はかみ合っているため対称的に回転しヨーク１４が傾かないようになっている点、出力は歯車１２の回転軸１３から取り出すことが出来る点等は先の形式と同じである。
本形式でもディスプレーサピストン２２の大きさ（長さ）については先の形式と同様のことが言える。
以上が本形式のスターリングエンジンの構造であるが次にこの作動原理について説明する。
【００２６】
図４は本形式によるスターリングエンジンのディスプレーサピストン２２及び出力ピストン２３の挙動を行程ごとに示した作動原理説明図である。但しこの図では出力機構、駆動機構等は省略した。
この図を用いて本形式のスターリングエンジンの作動原理を説明する。図４では加熱装置は省略しているがシリンダ２１の上部は常に加熱されて高温に、シリンダ２１の下部は常に冷却されて低温になっている。
【００２７】
今、図４(Ａ)に示すように、ディスプレーサピストン２２がシリンダ２１の高温室８の上部壁面に接触しており、出力ピストン２３は上昇中で作動ガスを圧縮している過程にあるものとする。
出力ピストン２３が上昇し上死点近辺に到達するとディスプレーサピストン２２は出力ピストン２３の上端に接触するまで降下する。ディスプレーサピストン２２は作動ガスが容易に通過できる構造となっているため、低温室９側にあった作動ガスはこの再生熱交換器を兼ねるディスプレーサピストン２２が降下するときこの中を通って高温室８側に移動する。この際作動ガスは再生熱交換器（ディスプレーサピストン２２）から再生熱を受け取り、更に高温室８の壁面からも熱を受け取ってその温度が上昇する。出力ピストン２３は死点近くにあるため系全体の体積は殆んど変わらず等容加熱と考えてよい。この時の状態を図示したものが図４（B）である。
【００２８】
高温室８に入った作動ガスは高温室８の壁面に接触して加熱され、高温状態を維持したまま膨張する。出力ピストン２３はディスプレーサピストン２２と接触した状態でディスプレーサピストン２２と共に膨張した作動ガスに押されて降下し動力を発生する。膨張中も作動ガスは高温室８の壁面に接触して加熱され続け高温度を維持し続けるためこの膨張は等温膨張となる。
ディスプレーサピストン２２は通気性が高いため作動ガスが膨張してもそれに押されて降下することはないがディスプレーサピストン駆動装置６（図４では省略）の力によって出力ピストン２３の降下に伴い出力ピストン２３と共に降下する。この時の状態を図示したものが図４（C）である。
【００２９】
出力ピストン２３が下死点近辺に到達するとディスプレーサピストン２２は出力ピストン２３から離れて上昇に転じ、シリンダ２１の高温室８の上部壁面に接触するまで上昇する。この時の状態を図示したものが図４（D）である。前行程で高温室８側に押しやられ膨張した作動ガスが今度はディスプレーサピストン２２の内部を通ってディスプレーサピストン２２に熱を与えながら低温室９側に移動する。低温室９側に移動した作動ガスは低温室９の壁面に接触して冷却されてその温度が降下する。出力ピストン２３は死点近くにあるため系全体の体積は殆んど変わらず等容冷却と考えてよい
【００３０】
ディスプレーサピストン２２が高温室８の上部壁面に到達するころ出力ピストン２３は下死点を通過して上昇行程に入り作動ガスの圧縮を開始する。この圧縮は通常のスターリングエンジンならば断熱圧縮となり作動ガスの温度が上昇することになるが、ここでは作動ガスが低温室９の壁面と接触しているためこの壁面に熱を奪われ、一定の温度を維持したまま圧縮されるので等温圧縮となる。
この一連の行程の繰り返しでスターリングエンジンは回転を続けることとなる。
【００３１】
本形式及び先の形式の何れの場合にも言えることであるが、ディスプレーサピストン２、２２の移動速度はなるべく速い方が望ましい。しかし余り速すぎるのも問題である。スターリングエンジンでは再生熱交換器の内部を作動ガスが通過し、作動ガスが持つ熱を貯えたり、貯えた熱を作動ガスに戻したりする必要がある。ディスプレーサピストン２、２２の移動速度が速すぎると、作動ガスが通過するときの流動抵抗が非常に大きくなりディスプレーサピストン２、２２を駆動するのに非常に大きな力が必要になるという問題や、作動ガスとディスプレーサピストン２２、高温熱交換器１５、再生熱交換器１６、低温熱交換器１７等との間の熱の授受に支障が生ずるといった問題が発生する。またカムによってディスプレーサピストン２、２２を駆動するときには余り急峻な動きにしようとするとカムが動かなくなるという問題が発生する。これらの問題が発生しない範囲で出来る限り高速度になるように設定するのが望ましい。
【００３２】
次に本発明で使用するディスプレーサピストン駆動装置６について説明する。ディスプレーサピストン駆動装置６としてはソレノイド、リニアモータ、エアーシリンダ、カムとスプリングとの組み合わせ、レバーとスプリングの組み合わせ等を用いることが出来る。
これらの中でソレノイド、リニアモータ、エアーシリンダについては各所で広く使用されており特別な説明は必要ないと考える。ただこれらのものは出力ピストン３、２３とは別個に駆動されるものでありこれら自体では出力ピストン３、２３が上死点或いは下死点に接近したことが検知できないため、これを検出するためのセンサが必要である。出力ピストン３、２３はシリンダ１、２１の内部にあるためこれを直接検出することは非常に困難ではあるが、これに代わるものとしてヨーク１４の位置や出力ピストンロッド５にマークをつけその位置を検出する等の方法をとれば容易に目的を達することが出来る。
【００３３】
カムとスプリングとの組み合わせについては目的にかなった動きをするカムの形状が問題である。本発明で使用することが出来るカムの一例を図５に示した。このカム３１は２つの半径の異なる半円をつなぎ合わせそれらの間の段差を滑らかな曲線でつないだ形をしている。ディスプレーサピストン２，２２を接触子３３で直接駆動する場合には２つの半円の半径の差がディスプレーサピストン２、２２のストロークとなる。カム３１の小さい方の半円の半径が余り小さすぎると半径が小さい半円から半径が大きい半円になだらかに移ろうとするとカム３１の回転角が大きくなりこの間に出力ピストン３、２３は相当移動してしまうため、カム３１の半円は或る程度の大きさを持っていることが必要である。カム３１の駆動は回転軸１３にリンクさせて行えばよくその回転比は１：１である。スプリング３２はディスプレーサピストン２、２２を出力ピストン３、２３に押し付けて追従させるために必要となる。
【００３４】
レバーとスプリングの組み合わせについてはその一例を図６に示した。回転円板４４の回転によってレバー４１の一端と回転円板４４の一端の間に張られたスプリング４２がレバー４１の支点４３を越えるとレバー４１が鎖線に示したように反対側に移動する仕組みである。レバー４１の位置が回転円板４４の中心点４５に近いと回転円板４４が少し回転しただけでレバー４１の位置が切り換わるが回転円板４４の中心点４５から遠くなると相当回転しなければレバー４１の位置は切り換わらない。これによってレバー４１の位置が切り換わるタイミングを調節することが可能である。レバー４１はコンロッド４７を介してディスプレーサピストンロッド４につながっている。回転円板４４の代わりにクランクシャフトや回転レバーを用いても同様の効果を得ることが出来る。回転円板４４の駆動はカム３１と同様回転軸１３にリンクさせて１：１の回転比でもって行えばよい。ストッパー４６はレバー４１の移動幅を制限するためのものである。
【発明の効果】
【００３５】
出力ピストン３、２３が上死点又はその近辺に到達し圧縮行程から膨張行程に移ろうとする時に高温室８の上部壁面に接触又は近接しているディスプレーサピストン２、２２を出力ピストン３、２３に接触又は近接するように速やかに降下させることで作動ガスを加熱して膨張させ、この膨張した作動ガスにより出力ピストン３，２３を押下する行程において出力ピストンが下死点又はその近辺に到達するまでディスプレーサピストン２、２２と接触又は近接した状態を保ったまま降下させることによって動力の発生に関与する作動ガスの量を通常のスターリングエンジンに比べて多くすることが可能となり、これによって比出力が大きいスターリングエンジンを造るという頭書の課題を実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
上記のように本発明では従来出力ピストンに９０°先行して連続的に動くものとされてきたディスプレーサピストン２，２２を膨張行程で出力ピストン３，２３に追従して降下させることで、出力ピストン３，２３の行程容積に相当する体積の空間を作動ガスの膨張に使用して膨張する作動ガスの量を多くし、出力を増大させるようにしたものである。
【実施例１】
【００３７】
図１に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６としてソレノイドコイルを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例２】
【００３８】
図２に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６としてソレノイドコイルを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例３】
【００３９】
図１に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６としてリニアモータを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例４】
【００４０】
図２に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６としてリニアモータを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例５】
【００４１】
図１に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６としてエアーシリンダを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例６】
【００４２】
図２に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６としてエアーシリンダを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例７】
【００４３】
図１に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６として図５に示すカム３１とスプリングを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例８】
【００４４】
図２に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６として図５に示すカム３１とスプリングを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例９】
【００４５】
図１に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６として図６に示すレバー４１とスプリング４２を組み合わせたものを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【実施例１０】
【００４６】
図２に示したスターリングエンジンにおいてディスプレーサピストン駆動装置６として図６に示すレバー４１とスプリング４２を組み合わせたものを使用して追従降下型スターリングエンジンを製作した。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
実施例１、実施例３、実施例５、実施例７及び実施例９では熱交換器を用いて作動ガスの加熱冷却を行うため圧縮中或いは膨張中は熱交換が行われないこととなり断熱圧縮、断熱膨張となる。
圧縮行程が断熱圧縮となると若干作動ガスの温度が上がり、それが直接低温熱交換器１７を通って冷却されるためその分僅かではあるが実施例２、実施例４、実施例６、実施例８或いは実施例１０に比べて熱効率が低下する。
【００４８】
膨張行程が断熱膨張となると若干作動ガスの温度が下がり、実施例２、実施例４、実施例６、実施例８或いは実施例１０に比べて出力が僅かではあるが低下する。この場合でも熱効率は再生熱交換器１６の容量が十分である限り低下することはないが、せっかく温度が下がった作動ガスを高温熱交換器１５に通して加熱し昇温することになり、再生熱交換器１６は等温膨張と同じ大きさの容量のものが必要となる。もしこの容量が不足すると作動ガスの持つ熱が回収されずに冷却水の方に流失することとなって熱効率が低下する。
【００４９】
これに対して実施例２、実施例４、実施例６、実施例８及び実施例１０では外壁加熱冷却方式とすることで圧縮中或いは膨張中も熱交換が行われるため等温圧縮、等温膨張となる。実施例２、実施例４、実施例６、実施例８及び実施例１０ではディスプレーサピストン２２の追従降下による効果の他にこの等温膨張による出力の増大と等温圧縮による熱効率の向上という効果も期待できる。
【００５０】
更に実施例２、実施例４、実施例６、実施例８及び実施例１０ではディスプレーサピストン２２に再生熱交換器の機能を持たせることによって外付け再生熱交換器をなくし、更に高温熱交換器、低温熱交換器もなくしたことでこれらの容積に相当する死空間が削減され、更にこれらを接続する配管類も不要となって死空間が再生熱交換器内部の空隙とピストンクリアランスのみとなり、再生熱交換器内部（ディスプレーサピストン内部）の空隙に滞留する分を除く殆んど全ての作動ガスが膨張することになる。このため実施例１、実施例３、実施例５、実施例７及び実施例９の場合以上の出力の増大が期待できる。また高温熱交換器や低温熱交換器、配管類等がなくなったことで流動抵抗が小さくなり作動ガスが流れるときのエネルギー損失が減少しこれによる熱効率の向上も期待できる。外壁加熱冷却方式としても外付け再生熱交換器を持った構造にすることは可能であるがその場合は上記のメリットの一部が減殺されることとなる。
【００５１】
本発明者は先に「外燃式ガスタービン装置」なる特許を出願したが（特開２００５−０２３９１９）ここで使用する揺圧器についても同じことがいえ、シリンダとは別に外部に熱交換器を設けた方式の揺圧器より、シリンダの外壁を加熱冷却する方式の揺圧器の方が高い出力と高い熱効率が期待できる。
ただ何れの場合にも外壁を加熱冷却する方式は熱交換器を独立して設ける方式に比べ熱交換面積を大きくすることが困難である点に若干問題がのこる。
【００５２】
本発明によって比出力の増大を図ることができ装置の小型化が可能となる。装置の小型化は製造するに当って必要な原材料、設備等の資源が少なくてよいことを意味する。更に実施例２、実施例４、実施例６、実施例８及び実施例１０のように外壁加熱冷却型とすると熱効率の向上も期待できる。熱効率の向上によってエネルギー消費量の減少を図ることが可能となるが、エネルギー消費量の減少は炭酸ガス排出量の減少を可能ならしめ、経済的なメリットはもとより地球温暖化の防止にも大いに寄与するものと考え極めて時宜にかなったものである。
これらの特徴を生かした用途としては、船舶、鉄道、自動車、オートバイ等の移動体用原動機、定置型発電機及び移動型発電機の原動機、エアコンやヒートポンプの原動機、太陽熱発電用原動機等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明になるスターリングエンジンの概略を示す模式図である。
【図２】本発明になる別の形式のスターリングエンジンの概略を示す模式図である。
【図３】図１に示したスターリングエンジンの作動原理説明図である。
【図４】図２に示したスターリングエンジンの作動原理説明図である。
【図５】カムとスプリングを使用したディスプレーサピストン駆動装置の模式図である。
【図６】レバーとスプリングを使用したディスプレーサピストン駆動装置の模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  シリンダ                            ２  ディスプレーサピストン
３  出力ピストン                        ４  ディスプレーサピストンロッド
５  出力ピストンロッド                  ６  ディスプレーサピストン駆動装置
７  クランクホイール                    ８  高温室
９  低温室
１１  コンロッド                      １２  歯車
１３  回転軸                          １４  ヨーク
１５  高温熱交換器                    １６  再生熱交換器
１７  低温熱交換器
２１  シリンダ                        ２２  ディスプレーサピストン
２３  出力ピストン                    ２４  フィン
２５  冷却ジャケット                  ２６  冷却水入口
２７  冷却水出口
３１  カム                            ３２  スプリング
３３  接触子
４１  レバー                          ４２  スプリング
４３  支点                            ４４  回転円板
４５  回転円板の中心点                ４６  ストッパー
４７  コンロッド
【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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