(57)【要約】【課題】配置構成に柔軟性があり、他の熱機関と容易に組み合わせられ、簡単に製作できる小型から大型までのスターリングエンジンを提供すること【解決手段】発明１は、冷却室と、加熱室と、冷却室と加熱室の間に設けられた逆止弁と、アクチュエータよりなるスターリングエンジンである。作動流体は冷却室から加熱室への一方向に循環し、逆止弁により作動流体は一方向にのみ循環する。作動流体の加熱室からの流入及び冷却室への排出は開閉弁で制御される。発明２は加熱室と、アクチュエータと、ポンプよりなり、作動流体である空気が加熱室からアクチュエータを通って大気中へ放出されるとともに、大気から空気がポンプ室を経て加熱室に送気される。空気の流れは開閉弁により制御される。本発明のスターリングエンジンは、構造が簡単で、コンパクトであり、さほど精密な加工を要さず製造可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱室と、アクチュエータと、ポンプよりなり、作動流体である空気が加熱室からアクチュエータを通って大気中へ放出されるとともに、大気から空気がポンプを経て加熱室に送気されるスターリングエンジンであって、該アクチュエータは、加熱室と大気にそれぞれ通ずる経路に設けられた第１の開閉弁と、空気により往復運動を行う第１の作動体を備えた作動室と、該第１の作動体の往復運動を回転運動に変換する第１のディスククランクにより構成され、該ポンプは、加熱室と大気にそれぞれ通ずる経路に設けられた第２の開閉弁若しくは逆止弁と、回転運動を往復運動に変換する第２のディスククランクと第２の作動体を備えたポンプ室により構成され、第１のディスククランクの回転は第２のディスククランクにそのまま伝達されるように構成され、第１のディスククランクの径と作動室の底面積の積は第２のディスククランクの径とポンプ室の底面積の積よりも大きく、両ディスククランクは同位相もしくは１８０°位相を異にし、第１および第２の開閉弁は第１の作動体の往復運動に連動して開閉するか、又は第１の開閉弁は第１の作動体の往復運動に連動して開閉するとともに、ポンプの逆止弁はポンプ室と加熱室の圧力差に従って開閉することにより、空気の加熱室から作動室への流入と作動室から大気中への放出及びポンプ室から加熱室への送気と大気中からポンプ室への吸気を制御するようにしたスターリングエンジン。
【請求項２】
冷却室と、加熱室と、冷却室と加熱室の間に設けられた逆止弁と、アクチュエータよりなり、作動流体が冷却室から加熱室への一方向に循環するスターリングエンジンであって、該アクチュエータは、加熱室と冷却室にそれぞれ通ずる経路に設けられた開閉弁と、作動流体により往復運動を行う作動体を備えた作動室と、該作動体の往復運動を回転運動に変換する機構により構成され、開閉弁は作動体の往復運動に連動して開閉することにより、作動流体の加熱室からの流入及び冷却室への排出を制御するようにしたスターリングエンジン。
【請求項３】
開閉弁が電気的又は機械的に作動する弁である請求項１又は２のスターリングエンジン。
【請求項４】
機械的に作動する弁がスライダー弁である請求項３のスターリングエンジン。
【請求項５】
作動室は弾力性を有する膜を作動体として有する請求項１〜４のいずれか１項のスターリングエンジン。
【請求項６】
弾力性を有する膜がダイヤフラムである請求項５のスターリングエンジン。
【請求項７】
作動室はベローズよりなる請求項１〜６のいずれか１項のスターリングエンジン。
【請求項８】
往復運動を回転運動に変換する機構がディスククランクである請求項２〜７のいずれか１項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。さらに詳しくは作動流体が循環するスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは、作動流体を加熱室と冷却室を往復させ、流体の膨張・収縮を利用して動力を取り出すことを基本原理としている。スターリングエンジンは外燃機関であるため廃熱を利用するこが可能である等の利点がある。
従来のスターリングエンジンは、連動する二つのピストンで作動流体を往復させるのが殆どであった。しかしながら、かかるスターリングエンジンは加熱室と冷却室をあまり離して設置できず、配置構成に制限があった。その理由は、二つのピストンを同軸上に取り付けなければならないこと、仮に長い軸を使用して両者を離して取り付けても、加熱あるいは冷却された作動流体が冷却室あるいは加熱室に達せず、エンジンが作動しないからである。
【０００３】
また、ピストン型のスターリングエンジンは大型化すると重さの慣性が邪魔になる、摺動部があるため精密な加工でないと作動流体の漏洩が発生する等の問題があった。
これらの問題点を解決するために種々の改良タイプのものが提案されている。例えば、特許文献１のようなロータリー式スタ−リングエンジンが提案されている。しかしながら、特許文献１の技術も二つの同軸のロータリーエンジンを使用するものであり、加熱室と冷却室を離して設置することはできない。
【０００４】
また、特許文献２のように、作動ガスとして空気を循環させ、作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を利用して動力を取り出すα型のスターリングエンジンが提案されている。このエンジンは、低温作動空間を空気により掃気する手段を設けている。このエンジンは収縮行程の最初の部分で密度の高い空気に置き換わるため、ピストン上昇の抵抗が大きく、また全体の空気量が多くなっていって、どういう状態で平衡となるか予測が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３８８７９公報
【特許文献２】特開２００６−２１３０７４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の第１の目的は、簡単な機構のスターリングエンジンを提供することである。本発明の第２の目的は大型から小型までのスターリングエンジンを提供することである。本発明の第３の目的はさほど精密な加工を要さないスターリングエンジンを提供することである。本発明の第４の目的は作動流体の漏洩の少ないスターリングエンジンを提供することである。本発明の第５の目的は、加熱室・冷却室の配置が柔軟に決められるスターリングエンジンを提供することである。本発明の第６の目的は、他の熱機関の廃熱を熱源に利用できるスターリングエンジンを提供することである。本発明の第７の目的は冷却室を具備しないスターリングエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記、本発明の第１〜６の目的は下記１の発明により達成される。
１．冷却室と、加熱室と、冷却室と加熱室の間に設けられた逆止弁と、アクチュエータよりなり、作動流体が冷却室から加熱室への一方向に循環するスターリングエンジンであって、該アクチュエータは、加熱室と冷却室にそれぞれ通ずる経路に設けられた開閉弁と、作動流体により往復運動を行う作動体を備えた作動室と、該作動体の往復運動を回転運動に変換する機構により構成され、開閉弁は作動体の往復運動に連動して開閉することにより、作動流体の加熱室からの流入及び冷却室への排出を制御するようにしたスターリングエンジン。
【０００８】
上記、本発明の第１〜３、６〜７の目的は下記２の発明により達成される。
２．加熱室と、アクチュエータと、ポンプよりなり、作動流体である空気が加熱室からアクチュエータを通って大気中へ放出されるとともに、大気から空気がポンプを経て加熱室に送気されるスターリングエンジンであって、該アクチュエータは、加熱室と大気にそれぞれ通ずる経路に設けられた第１の開閉弁と、空気により往復運動を行う第１の作動体を備えた作動室と、該第１の作動体の往復運動を回転運動に変換する第１のディスククランクにより構成され、該ポンプは、加熱室と大気にそれぞれ通ずる経路に設けられた第２の開閉弁若しくは逆止弁と、回転運動を往復運動に変換する第２のディスククランクと第２の作動体を備えたポンプ室により構成され、第１のディスククランクの回転は第２のディスククランクにそのまま伝達されるように構成され、第１のディスククランクの径と作動室の底面積の積は第２のディスククランクの径とポンプ室の底面積の積よりも大きく、両ディスククランクは同位相もしくは１８０°位相を異にし、第１および第２の開閉弁は第１の作動体の往復運動に連動して開閉するか、又は第１の開閉弁は第１の作動体の往復運動に連動して開閉するとともに、ポンプの逆止弁はポンプ室と加熱室の圧力差に従って開閉することにより、空気の加熱室から作動室への流入と作動室から大気中への放出及びポンプ室から加熱室への送気と大気中からポンプ室への吸気を制御するようにしたスターリングエンジン。
【０００９】
また、前記１乃至７のいずれかの目的はそれぞれの項に従属した下記の発明により達成される。
３．開閉弁が電気的又は機械的に作動する弁である前記１又は２のスターリングエンジン。
４．機械的に作動する弁がスライダー弁である前記３のスターリングエンジン。
５．作動室又はポンプ室は弾力性を有する膜を作動体として有する前記１〜４のいずれか１のスターリングエンジン。
６．弾力性を有する膜がダイヤフラムである前記５のスターリングエンジン。
７．作動室又はポンプ室はベローズよりなる前記１〜６のいずれか１のスターリングエンジン。
８．往復運動を回転運動に変換する機構がディスククランクである前記１、３〜７のいずれか１のスターリングエンジン。
【発明の効果】
【００１０】
前記１の本発明（以下、本発明１）のスターリングエンジンは、冷却室と加熱室が離れていても、効率が低下することが少ない。また、作動体は１つでよく、エンジン自体の機構も比較的簡単でコンパクトである。また、作動体にダイヤフラムまたはベローズを用いる場合は、加工精度もそれほど必要としない。従って、製造コストも低く抑えることができる。また、開閉弁としてソレノイドバルブのような電気的に作動する弁を用いたときは系全体を密閉系とすることが可能で、作動ガスの漏洩を防止することができる。
本発明の前記２（以下、本発明２）のスターリングエンジンは冷却室不要である。また、作動体にダイヤフラムまたはベローズを用いる場合は、加工精度もそれほど必要せず、ピストンを用いる場合でも他のエンジンほどの加工精度を必要としないので、製造コストも低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は作動体としてダイヤフラムを用いた本発明１の実施例である。
【図２】図２は本発明１のスターリングエンジンの作動原理を表した図である。
【図３】図３は作動体としてベローズを用いた本発明１の実施例である。
【図４】図４は作動体の往復運動を回転運動に変換する機構の本発明１の実施例である。
【図５】図５は作動体の往復運動を回転運動に変換する機構の本発明１の他の実施例である。
【図６】図６は作動体としてベローズを用いた本発明２の実施例である。
【図７】図７は本発明２のスターリングエンジンの作動原理を表した図である。
【図８】図８は図６において第２の開閉弁に変えて逆止弁を用いた場合の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
先ず、本発明１について説明する。
本発明１においては、作動流体は加熱室、アクチュエータ、冷却室をこの方向に循環する。冷却室と加熱室の間には逆止弁が設けられ、作動流体の逆流を防止する。逆止弁は、冷却室の出口、配管中、加熱室の入口のいずれに設けてもよい。好ましくは加熱室の入り口かその近傍である。
【００１３】
作動流体は、開閉弁を通って加熱室からアクチュエータの作動室へ流入し、冷却室へ排出される。弁の開閉は作動体の往復運動に連動して制御される。制御は機械的手段でもよく、電気的手段でも差支えない。機械的手段としては、例えば作動体の往復運動をディスクランク、ベルト車、タイミングベルト等によりスライダー弁に伝達し、往復運動にスライダー弁の開閉を連動させる。電気的方法としては、例えば作動体の位置を電気的、光学的等の手段で連続的に検知し、ソレノイドバルブを開閉させる。この場合は、系の摺動部分を排除することが可能となる。
【００１４】
作動室は、例えば筒状体の一端に開閉弁を設け、他端にダイヤフラム等の膜を設けたものであり、作動流体の流入・排出により膜が往復運度を行う。あるいは作動室としてベローズを用いてもよい。また、ピストンタイプでも差支えない。ダイヤフラムやベローズを用いた場合は、作動室を密閉できる。この場合、開閉弁としてソレノイドバルブを用いると系を完全に密封できるので、作動流体の漏洩を防止することが可能である。
作動体の往復運動は、ディスククランク等により回転運動に変換される。
作動流体としては空気、ヘリウム等のスターリングエンジンに一般的に使用されているものが使用できる。
【００１５】
次に、本発明２について説明する。
本発明１においては、作動流体は、加熱室からアクチュエータ、冷却室、加熱室と循環するが、本発明２においては、作動流体である空気は、加熱室からアクチュエータ、大気へ、さらに大気からポンプ、加熱室へと循環する。いわば、本発明２は、本発明１の冷却室を大気とポンプに置き換えたものということができ、循環型であることに変わりはない。
【００１６】
以下、第１及び第２の開閉弁を用いる場合を例にして説明する。
まず、第１のディスククランクと第２のディスククランクの位相が１８０°異なる場合について、説明する
作動流体である空気が加熱室により加熱・膨張し、第１の開閉弁を通ってアクチュエータの作動室へ流入し、第１の作動体を押し下げる、このとき、第１の開閉弁の大気への経路側は遮断されている。この工程は出力である。第１のディスククランクの回転は第２のディスククランクにそのまま伝達されるように構成される。例えば、両者は同軸に取り付ける。ポンプにおいては、第２のディスククランクの位相が１８０°ずれているので、第２の作動体を押し上げ、第２の開閉弁を通って加熱室に送気する。このとき、第２の開閉弁の大気側は遮断されている。この工程は負荷であるが、第１のディスククランクの径と作動室の底面積の積は第２のディスククランクの径とポンプ室の底面積の積よりも大きいので、エンジンは回転する。
アクチュエータの第１の作動体が下死点を過ぎると第１の作動体は上昇し、空気を大気中に放出する一方、ポンプ室の第２の作動体は上死点を過ぎて下降し大気より吸気する。このとき、両開閉弁の加熱室側は遮断される。両開閉弁は、本発明１同様、機械的又は電気的手段で作動体の往復運動に連動して制御される。この工程は、出力、負荷ともほぼ零である。
【００１７】
次に、第１のディスククランクと第２のディスククランクの位相が同じ場合について説明する
作動流体である空気が加熱室により加熱・膨張し、第１の開閉弁を通ってアクチュエータの作動室へ流入し、第１の作動体を押し下げ、第１のディスククランクを回転させる。このときポンプにおいては、第２のディスククランクは第１のディスククランクと同位相なので、作動体は下降し、第２の開閉弁を通って大気より吸気する。第１の開閉弁の大気側と第２の開閉弁の加熱室側は遮断されている。アクチュエータの第１の作動体が下死点を過ぎると第１の作動体は上昇し、空気を大気中に放出する一方、ポンプ室の第２の作動体も下死点を過ぎて上昇し、加熱室に送気する。第１の開閉弁の加熱室と第２の開閉弁の大気側は遮断されている。前半の工程は出力で、後半の工程は負荷であるが、出力は負荷より大きいので、後半も慣性により回転する。両開閉弁は、発明１同様、機械的又は電気的手段で作動体の往復運動に連動して制御される。
【００１８】
本発明２において、アクチュエータ及び作動室は本発明１同様、ダイヤフラムやベローズでよく、ピストンタイプでも差支えない。また、ポンプのポンプ室も同様にダイヤフラムやベローズでよく、ピストンタイプでも差支えない。
本発明２は、本発明１に比べ冷却室、冷却室と加熱室間の逆止弁が不要である。また、加熱室に確実に室温となった空気を送気できる。
以下に本発明を図面で説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は作動体としてダイヤフラムを用いた本発明１の実施例を表した図であり、図２はその作動原理を表した図である。
ダイヤフラム１１の往復運動は連接棒１２．１３によりディスククランク１４に伝達され、回転運動に変換されるとともに、ベルト車１５ａ、１５ｂとタイミングベルト１６ａ、１６ｂによりスライダー弁１７に伝達される。連接棒１２の横ブレを防止するためにブッシュ１８を設けるのが好ましい。作動流体は加熱室３で加熱され加圧状態となり、冷却室２で冷却されて負圧状態となるが、加熱室の入口に逆止弁４が設けられているので、作動流体が加熱室３から冷却室２に逆流することはない。
【００２０】
作動流体は加熱室３で加熱され加圧される。ダイヤフラム１１が上死点にあり、スライダー弁１８ａ、１８ｂがいずれも閉じている状態（図２（ａ））から、ディスククランクの回転に連動してスライダー弁１７の冷却室側の開口１８ｂが閉じたままで加熱室側の開口１８ａが開きだし、作動室１９に加熱加圧された作動流体が流入することにより、ダイヤフラム１１が押し下げられ、ディスククランク１４の回転が助長される（図２（ｂ））。さらにダイヤフラム１１が下降すると開口１８ｂが閉じたまま開口１８ａが完全に開いた状態を経て（図２（ｃ）（ｄ））、開口１８ａ、１８ｂ共完全に閉じた状態の下死点に至る（図２（ｅ））。下死点を過ぎると、開口１８ａが閉じたまま開口１８ｂが開きだし、作動室１９内の作動流体は、冷却室２に押し出される（図２（ｆ）〜（ｈ））。この行程は、作動流体を循環させる負荷であるが、弁１８ｂが開いた直後は、前に流入した加熱流体が冷えて、低圧になっているので、押し込む負荷は小さい。ダイアフラムが上昇し、押し込まれる流体が増加するに連れ、冷却室の圧力は高くなり加熱室と同じ圧力になった時、逆止弁は開き循環が始まる。この行程は下降工程より、弁１８ｂが開き次に逆止弁が開くまでの行程で、負荷の方が小さい。それ故回転が持続し出力となる。
【００２１】
図３は作動室と作動体としてベローズ２０を用いた図である。この場合はベローズ２０の下端に連接棒１２が取り付けられるが、作動はダイヤフラムの場合と同様である。
図４及び図５はディスククランクに替えてリンク２１と歯車２２又はリンク２１とブッシュ２３を用いて作動体の往復運動を回転運動に変換するように構成した図である。この場合は連接棒とディスククランクを用いた場合に比べて縦長になることを避けることができ、コンパクトになる。
【実施例２】
【００２２】
図６は、本発明２の実施例を表した図で、作動体としてベローズを用い、第１のディスククランクと第２のディスククランクの位相が１８０°異なる場合であり、図７はその作動原理を表した図である。
作動流体である空気は、加熱室３で加熱、加圧され第１のスライダー弁１７の開口１８ａを通って作動室１９に流入し、第１のベローズ２０を降下させるとともに、ポンプの第２のベローズ３０は上昇して、ポンプ室２９の空気を第２のスライダー弁２７の開口２８ａを通して加熱室３に送気する。第１のベローズ２０が下死点を通り、上昇すると、加熱されている作動室１９の空気は大気に放出され、一方、第２のベローズ３０は上死点を過ぎて下降し、大気からポンプ室２９に吸気する。
【００２３】
図７（ｉ）〜（ｍ）は、第１のスライダー弁１７が加熱室側３に開いて、加熱空気が膨張しながら第１のベローズ２０が降下して作動室１９に流入し、第２のスライダー弁２７が加熱室側３に開いて、第２のベローズ３０が上昇し、ポンプ室２９の常温の空気を加熱室３に送気している状態を表している。（ｍ）〜（ｉ）は、第１のベローズ２０は上昇工程に転じ、第１のスライダー弁１７は大気に通じ、加熱室３と作動室１９は遮断され、加熱空気は大気に排出される一方、第２のベローズ３０は下降に転じ、第２のスライダー弁２７は大気に通じ、ポンプ室２９と加熱室３は遮断され、大気より吸気される。
【００２４】
このエンジンの出力は、（ｍ）〜（ｉ）の工程は作動室、ポンプ室とも負荷は理論的には零なので、工程（ｉ）〜（ｍ）の出力によることとなる。第１及び第２のディスククランクの径をＤ１、Ｄ２、第１及び第２のベローズの底面積をＡ１、Ａ２とすると、第１のベローズに入ってきた空気量はＡ１＊Ｄ１、第２のベローズより加熱室に送気される空気量はＡ２＊Ｄ２である。両ベローズとも同時に加熱室側に通じ、加熱室の圧力Ｐを受けるが、Ａ１＊Ｄ１＞Ａ２＊Ｄ２であるから第１のベローズの回転力が強く、下降側に回転する。第１のベローズに流入した空気は、加熱され膨張した密度の薄い空気で、第２のベローズより加熱室に送気される空気は常温の密度の濃い空気であるが、全体の空気質量は変わりなく、回転は継続される。有効出力は
ベローズ１の下降膨張の出力は  Ａ１＊Ｐ＊Ｄ１
ベローズ２の空気を加熱室に送気する負荷は  Ａ２＊Ｐ＊Ｄ２
であるから、有効出力は  Ｐ（Ａ１＊Ｄ１−Ａ２＊Ｄ２）
である。
【００２５】
また、加熱室の熱源の絶対温度をＴ１、空気の温度をＴ２とすれば、上記のように空気質量は等しく、両ベローズの底面積が等しければ
Ｄ１／Ｄ２＝Ｔ１／Ｔ２
となる。仮に加熱室温度を４００Ｋ、空気温度を３００Ｋとすると、
Ｄ１／Ｄ２＝４／３となり、
有効出力は  １／４＊Ａ１＊Ｐである。
従って、理論的には加熱室温度と空気温度により、Ｄ１、Ｄ２の比を定めることができる。
なお、加熱室温度と空気温度により、Ｄ１、Ｄ２の比を定めるかわりに、両ベローズの底面積の比を定めても同様であるが、熱源温度が変わったときに、ベローズを交換するよりもディスクを交換する方が容易であり、実用的である。
以上は、ベロ−ズの場合であるが、ダイヤフラムでも全く同様である。
なお、第１のディスククランクと第２のディスククランクの位相が同一の場合も、エンジンの出力は理論的には変わらない。
【実施例３】
【００２６】
図８は実施例２において、第２の開閉弁に変えて逆止弁を用いた場合の図である。
ポンプ室の第２のベローズ３０が上昇するときは逆止弁３１ａが開、３１ｂが閉となり、下降するときは３１ａが閉、３１ｂが開となる。実施例２の場合は、ベローズ３０の上昇開始時点でスライダー弁２８ａが直ちに開き始めるので、加熱室からポンプ室に空気が逆流し、直ちに両室の圧力が等しくなり、ポンプ室にほぼ一定の負荷がかかる。これに対し、本実施例の場合は、加熱室とポンプ室の圧力が等しくなるまで逆止弁３１ａが閉じており、その間はポンプ室の負荷は徐々に上昇する。従って、トータルの負荷は本実施例の方が実施例２に比較して小さい。
【００２７】
本発明１、２の場合のいずれも、加熱室の容量は大きい方が好ましい。その理由は、熱源として他の熱機関の廃熱を利用する場合、あまり高熱ではないので、加熱室の容量が小さいと作動流体の加熱に時間がかかること、作動室に流体が流れ込んだとき圧力が大きく下がる懸念があるためである。好ましくは、加熱室の容量を作動室の容量の１０倍以上、より好ましくは２０倍以上とする。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、コンパクトで比較的簡単かつ安価に製造可能なスターリングエンジンとして有用である。
【符号の説明】
【００２９】
１    アクチュエータ
２    冷却室
３    加熱室
４    冷却室と加熱室間の逆止弁
１１  ダイヤフラム
１４  ディスククランク
１７、第１のスライダー弁
２７、第２のスライダー弁
１８ａ、１８ｂ、２８ａ、２８ｂ、  弁の開口
２０、３０  ベロ−ズ
３１ａ、３１ｂ  ポンプ室の逆止弁
【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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