(57)【要約】【課題】作動流体の膨張分を全て回収することができ、熱効率の良いスターリングエンジンを提供する。【解決手段】スターリングエンジンは、一対のディスプレーサシリンダと該一対のディスプレーサシリンダ内にそれぞれ摺動可能に配設された一対のディスプレーサと該一対のディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する一対の膨張室および収縮室とを備えたディスプレーサ機構と、一対のディスプレーサを互いに１８０度の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構と、一対のディスプレーサシリンダ同志を連通する作動気体回路と、作動気体回路中に配設された流体回転機とを具備している。【選択図】        図１
2004204692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のディスプレーサシリンダと、該一対のディスプレーサシリンダ内にそれぞれ摺動可能に配設された一対のディスプレーサと、該一対のディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する一対の膨張室および収縮室とを備えたディスプレーサ機構と、
該一対のディスプレーサを互いに１８０度の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構と、
該一対のディスプレーサシリンダ同志を連通する作動気体回路と、
該作動気体回路中に配設された流体回転機と、を具備している、
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
該作動気体回路は、作動気体を一方のディスプレーサシリンダから該流体回転機を通して他方のディスプレーサシリンダに流す形態と、作動気体を他方のディスプレーサシリンダから該回転回転機を通して一方のディスプレーサシリンダに流す形態とに制御する制御機構を備えている、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
該作動気体回路は、一方のディスプレーサシリンダと該流体回転機の流体入口とを連通する第１の流入通路と、一方のディスプレーサシリンダと該流体回転機の流体出口とを連通する第１の流出通路と、他方のディスプレーサシリンダと該流体回転機の流体入口とを連通する第２の流入通路と、他方のディスプレーサシリンダと該流体回転機の流体出口とを連通する第２の流出通路とを備えており、
該制御機構は、該第１の流入通路に配設され一方のディスプレーサシリンダから該流体回転機側への作動気体の流通は許容するが該流体回転機側から一方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通を遮断する第１の逆止弁と、該第１の流出通路に配設され該流体回転機側から一方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通は許容するが一方のディスプレーサシリンダから該流体回転機側への作動気体の流通を遮断する第２の逆止弁と、該第２の流入通路に配設され他方のディスプレーサシリンダ側から該流体回転機側への作動気体の流通は許容するが該流体回転機側から他方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通を遮断する第３の逆止弁と、該第２の流出通路に配設され該流体回転機側から他方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通は許容するが他方のディスプレーサシリンダ側から該流体回転機側への作動気体の流通を遮断する第４の逆止弁とからなっている、請求項２記載のスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリングエンジン、更に詳しくは作動気体の流動によって流体回転機を作動するスターリングエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリングエンジンは、一般にシリンダと、該シリンダ内に摺動可能に配設されたディスプレーサと、該ディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する膨張室および作動室と、該作動室内の作動気体の圧力変化に対応して作動せしめられるパワーピストンと、ディスプレーサに連結され該ディスプレーサを所定のタイミングで作動する作動ロッドとを具備している。このようなディスプレーサ式のスターリングエンジンは、作動気体が加熱・冷却されることによる膨張・収縮に伴う上記作動室内の圧力変化に対応してパワーピストンを作動するようになっている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−４４５７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
而して、従来のスターリングエンジンは、作動気体の膨張・収縮に伴う作動室内の圧力変化に対応してパワーピストンを作動せしめる構成であるため、作動流体の膨張分をパワーピストンのストローク以上に回収することができず、熱効率としては必ずしも良好とはいえない。
【０００５】
本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その主たる技術的課題は、作動流体の膨張分を全て回収することができ、熱効率の良いスターリングエンジンを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記主たる技術的課題を解決するために、本発明によれば、一対のディスプレーサシリンダと、該一対のディスプレーサシリンダ内にそれぞれ摺動可能に配設された一対のディスプレーサと、該一対のディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する一対の膨張室および収縮室とを備えたディスプレーサ機構と、
該一対のディスプレーサを互いに１８０度の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構と、
該一対の収縮室または膨張室同志を連通する作動気体回路と、
該作動気体回路中に配設された流体回転機と、を具備している、
ことを特徴とするスターリングエンジンが提供される。
【０００７】
上記作動気体回路は、作動気体を一方のディスプレーサシリンダから流体回転機を通して他方のディスプレーサシリンダに流す形態と、作動気体を他方のディスプレーサシリンダから回転回転機を通して一方のディスプレーサシリンダに流す形態とに制御する制御機構を備えている。
また、上記作動気体回路は、一方のディスプレーサシリンダと流体回転機の流体入口とを連通する第１の流入通路と、一方のディスプレーサシリンダと流体回転機の流体出口とを連通する第１の流出通路と、他方のディスプレーサシリンダと流体回転機の流体入口とを連通する第２の流入通路と、他方のディスプレーサシリンダと流体回転機の流体出口とを連通する第２の流出通路とを備えており、
上記制御機構は、第１の流入通路に配設され一方のディスプレーサシリンダから流体回転機側への作動気体の流通は許容するが流体回転機側から一方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通を遮断する第１の逆止弁と、第１の流出通路に配設され流体回転機側から一方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通は許容するが一方のディスプレーサシリンダから流体回転機側への作動気体の流通を遮断する第２の逆止弁と、第２の流入通路に配設され他方のディスプレーサシリンダ側から流体回転機側への作動気体の流通は許容するが流体回転機側から他方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通を遮断する第３の逆止弁と、第２の流出通路に配設され流体回転機側から他方のディスプレーサシリンダ側への作動気体の流通は許容するが他方のディスプレーサシリンダ側から流体回転機側への作動気体の流通を遮断する第４の逆止弁とからなっている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従って構成されたスターリングエンジンの好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【０００９】
図１には、本発明に従って構成されたスターリングエンジンの第１の実施形態が示されている。
図１に示す実施形態のスターリングエンジンは、ディスプレーサ機構２を具備している。ディスプレーサ機構２は、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂと、該一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂ内にそれぞれ摺動可能に配設された一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂと、該一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂの作動に伴って流動する作動気体が流出入する一対の膨張室２３ａ、２３ｂおよび一対の収縮室２４ａ、２４ｂとからなっている。一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂはアルミ合金等によって形成され、支持枠体３によって互いに連結されている。一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの一対の膨張室２３ａ、２３ｂ側の端部は図示しない適宜の加熱手段によって加熱されるようになっている。また、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの一対の収縮室２４ａ、２４ｂ側の端部は、自然冷却でもよいが適宜の冷却手段によって冷却することが望ましい。このように構成された一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂ内および後述する作動気体回路内には、水素やヘリウム等の比熱の小さい作動気体が封入される。上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂは比重が小さい材料によって円筒状に形成され、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの内周面との間に所定の隙間を有して摺動可能に構成されている。この一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂがそれぞれ一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂ内を図において上下方向に作動することにより、作動気体が上記隙間を通してそれぞれ一対の収縮室２４ａ、２４ｂと一対の膨張室２３ａ、２３ｂに流出入するようになっている。
【００１０】
図示の実施形態におけるスターリングエンジンは、上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを互いに１８０度の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構４を具備している。図示の実施形態におけるディスプレーサ作動機構４は、電動モータ４１と、該電動モータ４１の一対の駆動軸４１１ａ、４１１ｂに互いに１８０度の位相差をもって設けられた一対のクランクジャーナル４２ａ、４２ｂと、該一対のクランクジャーナル４２ａ、４２ｂにそれぞれ一端（図において下端）が連結された一対の連結ロッド４３ａ、４３ｂと、該一対の連結ロッド４３ａ、４３ｂのそれぞれ他端（図において上端）と一端（図において下端）が一対の連結機構４４ａ、４４ｂを介して連結され一対のディスプレーサロッド４５ａ、４５ｂとからなっており、この一対のディスプレーサロッド４５ａ、４５ｂのそれぞれ他端（図において上端）が上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂと連結されている。このように構成されたディスプレーサ作動機構４は、電動モータ４１を回転駆動すると一対のクランクジャーナル４２ａ、４２ｂ、一対の連結ロッド４３ａ、４３ｂ、一対の連結機構４４ａ、４４ｂおよび一対のディスプレーサロッド４５ａ、４５ｂを介して一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを互いに１８０度の位相差をもって図において上下方向に作動する。
【００１１】
図示の実施形態におけるスターリングエンジンは、上記ディスプレーサ機構２の一対の収縮室２４ａ、２４ｂ同志を連通する作動気体回路５と、該作動気体回路５中に配設された流体回転機としてのベーンモータ６とを具備している。図示の実施形態における作動気体回路５は、一方の収縮室２４ａとベーンモータ６の流入口６１とを連通する第１の流入通路５１と、一方の収縮室２４ａとベーンモータ６の流出口６２とを連通する第１の流出通路５２と、他方の収縮室２４ｂとベーンモータ６の流入口と６１を連通する第２の流入通路５３と、他方の収縮室２４ｂとベーンモータ６の流出口６２とを連通する第２の流出通路５４とからなっている。このように構成された作動気体回路５は、作動気体を一方の収縮室２４ａからベーンモータ６を通して他方の収縮室２４ｂに流す形態と、作動気体を他方の収縮室２４ｂからベーンモータ６を通して一方の収縮室２４ａに流す形態とに制御する制御機構７を備えている。この制御機構７は、図示の実施形態においては、上記第１の流入通路５１と第１の流出通路５２と第２の流入通路５３および第２の流出通路５４にそれぞれ配設された第１の逆止弁７１と第２の逆止弁７２と第３の逆止弁７３および第４の逆止弁７４とからなっている。第１の逆止弁７１は、一方の収縮室２４ａ側からベーンモータ６側への作動気体の流通は許容するがベーンモータ６側から一方の収縮室２４ａ側への作動気体の流通を遮断するように構成されている。第２の逆止弁７２は、ベーンモータ６側から一方の収縮室２４ａ側への作動気体の流通は許容するが一方の収縮室２４ａ側からベーンモータ６側への作動気体の流通を遮断するように構成されている。また、第３の逆止弁７３は、他方の収縮室２４ｂ側からベーンモータ６側への作動気体の流通は許容するがベーンモータ６側から他方の収縮室２４ｂ側への作動気体の流通を遮断するように構成されている。第４の逆止弁７４は、ベーンモータ６側から他方の収縮室２４ｂ側への作動気体の流通は許容するが他方の収縮室２４ｂ側からベーンモータ６側への作動気体の流通を遮断するように構成されている。なお、ベーンモータ６の回転軸６３には、図示しない発電機が装着される。
【００１２】
図１に示す実施形態のスターリングエンジンは以上のように構成されており、以下その作動について説明する。
図１に示すスターリングエンジンは、ディスプレーサ作動機構４により上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを互いに１８０度の位相差をもって作動することによって駆動される。一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂが図１において実線で示す状態においては、一方のディスプレーサ２２ａが下死点に位置し、他方のディスプレーサ２２ｂが上死点に位置している。この状態においては、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの一方の膨張室２３ａ内の作動気体が加熱されされて膨張し、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの他方の収縮室２４ｂ内の作動気体が冷却されて収縮する。従って、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの一方の膨張室２３ａ内で膨張せしめられた作動気体がディスプレーサシリンダ２１ａとディスプレーサ２２ａとの間の隙間を通して一方の収縮室２４ａに流入し、更に第１の流入通路５１および第１の逆止弁７１を通してベーンモータ６の流入口６１からベーンモータ６に流入する。この結果、ベーンモータ６が回転駆動される。ベーンモータ６を回転駆動した作動気体は、ベーンモータ６の流出口６２から第４の逆止弁７４および第４の流入通路５４を通して、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの他方の収縮室２４ｂ内に流入する。
【００１３】
上述したように作動気体が流動している際に、ディスプレーサ作動機構４により一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂも作動せしめられており、図１において２点鎖線で示す位置、即ち一方のディスプレーサ２２ａが上死点に位置し、他方のディスプレーサ２２ｂが下死点に位置付けられる。一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂが図１において２点鎖線で示す位置に位置付けられた状態においては、一方の膨張室２３ａ内の作動気体は一方の収縮室２４ａに流入し、他方の収縮室２４ｂ内の作動気体は他方の膨張室２４ａに流入する。この結果、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの他方の膨張室２３ｂ内の作動気体が加熱されされて膨張し、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの一方の収縮室２４ａ内の作動気体が冷却されて収縮する。従って、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの他方の膨張室２３ｂ内で膨張せしめられた作動気体が他方のディスプレーサシリンダ２１ｂとディスプレーサ２２ｂとの間の隙間を通して他方の収縮室２４ｂに流入し、更に第３の流入通路５５および第３の逆止弁７３を通してベーンモータ６の流入口６１からベーンモータ６に流入する。この結果、ベーンモータ６が回転駆動される。ベーンモータ６を回転駆動した作動気体は、ベーンモータ６の流出口６２から第２の逆止弁７２および第２の流入通路５２を通して、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの他方の収縮室２４ａ内に流入する。
【００１４】
上述した作動が繰り返されることにより、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの一方の収縮室２４ａから流出される作動気体と他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの収縮室２４ｂから流出される作動気体が交互にベーンモータ６に流入し、ベーンモータ６が回転駆動され、回転軸６３に装着された図示しない発電機が作動せしめられる。このように作動気体によって回転駆動されるベーンモータ６等の流体回転機は無限ストロークであるため、作動気体の膨張分を全て回収することができ、熱効率の良いスターリングエンジンを得ることができる。
【００１５】
次に、本発明に従って構成されたスターリングエンジンの第２の実施形態について、図２を参照して説明する。なお、図２に示す第２の実施形態においては、ディスプレーサ作動機構の構成が上記図１に示す第１の実施形態と相違するが、それ以外の構成は上記図１に示す第１の実施形態の各構成部材と実質的に同一であるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図２に示す第２の実施形態におけるスターリングエンジンのディスプレーサ作動機構４０は、両端に互いに１８０度の位相差をもって設けられた一対のクランクジャーナル４２ａ、４２ｂを装着した駆動軸４６と、該駆動軸４６に装着されたプーリー４７と、流体回転機としてのベーンモータ６の回転軸６３に装着されたプーリー４８と、該プーリー４８とプーリー４７とに捲回されたベルト４９とからなっている。このように構成されたディスプレーサ作動機構４０は、スターリングエンジンの始動時には他の作動手段によって駆動軸４６を作動する。そして、上述した第１の実施形態のようにベーンモータ６が回転せしめられると、この回転が回転軸６３、プーリー４８、ベルト４９、プーリー４７、駆動軸４６、一対のクランクジャーナル４２ａ、４２ｂ、一対の連結ロッド４３ａ、４３ｂ、一対の連結機構４４ａ、４４ｂ、一対のディスプレーサロッド４５ａ、４５ｂを介して一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂに伝達され、一対のディスプレーサロッド４５ａ、４５ｂは互いに１８０度の位相差をもって図において上下方向に作動せしめる。
【００１６】
次に、本発明に従って構成されたスターリングエンジンの第３の実施形態について、図３を参照して説明する。なお、図３に示す第３の実施形態は、流体回転機としてタービン８を用い、このタービン８によって発電機９を作動するように構成したもので、それ以外の構成は上記図１に示す第１の実施形態の各構成部材と実質的に同一であるため、同一部材には同一符号を付してその説明は省略する。
図３に示す第３の実施形態においては、流体回転機としてタービン８の流体入口８１が第１の流入通路５１と第２の流入通路５３に連通され、タービン８の流体出口８２が第１の流出通路５２と第２の流出通路５４に連通されている。そして、タービン８の回転軸８３に永久磁石式の発電機９が配設されている。このように構成された第３の実施形態におけるスターリングエンジンは、ディスプレーサ作動機構４により上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを互いに１８０度の位相差をもって作動することによって駆動される。そして、上述した第１の実施形態と同様に一方のディスプレーサシリンダ２１ａの一方の収縮室２４ａから流出される作動気体と他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの収縮室２４ｂから流出される作動気体が交互にタービン８の流入口８１からタービン８に流入し、流出口８２を通して流通することにより、タービン８が回転駆動される。このようにタービン８が回転することにより、タービン８の回転軸８３に取り付けられた発電機９が駆動され、作動気体が膨張せしめられたエネルギーは発電機９によって発電される電力によって回収される。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によるスターリングエンジンは以上のように構成され、作動気体によって流体回転機を駆動するので、流体回転機は無限ストロークであるため、作動気体の膨張分を全て回収することができ、熱効率の良いスターリングエンジンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成されたスターリングエンジンの第１の実施形態を示す概略構成図。
【図２】本発明に従って構成されたスターリングエンジンの第２の実施形態を示す概略構成図。
【図３】本発明に従って構成されたスターリングエンジンの第３の実施形態を示す概略構成図。
【符号の説明】
２：ディスプレーサ機構
２１ａ、２１ｂ：ディスプレーサシリンダ
２２ａ、２２ｂ：ディスプレーサ
２３ａ、２３ｂ：膨張室
２４ａ、２４ｂ：収縮室
３：支持枠体
４：ディスプレーサ作動機構
４１：電動モータ
４２ａ、４２ｂ：クランクジャーナル
４３ａ、４３ｂ：連結ロッド
４４ａ、４４ｂ：連結機構
４５ａ、４５ｂ：ディスプレーサロッド
５：作動気体回路
５１：第１の流入通路
５２：第２の流入通路
５３：第３の流入通路
５４：第４の流入通路
６：ベーンモータ
６１：流入口
６２：流出口
７：制御機構
７１：第１の逆止弁
７２：第２の逆止弁
７３：第３の逆止弁
７４：第４の逆止弁
４０：ディスプレーサ作動機構
４６：駆動軸
４７：プーリー
４８：プーリー
４９：ベルト
２：タービン
８１：流入口
８２：流出口
９：発電機
【図１】
2004204692.tif 000003
【図２】
2004204692.tif 000004
【図３】
2004204692.tif 000005