(57)【要約】【課題】パワーピストンやディスプレーサを使用せず、クランク機構等を必要とせず、ヘリュウムガスを使用せず構造が簡単かつ頑丈で、過酷な使用条件でも使用でき、メンテナンスフリーであるスターリングエンジン構造を提供すること。【解決手段】隔壁で気室Ａと気室Ｂに仕切り、該隔壁に往復流型タービンを設け、該気室Ａの上端部にファン、該ファン上部に流路切り替え弁を該往復流型タービンと同一軸線上に配設し、該流路切り替え弁から加熱器と冷却器へそれぞれ流路を形成し、さらに該加熱器と冷却器の排出口を上記気室Ａへそれぞれ流路を形成し、上記隔壁に設けた往復流型タービンの下部同一軸線上に作用体を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気室を隔壁で気室Ａと気室Ｂに仕切り、該隔壁に往復流型タービンを設け、該気室Ａの上端部にファン、該ファン上部に流路切り替え弁を配設し、該流路切り替え弁により加熱器と冷却器へそれぞれ流路を形成し、さらに該加熱器と冷却器の排出口を上記気室Ａへそれぞれ流路を形成し、上記隔壁に設けた往復流型タービンにより作用体を駆動することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
上記流路切り替え弁は、ハウジング部分とハウジング内部にあって回転する回転部から構成され、該ハウジング部分には加熱器への流路、及び冷却器への流路に導通する開口部がそれぞれ設けられ、該回転部にも開口部が設けられており、該回転部の回転により該回転部の開口部と該ハウジング部分の加熱器への流路に導通する開口部が重なる位置において加熱器への流路が開かれ、また回転位置の変化により該回転部の開口部と該ハウジング部分の冷却器への流路に導通する開口部が重なる位置において冷却器への流路が開かれることを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
上記ファンは、上記往復流型タービンの同一軸線上に設置され該往復流型タービンにより延長軸を介して駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
上記流路切り替え弁の回転部は上記同一軸線上の軸のまわりを自由に回転し、該流路切り替え弁回転部に設けた羽根を上記ファンによる風圧を受け回転させ、電磁石により設定位置に停止させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリングエンジン。  
【請求項５】
上記流路切り替え弁、ファン、往復流型タービン及び作用体の同一軸線上の軸は、中空軸で構成され、該中空軸へ該流路切り替え弁位置と導通する開口と気室Ｂ内下部と導通する開口とを設け、該中空軸内部にラビリンスを設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
上記気室Ａは外筒と内筒よりなる２重構造とし、該外筒と内筒間の空所に仕切り板を備えて熱気通路と冷気通路を形成し、冷気通路を冷却器としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
上記気室Ｂへ気室Ａに設けた同様のファン及び流路切り替え弁を配設し、該流路切り替え弁により気室Ａに設けた同様の加熱器と冷却器へそれぞれ流路を形成し、さらに該加熱器と冷却器の排出口を該気室Ｂへそれぞれ流路を形成したことを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項８】
上記ファン風上又は風下側に再生熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに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、簡易構造にして操作、維持容易なスターリングエンジン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、熱源の種類を問わず、現在、無駄となっているエネルギーの有効利用が可能であり、静粛で低公害であるので、各種のタイプが研究開発され、重要な将来熱機関の一つと目されている。
【０００３】
スターリングエンジンは、気室内に封入したガスを加熱及び冷却して該ガスを膨張及び収縮させ、動力を得るものである。
従来のディスプレーサ型スターリングエンジンは、ディスプレーサの往復動により、該ガスを加熱部と冷却部との間で往復させて該ガスを加熱及び冷却し、膨張及び収縮させて、パワーピストンを押すことにより動力を得るものである。ディスプレーサは、パワーピストンと位相をもって連動するように構成されている。
従来のスターリングエンジンは、ピストン、シリンダ等の配置によってα型、β型、γ型の３種類に分類される。それら３種類の動作の詳細については、特許文献１に記載されている。
【０００４】
特許文献１では、冷熱源にガスハイドレードを用い高出力比と高効率が得られるスターリングエンジンが提案されている。
また、出力を増大させるとともに、耐震動性を向上させる目的で特許文献２に言及されるα型のスターリングエンジンが提案されている。
さらに、小型でも温排水や温泉熱、廃液、太陽熱等、小温度差を効率良く運動エネルギーに変換することを可能にするための装置として、水素吸蔵合金が圧縮性作動流体である水素を冷却、加熱により吸収、放出する性質（水素化反応）を利用して加圧、減圧を相乗させ、ピストンを作動させるγ型のスターリングエンジンが特許文献３で提案されている。
γ型のスターリングエンジンの変形としてフリーピストンをディスプレーサとしたスターリングエンジンがあり、ディスプレーサにコネクティングロッドやクランクを用いないで、ディスプレーサ端部にピストンを設け、該ピストンがガスバネ空間を揺動することでシリンダ内に封入したガスを加熱部と冷却部との間で往復させてシリンダ内に圧力差を生じさせ、パワーピストンを駆動するフリーピストン型圧縮機が特許文献４で提案されている。
【０００５】
しかしながら、上記の従来のスターリングエンジンでは、精密な加工が必要で経費を要し、ピストンの往復動運動を回転運動に変換するのにクランク機構が必要なため、構造が複雑となり、高圧のピストン摺動部の潤滑性や気密性を保持するためメンテナンスが必要で、高温に耐えるため特殊な耐熱合金を必要とし、ディスプレーサは、ピストンクランク軸からリンク機構を通じて動かしているが、大きなストロークを得るために大きな機構が必要となり、また耐圧壁を貫通して往復運動を行うロッドが必要になり、構造が複雑になって費用がかかり、気密性に配慮が必要で、また高速運転が困難となり、出力向上に制約を受け、希少な資源であるヘリュウムガスを使用するなど種々の問題点があった。
【０００６】
一方、ガス流の流れの方向が逆転しても同一方向に回転トルクを発生する装置には往復流型タービンがあり、往復流型衝動タービンや案内羽根を持たない対称翼型のウェルズタービンが提案されている。往復流型タービンは波力発電装置にすでに実用されている。
【０００７】
特許文献５で、出力軸に固着したロータハブと、このロータハブの周囲に等間隔でハブの軸線方向に交差させるようにして一端を固着した略々半月状断面の複数のタービンブレードと、このタービンブレードの両側に配置した案内羽根と、この案内羽根のタービンブレード側の端部を回転自在に支持する回転軸と、上記案内羽根を所定の回転範囲に制限するストッパとを具えることを特徴とする自己可変ピッチ案内羽根を有する衝動タービンが提案されている。また同様の目的で、取り付け角を有する対称翼型複葉式ウェルズタービンを用いた波力発電装置が特許文献６で提案されている。
また、波力発電装置のタービン発電効率の向上を図るため、回転翼を適正な角度に制御し、同一方向に回転させるタービンが特許文献７で提案されている。
さらに、特許文献８では、往復流型空気タービン装置が提案され、頁（２）４の１１〜１４行で、ロータリムはロータブレードを保持するとともに、通常回転時にはフライホイールの働きをするものでもあり、安定な回転速度を得る面で有効であることが提案されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２７５０１８号公報
【特許文献２】実開平６−６０７５１号公報
【特許文献３】特開２００２−２０６８１９号公報
【特許文献４】特公平８−３０４６５号公報
【特許文献５】特公平３−３９１９７号公報
【特許文献６】特公平６−８９６４５号公報
【特許文献７】特開平９−２８７５４６号公報
【特許文献８】特公昭６１−３３９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述するような従来技術に鑑み、本発明では、作動ガスを移動するためにディスプレーサを必要とせず、パワーピストン及び往復動運動を回転運動に変換するクランク機構を必要とせず、流体抵抗が小さいヘリュウムを必要とせず、特殊な耐熱材料等を使用せず、構造が簡単で、生産コストが低く、過酷な使用条件でも使用でき、耐久性が高く操作が簡単なスターリングエンジンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を有する発明を完成するに至った。
請求項１の発明は、気室を隔壁で気室Ａと気室Ｂに仕切り、該隔壁に往復流型タービンを設け、該気室Ａの上端部にファン、該ファン上部に流路切り替え弁を配設し、該流路切り替え弁により加熱器と冷却器へそれぞれ流路を形成し、さらに該加熱器と冷却器の排出口を上記気室Ａへそれぞれ流路を形成し、上記隔壁に設けた往復流型タービンにより、発電機や送風機等の作用体を駆動することを特徴とするもので、ディスプレーサを必要とせず、パワーピストン及び往復動運動を回転運動に変換するためのクランク機構を必要としないスターリングエンジンを実現できることを見出した。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１記載のスターリングエンジンであって、上記流路切り替え弁は、ハウジング部分とハウジング内部にあって回転する回転部より構成され、該ハウジング部分には加熱器への流路、及び冷却器への流路に導通する開口部がそれぞれ設けられ、該回転部にも開口部が設けられており、該回転部の回転により該回転部の開口部と該ハウジング部分の加熱器への流路に導通する開口部が重なる位置において加熱器への流路が開かれ、また回転位置の変化により該回転部の開口部と該ハウジング部分の冷却器への流路に導通する開口部が重なる位置において冷却器への流路が開かれることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１〜２のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記ファンは、上記往復流型タービンの同一軸線上に設置され該往復流型タービンにより延長軸を介して駆動することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記流路切り替え弁の回転部は上記同一軸線上の軸のまわりを自由に回転し、該流路切り替え弁回転部に設けた羽根を上記ファンによる風圧を受け回転させ、電磁石により設定位置に停止させることを特徴とするものである。  
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記流路切り替え弁、ファン、往復流型タービン及び作用体の同一軸線上の軸は、中空軸で構成され、該中空軸へ該流路切り替え弁位置と導通する開口と気室Ｂ内下部と導通する開口とを設け、該中空軸内部にラビリンスを設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記気室Ａを外筒と内筒よりなる２重構造とし、該外筒と内筒間の空所に仕切り板を備えて熱気通路と冷気通路を形成し、冷気通路を冷却器としたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項７の発明は、請求項１に記載されているスターリングエンジンであって、上記気室Ｂへ気室Ａに設けた同様のファン及び流路切り替え弁を配設し、該流路切り替え弁により気室Ａに設けた同様の加熱器と冷却器へそれぞれ流路を形成し、さらに該加熱器と冷却器の排出口を該気室Ｂへそれぞれ流路を形成したことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項１〜７に記載されているスターリングエンジンであって、上記ファン風上又は風下側に再生熱交換器を設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のスターリングエンジンは、従来のスターリングエンジンに比し、ディスプレーサを使用せず、ファンと流路切り替え弁を使用しているので、加熱・冷却は一方向流で行うため従来のスターリングエンジンと同様の熱効率を得るに再生熱交換器を必要とせず、その結果流路抵抗が低いため作動ガスは窒素又は空気等でよく、特に稀少なヘリュウムを使う必要が無い。またディスプレーサがないため気室内側に断熱材を付けることができ、熱効率を向上できるとともに気室を外部から冷却することが許され、気室外殻を低温に保つことにより特殊な耐熱合金を使用する必要がない。
また、パワーピストンを使用せず往復流型タービンを使用しているので、発電機等に直接回転運動を伝えて動力として取り出すことができ、気密漏れの問題が発生せず、摺動部潤滑の必要もなく、摩擦等による機械的損失が少なく効率が向上し、構造は簡単で、精度が高い加工を必要とする部分は局限され、組立が容易で、耐久性が高く、操作は簡単であり、振動が少なく、騒音が低く静粛である等種々の優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための具体的な形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明のスターリングエンジン１００の基本形式を示すものである。
同図において、気室１０１を隔壁１１０で気室Ａと気室Ｂに仕切り、該隔壁１１０に回転軸２００を設け、往復流型タービン１２０が固設されている。気室１０１上端にはファン１２１を設置し、該ファン１２１下流には流路切り替え弁３００が設置されている。該ファン１２１を駆動する手段や該流路切り替え弁３００を駆動し制御する手段は、ここで言及しない。１３０は、回転軸２００の最下部に設けられた発電機で、気室１０１外部に設けられている。１５０は加熱器で、一端が流路切り替え弁３００と流路１５１を介して導通し、他端が気室Ａの下部と流路１５２を介して導通している。１６０は冷却器で、一端が流路切り替え弁３００と流路１６１を介して導通し、他端が気室Ａの下部と流路１６２を介して導通している。
【００２１】
上記作用は、まずファン１２１により気室Ａ内の作動ガスである窒素ガスの流れが生じ、流路切り替え弁３００が、矢印で示すように流路１５１へ導通する位置にある場合は、該窒素ガス流が加熱器１５０を通過して流路１５２から気室Ａ下部へ矢印で示すように流れ込むことにより、気室Ａ内の窒素ガスが加熱されて膨張し、該窒素ガスが気室Ａから気室Ｂへ移動するので、往復流型タービン１２０が窒素ガス流によって回転する。次に、上記流路切り替え弁３００が信号により流路１６１へ導通するように切り替わり、該窒素ガス流が冷却器１６０を通過して流路１６２から気室Ａ下部へ流れ込むことにより気室Ａ内の窒素ガスが冷却されて収縮し、気室Ｂ内の窒素ガスが気室Ａへ移動するので、往復流型タービン１２０が窒素ガス流によって回転する。生じるガス流は加熱時と逆方向であるが、往復流型タービン１２０は同一方向に回転トルクを発生するので同一方向に回転をし続けることにより、発電機１３０を運転し電気として動力を得ることができ、また直接回転トルクとして動力を取り出すこともできる。
【００２２】
図２は、上記流路切り替え弁３００の原理を示す。該流路切り替え弁３００は、ハウジング部分３１０と該ハウジング部分３１０内部にあって回転する回転部３２０よりなり、ハウジング部分３１０にはそれぞれ加熱器１５０、及び冷却器１６０に通じる開口部３１１、３１２が設けられている。回転部３２０にも開口部３２１が設けられ、回転位置により回転部３２０開口部３２１がハウジング部分３１０の加熱器１５０に通じる開口部３１１に重なって加熱器１５０に通じる導通路が開かれる。このとき冷却器１６０に通じる開口部３１２が閉鎖される（図２（ａ））。
また、回転位置の変化により回転部３２０開口部３２１がハウジング部分３１０の冷却器１６０に通じる開口部３１２に重なって冷却器１６０に通じる導通路が開かれる。このとき加熱器１５０に通じる開口部３１１が閉鎖される（図２（ｂ））。
【００２３】
図２では、ハウジング部分３１０と回転部３２０の形状を円筒としたが、円筒に限らず回転体であればよい。又はハウジング部分３１０の加熱器１５０、及び冷却器１６０に通じる開口部３１１、３１２の位置は側面でも天井部３１３でもよく、またハウジング部分３１０の開口部３１１、３１２及び回転部３２０開口部３２１は各々複数でもよい。
【００２４】
図３は、上記ファン１２１、及び上記流路切り替え弁３００を駆動、また制御する方法の例を示す。
該ファン１２１を上記往復流型タービン１２０の同一軸線上に設置して、該往復流型タービン１２０により延長軸２０１を介して駆動し、また該流路切り替え弁３００回転部３２０内側に羽根３３０を設け、上記ファン１２１による風圧（矢印方向で示す）を受けて回転トルクを発生さて回転させ、ハウジング部分３１０に取り付けた電磁石３４０と回転部３２０に取り付けた鉄片３５０間の吸引力により設定位置に停止させるものである。該ファン１２１及び該流路切り替え弁３００付近は高温になり、永久磁石、電動モーター、歯車等は使用困難であるため永久磁石、電動モーター、歯車等を用いず上記ファン１２１、及び上記流路切り替え弁３００を駆動、また制御するものである。
また該ファン１２１は、該往復流型タービン１２０の同一軸線上に設置して、前記延長軸２０１により駆動する以外に歯車、ベルト他の動力伝達手段を介して駆動することも可能である。
【００２５】
また、該流路切り替え弁３００回転部３２０を電磁石３４０により設定位置に停止させる方法は、図３で示す電磁石３４０と鉄片３５０による方法以外にバリアブルリアクタンス型ステッピングモーターの原理を応用する方法（図示せず）、ヒステリシスブレーキによる方法（図示せず）がある。
【００２６】
図４は、上記ファン１２１の軸受け２１０及び上記流路切り替え弁３００の軸受け２１１を冷却する方法の例を示す。
上記ファン１２１の軸受け２１０及び上記流路切り替え弁３００の軸受け２１１付近は、高温になるため冷却が必要となるが、前記往復流型タービン１２０によりファン１２１を駆動する延長軸２０１及び往復流型タービン１２０により作用体を駆動する回転軸２００を中空とし、該延長軸２０１の上端は広がってファン１２１の軸受け室２１４を形成してファン１２１の軸受け２１０を収納している。該ファン１２１の軸受け２１０は、該流路切り替え弁３００のハウジング部分３１０の天井部３１３に固定された中心軸３１４にとりつけられており、該延長軸２０１及びファン１２１は、該ファン１２１の軸受け２１０を介して中心軸３１４の廻りを回転する。また該流路切り替え弁３００の回転部３２０は、流路切り替え弁３００の軸受け室２１４を共有し、流路切り替え弁３００の軸受け２１１を収納している。該流路切り替え弁３００の軸受け２１１は、該流路切り替え弁３００のハウジング部分３１０の天井部３１３に固定された中心軸３１４に取り付けられており、該流路切り替え弁３００の回転部３２０は、該流路切り替え弁３００の軸受け２１１を介して中心軸３１４の廻りを回転する。該延長軸２０１の中空部の上端は該ファン１２１の軸受け室２１４内に開口しており、下端は前記回転軸２００の中空部に接続し、該回転軸２００の中空部の下端は閉じられているが、気室Ｂ内下部に開口（図示せず）を設けてある。該延長軸２０１の中空部内部にはラビリンス２２０を設けている。また該延長軸２０１は、断熱構造としている。該回転軸２００と該延長軸２０１は、往復流型タービン１２０位置で接合（図示せず）され一体で構成し、中空部も導通している。すなわち、往復流型タービン１２０〜作用体間を回転軸２００とし、往復流型タービン１２０〜ファン１２１間を延長軸２０１で構成している。往復流型タービン１２０〜作用体間は大きなトルクがかかり、往復流型タービン１２０〜ファン１２１間は、ファン１２１を回すのみで大きなトルクがかからず、材質、構造が異なる。
【００２７】
作動ガスが加熱される時、まず気室Ａ内の圧力ＰＡが上昇し、次に気室Ｂ内の圧力ＰＢが上昇していく。この加熱される間は、気室Ａ内の圧力ＰＡ＞気室Ｂ内の圧力ＰＢである。従って、気室Ａと気室Ｂが内部中空の延長軸２０１及び回転軸２００で導通しているので、作動ガスが、気室Ａから内部中空の延長軸２０１及び回転軸２００を通じ、気室Ｂへ流れる。気室Ａ内の圧力ＰＡが最大となればＰＡの上昇は停止し、気室Ａ内の圧力ＰＡ＝気室Ｂ内の圧力ＰＢとなる。さらに作動ガスが冷却される時、気室Ａ内の圧力ＰＡが下降し、次に気室Ｂ内の圧力ＰＢが下降していく。この冷却される間は気室Ａ内の圧力ＰＡ＜気室Ｂ内の圧力ＰＢである。
【００２８】
従って、気室Ａと気室Ｂが、内部中空の延長軸２０１及び内部中空の回転軸２００で導通しているので、作動ガスが、気室Ｂから、内部中空の延長軸２０１及び内部中空の回転軸２００を通じ、気室Ａへ流れる。前記ラビリンス２２０は、作動ガスが下側へ移動する時抵抗が大きく、上側へ移動する時抵抗が小さい。
結果として、気室Ｂの冷たい作動ガスが、該延長軸２０１及び回転軸２００内部を上向き方向に流れる流れが優勢となり、流路上にある上記往復流型タービン１２０の軸受け２１３（図６）、ファン１２１の軸受け２１０及び上記流路切り替え弁３００の軸受け２１１は冷却される。
該延長軸２０１を通過する冷たい作動ガスが加熱されないように、該延長軸２０１を断熱構造としている。
【００２９】
図５は、図１に示した本発明によるスターリングエンジン１００の基本形式に、図２に示した上記流路切り替え弁３００、また図３に示した上記ファン１２１を、延長軸２０１を介して上記往復流型タービン１２０により駆動する方法を組み合わせたものであり、本発明によるスターリングエンジン１００を具体化するための標準的な形式を示したものである。
【００３０】
図６は、図５の例に基づく実機の構成図である。加熱器１５０は、図１で示す気室１０１最上部の蓋部１０２に取り付けられており、上流は上記流路切り替え弁３００に接続され、下流は、流路１５１を介して気室Ａに接続されている。
冷却器１６０は、複数の冷却管１６３として側面に取り付けられおり、上流は流路切り替え弁３００に接続され、下流は流路１６１を介して気室Ａに接続されている。流路切り替え弁３００の回転部３２０内側下部には羽根３３０が取り付けられており、ファン１２１による作動ガスの流れにより、該回転部３２０が回転する。ハウジング部分３１０に取り付けた電磁石３４０への通電により回転部３２０に取り付けた鉄片３５０が吸引されて回転部３２０の回転は停止する。停止位置は、加熱器１５０に通じる開口部３２３が開かれて冷却器１６３に通じる開口部３２２が閉鎖される位置、また加熱器１５０に通じる開口部３２３が閉鎖され冷却器１６３に通じる開口部３２２が開かれる位置とされている。
従って電磁石３４０への通電のＯＮ、ＯＦＦにより加熱器１５０側に通じる導通路を開き、同時に冷却器１６３側に通じる導通路を閉じ、又は冷却器１６３側に通じる導通路を開き、同時に加熱器１５０側に通じる導通路を閉じことができる。
【００３１】
上記ファン１２１は、延長軸２０１を介し往復流型タービン１２０により駆動されている。この方式により永久磁石、電動モーター、歯車等を用いず、該ファン１２１、及び該流路切り替え弁３００を駆動、また制御が可能である。
気室Ａ内の作動ガスは、ファン１２１により流路切り替え弁３００に送られるが、加熱器１５０側に通じる導通路が開かれた場合、作動ガスは気室Ａ、ファン１２１、流路切り替え弁３００、加熱器１５０、熱気流路１５１、気室Ａの矢印で示す経路で循環し、加熱器１５０により加熱される。
【００３２】
加熱された作動流体は、膨張し、気室Ａ、Ｂ間に設けられた隔壁１１０に設置された往復流型タービン１２０を通って気室Ｂに侵入するが、その過程で往復流型タービン１２０が作動ガス流によって回転する。次に上記流路切り替え弁３００が信号により切り替わり、冷却器１６３側に通じる導通路が開かれた場合、作動ガスは気室Ａ、ファン１２１、流路切り替え弁３００、流路１６１、冷却器１６３、気室Ａの矢印で示す経路で循環し、冷却器１６３により冷却される。冷却された作動流体は収縮し、気室Ｂに侵入していた作動ガスが往復流型タービン１２０を通って気室Ａに戻るが、その過程で往復流型タービン１２０が作動ガス流によって回転する。生じるガス流は加熱時と逆方向であるが、往復流型タービン１２０は同一方向に回転トルクを発生して回転を継続し、発電機１３０を運転して電気として動力を得ることができる。熱気流路１５１は、内部の熱気が伝熱により冷却されることを防ぐため断熱材２０３を設け断熱構造としている。
【００３３】
上記往復流型タービン１２０により、ファン１２１を駆動する延長軸２０１及び往復流型タービン１２０により作用体を駆動する回転軸２００は中空であり、上端はファン１２１の軸受け室２１４内に開口し、下端は気室Ｂ内の該中空回転軸２００の往復流型タービン１２０軸受け２１３の上部に開口２１２を有するので、該中空延長軸２０１と中空回転軸２００内には気室Ａが加熱されて作動ガスが膨張し圧力が上昇し、気室Ａ内の圧力ＰＡ＞気室Ｂ内の圧力ＰＢの時は、流路切り替え弁３００から気室Ｂに向かう流れが生じ、気室Ａが冷却され、気室Ａ内の圧力ＰＡ＜気室Ｂ内の圧力ＰＢの時は気室Ｂから流路切り替え弁３００に向かう流れが生じるが、中空延長軸２０１内部にはラビリンス２２０が設けられており、気室Ｂから流路切り替え弁３００に向かう方向の流路抵抗は、流路切り替え弁３００から気室Ｂに向かう方向の流路抵抗より小さい。このため気室Ｂから流路切り替え弁３００に向かう方向の作動ガス流量が、反対方向より大きくなる。
【００３４】
気室Ｂから流路切り替え弁３００に向かう方向の作動ガスは、気室Ｂ内の冷気通路１５３を通過する際、気室Ｂ外殻１０３を介して冷却され、往復流型タービン１２０軸受け２１３を冷却してから往復流型タービン１２０軸受け２１３の上部の開口２１２に導かれ、さらに中空延長軸２０１内を通ってファン１２１の軸受け室２１４内に導かれてファン１２１の軸受け２１０及び該流路切り替え弁３００の軸受け２１１を冷却する。該中空延長軸２０１は、内部を通る冷気が気室Ａ内の作動ガスで熱せられないため断熱構造としている。
【００３５】
また、気室１０１内側、気室Ａと蓋１０２間、気室Ａと気室Ｂ間は断熱材２０３、２０４、２０５（図示せず）で熱遮断されている。このため熱効率は向上するが、さらに気室１０１内側が断熱材２０３で断熱されているため、気室１０１外殻１０３は高温とならず、特に耐熱材料を使用する必要はない。
【００３６】
発電機１３０は、耐圧外殻１０３外の常圧環境にあり、耐圧、耐熱は要求されない。このため汎用目的の発電機１３０を使用できる。このため発電機１３０を駆動する回転軸２００は耐圧壁１０４を貫通することが必要となるが、回転軸２００耐圧壁１０４貫通構造は図１０の如く構成し、同図において２３０は耐圧貫通部で、２３１は前記回転軸２００を受ける軸受け、２３２は、高圧仕様の回転軸シールである。２個の軸受け２３１間に設けられた空隙２３４は、別途設けられた高圧ボンベ（図示せず）と接続部２３３が導通され、圧力調整弁（図示せず）を介し、気室Ｂ内の平均圧力に調整されているので、空隙２３４と気室Ｂ間には作動ガスの漏れがなく、空隙２３４から大気側へ多少のガス漏れがあっても、容易に入手できる窒素ガスであり問題とならない。
【００３７】
図６に示されるように、本発明のスターリングエンジン１００は、隔壁１１０を中心にして内蔵の各部品や装置を組み込むことができ、冷却器１６３を含む気室Ａ、気室Ｂ、加熱器１５０を取り付けた蓋部１０２はフランジ１０５をボルトナット（図示せず）で螺着するだけでよく、組立性がきわめて良好である。
【００３８】
図７は、図６に示した本発明によるスターリングエンジン１００の標準的な形式で冷却器１６３を気室１０１内に収納した例である。
上記気室Ａを外筒３６０と内筒３７０よりなる２重構造とし、該外筒３６０と内筒３７０間の空所３８０に、右図該当部平断面図に示す仕切り板３８１を備えて熱気通路３９０と冷気通路４００を形成し、冷気通路４００を冷却器１６０として使用することを特徴とするものである。
熱気通路３９０には、断熱材３９１を設け、内筒３７０と冷気通路４００間に断熱材３９２を設け、断熱構造としている。
【００３９】
また上記ファン１２１は、上記往復流型タービン１２０の同一軸線上に設置して該往復流型タービン１２０により延長軸２０１を介して駆動し、また上記流路切り替え弁３００回転部３２０内側下部（図６参照）に羽根３３０を設け、上記ファン１２１による風圧を受けて回転トルクを発生させて回転させ、ハウジング部分３１０に取り付けた電磁石３４０と回転部３２０に取り付けた鉄片３５０間の吸引力により設定位置に停止させるものである。
なお、外筒３６０は、水等で常時冷却されているので高温となることはなく、内筒３７０は、耐圧の必要はない。すなわち、外筒３６０は、圧力による応力を受けるが低温に保たれるため耐熱の必要はなく、内筒３７０は、高温となるが応力は受けないので、それぞれの材質選択肢が容易であるという効果がある。
この構造によれば極めてコンパクトな設計となり、小型機に適する。
【００４０】
図８は、本発明のスターリングエンジン１００を複動式とした例である。
気室Ｂにもファン１２２及び流路切り替え弁３０１を配設し、また加熱器１５５と冷却器１６５を設置して、該流路切り替え弁３０１により加熱器１５５と冷却器１６５へそれぞれ熱気流路１５６、冷気流路１６６を形成し、さらに該加熱器１５５と冷却器１６５の排出口を上記気室Ｂへそれぞれ流路１５７、１６７を形成して、上記気室Ａの加熱・冷却機能を気室Ｂにも付加したものである。なお、該ファン１２２、流路切り替え弁３０１、加熱器１５５、冷却器１６５は、気室Ａのファン１２１、流路切り替え弁３００、加熱器１５０、冷却器１６０と同じものを設けてもよい。
【００４１】
上記ファン１２１、１２２を上記往復流型タービン１２０により駆動することは困難となるが、上部に該ファン１２１、１２２と上記流路切り替え弁３００、３０１を駆動する電動機やステッピングモーター等（図示せず）を設ければよい。気室Ａの加熱・冷却のサイクルと気室Ｂの加熱・冷却のサイクルを逆位相にすることにより、気室Ａ内の作動ガスが加熱され膨張するとき、気室Ｂ内の作動ガスは冷却され収縮する。逆に気室Ａ内の作動ガスが冷却され収縮するとき、気室Ｂ内の作動ガスは加熱され膨張する。この結果、往復流型タービン１２０に加わる圧力差は２倍となり、往復流型タービン１２０の発生出力は２倍となり、中型機以上の高出力化に適する。
【００４２】
図９は、図５に示した本発明によるスターリングエンジン１００の標準的な形式に再生熱交換器４１０を取り付けたものである。
従来型のスターリングエンジンでは、作動ガスを加熱また冷却するのにディスプレーサの往復動により、該作動ガスを加熱部と冷却部との間で往復させている。このため該作動ガスを加熱するには冷却器を通過して、いったん冷却された該作動ガスを加熱器により加熱している。また該作動ガスを冷却するには加熱器を通過して、いったん加熱された該作動ガスを冷却器により冷却している。このため加熱器と冷却器の間に再生熱交換器を設置して熱効率の向上を図っているが、再生熱交換器は流路抵抗が高いため抵抗の少ないヘリュウムを使用している。
【００４３】
本発明によるスターリングエンジン１００では、加熱のためには作動ガスは流路切り替え弁３００を介し直接加熱器１５０に導かれ、冷却のためには作動ガスは流路切り替え弁３００を介し直接冷却器１６０に導かれる。このため再生熱交換器４１０を使用しなくても再生熱交換器を使用した従来型のスターリングエンジンと同等の熱効率が得られる。再生熱交換器４１０を使用しないため、ヘリュウムガスを使用する必要がなくなり、入手しやすい窒素ガスですむ。
しかし、本発明によるスターリングエンジン１００に再生熱交換器４１０を取り付ければ、さらに熱効率の向上が可能である。
【００４４】
再生熱交換器４１０を取り付ける位置は、流路切り替え弁３００の直上流とすることが必要である。ファンの直上流でも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のスターリングエンジン基本原理を示す概略断面図
【図２】本発明の要部断面図
【図３】本発明の要部断面図
【図４】本発明の要部断面図
【図５】本発明の基本型を示す概略断面図
【図６】本発明の実用例を示す概略断面図
【図７】本発明の他の実用例を示す概略断面図
【図８】本発明の他の実用例を示す概略断面図
【図９】本発明の他の実用例を示す概略断面図
【図１０】本発明の要部断面図
【符号の説明】
【００４６】
１００  スターリングエンジン
１０１  気室
１０２  蓋部
１０３  外殻
１０４  耐圧壁
１０５  フランジ
１１０  隔壁
１２０  往復流型タービン
１２１  ファン
１２２  ファン
１３０  発電機
１５０  加熱器
１５１  熱気流路
１５２  流路
１５３  冷気通路
１５５  加熱器
１５６  熱気流路
１５７  流路
１６０  冷却器
１６１  冷気流路
１６２  流路
１６３  冷却管
１６５  冷却器
１６６  冷気流路
１６７  流路
２００  回転軸
２０１  延長軸
２０３  断熱材
２０４  断熱材
２０５  断熱材（図示せず）
２１０  軸受け
２１１  軸受け
２１２  開口
２１３  軸受け
２１４  軸受け室
２２０  ラビリンス
２３０  耐圧貫通部
２３１  軸受け
２３２  回転軸シール
２３３  接続部
２３４  空隙
３００  流路切り替え弁
３０１  流路切り替え弁
３１０  ハウジング部分
３１１、３１２  開口部
３１３  天井部
３１４  中心軸
３２０  回転部
３２１  開口部
３２２  開口部
３２３  開口部
３３０  羽根
３４０  電磁石
３５０  鉄片
３６０  外筒
３７０  内筒
３８０  空所
３８１  仕切り板
３９０  熱気通路
３９１  断熱材
３９２  断熱材
４００  冷気通路
４１０  再生熱交換器
【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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【図１０】
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