(57)【要約】      （修正有）【課題】スターリングエンジンの死容積を減らし、且つ、流動損失を減少せしめ、高回転でのエンジン出力を確保する。【解決手段】再生器５と冷却器４をシリンダー３の同心内側に位置するシリンダーライナー７の同一円筒空間内に配置し、該再生器である比較的幅の広い金網を該円筒空間内で円周方向に巻かれた状態で配置し、そして、水冷却器をシリンダーライナーに形成された円筒空間と、同心外側のシリンダー外周壁と、ストップ部材８の延長部で密封的に形成された水冷ジャケット或いはシリンダー外周壁と直接接触する様に巻かれた銅管コイルで冷却する構成とすることで、作動ガスはシリンダーライナーに形成された冷却器および再生器の大径部僅少スキマをストレートで且つ、スムースに往復し、流動損失が低減する構成とする。【選択図】図２
2009257250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金網からなる再生器と水冷却器を有するスターリングエンジンに於いて、シリンダーをリング部材で軸方向に固定することにより、再生器と冷却器をシリンダーライナーの同一円筒空間内に配置することが可能となり、該再生器である金網を該円筒空間内で円周方向に巻かれた状態で配置し、そして、前記円筒空間と同心外側に配置されたシリンダー壁に形成された水冷ジャケット或いは直接シリンダーに巻き付けた銅管コイルで冷却する低圧損型スターリングエンジンを提供する。
【請求項２】
請求項１のスターリングエンジンにおいて、前記シリンダーを軸方向に固定するリング部材を一方はフランジ部材或いはエンジンケースで他端はストップ部材で両側から挟んで固定する構成となっていることを特徴とするスターリングエンジンを提供する。
【請求項３】
請求項１のスターリングエンジンにおいて、前記ストップ部材の一端が前記リング部材を軸方向に固定しており、そして、他端はシリンダー外周に２箇所密封状態で軸方向に延長し、シリンダー外周壁との間にウオータジャケットを形成することを特徴とするスターリングエンジンを提供する。
【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をより小型化高出力化するため高速回転が可能となるようにシリンダー内の作動ガスの往復流動損失による圧力損失を大幅に軽減することを狙いとしたスターリングエンジンである。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは一種の外燃機関であり、シリンダー内部の作動ガスを外部から加熱器を介して加熱膨張せしめ、冷却器を介して冷却収縮せしめエンジンとして動作させるものである。そして、スターリングエンジンの最大の特徴は再生器を前記加熱器と冷却器の間に設けて、作動ガスが加熱側から冷却側に移動する際に該再生器で一旦蓄熱し、そして、作動ガスが冷却側から加熱側に移動する際には該蓄熱された熱を受熱し、昇温されて加熱器にいたる構成としたことである。
【０００３】
しかしながら、シリンダー内を作動ガスが冷却側→再生器→加熱器→再生器→冷却器と往復流するため、作動ガスの流動損失（圧力損失）が発生する。作動ガスが空気の場合は１０００rpm、ヘリュームガスの場合は１８００rpm、そして、最も粘性の小さい水素ガスでも２５００rpm以上の回転でエンジンの出力は顕著に減少する傾向となる。
一方、内燃機関は吸気・排気が一方向で行われるためこのような流動損失が少なく、５０００rpmまでも回転し、回転にほぼ比例して出力が増加する。この重量にたいする比出力の大きさが、スターリングエンジンの実用化にブレーキとなっていた。
また、スターリングエンジンではピストン頂隙、冷却器、再生器、加熱器、および通路などで占める所謂無駄な容積（死容積という）がある。該死容積が大きくなるとエンジン出力が低下する傾向がある。従って、冷却器、再生器、加熱器などの熱交換器での流動損失を減らすために、作動ガスの流路断面積を増やすことは、前記死容積を大きくすることは問題の解決にはならない。死容積も減らし、流動損失も同時に減らすことがスターリングエンジンに最も望まれることである。
【０００４】
現在のスターリングエンジンの構成において、まず、冷却器はチューブ＆シエル型が最も多く、内径およそΦ１ｍｍの数十本細管内を作動ガスが流れ、管外を水が流れ冷却するが、該管内の作動ガスによる流動損失は大きい。また、再生器は１００メッシュ〜２００メッシュの細かい目のステンレスの金網を流れ方向に直角に数百枚積層しているものが殆ど一般的であり、これが、流動損失の最大の原因となっている。スターリングエンジンの最大の特徴が最大のネックになっているのが現状である。また、加熱器は管長はあるが、管内径も大きくとれるため、流動損失は比較的問題とはならない。
更に、一般的なスターリングエンジンにおいて、冷却器、再生器、および加熱器を一体的に構成するシリンダーは、一般的にフランジ部を有し、該フランジでエンジンケースに固定されている。このためフランジ付きシリンダーの外周にウオータジャケットを設けることは構成上困難である。また、銅管のコイル巻き冷却器をシリンダー外周に構成することは可能であるが、冷却有効長を長く取れないこととフランジの付いたシリンダーでは冷却マスが大きくなるなどで充分な冷却効果が得られないという欠点がある。
【特許文献１】特許公開２００５−６１３３０
【特許文献２】特許公開平７−２５９６４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スターリングエンジンの死容積を減らし、且つ、流動損失を減少せしめ、高回転でのエンジン出力を確保するために、再生器と冷却器をシリンダーの同心内側に位置するシリンダーライナーの同一円筒空間内に配置し、該再生器である比較的幅の広い金網を該円筒空間内で円周方向に巻かれた状態で配置し、そして、前記水冷却器を前記シリンダーライナーに形成された円筒空間と同心外側のシリンダー外周壁とストップ部材の延長部で密封的に形成された水冷ジャケット或いはシリンダー外周壁と直接接触する様に巻かれた銅管コイルで冷却する構成とすることで、作動ガスはシリンダーライナーに形成された冷却器および再生器の大径部僅少スキマをストレートで且つ、スムースに往復し、流動損失を低減する構成とすることが狙いである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、前記再生器と冷却器をシリンダーライナーの同一円筒空間内に配置し、そして、前記水冷却器を前記円筒空間と同心外側に配置されたシリンダーに水冷ジャケット或いは銅管コイルで冷却する構成とするには、該シリンダーに固定用フランジ部を設けなくシリンダーの円筒部を直接固定するが一つのポイントとなる。本発明はシリンダーとエンジンケースの固定を一個のリング部材で行うこととし、該リング部材を一方はフランジ部材或いはエンジンケースで他端はストップ部材で両側から挟んで固定する構成としたことを特徴とする。
そして、ストップ部材の他端はシリンダー外周に2箇所密封状態で軸方向に延長し、ウオータジャケットを形成することを特徴とするスターリングエンジンを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
以上説明したように、最小限の死容積で作動ガスの冷却器および再生器の流動損失（圧力損失）を小さく抑えたエンジンを提供するとともに、確実な水冷却が行え、更に、金網を巻いた長尺再生器により作動ガスの通過パスが長くなり、再生器効率が高くとれるという効果も付随的に出る。
こうしたことで、作動ガスの流動損失が低減され、高回転で出力が得られるスターリングエンジンが提供でき、冷却器および再生器の構成も簡単となり、より安価なスターリングエンジンを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
この構成は高速回転が要求されるフリーピストンのスターリングエンジンで最も優れた効果を発揮する。勿論、キネマチック型のスターリングエンジンにおいても小型化と安価なエンジンという効果が期待できる。
【実施例１】
【０００９】
図１はスターリングエンジンの一般的構成を示したものである１はキネマチック型のスターリングエンジン発電機本体を示す。該エンジン本体１は２個の同軸上に配置されたパワーピストン１４’とディスプレーサピストン１３’に連結されたディスプレーサロッド１５’を所定の位相差で駆動するクランク機構１６’とフライホイール１７’からなる駆動部、および、始動時はモータとして作動し、エンジン自立後は発電機として作動するモータ＆発電機部１８’、そして、前記ディスプレサピストン１３’と同心軸上に配置された熱交換器類である冷却器４’、再生器５’および加熱器６’を有する作動部の３つの部分で構成されている。
前記駆動部であるパワーピストン１５’はフランジ部材９’の内径側で軸方向摺動可能に嵌合し、そして、前記ディスプレーサピストン１３’はシリンダー３’の内側にあって同心軸上に配置されたシリンダーライナー７’の内径側で摺動可能に嵌合している。そして、前記パワーピストン１４’の上端部と前記ディスプレーサピストン１３’に設けられたピストンシール１９’で形成された低温空間１２’と前記ディスプレーサピストン１３’の上端部とシリンダー３’の内径側上端部で形成される高温空間１１’があり、該２つの空間を繋ぐ作動ガス経路に冷却器４’、再生器５’、通路２２’、および加熱器６’が配置される構成となっている。
該冷却器４’は一般的なチューブ＆シェルであり、前記シリンダー３’に密封されて同軸上で嵌合し、水入り口と出口を有し、水冷却され、そして、フランジ部材９’で一端を軸方向で固定され他端はシリンダー３’の肩部で固定されている。また、再生器５’は一般的には数百枚の金網を軸方向に積層したタイプのものであり、シリンダー３’の内径側と前記シリンダーライナー７’の間にドウナツ状に配置されている。更に、前記シリンダー３’は通路２２’と加熱器６’を有し、全体はフランジ部でエンジンケース２’に固定される構成となっている。
【００１０】
図２は本発明の全体構成と拡大図を示したものである。図１の構成と異なるところのみ以下説明する。
冷却器４は一般的なチューブ＆シェルではなく、シリンダー３の内径側と該シリンダー３に同軸上で嵌合しているシリンダーライナー７の外周部に形成された狭い通路が作動ガス側の冷却空間となり、そして、ストップ部材８の延長した内径側とシリンダー３の外周壁と密封的に形成された水入り口と出口を有するウオータジャケット部で水冷却される構成となっている。また、再生器５は一般的な数百枚の金網を軸方向に積層したタイプのものでなく、前記冷却器と同じ延長空間上に配置され、シリンダー３の内径側と前記シリンダーライナー７の間に長い幅で円周巻き状に配置されており、そして、前記図1の通路２２’が省略され無駄な死容積空間がなくなっている。更に、前記シリンダー３全体は該シリンダー３の一端に設けられた溝に嵌ったリング部材１０をフランジ部材９の肩部とストップ部材８の一端で挟んでエンジンケース２に固定する構成となっている。
【００１１】
図３は本発明の他の実施例を示したものである。図１の構成と異なるところのみ以下説明する。
冷却器４”は一般的なチューブ＆シェルではなく、シリンダー３の内径側と該シリンダー３に同軸上で嵌合しているシリンダーライナー７の外周部に形成された狭い通路が作動ガス側の冷却空間となり、そして、シリンダー３の外周壁に密着的に巻かれた熱伝導性に優れた銅管で水冷却される構成となっている。できれば、該銅管を巻く際に放熱効果のあがるシリコン熱伝導剤を使用すると冷却効率がより向上する。また、再生器５は一般的な数百枚の金網を軸方向に積層したタイプのものでなく、前記冷却器と同じ延長空間上に配置され、シリンダー３の内径側と前記シリンダーライナー７の間に長い幅で円周巻き状に配置されており、そして、前記通路２２’が省略され無駄な死容積空間がなくなっている。更に、図２と同様、前記シリンダー３全体は該シリンダー３の一端に設けられた溝に嵌ったリング部材１０をエンジンケース２の肩部とストップ部材８の一端で挟んでエンジンケース２に固定する構成となっている。
該エンジンケース２は前述図２のフランジ部材９が一体的に構成されている場合を示したものであり、構造上問題はない。
【００１２】
図４は本発明の実施例を他の形式のスターリングエンジンで示したもである。図１の構成と異なるところのみ以下説明する。１”はフリーピストン型のスターリングエンジン発電機本体を示す。
該エンジン本体１”は２個の同軸上に配置されたパワーピストン１４とディスプレーサピストン１３に連結されたディスプレーサロッド１５を複数個のバネ手段により所定の位相差で駆動するリニアー駆動機構１６”、および、始動時はリニアーモータとして作動し、エンジン自立後は発電機として作動するリニアーモータ＆発電機部１８”、そして、前記ディスプレサピスト１３と同心軸上に配置された熱交換器類である冷却器４、再生器５および加熱器６を有する作動部の３つの部分で構成されている。
冷却器４、再生器５、およびシリンダー３の固定方法は図２のクランク型スターリングエンジンと全く同じであるため説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１はスターリングエンジンの一般的構成を示したものである。
【図２】図２は本発明の全体構成と拡大図を示したものである。
【図３】図３は本発明の他の実施例を示したものである。
【図４】図４は本発明のの実施例を他の形式のスターリングエンジンで示したもである。
【符号の説明】
【００１４】
１  スターリングエンジン発電機本体
２  エンジンケース
３  シリンダー
４  冷却器
５  再生器  
６  加熱器
７  シリンダーライナー
８  ストップ部材
９  フランジ部材
１０リング部材
【図１】
2009257250.tif 000003
【図２】
2009257250.tif 000004
【図３】
2009257250.tif 000005
【図４】
2009257250.tif 000006