(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を回転しながら往復直線運動するピストンを備えたスターリングエンジンの回転ピストンの回転を利用し、回転するピストンと相対する位置でピストンとシリンダのそれぞれにピストンの回転角度位置により、ガスの通過、遮断を行う弁を設け、内部ガスを弁により分割し、複数のピストンの相互の位相を調節せしめてスターリングサイクルを行うことを特徴とする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】
本発明は本発明者による特開２００１−２８９１１９に示されるシリンダ内を回転しながら往復直線運動するピストンを備えた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加熱器、再生熱交換器、冷却器と２組のシリンダとピストンを使用し、それぞれのシリンダ内を往復運動するピストンの動作に位相差を与えて内部ガスに等温膨張、等容冷却、等温圧縮、等容加熱のスターリングサイクルを有効に行わせるので、カルノーサイクルと同様の高い熱効率を得られる可能性のある高性能エンジンと考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記スターリングエンジンは、ピストンの動作に位相差を与えるための機構は機械的に一定条件に固定されており、更に内部ガスは全空間に同じ圧力で分布しているため、出力動作時に十分な加熱膨張を行い難い欠点が有り、理想から外れたサイクルを行い効率が低下する問題点がある。
【０００４】
【課題を解決する為の手段及びその作用】
本発明はシリンダ内を回転しながら往復直線運動するピストンを備えたスターリングエンジンの回転ピストンの回転を利用し、回転するピストンと相対する位置でピストンとシリンダのそれぞれにピストンの回転角度位置により、ガスの通過、遮断を行う弁を設け、ピストンの回転角度位置により、複数のピストンの相互の位相を調節せしめて、ガスのサイクルのエネルギーを有効に利用することが出来る。この様に回転ピストンによる弁作用により内部ガスを分割し加熱膨張、冷却圧縮等のサイクルを有効に行うことで出力及び熱効率を高めることが可能になる。特にフリーピストンに使用した場合、膨張側ピストンに対する圧縮側ピストンを回転弁によりガス圧力から遮断することが出来るので、クランクを使用したピストンの死点付近の回転速度を遅くしたのと同様の効果を与え、ピストン相互間の位相差の幅を拡大し、高温ガスが冷却部に流入し難く高温度を保ちながら膨張することが出来る。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１に従来の対向ピストン型スターリングエンジンについて説明する。右側の加熱膨張側シリンダ１とその中を直線往復動作を行うピストン２があり、ピストンは連接棒３、スコッチヨーク４に結ばれ、さらにヨーク内でクランク中心６の周囲を半径７に従って回転し、ヨーク内をシリンダ軸の直角方向に揺動するベアリング８があり、ヨークはスライド枠５の内部を滑動するように構成されている。
【０００６】
左側の冷却圧縮側のシリンダ１２とピストン１３は、両シリンダの中間にある加熱器９、再生熱交換器１０、冷却器１１を挟んで対称的に配置されており、スコッチヨーク、クランク、ベアリング等も同様の構成で組み立てられる。クランクの回転方向はいずれも小矢印に示す右回転方向とする。
【０００７】
サイクルは図の上ＡからＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅと進む。加熱側ピストン２がＡにおいて上死点位置にあるとき、冷却側ピストンは９０度前の位相にあり、内部ガスを圧縮しつつある状態である。Ｂにおいて冷却側ピストンは上死点となり、ガスは大部分が加熱側に移り、加熱側ピストンは膨張行程を行い出力を発生する。Ｃにおいて加熱側ピストンは下死点に達し、冷却側ピストンは後退動作を行う。Ｄにおいて加熱側ピストンは排気行程を行い、冷却側ピストンは吸入行程を終える。ＤからＥに移行するときに内部ガスは冷却圧縮を受けてサイクルは一巡し、Ａに戻る。スターリングサイクルにおける等温膨張はＢからＣにおいて行われ、等容冷却はＣからＤにおいて行われ、等温圧縮はＤからＥにおいて行われ、等容加熱はＤからＥの後の一部で行われている。
【０００８】
以上に概要の動作を示したが、クランク機構によって決められた位相差９０度は常に一定であり、従ってガスは理想とは異なるサイクル動作を行っている。特にＢからＣにおいて加熱側ピストンは正しく動作しているが、冷却側ピストンは既に後退を始めており、内部ガスは一部が冷却器を通じて冷却されて圧縮側シリンダに移動し、全体のガス圧力が低下し出力を低下せしめている。即ち、ガス空間は常に全体が同じ圧力で一体であり、各部分の容積比に応じた温度分布を持つので、冷却部分が多いほど平均温度と圧力が低下することになる。
【０００９】
本発明は弁によってガス空間を分割することでクランクの位相とは別に、ガスの動作するサイクルの位相幅を拡大することによって、加熱ガスの冷却を防止して加熱膨張を有効に行わしめることで、出力の増加と効率の向上を図るものである。また、ＡからＢにおける冷却圧縮行程においても弁を使用することにより加熱側ピストンへのガスの流入を防止し、有効な冷却圧縮を行うことができる。
【００１０】
図２により本発明による対向ピストン型スターリングエンジンについて説明する。図１のＡにおける符号と同じものは説明を省くが、新たに追加されたものについて説明する。ピストン２の連結棒３はラジアル兼スラストベアリング１５によってピストンの回転動作と切離され、ヨークは軸２４によって結ばれるが、ピストン２はシリンダ１の内部で回転しながらヨーク４と同じ直線往復動作を行う。ベアリングブロック１５は外周をガイドユニット１４により支持されながら往復運動に伴い、直線回転変換手段により同一方向に回転しながら直線往復運動を行う。これは良く利用されている円筒溝カムとスライダーによる方法と同様な機構を利用できる。円筒溝カムを使用する場合、クランクを使用せずピストンの回転運動をそのままシリンダと同軸の出力として利用することも出来て、非常にシンプルな構成を取りうる。
【００１１】
また、電磁的手段を用い、ベアリングブロック１５の外周に永久磁石、または誘導コイル等を固定し、ガイドユニット１４に回転磁界発生手段を設け、図示しないセンサーによりピストンの回転位置を検知し、所定の回転角度を維持するように制御を行えば、極めて正確にピストンの回転と直進動作の組み合わせを作ることができる。
【００１２】
シリンダ側の開口部１６は通路１８により加熱器９に通じており、シリンダと加熱器は隔壁１９で隔てられている。ピストン側の開口部１７はピストン内の通路によりピストン頭部の空間に通じている。開口部１７はピストンの両側面に対称に設けてあり、圧力のバランスをとっている。
【００１３】
冷却側シリンダとピストンは加熱側と対称的な構成をとっており、隔壁２０によってピストン空間と冷却器空間は隔てられ、シリンダ側開口部２１は通路２２により冷却器に接続され、ピストン側開口部２３はピストン内の通路によりピストン１３の頭部の空間に通じている。
【００１４】
以上の構成によるスターリングエンジンは従来のものと異なり、ガス空間は弁によりサイクル動作に対応して連続または遮断されるので、最も望ましい熱サイクルに近づけることが可能になる。
【００１５】
特に加熱側ピストンの出力行程において、加熱ガスが冷却側シリンダ空間に流出することを防ぎガスの低温化を防止することにより、加熱膨張の効果を充分利用することで出力を増し、熱効率を高めるが、再生熱交換器の負担を軽減する効果も大きい。
【００１６】
また、冷却側ピストンがガスを圧縮する行程において、冷却圧縮ガスが加熱シリンダ側に流出することを防止し、圧縮動力を減少し圧縮効果を高めることができる。
【００１７】
図３は図２におけるシリンダ開口部、およびピストン開口部を示したものである。加熱器からの加熱ガスは通路１８によりシリンダ開口部１６を経て、対面するピストン開口部１７およびピストン内部通路２５を経て、ピストン頭部の開口部２６よりシリンダ１内に流入する。このガスの圧力により膨張側ピストン２は押出され出力を発生する。ピストン２は右方向に回転し開口部は閉じるが、ピストンは押出されているので、弁部分はシリンダ側開口部を外れて全頭部がガスの直接流入に面することになる。
【００１８】
冷却圧縮側ピストンも同じ構成をとっているので、シリンダ、ピストンの回転弁作用は、ピストンの死点近くに限定されたものとなる。熱サイクルにおいてもこのピストンの死点近くのガスの動きが最も重要な意味を持つのである。
【００１９】
図４に本発明に用いた太陽熱利用による単位スターリングエンジンの概略断面図を示す。この単位エンジンは複数個がガス通路を直列に結んだ状態で、互いに位相差を持って運転される。加熱器９は１００倍程度に集光された太陽光に面したフィン３２の裏面にガス通路２６を有し、シリンダ内部にも環状フィンを持ち、ピストン２８の頭部に設けたフィン３１と交互に貫入状態となったときがピストンの上死点状態である。この例ではピストンの加熱ガス側には弁を設けていない。上死点状態でピストン頭部に前段のエンジンの冷却圧縮ガスが通路４０より導入され冷却器３９、再生熱交換器３８、通路３７を経て、ガス通路２６に導かれ加熱を受けて加熱側シリンダに至る。ピストンが下降するにつれガスは膨張し、ピストンは押し下げ圧力により出力を発生する。このとき前段単位エンジンのピストンは下死点付近にあって弁を閉じているから、ガス圧力は前段ピストンを押し上げる力が少なく、回転するのみで上昇し難い。図２におけるピストン１３が上死点状態にある場合と同様である。図１の例におけるＢ状態に相当するが、Ｂのピストン１３は高圧のガスをピストン頭部全面で受け止めねばならないので、クランク、ヨーク、ベアリング等に大きい負担が生じる。本発明によれば、図２におけるピストン１３が上死点においてもガス圧力は弁によって遮断されているので、クランク等の負担が非常に軽減される。ピストン２８は下降し、下死点近くでピストンの下部にあるピストン側弁３５、シリンダ側弁３６が遮断作用を始める。このとき下部のガス空間にある圧縮ガスは通路３３をへて次段の単位エンジンに送られる。図４におけるピストン側に設けられた複数の磁極２９と、対面するシリンダ側に設けた磁気回路および発電制動力発生手段３０により、ピストンは回転および直進動作を行い、また前記磁気回路および発電制動力発生手段を利用し電力を発生する。
【００２０】
図５により再生熱交換器をピストン頭部内に設けた例について説明する。ピストンの１部分を示す４２には、再生熱交換器４７，４８への通孔４３，４４がピストン頭部に開いており、それぞれ下部のガス出入り口４５，４６に結ばれている。再生熱交換器４７，４８は多孔性セラミック、金属網等が充填され下方のガス出入り口はノズルを構成している。再生熱交換器はガス通過抵抗及びガスの流れ方向の熱伝導が少ないことが望まれ、更に大量の熱を吸収、吐出せねばならないので非常に精密に設計製作されるエンジンの中枢部分である。
【００２１】
ピストンが膨張行程を終えて、排気行程に進んだ時をＸ１にしめす。熱ガスは４３，４４よりピストン内に入り４７，４８により熱交換を行い冷却され４５，４６より噴出するが、このガスは可成りの速度をもち、その反動によりピストンは矢印時計方向の回転力をうける。ガスはピストンに対面するシリンダ４９の開口部５０より外部の冷却器へ導かれる。ピストンは回転しながら上昇し、上死点Ｘ２、に達したとき４５は閉じられ次のサイクルに移る。
【００２２】
Ｙ１位置でガス出口４５はガス入り口となり、シリンダ側通路５１により前段の単位エンジンからの冷却圧縮ガスを吹き込まれ、同方向の回転力を受ける。ピストンは回転しながらＹ１からＹ２の間に加熱膨張サイクルを行う。ガスは４５，４６よりピストン内部を上昇し熱交換を受け熱ガスとなってピストン頭部シリンダ内に噴出する。この例では加熱器はシリンダ内にあり、図４に示すシリンダ、ピストンのフィン等によりガスは加熱を受ける。
【００２３】
ピストンはガスベアリングにより浮動状態で回転するので、回転に必要な動力は僅かであり、図４に示す磁極２９、磁気回路及び制動手段３０により、ピストンの回転と直進運動は希望通りに制御されるので、大口径ピストン、小ストローク動作、超軽量ピストンを使用すれば高温度のみならず、低温度差の熱利用等にも有効に利用される。
【００２４】
【発明の効果】
この装置の場合、シリンダ内部に収められた機構部品はピストンのみであり、ピストンはガスベアリングにより支えられ回転するので僅かな動力しか消費しない。また、潤滑油、パッキング等の消耗部品は不用であり、非常に信頼性が高く、耐久性に富み、経済的に制作可能である。また、機械的動力の消費が僅かなため全体の熱効率は高い。例えば、摂氏５００度の加熱器と摂氏５０度の冷却器を使用すると理論熱効率は約５８％に達する。加熱器、ピストン頭部、再生熱交換器等にセラミック等を使用し、ピストン２８に軽量の断熱セラミック等を使用すれば、加熱温度を摂氏１０００度に高めることも可能であり、摂氏８０度の冷却器を使用すると、理論熱効率は約７２％に達する。熱温水の利用も可能であり、ボイラー損失、ガス流動損失、熱再生損失、電気回路損失等を考慮しても実用価値の高いスターリングエンジンを経済的に提供できる有意義な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の対向ピストン型スターリングエンジン。
【図２】本発明の対向ピストン型スターリングエンジン。
【図３】シリンダ、ピストン開口部説明図。
【図４】本発明の単位スターリングエンジンの概略断面図。
【図５】ピストン、シリンダの１部分を示す実施例。
【符号の説明】
１  加熱膨張側シリンダ
２  加熱膨張側ピストン
３  連接棒
４  スコッチヨーク
５  スライド枠
６  クランク中心
７  クランク半径
８  ベアリング
９  加熱器
１０  再生熱交換器
１１  冷却器
１２  冷却圧縮側シリンダ
１３  冷却圧縮側ピストン
１４  ガイドユニット
１５  ラジアル兼スラストベアリング（ベアリングブロック）
１６  シリンダ側開口部
１７  ピストン側開口部
１８  通路
１９  隔壁
２０  隔壁
２１  シリンダ側開口部
２２  通路
２３  ピストン側開口部
２４  軸
２５  ピストン内部通路
【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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