JPH0460161A - スターリング機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、スターリング機関に関し、特に高い効率が得
られるようにする技術に関するものである。

従来の技術 密封された作動ガスを外部がら加熱および冷却すること
によって動力を出力するスターリングエンジン、或いは
動力を入力させて作動ガスの状態を逆スターリングサイ
クルに従って変化させることにより熱移動させるスター
リング冷凍機が知られている。このように熱エネルギお
よび機械エネルギの一方を他方に変換するために用いら
れるスターリング機関は、たとえば第６図に示すように
、クランク軸１００に作動的に連結され且つ一定の位相
差９０°が相互間に形成された一対のピストン１０２ａ
および１０２ｂを摺動可能に嵌合した一対のシリンダ１
０４ａおよび１０４ｂと、それらのシリンダ１０４ａお
よび１．０４　ｂ内においてそれぞれ形成される膨張室
１０６および圧縮室１０８と、それら圧縮室１０８およ
び膨張室１０６間に順次接続された冷却器１１０、再生
器１１２、および加熱器１１４とを含んで構成される。

しかし、このような形式のスターリング機関では、２個
のシリンダに対して１個ずつの冷却器、再生器、加熱器
が備えられるように構成されるため、単位出力溝たりの
容積が大きくなる欠点があった。

これに対し、第７図に示す複動囲気筒型のように、クラ
ンク軸１２０に作動的に連結された４つのピストン１２
２ａ、１２２ｂ、１２２Ｃ２および１２２ｄを摺動可能
に嵌合した４つのシリンダ１２４ａ、１２４ｂ、Ｌ２４
ｃ、および１２４ｄと、それらのシリンダ１２４ａ乃至
１２４ｄ内においてそれぞれ形成される第１乃至第４膨
張室１２６ａ、１２６ｂ、１２６Ｃ１および１２６ｄ、
および第１乃至第４圧縮室１２８ａ、１２８ｂ、１２８
ｃ、および１２８ｄと、それら膨張室１２６ａ、１２６
ｂ、１２６ｃ、および１２６ｄと圧縮室１２８ａ、１２
８ｂ、１２８ｃ、および１２８ｄと間にのそれぞれ順次
接続された４個の第１乃至第４冷却器１３０ａ乃至ｄ、
第１乃至第４再生器１３２ａ乃至ｄ、および第１乃至第
４加熱器１３４ａ乃至ｄとを含んで構成される。この複
動囲気筒型スターリング機関によれば、第８図に示すよ
うに作動し、１個のシリンダに対して１個ずつの冷却器
、再生器、および加熱器が備えられるため、単位出力溝
たりの容積が小さく、機関が小型となる利点がある。

発明が解決すべき課題 しかし、上記従来のスターリング機関によれば、シリン
ダ内においてピストンを挟んで膨張室および圧縮室が設
けられるのであるが、それら膨張室と圧縮室との間の相
互の熱絶縁は機構的に比較的困難であるため、温度差の
大きい膨張室と圧縮室との間の熱電導により熱効率が充
分に得られない欠点があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、
その目的とするところは、膨張室と圧縮室との間の相互
の熱絶縁をすることにより高い熱効率が得られるスター
リング機関を提供することにある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところ
は、熱エネルギおよび機械エネルギの一方を他方に変換
するスターリング機関であって、（ａ）第１シリンダお
よび第２シリンダ内においてそれぞれ移動可能に設けら
れ、相互の往復作動に所定の位相差が形成されるように
作動的に連結された第１ピストンおよび第２ピストンと
、（ｂ）前記第１シリンダにおいて前記第１ピストンを
挟んでそれぞれ設けられた第１膨張室および第２膨張室
と、（Ｃ）その第１膨張室および第２膨張室にそれぞれ
接続された第１加熱器および第２加熱器と、（ｄ）前記
第２シリンダにおいて前記第２ピストンを挟んでそれぞ
れ設けられた第１圧縮室および第２圧縮室と、（ｅ）そ
の第１圧縮室および第２圧縮室にそれぞれ接続された第
１冷却器および第２冷却器と、（ｆ）前記第１加熱器と
第１冷却器との間に接続された第１再生器と、（ｇ）前
記第２加熱器と第２冷却器との間に接続された第２再生
器とを、含むことにある。

作用 このようにすれば、第１シリンダ内において第１ピスト
ンを挟んで第１膨張室および第２膨張室がそれぞれ設け
られるとともに、第２シリンダ内において第２ピストン
を挟んで第１圧縮室および第２圧縮室がそれぞれ設けら
れており、それら第１膨張室と第１圧縮室との間に第１
加熱器、第１再生器、および第１冷却器が接続されると
ともに、第２膨張室と第２圧縮室との間に第２加熱器、
第２再生器、および第２冷却器が接続され、そして、そ
れら独立した２系統内において作動ガスが各々スターリ
ングサイクル或いは逆スターリングサイクルに従って状
態変化させられる。

発明の効果 本発明のスターリング機関によれば、上記のように、第
１シリンダ内において第１ピストンを挟んで共に高温の
第１膨張室および第２膨張室がそれぞれ設けられるとと
もに、第２シリンダ内において第２ピストンを挟んで共
に低温の第１圧縮室および第２圧縮室がそれぞれ設けら
れているので、第１ピストンを挟んで設けられている第
１および第２膨張室間の熱移動や、第２ピストンを挾ん
で設けられている第１および第２圧縮室間の熱移動が少
なく、高い効率が得られるのである。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図に示すスターリング機関１０には、クランク軸１
２と、このクランク軸１２と第１連結ロツド１４ａおよ
び第１シヤフト１６ａを介して作動的に連結された第１
ピストン１８ａと、クランク軸１２と第２連結ロツド１
４ｂおよび第２シヤフト１６ｂを介して作動的に連結さ
れた第２ピストン１８ｂと、これら一対の第１ピストン
１８ａおよび第２ピストン１８ｂが摺動可能に嵌合され
た第１シリンダ２０ａおよび第２シリンダ２０ｂと、第
１シリンダ２Ｏａ内において第１ピストン１８ａを挟ん
で設けられた第１膨張室２２および第２膨張室２４と、
第２シリンダ２０ｂに形成された第１圧縮室２６および
第２圧縮室２８とが設けられている。上記第１ピストン
１８ａおよび第２ピストン１８ｂは、クランク軸１２が
第１図の矢印方向に回転するときには第１ピストン１８
ａが９０°第２ピストン１８ｂに対して進んだ位相とな
るように作動的に連結されている。そして、上記第１膨
張室２２から第１圧縮室２６に至る配管には、第１加熱
器３０、第１再生器３２、および第１冷却器３４が順次
設けられており、また、第２膨張室２４から第２圧縮室
２８に至る配管には、第２加熱器３６、第２再生器３８
、および第２冷却器４０が順次設けられている。上記各
室内には空気、ヘリウム、水素などの作動ガスが密封さ
れている。

以上のように構成されたスターリング機関１０においで
、第１加熱器３０を加熱し且つ第１冷却器３４から熱を
放散させると、第１膨張室２２、第１加熱器３０、第１
再生器３２、第１冷却器３４、および第１圧縮室２６に
より構成される容積内における作動ガスは、第２図に示
すように、等容冷却→低温等温圧縮→等容加熱→高温等
温膨張とスターリングサイクルに従って順次状態変化し
、このようなサイクルを繰り返すことによって作動ガス
が第１加熱器３０から受けた熱量と第１冷却器３４から
放出した熱量との差に対応する熱エネルギが仕事に変換
されてクランク軸１２から出力される。また、第２膨張
室２４、第２加熱器３６、第２再生器３８、第２冷却器
４０、および第２圧縮室２８により構成される容積内に
おける作動ガスも、第３図に示すように、等容冷却→低
温等温圧縮→等容加熱→高温等温膨張とスターリングサ
イクルに従って順次状態変化し、このようなサイクルを
繰り返すことによって作動ガスが第２加熱器３６から受
けた熱量と第２冷却器４０から放出した熱量との差に対
応する熱エネルギが仕事に変換され、同様に、クランク
軸１２から出力される。

以上のように作動する本実施例のスターリング機関１０
では、２つの第１シリンダ２０ａおよび第２シリンダ２
０ｂが備えられ、しかも、第１膨張室２２、第１加熱器
３０、第１再生器３２、第１冷却器３４、および第１圧
縮室２６により構成される系統と、第２膨張室２４、第
２加熱器３６、第２再生器３８、第２冷却器４０、およ
び第２圧縮室２８により構成される系統とが設けられ、
それぞれの系統において作動ガスがスターリングサイク
ルに従って状態変化させられることにより動力を取り出
すことができるので、単位出力当たりの容積が小さくな
り、機関が小型となるのである。

また、本実施例によれば、第１シリンダ２０ａ内におい
て第１ピストン１８ａを挟んで共に高温の第１膨張室２
２および第２膨張室２４がそれぞれ設けられるとともに
、第２シリンダ２Ｏｂ内において第２ピストン１８ｂを
挟んで共に低温の第１圧縮室２６および第２圧縮室２８
がそれぞれ設けられているので、第１ピストン１８ａを
挟んで設けられている第１膨張室２２および第２膨張室
２４間の熱移動や、第２ピストン１８ｂを挾んで設けら
れている第１圧縮室２６および第２圧縮室２８間の熱移
動が少なく、高い効率が得られるのである。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の説
明において前述の実施例と共通する部分には同一の符号
を付して説明を省略する。

第４図において、第１ピストン１８ａおよび第２ピスト
ン１８ｂは、図の矢印方向にクランク軸１２が回転させ
られたとき第１ピストン１８ａが第２ピストン１８ｂに
対して９０°遅れるようにクランク軸１２に対して作動
的に連結されており、第２シリンダ２Ｏｂ内における第
１圧縮室２６および第２圧縮室２８の位置が相互に入れ
替えられている。本実施例においても、前述の実施例と
同様の作動および効果を得ることができる。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、
本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の第１図或いは第４図の実施例のスター
リング機関は、２つの第１ピストンエ８ａおよび第２ピ
ストン１８ｂにより独立した作動ガスのサイクルが成立
させられているので、両者の相互の位相差を調節するこ
とにより出力を制御することができる。第５図は、その
−例を示している。図のスターリング機関のクランク軸
は、第１ピストン１８ａに連結された第１クランク軸１
２ａと第２ピストン１８ｂに連結された第２クランク軸
１２ｂとに分割されており、両者は、位相差調節機構５
０を介して作動的に連結されている。

この位相差調節機構５０は、第１クランク軸１２ａおよ
び第２クランク軸１２ｂにそれぞれ固定された第１歯車
５２および第２歯車５４と、第１クランク軸１２ａの軸
心まわりに回動可能に連結された第１リンク５６、第２
クランク軸１２ｂの軸心まわりに回動可能に連結された
第２リンク５８、それら第１リンク５６および第２リン
ク５８の端部を回動可能に連結する第３リンク６０から
なるリンク機構６２と、第１リンク５６と第３リンク６
０との連結中心軸まわりに回転可能に設けられた第３歯
車６４と、第２リンク５８と第３リンク６０との連結中
心軸まわりに回転可能に設けられた第４歯車６６と、第
２リンク５８と第３リンク６０との連結中心軸に回動可
能に連結された出力軸を備えたシリンダ６８とから構成
されている。

上記第１歯車５２、第２歯車５４、第３歯車６４、第４
歯車６６は、互いに噛み合わせられており、シリンダ６
８によって第２リンク５８が第２クランク軸１２ｂの軸
心まわりに回動させられることにより、第１クランク軸
１２ａと第２クランク軸１２ｂとの位相差が調節される
のである。

また、前述の第１図および第４図の実施例では、第１加
熱器３０および第２加熱器３６と第１冷却器３４および
第２冷却器４０との間に温度差を与えることにより動力
をクランク軸１２から取り出すエンジンとして説明され
ていたが、クランク軸１２に動力を加えることにより、
上記第１加熱器３０および第２加熱器３６と第１冷却器
３４および第２冷却器４０との間に温度差を発生させる
冷凍機であっても、本発明の作用効果を享受できるので
ある。

また、前述の第１図および第４図の実施例では、第１ピ
ストン１８ａおよび第２ピストン１８ｂは、相互の位相
を保持した状態でクランク軸１２に作動的に連結された
いたが、回転軸に対して傾斜した板を備えた斜板と作動
的に連結されていてもよいのである。

また、前述の実施例では、２つの第１シリンダ２０ａお
よび第２シリンダ２０ｂを備えたスターリング機関につ
いて説明されていたが、４個以上のシリンダを備えてい
てもよいのである。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で種々変更が加え
られ得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を説明する図である。 第２図および第３図は、第１図の実施例の作動を説明す
るタイムチャートである。第４図は、本発明の他の実施
例を説明する第１図に相当する図である。第５図は、本
発明の他の実施例であって、第１ピストンと第２ピスト
ンとの間の位相差を調節する機構を示す図である。第６
図および第７図は、従来のスターリング機関をそれぞれ
示す図である。第８図は第７図のスターリング機関の作
動を説明するタイムチャートである。 １０ニスターリング機関 １８ａ：第１ピストン　　１８ｂ＝第２ピストン２０ａ
：第１シリンダ　　２０ｂ：第２シリンダ２２：第１膨
張室　　　　２４：第２膨張室２６：第１圧縮室　　　
　２８：第２圧縮室３０：第１加熱器　　　　３２：第
１再生器３４：第１冷却器　　　　３６：第２加熱器３
８：第２再生器　　　　４０：第２冷却器出願人　　フ
ラザー工業株式会社 第２図 第３図 回転角 第１図 篤４図 Ｍ５因 ＠７図 ］ｌυ 第６図 ｒｉＪ転＾

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 熱エネルギおよび機械エネルギの一方を他方に変換する
   スターリング機関であって、 第１シリンダおよび第２シリンダ内においてそれぞれ移
   動可能に設けられ、相互の往復作動に所定の位相差が形
   成されるように作動的に連結された第１ピストンおよび
   第２ピストンと、 前記第１シリンダにおいて前記第１ピストンを挟んでそ
   れぞれ設けられた第１膨張室および第２膨張室と、 該第１膨張室および第２膨張室にそれぞれ接続された第
   １加熱器および第２加熱器と、 前記第２シリンダにおいて前記第２ピストンを挟んでそ
   れぞれ設けられた第１圧縮室および第２圧縮室と、 該第１圧縮室および第２圧縮室にそれぞれ接続された第
   １冷却器および第２冷却器と、 前記第１加熱器と第１冷却器との間に接続された第１再
   生器と、 前記第２加熱器と第２冷却器との間に接続された第２再
   生器と、 を含むことを特徴とするスターリング機関。