| 【発明の名称】 |
スターリングエンジン |
| 【発明者】 |
【氏名】内山 耕一
【住所又は居所】東京都港区新橋２丁目２０番１５号 理想科学工業株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】全体構成の小型化を図り、且つ、圧力損失を低減する。
【解決手段】気体が移動するシリンダ３とパワーピストン１が一体化され、シリンダ３の一部がベローズ構造４によってパワーピストン１として駆動される。また、ディスプレーサピストン２が、シリンダ３内に配設され、形状記憶材からなるバネ部材８，９により移動操作される。これにより、パワーピストン１の構成が簡素化されて装置全体を小型化することができる。また、パワーピストン１がシリンダ３と密閉された空気室をなすように一体化されていることにより、圧力損失を低減して十分な駆動力を得ることができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサピストンにより気体を移動させることによって、該気体の熱膨張と熱収縮が繰り返されてパワーピストンに駆動力を与えるスターリングエンジンにおいて、
前記パワーピストンが前記気体が移動するシリンダと一体化され、該シリンダの少なくとも一部が前記パワーピストンとして駆動されることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記パワーピストンと、前記気体が移動するシリンダとが密閉された空気室をなすように一体化され、前記シリンダの少なくとも一部が、ベローズ構造とされていることを特徴とする請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
前記パワーピストンと、前記気体が移動するシリンダとが密閉された空気室をなすように一体化され、前記シリンダの少なくとも一部が、二重の入れ子構造とされていることを特徴とする請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記ディスプレーサピストンが、前記シリンダ内に配設され、前記シリンダの駆動側とリンク駆動により移動操作されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
前記ディスプレーサピストンが、前記シリンダ内に配設され、形状記憶材により移動操作されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のスターリングエンジン。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体の熱膨張と熱収縮を利用したスターリングエンジンに関し、特に、ディスプレーサピストンにより気体を移動させるタイプのスターリングエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種スターリングエンジンは、ディスプレーサで移動させられる気体の膨張収縮でパワーピストンを作動させて駆動力を取り出す構成とされている。
図４（ａ），（ｂ）は、従来におけるスターリングエンジンの作動原理を説明するための模型を示す図である。
【０００３】
図４（ａ）において、ディスプレーサピストン５１は、台座５２に一対の支柱５３が立設され、各支柱５３の間に試験管５４が軸５５を介して揺動自在に軸支されている。軸５５は、試験管５４に貫通されず試験管５４の外側を軸支する。試験管５４には、ビー玉などのガラス球５６が複数（五個）入れられている。試験管５４の口５４ａには、中央に貫通穴の穿設された栓５７が挿入される。栓５７の貫通穴には、パイプ５８が挿入されている。また、試験管５４の内部の底部５４ｂ付近に存在する空気を加熱するための加熱源としてアルコールランプ５９が台座５２に載置されている。
【０００４】
パワーピストンは、いわゆる注射器をなすシリンジ６１からなる。シリンジ６１は、シリンダ６１ａとピストン６１ｂを有している。そして、シリンダ６１ａの先端と前記パイプ５８とが可撓性を有するシリコンゴム製のチューブ６２によって連結され、試験管５４の内部とシリンダ６１ａの内部とが連通する。ピストン６１ｂの端部には、シート材６３が接着され、このシート材６３の端部６３ａが台座１０に接着される。シート材６３は可撓性を有するものであり、シリンジ６１は、シート材６３により図４（ａ）に示すように揺動可能な状態で台座５２に連結される。
【０００５】
以上のように構成されるスターリングエンジンの模型の動作について説明する。初期状態、すなわちアルコールランプ５９は点火されておらず、試験管５４およびシリンジ６１の内部に存在する空気が常温常圧の状態にある場合、スターリングエンジンの模型は図４（ａ）の状態にある。つまり、シリンジ６１は縮退状態にあって試験管５４はその底部５４ｂが上がった状態にある。
【０００６】
膨張工程：上記初期状態にあるスターリングエンジンの模型において、アルコールランプ５９に点火してから時間が経過するのにともない、試験管５４の内部の底部５４ｂ付近に存在する空気が局部的に加熱されて膨張する。この膨張にともない、試験管５４の内部の空気は、ガラス球５６と試験管５４との隙間を通ってシリンダ６１ａの内部に流れ込み、これによりシリンジ６１は図４（ｂ）に示すように伸長状態となる。これによって、試験管５４の底部５４ｂが下がった状態となり、ガラス球５６が重力の作用により試験管５４の底部５４ｂに向かって転動する。
【０００７】
収縮工程：上述のようにガラス球５６が試験管５４の底部５４ｂに向かって転動するのにともない、試験管５４の内部の底部５４ｂ付近で熱せられた空気は、追い出されて試験管５４の口５４ａの方に移動する。すると、上述の熱せられた空気はアルコールランプ５９の炎、つまり加熱源から遠ざかるので冷却されて収縮する。これによって、シリンジ６１は、縮退状態となり、試験管５４の底部５４ｂは、再び図４（ａ）に示すように上がった状態となってガラス球５６も試験管５４の口５４ａの方に転動する。そして、上記スターリングエンジンは、上述の膨張工程、収縮工程を送り返して作動する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のスターリングエンジンでは、効率は良いが大きな駆動力を得るためには、気体の容積、すなわち装置全体が大きくなってしまう問題がある。また、ディスプレーサピストン５１と、パワーピストン６１とが別であることによっても装置全体の大型化が懸念される。
【０００９】
また、従来のように、パワーピストン６１がシリンダ６１ａとピストン６１ｂとに分割された構成では、シリンダ６１ａとピストン６１ｂとの間の空気が抜ける圧力損失によって十分な駆動力が得られなくなるという問題もある。
【００１０】
そこで本発明は、上記課題を解消するために、全体構成の小型化を図り、且つ、圧力損失を低減することができるスターリングエンジンを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明による請求項１記載のスターリングエンジンは、
ディスプレーサピストンにより気体を移動させることによって、該気体の熱膨張と熱収縮が繰り返されてパワーピストンに駆動力を与えるスターリングエンジンにおいて、
前記パワーピストンが前記気体が移動するシリンダと一体化され、該シリンダの少なくとも一部が前記パワーピストンとして駆動されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載のスターリングエンジンは、請求項１記載のスターリングエンジンにおいて、
前記パワーピストンと、前記気体が移動するシリンダとが密閉された空気室をなすように一体化され、前記シリンダの少なくとも一部が、ベローズ構造とされていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載のスターリングエンジンは、請求項１記載のスターリングエンジンにおいて、
前記パワーピストンと、前記気体が移動するシリンダとが密閉された空気室をなすように一体化され、前記シリンダの少なくとも一部が、二重の入れ子構造とされていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載のスターリングエンジンは、請求項１〜請求項３の何れかに記載のスターリングエンジンにおいて、
前記ディスプレーサピストンが、前記シリンダ内に配設され、前記シリンダの駆動側とリンク駆動により移動操作されることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載のスターリングエンジンは、請求項１〜請求項３の何れかに記載のスターリングエンジンにおいて、
前記ディスプレーサピストンが、前記シリンダ内に配設され、形状記憶材により移動操作されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
図１（ａ），（ｂ）は本発明のスターリングエンジンの第一実施の形態を示す構成図である。
【００１７】
本実施の形態におけるスターリングエンジンは、パワーピストン１と、ディスプレーサピストン２とを有している。パワーピストン１は、密閉された空気室Ａをなす筒状のシリンダ３を基部としている。シリンダ３は、固定側３ａと駆動側３ｂとからなる。固定側３ａは、筒状とされた底部である。駆動側３ｂは、筒状の側部がベローズ構造４とされることにより上部が上下方向に伸縮可能とされている。このように、シリンダ３は、その少なくとも一部がベローズ構造４によって駆動するように構成されている。なお、空気室Ａ内には、高圧ヘリウムガスが充填されることが好ましい。
【００１８】
上記パワーピストン１をなすシリンダ３の駆動側３ｂには、クランク機構５が設けられている。クランク機構５は、シリンダ３の筒状の上部に連接棒５ａの一端が軸支され、この連接棒５ａの他端がクランク軸５ｂ周りに回動するクランク５ｃに軸支されている。すなわち、クランク機構５により、シリンダ３がベローズ構造４によって上下方向に伸縮可能とされた駆動側３ｂ（筒状の上部）の上下往復運動が、クランク軸５ｂの回転運動に切り替えられる。
【００１９】
ディスプレーサピストン２は、シリンダ３内に配設されている。ディスプレーサピストン２は、支持棒６と摺動部材７とからなる。支持棒６は、下端６ｂがシリンダ３内の底部に固定されて立設され、その上端６ａにフランジ状の係止部６ａａを有している。摺動部材７は、支持棒６に挿通される挿通穴７ａを有し、支持棒６に沿って上下に摺動可能に支持される。また、摺動部材７は、上面および下面にそれぞれ凹部７ｂ，７ｃを有している。
【００２０】
また、支持棒６の上端６ａにおいて、係止部６ａａと摺動部材７の上面との間には形状記憶材からなるバネ部材８が介在されている。また、支持棒６の下端６ｂにおいて、シリンダ３の内底と摺動部材７の下面との間には形状記憶材からなるバネ部材９が介在されている。バネ８，９は、高温で伸長し低温で収縮する。バネ部材８，９は、それぞれ伸縮の温度設定が異なり、バネ材８は低い温度設定で伸長し、バネ材９は高い温度設定で収縮する。また、バネ部材８，９は、収縮した際に、それぞれ摺動部材７の凹部７ｂ，７ｃに収納される。なお、摺動部材７の外周と、シリンダ３の内周との間には、所定の間隔が設けられている。
【００２１】
なお、バネ材８のみが形状記憶材からなり、高温で伸長し低温で収縮し、バネ材９が常に伸長しようとする通常のバネであって、バネ材８の伸長力よりもバネ材９の伸長力が弱くなるように構成してもよい。
【００２２】
また、シリンダ３の底側には、加熱部１０が設けられている。加熱部１０には、電熱ヒータ、太陽熱ヒータ、温水ヒータなどがある。
【００２３】
上記構成のスターリングエンジンの動作について説明する。
初期状態、すなわち、加熱部１０による加熱がなく、シリンダ３内の空気室Ａ１に存在する気体が常温常圧の状態にある場合、図１（ａ）に示すように、シリンダ３が縮退状態にあって摺動部材７がバネ部材８の収縮およびバネ部材９の伸長によって上方に上がった状態にある。
【００２４】
膨張工程：上記初期状態において、加熱部１０による加熱が行われてから時間が経過するのにともない、シリンダ３内の空気室Ａ１に存在する気体が加熱されて膨張する。この膨張により、空気室Ａ１の内部の気体が、摺動部材７とシリンダ３との間の隙間に流れ込む。これによってシリンダ３が、ベローズ構造４を介して図１（ｂ）に示す伸長状態となり、空気室Ａ２が形成される。さらに、加熱部１０による加熱により、バネ材８が伸長してバネ材９が収縮するため、摺動部材７が支持棒６に沿って下方に摺動し、空気室Ａ１を閉じる。
【００２５】
収縮工程：上述のように、摺動部材７が下方に摺動するのにともない、シリンダ３の空気室Ａ１で熱せられた気体は、追い出されて空気室Ａ２の方に移動する。すると、上述の熱せられた気体は、加熱部１０から遠ざかるので冷却されて収縮する。これによって、シリンダ３は、ベローズ構造４を介して図１（ａ）に示す縮退状態となる。さらに、冷却によってバネ部材８が収縮してバネ部材９が伸長するため、再び摺動部材７が支持棒６に沿って上方に摺動し、空気室Ａ２を閉じて空気室Ａ１を形成する。そして、上記スターリングエンジンは、上述の膨張工程、収縮工程を送り返して作動する。
【００２６】
このスターリングエンジンの作動により、クランク機構５を介してクランク軸５ｂが回転を繰り返す。
【００２７】
したがって、このように構成されたスターリングエンジンでは、パワーピストン１がシリンダ３と一体化されて、シリンダ３がベローズ構造４を介して駆動される。これにより、パワーピストン１の構成が簡素化されて、装置全体を小型化することが可能である。また、シリンダ３内に密閉された空気室Ａが得られるので、圧力損失を低減して十分な駆動力を得ることが可能である。
【００２８】
また、ディスプレーサピストン２がシリンダ３内に配設されて、前記空気室Ａ１，Ａ２の切り替えを行うので、装置全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
【００２９】
以下、本発明の第二実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
図２（ａ），（ｂ）は本発明のスターリングエンジンの第二実施の形態を示す構成図である。
【００３０】
本実施の形態におけるスターリングエンジンは、上述した第一実施の形態に対し、パワーピストンの構造が異なる。ゆえに、以下に説明する第二実施の形態では、それ以外の同一部分には同一の符号を付して説明する。
【００３１】
パワーピストン１１は、密閉された空気室Ａをなす筒状のシリンダ１３を基部としている。シリンダ１３は、固定側１３ａと駆動側１３ｂとからなる。固定側１３ａは、上側が開口する筒状の底部である。駆動側１３ｂは、下側が開口する筒状の下部であり、固定側１３ａに対して二重の入れ子構造１４とされている。これにより、シリンダ３は、上部が上下方向に伸縮可能とされている。このように、シリンダ３は、その少なくとも一部が二重の入れ子構造１４によって駆動するように構成されている。なお、空気室Ａ内には、高圧ヘリウムガスが充填されることが好ましい。
【００３２】
上記パワーピストン１をなすシリンダ１３の駆動側１３ｂには、クランク機構５が設けられている。クランク機構５は、駆動側１３ｂの上部に連接棒５ａの一端が軸支され、この連接棒５ａの他端がクランク軸５ｂ周りに回動するクランク５ｃに軸支されている。すなわち、クランク機構５により、シリンダ１３が二重の入れ子構造１４によって上下方向に伸縮可能とされた駆動側１３ｂの上下往復運動が、クランク軸５ｂの回転運動に切り替えられる。
【００３３】
ディスプレーサピストン２は、シリンダ１３内に配設されている。ディスプレーサピストン２は、支持棒６と摺動部材７とからなる。支持棒６は、下端６ｂがシリンダ１３内の固定部１３ａの底部に固定されて立設され、その上端６ａにフランジ状の係止部６ａａを有している。摺動部材７は、支持棒６に挿通される挿通穴７ａを有し、支持棒６に沿って上下に摺動可能に支持される。また、摺動部材７は、上面および下面にそれぞれ凹部７ｂ，７ｃを有している。
【００３４】
また、支持棒６の上端６ａにおいて、係止部６ａａと摺動部材７の上面との間には形状記憶材からなるバネ部材８が介在されている。また、支持棒６の下端６ｂにおいて、シリンダ１３の固定部１３ａの内底と摺動部材７の下面との間には形状記憶材からなるバネ部材９が介在されている。バネ８，９は、高温で伸長し低温で収縮する。バネ部材８，９は、それぞれ伸縮の温度設定が異なり、バネ材８は低い温度設定で伸長し、バネ材９は高い温度設定で収縮する。また、バネ部材８，９は、収縮した際に、それぞれ摺動部材７の凹部７ｂ，７ｃに収納される。なお、摺動部材７の外周と、シリンダ１３の内周との間には、所定の間隔が設けられている。
【００３５】
なお、バネ材８のみが形状記憶材からなり、高温で伸長し低温で収縮し、バネ材９が常に伸長しようとする通常のバネであって、バネ材８の伸長力よりもバネ材９の伸長力が弱くなるように構成してもよい。
【００３６】
また、シリンダ１３の固定部１３ａの底側には、加熱部１０が設けられている。加熱部１０には、電熱ヒータ、太陽熱ヒータ、温水ヒータなどがある。
【００３７】
上記構成のスターリングエンジンの動作について説明する。
初期状態、すなわち、加熱部１０による加熱がなく、シリンダ１３内の空気室Ａ１に存在する気体が常温常圧の状態にある場合、図２（ａ）に示すように、シリンダ１３が縮退状態にあって摺動部材７がバネ部材８の収縮およびバネ部材９の伸長によって上方に上がった状態にある。
【００３８】
膨張工程：上記初期状態において、加熱部１０による加熱が行われてから時間が経過するのにともない、シリンダ１３内の空気室Ａ１に存在する気体が加熱されて膨張する。この膨張により、空気室Ａ１の内部の気体が、摺動部材７とシリンダ１３との間の隙間に流れ込む。これによってシリンダ１３が、二重の入れ子構造１４を介して図２（ｂ）に示す伸長状態となり、空気室Ａ２が形成される。さらに、加熱部１０による加熱により、バネ材８が伸長してバネ材９が収縮するため、摺動部材７が支持棒６に沿って下方に摺動し、空気室Ａ１を閉じる。
【００３９】
収縮工程：上述のように、摺動部材７が下方に摺動するのにともない、シリンダ１３の空気室Ａ１で熱せられた気体は、追い出されて空気室Ａ２の方に移動する。すると、上述の熱せられた気体は、加熱部１０から遠ざかるので冷却されて収縮する。これによって、シリンダ３は、二重の入れ子構造１４を介して図２（ａ）に示す縮退状態となる。さらに、冷却によってバネ部材８が収縮してバネ部材９が伸長するため、再び摺動部材７が支持棒６に沿って上方に摺動し、空気室Ａ２を閉じて空気室Ａ１を形成する。そして、上記スターリングエンジンは、上述の膨張工程、収縮工程を送り返して作動する。
【００４０】
このスターリングエンジンの作動により、クランク機構５を介してクランク軸５ｂが回転を繰り返す。
【００４１】
したがって、このように構成されたスターリングエンジンでは、パワーピストン１がシリンダ１３と一体化されて、シリンダ１３が二重の入れ子構造１４を介して駆動される。これにより、パワーピストン１の構成が簡素化されて、装置全体を小型化することが可能である。また、シリンダ１３内に密閉された空気室Ａが得られるので、圧力損失を低減して十分な駆動力を得ることが可能である。
【００４２】
また、ディスプレーサピストン２がシリンダ１３内に配設されて、前記空気室Ａ１，Ａ２の切り替えを行うので、装置全体のさらなる小型化を図ることが可能となる。
【００４３】
ところで、上述した各実施の形態において、スターリングエンジンの作動時に、ディスプレーサピストン２は、バネ部材８，９によって摺動部材７が支持棒６を介して上下に摺動する構成としているがこの限りでなはい。この場合、例えば、図３（ａ），（ｂ）に示すように、支持棒６の下端６ｂにおいて、シリンダ３（１３）の固定部３ａ（１３ａ）の内底と摺動部材７の下面との間に、常に伸長しようとする通常のバネであるバネ部材１９を設ける。そして、摺動部材７の下側と駆動側３ｂ（１３ｂ）との間をワイヤ２０で連結する。また、シリンダ３（１３）内の固定部３ａ（１３ａ）側には、ワイヤ２０を案内するローラ２１を設ける。
【００４４】
この構成によれば、図３（ａ）に示す縮退状態のとき、バネ部材１９によって摺動部材７が上方に摺動して空気室Ａ１を形成する。そして、図３（ｂ）に示す伸長状態のとき、駆動側３ｂ（１３ｂ）の駆動にともない摺動部材７がワイヤ２０に引っ張られるリンク駆動によって下方に摺動して空気室Ａ２を形成する。
【００４５】
このように、ディスプレーサピストン２の移動には、第一および第二実施の形態のごとく熱によって作動する構成、あるいは図３（ａ），（ｂ）に示すごとくパワーピストン１の動作に起因して移動する構成がある。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によるスターリングエンジンは、パワーピストンがシリンダと一体化されてシリンダの少なくとも一部が駆動されことにより、パワーピストンの構成が簡素化されて装置全体を小型化することができる。
【００４７】
また、パワーピストンがシリンダと密閉された空気室をなすように一体化されていることにより、圧力損失を低減して十分な駆動力を得ることができる。
【００４８】
また、シリンダの少なくとも一部が、ベローズ構造あるいは二重の入れ子構造とすることで、上記シリンダの駆動を実現することができる。
【００４９】
また、ディスプレーサピストンがシリンダ内に配設されて、空気室の切り替えを行うので、装置全体のさらなる小型化を図ることができる。
【００５０】
また、ディスプレーサピストンは、シリンダの駆動側とリンク駆動により移動操作され、あるいは、形状記憶材により移動操作される構成とすることで、ディスプレーサピストンの移動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）本発明のスターリングエンジンの第一実施の形態を示す構成図。
【図２】（ａ）（ｂ）本発明のスターリングエンジンの第二実施の形態を示す構成図。
【図３】（ａ）（ｂ）ディスプレーサピストンの別の構成を示す図。
【図４】（ａ）（ｂ）従来におけるスターリングエンジンの作動原理を説明するための模型を示す図。
【符号の説明】
１…パワーピストン、２…ディスプレーサピストン、３，１３…シリンダ、３ａ，１３ａ…固定側、３ｂ，１３ｂ…駆動側、４…ベローズ構造、８…バネ部材（形状記憶材）、９…バネ部材（形状記憶材）、１４…二重の入れ子構造、２０…ワイヤ（リンク駆動）。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２５０５０２
【氏名又は名称】理想科学工業株式会社
【住所又は居所】東京都港区新橋２丁目２０番１５号
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| 【出願日】 |
平成１４年８月２日（２００２．８．２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６７３２３
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 教光
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| 【公開番号】 |
特開２００４−６８６４７（Ｐ２００４−６８６４７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１６年３月４日（２００４．３．４） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−２２６４０７（Ｐ２００２−２２６４０７） |
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