JP3692506B2 - 自由ピストン型再生スターリング機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自由ピストンを出力ピストンとディスプレーサ・ピストンに適用した自由ピストン型再生スターリング機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスターリング機関は、出力機構に機械的変換装置を有するものが一般的であり、機構運動による振動の発生、機械的摩擦損失の発生、複雑な機構による製造コスト高およびメンテナンス・コスト高が実用上の欠点とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
（１） 往復動ピストンと出力機構の運動から発生する振動をなくすこと。
（２） 複雑な出力機構によらず単純な構造とすること。
（３） 熱再生器の再生効率の向上を図ること。
（４） 出力ピストンとディスプレーサ・ピストンの運動は、スターリング・サイクルの実現のためには、適切な位相差をもつことが必須とされる。
機械的変換装置では、機構的に位相差が固定されてしまうが、自由ピストン型を採用することによつて、運転条件に応じて最適に調整可能とすること。
（５） 従来型では、ピストンと外部出力機構の間に機械的接続が必要なため、作動ガスの気密保持が物理的に困難とされてきた。
機関本体を完全密閉構造とし、高圧作動ガスの封入を可能ならしめること。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（１） 自由ピストンを対向型に配置することにより、従来型のもつ不平衡起振力を理論上零とする。
（２） 自由ピストンの採用により、出力機構を単純化し機械的摩擦損失を減らし、メンテナンス・フリー化を達成する。
（３） 熱再生器を機関本体に内蔵することにより放熱損失を防ぎ、ガスの流動抵抗損失を減らし、熱再生効率を向上させる。
（４） 出力ピストンの運動から、リニア発電機によつて電気出力を取りし、その電力の一部を用いてリニア電動機によつて、ディスプレーサ・ピス・トンを駆動する。
両ピストンの動きがスターリング・サイクルの実現に最適となるように制御するため、電気／電子制御装置を設け電子的にプログラムされた制御を行うものとする。
このとき、リニア発電機の電気出力とリニア電動機の消費電力の差が、外部出力として取出される。
（５） 機関本体外構に、自由ピストンを機構的に完全に内蔵した密閉構造とする。これにより、内部に高圧作動ガスを封入しても漏洩のおそれがなく、高出力化、高効率化とメンテナンス・フリー化が実現できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、スターリング機関の出力ピストンとディスプレーサ・ピストンを共に自由ピストン対向配置することにより、無振動性（理論的）を確保している。このため、機関の中央部に加熱部を、両端に冷却部を配置し、それらの中間に対向する円筒形出力ピストンと円環形ディスプレーサ・ピストンを、それぞれを対にして配置する。
【０００６】
両ピストンは、内シリンダと外シリンダ内を機構的拘束なく自由に滑動するが各シリングとピストン間でリニア発電機とリニア電動機を構成させ、リニア発電／電動機において、発電／消費される電力の余剰分を機関の外部出力として取り出すものとする。
すなわち、機械的変換機構によらず直接電気出力を得るものとする。
【０００７】
出力ピストンの一部に熱の再生器を組みこみ、作動ガスの熱損失と流動抵抗損失の極少化を図り、有効な熱再生を行うろものとする。
【０００８】
【０００６】で記述のリニア発電／電動機は、別に設ける電気／電子制御装置で制御される。
両ピストンの運動が、運転条件に応じて最適の位相差をもつように制御装置に電子プログラムを組みこむ。
【０００９】
出力ピストンの往復運動を励起するガス反撥室を設ける。
反撥室のガス圧縮による容積の変化が、全作動ガスの容積変化に相当し、これがスターリング・サイクルを成立させる機構となる。
【００１０】
対向ピストンの対称運動は、【０００８】で記述の電気／電子制御装置によつても制御されるが、力学的にも対称運動になることを図つて、加熱室の圧力均衡のためのガス流通孔を設ける。
さらに、加熱室と冷却室間にもガス流通孔を機関中央線に対して対称に設けて、ピストンの運動が流体力学的に調整される機構とする。
【００１１】
【実施例】
再生スターリング・サイクルは、次のようなプロセスで実現される。
図−１に示すように膨脹ピストン（１）と圧縮ピストン（２）の間に熱再生器（３）を設け、加熱された作動ガスの保有熱を流動に応じて、これに蓄熱したり、放熱したりする役目をもたす。
図の線図は、１サイクル中の両ピストンの動きを示したもので、１サイクルを４等分（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ）して示す。
Ａでは、膨張ピストン（１）は、加熱されたガスの膨脹圧力で外方に動かされて、外部へ仕事をする。
一方、圧縮ピストン（２）は、内方位置で停つたままでいる。
Ｂでは、両ピストンの平列移動でガスが再生器（３）へ放熱しながら移動するのみである。
Ｃでは、逆に圧縮ピストンが内方へ移動し、ガスを圧縮するが、膨脹ピストンは内方位置に停つたままでいる。
Ｄでは、両ピストンの平列移動でガスが再生器から受熱しながら移動するのみである。
この過程で１サイクル（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａ）が完結する。
これをスターリング・サイクル線上で示すと、図−２の通りとなる。
【００１２】
図−２により、再生スターリング・サイクルを説明する。
このサイクルで面積（Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ａ）が、理想的に取り出せる機関の出力（外部仕事量）Ｗ_ｔであり、
Ｗ_ｔ＝Ｗ_ａｂ＋ Ｗ_ｃｄ
となる。
スターリング・サイクルの理論熱効率η_ｔｈは、出力（仕事量）と加熱量の比で示される。
η_ｔｈ＝（Ｗ_ａｂ＋Ｗ_ｃｄ ）／（Ｑ_ａｂ＋Ｑ_ｄａ）
若し、熱再生が理想的に行われると、加熱量Ｑ_ｄａが放熱量Ｑ_ｂｃで再生されるため、実質的に必要な加熱量は、Ｑ_ａｂ＝Ｗ_ａｂのみでサイクルが成立する。
したがつて、理想的な再生サイクルの理論熱効率η_ｔｈｒは、
η_ｔｈｒ＝（Ｗ_ａｂ＋Ｗ_ｃｄ）／Ｗ_ａｂ＝１−Ｔ_ｌ／Ｔ_ｈ
となることが証明される。
ここで、Ｔ_ｈは、このサイクルの最高絶対温度（Ａ→Ｂ間）であり、Ｔ_ｌは最低絶対温度（Ｃ→Ｄ間）である。
すなわち、この事実は、最高温度Ｔ_ｈと最低温度Ｔ_ｌ間で作動する理想的なカルノー・サイクルの効率と合致することを示している。
したがつて、図−１に示すような再生スターリング・サイクルが実現できると、カルノー・サイクルに匹敵する高い理論熱効率をもつ外燃機関が出現することになる。
【００１３】
図−１の両ピストンの動きを、再現するために自由ピストン式を選択する。
その目的は、出力機構の簡素化にある。
自由ピストン式は、その機構が単純であり、機械的ロスが少いうえに耐久性にも優れるものと孝えられている。
図−１のピストンの動きを、２個のフリーピストン体で再現するため図−３に示すような構成を孝案した。
ピストン（１）は、円筒シリンダー（１ａ）に内蔵され自由に滑動する円筒形ピストンである。
ピストン（２）は、ピストン（１）を内蔵するシリンダ（１ａ）の外周を自由に滑動する円環形ピストンである。
シリング（１ａ）の両端は、本体（２ａ）に支持されており、一方が加熱側、他方が冷却側となる。
作動ガスの流動が可能なように、シリンダの両端には、通気孔（１ｂ）、（１ｃ）が開口されている。
ピストン（１）、（２）の両側の作動ガスがピストンの位置関係によつて、再生器（３）内を流動するよう管路（３ａ）、（３ｂ）が通結されている。
この機構において、図−１に示した過程がどのように再現できるかを示したものが図−３の線図である。
Ａの初めでは、作動ガスはほとんどが加熱側にあるためガスの圧力、温度が上昇し、ピストン（１）を冷却側に動かす。
Ｂの初めでは、ガスがすべて加熱側にあり、膨脹を完了している。
ついで、ピストン（１）、（２）が同時に加熱側へ動き、Ｃの初めではガスはすべて冷却側に移つている。
Ｄの初めでは、ピストン（２）が冷却側へもどり始め、ついでピストン（１）がもどりＤの終りではＡの初めの状態に復す。
このようにして１サイクルを完了し、ピストンの動きを示す線図は図−１と同じものであることがわかる。
（ただし、ピストンの動く方向は、本機構では逆方向になつている。）
このピストン（１）、（２）の動きは、近似的に位相差９０度で動いている。（既存のスターリング機関のピストン機関の作動も、これと同じようにほぼ位相差９０度で動いている。）
【００１４】
実際の機関を実現するに当つて、さらに次の課題を達成するものとする。
１） ピストン（１）、（２）に、位相差が約９０度の運転を実現させること。
２） ピストン（１）、（２）の位相差が約９０度であるため、ピストンの運動軸方向に不平衡力が生ずる。
この不平衡力を原理的に消去する工夫をなすこと。
３） ピストン（１）から外部へ出力（動力）を取り出すこと。
４） ピストン（２）の運動は、ピストン（１）から得られる出力の一部をフィードバックして確保すること。
５） ピストンの前後の加熱側と冷却側に作動ガスが流動するための通気孔と、その間に熱再生器を設けること。
【００１５】
【００１４】に列挙した重要課題を実現する機構を考案し、図−４にその基本機構を示す。
（１）は円筒状出力（膨脹）ピストンで、（２）は円環体状ディスプレサー（圧縮）・ピストンで、いずれも自由ピストンとして作動する。
（４）は加熱器で高温に保たれる部分であり（５）は冷却器で低温に保たれる部分である。
（１ａ）は、ピストン（１）が滑動するための内シリンダーであり、（２ａ）にはピストン（２）が内蔵され、かつ本体の外囲いとなる外シリンダーである。
（６）は、（１）に軸で結合された反撥ピストンで、反撥室（１ｄ）内で滑動し、（１）の反撥運動を実現するものである。
また、（１）には熱再生器（３）が内蔵されており、それを貫通して、熱再生通路（３ｃ）が多数設けられている。 （４ａ）は加熱室であり、（５ａ）は冷却室である。内シリンダー（１ａ）には、作動ガスが流通するための高温ガス通気孔（１ｂ）と、低温ガス通気孔（１ｃ）が設けられている。
また（１ａ）には、リニア発電機（７）と（２ａ）の中央部にリニア電動機（８）が設けられている。
（９）は、（７）と（８）に電気的に結合されている電気／電子制御装置である。
本構造は、本体の中央線で対称となる水平対向型に構成されている。
（したがつて、片側のみで説明ができる。）
【００１６】
本機の作動を説明する。
図−３に示した通りの過程で、ピストン（１）、（２）が作動するものとする。Ａのとき、加熱室（４ａ）内の作動ガスは、高温、高圧となつておりピストンを押し出すように働く。
Ｂでは、両ピストンとも冷却側（外死点）に位置し、すべてのガスが加熱側にあり、膨脹が完了しついる。
このとき、ピストンの動きで、リニア発電機（７）では電気出力が発生する。
ＢからＣで、両ピストンが同時に内方へ移動するが、このときピストン（１）は、反撥室（１ｄ）に蓄われられたエネルギーで内方に反転運動し、この動きでも、またリニア発電機（７）で電気出力が発生する。一方、ディスプレサー・ピストン（２）は、冷却室（５ａ）の部分的反撥力でも内方に戻るが、主としてリニア電動機の動力で駆動される。
両ピストンが内方に戻るとき、ピストンの位置関係から、加熱室（４ａ）と冷却室（５ａ）の両室が、通気孔（１ｂ）、（１ｃ）を通じて連通されるため、作動ガスがすべて冷却側へ移動したのち、両ピストンは内死点に到達する。
ＣからＤになると、ピストン（２）が、リニア電動機（８）の駆動力で外方へ戻されるため、冷却されたガスは、（１ｃ）を流通し再生器（３）から再生熱を受熱し昇温しつつ、加熱室（４ａ）に流入する。
加熱室（４ａ）に戻つたガスは、加熱器（４）で加熱され、再び高温、高圧に復す。こうして両ピストンは、Ａの状態に復帰し、１サイクルを完了する。
このような両自由ピストンの動作の確立は、リニア発電機（７）とリニア電動機（８）の電気的制御を電気／電子制御装置を用いて行うことによつて可能となる。
すなわち、出力ピストン（１）から電気出力を得て、その一部の電力をリニア電動機にフィードバック（電力供給）することにより行われる。
実際には、電気／電子制御装置内に設けられるコンピュータ・プログラムによつて、両ピストン（１）、（２）の作動が自由ピストン・スターリング機関として最適に作動するように（例えば９０度の位相差の確立など）制御する。
なお、リニア発電機とリニア電動機は、機関の始動機としても機能する。
【００１７】
本機関から得られる電気出力は、

となる。
すなわち、リニア発電機の電気出力の一部がリニア電動機に必要な電力として供給される。消費される電力は、ディスプレーサ・ピストンを動かし作動流体の圧縮および流動のために費される。
余剰の電力が、スターリング機関としての外部出力となる。
【００１８】
反撥室（１ｄ）は、出力ピストンの反撥運動を励起するためのものであるが、反撥室内の流体の圧縮と膨脹によつて生ずる容積変化が、全作動流体の容積変化と相等しい。したがつて、スターリング・サイクルの最大容積Ｖ_ｍａｘと最小容積Ｖ_ｍｉｎが定まり、サイクルの圧縮比εが次式で決まる。
圧縮比ε＝ Ｖ_ｍａｘ／Ｖ_ｍｉｎ
圧縮比が高い方が、理論熱効率が向上することが判つている。
【００１９】
本発明は、対向型自由ピストン方式であるため、ピストンの対称的運動の確立
が前提である。【００１６】で記述した電気／電子制御装置は、また対向ピストンの対称的運動の制御を行うものであるが、力学的な平衡作用を助長するために加熱室（４）に圧力平衡孔（４ｃ）を設けている。
左右の加熱室（４ａ）、（４ｂ）に何らかの理由で圧力差が生じて左右のピストンに非対称な運動が生じた場合、圧力平衡孔（４ｃ）によつて平衡に復す。
また、通気孔（１ｃ）、（１ｅ）は、左右対称に設けられているため、何らかの理由でピストンの動きが非対称となると、作動流体の流動に左右で不平衡が生じ圧力の差異が現われるが、これも圧力平衡孔（４ｃ）によつて補正される。
これらの作用によつて対向型自由ピストンの対称運動を確保することができる。
【００２０】
【発明の効果】
ピストン（１）と（２）が、約９０度の位相差で運動することにより生ずる本質的な不平衡力は、対向型自由ピストン方式で理論的に消去することが可能となる。これは、無振動機関としてあらゆる利用に有用であるが、とりわけ宇宙基地塔載用の発電装置として適合する。本機関と太陽光集光装置を組合せて、宇宙空間で利用するとき、何らの燃料を使用することなく半永久的に電力を確保することができるようになる。
【００２１】
自由ピストンを内蔵した完全密閉構造の本体で構成されるため、出力はリニア発電機による電気出力として直接的に得られる。機械的出力機構がないため、内部に高圧の作動流体を封入することが可能となる。
作動ガスの圧力（平均有効圧力）が高いことが、効率および出力性能に有利であることが明らかになつている。
【００２２】
熱再生器を出力ピストンに内蔵しているため、熱損失および流動抵抗損失の極小化が実現できる。
【００１２】で記述したように熱再生効率が高いと、理論熱効率がカルノー・サイクルに近づくことが知られている。
【００２３】
自由ピストンの運動を、リニア発電／電動機と電気／電子制御装置の組合せによつて、プログラム制御することが可能である。
これによつて、出力ピストンとディスプレーサ・ピストンの位相差を運転状況（負荷）によつて最適に制御することができる。
また、負荷（出力）に応じた最適化運転（高効率化）も可能となる。
同時に、対向型自由ピストンの対称的運動を確保することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】再生スターリング・サイクルのピストン行程線図である。
【図２】再生スターリング・サイクル線図とサイクル過程における熱移動量、仕事量を説明する図である。
【図３】自由ピストン・スターリング機関の作動を説明する図であろ。
【図４】本発明を具体的な実施例として、基本計画した機関の断面図である。
【符号の説明】
１ 出力（膨脹）ピストン
１ａ 内シリンダ
１ｂ （高温ガス）通気孔
１ｃ、１ｅ （低温ガス）通気孔
１ｄ 反撥室
２ ディスプレーサ（圧縮）ピストン
２ａ 外シリンダ（本体）
３ 熱再生器
３ａ （加熱側）管路
３ｂ （冷却側）管路
３ｃ 熱再生通路
４ 加熱器
４ａ 加熱室（右）
４ｂ 加熱室（左）
４ｃ 圧力平衡孔
５ 冷却器
５ａ 冷却室
６ 反撥ピストン
７ リニア発電機
８ リニア電動機
９ 電気／電子制御装置

Claims (7)

1. 互に一定の位相差をもって運動する出力ピストン（１）とディスプレーサ・ピストン（２）を共に自由ピストンとしてスターリング・サイクルを実現するスターリング機関において、出力ピストン（１）は内シリンダ（１ａ）に内蔵させ、ディスプレーサ・ピストン（２）は、円環体状にして外シリンダ（２ａ）と内シリンダ（１ａ）間に内蔵させて、前記両ピストン（１、２）を同一軸上に同心円的に内外に配置したことを特徴とするスターリング機関。
2. 出力ピストン（１）とディスプレーサ・ピストン（２）をそれぞれ２対とし、これら２対を対向形に配置することにより、発生する不平衡力を零としたことを特徴とする請求項１記載のスターリング機関。
3. 対向型ピストンの運動が力学的に対称となるように、機関の中央に設けた加熱器（４）に流通孔（４ｃ）を、内シリンダ（１ａ）の対称位置に通気孔（１ｂ、１ｂ；１ｃ、１ｅ）を設け、ガスの流動によりピストンの運動を自動的に調整せしめたことを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。
4. 出力ピストン（１）の一部として、熱再生器（３）を内蔵せしめることにより、加熱室（４ａ）と冷却室（５ａ）の間の作動ガスの流通の抵抗が少なく、かつ効率よく熱再生を行わせるようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のスターリング機関。
5. 出力ピストン（１）の運動から、リニア発電機（７）によって電気出力を得て、その電力の一部を用いてディスプレーサ・ピストン（２）をリニア電動機（８）で駆動すると共に、電気／電子制御装置により両ピストンの動きが最適となるようにプログラム制御を行い、リニア発電機の余剰電力を外部出力として取り出すようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のスターリング機関。
6. 外シリンダ（２ａ）内に上記両ピストン（１、２）を完全に内蔵させた密閉構造とし、その内部に高圧の作動ガスを封入したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のスターリング機関。
7. 出力ピストン（１）の往復運動を励起するガス反撥室（１ｄ）を設け、反撥室内の容積変化が全作動ガスの容積変化に相当するものとしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のスターリング機関。

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