JPS5834662B2 - 回転型スタ−リング機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、はぼ常温にあるロータと高温または低温にあ
るロータの間に回転型の熱交換器および蓄熱器と、高温
または低温となる部分に固定型の熱交換器を設け、外部
から加熱すれば回転動力を発生する原動機となり、モー
タ等で回転動力を与えれば冷凍機やヒートポンプとする
ことができる回転型スターリング機関に関するものであ
る。

この機関の熱サイクルは、理論的には２つの等容変化と
２つの等温変化の４つの過程から成るスターリングサイ
クルであるが、実際にはポリトロープ変化となる。

この熱サイクルに類似し、実用化されたものは、一部を
回転動化した外燃機関（米国特許第３．４８７，４２４
号、同第３，５３７，２６９号）を除き、すべて往復動
型であり、構造が複雑で部品数が多く、重量も大きくな
り故障の発生率が高いという欠点を有していた。

本発明はこれらの欠点を除くため、構成要素のほとんど
を回転動化し、外部との熱交換を行う熱交換器のみを固
定化したため、比較的簡単な構造で、これまでに作られ
た通常のスターリング機関に比べ、部品数や装置容積お
よび重量が数分の一程晩になるという特色を有する回転
型スターリング機関を提供することをその目的とするも
のである。

以下本発明の一実施例並びに他の変形実施例を添付図面
に基づいて訝明する。

第１図において、外部と回転動力の伝達ができるように
なっている回転軸１のフランジ部１人とほぼ常温にある
ロータ５および熱交換器ハウジング４９は、それぞれの
回転中心が一致しかつ回転力が伝わるようにボルト３３
または他の方法で結合され、一体となって回転する。

第１図においては、回転軸１のフランジ部１Ａとロータ
５がボルト３３で結合されているが、回転軸１がロータ
５内を貫通し、キーやスプライン等で回転力が伝達され
るようにすることも可能である。

蓄熱器２３は蓄熱器フランジ部２３Ｅにおいて、ボルト
２７等で熱交換器ハウジング４９に固定される。

蓄熱器フランジ部２３Ｅには回転型熱交換器２９が固定
される。

蓄熱器軸部２３Ｆには高温または低温となるロータ１６
が、軸方向に相互に動きかつ回転力の伝達ができるよう
キー３７等で組合される。

さらに蓄熱各軸部内流路２３Ｇは、ロータ内流路１８と
位置が合うようになっている。

このようにして回転軸１、ロータ５、熱交換器ハウジン
グ４９、回転型熱交換器２９、蓄熱器２３、ロータ１６
は一体となって回転する。

回転は軸受２および１０で支持される。

ロータ５にはハウジング４が、ロータ１６にはハウジン
グ１５がかぶさる。

ハウジング４の両側にはサイドハウジング３および９が
ボルト３０等で固定されている。

サイドハウジング３内には軸受ケース３８および冷却水
仕切板３９が入り、カバーフランジ３５とそれを固定す
るボルト３４でしめつけられる。

サイドハウジング９には位相角可変フランジ１１が、回
転軸１と同心円上に並べられたボルト１２によって取り
つけられる。

位相角可変フランジ１１には３つの薄肉パイプよりでき
た断熱シース１３の一端が溶接等により流体の漏れのな
いように固定されている。

断熱シース１３のハウジング１５に溶接等で固定される
。

断熱シース１３の最内筒１３Ａは位相角可変フランジ１
１に、また断熱シース１３の最外筒１３Ｃはハウジング
１５に夫々固着されている。

ハウジング１５にはサイドプレート１４がネジ等で固定
され、ロータ１６はハウジング１５とサイドプレート１
４で囲まれた形となる。

第２図に示すように、ロータ１６には可動翼５０および
ロータサイドシール５４が組合わさり、ロータ１６、可
動翼５０、ハウジング１５Ａおよび１５Ｂ、サイドプレ
ート１４で囲まれた部分に可動翼の数の可変容積空間１
７が作られる。

また、ロータ５には可動翼５０′およびロータサイドシ
ール（図示略）が組合わさり、ロータ５、可動翼５０′
、ハウジング４、サイドハウジング８および９で囲まれ
た部分に可動翼の数の可変容積空間６が作られる。

可変容積空間６と１７のそれぞれの数は同じであり、こ
の実施例では１つのロータに可動翼を４枚摩り付け、可
変容積空間を４つに分割したものであるから、いわゆる
レシプロ型エンジンでいう４気筒に相当する。

したがって回転型熱交換器２９、蓄熱器２３、本発明の
要部となる固定型多流体熱交換機構、その他作動流体の
流れる流路はすべてそれぞれ４つの動作部分に分けられ
た形状になっている（後述する作動の説明に際しては、
分けられた４つの動作部分にａ、ｂ、ｃ、ｄの添字をつ
けて説明することとする。

）。なお分割数は２以上ならばいくつでもよく、分割数
の多いほど回転は滑らかになる。

回転型熱交換器２９と可変容積空間６の間には作動流体
流路７が、また回転型熱交換器２９と蓄熱器２３の間に
は作動流体流路２８があり、その中を作動流体が移動す
る。

常温の熱交換器である回転型熱交換器２９は、第１図に
示す如く、ロータ５と熱交換器ハウジング４９の中心部
に設けられ、４つの動作部分から成り、図示しない穴あ
き積層板を重ねて一体形状にまとめた多流体型である。

中心に中央水路４７、外側に螺旋状凸部４８をつくって
螺旋形水路４６を形成し、中央水路４７から蓄熱器フラ
ンジ部２３Ｅを通ってきた冷却水はこの螺旋形水路４６
を流れるので、回転型熱交換器２９は内外から冷却され
ることになり、かつ渦巻状に冷却水が流れるので冷却効
果が高い。

また回転により螺旋状凸部４８は冷却水に対しポンピン
グ作用を与え、さらに作動流体にフィン効果とともに強
制冷却の効果をも与える。

冷却水は冷却水入口４０から軸受冷却ジャケット４１に
流入し、軸受２を冷した後、回転軸１に設けられた流入
口４２より中央水路４７に入り、回転型熱交換器２９へ
向う。

この熱交換器を冷却した水は、回転軸１のフランジ部１
人にあけられた流出口４５からジャケット４４を通り、
冷却水出口４３より排出される。

またハウジング４およびサイドハウジング３，９内の各
々に連通しているハウジング冷却水ジャケット８があり
、その中にも冷却水が流れるように、ハウジング４に冷
却水の出口が設けられている。

このように冷却水は軸受２、回転軸１、回転型熱交換器
２９、ハウジング４、サイドハウジング３，９を冷却し
、作動流体の温変を低く保つ。

冷却に用いる流体は水に限らず、液化ガスあるいは空気
などの気体、油、その他種々のものを用いることも可能
である。

蓄熱器２３は第２図で示すように４つの動作部分から成
る。

ステンレス鋼、銅その他でできた多数の金属板２４を凹
陥部を設けてろう、溶接、接着剤等で蓄熱器２３外、お
よび４つの動作部分２３ａ〜２３ｄ間に作動流体の漏れ
がないように積層し、内部にマトリックス２５ａ−ｄを
充填して作られる。

このため、積層された金属板２４の相互間の熱移動が小
さく、かつ４つの動作部分２３ａ〜２３ｄ相互間で熱交
換が行われるため、熱交換器型の蓄熱器２３となる。

ここに用いた積層型多流体の回転型熱交換器２９および
蓄熱器２３は、本出願人の日本特許第６９３０５４号「
低温用熱交換器」を応用し、穴あき金属板をプレスによ
り凹陥したものと、メタルスペーサを交換に多数枚積層
し、真空中でのろう着等を利用して作られたもので、回
転型熱交換器２９の場合は、熱伝達面積がその大きさに
比して大きく（約２，０００ ｙｒ’／７ＩＬ′）、回
転のモーメントや熱的サイクルに対して堅牢である。

可動翼５０はサイドシール（図示時）とシール面に面圧
を与えるためのバネ５１を備え、頭部シール面５０Ａ１
サイドシール面（図示時）でのシール性を維持する構造
となっている。

可変容積空間１７に出入する作動流体は、ハウジング１
５Ａ、、 １５Ｂ内の多数本から成る流路２１を通過中
、あるいは可変容積空間１７内でハウジング１５より熱
を吸収する。

ハウジング１５はエンジン動作の場合、燃焼バーナ等で
加熱さ札冷凍機動作の場合はここで冷凍を発生し吸熱す
る。

またＬＮＧや液体水素等の低温流体の冷熱を利用する低
温原動機の場合は、逆に作動流体が低温流体に放熱を行
う。

この吸熱あるいは放熱を良くするため、ハウジング１５
内に本発明の要部となる固定型多流体熱交換機構が設け
である。

この機構は、ハウジング１５、多数本から成る流路２１
゜ハウジング側作動流体口２２、バルブ側作動流体口２
０等から成り、多数本から成る流路２１が作動流体との
熱交換に最も効果をあげ、スターリングサイクルの効率
を決定する重要部である。

蓄熱器軸部２３Ｆ内の蓄熱密輸部内流路２３Ｇより出て
バルブ側作動流体口２０に入る作動流体は一種のロータ
リスリットバルブ機構により、４つに分けられた可変容
積空間１７ａ〜１７ｄの定められた一つに流入するよう
になっている。

第１図および第３図に本発明の更にもう−っの要部であ
るロータリスリットバルブ機構を示す。

ハウジング１５は２個の部品１５Ａおよび１５Ｂより構
成され、外側のハウジング１５Ａと内側のハウジング１
５Ｂの間に多数本から成る流路２１が設けられ、内側の
ハウジング１５Ｂにバルブ側およびハウジング側作動液
体口２０および２２がある。

内外のハウジング１５Ａと１５Ｂはろう付けその他の方
法により接合され、多数本から成る流路２１は互いにシ
ールされている。

４つの蓄熱密輸部内流路２３Ｇａ−２３Ｇｄおよびロー
タ内流路１８ａ〜１８ｄを流れる作動流体は、それぞれ
−且、４つのポケット部１９ａ〜１９ｄに入り、それと
対向するバルブ側作動流体口２０の各１／４ずつから多
数本から成る流路２１の各１／４へ流れ、ハウジング側
作動流体口２２の１／４より、それぞれ可変容積空間１
７ａ〜１７ｄへと流入する。

作動流体はロータ１６の回転にともない、順次ロータ内
流路１８ａ〜１８ｄより可変容積空間１７ａ〜１７ｄ内
に入り、膨張または圧縮（低温エンジンの場合）をし、
また逆の流路で戻る。

４つのポケット部１９ａ〜１９ｄはバルブ可動翼５５お
よびそれに面圧を与えるバネ５６で相互にシールされる
。

多数本から戒る流路２１は第７図のように、多数本のパ
イプ２１′に置き換えて作ることもできる。

なおハウジング１５は、低温原動機とするときは、液体
水素やＬＮＧ等の低温液体の冷熱で冷却され、可変容積
空間１７が圧縮部となり、可変容積空間６は膨張部とな
って回転型熱交換器２９のまわりを流れる冷却流体は逆
に温水その他の加熱流体となる。

また逆に可変容積空間１７を膨張に、可変容積空間６を
圧縮にした低温原動機の構造も可能である。

位相角可変フランジ１１はボルト１２でサイドハウジン
グ９に固定するから、取付位置を変更することができ、
スターリングサイクルでいういわゆる「位相角」を任意
に選ぶことが可能である。

このようにして作動流体は可変容積空間６、回転型熱交
換器２９、蓄熱器２３、多数本から成る流路２１、およ
び可変容積空間１７の中を順次往復することになる。

作動流体の流れる部分、冷却水の流れる部分、油のある
部分、および大気の部分等の相互間には流体の漏れのな
いよう適当なシール材が設けられる。

２６，３１．３２，３６は回転部と固定部の間で作動流
体をシールするための回転シールである。

さらに作動流体の供給および圧力コントロールの回路を
第４図に示す。

作動流体圧力の最高値を設定するための高圧チェックバ
ルブ６２とその最低値を設定するための低圧チェックバ
ルブ７２とで圧力の限界を定める。

６０は作動流体の吐出口で、ハウジング４の作動流体の
圧力の高くなる位置に設ける。

他方、作動流体の供給は、供給ロア３から行い、この位
置は圧力が適当に低くなるところを選ぶ。

６４は作動流体溜、６５は供給バルブ、６６は作動流体
補給口で、作動流体溜６４を出た流体は圧力調整バルブ
７０を通過し、フィルタ７１、低圧チェックバルブ７２
を通って供給ロア３にいき、この機関を例えば自動車に
用いた場合、ブレーキペダルを踏むと、クラッチにより
コンプレッサ６９を作動させ９１作作動体をコンプレッ
サ吸入口６７からコンプレッサ６９に入れ、圧力を高め
てコンプレッサ吐出口６８からフィルタ７１′を通して
高圧流体溜６４′に送る。

そして加速の時はアクセルペダルと連動させてバルブ７
０′を開き、高圧流体溜６４′から高圧流体をチェック
バルブ７２′を経て機関に供給し、回転を上げる。

したがって動力の回収が行え、かつ有効に利用できる。

なお１機関の停止、起動、回転、制御等にバイパスバル
ブ６１を設ける。

６３は作動流体の解放バルブである。

次に本実施例の作用を述べる。

本発明に係る回転型スフ−リング機関の熱サイクルは、
スターリングサイクルで、１等温圧縮、２等容変化、３
等温膨張、４等容変化の４つの過程での外燃機関として
説明される。

この熱サイクルは１．ロータが１回転する毎に１サイク
ルを完了する。

作動流体は、ヘリウム、水素、空気、フレオン、その他
の流体またはこれらの混合流体で、この回転型スターリ
ング機関に封入した状態で用いられる。

第６図は、ロータ１６がロータ５に対してその回転が約
９０°進んだ位相角の場合、すなわち可変容積空間１７
の変化の位相が可変容積空間６のそれより９０’進んで
いるときの動作を示し、第５図は、動作空間の容積変化
を示すもので、ａの組合せについてだけ説明するが、ｃ
−ｄは回転軸の１の１／４回転ずつのずれがあるだけ
で、動作は全く同じである。

１ 等温圧縮過程 Ａ−）Ｂ 作動流体は、主としてほぼ常温の可変容積空間６ａ（圧
縮空間）で圧縮され、作動流体流路７ａから、回転型熱
交換器２９に入り、回転型熱交換器２９およびハウジグ
冷却水ジャケット８で冷却される。

この過程で流体は実際には等温圧縮に近いポＩＪ ）ロ
ープ圧縮変化をする。

２ 等容変化過程 Ｂ→Ｃ 冷却された流体は、回転型の蓄熱器２３および本発明の
要部であるスリットバルブ機構から多数本から成る流路
２１を通って可変容積空間１７ａ（膨張空間）へ、はぼ
等容的に移動する。

このとき作動流体の温度は、ロータ１６側の温度が高く
、回転型熱交換器２９側が低いため、蓄熱器２３内のマ
トリックス２５ａと本発明の要部である固定型多流体熱
交換機構から熱を受けとることにより上昇する。

そして圧力も高くなる。

３ 等温膨張過程 Ｃ−＋Ｄ 可変容積空間１７ａ内の流体は、加熱されながら等温膨
張に近いポリトロープ膨張をする。

このとき、作動流体は、仕事を発生し、可変容積空間６
ａでの圧縮仕事および熱的且つ機械的な損失との差が有
効な回転軸１の軸出力となる。

ハウジング１５Ａ、１５Ｂおよび固定型多流体熱交換機
構は、ヒートパイプやバーナの炎等で加熱され、作動流
体へ伝えられる。

４ 等容変化過程 加熱膨張した作動流体は、はぼ常温の可変容積空間６ａ
へ、はぼ等容的に移動する。

このとき、作動流体は、本発明の要部であるスリットバ
ルブ機構を通り、蓄熱器２３でマｌ−ＩＪツクス２５ａ
に熱をとられるため、温度が下がり、圧力も低くなる。

以上は外燃機関としての謂明であるが、２つの可変容積
空間６，１７の大きさを、例えば可変容積空間１γａが
可変容積空間６ａより極力小さくなるようにして、加熱
を行わず回転軸１を電動機等で回せば、膨張部側のハウ
ジング１５に冷凍が発生する冷凍機となる。

また膨張部側で大気から吸熱すれば、圧縮部側を高温と
することによりヒートポンプとなる。

また可変容積空間１７ａを圧縮可変容積空間としてＬＮ
Ｇや液体水素等の冷熱（潜熱および顕熱）で冷却し、か
一つ可変容積空間６ａを膨張可変容積空間として加熱す
れば動力を発生する低温原動機となる。

尚、本発明による容積可変機構は、ベーンタイプである
が、バンケル・スクロール・バレル・その他によっても
実施可能であることは謂明するまでもなく明らかであろ
う。

以上の如く本発明によれば、高温または（極）低温にな
るハウジングに固定型多流体熱交換機構（ハウジング内
部に設けられた多数の流路より構成）を取付けて作動流
体が出入できるため、吸熱効果が非常に大きく、熱効率
が良い。

また本発明１こよれば、ロータに多数の可動翼およびロ
ータサイドシールをつけて、多相回転機関（往復動多気
筒機関に対応する）とするものであるが、この可動翼は
、ハウジングの周方向のみならず両壁面をも同時にシー
ルするような構造のため、各相との作動流体の漏洩が少
く、高い熱効率をあげることができる。

この可動翼の構造は、真空ポンプや圧縮機にも当然用い
ることができる。

更に本発明によれば、熱交換器を内蔵するほぼ常温にあ
るロータと、高温または極低温にあるロータとの間に蓄
熱器を設けて回転型とし、加えて簡単な構造の多相（多
気筒）回転ピストン機関とせしめたために、一部を回転
動化したこの種の機関や往復動機関に比べ、動作が円滑
で振動騒音の発生が少く、更には部品数が少いため、安
価に製造できるし、故障の発生が殆んどなく、軽量、コ
ンパクトである。

またフィン付き多流体熱交換器と多流体蓄熱器とが一体
化され、この熱交換器または螺旋型フィン（他の構造で
もよい）があるため、回転することにより熱伝達効率を
あげ、かつ冷却流体のポンピングをするから強制冷却の
効果を生ずる。

さらにほぼ常温にあるハウジングと高温または極低温に
なるハウジングを３つの同心円管から成るシースで固定
することにより、熱の流れる部分の長さが長くなり、熱
損失が非常に少い。

これは本出願人の米国特許第３，３６６，１３５号であ
る熱損失の少い” Ｖａｌｖｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｍｕｍ
ＴｈｅｒｍａｌＬｅａｋ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍ
ｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕ
ｒｅ”のボンネットの応用で、シースによる熱伝導損失
は１つの円筒に比べて、半分以下とすることができる。

以上の特徴により本発明の機関は、自動車、発電機、船
舶等への外燃機関またはガスの液化・冷凍での極低温冷
凍機として、さらに空調での冷房機やヒートポンプさら
にＬＮＧや液体水素の冷熱回収用エンジンとして応用で
きるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明回転型スターリング機関の一実施例を示
す中央縦断面図、第２図は本発明の一構成部品である蓄
熱器の部分拡大斜視図、第３図は第１図矢示ｘ −ｘ’
線に沿って切断した拡大断面図、第４図は本発明におけ
る作動流体の供給及び圧力の調整回路図、第５図は本発
明における９０°の位相差がある二つのロータによる空
間容積の変化図、第６図は本発明における動作訣明図、
そして第７図は本発明の他の変形実施例を示す要部拡大
断面図である。 ５・・・・・・ロータ、１５Ａ、１５Ｂ・・・・・・内
外のハウジング、１６・・・・・・ロータ、２１′又は
２１′・・・・・・多数本から成る流路、２３・・・・
・・蓄熱器、２９・・・・・・回転型熱交換器、５５・
・・・・・バルブ可動翼。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ はぼ常温において容積変化を行うロータと高温又は
   低温において容積変化を行うロータとの間に回転型熱交
   換器及び回転型蓄熱器を設けた回転型熱機関において、
   前記高温又は低温において容積変化を行うロータを比較
   的直径の大きいロータと比較的直径の小さいロータの２
   段に形成して、該比較的直径の小さいロータに多数のバ
   ルブ可動翼を摺動可能に嵌挿せしめ、該ロータの外周に
   おける回転面と固定された内側のハウジングの内周面と
   をシールすることによってポケット部を形成し、該ポケ
   ット部は高温又は低温において容積変化を行う該ロータ
   内流路を介して該回転型蓄熱器に連通し、前記比較的直
   径の小さいロータと比較的直径の大きいロータのそれぞ
   れのハウジング間に多数本から成る流路を形成すること
   により、前記ロータの回転に伴い前記比較的直径の小さ
   い口−りに設けた複数の該ポケット部と前記比較的直径
   の大きいロータによって形成される複数の可変容積空間
   を分割しつつ連通させるようにしたことを特徴とする回
   転型スターリング機関。