Stirling Engine with Colliding Displacer (SECD)

衝突ディスプレーサ式スターリングエンジン

出力ピストンやディスプレーサ等をクランク機構などで結ばず、気体バネ等を利用して振動させる方式のスターリングエンジンはフリーピストン式と呼ばれます。ここで提案するSECDはフリーピストン式の新型の一種ですが、設計・調整が極めて容易であり、かつ従来型にない便利な特徴を持っています。

Contents

ビール式フリーピストンについて

小林式フリーピストンSECD誕生

さまざまな模型

 

 

 

 

 

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ビール式フリーピストン  -1969

フリーピストン形といえば W.Beale氏が考案したこの形式です。

 バネAとBは、実際のバネまたは空気バネ、または両方が使われます。
 出力ピストンが振動すると、出力ピストンの上下の圧力差によって、ディスプレーサピストンを上下に揺り動かします。

出力ピストンとディスプレーサピストン、2つの振動体があるので、それぞれの固有振動数を一致させる必要があります。動力になるような模型は設計が難しい。負荷の変化に弱いのも弱点。

 

 

 

 

 

AnimationGIF

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小林式フリーピストン SECD 2000-2001 

出力ピストンのピストン側を固定し、シリンダ側を振動させます。シリンダが振動すると、スチールウールは上下でシリンダに衝突するので、往復運動します。つまりシリンダとの衝突がディスプレーサ振動を励起する方式です。(特許出願2001-401743

振動数は主にシリンダの質量と空気バネのバネ定数できまりますが、負荷の変化など外的な要素の影響を受けます。ビール式ではそれによってディスプレーサピストンの固有振動数と大きくズレが生じると止まってしまいます。

SECDの場合、負荷の変化等で振動の速さが変わっても、ディスプレーサ振動は必ずそれに同期します。振動数を大幅に変化させても、振動が止まらないということが利点です。

また、シリンダ端に繰り返し接触するので、熱伝達に有利です。

試験管のおしりを熱し、シリンダをつりあいの位置からズラして手を離すか、試験管を弾いて初動を与えると、シリンダが振動を始めます。

SECDの動作

1〜2 気体が収縮してシリンダが上へ
2〜3 シリンダは止まるがスチールウールが慣性で上へ
3〜4 気体が膨張してシリンダが下へ
4〜1 シリンダは止まるがスチールウールが慣性で下へ

SECDのジャンピング動作

もしピストンの一端を固定しないと、エンジンは垂直にジャンプすることができます。

@〜A加熱
A〜B膨張
B〜C冷却
C〜D圧縮
D〜@落下

振動アームに取りつけられたバネなどによってシリンダが鉛直下向きに床に押し付けられる場合には、ディスプレーサ下部のばねが無くても動作します。

このエンジンはヒートポンプに応用することが考えられます。任意の振動数でシリンダを揺すぶることでヒートポンプになります。家庭用エアコンなどで必要となるリニアな出力制御などが簡単に実現できるスターリングエンジンと言えます。

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さまざまな模型 2001-2002       Models using SECD

 

羽ばたき飛行船
 Airship with flapping wings  2001

出来れば振動のまま出力を取り出したい。右は振動出力で小さな翼を羽ばたくようにしたもので、ヘリウム入りマイラー風船に取りつけました。シリンダには3ml注射器と直径13mm試験管を使っています。
飛行船全体 Click for full shot of the airship
 試験管のおしりをバーナーで加熱し、余熱で1分ていど羽ばたきます。100リットル弱の飛行船を引っぱり30cm/s程度の速さで前進します。熱源を積めば羽ばたき続けますが、燃料がなくなる分、少しずつ飛行船が軽くなるので、上へ上へそして永遠にサヨナラ(^^

 

振動ブラシカー
  Brush-car    2001

 これも振動を直接利用しました。フリーピストン形を固定したフレームの真下にブラシ(洗濯用ブラシ)が取り付けてあります。ブラシの毛は斜めに床に当たるようにしてあります。振動1回の度にごくわずかづつ前進します。

 この車は土浦工業高理科研究部の3年生が作り、第5回スターリングテクノラリーでは圧倒的支持を得て、特別賞金賞を受賞しました。

 

振動ブラシカー(リニア発電機つき)
 Brush-car 
with Linear Alternator   2002

 試験管を逆向きに立てました。ホルダーアームが上下に振動します。先端に取り付けた永久磁石の振動によって、コイルに交流が発生します。端子に接続したLEDを点灯しながら、走行します。

右の写真は歯ブラシが持ち上がるように、スタンドを下ろした状態。スターリング発電機として使用する時の状態です。加熱はアルコールランプやコンロ、バーナーライターなどで行います。

 

ジャンピング・スターリング Jumping-Stirling    2002

振動ブラシカーのアーム部分をはずして、転倒防止のアルミ板を付けたものです。上に突き出ている試験管のおしりを加熱し、少し持ち上げて離すと、T字型の部分を支点として、ジャンプし始めます。ピョンピョンと跳ね続け、少しずつ前に進みます。

大きく跳ね上がる時の周期は長く、小さな跳ね上がりの時の周期は短くなります。しかし、その動きに同期して、ディスプレーサピストンも振動しています。このような動きこそ、今までのフリーピストン・スターリングエンジンで不可能だったわけです。

 

上のジャンピング・スターリングにタイヤ(ローラー)をつけました。確実に前進させるため、車軸にラチェットギアを付けてみました。ストッパ(爪)は結束バンドを流用。

ピョン、ピョンとジャンプするごとにジー、ジーとラチェット音がして進みます。

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FPSE振動翼推進ボート

Stirling-Fish !     2002

図面(組立図・部品図)

英語版図面→Plans and Parts list (in English)

 

 

実験室の流し(水槽)を進む振動翼ボート。振動による波が水面に見えます

前進速度は毎秒数十センチです。フロートやヒレの形などを最適化すれば、もっと高速化するでしょう。

エンジンの放熱部から伸びてヒレの付け根部分まではアルミ板であり、水中に没した部分が水によって冷却されます。水冷式です。(^^

 

 

おまけ情報

 

出力ピストン(ベローズ)のストロークとシリンダ内のディスプレーサのストロークとの比が衝突のタイミングを決めます。振動式の場合ですが、計算によると、その比が1前後のとき、良いタイミング(位相角90度に相当)になります。

ディスプレーサ行程容積と出力ピストン行程容積は上の例では2:1くらいで動いています。試験管の径はベローズより太い径を使っています。

スチールウールの密度はタワシとして売られているふんわりとした状態の程度で十分です。24mm〜30mm径の試験管であれば、中身のスチールウールは2〜3g程度でしょう。摩擦力が大きく動きが悪い時はスチールウールの芯に重りを入れても良いでしょう。

ジャンピング式の場合、ディスプレーサ下部のばねが必要ですが、スチールウールの弾力を利用すれば、ばねを省略できます。ただ、その場合はスチールウールの弾力にたよることになるので、スチールウールの巻き方や形状に気を使う必要があり、充分な調整が必要です。

 

 

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