(57)【要約】【課題】ディスプレーサピストンとパワーピストンの位相差を９０度に調整して安定作動させることができるフリーピストン型スターリングエンジンを提供する。【解決手段】一端に加熱部１を有し、且つ他端に冷却部２を有するディスプレーサシリンダ３の内部に移動可能に収容され、加熱部１側又は冷却部２側に移動されることによりディスプレーサシリンダ３内のガスを加熱又は冷却して膨張又は収縮させるディスプレーサピストン４と、前記膨張又は収縮されたガスによりパワーシリンダ５内を往復動されるパワーピストン６と、該パワーピストン６から前記ディスプレーサピストン４に往復動をその位相を反転させて伝える位相反転機構７と、前記パワーピストン６と前記位相反転機構７との間又は前記位相反転機構７と前記ディスプレーサピストン４との間に設けられ、該ディスプレーサピストン４の位相が前記パワーピストン６の位相よりも９０度遅れるように調整する位相調整バネ８とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に加熱部を有し、且つ他端に冷却部を有するディスプレーサシリンダの内部に移動可能に収容され、加熱部側又は冷却部側に移動されることによりディスプレーサシリンダ内のガスを加熱又は冷却して膨張又は収縮させるディスプレーサピストンと、前記膨張又は収縮されたガスによりパワーシリンダ内を往復動されるパワーピストンと、該パワーピストンから前記ディスプレーサピストンに往復動をその位相を反転させて伝える位相反転機構と、前記パワーピストンと前記位相反転機構との間又は前記位相反転機構と前記ディスプレーサピストンとの間に設けられ、該ディスプレーサピストンの位相が前記パワーピストンの位相よりも９０度遅れるように調整する位相調整バネとを備えたことを特徴とするフリーピストン型スターリングエンジン。
【請求項２】
前記位相反転機構が、枠に支点を介して揺動可能に支持された揺動リンクからなり、その揺動の周期を調整すべく該揺動リンクの一端にバランスウエイトが設けられていると共に、前記リンクの他端と前記枠の間にバネが介設されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーピストン型スターリングエンジン。
【請求項３】
前記位相反転機構が、枠に左右上下に配置された滑車と、これら滑車に往復回動可能に巻き掛けられた無端ベルトとからなり、その往復回動の周期を調整すべく該無端ベルトの一側部にバランスウエイトが設けられていると共に、前記無端ベルトの他側部と前記枠の間にバネが介設されていることを特徴とする請求項１に記載のフリーピストン型スターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フリーピストン型スターリングエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、車両の廃熱を外燃機関である蒸気エンジン又はスターリングエンジンを用いて回生利用するための研究が行われている。中でも、スターリングエンジンは、キネマティック型と、フリーピストン型とがあり、それぞれの得失の確認が行われている。
【０００３】
図８に概略的に示すように外燃機関の一つであるキネマティック型スターリングエンジンは、一端に加熱部１を有し、且つ他端に冷却部２を有するディスプレーサシリンダ３内に往復動可能に収容され、加熱部側又は冷却部側に移動されることによりディスプレーサシリンダ３内のガスを加熱又は冷却して膨張又は収縮させるディスプレーサピストン４と、前記膨張又は収縮されたガスによりパワーシリンダ５内を往復動されるパワーピストン６とを備えている。
【０００４】
そして、前記パワーピストン６の往復動を回転運動に変換すると共にパワーピストン６からディスプレーサピストン４に所定の位相差で動力の一部をフィードバックするために、パワーピストン６の下方にはクランク軸３０が図示しない支持部材を介して水平に且つ軸回りに回転自在に配置されている。このクランク軸３０の一方のクランク部３０ａにはパワーピストン６のコンロッド（コネクティングロッドともいう。）６ａが接続され、且つ他方のクランク部３０ｂにはディスプレーサピストン４のコンロッド４ａが接続されている。また、クランク軸３０の一端にはフライホイル３１が取付けられている。前記パワーピストン６とディスプレーサピストン４の間の位相差αは９０度に設定され、これによって、駆動軸であるクランク軸３０の回転方向が決まっており、クランク軸３０が一定の方向に回転することができる。
【０００５】
一方、図９に概略的に示すようにフリーピストン型スターリングエンジンは、共通のシリンダ４０内の上下にディスプレーサピストン４１とパワーピストン４２が往復動可能に収容され、パワーピストン４２に設けられた中心孔４３にディスプレーサピストン４１のロッド部４１ａの先端部が摺動可能に嵌合されている。前記シリンダ４０内において、ディスプレーサピストン４１で仕切られた上部空間が膨張空間４４とされ、ディスプレーサピストン４１とパワーピストン４２の間が圧縮空間４５とされ、パワーピストン４２で仕切られた下部空間がバウンズ空間４６とされている。
【０００６】
前記膨張空間４４と圧縮空間４５は、ヒータ４７、再生器４８及びクーラ４９を介して連通されている。前記パワーピストン４２のロッド部４２ａを介して動力が取り出される。バウンズ空間４６の空気バネによって位相差が９０度に保たれている。
【０００７】
しかしながら、前記フリーピストン型スターリングエンジンにおいては、前記バウンズ空間４６の空気バネだけでは、ディスプレーサピストン４１とパワーピストン４２の間の位相差を調整して安定作動させることは難しい。なお、前記位相差の調整を行うために、ディスプレーサピストン及びパワーピストンの双方に位相調整用のバネを取付けている例もある（例えば、特許文献１参照。）が、構造上、安定作動させることは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３７８６９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記事情を考慮してなされたものであり、ディスプレーサピストンとパワーピストンの位相差を９０度に調整して安定作動させることができるフリーピストン型スターリングエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明は、一端に加熱部を有し、且つ他端に冷却部を有するディスプレーサシリンダの内部に移動可能に収容され、加熱部側又は冷却部側に移動されることによりディスプレーサシリンダ内のガスを加熱又は冷却して膨張又は収縮させるディスプレーサピストンと、前記膨張又は収縮されたガスによりパワーシリンダ内を往復動されるパワーピストンと、該パワーピストンから前記ディスプレーサピストンに往復動をその位相を反転させて伝える位相反転機構と、前記パワーピストンと前記位相反転機構との間又は前記位相反転機構と前記ディスプレーサピストンとの間に設けられ、該ディスプレーサピストンの位相が前記パワーピストンの位相よりも９０度遅れるように調整する位相調整バネとを備えたことを特徴とする。
【００１１】
前記位相反転機構が、枠に支点を介して揺動可能に支持された揺動リンクからなり、その揺動の周期を調整すべく該揺動リンクの一端にバランスウエイトが設けられていると共に、前記リンクの他端と前記枠の間にバネが介設されていることが好ましい。
【００１２】
前記位相反転機構が、枠に左右上下に配置された滑車と、これら滑車に往復回動可能に巻き掛けられた無端ベルトとからなり、その往復回動の周期を調整すべく該無端ベルトの一側部にバランスウエイトが設けられていると共に、前記無端ベルトの他側部と前記枠の間にバネが介設されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、フリーピストン型スターリングエンジンにおけるディスプレーサピストンとパワーピストンの位相差を９０度に調整して安定作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るフリーピストン型スターリングエンジンの一実施形態を示す図である。
【図２】パワーピストンとディスプレーサピストンの位相差を示す図である。
【図３】図１のフリーピストン型スターリングエンジンの作動を説明する図である。
【図４】本発明に係るフリーピストン型スターリングエンジンの変形例を示す図である。
【図５】本発明に係るフリーピストン型スターリングエンジンの変形例を示す図である。
【図６】本発明に係るフリーピストン型スターリングエンジンの変形例を示す図である。
【図７】本発明に係るフリーピストン型スターリングエンジンの変形例を示す図である。
【図８】従来のキネマティック型スターリングエンジンを示す図である。
【図９】従来のフリーピストン型スターリングエンジンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明を実施するための形態を添付図面に基いて詳述する。
【００１６】
図１に示すように、本発明の一実施形態であるフリーピストン型スターリングエンジンは、一端に加熱部（例えば電気ヒータ）１を有し、且つ他端に冷却部（例えば水冷ジャケット）２を有するディスプレーサシリンダ３の内部に移動可能に収容され、加熱部１側又は冷却部２側に移動されることによりディスプレーサシリンダ３内のガス（例えば空気）を加熱又は冷却して膨張又は収縮させるディスプレーサピストン４と、前記膨張又は収縮されたガスによりパワーシリンダ５内を往復動されるパワーピストン６と、該パワーピストン６から前記ディスプレーサピストン４に往復動ないし力の一部をその位相を反転させてフィードバックないし伝える位相反転機構７と、前記パワーピストン６と前記位相反転機構７との間又は前記位相反転機構７と前記ディスプレーサピストン４との間に設けられ、該ディスプレーサピストン４の位相が前記パワーピストン６の位相よりも９０度遅れるように調整する位相調整バネ８とを備えている。
【００１７】
前記位相反転機構７は、枠であるケース９内に支点１０を介して揺動可能に支持された揺動リンク（例えばシーソー）１１からなっている。ケース９の上部には、前記ディスプレーサシリンダ３が縦向きに設置されていると共にこのディスプレーサシリンダ３に近接してパワーシリンダ５が横向きに設置されている。ディスプレーサシリンダ３の内周面とディスプレーサピストン４の外周面との間にはガス（例えば空気）が上下方向に流通可能な隙間１２が形成され、ディスプレーサシリンダ３内の下部とパワーシリンダ５内の後部とが連通路１３を介して連通されている。
【００１８】
ディスプレーサピストン４はその中心から下方に突出したロッド４ａを有し、このロッド４ａがディスプレーサシリンダ３の下端部中央部の貫通孔１５を通って下方のケース９内に突出し、ケース９内の揺動リンク１１の一端に当接されている。なお、前記貫通孔１５には、ガスの漏出を防止するために、ロッド４ａとの間を封止するブッシュ１６が取付けられている。
【００１９】
一方、パワーピストン６はパワーシリンダ５の先端部から水平方向に突出したロッド６ａを有し、このロッド６ａの先端部と、前記揺動リンク１１の中央部に上向きに形成されたアーム（パワーピストンアームともいう。）１８との間に線状の前記位相調整バネ８が設けられている。また、パワーピストン６のロッド６ａの先端部には重り１９が取付けられている。前記位相調整バネ８は、パワーピストン６の単振動を維持すると共に、力の一部をディスプレーサピストン４にフィードバックする働きを持つ。パワーピストン６の単振動の周期は、主に前記位相調整バネ８と重り１９で決定される。単振動の周期がディスプレーサピストン４の振動周期と略同じになるように重り１９の重さを調整する。
【００２０】
本実施形態の場合、パワーピストン６が横向きに設置されているため、パワーピストン６とパワーシリンダ５の間の摩擦力が大きくなり、エンジンの作動を阻害する要因となる。このため、重り１９を位相調整バネ８で支持することにより、重り１９の分担荷重がパワーピストン６の摺動面に作用しない構造とすることが好ましい。また、重り１９は支点１０の略真上に配置されているため、重り１９に作用する動力は振動系の振動にほとんど影響しない構成になっている。
【００２１】
前記揺動リンク１１とケース９の間には左右一対のバネ２０ａ，２０ｂが設けられ、揺動リンク１１の他端にはディスプレーサピストン４の重さと釣り合うバランスウエイト２１が取付けられている。ディスプレーサピストン４は、揺動リンク１１、バネ２０ａ，２０ｂ、ディスプレーサピンストン４の自重及びバランスウエイト２１により決定される振動周期で単振動が維持される。なお、前記フリーピストン型スターリングエンジンにおいては、パワーピストン６から動力が取り出され、各種の動力源として利用される。
【００２２】
次に、前記フリーピストン型スターリングエンジンの作用を述べる。図３（ａ）の加熱工程において、ディスプレーサシリンダ３内の上部のガスが加熱部１により加熱されると、そのガスが膨張してディスプレーサシリンダ３とディスプレーサピストン４との間の隙間１２を通って下方へ移動し、連通路１３を介してパワーシリンダ５内に導入され、パワーピストン６が前方に移動される。このパワーピストン６の力の一部が位相調整バネ８及び揺動リンク１１を介してディスプレーサピストン４のロッド４ａにフィードバックされ、ディスプレーサピストン４が上方に移動される（図３（ｂ），（ｃ）参照）。
【００２３】
一方、図３（ｃ）の冷却工程において、ディスプレーサシリンダ３内の下部のガスが冷却部２により冷却されると、そのガスが収縮し、連通路１３を介してパワーシリンダ５内が負圧になり、パワーピストン６が後方に移動される。このパワーピストン６の力の一部が位相調整バネ８及び揺動リンク１１を介してディスプレーサピストン４のロッド４ａにフィードバックされ、ディスプレーサピストン４が下方に移動される（図３（ｄ），（ａ）参照）。
【００２４】
この場合、図２に示すように、先ずパワーピストン６から振動系に力が入力され（ｗ）、位相反転機構７の揺動リンク１１により位相が１８０度進み（ｘ）、位相調整バネ８の変位により位相が９０度遅れる（ｙ）ため、結果としてディスプレーサピストン４がパワーピストン６に対して９０度の進み位相となる（ｚ）。これにより、フリーピストン型スターリングエンジンでありながら、ディスプレーサピストン４とパワーピストン６の位相差を９０度に調整（ディスプレーサピストン４ｗをパワーピストン６よりも９０度だけ進み位相とする）して容易に安定作動させることができる。
【００２５】
換言すれば、フリーピストン型スターリングエンジンを安定作動させるためには、パワーピストン６及びディスプレーサピストン４が略同一の振動数で単振動するようにバネ及び質量を設定すること、パワーピストン６がディスプレーサピストン４に対して１８０度の位相差で作動する位相反転機構７及び位相調整バネ８で連結されていること、パワーピストン６とディスプレーサピストン４に作用する重力が振動系の振動や摩擦に悪影響を与えないように配慮することが必要である。
【００２６】
図４〜図７は本発明に係るフリーピストン型スターリングエンジンの変形例をそれぞれ示している。これらの実施形態は図１の実施形態と原理的には等価の構成であり、図１の実施形態と同一部分は同一参照符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明を加える。図４〜図７の実施形態では、パワーシリンダ５が、ケース９の上部に縦向きで設置され、パワーピストン６のロッド６ａの先端部がケース９内に突出している。
【００２７】
特に図４の実施形態では、前記パワーピストン６のロッド６ａの先端部が位相調整バネ８を介して揺動リンク１１の他端に連結されている。また、ディスプレーサピストン４とケース９の間には系全体の単振動を保持するためのバネ２２が設けられている。本実施形態においても、図１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００２８】
図５の実施形態では、前記パワーピストン６のロッド６ａの先端部が揺動リンク１１の他端に連結され、揺動リンク１１の一端にはバランスウエイト２１が設けられていると共にディスプレーサピストン４のロッド４ａの先端部が位相調整バネ８を介して連結されている。パワーピストン６とケース９の間には系全体の単振動を保持するためのバネ２２が設けられている。本実施形態においても、図１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００２９】
図６の実施形態では、前記パワーピストン６のロッド６ａの先端部が揺動リンク１１の他端に連結され、揺動リンク１１の一端にはバランスウエイト２１が設けられていると共にディスプレーサピストン４のロッド４ａの先端部が位相調整バネ８を介して連結されている。パワーピストン６とケース９の間及びディスプレーサピストン４とケース９の間には振動系全体の単振動を保持するためのバネ２２ａ，２２ｂがそれぞれ設けられている。本実施形態においても、図１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３０】
図７の実施形態では、位相反転機構７として、ケース９内には左右一対の支柱２３を介して上下に２個ずつ計４個の滑車２４が設けられていると共に、これら滑車２４には無端ベルト２５が往復回動可能に巻き掛けられている。この無端ベルト２５が図４の揺動リンク１１に相当するものであり、無端ベルト２５の一側部にパワーピストン６のロッド６ａが位相調整バネ８を介して連結され、無端ベルト２５の他側部にディスプレーサピストン４のロッド４ａが連結されている。また、無単ベルト２５の往復回動の周期を調整するために、無端ベルト２５の一側部にバランスウエイト２１が設けられていると共に、前記無端ベルト２５の他側部と前記ケース９の間にバネ２２が介設されている。本実施形態においても、図１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００３１】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  加熱部
２  冷却部
３  ディスプレーサシリンダ
４  ディスプレーサピストン
４ａ  ロッド
５  パワーシリンダ
６  パワーピストン
６ａ  ロッド
７  位相反転機構
８  位相調整バネ
９  ケース（枠）
１０  支点
１１  揺動リンク
１２  隙間
１３  連通路
１６  ブッシュ
１８  アーム
１９  重り
２０ａ，２０ｂ  バネ
２１  バランスウエイト
２２ａ，２２ｂ  バネ
２３  支柱
２４  滑車
２５  無端ベルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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