(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、
前記シリンダ内で作動するピストンと、
前記シリンダ内の作動空間内に、前記ピストンの動きを付勢するスプリングと、を備え、
前記スプリングは、円錐形状の金属部を有し、
前記金属部は、形状記憶合金からなり、収縮時に前記作動空間の内壁に略全体が密着して、当該内壁と当該金属部の熱の移動を促進する
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
シリンダと、
前記シリンダ内で作動するピストンと、
前記シリンダ内の作動空間内に、前記ピストンの動きを付勢するスプリングと、を備え、
前記スプリングは、軸部材と、該軸部材にガイドされる複数の渦巻状のフィンを有する金属板と、を有し、
前記金属板は、形状記憶合金からなり、収縮時に前記作動空間の内壁に略全体が密着して、当該内壁と当該金属板の熱の移動を促進する
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項３】
シリンダと、
前記シリンダ内で作動するピストンと、
前記シリンダ内の作動空間内に、前記ピストンの動きを付勢するスプリングと、を備え、
前記スプリングは、外輪と、該外輪から立ち上がる複数の渦巻状のフィンと、を備える金属板を有し、
前記金属板は、形状記憶合金からなり、収縮時に前記作動空間の内壁に略全体が密着して、当該内壁と当該金属板の熱の移動を促進する
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のスターリングエンジンであって、
α型のスターリングエンジンであり、
圧縮空間を形成する低温側のシリンダ、および、低温側のピストンと、
膨張空間を形成する高温側のシリンダ、および、高温側のピストンと、を有し、
前記スプリングは、前記圧縮空間において、一端が低温側のシリンダに、他端が低温側のピストンに固定され、
前記低温側のシリンダ内壁に押し付けられて変態終了温度以下まで冷却され、下降する前記低温側ピストンにより伸張を受ける過程と、
逆変態終了温度以上に加熱されて記憶形状まで収縮し、上昇する前記低温側ピストンを付勢する過程と、で作用する
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項５】
請求項１又は３に記載のスターリングエンジンであって、
α型のスターリングエンジンであり、
圧縮空間を形成する低温側のシリンダ、および、低温側のピストンと、
膨張空間を形成する高温側のシリンダ、および、高温側のピストンと、を有し、
前記スプリングは、前記膨張空間において、一端が高温側のピストンに固定され、
変態終了温度以下に冷却され、上昇する前記高温側ピストンにより収縮を受ける過程と、
前記高温側のシリンダ内壁に押し付けられて逆変態終了温度以上に加熱され、記憶形状まで伸張して下降する前記高温側ピストンを付勢する過程と、で作用する
ことを特徴とする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、スターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリンダ内の気体を加熱および冷却して駆動トルクを得るスターリングエンジンが開発されている。特許文献１には、２ピストン型のスターリングエンジンの冷熱源にガスハイドレートを用いることで、さらなる効率化を測ったスターリングエンジンが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７５０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、実際のスターリングエンジンのシステム効率は、理論効率よりも劣っていることが知られており、より理論効率に近く、高効率な仕事が可能なスターリングエンジンが望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、効率よく出力が得られる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】
【０００６】
本発明は、シリンダと、前記シリンダ内で作動するピストンと、前記シリンダ内の作動空間内に、前記ピストンの動きを付勢するスプリングと、を備え、前記スプリングは、円錐形状の金属部を有し、前記金属部は、形状記憶合金からなり、収縮時に前記作動空間の内壁に略全体が密着して、当該内壁と当該金属板の熱の移動を促進することを特徴とするスターリングエンジンである。
前記スプリングは、軸部材と、該軸部材にガイドされる複数の渦巻状のフィンを有する金属板と、を有し、前記金属板は、形状記憶合金からなり、収縮時に前記作動空間の内壁に略全体が密着して、当該内壁と当該金属板の熱の移動を促進するものであってもよい。
前記スプリングは、外輪と、該外輪から立ち上がる複数の渦巻状のフィンと、を備える金属板を有し、前記金属板は、形状記憶合金からなり、収縮時に前記作動空間の内壁に略全体が密着して、当該内壁と当該金属板の熱の移動を促進するものであってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
効率よく出力が得られるスターリングエンジンを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスターリングエンジンの側断面の概要図である。
【図２】スプリングの特性を、ばね定数と温度との関係で示したグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るスターリングエンジンのサイクルを説明するための遷移図である。
【図４】作動空間およびスプリング１のサイクル中の温度変化の一例を示すグラフである。
【図５】低温側ピストン１２１の、サイクル中のトルク変動の一例を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るスターリングエンジンの側断面の概要図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るスターリングエンジンのサイクルを説明するための遷移図である。
【図８】作動空間およびスプリング２のサイクル中の温度変化の一例を示すグラフである。
【図９】高温側ピストン２１１の、サイクル中のトルク変動の一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、変形例１に係るスターリングエンジン３００の低温部３２０に収容されるスプリング３の説明図である。
【図１１】図１１は、変形例２に係るスターリングエンジン４００の高温部４１０に収容されるスプリング４の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態について、以下、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るスターリングエンジン１００の側断面の概要図である。
【００１１】
図１に示すように、スターリングエンジン１００は、２つのパワーピストンからなるα型のスターリングエンジンであり、高温部１１０と、低温部１２０と、熱機関１３０と、連通路１４０と、動力伝達機構１５０と、を備えている。
【００１２】
高温部１１０は、高温側ピストン１１１と、高温側ピストン１１１を内部で往復動自在に摺動させる高温側シリンダ１１３と、を有している。また、高温側ピストン１１１の外周面および高温側シリンダ１１３の内周面には、その間に存在するギャップを埋めるシーリングが施されており、高温側ピストン１１１は、高温側シリンダ１１３との間に気密性の膨張（加熱）空間１１２を形成する。
【００１３】
低温部１２０は、低温側ピストン１２１と、低温側ピストン１２１が内部で往復動自在に摺動させる低温側シリンダ１２３と、スプリング１と、を有している。高温部１１０と同様に、低温側ピストン１２１の外周面と低温側シリンダ１２３の内周面とのギャップは所定の位置でシーリングされ、低温側ピストン１２１と低温側シリンダ１２３とは、気密性の圧縮（冷却）空間１２２を形成する。スプリング１については、後述する。
【００１４】
なお、高温側ピストン１１１と低温側ピストン１２１とは、後述のクランクシャフト１５５の位相（クランク角）差が９０°となるよう設定されている。すなわち、圧縮空間１２２の容積は、膨張空間１１２の容積よりもクランク角が９０°遅れた位相で変化する。
【００１５】
また、高温側シリンダ１１３および低温側シリンダ１２３は並列に配置され、膨張空間１１２と、圧縮空間１２２とは、連通路１４０を介して相互に連通している。
【００１６】
連通路１４０には、その途中に熱機関１３０が設けられている。
【００１７】
熱機関１３０は、加熱器（Ｈ）１３１と、再生熱交換器（ＲＧ）１３２と、冷却器（Ｃ）１３３と、を高温側シリンダ１１３側からこの順で備えている。
【００１８】
上記のような膨張空間１１２、圧縮空間１２２、連通路１４０、および、熱機関１３０は、気密が保持されたクローズサイクルであり、内部には作動流体（ガス）が高圧で充填、封止されている。作動ガスには、例えば、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等が使用されるが、その他どのようなガスを用いてもよく、また、空気や、液化ガスでも構わない。作動ガスは、膨張空間１１２および圧縮空間１２２の容積変化に伴って両空間を往復し、状態変化を繰り返す。
【００１９】
以下、このような作動流体が充填されている空間を、作動空間と称する。
【００２０】
加熱器１３１は、圧縮空間１２２から膨張空間１１２へと流入する作動ガスを加熱する。加熱器内のガス温度は、エンジンの仕様や熱効率によって好適な温度を設定すればよい。また、加熱器１３１にはどのような構成のものを用いてもよく、例えば、温水、廃熱等低品位の熱源や、ヒートポンプによる加熱ガスや、ガス等の燃焼を用いたヒータが使用可能である。なお、加熱器を連通路１４０ではなく高温側シリンダ１１３の外壁に設けることで、膨張空間１１２をシリンダの外壁から間接的に加熱する方式としてもよい。また、連通路１４０および高温側シリンダ１１３外壁の両方を設けてもよい。
【００２１】
再生熱交換器１３２は、蓄熱材を備え、高温側から低温側へと作動ガスが流れる際に、作動ガスを冷却すると共にその熱を蓄熱する。また、低温側から高温側へと作動ガスが流れる際に、蓄熱された熱を放熱すると共に自身を冷却する。
【００２２】
冷却器１３３は、圧縮空間１２２へと流入する作動ガスを冷却する。冷却器内のガス温度についても、エンジンの仕様や熱効率によって好適な温度を設定すればよい。冷却器１３３もどのような構成のものを用いてもよく、例えば、液体冷却器や、放熱フィン等のクーラを用いることで実現可能である。もちろん、冷却器は低温側シリンダ１２３の外壁を冷却する方式としてもよく、また、連通路１４０および低温側シリンダ１２３外壁の両方に設けてもよい。本実施形態では、冷却器１３３とは別に、低温側シリンダ１２３の上部を外壁から冷却する図示しない冷却器が更に設けられているものとする。
【００２３】
次に、スプリング１について説明する。
【００２４】
本実施形態に係るスターリングエンジン１００の低温部１２０には、その圧縮空間１２２に、スプリング１が収容されている。
【００２５】
スプリング１は、低温側ピストン１２１をクランクシャフト１５５の回転方向へと付勢する円錐形状のコイルばねである。その円錐形状の底面側の一端は、低温側シリンダ１２３の頂部に固定ピン１１ａで固定され、頂点側の一端は、低温側ピストン１２１の頂部に固定ピン１１ｂで固定されている。なお、固定ピンを利用せずに、各部材を軸着して直接スプリング１を圧縮空間１２２内に固定してもよい。
【００２６】
このようなスプリング１は、温度に応じて弾性係数、すなわち、ばね定数ｋが変化する形状記憶合金（ＳＭＡ）に属する合金からなる。金属材料としては、ここでは、特に繰り返し寿命と耐熱性に優れるニッケル−チタン（Ｎｉ−Ｔｉ）合金を用いるものとする。もちろん、その他の金属、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ合金等、どのような素材からなる形状記憶合金を使用してもよい。また、外径、内径、長さ、たわみ、バネ定数、形状等についても、自由に設定できる。
【００２７】
また、バネの変形量を制限するために、補強材や、保護材と組み合わせてもよい。特に根元に変形量の増大が発生しやすいこれらの処理は、バネの耐久性を増すのに効果的である。
【００２８】
Ｎｉ−Ｔｉ合金からなるスプリング１は、その特性として、図２に示すように、冷却時の所定の変態開始温度Ｍｓおよび変態終了温度Ｍｆと、加熱時の所定の逆変態開始温度Ａｓおよび逆変態終了温度Ａｆと、で表される熱弾性マルテンサイト変態を有する。すなわち、スプリング１は、Ｍｆ以下の温度域では軟質なマルテンサイト相にあるが、Ａｆ以上の温度域では硬質な母相へと逆変態する。これにより、マルテンサイト相にあるときに受けた変形を、予め成形された特定の記憶形状まで回復することができる。なお、変態点の温度差は３度程度まで狭める事が可能である。
【００２９】
上記のようなＭｓ，Ｍｆ，Ａｓ，Ａｆは、記憶形状の成形時温度や組成金属成分を調整することで決定できる。ここでは、スプリング１の設けられる圧縮空間１２２内の温度変化に則した好適な値を設定すればよい。
【００３０】
スプリング１の記憶形状は、ばねの最大収縮時（最も密着高さの小さい）の状態とする。スプリング１には、その記憶形状での自由高さが小さく、最大収縮時にほぼ平面となる円錐形状のコイルばねを採用する。
【００３１】
このようなスプリング１は、所定のＭｆ以下の温度域（マルテンサイト相）ではそのばね定数が小さいため、摺動する低温側ピストン１２１に引っ張られて容易に伸張し、変形を受ける。一方、Ａｆ以上の温度域（母相）ではばね定数が高まり、高い弾性力で収縮して記憶形状を回復し、低温側ピストン１２１の引き上げを付勢する。なお、詳細なエンジンサイクル中での挙動については、後述する。
【００３２】
また、ここではスプリング１を１本のコイルばねで構成したが、複数のコイルばねで構成してもよい。さらに、シリンダを貫通する軸部材を設け、スプリング１が軸部材にガイドされて摺動するような構成としてもよい。
【００３３】
動力伝達機構１５０は、ピストンの上下往復動による力を回転力として伝達する。
【００３４】
コネクティングロッド（コンロッド）１５１は、高温側ピストン１１１をクランクシャフト１５５のクランクピン１５３へと接続する。同様に、コンロッド１５２は、低温側ピストン１２１をクランクシャフト１５５のクランクピン１５４へと接続する。
【００３５】
クランクシャフト１５５は、その一端がフライホイール１５６に連結され、他端が装置等に電力を供給するための機構、例えば、車両の駆動輪等へと接続される。
【００３６】
なお、上記の高温側ピストン１１１と低温側ピストン１２１とに位相差を設けるため、クランクシャフト１５５の軸１５５ａと軸１５５ｂとでは、所定の回転方向へ９０°の位相差がつけられている。なお、クランクシャフト１５５の位相差は、必ずしも９０°である必要はなく、好適な位相差であれば何度でもよい。
【００３７】
以上のように構成されたスターリングエンジン１００のサイクルについて、図３および図４を参照しながら説明する。
【００３８】
図３は、本発明の第１の実施形態に係るスターリングエンジン１００のサイクルを行程毎に説明する遷移図である。
【００３９】
図４は、スターリングエンジン１００の作動空間およびスプリング１のサイクル中の温度変化の一例を示すグラフである。なお、縦軸は温度、横軸は高温側ピストン１１１のクランク角を表す。ここでは、膨張空間１１２と圧縮空間１２２は等温変化ではなく、作動空間の圧力に伴う温度変化を有するものとする。
【００４０】
スターリングエンジン１００は、以下の４つの行程を繰り返すことで出力を得ている。
【００４１】
１．加熱行程
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、加熱行程は、高温側ピストン１１１はクランクシャフト１５５が上死点（クランク角０°）の位置から下降し、低温側ピストン１２１は高温側ピストン１１１から９０°遅れた位置（クランク角２７０°）から上昇して、クランクシャフト１５５がそれぞれ回転方向に９０°回転する行程である。
【００４２】
低温側ピストン１２１が上昇することで、冷却されていた圧縮空間１２２内の作動ガスが再生熱交換器１３２で熱交換され、さらに加熱器１３１を通過して加熱されて膨張空間１１２へと流入する。作動空間の容積はサイクル中最小となり、ほぼ一定に近い状態が維持される。従って、作動空間は作動ガスの膨張によってその圧力が上昇し、図４に示すように、圧縮空間１２２の温度が上昇する。
【００４３】
本行程におけるスプリング１の温度は、Ａｆ以上の温度域（母相）にある。よって、スプリング１は、後述する行程で受けた変形を記憶形状まで回復しようと収縮しており、その弾性力で低温側ピストン１２１を引き上げる方向へと仕事を行う。
【００４４】
２．膨張行程
図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、膨張行程は、高温側ピストン１１１および低温側ピストン１２１が共に下降して、クランクシャフト１５５をさらに回転方向へ９０°回転させる行程である。なお、作動ガスが外部に対してした仕事（膨張仕事）は、エンジンの出力として取り出される。
【００４５】
両ピストンの下降により、作動空間の容積が増大し、その圧力は低下する。これに伴って、図４に示すように、上昇していた圧縮空間１２２の温度も低下し始める。
【００４６】
スプリング１は、まず、図３（ｃ）に示すように、低温側ピストン１２１により、低温側シリンダ１２３の内部上面に押し付けられ、記憶形状をほぼ回復する。なお、低温側シリンダ１２３の上面は、図示しない冷却器により外部から冷却されているため、上面内壁に接したスプリング１は、図４に示すように、Ｍｓを経てＭｆ以下の温度域まで急速に冷却されて変態（マルテンサイト相へ移行）する。ここで、スプリング形状がより自由高さ・密着高さの小さなコイルばねを利用すれば、スプリング１が低温側シリンダ１２３の上面内壁に押し付けられた際に効率よく冷却されるため、有利である。
【００４７】
変態により弾性力が低下したスプリング１は、その後、図３（ｄ）に示すように、低温側ピストン１２１の下降により容易に伸張し、変形を受ける。
【００４８】
３．冷却行程
図３（ｅ）、（ｆ）に示すように、冷却行程は、高温側ピストン１１１が下死点（クランク角１８０°）の位置から上昇し、低温側ピストン１２１が下降して、クランクシャフト１５５がそれぞれ回転方向にさらに９０°回転する行程である。
【００４９】
低温側ピストン１２１が下降することで、加熱されていた膨張空間１１２内の作動ガスが再生熱交換器１３２で熱交換され、さらに冷却器１３３を通過して冷却されて圧縮空間１２２へと流入する。なお、作動空間の容積は、図３（ｆ）でサイクル中最大となるが、ほぼ一定に近い状態が維持される。従って、作動空間は作動ガスの収縮によりその圧力が低下し、これに伴い圧縮空間１２２の温度も徐々に低下する。
【００５０】
スプリング１は、図４に示すように、Ｍｆ以下の温度域（マルテンサイト相）を維持しながら、下降する低温側ピストン１２１に引っ張られて、さらに伸張する。
【００５１】
４．圧縮行程
図３（ｇ）、（ｈ）に示すように、圧縮行程は、高温側ピストン１１１および低温側ピストン１２１が共に上昇して、クランクシャフト１５５が回転方向へさらに９０°回転する行程である。
【００５２】
両ピストンの上昇により、作動空間の容積は減少して、作動空間の圧力が上昇する。これに伴って、図４に示すように、圧縮空間１２２の温度は徐々に上昇する。
【００５３】
本行程では、両ピストンが、膨張行程で蓄えられたフライホイール１５６の慣性力により上昇させられ、圧縮仕事が行われる。
【００５４】
ここで、本実施形態に係るスターリングエンジン１００では、スプリング１が低温側ピストン１２１の引き上げを付勢して、圧縮仕事によるフライホイール１５６のエネルギー損失を低減する。
【００５５】
具体的には、膨張行程で冷却されたスプリング１は、Ａｓを経てＡｆ以上の温度域まで加熱され、逆変態（母相へ移行）する。弾性力が上昇したスプリング１は記憶形状へ収縮を開始し、低温側ピストン１２１を引き上げる方向へと仕事を行う。スプリング１は、Ａｆ以上の温度を維持しながら、加熱行程へと戻ってサイクルを繰り返す。
【００５６】
以上、第１の実施形態に係るスターリングエンジン１００のサイクルについて説明した。図５に、該サイクル中における低温側ピストン１２１のトルクの変動の一例を表すグラフを示す。
【００５７】
実線は、作動ガスによるガス圧トルクの変動を、破線は、ガス圧トルクにスプリング１によるコイルトルクを加えた合計トルクの変動を表す。また、正のトルクは低温側ピストン１２１が外部へ与えるトルク、負のトルクはフライホイールから低温側ピストン１２１へ与えられるトルクである。
【００５８】
図示するように、本実施形態に係るスターリングエンジン１００によれば、負のトルクを示す圧縮行程及び加熱行程において、スプリング１によるコイルトルクが加算される。従って、ピストンの上昇に要する負のトルク、すなわち、圧縮仕事におけるエネルギー損失を軽減して、効率よく出力を得ることが可能である。
【００５９】
なお、スプリング１の逆変態は、低温側ピストン１２１が上昇するタイミングで行われれば、必ずしも上記のタイミングである必要はない。
【００６０】
変態については、低温側ピストン１２１の下降をその弾性力で阻害しないよう、低温側ピストン１２１が下降を開始する以前のタイミングで行われることが望ましい。この点、上記のように冷却された低温側シリンダ１２３の内壁上面を利用することで、効率のよくスプリング１を冷却し、変態させることができる。
【００６１】
＜第２の実施形態＞
次に、本願の第２の実施形態について説明する。
【００６２】
第２の実施形態に係るスターリングエンジン２００は、第１のスターリングエンジン１００とほぼ同様の構成を備えるα型のスターリングエンジンであるが、加熱器を高温側シリンダ２１３の上部外壁に、冷却器を低温側シリンダ２２３の上部外壁に設けた点、および、スプリングが高温側シリンダに収容されている点で、第１の実施形態と異なる。以下、異なる点について主に説明し、第１の実施形態と同じ構成を有するものについては、第１の実施形態の符号を用いて説明を省略する。
【００６３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係るスターリングエンジン２００の側断面の概要図である。
【００６４】
図６に示すように、スターリングエンジン２００は、高温部２１０と、低温部２２０と、熱機関２３０と、連通路１４０と、動力伝達機構１５０と、を備えている。
【００６５】
熱機関２３０は、高温側シリンダ２１３の上部外壁に設けられた加熱器２３１と、低温側シリンダ２２３の上部外壁に設けられた冷却器２３３と、連通路１４０に設けられた再生熱交換器１３２と、からなる。
【００６６】
低温部２２０は、低温側ピストン２２１と、低温側ピストン２２１が内部で往復動自在に摺動させる低温側シリンダ２２３と、を有し、低温側シリンダ２２３は、低温側ピストン２２１との間に気密性の圧縮（冷却）空間２２２を形成する。
【００６７】
高温部２１０は、高温側ピストン２１１と、高温側ピストン２１１を内部で往復動自在に摺動させる高温側シリンダ２１３と、高温側ピストン２１１が高温側シリンダ２１３との間に形成される機密性に膨張（加熱）空間２１２に収容されるスプリング２と、を有している。
【００６８】
スプリング２は、高温側ピストン２１１をクランクシャフト１５５の回転方向へと付勢する、形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ）製の円錐形状のコイルばねである。
【００６９】
具体的に、スプリング２は、高温側ピストン２１１の上部に円錐形状の底面側を巻きつけるようにして固定されている。
【００７０】
スプリング２の記憶形状は、高温側ピストン２１１のクランク角が１３５°程度の場合の圧縮空間の高さが、スプリング２の（高温側ピストン２１１への巻きつき部分を除いた）自由高さと等しくなる状態とする。従って、下死点（クランク角１８０°）となった場合には、スプリング２は、高温側シリンダ２１３に接触しない。
【００７１】
このようなスプリング２は、所定のＭｆ以下の温度域（マルテンサイト相）ではそのばね定数が小さく、摺動する高温側ピストン２１１によって高温側シリンダ２１３に押し付けられて容易に収縮し、変形を受ける。一方、Ａｆ以上の温度域（母相）ではばね定数が高まり、高い弾性力で伸張して記憶形状を回復し、高温側ピストン２１１の下降を付勢する。
【００７２】
以上のように構成されたスターリングエンジン２００のサイクルについて、図７および図８を参照しながら説明する。
【００７３】
図７は、本発明の第２の実施形態に係るスターリングエンジン２００のサイクルを行程毎に説明する遷移図である。
【００７４】
図８は、スターリングエンジン２００の作動空間およびスプリング２のサイクル中の温度変化の一例を示すグラフである。なお、縦軸は温度、横軸は高温側ピストン２１１のクランク角を表す。
【００７５】
スターリングエンジン２００は、以下の４つの行程を繰り返すことで出力を得る。
【００７６】
１．加熱行程
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、加熱行程では、高温側ピストン２１１が上死点から下降し、低温側ピストン２２１が上昇して、クランクシャフト１５５が回転方向に９０°回転する。
【００７７】
低温側ピストン２２１が上昇することで、冷却されていた圧縮空間２２２内の作動ガスが再生熱交換器１３２で熱交換され膨張空間２１２へと流入し、加熱器２３１により加熱される。作動空間の容積は、ほぼ一定に近い状態が維持される。従って、作動空間は作動ガスの膨張によってその圧力が上昇し、図８に示すように、膨張空間２１２の温度は上昇する。
【００７８】
本行程におけるスプリング２の温度は、上死点で高温側シリンダに密着して加熱器２３１により急速に加熱され、Ａｓを経てＡｆの温度域（母相）に達する。これによりスプリング２は、母相のばね定数から定まる弾性力で記憶形状を回復しようと伸張し、高温側ピストン２１１の下降を付勢する。
【００７９】
２．膨張行程
図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、膨張行程では、高温側ピストン２１１および低温側ピストン２２１が共に下降して、クランクシャフト１５５を回転方向へさらに９０°回転させる。
【００８０】
両ピストンの下降により、作動空間の容積は増大し、その圧力が低下する。これに伴って、図８に示すように、膨張空間２１２の温度も低下し始める。
【００８１】
ここで、スプリング２は、高温側ピストン２２１を押し下げる方向へ仕事を行った後、ほぼ記憶形状への回復を終え、スプリング２および作動ガスが行う外部に対する仕事（膨張仕事）が、エンジンの出力として取り出される。
【００８２】
３．冷却行程
図７（ｅ）、（ｆ）に示すように、冷却行程では、高温側ピストン２１１が下死点（クランク角１８０°）の位置から上昇し、低温側ピストン２２１が下降して、クランクシャフト１５５がそれぞれ回転方向にさらに９０°回転する。
【００８３】
低温側ピストン２２１が下降することで、加熱されていた膨張空間２１２内の作動ガスが再生熱交換器１３２で熱交換されて圧縮空間２２２へ流入し、さらに冷却器２３３により冷却される。なお、作動空間の容積は、ほぼ一定に近い状態が維持される。従って、作動空間は作動ガスの収縮によりその圧力が低下し、これに伴い膨張空間２１２の温度も低下する。
【００８４】
本行程におけるスプリング２は、図８に示すように、ＭｓからＭｆの温度域に達してマルテンサイト相へと変態するとともに、高温側ピストン２１１に伴って下降する。
【００８５】
４．圧縮行程
図７（ｇ）、（ｈ）に示すように、圧縮行程は、高温側ピストン２１１および低温側ピストン２２１が共に上昇して、クランクシャフト１５５が回転方向へさらに９０°回転する行程である。
【００８６】
両ピストンの上昇により、作動空間の容積は減少して、作動空間の圧力が上昇する。これに伴って、図８に示すように、膨張空間２１２の温度も上昇し始める。
【００８７】
変態により弾性力が低下したスプリング２は、高温側ピストン２１１の上昇によって高温側シリンダ２１３に押し付けられて、容易に変形を受ける。
【００８８】
そして、スプリング２は、再びＡｓの温度域へと向かい、加熱行程へと戻ってサイクルを繰り返す。
【００８９】
以上、第２の実施形態に係るスターリングエンジン２００のサイクルについて説明した。図９に、該サイクル中における高温側ピストン２１１のトルクの変動の一例を表すグラフを示す。
【００９０】
実線は、作動ガスによるガス圧トルクの変動を、破線は、ガス圧トルクにスプリング２によるコイルトルクを加えた合計トルクの変動を表す。また、正のトルクは高温側ピストン２１１が外部へ与えるトルク、負のトルクはフライホイールから高温側ピストン２１１へ与えられるトルクである。
【００９１】
図示するように、本実施形態に係るスターリングエンジン２００によれば、正のトルクを示す膨張行程において、ガス圧トルクに、スプリング２によるコイルトルクがさらに加算される。その結果、ピストンの下降による正のトルク、すなわち、膨張仕事により与えられるエネルギーが増大して、効率よく出力を得ることが可能である。
【００９２】
なお、スプリング２の逆変態は、高温側ピストン２１１が下降するタイミングで行われれば、必ずしも上記のタイミングである必要はない。
【００９３】
変態については、高温側ピストン２１１の上昇を弾性力で阻害しないよう、高温側ピストン２１１の上昇が開始される前のタイミングで行われることが望ましい。
【００９４】
また、上記の実施形態は、本発明の要旨を例示することを意図し、本発明を限定するものではない。本発明は、その技術的思想の範囲内で様々な変形が可能である。
【００９５】
例えば、スターリングエンジンの作動空間内の温度変化は、エンジンの仕様により異なるものであり、上記の実施形態はあくまでその一例を示したものである。すなわち、スプリングは、逆変態により記憶形状を回復する際にピストンをクランクシャフトの回転方向に付勢するものであればよく、ピストンに対する付勢方向（上下方向）については限定されない。なお、これはスプリングの形状、記憶形状、材質等を最適化することで調整できる。
【００９６】
また例えば、高温側ピストンに、ピストンの引き上げを付勢するスプリング１のような（記憶形状が自由高さの小さな）コイルばねを配置してもよく、低温側ピストンに、ピストンの押し下げを付勢するスプリング２のような（記憶形状が自由高さの大きな）コイルばねを配置してもよい。
【００９７】
なお、高温側ピストンと低温側ピストンの両方にスプリングを設置することで、より高出力なスターリングエンジンが実現可能である。
【００９８】
さらに、スプリングは、必ずしもコイルばねである必要はない。その一例として、以下、スプリングが板ばねである場合についての変形例を示す。
【００９９】
＜変形例１＞
図１０は、変形例１に係るスターリングエンジン３００の低温部３２０に収容されるスプリング３の説明図である。
【０１００】
スターリングエンジン３００は、スターリングエンジン１００のスプリング１を、金属板３０を備えるスプリング３に置き換えたものである。
【０１０１】
図１０（ａ）はスプリング３の上面図であり、図１０（ｂ）は低温側ピストン３２１が下死点（クランク角１８０°）となった場合の低温部３２０の側断面を、図１０（ｃ）は低温側ピストン３２１が上死点（クランク角０°）となった場合の低温部３２０の側断面を表す。
【０１０２】
スプリング３は、低温側ピストン３２１をクランクシャフトの回転方向へと付勢する、形状記憶合金製の板ばねである。
【０１０３】
具体的に、スプリング３は、円盤３０ａから外方向および垂直方向に延びる４枚の渦巻状のフィン３０ｂを有する形状記憶合金の金属板３０と、フィン３０ｂの動きをガイドする軸部材３２と、フィン３０ｂを軸部材３２に固定する４つの保護部材３３と、を備えている。
【０１０４】
４枚の各フィン３０ｂの先端は、それぞれ各保護部材３３に連結されている。
【０１０５】
４つの各保護部材３３は、十字型の軸部材３２の各軸を摺動自在に貫通させる貫通孔を備えており、フィン３０ｂの先端を軸部材３２の各軸上で保持する。
【０１０６】
このような構成によりスプリング３は、金属板３０の旋回と共にフィン３０ｂが軸部材３２を移動することで伸張・収縮し、そのばね高さが変化する。
【０１０７】
また、スプリング３は、円盤３０ａの中心３０ｃ（回転中心）が低温側シリンダ３２３の頂部に固定ピン３１ａで固定され、軸部材３２の中央（各軸の交点）が低温側ピストン３２１の頂部に固定ピン３１ｂで固定されている。なお、固定ピンを利用せずに、各部材を軸着することで圧縮空間３２２内に直接スプリング３を固定してもよい。
【０１０８】
スプリング３の記憶形状は、ここでは、金属板３０の自由高さが最も小さく、軸部材３２に対してより水平に近い状態（保護部材３３が軸部材３２の端に位置する状態）とする。なお、Ｍｓ，Ｍｆ，Ａｓ，Ａｆは、スプリング１と同様の値であるものとする（図４参照）。
【０１０９】
具体的に、図１０（ｂ）に示すように、金属板３０は、マルテンサイト相にある際にはばね定数が小さく、摺動する低温側ピストン３２１に引っ張られて容易に変形する。その際、保護部材３３は軸部材３２の中央に向かって摺動し、金属板３０は所定の旋回方向へと旋回する。
【０１１０】
逆に、図１０（ｃ）に示すように、金属板３０は、母相ではばね定数が高まって記憶形状を回復する。すなわち、金属板３０が上記とは逆旋回して保護部材３３を軸部材３２の端方向に向かって摺動させ、記憶形状のばね高さに収縮しようとすることで、スプリング３は低温側ピストン３２１の引き上げを付勢する。なお、低温側シリンダ３２３の上面は、図示しない冷却器により外部から冷却されているため、上面内壁に接したスプリング３は、図４に示すように、Ｍｓを経てＭｆ以下の温度域まで急速に冷却されて再び変態（マルテンサイト相へ移行）する。
【０１１１】
＜変形例２＞
図１１は、変形例２に係るスターリングエンジン４００の高温部４１０に収容されるスプリング４の説明図である。
【０１１２】
スターリングエンジン４００は、スターリングエンジン２００のスプリング２を、板ばね４０を備えるスプリング４に置き換えたものである。
【０１１３】
図１１（ａ）はスプリング４の上面図であり、図１１（ｂ）は高温側ピストン４１１が下死点（クランク角１８０°）となった場合の高温部４１０の側断面を、図１１（ｃ）は高温側ピストン４１１が上死点（クランク角０°）となった場合の高温部４１０の側断面を表す。
【０１１４】
スプリング４は、高温側ピストン４１１をクランクシャフトの回転方向へと付勢する、形状記憶合金（例えば、Ｎｉ−Ｔｉ）製の板ばねである。
【０１１５】
具体的に、スプリング４は、外輪４０ａから中心方向および垂直方向へと延びる４枚の渦巻状のフィン４０ｂを備えており、高温側ピストン４１１の上部に外輪４０ａを嵌め込むようにして固定、あるいは単に戴置されている。
【０１１６】
スプリング４の記憶形状は、高温側ピストン４１１のクランク角が１３５°程度の場合の圧縮空間の高さが、スプリング４の自由高さと等しくなる程度とする。従って、下死点（クランク角１８０°；図１１（ｂ）参照）となった場合には、スプリング４は、高温側シリンダ２１３の上部に接触しない。なお、Ｍｓ，Ｍｆ，Ａｓ，Ａｆは、スプリング２と同様の値とする（図８参照）。
【０１１７】
このような構成によりスプリング４は、フィン４０ｂの旋回することで伸張・収縮し、そのばね高さが変化する。
【０１１８】
具体的に、スプリング４は、図１１（ｃ）に示すように、マルテンサイト相にある際にはばね定数が小さい。従って、上昇する高温側ピストン４１１によって高温側シリンダ４１３に押し付けられると、容易に変形を受けてフィン４０ｂが所定の方向へと旋回する。
【０１１９】
逆に、図１１（ｂ）に示すように、スプリング４は母相ではばね定数が高まって記憶形状を回復する。すなわち、フィン４０ｂが上記とは逆旋回して記憶形状のばね高さに伸張しようとすることで、スプリング４は高温側ピストン２１１の下降を付勢する。スプリング４は高温側シリンダに密着して加熱器によって加熱され、Ａｆの温度域まで急速に加熱されて再び逆変態（母相へ移行）する。
【０１２０】
このように、本発明に係るスターリングエンジンのスプリングには、どのような形状のばねを用いてもよい。例えば、皿ばねや輪ばね等の形状のばねを用いることも可能である。
【０１２１】
なお、上記の実施形態および変形例では、本発明をα型のスターリングエンジンに適用したものであるが、α型に限らず、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが同一のシリンダに配置されたβ型、ディスプレーサピストンとパワーピストンが異なるシリンダに配置されたγ型、４つのシリンダおよびパワーピストンで構成されるダブルアクティング型等、他の型式のエンジンにも適用することができる。
【０１２２】
また、排熱利用による省エネルギー化や、自然エネルギー利用による地球環境保全等の観点から低温度差エンジンには期待が高まっているが、低温度差エンジンの問題点として、性能向上のため、出来得る限り熱源と作動ガスとの温度を近づける必要があった。従って、低温度差エンジンでは、交換熱量を増大させるために伝熱面積を増大する必要があり、熱交換器が大型化すると同時に、エンジン（特にシリンダとピストン）が大型化してしまう。これにより、圧力損失や機械損失が相対的に増加し、低速運転となるため回転が連続的に行われずに、各ピストンが上死点や下死点付近で停止してしまう現象が起こるという問題があった。
【０１２３】
この点、本発明によれば、スプリングがピストンを（特に下死点、上死点で）付勢することにより、低回転・低温度差でも安定的に駆動するスターリングエンジンが実現可能である。また、低品位の熱源が利用でき、さらに、シリンダ径の増大、ストローク幅の減少等といったエンジンの効率化についても実現することができる。
【符号の説明】
【０１２４】
１・２・３・４：スプリング、３０：金属板、３０ａ：円盤、４０ａ：外輪、３０ｂ・４０ｂ：フィン、３０ｃ：中心、３２：軸部材、３３：保護部材、１１ａ・１１ｂ・３１ａ・３１ｂ：固定ピン、１００・２００・３００・４００：スターリングエンジン、１１０・２１０・４１０：高温部、１１１・２１１・４１１：高温側ピストン、１１２・２１２：膨張空間、１１３・２１３・４１３：高温側シリンダ、１２０・２２０・３２０：低温部、１２１・２２１・３２１：低温側ピストン、１２２・２２２：圧縮空間、１２３・２２３・３２３：低温側シリンダ、１３０・２３０：熱機関、１３１・２３１：加熱器、１３２：再生熱交換器、１３３・２３３：冷却器、１４０：連通路、１５０：動力伝達機構、１５２：コンロッド、１５３・１５４：クランクピン、１５５：クランクシャフト、１５５ａ・１５５ｂ：軸、１５６：フライホイール
【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】
0005622381.tif 000008
【図８】
0005622381.tif 000009
【図９】
0005622381.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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