(57)【要約】【課題】  作動気体の漏れによる性能低下や効率低下を回避し、かつコスト削減を図るとともに、高出力化及び能力アップを実現する。【解決手段】  基本的な構成を有するスターリングエンジン１を備えるとともに、主ディスプレーサシリンダ２ｍに対して副ディスプレーサシリンダ２ｓと、この副ディスプレーサシリンダ２ｓの一端側を加熱可能な加熱部３と、副ディスプレーサシリンダ２ｓの他端側を冷却可能な冷却部４と、副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動可能な第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータ５ｓを備え、パワーピストン６ｐにより仕切られたパワーシリンダ６の前後室６ｆ，６ｒの一方６ｒに主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇを作用させ、かつ前後室６ｆ，６ｒの他方６ｆに副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇを作用させる。【選択図】  図１
2014031725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に作動気体及び移動可能なディスプレーサピストンを内蔵したディスプレーサシリンダと、このディスプレーサシリンダの一端側を加熱可能な加熱部と、前記ディスプレーサシリンダの他端側を冷却可能な冷却部と、前記ディスプレーサピストンを進退駆動可能なディスプレーサ用駆動アクチュエータと、前記ディスプレーサシリンダ内の作動気体の作用により移動可能なパワーピストンを内蔵するパワーシリンダと、前記パワーピストンにおけるピストンロッドの運動を作用させる出力部とを具備してなるスターリングエンジンであって、前記ディスプレーサシリンダ（主ディスプレーサシリンダ）に対して、内部に作動気体及び移動可能なディスプレーサピストンを内蔵した第二のディスプレーサシリンダ（副ディスプレーサシリンダ）と、この副ディスプレーサシリンダの一端側を加熱可能な加熱部と、副ディスプレーサシリンダの他端側を冷却可能な冷却部と、副ディスプレーサシリンダに内蔵するディスプレーサピストンを進退駆動可能な第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータを備え、前記パワーピストンにより仕切られた前記パワーシリンダの前後室の一方に前記主ディスプレーサシリンダ内の作動気体を作用させ、かつ前記前後室の他方に前記副ディスプレーサシリンダ内の作動気体を作用させてなることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記出力部には、少なくとも、前記パワーピストンにおける前記ピストンロッドの運動を作用させる運動入力軸を有するリニア式発電機を含む発電機，又は運動入力軸の運動を直接出力させる運動出力ユニットの一方又は双方を含むことを特徴とする請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
前記各ディスプレーサシリンダ，前記各駆動アクチュエータ，前記パワーシリンダ及び前記出力部は、気密性を有する一体化した密閉構造により構成することを特徴とする請求項１又は２記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記駆動アクチュエータは、電動式駆動アクチュエータを用いることを特徴とする請求項１，２又は３記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
前記電動式駆動アクチュエータはリニア式電動アクチュエータを用いることを特徴とする請求項４記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
前記加熱部及び（又は）前記冷却部は、前記主ディスプレーサシリンダ及び前記副ディスプレーサシリンダに共用することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
前記各駆動アクチュエータを駆動制御する駆動制御部を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の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、バイオマス燃料や太陽熱等を熱源に利用して運転できるスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内部に作動気体及び移動可能なディスプレーサピストンを収容したディスプレーサシリンダと、このディスプレーサシリンダの一端側を加熱可能な加熱部と、ディスプレーサシリンダの他端側を冷却可能な冷却部と、ディスプレーサピストンを進退駆動可能なディスプレーサ用駆動アクチュエータと、ディスプレーサシリンダ内の作動気体の作用により移動可能なパワーピストンを内蔵するパワーシリンダとを具備してなるスターリングエンジンとしては、特許文献１で開示されるフリーピストン型スターリングエンジンが知られている。
【０００３】
同文献１で開示されるフリーピストン型スターリングエンジンは、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を目的としたものであり、具体的には、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住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問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により構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２８５９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した従来のフリーピストン型のスターリングエンジンは、次のような問題点があった。
【０００６】
第一に、ディスプレーサシリンダの内部には、通常、ヘリウムガスや窒素ガス等の不活性ガス（作動ガス）を高圧封入するため、スターリングエンジンの性能を維持するためには、十分な気密性を確保することが重要な課題となる。特に、ディスプレーサシリンダ内の作動ガスは、パワーシリンダの内部に作用するため、パワーピストンにおけるピストンロッドとパワーシリンダ間で作動ガスの漏れを生じやすい。したがって、この部位の高気密性対策が必須となるが、このような対策を施したとしても摺動部分における高気密性の確保には限界があり、長期使用により作動ガスの漏れによる性能低下や効率低下を招きやすい。しかも、高気密性構造や高度の精密部品を組合わせるなどの対応が必要になり、無視できないコストアップ要因にもなる。
【０００７】
第二に、パワーシリンダとディスプレーサシリンダを基本的な構成要素とし、パワーピストンの反復移動によりエネルギを取出す構造のため、パワーピストンの背圧の影響等により必ずしも作動ガスの有するエネルギを十分に取出しているとはいえない。したがって、スターリングエンジンの原理構成を基本にして、高出力化及び能力アップを図る観点からは、更なる改善の余地があった。
【０００８】
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決したスターリングエンジンの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述した課題を解決するため、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｍｐを内蔵したディスプレーサシリンダ２ｍと、このディスプレーサシリンダ２ｍの一端側を加熱可能な加熱部３と、ディスプレーサシリンダ２ｍの他端側を冷却可能な冷却部４と、ディスプレーサピストン２ｍｐを進退駆動可能なディスプレーサ用駆動アクチュエータ（主駆動アクチュエータ）５ｍと、ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇの作用により移動可能なパワーピストン６ｐを内蔵するパワーシリンダ６と、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる出力部７とを具備してなるスターリングエンジン１を構成するに際して、ディスプレーサシリンダ（主ディスプレーサシリンダ）２ｍに対して、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｓｐを内蔵した第二のディスプレーサシリンダ（副ディスプレーサシリンダ）２ｓと、この副ディスプレーサシリンダ２ｓの一端側を加熱可能な加熱部３と、副ディスプレーサシリンダ２ｓの他端側を冷却可能な冷却部４と、副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動可能な第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータ（副駆動アクチュエータ）５ｓを備え、パワーピストン６ｐにより仕切られたパワーシリンダ６の前後室６ｆ，６ｒの一方６ｒに主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇを作用させ、かつ前後室６ｆ，６ｒの他方６ｆに副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇを作用させてなることを特徴とする。
【００１０】
この場合、発明の好適な態様により、出力部７には、少なくとも、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓを有するリニア式発電機１１ｘを含む発電機１１，又は運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２の一方又は双方を含ませることができる。また、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ、パワーシリンダ６及び出力部７は、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓにより構成することが望ましい。さらに、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓには、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅを用いることができる。なお、この電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅには、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いることが望ましい。一方、加熱部３及び（又は）冷却部４は、主ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓに共用することができる。また、少なくとも各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓを駆動制御する駆動制御部１３を設けることができる。
【発明の効果】
【００１１】
このような構成を有する本発明に係るスターリングエンジン１によれば、次のような顕著な効果を奏する。
【００１２】
（１）  パワーピストン６ｐにより仕切られたパワーシリンダ６の前後室６ｆ，６ｒの一方６ｒに主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇを作用させ、かつ前後室６ｆ，６ｒの他方６ｆに副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇを作用させてなるため、パワーピストン６ｐ（ピストンロッド）とパワーシリンダ６間における作動気体Ｇの漏れは、パワーシリンダ６と各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓから形成される密閉空間内の移動に留まる。したがって、この密閉空間外、即ち、系外への漏れが確実に防止されるため、作動気体Ｇの漏れに基づく性能低下や効率低下を回避できる。しかも、高気密性を確保する特別な構造や高度な精密部品を組合わせるなどの専用対策が不要となり、全体のコスト削減にも寄与できる。
【００１３】
（２）  主ディスプレーサシリンダ２ｍに対して、副ディスプレーサシリンダ２ｓ及びこの副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動可能な第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータ５ｓを設けることにより、パワーシリンダ６に内蔵するパワーピストン６ｐに対して、一方側からの作動気体Ｇの作用に加え、他方側からも作動気体Ｇを作用させるようにしたため、パワーピストン６ｐの前後面の圧力差が大きくなり、概ね２倍のパワーアップ、即ち、高出力化及び能力アップを実現できる。
【００１４】
（３）  好適な態様により、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓを有する発電機１１を設ければ、太陽熱やバイオマス等の自然エネルギを利用し、或いは工場の排熱等の廃棄エネルギを再利用する、地球環境に優しい発電システムの一つとして構築することができる。特に、発電機１１として、リニア式発電機１１ｘを設ければ、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動出力を、リニア式発電機１１ｘの運動入力として直接利用できるため、部品点数の最少化を図ることができ、スターリングエンジン１全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる。
【００１５】
（４）  好適な態様により、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２を設ければ、運動入力軸７ｓの運動を、産業機械等の動力源として直接利用することができるとともに、運動入力軸７ｓをシーリングカバーで覆うことにより、出力部７の密閉性も容易かつ確実に確保することができる。
【００１６】
（５）  好適な態様により、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ、パワーシリンダ６及び出力部７を、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓにより構成すれば、密閉構造のハウジング部を容易かつ安価に製作できるとともに、気密性及び信頼性の高いハウジング部を確実に得ることができる。
【００１７】
（６）  好適な態様により、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅを用いれば、駆動制御部との組合わせにより、各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐを、正確なタイミングで確実かつ円滑に移動させることができるとともに、多様な制御が可能になるため、制御態様の最適化を容易に行うことができる。
【００１８】
（７）  好適な態様により、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅに、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いれば、各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐをリニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘにおける駆動出力軸により直接移動させることができるため、例えば、ロータリアクチュエータを使用した際に用いるクランク機構やボールねじ機構等の運動変換機構が不要となり、部品点数の削減によるスターリングエンジン１全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる。
【００１９】
（８）  好適な態様により、加熱部３及び（又は）冷却部４を、主ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓに共用するようにすれば、加熱部３及び（又は）冷却部４を構成する部品点数を半減できるため、スターリングエンジン１の更なるコスト低減及び小型化に寄与できるとともに、加熱形態及び冷却形態の組合わせにより、その最適化を容易かつ柔軟に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の好適実施形態に係るスターリングエンジンの内部構造を示す断面側面図、
【図２】同スターリングエンジンの密閉構造のハウジング部を示す断面側面図、
【図３】同スターリングエンジンの外観図、
【図４】同スターリングエンジンの電気系のブロック系統図、
【図５】同スターリングエンジンの各部の動きを示すタイミングチャート、
【図６】同スターリングエンジンの第一の動作過程を示す説明図、
【図７】同スターリングエンジンの第二の動作過程を示す説明図、
【図８】同スターリングエンジンにおける出力部を運動出力ユニットに変更した場合の断面側面図、
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
【００２２】
まず、本実施形態に係るスターリングエンジン１の構成について、図１〜図４を参照して説明する。
【００２３】
本実施形態に係るスターリングエンジン１は、大別して、第一のディスプレーサシリンダとなる主ディスプレーサシリンダ２ｍ，第一のディスプレーサ用駆動アクチュエータとなる主駆動アクチュエータ５ｍ，パワーシリンダ６，出力部７及び駆動制御部１３を有する基本構成を備えるとともに、第二のディスプレーサシリンダとなる副ディスプレーサシリンダ２ｓ及び第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータとなる副駆動アクチュエータ５ｓ、更に、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの一端側を加熱可能な加熱部３と、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの他端側を冷却可能な冷却部４を備えて構成する。
【００２４】
この場合、主ディスプレーサシリンダ２ｍの内部には、作動気体Ｇ、望ましくは、ヘリウムガス，窒素ガス等の不活性ガスを、例えば、０．５〜１０〔ＭＰａ〕程度の高圧状態で収容するとともに、軸方向Ｆｓへ自在に移動可能なディスプレーサピストン２ｍｐを内蔵する。したがって、主ディスプレーサシリンダ２ｍの内周面とディスプレーサピストン２ｍｐの外周面の間には、作動気体Ｇが流通可能な隙間Ｃｍが設けられている。ディスプレーサピストン２ｍｐは、片ロッドタイプであり、ピストンロッド２１ｍは、主ディスプレーサシリンダ２ｍの一方の端面２ｍｆから突出する。また、副ディスプレーサシリンダ２ｓも主ディスプレーサシリンダ２ｍと同様に構成し、ディスプレーサピストン２ｓｐを内蔵するとともに、ピストンロッド２１ｓは、副ディスプレーサシリンダ２ｓの一方の端面２ｓｆから突出する。これにより、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｍｐを内蔵した主ディスプレーサシリンダ２ｍが構成されるとともに、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｓｐを内蔵した副ディスプレーサシリンダ２ｓが構成される。なお、Ｃｓは、副ディスプレーサシリンダ２ｓの内周面とディスプレーサピストン２ｓｐの外周面の間に設けられることにより作動気体Ｇが流通可能な隙間を示す。
【００２５】
一方、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓは、図１に示すように並設する。そして、図３に示すように、ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓの一端側（ヘッド側）には、加熱部３を付設するとともに、ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓの他端側（ピストンロッド側）には、冷却部４を付設する。この場合、加熱部３には、バイオマス（量的生物資源）燃料を利用した燃焼装置，太陽熱を集めて高温化する集熱装置，工場の排熱等の廃棄エネルギを再利用する加熱装置等の、各種高温発生手段を利用できる。例示は、バイオマス燃料の燃焼装置３ａである。冷却部４には、ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓに付設したウォータジャケット４ａｊに冷却水を供給して冷却を行う冷却水供給装置４ａを用いることができる。冷却水には、井戸水，河川水，水道水等を利用できる。なお、冷却水は、積極的に冷却した水という意味ではなく、ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓを冷却する水の意味であり、例えば、工場等の廃棄水をそのまま利用する形態であってもよい。したがって、冷却部４も冷却する目的を達成できるものであれば、各種冷却手段を利用できる。これにより、主ディスプレーサシリンダ２ｍの一端側を加熱可能な加熱部３が構成されるとともに、ディスプレーサシリンダ２ｍの他端側を冷却可能な冷却部４が構成される。
【００２６】
また、加熱部３及び冷却部４は、それぞれ主ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓに共用させることができる。例示は、ディスプレーサシリンダ２ｍと２ｓを並設したため、加熱部３及び冷却部４をディスプレーサシリンダ２ｍと２ｓに共用させたが、主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓを離間して設置した場合には、主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓのそれぞれに独立した加熱部３…及び冷却部４…を付設したり、或いは加熱部３を主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓの双方に共用し、冷却部４…を主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓのそれぞれに独立して付設する形態であってもよい。
【００２７】
このように、加熱部３及び（又は）冷却部４を、主ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓに共用するようにすれば、加熱部３及び（又は）冷却部４を構成する部品点数を半減できるため、スターリングエンジン１の更なるコスト低減及び小型化に寄与できるとともに、加熱形態及び冷却形態の組合わせにより、その最適化を容易に行える利点がある。
【００２８】
さらに、主ディスプレーサシリンダ２ｍに対する同軸上の位置であって、この主ディスプレーサシリンダ２ｍにおけるピストンロッド２１ｍが突出する端面２ｍｆに対向する位置には、主駆動アクチュエータ５ｍを配設する。また、副ディスプレーサシリンダ２ｓに対する同軸上の位置であって、この副ディスプレーサシリンダ２ｓにおけるピストンロッド２１ｓが突出する端面２ｓｆに対向する位置には、副駆動アクチュエータ５ｓを配設する。各駆動アクチュエータ５ｍ及び５ｓには、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅ、望ましくはリニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いることができる。この場合、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘの各プランジャ（駆動出力軸）２２ｍ，２２ｓは、前述したピストンロッド２１ｍ，２１ｓにそれぞれ直結することができる。したがって、ピストンロッド２１ｍ（２１ｓ）とプランジャ２２ｍ（２２ｓ）は、一本のロッドにより兼用可能である。
【００２９】
これにより、主駆動アクチュエータ５ｍは、主ディスプレーサピストン２ｍｐを進退駆動可能となるともに、副駆動アクチュエータ５ｓは、副ディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動可能となる。なお、２３ｍはピストンロッド２１ｍ（プランジャ２２ｍ）を覆う軸受管、２３ｓはピストンロッド２１ｓ（プランジャ２２ｓ）を覆う軸受管をそれぞれ示す。なお、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘにおいて、２４ｍ，２４ｓはコイル、２５ｍ，２５ｓはマグネットを示し、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘは、リニアモータ原理により作動する。
【００３０】
このように、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅを用いれば、後述する駆動制御部１３と組合わせることにより、各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐを、正確なタイミングで確実かつ円滑に移動させることができるとともに、多様な制御が可能になるため、制御態様の最適化を容易に行うことができる。特に、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅに、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いれば、各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐをリニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘにおける駆動出力軸により直接移動させることができるため、例えば、ロータリアクチュエータを使用した際に用いるクランク機構やボールねじ機構等の運動変換機構が不要となり、部品点数の削減によるスターリングエンジン１全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる利点がある。
【００３１】
他方、片ロッドタイプのパワーピストン６ｐを内蔵するパワーシリンダ６を備える。そして、パワーシリンダ６の後端面６ｃｒと主ディスプレーサシリンダ２ｍの端面２ｍｆを連通管２６ｍを介して接続する。これにより、パワーピストン６ｐにより仕切られる後室６ｒは、連通管２６ｍを介して主ディスプレーサシリンダ２ｍの内部に連通する。また、パワーシリンダ６の前端面６ｃｆと副ディスプレーサシリンダ２ｓの端面２ｓｆを連通管２６ｓを介して接続する。これにより、パワーピストン６ｐにより仕切られる前室６ｆは、連通管２６ｓを介して副ディスプレーサシリンダ２ｓの内部に連通する。よって、主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇの作用及び副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇの作用により移動可能なパワーピストン６ｐを内蔵するパワーシリンダ６が構成される。
【００３２】
一方、パワーシリンダ６に対する同軸上の位置であって、前端面６ｃｆに対向する位置には、出力部７を構成する発電機１１を配設する。これにより、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動が作用される運動入力軸７ｓを有する発電機１１が構成される。発電機１１には、リニア式発電機１１ｘを用いることが望ましい。この場合、リニア式発電機１１ｘのシャフトとなる運動入力軸７ｓは、パワーピストン６ｐのピストンロッド６ｐｏに直結させることができる。したがって、ピストンロッド６ｐｏと運動入力軸７ｓは、一本のロッドにより兼用することができる。なお、リニア式発電機１１ｘにおいて、２７はコイル、２８はマグネットを示す。また、リニア式発電機１１ｘのケーシング部１１ｘｃの内部には、マグネット２８の運動軸方向の位置、即ち、パワーシリンダ６内におけるパワーピストン６ｐの位置（前端位置，後端位置）を間接的に検出する二つの位置センサ５５ｆ，５５ｒを配設する。この場合、５５ｆは前位置センサ、５５ｒは後位置センサとなる。これらの位置センサ５５ｆ，５５ｒには、マグネット２８（又は他の一体部品）の位置を非接触で検出可能なリードスイッチや光学的センサ等を用いることができる。
【００３３】
このように、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓを有する発電機１１を設ければ、太陽熱やバイオマス等の自然エネルギを利用し、或いは工場の排熱等の廃棄エネルギを再利用する、地球環境に優しい発電システムの一つとして構築することができる。特に、発電機１１に、リニア式発電機１１ｘを用いれば、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動出力を、リニア式発電機１１ｘの運動入力として直接利用できるため、部品点数の最少化を図ることができ、スターリングエンジン１全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる利点がある。なお、２９はピストンロッド６ｐｏ（運動入力軸７ｓ）を覆う軸受管を示す。
【００３４】
ところで、本実施形態に係るスターリングエンジン１は、以上の機械的構成を有するため、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ、パワーシリンダ６及び発電機１１は、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓにより構成することができる。即ち、図２に示すように、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓのシリンダ部２ｍｃ，２ｓｃ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓのケーシング部５ｍｃ，５ｓｃ、パワーシリンダ６のシリンダ部６ｃ、リニア式発電機１１ｘのケーシング部１１ｘｃ、各連通管２６ｍ，２６ｓ及び各軸受管２３ｍ，２３ｓ，２９を、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓによるハウジング部６１により構成することができる。なお、図２は、連続する密閉構造Ｍｓとして、全体を一体成形したハウジング部６１を示すが、連続する密閉構造Ｍｓとは、各部を別体の部品として製作し、必要なシーリング手段を介して結合する場合を含む概念である。このように、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ、パワーシリンダ６及び発電機１１を、気密性を有する連続する密閉構造Ｍｓにより構成すれば、密閉構造のハウジング部６１を容易かつ安価に製作できるとともに、気密性及び信頼性の高いハウジング部６１を確実に得れる利点がある。
【００３５】
他方、図４には、スターリングエンジン１の全体の駆動制御を司る駆動制御部１３を示す。駆動制御部１３は、一連の制御処理を行うマイクロコンピュータを用いた制御部本体５１を備え、この制御部本体５１には、前位置センサ５５ｆ及び後位置センサ５５ｒの検出結果に対応して各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに対する切換制御（各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置切換制御）及び駆動制御を行うためのシーケンスプログラムを格納したメモリ５１ｍが付属する。その他、５２は運転スイッチ等を含む操作部を示すとともに、５３はリニア式発電機１１ｘに接続した電源設備を示す。なお、駆動制御部１３は、マイクロコンピュータを用いた制御部本体５１を例示したが、電気回路の組合わせにより構成してもよい。
【００３６】
よって、このような本実施形態に係るスターリングエンジン１によれば、パワーピストン６ｐにより仕切られたパワーシリンダ６の前後室６ｆ，６ｒの一方６ｒに主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇを作用させ、かつ前後室６ｆ，６ｒの他方６ｆに副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇを作用させてなるため、作動気体Ｇがパワーピストン６ｐ（ピストンロッド）とパワーシリンダ６間から僅かに漏れたとしても、パワーシリンダ６と各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓから形成される密閉空間内の移動に留まる。したがって、この密閉空間外、即ち、系外への漏れが確実に防止されるため、作動気体Ｇの漏れに基づく性能低下や効率低下を回避できる。さらに、発電機１１を含めて密閉空間に形成すれば、ピストンロッド６ｐｏと軸受管２９間の隙間から漏れる作動気体Ｇに対しても系外への漏れを確実に防止できる。加えて、高気密性を確保する特別な構造や高度な精密部品を組合わせるなどの専用対策が不要になるため、全体のコスト削減にも寄与できる。
【００３７】
また、主ディスプレーサシリンダ２ｍに対して、副ディスプレーサシリンダ２ｓ及びこの副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動可能な副駆動アクチュエータ５ｓを設けることにより、パワーシリンダ６に内蔵するパワーピストン６ｐに対して、一方側からの作動気体Ｇの作用に加え、他方側からも作動気体Ｇを作用させるようにしたため、パワーピストン６ｐの前後面の圧力差が大きくなり、概ね２倍のパワーアップ、即ち、高出力化及び能力アップを実現することができる。
【００３８】
特に、パワーピストン６ｐの前後面における圧力の高低が交互に変化するため、パワーピストン６ｐ（ピストンロッド）とパワーシリンダ６間において作動気体Ｇの移動が発生したとしても、長期的に見た場合、平均化（相殺）され、主ディスプレーサシリンダ２ｍ側の作動気体Ｇと副ディスプレーサシリンダ２ｓ側の作動気体Ｇは均等に維持されることになり、パワーピストン６ｐの出力低下は回避される。
【００３９】
次に、このような構成を備えるスターリングエンジン１の動作について、図１，図４〜図７を参照して説明する。
【００４０】
まず、図４に示す操作部５２の運転スイッチをＯＮにすることにより、燃焼装置３ａ及び冷却水供給装置４ａが作動し、図１に示すように、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの一端側（ヘッド側）が、通常、数百〔℃〕以上に加熱されるとともに、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの他端側（ピストンロッド側）が冷却水により冷却される。この後、制御部本体５１から各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置を切換える位置切換制御信号（パルス信号）が各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに付与され、スターリングエンジン１の運転が行われる。図５は、スターリングエンジン１の各部の動きを示すタイミングチャートである。なお、図５における符号（ａ）〜（ｈ）は、図６における（ａ）〜（ｄ）及び図７における（ｅ）〜（ｈ）の符号に対応する。また、図６及び図７において、点線矢印は作動気体Ｇの流通方向を示している。
【００４１】
今、スターリングエンジン１は図５（ａ）のタイミングにあるものとする。このタイミングにおけるスターリングエンジン１の動作状態を図６（ａ）に示す。このタイミングにおいて、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが、図６（ａ）中における右端位置から左端位置へ移動し、加熱側容積最大から冷却側容積最大に切換わるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐが、図６（ａ）中における左端位置から右端位置へ移動し、冷却側容積最大から加熱側容積最大に切換わる。なお、図６（ａ）は、この切換動作の中間のタイミングを示している。また、切換わる直前におけるパワーピストン６ｐは前端位置Ｘｆにある。
【００４２】
一方、やや時間が経過した図５（ｂ）に示すタイミングでは、図６（ｂ）に示すように、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが左端位置へ移動し、冷却側容積最大になるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐは右端位置へ移動し、加熱側容積最大になる。これにより、副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇが膨張し、連通管２６ｓを介してパワーシリンダ６の前室６ｆ内に作用するとともに、主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇが収縮し、連通管２６ｍを介してパワーシリンダ６の後室６ｒ内に作用するため、パワーシリンダ６内のパワーピストン６ｐは後側（図６（ｂ）中、上側）へ移動する。なお、従来のように主ディスプレーサシリンダ２ｍのみを備えた場合には、主ディスプレーサシリンダ２ｓにおける作動気体Ｇの収縮のみでパワーピストン６ｐが移動することになる。
【００４３】
また、図５（ｃ），（ｄ）もパワーピストン６ｐの移動途中のタイミングを示し、図６（ｃ），（ｄ）がこの状態に対応する。そして、パワーピストン６ｐが、図７（ｅ）に示すパワーシリンダ６の後端位置（図７（ｅ）中、上端位置）Ｘｒに達すれば、後位置センサ５５ｒが検出する。これにより、制御部本体５１が位置切換制御信号を出力し、このタイミングにおいて、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが、図６（ｄ）の左端位置から右端位置へ移動し、冷却側容積最大から加熱側容積最大に切換わるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐが、図６（ｄ）の右端位置から左端位置へ移動し、加熱側容積最大から冷却側容積最大に切換わる。図７（ｅ）は、この切換動作の中間のタイミングを示している。
【００４４】
したがって、やや時間が経過した図５（ｆ）に示すタイミングでは、図７（ｆ）に示すように、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが右端位置へ移動し、加熱側容積最大になるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐが左端位置へ移動し、冷却側容積最大になる。これにより、主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇが膨張し、連通管２６ｍを介してパワーシリンダ６の後室６ｒに作用するとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇが収縮し、連通管２６ｓを介してパワーシリンダ６の前室６ｆに作用するため、パワーシリンダ６内のパワーピストン６ｐが前側（図７（ｆ）中、下側）へ移動する。
【００４５】
また、図５（ｇ），（ｈ）もパワーピストン６ｐの移動途中のタイミングを示し、図７（ｇ），（ｈ）がこの状態に対応する。そして、パワーピストン６ｐが、図６（ａ）に示すパワーシリンダ６の前端位置（図６（ａ）中、下端位置）Ｘｆに達すれば、前位置センサ５５ｆが検出する。この結果、制御部本体５１が位置切換制御信号を出力し、このタイミングにおいて、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが、図７（ｈ）の右端位置から左端位置へ移動し、加熱側容積最大から冷却側容積最大に切換わるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐが、図７（ｈ）の左端位置から右端位置へ移動し、冷却側容積最大から加熱側容積最大に切換わる。図６（ａ）は、この切換動作の中間のタイミングを示している。
【００４６】
これにより、スターリングエンジン１の１周期（１サイクル）の動作過程が終了する。このように、本実施形態に係るスターリングエンジン１では、図５に示すように、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置が、パルス信号となる位置切換制御信号によりほぼ瞬時に切換えられる。この点が前述した背景技術で挙げたスターリングエンジンとは異なる。背景技術で挙げたスターリングエンジンでは、ディスプレーサピストンの位置の時間的変動は、いわば正弦曲線に従ったものとなる。なお、電源設備５３には、発電機１１の発電出力を蓄電するバッテリを搭載し、運転開始時には、このバッテリを利用して駆動制御部１３及び各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ等を駆動することができる。
【００４７】
次に、本実施形態に係るスターリングエンジン１の出力部７の変更例について、図８を参照して説明する。
【００４８】
図１は、出力部７として、発電機１１（リニア発電機１１ｘ）を用いた場合を示したが、図８は、出力部７として、運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２を用いた場合を示す。運動出力ユニット１２は、ピストンロッド６ｐｏ（運動入力軸７ｓ）を覆う軸受管２９に一体のシーリングカバー７１を備える。シーリングカバー７１は完全に密閉された筒状に形成するとともに、下半部はピストンロッド６ｐｏの進退方向に伸縮する蛇腹部７１ｅとして形成する。一方、ピストンロッド６ｐｏと一体の運動入力軸７ｓはシーリングカバー７１の底部まで延設し、運動入力軸７ｓの下端には取付盤７ｓｐを一体形成するとともに、この取付盤７ｓｐはシーリングカバー７１の底部内面に固定する。また、シーリングカバー７１の底部外面にも盤状の出力作用端部７２を固定し、この出力作用端部７２の変位出力（運動出力）を外部の産業機械等に作用（入力）させることができる。さらに、シーリングカバー７１の内周面には、前述した二つの位置センサ５５ｆ，５５ｒを同様の位置関係で配設するとともに、運動入力軸７ｓには、位置センサ５５ｆ，５５ｒにより検出可能なマグネット等の被検出部７３を固定する。
【００４９】
このように、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２を設ければ、運動入力軸７ｓの運動を、産業機械等の動力源として直接利用することができるとともに、運動入力軸７ｓをシーリングカバー７１で覆うことにより、出力部７の密閉性も容易かつ確実に確保できる利点がある。したがって、図８の場合も、シーリングカバー７１を含む、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓのシリンダ部２ｍｃ，２ｓｃ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓのケーシング部５ｍｃ，５ｓｃ、パワーシリンダ６のシリンダ部６ｃ、各連通管２６ｍ，２６ｓ及び各軸受管２３ｍ，２３ｓ，２９を、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓによるハウジング部６１により構成することができる。また、図８において、図１と同一部分については同一符号を付して、その構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。
【００５０】
以上、好適実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値、特に、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置制御方法及び出力エネルギの利用方法等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。
【００５１】
例えば、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動が作用する出力部７として、発電機１１と運動出力ユニット１２を例示したが、その他、ピストンロッド６ｐｏの運動を利用できる各種機器類を適用できる。なお、出力部７とは所定の動作を行う機器類をはじめ、図８におけるピストンロッド６ｐｏの先端部分も含まれ、いわば、ピストンロッド６ｐｏに接続又は一体の物は全て含まれる。また、発電機１１には、リニア式発電機１１ｘを用いることが望ましいが、勿論、クランク機構等を介して運動入力軸を回転させるロータリ式の発電機であってもよい。一方、駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓとして、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅを用いた場合を示したが、パワーピストン６ｐの動きを伝達機構（リンク機構）を介して駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに伝達する機械的構成を排除するものではない。他方、電動式駆動アクチュエータ５ｍｅ，５ｓｅとして、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いた場合を示したが、ロータリ式電動アクチュエータをクランク機構等を介してディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐを移動する場合を排除するものではない。さらに、作動気体Ｇとして不活性ガスを利用する場合を示したが、空気をはじめ、他の作動気体を排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係るスターリングエンジンは、例示した地球環境に優しい発電システムをはじめ、各種動力源として利用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１：スターリングエンジン，２ｍ：ディスプレーサシリンダ（主ディスプレーサシリンダ），２ｍｐ：ディスプレーサピストン，２ｓ：副ディスプレーサシリンダ，２ｓｐ：ディスプレーサピストン，３：加熱部，４：冷却部，５ｍ：ディスプレーサ用駆動アクチュエータ，５ｍｅ：電動式駆動アクチュエータ，５ｍｘ：リニア式電動アクチュエータ，５ｓ：ディスプレーサ用駆動アクチュエータ，５ｓｅ：電動式駆動アクチュエータ，５ｓｘ：リニア式電動アクチュエータ，６：パワーシリンダ，６ｐ：パワーピストン，６ｆ：パワーシリンダの前室，６ｒ：パワーシリンダの後室，６ｐｏ：ピストンロッド，７：出力部，１１：発電機，１１ｘ：リニア式発電機，１２：運動出力ユニット，１３：駆動制御部，Ｇ：作動気体，Ｍｓ：密閉構造
【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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