(57)【要約】      （修正有）【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】ディスプレーサピストン４と、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、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、前記位相反転機構７は、枠９に支点１０，１１を介して揺動可能に設けられた一対の単振動振り子１２，１３からなり、一方の単振動振り子１２がパワーピストン６に連結され、他方の単振動振り子１３がディスプレーサピストン４に連結され、両単振動振り子１２，１３が前記位相調整バネ８を介して連結されている。【選択図】図１
2011001874.tif 000002
【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、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、前記位相反転機構は、枠に支点を介して揺動可能に設けられた一対の単振動振り子からなり、一方の単振動振り子がパワーピストンに連結され、他方の単振動振り子がディスプレーサピストンに連結され、両単振動振り子が前記位相調整バネを介して連結されている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】
前記単振動振り子は、支点から両側に延出された第１腕部及び第２腕部と、支点から下方に延出された第３腕部とを有し、前記第１腕部に前記パワーピントン又は前記ディスプレーサピストンが連結され、第２腕部にバランスウエイトが設けられ、第３腕部に重りが設けら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３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の一方のクランクピン部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ピン部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４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。また、フリーピストン型スターリングエンジンの場合、一度作ってしまうと、作動周波数の調整も難しい。
【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、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、前記位相反転機構は、枠に支点を介して揺動可能に設けられた一対の単振動振り子からなり、一方の単振動振り子がパワーピストンに連結され、他方の単振動振り子がディスプレーサピストンに連結され、両単振動振り子が前記位相調整バネを介して連結されていることを特徴とする。
【００１１】
前記単振動振り子は、支点から両側に延出された第１腕部及び第２腕部と、支点から下方に延出された第３腕部とを有し、前記第１腕部に前記パワーピントン又は前記ディスプレーサピストンが連結され、第２腕部にバランスウエイトが設けられ、第３腕部に重りが設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
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】
【００１３】
【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】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４】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】
【００１４】
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。
【００１５】
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、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。
【００１６】
前記位相反転機構７は、枠であるケース９内に支点（例えば支軸）１０，１１を介して揺動可能に設けられた一対の単振動振り子１２，１３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とパワーシリンダ５とが左右に離間してそれぞれ縦向きに設置されている。この場合、ディスプレーサシリンダ３とパワーシリンダ５のそれぞれの先端部である下端部がケース９の上部を貫通した状態で取付けられている。
【００１７】
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１４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内の上部とが連通路１５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の下端部中央の貫通孔１６を通って下方のケース９内に垂直に延出されている。前記貫通孔１６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１７が取付けられている。パワーピストン６はパワーシリンダ５の先端部から下方に突出したロッド６ａを有し、このロッド６ａの先端部が前記ケース９内に垂直（鉛直）に延出されている。
【００１９】
前記単振動振り子１２，１３は、ケース９内に間隔を置いて立設された一対の支柱１８，１９に支点１０，１１を介してそれぞれ揺動可能に支持されている。単振動振り子１２，１３は、支点１０，１１から両側に水平に延出された第１腕部１２ａ，１３ａ及び第２腕部１２ｂ，１３ｂと、支点１０，１１から下方に延出された第３腕部１２ｃ，１３ｃとを有し、前記第１腕部１２ａ，１３ａに前記パワーピントン６又は前記ディスプレーサピストン４が連結され、第２腕部１２ｂ，１３ｂにバランスウエイト１２ｄ，１３ｄが設けられ、第３腕部１２ｃ，１３ｃに重り１２ｅ，１３ｅが設けられている。
【００２０】
図示例では、右側の単振動振り子１２の右側の第１腕部１２ａにパワーピストン６のロッド６ａの先端部が支軸１２ｆを介して回動可能に連結され、左側の単振動振り子１３の第１腕部１３ａにディスプレーサピストン４のロッド４ａの先端部が支軸１３ｆ及び長穴１３ｇを介して連結されている。そして、両単振動振り子１２，１３の第３腕部１２ｃ，１３ｃの長手方向中間部間に前記位相調整バネ８が掛け渡されて設けられている。位相調整バネ８は、例えばコイルバネからなっている。
【００２１】
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、主に前記単振動振り子１２の第３腕部１２ｃの長さと重り１２ｅで決定される。ディスプレーサピストン４の単振動の周期は、主に前記単振動振り子１３の第３腕部１３ｃの長さと重り１３ｅで決定される。
【００２２】
パワーピストン６側の単振動振り子１２のバランスウエイト１２ｄは、パワーピストン６の重さと釣り合うように設定され、ディスプレーサピストン４側の単振動振り子１３のバランスウエイト１３ｄは、ディスプレーサピストン４の重さと釣り合うように設定されている。パワーピストン６は、パワーピストン６側の単振動振り子１２により決定される振動周期で単振動が維持され、ディスプレーサピストン４は、ディスプレーサピストン４側の単振動振り子１３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から動力が取出され、各種の動力源として利用される。
【００２３】
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。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１４を通って下方へ移動し、連通路１５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が下方に移動される。
【００２４】
このパワーピストン６の力の一部がロッド６ａを介してパワーピストン側の単振動振り子１２に伝達され、更にこの単振動振り子１２から位相調整バネ８を介して９０度の位相を遅らせた状態でディスプレーサピストン４側の単振動振り子１３に伝達され、このディスプレーサピストン４側の単振動振り子１３からロッド４ａを介してディスプレーサピストン４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。
【００２５】
一方、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１５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が上方に移動される。このパワーピストン６の力の一部がロッド６ａを介してパワーピストン６側の単振動振り子１２に伝達され、更にこの単振動振り子１２から位相調整バネ８を介して９０度の位相を遅らせた状態でディスプレーサピストン４側の単振動振り子１３に伝達され、このディスプレーサピストン４側の単振動振り子１３からロッド４ａを介してディスプレーサピストン４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。
【００２６】
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の単振動振り子１２，１３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がパワーピントン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４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。
【００２７】
振り子にした場合の利点をクランクの場合と比較すると次の通りである。クランクの場合、ピストンストロークと同じ分だけ横方向の変位が生じるため、（１）横方向の振動の発生と、（２）ピストン・シリンダ間の摩擦の増加を生じる。また、クランク軸１回転当たり、クランクピン部も１回転するため、クランクピン部の摺動速度が速い。
【００２８】
これに対し、振り子にした場合、横方向の変位が小さくなるため、上記（１）及び（２）の問題が低減される。また、１往復当たりの支軸１２ｆ，１３ｆの摺動速度が遅くなる。
【００２９】
同一エンジンでも、重りの位置を変更すれば、作動周波数を変更できる。また、加熱温度に合わせたエンジンに容易に調整可能である。
【００３０】
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】
【００３１】
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)
１０，１１  支点
１２，１３  単振動振り子
１４  隙間
１５  連通路
１６  貫通孔
１７  ブッシュ
１８，１９  支柱
１２ａ，１３ａ  第１腕部
１２ｂ，１３ｂ  第２腕部
１２ｃ，１３ｃ  第３腕部
１２ｄ，１３ｄ  バランスウエイト
１２ｅ，１３ｅ  重り
１２ｆ，１３ｆ  支軸
１３ｇ  長穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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