(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内で往復動する第１ピストンおよび第２ピストンと、これらピストンに連結されたクランク軸と、このクランク軸を収容するクランク室またはこのクランク室に連通する空間の何れかで成るバッファ空間とを備えたスターリングエンジンに適用される出力調整装置であって、
前記シリンダ内に形成された作動ガス空間と前記バッファ空間とを連通可能とする作動ガス流通路と、
前記バッファ空間の圧力が前記作動ガス空間の圧力よりも高いときに、これらバッファ空間と作動ガス空間とを前記作動ガス流通路を介して連通させる連通手段とが設けられており、
前記連通手段は、開閉自在な開閉弁、および、この開閉弁の開閉動作を制御する開閉制御手段で構成されており、
前記開閉制御手段は、検出された前記クランク軸の回転位置によって、前記バッファ空間の圧力が前記作動ガス空間の圧力よりも高くなっている期間を求め、この期間において前記開閉弁を開放する構成となっていることを特徴とするスターリングエンジンの出力調整装置。
【請求項２】
シリンダ内で往復動する第１ピストンおよび第２ピストンと、これらピストンに連結されたクランク軸と、このクランク軸を収容するクランク室またはこのクランク室に連通する空間の何れかで成るバッファ空間とを備えたスターリングエンジンに適用される出力調整装置であって、
前記シリンダ内に形成された作動ガス空間と前記バッファ空間とを連通可能とする作動ガス流通路と、
前記作動ガス空間の圧力が前記バッファ空間の圧力よりも高いときに、これら作動ガス空間とバッファ空間とを前記作動ガス流通路を介して連通させる連通手段とが設けられており、
前記連通手段は、開閉自在な開閉弁、および、この開閉弁の開閉動作を制御する開閉制御手段で構成されており、
前記開閉制御手段は、検出された前記クランク軸の回転位置によって、前記作動ガス空間の圧力が前記バッファ空間の圧力よりも高くなっている期間を求め、この期間において前記開閉弁を開放する構成となっていることを特徴とするスターリングエンジンの出力調整装置。
【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の出力調整装置に係る。特に、本発明は、比較的簡素な構造で出力調整を可能とするための対策に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されているように、シリンダ内の作動ガスを加熱および冷却し、その体積変化を利用して仕事量を得る外燃機関としてスターリングエンジンが公知である。
【０００３】
この特許文献１に開示されているスターリングエンジンは、始動時におけるデコンプ作用が得られるように、スターリングエンジンの作動ガス空間とクランク室とを連通するバイパス管を備えている。また、このバイパス管にデコンプバルブを備えさせ、スターリングエンジンの始動時には、このデコンプバルブを開放することで、デコンプ作用を得ている。そして、スターリングエンジンが自立運転可能な回転速度に達すると、デコンプバルブを徐々に閉鎖するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−４１８９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、スターリングエンジンの特徴の一つとして種々の熱源が利用可能であることが挙げられる。例えば、内燃機関の排熱、工場の排熱、バイオマス燃焼熱等を熱源とすることが可能である。
【０００６】
ところが、このような熱源を利用する場合、その熱量を調整することが難しいため、スターリングエンジンの作動ガスが受ける熱量（受熱量）も調整することが困難である。例えば、作動ガスの受熱量が必要熱量よりも少ない場合には、スターリングエンジンに要求される出力が得られなくなってしまう可能性がある。逆に、作動ガスの受熱量が多すぎる場合には、スターリングエンジンの出力が必要以上に上昇してしまい、スターリングエンジンの構成部品の耐久性に悪影響を与えてしまう可能性がある。
【０００７】
特許文献１では、スターリングエンジンに個別の加圧ポンプを接続し、必要に応じて、この加圧ポンプから作動ガスを導入してスターリングエンジンの出力を上昇させるようにしている。しかしながら、この場合、作動ガスを導入するための特別な動力源（加圧ポンプのモータ等）が必要となり、製造コストの高騰を招いたり、この動力源を作動させるためのエネルギが必要であることからシステム全体としてのエネルギ効率の悪化を招いたりするため、好ましくない。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加圧ポンプを必要とすることなく、比較的簡素な構造でスターリングエンジンの出力を調整可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、シリンダ内で往復動する第１ピストンおよび第２ピストンと、これらピストンに連結されたクランク軸と、このクランク軸を収容するクランク室またはこのクランク室に連通する空間の何れかで成るバッファ空間とを備えたスターリングエンジンに適用される出力調整装置を対象とする。このスターリングエンジンの出力調整装置に対し、前記シリンダ内に形成された作動ガス空間と前記バッファ空間とを連通可能とする作動ガス流通路と、前記バッファ空間の圧力が前記作動ガス空間の圧力よりも高いときに、これらバッファ空間と作動ガス空間とを前記作動ガス流通路を介して連通させる連通手段とを設けており、前記連通手段を、開閉自在な開閉弁、および、この開閉弁の開閉動作を制御する開閉制御手段で構成し、前記開閉制御手段が、検出された前記クランク軸の回転位置によって、前記バッファ空間の圧力が前記作動ガス空間の圧力よりも高くなっている期間を求め、この期間において前記開閉弁を開放する構成としている。
【００１０】
ここで、「シリンダ内に形成された作動ガス空間」は、例えばβ型のスターリングエンジンにあっては、圧縮空間または膨張空間に相当する。
【００１１】
この特定事項により、バッファ空間の圧力が作動ガス空間の圧力よりも高くなると、連通手段は、バッファ空間と作動ガス空間とを作動ガス流通路を介して連通させる。これにより、バッファ空間の作動ガスの一部が作動ガス空間に移動することになり、この作動ガス空間における作動ガスの密度が上昇する。これに伴い、シリンダ内での第１ピストンおよび第２ピストンの往復動に伴って変化する作動ガス空間圧力の平均圧力の上昇およびこの作動ガス空間での作動ガスの圧力変化幅の拡大に伴い、スターリングエンジンの出力が上昇する。このように、本解決手段では、加圧ポンプ等の動力源を有する手段を必要とすることなく、スターリングエンジンの出力を上昇させることができる。
つまり、バッファ空間の圧力が作動ガス空間の圧力よりも高いときに開閉弁を開放させることで、バッファ空間の作動ガスの一部が作動ガス空間に移動することになり、これによって、作動ガス空間における作動ガスの密度が上昇し、スターリングエンジンの出力を上昇させることができる。
また、クランク軸の回転位置に応じて開閉弁の開閉動作を制御することにより、開閉弁を開放した際の作動ガスの流れ方向（バッファ空間と作動ガス空間との間での作動ガスの流れ方向）を規定することができ、これによって、スターリングエンジンの出力調整を行うことが可能になる。
【００１２】
また、他の解決手段として、シリンダ内で往復動する第１ピストンおよび第２ピストンと、これらピストンに連結されたクランク軸と、このクランク軸を収容するクランク室またはこのクランク室に連通する空間の何れかで成るバッファ空間とを備えたスターリングエンジンに適用される出力調整装置を対象とする。このスターリングエンジンの出力調整装置に対し、前記シリンダ内に形成された作動ガス空間と前記バッファ空間とを連通可能とする作動ガス流通路と、前記作動ガス空間の圧力が前記バッファ空間の圧力よりも高いときに、これら作動ガス空間とバッファ空間とを前記作動ガス流通路を介して連通させる連通手段とを設けており、前記連通手段を、開閉自在な開閉弁、および、この開閉弁の開閉動作を制御する開閉制御手段で構成し、前記開閉制御手段が、検出された前記クランク軸の回転位置によって、前記作動ガス空間の圧力が前記バッファ空間の圧力よりも高くなっている期間を求め、この期間において前記開閉弁を開放する構成としている。
【００１３】
この特定事項により、作動ガス空間の圧力がバッファ空間の圧力よりも高くなると、連通手段は、作動ガス空間とバッファ空間とを作動ガス流通路を介して連通させる。これにより、作動ガス空間の作動ガスの一部がバッファ空間に移動することになり、この作動ガス空間における作動ガスの密度が低下する。これに伴い、シリンダ内での第１ピストンおよび第２ピストンの往復動に伴って変化する作動ガス空間圧力の平均圧力の低下およびこの作動ガス空間での作動ガスの圧力変化幅の縮小に伴い、スターリングエンジンの出力が低下する。このように、本解決手段では、加圧ポンプ等の動力源を有する手段を必要とすることなく、スターリングエンジンの出力を低下させることができる。
つまり、作動ガス空間の圧力がバッファ空間の圧力よりも高いときに開閉弁を開放させることで、作動ガス空間の作動ガスの一部がバッファ空間に移動することになり、これによって、作動ガス空間における作動ガスの密度が低下し、スターリングエンジンの出力を低下させることができる。
また、クランク軸の回転位置に応じて開閉弁の開閉動作を制御することにより、開閉弁を開放した際の作動ガスの流れ方向（バッファ空間と作動ガス空間との間での作動ガスの流れ方向）を規定することができ、これによって、スターリングエンジンの出力調整を行うことが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、スターリングエンジンの作動ガス空間とバッファ空間とを、これら空間の圧力差に応じて連通させることで、作動ガス空間における作動ガスの密度を調整可能にしている。このため、加圧ポンプ等の動力源を有する手段を必要とすることなく、スターリングエンジンの出力を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【図２】スターリングエンジンの運転開始初期時における圧縮空間圧力およびクランク室圧力それぞれの変化の一例を示す図である。
【図３】第２実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【図４】第３実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【図５】第４実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【図６】第５実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【図７】第６実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【図８】第７実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【図９】第８実施形態に係るスターリングエンジンおよび出力調整装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の各実施形態では、単気筒であってディスプレーサピストンおよびパワーピストンそれぞれが同軸上で上下方向に往復動するβ型のスターリングエンジンに本発明を適用した場合について説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。
【００２９】
図１は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図１に示すように、スターリングエンジン１は、シリンダ２の内部に、ディスプレーサピストン（第１ピストン）３およびパワーピストン（第２ピストン）４がそれぞれ往復動可能に収容されている。ディスプレーサピストン３はパワーピストン４の上方に配置されている。これにより、シリンダ２の内部は複数の空間に区画されている。ディスプレーサピストン３の上側の空間は膨張空間（高温空間）２１として形成されている。また、ディスプレーサピストン３の下側の空間（ディスプレーサピストン３とパワーピストン４との間の空間）は圧縮空間（低温空間）２２として形成されている。
【００３０】
前記シリンダ２の下側に配設されたクランクケース５の内部空間であるクランク室５１にはクランク軸５２が収容されている。このクランク軸５２はラジアルベアリング５４，５４によってクランクケース５に回転自在に支持されている。
【００３１】
前記ディスプレーサピストン３およびパワーピストン４は、それぞれクランク軸５２に連結されている。具体的に、ディスプレーサピストン３およびパワーピストン４は、図示しないスコッチ・ヨーク機構を介して、所定角度（例えばクランク軸５２回りで９０°）だけ位相がずれた（ディスプレーサピストン３がロッド３１を介してクランク軸５２に対して連結する位置と、パワーピストン４がロッド４１，４１を介してクランク軸５２に対して連結する位置とがクランク軸５２の回転方向で所定角度だけずれた）状態でクランク軸５２に連結されている。
【００３２】
また、クランク軸５２の一端側（図１における左側）にはフライホイール５３が一体回転可能に設けられている。また、クランクケース５の側面（図１における左側面）には発電機６が取り付けられており、前記クランク軸５２は、クランクケース５の外部にまで延びて発電機６に接続されている。
【００３３】
シリンダ２の外周側には、ヒータ２３、再生器２４およびクーラ２５が配置されている。
【００３４】
ヒータ２３の一端部は前記膨張空間２１に連通している。また、ヒータ２３の他端部は再生器２４に連通している。この再生器２４はクーラ２５に連通している。クーラ２５は前記圧縮空間２２に連通している。前記ヒータ２３は、図示しない内燃機関の排熱、工場の排熱、バイオマス燃焼熱等の熱を受けることで作動ガスを加熱する。一方、クーラ２５内には作動ガスと熱交換可能に冷却水が流れており、この熱交換によって作動ガスを冷却する。
【００３５】
再生器２４は、その内部にオーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網のマトリックス材を詰めた構成となっている。作動ガス（Ｈｅ、Ｈ2、Ｎ2、空気等）は、マトリックス材を通り抜けて、ヒータ２３またはクーラ２５に流れる。作動ガスは、クーラ２５からヒータ２３に向けて再生器２４を通り抜けるときに、マトリックス材から吸熱する。また、作動ガスは、ヒータ２３からクーラ２５に向けて再生器２４を通り抜けるときに、マトリックス材に放熱する。
【００３６】
このような構成により、スターリングエンジン１は、ディスプレーサピストン３が下降する場合には、膨張空間２１の容積（ガス量）が増大して作動ガスの温度が上昇する。これにより、作動ガスの圧力が上昇し、パワーピストン４が下降する。一方、ディスプレーサピストン３が上昇する場合には、圧縮空間２２の容積（ガス量）が増大して、作動ガスの温度が低下する。これにより、作動ガスの圧力が下降し、パワーピストン４が上昇する。このパワーピストン４の下降および上昇が繰り返されることでクランク軸５２が回転駆動する。そして、このクランク軸５２の回転力が発電機６に伝達されることで、発電機６での発電が行われるようになっている。また、この発電機６は、スターリングエンジン１の始動時には、クランク軸５２を回転させるための電動機として使用される。
【００３７】
−出力調整装置−
次に、本実施形態の特徴として前記スターリングエンジン１に適用された出力調整装置７について説明する。本実施形態に係る出力調整装置７は、スターリングエンジン１の出力を上昇させるためのものである。
【００３８】
具体的に、この出力調整装置７は、シリンダ２内の圧縮空間２２とクランク室５１とを接続する作動ガス流通配管７１と、この作動ガス流通配管７１に設けられた逆止弁８１とを備えている。
【００３９】
前記作動ガス流通配管７１は、一端がシリンダ２に接続されている。この接続位置は、圧縮空間２２に対応する位置となっている。このため、作動ガス流通配管７１の内部通路である作動ガス流通路７２の一端側は圧縮空間２２に連通している。なお、ディスプレーサピストン３およびパワーピストン４の往復動によって圧縮空間２２は移動する（圧縮空間２２の上端を構成するディスプレーサピストン３の下面と、圧縮空間２２の下端を構成するパワーピストン４の上面とが移動することによって圧縮空間２２も移動する）ことになるが、この作動ガス流通配管７１の接続位置は、パワーピストン４が上死点に達した場合であっても、作動ガス流通路７２の連通位置（シリンダ２側の連通位置）が、この作動ガス流通路７２とクランク室５１とを連通させない位置に設定されている。
【００４０】
また、作動ガス流通配管７１の他端はクランクケース５に接続されている。このため、作動ガス流通配管７１の内部通路である作動ガス流通路７２の他端側はクランク室５１に連通している。このクランク室５１が本発明でいうバッファ空間に相当する。
【００４１】
前記逆止弁８１は、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高いときに開放し、これによって、これらクランク室５１と圧縮空間２２とを作動ガス流通配管７１（作動ガス流通路７２）を介して連通させるものである。
【００４２】
つまり、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなると、その圧力差によって逆止弁８１が開放し、クランク室５１と圧縮空間２２とが作動ガス流通路７２を介して連通することになる。このようにして逆止弁８１が開放した場合には、前記圧力差（クランク室５１と圧縮空間２２との圧力差）によって、クランク室５１の作動ガスの一部が圧縮空間２２に移動することになり、この圧縮空間２２における作動ガスの密度が上昇する。この圧縮空間２２は、クーラ２５、再生器２４およびヒータ２３を介して膨張空間２１に連通しているため、これら各空間（以下、これら空間を総称して作動ガス流通空間１１という）における作動ガスの密度も上昇することになる。
【００４３】
なお、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなったとしても逆止弁８１は閉鎖状態となっているため、圧縮空間２２の作動ガスがクランク室５１に戻ることはない。
【００４４】
前記圧縮空間２２が本発明でいう作動ガス空間（シリンダ内に形成された作動ガス空間）に相当する。また、前記逆止弁８１が本発明でいう連通手段（バッファ空間と作動ガス空間とを作動ガス流通路を介して連通させる連通手段）に相当する。
【００４５】
−出力上昇動作−
次に、前述の如く構成されたスターリングエンジン１の運転開始初期時の動作について説明する。
【００４６】
スターリングエンジン１が始動すると、シリンダ２内でのディスプレーサピストン３およびパワーピストン４の往復動（所定の位相差を持った往復動）に伴って、前記圧縮空間２２の圧力は周期的に変化する。つまり、圧縮空間２２の容積が縮小する際には、膨張空間２１の容積（ガス量）が増加し、作動ガスの温度が上昇して、圧力が上昇する。一方、圧縮空間２２の容積が拡大する際には、この圧縮空間２２の容積（ガス量）が増加し、作動ガスの温度が低下して、圧力が低下する。
【００４７】
一方、クランク室５１の温度は略一定であり、その温度変化による圧力変動は殆どない。また、クランク室５１は容積が大きいため、パワーピストン４の往復動による圧力変動も僅かとなっている。
【００４８】
前述した圧縮空間２２の圧力変動は、クランク室５１の圧力変動よりも大きいため、この圧縮空間２２の圧力が、クランク室５１の圧力よりも低くなる期間（位相）や高くなる期間（位相）が生じることになる。言い替えると、クランク室５１の圧力が、圧縮空間２２の圧力よりも高くなる期間（位相）や低くなる期間（位相）が生じることになる。
【００４９】
そして、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間では、前述したように逆止弁８１が開放し、これによって、これらクランク室５１と圧縮空間２２とが作動ガス流通配管７１（作動ガス流通路７２）を介して連通する。この場合、前記圧力差によって、クランク室５１の作動ガスの一部が圧縮空間２２に移動することになり、この圧縮空間２２における作動ガスの密度が上昇する。この圧縮空間２２は、クーラ２５、再生器２４およびヒータ２３を介して膨張空間２１に連通しているため、これら各空間である作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度も上昇することになる。このようにして作動ガスの密度が上昇すると、シリンダ２内でのディスプレーサピストン３およびパワーピストン４の往復動に伴って変化する作動ガスの平均圧力の上昇およびこの作動ガスの圧力変化幅の拡大に伴い、スターリングエンジン１の出力が上昇することになる。そして、スターリングエンジン１の運転が継続され、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間を迎える度に、クランク室５１の作動ガスの一部が圧縮空間２２に移動して、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が上昇していくことになる。これにより、スターリングエンジン１の出力が上昇していくことになる。なお、ある程度の量の作動ガスが作動ガス流通空間１１に移動した後には、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなる期間が生じなくなるので、その時点でのスターリングエンジン１の出力が維持されることになる。
【００５０】
図２は、このスターリングエンジン１の運転開始初期時における圧縮空間２２の圧力（圧縮空間圧力）およびクランク室５１の圧力（クランク室圧力）それぞれの変化の一例を示す図である。この図２からも解るように、スターリングエンジン１が始動されると、クランク室５１の作動ガスの一部が圧縮空間２２に移動して圧縮空間２２における作動ガスの密度が上昇することで、圧縮空間２２では、平均圧力が上昇し、圧力変化幅が拡大している。これによりスターリングエンジン１の出力が上昇していく。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、クランク室５１の作動ガスの一部を圧縮空間２２に移動させて、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度を上昇させることによってスターリングエンジン１の出力を上昇させることができる。このため、ヒータ２３における作動ガスの受熱量が少ない場合であっても、スターリングエンジン１の出力を上昇させることで、要求出力を得ることが可能になる。このように、本実施形態によれば、加圧ポンプ等の動力源を有する手段を必要とすることがないため、構成の簡素化を図りながらもスターリングエンジン１の出力を上昇させることができる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態は、出力調整装置７が前記第１実施形態のものと異なっている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、ここでは出力調整装置７についてのみ説明する。
【００５３】
本実施形態に係る出力調整装置７は、スターリングエンジン１の出力を低下させるためのものである。
【００５４】
図３は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図３に示すように、出力調整装置７は、シリンダ２内の圧縮空間２２とクランク室５１とを接続する作動ガス流通配管７１と、この作動ガス流通配管７１に設けられた逆止弁（連通手段）８２とを備えている。
【００５５】
作動ガス流通配管７１の構成は、前記第１実施形態のものと同一である。
【００５６】
一方、逆止弁８２は、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高いときに開放し、これによって、これら圧縮空間２２とクランク室５１とを作動ガス流通配管７１（作動ガス流通路７２）を介して連通させるものである。
【００５７】
つまり、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなると、その圧力差によって逆止弁８２が開放し、圧縮空間２２とクランク室５１とが作動ガス流通路７２を介して連通することになる。このようにして逆止弁８２が開放した場合には、前記圧力差（圧縮空間２２とクランク室５１との圧力差）によって、圧縮空間２２の作動ガスの一部がクランク室５１に移動することになり、この圧縮空間２２における作動ガスの密度が低下する。この圧縮空間２２は、クーラ２５、再生器２４およびヒータ２３を介して膨張空間２１に連通しているため、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度も低下することになる。
【００５８】
なお、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなったとしても逆止弁８２は閉鎖状態となっているため、クランク室５１の作動ガスが圧縮空間２２に戻ることはない。
【００５９】
本実施形態におけるスターリングエンジン１の運転開始初期時の動作としては、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間では、前述したように逆止弁８２が開放し、これによって、これら圧縮空間２２とクランク室５１とが作動ガス流通配管７１（作動ガス流通路７２）を介して連通する。この場合、前記圧力差によって、圧縮空間２２の作動ガスの一部がクランク室５１に移動することになり、この圧縮空間２２における作動ガスの密度が低下する。この圧縮空間２２は、クーラ２５、再生器２４およびヒータ２３を介して膨張空間２１に連通しているため、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度も低下することになる。このようにして作動ガスの密度が低下すると、シリンダ２内でのディスプレーサピストン３およびパワーピストン４の往復動に伴って変化する作動ガスの平均圧力の低下およびこの作動ガスの圧力変化幅の縮小に伴い、スターリングエンジン１の出力が低下することになる。そして、スターリングエンジン１の運転が継続され、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間を迎える度に、圧縮空間２２の作動ガスの一部がクランク室５１に移動して、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が低下していくことになる。これにより、スターリングエンジン１の出力が低下していくことになる。なお、ある程度の量の作動ガスがクランク室５１に移動した後には、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなる期間が生じなくなるので、その時点でのスターリングエンジン１の出力が維持されることになる。
【００６０】
このように、本実施形態によれば、圧縮空間２２の作動ガスの一部をクランク室５１に移動させて、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度を低下させることによってスターリングエンジン１の出力を低下させることができる。このため、ヒータ２３における作動ガスの受熱量が多すぎる場合であっても、スターリングエンジン１の出力を低下させることで、スターリングエンジン１の構成部品の耐久性に悪影響を与えてしまうことを回避できる。
【００６１】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態は、出力調整装置７が前記第１実施形態のものと異なっている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、ここでも出力調整装置７についてのみ説明する。
【００６２】
本実施形態に係る出力調整装置７は、スターリングエンジン１の出力を上昇させるためのものである。
【００６３】
図４は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図４に示すように、出力調整装置７は、シリンダ２内の圧縮空間２２とクランク室５１とを接続する作動ガス流通配管７１と、この作動ガス流通配管７１に設けられた逆止弁８１と、開閉弁８３とを備えている。
【００６４】
作動ガス流通配管７１および逆止弁８１の構成は、前記第１実施形態のものと同一である。
【００６５】
一方、開閉弁８３は、作動ガス流通配管７１において逆止弁８１よりもクランク室５１側に配設されており、マイクロコンピュータなどから成るコントローラ９からの開閉制御信号に応じて開閉制御される電磁弁で構成されている。なお、開閉弁８３は、作動ガス流通配管７１において逆止弁８１よりも圧縮空間２２側に配設されていてもよい。
【００６６】
この開閉弁８３の制御としては、スターリングエンジン１の要求出力（例えば要求発電量に応じて決定される要求出力）に対して実際の出力が低下した場合（発電量が低下した場合等）には、コントローラ９から開放信号が出力されて開閉弁８３が開放される。これにより、前記第１実施形態で説明したように、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間では逆止弁８１が開放し、これによって、クランク室５１の作動ガスの一部が圧縮空間２２に移動することになり、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が上昇する。これにより、スターリングエンジン１の出力が上昇することになる。
【００６７】
一方、スターリングエンジン１の実際の出力が要求出力に略一致している場合には、コントローラ９から閉鎖信号が出力されて開閉弁８３が閉鎖される。この場合、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなったとしても、クランク室５１の作動ガスが圧縮空間２２に移動することはなく、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が維持される。これにより、スターリングエンジン１の出力が維持される（要求出力に略一致した出力が維持される）ことになる。
【００６９】
このため、本実施形態においても、加圧ポンプ等の動力源を有する手段を必要とすることがないため、構成の簡素化を図りながらもスターリングエンジン１の出力を上昇させることができる。
【００７０】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。本実施形態は、出力調整装置７が前記第２実施形態のものと異なっている。その他の構成は、第２実施形態と同様であるので、ここでも出力調整装置７についてのみ説明する。
【００７１】
本実施形態に係る出力調整装置７は、スターリングエンジン１の出力を低下させるためのものである。
【００７２】
図５は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図５に示すように、出力調整装置７は、シリンダ２内の圧縮空間２２とクランク室５１とを接続する作動ガス流通配管７１と、この作動ガス流通配管７１に設けられた逆止弁８２と、開閉弁８３とを備えている。
【００７３】
作動ガス流通配管７１および逆止弁８２の構成は、前記第２実施形態のものと同一である。
【００７４】
一方、開閉弁８３は、作動ガス流通配管７１において逆止弁８２よりも圧縮空間２２側に配設されており、コントローラ９からの開閉制御信号に応じて開閉制御される電磁弁で構成されている。なお、開閉弁８３は、作動ガス流通配管７１において逆止弁８２よりもクランク室５１側に配設されていてもよい。
【００７５】
この開閉弁８３の制御としては、スターリングエンジン１の要求出力（例えば要求発電量に応じて決定される要求出力）に対して実際の出力が上昇した場合（発電量が必要以上に上昇した場合等）には、コントローラ９から開放信号が出力されて開閉弁８３が開放される。これにより、前記第２実施形態で説明したように、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間では逆止弁８２が開放し、これによって、圧縮空間２２の作動ガスの一部がクランク室５１に移動することになり、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が低下する。これにより、スターリングエンジン１の出力が低下することになる。
【００７６】
一方、スターリングエンジン１の実際の出力が要求出力に略一致している場合には、コントローラ９から閉鎖信号が出力されて開閉弁８３が閉鎖される。この場合、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなったとしても、圧縮空間２２の作動ガスがクランク室５１に移動することはなく、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が維持される。これにより、スターリングエンジン１の出力が維持される（要求出力に略一致した出力が維持される）ことになる。
【００７８】
このため、本実施形態においても、ヒータ２３における作動ガスの受熱量が多すぎる場合であっても、スターリングエンジン１の出力を低下させることで、スターリングエンジン１の構成部品の耐久性に悪影響を与えてしまうことを回避できる。
【００７９】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。本実施形態も、出力調整装置７が前記実施形態のものと異なっている。その他の構成は、前記実施形態と同様であるので、ここでも出力調整装置７についてのみ説明する。
【００８０】
本実施形態に係る出力調整装置７は、スターリングエンジン１の出力の上昇と低下とを切り替え可能なものである。
【００８１】
図６は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図６に示すように、出力調整装置７は、作動ガス流通配管７１の途中が第１系統７１Ａと第２系統７１Ｂとの２系統に分岐されている。そして、第１系統７１Ａには、前記第３実施形態のものと同一の逆止弁（以下、第１逆止弁という）８１および開閉弁（以下、第１開閉弁という）８３Ａが備えられている。また、第２系統７１Ｂには、前記第４実施形態のものと同一の逆止弁（以下、第２逆止弁という）８２および開閉弁（以下、第２開閉弁という）８３Ｂが備えられている。なお、第１系統７１Ａにおける第１逆止弁８１と第１開閉弁８３Ａとの並び順、および、第２系統７１Ｂにおける第２逆止弁８２と第２開閉弁８３Ｂとの並び順については、図６に示したものに限らず、逆の並び順であってもよい。
【００８２】
本実施形態における各開閉弁８３Ａ，８３Ｂの制御としては、スターリングエンジン１の要求出力に対して実際の出力が低下した場合には、コントローラ９から、第１開閉弁８３Ａに開放信号が、第２開閉弁８３Ｂに閉鎖信号がそれぞれ出力されて、第１開閉弁８３Ａが開放すると共に、第２開閉弁８３Ｂが閉鎖する。これにより、前記第１実施形態および前記第３実施形態で説明したように、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間では第１逆止弁８１が開放し、これによって、クランク室５１の作動ガスの一部が圧縮空間２２に移動することになり、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が上昇する。また、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなったとしても、圧縮空間２２の作動ガスがクランク室５１に移動することはない。これにより、スターリングエンジン１の出力が上昇することになる。
【００８３】
一方、スターリングエンジン１の要求出力に対して実際の出力が上昇した場合には、コントローラ９から、第２開閉弁８３Ｂに開放信号が、第１開閉弁８３Ａに閉鎖信号がそれぞれ出力されて、第２開閉弁８３Ｂが開放すると共に、第１開閉弁８３Ａが閉鎖する。これにより、前記第２実施形態および前記第４実施形態で説明したように、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間では第２逆止弁８２が開放し、これによって、圧縮空間２２の作動ガスの一部がクランク室５１に移動することになり、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が低下する。また、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなったとしても、クランク室５１の作動ガスが圧縮空間２２に移動することはない。これにより、スターリングエンジン１の出力が低下することになる。
【００８４】
また、スターリングエンジン１の実際の出力が要求出力に略一致している場合には、コントローラ９から、各開閉弁８３Ａ，８３Ｂに閉鎖信号が出力されて各開閉弁８３Ａ，８３Ｂが共に閉鎖される。この場合、クランク室５１と圧縮空間２２との間で作動ガスが移動することはなく、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が維持される。これにより、スターリングエンジン１の出力が維持される（要求出力に略一致した出力が維持される）ことになる。
【００８６】
以上のように、本実施形態においては、スターリングエンジン１の出力の上昇と低下とを切り替えることが可能である。
【００８７】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。本実施形態は、出力調整装置７が前記第１実施形態のものと異なっている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、ここでも出力調整装置７についてのみ説明する。
【００８８】
図７は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図７に示すように、出力調整装置７は、シリンダ２内の圧縮空間２２とクランク室５１とを接続する作動ガス流通配管７１と、この作動ガス流通配管７１に備えられた調圧弁（連通手段）８４とを備えている。
【００８９】
作動ガス流通配管７１の構成は、前記第１実施形態のものと同一である。
【００９０】
一方、調圧弁８４は、弁体８４ａを閉鎖（閉弁）方向に付勢するコイルスプリング８４ｂを内蔵し、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高く、その圧力差が所定値以上である場合に（コイルスプリング８４ｂの付勢力に抗して弁体８４ａを移動させる圧力差が生じた場合に）開放する所謂チェック弁として構成されている。
【００９１】
また、本実施形態における調圧弁８４は、前記コイルスプリング８４ｂの交換が可能となっており、バネ定数の異なるコイルスプリング８４ｂを適用することによって、調圧弁８４が開閉動作を行う圧力差の値（クランク室５１と圧縮空間２２との圧力差の値）を適宜設定することが可能となっている。
【００９２】
例えば、スターリングエンジン１の現在の出力に対して出力を上昇させたい場合には、現在適用されているコイルスプリング８４ｂよりもバネ定数の小さいコイルスプリング８４ｂに交換する。これにより、圧縮空間２２の圧力（平均値）とクランク室５１の圧力（平均値）との圧力差が大きくなる（クランク室５１に残る圧力が小さくなる（圧縮空間２２の圧力が高くなる））ことでスターリングエンジン１の出力が上昇する。
【００９３】
一方、スターリングエンジン１の現在の出力に対して出力を低下させたい場合には、現在適用されているコイルスプリング８４ｂよりもバネ定数の大きいコイルスプリング８４ｂに交換する。これにより、圧縮空間２２の圧力（平均値）とクランク室５１の圧力（平均値）との圧力差が小さくなる（クランク室５１に残る圧力が大きくなる（圧縮空間２２の圧力が低くなる））ことでスターリングエンジン１の出力が低下する（交換前のコイルスプリング８４ｂを使用していた場合よりも出力が低下することになる）。
【００９４】
このため、本実施形態においては、スターリングエンジン１の出力を任意に調整することが可能である。
【００９５】
（第７実施形態）
次に、第７実施形態について説明する。本実施形態は、出力調整装置７が前記第２実施形態のものと異なっている。その他の構成は、第２実施形態と同様であるので、ここでも出力調整装置７についてのみ説明する。
【００９６】
図８は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図８に示すように、出力調整装置７は、シリンダ２内の圧縮空間２２とクランク室５１とを接続する作動ガス流通配管７１と、この作動ガス流通配管７１に備えられた調圧弁（連通手段）８５とを備えている。
【００９７】
作動ガス流通配管７１の構成は、前記第２実施形態のものと同一である。
【００９８】
一方、調圧弁８５は、弁体８５ａを閉鎖（閉弁）方向に付勢するコイルスプリング８５ｂを内蔵し、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高く、その圧力差が所定値以上である場合に（コイルスプリング８５ｂの付勢力に抗して弁体８５ａを移動させる圧力差が生じた場合に）開放する所謂チェック弁として構成されている。
【００９９】
また、本実施形態における調圧弁８５は、前記コイルスプリング８５ｂの交換が可能となっており、バネ定数の異なるコイルスプリング８５ｂを適用することによって、調圧弁８５が開閉動作を行う圧力差の値（クランク室５１と圧縮空間２２との圧力差の値）を適宜設定することが可能となっている。
【０１００】
例えば、スターリングエンジン１の現在の出力に対して出力を低下させたい場合には、現在適用されているコイルスプリング８５ｂよりもバネ定数の小さいコイルスプリング８５ｂに交換する。これにより、圧縮空間２２の圧力（平均値）とクランク室５１の圧力（平均値）との圧力差が大きくなる（圧縮空間２２に残る圧力が小さくなる）と共にスターリングエンジン１の出力が低下する。
【０１０１】
一方、スターリングエンジン１の現在の出力に対して出力を上昇させたい場合には、現在適用されているコイルスプリング８５ｂよりもバネ定数の大きいコイルスプリング８５ｂに交換する。これにより、圧縮空間２２の圧力（平均値）とクランク室５１の圧力（平均値）との圧力差が小さくなる（圧縮空間２２に残る圧力が大きくなる）と共にスターリングエンジン１の出力が上昇する（交換前のコイルスプリング８５ｂを使用していた場合よりも出力が上昇することになる）。
【０１０２】
このため、本実施形態においては、スターリングエンジン１の出力を任意に調整することが可能である。
【０１０３】
前述した第６実施形態および第７実施形態で説明した調圧弁８４，８５の適用に関しては、前述した第１実施形態および第２実施形態で説明した逆止弁８１，８２の場合と同様に他の機器と組み合わせて使用することが可能である。つまり、第３実施形態（図４）で説明したように開閉弁８３と組み合わせることができる。つまり、図４の逆止弁８１に代えて前記第６実施形態（図７）の調圧弁８４を適用することが可能である。また、図５の逆止弁８２に代えて前記第７実施形態（図８）の調圧弁８５を適用することが可能である。また、図６の各逆止弁８１，８２に代えて前記第６実施形態（図７）および第７実施形態（図８）の調圧弁８４，８５を適用することが可能である。
【０１０４】
（第８実施形態）
次に、第８実施形態について説明する。本実施形態は、出力調整装置７が前記第１実施形態のものと異なっている。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、ここでも出力調整装置７についてのみ説明する。
【０１０５】
図９は本実施形態に係るスターリングエンジン１および出力調整装置７の概略構成を示す図である。この図９に示すように、出力調整装置７は、シリンダ２内の圧縮空間２２とクランク室５１とを接続する作動ガス流通配管７１と、この作動ガス流通配管７１に設けられた開閉弁（連通手段）８６とを備えている。
【０１０６】
作動ガス流通配管７１の構成は、前記第１実施形態のものと同一である。
【０１０７】
一方、開閉弁８６は、コントローラ９からの開閉制御信号に応じて開閉制御される電磁弁で構成されている。
【０１０８】
また、クランク軸５２には、このクランク軸５２の回転位置（回転位相）を検出するためのクランク軸ロータ５２ａが一体回転可能に取り付けられている。このクランク軸ロータ５２ａの外周囲には、このクランク軸ロータ５２ａの回転位置を検出するための回転位置検出センサ９１が配設されている。この回転位置検出センサ９１の出力信号はコントローラ９に入力されるようになっている。一例として、クランク軸ロータ５２ａの外周囲にはその周方向に亘って複数の突起が形成されており、回転位置検出センサ９１が電磁ピックアップで構成されていることにより、クランク軸５２の回転位置に応じた回転位置検出センサ９１のピックアップ信号がコントローラ９に入力され、これによってクランク軸５２の回転位置が求められるようになっている。このクランク軸５２の回転位置に基づいて、ディスプレーサピストン３およびパワーピストン４の位置、および、クランク軸５２の回転速度等が算出可能となる。なお、クランク軸５２の回転位置を検出する手段としては前述したものには限定されず、周知の種々のものが適用可能である。
【０１０９】
そして、コントローラ９は、前記回転位置検出センサ９１からの出力信号を受け、それに応じて開閉弁８６に対し、開閉制御信号として開放信号および閉鎖信号を出力するようになっている。このため、このコントローラ９において、開閉弁８６の開閉動作を制御する機能部分が本発明でいう開閉制御手段として構成されている。
【０１１０】
具体的には、スターリングエンジン１の要求出力に対して実際の出力が低下した場合には、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間において、コントローラ９から開閉弁８６に対し開放信号が出力される。つまり、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間で開閉弁８６が開放される。その他の期間では、コントローラ９から開閉弁８６に対し閉鎖信号が出力され、開閉弁８６は閉鎖される。このクランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間は、前記回転位置検出センサ９１からの出力信号に基づいて算出される。
【０１１１】
このように、クランク室５１の圧力が圧縮空間２２の圧力よりも高くなっている期間で開閉弁８６が開放されることにより、クランク室５１の作動ガスの一部が圧縮空間２２に移動することになり、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が上昇する。これにより、スターリングエンジン１の出力が上昇することになる。
【０１１２】
一方、スターリングエンジン１の要求出力に対して実際の出力が上昇した場合には、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間において、コントローラ９から開閉弁８６に対し開放信号が出力される。つまり、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間で開閉弁８６が開放される。その他の期間では、コントローラ９から開閉弁８６に対し閉鎖信号が出力され、開閉弁８６は閉鎖される。この圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間も、前記回転位置検出センサ９１からの出力信号に基づいて算出される。
【０１１３】
このように、圧縮空間２２の圧力がクランク室５１の圧力よりも高くなっている期間で開閉弁８６が開放されることにより、圧縮空間２２の作動ガスの一部がクランク室５１に移動することになり、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が低下する。これにより、スターリングエンジン１の出力が低下することになる。
【０１１４】
また、スターリングエンジン１の実際の出力が要求出力に略一致している場合には、コントローラ９から開閉弁８６に閉鎖信号が出力されて開閉弁８６が閉鎖される。この場合、クランク室５１と圧縮空間２２との間で作動ガスが移動することはなく、作動ガス流通空間１１における作動ガスの密度が維持される。これにより、スターリングエンジン１の出力が維持される（要求出力に略一致した出力が維持される）ことになる。
【０１１５】
このため、本実施形態においては、一つの開閉弁８６のタイミングを切り替えるのみでスターリングエンジン１の出力の上昇と低下とを切り替えることが可能である。
【０１１６】
−他の実施形態−
本発明は、以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、かかる実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【０１１７】
例えば、前述した各実施形態は、作動ガス流通空間１１のうち圧縮空間２２に作動ガス流通路７２を連通させる構成としていた。本発明はこれに限らず、作動ガス流通空間１１を構成する他の空間（膨張空間２１等）に連通させるようにしてもよい。
【０１１８】
また、前述した各実施形態では、クランク室５１と圧縮空間２２との間で作動ガスを移動させる作動ガス流通路７２を作動ガス流通配管７１によって形成していた。本発明はこれに限らず、前記パワーピストン４およびスコッチ・ヨーク機構の内部に作動ガス流通路を形成しておき、この作動ガス流通路に逆止弁等の連通手段を収容する構成としてもよい。
【０１１９】
また、前述した各実施形態では、クランク室５１をバッファ空間として使用していた。本発明は、これに限らず、クランク室５１に連通する個別の容器を接続しておき、この容器の内部空間（クランク室５１に連通する空間）をバッファ空間として使用するようにしてもよい。この場合、作動ガス流通配管７１の一端は、この容器に接続されることになる。
【０１２１】
また、前述した各実施形態に対し、作動ガス流通配管７１の一部に、作動ガス流通路７２の流通路面積を小さくする絞りを設け、この作動ガス流通路７２での作動ガスの流れを安定化させる構成を採用するようにしてもよい。この場合、作動ガス流通配管７１における絞りの配設位置は特に限定されるものではない。また、この絞りにおける流通路面積を可変とする構成を採用するようにしてもよい。
【０１２２】
また、前述した各実施形態に対し、作動ガス流通配管７１に対して並列に停止用配管を接続し、この停止用配管に停止用バルブを設け、スターリングエンジン１の停止時に停止用バルブを開放するようにしてもよい。
【０１２３】
更に、前述した各実施形態では、β型のスターリングエンジン１に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、α型やγ型のスターリングエンジンに対しても適用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、スターリングエンジンの出力を調整するための装置に適用可能である。
【符号の説明】
【０１２５】
１          スターリングエンジン
１１        作動ガス流通空間
２          シリンダ
２１        膨張空間（作動ガス空間）
２２        圧縮空間（作動ガス空間）
３          ディスプレーサピストン（第１ピストン）
４          パワーピストン（第２ピストン）
５１        クランク室（バッファ空間）
５２        クランク軸
７          出力調整装置
７１        作動ガス流通配管
７２        作動ガス流通路
８１，８２  逆止弁（連通手段）
８３，８６  開閉弁（連通手段）
８４，８５  調圧弁（連通手段）
９          コントローラ
【図１】
0006554428.tif 000002
【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】
0006554428.tif 000007
【図７】
0006554428.tif 000008
【図８】
0006554428.tif 000009
【図９】
0006554428.tif 000010