(57)【要約】【課題】ディスプレーサをパワーピストンと所定の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構を駆動するための駆動力を減少することができるスターリングエンジンを提供する。【解決手段】ディスプレーサシリンダと、該ディスプレーサシリンダ内に摺動可能に配設されたディスプレーサと、該ディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する膨張室および収縮室と、膨張室または収縮室の一方と連通する作動室と、該作動室内の作動気体の圧力変化に対応して作動せしめられるパワーピストンと、ディスプレーサをパワーピストンと所定の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構とを具備するスターリングエンジンであって、ディスプレーサに所定の振動周期を作用せしめるメカニカルスプリング手段を備えている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサシリンダと、該ディスプレーサシリンダ内に摺動可能に配設されたディスプレーサと、該ディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する膨張室および収縮室と、該膨張室または該収縮室の一方と連通する作動室と、該作動室内の作動気体の圧力変化に対応して作動せしめられるパワーピストンと、該ディスプレーサを該パワーピストンと所定の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構と、を具備するスターリングエンジンにおいて、
該ディスプレーサに所定の振動周期を作用せしめるメカニカルスプリング手段を備えている、ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
該メカニカルスプリング手段は、該ディスプレーサを中立位置に向けて付勢する一対のスプリングからなる、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
該一対のスプリングは、該ディスプレーサの両側に配設されている、請求項２記載のスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリングエンジンに関し、更に詳しくは所定の作動速度で作動するディスプレーサ式のスターリングエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスプレーサ式のスターリングエンジンは、一般にディスプレーサシリンダと、該ディスプレーサシリンダ内に摺動可能に配設されたディスプレーサと、該ディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する膨張側室および収縮側室と、該膨張側室および収縮側室の一方と連通する作動室と、該作動室内の作動気体の圧力変化に対応して作動せしめられるパワーピストンと、ディスプレーサをパワーピストンと所定の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構とを具備している。このディスプレーサ作動機構を作動するためには、所定の駆動力が必要であり、その分スターリングエンジンとしての出力の損失となる。
【０００３】
例えば、発電機のように設定された作動速度で作動するスターリングエンジンは、ディスプレーサを設定された作動周期で作動する。ディスプレーサを設定された作動周期で作動する技術として、ディスプレーサをフリーピストンとし、ガスバネや重力を利用してディスプレーサを作動させる方式が考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
而して、ガスバネを使用したフリーピストン式ディスプレーサはガスバネのバネ定数の設定が困難であり、重力を利用したフリーピストン式ディスプレーサはディスプレーサシリンダの向きが垂直方向に制限され、横向きに配置することができない。
【０００５】
本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その主たる技術的課題は、ディスプレーサをパワーピストンと所定の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構を駆動するための駆動力を減少することができるスターリングエンジンを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記主たる技術的課題を解決するために、本発明によれば、ディスプレーサシリンダと、該ディスプレーサシリンダ内に摺動可能に配設されたディスプレーサと、該ディスプレーサの作動に伴って流動する作動気体が流出入する膨張室および収縮室と、該膨張室または該収縮室の一方と連通する作動室と、該作動室内の作動気体の圧力変化に対応して作動せしめられるパワーピストンと、該ディスプレーサを該パワーピストンと所定の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構と、を具備するスターリングエンジンにおいて、
該ディスプレーサに所定の振動周期を作用せしめるメカニカルスプリング手段を備えている、ことを特徴とするスターリングエンジンが提供される。
【０００７】
上記メカニカルスプリング手段は、該ディスプレーサを中立位置に向けて付勢する一対のスプリングからなっている。この一対のスプリングは、上記ディスプレーサの両側に配設されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従って構成されたスターリングエンジンの好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳細に説明する。
【０００９】
図１には、本発明に従って構成されたスターリングエンジンの一実施形態の断面図が示されている。
図１に示す実施形態のスターリングエンジンは、同一軸上に配設された円筒状のディスプレーサシリンダ２と円筒状のパワーシリンダ３を具備している。このディスプレーサシリンダ２とパワーシリンダ３はアルミ合金等の非磁性材料によって一体的に形成され、両者は通路４によって連通されている。ディスプレーサシリンダ２内には、ディスプレーサ５が軸方向に摺動可能に配設されている。このようにディスプレーサ５が配設されたディスプレーサシリンダ２内には、図において左側の膨張室２ａと右側の収縮室２ｂが形成される。ディスプレーサ５は、右側板５１および左側板５２と、この両側板間に配設され断熱材によって円環状に形成された断熱リングと金網とを交互に重ね合わせて構成された再生器５３とからなっている。なお、左側板５１と右側板５２には、それぞれ複数個の流通穴５１ａと５２ａが形成されている。なお、図示の実施形態においては、ディスプレーサシリンダ２の膨張室２ａの周囲には加熱室２ｃが形成され、この加熱室２ｃに加熱流体が流れるようになっている。
【００１０】
上記パワーシリンダ３内には、非磁性材からなるパワーピストン６が軸方向に摺動可能に配設されている。このようにパワーピストン６が配設されたパワーシリンダ３内にはパワーピストン６の図において右側に作動室３ａが形成され、この作動室３ａは通路４によって上記ディスプレーサシリンダ２の膨張室５ａと連通している。なお、ディスプレーサシリンダ２およびパワーシリンダ３の作動室３ａ内には、水素やヘリウム等の比熱の小さい作動気体が充填されている。
【００１１】
図示の実施形態におけるスターリングエンジンは、上記ディスプレーサ５をパワーピストン６と所定の位相差（９０度）をもって作動するディスプレーサ作動機構７を具備している。このディスプレーサ作動機構７は、上記ディスプレーサシリンダ２の図において右端壁２１に装着された非磁性材からなるケース７１と、上記ディスプレーサ５に連結されディスプレーサシリンダ２の図において右端壁２１を貫通しケース７１内に挿入して配設された非磁性材からなる作動ロッド７２と、該作動ロッド７２の外周面に配設された磁石可動体７３と、該磁石可動体７３を包囲して上記ケース７１の内側に配設された筒状の固定ヨーク７４と、該固定ヨーク７４の内側に軸方向に併設された一対のコイル７５、７６とを具備している。磁石可動体７３は、作動ロッド７２の外周面に装着され軸方向両端面に磁極を備えた環状の永久磁石７３１と、該永久磁石７３１の軸方向外側に配設された一対の可動ヨーク７３２、７３３とによって構成されている。図示の実施形態における永久磁石７３１は、図おいて右端面がＮ極に着磁され、図において左端面がＳ極に着磁されている。上記一対の可動ヨーク７３２、７３３は、磁性材によって環状に形成されている。
【００１２】
上記固定ヨーク７４は、磁性材によって筒状に形成されている。この固定ヨーク７４の内側に一対のコイル７５、７６が配設されている。この一対のコイル７５、７６は、合成樹脂等の非磁性材によって形成され上記固定ヨーク７４の内周に沿って装着されたボビン７７に互いに逆巻きに捲回されている。一対のコイル７５、７６は、後述する制御手段１０によって印加電流の方向を切り替え制御されるようになっている。
【００１３】
上述したように磁石可動体７３と固定ヨーク７４および一対のコイル７５、７６とによって構成されたディスプレーサ作動機構７は、リニアモータの原理によって作動する。以下その作動について図２を参照して説明する。
図示の実施形態におけるディスプレーサ作動機構７においては、図２の（ａ）および図２の（ｂ）に示すように永久磁石７３１のＮ極、一方の可動ヨーク７３２、一方のコイル７５、固定ヨーク７４、他方のコイル７６、他方の可動側ヨーク７３３、永久磁石７３１のＳ極を通る磁気回路が形成される。このような状態において、一対のコイル７５、７６に図２の（ａ）で示す方向にそれぞれ反対方向の電流を流すと、フレミングの左手の法則に従って磁石可動体７即ちディスプレーサ５には図２の（ａ）において矢印で示すように右方に推力が発生する。一方、一対のコイル７５、７６に図２の（ｂ）で示すように図２の（ａ）と反対方向に電流を流すと、フレミングの左手の法則に従って磁石可動体７即ちディスプレーサ５には図２の（ｂ）において矢印で示すように左方に推力が発生する。
【００１４】
図１に示す実施形態のスターリングエンジンは、上記ディスプレーサ５の作動位置を検出するディスプレーサ位置検出手段８を備えている。このディスプレーサ位置検出手段８は、一端がディスプレーサ５に連結された作動子８１の移動位置を検出するストロークセンサーからなっており、その検出信号を後述する制御手段１０に送る。このディスプレーサ位置検出手段８としてのストロークセンサーの出力値について、図３を参照して説明する。図３において横軸はディスプレーサ５即ち作動子８１のストロークを示し、縦軸は電圧値を示している。図３に示すようにストロークセンサーは、ディスプレーサ５即ち作動子８１のストロークに比例した電圧値を出力するようになっている。なお、図３の横軸においてＬ１は戻り側フルストローク位置であり、Ｌ１０は送り側フルストローク位置である。
【００１５】
図１に示す実施形態のスターリングエンジンは、上記ディスプレーサ５に所定の振動周期を作用せしめるメカニカルスプリング手段９を備えている。このメカニカルスプリング手段９はディスプレーサ５の両側に配設された一対のコイルスプリング９１、９２からなり、この一対のスプリング９１、９２はディスプレーサ５を互いに中立位置に向けて付勢している。この一対のコイルスプリング９１、９２とディスプレーサ５の質量で振動周期が決まる。従って、一対のコイルスプリング９１、９２とディスプレーサ５の質量で決まる所定周期でディスプレーサ５を作動することにより、上記ディスプレーサ作動機構７による駆動力は極めて小さくてよい。即ち、ディスプレーサ作動機構７により上記所定周期でディスプレーサ５を作動すると、単振動により一対のコイルスプリング９１、９２の振幅即ちディスプレーサ５の移動幅は徐々に増加して所定値に達し、定常運転になる。その後は、一対のコイルスプリング９１、９２の作用によりディスプレーサ５は所定周期で作動されるが、空気抵抗などによる減衰があるため、この減衰分をディスプレーサ作動機構７による駆動力で補えばよい。
【００１６】
制御手段１０はマイクロコンピュータによって構成されバッテリー１１に接続されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、上記ディスプレーサ作動機構７の一対のコイル７５、７６を駆動する駆動回路等を備えている。制御手段１０は、上記ディスプレーサ位置検出手段８によって検出されたディスプレーサ５の作動位置信号に基づいて、上記ディスプレーサ作動機構７を構成する一対のコイル７５、７６への駆動電流を制御する。
【００１７】
上記パワーピストン６とパワーシリンダ３には、発電機１２が配設されている。この発電機１２は図示の実施形態においてはリニア発電機からなっており、パワーピストン６の外周面に配設された環状の永久磁石１２１と、該永久磁石１２１の両側に配設された磁性材からなる環状のポールピース１２２、１２３と、パワーシリンダ３の外周面に永久磁石１２１を包囲して配設された発電コイル１２４とによって構成されている。このように構成された発電機１２は、パワーピストン６即ち永久磁石１２１が図１において左右に往復動することにより発電し、その発電電力を上記バッテリー１１に充電する。
【００１８】
図１に示す実施形態のスターリングエンジンは以上のように構成されており、以下その作動について図４に示すフローチャートおよび図５に示す作動状態を示す説明図をも参照して説明する。
図１は始動前の状態を示しており、ディスプレーサ５は一対のコイルスプリング９１、９２の作用によって中立位置に位置付けられている。図１の状態からスターリングエンジンを起動するには、制御手段１０はディスプレーサ５を図において右方に作動するようにディスプレーサ作動機構７を駆動せしめする（ステップＳ１）。即ち、制御手段１０はディスプレーサ作動機構７を構成する一対のコイル７５、７６に図２の（ａ）で示す方向にそれぞれ反対方向の電流を印加するように制御する。この結果、磁石可動体７３即ちディスプレーサ５は図５（ａ）に示すように右方に移動する。このディスプレーサ５の右方への移動により、収縮室２ｂ内の作動気体はディスプレーサ５を通して膨張室２ａに流入される。このとき、収縮室２ｂ内で冷却されていた作動気体は上述したように再生器として機能するディスプレーサ５を通過する際に熱交換されて加熱される。このようにディスプレーサ５が右方に移動して作動気体が膨張室２ａに流入すると、作動気体は加熱室２ｃを流れる加熱流体によって加熱され膨張するため、通路４を通してパワーシリンダ３の作動室３ａに流入する。この結果、パワーピストン６は図５（ａ）に示すように左方に移動する。
【００１９】
上述したようにステップＳ１においてディスプレーサ５を図において右方に作動するようにディスプレーサ作動機構７を駆動せしめたならば、制御手段１０はステップＳ２に進んでディスプレーサ位置検出手段８からの検出信号に基づいて、ディスプレーサ５のストローク位置Ｌが送り側フルストローク位置Ｌ１０より所定量手前のしきい値となるストローク位置Ｌ９より大きいか否か（Ｌ＞Ｌ９）をチェックする。ストローク位置ＬがＬ９より大きくなければ、制御手段１０はステップＳ３に進んでディスプレーサ５のストローク位置Ｌが戻り側フルストローク位置Ｌ１より所定量手前のしきい値となるストローク位置Ｌ２より小さいか否か（Ｌ＜Ｌ２）をチェックする。今回はディスプレーサ５が送り側に移動しているのでストローク位置ＬがＬ２より小さいことはないので、制御手段１０は上記ステップＳ２に戻る。
【００２０】
上記ステップＳ２においてストローク位置ＬがＬ９より大きいならば、制御手段１０はディスプレーサ５が図５（ａ）に示す膨張終了時の位置より所定量手前の位置を越えたものと判断し、ステップＳ４に進んでディスプレーサ５を図において左方に作動するようにディスプレーサ作動機構７を駆動せしめする。即ち、制御手段１０はディスプレーサ作動機構７を構成する一対のコイル７５、７６に図２の（ｂ）で示す方向にそれぞれ反対方向の電流を印加するように制御する。この結果、磁石可動体７３即ちディスプレーサ５は図５（ｂ）に示すように左方に移動する。このディスプレーサ５の左方への移動により、膨張室２ａ内の作動気体はディスプレーサ５を通して収縮室２ｂに流入される。このとき、膨張室２ａ内で加熱されていた作動気体は上述したように再生器として機能するディスプレーサ５を通過する際に熱交換されて冷却される。このようにディスプレーサ５が左方に移動して作動気体が収縮室２ｂに流入すると、作動気体は空冷または適宜の冷却手段によって冷却され収縮するため、パワーシリンダ３の作動室３ａの作動気体は吸引される。この結果、パワーピストン６は図５（ｂ）に示すように左方に移動する。
【００２１】
一方、上述したようにステップＳ４においてディスプレーサ５を図において左方に作動するようにディスプレーサ作動機構７を駆動せしめたならば、制御手段１０は上記ステップＳ２に戻ってディスプレーサ５のストローク位置Ｌが送り側フルストローク位置Ｌ１０より所定量手前のしきい値となるストローク位置Ｌ９より大きいか否かをチェックする。今回はディスプレーサ５が戻り側に移動しているのでストローク位置ＬがＬ９より大きいことはないので、制御手段１０は上記ステップＳ３に進んでディスプレーサ５のストローク位置Ｌが戻り側フルストローク位置Ｌ１より所定量手前のしきい値となるストローク位置Ｌ２より小さいか否かをチェックする。ストローク位置ＬがＬ２より小さくなければ、制御手段１０はディスプレーサ５が未だＬ２に達していないと判断し、上記ステップＳ２に戻ってステップＳ２およびステップＳ３を繰り返し実行する。ステップＳ３においてディスプレーサ５のストローク位置ＬがＬ２より小さいならば、制御手段１０はディスプレーサ５がＬ２を越えたと判断し、ステップＳ５に進んでディスプレーサ５を図において右方に作動するようにディスプレーサ作動機構７を駆動せしめるように一対のコイル７５、７６に図２の（ａ）で示す方向にそれぞれ反対方向の電流を印加するように制御する。
【００２２】
以上のサイクルを繰り返すことにより、パワーピストン６を往復運動することができる。パワーピストン６が往復運動することによって発電機１２が発電し、その発電電力は上記バッテリー１１に充電される。なお、上述したスターリングエンジンの作動時において、ディスプレーサ５は一対のコイルスプリング９１、９２の作用によりディスプレーサ５は所定周期で作動されるので、ディスプレーサ５を所定周期で作動するディスプレーサ作動機構７は空気抵抗などによる減衰分を補う駆動力でよく、ディスプレーサ作動機構７を作動する駆動力を減少することが可能となる。
【００２３】
次に、本発明に従って構成されたスターリングエンジンの他の実施形態について、図６を参照して説明する。なお、図６の実施形態においては上記図１に示すスターリングエンジンの各構成部材と同一部材には同一符号を付して、その説明は省略する。
図６に示すスターリングエンジンは、ディスプレーサ５をパワーピストン６と所定の位相差をもって作動するディスプレーサ作動機構を電磁ソレノイド７ａによって構成したものであり、その他の構成は図１の実施形態と実質的に同一である。ディスプレーサ作動機構としての電磁ソレノイド７ａは、ディスプレーサシリンダ２の図において右端壁２１に装着された磁性材からなるケース７１ａと、該ケース７１ａの図において右端壁７１１ａの内壁に突出して形成された固定ヨーク７２ａと、ディスプレーサ５に連結されディスプレーサシリンダ２の右端壁２１を貫通しケース７１内に挿入し固定ヨーク７２ａと対向して配設された可動ヨーク７３ａと、ケース７１ａ内に配設されボビン７４ａに捲回された励磁コイル７５ａとからなっている。このように構成されたディスプレーサ作動機構としての電磁ソレノイド７ａは、励磁コイル７５ａが制御手段１０により制御されて励磁すると、可動ヨーク７３ａと転結されたディスプレーサ５が図において右方に作動せしめられる。従って、図示の電磁ソレノイド７ａからなるディスプレーサ作動機構は、所定周期でディスプレーサ５が図において右方へのみ作動する。即ち、スターリングエンジンの作動時において、ディスプレーサ５は一対のスプリング９１、９２の作用によりディスプレーサ５は所定周期で作動されるので、ディスプレーサ５の減衰を補う程度に電磁ソレノイド７ａを駆動すればよい。
【００２４】
以上、本発明を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施例に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、図示の実施形態においてはパワーシリンダ３の作動室３ａをディスプレーサシリンダの膨張室２ａと連通した例を示したが、ディスプレーサシリンダの膨張室２ａと収縮室２ｂを逆にしてパワーシリンダ３の作動室を収縮室と連通する構成としてもよい。
また、図示の実施形態においてはメカニカルスプリング手段９として一対のコイルスプリング９１、９２からなるものを示したが、１個のスプリングでも成立する。なお、このときスプリングはその両端をディスプレーサとディスプレーサシリンダに係止する。この場合、ディスプレーサが中立位置においてスプリングが自由長となるように設定する。また、ディスプレーサシリンダを上下方向に作動させるタイプにおいては、重力がかかった状態（即ち、スプリングがが伸びた状態）でディスプレーサが中立位置になるように設定する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によるスターリングエンジンは以上のように構成されているので、以下に述べる作用効果を奏する。
即ち、ディスプレーサに所定の振動周期を作用せしめるメカニカルスプリング手段を備えているので、定常運転時にはディスプレーサはメカニカルスプリング手段の作用で所定周期で作動される。従って、ディスプレーサを所定周期で作動するディスプレーサ作動機構は空気抵抗などによる減衰分を補う駆動力でよく、ディスプレーサ作動機構を作動する駆動力を減少することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成されたスターリングエンジンの一実施形態を示す断面図。
【図２】本発明に従って構成されたスターリングエンジンを構成するディスプレーサ作動機構の作動説明図。
【図３】本発明に従って構成されたスターリングエンジンを構成するディスプレーサ位置検出手段の出力信号を示す説明図。
【図４】本発明に従って構成されたスターリングエンジンを構成する制御手段の動作手順を示すフローチャート。
【図５】図１に示すスターリングエンジンの作動状態を示す説明図。
【図６】本発明に従って構成されたスターリングエンジンの他の実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
２：ディスプレーサシリンダ
２ａ：膨張室
２ｂ：収縮室
２ｃ：加熱室
３：パワーシリンダ
３ａ：作動室
４：通路
５：ディスプレーサ
６：パワーピストン
７：ディスプレーサ作動機構
７１：ケース
７２：作動ロッド
７３：磁石可動体
７４：固定ヨーク
７５、７６：一対のコイル
７７：ボビン
７ａ：電磁ソレノイド（ディスプレーサ作動機構）
７１ａ：ケース
７２ａ：固定ヨーク
７３ａ：可動ヨーク
７４ａ：ボビン
７５ａ：励磁コイル
８：ディスプレーサ位置検出手段
９：メカニカルスプリング手段
９１、９２：コイルスプリング
１０：制御手段
１１：バッテリー
１２：発電機
１２１：永久磁石
１２２、１２３：ポールピース
１２４：発電コイル
【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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