(57)【要約】【課題】熱源の熱を有効に利用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、該ディスプレーサのシリンダ室内にそれぞれ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を有するディスプレーサ機構と、該ディスプレーサ機構の膨張室または収縮室の一方と連通する作動室を備えたパワーシリンダと、該パワーシリンダ内に摺動可能に配設されたパワーピストンとを有するパワーピストン機構とを具備するスターリングエンジンであって、ディスプレーサ機構のディスプレーサシリンダは熱源を囲撓した加熱壁と該加熱壁の周囲に複数個のシリンダ室を形成する冷却壁とを備えており、ディスプレーサ機構のディスプレーサは複数個のシリンダ室内に熱源に対して近接および離間する方向に摺動可能に配設されている。【選択図】　　　　図２
2004108241.tif 000002
【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の室内にそれぞれ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を有するディスプレーサ機構と、
該ディスプレーサ機構の該膨張室または該収縮室の一方と連通する作動室を備えたパワーシリンダと、該パワーシリンダ内に摺動可能に配設されたパワーピストンとを有するパワーピストン機構と、を具備するスターリングエンジンにおいて、
該ディスプレーサ機構の該ディスプレーサシリンダは、熱源を囲撓した加熱壁と、該加熱壁の周囲に複数個のシリンダ室を形成する冷却壁とを備えており、
該ディスプレーサ機構の該ディスプレーサは、該複数個のシリンダ室内に該熱源に対して近接および離間する方向に摺動可能に配設されている、
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
該ディスプレーサシリンダの該加熱壁は、該熱源が通る流路を形成している、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
該加熱壁によって形成される流路は筒状である、請求項２記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
該ディスプレーサシリンダを構成する該筒状の加熱壁の内周面には軸方向に複数個のフィンが設けられている、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
該フィンは、螺旋状に形成されている、請求項４記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
該ディスプレーサシリンダを構成する該筒状の加熱壁によって形成される該流路の中心部に該流路の略全長に渡ってコア部材が配設されている、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
該ディスプレーサ機構は、互いに対向して配設された一対のディスプレーサと、該一対のディスプレーサシリンダ内に摺動可能に配設された一対のディスプレーサとからなり、
該パワーピストン機構は、一対のディスプレーサの該膨張室または該収縮室の一方と連通するパワーシリンダと、該パワーシリンダ内に摺動可能に配設され第１の作動室と第２の作動室に区分するパワーピストンとを備えており、
該パワーピストン機構の該第１の作動室と該ディスプレーサ機構の一方の該膨張室または該収縮室の一方が第１の連通路によって連通され、該パワーピストン機構の該第２の作動室と該ディスプレーサ機構の他方の該膨張室または該収縮室の一方が第２の連通路によって連通されている、請求項１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、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しており、上記ディスプレーサシリンダおよび作動室内には水素やヘリウム等の比熱の小さい作動気体が収容されている。このようなスターリングエンジンは、作動気体が加熱・冷却されることによる膨張・収縮に伴う上記作動室内の圧力変化に対応してパワーピストンを作動するようになっている。
【０００３】
上述したようにディスプレーサ式のスターリングエンジンは、ディスプレーサシリンダの膨張室側を加熱し収縮室側を冷却する。一般的には、例えば特開平５−４４５７６号公報や特許第２６００２１９号公報に開示されているように、ディスプレーサシリンダの膨張室側に燃焼室を設けている。また、ディスプレーサシリンダの膨張室側を包囲する加熱室を設け、この加熱室に加熱流体を導入する方式も用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
而して、従来のスターリングエンジンは、ディスプレーサシリンダの膨張室側を周囲から加熱するため、熱源の熱を必ずしも有効に利用し得る構成とはいえない。
【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、熱源の熱を有効に利用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の室内にそれぞれ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を有するディスプレーサ機構と、
該ディスプレーサ機構の該膨張室または該収縮室の一方と連通する作動室を備えたパワーシリンダと、該パワーシリンダ内に摺動可能に配設されたパワーピストンとを有するパワーピストン機構と、を具備するスターリングエンジンにおいて、
該ディスプレーサ機構の該ディスプレーサシリンダは、熱源を囲撓した加熱壁と、該加熱壁の周囲に複数個のシリンダ室を形成する冷却壁とを備えており、
該ディスプレーサ機構の該ディスプレーサは、該複数個のシリンダ室内に該熱源に対して近接および離間する方向に摺動可能に配設されている、
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】
上記ディスプレーサシリンダの加熱壁は熱源が通る流路を形成しており、加熱壁によって形成される流路は筒状である。
【０００８】
また、上記ディスプレーサシリンダを構成する筒状の加熱壁の内周面には軸方向に複数個のフィンが設けられており、このフィンは螺旋状に形成されていることが望ましい。また、上記ディスプレーサシリンダを構成する筒状の加熱壁によって形成される流路の中心部に流路の略全長に渡ってコア部材が配設されていることが望ましい。
【０００９】
また、本発明によれば、上記ディスプレーサ機構が互いに対向して配設された一対のディスプレーサと、該一対のディスプレーサシリンダ内に摺動可能に配設された一対のディスプレーサとからなり、上記パワーピストン機構が一対のディスプレーサの膨張室または収縮室の一方と連通するパワーシリンダと、該パワーシリンダ内に摺動可能に配設され第１の作動室と第２の作動室に区分するパワーピストンとを備えており、パワーピストン機構の第１の作動室とディスプレーサ機構の一方の膨張室または収縮室の一方が第１の連通路によって連通され、パワーピストン機構の第２の作動室とディスプレーサ機構の他方の膨張室または収縮室の一方が第２の連通路によって連通されている、スターリングエンジンが提供される。
【００１０】
【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。
【００１１】
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縦断面図が示されており、図２には図１におけるＡ−Ａ線断面図が示されている。
図１および図２に示す実施形態のスターリングエンジンは、ディスプレーサ機構２とパワーピストン機構３とを具備している。ディスプレーサ機構２は、図示の実施形態においてはアルミ合金等の非磁性材料によって形成された一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂと、該一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂ内にそれぞれ摺動可能に配設された一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを備えている。一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂは、熱源が通る流路２１０を形成する円筒状の加熱壁２１１と、該加熱壁２１１とによって一対のシリンダ室２１２ａ、２１２ｂを形成する一対の冷却壁２１３ａ、２１３ｂとからなっている。円筒状の加熱壁２１１の内周面には軸方向に複数個のフィン２１４が放射状に形成されている。一対の冷却壁２１３ａ、２１３ｂは、それぞれ円筒状の加熱壁２１１の外周の略半円周を囲むように上下にシリンダ室２１２ａ、２１２ｂを形成しており、その外周面には軸方向に複数個の放熱フィン２１５ａ、２１５ｂが形成されている。このように構成された一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂを構成する円筒状の加熱壁２１１の一端は、例えば内燃機関の排気管に接続されている。従って、円筒状の加熱壁２１１によって形成される流路２１０内には熱源として内燃機関の排気ガスが流通するようになっている。このように、加熱壁２１１は熱源を囲撓して形成されている。
【００１２】
上記一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂのシリンダ室２１２ａ、２１２ｂ内に配設される一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂは、内周面が上記ディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂを構成する加熱壁２１１の外周面に対応する円弧面に形成されており、外周面がディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂを構成する冷却壁２１３ａ、２１３ｂの内周面にそれぞれ対応する円弧面に形成されている。また、一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂは、軸方向に延びる複数個の挟持板２２１ａ、２２１ｂと、該複数個の挟持板２２１ａ、２２１ｂの間にそれぞれ配設された再生器２２２ａ、２２２ｂとからなっている。再生器２２２ａ、２２２ｂは、断熱リングと金網とを交互に重ね合わせて構成されている。このように構成された一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂは、それぞれ一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂのシリンダ室２１２ａ、２１２ｂ内に円筒状の加熱壁２１１の軸方向と直角な方向、即ち熱源に対して近接および離間する方向に摺動可能に配設されている。このようにそれぞれ一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂが摺動可能に配設された一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂのシリンダ室２１２ａ、２１２ｂには、それぞれ膨張室２１６ａと収縮室２１７ａおよび膨張室２１６ｂと収縮室２１７ｂが形成される。
【００１３】
上記パワーピストン機構３は、アルミ合金等の非磁性材料によって形成されたパワーシリンダ３１と、該パワーシリンダ３１内に摺動可能に配設された非磁性材料からなるパワーピストン３２とからなっている。このようにパワーピストン３２が配設されたパワーシリンダ３１内には、パワーピストン３２の両側に第１の作動室３１ａと第２の作動室３１ｂが形成される。この第１の作動室３１ａと第２の作動室３１ｂは、それぞれ第１の連通路２３ａと第２の連通路２３ｂによって上記一方のディスプレーサシリンダ２１ａの収縮室２１７ａと他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの収縮室２１７ｂに連通している。
【００１４】
以上のように、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂとパワーシリンダ３１および第１の連通路２３ａと第２の連通路２３ｂは密閉空間を形成している。このように密閉された一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂとパワーシリンダ３１の第１の作動室３１ａ、第２の作動室３１ｂおよび第１の連通路２３ａ、第２の連通路２３ｂ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。
【００１５】
図示の実施形態におけるスターリングエンジンは、上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂをそれぞれパワーピストン３２と所定の位相差（１８０度）をもって作動する一対のディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂを具備している。この一対のディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂは、それぞれ一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂおよびディスプレーサ２２ａ、２２ｂの周方向および長手方向（軸方向）の中央部に配設されている。一対のディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂは、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの冷却壁２１３ａ、２１３ｂの周方向および長手方向（軸方向）の中央部に装着された非磁性材からなるケース４１ａ、４１ｂと、一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂにそれぞれ連結され上記冷却壁２１３ａ、２１３ｂを貫通しケース４１ａ、４１ｂ内に挿入して配設された非磁性材からなる作動ロッド４２ａ、４２ｂと、該作動ロッド４２ａ、４２ｂの外周面にそれぞれ配設された磁石可動体４３ａ、４３ｂと、該磁石可動体４３ａ、４３ｂをそれぞれ包囲して上記ケース４１ａ、４１ｂの内側に配設された筒状の固定ヨーク４４ａ、４４ｂと、該固定ヨーク４４ａ、４４ｂの内側に軸方向にそてぞれ併設された一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂとを具備している。
【００１６】
上記磁石可動体４３ａ、４３ｂは、作動ロッド４２ａ、４２ｂ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４３１ａ、４３１ｂと、該永久磁石４３１ａ、４３１ｂの軸方向外側に配設された一対の可動ヨーク４３２ａ、４３３ａおよび４３２ｂ、４３３ｂ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４３１ａ、４３１ｂは、それぞれ図おいて上端面がＮ極に着磁され、図において下端面がＳ極に着磁されている。上記一対の可動ヨーク４３２ａ、４３３ａおよび４３２ｂ、４３３ｂは、磁性材によって環状に形成されている。
【００１７】
上記固定ヨークヨーク４４ａ、４４ｂ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４４ａ、４４ｂの内側にそれぞれ一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂが配設されている。この一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂは、それぞれ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４４ａ、４４ｂの内周に沿ってそれぞれ装着されたボビン４７ａおよび４７ｂに互いに逆巻きに捲回されている。一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂ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。
【００１８】
上述したように磁石可動体４３ａ、４３ｂと固定ヨーク４４ａ、４４ｂおよび一対のコイルコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂとによって構成されたディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂ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３および図４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４ａおよび４ｂにおいては、図３の（ａ）、（ｂ）および図４の（ａ）、（ｂ）に示すように永久磁石４３１ａおよび４３１ｂのＮ極、一方の可動ヨーク４３２ａおよび４３２ｂ、一方のコイル４５ａおよび４５ｂ、固定ヨーク４４ａおよび４４ｂ、他方のコイル４６ａおよび４６ｂ、他方の可動側ヨーク４３３ａおよび４３３ｂ、永久磁石４３１ａおよび４３１ｂ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４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂに図３の（ａ）および図４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４３ａおよび４３ｂ即ちディスプレーサ２２ａおよび２２ｂには図３の（ａ）および図４の（ａ）において矢印で示すように上方に推力が発生する。一方、一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂに図３の（ｂ）および図４の（ｂ）で示すように図３の（ａ）図４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４３ａおよび４３ｂ即ちディスプレーサ２２ａおよび２２ｂには図３の（ｂ）および図４の（ｂ）において矢印で示すように下方に推力が発生する。
【００１９】
図示の実施形態におけるスターリングエンジンは、上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂの作動位置をそれぞれ検出するディスプレーサ位置検出手段５ａ、５ｂを備えている。このディスプレーサ位置検出手段５ａ、５ｂは、それぞれ一端がディスプレーサ２２ａ、２２ｂの周方向中央部に連結された作動子５１ａ、５１ｂ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５ａ、５ｂとしてのストロークセンサーの出力値について、図５を参照して説明する。図５において横軸はディスプレーサ２２ａ、２２ｂ即ち作動子５１ａ、５１ｂのストロークを示し、縦軸は電圧値を示している。図５に示すようにストロークセンサーは、ディスプレーサ２２ａ、２２ｂ即ち作動子５１ａ、５１ｂ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４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。
【００２０】
図示の実施形態におけるスターリングエンジンは、上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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６ａ、６ｂを備えている。このメカニカルスプリング手段６ａ、６ｂはディスプレーサ２２ａ、２２ｂの内周面とディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの加熱壁２１１との間およびディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂに連結された上記作動ロッド４２ａ、４２ｂと上記ケース４１ａ、４１ｂとの間に配設されたそれぞれ一対のコイルスプリング６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂからなり、この一対のスプリング６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂはディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂとディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂとディスプレーサ２２ａ、２２ｂの質量で決まる所定周期でディスプレーサ２２ａ、２２ｂを作動することにより、上記ディスプレーサ作動機構４ａと４ｂ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４ａと４ｂ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６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂの振幅即ちディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂの作用によりディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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４ａと４ｂによる駆動力で補えばよい。
【００２１】
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４ａ、４ｂの一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂ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５ａ、５ｂによって検出されたディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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４ａと４ｂを構成する一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂへの駆動電流を制御する。
【００２２】
上記パワーピストン機構３を構成するパワーピストン３２とパワーシリンダ３１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ヤ発電機からなっており、パワーピストン３２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３１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、１２５と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３３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。
【００２３】
図１および図２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６に示すフローチャートおよび図７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および図２は始動前の状態を示しており、ディスプレーサ２２ａ、２２ｂは一対のコイルスプリング６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂの作用によってそれぞれ中立位置に位置付けられている。図１および図２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２２ａ、２２ｂを図において上方に作動するようにディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂ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４ａ、４ｂを構成する一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂに図３の（ａ）および図４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４３ａ、４３ｂ即ちディスプレーサ２２ａ、２２ｂは図７（ａ）に示すように上方に移動する。このディスプレーサ２２ａ、２２ｂの上方への移動により、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの収縮室２１７ａ内の作動気体はディスプレーサ２２ａの再生器２２２ａを通して膨張室２１６ａに流入され、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの膨張室２１６ｂ内の作動気体はディスプレーサ２２ｂの再生器２２２ｂを通して収縮室２１７ｂに流入される。このとき、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの収縮室２１７ａ内で冷却されていた作動気体は再生器２２２ａを通過する際に熱交換されて加熱される。また、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの膨張室２１６ｂ内で加熱されていた作動気体は上述したように再生器２２２ｂを通過する際に熱交換されて冷却される。このように一方のディスプレーサ２２ａが上方に移動して作動気体が膨張室２１６ａに流入すると、作動気体は円筒状の加熱壁２１１によって形成される流路２１０を流れる熱源としての排気ガスによって加熱され膨張するため、第１の連通路２３ａを通してパワーシリンダ３１の第１の作動室３１ａに流入する。この結果、パワーピストン３２は図７（ａ）に示すように下方に移動する。一方、他方のディスプレーサ２２ｂが上方に移動して作動気体が収縮室２１７ｂ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３１の第２の作動室３１ｂの作動気体は第２の連通路２３ｂを通して吸引される。この結果、パワーピストン３２を図７（ａ）に示すように下方に移動せしめる。
【００２４】
上述したようにステップＳ１において一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを図において上方に作動するようにディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂ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５ａ、５ｂからの検出信号に基づいて、ディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂ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。
【００２５】
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２２ａ、２２ｂが図７（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２２ａ、２２ｂを図において下方に作動するようにディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂ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４ａ、４ｂを構成する一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂに図３の（ｂ）および図４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４３即ちディスプレーサ２２ａ、２２ｂは図７（ｂ）に示すように下方に移動する。このディスプレーサ２２ａ、２２ｂの下方への移動により、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの膨張室２１６ａ内の作動気体はディスプレーサ２２ａの再生器２２２ａを通して収縮室２１７ａに流入され、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの収縮室２１７ｂ内の作動気体はディスプレーサ２２ｂの再生器２２２ｂを通して膨張室２１６ｂに流入される。このとき、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの膨張室２１６ａ内で加熱されていた作動気体は上述したように再生器２２２ａを通過する際に熱交換されて冷却される。また、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの収縮室２１７ｂ内で冷却されていた作動気体は上述したように再生器２２２ｂを通過する際に熱交換されて加熱される。このように一方のディスプレーサ２２ａが下方に移動して作動気体が収縮室２１７ａ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３１の第１の作動室３１ａの作動気体は第１の連通路２３ａを通して吸引される。この結果、パワーピストン３２は図７（ｂ）に示すように上方に移動する。一方、他方のディスプレーサ２２ｂが下方に移動して作動気体が膨張室２１６ｂに流入すると、作動気体は円筒状の加熱壁２１１によって形成される流路２１０を流れる熱源としての排気ガスによって加熱され膨張するため、第２の連通路２３ｂを通してパワーシリンダ３１の第２の作動室３１ｂに流入する。この結果、パワーピストン３２は図７（ｂ）に示すように上方に移動せしめる。
【００２６】
一方、上述したようにステップＳ４において一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを図において下方に作動するようにディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂ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２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂを図において上方に作動するようにディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂを駆動せしめるように一対のコイル４５ａ、４６ａおよび４５ｂ、４６ｂに図３の（ａ）および図４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。
【００２７】
以上のサイクルを繰り返すことにより、パワーピストン３２を往復運動することができる。パワーピストン３２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。図示の実施形態におけるスターリングエンジンにおいては、ディスプレーサ機構２の一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂは熱源が通る流路２１０を備えた筒状の加熱壁２１１と、該加熱壁２１１の周囲に一対のシリンダ室２１２ａ、２１２ｂを形成する冷却壁２１３ａ、２１３ｂとによって形成されているので、流路２１０を通る熱源の熱は周囲に発散することなく有効に利用される。また、加熱壁２１１は円弧状に形成されているので、受熱面積を広くとることができ熱源の熱を効果的に吸収することができる。更に、流路２１０に内燃機関の排気ガスを流す場合でも、排気の圧力損失が殆どなく、内燃機関の性能に影響がない。また、図示の実施形態におけるスターリングエンジンにおいては、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂとパワーシリンダ３１と第１の通路２３ａおとび第２の通路２３ｂは密閉空間を形成しているので、作動流体の漏れを確実に防止することができる。更に、図示の実施形態におけるスターリングエンジンにおいては、一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂは一対のコイルスプリング６１ａ、６２ａおよび６１ｂ、６２ｂの作用により所定周期で作動されるので、ディスプレーサ２２ａ、２２ｂを所定周期で作動するディスプレーサ作動機構４ａ、４ｂ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４ａ、４ｂを作動する駆動力を減少することが可能となる。
【００２８】
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８および図９を参照して説明する。なお、図８および図９の実施形態においては上記図１および図２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８および図９に示すスターリングエンジンは、クランク軸を回転するように構成されている。図８および図９に示す実施形態においては、ディスプレーサ機構２を構成する一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂにそれぞれ対応して一対のパワーピストン機構７ａ、７ｂを備えている。このパワーピストン機構７ａ、７ｂは、それぞれパワーシリンダ７１ａ、７１ｂと、該パワーシリンダ７１ａ、７１ｂ内に摺動可能に配設されたパワーピストン７２ａ、７２ｂと、該パワーピストン７２ａ、７２ｂにそれぞれ一端が連結されたコネクチングロッド７３ａ、７３ｂとからなっている。
【００２９】
上記パワーシリンダ７１ａ、７１ｂは、ディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂを構成する冷却壁２１３ａ、２１３ｂにそれぞれディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの冷却壁２１３ａ、２１３ｂの長手方向（軸方向）に沿って取り付けられている。このパワーシリンダ７１ａ、７１ｂには、軸方向に摺動可能に配設されたパワーピストン７２ａ、７２ｂとによってそれぞれ作動室７１１ａ、７１１ｂが形成される。なお、作動室７１１ａ、７１１ｂは、それぞれ連通路７４ａ、７４ｂを通してディスプレーサ機構２を構成する一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの収縮室２１７ａ、収縮室２１７ｂに連通している。パワーピストン７２ａ、７２ｂに一端が連結されたコネクチングロッド７３ａ、７３ｂは、その他端がクランク軸８ａ、８ｂのクランクジャーナル８１ａ、８１ｂに連結されている。なお、クランク軸８ａ、８ｂは、上記ディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂを構成する冷却壁２１３ａ、２１３ｂにそれぞれ支持ブラケット８２１ａ、８２２ａおよび８２１ｂ、８２２ｂによって回転可能に支持されている。クランク軸８ａ、８ｂの一端にはそれぞれ小歯車８５ａ、８５ｂが装着されており、この小歯車８５ａ、８５ｂは、ディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂを構成する冷却壁２１３ａ、２１３ｂに支持軸８６によって回転可能に支持されたフライホイール兼大歯車８７と噛み合っている。このように、フライホイール兼大歯車８７と小歯車８５ａ、８５ｂを介して連動連結されたクランク軸８ａ、８ｂは、互いに１８０度の位相差をもって連動するように構成されている。
【００３０】
図示の実施形態におけるスターリングエンジンは、上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂをそれぞれパワーピストン７２ａ、７２ｂと所定の位相差（９０度）をもって作動する一対のディスプレーサ作動機構９ａ、９ｂを具備している。この一対のディスプレーサ作動機構９ａ、９ｂは、ディスプレーサ２２ａ、２２ｂに一端が装着された連結稈９１ａおよび９２ａ、９１ｂおよび９２ｂと、該連結稈９１ａおよび９２ａ、９１ｂおよび９ｂの他端が連結されたレバー９３ａ、９３ｂと、該レバー９３ａ、９３ｂとクランク軸８ａ、８ｂとを連結するスコッチヨーク機構９４ａ、９４ｂとによって構成されている。なお、スコッチヨーク機構９４ａ、９４ｂは、クランク軸８ａ、８ｂに設けられてフランジ部８３１ａと８３２ａ間、８３１ｂと８３２ｂ間に装着されたピン９４１ａ、９４１ｂと、レバー９３ａ、９３ｂの中央部に形成された長穴９４２ａ、９４２ｂとからなっており、長穴９４２ａ、９４２ｂはパワーシリンダ７１ａ、７１ｂの軸方向に長く形成されている。このように構成されたディスプレーサ作動機構９ａ、９ｂは、パワーピストン７２ａ、７２ｂが図８において左右方向に往復運動することによりコネクチングロッド７３ａ、７３ｂを介してクランク軸８ａ、８ｂが回転すると、上記スコッチヨーク機構９４ａ、９４ｂによってレバー９３ａ、９３ｂが図８において上下方向に移動するので、連結稈９１ａおよび９２ａ、９１ｂおよび９２ｂを介してディスプレーサ２２ａ、２２ｂを図８において上下方向に移動せしめる。なお、ディスプレーサ２２ａ、２２ｂが上下に作動することによる作動流体の作用は、上述した実施形態と同様である。
【００３１】
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更に他の実施形態について、図１０および図１１を参照して説明する。なお、図１０および図１１の各実施形態においては上記図１および図２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１０に示す実施形態は、ディスプレーサ機構２の一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂを構成する円筒状の加熱壁２１１の内周面に形成された複数個のフィン２１４を螺旋状に形成したものである。このようにフィン２１４を螺旋状に形成することにより、円筒状の加熱壁２１１によって形成される流路２１０を流れる熱源としての排気ガスが作用するフィンの流路長が長くなるので、熱吸収量効率を向上することができる。
【００３２】
図１１に示す実施形態においては、ディスプレーサ機構の一対のディスプレーサシリンダを構成する円筒状の加熱壁２１１によって形成される流路２１０が示されている。図１１に示す実施形態は、上記流路２１０の中心部に流路の略全長に渡ってコア部材２１９を配設したものである。このコア部材２１９は、円筒状の加熱壁２１１の内周面に形成された複数個のフィン２１４の内周縁に取付けられている、このように、熱交換に寄与度が少ない流路２１０の中心部にコア部材２１９を配設することにより、流路２１０を流れる熱源としての排気ガスが加熱壁２１１の内周面に近いところを流れるため、熱交換効率を向上することができる。なお、コア部材２１９は蓄熱体として機能するので、熱交換効率が更に向上する。
【００３３】
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ピストン機構を構成するパワーシリンダの作動室をディスプレーサシリンダの収縮室と連通した例を示したが、作動室をディスプレーサシリンダの膨張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ディスプレーサ機構のディスプレーサシリンダを構成する筒状の加熱壁によって形成された流路には、排気ガス等の加熱流体を流す例を示したが、この流路を燃焼器の燃焼室としてもよい。
【００３４】
【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、ディスプレーサ機構のディスプレーサシリンダは、熱源を囲撓する加熱壁と、該加熱壁の周囲に複数個のシリンダ室を形成する冷却壁とによって形成されているので、熱源の熱は周囲に発散することなく有効に利用される。また、加熱壁は湾曲して形成されるので、受熱面積を広くとることができ熱源の熱を効果的に吸収することができる。
【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】図１におけるＡ−Ａ線断面図。
【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一方のディスプレーサ作動機構の作動説明図。
【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他方のディスプレーサ作動機構の作動説明図。
【図５】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６】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７】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８】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。
【図９】図８におけるＢ−Ｂ線断面図。
【図１０】本発明に従って構成されたスターリングエンジンの更に他の実施形態を示す要部断面図。
【図１１】本発明に従って構成されたスターリングエンジンの更に他の実施形態を示す要部断面図。
【符号の説明】
２ａ、２ｂ：ディスプレーサ機構
２１ａ、２１ｂ：ディスプレーサシリンダ
２１１：加熱壁
２１２ａ、２１２ｂ：シリンダ室
２１２ａ、２１３ｂ：冷却壁
２１４：フィン
２１５ａ、２１５ｂ：放熱フィン
２１６ａ、２１６ｂ：膨張室
２１７ａ、２１７ｂ：収縮室
２１９：コア部材
２２ａ、２２ｂ：ディスプレーサ
３：パワーピストン機構
３１：パワーシリンダ
３１ａ：第１の作動室
３１ｂ：第２の作動室
３２：パワーピストン
４ａ、４ｂ：ディスプレーサ作動機構
４１ａ、４１ｂ：ケース
４２ａ、４２ｂ：作動ロッド
４３ａ、４３ｂ：磁石可動体
４４ａ、４４ｂ：固定ヨーク
４５ａ、４６ａ：一対のコイル
４５ｂ、４６ｂ：一対のコイル
５ａ、５ｂ：ディスプレーサ位置検出手段
６ａ、６ｂ：メカニカルスプリング手段
６１ａ、６２ａ：一対のコイルスプリング
６１ｂ、６２ｂ：一対のコイルスプリング
７ａ、７ｂ：パワーピストン機構
７１ａ、７１ｂ：パワーシリンダ
７１１ａ、７１１ｂ：作動室
７２ａ、７２ｂ：パワーピストン
７３ａ、７３ｂ：コネクチングロッド
８ａ、８ｂ：クランク軸
８５ａ、８５ｂ：小歯車
８７：フライホイール兼大歯車
９ａ、９ｂ：ディスプレーサ作動機構
９１ａ、９２ａ、９１ｂ、９２ｂ：連結稈
９３ａ、９３ｂ：レバー
９４ａ、９４ｂ：スコッチヨーク機構
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】
2004108241.tif 000003
【図２】
2004108241.tif 000004
【図３】
2004108241.tif 000005
【図４】
2004108241.tif 000006
【図５】
2004108241.tif 000007
【図６】
2004108241.tif 000008
【図７】
2004108241.tif 000009
【図８】
2004108241.tif 000010
【図９】
2004108241.tif 000011
【図１０】
2004108241.tif 000012
【図１１】
2004108241.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月26日(2002.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2004108241.tif 000014
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004108241.tif 000015