(57)【要約】【課題】ピストンの直線運動を直接利用して効率が良く、比較的低温の熱源で駆動することができ、構造が簡単で且つ小型で安価に製造でき、運転周波数の調整も容易にできるスターリングエンジンの模型を得る。【解決手段】ディスプレーサ１１をガス透過性材料で形成して再生器を兼用し、パワーピストンと一体に上下動するピストンロッド１３の上部は低温側キャップ５を貫通して上部に延び、パワーピストンスプリング１６により上方に付勢されている。下部はディスプレーサを貫通して、ディスプレーサスプリング１７に衝突可能に配置され、ピストンロッドが下降してディスプレーサスプリング１７を屈曲させることにより、ディスプレーサ１１を跳ね上げる。低温側キャップ５の位置を変えることによって位相差を調整でき、且つパワーピストンスプリング１６のバネ定数を簡単に調整できるようにした。【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−サシリンダと、該シリンダの上部に連接して設けられたパワーピストンシリンダとを有し、前記ディスプレ−サシリンダの下端部を高温側キャップで、前記パワーピストンシリンダの上端部を低温側キャップで被い、前記ディスプレーサシリンダ内にガス透過性材料で形成されたディスプレーサを上下動可能に設けると共に、前記パワーピストンシリンダ内にピストンロッドと一体に上下動可能にパワーピストンを設けて構成され、前記ピストンロッドの上部は低温側キャップを貫通して上部に延び、該ピストンロッドを下方に付勢するパワーピストンスプリングと係合し、且つ下部はディスプレーサを貫通してその下端が、高温側キャップの上面に配置されたディスプレーサスプリングに衝突可能に配置されていることを特徴とするフリーピストンスターリングエンジン模型。
【請求項２】
前記ピストンロッド上端に、可動子台を設け、且つ該可動子台と前記低温側キャップとの間に前記パワーピストンスプリングを設けてなる請求項１に記載のフリーピストンスターリングエンジン模型。
【請求項３】
前記パワーピストンスプリングは、合成樹脂製板バネを環状に組み合わせて構成されている請求項２に記載のフリーピストンスターリングエンジン模型。
【請求項４】
前記低温側キャップが、前記パワーピストンシリンダに位置調整可能に設けられている請求項１、２又は３に記載のフリーピストンスターリングエンジン模型。
【請求項５】
前記高温側キャップは、中央部に外側凸の窪みが形成され、該窪みを跨ぐように前記ディスプレーサスプリングが案内支持されている請求項１〜４何れかに記載のフリーピストンスターリングエンジン模型。
【請求項６】
前記ピストンロッドにディスプレーサの傾斜復元用部材を固定してなる請求項１〜４何れかに記載のフリーピストンスターリングエンジン模型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストンスターリングエンジン模型、特に教習具、置物あるいは玩具として利用できるフリーピストンスターリングエンジン小型模型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スターリングエンジンは、外燃機関の一種で、熱源があれば出力を取出すことができ、どんな熱源でも利用可能であることから、高温部をアルコールランプで簡単に加熱できるようにした教材用のスターリングエンジン模型が市販されている。従来市販されている模型は、ピストンの直線運動を回転運動に変換するクランク機構を用いたものであるため、構造が複雑で高価であり、且つ比較的高温の熱源を必要とし、しかも熱効率が悪い等の欠点を有している。一方、直動シリンダと円管状リングとを可撓性のチューブで連結して構成し、アルコールランプによってリングを加熱すると共に、低温部である直動シリンダ部をファンによって冷却することにより、作動空気の膨張・収縮作動が生じ、円管状リングの傾きが交互に変わり、その内部に収納したガラス球が円管状リング内を繰り返し往復動するようにした模型も提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２６７４６６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来提案されているスターリングエンジンの模型は、出力部が回転運動機構や揺動運動機構となっていて、構造が比較的複雑で小型化が困難であり、且つ熱効率も悪く比較的高温の熱源を必要とし、稼動中常に加熱しなければならない等の欠点があった。また、運転周波数を変化させることが困難であり、運動の変化が乏しく、教材用あるいは装飾用置物として未だ満足するものではなかった。
そこで、本発明は、クランク機構等を使用せず、ピストンの直線運動を直接利用して構造が簡単で小型化が可能で安価に製造でき、しかも効率が良く比較的低温の熱源で駆動することができ、且つ運転周波数を変化させる事も容易で、教材用の模型としてばかりでなく、ディスプレー装置用の置物として、あるいは玩具としても利用できるスターリングエンジンの模型を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のフリーピストンスターリングエンジン模型は、ディスプレ−サシリンダと、該シリンダの上部に連接して設けられたパワーピストンシリンダとを有し、前記ディスプレ−サシリンダの下端部を高温側キャップで、前記パワーピストンシリンダの上端部を低温側キャップで被い、前記ディスプレーサシリンダ内にガス透過性材料で形成されたディスプレーサを上下動可能に設けると共に、前記パワーピストンシリンダ内にピストンロッドと一体に上下動可能にパワーピストンを設けて構成され、前記ピストンロッドの上部は低温側キャップを貫通して上部に延び、該ピストンロッドを下方に付勢するパワーピストンスプリングと係合し、且つ下部はディスプレーサを貫通してその下端が、高温側キャップの上面に配置されたディスプレーサスプリングに衝突可能に配置されていることを特徴とするものである。
【０００６】
前記ピストンロッド上端に、可動子台を設け、且つ該可動子台と前記低温側キャップとの間にパワーピストンスプリングを設けることによって、可動子台に任意の置物等を載せることができ、ディスプレー効果を高めることができ、且つパワーピストンスプリングを容易に装着できると共に安定して作動するように装着することができる。前記低温側キャップを、前記パワーピストンシリンダに位置調整可能に設けることによって、ディスプレーサとパワーピストンの位相差を容易に調節することができる。さらに、これにより、パワーピストンスプリングのバネ定数と可動子台の重量を変更することが可能となり、運転周波数を容易に変更することができる。また、前記高温側キャップの中央部に外側凸の窪みを形成し、該窪みを跨ぐようにディスプレーサスプリングを設けることによって、ディスプレーサスプリングが確実にディスプレーサを跳ね上げ、良好に作動させることができる。さらに、前記ピストンロッドにディスプレーサの傾斜復元用部材を設けることによって、万が一シリンダ内でディスプレーサが傾いて係止しても、ピストンロッドが下降するとき傾斜復元用部材でディスプレーサを押下げることによって、傾きを是正することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１及び図２に示す実施形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るフリーピストンスターリングエンジン模型の断面を示している。この実施形態のフリーピストンスターリングエンジン模型１は、ディスプレ−サシリンダ２と、該シリンダの上部に連接して設けられたパワーピストンシリンダ３とを有し、ディスプレ−サシリンダ２の下端部を高温側キャップ４で、パワーピストンシリンダ３の上端部を低温側キャップ５で被って構成している。ディスプレーサシリンダ２内には、スポンジ等のガス透過性材料で形成されて再生器を兼ねるディスプレーサ１１を上下動可能に嵌合している。ディスプレーサ１１の中心部にはピストンロッド１２が貫通する孔が形成され、ディスプレーサ１１とピストンロッド１２とは、互いに独立して上下動可能な関係にある。ディスプレーサシリンダ２は、本実施形態では、透明なガラス又は耐熱性樹脂で形成され、その内部に嵌合しているディスプレーサの動きが外部より観察できるようになっている。
【０００８】
一方、パワーピストンシリンダ３内には、パワーピストン１２が上下動自在に嵌合している。該パワーピストン１２は、ピストンロッド１３に固定され、ピストンロッド１２と一体に上下動する。ピストンロッド１２は、その上部は低温側キャップ５を貫通して上部に延び、頂部に可動子台１５が取り付けられている。該可動子台１５は、低温側キャップ５との間にパワーピストンスプリング１６を保持して、パワーピストンを上側に付勢する役割を果たすと共に、錘を兼ね且つディスプレー効果を高めるために、人形等任意の置物等を載せるための台として機能するものである。しかしながら、該可動子台１５に直接ディスプレー効果を持たせてもよく、その形状は図示のものに限定されない。パワーピストンスプリング１６は、本実施形態では、プラスチック製板バネ２枚を図示のように環状に組合せて形成しているが、必ずしもその形態に限らず、十字環状に組合せてもよい。このように、プラスチック製の板バネを使用することによって、その形状を簡単に変更してバネ定数を任意に調整できるという利点を有する。しかしながら、パワーピストンスプリングは、必ずしも実施形態のものに限らず、コイルバネも採用可能である。
【０００９】
高温側キャップ４は、熱伝導性に優れた金属材料で形成され、図に示すように、中央部が下方に突出して高温側熱源（本実施形態では熱湯）に接触する加熱凸部６となっており、その内側中央部に後述するディスプレーサスプリング１１がピストンロッド１３に押されて撓むのを許容するための凹部７が形成されている。該凹部７は、ディスプレーサスプリング１７が撓むことができる空間であればよく、その形状は特に限定されるものではない。高温側キャップ４とディスプレーサシリンダ２の嵌合部には、オーリング８が介在されており、ディスプレーサシリンダ内の密封を図っている。一方、パワーピストンシリンダ３は、その底部がオーリング９を介してディスプレーサシリンダ２の上端に嵌合し、上部外周面には螺子１０が形成され、低温側キャップ５が螺着され、低温側キャップの高さ位置を調節できるようになっている。それにより、後述するようにパワーピストンスプリングのバネ係数を調節して、可動子の運転周波数を簡単に調節できるようにしている。なお、パワーピストンと低温側キャップで囲まれた動作空間は、前述のようにディスプレーサシリンダに高温側キャップ及びパワーピストンシリンダ３をオーリング８、９を介在させて取り付けることによって、密封を図っているが、パワーピストン上部と低温側キャップで囲まれる空間、即ちバッファ空間は、密封されてなく外気と導通している状態になっている。
【００１０】
ディスプレーサスプリング１７は、ピストンロッドが下降したときにその下端が突き当たるように凹部７を跨って配置され、ピストンロッドが確実に突き当たる面積を有していればよく、その形状は単に帯状であってもよく特に限定されないが、図４に示すように、十字形状にすることが望ましい。十字形状にすることによって、ピストンリングの先端が繰返し突き当って、弾発を繰り返しても容易に移動することがないので、ディスプレーサを均一に跳ね上げ、ディスプレーサが傾斜することなく、安定して作動する。しかしながら、それでもディスプレーサが傾斜して図５に示すように、ディスプレーサシリンダ２内に引っかかり、動作が停止することがまれにある。そこで、本実施形態では、ディスプレーサがディスプレーサシリンダ２内に引っかった場合、それを叩き落して動作を継続させるために、ピストンロッド１３に、傾斜復元用部材１８を取り付け、ピストンロッドが下降するときに該傾斜復元用部材１８がディスプレーサ１１の上面に当って、ディスプレーサ１１を叩き落すことができるようにした。傾斜復元用部材１８は、適当な突起でよいが、その位置を任意に調節できるように例えばゴムチューブ等を巻付けてもよい。なお、傾斜復元用部材１８は、必ずしも設ける必要はなく、図１〜図３では省略した状態で示している。
【００１１】
本実施形態のフリーピストンスターリングエンジン模型は、以上のように構成され、高温側をお湯で加熱し、低温側は外気で冷却する場合について説明する。例えば、図２に示すように、模型１をその加熱凸部６が下方に突出するように嵌合穴が形成された適宜のアダプター２５に載せて、加熱凸部６が浸る程度にお湯２６を入れたコップ等の容器２７に載置して動作させる。それにより、本実施形態のフリーピストンスターリングエンジン模型は、可動子台１５が熱湯の温度が５０℃程度に低下するまで、可動子台１５が上下に所定の振幅で振動を続ける。従って、図示のように可動子台１５の上に適宜の表示物２０を載せると、それが熱湯が冷めるまで上下運動を繰返すので、スターリングエンジンの原理ができる教習具としてばかりでなく、例えば店頭での動く置物としても有用である。
【００１２】
次に、その作動原理を図３（ａ）〜（ｄ）により説明する。同図（ａ）は、ディスプレーサ１１がディスプレーサシリンダの中間位置にあり、パワーピストン１２がパワーピストンリング３の上方位置にある状態を示している。▲１▼この状態からディスプレーサ１１が重力によって下がると、ディスプレーサ１１の下方の高温側にある動作ガス（空気）はディスプレーサ１１を通過して低温側に流れる。そのとき高温側の動作ガスは再生器に預けられる。▲２▼さらにディスプレーサ１１が下がって、同図（ｂ）に示すように、動作ガスの殆どが低温側に移動すると、動作ガスが冷却され、圧力が低下する。その結果、パワーピストン１２が下方に移動する。▲３▼パワーピストンがさらに下降すると、ピストンロッド１３の下端がディスプレーサスプリング１７を押し、同図（ｃ）に示すように、ディスプレーサスプリング１７が屈曲してディスプレーサ１１を跳ね上げる。その結果、動作ガスはディスプレーサ１１内を通過して、▲１▼で預けた熱で予熱されて高温側に流れる。ディスプレーサ１１は、跳ね上げられた勢いでさらに上昇して、同図（ｄ）に示すようにディスプレーサシリンダの上部に達する。この状態では、動作ガスの殆どが高温側に移動しているため、容器に充填された熱湯により加熱され圧力が高くなる。そのため、パワーピストン１２が上方に移動する。以下、その繰返しにより、動作ガスが高温側での熱湯による加熱と低温側での自然冷却とにより、所定温度差が維持されるまで、繰り返される。
【００１３】
以上のように、スターリングエンジンは、ディスプレーサとパワーピストンが位相差をもって動くことにより、仕事をするが、理論的にはディスプレーサがパワーピストンより９０°進むことが理想的である。しかし、実際には、温度や損失の条件により、最適な位相差は異なり、必ずしも一定ではない。これに対応するため、本実施形態のフリーピストンスターリングエンジン模型では、低温側キャップ５の位置を変えることによって位相差を調整できるようにしてある。即ち、低温側キャップ５の位置を下げると位相差は大きくなり、上げると小さくなる。また、重い物を動かすときには、パワーピストンの中立点が下がってしまうが、低温側キャップ５の位置を上げることによって、中立点の位置を調節することができる。さらに、パワーピストンスプリングと可動子台の重量を変えると、運転周波数を変化させることができ、同時に可動子台の振幅も変化する。さらにパワーピストンスプリングのバネを弱くしたり、可動子台を重くすると周波数は小さくなる。このように、本発明では、パワーピストンリングのバネ定数と可動子台の重量も容易に変更することが可能となり、運転周波数を任意変更することができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、クランク機構等を使用せず、ピストンの直線運動を直接利用して構造が簡単で小型化が可能で安価に製造でき、しかも効率が良く比較的低温の熱源で駆動することができ、且つ運転周波数を変化させる事も容易で、教材用の模型としてばかりでなく、ディスプレー装置用の置物として、あるいは玩具としても有効に利用できるスターリングエンジンの模型を得ることができる。特に、請求項２、３の発明によれば、パワーピストンスプリングのバネ定数を任意に調節することができ、運転周波数を正確に設定できる。また、請求項４によれば、低温キャップの位置を任意に調節でき、それによりディスプレーサとパワーピストンの位相差を簡単に調節することができると共に、パワーピストンの中立点の位置を簡単に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るフリーピストンスターリングエンジン模型の正面縦断面図である。
【図２】その使用状態を示す正面縦断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、その作動説明図である。
【図４】ディスプレーサスプリングの説明図であり、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面矢視図、（ｂ）はディスプレーサスプリングによってディスプレーサを跳ね上げている状態を示す説明図である。
【図５】ピストンロッドに傾斜復元用部材を設けた実施形態において、ディスプレーサが傾いた状態を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１  フリーピストンスターリングエンジン模型
２  ディスプレーサシリンダ            ３  パワーピストンシリンダ
４  高温側キャップ                    ５  低温側キャップ
６  加熱凸部                        １１  ディスプレーサ
１２  パワーピストン                  １３  ピストンロッド
１５  可動子台                        １６  パワーピストンシリンダ
１７  ディスプレーサスプリング        １８  傾斜復元用部材
【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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