(57)【要約】【課題】ピストン内部に強制的に気体を供給することでピストンの気体潤滑を行う場合に必要以上に大きな静圧を発生させることでエネルギ損失が発生することを抑制可能なスターリングエンジンを提供する。【解決手段】スターリングエンジン１０はピストン２１、３１と、ピストン２１、３１の往復運動を直線運動に変換するクランクシャフト６１と、ピストン２１、３１の内部に気体を導入する導入管２３、３３と、導入管２３、３３を介してピストン２１、３１の内部に強制的に気体を供給する気体供給ポンプ６５、モータ６６および気体供給配管６７とを備える。また、クランクシャフト６１の回転数に応じてモータ６６を制御する制御部を実現するＥＣＵ７０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出するピストンと、
前記ピストンの内部に気体を導入する導入部と、
前記導入部を介して前記ピストンの内部に強制的に気体を供給する気体供給部と、
前記ピストンの平均移動速度に応じて前記気体供給部を制御する制御部とを備えるスターリングエンジン。
【請求項２】
請求項１記載のスターリングエンジンであって、
前記ピストンの平均移動速度が高い場合ほど、前記ピストンの内部に供給する気体の量が減少するように前記制御部が前記気体供給部を制御するスターリングエンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載のスターリングエンジンであって、
前記ピストンの往復運動を直線運動に変換するクランクシャフトをさらに備え、前記ピストンの平均移動速度として前記クランクシャフトの回転数を用いるスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ピストン内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出することで、ピストンの気体潤滑を行うスターリングエンジンが知られている。かかるスターリングエンジンでは例えばピストン内部に気体を導入する導入部と、当該導入部を介してピストン内部に強制的に気体を供給する気体供給部とを備えることで、ピストン内部に気体を導入することができる。
【０００３】
この点、かかる構成上本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１で開示されている。このほかスターリングエンジンに関し、回転数に基づき気体の制御を行う点で本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献２、３で開示されている。また、圧力制御を行う点で本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献４で開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７０６６２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３８７６１号公報
【特許文献３】特開２０１０−１４４５８５号公報
【特許文献４】特開２００９−９１９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ピストンは運動速度が遅い場合ほど、上死点や下死点で停止する時間が長くなる。このため、ピストンは運動速度が遅い場合ほど対応するシリンダと接触し易くなる。これに対し、スターリングエンジンではピストンが停止している場合でも、ピストンの浮上に必要な静圧が得られるようにピストン内部に気体を供給することができる。ところが、ピストンの運動速度がより高い場合にはピストンの停止時間がより短くなる分、ピストンとシリンダが接触する可能性は低くなる。このため、この場合には同じようにピストン内部に気体を供給し続けると、必要以上に大きな静圧を発生させる分、エネルギ損失が生じることになる。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑み、ピストン内部に強制的に気体を供給することでピストンの気体潤滑を行う場合に、必要以上に大きな静圧を発生させることでエネルギ損失が発生することを抑制可能な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】
【０００７】
本発明は内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダとの間に噴出するピストンと、前記ピストンの内部に気体を導入する導入部と、前記導入部を介して前記ピストンの内部に強制的に気体を供給する気体供給部と、前記ピストンの平均移動速度に応じて前記気体供給部を制御する制御部とを備えるスターリングエンジンである。
【０００８】
本発明は前記ピストンの平均移動速度が高い場合ほど、前記ピストンの内部に供給する気体の量が減少するように前記制御部が前記気体供給部を制御する構成とすることができる。
【０００９】
本発明は前記ピストンの往復運動を直線運動に変換するクランクシャフトをさらに備え、前記ピストンの平均移動速度として前記クランクシャフトの回転数を用いる構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ピストン内部に強制的に気体を供給することでピストンの気体潤滑を行う場合に、必要以上に大きな静圧を発生させることでエネルギ損失が発生することを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】スターリングエンジンの概略構成図である。
【図２】必要静圧を示す図である。
【図３】制御動作の一例をフローチャートで示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【００１３】
図１はスターリングエンジン１０の概略構成図である。スターリングエンジン１０は多気筒（ここでは２気筒）α型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン１０は直列平行に配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を備えている。高温側気筒２０は高温側ピストンである膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は低温側ピストンである圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２とを備えている。
【００１４】
高温側シリンダ２２の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器４７で加熱された作動流体が流入する。加熱器４７は流通する作動流体と内燃機関の排気との間で熱交換を行う。そしてこれにより、排気から回収した熱エネルギーで作動流体を加熱する。この点、スターリングエンジン１０では内燃機関の排気が高温熱源を構成している。
【００１５】
低温側シリンダ３２の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５で冷却された作動流体が流入する。冷却器４５は冷却媒体である冷却水との間で熱交換を行うことで、作動流体を冷却する。再生器４６は膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。
【００１６】
膨張空間と圧縮空間とは冷却器４５、再生器４６および加熱器４７における作動流体の流通空間とともに作動空間を構成している。作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ２、Ｎ２等の気体を適用することができる。
【００１７】
次にスターリングエンジン１０の動作について説明する。加熱器４７が作動流体を加熱すると、作動流体が膨張し、膨張ピストン２１を圧下する。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過し、再生器４６に移送される。そして、再生器４６で熱を放出して冷却器４５へと流れる。冷却器４５で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１の上昇に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７へ流れ込む。そして、再び加熱され、膨張する。このようにピストン２１、３１は作動流体の往復流動に応じて運動する。
【００１８】
ところで、スターリングエンジン１０ではピストン２１、３１と対応するシリンダ２２、３２との間で気体潤滑を行っている。気体潤滑ではピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１、３１を空中に浮いた形にする。気体潤滑は摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０の内部フリクションを大幅に低減させることができる。
【００１９】
空中に物体を浮上させる気体潤滑には具体的には加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体を浮上させる静圧気体潤滑が適用されている。この点、膨張ピストン２１には内部に気体を導入する高温側導入管２３と、対応するシリンダ２２との間に気体を噴出する噴出部２１ａとが設けられている。また、圧縮ピストン３１にも膨張ピストン２１と同様に低温側導入管３３と噴出部３１ａとが設けられている。導入管２３、３３は例えばチューブで実現できる。ピストン２１、３１は内部に気体を導入するとともに、導入した気体を対応するシリンダ２２、３２との間に噴出する気体潤滑ピストンとなっている。
【００２０】
スターリングエンジン１０はさらにクランクシャフト６１とクランクケース６２とを備えている。クランクシャフト６１はピストン２１、３１の往復運動を回転運動に変換する。クランクシャフト６１はクランクケース６２に設けられている。クランクケース６２はクランクシャフト６１のクランク部を収容している。クランクケース６２には隔壁部６２ａが設けられている。隔壁部６２ａはクランクケース６２の内部空間を高温側気筒２０側の内部空間と低温側気筒３０側の内部空間とに区分する。隔壁部６２ａはこれらの内部空間を互いに連通するように設けることができる。
【００２１】
スターリングエンジン１０はさらに気体供給ポンプ６５とモータ６６と気体供給配管６７とを備えている。気体供給ポンプ６５はピストン２１、３１の内部に強制的に気体を供給する。気体供給ポンプ６５は具体的にはスターリングエンジン１０の作動流体を供給することができる。モータ６６はアクチュエータであり、気体供給ポンプ６５を駆動する。気体供給ポンプ６５とモータ６６とはスターリングエンジン１０の外部に設けられている。気体供給ポンプ６５やモータ６６は例えばスターリングエンジン１０の内部に設けられてもよい。
【００２２】
気体供給配管６７は気体供給ポンプ６５と導入管２３、３３とを接続する。気体供給配管６７は具体的には外部で気体供給ポンプ６５に接続されるとともに、外部からクランクケース６２内に導入されている。そして、クランクケース６２内で気筒配列方向に沿って延伸し、高温側気筒２０側の内部空間で高温側導入管２３に、低温側気筒３０側の内部空間で低温側導入管３３にそれぞれ接続されている。
【００２３】
気体供給ポンプ６５、モータ６６および気体供給配管６７は気体供給部に相当する。導入管２３、３３それぞれは導入部に相当する。気体供給部は例えば気体供給ポンプ６５およびモータ６６によって構成されていると把握されてもよい。この場合、導入部は導入管２３、３３および気体供給配管６７のうち、膨張ピストン２１または圧縮ピストン３１から気体供給ポンプ６５までの部分それぞれによって構成されていると把握することができる。
【００２４】
スターリングエンジン１０はさらにＥＣＵ７０を備えている。ＥＣＵ７０は電子制御装置であり、ＥＣＵ７０にはスターリングエンジン１０の回転数（以下、ＳＥ回転数と称す）を検出可能なＳＥ回転数センサ８１や、高温熱源とする排気を排出する内燃機関の回転数ＮＥを検出可能なクランク角センサ８２がセンサ・スイッチ類として電気的に接続されている。また、モータ６６が制御対象として電気的に接続されている。クランク角センサ８２の出力または回転数ＮＥは例えば内燃機関制御用のＥＣＵを介して取得されてもよい。或いはＥＣＵ７０が内燃機関制御用のＥＣＵであってもよい。ＳＥ回転数は具体的にはクランクシャフト６１の回転数である。
【００２５】
ＥＣＵ７０ではＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行することで、例えば以下に示す制御部が実現される。
【００２６】
制御部はピストンの平均移動速度に応じてモータ６６を制御する。ピストンの平均移動速度は膨張ピストン２１または圧縮ピストン３１の平均移動速度とすることができる。以下では、ピストンの平均移動速度としてＳＥ回転数を用いる場合について説明する。制御部はＳＥ回転数に基づきモータ６６を制御する。また、ＳＥ回転数が高い場合ほど、ピストン２１、３１の内部に供給する気体の量が減少するようにモータ６６を制御する。そしてこれにより、ピストン２１、３１を浮上させる静圧（以下、供給静圧と称す）が低下するようにモータ６６を制御する。制御部はさらに具体的には次に説明するようにモータ６６を制御する。
【００２７】
図２はＳＥ回転数に応じた必要静圧を示す図である。縦軸は必要静圧、横軸はＳＥ回転数を示す。ここで、ピストン２１、３１が上死点や下死点に位置する場合には運動速度がほぼゼロとなる。このためこの場合には、ピストン２１、３１を静圧のみで浮上させる必要がある。一方、ＳＥ回転数が高くなれば、ピストン２１、３１の運動速度がほぼゼロとなる時間（以下、ピストン停止時間と称す）も短くなる。そしてこれにより、対応するシリンダ２２、３２と接触する前にピストン２１、３１が動き始めるようになることで、接触が回避されやすくなる。結果、必要静圧も低くなる。
【００２８】
この点、ピストン停止時間はＳＥ回転数に比例して減少する。このため、必要静圧は例えば直線Ｌ１、Ｌ２またはＬ３で示すようにＳＥ回転数に比例して減少する。一方、ＳＥ回転数が高まると、ピストン２１、３１の浮上に寄与する動圧も大きくなる。そして、動圧はピストン２１、３１および対応するシリンダ２２、３２間のクリアランスで発生する気体の流速の２乗に比例して大きくなる。また、この流速はピストン２１、３１の運動速度に比例して大きくなる。したがって、ＳＥ回転数に比例して大きくなる。このため、必要静圧は曲線Ｃで示すようにＳＥ回転数の２乗に比例して減少する。
【００２９】
したがって、必要静圧はピストン停止時間の観点から必要となる第１の静圧と、動圧の観点から必要となる第２の静圧とのうち、少なくともいずれかによって決まってくる。この点、直線Ｌ１で示すように第１の静圧がＳＥ回転数の使用回転数域全般に亘って曲線Ｃで示す第２の静圧を上回る場合には、必要静圧は第１の静圧によって決まってくる。また、直線Ｌ３で示すように第１の静圧がＳＥ回転数の使用回転数域全般に亘って直線Ｃで示す第２の静圧を下回る場合には、必要静圧は第２の静圧によって決まってくる。
【００３０】
一方、直線Ｌ２で示すようにＳＥ回転数が所定回転数αよりも低い場合に第１の静圧が曲線Ｃで示す第２の静圧を下回り、ＳＥ回転数が所定回転数αよりも高い場合に第１の静圧が曲線Ｃで示す第２の静圧を上回る場合には、必要静圧は第１および第２の静圧によって決まってくる。具体的にはＳＥ回転数が所定回転数αよりも低い場合には必要静圧が第２の静圧によって決まり、ＳＥ回転数が所定回転数αよりも高い場合には必要静圧が第１の静圧によって決まってくる。ＳＥ回転数が所定回転数αである場合はいずれかの場合に含むことができる。
【００３１】
この点、第１の静圧と第２の静圧との関係はスターリングエンジン１０の設計要件によって異なってくる。このため、制御部は具体的には第１の静圧がＳＥ回転数の使用回転数域全般に亘って第２の静圧を上回る場合には、ＳＥ回転数に比例して供給静圧が低下するようにモータ６６を制御することができる。また、第１の静圧がＳＥ回転数の使用回転数域全般に亘って第２の静圧を下回る場合には、ＳＥ回転数の２乗に比例して供給静圧が低下するようにモータ６６を制御することができる。
【００３２】
一方、ＳＥ回転数が所定回転数αよりも低い場合に第１の静圧が第２の静圧を下回り、ＳＥ回転数が所定回転数αよりも高い場合に第１の静圧が第２の静圧を上回る場合には、制御部はＳＥ回転数が所定回転数αよりも低い場合にＳＥ回転数の２乗に比例して供給静圧が低下するようにモータ６６を制御することができる。また、ＳＥ回転数が所定回転数αよりも高い場合にＳＥ回転数に比例して供給静圧が低下するようにモータ６６を制御することができる。
【００３３】
設計要件によって異なってくるこれらの場合にモータ６６を制御するにあたり、制御部はさらに具体的にはＳＥ回転数に比例して必要静圧を低く設定する直線Ｌ（直線Ｌ１、Ｌ２およびＬ３のうちいずれか）と、ＳＥ回転数の２乗に比例して必要静圧を低く設定する曲線Ｃとのうち少なくともいずれかとＳＥ回転数とに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ６６を制御する。直線Ｌと曲線Ｃとは例えばマップデータで予め設定しておくことができる。
【００３４】
次にＥＣＵ７０の制御動作の一例を図３に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図３ではスターリングエンジン１０の設計要件上、ＳＥ回転数が所定回転数αよりも低い場合に第１の静圧が第２の静圧を下回り、ＳＥ回転数が所定回転数αよりも高い場合に第１の静圧が第２の静圧を上回る場合について説明する。ＥＣＵ７０はＳＥ回転数を検出するとともに（ステップＳ１）、検出したＳＥ回転数が所定回転数αよりも低いか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００３５】
肯定判定であれば、ＥＣＵ７０は検出したＳＥ回転数と曲線Ｃとに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ６６を制御する（ステップＳ３）。そしてこれにより、ＳＥ回転数の２乗に比例して静圧が小さくなるようにモータ６６を制御する。否定判定であれば、ＥＣＵ７０は検出したＳＥ回転数と直線Ｌ（具体的にはここでは直線Ｌ２）とに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ６６を制御する（ステップＳ４）。そしてこれにより、ＳＥ回転数に比例して静圧が小さくなるようにモータ６６を制御する。ステップＳ３またはＳ４の後には本フローチャートを一旦終了する。
【００３６】
次にスターリングエンジン１０の作用効果について説明する。スターリングエンジン１０はピストン２１、３１と導入管２３、３３と気体供給ポンプ６５、モータ６６および気体供給配管６７とＥＣＵ７０とを備える構成で、ＳＥ回転数に応じて気体供給部の一部であるモータ６６を制御する。すなわち、スターリングエンジン１０はＳＥ回転数に応じて必要静圧が変化することに対し、ＳＥ回転数に応じてモータ６６を制御することで供給静圧を変化させる。そしてこれにより、ピストン２１、３１の内部に強制的に気体を供給することでピストン２１、３１の気体潤滑を行う場合に、必要以上に大きな静圧を発生させることでエネルギ損失が発生することを抑制できる。
【００３７】
スターリングエンジン１０は具体的にはＳＥ回転数が高い場合ほど、ピストン２１、３１の内部に供給する気体の量が減少するようにモータ６６を制御する。すなわち、スターリングエンジン１０はＳＥ回転数が高い場合ほど必要静圧が低くなることに照らして、具体的にはこのようにモータ６６を制御することができる。
【００３８】
スターリングエンジン１０はさらに具体的にはＳＥ回転数に比例して必要静圧を低く設定する直線Ｌと、ＳＥ回転数の２乗に比例して必要静圧を低く設定する曲線Ｃとのうち少なくともいずれかとＳＥ回転数とに基づき、供給静圧が必要静圧になるようにモータ６６を制御する。そしてこれにより、設計要件によって必要静圧が異なってくることに対し、エネルギ損失の発生を好適に抑制できる。
【００３９】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
スターリングエンジン    １０
膨張ピストン            ２１
高温側シリンダ          ２２
高温側導入管            ２３
圧縮ピストン            ３１
低温側シリンダ          ３２
低温側導入管            ３３
クランクシャフト        ６１
気体供給ポンプ          ６５
モータ                  ６６
気体供給配管            ６７
ＥＣＵ                  ７０
【図１】
2013234637.tif 000003
【図２】
2013234637.tif 000004
【図３】
2013234637.tif 000005