| 【発明の名称】 |
スターリングエンジン |
| 【発明者】 |
【氏名】山本 康
【住所又は居所】神奈川県藤沢市土棚８番地 株式会社いすゞ中央研究所内
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| 【要約】 |
【課題】作動気体の漏れを確実に防止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】一対のディスプレーサシリンダと、一対のディスプレーサと、一対の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それぞれ一対の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一対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有するパワーピストン機構と、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と連通する第１の連通路と、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と連通する第２の連通路と、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。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のディスプレーサシリンダと、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、該一対の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それぞれ一対の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一対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有するパワーピストン機構と、
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膨張室または収縮室の一方と連通する第１の連通路と、
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膨張室または収縮室の一方と連通する第２の連通路と、
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、
ことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
該ディスプレーサ作動機構は、該一対のディスプレーサにそれぞれ配設された磁石可動体と、該一対のディスプレーサシリンダにそれぞれ配設され該磁石可動体をそれぞれ包囲して配置された筒状の固定ヨークと、該固定ヨークの内側にそれぞれ配設された一対のコイルとを具備している、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
該一対のディスプレーサは連結ロッドによって互いに連結されており、
該ディスプレーサ作動機構は、該一対のディスプレーサの一方に配設された磁石可動体と、該一対のディスプレーサシリンダの一方に配設され該磁石可動体をそれぞれ包囲して配置された筒状の固定ヨークと、該固定ヨークの内側にそれぞれ配設された一対のコイルとを具備している、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
該一対のディスプレーサは連結ロッドによって互いに連結されており、
該ディスプレーサ作動機構は、該一対のディスプレーサに連結された可動ヨークと、該可動ヨークを包囲して配設された電磁コイルとを具備している、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
該一対の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、請求項１記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
該メカニカルスプリング手段は、該一対の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５記載のスターリングエンジン。
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【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、更に詳しくは作動気体の漏れを防止することができ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。従って、スターリングエンジンに用いられる作動気体としては、熱効率を向上させるために水素やヘリウム等の比熱の小さい気体が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
而して、スターリングエンジンの作動気体として用いられる水素やヘリウム等の比熱の小さい気体は、分子の大きさが小さいため摺動部から漏れ易く、一般に摺動部に装着されるシールでは作動気体の漏れを防ぐことが困難である。
【０００４】
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、作動気体の漏れを確実に防止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。
【０００５】
【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、一対のディスプレーサシリンダと、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、該一対の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それぞれ一対の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一対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有するパワーピストン機構と、
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膨張室または収縮室の一方と連通する第１の連通路と、
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膨張室または収縮室の一方と連通する第２の連通路と、
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、
ことを特徴とするスターリングエンジンが提供される。
【０００６】
上記ディスプレーサ作動機構は、上記一対のディスプレーサにそれぞれ配設された磁石可動体と、一対のディスプレーサシリンダにそれぞれ配設され磁石可動体をそれぞれ包囲して配置された筒状の固定ヨークと、該固定ヨークの内側にそれぞれ配設された一対のコイルとを具備している。また、上記一対のディスプレーサは連結ロッドによって互いに連結されており、上記ディスプレーサ作動機構は上記一対のディスプレーサの一方に配設された磁石可動体と、一対のディスプレーサシリンダの一方に配設され磁石可動体をそれぞれ包囲して配置された筒状の固定ヨークと、該固定ヨークの内側にそれぞれ配設された一対のコイルとを具備している。更に、上記一対のディスプレーサは連結ロッドによって互いに連結されており、上記ディスプレーサ作動機構は上記一対のディスプレーサに連結された可動ヨークと、該可動ヨークを包囲して配設された電磁コイルとを具備している。
【０００７】
また、スターリングエンジンは、上記一対の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。このメカニカルスプリング手段は、一対の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。
【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、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パワーピストン機構３の両側に対向して配設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。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および２１ｂ内には、それぞれ膨張室２１１ａと収縮室２１２ａおよび膨張室２１１ｂと収縮室２１２ｂが形成される。なお、図示の実施形態においては、一方のディスプレーサシリンダ２１ａに形成される膨張室２１１ａと他方のディスプレーサシリンダ２１ｂに形成される膨張室２１１ｂとが対向して配設されている。上記一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂ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されている。また、一対のディスプレーサ２２ａおよび２２ｂは、それぞれ両側板２２１ａ、２２２ａおよび両側板２２１ｂ、２２２ｂと、該両側板２２１ａ、２２２ａおよび両側板２２１ｂ、２２２ｂ間に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２２３ａおよび２２３ｂとからなっている。なお、両側板２２１ａ、２２２ａおよび両側板２２１ｂ、２２２ｂには、それぞれ複数個の流通穴２２４ａ、２２５ａおよび２２４ｂ、２２５ｂが形成されている。なお、図示の実施形態においては、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの膨張室２１１ａ、２１１ｂ側の周囲にはそれぞれ加熱室２３ａ、２３ｂが形成され、この加熱室２３ａ、２３ｂにそれぞれ加熱流体が流れるようになっている。
【００１０】
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２５ａと第２の連通路２５ｂによって上記一方のディスプレーサシリンダ２１ａの膨張室２１１ａと他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの膨張室２１１ｂに連通している。
【００１１】
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２５ａと第２の連通路２５ｂ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２５ａ、第２の連通路２５ｂ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。
【００１２】
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、上記一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂのそれぞれ外側の端壁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端壁を貫通しケース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れ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。
【００１３】
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。
【００１４】
上記固定ヨーク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。
【００１５】
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２を参照して説明する。なお、ディスプレーサ作動機構４ａと４ｂは、実質的に同一の構成であるため、図２においては一方のディスプレーサ作動機構４ａについて説明する。
図示の実施形態におけるディスプレーサ作動機構４ａと４ｂ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４３１ａ（４３１ｂ）のＮ極、一方の可動ヨーク４３２ａ（４３２ｂ）、一方のコイル４５ａ（４５ｂ）、固定ヨーク４４ａ（４４ｂ）、他方のコイル４６ａ（４６ｂ）、他方の可動側ヨーク４３３ａ（４３３ｂ）永久磁石４３１ａ（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（４５ｂ、４６ｂ）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４３ａ（４３ｂ）即ちディスプレーサ２２ａ（２２ｂ）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４５ａ、４６ａ（４５ｂ、４６ｂ）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４３ａ（４３ｂ）即ちディスプレーサ２２ａ（２２ｂ）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。
【００１６】
図１に示す実施形態の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３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。
【００１７】
図１に示す実施形態のスターリングエンジンは、上記一対ディスプレーサ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のそれぞれ両側に配設された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。
【００１８】
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。
【００１９】
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ア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３２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。
【００２０】
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を図において右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４３ａ、４３ｂ即ちディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂの右方への移動により、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの収縮室２１２ａ内の作動気体はディスプレーサ２２ａを通して膨張室２１１ａに流入され、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの膨張室２１１ｂ内の作動気体はディスプレーサ２２ｂを通して収縮室２１２ｂ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２１２ａ内で冷却されていた作動気体は上述したようにディスプレーサ２２ａを構成す再生器２２３ａ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２１１ｂ内で加熱されていた作動気体は上述したようにディスプレーサ２２ｂを構成する再生器２２３ｂ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が右方に移動して作動気体が膨張室２１１ａに流入すると、作動気体は加熱室２３ａを流れる加熱流体によって加熱され膨張するため、第１の連通路２５ａ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５（ａ）に示すように左方に移動する。一方、他方のディスプレーサ２２ｂが右方に移動して作動気体が収縮室２１２ｂ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２５ｂを通して吸引される。この結果、パワーピストン３２は図５（ａ）に示すように左方に移動する。
【００２１】
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を図において右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。
【００２２】
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２２ａ、２２ｂ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４３ａ、４３ｂ即ちディスプレーサ２２ａ、２２ｂ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２２ａ、２２ｂの左方への移動により、一方のディスプレーサシリンダ２１ａの膨張室２１１ａ内の作動気体はディスプレーサ２２ａを通して収縮室２１２ａに流入され、他方のディスプレーサシリンダ２１ｂの収縮室２１２ｂ内の作動気体はディスプレーサ２２ｂを通して膨張室２１１ｂ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２１１ａ内で加熱されていた作動気体は上述したようにディスプレーサ２２ａを構成す再生器２２３ａ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２１２ｂ内で冷却されていた作動気体は上述したようにディスプレーサ２２ｂを構成す再生器２２３ｂ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が左方に移動して作動気体が収縮室２１２ａ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２５ａを通して吸引される。この結果、パワーピストン３２は図５（ｂ）に示すように右方に移動する。一方、他方のディスプレーサ２２ｂが左方に移動して作動気体が膨張室２１１ｂに流入すると、加熱室２３ｂを流れる加熱流体によって加熱され膨張するため、第２の連通路２５ｂ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５（ｂ）に示すように右方に移動する。
【００２３】
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を図において左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を図において右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。
【００２４】
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、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の連通路２５ａおとび第２の連通路２５ｂ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。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。なお、上記一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂを連結ロッドで連結し一体的に作動するように構成すれば、ディスプレーサ作動機構は何れか１個でもよい。
【００２５】
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、一対のディスプレーサ２２ａと２２ｂを連結ロッド７によって連結し、一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂをパワーピストン３２と所定の位相差（１８０度）をもって作動するディスプレーサ作動機構を電磁ソレノイド８ａ、８ｂ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。なお、図示の実施形態においては、一対のディスプレーサ２２ａ、２２ｂが連結ロッド７によって連結されているので、メカニカルスプリング手段６ａ、６ｂとしては、一対のディスプレーサ２２ａと２２ｂの両外側に配設された一対のコイルスプリング６１ａ、６２ｂとからなっている。ディスプレーサ作動機構としての電磁ソレノイド８ａ、８ｂは、一対のディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂのそれぞれ外側の端壁に装着された磁性材からなるケース８１ａ、８１ｂと、該ケース８１ａ、８１ｂの端壁８１１ａ、８１１ｂの内壁に突出して形成された固定ヨーク８２ａ、８２ｂと、ディスプレーサ２２ａ、２２ｂに連結されディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂのそれぞれ外側の端壁を貫通しケース８１ａ、８１ｂに挿入し固定ヨーク８２ａ、８２ｂと対向して配設された可動ヨーク８３ａ、８３ｂと、ケース８２ａ、８２ｂ内に配設されボビン８４ａ、８４ｂに捲回された励磁コイル８５ａ、８５ｂとからなっている。
【００２６】
以上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８ａ、８ｂは、電磁ソレノイド８ａの励磁コイル８５ａが制御手段１０により制御されて励磁すると、可動ヨーク８３ａが図において右方に移動してディスプレーサ２２ａ、２２ｂが右方に作動せしめられる。また、電磁ソレノイド８ｂの励磁コイル８５ｂが制御手段１０により制御されて励磁すると、可動ヨーク８３ｂが図において左方に移動してディスプレーサ２２ａ、２２ｂが左方に作動せしめられる。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２２ａ、２２ｂは一対のスプリング６１ａ、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ので、ディスプレーサ２ａ、２２ｂの減衰を補う程度に電磁ソレノイド８ａ、８ｂを駆動すればよい。
【００２７】
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７を参照して説明する。なお、図７に示すスターリングエンジンは、上記図１に示す実施形態における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に配設された発電機１２に代えて磁気駆動機構１３を配設したものである。図示の磁気駆動機構１３は、パワーピストン３２の外周に所定の間隔をおいて配設された一対の環状の永久磁石１３１、１３２を備えている。なお、図示の実施形態においては、一方の永久磁石１３１は図において左側がＮ極に右側がＳ極に設定されており、他方の永久磁石１３２は図において右側がＮ極に左側がＳ極に設定されている。このように配置された一対の永久磁石１３１、１３２の軸方向両側および永久磁石１３１と１３２との間に磁性材からなる環状のポールピース１３３、１３４、１３５が配設されている。一方、上記パワーシリンダ３１の外周には磁性材からなる環状にコア１３６が軸方向に摺動可能に配設されている。このコア１３６の内周面には、上記ポールピース１３３、１３４、１３５と対向する環状突出部１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃが形成されている。また、コア１３６の内周面両側には、環状のスライドブッシュ１３７、１３８が装着されている。なお、コア１３６の外周面には、図示しない被作動物と連結する駆動ロッド１３９が装着されている。
【００２８】
以上のように構成された磁気駆動機構１３は、パワーピストン３２に配設された一対の永久磁石１３１、１３２およびポールピース１３３、１３４、１３５とパワーシリンダ３１に配設されたコア１３６間には、図において矢印で示す磁気回路が形成される。従って、パワーピストン３２が図において左右に移動すると、上記磁気回路に起因する磁力によってコア１３６が追従して移動する。この結果、コア１３６に装着された駆動ロッド１３９を介して図示しない被作動物を作動することができる。
【００２９】
なお、図７に示す実施形態においては、パワーピストン３２に永久磁石１３１、１３２とポールピース１３３、１３４、１３５を配設し、パワーシリンダ３１にコア１３６を配設した構成をしめしたが、パワーシリンダ３１に永久磁石を配設し、パワーピストン３２にコアを配設してもよい。
【００３０】
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３を構成するパワーシリンダ３１の第１の作動室３１ａと第２の作動室３１ｂをディスプレーサシリンダ２１ａ、２１ｂの膨張室２１１ａ、膨張室２１１ｂと連通した例を示したが、ディスプレーサシリンダの２１ａ、２１ｂの膨張室２１１ａ、２１１ｂと収縮室２１２ａ、２１２ｂを逆にして第１の作動室と第２の作動室を収縮室と連通する構成としてもよい。
【００３１】
【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を構成す一対のディスプレーサシリンダとパワーピストン機構を構成するパワーシリンダおよび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と連通する第１の連通路と、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と連通する第２の連通路と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。従って、作動流体の漏れ補充するための作動流体タンクも不要となる。
【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。
【図７】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】
２：ディスプレーサ機構
２１ａ、２１ｂ：ディスプレーサシリンダ
２１１ａ、２１１ｂ：膨張室
２１２ａ、２１２ｂ：収縮室
２２ａ、２２ｂ：ディスプレーサ
２３ａ、２３ｂ：加熱室
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
７：連結ロッド
８ａ、８ｂ：電磁ソレノイド（ディスプレーサ作動機構）
８１ａ、８１ｂ：ケース
８２ａ、８２ｂ：固定ヨーク
８３ａ、８３ｂ：可動ヨーク
８４ａ、８４ｂ：ボビン
８５ａ、８５ｂ：励磁コイル
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
１３：磁気駆動機構
１３１、１３２：一対の永久磁石
１３３、１３４、１３５：ポールピース
１３６：コア
１３７１３８：スライドブッシュ
１３９：駆動ロッド
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００１７０
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
【住所又は居所】東京都品川区南大井６丁目２６番１号
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| 【出願日】 |
平成１４年８月２９日（２００２．８．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５１７７
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 尚純
【識別番号】１００１１３２１７
【弁理士】
【氏名又は名称】奥貫 佐知子
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| 【公開番号】 |
特開２００４−９２４０６（Ｐ２００４−９２４０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１６年３月２５日（２００４．３．２５） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−２５０９４３（Ｐ２００２−２５０９４３） |
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