JP3797294B2 - スターリングエンジンおよびアクチュエータ - Google Patents

Description

【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およびアクチュエータに関し、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およびアクチュエータに関する。
【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、一般にケースと、該ケース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、ディスプレーサに連結され該ディスプレーサを所定のタイミングで作動する作動ロッドとを具備している。このようなディスプレーサ式の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】
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。特に、ディスプレーサと連結された作動ロッドはケースを貫通して配設されるため、この貫通した摺動部からの作動気体の漏れを防ぐことが重要である。このような問題を解決するために、ディスプレーサを密封容器で形成し、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るとともに、ガスバネのバネ定数で作動周期が略決定されてしまうので、作動周期を可変にすることが難しく、また、始動機構が別途必要である。また、重力を利用したフリーピストン式ディスプレーサは、ケース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、ディスプレーサの作動周期を適宜変化させることができるとともに、ケースの配置方向に制限がなく、かつ、始動機能を内蔵したスターリングエンジンおよびアクチュエータを提供することにある。さらに、本発明の課題は、往復動するパワーピストンの周囲からも作動気体の漏れを防ぎ、作動気体の完全な密閉を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を解決するために、本発明によれば、ケースと、該ケース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、を具備するスターリングエンジンにおいて、
該ケース内には作動流体が封入された摺動筒体が摺動可能に配設され、該ディスプレーサは該摺動筒体内に摺動可能に配設されるとともに、該膨張室および該作動室は該摺動筒体の両端部に設けられ、かつ、該摺動筒体には作動流体の圧力に応じて伸縮するベローズが装着され、該摺動筒体又は該ベローズには該パワーピストンが装着されており、さらに、
該ディスプレーサに配設された可動ヨークと、該ケースに配設され該可動ヨークを包囲して軸方向に併設された一対の電磁ソレノイドとを具備したディスプレーサ作動機構と、
該パワーピストンの作動位置を検出するパワーピストン位置検出手段と、
該パワーピストン位置検出手段からの検出信号に基づいて該ディスプレーサ作動機構の該一対の電磁ソレノイドの励磁を切り替え制御する制御手段と、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。
【０００７】
また、本発明によれば、ケースと、該ケース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を具備し、該パワーピストンを被作動部材に連結するアクチュエータであって、
該ケース内には作動流体が封入された摺動筒体が摺動可能に配設され、該ディスプレーサは該摺動筒体内に摺動可能に配設されるとともに、該膨張室および該作動室は該摺動筒体の両端部に設けられ、かつ、該摺動筒体には作動流体の圧力に応じて伸縮するベローズが装着され、該摺動筒体又は該ベローズには該パワーピストンが装着されており、さらに、
該ディスプレーサに配設された磁石可動体と、該ケースに配設され該磁石可動体を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配設された一対のコイルとを具備したディスプレーサ作動機構と、
該ディスプレーサ作動機構の該一対のコイルに印加する電流の方向を切り替える切り替え手段と、を具備する、
ことを特徴とするアクチュエータが提供される。
【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およびアクチュエータ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、円筒状のケース２を具備している。このケース２はアルミ合金等の非磁性材料によって形成され、中央摺動部２１と、該中央摺動部２１の図において左側に形成された加熱室２２と、中央摺動部２１の図において右側に形成された冷却室２３を備えている。ケース２には、上記加熱室２２に開口する加熱流体入口２２１および加熱流体出口２２２が設けられているとともに、上記冷却室２３に開口する冷却流体入口２３１および冷却流体出口２３２が設けられている。また、ケース２の中央摺動部２１の内周面には、非磁性材料からなる摺動筒体３が軸方向に摺動可能に配設されている。この摺動筒体３内を挿通してディスプレーサ４が軸方向に摺動可能に配設されている。このディスプレーサ４は非磁性材料によって円筒状に形成されており、その内部には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５が配設されている。
【００１０】
上記加熱室２２内には、膨張ベローズ７が配設されている。この膨張ベローズ７は、一端部が上記摺動筒体３の図において左端部に装着され、他端部がケース２の左端壁２４に装着されている。従って、加熱室２２内には、膨張ベローズ７と摺動筒体３および左端壁２４によって区画され上記筒状のディスプレーサ４内に配設された再生器５と連通する膨張室７１が形成される。一方、上記冷却室２３内には、収縮ベローズ８が配設されている。この収縮ベローズ８は、一端部が上記摺動筒体３の図において右端部に装着され、他端にはパワーピストン９が装着されている。従って、冷却室２３内には、収縮ベローズ８と摺動筒体３によって区画され上記筒状のディスプレーサ４内に配設された再生器５と連通する作動室８１が形成される。上記膨張室７１と作動室８１および筒状のディスプレーサ４内には、水素やヘリウム等の比熱の小さい作動気体が封入されている。なお、上記パワーピストン９には動力取り出しシャフト９１が装着されており、この動力取り出しシャフト９１はケース２の右端壁２５を貫通して配設されている。
【００１１】
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４を周期的に作動するディスプレーサ作動機構１０を備えている。このディスプレーサ作動機構１０は、ディスプレーサ４の中央部外周面に配設された磁石可動体１１と、該磁石可動体１１を包囲して上記ケース２の内側に配設された筒状の固定ヨーク１２と、該固定ヨーク１２の内側に軸方向に併設された一対のコイル１３、１４とを具備している。磁石可動体１１は、ディスプレーサ４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１１１と、該永久磁石１１１の軸方向外側に配設された一対の可動ヨーク１１２、１１３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１１１は、図１おいて右端面がＮ極に着磁され、図１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１１２、１１３は、磁性材によって環状に形成されている。このように構成された磁石可動体１１は、ディスプレーサ４の外周面に形成された環状の嵌合溝４１内に配設されている。
【００１２】
上記固定ヨーク１２は、磁性材によって筒状に形成されており、上記ケース２の内周面に形成された環状の嵌合溝２６内に配設されている。この固定ヨーク１２の内側に一対のコイル１３、１４が配設されている。この一対のコイル１３、１４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１２の内周に沿って装着されたボビン１５に互いに逆巻きに捲回されている。一対のコイル１３、１４は、後述する制御手段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１１と固定ヨーク１２および一対のコイル１３、１４とによって構成されたディスプレーサ作動機構１０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１０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１１１のＮ極、一方の可動ヨーク１１２、一方のコイル１３、固定ヨーク１２、他方のコイル１４（ＭＣ２）、他方の可動側ヨーク１１３、永久磁石１１１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１３、４１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１１即ちディスプレーサ４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１３、１４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１１即ちディスプレーサ４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、上記パワーピストン９の作動位置を検出するパワーピストン位置検出手段１６を備えている。このパワーピストン位置検出手段１６は、パワーピストン９に連結された動力取り出しシャフト９１に対向して配設された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１７に送る。このパワーピストン位置検出手段１６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において横軸はパワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１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、パワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１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（下死点）であり、Ｌ１０は送り側フルストローク位置（上死点）である。制御手段１７はマイクロコンピュータによって構成されており、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）等を備えている。制御手段１７は、上記パワーピストン位置検出手段１６によって検出されたパワーピストン９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１０を構成する一対のコイル１３、１４に制御信号を出力する。
【００１５】
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５（ａ）は収縮終了時を示しており、このときパワーピストン９が図において左端位置、即ち戻り側フルストローク位置（下死点）に位置し、ディスプレーサ４も左端位置、即ち戻り側フルストローク位置（下死点）に位置している。図５（ａ）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１７はディスプレーサ４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１０を駆動せしめる（ステップＳ１）。即ち、制御手段１７はディスプレーサ作動機構１０を構成する一対のコイル１３、１４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１１即ちディスプレーサ４は図５（ｂ）に示すように右方に移動する。このディスプレーサ４の右方への移動により、作動室８１内の作動気体は筒状のディスプレーサ４内に配設された再生器５を通して膨張室７１に流入される。このとき、作動室８１内で冷却されていた作動気体は、再生器５を通過する際に熱交換されて加熱される。図５（ｂ）に示すようにディスプレーサ４が所定量右方に移動した状態が膨張開始時であり、この時点から膨張室７１に流入された作動気体が加熱室２２に導入された加熱流体によって加熱されて膨張する。この結果、ディスプレーサ４は図５（ｃ）に示すように膨張ベローズ７が膨張して摺動筒体３および収縮ベローズ８が図において右方に移動するとともに、ディスプレーサ４が右方に移動せしめられる。そして、図５（ｃ）に示す膨張終了時にパワーピストン９が図において右端位置、即ち送り側フルストローク位置（上死点）に移動せしめられ、ディスプレーサ４も右端位置、即ち送り側フルストローク位置（上死点）に移動せしめられる。
【００１６】
上述したようにステップＳ１においてディスプレーサ４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１０を駆動せしめたならば、制御手段１７はステップＳ２に進んでパワーピストン位置検出手段１６からの検出信号に基づいて、パワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１のストローク位置Ｌが送り側フルストローク位置（上死点）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１７はステップＳ３に進んでパワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１のストローク位置Ｌが戻り側フルストローク位置（下死点）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。今回はパワーピストン９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１７は上記ステップＳ２に戻る。
【００１７】
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１７はパワーピストン９が図５（ｃ）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４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１０を駆動せしめする。即ち、制御手段１７はディスプレーサ作動機構１０を構成する一対のコイル１３、１４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１１即ちディスプレーサ４は図５（ｄ）に示すように左方に移動する。このディスプレーサ４の左方への移動により、膨張室７１内の作動気体は筒状のディスプレーサ４内に配設された再生器５を通して作動室８１に流入される。このとき、膨張室７１内で加熱されていた作動気体は、再生器５を通過する際に熱交換されて冷却される。図５（ｄ）に示す状態が収縮開始時で、ディスプレーサ４が左端位置、即ち戻り側フルストローク位置（下死点）に達する。なお、図５（ｄ）に示す状態が収縮開始時においては、パワーピストン９は図において右端位置、即ち送り側フルストローク位置（上死点）に位置している。そして、図５（ｄ）に示す状態から作動室８１内の作動気体は冷却室２３に導入された冷気によって冷却されて収縮する。この結果、作動室８１を形成する収縮ベローズ８が収縮して図５（ａ）に示す収縮終了時にパワーピストン９が図において左端位置、即ち戻り側フルストローク位置（下死点）に移動せしめられる。
【００１８】
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４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１０を駆動せしめたならば、制御手段は上記ステップＳ２に戻ってパワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１のストローク位置Ｌが送り側フルストローク位置（上死点）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。今回はパワーピストン９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１７は上記ステップＳ３に進んでパワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１のストローク位置Ｌが戻り側フルストローク位置（下死点）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１７はパワーピストン９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においてパワーピストン９のストローク位置ＬがＬ２より小さいならば、制御手段１７はパワーピストン９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４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１０を駆動せしめるように一対のコイル１３、１４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。
【００１９】
以上のサイクルを繰り返すことにより、パワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１を往復運動することができる。従って、動力取り出しシャフト９１を適宜の連接ロッドを介してクランクシャフトに連結すればクランクシャフトを回転することができる。
【００２０】
なお、上述した実施形態において、ディスプレーサ４を送り側フルストローク位置（上死点）と戻り側フルストローク位置（下死点）で停止し、パワーピストン９即ち動力取り出しシャフト９１を送り側フルストローク位置（上死点）Ｌ１０と戻り側フルストローク位置（下死点）Ｌ１で停止するように制御することにより、被作動部材を２位置に作動するアクチュエータとして用いることができる。このようにアクチュエータとして用いる場合には、制御手段１７に切り替え信号を入力するようにしてもよい。この場合、制御手段１７に切り替え信号を入力する手段は、一対のコイル１３、１４に印加する電流の方向を切り替える切り替え手段として機能する。
【００２１】
上述した実施形態におけるスターリングエンジンおよびアクチュエータにおいては、ディスプレーサ４を作動するディスプレーサ作動機構１０がディスプレーサ４に配設された磁石可動体１１と、該磁石可動体１１を包囲してケース２の内側に配設された筒状の固定ヨーク１２と、該固定ヨーク１２の内側に軸方向に併設された一対のコイル１３、１４とからなり、ディスプレーサ４を駆動するためのロッド等がケース２を貫通しないため、密封容器を形成でき作動気体の漏れを防ぐことができる。また、ディスプレーサ４の作動周期も一対のコイル１３、１４に電力を印加する時期を適宜制御させることにより容易に変更することができ、更に、ケース２の配置方向にも制限がない。
【００２２】
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、図１に示す実施形態における冷却室２３内に配設された収縮ベローズ８に代えて、摺動筒体３を延長して形成し、この摺動筒体３の図において右端にパワーピストン９を装着したものである。そして、摺動筒体３の図において右端部外周に冷却フィン３１を装着したものである。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によるスターリングエンジンおよびアクチュエータ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、ディスプレーサを作動するディスプレーサ作動機構がディスプレーサに配設された可動ヨークと、ケースに配設され該可動ヨークを包囲して軸方向に併設された一対の電磁ソレノイドとからなっているので、ディスプレーサを駆動するためのロッド等がケースを貫通しないため、作動気体の漏れを防ぐことができる。殊に、本発明では、ディスプレーサは作動流体が封入された摺動筒体に配設されており、摺動筒体には作動流体の圧力に応じて伸縮するベローズが装着され、パワーピストンは、摺動筒体又はベローズに装着される。このため、パワーピストンの周囲から作動流体が漏れ出すことも防止され完全な密封が達成できる。
また、上記ディスプレーサ作動機構は始動機能も備えているので、始動機構を別途設ける必要がない。更に、ディスプレーサの作動周期も一対の電磁ソレノイドを励磁する時期を適宜制御することにより容易に変更することができ、更に、ケースの配置方向にも制限がない。また、本発明においては、ディスプレーサは上記ディスプレーサ作動機構の電磁力で瞬時に切替わるので、クランク軸連動方式と比較して熱効率が高い。
【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パワーピストン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：ケース
２２：加熱室
２３：冷却室
３：摺動筒体
４：ディスプレーサ
５：再生器
７：膨張ベローズ
８：収縮ベローズ
９：パワーピストン
９１：動力取り出しシャフト
１０：ディスプレーサ作動機構
１１：磁石可動体
１１１：永久磁石
１１２、１１３：一対の可動ヨーク
１２：固定ヨーク
１３、１４：一対のコイル
１６：パワーピストン位置検出手段
１７：制御手段

Claims (2)

1. ケースと、該ケース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、を具備するスターリングエンジンにおいて、
   該ケース内には作動流体が封入された摺動筒体が摺動可能に配設され、該ディスプレーサは該摺動筒体内に摺動可能に配設されるとともに、該膨張室および該作動室は該摺動筒体の両端部に設けられ、かつ、該摺動筒体には作動流体の圧力に応じて伸縮するベローズが装着され、該摺動筒体又は該ベローズには該パワーピストンが装着されており、さらに、
   該ディスプレーサに配設された磁石可動体と、該ケースに配設され該磁石可動体を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配設された一対のコイルとを具備したディスプレーサ作動機構と、
   該パワーピストンの作動位置を検出するパワーピストン位置検出手段と、
   該パワーピストン位置検出手段からの検出信号に基づいて該ディスプレーサ作動機構の該一対のコイルに印加する電流の方向を切り替え制御する制御手段と、を具備する、
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
2. ケースと、該ケース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を具備し、該パワーピストンを被作動部材に連結するアクチュエータであって、
   該ケース内には作動流体が封入された摺動筒体が摺動可能に配設され、該ディスプレーサは該摺動筒体内に摺動可能に配設されるとともに、該膨張室および該作動室は該摺動筒体の両端部に設けられ、かつ、該摺動筒体には作動流体の圧力に応じて伸縮するベローズが装着され、該摺動筒体又は該ベローズには該パワーピストンが装着されており、さらに、
   該ディスプレーサに配設された磁石可動体と、該ケースに配設され該磁石可動体を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配設された一対のコイルとを具備したディスプレーサ作動機構と、
   該ディスプレーサ作動機構の該一対のコイルに印加する電流の方向を切り替える切り替え手段と、を具備する、
   ことを特徴とするアクチュエータ。

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