JP2004068662A - スターリングエンジンおよびアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ケースと、ケース内に摺動可能に配設されたディスプレーサと、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、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であって、ディスプレーサに配設された磁石可動体と、ケースに配設され磁石可動体を包囲して配置された筒状の固定ヨークと、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、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、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ディスプレーサ作動機構の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している。
【選択図】 図1
Description
【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。
【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、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。
【0023】
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の実施形態においては上記図1および図6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7に示す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とを同一軸線上に配置しない形式のものに、本発明を適用したものである。即ち、図7に示すスターリングエンジンは、ケース200aと直角にパワーシリンダ900aを配置し、該パワーシリンダ900aにパワーピストン9aを摺動可能に配設したものである。ケース200aはアルミ合金等の金属材料によって両端が閉鎖して形成され、その図において上端部外周面には加熱用フィン201aが形成されており、図において下半部外周面には冷却用フィン202aが形成されている。このように構成されたケース200a内にはディスプレーサ4が図において上下方向に移動可能に配設されている。従って、ケース200a内は、ディスプレーサ4によって図において上側の膨張側室203aと図において下側の冷却側室204aに区画される。この冷却側室204aが上記パワーシリンダ900aとパワーピストン9によって形成される作動室81aと通路205aによって連通されている。そして、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の磁石可動体11がディスプレーサ4の中央部外周面に配設され、固定ヨーク12および一対のコイル13、14がケース200aに配設されている。このように、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がディスプレーサ4に配設された磁石可動体11とケース200aに配設された固定ヨーク12および一対のコイル13、14とからなっているので、ディスプレーサ4を駆動するためのロッド等がケース200aを貫通しないため、作動気体の漏れを防ぐことができる。そして、ディスプレーサ4の作動周期も上述した各実施形態と同様に一対のコイル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。
【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磁石可動体と、ケースに配設され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、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、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コイル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一対のコイルに印加する電流の切替えによって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。
【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)
- 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。 - 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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