JP2014031726A - スターリングエンジンの駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱部及び冷却部における作動気体の加熱効率及び冷却効率をより高め、高い熱交換効率を実現する。
【解決手段】 少なくともディスプレーサ用駆動アクチュエータ５ｍを駆動制御することによりディスプレーサピストン２ｍｐを進退駆動し、ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇの作用によりパワーシリンダ６に内蔵するパワーピストン６ｐを移動させるスターリングエンジンの駆動制御方法であって、駆動アクチュエータ５ｍに対してパルス信号となる位置切換制御信号Ｓｍｃを付与することにより、ディスプレーサピストン２ｍｐを、ディスプレーサシリンダ２ｍにおける加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｍｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｍｃに切換制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バイオマス燃料や太陽熱等を熱源に利用して運転できるスターリングエンジンの駆動制御方法に関する。

従来、内部に作動気体及び移動可能なディスプレーサピストンを収容したディスプレーサシリンダと、このディスプレーサシリンダの一端側を加熱可能な加熱部と、ディスプレーサシリンダの他端側を冷却可能な冷却部と、ディスプレーサピストンを進退駆動可能なディスプレーサ用駆動アクチュエータと、ディスプレーサシリンダ内の作動気体の作用により移動可能なパワーピストンを内蔵するパワーシリンダとを具備してなるスターリングエンジンとしては、特許文献１で開示されるフリーピストン型スターリングエンジンが知られている。

同文献１で開示されるフリーピストン型スターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンの位相差を９０度に調整して安定作動させることを目的としたものであり、具体的には、一端に加熱部を有し、且つ他端に冷却部を有するディスプレーサシリンダの内部に移動可能に収容され、加熱部側又は冷却部側に移動されることによりディスプレーサシリンダ内のガスを加熱又は冷却して膨張又は収縮させるディスプレーサピストンと、膨張又は収縮されたガスによりパワーシリンダ内を住復動されるパワーピストンと、該パワーピストンからディスプレーサピストンに往復動をその位相を反転させて伝える位相反転機構と、パワーピストンと位相反転機構との間又は位相反転機構とディスプレーサピストンとの間に設けられ、該ディスプレーサピストンの位相が前記パワーピストンの位相よりも９０度遅れるように調整する位相調整バネとにより構成される。この場合、スターリングエンジンの駆動時におけるディスプレーサピストン及びパワーピストンの時間に対する振幅の変化特性は、共に正弦曲線に沿って変化し、両者間の位相差は９０度となる。

特開２０１０−２８５９３３号公報

しかし、上述した従来のフリーピストン型のスターリングエンジンは、次のような問題点があった。

第一に、ディスプレーサピストンの時間に対する振幅の変化特性、即ち、ディスプレーサシリンダにおける加熱側又は冷却側の容積は、図８（Ａ）に実線で示す特性曲線のように、正弦曲線に沿って変化するため、ディスプレーサシリンダ内のガスに対する加熱作用及び冷却作用も正弦曲線に沿った緩やかな作用となる。このような緩やかな加熱作用及び冷却作用は、高い熱交換効率を実現する観点からは必ずしも望ましい制御態様であるとは言えず、加熱部による加熱効率を高め、かつ冷却部による冷却効率を高める観点からは更なる検証及び改善の余地があった。なお、図８（Ｂ）に実線で示す特性曲線はパワーピストンの時間に対する振幅（ピストン位置）の変化特性であり、ディスプレーサピストンに対して９０゜位相差の正弦曲線となる。

第二に、パワーシリンダとディスプレーサシリンダを基本的な構成要素とし、パワーピストンの反復移動によりエネルギを取出す構造のため、パワーピストンの背圧の影響等により必ずしも作動ガスの有するエネルギを十分に取出しているとはいえない。したがって、スターリングエンジンの原理構成を基本にして、高出力化及び能力アップを図る観点からも更なる改善の余地があった。

本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決したスターリングエンジンの駆動制御方法の提供を目的とするものである。

本発明は、上述した課題を解決するため、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｍｐを内蔵したディスプレーサシリンダ２ｍの一端側を加熱部３により加熱し、かつディスプレーサシリンダ２ｍの他端側を冷却部４により冷却するとともに、少なくともディスプレーサ用駆動アクチュエータ５ｍを駆動制御することによりディスプレーサピストン２ｍｐを進退駆動し、ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇの作用によりパワーシリンダ６に内蔵するパワーピストン６ｐを移動させるスターリングエンジン１の駆動制御方法であって、駆動アクチュエータ５ｍに対してパルス信号となる位置切換制御信号Ｓｍｃを付与することにより、ディスプレーサピストン２ｍｐを、ディスプレーサシリンダ２ｍにおける加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｍｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｍｃに切換制御することを特徴とする。

この場合、発明の好適な態様により、駆動アクチュエータ（主駆動アクチュエータ）５ｍにはリニア式電動アクチュエータ５ｍｘを用いることができる。また、ディスプレーサシリンダ（主ディスプレーサシリンダ）２ｍに対して、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｓｐを内蔵した第二のディスプレーサシリンダ（副ディスプレーサシリンダ）２ｓの一端側を加熱部３により加熱し、かつ副ディスプレーサシリンダ２ｓの他端側を冷却部４により冷却するとともに、第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータ（副駆動アクチュエータ）５ｓを駆動制御することにより副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動し、パワーピストン６ｐにより仕切られたパワーシリンダ６の前後室６ｆ，６ｒの一方６ｒに主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇを作用させ、かつ前後室６ｆ，６ｒの他方６ｆに副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇを作用させるとともに、副駆動アクチュエータ５ｓに対してパルス信号となる第二の位置切換制御信号Ｓｓｃを付与することにより、副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを、副ディスプレーサシリンダ２ｓにおける加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｓｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｓｃに切換えることができる。なお、副駆動アクチュエータ５ｓにはリニア式電動アクチュエータ５ｓｘを用いることができる。さらに、主駆動アクチュエータ５ｍに付与する位置切換制御信号Ｓｍｃの位相と第二の位置切換制御信号Ｓｓｃの位相は１８０〔゜〕異ならせることができる。一方、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる出力部７を設けることができ、この出力部７には、少なくとも、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓを有するリニア式発電機１１ｘを含む発電機１１，又は運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２の一方又は双方を含ませることができる。また、パワーピストン６ｐの前端位置Ｘｆと後端位置Ｘｒを位置センサ１５ｆ，１５ｒ，１５により検出し、この検出結果に基づいて各位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃを生成することができる。なお、この前端位置Ｘｆと後端位置Ｘｒは変更可能にすることができる。

このような手法による本発明に係るスターリングエンジン１の駆動制御方法によれば、次のような顕著な効果を奏する。

（１） 駆動アクチュエータ５ｍに対してパルス信号となる位置切換制御信号Ｓｍｃを付与することにより、ディスプレーサピストン２ｍｐを、ディスプレーサシリンダ２ｍにおける加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｍｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｍｃに切換制御するようにしたため、加熱時には加熱側容積最大位置Ｘｍｈにおける最大量の作動気体Ｇに対して直ち（ほぼ瞬時）に加熱を開始できるとともに、冷却時には冷却側容積最大位置Ｘｍｃにおける最大量の作動気体Ｇに対して直ち（ほぼ瞬時）に冷却を開始できる。したがって、作動気体Ｇに対する加熱部３による加熱効率及び冷却部４による冷却効率をより高め、ディスプレーサシリンダ２ｍにおける高い熱交換効率を実現することができる。

（２） 好適な態様により、主駆動アクチュエータ５ｍにリニア式電動アクチュエータ５ｍｘを用い、及び（又は）副駆動アクチュエータ５ｓにリニア式電動アクチュエータ５ｓｘを用いれば、駆動制御部と組合わせることにより、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐを、正確なタイミングで確実かつ円滑に移動させることができるとともに、多様な制御が可能になるため、制御態様の最適化を容易に行うことができる。特に、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐをリニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘの駆動出力軸により直接移動させることができるため、例えば、ロータリアクチュエータを使用した際に用いるクランク機構やボールねじ機構等の運動変換機構が不要となり、部品点数の削減によるスターリングエンジン全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる。

（３） 好適な態様により、主ディスプレーサシリンダ２ｍに対して、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｓｐを内蔵した副ディスプレーサシリンダ２ｓの一端側を加熱部３により加熱し、かつ副ディスプレーサシリンダ２ｓの他端側を冷却部４により冷却するとともに、副駆動アクチュエータ５ｓを駆動制御することにより副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動し、パワーピストン６ｐにより仕切られたパワーシリンダ６の前後室６ｆ，６ｒの一方６ｒに主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇを作用させ、かつ前後室６ｆ，６ｒの他方６ｆに副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇを作用させるとともに、副駆動アクチュエータ５ｓに対してパルス信号となる第二の位置切換制御信号Ｓｓｃを付与することにより、副ディスプレーサシリンダ２ｓに内蔵するディスプレーサピストン２ｓｐを、副ディスプレーサシリンダ２ｓの加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｓｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｓｃに切換えるようにすれば、パワーピストン６ｐの前後面の圧力差を大きくすることができるため、概ね２倍のパワーアップ、即ち、高出力化及び能力アップを実現できる。

（４） 好適な態様により、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓを有する発電機１１を設ければ、太陽熱やバイオマス等の自然エネルギを利用し、或いは工場の排熱等の廃棄エネルギを再利用する、地球環境に優しい発電システムの一つとして構築できる。特に、発電機１１として、リニア式発電機１１ｘを設ければ、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動出力を、リニア式発電機１１ｘの運動入力として直接利用できるため、部品点数の最少化を図ることができ、スターリングエンジン１全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる。

（５） 好適な態様により、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２を設ければ、運動入力軸７ｓの運動を、産業機械等の動力源として直接利用することができるとともに、運動入力軸７ｓをシーリングカバーで覆うことにより、出力部７における密閉性を容易かつ確実に確保することができる。

（６） 好適な態様により、パワーピストン６ｐの前端位置Ｘｆと後端位置Ｘｒを位置センサ１５ｆ，１５ｒにより検出し、この検出結果に基づいて各位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃを生成するようにすれば、各位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃを容易に生成することができるとともに、位置切換制御を確実に行うことができる。

（７） 好適な態様により、前端位置Ｘｆと後端位置Ｘｒを変更可能にすれば、常に最大出力を得るための最化制御を容易に行えるなど、多様的で発展的な制御を行うことができる。

本発明の好適実施形態に係る駆動制御方法を実施できるスターリングエンジンの各部の動きを示すタイミングチャート、 同スターリングエンジンの内部構造を示す断面側面図、 同スターリングエンジンの電気系のブロック系統図、 同スターリングエンジンの外観図、 同スターリングエンジンの密閉構造のハウジング部を示す断面側面図、 同スターリングエンジンの第一の動作過程を示す説明図、 同スターリングエンジンの第二の動作過程を示す説明図、 同スターリングエンジンの各部の動きを背景技術に係るスターリングエンジンの各部の動きと対比して示すタイミングチャート、 同スターリングエンジンの駆動制御方法の変更例に係る各部の動きを示すタイミングチャート、 同スターリングエンジンにおける出力部を運動出力ユニットに変更した場合の断面側面図、 同スターリングエンジンにおける出力部に付設した位置センサの変更例を示す断面側面図、

次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る駆動制御方法を実施できるスターリングエンジン１の構成について、図２〜図５を参照して説明する。

スターリングエンジン１は、大別して、第一のディスプレーサシリンダとなる主ディスプレーサシリンダ２ｍ，第一のディスプレーサ用駆動アクチュエータとなる主駆動アクチュエータ５ｍ，パワーシリンダ６，出力部７及び駆動制御部１３を有する基本構成を備えるとともに、第二のディスプレーサシリンダとなる副ディスプレーサシリンダ２ｓ及び第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータとなる副駆動アクチュエータ５ｓ、更に、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの一端側を加熱可能な加熱部３と、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの他端側を冷却可能な冷却部４を備えて構成する。

この場合、主ディスプレーサシリンダ２ｍの内部には、作動気体Ｇ、望ましくは、ヘリウムガス，窒素ガス等の不活性ガスを、例えば、０．５〜１０〔ＭＰａ〕程度の高圧状態で収容するとともに、軸方向Ｆｓへ自在に移動可能なディスプレーサピストン２ｍｐを内蔵する。したがって、主ディスプレーサシリンダ２ｍの内周面とディスプレーサピストン２ｍｐの外周面の間には、作動気体Ｇが流通可能な隙間Ｃｍが設けられている。ディスプレーサピストン２ｍｐは、片ロッドタイプであり、ピストンロッド２１ｍは、主ディスプレーサシリンダ２ｍの一方の端面２ｍｆから突出する。また、副ディスプレーサシリンダ２ｓも主ディスプレーサシリンダ２ｍと同様に構成し、ディスプレーサピストン２ｓｐを内蔵するとともに、ピストンロッド２１ｓは、副ディスプレーサシリンダ２ｓの一方の端面２ｓｆから突出する。これにより、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｍｐを内蔵した主ディスプレーサシリンダ２ｍが構成されるとともに、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｓｐを内蔵した副ディスプレーサシリンダ２ｓが構成される。なお、Ｃｓは、副ディスプレーサシリンダ２ｓの内周面とディスプレーサピストン２ｓｐの外周面の間に設けられることにより作動気体Ｇが流通可能な隙間を示す。

一方、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓは、図２に示すように並設する。そして、図４に示すように、ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓの一端側（ヘッド側）には、加熱部３を付設するとともに、ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓの他端側（ピストンロッド側）には、冷却部４を付設する。この場合、加熱部３には、バイオマス（量的生物資源）燃料を利用した燃焼装置，太陽熱を集めて高温化する集熱装置，工場の排熱等の廃棄エネルギを再利用する加熱装置等の、各種高温発生手段を利用できる。例示は、バイオマス燃料の燃焼装置３ａである。冷却部４には、ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓに付設したウォータジャケット４ａｊに冷却水を供給して冷却を行う冷却水供給装置４ａを用いることができる。冷却水には、井戸水，河川水，水道水等を利用できる。なお、冷却水は、積極的に冷却した水という意味ではなく、ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓを冷却する水の意味であり、例えば、工場等の廃棄水をそのまま利用する形態であってもよい。したがって、冷却部４も冷却する目的を達成できるものであれば、各種冷却手段を利用できる。これにより、主ディスプレーサシリンダ２ｍの一端側を加熱可能な加熱部３が構成されるとともに、ディスプレーサシリンダ２ｍの他端側を冷却可能な冷却部４が構成される。

また、加熱部３及び冷却部４は、それぞれ主ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓに共用させることができる。例示は、ディスプレーサシリンダ２ｍと２ｓを並設したため、加熱部３及び冷却部４をディスプレーサシリンダ２ｍと２ｓに共用させたが、主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓを離間して設置した場合には、主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓのそれぞれに独立した加熱部３…及び冷却部４…を付設したり、或いは加熱部３を主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓの双方に共用し、冷却部４…を主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓのそれぞれに独立して付設する形態であってもよい。

このように、加熱部３及び（又は）冷却部４を、主ディスプレーサシリンダ２ｍ及び副ディスプレーサシリンダ２ｓに共用するようにすれば、加熱部３及び（又は）冷却部４を構成する部品点数を半減できるため、スターリングエンジン１の更なるコスト低減及び小型化に寄与できるとともに、加熱形態及び冷却形態の組合わせにより、その最適化を容易に行える利点がある。

さらに、主ディスプレーサシリンダ２ｍに対する同軸上の位置であって、この主ディスプレーサシリンダ２ｍにおけるピストンロッド２１ｍが突出する端面２ｍｆに対向する位置には、主駆動アクチュエータ５ｍを配設する。また、副ディスプレーサシリンダ２ｓに対する同軸上の位置であって、この副ディスプレーサシリンダ２ｓにおけるピストンロッド２１ｓが突出する端面２ｓｆに対向する位置には、副駆動アクチュエータ５ｓを配設する。各駆動アクチュエータ５ｍ及び５ｓには、電動式駆動アクチュエータ、望ましくはリニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いることができる。この場合、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘの各プランジャ（駆動出力軸）２２ｍ，２２ｓは、前述したピストンロッド２１ｍ，２１ｓにそれぞれ直結することができる。したがって、ピストンロッド２１ｍ（２１ｓ）とプランジャ２２ｍ（２２ｓ）は、一本のロッドにより兼用可能である。

これにより、主駆動アクチュエータ５ｍは、主ディスプレーサピストン２ｍｐを進退駆動可能となるともに、副駆動アクチュエータ５ｓは、副ディスプレーサピストン２ｓｐを進退駆動可能となる。なお、２３ｍはピストンロッド２１ｍ（プランジャ２２ｍ）を覆う軸受管、２３ｓはピストンロッド２１ｓ（プランジャ２２ｓ）を覆う軸受管をそれぞれ示す。なお、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘにおいて、２４ｍ，２４ｓはコイル、２５ｍ，２５ｓはマグネットを示し、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘは、リニアモータ原理により作動する。

このように、駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いれば、駆動制御部１３と組合わせることにより、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐを、正確なタイミングで確実かつ円滑に移動させることができるとともに、多様な制御が可能になるため、制御態様の最適化を容易に行うことができる。特に、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐをリニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘの駆動出力軸により直接移動させることができるため、例えば、ロータリアクチュエータを使用した際に用いるクランク機構やボールねじ機構等の運動変換機構が不要となり、部品点数の削減によるスターリングエンジン１全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる利点がある。

他方、片ロッドタイプのパワーピストン６ｐを内蔵するパワーシリンダ６を備える。そして、パワーシリンダ６の後端面６ｃｒと主ディスプレーサシリンダ２ｍの端面２ｍｆを連通管２６ｍを介して接続する。これにより、パワーピストン６ｐにより仕切られる後室６ｒは、連通管２６ｍを介して主ディスプレーサシリンダ２ｍの内部に連通する。また、パワーシリンダ６の前端面６ｃｆと副ディスプレーサシリンダ２ｓの端面２ｓｆを連通管２６ｓを介して接続する。これにより、パワーピストン６ｐにより仕切られる前室６ｆは、連通管２６ｓを介して副ディスプレーサシリンダ２ｓの内部に連通する。よって、主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇの作用及び副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇの作用により移動可能なパワーピストン６ｐを内蔵するパワーシリンダ６が構成される。

一方、パワーシリンダ６に対する同軸上の位置であって、前端面６ｃｆに対向する位置には、出力部７を構成する発電機１１を配設する。これにより、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動が作用される運動入力軸７ｓを有する発電機１１が構成される。発電機１１には、リニア式発電機１１ｘを用いることが望ましい。この場合、リニア式発電機１１ｘのシャフトとなる運動入力軸７ｓは、パワーピストン６ｐのピストンロッド６ｐｏに直結させることができる。したがって、ピストンロッド６ｐｏと運動入力軸７ｓは、一本のロッドにより兼用することができる。なお、リニア式発電機１１ｘにおいて、２７はコイル、２８はマグネットを示す。また、リニア式発電機１１ｘのケーシング部１１ｘｃの内部には、マグネット２８の運動軸方向の位置、即ち、パワーシリンダ６内におけるパワーピストン６ｐの位置（前端位置，後端位置）を間接的に検出する二つの位置センサ１５ｆ，１５ｒを配設する。この場合、１５ｆは前位置センサ、１５ｒは後位置センサとなる。これらの位置センサ１５ｆ，１５ｒには、マグネット２８（又は他の一体部品）の位置を非接触で検出可能なリードスイッチや光学的センサ等を用いることができる。

このように、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓを有する発電機１１を設ければ、太陽熱やバイオマス等の自然エネルギを利用し、或いは工場の排熱等の廃棄エネルギを再利用する、地球環境に優しい発電システムの一つとして構築できる。特に、発電機１１に、リニア式発電機１１ｘを用いれば、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動出力を、リニア式発電機１１ｘの運動入力として直接利用できるため、部品点数の最少化を図ることができ、スターリングエンジン１全体の小型化，低コスト化及び軽量化に寄与できる利点がある。なお、２９はピストンロッド６ｐｏ（運動入力軸７ｓ）を覆う軸受管を示す。

ところで、このような機械的構成を有するスターリングエンジン１は、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ、パワーシリンダ６及び発電機１１を、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓにより構成することができる。即ち、図５に示すように、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓのシリンダ部２ｍｃ，２ｓｃ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓのケーシング部５ｍｃ，５ｓｃ、パワーシリンダ６のシリンダ部６ｃ、リニア式発電機１１ｘのケーシング部１１ｘｃ、各連通管２６ｍ，２６ｓ及び各軸受管２３ｍ，２３ｓ，２９を、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓによるハウジング部６１により構成することができる。なお、図５は、連続する密閉構造Ｍｓとして、全体を一体成形したハウジング部６１を示すが、連続する密閉構造Ｍｓとは、各部を別体の部品として製作し、必要なシーリング手段を介して結合する場合を含む概念である。このように、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ、パワーシリンダ６及び発電機１１を、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓにより構成すれば、密閉構造のハウジング部６１を容易かつ安価に製作できるとともに、気密性及び信頼性の高いハウジング部６１を確実に得れる利点がある。

他方、図３には、スターリングエンジン１の全体の駆動制御を司る駆動制御部１３を示す。駆動制御部１３は、一連の制御処理を行うマイクロコンピュータを用いた制御部本体５１を備え、この制御部本体５１には、前位置センサ１５ｆ及び後位置センサ１５ｒの検出結果に対応して各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに対する切換制御（各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置切換制御）及び駆動制御を行うためのシーケンスプログラムを格納したメモリ５１ｍが付属する。したがって、各位置センサ１５ｆ，１５ｒにより検出されるパワーピストン６ｐの前端位置Ｘｆ，後端位置Ｘｒの検出結果は、制御部本体５１に付与され、制御部本体５１では、検出結果となる前端位置Ｘｆ，後端位置Ｘｒに基づいて、駆動アクチュエータ５ｍを駆動制御するための位置切換制御信号Ｓｍｃと駆動アクチュエータ５ｓを駆動制御するための位置切換制御信号Ｓｓｃが生成される。このように、各位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃは、各位置センサ１５ｆ，１５ｒの検出結果に基づいて容易に生成することができるとともに、位置切換制御を確実に行うことができる。その他、５２は運転スイッチ等を含む操作部を示すとともに、５３はリニア式発電機１１ｘに接続した電源設備を示す。なお、駆動制御部１３は、マイクロコンピュータを用いた制御部本体５１を例示したが、電気回路の組合わせにより構成してもよい。

よって、このような構成を備えるスターリングエンジン１によれば、パワーピストン６ｐにより仕切られたパワーシリンダ６の前後室６ｆ，６ｒの一方６ｒに主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇを作用させ、かつ前後室６ｆ，６ｒの他方６ｆに副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇを作用させてなるため、作動気体Ｇがパワーピストン６ｐ（ピストンロッド）とパワーシリンダ６間から僅かに漏れたとしても、パワーシリンダ６と各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓから形成される密閉空間内の移動に留まる。したがって、この密閉空間外、即ち、系外への漏れが確実に防止されるため、作動気体Ｇの漏れに基づく性能低下や効率低下を回避できる。さらに、発電機１１（出力部７）を含めて密閉空間に形成すれば、ピストンロッド６ｐｏと軸受管２９間の隙間から漏れる作動気体Ｇに対しても系外への漏れを確実に防止できる。加えて、高気密性を確保する特別な構造や高度な精密部品を組合わせるなどの専用対策が不要になるため、全体のコスト削減にも寄与できる。

次に、このような構成を備えるスターリングエンジン１の動作を含む本実施形態に係る駆動制御方法について、図１〜図３，図６〜図７を参照して説明する。

まず、図３の操作部５２の運転スイッチをＯＮにすることにより、燃焼装置３ａ及び冷却水供給装置４ａが作動し、図２に示すように、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの一端側（ヘッド側）が、通常、数百〔℃〕以上に加熱されるとともに、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓの他端側（ピストンロッド側）が冷却水により冷却される。この後、制御部本体５１から各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置を切換える位置切換制御信号（パルス信号）Ｓｍｃ，Ｓｓｃが各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに付与され、スターリングエンジン１の運転が行われる。

図１は、スターリングエンジン１の各部の動きを示すタイミングチャートである。なお、図１における符号（ａ）〜（ｈ）は、図６における（ａ）〜（ｄ）及び図７における（ｅ）〜（ｈ）の符号に対応する。また、図６及び図７において、点線矢印は作動気体Ｇの流通方向を示している。さらに、電源設備５３には、発電機１１の発電出力を蓄電するバッテリを搭載し、運転開始時には、このバッテリを利用して駆動制御部１３及び各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓ等を駆動することができる。

今、スターリングエンジン１は図１（ａ）のタイミングにあるものとする。このタイミングにおけるスターリングエンジン１の動作状態を図６（ａ）に示す。このタイミングでは、パワーシリンダ６のパワーピストン６ｐが前端位置Ｘｆに位置し、この前端位置Ｘｆは前位置センサ１５ｆにより検出されるとともに、この検出結果は制御部本体５１に付与される。そして、制御部本体５１では、前位置センサ１５ｆの検出結果に基づいてパルス信号となる位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃが生成され、位置切換制御信号Ｓｍｃは一方の駆動アクチュエータ５ｍに付与されるとともに、位置切換制御信号Ｓｓｃは他方の駆動アクチュエータ５ｓに付与される。これにより、駆動アクチュエータ５ｍが駆動制御され、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐは、図６（ａ）中における右端位置から左端位置へ直ちに移動するとともに、駆動アクチュエータ５ｓが駆動制御され、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐは、図６（ａ）中における左端位置から右端位置へ直ちに移動する。なお、図６（ａ）は、この切換動作の中間のタイミングを示している。

したがって、やや時間が経過した図１（ｂ）に示すタイミングでは、図６（ｂ）に示すように、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが左端位置、即ち、主ディスプレーサシリンダ２ｍにおける冷却側の容積が最大となる冷却側容積最大位置Ｘｍｃに移動するとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐは右端位置、即ち、副ディスプレーサシリンダ２ｓにおける加熱側の容積が最大となる加熱側容積最大位置Ｘｓｈに移動する。このように、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓが切換制御され、主ディスプレーサシリンダ２ｍは、加熱側容積最大から冷却側容積最大に切換えられるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓは、冷却側容積最大から加熱側容積最大に切換えられる。

これにより、副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇが膨張し、連通管２６ｓを介してパワーシリンダ６の前室６ｆ内に作用するとともに、主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇが収縮し、連通管２６ｍを介してパワーシリンダ６の後室６ｒ内に作用するため、パワーシリンダ６内のパワーピストン６ｐは後側（図６（ｂ）中、上側）へ移動する。なお、従来のように主ディスプレーサシリンダ２ｍのみを備えた場合には、主ディスプレーサシリンダ２ｓにおける作動気体Ｇの収縮のみでパワーピストン６ｐが移動することになる。

また、図１（ｃ），（ｄ）もパワーピストン６ｐの移動途中のタイミングを示し、図６（ｃ），（ｄ）がこの状態に対応する。そして、パワーピストン６ｐが、図７（ｅ）に示すパワーシリンダ６の後端位置（図７（ｅ）中、上端位置）Ｘｒに達すれば、後位置センサ１５ｒが検出する。これにより、制御部本体５１が各位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃを出力し、このタイミングにおいて、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが、図６（ｄ）の左端位置から右端位置へ移動し、冷却側容積最大から加熱側容積最大に切換わるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐが、図６（ｄ）の右端位置から左端位置へ移動し、加熱側容積最大から冷却側容積最大に切換わる。図７（ｅ）は、この切換動作の中間のタイミングを示している。

したがって、やや時間が経過した図１（ｆ）に示すタイミングでは、図７（ｆ）に示すように、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが右端位置（加熱側容積最大位置Ｘｍｈ）へ移動し、加熱側容積最大になるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐが左端位置（冷却側容積最大位置Ｘｓｃ）へ移動し、冷却側容積最大になる。これにより、主ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇが膨張し、連通管２６ｍを介してパワーシリンダ６の後室６ｒに作用するとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓ内の作動気体Ｇが収縮し、連通管２６ｓを介してパワーシリンダ６の前室６ｆに作用するため、パワーシリンダ６内のパワーピストン６ｐが前側（図７（ｆ）中、下側）へ移動する。

また、図１（ｇ），（ｈ）もパワーピストン６ｐの移動途中のタイミングを示し、図７（ｇ），（ｈ）がこの状態に対応する。そして、パワーピストン６ｐが、図６（ａ）に示すパワーシリンダ６の前端位置（図６（ａ）中、下端位置）Ｘｆに達すれば、前位置センサ１５ｆが検出する。この結果、制御部本体５１が各位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃを出力し、このタイミングにおいて、主ディスプレーサシリンダ２ｍのディスプレーサピストン２ｍｐが、図７（ｈ）の右端位置から左端位置へ移動し、加熱側容積最大から冷却側容積最大に切換わるとともに、副ディスプレーサシリンダ２ｓのディスプレーサピストン２ｓｐが、図７（ｈ）の左端位置から右端位置へ移動し、冷却側容積最大から加熱側容積最大に切換わる。図６（ａ）は、この切換動作の中間のタイミングを示している。

これにより、スターリングエンジン１の１周期（１サイクル）の動作過程が終了する。このように、本実施形態に係る駆動制御方法は、図１に示すように、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置が、パルス信号となる位置切換制御信号Ｓｍｃ，Ｓｓｃによりほぼ瞬時に切換えられる。即ち、主駆動アクチュエータ５ｍに位置切換制御信号Ｓｍｃが付与されることにより、ディスプレーサピストン２ｍｐは、ディスプレーサシリンダ２ｍにおける加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｍｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｍｃに、ほぼ瞬時に切換えられ、直ちに加熱側容積最大位置Ｘｍｈにおける最大量の作動気体Ｇに対する加熱又は冷却側容積最大位置Ｘｍｃにおける最大量の作動気体Ｇに対する冷却が開始される。同様に、副駆動アクチュエータ５ｓに位置切換制御信号Ｓｓｃが付与されることにより、ディスプレーサピストン２ｓｐは、ディスプレーサシリンダ２ｓにおける加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｓｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｓｃに、ほぼ瞬時に切換えられ、直ちに加熱側容積最大位置Ｘｓｈにおける最大量の作動気体Ｇに対する加熱又は冷却側容積最大位置Ｘｓｃにおける最大量の作動気体Ｇに対して冷却が開始される。したがって、作動気体Ｇに対する加熱部３による加熱効率及び冷却部４による冷却効率をより高め、ディスプレーサシリンダ２ｍにおける高い熱交換効率を実現することができる。

この点が図８（Ａ），（Ｂ）に実線で示す背景技術に係るスターリングエンジンとは異なる。即ち、背景技術で挙げたスターリングエンジンにおけるディスプレーサピストンの位置（振幅）の時間的変動は、図８（Ａ）に示すような、いわば正弦曲線Ｄｒに従ったものとなる。これに対し、本実施形態に係る駆動制御方法におけるディスプレーサピストンの位置の時間的変動は、図８（Ａ）に仮想線で示す矩形線（パルス波形）Ｄｉに従ったものとなる。したがって、図８（Ａ）に実線と仮想線で示したディスプレーサピストンの位置の時間的変動を比較することにより、本実施形態に係る駆動制御方法の優位性を検証することができる。

通常、ディスプレーサシリンダに対して単位時間に出入する熱量Ｑ，伝熱面積Ｋａ，熱源との温度差ΔＴ，の間には、Ｑ∝Ｋａ×ΔＴの関係が成立する。ディスプレーサシリンダの直径を一定とすると、加熱部（又は冷却部）の伝熱面積∝加熱部（又は冷却部）のディスプレーサ容積となるため、図８（Ａ）は伝熱面積の時間的変動とみることができる。そこで、ディスプレーサピストンを正弦曲線Ｄｒで駆動制御した場合における加熱部伝熱面積の最大値をＨｐとすると、加熱部伝熱面積の平均値Ｈｉは、正弦曲線の特性により、Ｈｉ＝（２／π）×Ｈｐ＝０．６４Ｈｐとなる。このことは、図８（Ａ）で２種類のハッチングで示す面積がバランスすることからも明らかである。

一方、ディスプレーサピストンの加熱側容積最大位置Ｘｍｈを、正弦曲線Ｄｒにより駆動制御した場合と同じ位置に設定し、本実施形態に係る方法により駆動制御した場合、加熱部伝熱面積は一定値Ｈｐになるとともに、加熱部伝熱面積の平均値もＨｐとなる。したがって、加熱過程における平均で見た場合、ΔＨ（Ｈｐ−Ｈｉ）分の伝熱面積が正弦曲線Ｄｒにより駆動制御した場合に比べて増加する。即ち、本実施形態に係る駆動制御方法を用いた場合には、背景技術で挙げたスターリングエンジンの場合に比べて加熱過程における伝熱面積の総和が、Ｈｐ／Ｈｉ＝π／２＝１．５７倍に増加する。冷却過程においても同様に伝熱面積の総和が増加し、それに伴って、上述したＱ∝Ｋａ×ΔＴにより、ディスプレーサシリンダに単位時間に出入する熱量Ｑ及びパワーピストンの出力が増加する。

また、本実施形態に係る駆動制御方法を用いた場合には、ディスプレーサピストンの位置切換後の初期段階で最大値の作動気体Ｇが直ちに加熱又は冷却されるため、作動気体Ｇが所定の温度まで加熱又は冷却されるまでの時間が背景技術で挙げたスターリングエンジンの場合よりも短くなる。このため、パワーピストンの振動数を背景技術で挙げたスターリングエンジンよりも高くすることが可能となり、より高い出力を得れることになる。加えて、本実施形態に係る駆動制御方法を適用したスターリングエンジン１は、主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓを組合わせた構造を有するため、パワーピストン６ｐの前後面の圧力差を大きくすることができ、概ね２倍のパワーアップ、即ち、高出力化及び能力アップを実現できる。なお、この際、パワーピストン６ｐの前後面における圧力の高低が交互に変化するため、パワーピストン６ｐ（ピストンロッド）とパワーシリンダ６間において作動気体Ｇの移動が発生したとしても、長期的に見た場合、平均化（相殺）され、主ディスプレーサシリンダ２ｍ側の作動気体Ｇと副ディスプレーサシリンダ２ｓ側の作動気体Ｇは均等に維持されることになり、パワーピストン６ｐの出力低下は回避される。

また、図８（Ｂ）に示すように、背景技術で挙げたスターリングエンジンでは、パワーピストンの位置の変化もディスプレーサシリンダにおける加熱側及び冷却側の容積変化と同様に正弦曲線Ｄｒｐとなる。これに対して、本実施形態のようなパルス信号となる位置切換制御信号Ｓｍｃにより駆動制御した場合、パワーピストン６ｐの位置は仮想線で示す変化曲線Ｄｉｐとなる。即ち、ディスプレーサピストンの位置を加熱側容積最大位置Ｘｍｈに切換えた直後の初期段階から最大量の作動気体Ｇが直ちに加熱されるため、作動気体Ｇは初期段階に急峻に膨張してパワーピストン６ｐを速い速度で移動させるが、時間の経過により温度差が小さくなるに従って移動速度は急速に減少する。したがって、図９（Ｂ）に示すように、パワーピストン６ｐが前端位置Ｘｆから移動を開始した後、後端位置Ｘｒに到達する手前の位置、即ち、例示の場合、位置Ｘｒｓ（変更後の後端位置）で切換える早期切換モードによる制御も可能になる。例示した早期切換モードの場合、一周期当たり本来の切換時点に対して３／４時点でディスプレーサピストンの位置の切換えを行っている。このことはパワーピストンの振動数ｆが４／３倍になることを意味する。なお、このときのパワーピストン６ｐの振幅Ａ（Ｘｒｓ）は、図８（Ｂ）についてみると、後端位置Ｘｒで切換えた場合の振幅Ａ（Ｘｒｓ）の、Ａ（Ｘｒｓ）／Ａ（Ｘｒ）＝３６／３９＝０．９２倍となる。

さらに、パワーピストン６ｐの出力Ｗ、振幅Ａ、振動数ｆの間には、パワーピストンに対して働く力が同じとすると、Ｗ∝Ａ×ｆの関係が成立するため、パワーピストン６ｐの出力Ｗは、（３６／３９）×（４／３）≒１．２３倍となる。即ち、例示したように、ディスプレーサピストンの位置を、本来の切換時点に対して３／４の時点で行う早期切換モードで制御した場合には、１．２３倍の出力アップが可能となる。加えて、本実施形態に係わる駆動制御方法を用いた場合には、前述したように、一周期における平均伝熱面積を、Ｈｐ／Ｈｉ＝π／２＝１．５７倍にすることが可能となるため、１．２３×１．５７≒１．９３倍の能力アップを図ることができる。なお、図９において、Ｄｉｅｐは、早期切換モードを行った場合、即ち、一周期当たり３／４時点での早期切換えを行った場合におけるパワーピストン６ｐの位置の変化特性を示すとともに、Ｘｆｓは、変更後の前端位置、即ち、早期切換モードを行った場合における、前端側の本来位置に対する３／４時点のディスプレーサピストン位置切換制御信号生成位置を示し、この位置Ｘｆｓは、上述した位置Ｘｒｓに対応する。また、Ｄｉｅは、早期切換モードを行った場合の主ディスプレーサピストン２ｍｐの位置の変化特性、Ｓｍｃｅは早期切換モードを行った場合の位置切換制御信号をそれぞれ示し、位置変化特性Ｄｉｅは、位置切換制御信号Ｓｍｃｅによって制御されている。

このように、本実施形態に係る駆動制御方法を用いる場合、図１に示した制御形態は、パワーピストン６ｐの運動周期を設計条件の最適値に設定する場合を想定しているため、パワーピストン６ｐの運動周期を短くして振動数を増加させた場合、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの往復運動で消費されるエネルギ或いはピストンシリンダや軸受管等において摩擦によって消費されるエネルギの急激な増加によってパワーピストン６ｐからの出力が低下する虞れがある。これに対して、図９に示した実施形態は、熱源温度差が減少又はパワーピストン６ｐへの負荷が増加し、パワーピストン６ｐの運動速度が、図１の制御形態（最適な設計条件）に対して減少した場合を想定しているため、上記早期切換モードによるパワーピストン６ｐの振動数の増加に伴うディスプレーサの往復運動及び各部の摩擦によるエネルギ損失の増加は、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの運動周期が短くなることによるパワーピストン６ｐの出力の増加に比べて少ない。

なお、図１０及び図１１には、本実施形態に係るスターリングエンジン１の出力部７の変更例を示す。

図１は、出力部７として、発電機１１（リニア発電機１１ｘ）を用いた場合を示したが、図１０は、出力部７として、運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２を用いた場合を示す。運動出力ユニット１２は、ピストンロッド６ｐｏ（運動入力軸７ｓ）を覆う軸受管２９に一体のシーリングカバー７１を備える。シーリングカバー７１は完全に密閉された筒状に形成するとともに、下半部はピストンロッド６ｐｏの進退方向に伸縮する蛇腹部７１ｅとして形成する。一方、ピストンロッド６ｐｏと一体の運動入力軸７ｓはシーリングカバー７１の底部まで延設し、運動入力軸７ｓの下端には取付盤７ｓｐを一体形成するとともに、この取付盤７ｓｐはシーリングカバー７１の底部内面に固定する。また、シーリングカバー７１の底部外面にも盤状の出力作用端部７２を固定し、この出力作用端部７２の変位出力（運動出力）を外部の産業機械等に作用（入力）させることができる。さらに、シーリングカバー７１の内周面には、前述した二つの位置センサ１５ｆ，１５ｒを同様の位置関係で配設するとともに、運動入力軸７ｓには、位置センサ１５ｆ，１５ｒにより検出可能なマグネット等の被検出部７３を固定する。

一方、図１１は、図１０における位置センサ１５ｆ，１５ｒを変更した例を示す。即ち、図１０における位置センサ１５ｆ，１５ｒは、パワーピストン６ｐの前端位置Ｘｆ又は後端位置Ｘｒを検出するスイッチ機能を有するものであるが、図１１は、パワーピストン６ｐの絶対位置を連続的に検出するリニアスケール等の位置センサ１５を用いたものである。したがって、この位置センサ１５は、前述した早期切換モードを実行するために、切換位置の設定を変更するための位置センサ１５ｆ，１５ｒの代替として利用してもよいし、後述するように、位置及び速度の連続検出を行い、外乱等の性能変動要因が生じたときに、この性能変動に対して切換位置を連続的に変更し、最適化制御を行うために利用してもよい。なお、図１１に示したパワーピストン６ｐの絶対位置を連続的に検出するリニアスケール等の位置センサ１５は、発電機１１（リニア発電機１１ｘ）を用いた場合等、運動出力ユニット１２を用いない場合にも利用することができる。

このように、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動を作用させる運動入力軸７ｓの運動を直接出力させる運動出力ユニット１２を設ければ、運動入力軸７ｓの運動を、産業機械等の動力源として直接利用することができるとともに、運動入力軸７ｓをシーリングカバー７１で覆うことにより、出力部７の密閉性も容易かつ確実に確保できる利点がある。したがって、図１０（図１１も同じ）の場合も、シーリングカバー７１を含む、各ディスプレーサシリンダ２ｍ，２ｓのシリンダ部２ｍｃ，２ｓｃ、各駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓのケーシング部５ｍｃ，５ｓｃ、パワーシリンダ６のシリンダ部６ｃ、各連通管２６ｍ，２６ｓ及び各軸受管２３ｍ，２３ｓ，２９を、気密性を有する一体化した密閉構造Ｍｓによるハウジング部６１により構成することができる。なお、図１０及び図１１において、図２と同一部分については同一符号を付して、その構成を明確にするとともに、その詳細な説明は省略する。

次に、本実施形態に係る駆動制御方法であって、その他の制御方法について、特に、前述した早期切換モードを含む駆動制御方法について説明する。

上述した位置センサ１５を利用すれば、図９に示した早期切換モードを容易かつ最適な形態により実行することができる。具体的には、パワーピストン６ｐの移動速度を、位置センサ１５を利用して連続的に検出し、移動速度が減少した場合に、種々の移動速度に対して予め設定した最適な位置Ｘｆｓ，Ｘｒｓ、即ち、データテーブル等により設定した最適な、前端，後端の位置Ｘｆｓ，Ｘｒｓにおいて、パワーピストン６ｐの到達が検出された時点で、ディスプレーサピストンの位置切換制御信号を生成し、ディスプレーサピストンの位置を切換えることができる。この場合には、パワーピストン６ｐの実際の検出位置とディスプレーサピストンの位置切換制御信号を生成する位置はいずれもＸｆｓ，Ｘｒｓであり、相互に対応関係を有する。

また、他の方法として、図１０における位置センサ１５ｆ，１５ｒ及び必要に応じてその内側に追加して配設した位置センサによってパワーピストンの位置を検出し、そのデータを用いて予め設定した演算式等を利用してパワーピストンの位置の時間変動曲線を作成し、その曲線によりパワーピストン６ｐがデータテーブル等により設定した最適な前端，後端の位置Ｘｆｓ，Ｘｒｓに到達する時点を推定し、推定した時点でディスプレーサピストンの位置切換制御信号を生成し、ディスプレーサピストンの位置を切換えることもできる。この場合には、パワーピストン６ｐの実際の検出位置と切換を行うための最適な前端，後端の位置Ｘｆｓ，Ｘｒｓ間における相互の対応関係はなくなる。

したがって、このような制御を行えば、例えば、設計条件よりも加熱部３と冷却部４間の温度差が小さい場合やパワーピストン６ｐに接続された負荷が大きい場合等により、パワーピストン６ｐの運動速度が低下し、それに伴い出力が著しく低下することによりパワーピストン６ｐが停止する可能性がある場合であっても、パワーピストン６ｐの出力が増加するように、パワーピストン６ｐの振幅が適宜修正され、当該パワーピストン６ｐが停止してしまう不具合を回避することができる。このように、早期切換モードを用いることにより、常に最大出力を得るための最適化制御を容易に行うことが可能となり、効率の向上及び稼働可能な温度領域の拡大が可能になるとともに、多様的で発展的な制御を行うことができる。

他方、以上の駆動制御方法は、パワーピストン６ｐの位置に応じて各ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置を切換える場合を示したが、必ずしもパワーピストン６ｐの位置を検出することを要せず、予め設定した一定時間間隔毎にディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置を切換えてもよい。即ち、（パワーピストン６ｐの行程）＝（パワーピストン６ｐの１行程の平均速度）×（１行程の所要時間）の関係により、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置の切換時間間隔が一定の場合には、パワーピストン６ｐの運動速度の低下に伴ってパワーピストン６ｐの振幅が短くなるため、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置の切換時間間隔を一定値に設定する方法により、熱源の温度差の低下等によりパワーピストンの運動速度が減少した場合に、パワーピストンの振幅を自動的に減少させ、出力の低下を少なくすることができる。また、この場合には、出力が最大になるようにディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置の切換時間間隔を自動的に調整する機能を組込むか、或いは外部からの操作によりディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置の切換時間間隔を変更することにより、熱源や負荷の変化等に対応してディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置の切換時間間隔を最適な値に設定することができる。この場合には、パワーピストン６ｐの位置を検出する位置センサ１５ｆ…が不要になるため、構造を簡素化できる利点がある。

以上、好適実施形態について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値、特に、ディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐの位置制御方法及び出力エネルギの利用方法等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。

例えば、実施形態では、主ディスプレーサシリンダ２ｍと副ディスプレーサシリンダ２ｓを組合わせた形態について説明したが、主ディスプレーサシリンダ２ｍ側のみを用いる形態であっても同様に適用できる。即ち、内部に作動気体Ｇ及び移動可能なディスプレーサピストン２ｍｐを内蔵した主ディスプレーサシリンダ２ｍの一端側を加熱部３により加熱し、かつ主ディスプレーサシリンダ２ｍの他端側を冷却部４により冷却するとともに、少なくとも主駆動アクチュエータ５ｍを駆動制御することによりディスプレーサピストン２ｍｐを進退駆動し、ディスプレーサシリンダ２ｍ内の作動気体Ｇの作用によりパワーシリンダ６に内蔵するパワーピストン６ｐを移動させる構成を使用し、主駆動アクチュエータ５ｍに対してパルス信号となる位置切換制御信号Ｓｍｃを付与することにより、ディスプレーサピストン２ｍｐを、主ディスプレーサシリンダ２ｍにおける加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置Ｘｍｈ又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置Ｘｍｃに切換制御するようにしてもよい。また、パワーピストン６ｐにおけるピストンロッド６ｐｏの運動が作用する出力部７として、発電機１１と運動出力ユニット１２を例示したが、その他、ピストンロッド６ｐｏの運動を利用できる各種機器類を適用できる。なお、出力部７とは所定の動作を行う機器類をはじめ、図１０におけるピストンロッド６ｐｏの先端部分も含まれ、いわば、ピストンロッド６ｐｏに接続又は一体の物は全て含まれる。さらに、発電機１１には、リニア式発電機１１ｘを用いることが望ましいが、勿論、クランク機構等を介して運動入力軸を回転させるロータリ式の発電機であってもよい。一方、駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓとして、リニア式電動アクチュエータ５ｍｘ，５ｓｘを用いた場合を示したが、ロータリ式電動アクチュエータをクランク機構等を介してディスプレーサピストン２ｍｐ，２ｓｐを移動する場合を排除するものではない。また、パワーピストン６ｐの動きを伝達機構（リンク機構）を介して駆動アクチュエータ５ｍ，５ｓに伝達する機械的構成を排除するものではない。なお、作動気体Ｇとして不活性ガスを利用する場合を示したが、空気をはじめ、他の作動気体を排除するものではない。

本発明に係る駆動制御方法は、発電システム等の動力源として用いる各種スターリングエンジンに利用することができる。

１：スターリングエンジン，２ｍ：ディスプレーサシリンダ（主ディスプレーサシリンダ），２ｍｐ：ディスプレーサピストン，２ｓ：第二のディスプレーサシリンダ（副ディスプレーサシリンダ），２ｓｐ：ディスプレーサピストン，３：加熱部，４：冷却部，５ｍ：ディスプレーサ用駆動アクチュエータ（主駆動アクチュエータ），５ｍｘ：リニア式電動アクチュエータ，５ｓ：第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータ（副駆動アクチュエータ），５ｓｘ：リニア式電動アクチュエータ，６：パワーシリンダ，６ｐ：パワーピストン，６ｐｏ：パワーピストンにおけるピストンロッド，６ｆ：パワーシリンダの前室，６ｒ：パワーシリンダの後室，７：出力部，７ｓ：運動入力軸，１１：発電機，１１ｘ：リニア式発電機，１２：運動出力ユニット，１５：位置センサ，１５ｆ：位置センサ（前位置センサ），１５ｒ：位置センサ（後位置センサ），Ｇ：作動気体，Ｓｍｃ：位置切換制御信号，Ｓｓｃ：第二の位置切換制御信号，Ｘｍｈ：加熱側容積最大位置，Ｘｍｃ：冷却側容積最大位置，Ｘｓｈ：加熱側容積最大位置，Ｘｓｃ：冷却側容積最大位置，Ｘｆ：パワーピストンの前端位置，Ｘｒ：パワーピストンの後端位置

Claims (9)

1. 内部に作動気体及び移動可能なディスプレーサピストンを内蔵したディスプレーサシリンダの一端側を加熱部により加熱し、かつ前記ディスプレーサシリンダの他端側を冷却部により冷却するとともに、少なくともディスプレーサ用駆動アクチュエータを駆動制御することにより前記ディスプレーサピストンを進退駆動し、前記ディスプレーサシリンダ内の作動気体の作用によりパワーシリンダに内蔵するパワーピストンを移動させるスターリングエンジンの駆動制御方法において、前記駆動アクチュエータに対してパルス信号となる位置切換制御信号を付与することにより、前記ディスプレーサピストンを、前記ディスプレーサシリンダの加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置に切換制御することを特徴とするスターリングエンジンの駆動制御方法。
2. 前記ディスプレーサシリンダのディスプレーサピストンを駆動制御する前記ディスプレーサ用駆動アクチュエータ（主駆動アクチュエータ）は、リニア式電動アクチュエータを用いることを特徴とする請求項１記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。
3. 前記ディスプレーサシリンダ（主ディスプレーサシリンダ）に対して、内部に作動気体及び移動可能なディスプレーサピストンを内蔵した第二のディスプレーサシリンダ（副ディスプレーサシリンダ）の一端側を加熱部により加熱し、かつ副ディスプレーサシリンダの他端側を冷却部により冷却するとともに、第二のディスプレーサ用駆動アクチュエータ（副駆動アクチュエータ）を駆動制御することにより副ディスプレーサシリンダに内蔵するディスプレーサピストンを進退駆動し、前記パワーピストンにより仕切られた前記パワーシリンダの前後室の一方に前記主ディスプレーサシリンダ内の作動気体を作用させ、かつ前記前後室の他方に前記副ディスプレーサシリンダ内の作動気体を作用させるとともに、前記副駆動アクチュエータに対してパルス信号となる第二の位置切換制御信号を付与することにより、前記副ディスプレーサシリンダに内蔵するディスプレーサピストンを、前記副ディスプレーサシリンダの加熱側の容積を最大にする加熱側容積最大位置又は冷却側の容積を最大にする冷却側容積最大位置に切換えることを特徴とする請求項１又は２記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。
4. 前記副駆動アクチュエータはリニア式電動アクチュエータを用いることを特徴とする請求項３記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。
5. 前記主駆動アクチュエータに付与する前記位置切換制御信号の位相と前記第二の位置切換制御信号の位相は１８０〔゜〕異ならせることを特徴とする請求項３又は４記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。
6. 前記パワーピストンにおけるピストンロッドの運動を作用させる出力部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。
7. 前記出力部には、少なくとも、前記パワーピストンにおける前記ピストンロッドの運動を作用させる運動入力軸を有するリニア式発電機を含む発電機，又は運動入力軸の運動を直接出力させる運動出力ユニットの一方又は双方を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。
8. 前記パワーピストンの、前端位置と後端位置を位置センサにより検出又は推定し、この検出結果又は推定結果に基づいて前記各位置切換制御信号を生成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。
9. 前記前端位置と後端位置は、変更可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のスターリングエンジンの駆動制御方法。

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