JP2015161252A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 スターリングエンジンにおいて、簡素な構成でパワーピストンの回転を規制する。【解決手段】 スターリングエンジン１において、パワーピストンの外面に周方向に複数設けられたピストン側磁石６１と、シリンダ３の内面に周方向に複数設けられたシリンダ側磁石６０とを有し、ピストン側磁石の任意の１つと、シリンダ側磁石の任意の１つとが組をなし、組をなすピストン側磁石にシリンダの軸線Ａを中心とした径方向成分及び周方向成分の反発力が生じるように、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石は径方向において同種の磁極を向き合わせ、かつ周方向に互いにオフセットして配置され、各組のピストン側磁石に生じる反発力の径方向成分によってパワーピストンのセンタリングがなされ、各組のピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分によってパワーピストンの回転が規制されるようにした。【選択図】 図６

Description

本発明は、スターリングエンジンに関する。

スターリングエンジンとして、軸線方向に隔置された高温部と低温部とを有する一つのシリンダ部材内にディスプレーサピストンとパワーピストンとが軸線方向に往復動可能に設けられ、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが共通のクランク軸に接続されているβ型のスターリングエンジンが知られている（例えば、特許文献１）。このスターリングエンジンでは、パワーピストンの摺動抵抗を低減するために、パワーピストンの外周面にピストン側磁石を周方向に間隔をおいて複数設け、シリンダ部材の内面にピストン側磁石と対向するようにシリンダ側磁石を複数設け、ピストン側磁石とシリンダ側磁石との反発力を利用して、シリンダ部材に対するパワーピストンのセンタリングを行っている。

特開２０１４−２０２９５号公報

しかしながら、特許文献１に係るスターリングエンジンでは、全てのピストン側磁石が、シリンダ側磁石に対して径方向に互いに正対するように配置されているため、パワーピストンがシリンダ軸線を中心としてわずかな角度でも回転すると、各磁石の反発力に同一方向を向く周方向成分が生じ、パワーピストンに回転力が生じるという問題がある。そのため、パワーピストンとクランクシャフトとを連結するリンク部材にパワーピストンの回転を規制する構造が必要になる。

本発明は、以上の背景を鑑みなされたものであって、スターリングエンジンにおいて、簡素な構成でパワーピストンの回転を規制することを課題とする。

本発明は、パワーピストン（２８）が往復動可能に受容されたシリンダ（３）を有するスターリングエンジン（１）であって、前記パワーピストンの外面に周方向に複数設けられたピストン側磁石（６１）と、前記シリンダの内面に周方向に複数設けられたシリンダ側磁石（６０）とを有し、前記ピストン側磁石の任意の１つと、前記シリンダ側磁石の任意の１つとが組をなし、組をなす前記ピストン側磁石に前記シリンダの軸線（Ａ）を中心とした径方向成分及び周方向成分の反発力が生じるように、前記ピストン側磁石及び前記シリンダ側磁石は径方向において同種の磁極を向き合わせ、かつ周方向に互いにオフセットして配置され、各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の径方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記パワーピストンのセンタリングがなされ、各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記パワーピストンの回転が規制されることを特徴とする。

この構成によれば、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石の反発力を利用して、パワーピストンの回転を規制することができる。組をなすピストン側磁石とシリンダ側磁石とは、周方向にオフセットして配置されることによって、反発力に周方向成分が生じる。そのため、各組のピストン側磁石及びシリンダ側磁石が生じる反発力の周方向成分を釣り合わせることによって、パワーピストンを所定の回転位置に規制する付勢力を設定することができる。

また、上記発明において、任意の組をなす前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分の向きは、その隣に位置する他の組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分の向きと相反することが好ましい。

この構成によれば、各組のピストン側磁石に生じる反発力の向きが、周方向において交互に変化し、分散されるため、パワーピストンの周方向に生じる力が均質化し、パワーピストンの挙動が安定する。

また、上記発明において、前記ピストン側磁石の任意の１つは、前記シリンダ側磁石の任意の１つと第１の組をなすと共に、前記第１の組をなす前記シリンダ側磁石の隣に配置された前記シリンダ側磁石と第２の組をなし、前記シリンダの軸線を中心とした周方向において、前記第１の組をなす前記シリンダ側磁石と前記第２の組をなす前記シリンダ側磁石との間に配置されるとよい。

この構成によれば、１つのピストン側磁石が、磁力によって周方向において２つのシリンダ側磁石の間に支持される形態となり、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石の位置が安定する。

また、上記発明において、前記シリンダ側磁石の任意の１つは、前記ピストン側磁石の任意の１つと第１の組をなすと共に、前記第１の組をなす前記ピストン側磁石の隣に配置された前記ピストン側磁石と第２の組をなし、前記シリンダの軸線を中心とした周方向において、前記第１の組をなす前記ピストン側磁石と前記第２の組をなす前記ピストン側磁石との間に配置されるとよい。

この構成によれば、１つのシリンダ側磁石が、磁力によって周方向において２つのピストン側磁石の間に支持される形態となり、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石の位置が安定する。

また、上記発明において、前記ピストン側磁石及び前記シリンダ側磁石の周方向におけるオフセット量は、オフセット量の０からの増加に応じて増加する反発力の周方向成分が最大となるときの量以下であるとよい。

この構成によれば、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石の反発力の径方向成分及び周方向成分の２つを共に大きな値として作用させ、パワーピストンのセンタリング及び回転規制を両立することができる。オフセット量が増加するとピストン側磁石及びシリンダ側磁石の対向面積が減少するため、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石の反発力の径方向成分は漸減する。一方、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石の反発力の周方向成分は、オフセット量が０から所定の値ではオフセット量の増加に応じて増加し、所定の値を越えるとオフセット量の増加に応じて減少する。そのため、オフセット量を、反発力の周方向成分が最大となるときの値よりも小さい範囲で設定することで、反発力の径方向成分を大きく維持しつつ、周方向成分を大きく設定することができる。

また、本発明の他の側面は、ピストン（２８）が往復動可能に受容されたシリンダ（３）を有するシリンダ装置（１）であって、前記ピストンの外面に周方向に複数設けられたピストン側磁石（６１）と、前記シリンダの内面に周方向に複数設けられたシリンダ側磁石（６０）とを有し、前記ピストン側磁石の任意の１つと、前記シリンダ側磁石の任意の１つとが組をなし、組をなす前記ピストン側磁石に前記シリンダの軸線を中心とした径方向成分及び周方向成分の反発力が生じるように、前記ピストン側磁石及び前記シリンダ側磁石は径方向において同種の磁極が向き合い、かつ周方向に互いにオフセットして配置され、各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の径方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記ピストンのセンタリングがなされ、各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記ピストンの回転が規制されることを特徴とする。

この構成によれば、ピストン側磁石及びシリンダ側磁石の反発力を利用して、ピストンのセンタリング及び回転規制を行うことができる。

以上の構成によれば、スターリングエンジンにおいて、簡素な構成でピストンの回転を規制することができる。

実施形態に係るスターリングエンジンの縦断面図 ＤＰユニットが下死点にあるときのスターリングエンジンの断面斜視図 ＤＰユニットが上死点にあるときのスターリングエンジンの断面斜視図 スターリングエンジンのクランク室をクランク軸に直交する平面で切断した断面図 図４のV−V断面図 図４のVI−VI断面図 本実施形態に係るスターリングエンジンを直列４気筒に連結した状態を示す斜視図 ピストン側磁石とシリンダ側磁石のオフセット量に対する反発力の径方向成分及び周方向成分を示すグラフ 第２実施形態に係るピストン側磁石及びシリンダ側磁石の配置を示す断面図 （Ａ）第３実施形態、（Ｂ）第３実施形態の変形例に係るピストン側磁石及びシリンダ側磁石の配置を示す断面図 （Ａ）第４実施形態、（Ｂ）第４実施形態の変形例に係るピストン側磁石及びシリンダ側磁石の配置を示す断面図

以下、図面を参照して本発明に係るスターリングエンジンの実施形態を説明する。図１〜図５に示すように、スターリングエンジン１は、軸線Ａに沿って延在する円筒形のシリンダ部材３を有する。以下の説明では、シリンダ部材３の軸線Ａが上下方向に延在するものとして説明する。なお、本実施形態に係るスターリングエンジン１は、使用態様に応じて軸線Ａを任意の方向に配置することができる。

図１に示すように、シリンダ部材３は、上側から順に、高温側ケース４、低温側ケース５、クランクケース６、蓋部材７を有している。高温側ケース４は、軸線Ａを中心軸とし、上端が閉じられ、下端が開口した有底円筒形をなす。低温側ケース５及びクランクケース６は、軸線Ａを中心軸とし、上下両端が開口した円筒形をなす。高温側ケース４、低温側ケース５及びクランクケース６は、同軸に配置され、上下に連続する内部空間８を形成するように互いに接続されている。蓋部材７は、クランクケース６の下端の開口を閉じている。高温側ケース４と低温側ケース５とは、外部と内部との熱交換を促進するために、銅等の熱伝導性が高い金属材料によって構成されていることが好ましい。また、高温側ケース４と低温側ケース５とは、外部と内部との熱交換を促進するために、高温側ケース４及び低温側ケース５の肉厚は薄いことが好ましい。

高温側ケース４の下縁には径方向外方に環状に突出した第１フランジ４Ａが形成され、低温側ケース５の上縁には径方向外方に環状に突出した第２フランジ５Ａが形成されている。第１フランジ４Ａと第２フランジ５Ａとは、断熱材１１及びノックピンを介して突き合わされ、両フランジを跨ぎ、かつ周方向に延在するバンドカップリング１３によって互いに締結されている。断熱材１１は、高温側ケース４及び低温側ケース５間の熱の移動を抑制する。ノックピンは、第１フランジ４Ａ及び第２フランジ５Ａの相対回転位置を定める。

図３〜図５に示すように、低温側ケース５の下縁には径方向外方に環状に突出した第３フランジ５Ｂが形成されている。クランクケース６の上縁には径方向外方に環状に突出した第４フランジ６Ａが形成され、下縁には径方向外方に環状に突出した第５フランジ６Ｂが形成されている。

第３フランジ５Ｂと第４フランジ６Ａとは、ノックピンを介して上下方向に互いに突き合わされ、両フランジを跨ぎ、かつ周方向に延在するバンドカップリング１６によって互いに締結されている。ノックピンは、低温側ケース５及びクランクケース６の相対回転位置を定める。第５フランジ６Ｂと蓋部材７の周縁部とは上下方向に互いに突き合わされ、両者を跨ぎ、かつ周方向に延在するバンドカップリング１７によって互いに締結されている。

以上のようにして、高温側ケース４、低温側ケース５、クランクケース６、蓋部材７を含むシリンダ部材３は、閉じられ、軸線Ａ方向に延在する内部空間８を形成する。内部空間８のうち、高温側ケース４及び低温側ケース５に対応する部分をシリンダ室８Ａ、クランクケース６に対応する部分をクランク室８Ｂとする。また、シリンダ室８Ａのうち、高温側ケース４に対応する部分を高温室８Ｃ、低温側ケース５に対応する部分を低温室８Ｄとする。内部空間８には、窒素ガス等の作動ガスが封入されている。

図１に示すように、高温側ケース４の上端壁の外面、及び側壁部の外面には複数の第１フィン２１が突設されている。低温側ケース５の軸線Ａ方向における上側の側壁部の内部にはシリンダ室８Ａと同軸に円筒状の冷却水通路２２が形成されている。低温側ケース５には、冷却水通路２２に冷却水を供給する冷却水入口部２２Ａと、冷却水通路２２より冷却水を排出する冷却水出口部２２Ｂとが設けられている。

図１〜図３に示すように、シリンダ室８Ａには、上端側（高温室８Ｃ側）から順に、高温側ＤＰ２５（高温側ディスプレーサピストン）、再生器２６、低温側ＤＰ２７（低温側ディスプレーサピストン）、及びパワーピストン２８が配置されている。高温側ＤＰ２５、再生器２６、及び低温側ＤＰ２７は、それぞれを軸線Ａ方向に貫通するＤＰロッド２９（ディスプレーサピストンロッド）によって互いに結合され、ＤＰユニット３０（ディスプレーサピストンユニット）を構成し、一体となってシリンダ室８Ａ内を軸線Ａ方向に往復動する。高温側ＤＰ２５及び低温側ＤＰ２７は、再生器２６を挟持した状態でＤＰロッド２９にボルト等によって結合される。パワーピストン２８は、ＤＰユニット３０と独立してシリンダ室８Ａ内を軸線Ａ方向に往復動する。

高温側ＤＰ２５と低温側ＤＰ２７とは、円柱形をなし、セラミック等の軽量かつ耐熱性の断熱材から形成されている。高温側ＤＰ２５及び低温側ＤＰ２７の外周面とシリンダ室８Ａの内周面との間には作動ガスが通過するための間隙が形成されている。

再生器２６は、空気の流通が可能であり、かつ熱伝導性が高い材料から形成されている。再生器２６は、例えば、熱伝導性を有する金属繊維を圧縮して成形したものであり、内部に空隙を有する。再生器２６は、軸線方向に貫通する複数の貫通孔を有してもよい。

シリンダ室８Ａ内の作動ガスは、ＤＰユニット３０の往復動に伴って、高温側ＤＰ２５とシリンダとの間隙、再生器２６の内部、及び低温側ＤＰ２７とシリンダとの間隙を通過して、高温室８Ｃと低温室８Ｄとの間を移動する。

図２に示すように、高温側ケース４の上端壁の内面には複数の第２フィン３２が突設されている。各第２フィン３２は、薄板状をなし、軸線Ａを中心として放射状に延びている。高温側ＤＰ２５の上端部には各第２フィン３２を受容可能なフィン受容溝３３が凹設されている。高温側ＤＰ２５がシリンダ内を上昇したときに、各第２フィン３２は、隙間を介してフィン受容溝３３に受容される。

図３に示すように、低温側ケース５の軸線Ａ方向における中間部の内面には複数の第３フィン３４が突設されている。低温側ＤＰ２７は、第３フィン３４よりも上方に配置される。各第３フィン３４は、薄板状をなし、軸線Ａ側へと径方向内方に突出すると共に、軸線Ａ方向に延在し、放射状に配置されている。低温側ＤＰ２７の下端部は、軸線Ａを中心とした円錐台状に下方に突出した形状となっている。低温側ＤＰ２７の下端部には、各第３フィン３４の上部を受容可能なフィン受容溝３５が凹設されている。低温側ＤＰ２７がシリンダ室８Ａ内を下降したときに、各第３フィン３４の上部は、隙間を介してフィン受容溝３５に受容される。

図２に示すように、高温側ＤＰ２５の上端面の中央には軸線Ａに沿って有底の受容孔３６が形成されている。ＤＰロッド２９の上端部は、受容孔３６内に配置されている。受容孔３６の内径は、ＤＰロッド２９の外径に比べて大きく、ＤＰロッド２９の外側面と受容孔３６の内側面との間には隙間が形成されている。高温側ケース４の上端壁中央には、軸線Ａと同軸に下方に向けて受容筒３７が突設されている。受容筒３７は高温側ＤＰ２５の受容孔３６に摺動可能に突入し、受容筒３７の内孔にはＤＰロッド２９の上端部が摺動可能に突入する。ＤＰロッド２９の上端部が受容筒３７に受容されることによって、ＤＰロッド２９及びＤＰユニット３０は、軸線Ａと同軸に配置される。

図４及び図５に示すように、低温側ＤＰ２７から下方に突出するＤＰロッド２９は、パワーピストン２８の中央に形成された貫通孔３８、後述する連結部材４０に形成された貫通孔４０Ｃ、及びＰＰスライダ４２（パワーピストンスライダ）に形成された通し溝４３を軸線Ａ方向に変位可能に貫通している。ＤＰロッド２９の下端部は、後述するＤＰスライダ４５（ディスプレーサピストンスライダ）に連結されている。これにより、ＤＰユニット３０、ＤＰロッド２９及びＤＰスライダ４５は、一体となって軸線Ａ方向に移動する。

パワーピストン２８は、上側部材５０と下側部材５１とを有している。上側部材５０はセラミック等の軽量かつ耐熱性及び断熱性を有する材料から形成され、下側部材５１は金属等の軽量かつ耐熱性を有する材料から形成されるとよい。上側部材５０の中心部には、軸線方向に貫通する貫通孔５０Ｂが形成されている。貫通孔５０Ｂは、断面円形の段付き孔であり、上側部分が下側部分に対して径が大きく形成され、境界部に段部を有する。

貫通孔５０Ｂの上側部分には、円筒状のカラー５０Ｃが嵌め込まれている。カラー５０Ｃの内径は、貫通孔５０Ｂの下側部分の内径と等しい大きさに設定されている。下側部材５１は上側部材５０の貫通孔５０Ｂ及びカラー５０Ｃを貫通する円筒部５１Ａを有している。円筒部５１Ａ内にはブッシュ５３が嵌め込まれ固定されている。ブッシュ５３は、上側部分が下側部分に対して外径が小さく形成され、境界部に段部を有している。

ブッシュ５３の上側部分の外周面は、円筒部５１Ａの内主面との間に隙間を形成している。円筒部５１Ａの内周面であって、ブッシュ５３の外周面に対向する部分には雌ねじが形成されている。円筒部５１Ａの雌ねじには、フランジ付きの中空ボルト５４が螺着される。中空ボルト５４の内孔には、ブッシュ５３の上側部分が挿入され、中空ボルト５４の下端は、ブッシュ５３の段部に当接する。これにより、ブッシュ５３は中空ボルト５４によって円筒部５１Ａに結合される。また、中空ボルト５４のフランジは、カラー５０Ｃの上端面に当接し、係止される。これにより、上側部材５０と下側部材５１とは、中空ボルト５４及びカラー５０Ｃを介して一体に結合される。パワーピストン２８の中心部を軸線方向に延在する貫通孔３８は、ブッシュ５３の内孔によって構成されている。

パワーピストン２８の上側部材５０には、低温側ＤＰ２７の円錐台状の下部を受容可能な凹部５０Ａが形成されている。また、上側部材５０には、各第３フィン３４を受容可能なフィン受容溝５６が凹設されている。低温側ＤＰ２７が下死点近傍にあり、パワーピストン２８が上死点近傍にあるときに、フィン受容溝５６に第３フィン３４が受容されると共に、低温側ＤＰ２７の下部が凹部５０Ａに受容される。

図１〜図６に示すように、低温側ケース５の下部の内周面には、永久磁石である複数のシリンダ側磁石６０が設けられている。各シリンダ側磁石６０は、径方向内方を向く面が低温側ケース５の内周面と面一となるように、低温側ケース５の内周面に埋め込まれている。パワーピストン２８の下側部材５１の外周面には、永久磁石である複数のピストン側磁石６１が設けられている。各ピストン側磁石６１は、径方向外方を向く面が下側部材５１の外周面と面一となるように、下側部材５１の外周面に埋め込まれている。シリンダ側磁石６０の径方向内方を向く部分と、ピストン側磁石６１の径方向外方を向く部分とは、同種の磁極を有する。

図６に示すように、任意の１つのシリンダ側磁石６０は、任意の１つのピストン側磁石６１と対応して１つの組を構成する。ここで、組をなすシリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１は、互いに近接する位置に配置され、互いに反発力が作用するものをいう。本実施形態では、図６に示すように、シリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１は、４つずつ設けられ、４つの組が形成されている。

シリンダ側磁石６０は、軸線Ａに沿って延設されており、ピストン側磁石６１よりも長く形成されている。シリンダ側磁石６０は、パワーピストン２８が上死点にあるときのピストン側磁石６１の位置からパワーピストン２８が下死点にあるときのピストン側磁石６１の位置からまで延びている。これにより、パワーピストン２８が往復動するときに、常にシリンダ側磁石６０とピストン側磁石６１とが反発力を生じることができる。

組をなすシリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１は、軸線Ａを中心とした周方向に同じ角度幅を有している。第１〜第４シリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｄは、図６を基準として軸線Ａを中心とする時計回り方向（右回り方向）に第１、第２、第３、第４の順で、９０°間隔で配置されている。

各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄは、時計回り方向に第１、第２、第３、第４の順で配置され、同一の番号のシリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｄと組を形成する。各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄは、組をなすシリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｄに対して周方向に所定の角度オフセット（偏倚）して配置されている。詳細には、奇数番のピストン側磁石６１Ａ、６１Ｃは対応するシリンダ側磁石６０Ａ、６０Ｃに対して時計回り方向に所定の角度オフセットし、偶数番のピストン側磁石６１Ｂ、６１Ｄは対応するシリンダ側磁石６０Ｂ、６０Ｄに対して反時計回り方向（左回り方向）に所定の角度オフセットしている。

各組において、シリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｄに対するピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄのオフセット方向は、隣のピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄに対して相反する向きとなっている。各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄのオフセット量（角度）は、同一量に設定されている。これにより、第１ピストン側磁石６１Ａと第３ピストン側磁石６１Ｃとは軸線Ａを中心とした１８０°回転対称位置に配置され、第２ピストン側磁石６１Ｂと第４ピストン側磁石６１Ｄとは軸線Ａを中心とした１８０°回転対称位置に配置されている。

組をなすシリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１の間には、径方向成分及び周方向成分を有する反発力が作用する。例えば、第１ピストン側磁石６１Ａには、第１シリンダ側磁石６０Ａに対して径方向において内方及び周方向において時計回り方向の反発力が作用する。

第１ピストン側磁石６１Ａ及び第３ピストン側磁石６１Ｃに生じる反発力の径方向成分は大きさが等しく、向きが逆であり、第２ピストン側磁石６１Ｂ及び第４ピストン側磁石６１Ｄに生じる反発力の径方向成分は大きさが等しく、向きが逆である。そのため、各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄに生じる反発力の径方向成分は釣合い、パワーピストン２８は軸線Ａと同軸となる位置に付勢され、センタリングがなされる。

また、第１ピストン側磁石６１Ａ及び第２ピストン側磁石６１Ｂに生じる反発力の周方向成分は大きさが等しく、向きが逆であり、第３ピストン側磁石６１Ｃ及び第４ピストン側磁石６１Ｄに生じる反発力の周方向成分は大きさが等しく、向きが逆である。そのため、各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄに生じる反発力の周方向成分は釣合い、パワーピストン２８は低温側ケース５に対して軸線Ａを中心とした回転が規制される。パワーピストン２８に軸線Ａを中心とした時計回り方向の回転力が加わる際には、第２及び第４ピストン側磁石６１Ｂ、６１Ｄに生じる反時計回り方向の周方向成分が大きくなり、回転が規制される。また、パワーピストン２８に軸線Ａを中心とした反時計回り方向の回転力が加わる際には、第１及び第３ピストン側磁石６１Ａ、６１Ｃに生じる時計回り方向の周方向成分が大きくなり、回転が規制される。

図４及び図５に示すように、下側部材５１の外周面には、周方向に延びる複数の周溝６３が軸線Ａ方向に互いに間隔をおいて形成されている。周溝６３は下側部材５１の外周面と低温側ケース５の内周面との間にラビリンスシールを構成する。ラビリンスシールは、作動ガスのシリンダ室８Ａからクランク室８Ｂへの漏れを抑制する。

パワーピストン２８の下側部材５１とＰＰスライダ４２とは、球面継手である連結部材４０によって連結されている。連結部材４０は、上端に上球状部４０Ａを有し、下端に下球状部４０Ｂを有している。上球状部４０Ａは、下側部材５１の下部に形成された半球状の凹部６５に配置され、ナット部材６６によって下側部材５１の下部に締結されたキャップ部材６７によって抜け止めがなされ、球面継手を構成している。下球状部４０Ｂは、ＰＰスライダ４２の側面に形成された半球状の凹部６８に配置され、ＰＰスライダ４２に締結されたキャップ部材６９によって抜け止めがなされ、球面継手を構成している。

クランクケース６の下部には、軸線Ａと直交する方向に延在するクランク軸７３が回転可能に支持されている。クランクケース６の上端部には一対の上バー支持部７４が設けられ、下端部には一対の下バー支持部７５が設けられている。上バー支持部７４と下バー支持部７５は、クランク室８Ｂにおいて軸線Ａ方向に延在する２本のガイドバー７６を互いに平行に支持している。一対のガイドバー７６は、クランク軸７３を挟む位置に配置される。

２本のガイドバー７６は、クランク室８Ｂの径方向における両側に配置され、ＰＰスライダ４２とＤＰスライダ４５とを、軸線Ａ方向に摺動可能に支持している。ＰＰスライダ４２はＤＰスライダ４５の上方に配置されている。

ＰＰスライダ４２は、各ガイドバー７６が挿通される複数のスリーブ部４２Ａを有する。同じくＤＰスライダ４５は、各ガイドバー７６が挿通される複数のスリーブ部４５Ａを有する。各スリーブ部４２Ａ、４５Ａの内側にはリニアボールベアリングが装着されている。ＰＰスライダ４２とＤＰスライダ４５とは、それぞれリニアボールベアリングが装着されたスリーブ部４２Ａ、４５Ａを介してガイドバー７６に摺動可能に支持され、軸線Ａ方向に往復動可能になっている。

図３〜図５に示すように、ＰＰスライダ４２にはＰＰコンロッド８１の一端が回転可能に連結されており、クランク軸７３にはＰＰコンロッド８１の他端が回転可能に連結されている。ＤＰスライダ４５にはＤＰコンロッド８２の一端が回転可能に連結されており、クランク軸７３にはＤＰコンロッド８２の他端が回転可能に連結されている。このように、連結部材４０、ＰＰスライダ４２、及びＰＰコンロッド８１は、パワーピストン２８とクランク軸７３とを連結するＰＰリンク機構８４をなし、ＤＰロッド２９、ＤＰスライダ４５、及びＤＰコンロッド８２は、ＤＰユニット３０とクランク軸７３とを連結するＤＰリンク機構８５をなす。

次に上述した構成によるスターリングエンジン１のサイクル動作について説明する。以下の説明では、ＤＰユニット３０が上死点位置にある時のクランク角を０度とする。クランク角が０度のとき、パワーピストン２８は上昇過程におけるストローク中間位置にあるように位相が設定されている。

クランク角が０度のとき、ＤＰユニット３０の下方に形成される低温室８Ｄの容積が最大となり、シリンダ室８Ａ内の作動ガスは主に低温室８Ｄにあり、低温側ケース５と熱交換して冷却される。これにより、シリンダ室８Ａ内の作動ガスが収縮してパワーピストン２８に負圧が作用し、パワーピストン２８は上昇方向の駆動力を受ける。パワーピストン２８が上昇すると、ＰＰリンク機構８４を介してパワーピストン２８に連結されたクランク軸７３が回転する。クランク軸７３が回転すると、ＤＰリンク機構８５によってクランク軸７３に連結されたＤＰユニット３０が下降する。

ＤＰユニット３０が下降すると、ＤＰユニット３０の上方に形成される高温室８Ｃの容積が増大すると共に、低温室８Ｄの容積が縮小し、作動ガスが低温室８Ｄから再生器２６を通過して高温室８Ｃに流れる。再生器２６は、ＤＰユニット３０が上死点付近にあるときに、高温側ケース４と熱交換して加熱されるため、作動ガスは再生器２６を通過することによって、再生器２６と熱交換して加熱される。

クランク角が９０度となり、パワーピストン２８が上死点に位置するときには、シリンダ室８Ａ内の作動ガスは主に高温室８Ｃにあり、シリンダ部材３の高温部と熱交換して昇温される。これにより、シリンダ室８Ａ内の作動ガスが膨張してパワーピストン２８に正圧が作用し、パワーピストン２８は下降方向の駆動力を受ける。パワーピストン２８が下降すると、ＰＰリンク機構８４を介してパワーピストン２８に連結されたクランク軸７３が回転する。

クランク角が１８０度となり、ＤＰユニット３０が下死点に到達すると、その後、ＤＰユニット３０は上昇を開始する。これにより、高温室８Ｃの容積が減少すると共に、低温室８Ｄの容積が増加し、作動ガスは高温室８Ｃから再生器２６を通過して低温室８Ｄに流れる。再生器２６は、ＤＰユニット３０が下死点付近にあるときに、低温側ケース５と熱交換して冷却されるため、作動ガスは再生器２６を通過することによって、再生器２６と熱交換して冷却される。

クランク角が２７０度となり、パワーピストン２８が下死点に位置するときには、シリンダ室８Ａ内の作動ガスは主に低温室８Ｄにあり、シリンダ部材３の低温部と熱交換して冷却される。これにより、シリンダ室８Ａ内の作動ガスが収縮してパワーピストン２８に負圧が作用し、パワーピストン２８は上昇方向の駆動力を受ける。パワーピストン２８が上昇すると、ＰＰリンク機構８４を介してパワーピストン２８に連結されたクランク軸７３が回転し、クランク角は３６０度（０度）に戻り、上記の行程を繰り返す。

以上のように、シリンダ室８Ａの作動ガスが、温度上昇及び温度低下を繰り返し、膨張及び収縮を繰り返すことにより、クランク軸７３が回転する。

図７は、上述した実施形態に係る単気筒のスターリングエンジン１を直列に４つ配置したエンジンユニット１００を示す。４つのスターリングエンジン１は、それぞれの軸線Ａが平行となるように配置され、それぞれのクランク軸７３が同軸に連結される。これにより、それぞれの高温側ケース４は、互いに隣接して配置される。各高温側ケース４には、各気筒の配列方向に延在するガスダクト１０１が被せられる。ガスダクト１０１は、気筒列方向の一側にガス入口１０２を有し、他側にガス出口１０３を有し、内部を高温ガスが流れる。なお、図９では図示を省略するが、各低温側ケース５の各冷却水通路２２は、冷却水出口部２２Ｂが隣り合う気筒の冷却水入口部２２Ａに接続され、直列に接続される。

隣り合うクランクケース６は、連結管１０６によって互いに接合され、各クランク室８Ｂが互いに連通している。エンジンユニット１００の一端側に配置されたクランクケース６は連結管１０６によって発電機ボックス１０８に連通している。発電機ボックス１０８の内部には発電機が収容されている。各気筒のクランク軸７３は、各気筒で位相差を有するように連結され、連結管１０６の内部を延在する。互いに連結されたクランク軸７３の一端は、発電機の駆動軸に連結されている。これにより、各スターリングエンジン１の出力は、クランク軸７３を介して発電機に供給され、電力に変換される。

以上のように構成したエンジンユニット１００は、例えば自動車に搭載され、内燃機関の排気管にガスダクト１０１が接続される。これにより、エンジンユニット１００は、内燃機関の排気ガスを高温流体として利用し、電力を発生することができる。

以下に、上記の実施形態に係るスターリングエンジン１の効果について説明する。スターリングエンジン１では、ピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の反発力を利用して、パワーピストン２８の軸線Ａに対するセンタリング及び回転規制を行うことができる。組をなすピストン側磁石６１とシリンダ側磁石６０とは、周方向にオフセットして配置されることによって、反発力に周方向成分が生じる。各組のピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０が生じる反発力の周方向成分が釣り合うことによって、パワーピストン２８は所定の回転位置に付勢される。パワーピストン２８の回転位置が定まることによって、パワーピストン２８とクランク軸７３とを連結するＰＰリンク機構８４に、パワーピストン２８の回転を規制する構造を設ける必要がなくなる。そのため、連結部材４０のような球面継手を含むＰＰリンク機構８４を介して、パワーピストン２８とクランク軸７３とを連結することが可能になる。

また、各組のピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０が生じる反発力の径方向成分が釣り合うことによって、パワーピストン２８が軸線Ａと同軸になるようにセンタリングされるため、パワーピストン２８と低温側ケース５の内周面との摺動抵抗が低減され、スターリングエンジン１の熱効率が向上する。

図８は、組をなすピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０のオフセット量に対する反発力の径方向成分及び周方向成分を示すグラフである。このグラフでは、オフセット量を、軸線Ａを中心とした角度で表す。本実施形態では、ピストン側磁石６１とシリンダ側磁石６０とは周方向に等しい角度幅を有するため、オフセット量は、ピストン側磁石６１の周方向における中心とシリンダ側磁石６０の周方向における中心との差、或いはピストン側磁石６１の周方向における一端とシリンダ側磁石６０の周方向における対応する一端との差を表す。

図８に示すように、組をなすピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０のオフセット量が増加するとピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の対向面積が減少するため、ピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の反発力の径方向成分は直線状に減少する。一方、組をなすピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の反発力の周方向成分は、オフセット量が０から所定値Ｏ１ではオフセット量の増加に応じて増加し、所定値Ｏ１を越えるとオフセット量の増加に応じて減少する。すなわち、反発力の周方向成分は、オフセット量が所定値Ｏ１となるときに最大となる。このオフセット量の所定値Ｏ１は、例えば３°以上５°以下の範囲にあり、本実施形態では４°である。そのため、オフセット量を、反発力の周方向成分が最大となるときの所定値Ｏ１よりも小さい範囲で設定することで、反発力の径方向成分を大きく維持しつつ、周方向成分を大きく設定することができる。このグラフからわかるように、反発力の径方向成分を大きくしたい場合にはオフセット量を０°に近づけて小さく設定し、反発力の周方向成分を大きくしたい場合にはオフセット量を所定値Ｏ１に近づけて設定するとよい。

本実施形態では、周方向に順に配置された第１〜第４ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄに生じる反発力の周方向成分の向きが交互に変化し、分散されるため、パワーピストン２８の周方向に生じる力が均質化し、パワーピストン２８の挙動が安定する。

次に、図９〜図１１を参照して、シリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１の個数及び配置を変更した第２〜第４実施形態について説明する。第２〜第４実施形態では、シリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１の個数及び配置以外の構成は第１実施形態と同様である。

図９に示すように、第２実施形態では、シリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１は、８つずつ設けられ、８つの組が形成されている。第１〜第８シリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｈは、図９を基準として軸線Ａを中心とする時計回り方向に第１〜第８の順で、４５°間隔で配置されている。

各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｈは、時計回り方向に第１〜第８の順で配置され、同一の番号のシリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｈと組を形成する。各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｈは、組をなすシリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｈに対して周方向に所定の角度オフセット（偏倚）して配置されている。詳細には、奇数番のピストン側磁石６１Ａ、６１Ｃ、６１Ｅ、６１Ｇは対応するシリンダ側磁石６０Ａ、６０Ｃ、６０Ｅ、６０Ｇに対して時計回り方向に所定の角度オフセットし、偶数番のピストン側磁石６１Ｂ、６１Ｄ、６１Ｆ、６１Ｈは対応するシリンダ側磁石６０Ｂ、６０Ｄ、６０Ｆ、６０Ｈに対して時計回り方向に所定の角度オフセットしている。

各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｈに生じる反発力の径方向成分は釣合い、パワーピストン２８は軸線Ａと同軸となる位置に付勢され、センタリングがなされる。また、各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｈに生じる反発力の周方向成分は釣合い、パワーピストン２８は低温側ケース５に対して軸線Ａを中心とした回転が規制される。

図１０（Ａ）は、第３実施形態に係るピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の配置を示す断面図である。図１０（Ａ）に示すように、第３実施形態では、シリンダ側磁石６０は４つ設けられ、ピストン側磁石６１は８つ設けられている。シリンダ側磁石６０の任意の１つは、ピストン側磁石６１の任意の１つと第１の組をなすと共に、第１の組をなすピストン側磁石６１の隣に配置されたピストン側磁石６１と第２の組を形成する。そのため、４つのシリンダ側磁石６０と８つのピストン側磁石６１とは８つの組を形成する。第１〜第４シリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｄは、図１０（Ａ）を基準として軸線Ａを中心とする時計回り方向に第１〜第４の順で、９０°間隔で配置されている。

各ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｈは、時計回り方向に第１〜第８の順で配置され、第１及び第２ピストン側磁石６１Ａ、６１Ｂがそれぞれ第１シリンダ側磁石６０Ａと組をなし、第３及び第４ピストン側磁石６１Ｃ、６１Ｄがそれぞれ第２シリンダ側磁石６０Ｂと組をなし、第５及び第６ピストン側磁石６１Ｅ、６１Ｆがそれぞれ第３シリンダ側磁石６０Ｃと組をなし、第７及び第８ピストン側磁石６１Ｇ、６１Ｈがそれぞれ第４シリンダ側磁石６０Ｄと組を形成する。奇数番のピストン側磁石６１Ａ、６１Ｃ、６１Ｅ、６１Ｇは、対応するシリンダ側磁石６０に対して、周方向における反時計回り方向に所定の角度オフセット（偏倚）して配置されている。偶数番のピストン側磁石６１Ｂ、６１Ｄ、６１Ｆ、６１Ｈは、対応するシリンダ側磁石６０に対して、周方向における時計回り方向に所定の角度オフセット（偏倚）して配置されている。

図１０（Ｂ）は、第３実施形態の変形例に係るピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の配置を示す断面図である。第３実施形態の変形例は、１つのシリンダ側磁石６０とそれぞれ組をなす２つのピストン側磁石６１が周方向において互いに接触するように配置され、シリンダ側磁石６０は２つのピストン側磁石６１の境界部に対向するように配置されている。例えば、第１シリンダ側磁石６０Ａとそれぞれ組をなす第１及び第２ピストン側磁石６１Ａ、６１Ｂが周方向において互いに接触するように配置され、第１シリンダ側磁石６０Ａは第１及び第２ピストン側磁石６１Ａ、６１Ｂの境界部に対向するように配置されている。第３実施形態の変形例は、第３実施形態に対してオフセット量が小さくなったものといえる。

図１１（Ａ）は、第４実施形態に係るピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の配置を示す断面図である。図１１（Ａ）に示すように、第４実施形態では、シリンダ側磁石６０は８つ設けられ、ピストン側磁石６１は４つ設けられている。ピストン側磁石６１の任意の１つは、シリンダ側磁石６０の任意の１つと第１の組をなすと共に、第１の組をなすシリンダ側磁石６０の隣に配置されたシリンダ側磁石６０と第２の組を形成する。そのため、４つのピストン側磁石６１と８つのシリンダ側磁石６０とは８つの組を形成する。第１〜第４ピストン側磁石６１Ａ〜６１Ｄは、図１１（Ａ）を基準として軸線Ａを中心とする時計回り方向に第１〜第４の順で、９０°間隔で配置されている。

各シリンダ側磁石６０Ａ〜６０Ｈは、時計回り方向に第１〜第８の順で配置され、第１及び第２シリンダ側磁石６０Ａ、６０Ｂがそれぞれ第１ピストン側磁石６１Ａと組をなし、第３及び第４シリンダ側磁石６０Ｃ、６０Ｄがそれぞれ第２ピストン側磁石６１Ｂと組をなし、第５及び第６シリンダ側磁石６０Ｅ、６０Ｆがそれぞれ第３ピストン側磁石６１Ｃと組をなし、第７及び第８シリンダ側磁石６０Ｇ、６０Ｈがそれぞれ第４ピストン側磁石６１Ｄと組を形成する。奇数番のシリンダ側磁石６０Ａ、６０Ｃ、６０Ｅ、６０Ｇは、対応するピストン側磁石６１に対して、周方向における反時計回り方向に所定の角度オフセット（偏倚）して配置されている。偶数番のシリンダ側磁石６０Ｂ、６０Ｄ、６０Ｆ、６０Ｈは、対応するピストン側磁石６１に対して、周方向における時計回り方向に所定の角度オフセット（偏倚）して配置されている。

図１１（Ｂ）は、第４実施形態の変形例に係るピストン側磁石６１及びシリンダ側磁石６０の配置を示す断面図である。第４実施形態の変形例は、１つのピストン側磁石６１とそれぞれ組をなす２つのシリンダ側磁石６０が周方向において互いに接触するように配置され、ピストン側磁石６１は２つのシリンダ側磁石６０の境界部に対向するように配置されている。例えば、第１ピストン側磁石６１Ａとそれぞれ組をなす第１及び第２シリンダ側磁石６０Ａ、６０Ｂが周方向において互いに接触するように配置され、第１ピストン側磁石６１Ａは第１及び第２シリンダ側磁石６０Ａ、６０Ｂの境界部に対向するように配置されている。第４実施形態の変形例は、第４実施形態に対してオフセット量が小さくなったものといえる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態のシリンダ側磁石６０及びピストン側磁石６１の個数及び配置は例示であり、適宜変更することができる。

１…スターリングエンジン、３…シリンダ部材、４…高温側ケース、５…低温側ケース、６…クランクケース、８…内部空間、８Ａ…シリンダ室、８Ｂ…クランク室、８Ｃ…高温室、８Ｄ…低温室、２５…高温側ＤＰ、２６…再生器、２７…低温側ＤＰ、２８…パワーピストン、２９…ＤＰロッド、３０…ＤＰユニット、５０…上側部材、５１…下側部材、６０…シリンダ側磁石、６１…ピストン側磁石、１００…エンジンユニット、Ａ…軸線

Claims (6)

1. パワーピストンが往復動可能に受容されたシリンダを有するスターリングエンジンであって、
   前記パワーピストンの外面に周方向に複数設けられたピストン側磁石と、
   前記シリンダの内面に周方向に複数設けられたシリンダ側磁石とを有し、
   前記ピストン側磁石の任意の１つと、前記シリンダ側磁石の任意の１つとが組をなし、
   組をなす前記ピストン側磁石に前記シリンダの軸線を中心とした径方向成分及び周方向成分の反発力が生じるように、前記ピストン側磁石及び前記シリンダ側磁石は径方向において同種の磁極を向き合わせ、かつ周方向に互いにオフセットして配置され、
   各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の径方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記パワーピストンのセンタリングがなされ、各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記パワーピストンの回転が規制されることを特徴とするスターリングエンジン。
2. 任意の組をなす前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分の向きは、その隣に位置する組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分の向きと相反することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
3. 前記ピストン側磁石の任意の１つは、前記シリンダ側磁石の任意の１つと第１の組をなすと共に、前記第１の組をなす前記シリンダ側磁石の隣に配置された前記シリンダ側磁石と第２の組をなし、前記シリンダの軸線を中心とした周方向において、前記第１の組をなす前記シリンダ側磁石と前記第２の組をなす前記シリンダ側磁石との間に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジン。
4. 前記シリンダ側磁石の任意の１つは、前記ピストン側磁石の任意の１つと第１の組をなすと共に、前記第１の組をなす前記ピストン側磁石の隣に配置された前記ピストン側磁石と第２の組をなし、前記シリンダの軸線を中心とした周方向において、前記第１の組をなす前記ピストン側磁石と前記第２の組をなす前記ピストン側磁石との間に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジン。
5. 前記ピストン側磁石及び前記シリンダ側磁石の周方向におけるオフセット量は、オフセット量の０からの増加に応じて増加する反発力の周方向成分が最大となるときの量以下であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のスターリングエンジン。
6. ピストンが往復動可能に受容されたシリンダを有するシリンダ装置であって、
   前記ピストンの外面に周方向に複数設けられたピストン側磁石と、
   前記シリンダの内面に周方向に複数設けられたシリンダ側磁石とを有し、
   前記ピストン側磁石の任意の１つと、前記シリンダ側磁石の任意の１つとが組をなし、
   組をなす前記ピストン側磁石に前記シリンダの軸線を中心とした径方向成分及び周方向成分の反発力が生じるように、前記ピストン側磁石及び前記シリンダ側磁石は径方向において同種の磁極が向き合い、かつ周方向に互いにオフセットして配置され、
   各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の径方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記ピストンのセンタリングがなされ、各組の前記ピストン側磁石に生じる反発力の周方向成分によって前記シリンダの軸線に対する前記ピストンの回転が規制されることを特徴とするシリンダ装置。

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