JP3791472B2 - スターリングエンジン - Google Patents
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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該ディスプレーサシリンダ内を冷却側室と加熱側室とに区画するディスプレーサと、該ディスプレーサシリンダの冷却側室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、該パワーピストンに一端が連結されたパワーロッドと、該パワーロッドの他端が連結されたクランクシャフトと、ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッドとを具備しており、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。特に、ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッドはディスプレーサシリンダ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。
【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、上記ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッドの摺動部からの作動気体の漏れを確実に防ぐ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。さらに、本発明は作動気体の漏れを防止するため磁気的手段を用いてリンクロッド等を連結し、その磁気的手段の構成を簡易なものとするとともに、強固な連結を図ることを課題とする。
【０００５】
【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、
「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該ディスプレーサシリンダ内を冷却側室と加熱側室とに区画するディスプレーサと、該ディスプレーサシリンダの該冷却側室または該加熱側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、該パワーピストンに一端が連結されたパワーロッドと、該パワーロッドの他端が連結されたクランクシャフトと、該ディスプレーサと該クランクシャフトとを連結するリンクロッド機構とを具備するスターリングエンジンにおいて、
該リンクロッド機構は、一端が該ディスプレーサに連結され他端部が該ディスプレーサシリンダの該冷却側室または該加熱側室の一方に連通して形成された密封シリンダ内に摺動可能に配設された第１のロッドと、一端が該クランクシャフトに連結された第２のロッドと、該第２のロッドの他端に一端が連結され他端部に該密封シリンダの外周面に沿って摺動可能に且つ該第１のロッドの他端部と重合して配設されたホルダーを備えた第３のロッドと、該第３のロッドの他端部と該第１のロッドの他端部に設けられ該第３のロッドの駆動力を該第１のロッドに伝達する磁気駆動機構とによって構成され、
該磁気駆動機構は、該第３のロッドのホルダーおよび該第１のロッドの他端部の中の一方に配設された筒状の永久磁石と、他方に配設された磁性材からなるコアとからなっており、さらに、
該永久磁石は、筒状の両方の端部が磁石の両極をなし、その両側にはそれぞれ磁性材からなる環状のポールピースが配設されている、
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】
上記のポールピースは、上記永久磁石と対向する面と該コアと対向している面が鋭角に形成されていることが望ましい。
【０００７】
【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。
【０００８】
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、直列に配設されたディスプレーサシリンダ２とパワーシリンダ３を具備している。ディスプレーサシリンダ２はアルミ合金等の金属材料によって下端が開放して形成され、その図において上半部外周面および上端壁２１の外面にはそれぞれ加熱用フィン２２および２３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２４が形成されている。このように構成されたディスプレーサシリンダ２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、ディスプレーサシリンダ２内は、ディスプレーサ４によって図において上側の加熱側室２ａと図において下側の冷却側室２ｂに区画される。ディスプレーサ４は、上側板４１と下側板４２との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ており、熱交換機能を有する再生器として機能するようになっている。なお、上側板４１と下側板４２には、それぞれ流通穴４１ａと４２ａが形成されている。
【０００９】
パワーシリンダ３はアルミ合金等の金属材料によって両端が開放して形成され、上記ディスプレーサシリンダ２の下端に接続して配設されている。このパワーシリンダ３はボア径が上記ディスプレーサシリンダ２のボア径より小径に形成されており、その外周面には冷却用フィン３１が形成されている。パワーシリンダ３は、その下端に案内筒３２が一体に形成されており、この案内筒３２が機体本体１の上壁１ａに形成された穴１ｂに嵌合して取付けられる。このように構成されたパワーシリンダ３にはパワーピストン５が図において上下方向に移動可能に配設され、該パワーピストン５の上側に上記ディスプレーサシリンダ２の冷却側室２ｂと連通する作動室３ａが形成される。このパワーピストン５はアルミ合金等の非磁性材によって形成され、その上壁５１の中央部には穴５１ａが設けられており、上壁５１の下面には上記穴５１ａを囲撓して図において下方に延びる非磁性材からなる密封シリンダ５２が設けられている。なお、上記ディスプレーサシリンダ２内および作動室３ａ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。
【００１０】
図１に示す実施形態におけるのスターリングエンジンは、上記ディスプレーサシリンダ２の下半部およびパワーシリンダ３を包囲する冷却ケース６１と、上記ディスプレーサシリンダ２の上半部を包囲する加熱ケース６２を備えている。冷却ケース６１は、冷気入口６１ａと冷気出口６１ｂを備え、ディスプレーサシリンダ２の下半部およびパワーシリンダ３との間に冷却室６１ｃを形成しており、機体本体１の上壁１ａ上に載置されている。冷気入口６１ａから冷却室６１ｃに導入した冷気を冷気出口６１ｂを通して流出することにより、ディスプレーサシリンダ２の下半部外周面に形成された冷却用フィン２４およびパワーシリンダ３の外周面に形成された冷却用フィン３１を冷却する。加熱ケース６２は、暖気入口６２ａと暖気出口６２ｂを備え、ディスプレーサシリンダ２の上半部との間に暖気室６２ｃを形成しており、上記冷却ケース６１の上壁６１ｄ上に載置されている。暖気入口６２ａから暖気室６２ｃに導入した暖気を暖気出口６２ｂを通して流出することにより、ディスプレーサシリンダ２の上半部外周面に形成された加熱用フィン２２および上端壁２１の外面に形成された加熱用フィン２３を加熱する。
【００１１】
上記機体本体１の下部には、クランクシャフト８が配設され軸受７１および７２を介して回転可能に支持されている。このクランクシャフト８は、同位相に設けられた２個のクランクジャーナル８１、８１と、該２個のクランクジャーナル８１、８１の間に設けられたクランクジャーナル８２を備えている。クランクジャーナル８２は、クランクシャフト８の回転方向に２個のクランクジャーナル８１、８１より９０度先行する角度位置に設けられている。
【００１２】
上記パワーピストン５は、上記クランクシャフト８にパワーロッド９、９によって連結されている。このパワーロッド９、９は、一端（上端）がパワーピストン５の下部側面にピン９１、９１によって連結されており、他端（下端）がクランクシャフト８のクランクジャーナル８１、８１に連結されている。
【００１３】
上記ディスプレーサ４は、上記クランクシャフト８のクランクジャーナル８２とリンクロッド機構１０によって連結されている。このリンクロッド機構１０は、一端部（上端部）がディスプレーサ４に連結され他端部（下端部）が上記密封シリンダ５２内に摺動可能に配設された第１のロッド１１０と、一端（下端）がクランクシャフト８のクランクジャーナル８２に連結された第２のロッド１２０と、該第２のロッド１２０の他端（上端）に一端（下端）が連結され他端部（上端部）が密封シリンダ５２の外周面に沿って摺動可能に且つ第１のロッド１１０の他端部（下端部）と重合して配設された第３のロッド１３０と、第１のロッド１１０の他端部（下端部）と第３のロッド１３０の他端部（上端部）に設けられた磁気駆動機構１４０とを具備している。
【００１４】
上記第１のロッド１１０は、一端部（上端部）がディスプレーサ４の中心部を貫通して配設され、上端部にナット１１２を螺合することによってディスプレーサ４に取り付けられる。第１のロッド１１０の他端部（下端部）は小径に形成されており、この小径部１１１が上記密封シリンダ５２内に摺動可能に配設される。上記第３のロッド１３０はアルミ合金等の非磁性材によって円筒状に形成され、その一端部（下端部）が上記第２のロッド１２０の他端部（上端部）にピン１２２によって連結されている。なお、第３のロッド１３０の他端部（上端部）は、上記磁気駆動機構１４０の構成部材を収容するホルダー１３１を形成している。
【００１５】
次に、上記磁気駆動機構１４０について、図２を参照して説明する。
図示の磁気駆動機構１４０は、上記第３のロッド１３０の他端部（上端部）に設けられた収容するホルダー１３１内に配設された筒状の永久磁石１４１を備えている。なお、筒状の永久磁石１４１は、その軸方向の両端部が磁石の両極をなし、図示の実施形態においては上側がＮ極に、下側がＳ極に設定されている。この永久磁石１４１の軸方向両側、即ち図において上側および下側に磁性材からなる環状のポールピース１４２および１４３が配設されている。なお、環状のポールピース１４２および１４３は、図示の実施形態においては内周面がそれぞれ永久磁石１４１側から外周側に向けて傾斜して形成されており、それぞれ永久磁石１４１側の端部で鋭角のエッジが形成されている。即ち、環状のポールピース１４２および１４３は、それぞれ永久磁石１４１と対向する面と後述するコア１４４と対向している面が鋭角に形成されている。一方、上記第１のロッド１１０の他端部（下端部）に形成された小径部１１１には、磁性材からなる筒状のコア１４４が配設されている。この筒状のコア１４４の軸方向長さは、上記永久磁石１４１の軸方向長さと略同じ寸法に設定されている。筒状のコア１４４の上側および下側には、非磁性材からなる環状のスライドガイド１４５および１４６が配設されている。これら筒状のコア１４４と環状のスライドガイド１４５および１４６は、第１のロッド１１０の他端部（下端部）に形成された小径部１１１に挿通して配設され、小径部１１１の端部に螺合するナット１４７によって締付固定される。
【００１６】
以上のように構成された磁気駆動機構１４０は、ホルダー１２１に配設された永久磁石１４１と第１のロッド１１０に配設されたコア１４４とが径方向に対向して配置される。従って、第３のロッド１３０に設けられたホルダー１３１側と第１のロッド１１０側には、矢印で示すように永久磁石１４１のＮ極、一方のポールピース１４２、コア１４４、他方のポールピース１４３、永久磁石１４１のＳ極を通る磁気回路が形成される。このとき、環状のポールピース１４２および１４３は永久磁石１４１と対向する面とコア１４４と対向している面が鋭角に形成されているので、この鋭角のエッジ部で磁束密度が高くなるため、コア１４４側に作用する磁力が高くなる。この結果、上記第２のロッド１２０に連結された第３のロッド１３０が上下方向に移動すると、上記磁気回路に起因する磁力によって第１のロッド１１０が追従して移動し、該第１のロッド１１０と連結されたディスプレーサ４が作動せしめられる。このように、図示実施形態においては、ディスプレーサ４に連結された第１のロッド１１０の他端部（下端部）は密封シリンダ５２内に配設され外部に貫通されていないので、作動気体の漏れを防ぐことができる。
【００１７】
なお、図示の実施形態においては、第３のロッド１３０に設けられたホルダー１３１に永久磁石１４１とポールピース１４２および１４３を配設し、第１のロッド１１０にコア１４４を配設した構成をしめしたが、第３のロッド１３０に設けられたホルダー１３１にコア１４４を配設し、第１のロッド１１０に永久磁石１４１とポールピース１４２および１４３を配設してもよい。
【００１８】
図１および図２に示す実施形態における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説明する。
図１はディスプレーサ４が下死点に位置しパワーピストン５が下死点前９０度の位置にある状態を示している。この状態からクランクシャフト８が矢印で示す方向に回転するに従ってリンクロッド機構１０を構成する第２のロッド１２０が上昇し、第２のロッド１２０と連結された第３のロッド１３０が上昇せしめられる。第３のロッド１３０が上昇すると上述したように磁気駆動機構１４０を介して第１のロッド１１０が上昇せしめられ、該第１のロッド１１０と連結されたディスプレーサ４が上昇する。この結果、加熱側室２ａ内で加熱され膨張した作動気体は、ディスプレーサ４を通して冷却側室２ｂに流入する。一方、パワーピストン５は図１に示す状態（下死点前９０度の位置）から下死点に向けて下降せしめられる。従って、作動室３ａ内には上記のようにしてディスプレーサ４を通過し冷却側室２ｂに流入した作動気体が導入される。このようにして、パワーピストン５が下死点に達すると、図３に示す状態となる。このとき、ディスプレーサ４は、上死点前９０度の位置にある。
【００１９】
上述のようにして冷却側室２ｂおよび作動室３ａ内に流入した作動気体は、冷却されて収縮する。この結果、作動室３ａ内の圧力が低下してパワーピストン５は上方に吸引される。そして、図４に示すようにパワーピストン５が上死点前９０度の位置に達すると、ディスプレーサ４は上死点に達する。このとき、加熱側室２ａ内の作動気体はディスプレーサ４を通して冷却側室２ｂに流入するが、ディスプレーサ４を通過する際に冷却される。図４に示す状態からパワーピストン５が更に上方に吸引され図５に示すようにパワーピストン５が上死点に達すると、ディスプレーサ４は上死点から下降して下死点前９０度の位置に達する。従って、冷却側室２ｂの作動気体は、ディスプレーサ４を通して加熱側室２ａ内に流入する。このとき、作動気体はディスプレーサ４を通過する際に加熱される。そして、図５に示す状態からパワーピストン５が下降して下死点前９０度の位置に達すると、図１に示す状態となる。以上のサイクルを繰り返すことにより、クランクシャフト８を回転することができる。
【００２０】
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乃至図１０を参照して説明する。
図６に示す実施形態は、所謂γ型エンジンに本発明を適用したものである。図６に示す所謂γ型スターリングエンジンは、ディスプレーサシリンダ２００と上述した実施形態におけるパワーシリンダに相当するベローズ２２０を具備している。ディスプレーサシリンダ２００はアルミ合金等の金属材料によって形成され、下壁２０１の下面が加熱面に上壁２０２の上面が冷却面として機能する。即ち、下壁２０１の下面を適宜の加熱手段によって加熱し、上壁２０２の上面を適宜の冷却手段または自然空冷によって冷却する。ディスプレーサシリンダ２００の上壁２０２の中央部には穴２０２ａが形成されており、この穴２０２ａを囲撓して図において上方に延びる非磁性材からなる密封シリンダ２０３が設けられている。ディスプレーサシリンダ２００内には質量の小さい材料によって形成されたディスプレーサ２１０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、ディスプレーサシリンダ２００内は、ディスプレーサ２１０によって図において下側の加熱側室２００ａと図において上側の冷却側室２００ｂに区画される。なお、ディスプレーサ２１０の外周面とディスプレーサシリンダ２００の内周面との間には、隙間が形成されている。
【００２１】
上記ディスプレーサシリンダ２００の上壁２０２の外周部上面には上方に突出するボス部２０２ｂが設けられており、該ボス部２０２ｂに連通穴２０２ｃ、２０２ｃが形成されているとともに、その中心部に摺動穴２０２ｄを備えた摺動ガイド２０２ｅが設けられている。このボス部２０２ｂに上記ベローズ２２０の下端部が装着されている。従って、ベローズ２２０内は、連通穴２０２ｃ、２０２ｃを通して上記冷却側室２００ｂと連通する作動室２２０ａとなる。なお、上記ディスプレーサシリンダ２００内および作動室２２０ａ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。ベローズ２２０の上端には、パワーピストン２３０が装着されている。パワーピストン２３０の中心部下面には被案内ロッド２３１が突出して形成されており、この被案内ロッド２３１が上記摺動ガイド２０２ｅの摺動穴２０２ｄに摺動可能に嵌合される。なお、パワーピストン２３０の中心部上面には、連結部２３２が突出して設けられている。
【００２２】
上記ディスプレーサシリンダ２００の上壁２０２には支持フレーム２４０が立設して設けられている。支持フレーム２４０の上端部には軸受け部２４１が設けられており、この軸受け部２４１にクランクシャフト２５０が回転可能に支持されている。このクランクシャフト２５０は、その両端部にクランクジャーナル２５１および２５２を備えている。図６において右側のクランクジャーナル２５２は、クランクシャフト２５０の回転方向に左側のクランクジャーナル２５１より９０度先行する角度位置に設けられている。
【００２３】
上記パワーピストン２３０は、上記クランクシャフト２５０にパワーロッド２６０によって連結されている。このパワーロッド２６０は、一端（下端）がパワーピストン２３０の上面に設けられた連結部２３２にピン２６１によって連結されており、他端（上端）がクランクシャフト２５０のクランクジャーナル２５１に連結されている。
【００２４】
上記ディスプレーサ２１０は、上記クランクシャフト２５０のクランクジャーナル２５２とリンクロッド機構３００によって連結されている。リンクロッド機構３００は、上述した実施形態におけるリンクロッド機構１０と実質的に同様の構成である。即ち、リンクロッド機構３００は、一端部（下端部）がディスプレーサ２１０に連結され他端部（上端部）が上記密封シリンダ２０３内に摺動可能に配設された第１のロッド３１０と、一端（上端）がクランクシャフト２５０のクランクジャーナル２５２に連結された第２のロッド３２０と、該第２のロッド３２０の他端（下端）に一端（上端）が連結され他端部（下端部）が密封シリンダ２０３の外周面に沿って摺動可能に且つ第１のロッド３１０の他端部（上端部）と重合して配設された第３のロッド３３０と、第１のロッド３１０の他端部（上端部）と第３のロッド３３０の他端部（下端部）に設けられた磁気駆動機構３４０とを具備している。
【００２５】
上記第１のロッド３１０は、一端部（下端部）がディスプレーサ２１０の中心部を貫通して配設され、下端部にナット３１２を螺合することによってディスプレーサ２１０に取り付けられる。第１のロッド３１０の他端部（上端部）は小径に形成されており、この小径部３１１が上記密封シリンダ２０３内に摺動可能に配設される。上記第３のロッド３３０はアルミ合金等の非磁性材によって円筒状に形成され、その一端部（上端部）が上記第２のロッド３２０の他端部（下端部）にピン３２２によって連結されている。なお、第３のロッド３３０の他端部（下端部）は、上記磁気駆動機構３４０の構成部材を収容するホルダー３３１を形成している。
【００２６】
次に、上記磁気駆動機構３４０について、図７を参照して説明する。
図示の磁気駆動機構３４０は、上記第３のロッド３３０の他端部（下端部）に設けられた収容するホルダー３３１内に配設された筒状の永久磁石３４１を備えている。なお、筒状の永久磁石３４１は、図示の実施形態においては上側がＮ極に、下側がＳ極に設定されている。この永久磁石３４１の上側および下側に磁性材からなる環状のポールピース３４２および３４３が配設されている。一方、上記第１のロッド３１０の他端部（上端部）に形成された小径部３１１には、磁性材からなる筒状のコア３４４が配設されている。この筒状のコア３４４の軸方向長さは、上記永久磁石３４１の軸方向長さと略同じ寸法に設定されている。筒状のコア３４４の上側および下側には、非磁性材からなる環状のスライドガイド３４５および３４６が配設されている。これら筒状のコア３４４と環状のスライドガイド３４５および３４６は、第１のロッド３１０の他端部（上端部）に形成された小径部３１１に挿通して配設され、第１のロッド３１０の他端部（下端部）に螺合するナット３４７によって締付固定される。なお、上記ポールピース３４２および３４３の上側および下側には、非磁性材からなる環状のスライドガイド３４８および３４９が配設されている。
【００２７】
以上のように構成された磁気駆動機構３４０は、ホルダー３３１に配設された永久磁石３４１と第１のロッド３１０に配設されたコア３４４とが径方向に対向して配置される。従って、第３のロッド３３０に設けられたホルダー３２１側と第１のロッド３１０側には、矢印で示すように永久磁石３４１のＮ極、一方のポールピース３４２、コア３４４、他方のポールピース３４３、永久磁石３４１のＳ極を通る磁気回路が形成される。この結果、上記第２のロッド３２０に連結された第３のロッド３３０が上下方向に移動すると、上記磁気回路にに起因する磁力によって第１のロッド３１０が追従して移動し、該第１のロッド３１０と連結されたディスプレーサ２１０が作動せしめられる。このように、図示実施形態においては、ディスプレーサ２１０に連結された第１のロッド３１０の他端部（上端部）は密封シリンダ２０３内に配設され外部に貫通されていないので、作動気体の漏れを防ぐことができる。また、図示の実施形態においては、上記パワーピストン２３０はベローズ２２０に装着されているので、作動気体の漏れを完全に防ぐことができる。
【００２８】
図６および図７に示す実施形態における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説明する。
図６はディスプレーサ２１０が上死点に位置しパワーピストン２３０が上死点前９０度の位置にある状態を示している。この状態からクランクシャフト２５０が矢印で示す方向に回転するに従って第２のロッド３２０が下降し、第２のロッド３２０と連結された第３のロッド３３０が下降せしめられる。第３のロッド３３０が下降すると上述したように磁気駆動機構３４０を介して第１のロッド３１０が下降せしめられ、該第１のロッド３１０と連結されたディスプレーサ２１０が下降する。この結果、加熱側室２００ａ内で加熱され膨張した作動気体は、ディスプレーサ２１０の外周面とディスプレーサシリンダ２００の内周面との隙間を通して冷却側室２００ｂに流入する。一方、パワーピストン２３０は図６に示す状態（上死点前９０度の位置）から上死点に向けて上昇せしめられる。このようにして、パワーピストン２３０が上死点に達すると、図８に示す状態となる。このとき、ディスプレーサ２１０は、下死点前９０度の位置にある。
【００２９】
上述のようにして冷却側室２００ｂおよび作動室２２０ａ内に流入した作動気体は、冷却されて収縮する。この結果、作動室２２０ａ内の圧力が低下してパワーピストン２３０は下方に吸引される。そして、図９に示すようにパワーピストン２３０が下死点前９０度の位置に達すると、ディスプレーサ２１０は下死点に達する。このとき、加熱側室２００ａ内の作動気体は、ディスプレーサ２１０の外周面とディスプレーサシリンダ２００の内周面との隙間を通して冷却側室２００ｂに流入する。図９に示す状態からパワーピストン２３０が更に下方に吸引され図１０に示すようにパワーピストン２３０が下死点に達すると、ディスプレーサ２１０は上死点から下降して下死点前９０度の位置に達する。従って、冷却側室２００ｂの作動気体は加熱側室２ａ内に流入する。そして、図１０に示す状態からパワーピストン２３０が下降して上死点前９０度の位置に達すると、図６に示す状態となる。以上のサイクルを繰り返すことにより、クランクシャフト２５０を回転することができる。
【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作動室をディスプレーサシリンダの冷却側室と連通した例を示したが、ディスプレーサシリンダの冷却側室と加熱側室を逆にして作動室を加熱側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、ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッド機構は、一端がディスプレーサに連結され他端部がディスプレーサシリンダの冷却側室または加熱側室の一方に連通して形成された密封シリンダ内に摺動可能に配設された第１のロッドと、一端がクランクシャフトに連結された第２のロッドと、第２のロッドの他端に一端が連結され他端部に密封シリンダの外周面に沿って摺動可能に且つ第１のロッドの他端部と重合して配設されたホルダーを備えた第３のロッドと、第３のロッドの他端部と第１のロッドの他端部に設けられ第３のロッドの駆動力を第１のロッドに伝達する磁気駆動機構とによって構成されているので、ディスプレーサに連結された第１のロッドの他端部は密封シリンダ内に配設され外部に貫通されていないため、作動気体の漏れを防ぐことができる。
そして、本発明の磁気駆動機構における永久磁石は、筒状に形成されその軸方向の両端部が磁石の両極をなすよう構成されており、両側にはポールピースが配設されている。このような筒状の磁石材は、ホルダー又はロッドへの組み付けが簡単であって、磁気駆動機構の構造が簡易となるとともに、磁石自体の製造も容易である。また、軸方向に向かう磁束は、磁性材のポールピースで側方に曲げられ効率的にコアに流れ込むので、漏洩磁束が少なくなる。特に、ポールピースの断面を鋭角としたときは、この鋭角のエッジ部で磁束密度が高くなってコアに作用する磁力が強まり、第３のロッドと第１のロッドとをより強固に連結することができる。
【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】図１におけるＡ部拡大図。
【図３】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４】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】図１におけるＢ部拡大図。
【図８】図６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９】図６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１０】図６に示すスターリングエンジンの作動状態を示す説明図。
【符号の説明】
２：ディスプレーサシリンダ
２２、２３：加熱用フィン
２４：冷却用フィン
３：パワーシリンダ
３１：冷却用フィン
４：ディスプレーサ
５：パワーピストン
５２：密封シリンダ
６１：冷却ケース
６２：加熱ケース
８：クランクシャフト
９：パワーロッド
１０：リンクロッド機構
１１０：第１のロッド
１２０：第２のロッド
１３０：第３のロッド
１３１：ホルダー
１４０：磁気駆動機構
１４１：永久磁石
１４２、１４３：ポールピース
１４４：コア
１４５、１４６：スライドガイド
２００：ディスプレーサシリンダ
２１０：ディスプレーサ
２２０：ベローズ
２３０：パワーピストン
２４０：支持フレーム
２５０：クランクシャフト
２６０：パワーロッド
３００：リンクロッド機構
３１０：第１のロッド
３２０：第２のロッド
３３０：第３のロッド
３３１：ホルダー
３４０：磁気駆動機構
３４１：永久磁石
３４２、３４３：ポールピース
３４４：コア
３４５、３４６：スライドガイド
【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該ディスプレーサシリンダ内を冷却側室と加熱側室とに区画するディスプレーサと、該ディスプレーサシリンダの冷却側室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、該パワーピストンに一端が連結されたパワーロッドと、該パワーロッドの他端が連結されたクランクシャフトと、ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッドとを具備しており、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。特に、ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッドはディスプレーサシリンダ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。
【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、上記ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッドの摺動部からの作動気体の漏れを確実に防ぐ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。さらに、本発明は作動気体の漏れを防止するため磁気的手段を用いてリンクロッド等を連結し、その磁気的手段の構成を簡易なものとするとともに、強固な連結を図ることを課題とする。
【０００５】
【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、
「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該ディスプレーサシリンダ内を冷却側室と加熱側室とに区画するディスプレーサと、該ディスプレーサシリンダの該冷却側室または該加熱側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、該パワーピストンに一端が連結されたパワーロッドと、該パワーロッドの他端が連結されたクランクシャフトと、該ディスプレーサと該クランクシャフトとを連結するリンクロッド機構とを具備するスターリングエンジンにおいて、
該リンクロッド機構は、一端が該ディスプレーサに連結され他端部が該ディスプレーサシリンダの該冷却側室または該加熱側室の一方に連通して形成された密封シリンダ内に摺動可能に配設された第１のロッドと、一端が該クランクシャフトに連結された第２のロッドと、該第２のロッドの他端に一端が連結され他端部に該密封シリンダの外周面に沿って摺動可能に且つ該第１のロッドの他端部と重合して配設されたホルダーを備えた第３のロッドと、該第３のロッドの他端部と該第１のロッドの他端部に設けられ該第３のロッドの駆動力を該第１のロッドに伝達する磁気駆動機構とによって構成され、
該磁気駆動機構は、該第３のロッドのホルダーおよび該第１のロッドの他端部の中の一方に配設された筒状の永久磁石と、他方に配設された磁性材からなるコアとからなっており、さらに、
該永久磁石は、筒状の両方の端部が磁石の両極をなし、その両側にはそれぞれ磁性材からなる環状のポールピースが配設されている、
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】
上記のポールピースは、上記永久磁石と対向する面と該コアと対向している面が鋭角に形成されていることが望ましい。
【０００７】
【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。
【０００８】
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、直列に配設されたディスプレーサシリンダ２とパワーシリンダ３を具備している。ディスプレーサシリンダ２はアルミ合金等の金属材料によって下端が開放して形成され、その図において上半部外周面および上端壁２１の外面にはそれぞれ加熱用フィン２２および２３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２４が形成されている。このように構成されたディスプレーサシリンダ２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、ディスプレーサシリンダ２内は、ディスプレーサ４によって図において上側の加熱側室２ａと図において下側の冷却側室２ｂに区画される。ディスプレーサ４は、上側板４１と下側板４２との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ており、熱交換機能を有する再生器として機能するようになっている。なお、上側板４１と下側板４２には、それぞれ流通穴４１ａと４２ａが形成されている。
【０００９】
パワーシリンダ３はアルミ合金等の金属材料によって両端が開放して形成され、上記ディスプレーサシリンダ２の下端に接続して配設されている。このパワーシリンダ３はボア径が上記ディスプレーサシリンダ２のボア径より小径に形成されており、その外周面には冷却用フィン３１が形成されている。パワーシリンダ３は、その下端に案内筒３２が一体に形成されており、この案内筒３２が機体本体１の上壁１ａに形成された穴１ｂに嵌合して取付けられる。このように構成されたパワーシリンダ３にはパワーピストン５が図において上下方向に移動可能に配設され、該パワーピストン５の上側に上記ディスプレーサシリンダ２の冷却側室２ｂと連通する作動室３ａが形成される。このパワーピストン５はアルミ合金等の非磁性材によって形成され、その上壁５１の中央部には穴５１ａが設けられており、上壁５１の下面には上記穴５１ａを囲撓して図において下方に延びる非磁性材からなる密封シリンダ５２が設けられている。なお、上記ディスプレーサシリンダ２内および作動室３ａ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。
【００１０】
図１に示す実施形態におけるのスターリングエンジンは、上記ディスプレーサシリンダ２の下半部およびパワーシリンダ３を包囲する冷却ケース６１と、上記ディスプレーサシリンダ２の上半部を包囲する加熱ケース６２を備えている。冷却ケース６１は、冷気入口６１ａと冷気出口６１ｂを備え、ディスプレーサシリンダ２の下半部およびパワーシリンダ３との間に冷却室６１ｃを形成しており、機体本体１の上壁１ａ上に載置されている。冷気入口６１ａから冷却室６１ｃに導入した冷気を冷気出口６１ｂを通して流出することにより、ディスプレーサシリンダ２の下半部外周面に形成された冷却用フィン２４およびパワーシリンダ３の外周面に形成された冷却用フィン３１を冷却する。加熱ケース６２は、暖気入口６２ａと暖気出口６２ｂを備え、ディスプレーサシリンダ２の上半部との間に暖気室６２ｃを形成しており、上記冷却ケース６１の上壁６１ｄ上に載置されている。暖気入口６２ａから暖気室６２ｃに導入した暖気を暖気出口６２ｂを通して流出することにより、ディスプレーサシリンダ２の上半部外周面に形成された加熱用フィン２２および上端壁２１の外面に形成された加熱用フィン２３を加熱する。
【００１１】
上記機体本体１の下部には、クランクシャフト８が配設され軸受７１および７２を介して回転可能に支持されている。このクランクシャフト８は、同位相に設けられた２個のクランクジャーナル８１、８１と、該２個のクランクジャーナル８１、８１の間に設けられたクランクジャーナル８２を備えている。クランクジャーナル８２は、クランクシャフト８の回転方向に２個のクランクジャーナル８１、８１より９０度先行する角度位置に設けられている。
【００１２】
上記パワーピストン５は、上記クランクシャフト８にパワーロッド９、９によって連結されている。このパワーロッド９、９は、一端（上端）がパワーピストン５の下部側面にピン９１、９１によって連結されており、他端（下端）がクランクシャフト８のクランクジャーナル８１、８１に連結されている。
【００１３】
上記ディスプレーサ４は、上記クランクシャフト８のクランクジャーナル８２とリンクロッド機構１０によって連結されている。このリンクロッド機構１０は、一端部（上端部）がディスプレーサ４に連結され他端部（下端部）が上記密封シリンダ５２内に摺動可能に配設された第１のロッド１１０と、一端（下端）がクランクシャフト８のクランクジャーナル８２に連結された第２のロッド１２０と、該第２のロッド１２０の他端（上端）に一端（下端）が連結され他端部（上端部）が密封シリンダ５２の外周面に沿って摺動可能に且つ第１のロッド１１０の他端部（下端部）と重合して配設された第３のロッド１３０と、第１のロッド１１０の他端部（下端部）と第３のロッド１３０の他端部（上端部）に設けられた磁気駆動機構１４０とを具備している。
【００１４】
上記第１のロッド１１０は、一端部（上端部）がディスプレーサ４の中心部を貫通して配設され、上端部にナット１１２を螺合することによってディスプレーサ４に取り付けられる。第１のロッド１１０の他端部（下端部）は小径に形成されており、この小径部１１１が上記密封シリンダ５２内に摺動可能に配設される。上記第３のロッド１３０はアルミ合金等の非磁性材によって円筒状に形成され、その一端部（下端部）が上記第２のロッド１２０の他端部（上端部）にピン１２２によって連結されている。なお、第３のロッド１３０の他端部（上端部）は、上記磁気駆動機構１４０の構成部材を収容するホルダー１３１を形成している。
【００１５】
次に、上記磁気駆動機構１４０について、図２を参照して説明する。
図示の磁気駆動機構１４０は、上記第３のロッド１３０の他端部（上端部）に設けられた収容するホルダー１３１内に配設された筒状の永久磁石１４１を備えている。なお、筒状の永久磁石１４１は、その軸方向の両端部が磁石の両極をなし、図示の実施形態においては上側がＮ極に、下側がＳ極に設定されている。この永久磁石１４１の軸方向両側、即ち図において上側および下側に磁性材からなる環状のポールピース１４２および１４３が配設されている。なお、環状のポールピース１４２および１４３は、図示の実施形態においては内周面がそれぞれ永久磁石１４１側から外周側に向けて傾斜して形成されており、それぞれ永久磁石１４１側の端部で鋭角のエッジが形成されている。即ち、環状のポールピース１４２および１４３は、それぞれ永久磁石１４１と対向する面と後述するコア１４４と対向している面が鋭角に形成されている。一方、上記第１のロッド１１０の他端部（下端部）に形成された小径部１１１には、磁性材からなる筒状のコア１４４が配設されている。この筒状のコア１４４の軸方向長さは、上記永久磁石１４１の軸方向長さと略同じ寸法に設定されている。筒状のコア１４４の上側および下側には、非磁性材からなる環状のスライドガイド１４５および１４６が配設されている。これら筒状のコア１４４と環状のスライドガイド１４５および１４６は、第１のロッド１１０の他端部（下端部）に形成された小径部１１１に挿通して配設され、小径部１１１の端部に螺合するナット１４７によって締付固定される。
【００１６】
以上のように構成された磁気駆動機構１４０は、ホルダー１２１に配設された永久磁石１４１と第１のロッド１１０に配設されたコア１４４とが径方向に対向して配置される。従って、第３のロッド１３０に設けられたホルダー１３１側と第１のロッド１１０側には、矢印で示すように永久磁石１４１のＮ極、一方のポールピース１４２、コア１４４、他方のポールピース１４３、永久磁石１４１のＳ極を通る磁気回路が形成される。このとき、環状のポールピース１４２および１４３は永久磁石１４１と対向する面とコア１４４と対向している面が鋭角に形成されているので、この鋭角のエッジ部で磁束密度が高くなるため、コア１４４側に作用する磁力が高くなる。この結果、上記第２のロッド１２０に連結された第３のロッド１３０が上下方向に移動すると、上記磁気回路に起因する磁力によって第１のロッド１１０が追従して移動し、該第１のロッド１１０と連結されたディスプレーサ４が作動せしめられる。このように、図示実施形態においては、ディスプレーサ４に連結された第１のロッド１１０の他端部（下端部）は密封シリンダ５２内に配設され外部に貫通されていないので、作動気体の漏れを防ぐことができる。
【００１７】
なお、図示の実施形態においては、第３のロッド１３０に設けられたホルダー１３１に永久磁石１４１とポールピース１４２および１４３を配設し、第１のロッド１１０にコア１４４を配設した構成をしめしたが、第３のロッド１３０に設けられたホルダー１３１にコア１４４を配設し、第１のロッド１１０に永久磁石１４１とポールピース１４２および１４３を配設してもよい。
【００１８】
図１および図２に示す実施形態における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説明する。
図１はディスプレーサ４が下死点に位置しパワーピストン５が下死点前９０度の位置にある状態を示している。この状態からクランクシャフト８が矢印で示す方向に回転するに従ってリンクロッド機構１０を構成する第２のロッド１２０が上昇し、第２のロッド１２０と連結された第３のロッド１３０が上昇せしめられる。第３のロッド１３０が上昇すると上述したように磁気駆動機構１４０を介して第１のロッド１１０が上昇せしめられ、該第１のロッド１１０と連結されたディスプレーサ４が上昇する。この結果、加熱側室２ａ内で加熱され膨張した作動気体は、ディスプレーサ４を通して冷却側室２ｂに流入する。一方、パワーピストン５は図１に示す状態（下死点前９０度の位置）から下死点に向けて下降せしめられる。従って、作動室３ａ内には上記のようにしてディスプレーサ４を通過し冷却側室２ｂに流入した作動気体が導入される。このようにして、パワーピストン５が下死点に達すると、図３に示す状態となる。このとき、ディスプレーサ４は、上死点前９０度の位置にある。
【００１９】
上述のようにして冷却側室２ｂおよび作動室３ａ内に流入した作動気体は、冷却されて収縮する。この結果、作動室３ａ内の圧力が低下してパワーピストン５は上方に吸引される。そして、図４に示すようにパワーピストン５が上死点前９０度の位置に達すると、ディスプレーサ４は上死点に達する。このとき、加熱側室２ａ内の作動気体はディスプレーサ４を通して冷却側室２ｂに流入するが、ディスプレーサ４を通過する際に冷却される。図４に示す状態からパワーピストン５が更に上方に吸引され図５に示すようにパワーピストン５が上死点に達すると、ディスプレーサ４は上死点から下降して下死点前９０度の位置に達する。従って、冷却側室２ｂの作動気体は、ディスプレーサ４を通して加熱側室２ａ内に流入する。このとき、作動気体はディスプレーサ４を通過する際に加熱される。そして、図５に示す状態からパワーピストン５が下降して下死点前９０度の位置に達すると、図１に示す状態となる。以上のサイクルを繰り返すことにより、クランクシャフト８を回転することができる。
【００２０】
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乃至図１０を参照して説明する。
図６に示す実施形態は、所謂γ型エンジンに本発明を適用したものである。図６に示す所謂γ型スターリングエンジンは、ディスプレーサシリンダ２００と上述した実施形態におけるパワーシリンダに相当するベローズ２２０を具備している。ディスプレーサシリンダ２００はアルミ合金等の金属材料によって形成され、下壁２０１の下面が加熱面に上壁２０２の上面が冷却面として機能する。即ち、下壁２０１の下面を適宜の加熱手段によって加熱し、上壁２０２の上面を適宜の冷却手段または自然空冷によって冷却する。ディスプレーサシリンダ２００の上壁２０２の中央部には穴２０２ａが形成されており、この穴２０２ａを囲撓して図において上方に延びる非磁性材からなる密封シリンダ２０３が設けられている。ディスプレーサシリンダ２００内には質量の小さい材料によって形成されたディスプレーサ２１０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、ディスプレーサシリンダ２００内は、ディスプレーサ２１０によって図において下側の加熱側室２００ａと図において上側の冷却側室２００ｂに区画される。なお、ディスプレーサ２１０の外周面とディスプレーサシリンダ２００の内周面との間には、隙間が形成されている。
【００２１】
上記ディスプレーサシリンダ２００の上壁２０２の外周部上面には上方に突出するボス部２０２ｂが設けられており、該ボス部２０２ｂに連通穴２０２ｃ、２０２ｃが形成されているとともに、その中心部に摺動穴２０２ｄを備えた摺動ガイド２０２ｅが設けられている。このボス部２０２ｂに上記ベローズ２２０の下端部が装着されている。従って、ベローズ２２０内は、連通穴２０２ｃ、２０２ｃを通して上記冷却側室２００ｂと連通する作動室２２０ａとなる。なお、上記ディスプレーサシリンダ２００内および作動室２２０ａ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。ベローズ２２０の上端には、パワーピストン２３０が装着されている。パワーピストン２３０の中心部下面には被案内ロッド２３１が突出して形成されており、この被案内ロッド２３１が上記摺動ガイド２０２ｅの摺動穴２０２ｄに摺動可能に嵌合される。なお、パワーピストン２３０の中心部上面には、連結部２３２が突出して設けられている。
【００２２】
上記ディスプレーサシリンダ２００の上壁２０２には支持フレーム２４０が立設して設けられている。支持フレーム２４０の上端部には軸受け部２４１が設けられており、この軸受け部２４１にクランクシャフト２５０が回転可能に支持されている。このクランクシャフト２５０は、その両端部にクランクジャーナル２５１および２５２を備えている。図６において右側のクランクジャーナル２５２は、クランクシャフト２５０の回転方向に左側のクランクジャーナル２５１より９０度先行する角度位置に設けられている。
【００２３】
上記パワーピストン２３０は、上記クランクシャフト２５０にパワーロッド２６０によって連結されている。このパワーロッド２６０は、一端（下端）がパワーピストン２３０の上面に設けられた連結部２３２にピン２６１によって連結されており、他端（上端）がクランクシャフト２５０のクランクジャーナル２５１に連結されている。
【００２４】
上記ディスプレーサ２１０は、上記クランクシャフト２５０のクランクジャーナル２５２とリンクロッド機構３００によって連結されている。リンクロッド機構３００は、上述した実施形態におけるリンクロッド機構１０と実質的に同様の構成である。即ち、リンクロッド機構３００は、一端部（下端部）がディスプレーサ２１０に連結され他端部（上端部）が上記密封シリンダ２０３内に摺動可能に配設された第１のロッド３１０と、一端（上端）がクランクシャフト２５０のクランクジャーナル２５２に連結された第２のロッド３２０と、該第２のロッド３２０の他端（下端）に一端（上端）が連結され他端部（下端部）が密封シリンダ２０３の外周面に沿って摺動可能に且つ第１のロッド３１０の他端部（上端部）と重合して配設された第３のロッド３３０と、第１のロッド３１０の他端部（上端部）と第３のロッド３３０の他端部（下端部）に設けられた磁気駆動機構３４０とを具備している。
【００２５】
上記第１のロッド３１０は、一端部（下端部）がディスプレーサ２１０の中心部を貫通して配設され、下端部にナット３１２を螺合することによってディスプレーサ２１０に取り付けられる。第１のロッド３１０の他端部（上端部）は小径に形成されており、この小径部３１１が上記密封シリンダ２０３内に摺動可能に配設される。上記第３のロッド３３０はアルミ合金等の非磁性材によって円筒状に形成され、その一端部（上端部）が上記第２のロッド３２０の他端部（下端部）にピン３２２によって連結されている。なお、第３のロッド３３０の他端部（下端部）は、上記磁気駆動機構３４０の構成部材を収容するホルダー３３１を形成している。
【００２６】
次に、上記磁気駆動機構３４０について、図７を参照して説明する。
図示の磁気駆動機構３４０は、上記第３のロッド３３０の他端部（下端部）に設けられた収容するホルダー３３１内に配設された筒状の永久磁石３４１を備えている。なお、筒状の永久磁石３４１は、図示の実施形態においては上側がＮ極に、下側がＳ極に設定されている。この永久磁石３４１の上側および下側に磁性材からなる環状のポールピース３４２および３４３が配設されている。一方、上記第１のロッド３１０の他端部（上端部）に形成された小径部３１１には、磁性材からなる筒状のコア３４４が配設されている。この筒状のコア３４４の軸方向長さは、上記永久磁石３４１の軸方向長さと略同じ寸法に設定されている。筒状のコア３４４の上側および下側には、非磁性材からなる環状のスライドガイド３４５および３４６が配設されている。これら筒状のコア３４４と環状のスライドガイド３４５および３４６は、第１のロッド３１０の他端部（上端部）に形成された小径部３１１に挿通して配設され、第１のロッド３１０の他端部（下端部）に螺合するナット３４７によって締付固定される。なお、上記ポールピース３４２および３４３の上側および下側には、非磁性材からなる環状のスライドガイド３４８および３４９が配設されている。
【００２７】
以上のように構成された磁気駆動機構３４０は、ホルダー３３１に配設された永久磁石３４１と第１のロッド３１０に配設されたコア３４４とが径方向に対向して配置される。従って、第３のロッド３３０に設けられたホルダー３２１側と第１のロッド３１０側には、矢印で示すように永久磁石３４１のＮ極、一方のポールピース３４２、コア３４４、他方のポールピース３４３、永久磁石３４１のＳ極を通る磁気回路が形成される。この結果、上記第２のロッド３２０に連結された第３のロッド３３０が上下方向に移動すると、上記磁気回路にに起因する磁力によって第１のロッド３１０が追従して移動し、該第１のロッド３１０と連結されたディスプレーサ２１０が作動せしめられる。このように、図示実施形態においては、ディスプレーサ２１０に連結された第１のロッド３１０の他端部（上端部）は密封シリンダ２０３内に配設され外部に貫通されていないので、作動気体の漏れを防ぐことができる。また、図示の実施形態においては、上記パワーピストン２３０はベローズ２２０に装着されているので、作動気体の漏れを完全に防ぐことができる。
【００２８】
図６および図７に示す実施形態における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説明する。
図６はディスプレーサ２１０が上死点に位置しパワーピストン２３０が上死点前９０度の位置にある状態を示している。この状態からクランクシャフト２５０が矢印で示す方向に回転するに従って第２のロッド３２０が下降し、第２のロッド３２０と連結された第３のロッド３３０が下降せしめられる。第３のロッド３３０が下降すると上述したように磁気駆動機構３４０を介して第１のロッド３１０が下降せしめられ、該第１のロッド３１０と連結されたディスプレーサ２１０が下降する。この結果、加熱側室２００ａ内で加熱され膨張した作動気体は、ディスプレーサ２１０の外周面とディスプレーサシリンダ２００の内周面との隙間を通して冷却側室２００ｂに流入する。一方、パワーピストン２３０は図６に示す状態（上死点前９０度の位置）から上死点に向けて上昇せしめられる。このようにして、パワーピストン２３０が上死点に達すると、図８に示す状態となる。このとき、ディスプレーサ２１０は、下死点前９０度の位置にある。
【００２９】
上述のようにして冷却側室２００ｂおよび作動室２２０ａ内に流入した作動気体は、冷却されて収縮する。この結果、作動室２２０ａ内の圧力が低下してパワーピストン２３０は下方に吸引される。そして、図９に示すようにパワーピストン２３０が下死点前９０度の位置に達すると、ディスプレーサ２１０は下死点に達する。このとき、加熱側室２００ａ内の作動気体は、ディスプレーサ２１０の外周面とディスプレーサシリンダ２００の内周面との隙間を通して冷却側室２００ｂに流入する。図９に示す状態からパワーピストン２３０が更に下方に吸引され図１０に示すようにパワーピストン２３０が下死点に達すると、ディスプレーサ２１０は上死点から下降して下死点前９０度の位置に達する。従って、冷却側室２００ｂの作動気体は加熱側室２ａ内に流入する。そして、図１０に示す状態からパワーピストン２３０が下降して上死点前９０度の位置に達すると、図６に示す状態となる。以上のサイクルを繰り返すことにより、クランクシャフト２５０を回転することができる。
【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作動室をディスプレーサシリンダの冷却側室と連通した例を示したが、ディスプレーサシリンダの冷却側室と加熱側室を逆にして作動室を加熱側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、ディスプレーサとクランクシャフトとを連結するリンクロッド機構は、一端がディスプレーサに連結され他端部がディスプレーサシリンダの冷却側室または加熱側室の一方に連通して形成された密封シリンダ内に摺動可能に配設された第１のロッドと、一端がクランクシャフトに連結された第２のロッドと、第２のロッドの他端に一端が連結され他端部に密封シリンダの外周面に沿って摺動可能に且つ第１のロッドの他端部と重合して配設されたホルダーを備えた第３のロッドと、第３のロッドの他端部と第１のロッドの他端部に設けられ第３のロッドの駆動力を第１のロッドに伝達する磁気駆動機構とによって構成されているので、ディスプレーサに連結された第１のロッドの他端部は密封シリンダ内に配設され外部に貫通されていないため、作動気体の漏れを防ぐことができる。
そして、本発明の磁気駆動機構における永久磁石は、筒状に形成されその軸方向の両端部が磁石の両極をなすよう構成されており、両側にはポールピースが配設されている。このような筒状の磁石材は、ホルダー又はロッドへの組み付けが簡単であって、磁気駆動機構の構造が簡易となるとともに、磁石自体の製造も容易である。また、軸方向に向かう磁束は、磁性材のポールピースで側方に曲げられ効率的にコアに流れ込むので、漏洩磁束が少なくなる。特に、ポールピースの断面を鋭角としたときは、この鋭角のエッジ部で磁束密度が高くなってコアに作用する磁力が強まり、第３のロッドと第１のロッドとをより強固に連結することができる。
【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】図１におけるＡ部拡大図。
【図３】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４】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】図１におけるＢ部拡大図。
【図８】図６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９】図６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１０】図６に示すスターリングエンジンの作動状態を示す説明図。
【符号の説明】
２：ディスプレーサシリンダ
２２、２３：加熱用フィン
２４：冷却用フィン
３：パワーシリンダ
３１：冷却用フィン
４：ディスプレーサ
５：パワーピストン
５２：密封シリンダ
６１：冷却ケース
６２：加熱ケース
８：クランクシャフト
９：パワーロッド
１０：リンクロッド機構
１１０：第１のロッド
１２０：第２のロッド
１３０：第３のロッド
１３１：ホルダー
１４０：磁気駆動機構
１４１：永久磁石
１４２、１４３：ポールピース
１４４：コア
１４５、１４６：スライドガイド
２００：ディスプレーサシリンダ
２１０：ディスプレーサ
２２０：ベローズ
２３０：パワーピストン
２４０：支持フレーム
２５０：クランクシャフト
２６０：パワーロッド
３００：リンクロッド機構
３１０：第１のロッド
３２０：第２のロッド
３３０：第３のロッド
３３１：ホルダー
３４０：磁気駆動機構
３４１：永久磁石
３４２、３４３：ポールピース
３４４：コア
３４５、３４６：スライドガイド
Claims (2)
- 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該ディスプレーサシリンダ内を冷却側室と加熱側室とに区画するディスプレーサと、該ディスプレーサシリンダの該冷却側室または該加熱側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、該パワーピストンに一端が連結されたパワーロッドと、該パワーロッドの他端が連結されたクランクシャフトと、該ディスプレーサと該クランクシャフトとを連結するリンクロッド機構とを具備するスターリングエンジンにおいて、
該リンクロッド機構は、一端が該ディスプレーサに連結され他端部が該ディスプレーサシリンダの該冷却側室または該加熱側室の一方に連通して形成された密封シリンダ内に摺動可能に配設された第１のロッドと、一端が該クランクシャフトに連結された第２のロッドと、該第２のロッドの他端に一端が連結され他端部に該密封シリンダの外周面に沿って摺動可能に且つ該第１のロッドの他端部と重合して配設されたホルダーを備えた第３のロッドと、該第３のロッドの他端部と該第１のロッドの他端部に設けられ該第３のロッドの駆動力を該第１のロッドに伝達する磁気駆動機構とによって構成され、
該磁気駆動機構は、該第３のロッドのホルダーおよび該第１のロッドの他端部の中の一方に配設された筒状の永久磁石と、他方に配設された磁性材からなるコアとからなっており、さらに、
該永久磁石は、筒状の両方の端部が磁石の両極をなし、その両側にはそれぞれ磁性材からなる環状のポールピースが配設されている、
ことを特徴とするスターリングエンジン。 - 該ポールピースは、該永久磁石と対向する面と該コアと対向している面が鋭角に形成されている、請求項１記載のスターリングエンジン。
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