JP4650580B2

JP4650580B2 - スターリングエンジン

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Publication number: JP4650580B2
Application number: JP2009095350A
Authority: JP
Inventors: 寛矢口; 大作澤田; 正章片山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP2010242718A; DE102010003751A1; US20100257857A1

Description

本発明はスターリングエンジンに関し、特にクランクケース加圧式のα型スターリングサイクル機構を複数備えたスターリングエンジンに関する。

近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。スターリングエンジンは高い熱効率が期待できる上に、作動流体を外から加熱する外燃機関であるために、熱源を問わず、ソーラー、地熱、排熱といった各種の低温度差代替エネルギーを活用でき、省エネルギーに役立つという利点がある。

かかるスターリングエンジンにつき、共通の回転軸を介して連結された複数のスターリングサイクル機構を備えている点で本発明と関連性があると考えられる技術が、例えば特許文献１から３までで開示されている。この点、特許文献１では、同一スターリングサイクル機構のシリンダ同士の間で、回転位相差を同一（例えば９０°）とする一方で、スターリングサイクル機構同士の間では、回転位相差を任意に設定できる旨が開示されている。
またこのほか、クランクケース加圧式のα型スターリングエンジンを開示している点で、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献４または５で開示されている。

特開２００５−５４６４０号公報（例えば段落１６）特開２００８−２２３５５５号公報特開２００６−１１８４０６号公報特開２００５−３５１２４２号公報特開２００５−３５１２４３号公報

ところで、α型スターリングサイクル機構では、正味仕事に比べて筒内圧の振幅が大きくなっている。このためα型スターリングサイクル機構は、出力トルクの変動が大きいという特性を有している。したがってα型スターリングサイクル機構を備えるスターリングエンジンにおいては、当該機構が１つである場合のみならず、当該機構を複数備える場合にも、出力トルクの変動について十分考慮するとともにその変動を抑制する必要がある。
なお、出力トルクの変動を抑制するには例えばフライホイールやダンパーを使用することも考えられる。しかしながら、この場合にはスターリングエンジンのサイズや質量が大きくなり、この結果、車両搭載性が悪化する点で問題があった。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、共通の回転軸を介して連結した複数のα型スターリングサイクル機構を備える場合に、出力トルクの変動を好適に抑制できるスターリングエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明のスターリングエンジンは、第１および第２のピストンを備えるとともに、クランクケース空間が加圧される複数のα型スターリングサイクル機構を備え、前記機構それぞれにつき、１回転あたりの周期が２周期となるトルク変動波形を発生させるようにして、前記機構それぞれを共通の回転軸を介して連結したスターリングエンジンである。

また本発明は前記機構を２つ備えた場合に、前記機構それぞれの前記第１または第２のピストン同士の位相差が９０°になるように当該位相差を設定した構成であることが好ましい。

また本発明は前記機構を３つ備えた場合に、前記機構それぞれの前記第１または第２のピストン同士の位相差が６０°若しくは１２０°になるように当該位相差を設定した構成であることが好ましい。

また本発明は前記機構を４つ備えた場合に、前記機構それぞれの前記第１または第２のピストンの位相が互いに重複しないように、且つ当該第１または第２のピストン同士の位相差が９０°になるように、若しくは９０°と１８０°との組み合わせによって構成されるように当該位相差を設定した構成であることが好ましい。

また本発明は前記機構それぞれにつき、作動流体が収容された作動ガス空間とクランクケース空間とを絞りを有して連通する第１の連通手段をさらに備え、前記機構それぞれのクランクケースを、該機構それぞれにつき共通のクランクケース空間を形成する１つのクランクケースとした構成であることが好ましい。

また本発明は前記第１の連通手段が、前記第１および第２のピストンと、該第１および第２のピストンとの間にクリアランスを形成する第１および第２のシリンダである構成であることが好ましい。

また本発明は前記第１および第２のピストンが、前記第１および第２のシリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンである構成であることが好ましい。

本発明によれば、共通の回転軸を介して連結した複数のα型スターリングサイクル機構を備える場合に、出力トルクの変動を好適に抑制できる。

スターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。筒内圧Ｐの通常の変化の様子を示す図である。クランクケース加圧前の初期状態の筒内圧Ｐ、クランクケース圧Ｐｃｒ、および作動ガス平均圧Ｐｍを示す図である。クランクケース加圧後の筒内圧Ｐ、クランクケース圧Ｐｃｒ、および作動ガス平均圧Ｐｍを示す図である。スターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形を示す図である。なお、図６では、導入パイプ７１、フィルタ７２およびチェック弁７３を備えていない点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一となっているスターリングエンジン１０Ｘについても同時に示している。スターリングエンジン１０Ｂを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ｂ´を模式的に示す図である。複数のα型スターリングサイクル機構を備える場合における出力トルク変動の低減の考え方を説明するための図である。２台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形を示す図である。９０°になるように位相差βを設定した駆動軸１１３Ｂを模式的に示す図である。具体的には図１１では（ａ）でクランク軸線ＣＬの延伸方向に沿って見た駆動軸１１３Ｂを示しており、（ｂ）で駆動軸１１３Ｂを斜視図で示している。図１１中、＃および＃に続く数字は各スターリングエンジン１０Ａの各気筒２０、３０全体に対して連番で付けた気筒番号、Ｈは膨張ピストン２１、Ｃは圧縮ピストン３１、ＨまたはＣに続く数字は各スターリングエンジン１０Ａの順番（何台目のスターリングエンジン１０Ａであるか）をそれぞれ示している。駆動軸１１３Ｂの変形例として、９０°になるように位相差βを設定した駆動軸１１３Ｂ´を示す図である。なお、図１２では図１１と同様にして（ａ）、（ｂ）で駆動軸１１３Ｂ´を示している。また、＃等の記号の意味も図１１と同様である。スターリングエンジン１０Ｃを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ｃ´を模式的に示す図である。３台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形を示す図である。６０°になるように位相差βを設定した駆動軸１１３Ｃを示す図である。図１６では、クランク軸線ＣＬの延伸方向に沿って見た駆動軸１１３Ｃを示している。＃等の記号の意味は図１１と同様である。駆動軸１１３Ｃの変形例として、１２０°になるように位相差βを設定した駆動軸１１３Ｃ´を示す図である。図１７では、クランク軸線ＣＬの延伸方向に沿って見た駆動軸１１３Ｃ´を示している。＃等の記号の意味は図１１と同様である。駆動軸１１３Ｃの代わりに駆動軸１１３Ｃ´を備えた場合における３台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形を示す図である。スターリングエンジン１０Ｄを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ｄ´を模式的に示す図である。４台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形を示す図である。９０°になるように位相差βを設定した駆動軸１１３Ｄを示す図である。図２２では、クランク軸線ＣＬの延伸方向に沿って見た駆動軸１１３Ｄを示している。＃等の記号の意味は図１１と同様である。４台のスターリングエンジン１０Ａを連結する場合における各スターリングエンジン１０Ａが備える膨張ピストン２１それぞれの位相の組み合わせ例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１はα型スターリングサイクル機構を１つ備えたスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ａは、２気筒α型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン１０Ａは、クランク軸線ＣＬの延伸方向と気筒配列方向Ｘとが互いに平行になるように直列並行に配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を有している。各気筒２０、３０それぞれはクランクケース６０Ａに固定されている。
高温側気筒２０は第１のピストンに相当する膨張ピストン２１と、第１のシリンダに相当する高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は第２のピストンに相当する圧縮ピストン３１と、第２のシリンダに相当する低温側シリンダ３２とを備えている。圧縮ピストン３１は、膨張ピストン２１に対して、クランク角で９０°程度遅れて動くように位相差が設けられている。

高温側シリンダ２２の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器４７で加熱された作動流体が流入する。加熱器４７は本実施例では具体的には車両に搭載されたガソリンエンジンの排気管２００の内部に配置されている。
低温側シリンダ３２の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５で冷却された作動流体が流入する。
再生器４６は、膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には、作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。
膨張空間と圧縮空間とは作動ガス空間を構成している。クランクケース６０Ａは高温側気筒２０および低温側気筒３０に共通のクランクケース空間を形成している。作動ガス空間とクランクケース空間とは膨張ピストン２１および圧縮ピストン３１によって区分されている。
作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ_２、Ｎ_２等の気体を適用することができる。

導入パイプ７１は、作動ガス空間に作動流体を導入する作動流体導入手段として設けられている。この点、導入パイプ７１は具体的には低温側シリンダ３２に設けられている。導入パイプ７１は、低温側シリンダ３２の圧縮空間とスターリングエンジン１０Ａの外部とを連通している。導入パイプ７１には、フィルタ７２とチェック弁７３とが設けられている。フィルタ７２は不純物を捕集する。チェック弁７３は外部から圧縮空間に向かう方向のみに流通を許可するとともに、圧力を伝える。

次にスターリングエンジン１０Ａの動作について説明する。加熱器４７で作動流体が加熱されると、膨張して膨張ピストン２１が圧下され、これにより回転軸に相当する駆動軸（クランクシャフト）１１３Ａの回動が行われる。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過して再生器４６に移送され、そこで熱を放出して冷却器４５へと流れる。冷却器４５で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１の上昇行程に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７へ流れ込み、そこで再び加熱膨張せしめられる。すなわち、かかる作動流体の往復流動を通じてスターリングエンジン１０Ａが動作する。

一方、２つのピストン２１、３１の往復動に伴い、作動流体の往復流動が生じると、膨張空間と圧縮空間にある作動流体の割合が変化するとともに、全内容積も変わるため、圧力変動が生じる。この点、２つのピストン２１、３１がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、膨張ピストン２１についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、圧縮ピストン３１については逆に低くなる。このため、膨張ピストン２１は外部に対し大きな正の仕事（膨張仕事）を行い、圧縮ピストン３１は外部から仕事（圧縮仕事）を受ける必要がある。膨張仕事は一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸１１３Ａを介して出力として取り出される。

ところで、本実施例ではスターリングエンジン１０Ａの熱源が車両の内燃機関の排気ガスとなっていることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０Ａを作動させる必要がある。そこで本実施例では、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。具体的にはスターリングエンジン１０Ａの内部フリクションのうち、最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間で気体潤滑を行っている。

気体潤滑ではシリンダ２２、３２とピストン２１、３１の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１、３１を空中に浮いた形にする。気体潤滑は摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを大幅に低減させることができる。空中に物体を浮上させる気体潤滑には、具体的には例えば加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体を浮上させる静圧気体潤滑を適用することができる。但しこれに限られず、気体潤滑は例えば動圧気体潤滑であってもよい。

気体潤滑が行われるシリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間のクリアランスは数十μmとなっている。そして、このクリアランスにはスターリングエンジン１０Ａの作動流体が介在している。ピストン２１、３１それぞれは、気体潤滑によりシリンダ２２、３２と非接触の状態、または許容できる接触状態で支持されている。したがってピストン２１、３１の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。気体潤滑では、微小クリアランスにより膨張空間、圧縮空間それぞれの気密が保たれ、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールが行われる。

さらにピストン２１、３１とシリンダ２２、３２とはともに金属製であり、本実施例では具体的には対応するピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２同士で線膨張率が同じ金属（ここではＳＵＳ）が適用されている。これにより、熱膨張があっても適正なクリアランスを維持して気体潤滑を行うことができる。
またピストン２１、３１とシリンダ２２、３２とは、かかる微小クリアランスを形成することで、作動ガス空間に必要な気密性を確保可能な絞りを有して作動ガス空間とクランクケース空間とを連通している。スターリングエンジン１０Ａでは、ピストン２１、３１とシリンダ２２、３２とが第１の連通手段に相当している。

ところで気体潤滑の場合、負荷能力が小さいことから、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。すなわち、気体潤滑を行う場合にはシリンダ２２、３２の直径方向（横方向，スラスト方向）の力に耐える能力（耐圧能力）が低くなるため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１、３１の直線運動精度が高い必要がある。

このため、本実施例ではピストン・クランク部にグラスホッパの機構５０を採用している。直線運動を実現する機構にはグラスホッパの機構５０のほか例えばワットの機構があるが、グラスホッパの機構５０は他の機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に本実施例のスターリングエンジン１０Ａは、自動車の床下といった限られたスペースに設置されることになるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。またグラスホッパの機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらにグラスホッパの機構５０は機構の構成が比較的簡単であるため、構成（製造・組み立て）し易いという利点も有する。

図２はスターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。なお、ピストン・クランク部には高温側気筒２０側と低温側気筒３０側とで共通の構成を採用しているため、以下では、高温側気筒２０側についてのみ説明し、低温側気筒３０側についての説明は省略する。近似直線機構は、グラスホッパの機構５０と、コネクティングロッド１１０と、エクステンションロッド１１１と、ピストンピン１１２とを備えている。膨張ピストン２１は、コネクティングロッド１１０、エクステンションロッド１１１およびピストンピン１１２を介して駆動軸１１３Ａに接続されている。具体的には、膨張ピストン２１はピストンピン１１２を介してエクステンションロッド１１１の一端側に接続されている。そして、エクステンションロッド１１１の他端側にはコネクティングロッド１１０の小端部１１０ａが接続されている。そして、コネクティングロッド１１０の大端部１１０ｂが駆動軸１１３Ａに接続されている。

膨張ピストン２１の往復運動は、コネクティングロッド１１０によって駆動軸１１３Ａに伝達され、ここで回転運動に変換される。コネクティングロッド１１０はグラスホッパの機構５０によって支持されており、膨張ピストン２１を直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド１１０をグラスホッパの機構５０によって支持することにより、膨張ピストン２１のサイドフォースＦがほとんどゼロになる。このため、負荷能力の小さい気体潤滑を行う場合でも十分に膨張ピストン２１を支持することができる。

ところで、スターリングエンジン１０Ａはクランクケース加圧式のスターリングエンジンとなっている。この点、クランクケース空間の加圧動作は次の通りである。ここで、作動流体の圧力である筒内圧Ｐは通常、図３に示すように作動ガス平均圧Ｐｍよりも低い領域（膨張行程の後半から圧縮行程の前半まで）と、作動ガス平均圧Ｐｍよりも高い領域（圧縮行程の後半から膨張行程の前半まで）とが、繰り返し得られるように変化する。なお、作動ガス平均圧Ｐｍは１サイクルあたりの筒内圧Ｐの平均値である。これに対してスターリングエンジン１０Ａでは、かかる筒内圧Ｐの変化を利用してクランクケース空間を加圧する。具体的にはかかる筒内圧Ｐの変化を利用して、作動ガス平均圧Ｐｍを高めるとともにクランクケース圧Ｐｃｒを高める。

図４に示すように、クランクケース空間が加圧される前の初期状態では、作動ガス平均圧Ｐｍとクランクケース圧Ｐｃｒとは、大気圧Ｐｏ（例えば１００ｋＰａ）と等しくなっている。そして、スターリングエンジン１０Ａの始動後、筒内圧Ｐが大気圧Ｐｏよりも低くなるとき（膨張行程の後半から圧縮行程の前半まで）には、大気圧Ｐｏの外気が導入パイプ７１を介して圧縮空間に流入する。そして、圧縮空間に流入した外気は、スターリングエンジン１０Ａの圧縮行程（特に圧縮行程の後半以降）で加圧される。さらに加圧された外気の圧力は、シリンダ３２、２２とピストン３１、２１との間の微小クリアランスを介して、クランクケース空間に伝わる。すなわちこれにより、クランクケース空間が加圧される。そして、この動作が繰り返されることにより、作動ガス平均圧Ｐｍが大気圧Ｐｏよりも高くなるとともに、クランクケース圧Ｐｃｒが作動ガス平均圧Ｐｍと同等になる。

この点、第１の連通手段に相当するピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２とは、作動ガス空間の圧力と、クランスケース空間の圧力との平衡化を図る機能を有している。そして、作動流体導入手段に相当する導入パイプ７１と、第１の連通手段に相当するピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２とは、クランクケース圧Ｐｃｒが作動ガス平均圧Ｐｍと同等になるようにするクランクケース空間の加圧を可能にする加圧可能化手段として設けられている。なお、加圧可能化手段を備える代わりに、第１の連通手段に相当するピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２を備えた状態でスターリングエンジン１０Ａに高圧ガスを密封することで、クランクケース圧Ｐｃｒが作動ガス平均圧Ｐｍと同等になるように加圧してもよい。
スターリングエンジン１０Ａは、具体的には高温側気筒２０と、低温側気筒３０と、冷却器４５と、再生器４６と、加熱器４７と、クランクケース６０Ａと、近似直線機構と、導入パイプ７１と、フィルタ７２と、チェック弁７３とを備えたα型スターリングサイクル機構を有している。

次にスターリングエンジン１０Ａの作用効果について、図５および図６を用いて説明する。スターリングエンジン１０Ａでは、クランクケース圧Ｐｃｒを加圧し、クランクケース圧Ｐｃｒと作動ガス平均圧Ｐｍとを同等にしている。このためスターリングエンジン１０Ａでは、筒内圧Ｐとクランクケース圧Ｐｃｒとの大小関係が変化し（図５参照）、これに応じて出力トルクの向きが変化することになる。このためスターリングエンジン１０Ａでは、図６に示すようにクランクケース空間を加圧しないスターリングエンジン１０Ｘの場合と比較して、トルク変動波形の周波数が２倍になる。これによりスターリングエンジン１０Ａでは、１回転あたりの周期が２周期となるトルク変動波形が発生する。

また、クランクケース空間を加圧しないスターリングエンジン１０Ｘの場合には、ピストン２１、３１は筒内圧Ｐと大気圧Ｐｏとの差圧を圧力荷重として担うことになる（図５参照）。これに対してスターリングエンジン１０Ａでは、ピストン２１、３１が筒内圧Ｐとクランクケース圧Ｐｃｒとの差圧分のみを圧力荷重として担うことになる（図５参照）。したがって、スターリングエンジン１０Ａではこの結果、図６に示すように出力トルク変動の最大値が減少することになる。そしてこの結果、スターリングエンジン１０Ａでは、出力トルクの変動が小さくなる。すなわちスターリングエンジン１０Ａによれば、１回転あたりの周期が２周期となるトルク変動波形を発生させることで、出力トルクの変動を好適に抑制できる。

本実施例にかかるスターリングエンジン１０Ｂについて、図７を用いて説明する。スターリングエンジン１０Ｂは、２台のスターリングエンジン１０Ａと、第２の連通手段に相当する連通パイプ７５とを備えている。すなわち、スターリングエンジン１０Ｂは、膨張ピストン２１と圧縮ピストン３１との位相差が同じ位相差（具体的には略９０°）に設定された２つのα型スターリングサイクル機構を備えている。各スターリングエンジン１０Ａ（換言すれば各α型スターリングサイクル機構）は共通の駆動軸１１３Ｂを介して連結されている。駆動軸１１３Ｂは、２つの駆動軸１１３Ａを連結し、構造的に一体化したものとなっている。

連通パイプ７５は、各スターリングエンジン１０Ａのクランクケース空間同士を連通している。この点、スターリングエンジン１０Ｂは連通パイプ７５を備える代わりに、例えば図８に示すように２つのα型スターリングサイクル機構それぞれのクランクケース６０Ａを、これら機構それぞれにつき共通のクランクケース空間を形成する１つのクランクケース６０Ｂとしたスターリングエンジン１０Ｂ´のように構成することもできる。なお、クランクケース６０Ｂを共通とするスターリングエンジン１０Ａ´それぞれは、スターリングエンジン１０Ｂにおけるスターリングエンジン１０Ａそれぞれに対応する構成である。

次に、複数のα型スターリングサイクル機構を備える場合における出力トルク変動の低減の考え方について、図９を用いて説明する。ここで、複数のα型スターリングサイクル機構を備える場合には、図９に示すように、各機構それぞれの膨張ピストン２１のＴＤＣ（上死点）を位相０°とし、４５°で筒内圧が最大になると仮定する。また出力トルクに対する影響は、図９に示すように大きく変化する筒内圧Ｐの影響が支配的であるため、筒内圧Ｐの影響で発生する出力トルクの変動のみを検討の対象とする。そしてかかる前提のもとで、各機構同士の間に位相差を設け、出力トルクの変動を抑制可能な各機構のトルク変動波形の合成波形を生成する。

スターリングエンジン１０Ｂでは、かかる考え方に基づき、具体的には次に示すように各スターリングエンジン１０Ａ（換言すれば各α型スターリングサイクル機構）同士の間の位相差βを設定している。この位相差βは、具体的には隣り合う各スターリングエンジン１０Ａの膨張ピストン２１同士（または換言すれば圧縮ピストン３１同士）の間の位相差となっている。

図１０は２台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形を示す図である。各スターリングエンジン１０Ａの連結前において、１台目のスターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形は波形Ｗ１１である。また、２台目のスターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形は波形Ｗ１２である。そして、各スターリングエンジン１０Ａ同士を連結するにあたり、スターリングエンジン１０Ｂでは、位相差βが、各スターリングエンジン１０Ａのうち、いずれか１つのトルク変動波形である波形Ｗ１１において、互いに隣接する最大点と最小点との間に存在する角度差θと略等しくなるように、位相差βを設定している。

この点、各スターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形である波形Ｗ１１、Ｗ１２において、最大点と最小点とは具体的には略９０°間隔で交互に存在している。このためスターリングエンジン１０Ｂでは、位相差βはさらに具体的には９０°になるように設定されている。一方、かかる位相差βの設定は駆動軸１１３Ｂで行われている。この点、スターリングエンジン１０Ｂでは具体的には、図１１に示すように、各スターリングエンジン１０Ａにつき、１台目の膨張ピストン２１（＃１Ｈ１）の位相に対して、２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相が９０°進角するように位相差βが設定されている。なお、各スターリングエンジン１０Ａの各圧縮ピストン３１同士の位相それぞれの関係も、膨張ピストン２１の場合と同様の関係になっている。

次にスターリングエンジン１０Ｂの作用効果について説明する。スターリングエンジン１０Ｂでは、上述のように位相差βを設定したことで波形Ｗ１１およびＷ１２が互いに好適に打ち消し合うようにして合成される。そしてこの結果、スターリングエンジン１０Ｂのトルク変動波形は、図１０に示すように波形Ｗ１１、Ｗ１２の合成によって出力トルクの変動が好適に抑制された波形Ｗ１３となる。すなわち、スターリングエンジン１０Ｂによれば、１回転あたりの周期が２周期となるトルク変動波形を発生させることで、出力トルクの変動を抑制した各スターリングエンジン１０Ａを複数連結するにあたり、さらに波形Ｗ１１、Ｗ１２の合成により、スターリングエンジン１０Ｂ全体としての出力トルクの変動を好適に抑制することができる。

またスターリングエンジン１０Ｂでは、連通パイプ７５が各スターリングエンジン１０Ａのクランクケース空間同士を連通している。このためスターリングエンジン１０Ｂでは、各スターリングエンジン１０Ａ間で作動ガス平均圧Ｐｍを同等にすることができる。そしてこれにより、スターリングエンジン１０Ｂでは各スターリングエンジン１０Ａにおいて、ピストン２１、３１にかかる圧力荷重それぞれを互いに同等にすることができる、またこれにより、スターリングエンジン１０Ｂでは、さらには各スターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形それぞれの形状を互いに同様にすることができる。そしてこれらにより、スターリングエンジン１０Ｂは、上述のようにして出力トルクの変動を好適に抑制することができる。

なお、位相差βが９０°になるように位相差βを設定するにあたっては、例えば次に示すように設定することもできる。すなわち、例えば図１２に示すように、各スターリングエンジン１０Ａにつき、１台目の膨張ピストン２１（＃１Ｈ１）の位相に対して、２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相が９０°遅角するように位相差βを設定することもできる。このように位相差βを設定することは、具体的には駆動軸１１３Ｂの代わりに、かかる位相差βを設定した駆動軸１１３Ｂ´を備えることで実現できる。

本実施例にかかるスターリングエンジン１０Ｃについて、図１３を用いて説明する。スターリングエンジン１０Ｃは、３台のスターリングエンジン１０Ａと、２つの連通パイプ７５とを備えている。各スターリングエンジン１０Ａ（換言すれば各α型スターリングサイクル機構）は共通の駆動軸１１３Ｃを介して連結されている。駆動軸１１３Ｃは、３つの駆動軸１１３Ａを連結し、構造的に一体化したものとなっている。連通パイプ７５それぞれは、隣り合う各スターリングエンジン１０Ａのクランクケース空間同士を連通している。この点、スターリングエンジン１０Ｃは連通パイプ７５を備える代わりに、例えば図１４に示すように３つのα型スターリングサイクル機構それぞれのクランクケース６０Ａを、これら機構それぞれにつき共通のクランクケース空間を形成する１つのクランクケース６０Ｃとしたスターリングエンジン１０Ｃ´のように構成することもできる。

スターリングエンジン１０Ｃでは、次に示すように位相差βを設定している。図１５は、３台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形を示す図である。図１５において、連結前の１台目、２台目および３台目のスターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形は、順に波形Ｗ２１、Ｗ２２およびＷ２３となっている。そして、各スターリングエンジン１０Ａ同士を連結するにあたり、スターリングエンジン１０Ｃでは、位相差βが角度差θの略３分の２（２／３）になるように、位相差βを設定している。

この点、各スターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形Ｗ２１、Ｗ２２およびＷ２３において、最大点と最小点とは具体的には略９０°間隔で交互に存在している。このためスターリングエンジン１０Ｃでは、位相差βはさらに具体的には６０°になるように設定されている。一方、かかる位相差βの設定は駆動軸１１３Ｃで行われている。この点、スターリングエンジン１０Ｃでは具体的には、図１６に示すように、各スターリングエンジン１０Ａにつき、まず１台目の膨張ピストン２１（＃１Ｈ１）の位相に対して、２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相が６０°進角するように位相差βが設定されている。そして、２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相に対して、３台目の膨張ピストン２１（＃５Ｈ３）の位相が６０°進角するように位相差βが設定されている。

次にスターリングエンジン１０Ｃの作用効果について説明する。スターリングエンジン１０Ｃでは、上述のように位相差βを設定したことで、波形Ｗ２１、Ｗ２２およびＷ２３が互いに好適に打ち消し合うようにして合成される。そしてこの結果、スターリングエンジン１０Ｃのトルク変動波形は、図１５に示すように波形Ｗ２１、Ｗ２２およびＷ２３の合成によって出力トルクの変動が好適に抑制された波形Ｗ２４となる。このためスターリングエンジン１０Ｃによれば、共通の駆動軸１１３Ｃを介して連結した３台のスターリングエンジン１０Ａを備える場合に、出力トルクの変動を好適に抑制できる。
またスターリングエンジン１０Ｃでは、連通パイプ７５それぞれが、隣り合う各スターリングエンジン１０Ａのクランクケース空間同士を連通している。このためスターリングエンジン１０Ｃはスターリングエンジン１０Ｂと同様、上述のようにして出力トルクの変動を好適に抑制することができる。

なお、３台のスターリングエンジン１０Ａを連結する場合には、位相差βが角度差θの略３分の４（４／３）となるように、位相差βを設定することもできる。すなわち、位相差βが１２０°になるように位相差βを設定することもできる。
この場合には、例えば図１７に示すように、各スターリングエンジン１０Ａにつき、まず１台目の膨張ピストン２１（＃１Ｈ１）の位相に対して、２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相が１２０°進角するように位相差βを設定することができる。そして、２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相に対して、３台目の膨張ピストン２１（＃５Ｈ３）の位相が１２０°進角するように位相差βを設定することができる。
このように位相差βを設定することは、具体的には駆動軸１１３Ｃの代わりに、かかる位相差βを設定した駆動軸１１３Ｃ´を備えることで実現できる。

一方、駆動軸１１３Ｃの代わりに駆動軸１１３Ｃ´を備えた場合、３台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形は図１８に示すようになる。そしてこの場合には、各スターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形Ｗ３１、Ｗ３２およびＷ３３が互いに打ち消しあうようにして合成される結果、連結後のトルク変動波形が波形Ｗ３４となる。この場合、駆動軸１１３Ｃを備えた場合と比較して出力トルクの変動は大きくなるものの、この場合にも出力トルクの変動を好適に抑制できる。

本実施例にかかるスターリングエンジン１０Ｄについて、図１９を用いて説明する。スターリングエンジン１０Ｄは、４台のスターリングエンジン１０Ａと、３つの連通パイプ７５とを備えている。各スターリングエンジン１０Ａ（換言すれば各α型スターリングサイクル機構）は共通の駆動軸１１３Ｄを介して連結されている。駆動軸１１３Ｄは、４つの駆動軸１１３Ａを連結し、構造的に一体化したものとなっている。連通パイプ７５それぞれは、隣り合う各スターリングエンジン１０Ａのクランクケース空間同士を連通している。この点、スターリングエンジン１０Ｄは連通パイプ７５を備える代わりに、例えば図２０に示すように４つのα型スターリングサイクル機構それぞれのクランクケース６０Ａを、これら機構それぞれにつき共通のクランクケース空間を形成する１つのクランクケース６０Ｄとしたスターリングエンジン１０Ｄ´のように構成されてもよい。

スターリングエンジン１０Ｄでは、次に示すように位相差βを設定している。図２１は、４台のスターリングエンジン１０Ａを連結する前後のトルク変動波形を示す図である。図２１において、連結前の１台目、２台目、３台目および４台目のスターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形は、順に波形Ｗ４１、Ｗ４２、Ｗ４３およびＷ４４となっている。

そして、各スターリングエンジン１０Ａ同士を連結するにあたって、スターリングエンジン１０Ｄでは、位相差βが角度差θの倍数と略等しくなるように位相差βを設定している。またスターリングエンジン１０Ｄでは、各スターリングエンジン１０Ａの膨張ピストン２１（または換言すれば圧縮ピストン３１）同士の位相が重複しないように位相差βを設定している。また各スターリングエンジン１０Ａのトルク変動波形Ｗ４１、Ｗ４２、Ｗ４３およびＷ４４において、最大点と最小点とは具体的には略９０°間隔で交互に存在している。この点、スターリングエンジン１０Ｄでは、位相差βはさらに具体的には９０°に設定されている。

一方、かかる位相差βの設定は具体的には駆動軸１１３Ｄで行われている。この点、スターリングエンジン１０Ｄでは具体的には、図２２に示すように、各スターリングエンジン１０Ａにつき、まず１台目の膨張ピストン２１（＃１Ｈ１）の位相に対して、２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相が９０°進角するように位相差βが設定されている。そして２台目の膨張ピストン２１（＃３Ｈ２）の位相に対して、３台目の膨張ピストン２１（＃５Ｈ３）の位相が９０°進角するように、３台目の膨張ピストン２１（＃５Ｈ３）の位相に対して、４台目の膨張ピストン２１（＃７Ｈ４）の位相が９０°進角するように位相差βがそれぞれ設定されている。

次にスターリングエンジン１０Ｄの作用効果について説明する。スターリングエンジン１０Ｄでは、上述のように位相差βを設定したことで、波形Ｗ４１、Ｗ４２、Ｗ４３およびＷ４４が互いに好適に打ち消し合うようにして合成される。そしてこの結果、スターリングエンジン１０Ｄのトルク変動波形は、図２１に示すように波形Ｗ４１、Ｗ４２、Ｗ４３およびＷ４４の合成によって出力トルクの変動が好適に抑制された波形Ｗ４５となる。このためスターリングエンジン１０Ｄによれば、共通の駆動軸１１３Ｄを介して連結した４台のスターリングエンジン１０Ａを備える場合に、出力トルクの変動を好適に抑制できる。
またスターリングエンジン１０Ｄでは、連通パイプ７５それぞれが、隣り合う各スターリングエンジン１０Ａのクランクケース空間同士を連通している。このためスターリングエンジン１０Ｄはスターリングエンジン１０Ｂ、１０Ｃと同様、上述のようにして出力トルクの変動を好適に抑制することができる。

なお、４台のスターリングエンジン１０Ａを連結する場合には、位相差βが９０°と１８０°との組み合わせによって構成されるように、位相差βを設定することもできる。図２３は４台のスターリングエンジン１０Ａを連結する場合における各スターリングエンジン１０Ａが備える膨張ピストン２１それぞれの位相の組み合わせ例を示す図である。これらの例では、各スターリングエンジン１０Ａ同士の間に９０°または１８０°の位相差βが設けられている。そしてこれらのいずれの場合であっても、図２１に示したように出力トルクの変動を好適に抑制できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では、駆動軸１１３Ａを複数連結した駆動軸（例えば駆動軸１１３Ｂ）が共通の回転軸である場合について説明した。しかしながら、本発明おいては必ずしもこれに限られず、回転軸は一つの部材からなるものであってもよい。

また上述した実施例３では、位相差βが６０°または１２０°になるように位相差βを設定するにあたって、各スターリングエンジン１０Ａの膨張ピストン２１の位相それぞれを順に６０°または１２０°ずつ進角させた場合について説明した。しかしながら、本発明おいては必ずしもこれに限られず、例えば各スターリングエンジン１０Ａの膨張ピストン２１の位相それぞれを順に６０°または１２０°ずつ遅角させることで、位相差βが６０°または１２０°になるように位相差βを設定してもよい。

また上述した実施例では、クランクケース空間を加圧するにあたってコスト面で有利であることなどから、導入パイプ７１が大気圧Ｐ_０の外気を作動流体として作動ガス空間に導入する場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、作動流体導入手段は、例えば外気以外のスターリングエンジンに適用されている作動流体を作動ガス空間に導入してもよく、また大気圧よりも高い圧力の作動流体を作動ガス空間に導入してもよい。

また上述した実施例では構成上、合理的であることなどから、微小クリアランスを形成するピストン２１、３１とシリンダ２２、３２とが第１の連通手段である場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、第１の連通手段は例えば作動ガス空間に必要な機密性を確保可能な絞りを有して、作動ガス空間とクランクケース空間とを連通するパイプなどの連通手段であってもよい。

１０スターリングエンジン２０高温側気筒
２１膨張ピストン３０低温側気筒
３１圧縮ピストン５０グラスホッパの機構
６０クランクケース７１導入パイプ
７２フィルタ７３チェック弁
７５連通パイプ１１３駆動軸

Claims

第１および第２のピストンを備えるとともに、クランクケース空間が加圧される複数のα型スターリングサイクル機構を備え、
前記機構それぞれにつき、１回転あたりの周期が２周期となるトルク変動波形を発生させるようにして、前記機構それぞれを共通の回転軸を介して連結したスターリングエンジン。
請求項１記載のスターリングエンジンであって、
前記機構を２つ備えた場合に、前記機構それぞれの前記第１または第２のピストン同士の位相差が９０°になるように当該位相差を設定したスターリングエンジン。
請求項１記載のスターリングエンジンであって、
前記機構を３つ備えた場合に、前記機構それぞれの前記第１または第２のピストン同士の位相差が６０°若しくは１２０°になるように当該位相差を設定したスターリングエンジン。
請求項１記載のスターリングエンジンであって、
前記機構を４つ備えた場合に、前記機構それぞれの前記第１または第２のピストンの位相が互いに重複しないように、且つ当該第１または第２のピストン同士の位相差が９０°になるように、若しくは９０°と１８０°との組み合わせによって構成されるように当該位相差を設定したスターリングエンジン。
請求項１から４いずれか１項記載のスターリングエンジンであって、
前記機構それぞれにつき、作動流体が収容された作動ガス空間とクランクケース空間とを絞りを有して連通する第１の連通手段をさらに備え、
前記機構それぞれのクランクケースを、該機構それぞれにつき共通のクランクケース空間を形成する１つのクランクケースとしたスターリングエンジン。
請求項５記載のスターリングエンジンであって、
前記第１の連通手段が、前記第１および第２のピストンと、該第１および第２のピストンとの間にクリアランスを形成する第１および第２のシリンダであるスターリングエンジン。
請求項６記載のスターリングエンジンであって、
前記第１および第２のピストンが、前記第１および第２のシリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンであるスターリングエンジン。