JP6817856B2 - スターリングエンジン - Google Patents

Description

本発明は、スターリングエンジンに関する。詳細には、動力変換部材を潤滑する方式として湿式潤滑方式を採用しているスターリングエンジンに関する。

従来から、スターリングエンジンが知られている。特許文献１は、この種のスターリングエンジンを開示する。この特許文献１に記載のスターリングエンジンは、シリンダ内に充填された作動流体をシリンダ外から加熱・冷却し、当該作動流体の圧力変化を利用してピストンを往復運動させ、このピストンの往復運動を動力変換部材によりクランクシャフトの回転運動に変換して動力を取り出す構成となっている。この特許文献１に記載のスターリングエンジンでは、シリンダ内だけではなく、クランクシャフトを回転可能に架け渡すクランクケース内にも、作動流体が充填（封入）されている。そして、このクランクケース内に、前記の動力変換部材が収容されている。この動力変換部材は、摺動する部材であるため、潤滑する必要がある。この特許文献１のスターリングエンジンでは、クランクケース内に貯留した潤滑油により動力変換部材を潤滑する湿式潤滑方式が採用されている。

ところで、この潤滑油は、スターリングエンジンの稼動や経時変化に伴い、蒸散等により次第に量が減ってしまうことがある。クランクケース内の潤滑油が不足している状態でスターリングエンジンの稼動を続けると、動力変換部材の動作等に不具合が生じることが懸念される。そのため、スターリングエンジンの稼動中に、クランクケース内の潤滑油の残量が少なくなっているか否かを確認できるようにすることが望まれていた。

特開昭６２−２０３９６８号公報

しかし、上記特許文献１の構成では、クランクケース内に作動流体が充填されているため、一般的な検油棒を用いて当該クランクケース内の潤滑油の残量を確認することは困難である。或いは、一般的な油面計を用いてクランクケース内の潤滑油の残量を確認することも考え得るが、スターリングエンジンの稼動中はクランクケース内の油溜まりの液面が激しく揺らぐため、当該スターリングエンジンの停止中は油面計で油溜まりの液面を検出できたとしても、稼動中においては前記液面を検出することが困難である。このような点で、上記のような従来のスターリングエンジンの構成では、改善の余地があった。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、スターリングエンジンの稼動中に、クランクケース内の潤滑油が少なくなっているか否かを確認できるようにすることにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のスターリングエンジンが提供される。即ち、このスターリングエンジンは、クランクケースと、検出路と、検出装置と、クランクボックスと、を備える。前記クランクケースは、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する動力変換部材を収容し、当該動力変換部材を潤滑するための潤滑油が内部に収容されるとともに、前記ピストンを往復運動させるための作動流体が内部に充填される。前記検出路は、前記クランクケースからの潤滑油を、その内部の流路を通過させた後に、再び前記クランクケース内に戻す。前記検出装置は、前記検出路に設けられ、当該検出路内の潤滑油の流れの程度又は有無を検出する。前記クランクボックスは、前記クランクケース内に収容される。前記クランクボックス内には、前記動力変換部材が収容されるとともに、潤滑油が貯留される。前記検出路は、前記クランクボックスに貯留された潤滑油を、その内部の流路を通過させた後に、再び前記クランクボックス内に戻すように構成されている。前記検出装置は、前記クランクケースの外部に配置されている。前記検出路に、前記クランクボックス内の圧力に応じて開閉する逆止弁が設けられている。

これにより、潤滑油を循環させる検出路をクランクケースの外部に設け、検出路内の潤滑油の流れの程度又は有無を検出装置により検出する構成であるため、スターリングエンジンの稼動中に、検出装置の検出結果に基づいて、クランクボックス内の潤滑油の残量が低下しているか否かを判断することができる。

前記のスターリングエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、このスターリングエンジンは、前記逆止弁として、第１逆止弁と、第２逆止弁と、を備えるとともに、アキュムレータを更に備える。前記第１逆止弁は、前記検出路に設けられる。前記第２逆止弁は、前記第１逆止弁によって許容される流れの方向において、前記検出路の、前記第１逆止弁が設けられる位置よりも下流側に設けられ、上流から下流への潤滑油の流れを許容する一方、反対方向への潤滑油の流れを阻止する。前記アキュムレータは、前記検出路の、前記第１逆止弁が設けられる位置よりも下流側、かつ、前記第２逆止弁が設けられる位置よりも上流側の位置に設けられる。

これにより、クランクボックスの内部に十分な量の潤滑油があれば、スターリングエンジンの稼動中にクランクボックス内の圧力が変動することに伴う潤滑油の圧力脈動により、より確実に検出路に潤滑油が流れる。よって、スターリングエンジンの稼動中にクランクボックス内の潤滑油の残量が低下した場合に、これを簡単な構成で知ることができる。

前記のスターリングエンジンにおいては、前記クランクボックスの内部に潤滑油を供給するための供給路であって、その上流側の端部に潤滑油を貯留するタンクを取付け可能な供給路を更に備えることが好ましい。

これにより、検出装置の検出結果から、クランクボックス内の潤滑油の残量が低下していると推定される場合には、タンクから供給路を介してクランクボックスの内部に潤滑油を補充することができる。よって、クランクボックス内の潤滑油の残量が低下した場合に、これを補充する対応を行うことができる。

前記のスターリングエンジンにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、このスターリングエンジンは、バルブと、制御装置と、を更に備える。前記バルブは、前記供給路に設けられ、当該供給路内の流路を自動で開閉可能である。前記制御装置は、前記検出装置の検出結果に応じて、前記バルブの状態を制御する。

これにより、検出装置の検出結果から、クランクボックス内の潤滑油の残量が低下していると推定される場合には、供給路内の流路を自動で開くようにバルブの制御を行うことで、自動で潤滑油を補充することができる。よって、オペレータの作業負担を軽減することができる。

第１実施形態に係るスターリングエンジンの全体的な構成を示す模式図。 クランクケース内の潤滑油の圧力が脈動により相対的に高くなっているときの、検出路内の潤滑油の流れを説明する図。 クランクケース内の潤滑油の圧力が脈動により相対的に低くなっているときの、検出路内の潤滑油の流れを説明する図。 第２実施形態に係るスターリングエンジンの部分的な構成を示す模式図。 変形例に係るスターリングエンジンの部分的な構成を示す模式図。

＜第１実施形態＞
次に、本発明の第１実施形態に係るスターリングエンジン１の全体的な構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るスターリングエンジン１の全体的な構成を示す模式図である。

図１に示す本実施形態のスターリングエンジン１は、外燃機関の一種である。このスターリングエンジン１は、シリンダ２内に充填された作動流体を、外部から取り入れた熱を利用して膨張及び収縮させることによりパワーピストン３を往復運動させ、この往復運動をクランクシャフト８の回転運動に変換して動力を取り出すものである。

本実施形態のスターリングエンジン１は、シリンダ２と、パワーピストン３と、ディスプレーサピストン４と、ヒータ５と、再生器６と、クーラ７と、クランクシャフト８と、クランクケース９と、フライホイール１０と、クランクボックス１１と、第１動力変換部材３０と、第２動力変換部材４０と、を主として備える。なお、本実施形態のスターリングエンジン１は、パワーピストン３とディスプレーサピストン４とが同一のシリンダ２内に収容される、いわゆるβ型のスターリングエンジンである。

シリンダ２は、パワーピストン３及びディスプレーサピストン４を収容する円筒状の部材である。シリンダ２内には作動流体が充填される。作動流体としては、ヘリウムガス、水素ガス、空気等の様々な流体を用いることができるが、本実施形態では、熱伝導率が高いヘリウムガスが用いられる。シリンダ２の軸線方向の一端部はディスプレーサピストン４より上部でヒータ５と接続されており、当該軸線方向の他端部はクランクケース９に接続されている。後に詳述するように、作動流体は加熱・冷却されることにより、シリンダ２内でその圧力を変化させる。

ディスプレーサピストン４は、その軸線方向にスライド可能なようシリンダ２内に収容される概ね円柱形状の部材である。シリンダ２内のうち、ディスプレーサピストン４よりもシリンダ２とヒータ５との接続側（図では上方側）には、相対的に高温である膨張空間Ｓ１が形成される。シリンダ２内のディスプレーサピストン４よりもクランクケース９側（図では下方側）には、相対的に低温である圧縮空間Ｓ２が形成される。ディスプレーサピストン４は、高温の膨張空間Ｓ１及び低温の圧縮空間Ｓ２の容積の割合を変化させる役割を果たす。

パワーピストン３は、その軸線方向にスライド可能なようシリンダ２内に収容される短い円柱形状の部材である。パワーピストン３は、ディスプレーサピストン４よりもクランクケース９に近い側に配置される。前記圧縮空間Ｓ２は、ディスプレーサピストン４とパワーピストン３との間に配置される。パワーピストン３は、膨張空間Ｓ１及び圧縮空間Ｓ２（高温領域と低温領域）の圧力差による力を受けて、当該パワーピストン３の軸線方向に変位することができる。

シリンダ２のすぐ外側には、当該シリンダ２のヒータ５との接続側からクランクケース９が配置される側に向かって、ヒータ５、再生器６、及びクーラ７がこの順に並ぶように設けられる。作動流体は、膨張空間Ｓ１からヒータ５、再生器６、及びクーラ７を順に通って、圧縮空間Ｓ２に流入することができる。また、作動流体は、圧縮空間Ｓ２からクーラ７、再生器６、及びヒータ５を順に通って、膨張空間Ｓ１に流入することもできる。

ヒータ５は、作動流体を加熱するための熱交換器である。ヒータ５の構成としては、公知の様々な構成をとることができるが、本実施形態では、伝熱面積を大きく確保できるように、多数並べられた細管の内部を作動流体が流動する構成を採用している。加熱媒体は、例えば発電プラントで生じた排ガス等であり、ヒータ５の細管の外側を流れる。この細管の外側を加熱媒体が流れることにより、当該作動流体が加熱媒体からの熱を受けて昇温（加熱）される。

クーラ７は、作動流体を冷却するための熱交換器である。クーラ７の構成としては、公知の様々な構成をとることができるが、本実施形態では、ヒータ５と同様に、多数の細管を備える構成を採用している。何らかの方法で冷却された冷却媒体がクーラ７の細管の外側を流れることにより、細管の内部を流れる作動流体が、冷却媒体に熱を奪われて降温（冷却）される。

再生器６は、蓄熱用の熱交換器である。再生器６の構成としては、公知の様々な構成をとり得るが、本実施形態では、金属製の網を積層させた構成を採用している。再生器６は、膨張空間Ｓ１の高温の作動流体がヒータ５から当該再生器６を介してクーラ７に流れる際には、作動流体の熱を奪って蓄える。一方、再生器６は、圧縮空間Ｓ２の低温の作動流体がクーラ７から当該再生器６を介してヒータ５に流れる際には、前記のようにして蓄えた熱を作動流体に与える。

クランクシャフト８は、シリンダ２内で発生させた動力（具体的には、パワーピストン３の往復運動による動力）を回転運動としてスターリングエンジン１の外部に取り出すためのものである。クランクシャフト８は、クランクケース９に回転可能に支持されている。クランクシャフト８の一端部はクランクケースの外部に突出しており、この一端部に発電機２９が取り付けられている。この発電機２９により、スターリングエンジン１で発生させた回転動力が電力に変換される。

クランクケース９は、クランクシャフト８が架け渡されるケースであり、内部にフライホイール１０と、クランクボックス１１と、を収容している。シリンダ２とクランクケース９とは、図示しない孔によって連通されている。そのため、本実施形態では、シリンダ２内だけではなくクランクケース９内にも作動流体が充填される。

フライホイール１０は円板状の部材であり、クランクケース９内でありかつクランクボックス１１外の領域に、クランクシャフト８に貫通された状態で設けられる。フライホイール１０は、クランクシャフト８の回転する勢いを保ちつつ、回転速度のムラを小さくして滑らかに回転させるための、はずみ車として機能する。

クランクボックス１１は、パワーピストン３の往復運動をクランクシャフト８の回転運動に変換する第１動力変換部材３０を収容する。また、クランクボックス１１は、クランクシャフト８の回転運動をディスプレーサピストン４の往復運動に変換するための第２動力変換部材４０を収容する。これらの動力変換部材３０，４０は、摺動する部材である（厳密には、摺動する部材を含む）ため、潤滑する必要がある。本実施形態のスターリングエンジン１では、クランクボックス１１に貯留した潤滑油により動力変換部材３０，４０を潤滑する湿式潤滑方式を採用している。

ここで、仮に潤滑油がシリンダ２内に混入すると、熱交換器５，６，７の性能等に悪影響を及ぼすことが懸念される。具体的には、例えば潤滑油が前記の再生器６の上記の金属製の網等に付着すると、再生器６が汚損するおそれがある。よって、スターリングエンジン１では、潤滑油のシリンダ２内への混入を確実に防ぐことが望まれる。そこで、本実施形態では、潤滑が必要な動力変換部材３０，４０を収容するクランクボックス１１内にだけ潤滑油を貯留し、その外側のクランクケース９内（クランクケース９内でありかつクランクボックス１１外である領域）には潤滑油が漏れないようにしている。言い換えれば、クランクケース９を２重構造にし、その一番内側に相当するクランクボックス１１内に潤滑油を封入することで、シリンダ２内への潤滑油の混入を防止している。

図１に示すように、クランクボックス１１は、クランクシャフト８により貫かれている。クランクシャフト８がクランクボックス１１を貫通している部分には、クランクシャフト８の外周面と、クランクボックス１１に形成された貫通孔と、の隙間を埋めるためのオイルシールが設けられている。これにより、クランクボックス１１内の潤滑油が、クランクシャフト８の外周面と、クランクボックス１１に形成された前記貫通孔と、の間の隙間を通って漏れ出てしまうことを防止している。

第１動力変換部材３０は、パワーピストン３の往復運動をクランクシャフト８の回転運動に変換するものであり、後述の第２動力変換部材４０を挟むように１対で設けられている。β型のスターリングエンジンにおいて往復運動を回転運動に変換するための機構としては、クロスヘッド機構、ロンビック機構、スコッチヨーク機構等の、様々な構成の機構を用いることができるが、本実施形態では、第１動力変換部材３０として、サイズを小さくするとともに比較的簡素な構成にすることが可能なスコッチヨーク機構を採用している。具体的には、本実施形態の第１動力変換部材３０は、図２に示すように、パワーピストンヨーク３１、ガイド軸３２、第１偏心クランクピン（不図示）、及びロッド３４等を備える。

パワーピストンヨーク３１は、スライド移動（往復移動）することが可能な板状の部材である。パワーピストンヨーク３１には、当該パワーピストンヨーク３１を貫通する１対の貫通孔が形成される。当該１対の貫通孔は、シリンダ２の軸線方向と平行な方向に延びている。また、パワーピストンヨーク３１には、その板面を貫くように案内溝が形成されている。後に説明するように、この案内溝には、前記第１偏心クランクピンが収容される。

ガイド軸３２は、シリンダ２の軸線方向に平行な方向に延びる軸状の部材であり、その両端部がクランクボックス１１に固定される（図２を参照）。ガイド軸３２は、クランクシャフト８を挟むように１対で設けられる。ガイド軸３２は、パワーピストンヨーク３１の前記貫通孔に差し込まれる。これにより、ガイド軸３２は当該パワーピストンヨーク３１をスライド可能に支持している。なお、パワーピストンヨーク３１の前記貫通孔とガイド軸３２との摺動部分には、例えばロータリブッシング等の直動軸受が設けられる。

前記第１偏心クランクピンは、クランクシャフト８に偏心した状態で取り付けられるクランクピンである。この第１偏心クランクピンは、クランクシャフト８に貫通された状態で、当該クランクシャフト８に対して固定され、又は当該クランクシャフト８と一体的に形成されている。前記第１偏心クランクピンは、パワーピストンヨーク３１の前記案内溝の中を転がりながら移動することができるように、当該案内溝の中に収容される。なお、パワーピストンヨーク３１の当該案内溝と前記第１偏心クランクピンとの摺動部分には、例えば転がり軸受等の回転軸受が設けられる。

ロッド３４は、パワーピストンヨーク３１の往復移動と、パワーピストン３の往復移動とを連動させるものである。ロッド３４は、長い軸状に形成され、その一端部がパワーピストン３に接続され、その他端部がパワーピストンヨーク３１に接続されている。

このような構成の第１動力変換部材３０において、パワーピストン３がシリンダ２内で変位すると、このパワーピストン３とロッド３４を介して連結されているパワーピストンヨーク３１がガイド軸３２に沿ってスライド移動し、これに伴い前記案内溝の中を前記第１偏心クランクピンが転がりながら移動する。これにより、クランクシャフト８が回転変位される。こうして、パワーピストン３の往復運動がクランクシャフト８の回転運動に変換されて、発電機２９へと伝達される。

第２動力変換部材４０は、クランクシャフト８の回転運動をディスプレーサピストン４の往復運動に変換するものである。β型のスターリングエンジンにおいて回転運動を往復運動に変換するための機構としては、上述のように種々の機構を用いることができるが、本実施形態では、第２動力変換部材４０として、第１動力変換部材３０と同様にスコッチヨーク機構を採用している。具体的には、本実施形態の第２動力変換部材４０は、ディスプレーサヨーク４１、ガイド軸４２、第２偏心クランクピン、及びロッド４４等を備える。

第２動力変換部材４０のディスプレーサヨーク４１、ガイド軸４２、第２偏心クランクピン、及びロッド４４の構成は、それぞれ、第１動力変換部材３０のパワーピストンヨーク３１、ガイド軸３２、第１偏心クランクピン、及びロッド３４の構成と実質的に同様であるため、詳細な説明は省略する。

第２動力変換部材４０のロッド４４は、ディスプレーサヨーク４１とディスプレーサピストン４とを連結するために、パワーピストン３に形成された図略の貫通孔に差し込まれている。パワーピストン３はロッド４４に対して摺動可能に設けられており、当該摺動部分には、気密を保つための図示しないシール機構が配置されている。

このような構成の第２動力変換部材４０において、クランクシャフト８が回転運動すると、当該クランクシャフト８と一体的となっている前記第２偏心クランクピンが、ディスプレーサヨーク４１の案内溝の中を転がりながら移動する。これに伴い、ディスプレーサヨーク４１が、ガイド軸４２に沿ってスライド移動する。これにより、ディスプレーサヨーク４１とロッド４４を介して連結されているディスプレーサピストン４が、ディスプレーサヨーク４１と連動して変位する。こうして、クランクシャフト８の回転運動がディスプレーサピストン４の往復運動に変換され、パワーピストン３の往復運動とも相まって、膨張空間Ｓ１と圧縮空間Ｓ２との容積の割合が周期的に変化するようになっている。

なお、パワーピストン３が上死点（図１では、最もシリンダ２の上方側）に至るタイミングと、ディスプレーサピストン４が上死点に至るタイミングと、がズレるように、前記第１偏心クランクピン及び前記第２偏心クランクピンは、所定の位相差（本実施形態では、９０°の位相差）が生じるように配置されている。

以下では、スターリングエンジン１の作動原理について、簡単に説明する。

ディスプレーサピストン４が上死点の付近にあるとき、圧縮空間Ｓ２内の作動流体は、クランクシャフト８の回転に伴って上昇するパワーピストン３に押されて圧縮される。また、クランクシャフト８の回転によりディスプレーサピストン４が下降し始めると、圧縮空間Ｓ２の容積が減少し、膨張空間Ｓ１の容積が増大する。この結果、圧縮空間Ｓ２内の作動流体は、クーラ７、再生器６、及びヒータ５をこの順に通過して、膨張空間Ｓ１内に移動する。この過程で、作動流体は加熱されて相対的に高温となるので、作動流体は膨張空間Ｓ１内で熱膨張しようとし、圧力が上昇する。

この高まった膨張空間Ｓ１内の圧力は直ちに圧縮空間Ｓ２内に伝播するので、圧縮空間Ｓ２の圧力は膨張空間Ｓ１と同様に高くなる。この状況で、パワーピストン３が上死点に至った後に下降し始めると、作動流体によってパワーピストン３が下向きに押されて、これにより当該パワーピストン３がシリンダ２内をスライドする。パワーピストン３の変位はクランクシャフト８に伝達され、クランクシャフト８が駆動力を得て回転する。

クランクシャフト８の回転によりディスプレーサピストン４が下死点に至り、その後上昇すると、膨張空間Ｓ１の容積が減少し、圧縮空間Ｓ２の容積が増大する。これに伴って、膨張空間Ｓ１内の作動流体が、ヒータ５、再生器６、及びクーラ７をこの順に通過して、圧縮空間Ｓ２内に移動する。この過程で、作動流体は冷却されて相対的に低温となり、圧力が低下する。

パワーピストン３はディスプレーサピストン４に遅れて下死点に至り、その後上昇を開始する。やがて、ディスプレーサピストン４が上死点付近に至る。

以上のサイクルが繰り返されることにより、膨張空間Ｓ１及び圧縮空間Ｓ２の作動流体の体積変化（即ち、熱による膨張・収縮）に伴う圧力変化が反復され、これを利用してパワーピストン３が往復運動されて、この往復運動がクランクシャフト８の回転運動に変換されて動力が取り出される。

以上のような構成のスターリングエンジン１において、上述のように、膨張空間Ｓ１及び圧縮空間Ｓ２には作動流体が充填される。また、シリンダ２内においてパワーピストン３よりもクランクシャフト８に近い側の空間、クランクケース９内、及びクランクボックス１１内にも、作動流体が充填される。本実施形態では、作動流体の圧力変化を大きくして効率よく動力を得られるようにするために、作動流体はこれらの空間内に高圧（大気圧よりも高圧）で充填される。

ところで、スターリングエンジン１の稼動中に、クランクボックス１１内の潤滑油の残量が少なくなっているか否かを確認したい場合があった。ところが、クランクボックス１１内には高圧の作動流体が充填されているため、一般的な検油棒等を用いる方法は採用し得ず、従来からの課題となっていた。

この課題を解決するための特徴的な構成として、本実施形態のスターリングエンジン１は、検出路５１と、流量計（検出装置）５２と、第１逆止弁５３と、第２逆止弁５４と、アキュムレータ５５と、を主として備えている。以下では、これらの構成について詳細に説明する。

検出路５１は、クランクボックス１１からの潤滑油を、その内部の流路を通過させた後に、再びクランクボックス１１内に戻すものである。検出路５１は、クランクボックス１１の外部に設けられ、その中途部がクランクケース９の外側に配置される。本実施形態の検出路５１の一端部はクランクボックス１１の底部に接続されており、クランクボックス１１内に開放されている。検出路５１は、その一端部の近傍（言い換えれば、クランクボックス１１の底部と接続している部分の近傍）の位置でクランクケース９を貫通している。

本実施形態の検出路５１の他端部はクランクボックス１１の上部に接続されており、クランクボックス１１内に開放されている。検出路５１は、その他端部の近傍（言い換えれば、クランクボックス１１の上部と接続している部分の近傍）の位置でクランクケース９を貫通している。

第１逆止弁５３は、検出路５１のうちの、クランクケース９の外側に配置される部分に設けられる。第１逆止弁５３は、検出路５１内の流路の一の方向への潤滑油の流れを許容する一方、反対方向への潤滑油の流れ（逆流）は阻止するものである。具体的には、第１逆止弁５３は、クランクボックス１１の底部に接続された検出路５１の一端部から、当該クランクボックス１１の上部に接続された検出路５１の他端部に向かう潤滑油の流れを許容する。なお、第１逆止弁５３としては、公知の様々な方式のものを採用することができる。

第２逆止弁５４は第１逆止弁５３と同様に、検出路５１のうちの、クランクケース９の外側に配置される部分に設けられる。また、第２逆止弁５４は、検出路５１の、当該第１逆止弁５３が設けられる位置よりも下流側に配置されている。第２逆止弁５４は、第１逆止弁５３によって許容される流れの方向の上流から下流への潤滑油の流れを許容する一方、反対方向への潤滑油の流れ（逆流）は阻止するものである。なお、第２逆止弁５４としては、例えば第１逆止弁５３と同様のものを採用することができる。

流量計５２は、検出路５１の中途部に設けられ、当該検出路５１内の流路を流れる潤滑油の流量を計測できるものである。言い換えれば、検出路５１は、クランクボックス１１から検出路５１へと抜き出された潤滑油の流量を計測することが可能である。本実施形態の流量計５２は、検出路５１の、第１逆止弁５３が設けられる位置よりも下流側、かつ、第２逆止弁５４が設けられる位置よりも上流側の位置に設けられる。即ち、流量計５２は、検出路５１において、第１逆止弁５３と第２逆止弁５４との間に配置されている。なお、本実施形態では、流量計５２として公知のコリオリ式のものが用いられているが、これ以外の方式の流量計に変更することもできる。

アキュムレータ５５は、検出路５１の中途部の位置に備えられる。アキュムレータ５５はいわゆる蓄圧器であり、検出路５１内の流路が相対的に高圧となっているときに、その内部に高圧の状態の潤滑油を一時的に蓄え、検出路５１内の流路が相対的に低圧となったときに、その内部に蓄えていた高圧の潤滑油を放出する機能を果たす。アキュムレータ５５は、第１逆止弁５３が設けられる位置よりも下流側、かつ、第２逆止弁５４が設けられる位置よりも上流側の位置に設けられる。本実施形態では、第１逆止弁５３と流量計５２との間の位置に、検出路５１から分岐した分岐通路５７を介して設けられる。

本実施形態のスターリングエンジン１は、検出路５１の中途部の位置にオイルフィルタ５６を備える。オイルフィルタ５６は、検出路５１内の流路を流れる潤滑油を濾過して、ゴミ等の混入物を捕捉して取り除くものである。本実施形態のオイルフィルタ５６は、検出路５１の、アキュムレータ５５が設けられる位置と、流量計５２が設けられる位置と、の間に配置される。

以下では、検出路５１内の流路における潤滑油の流れについて、図２及び図３を参照して詳細に説明する。図２は、クランクボックス１１内の潤滑油及び作動流体の圧力が脈動により相対的に高くなっているときの、検出路５１内の潤滑油の流れを説明する図である。図３は、クランクボックス１１内の潤滑油及び作動流体の圧力が脈動により相対的に低くなっているときの、検出路５１内の潤滑油の流れを説明する図である。なお、図中の矢印は、潤滑油の流れの方向を示している。

スターリングエンジン１の稼動中においては、パワーピストン３がシリンダ２内を往復運動すること等の影響を受けて、クランクボックス１１内の潤滑油及び作動流体の圧力に脈動が発生する。具体的には、クランクボックス１１内の潤滑油及び作動流体の圧力が、例えば正弦波のような挙動で周期的に変化する。本実施形態のスターリングエンジン１では、この潤滑油及び作動流体の圧力脈動を利用して、スターリングエンジン１の稼動中に、検出路５１内の流路に潤滑油を流している。そして、検出路５１内で見られる潤滑油の流れを流量計５２で検出することにより、クランクボックス１１内の潤滑油が少なくなっているか否かを確認できるようにしている。

具体的には、スターリングエンジン１の稼動中において、クランクボックス１１内の潤滑油及び作動流体の圧力が脈動により相対的に高くなっているときには、第１逆止弁５３が自動的に開かれる。従って、潤滑油は、検出路５１の一端部、及び第１逆止弁５３をこの順に経由して、その大部分がアキュムレータ５５に蓄えられる（図２を参照）。

続いて、クランクボックス１１内の潤滑油及び作動流体の圧力が相対的に低くなると、アキュムレータ５５に一時的に蓄えられていた高圧の状態の潤滑油が当該アキュムレータ５５から放出される。第１逆止弁５３は自動的に閉じられるので、アキュムレータ５５から送られた潤滑油は、オイルフィルタ５６、及び流量計５２を経由して、第２逆止弁５４に至る（図３を参照）。潤滑油は、自動的に開かれる第２逆止弁５４を通過して検出路５１の他端部に至り、クランクボックス１１内に戻される。

このとき、検出路５１内の流路を通過する潤滑油の流量が、流量計５２によって検出される。ここで、仮にクランクボックス１１内の潤滑油の量が低下して、作動流体が検出路５１内に混入するようになると、流量計５２が異常値を検出することになる。従って、流量計５２の検出結果を監視することで、オペレータは、クランクボックス１１内の潤滑油の残量が低下した場合に、スターリングエンジン１の外側からこれを容易に知ることができる。

以上に説明したように、本実施形態のスターリングエンジン１は、クランクケース９と、検出路５１と、流量計５２と、を備える。クランクケース９内のクランクボックス１１は、パワーピストン３の往復運動をクランクシャフト８の回転運動に変換する第１動力変換部材３０、及びクランクシャフト８の回転運動をディスプレーサピストン４の往復運動に変換する第２動力変換部材４０を収容する。このクランクボックス１１には、第１動力変換部材３０及び第２動力変換部材４０を潤滑するための潤滑油が内部に収容されるとともに、パワーピストン３を往復運動させるための作動流体が内部に充填される。検出路５１は、クランクボックス１１からの潤滑油を、その内部の流路を通過させた後に、再びクランクボックス１１内に戻す。流量計５２は、検出路５１に設けられ、当該検出路５１内の潤滑油の流れの程度を検出する。

これにより、潤滑油を循環させる検出路５１をクランクケース９の外部に設け、検出路５１内の潤滑油の流れの程度を流量計５２により検出する構成であるため、スターリングエンジン１の稼動中に、流量計５２の検出結果に基づいて、クランクボックス１１内の潤滑油の残量が低下しているか否かを判断することができる。

また、本実施形態のスターリングエンジン１は、第１逆止弁５３と、第２逆止弁５４と、アキュムレータ５５と、を更に備える。第１逆止弁５３は、検出路５１に設けられる。第２逆止弁５４は、第１逆止弁５３によって許容される流れの方向において、検出路５１の、第１逆止弁５３が設けられる位置よりも下流側に設けられ、上流から下流への潤滑油の流れを許容する一方、反対方向への潤滑油の流れを阻止する。アキュムレータ５５は、検出路５１の、第１逆止弁５３が設けられる位置よりも下流側、かつ、第２逆止弁５４が設けられる位置よりも上流側の位置に設けられる。

これにより、クランクボックス１１の内部に十分な量の潤滑油があれば、スターリングエンジン１の稼動中にクランクボックス１１内の圧力が変動することに伴う潤滑油及び作動流体の脈動圧により、より確実に、検出路５１（厳密には、流量計５２が設けられている流路）に潤滑油が流れる。よって、スターリングエンジン１の稼動中にクランクボックス１１内の潤滑油の残量が低下した場合に、これを簡単な構成で知ることができる。

また、本実施形態のスターリングエンジン１においては、検出路５１は、潤滑油を濾過するために、クランクボックス１１からの潤滑油を、その内部の流路を通過させて中途部に設けられるオイルフィルタ５６を通した後に、再びクランクボックス１１内に戻す濾過用経路を兼ねる。

これにより、スターリングエンジン１に設ける通路を少なくすることができ、合理的な構成を実現することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るスターリングエンジン１について、図４を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係るスターリングエンジン１の部分的な構成を示す模式図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

本実施形態のスターリングエンジン１は、クランクボックス１１内に外部からの潤滑油を供給するための構成を備える点で、第１実施形態とは異なる。更に、本実施形態のスターリングエンジン１は、流量計５２の検出結果に応じて自動でクランクボックス１１内に潤滑油を補充（補給）することが可能な点で、第１実施形態とは異なる。

本実施形態のスターリングエンジン１は、供給路６１と、供給バルブ６２と、潤滑油供給用タンク６３と、制御装置２８と、を備えている。以下では、これらの構成について詳細に説明する。

供給路６１は、新しい潤滑油をクランクボックス１１の内部に供給する作業を行うときに、潤滑油を通過させる流路を形成する部材である。供給路６１は、クランクボックス１１の外側に設けられ、当該クランクボックス１１と、潤滑油供給用タンク６３と、の間を接続する。本実施形態の供給路６１は、その一端部がクランクボックス１１の上部に接続され、その他端部が潤滑油供給用タンク６３の下部に接続される。

本実施形態の供給路６１の中途部は、クランクケース９の上部を貫通している。供給路６１の中途部の、クランクケース９を貫通している部分よりも潤滑油の供給方向の上流側には、供給路６１内の流路を自動で開閉可能な供給バルブ６２が設けられている。供給バルブ６２としては、様々な方式のものを採用し得るが、本実施形態では電磁弁としている。

潤滑油供給用タンク６３は、クランクボックス１１の内部へと供給する潤滑油を貯留するものである。なお、潤滑油供給用タンク６３は、スターリングエンジン１を構成する部材の１つとしてもよいし、或いはスターリングエンジン１に対して取付け・取外し可能な外部の部材としてもよい。

本実施形態では、上流側供給路６６が、当該潤滑油供給用タンク６３の上流側に更に設けられる（図４を参照）。上流側供給路６６は、潤滑油供給用タンク６３内に潤滑油を追加（補充）するために用いられる。上流側供給路６６の一端部は潤滑油供給用タンク６３の上部に接続されている。上流側供給路６６の他端部は、注油口をなしている。上流側供給路６６の中途部の上流側供給バルブ６７を操作することにより、上流側供給路６６内の流路を開閉し、新しい潤滑油を潤滑油供給用タンク６３の中に補給することが可能になっている。

なお、潤滑油供給用タンク６３の容量を制限するとともに、注油を行っていない間は上流側供給バルブ６７を閉じた状態に保つことにより、潤滑油供給用タンク６３から供給路６１を介してクランクボックス１１の内部に潤滑油を補給したときに、クランクボックス１１内の作動流体が過剰に抜けないようにすることができる。

制御装置２８は、流量計５２の検出結果を監視し、当該検出結果に応じて自動でクランクボックス１１内に潤滑油を補充（補給）する制御を行うものである。制御装置２８は、コンピュータとして構成されており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える。また、前記ＲＯＭには、前記の供給バルブ６２を動作させるための適宜の動作プログラムが記憶（格納）されている。このソフトウェアとハードウェアの協働により、制御装置２８を、クランクボックス１１内の潤滑油の残量に応じて供給バルブ６２を適宜に動作させ、潤滑油を自動で補給するための指令信号を送る指令部として機能させることが可能となっている。

制御装置２８は、流量計５２の検出結果、即ち検出路５１内の流路を流れる潤滑油の流量の情報を、常時若しくは定期的又は不定期に電気信号（検出信号）として受信する。

本実施形態の制御装置２８は、流量計５２から取得した流量が閾値以上であれば、スターリングエンジン１内の潤滑油が足りている（過剰に少なくはなっていない）と判断し、供給バルブ６２を閉じた状態に保つ。一方、制御装置２８は、流量計５２から取得した流量が閾値未満であれば、スターリングエンジン１内の潤滑油が少なくなっている（不足している）と判断し、供給バルブ６２を開いた状態にするための制御信号を当該供給バルブ６２に送信する。

これにより、スターリングエンジン１のクランクボックス１１内の潤滑油の残量が少なくなったときに、自動で供給バルブ６２を開いて潤滑油を補充することができ、オペレータの作業負担を軽減することができる。

＜変形例＞
次に、上記実施形態の変形例に係るスターリングエンジン１について、図５を参照して説明する。図５は、変形例に係るスターリングエンジン１の部分的な構成を示す模式図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

この変形例に係るスターリングエンジン１は、検出路５１の一端部とクランクボックス１１との接続位置（高さ）が、第１実施形態とは異なる。更に、この変形例に係るスターリングエンジン１は、油保持部材７１を備える点で、第１実施形態とは異なる。

変形例に係るスターリングエンジン１では、検出路５１の一端部が、クランクボックス１１の側面に接続されている。より具体的には、検出路５１の一端部は、クランクシャフト８が貫通している２つの側面のうちの一方の側面１１ａに接続されている。

スターリングエンジン１の側面１１ａに接続されている検出路５１の一端部の高さは、クランクボックス１１内に補充（追加）の必要がない最低限の量以上の潤滑油が貯留されている場合には、クランクボックス１１内の油溜まりの液面がこの一端部の開口５１ａよりもやや上方となる程度に設定されている。従って、クランクボックス１１内の潤滑油の量が不足すると、潤滑油の液面が検出路５１の一端部よりも下がることになる。

また、図５に示すように、変形例に係るスターリングエンジン１は、検出路５１の一端部の開口５１ａのすぐ上方の位置に配置された油保持部材７１を備える。油保持部材７１は板状の部材であり、側面１１ａの内壁から突出するように取り付けられている。油保持部材７１は、側面１１ａに形成された開口５１ａに近づくほど低くなるように、傾斜している。

変形例に係るスターリングエンジン１の稼動中は、クランクシャフト８、第１動力変換部材３０及び第２動力変換部材４０が動作すること等により、クランクボックス１１内の油溜まりの液面が激しく変動すると考えられる。しかしながら、潤滑油の液面が油保持部材７１の近傍の高さにあるとき、検出路５１の一端部の開口５１ａの近傍では、油保持部材７１がこの油溜まりの液面に作用して揺らぎを低減させ、結果として、開口５１ａの周囲に潤滑油が安定して保持される。また、液面の変動により生じる気泡が油保持部材７１の下面に到達した場合でも、気泡の浮力と、油保持部材７１が有する上述の傾斜により、当該気泡は、開口５１ａから遠ざかる向きに斜め上方へ移動する。従って、クランクボックス１１内の潤滑油の量が足りている（最低限の量以上入っている）にもかかわらず、潤滑油の液面の変動によって検出路５１に潤滑油が流れなくなることを防止することができる。

なお、油保持部材７１の構成は上記のように板状とすることに限定されず、例えば、クランクボックス１１の側面１１ａの内壁から、開口５１ａを取り囲むパイプ状の部材を突出させる構成とすることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記の実施形態及び変形例では、クランクボックス１１内に貯留される潤滑油の量が低下しているか否かを知るために検出路５１及び流量計５２等が備えられている。言い換えれば、２重構造のクランクケース９のうち内側のケース（クランクボックス１１）内に貯留される潤滑油の量を、流量計５２等によって検出する構成となっている。しかしながら、必ずしもこれに限るものではない。例えば、一般的な１重構造のクランクケース９内に貯留された潤滑油の量を知るために、検出路５１に相当する検出路や、流量計５２に相当する検出装置を備える構成としてもよい。

上記の実施形態及び変形例では、検出装置は、検出路５１内の潤滑油の流れの程度（流量）を検出する流量計５２であるものとしたが、必ずしもこれに限るものではない。例えばこれに代えて、検出装置を、検出路５１内の潤滑油の圧力を計測する圧力計、又は検出路５１内の潤滑油の圧力が閾値以上であるか否かを検出する圧力スイッチとしてもよい。

或いは、検出装置を、例えばオイルフィルタ５６の上流側及び下流側の位置での検出路５１内の潤滑油の圧力（油圧）を検出する圧力計により構成し、この上流側の位置での油圧と、下流側の位置での油圧と、の差（差圧）を算出することにより、潤滑油の流れの程度を検出するものとしてもよい。

上記の実施形態では、検出路５１の中途部にはアキュムレータ５５が設けられるものとしたが、検出路５１内に潤滑油の流れを形成できる構成であればよく、例えばアキュムレータ５５、第１逆止弁５３、及び第２逆止弁５４に代えて、高圧に対して耐久性を有するポンプを設けることとしてもよい。

上記の実施形態では、検出路５１の中途部には第２逆止弁５４が設けられるものとしたが、この第２逆止弁５４に代えて、検出路５１内の流路面積を狭くする或いは変化させる絞りを設けるものとしてもよい。或いは、検出路５１の流路抵抗で第２逆止弁５４が無くても潤滑油が流れる場合は、第２逆止弁５４を省略してもよい。

上記の実施形態では、スターリングエンジン１はいわゆるβ型の形式のものとしたが、必ずしもこれに限るものではなく、例えばこれに代えて、α型或いはγ型の形式のものとしてもよい。

１ スターリングエンジン
３ パワーピストン（ピストン）
４ ディスプレーサピストン
９ クランクケース
３０ 第１動力変換部材
４０ 第２動力変換部材
５１ 検出路
５２ 流量計（検出装置）
５３ 第１逆止弁
５４ 第２逆止弁
５５ アキュムレータ

Claims (4)

1. ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する動力変換部材を収容し、当該動力変換部材を潤滑するための潤滑油が内部に収容されるとともに、前記ピストンを往復運動させるための作動流体が内部に充填されるクランクケースと、
   前記クランクケースからの潤滑油を、その内部の流路を通過させた後に、再び前記クランクケース内に戻す検出路と、
   前記検出路に設けられ、当該検出路内の潤滑油の流れの程度又は有無を検出する検出装置と、
   前記クランクケース内に収容されたクランクボックスと、
   を備え、
   前記クランクボックス内には、前記動力変換部材が収容されるとともに、潤滑油が貯留されており、
   前記検出路は、前記クランクボックスに貯留された潤滑油を、その内部の流路を通過させた後に、再び前記クランクボックス内に戻すように構成されており、
   前記検出装置は、前記クランクケースの外部に配置されており、
   前記検出路に、前記クランクボックス内の圧力に応じて開閉する逆止弁が設けられていることを特徴とするスターリングエンジン。
2. 請求項１に記載のスターリングエンジンであって、
   前記逆止弁として、
   前記検出路に設けられる第１逆止弁と、
   前記第１逆止弁によって許容される流れの方向において、前記検出路の、前記第１逆止弁が設けられる位置よりも下流側に設けられ、上流から下流への潤滑油の流れを許容する一方、反対方向への潤滑油の流れを阻止する第２逆止弁と、
   を備えるとともに、
   前記検出路の、前記第１逆止弁が設けられる位置よりも下流側、かつ、前記第２逆止弁が設けられる位置よりも上流側の位置に設けられるアキュムレータを更に備えることを特徴とするスターリングエンジン。
3. 請求項１又は２に記載のスターリングエンジンであって、
   前記クランクボックスの内部に潤滑油を供給するための供給路であって、その上流側の
   端部に潤滑油を貯留するタンクを取付け可能な供給路を更に備えることを特徴とするスタグエンジン。
4. 請求項３に記載のスターリングエンジンであって、
   前記供給路に設けられ、当該供給路内の流路を自動で開閉可能なバルブと、
   前記検出装置の検出結果に応じて、前記バルブの状態を制御する制御装置と、
   を更に備えることを特徴とするスターリングエンジン。

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