スターリングエンジン
【課題】簡単な構造でディスプレーサピストン及びパワーピストンが同軸上を円滑に移動し得るスターリングエンジンを提供する。
【解決手段】フライホイール８０の回転軸８１に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心（Ｃ２）を有する第１のクランク（クランク軸部８２）に、第１のコネクティングロッド６２の一端部を回転可能に支持すると共に、その他端部をパワーピストン４０の径方向中心（ＲＣ）に揺動可能に支持する。ディスプレーサピストン２０にスライダロッド５０の一端部を固定し他端部をパワーピストンに摺動可能に支持する。上記回転軸８１に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心（Ｃ７）を有する第２のクランク（リンクプレート７１）に、第２のコネクティングロッド７２の一端部を回転可能に支持すると共に、その他端部をスライダロッドに揺動可能に支持する。
【解決手段】フライホイール８０の回転軸８１に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心（Ｃ２）を有する第１のクランク（クランク軸部８２）に、第１のコネクティングロッド６２の一端部を回転可能に支持すると共に、その他端部をパワーピストン４０の径方向中心（ＲＣ）に揺動可能に支持する。ディスプレーサピストン２０にスライダロッド５０の一端部を固定し他端部をパワーピストンに摺動可能に支持する。上記回転軸８１に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心（Ｃ７）を有する第２のクランク（リンクプレート７１）に、第２のコネクティングロッド７２の一端部を回転可能に支持すると共に、その他端部をスライダロッドに揺動可能に支持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングエンジンに関し、特に、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得るスターリングエンジンに係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、窯業炉、ごみ処理炉等から排出されている熱エネルギーを回収すべく、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得る装置として、スターリングエンジンが注目されている。
【０００３】
周知のように、スターリングエンジンの基本構成は、パワーピストンがシリンダ内に収容されると共に、空気等の作動流体を移動させるためのディスプレーサピストンが同シリンダ内に収容され、同シリンダの内壁面との隙間を維持して移動するように構成されたもので、これらパワーピストン及びディスプレーサピストンが一つのシリンダ内に収容されたものが一シリンダ式と呼ばれている。そして、パワーピストンとディスプレーサピストンがクランク機構を介して連結され、一定の位相差を維持しながら同軸上を往復動するように構成された機械リンク型（キネマチック型）と、クランク機構を必要としないフリーピストン型が知られており、前者の一例が下記の特許文献１に開示されている。
【０００４】
この特許文献１においては、「高性能のスターリングエンジンを得る重要な方法の一つは、クランク室内に作動ガスを導入し、クランク室を耐圧構造となるようにして、回転軸のクランク室貫通部にメカニカルシールを用いるか、もしくはクランク室内に発電機を納める等の方法によって、他のシール方式を用いる場合に生じやすい内部摩擦や外部もれを極度に軽減することである。この耐圧方式を可能とするには、重量増加を防ぐためクランク室ができるだけ小型である必要がある。さて一方において、図１のような双子状の二つのクランク１，２を左右に有するロンビッククランク機構はスターリングエンジン用としてすぐれた実績がある。しかしこの方式は二つのクランクを有するため、クランク室が大きくなってコンパクトな耐圧構造を作るのに困難な点がある。」（特許文献１の第１頁左下欄第１４行目乃至右下欄第９行目）という課題に対し、「シリンダーの中心線から大きく偏心した位置に回転軸を持つただ一ケのクランクと、そのクランクピンから斜め上方と斜め下方に出された２本の連桿によって該シリンダー内に串形に配置されたディスプレイサーピストンと、パワーピストンとを位相遅れをもって上下に駆動するようにし、かつクランク室全体を加圧可能な密閉形式とした偏心クランク形式のスターリングエンジン。」（特許文献１の第１頁左下欄第５行目乃至第１２行目）が提案されている。即ち、機構学でいう「偏心スライダクランク機構」が構成され、特許文献１でクロスヘッドと呼ばれ縦溝に収容される二つのスライダと、二本のコネクティングロッドが必須とされている。
【０００５】
一方、下記の特許文献２の段落〔０００４〕には「スターリングサイクルを実現する構造として、従来大きく分けてアルファ型、ベータ型そしてガンマ型の３種類が存在する。アルファ型は、高温空間、低温空間にそれぞれ一つのパワーピストンを持ち、別名２ピストン型と呼ばれる。この方式は、二つのピストンのそれぞれが各空間で完全に掃気するため、死空間が非常に小さいことが特徴である」と記載されている。そして、特許文献１と同様のベータ型に関し、同段落〔０００７〕において「ベータ型は、低温側に一つのパワーピストンを持ち、ディスプレーサがパワーピストンと同一のシリンダに収まり、互いにオーバラップしながら運動し、完全掃気可能なことを特徴とする。」と説明されている。更に、特許文献２の段落〔０００８〕において「ガンマ型は、低温側に一つのパワーピストンを持ち、ディスプレーサは別のシリンダに収まるため、その径を大きくして再生器通過ガス量を増やし、前記比率を温度差に応じて最適化することができる。」と説明されている。
【０００６】
更に、特許文献１と同様のベータ型に関し、特許文献３においては、その段落〔０００２〕に、背景として「スターリングエンジンは、低い温度の熱源を利用することから、その目標性能を達成するにはピストンシールや機構の摩擦に起因する機械損失の軽減は開発課題の一つである。」と記載され、同段落〔０００３〕に記載の「スコッチ・ヨーク機構は、ヨークの往復部の質量の増大による機械損失の増加、クランクピンとヨーク部の接点の強度や耐摩耗性に問題がある。また、騒音と機械損失の低減のため、クランクピン軸受とヨーク部の間の隙間を適切に設定する必要もある。」という課題に対し、同段落〔０００４〕に記載のように「摺動損失を低減し、信頼性の高いスコッチ・ヨーク機構とするスターリングエンジンを提供する」ことが提案されている。即ち、ここでは、機構学でいう「複式機構」の一つである「クロススライダクランク機構」、所謂スコッチヨーク機構が構成され、三本のコネクティングロッドが必須とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−２５５５５号公報
【特許文献２】特開２００６−１１８４３０号公報
【特許文献３】特開２００８−１０１５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献２におけるディスプレーサピストンについては、一般的な内燃機関におけるピストン支持構造と同様、クランクに一端部を回転可能に支持すると共にピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持するコネクティングロッドを有し、同ピストンをスライダとするスライダクランク機構が採用されているが、パワーピストンについては、その径方向中心に対して両側に、一対のコネクティングロッドが配置されている。これに対し、上記特許文献１及び３に記載のようなベータ型においては、ディスプレーサピストン及びパワーピストンの両者に対し、夫々のピストンの径方向中心にコネクティングロッドを揺動可能に支持することはできない。このため、パワーピストンの径方向中心に対して両側に一対のコネクティングロッドが配置されている。
【０００９】
また、上記特許文献１及び３においては、前述のように、夫々、「偏心スライダクランク機構」及び「スコッチヨーク機構」が用いられており、複雑な構造で、部品点数も多く高価な装置となる。然し乍ら、このようなベータ型についても、パワーピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持するコネクティングロッドを有し、パワーピストンをスライダとするスライダクランク機構を基本構成とすることが望ましい。
【００１０】
そこで、本発明は、ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンがシリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、簡単な構造で、ディスプレーサピストン及びパワーピストンが同軸上を円滑に移動し得るスターリングエンジンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係るスターリングエンジンは、シリンダ内にディスプレーサピストンを収容して高温空間と低温空間を形成し、両空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつ前記ディスプレーサピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動すると共に、前記ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、前記シリンダを固定するハウジングに対し回転可能に支持するフライホイールと、該フライホイールの回転軸に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心を有する第１のクランク、及び該第１のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に前記パワーピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持する第１のコネクティングロッドを有し、前記パワーピストンをスライダとする第１のスライダクランク機構と、前記ディスプレーサピストンに一端部を固定し他端部が前記パワーピストンを貫通して延出するように配置し、前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に前記パワーピストンに支持して成るスライダロッドと、前記フライホイールの回転軸に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心を有する第２のクランク、及び該第２のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に他端部を前記スライダロッドの他端部に揺動可能に支持する第２のコネクティングロッドを有し、前記スライダロッドをスライダとする第２のスライダクランク機構とを備えることとしたものである。
【００１２】
上記のスターリングエンジンにおいて、前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上に配置し、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの一方側に一端部を固定すると共に、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの他方側に他端部を摺動自在に支持するガイドロッドを備えたものとするとよい。
【００１３】
また、前記ガイドロッドの固定位置を、前記スライダロッドが前記パワーピストンを貫通した位置から前記パワーピストンの径方向中心までの径方向距離と等しい距離離隔した軸上に設定するとよい。更に、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面が、前記フライホイールの回転軸を含むように、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを配置し、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面に直交する平面上を前記第１及び第２のコネクティングロッドが揺動するように配置するとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、上記の構成になるスターリングエンジンは、前記第１のスライダクランク機構と前記第２のスライダクランク機構を備えており、前記第１及び第２のコネクティングロッドを有する簡単な構成で、ディスプレーサピストン及びパワーピストンの円滑な作動を確保することができ、安価に構成することができる。特に、単一のシリンダ内にディスプレーサピストン及びパワーピストンの二つのピストンが収容された所謂ベータ型のスターリングエンジンにおいて、前記第１のスライダクランク機構によって、大きな圧力が付与されるパワーピストンは、その径方向中心で支持されるので、安定した姿勢で軸方向に往復移動することができる。これに対し、ディスプレーサピストンには然程大きな圧力が付与されることはなく、ディスプレーサピストンは必ずしも径方向中心で支持する必要はないので、前記第２のスライダクランク機構によって、パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に、パワーピストンに支持することによって、円滑な作動を確保することができる。
【００１５】
上記スターリングエンジンにおいて、更に、パワーピストン及びディスプレーサピストンの一方に、ガイドロッドを軸方向移動可能に支持することとすれば、確実にディスプレーサピストンの回転を阻止することができ、一層安定した状態でディスプレーサピストンを保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンを示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの側面視の縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの一部を拡大して示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンにおける第１及び第２のスライダクランク機構のスケルトン図である。
【図５】本発明を発電機に適用してスターリングエンジン発電機を構成するときの装着状態及び制御回路の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の望ましい実施形態に関し、図面を参照して説明する。図１及び図２に本発明の一実施形態を示すように、本実施形態は機械リンク型（キネマチック型）のスターリングエンジンであり、図１に示すように、ハウジング１に、スターリングエンジンのシリンダ１０と、電動モータ及び発電機として機能するモータジェネレータ２が固定され、両者が後述するように連結されている。
【００１８】
シリンダ１０内にはディスプレーサピストン２０が収容され、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳが形成され、両空間の作動流体が再生器３０を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン２０がシリンダ１０の軸方向に往復移動すると共に、ディスプレーサピストン２０と同軸上に配置されたパワーピストン４０がシリンダ１０の軸方向に往復移動するように構成されている。尚、図１は高温空間ＨＳが最小容量で低温空間ＬＳが最大容量の状態を示し、図２は高温空間ＨＳが最大容量で低温空間ＬＳが最小容量の状態を示す。シリンダ１０はシリンダヘッド１１と筒体のシリンダ本体１２が溶接接合されたもので、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダ１０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０に対し軸方向移動可能に支持されている。
【００１９】
本実施形態の再生器３０は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成され、例えば、一枚の金属網が複数回巻回された後に巻端部がスポット溶接されて積層筒体が形成される。あるいは、これに代えて、蓄熱量の確保と通気抵抗の低減を両立させ得る他の部材を用いることとしてもよい。この再生器３０は上記の環状間隙内に配置され、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を維持するように、シリンダ１０に支持されている。この作動流体は気体であり、本実施形態ではヘリウムガスが用いられているが、空気を用いることとしてもよい。
【００２０】
図３に拡大して示すように、シリンダ１０の内壁面に環状凹部１０ｒが形成され、この環状凹部１０ｒに再生器３０が嵌着され、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動軌跡の全長に亘り、再生器３０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面との間が周方向に一定の間隙（クリアランスｄ）を維持するように、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０に摺動可能に支持されており、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙（ｄ）の環状流路ＣＰを維持するように構成されている。
【００２１】
更に、図１に示すように、シリンダ本体１２の外壁面には環状凹部１２ｒが形成されており、この環状凹部１２ｒを覆うように支持筒体１３が配置され、シリンダ本体１２に対し液密的に固定されている。支持筒体１３には冷却媒体流入部ＦＩ及び冷却媒体流出部ＦＯが設けられており、環状凹部１２ｒと支持筒体１３によって画成される環状空間ＣＬ内に冷却媒体（例えば水）が冷却媒体流入部ＦＩから導入され、冷却媒体流出部ＦＯから排出されるように構成されており、これらによって冷却器が構成され、シリンダ本体１２内に低温空間ＬＳが形成される。一方、シリンダヘッド１１には複数の集熱フィン１１ｆが設けられており、これらの集熱フィン１１ｆを介して熱源（図示せず）によってシリンダヘッド１１が加熱され、シリンダヘッド１１内に高温空間ＨＳが形成されるように構成されている。このように、再生器３０は、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳとの間に位置するようにシリンダ１０内に保持されており、両空間の作動流体が再生器３０を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン２０がシリンダ１０の軸方向に往復移動し得る構成となる。
【００２２】
図１及び図２に示すように、上記シリンダ１０はハウジング１に固定されており、このハウジング１に対しフライホイール８０が回転軸８１回りを回転可能（回転中心をＣ２で示す）に支持されている。この回転軸８１（フライホイール８０の回転中心Ｃ２）に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心（Ｃ６で示す）を有する第１のクランクが、フライホイール８０のクランク軸部８２（回転中心Ｃ２及びＣ６を含む部分）によって構成されている。この第１のクランク（クランク軸部８２）の回転中心Ｃ６を含む突起部に一端部を回転可能に支持すると共に、パワーピストン４０の径方向中心（ＲＣで示す）に、他端部を揺動可能（揺動中心をＣ４で示す）に支持する第１のコネクティングロッド６２が設けられ、パワーピストン４０をスライダとする第１のスライダクランク機構６０が構成されている。
【００２３】
また、ディスプレーサピストン２０にスライダロッド５０の一端部が固定され、その他端部がパワーピストン４０の貫通孔４１を介して図１の下方に延出するように配置され、パワーピストン４０の往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に、パワーピストン４０に支持されている。そして、フライホイール８０の回転軸８１（回転中心Ｃ２）に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心（Ｃ７で示す）を有する第２のクランクが、リンクプレート７１によって構成されている。この第２のクランク（リンクプレート７１）に一端部を回転可能（回転中心をＣ７で示す）に支持すると共に、他端部をスライダロッド５０の他端部に揺動可能（揺動中心をＣ５で示す）に支持する第２のコネクティングロッド７２が設けられ、スライダロッド５０（及び、これと一体的に移動するディスプレーサピストン２０）をスライダとする第２のスライダクランク機構７０が構成されている。
【００２４】
上記の回転中心及び揺動中心には、図１に示すように、軸受（ボールベアリング）Ｂ１乃至Ｂ４が装着されており、円滑な回転及び揺動運動が確保される。即ち、クランク軸部８２の回転中心Ｃ６を含む突起部には、軸受Ｂ１を介して、第１のコネクティングロッド６２の大端部６１が回転可能に支持されている。一方、第１のコネクティングロッド６２の小端部６３は、軸受Ｂ２及びピストンピン４２を介してパワーピストン４０に揺動可能に支持されており、所謂セミフローティング構造とされているが、フルフローティング構造としてもよい。
【００２５】
そして、第１のクランクを構成するクランク軸部８２の回転中心Ｃ６を含む突起部には、第２のクランクを構成するリンクプレート７１が固定されており、リンクプレート７１はフライホイール８０と一体的に回転する。尚、リンクプレート７１は図２に示すように扇形に形成されており、図１に示す２本のボルトによってフライホイール８０（のクランク軸部８２）に強固に固定されている。更に、リンクプレート７１には、軸受Ｂ３を介して、第２のコネクティングロッド７２の一端部が回転可能（回転中心Ｃ７）に支持され、その他端部が軸受Ｂ４を介して、スライダロッド５０の他端部に揺動可能（揺動中心Ｃ５）に支持されている。
【００２６】
図１に示すように、ディスプレーサピストン２０の端部にはスライダロッド５０が固着されており、このスライダロッド５０がパワーピストン４０を貫通して、パワーピストン４０の貫通孔４１内を軸方向移動可能に支持されている。尚、スライダロッド５０の支持部であるパワーピストン４０の貫通孔４１内にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング等の表面硬化処理を行うこととすれば、スライダロッド５０ひいてはディスプレーサピストン４０を安定した状態で保持することができ、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン４０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路（図３のＣＰ）を一層確実に維持することができる。更に、パワーピストン４０とシリンダ１０の摺動部分等にも、ＤＬＣコーティング等による表面硬化処理を施しておくとよい。
【００２７】
上記の第１及び第２のスライダクランク機構６０，７０をスケルトンで表すと図４に示すようになる。図４は、図２の構成と同一視のスケルトンであり、図１及び図２中の符号を用いて示している。前述のように、スライダロッド５０はディスプレーサピストン２０に固着されており、これらは一体として摺動軸（図４に破線で示す）に沿って移動する。従って、スライダロッド５０の摺動軸（破線）は、実際にはパワーピストン４０の往復移動軸（実線）と重合しているので、破線と実線は同一線上にあるが、これらを区別するため前者をオフセットさせて示している。尚、第１の回転中心（Ｃ６）と第２の回転中心（Ｃ７）との関係は、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０を所定のクランク角度（本実施形態では６０度）だけ先行する位相差に設定されている。
【００２８】
本実施形態においては、更に、ガイドロッド９０が、パワーピストン４０の往復移動軸に平行な軸上に配置されており、パワーピストン４０に一端部が圧入固定されている。そして、ガイドロッド９０の他端部はディスプレーサピストン２０に摺動自在に支持されている。尚、上記の関係を逆にし、ガイドロッド９０の一端部をディスプレーサピストン２０に圧入固定し、他端部をパワーピストン４０に摺動自在に支持することとしてもよい。本実施形態のガイドロッド９０は、スライダロッド５０がパワーピストン４０を貫通した位置からパワーピストン４０の径方向中心（ＲＣ）までの径方向距離と等しい距離離隔した軸上で固定されている。即ち、図１に示すように、スライダロッド５０及びガイドロッド９０は、両者の中心軸が径方向中心（ＲＣ）の両側に等間隔となるように配置されている。特に、スライダロッド５０及びガイドロッド９０を含む平面が、フライホイール８０の回転軸８１を含むように、スライダロッド５０及びガイドロッド９０が配置され、スライダロッド５０及びガイドロッド９０を含む平面（図１の紙面）に直交する平面上を第１及び第２のコネクティングロッド６２及び７２が揺動するように配置されている。
【００２９】
而して、パワーピストン４０の軸方向移動に伴い、ガイドロッド９０も軸方向移動するが、ディスプレーサピストン２０に摺動自在に支持された状態で移動するので、ディスプレーサピストン２０の軸方向移動に影響を与えることはなく、パワーピストン４０とディスプレーサピストン２０は独立して軸方向移動する。特に、機構部品の配置等に起因し、パワーピストン４０の軸方向移動に伴い、ディスプレーサピストン２０に対しその中心軸を中心とした回転力が付与される場合においても、ガイドロッド９０によってディスプレーサピストン２０の独立した軸方向移動を確保することができる。もっとも、パワーピストン４０とディスプレーサピストン２０の独立した軸方向移動を確保し得る構成であれば、ガイドロッド９０を省略することとしてもよい。
【００３０】
上記の構成になるスターリングエンジンは、例えば図５に示す排熱筒ＥＸに装着される。この場合には、図１の上下が逆となるように配置される。即ち、ハウジング１が熱源の排熱筒ＥＸに固着され、この中にシリンダヘッド１１の集熱フィン１１ｆ部分が収容された状態でスターリングエンジンが支持される。そして、フライホイール８０に連結されるモータジェネレータ２は、例えば周知の永久磁石同期電動機によって構成され、電動モータ及び発電機として機能するものであり、その構造についての説明は省略するが、発電制御については後述する。
【００３１】
本実施形態は上記のように構成されており、単一のシリンダ１０内にディスプレーサピストン２０及びパワーピストン４０が収容された所謂ベータ型のスターリングエンジンにおいて、第１のスライダクランク機構６０によって、大きな圧力が付与されるパワーピストン４０は、その径方向中心ＲＣで支持されるので、安定した姿勢で軸方向に往復移動することができる。これに対し、ディスプレーサピストン２０には然程大きな圧力が付与されることはなく、ディスプレーサピストン２０は必ずしも径方向中心で支持する必要はないので、第２のスライダクランク機構７０によって、パワーピストン４０の往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に、パワーピストン４０に支持することによって、円滑な作動を確保することができる。このように、第１及び第２のコネクティングロッド６２及び７２を有する簡単な構成で、ディスプレーサピストン２０及びパワーピストン４０の円滑な作動を確保することができ、小型、軽量化が可能となり、製造コストを低く抑えることができ、信頼性、耐久性も向上する。従って、５００℃前後の産業排熱を熱源とした場合でも、効率的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができるので、排熱回収器として実用に供することができる。例えば、５００℃前後の中温の排熱で、作動流体が１Ｍｐａ以下の圧力でも、一定の間隙の環状流路（図３のＣＰ）を確実に維持しつつ、ディスプレーサピストン２０の円滑な往復移動を行うことができる。
【００３２】
図５は、図１及び図２に示すスターリングエンジン及びモータジェネレータを備えたスターリングエンジン発電機ＳＥの装着状態、及びこれを発電制御に供する制御回路の一例を示すもので、シリンダヘッド１１が排熱筒ＥＸ内に延出するように装着され、排熱筒ＥＸ内を通過する高温の排出ガスにシリンダヘッド１１が曝され、加熱される。モータジェネレータ２は主回路２０１により、これを断続するリレーＲＣ１を介して直流電源２０２に接続され、この主回路２０１に対し三つの回路が並列接続されている。
【００３３】
先ず、第１の回路は回転数代用回路で、相対的に小さい抵抗２０３と相対的に大きい抵抗２０４が直列接続され、相対的に大きい抵抗２０４の両端電圧Ｖｓが０乃至１０Ｖの範囲で変化するように設定される。この電圧Ｖｓはエンジン回転に比例するので、回転数を表す値として用いられる。次に、第２の回路はダミー抵抗回路で、発電容量を吸収可能な容量のダミー抵抗２０５と、これに至る回路を断続するリレーＲＣ２によって構成される。そして、第３の回路がバッテリ充電回路で、これを断続するリレーＲＣ３とバッテリ２０７との間に充電コントローラ２０６が介装されている。この充電コントローラ２０６により発電側の０乃至３０Ｖの電圧が約１４Ｖに調圧され、１２Ｖのバッテリ２０７に供給されて充電される。また、この充電コントローラ２０６を介して、外部に取り付けられた冷却ファン２０８への電力の供給も行なわれる。
【００３４】
図５では、バッテリ２０７の電力利用の一例として、ＤＣ−ＡＣコンバータ２０９によりＤＣ１２ＶからＡＣ１００Ｖに変換され、照明等の外部機器２１０に利用される。この電力利用側の外部機器２１０とスターリングエンジン発電機ＳＥが発生する電力をほぼ等しくして、ダミー抵抗２０５による消費電力を少なくすることが望ましい。バッテリ２０７が満充電近傍にある場合等、発電機側の負荷が軽くなり、エンジン回転数が過回転の状態に入り、電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈ以上となった場合には、バッテリ２０７に対する充電回路が遮断されて、発電側がダミー抵抗２０５に接続され、エンジン回転が正常に戻されると共に、ダミー抵抗２０５によって発電分の一部が吸収される。これに対し、バッテリ２０７の電力が消費されて空放電に近い状態から充電が開始されると、当初は充電電流が大きいため負荷が増大し、エンジン回転数が低下する傾向となる。この結果、電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌ以下となった場合には、発電機側のダミー抵抗２０５の回路が遮断され、エンジン回転数の回復が促され、充電コントローラ２０６を介して発電機側の電圧が１４Ｖ乃至３０Ｖとなるように制御され、バッテリ２０７への充電が適切に行なわれる。
【００３５】
而して、ダミー抵抗２０５の回路の断続により、外部熱源の温度条件の変化あるいは負荷状態の変化に影響されることなく、安定した状態で、スターリングエンジン発電機ＳＥによってバッテリ２０７を充電することができる。尚、熱源温度が充分高いにも拘らず発生電圧Ｖｓがゼロ（０）の場合には、スターリングエンジンが停止状態にあることを示しているので、速やかにモータ起動し、スターリングエンジンを常に稼動状態に維持し得るように制御するとよい。
【符号の説明】
【００３６】
１ ハウジング
２ モータジェネレータ
１０ シリンダ
１１ シリンダヘッド
１２ シリンダ本体
１３ 支持筒体
２０ ディスプレーサピストン
３０ 再生器
４０ パワーピストン
５０ スライダロッド
６０ 第１のスライダクランク機構
６２ 第１のコネクティングロッド
７０ 第２のスライダクランク機構
７２ 第２のコネクティングロッド
８０ フライホイール
９０ ガイドロッド
ＨＳ 高温空間
ＬＳ 低温空間
Ｂ１〜Ｂ４ 軸受
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングエンジンに関し、特に、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得るスターリングエンジンに係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、窯業炉、ごみ処理炉等から排出されている熱エネルギーを回収すべく、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得る装置として、スターリングエンジンが注目されている。
【０００３】
周知のように、スターリングエンジンの基本構成は、パワーピストンがシリンダ内に収容されると共に、空気等の作動流体を移動させるためのディスプレーサピストンが同シリンダ内に収容され、同シリンダの内壁面との隙間を維持して移動するように構成されたもので、これらパワーピストン及びディスプレーサピストンが一つのシリンダ内に収容されたものが一シリンダ式と呼ばれている。そして、パワーピストンとディスプレーサピストンがクランク機構を介して連結され、一定の位相差を維持しながら同軸上を往復動するように構成された機械リンク型（キネマチック型）と、クランク機構を必要としないフリーピストン型が知られており、前者の一例が下記の特許文献１に開示されている。
【０００４】
この特許文献１においては、「高性能のスターリングエンジンを得る重要な方法の一つは、クランク室内に作動ガスを導入し、クランク室を耐圧構造となるようにして、回転軸のクランク室貫通部にメカニカルシールを用いるか、もしくはクランク室内に発電機を納める等の方法によって、他のシール方式を用いる場合に生じやすい内部摩擦や外部もれを極度に軽減することである。この耐圧方式を可能とするには、重量増加を防ぐためクランク室ができるだけ小型である必要がある。さて一方において、図１のような双子状の二つのクランク１，２を左右に有するロンビッククランク機構はスターリングエンジン用としてすぐれた実績がある。しかしこの方式は二つのクランクを有するため、クランク室が大きくなってコンパクトな耐圧構造を作るのに困難な点がある。」（特許文献１の第１頁左下欄第１４行目乃至右下欄第９行目）という課題に対し、「シリンダーの中心線から大きく偏心した位置に回転軸を持つただ一ケのクランクと、そのクランクピンから斜め上方と斜め下方に出された２本の連桿によって該シリンダー内に串形に配置されたディスプレイサーピストンと、パワーピストンとを位相遅れをもって上下に駆動するようにし、かつクランク室全体を加圧可能な密閉形式とした偏心クランク形式のスターリングエンジン。」（特許文献１の第１頁左下欄第５行目乃至第１２行目）が提案されている。即ち、機構学でいう「偏心スライダクランク機構」が構成され、特許文献１でクロスヘッドと呼ばれ縦溝に収容される二つのスライダと、二本のコネクティングロッドが必須とされている。
【０００５】
一方、下記の特許文献２の段落〔０００４〕には「スターリングサイクルを実現する構造として、従来大きく分けてアルファ型、ベータ型そしてガンマ型の３種類が存在する。アルファ型は、高温空間、低温空間にそれぞれ一つのパワーピストンを持ち、別名２ピストン型と呼ばれる。この方式は、二つのピストンのそれぞれが各空間で完全に掃気するため、死空間が非常に小さいことが特徴である」と記載されている。そして、特許文献１と同様のベータ型に関し、同段落〔０００７〕において「ベータ型は、低温側に一つのパワーピストンを持ち、ディスプレーサがパワーピストンと同一のシリンダに収まり、互いにオーバラップしながら運動し、完全掃気可能なことを特徴とする。」と説明されている。更に、特許文献２の段落〔０００８〕において「ガンマ型は、低温側に一つのパワーピストンを持ち、ディスプレーサは別のシリンダに収まるため、その径を大きくして再生器通過ガス量を増やし、前記比率を温度差に応じて最適化することができる。」と説明されている。
【０００６】
更に、特許文献１と同様のベータ型に関し、特許文献３においては、その段落〔０００２〕に、背景として「スターリングエンジンは、低い温度の熱源を利用することから、その目標性能を達成するにはピストンシールや機構の摩擦に起因する機械損失の軽減は開発課題の一つである。」と記載され、同段落〔０００３〕に記載の「スコッチ・ヨーク機構は、ヨークの往復部の質量の増大による機械損失の増加、クランクピンとヨーク部の接点の強度や耐摩耗性に問題がある。また、騒音と機械損失の低減のため、クランクピン軸受とヨーク部の間の隙間を適切に設定する必要もある。」という課題に対し、同段落〔０００４〕に記載のように「摺動損失を低減し、信頼性の高いスコッチ・ヨーク機構とするスターリングエンジンを提供する」ことが提案されている。即ち、ここでは、機構学でいう「複式機構」の一つである「クロススライダクランク機構」、所謂スコッチヨーク機構が構成され、三本のコネクティングロッドが必須とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−２５５５５号公報
【特許文献２】特開２００６−１１８４３０号公報
【特許文献３】特開２００８−１０１５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献２におけるディスプレーサピストンについては、一般的な内燃機関におけるピストン支持構造と同様、クランクに一端部を回転可能に支持すると共にピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持するコネクティングロッドを有し、同ピストンをスライダとするスライダクランク機構が採用されているが、パワーピストンについては、その径方向中心に対して両側に、一対のコネクティングロッドが配置されている。これに対し、上記特許文献１及び３に記載のようなベータ型においては、ディスプレーサピストン及びパワーピストンの両者に対し、夫々のピストンの径方向中心にコネクティングロッドを揺動可能に支持することはできない。このため、パワーピストンの径方向中心に対して両側に一対のコネクティングロッドが配置されている。
【０００９】
また、上記特許文献１及び３においては、前述のように、夫々、「偏心スライダクランク機構」及び「スコッチヨーク機構」が用いられており、複雑な構造で、部品点数も多く高価な装置となる。然し乍ら、このようなベータ型についても、パワーピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持するコネクティングロッドを有し、パワーピストンをスライダとするスライダクランク機構を基本構成とすることが望ましい。
【００１０】
そこで、本発明は、ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンがシリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、簡単な構造で、ディスプレーサピストン及びパワーピストンが同軸上を円滑に移動し得るスターリングエンジンを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係るスターリングエンジンは、シリンダ内にディスプレーサピストンを収容して高温空間と低温空間を形成し、両空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつ前記ディスプレーサピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動すると共に、前記ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、前記シリンダを固定するハウジングに対し回転可能に支持するフライホイールと、該フライホイールの回転軸に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心を有する第１のクランク、及び該第１のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に前記パワーピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持する第１のコネクティングロッドを有し、前記パワーピストンをスライダとする第１のスライダクランク機構と、前記ディスプレーサピストンに一端部を固定し他端部が前記パワーピストンを貫通して延出するように配置し、前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に前記パワーピストンに支持して成るスライダロッドと、前記フライホイールの回転軸に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心を有する第２のクランク、及び該第２のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に他端部を前記スライダロッドの他端部に揺動可能に支持する第２のコネクティングロッドを有し、前記スライダロッドをスライダとする第２のスライダクランク機構とを備えることとしたものである。
【００１２】
上記のスターリングエンジンにおいて、前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上に配置し、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの一方側に一端部を固定すると共に、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの他方側に他端部を摺動自在に支持するガイドロッドを備えたものとするとよい。
【００１３】
また、前記ガイドロッドの固定位置を、前記スライダロッドが前記パワーピストンを貫通した位置から前記パワーピストンの径方向中心までの径方向距離と等しい距離離隔した軸上に設定するとよい。更に、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面が、前記フライホイールの回転軸を含むように、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを配置し、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面に直交する平面上を前記第１及び第２のコネクティングロッドが揺動するように配置するとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、上記の構成になるスターリングエンジンは、前記第１のスライダクランク機構と前記第２のスライダクランク機構を備えており、前記第１及び第２のコネクティングロッドを有する簡単な構成で、ディスプレーサピストン及びパワーピストンの円滑な作動を確保することができ、安価に構成することができる。特に、単一のシリンダ内にディスプレーサピストン及びパワーピストンの二つのピストンが収容された所謂ベータ型のスターリングエンジンにおいて、前記第１のスライダクランク機構によって、大きな圧力が付与されるパワーピストンは、その径方向中心で支持されるので、安定した姿勢で軸方向に往復移動することができる。これに対し、ディスプレーサピストンには然程大きな圧力が付与されることはなく、ディスプレーサピストンは必ずしも径方向中心で支持する必要はないので、前記第２のスライダクランク機構によって、パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に、パワーピストンに支持することによって、円滑な作動を確保することができる。
【００１５】
上記スターリングエンジンにおいて、更に、パワーピストン及びディスプレーサピストンの一方に、ガイドロッドを軸方向移動可能に支持することとすれば、確実にディスプレーサピストンの回転を阻止することができ、一層安定した状態でディスプレーサピストンを保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンを示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの側面視の縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの一部を拡大して示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンにおける第１及び第２のスライダクランク機構のスケルトン図である。
【図５】本発明を発電機に適用してスターリングエンジン発電機を構成するときの装着状態及び制御回路の一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の望ましい実施形態に関し、図面を参照して説明する。図１及び図２に本発明の一実施形態を示すように、本実施形態は機械リンク型（キネマチック型）のスターリングエンジンであり、図１に示すように、ハウジング１に、スターリングエンジンのシリンダ１０と、電動モータ及び発電機として機能するモータジェネレータ２が固定され、両者が後述するように連結されている。
【００１８】
シリンダ１０内にはディスプレーサピストン２０が収容され、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳが形成され、両空間の作動流体が再生器３０を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン２０がシリンダ１０の軸方向に往復移動すると共に、ディスプレーサピストン２０と同軸上に配置されたパワーピストン４０がシリンダ１０の軸方向に往復移動するように構成されている。尚、図１は高温空間ＨＳが最小容量で低温空間ＬＳが最大容量の状態を示し、図２は高温空間ＨＳが最大容量で低温空間ＬＳが最小容量の状態を示す。シリンダ１０はシリンダヘッド１１と筒体のシリンダ本体１２が溶接接合されたもので、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダ１０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０に対し軸方向移動可能に支持されている。
【００１９】
本実施形態の再生器３０は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成され、例えば、一枚の金属網が複数回巻回された後に巻端部がスポット溶接されて積層筒体が形成される。あるいは、これに代えて、蓄熱量の確保と通気抵抗の低減を両立させ得る他の部材を用いることとしてもよい。この再生器３０は上記の環状間隙内に配置され、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を維持するように、シリンダ１０に支持されている。この作動流体は気体であり、本実施形態ではヘリウムガスが用いられているが、空気を用いることとしてもよい。
【００２０】
図３に拡大して示すように、シリンダ１０の内壁面に環状凹部１０ｒが形成され、この環状凹部１０ｒに再生器３０が嵌着され、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動軌跡の全長に亘り、再生器３０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面との間が周方向に一定の間隙（クリアランスｄ）を維持するように、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０に摺動可能に支持されており、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン２０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙（ｄ）の環状流路ＣＰを維持するように構成されている。
【００２１】
更に、図１に示すように、シリンダ本体１２の外壁面には環状凹部１２ｒが形成されており、この環状凹部１２ｒを覆うように支持筒体１３が配置され、シリンダ本体１２に対し液密的に固定されている。支持筒体１３には冷却媒体流入部ＦＩ及び冷却媒体流出部ＦＯが設けられており、環状凹部１２ｒと支持筒体１３によって画成される環状空間ＣＬ内に冷却媒体（例えば水）が冷却媒体流入部ＦＩから導入され、冷却媒体流出部ＦＯから排出されるように構成されており、これらによって冷却器が構成され、シリンダ本体１２内に低温空間ＬＳが形成される。一方、シリンダヘッド１１には複数の集熱フィン１１ｆが設けられており、これらの集熱フィン１１ｆを介して熱源（図示せず）によってシリンダヘッド１１が加熱され、シリンダヘッド１１内に高温空間ＨＳが形成されるように構成されている。このように、再生器３０は、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳとの間に位置するようにシリンダ１０内に保持されており、両空間の作動流体が再生器３０を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン２０がシリンダ１０の軸方向に往復移動し得る構成となる。
【００２２】
図１及び図２に示すように、上記シリンダ１０はハウジング１に固定されており、このハウジング１に対しフライホイール８０が回転軸８１回りを回転可能（回転中心をＣ２で示す）に支持されている。この回転軸８１（フライホイール８０の回転中心Ｃ２）に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心（Ｃ６で示す）を有する第１のクランクが、フライホイール８０のクランク軸部８２（回転中心Ｃ２及びＣ６を含む部分）によって構成されている。この第１のクランク（クランク軸部８２）の回転中心Ｃ６を含む突起部に一端部を回転可能に支持すると共に、パワーピストン４０の径方向中心（ＲＣで示す）に、他端部を揺動可能（揺動中心をＣ４で示す）に支持する第１のコネクティングロッド６２が設けられ、パワーピストン４０をスライダとする第１のスライダクランク機構６０が構成されている。
【００２３】
また、ディスプレーサピストン２０にスライダロッド５０の一端部が固定され、その他端部がパワーピストン４０の貫通孔４１を介して図１の下方に延出するように配置され、パワーピストン４０の往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に、パワーピストン４０に支持されている。そして、フライホイール８０の回転軸８１（回転中心Ｃ２）に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心（Ｃ７で示す）を有する第２のクランクが、リンクプレート７１によって構成されている。この第２のクランク（リンクプレート７１）に一端部を回転可能（回転中心をＣ７で示す）に支持すると共に、他端部をスライダロッド５０の他端部に揺動可能（揺動中心をＣ５で示す）に支持する第２のコネクティングロッド７２が設けられ、スライダロッド５０（及び、これと一体的に移動するディスプレーサピストン２０）をスライダとする第２のスライダクランク機構７０が構成されている。
【００２４】
上記の回転中心及び揺動中心には、図１に示すように、軸受（ボールベアリング）Ｂ１乃至Ｂ４が装着されており、円滑な回転及び揺動運動が確保される。即ち、クランク軸部８２の回転中心Ｃ６を含む突起部には、軸受Ｂ１を介して、第１のコネクティングロッド６２の大端部６１が回転可能に支持されている。一方、第１のコネクティングロッド６２の小端部６３は、軸受Ｂ２及びピストンピン４２を介してパワーピストン４０に揺動可能に支持されており、所謂セミフローティング構造とされているが、フルフローティング構造としてもよい。
【００２５】
そして、第１のクランクを構成するクランク軸部８２の回転中心Ｃ６を含む突起部には、第２のクランクを構成するリンクプレート７１が固定されており、リンクプレート７１はフライホイール８０と一体的に回転する。尚、リンクプレート７１は図２に示すように扇形に形成されており、図１に示す２本のボルトによってフライホイール８０（のクランク軸部８２）に強固に固定されている。更に、リンクプレート７１には、軸受Ｂ３を介して、第２のコネクティングロッド７２の一端部が回転可能（回転中心Ｃ７）に支持され、その他端部が軸受Ｂ４を介して、スライダロッド５０の他端部に揺動可能（揺動中心Ｃ５）に支持されている。
【００２６】
図１に示すように、ディスプレーサピストン２０の端部にはスライダロッド５０が固着されており、このスライダロッド５０がパワーピストン４０を貫通して、パワーピストン４０の貫通孔４１内を軸方向移動可能に支持されている。尚、スライダロッド５０の支持部であるパワーピストン４０の貫通孔４１内にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング等の表面硬化処理を行うこととすれば、スライダロッド５０ひいてはディスプレーサピストン４０を安定した状態で保持することができ、シリンダ１０内でのディスプレーサピストン４０の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路（図３のＣＰ）を一層確実に維持することができる。更に、パワーピストン４０とシリンダ１０の摺動部分等にも、ＤＬＣコーティング等による表面硬化処理を施しておくとよい。
【００２７】
上記の第１及び第２のスライダクランク機構６０，７０をスケルトンで表すと図４に示すようになる。図４は、図２の構成と同一視のスケルトンであり、図１及び図２中の符号を用いて示している。前述のように、スライダロッド５０はディスプレーサピストン２０に固着されており、これらは一体として摺動軸（図４に破線で示す）に沿って移動する。従って、スライダロッド５０の摺動軸（破線）は、実際にはパワーピストン４０の往復移動軸（実線）と重合しているので、破線と実線は同一線上にあるが、これらを区別するため前者をオフセットさせて示している。尚、第１の回転中心（Ｃ６）と第２の回転中心（Ｃ７）との関係は、ディスプレーサピストン２０がパワーピストン４０を所定のクランク角度（本実施形態では６０度）だけ先行する位相差に設定されている。
【００２８】
本実施形態においては、更に、ガイドロッド９０が、パワーピストン４０の往復移動軸に平行な軸上に配置されており、パワーピストン４０に一端部が圧入固定されている。そして、ガイドロッド９０の他端部はディスプレーサピストン２０に摺動自在に支持されている。尚、上記の関係を逆にし、ガイドロッド９０の一端部をディスプレーサピストン２０に圧入固定し、他端部をパワーピストン４０に摺動自在に支持することとしてもよい。本実施形態のガイドロッド９０は、スライダロッド５０がパワーピストン４０を貫通した位置からパワーピストン４０の径方向中心（ＲＣ）までの径方向距離と等しい距離離隔した軸上で固定されている。即ち、図１に示すように、スライダロッド５０及びガイドロッド９０は、両者の中心軸が径方向中心（ＲＣ）の両側に等間隔となるように配置されている。特に、スライダロッド５０及びガイドロッド９０を含む平面が、フライホイール８０の回転軸８１を含むように、スライダロッド５０及びガイドロッド９０が配置され、スライダロッド５０及びガイドロッド９０を含む平面（図１の紙面）に直交する平面上を第１及び第２のコネクティングロッド６２及び７２が揺動するように配置されている。
【００２９】
而して、パワーピストン４０の軸方向移動に伴い、ガイドロッド９０も軸方向移動するが、ディスプレーサピストン２０に摺動自在に支持された状態で移動するので、ディスプレーサピストン２０の軸方向移動に影響を与えることはなく、パワーピストン４０とディスプレーサピストン２０は独立して軸方向移動する。特に、機構部品の配置等に起因し、パワーピストン４０の軸方向移動に伴い、ディスプレーサピストン２０に対しその中心軸を中心とした回転力が付与される場合においても、ガイドロッド９０によってディスプレーサピストン２０の独立した軸方向移動を確保することができる。もっとも、パワーピストン４０とディスプレーサピストン２０の独立した軸方向移動を確保し得る構成であれば、ガイドロッド９０を省略することとしてもよい。
【００３０】
上記の構成になるスターリングエンジンは、例えば図５に示す排熱筒ＥＸに装着される。この場合には、図１の上下が逆となるように配置される。即ち、ハウジング１が熱源の排熱筒ＥＸに固着され、この中にシリンダヘッド１１の集熱フィン１１ｆ部分が収容された状態でスターリングエンジンが支持される。そして、フライホイール８０に連結されるモータジェネレータ２は、例えば周知の永久磁石同期電動機によって構成され、電動モータ及び発電機として機能するものであり、その構造についての説明は省略するが、発電制御については後述する。
【００３１】
本実施形態は上記のように構成されており、単一のシリンダ１０内にディスプレーサピストン２０及びパワーピストン４０が収容された所謂ベータ型のスターリングエンジンにおいて、第１のスライダクランク機構６０によって、大きな圧力が付与されるパワーピストン４０は、その径方向中心ＲＣで支持されるので、安定した姿勢で軸方向に往復移動することができる。これに対し、ディスプレーサピストン２０には然程大きな圧力が付与されることはなく、ディスプレーサピストン２０は必ずしも径方向中心で支持する必要はないので、第２のスライダクランク機構７０によって、パワーピストン４０の往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に、パワーピストン４０に支持することによって、円滑な作動を確保することができる。このように、第１及び第２のコネクティングロッド６２及び７２を有する簡単な構成で、ディスプレーサピストン２０及びパワーピストン４０の円滑な作動を確保することができ、小型、軽量化が可能となり、製造コストを低く抑えることができ、信頼性、耐久性も向上する。従って、５００℃前後の産業排熱を熱源とした場合でも、効率的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができるので、排熱回収器として実用に供することができる。例えば、５００℃前後の中温の排熱で、作動流体が１Ｍｐａ以下の圧力でも、一定の間隙の環状流路（図３のＣＰ）を確実に維持しつつ、ディスプレーサピストン２０の円滑な往復移動を行うことができる。
【００３２】
図５は、図１及び図２に示すスターリングエンジン及びモータジェネレータを備えたスターリングエンジン発電機ＳＥの装着状態、及びこれを発電制御に供する制御回路の一例を示すもので、シリンダヘッド１１が排熱筒ＥＸ内に延出するように装着され、排熱筒ＥＸ内を通過する高温の排出ガスにシリンダヘッド１１が曝され、加熱される。モータジェネレータ２は主回路２０１により、これを断続するリレーＲＣ１を介して直流電源２０２に接続され、この主回路２０１に対し三つの回路が並列接続されている。
【００３３】
先ず、第１の回路は回転数代用回路で、相対的に小さい抵抗２０３と相対的に大きい抵抗２０４が直列接続され、相対的に大きい抵抗２０４の両端電圧Ｖｓが０乃至１０Ｖの範囲で変化するように設定される。この電圧Ｖｓはエンジン回転に比例するので、回転数を表す値として用いられる。次に、第２の回路はダミー抵抗回路で、発電容量を吸収可能な容量のダミー抵抗２０５と、これに至る回路を断続するリレーＲＣ２によって構成される。そして、第３の回路がバッテリ充電回路で、これを断続するリレーＲＣ３とバッテリ２０７との間に充電コントローラ２０６が介装されている。この充電コントローラ２０６により発電側の０乃至３０Ｖの電圧が約１４Ｖに調圧され、１２Ｖのバッテリ２０７に供給されて充電される。また、この充電コントローラ２０６を介して、外部に取り付けられた冷却ファン２０８への電力の供給も行なわれる。
【００３４】
図５では、バッテリ２０７の電力利用の一例として、ＤＣ−ＡＣコンバータ２０９によりＤＣ１２ＶからＡＣ１００Ｖに変換され、照明等の外部機器２１０に利用される。この電力利用側の外部機器２１０とスターリングエンジン発電機ＳＥが発生する電力をほぼ等しくして、ダミー抵抗２０５による消費電力を少なくすることが望ましい。バッテリ２０７が満充電近傍にある場合等、発電機側の負荷が軽くなり、エンジン回転数が過回転の状態に入り、電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈ以上となった場合には、バッテリ２０７に対する充電回路が遮断されて、発電側がダミー抵抗２０５に接続され、エンジン回転が正常に戻されると共に、ダミー抵抗２０５によって発電分の一部が吸収される。これに対し、バッテリ２０７の電力が消費されて空放電に近い状態から充電が開始されると、当初は充電電流が大きいため負荷が増大し、エンジン回転数が低下する傾向となる。この結果、電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌ以下となった場合には、発電機側のダミー抵抗２０５の回路が遮断され、エンジン回転数の回復が促され、充電コントローラ２０６を介して発電機側の電圧が１４Ｖ乃至３０Ｖとなるように制御され、バッテリ２０７への充電が適切に行なわれる。
【００３５】
而して、ダミー抵抗２０５の回路の断続により、外部熱源の温度条件の変化あるいは負荷状態の変化に影響されることなく、安定した状態で、スターリングエンジン発電機ＳＥによってバッテリ２０７を充電することができる。尚、熱源温度が充分高いにも拘らず発生電圧Ｖｓがゼロ（０）の場合には、スターリングエンジンが停止状態にあることを示しているので、速やかにモータ起動し、スターリングエンジンを常に稼動状態に維持し得るように制御するとよい。
【符号の説明】
【００３６】
１ ハウジング
２ モータジェネレータ
１０ シリンダ
１１ シリンダヘッド
１２ シリンダ本体
１３ 支持筒体
２０ ディスプレーサピストン
３０ 再生器
４０ パワーピストン
５０ スライダロッド
６０ 第１のスライダクランク機構
６２ 第１のコネクティングロッド
７０ 第２のスライダクランク機構
７２ 第２のコネクティングロッド
８０ フライホイール
９０ ガイドロッド
ＨＳ 高温空間
ＬＳ 低温空間
Ｂ１〜Ｂ４ 軸受
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内にディスプレーサピストンを収容して高温空間と低温空間を形成し、両空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつ前記ディスプレーサピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動すると共に、前記ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、前記シリンダを固定するハウジングに対し回転可能に支持するフライホイールと、該フライホイールの回転軸に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心を有する第１のクランク、及び該第１のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に前記パワーピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持する第１のコネクティングロッドを有し、前記パワーピストンをスライダとする第１のスライダクランク機構と、前記ディスプレーサピストンに一端部を固定し他端部が前記パワーピストンを貫通して延出するように配置し、前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に前記パワーピストンに支持して成るスライダロッドと、前記フライホイールの回転軸に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心を有する第２のクランク、及び該第２のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に他端部を前記スライダロッドの他端部に揺動可能に支持する第２のコネクティングロッドを有し、前記スライダロッドをスライダとする第２のスライダクランク機構とを備えことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上に配置し、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの一方側に一端部を固定すると共に、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの他方側に他端部を摺動自在に支持するガイドロッドを備えた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。
【請求項３】
前記ガイドロッドの固定位置を、前記スライダロッドが前記パワーピストンを貫通した位置から前記パワーピストンの径方向中心までの径方向距離と等しい距離離隔した軸上に設定することを特徴とする請求項２記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面が、前記フライホイールの回転軸を含むように、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを配置し、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面に直交する平面上を前記第１及び第２のコネクティングロッドが揺動するように配置す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。
【請求項１】
シリンダ内にディスプレーサピストンを収容して高温空間と低温空間を形成し、両空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつ前記ディスプレーサピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動すると共に、前記ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、前記シリンダを固定するハウジングに対し回転可能に支持するフライホイールと、該フライホイールの回転軸に対し第１のオフセット位置に第１の回転中心を有する第１のクランク、及び該第１のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に前記パワーピストンの径方向中心に他端部を揺動可能に支持する第１のコネクティングロッドを有し、前記パワーピストンをスライダとする第１のスライダクランク機構と、前記ディスプレーサピストンに一端部を固定し他端部が前記パワーピストンを貫通して延出するように配置し、前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上を摺動可能に前記パワーピストンに支持して成るスライダロッドと、前記フライホイールの回転軸に対し第２のオフセット位置に第２の回転中心を有する第２のクランク、及び該第２のクランクに一端部を回転可能に支持すると共に他端部を前記スライダロッドの他端部に揺動可能に支持する第２のコネクティングロッドを有し、前記スライダロッドをスライダとする第２のスライダクランク機構とを備えことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記パワーピストンの往復移動軸に平行な軸上に配置し、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの一方側に一端部を固定すると共に、前記パワーピストンと前記ディスプレーサピストンの他方側に他端部を摺動自在に支持するガイドロッドを備えた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。
【請求項３】
前記ガイドロッドの固定位置を、前記スライダロッドが前記パワーピストンを貫通した位置から前記パワーピストンの径方向中心までの径方向距離と等しい距離離隔した軸上に設定することを特徴とする請求項２記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面が、前記フライホイールの回転軸を含むように、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを配置し、前記スライダロッド及び前記ガイドロッドを含む平面に直交する平面上を前記第１及び第２のコネクティングロッドが揺動するように配置す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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２５５５４９（Ｐ２０１０−２５５５４９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０７４７３（Ｐ２００９−１０７４７３）
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（３９００１０２２７）株式会社三五 (148)
【出願人】（３０１０１０８９２）百瀬機械設計株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２７日（２００９．４．２７）
【出願人】（３９００１０２２７）株式会社三五 (148)
【出願人】（３０１０１０８９２）百瀬機械設計株式会社 (16)
【Ｆターム（参考）】
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