スターリングエンジン
【課題】排熱を熱源として熱エネルギーを確実に電気エネルギー等に変換し得るスターリングエンジンを提供する。
【解決手段】シリンダ１０内にディスプレーサピストン２０を収容し、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳ内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が往復移動する。その移動軌跡の全長に亘り、シリンダの内壁面とディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙ＣＣを維持するように、ディスプレーサピストンをパワーピストンに軸方向移動可能に支持する。筒体の再生器を環状間隙内に配置し、ディスプレーサピストンの往復移動中、作動流体に対し一定の間隙（ｄ２）の環状流路ＣＰを維持するように、再生器をシリンダ及びディスプレーサピストンの一方に支持する。
【解決手段】シリンダ１０内にディスプレーサピストン２０を収容し、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳ内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が往復移動する。その移動軌跡の全長に亘り、シリンダの内壁面とディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙ＣＣを維持するように、ディスプレーサピストンをパワーピストンに軸方向移動可能に支持する。筒体の再生器を環状間隙内に配置し、ディスプレーサピストンの往復移動中、作動流体に対し一定の間隙（ｄ２）の環状流路ＣＰを維持するように、再生器をシリンダ及びディスプレーサピストンの一方に支持する。
【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。更に、ディスプレーサピストンの移動に伴いシリンダ内の作動流体が低温空間と高温空間との間を移動する際の熱効率を向上させるべく、ディスプレーサピストンはシリンダの内壁面に密着して摺動するように配置されると共に、シリンダの内壁面の外側に流路が形成され、この流路に再生器が配設された構成が一般的となっている。この再生器は、金属網等で形成された蓄熱式の熱交換器であり、ディスプレーサ自体が再生器の材料の金属網によってピストン形状に形成されたスターリングエンジンの模型も知られているが、実用に供し得るものではない。
【０００４】
そして、ディスプレーサピストンとパワー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、後者の一例が下記の特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１においては、「ディスプレーサピストンとパワーピストンが機械的に連結されていないフリーピストンスターリングエンジンでは、両ピストンの位相差を一定に保つことは困難」という課題に対し、「パワーピストンとスリーブ間およびパワーピストンとロッド間の摺動に伴う機械損失を軽減し、フレクシャースプリングという複雑で精度の高い高価なスプリングを使用しないで、低コストでディスプレーサピストン及びパワーピストンのセンターリング精度を高く維持でき、かつどのような運転条件下でもディスプレーサピストンとパワーピストンの軸方向動きの位相差を最適に保ち、エンジンの効率及び出力を高く維持する」ことを目的とし、「少なくとも前記ロッドと前記パワーピストンの摺動部の一方及び又は該パワーピストンとスリーブの摺動部の一方を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し、かつ前記ロッドに一体に結合されたロッド可動部材と前記パワーピストンに一体に結合された可動部材および軸方向中間に位置しケースに固定された中間固定部材のそれぞれの間に、複数個のコイルスプリングを円周上に配置」することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−０６１３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１においてはディスプレーサピストン回りについて明確に記載されていないが、図面を見る限りシリンダの内壁面とディスプレーサピストンとの間にスリーブが介装され、その外側に作動流体の流路が形成され、この流路に再生器等が介装されている。つまり、ディスプレーサピストン側の構造は従来構造が踏襲されている。このため、「摺動部を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」することとすれば、パワーピストンのみならずディスプレーサピストンを安定した状態で保持することができるものの、作動流体に対する流路抵抗が大となるだけでなく、スリーブ外側に流路を形成する複雑な構造自体が、熱効率の低下、筐体の大型化、重量増、ひいては製造コストの上昇を惹起することとなる。
【０００８】
以上のように、従来のスターリングエンジンは、機械リンク型であるかフリーピストン型であるかを問わず、特にディスプレーサピストン回りの流動損失や摩擦損失が大きいため、結果的に作動温度が６００℃以上、且つ、内部の作動流体が３．０Ｍｐａ程度の高圧であることが要求され、産業排熱として一般的な５００℃前後の中温では作動させることが非常に困難であった。もちろん、高温、高圧に耐えるべく筐体も必然的に大型、堅牢とせざるを得ず、排熱回収器として実用に供することは現実的ではなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、高温空間と低温空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストンがシリンダ内を往復移動するスターリングエンジンに関し、排熱を熱源として熱エネルギーを確実に電気エネルギー等に変換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】
【００１０】
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、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記シリンダの内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記再生器を筒体に形成して前記環状間隙内に配置し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記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、前記再生器を前記シリンダ及び前記ディスプレーサピストンの一方に支持することとしたものである。
【００１１】
上記のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の外壁面と前記シリンダの内壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持することとするとよい。
【００１２】
あるいは、前記シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持することとしてもよい。更に、前記シリンダがシリンダヘッドと筒体のシリンダ本体を接合して成り、該シリンダ本体と前記シリンダヘッドとの接合部を含む前記シリンダの内壁面に前記環状凹部を形成し、前記再生器が前記接合部を被覆するように前記環状凹部に嵌着したものとしてもよい。
【００１３】
そして、上記のスターリングエンジンにおいて、前記再生器は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成することができ、前記再生器は、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して前記積層筒体を形成することとしてもよい。
【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によれば、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダの内壁面とディスプレーサピストン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がパワーピストンに軸方向移動可能に支持され、筒体の再生器が環状間隙内に配置され、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動中、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、再生器がシリンダ及びディスプレーサピストンの一方に支持されているので、簡単な構成で、作動流体に対する流路抵抗を抑えつつ、ディスプレーサピストンの円滑な作動を確保することができる。従って、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等に変換することができる。特に、ディスプレーサピストンを軸方向移動可能に支持するパワーピストンの支持部をＤＬＣコーティング等によって表面硬化処理することとすれば、ディスプレーサピストンを安定した状態で保持することができ、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を一層確実に維持することができる。
【００１５】
上記スターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、この環状凹部に再生器を嵌着することとし、あるいは、シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、この環状凹部に再生器を嵌着することとしても、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構成することができる。
【００１６】
そして、上記のスターリングエンジンにおいて、複数の金属網層を有する積層筒体で再生器を構成することができ、特に、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して積層筒体を形成することとすれば簡単且つ安価に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成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基本構成の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に供する再生器を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。
【図７】本発明の更に他の実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成を示す縦断面図である。
【図８】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制御回路の一例を示す回路図である。
【図９】図８の制御回路による作動を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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に本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成を示し、図２及び図３にその一部を拡大し、あるいは抜き出して示している。図４は他の実施形態に係るスターリングエンジンの特徴部分の構成を示し、その具体的な構造を図５及び図６に示している。何れの実施形態も機械リンク型（キネマチック型）で発電機一体式のスターリングエンジンであり、例えば、図８に示すスターリングエンジン発電機ＳＥに供される。
【００１９】
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。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。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ＣＣ（クリアランスｄ１）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に軸方向移動可能に支持されている。
【００２０】
そして、金属網によって筒状に形成された再生器３０が環状間隙ＣＣ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ＣＰを維持するように、再生器３０がディスプレーサピストン２０に支持されている。上記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。
【００２１】
シリンダ本体１２の中間部の外壁面には環状溝１２ｇが形成されると共に、環状凹部１２ｒが形成されている。そして、環状溝１２ｇにＣ字状のリング部材１５が嵌合されると共に、環状凹部１２ｒを覆うように支持筒体１３が配置され、環状凹部１２ｒの軸方向両端部に配設されるシールリング（代表して１４で表す）を介して液密的に固定されている。支持筒体１３の中間部にはフランジ部１３ｆが一体的に形成されており、フランジ部１３ｆがハウジング１に螺着されると、ハウジング１の開口段部１ｓにシールリング１４を介して支持筒体１３が液密的に固定されるように構成されている。この場合において、リング部材１５はハウジング１の開口段部１ｓに当接し、ハウジング１と支持筒体１３との間に挟持された状態で保持されるので、シリンダ本体１２ひいてはシリンダ１０のハウジング１に対する軸方向の位置を所定の位置に設定する（位置決めを行う）ことができる。
【００２２】
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、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳとの間に再生器３０が位置するように、再生器３０を装着したディスプレーサピストン２０がシリンダ１０内に収容されている。而して、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。
【００２３】
図１に示す実施形態においては、図２に拡大して示すように、ディスプレーサピストン２０の外壁面に環状凹部２０ｒが形成され、この環状凹部２０ｒ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の外壁面とシリンダ１０の内壁面との間が周方向に一定の間隙（クリアランスｄ２。当然乍ら、ｄ２＜ｄ１）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（ｄ２）の環状流路ＣＰを維持するように構成されている。
【００２４】
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、例えば図３に再生器３０を抜き出して示したように、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、ディスプレーサピストン２０の外壁面に直接金属網を複数回巻回して端部をスポット溶接等で固着することとしてもよい。更に、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。
【００２５】
前述のように、ディスプレーサピストン２０はパワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されている。即ち、ディスプレーサピストン２０にはロッド５０が固着されており、このロッド５０がパワーピストン４０を貫通してシリンダ１０外に延出し、パワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されている。このロッド５０及び／又はパワーピストン４０の支持部に対し前述のＤＬＣコーティング等の表面硬化処理を行うこととすれば、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。
【００２６】
また、パワーピストン４０にはロッド６０の一端が揺動自在に支持されており、その他端に回転可能に支持されたプレート７１に対し、ロッド５０の先端部に揺動自在に支持されたリンク７２が、揺動自在に連結されており、これらによってクランク機構７０が構成され、フライホイール８０を介してモータジェネレータ２に連結されている。尚、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、その発電制御については図８及び図９を参照して後述する。
【００２７】
以上のように、本実施形態のシリンダ１０内には、従来のスターリングエンジンのようなスリーブもその外側の環状通路も設けられていない。また、ディスプレーサピストン２０にも従来のようなピストンリングやシールも存在しない。しかも、シリンダ１０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面は、常に一定の間隙（クリアランスｄ１）を維持するように設定されている。具体的には、ＤＬＣコーティング等によってロッド５０が最小のクリアランスでパワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されているので、環状間隙ＣＣは常に一定に維持される。そして、従来のスリーブ外側の独立通路に代わって、環状流路ＣＰが、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳ間の作動流体の移動を積極的に導通する流路として機能する。このように軸方向に直線的な環状間隙ＣＣ内に再生器３０の外周側略半分だけが露出し、環状流路ＣＰが確保されており、従来の冷却部は存在しないので、通気抵抗を最小にすることができる。尚、環状間隙ＣＣ及び環状流路ＣＰを適宜設定することによって、最小限の流体抵抗に調整することができる。
【００２８】
次に、本発明の他の実施形態について図４乃至図６を参照して説明する。図１に示す実施形態においては、図２に拡大して示すように、再生器３０がディスプレーサピストン２０に支持されているのに対し、図４乃至図６に示す他の実施形態においては、再生器３０はシリンダ１０に支持されている。即ち、図４に要部を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ｄ２）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（ｄ２）の環状流路ＣＰを維持するように構成されている。
【００２９】
特に、シリンダ本体１２とシリンダヘッド１１との接合部１０ｃを含むシリンダ１０の内壁面に、環状凹部１０ｒが形成されており、再生器３０は接合部１０ｃを被覆するように環状凹部１０ｒに嵌着されている。従って、接合部１０ｃはディスプレーサピストン２０の移動軌跡に露出することはなく、当然乍ら、ディスプレーサピストン２０が接合部１０ｃに直接摺接することはない。図５及び図６は、図４（及び図１）に示す実施形態の具体的構成例であり、図１乃至図３に示す部材と実質的に同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。これらの図において２点鎖線で示すように、ハウジング１に対し、例えば４本の剛性部材の支持柱体ＲＳによって剛柱部材の円盤ＲＰが固定され、この円盤ＲＰが熱源の配管等（図示せず）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ハウジング１が支持される。例えば、後述する図１１の排熱筒ＥＸに装着される場合には、図５及び図６の右側が下方で左側が上方となるように配置される。尚、図５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６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。
【００３０】
本実施形態は上記のように構成されているので、簡単な構成で、作動流体に対する流路抵抗を抑えつつ、ディスプレーサピストンの円滑な作動を確保することができる。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、ディスプレーサピストン２０を軸方向移動可能に支持するパワーピストン４０の支持部に対し、ＤＬＣコーティング等の表面硬化処理することとすれば、ディスプレーサピストン２０を安定した状態で保持することができ、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。しかも、従来装置におけるピストンリング、スリーブ、独立通路等を必要としないため、従来装置に比し高効率化が可能となることは勿論、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。
【００３１】
図７は本願発明の更に他の実施形態を示すもので、所謂フリーピストン型のスターリングエンジンを構成したものである。本実施形態におけるシリンダ１０内の構成は図４乃至図６の実施形態と実質的に同じであり、実質的に同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態のハウジング１は二つのケース１ａ及び１ｂが接合されて成り、両ケースの接合部に支持プレート１ｃが固定されている。ケース１ａには支持部材１７が固着されており、支持部材１７は、シリンダ１０の内壁面に連続してシリンダ内壁面を形成するシリンダ部を有し、このシリンダ部にパワーピストン４０が摺動自在に収容される。支持部材１７のシリンダ部周りには、コイル１０１及びヨーク１０２が固着されており、これらと対向するように、ケース１ａの内壁面にヨーク１０３が固着されている。これらのヨーク１０２及び１０３間に環状の永久磁石１０４が介装されてリニアモータジェネレータ１００が構成され、パワーピストン４０の往復動に追従した永久磁石１０４の軸方向移動に応じて発電し、コイル１０１から電力が出力される。
【００３２】
パワーピストン４０の先端にはプレート４１が固着され、このプレート４１の外周部に上記の永久磁石１０４が装着されているので、パワーピストン４０の軸方向往復動に応じてリニアモータジェネレータ１００が発電することになる。一方、ディスプレーサピストン２０に固定されているロッド５０は、パワーピストン４０を貫通し支持プレート１ｃを越えて延出し、その先端部にプレート５１が固着されており、プレート５１とプレート４１が支持プレート１ｃを介して平行に配置されている。そして、図７に示すように、プレート４１及び５１の両側にはコイルスプリング（代表してＳＰで示す）が配設され、夫々、ハウジング１に対してフローティング状態で支持（浮動支持）されている。而して、本実施形態ではコイル１０１、ヨーク１０２、１０３、及び永久磁石１０４によってリニアモータジェネレータ１００が構成され、スターリングエンジンの始動時は電動モータのスタータとして作動すると共に、自立運転時には発電機及び負荷調整機として機能する。
【００３３】
以上のように、本願発明はフリーピストン型への適用も可能であるが、その場合の仕事の取り出し方としては、リニアモータジェネレータ（リニアモータ及び発電機）の組込み一体化が望ましい。また、パワーピストン４０とディスプレーサピストン２０との間の相対位相差を制御するには、図７に示すように複数のコイルスプリングＳＰを配置することに代えて、従前のようにフレクシャースプリングを用いることとしてもよい。更に、両ピストン間の相対位相差制御に上記のリニアモータジェネレータを用いてもよいし、相対位相差制御手段を付加することとしてもよい。尚、作用させる熱源としては高温に限らず、例えばマイナス１６２℃程度のＬＮＧガス等の低温媒体を用いることも可能である。
【００３４】
次に、図８は、図１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の発電制御に供する制御回路の一例を示すもので、スターリングエンジンに対し加熱側を構成するシリンダヘッド１１が排熱筒ＥＸ内に延出するように装着されており、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。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。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。
【００３５】
図８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。
【００３６】
図９は、図８の制御回路による作動を説明するフローチャートで、ステップＳ１にて起動されると、リレーＲＣ１及びＲＣ３はオフ（遮断状態）でリレーＲＣ２がオン（導通状態）とされる。シリンダヘッド１１が加熱されて、ステップＳ２にて熱源温度（排熱筒ＥＸ内の温度）Ｔｇが基準値Ｔｋ（例えば５００℃）を越えたと判断されると、ステップＳ３に進みリレーＲＣ１がオンとされ、モータジェネレータ２が電動モータとして機能しスターリングエンジンが起動される。その約２秒後に、ステップＳ４において前述の回転数代用電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌを越えたと判定されて、スターリングエンジン発電機ＳＥとしての自立が確認されると、ステップＳ５に進みリレーＲＣ３がオンとされ、モータジェネレータ２によって発電された電力はバッテリ２０７に充電される。
【００３７】
スターリングエンジン発電機ＳＥは作動流体が常に一定であるため、加熱側の温度（排熱筒ＥＸ内の温度）が変動しても出力される電圧は０乃至３０Ｖの範囲で変動するだけであるが、バッテリ２０７の充電状態に応じて（発電）負荷側に変動が生ずると、スターリングエンジンに対しては略一定で入力されるためエンジン回転が大きく変動する。例えば、バッテリ２０７が満充電に近くなり、発電機側（モータジェネレータ２側）の負荷が低くなると、相対的に電圧Ｖｓが高くなる。この結果、ステップＳ６にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈ以上となったと判定されると、エンジン過回転に至る前にステップＳ７に進み、リレーＲＣ３がオフとされて（このときリレーＲＣ２はステップＳ１のオン位置）、発電された電力はダミー抵抗２０５で消費される。これにより、ステップＳ６にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈ未満となったと判定されると、ステップＳ８にてリレーＲＣ３がオンに戻されて、ステップＳ９に進む。尚、ステップＳ６にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈを下回っていると判定された場合には、リレーＲＣ３はオン状態に維持されてそのままステップＳ９に進む。
【００３８】
一方、バッテリ２０７が完全放電状態にある場合は発電機側の負荷が増大するので、電圧Ｖｓが低くなる。この結果、ステップＳ９にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌ以下となったと判定されると、ステップＳ１０に進みリレーＲＣ２がオフとされ、ダミー抵抗２０５の回路が遮断される。これにより、エンジン回転数が回復し、ステップＳ９にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌを越えたと判定されると、ステップＳ１１にてリレーＲＣ２がオンに戻されて、モータジェネレータ２の全出力がバッテリ２０７の充電に供されることになる。而して、ステップＳ１２にて終了判定が行われ、終了でなければステップＳ６に戻り、終了と判定されるまでステップＳ６乃至Ｓ１１の処理が繰り返される。
【００３９】
以上のように、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。
【００４０】
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】
【００４１】
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
１５ リング部材
２０ ディスプレーサピストン
３０ 再生器
４０ パワーピストン
５０，６０ ロッド
７０ クランク機構
８０ フライホイール
１００ リニアモータジェネレータ
１０１ コイル
１０４ 永久磁石
ＨＳ 高温空間
ＬＳ 低温空間
ＣＣ 環状間隙
ＣＰ 環状流路
ＣＬ 環状空間
【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。更に、ディスプレーサピストンの移動に伴いシリンダ内の作動流体が低温空間と高温空間との間を移動する際の熱効率を向上させるべく、ディスプレーサピストンはシリンダの内壁面に密着して摺動するように配置されると共に、シリンダの内壁面の外側に流路が形成され、この流路に再生器が配設された構成が一般的となっている。この再生器は、金属網等で形成された蓄熱式の熱交換器であり、ディスプレーサ自体が再生器の材料の金属網によってピストン形状に形成されたスターリングエンジンの模型も知られているが、実用に供し得るものではない。
【０００４】
そして、ディスプレーサピストンとパワー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、後者の一例が下記の特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１においては、「ディスプレーサピストンとパワーピストンが機械的に連結されていないフリーピストンスターリングエンジンでは、両ピストンの位相差を一定に保つことは困難」という課題に対し、「パワーピストンとスリーブ間およびパワーピストンとロッド間の摺動に伴う機械損失を軽減し、フレクシャースプリングという複雑で精度の高い高価なスプリングを使用しないで、低コストでディスプレーサピストン及びパワーピストンのセンターリング精度を高く維持でき、かつどのような運転条件下でもディスプレーサピストンとパワーピストンの軸方向動きの位相差を最適に保ち、エンジンの効率及び出力を高く維持する」ことを目的とし、「少なくとも前記ロッドと前記パワーピストンの摺動部の一方及び又は該パワーピストンとスリーブの摺動部の一方を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し、かつ前記ロッドに一体に結合されたロッド可動部材と前記パワーピストンに一体に結合された可動部材および軸方向中間に位置しケースに固定された中間固定部材のそれぞれの間に、複数個のコイルスプリングを円周上に配置」することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−０６１３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１においてはディスプレーサピストン回りについて明確に記載されていないが、図面を見る限りシリンダの内壁面とディスプレーサピストンとの間にスリーブが介装され、その外側に作動流体の流路が形成され、この流路に再生器等が介装されている。つまり、ディスプレーサピストン側の構造は従来構造が踏襲されている。このため、「摺動部を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」することとすれば、パワーピストンのみならずディスプレーサピストンを安定した状態で保持することができるものの、作動流体に対する流路抵抗が大となるだけでなく、スリーブ外側に流路を形成する複雑な構造自体が、熱効率の低下、筐体の大型化、重量増、ひいては製造コストの上昇を惹起することとなる。
【０００８】
以上のように、従来のスターリングエンジンは、機械リンク型であるかフリーピストン型であるかを問わず、特にディスプレーサピストン回りの流動損失や摩擦損失が大きいため、結果的に作動温度が６００℃以上、且つ、内部の作動流体が３．０Ｍｐａ程度の高圧であることが要求され、産業排熱として一般的な５００℃前後の中温では作動させることが非常に困難であった。もちろん、高温、高圧に耐えるべく筐体も必然的に大型、堅牢とせざるを得ず、排熱回収器として実用に供することは現実的ではなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、高温空間と低温空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストンがシリンダ内を往復移動するスターリングエンジンに関し、排熱を熱源として熱エネルギーを確実に電気エネルギー等に変換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】
【００１０】
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、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記シリンダの内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記再生器を筒体に形成して前記環状間隙内に配置し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記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、前記再生器を前記シリンダ及び前記ディスプレーサピストンの一方に支持することとしたものである。
【００１１】
上記のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の外壁面と前記シリンダの内壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持することとするとよい。
【００１２】
あるいは、前記シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持することとしてもよい。更に、前記シリンダがシリンダヘッドと筒体のシリンダ本体を接合して成り、該シリンダ本体と前記シリンダヘッドとの接合部を含む前記シリンダの内壁面に前記環状凹部を形成し、前記再生器が前記接合部を被覆するように前記環状凹部に嵌着したものとしてもよい。
【００１３】
そして、上記のスターリングエンジンにおいて、前記再生器は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成することができ、前記再生器は、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して前記積層筒体を形成することとしてもよい。
【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によれば、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダの内壁面とディスプレーサピストン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がパワーピストンに軸方向移動可能に支持され、筒体の再生器が環状間隙内に配置され、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動中、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、再生器がシリンダ及びディスプレーサピストンの一方に支持されているので、簡単な構成で、作動流体に対する流路抵抗を抑えつつ、ディスプレーサピストンの円滑な作動を確保することができる。従って、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等に変換することができる。特に、ディスプレーサピストンを軸方向移動可能に支持するパワーピストンの支持部をＤＬＣコーティング等によって表面硬化処理することとすれば、ディスプレーサピストンを安定した状態で保持することができ、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を一層確実に維持することができる。
【００１５】
上記スターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、この環状凹部に再生器を嵌着することとし、あるいは、シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、この環状凹部に再生器を嵌着することとしても、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構成することができる。
【００１６】
そして、上記のスターリングエンジンにおいて、複数の金属網層を有する積層筒体で再生器を構成することができ、特に、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して積層筒体を形成することとすれば簡単且つ安価に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成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基本構成の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に供する再生器を示す斜視図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。
【図７】本発明の更に他の実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成を示す縦断面図である。
【図８】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制御回路の一例を示す回路図である。
【図９】図８の制御回路による作動を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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に本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成を示し、図２及び図３にその一部を拡大し、あるいは抜き出して示している。図４は他の実施形態に係るスターリングエンジンの特徴部分の構成を示し、その具体的な構造を図５及び図６に示している。何れの実施形態も機械リンク型（キネマチック型）で発電機一体式のスターリングエンジンであり、例えば、図８に示すスターリングエンジン発電機ＳＥに供される。
【００１９】
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。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。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ＣＣ（クリアランスｄ１）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に軸方向移動可能に支持されている。
【００２０】
そして、金属網によって筒状に形成された再生器３０が環状間隙ＣＣ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ＣＰを維持するように、再生器３０がディスプレーサピストン２０に支持されている。上記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。
【００２１】
シリンダ本体１２の中間部の外壁面には環状溝１２ｇが形成されると共に、環状凹部１２ｒが形成されている。そして、環状溝１２ｇにＣ字状のリング部材１５が嵌合されると共に、環状凹部１２ｒを覆うように支持筒体１３が配置され、環状凹部１２ｒの軸方向両端部に配設されるシールリング（代表して１４で表す）を介して液密的に固定されている。支持筒体１３の中間部にはフランジ部１３ｆが一体的に形成されており、フランジ部１３ｆがハウジング１に螺着されると、ハウジング１の開口段部１ｓにシールリング１４を介して支持筒体１３が液密的に固定されるように構成されている。この場合において、リング部材１５はハウジング１の開口段部１ｓに当接し、ハウジング１と支持筒体１３との間に挟持された状態で保持されるので、シリンダ本体１２ひいてはシリンダ１０のハウジング１に対する軸方向の位置を所定の位置に設定する（位置決めを行う）ことができる。
【００２２】
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、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳとの間に再生器３０が位置するように、再生器３０を装着したディスプレーサピストン２０がシリンダ１０内に収容されている。而して、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。
【００２３】
図１に示す実施形態においては、図２に拡大して示すように、ディスプレーサピストン２０の外壁面に環状凹部２０ｒが形成され、この環状凹部２０ｒ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の外壁面とシリンダ１０の内壁面との間が周方向に一定の間隙（クリアランスｄ２。当然乍ら、ｄ２＜ｄ１）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（ｄ２）の環状流路ＣＰを維持するように構成されている。
【００２４】
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、例えば図３に再生器３０を抜き出して示したように、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、ディスプレーサピストン２０の外壁面に直接金属網を複数回巻回して端部をスポット溶接等で固着することとしてもよい。更に、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。
【００２５】
前述のように、ディスプレーサピストン２０はパワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されている。即ち、ディスプレーサピストン２０にはロッド５０が固着されており、このロッド５０がパワーピストン４０を貫通してシリンダ１０外に延出し、パワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されている。このロッド５０及び／又はパワーピストン４０の支持部に対し前述のＤＬＣコーティング等の表面硬化処理を行うこととすれば、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。
【００２６】
また、パワーピストン４０にはロッド６０の一端が揺動自在に支持されており、その他端に回転可能に支持されたプレート７１に対し、ロッド５０の先端部に揺動自在に支持されたリンク７２が、揺動自在に連結されており、これらによってクランク機構７０が構成され、フライホイール８０を介してモータジェネレータ２に連結されている。尚、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、その発電制御については図８及び図９を参照して後述する。
【００２７】
以上のように、本実施形態のシリンダ１０内には、従来のスターリングエンジンのようなスリーブもその外側の環状通路も設けられていない。また、ディスプレーサピストン２０にも従来のようなピストンリングやシールも存在しない。しかも、シリンダ１０の内壁面とディスプレーサピストン２０の外壁面は、常に一定の間隙（クリアランスｄ１）を維持するように設定されている。具体的には、ＤＬＣコーティング等によってロッド５０が最小のクリアランスでパワーピストン４０に軸方向移動可能に支持されているので、環状間隙ＣＣは常に一定に維持される。そして、従来のスリーブ外側の独立通路に代わって、環状流路ＣＰが、高温空間ＨＳと低温空間ＬＳ間の作動流体の移動を積極的に導通する流路として機能する。このように軸方向に直線的な環状間隙ＣＣ内に再生器３０の外周側略半分だけが露出し、環状流路ＣＰが確保されており、従来の冷却部は存在しないので、通気抵抗を最小にすることができる。尚、環状間隙ＣＣ及び環状流路ＣＰを適宜設定することによって、最小限の流体抵抗に調整することができる。
【００２８】
次に、本発明の他の実施形態について図４乃至図６を参照して説明する。図１に示す実施形態においては、図２に拡大して示すように、再生器３０がディスプレーサピストン２０に支持されているのに対し、図４乃至図６に示す他の実施形態においては、再生器３０はシリンダ１０に支持されている。即ち、図４に要部を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ｄ２）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（ｄ２）の環状流路ＣＰを維持するように構成されている。
【００２９】
特に、シリンダ本体１２とシリンダヘッド１１との接合部１０ｃを含むシリンダ１０の内壁面に、環状凹部１０ｒが形成されており、再生器３０は接合部１０ｃを被覆するように環状凹部１０ｒに嵌着されている。従って、接合部１０ｃはディスプレーサピストン２０の移動軌跡に露出することはなく、当然乍ら、ディスプレーサピストン２０が接合部１０ｃに直接摺接することはない。図５及び図６は、図４（及び図１）に示す実施形態の具体的構成例であり、図１乃至図３に示す部材と実質的に同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。これらの図において２点鎖線で示すように、ハウジング１に対し、例えば４本の剛性部材の支持柱体ＲＳによって剛柱部材の円盤ＲＰが固定され、この円盤ＲＰが熱源の配管等（図示せず）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ハウジング１が支持される。例えば、後述する図１１の排熱筒ＥＸに装着される場合には、図５及び図６の右側が下方で左側が上方となるように配置される。尚、図５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６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。
【００３０】
本実施形態は上記のように構成されているので、簡単な構成で、作動流体に対する流路抵抗を抑えつつ、ディスプレーサピストンの円滑な作動を確保することができる。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、ディスプレーサピストン２０を軸方向移動可能に支持するパワーピストン４０の支持部に対し、ＤＬＣコーティング等の表面硬化処理することとすれば、ディスプレーサピストン２０を安定した状態で保持することができ、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。しかも、従来装置におけるピストンリング、スリーブ、独立通路等を必要としないため、従来装置に比し高効率化が可能となることは勿論、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。
【００３１】
図７は本願発明の更に他の実施形態を示すもので、所謂フリーピストン型のスターリングエンジンを構成したものである。本実施形態におけるシリンダ１０内の構成は図４乃至図６の実施形態と実質的に同じであり、実質的に同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態のハウジング１は二つのケース１ａ及び１ｂが接合されて成り、両ケースの接合部に支持プレート１ｃが固定されている。ケース１ａには支持部材１７が固着されており、支持部材１７は、シリンダ１０の内壁面に連続してシリンダ内壁面を形成するシリンダ部を有し、このシリンダ部にパワーピストン４０が摺動自在に収容される。支持部材１７のシリンダ部周りには、コイル１０１及びヨーク１０２が固着されており、これらと対向するように、ケース１ａの内壁面にヨーク１０３が固着されている。これらのヨーク１０２及び１０３間に環状の永久磁石１０４が介装されてリニアモータジェネレータ１００が構成され、パワーピストン４０の往復動に追従した永久磁石１０４の軸方向移動に応じて発電し、コイル１０１から電力が出力される。
【００３２】
パワーピストン４０の先端にはプレート４１が固着され、このプレート４１の外周部に上記の永久磁石１０４が装着されているので、パワーピストン４０の軸方向往復動に応じてリニアモータジェネレータ１００が発電することになる。一方、ディスプレーサピストン２０に固定されているロッド５０は、パワーピストン４０を貫通し支持プレート１ｃを越えて延出し、その先端部にプレート５１が固着されており、プレート５１とプレート４１が支持プレート１ｃを介して平行に配置されている。そして、図７に示すように、プレート４１及び５１の両側にはコイルスプリング（代表してＳＰで示す）が配設され、夫々、ハウジング１に対してフローティング状態で支持（浮動支持）されている。而して、本実施形態ではコイル１０１、ヨーク１０２、１０３、及び永久磁石１０４によってリニアモータジェネレータ１００が構成され、スターリングエンジンの始動時は電動モータのスタータとして作動すると共に、自立運転時には発電機及び負荷調整機として機能する。
【００３３】
以上のように、本願発明はフリーピストン型への適用も可能であるが、その場合の仕事の取り出し方としては、リニアモータジェネレータ（リニアモータ及び発電機）の組込み一体化が望ましい。また、パワーピストン４０とディスプレーサピストン２０との間の相対位相差を制御するには、図７に示すように複数のコイルスプリングＳＰを配置することに代えて、従前のようにフレクシャースプリングを用いることとしてもよい。更に、両ピストン間の相対位相差制御に上記のリニアモータジェネレータを用いてもよいし、相対位相差制御手段を付加することとしてもよい。尚、作用させる熱源としては高温に限らず、例えばマイナス１６２℃程度のＬＮＧガス等の低温媒体を用いることも可能である。
【００３４】
次に、図８は、図１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の発電制御に供する制御回路の一例を示すもので、スターリングエンジンに対し加熱側を構成するシリンダヘッド１１が排熱筒ＥＸ内に延出するように装着されており、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。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。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。
【００３５】
図８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。
【００３６】
図９は、図８の制御回路による作動を説明するフローチャートで、ステップＳ１にて起動されると、リレーＲＣ１及びＲＣ３はオフ（遮断状態）でリレーＲＣ２がオン（導通状態）とされる。シリンダヘッド１１が加熱されて、ステップＳ２にて熱源温度（排熱筒ＥＸ内の温度）Ｔｇが基準値Ｔｋ（例えば５００℃）を越えたと判断されると、ステップＳ３に進みリレーＲＣ１がオンとされ、モータジェネレータ２が電動モータとして機能しスターリングエンジンが起動される。その約２秒後に、ステップＳ４において前述の回転数代用電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌを越えたと判定されて、スターリングエンジン発電機ＳＥとしての自立が確認されると、ステップＳ５に進みリレーＲＣ３がオンとされ、モータジェネレータ２によって発電された電力はバッテリ２０７に充電される。
【００３７】
スターリングエンジン発電機ＳＥは作動流体が常に一定であるため、加熱側の温度（排熱筒ＥＸ内の温度）が変動しても出力される電圧は０乃至３０Ｖの範囲で変動するだけであるが、バッテリ２０７の充電状態に応じて（発電）負荷側に変動が生ずると、スターリングエンジンに対しては略一定で入力されるためエンジン回転が大きく変動する。例えば、バッテリ２０７が満充電に近くなり、発電機側（モータジェネレータ２側）の負荷が低くなると、相対的に電圧Ｖｓが高くなる。この結果、ステップＳ６にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈ以上となったと判定されると、エンジン過回転に至る前にステップＳ７に進み、リレーＲＣ３がオフとされて（このときリレーＲＣ２はステップＳ１のオン位置）、発電された電力はダミー抵抗２０５で消費される。これにより、ステップＳ６にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈ未満となったと判定されると、ステップＳ８にてリレーＲＣ３がオンに戻されて、ステップＳ９に進む。尚、ステップＳ６にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｈを下回っていると判定された場合には、リレーＲＣ３はオン状態に維持されてそのままステップＳ９に進む。
【００３８】
一方、バッテリ２０７が完全放電状態にある場合は発電機側の負荷が増大するので、電圧Ｖｓが低くなる。この結果、ステップＳ９にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌ以下となったと判定されると、ステップＳ１０に進みリレーＲＣ２がオフとされ、ダミー抵抗２０５の回路が遮断される。これにより、エンジン回転数が回復し、ステップＳ９にて電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｌを越えたと判定されると、ステップＳ１１にてリレーＲＣ２がオンに戻されて、モータジェネレータ２の全出力がバッテリ２０７の充電に供されることになる。而して、ステップＳ１２にて終了判定が行われ、終了でなければステップＳ６に戻り、終了と判定されるまでステップＳ６乃至Ｓ１１の処理が繰り返される。
【００３９】
以上のように、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。
【００４０】
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】
【００４１】
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
１５ リング部材
２０ ディスプレーサピストン
３０ 再生器
４０ パワーピストン
５０，６０ ロッド
７０ クランク機構
８０ フライホイール
１００ リニアモータジェネレータ
１０１ コイル
１０４ 永久磁石
ＨＳ 高温空間
ＬＳ 低温空間
ＣＣ 環状間隙
ＣＰ 環状流路
ＣＬ 環状空間
【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、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記シリンダの内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記再生器を筒体に形成して前記環状間隙内に配置し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記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、前記再生器を前記シリンダ及び前記ディスプレーサピストンの一方に支持することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の外壁面と前記シリンダの内壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持する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】
前記シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持する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４】
前記シリンダがシリンダヘッドと筒体のシリンダ本体を接合して成り、該シリンダ本体と前記シリンダヘッドとの接合部を含む前記シリンダの内壁面に前記環状凹部を形成し、前記再生器が前記接合部を被覆するように前記環状凹部に嵌着して成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５】
前記再生器は、複数の金属網層を有する積層筒体であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
前記再生器は、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して前記積層筒体を形成することを特徴とする請求項５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、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記シリンダの内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記再生器を筒体に形成して前記環状間隙内に配置し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記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、前記再生器を前記シリンダ及び前記ディスプレーサピストンの一方に支持することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の外壁面と前記シリンダの内壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持する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】
前記シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持する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４】
前記シリンダがシリンダヘッドと筒体のシリンダ本体を接合して成り、該シリンダ本体と前記シリンダヘッドとの接合部を含む前記シリンダの内壁面に前記環状凹部を形成し、前記再生器が前記接合部を被覆するように前記環状凹部に嵌着して成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５】
前記再生器は、複数の金属網層を有する積層筒体であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
前記再生器は、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して前記積層筒体を形成することを特徴とする請求項５記載のスターリングエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−５９９５８（Ｐ２０１０−５９９５８Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７８５２８（Ｐ２００９−７８５２８）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【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)
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【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)
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