(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排熱で作動流体を加熱する加熱器と筐体部とを連結する基盤部材を備えるスターリングエンジンにおいて、
前記基盤部材と前記内燃機関のシリンダブロックとを連結することで、前記スターリングエンジンを前記基盤部材において支持する支持部材をさらに備えることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
主機関の排熱で作動流体を加熱する加熱器と筐体部とを連結する基盤部材を備えるスターリングエンジンにおいて、
前記スターリングエンジンを前記基盤部材において支持する支持部材をさらに備えるとともに、
前記基盤部材と前記筐体部との間に第１の断熱部材を設ける構成、および、前記筐体部内で前記基盤部材に当接するようにシリンダライナを設けるとともに前記筐体部内で前記シリンダライナの外周部に第２の断熱部材を設ける構成のうち、少なくとも一つの構成をさらに備えることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項３】
請求項１記載のスターリングエンジンであって、
前記基盤部材と前記筐体部との間に第１の断熱部材を設ける構成、および、前記筐体部内で前記基盤部材に当接するようにシリンダライナを設けるとともに前記筐体部内で前記シリンダライナの外周部に第２の断熱部材を設ける構成のうち、少なくとも一つの構成をさらに備えるスターリングエンジン。
【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、特に内燃機関の排気を高温熱源とするスターリングエンジンの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンの構造に関し、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、２および３で開示されている。特許文献１では、高温で高圧状態にある内側シェルと、内側シェルを囲み、断熱液体が充填された外側シェルとを備える二重シェル型スターリングエンジンが開示されている。特許文献２では、シリンダと加熱器とが直接、或いは間接的に固定される基板を排気管に固定するスターリングエンジンが開示されている。特許文献３では、外部シリンダと、外部シリンダ内に作られた内部シリンダと、外部シリンダと内部シリンダとの間に作られた冷却器チューブと、内部シリンダの中で発生する熱が冷却器チューブの方に伝達されることを遮断する断熱部材を備えるスターリング機関のクーラ構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２４７１６０号公報
【特許文献２】特開２００４−３０１１０２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２５５５４８号公報
【特許文献４】特開２００４−３６０６６１号公報
【特許文献５】特開平６−１４７０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
スターリングエンジンにおいて、高温熱源と作動流体との間で熱交換を行う加熱器は筐体部に直接、或いは間接的に固定されることになる。ところがこの結果、筐体部が加熱器からの熱の伝達経路になると、クランクケース（筐体部のうち、クランクシャフトのクランク部が設けられる部分）内のガスが受熱することで、クランクケース内圧が高まる虞がある。そしてこれにより、クランクケース内圧とピストンに頂部側から作用する作動流体の圧力との圧力差が減少する分、スターリングエンジンの仕事が小さくなる虞がある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑み、受熱によるクランクケース内圧の上昇を抑制することで、スターリングエンジンの性能を高めることが可能なスターリングエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る第１のスターリングエンジンは、内燃機関の排熱で作動流体を加熱する加熱器と筐体部とを連結する基盤部材を備えるスターリングエンジンにおいて、前記基盤部材と前記内燃機関のシリンダブロックとを連結することで、前記スターリングエンジンを前記基盤部材において支持する支持部材をさらに備えることを特徴とするスターリングエンジンである。
【０００７】
本発明に係る第２のスターリングエンジンは、主機関の排熱で作動流体を加熱する加熱器と筐体部とを連結する基盤部材を備えるスターリングエンジンにおいて、前記スターリングエンジンを前記基盤部材において支持する支持部材をさらに備えるとともに、前記基盤部材と前記筐体部との間に第１の断熱部材を設ける構成、および、前記筐体部内で前記基盤部材に当接するようにシリンダライナを設けるとともに前記筐体部内で前記シリンダライナの外周部に第２の断熱部材を設ける構成のうち、少なくとも一つの構成をさらに備えることを特徴とするスターリングエンジンである。
【０００８】
上記第１のスターリングエンジンは、前記基盤部材と前記筐体部との間に第１の断熱部材を設ける構成、および、前記筐体部内で前記基盤部材に当接するようにシリンダライナを設けるとともに前記筐体部内で前記シリンダライナの外周部に第２の断熱部材を設ける構成のうち、少なくとも一つの構成をさらに備える構成とすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、受熱によるクランクケース内圧の上昇を抑制することで、スターリングエンジンの性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】スターリングエンジンを含む各構成の全体図である。
【図２】基盤部材周辺部の分解構成図である。
【図３】スターリングエンジン単体の断面図である。
【図４】スターリングエンジンの搭載例を示す第１の図である。
【図５】スターリングエンジンの搭載例を示す第２の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を用いて、本発明の実施例について説明する。
【００１２】
図１はスターリングエンジン１０を含む各構成の全体図である。図１に示す各構成は図示しない車両に搭載されている。スターリングエンジン１０はα型のスターリングエンジンとなっており、気筒２０とクランクシャフト４０とを備えている。気筒２０はピストン２１とシリンダライナ２２とを備えている。ピストン２１はリンク機構を介してクランクシャフト４０に連結されている。ピストン２１の往復運動はクランクシャフト４０によって回転運動に変換される。
【００１３】
スターリングエンジン１０は加熱器３０を備えている。加熱器３０は内燃機関５０の排気管５５内に介在するように設けられており、流通する作動流体と内燃機関５０の排気との間で熱交換を行う。そしてこれにより、内燃機関５０の排熱で作動流体を加熱する。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、Ｈ２、Ｎ２等の気体を適用することができる。内燃機関５０はシリンダブロック５１とシリンダヘッド５２を備えている。内燃機関５０には冷却液を循環させる冷却系が設けられており、シリンダブロック５１やシリンダヘッド５２は冷却液によって適宜冷却される。内燃機関５０は主機関に相当する。
【００１４】
スターリングエンジン１０は基盤部材１１とシリンダケース１２と第１の断熱部材１３と第２の断熱部材１４とを備えている。基盤部材１１は加熱器３０とシリンダケース１２とを連結している。この点、シリンダケース１２は具体的には基盤部材１１との間に設けられた第１の断熱部材１３を介して基盤部材１１に間接的に固定されている。第１の断熱部材１３は例えばガスケットで実現することができる。シリンダケース１２内には、シリンダライナ２２が基盤部材１１に当接するように設けられている。また、第２の断熱部材１４がシリンダライナ２２の外周部に設けられている。第２の断熱部材１４には適宜の材料を適用できる。
【００１５】
シリンダケース１２はクランクシャフト４０のクランク部を収容するクランクケースと一体の部材として構成されている。シリンダケース１２はクランクケースと別体の部材として構成されてもよい。スターリングエンジン１０は内燃機関５０と基盤部材１１とを連結する支持部材１６によって基盤部材１１において支持されている。支持部材１６は内燃機関５０と基盤部材１１とを強固に連結することで、クランクケースを含むシリンダケース１２の固定を不要としている。
【００１６】
図２は基盤部材１１周辺部の分解構成図である。スターリングエンジン１０は具体的にはクランクシャフト４０に対し、並べて配置される高温側気筒Ｈおよび低温側気筒Ｌを複数組（ここでは２組）備える構成となっている。そしてこれにより、４気筒からなる多気筒α型のスターリングエンジンとなっている。このため、基盤部材１１には各気筒に対応させて複数（ここでは４つ）の開口部１１ａが設けられている。高温側気筒Ｈは気筒２０で構成されており、シリンダケース１２は各高温側気筒Ｈおよび各低温側気筒Ｌを収容している。
【００１７】
加熱器３０は具体的には高温側気筒Ｈおよび低温側気筒Ｌ間を往復流動する作動流体を流通させる。このため、スターリングエンジン１０は加熱器３０を複数（ここでは２つ）備えている。また、スターリングエンジン１０は加熱器３０と低温側気筒Ｌとの間に再生器３１と冷却器３２とを備えている。高温側気筒Ｈには、加熱器３０で加熱された作動流体が流入する。低温側気筒Ｌには再生器３１で熱を放出した後、冷却器３２で冷却された作動流体が流入する。高温側気筒Ｈでは作動流体の膨張によってピストン２１が動作し、低温側気筒Ｌではピストンによって作動流体が圧縮される。
【００１８】
この点、高温側気筒Ｈでは基盤部材１１との間で高温、高圧の作動流体の漏れが発生しないように、且つ基盤部材１１の熱変形に追従して変形ができるようにシリンダライナ２２を基盤部材１１に強固に結合する必要がある。このため構造上、シリンダライナ２２への熱伝導が避けられない高温側気筒Ｈはシリンダライナ２２からの放熱が発生し易い構造となっている。
【００１９】
シリンダライナ２２を基盤部材１１に強固に結合するには、例えば基盤部材１１にシリンダライナ２２を直接加工したり、基盤部材１１にシリンダライナ２２を溶接したりすることで、基盤部材１１とシリンダライナ２２とを一体の部材とすることができる。但しこれに限られず、シリンダライナ２２は例えばボルト等の締結部材によって基盤部材１１に強固に結合されてもよい。別体のシリンダライナ２２を基盤部材１１に強固に結合する場合、基盤部材１１には例えばシリンダライナ２２を装着する溝を設けることができる。基盤部材１１とシリンダライナ２２とを一体の部材とすることで、スターリングエンジン１０を４気筒以上に多気筒化しても、作動流体の漏れを容易に防止することができる。
【００２０】
スターリングエンジン１０では、シリンダライナ２２を基盤部材１１に強固に結合する結果、シリンダライナ２２とシリンダケース１２との間で熱膨張に差が生じることになる。この点、この熱膨張の差によるピストン２１およびクランクシャフト４０の相対的な位置関係の変化は例えばピストン２１、クランクシャフト４０間のリンク機構に自在継ぎ手を設けることによって自動的に調整されるようにすることができる。或いは、例えばクランクシャフト４０の軸受の軸方向に沿った移動を許容することで、自動的に調整されるようにしてもよい。
【００２１】
図３はスターリングエンジン１０単体の断面図である。図３では、気筒２０側の部分を要部としたスターリングエンジン１０単体の断面を具体的に示している。スターリングエンジン１０では具体的にはシリンダケース１２と第２の断熱部材１４との間に空間層Ｒが形成されるようにシリンダライナ２２を設けている。空間層Ｒはクランクケース内と連通しており、空間層Ｒにはクランクケース内と同じガスが存在している。
【００２２】
スターリングエンジン１０は第３の断熱部材１５と固定機構１７とを備えている。第３の断熱部材１５は基盤部材１１と固定機構１７の間に設けられている。固定機構１７は基盤部材１１とシリンダケース１２を挟み込むようにして固定している。第３の断熱部材１５は例えばシリンダケース１２と固定機構１７の間に設けられてもよい。
【００２３】
図４はスターリングエンジン１０の搭載例を示す第１の図である。図４に示すように、スターリングエンジン１０は内燃機関５０の排気側の側方において加熱器３０が内燃機関５０のシリンダブロック５１側に配置されるとともに、クランクシャフト４０が内燃機関５０のシリンダヘッド５２側に配置された状態で、支持部材１６によって支持されている。スターリングエンジン１０は加熱器３０がシリンダヘッド５２側に配置されるとともに、クランクシャフト４０がシリンダブロック５１側に配置された状態で支持部材１６によって支持されてもよい。
【００２４】
図５はスターリングエンジン１０の搭載例を示す第２の図である。図５では説明の都合上、一部の構成を分解した状態で示している。図５に示すように、支持部材１６は具体的には内燃機関５０の排気側の側部と基盤部材１１とを連結している。また、基盤部材１１は排気管５５に固定されている。排気管５５のうち、基盤部材１１が設けられている部分は本来、内燃機関５０に対して一定の自由度を有している部分となっている。この点、内燃機関５０の振動が排気管５５を介して車両に伝わることを防止する振動吸収部５６は、排気管５５のうち、基盤部材１１が設けられる部分よりも下流側の部分に設けられている。
【００２５】
スターリングエンジン１０の出力はクランクシャフト４０に設けられた出力プーリ４１からベルト６０を介して発電機７０に伝達される。スターリングエンジン１０の出力はベルト６０に限られず、断熱性を有する動力伝達機構（例えば樹脂製のギヤ）を介して発電機７０に伝達することができる。また、スターリングエンジン１０の出力は発電機７０に限られず、例えば内燃機関５０に結合されたトランスミッション８０に動力として伝達することもできる。なお、シリンダライナ２２を基盤部材１１に強固に結合する結果、シリンダライナ２２およびシリンダケース１２間の熱膨張の差に応じて動力伝達先に対するクランクシャフト４０の位置変化も生じるが、かかる位置変化は例えばベルト６０で吸収することができる。
【００２６】
本実施例において、スターリングエンジンの構造はスターリングエンジン１０、支持部材１６、内燃機関５０、排気管５５、出力プーリ４１およびベルト６０に亘って実現された構造となっている。また、本実施例ではクランクケースを含むシリンダケース１２、再生器３１の筐体および冷却器３２の筐体で筐体部が実現されている。この点、筐体部は具体的にはシリンダケース１２のうち、高温側気筒Ｈを収容する部分としてのシリンダケースとすることができる。
【００２７】
次に本実施例におけるスターリングエンジンの構造の主な作用効果について説明する。本実施例のスターリングエンジンは内燃機関５０の排熱で作動流体を加熱する加熱器３０とシリンダケース１２とを連結する基盤部材１１を備えるスターリングエンジン１０を基盤部材１１において支持する支持部材１６を設けた構造となっている。このため、本実施例のスターリングエンジンはクランクケースが支持部材１６への熱伝達経路となることを防止できる。結果、受熱によるクランクケース内圧の上昇を抑制することで、スターリングエンジン１０の性能を高めることができる。
【００２８】
本実施例のスターリングエンジンの構造は具体的には支持部材１６が内燃機関５０と基盤部材１１とを連結することでスターリングエンジン１０を支持する構造となっている。この点、この場合には基盤部材１１から支持部材１６を介して冷却系を備える内燃機関５０への熱の移動を発生させることで、基盤部材１１とクランクケースの温度差を低減することもできる。このため、本実施例のスターリングエンジンは基盤部材１１からクランクケースへの熱の移動が抑制される分、受熱によるクランクケース内圧の上昇を抑制することもできる。
【００２９】
本実施例のスターリングエンジンは基盤部材１１とシリンダケース１２との間に第１の断熱部材１３をさらに設けた構造となっている。このため、本実施例のスターリングエンジンは基盤部材１１からシリンダケース１２へ熱が伝わることも抑制できる。そしてこれにより、受熱によるクランクケース内圧の上昇を抑制することで、スターリングエンジン１０の性能をより好適に高めることができる。
【００３０】
本実施例のスターリングエンジンはさらにシリンダケース１２内で基盤部材１１に当接するようにシリンダライナ２２を設けるとともに、シリンダケース１２内でシリンダライナ２２の外周部に第２の断熱部材１４を設けた構造となっている。このため、本実施例のスターリングエンジンはシリンダライナ２２からシリンダケース１２へ熱が伝わることも抑制できる。そしてこれにより、受熱によるクランクケース内圧の上昇をさらに抑制することで、スターリングエンジン１０の性能をさらに好適に高めることができる。
【００３１】
また、この場合にはシリンダライナ２２からの主な放熱を内周部からの放熱のみとすることができる。この点、内周部からの放熱は例えば膨張仕事によって熱量が減少した作動流体への放熱であり、さらにこの放熱はピストン２１によって作動流体が接触する内周部の面積が小さくなる分、外周部からの放熱と比較して小さなものとなる。このためこの場合にはシリンダライナ２２からの放熱による熱損失を抑制することで、スターリングエンジン１０の性能を高めることもできる。
【００３２】
本実施例のスターリングエンジンは具体的にはシリンダケース１２と第２の断熱部材１４の間に空間層Ｒが形成されるようにシリンダライナ２２を設けている。そしてこれにより、基盤部材１１の熱変形に追従したシリンダライナ２２の熱変形を可能にしている。この点、本実施例のスターリングエンジンは上述したようにシリンダライナ２２および第２の断熱部材１４を設けることで、この場合にはクランクケース内のガスがシリンダライナ２２に接触する面積を半分以下にすることができる。そしてこれにより、受熱によるクランクケース内圧の上昇をさらに抑制することで、スターリングエンジン１０の性能をさらに好適に高めることができる。
【００３３】
本実施例のスターリングエンジンはシリンダケース１２内で基盤部材１１に当接するようにシリンダライナ２２を設けることで、シリンダライナ２２内の作動流体とシリンダライナ２２との間の温度差が小さくなるようにすることもできる。そしてこれにより、シリンダライナ２２が作動流体から熱を奪うことを防止或いは抑制することで、スターリングエンジン１０の性能を高めることもできる。この点、本実施例のスターリングエンジンはピストン２１の頂部に断熱部材を設けることで、作動流体の放熱をさらに抑制することもできる。
【００３４】
本実施例のスターリングエンジンはシリンダライナ２２の外周部に第２の断熱部材１４を設けることで、次のような効果を得ることもできる。すなわち、シリンダライナ２２の内周部に断熱部材を設ける場合には、ピストン２１との間で適切なクリアランスを実現するために高い加工精度が断熱部材に要求されることになる。また、高温、高圧の作動流体に曝されることや耐摩耗性が要求されることから断熱部材の材料選択の余地が狭くなる。これに対し、本実施例のスターリングエンジンはシリンダライナ２２の外周部に第２の断熱部材１４を設けることで、断熱部材の加工方法や材料選択の余地を広げることもできる。結果、コストの低減を図ることもできる。
【００３５】
本実施例のスターリングエンジンは基盤部材１１とシリンダケース１２を挟み込むようにして固定する固定機構１７と、基盤部材１１およびシリンダケース１２のうち、少なくともいずれか一方と固定機構１７との間に設けられた第３の断熱部材１５とをさらに備えることで、基盤部材１１からクランクケースに熱が伝わることを抑制しつつ、基盤部材１１に対するシリンダケース１２の固定を強化することもできる。
【００３６】
本実施例のスターリングエンジンは内燃機関５０の排気側の側方において加熱器３０が内燃機関５０のシリンダブロック５１側に配置されるとともに、クランクシャフト４０が内燃機関５０のシリンダヘッド５２側に配置された状態で、支持部材１６によってスターリングエンジン１０を支持する構造とすることで、車両において下方に向かって延伸させる排気管５５の取り回しに無理や無駄が生じないようにすることもできる。
【００３７】
本実施例のスターリングエンジンはスターリングエンジン１０の出力を動力伝達先である発電機７０に伝達するにあたって、断熱性を有する動力伝達機構であるベルト６０をさらに備えることで、発電機７０からクランクケースに熱が伝わることも抑制できる。また、かかる動力伝達機構を備えることで、支持部材１６とともにクランクケースが外部空気への熱伝達以外に外部との間で熱の伝達経路を有しないようにすることができる。
【００３８】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば本発明は必ずしもα型のスターリングエンジンに限られず、適宜のスターリングエンジンに適用されてよい。
【符号の説明】
【００３９】
スターリングエンジン    １０
基盤部材                １１
シリンダケース          １２
第１の断熱部材          １３
第２の断熱部材          １４
支持部材                １６
【図１】
0005532034.tif 000002
【図２】
0005532034.tif 000003
【図３】
0005532034.tif 000004
【図４】
0005532034.tif 000005
【図５】
0005532034.tif 000006