(57)【要約】【課題】キネマチック型スターリングエンジンにおいて、作動部空間の圧力波形が歪なため前記作動部平均圧力がクランク室中間圧よりも低下し、差圧を生じる傾向がある。該圧力のアンバランスにより、機械損を不本意に増大せしめ、時には、ピストンの焼け付きやエンジン振動による騒音の原因をもたらすことが判明した。また、フリーピストン型スターリングエンジンでは、該圧力アンバランスにより、パワーピストン１４の往復動の中心位置が移動し、可動部材がシリンダー壁と不本意に衝突する。このため、パワーピストンの両側にかかる平均圧を略一致させることが重要となる。【解決手段】パワーピストンをはさむ作動空間１２とバッファー空間３０とを結ぶ気体流路２４の途中にオリフィス２７と一方向弁２５を直列に配置した圧力バランス制御弁４０を設けることにより、バッファー空間中間圧と作動空間平均圧を略一致させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器を備えるシリンダー、シリンダー内の作動空間を介して配置されシリンダーの軸方向に往復動するディスプレーサピストンとパワーピストン、ディスプレーサピストンに設けられた再生器、ディスプレーサピストンに固定されシリンダーの軸方向に可動なロッドを有するスターリングエンジンにおいて、パワーピストンをはさむ作動空間とバッファー空間とを結ぶ気体流路の途中にオリフィスと一方向弁を直列に配置した圧力制御弁を有することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
圧力バランス制御弁をシリンダーの外部に配置したことを特徴とする請求項１のスターリングエンジン。
【請求項３】
圧力バランス制御弁をパワーピストンに配置したことを特徴とする請求項１の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、５００℃程度の中温熱源、或いは、液化LNG（ー１６２℃）でも動作するスターリングエンジン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、CO２削減が産業界および一般家庭に課せられてきている。その解決策の一つとして、自動車の排気ガス、セラミックなどの窯業炉、熱処理炉、および、ごみ処理炉等で５００℃前後の中温排熱の電気への変換利用が急務となっている。また、液化天然ガスは海水でガス化して都市ガスとして利用しているがその低温（ー１６２℃）を利用しての発電転換の要求も高い。
これらの中温排熱および低温排熱の利用を可能にできるエンジンとして注目をされているのがスターリングエンジン発電機である。
【０００３】
スターリングエンジンは一種の外燃機関であり、どのような熱源にも対応できるのが特徴である。そして、シリンダー内の高圧の作動ガスを低温空間から高温空間へ、また、高温空間から低温空間へ移動せしめるためのディスプレーサピストンと該ディスプレーサピストンの往復動に伴って発生する圧力変動を受けて外部に仕事として取り出すためのパワーピストンの２個のピストンが相対位相を保ちながら発電機に連結されている。
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発電機と連結され、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キネマチック型では、前記パワーピストンを境界としてディスプレーサピストンが動作する空間を作動部と称し、該ディスプレーサの軸方向の往復動に伴い、変動圧力が発生する。該作動部側変動圧とパワーピストンのクランク室側またはバッファー空間の中間圧力との繰り返しの差圧を受けて動力を発生するのが一般的なスターリングエンジンである。
特に、５００℃程度の中温熱源、或いは、液化LNG（−１６２℃）でも確実に動作するように機械損失を極力抑える構成となっているスターリングエンジンの場合、前記パワーピストンは、ピストンシールを有せず、また、シリンダーと直接接触往復動する。そして、前記パワーピストンとシリンダーの接触抵抗を軽減するために接触面にDLCコーティングを施したスターリングエンジンが考案されている。
【０００４】
【特許文献１】特許公開２００９−２５７２５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなキネマチック型スターリングエンジンでは、前記作動部の圧力波形はサイン波形ではなく、少し、歪な形状をしている。（図3）特に、パワーピストンとシリンダーが直接接触しながら、往復動するスターリングエンジンでは、作動空間の平均的な圧力はクランク室の平均圧力より低くなる傾向となる。つまり、作動空間の圧力が高い時に前記パワーピストンとシリンダーの隙間からクランク室に作動ガスが洩れる量が作動空間の圧力がクランク室圧より低くなった時に、前記パワーピストンとシリンダーの隙間から作動部へ作動ガスが洩れる量を上回る結果、このような圧力アンバランスを生じる。この傾向は、ピストンとシリンダーのクリアランスや精度によっても微妙に変るし、作動部の温度および環境温度によっても変化する。更に、該圧力アンバランスは、パワーピストンの往復動において、不本意な荷重変動をもたらし、エンジンの振動を増大せしめ、尚且つ、パワーピストンの摺動抵抗を増大せしめ、最悪の状態ではパワーピストンの焼き付きを起こす。
本発明は、キネマチック型スターリングエンジンにおいて、前記作動部平均圧力とクランク室または、バッファー空間の中間圧が略同じになるようにするプレッシャーバランス制御手段を設け、パワーピストンの往復動において不本意な荷重変動がかからないようにしたことを特徴とするスターリングエンジンを提供するものである。
クランク機構を有しないフリーピストン型スターリングエンジンにおいては、該圧力アンバランスにより、パワーピストンの往復動の中心位置が移動し、パワーピストン、ディスプレーサピストンおよびシリンダー壁と不本意に衝突することを回避するものである。
【０００６】
図５は、一般的なキネマチック型スターリングエンジン発電機本体の基本構成を示す。スターリングエンジン発電機本体１は同軸上に配置されたパワーピストン１４とディスプレーサピストン１３に連結されたディスプレーサロッド１５を所定の位相差で駆動するクランク機構１６とフライホイール１７からなる駆動部、および、始動時はモータとして作動し、エンジン自立後は発電機として作動するモータ兼発電機１８、そして、前記ディスプレーサピストン１３と同心軸上に配置された熱交換器類である冷却器４、再生器５および加熱器６を有する作動部で構成されている。
【０００７】
ハウジング２には、スターリングエンジンのシリンダー３と、電動モータ及び発電機として機能するモータ兼発電機１８が固定され、両者が後述するようにクランク機能１６を介して互いに連結されている。シリンダー３内にはディスプレーサピストン１３が収容され、高温空間１１と低温空間である作動空間１２が形成され、両空間の間を作動流体が再生器５を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン１３をシリンダー３の軸方向に往復移動せしめるとともに、ディスプレーサピストン１３と同軸上に配置されたパワーピストン１４がシリンダー３の軸方向に往復移動するように構成されている。シリンダー３は加熱器６および支持筺体８と溶接接合されており、シリンダー３内でのディスプレーサピストン１３の往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダー３の内壁面とディスプレーサピストン１３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１３がパワーピストン１４に軸方向移動可能に支持されている。
【０００８】
金属網等によって筒状に形成された再生器５が上記環状間隙内に配置され、シリンダー３内でのディスプレーサピストン１３の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状の通路７を維持するように、再生器５がディスプレーサピストン１３に支持されている。上記作動流体は気体であり、本実施例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。
【０００９】
シリンダー３の中間部の外壁面にはリング部材１０が嵌合されるとともにシールリングを介して液密的に固定されている。シリンダー３の周囲に配置された冷却器４には冷却媒体流入部２０及び冷却媒体流出部２１が設けられており、冷却媒体（たとえば水）が冷却媒体流入部２０から導入され、冷却媒体流出部２１から排出されるように構成されており、これらにより冷却器４が構成され、シリンダー３内に低温空間である作動空間１２が形成される。一方、シリンダーには複数の集熱フィンを有する加熱器が設けられており、これらの集熱フィンを介して熱源（図示せず）によって加熱器が加熱され、シリンダー３内に高温空間１１が構成される。このように、高温空間１１と低温空間である作動空間１２の間に再生器が位置するように再生器５を装着しディスプレーサピストン１３がシリンダー３内に収容されている。このようにして、高温空間１１と低温空間である作動空間１２の作動流体が再生器５を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン１３がシリンダー３の軸方向に往復移動し得る構成が実現する。
【００１０】
ディスプレーサピストン１３にはディスプレーサロッド１５が固着されており、このディスプレーサロッド１５がパワーピストン１４を貫通してシリンダー外に延出し、ディスプレーサピストン１３はパワーピストン１４に軸方向移動可能に支持されている。
パワーピストン１４にはクランクアーム１９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リンク２３が回転可能に支持されたプレート２２に対し、ディスプレーサロッド１５の先端部に揺動自在に支持されたリンク２３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１６が構成され、フライホイール１７を介してモータ兼発電機１８に連結されている。クランク機構１６側のパワーピストン１４の空間はクランク室９であり、モータ兼発電機１８およびシリンダー３を固定するハウジング２内に収容されている。クランク室９はパワーピストン１４のバッファー空間３０とつながっており、両空間の気体圧力は同圧力である。
モータ兼発電機１８は、たとえば永久磁石同期電動機によって構成され、スターリングエンジン起動時は起動用電動モータとして機能し、起動時を過ぎた時は発電機として機能する。
【００１１】
図３は、図５に示す従来のスターリングエンジンにおける作動空間１２の圧力とクランク室９すなわち上記バッファー空間３０の気体の圧力の関係を示すグラフである。横軸はクランク回転角を示し、1サイクル分の作動ガス圧の変化を示す。縦軸は気体の圧力値を示す。曲線３６はスターリングエンジンの作動ガス圧変化を示す。３１はクランク室中間圧の圧力値、３２は作動空間平均圧、３３は作動ガス圧最大値とクランク室中間圧の差圧、３４は作動ガス圧最小値とクランク室中間圧の差圧、３５は作動空間ガス圧最低値とバッファー空間中間圧の差圧である。３５はクランク室中間圧と作動空間平均圧の差圧である。該差圧３５は、パワーピストン１４とシリンダー３内壁の隙間によっても微妙に変化するが、このようなキネマチック型のスターリングエンジンにおいては作動空間平均圧がクランク室中間圧に比べて２割〜５割低い値となり、パワーピストンを境に圧力のアンバランスを生じる。
【００１２】
該圧力のアンバランスがある場合には、パワーピストン１３の往運動と復運動の時のクランク機構にかかる荷重変動が増大する。そして、前記荷重変動はクランク機構によりパワーピストンに作用するサイドフォースに大きな変動をもたらし、機械損を不本意に増大せしめ、時には、ピストンの焼け付きやエンジン振動による騒音の原因をもたらすことが判明した。本発明では、パワーピストン１３の往運動と復運動の時のクランク機構にかかる荷重変動のアンバランスを解消するため、作動空間の平均圧力とクランク室または、バッファー空間の中間圧を略一致させることを課題とする。
【００１３】
また、フリーピストン型スターリングエンジンにおいても、パワーピストン１４にかかる両端の平均圧力がアンバランスの場合には、該平均圧を等しくするように、パワーピストン１４の往復動する中心位置が移動する。結果、パワーピストン１４と相対的な位相差を保って往復動するディスプレーサピストン１３に対し接触したり、デイスプレーサピストン１３の端部が加熱器６の内部と接触することがあり、安全上にも問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する手段として、スターリングエンジンのクランク室またはバッファー空間の平均圧すなわち上記クランク室中間圧と作動空間平均圧の相対差を変えるための圧力バランス制御弁を設けることにより、作動空間平均圧とクランク室中間圧を略一致させることとする。実施例1では、パワーピストンに形成され、作動空間とクランク室またはバッファー空間を結ぶ気体流路の途中に一方向弁と該一方向弁の背面側に固定オリフィスを直列に配列したことを特徴とする圧力バランス制御弁を設ける。
実施例2では、作動空間とクランク室を結ぶ気体流路をエンジン外部に形成し、気体流路の途中に一方向弁と該一方向弁の背面側に固定オリフィス或いは可変オリフィスを直列に配列したことを特徴とする圧力バランス制御弁を設ける。可変オリフィスでは、上記クランク室中間圧と作動空間平均圧の差を任意に変えることが可能となる。つまり、オリフィスを絞ることでクランク室中間圧は作動空間平均圧を上回り、オリフィスを開放するとクランク室から作動空間に移動するガス量が増大し、結果的には、作動空間平均圧がクランク室中間圧を上回るようにする制御が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスターリングエンジンでは、作動空間平均圧とクランク室中間圧を略一致させることにより、パワーピストンの両面かかる差圧による不本意な荷重のアンバランスが解消される。荷重をバランスさせることにより、エンジンの振動および騒音が軽減される。また、クランク機構を有するキネマチック型においては、パワーピストンに作用するサイドフォースが軽減されて機械的摩擦によるエネルギーロスが少なくなり、エンジン出力がアップする。作動ガス圧力１ＭＰａ以下で５００℃以下の中温排熱で動作する比出力の高いスターリングエンジンの実現に貢献する。更に、ピストンにかかる変動荷重が軽減されることでピストンの焼け付きを回避できる。
フリーピストン型スターリングエンジンにおいては、パワーピストンの往復動の中心位置が一定となり、可動部の部材の衝突など干渉の無い安全で低騒音なスターリングエンジンが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１はスターリングエンジンの実施方法を示した説明図である。（実施例１）
【図２】図２はスターリングエンジンの実施方法を示した説明図である。（実施例２）
【図３】図３は従来のスターリングエンジンの作動空間圧とクランク室圧の関係の説明図である。
【図４】図４は本発明によるスターリングエンジンの作動空間圧とクランク室圧の相対差を調整する説明図である。（実施例）
【図５】図５はスターリングエンジンの従来例を示した説明図である。（従来例）
【図６】図６はスターリングエンジンの実施方法を示した説明図である。（実施例３）
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明は、クランク機構を有し、パワーピストンとシリンダーが直接接触しながら往復動するキネマチック型のスターリングエンジンにおいて最も高い効果が期待でき、エンジン出力効率向上、エンジン騒音低減及びピストンの焼き付き防止を図ることができる。また、高速回転が要求されるフリーピストンのスターリングエンジンで可動部材の不本意な衝突防止と安全性などに優れた効果を発揮する。産業界および一般家庭に課せられてきているCO２削減策の一つとして、自動車の排気ガス、セラミックスなどの窯業炉、熱処理炉、および、ごみ処理炉等で５００℃前後の中温排熱の電気への変換利用に本発明によるスターリングエンジンが適用可能である。また、液化天然ガスは海水でガス化して都市ガスとして利用しているがその低温（ー１６２℃）を利用しての発電転換の要求にも本発明のスターリングエンジンが活用できる。これらの中温排熱および低温排熱の利用を可能にできるエンジンとして本発明によるスターリングエンジン発電機が貢献できる。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明によるキネマチック型スターリングエンジンの全体構成を示したものである。図５の構成と異なるところのみ以下に説明する。圧力バランス制御弁４０は作動空間１２とクランク室９またはバッファー空間３０とを結ぶ気体流路２４の途中に直列に設けた一方向弁２５と可変オリフィス２７から成る。一方向弁２５は、気体流路２４を塞ぐ弁となるボール２９とボール２９に適切な押圧を印加するスプリング２８から成る。通常はバッファー空間３０のほうが作動空間平均圧よりも２割〜５割だけ高圧であるため、一方向弁２５は作動空間の圧力低下とならないようにバッファー空間３０から作動空間１３側にのみ気体流入する向きに設置する。
【００１９】
図１では圧力バランス制御弁４０はシリンダー５またはハウジング２の外部に設けられている。可変オリフィス２７は一方向弁２５と直列に配置され、作動空間１２とバッファー空間３０の間の相対的圧力差に応じてバッファー空間のクランク室中間圧が作動空間側に流入し、作動空間１２とバッファー空間３０の相対圧力を小さくする方向に調整される。クランク室中間圧と作動空間平均圧の差が小さくなるにつれて、パワーピストンにかかる圧力のアンバランスが解消される。可変オリフィス２７のオリフィス径調整方法としては、径の異なるオリフィスを交換する方法、オリフィス径を絞る方法などが可能である。
【００２０】
図４は、作動空間平均圧３２とクランク室中間圧３１の相対的圧力差の調整方法を説明するための図である。固定オリフィスを交換するなどしてオリフィス径を調整することによりクランク室中間圧３１と作動空間平均圧３２の相対差を調整することができる。オリフィス径を大きくするに従って、クランク室中間圧は３７の方向に低下し、作動空間平均圧３２はクランク室圧より高くなる方向にシフトする。逆にオリフィス径を絞って小さくするに従ってクランク室中間圧は３８の方向に上昇し、クランク室中間圧３１と作動空間平均圧の差は縮小する。
【００２１】
次に、圧力バランス制御弁４０をシリンダー３の外部に設けることのメリットについて述べる。エンジン外部の熱環境変化が大きい場合には、スターリングエンジンのクランク室平均圧と作動空間平均圧は、シリンダーとパワーピストン１４のクリアランスによる影響、そして、エンジン外部の温度環境や高温部の熱源の温度変動の影響を受ける場合がある。そのような環境変化に応じてバッファー空間平均圧と作動空間平均圧の相対差を簡易に加減するためには、図１の実施例に示すように該圧力バランス制御弁４０をシリンダーの外部に配置し、オリフィス径を調整することにより、容易に調整できる効果がある。
【実施例２】
【００２２】
図２の実施例は、固定オリフィス２６を有する圧力バランス制御弁４０をパワーピストン１４に設けた実施例である。スターリングエンジンの外部環境が比較的安定している使用環境では、上記圧力バランス制御弁をパワーピストン１４の内部に配置することにより、機械摩耗損の少ない高エネルギー効率のスターリングエンジンを、少ない部品点数で小型のスターリングエンジンとして実現できる。
【実施例３】
【００２３】
図６は、本発明をフリーピストン型スターリングエンジンに適用し他の実施例である。本実施例におけるシリンダー３内の構成は図１の実施例と実質的に同じであり、実質的に同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。本実施例ではケースａ４７とケースｂ４８が接合されてハウジングが形成されおり、両ケースの接合部に支持板４９が固定されている。ケースｂ４８には支持部材４３が固着されており、支持部材４３は、シリンダー３の内壁面に連続してシリンダー内壁面を形成するシリンダーを形成する。このシリンダー３にはパワーピストン１４が摺動自在に収容される。支持部材４９のシリンダー周りには、コイル４６及びヨーク４４が固着されており、これらと対向するように、ケースｂ４８の内壁面にヨークが固着されている。これらのヨークの間に環状の磁石４５が介装されてリニアモータ発電機が構成されて、パワーピストン１４の往復動に追従した磁石４５の軸方向移動に応じて発電し、コイル４６から電力が出力される。
【００２４】
パワーピストン１４の先端には先端プレート５０が固着され、この先端プレート５０の外周部に上記磁石４５が装着されているので、パワーピストン１４の軸方向往復動に応じてリニアモータ発電機が発電することになる。一方、ディスプレーサピストン１３に固着されているディスプレーサーロッド１５は、パワーピストン１４を貫通し、先端プレート５０に固着されており、先端プレート５０とプレート４２が支持板４９を介して並行に配置されている。プレート４２と先端プレート５０の両側にはコイルスプリング５１が配設され、それぞれ上記ハウジングに対してフローティング状態で支持されている。而して、本実施例ではコイル４６、上記ヨークおよび磁石４５によってリニアモータ発電機が構成され、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ともに、自立運転時には発電機及び負荷調整機として機能する。
【００２５】
図６において、作動空間１２の作動空間平均圧とバッファー空間３０のバッファー空間中間圧を比較した場合、バッファー空間中間圧のほうが約３割ほど高くなる傾向はキネマチック型スターリングエンジンと同じである。パワーピストン１４にかかる両端の平均圧力がアンバランスの場合には、上記実施例１で述べたように、パワーピストン１４の往復動の中心位置が移動する。このため、デイスプレーサピストン１３の端部が加熱器６の内部と接触することがある。図６に示すように、バッファー空間３０のバッファー空間中間圧と作動空間平均圧を略同一にする手段として、本発明による圧力バランス制御弁４０をシリンダー３の外部に設けている。気体流路２４はバッファー空間３０内の可動物と干渉しないように設けられており、バッファー空間３０の圧力を作動空間１２側へ一方向に流す機能を有する。可変オリフィス２７を加減することにより、パワーピストン１４の往復動の不本意な中心位置の移動を調整し、デイスプレーサピストン１３の端部と加熱器６の内部との衝突を防止し、より低騒音で安全なフリーピストン型のスターリングエンジンを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、スターリングエンジンに関し、中温排熱および低温排熱の利用を目的にしたスターリングエンジン発電機に有効に利用でき、５００℃以下の熱源、或いは、液化LNG（ー１９６℃）で動作し、排熱回収発電するスターリングエンジン発電機に適用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１  スターリングエンジン発電機本体
２  ハウジング
３  シリンダー
４  冷却器
５  再生器
６  加熱器
７  通路
８  支持筺体
９  クランク室
１０  リング部材
１１  高温空間
１２  作動空間
１３  ディスプレーサピストン
１４  パワーピストン
１５  ディスプレーサーロッド
１６  クランク機構
１７  フライホイール
１８  モータ兼発電機
１９  クランクアーム
２０  冷却媒体流入部
２１  冷却媒体流出部
２２  プレート
２３  リンク
２４  気体流路
２５  一方向弁
２６  固定オリフィス
２７  可変オリフィス
２８  スプリング
２９  ボール
３０  バッファー空間
３１  プレッシャーバランス制御をしていない場合のクランク室圧中間圧
３２  作動空間平均圧とクランク室中間圧の差圧
３３  作動ガス圧最大値とクランク室中間圧の差圧
３４  作動ガス圧最小値とクランク室中間圧の差圧
３５  クランク室中間圧と作動空間平均圧の差圧
３６  差動ガス圧の変化
３７  オリフィス径を大きくした場合のクランク室中間圧の変化の方向
３８  オリフィス径を小さくした場合のクランク室中間圧の変化の方向
３９  作動ガス圧最小値
４０  圧力バランス制御弁
４２  プレート
４３  支持部材
４４  ヨーク
４５  磁石
４６  コイル
４７  ケースａ
４８  ケースｂ
４９  支持板
５０  先端プレート
５１  バネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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