(57)【要約】      （修正有）【課題】高速運転で小型化しやすい回転式循環流型の機構システムのスターリング式等外燃機関の実用化を図る。【解決手段】回転式機構に構造的に適合しやすい特性を持つスクロール式圧縮機およびこれを基本に逆作用させて膨張機とする２種の機構を同軸又は別軸に適宜組み合わせ結合し、熱作動流体を一方向に循環させ、それぞれに設けた冷却器と加熱器および中間の再生熱交換器等で連続的な略スターリングサイクルを成立させる。このため熱作動流体がサイクルの基本となる等温度圧縮や同膨張ならびに等容積での両機構相互間の移動等が生じるように各構成要素の構造や構成および制御方法を整え実現を図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクロール式圧縮機とスクロール式膨張機それぞれの旋回転可動部の旋回転動を同軸もしくは同期するよう制御された別軸でそれぞれ結合し、前者で圧縮された熱作動流体をその吐出口から吐出し連絡管を経て後者がその吸入口から吸入し膨張させ、その後さらにその吐出口から吐出して別の連絡管を経て前者の吸入口から吸入させて循環させ、その際前者は冷却器で予冷却および（もしくは）圧縮工程途中冷却され、後者は加熱器で予加熱および（もしくは）膨張工程途中加熱されるようにし、同時に前述の２種の連絡管が互いに途中に設けられた再生熱交換器で熱交換できるようにし、これにより略スターリングサイクルもしくは略外燃ブレイトンサイクルを構成し軸出力を生じる外燃機関として作動する構造を有すること。
【請求項２】
請求項１の外燃機関において、スクロール式圧縮機の圧縮容積比とスクロール式膨張機の膨張容積比の逆数を略等しく設定すること。
【請求項３】
請求項１の外燃機関において、スクロール式圧縮機の熱作動流体吐出容積と圧縮後吐出された同作動流体が流入するスクロール式膨張機の同流体吸入容積が略一致し、かつ後者の同流体吐出容積と膨張後吐出された同作動流体が流入する前者の同流体吸入容積が同様略一致するように両者の回転速度や位相が同調するように制御し略スターリングサイクルを構成する構造を有すること。
【請求項４】
請求項１の外燃機関において、スクロール式圧縮機で圧縮後吐出された熱作動流体の圧力とそれが流入するスクロール式膨張機の同流体吸入圧力が略一致し、かつ後者の膨張機で膨張後吐出された同作動流体の圧力とそれが流入する前者の同流体吸入圧力が同様略一致するように両者の回転速度や位相が同調するように制御し略外燃ブレイトンサイクルを構成する構造を有すること。
【請求項５】
スクロール式圧縮機およびスクロール式膨張機の機構において固定側スクロール内部にそれぞれ冷却用作動流体および加熱用作動流体が流入循環するような流路を軸方向およびこれと直角な平面内に設け、冷却器および加熱器と接続してこれらによりそれぞれ冷却あるいは加熱された作動流体の循環によりそれぞれの固定スクロール部を冷却あるいは加熱し、結果的に両スクロール機構および内部の熱作動流体を冷却あるいは加熱してそれぞれ略等温冷却あるいは略等温膨張を得る機構を有すること。
【請求項６】
請求項５の機構おいて軸方向と直角な平面内の作動流体の流れを熱作動流体のスクロール機構内流れ方向に沿ってほぼ同方向の流れになるように配設すること。
【請求項７】
既述のスクロール式圧縮機とスクロール式膨張機の機構部分および両者の駆動軸部およびその制御機構部、これに連結する電動機もしくは発電機（兼用も含む）等を一体的に一個の密封式外殻容器内に収納する構造とすること。
【請求項８】
前項までの外燃機関構成を用い逆サイクルとして電動機や原動機などの動力で駆動させ冷凍サイクルを生成すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明はスターリング機関を代表とする外燃機関の特長である高効率、燃料の多様性、静粛性および排気の清浄性等を簡略な構造で実用化し、従来の内燃機関等既存の機関で得られなかった利便性、省エネルギー性や環境調和性等を必要とするエネルギー機器応用分野全般に活用できる。同時に逆サイクルとしてヘリウム、水素や窒素などの自然作動媒体を用いれば環境性のすぐれた冷凍機分野にも転用できる。
【背景技術】
【０００２】外燃機関の代表であるスターリング機関は従来主流の内燃機関と異なり、上述のような優れた特性からその実用化が望まれてきた。近年特に自然エネルギーである太陽熱や、各種の廃熱等の中低温熱源の活用やカスケード利用等の複合化には最有力手段と期待されている。しかし外燃機関であるため外部との熱の授受や内部の熱交換の必要性、高圧作動流体使用などから機構全体が複雑でかつ重くなる傾向にあり耐久性や応答性にも改良の余地が多くかつコスト的にも高くつきやすく、競争力に欠けていた。この改善の策の一つとして従来の主流であったピストン型往復動流式でなく回転型循環動流式が検討されてきた。例えばヴァンケル型機構の使用であるが駆動部はクランク機構から回転機構に簡略化され機械損失の低減ははかられたが、流体作動機構の構造が複雑で特に高温部での摺動および等温での膨張や圧縮が困難なため実用化されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】従来の回転型循環流式機関の欠点であった回転機構部本体と流体作動システム両方の大幅な簡略化と高速回転によるコンパクト化のため最も適切な構造の一つであるスクロール式圧縮機構およびスクロール式膨張機構を組み合わせ、これに等温圧縮および等温膨張をさせる機構を付加しさらに相互の機構間の等温容積移動を得て略スターリングサイクル、あるいは等圧力移動を得て略外燃ブレイトンサイクルを生成し理想的な高効率外燃機関を実現し更に耐久性のあるシール及び潤滑方法、内部熱交換器の汚染劣化の抜本的防止等の諸課題を解決しようとする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】本発明は前述のようなスクロール式圧縮機構およびスクロール式膨張機構を組み合わせ、それぞれの旋回転動部の旋回転動を同軸又は同期するよう制御された別軸でそれぞれ結合し一対の駆動機構部として構成することを骨子とする。それぞれの構成要素中前者はスターリングサイクル、ブレイトンサイクルでは圧縮（スターリングサイクルで通称パワー）側部として、後者は膨張（同ディスプレーサー）側部として作用し、その封入された熱作動流体の圧力、容積、圧縮又は膨張比率、相互の位相差、流入および排出熱量や温度等諸元はあらかじめ選定設定され、場合により作動中にもこれらのいくつかを変化させて機関の出力を変動できるよう制御機能も設けられる。また、前記流体の作動システムも全体が循環流となることを基本に各部位は単純に機能分担され根本的に簡単化するとともに、連続的な作動が得られ、内部熱交換器である再生熱交換器内の流れは往復流でなく高温部と低温部が分離されながら相互の熱交換は行える対抗する一方向流となるように構成される。このため前者で圧縮された熱作動流体はその吐出口から高圧で吐出され連絡管を経て後者の吸入口からスターリングサイクルでは略等容積分吸入され膨張させられた後さらにその吐出口から低圧で吐出されて別の連絡管を経て前者の吸入口から略等容積分吸入され再び圧縮工程に戻り循環が一巡し、外燃ブレイトンサイクルでは圧縮機構および膨張機構相互間を連絡管によりそれぞれ連結され略等圧力で移動し同様循環が完結する。この際本機関の駆動用熱は外部の熱源から加熱器に加えられ、これをスターリングサイクル構成時にはスクロール膨張機構内部の熱作動流体に特に等温膨張状態となるように伝え、同様にスクロール圧縮機構では等温圧縮となるように冷却器から外部に放熱されるようにし、外燃ブレイトンサイクルにおいても前記２種の連絡管は互いに途中に設けられた再生熱交換器で熱交換されるように構成される。
【発明の効果】
【０００５】本発明は前述のような手段を用いることにより従来の課題を解決できる。具体的には本案の根幹をなす駆動部の構造体は既に冷凍空調用圧縮機では回転式（ロータリー式）圧縮機の一種で通称「スクロール圧縮機」として普及しているものにその基本構造を負っており、その簡易性に基づく生産性の良さや低コスト性は同様に期待できる。これを基本に逆（従来の吐出口から高圧作動流体を入れ膨張させ低圧に減圧し従来の吸入口から吐出）に作動させて作動流体を膨張させる膨張機構（通称エキスパンダー）も近時研究開発されつつある。本発明によればこの既存の圧縮機構と膨張機構に後述の諸機構を付加させ連結軸で一体的に連結し、さらに内部の熱作動流体を外部から冷却もしくは加熱する別の機構を設けて熱作動サイクルを生成させ外燃機関として作用させることができる。その代表であるスターリングサイクル式機関においては作動流体が一方向流の単純な循環流となるため、従来の往復流型に比べて前項で述べたように構成要素が大幅に簡略化され特に回転式機構の利点とあいまって小型軽量化、高速回転化、コスト低減等により実用化が可能となり、高効率で燃料や熱源の多様なことや静粛で排気の清浄なことなどから省エネルギーで環境にやさしい製品の実用化が可能となる。特に前述のような中低温度熱源には活用が大きく期待される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】前述のごときスクロール式圧縮機構と同膨張機構を連結してなる駆動機構ならびにこれらの制御機構および発電、電動機構等を略一体的に構成し、あわせて加熱器、冷却器および再生熱交換器ならびに全体を連結する作動流体の通路等を設けてなる形態。
【実施例】
【０００７】以下、本発明を主にスターリングサイクルによる外燃機関を例に図１の基本構成およびシステム図、図２のスクロール駆動機構部中の固定スクロール部上面断面図（図３でのＡＡ矢視方向）、図３の固定スクロール部側面断面図（図２での渦形状部に沿った展開方向の部分図）に基づいて説明する。（１）圧縮側スクロールは（３）冷却器とともに内部の熱作動流体を冷却圧縮し（２）膨張側スクロールは（４）加熱器とともに同流体を加熱膨張させる。このため熱作動流体は図１の２重線矢印のように（１）圧縮側スクロールの（１１）圧縮側吐出口から低温中圧で（６）低温側連絡管に吐出され途中（５）再生熱交換器で加熱され高温高圧となり（２１）膨張側吸入口から（２）膨張側スクロールに吸入され、これで膨張後（２２）膨張側吐出口から高温中圧で吐出され再び（５）再生熱交換器を通過して低温低圧となり（１２）圧縮側吸入口から（１）圧縮側スクロールに吸入されて循環流を完結する。この循環流において（５）再生熱交換器はそれぞれの吐出作動流体の持つ冷熱、温熱を対抗して流れる同作動流体がそれぞれ吸入されるときの予冷却、予加熱として熱回収し、それぞれ熱サイクル上の等容積冷却、等容積加熱が行われるよう設けられる。その構造例としてプレート型顕熱交換器や２重管型熱交換器が一般的に都合よく、往復の熱作動流体を対向流となるように流し必要に応じて一部蓄熱が可能なように構成される。従来の往復動流型のスターリングサイクルでの再生熱交換器ではいったん蓄熱し往復する熱作動流体と熱の授受を主機能としており、その構造が細管や網の組み合わせで複雑なうえ、潤滑剤や内部発生ごみによる目詰まりおよび圧力損失の増大等で信頼性に欠けていた。本方式によれば全体の流れが連続的な一方向循環流で単純になり上記の問題は無くなり、かつ効率の向上も期待できる。また（３）冷却器および（４）加熱器は後述のスクロール構造と原則的に一体で熱サイクル上の略等温圧縮および略等温膨張を行うように設けられる。なお、上記熱作動流体が等容積で圧縮機と膨張機の間を移動するためには両者の高温側および低温側で熱作動流体の吐出容積と吸入容積がほぼ一致することが必要で、そのために両者の圧縮比率と膨張比率の逆数がほぼ等しく、次にその吐出および吸入どうしの容積もそれぞれほぼ同一で相互の軸回転数も同一とし両者の回転スクロールの位相も相互の特性にあわせて調整する。【０００８】上述の圧縮側および膨張側スクロールの機構は一般に、いずれも固定されたスクロールとこれに相対して同軸上で所定の偏心旋回転動をしそれぞれに設けられたインヴォリュートもしくはこれと同様形状の渦巻状の歯面（スクロール）がかみ合い相互に形成する内部空間の容積が連続的に縮小もしくは拡大する作用を電動機等の動力で行わせ、内部の作動流体を圧縮もしくは膨張させるように構成されている。本発明ではこの旋回転スクロール部は相互に駆動軸（図１では破線で示す）を有し（９）制御機構を介して互いに結合され（８）電動発電機も同様に連結される。（９）制御機構は前述のように圧縮機と膨張機の相互回転数や軸出力あるいは相互の位相等を調整するための歯車やプーリーおよびベルト機構等の回転数調整機構よりなるが、両者に調整の必要がない場合にはこれを省略して１軸で両者を直結してもよい。フライホイール等慣性装置が必要な場合はこの（９）制御装置に包含することもできる。なお、（８）電動発電機は始動時に電動機として作動し軸出力が自力運転できる程度に発生した時点で発電機として作動する装置でこれの電気制御回路（図示せず）と一体で設けられるが、場合によりそれぞれ別体で設けてもよい。また、発電以外に軸出力として軸動力を取り出すことももちろん可能（図示せず）である。【０００９】スターリング機関等外燃機関の入出力等性能の制御には一般に、封入熱作動流体（例えば水素、ヘリウム、窒素等）の圧力、外部との熱の授受量、内部での作動流体のバイパス量、往復動（レシプロ）式ではピストンストローク量等を変化させる方法があるがいずれも複雑な上、応答性が良くない。しかるに本方式のスクロール式のような回転（ロータリー）式では前述のように回転駆動部の相互の回転数を変化させ、圧縮および膨張それぞれの駆動機構内部の吐出および吸入容積の変化でバランスを変化させて出力の制御を簡略に応答性良く実現できる。【００１０】スターリングサイクル機関が高効率を達成するためには等温圧縮および等温膨張が必要なことは既述したとおりであるが、既存のスクロール式の機構ではそのままでは断熱圧縮および断熱膨張となる。本発明はこの課題の解決のため図２および図３に示すようにそれぞれのスクロール機構の（１０）固定スクロールの内側にそれぞれ冷却用および加熱用流体の流路を設け、あらかじめ別途設けられた（３）冷却器あるいは（４）加熱器からそれぞれ冷却あるいは加熱された熱媒となる作動流体を流入循環させて（１０）固定スクロールを冷却あるいは加熱し、内部の熱作動流体をそれぞれ圧縮あるいは膨張の際に等温度になるようにする。これは（１０）固定スクロールは、これと一対をなす旋回転スクロール（図示せず）と互いに転動して内部に生成される空間の連続的な変動で圧縮もしくは膨張の作用を生じるが、この際（１３）固定スクロール側面および（１４）固定スクロール上面が前記のように冷却あるいは加熱されこの結果内部で圧縮あるいは膨張する熱作動流体も作動中に常に冷却あるいは加熱されるためである。ここに熱媒となる作動流体は図３で２重線矢印のように前述のようにあらかじめ（３）冷却器あるいは（４）加熱器で冷却あるいは加熱された後（１８）流入口より進入して（１６）軸方向流路および（１７）渦方向流路を経て（１９）吐出口より排出される。また（１４）固定スクロール上面と（２０）固定スクロール基部の間には（１５）内部支持壁を適宜設けこれは両者のスペーサと熱伝達用のフィンの機能を有し、同時に（１７）渦方向流路をその内部に配設される。なお、（１７）渦方向流路はスクロ−ルの軸方向と直角の平面内でその壁面方向に沿った方向で、（１８）流入口（１９）吐出口はそれぞれもっとも冷却あるいは加熱効果が得られる位置に設けられる。【００１１】実用的には以上の機能を有する（１）スクロール圧縮機と（２）スクロール膨張機の機構部分および両者の駆動軸部およびその（９）制御機構、これに連結する（８）電動発電等を一体的に一個の密封式外殻容器（図示せず）に収納して用いることは大いに有用で便利である。この場合耐圧力や熱作動流体、熱媒用流体や必要に応じて用いる潤滑剤等の外部への漏洩も防止容易となる。原則的にこの容器の外部に設けられる（３）冷却器、（４）加熱器、（５）再生熱交換器あるいは（６）低温側連絡管、（７）高温側連絡管および電気回路（図示せず）等とはこの容器に貫通して設けられる配管や電気ターミナルを通して連結され、全体として安全、コンパクトで取り扱い容易な製品化が期待できる。【００１２】以上に述べたスターリングサイクル式外燃機関用スクロール式圧縮機構および同膨張機構は一部の仕様諸元を変更することで原則的に他の方式の外燃機関に適用できる。たとえば両機構の相互回転数および必要に応じて圧力調整弁等の機構の付加等で等容積移動でなく結果的に等圧力移動となるようにし、さらに（１）圧縮側スクロールおよび（２）膨張側スクロールのそれぞれ（１２）圧縮側吸入口および（２１）膨張側吸入口に（３０）予冷却器および（４０）予加熱器を設けて略外燃式ブレイトン機関が得られる。また、膨張機構だけをランキンサイクルの膨張機構に適用すれば略等温膨張機構となり膨張機への流入温度の低減が図れより低温駆動の機関が可能となる。なお、以上の各機関構成を用いて電動機あるいは原動機などで駆動する逆サイクルでは冷凍効果が生じることは周知のとおりでありこのとき、（４）加熱器または（４０）予加熱器は吸熱冷却器として作用し外部より熱を吸収することで相手を冷却でき、（３）冷却器または（３０）予冷却器は放熱加熱器として作用し外部に熱を放熱し相手を加熱する。熱作動流体の選定により超低温の生成も可能で本方式ではより高効率化、小型化可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００１３】以上説明したように、本発明によれば比較的簡単な構造で実用性の高い高性能なスクロール式外燃機関が可能となり多くの技術分野への活用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】基本構成およびシステム図
【図２】固定スクロール部上面断面図
【図３】固定スクロール部側面断面図
【符号の説明】
【００１５】（１）圧縮側スクロール
（２）膨張側スクロール
（３）冷却器
（４）加熱器
（５）再生熱交換器
（６）低温接続管
（７）高温側熱交換器
（８）電動発電機
（９）制御機構
（１０）固定スクロール
（１１）圧縮側吐出口
（１２）圧縮側吸入口
（１３）固定スクロール側面
（１４）固定スクロール上面
（１５）内部支持壁
（１６）軸方向流路
（１７）渦方向流路
（１８）流入口
（１９）吐出口
（２０）固定スクロール基部
（２１）膨張側吸入口
（２２）膨張側吐出口
（３０）予冷却器
（４０）予加熱器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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