(57)【要約】  スターリングエンジン（１）と、エンジンに隣接するバーナ（５）と、エンジンを加熱するための高温の燃焼燃料流を生成するためにバーナに供給される可燃性燃料とを備えるスターリングエンジンシステム。このシステムは、必要とされる熱出力が増大するにつれてエンジンを迂回する燃焼燃料の割合を増大させるためにバーナとエンジンとの間で相対的な移動を与えるための手段（１４，２１）を更に備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングエンジンと、
前記スターリングエンジンに隣接するバーナと、
前記スターリングエンジンを加熱するための高温の燃焼燃料流を生成するために前記バーナに供給される可燃性燃料と、
必要とされる熱出力が増大するにつれて前記スターリングエンジンを迂回する燃焼燃料の割合を増大させるために前記バーナと前記スターリングエンジンとの間の相対的な移動を可能とするための手段と
を備える、スターリングエンジンシステム。
【請求項２】
前記相対的な移動が能動的に制御される、請求項１に記載のスターリングエンジンシステム。
【請求項３】
前記バーナに対して前記スターリングエンジンを移動させるために制御される機構を備える、請求項２に記載のスターリングエンジンシステム。
【請求項４】
前記機構が、前記スターリングエンジンが重力により移動できるようにする可変力を与えるために前記スターリングエンジンの下に位置される、請求項３に記載のスターリングエンジンシステム。
【請求項５】
前記機構が、前記スターリングエンジンが装着される支持体を移動させるように設けられる、請求項３に記載のスターリングエンジンシステム。
【請求項６】
スターリングエンジンシステムを動作させて熱出力および電力出力を行なう方法であって、
前記スターリングエンジンに隣接するバーナへの燃料供給によって可燃性燃料を供給して、高温の燃焼燃料流を与えることにより、前記スターリングエンジンを加熱するステップと、
前記バーナおよび前記スターリングエンジンを互いに対して移動させることにより、必要とされる熱出力に応じて前記スターリングエンジンを迂回する燃焼燃料流の割合を変えるステップと
を備える方法。
【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システムおよびその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
該システムは、家庭用熱電併給（ＤＣＨＰ）用途で用いるのに適するスターリングエンジンシステムのために特に設計されてきた。しかしながら、概念は他のスターリングエンジン用途にも提供できる。
【０００３】
スターリングエンジンに基づくＤＣＨＰシステムは、電気を発生させるために例えばバーナから熱が供給されるスターリングエンジンを使用する。熱は、エンジンからの排ガスから回収され、熱水または中央加熱システムを加熱するための家庭の必要熱量を供給するために使用される。  
【０００４】
このようにして生成される熱は、一般に、それ自体で家庭の熱需要全体を供給するには不十分である。したがって、スターリングエンジンに基づくＤＣＨＰシステムには、スターリングエンジンの排ガスから受けられる熱を補うために補助ヒータが設けられる。
【０００５】
幾つかのバーナステージを設けることが（本発明者らの先願のＷＯ０４／８５８２０から）知られており、その場合、１つのガスバーナステージはエンジン専用のものであり、第２のガスバーナステージは一部がエンジンを加熱し且つ一部がウォータ回路を加熱し、また、第３のガスバーナステージはウォータ回路だけを加熱する。第２のステージ、および更に大きな度合いまで第３のステージは、補助バーナとして働く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、費用効率が高く且つ比較的低い熱需要を伴う小さい家庭住居または断熱性の高い住居に適した簡略化されたシステムの構造に関係している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、スターリングエンジンと、エンジンに隣接するバーナと、エンジンを加熱するための高温の燃焼燃料流を生成するためにバーナに供給される可燃性燃料と、必要とされる熱出力が増大するにつれてエンジンを迂回する燃焼燃料の割合を増大させるためにバーナとエンジンとの間の相対的な移動を与えるための手段とを備えるスターリングエンジンシステムが提供される。
【０００８】
燃焼燃料のこの可変バイパスを行なうことによって、本発明は、補助バーナを必要とすることなく、付加的な熱需要を満たすことができる。これは、補助的なバーナおよびその関連するガストレインの必要性が排除される費用効率がかなり高いシステムである。また、回収される熱は単一ストリームからのものであり、それにより、下流側の熱回収のために必要とされる熱交換器の構造が簡略化される。
【０００９】
しかしながら、本発明は、より多くの熱需要を伴う用途で補助バーナと併せて使用することができる。前述した利点は適用されないが、エンジンバーナから出力される可変熱を得ることができることは、より柔軟性のあるシステム制御をもたらす。例えば、従来技術では、熱需要がエンジンから利用できる最大熱出力を僅かに超えると直ぐに、補助バーナを点火する必要がある。これは、過剰な熱を発生させる場合がある。本発明を用いると、補助バーナを点火する必要なく、熱需要のこの僅かな増大を満たすことができる。
【００１０】
システムは、例えば２０％から１５％に至るまで或いは更には１０％に至るまでのエンジン効率（すなわち、電気を発生させることができるエンジンの能力）の制御された低下を効果的に行なう。これにより、１ｋＷ定格の電力エンジンは、補助バーナを用いることなく１０ｋＷの熱エネルギを生み出すことができる。これは、小さい住居または断熱性の高い住居のための新たな市場を切り開く。
【００１１】
相対的な移動は受動的に達成されてもよい。例えば、周囲のケーシングへのエンジン振動の伝達を防止するために、多数の弾性支持体上にエンジンを装着することが知られている。一般に、そのような弾力的装着は、エンジンの過度な動作を防止するために、比較的硬直して正確に行なわれる。しかしながら、この硬直した支持を、バーナを通じた流れの増大に応じてエンジンヘッドの周囲の圧力が増大するにつれてエンジンが制御された度合いまで移動できるようにするべく調整される更に柔軟な支持に取って代えることができる。
【００１２】
しかしながら、相対的な移動は能動的に制御されることが好ましい。この場合、バーナに対してエンジンを移動させるために制御される機構が存在することが好ましい。この機構は、エンジンが重力下で移動できるようにする可変力を与えるためにエンジンの下に位置されてもよい。あるいは、上記機構は、エンジンが装着される支持体を移動させるように設けられてもよい。
【００１３】
また、本発明は、スターリングエンジンシステムを動作させて熱出力および電力出力を行なう方法であって、エンジンに隣接するバーナへの燃料供給によって可燃性燃料を供給して、高温の燃焼燃料流を与えることにより、エンジンを加熱するステップと、バーナおよびエンジンを互いに対して移動させることにより、必要とされる熱出力に応じてエンジンを迂回する燃焼燃料流の割合を変えるステップとを備える方法にまでも及ぶ。
【００１４】
ここで、添付図面を参照して、本発明に係るシステムおよび方法の実施例について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】第１の位置にある第１のエンジンアセンブリの二色断面である。
【図１Ｂ】第２の形態を成す第１のエンジンの上端部の同様の図である。
【図２】第２の実施例の概略断面である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
スターリングエンジンの基本的な構造は、当該技術分野において周知であるため、本明細書では詳しく説明しない。
【００１７】
エンジンは、ケーシング１内に収容されたリニアフリーピストンスターリングエンジンである。ケーシングは、上端から下端まで、ディスプレーサ、パワーピストン、および、オルタネータを収容しており、その詳細は本発明にとって重要ではない。エンジンは、ブラケット２から複数のスプリング３によって吊り下げられており、スプリング３は、エンジンに対して取り付けられるプレート４に接続される。この吊り下げ配置はＷＯ  ０３／０４２５６６に詳しく記載されている。
【００１８】
エンジンには、環状形態を有し且つエンジンヘッド６を取り囲むバーナ５によって熱が供給され、エンジンヘッド６には、エンジンへの熱伝達を容易にするために複数のフィン７が設けられる。
【００１９】
燃焼室はその下端がフレキシブルシール８によって密閉される。フレキシブルシール８が晒される温度を下げるために断熱体９の環状ブロックおよび環状冷却剤チャネル１０が設けられる。これについてはＰＣＴ／ＧＢ２００６／００２２５４に記載されている。冷却剤チャネル１１がハウジング１の中央部を取り囲む。バーナ５および冷却剤チャネル１１によって形成される温度差は、オルタネータで電気を発生させるパワーピストンおよびディスプレーサを駆動させる。
【００２０】
バーナ５からの排ガスは、それがエンジンヘッド６へ熱を放出すると、ヘッドの上端を越えて排ガス出口１２を通じて流れる。排ガスは、途中で、バーナ５に通じる吸気管１３に流入する空気に対して更に熱を与え、この空気を予熱する。排気管１２は熱交換器（図示せず）に通じており、熱交換器でその熱が回収されて、家庭内の必要熱量の一部が賄われる。
【００２１】
このようにして発生される熱量は、家庭内の全体の需要を供給するには不十分であり、したがって、この更なる需要を満たすために補助バーナを設けることが知られている。
【００２２】
本発明は、付加的な熱出力を与えることができ、それにより、特に比較的低い熱需要を伴う用途において補助バーナの必要性が回避される。これは、大まかに言えば、エンジンヘッド６を迂回するバーナ５からの高温の燃焼ガスの量を増大させ、それにより、排気管１２内の排ガスの温度をかなり高めることにより行なわれる。これは、エンジンからの電気出力を犠牲にして行なうことができる。あるいは、バーナを“過燃焼”させ、それにより、エンジンの性能を最適化して付加的な熱を生成することができる。
【００２３】
ここで、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、このことを達成するための機構について説明する。この実施例では、各スプリング３毎に別個のアクチュエータ１４が設けられてもよく、または、単一のアクチュエータが適切なリンクによってスプリングの全てに取り付けられてもよい。あるいは、スプリングが互いにグループ化されてもよく、単一のアクチュエータが各グループ毎に設けられてもよい。あるいは、各アクチュエータ１４が各スプリング３の上端のプラグ１５に対してプレート１６により接続される。例えばソレノイドまたは圧電アクチュエータであってもよいアクチュエータ１４がスプリングを図１Ａに示される上昇位置から図１Ｂに示される下降位置へ移動させるようになっている。
【００２４】
エンジンを下降させる結果として、フレキシブルシール８が引き延ばされ、エンジンヘッドの上側のクリアランスが増大するのが分かる。約１ｃｍの移動が想定される。図１Ａと図１Ｂとを比較すれば分かるように、エンジンは、エンジンが図１Ａの上昇位置にあるときにバーナからの流れのほぼ全てがフィン７に衝突し、一方、エンジンが図１Ｂに示される下降位置にあるときに、流れのかなりの部分がフィンを迂回するように位置される。
【００２５】
図１Ａに現在示されるように、アクチュエータ１４は、エンジンアセンブリの全重量を支える。したがって、エンジン位置が変えられるときにアクチュエータ１４だけが電力を引き出すことができるようにするべくエンジンを支持するため、ラチェット機構が設けられるのが好ましい。
【００２６】
アクチュエータ１４の位置を連続的に（あるいは、ほぼ連続的に）変えることができるのが好ましい。これにより、エンジンをオーバーランすることなく電気出力を維持しつつ必要な熱負荷のためにエンジン位置を正確に設定することができる。ラチェット機構の使用はこれを支援するのに有用である。さもなければ、アクチュエータが経時的に緩む傾向があるからである。
【００２７】
システムの第２の実施例が図２に示されている。エンジンの基本的特徴は、図１に関して説明したものと同様である。この場合、アクチュエータ機構１４がエンジン位置決め装置２１と置き換えられている。本質的に、これは、エンジンを上昇位置と下降位置との間で装着フレーム上の固定基準位置２２に対して持ち上げるように回転できる回転可能なカム機構である。この場合も先と同様、シール８は、この移動に対応するために柔軟である。この実施例は、単一のアクチュエータを用いて容易に実施できる。しかしながら、エンジンとエンジンポジショナ２１との間の機械的なリンクによってスプリング３（図に示されていないが、図２の実施例に存在する）の振動効果がある程度まで打ち消される。この問題は、エンジンに対するスロット付きの接続などのエンジンと支持体との間の何らかの相対的移動を可能にするカム装置を使用することによってある程度まで減らすことができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【国際調査報告】
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