(57)【要約】【課題】排熱回収効率の低下を抑制して内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けること。【解決手段】排気通路１２２に設けられた装置取付面１２３にスターリングエンジン１００が取り付けられる。このときには、排気通路１２２に設けられた装置取付面１２３と、高温側シリンダ１０１のヒータ接続側端面１０１ｉｔ、及び低温側シリンダ１０３のクーラー接続側端面１０３ｉｔとが平行になるように取り付けられる。また、高温側シリンダ１０１は、排気の流れの上流側に配置される。そして、低温側シリンダ１０３は、高温側シリンダ１０１等の下流側に配置される。【選択図】        図５−１
2005106010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、
前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、
装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記第１シリンダのヒータ接続側端面及び前記装置取付面と前記第２シリンダのクーラー接続側端面とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
第１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、
前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、
装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項３】
第１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、
前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、
熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記熱媒体通路の中心軸と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項４】
さらに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第１シリンダが配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項５】
第１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、
前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、
前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、
熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置されるとともに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第１シリンダが配置され、かつ前記熱媒体の流れ方向の下流側に前記第２シリンダが配置されるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項６】
前記ヒータのみが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項７】
前記ヒータと前記再生器が前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【請求項８】
前記第１シリンダと前記第２シリンダとは直列に配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱回収装置に関し、さらに詳しくは、排熱回収効率の低下を抑制して内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることのできる排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。特許文献１には、エンジンの無効容積を極力小さくして、エンジンの性能を十分保持できるとともに、伝熱管の溶接箇所を大幅に減少できるＶ型のスターリングエンジンが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】実開平４−８９８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、スターリングエンジンによる排熱回収においては、排熱により効率よくヒータを加熱し、また、温度分布の小さい作動流体をシリンダ内に導入する必要がある。しかし、内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路に対するスターリングエンジンの取り付け方によっては、効率的にヒータ（加熱部）やクーラー（冷却器）を配置することが困難になる場合も多く、その結果排熱回収効率の低下を招くことがある。しかし、特許文献１には、スターリングエンジンを内燃機関の排気管等に取り付ける具体的な構成は開示されていない。
【０００５】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱回収効率の低下を抑制して内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることのできる排熱回収装置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】
上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、第１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記第１シリンダのヒータ接続側端面及び前記装置取付面と前記第２シリンダのクーラー接続側端面とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。
【０００７】
この排熱回収装置は、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、シリンダのヒータ接続側端面及びクーラー接続側端面とを平行にして、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラーから第２シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。
【０００８】
また、次の本発明に係る排熱回収装置は、１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、装置取付面を備えるとともに熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記装置取付面と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。
【０００９】
この排熱回収装置は、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、クランク軸の回転軸とを平行にして、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラーから第２シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。
【００１０】
また、次の本発明に係る排熱回収装置は、１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置され、かつ、前記熱媒体通路の中心軸と前記クランク軸の回転軸とが平行になるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。
【００１１】
この排熱回収装置は、熱媒体通路の中心軸と、クランク軸の回転軸とを平行にして、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラーから第２シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。その結果、排熱回収効率の低下を抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。
【００１２】
また、次の本発明に係る排熱回収装置は、上記排熱回収装置において、さらに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第１シリンダが配置されることを特徴とする。
【００１３】
この排熱回収装置は、上記排熱回収装置の構成を含み、さらに、ヒータに接続される第１シリンダを熱源媒体の上流側に配置して、熱媒体通路に取り付けられる。このような構成により、クーラーの配管長、及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、クーラーから第２シリンダ内に導入される作動流体の温度分布を低減できる。また、温度の高い熱源媒体により加熱された作動流体が第１シリンダ内に導入されるので、排熱の回収効率が向上する。その結果、排熱回収効率の低下をより効果的に抑制して、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。
【００１４】
また、次の本発明に係る排熱回収装置は、第１シリンダ及び第２シリンダと、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダ内を往復運動する第１ピストン及び第２ピストンと、前記第１シリンダに接続されるヒータと、前記ヒータと接続される再生器と、前記再生器に接続されるとともに前記第２シリンダに接続されるクーラーとを含んで構成される熱交換器と、前記第１ピストン及び前記第２ピストンとコンロッドで連結されて、往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、を有し、熱媒体が内部を通過する熱媒体通路の内部に前記ヒータが配置されるとともに、前記熱媒体の流れ方向の上流側に前記第１シリンダが配置され、かつ前記熱媒体の流れ方向の下流側に前記第２シリンダが配置されるように前記熱媒体通路に取り付けられることを特徴とする。
【００１５】
この排熱回収装置は、ヒータに接続される第１シリンダを熱源媒体の上流側に配置して、熱媒体通路に取り付ける。これにより、温度の高い熱源媒体により加熱された作動流体が第１シリンダ内に導入されるので、排熱の回収効率が向上する。また、第１シリンダの下流側にクーラーに連結される第２シリンダが配置されるので、熱源媒体の圧力損失抑制に好ましい設計が容易になる。その結果、内燃機関の排熱を回収する場合には、内燃機関の排圧に対する影響を小さくすることにより、内燃機関及び排熱回収装置の総合的な熱効率低下を抑制しつつ、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。
【００１６】
また、次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記ヒータのみが前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする。
【００１７】
このようにすれば、熱源媒体通路内に配置できるヒータの全表面積を大きくすることができるので、排熱回収装置の排熱回収効率が向上する。
【００１８】
また、次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記ヒータと前記再生器が前記熱媒体通路内に配置されることを特徴とする。
【００１９】
このようにすれば、熱源媒体通路内にヒータと再生器とが配置されるので、排熱回収装置を熱源媒体通路に取り付ける再には、取り付け場所の省スペース化を図ることができる。
【００２０】
また、次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記第１シリンダと前記第２シリンダとは直列に配置されることを特徴とする。
【００２１】
このように、第１シリンダと第２シリンダとが直列に配置された排熱回収装置の場合、熱媒体通路にヒータを配置すると、熱媒体の圧力損失を低減して、内燃機関等に対する排圧の影響を抑えつつ、排熱回収効率の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
この発明に係る排熱回収装置では、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、シリンダのヒータ接続側端面及びクーラー接続側端面とを平行にして、熱媒体通路に取り付けるようにした。これによって、排熱回収効率の低下を抑制しつつ、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。
【００２３】
また、この発明に係る排熱回収装置では、ヒータに接続される第１シリンダを、熱源媒体の上流側に配置して、熱媒体通路に取り付けるようにした。これにより、温度の高い熱源媒体により加熱された作動流体が第１シリンダ内に導入されるので、排熱の回収効率を向上させつつ、排熱回収装置を内燃機関の排気通路や工場排熱の排出通路等に取り付けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記発明を実施するための最良の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明では、排熱回収装置としてスターリングエンジンを用い、内燃機関の排熱を回収する場合を例とするが、排熱の回収対象は内燃機関に限られず、例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収する場合にも本発明は適用できる。
【実施例】
【００２５】
図１は、本発明に係るスターリングエンジンを示す断面図である。図２−１は、高温側ピストンをクランク軸に平行な方向から見た断面図である。図２−２は、ピストンを支持する空気軸受の説明図である。まず、排熱回収装置であるスターリングエンジンについて説明する。本発明に係る排熱回収装置であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１０１内に収められた第１ピストンである高温側ピストン１０２と、第２シリンダである低温側シリンダ１０３内に収められた第２ピストンである低温側ピストン１０４とが直列に配置されている。
【００２６】
高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、基準体である基板１０に支持されている。本発明においては、この基板１０が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的位置精度を確保できる。また、この基板１０は、スターリングエンジン１００を排熱回収対象である排気通路等へ取り付けるときの基準として使用できるという利点もある。
【００２７】
高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、ヒータ１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８によって接続されている。ここで、ヒータ１０５の一端は高温側シリンダ１０１に接続され、他端は再生器１０６に接続される。再生器１０６は、一端がヒータ１０５に接続され他端はクーラー１０７に接続される。クーラー１０７の一端は再生器１０６に接続され、他端は低温側シリンダ１０３に接続される。
【００２８】
また、高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０３及び熱交換器１０８内には作動流体（ここでは空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱及びクーラー１０７で排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン１０２を駆動する。ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。
【００２９】
高温側ピストン１０２と低温側ピストン１０４とは、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３内に空気軸受１１２を介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下においてもスターリングエンジン１００を運転することができる。
【００３０】
空気軸受１１２を構成するため、図２−２に示すように、高温側ピストン１０２と高温側シリンダ１０１との間隔ｔｃは、高温側ピストン１０２等の全周にわたって数十μｍとする。なお、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０３も同様の構成である。これを実現するために、本発明においては高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２と低温側シリンダ１０３と低温側ピストン１０４とをガラスによって構成することが好ましい。なお、ガラスに限られず、セラミックスのような高弾性率材料で高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２と低温側シリンダ１０３と低温側ピストン１０４とを構成してもよいし、異なる材料を組み合わせてこれらを構成してもよい。また、加工の容易な金属材料を使用してもよい。
【００３１】
ここで、上記熱交換器１０８のヒータ１０５は、内部を流れる作動流体を加熱するため、高温熱源内に配置される。このため、熱交換器１０８は、スターリングエンジン１００と比較して熱膨張が大きくなる。この熱膨張により、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３とは、その中心軸ＺｈとＺｌとの軸間距離ｌが大きくなる。これによって、シリンダとピストンとのクリアランスを維持できなくなる結果、空気軸受１１２の機能が発揮できなくなるおそれがある。
【００３２】
この実施例に係る本発明では、基板１０を高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３の作動流体の導入側１０１ｉ、１０３ｉに配置して、両シリンダを基板１０に組み付ける。このような構成により、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３を拘束して、前記軸間距離ｌの増大を抑制する。その結果、スターリングエンジン１００の運転中、ヒータ１０５が高温になった場合でも、シリンダとピストンとのクリアランスを維持して空気軸受１１２の機能を発揮させることができる。
【００３３】
高温側ピストン１０２、低温側ピストン１０４の往復運動は、コンロッド１０９によってクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。コンロッド１０９は、図２−１に示す近似直線機構１１３によって支持されており、高温側ピストン１０２を略直線状に往復運動させる。なお、この近似直線機構１１３は、グラスホッパ機構を利用している。このように、コンロッド１０９を近似直線機構１１３によって支持することにより、高温側ピストン１０２のサイドフォースＦ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい空気軸受１１２によって十分にピストンを支持することができる。なお、低温側ピストン１０４も、高温側ピストン１０２と同様の構成によってクランク軸１１０と連結される。
【００３４】
図１に示すように、クランク軸１１０は、クランク軸支持体２０に設けられた軸受２５で、回転可能に支持される。クランク軸支持体２０は板状の部材であり、基板１０に固定される。また、近似直線機構１１３は、クランク軸支持体２０に設けられた近似直線機構支持部２６によって支持される。このとき、クランク軸支持体２０は、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板１０に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０３は、クランク軸１１０及び近似直線機構１１３の振動や、クランク軸１１０の熱膨張等の影響を受けないので、空気軸受１１２の機能が十分に確保される。
【００３５】
図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０２、クランク軸１１０、近似直線機構１１３等の各構成要素は、ケース１１４に格納される。ケース１１４内は、加圧手段１１５により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体（本実施例では空気）を加圧して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すためである。
【００３６】
また、本発明では、ケース１１４にはシール軸受１１６が取り付けられており、出力軸１１７がシール軸受１１６により支持される。出力軸１１７とクランク軸１１０とは、フレキシブルカップリング１１８を介して連結されており、これを介してケース１１４の外部へクランク軸１１０の出力が伝達される。なお、この実施例において、フレキシブルカップリング１１８には、オルダムカップリングを使用している。
【００３７】
図３は、内燃機関の排気通路にスターリングエンジンを取り付けた状態を説明する概略図である。図４−１、図４−２は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との関係を示す説明図である。排熱回収装置であるスターリングエンジン１００を、内燃機関の排熱回収に使用するにあたり、図３に示すように、スターリングエンジン１００に備えら
れる熱交換器１０８の少なくともヒータ１０５を、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等といった内燃機関１２０の排気通路１２２内に配置する。これにより、熱交換器１０８のヒータ１０５で、熱媒体である内燃機関１２０の排気Ｇから熱エネルギーを回収する。なお、内燃機関１２０の排気通路１２２は、本発明でいう熱媒体通路に該当する。
【００３８】
ここで、ヒータ１０５のみを排気通路１２２内に配置するときは（図４−１）、高温側シリンダ１０１のヒータ接続側端面１０１ｉｔと、再生器１０６のヒータ側における端面１０６ｈｔとは、各面に垂直な距離をできるだけ小さく、好ましくは前記両面を面一とする。ヒータ１０５のみを排気通路１２２内に配置すれば、排気通路１２２内に配置できるヒータ１０５の全表面積を大きくすることができるので、排熱回収効率が向上する。なお、ヒータ接続側端面１０１ｉｔからは、ヒータ１０５で加熱された作動流体が導入される。
【００３９】
前記ヒータ接続側端面１０１ｉｔと、再生器１０６のヒータ側における端面１０６ｈｔとを面一とすれば、排気通路１２２内にヒータ１０５を効率よく配置できるので、排熱の回収効率を向上させることができる。また、高温側シリンダ１０１内へ導入する作動流体の速度分布や温度分布を均一化しやすくなる。これにより、スターリングエンジン１００の熱効率低下を抑制できる。ここで、面一とは、前記ヒータ接続側端面１０１ｉｔと、再生器１０６のヒータ側における端面１０６ｈｔとが完全に同一平面上にある場合のみならず、製造公差上許容される範囲も含む（以下同様）。
【００４０】
また、排気通路１２２の外側環境やスターリングエンジン１００の配置等の条件によっては、図４−２に示すように、再生器１０６を排気通路１２２内に配置してもよい。このようにすれば、排気通路１２２内にヒータ１０５と再生器１０６とが配置されるので、スターリングエンジン１００の取り付けの省スペース化を図ることができる。このときは、高温側シリンダ１０１のヒータ接続側端面１０１ｉｔと、クーラー１０７の再生器側における端面１０７ｒｔとは、各面に垂直な面間距離をできるだけ小さく、好ましくは前記両面を面一とする。前記ヒータ接続側端面１０１ｉｔと、クーラー１０７の再生器側における端面１０７ｒｔとを面一とすれば、排気通路１２２内にヒータ１０５と再生器１０６とを効率よく配置できるので、排熱の回収効率を向上させることができる。
【００４１】
熱交換器１０８のクーラー１０７は、スターリングエンジン１００の低温側シリンダ１０３と排気通路１２２との間に配置される。これにより、クーラー１０７の配管長を揃えることができるとともに、クーラー１０７の配管を直管で構成することができる。その結果、低温側シリンダ１０３内に導入する作動流体の温度分布を低減できるとともに、クーラー１０７による作動流体の圧力損失も抑制できるので、これらに起因するスターリングエンジン１００の熱効率低下を抑制することができる。
【００４２】
排気通路１２２とスターリングエンジン１００とは、排気通路１２２に設けられた装置取付面１２３を介して取り付けられる。このとき、装置取付面１２３と、高温側シリンダ１０１のヒータ接続側端面１０１ｉｔ、及び低温側シリンダ１０３のクーラー接続側端面１０３ｉｔとが平行になるように、スターリングエンジン１００が排気通路１２２へ取り付けられる。あるいは、前記装置取付面１２３とクランク軸の回転軸Ｚｒとが平行に、もしくは排気通路１２２の中心軸Ｚｐとクランク軸の回転軸Ｚｒとが平行になるように、スターリングエンジン１００が排気通路１２２へ取り付けられる。これにより、既存の排気通路に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気通路１２２にスターリングエンジン１００を取り付けることができる。その結果、排熱回収対象である内燃機関１２０本体の性能や搭載性、騒音等の機能を損なうことなくスターリングエンジン１００の熱交換器１０８を排気通路１２２へ搭載することができる。また、同一仕様のスターリングエンジン
１００を異なる排気通路に取り付ける場合でも、熱交換器１０８の仕様を変更するだけで対応できるので、汎用性を向上させることができる。
【００４３】
図５−１、図５−２は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取付構造の分解図である。図５−１に示すように、スターリングエンジン１００は、排気通路１２２に設けられた装置取付面１２３と、高温側シリンダ１０１のヒータ接続側端面１０１ｉｔ、及び低温側シリンダ１０３のクーラー接続側端面１０３ｉｔとが平行になるように、排気通路１２２の装置取付面１２３へ取り付けられる。すなわち、図５−１、図５−２において、θ1＝θ2＝θ3となる。このようにすることで、クーラー１０７及び再生器１０６のそれぞれの配管長Ｌｃ、Ｌｒを揃えることができる。このとき、クーラー１０７の再生器側における端面１０７ｒｔ、及び再生器１０６のヒータ側における端面１０６ｈｔも、装置取付面１２３と平行になるようにすることが好ましい（θ1＝θ4＝θ5）。
【００４４】
このようにすれば、低温側シリンダ１０３内に導入される作動流体の温度分布を低減できるので、作動流体の温度分布に起因するスターリングエンジン１００の熱効率低下を抑制し、排熱回収効率低下を抑制することができる。なお、本発明でいう平行とは、完全な平行のみならず、製造公差上許容される範囲も含む（以下同様）。なお、装置取付面１２３とクランク軸の回転軸Ｚｒとが平行に、あるいは排気通路１２２の中心軸Ｚｐとクランク軸の回転軸Ｚｒとが平行になるようにスターリングエンジン１００を取り付けても、上記構成の奏する作用・効果と同様の作用・効果を奏する。
【００４５】
また、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０２とは、排気Ｇの流れの上流側、すなわち排気通路１２２の内燃機関１２０側に配置される。そして、低温側シリンダ１０３と低温側ピストン１０４とは、高温側シリンダ１０１等の下流側、すなわち排気通路１２２の出口１２２ｏ側に配置される。このような構成により、温度の高い排気により加熱された作動流体が高温側シリンダ１０１内に導入されるので、排熱の回収効率が向上する。その結果、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、高温側シリンダ１０１等の下流側に低温側シリンダ１０３等が配置されるので、排気の圧力損失の抑制に好ましい設計が容易になる。これにより、内燃機関１２０の排圧に対する影響を小さくして、性能低下を抑制できる。その結果内燃機関１２０及びスターリングエンジン１００の総合的な熱効率を向上させることができる。なお、クーラー接続側端面１０３ｉｔからは、クーラー１０７で冷却された作動流体が導入される。
【００４６】
図６−１、図６−２は、本発明に係るスターリングエンジンを車両の床下へ取り付けた例を示す説明図である。直列のα型スターリングエンジンにおいては、図１に示すように、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０３との配列方向が、クランク軸１１０の回転軸Ｚｒと平行になる。このため、高温側シリンダ１０１等の下流側に低温側シリンダ１０３等を配置すると、装置取付面１２３とクランク軸１１０とが平行になる。このため、車両１３０の床１３１の下を取り回される排気通路１２２にスターリングエンジン１００を取り付けるような場合には、スターリングエンジン１００の出力軸であるクランク軸１１０が、車両１３０の床１３１と略平行に配置される。これにより、スターリングエンジン１００の出力は、車両１３０の上下方向ではなく、車両１３０の上下方向（図中矢印Ｙ方向）に対して略垂直方向に取り出されるので、車両の上下方向に対する省スペース化を図ることができる。また、車両１３０に対する搭載性も向上する。
【００４７】
図７−１〜図７−７は、本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。図７−１に示す取付け構造例では、排気通路１２２途中に、スターリングエンジン１００の排熱回収装置取付部１２４を割り込ませ、この排熱回収装置取付部１２４の排熱回収装置取付フランジ１２３（装置取付面１２３）にスターリングエンジン１００を取り付ける。図７−２は、図７−１を矢印Ａ方向からみた図である。図７
−２に示すように、排熱回収装置取付フランジ１２３には、スターリングエンジン１００の熱交換器１０８を組み込むために開口１２３ｏが形成されている。なお、排熱回収装置取付部１２４は、例えば鋳造によって製造することができる。
【００４８】
図７−３、図７−４に示すように、熱交換器取付フランジ１２５に熱交換器１０８のヒータ１０５が取り付けられる。ここで、図７−４は、図７−３を矢印Ｂ方向からみた図である。なお、再生器１０６も排気通路１２２内に配置する場合には、図７−５に示すようにヒータ１０５と再生器１０６とを熱交換器取付フランジ１２５へ取り付ける。図７−６に示すように、スターリングエンジン１００の高温側シリンダ１０１の作動流体導入側、すなわちヒータ１０５側には、第１連結フランジ１２７ａが設けられている。また、低温側シリンダ１０３の作動流体導入側、すなわちクーラー１０７側にはクーラー１０７及び再生器１０６が取り付けられるとともに、再生器１０６のヒータ連結側には、第２連結フランジ１２７ｂが設けられている。
【００４９】
図７−６に示すように、ヒータ１０５が取り付けられた熱交換器取付フランジ１２５と前記第１及び第２連結フランジ１２７ａ、１２７ｂとをボルト１２８で締結する。そして、図７−７に示すように、少なくともヒータ１０５を取り付けた熱交換器取付フランジ１２５と、排熱回収装置取付フランジ１２３とをボルト１２６によって締結して、スターリングエンジン１００の少なくともヒータ１０５を排気通路１２２に取り付ける。
【００５０】
これにより、熱交換器１０８が形成されるとともに、スターリングエンジン１００が排気通路１２２に取り付けられる。また、スターリングエンジン１００の基板１０と排熱回収装置取付フランジ１２３との間に、連結部材１２９を設けて両者を連結する。これにより、より確実にスターリングエンジン１００を排気通路１２２に固定することができる。さらに、連結部材１２９に強度部材としての機能を持たせれば、高温側シリンダ１０１やクーラー１０７に対して無理な力が作用することを防止できる。なお、スターリングエンジン１００を排気通路１２２へ取り付ける際には、スターリングエンジン１００の基板１０を、排熱回収装置取付フランジ１２３に対する取付基準とすることが好ましい。このようにすれば、上述した、排熱回収装置取付フランジ１２３（装置取付面１２３）と高温側シリンダ１０１のヒータ接続側端面１０１ｉｔ等との位置関係を、正確かつ容易に求めることができる。その結果、スターリングエンジン１００の取り付けが容易になるとともに、スターリングエンジン１００の取り付け精度も向上させることができる。スターリングエンジン１００を取り付けた排熱回収装置取付部１２４は、これに設けられた取付フランジ１２４ｆと、排気通路１２２に設けた取付フランジ１２２ｆとを固定することにより、排気通路１２２に取り付けられる。
【００５１】
以上、この実施例に係る本発明によれば、熱媒体通路に排熱回収装置を取り付ける際には、熱媒体通路に設けられた装置取付面と、高温側シリンダ及び低温側シリンダのヒータ接続側端面及びクーラー接続側端面とが平行になるように取り付ける。あるいは、前記装置取付面と排熱回収装置のクランク軸の回転軸とが平行に、もしくは排気通路の中心軸Ｚｐと前記排熱回収装置のクランク軸の回転軸とが平行になるように、排熱回収装置を取付ける。これにより、クーラー及び再生器のそれぞれの配管長を揃えることができるので、低温側シリンダ内に導入される作動流体の温度分布や速度分布を低減できる。その結果、作動流体の温度や流速の分布に起因する排熱回収装置の熱効率低下を抑制し、排熱回収効率低下を抑制することができる。また、装置取付面を介して熱媒体通路に取り付けるので、排熱回収装置を容易に熱媒体通路に取り付けることができる。
【００５２】
また、この実施例に係る本発明によれば、高温側シリンダは熱媒体の流れの上流側に配置され、低温側シリンダは高温側シリンダの下流側に配置される。このように配置により、温度の高い熱媒体により加熱された作動流体が高温側シリンダ内に導入されるので、排
熱の回収効率が向上する。また、高温側シリンダの下流側に低温側シリンダが配置されるので、熱媒体の圧力損失の抑制に好ましい設計が容易になる。その結果、内燃機関から排熱を回収する場合には、排圧に対する影響を小さくして、内燃機関及び排熱回収装置全体の熱効率を向上させることができる。このように、本発明では排熱回収効率低下を抑制できるとともに、熱媒体の圧力損失も抑制できるので、例えば内燃機関から排熱を回収する場合のように、熱媒体の温度が比較的低い場合には特に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関や工場の排熱回収に有用であり、特に、排熱の温度レベルが比較的低い場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２−１】高温側ピストンをクランク軸に平行な方向から見た断面図である。
【図２−２】ピストンを支持する空気軸受の説明図である。
【図３】内燃機関の排気通路にスターリングエンジンを取り付けた状態を説明する概略図である。
【図４−１】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との関係を示す説明図である。
【図４−２】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との関係を示す説明図である。
【図５−１】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取付構造の分解図である。
【図５−２】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取付構造の分解図である。
【図６−１】本発明に係るスターリングエンジンを車両の床下へ取り付けた例を示す説明図である。
【図６−２】本発明に係るスターリングエンジンを車両の床下へ取り付けた例を示す説明図である。
【図７−１】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。
【図７−２】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。
【図７−３】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。
【図７−４】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。
【図７−５】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。
【図７−６】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。
【図７−７】本発明に係るスターリングエンジンと排気通路との取り付け構造例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００  スターリングエンジン
１０１  高温側シリンダ
１０１ｉｔ  ヒータ接続側端面
１０２  高温側ピストン
１０３  低温側シリンダ
１０３ｉｔ  クーラー接続側端面
１０４  低温側ピストン
１０５  ヒータ
１０６  再生器
１０６ｈｔ  ヒータ側における端面
１０７  クーラー
１０７ｒｔ  再生器側における端面
１０８  熱交換器
１２０  内燃機関
１２２  排気通路
１２３  装置取付面（排熱回収装置取付フランジ）
１３０  車両
【図１】
2005106010.tif 000003
【図２−１】
2005106010.tif 000004
【図２−２】
2005106010.tif 000005
【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５−１】
2005106010.tif 000009
【図５−２】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図７−３】
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【図７−４】
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【図７−５】
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【図７−６】
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【図７−７】
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