(57)【要約】【課題】容易にコンパクトな形で密封状態を保って多段接続できるスターリングエンジン及び容易にスターリングエンジンを追加できるスターリングエンジン設備を提供することである。【解決手段】パワーピストンの上下運動を回転運動に変換する機構を持つスターリングエンジン本体を収納したクランクケース２０から軸受で支承されて突出した出力軸１９を覆ってフランジ部２２を設ける。スターリングエンジンの出力軸１９を連結して多段に連結する際に隣接するクランクケース２０のフランジ部２２を密閉して連結する。その際、クランクケース２０に設けられた貫通孔２３は、フランジ部２２が形成する空間とクランクケース２０内の空間とが同一空間とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーピストンの上下運動を回転運動に変換する機構を持つスターリングエンジン本体を収納したクランクケースと、
前記クランクケースから軸受で支承されて突出した出力軸を覆って設けられたフランジ部と、
前記フランジ部が形成する空間と前記クランクケース内の空間とが同一空間となるように前記クランクケースに設けられた貫通孔とを有し、
前記スターリングエンジンの出力軸を連結して多段に連結する際に隣接する前記クランクケースのフランジ部を密閉して連結することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
複数個の請求項１記載のスターリングエンジンを連結し、連結した一方端部のスターリングエンジンの前記クランクケースの端部のフランジ部には閉止栓を取り付け、連結した他方端部のスターリングエンジンの前記クランクケースの端部には発電機を収納しフランジ部を有した発電機ケースを取り付けたことを特徴とするスターリングエンジン設備。
【請求項３】
ｎ台のスターリングエンジンが連結されたとき各々のスターリングエンジンのパワーピストンを２π／ｎずつずらした位相差で運転することを特徴とする請求項２記載のスターリングエンジン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーピストンの上下運動を回転運動に変換する機構を持つスターリングエンジン及びそのスターリングエンジンを多段連結したスターリングエンジン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは、高圧ヘリウム等を作動ガスとして用いることが一般的であるが、スターリングエンジンの軸受からは作動ガスのリークが発生する。
【０００３】
図８は、スターリングエンジンを多段に接続し発電機を駆動する従来のスターリングエンジン設備の説明図である。図８に示すように、燃焼炉１１には燃料が投入されるとともに、空気予熱器１２を介して空気が供給され、燃焼炉１１で燃料が燃焼する。燃焼炉１１で発生した燃焼ガス１３は熱交換器１４に導かれ、スターリングエンジン１５の加熱器１６に熱を供給する。スターリングエンジン１５の加熱器１６に熱を供給した燃焼ガスは、空気予熱器１２で空気を予熱して煙突１７から排出される。
【０００４】
スターリングエンジン１５は多段に連結されており、多段のスターリングエンジン１５にて１台の発電機１８を駆動する。図８では３台のスターリングエンジン１５が連結された場合を示している。このような多段接続のスターリングエンジン設備では、スターリングエンジン１５の出力軸１９の軸受から作動ガスがリークすることがある。
【０００５】
そこで、出力軸に発電機を接続する場合は、発電機ごとケースに収容し外部に作動ガスが漏れないような構造が取られる。この構造では、軸受でのシールが必要ないので、機械損失を低減することができる。また、スターリングエンジンを多段に接続した場合、全体をケースで覆う形式もある（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１１８４０６号公報
【特許文献２】特許第４２４６２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１、２のものでは、出力軸の軸受からのリーク対策として全体をケースで覆っているので、利便性が悪くコンパクト化も難しい。例えば、３段接続したスターリングエンジン設備において、スターリングエンジン１５を１台追加して４段接続したスターリングエンジン設備としたい要請があった場合、新たに４段接続したスターリングエンジン１５を覆うことができるケースを製作しなければならない。
【０００８】
本発明の目的は、容易にコンパクトな形で密封状態を保って多段接続できるスターリングエンジン及び容易にスターリングエンジンを追加できるスターリングエンジン設備を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明に係るスターリングエンジンは、パワーピストンの上下運動を回転運動に変換する機構を持つスターリングエンジン本体を収納したクランクケースと、前記クランクケースから軸受で支承されて突出した出力軸を覆って設けられたフランジ部と、前記フランジ部が形成する空間と前記クランクケース内の空間とが同一空間となるように前記クランクケースに設けられた貫通孔とを有し、前記スターリングエンジンの出力軸を連結して多段に連結する際に隣接する前記クランクケースのフランジ部を密閉して連結することを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明に係るスターリングエンジン設備は、複数個の請求項１記載のスターリングエンジンを連結し、連結した一方端部のスターリングエンジンの前記クランクケースの端部のフランジ部には閉止栓を取り付け、連結した他方端部のスターリングエンジンの前記クランクケースの端部には発電機を収納しフランジ部を有した発電機ケースを取り付けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明に係るスターリングエンジン設備は、請求項２の発明において、ｎ台のスターリングエンジンが連結されたとき各々のスターリングエンジンのパワーピストンを２π／ｎずつずらした位相差で運転することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明によれば、クランクケースから軸受で支承されて突出した出力軸を覆ってフランジ部を設け、スターリングエンジンの出力軸を連結して多段に連結する際に隣接するクランクケースのフランジ部を密閉して連結するので、容易にコンパクトな形で密封状態を保って多段接続できる。また、フランジ部が形成する空間とクランクケース内の空間とが同一空間となるようにクランクケースに貫通孔を設けているので、各々のクランクケースの内圧がほぼ一定に保たれる。
【００１３】
請求項２の発明によれば、請求項１記載のスターリングエンジンを多段に連結し、連結した一方端部のスターリングエンジンの端部には閉止栓を取り付け、連結した他方端部のスターリングエンジンの端部には発電機を収納した発電機ケースをガスケットを介して取り付けるので、容易にスターリングエンジンを追加できる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明の効果に加え、ｎ台のスターリングエンジンが連結されたとき各々のスターリングエンジンのパワーピストンを２π／ｎずつずらした位相差で運転するので、貫通孔で連通した各々のクランクケースのパワーピストンの動作によって生じる内圧の変動を抑制でき、多段接続した各々のクランクケース全体の振動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態１に係るスターリングエンジンの外観構成図。
【図２】複数個のスターリングエンジンが多段接続されたスターリングエンジン設備の外観構成図。
【図３】スターリングエンジンの一例の説明図。
【図４】スターリングエンジンの加熱工程及び冷却工程の効率化法の一例の説明図。
【図５】スターリングエンジンの加熱工程及び冷却工程の効率化法の他の一例の説明図。
【図６】図２に示したスターリングエンジン設備を熱交換器に配置した一例の説明図。
【図７】スターリングエンジン設備に共通の１台の発電機を接続して熱交換器に配置した一例の説明図。
【図８】スターリングエンジンを多段に接続し発電機を駆動する従来のスターリングエンジン設備の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態１に係るスターリングエンジンの外観構成図である。スターリングエンジン１５は、クランクケース２０の内部に図示省略のスターリングエンジン本体が収納されて構成される。スターリングエンジン本体は、パワーピストンとディスプレーサーピストンとを有し、さらに、パワーピストンの上下運動を回転運動に変換するクランク機構を有している。このパワーピストンの下部空間とクランクケース内部空間とは同一空間となっている。そして、クランク機構により回転運動する出力軸１９が軸受で支承されてクランクケース２０の両端から突出している。出力軸１９には軸連結部２１が取り付けられており、この連結部２１にて隣接するスターリングエンジンの出力軸１９と連結される。
【００１７】
また、クランクケース２０には出力軸１９を覆うようにフランジ部２２が設けられ、フランジ部２２が設けられた部分には貫通孔２３が設けられている。貫通孔２３は、フランジ部２２が形成する空間とクランクケース２０内の空間とを連通し、これらの空間を同一空間となるようにしている。また、フランジ部２２には作動ガスを供給する作動ガス供給口２４が設けられている。これにより、クランクケース２０の内圧を加圧することができるようになっている。このように構成されたスターリングエンジンは、フランジ部２２を連結することによって、複数個のスターリングエンジンが多段接続される。
【００１８】
図２は、複数個のスターリングエンジンが多段接続されたスターリングエンジン設備の外観構成図である。図２に示すように、図１に示したスターリングエンジン１５を複数個連結して、スターリングエンジン設備が構成されている。図２では、３台のスターリングエンジン１５が連結された場合を示している。
【００１９】
まず、３台のスターリングエンジン１５の出力軸１９の軸連結部２１を互いに連結するとともに、端部のスターリングエンジン１５の出力軸１９の軸連結部２１を発電機１８の回転軸２５の軸連結部２１に取り付ける。発電機１８は発電機ケース２６に収納されており、フランジ部２２を有している。
【００２０】
そして、隣り合うスターリングエンジン１５のフランジ部２２の間、スターリングエンジン１５のフランジ部２２と発電機ケース２６のフランジ部２２との間にガスケット２７を介在させて連結する。連結したスターリングエンジン１５のうち、一方端部のスターリングエンジン１５は、連結するスターリングエンジン１５や発電機１８がないので、閉止栓２８をクランクケース２０のフランジ部２２にガスケット２７を介在させて取り付ける。
【００２１】
これにより、スターリングエンジン１５の出力軸１９を互いに連結して多段に連結するとともに、発電機の回転軸２５に連結する。そして、フランジ部２２をガスケット２７を介在させて、クランクケース２０及び発電機ケース２６を密閉する。その後に、いずれかの作動ガス供給口２４を開放し、別の作動ガス供給口２４から作動ガスをクランクケース２０及び発電機ケース２６に注入し、作動ガスが充満すると開放していた作動ガス供給口２４を閉じ、さらに作動ガス供給口２４から作動ガスを注入して、所定圧力になるまで作動ガスをクランクケース２０及び発電機ケース２６に注入する。
【００２２】
これにより、同一構造のスターリングエンジン１５を容易に密封状態のまま、コンパクトな形で多段に接続することが可能となる。従って、スターリングエンジン１５の追加や取り外しも容易にできる。
【００２３】
次に、図３はスターリングエンジンの一例の説明図である。図３ではγ形のスターリングエンジンを一例として示している。図３（ａ）は等容加熱過程の説明図、図３（ｂ）は等温膨張過程の説明図、図３（ｃ）は等容冷却過程の説明図、図３（ｄ）は等温圧縮過程の説明図である。スターリングエンジンはパワーピストン２９とディスプレーサーピストン３０とを有し、ディスプレーサーピストン３０のシリンダ３１の上部は、作動ガスの膨張室３２となり、下部は作動ガスの圧縮室３３となる。ディスプレーサーピストン３０は、シリンダ３１の側壁と間隔を保って配置されているので、作動ガスはディスプレーサーピストン３０の動きに応じて膨張室３２と圧縮室３３との間を移動する。
【００２４】
また、膨張室３２と圧縮室３３との間には、加熱器１６、再生器３４、冷却器３５が設けられている。加熱器１６は、例えば、図８に示す熱交換器１４の燃焼ガス１３により熱せされ、冷却器３５は空冷または水冷で冷やされる。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、ディスプレーサピストン３０が圧縮室側に移動すると、作動ガスが加熱器１６を通過して高温となり膨張室３２に流れ込み、シリンダ３２内のガス圧力が高まる。シリンダ３２内のガス圧力が高まると、図３（ｂ）に示すように、パワーピストン２９が押し出され、クランク機構を介して出力軸１９に回転力を与える。この状態から、図３（ｃ）に示すように、ディスプレーサピストン３０が膨張室側に移動すると、作動ガスが冷却器３５を通過して低温となり圧縮室３３に流れ込み、シリンダ３２内のガス圧力が低下する。シリンダ３２内のガス圧力が低下すると、図３（ｄ）に示すように、パワーピストン２９が押し込まれ、クランク機構を介して出力軸１９に回転力を与える。このように、ディスプレーサピストン３０とパワーピストン２９とは位相差を持って動作する。
【００２６】
図４は、スターリングエンジン１５の加熱工程及び冷却工程の効率化法の一例の説明図である。膨張室３２と圧縮機３３との間に設けられる加熱器１６、再生器３４、冷却器３５には、図４に示すように４個の逆止弁３６ａ〜３６ｄが設けられている。等容加熱のときは、圧縮室３３から、逆止弁３６ｃ、再生器３４、加熱器１６及び逆止弁３６ａを通り膨張室３２に作動ガスが流入する。つまり、作動ガスは冷却器３５を通らないので、加熱器１６での加熱効率が向上する。一方、等容冷却のときは、膨張室３２から、逆止弁３６ｂ、再生器３４、冷却器３５及び逆止弁３６ｄを通り圧縮室３３に作動ガスが流入する。つまり、作動ガスは加熱器１６を通らないので、冷却器３５での冷却効率が向上する。
【００２７】
図５は、スターリングエンジン１５の加熱工程及び冷却工程の効率化法の他の一例の説明図であり、図５（ａ）はスターリングエンジン１５の加熱工程の効率化法の説明図、図５（ｂ）はスターリングエンジン１５の冷却工程の効率化法の説明図である。図５では、図４に示すものに対して、逆止弁３６ａ〜３６ｄに代えて、電磁弁３７ａ〜３７ｄを設けたものである。
【００２８】
等容加熱のときは、スターリングエンジン１５の位相により等容加熱過程を検知し、電磁弁３７ａ、３７ｃを開き、電磁弁３７ｂ、３７ｄを閉じる。これにより、等容加熱のときは、圧縮室３３から、電磁弁３７ｃ、再生器３４、加熱器１６及び電磁弁３７ａを通り膨張室３２に作動ガスが流入する。一方、等容冷却のときは、膨張室３２から、電磁弁３７ｂ、再生器３４、冷却器３５及び電磁弁３７ｄを通り圧縮室３３に作動ガスが流入する。つまり、等容加熱のときは、作動ガスは冷却器３５を通らないので、加熱器１６での加熱効率が向上し、等容冷却のときは、作動ガスは加熱器１６を通らないので、冷却器３５での冷却効率が向上する。
【００２９】
ここで、ｎ台のスターリングエンジン１５を多段に連結したときは、各々のスターリングエンジン１５のパワーピストン２９を２π／ｎずつずらした位相差で運転する。例えば、３台のスターリングエンジン１５を多段に連結したときは、位相を２π／３ずつずらした０、２π／３、４π／３の位相で運転する。これにより、貫通孔２３で連通した各々のクランクケース２０のパワーピストンの動作によって生じる内圧の変動を抑制でき、多段接続した各々のクランクケース全体の振動を抑制できる。
【００３０】
次に、図６は、図２に示したスターリングエンジン設備を熱交換器１４に配置した一例の説明図である。図６では３個のスターリングエンジン設備を熱交換器１４に配置した場合を示している。図６に示すように、熱交換器１４に高温の燃焼ガス１３が流れ込む上流側から下流側に、順番に３個のスターリングエンジン設備を配置している。
【００３１】
すなわち、まず１個目のスターリングエンジン設備を最上流に配置し、そのスターリングエンジン設備の下流側に２個目のスターリングエンジン設備を配置し、さらに、その下流側に３個目のスターリングエンジン設備を配置する。これにより、上流側から下流側に行くにつれて、燃焼ガスから供給される熱量は減少していくが、各スターリングエンジン設備のスターリングエンジンには、ほぼ等しい熱量が与えられる。従って、貫通孔２３で連通した各々のクランクケース２０の内圧の変動を抑制できる。
【００３２】
図７は、スターリングエンジン設備に共通の１台の発電機を接続して熱交換器１４に配置した一例の説明図である。この一例は、複数個のスターリングエンジン１５を連結したスターリングエンジン設備の端部に共通の１台の発電機を接続するようにしたものである。
【００３３】
図７に示すように、各々のスターリングエンジンの出力軸１９を連結する連結ギア３８を設け、この連結ギア３８にて各々のスターリングエンジン１５の出力軸１９を連結し、１つの出力軸１９を発電機の回転軸２５に連結する。連結ギア３８は連結ギアケース３９に収納されておりフランジ部２２を有し、密閉して連結できる構造となっている。このように、スターリングエンジン設備は、複数のスターリングエンジンを直列に連結するだけでなく、連結ギア３８を用いて並列にも接続できる。また、出力軸１９毎の出力に応じたギア比にして１本の出力軸に統合できる。
【００３４】
以上述べたように、本発明の実施形態によれば、スターリングエンジン１５のクランクケース２０から突出した出力軸１９及び軸受部分のみを覆う形でフランジ部２２を設け、多段に連結する際には出力軸１９及びこのフランジ部２２同士を接続することで、同一構造のスターリングエンジン１５を容易に密封状態を保ったまま任意の数を接続することができる。このフランジ部２２はガスケットを用いたシールを行うことで、密封状態を保ったまま接続できる。発電機１８についても、同様のフランジ部２２を有する発電機ケース２６に内蔵したものを用いることで、密封状態のままで連結できる。
【００３５】
また、フランジ部２２が形成する空間とクランクケース２０の空間とが同一空間となるように軸受とは別に貫通孔２３を設けるので、複数個のスターリングエンジンを連結した場合であっても内部圧力を均一化ができる。また、それぞれのクランクケース２０の空間は貫通孔２３を通して貫通しているため、スターリングエンジン１５の連結数に応じてそれぞれのパワーピストン２９の位相差を調整することで、パワーピストンの動作の影響を受けることなくクランクケース２０の圧力を調整できる。これにより、クランクケース２０の圧力変動を吸収、振動を抑制することができる。
【００３６】
さらに、連結した出力軸１９が複数本ある場合でも、それぞれの出力軸を１９さらに同一のフランジ部２２を持つ連結ギアケース３９で覆った連結ギア３８を用い、出力軸１９毎の出力に応じたギア比にして１本の出力軸に統合するので、発電機１８が一つでも運用が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１１…燃焼炉、１２…空気予熱器、１３…燃焼ガス、１４…熱交換器、１５…スターリングエンジン、１６…加熱器、１７…煙突、１８…発電機、１９…出力軸、２０…クランクケース、２１…軸連結部、２２…フランジ部、２３…貫通孔、２４…作動ガス供給口、２５…回転軸、２６…発電機ケース、２７…ガスケット、２８…閉止栓、２９…パワーピストン、３０…ディスプレーサーピストン、３１…シリンダ、３２…膨張室、３３…圧縮室、３４…再生器、３５…冷却器、３６…逆止弁、３７…電磁弁、３８…連結ギア、３９…連結ギアケース
【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】
2012197756.tif 000007
【図６】
2012197756.tif 000008
【図７】
2012197756.tif 000009
【図８】
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