JP2002266699A - スターリングエンジン - Google Patents

スターリングエンジン

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JP2002266699A JP2001069228A JP2001069228A JP2002266699A JP 2002266699 A JP2002266699 A JP 2002266699A JP 2001069228 A JP2001069228 A JP 2001069228A JP 2001069228 A JP2001069228 A JP 2001069228A JP 2002266699 A JP2002266699 A JP 2002266699A
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正樹 坂
Masahiro Asai
正裕 浅井
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリングエンジンの熱再生器を利用して
効率的な熱電磁気発電を行う。 【解決手段】 スターリングエンジンの熱再生器２３
は、高温作動ガスおよび低温作動ガスが交互に通過して
周期的に温度が増減する。熱再生器２３に一体に設けら
れた熱電磁気発電機Ｇは、熱再生器２３を通る閉じた磁
気回路を構成するヨーク３３と、磁気回路に磁束を供給
する永久磁石３２と、磁気回路の磁束の変化に感応する
誘導コイル３５とを備えており、強磁性体から構成され
る熱再生器２３のキュリー温度は、その熱再生器２３の
温度変動範囲内に存在する。熱再生器２３の温度がキュ
リー温度を挟むように周期的に変動すると、熱再生器２
３の温度がキュリー温度を通過する度に誘導コイル３５
を通過する磁束が大きく変化し、誘導コイル３５に大き
な起電力を発生させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、膨張室および圧縮
室間を行き来する作動ガスの熱を蓄熱および放熱する熱
再生器に熱電磁気発電機を設けたスターリングエンジン
に関する。
【０００２】
【従来の技術】スターリングエンジンの熱再生器とし
て、従来一般的に使用されていた同一メッシュ数の金属
金網の積層体に代えて、メッシュ数の異なる金属金網の
積層体を使用することで、熱再生器の性能を高めてスタ
ーリングエンジンの熱効率を改善することが、日本機械
学会論文集（Ｂ編） ６２巻 ５９５号 「セミフリー
ピストンスターリングエンジン再生器の複合メッシュマ
トリックスによる性能向上」において述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで熱再生器は金
属メッシュのような細い通路を作動ガスが行き来するた
め、その作動ガスの流通抵抗によるエネルギー損失でス
ターリングエンジン全体の熱効率が低下する問題があ
る。そこで、作動ガスの行き来に伴って熱再生器の温度
が周期的に増減することに着目し、熱電磁気発電機を熱
再生器に組み合わせて発電を行い、作動ガスの流通抵抗
によるエネルギー損失を補償することが考えられる。
【０００４】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、スターリングエンジンの熱再生器を利用して効率的
な熱電磁気発電を行うことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載された発明によれば、加熱器により
加熱される膨張室と冷却器により冷却される圧縮室とを
接続する連通路に、膨張室および圧縮室間を行き来する
作動ガスの熱を蓄熱および放熱する熱再生器を配置し、
この熱再生器に熱電磁気発電機を設けたスターリングエ
ンジンであって、前記熱電磁気発電機は、熱再生器を通
る閉じた磁気回路を構成するヨークと、磁気回路に磁束
を供給する起磁力手段と、磁気回路の磁束の変化に感応
する誘導コイルとを備え、強磁性体から構成される熱再
生器のキュリー温度は、その熱再生器の温度変動範囲内
に存在することを特徴とするスターリングエンジンが提
案される。
【０００６】上記構成によれば、強磁性体よりなる熱再
生器の温度がキュリー温度を挟むように周期的に変動す
るので、熱再生器の温度がキュリー温度を通過する度に
誘導コイルを通過する磁束を大きく変化させ、誘導コイ
ルに大きな起電力を発生させることができる。このよう
に熱再生器に設けた熱電磁気発電機により効率的な発電
を行うとができるので、作動ガスが熱再生器を通過する
際に発生する流通抵抗によるエネルギー損失を補償し、
スターリングエンジン全体の熱効率を高めることができ
る。
【０００７】また請求項２に記載された発明によれば、
請求項１の構成に加えて、熱再生器は作動ガスの流動方
向に分割された複数のセグメントから構成され、各々の
セグメントのキュリー温度を熱再生器の膨張室側から圧
縮室側に向けて順次低くなるように設定したことを特徴
とするスターリングエンジンが提案される。
【０００８】上記構成によれば、熱再生器を複数のセグ
メントに分割し、それぞれのセグメントのキュリー温度
を熱再生器の膨張室側から圧縮室側に向けて順次低くな
るように設定したので、熱再生器の温度分布が加熱器側
から冷却器側に向けて次第に低くなっていても、熱再生
器の全域の温度がキュリー温度を挟んで増減するように
し、熱電磁気発電機に効率的な発電を行わせることがで
きる。
【０００９】尚、実施例の永久磁石３２は本発明の起磁
力手段に対応する。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１１】図１〜図６は本発明の第１実施例を示すも
ので、図１はγ型のスターリングエンジンの全体構造を
説明する図、図２は熱電磁気発電機の斜視図、図３は図
２の３−３線断面図、図４は熱再生器の温度および透磁
率の関係を示すグラフ、図５は熱電磁気発電機を模式化
した図、図６は熱電磁気発電機の磁界および磁束密度の
関係を示すグラフである。
【００１２】図１に示すように、γ型のスターリングエ
ンジンＥは、シリンダ軸線を略直角に交差させて配置し
たディスプレーサ装置１１およびパワーシリンダ装置１
２を備えており、ディスプレーサシリンダ１３に摺動自
在に嵌合するディスプレーサピストン１４と、パワーシ
リンダ１５に摺動自在に嵌合するパワーピストン１６と
が、出力軸となる共通のクランクシャフト１７に各々コ
ネクティングロッド１８，１９を介して接続される。こ
れにより、ディスプレーサピストン１４およびパワーピ
ストン１６は相互に略９０°の位相差をもって往復運動
する。
【００１３】ディスプレーサシリンダ１３の内部は、デ
ィスプレーサピストン１４によって頭部側の膨張室２０
と底部側の圧縮室２１とに区画されており、膨張室２０
および圧縮室２１を接続する連通路２２に熱再生器２３
が設けられる。膨張室２０の周囲には燃料ガスの燃焼に
より該膨張室２０内の作動ガスを加熱するための加熱器
２４が設けられ、圧縮室２１の周囲には冷却水の循環に
より該圧縮室２１内の作動ガスを冷却するための冷却器
２５が設けられる。
【００１４】蓄熱および放熱が可能な熱再生器２３は、
加熱器２４で加熱された膨張室２０の高温作動ガスが、
ディスプレーサピストン１４が図中左動することで連通
路２２を介して圧縮室２１側に移動するときに、前記高
温作動ガスから奪った熱を吸収する。また熱再生器２３
は、冷却器２５で冷却された圧縮室２１の低温作動ガス
が、ディスプレーサピストン１４が図中右動することで
連通路２２を介して膨張室２０側に移動するときに、そ
こに蓄えられた熱を前記低温作動ガスに放出する。従っ
て、熱再生器２３自体の温度も蓄熱時に上昇して放熱時
に低下することになり、熱再生器２３にディスプレーサ
ピストン１４の往復動に同期した温度変化が発生する。
【００１５】パワーシリンダ装置１２のパワーシリンダ
１５およびパワーピストン１６間に区画された作動室２
６は、連通路２７を介してディスプレーサ装置１１の圧
縮室２１に連通する。
【００１６】次に、図２および図３を併せて参照して熱
電磁気発電機Ｇの構造を説明する。熱再生器２３は感温
フェライトのような強磁性体で構成されており、作動ガ
スとの接触表面積を確保すべく多数の微細な通路を備え
る。熱再生器２３の左右両側面には一対の磁極３１，３
１と起磁力手段としての一対の永久磁石３２，３２とが
積層され、更に両永久磁石３２，３２の側面にＵ字状の
ヨーク３３の両端が結合されており、これら熱再生器２
３、磁極３１，３１、永久磁石３２，３２、永久磁石３
２，３２およびヨーク３３によって磁気閉回路が構成さ
れる。ヨーク３３の熱再生器２３に対向する部分に設け
たボビン３４に、磁気回路の磁束の変化に感応する誘導
コイル３５が巻回される。誘導コイル３５の巻回面は磁
束の方向に直交するように配置される。
【００１７】図４には、熱再生器２３の温度Ｔに対する
透磁率μの変化特性が示されており、その透磁率μはキ
ュリー温度Ｔｃを境にして特異な変化をする。即ち、キ
ュリー温度Ｔｃ未満の温度領域では熱再生器２３の温度
上昇に伴って透磁率μは正値の範囲で減少から増加に転
じた後に再度減少するが、キュリー温度Ｔｃ以上の温度
領域では透磁率μは０になる。そして、前記キュリー温
度Ｔｃは、熱再生器２３の温度Ｔの変動範囲（最大値お
よび最小値の間の領域）内に位置している。
【００１８】次に、上記構成を備えた本実施例の作用を
説明する。
【００１９】先ず、γ型のスターリングエンジンＥの作
動を、図１に基づいて説明する。ディスプレーサ装置１
１の膨張室２０が加熱器２４により加熱され、ディスプ
レーサ装置１１の圧縮室２１が冷却器２５において冷却
される。この状態でディスプレーサピストン１４が図１
において左動し、膨張室２０から押し出された高温の作
動ガスの熱が熱再生器２３に吸収されると、作動ガスが
低温になって該作動ガスが存在する空間（膨張室２０、
圧縮室２１、連通路２２および熱再生器２３）の圧力が
低圧になる。一方、ディスプレーサピストン１４が図１
において右動し、圧縮室２１から押し出された低温の作
動ガスに熱再生器２３に吸収されていた熱が放出される
と、作動ガスが高温になって該作動ガスが存在する空間
の圧力が高圧になる。
【００２０】従って、前記空間に連通路２７を介して連
通するパワーシリンダ装置１２の作動室２６に対向する
パワーピストン１６の位相が、作動ガスの低圧時に圧縮
行程にあり、作動ガスの高圧時に膨張行程にあるように
設定すれば、つまりディスプレーサピストン１４および
パワーピストン１６が略９０°の位相差を持つようにす
れば、パワーピストン１６に接続されたクランクシャフ
ト１７から機械エネルギーを取り出すことができる。
【００２１】さて、上述のようにしてスターリングエン
ジンＥが作動するとき、ディスプレーサピストン１４の
往復動に伴って高温作動ガスおよび低温作動ガスが熱再
生器２３を交互に通過することにより、熱再生器２３の
温度が周期的に増減し、その結果、熱電磁気発電機Ｇに
おいて誘導起電力が発生する。
【００２２】熱電磁気発電機Ｇを模式化した図５と、磁
界および磁束密度の関係を示す図６とから明らかなよう
に、熱電磁気発電機Ｇの永久磁石３２，３２の磁界が０
のとき、磁気回路の磁束密度はＢR である。熱再生器２
３が加熱されてキュリー温度Ｔｃ以上になると、その透
磁率μが０になるために熱再生器２３はエアギャップと
同じ状態になる。その結果、前記エアギャップによる減
磁界Ｈ（磁気抵抗）が加わって動作点はＰに移動し、磁
束密度はＢになる。ヨーク３３の断面積をＡとすると、
磁気回路の磁束φはφ＝Ｂ＊Ａで与えられるため、熱再
生器２３の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ未満のときの磁気
回路の磁束φ0 はφ0 ＝ＢR ＊Ａとなり、熱再生器２３
の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ以上のときの磁気回路の磁
束φ1 はφ1 ＝ＢL ＊Ａとなり、φ0 およびφ1 間で急
激に変化することになる。その結果、熱再生器２３の温
度Ｔがキュリー温度Ｔｃを挟んで変化するときの磁気回
路の磁束φの時間変化率ｄφ／ｄｔは大きな値を持ち、
誘導コイル３５の巻き数をＮとすると、誘導起電力Ｖ＝
−Ｎ（ｄφ／ｄｔ）を発生させることができる。
【００２３】而して、高温作動ガスおよび低温作動ガス
が熱再生器２３を交互に通過することにより発電が行わ
れ、熱再生器２３における作動ガスの流通抵抗による損
失を発電によって補償することができる。尚、ディスプ
レーサピストン１４の往復動の周波数が増加すると、熱
再生器２３における作動ガスの流通抵抗による損失が増
加するが、磁束φの時間変化率ｄφ／ｄｔが増加するた
めに発電量も増加する。またディスプレーサピストン１
４の往復動の周波数が増加すると熱再生器２３の温度振
幅が小さくなるため、熱再生器２３の熱歪みが小さくな
って寿命の延長が可能になるが、熱再生器２３の蓄熱量
が減少するために、より高性能な蓄熱材を使用すること
が必要となる。
【００２４】次に、図７および図８に基づいて本発明の
第２実施例を説明する。
【００２５】第２実施例は、熱再生器２３を複数（実施
例では３個）のセグメント２３ａ〜２３ｃに分割して熱
電磁気発電機Ｇの起電力を高めたものである。
【００２６】図８（Ａ）はディスプレーサピストン１４
により圧縮室２１の容積が減少し、熱再生器２３が放熱
して温度低下した状態を示しており、図８（Ｂ）はディ
スプレーサピストン１４により膨張室２０の容積が減少
し、熱再生器２３が吸熱して温度上昇した状態を示して
いる。上記（Ａ）および（Ｂ）の何れの場合にも、熱再
生器２３の温度分布は均一ではなく、膨張室２０に連な
る側が高温になり、圧縮室２１に連なる側が低温にな
る。
【００２７】図７のグラフにおいて、下側のラインＡは
熱再生器２３が放熱状態にあるときの温度分布であり、
上側のラインＢは熱再生器２３が蓄熱状態にあるときの
温度分布である。このとき、熱再生器２３全体が単一の
キュリー温度Ｔｃ１を持つと仮定すると、熱再生器２３
の領域ａは温度変化により前記キュリー温度Ｔｃ１を跨
ぐことができるが、熱再生器２３の領域ｂは温度変化に
より前記キュリー温度Ｔｃ１を跨ぐことができなくな
り、熱電磁気発電機Ｇの発電能力を充分に活かすことが
できなくなる。
【００２８】そこで本実施例は、熱再生器２３を例えば
３個のセグメント２３ａ〜２３ｃに分割し、それぞれの
セグメント２３ａ〜２３ｃが異なるキュリー温度Ｔｃ１
〜Ｔｃ３を持つように材質を選択している。そして温度
が高い膨張室２０側の第１セグメント２３ａは最も高い
キュリー温度Ｔｃ１を持ち、温度が低い圧縮室２１側の
第３セグメント２３ｃは最も低いキュリー温度Ｔｃ３を
持ち、温度が中間の中央の第２セグメント２３ｂは中間
のキュリー温度Ｔｃ２を持っている。
【００２９】これにより、第１セグメント２３ａの温度
がラインＡおよびラインＢの間で変動したとき、その全
域がキュリー温度Ｔｃ１を跨ぎ、第２セグメント２３ｂ
の温度がラインＡおよびラインＢの間で変動したとき、
その全域がキュリー温度Ｔｃ２を跨ぎ、第３セグメント
２３ｃの温度がラインＡおよびラインＢの間で変動した
とき、その全域がキュリー温度Ｔｃ３を跨ぐようにな
り、熱再生器２３全体を有効に利用して熱電磁気発電機
Ｇの起電力を高めることができる。
【００３０】次に、図９〜図１１に基づいて本発明の第
３実施例を説明する。
【００３１】第３実施例は、α型のスターリングエンジ
ンＥの熱再生器２３に熱電磁気発電機Ｇを設けたもので
ある。
【００３２】図９に示すように、α型のスターリングエ
ンジンＥは、略直角に配置した一対のパワーシリンダ装
置１２ａ，１２ｂを備えており、各々のパワーシリンダ
装置１２ａ，１２ｂは、パワーシリンダ１５ａ，１５ｂ
と、それに摺動自在に嵌合するパワーピストン１６ａ，
１６ｂと、クランクシャフト１７と、クランクシャフト
１７をパワーピストン１６ａ，１６ｂに連結するコネク
ティングロッド１９ａ，１９ｂと、パワーピストン１６
ａの頂面に臨む膨張室２０と、パワーピストン１６ｂの
頂面に臨む圧縮室２１と、蓄熱および放熱が可能な熱再
生器２３と、熱再生器２３を膨張室２０および圧縮室２
１に連通する連通路２２と、膨張室２０を加熱する加熱
器２４と、圧縮室２１を冷却する冷却器２５とを備え
る。
【００３３】図１０および図１１において、円柱状に形
成された熱再生器２３に設けられた熱電磁気発電機Ｇ
は、一対の磁極３１，３１間に永久磁石３２を挟んだも
のを熱再生器２３の外周に９０°間隔で４個固定し、そ
の半径方向外側に円筒状のヨーク３３を固定し、各々の
永久磁石３２の外周にボビン３４を介して誘導コイル３
５を巻回して構成される。誘導コイル３５の巻回面は磁
束の方向に直交するように配置される。
【００３４】而して、本第３実施例によっても、スター
リングエンジンＥの運転に伴って高温作動ガスおよび低
温作動ガスが熱再生器２３を交互に通過し、熱再生器２
３の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃを挟んで周期的に増減す
ることにより、４個の誘導コイル３５…に起電力を発生
させて発電を行うことができる。本実施例によれば、前
記第１実施例の効果に加えて、熱再生器２３の外周を囲
むように４個の誘導コイル３５…を配置したことによ
り、熱電磁気発電機Ｇを小型化しながら大きな発電電力
を得ることができる。
【００３５】次に、図１２および図１３に基づいて本発
明の第４実施例を説明する。
【００３６】第４実施例は、第１実施例と同じγ型のス
ターリングエンジンＥの熱再生器２３をディスプレーサ
シリンダ１３の外周を囲むように環状に形成し、この環
状の熱再生器２３の外周に、前記第３実施例と同じ構造
の環状の熱電磁気発電機Ｇを配置したものである。本実
施例によっても、前記第１実施例の作用効果に加えて、
前記第３実施例と同じ作用効果を得ることができる。
【００３７】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。
【００３８】例えば、実施例ではγ型およびα型のスタ
ーリングエンジンＥを例示したが、本発明はβ型のスタ
ーリングエンジンに対しても適用することができる。
【００３９】またスターリングエンジンＥは、その出力
をクランクシャフト１７から取り出すものに限定され
ず、ディスプレーサピストン１４への入力をパワーピス
トン１６からの出力として取り出すアクチュエータであ
っても良い。
【００４０】また実施例では燃料を火炎燃焼させる加熱
器２４を例示したが、加熱器２４は触媒燃焼を行うもの
であっても良く、冷却器２５の冷媒も冷却水に限定され
るものではない。
【００４１】
【発明の効果】以上のように請求項１に記載された発明
によれば、強磁性体よりなる熱再生器の温度がキュリー
温度を挟むように周期的に変動するので、熱再生器の温
度がキュリー温度を通過する度に誘導コイルを通過する
磁束を大きく変化させ、誘導コイルに大きな起電力を発
生させることができる。このように熱再生器に設けた熱
電磁気発電機により効率的な発電を行うとができるの
で、作動ガスが熱再生器を通過する際に発生する流通抵
抗によるエネルギー損失を補償し、スターリングエンジ
ン全体の熱効率を高めることができる。
【００４２】また請求項２に記載された発明によれ
ば、、熱再生器を複数のセグメントに分割し、それぞれ
のセグメントのキュリー温度を熱再生器の膨張室側から
圧縮室側に向けて順次低くなるように設定したので、熱
再生器の温度分布が加熱器側から冷却器側に向けて次第
に低くなっていても、熱再生器の全域の温度がキュリー
温度を挟んで増減するようにし、熱電磁気発電機に効率
的な発電を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のγ型のスターリングエンジンの全
体構造を説明する図
【図２】熱電磁気発電機の斜視図
【図３】図２の３−３線断面図
【図４】熱再生器の温度および透磁率の関係を示すグラ
フ
【図５】熱電磁気発電機を模式化した図
【図６】熱電磁気発電機の磁界および磁束密度の関係を
示すグラフ
【図７】第２実施例のスターリングエンジンの要部を示
す図
【図８】熱再生器の温度分布を示す図
【図９】第３実施例のα型のスターリングエンジンの全
体構造を説明する図
【図１０】図９の１０−１０線拡大断面図
【図１１】図１０の１１−１１線断面図
【図１２】第４実施例のγ型のスターリングエンジンの
全体構造を説明する図
【図１３】図１２の１３−１３線断面図
【符号の説明】
２０ 膨張室 ２１ 圧縮室 ２２ 連通路 ２３ 熱再生器 ２３ａ〜２３ｃ セグメント ２４ 加熱器 ２５ 冷却器 ３２ 永久磁石（起磁力手段） ３３ ヨーク ３５ 誘導コイル Ｇ 熱電磁気発電機 Ｔｃ キュリー温度 Ｔｃ１〜Ｔｃ３ キュリー温度

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加熱器（２４）により加熱される膨張室
    （２０）と冷却器（２５）により冷却される圧縮室（２
    １）とを接続する連通路（２２）に、膨張室（２０）お
    よび圧縮室（２１）間を行き来する作動ガスの熱を蓄熱
    および放熱する熱再生器（２３）を配置し、この熱再生
    器（２３）に熱電磁気発電機（Ｇ）を設けたスターリン
    グエンジンであって、 前記熱電磁気発電機（Ｇ）は、熱再生器（２３）を通る
    閉じた磁気回路を構成するヨーク（３３）と、磁気回路
    に磁束を供給する起磁力手段（３２）と、磁気回路の磁
    束の変化に感応する誘導コイル（３５）とを備え、 強磁性体から構成される熱再生器（２３）のキュリー温
    度（Ｔｃ）は、その熱再生器（２３）の温度変動範囲内
    に存在することを特徴とするスターリングエンジン。
  2. 【請求項２】 熱再生器（２３）は作動ガスの流動方向
    に分割された複数のセグメント（２３ａ〜２３ｃ）から
    構成され、各々のセグメント（２３ａ〜２３ｃ）のキュ
    リー温度（Ｔｃ１〜Ｔｃ３）を熱再生器（２３）の膨張
    室（２０）側から圧縮室（２１）側に向けて順次低くな
    るように設定したことを特徴とする、請求項１に記載の
    スターリングエンジン。
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