JP2004301102A

JP2004301102A - 発電装置

Info

Publication number: JP2004301102A
Application number: JP2003097801A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Shimizu; 克美清水
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】出力電圧が検出されない場合、再起動を自動で行なえる発電装置を提供する。
【解決手段】スターリングエンジンＳＥと、このスターリングエンジンＳＥに結合され電力を供給するとピストン１を往復動させるモータとなりピストン１を往復動させると電力を発生する発電機１６と、この発電機１６に接続されスターリングエンジン起動時に前記発電機１６に電力を供給する電力供給手段（第１，第２リレー３１，３６、蓄電池４１及びＤ／Ａ変換回路３３から成る。）と、該電力供給手段を制御する制御手段４０と、前記発電機１６の電圧を検出する電圧検出器３５とを備え、前記発電機１６に電力を所定時間供給した後の前記電圧検出器３５の検出信号に基づいて電力発生の有無を確認し、電力発生が確認されない場合に再度前記発電機１６に電力を供給する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリングエンジンを用いた発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスターリングエンジンを用いた発電装置では、起動時に蓄電池からの電力を電圧変換回路を介して発電機に供給して、これをモータとして起動し、スターリングエンジン本体を短時間回転駆動させるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−２８４１３４号公報（第５頁、第５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１回の電力供給でスターリングエンジン本体の起動に成功するとは限らず、失敗すると再び手動でトライを行わねばならない。そのため、使用者の手を執拗に煩わせることがあった。
【０００５】
しかも、運良く次のトライで成功することもあるが、起動に失敗すると、エンジンに不具合があってもいずれ成功すると確信して、何度もトライすることになる。このため、使用者には焦燥感が募るだけでなく、度重なる起動でエンジンに過度な負荷を掛ける結果、不具合を悪化させ、重度な故障を招く恐れがあった。
【０００６】
本発明は、上記のような問題を解消するためになされたものであり、出力電圧が検出されない場合、再起動を自動で行なえる発電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、起動時の不具合を抽出し、エラー処理につなげることのできる発電装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、スターリングエンジンと、このスターリングエンジン本体内に備えられ、電力を供給するとピストンを往復動させるモータとなりピストンを往復動させると電力を発生する発電機と、この発電機に接続されスターリングエンジン起動時に前記発電機に電力を供給する電力供給手段と、該電力供給手段を制御する制御手段と、前記発電機の出力を検出する出力検出手段とを備え、前記制御手段は、前記発電機に電力を所定時間供給した後の前記出力検出手段の検出信号に基づいて電力発生の有無を確認し、電力発生が確認されない場合に再度前記電力供給手段により前記発電機に電力を供給する、制御を行うことを特徴とする発電装置。
【０００８】
これによると、電力発生が確認されない場合、再度発電機に自動で電力を供給することができる。
【０００９】
さらに、前記発電機から発生された電力を整流する整流手段と、この整流手段から出力される電力をＤＣ／ＡＣ変換する変換手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
これによると、発電機から発生された電力は、整流手段により整流された後、変換手段により交流電力に変換される。
【００１１】
また、前記発電機に供給する電力が、ピストン振動系の共振周波数と近似の周波数特性を有する交流電力であることを特徴とする。
【００１２】
これによると、ピストンがスムーズに往復動を開始するため、スターリングエンジンの起動もスムーズに行なえる。
【００１３】
そして、前記発電機に電力を所定回数供給しても電圧発生が確認されない場合は、スターリングエンジンの起動制御を終了することで、スターリングエンジンに過度の負荷を与えることを防ぎ、エンジンの破壊を予防できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る発電装置に用いられるフリーピストン型スターリングエンジンの一例の断面図である。このスターリングエンジンＳＥは、耐圧容器４内に配置された諸構成により、スターリングサイクルを動作させ発電機１６で発電をするものである。
【００１５】
各構成について説明すると、耐圧容器４は、主に、背面空間８側に配置されるベッセル４Ｂと、作動空間７側に配置される外筒３Ｃとから形成される。ベッセル４Ｂは、さらに二つの構造体に分割されており、高温側熱交ヘッド１３側がベッセル本体４Ｄであり、高温側熱交ヘッド１３側とは反対側（以下、本明細書においては防振装置４９側と称する。なお、組み立て構造を説明する際において、まだ防振装置４９が組まれていない場合にも、説明の便宜上、完成品の状態を基準として防振装置４９側の語を使用する。）がベッセルキャップ４Ｃである。そして、ベッセル本体４Ｄには、ハーメチック端子４７が設けられている。
【００１６】
耐圧容器４内には、連通穴１２Ａを備えて接合されたシリンダ３Ａ及びシリンダ３Ｂが配置される。シリンダ３Ａ，３Ｂには、シリンダ３Ａ及び３Ｂの軸と同軸上で往復動可能なピストン１及びディスプレーサ２とが挿入されており、更には、ピストン１を駆動するリニアモータとしても動作し得る発電機１６がシリンダ３Ａの外側に備えられている。
【００１７】
耐圧容器４内は大別して２つの空間に仕切られており、その一つは主にベッセル４Ｂとピストン１により囲まれる背面空間８であり、他の一つは主にピストン１、外筒３Ｃ、及び高温側熱交ヘッド１３によって囲まれる作動空間７である。そして、作動空間７はディスプレーサ２によってさらに二つの空間に仕切られており、ディスプレーサ２とピストン１の間に存在する空間が圧縮空間９、ディスプレーサ２と高温側熱交ヘッド１３の間に存在する空間が膨張空間１０である。
【００１８】
この圧縮空間９と膨張空間１０はシリンダ３Ｂと外筒３Ｃとの間に形成された連通路１２を介して連通しており、連通路１２内には、低温側内部熱交換器２１、再生器１１、高温側内部熱交換器２２が圧縮空間９から膨張空間１０に向かって順に配置されている。
【００１９】
高温側熱交ヘッド１３は、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性材料を略有底円筒状に形成されたものであり、底部１３Ａがシリンダ３Ｂの開口と対向し、淵部１３Ｂが高温側内部熱交換器２２と対向するよう配置される。また、低温側熱交ヘッド５０は、銅やアルミニウムなどの高熱伝導性材料をリング状に形成したものであり、その内周が低温側内部熱交換器２１の外周と対向して配置される。低温側熱交ヘッド５０の外周部には、リング状の流水経路に沿って冷却水を流すための冷却ジャケット２８が取り付けられている。
【００２０】
ピストン１は、円柱状の構造体であり、その中心軸にロッド２ａを挿通可能な貫通穴１ａが加工され、さらには、圧縮空間９によって圧縮された冷媒をピストン１の外周面とシリンダ３Ａの間の隙間に放出しベアリング効果を持たせるガスベアリング（不図示）が備えられる。
【００２１】
ディスプレーサ２は、円柱状の構造体であり、圧縮空間９によって圧縮された冷媒をディスプレーサ２の外周面とシリンダ３Ｂの間の隙間に放出しベアリング効果を持たせるガスベアリング（不図示）が備えられる。そして、このディスプレーサ２のピストン１配置側の面にはロッド２ａが取付けられ、ロッド２ａはピストン１の貫通穴１ａに挿通される。ロッド２ａのディスプレーサ２側とは相対する側の端部には、ネジ部２ｂが加工されている。
【００２２】
発電機１６は、主に、環状に配置された永久磁石１５と、永久磁石１５を保持するスリーブ１４と、アウターヨーク１７Ａと、インナーヨーク１７Ｂとから構成される。アウターヨーク１７Ａは、略コ字状の平板鉄心を環状に積層固定したものの内部にボビンに巻回したコイル２０を配置したものを、非磁性体で軸方向両側から挟みこんで形成され、インナーヨーク１７Ｂは、平板鉄心を環状に積層固定し形成される。アウターヨーク１７Ａの内周とインナーヨーク１７Ｂの外周との間には隙間１９が形成されており、その隙間１９にはスリーブ１４に保持された永久磁石１５が配置される。なお、コイル２０は、耐圧容器４を貫通するハーメチック端子４７を介して後述するコントローラ３０に接続されている。
【００２３】
スリーブ１４は有底円筒状をしており、その周縁部１４ｃの先端側の内周に環状の掘り込みが設けられている。そして、その掘り込みに複数辺の円弧状の永久磁石１５が全体として環状になるように配置される。スリーブ１４の底部１４ｂの中心にはロッド２ａが挿通可能な貫通穴が設けられ、その貫通穴の周縁から周縁部１４ｃ形成側とは相対する側に突出し内周面に螺子穴を備えたボス部１４ａが形成される。そして、底部１４ｂの周縁部１４ｃ配置側の面には、ピストン１が、そのピストン１の軸と底部１４ｂの中心が同軸に配置されるように調整され、ボルト等の固定手段を用いて固定される。
【００２４】
アウターヨーク１７Ａの防振装置４９側の端面には、その端面から防振装置４９側に向かって、ピストン支持バネ５、及びディスプレーサ支持バネ６を固定するための固定軸２４が３本以上の複数本（例えば４本）立設される。なお、この固定軸２４には、その外周に螺子が形成されていて、ナット２５とボス部１４ａの上面同士が略面一となる高さに、ナット２５が差し込まれている。
【００２５】
ピストン支持バネ５は、円板型の２枚の板バネ５１，５１から成り、両板バネ５１，５１の間にスペーサ２６を挟んで重ね、板バネ５１の中心の貫通孔とスペーサ２６の貫通孔に挿通した穴あきボルト２８とスリーブ１４のボス部１４ａとを嵌合することにより、ピストン支持バネ５にピストン１が固定される。板バネ５１の周囲の数箇所にも貫通孔が設けられており、両板バネ５１，５１の間にはスペーサ２７が挟まれ、板バネ５１の周囲の貫通孔とスペーサ２７の貫通孔に固定軸２４が挿通されている。
【００２６】
ディスプレーサ支持バネ６は、円板型の２枚の板バネ６１，６１から成り、両板バネ６１，６１の間にスペーサ５２を挟んで重ね、板バネ６１の中心の貫通孔とスペーサ５２の貫通孔に挿通したロッド２ａのネジ部２ｂとナット５４とを嵌合することにより、ディスプレーサ支持バネ６にディスプレーサ２が固定される。板バネ６１の周囲の数箇所にも貫通孔が設けられており、両板バネ６１，６１の間にはスペーサ５３が挟まれ、板バネ６１の周囲の貫通孔とスペーサ２９，３１の貫通孔に固定軸２４が挿通されている。ピストン支持バネ５とディスプレーサ支持バネ６とは、固定軸２４に挿通された所定の高さを備えるスペーサ２９によって所定の間隔が隔てて設けられる。
【００２７】
最終的に、ピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６は、両者の上下から固定軸２４に差し込まれたナット２５、５５を締めることにより、固定される。このようにしてピストン支持バネ５及びディスプレーサ支持バネ６をスターリングエンジンＳＥに組み込んだ後、発電機１６とハーメチック端子４７とをリード線で接続して結線を済ませ、ベッセル本体４Ｄにベッセルキャップ４Ｃを溶接し固定する。そして、スターリングエンジンＳＥの耐圧容器４内に冷媒が封入される。この冷媒は水素、ヘリウム、窒素などが使用でき数十気圧といった高圧に封入される。
【００２８】
また、耐圧容器４の軸方向の高温側熱交ヘッド１３と反対側の端部には、装置の防振用の防振装置４９が配置される。防振装置４９は、主に、質量体支持バネ２３と質量体４６とから構成されており、質量体支持バネ２３のバネ定数と、系の質量から求まる共振周波数が、ピストン１の振動系及びディスプレーサ２の振動系が有する共振周波数と同一になるように設計されたものである。このように設計することにより、ピストン１及びディスプレーサ２の運転に基づく振動エネルギーを受けて、防振装置４９が激しく振動することになり、それによって、振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、結果的にスターリングエンジンＳＥ全体の振動を低減することができる。
【００２９】
図中未説明符号のうち、５７は、高温側熱交ヘッド１３の周囲を囲むように設けられた有底筒状の燃焼器である。燃焼器５７内には燃焼室５９が形成されている。燃焼器５７の内面には、燃焼室５９の周囲を囲むように、通気経路６３が形成されている。通気経路６３は、燃焼用空気（外気）の入口６４、出口６５及び排気ガスの入口６６、出口６７を備える。燃焼用空気の入口６４及び排気ガスの出口６７は外部に臨み、燃焼用空気の出口６５及び排気ガスの入口６６は燃焼室５９に臨んでいる。
【００３０】
燃焼用空気の出口には、燃焼器５７の外部から燃焼ノズル６０が挿通されている。燃焼ノズル６０の先端は、燃焼室５９に突出し、高温側熱交ヘッド１３の外面と向き合っている。また、通気経路６３には、空気予熱器５８が設けられている。空気予熱器５９は、排気ガスと燃焼用空気との間で熱交換を行うものである。この構成で、燃焼室５９に燃焼用空気を導入しながら、燃焼ノズル６０に燃料ガスを送り、燃焼ノズル６０先端に点火すると、燃焼用空気を消費しながら燃焼室５７内で燃料ガスが燃える。これにより、高温側熱交ヘッド１３が加熱される。
【００３１】
また、低温側熱交ヘッド５０の外周側面に密着して環状のジャケット６２が設けられている。ジャケット６２の内部空洞は、環状の流水経路６８を形成している。ジャケット６２は冷却水の入口６９、出口７０を備える。したがって、流水経路６８に沿って水を流すことにより、低温側熱交ヘッド５０を冷却することができる。
【００３２】
このような構成のもと、スターリングエンジンＳＥの高温側熱交ヘッド１３を加熱するとともに、低温側熱交ヘッド５０を冷却すると、作動空間７内でスターリングサイクルが形成され、ピストン１とディスプレーサ２とが往復動を行う。ディスプレーサ２は、ピストン１の動作に対して４分の１周期程度位相が進んだ状態で往復動を行う。その結果、コイル２０の内側を軸方向に永久磁石１５がピストン１の振動周期で往復動し、コイル２０に磁界の変化を妨げる向きに交番電流が発生する。
【００３３】
コイル２０に発生された交番電流は、ハーメチック端子４７を介して、コントローラ３０に対して出力される。つまり、発電機１６は外部から見れば電力の発生を行なっており、この電力を利用することによりさまざまな対象物機器に電源を供給することが可能となる。
【００３４】
図２は、以上のように構成されるスターリングエンジンＳＥに使用される電気的接続回路の一例を示すブロック図である。コントローラ３０は、発電機１６に入出力双方向接点から成る第１リレー３１を介して接続される整流装置３２と、この整流装置３２の出力部に接続されるＤ／Ａ変換回路３３と、このＤ／Ａ変換回路３３の出力部に双方向接点から成る第２リレー３６を介して接続される出力端子（ＯＵＴ）を有している。また、第１リレー３１と整流装置３２との間には発電機１６の発生電圧を検出する電圧検出器３５が接続され、整流装置３２と電圧Ｄ／Ａ変換回路３３との間には二次電池である蓄電池４１が接続されている。蓄電池４１には、予め電力がフルに充電されている。
【００３５】
ここで、第１，第２リレー３１，３６、蓄電池４１及びＤ／Ａ変換回路３３は電力供給手段を構成しているが、蓄電池４１に替えて外部の直流電源を使用するなど、電力供給手段の構成は上記に限定されない。また、第１，第２リレー３１，３６は入出力を切り替える切替手段であり、双方向接点のみならず、半導体スイッチング回路などで構成されるものであってもよい。第１，第２リレー３１，３６は電源が投入されない状態では、図示のごとく、双方とも接点は出力端子（ＯＵＴ）側に位置している。
【００３６】
また、整流装置３２は発電機１６から発生させる電力を整流する整流手段であり、アッセンブリに限らず、ＩＣやチップで構成されていても構わない。また、Ｄ／Ａ変換回路３３は、整流装置３２から出力される電力をＤＣ／ＡＣ変換する変換手段であり、ＩＣには限定されない。また、電圧検出器３５は、発電機１６から発生される出力を検出する出力検出手段であり、電圧検出に限らず、電流検出によって出力を検出するものであってもよい。
【００３７】
更に、コントローラ３０は、制御回路４０を備えている。制御回路４０の入力側には、電圧検出器３５、起動スイッチ４５、温度センサ４４、カウンタ回路３７及びタイマ回路３８が接続され、出力側には、Ｄ／Ａ変換回路３３、第１，第２リレー３１，３６及びＬＥＤから成るエラー表示器４２が接続されている。なお、カウンタ回路３７及びタイマ回路３８は、制御回路４０からもアクセス可能になっている。なお、制御回路４０は、マイコンで構成されるものであってもよい。
【００３８】
ここで、電源スイッチ３９は、制御回路４０に電源を投入するためのものであり、起動スイッチ４５は、電源スイッチ３９をＯＮ操作した上で、この起動スイッチ４５をＯＮ操作することにより、スターリングエンジンＳＥの起動制御を開始するためのものである。また、エラー表示器４２は、ＬＥＤから構成されるものである。
【００３９】
制御回路４０は、前記電圧検出器３５の検出信号及びカウンタ回路３７の計数信号及びタイマ回路３８の計時信号及び起動スイッチ４５の信号に基づいて、Ｄ／Ａ変換回路３３を所定の周波数パルスでスイッチング制御するとともに、第１，第２リレー３１，３６の接続状態を後述するように起動状態、定常状態に応じて切替制御する。
【００４０】
次に、上記構成の発電装置の動作例を図２のブロック図及び図３のフローチャートを参照して説明する。まず、電源スイッチ３９をＯＮ操作することにより、制御回路４０に電源が投入される（ステップ＃１）。さらに、起動スイッチ４５をＯＮ操作することにより、スターリングエンジンＳＥの起動が開始される（ステップ＃２）。すなわち、燃焼ノズル６０に点火されて、燃焼を開始すると、スターリングエンジンＳＥの高温側熱交ヘッド１３の温度が上昇し、膨張空間１０内部の作動ガスが加熱される。
【００４１】
そして、温度センサ４４で検出される高温側熱交ヘッド１３の温度がスターリングエンジンＳＥの自律運転可能な動力を発生し得る程度（例えば、５５０℃）までに上昇したとき（ステップ＃３の肯定判定）、第１，第２リレー３１，３６の接続を入力端子（ＩＮ）に切り替え（ステップ＃４）、図４の実線で示す接続経路を形成するとともに、電圧変換回路３３を作動させる（ステップ＃５）ことにより、蓄電池４１の電力を交流に変換し発電機１６に供給して、これをモータとして起動し、スターリングエンジンＳＥを短時間駆動させる。このとき供給する電力は、ピストン１を初期動作させるいわばキックオフのためのものであり、ピストン振動系の共振周波数と近似の周波数特性を有する交番電圧を印加する。上記のようなフリーピストン型のスターリングエンジンＳＥは、ピストン振動系の共振周波数において安定動作するものであるため、初期動作をその周波数に合わせることにより、その後の運転を円滑に行うことが可能である。
【００４２】
同時に、制御回路４０はタイマ回路３８を作動させ、発電機１６に電力の供給を開始してから１０秒を経過したことを判断（ステップ＃６の肯定判定）すると、第１，第２リレー３１，３６の接続を出力端子（ＯＵＴ）に切り替え（ステップ＃７）、図５の実線で示す接続経路を形成する。これにより、電圧検出器３５によって出力電圧が検出され（ステップ＃８）、電圧検出器３５からの検出信号の有無を判断し、検出信号の出力がなければ起動失敗と判断（ステップ＃９の否定判定）し、カウンタ回路３７により１回目のカウントアップを行う（ステップ＃１０）。
【００４３】
制御回路４０は、カウンタ回路３７からの信号に基づき、起動失敗の回数が３回に達したかどうかを判断するが、この段階ではまだ１回目なので、ステップ＃１１の否定判定となり、もう一度上記ステップ＃４〜＃９の処理を行なう。電圧検出器３５の検出信号の出力がなければ（ステップ＃９の否定判定）、起動失敗の回数を２回にカウントアップする（ステップ＃１０）が、依然として３回に達していないので、ステップ＃１１の否定判定となり、もう一度上記ステップ＃３〜＃８を繰り返す。
【００４４】
そして、電圧検出器３５の検出信号の出力があれば（ステップ＃９の肯定判定）、起動成功と判断し、さらにカウンタ回路３７によるカウントアップをリセットする（ステップ＃１２）。
【００４５】
この定常状態に入ると、スターリングエンジンＳＥで発生するピストン１の往復動力によって駆動される発電機１６が発電機として作用し、その発電電力が整流装置３２及びＤ／Ａ変換回路３３を介してコントローラ３０の出力端子から予め設定された所定値の交流電源として機器等の負荷に供給することができるようになる。
【００４６】
そして、このような定常運転がなされている状態では、整流装置３２の出力の一部が蓄電池４１の放電分を補充するための充電用として供給されるようになっている。すなわち、発生電力の余剰分を利用して、常時フル充電状態に保持しておくことができるものである。
【００４７】
しかし、３回連続して起動に失敗すると、ステップ＃１１の肯定判定となり、エラー表示器４２を点灯してエラー表示を行い（ステップ＃１３）、停止処理を行なう（ステップ＃１４）。停止処理では、第１、第２リレー３１，３６の接点を双方とも出力端子（ＯＵＴ）に切り替えるとともに、整流装置３２とＤ／Ａ変換回路３３を停止させる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明の発電装置によると、スターリングエンジン起動時に発電機に電圧を供給し、これをモータとして駆動し、その後、発電機からの出力電圧を検出して電力発生の有無を確認し、電力発生が確認されない場合、再度電圧供給を行うので、再起動の完全自動化が可能である。
【００４９】
また、起動に数回失敗すると、エラー処理して起動動作を終了する機能を有するため、スターリングエンジンの破壊の予防が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発電装置に用いられるフリーピストン型スターリングエンジンの一例の断面図である。
【図２】同上スターリングエンジンに使用される電気的接続回路の一例を示すブロック図である。
【図３】上記発電装置の動作例を示すフローチャートである。
【図４】上記電気的接続回路の制御による起動開始時の接続状態を示す図である。
【図５】上記電気的接続回路の制御による定常運転時の接続状態を示す図である。
【符号の説明】
１ピストン
２ディスプレーサ
３Ａ，３Ｂシリンダ
１１再生器
１３高温側熱交ヘッド
１６発電機
３０コントローラ
３１第１リレー
３２整流装置
３３Ｄ／Ａ変換回路
３５電圧検出器
３６第２リレー
３７カウンタ回路
３８タイマ回路
４０制御回路
４１蓄電池
４２エラー表示器
４５起動スイッチ
５０低温側熱交ヘッド

Claims

スターリングエンジンと、このスターリングエンジン本体内に備えられ、電力を供給するとピストンを往復動させるモータとなりピストンを往復動させると電力を発生する発電機と、この発電機に接続されスターリングエンジン起動時に前記発電機に電力を供給する電力供給手段と、該電力供給手段を制御する制御手段と、前記発電機の出力を検出する出力検出手段と、を備え、前記制御手段は、前記発電機に電力を所定時間供給した後の前記出力検出手段の検出信号に基づいて電力発生の有無を確認し、電力発生が確認されない場合に再度前記電力供給手段により前記発電機に電力を供給する、制御を行うことを特徴とする発電装置。
さらに、前記発電機から発生された電力を整流する整流手段と、この整流手段から出力される電力をＤＣ／ＡＣ変換する変換手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記発電機に供給する電力が、ピストン振動系の共振周波数と近似の周波数特性を有する交流電力であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
前記制御手段は、前記発電機に電力を所定回数供給しても電力発生が確認されない場合に、スターリングエンジンの起動制御を終了することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発電装置。