JP2005337179A

JP2005337179A - スターリングエンジン

Info

Publication number: JP2005337179A
Application number: JP2004159927A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yaguchi; 寛矢口; Daisaku Sawada; 大作澤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】応答性良く出力を制御可能なスターリングエンジンを提供する。
【解決手段】加熱器４７と再生器４６と冷却器４５とを備えたスターリングエンジン１０であって、前記再生器に蓄熱される蓄熱量を変更する蓄熱量変更手段４００，４１０を備えている。再生器で蓄熱される蓄熱量を変更することで、応答性良くスターリングエンジンの出力を制御することができる。前記スターリングエンジンの作動流体が前記再生器をバイパスするためのバイパス手段４００と、前記再生器を通過する作動流体と、前記バイパス手段により前記再生器をバイパスする作動流体の割合を変更する変更手段４１０とを備えていることができる。前記加熱器と前記冷却器とを直接連通させる連通路４００と、前記連通路の断面積を変更する連通面積可変手段４１０とを備えていることができる。連通路の断面積を変更して、応答性良くスターリングエンジンの出力が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、スターリングエンジンに関し、特に、応答性良く出力を制御することが可能なスターリングエンジンに関する。

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外燃機関として、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。

特開昭６４−３４２号公報（特許文献１）には、作動空間の圧力を変更することでスターリングエンジンの出力制御を行う点が開示されている。

特開昭６４−３４２号公報特開２００４−３６４９９号公報特開２００２−２６６７０１号公報

スターリングエンジンにおいて、応答性良く出力を制御できることが望まれている。
作動空間の圧力を変更する手法では、応答性が悪く改善の余地がある。

本発明の目的は、応答性良く出力を制御可能なスターリングエンジンを提供することである。

本発明のスターリングエンジンは、加熱器と再生器と冷却器とを備えたスターリングエンジンであって、前記再生器に蓄熱される蓄熱量を変更する蓄熱量変更手段を備えたことを特徴としている。

上記本発明によれば、再生器で蓄熱される蓄熱量を変更することで、応答性良くスターリングエンジンの出力を制御することができる。

本発明のスターリングエンジンは、加熱器と再生器と冷却器とを備えたスターリングエンジンであって、前記スターリングエンジンの作動流体が前記再生器をバイパスするためのバイパス手段と、前記再生器を通過する作動流体と、前記バイパス手段により前記再生器をバイパスする作動流体の割合を変更する変更手段とを備えたことを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンは、加熱器と再生器と冷却器とを備えたスターリングエンジンであって、前記加熱器と前記冷却器とを直接連通させる連通路と、前記連通路の断面積を変更する連通面積可変手段とを備えたことを特徴としている。

上記本発明によれば、連通路の断面積を変更して、再生器で蓄熱される蓄熱量を変更することで、応答性良くスターリングエンジンの出力を制御することができる。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記連通路の端部側は、作動流体が前記加熱器又は前記冷却器を流れるときの流れの方向に沿うように構成されていることを特徴としている。

上記本発明によれば、作動流体は、連通路を閉状態から開状態にしたときに速やかに、連通路を流れるため、応答性良くスターリングエンジンの出力が制御される。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記スターリングエンジンは、α型直列２気筒スターリングエンジンであることを特徴としている。

本発明によれば、応答性良く出力を制御することが可能である。

以下、本発明のスターリングエンジンの一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１実施形態）
本実施形態のスターリングエンジンでは、再生器をバイパスさせるための作動流体用の経路が設けられている。その経路には、その経路を開閉するためのバルブが設けられている。スターリングエンジンの出力は、その経路を開閉することにより制御される。

図１は、本実施形態のスターリングエンジンを示す正面図である。図１に示すように、本実施形態のスターリングエンジンは、α型（２ピストン形）のスターリングエンジン１０であり、二つのパワーピストン２０、３０を備えている。二つのパワーピストン２０、３０は、直列並行に配置されている。低温側パワーピストン３０のピストン３１は、高温側パワーピストン２０のピストン２１に対して、クランク角で９０°程度遅れて動くように位相差がつけられている。

高温側パワーピストン２０のシリンダ（以下高温側シリンダという）２２の上部の空間（膨張空間）には、加熱器４７によって加熱された作動流体が流入する。低温側パワーピストン３０のシリンダ（以下低温側シリンダという）３２の上部の空間（圧縮空間）には、冷却器４５によって冷却された作動流体が流入する。

再生器（再生熱交換器）４６は、膨張空間と圧縮空間を作動流体が往復する際に熱を蓄える。即ち、膨張空間から圧縮空間へと作動流体が流れる時には、再生器４６は、作動流体より熱を受け取り、圧縮空間から膨張空間へと作動流体が流れる時には、蓄えられた熱を作動流体に渡す。

２つのピストン２１、３１の往復動に伴い、作動ガスの往復流動が生じて高温側シリンダ２２の膨張空間と低温側シリンダ３２の圧縮空間にある作動流体の割合が変化するとともに、全内容積も変わるため、圧力の変動が生じる。２つのピストン２１、３１がそれぞれ同位置にある場合の圧力を比較すると、膨張ピストン２１についてはその上昇時より下降時の方がかなり高く、圧縮ピストン３１については逆に低くなる。このため、膨張ピストン２１は外部に対し大きな正の仕事（膨張仕事）を行い、圧縮ピストン３１は外部から仕事（圧縮仕事）を受ける必要がある。膨張仕事は、一部が圧縮仕事に使われ、残りが駆動軸４０を介して出力として取り出される。

本実施形態のスターリングエンジン１０は、排気管１００の内部にその加熱器４７が収容されるというように車両内の限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。そのために、スターリングエンジン１０では、２つのシリンダ２２、３２をＶ字形ではなく、直列並行に配置した構成を採用している。

加熱器４７が排気管１００の内部に配置されるに際しては、排気管１００の内部において相対的に高温の排気ガスが流れる排気ガスの上流側（主エンジン２００に近い側）１００ａに、加熱器４７の高温側シリンダ２２側が位置し、相対的に低温の排気ガスが流れる下流側（主エンジン２００から遠い側）１００ｂに加熱器４７の低温側シリンダ３２側が位置するように配置される。加熱器４７の高温側シリンダ２２側をより多く加熱するためである。

高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれは、円筒状に形成されており、基準体である基板４２に支持されている。本実施形態においては、この基板４２が、スターリングエンジン１０の各構成要素の位置基準となる。このように構成されることで、スターリングエンジン１０の各構成要素の相対的位置精度が確保される。また、この基板４２は、スターリングエンジン１０が排熱回収対象である排気管（排気通路）１００等に取り付けられるときの基準として用いられることができる。

排気管１００のフランジ１００ｆに対して、断熱材（スペーサ、図示せず）を介して、基板４２が固定されている。基板４２には、高温側シリンダ２２の側面（外周面）２２ｃに設けられたフランジ２２ｆが固定されている。また、基板４２には、再生器４６の側面（外周面）４６ｃに設けられたフランジ４６ｆが固定されている。

排気管１００とスターリングエンジン１０とは、基板４２を介して取り付けられる。このとき、基板４２と、高温側シリンダ２２において加熱器４７が接続される側の端面（頂部２２ｂの上面）、及び低温側シリンダ３２において冷却器４５が接続される側の端面（頂面３２ａ）とが実質的に平行になるように、スターリングエンジン１０が基板４２に取り付けられる。あるいは、基板４２とクランクシャフト６１（又は駆動軸４０）の回転軸とが平行になるように、もしくは排気管１００の中心軸とクランクシャフト６１の回転軸とが平行になるように、スターリングエンジン１０が基板４２に取り付けられる。これにより、既存の排気管１００に大幅な設計変更を加えることなく、容易に排気管１００にスターリングエンジン１０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車両の内燃機関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１０を排気管１００に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１０を異なる排気管に取り付ける場合でも、加熱器４７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。

スターリングエンジン１０は、車両の床下に配された排気管１００に隣接するスペースに、横置き、即ち、車両の床面（図示せず）に対して、高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２のそれぞれの軸線方向が概ね平行になるように配置され、２つのピストン２１、３１は、水平方向に往復動される。本実施形態では、説明の便宜上、２つのピストン２１、３１の上死点側を上方向、下死点側を下方向であるとして説明する。

作動流体は、その平均圧力が高い程、冷却器４５や加熱器４７による同じ温度差に対しての圧力差が大きくなるので高い出力が得られる。そのため、上記のように、高温側シリンダ２２、低温側シリンダ３２内の作動流体は高圧に保持されている。

ピストン２１，３１は、円柱状に形成されている。ピストン２１、３１の外周面とシリンダ２２、３２の内周面との間には、それぞれ数十μｍの微小クリアランスが設けられており、そのクリアランスには、スターリングエンジン１０の作動流体（空気）が介在している。ピストン２１，３１は、それぞれシリンダ２２、３２に対して空気軸受４８により非接触の状態で支持されている。したがって、ピストン２１，３１の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また、一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。但し、シリンダ２２、３２の内周面には、固定潤滑材が付されている。空気軸受４８の作動流体の摺動抵抗は元々極めて低いが、更に低減するために、固定潤滑材が付されている。上記のように、空気軸受４８は、作動流体（気体）により膨張空間、圧縮空間それぞれの気密を保ち、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールを行う。

加熱器４７は、複数の伝熱管（管群）４７ｔを有し、それらの複数の伝熱管４７tが概ねＵ字形の形状に形成されてなるものである。各伝熱管４７ｔの第１端部４７ｔａが高温側シリンダ２２の上部（頂部）（頂面２２ａ側の端面）２２ｂに接続されている。各伝熱管４７ｔの第２端部４７ｔｂが再生器４６の上部（加熱器４７側の端面）４６ａに接続されている。上記のように、加熱器４７が概ねＵ字形に形成されている理由については後述する。

再生器４６は、蓄熱材（マトリックス、図示せず）と、そのマトリックスが収容される再生器ハウジング４６ｈとを備えている。再生器ハウジング４６ｈには、高圧の作動流体が入るため、再生器ハウジング４６ｈは、耐圧容器である。再生器４６では、マトリックスとして、積層された金網が用いられている。

再生器４６には、上述した機能から、以下の条件が要求される。即ち、伝熱性能と蓄熱容量が高く、流動抵抗（流動損失、圧力損失）が小さいことのほか、作動流体の流れ方向の熱伝導率が小さく、温度勾配を大きくとれることが要求される。その金網の材料は、ステンレス鋼であることができる。積層された各金網のメッシュを通過するときに、その金網に作動流体の熱が蓄熱される。

加熱器４７において高温側シリンダ２２との接続部分（横断面形状）は、高温側シリンダ２２の上部（加熱器４７との接続部分）の開口形状（真円）と同じ形状・大きさとされている。同様に、加熱器４７において再生器４６との接続部分は、再生器４６の上面と同じ形状・大きさとされている。即ち、加熱器４７、再生器４６の断面形状は、高温側シリンダ２２及び低温側シリンダ３２の開口形状と同じ形状・大きさに形成されている。この構成により、作動流体の流路抵抗（流通抵抗）が低減される。

本実施形態では、カウンタウェイト９０が、スターリングエンジン１０全体の上下方向の大きさに与える影響を最小限に抑えるべく、スターリングエンジン１０全体の上下方向の大きさに影響を与えることなくスペースを確保可能な高温側シリンダ２２側にカウンタウェイト９０が設けられている。

スターリングエンジンの問題点の一つとして、出力制御の応答性が良くないことが挙げられる。スターリングエンジンに熱容量があるため、以下の（１）及び（２）の欠点がある。
（１）スターリングエンジンの温度が低い場合に、作動流体の温度を急に上げることができない。よって、出力を急に増大させること（急加速）ができない。
（２）スターリングエンジンの温度が高い場合に、作動流体の温度を急に下げることができない。よって、出力を急にゼロにすること（急停止）ができない。

本実施形態では、上記（２）に関し、応答性良く出力を減少させる方法を提供する。

スターリングエンジン１０の通常サイクルは、図３に示す通りである。図３に示すように、再生器４６で熱を再生することによって高い理論効率になる。再生熱効率が１００％であれば、カルノーサイクルと同じ理論効率η_thと理論仕事Ｗ_thを示す（後述する式１）。

図３において、Ｑ₁は、高温側パワーピストン２０側での作動流体の加熱に要する熱量であり、Ｑ₂は、低温側パワーピストン３０側での作動流体の冷却に要する熱量である。Ｑ₂₃は、膨張側（符号２−３間）にて作動流体が出す熱量であり、Ｑ₄₁は、冷却側（符号４−１間）にて作動流体が必要とする熱量であり、理想気体の比熱が容積によらず一定であるのでＱ₂₃とＱ₄₁は等しい。仮に、再生器４６で１００％返却されれば熱の出入量は等しくなって全く過不足がないので、結局熱効率は、熱の外部との授受は加熱器４７と冷却器４５だけとなり、下記式１の通りとなる。

図２に熱量と仕事の関係を示す。上記のことから、理論仕事Ｗ_thは、Ｑ₁−Ｑ₂となる（上記式１）。図示仕事Ｗ_iは、理論仕事Ｗ_thから熱損失などの損失を引いたものであり、正味仕事Ｗ_eは、その図示仕事Ｗ_iからメカフリクションや流動損などの損失を引いたものである。

本実施形態では、再生器４６の加熱器４７側の端面４６ａと、再生器４６の冷却器４５側の端面の近傍には、再生器４６をバイパスさせるバイパス通路４００が接続されている。出力を応答性良く減少させるときには、バルブ４１０を開けることでスターリングエンジン１０の作動流体をバイパス通路４００へ通す。このとき、作動流体の熱が再生器４６に蓄熱されないため、加熱器４７で奪った熱は冷却器４５へ逃げる。一方、出力を応答性良く減少させるとき以外には、バルブ４１０を閉じておき、スターリングエンジン１０の作動流体は、再生器４６を通る（スターリングエンジン１０の通常運転）。

バルブ４１０を開けることで作動流体が再生器４６をバイパスし、再生器４６を通過しないようにすると、図４に示すように、再生熱Ｑ₄₁が無くなり、理論効率η_th’と理論仕事Ｗ_th’は下記式２のようになる。

バルブ４１０を開いたときには、通常運転時（バルブ４１０を閉じた状態）の理論仕事Ｗ_thに比べて、理論仕事Ｗ_th’が減少するので、それに伴い正味仕事も減少する。本実施形態では、バルブ４１０の開度を全開又は全閉のみならず中間開度に制御することによって、スターリングエンジン１０の出力の減少幅を可変に制御することができる。

バイパス通路４００の両端部側のそれぞれ、即ち、再生器４６の加熱器４７側の端面４６ａに接続される一端部側と、再生器４６の冷却器４５側の端面に接続される他端部側は、加熱器４７と冷却器４５をそれぞれ作動流体が流れるときの流れの方向（図１では上下方向）に沿うように傾斜した形状に形成されている。バイパス通路４００の両端部側のそれぞれが、加熱器４７と冷却器４５をそれぞれ作動流体が流れるときの流れの方向に直交する方向（図１では水平方向）に延在する形状に形成されている場合に比べて、本実施形態では、バイパス通路４００を流れるときの流通抵抗が少ない。これにより、バルブ４１０を開いたときに、作動流体の流れは、バイパス通路４００に速やかに変わり、スターリングエンジン１０の出力制御が応答性良く行える。

次に、上記のように、加熱器４７が概ねＵ字形（カーブ形状）に形成される理由について説明する。

スターリングエンジン１０の熱源は、上記のように車両の主エンジン２００の排気ガスであり、スターリングエンジンに専用に用意された熱源ではない。そのため、それほど高い熱量が得られるわけではなく、排気ガスの例えば約８００℃程度の熱量でスターリングエンジン１０が作動する必要がある。そのために、スターリングエンジン１０の加熱器４７は排気管１００内の排ガスから効率的に受熱する必要がある。

加熱器４７、再生器４６、冷却器４５からなる熱交換器の体積は、出力に直接的には関与しない無効容積となっており、熱交換器の体積が増えると、スターリングエンジン１０の出力が減少する。一方で、熱交換器の体積をコンパクトにすると、その分、熱交換が困難となり受熱量が減少し、スターリングエンジン１０の出力が減少する。これらのことから、無効容積の減少と受熱量の増加とを両立させるためには、熱交換器の効率を上げる必要がある。そのために、加熱器４７は効率的に受熱する必要がある。

排気管１００内の排ガスから効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器４７の全てを過不足なく排気管１００内に収容するとともに、排気ガスから受熱しないように冷却器４５を排気管１００の外に出す構成が必要である。このことから、排気管１００においてスターリングエンジン１０が取り付けられるフランジ１００ｆを基準にすると、少なくとも冷却器４５の高さ分だけ低温側シリンダ３２の取付位置は、高温側シリンダ２２よりも低い位置となる。即ち、低温側シリンダ３２の上部に形成される圧縮空間の位置は、高温側シリンダ２２の上部に形成される膨張空間の位置よりも低い位置となり、圧縮ピストン３１の上死点は、膨張ピストン２１の上死点の位置よりも低い位置となる。

本実施形態では、圧縮ピストン３１と膨張ピストン２１の上死点の位置を変えるために、各ピストンピン６０ａ、６０ｂとそれぞれのピストン３１、２１との間を、長さの異なる延長部（ピストン支柱部）６４ｂ、６４ａで連結している。膨張ピストン２１の上死点の位置の方が圧縮ピストン３１の上死点の位置よりも高い分だけ、膨張ピストン２１に連結される延長部６４ａは、圧縮ピストン３１に連結される延長部６４ｂよりも長さが長い。

本実施形態では、膨張ピストン２１自体と圧縮ピストン３１自体の高さ（各ピストン２１，３１の上面と各ピストン２１，３１における延長部６４ａ、６４ｂとの連結点２１ｃ、３１ｃとの間の距離）は同じになるように構成されていることから、長さの異なる延長部６４ａ、６４ｂを用いて各ピストン２１，３１の上死点の位置を変えている。この構成に代えて、膨張ピストン側と圧縮ピストン側とで延長部自体の長さは同じにし、膨張ピストン自体と圧縮ピストン自体の高さを変えるようにして構成することで、膨張ピストンと圧縮ピストンの上死点の位置を変える構成を採ることもできる。このように、膨張ピストン自体の上下方向の長さを圧縮ピストン自体に比べて大きくする技術的意義について次に説明する。

スターリングエンジン１０の効率の低下を抑制するため、高温側パワーピストン２０における膨張空間以外の空間及び低温側のパワーピストン３０における圧縮空間以外の空間、即ち、高温側パワーピストン２０及び低温側のパワーピストン３０のそれぞれにおけるクランクシャフト６１の周辺の空間は、常温に保たれる必要がある。そのため、膨張空間の高温の作動流体がクランクシャフト６１の高温側パワーピストン２０側の周辺の空間に流入したり、圧縮空間の低温の作動流体がクランクシャフト６１の低温側のパワーピストン３０側の周辺の空間に流入することがないように、高温側シリンダ２２と膨張ピストン２１とのシール及び低温側シリンダ３２と圧縮ピストン３１とのシールが確実に行われる必要がある（後述のように、そのシールには空気軸受４８が使用されている）。

一方で、上記のように、膨張空間を高温にすべく、高温側シリンダ２２の頂部２２ｂ及び側面２２ｃの上部は、排気管１００の内部に収容されるため、高温側シリンダ２２の上部及び膨張ピストン２１の上部が熱膨張する。高温側シリンダ２２及び膨張ピストン２１のそれぞれの上部の熱膨張する部分では、シールが確実に行えないおそれがある。このことから、上記のように、膨張ピストン２１及び高温側シリンダ２２の上下方向の長さを長く設定し、これにより、膨張ピストン２１の上下方向に温度勾配を持たせて、熱膨張の影響を受けない部分（膨張ピストン２１の下部）にてシールが確実に行えるようにすることができる。また、高温側シリンダ２２と膨張ピストン２１との間は、膨張ピストン２１の下部（熱膨張の影響を受けない部分）にてシールされるので、そのシール部の移動距離を十分に確保して膨張空間を十分に圧縮するために、高温側シリンダ２２の上下方向の長さが長く設定されることができる。

熱源の種類を問わず、その熱源から効率的に受熱し、かつ効率的に熱交換するためには、加熱器は、熱エネルギーを受熱するための伝熱面積がなるべく大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置可能であるという意味において、上記実施形態の構成が望ましい。

特に、排熱を利用する場合には熱エネルギーは管を介して排ガスとして供給される場合が殆どであることとも相俟って、例えば管の内部のように受熱可能な領域が限定されている場合に、伝熱面積が極力大きく、かつ冷却器が受熱しない場所に配置される構成としては、上述したスターリングエンジン１０の構成が優れている。以下に、スターリングエンジン１０の構成の技術的意義について更に述べる。

無効容積部分（冷却器、再生器、加熱器）が小さい方が良いことは前述の通りであるが、無効容積部分に湾曲した形状を有している場合、湾曲部の数が多いと流路抵抗が大きくなり、また湾曲部の曲率が小さいと流路抵抗は大きくなる。即ち、作動流体の圧力損失を考慮すると、湾曲部の数は単一であり曲率は大きい方が良い。この点に関し、加熱器４７は概ねＵ字形であり、湾曲形状となっているが、湾曲部の数は１つである。また、冷却器４５は、スターリングエンジン１０の小型化（上下寸法の短縮）のために、湾曲部を有した構成とされており、上記のような特徴を有する構成とされている。

また、図１に示すように、上記実施形態の無効容積部分の曲率に関しては、直列並行に配置された２つのシリンダ２２、３２の上部同士を連結し、かつ排気管１００の内部において作動流体の流動抵抗の増大を抑制すべく概ね同一面上に設定された高温側シリンダ２２の頂部２２ｂ及び再生器４６の上面４６ａと、排気管１００の上部内面との間の上下方向の高さと、加熱器４７の端部４７ｔａ、４７ｔｂと中央部４７ｃの最上部との間の高さが概ね同じ高さｈになる構成に合わせて、その曲率（カーブ形状）が設定されている。排気管１００の内部のような限定された空間内で排気ガスのような流体の熱源との接触面積を大きく確保するためには、上記のようなカーブ形状が望ましい。

以上の観点からすると、無効容積部分のうち加熱器は、その全体が排気管の内部のような熱源からの熱を受ける限定された空間（受熱空間）内に収容されるとともに、その受熱空間内で、熱源からの伝熱面積を最大限に確保可能でかつ流路抵抗が最小となるように、例えばＵ字形やＪ字形のようなカーブ形状に構成されるのがよい。

再生器４６は、作動流体の流路抵抗を最小限にしつつ配置するために、低温側シリンダ３２の延在方向（軸線方向）に沿って（同一軸線上に）直線状に構成される。このように、加熱器４７の第２端部４７ｔｂに連結される再生器４６は、低温側シリンダ３２の延在方向に沿って設けられる。加熱器４７の第１端部４７ｔａは、高温側シリンダ２２の上部に隙間無く接続される。これらのことから、少なくとも加熱器４７の第１端部４７ｔａ及び第２端部４７ｔｂ側には、それぞれ高温側シリンダ２２、低温側シリンダ３２の延在方向に沿う部分を有し、加熱器４７の中央部４７ｃは、上述したようなカーブ形状を有する場合が多いことになる。

上述した技術的理由から、加熱器４７は、直列並行に配置された２つのシリンダ２２，３２間で、途中で方向変換（ターン）する形状に構成されている。加熱器４７は、直列並行に配置された２つのシリンダ２２，３２間を連結する曲線部分とを有している。

次に、ピストン・シリンダのシール構造及びピストン・クランク部の機構について説明する。

上記のように、スターリングエンジン１０の熱源が車両の内燃機関の排気ガスであることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０を作動させる必要がある。そこで、本実施形態では、スターリングエンジン１０の内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。本実施形態では、スターリングエンジンの内部フリクションのうち最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、ピストンリングを使用せずに、その代わりに、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間には、それぞれ空気軸受（エアベアリング）４８が設けられる。

空気軸受４８は、摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０の内部フリクションを大幅に低減させることができる。空気軸受４８を用いても、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の気密は確保されるため、高圧の作動流体が膨張・収縮の際に漏れるという問題は生じない。

空気軸受４８は、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１、３１が空中に浮いた形となる軸受である。本実施形態の空気軸受４８では、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間の直径クリアランスは数十μmである。空中に物体を浮上させる空気軸受を実現するには、機構的に空気圧が強くなる部分（圧力勾配）ができるようにする他に、後述するように高圧の空気を吹きつけるものでもよい。

本実施形態では、高圧の空気を吹き付けるタイプの空気軸受ではなく、医療用ガラス製注射器のシリンダとピストンの間で用いられている空気軸受と同じ構成の空気軸受が用いられる。

また、空気軸受４８を使用することで、ピストンリングで用いる潤滑油が不要となるので、潤滑油によりスターリングエンジン１０の熱交換器（再生器４６，加熱器４７）が劣化するという問題が発生しない。なお、本実施形態では、ピストンリングにおける摺動抵抗と潤滑油の問題が解消されれば足りるので、流体軸受のうち油を使用する油軸受を除いた、気体軸受であれば空気軸受４８に限られることなく適用することができる。

本実施形態のピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間には、静圧空気軸受を用いることも可能である。静圧空気軸受とは、加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体（本実施形態ではピストン２１、３１）を浮上させるものである。また、静圧空気軸受に代えて、動圧空気軸受を用いることも可能である。

空気軸受４８を用いて、ピストン２１、３１をシリンダ２２、３２内で往復運動させる際には、直線運動精度を空気軸受４８の直径クリアランス未満にしなくてはならない。また、空気軸受４８の負荷能力が小さいため、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。即ち、空気軸受４８は、シリンダ２２、３２の直径方向（横方向，スラスト方向）の力に耐える能力（耐圧能力）が低いため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１、３１の直線運動精度が高い必要がある。特に、本実施形態で採用する、微小クリアランスの空気圧を用いて浮上させて支持するタイプの空気軸受４８は、高圧の空気を吹き付けるタイプに比べても、スラスト方向の力に対する耐圧能力が低いため、その分だけ高いピストンの直線運動精度が要求される。

上記の理由から、本実施形態では、ピストン・クランク部にグラスホッパの機構（近似直線リンク）５０を採用する。グラスホッパの機構５０は、他の直線近似機構（例えばワットの機構）に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に、本実施形態のスターリングエンジン１０は、自動車の排気管の内部にその加熱器４７が収容されるというように限られたスペースに設置されるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。また、グラスホッパの機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらに、グラスホッパの機構５０は、機構の構成が比較的簡単であるため、構成（製造・組み立て）し易い。

図５は、スターリングエンジン１０のピストン・クランク機構の概略構成を示している。本実施形態において、ピストン・クランク機構は、高温側パワーピストン２０側と低温側パワーピストン３０側とで共通の構成を採用しているため、以下では、低温側パワーピストン３０側についてのみ説明し、高温側パワーピストン２０側についての説明は省略する。

図５及び図１に示すように、圧縮ピストン３１の往復運動は、コネクティングロッド１０９によって駆動軸４０に伝達され、ここで、回転運動に変換される。コネクティングロッド１０９は、図５に示す近似直線機構５０によって支持されており、低温側シリンダ３２を直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド１０９を近似直線機構５０によって支持することにより、圧縮ピストン３１のサイドフォースＦがほとんどゼロになるので、負荷能力の小さい空気軸受４８によって十分に圧縮ピストン３１を支持することができる。

以上に述べた実施形態では、スターリングエンジン１０は、車両の内燃機関の排ガスを熱源とすべく排気管１００に取り付けた構成について説明した。但し、本発明のスターリングエンジンは、車両の内燃機関の排気管に取り付けられる形式のものに限定されるものではない。

本発明のスターリングエンジンの第１実施形態の構成を示す正（断）面図である。スターリングエンジンの熱量と仕事との関係を示す図である。本発明のスターリングエンジンの第１実施形態の通常運転時のＰ−Ｖ線図である。本発明のスターリングエンジンの第１実施形態の再生器をバイパスさせたときのＰ−Ｖ線図である。本発明のスターリングエンジンの第１実施形態において、適用される直線近似機構を説明するための説明図である。

符号の説明

１０スターリングエンジン
２０高温側パワーピストン
２１膨張ピストン
２２高温側シリンダ
２２ａ高温側シリンダの上面
３０低温側パワーピストン
３１圧縮ピストン
３２低温側シリンダ
４０駆動軸
４５冷却器
４６再生器
４７加熱器
４７ｔａ第１端部
４７ｔｂ第２端部
５０近似直線機構
６１クランクシャフト
６４ａ、６４ｂ延長部
６５ａ、６５ｂコネクティングロッド
９０カウンタウェイト（バランスウェイト）
１００排気管
１０９コネクティングロッド
４００バイパス通路
４１０バルブ
Ｗ_th 理論仕事
Ｗ_i 図示仕事
Ｗ_e 正味仕事
Ｑ₁ 熱量
Ｑ₂ 熱量
Ｑ₂₃ 熱量
Ｑ₄₁ 熱量

Claims

加熱器と再生器と冷却器とを備えたスターリングエンジンであって、
前記再生器に蓄熱される蓄熱量を変更する蓄熱量変更手段を備えた
ことを特徴とするスターリングエンジン。
加熱器と再生器と冷却器とを備えたスターリングエンジンであって、
前記スターリングエンジンの作動流体が前記再生器をバイパスするためのバイパス手段と、
前記再生器を通過する作動流体と、前記バイパス手段により前記再生器をバイパスする作動流体の割合を変更する変更手段と
を備えたことを特徴とするスターリングエンジン。
加熱器と再生器と冷却器とを備えたスターリングエンジンであって、
前記加熱器と前記冷却器とを直接連通させる連通路と、
前記連通路の断面積を変更する連通面積可変手段と
を備えたことを特徴とするスターリングエンジン。
請求項３記載のスターリングエンジンにおいて、
前記連通路の端部側は、作動流体が前記加熱器又は前記冷却器を流れるときの流れの方向に沿うように構成されている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
請求項１から４のいずれか１項に記載のスターリングエンジンにおいて、
前記スターリングエンジンは、α型直列２気筒スターリングエンジンである
ことを特徴とするスターリングエンジン。