JP2005351242A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】作動ガス圧を効率的に加圧することが可能なスターリングエンジンを提供する。
【解決手段】スターリングエンジン１０の作動空間と前記スターリングエンジンの外部とを連通する流路７１を備え、前記作動空間と前記スターリングエンジンの前記外部との差圧に基づいて、前記流路を介して前記スターリングエンジンの前記外部から前記作動空間に作動ガスが供給されるように構成されている。前記作動空間内の作動ガス圧Ｐの１サイクル内の平均値Ｐｍｅａｎよりも前記作動ガス圧が低いときに、前記流路を介して、前記スターリングエンジンの前記外部から前記作動空間に作動ガスが供給される。前記流路を介して、前記スターリングエンジンの前記外部から大気圧Ｐｏの作動ガスが前記作動空間に供給される。前記スターリングエンジンの前記外部において、前記流路には、加圧された作動ガスを供給する加圧流体供給手段９１が接続されている。
【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、スターリングエンジンの作動ガス圧を加圧するのに好適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、作動空間とクランクケースとを連通する連通管と蓄圧タンクから構成されるスターリングエンジンの出力制御装置が開示されている。

特開昭６４−３４２号公報

スターリングエンジンの作動ガス圧を効率的に加圧することが望まれている。特に、加圧に際して、例えば加圧ポンプのような加圧装置を使用する場合には、その動力の省力化が実現されることが望まれている。

本発明の目的は、作動ガス圧を効率的に加圧することが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、スターリングエンジンの作動空間と前記スターリングエンジンの外部とを連通する流路を備え、前記作動空間と前記スターリングエンジンの前記外部との差圧に基づいて、前記流路を介して前記スターリングエンジンの前記外部から前記作動空間に作動ガスが供給されるように構成されていることを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記作動空間内の作動ガス圧の１サイクルの平均値よりも前記作動ガス圧が低いときに、前記流路を介して、前記スターリングエンジンの前記外部から前記作動空間に作動ガスが供給されることを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記流路を介して、前記スターリングエンジンの前記外部から大気圧の作動ガスが前記作動空間に供給されることを特徴としている。

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の前記外部において、前記流路には、加圧された作動ガスを供給する加圧流体供給手段が接続されていることを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記加圧流体供給手段は、ピストンポンプであり、前記ピストンポンプは、前記ピストンポンプの筒内圧の位相が、前記作動空間内の前記作動ガス圧の位相と逆位相となるように設けられていることを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンにおいて、更に、前記作動空間と、前記スターリングエンジンのクランクケースとを連通する連通管と、前記連通管を開閉する開閉手段とを備え、前記開閉手段は、前記作動空間内の前記作動ガス圧が前記クランクケースの圧力よりも高いときに、前記連通管が開となるような状態とされることを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンにおいて、前記流路は、前記スターリングエンジンの低温側の前記作動空間と前記スターリングエンジンの前記外部とを連通するように設けられることを特徴としている。

本発明のスターリングエンジンによれば、作動ガス圧を効率的に加圧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。

以下に述べる各実施形態は、いずれも、作動空間（作動ガス圧）及びクランクケース４１の加圧方法に関するものである。まず、各実施形態に共通の構成について説明し、その後に、各実施形態に係る、作動空間（作動ガス圧）及びクランクケース４１の加圧方法について説明する。

（各実施形態に共通の構成）
図１１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１１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、図１３に示すように、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、図１２に示すように、車両において主エンジン（ガソリンエンジン、内燃機関）２００と共に用いられてハイブリッドシステムを構成する。即ち、スターリングエンジン１０は、主エンジン２００の排気ガスを熱源として用いた排気熱回収装置である。スターリングエンジン１０の加熱器４７が車両の主エンジン２００の排気管１００の内部に配置され、排気ガスから回収した熱エネルギーにより作動流体が加熱されてスターリングエンジン１０が作動する。

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（後述するＰｍｅａｎ）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の作動空間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。

クランクシャフト６１は、クランクケース４１に対して、ベアリング（軸受）で回転自在に支持されている。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。

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１１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１４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１４及び図１１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（６５ａ、６５ｂ）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１４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。

次に、スターリングエンジン１０の作動空間の作動流体の加圧方法、及びクランクケース４１の加圧方法について説明する。

スターリングエンジン１０の作動空間の作動流体の平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎが高く保持されることで、高出力が得られる点については上述の通りである。また、本実施形態のスターリングエンジン１０では、クランクケース４１の圧力が、スターリングエンジン１０の筒内の平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎまで加圧される構成を前提としている。スターリングエンジン１０の筒内の平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎまで、クランクケース４１の圧力を加圧するのは、スターリングエンジン１０の構成部品（例えばピストン）の強度として、高い強度を要求しない設計にするためである。

即ち、クランクケース４１の圧力がスターリングエンジン１０の筒内の平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎであれば、スターリングエンジン１０の筒内圧とクランクケース４１の内圧との差圧は、最大時でも、筒内圧の最大値（又は最小値）と平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎとの差圧に抑えることができる。このようにスターリングエンジン１０の筒内圧とクランクケース４１の圧力との差圧を小さく抑えることで、スターリングエンジン１０の構成部品の強度を低く抑えることができる。構成部品の強度を低く抑えることで、構成部品の軽量化を図ることができる。

本実施形態のスターリングエンジン１０では、通常の運転が開始される前に、スターリングエンジン１０の筒内の平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎまで、クランクケース４１が加圧される。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る、スターリングエンジン１０の作動空間の作動流体の加圧方法、及びクランクケース４１の加圧方法について説明する。

ここでは、まず上記平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎについて図１３を参照して説明する。

図１３は、高温側ピストン２１の頂面位置と低温側ピストン３１の頂面位置の変化を示している。上述したように、低温側ピストン３１は、高温側ピストン２１に対して、クランク角で９０°遅れて動くように位相差がつけられている。図１３において、高温側ピストン２１の波形と、低温側ピストン３１の波形の合成波Ｗが筒内圧（図２の筒内圧Ｐ）を示している。図１３において、符号Ｐｍｅａｎは、筒内圧の平均値である上記平均作動ガス圧を示している。

図２は、本実施形態によりスターリングエンジン１０のクランクケース４１が加圧される前の初期状態を示している。図２のグラフは、上記合成波Ｗを示しており、縦軸は筒内圧の圧力を示し、横軸はクランク角を示している。図２に示すように、クランクケース４１が加圧される前は、クランクケース４１の圧力Ｐｃ（＝上記平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎ）は、大気圧Ｐｏと等しくなっている。

本実施形態では、以下に述べるように、スターリングエンジン１０の作動流体の圧力（筒内圧Ｐ）の変化を利用して、クランクケース４１の圧力Ｐｃを加圧する。通常一般に、筒内圧Ｐは、図１３の符号Ｗに示すように、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎよりも低い領域（膨張行程の後半から圧縮行程の前半まで）と、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎよりも高い領域（圧縮行程の後半から膨張行程の前半まで）を繰り返す。本実施形態では、この筒内圧Ｐの変動を利用して、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎとともに、クランクケース４１の圧力Ｐｃを加圧する。

上記において、筒内圧Ｐが平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎよりも低い領域とは、作動流体の圧力（作動ガス圧）の１サイクルを考えたときに、作動ガス圧が、その１サイクルの作動ガス圧の平均値Ｐｍｅａｎよりも低い状態を意味しており、また、筒内圧Ｐが平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎよりも高い領域とは、作動ガス圧が、その１サイクルの作動ガス圧の平均値Ｐｍｅａｎよりも高い状態を意味している（以下同様）。

図１は、第１実施形態の概略構成を示す図である。図１において、図１１と同じ構成については、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１に示すように、低温側シリンダ３２において、ピストン３１の下死点近傍に対応する位置には、通路７１が、低温側シリンダ３２の圧縮空間（筒内）に連通するように設けられている。通路７１には、フィルタ７２が設けられている。通路７１は、スターリングエンジン１０の外部から筒内に大気圧Ｐｏの流体（作動流体）が流れるための通路である。通路７１は、外部から筒内に向かう方向のみに流体を流す（圧力を伝える）構成とされている。

フィルタ７２は、不純物が、スターリングエンジン１０の外部から通路７１を介して、筒内に進入することを抑制する機能を有している。上記のように、通路７１は、高温側シリンダ２２に対して設けられているのではなく、低温側シリンダ３２に接続されている。低温側シリンダ３２の圧縮空間の作動流体は、高温側シリンダ２２の膨張空間の作動流体と比べて、スターリングエンジン１０の外部の常温の外気との温度差が小さいことに基づき、外気が筒内に入り込む際の熱損失を相対的に低減させるために、通路７１は、低温側シリンダ３２に接続されている。

図２に示すように、筒内圧Ｐが大気圧Ｐｏよりも低く（負圧に）なるとき（膨張行程の後半から圧縮行程の前半まで）に、大気圧Ｐｏの流体（外気）が通路７１を介して筒内に入り、スターリングエンジン１０の圧縮行程（特に圧縮行程の後半以降）によって圧縮される。その圧縮行程にて加圧された圧力（流体）は、シリンダ３２、２２とピストン３１、２１との間のクリアランスＣＬを介して、クランクケース４１に伝わる。これにより、クランクケース４１が加圧される。

この動作が繰り返されることにより、図３に示すように、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎ（＝クランクケース４１の圧力Ｐｃ）が大気圧Ｐｏよりも高くなるとともに、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎ＝クランクケース４１の圧力Ｐｃとなる。このように、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎが高められた状態でスターリングエンジン１０が運転されることにより、スターリングエンジン１０から高出力が得られる。

（第２実施形態）
次に、図４を参照して、第２実施形態に係る、スターリングエンジン１０の作動空間の作動流体の加圧方法、及びクランクケース４１の加圧方法について説明する。

図４は、第２実施形態の概略構成を示す図である。上記図１の第１実施形態の構成と共通する構成については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

第２実施形態では、上記第１実施形態と比較して、通路７１にチェック弁７３が追加されている。チェック弁７３は、通路７１の先端部７１ａ側の圧力の方が基端部７１ｂ側の圧力よりも高いときのみ、開く構成とされている。このことから、通路７１は、外部から筒内に向かう方向のみに圧力（作動流体）を伝える構成とされている。また、第２実施形態では、スターリングエンジン１０の筒内とクランクケース４１とをつなぐ通路８１が設けられている。

第２実施形態によれば、スターリングエンジン１０の筒内圧Ｐが大気圧Ｐｏよりも低いときに、外部の大気圧Ｐｏの流体が通路７１を介して筒内に入り、その流体がスターリングエンジン１０の圧縮行程にて圧縮される。その圧縮行程にて加圧された圧力は、通路８１を介して、クランクケース４１に伝わる。これにより、クランクケース４１が加圧される。これが繰り返されることにより、上記第１実施形態と同様に、図３に示すように、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎ（＝クランクケース４１の圧力Ｐｃ）が大気圧Ｐｏよりも高くなるとともに、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎ＝クランクケース４１の圧力Ｐｃとなる。

上記第１実施形態では、シリンダ３２、２２とピストン３１、２１との間の微小なクリアランスＣＬのシール圧が高いと、圧縮行程にて加圧された圧力（流体）がクリアランスＣＬを介してクランクケース４１に伝わり難い（ないしは、伝わるのに時間がかかる）ことがあるが、第２実施形態では、通路８１を介してクランクケース４１に伝わるため、そのようなことがない。

（第３実施形態）
次に、図５から図６−２を参照して、第３実施形態に係る、スターリングエンジン１０の作動空間の作動流体の加圧方法、及びクランクケース４１の加圧方法について説明する。

図５は、第３実施形態の概略構成を示す図である。上記図４の第２実施形態の構成と共通する構成については同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。第３実施形態では、上記第２実施形態と比較して、通路８１にチェック弁８２及び弁８３が追加されている。チェック弁８２は、通路８１において、筒内側の端部８１ａの圧力の方が、クランクケース４１側の端部８１ｂの圧力よりも高いときのみ開く構成とされている。

第３実施形態によれば、弁８３を開いた状態で、図６−１に示すように、筒内圧Ｐがクランクケース４１の圧力Ｐｃよりも高いときには、通路８１を介してクランクケース４１が加圧される。また、筒内圧Ｐが大気圧Ｐｏよりも低いときには、通路７１を介して、大気圧Ｐｏの流体が筒内に流入する。これを繰り返すことによって、クランクケース４１を加圧し、最後に弁８３を閉じると、図６−２に示すように、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎがクランクケース４１の圧力Ｐｃまで上昇する（図３と同様）。

即ち、筒内の作動流体の容積と、クランクケース４１の容積を比較すると、作動流体の容積≪クランクケース４１の容積の関係となるため、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎは、クランクケース４１の圧力Ｐｃまで上昇する。第３実施形態によれば、通路８１に、チェック弁８２及び弁８３が設けられているので、クランクケース４１側から通路８１を介して筒内に流体が流れることを確実に抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、図７及び図８を参照して、第４実施形態に係る、スターリングエンジン１０の作動空間の作動流体の加圧方法、及びクランクケース４１の加圧方法について説明する。

上記第１〜第３実施形態は、大気圧Ｐｏを用いてクランクケース４１の圧力Ｐｃを加圧するものであった。これに対し、第４実施形態では、例えば加圧ポンプのような加圧源に代表される補機を用いて、クランクケース４１の圧力Ｐｃを加圧するものである。第４実施形態では、クランクケース４１の圧力Ｐｃを加圧する際に用いられる、補機の動力の省力化又は設備規模の小型化を実現することを目的としている。

第４実施形態では、上記第１〜第３実施形態において上述した、スターリングエンジン１０の圧縮・膨張（筒内圧Ｐの変動）に伴うポンプ作用を用いることによって、上記補機の動力の省力化又は設備規模の小型化を実現する。

図８は、第４実施形態の構成を示している。上記図１の上記第１実施形態の構成と共通の構成については、同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。第４実施形態では、通路７１に対して分岐するように分岐通路７５が接続され、分岐通路７５には、加圧ポンプ９１と、加圧ポンプ９１よりも下流側に設けられたタンク９２が設けられている。タンク９２は、加圧ポンプ９１などにより昇圧された流体を貯めておくためのものである。

図７に示すように、第４実施形態では、筒内圧Ｐがタンク９２の圧力よりも低圧であるときに、通路７１を介して、外部圧（タンク９２の圧力、更に、筒内圧Ｐが大気圧Ｐｏよりも低ければ大気圧Ｐｏについても）が筒内に導入される。その筒内に導入された圧力は、スターリングエンジン１０の圧縮行程によって更に加圧される。その圧縮行程にて加圧された圧力（流体）は、シリンダ３２、２２とピストン３１、２１との間のクリアランスＣＬを介して、クランクケース４１に伝わる。これにより、クランクケース４１が加圧される。

第４実施形態によれば、クランクケース４１の加圧に際して、加圧ポンプ９１により発生させた圧力のみがクランクケース４１に作用するのではなく、加圧ポンプ９１により発生させた圧力が、スターリングエンジン１０の圧縮行程にて更に加圧されてなる圧力がクランクケース４１に作用する。これにより、加圧ポンプ９１の動力の省力化又は設備規模の小型化が実現される。

（第５実施形態）
次に、図９及び図１０を参照して、第５実施形態に係る、スターリングエンジン１０の作動空間の作動流体の加圧方法、及びクランクケース４１の加圧方法について説明する。
上記実施形態と共通の構成については、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

図９に示すように、低温側シリンダ３２に設けられた通路７１には、２つのチェック弁７６，７７が設けられている。それらのチェック弁７６，７７は、それぞれ通路７１の上流側の圧力の方が下流側の圧力に比べて高い場合にのみ開く構成とされている。それらのチェック弁７６，７７の間には、ピストンポンプ９５が設けられている。

ピストンポンプ９５のクランク軸は、スターリングエンジン１０のクランク軸と一体的に設けられ、かつ、ピストンポンプ９５及びスターリングエンジン１０の両ピストンの動きが、それぞれ互いに逆位相となるように構成されている。通路７１において、上流側のチェック弁７７の更に上流側には、弁７８が設けられている。

図１０の上下２つの図のうち、上の図は、スターリングエンジン１０の筒内圧Ｐを示しており、下の図は、ピストンポンプ９５の筒内圧を示している。図１０の各図において、縦軸は圧力を示し、横軸はクランク角を示している。

図９の弁７８が開いた状態では、図１０に示すように、ピストンポンプ９５の筒内圧が低圧（又は負圧）のときに、通路７１を介して外部圧がピストンポンプ９５の筒内に導入され、ピストンポンプ９５の圧縮行程にて加圧される。

ピストンポンプ９５が圧縮行程のときに、スターリングエンジン１０の筒内圧Ｐは膨張行程であるため（上記逆位相の関係より）、差圧が大きい状態となっている。ピストンポンプ９５の圧縮行程によって加圧された流体は、スターリングエンジン１０の筒内圧Ｐが低圧のとき（膨張行程）に筒内に導入され、更に、スターリングエンジン１０の圧縮行程によって加圧される。その圧縮行程によって加圧された圧力（流体）は、シリンダ３２、２２とピストン３１、２１との間のクリアランスＣＬを介して、クランクケース４１に伝わる。これにより、クランクケース４１が加圧される。

上記のように、本実施形態のスターリングエンジン１０では、クランクケース４１の圧力が、スターリングエンジン１０の筒内の平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎまで加圧される構成を前提としている。出荷時等にクランクケース４１を一度加圧した後に、クランクケース４１を完全に密閉させておき、その後の圧力漏れをゼロに抑えることが困難である場合には、何らかの方法により、クランクケース４１を再度加圧する必要がある。この場合に、例えば、ポンプ９１又はピストンポンプ９５のような加圧源が必要になると考えられる。この場合、加圧源の装置規模／エネルギーを小さく抑えるためには、スターリングエンジン１０の上記ポンピング作用を、出力トルクを得るという本来の利用形態としてではなく、上記のように、クランクケース４１の圧力を上昇させる目的で利用することが有効である。

なお、上記第１〜第５実施形態は、適宜組み合わせることが可能である。例えば、第４実施形態及び／又は第５実施形態では、上記第２又は第３実施形態と同様に、筒内とクランクケース４１とをつなぐ通路８１が設けられることができる。

以上に述べたように、上記実施形態によれば、以下の項目が開示される。

（１）スターリングエンジンにおいて、作動ガスの圧力変化を利用して、クランクケースを加圧すること。
（２）上記（１）において、スターリングエンジンの筒内圧Ｐが大気圧Ｐｏよりも低い場合、外部から筒内へ外気を吸入し、スターリングエンジンで圧縮すること。
（３）上記（１）において、筒内圧Ｐがクランクケース４１の内圧Ｐｃよりも高い場合、筒内圧Ｐがクランクケース４１に伝わり、クランクケース４１が加圧されること。クランクケース４１の内圧Ｐｃと筒内圧Ｐとの差圧を利用して、クランクケース４１を加圧すること。
（４）上記（２）において、外気を取り込む通路は、低温側気筒へ接続すること（熱損失低減のため）。

（５）上記（３）において、最終的に作動ガスの平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎがクランクケース４１の内圧Ｐｃになること。
（６）上記（３）において、筒内とクランクケース４１をつなぐ通路を閉じることで、平均作動ガス圧Ｐｍｅａｎをクランクケース４１の内圧Ｐｃまで上昇させること。
（７）上記（２）において、筒内へ不純物が入り込むのを防ぐこと。

（８）スターリングエンジンの作動ガスの圧力変化を利用して、クランクケース４１の加圧の補助を行うこと。
（９）上記（８）において、筒内圧Ｐが低圧のときに、外部から筒内へ外部圧を入れ、クランクケース４１を加圧する装置の負担を減らすこと。
（１０）上記（８）又は（９）において、外部圧＋スターリングエンジンの圧縮により、クランクケース４１の内圧Ｐｃの上昇を早めること。

（１１）クランクケース４１の加圧用として、スターリングエンジンのパワーピストンと逆位相のピストンを追加し、クランクケース４１の加圧の省動力化を行うこと。
（１２）上記（８）から（１１）のいずれか一つにおいて、外部圧導入通路は、低温側気筒へ接続すること（熱損失低減のため）。

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実施形態の概略構成を示す正（断）面図である。 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、クランクケースが加圧される前の筒内圧を示すグラフである。 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、クランクケースが加圧された後の筒内圧を示すグラフである。 本発明のスターリングエンジンの第２実施形態の概略構成を示す正（断）面図である。 本発明のスターリングエンジンの第３実施形態の概略構成を示す正（断）面図である。 本発明のスターリングエンジンの第３実施形態において、弁を閉じる前の筒内圧を示すグラフである。 本発明のスターリングエンジンの第３実施形態において、弁を閉じた後の筒内圧を示すグラフである。 本発明のスターリングエンジンの第４実施形態において、クランクケースが加圧される前の筒内圧を示すグラフである。 本発明のスターリングエンジンの第４実施形態の概略構成を示す正（断）面図である。 本発明のスターリングエンジンの第５実施形態の概略構成を示す正（断）面図である。 本発明のスターリングエンジンの第５実施形態において、スターリングエンジンの筒内圧と、ピストンポンプの筒内圧を示すグラフである。 本発明のスターリングエンジンの各実施形態の基本構成を示す正（断）面図である。 本発明のスターリングエンジンの各実施形態と内燃機関の取り付け状態を示す上面図である。 本発明のスターリングエンジンの各実施形態の筒内圧を説明するグラフである。 本発明のスターリングエンジンの各実施形態において、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
４１ クランクケース
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
７１ 通路
７２ フィルタ
７３ チェック弁
７５ 分岐通路
７６ チェック弁
７７ チェック弁
７８ 弁
８１ 通路
８２ チェック弁
８３ 弁
９０ カウンタウェイト（バランスウェイト）
９１ 加圧ポンプ
９２ タンク
９５ ピストンポンプ
１００ 排気管
１０９ コネクティングロッド
２００ 主エンジン
ＣＬ クリアランス
Ｐｃ クランクケースの内圧
Ｐｍｅａｎ 平均作動ガス圧
Ｐｏ 大気圧

Claims (7)

1. スターリングエンジンの作動空間と前記スターリングエンジンの外部とを連通する流路を備え、
   前記作動空間と前記スターリングエンジンの前記外部との差圧に基づいて、前記流路を介して前記スターリングエンジンの前記外部から前記作動空間に作動ガスが供給される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。
2. 請求項１記載のスターリングエンジンにおいて、
   前記作動空間内の作動ガス圧の１サイクルの平均値よりも前記作動空間内の前記作動ガス圧が低いときに、前記流路を介して、前記スターリングエンジンの前記外部から前記作動空間に作動ガスが供給される
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
3. 請求項１または２に記載のスターリングエンジンにおいて、
   前記流路を介して、前記スターリングエンジンの前記外部から大気圧の作動ガスが前記作動空間に供給される
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
4. 請求項１から３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の前記外部において、前記流路には、加圧された作動ガスを供給する加圧流体供給手段が接続されている
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
5. 請求項４記載のスターリングエンジンにおいて、
   前記加圧流体供給手段は、ピストンポンプであり、
   前記ピストンポンプは、前記ピストンポンプの筒内圧の位相が、前記作動空間内の前記作動ガス圧の位相と逆位相となるように設けられている
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
6. 請求項１から５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、
   更に、
   前記作動空間と、前記スターリングエンジンのクランクケースとを連通する連通管と、
   前記連通管を開閉する開閉手段と
   を備え、
   前記開閉手段は、前記作動空間内の前記作動ガス圧が前記クランクケースの圧力よりも高いときに、前記連通管が開となるような状態とされる
   ことを特徴とするスターリングエンジン。
7. 請求項１から６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、
   前記流路は、前記スターリングエンジンの低温側の前記作動空間と前記スターリングエンジンの前記外部とを連通するように設けられる
   ことを特徴とするスターリングエンジン。

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