JP2006183649A - ロータリー式スターリング機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリー式スターリング機関に回転ローター方式を用い、シンプルでコンパクトかつ静粛性を実現し、作動流体の作用を理想的熱サイクルに近づけ、同時に従来方式の課題であった潤滑とシールおよび潤滑剤等による内部熱交換器の汚染劣化を解決し、性能の向上と同時に長期にわたる信頼性を得て、あわせて低コストで実用化を図る。
【解決手段】パワー側とディスプレーサー側駆動機構部は回転ロータリー式とし、それぞれ一対の円筒形状シリンダーとローターおよび一個の可動隔壁とフタで構成される作動空間を、共通軸につながる偏心軸で適宜位相差をつけて変化させ作動流体を一方向に循環させ、それぞれに設けた冷却器と加熱器および中間の再生熱交換器で連続的なスターリングサイクルを成立させる。高温のディスプレーサー側には潤滑剤の流入を防ぎ、比較的低温のパワー側は充分な潤滑とシールを得ることによりシンプルでコンパクトな機関を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明はスターリング機関の特長である高効率、燃料の多様性、静粛性および排気の清浄性等を簡略な構造で実用化し、従来の内燃機関等既存の機関で得られなかった利便性、省エネルギー性や環境調和性等を必要とするエネルギー機器応用分野全般に活用できる。同時に逆サイクルとしてヘリウムや水素などの自然作動媒体を用いれば環境性のすぐれた冷凍機分野にも転用できる。

スターリング機関は従来主流の内燃機関と異なり、上述のような優れた特性からその実用化が期待されてきた。しかし外燃機関であるため外部との熱の授受や内部の熱交換、高圧作動流体使用などから機構全体が複雑でかつ重くなる傾向にあり耐久性や応答性にも改良の余地が多くかつコスト的にも高くつきやすく、競争力に欠けていた。この改善の案の一つとして従来の主流であった往復動型ピストン式でなく回転型ローター式が検討されてきた。例えばヴァンケル型、多翼ロータリーピストン型機構の使用であるが駆動部はクランク機構から回転機構に簡略化されたものの、いずれも肝心のスターリングサイクルの実現作動機構の構造が複雑で無理があり、かつ高温部での摺動が困難なため実用化されていない。

従来の回転型ロータリー機関の欠点であった回転機構部本体と流体作動システム両方の大幅な簡略化、および従来のどの方法でも困難であった耐久性のあるシールおよび潤滑方法、ならびに内部熱交換器の汚染劣化の抜本的な防止等の諸課題を解決し、最も熱力学的に理想に近い本サイクルを実現しようとする。

本発明は前述のような従来の回転型ロータリー式スターリング機関の流体作動機構を単純な円筒型シリンダーと回転動する円筒型ローターおよび両者空間を仕切る一枚の可動隔壁からなる構造体二個をそれぞれ共通軸で連結し一対の機構部として構成する。それぞれの構造体は一方は出力取り出し（パワー）側部として、もう一方は入れ替え（ディスプレーサー）側部として作用し、その封入された作動流体の圧力、内容積、ローター偏心量、相互の位相差、流入および排出熱量や温度等諸元はあらかじめ選定設定されるが場合により作動中にもこれらのいくつかを変化させて機関の出力を変動できるよう制御機能も設けられる。また、流体の作動システムも全体が循環動流を基本に各部位は単純に機能分担され根本的に簡単化するとともに、連続的な作動が得られ、内部熱交換器内の流れは往復流でなく高温部と低温部が分離されながら相互の熱交換は行える対抗する一方向流となるように構成される。なお、本機関の駆動用熱は外部の熱源から加熱器に加えられ、これを内部の作動流体に伝え動力に変換後排熱として冷却器からやはり外部に放熱されるが、この時熱力学的には略スターリングサイクルが作動する。

本発明は前述のような手段を用いることにより従来の課題を解決できる。具体的には本案の根幹をなす駆動部の構造体は既に冷凍空調用圧縮機では通称「ロータリーピストン圧縮機」として普及しているものに類似しておりその簡易性に基づく生産性の良さや低コストは同様に期待できる。これを基本に機関として用いる際の大きな課題であるシールおよび潤滑性能は、これを比較的に低温環境下で用いる出力取り出し（パワー）側部と高温環境下で用いる作動流体入れ替え（ディスプレーサー）側部とに機能用途を分別させて解決する。すなわち前者では環境的に潤滑剤を内部のシール機構に用い得ることが通常で、このため充分に出力を得ることができる。一方、後者では摂氏数百度程度の高温にさらされる場合があり、この際は通常潤滑剤は用いることはできないが、本発明ではこれが入れ替え（ディスプレーサー）用途に限定されるため、構成要素であるシリンダーとローターおよび隔壁相互のシールは必ずしも厳密に必要でなく間隙の許容幅に余裕がとれる。この結果それぞれの要素表面は適当な表面処理や材料を表面に付加するだけで所期の機能を得られる。ただし、ここにはあらかじめ出力取り出し（パワー）側部からは潤滑剤の浸入が最小になるよう、それから排出される作動流体に混在する潤滑剤を分離して再びその吸引側に戻るような手段を講じておくことができる。この結果高温部での潤滑特性の劣化や内部熱交換器の潤滑剤汚染による性能低下も防止できる。また、本ロータリー機構では作動流体のサイクル内循環が一方向に行われるが、シリンダー部に付設される加熱器や、冷却器等の熱交換器へも円滑に流入でき従来の他の方式に比して、熱サイクル的に有利となる。同時にディスプレーサー側およびパワー側の両ピストンは後述するように位相差を約１８０度すなわち共通軸に対して反対方向に偏心回転させることにより、互いに振れ回りにより発生する振動を相殺でき低振動で静粛な運転が可能となる。以上により従来の往復動型のスターリング機関はもとより既に提案されている回転型ロータリー式機関を凌駕する性能、コストで実用化が実現可能と期待できる。

前述のごときロータリー式駆動機構を主体に加熱器、冷却器および再生熱交換器ならびに全体を連結する作動流体の通路等を設け、あわせて必要に応じて高温部への潤滑剤の浸入防止用機構を有する形態。

以下、本発明を図１の基本構造およびシステム図、図２の駆動機構部の正面断面図、図３の（図２でのＡＡ矢視方向）側断面およびシステム図、図４逆サイクル冷凍システム図に基づいて説明する。駆動機構のうち出力取り出し（パワー）側部は主に、固定される（１）パワーロータリーシリンダー（シリンダーＰ）、その内面に沿って図１、図２の矢印方向に回転する（１０）パワーローター（ローターＰ）、（１１）前記両者の構成する空間を仕切る隔壁Ｐ、（１２）軸Ｐ、（１３）フタより構成される。（１２）の軸Ｐに直交面上では直径Ｄの円形形状で円筒状の内壁面を有する（１）のシリンダーＰ内面に密着するように、同じく直径ｄの円筒状外壁面の（１０）ローターＰが（１２）の軸Ｐの振れ回る動きに応じて内接転動するよう設けられる。ここに（１２）軸Ｐは（１）シリンダーＰの軸心（図３の破線）より適当量ｅだけ偏心して設定される。ここに相互の寸法諸元はそれぞれ、Ｄ−ｄ＝２ｅの関係をとる。図１では（１１）隔壁Ｐが最も突き出ている状態でこの時（１０）ローターＰは同図のようにその最も反対側（図１で左）にあり、（１）シリンダーＰ、（１３）フタとで構成する二個の内部作動空間を形成する。（１）シリンダーＰには図のように（３）冷却器が設けられ内部には作動流体が外部の冷熱源により冷却され放熱するしくみが内蔵される（図示せず）。この図１の位相時ではその冷却効果はほぼ最小を示す。また図２に示すように（１）シリンダーＰの（１１）隔壁Ｐ側にはこれを挟んで（１４）吸入口、（１５）吐出口が設けられ（１０）ローターの矢印方向（同図では時計回り）の回転に伴い作動流体が前者から前述の作動空間の一方に吸入もしくは流入し、同様後者から吐出もしくは排出される。ここにこの空間内は必要に応じて充分に潤滑、シールされ作動流体の漏洩や摩擦による磨耗は最小になされる。なお、従来の回転式機関ではシリンダー形状が非円形（楕円や繭形等）や多翼でシールが困難で磨耗も起き易かったが本方式ではより単純で解決容易である。また、ローターと隔壁はあらかじめ一体に形成しシリンダー内で隔壁相当部が揺動するいわゆるスイングローター（図示せず）でも原理的に同様で代替可能である。

もう一方の入れ替え（ディスプレーサー）側部の駆動機構も基本構造は前項の出力取り出し（パワー）側部と類似であるが大要は（２）ディスプレーサーロータリーシリンダー（シリンダーＤ）、（２０）ディスプレーサーローター（ローターＤ）、（２１）隔壁Ｄ、（２２）軸Ｄおよびフタで構成され、その作動原理もほぼ同様である。この際、図１のように（２０）のローターＤは矢印の方向に回転しシリンダーＤ内で最も（２１）の隔壁Ｄ（シリンダー内に入っているため破線で図示）寄りの位置（図１で左側）にあり、入れ替え（ディスプレーサー）側部とほぼ１８０度の位相差に設定される。なお、本方式ではローターが図の位置にあるときを出発点（位相０度）とすると、２回転（７２０度）で一個の作動空間内の作動流体の吸入（流入）および吐出（排出）が完了し、その中間（３６０度）の位相時点が最大容積となりこの間は滑らかに（略正弦波状に）変化する。（１０）ローターＰと（２０）ローターＤの位相差はいずれも（１２）軸Ｐと（２２）軸Ｄの両者を結合する共通軸（図示せず）から偏心回転するときの位相差により決定されるがこれは共通軸部に設けられる（３０）入出力駆動機構により制御することもできる。この機構には上記の位相制御装置のほか、機関の始動装置、発電もしくは軸動力による出力取り出し装置、フライホイール等慣性装置、変速装置等軸の駆動制御に関わる装置が包含される。スターリング機関の入出力等性能の制御には一般に、封入作動流体（例えば水素、ヘリウム、窒素等）の圧力、外部からの熱の授受量、内部での作動流体のバイパス量、往復動（レシプロ）式ではピストンストローク量等を変化させる方法があるがいずれも複雑な上、応答性が良くない。しかるに本方式の回転（ロータリー）式では前述のようにローターの位相差を変化させ、それぞれの駆動機構内部の容積変化が相互に最適なスターリングサイクル状態を生成させるように最も簡略に応答性良く実現できる。なお、こちらのシリンダーＤには（４）加熱器が付設され外部から加えられる熱が内部の作動流体に伝達される。図１の状態では最大限の加熱が行われる。なお、ディスプレーサー側機構は先述のように作動流体の入れ替え用途が主体で気密性をパワー側機構より緩やかにできる利点があるが、これでは不十分な場合、（２）シリンダーＤに設けられる吐出口（図示せず）および吸入口（図示せず）に逆流防止の弁（図示せず）を付設し性能改善を図ることも可能である。

前述の結果、作動流体はパワー側とディスプレーサー側を一方方向に循環する。主に図１で説明すると、先ずディスプレーサー側で（４）加熱器で加熱され高温高圧になり同機構からその吐出口（図示せず）を経て流出し、パワー側とを結ぶ（５）高温接続管を矢印の方向に進み、（１４）吸入口を経てパワー側機構に流入する。この途中内部で作動流体の混合がなく蓄熱が可能な（７）再生熱交換器で対抗側の冷熱と熱交換し冷却されて高温ではなくなっている。この流入した作動流体の圧力で（１０）ローターＰは出力を発生する。この後、前記ローターＰの矢印方向回転でローターＰは（３）冷却器で作動流体が冷却されるように移動（図示せず）し、作動流体も冷却器内に流路を有する場合は部分的に流入し冷却される。同ローターがさらに回転して（１１）の隔壁Ｐをシリンダー内に最も押し込む位置、すなわち位相３６０度（先述出発点０度と同位置）を経た後作動流体は再びその（１５）吐出口から流出し（６）低温接続管を矢印方向に流れ（７）再生熱交換器で戦術の高温流体と熱交換し予備加熱され昇温後ディスプレーサー側機構にその吸入口（図示せず）を経て戻り（２０）ローターＤの回転で最大まで吸入されて初期状態に復する。ここにパワー側から吐出される作動流体中の潤滑剤を分離して高温のディスプレーサー側機構への浸入を防止し同時にパワー側機構の潤滑、シールを確保する目的で（８）潤滑剤戻し機構を設けることも可能であり点線の矢印は分離流体の流れ方向を示す。なお、（７）再生熱交換器は両矢印で示されるように作動流体の流れ方向が反対の対抗流でありながら熱の交換および一部蓄積が可能なように構成される。従来のスターリングサイクルでの再生熱交換器が往復動流でいったん蓄熱し熱の授受を主目的としておりその構造が細管や網の組み合わせで複雑なうえ、潤滑剤や内部発生ごみによる目詰まり等で信頼性にかけていた。本方式によれば全体の流れが一方向で単純になり上記の問題は無くなり、かつ効率の向上も期待できる。また、前述の作動説明からも分かるように、スターリングサイクルの熱力学的な段階（省略）が連続的に実現されシステム的に無駄なくコンパクトにまとめられ簡略な駆動機構の構造とあわせて高性能の有用な機関を実現できる。

上述の機関の他への応用例として、図４に本システムを基本に逆サイクルとして駆動したときの冷凍機システムを示す。この時は従来の（４）加熱部は（４５）吸熱冷却部に置き換えられ外部より熱を吸収することで相手を冷却でき、（３）の冷却器は（３５）放熱加熱器に置き換えられて外部に熱を放熱し相手を加熱する。実用的にはヒートポンプ空調、中低温チラーや超低温冷凍機に活用できる。

以上説明したように、本発明によれば比較的簡単な構造で実用性の高い高性能なスターリング機関が可能となり冒頭に述べたごとく多くの技術分野への活用が可能となる。

基本構造およびシステム図 駆動機構部正面断面図 駆動機構部側断面およびシステム図 逆サイクル冷凍システムズ図

符号の説明

（１）パワーロータリーシリンダー
（２）ディスプレーサーロータリーシリンダー
（３）冷却器
（４）加熱器
（５）高温接続管
（６）低温接続管
（７）再生熱交換器
（８）潤滑剤分離戻し機構
（１０）パワーローター
（１１）隔壁Ｐ
（１２）軸Ｐ
（１３）フタ
（１４）吸入口
（１５）吐出口
（２０）ディスプレーサーローター
（２１）隔壁Ｄ
（２２）軸Ｄ
（３０）入出力制御機構
（３５）放熱加熱部
（４５）吸熱冷却部

Claims (3)

1. スターリング機関で、その出力取り出し（パワー）側部および作動流体入れ替え（ディスプレーサー）側部を、それぞれの軸と直角面の形状が円形の円筒形状よりなる一対の固定シリンダーおよび偏心回転ローターと両者を仕切る各一個の可動隔壁ならびに結合軸とフタより成る構成空間の容積変化で作動流体を吸入、吐出可能な一組の駆動機構部分、および各側のシリンダーにそれぞれ付設され外部と熱の排出、吸入を行う冷却器あるいは加熱器、および前記両側駆動機構間を循環する作動流体の一対の通路と相互の熱交換を一方向流動の組み合わせで行う再生熱交換器を主な構成要素とし、共通の結合軸の偏心量と相互の位相を適宜選定して所要の軸出力を連続的に発生させる構成を有するが、前記パワー部とディスプレーサー部のローターはあらかじめそれぞれ略１８０度の位相差に設定する。
2. 前項の機関とほぼ同様の構成よりなるが、前述の軸出力部を動力で駆動し逆スターリングサイクルとして作用させ、前述の外部の熱の排出、吸入部分でそれぞれ放熱あるいは吸熱させ結果的に外部を加熱もしくは冷却させるように熱交換部分を最適化し冷凍機として作動可能とする。
3. 既述パワー側機構に供する潤滑剤をその吐出口で作動流体と分離しそれを再び前記機構に戻すための機構を設け、ディスプレーサー側機構への浸入を防止する機構を適宜付与する。

Images