JP2006275018A - スターリングエンジン - Google Patents
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Abstract
【課題】 高出力比、高効率のスターリングエンジンを提供する。
【解決手段】 シリンダー３内に往復動自在に設けたディスプレーサピストン２を往復動させることにより、シリンダー３、６内に封入したガス１５を加熱部１６と冷却部１７との間で往復させて、シリンダー３、６内にガス１５の圧力差を生じさせ、この圧力差をディスプレーサピストン２に９０度の位相をもって連動するパワーピストン５を介して動力として取り出すスターリングエンジン１であって、加熱部１６の加熱源及び冷却部１７の冷熱源１４にガスハイドレートを用いる。加熱部１６におけるガス１５の温度と冷却部１７におけるガス１５の温度との差を大きくとることができ、この大きな温度差に応じた動力をパワーピストン５を介して取り出すことができる。
【選択図】 図１
【解決手段】 シリンダー３内に往復動自在に設けたディスプレーサピストン２を往復動させることにより、シリンダー３、６内に封入したガス１５を加熱部１６と冷却部１７との間で往復させて、シリンダー３、６内にガス１５の圧力差を生じさせ、この圧力差をディスプレーサピストン２に９０度の位相をもって連動するパワーピストン５を介して動力として取り出すスターリングエンジン１であって、加熱部１６の加熱源及び冷却部１７の冷熱源１４にガスハイドレートを用いる。加熱部１６におけるガス１５の温度と冷却部１７におけるガス１５の温度との差を大きくとることができ、この大きな温度差に応じた動力をパワーピストン５を介して取り出すことができる。
【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、高出力比、高効率が得られるスターリングエンジンに関する。
スターリングエンジンは、ディスプレーサピストンの往復動により、シリンダー内に封入したガスを加熱部と冷却部との間で往復させてシリンダー内に圧力差を生じさせ、この圧力差をディスプレーサピストンに９０度の位相をもって連動するパワーピストンを介して動力として取り出すように構成したものであって、ピストン、シリンダー等の配置によりα型、β型、γ型の３種類に分類される。
α型のスターリングエンジンは、一対のシリンダーを並列に配置し、両シリンダー間を連通路を介して相互に連通し、連通路の途中に再生熱交換器を設け、一方のシリンダーをガスの加熱部とし、他方のシリンダーをガスの冷却部とし、一方のシリンダー内のピストンと他方のシリンダー内のピストンとをクランクシャフトを介して９０度の位相をもって連結し、一方のピストンをディスプレーサピストンとして使用し、他方のシリンダー内のピストンのパワーピストンとして使用するように構成したものである。
また、β型スターリングエンジンは、１つのシリンダー内に２つのピストンを設け、両ピストンをクランクシャフトを介して９０度の位相をもって連結し、一方のピストンをディスプレーサピストンとして使用し、他方のピストンをパワーピストンとして使用し、ディスプレーサピストンによってシリンダー内をガスの加熱部とガスの冷却部とに区画し、加熱部と冷却部との間を連通路を介して相互に連通し、連通路の途中に再生熱交換器を設けて構成したものである。
さらに、γ型のスターリングエンジンは、シリンダー内にディスプレーサピストンを設け、ディスプレーサピストンによってシリンダー内を加熱部と冷却部とに区画し、加熱部と冷却部との間を連通路を介して相互に連通し、冷却部に他のシリンダーを連結し、このシリンダー内にパワーピストンを設け、ディスプレーサピストンとパワーピストンとをクランクシャフトを介して９０度の位相をもって連結するように構成したものである。
上記のようなα型、β型又はγ型に属するスターリングエンジンの一例として、加熱器の加熱源に天然ガスや灯油等の燃焼ガスを使用し、冷却器の冷熱源に冷却水を使用し、この燃焼ガスと冷却水との温度差に応じた圧力差を生じさせることにより、その圧力差に応じた動力を取り出すように構成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、他のスターリングエンジンの例として、加熱器の加熱源に海水を使用し、冷却器の冷熱源にＬＮＧを使用し、この海水とＬＮＧとの温度差に応じた圧力差を生じさせることにより、その圧力差に応じた動力を取り出すように構成したものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平１０−２０５９０２号公報
特開平１１−２２５５０号公報
ところで、上記のような各種のスターリングエンジンのうち、特許文献１に記載されているスターリングエンジンは、加熱部におけるガスの温度と冷却部におけるガスの温度との差を大きくとることができないため、シリンダー内に大きな圧力差を生じさせることができない。
また、特許文献２に記載されているスターリングエンジンは、加熱部におけるガスの温度と冷却部におけるガスの温度との差を大きくとることができるため、シリンダー内に大きな圧力差を生じさせることができる。しかし、冷熱源に極低温（−１６０℃）のＬＮＧを使用しているため、ピストンロッド、クランクシャフト、軸受、歯車、Ｏリング等が脆性破壊を起こす虞があり、それを回避するための構造にしなければならず、製造費が高くついてしまう。
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、構造が簡単で製造費を安く抑えることができるとともに、加熱部と冷却部との温度差を大きくとすることができて、シリンダー内に大きな圧力差を生じさせ、これにより高出力比、高効率が得られるスターリングエンジンを提供することを目的とする。
上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を採用している。
すなわち、請求項１に係る発明は、シリンダー内に往復動自在に設けたディスプレーサピストンを往復動させることにより、前記シリンダー内に封入したガスを加熱部と冷却部との間で往復させて、前記シリンダー内に圧力差を生じさせ、この圧力差を前記ディスプレーサピストンに９０度の位相をもって連動するパワーピストンを介して動力として取り出すスターリングエンジンであって、前記冷却部の冷熱源として、ガスハイドレートを用いたことを特徴とする。
すなわち、請求項１に係る発明は、シリンダー内に往復動自在に設けたディスプレーサピストンを往復動させることにより、前記シリンダー内に封入したガスを加熱部と冷却部との間で往復させて、前記シリンダー内に圧力差を生じさせ、この圧力差を前記ディスプレーサピストンに９０度の位相をもって連動するパワーピストンを介して動力として取り出すスターリングエンジンであって、前記冷却部の冷熱源として、ガスハイドレートを用いたことを特徴とする。
本発明によるスターリングエンジンによれば、冷却部の冷熱源にガスハイドレートを用い、このガスハイドレートの冷熱を利用して冷却部を冷却することができるので、加熱部におけるガスの温度と冷却部におけるガスの温度との差を大きくとることができ、この大きな温度差に応じた大きな動力をパワーピストンを介して得ることができる。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンであって、前記加熱部の加熱源として、ガスハイドレートを燃焼させることによって得られる燃焼ガスを用いたことを特徴とする。
本発明によるスターリングエンジンによれば、加熱源にガスハイドレートを燃焼させることによって得られる燃焼ガスを用いることができるので、経済的に有利なものを提供することができる。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のスターリングエンジンであって、前記ガスハイドレートは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、又は水素のうち何れかのガスハイドレートであることを特徴とする。
本発明によるスターリングエンジンによれば、ガスハイドレートが解離する際に得られるメタン、エタン、プロパン、ブタン、又は水素により、冷却部内のガスが冷却され、又はガスハイドレートが解離する際に得られるメタン、エタン、プロパン、ブタン、又は水素ガスの燃焼ガスにより、加熱部のガスが加熱されることになる。
以上、説明したように、本発明のスターリングエンジンによれば、冷却器の冷熱源としてガスハイドレートを用いることができるので、加熱部におけるガスの温度と冷却部におけるガスの温度との差を大きくとすることができ、この大きな温度差に応じた大きな動力をパワーピストンを介して取り出すことができる。従って、高出力比、高効率のスターリングエンジンが得られることになる。また、ガスハイドレートは、−２０℃程度のものであるので、冷却器の冷熱源として用いた場合に、ピストン、ピストンロッド、クランクシャフト、軸受、Ｏリング等が脆性破壊を起こすような心配はなく、構造を簡素化することができる。さらに、ガスハイドレートを冷却器に供給するだけでよいので、構造が複雑になるようなことはなく、製造を容易にすることができ、製造費を安く抑えることができる。さらに、加熱器の加熱源としてもガスハイドレートを用いることができるので、経済的に有利なものを提供することができる。
以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明によるスターリングエンジンの第１の実施の形態が示されていて、このスターリングエンジン１は、α型のスターリングエンジンであって、内部にピストン２、５が往復動自在に設けられる一対のシリンダー３、６を並列に配置し、両シリンダー３、６間を連通路１０を介して相互に連通し、連通路１０の途中に再生熱交換器１１を設け、再生熱交換器１１の両側にそれぞれ加熱器１２及び冷却器１３を設け、一方のシリンダー３のピストン２をディスプレーサピストン２として使用し、他方のシリンダー６のピストン５をパワーピストン５として使用し、両ピストン２、５を９０度の位相を持ってコンロッド４、７を介してクランクシャフト８に連結し、両シリンダー３、６内に水素、ヘリウム等のガス１５を封入したものである。この場合、一方のシリンダー３がガス１５の加熱部１６に構成され、他方のシリンダー６がガス１５の冷却部１７に構成されている。なお、図中９はフライホイールである。
図１には、本発明によるスターリングエンジンの第１の実施の形態が示されていて、このスターリングエンジン１は、α型のスターリングエンジンであって、内部にピストン２、５が往復動自在に設けられる一対のシリンダー３、６を並列に配置し、両シリンダー３、６間を連通路１０を介して相互に連通し、連通路１０の途中に再生熱交換器１１を設け、再生熱交換器１１の両側にそれぞれ加熱器１２及び冷却器１３を設け、一方のシリンダー３のピストン２をディスプレーサピストン２として使用し、他方のシリンダー６のピストン５をパワーピストン５として使用し、両ピストン２、５を９０度の位相を持ってコンロッド４、７を介してクランクシャフト８に連結し、両シリンダー３、６内に水素、ヘリウム等のガス１５を封入したものである。この場合、一方のシリンダー３がガス１５の加熱部１６に構成され、他方のシリンダー６がガス１５の冷却部１７に構成されている。なお、図中９はフライホイールである。
加熱器１２の加熱源及び冷却器１３の冷熱源には、ガスハイドレートが用いられている。ガスハイドレートは、水分子のつくるクラスター構造の中にガス分子が取り込まれた包接水和物であって、メタン、エタン、プロパン、ブタン、又は水素のうち何れかのガス分子が取り込まれている。
ガスハイドレートは、−２０℃、大気圧条件下でガスと氷（水）とに解離することなく、安定した状態で保存が可能なパウダー状又はペレット状をなすものであって、常温で解離することにより、メタン、エタンプロパン、ブタン、又は水素等のガスと淡水が得られる。また、ガスハイドレートは、例えば、１ｍ３に、水０．８Ｎｍ３、天然ガス１７０Ｎｍ３が含まれ、解離する際に圧縮機を用いることなく高圧のガスが得られる。
ガスハイドレートは、ＮＧＨ貯臓器１４内に貯蔵されており、ＮＧＨ貯臓器１４から配管を介して再ガス化装置４０に導かれ、再ガス化装置４０で再ガス化される。再ガス化されたガスは、配管を介して燃焼器４５に導かれ、燃焼器４５で燃焼されて燃焼ガスとなって加熱器１２に供給され、加熱器１２に連通路１０を介して連結されている一方のシリンダー３内のガスを加熱する。また、再ガス化装置４０からガスハイドレートの冷熱が冷却器１３に供給され、冷却器１３に連通路１０を介して連結されている他方のシリンダー６内のガスを冷却する。
一方のシリンダー３を加熱する加熱器１２は、一方のシリンダー３の周囲に設けてもよいし、一方のシリンダー３の周囲にジャケットを設け、このジャケット内に燃焼ガスを流通させるように構成してもよい。また、他方のシリンダー６を冷却する冷却器１３は、他方のシリンダー６の周囲に設けてもよいし、他方のシリンダー６の周囲にジャケットを設け、このジャケット内に冷熱としてのガスを流通させるように構成してもよい。
そして、ディスプレーサピストン２を一方のシリンダー３内で往復動させ、一方のシリンダー３と他方のシリンダー６との間で連通路１０を介してガス１５を相互に移動させ、このとき、加熱器１２によって一方のシリンダー３を加熱し、冷却器１３によって他方のシリンダー６を冷却することにより、両シリンダー３、６内にガス１５の圧力差を生じさせることができ、この圧力差に応じた動力をディスプレーサピストン２に９０度の位相をもって連動するパワーピストン５を介して取り出すことができる。
上記のように構成した本実施の形態によるスターリングエンジン１にあっては、加熱器１２の加熱源及び冷却器１３の冷熱源にガスハイドレートを用いているので、加熱部１６におけるガス１５の温度と冷却部１７におけるガス１５の温度との差を大きくとることができる。従って、この大きな温度差に応じた動力を取り出すことができるので、高出力比、高効率のスターリングエンジン１が得られる。また、加熱器１２及び冷却器１３に燃焼ガス又は再ガス化したガスを供給するだけでよいので、全体の構成を簡素化することができ、製造を容易にすることができ、製造費を安く抑えることができる。
図２には、本発明によるスターリングエンジンの第２の実施の形態が示されていて、このスターリングエンジン１は、β型のスターリングエンジンに適用したものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様である。
すなわち、このスターリングエンジン１は、１つのシリンダー２０内に２つのピストン２１、２２を設け、９０度の位相をもって両ピストン２１、２２をコンロッド２３、２４を介してクランクシャフト８に連結し、一方のピストン２１をディスプレーサピストン２１として使用し、他方のピストン２２をパワーピストン２２として使用し、ディスプレーサピストン２１によってシリンダー２０内を、ガス１５の加熱部２５とガス１５の冷却部２６とに区画し、加熱部２５と冷却部２６との間を連通路１０を介して相互に連通し、連通路１０の途中に再生熱交換器１１を設け、シリンダー２０内に水素、ヘリウム等のガス１５を封入したものである。この場合、一方のピストン２１のコンロッド２３は他方のピストン２２の中心部を貫通してクランクシャフト８に連結されている。なお、図中９はフライホイールである。
そして、この実施の形態によるスターリングエンジン１にあっても、前記第１の実施の形態に示すものと同様に、加熱器１２の加熱源及び冷却器１３の冷熱源にガスハイドレートを用いているので、加熱部１６におけるガス１５の温度と冷却部１７におけるガス１５の温度との差を大きくとることができる。従って、この大きな温度差に応じた動力を取り出すことができるので、高出力比、高効率のスターリングエンジン１が得られる。また、加熱器１２及び冷却器１３に燃焼ガス又は再ガス化したガスを供給するだけでよいので、全体の構成を簡素化することができ、製造を容易にすることができ、製造費を安く抑えることができる。
図３には、本発明によるスターリングエンジンの第３の実施の形態が示されていて、このスターリングエンジン１は、γ型のスターリングエンジンに適用したものであって、その他の構成は前記第１の実施の形態に示すものと同様である。
すなわち、このスターリングエンジン１は、シリンダー３０内にディスプレーサピストン３１を往復動自在に設け、ディスプレーサピストン３１によってシリンダー３０内を加熱部３６と冷却部３７とに区画し、加熱部３６と冷却部３７との間を連通路１０を介して相互に連通し、冷却部３７に他のシリンダー３２を連結し、このシリンダー３２内にパワーピストン３３を設け、ディスプレーサピストン３１とパワーピストン３３とを９０度の位相をコンロッド３４、３５を介してクランクシャフト８に連結するように構成したものである。なお、図中９はフライホイールである。
そして、この実施の形態によるスターリングエンジン１にあっても、前記第１の実施の形態に示すものと同様に、加熱器１２の加熱源及び冷却器１３の冷熱源にガスハイドレートを用いているので、加熱部１６におけるガス１５の温度と冷却部１７におけるガス１５の温度との差を大きくとることができる。従って、この大きな温度差に応じた動力を取り出すことができるので、高出力比、高効率のスターリングエンジン１が得られる。また、加熱器１２及び冷却器１３に燃焼ガス又は再ガス化したガスを供給するだけでよいので、全体の構成を簡素化することができ、製造を容易にすることができ、製造費を安く抑えることができる。
１ スターリングエンジン
２、２１、３１ ピストン（ディスプレーサピストン）
３、６、２０、３０、３２ シリンダー
４、７、２３、２４、３４、３５ コンロッド
５、２２、３３ ピストン（パワーピストン）
８ クランクシャフト
９ フライホイール
１０ 連通路
１１ 再生熱交換器
１２ 加熱器
１３ 冷却器
１４ ＮＧＨ貯蔵器
１５ ガス
１６、２５、３６ 加熱部
１７、２６、３７ 冷却部
４０ 再ガス化装置
４５ 燃焼器
２、２１、３１ ピストン（ディスプレーサピストン）
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５、２２、３３ ピストン（パワーピストン）
８ クランクシャフト
９ フライホイール
１０ 連通路
１１ 再生熱交換器
１２ 加熱器
１３ 冷却器
１４ ＮＧＨ貯蔵器
１５ ガス
１６、２５、３６ 加熱部
１７、２６、３７ 冷却部
４０ 再ガス化装置
４５ 燃焼器
Claims (3)
- シリンダー内に往復動自在に設けたディスプレーサピストンを往復動させることにより、前記シリンダー内に封入したガスを加熱部と冷却部との間で往復させて、前記シリンダー内に圧力差を生じさせ、この圧力差を前記ディスプレーサピストンに９０度の位相をもって連動するパワーピストンを介して動力として取り出すスターリングエンジンであって、
前記冷却部の冷熱源として、ガスハイドレートを用いたことを特徴とするスターリングエンジン。 - 前記加熱部の加熱源として、ガスハイドレートを燃焼させることによって得られる燃焼ガスを用い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。
- 前記ガスハイドレートは、メタン、エタン、プロパン、ブタン、又は水素のうち何れかのガスハイドレートであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスターリングエンジン。
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