JP2008038879A - ロータリー式スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】従来の回転型ロータリーエンジンで困難であった潤滑とシールを確保し、かつ潤滑剤等による内部熱交換器の汚染劣化を防止し、回動ローター等が振動源とならないようにし、かつ機構構造をコンパクトにまとめて性能の向上と同時に長期にわたる信頼性を得る。
【解決手段】ディスプレーサー側とパワー側駆動機構部は回転ロータリー式とし、同じ側面にベーン部、吐出口、吸入口及びこれらを結ぶ配管と再生熱交換器がくるように上下に積層し、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略１８０度の位相差をつけて振動を防止する構造を構成し、作動流体を一方向に循環させそれぞれに設けた加熱器と冷却器および前記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。
【選択図】図１

Description

本発明はスターリングエンジンの特長である高効率、燃料や熱源の多様性、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。

スターリングエンジン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、いずれも肝心の流体作動機構の構造が複雑で特に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エンジン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、ならびにこれによる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ようとする。また、円筒型シリンダーと同形状ローターの組み合わせ及びこれらの積層で簡易でかつ最適の形状構造を実現し性能、容積、重量およびコスト等で画期的な実用性と利便性を得ようとする。

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主に、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各一組の可動隔壁（ベーン）及びフタ部からなる構造体二個をそれぞれ共通軸（シャフト）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や内容積、ローターの偏心量や相互の位相差、流入および排出熱量や温度等諸元はあらかじめスターリングサイクルを構成するよう選定設定されるが、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されるとともに、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の流体は分離されながら、相互の熱交換は行える対向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、この結果熱力学的にスターリングサイクルが完結され同エンジンとして作動する。

本発明はこの主旨にのっとった先願の特願２００４−３８２８９８「ロータリー式スターリング機関」の本体構造概念を基本にこれを更に具体的に極め提示する。まず前述のように共通シャフトで結合されたディスプレーサー側及びパワー側の二個の構造体（シリンダー）はそれぞれのベーンが同一側面上の上下に来るよう設けられ、従ってそれぞれのシリンダーの吸入口および吐出口も同一側面内に設けられ、かつそれぞれの構造体のシリンダー内部に内接して転動するローターはベーンを基点に互いの位相角の差がほぼ１８０度となるように設定される。

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。これを基本にエンジン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、これを常温に近い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けて解決する。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ることができ、このとき部品間は接触摺動して良好なシール性能が得られ充分な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、この際は通常の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、ベーン及びフタ部相互のシールは必ずしも厳密に必要でなく、接触圧力を緩和したり、場合により適宜の間隙を許容できる。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）側部からは潤滑剤が浸入し損耗や機能阻害の生じないよう、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望ましい。この結果システム内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。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。

以上の効果は前述と同様に先願の特願２００４−３８２８９８と同様であるが、本発明ではこれに加えて下記の効果が顕著となる。まず、共通シャフト軸に対して上下の面内にあるディスプレーサー側及びパワー側の各シリンダー内で回動する一対の各ローターは互いに運転中の偏心方向が１８０度の位相差を有し、偏心量や質量を調整することにより互いに偏心加速度をほぼ打ち消し動的バランスを最良にし得る。その結果回動により発生する機構の振動は最小になり得る。またベーン、吐出口および吸入口が同一の面側にまとめて設けられることにより一対のベーン構造部を一つの構造体に配設でき機構の簡易化、コンパクト化が期待でき、更に両シリンダー間を接続する往路接続管および復路接続管もこの同じ側に配設でき、この両者相互間の熱交換を行う再生熱交換器の配設も格段に容易で最短経路長にでき最適のまとまりが得られる。特に後者についてはそれぞれの接続管内の流体の流れ方向は（交差した）対向流となるため、より前述熱交換器の効果を向上でき、さらにこのサイクル全体の流体の流れが循環流で、従来のスターリングサイクルでの往復流でないため後述のごとく内部構造もより簡単にでき性能、信頼性とも向上できる。

前述のごとく、ロータリー式駆動機構を一対のディスプレーサー側シリンダー部とパワー側シリンダー部を上下に同軸シャフト上に重ね、ベーン及びそれぞれの吐出口及び吸入口が同一面側に来るように、かつ内部の各ローターの回動はそれぞれ軸心の反対側（位相各差１８０度）になるよう設定し、同時に加熱器、冷却器、及び循環する作動流体の往路及び復路接続管と両管内の対向熱流を熱交換させる再生熱交換器等を設け、あわせて高温部への潤滑剤の浸入防止用機構を一体的に有するシステム形態。

以下、本発明を図１の基本構造およびシステム図、図２のシステム側面概念図、図３の駆動機構部の正面断面図、図４の（図３でのＡＡ矢視方向）側断面および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３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（ベーンＰ）、（１２）軸Ｐ、（１３）フタより構成される。（１２）の軸Ｐに直交面上では半径Ｒ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、同じく半径ｒ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４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、Ｒ−ｒ＝ｅの関係をとる。図１では（１１）ベーンＰの先端部が（１０）ローターＰの外周部と接触し、同時に（１０）ローターＰは同図のように（１２）軸Ｐの中心と（１１）ベーンＰを結ぶ基線に対し時計方向に回転位相角Ｘをなす位置で（１）シリンダーＰと内接（図１で左上位置）し、（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には同図のように（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）。また図３に示すように（１）シリンダーＰの（１１）ベーン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Ｐ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（ベーン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。ここにディスプレーサー側部機構と前述のパワー側部機構とを図２のように共通軸Ｓ−Ｓで（同図ではそれぞれ上下に）連結し、かつ両機構のシリンダーに設けられるベーン、近傍の吐出口および吸入口を同一側面に配設する。この際、図１のように（２０）のローターＤは矢印の時計方向に回転し前述と同様の回転位相角Ｙの位置で、（２）シリンダーＤと最も近接（図１で右下側）する。ここに位相角ＸとＹはそれぞれほぼ１８０度の位相差に設定される。こうすることにより熱力学的に近似スターリングシステムの基本となるパワー側とディスプレーサー側の空間容積の連続的変化が構成される。なお、本方式ではローターが２回転（位相角７２０度分）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、その回動開始点（０度）および中間（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１、図２のＳ−Ｓ軸）から偏心回転するときの位相差により決定され、通常は前述のように１８０度であるが、これは共通軸部に設けられる（３０）入出力駆動機構により変化するように制御し性能特性を変化させることもできる。この機構には上記の位相制御装置のほか、始動装置、発電もしくは軸動力による出力取り出し装置、必要に応じて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。スターリングエンジン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。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、気密性が不十分な場合、（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循環する。主に図１と図２で説明すると、作動流体は先ずディスプレーサー側で（４）加熱器で加熱され高温でほぼ等温の状態で膨張し同機構の（２）シリンダーＤから（１５）吐出口を経て流出し、パワー側とを結ぶ（５）往路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の（１）シリンダーＰ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）再生熱交換器で対向側の冷熱と熱交換し冷却されて高温でなくなっている。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）冷却器で作動流体を低温度でほぼ等温圧縮するように冷却し、冷却された作動流体は再びその（１５‘）吐出口から流出し（６）復路接続管を矢印方向に流れ（７）再生熱交換器で前述の高温流体と熱交換し予熱され昇温後ディスプレーサー側機構に（１４’）吸入口を経て戻り（２０）ローターＤの回転で吸入されて循環を完了し初期状態に復する。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向流でありながら熱の交換および必要な場合一部蓄熱が可能なように、かつ両作動流体の混合は生じないように例えば２重管やプレート型顕熱交換器構造等で構成される。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欠けていた。本方式によれば全体の流れが循環流のため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。またこの位置関係にすれば両接続管長はそれぞれ最短となり外部への熱損失を最小にでき、かつ交叉する（図２参照）部分が（７）再生熱交換器を経て行われ好都合となる。

なお、前述までの作動説明からも分かるように、本システムでは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、かつディスプレーサー側とパワー側とで常に加熱と冷却あるいは略等温膨張と略等温圧縮および相互シリンダー間の略等容積移動の熱力学的行程が互いに助け合う形で並存し、従来には得られなかった画期的で合理的なシステムを実現できる。このためそれぞれのシリンダーはそれぞれのローターとベーンで区切られたそれぞれ２容積空間で同時に２通りの作動がなされ円滑で高効率の性能、高密度の機構が得られる。

また、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が可能で効果があり点線の矢印は分離流体の流れ方向を示す

また、上述のサイクルはスターリングサイクルの性質上、これを逆サイクルとして駆動すれば冷凍機システムを構築できる（図示せず）。この時は従来の（４）加熱部は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システム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 システム側面概念図 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

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）往路接続管
（６）復路接続管
（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
（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

Claims (2)

1. 熱力学的にスターリングサイクルを生成する装置で、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ロータリー式スターリングエンジンにおいて、共通シャフトで結合されたディスプレーサー側及びパワー側の二個の上記構造体（シリンダー）をそれぞれのベーンが同一側面上の上下に来るよう設け、同時にそれぞれのシリンダーの吸入口および吐出口も同一側面内近傍に設け、かつそれぞれの構造体のシリンダー内部に内接して転動するローターは、ベーンを基点に互いの位相角の差がほぼ１８０度となり、常に共通シャフトに対してそれぞれ相反する位置で転動するように構造の構成を設定すること。
2. 前項のエンジンとほぼ同様の構成および構造よりなるが、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こと。

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