JP2008223555A - 熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】背圧空間の容積を大きくすることなく、背圧空間の圧力変化を小さく抑える。
【解決手段】互いに並列配置した２組のスターリングサイクルＡ，Ｂは、加熱器１１，再生器１３，冷却器１５および高温側，低温側各ピストン１７，１９を備える。各高温側ピストン１７の背圧空間３１，３３相互は一体化してバッファ空間３５を形成し、各低温側ピストン１９の背圧空間３７，３９相互は一体化してバッファ空間４１を形成する。２組のスターリングサイクルＡ，Ｂ相互間での各高温側ピストン１７の往復動作時の位相差を１８０度に設定するとともに、各低温側ピストン１９の往復動作時の位相差を１８０度に設定することで、各スターリングサイクルＡ，Ｂの作動時におけるバッファ空間３５，４１の容積を常に一定とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動ガスの流れに沿って並べて配置した加熱器，再生器および冷却器の配列方向両側に、互いに対向する方向に所定の位相差をもって往復移動する一対のピストンを設け、加熱器と一方のピストンとの間の空間および、冷却器と他方のピストンとの間の空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関に関する。

従来、加熱器，再生器および冷却器の配列方向両側に、互いに対向する方向に所定の位相差をもって往復移動する一対のピストンを設けてスターリングサイクルを構成する熱機関としては、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。
特開２００６−１１８４３０号公報

ところで、上記した従来のスターリングサイクルは通常α型と呼ばれているが、このようなα型のスターリングサイクルでは、一対のピストンの加熱器，冷却器とそれぞれ反対側に背圧空間を設け、この背圧空間を密閉してバッファ空間を形成することがある。

ところが、このようなバッファ空間は、ピストンの移動によって容積変化が発生し、これに伴う圧力変化によって動力損失を招くことになる。このような動力損失を避けるためには、背圧空間の容積が充分大きくなるような大型のバッファタンクを設けることで、圧力変化を小さく抑えることが可能であるが、その場合には、熱機関全体が大型化し、コストアップを招くものとなる。

そこで、本発明は、背圧空間の容積を大きくすることなく、背圧空間の圧力変化を小さく抑えることを目的としている。

本発明は、加熱器，再生器および冷却器を作動ガスの流れに沿って並べて配置し、これら加熱器，再生器および冷却器の配列方向両側に、互いに対向する方向に所定の位相差をもって往復移動する一対のピストンを設け、前記加熱器と前記一方のピストンとの間の空間および、前記冷却器と前記他方のピストンとの間の空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関において、前記スターリングサイクルを構成する部分を複数組並列して配置し、これら各スターリングサイクルにおける前記各一方のピストンの前記各加熱器と反対側の各背圧空間を互いに連通して一体化したバッファ空間を形成するとともに、前記各他方のピストンの前記各冷却器と反対側の各背圧空間を互いに連通して一体化したバッファ空間を形成し、前記複数のスターリングサイクルの作動時における前記各バッファ空間の容積がそれぞれ一定となるように、前記各スターリングサイクル相互間での前記ピストンの往復動作の位相差を設定したことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、スターリングサイクルの背圧空間の容積変化を防止して圧力変化の発生を抑え、動力損失を抑えることができる。この際、背圧空間を大型化することなく圧力変化を抑えており、したがって熱機関全体として大型化を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す熱機関の断面図である。この熱機関は、ハウジング１の図中で上部にカバー３を、同下部にクランクケース５をそれぞれ設けてあり、該ハウジング１内に２組のスターリングサイクルを構成する部分Ａ，Ｂ（以下単にスターリングサイクルＡ，Ｂとする）を、隔壁７を隔てて図１中で左右方向に並列して配置している。

上記した２組のスターリングサイクルＡ，Ｂのそれぞれの構成要素自体は、互いに同一であるので、同一部分の構成要素には同一符号を付して以下に説明する。

各スターリングサイクルＡ，Ｂは、上下方向ほぼ中央に熱交換器ユニット９を配置しており、この熱交換器ユニット９は、図１中で上部から加熱器１１，再生器１３および冷却器１５を作動ガスの流れに沿って並べて配置している。

加熱器１１は、図１中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管１１ａを備え、この伝熱管１１ａ内には高温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンが装着されている。冷却器１５も同様に、図１中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管１５ａを備え、この伝熱管１５ａ内には低温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンが装着されている。一方、再生器１３は、金網などを積層して構成されている。

加熱器１１の上部側のハウジング１内には、高温側ピストン１７を、冷却器１５の下部側のハウジング１内には低温側ピストン１９を、それぞれ図１中で上下方向に移動可能に収容している。

高温側ピストン１７は、熱交換器ユニット９および低温側ピストン１９に対して相対移動可能に貫通するピストンロッド２１を介してクランク軸２３のクランクピン２３ａに連結し、一方低温側ピストン１９は、２本のピストンロッド２５を介してクランク軸２３のクランクピン２３ｂに連結している。

このような高温側ピストン１７と低温側ピストン１９とは、往復移動する際の互いの位相差が例えば９０度という所定の位相差となるようクランク軸５３に連結している。

上記した高温側ピストン１７および低温側ピストン１９は、後述する高温空間２７および低温空間２９それぞれに対し作動ガスの容積変化をもたらすとともに、作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達するパワーピストンを構成している。

上記したハウジング１，各ピストン１７，１９および隔壁７に囲まれた領域が、ヘリウムなどの作動ガスが密閉状態で封入される作動ガス空間となる。

加熱器１１と高温側ピストン１７との間には、加熱器１１にて加熱された作動ガスが膨脹する前記した高温空間２７が、冷却器１５と低温側ピストン１９との間には、冷却器１５にて放熱された作動ガスが圧縮される前記した低温空間２９がそれぞれ形成されている。

この高温空間２７と低温空間２９の間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。

ここで、本実施形態では、上記した２組のスターリングサイクルＡ，Ｂにおける一方のピストンとなる高温側ピストン１７の高温空間２７，加熱器１１と反対側に高温側背圧空間３１，３３を形成し、これら各高温側背圧空間３１，３３相互を連通して一体化し、一つのバッファ空間３５を形成している。このバッファ空間３５は、前記したカバー３によって形成されている。

また、２組のスターリングサイクルＡ，Ｂにおける他方のピストンとなる低温側ピストン１９の低温空間２９，冷却器１５と反対側に低温側背圧空間３７，３９を形成し、これら各低温側背圧空間３７，３９相互を連通して一体化し、一つのバッファ空間４１を形成している。なお、このバッファ空間４１は、前記したクランクケース５によって形成され、クランク軸２３を収容するクランク室に相当する。

このようなバッファ空間３５，４１は、通常スターリングサイクルの運転時に圧力変動する高温空間２７や低温空間２９内の圧力の範囲内となるよう設定しており、ここでは、これら各バッファ空間３５，４１相互を、連結管４３によって連通接続している。

また、上記した２組のスターリングサイクルＡ，Ｂにおける各高温側ピストン１７同士の往復動作での互いの位相差を１８０度とし、同様にして各低温側ピストン１９同士の往復動作での互いの位相差を１８０度としている。

すなわち、２組のスターリングサイクルＡ，Ｂにおいて、高温側ピストン１７と低温側ピストン１９とが互いに９０度の位相差で往復移動し、かつ２組のスターリングサイクルＡ，Ｂ相互間では、各高温側ピストン１７同士、および各低温側ピストン１９同士が、それぞれ互いに１８０度の位相差で往復移動するように、これら各ピストン１７，１９をクランク軸２３に連結している。

なお、本熱機関におけるハウジング１は、高温側ピストン１７および低温側ピストン１９が移動する部分がいずれも円筒形状であるが、これら相互間に位置する熱交換器ユニット９を収容する部分は、熱交換器ユニット９の形状に対応して平面視で四角形状としている。

このように構成した熱機関では、作動ガスの圧力変化に基づく各ピストン１７，１９の往復運動をクランク軸２３が回転運動として外部に取り出すことで、本スターリングサイクルはエンジンとなり、逆にクランク軸２３に外部からモータなどの駆動手段によって回転させて各ピストン１７，１９を往復移動させることで、加熱器１１および冷却器１５をそれぞれ貫通する伝熱管１１ａおよび１５ａ内を流れる伝熱流体を介して外部に温熱や冷熱を供給するヒートポンプや冷凍機となる。

この際、本実施形態では、２組のスターリングサイクルＡ，Ｂにおける背圧空間３１，３３同士を一体化して密閉したバッファ空間３５を形成するとともに、背圧空間３７，３９同士を一体化して密閉したバッファ空間４１を形成している。

また、本実施形態では、２組のスターリングサイクルＡ，Ｂにおける各高温側ピストン１７同士の往復動作での互いの位相差を１８０度とし、同様にして各低温側ピストン１９同士の往復動作での互いの位相差を１８０度としている。

つまり、図１のようにスターリングサイクルＡの高温側ピストン１７が図１中で下端部に位置しているときには、スターリングサイクルＢの高温側ピストン１７が図１中で上端部に位置し、図１とは逆にスターリングサイクルＡの高温側ピストン１７が図１中で上端部に位置しているときには、スターリングサイクルＢの高温側ピストン１７が図１中で下端部に位置している。

このため、スターリングサイクルＡの高温側ピストン１７が、図１中で下端部に位置しているとき（スターリングサイクルＢの高温側ピストン１７は図１中で上端部に位置している）と上端部に位置しているとき（スターリングサイクルＢの高温側ピストン１７は図１中で下端部に位置している）とでは、背圧空間３１，３３の各容積を合わせたバッファ空間３５の容積に変化はなく一定であり、また各高温側ピストン１７が上端部と下端部とを移動する過程においてもバッファ空間３５の容積は一定であり、したがってスターリングサイクルが動作している間はバッファ空間３５の容積が常に一定となる。

同様にして、スターリングサイクルＡの低温側ピストン１９が図１中で下端部に位置しているときには、スターリングサイクルＢの低温側ピストン１９が図１中で上端部に位置し、逆にスターリングサイクルＡの低温側ピストン１９が図１中で上端部に位置しているときには、スターリングサイクルＢの低温側ピストン１９が図１中で下端部に位置しており、これら各低温側ピストン１９相互の往復移動時での位置関係は前記した各高温側ピストン１７相互の位置関係と同様となるので、バッファ空間４１についても、上記したバッファ空間３５と同様に、スターリングサイクルが動作している間は容積が常に一定となる。

以上より、本実施形態においては、スターリングサイクルＡ，Ｂの運転時に、バッファ空間３９の容積が一定であり、またバッファ空間４１の容積も一定であるので、各バッファ空間３９，４１を密閉しても、バッファ空間３９，４１の容積変化を防止して圧力変化の発生を抑え、動力損失を抑えることができる。この際、バッファ空間３９，４１の容積を大型化することなく、圧力変化を抑えることが可能であり、したがって熱機関全体として大型化を防止することができる。

また、バッファ空間３５，４１相互を連結管４３によって連通接続しているので、例えばこれら各バッファ空間３５，４１のいずれかにガス漏れなどが発生して、バッファ空間３５，４１相互間で圧力差が発生するような場合には、連結管４３によって該圧力差を解消して均等化することができ、安定した運転が可能となる。

なお、上記した実施形態では２組のスターリングサイクルＡ，Ｂを並列配置しているが、図２に示すように、３組のスターリングサイクルＡ，Ｂ，Ｃを並列配置してもよい。

この場合にも、３組のスターリングサイクルＡ，Ｂ，Ｃにおける一方のピストンとなる各高温側ピストン１７の高温空間２７と反対側の高温側背圧空間３１，３３，３４相互を連通して一体化し、一つのバッファ空間３５を形成するとともに、３組のスターリングサイクルＡ，Ｂ，Ｃにおける他方のピストンとなる各低温側ピストン１９の低温空間２９と反対側の低温側背圧空間３７，３９，４０相互を連通して一体化し、一つのバッファ空間４１を形成する。

そして、３組のスターリングサイクルＡ，Ｂ，Ｃにおける各高温側ピストン１７同士の往復動作での互いの位相差を１２０度とし、同様にして各低温側ピストン１９同士の往復動作での互いの位相差を１２０度とする。

これにより、スターリングサイクルを３組設けた構成とした場合でも、前記図１に示したものと同様に、各スターリングサイクルの運転時にて各ピストン１７，１９が往復移動する際に、各バッファ空間３５，４１の容積が一定で容積変化が発生しないので、各バッファ空間３５，４１をバッファ圧力を掛けるために密閉しても、バッファ空間３５，４１の圧力変化の発生を抑えて動力損失を抑えることができる。

要するに、スターリングサイクルを複数並列に配置する際に、各スターリングサイクルにおける各高温側ピストン１７同士の往復動作での互いの位相差、および、各低温側ピストン１９同士の往復動作での互いの位相差を、いずれも等間隔とすればよい。

すなわち、スターリングサイクルをさらに増やして４組とした場合には、４組のスターリングサイクルにおける各高温側ピストン１７同士の往復動作での互いの位相差を９０度とし、同様にして各低温側ピストン１９同士の往復動作での互いの位相差も９０度とすればよい。また、スターリングサイクルを６組設ける場合には、例えば上記した図１の２組設けた構成と４組設けた構成を組み合わせるか、あるいは上記した図２の３組設けた構成を２つ組み合わせるなどで達成できる。

本発明の一実施形態を示す熱機関の断面図である。 本発明の他の実施形態を示す熱機関の断面図である。

符号の説明

Ａ，Ｂ，Ｃ スターリングサイクル
１１ 加熱器
１３ 再生器
１５ 冷却器
１７ 高温側ピストン（一方のピストン）
１９ 低温側ピストン（他方のピストン）
２７ 高温側空間（加熱器と一方のピストンとの間の空間）
２９ 低温側空間（冷却器と他方のピストンとの間の空間）
３１，３３ 一方のピストンの背圧空間
３５，４１ バッファ空間
３７，３９ 他方のピストンの背圧空間

Claims (4)

1. 加熱器，再生器および冷却器を作動ガスの流れに沿って並べて配置し、これら加熱器，再生器および冷却器の配列方向両側に、互いに対向する方向に所定の位相差をもって往復移動する一対のピストンを設け、前記加熱器と前記一方のピストンとの間の空間および、前記冷却器と前記他方のピストンとの間の空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関において、前記スターリングサイクルを構成する部分を複数組並列して配置し、これら各スターリングサイクルにおける前記各一方のピストンの前記各加熱器と反対側の各背圧空間を互いに連通して一体化したバッファ空間を形成するとともに、前記各他方のピストンの前記各冷却器と反対側の各背圧空間を互いに連通して一体化したバッファ空間を形成し、前記複数のスターリングサイクルの作動時における前記各バッファ空間の容積がそれぞれ一定となるように、前記各スターリングサイクル相互間での前記ピストンの往復動作の位相差を設定したことを特徴とする熱機関。
2. 前記スターリングサイクルを２組並列して配置し、これら各スターリングサイクル相互間での前記各一方のピストンの往復動作の位相差および、前記各他方のピストンの往復動作の位相差を、それぞれ１８０度としたことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
3. 前記スターリングサイクルを３組並列して配置し、これら各スターリングサイクル相互間での前記各一方のピストンの往復動作の位相差および、前記各他方のピストンの往復動作の位相差を、それぞれ１２０度としたことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
4. 前記各バッファ空間相互を連通させたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱機関。

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