JP2013024048A

JP2013024048A - スターリングエンジン

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Publication number: JP2013024048A
Application number: JP2011156867A
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Inventors: Akira Watanabe; 亮渡邉
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Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-02-04
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: JP4848058B1

Abstract

【課題】供給される熱の損失が少なく、高いエネルギー効率で動作するスターリングエンジンを提供する。
【解決手段】ディスプレーサシリンダ１１と、ディスプレーサシリンダ１１内を往復運動するピストンであって該ディスプレーサシリンダ１１の内部を高温空間と低温空間に画定する断熱材製のディスプレーサピストン１２と、ディスプレーサピストン１２のストローク内における前記ディスプレーサシリンダの壁の一部を構成し、前記高温空間側の該壁と前記低温空間側の該壁を断熱する断熱部材１６と、前記高温空間と前記低温空間の間を、該高温空間側から順に加熱部、再生器及び冷却部を介して連通するガス移送路１３と、前記低温空間と連通路１７で連通するパワーピストン用シリンダと、所定の位相だけ遅れて往復運動するように該ディスプレーサピストンと連動するパワーピストンとを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は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、シリンダ内の気体を外部から加熱及び冷却することにより、熱力学的な気体の膨張と収縮をピストンの往復運動（さらには回転運動）に換える外燃機関であり、効率良く熱エネルギーを運動エネルギーに変換する外燃機関として知られている（非特許文献１参照）。

スターリングエンジンは、発電機を接続することにより、発電機による発電と、加熱・冷却に伴う廃熱を利用する温水供給を共に行う、いわゆるコジェネレーションシステムに好適に用いることができる。また、スターリングエンジンの熱源には石油やガスだけではなく、太陽熱、地熱、温泉熱、又は薪、廃材若しくは生物由来の材料から生成されたバイオマス燃料等の燃焼熱等、様々なものを用いることができる。そのため、上記コジェネレーションシステムは、地震等の自然災害によって電力や特定の燃料（石油、ガス等）の供給ルートが断たれた時にも、その他の燃料を用いて稼働させることができ、それにより給電及び給湯を継続することができる。

図１に、従来のスターリングエンジン９０の構成の一例を示す。このスターリングエンジン９０は「γ型」と呼ばれるものであり、ディスプレーサシリンダ９１と、ディスプレーサシリンダ９１内を往復運動するディスプレーサピストン９２と、パワーピストン用シリンダ９４と、パワーピストン用シリンダ９４内を往復運動するパワーピストン９５を有する。ここで、パワーピストン９５は、ディスプレーサピストン９２よりも所定の位相差だけ遅れて往復運動するように、クランク軸９６によりディスプレーサピストン９２と連結されている。

また、ディスプレーサシリンダ９１のうちディスプレーサピストン９２の往復範囲よりもクランク軸９６寄りの位置から分岐し、クーラ（冷却部）９３Ｃ、再生器９３ＲＧ及びヒータ（加熱部）９３Ｈを通して、前記往復範囲よりもクランク軸９６の反対側の位置でディスプレーサシリンダ９１に接続されるガス移送路９３が設けられている。ここで再生器９３ＲＧは、作動ガスがヒータ９３Ｈ側からクーラ９３Ｃ側に通過する際に該ガスの熱を回収し、その熱を、作動ガスがクーラ９３Ｃ側からヒータ９３Ｈ側に通過する際に該ガスに与えるものである。さらに、前記往復範囲よりもクランク軸９６側のディスプレーサシリンダ９１の空間は連通路９７により、パワーピストン９５の往復範囲よりも上側（クランク軸９６の反対側）でパワーピストン用シリンダ９４と連通している。これらディスプレーサシリンダ９１、ガス移送路９３、クーラ９３Ｃ、再生器９３ＲＧ、ヒータ９３Ｈ及び連通路９７、並びにこれらと連通しているパワーピストン用シリンダ９４の上部の空間を「作動ガス空間」と呼ぶ。

ディスプレーサピストン９２のクランク軸９６側に連結された連結棒９２２の直動部には連結棒シール９７Ａが装着されている。これにより、ディスプレーサシリンダ９１側の作動ガス空間と、クランク軸９６が収容されたディスプレーサクランク室９８１との間の気密性が保たれている。また、パワーピストン９５の外周にはピストンリング９５１が装着され、パワーピストン用シリンダ９４の上部（すなわち作動ガス空間）と下部（クランク軸９６が収容されたパワーピストンクランク室９８２）との気密性が保たれている。なお、パワーピストン９５のクランク軸９６側に連結された連結棒９５２は、ピン９５３によりパワーピストン９５に対して揺動自在に連結されており、上述のようにピストンリング９５１により作動ガス空間との気密性が保たれているため、この連結棒９５２に関してはシールを設ける必要はない。

このスターリングエンジン９０の動作を説明する。以下では、ディスプレーサシリンダ９１のうち、ディスプレーサピストン９２よりもクランク軸９６側の空間を「低温空間Ｌ」と呼び、クランク軸９６の反対側の空間を「高温空間Ｈ」と呼ぶ。まず、ディスプレーサピストン９２が下方に、すなわち高温空間Ｈの体積を増加させ、低温空間Ｌの体積を減少させる方向に動くと、作動ガスが、再生器９３ＲＧ及びヒータ９３Ｈで加熱されて膨張し、ガス移送路９３から高温空間Ｈに流入する。一部の作動ガスは、ピストン９２とシリンダ９１の間の隙間を通じて流動するが、高温空間Ｈにおける加熱により膨張する。この作動ガスの膨張は圧力上昇に換わり、連通路９７を経てパワーピストン９５の上部受圧部に伝わり、パワーピストン９５を押し下げる。
ディスプレーサピストン９２が上方に、すなわち高温空間Ｈの体積を減少させ、低温空間Ｌの体積を増加させる方向に動くと、高温の作動ガスが再生器９３ＲＧの蓄熱材に熱を渡し、クーラ９３Ｃでさらに冷却されて収縮する。一部の作動ガスは、ピストン９２とシリンダ９１の間の隙間を通じて流動するが、低温空間Ｌにおける冷却のため収縮する。この作動ガスの収縮は圧力低下に換わり、連通路９７を経てパワーピストン９５を引き上げる。
ディスプレーサピストン９２の往復運動は、パワーピストン９５の往復運動がクランク軸９６で回転運動に変換され、その回転運動が、所定の位相角になるようにクランク軸９６に連結されたディスプレーサピストン９２の往復運動に変換されることにより実現される。

社団法人日本機械学会エンジンシステム部門工学教育に用いるスターリングサイクル機器に関する研究会編、「スターリングサイクル・オンライン」、[online]、社団法人日本機械学会、[平成23年6月6日検索]、インターネット＜URL:http://www.isec-info.org/jp/edu/＞

上述のように、スターリングエンジンは、作動ガスの加熱、膨張、冷却、圧縮の行程における圧力変化をピストンの往復運動に換え、機械的な動力を取り出すエンジンである。動力変換効率の高い実用的なスターリングエンジンを実現するためには、作動ガス以外のエンジン構成部品を経由する熱流を極力遮断し、それにより作動ガスを経由する熱量を増加させることが課題となる。

上記課題を解決するために成された本発明に係るスターリングエンジンは、
a) ディスプレーサシリンダと、
b) 前記ディスプレーサシリンダ内を往復運動するピストンであって、該ディスプレーサシリンダの内部を高温空間と低温空間とを画定する、断熱性を有する材料から成るディスプレーサピストンと、
c) 前記ディスプレーサピストンのストローク内における前記ディスプレーサシリンダの壁の一部を構成し、前記高温空間側の壁と前記低温空間側の壁を断熱する断熱部材と、
d) 前記高温空間と前記低温空間の間を、該高温空間側から順に加熱部（ヒータ）、再生器及び冷却部（クーラ）を介して連通するガス移送路と、
e) 前記ディスプレーサシリンダと連通するディスプレーサクランク室内に収容され、前記ディスプレーサピストンに接続されると共に、軸端が外部に対して隔壁で密閉されたディスプレーサクランク軸と、
f) 前記低温空間と連通路で連通するパワーピストン用シリンダと、
g) 前記パワーピストン用シリンダ内において往復運動し、前記ディスプレーサクランク軸とは異なるパワーピストンクランク軸に接続されたパワーピストンと、
h) 前記パワーピストンの往復運動が前記ディスプレーサピストンの往復運動よりも所定の位相だけ遅れるように、前記ディスプレーサクランク軸の回転を前記隔壁の内外で伝達し、該回転を前記パワーピストンクランク軸の回転と連動させる非接触連動手段と
を備えることを特徴とする。

本発明に係るスターリングエンジンでは、ディスプレーサシリンダの壁面に、高温側と低温側を断熱する断熱部材が設けられていると共に、ディスプレーサピストンが断熱性を有する材料から成るため、ガス移送路から高温空間に流入する気体（作動ガス）に加熱手段によって与えられた熱がこれらのスターリングエンジンの構成部品を通して低温側に流出することを抑えることができる。これにより、作動ガスの加熱による膨張及び冷却による収縮の際のエネルギーの損失が抑えられ、スターリングエンジンの効率を向上させることができる。それと共に、低温空間側の温度上昇が抑えられることにより、低温空間側に設けられる軸受け等の可動部、シール等の密封部材、及び可動部やパワーピストン等において用いられる潤滑剤の温度が上昇することを防ぐことができる。

また、本発明に係るスターリングエンジンでは、ディスプレーサクランク軸の軸端が外部に対して隔壁で密閉されたディスプレーサクランク室及び前記隔壁を設けた部分における非接触連動手段を用いることにより、以下の理由でスターリングエンジンの効率が向上する。その理由の説明のために、まず、非接触連動手段の無い従来のスターリングエンジンにおける問題点を、前述の図１を用いて説明する。ディスプレーサピストン９２とパワーピストン９５の連動は、従来のスターリングエンジンにおいては、1本の軸の周りに所定の角度だけ向きが異なる2個のクランクを設け（クランク軸９６）、一方のクランクにディスプレーサピストン９２を、他方のクランクにパワーピストン９５を接続することにより実現されている。但し、このようなクランク軸９６を用いた場合には、クランク軸９６を収容するディスプレーサクランク室９８１及びパワーピストンクランク室９８２を介して作動ガスがディスプレーサシリンダ９１とパワーピストン用シリンダ９４の間で流動すると、ディスプレーサ側での作動ガスの圧力の増加・減少が所期の通りにパワーピストンに伝わらなくなる。そこで、従来のスターリングエンジンでは、上述のようにディスプレーサピストン９２側の連結棒９２２の直動部に連結棒シール９７Ａが設けられている。また、クランク室と外部を隔てる壁に設けられた、クランク軸９６が貫通する貫通部に第１クランク軸シール９７Ｂが設けられている。さらに、ディスプレーサクランク室９８１とパワーピストンクランク室９８２を仕切る壁に設けられた、クランク軸９６が貫通する貫通部に第２クランク軸シール９７Ｃが設けられている。しかし、これらのシールは、機械的な摩擦による損失を発生させる。さらに、これらのシールは、高温と作動ガス圧力にさらされるため、連続運転により劣化し、作動ガスの漏れによる効率低下を起こす原因となる。

そこで、本発明では、ディスプレーサ側のディスプレーサクランク室のクランク軸端を隔壁で密閉すると共に、非接触連動手段を用いてディスプレーサ側のディスプレーサクランク軸とパワーピストン側のパワーピストンクランク軸を連動させることにより、ディスプレーサクランク室とパワーピストンクランク室の間のガスの流動を遮断し、ディスプレーサ側での作動ガスの圧力の増加・減少が所期の通り連通路を通してパワーピストンに伝わるようにしている。その際、ディスプレーサシリンダとディスプレーサクランク室の間で作動ガスが流動しても、その作動ガスがパワーピストン側に達することがないため、ディスプレーサシリンダとディスプレーサクランク室を隔てるシールを設ける必要がない。また、ディスプレーサクランク室のクランク軸端の密閉及び非接触連動手段の使用により、ディスプレーサクランク室と外部を隔てる第１クランク軸シールやディスプレーサクランク室とパワーピストンクランク室を隔てる第２クランク軸シールを設ける必要もない。これらのシールが不要になることにより、機械的な摩擦による損失や作動ガスの漏れによる効率低下を防ぐことができる。

非接触連動手段には、例えば前記ディスプレーサクランク軸と前記パワーピストンクランク軸を磁気カップリングで連動させるものが用いられる。また、隔壁で内外に隔てられたディスプレーサクランク軸と外部回転軸を、内外に配置された磁気カップリングで連動させ、外部回転軸を歯車、チェーン、タイミングベルト等の機械的連結手段により連結し、それらとパワーピストンクランク軸を磁気カップリングで連結したものを用いることができる。この構成は、ディスプレーサクランク軸とパワーピストンクランク軸が離れている時に有効である。あるいは、非接触連動手段には、前記パワーピストンクランク軸と連結する発電機と、該発電機で発電された電力により回転し前記ディスプレーサクランク軸と連結するモータと、前記パワーピストンクランク軸の回転角を検出する位置検出器と、該位置検出器で検出されたパワーピストンクランク軸の回転角に応じて前記モータの回転を制御する制御部とを備えるものを用いることができる。

このような非接触連動手段を用いたスターリングエンジンでは、クランク室内やクランク室と低温空間の間に仕切り及びシール材を設けることなく、低温空間とパワーピストン用シリンダが連通路以外の経路により連通することが防止される。そのため、シール材の機械的摩擦の抵抗による効率の低下を防ぐことができる。

本発明に係るスターリングエンジンにおいて、前記加熱部と前記再生器の間、又は前記冷却部と前記再生器の間に第２断熱部材を備えることが望ましい。これにより、ガス移送路の壁を介して高温側から低温側に熱が流出することを抑えることができ、スターリングエンジンの効率が一層向上する。

パワーピストンの往復運動のうち、連通路の反対側に移動する際には、パワーピストン用シリンダのうち連通路の反対側（パワーピストンクランク室）で気体が圧縮され、圧力（背圧）が上昇する。この背圧は、パワーピストンの運動を妨げる方向に作用するため、スターリングエンジンの効率の低下に繋がる。そこで、本発明に係るスターリングエンジンにおいて、更に、
前記スターリングエンジンを2個有し、
該2個のスターリングエンジンのパワーピストンが（180±10）°位相になるよう前記パワーピストンクランク軸に結合され、
該2個のスターリングエンジンの前記パワーピストンクランク軸を収容するパワーピストンクランク室が空間的に連通している、
ことが望ましい。

この構成では、2個のパワーピストンの往復運動の向きが互いに逆方向になるため、パワーピストンクランク室の圧力変動を小さくし、背圧による機械損失を減少させることができる。この圧力変動は、2個のパワーピストンの位相差が180°の時に最小になる。実用上は、位相差が180°から10°程度ずれていても、十分にパワーピストンクランク室の圧力変動を小さくすることができる。また、このようなパワーピストンの位相差を有する2個1組のスターリングエンジンを更に複数組用いても、同様の効果を奏する。

本発明に係るスターリングエンジンによれば、ディスプレーサシリンダの壁面を通して高温側から低温側に熱が流出することを抑えることができ、それにより熱の利用効率が高まるため、スターリングエンジンの効率を高めることができる。

また、クランク軸端を隔壁で密閉されたディスプレーサクランク室及び非接触連動手段を用いることにより、ディスプレーサクランク室とパワーピストンクランク室が連通することが防止されるため、機械的直動部や回転部にシール材を設ける必要がない。そのため、シール材における機械的摩擦が生じず、スターリングエンジンの効率を高めることができる。

さらに、スターリングエンジンを2個1組で用いた上記構成を取る場合には、パワーピストンクランク室における背圧の変化を抑えることができるため、スターリングエンジンの効率をより高めることができる。

従来のスターリングエンジンの一例を示す概略構成図。本発明に係るスターリングエンジンの一実施例を示す縦断面図。本実施例のスターリングエンジンのB-B断面図。本実施例のスターリングエンジンにおけるディスプレーサシリンダ及びガス移送路を含む部分の拡大断面図。図４を更に拡大した図。ヒータの構成を示す横断面図。磁気カップリングによる非接触連動手段を用いたスターリングエンジンの実施例のB-B断面図。発電機とモータの組み合わせによる非接触連動手段を用いたスターリングエンジンの実施例のB-B断面図。

図２〜図８を用いて、本発明に係るスターリングエンジンの実施例を説明する。

図２は本実施例のスターリングエンジン１の縦断面図、図３は図２に示したB-B面におけるスターリングエンジン１の断面図、図４は図２の部分拡大図である。また、図５は図４の一部をさらに拡大したものである。

スターリングエンジン１の構成を説明する。スターリングエンジン１は、ディスプレーサシリンダ１１と、ディスプレーサシリンダ１１内を往復運動するディスプレーサピストン１２と、ガス移送路１３と、パワーピストン用シリンダ１４と、パワーピストン用シリンダ１４内を往復運動するパワーピストン１５を有する。本実施例のスターリングエンジン１は、これら各構成要素を1個ずつ備えたものを1個の構成単位として、2個の構成単位を1組として用いている（図３）。以下の説明では、2個の構成単位のうちの一方を第１エンジン１０、他方を第２エンジン１０Ａと呼ぶ。第１エンジン１０と第２エンジン１０Ａは同じ構成を有するため、ここではまず第１エンジン１０の構成について説明し、次に第１エンジン１０と第２エンジン１０Ａを組み合わせた構成を説明する。

ガス移送路１３の一方の端はディスプレーサシリンダ１１の下端に接続され、他方の端は後述のようにディスプレーサシリンダ１１の上端に接続されている。後述のように、ディスプレーサシリンダ１１内はディスプレーサピストン１２よりも上側が高温空間Ｈとなり、下側が高温空間Ｈよりも温度が低い低温空間Ｌとなる。

ディスプレーサシリンダ１１は、上側の高温空間壁１１１と下側の低温空間壁１１２の2つの壁に分割されており、それら高温空間壁１１１と低温空間壁１１２は、セラミックス製の断熱部材１６により接続されている。断熱部材１６のセラミックスには熱伝導率が低いジルコニア製のものを好適に用いることができる。断熱部材１６と高温空間壁１１１及び低温空間壁１１２は琺瑯により接合されている。琺瑯法は接合部の気密性を保持するのに優れた接合方法である。

ディスプレーサピストン１２の材料には、ジルコニア等の断熱性の優れたセラミックスを用いている。ディスプレーサピストン１２のディスプレーサシリンダ１１の内壁に対向する表面には、該表面を一周する溝が複数設けられて成るラビリンスシールが形成されている。本実施例におけるラビリンスシールは、ディスプレーサシリンダ１１の内壁とディスプレーサピストン１２の間の空間における作動ガスの流速を減少させ、それにより高温空間側と低温空間側の間の作動ガスの流動を抑える役割と共に、溝に入り込んだ作動ガスにより、ディスプレーサピストン１２とディスプレーサシリンダ１１の内壁との間を非接触状態にする役割を有する。

ガス移送路１３は作動ガスを移送する流路である。ガス移送路１３にはディスプレーサピストン１２の下端側から順に冷却器１３１、再生器１３２及び加熱器１３３が設けられている。冷却器１３１はガスの流路の周囲に冷却水の流路を設けたものである。再生器１３２は熱容量の大きい金属の金網等を用いた蓄熱材をガス流路内に設けたものである。加熱器１３３は、断熱材製の断熱壁１３３０で覆われた加熱室１３３１内に作動ガスが通過する管１３３２を設け、その加熱室１３３１内を加熱するバーナ１３３３を設けたものである（図６）。バーナ１３３３には外部から空気を供給する吸気管１３３４が接続され、加熱室１３３１には外部への排気管１３３５が接続されている。吸気管１３３４と排気管１３３５は、吸気管１３３４を内側とする二重管になっており、排気管１３３５内の排気ガスが有する廃熱を吸気側のガスに伝え、該廃熱を再利用できるようになっている。管１３３２はディスプレーサシリンダ１１の上端に接続されている。

本実施例では、冷却器１３１の外壁と再生器１３２の外壁の間にも、セラミックス製の断熱部材１３４を設けている。また、作動ガスの流路を確保しつつ、再生器１３２の蓄熱材が冷却器１３１に直接接触することを防ぐために、蓄熱材と冷却器１３１の間の作動ガスの流路中に、多孔質のセラミックスから成る断熱シート１３５を設けている。これら断熱部材１３４及び断熱壁１３３０はいずれも冷却器１３１と再生器１３２を断熱する第２断熱部材として機能する。また、再生器１３２と加熱器１３３の間は、加熱器１３３の断熱壁１３３０により断熱されている。この断熱壁１３３０は再生器１３２と加熱器１３３の間を断熱する第２断熱部材として機能する。

また、本実施例では、低温空間壁１１２はその周囲に冷却水を循環させる冷却水路１１２１を設けることにより冷却されている（図５）。一方、高温空間壁１１１は加熱室１３３１内に収容されることにより加熱されている（図４）

パワーピストン１５の表面にはピストンリング１５１が設けられている。このピストンリング１５１により、連通路１７側とパワーピストンクランク軸１９側（後述のパワーピストンクランク室１９１側）の間での作動ガスの流通を遮断している。

連通路１７には外部のガスボンベからのガス導入管１７１が接続されており、このガスボンベからディスプレーサシリンダ１１内及びパワーピストン用シリンダ１４のパワーピストン１５よりも連通路１７側の空間に作動ガスが導入・補充される。

ディスプレーサシリンダ１１はその下端が連通路１７によりパワーピストン用シリンダ１４の上端と連通している。一方、ディスプレーサピストン１２は連結棒１８５及びクランクアーム１８６を介してディスプレーサクランク軸１８と連結されており、そのディスプレーサクランク軸１８は後述の非接触連動手段を介してパワーピストンクランク軸１９と連動する。なお、連結棒１８５とクランクアーム１８６はピンジョイント１８３で角度自在に結合されており、この結合部に軸受１８４が設けられている。そして、パワーピストンクランク軸１９はパワーピストン１５と連結されている。ディスプレーサクランク軸１８は、外部に対して隔壁で密閉されたディスプレーサクランク室１８１内に収容されている。但し、ディスプレーサクランク室１８１とディスプレーサシリンダ１１との間には、連結棒１８５に対する直動軸受１８２が配置されており、シール材等の密閉のための部材が設けられていない。そのため、ディスプレーサクランク室１８１とディスプレーサシリンダ１１は、直動軸受１８２の狭い隙間を通して連通している。

次に、本実施例で用いる非接触連動手段について説明する。図３に示すように、ディスプレーサクランク軸１８には第１内部磁気カップリング２１が接続され、第１内部磁気カップリング２１の周囲には非磁性体から成る密閉蓋２１１を隔てて第１外部磁気カップリング２３が設けられている。密閉蓋２１１はディスプレーサクランク室１８１の隔壁の一部を構成している。第１外部磁気カップリング２３は第１内部磁気カップリング２１の回転に追随して回転するものであり、それ自体が外部回転軸として機能する。第１外部磁気カップリング及び第１内部磁気カップリングには公知のもの（例えば特開2001-099194号、特開2001-165189号、特開2011-043194号等を参照）を用いることができる。第１外部磁気カップリング２３にはタイミングベルト２５が接続されており、そのタイミングベルト２５がプーリ２６を介してパワーピストンクランク軸１９に接続されている。なお、タイミングベルト２５の代わりに歯車又はチェーンを用いることもできる。

本実施例ではディスプレーサクランク軸１８とパワーピストンクランク軸１９が非接触連動手段を介して連動するように設けられており、それら2つのクランク軸を直接接続する必要がない。そのため、ディスプレーサクランク軸１８とパワーピストンクランク軸１９の縦方向の位置をずらすことができる。これにより、ディスプレーサシリンダ１１とパワーピストン用シリンダ１４の縦方向の位置も、それらクランク軸の影響を受けることなく自由に設定することができる。そこで、本実施例ではディスプレーサシリンダ１１の下端とパワーピストン用シリンダ１４の上端をほぼ同じ高さとしている。これにより、連通路１７の長さを短くすることができる。

次に、第１エンジン１０と第２エンジン１０Ａを組み合わせた構成について説明する。以下では、第１エンジン１０について説明した各構成要素と同じ第２エンジンの構成要素については、第１エンジンの構成要素に付した符号の後ろに「Ａ」を付して示す。例えば、第２エンジン１０Ａのディスプレーサシリンダは、第１エンジンのディスプレーサシリンダの符号「１１」の後ろに「Ａ」を付して「ディスプレーサシリンダ１１Ａ」と呼ぶ。

第１エンジン１０のパワーピストンクランク軸１９と第２エンジン１０Ａのパワーピストンクランク軸１９Ａは、パワーピストン１５とパワーピストン１５Ａが180°位相がずれて往復運動するように、オルダム接ぎ手１９２により互いに接続されている。パワーピストンクランク軸１９とパワーピストンクランク軸１９Ａは共通のパワーピストンクランク室１９１に収容されている。パワーピストンクランク室１９１内には、第１エンジン１０側と第２エンジン１０Ａ側の境界に隔壁が設けられているが、その隔壁に連通孔１９１１が設けられており、ガスの行き来が許容されている。また、オルダム継ぎ手の外周及びオルダム継ぎ手の両側に設けられた軸受の隙間からも、ガスは行き来可能である。

第１エンジン１０のディスプレーサクランク室１８１と第２エンジン１０Ａのディスプレーサクランク室１８１Ａは完全に隔壁により分離されており、両者の間でガスが行き来することは無い。また、各ディスプレーサクランク室１８１及び１８１Ａは、ディスプレーサシリンダ１１以外の外部空間と隔壁により密閉されている。一方、前述のように、ディスプレーサクランク室１８１とディスプレーサシリンダ１１は、直動軸受１８２の狭い隙間を通して連通しており、シール材が設けられていない。これにより、連結棒の運動における機械的な損失を最小限に抑えている。ディスプレーサクランク室１８１Ａとディスプレーサシリンダ１１Ａの境界も同様である。

次に、本実施例のスターリングエンジンの動作を説明する。ここでは説明の便宜上、特に明記する場合を除いて、第１エンジン１０のみに着目する。ディスプレーサシリンダ１１の高温空間Ｈ及び低温空間Ｌの体積は、ディスプレーサピストン１２の上下運動により、一方が増加するときには他方が減少する関係にある。低温空間Ｌの体積の増加時には、ガス移送路１３を通って再生器１３２及び冷却器１３１により冷却された作動ガスが低温空間Ｌに流入することにより、作動ガスが収縮し、ディスプレーサシリンダ１１内の圧力が低下する。一方、高温空間Ｈの体積の増加時には、ガス移送路１３を通って再生器１３２及び加熱器１３３により加熱された作動ガスが高温空間Ｈに流入することにより作動ガスが膨張し、ディスプレーサシリンダ１１内の圧力が高まる。

このように生じる圧力変化は連通路１７を経てパワーピストン用シリンダ１４に伝わり、パワーピストン１５を往復運動させる。すなわち、圧力が高まるとパワーピストン１５が押し下げられ、圧力が低下するとパワーピストン１５が引き上げられる。

そして、パワーピストン１５の往復運動によりパワーピストンクランク軸１９が回転し、プーリ、タイミングベルト２５、第１外部磁気カップリング２３及び第１内部磁気カップリング２１を経てディスプレーサクランク軸１８を所定の位相角で回転させることにより、ディスプレーサクランク軸１８に連結されたディスプレーサピストン１２が往復運動する。この往復運動が前述のように高温空間Ｈと低温空間Ｌの間における作動ガスの移動をもたらす。ここで位相角は、ディスプレーサシリンダ１１の圧力変化がパワーピストン１５の往復運動に同期するように設定される（通常約60°〜90°）。

本実施例のスターリングエンジン１は、高温空間壁１１１と低温空間壁１１２の間に断熱部材１６が設けられていることにより、上記一連の動作の間に、高温空間から低温空間に、ディスプレーサシリンダを構成する部材を通して熱が流出することを抑えることができる。また、ディスプレーサピストン１２に断熱性の優れたセラミックスを用いているため、ディスプレーサピストン１２を通して高温空間から低温空間に熱が流出することも抑えられる。さらには、冷却器１３１の外壁と再生器１３２の外壁の間に設けられた第２断熱部材１３４や、再生器１３２の蓄熱材と冷却器１３１の間の作動ガスの流路中に設けられた断熱シート１３５により、ガス移送路１３においても、それを構成する部材を通して高温側から低温側に熱が流出することが抑えられる。このように、本実施例のスターリングエンジン１では、それを構成する部材を経由する熱の流出を防止することにより、可能な限り作動ガスの熱量を増加（加熱時）又は減少（冷却時）させ、理想的なスターリングサイクルに近づける。これにより、エネルギーの変換効率を高めることが実現できる。それと共に、高温空間Ｈ以外の各部において使用されている軸受や磁気カップリング等の構成部品が熱により劣化することが防止される。

また、非接触連動手段を用いることで、ディスプレーサピストン１２に接続されるディスプレーサクランク軸１８とパワーピストン１５に接続されるパワーピストンクランク軸１９を分離している。これにより、ディスプレーサクランク軸１８を収容するディスプレーサクランク室１８１とパワーピストンクランク軸１９を収容するパワーピストンクランク室１９１は、互いに連通することがない。そのため、クランク室を通して作動ガスが移動することを防ぐことができる。その際、シール材を用いる必要がなく、シール材とクランク軸の摩擦による損失が発生することがない。

さらに、第１エンジン１０のパワーピストンクランク軸１９と第２エンジン１０Ａのパワーピストンクランク軸１９Ａが共通のパワーピストンクランク室１９１に収容されていること、及び第１エンジン１０のパワーピストン１５と第２エンジン１０Ａのパワーピストン１５Ａが180°位相がずれて運動することにより、パワーピストンクランク室１９１内において第１エンジン１０側と第２エンジン１０Ａ側の間で連通孔１９１１等を通してガスが行き来し、背圧の変化を抑えることができる。なお、背圧の変化を抑える手段として、本実施例における180°位相差を用いた手法の他に、パワーピストンクランク室を大気開放することが考えられるが、この場合はパワーピストン１５やパワーピストンクランク軸１９の軸受で用いられる潤滑油が外部に漏洩して周囲が汚染されるという問題が発生するため、本実施例の方が望ましい。

次に、非接触連動手段の他の例を説明する。図７に、磁気カップリングを用いた非接触連動手段の他の例を示す。上記実施例（図３）ではディスプレーサクランク軸１８において磁気カップリングを用いているが、それに加えて、この実施例ではパワーピストンクランク軸１９においても磁気カップリングを用いている。具体的には、パワーピストンクランク軸１９に第２内部磁気カップリング２２が接続されており、第２内部磁気カップリング２２の周囲には、非磁性体から成る第２密閉蓋２２１をを隔てて第２外部磁気カップリング２４が設けられている。第１外部磁気カップリング２３と第２外部磁気カップリング２４は、機械的連結手段としてのタイミングベルト２５で連結されている。このような構成により、ディスプレーサピストン１２の往復運動は、ディスプレーサクランク軸１８、第１内部磁気カップリング２１、第１外部磁気カップリング２３、タイミングベルト２５、第２外部回転軸２４、第２内部磁気カップリング２２及びパワーピストンクランク軸１９を介してパワーピストン１５の往復運動と連動する。

なお、ディスプレーサクランク軸１８の真横にパワーピストンクランク軸１９を配置する場合には、ディスプレーサクランク軸１８とパワーピストンクランク軸１９を直接磁気カップリングで接続することもできる。

図８に、発電機３１とモータ３３を用いた非接触連動手段の例を示す。この例では、パワーピストンクランク軸１９に、発電機３１、及び発電機３１の回転角位置を検出する発電機側回転角位置検出器３２が接続されている。また、ディスプレーサクランク軸１８に、モータ３３、及びモータ３３の回転角位置を検出するモータ側回転角位置検出器３４が接続されている。なお、モータ３３及びモータ側回転角位置検出器３４は第１エンジン１０及び第２エンジン１０Ａの双方に1組ずつ設けられているのに対して、発電機３１及び発電機側回転角位置検出器３２はスターリングエンジン１全体で1組のみ設けられている。この非接触連動手段では、第１エンジン１０のモータ３３の回転角位置が所定の位相角になるように、発電機側回転角位置検出器３２の信号を基準としてモータ側回転角位置検出器３４の信号と比較しつつ、モータ３３を回転制御する。第２エンジン１０Ａにおいても同様である。このようなモータの回転制御により、ディスプレーサクランク軸１８とパワーピストンクランク軸１９の回転が連動し、ディスプレーサピストン１２の往復運動とパワーピストン１５の往復運動が連動する。この発電機３１は非接触連動手段の一部として機能すると共に、コジェネレーションシステム等において外部に電力を供給する役割を有する。

本発明のスターリングエンジンは上記の実施例には限定されない。例えば、上記実施例ではディスプレーサピストン１２とパワーピストン１５は、ディスプレーサクランク軸１８、非接触連動手段及びパワーピストンクランク軸１９を介して接続されているが、1本のクランク軸（例えば図１に示した従来のスターリングエンジンで用いられているクランク軸９６）で接続してもよい。また、ここまではディスプレーサピストンとパワーピストンが互いに別のシリンダ内で往復運動する、γ形と呼ばれるスターリングエンジンを例に説明したが、ディスプレーサピストンとパワーピストンが1つのシリンダを共有するβ形のスターリングエンジン（非特許文献１参照）においても、上記実施例と同様の断熱部材や非接触連動手段を用いることができる。

本実施例では、背圧の時間変化を抑えるために、2組のパワーピストン１５及び１５Ａは180°ずれて往復運動するようにパワーピストンクランク軸１９により接続したが、この位相差が180°から多少（±10°程度）ずれたとしても十分に背圧の時間変化を抑えることができる。また、上記構成要素は2個1組のみを用いるとは限られず、複数組（構成要素は偶数個）としても同様の効果を奏する。あるいは、上記構成要素を1組のみ用いることも、構成を単純化できるという点で有効である。

１、９０…スターリングエンジン
１０…第１エンジン
１０Ａ…第２エンジン
１１、１１Ａ、９１…ディスプレーサシリンダ
１１１、１１１Ａ…高温空間壁
１１２、１１２Ａ…低温空間壁
１１２１…冷却水路
１２、１２Ａ、９２…ディスプレーサピストン
１３、９３…ガス移送路
１３１、９３Ｃ…冷却器（クーラ）
１３２、９３ＲＧ…再生器
１３３、９３Ｈ…加熱器（ヒータ）
１３３０…断熱壁
１３３１…加熱室
１３３２…管
１３３３…バーナ
１３３４…吸気管
１３３５…排気管
１３４…第２断熱部材
１３５…断熱シート
１４、１４Ａ、９４…パワーピストン用シリンダ
１５、１５Ａ、９５…パワーピストン
１５１、９５１…ピストンリング
１６、１６Ａ…断熱部材
１７、９７…連通路
１７１…ガス導入管
１８、１８Ａ…ディスプレーサクランク軸
１８１、１８１Ａ、９８１…ディスプレーサクランク室
１８１Ａ…ディスプレーサクランク室
１８２…直動軸受
１８３…ピンジョイント
１８４…軸受
１８５、９２２、９５２…連結棒
１８６…クランクアーム
１９、１９Ａ…パワーピストンクランク軸
１９１、９８２…パワーピストンクランク室
１９１１…連通孔
１９２…オルダム接ぎ手
２１、２１Ａ…第１内部磁気カップリング
２１１、２１１Ａ…密閉蓋
２２…第２内部磁気カップリング
２２１、２２１Ａ…第２密閉蓋
２３、２３Ａ…第１外部磁気カップリング（第１外部回転軸）
２４、２４Ａ…第２外部磁気カップリング（第２外部回転軸）
２５…タイミングベルト
２６…プーリ
３１…発電機
３２…発電機側回転角位置検出器
３３、３３Ａ…モータ
３４、３４Ａ…モータ側回転角位置検出器
９７Ａ…連結棒シール
９７Ｂ…第１クランク軸シール
９７Ｃ…第２クランク軸シール

Claims

a) ディスプレーサシリンダと、
b) 前記ディスプレーサシリンダ内を往復運動するピストンであって、該ディスプレーサシリンダの内部を高温空間と低温空間とを画定する、断熱性を有する材料から成るディスプレーサピストンと、
c) 前記ディスプレーサピストンのストローク内における前記ディスプレーサシリンダの壁の一部を構成し、前記高温空間側の壁と前記低温空間側の壁を断熱する断熱部材と、
d) 前記高温空間と前記低温空間の間を、該高温空間側から順に加熱部（ヒータ）、再生器及び冷却部（クーラ）を介して連通するガス移送路と、
e) 前記ディスプレーサシリンダと連通するディスプレーサクランク室内に収容され、前記ディスプレーサピストンに接続されると共に、軸端が外部に対して隔壁で密閉されたディスプレーサクランク軸と、
f) 前記低温空間と連通路で連通するパワーピストン用シリンダと、
g) 前記パワーピストン用シリンダ内において往復運動し、前記ディスプレーサクランク軸とは異なるパワーピストンクランク軸に接続されたパワーピストンと、
h) 前記パワーピストンの往復運動が前記ディスプレーサピストンの往復運動よりも所定の位相だけ遅れるように、前記ディスプレーサクランク軸の回転を前記隔壁の内外で伝達し、該回転を前記パワーピストンクランク軸の回転と連動させる非接触連動手段と
を備えることを特徴とするスターリングエンジン。
前記加熱部と前記再生器の間、又は前記冷却部と前記再生器の間の前記ガス移送路の壁の一部を構成する第２断熱部材を備える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。
前記高温空間側の前記ディスプレーサシリンダの壁と前記断熱部材、又は前記低温空間側の前記ディスプレーサシリンダの壁と前記断熱部材を琺瑯により接合す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。
前記非接触連動手段が前記ディスプレーサクランク軸と前記パワーピストンクランク軸を磁気カップリングで連動させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリングエンジン。
前記非接触連動手段が、機械的連結手段により連結された第１外部回転軸及び第２外部回転軸と、前記ディスプレーサクランク軸と該第１外部回転軸を連動させる第１磁気カップリングと、前記パワーピストンクランク軸と該第２外部回転軸を連動させる第２磁気カップリングを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリングエンジン。
前記非接触連動手段が、前記パワーピストンクランク軸と連結する発電機と、該発電機で発電された電力により回転し前記ディスプレーサクランク軸と連結するモータと、前記パワーピストンクランク軸の回転角を検出する位置検出器と、該位置検出器で検出されたパワーピストンクランク軸の回転角に応じて前記モータの回転を制御する制御部とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスターリングエンジン。
請求項１〜６のいずれかに記載のスターリングエンジンを2個有し、
2個のパワーピストンが(180±10)°の位相差をもって往復運動するように、2個の前記パワーピストンクランク軸が連動し、
各組の前記パワーピストンクランク軸が共通のクランク室に収容されている
ことを特徴とするスターリングエンジン。
前記2個1組のスターリングエンジンをさらに複数組有することを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン。