JP2020060180A - 低温スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 発電効率、出力、装置の大きさ、価格などで実用的な低温スターリングエンジンを提供する。
【解決手段】 熱交換器性能の向上、全ての熱伝達経路において熱伝導ロスの抑制、密閉性増加、高温側・低温側ストローク長、位相差の最適化、作動空間、固定空間（死容積）の最適化などにより発電効率、出力を増加させる。シリンダ径に対する熱交換器能力向上とピストン径の最適化、シリンダ径拡張に対する熱媒体移動距離、抵抗低減の最適化などにより出力当たりの装置体積を縮小できる。熱交換器に熱水、冷水を注入、排出することより、並列が可能で任意の出力で実用機を提供できる。熱源温度を１００℃以下、作動媒体気圧を数気圧以下に限定することで、シリンダ、ピストン、躯体など要件が緩和され、パワーピストンのガイド方式等による許容誤差を活用し製作費を低減できる。量産時には、加工が容易なプラスチックなどの材料を用いることで製作費を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は高温側熱源温度が従来の１００℃〜２００℃以上などと比べ、１００℃以下と低温で作動するスターリングエンジンに関するものである。

スターリングエンジンは▲１▼外燃機関で熱源を選ばず、▲２▼低温でも作動し、▲３▼安全性が高く（作動媒体は例えば空気で常圧±１００ｍｂ〜）、▲４▼きれいで（排ガスがない）、▲５▼静粛性（圧力変動が正弦関数、振動や騒音が小さい）、▲６▼可逆サイクル（仕事を加えて熱ポンプ、冷凍機となる）、▲７▼熱効率が良い、▲８▼耐用年数が長い（２０年以上（６０年の実績もある））、▲９▼部品数が少なく、製作、メンテンナンスが簡単、▲１０▼外燃機関なのでノッキングがない、▲１１▼低コスト（７０〜１００万円／ｋＷ）と優れた特性を持つが、化石燃料、太陽熱などで高温側熱源を低コストで高温にできる場合は、蒸気を利用するランキンサイクル、タービン技術にコストパフォーマンスで劣った。
化石燃料などで高温側熱源が低コストで得られるうちはスターリングエンジンの出番はなく、まして１００℃以下の低温スターリングエンジンは出力が小さい上に熱交換面積が大きくなることなどから研究の対象にもならなかった。

比較的低温の熱源に対応したものに、ドイツＳｕｎ＿Ｏｒｂｉｔ社のＳｕｎｐｕｌｓｅｐｅ Ｗａｔｅｒ、Ｓｕｎｐｕｌｓｅｐ５００（熱源温度１５０℃〜２００℃，出力５００Ｗ，高温側１８０℃，低温側４０℃，発電効率１２％）、Ｓｕｎｐｕｌｓｅ＿ｐｌｕｓなどがあったが、熱源温度の範囲、熱効率、出力などは不十分で、実用的とは言えなかった。
国内では株式会社サクション瓦斯機関製作所の「１ｋＷ級低温度差スターリングエンジン”ＹＡ−２”」があるが、熱源温度が２００℃で出力は７４０Ｗと、温度範囲、出力とも不十分であった。

ＵＳＰＴＯ，ＭＥＭＢＲＡＮＥ ＳＴＩＲＬＩＮＧ ＥＮＧＩＮＥ，Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ：２０１８０１１９６３８ ＵＳＰＴＯ，Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ，Ｐａｔｅｎｔ ｎｕｍｂｅｒ：５３３７５６２ ＵＳＰＴＯ，Ｈｅａｔ ｅｎｇｉｎｅ，Ｐａｔｅｎｔ ｎｕｍｂｅｒ：４６３１９２２

Ｓｕｎ＿Ｏｒｂｉｔ社ホームページ：ｗｗｗ．ｓｕｎ−ｏｒｂｉｔ．ｄｅ／ Ｓｕｎｐｕｌｓｅｐ５００：ｗｗｗ．ｓｕｎ−ｏｒｂｉｔ．ｄｅ／ｓｕｎｐｕｌｓｅ−５００／ Ｓｕｎｐｕｌｓｅ＿ｐｌｕｓ：ｗｗｗ．ｓｕｎ−ｏｒｂｉｔ．ｄｅ／ｓｕｎｐｕｌｓｅｐｌｕｓ／ サクション瓦斯機関製作所：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｕｃｔｉｏｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｔｉｒｌｉｎｇ／ｙａ２＿ｊｐ．ｈｔｍｌ

スターリングエンジンは、高温側熱源を高温にすると外燃機関であることから生ずるエネルギーロスがボイラー効率、タービン効率に比べ大きいが、高温側熱源温度が低い場合、気化、凝縮を伴わない機械効率（＝発電効率／カルノー効率）の良さが生かされる。後述の、再生可能エネルギーによる「非集光／低温型太陽熱温度差発電（Ｎｏｎ−Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｙｐｅ Ｓｏｌａｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ、以下ＳＴＥＣ）」のような環境で能力を発揮する。

さて、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する方法に、ロータリーエンジン、渦巻スクロールエンジンなどもあるが、性能は製作精度に依存し、コスト、耐久性に難点が残るため、ここでは、最も単純で摩擦損失を低減できるピストン方式のスターリングエンジンを対象とし、比較的低温向きの先行例Ｓｕｎｐｕｌｓｅｐ５００と比較しながら述べる。

（１）発電効率の改善
Ｓｕｎｐｕｌｓｅ５００の仕様では、高温側熱源温度１８０℃−低温側熱源温度４０℃、軸動力６００Ｗ、出力５００Ｗで、発電効率は１２％となっていたが、発電効率の更なる向上が望まれた。ただし、Ｓｕｎｐｕｌｓｅ５００は比較的プリミティブな構造であるが、発電効率１２％（機械効率４０％，軸動力の機械効率４８％）はスターリングエンジンならではの値で注目でされる。

（２）一基当たりの出力増加、体積の縮小
出力はＳｕｎｐｕｌｓｅ５００で５００Ｗ（熱源条件は同上）、Ｓｕｎｐｕｌｓｅ＿ｐｌｕｓで１，０００Ｗ（熱源条件は同上）である。低温スターリングエンジンの長所に多数並列配置できることがあり、一基当たりの出力は問題にしなくてよいが、その配置や熱源流路の引き込みから、出力当たりの体積は小さいことが望まれた。

（３）製作費の低減
１万〜１００万基並列する必要が生じ、更なる工夫と製作費低減が望まれた。

（１）発電効率の改善
▲１▼材料、フィンの形状、面積、熱媒体・熱源の流速の最適化などによる熱交換器性能の向上、▲２▼全ての熱伝達経路において熱伝導ロスの抑制、▲３▼熱媒体作動空間の密閉性増加、▲４▼高温側・低温側ストローク長の最適化、▲５▼位相差の最適化、▲６▼熱媒体作動空間に対する再生器など固定空間（死容積）比の最適化、▲７▼作動気体と圧力の最適化などにより熱効率を改善できる。

（２）一基当たりの出力増加、装置体積の縮小
一基当たりの出力は▲１▼（１）項の発電効率の改善の他、▲２▼シリンダ径に対する熱交換器能力の向上とピストン径の最適化、▲３▼シリンダ径拡張に対する熱媒体移動距離・抵抗低減の最適化などで増加でき、出力当たりの装置体積を縮小できる。
シリンダ径に対する熱交換器能力を上げるには、▲１▼Ｓｕｎｐｕｌｓｅ５００のようにピストンヘッドを円錐状にし、熱交換器配置面積を増やす方法、▲２▼熱源流路・作動気体ダクトを渦巻状に配置し、流速をコントローする方法がある。本発明では▲２▼を採用しているが、▲１▼、▲２▼を併用することもできる。

（３）製作費の低減
熱源温度を１００℃以下、作動媒体気圧を数気圧以下に限定することで、シリンダ、ピストン、躯体など仕様が緩和され、製作費を低減できる。また量産時には、低温、低圧なら利用可能で加工が容易なプラスチックなどの材料を用いることで製作費を低減できる。

（１）１００℃以下、少量の排熱でもリーズナブルに発電する分散・独立型発電を提供
安全、きれい、静粛、可逆サイクル、熱効率が良い、耐用年数が長い、製作・メンテンナンスが簡単、発電コストがリーズナブルなど、スターリングエンジンの長所を継承し、温度が低い、少量などから地域の需要と熱源に応じたリーズナブルな分散・独立型発電システムを提供できる。

（２）ベースロード電源としての発電方式を提供
後述、ＳＴＥＣに組み込むことで、ベースロード電源としての要件の、安全性・安定性・拡張性（無尽蔵）・負荷追随性・低コスト（５円／ｋＷｈ、９５℃−５℃、出力規模１００万ｋＷ）などをすべて満たす。また、高温側熱源の熱水、低温側熱源の冷水を熱交換器に注入・排出することより、任意の並列が可能となり、大規模出力にも対応できる。これより、世界のエネルギー問題の解決に寄与できる。

（３）排熱あるいは太陽熱で空調、冷蔵あるいは冷凍機を提供
低温スターリングエンジンは可逆サイクルで、電力／動力を与えれば高効率の空調、冷蔵あるいは冷凍機になる。夏、空調、冷蔵あるいは冷凍機が必要なとき、２台連結すれば、１台は太陽熱から動力とし、１台は動力を連結し、空調、冷蔵あるいは冷凍機として使える。

出力１０ｋＷ級低温スターリングエンジンの構造概要である。留意点あるいは特徴として以下が挙げられる。寸法は後述実施例のための参考値である（以下同じ）。▲１▼ガイドのシリンダは躯体中心に対し正確に加工、設置されること ▲２▼ガイドのシャフトはパワーピストンに対し位置、角度が正確に加工、設置されること ▲３▼ガイドのシャフトは炭素入り鋼などにより摩擦の低減を図ること ▲４▼構造詳細等は熱源の与条件、材料特性により都度最適化されること ▲５▼仕様、許容誤差を活用し、製作コストの低減を図ること ▲６▼量産時には使用材料、製作方法を適宜見直し、コスト低減図ること ▲７▼熱交換器における伝熱面積、伝熱係数のコストパフォーマンスを最大化するとともに、渦巻き型流路により流速を調整、熱交換性能を最適化すること ▲８▼熱交換器のフィン形状、配置を最適化すること ▲９▼作動気体と圧力を最適化すること ▲１０▼ローリングダイヤフラム、ベローズまたはジャバラ構造の伸縮式密閉装置には圧力による変異を制御するため中骨リングを配すること。消耗品と位置づけ、圧力計により劣化を監視し速やかに取り換えられるようにすること すなわち、従来の内燃エンジンや高温スターリングエンジンとは構造的違いもさることながら、設計・製作・維持管理の方向性が異なる。比較対象にしたＳｕｎｐｕｌｓｅ５００に対しても全てを見直すことにより、実用機としての性能を確保している。 図１を例に最適化された高温側膨張空間、低温側圧縮空間、ピストンの位相およびストロークである。 図１を例に最適化された熱交換器詳細図である。ピストン径、熱源流路、作動気体ダクトの渦巻の巻き数、高さを調整することで、最適化が可能となる。 図１を例に最適化された伸縮式密閉装置（ジャバラ構造）の詳細図である。作動気体は低温、低圧であるものの、点検、取り換え等が必要となり、躯体の蓋、リブの取り外しを含め、維持管理しやすい構造が望ましい。

（１）出力１０ｋＷ級低温スターリングエンジン
出力１０ｋＷ級低温スターリングエンジン構造概要を図１に示す。発電効率や出力は性能、構造が開示されているＳｕｎｐｕｌｓｅ５００の仕様から、改良効果を踏まえて推定した。

（２）ＳＴＥＣ
ＳＴＥＣでは、高温側熱源に非集光型太陽熱集熱装置（開発済み）、低温側熱源に海洋深層水取水施設（開発済み）、発電装置に低温スターリングエンジンを用いる。
非集光型太陽熱集熱装置は集熱温度を９５℃とすることで、集熱過程のエネルギーロスを抑えるとともに長時間の蓄熱が可能となり、発電の安定性（２４時間、３６５日定格出力で発電，ただし天候、保守により稼働率９０％）、負荷追随性、熱源の無尽蔵を享受できる。
高温側熱源温度が低いとき、低温側熱源温度を下げることがカルノー定理からも効果的である。海洋深層水は水深１，０００ｍで３．２℃となり、しかも実用的に無尽蔵である。取水コストを低減するため、良好なサイトを選ぶ必要があるが、日本及び世界には適地は多い。

ＳＴＥＣの詳細は論文誌（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｊｉｅ／９７／２／９７＿５３／＿ａｒｔｉ−ｃｌｅ／−ｃｈａｒ／ｊａ）、シンポジウム（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊａｍｅ−ｓｏｃｉｅｔｙ．ｊｐ／，ｈｔｔｐ：／／ｄｅｓｉｇｎｗａｔｅｒ．ｊｐ／２０１８／０４／２４／環境ビジネス新事業発表会で「非集光型太陽熱温／）、特許出願（特願２０１６−２５２８６）などで公表されており参照されたい。発電装置はＯＴＥＣ用の高性能ＯＲＣ機、地熱発電用のカリーナサイクル機などを比較しているが、低温スターリングエンジンは同等以上の性能を発揮する。

１ 躯体支持材 ［−１００Ｘ５０Ｘ５Ｘ７．５ Ｌ＝１，８２０×４
２ 外壁 鋼板φ１，２００（Ｌ１＝３，７７０），ｔ＝０．３，Ｌ２＝１ ，８２０×１，端部溶接
３ シリンダ支えリブ φ１，２００−φ１，０００ Ｌ−２５Ｘ２５Ｘ３×８，φ１， ２００−φ１，１００ Ｌ−２５Ｘ２５Ｘ３×８
４ 蓋，リブ 蓋φ１，２００，ｔ＝１．０×２，リブ［−１００Ｘ５０Ｘ５Ｘ ７．５ Ｌ＝１，２００×４
５ 足 リブ［−１００Ｘ５０Ｘ５Ｘ７．５×４ と一体 Ｌ＝１００ｍ ｍ×４
６ シリンダ１ φ１，０００，ｔ＝２．０，Ｌ＝４１０×１（低温部）
７ シリンダ２ φ１，０００，ｔ＝２．０，Ｌ＝３００×１（高温部）
８ シリンダ３ φ１，１００，ｔ＝２．０，Ｌ＝４００×１（再生器部）
９ ドーナッツ型蓋 φ１，１００−φ１，０００，ｔ＝２．０ ドーナッツ型×２
１０ 断熱材 φ１，１５０（Ｌ１＝３，６１３）×１，０６０，ｔ＝５０ φ １，０５０（Ｌ２＝３，２９９）×４００，×２５０，ｔ＝５０ 各１
１１ 再生器 銅製フィンφ１，１００−φ１，０００，ｔ＝５０，ｎ＝８２， ５００本（Ｌ＝３，２９９，Ｈ＝４００）
１２ 再生器開口部 銅製網 φ１，０００（Ｌ１＝３．１４１）×４００
１３ 断熱材（円形） 発泡ウレタン，φ１，０００，ｔ＝５０×１
１４ 仕切り板（円形）鋼板φ１，０００，ｔ＝０．３×２
１５ 低温側熱交換器 銅製フィン渦巻き式熱交換器，φ１，０００（０．７８５ｍ^２） ，詳細は図示
１６ 高温側熱交換器 銅製フィン渦巻き式熱交換器，φ１，０００（０．７８５ｍ^２） ，詳細は図示
１７ 冷水注入口 φ５０，Ｌ＝２００×１
１８ 冷却水出口 φ５０，Ｌ＝２００×２
１９ 熱水注入口 φ５０，Ｌ＝２００×１
２０ 熱水出口 φ５０，Ｌ＝２００×２
２１ 作動ガス注入口 φ３０，Ｌ＝２００×１
２２ 圧力計 １〜４気圧×２，ヘリウムガス ０．１１５ｍ３（１気圧換算）
２３ 低温側パワーピストン頂板、底板 φ１，０００，ｔ＝３．０×２
２４ 低温側パワーピストンスカート 鋼板 ｔ＝２．０，Ｌ＝３．１４２×１
２５ 低温側パワーピストン断熱材 発泡ウレタン頂板φ８６０，ｔ＝５０，スカー ト２，７０２×２００，ｔ＝５０
２６ 低温側シャフトおよび支持台 ピストンφ４９．８，Ｌ＝１５０
２７ 高温側パワーピストン頂板、底板 φ１，０００，ｔ＝３．０×２
２８ 高温側パワーピストンスカート 鋼板ｔ＝２．０，Ｌ＝３．１４２×１
２９ 高温側パワーピストン断熱材 発泡ウレタン頂板φ８６０，ｔ＝５０，スカー ト２，７０２×２００，ｔ＝５０
３０ 高温側シャフトおよび支持台 ピストンφ４９．８，Ｌ＝１５０
３１ 低温側／高温側伸縮式密閉装置（３１−１ 膜，３１−２ 中骨リング，３１−３ 止め金具）
ジャバラ構造 φ９６０，Ｈ＝１６０〜３２０（低温側），Ｈ＝ ５０〜１００（高温側）
３２ 低温側クランク φ１６０×一式
３３ 低温側架台 Ｌ−２５Ｘ２５Ｘ３（脚４１０ｍｍ，４００ｍｍ^□）
３４ 低温側ガイド シリンダ φ５０，Ｌ＝１５０
３５ 高温側クランク φ５０×一式
３６ 高温側架台 Ｌ−２５Ｘ２５Ｘ３（脚３００ｍｍ，４００ｍｍ^□）
３７ 高温側ガイド シリンダ φ５０，Ｌ＝１５０
３８ フライホィール φ１，８００×１
３９ 連結ベルト 歯車φ１００×２，ベルト３，５４４ｍｍ
４０ インバータ
４１ 発電器 約１０ｋＷ
４２ 低温側圧縮域 ストローク ０．０ｍｍ〜１６０ｍｍ
４３ 低温側ガス流出入口 φ１００
４４ 高温側膨張域 ストローク ０．０ｍｍ〜５０ｍｍ
４５ 高温側ガス流出入口 φ１００
４６ 熱源流路 ５０ｍｍ×８０ｍｍ×６ｍ×２層
４７ フィン（流路） 銅製Ｈ＝５０，Ｌ＝６．０ｍ，ｎ＝１，９００本（ｃｔｃ ２０ ｍｍ）
低温側流路、高温側流路は同様な構造で最適化
４８ 仕切り板（流路）銅製Ｈ＝５０，Ｌ＝６．０ｍ（２層）
４９ 熱媒体ダクト １００ｍｍ×６０ｍｍ×５ｍ
５０ フィン（ダクト） 銅製Ｈ＝１００，２．０ｍｍ^□，ｎ＝４９，０００本（ｃｔｃ ４ｍｍ）
５１ 仕切り板（ダクト）銅製Ｈ＝１００，Ｌ＝５．０ｍ

Claims (6)

1. 低温の熱源を対象とし、作動気体が低温、低圧なことを利用し、シリンダやピストンの製作で、薄肉の板金やプラスチック加工を特徴とする低温スターリングエンジン
2. ディスプレーサーピストン、パワーピストンの位置制御のため、躯体に固定されたガイド（細長いシリンダ）、ピストンおよびクランクに連結されたシャフト（細長いピストン）を有することを特徴とする低温スターリングエンジン
3. 熱交換器における熱源流路および作動気体ダクトの流速および熱伝達率を制御することなどのため、流路またはフィンの渦巻き型配置を有することを特徴とする低温スターリングエンジン
4. 中骨リングを有するローリングダイヤフラム、ベローズまたはジャバラ構造の伸縮式密閉装置を有することを特徴とする低温スターリングエンジン
5. ローリングダイヤフラム、ベローズ、またはジャバラ構造の劣化に応じ速やかな取り換えによりコストパフォーマンスを発揮すべく、作動空間、作動外空間の圧力を監視する圧力計を有することを特徴とする低温スターリングエンジン
6. 排熱或いは太陽熱で空調、冷蔵あるいは冷凍を行うため、低温スターリングエンジンを２台連結する構造を特徴とする低温スターリングエンジン