JP2023070561A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】オイルシールの機能を持ち、スターリングエンジンに適した高圧ガスシールを有するスターリングエンジンを提供する。【解決手段】クロスヘッド機構を有するスターリングエンジン１０は、低圧空間１１４と高圧空間１１５と備えている。高圧空間１１５では、作動流体の加熱／冷却サイクルによってピストン１１２を駆動させる。低圧空間１１４には、ピストンロッド１１８を介してピストン１１２と接続されるクロスヘッド部１１６と、クロスヘッド部１１６の移動に伴ってクランクシャフト１１３を回転させるクランク機構とが収容されている。低圧空間１１４と高圧空間１１５との間の仕切り箇所においては、ピストンロッド１１８の周囲に、シールリップのリップ角度が低圧側よりも高圧側の方が小さくされた高圧ガスシール１１９を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、クロスヘッド機構を有するスターリングエンジンに関する。

クロスヘッド機構を有するスターリングエンジンにおいては、製造コスト低減を目的に、クロスヘッド部からクランクシャフトまでのクランク機構を収納するクランクケースとして安価な部材（例えば汎用内燃機関のシリンダブロックなど）が用いられることがある。また、スターリングエンジンでは、クランクケースに高圧ガス（作動流体）が漏れないように、ピストンロッド上に高圧ガスシールを設置して作動空間の高圧ガスをシールしている。このとき、高圧ガスシールに対するピストンロッドの潤滑を目的に、潤滑用のオイルをピストンロッドに注油することが行われる。しかしながら、高圧側の作動空間にオイルが多量に侵入すると、熱交換器の目詰まりが起き、機関出力が低下する。特許文献１には、オイルスクレーパを設置し、高圧側へのオイルの侵入を抑制することが開示されている。

特許第５９４５５７４号公報

特許文献１の構成では、高圧ガスシールとオイルスクレーパとの両方が必要であり、コストアップに繋がるといった課題がある。また、この構成でも、オイルの高圧部への侵入を完全に止めることができず、かつ、高圧側に一部侵入したオイルを除去することもできない。

高圧ガスシールにオイルシールの機能を持たせ、オイルスクレーパを省略すればコストダウンを図ることができる。但し、スターリングエンジンでは、低圧側が油密側となるといった特有の条件があり、そのため、スターリングエンジン用として提案された高圧ガスシールは従来技術には見当たらない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、オイルシールの機能を持ち、スターリングエンジンに適した高圧ガスシールを有するスターリングエンジンを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のスターリングエンジンは、クロスヘッド機構を有するスターリングエンジンであって、作動流体の加熱／冷却サイクルによってピストンを駆動させる高圧空間と、ピストンロッドを介して前記ピストンと接続されるクロスヘッド部と、前記クロスヘッド部の移動に伴ってクランクシャフトを回転させるクランク機構とが収容される低圧空間と備えており、前記低圧空間と前記高圧空間との間の仕切り箇所において、前記ピストンロッドの周囲に、シールリップのリップ角度が低圧側よりも高圧側の方が小さくされガスシールを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、ピストンロッド表面に付着する潤滑油は、ピストンロッドの引き行程（下死点位置から上死点位置へ向かう行程）において高圧側へ輸送されるが、ガスシールにおける高圧側と低圧側とのリップ角度の違いにより、ガスシールによって低圧側へ掻き出される。これにより、ガスシールがオイルシールを兼ねることができ、オイルスクレーパなどが不要となるため、スターリングエンジンのコストダウンを図ることができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記低圧空間を形成する部材および前記高圧空間を形成する部材が、別部材である構成とすることができる。

上記の構成によれば、低圧空間を形成する部材に汎用内燃機関（例えばディーゼルエンジン）のシリンダブロックなど（すなわち、安価な量産部品）を使用することができ、スターリングエンジンの製造コストを低減することができる。また、汎用内燃機関のシリンダブロックは、クランク機構やオイル循環システムなども備えており、これらもスターリングエンジンにおいて援用することができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記クロスヘッド部には、その摺動方向に沿って貫通する貫通孔が設けられている構成とすることができる。

上記の構成によれば、クロスヘッド部の上昇時にクロスヘッド部の上部空間で空気が圧縮され、クロスヘッド部の移動抵抗となることを防止できる。また、低圧空間内（クランクケース内）を飛散する潤滑油を、貫通孔を通してクロスヘッド部の上部に送り込み、ガスシールの潤滑を良好に行うことができる。

また、上記スターリングエンジンでは、前記クロスヘッド部は、当該クロスヘッド部の摺動を保持するシリンダライナとの間にシールリングを備えない構成とすることができる。

上記の構成によれば、シールリングを備えないことで、クロスヘッド部とシリンダライナとの隙間面積が増え、この隙間からクランクケースからクロスヘッド部上部への潤滑油の移行量を増やすことができる。また、クロスヘッド部とシリンダライナとの隙間を空気が移動できるため、空気圧縮によるクロスヘッド部の移動抵抗も軽減することができる。

また、上記スターリングエンジンは、クランクケース下部に溜まった潤滑油を前記クランクシャフトの回転を利用して上部に跳ねかける跳ねかけ式のオイル循環システムを有し、前記ガスシールの下段にダストシールが配置され、前記ダストシールと前記ガスシールとの間に、前記ダストシールの上方と前記低圧空間とを繋ぐ第１連通路が設けられている構成とすることができる。

上記の構成によれば、ダストシールの上部に溜まる潤滑油を、第１連通路によって低圧空間へ逃がすことができ、ダストシールに起因するオイル蓄圧の悪影響を防止することができる。

また、上記スターリングエンジンは、クランクケース下部に溜まった潤滑油を前記クランクシャフトの回転を利用して上部に跳ねかける跳ねかけ式のオイル循環システムを有し、前記ガスシールが多段に配置され、かつ、前記ガスシールの下段にダストシールが配置され、多段に設けられた前記ガスシール間と前記高圧空間とを繋ぐ第２連通路と、前記第２連通路に配置された逆止弁とが設けられている構成とすることができる。

上記の構成によれば、ダストシールの上部に溜まる潤滑油を、第２連通路によって高圧空間へ逃がすことができ、ダストシールに起因するオイル蓄圧の悪影響を防止することができる。加えて、ガスシール間に入り込んだ作動流体を高圧空間に戻すことができるため、高圧空間のガスシール性を担保することができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記ガスシールの潤滑に使用された潤滑油を収集するオイル収集部と、オイルポンプおよび逆止弁を介して前記オイル収集部に接続され、前記オイルポンプによって前記オイル収集部から潤滑油が送り込まれる注油タンクとを備え、前記注油タンクは、前記ガスシールに対して上部から潤滑油を注油する構成とすることができる。

上記の構成によれば、オイルポンプ式のオイル循環システムを利用することで、跳ねかけ式と比べて、エンジン運転状態（回転数）に関係なく、ガスシールに安定して潤滑油を供給することができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記ガスシールの周囲に水冷ジャケットが設けられ、前記水冷ジャケットに対して冷却水を供給可能な冷却水循環システムを備えている構成とすることができる。

上記の構成によれば、ガスシールを冷却することで、摩擦熱によるガスシールの熱膨張を抑制することができる。

また、上記スターリングエンジンでは、前記冷却水循環システムは、バイパス経路と、前記バイパス経路に配置されるバイパス弁とを備え、前記バイパス弁の開度を調整することで、前記水冷ジャケットに供給する冷却水の温度を調整可能である構成とすることができる。

上記の構成によれば、ガスシールの温度を、運転条件に応じて適切な温度範囲に制御することができ、ガスシールの潤滑性とシール性とを維持することができる。

本発明のスターリングエンジンは、ガスシールにオイルシールの機能を持たせ（ガスシールをスターリングエンジンに適したものとし）、オイルスクレーパなどを不要として、スターリングエンジンのコストダウンを図ることができるといった効果を奏する。

スターリングエンジンの概略構成を示す模式図である。 スターリングエンジンにおけるエンジン部の概略構成を示す模式図である。 （ａ）は一般的なロッドシールを高圧ガスシールとして用いた場合の構造を示す模式図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態に係る高圧ガスシールの構造を示す模式図である。 実施の形態３に係るオイル供給機構を示す模式図である。 実施の形態４における高圧ガスシール付近の構成を示す模式図である。 実施の形態４における高圧ガスシール付近の構成を示す模式図である。 実施の形態５に係る冷却水循環システムを示す模式図である。

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、スターリングエンジン１０の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、スターリングエンジン１０は、エンジン部１１、ヒータ熱交換器１２、再生器１３、クーラ熱交換器１４を有している。スターリングエンジン１０では、エンジン部１１のクランクシャフト１１３に発電機（図示せず）を接続し、スターリングエンジン１０の駆動によって発電機にて発電を行うことが可能である。

スターリングエンジン１０は、高温熱源（例えば高温流体の流れる高温パイプ）にヒータ熱交換器１２を挿入し、ヒータ熱交換器１２において作動流体（例えば、ヘリウムガス）を加熱する。さらに、クーラ熱交換器１４では、冷却水によって作動流体を冷却する（冷却水の供給手段については図示省略）。スターリングエンジン１０は、こうして加熱／冷却される作動流体の移動によってエンジン部１１を駆動するようになっている。尚、エンジン部１１は単気筒タイプのエンジンであってもよく多気筒タイプのエンジンであってもよいが、本実施の形態１では４気筒複動型エンジンを例示する。

エンジン部１１は、図３に示すように、４つの気筒１１１－１～１１１－４（特に区別しない場合は単に気筒１１１と称する）を有している。ここでは、クランクシャフト１１３に対して直線状に配置された４つの気筒を、その配置順に従って気筒１１１－１～１１１－４としている。それぞれの気筒１１１にはピストン１１２が備えられ、ピストン１１２の摺動方向（図１では上下方向）に対する一方側（図１では上側）に高温室１１１ａが設けられ、他方側（図１では下側）に低温室１１１ｂが設けられる。高温室１１１ａはヒータ熱交換器１２と接続され、低温室１１１ｂはクーラ熱交換器１４と接続されている。ヒータ熱交換器１２およびクーラ熱交換器１４は、間に再生器１３を挟んで接続されている。再生器１３は、ヒータ熱交換器１２とクーラ熱交換器１４との間の蓄熱手段となるものであり、作動流体がヒータ熱交換器１２からクーラ熱交換器１４に移動するときに作動流体から蓄熱し、反対の流れのときにその熱を作動流体に回収させることで熱を有効利用する。尚、図１に例示される４気筒複動型エンジンでは、間に同じ再生器１３を挟んで接続されたヒータ熱交換器１２およびクーラ熱交換器１４は、それぞれ異なる気筒１１１に対して接続される。

スターリングエンジン１０の動作は、各気筒１１１におけるピストン１１２が、第１位置（上死点位置：図１では気筒１１１－１）、第２位置（ピストン１１２が下向きに移動する間に、上死点位置からクランクシャフト１１３を９０°回転させる位置：図１では気筒１１１－４）、第３位置（下死点位置：図１では気筒１１１－３）、および第４位置（ピストン１１２が上向きに移動する間に、下死点位置からクランクシャフト１１３を９０°回転させる位置：図１４では気筒１１１－２）を順にとるようなサイクルを繰り返すことで成立する。

図２は、スターリングエンジン１０におけるエンジン部１１の概略構成を示す模式図である。図２のエンジン部１１は、製造コスト低減のために構造の一部に汎用内燃機関（例えばディーゼルエンジン）のシリンダブロックが用いられ、汎用内燃機関のピストン部品をクロスヘッド部１１６として援用するクロスヘッド機構とされている。すなわち、図２のエンジン部１１では、汎用内燃機関のシリンダブロックによって低圧空間１１４が形成され、低圧空間１１４内にクロスヘッド部１１６が配置されている。また、低圧空間１１４内ではクロスヘッド部１１６が連接棒１１７を介してクランクシャフト１１３に接続されている。クロスヘッド部１１６の移動に伴ってクランクシャフト１１３を回転させるクランク機構（すなわち、クロスヘッド部１１６、連接棒１１７およびクランクシャフト１１３からなる機構）も、汎用内燃機関のシリンダブロックから援用されるものである。

低圧空間１１４の上方には、各気筒１１１の高圧空間１１５（図１の高温室１１１ａおよび低温室１１１ｂは、ともに高圧空間１１５に含まれる）が設けられ、高圧空間１１５内にピストン１１２が配置されている。すなわち、高圧空間１１５では、作動流体の加熱／冷却サイクルによってピストン１１２が駆動される。高圧空間１１５は、低圧空間１１４を形成する汎用内燃機関のシリンダブロックとは、別部材にて形成されている。ピストン１１２とクロスヘッド部１１６とは、ピストンロッド１１８によって接続されている。すなわち、ピストン１１２、ピストンロッド１１８およびクロスヘッド部１１６は、所定の摺動方向（図２では上下方向）に沿って一体的に往復運動を行う。

低圧空間１１４と高圧空間１１５との間の仕切り箇所においては、作動流体が高圧空間１１５から低圧空間１１４へ漏れないよう、ピストンロッド１１８の周囲に高圧ガスシール（ガスシール）１１９が設置される。また、ピストンロッド１１８と高圧ガスシール１１９との間の潤滑のため、高圧ガスシール１１９にはオイル（潤滑油）が供給される。このため、クランクケースから軸受けなどに供給されるオイルが、ピストンロッド１１８にも注油されるようになっている。このような高圧ガスシール１１９へのオイル供給機構にも、汎用内燃機関のシリンダブロックに備え付けのオイル循環システムを援用することができる。備え付けのオイル循環システムは、オイルポンプ式であってもよく、跳ねかけ式（クランクケース下部のオイルパンに溜まったオイルをクランクシャフトの回転を利用して上部に跳ねかける方式）であってもよい。

高圧ガスシール１１９は、低圧空間１１４から高圧空間１１５へのオイルの侵入を防止するオイルシールも兼ねることが好ましく、一般の油圧機器などに用いられるロッドシールを用いることが考えられる。一般の油圧機器は高圧側が油密側であるため、油圧機器で使用される既存のロッドシールを高圧ガスシール１１９としてそのまま用いた場合、図３（ａ）に示すように、シールリップのリップ角度（ピストンロッド１１８の中心軸を通る断面において、リップ表面とロッド表面とのなす角）が低圧側よりも高圧側の方が大きくされ（図３（ａ）においてα＞β）、高圧側から低圧側へのオイル侵入を防ぐ構造となる。具体的には、ピストンロッド１１８の往復運動に伴って高圧ガスシール１１９の上下に生じるピストンロッド１１８表面の油膜が、高圧ガスシール１１９におけるリップ角度の小さい側（低圧側）で薄くなり、リップ角度の大きい側（高圧側）で厚くなることで高圧側から低圧側へのオイル侵入が防止される。

一方、スターリングエンジン１０では、一般の油圧機器とは逆に低圧側が油密側となるため、高圧ガスシール１１９は低圧側から高圧側へのオイル侵入を防ぐ必要がある。このため、既存のロッドシールを高圧ガスシール１１９として使用すると、低圧側から高圧側へのオイル侵入が発生してしまう。その結果、低圧空間１１４から高圧空間１１５へオイルが断続的に送り込まれてしまい、熱交換器（ヒータ熱交換器１２やクーラ熱交換器１４）の目詰まりが起きて出力低下の原因となるほか、クランクケース内のオイルが枯渇して駆動部品の焼け付を引き起こすリスクがある。

上記の課題を解決し、高圧ガスシール１１９にオイルシールを兼ねさせるため、本実施の形態１に係るスターリングエンジン１０では、エンジン部１１における高圧ガスシール１１９は、図３（ｂ）に示すように、シールリップのリップ角度が低圧側よりも高圧側の方が小さくされ（図３（ｂ）においてα＜β）、低圧側から高圧側へのオイル侵入を防ぐ構造となっている。

尚、図３（ａ），（ｂ）に示されている“１２０”はＯリングであり、ピストンロッド１１８に対する高圧ガスシール１１９の接触圧（面圧）を調整するために用いられている。また、高圧ガスシール１１９の作動流体に対するガスシール性は、高圧ガスシール１１９の面圧によって得られるものであり、図３（ｂ）に示す構造の高圧ガスシール１１９のガスシール性能は、図３（ａ）の高圧ガスシール１１９と同等の性能を得ることができる。

図３（ｂ）の構成では、ピストンロッド１１８表面の微細な凹凸部分に入り込んだオイルは、ピストンロッド１１８の引き行程（下死点位置から上死点位置へ向かう行程）において高圧側へ輸送される。但し、高圧ガスシール１１９における高圧側と低圧側とのリップ角度の違いにより、ピストンロッド１１８表面の油膜は、高圧ガスシール１１９におけるリップ角度の大きい側（低圧側）で厚くなり、リップ角度の小さい側（高圧側）で薄くなる。その結果、ピストンロッド１１８表面のオイルは高圧ガスシール１１９によって低圧側へ掻き出される。これにより、高圧側にオイルが侵入および滞留することを防止できる。また、高圧ガスシール１１９がオイルシールを兼ねることで、オイルスクレーパが不要となり、スターリングエンジン１０のコストダウンを図ることができる。

〔実施の形態２〕
上述したように、スターリングエンジン１０のエンジン部１１では、汎用内燃機関のシリンダブロックが用いられ、汎用内燃機関のピストン部品をクロスヘッド部１１６として援用している。このとき、汎用内燃機関のピストン部品をそのままクロスヘッド部１１６として用いると、低圧空間１１４内において、クロスヘッド部１１６の上昇時にクロスヘッド部１１６の上部空間で空気が圧縮されることになる。これにより、クロスヘッド部１１６に移動抵抗が発生し、スターリングエンジン１０の出力が低下する。

これを防止するため、クロスヘッド部１１６には、その摺動方向に沿って貫通する（好ましくは複数の）貫通孔１１６ａ（図２参照）が設けられている。クロスヘッド部１１６に貫通孔１１６ａを設けることで、クロスヘッド部１１６の移動抵抗を軽減し、スターリングエンジン１０の出力低下を防止することができる。

また、エンジン部１１では、高圧ガスシール１１９にオイルを供給するために、汎用内燃機関のシリンダブロックに備え付けのオイル循環システムを援用している。しかしながら、汎用内燃機関に備え付けのオイル循環システム（特に、跳ねかけ式のオイル循環システム）は、本来、汎用内燃機関のピストン部品（すなわち、クロスヘッド部１１６）やクランク機構の軸受けにオイルを供給するものであり、クロスヘッド部１１６よりも上部にある高圧ガスシール１１９に対してオイル供給することを意図するものではない。

これに対し、クロスヘッド部１１６に貫通孔１１６ａを設けることで、低圧空間１１４内（クランクケース内）を飛散するオイルを、貫通孔１１６ａを通してクロスヘッド部１１６の上部に送り込むことができ、ピストンロッド１１８にオイルを付着させて高圧ガスシール１１９を潤滑することができる。これにより、高圧ガスシール１１９の異常摩耗を防止することができる。尚、貫通孔１１６ａは、クロスヘッド部１１６の円周方向に沿って等角度間隔で複数設けられていることが好ましい。

また、汎用内燃機関のピストン部品は、通常、ピストン側面にガスシールやオイルシールとなるシールリングが取り付けられている。しかしながら、このピストン部品を援用するクロスヘッド部１１６では、これらのシールリングは取り外されて使用されることが好ましい。これにより、クロスヘッド部１１６とクロスヘッド部１１６の摺動を保持するシリンダライナとの隙間面積が増え、この隙間からもクランクケースからクロスヘッド部１１６上部へのオイル移行量を増やすことができる。また、クロスヘッド部１１６とシリンダライナとの隙間を空気が移動できるため、空気圧縮によるクロスヘッド部１１６の移動抵抗も軽減することができる。

〔実施の形態３〕
本実施の形態３では、高圧ガスシール１１９へのオイル供給機構の好適例について説明する。図４は、本実施の形態３に係るオイル供給機構の模式図である。

図４のオイル供給機構は、オイルポンプ式のオイル循環システムを利用するものであり、高圧ガスシール１１９の潤滑に使用されたオイルをオイルパン（オイル収集部）１３１（オイルタンクであってもよい）に収集し、オイルパン１３１とガスシール用注油タンク（注油タンク）１３０とを高圧オイルポンプ（オイルポンプ）１３２および逆止弁１３３を介して接続した構成を有している。さらに、ガスシール用注油タンク１３０からは、絞り１３４を介して高圧ガスシール１１９の上部にオイルを供給するオイル連通路１３５と、高圧空間１１５との圧力バランスを取るための連通口１３６とが接続されている。

図４のオイル供給機構では、高圧オイルポンプ１３２が常時もしくは定期的に動作され、一定量のオイルがオイルパン１３１からガスシール用注油タンク１３０に送り込まれる。そして、ガスシール用注油タンク１３０内のオイルがオイル連通路１３５から高圧ガスシール１１９に注油される。このとき、オイル連通路１３５がオイルを注油するのは、高圧ガスシール１１９の上部、すなわち高圧空間１１５側であるが、高圧ガスシール１１９を図３（ｂ）の構成とすることで、高圧ガスシール１１９の上部に溜まるオイルはピストンロッド１１８の往復運動に伴って高圧側から低圧側へ移送され、高圧空間１１５にオイルが滞留することはない。

図４のオイル供給機構は、オイルポンプ式のオイル循環システムを利用することで、跳ねかけ式と比べて、エンジン運転状態（回転数）に関係なく、高圧ガスシール１１９に安定してオイルを供給することができる。

〔実施の形態４〕
潤滑用のオイル内には異物（いわゆるコンタミ）が含まれる場合がある。特に、跳ねかけ式のオイル供給機構を採用する場合、異物が高圧ガスシール１１９にまで到達し、異物の挟み込みによって高圧ガスシール１１９に摩耗が発生したり、高圧空間１１５への異物侵入が生じたりすることがある。このため、図５に示すように、高圧ガスシール１１９の下段（高圧ガスシール１１９に対して低圧側）にダストシール１４０を配置し、異物が高圧ガスシール１１９に到達する前に、ダストシール１４０によってオイル中の異物を除去することが行われる。

しかしながら、単にダストシール１４０を備えるのみでは、ダストシール１４０の上部に溜まったオイルが下部へ流れにくくなる（ダストシール１４０によって、ピストンロッド１１８表面に付着したオイルが下に流れ落ちる速度が低下する）。そのため、ダストシール１４０の使用によって、ダストシール１４０と高圧ガスシール１１９との間にオイルが溜まってオイル圧が高くなる現象（オイル蓄圧）が生じる場合がある。また、部品のメンテナンスインターバルを延長するために、高圧ガスシール１１９を多段（図５では２段）に備える場合もあるが、この場合は、多段に配置された高圧ガスシール１１９間でオイル蓄圧が発生することもある。このようなオイル蓄圧が発生すると、オイル圧によって高圧ガスシール１１９が適正な姿勢から傾くことがあり、それによって高圧ガスシール１１９のシール性が低下したり、高圧ガスシール１１９の異常摩耗が発生したりする。

このため、図５のオイル供給機構は、ダストシール１４０と高圧ガスシール１１９との間に、ダストシール１４０上方と低圧空間１１４とを繋ぐ連通路（第１連通路）１４１を設ける構成としている。この構成では、ダストシール１４０の上部に溜まるオイルは、連通路１４１を通って低圧空間１１４へ逃がされるため、オイル蓄圧を防止することができる。その結果、高圧ガスシール１１９の姿勢を安定化させ、良好なシール性を確保でき、また、高圧ガスシール１１９の異常摩耗を防止することができる。

また、高圧ガスシール１１９が多段に設けられている場合には、高圧ガスシール１１９間でのオイル蓄圧を防止するために、図６に示すように、高圧ガスシール１１９間と高圧空間１１５とを繋ぐ連通路（第２連通路）１４２を設け、連通路１４２に逆止弁１４３を設ける構成としてもよい。図６の構成では、高圧ガスシール間の蓄圧を防止できることに加え、高圧ガスシール１１９間に入り込んだ作動流体を高圧空間１１５に戻すことができるため、高圧空間１１５のガスシール性を担保することができる。

〔実施の形態５〕
スターリングエンジン１０においては、高温熱源から吸収した熱量の一部はクーラ熱交換器１４を介して外部環境へ放出される。工場などの排熱回収を目的とした排熱回収スターリングエンジンにおいては、クーラ冷却水として、設置設備（顧客側設備）からの外部冷却水やその循環システムを利用する方法が一般的である。しかしながら、そのような方法では、冷却水のコストや顧客側設備への改造（クーラ熱交換器１４へ冷却水を供給するための設備改造）など、顧客負担が発生する。

一方、スターリングエンジン１０は、構成の一部に汎用内燃機関のシリンダブロックを使用しているものであり、通常、ディーゼルエンジンなどは冷却水循環システムを既存システムとして備えている。本実施の形態５では、汎用内燃機関に備わっている既存部品を用いた冷却水循環システムを備えるスターリングエンジン１０について説明する。

図７は、本実施の形態５に係る冷却水循環システムを示す模式図である。図７の冷却水循環システムは、汎用内燃機関に備わっている既存部品として、循環ポンプ１５０、ラジエータ１５１および冷却ファン１５２を用いている。循環ポンプ１５０は、冷却水を循環させる駆動源である。ラジエータ１５１は、冷却水からの放熱を行うための熱交換機である。冷却ファン１５２は、ラジエータ１５１に風を当てて放熱を促進させるものであり、クランクシャフト１１３の一端に接続されている。この冷却水循環システムは、少なくともクーラ熱交換器１４に冷却水を供給できる冷却水経路を有している。

図７に示すように、本実施の形態５に係るスターリングエンジン１０は、少なくともクーラ熱交換器１４に冷却水を供給できる冷却水経路を有している。また、この冷却水循環システムは、ラジエータ１５１および冷却ファン１５２を備えることで冷却水を循環させて使用することができ、外部冷却水を必要としない。このため、冷却水のコストや顧客側設備の改造などを不要とすることができる。

また、本実施の形態５に係る冷却水循環システムは、クーラ熱交換器１４以外の冷却に使用することも可能であり、例えば、高圧ガスシール１１９の冷却や、高圧空間１１５における気筒１１１の冷却に使用することもできる。

樹脂製の高圧ガスシール１１９は線膨張係数が高いため、摩擦熱により熱膨張し、ピストンロッド１１８の緊縛力を増加させることが懸念される。この場合、オイルの油膜厚さが低下し、シールの早期摩耗が発生する。このため、高圧ガスシール１１９の温度は、運転条件に応じて適切な温度範囲に制御されることが好ましい。

図７の冷却水循環システムでは、高圧ガスシール１１９の周囲に水冷ジャケット１６０を設け、水冷ジャケット１６０にも冷却水を供給できる冷却水経路とされている。これにより、高圧ガスシール１１９の熱膨張を抑制することができる。また、図７の冷却水循環システムでは、冷却水経路の一部にバイパス経路１６１とバイパス弁１６２を備えている。

この例では、バイパス経路１６１は、水冷ジャケット１６０の上流側において、バイパス経路１６１と合流する冷却水経路よりも温度の低い冷却水をバイパス供給できるようになっている。この構成では、バイパス弁１６２の開度を調整することで、高圧ガスシール１１９を適温に調節することが可能となる。具体的には、バイパス弁１６２の開度を大きくし、バイパス経路１６１を介して水冷ジャケット１６０に供給される冷却水の水量を増やすことで、高圧ガスシール１１９の冷却効果を上げることができる。

また、スターリングエンジン１０の高圧空間１１５における気筒１１１では、ピストン１１２に対してオイル潤滑ができないため、内燃機関に使用しているような金属リングが使用できない。このため、ピストン１１２と気筒１１１の内壁との潤滑には、個体潤滑性が高い樹脂リングが採用される。しかし、樹脂リングは、高圧空間１１５にからの受熱により、強度低下や破損が発生するリスクがある。

このため、図７の冷却水循環システムでは、気筒１１１のシリンダ周囲に高温シリンダ用の水冷ジャケット１６３を設け、水冷ジャケット１６３にも冷却水を供給できる冷却水経路とされている。これにより、ピストン１１２の潤滑に使用される樹脂リングに対しても、冷却水循環システムによる冷却を行うことができ、樹脂リングの強度低下や破損が発生することを防止できる。

尚、図７の例では、冷却水経路は、ラジエータ１５１で放熱を受けた冷却水をクーラ熱交換器１４、水冷ジャケット１６３、水冷ジャケット１６０の順に流すものとなっている。この場合、バイパス経路１６１は、水冷ジャケット１６３と水冷ジャケット１６０との間において、クーラ熱交換器１４および水冷ジャケット１６３の通過後よりも温度の低い冷却水をバイパス供給できるようになっている。

今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１０ スターリングエンジン
１１ エンジン部
１１１ 気筒
１１１ａ 高温室
１１１ｂ 低温室
１１２ ピストン
１１３ クランクシャフト
１１４ 低圧空間
１１５ 高圧空間
１１６ クロスヘッド部
１１６ａ 貫通孔
１１７ 連接棒
１１８ ピストンロッド
１１９ 高圧ガスシール（ガスシール）
１２０ Ｏリング
１３０ ガスシール用注油タンク（注油タンク）
１３１ オイルパン（オイル収集部）
１３２ 高圧オイルポンプ（オイルポンプ）
１３３ 逆止弁
１３４ 絞り
１３５ オイル連通路
１３６ 連通口
１４０ ダストシール
１４１ 連通路（第１連通路）
１４２ 連通路（第２連通路）
１５０ 循環ポンプ
１５１ ラジエータ
１５２ 冷却ファン
１６０ 水冷ジャケット
１６１ バイパス経路
１６２ バイパス弁
１６３ 水冷ジャケット
１２ ヒータ熱交換器
１３ 再生器
１４ クーラ熱交換器

Claims (8)

1. クロスヘッド機構を有するスターリングエンジンであって、
   作動流体の加熱／冷却サイクルによってピストンを駆動させる高圧空間と、
   ピストンロッドを介して前記ピストンと接続されるクロスヘッド部と、前記クロスヘッド部の移動に伴ってクランクシャフトを回転させるクランク機構とが収容される低圧空間と備えており、
   前記低圧空間と前記高圧空間との間の仕切り箇所において、前記ピストンロッドの周囲に、シールリップのリップ角度が低圧側よりも高圧側の方が小さくされたガスシールを備えていることを特徴とするスターリングエンジン。
2. 請求項１に記載のスターリングエンジンであって、
   前記クロスヘッド部には、その摺動方向に沿って貫通する貫通孔が設けられていることを特徴とするスターリングエンジン。
3. 請求項１または２に記載のスターリングエンジンであって、
   前記クロスヘッド部は、当該クロスヘッド部の摺動を保持するシリンダライナとの間にシールリングを備えないことを特徴とするスターリングエンジン。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
   クランクケース下部に溜まった潤滑油を前記クランクシャフトの回転を利用して上部に跳ねかける跳ねかけ式のオイル循環システムを有し、
   前記ガスシールの下段にダストシールが配置され、前記ダストシールと前記ガスシールとの間に、前記ダストシールの上方と前記低圧空間とを繋ぐ第１連通路が設けられていることを特徴とするスターリングエンジン。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
   クランクケース下部に溜まった潤滑油を前記クランクシャフトの回転を利用して上部に跳ねかける跳ねかけ式のオイル循環システムを有し、
   前記ガスシールが多段に配置され、かつ、前記ガスシールの下段にダストシールが配置され、多段に設けられた前記ガスシール間と前記高圧空間とを繋ぐ第２連通路と、前記第２連通路に配置された逆止弁とが設けられていることを特徴とするスターリングエンジン。
6. 請求項１から３の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
   前記ガスシールの潤滑に使用された潤滑油を収集するオイル収集部と、
   オイルポンプおよび逆止弁を介して前記オイル収集部に接続され、前記オイルポンプによって前記オイル収集部から潤滑油が送り込まれる注油タンクとを備え、
   前記注油タンクは、前記ガスシールに対して上部から潤滑油を注油することを特徴とするスターリングエンジン。
7. 請求項１から６の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
   前記ガスシールの周囲に水冷ジャケットが設けられ、前記水冷ジャケットに対して冷却水を供給可能な冷却水循環システムを備えていることを特徴とするスターリングエンジン。
8. 請求項７に記載のスターリングエンジンであって、
   前記冷却水循環システムは、バイパス経路と、前記バイパス経路に配置されるバイパス弁とを備え、前記バイパス弁の開度を調整することで、前記水冷ジャケットに供給する冷却水の温度を調整可能であることを特徴とするスターリングエンジン。

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