JP3141260U - 揺動するディスプレーサを用いた薄型スターリングサイクル機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スターリングサイクル機関の形状を薄型のパネル状とし、熱効率を向上させ、発電機冷凍機およびヒートポンプとして広い用途への応用を可能とする。
【解決手段】熱交換を行う再生器と揺圧器内部で停滞する作動流体に流れを生じさせ熱伝達率を向上させるための弁膜を持つディスプレーサを揺動運動させ、そのディスプレーサおよびパワーピストンを駆動する機構を揺圧器内部に取り入れることによりその形状を薄型のパネル形状とし、かつパワーピストンを中心に揺圧器を対称に配置し、二つの揺圧器に正負逆向きの圧力変動を生じさせてパワーピストンを駆動、さらには発電機もしくはモーターをエンジン本体に内蔵することにより、技術的に難しいといわれている運動部分の密閉装置を不要なものとすることで、高圧な作動流体のガス漏れをなしにする。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は、スターリングサイクルを利用して、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換したりその可逆性を利用して機械的エネルギーを熱エネルギーに変換したりするスターリングサイクル機関（スターリングエンジン、スターリング冷凍機、スターリングヒートポンプ）に関するものである。

技術背景

従来の多くの公知なスターリングエンジンは、大きなフライホイールが必要であり、通常円筒形のディスプレーサが往復運動することにより動作するものであるが、その構造上背丈が高く大型の装置になりがちである。

また、「特開平０９−０４２０５５」によると、ディスプレーサが再生器を内蔵する場合、「ディスプレーサが運動していてもシリンダ室内の作動ガスはシリンダ側から見れば停止しており、外部との熱交換において流速による熱伝達率の向上は望めない。」とある。この課題に対し、同「特開平０９−０４２０５５」のスターリングエンジンは、複雑な仕組みを用いてその改善を行っているがその構造や製造過程は非常に高度なものである。

また、「特開平８−２８４７５１」にあるような扇形のディスプレーサが揺動することで作動流体を移動させるスターリングエンジンもすでに公知なものであり、内部の摺接面のシールを確実なものとするためディスプレーサの摺接するべき部分に摺動片を設けているものである。

さらに、高圧の作動流体を機関内部に封入する際、大気に面する運動部分がある場合、摩擦を増大させずに確実な密閉を行うのは非常に難易度の高い技術であることは誰もが認識しているスターリングエンジンの問題点である。

従来の往復運動および揺動運動するディスプレーサを有するスターリングサイクル機関の基本構造を見直し、スターリングサイクル機関の形状を背丈の低い薄型のパネル状とし、かつ再生器をディスプレーサに内蔵する場合において、複雑な機構を有することなく熱伝達率を向上させると同時に、大気に面する摺動部分を無くしガスケットのみによる確実な密閉を行うことで、高圧の作動流体が大気へ漏れることのないメンテナンスリスクの小さなパネル状のスターリングサイクル機関を提供することを課題とした。

本発明は、ディスプレーサを揺圧器内で揺動運動させる形式のスターリングサイクル機関において、ディスプレーサを揺動運動させる機構ならびにパワーピストンの直線運動を回転運動に変えるために必要な機構を揺圧器内に取り入れることにより、スターリングサイクル機関の形状を薄型のパネル状とするものである。しかし従来のスターリングエンジンには、慣性の大きなフライホールが必要であり、この形態によるスターリングエンジンでは、サイクル継続のための慣性力が不足し、サイクルを継続させることが出来ない場合が考えられる。そこで、ディスプレーサと揺圧器の内壁とを弾性体を用いて持続的に、もしくは間欠的に接触させクランクディスクの回転力をこの弾性体に保存し、パワーピストンの死点付近で弾性体に保存されたエネルギーをクランクディスクに戻すことで、スターリングサイクルを継続させようとするものである。

また、この弾性体そのものに熱再生機能が高い素材や形状のものを用いるか、もしくは、ディスプレーサに内蔵されている再生器を上下の伝熱面に接触するように膨らみを持たせて固定し、ディスプレーサが揺動する毎に間欠的に伝熱面と再生器を直接接触させることで、熱伝達率を高めるものである。

また、ディスプレーサの各側面もしくは、揺圧器の内側壁に逆止弁の役割を果たす弁膜となる部品を取り付けて、再生器を通過しない一部の作動流体に一方向の流れを生じさせ、停滞する作動流体を流動させると同時に、強制的な作動流体の移動が行われないクランク機構部分においては、このクランクディスクそのものに歯車やインペラ状の突起物を設けることにより作動流体を撹拌、流動させ、さらに熱伝達率を向上さることを特徴とするものである。

さらに、パワーピストンを中心にして、揺圧器を対称に配置し、二対のディスプレーサに１８０°の位相差を設けることによって、各々の揺圧器において相反する圧力変動を生じさせ、パワーピストンの両面に力を作用させると同時に、パワーピストンの摺動部からのガス漏れを互いの揺圧器が受け止め合うことで、エンジン全体として大気へのガス漏れをなくすものである。

本発明によれば、従来の背丈の高いスターリングサイクル機関を薄いパネル形状とすることができ、かつ熱伝達率の高い低温度差でも動作するスターリングエンジンや高効率なスターリング冷凍機およびスターリングヒートポンプが提供される。また、ガスケットのみによる密閉を行うことから、大気へのガス漏れが極めて小さく、メンテナンス性にも優れた製品となる。

本発明の第１の実施の形態は、再生器を内蔵するディスプレーサを揺圧器内で揺動運動させディスプレーサを揺動運動させる機構、ならびにパワーピストンの直線運動を回転運動に変えるために必要な機構を揺圧器内に取り入れて、スターリングサイクル機関を運転させるものである。たとえばこのディスプレーサの断面形状を鋭角な扇型とし、内封された揺動スライダクランク機構によって、パワーピストンの直線運動から回転運動、揺動運動に変換し駆動するものが挙げられる。逆に揺圧器内部の空間断面を三角形とすれば、ディスプレーサの断面形状を必ずしも扇形にする必要はない。これによれば作動流体体積に対して広い伝熱面積を有し、かつエンジン全体の背丈が従来のものよりも低く、薄いパネル状のスターリングサイクル機関を提供できるというものである。

本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態におけるディスプレーサと揺圧器内壁との間に、持続的もしくは間欠的に、サイクル継続のための適切な弾性を有する弾性体を接触させるものである。これはフライホイールの代替的な役割を果たすもので、この形態によれば、サイクルを継続させるために必要なディスプレーサの揺動する慣性力および回転するクランクディスクの慣性力が不足する場合でも、スターリングエンジンの運転が可能となる。本形態は、スターリングサイクル機関全体の形状をパネル状とするための非常に重要な要素である。

本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態で説明した弾性体そのものに熱交換能力の高い素材や形状のものを用いて再生器としての役割を付加させるか、もしくは、ディスプレーサが内蔵する再生器を揺動運動するディスプレーサの死点付近で上下の伝熱面と接触するように固定し、間欠的に、かつ直接的に伝熱面と接触させるものである。この形態によれば、これまで作動流体に対してのみ熱の授受を行っていた再生器が、伝熱面と直接接触することで非接触の場合に比べて多くの熱伝導が行われ、スターリングサイクル機関の熱伝達率が向上するものである。

本発明の第４の実施の形態は、第１乃至第３の実施の形態におけるスターリングサイクル機関のディスプレーサもしくは揺圧器の内壁面に、軽量で適度な弾力性のある薄いフィルム状の弁膜となる部品を取り付けるものである。この形態によれば、複雑な機構を有することなく揺圧器内のディスプレーサに内蔵された再生器に流入しない停滞する作動流体に対して、一方向の流れを生じさせ熱伝達率を向上させることができる。

さらに、これにより揺動するディスプレーサと近接する揺圧器の側壁面との間隔を一定にするための揺圧器側壁面に対する円弧状の精密な加工およびシール装置を省略でき、生じる摩擦も小さいことから、構造が極めて簡単で熱伝達率が高く、エネルギー損失の少ない熱交換が行われる。

本発明の第５の実施の形態は、第１乃至第４の実施の形態による揺圧器を、一つもしくは同列に並べられた複数個のパワーピストンを中心に対称となるように配置するものである。この形態によれば、唯一の摺動面を持つパワーピストンが大気と接触せず、この部分から高圧の作動流体がエンジン外部にもれることがなく、同時にパワーピストンの両サイドに正負の圧力が加わるものである。仮に、このパワーピストンの摺動部分において、ガス漏れが生じ、低圧側の揺圧器内に流れ出たとしても、エンジン本体から大気へのガス漏れには関係しない。無論、パワーピストンの摺動面からのガス漏れは無いことが理想的であるが、ガス漏れを無くすが故に摩擦が増大するという相反する性質を鑑みれば、逆に摺動面からのガス漏れを想定した構造とすることが望ましいという発想である。エンジン本体の圧力容器としての性能を高めれば高めるほど高圧の作動流体を封入することが出来ることは言うまでもない。

また、伝熱面積や作動流体の体積、封入圧力、加熱側の温度などのパラメータに対して適切な行程容積を得るために、複数個のパワーピストンを容易に組み入れることができる構造であることも特徴の一つである。

本発明の第６の実施の形態は、パワーピストンの直線運動を回転運動に変換し、その回転運動をディスプレーサの揺動運動に変換するためのクランクディスクに、歯車やインペラ状の突起を設けるものである。この形態によると、図１に示すように揺動するディスプレーサの効力が及ばず強制的な移動が期待できない一部の作動流体を撹拌、流動させることができ、結果さらなる熱伝達率の向上を促進するものである。

図１乃至図３をもって、本発明である薄型スターリングサイクル機関の動作原理および実施例を具体的に説明する。なお、本実施例はスターリングエンジンについてのものである。

この実施例は、図１及び図２に示すように、中央のセンターフレーム８に勘着されたシリンダ１０を摺動するパワーピストン６に対して、対称となるように２つの揺圧器９を配置し、中心角が鋭角な扇形の断面形状をもつ再生器４を内蔵する二対のディスプレーサ１が、１８０°の位相差で、はすば歯状の突起を有するクランクディスク３を原軸とする揺動スライダクランク機構により揺圧器内を揺動運動するものである。そしてディスプレーサ１とパワーピストン６に温度差に応じて最適な位相差を設けて相対する圧力変動をパワーピストン６の両側に作用させて、直線運動に変換することにより駆動する構造とした。太陽熱を熱源とする場合は、加熱パネル１２を黒く塗装し熱を内部に取り込みやすくして、冷却パネル１３は、放熱用のフィンならびに必要に応じて冷却のためのラジエータを装備する。

本実施例は実験用模型として設計しており、加熱パネル１２および冷却パネル１３には、板厚２ｍｍのステンレス板を用いた。本体の外寸法を横４１６ｍｍ、縦３００ｍｍ、冷却フィンを除く本体の高さを３０ｍｍとし、２ＭＰａ以下のバッファ圧力で運転する仕様としている。なお、図１および図２は冷却パネル側の冷却装置や作動流体を充填するためのバルブや継ぎ手を省略している。

当然、この揺圧器９の内部空間の厚みが、クランクディスク３の最大直径および最大偏心量、パワーピストン６の最大直径および最大ストロークを決める重要なパラメータとなる。

また、図３に示すようにディスプレーサ１の四方の各端面に、耐熱性があり軽量で薄い適度な弾力性のあるフィルム状の弁膜１１を取り付けて、揺圧器９の内側壁面と斜めに接触させた。これにより弁膜１１が逆止弁的な役割を果たし、ディスプレーサ１が揺動運動することによって、ディスプレーサ１の断面を軸とする一方向の気流がつくられる。よって揺圧器内部の作動流体は、一部が再生器４に流入し、一部が揺圧器９の上下の伝熱面、つまり加熱パネル１２と冷却パネル１３の内部壁表面を流動するようになり、作動流体が停滞することで引き起こる熱伝達率の低下を防ぐものである。

ただし、再生器４と弁膜１１における流動抵抗のバランスおよび流動抵抗そのものの大きさを調節する必要があり、システムによって適当な値をとることが高効率化につながる。なお、本実施例におけるディスプレーサは、自らを揺動させるクランクディスク３と接触をするリブ１４にアルミ合金、再生器４にスチールウール、弁膜１１に０．５ｍｍ厚のシリコンシートを用い、他の部分を覆うプランク１４については、軽量化のために模型飛行機などに用いられるバルサ材を利用するものとした。この弁膜１１は、図３のようにプランク１４のバルサ材によって内部の骨組みと挟み込むように取り付ければよい。したがって、この場合バルサ材が耐えうる範囲で、加熱パネル１２に熱を与えるものとする。しかし、高温度差にて運転をする場合は、この木材部分に耐熱性のある他の素材を用いなければならない。

また、同様の効果を付加させるために、クランクディスク３にはすば歯状の突起を設けた。これにより、ディスプレーサが及ばない揺動スライダクランク機構部分等における作動流体の撹拌および流動を行うものである。

また、本実施例ではディスプレーサ１の一部に凹部を設けて、弾性体２を装着させることとした。本実施例では、組み立てやすいように、揺圧器内壁には固定していない。揺動するディスプレーサが死点付近にあるとき、反対側の揺圧器内壁と弾性体２が離れるように設計した。本発明はエンジン本体の背丈をできるだけ低くしパネル形状とすることを課題としており、大きなフライホイールを内部に装備することが出来ないことは前述しているとおりである。クランクディスクが回転すると、この弾性体２は、ディスプレーサの死点で最大の弾性エネルギーを蓄え、ピストンがクランクディスクに力を及ぼさなくなる死点付近で、この弾性エネルギーをクランクディスク３に作用させることで、サイクルの継続を行うものである。

また、再生器であるスチールウールをディスプレーサ上下面よりはみ出すように固定し、ディスプレーサの死点付近で上下の伝熱面と接触させるようにした。

さらに本実施例では示していないが、請求項３で請求しているように弾性体そのものに熱交換能力を持たせるためには、例えば、適度な弾性を持った孔付きの板を湾曲させて図１スチールウールと同様に、ディスプレーサの上下面よりはみ出すように取り付け、揺動運動の死点付近で上下の伝熱面と接触させることで前述した弾性体２と同じ機能をもつ板バネとすることで、本来フライホイールが担う役割と作動流体に対する熱交換という２つの機能を同時に有する構造とすることができる。

出力については、エンジン本体に内蔵した発電機５により電力として取り出す。公知の技術であるハーメティック型のスターリングエンジンに類するこの方法によれば、出力軸を外部に出す必要がなくなり、摺動部からのガス漏れによるメンテナンスリスクを最大限回避できるものである。

また、その始動方法については、加熱パネル１２と冷却パネル１３の温度差が運転可能な温度差に達したときに内蔵する発電機をモータとして機能させ、エンジンを始動し、その後発電機として機能させる形式とする。スターリング冷凍機やスターリングヒートポンプに関しては、この発電機をモータとして用いる。

本発明の薄型スターリングサイクル機関は、太陽光発電パネルと同様に用いられる可能性がある。または、太陽光発電パネルと併用使用することにより、温度が上昇するにつれ発電効率が低下する太陽光発電モジュールの熱を、本発明のスターリングエンジンが吸収冷却することで、太陽光発電モジュールの効率低下を防ぎながら、自らも発電するという併用装置が提供される可能性がある。また、熱を発生する機器や設備もしくは、冷蔵庫や住宅などの熱交換を必要とする壁面にこのパネルを利用し発電もしくは温度差を発生させるなど、その用途は非常に広範囲に及ぶものと考えられる。

本発明の構造と動作原理及び実施例を説明するための本体横断面図 図１の上断面図 ディスプレーサに装着する弁膜を説明するための図

符号の説明

１． 揺動式ディスプレーサ
２． 弾性体
３． クランクディスク
４． 再生器
５． 発電機
６． パワーピストン
７． ピストンロッド
８． センターフレーム
９． 揺圧器本体
１０．シリンダ
１１．弁膜
１２．加熱パネル
１３．冷却パネル
１４．ディスプレーサリブ
１５．ディスプレーサプランク

Claims (6)

1. 作動流体に対して熱交換を行うための再生器が内蔵されたディスプレーサを、揺圧器内で揺動運動させるスターリングサイクル機関において、ディスプレーサを揺動運動させる機構およびパワーピストンの直線運動を回転運動に変換する機構を揺圧器内に含めることにより、その本体形状をパネル状のものとしたスターリングサイクル機関。
2. 請求項１におけるスターリングエンジンにおいて、揺動するディスプレーサと揺圧器内壁との間に持続的もしくは間欠的に接触するように取り付けられた弾性体によってクランクシャフトの回転力を蓄え、パワーピストンが死点付近においてサイクル継続のための回転力をクランクシャフトに与える構造を有した請求項１に記載のスターリングエンジン。
3. 請求項１におけるディスプレーサに内蔵された再生器を、ディスプレーサの揺動運動における死点付近で、上下の伝熱面と接触するように固定するか、もしくは請求項２における弾性体そのものに熱交換能力の高い素材や形状のものを用いることで、加熱面及び冷却面と直接熱の授受を行い、熱伝達率を向上させる構造を有する請求項１に記載のスターリングサイクル機関。
4. 請求項１におけるディスプレーサもしくは揺圧器内部側壁に、揺圧器内の作動流体に流れを生じさせるシート状の弁膜を取り付け、ディスプレーサに内蔵された再生器に流入しない一部の作動流体に一方向の流れを生じさせることにより、熱伝達率を向上させる構造を有する請求項１に記載のスターリングサイクル機関。
5. 請求項１乃至請求項４に記載の揺圧器を、一つもしくは同列に並べられた複数個のパワーピストンを中心にして対称に配置し、パワーピストンの摺動部を大気に露出させない構造とした請求項１に記載のスターリングサイクル機関。
6. 揺圧器内でディスプレーサを揺動運動させ、かつパワーピストンの直線運動を回転運動に変えるための請求項１に記載した機構における運動部分に、凹凸を設けて揺圧器内の作動流体を撹拌および流動させる機構とした請求項１に記載のスターリングサイクル機関。

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