JP4322125B2 - スターリングエンジン冷暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、スターリングエンジンを用いた冷暖房システムに関し、より詳細には、スターリングエンジンの出力を動力源としてヒートポンプのコンプレッサを駆動する冷暖房システムに関する。

スターリングエンジンは、原理的には、膨張空間と圧縮空間において、「等温膨張・等容冷却・等温圧縮・等容加熱」を繰り返す基本熱サイクルによって機械的運動を発生するもので、機械的駆動機構によって種々の構成形式が存在する。しかし、機械的駆動機構を有するスターリングエンジンは、上記基本熱サイクルに関与するヘリウム等の作動流体がケーシング外部に漏れるという問題があり、性能を長時間に亘って維持することが困難であった。

そこで、機械的駆動機構を有しない、つまり、上記機械的運動を機械的運動として外部に出力せずに、一旦電気エネルギ等に変換して出力するフリーピストンスターリングエンジンが提案され、実用化されている。

上記のような発電機構を備えたフリーピストンスターリングエンジンの基本的な構成を図５に模式的に示す。フリーピストンスターリングエンジン１は、ケーシング１１内に往復動自在なディスプレーサ１２を設け、このディスプレーサ１２によって仕切られた膨張空間１３と圧縮空間１４を形成し、更に、ケーシング１１内にディスプレーサ１２の往復動に応じた作動流体の圧力変化に従って往復動する出力ピストン１５を、圧縮空間１４を挟んでディスプレーサ１２の反対側に設け、更に、出力ピストン１５の圧縮空間１４の反対側にバウンス空間１６にバネ機構（図示せず）を設けてある。また、ディスプレーサ１２は、出力ピストン１５に設けられた貫通孔を挿通するロッド１２ａを備え、ロッド１２ａの端部１２ｂでバウンス空間１６側の圧力を受圧可能な構成となっている。尚、上記バネ機構としては、コイルスプリングや板バネ等の機械式バネ、ガスバネ、或いは、電磁バネ等が用いられている。

更に、膨張空間１３は連通管を介して加熱部（高温熱交換器）１７に連絡し、圧縮空間１４は連通管を介して冷却部（低温熱交換器）１８に連絡し、加熱部１７と冷却部１８の間には作動流体が通過可能な蓄熱体を備えた再生器１９が設けられている。従って、膨張空間１３と圧縮空間１４は、冷却部１８、再生器１９、加熱部１７を介して連通しているため、ディスプレーサ１２の位置に拘わらず同じ圧力に調整される。更に、出力ピストン１５には永久磁石２０が設けられ、出力ピストン１５の往復動に伴って同様に往復動する永久磁石２０の磁界が横切る位置に電磁コイル２１を設け、永久磁石２０の往復動による磁界の交番変化を電磁コイル２１で交流電力に変換可能な構成となっている。

尚、フリーピストンスターリングエンジンについては、種々の形態のものが、下記の特許文献１〜３に開示されている。

ディスプレーサ１２の往復動の原理について簡単に説明すれば、図５においてディスプレーサ１２が下方（圧縮空間１４側）に移動すると、圧縮空間１４内の作動流体は、冷却部１８、再生器１９、加熱部１７を通って膨張空間１３に送出される。この過程で、作動流体は吸熱膨張して出力ピストン１５を押し下げる。ここで、バウンス空間１６側の方が、膨張空間１３と圧縮空間１４より高圧になると、ディスプレーサ１２が上方（膨張空間１３側）に押し上げられる。一方、ディスプレーサ１２が上方（膨張空間１３側）に移動すると、膨張空間１３内の作動流体は、加熱部１７、冷却部１８、再生器１９を逆に通って圧縮空間１４に送出される。この過程で、作動流体は冷却収縮して圧力が低下するので、出力ピストン１５が上方に押し上げられる。ここで、バウンス空間１６側の方が、膨張空間１３と圧縮空間１４より低圧になると、ディスプレーサ１２が下方（圧縮空間１４側）に押し下げられる。かかる出力ピストン１５の往復動によって発電されることになる。

フリーピストンスターリングエンジン１は、外部エネルギによって出力ピストン１５を往復動させることで始動し、冷却部１８、再生器１９、加熱部１７を介して連通している圧縮空間１４と膨張空間１３内の作動流体の圧力が周期的に変化することでディスプレーサ１２が往復動する。結果として上記各部の構成によって定まる固有振動数で、加熱部１７からの吸熱と冷却部１８での放熱を繰り返すことによって、出力ピストン１５の周期的な運動が継続し、当該固有振動で定まる周波数の交流電力を出力する。

一方、スターリングエンジンの出力を動力源としてヒートポンプのコンプレッサを駆動する冷暖房システムとして、下記の特許文献４に開示されている冷暖房システムがある。この特許文献４に開示されている冷暖房システムは、機械的駆動機構を有するスターリングエンジンの機械的な出力で直接ヒートポンプのコンプレッサを駆動する方式を採用している。従って、ヒートポンプのコンプレッサを駆動するスターリングエンジンが機械的駆動機構を有するため、上述した作動流体がケーシング外部に漏れるという問題が潜在的に存在するため、長時間に亘って初期の性能を維持することが困難であった。
特開２００３−１３０４８０号公報 特許第３１００１６３号明細書 実公平８−５２０号公報 特開昭６３−１４０２６３号公報

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スターリングエンジンの出力を動力源としてヒートポンプのコンプレッサを駆動する冷暖房システムであって、長時間に亘って初期の性能を維持可能な高性能なスターリングエンジン冷暖房システムを提供することにある。

この目的を達成するための本発明に係るスターリングエンジン冷暖房システムの第一の特徴構成は、出力ピストンに永久磁石を固定し、ケーシング側に電磁コイルを固定し、前記出力ピストンの周期運動により発電する機械的駆動機構を用いないフリーピストンスターリングエンジンと、インバータ式電動ヒートポンプと、前記フリーピストンスターリングエンジンを発振させるための駆動用インバータとを備え、前記電磁コイルの一方端が前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータの入力の一方端と接続し、前記電磁コイルの他方端が前記駆動用インバータの出力の一方端と接続し、前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータの入力の他方端が前記駆動用インバータの出力の他方端と接続し、前記電磁コイルが、前記駆動用インバータに接続する駆動用コイルと、前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータに接続する発電用コイルの２つの機能を兼ね備え、前記フリーピストンスターリングエンジンの発電電力を前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータに直接入力する点にある。

上記スターリングエンジン冷暖房システムの第一の特徴構成によれば、フリーピストンスターリングエンジンの発電電力をインバータ式電動ヒートポンプのインバータに入力することで、当該インバータは、フリーピストンスターリングエンジンの発電電力を駆動力としてコンプレッサの回転数制御を行い、インバータ式電動ヒートポンプを運転することができる。ここで、コンプレッサの駆動に機械的駆動機構を有しないフリーピストンスターリングエンジンを用いるので、作動流体の漏れに起因する性能劣化の問題を解消でき、初期の高性能を長時間に亘って維持可能な高性能な冷暖房システムを実現できる。

ところで、フリーピストンスターリングエンジンの出力周波数は、フリーピストンスターリングエンジンの構造によって固有に決定されるため、一般に商用電力系統と連系させる場合は、その出力周波数は系統周波数に合致するように製造段階で厳しい検査のもと調整される。しかしながら、本特徴構成の冷暖房システムでは、フリーピストンスターリングエンジンの出力周波数にバラツキが生じても、インバータ式電動ヒートポンプのインバータによって当該バラツキを吸収してコンプレッサの回転数制御が行えるので、フリーピストンスターリングエンジンの出力周波数に対して厳格な検査を必要とせず、製造コストの低減が可能となる。

更に、前記フリーピストンスターリングエンジンを発振させるための駆動用インバータを備えていることにより、電磁コイルと永久磁石で出力ピストン駆動用のリニアモータが形成され、例えば、商用電力系統からの系統電力を、駆動用インバータを介してフリーピストンスターリングエンジンに入力することで、電磁コイルと永久磁石で形成されるリニアモータによって出力ピストンに往復動を与えてフリーピストンスターリングエンジンを始動でき、始動したフリーピストンスターリングエンジンの発電電力でインバータ式電動ヒートポンプのコンプレッサを駆動してインバータ式電動ヒートポンプを運転することができる。

更に、前記電磁コイルが、前記駆動用インバータに接続する駆動用コイルと、前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータに接続する発電用コイルの２つの機能を兼ね備えていることにより、電磁コイルと永久磁石で出力ピストン駆動用のリニアモータが形成され、電磁コイルと永久磁石で出力ピストンの往復動を電力に変換する発電機が形成され、上記作用効果を奏することができる。また、駆動用コイルと発電用コイルを分離する必要がなく、電磁コイルの構成を簡単化できる。更に、駆動用インバータによって電磁コイルを通電すると同時にインバータ式電動ヒートポンプのインバータへも電力が供給されるので、フリーピストンスターリングエンジンとインバータ式電動ヒートポンプを同時に始動できる。

同第二の特徴構成は、上記第一の特徴構成に加えて、前記フリーピストンスターリングエンジン内の作動流体を加熱するために供給された熱を回収して利用する排熱回収機構を備えている点にある。これにより、冷暖房システムのエネルギ効率を一層向上させることができる。

本発明に係るスターリングエンジン冷暖房システム（以下、適宜「本発明システム」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。尚、従来のフリーピストンスターリングエンジン（図５参照）と同じ構成部分については同じ符号を付して説明する。

図１に示すように、本発明システム１０は、フリーピストンスターリングエンジン１、フリーピストンスターリングエンジン１からの放熱を回収する排熱回収機構２、商用電力系統５と接続してフリーピストンスターリングエンジン１を始動するための駆動電力を与える駆動用インバータ３、及び、フリーピストンスターリングエンジン１の発電電力によって駆動されるインバータ式電動ヒートポンプ４を備えて構成される。

フリーピストンスターリングエンジン１は、公知のフリーピストンスターリングエンジンであれば特に如何なる形式のものでも構わないが、基本的には、図１に示すように、従来技術として図５で説明したものと同じ構成である。従って、フリーピストンスターリングエンジン１は、ケーシング１１内に往復動自在なディスプレーサ１２を備え、このディスプレーサ１２によって仕切られた膨張空間１３と圧縮空間１４を形成し、膨張空間１３と圧縮空間１４内の圧力変化に従って往復動する出力ピストン１５を、圧縮空間１４を挟んでディスプレーサ１２の反対側に備え、更に、出力ピストン１５の圧縮空間１４の反対側にバウンス空間１６にバネ機構（図示せず）を備えている。また、ディスプレーサ１２は、出力ピストン１５に設けられた貫通孔を挿通するロッド１２ａを備え、ロッド１２ａの端部１２ｂでバウンス空間１６側の圧力を受圧可能な構成となっている。尚、上記バネ機構としては、コイルスプリングや板バネ等の機械式バネ、ガスバネ、或いは、電磁バネ等が適宜採用できる。更に、膨張空間１３は連通管を介して加熱部（高温熱交換器）１７に連絡し、圧縮空間１４は連通管を介して冷却部（低温熱交換器）１８に連絡し、加熱部１７と冷却部１８の間には作動流体が通過可能な蓄熱体を備えた再生器１９が設けられている。更に、ケーシング１１内において出力ピストン１５には永久磁石２０が設けられ、出力ピストン１５の往復動に伴って往復動する永久磁石２０の磁界が横切る位置に電磁コイル２１が設けられている。電磁コイル２１は、出力ピストン１５に往復動を与えてフリーピストンスターリングエンジン１を発振させるための駆動用コイルとして機能するとともに、出力ピストン１５つまり永久磁石２０の往復動を電力に変換する発電機を構成する発電用コイルとしても機能する。尚、作動流体としてはヘリウムが一般的に使用されるが、作動流体はヘリウムに限定されるものではない。

フリーピストンスターリングエンジン１の加熱部１７への加熱は、例えば、バーナ装置等で都市ガスを燃焼させることで実現可能であるが、本発明システム１０では、加熱手段は特に都市ガスの燃焼に限定されるものではない。

排熱回収機構２は、例えば、フリーピストンスターリングエンジン１の冷却部１８からの放熱を水等の排熱回収媒体の加熱に利用して温水として回収する機構で、冷却部１８が、排熱回収機構２の一部として、冷却部１８内の作動流体と排熱回収媒体の間の熱交換器で構成される。この場合、排熱回収機構２には、例えば、排熱回収により生成された温水を貯湯する貯湯タンク等が含まれる。尚、排熱回収機構２は、当該形態に限定されるものではない。

駆動用インバータ３は、図２に示すように、入力側で商用電力系統５に接続し、商用電力系統５の商用交流電力を内蔵のダイオードブリッジ等の整流器３１で一旦直流化した後に、内蔵のＩＧＢＴ（３端子バイポーラＭＯＳ複合半導体素子）等のパワートランジスタで構成されたブリッジ回路３２によりフリーピストンスターリングエンジン１の発電周波数に一致した周波数の交流電力に変換し、フリーピストンスターリングエンジン１の電磁コイル２１に交流電流を通電する。つまり、駆動用インバータ３は、電磁コイル２１に対して発振器として機能する。ブリッジ回路３２の制御は、パワートランジスタの各ゲートを駆動するゲート駆動部３３に対して正弦波ＰＷＭ方式等で制御する制御部３４で行われる。尚、駆動用インバータ３の出力は、出力ピストン１５の始動に必要十分な小出力で構わない。

インバータ式電動ヒートポンプ４は、図１に示すように、駆動用インバータ３と同様の構成のインバータ４１、電動コンプレッサ４２、４方弁４３、室内熱交換器４４、膨張弁４５、及び、室外熱交換器４６を備えて構成される。インバータ４１は、入力側でフリーピストンスターリングエンジン１の電磁コイル２１に直接接続している。本実施形態では、電磁コイル２１が、フリーピストンスターリングエンジン１の駆動用コイルと発電用コイルを兼ね備えているため、フリーピストンスターリングエンジン１の発電電力が、駆動用インバータ３の出力を介してインバータ式電動ヒートポンプ４のインバータ４１に入力されるように、或いは、駆動用インバータ３の出力電力が、インバータ４１の入力を介して電磁コイル２１に入力されるように、電磁コイル２１の一方端がインバータ４１の入力の一方端に、電磁コイル２１の他方端が駆動用インバータ３の出力の一方端に接続し、インバータ４１の入力の他方端と駆動用インバータ３の出力の他方端が接続している。電動コンプレッサ４２は電動モータ４２ａとコンプレッサ４２ｂで構成されている。インバータ式電動ヒートポンプ４の構成並びに動作原理は公知の技術に基づくものであり、詳細な説明は割愛する。尚、電動モータ４２ａを駆動するインバータ４１は、フリーピストンスターリングエンジン１が出力する交流電力を、コンプレッサ４２ｂの運転に適した特性（電圧、電流、周波数等）の交流電力に変換するため、入力側での交流電力の特性バラツキを吸収することができる。

次に、本発明システム１０の運転方法について簡単に説明する。

先ず、フリーピストンスターリングエンジン１を始動するために駆動用インバータ３に商用電力系統５から電力供給され、当該電力が駆動用インバータ３で、フリーピストンスターリングエンジン１の発電周波数に合致した周波数の交流電力に変換され、フリーピストンスターリングエンジン１の電磁コイル２１に交流電流が通電される。これにより、フリーピストンスターリングエンジン１の出力ピストン１５に往復動が励起される。出力ピストン１５の往復動と、フリーピストンスターリングエンジン１の作動流体に対する加熱、放熱によってフリーピストンスターリングエンジン１が定常発振状態に至り、当該発振周波数で発電を継続する。

定常運転状態のフリーピストンスターリングエンジン１の出力は、直接インバータ式電動ヒートポンプ４のインバータ４１に入力されて、インバータ式電動ヒートポンプ４が始動する。インバータ４１は、フリーピストンスターリングエンジン１の出力電力を電動コンプレッサ４２の運転に適した特性の交流電力に変換して、電動コンプレッサ４２の回転数制御を行ないつつ、インバータ式電動ヒートポンプ４の運転を継続させる。

図１に示すように本発明システム１０を構成することで、フリーピストンスターリングエンジン１の始動を、駆動用インバータ３を介して実行できるとともに、フリーピストンスターリングエンジン１の発電電力をインバータ式電動ヒートポンプ４の駆動に用いることができ、高性能なスターリングエンジン冷暖房システムを実現できる。

次に、本発明システムの別実施形態について説明する。

上記実施形態の本発明システムでは、フリーピストンスターリングエンジン１の出力ピストン１５に固定された電磁コイル２１は１つで、駆動用コイルと発電用コイルとして利用される形態であったが、本別実施形態では、図３に示すように、出力ピストン１５に２つの電磁コイル２２、２３を設け、一方の電磁コイル２２を駆動用コイルとして、他方の電磁コイル２３を発電用コイルとして個別に設けるようにしても構わない。本別実施形態に係る本発明システム３０は、図１に示す本発明システム１０と同様に、フリーピストンスターリングエンジン１、排熱回収機構２、駆動用インバータ３、及び、インバータ式電動ヒートポンプ４を備えて構成される。但し、フリーピストンスターリングエンジン１が２つの電磁コイル２２、２３を備えているので、駆動用インバータ３の出力は駆動用コイルである電磁コイル２２に直結し、インバータ式電動ヒートポンプ４のインバータ４１の入力は発電用コイルである電磁コイル２３に直結している。尚、本発明システム３０の運転方法については、基本的に図１に示す本発明システム１０と同様であるので、重複する説明は割愛する。

図１及び図３に示す本発明システム１０、３０では、フリーピストンスターリングエンジン１の発電出力が、インバータ式電動ヒートポンプ４のインバータ４１にのみ直接入力する形態を説明したが、フリーピストンスターリングエンジン１の発電出力を、インバータ式電動ヒートポンプ４の室内熱交換器４４、室外熱交換器４６のファン等の電力負荷に対しても電力供給可能に構成するのも好ましい。例えば、図３に示す本発明システム３０では、図４に示すような構成となる。これにより、インバータ式電動ヒートポンプ４の運転に要する全ての電力がフリーピストンスターリングエンジン１の発電出力で賄えることになり、完結したシステムが得られ、フリーピストンスターリングエンジン１の始動に使用した商用電力系統５が停電しても、本発明システム１０、３０は運転を続行することができる。

更に、図１及び図３に示す本発明システム１０、３０では、フリーピストンスターリングエンジン１からの放熱を回収する排熱回収機構２を設けているが、当該排熱回収機構２はエネルギ効率の向上に効果的であるが、必ずしも設ける必要はない。

本発明に係るスターリングエンジン冷暖房システムの一実施形態を示す構成図 本発明に係るスターリングエンジン冷暖房システムの駆動用インバータの一構成例を示すブロック構成図 本発明に係るスターリングエンジン冷暖房システムの他の実施形態を示す回構成図 本発明に係るスターリングエンジン冷暖房システムの他の実施形態を示す回構成図 フリーピストンスターリングエンジンの基本的な構成を模式的に示す構成図

符号の説明

１０、３０： 本発明に係るスターリングエンジン冷暖房システム
１： フリーピストンスターリングエンジン
２： 排熱回収機構
３： 駆動用インバータ
４： インバータ式電動ヒートポンプ
５： 商用電力系統
１１： ケーシング
１２： ディスプレーサ
１２ａ： ロッド
１２ｂ： ロッド端部
１３： 膨張空間
１４： 圧縮空間
１５： 出力ピストン
１６： バウンス空間
１７： 加熱部（高温熱交換器）
１８： 冷却部（低温熱交換器）
１９： 再生器
２０： 永久磁石
２１： 電磁コイル
２２： 電磁コイル（駆動用コイル）
２３： 電磁コイル（発電用コイル）
３１： 整流器
３２： ブリッジ回路
３３： ゲート駆動部
３４： 制御部
４１： インバータ
４２： 電動コンプレッサ
４２ａ： 電動モータ
４２ｂ： コンプレッサ
４３： ４方弁
４４： 室内熱交換器
４５： 膨張弁
４６： 室外熱交換器

Claims (2)

1. 出力ピストンに永久磁石を固定し、ケーシング側に電磁コイルを固定し、前記出力ピストンの周期運動により発電する機械的駆動機構を用いないフリーピストンスターリングエンジンと、
   インバータ式電動ヒートポンプと、
   前記フリーピストンスターリングエンジンを発振させるための駆動用インバータと、を備え、
   前記電磁コイルの一方端が前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータの入力の一方端と接続し、前記電磁コイルの他方端が前記駆動用インバータの出力の一方端と接続し、前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータの入力の他方端が前記駆動用インバータの出力の他方端と接続し、
   前記電磁コイルが、前記駆動用インバータに接続する駆動用コイルと、前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータに接続する発電用コイルの２つの機能を兼ね備え、
   前記フリーピストンスターリングエンジンの発電電力を前記インバータ式電動ヒートポンプのインバータに直接入力することを特徴とするスターリングエンジン冷暖房システム。
2. 前記フリーピストンスターリングエンジン内の作動流体を加熱するために供給された熱を回収して利用する排熱回収機構を備えてい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冷暖房システム。

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