JP4341593B2

JP4341593B2 - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP4341593B2
Application number: JP2005190341A
Authority: JP
Inventors: 寛矢口; 大作澤田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: JP2007009782A; US7603857B2; EP1739298A2; EP1739298A3; US20070000249A1

Description

本発明は、内燃機関の排気通路や工場排熱等の排熱を回収する排熱回収装置に関する。

熱機関を用いることにより、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱等を回収する排熱回収装置がある。このような用途に用いられる排熱回収装置としては、例えば、理論熱効率に優れたスターリングエンジンがある。特許文献１には、Ｖ型２気筒のα型スターリングエンジンであって、両気筒を伝熱管で接続したものが開示されている。

実開平４−８９８３６号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、ヒータとして用いる伝熱管の熱膨張による変形が、前記加熱部に接続されるシリンダ及びその内部を往復運動するピストンに与える影響は考慮されていない。このため、特許文献１に開示されている技術では、例えば、加熱部の熱膨張による変形により、シリンダ間の距離が変化する結果、ピストンの動きに影響を与え、摩擦や摩耗の増加を招くことがある。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒータの熱膨張による変形の影響を低減できる排熱回収装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、内部を第１ピストンが往復運動する第１シリンダと、内部を第２ピストンが往復運動する第２シリンダと、一方の端部が前記第１シリンダ側に配置されるとともに熱媒体から受熱し、かつ前記第１シリンダ又は前記第２シリンダの少なくとも一方に対して独立して移動可能なヒータと、前記ヒータの他方の端部側に配置される再生器と、一方の端部が前記再生器側に配置されるとともに他方の端部が前記第２シリンダ側に配置されるクーラーと、を含んで構成される熱交換器と、を含むことを特徴とする。

この排熱回収装置は、熱交換器が備えるヒータを、第１シリンダ又は第２シリンダの少なくとも一方に対して、独立かつ相対的に移動可能とする。これにより、ヒータの熱膨張によりヒータが第１シリンダと第２シリンダとを引き離す方向に変形しても、この変形は第１シリンダ及び第２シリンダに対してほとんど伝わらない。これによって、排熱回収装置の運転中において、ヒータの熱膨張による変形の影響を最小限に抑えることができる。特に、排熱回収装置は、低質なエネルギー源である排熱から熱エネルギーを回収する必要があることから、気体軸受を介してピストンをシリンダ内で往復運動させるものがある。このような場合、この排熱回収装置では、ヒータの熱膨張による変形の影響を最小限に抑えることができるので、シリンダとピストンとのクリアランスは許容範囲内に維持される。その結果、シリンダとピストンとの間に形成される気体軸受の機能を十分に発揮させることができるので、安定した運転による排熱回収を実現できる。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記ヒータは、前記第１シリンダ側で固定されており、前記ヒータは、前記第２シリンダに対して独立して移動可能であることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記クーラーは前記第２シリンダに直接又は間接的に取り付けられており、前記再生器と前記クーラーとが相対的に移動可能であることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱交換器が備える前記ヒータは略Ｕ字形状であり、前記ヒータの一方の端部に対して、前記ヒータの他方の端部が前記ヒータの熱膨張によって移動する方向に沿って形成される案内部を、前記熱膨張により移動する端部側に備えることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記第１シリンダ及び前記第２シリンダは、基板に固定されることを特徴とする。

この発明は、ヒータの熱膨張による変形の影響を低減できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明では、排熱回収装置としてスターリングエンジンを用い、内燃機関の排熱を回収する場合を例とするが、排熱の回収対象は内燃機関に限られず、例えば工場やプラント、あるいは発電施設の排熱を回収してもよい。

（実施形態）
図１は、この実施形態に係る排熱回収装置のスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、近似直線機構の説明図である。図３は、ピストンを支持する気体軸受の説明図である。まず、排熱回収装置であるスターリングエンジンについて説明する。この実施形態に係る排熱回収装置であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１０１内に収められた第１ピストンである高温側ピストン１０３と、第２シリンダである低温側シリンダ１０２内に収められた第２ピストンである低温側ピストン１０４とが直列に配置されている。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とは、基準体である基板１０に、直接、又は間接的に支持、固定されている。この実施形態に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１０が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、後述するように、この実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３との間、及び低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４との間に気体軸受ＧＢを介在させる。基準体である基板１０に、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持することができるので、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１００の組み立ても容易になる。また、この基板１０は、スターリングエンジン１００を排熱回収対象である排気通路等へ取り付けるときの基準として使用できるという利点もある。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２との間には、略Ｕ字形状のヒータ１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が配置される。ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ１０１側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され他方の端部はクーラー１０７側に配置される。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ１０２側に配置される。

また、高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０２及び熱交換器１０８内には作動流体（この実施形態では空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱及びクーラー１０７で排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、高温側ピストン１０３を駆動する。ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

高温側ピストン１０３と低温側ピストン１０４とは、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下においても、スターリングエンジン１００を運転して排熱を回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図３に示すように、高温側ピストン１０３と高温側シリンダ１０１とのクリアランスｔｃは、高温側ピストン１０３等の全周にわたって数十μｍとする。なお、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０２も同様の構成である。高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３と低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４とは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成することができる。

高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４の往復運動は、コンロッド１０９によってクランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。コンロッド１０９は、図２に示す近似直線機構１１３によって支持されており、高温側ピストン１０３を略直線状に往復運動させる。なお、この近似直線機構１１３は、グラスホッパ機構を利用している。このように、コンロッド１０９を近似直線機構１１３によって支持することにより、高温側ピストン１０３のサイドフォースＦ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによって十分にピストンを支持することができる。なお、低温側ピストン１０４も、高温側ピストン１０３と同様の構成によってクランク軸１１０と連結される。

図１に示すように、クランク軸１１０は、クランク軸支持体２０に設けられた軸受２５で、回転可能に支持される。クランク軸支持体２０は板状の部材であり、基板１０に固定される。また、近似直線機構１１３は、クランク軸支持体２０に設けられた近似直線機構支持部２６によって支持される。このとき、クランク軸支持体２０は、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２と独立に、すなわち、これらと接触しないように、基板１０に固定される。これにより、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２は、クランク軸１１０及び近似直線機構１１３の振動や、クランク軸１１０の熱膨張等の影響を受けないので、気体軸受ＧＢの機能が十分に確保される。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０３、クランク軸１１０、近似直線機構１１３等の各構成要素は、ケース１１４に格納される。ケース１１４内は、加圧手段１１５により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体（本実施形態では空気）を加圧して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すためである。

また、この実施形態に係るスターリングエンジン１００では、ケース１１４にはシール軸受１１６が取り付けられており、出力軸１１７がシール軸受１１６により支持される。出力軸１１７とクランク軸１１０とは、フレキシブルカップリング１１８を介して連結されており、これを介してケース１１４の外部へクランク軸１１０の出力が伝達される。なお、この実施形態において、フレキシブルカップリング１１８には、オルダムカップリングを使用している。

図４は、内燃機関の排気通路にスターリングエンジンを取り付けた状態を説明する概略図である。排熱回収装置であるスターリングエンジン１００を、内燃機関１２０の排熱回収に使用するにあたり、図４に示すように、スターリングエンジン１００に備えられる熱交換器１０８の少なくともヒータ１０５を、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジン等といった内燃機関１２０の排気通路１２２内に配置する。これにより、熱交換器１０８のヒータ１０５で、排気通路１２２内を排気通路出口１２２ｏに向かって流れる排ガス（熱媒体）Ｅｘから熱エネルギーを回収する。

ここで、上記熱交換器１０８のヒータ１０５は、内部を流れる作動流体を加熱するため、例えば図４に示すように、内燃機関１２０の排気通路１２２内のような高温熱源内に配置される。このため、スターリングエンジン１００の運転中において、熱交換器１０８のヒータ１０５は熱膨張するので、ヒータ１０５及びこれを含む熱交換器１０８は、冷間時よりも寸法が大きくなる。

ヒータ１０５を含む熱交換器１０８を、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とに接続すると、前記熱膨張により、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とは、中心軸ＺｈとＺｌとの軸間距離ｌが冷間時に設定した値よりも大きくなる。その結果、シリンダとピストンとのクリアランスｔｃ（図３）が維持できなくなって、気体軸受ＧＢの機能が発揮できなくなるおそれがある。そこで、この実施形態では、次のような構成により、熱交換器１０８の熱膨張に起因するシリンダとピストンとのクリアランス変化を抑制するようにしている。

図５は、この実施形態に係るスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。図６−１は、再生器の取り付けに用いるスペーサの平面図である。図６−２は、図６−１のＡ−Ａ断面図である。この実施形態に係るスターリングエンジン１００では、高温側シリンダ１０１と連結されるヒータ取付部材１０１Ｕの取付用フランジ１０１ＵＦを基板１０に固定するとともに（図１）、再生器１０６をクーラー１０７に対して移動可能に取り付ける。なお、高温側シリンダ１０１側でヒータ１０５を直接基板１０に固定してもよい。

これにより、ヒータ１０５が取り付けられる再生器１０６は、低温側シリンダ１０２に対して相対的に移動可能に配置される。ここで、再生器１０６は、低温側シリンダ１０２の中心軸Ｚｌに対して交差する方向（この実施形態では略直交する方向）であって、排ガスＥｘの流れ方向と略平行な方向に移動可能に構成される。

このような構成により、熱膨張によりヒータ１０５が高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを引き離す方向に変形しても、ヒータ１０５が取り付けられる再生器１０６は、低温側シリンダ１０２とは独立して移動する。これによって、熱膨張に起因するヒータ１０５の変形は、高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２に対してほとんど影響を与えないので、シリンダとピストンとのクリアランスｔｃ（図３）は許容範囲内に維持される。その結果、スターリングエンジン１００の運転中において、ヒータ１０５の熱膨張の影響を最小限に抑えることができるので、シリンダとピストンとの間に形成される気体軸受ＧＢ（図１、図３）の機能を十分に発揮させることができる。次に、再生器１０６の取付構造について、より詳細に説明する。

図５に示すように、再生器１０６は、基板１０の取付孔１０Ｈに対して隙間ばめで取り付けられる。再生器１０６は、外周部に再生器フランジ１０６Ｆが設けられており、スペーサ３１及び弾性体３２で再生器フランジ１０６Ｆが狭持される。スペーサ３１は、図６−１に示すように中空円板状である。スペーサ３１と弾性体３２と狭持された再生器フランジ１０６Ｆは、再生器取付手段である再生器用クランプ３０で挟み込まれる。そして、締結手段であるボルト３３で再生器用クランプ３０を基板１０に締結することにより、再生器１０６は基板１０に取り付けられる。

弾性体３２は、再生器用クランプ３０により、再生器フランジ１０６Ｆに押付力を付勢する。このように、弾性体３２を介して再生器フランジ１０６Ｆを基板１０上に取り付けるので、再生器１０６は、基板１０に対して相対的に移動することができる。ここで、再生器１０６は、クーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐに沿って移動する。また、クーラー１０７は基板１０に対して固定され、低温側シリンダ１０２は、クーラー１０７を介して基板１０に固定される。これによって、再生器１０６は、低温側シリンダ１０２とは独立に、かつ低温側シリンダ１０２の中心軸Ｚｌに対して略直交する方向であって、排ガスＥｘの流れ方向と略平行な方向に移動できる。なお、この実施形態においては、クーラー１０７と低温側シリンダ１０２とは直接取り付けられるが、スペーサや連結部材等を介して、両者を間接的に固定してもよい。

なお、再生器１０６のクーラー側端面１０６ｓｐと、クーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐとの間には、再生器１０６やクーラー１０７内の作動流体を封入するためのシール３４が設けられる。これによって、再生器１０６とクーラー１０７との間から漏れる作動流体の量を極小にできる。また、この実施形態のように、低温側、すなわち再生器１０６とクーラー１０７とが合わさる部分で再生器１０６を移動可能とすれば、高温側よりも材料面で有利であり、また、作動流体も低温、低圧なので、作動流体のシールもしやすくなるという利点がある。

ここで、ヒータ１０５内で加熱された作動流体は、再生器１０６内で高温から低温へ変化するので、ヒータ１０５の高温側シリンダ１０１側と低温側シリンダ１０２側とでは、熱膨張する長さが異なる。その結果、ヒータ１０５は、その熱膨張により、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とが離れる方向であって、かつ熱膨張により移動するヒータ１０５の端部が高温側又は低温側シリンダ１０１、１０２へ近づく方向（この例では端部１０５₂が低温側シリンダ１０２へ近づく方向）、すなわち、基板面Ｐに対して斜め方向に熱変形する。

この実施形態に係るスターリングエンジン１００では、ヒータ１０５の一方の端部１０５₁に対して、ヒータ１０５の他方の端部１０５₂がヒータ１０５の熱膨張によって移動する方向に沿って形成される案内部（スペーサ３１）を、ヒータ１０５の熱膨張により移動する端部１０５₂側に備える。より具体的には、スターリングエンジン１００では、案内部であるスペーサ３１（図６−１、図６−２）を用いて、再生器１０６のクーラー側端面１０６ｓｐ及びクーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐを、基板面Ｐと平行な仮想基板面Ｐｖに対して所定の傾き角度θだけ傾斜させている。クーラー側端面（傾斜面）１０６ｓｐ及び再生器側端面（傾斜面）１０７ｓｐの傾斜は、熱媒体である排ガスＥｘの流れ方向に向かって、クーラー側端面１０６ｓｐ及び再生器側端面１０７ｓｐが低温側シリンダ１０２へ近づくように設けられる。

このようにするため、スペーサ３１の高さは、熱媒体である排ガスＥｘの流れ方向に向かって低くなる（図５）。ここで、排ガスＥｘの流れ方向は、高温側シリンダ１０１から低温側シリンダ１０２へ向かう方向である。また、傾き角度θは、ヒータ１０５が熱膨張により変形する方向（図５中の矢印Ｍ方向）と基板面Ｐとのなす角度に合わせる。このように構成することで、傾斜面１０７ｓｐに沿って再生器１０６が動くことになるので、熱膨張によりヒータ１０５が変形する方向に沿ってヒータ１０５が動く。その結果、再生器１０６が移動する際には、ヒータ１０５に作用する無理な応力を低減できるので、ヒータ１０５の耐久性低下を抑制できる。このように、案内部であるスペーサ３４は、ヒータ１０５の熱膨張によって移動する端部１０５₂を、ヒータ１０５が熱膨張により変形する方向に沿わせて移動させることにより、ヒータ１０５に作用する無理な応力を低減する機能を有する。なお、この実施形態においては、ヒータ１０５を高温側シリンダ１０１又は低温側シリンダ１０２の少なくとも一方に対して独立に相対移動できるようにすればよく、必ずしも前記傾斜を設けなくてもよい。

図７は、この実施形態に係るスターリングエンジンが備えるヒータの他の例を示す説明図である。図８は、図７に示すヒータを備えるスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。図９−１は、再生器の取り付けに用いるスペーサの平面図である。図９−２は、図９−１のＡ−Ａ断面図である。上述した、図１に示すスターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５（図１）は、略Ｕ字形状であって高温側シリンダ１０１側における長さが、低温側シリンダ１０２側における長さよりも小さい。このため、ヒータ１０５の熱膨張による変形の方向は、上述したように、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とが離れる方向であって、かつ低温側シリンダ１０２へ近づく方向となる。

一方、図７に示すヒータ１０５ａは、略Ｕ字形状であって高温側シリンダ１０１側における長さが、低温側シリンダ１０２側における長さよりも大きい。かかる場合、ヒータ１０５ａの熱膨張による変形の方向は、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とが離れる方向であって、かつ熱膨張により移動するヒータ１０５ａの端部が高温側又は低温側シリンダ１０１、１０２から遠ざかる方向（この例では端部１０５ａ₂が高温側シリンダ１０１から遠ざかる方向）となる。

スターリングエンジン１００がこのようなヒータ１０５ａを備える場合においても、ヒータ１０５ａの一方の端部１０５ａ₁に対して、ヒータ１０５ａの他方の端部１０５ａ₂がヒータ１０５ａの熱膨張によって移動する方向に沿って形成される案内部（スペーサ３１）を、ヒータ１０５ａの熱膨張により移動する端部１０５ａ₂側に備える。より具体的には、このスターリングエンジン１００は、案内部であるスペーサ３１（図９−１、図９−２）により、再生器１０６のクーラー側端面１０６ｓｐ及びクーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐを、基板面Ｐと平行な仮想基板面Ｐｖに対して所定の傾き角度θだけ傾斜させている。クーラー側端面（傾斜面）１０６ｓｐ及び再生器側端面（傾斜面）１０７ｓｐの傾斜は、熱媒体である排ガスＥｘの流れ方向に向かって、クーラー側端面１０６ｓｐ及び再生器側端面１０７ｓｐが低温側シリンダ１０２から遠ざかるように設けられる。

このようにするため、スペーサ３１の高さは、熱媒体である排ガスＥｘの流れ方向に向かって高くなる（図８）。また、傾き角度θは、ヒータ１０５ａが熱膨張により変形する方向（図８中の矢印Ｍ方向）と基板面Ｐとのなす角度に合わせる。このように構成することで、傾斜面１０７ｓｐに沿って再生器１０６が動くことになるので、熱膨張によりヒータ１０５ａが変形する方向に沿ってヒータ１０５ａが動く。その結果、再生器１０６が移動する際には、ヒータ１０５ａに作用する無理な応力を低減できるので、ヒータ１０５ａの耐久性低下を抑制できる。

（第１変形例）
この実施形態の第１変形例は、上記実施形態と略同様の構成であるが、再生器とクーラーとの取付構造が異なる。他の構成は上記実施形態と同様である。図１０は、この実施形態の第１変形例に係るスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。

図１０に示すように、このスターリングエンジン１００ａにおいて、クーラー１０７は、クーラー１０７の外周部に設けられる基板固定用フランジ１０７Ｆ₁によって、基板１０の低温側シリンダ１０２側に取り付けられる。再生器１０６は、シール３４を介してクーラー１０７に載置される。シール３４により、再生器１０６とクーラー１０７との間から漏れる作動流体の量を極小にする。再生器１０６の外周部に設けられる再生器フランジ１０６Ｆと、クーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐ近傍に設けられる再生器取付用フランジ１０７Ｆ₂が、再生器取付手段であるクランプ３５で狭持される。

これにより、再生器１０６は、クーラー１０７に取り付けられて、再生器１０６は、クーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐに沿って移動する。また、クーラー１０７は基板１０に対して固定され、低温側シリンダ１０２は、クーラー１０７を介して基板１０に固定される。これによって、再生器１０６は、低温側シリンダ１０２とは独立に、かつ低温側シリンダ１０２の中心軸Ｚｌに対して略直交する方向であって、排ガスＥｘの流れ方向と略平行な方向に移動できる。

この第１変形例に係るスターリングエンジン１００ａでは、図１０に示すように、再生器１０６のクーラー側端面１０６ｓｐ及びクーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐが、基板面Ｐと平行な仮想基板面Ｐｖに対して所定の傾き角度θだけ傾斜している。ここで、前記傾斜の設けられるクーラー１０７の再生器側端面１０７ｓｐが、案内部に相当する。クーラー側端面１０６ｓｐ及び再生器側端面１０７ｓｐの傾斜は、上記実施形態に係るスターリングエンジン１００（図５）と同様に設けられる。前記傾斜が設けられる理由は、上記実施形態で説明した通りである。これによって、ヒータ１０５が熱膨張により変形する方向に沿って、再生器１０６を動かすことができるので、再生器１０６が移動する際には、ヒータ１０５に作用する無理な応力を低減できるので、ヒータ１０５の耐久性低下を抑制できる。

この第１変形例に係るスターリングエンジン１００ａも、ヒータ１０５が取り付けられる再生器１０６は、低温側シリンダ１０２とは独立して移動できる。これによって、熱膨張に起因するヒータ１０５の変形は、高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２に対してほとんど影響を与えないので、シリンダとピストンとのクリアランスｔｃ（図３）は許容範囲内に維持される。その結果、スターリングエンジン１００ａの運転中においては、シリンダとピストンとの間に形成される気体軸受ＧＢ（図１、図３）の機能を十分に発揮させることができる。また、この第１変形例においても、低温側、すなわち再生器１０６とクーラー１０７とが合わさる部分で再生器１０６を移動可能とするので、高温側よりも材料面で有利である。そして、作動流体も低温、低圧なので、作動流体のシールもしやすくなる。

なお、上記実施形態及びその第１変形例では、再生器１０６を移動可能に構成したが、再生器１０６とクーラー１０７とを固定し、ヒータ１０５と再生器１０６とが合わさる部分において、ヒータ１０５を移動可能に構成してもよい。

（第２変形例）
この実施形態の第２変形例は、熱交換器を構成するヒータが低温側シリンダ側で基板に固定されるとともに、前記ヒータは高温側シリンダに対して相対的に移動できるように構成される点が異なる。他の構成は上記実施形態と同様である。図１１は、この実施形態の第２変形例に係るスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。

図１１に示すように、このスターリングエンジン１００ｂにおいて、高温側シリンダ１０１側にヒータ１０５を取り付けるヒータ取付部材１０１Ｕは、取付用フランジ１０１ＵＦによって基板１０の基板面Ｐに取り付けられる。高温側シリンダ１０１は、基板１０のヒータ取付部材１０１Ｕが取り付けられる面とは反対面に取り付けられる。なお、スターリングエンジン１００ｂの運転中において、ヒータ取付部材１０１Ｕ内には高温側ピストン１０３（図１参照）が入り込む。このように、ヒータ取付部材１０１Ｕは、高温側シリンダ１０１の一部を構成する。なお、この変形例においては、ヒータ１０５は低温側シリンダ１０２側で基板１０に固定される。ヒータ１０５は、ヒータ接続部材を介して基板１０に固定してもよいし、直接基板１０に固定してもよい。

ヒータ１０５は、ヒータ取付部材１０１Ｕのヒータ側端面１０１ｓｐに載置される。ここで、ヒータ接続部材側端面１０５ｓｐとヒータ側端面１０１ｓｐとの間には、シール３８が設けられる。シール３８により、ヒータ１０５とヒータ取付部材１０１Ｕとの間から漏れる作動流体の量を極小にする。なお、スターリングエンジン１００ｂの運転中において、高温側シリンダ１０１やヒータ１０５は高温になるので、シール３８には耐熱性に優れるものが用いられる。

ヒータ１０５の外周部には、ヒータフランジ１０５Ｆが設けられている。そして、ヒータ取付手段であるヒータ用クランプ３６により、弾性体３７を介してヒータフランジ１０５Ｆをヒータ取付部材１０１Ｕのヒータ側端面１０１ｓｐに押さえ込み、締結手段であるボルト３９でヒータ用クランプ３６をヒータ取付部材１０１Ｕに締結する。これによって、ヒータ１０５は、ヒータ取付部材１０１Ｕを介して基板１０に取り付けられる。なお、ヒータ１０５及び高温側シリンダ１０１内には、高温、高圧の作動流体が流れるため、作動流体の圧力に耐え得るようにボルト３９は締結される。

これにより、ヒータ１０５は、ヒータ取付部材１０１Ｕに取り付けられて、ヒータ１０５は、ヒータ取付部材１０１Ｕのヒータ側端面１０１ｓｐに沿って移動する。ここで、ヒータ取付部材１０１Ｕは基板１０に固定されるとともに、高温側シリンダ１０１は、ヒータ取付部材１０１Ｕを介して基板１０に固定される。これによって、ヒータ１０５は、高温側シリンダ１０１とは独立に、かつ高温側シリンダ１０１の中心軸Ｚｈに対して略直交する方向であって、排ガスＥｘの流れ方向と略平行な方向に移動できる。

この第２変形例に係るスターリングエンジン１００ｂでは、図１１に示すように、ヒータ１０５のヒータ接続部材側端面１０５ｓｐ及びヒータ取付部材１０１Ｕのヒータ側端面１０１ｓｐが、基板面Ｐと平行な仮想基板面Ｐｖに対して所定の傾き角度θだけ傾斜している。ヒータ接続部材側端面（傾斜面）１０５ｓｐ及びヒータ側端面（傾斜面）１０１ｓｐの傾斜は、上記実施形態に係るスターリングエンジン１００（図５）と同様に設けられる。この変形例においては、前記傾斜が設けられるヒータ側端面１０１ｓｐが、案内部に相当する。前記傾斜が設けられる理由は、上記実施形態で説明した通りである。これによって、傾斜面に沿って、すなわち、熱膨張によってヒータ１０５が変形する方向に沿ってヒータ１０５を動かすことができる。その結果、ヒータ１０５が移動する際には、ヒータ１０５に作用する無理な応力を低減して、ヒータ１０５の耐久性低下を抑制できる。

この第２変形例に係るスターリングエンジン１００ｂでは、ヒータ１０５が高温側シリンダ１０１とは独立して移動できる。これによって、熱膨張に起因するヒータ１０５の変形は、高温側シリンダ１０１及び低温側シリンダ１０２に対してほとんど影響を与えないので、シリンダとピストンとのクリアランスｔｃ（図３）は許容範囲内に維持される。その結果、スターリングエンジン１００ｂの運転中においては、シリンダとピストンとの間に形成される気体軸受ＧＢ（図１、図３）の機能を十分に発揮させることができる。

なお、この第２変形例のように、ヒータ１０５を高温側シリンダ１０１とは独立に移動可能にするとともに、上記実施形態や上記第１変形例のように、再生器１０６又はヒータ１０５を低温側シリンダ１０２とは独立に移動可能としてもよい。このようにすれば、ヒータ１０５全体の移動量を大きくできるので、ヒータ１０５の熱膨張による変形が大きい場合でも、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２へ及ぶ前記変形の影響を最小限にできる。

以上、この実施形態及びその変形例では、熱交換器が備えるヒータを、高温側シリンダ又は低温側シリンダの少なくとも一方に対して、独立かつ相対的に移動可能とする。これにより、ヒータの熱膨張によりヒータが高温側シリンダと低温側シリンダとを引き離す方向に変形しても、この変形は高温側シリンダ及び低温側シリンダに対してほとんど伝わらない。このように、スターリングエンジンの運転中において、ヒータの熱膨張の影響を最小限に抑えることができるので、シリンダとピストンとのクリアランスは許容範囲内に維持される。その結果、シリンダとピストンとの間に形成される気体軸受の機能を十分に発揮させることができる。

以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関の排熱や工場排熱の回収に有用であり、特に、ヒータの熱膨張による変形の影響を低減することに適している。

この実施形態に係る排熱回収装置のスターリングエンジンを示す断面図である。近似直線機構の説明図である。ピストンを支持する気体軸受の説明図である。内燃機関の排気通路にスターリングエンジンを取り付けた状態を説明する概略図である。この実施形態に係るスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。再生器の取り付けに用いるスペーサの平面図である。図６−１のＡ−Ａ断面図である。この実施形態に係るスターリングエンジンが備えるヒータの他の例を示す説明図である。図７に示すヒータを備えるスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。再生器の取り付けに用いるスペーサの平面図である。図９−１のＡ−Ａ断面図である。この実施形態の第１変形例に係るスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。この実施形態の第２変形例に係るスターリングエンジンの再生器とクーラーとの取り付け構造を示す説明図である。

符号の説明

１０基板
３０再生器用クランプ
３５クランプ
３６ヒータ用クランプ
１００、１００ａ、１００ｂスターリングエンジン
１０１Ｕヒータ取付部材
１０１高温側シリンダ
１０２低温側シリンダ
１０３高温側ピストン
１０４低温側ピストン
１０５ヒータ
１０６再生器
１０７クーラー
１０８熱交換器

Claims

内部を第１ピストンが往復運動する第１シリンダと、
内部を第２ピストンが往復運動するとともに、前記第１シリンダと直列に配置される第２シリンダと、
一方の端部が前記第１シリンダ側に配置されて前記第１シリンダ側で固定されて前記第２シリンダに対して独立して移動可能に構成され、かつ熱媒体から受熱し、さらに、前記第１シリンダ側における長さが、前記第２シリンダ側における長さよりも小さい略Ｕ字形状のヒータと、前記ヒータの他方の端部側に配置される再生器と、一方の端部が前記再生器側に配置されるとともに他方の端部が前記第２シリンダ側に配置されるクーラーと、を含んで構成される熱交換器と、を含み、
前記ヒータが熱膨張した場合には、前記他方の端部が、前記第１シリンダの中心軸から前記第２シリンダの中心軸へ向かう方向に進むにしたがって、前記ヒータの他方の端部が前記第２シリンダへ近づくように移動させる案内部を、前記ヒータの他方の端部側に備えることを特徴とする排熱回収装置。
内部を第１ピストンが往復運動する第１シリンダと、
内部を第２ピストンが往復運動するとともに、前記第１シリンダと直列に配置される第２シリンダと、
一方の端部が前記第１シリンダ側に配置されて前記第１シリンダ側で固定されて前記第２シリンダに対して独立して移動可能に構成され、かつ熱媒体から受熱し、さらに、前記第１シリンダ側における長さが、前記第２シリンダ側における長さよりも大きい略Ｕ字形状のヒータと、前記ヒータの他方の端部側に配置される再生器と、一方の端部が前記再生器側に配置されるとともに他方の端部が前記第２シリンダ側に配置されるクーラーと、を含んで構成される熱交換器と、を含み、
前記ヒータが熱膨張した場合には、前記ヒータの他方の端部が、前記第１シリンダの中心軸から前記第２シリンダの中心軸へ向かう方向に進むにしたがって、前記他方の端部が前記第２シリンダから遠ざかるように移動させる案内部を、前記ヒータの他方の端部側に備えることを特徴とする排熱回収装置。
内部を第１ピストンが往復運動する第１シリンダと、
内部を第２ピストンが往復運動するとともに、前記第１シリンダと直列に配置される第２シリンダと、
一方の端部が前記第１シリンダ側に配置されて前記第１シリンダ側で固定されて前記第２シリンダに対して独立して移動可能に構成され、かつ熱媒体から受熱し、さらに、前記第１シリンダ側における長さが、前記第２シリンダ側における長さよりも大きい略Ｕ字形状のヒータと、前記ヒータの他方の端部側に配置される再生器と、一方の端部が前記再生器側に配置されるとともに他方の端部が前記第２シリンダ側に配置されるクーラーと、を含んで構成される熱交換器と、を含み、
前記ヒータが熱膨張した場合には、前記ヒータの他方の端部が、前記第１シリンダの中心軸から前記第２シリンダの中心軸へ向かう方向に進むにしたがって、前記第２シリンダへ近づくように、前記再生器の前記クーラー側における端面及び前記クーラーの前記再生器側における端面が形成されることを特徴とする排熱回収装置。
前記クーラーは、前記第２シリンダに直接又は間接的に取り付けられており、前記再生器と前記クーラーとが相対的に移動可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
前記第１シリンダ及び前記第２シリンダは、基板に固定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排熱回収装置。