JP4811940B2 - スターリングエンジン - Google Patents

Description

本発明は、廃熱やバイオマスなどの熱源を活用できるスターリングエンジンに関する。

廃熱やバイオマスなどの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それら熱源の有効活用に適している。
スターリングエンジンは、低い温度の熱源を利用することから、その目標性能を達成するにはピストンシールや機構の摩擦に起因する機械損失の軽減は開発課題の一つである。
ここで、スコッチ・ヨーク機構は、出力軸に偏心して取り付けられたクランクピン軸受が長円形の溝の中を転がることにより、ヨークを往復動させる機構であり、ピストンおよび出力軸に垂直な方向に直動軸受等のガイドを設けることによって、ピストンに作用するサイドスラストを打ち消すことができる。
そして、スコッチ・ヨーク機構は、クロスヘッド機構や通常のクランク機構に比べて高さを短縮しやすく、また、各部にグリース封入式の軸受を用いることによって潤滑装置を簡単化できるため、比較的低出力の小型エンジンに適している。

しかし、スコッチ・ヨーク機構は、ヨークの往復部の質量の増大による機械損失の増加、クランクピンとヨーク部の接点の強度や耐摩耗性に問題がある。また、騒音と機械損失の低減のため、クランクピン軸受とヨーク部の間の隙間を適切に設定する必要もある。

そこで本発明は、摺動損失を低減し、信頼性の高いスコッチ・ヨーク機構と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。

請求項１記載の本発明のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを備え、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとをスコッチ・ヨーク機構を介してクランクシャフトに連結し、前記スコッチ・ヨーク機構が、前記クランクシャフトに偏心して取り付けられたクランクピンと、前記クランクピンのまわりに設けた軸受と、長溝を形成したヨークとで構成され、前記軸受が前記長溝内を転がることで前記ヨークが往復動するスターリングエンジンであって、前記長溝の内周面にプレートを設け、前記プレートを前記軸受が摺動する面とし、前記プレートの前記軸受が摺動する面に、所定深さの摺動溝をあらかじめ形成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記軸受の上側に配置される上側プレートの前記摺動溝よりも、前記軸受の下側に配置される下側プレートの前記摺動溝を深くしたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記プレートを、前記ヨークの材料よりも硬い材料で構成したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ヨークとしてアルミニウム合金を用い、前記プレートとして炭素鋼を用いたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記プレートの一部を薄肉として弾性構造としたことを特徴とする。

本発明によれば、摺動損失を低減し、信頼性の高いスコッチ・ヨーク機構のスターリングエンジンを提供することができる。

以下本発明の一実施例によるスターリングエンジンについて説明する。
図１は本実施例によるスターリングエンジンの構成を示す断面図、図２は同装置のスコッチ・ヨーク機構を示す要部構成図、図３は同機構に用いるプレートの平面図である。
図１に示すように、本実施例によるスターリングエンジンは、加熱部１０を熱源ガス流路９０内に設置する。スターリングエンジンは、ディスプレーサピストン２０とパワーピストン３０とを有している。ディスプレーサピストン２０及びパワーピストン３０は、それぞれクランクシャフト４０に連結されている。クランクシャフト４０の一端側は発電機４１と接続され、他端側はフライホイール４２と接続されている。
加熱部１０は、Ｕ字状に曲げられたヒータ１１と、これらヒータ１１間に設けられたフィン１２から構成されている。ヒータ１１の一端側端部１１Ａは、ディスプレーサピストン２０の一方の空間に連通している。またヒータ１１の他端側端部１１Ｂは、再生器８０と連通し、再生器８０はクーラ６０と連通し、クーラ６０はディスプレーサピストン２０の他方の空間に連通している。
再生器８０及びクーラ６０は、シリンダ７０の外周部に配置される。このシリンダ７０内には、ディスプレーサピストン２０が配置されている。シリンダ７０の一方は、シリンダーヘッド７１によって覆われ、シリンダーヘッド７１とディスプレーサピストン２０との間にディスプレーサピストン２０の一方の空間が形成され、ディスプレーサピストン２０とパワーピストン３０との間にディスプレーサピストン２０の他方の空間が形成される。
再生器８０は、シリンダ７０に対して同心円状に径の異なる円管を配置し、各円管の隙間にはオーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網のマトリックス材を詰めている。作動ガスは、マトリックス材を通り抜けて、ヒータ１１又はクーラ６０に流れる。作動ガスは、この再生器８０を通り抜けるときに、マトリックス材から吸熱し、又はマトリックス材に放熱する。
クーラ６０内は、冷却水が流れる通路と作動ガスが流れる通路に区分され、作動ガスは冷却水で冷却される。
ディスプレーサピストン２０とパワーピストン３０とは、スコッチ・ヨーク機構５０を介してクランクシャフト４０に連結している。なお、ディスプレーサピストン２１とパワーピストン３０とは位相を所定角度ずらしている。
ここでスコッチ・ヨーク機構５０については、図２を用いて説明する。
パワーピストン３０とクランクシャフト４０とを連結するスコッチ・ヨーク機構５０ａは、クランクシャフト４０に偏心して取り付けられたピストン用クランクピン５１ａと、ピストン用クランクピン５１ａのまわりに設けたピストン用軸受５２ａと、長溝５３ａを形成したピストンヨーク５４ａとで構成され、ピストン用軸受５２ａが長溝５３ａ内を転がることでピストンヨーク５４ａが往復動する。なお、スコッチ・ヨーク５０ａは、図１に示すようにパワーピストンボード３１によってパワーピストン３０と連結している。また、ピストンヨーク５４ａの両側部には、パワーピストン３０の動作方向にガイドシャフト５５ａが設けられている。ピストンヨーク５４ａは、リニアベアリングを介してガイドシャフト５５ａに設けている。
ピストンヨーク５４ａの長溝５３ａの内周面には２枚のプレート５６ａ、５７ａを設けている。長溝５３ａのパワーピストン３０側の内周面には上側プレート５６ａが、長溝５３ａのパワーピストン３０と反対側の内周面には下側プレート５７ａが設けられている。ピストン用軸受５２ａは、上側プレート５６ａと下側プレート５７ａとを摺動面としている。
ピストンヨーク５４ａにはアルミニウム合金を用い、プレート５６ａ、５７ａには炭素鋼を用いる。このように、プレート５６ａ、５７ａを、ピストンヨーク５４ａの材料よりも硬い材料で構成することで、摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。ピストン用軸受５２ａにはボールベアリングを用いて外輪を回動する。
ディスプレーサピストン２０とクランクシャフト４０とを連結するスコッチ・ヨーク機構５０ｂは、クランクシャフト４０に偏心して取り付けられたディスプレーサ用クランクピン５１ｂと、ディスプレーサ用クランクピン５１ｂのまわりに設けたディスプレーサ軸受５２ｂと、長溝５３ｂを形成したディスプレーサヨーク５４ｂとで構成され、ディスプレーサ用軸受５２ｂが長溝５３ｂ内を転がることでディスプレーサ用ヨーク５４ｂが往復動する。なお、スコッチ・ヨーク５０ｂは、ディスプレーサロッド２１によってディスプレーサピストン２０と連結している。また、ディスプレーサヨーク５４ｂの両側部には、ディスプレーサピストン２０の動作方向にガイドシャフト５５ｂが設けられている。ディスプレーサヨーク５４ｂは、リニアベアリングを介してガイドシャフト５５ｂに設けている。
ディスプレーサヨーク５４ｂの長溝５３ｂの内周面には２枚のプレート５６ｂ、５７ｂを設けている。長溝５３ｂのディスプレーサピストン２０側の内周面には上側プレート５６ｂが、長溝５３ｂのディスプレーサピストン２０と反対側の内周面には下側プレート５７ｂが設けられている。ディスプレーサ用軸受５２ｂは、上側プレート５６ｂと下側プレート５７ｂとを摺動面としている。
ディスプレーサヨーク５４ｂにはアルミニウム合金を用い、プレート５６ｂ、５７ｂには炭素鋼を用いる。このように、プレート５６ｂ、５７ｂを、ディスプレーサヨーク５４ｂの材料よりも硬い材料で構成することで、摺動面の耐摩耗性を向上させることができる。ディスプレーサ用軸受５２ｂにはボール軸受を用いて外輪を回動する。
次に同機構に用いるプレートについて図３を用いて説明する。
同図は下側プレート５７ａを示している。下側プレート５７ａには、端部に長溝５３ａ内周面への取付用孔が設けられ、下側プレート５７ａはピストンヨーク５４ａにねじを用いて取り付けられる。また下側プレート５７ａには、ピストン用軸受５２ａが摺動する面に、所定深さの摺動溝５９をあらかじめ形成している。２本の摺動溝５９を形成しているのは、２個のピストン用軸受５２ａに対応させるためである。この摺動溝５９の深さ形状については後述するが、上側プレート５６ａの摺動溝よりも、下側プレート５７ａの摺動溝を深く形成することが好ましい。
上記構成において、スタート時には発電機４１を動力源としてディスプレーサピストン２０を動作させることで、ディスプレーサピストン２０の一方の空間と他方の空間内の作動ガスが移動する。作動ガスは、加熱部１０で加熱・膨張して一方の空間に導入され、クーラ６０で冷却・収縮して他方の空間に導入されることで、一方の空間及び他方の空間内に圧力変動が生じる。この作動空間内の圧力変動によってパワーピストン３０が動作することで出力を得る。

まず、実験用に用いたスターリングエンジンのスコッチ・ヨーク機構について説明する。
図１に示す構成を基本構成とし、ディスプレーサピストン２０とパワーピストン３０の直径は１００ｍｍ、行程はそれぞれ３６ｍｍと２８ｍｍとした。これらのピストン駆動として用いたスコッチ・ヨーク機構は図２に示す構成である。ピストンヨーク５４ａ、ディスプレーサヨーク５４ｂにはアルミニウム合金（Ａ７０７５）を用い、摺動部には機械構造用炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製のプレート５６、５７を用いた。ピストン用軸受５２ａには２個の深溝玉軸受（６８１４ＺＺ）を、ディスプレーサ用軸受５２ｂには４個の軸受（６８１３ＺＺ）を用いた。これらの軸受５２は、外輪（ＳＵＪ２）がプレート５６、５７の摺動面を転がり接触することになる。

次に、運転条件について説明する。
５００時間の基本性能試験における主な運転条件は、作動ガスにヘリウムを用い、平均圧力３ＭＰａ、平均エンジン回転数６００ｒｐｍである。高温熱源には、外部より電気ヒータで４００℃の高温空気を発生させ、それをエンジンに供給することによってディーゼルエンジンの排熱を模擬した。エンジンは起動後２０分でモータリングから自立運転に移行する。

プレートの摩耗特性に及ぼす硬さの影響を調べるために、Ｓ４５Ｃ生材（硬さ：ＨＲｃ３）と熱処理したもの（ＨＲｃ４７）の２種類を用意し、研削加工によって仕上げた。それぞれのプレートを用いて２５０時間運転した後に摩耗量（深さ）を測定したところ、熱処理を施したプレートでは顕著な摩耗が認められなかったため、さらに２５０時間の試験を継続している。したがって、ここでは生材を用いた場合の摩擦面の摩耗量について述べる。
図４に運転時間２５０時間におけるパワーピストンのプレート（Ｓ４５Ｃ生材）の摩耗深さについて、測定結果の一例を示す。同図より、上側プレート５６ａの摩耗深さの最大は０．８ｍｍで、異常な摩耗は観測されない。一方、下側プレート５７ａの最大摩耗深さは１．４ｍｍであり、上側プレート５６ａと比べて大きな値を示している。さらに、摩耗曲線が２段に大きく変化していることも特徴である。パワーピストン３０に作用する力の方向とその大きさおよび摺動面の接触形態によって、摩耗深さが異なると推察される。
パワーピストン３０の下側プレート５７ａの摩耗溝を観察すると、軸受５２ａの移動方向と直角方向にプレートの盛り上りが観察される。軸受５２ａとプレート５７ａとの間に強い滑りが生じている場合、盛り上がり部には滑り線が生じると考えられる。本プレートを走査型電子顕微鏡によって調べたところ、滑り線は見られなかった。したがって、軸受５２ａとプレートとは転がり接触が支配的であると推察される。
運転時間５００時間後のパワーピストン３０の軸受５２ａの外輪の表面には、移動方向に多数の摩耗痕が観察される。この摩耗痕はＳ４５Ｃ生材の摩耗粉が接触面に入り込んだために発生したものと考えられる。

次に、ピストン荷重とプレートの摩耗特性について説明する。
プレート５６ａ、５７ａの摩耗特性とパワーピストン３０に働く力（ピストン荷重）の関係をシミュレーション計算によって調べた。図５及び図６に軸受５２ａのプレートに接触する位置とピストン荷重の計算結果を示す。図より、上側プレート５６ａは４ｋＮ、下側プレート５７ａには２ｋＮの最大荷重が作用する。ピストン荷重は４個の軸受５２ａで分担するので、軸受５２ａ１個に作用する最大荷重は約１ｋＮであり、軸受５２ａの基本定格荷重の約１／１０である。一方、図４に示したプレートの摩耗曲線と図５に示す計算結果を比較すると、ピストン荷重の左右の偏りが摩耗曲線に対応しており、定性的な傾向は一致している。一方、下側プレート５７ａは最大荷重が上側プレート５６ａより小さいにも関らず摩耗深さが大きく現れている。これは機構部各部品の加工精度や幾何学的な組立精度の影響を受けているものと考えているが、詳細については判断できない。

以上、機械損失の軽減に関する課題の一つとしてスコッチ・ヨーク機構に着目し、軸受外輪と硬さの異なるプレートの組合せによる摩擦・摩耗特性を調べた。これまでの試験結果より、摺動面の耐摩耗性を向上するにはプレートの硬さを高める必要があると考えられる。ただし、プレートの硬さを高くすると軸受外輪との接触応力が大きくなるので、軸受外輪の変形が予測される。軸受の変形を抑制するには外輪に強め環を被せるのが効果的であると考えられる。または、試験によって得られたプレートの摩耗曲線からプレートの摺動面の形状を創製することやプレートの一部を薄肉として弾性構造とすることも、幾何学的な組立精度を緩和できるため、機械損失の低減策として期待できる。
また本実施例では、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが同一軸上のシリンダーに配置されているβ型スターリングエンジンを用いて説明したが、ディスプレーサピストンとパワーピストンが別個独立のシリンダに配置されているγ型スターリングエンジンや、膨張シリンダに配置された膨張ピストンと、圧縮シリンダに配置された圧縮ピストンの２つの独立したピストンを有するα型スターリングエンジンにおいても適用できる。

本発明のスターリングエンジンは、廃熱やバイオマスなどの熱源ガスを活用した発電装置や動力装置として利用することができる。

本実施例によるスターリングエンジンの構成を示す断面図 同装置のスコッチ・ヨーク機構を示す要部構成図 同機構に用いるプレートの平面図 運転時間２５０時間におけるパワーピストンのプレート（Ｓ４５Ｃ生材）の摩耗深さの測定結果の一例を示すグラフ パワーピストンに働く荷重のシミュレーションによるグラフ 軸受のプレートに接触する位置とピストン荷重の計算結果を示すグラフ

符号の説明

１０ 加熱部
２０ ディスプレーサピストン
３０ パワーピストン
５０ スコッチ・ヨーク機構
５１ クランクピン
５２ 軸受
５３ 長溝
５４ ヨーク

Claims (5)

1. ディスプレーサピストンとパワーピストンとを備え、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンとをスコッチ・ヨーク機構を介してクランクシャフトに連結し、前記スコッチ・ヨーク機構が、前記クランクシャフトに偏心して取り付けられたクランクピンと、前記クランクピンのまわりに設けた軸受と、長溝を形成したヨークとで構成され、前記軸受が前記長溝内を転がることで前記ヨークが往復動するスターリングエンジンであって、
   前記長溝の内周面にプレートを設け、前記プレートを前記軸受が摺動する面とし、前記プレートの前記軸受が摺動する面に、所定深さの摺動溝をあらかじめ形成したことを特徴とするスターリングエンジン。
2. 前記軸受の上側に配置される上側プレートの前記摺動溝よりも、前記軸受の下側に配置される下側プレートの前記摺動溝を深くした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。
3. 前記プレートを、前記ヨークの材料よりも硬い材料で構成した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。
4. 前記ヨークとしてアルミニウム合金を用い、前記プレートとして炭素鋼を用いた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。
5. 前記プレートの一部を薄肉として弾性構造とした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。