JP5076238B2 - スターリングエンジン - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ガスや廃熱やバイオマスなどの多様な熱源を活用できるスターリングエンジンに関する。

燃焼ガスや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。
一般に、ハウジング内にはディスプレーサピストンを備え、前記ディスプレーサピストンの外周部に、加熱器、再生器、及び冷却器を配置している。
そして、ハウジングによって膨脹空間を形成し、この膨脹空間と再生器を連通するガス通路を流れる作動ガスを加熱するために、ハウジング自体を加熱する構成が採用されている。

しかし、ハウジングによって膨脹空間を形成すると、耐圧を考えた材料及び構成をとらなければならず、熱交換効率を高める上で制約となっていた。

そこで、本発明は、熱交換効率のよい熱交換器とすることができ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、ハウジング内にはディスプレーサピストンを備え、前記ディスプレーサピストンの外周部に、再生器及び冷却器を配置し、前記ハウジングによって前記ディスプレーサピストンの膨脹空間を形成し、前記ハウジングに熱交換器を密着固定し、前記熱交換器内には、複数のガス通路が形成され、前記ガス通路の一端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記膨脹空間と連通し、前記ガス通路の他端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記再生器と連通し、前記熱交換器は、円柱形状で、中心部に筒状空間が形成され、前記筒状空間から外周面に向かって放射状に形成されたスリットによって燃焼ガス経路が形成され、前記スリット間に、前記ガス通路を配置し、前記熱交換器を、前記ハウジングと密着固定される底部円柱部と、前記底部円柱部と連続し前記底部円柱部の径以上の径からなる胴部円柱部と、前記胴部円柱部と連続し前記胴部円柱部の径よりも小さな径からなる頂部円柱部とにより構成し、前記スリットを前記胴部円柱部に形成し、前記熱交換器の上面部及び外周部を断熱材にて覆ったスターリングエンジンであって、前記熱交換器として、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、又はアルミナ系から選択されるセラミックスを用い、前記底部円柱部、前記胴部円柱部、及び前記頂部円柱部を、それぞれ別部材として成形し、更に前記胴部円柱部を、スリットごとに分割した胴部用ピースとして成形し、前記底部円柱部、前記胴部円柱部、及び前記頂部円柱部を嵌合させた後に焼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、前記底部円柱部または前記胴部円柱部の外周に加熱源を配置したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、複数の前記ガス通路を、前記熱交換器に同心円状に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、熱交換器を耐圧部材とする必要がなく、熱交換性能だけを考えた構成とすることができる。

本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンは、熱交換器として、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、又はアルミナ系から選択されるセラミックスを用い、底部円柱部、胴部円柱部、及び頂部円柱部を、それぞれ別部材として成形し、更に胴部円柱部を、スリットごとに分割した胴部用ピースとして成形し、底部円柱部、胴部円柱部、及び頂部円柱部を嵌合させた後に焼成したものである。本実施の形態によれば、ハウジングによって膨脹空間を形成しているので、熱交換器には膨脹空間の圧力を受けない。したがって、熱交換器にはガス通路内に圧力が加わるだけのため、熱交換器は耐圧部材とする必要がなく、熱交換性能だけを考えた構成とすることができる。また、燃焼ガスの通路面をスリットとしたことで、伝熱面積を大きくすることができる。さらに、スリット間の燃焼ガス通路とスリット内のガス通路との距離を小さくすることができるため、スリット内を流れる燃焼ガスからガス通路を流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。また、最も大径部である胴部円柱部にスリットによって燃焼ガス経路を形成するので、燃焼ガスの通路面をスリットとしたことで、伝熱面積を大きくすることができる。さらに、スリット間の燃焼ガス通路とスリット内のガス通路との距離を小さくすることができるため、ガス通路を流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。また、スリットを流れる燃焼ガスの熱を熱交換器に効率よく与えることができる。また、燃焼ガスは、ガス通路で熱交換した後に、筒状空間に導かれ、熱交換器と上面部の断熱材との間に形成された燃焼ガス通路を通り、外周部の断熱材に形成された燃焼ガス通路を通って排出される。したがって、熱交換器は、ガス通路での熱交換以外に、放熱、熱伝導することがなく、熱交換器の温度が、熱交換後の燃焼ガスによって、熱交換後の燃焼ガス温度以下に低下することがなく、熱交換器の保温効果が高い。さらに、上面部に配置する断熱材端面との接触面と熱交換器端面との隙間である燃焼ガス通路を小さくすることで、前述の保温効果を大きくすることができる。また、耐熱性に優れ、熱伝導性が高い熱交換器を実現できる。また、あらかじめ複数の部材を成形し、それらを接合して焼成することによりセラミックスを得ることで、ガス通路やスリットを精度よく形成することができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、底部円柱部または胴部円柱部の外周に加熱源を配置したものである。本実施の形態によれば、加熱源で発生させた燃焼ガスをスリット通過後、筒状空間に導くことができ、熱交換器に効率よく熱を与えることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、複数のガス通路を、熱交換器に同心円状に配置したものである。本実施の形態によれば、ガス通路を流れる作動ガスに均一に熱を伝えることができる。

以下本発明の一実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は本実施例によるスターリングエンジンの側断面概略図である。
図１において、ハウジング１内にディスプレーサピストン２が配置され、ディスプレーサピストン２の下方にはパワーピストン３が配置されている。パワーピストン３の外周には、パワーピストン３とともに往復動作するインナーヨーク４が配置されている。インナーヨーク４は、円筒状に構成され、その外周には磁石５が配置される。
インナーヨーク４の外周部には、円筒状のアウターヨーク６がインナーヨーク４と所定のギャップを持って配置される。アウターヨーク６の内周側にはコイル７が、磁石５と対向するように配置されている。磁石５を有するインナーヨーク４と、コイル７を有するアウターヨーク６によって発電機が構成される。
ハウジング１内の、ディスプレーサピストン２の外周部には、再生器１０、及び冷却器１１を備えている。ディスプレーサピストン２の膨脹空間１ａは、ハウジング１によって形成している。熱交換器９は、ハウジング１の一端側の外端面に密着固定している。冷却器１１はハウジング１の他端側に配置し、再生器１０は熱交換器９と冷却器１１との間に配置している。再生器１０と冷却器１１は、ともに円筒状に構成されており、ハウジング１の他端側から挿入固定される。
熱交換器９内には、複数のガス通路９ａが形成され、ガス通路９ａの一端をハウジング１内の連通路１ｂを介して膨脹空間１ａと連通し、ガス通路９ａの他端をハウジング１内の連通路１ｂを介して再生器１０と連通している。
熱交換器９は、耐熱・高熱伝導性材料が適しており、例えば、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、又はアルミナ系から選択されるセラミックスを用いる。なお、これらのセラミックスと金属の傾斜機能材料としてもよい。熱交換器９の上面部及び外周部は、断熱材９０にて覆われ、熱交換器９と断熱材９０との間には、加熱源９ｃが配置されている。
熱交換器９の中心部には、筒状空間９ｄが形成されている。
ロッド１２の一端側は大径ロッド１２ａ、ロッド１２の他端側は小径ロッド１２ｂで構成され、大径ロッド１２ａはディスプレーサピストン２に固定され、小径ロッド１２ｂは板バネ１３に連結されている。

容器１４は筒状部材で構成され、パワーピストン３、インナーヨーク４、アウターヨーク５を内部に収容する。
容器１４には、パワーピストン３の一端側の外周面が摺動する第１の軸受部１５と、パワーピストン３の他端側の内周面が摺動する第２の軸受部１６とを有している。第１の軸受部１５は、パワーピストン３が摺動する第１の円筒部１５ａと、第１の円筒部１５ａの一端に形成した第１のフランジ部１５ｂとで構成され、第２の軸受部１６は、パワーピストン３が摺動する第２の円筒部１６ａと、第２の円筒部１６ａの一端に形成した第２のフランジ部１６ｂとで構成される。第１の円筒部１５ａの内周面には滑り軸受を設けている。第２の円筒部１６ａの中心には第２の貫通孔１６ｃを形成している。第１の軸受部１５は、第１の円筒部１５ａの外周面と容器１４の一端側の内周面で位置決め固定され、第２の軸受部１６は、第２のフランジ部１６ｂの外周面と容器１４の他端側の内周面で位置決め固定される。
アウターヨーク６は容器１４の内周面で位置決め固定される。
容器１４の一端側にはハウジング１が配置され、ハウジング１と容器１４とは連結部材１７を介して締結する。連結部材１７は、リング状の連結板１７ａと、ハウジング１側から挿入されるボルト１７ｂから構成される。容器１４の他端側には封止部材１８が配置される。

パワーピストン３は、ヘッド部３ａとスカート部３ｂで構成し、ヘッド部３ａの外周面を第１の軸受部１５との摺動面とし、スカート部３ｂの内周面を第２の軸受部１６との摺動面としている。なお、スカート部３ｂの外周面にインナーヨーク４は位置決め固定される。ヘッド部３ａの中心には第１の貫通孔３ｃを形成している。第１の貫通孔３ｃの内周面には軸受を形成する。スカート部３ｂの内周面には第２の滑り軸受３ｅを設けている。
板バネ１３は、第２の軸受部１６と封止部材１８との間に配置される。
ディスプレーサピストン２と板バネ１３とを連結するロッド１２は、大径ロッド１２ａを第１の貫通孔３ｃに配置し、小径ロッド１２ｂを第２の貫通孔１６ｃに配置している。

次に、図２から図６を用いて本実施例による熱交換器について説明する。
図２は、同熱交換器の上方から見た斜視図、図３は、同熱交換器の下方から見た斜視図、図４は、同熱交換器の側面図、図５は図４のV−V線断面図、図６は同熱交換器の組み立て状態を示す要部側断面図である。
本実施例による熱交換器は、円柱形状であり、ハウジング１と密着固定される底部円柱部９１と、底部円柱部９１と連続し底部円柱部９１の径以上の径からなる胴部円柱部９２と、胴部円柱部９２と連続し胴部円柱部９２の径よりも小さな径からなる頂部円柱部９３とによって構成されている。
燃焼ガス経路を形成するスリット９ｂは、胴部円柱部９２に筒状空間９ｄから外周面に向かって放射状に形成されている。
ガス通路９ａは、スリット９ｂ間に配置されている。また、ガス通路９ａは、熱交換器９に同心円状に配置している。

本実施例によれば、ハウジング１によって膨脹空間１ａを形成しているので、熱交換器９には膨脹空間１ａの圧力を受けない。したがって、熱交換器９にはガス通路９ａ内に圧力が加わるだけであるため、熱交換器９は耐圧部材とする必要がなく、熱交換性能だけを考えた構成とすることができる。
また、本実施例によれば、スリット９ｂ内を流れる燃焼ガスからガス通路９ａを流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。
また、本実施例によれば、最も大径部である胴部円柱部９２にスリット９ｂによって燃焼ガス経路を形成するので、ガス通路９ａを流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。
また、本実施例によれば、スリット９ｂを流れる燃焼ガスの熱を熱交換器９に効率よく与えることができる。
また、本実施例によれば、加熱源で発生させた燃焼ガスをスリット９ｂ通過後、筒状空間９ｄに導くことができ、熱交換器９に効率よく熱を与えることができる。
また、本実施の形態によれば、ガス通路９ａを流れる作動ガスに均一に熱を伝えることができる。
また、本実施例によれば、パワーピストン３の摺動面を形成する第１の軸受部１５と第２の軸受部１６とを容器１４に有するとともにアウターヨーク６を容器の内周部に設けることで、パワーピストン３がアウターヨーク６に対して、傾き及び芯ずれ状態で組み付けられることを抑制し、パワーピストン３とアウターヨーク６との隙間寸法を精度良く組み立てることができる。そのため、パワーピストン３が傾きや芯ずれによって発生する機械損失（摺動損失）を低減することができる。さらに、第１の軸受部１５だけで、パワーピストン３を支持する場合には、高さ方向に長くなるが、アウターヨーク６内周面内に第２の軸受部１６を形成することで、可動部内周面を有効に軸受部として形成することができるため、スターリングエンジンをコンパクトに構成できる。
また本実施例によれば、スターリングエンジンを構成する部材を、ハウジング１と容器１４とにそれぞれ配置するとともに、ハウジング１と容器１４とを締結することで、特にディスプレーサピストン２とパワーピストン３との位置調整を精度良く行うことができる。
また本実施例によれば、アウターヨーク６を、容器１４の内周面で位置決め固定するため、インナーヨーク４とアウターヨーク６との組み立て誤差を少なくすることができる。
また本実施例によれば、第１の軸受部１５を、第１の円筒部１５ａの外周面で容器１４に位置決め固定し、第２の軸受部１６を、第２のフランジ部１６ｂの外周面で容器１４に位置決め固定するため、第１の軸受部１５と第２の軸受部１６との組み立て誤差を少なくすることができる。
また本実施例によれば、パワーピストン３を、ヘッド部３ａとスカート部３ｂで構成し、ヘッド部３ａの外周面を第１の軸受部１５との摺動面とし、スカート部３ｂの内周面を第２の軸受部１６との摺動面とし、スカート部３ｂの外周面にインナーヨーク４を位置決め固定するため、インナーヨーク４とアウターヨーク６との位置調整を精度良く行うことができる。
また本実施例によれば、第１の貫通孔３ｃに大径ロッド１２ａを配置し、第１の貫通孔３ｃの内周面に軸受部を形成するため、ディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間にできる空間の気密性を高めることができる。
また本実施例によれば、パワーピストン３の両端を滑り軸受で受けることでパワーピストンの往復駆動の挙動を安定させ、エンジンの信頼性を高めることができる。

上記構成において、熱交換器９での加熱によって、封入されている気体が膨張してディスプレーサピストン２を下方へ移動させる。ディスプレーサピストン２の下方への移動によって、ディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間の空間にあるガスが圧縮されてパワーピストン３を下方へ移動させる。パワーピストン３の下方への移動によって、気体はディスプレーサピストン２の上部から、熱交換器９、再生器１０、及び冷却器１１を通過してディスプレーサピストン２の下部に移動する。そしてディスプレーサピストン２の上方への移動によってディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間の空間が低圧になることで、パワーピストン３は上方へ移動する。ディスプレーサピストン２の下部に移動した気体は、パワーピストン３の上方への移動によって、冷却器１１、再生器１０、及び熱交換器９を通過して、ディスプレーサピストン２の上部に移動する。
このように、熱交換器９での加熱と冷却器１１での冷却によって、気体は膨張収縮を行いながらディスプレーサピストン２の上部と下部を往復することで、ディスプレーサピストン２を移動させるとともに、パワーピストン３を移動させる。そして、パワーピストン３の移動によって発電を行うことができる。

次に、図７から図９を用いて熱交換器の製造方法について説明する。
図７は、焼結前の状態における熱交換器の上方から見た一部分解斜視図、図８は、同状態における熱交換器の下方から見た分解斜視図、図９は、同状態における熱交換器の側面図である。
底部円柱部９１、胴部円柱部９２、及び頂部円柱部９３からなる熱交換器９は、それぞれ別部材として成形し、更に胴部円柱部９２は、スリット９ｂごとに分割した胴部用ピース９２ａ、９２ｂ、９２ｃ・・として成形する。
胴部用ピース９２ａ、９２ｂ、９２ｃ・・には、それぞれ底部円柱部９１と嵌合する嵌合部、及び頂部円柱部９３と嵌合する嵌合部が一体に成形されている。
これら各部材は、例えば珪素系材料で成形し、図示のように各部材を嵌合させた後に、所定温度で焼成することで炭化珪素系セラミックスとする。
このようにあらかじめ複数の部材を成形し、それらを接合して焼成することによりセラミックスを得ることで、ガス通路９ａやスリット９ｂを精度よく形成することができる。

次に、図１０を用いて他の実施例による熱交換器について説明する。
上記実施例と同一機能部材には同一符号を付して説明を一部省略する。
熱交換器９ｘ内には、複数のガス通路９ａが形成され、ガス通路９ａの一端はハウジング１内の連通路１ｂを介して膨脹空間１ａと連通し、ガス通路９ａの他端はハウジング１内の連通路１ｂを介して再生器１０と連通している。熱交換器９ｘの外周部は、断熱材９０にて覆われ、熱交換器９ｘの底部円柱部９１ｘまたは胴部円柱部９２ｘと断熱材９０との間には、加熱源配置空間９ｙが形成され、この加熱源配置空間９ｙに加熱源９ｚが配置されている。また、熱交換器９ｘの上面部は、燃焼ガス通路を形成するように断熱材９０にて覆っている。外周部の断熱材９０には、燃焼ガスを径方向に排出する燃焼ガス通路を形成している。
熱交換器９ｘの中心部には、筒状空間９ｄが形成されている。
本実施例による熱交換器９ｘは、円柱形状であり、ハウジング１と密着固定される底部円柱部９１ｘと、底部円柱部９１ｘと連続しガス通路９ａを形成する胴部円柱部９２ｘと、胴部円柱部９２ｘと連続しガス通路９ａを形成しない頂部円柱部９３ｘとにより構成し、胴部円柱部９２ｘの外周に加熱源配置空間９ｙが形成され、この加熱源配置空間９ｙに加熱源９ｚが配置されている。
なお、図示はしないが、本実施例においても燃焼ガス経路を形成するスリットが、胴部円柱部９２ｘに筒状空間９ｄから外周面に向かって放射状に形成されている。
また、スリット間にガス通路９ａが配置されている。そして、ガス通路９ａは、熱交換器９ｘに同心円状に配置している。

本実施例によれば、加熱源９ｚで発生させた燃焼ガスをスリット通過後、筒状空間９ｄに導くことができ、熱交換器９ｘに効率よく熱を与えることができる。
また、本実施例によれば、加熱源９ｚを胴部円柱部９２ｘの外周に設けることで熱交換器９ｘの軸方向の寸法を抑えることができる。
また、本実施例によれば、胴部円柱部９２ｘの外周に加熱源配置空間９ｙを形成し、この加熱源配置空間９ｙ内で加熱源９ｚの配置を変更できるように構成することで、燃焼効率の高い位置に加熱源９ｚを配置することができ、設計を容易にすることができるとともに、燃焼条件などに応じて、加熱源９ｚを最適な位置に変更することができる。

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。

本発明の一実施例によるスターリングエンジンの側断面概略図 本実施例による熱交換器の上方から見た斜視図 同熱交換器の下方から見た斜視図 同熱交換器の側面図 図４のV−V線断面図 同熱交換器の組み立て状態を示す要部側断面図 焼結前の状態における熱交換器の上方から見た一部分解斜視図 同状態における熱交換器の下方から見た分解斜視図 同状態における熱交換器の側面図 本発明の他の実施例による熱交換器の側断面概略図

１ ハウジング
２ ディスプレーサピストン
３ パワーピストン
４ インナーヨーク
５ 磁石
６ アウターヨーク
７ コイル
９ 熱交換器
１０ 再生器
１１ 冷却器
１４ 容器
１５ 第１の軸受部
１６ 第２の軸受部

Claims (3)

1. ハウジング内にはディスプレーサピストンを備え、前記ディスプレーサピストンの外周部に、再生器及び冷却器を配置し、
   前記ハウジングによって前記ディスプレーサピストンの膨脹空間を形成し、
   前記ハウジングに熱交換器を密着固定し、
   前記熱交換器内には、複数のガス通路が形成され、
   前記ガス通路の一端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記膨脹空間と連通し、
   前記ガス通路の他端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記再生器と連通し、
   前記熱交換器は、円柱形状で、中心部に筒状空間が形成され、
   前記筒状空間から外周面に向かって放射状に形成されたスリットによって燃焼ガス経路が形成され、
   前記スリット間に、前記ガス通路を配置し、
   前記熱交換器を、前記ハウジングと密着固定される底部円柱部と、前記底部円柱部と連続し前記底部円柱部の径以上の径からなる胴部円柱部と、前記胴部円柱部と連続し前記胴部円柱部の径よりも小さな径からなる頂部円柱部とにより構成し、
   前記スリットを前記胴部円柱部に形成し、
   前記熱交換器の上面部及び外周部を断熱材にて覆ったスターリングエンジンであって、
   前記熱交換器として、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、又はアルミナ系から選択されるセラミックスを用い、
   前記底部円柱部、前記胴部円柱部、及び前記頂部円柱部を、それぞれ別部材として成形し、更に前記胴部円柱部を、スリットごとに分割した胴部用ピースとして成形し、
   前記底部円柱部、前記胴部円柱部、及び前記頂部円柱部を嵌合させた後に焼成したことを特徴とするスターリングエンジン。
2. 前記底部円柱部または前記胴部円柱部の外周に加熱源を配置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. 複数の前記ガス通路を、前記熱交換器に同心円状に配置したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。