JP5359606B2

JP5359606B2 - スターリングエンジンの冷却器およびスターリングエンジン

Info

Publication number: JP5359606B2
Application number: JP2009152720A
Authority: JP
Inventors: 寛矢口; 大作澤田; 正章片山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: JP2011007138A

Description

本発明はスターリングエンジンの冷却器およびスターリングエンジンに関し、特に高温熱源との間で熱交換を行う加熱器に直接或いは間接的に固定されるスターリングエンジンの冷却器、および当該冷却器を備えたスターリングエンジンに関する。

近年、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を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。スターリングエンジンは高い熱効率が期待できる上に、作動流体を外から加熱する外燃機関であるために、熱源を問わず、ソーラー、地熱、排熱といった各種の低温度差代替エネルギーを活用でき、省エネルギーに役立つという利点がある。

かかるスターリングエンジンにつき、加熱器で発生する熱変形に関する技術が例えば特許文献１で開示されている。特許文献１では、一方の端部を他方の端部に対して熱膨張により変形する方向に沿って移動可能にしたヒータを備えた排熱回収装置が開示されている。

特開２００７−９７８２号公報

図１３はスターリングエンジンの一例であるスターリングエンジン１０Ｘを模式的に示す図である。加熱器４７は概ねＵ字形の形状を有しており、高温側気筒２０と低温側気筒３０とを連通している。各気筒２０、３０はクランクケース６０に固定されている。各気筒２０、３０それぞれは、図示しないピストンと、シリンダとを備えている。加熱器４７の一端部は高温側気筒２０に固定されている。加熱器４７の他端部と低温側気筒３０との間には、冷却器４５Ｘと再生器４６とが介在している。これらは互いに固定されている。加熱器４７は排気管２００に収容されている。

加熱器４７には、スターリングエンジン１０Ｘの作動流体が流通する。そして、高温熱源である排気ガスに曝された加熱器４７では、流通する作動流体と排気ガスとの間で熱交換が行われる。一方、排気ガスに曝された加熱器４７は熱膨張する。具体的には図１４に示すように、加熱器４７は主にクランク軸線ＣＬの延伸方向（換言すれば気筒配列方向Ｘ）に沿って変形する。またこのとき加熱器４７では、湾曲形状外側の部分ほうが内側の部分よりも両端部間の全長が長く、且つ排気ガスと接触し易くなっている。このため加熱器４７では、湾曲形状外側の伸びが内側よりも大きくなる。このため加熱器４７は、気筒延伸方向Ｙに沿った方向にも変形する。

そして、このようにして加熱器４７の両端部の位置関係が変化すると、気体潤滑されているピストンと、ピストンを収容するシリンダと、ピストンを支持する近似直線機構（図示省略）との間の位置関係に影響が及ぶことになる。そしてこの場合には、気体潤滑を行う微小クリアランスのクリアランス精度を適正に維持できなくなり、この結果、気体潤滑を適切に行えなくなる虞がある点で問題があった。

一方、これに対して例えば特許文献１が開示する排熱回収装置では、ヒータの一方の端部を他方の端部に対して移動可能にすることで、ヒータの熱膨張による変形の影響を低減している。しかしながら、この排熱回収装置ではヒータの一方の端部を他方の端部に対して熱膨張により変形する方向に沿って厳密に、或いは十分に移動可能にできない場合には、熱膨張後の加熱器に熱応力が残存する可能性があると考えられる。そしてこの場合には、残存した熱応力によって気体潤滑されているピストンと、ピストンを収容するシリンダと、ピストンを支持する近似直線機構との間の位置関係に影響が及ぶ可能性もあると考えられる点で問題があった。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、熱膨張後に加熱器に熱応力が残存することを好適に防止或いは抑制しつつ、固定された加熱器に発生する熱変形の影響を吸収できるスターリングエンジンの冷却器、および当該冷却器を備えたスターリングエンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、クランクケースと、前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、前記複数の金属製細管が湾曲形状を有するスターリングエンジンの冷却器である。

また本発明は、クランクケースと、前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、前記外壁部が金属製の薄肉円筒状の部材であり、且つ湾曲形状を有するスターリングエンジンの冷却器である。また本発明は、クランクケースと、前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、前記外壁部が、非金属の弾性体であるスターリングエンジンの冷却器である。

また本発明は、クランクケースと、前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、前記作動流体を熱交換により冷却する流体を導入するための導入部、および排出するための排出部を前記両端部にさらに備えたスターリングエンジンの冷却器である。

また本発明は、クランクケースと、前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンであって、一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備えたスターリングエンジンの冷却器、を備え、一端部が前記加熱器または前記再生器に接続されるとともに、他端部が前記低温側気筒または前記クランクケースに接続される補強部材をさらに備えたスターリングエンジンである。

なお、上述してきた本発明に記載された直交、平行の文言は、理想的な状態を表現したものであり、例えば通常発生し得る組立、加工誤差等の製造誤差に基づき、厳密な意味での直交、平行から外れた状態までをも除外するものではない。

本発明によれば、熱膨張後に加熱器に熱応力が残存することを好適に防止或いは抑制しつつ、固定された加熱器に発生する熱変形の影響を吸収できる。

冷却器４５Ａを備えたスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。加熱器４７の具体的な構成を模式的に示す図である。なお、図３は全長中央位置における加熱器４７の断面を排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って見た図となっている。冷却器４５Ａの概略構成を模式的に示す図である。なお、図４では外壁部４５４については図示省略している。冷却器４５Ａの具体的な構成を断面で模式的に示す図である。加熱器４７が熱膨張した後の冷却器４５Ａの様子を模式的に示す図である。冷却器４５Ａの変形例である冷却器４５Ａ´を断面で模式的に示す図である。冷却器４５Ｂが備える作動ガス配管４５１Ｂを（ａ）で模式的に示すとともに、作動ガス配管４５１Ｂの変形例である作動ガス配管４５１Ｂ´を（ｂ）で、作動ガス配管４５１Ｂ´´を（ｃ）でそれぞれ模式的に示す図である。冷却器４５Ｃを模式的に示す図である。第１の冷却水配管接続部４５５を模式的に示す図である。具体的には図１０では、（ａ）が第１の冷却水配管接続部４５５の外観形状を示す図、（ｂ）が（ａ）に示す矢印Ｂに沿って見た図、（ｃ）が（ａ）に示すＡ−Ａ断面を示す図、（ｄ）が（ａ）に示す矢印Ｃに沿って見た図となっている。スターリングエンジン１０Ｂが車両に搭載されている様子を模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ｂを模式的に示す図である。具体的には図１２では、（ａ）がスターリングエンジン１０Ｂの外観図、（ｂ）が（ａ）に示す外観図の右側面図となっている。スターリングエンジン１０Ｘを模式的に示す図である。加熱器４７が熱膨張した後の様子についての説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例にかかるスターリングエンジンの冷却器である冷却器４５Ａを備えたスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ａは、２気筒α型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン１０Ａは、クランク軸線ＣＬの延伸方向と気筒配列方向Ｘとが互いに平行になるように（換言すれば、クランク軸線ＣＬの延伸方向と気筒延伸方向Ｙとが直交するように）直列平行に配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を有している。したがって、各気筒２０、３０の中心軸線は互いに略平行になっている。高温側気筒２０は膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２とをそれぞれ備えている。圧縮ピストン３１は、膨張ピストン２１に対して、クランク角で９０°程度遅れて動くように位相差が設けられている。スターリングエンジン１０Ａは、クランク軸線ＣＬの延伸方向（換言すれば気筒配列方向Ｘ）が排気ガスの流通方向Ｖ１と平行になるように配置されている。

スターリングエンジン１０Ａは基準体である基板１５を備えている。高温側シリンダ２２と低温側シリンダ３２とは、基板１５に直接、または間接的に支持、固定されている。基板１５はシリンダ２２、３２を含むスターリングエンジン１０Ａの各構成要素の位置基準となっている。したがって、スターリングエンジン１０の各構成要素の相対的な位置精度は基板１５によって確保されている。基板１５は、スターリングエンジン１０Ａの高温熱源を保有する高温熱源保有体である排気管２００に固定されている。

スターリングエンジン１０Ａは熱交換器として冷却器４５Ａと、再生器４６と、加熱器４７とを備えている。冷却器４５Ａ、再生器４６および加熱器４７は、各気筒２０、３０間の接続を仲介している。高温側気筒２０と低温側気筒３０の一端部それぞれは、クランクケース６０に固定されている。そして、加熱器４７はその一端部が高温側気筒２０の他端部に固定されている。また加熱器４７はその他端部が再生器４６の一端部を構成する上面に固定されている。再生器４６はその他端部を構成する下面が冷却器４５Ａの一端部を構成する上面に固定されている。冷却器４５Ａはその他端部を構成する下面が低温側気筒３０の他端部に固定されている。したがって、冷却器４５Ａは再生器４６を介して加熱器４７に間接的に固定されており、加熱器４７は基板１５に間接的に固定されている。

高温側シリンダ２２の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器４７で加熱された作動流体が流入する。加熱器４７は本実施例では具体的には車両に搭載されたガソリンエンジンの排気管２００の内部に配置されている。そして、作動流体は高温熱源を構成する流体である排気ガスから回収した熱エネルギーにより加熱される。加熱器４７は、排気ガスの流通方向Ｖ１に延在するように設けられている。そして同時に加熱器４７は、クランク軸線ＣＬの延伸方向（換言すれば気筒配列方向Ｘ）と平行になるように設けられている。
低温側シリンダ３２の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５Ａで冷却された作動流体が流入する。
再生器４６は、膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には、作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。
作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ_２、Ｎ_２等の気体を適用することができる。

次にスターリングエンジン１０Ａの動作について説明する。加熱器４７で作動流体が加熱されると、膨張して膨張ピストン２１が圧下され、これにより駆動軸（クランクシャフト）１１３の回動が行われる。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過して再生器４６に移送され、そこで熱を放出して冷却器４５Ａへと流れる。冷却器４５Ａで冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１の上昇行程に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７へ流れ込み、そこで再び加熱膨張せしめられる。すなわち、かかる作動流体の往復流動を通じてスターリングエンジン１０Ａが動作する。

ところで、本実施例ではスターリングエンジン１０Ａの熱源が車両の内燃機関の排気ガスとなっていることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０Ａを作動させる必要がある。そこで本実施例では、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。具体的にはスターリングエンジン１０Ａの内部フリクションのうち、最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間で気体潤滑を行っている。

気体潤滑ではシリンダ２２、３２とピストン２１、３１の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１、３１を空中に浮いた形にする。気体潤滑は摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを大幅に低減させることができる。空中に物体を浮上させる気体潤滑には、具体的には例えば加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体を浮上させる静圧気体潤滑を適用することができる。但しこれに限られず、気体潤滑は例えば動圧気体潤滑であってもよい。

気体潤滑が行われるシリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間のクリアランスは数十μmとなっている。そして、このクリアランスにはスターリングエンジン１０Ａの作動流体が介在している。ピストン２１、３１それぞれは、気体潤滑によりシリンダ２２、３２と非接触の状態、または許容できる接触状態で支持されている。したがってピストン２１、３１の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。気体潤滑では、微小クリアランスにより膨張空間、圧縮空間それぞれの気密が保たれ、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールが行われる。

さらにピストン２１、３１とシリンダ２２、３２とはともに金属製であり、本実施例では具体的には対応するピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２同士で線膨張率が同じ金属（ここではＳＵＳ）が適用されている。これにより、熱膨張があっても適正なクリアランスを維持して気体潤滑を行うことができる。

ところで気体潤滑の場合、負荷能力が小さいことから、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。すなわち、気体潤滑を行う場合にはシリンダ２２、３２の直径方向（横方向，スラスト方向）の力に耐える能力（耐圧能力）が低くなるため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１、３１の直線運動精度が高い必要がある。

このため、本実施例ではピストン・クランク部にグラスホッパの機構５０を採用している。直線運動を実現する機構にはグラスホッパの機構５０のほか例えばワットの機構があるが、グラスホッパの機構５０は他の機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に本実施例のスターリングエンジン１０Ａは、自動車の床下といった限られたスペースに設置されることになるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。またグラスホッパの機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらにグラスホッパの機構５０は機構の構成が比較的簡単であるため、構成（製造・組み立て）し易いという利点も有する。

図２はスターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。なお、ピストン・クランク部には高温側気筒２０側と低温側気筒３０側とで共通の構成を採用しているため、以下では、高温側気筒２０側についてのみ説明し、低温側気筒３０側についての説明は省略する。近似直線機構は、グラスホッパの機構５０と、コネクティングロッド１１０と、エクステンションロッド１１１と、ピストンピン１１２とを備えている。膨張ピストン２１は、コネクティングロッド１１０、エクステンションロッド１１１およびピストンピン１１２を介して駆動軸１１３に接続されている。具体的には、膨張ピストン２１はピストンピン１１２を介してエクステンションロッド１１１の一端側に接続されている。そして、エクステンションロッド１１１の他端側にはコネクティングロッド１１０の小端部１１０ａが接続されている。そして、コネクティングロッド１１０の大端部１１０ｂが駆動軸１１３に接続されている。

膨張ピストン２１の往復運動は、コネクティングロッド１１０によって駆動軸１１３に伝達され、ここで回転運動に変換される。コネクティングロッド１１０はグラスホッパの機構５０によって支持されており、膨張ピストン２１を直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド１１０をグラスホッパの機構５０によって支持することにより、膨張ピストン２１のサイドフォースＦがほとんどゼロになる。このため、負荷能力の小さい気体潤滑を行う場合でも十分に膨張ピストン２１を支持することができる。

次に加熱器４７についてさらに具体的に説明する。加熱器４７は概ねＵ字形の形状を有している。加熱器４７を概ねＵ字形の形状に形成している理由は次の通りである。
ここで、冷却器４５Ａ、再生器４６および加熱器４７からなる熱交換器構成体のスペースは、出力に直接的には関与しない無効容積となっている。そして無効容積が増えると、スターリングエンジン１０Ａの出力は減少する。このためスターリングエンジン１０Ａでは、必要な熱交換能力が得られる範囲内で熱交換器構成体をコンパクトにすることが望まれる。
一方、熱交換器構成体をコンパクトにすると熱交換が困難になる。そしてこの結果、受熱量が減少する場合にもスターリングエンジン１０Ａの出力が減少する。
したがって、無効容積の減少と受熱量の増加とを両立させるためには、熱交換器構成体の効率を上げる必要がある。そしてそのためには、加熱器４７が効率的に受熱する必要がある。

この点、熱交換器構成体が湾曲形状を有している場合、湾曲部の数が多いほど流路抵抗は大きくなる。また、湾曲部のカーブが小さいほど流路抵抗は大きくなる。したがって作動流体の圧力損失の観点からは、熱交換器構成体が備える湾曲部の数は１つであり、且つそのカーブが大きい方が望ましい。
また、排気管２００の内部のような限られた空間内で加熱器４７が効率的に受熱するためには、加熱器４７において、排気ガスとの接触面積である伝熱面積を大きく確保することが望ましい。
そしてこれらのことから加熱器４７は、その全体が過不足なく受熱空間内に収容されることで、最大限の伝熱面積の確保が可能となるように形成されるとともに、流路抵抗が最小となる形状に形成されることが最も望ましい。

これに対しスターリングエンジン１０Ａでは、加熱器４７を含む熱交換器構成体が概ねＵ字形、或いはより正確には概ねＪ字形に形成された湾曲形状を有している。そして、これに応じてスターリングエンジン１０Ａでは、熱交換器構成体の湾曲部の数が１つとなっている。また湾曲部のカーブは、加熱器４７を排気管２００内に収容可能な範囲内で可能な限り大きく設定されている。このため加熱器４７は、その全体が過不足なく排気管２００に収容されるとともに、その流路抵抗が例えばより多くの湾曲部を備えた場合や屈曲部を備えた場合と比較して小さくなっている。スターリングエンジン１０Ａでは、以上のような理由により加熱器４７を概ねＵ字形の形状に形成している。

なお、概ねＵ字形の形状には、例えば中間や両端に直線部を特段含むことなく、湾曲態様が円弧状となる形状や、湾曲態様が部分楕円状となる形状も含まれるものとする。すなわち、概ねＵ字形の形状は、少なくとも１つの湾曲部を備えるとともに、全体として１つの凸状（或いは凹状）の湾曲態様を有している湾曲形状であればよい。

図３に示すように、加熱器４７は具体的には作動流体の流路を形成する複数の流路部材８０とフィン９０とをプレス成型により一体化した熱交換部材１００を複数備えた構造となっている。そしてこれにより、加熱器４７はコンパクト且つ、より大きな伝熱面積を確保可能な構造となっている。また複数の流路部材８０とフィン９０とをプレス成型により一体化しているため、加熱器４７はコストの低減にも有利な構造となっている。クランク軸線ＣＬの延伸方向（換言すれば気筒配列方向Ｘ）が排気ガスの流通方向Ｖ１とに平行になるように設けられたスターリングエンジン１０Ａにおいて、加熱器４７は排気ガスの流通方向Ｖ１に延在するように設けられている。

一方、このように複数の流路部材８０とフィン９０とをプレス成型により一体化した分、加熱器４７の剛性は高まっている。また加熱器４７はその一端部が高温側気筒２０に固定されているとともに、その他端部が再生器４６に固定されている。このためスターリングエンジン１０Ａでは、加熱器４７の熱変形が、ピストン２１、３１と、シリンダ２２，３２と、近似直線機構との間の位置関係に影響を及ぼす蓋然性が高くなっている。これに対してスターリングエンジン１０Ａは、加熱器４７の熱変形方向に変形可能な構造を備えた冷却器４５Ａを有している。具体的にはスターリングエンジン１０Ａは、図４、図５に示すように構成された冷却器４５Ａを備えている。

図４に示すように冷却器４５Ａは、複数の作動ガス配管４５１Ａと、一端部を構成する第１のフランジ部４５２と、他端部を構成する第２のフランジ部４５３とを備えている。第１および第２のフランジ部４５２、４５３は両端部を構成している。冷却器４５Ａは、複数の金属製細管である複数の作動ガス配管４５１Ａを備えた多管式構造を有している。各作動ガス配管４５１Ａそれぞれは作動流体を流通させるための作動流体の流路を形成している。各作動ガス配管４５１Ａそれぞれは、具体的には細径のステンレス製チューブ（ＳＵＳチューブ）となっている。各作動ガス配管４５１Ａは直線状に延伸しており、互いに同じ長さとなっている。かかる各作動ガス配管４５１Ａを備えた冷却器４５Ａは、作動流体の流通方向がクランク軸線ＣＬの延伸方向と直交するように配置される。

また冷却器４５Ａでは、各作動ガス配管４５１Ａと各フランジ部４５２、４５３とが一体構造となっている。図５に示すように、各フランジ部４５２、４５３は具体的には複数の作動ガス配管４５１Ａの両端部に一体的に設けられている。この点、各フランジ部４５２、４５３を複数の作動ガス配管４５１Ａの両端部に一体的に設けるにあたっては、具体的には例えば以下に示すように設けることができる。すなわち、まず各フランジ部４５２、４５３に各作動ガス配管４５１Ａを挿通可能な複数の穴を設ける。そして、各フランジ部４５２、４５３それぞれに設けた複数の穴に各作動ガス配管４５１Ａを挿入する。そして、この状態で各フランジ部４５２、４５３と各作動ガス配管４５１Ａとを溶接する。これにより、各作動ガス配管４５１Ａと各フランジ部４５２、４５３とを一体化することができる。

各フランジ部４５２、４５３は金属製であり、概ね円盤状の形状を有している。そして、図５に示すように第１のフランジ部４５２には、具体的には再生器４６に固定されるフランジ面の裏面にあたる裏側フランジ面に第１の筒壁部４５２ａが形成されている。また、第２のフランジ部４５３には、低温側気筒３０に固定されるフランジ面の裏面にあたる裏側フランジ面に第２の筒壁部４５３ａが形成されている。各筒壁部４５２ａ、４５３ａは筒状に突起しており、具体的には径と高さとが互いに略等しい円筒状の形状を有している。この点、冷却器４５Ａでは各フランジ部４５２、４５３は同じ部品によって構成されている。

また、図５に示すように冷却器４５Ａは具体的には外壁部４５４を備えている。外壁部４５４は金属製の薄肉円筒状の部材であり、且つ湾曲形状を有している。具体的には外壁部４５４はその一端部から他端部にかけて波状に、且つ軸対称に湾曲した湾曲形状を有している。そして、かかる構造とした外壁部４５４は、その両端部が各フランジ部４５２、４５３に固定されている。具体的には外壁部４５４はその両端部が各筒壁部４５２ａ、４５３ａに固定されている。外壁部４５４は複数の作動ガス配管４５１Ａの周囲に設けられている。複数の作動ガス配管４５１Ａと、各フランジ部４５２、４５３と、外壁部４５４との間に形成される空間は、熱交換により作動流体を冷却する流体である冷却水の通路となっている。

各フランジ部４５２、４５３それぞれの間の部分は本体部をなし、冷却器４５Ａでは具体的には作動ガス配管４５１Ａのうち、各フランジ部４５２、４５３の間の部分と、外壁部４５４とが本体部となっている。この点、第１のフランジ部４５２は本体部の一端部に、第２のフランジ部４５３は本体部の他端部にそれぞれ設けられたかたちとなっており、各フランジ部４５２、４５３は対向配置されている。

次に冷却器４５Ａの作用効果について説明する。スターリングエンジン１０Ａでは、高温の排気ガスに曝される加熱器４７に熱変形が発生する。そして加熱器４７が熱膨張すると、その影響が冷却器４５Ａに及ぶ。これに対して冷却器４５Ａは複数の作動ガス配管４５１Ａを備えた多管式構造を有し、且つ金属製の複数の作動ガス配管４５１Ａが細径となっている。このため冷却器４５Ａでは、複数の作動ガス配管４５１Ａが、第１のフランジ部４５２が第２のフランジ部４５３に対して３次元的に姿勢変化および移動することを可能にする弾性体として機能する。すなわち冷却器４５Ａでは、多管式構造を有することと、多管式構造を構成する金属製の複数の作動ガス配管４５１Ａを細径とすることにより、本体部の弾性を確保している。このため冷却器４５Ａは、図６に示すように加熱器４７の熱変形の影響を吸収できる。

また冷却器４５Ａでは、外壁部４５４を一端部から他端部にかけて面が波状に、且つ軸対称に湾曲した薄肉円筒状の形状に形成している。このため、冷却器４５Ａではかかる形状によって外壁部４５４の剛性を低減することができる。すなわちこのように外壁部４５４を形成したことで、外壁部４５４も弾性体として機能することができる。そしてこれにより、外壁部４５４は第１のフランジ部４５２の動きに追従して変形できるようになる。このため冷却器４５Ａは、外壁部４５４を備えていても上述のようにして加熱器４７の熱変形の影響を吸収できる。

また冷却器４５Ａでは、各作動ガス配管４５１Ａが各フランジ部４５２、４５３間の相対的な姿勢変化および移動を可能としている。そしてかかる構造は、加熱器４７の熱変形の影響を吸収するために必要な方向性の自由度および移動量を確保することが容易な構造となっている。このため冷却器４５Ａは、熱膨張後に加熱器４７に熱応力が残存することも好適に防止或いは抑制できる。

そしてこれらにより、冷却器４５Ａは、ピストン２１、３１と、シリンダ２２，３２と、近似直線機構との間の位置関係に影響が及ぶことを防止或いは抑制できる。そしてこれらにより冷却器４５Ａは、気体潤滑を行う微小クリアランスのクリアランス精度を適正に維持できなくなる結果、気体潤滑を適切に行えなくなることを防止或いは抑制できる。

なお、冷却器４５Ａは例えば次に示すように変形することもできる。図７に示す冷却器４５Ａ´は、外壁部４５４の代わりに外壁部４５４´を備えている点以外、冷却器４５Ａと実質的に同一のものとなっている。外壁部４５４´は弾性率の高い非金属の弾性体からなる円筒状の部材となっている。弾性体には具体的には例えば樹脂やゴムを適用することができる。外壁部４５４´は複数の作動ガス配管４５１Ａの周囲に設けられている。外壁部４５４´はその両端部が各フランジ部４５２、４５３（より具体的には各筒壁部４５２ａ、４５３ａ）に固定されている。かかる冷却器４５Ａ´によれば、冷却器４５Ａと同様に、外壁部４５４´を備えていても熱膨張後に加熱器４７に熱応力が残存することを好適に防止或いは抑制しつつ、加熱器４７の熱変形の影響を吸収できる。

本実施例にかかる冷却器４５Ｂが備える複数の作動ガス配管４５１Ｂについて、図８を用いて説明する。冷却器４５Ｂは各フランジ部４５２、４５３間の距離が冷却器４５Ａよりも短くなっている点と、複数の作動ガス配管４５１Ａの代わりに、湾曲形状を有する複数の作動ガス配管４５１Ｂを備えている点以外、冷却器４５Ａと実質的に同一のものとなっている。このため冷却器４５Ｂについては図示省略する。なお、冷却器４５Ｂは、理想的な作動流体の流通方向がクランク軸線ＣＬの延伸方向と直交するように（すなわち、換言すれば冷却器４５Ａと同様に）配置される。

ここで、冷却器４５Ｂは、よりコンパクト化を図るために各フランジ部４５２、４５３間の距離を冷却器４５Ａよりも短くしている。一方、この場合に仮に複数の作動ガス配管４５１Ａの長さを短縮しただけでは、各フランジ部４５２、４５３間で可能とされる相対的な移動の量や、姿勢変化の自由度が小さくなる。すなわち熱変形吸収量が小さくなる。

これに対して冷却器４５Ｂは、各作動ガス配管４５１Ｂが図８（ａ）に示すように湾曲した湾曲形状を有している。具体的には各作動ガス配管４５１Ｂが、一端部と他端部とを偏心させるとともに、少なくとも中間部でこれらを滑らかに接続するように湾曲した湾曲形状を有している。すなわち、かかる構造とした各作動ガス配管４５１Ｂは直線状に延伸した形状と比較して構造上、変形し易い形状を有している。このため冷却器４５Ｂは、冷却器４５Ａと比較して各フランジ部４５２、４５３間の距離が短くても、十分な熱変形吸収量を確保することができる。

なお、直線状に延伸した形状と比較して構造上、変形し易い形状は、その他の湾曲形状によっても実現することができる。例えば図８（ｂ）に示す作動ガス配管４５１Ｂ´は、両端部が同一線上に設けられるとともに、中間部が円弧状に湾曲した湾曲形状を有している。そしてかかる形状によっても、直線状に延伸した形状と比較して構造上、変形し易い形状を実現できる。
また例えば図８（ｃ）に示す作動ガス配管４５１Ｂ´´は、中間部がばね状に形成された湾曲形状を有している。そしてかかる形状によっても、直線状に延伸した形状と比較して構造上、変形し易い形状を実現できる。またかかる形状によれば、各フランジ部４５２、４５３間の距離がさらに短い場合であっても、十分な熱変形吸収量を確保することができる。

本実施例にかかる冷却器４５Ｃについて図９および図１０を用いて説明する。冷却器４５Ｃは、具体的に以下に示すようにして設けることとした第１および第２の冷却水配管接続部（以下、単に接続部と称す）４５５、４５６を備えている点以外、冷却器４５Ａと実質的に同一のものとなっている。図９に示すように、第１の接続部４５５は、第１のフランジ部４５２に設けられている。具体的には第１の接続部４５５は、第１の筒壁部４５２ａの側面に設けられている。第２の接続部４５６は、第２のフランジ部４５３に設けられている。具体的には第２の接続部４５６は、第２の筒壁部４５３ａの側面に設けられている。各接続部４５５、４５６は冷却水の流路と外部とを連通している。第１の接続部４５５は冷却水を導入するための導入部となっており、第２の接続部４５６は冷却水を排出するための排出部となっている。

次に第１の接続部４５５について図１０を用いてさらに具体的に説明する。なお、第２の接続部４５６には、第１の接続部４５５と同じ部品が用いられている。このため、ここでは代表して第１の接続部４５５について説明することとする。
図１０（ａ）に示すように、第１の接続部４５５は、外側部４５５ａと、中間部４５５ｂと、内側部４５５ｃとを備えている。
図１０（ｂ）に示すように、外側部４５５ａは断面形状が略一定の円形となる流路形状を備えている。
図１０（ｃ）に示すように、中間部４５５ｂは、外側部４５５ａから連続するとともに、流路断面積が等しくなるように、外側部４５５ａから内側部４５５ｃに向かって円形から長円状、或いは楕円状に断面形状が次第に変化する流路形状を備えている。
図１０（ｄ）に示すように、内側部４５５ｃは中間部４５５ｂから連続するとともに、断面形状が略一定の長円状、或いは楕円状となる流路形状を備えている。

そしてかかる流路形状を備えた第１の接続部４５５は、図１０（ａ）に示すように流路形状に沿った外観形状を有している。このため、内側部４５５ｃは円を圧縮したような扁平な形状に形成されている。そして第１の接続部４５５は、内側部４５５ｃのうち、扁平になっている面を、第１のフランジ部４５２の裏側フランジ面に合わせるように設けられている。

次に冷却器４５Ｃの作用効果について説明する。ここで、各接続部４５５、４５６を設けるにあたっては、具体的には例えば外壁部４５４に設けることも考えられる。ところが、各接続部４５５、４５６を外壁部４５４に設けた場合には、必要な剛性を確保するために外壁部４５４の肉厚を厚くする必要性が生じ、この結果、外壁部４５４が変形し難くなってしまう虞がある。
これに対して、冷却器４５Ｃでは、各接続部４５５、４５６を各フランジ部４５２、４５３に設けている。このため冷却器４５Ｃでは、外壁部４５４の剛性を高めることなく、各接続部４５５、４５６を備えることができる。
また冷却器４５Ｃでは、各接続部４５５、４５６を各筒壁部４５２ａ、４５３ａに設けている。そしてこのように各接続部４５５、４５６を設けることで、冷却器４５Ｃは、各接続部４５５、４５６を容易に各フランジ部４５２、４５３に設けることができる。

さらに冷却器４５Ｃでは、内側部４５５ｃを扁平な形状に形成するとともに、内側部４５５ｃのうち、扁平になっている面を、第１のフランジ部４５２の裏側フランジ面に合わせるように設けている。このため冷却器４５Ｃは、各フランジ部４５２、４５３間の距離の拡大、およびこれに伴う本体部の大型化を招くことなく、第１の接続部４５５を第１のフランジ部４５２に設けることができる。また内側部４５５ｃを扁平な形状に形成したことで、冷却器４５Ｃは、第１の筒壁部４５２ａの高さを必要最小限に抑制して、重量の低減やより容積の大きな冷却水の流路の確保を図ることができる。なお、この点は第２の接続部４５６についても同様である。

本実施例に係るスターリングエンジン１０Ｂについて、図１１および図１２を用いて説明する。スターリングエンジン１０Ｂは、ステイ７０をさらに備えている点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一のものとなっている。なお、冷却器４５Ａの代わりに例えば実施例２で前述した冷却器４５Ｂや実施例３で前述した冷却器４５Ｃを備えている点以外、スターリングエンジン１０Ａと同様のスターリングエンジンに対してさらにステイ７０を設けることも可能である。

図１１に示すように、スターリングエンジン１０Ｂは、クランク軸線ＣＬの延伸方向が水平になるように車両の床下に搭載されている。そして車両には、走行中に上下方向Ｖ２に沿った振動方向を有する振動が発生する。一方、図１２に示すように、スターリングエンジン１０Ｂはステイ７０を備えている。ステイ７０は再生器４６とクランクケース６０とを接続している。ステイ７０は気筒延伸方向Ｙに沿って延伸している。そして、これにより同時にステイ７０は上下方向Ｖ２と直交する方向にも延伸している。

次にスターリングエンジン１０Ｂの作用効果について説明する。図１２に示すように搭載されたスターリングエンジン１０Ｂは、車両走行中に上下方向Ｖ２に沿った振動方向を有する振動の影響を受けることになる。これに対してスターリングエンジン１０Ｂは、上下方向Ｖ２と直交する方向に延伸したステイ７０を備えている。このためスターリングエンジン１０Ｂは、冷却器４５Ａの本体部を弾性体としたことで、再生器４６や加熱器４７がクランクケース６０から見て加熱器４７の熱変形方向以外の方向に変位（振動方向に変位）することを抑制できる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例１では外壁部４５４を備えた冷却器４５Ａや、外壁部４５４´を備えた冷却器４５Ａ´について説明した。しかしながら本発明においては必ずしもこれに限られず、冷却器は両端部に固定された外壁部を有することなく、適宜の手段で冷却水の流路を形成するようにしてもよい。

また例えば上述した実施例３では、冷却水を流通させるにあたって好適であることなどから、第１の接続部４５５を第１のフランジ部４５２に設けるとともに、第２の接続部４５６を第２のフランジ部４５３に設けた冷却器４５Ｃについて説明した。しかしながら本発明においては必ずしもこれに限られず、例えば導入部および排出部はともに、両端部のいずれか一方に対して設けられてもよい。

また例えば上述した実施例４では、再生器４６とクランクケース６０とを接続するステイ７０を備えたスターリングエンジン１０Ｂについて説明した。しかしながら本発明においては必ずしもこれに限られず、補強部材は、加熱器とクランクケースと直接、或いは間接的に接続する補強部材であればよい。

１０スターリングエンジン
４５冷却器
４５１作動ガス配管
４５２第１のフランジ部
４５３第２のフランジ部
４５４外壁部
４５５第１の接続部
４５６第２の接続部
４６再生器
４７加熱器
５０グラスホッパの機構
１００熱交換部材

Claims

クランクケースと、
前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、
前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、
前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、
を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、
一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、
前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、
前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、
前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、
前記複数の金属製細管が湾曲形状を有するスターリングエンジンの冷却器。
クランクケースと、
前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、
前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、
前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、
を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、
一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、
前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、
前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、
前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、
前記外壁部が金属製の薄肉円筒状の部材であり、且つ湾曲形状を有するスターリングエンジンの冷却器。
クランクケースと、
前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、
前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、
前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、
を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、
一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、
前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、
前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、
前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、
前記外壁部が、非金属の弾性体であるスターリングエンジンの冷却器。
クランクケースと、
前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、
前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、
前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、
を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンに用いられ、
一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、
前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、
前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、
前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備え、
前記作動流体を熱交換により冷却する流体を導入するための導入部、および排出するための排出部を前記両端部にさらに備えたスターリングエンジンの冷却器。
クランクケースと、
前記クランクケースに一端部が固定されるとともに、クランク軸線の延伸方向と気筒延伸方向とが直交するように直列平行に配置された高温側気筒および低温側気筒と、
前記高温側気筒の他端部に一端部が固定されるとともに、概ねＵ字形の湾曲形状を有した加熱器と、
前記加熱器の他端部に一端部が固定された再生器と、
を備えるとともに、前記クランク軸線の延伸方向が、高温熱源を構成する流体の流通方向と平行になるように設けられるα型のスターリングエンジンであって、
一端部が前記再生器の他端部に固定されるとともに、他端部が前記低温側気筒の他端部に固定され、
前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の金属製細管を備えた多管式構造を有するとともに、前記作動流体の少なくとも理想的な流通方向が前記クランク軸線の延伸方向と直交するように配置され、
前記再生器および前記低温側気筒の他端部それぞれに固定される前記一端部および他端部である両端部と、前記複数の金属製細管とが一体構造となっており、
前記複数の金属製細管の周囲に設けられ、且つ前記両端部に固定された外壁部を備えたスターリングエンジンの冷却器、を備え、
一端部が前記加熱器または前記再生器に接続されるとともに、他端部が前記低温側気筒または前記クランクケースに接続される補強部材をさらに備えたスターリングエンジン。