JP5388108B2 - Stirling engine - Google Patents

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本発明はスターリングエンジンに関し、特に、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得るスターリングエンジンに係る。   The present invention relates to a Stirling engine, and more particularly to a Stirling engine that can convert heat energy into electric energy or the like using exhaust heat as a heat source.

近年、窯業炉、ごみ処理炉等から排出されている熱エネルギーを回収すべく、排熱を熱源として熱エネルギーを電気エネルギー等に変換し得る装置として、スターリングエンジンが注目されている。   In recent years, a Stirling engine has attracted attention as a device capable of converting heat energy into electric energy or the like using exhaust heat as a heat source in order to recover heat energy discharged from a ceramic furnace, a waste treatment furnace, or the like.

周知のように、スターリングエンジンの基本構成は、パワーピストンがシリンダ内に収容されると共に、空気等の作動流体を移動させるためのディスプレーサピストンが同シリンダ内に収容され、同シリンダの内壁面との隙間を維持して移動するように構成されたもので、これらパワーピストン及びディスプレーサピストンが一つのシリンダ内に収容されたものが一シリンダ式と呼ばれている。更に、ディスプレーサピストンの移動に伴いシリンダ内の作動流体が低温空間と高温空間との間を移動する際の熱効率を向上させるべく、ディスプレーサピストンはシリンダの内壁面に密着して摺動するように配置されると共に、シリンダの内壁面の外側に流路が形成され、この流路に再生器が配設された構成が一般的となっている。この再生器は、金属網等で形成された蓄熱式の熱交換器であり、ディスプレーサ自体が再生器の材料の金属網によってピストン形状に形成されたスターリングエンジンの模型も知られているが、実用に供し得るものではない。   As is well known, the basic configuration of a Stirling engine is that a power piston is accommodated in a cylinder, and a displacer piston for moving a working fluid such as air is accommodated in the cylinder. It is configured to move while maintaining a gap, and the one in which these power piston and displacer piston are accommodated in one cylinder is called a one-cylinder type. Furthermore, the displacer piston is arranged to slide in close contact with the inner wall surface of the cylinder in order to improve the thermal efficiency when the working fluid in the cylinder moves between the low temperature space and the high temperature space as the displacer piston moves. In addition, a configuration in which a flow path is formed outside the inner wall surface of the cylinder and a regenerator is disposed in the flow path is common. This regenerator is a regenerative heat exchanger formed of a metal mesh etc., and a model of a Stirling engine in which the displacer itself is formed in a piston shape by a metal mesh of the material of the regenerator is also known. It is not something that can be used.

そして、ディスプレーサピストンとパワーピストンがクランク機構を介して連結され、一定の位相差を維持しながら同軸上を往復動するように構成された機械リンク型(キネマチック型)と、クランク機構を必要としないフリーピストン型が知られており、後者の一例が下記の特許文献1に開示されている。   A displacer piston and a power piston are connected via a crank mechanism, and a mechanical link type (kinematic type) configured to reciprocate on the same axis while maintaining a constant phase difference, and a crank mechanism are required. A free piston type is known, and an example of the latter is disclosed in Patent Document 1 below.

特許文献1においては、「ディスプレーサピストンとパワーピストンが機械的に連結されていないフリーピストンスターリングエンジンでは、両ピストンの位相差を一定に保つことは困難」という課題に対し、「パワーピストンとスリーブ間およびパワーピストンとロッド間の摺動に伴う機械損失を軽減し、フレクシャースプリングという複雑で精度の高い高価なスプリングを使用しないで、低コストでディスプレーサピストン及びパワーピストンのセンターリング精度を高く維持でき、かつどのような運転条件下でもディスプレーサピストンとパワーピストンの軸方向動きの位相差を最適に保ち、エンジンの効率及び出力を高く維持する」ことを目的とし、「少なくとも前記ロッドと前記パワーピストンの摺動部の一方及び又は該パワーピストンとスリーブの摺動部の一方をDLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティング等の表面硬化処理し、かつ前記ロッドに一体に結合されたロッド可動部材と前記パワーピストンに一体に結合された可動部材および軸方向中間に位置しケースに固定された中間固定部材のそれぞれの間に、複数個のコイルスプリングを円周上に配置」することが提案されている。   In Japanese Patent Laid-Open No. 2004-260260, “the free piston Stirling engine in which the displacer piston and the power piston are not mechanically connected is difficult to keep the phase difference between the pistons constant” In addition, the mechanical loss associated with sliding between the power piston and the rod is reduced, and the centering accuracy of the displacer piston and power piston can be maintained at a low cost without using a complicated and highly accurate expensive spring called a flexure spring. The objective is to keep the phase difference between the axial movements of the displacer piston and the power piston optimal under any operating conditions and to maintain high engine efficiency and output. One of the sliding parts and / or the power pin One of the sliding parts of the ton and the sleeve is subjected to surface hardening treatment such as DLC (diamond-like carbon) coating, and the rod movable member integrally coupled to the rod and the movable member and shaft integrally coupled to the power piston It has been proposed to arrange a plurality of coil springs on the circumference between intermediate fixing members positioned in the middle of the direction and fixed to the case.

特開2005−061330号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-063130

上記特許文献1においてはディスプレーサピストン回りについて明確に記載されていないが、図面を見る限りシリンダの内壁面とディスプレーサピストンとの間にスリーブが介装され、その外側に作動流体の流路が形成され、この流路に再生器等が介装されている。つまり、ディスプレーサピストン側の構造は従来構造が踏襲されている。このため、「摺動部をDLC(ダイヤモンドライクカーボン)コーティング等の表面硬化処理」することとすれば、パワーピストンのみならずディスプレーサピストンを安定した状態で保持することができるものの、作動流体に対する流路抵抗が大となるだけでなく、スリーブ外側に流路を形成する複雑な構造自体が、熱効率の低下、筐体の大型化、重量増、ひいては製造コストの上昇を惹起することとなる。   In the above-mentioned Patent Document 1, the area around the displacer piston is not clearly described. However, as can be seen from the drawing, a sleeve is interposed between the inner wall surface of the cylinder and the displacer piston, and a flow path for the working fluid is formed outside the sleeve. A regenerator or the like is interposed in this flow path. That is, the structure on the displacer piston side follows the conventional structure. For this reason, if the “sliding portion is subjected to a surface hardening treatment such as DLC (diamond-like carbon) coating”, not only the power piston but also the displacer piston can be held in a stable state, Not only does the road resistance increase, but the complicated structure itself forming the flow path outside the sleeve causes a decrease in thermal efficiency, an increase in the size of the housing, an increase in weight, and an increase in manufacturing cost.

以上のように、従来のスターリングエンジンは、機械リンク型であるかフリーピストン型であるかを問わず、特にディスプレーサピストン回りの流動損失や摩擦損失が大きいため、結果的に作動温度が600℃以上、且つ、内部の作動流体が3.0Mpa程度の高圧であることが要求され、産業排熱として一般的な500℃前後の中温では作動させることが非常に困難であった。もちろん、高温、高圧に耐えるべく筐体も必然的に大型、堅牢とせざるを得ず、排熱回収器として実用に供することは現実的ではなかった。   As described above, regardless of whether the conventional Stirling engine is a mechanical link type or a free piston type, the flow temperature and the friction loss around the displacer piston are particularly large. In addition, the internal working fluid is required to have a high pressure of about 3.0 Mpa, and it is very difficult to operate at an intermediate temperature of about 500 ° C., which is a general industrial waste heat. Of course, the housing must inevitably be large and robust to withstand high temperatures and high pressures, and it was not realistic to put it into practical use as an exhaust heat recovery device.

そこで、本発明は、高温空間と低温空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストンがシリンダ内を往復移動するスターリングエンジンに関し、排熱を熱源として熱エネルギーを確実に電気エネルギー等に変換し得るスターリングエンジンを提供することを課題とする。   Therefore, the present invention relates to a Stirling engine in which a displacer piston reciprocates in a cylinder while a working fluid in a high temperature space and a low temperature space periodically moves through a regenerator. It is an object to provide a Stirling engine that can be converted into energy or the like.

上記課題を解決するために、本発明に係るスターリングエンジンは、シリンダ内にディスプレーサピストンを収容して高温空間と低温空間を形成し、両空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつ前記ディスプレーサピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動すると共に、前記ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記シリンダの内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記再生器を筒体に形成すると共に前記ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の外壁面と前記シリンダの内壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持するように構成したものである。 In order to solve the above problems, a Stirling engine according to the present invention accommodates a displacer piston in a cylinder to form a high temperature space and a low temperature space, and the working fluid in both spaces moves periodically via a regenerator. In the Stirling engine, the displacer piston is reciprocated in the axial direction of the cylinder, and a power piston arranged coaxially with the displacer piston is reciprocated in the axial direction of the cylinder. The displacer piston is moved axially to the power piston so as to maintain a constant annular gap between the inner wall surface of the cylinder and the outer wall surface of the displacer piston over the entire length of the reciprocating movement trajectory of the displacer piston. rotatably supported to become, thereby forming the regenerator cylindrical body An annular recess is formed on the outer wall surface of the displacer piston, and the regenerator is fitted into the annular recess, and the outer wall surface of the regenerator extends over the entire length of the reciprocating movement path of the displacer piston in the cylinder. The displacer piston is supported by the power piston so as to be axially movable so as to maintain a constant clearance in the circumferential direction between the inner wall surface of the cylinder and the reciprocating movement of the displacer piston in the cylinder. An annular flow path having a certain gap is maintained with respect to the working fluid .

あるいは、前記シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持することとしてもよい。更に、前記シリンダがシリンダヘッドと筒体のシリンダ本体を接合して成り、該シリンダ本体と前記シリンダヘッドとの接合部を含む前記シリンダの内壁面に前記環状凹部を形成し、前記再生器が前記接合部を被覆するように前記環状凹部に嵌着したものとしてもよい。   Alternatively, an annular recess is formed in the inner wall surface of the cylinder, the regenerator is fitted into the annular recess, and the inner wall surface of the regenerator is extended over the entire length of the reciprocating movement path of the displacer piston in the cylinder. The displacer piston is supported by the power piston so as to be axially movable so as to maintain a constant clearance in the circumferential direction between the outer wall surface of the displacer piston, and the displacer piston is reciprocated in the cylinder. It is good also as maintaining the annular flow path of the said fixed gap with respect to the said working fluid during a movement. Further, the cylinder is formed by joining a cylinder head and a cylindrical cylinder body, the annular recess is formed in an inner wall surface of the cylinder including a joint portion between the cylinder body and the cylinder head, and the regenerator It is good also as what was fitted in the said annular recessed part so that a junction part may be coat | covered.

そして、上記のスターリングエンジンにおいて、前記再生器は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成することができ、前記再生器は、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して前記積層筒体を形成することとしてもよい。   And in the above Stirling engine, the regenerator can be composed of a laminated cylinder having a plurality of metal net layers, and the regenerator has a winding end after winding a single metal net a plurality of times. It is good also as forming the said laminated cylinder body by welding.

本発明は上述のように構成されているので以下に記載の効果を奏する。即ち、上記の構成になるスターリングエンジンによれば、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダの内壁面とディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、ディスプレーサピストンがパワーピストンに軸方向移動可能に支持され、筒体の再生器が環状間隙内に配置され、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を維持するように、再生器がシリンダ及びディスプレーサピストンの一方に支持されているので、簡単な構成で、作動流体に対する流路抵抗を抑えつつ、ディスプレーサピストンの円滑な作動を確保することができる。従って、産業排熱を熱源とした場合でも、効率的に熱エネルギーを電気エネルギー等に変換することができる。特に、ディスプレーサピストンを軸方向移動可能に支持するパワーピストンの支持部をDLCコーティング等によって表面硬化処理することとすれば、ディスプレーサピストンを安定した状態で保持することができ、シリンダ内でのディスプレーサピストンの往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を一層確実に維持することができる。   Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below. That is, according to the Stirling engine configured as described above, a constant annular gap is maintained between the inner wall surface of the cylinder and the outer wall surface of the displacer piston over the entire length of the reciprocating movement path of the displacer piston in the cylinder. In addition, the displacer piston is supported by the power piston so as to be axially movable, a cylindrical regenerator is disposed in the annular gap, and during the reciprocating movement of the displacer piston in the cylinder, an annular flow with a constant gap with respect to the working fluid is provided. Since the regenerator is supported by one of the cylinder and the displacer piston so as to maintain the path, the smooth operation of the displacer piston can be ensured with a simple configuration while suppressing the flow resistance against the working fluid. . Therefore, even when industrial waste heat is used as a heat source, heat energy can be efficiently converted into electric energy or the like. In particular, if the support portion of the power piston that supports the displacer piston so as to be movable in the axial direction is subjected to surface hardening treatment by DLC coating or the like, the displacer piston can be held in a stable state, and the displacer piston in the cylinder can be held. During the reciprocating movement, an annular flow path having a constant gap with respect to the working fluid can be more reliably maintained.

上記スターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、この環状凹部に再生器を嵌着することとし、あるいは、シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、この環状凹部に再生器を嵌着することとしても、作動流体に対し一定の間隙の環状流路を維持するように構成することができる。   In the Stirling engine, an annular recess is formed on the outer wall surface of the displacer piston, and a regenerator is fitted into the annular recess, or an annular recess is formed on the inner wall surface of the cylinder, and the regenerator is installed in the annular recess. Even if it fits, it can comprise so that the annular flow path of a fixed gap may be maintained with respect to a working fluid.

そして、上記のスターリングエンジンにおいて、複数の金属網層を有する積層筒体で再生器を構成することができ、特に、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して積層筒体を形成することとすれば簡単且つ安価に形成することができる。   In the above Stirling engine, the regenerator can be constituted by a laminated cylinder having a plurality of metal mesh layers. In particular, after winding a single metal mesh a plurality of times, the winding end is welded and laminated. If a cylindrical body is formed, it can be formed easily and inexpensively.

本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal section showing the basic composition of the Stirling engine concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成の一部を拡大して示す縦断面図である。1 is an enlarged longitudinal sectional view showing a part of the basic configuration of a Stirling engine according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に供する再生器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the regenerator with which it uses for one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成の一部を拡大して示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which expands and shows a part of basic composition of the Stirling engine which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the specific structure of the Stirling engine which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの具体的な構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the specific structure of the Stirling engine which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の更に他の実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the basic composition of the Stirling engine which concerns on further another embodiment of this invention. 本発明を発電機に適用してスターリングエンジン発電機を構成するときの制御回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a control circuit when applying this invention to a generator and comprising a Stirling engine generator. 図8の制御回路による作動を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the action | operation by the control circuit of FIG.

以下、本発明の望ましい実施形態に関し、図面を参照して説明する。図1に本発明の一実施形態に係るスターリングエンジンの基本構成を示し、図2及び図3にその一部を拡大し、あるいは抜き出して示している。図4は他の実施形態に係るスターリングエンジンの特徴部分の構成を示し、その具体的な構造を図5及び図6に示している。何れの実施形態も機械リンク型(キネマチック型)で発電機一体式のスターリングエンジンであり、例えば、図8に示すスターリングエンジン発電機SEに供される。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a basic configuration of a Stirling engine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 and FIG. FIG. 4 shows a configuration of a characteristic part of a Stirling engine according to another embodiment, and a specific structure thereof is shown in FIGS. Any of the embodiments is a mechanical link type (kinematic type) and generator-integrated Stirling engine, and is used in, for example, a Stirling engine generator SE shown in FIG.

図1に示すように、ハウジング1に、スターリングエンジンのシリンダ10と、電動モータ及び発電機として機能するモータジェネレータ2が固定され、両者が後述するように連結されている。シリンダ10内にはディスプレーサピストン20が収容され、高温空間HSと低温空間LSが形成され、両空間の作動流体が再生器30を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン20がシリンダ10の軸方向に往復移動すると共に、ディスプレーサピストン20と同軸上に配置されたパワーピストン40がシリンダ10の軸方向に往復移動するように構成されている。シリンダ10はシリンダヘッド11と筒体のシリンダ本体12が溶接接合されたもので、シリンダ10内でのディスプレーサピストン20の往復移動軌跡の全長に亘り、シリンダ10の内壁面とディスプレーサピストン20の外壁面との間に一定の環状間隙CC(クリアランスd1)を維持するように、ディスプレーサピストン20がパワーピストン40に軸方向移動可能に支持されている。   As shown in FIG. 1, a cylinder 10 of a Stirling engine and a motor generator 2 that functions as an electric motor and a generator are fixed to the housing 1, and both are connected as described later. A displacer piston 20 is accommodated in the cylinder 10 to form a high temperature space HS and a low temperature space LS, and the displacer piston 20 moves in the axial direction of the cylinder 10 while the working fluid in both spaces periodically moves through the regenerator 30. The power piston 40 disposed coaxially with the displacer piston 20 is configured to reciprocate in the axial direction of the cylinder 10. The cylinder 10 is formed by welding a cylinder head 11 and a cylindrical cylinder body 12, and covers the inner wall surface of the cylinder 10 and the outer wall surface of the displacer piston 20 over the entire length of the reciprocating movement locus of the displacer piston 20 in the cylinder 10. The displacer piston 20 is supported by the power piston 40 so as to be movable in the axial direction so as to maintain a constant annular gap CC (clearance d1) therebetween.

そして、金属網によって筒状に形成された再生器30が環状間隙CC内に配置され、シリンダ10内でのディスプレーサピストン20の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路CPを維持するように、再生器30がディスプレーサピストン20に支持されている。上記の作動流体は気体であり、本実施形態ではヘリウムガスが用いられているが、空気を用いることとしてもよい。   A regenerator 30 formed in a cylindrical shape by a metal mesh is disposed in the annular gap CC, and maintains an annular flow path CP having a constant gap with respect to the working fluid during the reciprocating movement of the displacer piston 20 in the cylinder 10. Thus, the regenerator 30 is supported by the displacer piston 20. The working fluid is a gas, and helium gas is used in this embodiment, but air may be used.

シリンダ本体12の中間部の外壁面には環状溝12gが形成されると共に、環状凹部12rが形成されている。そして、環状溝12gにC字状のリング部材15が嵌合されると共に、環状凹部12rを覆うように支持筒体13が配置され、環状凹部12rの軸方向両端部に配設されるシールリング(代表して14で表す)を介して液密的に固定されている。支持筒体13の中間部にはフランジ部13fが一体的に形成されており、フランジ部13fがハウジング1に螺着されると、ハウジング1の開口段部1sにシールリング14を介して支持筒体13が液密的に固定されるように構成されている。この場合において、リング部材15はハウジング1の開口段部1sに当接し、ハウジング1と支持筒体13との間に挟持された状態で保持されるので、シリンダ本体12ひいてはシリンダ10のハウジング1に対する軸方向の位置を所定の位置に設定する(位置決めを行う)ことができる。   An annular groove 12g is formed on the outer wall surface of the intermediate portion of the cylinder body 12, and an annular recess 12r is formed. Then, a C-shaped ring member 15 is fitted in the annular groove 12g, and the support cylinder 13 is disposed so as to cover the annular recess 12r. The seal ring is disposed at both axial ends of the annular recess 12r. (Represented by 14 as a representative). A flange portion 13f is integrally formed at an intermediate portion of the support cylinder 13, and when the flange portion 13f is screwed to the housing 1, the support cylinder is connected to the opening step portion 1s of the housing 1 via the seal ring 14. The body 13 is configured to be fixed in a liquid-tight manner. In this case, the ring member 15 abuts against the opening step 1 s of the housing 1 and is held between the housing 1 and the support cylinder 13, so that the cylinder body 12 and the cylinder 10 with respect to the housing 1 are held. The position in the axial direction can be set to a predetermined position (positioning is performed).

支持筒体13には冷却媒体流入部FI及び冷却媒体流出部FOが設けられており、環状凹部12rと支持筒体13によって画成される環状空間CL内に冷却媒体(例えば水)が冷却媒体流入部FIから導入され、冷却媒体流出部FOから排出されるように構成されており、これらによって冷却器が構成され、シリンダ本体12内に低温空間LSが形成される。一方、シリンダヘッド11には複数の集熱フィン11fが設けられており、これらの集熱フィン11fを介して熱源(図示せず)によってシリンダヘッド11が加熱され、シリンダヘッド11内に高温空間HSが形成されるように構成されている。このように、高温空間HSと低温空間LSとの間に再生器30が位置するように、再生器30を装着したディスプレーサピストン20がシリンダ10内に収容されている。而して、両空間の作動流体が再生器30を介して周期的に移動しつつディスプレーサピストン20がシリンダ10の軸方向に往復移動し得る構成となる。   The support cylinder 13 is provided with a cooling medium inflow portion FI and a cooling medium outflow portion FO, and the cooling medium (for example, water) is cooled in the annular space CL defined by the annular recess 12r and the support cylinder 13. It is configured to be introduced from the inflow portion FI and discharged from the cooling medium outflow portion FO, thereby forming a cooler, and a low temperature space LS is formed in the cylinder body 12. On the other hand, the cylinder head 11 is provided with a plurality of heat collecting fins 11f. The cylinder head 11 is heated by a heat source (not shown) through these heat collecting fins 11f, and the high temperature space HS is formed in the cylinder head 11. Is formed. Thus, the displacer piston 20 with the regenerator 30 mounted therein is accommodated in the cylinder 10 so that the regenerator 30 is positioned between the high temperature space HS and the low temperature space LS. Thus, the displacer piston 20 can reciprocate in the axial direction of the cylinder 10 while the working fluid in both spaces periodically moves through the regenerator 30.

図1に示す実施形態においては、図2に拡大して示すように、ディスプレーサピストン20の外壁面に環状凹部20rが形成され、この環状凹部20rに再生器30が嵌着され、シリンダ10内でのディスプレーサピストン20の往復移動軌跡の全長に亘り、再生器30の外壁面とシリンダ10の内壁面との間が周方向に一定の間隙(クリアランスd2。当然乍ら、d2<d1)を維持するように、ディスプレーサピストン20がパワーピストン40に支持されており、シリンダ10内でのディスプレーサピストン20の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙(d2)の環状流路CPを維持するように構成されている。   In the embodiment shown in FIG. 1, as shown in an enlarged view in FIG. 2, an annular recess 20 r is formed on the outer wall surface of the displacer piston 20, and a regenerator 30 is fitted into the annular recess 20 r, A constant gap (clearance d2; naturally, d2 <d1) is maintained between the outer wall surface of the regenerator 30 and the inner wall surface of the cylinder 10 over the entire length of the reciprocating trajectory of the displacer piston 20. As described above, the displacer piston 20 is supported by the power piston 40 and is configured to maintain the annular flow path CP having a constant gap (d2) with respect to the working fluid during the reciprocating movement of the displacer piston 20 in the cylinder 10. Has been.

本実施形態の再生器30は、複数の金属網層を有する積層筒体で構成され、例えば図3に再生器30を抜き出して示したように、一枚の金属網が複数回巻回された後に巻端部がスポット溶接されて積層筒体が形成される。あるいは、ディスプレーサピストン20の外壁面に直接金属網を複数回巻回して端部をスポット溶接等で固着することとしてもよい。更に、これに代えて、蓄熱量の確保と通気抵抗の低減を両立させ得る他の部材を用いることとしてもよい。   The regenerator 30 of the present embodiment is composed of a laminated cylinder having a plurality of metal net layers. For example, as shown in FIG. 3 by extracting the regenerator 30, a single metal net is wound a plurality of times. Later, the winding end is spot welded to form a laminated cylinder. Alternatively, the metal net may be wound directly around the outer wall surface of the displacer piston 20 and the end may be fixed by spot welding or the like. Furthermore, it may replace with this and may use the other member which can make the securing of heat storage amount and reduction of ventilation resistance compatible.

前述のように、ディスプレーサピストン20はパワーピストン40に軸方向移動可能に支持されている。即ち、ディスプレーサピストン20にはロッド50が固着されており、このロッド50がパワーピストン40を貫通してシリンダ10外に延出し、パワーピストン40に軸方向移動可能に支持されている。このロッド50及び/又はパワーピストン40の支持部に対し前述のDLCコーティング等の表面硬化処理を行うこととすれば、ディスプレーサピストン40を安定した状態で保持することができ、シリンダ10内でのディスプレーサピストン40の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙の環状流路CPを一層確実に維持することができる。更に、パワーピストン40とシリンダ10の摺動部分等にも、DLCコーティング等による表面硬化処理を施しておくとよい。   As described above, the displacer piston 20 is supported by the power piston 40 so as to be movable in the axial direction. That is, a rod 50 is fixed to the displacer piston 20, and this rod 50 extends out of the cylinder 10 through the power piston 40 and is supported by the power piston 40 so as to be movable in the axial direction. If the surface hardening process such as the DLC coating described above is performed on the support portion of the rod 50 and / or the power piston 40, the displacer piston 40 can be held in a stable state, and the displacer in the cylinder 10 can be held. During the reciprocating movement of the piston 40, the annular flow path CP having a constant gap with respect to the working fluid can be more reliably maintained. Furthermore, it is preferable to subject the sliding portion between the power piston 40 and the cylinder 10 to a surface hardening treatment by DLC coating or the like.

また、パワーピストン40にはロッド60の一端が揺動自在に支持されており、その他端に回転可能に支持されたプレート71に対し、ロッド50の先端部に揺動自在に支持されたリンク72が、揺動自在に連結されており、これらによってクランク機構70が構成され、フライホイール80を介してモータジェネレータ2に連結されている。尚、モータジェネレータ2は、例えば周知の永久磁石同期電動機によって構成され、電動モータ及び発電機として機能するものであり、その構造についての説明は省略するが、その発電制御については図8及び図9を参照して後述する。   Further, one end of a rod 60 is swingably supported by the power piston 40, and a link 72 swingably supported at the tip of the rod 50 with respect to a plate 71 rotatably supported at the other end. The crank mechanism 70 is constituted by these components and is connected to the motor generator 2 via the flywheel 80. The motor generator 2 is constituted by, for example, a known permanent magnet synchronous motor, and functions as an electric motor and a generator. The description of the structure is omitted, but the power generation control is shown in FIGS. Will be described later with reference to FIG.

以上のように、本実施形態のシリンダ10内には、従来のスターリングエンジンのようなスリーブもその外側の環状通路も設けられていない。また、ディスプレーサピストン20にも従来のようなピストンリングやシールも存在しない。しかも、シリンダ10の内壁面とディスプレーサピストン20の外壁面は、常に一定の間隙(クリアランスd1)を維持するように設定されている。具体的には、DLCコーティング等によってロッド50が最小のクリアランスでパワーピストン40に軸方向移動可能に支持されているので、環状間隙CCは常に一定に維持される。そして、従来のスリーブ外側の独立通路に代わって、環状流路CPが、高温空間HSと低温空間LS間の作動流体の移動を積極的に導通する流路として機能する。このように軸方向に直線的な環状間隙CC内に再生器30の外周側略半分だけが露出し、環状流路CPが確保されており、従来の冷却部は存在しないので、通気抵抗を最小にすることができる。尚、環状間隙CC及び環状流路CPを適宜設定することによって、最小限の流体抵抗に調整することができる。   As described above, in the cylinder 10 of the present embodiment, neither a sleeve like a conventional Stirling engine nor an annular passage outside thereof is provided. Further, the displacer piston 20 does not have a conventional piston ring or seal. Moreover, the inner wall surface of the cylinder 10 and the outer wall surface of the displacer piston 20 are set so as to always maintain a constant gap (clearance d1). Specifically, since the rod 50 is supported by the power piston 40 so as to be axially movable with a minimum clearance by DLC coating or the like, the annular gap CC is always maintained constant. Instead of the conventional independent passage outside the sleeve, the annular flow path CP functions as a flow path that actively conducts the movement of the working fluid between the high temperature space HS and the low temperature space LS. In this way, only about half of the outer periphery of the regenerator 30 is exposed in the annular gap CC linear in the axial direction, the annular flow path CP is secured, and there is no conventional cooling section, so that the ventilation resistance is minimized. Can be. In addition, it is possible to adjust the minimum fluid resistance by appropriately setting the annular gap CC and the annular flow path CP.

次に、本発明の他の実施形態について図4乃至図6を参照して説明する。図1に示す実施形態においては、図2に拡大して示すように、再生器30がディスプレーサピストン20に支持されているのに対し、図4乃至図6に示す他の実施形態においては、再生器30はシリンダ10に支持されている。即ち、図4に要部を拡大して示すように、シリンダ10の内壁面に環状凹部10rが形成され、この環状凹部10rに再生器30が嵌着され、シリンダ10内でのディスプレーサピストン20の往復移動軌跡の全長に亘り、再生器30の内壁面とディスプレーサピストン20の外壁面との間が周方向に一定の間隙(クリアランスd2)を維持するように、ディスプレーサピストン20がパワーピストン40に支持されており、シリンダ10内でのディスプレーサピストン20の往復移動中、作動流体に対し一定の間隙(d2)の環状流路CPを維持するように構成されている。   Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the embodiment shown in FIG. 1, the regenerator 30 is supported by the displacer piston 20 as shown in an enlarged view in FIG. 2, whereas in the other embodiments shown in FIGS. The vessel 30 is supported by the cylinder 10. That is, as shown in an enlarged view of the main portion in FIG. 4, an annular recess 10 r is formed on the inner wall surface of the cylinder 10, and the regenerator 30 is fitted into the annular recess 10 r, so that the displacer piston 20 in the cylinder 10 is fitted. The displacer piston 20 is supported by the power piston 40 so that a constant gap (clearance d2) is maintained in the circumferential direction between the inner wall surface of the regenerator 30 and the outer wall surface of the displacer piston 20 over the entire length of the reciprocating trajectory. During the reciprocating movement of the displacer piston 20 in the cylinder 10, the annular flow path CP having a constant gap (d2) is maintained with respect to the working fluid.

特に、シリンダ本体12とシリンダヘッド11との接合部10cを含むシリンダ10の内壁面に、環状凹部10rが形成されており、再生器30は接合部10cを被覆するように環状凹部10rに嵌着されている。従って、接合部10cはディスプレーサピストン20の移動軌跡に露出することはなく、当然乍ら、ディスプレーサピストン20が接合部10cに直接摺接することはない。図5及び図6は、図4(及び図1)に示す実施形態の具体的構成例であり、図1乃至図3に示す部材と実質的に同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。これらの図において2点鎖線で示すように、ハウジング1に対し、例えば4本の剛性部材の支持柱体RSによって剛柱部材の円盤RPが固定され、この円盤RPが熱源の配管等(図示せず)に固着され、この中にシリンダヘッド11の集熱フィン11f部分が収容された状態でハウジング1が支持される。例えば、後述する図11の排熱筒EXに装着される場合には、図5及び図6の右側が下方で左側が上方となるように配置される。尚、図5は高温空間HSが最小容量で低温空間LSが最大容量の状態を示し、図6は高温空間HSが最大容量で低温空間LSが最小容量の状態を示す。   In particular, an annular recess 10r is formed on the inner wall surface of the cylinder 10 including the joint 10c between the cylinder body 12 and the cylinder head 11, and the regenerator 30 is fitted into the annular recess 10r so as to cover the joint 10c. Has been. Accordingly, the joint portion 10c is not exposed to the movement path of the displacer piston 20, and naturally, the displacer piston 20 does not directly contact the joint portion 10c. 5 and 6 are specific configuration examples of the embodiment shown in FIG. 4 (and FIG. 1), and members substantially the same as those shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals and described. Is omitted. In these drawings, as indicated by a two-dot chain line, a rigid column member disk RP is fixed to the housing 1 by, for example, four rigid member support columns RS, and the disk RP is a heat source pipe or the like (not shown). The housing 1 is supported in a state in which the heat collecting fins 11f of the cylinder head 11 are accommodated therein. For example, in the case of being mounted on the exhaust heat cylinder EX of FIG. 11 described later, the right side and the left side of FIG. 5 and FIG. 5 shows a state in which the high temperature space HS has a minimum capacity and the low temperature space LS has a maximum capacity, and FIG. 6 shows a state in which the high temperature space HS has a maximum capacity and the low temperature space LS has a minimum capacity.

本実施形態は上記のように構成されているので、簡単な構成で、作動流体に対する流路抵抗を抑えつつ、ディスプレーサピストンの円滑な作動を確保することができる。従って、500℃前後の産業排熱を熱源とした場合でも、効率的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができるので、排熱回収器として実用に供することができる。例えば、ディスプレーサピストン20を軸方向移動可能に支持するパワーピストン40の支持部に対し、DLCコーティング等の表面硬化処理することとすれば、ディスプレーサピストン20を安定した状態で保持することができ、500℃前後の中温の排熱で、作動流体が1Mpa以下の圧力でも、一定の間隙の環状流路CPを確実に維持しつつ、ディスプレーサピストン20の円滑な往復移動を行うことができる。しかも、従来装置におけるピストンリング、スリーブ、独立通路等を必要としないため、従来装置に比し高効率化が可能となることは勿論、小型、軽量化が可能となり、製造コストを低く抑えることができ、信頼性、耐久性も向上する。   Since the present embodiment is configured as described above, the smooth operation of the displacer piston can be ensured with a simple configuration while suppressing the flow resistance against the working fluid. Therefore, even when industrial exhaust heat at around 500 ° C. is used as a heat source, heat energy can be efficiently converted into electric energy, so that it can be put to practical use as an exhaust heat recovery device. For example, if the support portion of the power piston 40 that supports the displacer piston 20 so as to be movable in the axial direction is subjected to surface hardening treatment such as DLC coating, the displacer piston 20 can be held in a stable state. The displacer piston 20 can be smoothly reciprocated while the annular flow path CP having a constant gap is reliably maintained even when the working fluid has a pressure of 1 Mpa or less with a medium temperature exhaust heat of about 1C. Moreover, since the piston ring, sleeve, independent passage, etc. in the conventional device are not required, it is possible to increase the efficiency as compared with the conventional device, as well as to reduce the size and weight, and to keep the manufacturing cost low. This improves reliability and durability.

図7は本願発明の更に他の実施形態を示すもので、所謂フリーピストン型のスターリングエンジンを構成したものである。本実施形態におけるシリンダ10内の構成は図4乃至図6の実施形態と実質的に同じであり、実質的に同じ部材には同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態のハウジング1は二つのケース1a及び1bが接合されて成り、両ケースの接合部に支持プレート1cが固定されている。ケース1aには支持部材17が固着されており、支持部材17は、シリンダ10の内壁面に連続してシリンダ内壁面を形成するシリンダ部を有し、このシリンダ部にパワーピストン40が摺動自在に収容される。支持部材17のシリンダ部周りには、コイル101及びヨーク102が固着されており、これらと対向するように、ケース1aの内壁面にヨーク103が固着されている。これらのヨーク102及び103間に環状の永久磁石104が介装されてリニアモータジェネレータ100が構成され、パワーピストン40の往復動に追従した永久磁石104の軸方向移動に応じて発電し、コイル101から電力が出力される。   FIG. 7 shows still another embodiment of the present invention, which constitutes a so-called free piston type Stirling engine. The configuration within the cylinder 10 in the present embodiment is substantially the same as that of the embodiment of FIGS. 4 to 6, and substantially the same members are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The housing 1 of the present embodiment is formed by joining two cases 1a and 1b, and a support plate 1c is fixed to a joint portion between both cases. A support member 17 is fixed to the case 1a. The support member 17 has a cylinder portion that forms a cylinder inner wall surface continuously with the inner wall surface of the cylinder 10, and the power piston 40 is slidable in the cylinder portion. Is housed in. A coil 101 and a yoke 102 are fixed around the cylinder portion of the support member 17, and a yoke 103 is fixed to the inner wall surface of the case 1a so as to face them. An annular permanent magnet 104 is interposed between the yokes 102 and 103 to constitute a linear motor generator 100. The linear motor generator 100 generates electric power according to the axial movement of the permanent magnet 104 following the reciprocating motion of the power piston 40, and the coil 101 Output power.

パワーピストン40の先端にはプレート41が固着され、このプレート41の外周部に上記の永久磁石104が装着されているので、パワーピストン40の軸方向往復動に応じてリニアモータジェネレータ100が発電することになる。一方、ディスプレーサピストン20に固定されているロッド50は、パワーピストン40を貫通し支持プレート1cを越えて延出し、その先端部にプレート51が固着されており、プレート51とプレート41が支持プレート1cを介して平行に配置されている。そして、図7に示すように、プレート41及び51の両側にはコイルスプリング(代表してSPで示す)が配設され、夫々、ハウジング1に対してフローティング状態で支持(浮動支持)されている。而して、本実施形態ではコイル101、ヨーク102、103、及び永久磁石104によってリニアモータジェネレータ100が構成され、スターリングエンジンの始動時は電動モータのスタータとして作動すると共に、自立運転時には発電機及び負荷調整機として機能する。   Since the plate 41 is fixed to the tip of the power piston 40 and the permanent magnet 104 is mounted on the outer periphery of the plate 41, the linear motor generator 100 generates power in accordance with the axial reciprocation of the power piston 40. It will be. On the other hand, the rod 50 fixed to the displacer piston 20 passes through the power piston 40 and extends beyond the support plate 1c, and a plate 51 is fixed to the tip thereof, and the plate 51 and the plate 41 are connected to the support plate 1c. Are arranged in parallel with each other. As shown in FIG. 7, coil springs (typically indicated by SP) are disposed on both sides of the plates 41 and 51, and are supported in a floating state (floating support) with respect to the housing 1, respectively. . Thus, in the present embodiment, the linear motor generator 100 is configured by the coil 101, the yokes 102 and 103, and the permanent magnet 104. The linear motor generator 100 operates as a starter of the electric motor when the Stirling engine is started, and the generator and Functions as a load adjuster.

以上のように、本願発明はフリーピストン型への適用も可能であるが、その場合の仕事の取り出し方としては、リニアモータジェネレータ(リニアモータ及び発電機)の組込み一体化が望ましい。また、パワーピストン40とディスプレーサピストン20との間の相対位相差を制御するには、図7に示すように複数のコイルスプリングSPを配置することに代えて、従前のようにフレクシャースプリングを用いることとしてもよい。更に、両ピストン間の相対位相差制御に上記のリニアモータジェネレータを用いてもよいし、相対位相差制御手段を付加することとしてもよい。尚、作用させる熱源としては高温に限らず、例えばマイナス162℃程度のLNGガス等の低温媒体を用いることも可能である。   As described above, the present invention can be applied to a free piston type, but as a method of taking out work in that case, it is desirable to incorporate a linear motor generator (linear motor and generator). Also, in order to control the relative phase difference between the power piston 40 and the displacer piston 20, a flexure spring is used as before instead of arranging a plurality of coil springs SP as shown in FIG. It is good as well. Furthermore, the linear motor generator may be used for the relative phase difference control between the two pistons, or a relative phase difference control means may be added. Note that the heat source to be acted on is not limited to a high temperature, and it is also possible to use a low-temperature medium such as an LNG gas of about minus 162 ° C., for example.

次に、図8は、図1に示すスターリングエンジン及びモータジェネレータを備えたスターリングエンジン発電機SEの発電制御に供する制御回路の一例を示すもので、スターリングエンジンに対し加熱側を構成するシリンダヘッド11が排熱筒EX内に延出するように装着されており、排熱筒EX内を通過する高温の排出ガスにシリンダヘッド11が曝され、加熱される。モータジェネレータ2は主回路201により、これを断続するリレーRC1を介して直流電源202に接続され、この主回路201に対し三つの回路が並列接続されている。第1の回路は回転数代用回路で、相対的に小さい抵抗203と相対的に大きい抵抗204が直列接続され、相対的に大きい抵抗204の両端電圧Vsが0乃至10Vの範囲で変化するように設定される。この電圧Vsはエンジン回転に比例するので、回転数を表す値として用いられる。第2の回路はダミー抵抗回路で、発電容量を吸収可能な容量のダミー抵抗205と、これに至る回路を断続するリレーRC2によって構成される。そして、第3の回路がバッテリ充電回路で、これを断続するリレーRC3とバッテリ207との間に充電コントローラ206が介装されている。この充電コントローラ206により発電側の0乃至30Vの電圧が約14Vに調圧され、12Vのバッテリ207に供給されて充電される。また、この充電コントローラ206を介して、外部に取り付けられた冷却ファン208への電力の供給も行なわれる。   Next, FIG. 8 shows an example of a control circuit used for power generation control of the Stirling engine generator SE including the Stirling engine and the motor generator shown in FIG. 1, and the cylinder head 11 constituting the heating side with respect to the Stirling engine. Is mounted so as to extend into the exhaust heat cylinder EX, and the cylinder head 11 is exposed to high-temperature exhaust gas passing through the exhaust heat cylinder EX and heated. The motor generator 2 is connected to a DC power source 202 by a main circuit 201 via a relay RC1 that intermittently connects the motor generator 2, and three circuits are connected in parallel to the main circuit 201. The first circuit is a rotation speed substitute circuit, in which a relatively small resistor 203 and a relatively large resistor 204 are connected in series so that the voltage Vs across the relatively large resistor 204 changes in the range of 0 to 10V. Is set. Since this voltage Vs is proportional to the engine speed, it is used as a value representing the rotational speed. The second circuit is a dummy resistor circuit, and includes a dummy resistor 205 having a capacity capable of absorbing the power generation capacity, and a relay RC2 that intermittently connects the circuit leading to the dummy resistor 205. The third circuit is a battery charging circuit, and a charge controller 206 is interposed between the relay RC3 and the battery 207 for intermittently connecting the third circuit. The voltage of 0 to 30V on the power generation side is regulated to about 14V by the charge controller 206, and supplied to the 12V battery 207 for charging. In addition, power is supplied to the cooling fan 208 attached to the outside via the charge controller 206.

図8では、バッテリ207の電力利用の一例として、DC−ACコンバータ209によりDC12VからAC100Vに変換され、照明等の外部機器210に利用される。この電力利用側の外部機器210とスターリングエンジン発電機SEが発生する電力をほぼ等しくして、ダミー抵抗205による消費電力を少なくすることが望ましい。   In FIG. 8, as an example of power use of the battery 207, the DC-AC converter 209 converts the voltage from DC 12 V to AC 100 V and uses the external device 210 such as lighting. It is desirable that the power generated by the external device 210 on the power use side and the Stirling engine generator SE be substantially equal to reduce the power consumed by the dummy resistor 205.

図9は、図8の制御回路による作動を説明するフローチャートで、ステップS1にて起動されると、リレーRC1及びRC3はオフ(遮断状態)でリレーRC2がオン(導通状態)とされる。シリンダヘッド11が加熱されて、ステップS2にて熱源温度(排熱筒EX内の温度)Tgが基準値Tk(例えば500℃)を越えたと判断されると、ステップS3に進みリレーRC1がオンとされ、モータジェネレータ2が電動モータとして機能しスターリングエンジンが起動される。その約2秒後に、ステップS4において前述の回転数代用電圧Vsが基準電圧Vlを越えたと判定されて、スターリングエンジン発電機SEとしての自立が確認されると、ステップS5に進みリレーRC3がオンとされ、モータジェネレータ2によって発電された電力はバッテリ207に充電される。   FIG. 9 is a flowchart for explaining the operation of the control circuit of FIG. 8. When activated in step S1, the relays RC1 and RC3 are turned off (disconnected state) and the relay RC2 is turned on (conducted state). When the cylinder head 11 is heated and it is determined in step S2 that the heat source temperature (temperature in the exhaust heat cylinder EX) Tg has exceeded a reference value Tk (for example, 500 ° C.), the process proceeds to step S3 and the relay RC1 is turned on. Then, the motor generator 2 functions as an electric motor and the Stirling engine is started. Approximately 2 seconds later, when it is determined in step S4 that the aforementioned rotation speed substitute voltage Vs has exceeded the reference voltage Vl, and the independence of the Stirling engine generator SE is confirmed, the process proceeds to step S5 and the relay RC3 is turned on. The battery 207 is charged with the electric power generated by the motor generator 2.

スターリングエンジン発電機SEは作動流体が常に一定であるため、加熱側の温度(排熱筒EX内の温度)が変動しても出力される電圧は0乃至30Vの範囲で変動するだけであるが、バッテリ207の充電状態に応じて(発電)負荷側に変動が生ずると、スターリングエンジンに対しては略一定で入力されるためエンジン回転が大きく変動する。例えば、バッテリ207が満充電に近くなり、発電機側(モータジェネレータ2側)の負荷が低くなると、相対的に電圧Vsが高くなる。この結果、ステップS6にて電圧Vsが基準電圧Vh以上となったと判定されると、エンジン過回転に至る前にステップS7に進み、リレーRC3がオフとされて(このときリレーRC2はステップS1のオン位置)、発電された電力はダミー抵抗205で消費される。これにより、ステップS6にて電圧Vsが基準電圧Vh未満となったと判定されると、ステップS8にてリレーRC3がオンに戻されて、ステップS9に進む。尚、ステップS6にて電圧Vsが基準電圧Vhを下回っていると判定された場合には、リレーRC3はオン状態に維持されてそのままステップS9に進む。   Since the working fluid of the Stirling engine generator SE is always constant, even if the temperature on the heating side (the temperature in the exhaust heat cylinder EX) varies, the output voltage varies only in the range of 0 to 30V. When fluctuation occurs on the (power generation) load side in accordance with the state of charge of the battery 207, the engine rotation fluctuates greatly because it is input to the Stirling engine at a substantially constant value. For example, when the battery 207 is nearly fully charged and the load on the generator side (motor generator 2 side) becomes low, the voltage Vs becomes relatively high. As a result, if it is determined in step S6 that the voltage Vs has become equal to or higher than the reference voltage Vh, the process proceeds to step S7 before the engine overspeeds, and the relay RC3 is turned off (at this time, the relay RC2 is in step S1). On position), the generated electric power is consumed by the dummy resistor 205. Accordingly, when it is determined in step S6 that the voltage Vs has become less than the reference voltage Vh, the relay RC3 is turned back on in step S8, and the process proceeds to step S9. If it is determined in step S6 that the voltage Vs is lower than the reference voltage Vh, the relay RC3 is maintained in the on state and the process proceeds to step S9.

一方、バッテリ207が完全放電状態にある場合は発電機側の負荷が増大するので、電圧Vsが低くなる。この結果、ステップS9にて電圧Vsが基準電圧Vl以下となったと判定されると、ステップS10に進みリレーRC2がオフとされ、ダミー抵抗205の回路が遮断される。これにより、エンジン回転数が回復し、ステップS9にて電圧Vsが基準電圧Vlを越えたと判定されると、ステップS11にてリレーRC2がオンに戻されて、モータジェネレータ2の全出力がバッテリ207の充電に供されることになる。而して、ステップS12にて終了判定が行われ、終了でなければステップS6に戻り、終了と判定されるまでステップS6乃至S11の処理が繰り返される。   On the other hand, when the battery 207 is in a fully discharged state, the load on the generator side increases, so the voltage Vs decreases. As a result, if it is determined in step S9 that the voltage Vs has become equal to or lower than the reference voltage Vl, the process proceeds to step S10, the relay RC2 is turned off, and the circuit of the dummy resistor 205 is cut off. As a result, the engine speed is recovered, and when it is determined in step S9 that voltage Vs has exceeded reference voltage Vl, relay RC2 is turned back on in step S11, and all outputs of motor generator 2 are connected to battery 207. Will be used for charging. Thus, an end determination is made in step S12. If not completed, the process returns to step S6, and the processes in steps S6 to S11 are repeated until it is determined to end.

以上のように、バッテリ207が満充電近傍にある場合等、発電機側の負荷が軽くなり、エンジン回転数が過回転の状態に入り、電圧Vsが基準電圧Vh以上となった場合には、バッテリ207に対する充電回路が遮断されて、発電側がダミー抵抗205に接続され、エンジン回転が正常に戻されると共に、ダミー抵抗205によって発電分の一部が吸収される。これに対し、バッテリ207の電力が消費されて空放電に近い状態から充電が開始されると、当初は充電電流が大きいため負荷が増大し、エンジン回転数が低下する傾向となる。この結果、電圧Vsが基準電圧Vl以下となった場合には、発電機側のダミー抵抗205の回路が遮断され、エンジン回転数の回復が促され、充電コントローラ206を介して発電機側の電圧が14V乃至30Vとなるように制御され、バッテリ207への充電が適切に行なわれる。   As described above, when the battery 207 is in the vicinity of full charge, the load on the generator side becomes light, the engine speed enters an overspeed state, and the voltage Vs becomes equal to or higher than the reference voltage Vh. The charging circuit for the battery 207 is shut off, the power generation side is connected to the dummy resistor 205, the engine rotation is returned to normal, and a part of the power generation is absorbed by the dummy resistor 205. On the other hand, when the power of the battery 207 is consumed and charging is started from a state close to empty discharge, initially, the charging current is large, so the load increases and the engine speed tends to decrease. As a result, when the voltage Vs becomes equal to or lower than the reference voltage Vl, the circuit of the dummy resistor 205 on the generator side is cut off, recovery of the engine speed is promoted, and the voltage on the generator side is Is controlled to be 14V to 30V, and the battery 207 is appropriately charged.

而して、ダミー抵抗205の回路の断続により、外部熱源の温度条件の変化あるいは負荷状態の変化に影響されることなく、安定した状態で、スターリングエンジン発電機SEによってバッテリ207を充電することができる。尚、熱源温度が充分高いにも拘らず発生電圧Vsがゼロ(0)の場合には、スターリングエンジンが停止状態にあることを示しているので、速やかにモータ起動し、スターリングエンジンを常に稼動状態に維持し得るように制御するとよい。   Thus, the battery 207 can be charged by the Stirling engine generator SE in a stable state without being affected by the change in the temperature condition of the external heat source or the change in the load state due to the intermittent circuit of the dummy resistor 205. it can. If the generated voltage Vs is zero (0) even though the heat source temperature is sufficiently high, this indicates that the Stirling engine is in a stopped state, so that the motor is started quickly and the Stirling engine is always in operation. It is good to control so that it may be maintained.

1 ハウジング
2 モータジェネレータ
10 シリンダ
11 シリンダヘッド
12 シリンダ本体
13 支持筒体
15 リング部材
20 ディスプレーサピストン
30 再生器
40 パワーピストン
50,60 ロッド
70 クランク機構
80 フライホイール
100 リニアモータジェネレータ
101 コイル
104 永久磁石
HS 高温空間
LS 低温空間
CC 環状間隙
CP 環状流路
CL 環状空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 2 Motor generator 10 Cylinder 11 Cylinder head 12 Cylinder main body 13 Support cylinder 15 Ring member 20 Displacer piston 30 Regenerator 40 Power piston 50, 60 Rod 70 Crank mechanism 80 Flywheel 100 Linear motor generator 101 Coil 104 Permanent magnet HS High temperature Space LS Low temperature space CC Annular gap CP Annular flow path CL Annular space

Claims (5)

シリンダ内にディスプレーサピストンを収容して高温空間と低温空間を形成し、両空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつ前記ディスプレーサピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動すると共に、前記ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記シリンダの内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記再生器を筒体に形成すると共に前記ディスプレーサピストンの外壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の外壁面と前記シリンダの内壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持することを特徴とすスターリングエンジン。 A displacer piston is accommodated in the cylinder to form a high temperature space and a low temperature space, and the displacer piston reciprocates in the axial direction of the cylinder while the working fluid in both spaces periodically moves through the regenerator, In a Stirling engine configured such that a power piston arranged coaxially with the displacer piston reciprocates in the axial direction of the cylinder, the cylinder moves over the entire length of the reciprocating trajectory of the displacer piston in the cylinder. The displacer piston is supported by the power piston so as to be axially movable so as to maintain a constant annular gap between the inner wall surface and the outer wall surface of the displacer piston, and the regenerator is formed in a cylindrical body. an annular recess formed on the outer wall surface of said displacer piston with, the The regenerator is fitted in a concave portion, and a constant gap is provided between the outer wall surface of the regenerator and the inner wall surface of the cylinder over the entire length of the reciprocating movement path of the displacer piston in the cylinder. The displacer piston is supported by the power piston so as to be movable in the axial direction so as to maintain a constant pressure, and the annular flow path having the constant gap with respect to the working fluid during the reciprocating movement of the displacer piston in the cylinder. Stirling engine you and maintains the. シリンダ内にディスプレーサピストンを収容して高温空間と低温空間を形成し、両空間の作動流体が再生器を介して周期的に移動しつつ前記ディスプレーサピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動すると共に、前記ディスプレーサピストンと同軸上に配置したパワーピストンが前記シリンダの軸方向に往復移動するように構成されたスターリングエンジンにおいて、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記シリンダの内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間に一定の環状間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記再生器を筒体に形成すると共に前記シリンダの内壁面に環状凹部を形成し、該環状凹部に前記再生器を嵌着し、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動軌跡の全長に亘り、前記再生器の内壁面と前記ディスプレーサピストンの外壁面との間が周方向に一定の間隙を維持するように、前記ディスプレーサピストンを前記パワーピストンに軸方向移動可能に支持して成り、前記シリンダ内での前記ディスプレーサピストンの往復移動中、前記作動流体に対し前記一定の間隙の環状流路を維持することを特徴とすスターリングエンジン。 A displacer piston is accommodated in the cylinder to form a high temperature space and a low temperature space, and the displacer piston reciprocates in the axial direction of the cylinder while the working fluid in both spaces periodically moves through the regenerator, In a Stirling engine configured such that a power piston arranged coaxially with the displacer piston reciprocates in the axial direction of the cylinder, the cylinder moves over the entire length of the reciprocating trajectory of the displacer piston in the cylinder. The displacer piston is supported by the power piston so as to be axially movable so as to maintain a constant annular gap between the inner wall surface and the outer wall surface of the displacer piston, and the regenerator is formed in a cylindrical body. an annular recess formed on the inner wall surface of the cylinder together, wherein the annular recess A living device is fitted, and a constant gap is maintained in the circumferential direction between the inner wall surface of the regenerator and the outer wall surface of the displacer piston over the entire length of the reciprocating movement locus of the displacer piston in the cylinder. As described above, the displacer piston is supported by the power piston so as to be movable in the axial direction, and the annular flow path with the constant gap is maintained with respect to the working fluid during the reciprocating movement of the displacer piston in the cylinder. Stirling engine characterized in that. 前記シリンダがシリンダヘッドと筒体のシリンダ本体を接合して成り、該シリンダ本体と前記シリンダヘッドとの接合部を含む前記シリンダの内壁面に前記環状凹部を形成し、前記再生器が前記接合部を被覆するように前記環状凹部に嵌着して成ることを特徴とする請求項記載のスターリングエンジン。 The cylinder is formed by joining a cylinder head and a cylindrical cylinder body, the annular recess is formed in an inner wall surface of the cylinder including a joint portion between the cylinder body and the cylinder head, and the regenerator is the joint portion. The Stirling engine according to claim 2 , wherein the Stirling engine is fitted into the annular recess so as to cover the engine. 前記再生器は、複数の金属網層を有する積層筒体であることを特徴とする請求項1乃至の何れか一項に記載のスターリングエンジン。 The Stirling engine according to any one of claims 1 to 3 , wherein the regenerator is a laminated cylinder having a plurality of metal net layers. 前記再生器は、一枚の金属網を複数回巻回した後に巻端部を溶接して前記積層筒体を形成することを特徴とする請求項記載のスターリングエンジン。 5. The Stirling engine according to claim 4 , wherein the regenerator winds a metal net a plurality of times and welds a winding end portion to form the laminated cylindrical body.
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