JP5391799B2

JP5391799B2 - スターリングエンジンの熱交換器およびスターリングエンジン

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Publication number: JP5391799B2
Application number: JP2009099085A
Authority: JP
Inventors: 正章片山; 大作澤田; 寛矢口; 栄一神山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: JP2010249005A

Description

本発明はスターリングエンジンの熱交換器およびスターリングエンジンに関し、特に高温熱源を構成する流体との間で熱交換を行うスターリングエンジンの熱交換器、および当該熱交換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。スターリングエンジンを用いて内燃機関等の排熱を回収しようとする場合、摺動部の摩擦をできる限り低減して排熱の回収効率を向上させる必要がある。

これに対して例えば特許文献１では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成して両者の摩擦を低減するとともに、グラスホッパの機構を用いた近似直線機構でピストンを支持するスターリングエンジンが開示されている。
またスターリングエンジンの熱交換器で発生する熱変形に関する技術が例えば特許文献２で開示されている。特許文献２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２００５−１０６００９号公報特開２００７−９７８２号公報

図１５は加熱器４７Ｘを中心としたスターリングエンジン１０Ｘの要部を一例として模式的に示す図である。具体的には図１５では（ａ）で、スターリングエンジン１０Ｘの要部を示すとともに、（ｂ）で加熱器４７Ｘが熱膨張した後のスターリングエンジン１０Ｘの様子を示している。加熱器４７Ｘ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。高温側気筒２０および低温側気筒３０は図示しないピストンと、シリンダとをそれぞれ備えている。加熱器４７Ｘと低温側気筒３０との間には再生器４６が介在している。加熱器４７Ｘの両端部は固定されている。

加熱器４７Ｘ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（例えば排気ガス）に曝された加熱器４７Ｘでは、流通する作動流体と高温熱源との間で熱交換が行われる。一方、高温熱源に曝された加熱器４７Ｘは熱膨張する。このとき加熱器４７Ｘの両端部の位置関係は、熱膨張によって図１５（ｂ）に示すように変化する。そして加熱器４７Ｘ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。またこの場合には、当該微小クリアランスを通じて不適切な作動流体の漏れが発生する虞がある点でも問題があった。

一方、これに対して例えば特許文献２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。

なお、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代わりに、例えば当該微小クリアランスに影響が及ばない程度にヒータの剛性を高めることも考えられる。しかしながら、この場合にはヒータの重量が著しく増大し、この結果、車載用の装置としては商品性が悪化する虞があ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、固定したままの状態で熱変形の影響を低減でき、さらには熱膨張後に熱応力が残存することを防止或いは抑制可能なスターリングエンジンの熱交換器、および当該熱交換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、他の部分の熱変形を許容する変形許容部を一部に備え、高温熱源を構成する流体との間で熱交換を行うスターリングエンジンの熱交換器であって、前記変形許容部を、前記他の部分よりも構造上、剛性を低くした部分であって曲げ形状を備えた構造とし、前記変形許容部を少なくとも３箇所に備えたスターリングエンジンの熱交換器である。

また本発明は概ねＵ字形の湾曲形状を有するとともに、該湾曲形状の少なくとも一部を構成する湾曲部をさらに備え、前記変形許容部を前記湾曲部に設けるとともに、該湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって放射線状に拡大するように形成した構成であることが好ましい。

また本発明は気体潤滑が行われるピストンおよびシリンダと、前記シリンダが固定される基板とを備え、前記スターリングエンジンの熱交換器を前記基板を介して高温熱源を保有する高温熱源保有体に固定したスターリングエンジンである。

本発明によれば、固定したままの状態で熱変形の影響を低減でき、さらには熱膨張後に熱応力が残存することを防止或いは抑制できる。

加熱器４７Ａ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４７Ａを中心としたスターリングエンジン１０Ａの要部を模式的に示す図である。加熱器４７Ａが熱膨張した後のスターリングエンジン１０Ａの様子を模式的に示す図である。加熱器４７Ａの具体的な構成を模式的に示す図である。湾曲構造７１１を備えた場合の低剛性部７１Ａの具体的な構成を模式的に示す図である。Ｓ字構造７１２を備えた場合の低剛性部７１Ａの具体的な構成を模式的に示す図である。加熱器４７Ａ´を中心としたスターリングエンジン１０Ａ´の要部を模式的に示す図である。なお、スターリングエンジン１０Ａ´は加熱器４７Ａの代わりに加熱器４７Ａ´を備えている点以外、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。また、加熱器４７Ａ´は低剛性部７１Ａが全長中央の代わりに、排気ガスの流通方向Ｖ１の上流側に設けられている点以外、加熱器４７Ａと実質的に同一のものとなっている。加熱器４７Ｂを中心としたスターリングエンジン１０Ｂの要部を模式的に示す図である。低剛性部７１Ｂを３つ備えた理由についての説明図である。低剛性部７１Ｂを３つ以上備えた場合の各低剛性部７１Ｂの具体的な構造、およびその組み合わせの一例を示す図である。加熱器４７Ｃを模式的に示す図である。加熱器４７Ｄを模式的に示す図である。加熱器４７Ｅを排気管２００とともに示す模式図である。加熱器４７Ｘを中心としたスターリングエンジン１０Ｘの要部を模式的に示す図である。

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熱交換器である加熱器４７Ａ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直列並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。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４５と、再生器４６と、加熱器４７Ａとを備えている。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４７Ａ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４７Ａはその他端部が再生器４６の一端部である上面に固定されている。再生器４６はその他端部である下面が冷却器４５の一端部である上面に固定されている。冷却器４５はその他端部である下面が低温側気筒２０の他端部に固定されている。これにより加熱器４７Ａは、基板１５に間接的に固定されている。なお、加熱器４７Ａの両端部は基板１５に直接固定されてもよい。

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４７Ａで加熱された作動流体が流入する。加熱器４７Ａ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４７Ａ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。
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４５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４７Ａ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４７Ａ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４５へと流れる。冷却器４５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４７Ａ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４７Ａについてさらに具体的に説明する。加熱器４７Ａは概ねＵ字形の形状を有している。加熱器４７Ａ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４５、再生器４６および加熱器４７Ａ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４７Ａ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４７Ａが効率的に受熱するためには、加熱器４７Ａ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４７Ａ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４７Ａ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４７Ａ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４７Ａ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４７Ａを概ねＵ字形の形状に形成している。

ところで、加熱器４７Ａは本実施例ではさらに具体的には、図３に示すように湾曲態様が円弧状である半ドーナツ状の形状を有している。そしてこれにより、加熱器４７Ａは同時に湾曲態様が円弧状である湾曲部を１つ備えたかたちとなっている。この点、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、このように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４７Ａは変形許容部に相当する低剛性部７１Ａを備えている。低剛性部７１Ａは、加熱器４７Ａにおいて他の部分よりも構造上、剛性を低くした部分となっている。したがって、低剛性部７１Ａと他の部分とは同一の材質によって構成されている。低剛性部７１Ａは、加熱器４７Ａの全長中央の部分に１箇所設けられている。そしてこれにより、低剛性部７１Ａは同時に湾曲部に設けられたかたちとなっている。低剛性部７１Ａは、湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって放射線状に拡大するように形成されている。具体的には低剛性部７１Ａは、湾曲部の湾曲中心Ｏを中心位置とする放射線に沿って拡大するように形成されている。なお、例えばこのように低剛性部７１Ａを設けたことに対して、相対的に剛性が高くなった他の部分を高剛性部７２と称することとする。

次に加熱器４７Ａの作用効果について説明する。ここで、加熱器４７Ａ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４７Ａ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。そしてかかる状況において、高温の排気ガスに曝される加熱器４７Ａには熱変形が発生する。

これに対してスターリングエンジン１０Ａでは、加熱器４７Ａが、相対的に剛性が低くなっている低剛性部７１Ａで高剛性部７２の熱変形を許容する。具体的には加熱器４７Ａは、図４に示すように低剛性部７１Ａが加熱器４７Ａの延伸方向Ｖ２に沿って圧縮されるように変形することで、他の部分の熱変形を許容する。また低剛性部７１Ａを湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって放射線状に拡大したことで、加熱器４７Ａは湾曲部の湾曲形状内側から外側にかけて、バランス良く熱変形を許容することができる。この点、湾曲部の湾曲中心Ｏを中心位置とする放射線に沿って低剛性部７１Ａを拡大したことで、加熱器４７Ａは高剛性部７２から垂直に圧縮されるようにしてさらにバランス良く熱変形を許容できる。

このため加熱器４７Ａは、高温側シリンダ２２側および再生器４６側に位置する両端部を固定したままの状態でも、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。すなわち加熱器４７Ａによれば、両端部を固定したままの状態でも熱変形の影響を低減できる。したがって加熱器４７Ａによれば、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。そして加熱器４７Ａによれば、これにより当該微小クリアランスを通じて作動流体の漏れが発生することも防止或いは抑制できる。

なお、低剛性部７１Ａはさらに具体的には例えば以下に示すような構造によって実現することができる。この点につき、まず加熱器４７Ａのさらに具体的な構造について図５を用いて説明するとともに、低剛性部７１Ａの具体的な構造の一例について図６、図７を用いて説明する。なお、図５は全長中央位置における加熱器４７Ａ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。

図５に示すように、加熱器４７Ａはさらに具体的には複数の熱交換部材１００を備えている。複数の熱交換部材１００は具体的には第１から第５までの熱交換部材１０１から１０５までを備えている。第１の熱交換部材１０１は、第１の流路部材群８１と第１のフィン９１とを備えている。同様に、第２から第５までの熱交換部材１０２から１０５までは、第２から第５までの流路部材群８２から８５までをこの順に備えるとともに、第２から第５のフィン９２から９５までをこの順に備えている。また複数の熱交換部材１００を備えた加熱器４７Ａは、換言すれば複数の流路部材群として各流路部材群８１から８５までを、複数のフィンとして各フィン９１から９５までをそれぞれ備えている。

各流路部材群８１から８５までそれぞれは、作動流体の流路を形成する流路部材８６を複数備えている。各流路部材群８１から８５までには、各フィン９１から９５までがこの順に設けられている。流路部材８６それぞれは各フィン９１から９５までにおいて、湾曲部の湾曲形状に沿って延伸するとともに、湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって均等に配置されている。

各フィン９１から９５までそれぞれは、クランク軸線ＣＬおよび気筒延伸方向Ｙに直交する方向Ｖ３に沿った位置それぞれにおいて、湾曲部の湾曲形状に沿った形に形成された平板状の形状を有している。各フィン９１から９５までそれぞれは、方向Ｖ３に沿って互いに直列並行に等間隔で配置されている。各フィン９１から９５までそれぞれは、クランク軸線ＣＬの延伸方向（図５において紙面に垂直な方向）と平行になるように配置されている。各フィン９１から９５までそれぞれは加熱器４７Ａの両端部間で連続的に繋がっており、スリット等の切れ目は特段備えていない。

一方、このように構成された加熱器４７Ａに対して、低剛性部７１Ａは具体的には例えば図６に上面視で示すように、方向Ｖ３に沿って突出するように、各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれを同じ方向に単一的に滑らかに湾曲させた湾曲構造７１１各々を備えた構造とすることができる。このとき低剛性部７１Ａは、例えば図６に示すように低剛性部７１Ａ一箇所につき、各熱交換部材１０１から１０５まで１つあたりに、湾曲構造７１１を１つ備えた構造とすることができる。このように設けた各湾曲構造７１１は、高剛性部７２の熱膨張に応じて撓むことで、方向Ｖ２に沿って生じる熱膨張を許容することができる。

また低剛性部７１Ａは具体的には例えば図７に上面視で示すように、方向Ｖ３に沿って突出するように、各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれを同じ方向にＳ字状に湾曲させたＳ字構造７１２各々を備えた構造とすることができる。このとき低剛性部７１Ａは、例えば図７に示すように低剛性部７１Ａ一箇所につき、各熱交換部材１０１から１０５まで一つあたりに、Ｓ字構造７１２を１つ備えた構造とすることができる。このように設けた各Ｓ字構造７１２は、高剛性部７２の熱膨張に応じて撓むことで、方向Ｖ２に沿って生じる熱膨張を許容することができる。

一方、このようにして構造上、剛性を低くした低剛性部７１Ａを備えた場合には、図６、図７に示すように、各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれに設けられた湾曲構造７１１間またはＳ字構造７１２間に、両端の部分と比較して隙間が大きい部分Ｗができる。そして部分Ｗでは排気ガスの流通抵抗が小さくなることから、排気ガスが流通し易くなる。すなわち、例えばこのようにして構造上、剛性を低くした低剛性部７１Ａを備えた場合には、流通する排気ガスが部分Ｗを流通しようとする結果、部分Ｗの延伸方向に沿った指向性を有することになる。

これに対して加熱器４７Ａは、湾曲部の湾曲中心Ｏを中心位置とする放射線に沿って低剛性部７１Ａを拡大している。したがって加熱器４７Ａは、例えばこのようにして構造上、剛性を低くした低剛性部７１Ａを備えることで、排気ガスが到達しにくい加熱器４７Ａの湾曲部の湾曲形状内側に排気ガスを導くことができる。そして、このようにして排気ガスを導くにあたっては、図８に示す加熱器４７Ａ´のように、低剛性部７１Ａを全長中央の代わりに、排気ガスの流通方向Ｖ１上流側に設けることが好ましい。これにより、加熱器４７Ａ´の湾曲部の湾曲形状内側に排気ガスをより積極的に導くことができることから、伝熱面積をより有効に利用でき、以って熱交換性能を向上させることができる。
また例えばこのようにして構造上、剛性を低くした低剛性部７１Ａを備えることで、加熱器４７Ａ、４７Ａ´はさらに重量の著しい増大を招くことなく熱変形の影響を低減できる。

本実施例に係る加熱器４７Ｂについて図９を用いて説明する。スターリングエンジン１０Ｂは、加熱器４７Ａの代わりに加熱器４７Ｂを備えている点以外、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。加熱器４７Ｂは、低剛性部７１Ａの代わりに低剛性部７１Ｂを備えている点以外、加熱器４７Ａと実質的に同一のものとなっている。低剛性部７１Ｂは放射線状に拡大する度合いが低剛性部７１Ａよりも小さくなっている点以外、低剛性部７１Ａと実質的に同一のものとなっている。この点、加熱器４７Ｂは具体的には低剛性部７１Ｂを３つ備えており、低剛性部７１Ｂの大きさは低剛性部７１Ａの大きさのおよそ３分の１程度となっている。各低剛性部７１Ｂは、加熱器４７Ｂの全長に対してほぼ均等に設けられている。具体的には各低剛性部７１Ｂは、加熱器４７Ｂの全長中央の部分と、全長中央および両端部間それぞれの間、およそ中央の部分各々との３箇所に設けられている。

次に低剛性部７１Ｂを３つ備えた理由について図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は低剛性部７１Ｂを１つ備えた場合についての説明図であり、図１０（ｂ）は低剛性部７１Ｂを２つ備えた場合についての説明図であり、図１０（ｃ）は低剛性部７１Ｂを３つ備えた場合についての説明図である。なお、図１０では低剛性部７１Ｂおよび高剛性部７２をモデル化して示している。そしていずれの場合においても、低剛性部７１Ｂと高剛性部７２とは熱膨張前に一直線上に配置されているものとする。またいずれの場合においても、両端に配置された高剛性部７２は固定されているものとする。

ここで、例えば図１０（ａ）に示すように低剛性部７１Ｂが１つである場合であっても、低剛性部７１Ｂは高剛性部７２の熱膨張を許容することができる。しかしながらこの場合には、低剛性部７１Ｂがもとの直線からオフセットした状態で、熱膨張後の形状が維持されることになる。これは、低剛性部７１Ｂが１つである場合には、構造上、熱膨張によって両端の高剛性部７２にモーメントＭが発生し、熱応力が残存するためである。
また図１０（ｂ）に示すように、低剛性部７１Ｂを２つ備えた場合にも、低剛性部７１Ｂを１つ備えた場合と同様、低剛性部７１Ｂがもとの直線からオフセットした状態で、熱膨張後の形状が維持されることになる。
したがってこれらの場合には、残存した熱応力が気体潤滑を行う微小クリアランスのクリアランス精度に影響を及ぼす虞がある。

これに対して図１０（ｃ）に示すように、低剛性部７１Ｂを３つ備えた場合には、熱膨張後に熱応力が残存せず、両端の高剛性部７２がもとの直線上に配置されたままの状態となっている。これは、低剛性部７１Ｂを３つ備えた場合には、両端の高剛性部７２にモーメントＭが発生しようとすることに対して、各低剛性部７１Ｂの間に位置する高剛性部７２それぞれが姿勢変化をするように変形することで、熱応力の残存を防止或いは抑制可能な構造となっているためである。このため加熱器４７Ｂでは、低剛性部７１Ｂを３つ備えている。

次に加熱器４７Ｂの作用効果について説明する。加熱器４７Ｂでは低剛性部７１Ｂを３つ備えたことで、熱膨張後に熱応力が残存することを防止或いは抑制できる。このため加熱器４７Ｂは、加熱器４７Ａと比較してさらに熱応力が残存することにより、気体潤滑を行う微小クリアランスのクリアランス精度に影響が及ぶことを防止或いは抑制できる。

なお、低剛性部７１Ｂの数は少なくとも３つ以上であればよい。この点につき、次に低剛性部７１Ｂを３つ以上備えた場合の各低剛性部７１Ｂの具体的な構造、およびその組み合わせの一例についてさらに図１１を用いて説明する。なお、図１１では、各低剛性部７１Ｂそれぞれが、複数の熱交換部材１００を構成する熱交換部材１０１から１０５まで１つあたりに、１つの湾曲構造７１１或いは１つのＳ字構造７１２を備えている状態をまとめて簡略的に示すようにモデル化している。この点、各低剛性部７１Ｂそれぞれにおいて、各湾曲構造７１１または各Ｓ字構造７１２は方向Ｖ３に沿って同じ方向に突出するように湾曲している。また図１１では、各低剛性部７１Ｂそれぞれを湾曲構造７１１またはＳ字構造７１２のいずれかの符号によって示すようにしている。

ここで、低剛性部７１Ｂを３つ以上備えるにあたっては、具体的には低剛性部７１Ｂを奇数個備える場合と偶数個備える場合とが考えられる。
この点、例えば低剛性部７１Ｂを奇数個備える場合には、複数の熱交換部材１００において、隣り合う低剛性部７１Ｂそれぞれが、方向Ｖ３に沿って互いに逆向きに突出するように湾曲した湾曲構造７１１またはＳ字構造７１２を備えるとともに、中央に位置する低剛性部７１ＢがＳ字構造７１２を備えた構造とすることが好ましい。
一方、低剛性部７１Ｂを偶数個備える場合には、複数の熱交換部材１００において、隣り合う低剛性部７１Ｂそれぞれが、方向Ｖ３に沿って互いに逆向きに突出するように湾曲した湾曲構造７１１またはＳ字構造７１２を備えた構造とすることが好ましい。

このため、図１１（ａ）では３つの低剛性部７１Ｂのうち、中央の低剛性部７１ＢがＳ字構造７１２を備えるとともに、両端の低剛性部７１Ｂが湾曲構造７１１を備えている。
また図１１（ｃ）では４つの各低剛性部７１Ｂが湾曲構造７１１を備えている。
また図１１（ｄ）では５つの各低剛性部７１Ｂのうち、中央の低剛性部７１ＢがＳ字構造７１２を備えるとともに、その他の低剛性部７１Ｂが湾曲構造７１１を備えている。

そして、このようにして３つ以上の低剛性部７１Ｂを備えることで、例えば図１１（ｂ）に示すように、複数の熱交換部材１００において、各低剛性部７１Ｂの間に位置するとともに、隣り合っている高剛性部７２それぞれの熱膨張時の変形方向が、方向Ｖ３に沿って互いに逆向きになるようにすることができる。すなわち、方向Ｖ３に沿った変形をバランスの良い対称的な変形とすることができる。そしてこれにより、熱膨張後に両端に位置する高剛性部７２それぞれに熱応力が残存することを好適に防止或いは抑制できる。

一方、他の部分よりも構造上、剛性を低くするためには、例えば各フィン９１から９５までに対してスリットなどの穴を部分的に設けることでも実現できる。この点、低剛性部７１Ｂは曲げ形状によって実現されているため、熱膨張時に撓む方向を容易に決定することができる。このため、加熱器４７Ｂはかかる低剛性部７１Ｂの特性を利用し、各低剛性部７１Ｂをさらに具体的には例えば図１１（ａ）に示すように構成することによって、熱膨張後に両端に位置する高剛性部７２それぞれに熱応力が残存することをより好適に防止或いは抑制できる。また加熱器４７Ｂは、他の部分よりも構造上、剛性を低くするために穴加工をする場合と比較してコスト的にも有利である。

本実施例に係る加熱器４７Ｃについて、図１２を用いて説明する。なお、図１２では具体的には（ａ）で加熱器４７Ｃを模式的に示している。そして（ｂ）で、（ａ）に示した各位置Ｐ１からＰ５までに沿った低剛性部７１Ｃの形状を上面視で示すとともに、これらを並べて示している。また（ｂ）では、複数の熱交換部材１００を構成する各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれが複数の湾曲構造７１１を備えた状態をまとめて簡略的に示すようにモデル化している。この点、各熱交換部材１０１から１０５まで同士の間で、延伸方向Ｖ２に沿った位置が同じ湾曲構造７１１同士は、方向Ｖ３に沿って互いに同じ方向に突出するように湾曲している。

加熱器４７Ｃは、低剛性部７１Ａの代わりに低剛性部７１Ｃを備えている点以外、加熱器４７Ａと実質的に同一のものとなっている。低剛性部７１Ｃは各熱交換部材１０１から１０５まで１つあたりに複数の湾曲構造７１１を備えている点以外、低剛性部７１Ａと実質的に同一のものとなっている。加熱器４７Ｃは例えば加熱器４７Ａの代わりにスターリングエンジン１０Ａに適用することができる。
複数の湾曲構造７１１は、複数の熱交換部材１００において、湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって次第に数が多くなるように設定されている。このため、例えば図示のように排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って互いに位置が異なる位置Ｐ１からＰ５まで同士で比較すると、湾曲構造７１１の数は、湾曲部の湾曲形状の最も内側の位置Ｐ５から最も外側の位置Ｐ１に向かって次第に多くなっている。

次に加熱器４７Ｃの作用効果について説明する。加熱器４７Ｃでは、位置がより湾曲部の湾曲形状外側であるほど、複数の熱交換部材１００の全長がより長くなっている。このため加熱器４７Ｃでは、位置がより湾曲部の湾曲形状外側であるほど、熱変形による変形量がより大きくなる。これに対して加熱器４７Ｃでは、位置がより湾曲部の湾曲形状外側であるほど、複数の湾曲構造７１１の数が多くなるように設定されている。したがって加熱器４７Ｃでは、位置がより湾曲部の湾曲形状外側であるほど、より大きく変形することができる。このため加熱器４７Ｃでは、高剛性部７２の変形量の大きさに応じて熱膨張を好適に許容できる点で、加熱器４７Ａと比較してより好適に熱変形を許容することができる。

本実施例に係る加熱器４７Ｄについて、図１３を用いて説明する。なお、図１３では具体的には（ａ）で加熱器４７Ｄを模式的に示している。そして（ｂ）で、（ａ）に示した各位置Ｐ１からＰ５までに沿った低剛性部７１Ｄの形状を上面視で示すとともに、これらを並べて示している。また（ｂ）では、複数の熱交換部材１００を構成する各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれが一つのＳ字構造７１２を備えた状態をまとめて簡略的に示すようにモデル化している。この点、各熱交換部材１０１から１０５まで同士の間で、Ｓ字構造７１２同士は方向Ｖ３に沿って互いに同じ方向に突出するように設けられている。

加熱器４７Ｄは、低剛性部７１Ａの代わりに低剛性部７１Ｄを備えている点以外、加熱器４７Ａと実質的に同一のものとなっている。低剛性部７１Ｄは各熱交換部材１０１から１０５まで１つあたりに、以下に示すように設定された１つのＳ字構造７１２を具体的に備えることとした点以外、低剛性部７１Ａと実質的に同一のものとなっている。加熱器４７Ｄは例えば加熱器４７Ａの代わりにスターリングエンジン１０Ａに適用することができる。

Ｓ字構造７１２は、複数の熱交換部材１００において、湾曲形状内側から外側に向かって次第に曲率半径が大きくなるように設定されている。このため、例えば図示のように排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って互いに位置が異なる位置Ｐ１からＰ５までにおけるＳ字構造７１２それぞれの曲率半径をこの順にＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４、Ｒ_５とした場合に、これらの曲率半径の大小関係はＲ_１＞Ｒ_２＞Ｒ_３＞Ｒ_４＞Ｒ_５となっている。

次に加熱器４７Ｄの作用効果について説明する。加熱器４７Ｄでは加熱器４７Ｃと同様に、各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれにおいて、位置がより湾曲部の湾曲形状外側であるほど、熱変形による変形量がより大きくなる。これに対して加熱器４７Ｄでは、位置がより湾曲部の湾曲形状外側であるほど、Ｓ字構造７１２の曲率半径がより大きくなるように設定されている。したがって加熱器４７Ｄでは、位置がより湾曲部の湾曲形状外側であるほど、より大きく変形することができる。このため加熱器４７Ｄでは、高剛性部７２の変形量の大きさに応じて熱膨張を好適に許容できる点で、加熱器４７Ａと比較してより好適に熱変形を許容することができる。

また加熱器４７Ｄでは、低剛性部７１Ｄが、各熱交換部材１０１から１０５まで１つあたりに１つのＳ字構造７１２を備えた構造となっている。このため加熱器４７Ｄは、各熱交換部材１０１から１０５まで１つあたりに複数の湾曲構造７１１を備えた加熱器４７Ｃよりも作動流体の圧力損失を抑制することができる点でも好適である。

本実施例に係る加熱器４７Ｅについて図１４を用いて説明する。加熱器４７Ｅは、各低剛性部７１Ｂの配置が異なっている点と、両端部が基板１５に直接固定されている点以外、加熱器４７Ｂと実質的に同一のものとなっている。加熱器４７Ｅは、排気ガスの流通方向Ｖ１の下流側よりも上流側により多くの低剛性部７１Ｂを備えている。具体的には加熱器４７Ｅは、排気ガスの流通方向Ｖ１の上流側に２つの低剛性部７１Ｂを備えるとともに、排気ガスの流通方向Ｖ１の下流側に１つの低剛性部７１Ｂを備えている。加熱器４７Ｅは例えば加熱器４７Ａの代わりにスターリングエンジン１０Ａに適用することができる。基板１５に直接固定された加熱器４７Ｅは、基板１５を介して排気管２００に固定されている。

次に加熱器４７Ｅの作用効果について説明する。ここで、加熱器４７Ｅを基板１５に直接固定した場合であっても、加熱器４７Ｅの熱変形の影響は基板１５を介してピストン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及ぶ虞がある。これに対して加熱器４７Ｅは、低剛性部７１Ｂを備えている。このため加熱器４７Ｅは、かかる態様で熱変形の影響が及ぶ場合であっても、当該位置関係に熱変形の影響が及ぶことを防止或いは抑制できる。なお、この点は前述した加熱器４７Ａから４７Ｄまでについても同様である。
また加熱器４７Ｅでは、排気ガスの流通方向Ｖ１の上流側に設けられた２つの低剛性部７１Ｂそれぞれを流通する排気ガスＥｘが、加熱器４７Ｅの湾曲形状内側に積極的に導かれる。このため加熱器４７Ｅは例えば加熱器４７Ａ´や加熱器４７Ｂと比較してさらに熱交換性能を向上させることができる。

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では、大幅な重量の増大を招くことがないことなどから、熱変形許容部が高剛性部７２よりも構造上、剛性を低くした低剛性部７１である場合について説明した。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、熱変形許容部は例えば他の部分よりも材質的に柔軟な部分であってもよい。

また例えば上述した実施例では、作動流体の圧力損失が増大することを極力抑制することが可能であることなどから、低剛性部７１が湾曲構造７１１やＳ字構造７１２といった滑らかに湾曲した曲げ形状を備えた構造である場合について説明した。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、その他の部分よりも構造上、剛性を低くした部分は、例えば各熱交換部材それぞれにスリットなどの穴を設けた構造や、各熱交換部材それぞれに厚さを薄くした部分を設けた構造や、各熱交換部材それぞれを三角形や四角形などの多角形状に突出させた構造や、これらに対して湾曲した部分を組み合わせた構造などによって実現されてもよい。

また例えば上述した実施例では、複数の熱交換部材１００の数が５つである場合について説明した。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、例えば複数の熱交換部材の数はより多く設定されてもよい。

また例えば上述した実施例３では、低剛性部７１Ｃが、各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれにおいて、湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって次第に数が多くなるように設定された複数の湾曲構造７１１を備えた構造である場合について説明した。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、その他の部分よりも構造上、剛性を低くした部分は例えば各熱交換部材それぞれにおいて、湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって次第に数が多くなるように設定された複数のＳ字構造を備えた構造であってもよい。またこのときさらに複数の湾曲構造に対してＳ字構造を、或いは複数のＳ字構造に対して湾曲構造を適宜組み合わせてもよい。

また例えば上述した実施例４では、低剛性部７１Ｄが、各熱交換部材１０１から１０５までそれぞれにおいて、湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって次第に曲率半径が大きくなるように設定されたＳ字構造７１２各々を備えた構造である場合について説明した。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、その他の部分よりも構造上、剛性を低くした部分は例えば各熱交換部材それぞれにおいて、湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって次第に曲率半径が大きくなるように設定された湾曲構造各々を備えた構造であってもよい。

１０スターリングエンジン
４７加熱器
５０グラスホッパの機構
７１低剛性部
７１１湾曲構造
７１２Ｓ字構造
７２高剛性部
１００複数の熱交換部材

Claims

他の部分の熱変形を許容する変形許容部を一部に備え、高温熱源を構成する流体との間で熱交換を行うスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記変形許容部を、前記他の部分よりも構造上、剛性を低くした部分であって曲げ形状を備えた構造とし、
前記変形許容部を少なくとも３箇所に備えたスターリングエンジンの熱交換器。
請求項１記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
概ねＵ字形の湾曲形状を有するとともに、該湾曲形状の少なくとも一部を構成する湾曲部をさらに備え、
前記変形許容部を前記湾曲部に設けるとともに、該湾曲部の湾曲形状内側から外側に向かって放射線状に拡大するように形成したスターリングエンジンの熱交換器。
請求項１または２記載のスターリングエンジンの熱交換器を備えたスターリングエンジンであって、
気体潤滑が行われるピストンおよびシリンダと、
前記シリンダが固定される基板と、を備え、
前記スターリングエンジンの熱交換器を、前記基板を介して高温熱源を保有する高温熱源保有体に固定したスターリングエンジン。