JP5463858B2 - スターリングエンジン - Google Patents

Description

本発明は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、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関し、例えば特許文献１では、並べて配置された一対の気筒と、アーチ状に屈曲した形状を有し、当該一対の気筒同士を連通する熱交換器とを備えたスターリングエンジンが開示されている。
このほか本発明と関連性があると考えられる技術として、例えば特許文献２または３では、クランクシャフトのクランクピン位相を所定の位相に設定したエンジンが開示されている。

特開２００５−２４８９２２号公報 特開平７−３１７５５５号公報 国際公開第２００５／０６８８７２号パンフレット

特許文献１が開示するスターリングエンジンでは、排気ガスがアーチ状に屈曲した熱交換器の延伸方向に沿って流通する。このため、このスターリングエンジンでは、熱交換器に対する排気ガスの当たりが延伸方向に沿って不均一になり易くなっている。またこのスターリングエンジンでは、熱交換器の内部を流通する作動流体の流路長が、内周側と外周側とで異なってくる。このためこのスターリングエンジンでは、作動流体の全体的な流れが不均一になり易くなっている。そして、かかる事情は熱交換のばらつきによる熱効率の低下を招くことから、このスターリングエンジンでは、高い熱効率を実現することが構造的に制限され易くなっている点で問題があった。

一方、スターリングエンジンでは、ピストンとシリンダとの潤滑に気体潤滑を適用することで、両者の摩擦を低減し、排熱の回収効率を向上させることができる。この点、特許文献１が開示するスターリングエンジンでは、ピストンとシリンダとの潤滑に気体潤滑を適用しているところ、シリンダ・ピストン間のクリアランスは数十μm程度の微小クリアランスに設定されている。しかしながら、このスターリングエンジンでは構造上、熱交換器の熱膨張が、シリンダを変形させるように作用したり、一対のシリンダの間隔を押し広げるように作用したりし易くなっている。このためこのスターリングエンジンでは、熱交換器の熱歪の影響が当該微小クリアランスにまで及ぶ結果、スターリングエンジンを軽量コンパクトに構成しつつ、適正なクリアランス精度を維持することが必ずしも容易ではない点で問題があった。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、構造的な観点から高い熱効率の実現を可能にすることができ、さらには熱交換器の熱歪が及ぼす悪影響を抑制することが可能な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、作動流体を往復流動させる少なくとも一対の気筒と、前記一対の気筒間を往復流動する作動流体を流通させるとともに、高温熱源を構成する流体である内燃機関の排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器であるヒータと、を備え、作動流体を流通させるにあたり、前記ヒータが直線状に延伸した中空部材であるヒータパイプを複数備え、複数の前記ヒータパイプの延伸方向と前記排気ガスの流通方向とが直交するように、前記ヒータを配置したスターリングエンジンである。

また本発明は前記一対の気筒を対向配置するとともに、複数の前記ヒータパイプを前記一対の気筒の延伸方向に沿って直線状に延伸させた構成であることが好ましい。

また本発明において、前記内燃機関は前記排気ガスが通過する排気管を備え、
前記ヒータは、前記排気管の内部に配置されている構成であることが好ましい。

また本発明は前記一対の気筒が、低温側気筒と、該低温側気筒よりも温度が高温になる高温側気筒であり、前記一対の気筒を複数備える場合に、前記ヒータを挟んで一方の側に前記低温側気筒それぞれを配置するとともに、他方の側に前記高温側気筒それぞれを配置した構成であることが好ましい。

また本発明は前記低温側気筒それぞれに対応させて設けられた低温側クランクシャフトと、前記高温側気筒それぞれに対応させて設けられた高温側クランクシャフトとをさらに備え、前記低温側クランクシャフトおよび前記高温側クランクシャフトそれぞれのクランクピン位相差を、３６０°を等分して得られる値に設定した構成であることが好ましい。

本発明によれば、構造的な観点から高い熱効率の実現を可能にすることができ、さらには熱交換器の熱歪が及ぼす悪影響を抑制することができる。

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を内燃機関１００とともに模式的に示す図である。 スターリングエンジン１０Ａの外観を模式的に示す図である。 支持構造体９０を模式的に示す図である。 図３に示す矢印Ａに沿って切断した際の断面を示す図である。 図３に示す矢印Ｂに沿って切断した際の断面を示す図である。 スターリングエンジン１０Ｂを模式的に示す図である。 一対の気筒が３つの場合のクランクピン位相差の設定例を模式的に示す図である。なお、図中、＃Ｐ１から＃Ｐ３までは片側３気筒の各気筒の配列順に応じた気筒番号を示している。 一対の気筒が４つの場合のクランクピン位相差の設定例を模式的に示す図である。なお、図中、＃Ｐ１から＃Ｐ４までは片側４気筒の各気筒の配列順に応じた気筒番号を示している。また（ａ）ではクランクピン位相差を１８０°に設定した場合について、（ｂ）クランクピン位相差を９０°に設定した場合についてそれぞれ示している。

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。

スターリングエンジン１０Ａについて、図１、図２を用いて説明する。スターリングエンジン１０Ａは高温側気筒２０と低温側気筒３０とを備えている。高温側気筒２０は膨張ピストン２１および高温側シリンダ２２を、低温側気筒３０は圧縮ピストン３１および低温側シリンダ３２をそれぞれ備えている。高温側シリンダ２２の上部空間には膨張空間が、低温側シリンダ３２の上部空間には圧縮空間がそれぞれ形成される。膨張ピストン２１および高温側シリンダ２２間、および圧縮ピストン３１および低温側シリンダ３２間には数十μｍの微小クリアランスが設定されている。そして、これらピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２間の潤滑には気体潤滑が適用されている。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。

スターリングエンジン１０Ａは具体的には高温側気筒２０と低温側気筒３０とをそれぞれ２つずつ備えている。スターリングエンジン１０Ａでは、これらの４気筒２０、３０のうち、作動流体を往復流動させる高温側気筒２０と低温側気筒３０とが対向配置されている。そしてスターリングエンジン１０Ａは、対向配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を一対の気筒として、一対の気筒を２つ備えている。一対の気筒それぞれにおいて、高温側気筒２０は低温側気筒３０よりも温度が高温になる気筒となっている。

スターリングエンジン１０Ａは、ヒータ４１と冷却器４２と蓄熱器４３とを備えている。具体的にはスターリングエンジン１０Ａは、これらヒータ４１、冷却器４２および蓄熱器４３を一対の気筒毎に備えている。
ヒータ４１は高温熱源を構成する流体との間で熱交換を行い、作動流体を加熱する熱交換器となっている。ヒータ４１は具体的には図示しない車両に搭載された内燃機関１００の排気管１１０の内部に配置されている。作動流体は、高温熱源を構成する流体である排気ガスＥｘから回収した熱エネルギーにより加熱され、加熱された作動流体は膨張空間に流入する。スターリングエンジン１０Ａでは、ヒータ４１を挟んで一方の側に高温側気筒２０それぞれを配置するとともに、他方の側に低温側気筒３０それぞれを配置している。
冷却器４２は冷却媒体との間で熱交換を行い、作動流体を冷却する熱交換器となっている。冷却器４２は具体的には冷却水配管１２０に介在するように設けられており、各冷却器４２に設けられた図示しない冷却水流路は互いに連通している。冷却水配管１２０には、内燃機関１００の冷却水Ｗが冷却媒体として流通し、冷却器４２で冷却された作動流体は圧縮空間に流入する。一方、受熱した冷却水Ｗの放熱はラジエータ１３０で行われる。
蓄熱器４３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熱交換器となっている。蓄熱器４３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。

高温側クランクシャフト５１Ａは、高温側気筒２０それぞれに対応させて設けられている。具体的には高温側クランクシャフト５１Ａは、各高温側コンロッド５２を介して各膨張ピストン２１それぞれと連結されている。
低温側クランクシャフト６１Ａは、低温側気筒３０それぞれに対応させて設けられている。具体的には低温側クランクシャフト６１Ａは、各低温側コンロッド６２を介して各圧縮ピストン３１それぞれと連結されている。
スターリングエンジン１０Ａでは、高温側クランクシャフト５１Ａおよび低温側クランクシャフト６１Ａのクランクピン位相差に３６０°を等分して得られる値が設定されている。クランクピン位相差には、例えば各クランクシャフト５１Ａ、６１Ａそれぞれにつき、対応する気筒数（ここではそれぞれ２）で３６０°を割って得た値、またはその倍数を適用することができる。この点、クランクシャフト５１Ａ、６１Ａそれぞれに設定されているクランクピン位相差は、具体的にはともに１８０°となっている。

高温側クランクシャフト５１Ａの一端部には高温側スプロケット７１が、低温側クランクシャフト６１Ａの一端部には低温側スプロケット７２がそれぞれ設けられている。各スプロケット７１、７２は排気管１１０を跨ぐようにして設けられたチェーン７３で互いに連結されている。
チェーン７３は各クランクシャフト５１Ａ、６１Ａを同期回転させ、各クランクシャフト５１Ａ、６１Ａの位相差を一定（ここでは略９０°）に保つ。
高温側クランクシャフト５１Ａは出力軸になっており、その他端部には発電ユニット８０が接続されている。発電ユニット８０によって発電された電力はレギュレータ８１を介してバッテリ８２に充電される。なお、発電ユニット８０は例えば高温側クランクシャフト５１Ａの一端部に接続されてもよい。

次にスターリングエンジン１０Ａの動作について説明する。ヒータ４１で作動流体が加熱されると、膨張して膨張ピストン２１が圧下される。これにより高温側クランクシャフト５１Ａが回転するとともに、低温側クランクシャフト６１Ａが同期回転する。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体はヒータ４１を通過して蓄熱器４３に移送され、そこで熱を放出して冷却器４２へと流れる。冷却器４２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、今度は蓄熱器４３から熱を奪いながら温度を上昇してヒータ４１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。そして、高温側クランクシャフト５１Ａから取り出した出力を利用して発電ユニット８０が発電することで、バッテリ８２の充電をすることができる。

次にスターリングエンジン１０Ａについて、図３から図６までを用いてさらに具体的に説明する。
図３に示すようにスターリングエンジン１０Ａは、車両床下に搭載し易いよう、全体として長円柱状の形状にコンパクトにまとめられている。スターリングエンジン１０Ａの筐体は本体の主要な部分を格納するクランクケース１１と、スプロッケット７１、７２およびチェーン７３を格納するチェーンケース１２とで構成されている。スターリングエンジン１０Ａの側面からは、出力を取り出し可能なように高温側クランクシャフト５１Ａが突出している。スターリングエンジン１０Ａの側面には、このほか排気管接続端部１３や冷却水配管接続端部１４が設けられている。この点、排気管１１０の一部は、スターリングエンジン１０Ａの一部としてスターリングエンジン１０Ａに組み込まれたかたちとなっている。
図４に示すように、スターリングエンジン１０Ａは懸架用の支持構造体９０をさらに備えている。支持構造体９０はゴムマウント９１と吊り下げ用ボルト９２とを備えている。ゴムマウント９１は円柱状の形状を有しており、捩じり剛性が低く、上下方向の剛性が高くなっている。吊り下げ用ボルト９２は、ゴムマウント９１に埋め込まれており、排気管１１０の中心軸線を間に挟むようにして対称に２本並べて配置されている。支持構造体９０は、スターリングエンジン１０Ａの上面中央に設けられている。
図５および図６に示すように、ヒータ４１は具体的には中空部材として、直線状に延伸したヒータパイプ４１１を複数備えている。作動流体は具体的には複数のヒータパイプ４１１内を流通するようになっている。これら複数のヒータパイプ４１１は一対の気筒それぞれの延伸方向に沿って延伸している。また、ヒータ４１は複数のヒータパイプ４１１の延伸方向と、排気ガスＥｘの流通方向とが直交するように配置されている。

次にスターリングエンジン１０Ａ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、作動流体を流通させるにあたり、ヒータ４１が直線状に延伸した複数のヒータパイプ４１１を備えている。このためスターリングエンジン１０Ａでは、複数のヒータパイプ４１１の容積を略同一に設定することができる。すなわちスターリングエンジン１０Ａでは、各ヒータパイプ４１１の容積が異ならざるを得なくなるといった制約が特段なく、これにより、熱効率の向上が構造的に制限されるといったことが回避される。
またスターリングエンジン１０Ａでは、複数のヒータパイプ４１１が直線状に延伸しており、さらに複数のヒータパイプ４１１の延伸方向と、排気ガスＥｘの流通方向とが直交するようにヒータ４１が配置されている。このためスターリングエンジン１０Ａでは、ヒータ４１に対する排気ガスＥｘの当たりを延伸方向に沿ってより均一にすることができる。
そしてこれらにより、スターリングエンジン１０Ａでは、各ヒータパイプ４１１間で熱交換にばらつきが生じることを抑制できる。このためスターリングエンジン１０Ａでは、構造的な観点から高い熱効率の実現を可能にすることができる。

またスターリングエンジン１０Ａでは、複数のヒータパイプ４１１が対向配置された一対の気筒それぞれの延伸方向に沿って直線状に延伸している。このためスターリングエンジン１０Ａでは、ヒータ４１が熱膨張した場合であっても、ピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２の径方向の相対位置が変化するように、シリンダ２２、３２が変形或いは移動することが抑制される。そしてこれにより、スターリングエンジン１０Ａでは、ヒータ４１の熱膨張がピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２間に設けられた微小クリアランスに及ぼす悪影響も抑制できる。

またスターリングエンジン１０Ａでは、ヒータ４１を挟んで一方の側に高温側気筒２０それぞれを配置するとともに、他方の側に低温側気筒３０それぞれを配置している。そしてこのように温度差の大きい気筒同士（具体的には高温側気筒２０と低温側気筒３０）を隔離して配置することで、高温側気筒２０と低温側気筒３０の温度差を保つことができる。このためスターリングエンジン１０Ａは、これによっても高い熱効率の実現を可能にすることができる。

またスターリングエンジン１０Ａでは、ヒータ４１を挟んで一方の側に高温側気筒２０それぞれを配置するとともに、他方の側に低温側気筒３０それぞれを配置することで、温度差の少ない気筒同士（具体的には高温側気筒２０同士、および低温側気筒３０同士）を並べて配置している。そしてこれにより、スターリングエンジン１０Ａでは、熱的なロスの発生を抑制しつつ気筒同士を密集でき、以って高い熱効率の実現と両立させる形でコンパクト化を図ることもできる。

またスターリングエンジン１０Ａでは、クランクシャフト５１Ａ、６１Ａそれぞれのクランクピン位相差に、３６０°を等分して得られる値である１８０°を適用している。このためスターリングエンジン１０Ａでは、不釣合い振動の発生を抑制することができ、以って低振動化とこれに伴うカウンタウェイトの小型化などによる更なるコンパクト化を図ることもできる。
一方、スターリングエンジン１０Ａには、クランクシャフト５１Ａ、６１Ａの不釣合い力によってもモーメントが残存する。これに対してスターリングエンジン１０Ａでは、上面中央に支持構造体９０を設けることで、ローリングについては排気管１１０を中心とした慣性主軸支持によって、ヨーイングについてはスターリングエンジン１０Ａ中心からの弾性支持によって、スターリングエンジン１０Ａを適切に支持することができる。

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、一対の気筒を２つ備えているスターリングエンジン１０Ａの場合について説明した。しかしながら本発明においてはこれに限られず、スターリングエンジンは一対の気筒を複数備えていればよい。
具体的には例えば図７に示すスターリングエンジン１０Ｂは、高温側気筒２０および低温側気筒３０をそれぞれ３つずつ備えている。そして、スターリングエンジン１０Ｂは一対の気筒を３つ備えている点と、これに応じるかたちでクランクシャフト５１Ａ、６１Ａの代わりに、高温側クランクシャフト５１Ｂおよび低温側クランクシャフト６１Ｂを備えている以外、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。
かかるスターリングエンジン１０Ｂでも、スターリングエンジン１０Ａと同様の作用効果を奏することができる。この点、気筒数が多くなるほど、気筒の密集によるコンパクト化の効果は大きく発揮されることから、本発明は一対の気筒を３つ以上備えることで、より大型化し易くなる場合により効果的であるといえる。

また上述した実施例では、クランクシャフト５１Ａ、６１Ａそれぞれのクランクピン位相差を１８０°とした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、クランクピン位相差は３６０°を等分して得られるスターリングエンジンの気筒数に応じた適宜の値であってよい。
具体的には例えば一対の気筒が３つの場合（スターリングエンジンが片側３気筒の６気筒の場合）には、図８に示すようにクランクピン位相差を１２０°に設定することができる。この場合には全体的な回転振動のバランスが非常に良くなることから、発生する振動を極めて小さな振動にすることができる。
また具体的には例えば一対の気筒が４つの場合（スターリングエンジンが片側４気筒の８気筒の場合）には、クランクピン位相差を図９（ａ）に示すように１８０°、或いは図９（ｂ）に示すように９０°に設定することができる。
この点、１８０°に設定した場合にはモーメントが発生しないので、カウンタウェイトを小さくすることができる。またピン配列が平面的なので鍛造も容易となり、この結果、コストも低く抑制することができる。但しこの場合には、回転２次モーメントの不釣合い力が若干残ることになる。
一方、９０°に設定した場合には、モーメントを打ち消すためにより大きなカウンタウェイトが必要となるが、回転２次モーメントの不釣合い力を無くすことができる。

また上述した実施例では、中空部材がヒータパイプ４１１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、中空部材は例えば中空に成形した中空プレートであってもよい。この場合には、中空プレートのプレート面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、熱交換器を配置することで、スムースな熱交換を実現できるとともに、高温熱源を構成する流体の流通方向において発生し得る熱交換のばらつきを各中空プレートにおいて吸収できるようになる点でさらに好適である。

また上述した実施例では、構成上、合理的であると考えられることから、冷却器４２を内燃機関１００の冷却水配管１２０に組み込んだ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、作動流体を冷却する熱交換器は、例えばスターリングエンジンに専用の冷却媒体を循環させる冷却系統を備えた冷却装置に組み込まれてもよい。この場合には、作動流体をより適切に冷却可能になることから、更に高い熱効率の実現を図ることも可能になる。
また上述した実施例では、スターリングエンジン１０Ａの出力を電気的に回収す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、スターリングエンジンの出力は例えば内燃機関の出力と合成するかたちで回収されてもよい。

１０ スターリングエンジン
２０ 高温側気筒
２１ 膨張ピストン
２２ 高温側シリンダ
３０ 低温側気筒
３１ 圧縮ピストン
３２ 低温側シリンダ
４１ ヒータ
４１１ ヒータパイプ
４２ 冷却器
４３ 蓄熱器
５１ 高温側クランクシャフト
６１ 低温側クランクシャフト
７３ チェーン
８０ 発電ユニット
９０ 支持構造体
１００ 内燃機関
１１０ 排気管
１２０ 冷却水配管

Claims (5)

1. 作動流体を往復流動させる少なくとも一対の気筒と、
   前記一対の気筒間を往復流動する作動流体を流通させるとともに、高温熱源を構成する流体である内燃機関の排気ガスとの間で熱交換を行う熱交換器であるヒータと、を備え、
   作動流体を流通させるにあたり、前記ヒータが直線状に延伸した中空部材であるヒータパイプを複数備え、
   複数の前記ヒータパイプの延伸方向と前記排気ガスの流通方向とが直交するように、前記ヒータを配置したスターリングエンジン。
2. 請求項１記載のスターリングエンジンであって、
   前記一対の気筒を対向配置するとともに、複数の前記ヒータパイプを前記一対の気筒の延伸方向に沿って直線状に延伸させたスターリングエンジン。
3. 請求項１または２記載のスターリングエンジンであって、
   前記内燃機関は前記排気ガスが通過する排気管を備え、
   前記ヒータは、前記排気管の内部に配置されているスターリングエンジン。
4. 請求項１から３いずれか１項記載のスターリングエンジンであって、
   前記一対の気筒が、低温側気筒と、該低温側気筒よりも温度が高温になる高温側気筒であり、
   前記一対の気筒を複数備える場合に、前記ヒータを挟んで一方の側に前記低温側気筒それぞれを配置するとともに、他方の側に前記高温側気筒それぞれを配置したスターリングエンジン。
5. 請求項４記載のスターリングエンジンであって、
   前記低温側気筒それぞれに対応させて設けられた低温側クランクシャフトと、
   前記高温側気筒それぞれに対応させて設けられた高温側クランクシャフトとをさらに備え、
   前記低温側クランクシャフトおよび前記高温側クランクシャフトそれぞれのクランクピン位相差を、３６０°を等分して得られる値に設定したスターリングエンジン。

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