JP5569463B2

JP5569463B2 - スターリングエンジン

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Publication number: JP5569463B2
Application number: JP2011109645A
Authority: JP
Inventors: 聡小森; 正章片山; 学立野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: JP2012241538A

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、スターリングエンジンが注目されてきている。例えば特許文献１、２では車両に搭載されたスターリングエンジンが開示されている。この点、特許文献２ではスターリングエンジンの配置に関し、本発明と関連性があると考えられる構成例が図面で開示されている。

特開２００８−２５５９００号公報特開２００８−１２８１９０号公報

図１４はスターリングエンジン１０Ｘで発生する熱変形の説明図である。スターリングエンジン１０Ｘは加熱器４７とクランクケース６２とを備えている。加熱器４７は内燃機関の排気を流通させる部分通路部１１１内に介在している。加熱器４７は排気との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱する。

スターリングエンジン１０Ｘは例えば内燃機関を備える車両に搭載できる。スターリングエンジン１０Ｘを車両に搭載する場合、車両に加わる振動等によってスターリングエンジン１０Ｘが定位置から外れることがないよう、特にスターリングエンジン１０Ｘを固定する必要がある。この点、スターリングエンジン１０Ｘを固定するには、例えばクランクケース６２を固定することができる。

ところが、クランクケース６２では排気からの受熱の関係上、部分通路部１１１を流通する排気の流通方向において下流側に位置する部分ほど、温度が上昇し難くなっている。また、加熱器４７からの離間距離が大きい部分ほど、温度が上昇し難くなっている。すなわち、クランクケース６２では排気からの受熱の関係上、温度変化の度合いに大きな偏りが生じ易くなっている。結果、熱変形の度合いに大きな偏りが生じ易くなっている。

また、スターリングエンジン１０Ｘは冷却媒体との間で熱交換を行うことで、作動流体を冷却する冷却器４５を備えている。冷却器４５は部分通路部１１１を流通する排気の流通方向において下流側に位置するように設けられている。これは、部分通路部１１１を流通する排気からの受熱態様に照らして、作動流体を合理的に冷却できるためである。ところが、かかる冷却器４５の配置も部分通路部１１１を流通する排気の流通方向において、クランクケース６２で熱変形の度合いに大きな偏りが生じ易くなることを助長している。

このため、クランクケース６２を固定する場合には、固定部位のほか、固定時のスターリングエンジン１０Ｘの配置や向きや姿勢を含む固定態様によっては、熱変形の影響が大きく現れることになる。結果、例えばクランクケース６２を固定する固定部に熱変形によって無理な力がかかる虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、熱変形の影響を軽減可能な態様で定位置に固定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。

本発明に係る第１のスターリングエンジンは、高温熱源を構成する流体を流通させる通路部内に介在し、前記通路部を流通する流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱する加熱器と、前記通路部のうち、前記加熱器が介在する部分である部分通路部と、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置するように設けられ、冷却媒体との間で熱交換を行うことで作動流体を冷却する冷却器と、作動流体の熱の授受に応じて往復運動するピストンと、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが設けられるクランクケースと、定位置に配置された状態で、前記クランクケースのうち、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置する部分を固定する固定部と、を備え、前記定位置に配置された状態で、前記部分通路部を流通する流体の流通方向が、前記通路部のうち、前記部分通路部よりも上流側に位置するいずれかの部分を流通する流体の流通方向と逆向きになるように設けられるスターリングエンジンである。

本発明に係る第２のスターリングエンジンは、高温熱源を構成する流体を流通させる通路部内に介在し、前記通路部を流通する流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱する加熱器と、前記通路部のうち、前記加熱器が介在する部分である部分通路部と、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置するように設けられ、冷却媒体との間で熱交換を行うことで作動流体を冷却する冷却器と、作動流体の熱の授受に応じて往復運動するピストンと、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが設けられるクランクケースと、定位置に配置された状態で、前記クランクケースのうち、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置する部分を固定する固定部と、を備え、前記定位置に配置された状態で、前記クランクケースが前記ピストンよりも重力作用方向において上側に位置するように設けられるスターリングエンジンである。

上記第２のスターリングエンジンは、前記定位置に配置された状態で、前記加熱器が流通する流体の流れにおいて、重力作用方向上部に位置するように設けられる構成とすることができる。

本発明に係る第３のスターリングエンジンは、高温熱源を構成する流体を流通させる通路部内に介在し、前記通路部を流通する流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱する加熱器と、前記通路部のうち、前記加熱器が介在する部分である部分通路部と、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置するように設けられ、冷却媒体との間で熱交換を行うことで作動流体を冷却する冷却器と、作動流体の熱の授受に応じて往復運動するピストンと、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが設けられるクランクケースと、定位置に配置された状態で、前記クランクケースのうち、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置する部分を固定する固定部と、を備え、前記加熱器をバイパスするバイパス通路部と、前記バイパス通路部の出入口間で、前記部分通路部内と前記バイパス通路部内とを連通する連通部とをさらに備えるとともに、高温熱源を構成する流体を内燃機関の排気とし、前記定位置に配置された状態で、前記ピストンが配置される側とは反対側に沿って前記部分通路部を流通する排気が偏流するように設けられるとともに、前記連通部が前記部分通路部のうち、前記定位置に配置された状態で重力作用方向において下側に位置する通路壁部に設けられているスターリングエンジンである。

上記第１または第２のスターリングエンジンは、前記加熱器をバイパスするバイパス通路部と、前記バイパス通路部との間で流通する流体の流量を調節することで、前記部分通路部を流通する流体の流量を調節可能な流量調節部と、をさらに備える構成とすることができる。

上記構成は、前記定位置に配置された状態で、前記クランクケースが前記通路部のうち、前記部分通路部以外のいずれかの部分に対応させて設けられる構成とすることができる。

上記構成は、前記ピストンが対応するシリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンである構成とすることができる。

本発明によれば、熱変形の影響を軽減可能な態様で定位置に固定することができる。

スターリングエンジンの概略構成図である。第１の固定態様を示す図である。第２の固定態様を示す図である。第３の固定態様を示す図である。実施例３の効果を示す図である。第４の固定態様を示す図である。図６と異なる方向で第４の固定態様を示す図である。第１の配置関係を示す図である。第２の配置関係を内燃機関の排気側から見た図である。第２の配置関係を内燃機関の正面側から見た図である。第４の固定態様の車載時の配置関係を示す図である。気体潤滑に影響する異物の説明図である。第５の固定態様を示す図である。発生する熱変形の説明図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はスターリングエンジン１０Ａの概略構成図である。スターリングエンジン１０Ａは多気筒（ここでは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、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を備えている。高温側気筒２０は高温側ピストンである膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は低温側ピストンである圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２とを備えている。

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は例えば多管式の熱交換器であり、流通する作動流体と内燃機関１００（実施例１において図示省略）の排気との間で熱交換を行う。そしてこれにより、排気から回収した熱エネルギーで作動流体を加熱する。内燃機関１００の排気はスターリングエンジン１０Ａの高温熱源を構成する流体に相当する。

加熱器４７は内燃機関１００の排気を流通させる排気管１１０Ａ内に介在している。排気管１１０Ａは高温熱源を構成する流体を流通させる通路部に相当する。排気管１１０Ａのうち、加熱器４７が介在する部分は部分通路部１１１となっている。部分通路部１１１は排気管１１０Ａの一部を構成するとともに、スターリングエンジン１０Ａの一部を構成している。部分通路部１１１は例えば排気管１１０Ａのうち、部分通路部１１１以外の部分と別体の構成とすることができる。

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。冷却器４５は冷却媒体である冷却水との間で熱交換を行うことで、作動流体を冷却する。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が作動流体を加熱すると、作動流体が膨張し、膨張ピストン２１を圧下する。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過し、再生器４６に移送される。そして、再生器４６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へ流れ込む。そして、再び加熱され、膨張する。このようにピストン２１、３１は作動流体の熱の授受に応じて往復運動する。

本実施例ではスターリングエンジン１０Ａの熱源が内燃機関１００の排気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、例えばピストン２１、３１とシリンダ２２、３２との間に気体（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できる。気体潤滑は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、クランクシャフト６１とクランクケース６２とを備えている。クランクシャフト６１はピストン２１、３１の往復運動を回転運動に変換する。クランクシャフト６１はピストン２１、３１間に位相差を設けている。具体的には、圧縮ピストン３１が膨張ピストン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を設けている。クランクシャフト６１はクランクケース６２に設けられている。

図２は定位置に配置されたスターリングエンジン１０Ａの固定態様である第１の固定態様を示す図である。スターリングエンジン１０Ａは固定部６５を備えている。スターリングエンジン１０Ａが定位置に配置された状態で、固定部６５はクランクケース６２のうち、部分通路部１１１を流通する排気の流通方向において下流側に位置する部分を固定する。定位置に配置された状態は、例えば内燃機関１００を備える車両にスターリングエンジン１０Ａが搭載された状態である。

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、定位置に配置された状態で固定部６５がクランクケース６２のうち、部分通路部１１１を流通する排気の流通方向において下流側に位置する部分を固定する。このため、スターリングエンジン１０Ａはクランクケース６２で熱変形の度合いに大きな偏りが生じても、熱変形の影響が大きく現れることを抑制できる。すなわち、スターリングエンジン１０Ａによれば、熱変形の影響を軽減可能な態様で定位置に固定できる。結果、例えば熱変形によって固定部６５に無理な力がかかることを抑制できる。

スターリングエンジン１０Ａでは、ピストン２１、３１が対応するシリンダ２２、３２との間で気体潤滑が行われるピストンとなっている。この点、この場合には固定態様によっては熱変形の影響が大きく現れる結果、気体潤滑が影響を受ける虞がある。このため、スターリングエンジン１０Ａはピストン２１、３１が対応するシリンダ２２、３２との間で気体潤滑が行われるピストンである場合に好適である。

スターリングエンジン１０Ａは内燃機関１００の排気から排熱を回収するために、内燃機関１００を備える車両に搭載できる。この点、スターリングエンジン１０Ａを車両に搭載する場合には、車両に加わる振動等によってスターリングエンジン１０Ａが定位置から外れることがないよう、特にスターリングエンジン１０Ａを固定する必要がある。このため、スターリングエンジン１０Ａは高温熱源を構成する流体を内燃機関１００の排気とし、内燃機関１００を備える車両に搭載される場合に好適である。

図３は定位置に配置されたスターリングエンジン１０Ｂの固定態様である第２の固定態様を示す図である。図３は内燃機関１００の気筒延伸方向に沿って見た第２の固定態様を示す。このため、図３では排気マニホルド１０１が内燃機関１００の各気筒に対応させて設けられている様子が見えるようになっている。スターリングエンジン１０Ｂはさらに以下に示すように設けられる点と、これに伴い排気管１１０Ａの代わりに以下に示す排気管１１０Ｂが用いられる点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一である。

すなわち、スターリングエンジン１０Ｂは定位置に配置された状態で、さらに部分通路部１１１を流通する排気の流通方向が、排気管１１０Ｂのうち、部分通路部１１１よりも上流側に位置するいずれかの部分（ここでは部分Ｐ）を流通する排気の流通方向と逆向きになるように設けられる。また、第２の固定態様ではこれに伴い、部分通路部１１１よりも上流側の部分にＵ字状の曲部を備える排気管１１０Ｂが用いられる。なお、この点を除き排気管１１０Ｂは排気管１１０Ａと実質的に同一である。

部分Ｐは排気管１１０Ｂのうち、上流側の端部から曲部に到達するまでの部分となっている。この点、排気管１１０Ｂは具体的には部分Ｐの長さよりも、曲部から部分通路部１１１に到達するまでの部分である部分Ｑの長さのほうが短くなるように折り返されている。このため、排気管１１０Ｂのうち、部分通路部１１１よりも上流側の部分は、排気の供給源である内燃機関１００に規制されるようにして熱変形することで、固定部６５に規制されるようにして熱変形する部分通路部１１１と全体として同方向に伸縮するようになっている。なお、内燃機関１００と排気管１１０Ｂとの間に設けられているのは排気マニホルド１０１である。

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。スターリングエンジン１０Ｂは、定位置に配置された状態で部分通路部１１１を流通する排気の流通方向が部分Ｐを流通する排気の流通方向と逆向きになるように設けられる。このため、スターリングエンジン１０Ｂはスターリングエンジン１０Ａと比較して、さらに機械的に連結された内燃機関１００、固定部６５間で発生する熱変形の影響を軽減できる。結果、例えば機械的に連結された内燃機関１００、固定部６５間に存在する排気管１１０Ｂの接続部（例えば排気管１１０Ｂのうち、部分通路部１１１の直前の区間を構成する部分と部分通路部１１１とを接続する接続部）に熱変形によって無理な力がかかることを抑制できる。

なお、この点につきスターリングエンジン１０Ｂは具体的には例えば次に示すような範囲内で熱変形の影響を軽減できる。すなわち、例えばスターリングエンジン１０Ａに対応する排気管１１０Ａが上流側の端部から部分通路部１１１に真直ぐに到達している場合に、排気管１１０Ａのうち、上流側の端部から部分通路部１１１に到達するまでの部分の長さよりも、部分Ｑの長さから部分Ｐの長さを引いた長さが大きくなるまでの間、機械的に連結された内燃機関１００、固定部６５間で発生する熱変形の影響を軽減できる。

スターリングエンジン１０Ｂでは、部分Ｐの長さよりも部分Ｑの長さのほうが短くなるように排気管１１０Ｂが折り返されている。このため、スターリングエンジン１０Ｂは熱変形が発生する際に、排気管１１０Ｂのうち、部分通路部１１１よりも上流側の部分を全体として部分通路部１１１と同方向に伸縮させることができる。結果、機械的に連結された内燃機関１００、固定部６５間で発生する熱変形の影響を好適に軽減できる。

図４は定位置に配置されたスターリングエンジン１０Ｃの固定態様である第３の固定態様を示す図である。図４は内燃機関１００の気筒延伸方向に沿って見た第３の固定態様を示す。スターリングエンジン１０Ｃはさらに以下に示すように設けられる点と、これに伴い排気管１１０Ｂの代わりに以下に示す排気管１１０Ｃが用いられる点以外、スターリングエンジン１０Ｂと実質的に同一である。

すなわち、スターリングエンジン１０Ｃは定位置に配置された状態で、さらにクランクケース６２が排気管１１０Ｃのうち、部分通路部１１１以外のいずれかの部分（ここでは部分Ｐ）に対応させて設けられる。また、第３の固定態様ではこれに伴い、排気管１１０Ｂと曲率が異なる曲部を備える排気管１１０Ｃが用いられる。なお、この点を除き排気管１１０Ｃは排気管１１０Ｂと実質的に同一である。排気管１１０Ｂ、１１０Ｃの曲部の曲率は同じであってもよい。

定位置に配置された状態で、スターリングエンジン１０Ｃは具体的にはクランクケース６２のうち、加熱器４７から最も離間した部分である底部が部分Ｐに対向するように設けられる。クランクケース６２は部分Ｐから放射される熱を受熱することで、昇温することが可能な範囲内で部分Ｐに近接して設けることができる。クランクケース６２は例えば排気管１１０Ｃのうち、部分通路部１１１よりも下流側の部分に対応させて設けられてもよい。スターリングエンジン１０Ｃはクランクケース６２内に潤滑油を飛散させない構成とすることができる。

次にスターリングエンジン１０Ｃの作用効果について説明する。スターリングエンジン１０Ｃは、定位置に配置された状態でクランクケース６２が部分Ｐに対応させて設けられる。このため、スターリングエンジン１０Ｃは部分Ｐからの放射熱でクランクケース６２を加温することで、クランクケース６２各部の温度差を低減できる。結果、例えば加熱器４７からの離間距離がクランクケース６２における熱変形の度合いに影響を及ぼすことを抑制できる。このため、例えばスターリングエンジン１０Ｂと比較し、固定部６５に無理な力がかかることを好適に抑制できる。

スターリングエンジン１０Ｃは、定位置に配置された状態でクランクケース６２のうち、加熱器４７から最も離間した部分である底部が部分Ｐに対向するように設けられる。このため、スターリングエンジン１０Ｃは加熱器４７からの離間距離に応じて生じる温度差を好適に低減することができる点で、クランクケース６２各部の温度差を好適に低減できる。

図５はスターリングエンジン１０Ｃの効果を示す図である。（ａ）は加熱器４７からの離間距離に応じたクランクケース６２各部の温度を示す。（ｂ）は加熱器４７からの離間距離に応じたクランクケース６２各部の変形量を示す。（ｃ）は部分通路部１１１に沿った方向におけるクランクケース６２の変形量の差を示す。部分通路部１１１に沿った方向におけるクランクケース６２の変形量の差は、加熱器４７からの離間距離が最も小さい部分における変形量から、加熱器４７からの離間距離が最も大きい部分における変形量を引いた値を示す。（ａ）、（ｂ）ではスターリングエンジン１０Ｂの場合を破線で、スターリングエンジン１０Ｃの場合を実線で示す。（ｃ）ではスターリングエンジン１０Ｂの場合とスターリングエンジン１０Ｃの場合とについて示す。

（ａ）に示すように、スターリングエンジン１０Ｃはスターリングエンジン１０Ｂと比較し、加熱器４７からの離間距離に応じたクランクケース６２各部の温度差を低減できることがわかる。（ｂ）に示すように、スターリングエンジン１０Ｃはスターリングエンジン１０Ｂと比較し、加熱器４７からの離間距離に応じたクランクケース６２各部の変形量の差を低減できることがわかる。（ｃ）に示すように、スターリングエンジン１０Ｃはスターリングエンジン１０Ｂと比較し、部分通路部１１１に沿った方向におけるクランクケース６２の変形量の差も低減できることがわかる。

図６は定位置に配置されたスターリングエンジン１０Ｄの固定態様である第４の固定態様を示す図である。図７は図６と異なる方向で第４の固定態様を示す図である。図６は内燃機関１００の排気側から見た第４の固定態様を示す。図７は内燃機関１００の前後方向に沿って見た第４の固定態様を示す。スターリングエンジン１０Ｄはさらに以下に示すように設けられる点と、これに伴い排気管１１０Ｃの代わりに排気管１１０Ｄが用いられる点以外、スターリングエンジン１０Ｃと実質的に同一である。

すなわち、スターリングエンジン１０Ｄは定位置に配置された状態で、さらにクランクケース６２がピストン２１、３１よりも重力作用方向において上側に位置するように設けられる。また、これにより上死点および下死点の配置が内燃機関１００とは逆になるように設けられる。第４の固定態様ではかかる配置に適応した取り回しが行われる排気管１１０Ｄが用いられる。なお、この点を除き排気管１１０Ｄは排気管１１０Ｃと実質的に同一である。

スターリングエンジン１０Ｄはクランクシャフト６１を潤滑する潤滑油が膨張空間や圧縮空間に浸入することを防止可能な構造を備えることができる。このためには、例えば継ぎ目のないシールリングをピストン２１、３１に備えることができる。

図８は第４の固定態様の具体的な配置関係である第１の配置関係を内燃機関１００の排気側から見た図である。図８に示すように、スターリングエンジン１０Ｄは具体的には定位置に配置された状態で、気体潤滑が行われるピストン２１、３１の運動方向を重力作用方向に合わせて設けることができる。第４の固定態様では、スターリングエンジン１０Ｄと内燃機関１００との間に排気マニホルド１０１を配置することもできる。また、排気を浄化する触媒１２０を排気管１１０Ｄのうち、部分通路部１１１よりも上流側の部分に介在させることもできる。

図９は第４の固定態様の具体的な配置関係である第２の配置関係を内燃機関１００の排気側から見た図である。図１０は第２の配置関係を内燃機関１００の正面側から見た図である。図９に示すように、スターリングエンジン１０Ｄは具体的にはスターリングエンジン１０Ｄの全長Ｌ１と排気管１１０Ｄの取り回し空間の幅Ｌ２との和が内燃機関１００の全長Ｌ３より小さくなるように設けることができる。固定部６５は具体的には発電装置などスターリングエンジン１０Ｄの出力を利用して駆動する装置とすることができる。

全長Ｌ１はクランクシャフト６１の中心軸線の延伸方向に沿ったスターリングエンジン１０Ｄの長さである。幅Ｌ２は排気管１１０Ｄが部分通路部１１１の上流側でスターリングエンジン１０Ｄから張り出すようにして取り回される空間のうち、クランクシャフト６１の中心軸線の延伸方向に沿った幅である。全長Ｌ３は前後方向に沿った内燃機関１００の長さである。第４の固定態様では、かかる寸法関係のもと、排気管１１０Ｄの取り回し空間において触媒１２０を排気管１１０Ｄに介在させることができる。

図１０に示すように、スターリングエンジン１０Ｄは具体的には内燃機関１００から機械的に連結されたスターリングエンジン１０Ｄまでを含む部分のうち、内燃機関１００の出力軸中心から吸排気方向に沿って最も張り出した部分までの長さＬ４を、スターリングエンジン１０Ｄを設けない場合（この場合、最も張り出した部分には内燃機関１００の周囲に取り回される排気管を含む）よりも拡大しないように設けることができる。これは、例えば排気マニホルド１０１をスターリングエンジン１０Ｄおよび内燃機関１００間にコンパクトに配置することで実現できる。

図１１は第４の固定態様の車載時の配置関係を示す図である。図１１に示すように、スターリングエンジン１０Ｄは具体的にはダッシュパネル２００と内燃機関１００の間に設けることができる。スターリングエンジン１０Ｄは例えば排気マニホルド１０１の配置により、破線で示すように車両が備えるラジエータ２１０と内燃機関１００との間に設けられてもよい。

次にスターリングエンジン１０Ｄの作用効果について説明する。スターリングエンジン１０Ｄは定位置に配置された状態で、クランクケース６２がピストン２１、３１よりも重力作用方向において上側に位置するように設けられる。また、これにより上死点および下死点の配置が内燃機関１００とは逆になるように設けられる。

このため、スターリングエンジン１０Ｄは熱変形の影響を軽減可能な態様で固定できるとともに、内燃機関１００とともに定位置に固定するにあたり、排気管１１０Ｄの合理的な取り回しを可能にしつつ、内燃機関１００に近接した配置を実現することができる。結果、高温熱源を構成する流体を内燃機関１００の排気とし、内燃機関１００を備える車両に搭載する場合に、スターリングエンジン１０Ｄおよび内燃機関１００全体としてコンパクトな搭載を可能にすることができる。

スターリングエンジン１０Ｄはさらに次に示すようにピストン２１、３１および対応するシリンダ２２、３２間で行われる気体潤滑が影響を受けることを抑制できる。図１２は気体潤滑に影響する異物Ｍの説明図である。（ａ）はクランクケース６２をピストン２１、３１よりも重力作用方向において下側に位置するように設けた場合の膨張ピストン２１周辺部を示す。（ｂ）はスターリングエンジン１０Ｄの場合の膨張ピストン２１周辺部を示す。なお、圧縮ピストン３１側についても事情は同様である。

ここで、スターリングエンジン１０Ｄは内部に異物Ｍが混入しないように十分注意して組み立てられる。ところが、スターリングエンジン１０Ｄでは、運転時に部品同士の接触や温度変化や振動などによって金属粉が発生したり、ばりが脱落したりする結果、異物Ｍが内部発生する。内部発生する異物Ｍには、例えばピストン２１、３１の周囲にコーティングされた樹脂由来のものなども含まれる。

このため、（ａ）に示すようにクランクケース６２をピストン２１、３１よりも重力作用方向において下側に位置するように設けた場合、内部発生した異物Ｍが膨張空間において膨張ピストン２１側に落下する。また、落下した異物Ｍは主に圧縮工程中に膨張ピストン２１および高温側シリンダ２２間のクリアランスに取り込まれる。結果、例えば異物Ｍの噛み込みによって気体潤滑が影響を受ける虞がある。

これに対し、スターリングエンジン１０Ｄの場合には、（ｂ）に示すように内部発生した異物Ｍを膨張空間において加熱器４７側に落下させることができる。このため、ピストン２１、３１および対応するシリンダ２２、３２間のクリアランスに異物Ｍが取り込まれることを抑制できる。結果、気体潤滑が影響を受けることを抑制できる。

この点、スターリングエンジン１０Ｄは具体的には以下に示すように気体潤滑が影響を受けることを抑制できる点で好適である。ここで、加熱器４７では一般に構成部品（例えば加熱器４７が多管式の熱交換器である場合の作動流体を流通させる複数の配管や、複数の配管の両端部に設けられるメッシュ状の部材）の溶接やロウ付けが行われる。そして、かかる事情のもと高温の使用環境下で加熱器４７から溶接スパッタ等が脱落することで、加熱器４７で異物Ｍが内部発生することがある。

加熱器４７は温度変化や圧力変化の点で特に厳しい使用環境下に置かれる。一方、クランクケース６２は加熱器４７と比較して低温の使用環境下に置かれる。このため、クランクケース６２は加熱器４７と比較して運転中に異物Ｍが内部発生する可能性が低くなっている。また、クランクケース６２ではクランクシャフト６１を軸支するベアリングをボールベアリング（好ましくはシール付きのボールベアリング）とすることなどでも、異物Ｍが内部発生することを抑制できる。

これに対し、スターリングエンジン１０Ｄはクランクケース６２をピストン２１、３１よりも重力作用方向において上側に位置するように設けることで、内部発生した異物Ｍが膨張空間や圧縮空間に入り込むこと自体を抑制できる。結果、気体潤滑が影響を受けることを好適に抑制できる。

また、クランクケース６２はスターリングエンジン１０Ｄの中で比較的低温であることから、作動流体に含まれる水分がクランクケース６２内で凝縮する結果、錆を発生させる可能性がある。これに対し、スターリングエンジン１０Ｄはクランクケース６２をピストン２１、３１よりも重力作用方向において上側に位置するように設けることで、仮に水分が凝縮しても相対的に温度が高い加熱器４７側に凝縮水を移動させることができる。そしてこれにより、水分を蒸発させることができる点でも好適である。

ピストン２１、３１は例えば加圧状態にある作動流体を頂部から内部に導入するとともに、内部に導入した作動流体を側部から噴出することで、気体潤滑が行われるようにすることができる。この点、スターリングエンジン１０Ｄは膨張空間や圧縮空間に異物Ｍが入り込むこと自体を抑制できることから、ピストン２１、３１の内部に導入する作動流体に異物Ｍが含まれること自体を抑制できる点でも好適である。また、ピストン２１、３１の内部に導入する作動流体からフィルタ等を用いて異物Ｍを除去するわけではないことから、気体潤滑が行われないスターリングエンジン１０Ｄ停止時にクリアランスへの異物Ｍの侵入を抑制できる点でも好適である。

スターリングエンジン１０Ｄは定位置に配置された状態で、気体潤滑が行われるピストン２１、３１の運動方向を重力作用方向に合わせて設けられることが好ましい。これにより、例えばピストン２１，３１が重力によって対応するシリンダ２２、３２と接触することを防止できる。結果、ピストン２１、３１を浮上させる圧力が確保されないスターリングエンジン１０Ｄ始動前の状態でも、ピストン２１、３１が損傷することを防止できる。また、これにより接触による受熱が発生しないことから、例えばピストン２１、３１の周囲にコーティングされた樹脂の劣化が進行するなど、熱による各部の劣化が進行することも抑制できる。

図１３は定位置に配置されたスターリングエンジン１０Ｅの固定態様である第５の固定態様を示す図である。スターリングエンジン１０Ｅは排気管１１０Ｄの代わりに排気管１１０Ｅに対して設けられる点と、これに伴いバイパス通路部１１２、連通部１１３および流量調節弁（流量調節部に相当）１１５をさらに備える点と、複数組（ここでは２組）の気筒２０、３０を備えるスターリングエンジンとなっている点以外、スターリングエンジン１０Ｄと実質的に同一である。

排気管１１０Ｅはバイパス通路部１１２、連通部１１３および流量調節弁１１５がさらに設けられている点以外、排気管１１０Ｄと実質的に同一である。バイパス通路部１１２や連通部１１３や流量調節弁１１５は例えば排気管１１０Ａから１１０Ｃに設けられてもよい。なお、スターリングエンジン１０Ｅは例えば１組の気筒２０、３０を備える構成であってもよい。また、例えばスターリングエンジン１０Ａから１０Ｃが連通部１１３や流量調節弁１１５とともにバイパス通路部１１２をさらに備えてもよい。

バイパス通路部１１２は加熱器４７をバイパスする。連通部１１３はバイパス通路部１１２の出入口間で、部分通路部１１１内とバイパス通路部１１２内とを連通する。流量調節弁１１５はバイパス通路部１１２との間で流通する排気の流量を調節することで、部分通路部１１１を流通する排気の流量を調節可能な弁となっている。

スターリングエンジン１０Ｅは定位置に配置された状態で、ピストン２１、３１が配置される側とは反対側に沿って部分通路部１１１を流通する排気が偏流するように設けられる。これは、クランクケース６２がピストン２１、３１よりも重力作用方向において上側に位置するように設けられること（さらには、これにより上死点および下死点の配置が内燃機関１００とは逆になるように設けられること）に適応した排気管１１０Ｅの取り回しが行われることで実現されている。

連通部１１３は部分通路部１１１のうち、定位置に配置された状態で重力作用方向において下側に位置する通路壁部に設けられている。この通路壁部は上述のように排気管１１０Ｅの取り回しが行われることとの関係上、具体的にはピストン２１、３１が配置される側とは反対側に位置する通路壁部となっている。この点、バイパス通路部１１２も重力作用方向において部分通路部１１１よりも下側に設けられている。そしてこれにより、スターリングエンジン１０Ｅが定位置に配置された状態で、加熱器４７が流通する排気の流れにおいて、重力作用方向上部に位置するように設けられる。

次にスターリングエンジン１０Ｅの作用効果について説明する。スターリングエンジン１０Ｅはバイパス通路部１１２と流量調節弁１１５とを備えている。この点、流量調節弁１１５は例えば内燃機関１００の高負荷運転時に流通する排気の一部をバイパス通路部１１２に流通させることで、排気の圧力損失が増大することを抑制できる。このため、スターリングエンジン１０Ｅは熱変形の影響を軽減可能な態様で定位置に固定しつつ、さらに排気の圧力損失の増大も抑制できる。

スターリングエンジン１０Ｅは次のようにして加熱器４７への入熱が阻害されることも抑制できる。ここで、部分通路部１１１のうち、ピストン２１、３１が配置される側はその反対側よりも高温になり易い。そして、排気には水分や油分や煤が含まれているところ、デポジットはこれらによって高温で生成され易い。このため、排気がピストン２１、３１が配置される側に沿って部分通路部１１１を流通すると、デポジットの生成および堆積が加熱器４７で進行する結果、加熱器４７への入熱が阻害される虞がある。

また、排気に含まれる水分や油分や煤はこれら自体が所定の熱容量を有している。このためこれら自体が部分通路部１１１内に留まると、排気の熱が奪われる結果、加熱器４７への入熱が阻害される虞がある。一方、排気に含まれる水分や油分や煤は例えば通路壁部に付着した後、重力作用方向において下側に移動し易い。

これに対し、スターリングエンジン１０Ｅは定位置に配置された状態で、加熱器４７が流通する排気の流れにおいて、重力作用方向上部に位置するように設けられる。また、ピストン２１、３１が配置される側とは反対側に沿って部分通路部１１１を流通する排気が偏流するように設けられるとともに、連通部１１３が部分通路部１１１のうち、定位置に配置された状態で重力作用方向において下側に位置する通路壁部に設けられている。このため、スターリングエンジン１０Ｅは熱変形の影響を軽減可能な態様で定位置に固定しつつ、さらに加熱器４７への入熱が阻害されることも抑制できる。

なお、加熱器４７が多管式の熱交換器である場合、具体的には図１３に示すように部分通路部１１１のうち、ピストン２１、３１が配置される側とは反対側で加熱器４７が備える複数の配管の配管密度を高めることができる。そしてこれにより、ピストン２１、３１が配置される側とは反対側で主に入熱が行われるようにすることで、排気を偏流させても加熱器４７への入熱状況が悪化しないようにすることができる。

スターリングエンジン１０Ｅでは、連通部１１３が設けられている通路壁部が、部分通路部１１１のうち、ピストン２１、３１が配置される側とは反対側に位置する通路壁部となっている。この点、部分通路部１１１のうち、ピストン２１、３１が配置される側とは反対側に位置する通路壁部は相対的に低温になり易いことから、排気に含まれる水分が凝縮し易くなっている。このため、スターリングエンジン１０Ｅは連通部１１３から凝縮水を排出するにあたって、凝縮水を好適に排出できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えばスターリングエンジンは２気筒α型のスターリングエンジンに限られず、本発明を適用可能な適宜のスターリングエンジンであってよい。

スターリングエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｘ
膨張ピストン２１
圧縮ピストン３１
冷却器４５
加熱器４７
クランクケース６２
固定部６５
内燃機関１００
部分通路部１１１
バイパス通路部１１２
連通部１１３
流量調節弁１１５

Claims

高温熱源を構成する流体を流通させる通路部内に介在し、前記通路部を流通する流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱する加熱器と、
前記通路部のうち、前記加熱器が介在する部分である部分通路部と、
前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置するように設けられ、冷却媒体との間で熱交換を行うことで作動流体を冷却する冷却器と、
作動流体の熱の授受に応じて往復運動するピストンと、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが設けられるクランクケースと、
定位置に配置された状態で、前記クランクケースのうち、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置する部分を固定する固定部と、を備え、
前記定位置に配置された状態で、前記部分通路部を流通する流体の流通方向が、前記通路部のうち、前記部分通路部よりも上流側に位置するいずれかの部分を流通する流体の流通方向と逆向きになるように設けられるスターリングエンジン。
高温熱源を構成する流体を流通させる通路部内に介在し、前記通路部を流通する流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱する加熱器と、
前記通路部のうち、前記加熱器が介在する部分である部分通路部と、
前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置するように設けられ、冷却媒体との間で熱交換を行うことで作動流体を冷却する冷却器と、
作動流体の熱の授受に応じて往復運動するピストンと、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが設けられるクランクケースと、
定位置に配置された状態で、前記クランクケースのうち、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置する部分を固定する固定部と、を備え、
前記定位置に配置された状態で、前記クランクケースが前記ピストンよりも重力作用方向において上側に位置するように設けられるスターリングエンジン。
請求項２記載のスターリングエンジンであって、
前記定位置に配置された状態で、前記加熱器が流通する流体の流れにおいて、重力作用方向上部に位置するように設けられるスターリングエンジン。
高温熱源を構成する流体を流通させる通路部内に介在し、前記通路部を流通する流体との間で熱交換を行うことで作動流体を加熱する加熱器と、
前記通路部のうち、前記加熱器が介在する部分である部分通路部と、
前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置するように設けられ、冷却媒体との間で熱交換を行うことで作動流体を冷却する冷却器と、
作動流体の熱の授受に応じて往復運動するピストンと、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが設けられるクランクケースと、
定位置に配置された状態で、前記クランクケースのうち、前記部分通路部を流通する流体の流通方向において下流側に位置する部分を固定する固定部と、を備え、
前記加熱器をバイパスするバイパス通路部と、前記バイパス通路部の出入口間で、前記部分通路部内と前記バイパス通路部内とを連通する連通部とをさらに備えるとともに、高温熱源を構成する流体を内燃機関の排気とし、
前記定位置に配置された状態で、前記ピストンが配置される側とは反対側に沿って前記部分通路部を流通する排気が偏流するように設けられるとともに、前記連通部が前記部分通路部のうち、前記定位置に配置された状態で重力作用方向において下側に位置する通路壁部に設けられているスターリングエンジン。
請求項１、２または３記載のスターリングエンジンであって、
前記加熱器をバイパスするバイパス通路部と、前記バイパス通路部との間で流通する流体の流量を調節することで、前記部分通路部を流通する流体の流量を調節可能な流量調節部と、をさらに備えるスターリングエンジン。
請求項１から５いずれか１項記載のスターリングエンジンであって、
前記定位置に配置された状態で、前記クランクケースが前記通路部のうち、前記部分通路部以外のいずれかの部分に対応させて設けられるスターリングエンジン。
請求項１から６いずれか１項記載のスターリングエンジンであって、
前記ピストンが対応するシリンダとの間で気体潤滑が行われるピストンであるスターリングエンジン。