JP5852095B2 - スターリング機関 - Google Patents

Description

本発明は、移動ピストンと発電機または電動機の可動部とを備えるスターリング機関であって、移動ピストンはシリンダの中に取り付けられており、そのシリンダ内で、移動ピストンが、前記スターリング機関の作動容積を構成するチャンバであって、前記移動ピストンの２つの作動面にそれぞれ連関する膨張チャンバと圧縮チャンバの間で、熱源に接続された高温熱交換器、再生器、および熱シンクに接続された冷却熱交換器に作動気体を通しながら前記気体を周期的に移動させ、弾性復帰手段がその移動ピストンに対して力を及ぼし、前記ピストンの２つの作動面の間の断面積比ａ_Ｃ／ａ_Ｅが≧０．３５であることで、膨張容積に向かう軸に沿った前記ピストンの変位によって前記ピストンの前記変位と逆位相の前記作動気体の圧力成分がもたらされ、発生する前記機械エネルギーのすべてが前記移動ピストンと前記可動部の間で伝達されるようにするスターリング機関に関する。

スターリングエンジンの１つの典型は、高温容積と低温容積の間で作動気体を周期的に移動させる移動ピストンと、作動容積を閉ざし、発生した機械エネルギーの発電機可動部分への移動を担う駆動ピストンとによって構成される。キネマティックエンジンでは、２つのピストンは、それぞれの間に一定のずれを伴う周期的な反復動作を強制するクランク軸を備えた機械システムによって連結される。

フリーピストンエンジンでは、希望する周波数による周期的動作が２つのピストンに対して所定の位相差を伴って与えられるように設計された弾性懸架機構が両ピストンに装備される。これらのエンジンは、クランク機構を持たないため、構造が単純化され、連接部がないので、その潤滑の問題も解消される。その一方で、この種のエンジンでは、確実にこれらのエンジンを始動させ、所定の振幅および位相角で２つのピストンの振動運動を安定させるために、しばしば複雑な制御システムが必要となる。

米国企業のＳｕｎｐｏｗｅｒ Ｉｎｃ．（オハイオ州アセンズ）が開発したスターリングエンジンについては、非特許文献１に記載されているが、このエンジンでは、駆動エネルギーの一部は移動ピストンにかかる気体の力によってもたらされ、次いで空気圧ばねによって駆動ピストンに伝達される。そのため、このエンジンでは、移動ピストンは、ピストンがその中を移動するシリンダの両端に位置する高温、低温それぞれの容積の間で気体を移動させるだけでなく、駆動エネルギーの一部を発生させる働きもする。

特許文献１には、発電機の可動部分を連係させた移動ピストンによって駆動エネルギーのすべてが発生するエンジンについて記載されている。この装置には共振管が連結されており、移動ピストンによって生じた励起波に対して位相のずれた圧力波がその共振管に発生する。この解決法の欠点は基本的に、その管内での気体の摩擦によってエネルギー損失が生じ、それによってエンジンの性能が制限されるところにある。また、共振管がかさばることも、多くの用途において無視することのできない不都合を生じる。

特許文献２は、図３にスターリング機関を図示しているが、その機関においては、移動ピストンはクランク機構を介して電動機に連結されている。この形態では、移動ピストンの振幅は機械的に抑制されており、そのために柔軟なスラスト軸受の使用が無用となっている。また、この機関には作動ピストンと負荷が含まれている。この構成では、移動ピストンと連係させた電動機に伝達することができるのは、発生エネルギーの一部だけである。

欧州特許第１１６５９５５号明細書 実開平０２−１２７７５８号公報 米国特許第３１２７９５５号明細書 独国特許出願公開第１０２１７９１３号明細書 米国特許第６８７１４９５号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１２２４０８号明細書

Ｇ． Ｃｈｅｎ ｅｔ Ｊ． ＭｃＥｎｔｅｅ、「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ３ｋＷ ｆｒｅｅ−ｐｉｓｔｏｎ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２６ｔｈ Ｉｎｔｅｒｓｏｃｉｅｔｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ｖｏｌ． ５、２３３〜２３８頁 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｄｅ ｌａ ８ｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ ｄｅｓ ｍｏｔｅｕｒｓ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｔｅｎｕｅ ｌｅｓ ２７−３０ Ｍａｉ １９９７ ａ Ａｎｃｏｎａ（１９９７年５月２７〜３０日にアンコーナで開かれた第８回スターリングエンジン国際会議の議事録）、５１９ｆｆ頁 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｄｕ ｓｅｍｉｎａｉｒｅ 「Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ Ｐｒｉｍｅ Ｍｏｖｅｒｓ」、１４〜１５ ｊｕｉｎ １９７８（１９７８年６月１４〜１５日のセミナー「スターリングサイクルの原動機」の議事録）、６０頁 Ｓｕｎｍａｃｈｉｎｅ社による文書ＩＣＳＣ９５−２６（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ）、１９９５年１１月、東京

本発明の目的は、それらの欠点を、部分的にであれ、補い、スターリング機関のサイクルの制御を単純化するとともに、その動作の安定性を高め、その性能を向上させることにある。

そのため、本発明は、請求項１に定義するスターリング機関を対象とする。

現行技術による２ピストン式スターリング機関と比較した場合の本発明の基本的な利点は、従来のように共振ピストンのサーボ制御を行う必要がなく、複雑な電子システムを必要とする一切の能動的サーボ制御なしで済ませることができるところにある。

有利には、本発明の対象である共振ピストンは、作動容積を画定する機械ばねによって懸垂されるフリーピストンである。そのため、この共振ピストンは、特許文献１に記載の共振管と似通った機能を果たす。ピストンのシールを通して摩擦および漏出によって生じる機械的、熱的損失は共振管の場合よりも明確に少ない。ピストンの運動によって作動気体の圧力は変化する。この共振ピストンは、スターリング機関全体の体積の中にコンパクトに組み込むことができる。

適切な設計を採ることにより、２つのピストンは安定して振動する。システムの動作は、この先で詳しく説明するように、起動段階であれ、定速運転のときであれ、容易に制御することができる。

本発明の対象である機関の他の特長および利点は、以下の説明ならびに、この機関の２つの実施形態および様々な変形形態を例として模式的に示した添付の図面を通して明らかとなろう。

一実施形態の直径方向の断面図である。 機関の一変形形態の直径方向の部分断面図である。 一ハイブリッド型変形形態の直径方向の断面図である。図３Ａは、図１または３の変形形態の部分図である。 動作過程に関するベクトル図である。 本発明によるエンジンについて、移動ピストンおよび駆動ピストンを備えたエンジンと比較しながら、サイクルによって供給される仕事と高温熱交換器の温度との関係を示した図である。 本発明によるエンジンについて、移動ピストンおよび駆動ピストンを備えたエンジンと比較しながら、スターリングエンジンの熱効率とサイクルによって供給される仕事との関係を示した図である。 互いに反対方向に振動する２つの共振ピストンを備える機関の他の実施形態の直径方向の断面図である。 図７の一変形形態の横断方向断面である。 機関の共振ピストンレベルにおける横断方向断面を示すブロック図である。 追加ウエイトによって移動ピストンの周期的運動によって生じる震動を低減する働きをする装置を示したブロック図である。 機関の一変形形態の直径方向の部分断面図である。 図１１の直径方向の断面図の一変形である。

図１に示したスターリング機関は、フレームの役を果たす要素４によって組み立てられた２つの円筒部分２、３によって構成される縦長のケーシング１を備える。このケーシング１の内部は加圧された作動気体によって満たされている。部分２の円筒形ハウジング５はスターリングエンジンの作動容積をなし、その中に、２つの部分６、６ａからなる移動ピストンが長手方向に変位自在に取り付けられている。移動ピストン６、６ａとハウジング５の外側端の間に位置する容積は、熱源（図示せず）につながれた高温熱交換器７に連絡し、スターリングエンジンの高温チャンバあるいは膨張容積Ｖ_Ｅをなす一方、その円筒形ハウジング５の反対端に位置する容積は、冷熱源（図示せず）につながれた低温熱交換器８に連絡し、スターリングエンジンの低温チャンバあるいは圧縮容積Ｖ_Ｃをなす。再生器９は高温熱交換器７および低温熱交換器８の間に配設される。

圧縮チャンバＶ_Ｃに隣接する移動ピストン６、６ａの管状部分６ａは、ピストン６、６ａに関して軸対称をなす環状の第２の共振ピストン１０の円筒形開口部の中に嵌合する。支持体１１と一体をなすこの第２のピストン１０は、円筒形ハウジング５の長手方向軸に沿って変位自在である。

弾性懸架装置１２が、その中心部で支持体１１に固定され、さらにその外周で、フレーム４と一体をなす支持体１３に固定される。この弾性懸架装置１２は、らせん形アームを有する板状装置である。図３Ａに示す変形形態では、共振ピストン１０は、中心軸の周りに対称に配置されたコイルばね１２ａであって、ピストンに心合わせされた軸方向の力をピストンに対して及ぼすコイルばね１２ａによってフレーム４に懸架される。

一方ではピストン６ａと１０の間、もう一方ではピストンと円筒形ハウジング５の間に配設されるパッキン２５は、気体の漏洩を許容レベル内に抑える働きをする。

円筒部分３の内部容積内には、ここでは永久磁石を備える円筒形部材によって構成される発電機の可動部１４が収まる。この可動素子１４は、装置１２と類似した環状弾性懸架装置１６と一体をなす内縁部を有する環状支持部１５の外周と一体をなす。この装置１２の外周はフレーム４に固定されており、その中心は、移動ピストン６、６ａに固定された端部を有するロッド１７と一体をなす。発電機の電機子は、放射方向に配置された薄板の集合体１８によって形成され、そこに環形の１つまたは複数の巻線１９が収まる。発電機の可動素子１４は、ここでは放射面上に配置された薄板の集合体によって形成されるアーマチュア２０によって囲われる。

移動ピストン６、６ａの弾性懸架機構は、フレーム４と一体をなす固定支持体２２と、ロッド１７と一体をなす可動支持体２３の間に配設された１つまたは複数のコイルばね２１によって補強することができる。

低温圧縮容積と発電機容積の間に設けられた調節弁２４を備える管路は、作動気体の圧力振幅を、したがってエンジンの出力を調整することができる。この弁はさらに、共振ピストンが描く動線の振幅を調整することもできる。

図２は、第２の共振ピストン１０を通る直径方向の部分断面図を示したもので、２つのピストン６ａおよび１０の円筒形軸受面の代替的な解決法を図示している。パッキンに代えて、ピストンの円筒形表面とそのエンクロージャの間に、案内および支承手段として、２０〜５０ミクロン程度の遊びを伴って環状の隙間を設けることは有利である。このような遊びは、製造公差という点からも、作業気体の漏洩が装置のエネルギー効率に及ぼす影響という点からも全くもって許容されるものである。ピストンの機械的摩擦は、耐摩耗性で、静的および動的な摩擦を減らすことができる自己潤滑性の表面被覆によって減らすことができる。好ましい実施形態では、特許文献３に記されているような静圧気体軸受を利用することも考えられる。

そこで、ピストン１０の内部は中空であり、それによって、２つのピストン６ａと１０の間、または、ピストンと縦長のケーシング１の隣接面の間であり、ピストンとピストン６ａ壁体の隣接面の間である環状の隙間に開口するノズル２７に供給する気体のタンクとして働くスペース２６が設けられる。区画２６は、逆止弁２８を通して作動容積から気体の供給を受け、常に作動体積における最大圧力に保たれる。区画２６は、移動ピストン６、６ａ内またはフレーム４内に設けて、静圧気体軸受のノズル２７への気体の供給が行われるようにすることもできる。

図３は、部分２のスペース５が、スターリングエンジンの駆動部分を形成するピストン６、６ａおよび１０ともども、上述の実施形態と類似したハイブリッド型変形形態を示したものである。部分２は、回転式発電機３１を備えた区画３０に連結されている。駆動移動ピストン６、６ａは、ロッド１７を介してクランク機構３２に連結されており、クランク機構３２は、ピストン６、６ａの軸方向の運動および力を、回転式発電機３１の可動部分と連動するクランク軸３３に伝達する。

クランク機構の実施形態には様々なものを想定することができる。図３には、Ｒｏｓｓ型のクランク機構の概略を示したが、これについては、たとえば、非特許文献２に詳細に記されている。その５１９ｆｆ頁には、ロッドの横方向変位をロッドの運動軸に対して最小化することができるクランク機構の計算について記載されている。Ｐｈｉｌｉｐｓが使用している台形クランク機構（たとえば、非特許文献３に示されているもの）などのように、クランク機構のその他の実施形態も想定することができる。

発電機の可動部分は、回転運動のバランスを取り、それによって発生電圧に重畳される波を滑らかにすることができるはずみ車３４を備えることができる。また、ウエイト３５は、ピストンの往復運動による震動を緩和することができる。

記載されているスターリング機関の動作は以下のとおりである。第２の共振ピストン１０の運動は、弾性要素によって伝えられる力および第２の共振ピストン１０の軸方向面にかかる気体の圧力によって支配される。その運動によって作動気体の圧力は変化する。

そのため、移動ピストン６、６ａは、これから述べる幾つかの条件が満たされる限りにおいて、膨張チャンバＶ_Ｅと圧縮チャンバＶ_Ｃの間の作動気体の移動と、リニア発電機の可動部１４に伝達されるすべての駆動エネルギーの発生という二重の役割を果たす。

この目的を達成するため、圧縮容積Ｖ_Ｃを画定する移動ピストン６、６ａの面積ａ_Ｃと、膨張容積Ｖ_Ｅを画定するその同じ移動ピストン６、６ａの面積ａ_Ｅの比を定める必要がある。

等温サイクルの解析では、作動容積内の作動気体の圧力は、次式が成り立つ場合には、移動ピストン６、６ａの位置には依存しなくなることが示されている。

例：
高温容積Ｖ_Ｅの温度Ｔ_Ｈ、Ｔ_Ｈ＝９２３°Ｋ＝６５０℃
低温容積Ｖ_Ｃの温度Ｔ_Ｃ、Ｔ_Ｃ＝３２３°Ｋ＝５０℃
ａ_Ｃ／ａ_Ｅ≧０．３５

エンジンの動作は、面積比ａ_Ｃ／ａ_Ｅがこの限度を上回る場合にのみ可能となる。すなわち、移動ピストン６、６ａの変位（図４）によって、そのピストン６、６ａの変位Ｘと反対向きでなければならない圧力成分Ｐ_Ｘが生じなければならない。移動ピストン６、６ａの変位は、移動ピストン６、６ａが容積Ｖ_Ｅの方向に変位するときにプラスである。

この駆動移動ピストンはフリーピストンとして設計することができる。その場合、そのピストンの弾性懸架機構は、ピストンが共振ピストンと同じ周波数で振動するように調和を取らなければならない。ピストンの振幅は、発電機によってもたらされる電気的な力によって制御される。発電機の端子に一定の電荷が与えられるときは、振幅は一定である。

ハイブリッド型機関では、ピストン６、６ａは、クランク機構によって回転式発電機の可動部分の軸に機械的に連結される。その場合、ピストン６、６ａの行程は、そのクランク機構の幾何学形状によって決まる。その回転速度は発電機によって電気的に制御され、その周波数は第２の共振ピストン１０の周波数に対応するものでなければならない。

図４は、システムの最重要特性を示したベクトル図で、時間ｔは時計の針の方向に進む。ベクトルＸは駆動移動ピストン６、６ａの変位を表し、ベクトルＹは共振ピストン１０の変位を表す。共振状態では、ＹはＸに対して遅れを取る。駆動移動ピストン６、６ａは、その変位により、Ｘと反対向きの小さな圧力変化Ｐ_Ｘを生じる。共振ピストン１０の変位ＹはＹ方向に圧力変化Ｐ_Ｙを生じ、作動気体の圧力変動ＰはＰ_ＸとＰ_Ｙの２つの成分の合計となる。

共振ピストン１０はサイクル毎に圧力成分Ｐ_Ｘに比例する一定量のエネルギーを受け取り、それによってピストンは運動状態に保たれる。Ｐ_Ｘは加熱温度Ｔ_Ｈに依存するため、共振ピストン１０の振幅Ｙはその温度Ｔ_Ｈに応じて変化する。圧力振幅Ｐ_ＹはＹに比例するため、その圧力振幅Ｐ_Ｙおよびスターリングエンジンによって発生する機械出力は加熱温度Ｔ_Ｈとともに大きく増大する。

図５は、移動ピストンおよび作動ピストンを備えるスターリングエンジンによって生み出される機械エネルギー（曲線１）と本発明によるエンジンの機械エネルギー（曲線２）とを加熱管の温度Ｔ_Ｈとの関係で比較したものである。本発明の対象であるスターリング機関を起動するためには、まず高温熱交換器を、選択したａ_Ｃ／ａ_Ｅ比に依存する閾値である比較的高い温度Ｔ_Ｈ（たとえば６００℃）まで持っていかなければならない。すると、駆動移動ピストン６、６ａは、それに連関させた発電機によって振動を始める。共振ピストン１０は最初は小さな振幅で振動し始め、加熱温度Ｔ_Ｈとともにその振幅が次第に増大する。作動気体の圧力振幅も、さらにスターリング機関によって与えられる機械出力も増大する。高温熱交換器の温度が約７００℃になると、公称出力に到達する。

移動ピストンと駆動ピストンを備えたスターリングエンジンは、それよりも明らかに低い加熱温度（設計により、３００〜４００℃前後）から起動可能である。その後、出力は温度Ｔ_Ｈとともに次第に増大し、ほぼ同等の公称条件のもと、本発明の対象である機関と同じような出力に到達する。

本発明の対象である機関では、高温熱交換器の温度のわずかな上昇が、そのエンジンから発生する出力の大幅な増大をもたらす。この高温部分における気体の膨張によって奪われる熱出力もその温度とともに大幅に増大する。そのため、エンジンの速度の安定性は高温熱交換器に対する熱供給に正確に依存し、その調節は単純な手段によって行うことが可能である。温度Ｔ_Ｈは、エンジンが発する出力によって高い精度で制御されるため、高温部分が過熱するリスクは最小限に抑えられる。

図６は、従来型の機関（曲線１）と本発明による機関（曲線２）のそれぞれの熱効率ＥＴＡを、サイクル毎の発生エネルギー（ＷＲＫ）との関係で描いて比較したものである。定格速度運転では、２つの機関はほぼ同等の性能を有する。部分負荷状態では、本発明によるスターリング機関は、従来の機関よりも明らかに高い加熱温度Ｔ_Ｈレベルで、したがって、熱エネルギーから機械エネルギーへの転換に有利な条件のもとで作動する。そのため、本発明による機関は、広い範囲の部分負荷で、より高い熱効率ＥＴＡに到達することができる。

本発明による機関では、共振ピストン１０は、摩擦によるその損失を補償して振動運動を保つ働きをするわずかな量のエネルギーをサイクル毎に受け取る。共振ピストン１０の振幅Ｙは、作動気体の圧力変化を、したがってエンジン速度を決定する。ピストンの摩擦が時間の経過に対して比較的一定である状態は、前述の静圧気体軸受を利用することで得られるが、その状態であれば、微細な調節が可能である。一方、調節弁２４は、作動気体の圧力振幅、したがって共振ピストンの振幅の調整を可能にする。

共振ピストンを使用することにより、純粋ヘリウムなど、軽い作動気体によってシステムを動作させることができる。一方、共振管はより重い混合気体の方が動作がよい。スターリング機関の熱交換機器（加熱装置、再生器、冷却器）における損失は気体の密度に依存するが、本発明では、その損失はより小さい。

エンジン負荷が変わっても高温熱交換器の温度Ｔ_Ｈがわずかしか変化しないということは、燃料を使って加熱するユニットにおいては特に有利であることがわかる。一般に、バーナの動作はその場の温度条件にかなり影響される。すなわち、温度条件が十分に安定していなければ、汚染物質が最小限の完全燃焼を得ることはできない。

詳細な研究の結果、スターリングエンジンに関して様々な形態で適用されている技術である燃焼ガスの内部再循環（特許文献４参照）を用いたバーナについて、こうした利点を明らかにすることができた。酸化剤の希釈により、燃焼チャンバ内に無炎燃焼が起こって、その容積の相当部分を占める。そこで以下のような幾つかの条件が満たされると、ごくわずかな過剰量の空気で完全燃焼を得ることができる。
供給される新鮮な空気とリサイクルガスによって形成される混合物の温度は、燃料の着火温度よりも高くなければならない。希釈雰囲気における天然ガスの場合、その閾値は７２０℃超に位置する。
ＮＯ_ｘの大量生成を防ぐため、ガスの温度はどの部分でも１３００〜１４００℃の限度を超えてはならない。
高温熱交換器表面の温度Ｔ_Ｈは、燃焼の際に放出されるエネルギーと、スターリングの作動気体の膨張によって高温熱交換器から奪われるエネルギーとが均衡したものとして定まる。特許文献４の条件における動作条件が広い出力範囲で満たされるのは、本発明の対象であるスターリングエンジンの場合のように、Ｔ_Ｈが機関の出力の変化によってわずかしか変化しない場合に限られる。

従来のフリーピストン式スターリング機関は、エンジン速度が制御された状態を保つために、機関の起動段階ばかりでなく、公称条件の前後で動作を安定させるときにも、高度な調節手段（たとえば、特許文献５や特許文献６）を必要とする。こうした機関では、最適な動作条件からのずれはエンジンの性能を大きく減ずる可能性がある。

本発明の対象であるスターリング機関の制御は、それと比べて明らかに単純であることがわかるが、それは主として以下のような理由による。２つのピストンは、第一義的にはシステムのエンクロージャと連結されており、それぞれの間の連結は付帯的なものである。そのため、本発明の対象である機関の２つのピストンの間のうなりは容易に減衰させることができ、完全になくすことも可能である。一方、このスターリング機関のバーナは出力の変化により素速く反応するが、これは、移動する熱出力が変わってもその温度がほとんど変化しないためである。熱源のＴ_Ｈの変化はＰ_Ｘを、したがって共振ピストンに移動する出力を変化させ、共振ピストンの振幅Ｙの素速い変化をもたらす。そうすることで圧力振幅が変わり、それによってエンジンの出力が調整される。

先行技術によって設計されたフリーピストン式スターリングエンジンでは、移動ピストンの運動は作動気体の圧力変化に依存する。移動ピストンの運動の振幅のわずかな変化は、再生器とそこを通る気体との間でやり取りされるエネルギー量の変化をもたらし、それは作動気体の瞬間的な圧力に影響を及ぼすが、その瞬間的な圧力の方は移動ピストンの運動に影響を与える。こうして不安定が生じる可能性があるが、その不安定は、駆動ピストンに対する発電機の作用によって間接的に制御することしかできない。

本発明では、移動ピストンの運動の振幅は、移動ピストンと連関させた発電機によって直接制御される。そのため、移動ピストンの運動の振幅の変化は、発電機に加わる負荷によって直接制御され、それにより、エンジンの定格サイクルに対する一切の有意な外乱が食い止められる。こうした制御の質により、これらのエンジンは大きな圧力振幅で動作することができ、公知の構成で制御可能な出力密度を上回る出力密度を達成することができる。

図７は、外部シリンダの中に設置し、スターリングエンジンの圧縮容積Ｖ_Ｃと連結した２つの共振ピストン１０ａ、１０ｂを備えるスターリング機関の構成を直径方向断面で示したものである。２つの共振ピストンは、それぞれのシリンダ内で弾性手段４０によって懸架される。それぞれのピストンの質量、ならびにそれぞれのピストンに作用する機械および空気圧による弾性力は、それらのピストンに機関の運転周波数に等しい共振周波数が与えられるように調整される。これらのピストン１０ａ、１０ｂおよびそれぞれのシリンダによって形成される２つのサブアセンブリは同一である。２つのピストン１０ａ、１０ｂは同軸であり、機関の中心軸に関して対称に配置される。機関の可変圧力の作用により、２つの共振ピストンは互いに反対方向に振動し、それぞれの慣性力は相殺し合う。

図８の変形形態では、２つのピストン１０ａおよび１０ｂは、機関の主軸に対して横方向に配置された共通の１つのシリンダの中に同軸状に設置される。共通シリンダの２つの外部容積４５ａおよび４５ｂは、管路２９によってスターリングエンジンの圧縮容積Ｖ_Ｃに接続される。中央部容積４５ｃは、発電機の容積の圧力など、ほぼ一定の平均圧力にさらされる容積４８に管路４４によって接続することができる。この２つのピストン１０ａおよび１０ｂが可変圧力の作用によって振動すると、それぞれの慣性力は互いに打ち消し合う。変形形態として、中央部容積４５ｃは低温チャンバＶ_Ｃに、外部容積４５ａおよび４５ｃは容積４８にそれぞれ接続することができる。複数対の同軸共振ピストン１０ａ、１０ｂを機関の主軸に関して対称に配置することで、それら共振ピストン１０ａ、１０ｂ全体によってもたらされる横方向の力は、すべての共振ピストンが同じ動線を描く限り、打ち消される。

図９は、一例として、共振ピストン１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの菱形の構成を示したものである。この構成は、共振ピストンをそれぞれのシリンダとともに小径のエンクロージャ内に配置することを可能にする。それぞれの運動が同一である限り、これらの共振ピストンによって機関全体に横方向の力がかかることはない。さらに一般的には、これらの共振ピストン１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが機関の主軸に関して対称形の構成をなして設けられる場合には、それらの共振ピストンの慣性力は打ち消し合う。

フリーピストン式スターリング機関でたびたび遭遇する問題は、振動するピストンからフレームに伝えられる大きな震動力によって引き起こされる。外部に漏れる不快な騒音を抑えるため、この種の機関は防音エンクロージャの中に収め、床面から引き離さなければならない。また、フレームの震動はこの種の機関の速度に影響を及ぼし、それによってその動作に不調を生じるおそれがある。

そうした震動は、共通の１つの燃焼チャンバを挟んで互いに反対向きの２つの同一機関を設けることによって相殺することができる。タンデム型アセンブリのそうした構成は、たとえば、非特許文献４で提案されている。そうした解決法はとりわけ、比較的高い出力を発生する機関の場合に適している。

図７は、フレームの震動に対する公知の緩和手段であって、機関のフレーム４と一体をなすエンクロージャ３に弾性手段４２によって懸架された追加ウエイト４１を備える緩和手段を示したものである。この共振器の固有周波数を調整して機関の運転周波数に合わせることにより、機関の震動を減らすことができる。しかし、同調の精度が十分でないと、うなりを生じる可能性があり、それが不快を生じたり、機関の動作の妨げとなったりするおそれがある。

本発明は、その欠点を少なくとも部分的に補い、機関のエンクロージャに伝達される震動を緩和することのできるもう１つのシステム（図１０に図示）を提案する。この考え方によれば、追加ウエイト４１は移動ピストン６、６ａおよび機関のフレーム４に対して弾性的に連結される。弾性懸架機構４２ａ、４２ｂおよび４２ｃは、機関の運転周波数でそうした２つのウエイトが互いに反対向きに振動して、エンクロージャまたは機関のフレームに伝わる震動力が打ち消されるように調整する。それにより、ピストンの運動によって生じる震動をその発生源で減衰させる。

弾性手段４２ａ、４２ｂおよび４２ｃは、コイル状もしくは板状の機械ばね、電磁石、空気圧手段、またはそれら様々な弾性支持体の組み合わせのいずれからなるものであってもよい。この震動抑制システムは、単一振動体の作用を効果的に補償することができる。そのため、このシステムは、対向する共振ウエイトを備えるスターリング機関に特に適している。これは、移動ピストンによって発生する震動だけを補償すればよいためである。

図１１は、スターリング機関の円筒形区画３を一例として示したものである。この実施形態では、追加ウエイト４１は、空気圧ばね４２ｂの容積４６を画定するピストン６ａの管状要素の延長部の中に設置した可動ピストンを形成する。ピストンの形を取るこの追加ウエイト４１は、シール部片２５を備えることができる。変形形態として、容積４６の密封は、追加ウエイト４１によって形成されるピストンの円筒形表面とそれに対応する管状エンクロージャにより、ピストンの円筒形壁体と管状エンクロージャの円筒形壁体の間にごくわずかな環状スペースを設けることで得ることもできる。この環状スペースはまた、追加ウエイト４１とピストン６ａの管状延長部の間の径方向位置を安定させるための静圧気体軸受を備えることができ、それによってそれら２つの面の間の摩擦を減らす。

この追加ウエイト４１は、機械的ばねによって、好ましくはらせん状アーム４２ｃを有する板ばねによって、心合わせされ、弾性的に懸架される。追加ウエイト４１に付帯する補助ウエイト４１ａは、その追加ウエイトの振動を調整して、移動ピストン６、６ａと追加ウエイト４１とが逆位相で振動するようにする役割を果たすもので、それによって、フレームに伝わる震動力を最小限にまで減衰させることができる。

この図に示すように、電機子と巻線は発電機の可動部分を取り囲むものであってよく、アーマチュアは発電機の中に設置してよい。

図１２は図１１の変形形態を示したもので、この変形形態では、追加ウエイト４１は、機関のフレーム４に剛性的に結合された支持体４７に固定された補助シリンダ４９の中に収まる。この場合、図１０の空気圧ばね４２ｂは、移動ピストン６，６ａの延長部の中に位置して、静止ピストン５０によって画定される第１の可変容積４６ａからなる。この容積４６ａは、補助シリンダ４９内に位置する第２の容積４６ｂに管４３によって接続される。管４３は、機関のフレーム４と一体をなす支持体４７に対して剛性的に固定され、静止ピストン５０を貫通する。

２つの可変容積４６ａおよび４６ｂは、パッキン２５を備えるか、または対応するそれぞれのシリンダに対する径方向の遊びがごくわずかである滑面を備える可動式または固定式ピストン手段によって密閉される。それぞれのシリンダは、摩擦による損失を減らすため、静圧気体軸受を備えることができる。

図１２による実施形態では、振動ウエイト６、６ａおよび４１はそれぞれの支持体によって個別に案内される。この解決法は、これらの可動要素に対して最適な支承を果たすものであり、それら要素の径方向の動きおよび摩擦による損失を最小化する。この解決法の欠点は比較的かさばるところにある。

２つの振動ウエイトを有するシステムの実施形態については、数々の変形形態を想定することができる。たとえば、図１２による変形形態は、支持体４７と一体をなす静止ピストンを囲む円筒形の可動ウエイト４１を含むことができる。また、これらすべての変形形態では、空気圧ばね４２ｂの作用を補強するために補足的な機械ばねを使用することができる。

複雑で高価なサーボ制御システムを使用しないこと、機関によって発生する震動が低減されること、部分負荷での動作条件において有利であることは、多くの用途で実に多くの利点を有する。たとえば、
家庭の暖房用として、季節の変わり目に、部分負荷で設備の停止／再起動を最小限にして動作することができる。それにより、再起動のたびのエネルギー損失を防ぎ、頻繁な熱サイクルにさらされることによる金属の疲労を減らすことができる。また、システムの柔軟性により、家庭の電気エネルギー需要に対する動作の適合を高めるとともに、給湯用の貯湯管理を改善することができる。
バイオマスの燃焼時に、燃料の量によって放出熱が変動する可能性がある。本発明の対象である機関を使用すれば、加熱管の温度の変化は小さくなり、それによって最適な条件のもとで安定した燃焼が維持される。
システムの柔軟性と部分負荷での効率のよさは、太陽光エネルギーを、たとえば朝、夕、曇天時などに、効率よく転換することを可能にする。そのため、年間の平均を取れば、本発明の対象であるスターリング機関は、従来のシステムよりも長い期間にわたる動作を可能にする。

回転式発電機を使用すると、電力系統に容易に併入することができる三相電流を発電することができる。

上述のハイブリッドエンジンも、部分負荷での効率のよさにおいて傑出している。ハイブリッドエンジンは、高い運転柔軟性が要求されるあらゆる用途で有利に利用することができる。

起動時、共振ウエイトの運動およびそれによって発生する圧力振幅は小さい。そのため、機関は、それぞれの容積間で圧力のバランスを取る必要なしに運転を開始することができる。したがって、従来のキネマティック機関で一般的に使用される短絡弁の助けを借りる必要もなくなる。

Claims (16)

1. 移動ピストン（６、６ａ）と発電機または電動機の可動部（１４）とを備えるスターリング機関であって、前記移動ピストン（６、６ａ）はシリンダ（２）の中に取り付けられており、前記シリンダ（２）内で、前記移動ピストン（６、６ａ）が、前記スターリング機関の作動容積を構成するチャンバであって、前記移動ピストン（６、６ａ）の２つの作動面にそれぞれ連関する膨張チャンバ（Ｖ_Ｅ）と圧縮チャンバ（Ｖ_Ｃ）の間で、熱源に接続された高温熱交換器（７）、再生器（９）、および熱シンクに接続された冷却熱交換器（８）に作動気体を通しながら前記気体を周期的に移動させ、弾性復帰手段が前記移動ピストン（６、６ａ）に対して力を及ぼし、前記ピストン（６、６ａ）の２つの前記作動面の間の断面積比（ａ_Ｃ／ａ_Ｅ）が≧０．３５であることで、膨張容積Ｖ_Ｅに向かう軸Ｘに沿った前記ピストンの変位によって前記ピストン（６、６ａ）の前記変位と逆位相の前記作動気体の圧力成分Ｐ_Ｘがもたらされ、前記可動部（１４）に伝達されるすべての機械エネルギーを前記移動ピストン（６、６ａ）で発生させるようにするスターリング機関において、前記断面積比ａ_Ｃ／ａ_Ｅが０．７０未満であること、および前記スターリング機関が、前記圧力成分Ｐ_Ｘに比例するエネルギー量で前記移動ピストン（６、６ａ）と連結される少なくとも１つの共振ピストン（１０）を備えることを特徴とするスターリング機関。
2. 前記共振ピストンが、支承手段を介して案内されるフリーピストンである、請求項１に記載のスターリング機関。
3. 前記移動ピストンが弾性手段によって懸架され、それによりフリーピストンを形成し、前記可動部が直線変位式である、請求項１または２に記載のスターリング機関。
4. 前記移動ピストンがクランク機構によって回転式前記可動部に連結される、請求項１または２に記載のスターリング機関。
5. 前記移動ピストン（６、６ａ）の作動面積比ａ_Ｃ／ａ_Ｅが３５から６０％の間、好ましくは４０から５５％の間である、請求項１から４のいずれか一項に記載のスターリング機関。
6. ２０μｍから５０μｍの径方向の遊びによって形成される動的シールであって、その２つの表面のうちの少なくとも一方が、耐摩耗性で、静的および動的な摩擦を減らすことができる自己潤滑性の被覆を備える動的シールによって、それぞれのピストンが径方向に支承される、請求項１から５のいずれか一項に記載のスターリング機関。
7. 前記ピストンとそれを囲む前記シリンダの間に形成される前記動的シールが、前記シリンダの壁体内または前記ピストン内に設けられた少なくとも１つの気体容積に含まれる所定圧力の作動気体である、請求項６に記載のスターリング機関。
8. 前記気体容積が、時間とともに変化する圧力にさらされる容積の近傍に設けられた少なくとも１つの逆止弁を備えており、前記容積が最も高い周期的圧力にさらされたときに作動気体の供給を受ける、請求項７に記載のスターリング機関。
9. 前記移動ピストン及び前記共振ピストンが、らせん状アームを有する板ばねによって前記シリンダに懸架されるフリーピストンである、請求項１から８のいずれか一項に記載のスターリング機関。
10. 前記共振ピストン（１０）および／または前記移動ピストンが、それぞれの前記ピストンの中心軸の周りに対称に配置され、それぞれの前記ピストンに対して、それぞれの前記ピストンに心合わせされた軸方向の力を及ぼすコイルばねによってフレーム（４）に懸架される、請求項１から８のいずれか一項に記載のスターリング機関。
11. 低温作動容積と前記発電機の容積を接続する管路に調節弁が設置される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のスターリング機関。
12. 前記機関の中心軸に関して対称に配置され、互いに反対方向に振動する少なくとも１対の同軸の共振ピストンを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のスターリング機関。
13. 前記機関の主軸に関して対称形の構成をなして配置された少なくとも２対の共振ピストン（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）を備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載のスターリング機関。
14. 追加ウエイト（４１ａ）が、その固有周波数を前記機関の前記移動ピストン（６、６ａ）の固有周波数に調整するように、さらにその振動運動によって前記移動ピストン（６、６ａ）の震動を補償するように、弾性手段（４２ｃ）によって前記フレームに懸架される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のスターリング機関。
15. 前記追加ウエイト（４１ａ）が、前記機関の前記移動ピストン（６、６ａ）の動作周波数で前記ウエイトを前記移動ピストンと反対方向に振動するように調整された弾性手段（４２ｃ）によって、前記機関の前記フレームおよび前記移動ピストン（６、６ａ）に懸架される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のスターリング機関。
16. 空気圧ばね（４６ａ）が前記移動ピストン（６、６ａ）を前記追加ウエイト（４１）の空気圧ばね（４６ｂ）と連結し、かつ前記空気圧ばね（４６ａ）が前記移動ピストン（６、６ａ）の延長部に位置する管状要素（６ａ）の中に少なくとも部分的に組み込まれる、請求項１５に記載のスターリング機関。
    
    

Images