JP6106102B2 - 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。

スターリングエンジンとして、軸線方向に隔置された高温部と低温部とを有する一つのシリンダ部材内にディスプレーサピストンとパワーピストンとが軸線方向に往復動可能に設けられ、ディスプレーサピストンとパワーピストンとが共通のクランク軸に接続されているβ型のスターリングエンジンが知られている（例えば、特許文献１、２）。

特開２００８−１０１５０１号公報 特開２０１０−２５５５４９号公報

スターリングエンジン等の熱機関の効率であるシステム効率は、熱交換器効率とサイクル効率（理論熱効率）の積で表される。熱交換器効率は、熱機関に供給される高温熱源の入口温度と出口温度の差を入口温度で除することによって算出される。サイクル効率は、熱機関が利用する理論サイクルによって定まる値である。スターリングエンジンは、カルノーサイクルを利用した機関であり、カルノーサイクルはサイクル効率が高く、ランキンサイクル等に比べて有利であることが知られている。しかしながら、従来のスターリングエンジンでは、より高いカルノー効率を得るために、高温側作動ガス温度を上げると共に、入口温度と出口温度の差を小さくする手法が採られる。その結果、スターリングエンジンは、出口温度以下の熱量を捨てることになり、熱交換器効率が小さくなるという問題がある。そのため、スターリングエンジンは、熱交換器効率がランキンサイクル等と比べて著しく小さいという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、スターリングエンジンにおいて、熱交換器効率を向上させ、システム効率を向上させることを課題とする。

本発明は、スターリングエンジン（１）であって、軸線（Ａ）方向において高温部と低温部とを有するシリンダ部材（３）と、前記シリンダ部材の内部に前記軸線方向に往復動可能に設けられ、前記シリンダ部材の内側面との間に空隙を形成するディスプレーサピストン（３２）と、前記シリンダ部材の内部における前記ディスプレーサピストンよりも前記低温部側に、前記軸線方向に往復動可能に配置されたパワーピストン（３３）と、前記ディスプレーサピストン及び前記パワーピストンとリンク機構（８４、８５）を介して連結されたクランク軸（７３）とを有し、前記シリンダ部材は、前記軸線方向において前記高温部側から前記低温部側にかけて漸減する温度勾配を有することを特徴とする。

この構成によれば、シリンダ部材は、高温部から低温部にかけて漸減する温度勾配を有するように設定されるため、シリンダ部材の高温部及び低温部が差を有する２値の温度に設定される場合に比べて、外部熱源から受け取ることができる熱量が増加する。すなわち、スターリングエンジンに供給される際の熱源の温度に対して、スターリングエンジンから排出される際の熱源の温度を低くすることができ、熱交換器効率を高めることができる。また、本発明では、ディスプレーサピストンの往復動に伴うシリンダ内部の作動流体の通路がディスプレーサピストンの外側面とシリンダの内側面との間に形成される。この作動流体の通路は、軸線Ａに沿ってシリンダの内部に形成されるため、シリンダ部材と同様に高温部側から低温部側にかけて漸減する温度勾配を有する。そのため、作動流体が通路を流れるときには対向流式の熱交換と同様の熱交換を行うことになり、熱交換効率が向上する。

また、上記発明において、前記シリンダ部材の外部に、前記シリンダ部材の外面に沿って前記軸線方向に前記高温部側から前記低温部側に高温流体を流す流体通路（２１）を更に有するとよい。

この構成によれば、シリンダ部材には、軸線Ａ方向において、高温部から低温部にかけて漸減する温度勾配が形成される。また、高温流体が、高温部から低温部にかけて漸減する温度勾配が形成されたシリンダ部の外面を高温部から低温部に流れるため、高温流体とシリンダ部材との熱交換効率が向上する。

また、上記発明において、前記シリンダ部材は、外面に前記軸線方向に断続的に配置された複数のフィン（１６）を有するとよい。

この構成によれば、フィンが軸線方向において断続的に形成されているため、フィン内の軸線方向への熱の伝導が阻害され、シリンダ部材に軸線方向に沿った温度勾配が形成され易くなる。

また、上記発明において、前記シリンダ部材の内側面に沿って前記高温部から前記低温部にかけて設けられ、通気性を有すると共に前記シリンダ部材及び内部を通過するガスと熱交換可能な再生器（３０）を更に有するとよい。

この構成によれば、シリンダ内部の作動流体の通路に再生器が設けられるため、ディスプレーサピストンの往復動に応じて移動する作動流体との熱交換効率が向上し、加熱及び冷却が一層迅速に行われるようになる。また、再生器はシリンダ部材の内側面に沿って高温部から低温部にかけて設けられるため、シリンダ部材と熱交換してシリンダ部材と同様の温度勾配が形成される。そのため、ディスプレーサピストンの往復動に応じて移動する作動流体との熱交換効率が一層向上する。

また、上記発明において、前記再生器は筒形をなし、前記再生器の外側面が前記シリンダ部材の内側面に接触しているとよい。

この構成によれば、再生器が筒形をなすことによって、作動流体の通路を再生器で埋めることができ、作動流体との熱交換効率が向上する。

また、上記発明において、前記再生器は、金属繊維を筒形に成形したものであり、その外側面が前記シリンダ部材の内側面に溶接されているとよい。

この構成によれば、シリンダ部材と再生器との熱交換効率が向上する。

また、上記発明において、前記再生器の内側面と前記ディスプレーサピストンの外側面との間に微小な隙間を有するとよい。

この構成によれば、ディスプレーサピストンと再生器とが非接触となるため、ディスプレーサピストンが往復動する際の摩擦抵抗が低減される。また、ディスプレーサピストンと再生器との摩擦に伴う磨耗が抑制される。

以上の構成によれば、スターリングエンジンにおいて、熱交換器効率を向上させ、システム効率を向上させることができる。

実施形態に係るスターリングエンジンの縦断面図 図１におけるスターリングエンジンのシリンダ室側を拡大して示す縦断面図 スターリングエンジンのクランク室側を破断して示す斜視図 スターリングエンジンのクランク室側をクランク軸に直交する平面で切断した断面図 スターリングエンジンのクランク室側をクランク軸と平行な垂直面で切断した断面図 フィンの横断面図 再生器の温度分布を示すグラフであって（Ａ）初期値、（Ｂ）始動１０秒後、（Ｃ）始動から１分後を表す （Ａ）従来のスターリングエンジンの効率を示すグラフ、（Ｂ）本実施形態に係るスターリングエンジン及び従来のスターリングエンジンのシステム効率を表すグラフ

以下、図面を参照して本発明に係るスターリングエンジンの実施形態を説明する。図１〜図５に示すように、スターリングエンジン１は、軸線Ａに沿って延在する円筒形のシリンダ部材３を有する。以下の説明では、シリンダ部材３の軸線が上下方向に延在するものとして説明する。なお、本実施形態に係るスターリングエンジン１は、使用態様に応じて軸線Ａを任意の方向に配置することができる。

図１に示すように、シリンダ部材３は、上側から順に、高温側ケース４、低温側ケース５、クランクケース６、蓋部材７を有している。高温側ケース４は、軸線Ａを中心軸とし、上端が閉じられ、下端が開口した有底円筒形をなす。低温側ケース５及びクランクケース６は、軸線Ａを中心軸とし、上下両端が開口した円筒形をなす。高温側ケース４、低温側ケース５及びクランクケース６は、同軸に配置され、上下に連続する内部空間８を形成するように互いに接続されている。蓋部材７は、クランクケース６の下端の開口を閉じている。高温側ケース４と低温側ケース５とは、外部と内部との熱交換を促進するために、銅等の熱伝導性が高い金属材料によって構成されていることが好ましい。また、高温側ケース４と低温側ケース５とは、外部と内部との熱交換を促進するために、高温側ケース４及び低温側ケース５の肉厚は薄いことが好ましい。

低温側ケース５の上部５Ａは、下部５Ｂに対して径が大きく形成されている。低温側ケース５の上部５Ａは、高温側ケース４と内径が等しく形成されている。高温側ケース４の下縁と低温側ケース５の上縁とは溶接等によって接合され、高温側ケース４及び低温側ケース５の上部５Ａは径が等しい空間（後述するシリンダ室８Ａ）を形成している。

図３〜図５に示すように、低温側ケース５の下縁には径方向外方に環状に突出したフランジ部５Ｃが形成されている。クランクケース６の上縁には径方向外方に環状に突出したフランジ部６Ａが形成され、下縁には径方向外方に環状に突出したフランジ部６Ｂが形成されている。

低温側ケース５のフランジ部５Ｃとクランクケース６のフランジ部６Ａとは、ノックピンを介して上下方向に互いに突き合わされ、両者を跨ぎ、かつ周方向に延在するバンドカップリング１１によって互いに締結されている。ノックピンは、低温側ケース５及びクランクケース６の軸線Ａを中心とした相対回転を抑制する。クランクケース６のフランジ部６Ｂと蓋部材７の周縁部とは上下方向に互いに突き合わされ、両者を跨ぎ、かつ周方向に延在するバンドカップリング１２によって互いに締結されている。

以上のようにして、高温側ケース４、低温側ケース５、クランクケース６、蓋部材７を含むシリンダ部材３は、閉じられ、軸線Ａ方向に延在する内部空間８を形成する。内部空間８のうち、高温側ケース４及び低温側ケース５に対応する部分をシリンダ室８Ａ、クランクケース６に対応する部分をクランク室８Ｂとする。内部空間８には、窒素ガス等の作動ガスが封入されている。

図１及び図２に示すように、高温側ケース４の上端面には複数の第１フィン１５が突設されている。第１フィン１５は、軸線Ａを中心として放射状に設けられている。第１フィン１５は、高温側ケース４との熱交換を容易にするために溶接等によって接合されている。

図２に示すように、高温側ケース４の外側部（外周部）に複数の第２フィン１６が突設されている。図６は、軸線Ａに直交する平面で切断した第２フィン１６の横断面図である。図２及び図６に示すように、第２フィン１６は、両端が開口した筒部材を周方向に蛇腹状に折り畳んだ成形体１７を、高温側ケース４の外側部に被せることによって形成されている。成形体１７は、径方向内側に突出した谷部１７Ａと、径方向外側に突出した山部１７Ｂとを有し、谷部１７Ａの径方向内側面において高温側ケース４の外周面に接触している。第２フィン１６は、山部１７Ｂによって高温側ケース４の外側面から突出するように形成されている。第２フィン１６と高温側ケース４との熱交換を促進するために、谷部１７Ａの径方向内側面は、高温側ケース４の外側面に溶接されていることが好ましい。

成形体１７の各山部１７Ｂは、周方向に延びる複数のスリット１７Ｃによって軸線Ａ方向において断続的に形成されている。すなわち、各山部１７Ｂは、軸線Ａ方向においてスリット１７Ｃによって区画され、軸線方向に互いに独立した複数の第２フィン１６を形成している。

図１及び図２に示すように、高温側ケース４の外周側には、筒形の第１アウタシェル２０が被せられている。第１アウタシェル２０は、高温側ケース４の外面に設けられた第１フィン１５及び第２フィン１６も受容可能な内径を有し、高温側ケース４と同軸に配置されている。高温側ケース４の外周面と第１アウタシェル２０の内周面との間には高温流体通路２１が形成される。第１アウタシェル２０の上端及び下端は開口しており、第１アウタシェル２０の上端開口は高温流体通路２１の入口である高温流体入口部２１Ａを構成し、第１アウタシェル２０の下端開口は高温側ケース４の外周面と協働して高温流体通路２１の出口である高温流体出口部２１Ｂを構成する。高温流体通路２１の出口は、高温側ケース４の周方向における全周にわたって形成されてもよく、或いは高温側ケース４の周方向における一部分に形成されてもよい。

高温流体は、高温流体通路２１を軸線Ａ方向に沿って高温側ケース４の上端側から下端側に流れ、第１フィン１５及び第２フィン１６を含む高温側ケース４と熱交換するため、高温側ケース４は軸線Ａ方向において上端側から下端側に進むにつれて温度が漸減する温度勾配を有するようになる。

低温側ケース５の上部５Ａの外側部には、複数の第３フィン２３が突設されている。低温側ケース５の上部５Ａの外周側には、環状の第２アウタシェル２５が被せられている。第２アウタシェル２５は、上部５Ａの外周面と協働して低温側ケース５を周方向に囲む低温流体通路（ウォータジャケット）２６を形成する。本実施形態では、第２アウタシェル２５の上縁は、第１アウタシェル２０の下縁よりも下方に配置されている。第２アウタシェル２５の下部には、低温流体入口部２５Ａ及び低温流体出口部２５Ｂが設けられている。低温流体入口部２５Ａ及び低温流体出口部２５Ｂは、第２アウタシェル２５に突設された管であり、軸線Ａを中心として周方向に互いに１８０°離れた位置に設けられている。これにより、例えば冷却水である低温流体は、低温流体入口部２５Ａから低温流体通路２６に供給され、低温側ケース５の上部５Ａの外周部を周方向に流れ、低温流体出口部２５Ｂから外部に排出される。高温流体よりも温度が低い低温流体が、低温流体通路２６を低温流体入口部２５Ａから低温流体出口部２５Ｂに流れ、第３フィン２３を含む低温側ケース５の上部５Ａと熱交換することによって、低温側ケース５は冷却され、高温側ケース４よりも温度が低くなる。

以上のようにして、高温側ケース４及び低温側ケース５を含むシリンダ部材３は、高温側ケース４に対応する部分が高温部となり、低温側ケース５に対応する部分が低温部となる。また、シリンダ部材３の温度分布は、軸線Ａ方向において高温側ケース４の上端側が最も高温になり、低温側ケース５側に進むにつれて温度が漸減するように形成される。

高温側ケース４及び低温側ケース５の上部５Ａの内周面によって形成されるシリンダ室８Ａの内壁には、筒形に形成された再生器３０が設けられている。再生器３０は、熱伝導性を有する金属繊維を圧縮して成形したものであり、内部に空隙を有する。これにより、再生器３０は、熱伝導性及び通気性を有する。再生器３０は、軸線方向に長く、両端が開口した筒形に形成され、径方向に所定の厚みを有する。再生器３０は、軸線Ａと同軸に配置され、再生器３０の外周面は、高温側ケース４及び低温側ケース５の上部５Ａの内周面と接触している。再生器３０の外周面は、高温側ケース４及び低温側ケース５の上部５Ａの内周面にろう付け等によって溶接されていてもよい。

再生器３０は、軸線Ａ方向において、高温側ケース４及び低温側ケース５の上部５Ａの全域にわたって延設されている。再生器３０は、軸線Ａ方向において長い方が好ましく、例えば外周の直径よりも長いことが好ましい。再生器３０は、内周面が軸線Ａを中心とした滑らかな円周面に形成されており、再生器３０の内周面と低温側ケース５の下部５Ｂの内周面と面一となっている。

シリンダ室８Ａであって、再生器３０の内側には、ディスプレーサピストン３２が軸線Ａ方向に往復動可能に配置されている。図２に示すように、シリンダ室８Ａにおいて、ディスプレーサピストン３２よりも上側の空間（高温側ケース４側の空間）を高温室８Ｃとし、ディスプレーサピストン３２よりも下側の空間（低温側ケース５側の空間）を低温室８Ｄとする。高温室８Ｃ及び低温室８Ｄの容積は、ディスプレーサピストン３２の往復動に応じて変化し、高温室８Ｃの容積が大きくなると低温室８Ｄの容積が小さくなる。シリンダ室８Ａのディスプレーサピストン３２よりも下方であって、低温側ケース５に対応する部分にはパワーピストン３３が軸線Ａ方向に往復動可能に配置されている。

ディスプレーサピストン３２は、セラミック等の軽量かつ耐熱性及び断熱性を有する材料から形成されている。ディスプレーサピストン３２は、略円柱形に形成され、軸線Ａと同軸に配置されている。ディスプレーサピストン３２は、軸線Ａと同軸に配置された状態で、その外周面が再生器３０の内周面との間に微小な隙間を形成し、再生器３０と接触しないことが好ましい。ディスプレーサピストン３２と再生器３０とが接触しないことによって、ディスプレーサピストン３２の往復動に伴う摩擦抵抗が軽減されると共に、ディスプレーサピストン３２及び再生器３０の摩耗が抑制される。なお、ディスプレーサピストン３２の外周面と再生器３０の内周面との間の隙間は、ガスの流通を阻害するために、微小であることが好ましい。これにより、ディスプレーサピストン３２が軸線Ａ方向に往復動するときには、高温室８Ｃ及び低温室８Ｄの一方の作動ガスは、再生器３０を通過して高温室８Ｃ及び低温室８Ｄの他方に移動する。

ディスプレーサピストン３２の中心には、軸線Ａ方向に貫通するディスプレーサピストンロッド（以下、ＤＰロッドという）３５が結合されている。ＤＰロッド３５は、ボルト等によってディスプレーサピストン３２に結合され、ディスプレーサピストン３２と一体となって移動する。

ディスプレーサピストン３２の上端面の中央には軸線Ａに沿って有底の受容孔３６が形成されている。ＤＰロッド３５の上端部は、受容孔３６内に配置されている。受容孔３６の内径は、ＤＰロッド３５の外径に比べて大きく、ＤＰロッド３５の外側面と受容孔３６の内側面との間には隙間が形成されている。高温側ケース４の上端部中央には、軸線Ａと同軸に下方に向けて受容筒３７が突設されている。受容筒３７はディスプレーサピストン３２の受容孔３６に摺動可能に突入し、受容筒３７の内孔にはＤＰロッド３５の上端部が摺動可能に突入する。ＤＰロッド３５の上端部が受容筒３７に受容されることによって、ＤＰロッド３５及びディスプレーサピストン３２は、軸線Ａと同軸に配置される。

図４及び図５に示すように、ディスプレーサピストン３２から下方に突出するＤＰロッド３５は、パワーピストン３３の中央に形成された貫通孔３８、後述する連結部材４０に形成された貫通孔４０Ｃ、及びパワーピストンスライダ（以下、ＰＰスライダという）４２に形成された通し溝４３を軸線Ａ方向に変位可能に貫通している。ＤＰロッド３５の下端部は、後述するディスプレーサピストンスライダ（以下、ＤＰスライダという）４５に連結されている。これにより、ディスプレーサピストン３２、ＤＰロッド３５及びＤＰスライダ４５は、一体となって軸線Ａ方向に移動する。

パワーピストン３３は、上側部材５０と下側部材５１とを有している。上側部材５０はセラミック等の軽量かつ耐熱性及び断熱性を有する材料から形成され、下側部材５１は金属等の軽量かつ耐熱性を有する材料から形成されるとよい。上側部材５０の中心部には、軸線方向に貫通する貫通孔５０Ｂが形成されている。貫通孔５０Ｂは、断面円形の段付き孔であり、上側部分が下側部分に対して径が大きく形成され、境界部に段部を有する。貫通孔５０Ｂの上側部分には、円筒状のカラー５０Ｃが嵌め込まれている。カラー５０Ｃの内径は、貫通孔５０Ｂの下側部分の内径と等しい大きさに設定されている。下側部材５１は上側部材５０の貫通孔５０Ｂ及びカラー５０Ｃを貫通する円筒部５１Ａを有している。円筒部５１Ａ内にはブッシュ５３が嵌め込まれ固定されている。ブッシュ５３は、上側部分が下側部分に対して外径が小さく形成され、境界部に段部を有している。ブッシュ５３の上側部分の外周面は、円筒部５１Ａの内主面との間に隙間を形成している。円筒部５１Ａの内周面であって、ブッシュ５３の外周面に対向する部分には雌ねじが形成されている。円筒部５１Ａの雌ねじには、フランジ付きの中空ボルト５４が螺着される。中空ボルト５４の内孔には、ブッシュ５３の上側部分が挿入され、中空ボルト５４の下端は、ブッシュ５３の段部に当接する。これによい、ブッシュ５３は中空ボルト５４によって円筒部５１Ａに結合される。また、中空ボルト５４のフランジは、カラー５０Ｃの上端面に当接し、係止される。これにより、上側部材５０と下側部材５１とは、中空ボルト５４及びカラー５０Ｃを介して一体に結合される。パワーピストン３３の中心部を軸線方向に延在する貫通孔３８は、ブッシュ５３の内孔によって構成されている。

ディスプレーサピストン３２の下部は、軸線Ａを中心とした円錐台状に下方に突出した形状となっている。パワーピストン３３の上側部材５０には、ディスプレーサピストン３２の円錐台状の下部を受容可能な凹部５０Ａが形成されている。ディスプレーサピストン３２が下死点近傍にあり、パワーピストン３３が上死点近傍にあるときに、ディスプレーサピストン３２の下部が凹部５０Ａに受容される。

低温側ケース５の下部５Ｂの内周面には、複数のシリンダ側永久磁石６０が埋め込まれている。複数のシリンダ側永久磁石６０は、軸線方向に長い棒状に形成され、下部５Ｂの周方向に等間隔に配置されている。各シリンダ側永久磁石６０の径方向内側を向く面は、下部５Ｂの内周面と面一に形成されている。パワーピストン３３の下側部材５１の外周面には、複数のピストン側永久磁石６１が埋め込まれている。ピストン側永久磁石６１は、各シリンダ側永久磁石６０と対向する位置に設けられ、シリンダ側永久磁石６０よりも軸線方向に短く形成されている。これにより、パワーピストン３３が軸線Ａ方向に移動するときにも、ピストン側永久磁石６１がシリンダ側永久磁石６０に径方向において対向する。各ピストン側永久磁石６１の径方向外側を向く面は、下側部材５１の外周面と面一に形成されている。シリンダ側永久磁石６０とピストン側永久磁石６１とからなる永久磁石対は、互い反発し合う磁極を有している。

下側部材５１の外周面には、周方向に延びる複数の周溝６３が軸線Ａ方向に互いに間隔をおいて形成されている。周溝６３は下側部材５１の外周面と低温側ケース５の下部５Ｂの内周面との間にラビリンスシールを構成する。このラビリンスシールはシリンダ室８Ａの作動ガスがクランク室８Ｂへ漏れることを抑制する。

パワーピストン３３の下側部材５１とＰＰスライダ４２とは、球面継手である連結部材４０によって連結されている。連結部材４０は、上端に上球状部４０Ａを有し、下端に下球状部４０Ｂを有している。上球状部４０Ａは、下側部材５１の下部に形成された半球状の凹部６５に配置され、ナット部材６６によって下側部材５１の下部に締結されたキャップ部材６７によって抜け止めがなされ、球面継手を構成している。下球状部４０Ｂは、ＰＰスライダ４２の側面に形成された半球状の凹部６８に配置され、ＰＰスライダ４２に締結されたキャップ部材６９によって抜け止めがなされ、球面継手を構成している。

上球状部４０Ａ及び下球状部４０Ｂにはそれぞれ縦溝７１が形成されている。下側部材５１とＰＰスライダ４２には、縦溝７１に摺動可能に突入する回転規制ピン７２が固定されている。縦溝７１と回転規制ピン７２との係合により、連結部材４０、下側部材５１及びＰＰスライダ４２の軸線Ａを中心とした相対回転が規制される。

クランクケース６の下部には、軸線Ａと直交する方向に延在するクランク軸７３が回転可能に支持されている。クランク軸７３は、回転軸線に対して変位した位置に第１クランクピン７３Ａ及び第２クランクピン７３Ｂを有している。第１クランクピン７３Ａ及び第２クランクピン７３Ｂはクランク軸７３の回転方向において異なる位置に配置されている。

クランクケース６の上端部には一対の上バー支持部７４が設けられ、下端部には一対の下バー支持部７５が設けられている。上バー支持部７４と下バー支持部７５は、クランク室８Ｂにおいて軸線Ａ方向に延在する２本のガイドバー７６を互いに平行に支持している。一対のガイドバー７６は、クランク軸７３を挟む位置に配置される。

２本のガイドバー７６は、クランク室８Ｂの径方向における両側に配置され、ＰＰスライダ４２とＤＰスライダ４５とを、軸線Ａ方向に摺動可能に支持している。ＰＰスライダ４２はＤＰスライダ４５の上方に配置されている。

ＰＰスライダ４２は、各ガイドバー７６が挿通される複数のスリーブ部４２Ａを有する。同じくＤＰスライダ４５は、各ガイドバー７６が挿通される複数のスリーブ部４５Ａを有する。各スリーブ部４２Ａ、４５Ａの内側にはリニアボールベアリングが装着されている。ＰＰスライダ４２とＤＰスライダ４５とは、それぞれリニアボールベアリングが装着されたスリーブ部４２Ａ、４５Ａを介してガイドバー７６に摺動可能に支持され、軸線Ａ方向に往復動可能になっている。

図３〜図５に示すように、ＰＰスライダ４２にはＰＰ連結ピン４２Ｂが突設され、ＤＰスライダ４５にはＤＰ連結ピン４５Ｂが突設されている。ＰＰ連結ピン４２Ｂ及びＤＰ連結ピン４５Ｂは、一対のガイドバー７６を含む平面に対して直交し、互いに相反する方向に突出している。ＰＰ連結ピン４２ＢにはＰＰコンロッド８１の一端が回転可能に連結されており、第１クランクピン７３ＡにはＰＰコンロッド８１の他端が回転可能に連結されている。これによりＰＰスライダ４２はＰＰコンロッド８１によってクランク軸７３に連結される。ＤＰ連結ピン４５ＢにはＤＰコンロッド８２の一端が回転可能に連結されており、第２クランクピン７３ＢにはＤＰコンロッド８２の他端が回転可能に連結されている。これによりＤＰスライダ４５はＤＰコンロッド８２によってクランク軸７３に連結される。このように、連結部材４０、ＰＰスライダ４２、及びＰＰコンロッド８１は、パワーピストン３３とクランク軸７３とを連結するＰＰリンク機構８４をなし、ＤＰロッド３５、ＤＰスライダ４５、及びＤＰコンロッド８２は、ディスプレーサピストン３２とクランク軸７３とを連結するＤＰリンク機構８５をなす。

次に上述した構成によるスターリングエンジン１のサイクル動作について説明する。以下の説明では、ディスプレーサピストン３２が上死点位置にある時のクランク角を０度とする。クランク角が０度のとき、パワーピストン３３は上昇過程におけるストローク中間位置にあるように、第１クランクピン７３Ａ及び第２クランクピン７３Ｂの位相が設定されている。

クランク角が０度のとき、低温室８Ｄの容積が最大となり、シリンダ室８Ａ内の作動ガスは主に低温室８Ｄにあり、シリンダ部材３の低温部と熱交換して冷却される。これにより、シリンダ室８Ａ内の作動ガスが収縮してパワーピストン３３に負圧が作用し、パワーピストン３３は上昇方向の駆動力を受ける。パワーピストン３３が上昇すると、ＰＰリンク機構８４を介してパワーピストン３３に連結されたクランク軸７３が回転する。クランク軸７３が回転すると、ＤＰリンク機構８５によってクランク軸７３に連結されたディスプレーサピストン３２が降下する。

ディスプレーサピストン３２が下降すると、高温室８Ｃの容積が増大すると共に、低温室８Ｄの容積が縮小し、作動ガスが低温室８Ｄから再生器３０を通過して高温室８Ｃに流れる。作動ガスは、再生器３０を通過することによって、再生器３０と熱交換し、温度が上昇する。

クランク角が９０度となり、パワーピストン３３が上死点に位置するときには、シリンダ室８Ａ内の作動ガスは主に高温室８Ｃにあり、シリンダ部材３の高温部と熱交換して昇温される。これにより、シリンダ室８Ａ内の作動ガスが膨張してパワーピストン３３に正圧が作用し、パワーピストン３３は下降方向の駆動力を受ける。パワーピストン３３が下降すると、ＰＰリンク機構８４を介してパワーピストン３３に連結されたクランク軸７３が回転する。

クランク角が１８０度となり、ディスプレーサピストン３２が下死点に到達すると、その後、ディスプレーサピストン３２は上昇を開始する。これにより、高温室８Ｃの容積が減少すると共に、低温室８Ｄの容積が増加し、作動ガスは高温室８Ｃから再生器３０を通過して低温室８Ｄに流れる。作動ガスは、再生器３０を通過する際に、再生器３０と熱交換して冷却される。

クランク角が２７０度となり、パワーピストン３３が下死点に位置するときには、シリンダ室８Ａ内の作動ガスは主に低温室８Ｄにあり、シリンダ部材３の低温部と熱交換して冷却される。これにより、シリンダ室８Ａ内の作動ガスが収縮してパワーピストン３３に負圧が作用し、パワーピストン３３は上昇方向の駆動力を受ける。パワーピストン３３が上昇すると、ＰＰリンク機構８４を介してパワーピストン３３に連結されたクランク軸７３が回転し、クランク角は３６０度（０度）に戻り、上記の行程を繰り返す。

以上のように、シリンダ室８Ａの作動ガスが、温度上昇及び温度低下を繰り返し、膨張及び収縮を繰り返すことにより、クランク軸７３が回転する。

本実施形態では、シリンダ部材３は、高温部から低温部にかけて漸減する温度勾配を有するように設定されるため、シリンダ部材３の高温部及び低温部が差を有する２値の温度に設定される場合に比べて、高温流体から受け取ることができる熱量が増加する。すなわち、熱交換器効率が向上する。本実施形態に係るスターリングエンジン１では、熱交換器効率を９０％以上にすることができる。熱交換器効率が向上することによって、スターリングエンジン１のシステム効率が向上する。

本実施形態では、高温流体通路２１をシリンダ部材３の外周部に軸線Ａ方向に沿って形成し、高温流体を軸線Ａ方向に流すようにしたため、シリンダ部材３に軸線Ａ方向において高温部から低温部にかけて漸減する温度勾配を形成することができる。このように、高温流体通路２１をシリンダ部材３の外周部に軸線Ａ方向に沿って形成することによって、高温流体とシリンダ部材３との熱交換可能な範囲を長くし、熱交換効率を向上させることができる。また、シリンダ部材３との熱交換によって高温流体は高温流体通路２１内を進むにつれて温度が低下するが、高温流体通路２１内を進むにつれてシリンダ部材３の温度も低下するため、高温流体とシリンダ部材３とは効率よく熱交換を行うことができる。これにより、本実施形態に係るスターリングエンジン１では、高温流体通路２１を流れる高温流体の出口温度を入口温度に対して大きく低下させることができる。

シリンダ部材３と高温流体との熱交換を促進するために設けられた第２フィン１６は、軸線Ａ方向において断続的に配置されているため、シリンダ部材３における軸線Ａ方向への熱の伝導を阻害し、シリンダ部材３の軸線Ａ方向における温度勾配が維持される。仮に、第２フィン１６が軸線Ａ方向に延在している場合には、第２フィン１６を介して熱が軸線Ａ方向に伝導し、軸線Ａ方向における温度勾配の傾きが小さくなり、温度が平均化される虞がある。

再生器３０は、軸線Ａ方向において高温部（高温側ケース４の上端部に対応する部分）から低温部（低温側ケース５の上部５Ａに対応する部分）にかけて漸減する温度勾配を有する。そのため、ディスプレーサピストン３２の上昇に伴って高温室８Ｃから低温室８Ｄに流れる作動ガスは、最初に再生器３０の最も温度が高い部分を通過し、その後、再生器３０内を低温室８Ｄ側に進むに従って、温度が低い部分を通過する。一方、ディスプレーサピストン３２の下降に伴って低温室８Ｄから高温室８Ｃに流れる作動ガスは、最初に再生器３０の最も温度が低い部分を通過し、その後、再生器３０内を高温室８Ｃ側に進むに従って、温度が高い部分を通過する。すなわち、再生器３０は、対向流式の熱交換器と同様に機能し、作動ガスとの熱交換効率が高くなる。

再生器３０の軸線Ａ方向における温度勾配は、軸線Ａ方向において温度勾配を有するシリンダ部材３（高温側ケース４及び低温側ケース５）との熱交換と、再生器３０を軸線Ａ方向に通過する作動ガスとの熱交換との少なくとも一方によって形成される。再生器３０の軸線Ａ方向における温度勾配は、再生器３０の軸線Ａ方向における長さが長いほど一定の傾きで形成されやすくなる。そのため、再生器３０は、軸線Ａ方向に長いほど好ましい。換言すると、再生器３０は、軸線Ａ方向に温度勾配が形成されるように、軸線Ａ方向における長さが設定されている。

図７に、再生器３０及び再生器３０を通過する作動ガスの温度の経時変化のシミュレーション結果を示す。図７のｘ軸は、再生器３０の位置を表し、再生器３０を軸線Ａ方向において３０分割し、０を最も高温室８Ｃ側、３０を最も低温室８Ｄ側として表している。このシミュレーションでは、再生器３０をステンレス鋼の金属繊維から形成し、高温室８Ｃ内の作動ガスの温度を６００℃、低温室８Ｄ内の作動ガスの温度を１００℃、クランク軸７３の回転速度を１０００ｒｐｍとした。

図７では、実線が再生器温度を表し、１点鎖線が下り作動ガス温度（高温室８Ｃから低温室８Ｄに流れる作動ガスの温度）を表し、２点鎖線が上り作動ガス温度（低温室８Ｄから高温室８Ｃに流れる作動ガスの温度）を表す。図７（Ａ）に示すように、初期値（０秒後）では、再生器温度は高温室８Ｃの作動ガス温度と、低温室８Ｄの作動ガス温度との中間に設定される。

図７（Ｂ）に示すように、スターリングエンジン１が作動し、１０秒が経過すると、再生器３０の高温室８Ｃ側部分は下り作動ガスと熱交換することによって温度が上昇し、再生器３０の低温室８Ｄ側部分は上り作動ガスと熱交換することによって温度が低下する。下り作動ガス及び上り作動ガスは、再生器３０と熱交換することによって、再生器３０と同じ温度分布を有するようになる。なお、作動開始から１０秒後の状態では、再生器３０の軸線Ａ方向における中央部は、未だ下り作動ガス及び上り作動ガスの影響を受けず、初期値と同様の温度に維持されている。

図７（Ｃ）に示すように、スターリングエンジン１が作動し、１分が経過すると、下り作動ガスとの熱交換によって温度が上昇する部分が再生器３０の軸線Ａ方向における中央部まで広がり、上り作動ガスとの熱交換によって温度が低下する部分が再生器３０の軸線Ａ方向における中央部まで広がる。これにより、再生器３０の温度勾配は、全域にわたって概ね一定の傾きとなる。その後、スターリングエンジン１の作動時間が１分より増加しても、再生器３０の温度分布は図７（Ｃ）の状態に維持されることが確認された。このように、下り作動ガス及び上り作動ガスを再生器３０に軸線Ａ方向に沿って交互に流通させることによって、再生器３０に略一定の傾きを有する温度勾配を軸線Ａ方向において形成することができる。

図７（Ｃ）に示すような収束状態に達するまでに要する時間は、再生器３０の熱容量やクランク軸７３の回転数、再生器３０を構成する金属繊維の太さに依存する。

図８（Ａ）は、従来のスターリングエンジンの各効率を表し、図８（Ｂ）は本実施形態に係るスターリングエンジン１と従来のスターリングエンジンのシステム効率の比較を表す。図８（Ａ）では、従来のスターリングエンジンとして、高温部と低温部との間で断熱がなされ、低温部の温度が８０℃に設定され、高温流体の温度が３００℃に設定されたスターリングエンジンの効率を表している。ｘ軸は、高温室における作動ガスの温度を表している。

図８（Ａ）に示すように、高温室における作動ガスの温度が上昇すると、高温流体との温度差が小さくなり、熱交換器効率が低下する。熱交換器効率は、高温流体の入口温度と出口温度の差を入口温度で除した値であるため、高温室における作動ガスの温度が高温流体の入口温度（３００℃）と等しくなると、作動ガスと高温流体との間で熱交換が行われなくなり、高温流体の入口温度と出口温度とが等しくなって熱交換器効率が０となる。

一方、理論カルノー効率及びカルノー効率は、高温室における作動ガスの温度上昇に応じて増加する。カルノー効率は、理論カルノー効率に所定の係数（ここでは、０．４６）を掛けた値である。図８（Ａ）に示すように、熱交換器効率とカルノー効率とを掛けたシステム効率は、高温室における作動ガスの温度が約１７０℃のときに最大となり、約４％となる。システム効率が最大となるときの熱交換器効率は、約４５％である。なお、理論システム効率は、熱交換器効率と理論カルノー効率とを掛けた値である。

図８（Ｂ）に示すように、本実施形態に係るスターリングエンジン１は、従来のスターリングエンジンと比べて、システム効率が明らかに大きくなる。上述したように、本実施形態に係るスターリングエンジン１は、熱交換器効率を９０％以上にまで高めることができるため、同じカルノーサイクルを利用してもシステム効率において大きな差が生じる。

以上のように構成したスターリングエンジン１は、例えば自動車に搭載され、内燃機関から排出される排気ガスを高温流体として利用するとよい。この場合、内燃機関の排気系を高温流体入口部２１Ａ及び高温流体出口部２１Ｂに接続するとよい。クランク軸７３は、発電機の回転軸に連結されるとよい。このように構成すると、本実施形態に係るスターリングエンジン１を用いたシステムは、排気ガスの熱エネルギーを電力に変換することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、再生器３０を、軸線Ａ方向において複数の環状部材に分割し、各環状部材を軸線Ａ方向において互いに間隔をおいて配置するようにしてもよい。このようにすると、再生器３０内における軸線Ａ方向への熱の伝導が阻害されるため、再生器３０に軸線Ａ方向における温度勾配が形成され易くなる。

１…スターリングエンジン、３…シリンダ部材、４…高温側ケース、５…低温側ケース、６…クランクケース、７…蓋部材、８…内部空間、８Ａ…シリンダ室、８Ｂ…クランク室、８Ｃ…高温室、８Ｄ…低温室、１５…第１フィン、１６…第２フィン、１７…成形体、１７Ａ…谷部、１７Ｂ…山部、１７Ｃ…スリット、２０…第１アウタシェル、２１…高温流体通路、２３…第３フィン、２５…第２アウタシェル、２６…低温流体通路、３０…再生器、３２…ディスプレーサピストン、３３…パワーピストン、７３…クランク軸、８４…ＰＰリンク機構、８５…ＤＰリンク機構、Ａ…軸線

Claims (9)

1. スターリングエンジンであって、
   軸線方向において高温部と低温部とを有するシリンダ部材と、
   前記シリンダ部材の内部に前記軸線方向に往復動可能に設けられ、前記シリンダ部材の内側面との間に空隙を形成するディスプレーサピストンと、
   前記シリンダ部材の内部における前記ディスプレーサピストンよりも前記低温部側に、前記軸線方向に往復動可能に配置されたパワーピストンと、
   前記ディスプレーサピストン及び前記パワーピストンと連結部材を介して連結されたクランク軸と、
   前記シリンダ部材の内側面に沿って前記高温部から前記低温部にかけて設けられ、通気性を有すると共に前記シリンダ部材及び内部を通過するガスと熱交換可能な再生器と、
   前記シリンダ部材の前記低温部の外周側に設けられた低温流体通路とを有し、
   前記再生器は、前記シリンダ部材の径方向において前記シリンダ部材を介して前記低温流体通路と対向する部分を有し、
   前記シリンダ部材は、前記軸線方向において前記高温部側から前記低温部側にかけて漸減する温度勾配を有することを特徴とするスターリングエンジン。
2. 前記シリンダ部材の外部に、前記シリンダ部材の外面に沿って前記軸線方向に前記高温部側から前記低温部側に高温流体を流す流体通路を更に有することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
3. 前記シリンダ部材は、外面に前記軸線方向に断続的に配置された複数のフィンを有することを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
4. 前記フィンは、径方向内側に突出した複数の谷部と径方向外側に突出した複数の山部とを交互に有した筒状の成形体から構成され、前記谷部の径方向内側面において前記シリンダ部材の外周面に接触していることを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン。
5. 前記再生器は、前記軸線方向において前記低温部側から前記高温部側にかけて漸増する温度勾配を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載のスターリングエンジン。
6. 前記再生器は筒形をなし、前記再生器の外側面が前記シリンダ部材の内側面に接触していることを特徴とする請求項５に記載のスターリングエンジン。
7. 前記再生器は、金属繊維を筒形に成形したものであり、その外側面が前記シリンダ部材の内側面に溶接されていることを特徴とする請求項６に記載のスターリングエンジン。
8. 前記再生器の内側面と前記ディスプレーサピストンの外側面との間に微小な隙間を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のスターリングエンジン。
9. 前記再生器は、前記軸線方向において互いに間隔をおいて配置された複数の環状部材を含むことを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれか１つの項に記載のスターリングエンジン。

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