JP7645774B2 - 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は多種多様な高温熱源から動力を回収できるものであり、近年は既存の高温排熱（ごみ焼却場や工場炉など）からの排熱回収・発電技術として注目されている。また、スターリングエンジンは、ピストン上方の高温空間（膨張空間）に対して、ヒータ熱交換器、再生器、クーラ熱交換器の順に各空間が連結されている。スターリングエンジンは、高温熱源にヒータ熱交換器を挿入し、そこから熱を吸収することで動力を発生させている。

従来のスターリングエンジン（例えば、特許文献１～３）は、ヒータ熱交換器が膨張空間および再生器に直接接続された構造となっており、ヒータ熱交換器と（膨張空間を含む）エンジンとは近接して配置されている。

特開平７－２５９６４６号公報 特開平１０－２１３０１２号公報 特許第５５３３７１３号公報

従来のスターリングエンジンでは、ヒータ熱交換器の設置自由度が小さく、多種多様な高温熱源に合わせてエンジンを設置することが難しいといった問題がある。例えば、特許文献１では、ヒータ熱交換器はエンジンのピストン摺動方向（シリンダ軸上）に配置されているため、高温熱源ガスの配管がエンジンの真横に設置されている場合、ヒータ熱交換器を熱源配管に挿入することができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ヒータ熱交換器の設置自由度が高いスターリングエンジンを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のスターリングエンジンは、エンジン部、ヒータ熱交換器、再生器、およびクーラ熱交換器を有するスターリングエンジンであって、少なくとも前記エンジン部および前記クーラ熱交換器を含むエンジン本体と、少なくとも前記ヒータ熱交換器を含むヒータ構造体とが別体構造とされており、前記エンジン本体と前記ヒータ構造体とが連結管部を介して接続されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、連結管部の形状を変更することで（例えば、連結管部を交換することで）エンジン本体とヒータ構造体との位置関係を容易に変更することができる。これにより、ヒータ熱交換器の設置自由度が高くなり、多種多様な高温熱源に対してヒータ熱交換器を容易に設置することができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記再生器および前記クーラ熱交換器が前記気筒の後方に配置され、前記再生器の上端位置が前記気筒の上端位置よりも上方とされている構成とすることができる。

上記の構成によれば、再生器の上端位置を気筒の上端位置よりも上方とすることで、再生器、気筒、およびヒータ熱交換器との間で、連結管部の配置スペースが確保しやすくなる。

また、上記スターリングエンジンは、前記エンジン部のクランクシャフトに対して直線状に配置された複数の気筒が駆動される複動型エンジンである構成とすることができる。

また、上記スターリングエンジンでは、ヒータ熱交換器においては、複数の気筒分のヒータ細管群が円環状に配置されている構成とすることができる。

上記の構成によれば、ヒータ熱交換器において複数の気筒分のヒータ細管群を円環状に配置することで、ヒータ細管群のコンパクト配置が実現できる。

また、上記スターリングエンジンは、前記ヒータ熱交換器の長手方向が前記気筒におけるピストンの摺動方向と交差する向きとなるように配置されている構成とすることができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記ヒータ構造体を保持する第１サポート部材を有している構成とすることができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記再生器を保持する第２サポート部材を有している構成とすることができる。

また、上記スターリングエンジンは、前記気筒の低温室と前記クーラ熱交換器とを繋ぐ作動流体経路に開閉バルブを備え、エンジンの停止時には前記開閉バルブによって前記作動流体経路を部分的に閉塞させる構成とすることができる。

上記の構成によれば、バタフライバルブなどの安価なバルブを用いてエンジンの停止制御を安全に行うことができる。また、開閉バルブは、作動流体経路を部分的に閉塞することで、閉じられた経路に掛かる負荷（圧縮圧）が大きくなりすぎることを防止し、部品などに破損を生じることを回避できる。

また、上記スターリングエンジンは、位相が１８０°ずれた気筒の低温室同士を接続するバイパス経路と、前記バイパス経路に設けられた連通バルブとを備え、エンジン運転中は前記連通バルブを閉じて前記バイパス経路を閉塞し、エンジンの停止時には前記連通バルブを開いて前記バイパス経路を導通させる構成とすることができる。

上記の構成によれば、位相が１８０°ずれた気筒の低温室同士を連通させることで、エンジン停止時に部品などに過負荷を与えることなく、速やかなエンジン停止が可能となる。

また、上記スターリングエンジンは、エンジン運転中に前記開閉バルブあるいは前記連通バルブを任意の開度に制御することで、エンジン出力を調整可能である構成とすることができる。

上記の構成によれば、エンジン出力を調整可能とすることで、例えば、高温熱源の温度が上がりすぎた場合などに、エンジン出力を低下させ、エンジンの部品保護を図ることが可能となる。

また、上記スターリングエンジンは、エンジン起動用のセルモータを有し、エンジン起動時には前記連通バルブを開いた状態で前記セルモータを始動させ、エンジンの起動後に、前記連通バルブを閉じ、前記セルモータを停止させる構成とすることができる。

上記の構成によれば、エンジン起動時に連通バルブを開くことでエンジン負荷が軽減され、これにより小型のセルモータの使用が可能となる。

また、上記スターリングエンジンでは、前記再生器は、前記エンジン本体に含まれる構成とすることができる。

上記の構成によれば、再生器およびクーラ熱交換器は何れも円筒状の類似した形状であることから、再生器をエンジン本体側に含め、再生器およびクーラ熱交換器が一定的に接続された構成とすることで、スターリングエンジンの小型化に有利となる。

また、上記スターリングエンジンでは、前記連結管部を構成する各連結管は、連結管壁の内部に管路全体に渡って蓄熱体が設けられている構成とすることができる。

上記の構成によれば、蓄熱体の蓄熱作用によって連結管に再生器と同様の機能を持たせることができ、熱を有効利用してスターリングエンジンの出力を向上させることができる。

また、上記スターリングエンジンでは、前記蓄熱体は中央部分が空洞部とされている構成とすることができる。

上記の構成によれば、空洞部が作動流体の通路となり、連結管において蓄熱体による圧力損失の増加を抑制することができる。

また、上記スターリングエンジンでは、前記連結管部は、前記エンジン本体および前記ヒータ構造体に対して着脱可能であり、接続される部材との間のシール面に金属Ｏリングを配置させている構成とすることができる。

上記の構成によれば、連結管部をエンジン本体およびヒータ構造体に対して着脱可能とすることで、エンジン本体とヒータ構造体との位置関係の変更が容易となり、また、金属Ｏリングの使用によって高温への耐性を要する箇所でのシールが行える。

本発明のスターリングエンジンは、エンジン本体とヒータ構造体とを別体構造とし、これらが連結管部を介して接続されることで、ヒータ熱交換器の設置自由度が高くなり、多種多様な高温熱源に対してヒータ熱交換器を容易に設置することができるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態を示すものであり、スターリングエンジンの外観を示す斜視図である。 図１のスターリングエンジンを異なる方向から見た斜視図である。 スターリングエンジンの概略構成を示す模式図である。 スターリングエンジンと高温熱源との位置関係例を示す説明図である。 クランクシャフトに作用する偶力の一例を示す説明図である。 クランクシャフトに作用する偶力の好適例を示す説明図である。 スターリングエンジンの概略構成を示す模式図である。 スターリングエンジンにおける連結管部の拡大斜視図である。 スターリングエンジンにおける再生器、クーラ熱交換器および気筒の配置関係を示す図である。 ヒータ熱交換器におけるヒータ細管群の配置例を示す平面図である。 連結管の外観例を示す斜視図である。 スターリングエンジンの概略構成を示す模式図である。 連結管の断面図である。

〔実施の形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１および図２は、本実施の形態１に係るスターリングエンジン１０の外観を示す斜視図である。図３は、スターリングエンジン１０の概略構成を示す模式図である。

図１および図２に示すように、スターリングエンジン１０は、エンジン部１１、ヒータ熱交換器１２、再生器１３、クーラ熱交換器１４および連結管部１５を有している。また、図１および図２に示すスターリングエンジン１０では、エンジン部１１のクランクシャフト１１５（図３参照）に発電機２０が接続されており、スターリングエンジン１０の駆動によって発電機２０にて発電を行うことが可能である。

スターリングエンジン１０は、高温熱源（例えば高温流体の流れる高温パイプ）にヒータ熱交換器１２を挿入し、ヒータ熱交換器１２において作動流体を加熱する。さらに、クーラ熱交換器１４では、冷却水によって作動流体を冷却する（冷却水の供給手段については図示省略）。スターリングエンジン１０は、こうして加熱／冷却される作動流体の移動によってエンジン部１１を駆動するようになっている。尚、エンジン部１１は単気筒タイプのエンジンであってもよく多気筒タイプのエンジンであってもよいが、本実施の形態１では４気筒タイプのエンジン部１１を例示する。

エンジン部１１は、図３に示すように、４つの気筒１１１Ａ～１１１Ｄ（特に区別しない場合は単に気筒１１１と称する）を有している。ここでは、クランクシャフト１１５に対して直線状に配置された４つの気筒を、その配置順に従って気筒１１１Ａ～１１１Ｄとしている。それぞれの気筒１１１にはピストン１１２が備えられ、ピストン１１２の摺動方向（図３では上下方向）に対する一方側（図３では上側）に高温室１１３が設けられ、他方側（図３では下側）に低温室１１４が設けられる。高温室１１３はヒータ熱交換器１２と接続され、低温室１１４はクーラ熱交換器１４と接続されている。ヒータ熱交換器１２およびクーラ熱交換器１４は、間に再生器１３を挟んで接続されている。再生器１３は、ヒータ熱交換器１２とクーラ熱交換器１４との間の蓄熱手段となるものであり、作動流体がヒータ熱交換器１２からクーラ熱交換器１４に移動するときに作動流体から蓄熱し、反対の流れのときにその熱を作動流体に回収させることで熱を有効利用する。尚、図３に示すスターリングエンジン１０は４気筒複動型エンジンであり、間に同じ再生器１３を挟んで接続されたヒータ熱交換器１２およびクーラ熱交換器１４は、それぞれ異なる気筒１１１に対して接続される構成となっている。

スターリングエンジン１０の動作は、各気筒１１１におけるピストン１１２が、第１位置（上死点位置：図３では気筒１１１Ａ）、第２位置（ピストン１１２が下向きに移動する間に、上死点位置からクランクシャフト１１５を９０°回転させる位置：図３では気筒１１１Ｄ）、第３位置（下死点位置：図３では気筒１１１Ｃ）、および第４位置（ピストン１１２が上向きに移動する間に、下死点位置からクランクシャフト１１５を９０°回転させる位置：図３では気筒１１１Ｂ）を順にとるようなサイクルを繰り返すことで成立する。

本実施の形態１に係るスターリングエンジン１０は、少なくともエンジン部１１とクーラ熱交換器１４とを含むエンジン本体Ｅ（図４参照）と、少なくともヒータ熱交換器１２を含むヒータ構造体Ｈ（図４参照）とが別体構造とされ、これらが連結管部１５を介して接続されることを構造的特徴としている。再生器１３は、エンジン本体Ｅ側に含まれてもよく、あるいはヒータ構造体Ｈ側に含まれてよい。本実施の形態１では、再生器１３をエンジン本体Ｅ側に含めた構成を例示しており、この場合、連結管部１５は、ヒータ熱交換器１２と再生器１３との間を接続する複数の連結管と、ヒータ熱交換器１２と各気筒１１１の高温室１１３との間を接続する複数の連結管とを含む構成となる。

尚、再生器１３をヒータ熱交換器１２側に含める場合は、連結管部１５は、再生器１３とクーラ熱交換器１４との間を接続する複数の連結管と、ヒータ熱交換器１２と各気筒１１１の高温室１１３との間を接続する複数の連結管とを含む構成となる。但し、再生器１３およびクーラ熱交換器１４は、何れも円筒状の類似した形状であることから、これらは一体的に接続された構成とすることがスターリングエンジン１０の小型化に有利であり、再生器１３はエンジン本体Ｅ側に含めることが好ましい。

このように、エンジン本体Ｅとヒータ構造体Ｈとを連結管部１５を介して接続するスターリングエンジン１０は、連結管部１５の形状を変更することで（例えば連結管部１５を交換することで）エンジン本体Ｅとヒータ構造体Ｈとの位置関係を容易に変更することが可能となる。すなわち、多種多様な高温熱源に対してヒータ熱交換器１２を容易に設置することができる。

例えば、図４に示す例では、ヒータ構造体Ｈはエンジン本体Ｅから側方に延びるように配置されており、ヒータ熱交換器１２を配置すべき高温熱源がエンジン本体Ｅの側方に存在する高温パイプ５０Ａであるような場合には、高温熱源に対してヒータ熱交換器１２を容易に設置することができる。しかしながら、ヒータ熱交換器１２を配置すべき高温熱源がエンジン本体Ｅの上方に存在する高温パイプ５０Ｂであるような場合には、ヒータ構造体Ｈはエンジン本体Ｅから側方に延びるのではなく、上方に延びるように配置されていることが好ましい。本実施の形態１に係るスターリングエンジン１０は、連結管部１５の形状を変更することで、ヒータ構造体Ｈがエンジン本体Ｅから上方に延びるような配置とすることも容易である。

尚、スターリングエンジン１０において、エンジン本体Ｅとヒータ構造体Ｈとの間のサポートを連結管部１５のみで行うと強度の問題がある。スターリングエンジン１０におけるサポート強度が弱いと、複数の気筒１１１のそれぞれの振動を抑制できず、エンジン全体としての振動が大きくなる。また、例えば図１，２に示すように、ヒータ構造体Ｈがエンジン本体Ｅから側方に延びるような横向き構造（言い換えれば、ヒータ熱交換器１２の長手方向が気筒１１１におけるピストン１１２の摺動方向と直交する構造）とした場合、ヒータ構造体Ｈの自重によって連結管部１５に偏荷重が発生する恐れがある。

このため、本実施の形態に係るスターリングエンジン１０は、エンジン本体Ｅおよびヒータ構造体Ｈを保持するサポート部材（例えば、図１におけるフレーム３１，３２）を有していることが好ましい。フレーム３１は、エンジン本体Ｅに対して水平方向に接続されたヒータ熱交換器１２を、エンジン機関台３３とエンジン部１１のシリンダブロックとからサポートするものであり、特許請求の範囲に記載の第１サポート部材に相当する。フレーム３２は、ヒータ熱交換器１２と各再生器１３とを繋ぐと共に、再生器１３同士をも繋いでサポートするものであり、特許請求の範囲に記載の第２サポート部材に相当する。これらのサポート部材により、スターリングエンジン１０の振動を抑制できる。また、従来構造では実現できなかったヒータ横向き構造を採用できるようになる。

〔実施の形態２〕
本実施の形態２では、スターリングエンジン１０は、４気筒複動型エンジンであることを前提する。すなわち、スターリングエンジン１０は、図３に示すように、４つの気筒１１１Ａ～１１１Ｄにおいて、ピストン１１２は９０°ずつ位相をずらして駆動される（具体的には、ピストン１１２の位相は気筒１１１Ａ～１１１Ｄの順に位相が９０°ずつ遅れている）。ここで、基準となる気筒（例えば、気筒１１１Ａ）を第１気筒とし、第１気筒から位相の遅れる順に第２～第４気筒と定義すれば、図３の例では、気筒１１１Ｂが第２気筒、気筒１１１Ｃが第３気筒、気筒１１１Ｄが第４気筒となる。

４つの気筒がクランクシャフト１１５に対して直線状に配置された気筒複動型エンジンの場合、位相が１８０°ずれた２つの気筒の間では遇力が発生し、この偶力がエンジン振動の原因となったり、クランクシャフトに負荷（曲げ応力）を与えたりする。図３の例では、第１気筒から第４気筒の順に４つの気筒１１１が並んで配置しているが、第１気筒と第３気筒との間、および第２気筒と第４気筒との間に偶力が発生する。また、図５に示すように、それぞれの気筒がクランクシャフト１１５に対して与える力をＦ、隣り合う２つの気筒間のピッチをＬとした場合、クランクシャフト１１５に作用する最大偶力Ｎ（例えば、第１気筒と第３気筒との間の偶力）は、Ｎ＝２ＦＬとなる。

これに対し、本実施の形態２では、気筒の配置順序を工夫することでクランクシャフト１１５に発生する偶力を抑制（最小化）する。具体的には、位相が１８０°ずれた気筒同士を近接させる（隣り合わせる）気筒配置とする。例えば、図６に示すように、第１気筒および第３気筒を隣り合わせ、かつ、第２気筒および第４気筒を隣り合わせる気筒配置とすることで、クランクシャフト１１５に作用する最大偶力Ｎ（例えば、第１気筒と第３気筒との間の偶力）は、Ｎ＝ＦＬとなる。尚、図６は、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順に配置されているが、第４気筒と第２気筒との順序は入れ替わってもよい。

また、４気筒複動型エンジンでは、セットとなるヒータ熱交換器１２、再生器１３およびクーラ熱交換器１４は、位相が９０°ずれた気筒間で接続される。図３を例に見れば、第１気筒である気筒１１１Ａと第２気筒である気筒１１１Ｂとの間で、ヒータ熱交換器１２、再生器１３およびクーラ熱交換器１４のセットが接続されている。具体的には、クーラ熱交換器１４が位相の進んだ気筒１１１Ａ側の低温室１１４に接続され、ヒータ熱交換器１２が位相の遅れた気筒１１１Ｂ側の高温室１１３に接続されている。同様の接続関係は、第２気筒である気筒１１１Ｂと第３気筒である気筒１１１Ｃとの間、第３気筒である気筒１１１Ｃと第４気筒である気筒１１１Ｄとの間、および第４気筒である気筒１１１Ｄと第１気筒である気筒１１１Ａとの間にも存在する。

ここで、図３はクランクシャフト１１５に対する気筒配置を第１～第４気筒の順（図５に対応する配置順）としたものである。これに対し、クランクシャフト１１５に対する負荷低減のために、気筒配置を第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順（図６に対応する配置順）とした場合、気筒間におけるヒータ熱交換器１２、再生器１３およびクーラ熱交換器１４の接続は、模式的には図７に示すようになる。

ヒータ熱交換器１２は、高温熱源に挿入された状態で効率的な熱交換が行えるように、ヒータ細管群にて構成されている。エンジン本体Ｅとヒータ構造体Ｈとが一体構造とされ、ヒータ熱交換器１２がエンジン部１１の高温室１１３と再生器１３との両方に直接接続される（連結管部１５を介さずに接続される）ような従来構造の場合、図７に示すような接続構造を得ることは困難である。すなわち、ヒータ熱交換器１２において、４気筒分のヒータ細管群におけるコンパクト配置（例えば、図１０に示すようなヒータ細管群の規則正しい配置）が不可能となる。

これに対し、本実施の形態２に係るスターリングエンジン１０は、実施の形態１と同様に、エンジン本体Ｅとヒータ構造体Ｈとが別体構造とされ、これらが連結管部１５を介して接続されている。このため、図８に示すように、連結管部１５における複数の連結管によって、ヒータ熱交換器１２と再生器１３との間の接続、およびヒータ熱交換器１２と各気筒１１１の高温室１１３との間の接続を高い自由度で行えるようになる。その結果、ヒータ熱交換器１２に関しては、再生器１３や気筒１１１との接続関係に関わらず、４気筒分のヒータ細管群におけるコンパクト配置が可能となる。

より具体的には、図９に示すように、再生器１３およびクーラ熱交換器１４が気筒１１１の後方に近接して縦置きされ、再生器１３の上端位置Ｐ１が気筒１１１の上端位置Ｐ２よりも上方とされることが好ましい。これにより、再生器１３、気筒１１１、およびヒータ熱交換器１２との間で、連結管部１５の配置スペースが確保しやすくなる。また、ヒータ熱交換器１２においては、図１０に示すように、４気筒分のヒータ細管群を円環状に配置することが好ましい。これにより、ヒータ熱交換器１２におけるヒータ細管群のコンパクト配置が実現できる。

尚、連結管部１５は、図１１に例示するような連結管１５０を、ヒータ熱交換器１２と再生器１３との間、あるいはヒータ熱交換器１２と気筒１１１との間に個別に接続するような（エンジン本体Ｅおよびヒータ構造体Ｈに対して着脱可能である）構成とすることができる。連結管１５０は、接続される部材（ヒータ熱交換器１２、再生器１３または気筒１１１）との間のシール面に、金属Ｏリング１５１を配置させて気密を得る構成とすることが好ましい。金属Ｏリング１５１としては、高温への耐性を有するメタル中空型のＯリングガスケットなどを使用することができる。

〔実施の形態３〕
スターリングエンジン１０は受動的なエンジンであり、基本的には、高温熱源から熱が供給される限りは動作を継続する（熱の供給が無くなれば動作を停止する）。しかしながら、緊急時などにおいてエンジンの動作を停止させる必要が生じることも考えられる。本実施の形態３では、スターリングエンジン１０のエンジン停止構成についての好適例について説明する。

スターリングエンジン１０は、作動流体の移動を止めることでエンジンを停止させることができる。このため、本実施の形態３に係るスターリングエンジン１０は、作動流体の低温部経路（気筒１１１の低温室１１４とクーラ熱交換器１４とを繋ぐ作動流体経路）に開閉バルブ１６（図１参照）を設け、エンジン動作中は開閉バルブ１６を開き、この開閉バルブ１６を閉じることでエンジンを停止させる構成とすることができる。尚、原理的には、開閉バルブ１６を設ける経路は特に限定されるものではなく、高温部経路（気筒１１１の高温室１１３とヒータ熱交換器１２とを繋ぐ作動流体経路）に設けることも可能である。但し、スターリングエンジン１０では、高温部経路は連結管部１５となるため、高温部経路は開閉バルブ１６の配置に不適であり、開閉バルブ１６は低温部経路に設けられることが好ましい。

使用される開閉バルブ１６の種類は特に限定されるものではなく、例えば、バタフライバルブなどの安価なバルブを用いることができる。この場合、開閉バルブ１６は、経路を完全に塞ぐようなものとすると、閉じられた経路に掛かる負荷（圧縮圧）が大きくなりすぎて部品などに破損を生じる恐れもある。このため、開閉バルブ１６は経路を完全に塞ぐものではなく、作動流体をある程度は通過させることのできる（経路を部分的に閉塞させる）穴開き弁とすることが好ましい。すなわち、開閉バルブ１６は、経路を完全に塞がなくても、流路面積を低減して作動流体の移動量を減らすだけでもエンジン停止させることが可能である。より具体的には、開閉バルブ１６の通路閉塞面積は、閉塞により発生する圧縮圧でエンジンが破損しない最大の面積で、かつ確実にエンジンを停止できる（エンジン出力≦機械損失となる）面積に設定されている。

また、開閉バルブ１６は、ロータリーソレノイドなどを用いて経路の流路面積を調整できるようなものであってもよい。この場合、経路の流路面積を徐々に小さくするような制御が可能であり、エンジンの急激な停止を避け、エンジン停止時にピストン１１２に掛かる負荷などを低減することができる。

また、本実施の形態３に係るスターリングエンジン１０の変形例として、図１２に示す構成も考えられる。図１２に示すスターリングエンジン１０は、位相が１８０°ずれた気筒１１１の低温室１１４同士をバイパス経路１７で接続し、バイパス経路１７に連通バルブ１７１を設けた構成である。図１２の例では、気筒１１１Ａと気筒１１１Ｃとがバイパス経路１７で接続され、かつ、気筒１１１Ｂと気筒１１１Ｄとがバイパス経路１７で接続されている。

図１２のスターリングエンジン１０では、エンジン動作中は連通バルブ１７１を閉じておき、この連通バルブ１７１を開いてバイパス経路１７を導通させる（位相が１８０°ずれた気筒１１１の低温室１１４同士を連通させる）ことでエンジンを停止させることができる。この構成では、エンジン停止時に部品などに過負荷を与えることなく、速やかなエンジン停止が可能となる。

尚、図１２におけるエンジン停止構成を図６に示す気筒配置を採用したスターリングエンジン１０に適用した場合、位相が１８０°ずれた気筒同士は互いに隣り合う配置となるため、バイパス経路１７を短くすることができる。これにより、バイパス経路１７による無駄な容積の発生やコストアップを抑制できる。また、バイパス経路１７が長くなる場合の起動時の馬力ロスも低減することができる。

また、本実施の形態３に係るスターリングエンジン１０では、開閉バルブ１６や連通バルブ１７１の開度を調整可能とすることで、エンジンの出力制御に用いることも可能である。例えば、高温熱源の温度が上がりすぎた場合などに、開閉バルブ１６を幾分閉じたり、連通バルブ１７１を幾分開いたりすることでエンジン出力を低下させ、エンジンの部品保護を図ることが可能となる。

〔実施の形態４〕
本実施の形態４では、スターリングエンジン１０のエンジン起動制御についての好適例について説明する。

スターリングエンジン１０は、その起動においてセルモータ４０（図１参照）を必要とする。このセルモータ４０は、当然ながら、スターリングエンジン１０の起動時におけるエンジン負荷（圧力損失）が大きいほど大型のモータが必要となる。

これに対し、本実施の形態４に係るスターリングエンジン１０は、図１２に示す構成を有することを前提とし、連通バルブ１７１を用いて起動時のエンジン負荷を低減することを特徴とする。すなわち、実施の形態４に係るスターリングエンジン１０は、その起動時に連通バルブ１７１を開いた状態でセルモータ４０を始動させる。スターリングエンジン１０は、連通バルブ１７１を開くことでエンジン負荷が軽減され、これにより小型のセルモータ４０の使用が可能となる。そして、エンジンの回転数が所定値となれば、連通バルブ１７１を閉じ、セルモータ４０を停止させて、エンジンの運転を維持することができる。

〔実施の形態５〕
上述したスターリングエンジン１０は、エンジン本体Ｅとヒータ構造体Ｈとを別体構造とし、これらが連結管部１５を介して接続された構造を特徴としている。この構造においては、連結管部１５が熱サイクルに寄与しない無効容積となり、スターリングエンジン１０の出力低下の要因となりうる。本実施の形態５では、連結管部１５による出力低下を抑制するための好適例について説明する。

図１３は、連結管部１５に使用される連結管１５０の断面図である。図１３に示す連結管１５０は、連結管壁１５２の内部に管路全体に渡って金網メッシュや金属不織布などの蓄熱体１５３が設けられている。また、蓄熱体１５３は、その中央部分が空洞部１５４とされていることが好ましい。このような構成の連結管１５０は、その内部を高温の作動流体を通過するときに、蓄熱体１５３において熱を蓄熱し、外部への放熱を低減することができる。また、蓄熱体１５３の中央部分を空洞部１５４とすることで、空洞部１５４が作動流体通路となり、蓄熱体１５３による圧力損失の増加を抑制することができる。

図１３に示す連結管１５０は、蓄熱体１５３の蓄熱作用によって、再生器１３と同様の機能を有することができ、熱を有効利用してスターリングエンジン１０の出力を向上させることができる。

今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１０ スターリングエンジン
１１ エンジン部
１１１ 気筒
１１２ ピストン
１１３ 高温室
１１４ 低温室
１１５ クランクシャフト
１２ ヒータ熱交換器
１３ 再生器
１４ クーラ熱交換器
１５ 連結管部
１５０ 連結管
１５１ 金属Ｏリング
１５２ 連結管壁
１５３ 蓄熱体
１５４ 空洞部
１６ 開閉バルブ
１７ バイパス経路
１７１ 連通バルブ
２０ 発電機
３１ フレーム（第１サポート部材）
３２ フレーム（第２サポート部材）
３３ エンジン機関台
４０ セルモータ
５０Ａ 高温パイプ
５０Ｂ 高温パイプ
Ｅ エンジン本体
Ｈ ヒータ構造体

Claims (15)

1. エンジン部、ヒータ熱交換器、再生器、およびクーラ熱交換器を有するスターリングエンジンであって、
   少なくとも前記エンジン部および前記クーラ熱交換器を含むエンジン本体と、少なくとも前記ヒータ熱交換器を含むヒータ構造体とが別体構造とされており、
   前記エンジン本体と前記ヒータ構造体とが連結管部を介して接続されており、
   前記再生器および前記クーラ熱交換器が前記エンジン部に含まれる気筒に対して前記ヒータ熱交換器の反対側に配置され、前記再生器の上端位置が前記気筒の上端位置よりも上方とされていることを特徴とするスターリングエンジン。
2. 請求項１に記載のスターリングエンジンであって、
   当該スターリングエンジンは、前記エンジン部のクランクシャフトに対して直線状に配置された複数の前記気筒が駆動される複動型エンジンであることを特徴とするスターリングエンジン。
3. 請求項２に記載のスターリングエンジンであって、
   ヒータ熱交換器においては、複数の前記気筒の分のヒータ細管群が円環状に配置されていることを特徴とするスターリングエンジン。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
   前記ヒータ熱交換器の長手方向が前記気筒におけるピストンの摺動方向と交差する向きとなるように配置されていることを特徴とするスターリングエンジン。
5. 請求項４に記載のスターリングエンジンであって、
   前記ヒータ構造体を保持する第１サポート部材を有していることを特徴とするスターリングエンジン。
6. 請求項４または５に記載のスターリングエンジンであって、
   前記再生器を保持する第２サポート部材を有していることを特徴とするスターリングエンジン。
7. 請求項２に記載のスターリングエンジンであって、
   前記気筒の低温室と前記クーラ熱交換器とを繋ぐ作動流体経路に開閉バルブを備え、エンジンの停止時には前記開閉バルブによって前記作動流体経路を部分的に閉塞させることを特徴とするスターリングエンジン。
8. 請求項２に記載のスターリングエンジンであって、
   位相が１８０°ずれた複数の前記気筒の低温室同士を接続するバイパス経路と、
   前記バイパス経路に設けられた連通バルブとを備え、
   エンジン運転中は前記連通バルブを閉じて前記バイパス経路を閉塞し、エンジンの停止時には前記連通バルブを開いて前記バイパス経路を連通させることを特徴とするスターリングエンジン。
9. 請求項７に記載のスターリングエンジンであって、
   エンジン運転中に前記開閉バルブを任意の開度に制御することで、エンジン出力を調整可能であることを特徴とするスターリングエンジン。
10. 請求項８に記載のスターリングエンジンであって、
    エンジン運転中に前記連通バルブを任意の開度に制御することで、エンジン出力を調整可能であることを特徴とするスターリングエンジン。
11. 請求項８に記載のスターリングエンジンであって、
    エンジン起動用のセルモータを有し、
    エンジン起動時には前記連通バルブを開いた状態で前記セルモータを始動させ、エンジンの起動後に、前記連通バルブを閉じ、前記セルモータを停止させることを特徴とするスターリングエンジン。
12. 請求項１から１１の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
    前記再生器は、前記エンジン本体に含まれることを特徴とするスターリングエンジン。
13. 請求項１から１２の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
    前記連結管部を構成する各連結管は、連結管壁の内部に管路全体に渡って蓄熱体が設けられていることを特徴とするスターリングエンジン。
14. 請求項１３に記載のスターリングエンジンであって、
    前記蓄熱体は中央部分が空洞部とされていることを特徴とするスターリングエンジン。
15. 請求項１から１４の何れか１項に記載のスターリングエンジンであって、
    前記連結管部は、前記エンジン本体および前記ヒータ構造体に対して着脱可能であり、接続される部材との間のシール面に金属Ｏリングを配置させていることを特徴とするスターリングエンジン。

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