JP2005076557A

JP2005076557A - スターリングエンジン

Info

Publication number: JP2005076557A
Application number: JP2003309156A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takeuchi; 誠竹内
Original assignee: SAKUSHIYON GAS KIKAN SEISAKUSH; SAKUSHIYON GAS KIKAN SEISAKUSHO KK
Current assignee: SAKUSHIYON GAS KIKAN SEISAKUSH; SAKUSHIYON GAS KIKAN SEISAKUSHO KK
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】スターリングエンジンのコンパクト化、高出力化を促進する。
【解決手段】高温側シリンダ２１のピストン２３上方の空間と、低温側シリンダ２２のピストン２４上方の空間とを、加熱器２７、再生熱交換器２８、冷却器２９を備えた作動ガス通路３０を介して連通接続すると共に、ピストン２３下方の空間と、ピストン２４下方の空間とを、加熱器３１、再生熱交換器３２、冷却器３３を備えた作動ガス通路３４を介して連通接続し、ピストン２３、２４の下端部を、クランク機構を介して発電機３５の両側から突出させた回転軸３６にスターリングサイクルの回転位相差を持たせて連結した。
【選択図】図１

Description

本発明は、スターリングエンジンの小型化と出力性能向上を図った技術に関する。

従来より、スターリングエンジンは、原理的にカルノーサイクルに相当する高い熱効率を得ることができる点、外燃機関であり多種多様の熱源｛特に、輸送（貯蔵）が困難な排熱等｝を利用できる点、また、内燃機関のような爆発的な燃焼を伴わないため騒音が小さい点、内燃機関に較べ不完全燃焼の発生が少なく排気有害成分の排出に対しても有利である点等に鑑み、新たな動力源として注目され、種々の型式のものが提案され、例えば、本願出願人も出力、燃費の向上を図ったスターリングエンジンを提案している（特許文献１参照）。
特開平１０-３１８０４２号（特許３１３４１１５号）

しかしながら、スターリングエンジンには、なお、コンパクト化、高出力化、低振動化の点等に改良の余地があった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、よりコンパクトで高出力、かつ振動の少ないスターリングエンジンを提供することを目的とする。

このため本発明は、１対のシリンダ内にそれぞれピストンを嵌挿して各シリンダ内のピストン両側に容積可変な１対の空間を形成し、前記各シリンダ内の同一側空間同士を、それぞれ加熱器、再生熱交換器、冷却器を介して連通すると共に、これら一対の連通空間内にそれぞれ作動ガスを封入し、前記一対の各ピストンにそれぞれ連結されて往復動を回転動に変換する各一対の往復動／回転動変換部材の端部相互を、発電機の回転軸を介して回転位相差を持たせて連結し、前記一対のピストンを両側に作用する作動ガスの圧力変化により駆動し、前記一対の往復動／回転動変換部材を介して前記発電機の回転軸を回転駆動する構成とした。

このようにすれば、コンパクト化、高出力化による発電出力向上を可及的に促進でき、振動も低減できる。

以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るスターリングエンジンの機構の断面図を示す。
図において、スターリングエンジン１の本体は、上部ケーシング１１と下部ケーシング１２とを連結して構成される。上部ケーシング１１には、高温側シリンダ２１と低温側シリンダ２２とが平行に直立して形成され、各シリンダ２１，２２内には上下方向摺動自由にピストン２３，２４が嵌挿されている。前記ピストン２３，２４の下端には往復動／回転動変換部材である出力ロッド２５，２６が連結され、該出力ロッド２５，２６の下端部は、各シリンダ２１，２２の底壁及び下部ケーシング１２の上壁を上下方向摺動自由に貫通して下方に伸びる。

ここで、図示しないが、各ピストン２３，２４とシリンダ２１，２２の周壁との間は、ピストン２３，２４に嵌挿したピストンリングを介して気密に保持される。
前記シリンダ２１のピストン２３上方の空間とシリンダ２２のピストン２４上方の空間は、加熱器（ヒーター；Ｈ）２７，再生熱交換器（ＲＧ）２８，冷却器（クーラー；Ｃ）２９を介装した作動ガス通路３０を介して、作動ガスがほとんど抵抗なく流動自由に連通接続されている。同様に、前記シリンダ２１のピストン２３下方の空間とシリンダ２２のピストン２４下方の空間は、加熱器（ヒーター；Ｈ）３１，再生熱交換器（ＲＧ）３２，冷却器（クーラー；Ｃ）３３を介装した作動ガス通路３４を介して、作動ガスがほとんど抵抗なく流動自由に連通接続されている。

下部ケーシング１２は、略円筒状に形成され、エンジンで駆動される負荷である発電機が中央部に収納保持されている。該発電機３５はハウジングの両側に回転軸３６の両端部３６ａ，３６ｂが突出して設けられ、これら両端部３６ａ，３６ｂに円形プレート３７，３８を介して回転軸３２に対し、相互に回転位相差を持たせて偏心する偏心軸３９，４０が連結され、該偏心軸３９，４０に軸受ローラ４１，４２が回転自由に嵌挿保持されている。

前記２本の出力ロッド２５，２６の下端には、該出力ロッド２５，２６の作動する方向と直交する方向（図示のように出力ロッドを上下動させるように配置した場合は水平方向）に長い長円形状の長孔４３ａ，４４ａを開口した係合部材４３，４４が連結されている。
そして、前記長孔４３ａ，４４ａに前記軸受ローラ４１，４２を介して偏心軸３９，４０を係合する。

ここで、前記回転位相差θは、偏心軸３９の方が偏心軸４０より、回転軸３６回転方向に対し約９０°進角するように設定されている。
図２は、上記スターリングエンジンの作動を説明する。
上記のように、作動ガスの移動には流動抵抗がなく、２つのシリンダ２２，２４の上部空間と、加熱器２７，再生熱交換器２８，冷却器２９，作動ガス通路３０の内部空間と、の合計である密閉された全空間（以下作動空間Ａという）における圧力は一様とし、同じく２つのシリンダ２２，２４の下部空間と、加熱器３１，再生熱交換器３２，冷却器３３，作動ガス通路３４の内部空間と、の合計である密閉された全空間（以下作動空間Ｂという）における圧力は一様とし、ピストン２３がピストン２４に対し回転位相差９０°進角した状態で回転軸３６が図示の方向に回転するものとする。

ａ（ピストン２３が上死点）〜ｂ（ピストン２４が上死点）
ピストン２３は下降し、ピストン２４は上昇する。この間は、上側の作動空間Ａ全体の容積は一定に近い状態であるが（正確にはその中間位置で容積最小となる）、ピストン２４側の空間容積が減少し、冷却器２７で冷却されていた作動ガスが再生熱交換器２６で熱交換された後、加熱器２５を通って加熱されてピストン２３側の空間に流れ込むので、作動ガスの熱量が増大して圧力が増大する。すなわち、等容加熱に近い行程である。一方、下側の作動空間Ｂでは、全体の容積は一定に近い状態であるが（正確にはその中間位置で容積最大となる）、ピストン２３側の空間容積が減少し、加熱器３１で加熱されていた作動ガスが再生熱交換器３２で熱交換された後、冷却器３３を通って冷却されてピストン２４側の空間に流れ込むので、作動ガスの熱量が減少して圧力が減少する。すなわち、等容冷却（排熱）に近い行程である。

ｂ〜ｃ（ピストン２３が下死点）
ピストン２３，２４共に下降する。作動空間Ａは、容積が増大して圧力が減少し、作動空間Ｂは、容積が減少して圧力が増大する。
ｃ〜ｄ（ピストン２４が下死点）
ピストン２３は上昇し、ピストン２４は下降する。この間は、上記ａ〜ｂとは作動空間Ａと作動空間Ｂの作用が入れ替った作用となる。すなわち、作動空間Ａは等容冷却に近い作用を生じ、作動空間Ｂは等容加熱に近い作用を生じる。

ｄ〜ａ
ピストン２３，２４共に上昇する。この間は、上記ｂ〜ｃとは作動空間Ａと作動空間Ｂの作用が入れ替った作用となる。すなわち、作動空間Ａは、容積が減少して圧力が増大し、作動空間Ｂは、容積が増大して圧力が減少する。作動空間Ａは等容冷却に近い作用を生じ、作動空間Ｂは等容加熱に近い作用を生じる。作動空間が減少し圧力が増大する。

図３は、発電機の回転軸３６が一回転するときの圧力−全容積（ｐ−Ｖ）線図を示す（括弧無しの符号ａ〜ｄは、作動空間Ａ、括弧付き符号ａ〜ｄは、作動空間Ｂの特性を示す）ようになるため、正の仕事が行なわれることになり、また、ピストンの一方の側のみに作動空間を設けたスターリングエンジンに比較して、ピストン２３，２４両側の差圧が倍増し、駆動出力が倍増する。

そして、上記のように、ダブルアクティング型スターリングサイクルとすることで、小型で高出力を得ることができることに加え、１回転で２サイクルの作動が行われるのでスムースに回転し、振動が少ない。
また、スターリングエンジンの出力軸が、スターリングエンジンによって駆動される負荷としての発電機の回転軸３６で構成されることによって、さらに、小型化、高出力化が促進される。すなわち、負荷である発電機を一体に組み込んでスターリングエンジンを構成しているのであり、従来のスターリングエンジンの出力軸（クランク軸）の外側に負荷（発電機等）の回転軸を連結して駆動するものに比較して、軸継手等が不要となり、スターリングエンジンで発電機を駆動する使用形態として大幅なコンパクト化を図ることができる。

また、従来、エンジン出力軸と負荷である発電機の回転軸とを、それぞれ軸受で支持するのに対し、本発明ではエンジン出力軸を兼ねる発電機の回転軸のみを軸受で支持すればよいので、軸受の数を大きく減らすことができ、機械損失も減少し、性能も向上する。
また、エンジン出力軸を発電機の回転軸で構成することにより、上記軸受の数を大きく減らせることとも相まって製造コストを低減でき、駆動伝達経路の短縮により運転効率、したがって、ランニングコストも向上する。

一方、負荷である発電機３５の側から見ると、２つのピストン２３，２４の中央部に回転質量となる発電機３５を配置し、回転軸３６を両側で駆動する対称的な駆動形態となるから、従来のエンジン外部に発電機回転軸の一端部を連結して駆動する形態に比較して、回転性が大幅に安定する。
なお、発電機を一体に組み込んであるとはいえ、発電機を容易に交換できるものであり、故障時の交換の他、使用状況に応じて出力の異なる発電機を選択して交換することも容易に行える。

なお、スターリングエンジンは、可逆機構であり、発電機を電動機として逆にスターリングエンジンを駆動することで、スターリングエンジンをヒートポンプとして作動して熱出力を得られることが知られているが、このように、スターリングエンジンをヒートポンプとして使用する場合も本発明が有効である。

本発明にかかるスターリングエンジンの断面図。同上実施形態のスターリングサイクル動作を示す図。同上実施形態のスターリングサイクルのＰ−Ｖ線図。

符号の説明

１スターリングエンジン
２１高温側シリンダ
２２低温側シリンダ
２３，２４ピストン
２５，２６出力ロッド
３５発電機
３６回転軸
２７，３１加熱器
２８，３２再生熱交換器
２９，３３冷却器

Claims

１対のシリンダ内にそれぞれピストンを嵌挿して各シリンダ内のピストン両側に容積可変な１対の空間を形成し、前記各シリンダ内の同一側空間同士を、それぞれ加熱器、再生熱交換器、冷却器を介して連通すると共に、これら一対の連通空間内にそれぞれ作動ガスを封入し、前記一対の各ピストンにそれぞれ連結されて往復動を回転動に変換する各一対の往復動／回転動変換部材の端部相互を、発電機の回転軸を介して回転位相差を持たせて連結し、前記一対のピストンを両側に作用する作動ガスの圧力変化により駆動し、前記一対の往復動／回転動変換部材を介して前記発電機の回転軸を回転駆動する構成としたことを特徴とするスターリングエンジン。