JP2008133824A - スターリングシステム及びそれを用いた冷凍機システム - Google Patents

Abstract

【課題】高温膨張機構部及び低温圧縮機構部と、両機構部共通の駆動軸とを密閉容器内に収納して大幅な簡略化と耐久性の向上を図ったスターリングシステムを提供する。
【解決手段】スターリングシステム１０は、スターリングサイクルを構成するための高温膨張機構部２４、及び、低温圧縮機構部４４と、両機構部共通の駆動軸１４とを密閉容器１２内に収納する。密閉容器１２内を隔壁１６により、高温膨張機構部２４側と低温圧縮機構部４４側とに仕切る。
【選択図】図１

Description

本発明は、密閉容器内にスターリングサイクルを構成するための高温膨張機構部、及び、低温圧縮機構部を収納して成るスターリングシステム及びそれを用いた冷凍機システムに関するものである。

従来、外燃機関であるスターリングエンジン（スターリングサイクル）は、一例としてシリンダ内に往復動するディスプレーサピストンを設けている。そして、シリンダ内に封入した高圧作動ガスを、燃焼ガスなどの加熱源にて加熱される加熱部と、冷却水にて用いた冷熱源により冷却される冷却部との間で往復させている。これにより、シリンダ内に作動ガスの圧力差を生じさせ、この圧力差をディスプレーサピストンと９０度の位相で連動するパワーピストンを介して動力として取り出すように構成したものが提案されている（特許文献１参照）。

このようなピストン式（往復動型）機構のスターリングシステムが主流であるなか、回転式機構（ロータリー式）を備えたスターリングシステムの簡略化が検討された。この簡略化の一例として、ヴァンケル型機構の応用が学術的に検討された。
特開２００６−２７５０１８

しかしながら、スターリングシステムは、現在主流の内燃機関エンジンとは異なり、高効率性、燃料や熱源の多様性、静粛性及び排気の清浄性等優れた特性があるが、前者のスターリングサイクルは、外部との熱の授受や内部の熱交換、高圧作動ガス使用などから機構全体が複雑、且つ、重量が重くなる傾向にあった。また、耐久性や応答性にも多くの改良の余地があり、コストも高価で市場競争力に欠けていた。このため、スターリングシステムの簡略化やコストの低減が望まれていた。

また、後者のヴァンケル型機構の駆動部は、クランク機構から回転機構に簡略化されるものの、肝心の流体作動機構の、作動容積等の特性がなじまず、且つ、構造が一体的でなく、熱システムとしても複雑となるため実用化されていなかった。

本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、高温膨張機構部及び低温圧縮機構部と、両機構部共通の駆動軸とを密閉容器内に収納して大幅な簡略化と耐久性の向上を図ったスターリングシステム及びそれを用いた冷凍機システムを提供することを目的とする。

即ち、本発明のスターリングシステムは、スターリングサイクルを構成するための高温膨張機構部、及び、低温圧縮機構部と、両機構部共通の駆動軸とを密閉容器内に収納すると共に、該密閉容器内を隔壁により、高温膨張機構部側と低温圧縮機構部側とに仕切ったことを特徴とする。

また、請求項２の発明のスターリングシステムは、上記において、スターリングサイクルの性能特性を制御する制御機構と、発電機、若しくは、電動機とを、密閉容器内の低温圧縮機構部側において駆動軸に直結したことを特徴とする。

また、請求項３の発明のスターリングシステムは、請求項１又は請求項２において、スターリングサイクルを構成するための加熱器、冷却器、及び、再生熱交換器を、密閉容器内、若しくは、密閉容器外において当該密閉容器と一体化したことを特徴とする。

また、請求項４の発明のスターリングシステムは、請求項１乃至請求項３の何れかにおいて、密閉容器内における摺動部を潤滑するための潤滑剤の圧導機構と、密閉容器外に吐出された作動ガスから潤滑剤を分離し、密閉容器内に返送する返送機構とを備えたことを特徴とする。

また、請求項５の発明の冷凍機システムは、請求項１乃至請求項４において、駆動軸を駆動する電動機を備え、スターリングサイクルを逆サイクルで機能させることを特徴とする。

以上詳述した如く本発明によれば、スターリングシステムを構成するための高温膨張機構部、及び、低温圧縮機構部と、両機構部共通の駆動軸とを密閉容器内に収納すると共に、該密閉容器内を隔壁により、高温膨張機構部側と低温圧縮機構部側とに仕切ったので、例えば、請求項２の如く、スターリングサイクルの性能特性を制御する制御機構と、発電機、若しくは、電動機とを、密閉容器内の低温圧縮機構部側において駆動軸に直結すれば、動力伝達の応答性を極めて向上させることができる。また、高温膨張機構部、及び、低温圧縮機構部を密閉容器内に収納しているので、制御機構や発電機或いは電動機などが外部から直接衝撃を受けることもなく、風雨も避けることができる。これにより、傷や風雨でそれらの制御機構、発電機、若しくは、電動機の腐食を確実に防止することができるので、スターリングシステムの耐久性を大幅に向上させることができるようになる。

特に、高温膨張機構部、及び、低温圧縮機構部を密閉容器内に収納しているので、スターリングシステムの大幅な簡略化と耐久性を確保することができる。これにより、スターリングシステムのコンパクト化を図ることができるので、例えば、従来のスターリングシステムよりも大幅な軽量化を図ることが可能となる。従って、生産性を極めて向上させることが可能になると共に大幅にコストを低減させることができ、総じてスターリングシステムの市場競争力を大幅に向上させることができるようになるものである。

また、請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２において、スターリングサイクルを構成するための加熱器、冷却器、及び、再生熱交換器を、密閉容器内、若しくは、密閉容器外において当該密閉容器と一体化したので、スターリングシステムを何処にでも容易に運搬することができ、また、何処にでも容易に設置することが可能になる。これにより、スターリングシステムの運搬性や設置性などを大幅に向上させることができて、スターリングシステムの汎用性を極めて向上させることができる。

また、請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３の何れかにおいて、密閉容器内における摺動部を潤滑するための潤滑剤の圧送機構と、密閉容器外に吐出された作動ガスから潤滑剤を分離し、密閉容器内に返送する返送機構とを備えたので、潤滑剤をスターリングサイクルの各摺動部に円滑に給油することが可能となる。また、作動ガスから潤滑剤を分離し、密閉容器内に返送する返送機構を備えているので、例えば潤滑剤が作動ガスに混じり過剰に低温圧縮機構部に流入してしまうなどといった不都合を阻止することができる。これにより、スターリングサイクルの運転を円滑に行うことが可能になり、出力低下の防止、及び、スターリングサイクルの性能劣化などを確実に防止することができる。

また、請求項５の発明によれば、請求項１乃至請求項４において、駆動軸を駆動する電動機を備え、スターリングサイクルを逆サイクルで機能させるので、低温圧縮機構部と高温膨張機構部の動作に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して冷凍機システムを構築することができる。また、作動ガスに例えば、水素やヘリウムなどの自然作動媒体を用いれば環境性の優れた冷凍機分野にも適用することができる。従って、発電機及び冷凍機の双方を使用できて、冷凍機システムの利便性を大幅に向上させることができる。

本発明は、エネルギー効率が悪く市場競争力に欠けていたのを改善するため、軽量化を図り生産性を向上することを主な特徴とする。エネルギー効率を高め、生産性を向上するという目的を、高温膨張機構部と低温圧縮機構部とを密閉容器内に収納するだけの簡単な構造で実現した。

次に、図面に基づき本発明の実施の形態を詳述する。図１は本発明の一実施例を示すスターリングシステム１０の縦断側面図（概略図）、図２は本発明の一実施例を示すスターリングシステム１０の概念図である。本発明のスターリングシステム１０は、図１に示すように、鋼板からなる円筒状の密閉容器１２を備え、この密閉容器１２の内部空間に駆動機構部（高温膨張機構部２４と、低温圧縮機構部４４）が配置収納されている。

高温膨張機構部２４は、密閉容器１２の一側（図中上側）に配設され、低温圧縮機構部４４は、密閉容器１２の他側（図中下側）に配設されている。両機構部２４、４４は、密閉容器１２の長手方向に渡って設けられた共通の駆動軸１４に固定され、この駆動軸１４の他側（図中下側）には、圧送機構１５が設けられている。圧送機構１５は、予め密閉容器１２内に設けられた潤滑油７０供給通路から、密閉容器１２の他側に貯留された潤滑油７０（本発明の潤滑剤に相当）を、後述する第１ロータ２８（第１ベーン３０を含む）、第２ロータ４８（第２ベーン５０を含む）、或いは、低温圧縮機構部４４などが摺動する摺動部に圧送し潤滑する。この圧送機構１５は、例えば、螺旋状に彫り込まれた螺旋溝、或いは、プロペラ状のものが回転することによる遠心力で潤滑油７０を第１シリンダ２６、第２シリンダ４６内に圧送するものである。尚、圧送機構１５にて、潤滑油７０を圧送する技術については、従来より周知の技術であるため、詳細な説明を省略する。

高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４の間には、隔壁１６が設けられており、密閉容器１２はこの隔壁１６で高温膨張機構部２４側と、低温圧縮機構部４４側とに仕切られている。即ち、隔壁１６の一側（図中上側）には、高温膨張機構部２４が設けられ、他側（図中下側）には低温圧縮機構部４４が設けられている。該隔壁１６は、多孔質素材が用いられた高断熱性の断熱壁、或いは、内部に真空空間が形成された高断熱性の断熱壁にて構成され、高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４との間を好適に断熱する。低温圧縮機構部４４と隔壁１６の間には、当該隔壁１６と所定の間隔を存して制御機構１８が設けられており、低温圧縮機構部４４と圧送機構１５との間には、密閉容器１２内面に略密接すると共に制御機構１８と所定の間隔を存して発電機２０が設けられている。該制御機構１８の周囲には所定の空間があり、この空間に第２空間４４Ａが形成されている。この制御機構１８は、スターリングシステム１０の性能特性を好適に制御するもので、高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４との双方の、圧縮上死点の位相角を好適に調整するものである。

また、発電機２０は、電動機（モータ）としても使用可能な、所謂、発電とモータとを可逆的に使用可能な発電機である。この発電機２０は、スターリングシステム１０の運転時（駆動軸１４の回転時）には発電して電力を出力する。また、発電機２０は、スターリングシステム１０の始動時には、予め外部に設けられた電源を通電することにより電動機として作動し、充分な軸出力が発生した時点で自動的に発電機２０に切り替わるように構成されている。係る密閉容器１２内には、高温膨張機構部２４、低温圧縮機構部４４、制御機構１８、発電機２０及び潤滑油７０が内封される。これにより、スターリングシステム１０を簡易で且つ、最適の形状構造を実現すると共に、性能、容積、重量、耐圧気密性及び低コスト等、実用性と利便性が得られるように構成されている。尚、制御機構１８については、後で詳しく説明する。

ここで、以下にローリングピストン式を例にした機構部を述べる。高温膨張機構部２４は、外周面が密閉容器１２内面に略密接して設けられた第１シリンダ２６と、この第１シリンダ２６内部に回動自在に設けられた第１ロータ２８とから構成されている。高温膨張機構部２４は、隔壁１６と第１シリンダ２６、及び、第１シリンダ２６の隔壁１６と対向面側（図１上側）の双方に所定の容積空間を有し、この空間に第１空間２４Ａを形成している。第１シリンダ２６には、常時先端部を第１ロータ２８に当接する第１ベーン３０が設けられており、第１シリンダ２６内はこの第１ベーン３０で高温吐出側と高温吸入側とに仕切られている。即ち、第１シリンダ２６内は、第１ベーン３０にて、第１ベーン３０の高温側吐出口３４側を高温吐出側、高温側吸入口３２側を高温吸入側とに区画している（図２に図示）。

該第１ロータ２８は、中心が駆動軸１４（図２点線）のクランク軸１４Ａ（図２実線）に固定され、この駆動軸１４がクランク回転することにより、第１シリンダ２６内を転動する。即ち、第１シリンダ２６の中心を回転軸心として、第１ロータ２８はその回転軸心を中心にして第１シリンダ２６内を転動する。また、第１シリンダ２６には、高温吸入側に吸入する作動ガスの等温加熱を支援するための第２加熱器３８Ａ（図２に図示）が設けられている。

また、低温圧縮機構部４４は、外周面が密閉容器１２内面に略密接して設けられた第２シリンダ４６と、この第２シリンダ４６内部に回動自在に設けられた第２ロータ４８とから構成されている。第２シリンダ４６には、常時先端部を第２ロータ４８に当接する第２ベーン５０が設けられており、第２シリンダ４６内はこの第２ベーン５０で仕切られている。即ち、第２シリンダ４６内は、第２ベーン５０にて、第２ベーン５０の低温側吐出口５４側を低温吐出側、低温側吸入口５２側を低温吸入側とに区画している（図２に図示）。該スターリングシステム１０は、高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４に設けた第１ロータ２８と第２ロータ４８とからなる回転式機構（ローリングピストン式）にて構成されている。

該第２ロータ４８は、駆動軸１４のクランク軸１４Ａに固定され、この駆動軸１４がクランク回転することにより、第２シリンダ４６内を転動する。即ち、第２シリンダ４６の中心を回転軸心として、第２ロータ４８はその回転軸心を中心にして第２シリンダ４６内を転動する。また、第２シリンダ４６には、当該第２シリンダ４６の外部から低温吸入側に吸入した作動ガスの等温冷却を支援するための第２冷却器５８Ａ（図２に図示）が設けられている。

高温膨張機構部２４を構成する第１シリンダ２６の高温側吐出口３４に中空の接続配管３６が接続されており、この接続配管３６は再生熱交換器６０、返送機構６２、及び、第１冷却器５８を介して低温圧縮機構部４４を構成する第２シリンダ４６の低温側吸入口５２に接続されている（図１の点線）。また、第２シリンダ４６の低温側吐出口５４に中空の接続配管５６が接続されている。この接続配管５６は、返送機構６２、再生熱交換器６０、及び、第１加熱器３８を介して、高温膨張機構部２４を構成する第１シリンダ２６の高温側吸入口３２に接続されている（図１実線）。

再生熱交換器６０は、作動ガスが高温膨張機構部２４側から高温で流入し通過するときは蓄熱してこれを予冷し、低温圧縮機構部４４側から流れ込むときは放熱して予熱する機能を必要とする。該再生熱交換器６０は、内部を互いに反対方向に通過する作動ガスの流れ（対向流）が混合することなく、熱の交換が容易なように、例えば２重配管やプレート型顕熱交換器構造等で構成されている。この場合、再生熱交換器６０は、作動ガスの顕熱交換のみ行い殆ど蓄熱、放熱は行わない。係る再生熱交換器６０は、メッシュ等の複雑な内部充填物は不要で、比較的小容量に構成されている。

該再生熱交換器６０及び返送機構６２は、本発明を構成する重要要素であり、原則的に密閉容器１２の外部に設けられている。即ち、スターリングシステム１０は、第１シリンダ２６、再生熱交換器６０、返送機構６２、第１冷却器５８、第２シリンダ４６、返送機構６２、再生熱交換器６０、第１加熱器３８を介して第１シリンダ２６に順次配管接続されて、環状の作動ガス循環回路（以降スターリングサイクルと称す）を構成している。尚、図２では、密閉容器１２の外部に設けられる再生熱交換器６０、返送機構６２、第１加熱器３８、第２加熱器３８Ａ、第１冷却器５８及び第２冷却器５８Ａを点線で図示している。

そして、スターリングサイクル内には、作動ガスとして、水素ガス、ヘリウムガス、或いは窒素ガスなどの高圧作動ガスが所定量封入され、潤滑油７０としてはシリコン系の油が所定量、スターリングサイクル内に封入されて使用される。スターリングサイクル内に封入された作動ガスの圧力や内容積、第１ロータ２８、第２ロータ４８の偏心量や、相互の位相角の差、流入及び排出熱量や温度等諸元は、予めスターリングサイクルを構成するよう選定設定される。

また、返送機構６２は、作動ガスに含まれる潤滑油７０を分離し、且つ、沈殿物を取り除いて密閉容器１２内下部に返送するもので、例えば、ギヤポンプと、潤滑油７０を吸着して作動ガスと分離を行う、潤滑油７０分離機能を有したフィルターにて構成されている。即ち、返送機構６２は、当該返送機構６２にて作動ガスから分離した潤滑油７０を、ギヤポンプにて接続配管６３（図１一点鎖線）から密閉容器１２下部（図１下側）へ返送する。

ここで、従来の往復動式のスターリングサイクルは、高温の高温膨張機構部（高温部）と低温の低温圧縮機構部（低温部）とを、潤滑油を含んだ作動ガスが往復動するため、一般的には細かい網目状の金属を多段に積層して形成される。これにより、再生熱交換器は、作動ガスが広い接触面積に触れ、且つ、充分な蓄熱放熱効果をなるべく最小の流体抵抗で得られるように構成されている。しかし、高温部で潤滑油が加熱されることにより変質して沈殿物が発生すると、潤滑油が低温部に行く途中通過する再生熱交換器が目詰まりを惹き起こす恐れがあった。このため、潤滑油を用いてスターリングサイクル内の潤滑やシールを充分に行うことができなかった。

そこで、本発明では密閉容器１２の下部に貯留された潤滑油７０を各摺動部に圧送する圧送機構１５を設けると共に、作動ガスと潤滑油７０とを分離し、沈殿物を除去するフィルターを返送機構６２に設けている。これにより、潤滑油７０に発生した沈殿物を取り除き、また、スターリングサイクルの潤滑やシールを好適に行えるように構成している。そして、貯留した潤滑油７０は、圧送機構１５にて再度各摺動部へ圧送され、摺動部を冷却すると共に摩耗を防止する。尚、高温膨張機構部２４で潤滑油７０の使用が耐熱的に傷み易いなどの不都合で抑制したいときには、これを、スターリングサイクルを循環する作動ガスから分離して低温圧縮機構部４４のみで用いるように返送機構６２を改良することも可能である。尚、ギヤポンプにて、潤滑油７０を圧送する技術については、従来より周知の技術であるため、詳細な説明を省略する。

次に、スターリングシステム１０の動作を説明する。尚、高温膨張機構部２４は、作動ガスが第１加熱器３８で加熱されて高温になり、低温圧縮機構部４４は、第２冷却器５８Ａで冷却されて低温になる。このため、高温膨張機構部２４が上方、低温圧縮機構部４４が下方に位置するように密閉容器１２を立てて使用するのが熱力学的に有利となるので、実施例では密閉容器１２を立てた状態で説明を行う。また、制御機構１８及び発電機２０は、加熱されてしまうのを防止するため低温圧縮機構部４４側と同一空間内に設けている。また、第１加熱器３８（第２加熱器３８Ａを含む）の加熱源としては、例えば化石燃料、バイオマス燃料、マイクロガスタービンや燃料電池の排熱、工場排熱或いは太陽熱等が用いられ、第１冷却器５８（第２冷却器５８Ａを含む）の冷却源としては、例えば地下水、川の水、池の水、海水、或いは、空気（常温外気）などが用いられる。即ち、加熱源により第１加熱器３８及び第２加熱器３８Ａは加熱され、この第２加熱器３８Ａによって第１シリンダ２６は等温加熱される。また、冷却源により、第１冷却器５８及び第２冷却器５８Ａは冷却され、この第２冷却器５８Ａによって第２シリンダ４６は等温冷却される。

また、両シリンダ２６、４６内面に内接して転動する両ロータ２８、４８は、両ベーン３０、５０を基点に、互いの位相角の差が約１８０度となるように設定されている。この場合、第１シリンダ２６と第２シリンダ４６は、相互に振動を打ち消し合って低振動になるように偏心方向を逆位相になるよう配設されている。尚、位相角の差が１８０度とは、高温膨張機構部２４から作動ガスの吐出が開始されたときで、低温圧縮機構部４４にて作動ガスの吸入が開始されたときである。また、第１ロータ２８及び第２ロータ４８は、駆動軸１４で連結され、両シリンダ２６、４６の高温側吸入口３２、低温側吸入口５２及び高温側吐出口３４、低温側吐出口５４はそれぞれの同一側面に設けられている。

そして、第１加熱器３８により、第１シリンダ２６内（高温吸入側）に流入する作動ガスが加熱される。この第１シリンダ２６は、第２加熱器３８Ａにより加熱されるため、作動ガスは略等温のまま膨張し、第１シリンダ２６内は所定の高圧になる。この高圧の作動ガスによって、第１ロータ２８は、第１シリンダ２６内面に沿って時計方向に転動し（図２矢印）、接続配管５６から高温吸入側に作動ガスを吸入すると共に、潤滑油７０は圧送機構１５にて各摺動部や第１シリンダ２６及び第２シリンダ４６に圧送される。このようにして、高温膨張機構部２４は加熱源から駆動力を得て、駆動軸１４を回転駆動する。

第１ロータ２８の転動により、第１シリンダ２６内（高温吐出側）の作動ガスは、高温側吐出口３４から接続配管３６内に吐出される。接続配管３６内に吐出された作動ガスは、矢印方向（図２の右方向矢印）に進み再生熱交換器６０に流入する。再生熱交換器６０に流入した作動ガスは、第２シリンダ４６にて冷却された作動ガスと熱交換して冷却（予冷）される。再生熱交換器６０を出た作動ガスは、返送機構６２に流入し、そこで、作動ガスと潤滑油７０とが分離される。潤滑油７０が分離された作動ガスは、第１冷却器５８に流入して冷却された後、低温側吸入口５２から第２シリンダ４６内（低温吸入側）に流入する。尚、圧送機構１５にて圧送された潤滑油７０は、高温膨張機構部２４内を作動ガスと共に循環しスターリングサイクルの充分な潤滑やシールを行う。

このとき、第２シリンダ４６内（低温吐出側）の作動ガスは、第２冷却器５８Ａで冷却される。この冷却により、作動ガスは略等温のまま圧縮し、これによって、第２シリンダ４６内で作動ガスの体積が圧縮される。第２ロータ４８は、第２シリンダ４６内面に沿って時計方向に転動し（図２矢印）、接続配管３６からは低温吸入側に作動ガスを吸入する。そして、第２シリンダ４６内（低温吐出側）の作動ガスは、低温側吐出口５４から接続配管５６内に吐出される。接続配管５６内に吐出された作動ガスは、矢印方向（図２の左方向矢印）に進み、返送機構６２で作動ガスと潤滑油７０が分離される。潤滑油７０が分離された作動ガスは、再生熱交換器６０に流入し、第１シリンダ２６にて加熱された作動ガスと熱交換して加熱（予熱）される。

そして、加熱された作動ガスは第１加熱器３８で加熱された後、高温側吸入口３２から第１シリンダ２６内（高温吸入側）に帰還する。このようにして、高温膨張機構部２４は駆動力を得て、駆動軸１４を回転駆動する。係るスターリングシステム１０は、全体がスターリングサイクル１０内の作動ガスを基本に、再生熱交換器６０、第１加熱器３８、第１冷却器５８など各部位を単純に機能分担させているので、根本的に簡単化されると共に、連続的な作動が得られる。再生熱交換器６０内の作動ガスの流れは、往復流でなくて高温部（高温膨張機構部２４）と、低温部（低温圧縮機構部４４）とを接続配管３６と接続配管５６とに分離し、相互に熱交換が可能な対向する一方向流となるように構成している。

即ち、スターリングシステム１０は、高温膨張機構部２４にて駆動力を発生して駆動軸１４を駆動し、駆動軸１４に固定された発電機２０にて発電する。該スターリングシステム１０は、高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４の何れも等温に近い状態で圧縮或いは膨張作用を行い、総体的に出力を発生する。本スターリングシステム１０の駆動用熱は、外部の熱源が第１加熱器３８及び第２加熱器３８Ａに加えられ、これが作動ガスに伝わり動力に変換された後、排熱として第１冷却器５８及び第２冷却器５８Ａから外部に放熱される。この結果熱力学的な段階が連続的に実現されてスターリングサイクルが完結され、エンジンとして作動する。

ここで、外燃機関であるスターリングサイクルは、熱を外部から得るため、熱伝導の関係で動力伝達の応答反応がどうしても遅くなってしまう。このスターリングサイクルが最大能力を発揮できる、理想の位相角の差は１８０度で、位相角の差が０度では動かないが、１８０度の位相角では必ずしも熱力学的に能力が１００％とならない。そこで、高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４から最大出力が得られるように制御機構１８にて位相角を調整できるように構成されると共に、スターリングサイクルの運転中、位相角を調整することにより駆動力を変動できるよう構成されている。

即ち、前記制御機構１８は、スターリングサイクルの熱力特性を変化させて性能特性を制御するため、高温膨張機構部２４の第１ロータ２８と、低温圧縮機構部４４の第２ロータ４８との回転位相差を適宜変化させる機能を有している。制御機構１８の構造としては、高温膨張機構部２４側の駆動軸１４に設けられたギヤと、対向する低温圧縮機構部４４側に設けられたギヤとの噛み合わせにより位相角を調整するものや、電磁クラッチ等で位相角を調整するものなどがあげられる。該両ロータ２８、４８は、前述した如き両ベーン３０、５０を基点に、互いの位相角の差が約１８０度となるように設定したが、制御機構１８はこの位相角の差を自在に変化させて、スターリングサイクルの最大能力を発揮させる。

また、スターリングサイクルは、短時間（例えば約１分以内）に負荷が減って能力を減らしたいとき、入力（加熱、及び冷却）を半分に減らしても、残った熱の影響と、慣性により直ぐに能力を落とせない。そこで、制御機構１８にて位相角の差を所定角度ずらすことにより、能力を減らすことができる。このことから、負荷変動により、発電機２０の出力（パワー）を変えることもできるので、負荷の少ないときに発電量がオーバーしてしまうなどと言った不都合を防止することができる。尚、制御機構１８をギヤとギヤとの噛み合わせ、電磁クラッチ等を用いて両ロータ２８、４８の位相角をずらす技術については、従来より周知の技術であるため、詳細な説明を省略する。

また、本スターリングサイクルでは一方向にのみ作動ガスが流れるため、再生熱交換器６０の目詰まりが惹き起こされ難くなるので、潤滑油７０を用いたスターリングサイクルを安全に構築することができる。また、スターリングサイクルに潤滑油７０を循環させることにより、従来より格段にシール性及び潤滑性を向上させることができる。これにより、本発明の根幹をなす第１加熱器３８、第１冷却器５８、及び、再生熱交換器６０を、密閉容器１２内、若しくは、密閉容器１２外において当該密閉容器１２との一体化を実現できて、大幅な簡略化を行うことができる。従って、スターリングシステム１０の性能特性を大幅に向上させることができ、同時に高温膨張機構部２４や、低温圧縮機構部４４の機構構成部分の製作精度や材料及び表面処理等を格段に簡易化することができる。

また、制御機構１８や発電機２０等を密閉容器１２の低温圧縮機構部４４側に収納しているので、密閉容器１２外部への出力軸（駆動軸１４）取り出し等の機構は不要になると共に、作動ガス漏れも防止できる。また、過熱により損傷してしまうなどと言った懸念もない。また、発電機２０を第２空間４４Ａ内に設けているので、発電機２０を電動機として使用した場合に、発熱分が冷却され過熱を避けることができる。この結果、制御機構１８及び発電機２０等を密閉容器１２に密着して設ければ、密閉容器１２の小型化も図れ、運搬性や設置性などを大幅に向上させることができる。

また、スターリングサイクルは、高温膨張機構部２４側と低温圧縮機構部４４側とで常に加熱と冷却、或いは、略等温膨張と略等温圧縮が行われ、第１シリンダ２６と第２シリンダ４６間の、略等容積移動の熱力学的サイクルが互いに助け合う形で並存する（熱再生利用の効果）ので、従来には得られなかった画期的で合理的、且つ、高効率な熱サイクルが実現できる。尚、実用的には、スターリングサイクルは、前記略等容積移動の工程部分がずれて、等圧力移動（エリクソンサイクルと呼称される）方向に変化しても、基本的な構成、システムは本発明のまま既述の優れた特性が得られるため、熱再生利用の効果はスターリングサイクル同等とみなし得る。

このように、本発明のスターリングサイクルは、高温膨張機構部２４、及び、低温圧縮機構部４４と、両機構部共通の駆動軸１４とを密閉容器１２内に収納している。また、密閉容器１２内を隔壁１６により、高温膨張機構部２４側と低温圧縮機構部４４側とに仕切ったので、スターリングサイクルの性能特性を制御する制御機構１８と、発電機２０（電動機になり得る）とを、密閉容器１２内の低温圧縮機構部４４側において駆動軸１４に直結すれば、動力伝達の応答性を極めて向上させることができる。また、高温膨張機構部２４、及び、低温圧縮機構部４４を密閉容器１２内に収納しているので、制御機構１８や発電機２０（電動機）などが外部から直接衝撃を受けることもなく、風雨も避けることができる。これにより、傷や風雨でそれら制御機構１８、発電機２０（電動機）の腐食などを確実に防止することができるので、スターリングサイクルの耐久性を大幅に向上させることができる。然るに本方式のスターリングサイクルでは、制御機構１８にて高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４の両ロータ２８、４８の位相差を変化させることにより、最も簡略、且つ、応答性良く両機構部の容積変化が相互に最適なスターリングサイクル状態の生成が実現できる。但し、この制御を必要としない場合制御機構１８は不要である。

これにより、スターリングエンジンの特長である高効率性、燃料や熱源の多様性、静粛性、及び、排気の清浄性等を、駆動機構部（高温膨張機構部２４と、低温圧縮機構部４４）を密閉一体型にした簡略な構造で実用化することができる。また、密閉容器１２を円筒形に構成しているので耐圧性、信頼性、コンパクト性を飛躍的に向上させることができ、従来の内燃機関等既存の機関で得られなかった利便性、省エネルギー性や環境調和性等を必要とするエネルギー機器応用分野全般に活用することができる。

特に、高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４とを密閉容器１２内に収納しているので、両機構部２４、４４を同一外径形状に構成すれば、駆動軸１４の芯出しを極めて容易に行うことができる。これにより、スターリングシステム１０の組み立てを容易に行うことが可能になるので、該スターリングシステム１０の大幅なコストの低減を図ることができる。また、駆動機構部を密閉容器１２内に収納しているので、スターリングシステム１０の大幅な簡略化と耐久性を確保することができる。また、スターリングサイクルのコンパクト化を図ることができるので、従来のスターリングサイクルよりも大幅な軽量化を図ることが可能となる。これにより、生産性を極めて向上させることが可能になると共にコストも低減させることができるので、総じてスターリングシステム１０の市場競争力を大幅に向上させることができるようになるものである。

また、スターリングサイクルを構成するための加熱器（第１加熱器３８、第２加熱器３８Ａ）、冷却器（第１冷却器５８、第２冷却器５８Ａ）、及び、再生熱交換機６０を、密閉容器１２内、若しくは、密閉容器１２外において当該密閉容器１２と一体化したので、スターリングシステム１０を何処にでも容易に運搬することができ、また、何処にでも容易に設置することが可能になる。これにより、スターリングシステム１０の運搬性や設置性などを大幅に向上させることができて、スターリングシステム１０の汎用性を極めて向上させることができる。

また、密閉容器１２内における摺動部を潤滑するための潤滑油７０の圧送機構１５と、密閉容器１２外に吐出された作動ガスから潤滑油７０を分離し、密閉容器１２内に返送する返送機構６２とを備えているので、潤滑油７０をスターリングサイクルの各摺動部に円滑に給油することが可能となる。また、作動ガスから潤滑油７０を分離し、密閉容器１２内に返送する返送機構６２とを備えているので、潤滑油７０が作動ガスに混じって低温圧縮機構部４４に流入してしまうなどといった不都合を阻止することができる。これにより、スターリングサイクルの運転を円滑に行うことが可能になり、出力低下の防止、及び、スターリングサイクルの性能劣化などを確実に防止することができる。

また、駆動軸１４を駆動する電動機２０を備え、スターリングサイクルを逆サイクルで機能させる（即ち、図２の駆動軸１４を反時計方向に回転させ、作動ガスの流れ方向も逆転）と、低温圧縮機構部４４と高温膨張機構部２４の動作に伴う作動ガスの圧縮・膨張を利用して冷凍機システムを構築することができる。この場合、第１加熱器３８及び第２加熱器３８Ａは、吸熱冷却部として作用し、外部より熱を吸収することで対象を冷却でき、第１冷却器５８及び第２冷却器５８Ａは、放熱加熱部として作用し外部に熱を放熱する。実用的にはヒートポンプ空調、中低温チラーや超低温冷凍機に活用できる。また、作動ガスに、例えば、水素やヘリウムなどの自然作動媒体を用いれば環境性の優れた冷凍機分野にも適用することができる。これにより、発電機２０及び冷凍機の双方を使用することが可能になり、スターリングサイクルの利便性を大幅に向上させることができる。

また、従来の往復動型のスターリングサイクルを大幅に凌駕する性能、コストで実用化が可能と期待できる。また、第１シリンダ２６と第２シリンダ４６との偏心方向を逆位相になるよう配設して、相互に振動を打ち消し合っているので、騒音レベルを大幅に低減させることができる。尚、発電機２０による出力及び冷凍機システムの何れの場合も、実用サイクルでは熱力学的に理想のスターリングサイクルから若干外れて作用するが、熱再生サイクルを基本とする主旨が守られていることが本発明の骨子である。また、スターリングサイクルの構造は、既に冷凍空調用圧縮機では通称「密閉型２シリンダ式ロータリー圧縮機」として普及しているものに類似しており、その簡易性に基づく生産性の良さや低コスト性は同様に期待できる。

尚、実施例では、スターリングサイクルを構成する密閉容器１２を垂直（高温膨張機構部２４を上側、低温圧縮機構部４４を下側）に設置したが、密閉容器１２は垂直に限らず水平に設置（高温膨張機構部２４と低温圧縮機構部４４とが略水平に設置された状態）しても差し支えない。この場合、密閉容器１２が略水平状態のときに各駆動機構部に潤滑油７０を充分供給できるような構造、つまり密閉容器１２が水平時に潤滑油７０を汲み上げて圧送できるように、圧送機構１５の下端を潤滑油７０内に開口する構造に変更することが必要である。これにより、密閉容器１２の姿勢の自由度が確保でき、スターリングシステム１０全体をコンパクトに纏めることができる。

また、高温膨張機構部２４の高温側吸入口３２から第１シリンダ２６内に流入する作動ガスが第１加熱器３８を通過した後、更に第１空間２４Ａを通過させて第１シリンダ２６を外部から加熱した後、高温側吸入口３２から第１シリンダ２６内に流入させるようにしても差し支えない。

同様に、低温圧縮機構部４４の低温側吸入口５２から第２シリンダ４６内に流入した作動ガスが第１冷却器５８を通過した後、更に第２空間４４Ａを通過させて第２シリンダ４６を外面から加熱した後、低温側吸入口５２から第２シリンダ４６内に流入させるようにしても差し支えない。また、必要に応じて制御機構１８にはフライホイール効果を持たせる回転円盤等を付加する。

また、スターリングシステム１０の回転式機構をローリングピストン式にて説明したが、スターリングシステム１０はローリングピストン式に限らず、固定スクロールと揺動スクロールとからなるスクロール式の回転式機構を用いても本発明は有効である。また、スターリングシステム１０の目的に沿う回転式機構（ローリングピストン式）以外に、原理的に同様に応用可能な候補として「スイングロータ式」、「マルチベーン式」場合により「ヴァンケル式」等もあげられる。これらでスターリングシステム１０を構成しても本発明は有効である。

また、実施例ではスターリングシステム１０の形状や寸法などを記載したが、スターリングシステム１０はそれらの要旨を逸脱しない範囲内で変更しても差し支えない。勿論本発明は、上記実施例のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で他の様々な変更を行っても本発明は有効である。

本発明の一実施例を示すスターリングシステムの縦断側面図（一部概略図）である。 本発明の一実施例を示すスターリングシステムの概念図である。

符号の説明

１０ スターリングシステム
１２ 密閉容器
１４ 駆動軸
１５ 圧送機構
１６ 隔壁
１８ 制御機構
２０ 発電機（電動機）
２４ 高温膨張機構部
２６ 第１シリンダ
２８ 第１ロータ
３０ 第１ベーン
３８ 第１加熱器
４４ 低温圧縮機構部
４６ 第２シリンダ
４８ 第２ロータ
５０ 第２ベーン
５８ 第１冷却器
６０ 再生熱交換器
６２ 返送機構
７０ 潤滑油

Claims (5)

1. スターリングサイクルを構成するための高温膨張機構部、及び、低温圧縮機構部と、両機構部共通の駆動軸とを密閉容器内に収納すると共に、該密閉容器内を隔壁により、前記高温膨張機構部側と前記低温圧縮機構部側とに仕切ったことを特徴とするスターリングシステム。
2. 前記スターリングサイクルの性能特性を制御する制御機構と、発電機、若しくは、電動機とを、前記密閉容器内の前記低温圧縮機構部側において前記駆動軸に直結したことを特徴とする請求項１に記載のスターリングシステム。
3. 前記スターリングサイクルを構成するための加熱器、冷却器、及び、再生熱交換器を、前記密閉容器内、若しくは、密閉容器外において当該密閉容器と一体化したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングシステム。
4. 前記密閉容器内における摺動部を潤滑するための潤滑剤の圧送機構と、前記密閉容器外に吐出された作動ガスから前記潤滑剤を分離し、密閉容器内に返送する返送機構とを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のスターリングシステム。
5. 前記駆動軸を駆動する電動機を備え、前記スターリングサイクルを逆サイクルで機能させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のスターリング装置を用いた冷凍機システム。

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