特開 2023-183247 回転取出し装置及び発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183247

(43)【公開日】2023-12-27

(54)【発明の名称】回転取出し装置及び発電装置

(51)【国際特許分類】

   F02G 1/044 20060101AFI20231220BHJP

【ＦＩ】

F02G1/044

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022096768

(22)【出願日】2022-06-15

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2022-12-26

(71)【出願人】

【識別番号】596007577

【氏名又は名称】株式会社アントレックス

(71)【出願人】

【識別番号】593111738

【氏名又は名称】艫居 隆三

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮内 正裕

(72)【発明者】

【氏名】艫居 隆三

(57)【要約】

【課題】熱交換器の伝熱面積を拡大しつつ、シリンダが軸方向に大型化することを抑制する回転取出し装置及び発電装置を得る。
【解決手段】回転取出し装置１０は、往復運動するディスプレーサピストン１８を内包する第１シリンダ５０と、第１シリンダ５０の第１熱交換室Ｖ１（圧縮空間）と連通して設けられ、往復運動するパワーピストン２０を内包する第２シリンダ５２と、ディスプレーサピストン１８とパワーピストン２０の往復運動により回転可能なクランク軸２６と、を有するスターリング式の回転取出し装置であって、第１シリンダ５０の軸方向一方側の開口端部を覆い、圧縮空間に隣接して設けられた低温側熱交換器６０と、第１シリンダ５０の軸方向他方側の開口端部を覆い、第１シリンダ５０の第１熱交換室Ｖ１に隣接して設けられた高温側熱交換器６２と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

往復運動するディスプレーサピストンを内包する第１シリンダと、
前記第１シリンダの圧縮空間と連通して設けられ、往復運動するパワーピストンを内包する第２シリンダと、
前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンの往復運動により回転可能なクランク軸と、
を有するスターリング式の回転取出し装置であって、
前記第１シリンダの軸方向一方側の開口端部を覆い、前記圧縮空間に隣接して設けられた低温側熱交換器と、
前記第１シリンダの軸方向他方側の開口端部を覆い、前記第１シリンダの膨張空間に隣接して設けられた高温側熱交換器と、を有する回転取出し装置。

【請求項2】

前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器は、複数の直管を平面視で矩形状となるように並列配置してなる伝熱管と、前記複数の直管を配列方向に沿って連結する複数のフィンとを有する、請求項１に記載の回転取出し装置。

【請求項3】

前記第１シリンダは、稼働場所に設置するための矩形筒状のフレーム体に内包されると共に、前記フレーム体と一体に構成されている、請求項１又は請求項２に記載の回転取出し装置。

【請求項4】

前記フレーム体の四隅には、前記第１シリンダとの間に前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通させる連通路が形成され、
前記連通路は、多孔質の蓄熱体を内包することにより再生器を構成している、請求項３に記載の回転取出し装置。

【請求項5】

前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器は、前記伝熱管の一端と他端に設けられ、複数の直管内の流路を連結するマニホールドを有し、
前記マニホールドは、熱源流体の導入又は排出用の開口とは別に設けられ、前記複数の直管と同軸的に配置された複数のメンテナンス開口を有する、請求項２に記載の回転取出し装置。

【請求項6】

前記高温側熱交換器は、温泉水を熱源流体として構成されている、請求項１に記載の回転取出し装置。

【請求項7】

請求項１に記載の回転取出し装置と、
前記クランク軸の回転出力により発電する発電機と、を備える発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スターリング式の回転取出し装置及びこれを用いた発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、外部からの熱による温度差に基づく作動流体の収縮・膨張により回転動力を出力する外燃機関として、スターリングエンジン（回転取出し装置）が知られている。スターリングエンジンは、作動流体を圧縮空間と膨張空間との間を交互に移動させ、熱交換器による作動流体の膨張と収縮とを繰り返すことで、ピストンを駆動させて、外部からの熱を回転動力に変換している（特許文献１参照）。

【0003】

このようなスターリングエンジンには、圧縮空間と膨張空間とを別シリンダに構成するα型や、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを共に同一シリンダに収容するβ型や、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを別シリンダに収容するγ型などが知られている。

【0004】

また、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを別シリンダに収容するγ型のスターリングエンジンは、β型に比べ機構が簡単であり、また圧縮比等の設定に自由度が大きいことから、低温度差スターリングエンジンに好適に用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－０６０１８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、γ型のスターリングエンジンでは、ディスプレーサピストンを内包する筒状のシリンダの外周側に熱交換器が配置される構造が知られる。このような熱交換器では、交換熱量を増やすために熱交換器の伝熱面積を大きくすると、シリンダが軸方向に大型化するため、設置が容易ではないという課題があった。

【0007】

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、熱交換器の伝熱面積を拡大しつつ、シリンダが軸方向に大型化することを抑制する回転取出し装置及びこれを用いた発電装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１に記載の回転取出し装置は、往復運動するディスプレーサピストンを内包する第１シリンダと、前記第１シリンダの圧縮空間と連通して設けられ、往復運動するパワーピストンを内包する第２シリンダと、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンの往復運動により回転可能なクランク軸と、を有するスターリング式の回転取出し装置であって、前記第１シリンダの軸方向一方側の開口端部を覆い、前記圧縮空間に隣接して設けられた低温側熱交換器と、前記第１シリンダの軸方向他方側の開口端部を覆い、前記第１シリンダの膨張空間に隣接して設けられた高温側熱交換器と、を有する。

【0009】

請求項１に記載の回転取出し装置では、所謂γ型のスターリングエンジンにより、回転動力を取り出す構成となっている。即ち、回転取出し装置では、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを別シリンダに収容し、ディスプレーサピストンとパワーピストンの往復運動によりクランク軸を回転させる。そして、クランク軸の回転出力により回転動力が取り出される。

【0010】

ここで、第１シリンダには、軸方向の一方側と他方側に低温側熱交換器と高温側熱交換器がそれぞれ設けられている。低温側熱交換器は、第１シリンダの軸方向一方側の開口端部を覆い、圧縮空間に隣接して設けられる。一方、高温側熱交換器は、第１シリンダの軸方向他方側の開口端部を覆い、第１シリンダの膨張空間に隣接して設けられている。かかる構成では、第１シリンダの開口面積を拡張することにより熱交換器の伝熱面積を拡大することができるため、熱交換器の伝熱面積を拡大しつつ、シリンダが軸方向に大型化することを抑制することができる。

【0011】

請求項２に記載の回転取出し装置は、請求項１に記載の構成において、前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器は、複数の直管を平面視で矩形状となるように並列配置してなる伝熱管と、前記複数の直管を配列方向に沿って連結する複数のフィンとを有する。

【0012】

請求項２に記載の回転取出し装置では、各熱交換器が複数の直管と複数のフィンとで平面視で矩形状となるように構成される。これにより、伝熱管をコイル状に湾曲させる従来のγ型スターリング式回転取出し装置と比較して、シリンダが軸方向に大型化することを抑制することができる。また、熱交換器の製造を容易にし、製造コストの削減を図ることができる。

【0013】

請求項３に記載の回転取出し装置は、請求項１又は請求項２に記載の構成において、前記第１シリンダは、稼働場所に設置するための矩形筒状のフレーム体に内包されると共に、前記フレーム体と一体に構成されている。

【0014】

請求項３に記載の回転取出し装置では、第１シリンダを矩形筒状のフレーム体に内包し、一体に構成している。これにより、設置の際の部品点数が減らすことができる。また、フレーム体を矩形筒状に形成することで、設置の際のハンドリング性に優れる。これにより、装置の組み立てを容易にすることができる。

【0015】

請求項４に記載の回転取出し装置は、請求項３に記載の構成において、前記フレーム体の四隅には、前記第１シリンダとの間に前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通させる連通路が形成され、前記連通路は、多孔質の蓄熱体を内包することにより再生器を構成している。

【0016】

請求項４に記載の回転取出し装置では、矩形筒状のフレーム体に内包されるようにして第１シリンダを配置することにより、フレーム体の四隅には、第１シリンダとの間に圧縮空間と膨張空間とを連通させる連通路が形成される。また、連通路は、多孔質の蓄熱体を内包することにより、再生器を構成している。これにより、フレーム体の内側に第１シリンダと再生器を収容され、装置の小型化を図ることができる。

【0017】

請求項５に記載の回転取出し装置は、請求項２に記載の構成において、前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器は、前記伝熱管の一端と他端に設けられ、複数の直管内の流路を連結するマニホールドを有し、前記マニホールドは、熱源流体の導入又は排出用の開口とは別に設けられ、前記複数の直管と同軸的に配置された複数のメンテナンス開口を有する。

【0018】

請求項５に記載の回転取出し装置では、伝熱管の一端と他端に設けられたマニホールドを介して、複数の直管内に熱源流体が流れる構成となっている。ここで、マニホールドには、複数の直管と同軸的に配置された複数のメンテナンス開口が流体の導入又は排出用の開口とは別に設けられている。これにより、メンテナンス開口を通じて直管内の清掃を容易に行うことができるため、メンテナンス性に優れる。

【0019】

請求項６に記載の回転取出し装置は、請求項１に記載の構成において、前記高温側熱交換器は、温泉水を熱源流体として構成されている。

【0020】

請求項６に記載の回転取出し装置では、高温側熱交換器の熱源流体が温泉水で構成されている。これにより、冷水や外気などを低温側熱交換器の熱源流体とすることにより低温度差のスターリングエンジン式回転取出し装置を構成することができる。その結果、温泉水のようにコストがかからず、且つ輸送や貯蔵が困難な熱源を有効に利用してクリーンエネルギーを生成することができる。

【0021】

請求項７に記載の回転取出し装置は、請求項１に記載の回転取出し装置と、前記クランク軸の回転出力により発電する発電機と、を備えている。

【0022】

請求項７に記載の回転取出し装置では、上述のように、熱交換器の伝熱面積を拡大しつつ、シリンダが軸方向に大型化することを抑制することができる。

【発明の効果】

【0023】

以上説明したように、本発明に係る回転取出し装置及び発電装置は、熱交換器の伝熱面積を拡大しつつ、シリンダが軸方向に大型化することを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本実施形態に係る回転取出し装置を備える発電装置の斜視図である。

【図2】図１の２－２線に沿って切断した断面を示す発電装置の断面図である。

【図3】本実施形態に係る回転取出し装置のケース体の平面図である。

【図4】（Ａ）は、本実施形態に係る熱交換器の平面図であり、（Ｂ）は、伝熱管の軸方向から見た熱交換器の側面図である。

【図5】本実施形態に係るハウジングの内部の構造の模式図である。

【図6】γ型スターリングエンジンのサイクル過程を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図１～図６に基づいて、実施形態に係る回転取出し装置１０を含む発電装置１について説明する。なお、説明の便宜上、各図中に適宜記すＦＲ、ＵＰ，ＬＨの方向を発電装置１の前方向、上方向、左方向と定義して構成要素の位置や向きを説明する。また、各図においては図面を見易くするため、一部の符号を省略している場合がある。

【0026】

図１に示すように、本実施形態の発電装置１では、回転取出し装置１０の回転出力をモータ発電機からなる発電機２に入力し、発電する。また、回転取出し装置１０の駆動方式には、公知のγ型スターリングエンジンが用いられている。

【0027】

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。また、外燃機関であり多種多様の熱源に利用できる一方で、内燃機関に爆発的な燃焼を伴わず、安全に運用することができるため、新たな動力源として注目されている。

【0028】

この中でも、ディスプレーサピストン及びパワーピストンを別シリンダに収容するγ型のスターリングエンジンでは、機構が簡単であり、また圧縮比等の設定に自由度が大きいことから、熱源の温度差を低温度差で利用することができる。このため、温泉水や地熱など、輸送や貯蔵が困難な熱源にも導入することが期待される。

【0029】

ここで、図６を参照して、γ型スターリングエンジン１２のサイクル過程について説明する。この図に示すように、γ型のスターリングエンジン１２は、内部空間が連通された大小二つのシリンダ１４，１６と、大シリンダ１４に収容されたディスプレーサピストン１８と、小シリンダ１６に収容されたパワーピストン２０と、を含んでいる。また、大小二つのシリンダ１４，１６の内部には、作動流体が充填されている。

【0030】

大シリンダ１４に収容されたディスプレーサピストン１８と小シリンダ１６に収容されたパワーピストン２０は、ロッド２２を介して別のクランク２４に接続されており、各ピストンの往復運動を回転運動に変換する。具体的に、二つのクランク２４は、ディスプレーサピストン１８に接続されたクランク２４の回転角がパワーピストン２０に接続されたクランク２４の回転角よりも９０度だけ先に進むように固定されており、クランク軸２６を中心に一つのユニットとして回転する。また、クランク軸２６には、クランク２４の回転を滑らかにするためのフライホイール３０が装着されている。

【0031】

図６では、大シリンダ１４の上方側に低温側の熱源ＨＳ１が設けられ、大シリンダ１４の下方側に高温側の熱源ＨＳ２が設けられている場合について説明する。（Ａ）→（Ｂ）に示す気体の移動過程では、パワーピストン２０が最下点にある状態から、クランク２４に時計回り方向の初期角度を与えて回転を開始させる。

【0032】

（Ｂ）→（Ｃ）に示す気体の膨張過程では、高温側の熱源ＨＳ２で暖められた気体が膨張してパワーピストン２０を上昇させる。

【0033】

（Ｃ）→（Ｄ）に示す気体の移動過程では、パワーピストン２０が最上点にある状態からフライホイール３０の慣性力を利用して回転を持続させる。その後、ディスプレーサピストン１８が最下点に到達し、大シリンダ１４内の作動流体の多くが大シリンダの上方側の圧縮空間に移動して低温側の熱源ＨＳ１で冷やされる。

【0034】

（Ｄ）→（Ａ）に示す気体の圧縮過程では、低温側の熱源ＨＳ１で冷やされた作動流体はパワーピストン２０で圧縮されて元の状態に戻る。

【0035】

以上のサイクルを繰り返すことにより、スターリングエンジン１２が回転する。本実施形態の発電装置１では、図１及び図２で示したように、二機のスターリングエンジン１２を矩形箱状のハウジング４０に搭載した回転取出し装置１０を有している。回転取出し装置１０では、各エンジン１２のディスプレーサピストン１８及びパワーピストン２０の往復運動が共通のクランク軸２６を中心に回転運動へと変換される構成となっている。

【0036】

ここで、図１には、発電装置１の斜視図が示されている。図２には、発電装置１に含まれる回転取出し装置１０の縦断面図が示されている。

【0037】

発電装置１は、クランク軸２６を回転させて回転動力を出力する回転取出し装置１０と、クランク軸２６の回転出力により発電する発電機２とを有している。発電機２は一例として、公知のモータ発電機で構成されており、図示しない回転子に連結された回転軸３２を有している。この回転軸３２は、フライホイール３０を介してクランク軸２６に連結されており、クランク軸２６の回転出力により回転し、発電する。

【0038】

回転取出し装置１０は、二機のスターリングエンジン１２を搭載した矩形箱状のハウジング４０を有している。ハウジング４０は、二つの第１シリンダを内包する矩形筒状のフレーム体４２と、第１シリンダ５０の軸方向一方側（図２では上端側）の開口端部を閉塞する蓋状の上部シリンダヘッド４４と、第１シリンダ５０の軸方向の他方側（図２では下端側）の開口端部を閉塞する蓋状の下部シリンダヘッド４６とを有している。

【0039】

ハウジング４０のフレーム体４２、上部シリンダヘッド４４及び下部シリンダヘッド４６は、樹脂材料により形成されている。フレーム体４２、上部シリンダヘッド４４及び下部シリンダヘッド４６により形成される内包空間は、矩形筒状のフレーム体４２の中央部に配置された区画壁部４８によって左右に分割されている。左右の内包空間Ｓ１，Ｓ２（図３参照）には、円筒状の第１シリンダ５０と、第１シリンダ５０の軸方向一方側（図２では上端側）の開口端部を覆う低温側熱交換器６０と、第１シリンダ５０の軸方向他方側（図２では下端側）の開口端部を覆う高温側熱交換器６２とが収容されている。

【0040】

また、第１シリンダ５０とフレーム体４２との間の間隙には、低温側熱交換器６０と高温側熱交換器６２を連通させる再生器７０が配置されている。

【0041】

第１シリンダ５０は、スターリングエンジン１２の大シリンダを構成しており、ディスプレーサピストン１８を内包している。第１シリンダ５０の内包空間は、ディスプレーサピストン１８によって、第１熱交換室Ｖ１と第２熱交換室Ｖ２に区画されている。

【0042】

第１熱交換室Ｖ１は、低温側熱交換器６０に隣接しており、第１シリンダ５０の圧縮空間を形成している。第２熱交換室Ｖ２は、高温側熱交換器に隣接しており、第１シリンダ５０の膨張空間を形成している。第１シリンダ５０内の第１熱交換室Ｖ１（圧縮空間）と第２熱交換室Ｖ２（膨張空間）とを合わせて作動空間と称する。

【0043】

第１シリンダ５０内の作動空間には、作動流体が充填されており、ディスプレーサピストン１８の往復運動により作動流体が第１熱交換室Ｖ１と第２熱交換室Ｖ２の間を移動して、低温側熱交換器６０及び高温側熱交換器６２との間で熱交換を行う。

【0044】

例えば、ディスプレーサピストン１８が高温側熱交換器６２に向かって下降すると、第２熱交換室Ｖ２の作動流体は、再生器７０を通って第２熱交換室Ｖ２に移動し、低温側熱交換器６０と熱交換することで温度が低下する。一方、ディスプレーサピストン１８が低温側熱交換器６０に向かって上昇すると、第１熱交換室Ｖ１の作動流体は、再生器７０を通って第２熱交換室Ｖ２に移動し、高温側熱交換器６２と熱交換することで温度が上昇する。このように、低温側熱交換器６０及び高温側熱交換器６２と第１シリンダ５０内の作動空間との間で作動流体が順逆に流れることで、第１シリンダ５０の作動空間における内圧が変化し、ディスプレーサピストン１８の往復運動を促す。

【0045】

なお、作動流体は、一例として、ヘリウムガス、窒素、空気等の気体で構成することができる。

【0046】

ハウジング４０の上面を構成する上部シリンダヘッド４４の上方側には、スターリングエンジン１２の小シリンダを構成する円筒状の第２シリンダ５２が設けられている。この第２シリンダ５２は、第１シリンダ５０の第１熱交換室Ｖ１（圧縮空間）と連通して設けられ、往復運動するパワーピストン２０を内包している。第２シリンダ５２は一例として、パワーピストン２０の荷重による変形を抑制するために、金属材料で形成されている。

【0047】

第２シリンダ５２内は、パワーピストン２０の下方側の空間が第１シリンダ５０の第１熱交換室Ｖ１と連通している。また、パワーピストン２０の上方側の空間は、二本の連結パイプ５４を介して他方のスターリングエンジン１２の第２シリンダ５２内の上方空間と連通されている。

【0048】

上述したように、ディスプレーサピストン１８の往復運動により作動空間の内圧が変化すると、ディスプレーサピストン１８の往復運動が第１シリンダ５０の圧縮空間を介してパワーピストン２０に伝達される。これにより、パワーピストン２０の往復運動が促される。

【0049】

上部シリンダヘッド４４の上方側には、前後に間隔を空けて配置された一対の支柱５６が立設されている。この一対の支柱の間には、クランク軸２６が架け渡されて回転可能に支持されている。また、クランク軸２６の上方側では、二つのリンクアーム６４を回動可能に支持するリンク支持軸５８が一対の支柱に支持されている。

【0050】

二つのリンクアーム６４は、ディスプレーサピストン１８の往復運動に連動する第１リンクアーム６４Ａとパワーピストン２０の往復運動に連動する第２リンクアーム６４Ｂとを有している。

【0051】

第１リンクアーム６４Ａは、二機のスターリングエンジン１２のディスプレーサピストン１８とロッド２２を介して接続されている。また、第１リンクアーム６４Ａは、クランク２４を介してクランク軸２６に連結されている。これにより、二機のスターリングエンジン１２のディスプレーサピストン１８の往復運動がロッド２２、第１リンクアーム６４Ａ及びクランク２４を介して、共通のクランク軸２６に伝達される。なお、本実施形態では、二機のスターリングエンジン１２のディスプレーサピストン１８の往復動作における位相差を９０度に設定している。

【0052】

第２リンクアーム６４Ｂは、二機のスターリングエンジン１２のパワーピストン２０とロッド２２を介して接続されている。また、第２リンクアーム６４Ｂは、クランク２４を介してクランク軸２６に連結されている。これにより、二機のスターリングエンジン１２のパワーピストン２０の往復運動がロッド２２、第２リンクアーム６４Ｂ及びクランク２４を介して、共通のクランク軸２６に伝達される。なお、本実施形態では、二機のスターリングエンジン１２のパワーピストン２０の往復動作における位相差を９０度に設定している。

【0053】

また、ハウジング４０の前後方向の側面には、板状のブラケット６６を介してマニホールド８０が連結されている。マニホールド８０の詳細については後述する。

【0054】

ここで、図３に示す平面図を参照して、フレーム体４２の詳細な構造について説明する。この図に示すように、フレーム体４２は、全体として矩形筒状をなしている。即ち、フレーム体４２は、四辺を構成する四つの板状部（前壁部４２１、後壁部４２２、左壁部４２３、右壁部４２４）を有する。また、フレーム体４２の中央部には、前壁部４２１と後壁部４２２に架け渡されて延在する区画壁部４８を有している。これにより、フレーム体４２の内包空間は、区画壁部４８によって左右に分割され、第１内包空間Ｓ１と第２内包空間Ｓ２が形成されている。

【0055】

第１内包空間Ｓ１及び第２内包空間Ｓ２には、円筒状の第１シリンダ５０がフレーム体４２と一体に構成されている。第１シリンダ５０と矩形筒状のフレーム体４２を一体に構成する方法としては、種々の方法を適用できる。例えば、フレーム体４２と第１シリンダ５０を金属材料で形成し、溶接することにより一体に構成してもよい。または、フレーム体４２と第１シリンダ５０を個別に形成した後、ボルト等により機械的に接合して一体に構成することもできる。本実施形態の一例では、フレーム体４２と第１シリンダ５０を樹脂材料で一体成形することにより一体に構成している。

【0056】

装置右側の第１内包空間Ｓ１では、第１シリンダ５０の外周面が、フレーム体４２の前壁部４２１、後壁部４２２、右壁部４２４及び区画壁部４８の側面に当接し、一体化されている。また、装置左側の第２内包空間Ｓ２では、第１シリンダ５０の外周面がフレーム体４２の前壁部４２１、後壁部４２２、左壁部４２３、区画壁部４８の側面に当接し、一体化されている。これにより、第１及び第２内包空間Ｓ１，Ｓ２において、フレーム体４２の四隅には、第１シリンダ５０との間に第１シリンダ５０の第１熱交換室（圧縮空間）と第２熱交換室（膨張空間）とを連通させる連通路Ｒが形成されている。

【0057】

本実施形態では、フレーム体４２と第１シリンダ５０との間に形成される連通路Ｒに、多孔質の蓄熱体を内包させることで再生器７０を構成している。再生器７０は、例えば、金属繊維や金網を積層させたものや、作動流体の流路をハニカム形状などで配列させたものや、綿状金属繊維を内包させたものなどで構成されており、蓄熱式熱交換器として機能する。即ち、再生器７０は、低温側熱交換器６０から高温側熱交換器６２に低温の作動流体が流れる際には、蓄熱した熱を作動ガスに放熱する。一方で、高温側熱交換器６２から低温側熱交換器６０に高温の作動流体が流れる際には、作動流体の熱を蓄熱する。

【0058】

次に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して、低温側熱交換器６０及び高温側熱交換器６２の基本構成について説明する。図４（Ａ）は、熱交換器６０，６２の平面図であり、図４（Ｂ）は、伝熱管７２の軸方向から見た熱交換器６０，６２の側面図である。この図に示されるように、熱交換器６０，６２は、複数の直管７４を同一平面に並列配置してなる伝熱管７２と、複数の直管７４を配列方向に沿って連結する複数のフィン７６とを有している。

【0059】

伝熱管７２を構成する複数の直管７４は、第１シリンダ５０の軸方向と直交する方向に沿って延在している。各フィン７６は、長尺な薄板状に形成され、複数の直管７４を圧入して一体化させたあと、溶接接合している。複数のフィン７６は、直管７４の延在方向に沿って等間隔に配置されている。

【0060】

かかる構成の熱交換器６０，６２は、平面視で矩形状の板体状に形成される。熱交換器６０，６２は、矩形筒状のフレーム体４２の内包空間Ｓ１，Ｓ２を塞ぐように配置され、これにより、第１シリンダ５０の軸方向一方側と他方側の開口端部が熱交換器６０，６２によって塞がれている。なお、低温側熱交換器６０は、ディスプレーサピストン１８との干渉を避けるためにピストンの軸の両側で左右に分割された構成となり配置されている。

【0061】

伝熱管７２を構成する複数の直管７４には、低温側熱交換器６０において低温の熱源流体が流入される。また、高温側熱交換器６２においては、低温の熱源流体よりも温度の高い高温の熱源流体が流入される。本実施形態の一例では、低温側の熱源流体が冷水で構成される。また、高温側の伝熱流体が温泉水で構成される。

【0062】

図５には、矩形箱状のハウジング４０と、ハウジング４０の内部に収容された第１シリンダ５０、低温側熱交換器６０、高温側熱交換器６２及び再生器７０の構造が模式的に示されている。

【0063】

この図に示すように、第１シリンダ５０内の作動空間において、ディスプレーサピストン１８の上方側の第１熱交換室Ｖ１（圧縮空間）の作動流体は、第１熱交換室Ｖ１の上方側から低温側熱交換器６０のフィン７６の間を通って再生器７０を通過する。その後、高温側熱交換器６２を経てディスプレーサピストン１８の下方側の第２熱交換室Ｖ２（膨張空間）に移動する。同様に、ディスプレーサピストン１８の下方側の第２熱交換室Ｖ２（膨張空間）の作動流体は、第２熱交換室Ｖ２の下方側から高温側熱交換器６２のフィン７６の間を通って再生器７０を通過する。その後、低温側熱交換器６０を経てディスプレーサピストン１８の上方側の第１熱交換室Ｖ１（圧縮空間）に移動する。

【0064】

図１に戻り、マニホールド８０（８０Ａ，８０Ｂ）の構成について説明する。マニホールド８０は、伝熱管７２を構成する複数の直管７４内の流路を連結させる共通流路を形成する。このマニホールド８０は、熱交換器６０，６２側に開口した箱状に形成され、伝熱管７２の一端と他端に装着される。また、各マニホールド８０には、熱源流体の導入又は排出用の開口８２が設けられている。

【0065】

図１に示すように、ハウジング４０の上部で低温側熱交換器６０に装着される第１マニホールド８０Ａでは、第１マニホールド８０Ａの上面に突出して設けられた開口８２が設けられている。低温側熱交換器６０には、一方に装着された第１マニホールド８０Ａの開口８２から低温側の熱源流体としの冷水が導入され、直管７４内の流路を通り他方に装着された第１マニホールド８０Ａの開口８２から冷水が排出される。

【0066】

一方で、ハウジング４０の下部で高温側熱交換器６２に装着される第２マニホールド８０Ｂでは、第１マニホールド８０Ａの下面に突出して設けられた開口８２が設けられている。高温側熱交換器６２には、一方に装着された第２マニホールド８０Ｂの開口８２から高温側の熱源流体としの温泉水が導入され、直管７４内の流路を通り他方に装着された第２マニホールド８０Ｂの開口８２から温泉水が排出される。

【0067】

ここで、各マニホールド８０の側面には、熱源流体の導入又は排出用の開口８２とは別に設けられた複数のメンテナンス開口８４が設けられている。各メンテナンス開口８４は、熱交換器６０，６２の伝熱管７２を構成する複数の直管７４と同軸的に配置されている。また、これらのメンテナンス開口８４は、通常時は、着脱可能な蓋部材等が装着されて閉塞されている。これにより、マニホールド８０のメンテナンス開口８４を開放すると、各メンテナンス開口８４から熱交換器６０，６２の直管７４内に一方向からアクセスすることができる。このため、例えば、メンテナンス開口８４から清掃用のブラシを挿入して直管７４の内部を清掃することができ、熱源流体に温泉水などを利用した場合に、湯ノ花等の直管７４内に蓄積される汚れを簡単に取り除くことができる。

【0068】

（作用・効果）
以上説明したように、本実施形態の回転取出し装置１０は、γ型のスターリングエンジン１２により、回転動力を取り出す構成となっている。即ち、回転取出し装置１０では、ディスプレーサピストン１８及びパワーピストン２０を別シリンダ（第１シリンダ５０，第２シリンダ５２）に収容し、ディスプレーサピストン１８とパワーピストン２０の往復運動によりクランク軸２６を回転させる。そして、クランク軸２６の回転出力により回転動力が取り出される。

【0069】

ここで、第１シリンダ５０には、軸方向の一方側と他方側に低温側熱交換器６０と高温側熱交換器６２がそれぞれ設けられている。低温側熱交換器６０は、第１シリンダ５０の軸方向一方側の開口端部を覆い、圧縮空間に隣接して設けられる。一方、高温側熱交換器６２は、第１シリンダ５０の軸方向他方側の開口端部を覆い、第１シリンダ５０の膨張空間に隣接して設けられている。かかる構成では、第１シリンダ５０の開口面積を拡張することにより熱交換器６０，６２の伝熱面積を拡大することができる。これにより、熱交換器６０，６２の伝熱面積を拡大しつつ、第１シリンダ５０が軸方向に大型化することを抑制することができる。

【0070】

回転取出し装置１０では、各熱交換器６０，６２が複数の直管７４と複数のフィン７６とで平面視で矩形状となるように構成される。これにより、伝熱管をコイル状に湾曲させる従来のγ型スターリング式回転取出し装置と比較して、シリンダが軸方向に大型化することを抑制することができる。また、熱交換器の製造を容易にし、製造コストの削減を図ることができる。

【0071】

回転取出し装置１０では、第１シリンダ５０を矩形筒状のフレーム体４２に内包し、一体に構成している。これにより、設置の際の部品点数が減らすことができる。また、フレーム体４２を矩形筒状に形成することで、設置の際のハンドリング性に優れ、装置の組み立てを容易にすることができる。

【0072】

回転取出し装置１０では、矩形筒状のフレーム体４２に内包されるようにして第１シリンダ５０を配置することにより、フレーム体４２の四隅には、第１シリンダ５０との間にシリンダ内の第１熱交換室Ｖ１（圧縮空間）と第２熱交換室Ｖ２（膨張空間）とを連通させる連通路Ｒが形成される。また、連通路Ｒは、多孔質の蓄熱体を内包することにより、再生器７０を構成している。これにより、フレーム体４２の内側に第１シリンダ５０と再生器７０を収容され、装置の小型化を図ることができる。

【0073】

回転取出し装置１０では、伝熱管７２の一端と他端に設けられたマニホールド８０を介して、複数の直管７４内に熱源流体が流れる構成となっている。ここで、マニホールド８０には、複数の直管７４と同軸的に配置された複数のメンテナンス開口８４が流体の導入又は排出用の開口８２とは別に設けられている。これにより、メンテナンス開口８４を通じて直管７４内の清掃を容易に行うことができるため、メンテナンス性に優れる。

【0074】

回転取出し装置１０では、高温側熱交換器６２の熱源流体が温泉水で構成されている。これにより、冷水や外気などを低温側熱交換器の熱源流体とすることにより低温度差のスターリングエンジン式回転取出し装置１０を構成することができる。その結果、温泉水のようにコストがかからず、且つ輸送や貯蔵が困難な熱源を有効に利用してクリーンエネルギーを生成することができる。
[補足説明]

【0075】

上記実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成同士の組み合わせや変更を適宜行うことができる。例えば、上記実施形態では、高温側の熱源流体を温泉水で構成したがこれに限らない。例えば、焼却炉等で発生する高温の排ガスや、太陽光等で暖められた熱風を熱源流体としてもよい。

【0076】

また、上記実施形態では、低温側の熱源流体を冷水で構成したがこれに限らない。例えば、高温側の熱源流体よりも温度の低い外気等の空気であってもよい。

【0077】

上記実施形態では、回転取出し装置のハウジング４０に二機のスターリングエンジン１２が搭載される構成としたが、これに限らない。一機、又は三機以上のスターリングエンジンを搭載する構成としてもよい。

【0078】

上記実施形態では、熱交換器を複数の直管からなる伝熱管と複数のフィンで構成したがこれに限らない。例えば、複数のフィンを省略し、等間隔に並列配置された複数の直管で熱交換器を構成してもよい。

【符号の説明】

【0079】

１ 発電装置
２ 発電機
１０ 回転取出し装置
１８ ディスプレーサピストン
２０ パワーピストン
２６ クランク軸
４２ フレーム体
５０ 第１シリンダ
５２ 第２シリンダ
６０ 低温側熱交換器
６２ 高温側熱交換器
７０ 再生器
７２ 伝熱管
７４ 直管
７６ フィン
８０ マニホールド
８２ 熱源流体の導入又は排出用の開口
８４ メンテナンス開口
Ｖ１ 第１熱交換室（膨張空間）
Ｖ２ 第２熱交換室（圧縮空間）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2022-10-07

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

請求項１に記載の回転取出し装置は、往復運動するディスプレーサピストンを内包する第１シリンダと、前記第１シリンダの軸方向一方側に並んで配置され、前記第１シリンダの中心から偏心した位置において前記第１シリンダと軸を平行にすると共に前記第１シリンダの圧縮空間と連通して設けられ、往復運動するパワーピストンを内包する第２シリンダと、前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンの往復運動により回転可能なクランク軸と、を有するスターリング式の回転取出し装置であって、前記第１シリンダの軸方向一方側の開口端部を覆い、前記圧縮空間に隣接して設けられた低温側熱交換器と、前記第１シリンダの軸方向他方側の開口端部を覆い、前記第１シリンダの膨張空間に隣接して設けられた高温側熱交換器と、を有する。

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

往復運動するディスプレーサピストンを内包する第１シリンダと、
前記第１シリンダの軸方向一方側に並んで配置され、前記第１シリンダの中心から偏心した位置において前記第１シリンダと軸を平行にすると共に前記第１シリンダの圧縮空間と連通して設けられ、往復運動するパワーピストンを内包する第２シリンダと、
前記ディスプレーサピストンと前記パワーピストンの往復運動により回転可能なクランク軸と、
を有するスターリング式の回転取出し装置であって、
前記第１シリンダの軸方向一方側の開口端部を覆い、前記圧縮空間に隣接して設けられた低温側熱交換器と、
前記第１シリンダの軸方向他方側の開口端部を覆い、前記第１シリンダの膨張空間に隣接して設けられた高温側熱交換器と、を有する回転取出し装置。

【請求項2】

前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器は、複数の直管を平面視で矩形状となるように並列配置してなる伝熱管と、前記複数の直管を配列方向に沿って連結する複数のフィンとを有する、請求項１に記載の回転取出し装置。

【請求項3】

前記第１シリンダは、稼働場所に設置するための矩形筒状のフレーム体に内包されると共に、前記フレーム体と一体に構成されている、請求項１又は請求項２に記載の回転取出し装置。

【請求項4】

前記フレーム体の四隅には、前記第１シリンダとの間に前記圧縮空間と前記膨張空間とを連通させる連通路が形成され、
前記連通路は、多孔質の蓄熱体を内包することにより再生器を構成している、請求項３に記載の回転取出し装置。

【請求項5】

前記低温側熱交換器及び前記高温側熱交換器は、前記伝熱管の一端と他端に設けられ、複数の直管内の流路を連結するマニホールドを有し、
前記マニホールドは、熱源流体の導入又は排出用の開口とは別に設けられ、前記複数の直管と同軸的に配置された複数のメンテナンス開口を有する、請求項２に記載の回転取出し装置。

【請求項6】

前記高温側熱交換器は、温泉水を熱源流体として構成されている、請求項１に記載の回転取出し装置。

【請求項7】

請求項１に記載の回転取出し装置と、
前記クランク軸の回転出力により発電する発電機と、を備える発電装置。