JPH01244150A - スターリングエンジン利用システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し発明の目的］ 本発明はスターリングエンジンを動力源として辷−トポ
ンプ装置その他の負荷装置を駆動するスターリングエン
ジン利用システムに関する。

〈従来の技術〉 スターリングエンジンは熱効率が高く、省エネルギー機
器として注目されており、ヒートポンプ装置その他の装
置の動力源としての応用が検討されている。しかしなが
ら、スターリングエンジンは外燃機関であるなめ、内燃
機関のように短時間で定格出力を発生することができず
、エンジン内の燃焼器の始動後、負荷装置を直ちに全負
荷状態で接続することが極めて龍しい。

そこで、例えばスターリングエンジンをヒートポンプを
用いた冷暖房システムに適用する場合、始動時には作動
ガスの加熱温度が自立運転可能な温度に達した時点で、
外部からスタータにより始動に必要な動力を与え、その
後ヒートポンプにおける圧縮機の吸込み口と吐出口との
間に接続された複数のアンロード弁を全て開にした状態
で圧縮機をエンジンに直結し、エンジン出力の増加に応
じてアンロード弁を通路面積を徐々に絞る方向に開閉の
組合せを変えてオン・オフ制御するという方法がとられ
ている。しかし、アンロード弁によって圧縮機の吸込み
口と吐出口との間を短絡した状態が続くと、圧縮機の吐
油量が増え、また圧縮機本体の過熱を招き、圧ａｍがロ
ックする危険がある。

さらに、アンロード弁のオン・オフ制御では始動制御が
円滑に行なわれないという問題もある。

一方、スターリングエンジンの定常運転中における出力
制御の一つの方法として、逆止弁と電磁弁及びストレー
ジタンクを用いて作動空間内の作動ガスの充填圧力を変
えて、エンジンの出力軸の回転数を制御する試みがなさ
れている。しかしながら、この方法は作動ガスの流れを
電磁弁でオン・オフ制御するために、ハンチングを起こ
し易く、また出力の微細制御が難しいという難点があっ
た。

（発明が解決しようとする課題） このようにスターリングエンジンを動力源として負荷装
置を駆動するシステムにおいて、始動制御にアンロード
弁を用いる方法は、負荷装置の被駆動部をアンロード弁
で短絡するため、負荷装置に悪影響を与え、また制御が
円滑でないという問題がある。

さらに、定常運転時の出力制御（回転数制御）を作動ガ
スの充填圧力制御によって行なう方法は、制御の安定性
が低下することがあり、また微細制御ができないという
問題があった。

［発明の構ｆｉｌ （課題を解決するための手段） 本発明はスターリングエンジンを動力源として負荷装置
を駆動するスターリングエンジン利用システムにおいて
、エンジンに始動に必要な動力を与えるスタータと、エ
ンジンの出力軸と負荷装置との間に設けられた電磁クラ
ッチと、エンジンの出力軸に直結された渦電流制動装置
と、エンジンにおける作動ガスの加熱温度を検出する温
度検出手段と、エンジンの回転数を検出する回転数検出
手段と、これらの温度検出手段及び回転数検出手段の検
出結果に基づいてスタータと電磁クラッチ及び渦電流制
動装置を制御する制御手段とを基本構成要素とする。

そして、制御手段は作動ガスの加熱温度がエンジンが自
立運転可能な温度に達したときスタータを作動させ、自
立運転開始後は回転数の増加に応じて渦電流制動装置の
制動力を増加させ、エンジンの回転数が例えば定格値に
近い設定値に達したとき渦電流制動装置による制動を零
にするとともに、電磁クラ・１チによりエンジンの出力
軸と負荷装置とを接続せしめることによって、始動制御
な行なう。

さらに、制御手段はシステムの定常運転時に、渦電流制
動装置をエンジンの回転数制御のための補助制御手段と
して作動させる。

（作　用） このように本発明では、スターリングエンジンの出力軸
に直結した渦電流制動装置を制御することにより、スタ
ーリングエンジン利用システムの始動制御を行なうため
、負荷装置に悪影響を与えることがなく、また制動力の
制御が連続的になされるので、始動制御が円滑に行なわ
れる。

一方、定常運転時に作動ガス充填圧力の制御等を行なう
主出力制御機構による回転数制御ではハンチングを生じ
る場合、あるいは回転数の微４ｍ制御を行なう必要が生
じた場合には、渦電流制動装置による微弱な制動を補助
的に用いて回転数制御を行なうことによって、制御の安
定化と、主出力制御機構ではできないようなＦＲｍ制御
が可能となる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例に係るスターリングエンジン
利用システムの構成を示したもので、まずスターリング
エンジン１は燃焼器２と、この燃焼器２の燃焼ガスによ
って作動ガスを加熱する高温熱交換器３と、冷却水によ
って作動ガスを冷却する低温熱交換器４と、作動空間内
の作動ガスの移動に伴うエネルギーを回転運動に変換す
る回転運動変換部５とを主体として構成されている。

燃焼器２には比例制御弁６を介して燃料ガスが供給され
るとともに、ブロア７を介して燃焼用空気が供給される
。

回転運動変換部５における作動空間には、電磁弁と逆止
弁を用いた公知の作動ガス充填圧力制御機構８を介して
ストレージタンク９が接続されている。

回転運動変換部５に設けられたスターリングエンジン１
の出力軸１０には、プーリ１１が連結され、このプーリ
１１の回転は無端ベルト１２を介してプーリ型電磁クラ
ッチ１３のプーリ１４に伝達される。″＠磁ツクラッチ
１３軸１５を介して負荷装置１６に直結されている。

負荷装置１６は例えば圧縮機、四方弁、室内熱交換器、
膨張弁及び室外熱交換器等を基本構成要素とする周知の
冷凍サイクルであり、冷暖房に使用される。負荷装置１
６がヒートポンプの場合、圧縮機の回転軸が軸１５に相
当する。

また、スターリングエンジン１の出力軸１０にはギア１
７も連結され、このギア１７の近傍には起動指令が与え
られたときだけギア１８を介してギア１７に噛合うこと
によりスターリングエンジン１に始動に必要な動力を与
えるスタータ１９が配！されている。

そして、スターリングエンジン１の出力軸１０の末端部
に、渦電流制動装置装置２０の円板導体２１が直結され
ている。渦を流制動装置２０は円板導体２１と、これに
発生磁束が鎖交するように配置され、鉄心に巻かれた励
磁コイル２２によって構成され、直流定電流回路２３か
らコイル２２に電流が供給されることによって、導体円
板２１に渦電流を発生させ、円板２１に連結された出力
軸１０に制動力を与える。

スターリングエンジン１の出力軸１０の近傍には、ロー
タリエンコーダ等を用いて構成された回転数センサ２４
が設置されている。また、スターリングエンジン１の高
温熱交換器３内には、内部を流れる作動ガスに燃焼器２
の熱を伝えて作動ガスを加熱する高温伝熱管の温度、す
なわち作動ガスの加熱温度を検出する温度センサ２５が
設置されている。

制御装置２６はＣＰＵを用いて構成され、特にシステム
の始動制御及び定常運転時の回転数制御に関しては回転
数センサ２４及び温度センサ２５からの信号Ｓｒ　、Ｓ
ｔに基づいて、比例制御弁６、ブロア７、作動ガス充填
圧力制御機構８、電磁クラッチ１３、スタータ１９及び
直流室を流口路２３の制御を行、なう。

次に、このように構成されたスターリングエンジン利用
システムの始動制御及び定常運転中の補助的回転数制御
について第２図のツーローチャートを参照して説明する
。

（１）肱Ｕ 制御装置２６に運転開始指令が与えられると、制御装置
２６の制御によって燃焼器２の燃焼が開始される（Ｓｌ
〜Ｓ２）、これにより高温熱交換器３における高温伝熱
管の温度が徐々に上昇し、やがてスターリングエンジン
１が自立運転可能な温度（例えば４００℃）に達すると
、制御装置２６はスタータ１９に数秒間通電を行ない、
エンジン１を起動させる（３３〜Ｓ４）。

次に、比例制御弁６及びブロア７により燃焼器２の燃焼
量を制御することによって、高温伝熱管の温度を一定温
度９例えば８００　’Ｃに保つ（Ｓ５）。

スターリングエンジン１は外燃機関であるために、起動
後直ちに負荷装！１６を接続できる出力には達しない、
そこで、始動初期状態では電磁クラッチ１３をオフ状態
にして、負荷装置１６にエンジン１の出力が伝わらない
ようにしておく、このときエンジン１の負荷は無負荷に
近い状態なので、スタータ１９で起動した後、高温伝熱
管の温度を一定に保つと、速やかに回転数が増大してゆ
く、このとき、直流定電流回路２３を作動させて渦を流
制動装置２０における励磁コイル２２に電流を流し、エ
ンジン１の出力軸１０に制動をかけ始める。

そして、エンジン１の回転数を監視し、これが設定値（
一般には定格値）である例えば１２ＧＯｒｐｍに達する
までは、コイル２２の電流を減少させて制動力を減らす
（３６〜Ｓ７）、エンジン１の回転数が１２０Ｏｒｌｌ
ｌｌに達したら、回転数の増加に応じてコイル２２に流
す電流値を増やす方向に制御する（３８〜Ｓ９）、そし
て、コイル２２に流す電流が負荷装置１６の負荷の大き
さとほぼ同等の制動力を与え得る電流値に達した時点で
、コイル２２に流す電流を零にして渦電流制動装置２０
の動作をオフにすると同時に、電磁クラッチ１３に通電
を行なって負荷装置１６を接続し、エンジン１の出力軸
１０の回転を負荷装置１６へ伝達する（ＳＩＯ）、この
ようにしてシステムの始動が完了する。始動完了後は作
動ガス充填圧力制御機構８を動作させて、エンジン１の
回転数（出力）を所定値に制御し、定常運転に至る（８
１１〜３１２）。

（２）　　　　　　　　　　　　ロ　−　　　　　　　
　　の（１）の始動制御によりシステムの始動が完了し
た後システムが定常運転をしている状態で、負荷装置１
６の負荷の大きさが変動した場合、あるいは制貴装置２
６に外部から回転数設定変更信号ＳＯが与えられた場合
には、制御装置２６はエンジン１の作動ガス充填圧力制
御機構８を動作させて、エンジン１の出力制御（回転数
制御）を行なう。

ここで、もし作動ガス充填圧力制ｍ機構８による出力制
御においてハンチングが生じる等により安定な制御が困
難な状態に陥ったり、微細制御が必要となった場合には
、補助的出力制御手段として渦電流制動装置２０°を用
いる。すなわち、励磁コイル２２に比較的小さな電流を
流して若干の制動負荷を加えておき、その電流値を微細
制御すれば、エンジン１の回転を安定化でき、回転数の
微細制御も容易に行なうことができる。

［発明の効果−］ 本発明によるスターリングエンジン利用システムは、エ
ンジンの出力軸に渦電流制動装置を直結し、システム始
動時において自立運転開始後は回転数の増加に応じて渦
電流制動装置の制動力を増加させ、エンジンの回転数が
例えば定格値に近い設定値に達したとき渦電流制動装置
による制動を零にするとともに、電磁クラッチによりエ
ンジンの出力軸と負荷装！とを接続せしめて始動制御を
行なうため、アンロード弁を用いて始動制御を行なう場
合のように負荷装！に悪影響を与えるといっな弊害を招
くことがなく、また制御そのものも円滑に行なうことが
できる。

さらに、定常運転時には渦電流制動装置をエンジンの回
転数制御のための補助制御手段として作動させることに
よって、作動ガス充填圧力の制御等を行なう主出力制御
機構による回転数制御ではハンチングを生じたりする場
合の制御の安定化に効果的であるとともに、主出方制御
機構ではできない回転数の微細制御を行なうことが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るスターリングエンジン
利用システムの構成を示す図、第２図は同実施例の始動
制御及び定常運転時の出方制御の手順を示すフローチャ
ートである。 １・・・スターリングエンジン、２・・・燃焼器、３・
・・高温熱交換器、４・・・低温熱交換器、５・・・回
転運動変換部、６・・・燃料ガス供給用比例制御弁、７
・・・空気供給用プロア、８・・・作動ガス充填圧カ制
ｍ機構、９・・・ストレージタンク、１ｏ・・・エンジ
ン出力軸、１１・・・プーリ、１２・・・無端ベルト、
１３・・・プーリ型電磁クラッチ、１４・・・プーリ、
１５・・・軸、１６・・・負荷装！、１７．１８・・・
ギア、１９・・・スタータ、２０・・・渦電流制動装置
、２１・・・導体円板、２２・・・励磁コイル、２３・
・・直流定電流回路、２４・・・回転数センサ、２５・
・・温度センサ、２６・・・制御装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スターリングエンジンを動力源として負荷装置を
   駆動するスターリングエンジン利用システムにおいて、
   エンジンに始動に必要な動力を与えるスタータと、エン
   ジンの出力軸と負荷装置との間に設けられた電磁クラッ
   チと、前記出力軸に直結された渦電流制動装置と、エン
   ジンにおける作動ガスの加熱温度を検出する温度検出手
   段と、エンジンの回転数を検出する回転数検出手段と、
   これらの温度検出手段及び回転数検出手段の検出結果に
   基づいて前記スタータと電磁クラッチ及び渦電流制動装
   置を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は作動ガ
   スの加熱温度がエンジンが自立運転可能な温度に達した
   ときスタータを作動させ、自立運転開始後は回転数の増
   加に応じて渦電流制動装置の制動力を増加させ、エンジ
   ンの回転数が設定値に達したとき渦電流制動装置による
   制動を零にするとともに、電磁クラッチによりエンジン
   の出力軸と負荷装置とを接続せしめることを特徴とする
   スターリングエンジン利用システム。
2. （２）制御手段は当該システムの定常運転時に、渦電流
   制動装置をエンジンの回転数制御のための補助制御手段
   として作動させることを特徴とする請求項１記載のスタ
   ーリングエンジン利用システム。