JP2000506583A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ほぼＵ形状に屈曲した複数の加熱パイプとクーラーとを備えた加熱可能であるシリンダヘッドを装備しているスターリングエンジンにおいて、エネルギ・バランスを最適化することを目的としたスターリングエンジンが開示されている。具体的には、加熱パイプへの熱伝達とクーラーの効率を向上するための解決方法が提供されている。これは、そこを作動媒体が流れる加熱パイプ（４）の外側に向いたパイプセクション（４ｃ）に、加熱ガスの流れ（１０）を最適化するためのセラミック裏張りを少なくとも局所的に設けると共に、クーラーをポット状ハウジング（２１）内にそこを冷却水が流れるラジアルリブ（２３）をもつライトメタル体（２０）の形体にし、ラジアルリブ（２３）の相互間の間隔をポット内壁と外側ラジアルリブ境界壁の間のギャップ（２５）より大にすることによって達成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 スターリングエンジン 本発明は、ほぼＵ形状に屈曲した複数の加熱パイプと、作動ガス用のクーラー とを備えた加熱可能なシリンダヘッドを有する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いくつかの形態のものが知られている。例えば、ここ で引用しているＤＥ４０１６２３８ Ｃ２には、かかるエンジンとボイラ施設と の組合せ構造が開示されている。 かかるスターリングエンジンの基本原理は一定容量のガス（今日ではヘリウム が主に使用されている）が２つのピストンによってスターリングエンジン内を強 制的に往復することからなっている。一方の側で、ヘリウムはガスバーナの火炎 によって加熱パイプ内で加熱され、他方の側でクーラーによって冷却されている 。その間に蓄熱器が設けられ、これは加熱側から冷却側までの通路内のガスから 熱を取り出し、その熱を帰還流の間に送り戻している。ギアボックスは２つのピ ストンを結合し、動力が、例えば、ジェネレータから取り出せるようにしている 。これらのピストンは相互に平行にまたは相反して交互に移動し、ガスは一方の ピストンで圧縮され、他方のピストンによる熱入力の後再び膨張するようになっ ている。 機械的問題のほかに、一方では、バーナの火炎から加熱パイプへの熱伝達を最 適化する点で、他方では、クーラーを最適化する点で問題があることが認められ ている。請求項１の前文に記載されたスターリングエンジンは、ＤＥ２８２１１ ６４ Ａ１に開示されているものが知られている。そこで開示されている加熱ガ スエンジンは上述したエネルギ問題とは無関係であり、従来技術に記載されてい る他の解決方法に関係するものである。従って、例えば、ＤＥ３４４４９９５ Ａ１には、対応するフローエンジンを装備したサイクロン装置が示されている。 さらに、クーラーはＤＥ４２３２５５５ Ａ１に開示されているものが知られ 、あるいは、例えば、ＤＥ４４０１２４７ Ａ１に開示されているものでは、冷 却体は外側を取り巻くヘリカル溝を備えており、そこをクーラーントが通り抜け るようになっている。ヘリカル溝を備えた、この種の冷却体は製造費が比較的高 価である上に、クーラーントはヘリカル溝を通過するとき常に加熱されるために この種の冷却体を最適に設計することは不可能である。 本発明の目的はスターリングエンジンにおけるエネルギ・バランスを最適化す ることであり、具体的には、加熱パイプでの熱伝達とクーラーの効率を向上する 解決方法を提供することである。 本発明によれば、上記目的は本明細書の冒頭に定義されている種類のスターリ ングエンジンにおいて、作業媒体が流れる加熱パイプの外側に面するパイプセク ションに、加熱ガスの流れを最適化するセラミック裏張りを少なくとも局所的に 設けることによって達成されている。 ここで議論の対象にしている構成では、ヒータは同軸の２列のパイプから構成 されているのが通常で、これらのパイプは円形状に同心に配置され、パイプベン ドで結合されてＵ形状のヒータパイプを形成し、これらのパイプは一端が膨張室 に接続され、他端が蓄熱器に接続されている。 円形状に配置されたパイプ列は、内側では熱伝達テクノロジ上相互に近接して いることが好ましいが、外側パイプ列は幾何学形状の事情から自動的に離れて分 布されているため、排出ガス流が空隙で遅くなり、熱伝達が悪化している。また 、ここで問題にしているタイプを定義している参照文献にも示されているように 、外側パイプをリブ付きパイプとして設計し、熱伝達リブを例えば溶接すること によって、以前は流れを補助していたが、この方法によると必然的にコストがか かり、経済的な採算が得られない。 本発明によるセラミック製の流れ案内要素で裏張りを行うと（以下、セラミッ ク裏張りという）、経済的に採算のとれる手段で外側パイプを回る流れの最適化 が達成される。 セラミック裏張りの要素は断面がほぼＴ形状のセラミック成型要素で形成する と利点があり、この場合、Ｔ突出部が隣接パイプ間を外側から内側に突出し、Ｔ 交差部は外側で局所的にパイプをカバーしている。ここで注目すべきことは、冷 却パイプ上の流れ案内要素は、例えば、日本特開昭６１−２２６５４７号に示す ようにそれ自体公知であることである。 外側パイプの外面とセラミック裏張り間の流れ通路が明確化されることを保証 するために、本発明によれば、内面は、特にＴ突出部からＴ交差部に移る過渡領 域にスペーサ（ｓｐａｃｅｒｓ）を備え、ギャップを流れて循環し、または貫流 する構成になっている。このようなスペーサは、セラミックで鋳造される小さな ウェブ（ｗｅｂｓ）、必要ならば、等しい点のようにつけたセラミックノブやセ ラミックスポットなどを含むものである。 また、本発明によれば、加熱パイプのカーブしたヘッド領域はセラミックリン グカバーを備えた構成になっており、そこではセラミックリングカバーは流れウ ェブをもつヘッドディスクを備えているので、リングカバーの内面とカーブした ヘッド領域の外面との間に空隙がなく、外側パイプの自由空間を通過する流れを 最適化している。 クーラーの冷却能力を最適化するために、本発明によれば、クーラーはポット 状ハウジング内で、そこを冷却水が流れるラジアルリブをもつライトメタル体（ ｌｉｇｈｔ ｍｅｔａｌ ｂｏｄｙ）の形体になっており、そこではラジアルリ ブの相互の間隔はポット内壁と外側ラジアルリブ境界壁との間のギャップよりも 大きくなっている。この冷却体によればラジアルリブ間のギャップの完全なる流 れが保証されるので、特に良好な冷却を行うことができる。 冷却水がクーラー内部の短い通路だけを通って良好な冷却を行うことを保証す るために、本発明によれば、すべてのラジアルリブをブリッジする少なくとも２ つの溝が周面に設けられ、クーラーント流入路とクーラーント流出路を形成して いる。従って、冷却水をクーラーの一方の溝を通って冷却リブ間のすべてのギャ ップに分布させ、また、冷却水を他方の溝から排出できるので、各冷却水部分は 事実上、半円の周りを流れることになる。公知のヘリカル冷却リブのような長い 通路は省いても問題はない。 本発明によれば、内側にオフセットした貫通穴または軸方向リブを設けて、作 動ガスを冷却することができる。 冷却体を受け入れるハウジングポットと冷却体との間のシーリング上の問題を 単純な手段で解決するために、本発明によれば、冷却体は、ポット底に対応する その底面にリングシールを備えている。 構造的に単純化した別の設計によれば、冷却体はヒーターに面するそのエッジ 面においてリングシールを有する外側に突出したシーリングカラーを備えている 。従って、リングシールは軸方向の条件に影響されることなくシーリング手段と して使用できる。適当なシールを冷却体の円筒外壁に設けると、このリングシー ルを補強できることは当然である。 起こり得る漏れを防止し、または漏れを取り扱うために、本発明によれば、ク ーラーのカラーと協力し合うハウジングのエッジ領域は排水路を備えた設計にな っている。 以下、添付図面を参照して本発明を詳しく説明する。 図１はヒータパイプとクーラーとを備えたスターリング・エンジンの原理を示 す簡略図である。 図２は図１中のＩＩ−ＩＩ線上のヒータヘッドを示す拡大断面図である。 図３はセラミック裏張り要素を単純化した３次元図で示す図である。 図４はセラミック裏張りの詳細を比較できる視野で示す図である。 図５はセラミック裏張りを備えたパイプの脚部の詳細断面図である。 図６はセラミックヘッドカバーを示す図である。 図７は冷却体を単純化した３次元表現で示す図である。 図８は図７中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線上の冷却体を備えたハウジングの領域の 一部を示す詳細断面図である。 図１に単純化して示し、全体を１で示すスターリングエンジンは全体を３で示 し、バーナの火炎で加熱されるシリンダヘッドを備え、シリンダヘッドは複数の Ｕ形状にカーブしたヒータパイプ４と、輪郭で示す蓄熱器５と、隣接する冷却体 ６と、ディスプレーサピストン７と、作動ピストン８と、ギアボックス９とから なり、ギヤボックス９は略図で示されている。 火炎２によって加熱されるシリンダヘッド３は上述したように複数のヒータパ イプ４で構成され、ヒータパイプはシリンダヘッドに対して内側に位置する、直 線ヒータパイプセクション４ａ、対応するパイプベンド４ｂおよび外側パイプセ クション４ｃから形成され、パイプセクション４ａは膨張室７ａに通じ、外側パ イプセクション４ｃは蓄熱器５に作用するようになっている。 具体的には、図２に示すように、内側パイプセクション４ａは幾何形状的に比 較的相互に近接するように配置されているの対し、外側パイプセクション４ｃは 比較的幅広く分布されている。内側パイプセクション４ａは良好な排出ガスの流 れ状態を提供しており、その流路は図１と図２に矢印１０で示されている。 相互に対して遠くに離れたパイプセクション４ｃにおける流路を同じく良好化 するために、これらのパイプセクションは全体を１１で示すセラミック裏張りを 備えている。このセラミック裏張り１１は断面がほぼＴ形状の個別的セラミック 成型要素１２で構成され、そのＴ突出部１２ａは内側から外側に向かって突出し 、Ｔ交差部１２ｂはギャップを残すようにしてパイプセクション４ｃの外側に位 置している。 このギャップ形成は、セラミック成型要素１２がＴ突出部分１２ａから交差部 １２ｂに移る過渡領域にリブ１３を備え、このリブ１３がパイプセクション４ｃ に直接に当接することにより達成されている。このようにして、排出ガスがパイ プセクション４ｃを流れるときの流れ状態は排出ガスが、内側のパイプセクショ ン４ａを流れる場合と同じようになる。 パイプセクション４ｃの領域を通過する流れを良好にするために、本発明によ れば、セラミック要素１２のヘッド領域用の固定リム１５を備えているセラミッ クリングカバー１４が上部に装着されている。 図５に詳細を示すように、個別セラミック要素１２の脚部領域は、対応する脚 部領域を保持する固定リム１８を備えているハウジング壁１７に位置している。 図７に示すスターリングエンジン１のクーラー６は基本的にライトメタル（ｌ ｉｇｈｔ ｍｅｔａｌ）冷却体２０からなり、この冷却体はポット状ハウジング ２１内に装着され、ハウジングは流入路２２及び流入路２２と空間的に向き合う 冷却水流出路（図８には詳細を示していない）を備えている。 冷却体２０はライトメタル体（ｌｉｇｈｔ ｍｅｔａｌ ｂｌｏｃｋ）として 形成され、複数の平行で、外側を取り巻ラジアルリブ２３を備えており、これら のラジアルリブはその間に流路２４を形成すると共に、ハウジング２１の内壁に 対して比較的狭いギャップ２５を形成し、このギャップは各流路２４の幅よりも 著しく狭くなっている。２つの軸方向溝２６は冷却水入口および反対側の冷却水 出口の領域の両側で冷却体に設けられ、ラジアルリブ２３のすべてをブリッジし 、これらの溝を通して冷却水が個別の流路２４に分配され、そこから冷却水が受 け入れられるようになっている。 冷却体２０のさらに内側には複数の軸方向穴２８が設けられているが、これら の軸方向穴は複数のリブにすることができ、これらは冷却される作動媒体用の対 応する流路を表している。 隣接するコンポーネントに対して冷却体２０を最適にシールするために図示の 例では、ポット底に面する下面２０ａに２つの軸方向シール２９と、ラジアルシ ール３０と、上面に軸方向シール３１とが設けられ、この軸方向シール３１は特 に図８に示すように、半径方向の外側に面するカラー３２として形成されている 。 最後に、冷却体２０のカラー３２と協力し合うハウジング２１のエッジ領域３ ３および同じく２つのポット底シール２９間に位置する領域３４に排水溝などを 設けると、漏れ冷却水を排水することができるが、これは図８にだけ示されてい る。 上述した実施例は本発明の基本的概念を逸脱しない限り、種々態様に変更でき ることはもちろんである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年２月４日（１９９８．２．４） 【補正内容】 請求の範囲 1．ほぼＵ形状に屈曲した複数の加熱パイプとクーラーとを備えた加熱可能 なシリンダヘッドを装備しているスターリングエンジンにおいて、作動媒体がそ こを流れる加熱パイプ（４）の外側に面するパイプセクション（４ｃ）は加熱ガ スの流れ（１０）を最適化するためのセラミック裏張り（１１）を少なくとも局 所的に備えていることを特徴とするスターリングエンジン。 2．裏張り（１１）の要素は断面がほぼＴ形状のセラミック成型要素から形 成され、そのＴ突出部（１２ａ）は隣接するパイプ（４）の間を外側から内側に 突出し、Ｔ交差部（１２ｂ）は外側のパイプ（４）を局所的にカバーしているこ とを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。 3．特に、Ｔ突出部（１２ａ）からＴ交差部（１２ｂ）までの過渡領域にお ける内面にスペーサ（１３）が備えられており、循環または貫流のためのギャッ プを形成していることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリングエン ジン。 4．加熱パイプ（４）のカーブしたヘッド領域（４ｂ）はセラミックリング カバー（１４）を備えていることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載 のスターリングエンジン。 5．セラミックリングカバー（１４）は流れウェブ（１５）をもつヘッドデ ィスクを備え、リングカバー（１４）の内面（１６）とカーブしたヘッド領域（ ４ｂ）の外面の間に空間が生じないようにしたことを特徴とする請求項４に記載 のスターリングエンジン。 6．セラミックリングカバー（１４）とハウジング壁（１７）のそれぞれに 固定リム（１５、１８）を設けてセラミック要素（１２）のヘッド領域と脚部領 域をそれぞれ保持するようにしたことを特徴とする請求項４または５に記載のス ターリングエンジン。 7．前記請求項のいずれか１つに記載のスターリングエンジンにおいて、ク ーラーはポット状ハウジング（２１）内で、そこを冷却水が流れるラジアルリブ （２３）をもつライトメタル体（２０）の形体をしており、ラジアルリブ（２３ ）の相互間の間隔はポット内壁と外側ラジアルリブ境界壁との間のギャップ（２ ５）より大であることを特徴とするスターリングエンジン。 8．すべてのラジアルリブ（２３）をブリッジする少なくとも２つの溝（２ ７）が周面に設けられ、クーラーント流入路とクーラーント流出路を形成してい ることを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン。 9．冷却体（２０）は少なくともポット底に対応するその底面にリングシー ル（２９）を備えていることを特徴とする請求項７または前記いずれか１つに記 載のスターリングエンジン。 10．冷却体（２０）は、ヒーターに面するそのエッジ表面において、リングシ ール（３１）を有する外側に突出したシーリングカラー（３２）を備えているこ とを特徴とする請求項７または前記いずれか１つに記載のスターリングエンジン 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ， ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＮＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ， ＳＤ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1．ほぼＵ形状に屈曲した複数の加熱パイプとクーラーとを備えた加熱可能 なシリンダヘッドを装備しているスターリングエンジンにおいて、作動媒体がそ こを流れる加熱パイプ（４）の外側に面するパイプセクション（４ｃ）は加熱ガ スの流れ（１０）を最適化するためのセラミック裏張り（１１）を少なくとも局 所的に備えていることを特徴とするスターリングエンジン。 2．裏張り（１１）の要素は断面がほぼＴ形状のセラミック成型要素から形 成され、そのＴ突出部（１２ａ）は隣接するパイプ（４）の間を外側から内側に 突出し、Ｔ交差部（１２ｂ）は外側のパイプ（４）を局所的にカバーしているこ とを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。 3．特に、Ｔ突出部（１２ａ）からＴ交差部（１２ｂ）までの過渡領域にお ける内面にスペーサ（１３）が備えられており、循環または貫流のためのギャッ プを形成していることを特徴とする請求項１または２に記載のスターリングエン ジン。 4．加熱パイプ（４）のカーブしたヘッド領域（４ｂ）はセラミックリング カバー（１４）を備えていることを特徴とする前記請求項のいずれか１つに記載 のスターリングエンジン。 5．セラミックリングカバー（１４）は流れウェブ（１５）をもつヘッドデ ィスクを備え、リングカバー（１４）の内面（１６）とカーブしたヘッド領域（ ４ｂ）の外面の間に空間が生じないようにしたことを特徴とする請求項４に記載 のスターリングエンジン。 6．セラミックリングカバー（１４）とハウジング壁（１７）のそれぞれに 固定リム（１５、１８）を設けてセラミック要素（１２）のヘッド領域と脚部領 域をそれぞれ保持するようにしたことを特徴とする請求項４または５に記載のス ターリングエンジン。 7．ほぼＵ形状に屈曲した複数の加熱パイプとクーラーを備えた加熱可能な シリンダヘッドを装備しているスターリングエンジン、特に前記請求項のいずれ か１つに記載のスターリングエンジンにおいて、クーラーはポット状ハウジング （２１）内で、そこを冷却水が流れるラジアルリブ（２３）をもつライトメタル 体（２０）の形体をしており、ラジアルリブ（２３）の相互間の間隔はポット内 壁と外側ラジアルリブ境界壁との間のギャップ（２５）より大であることを特徴 とするスターリングエンジン。 8．すべてのラジアルリブ（２３）をブリッジする少なくとも２つの溝（２ ７）が周面に設けられ、クーラーント流入路とクーラーント流出路を形成してい ることを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン。 9．冷却体（２０）は少なくともポット底に対応するその底面にリングシー ル（２９）を備えていることを特徴とする請求項７または前記いずれか１つに記 載のスターリングエンジン。 10．冷却体（２０）は、ヒーターに面するそのエッジ表面において、リング シール（３１）を有する外側に突出したシーリングカラー（３２）を備えている ことを特徴とする請求項７または前記いずれか１つに記載のスターリングエンジ ン。