JP2007120495A - スターリングエンジン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化しても種々な用途に組み込んで使用できると共に、低温熱源も積極的に冷却することで熱効率をも高めたスターリングエンジン装置を提供する。
【解決手段】ガス噴射ノズル及びベンチュリー管を備え、吸気ダクトに始動のための混合比調整機構を有し、発生した混合気を燃焼室内で着火させるための圧電式着火用電極と、火炎燃焼させるための燃焼器を備え、この燃焼器の燃焼室内部には熱エネルギーの一部を輻射エネルギーに変換するための多孔性固体輻射変換体を装填し、かつ該多孔性固体輻射変換体によってスターリングエンジンの高温部を実質的に覆うように設置し、同低温部は燃焼器の外に設置したもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型化が可能なスターリングエンジン装置に関するものである。

スターリングエンジンは、今から150年程前に発明され、近年その熱効率の高さから注目され、実用化の努力がなされてきた。

兵働勉、米田裕彦共著、「スターリングエンジン」パワー社、平成４年７月３１日

しかしながら、スターリングエンジンは、外燃機関の一種であることから高温熱源、低温熱源を含めた装置としての工夫が不十分で広く普及していない状況である。特に小型のスターリングエンジンは、高温熱源としてバーナー等の裸火を使っているものがあり、折角の高効率もまったく生かされないばかりか、熱を利用したエンジンとして種々の分野で使用するには困難が伴っている。また低温熱源にしても、積極的に冷却しようというものでなく、ただ狭い空間に放熱フィンを並べているものがほとんどである。
なおスターリングエンジンの生い立ちと原理については、例えば非特許文献１に示すように多くの技術開示がなされている。

本発明はこれらの問題を解決し、小型化しても種々な用途に組み込んで使用できると共に、低温熱源も積極的に冷却することで熱効率をも高めたスターリングエンジン装置を提供しようとするものである。

すなわち本発明の要旨とするところは、ガス噴射ノズル及びベンチュリー管を備え、吸気ダクトに始動のための混合比調整機構を有し、発生した混合気を燃焼室内で着火させるための圧電式着火用電極と、火炎燃焼させるための燃焼器を備え、この燃焼器の燃焼室内部には熱エネルギーの一部を輻射エネルギーに変換するための多孔性固体輻射変換体を装填し、かつ該多孔性固体輻射変換体によってスターリングエンジンの高温部を実質的に覆うように設置し、同低温部は燃焼器の外に設置したことを特徴とするスターリングエンジン装置にある。

また本発明は、上記多孔性固体輻射変換体として２つの層状のものを用いて、両者の間にスターリングエンジンの高温部を設置すること、或いは多孔性固体輻射変換体が塊状をなしており、これによって高温部を覆うように設置することも特徴とするものである。
さらに本発明は、熱良導体で作られていて燃焼器を囲むように設置され、上記燃焼器への入り口と出口にそれぞれ熱交換部を設け、排気の熱で混合気を加温できるようにした集熱容器を備えていること、集熱容器にその加熱部を密着するか一体となるように設置された熱駆動ポンプと、放熱器と、スターリングエンジンの低温部を取り囲むように接して設けられた冷却容器とが配管で連結され、その内部に満たされた液体が循環するようになった循環回路を備えていることをも特徴とするものである。
さらにまた本発明は、スターリングエンジンの出力の一部を使ってファンを回して放熱器を冷却するようにしたり、排気の熱を用いて駆動する熱駆動ポンプと、放熱器と、スターリングエンジンの低温部を取り囲むように接して設けられた冷却容器とが配管で連結され、その内部に満たされた液体が循環する循環回路を備えているようにしたり、さらにはスターリングエンジンの出力が100ワット以下であることをも特徴とするものである。

（作用）
本発明は、ガス噴射ノズル及びベンチュリー管を備え、吸気ダクトに始動のための混合比調整機構を有し、発生した混合気を燃焼室内で着火させるための圧電式着火用電極と、火炎燃焼させるための燃焼器を備え、この燃焼器の燃焼室内部には熱エネルギーの一部を輻射エネルギーに変換するための多孔性固体輻射変換体を装填し、かつ該多孔性固体輻射変換体によってスターリングエンジンの高温部を実質的に覆うように設置し、同低温部は燃焼器の外に設置しているため、燃焼器の火炎燃焼が良好で安定した熱源が得られると共に、密閉系の加熱雰囲気内でスターリングエンジンの高温部を加熱できるため、広い用途に適応させることができるものである。

以下、本発明に基いて説明する。
図１は本発明装置の第１実施例を示すもので、図１は切断した正面図、図２はその左側面図であり、この実施例では完全予混合燃焼方式を採用している。
図において、ガス供給装置からガスが供給され、ノズル１からガスがベンチュリー管２に向けて噴出する。このときガスの供給によって空気が引き込まれ、負圧が発生し、吸気ダクト３の吸気孔４から空気が流入する。そして、レバ−５と空気弁６からなる内部の部分で適当な空気量に制限されてから、ディフューザー７の中でガスと混合して混合気になる。この混合気は、ここで速度のエネルギーを圧力のエネルギーに変換し、大気圧よりわずかに高くなっている。この圧力で混合気は燃焼器等の流路抵抗に打ち勝って大気に放出される。

まず上記の混合気は、アルミ等の熱良導体でつくられた集熱容器８の吸気熱交換部９の細かな孔を通り、セラミクスで作られた燃焼器１０の多数の孔に入る。この孔は燃焼室１１に開孔していて炎孔１２を形成する。そして混合気は、ここで火炎となり平坦な炎孔面１３の作用で保炎され、多数の火炎が集まって火炎面１４を形成する。ここで完全燃焼した混合気は排気となって、層状にされた熱エネルギーの一部を輻射エネルギーに変換された上層の多孔性固体輻射変換体１５に流入する。この多孔性固体輻射変換体１５は、細かいステンレス製の金網を何層か重ねたて層状にしたもので、この間を高温の排気が通過すると金網は直ちに昇温、赤熱する。これにより排気の持つ熱エネルギーの一部が輻射エネルギーに変換されたことになる。この輻射エネルギーが上流の火炎に注ぐため、燃焼が活発になり、理論混合比より薄い混合気でも十分、完全燃焼させることができ火炎面は安定する。

上層の多孔性固体輻射変換体１５を出た排気は、スターリングエンジンの高温部１６を加熱する。スターリングエンジンはこの高温部１６と燃焼器の外にある低温部１７との間の温度差を利用して動くエンジンであり、高温部１６はできるだけ高温のほうがよい。排気はここで少し冷やされるがまだ十分高温で、従来のものは熱がこのまま捨てられていたが、本発明の場合は下層の多孔性固体輻射変換体１８を通過させるので、ここでもエネルギー変換が行われ輻射エネルギーが上流のスターリングエンジン高温部１６を加熱することとなる。下層の多孔性固体輻射変換体１８を出た排気は、集熱容器８の排気熱交換部１９に入るが、ここには細かな孔が多数あいていて、集熱容器８に排気の熱エネルギーの一部が伝えられる。そして排気は排気ダクト２０を通り排気口２１から外に排出される。

上記の集熱容器８は、排気から熱エネルギーの一部を受け取るとともに、間隔を置いて燃焼器１０の周囲を取り囲んでいて、高温の燃焼器１０の壁面からの輻射を吸収している。ここで集められた熱の一部は吸気熱交換部２２で混合気を加熱し、燃焼促進に寄与している。
排気口２１の外側には、排気口防風板２３が設置してあり、風が直接、排気口２１に当たらないようになっている。同様に吸気口４にも吸気口防風板２４が設置されている。２つの防風板２３、２４が同一方向に設けられているのは、風の影響を同じように受け風による圧力の変動をキャンセルしようとするものである。

スターリングエンジンは上記のような燃焼器１０の中に、その高温部１６を設置し、低温部１７は外に設置され、放熱フィン２５により放熱し低温を保っている。ディスプレーサー２６は、高温部１６と低温部１７からなるシリンダー２７の中を往復する。ディスプレーサー２６が高温部１６の側にあるとき熱は、ディスプレーサー２６に吸収され、シリンダー２７の気体の温度は低温部の影響が支配的となり低下し、圧力が下がる。これによってシリンダー２７に連通しているパワーシリンダー２８の中の圧力も低下し、パワーピストン２９がクランク機構内の回転部分に設けられた分銅の力に押され左方向に移動する、この動きは連接棒３０で動力伝達機構３１に伝えられる。動力伝達機構３１は、ディスプレーサー２６とパワーピストン２９が一定の位相差で動くように設定されたクランク機構で、パワーピストン２９がパワーシリンダー２８の左端にくると、ディスプレーサー２６は、もうひとつの連接棒３２で右方向に移動して低温部１７に到る。このとき、高温部１６で吸収した熱を低温部に放出し始める。そしてシリンダー２７内部の気体温度は、高温部１６の加熱により上昇、圧力も上昇してパワーピストン２９は右方向へ強く押し出される。この繰り返しによりクランク軸３３に出力が発生する。シール４８は、連接棒３２と外界をシールするためのものである。

図２は図１で示した実施例の燃焼室を左側面から見た断面図である。スターリングエンジンのシリンダー２７が、上層と下層の２つの多孔性固体輻射変換体１５、１８の間に挟まれた空間に設置されており、排気がその回りを通っていく様子を示している。点火は外部から圧電素子を使って行い、点火プラグの電極４６は火炎の上流側にあり、途中まで絶縁管４７でカバーされている。

図３は、上記実施例における２つの層状になった多孔性固体輻射変換体の代わりに、塊状の多孔性固体輻射変換体用いた例である。
この実施例で採用している塊状の多孔性固体輻射変換体１５ａは、例えばステンレス製のスチールウールを使用し、これを上記スターリングエンジンの高温部１６を覆うように、燃焼室１１直下の部分を除く部分に装填している。この実施例は、塊状の多孔性固体輻射変換体１５ａを用いている以外上記第２実施例と同一であり、その作用も略同一である。
なおこの塊状の多孔性固体輻射変換体１５ａのその他の材料としては、発泡セラミクスなど高温に耐え、多孔構造を備える材料が使用することができる。

図４は、本発明の第３実施例を示しており、この図は上記第１実施例の燃焼部分以外は同一の構成となっている。以下、異なる点を中心に説明する。
この例は、燃焼によって発生した熱の一部を使って熱駆動ポンプ３５を動かしスターリングエンジン低温部１７を液体で冷やすようにして、スターリングエンジンの高温部１６と低温部１７の温度差を大きく取れるようにして効率を高めたものである。集熱容器８に張り出し３４を設けここに熱駆動ポンプ３５を装着する。熱駆動ポンプ３５内部が液体で満たされていて、加熱部にある円錐形のくぼみ３６が集熱容器８の熱を受け、液体を沸騰・凝縮させることでポンプ作用を発揮するもので、液体を吸い込みパイプ３７から吸い込んで加熱し、吐出パイプ３８から吐出するものである。この吐出パイプ３８は、外部の放熱器３９に連結していて、液体はここで冷やされる。スターリングエンジンの出力軸から分岐した軸４０でファン４１をまわし、外部の放熱器３９を冷すると効果的である。これにより十分に冷えた液体４２が、スターリングエンジン低温部１７を覆うよう設置された冷却部４３を一巡し、出口配管４４から出て熱駆動ポンプ３５の吸い込みパイプ３７に吸い込まれる。このように熱駆動ポンプ３５を駆動源とした冷却用の循環回路４５が形成されると、スターリングエンジンの低温部１７から効率良く熱を外部に捨てることができる。
なお、冷却用の循環回路の駆動源としては、スターリングエンジンの動力を使うことも、外部の電力を使うことも可能であるが、漏れ出た熱を使う熱駆動ポンプ３５によることがこれらより優れている。また、冷却用液体は、種々色々なものが利用可能であるが、純水を使用することが好ましい。

図５は本発明の第４実施例を示すもので、この例の場合基本的構成は、上記第３実施例と実質的に同じである。
この図において、冷却用液体の循環回路４５の熱駆動ポンプ３５の熱源として排気を利用している点が、上記第３実施例とは異なっている。排気に含まれる熱を有効に使うため断熱材で作った排気ダクト２０を左側にまで拡張し、熱交換体４６を内部に設置している。この熱交換体４６は、銅、アルミなどの熱良導体で作られ、熱駆動ポンプ加熱部４７まで排気の熱を伝える役目をする。集熱容器８は、熱駆動ポンプに熱を奪われることがなくなり高温になる。そして断熱層２３の厚みを増すなどして断熱性を向上すると、スターリングエンジンの高温部16はより高温になり、無駄に捨てられる高温の排気の熱は熱駆動ポンプ３５の動力に変換されるために全体の熱効率が向上する。熱駆動ポンプ３５を含む冷却用の循環回路４５は、銅のような金属の配管で結ばれた閉回路で回路内を減圧して使うことができ、内部を循環する液体を選ぶことでいろいろな温度帯で使うことができる。

以上、スターリングエンジンの高温部１６を、燃焼室内に装填した熱エネルギーの一部を輻射エネルギーに変換するための多孔性固体輻射変換体の層で覆うようにしているため、無駄な廃熱を少なくして高温化を図ることができる。さらに廃熱で熱駆動ポンプ３５を動かし冷却用の液体循環回路を形成することで、スペースの問題で十分な冷却が期待できないスターリングエンジンの低温部を、十分に冷やすことができ熱効率が向上する。
なお、スターリングエンジンにつてはディスプレーサー式のものを述べてきたが、他に再生器付のものや単一シリンダーのものなど種々なタイプのものがあるがいずれのものも高温部、低温部があるので本発明を適用させることができる。

本発明の第1実施例を示す切断正面図である。 図１の切断側面図である。 本発明の第２実施例を示す切断側面図である 本発明の第３実施例を示す切断正面図である。 本発明の第４実施例を示す切断正面図である。

符号の説明

１ ノズル
２ ベンチュリー管
３ 吸気ダクト
４ 吸気口
１０ 燃焼器
１１ 燃焼室
１５ 上層の多孔性固体輻射変換体層
１５ａ 塊状の多孔性固体輻射変換体層
１６ スターリングエンジンの高温部
１７ スターリングエンジンの低温部
１８ 下層の多孔性固体輻射変換体層
１９ 排気熱交換部
３５ 熱駆動ポンプ
３９ 放熱器
４０ 分岐した軸
４１ ファン
４３ 冷却容器
４５ 冷却用液体の循環回路

Claims (8)

1. ガス噴射ノズル及びベンチュリー管を備え、吸気ダクトに始動のための混合比調整機構を有し、発生した混合気を燃焼室内で着火させるための圧電式着火用電極と、火炎燃焼させるための燃焼器を備え、この燃焼器の燃焼室内部には熱エネルギーの一部を輻射エネルギーに変換するための多孔性固体輻射変換体を装填し、かつ該多孔性固体輻射変換体によってスターリングエンジンの高温部を実質的に覆うように設置し、同低温部は燃焼器の外に設置したことを特徴とするスターリングエンジン装置。
2. 多孔性固体輻射変換体が２つの層状を呈しており、両者の間に高温部が位置するように設置したことを特徴とする請求項１のスターリングエンジン装置。
3. 多孔性固体輻射変換体が塊状を呈しており、これによって高温部を覆うようにように設置したことを特徴とする請求項１のスターリングエンジン装置。
4. 熱良導体で作られていて燃焼器を囲むように設置され、上記燃焼器への入り口と出口にそれぞれ熱交換部を設け、排気の熱で混合気を加温できるようにした集熱容器を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のスターリングエンジン装置。
5. 集熱容器にその加熱部を密着するか一体となるように設置された熱駆動ポンプと、放熱器と、スターリングエンジンの低温部を取り囲むように接して設けられた冷却容器とが配管で連結され、その内部に満たされた液体が循環するようになった循環回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４記載のスターリングエンジン装置。
6. スターリングエンジンの出力の一部を使ってファンを回して放熱器を冷却するようにしたことを特徴とする請求項５記載のスターリングエンジン装置。
7. 排気の熱を用いて駆動する熱駆動ポンプと、放熱器と、スターリングエンジンの低温部を取り囲むように接して設けられた冷却容器とが配管で連結され、その内部に満たされた液体が循環する循環回路を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４又は請求項６記載のスターリングエンジン装置。
8. スターリングエンジンの出力が100ワット以下であることを特徴とする請求項１ないし７記載のスターリングエンジン装置。

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