JP2009167988A - Stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼ガスや廃熱やバイオマスなどの多様な熱源を活用できるスターリングエンジンに関する。 The present invention relates to a Stirling engine that can utilize various heat sources such as combustion gas, waste heat, and biomass.
燃焼ガスや廃熱やバイオマスなどの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それら熱源の有効活用に適している。
一般に、ハウジング内にはディスプレーサピストンを備え、前記ディスプレーサピストンの外周部に、加熱器、再生器、及び冷却器を配置している。
そして、ハウジングによって膨脹空間を形成し、この膨脹空間と再生器を連通するガス通路を流れる作動ガスを加熱するために、ハウジング自体を加熱する構成が採用されている。
Effective use of heat sources such as combustion gas, waste heat, and biomass leads to solutions to environmental problems and energy problems. The Stirling engine is suitable for effective use of heat sources because it has the feature that it can be operated if there is a temperature difference regardless of the heat source.
Generally, a displacer piston is provided in the housing, and a heater, a regenerator, and a cooler are disposed on the outer periphery of the displacer piston.
And the structure which heats housing itself is employ | adopted in order to heat the working gas which flows through the gas path which connects this expansion space and a regenerator by forming expansion space with a housing.
しかし、ハウジングによって膨脹空間を形成すると、耐圧を考えた材料及び構成をとらなければならず、熱交換効率を高める上で制約となっていた。 However, when the expansion space is formed by the housing, it is necessary to take a material and a structure considering pressure resistance, which is a limitation in increasing the heat exchange efficiency.
そこで、本発明は、熱交換効率のよい熱交換器とすることができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the Stirling engine which can be set as a heat exchanger with sufficient heat exchange efficiency.
請求項１記載の本発明のスターリングエンジンは、ハウジング内にはディスプレーサピストンを備え、前記ディスプレーサピストンの外周部に、再生器及び冷却器を配置したスターリングエンジンであって、前記ハウジングによって前記ディスプレーサピストンの膨脹空間を形成し、前記ハウジングに熱交換器を密着固定し、前記熱交換器内には、複数のガス通路が形成され、前記ガス通路の一端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記膨脹空間と連通し、前記ガス通路の他端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記再生器と連通したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記熱交換器は、円柱形状で、中心部に筒状空間が形成され、前記筒状空間から外周面に向かって放射状に形成されたスリットによって燃焼ガス経路が形成され、前記スリット間に、前記ガス通路を配置したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記熱交換器を、前記ハウジングと密着固定される底部円柱部と、前記底部円柱部と連続し前記底部円柱部の径以上の径からなる胴部円柱部と、前記胴部円柱部と連続し前記胴部円柱部の径よりも小さな径からなる頂部円柱部とにより構成し、前記スリットを前記胴部円柱部に形成したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記熱交換器を、前記ハウジングと密着固定される底部円柱部と、前記底部円柱部と連続し前記ガス通路を形成する胴部円柱部と、前記胴部円柱部と連続し前記ガス通路を形成しない頂部円柱部とにより構成し、前記胴部円柱部の外周に加熱源を配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項２から請求項４のいずれかに記載のスターリングエンジンにおいて、前記熱交換器の上面部及び外周部を断熱材にて覆ったことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項３に記載のスターリングエンジンにおいて、前記底部円柱部または前記胴部円柱部の外周に加熱源を配置したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、複数の前記ガス通路を、前記熱交換器に同心円状に配置したことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記熱交換器として、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、又はアルミナ系から選択されるセラミックスを用いたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記底部円柱部、前記胴部円柱部、及び前記頂部円柱部を、それぞれ別部材として成形し、更に前記胴部円柱部を、スリットごとに分割した胴部用ピースとして成形し、前記底部円柱部、前記胴部円柱部、及び前記頂部円柱部を嵌合させた後に焼成したことを特徴とする。
The Stirling engine according to the first aspect of the present invention is a Stirling engine including a displacer piston in a housing, and a regenerator and a cooler disposed on an outer periphery of the displacer piston, wherein the displacer piston is disposed by the housing. An expansion space is formed, and a heat exchanger is tightly fixed to the housing. A plurality of gas passages are formed in the heat exchanger, and one end of the gas passage is connected to the housing via the communication passage in the housing. The other end of the gas passage communicates with the regenerator through the communication passage in the housing.
According to a second aspect of the present invention, in the Stirling engine according to the first aspect, the heat exchanger has a columnar shape, a cylindrical space is formed at a central portion, and the radial direction is radial from the cylindrical space toward the outer peripheral surface. A combustion gas path is formed by the slits formed in (2), and the gas passage is arranged between the slits.
According to a third aspect of the present invention, in the Stirling engine according to the second aspect, the heat exchanger includes a bottom cylindrical portion that is closely fixed to the housing, and a diameter of the bottom cylindrical portion that is continuous with the bottom cylindrical portion. The body cylindrical portion having the above diameter and the top cylindrical portion that is continuous with the body cylindrical portion and has a diameter smaller than the diameter of the body cylindrical portion, and forming the slit in the body cylindrical portion. It is characterized by that.
According to a fourth aspect of the present invention, in the Stirling engine according to the second aspect of the present invention, the heat exchanger is connected to the bottom cylindrical portion that is closely fixed to the housing, and the bottom cylindrical portion is connected to form the gas passage. It is comprised by the trunk | drum cylinder part and the top cylinder part which continues the said trunk | drum cylinder part and does not form the said gas channel, The heat source was arrange | positioned on the outer periphery of the said trunk | drum cylinder part, It is characterized by the above-mentioned.
According to a fifth aspect of the present invention, in the Stirling engine according to any one of the second to fourth aspects, an upper surface portion and an outer peripheral portion of the heat exchanger are covered with a heat insulating material.
According to a sixth aspect of the present invention, in the Stirling engine according to the third aspect, a heat source is disposed on an outer periphery of the bottom cylindrical portion or the barrel cylindrical portion.
According to a seventh aspect of the present invention, in the Stirling engine according to the second aspect, the plurality of gas passages are concentrically arranged in the heat exchanger.
The present invention according to claim 8 is the Stirling engine according to claim 2, wherein the heat exchanger is a ceramic selected from silicon carbide ceramics, silicon nitride ceramics, aluminum nitride ceramics, or alumina. It is characterized by that.
According to a ninth aspect of the present invention, in the Stirling engine according to the second aspect, the bottom cylindrical portion, the barrel cylindrical portion, and the top cylindrical portion are respectively formed as separate members, and the barrel cylindrical portion is further formed. Is molded as a piece for a body part divided for each slit, and fired after fitting the bottom cylindrical part, the cylindrical body part, and the top cylindrical part.
本発明によれば、熱交換器を耐圧部材とする必要がなく、熱交換性能だけを考えた構成とすることができる。 According to the present invention, it is not necessary to use a heat exchanger as a pressure-resistant member, and only the heat exchange performance can be considered.
本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンは、ハウジングによってディスプレーサピストンの膨脹空間を形成し、ハウジングに熱交換器を密着固定し、熱交換器内には、複数のガス通路が形成され、ガス通路の一端を、ハウジング内の連通路を介して膨脹空間と連通し、ガス通路の他端を、ハウジング内の連通路を介して再生器と連通したものである。本実施の形態によれば、ハウジングによって膨脹空間を形成しているので、熱交換器には膨脹空間の圧力を受けない。したがって、熱交換器にはガス通路内に圧力が加わるだけのため、熱交換器は耐圧部材とする必要がなく、熱交換性能だけを考えた構成とすることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、熱交換器は、円柱形状で、中心部に筒状空間が形成され、筒状空間から外周面に向かって放射状に形成されたスリットによって燃焼ガス経路が形成され、スリット間に、ガス通路を配置したものである。本実施の形態によれば、燃焼ガスの通路面をスリットとしたことで、伝熱面積を大きくすることができる。さらに、スリット間の燃焼ガス通路とスリット内のガス通路との距離を小さくすることができるため、スリット内を流れる燃焼ガスからガス通路を流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、熱交換器を、ハウジングと密着固定される底部円柱部と、底部円柱部と連続し底部円柱部の径以上の径からなる胴部円柱部と、胴部円柱部と連続し胴部円柱部の径よりも小さな径からなる頂部円柱部とにより構成し、スリットを胴部円柱部に形成したものである。本実施の形態によれば、最も大径部である胴部円柱部にスリットによって燃焼ガス経路を形成するので、燃焼ガスの通路面をスリットとしたことで、伝熱面積を大きくすることができる。さらに、スリット間の燃焼ガス通路とスリット内のガス通路との距離を小さくすることができるため、ガス通路を流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、熱交換器を、ハウジングと密着固定される底部円柱部と、底部円柱部と連続しガス通路を形成する胴部円柱部と、胴部円柱部と連続しガス通路を形成しない頂部円柱部とにより構成し、胴部円柱部の外周に加熱源を配置したものである。本実施の形態によれば、加熱源で発生させた燃焼ガスをスリット通過後、筒状空間に導くことができ、熱交換器に効率よく熱を与えることができるとともに、加熱源を胴部円柱部の外周に設けることで熱交換器の軸方向の寸法を抑えることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第２から第４の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、熱交換器の上面部及び外周部を断熱材にて覆ったものである。本実施の形態によれば、スリットを流れる燃焼ガスの熱を熱交換器に効率よく与えることができる。また、燃焼ガスは、ガス通路で熱交換した後に、筒状空間に導かれ、熱交換器と上面部の断熱材との間に形成された燃焼ガス通路を通り、外周部の断熱材に形成された燃焼ガス通路を通って排出される。したがって、熱交換器は、ガス通路での熱交換以外に、放熱、熱伝導することがなく、熱交換器の温度が、熱交換後の燃焼ガスによって、熱交換後の燃焼ガス温度以下に低下することがなく、熱交換器の保温効果が高い。さらに、上面部に配置する断熱材端面との接触面と熱交換器端面との隙間である燃焼ガス通路を小さくすることで、前述の保温効果を大きくすることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第３の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、底部円柱部または胴部円柱部の外周に加熱源を配置したものである。本実施の形態によれば、加熱源で発生させた燃焼ガスをスリット通過後、筒状空間に導くことができ、熱交換器に効率よく熱を与えることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、複数のガス通路を、熱交換器に同心円状に配置したものである。本実施の形態によれば、ガス通路を流れる作動ガスに均一に熱を伝えることができる。
本発明の第８の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、熱交換器として、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、又はアルミナ系から選択されるセラミックスを用いたものである。本実施の形態によれば、耐熱性に優れ、熱伝導性が高い熱交換器を実現できる。
本発明の第９の実施の形態は、第３の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、底部円柱部、胴部円柱部、及び頂部円柱部を、それぞれ別部材として成形し、更に胴部円柱部を、スリットごとに分割した胴部用ピースとして成形し、底部円柱部、胴部円柱部、及び頂部円柱部を嵌合させた後に焼成したものである。本実施の形態によれば、あらかじめ複数の部材を成形し、それらを接合して焼成することによりセラミックスを得ることで、ガス通路やスリットを精度よく形成することができる。
The Stirling engine according to the first embodiment of the present invention forms an expansion space of a displacer piston by a housing, a heat exchanger is closely fixed to the housing, and a plurality of gas passages are formed in the heat exchanger, One end of the gas passage communicates with the expansion space via the communication passage in the housing, and the other end of the gas passage communicates with the regenerator via the communication passage in the housing. According to this embodiment, since the expansion space is formed by the housing, the heat exchanger does not receive the pressure of the expansion space. Therefore, since only the pressure is applied to the heat exchanger in the gas passage, the heat exchanger does not need to be a pressure-resistant member and can be configured with only the heat exchange performance in mind.
According to a second embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the first embodiment, the heat exchanger has a columnar shape, a cylindrical space is formed in the center, and the cylindrical space faces the outer peripheral surface. Combustion gas paths are formed by the radially formed slits, and gas passages are arranged between the slits. According to the present embodiment, the passage surface of the combustion gas is made into a slit, so that the heat transfer area can be increased. Furthermore, since the distance between the combustion gas passage between the slits and the gas passage in the slit can be reduced, heat can be efficiently transferred from the combustion gas flowing in the slit to the working gas flowing in the gas passage.
According to a third embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the second embodiment, the heat exchanger has a bottom cylindrical portion that is closely fixed to the housing, a diameter of the bottom cylindrical portion that is continuous with the bottom cylindrical portion, And a top cylindrical part that is continuous with the cylindrical part of the body and has a diameter smaller than that of the cylindrical part of the cylindrical part, and a slit is formed in the cylindrical part of the cylindrical part. According to the present embodiment, since the combustion gas path is formed by the slit in the body cylindrical part which is the largest diameter part, the heat transfer area can be increased by making the passage surface of the combustion gas a slit. . Furthermore, since the distance between the combustion gas passage between the slits and the gas passage in the slit can be reduced, heat can be efficiently transferred to the working gas flowing through the gas passage.
According to a fourth embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the second embodiment, the heat exchanger includes a bottom cylindrical portion that is closely fixed to the housing, and a cylinder that is continuous with the bottom cylindrical portion and forms a gas passage. And a top cylinder part which is continuous with the body cylinder part and does not form a gas passage, and a heating source is arranged on the outer periphery of the body cylinder part. According to the present embodiment, the combustion gas generated by the heating source can be guided to the cylindrical space after passing through the slit, and heat can be efficiently given to the heat exchanger, and the heating source can be a cylindrical cylinder. The axial dimension of the heat exchanger can be suppressed by providing it on the outer periphery of the part.
In the fifth embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the second to fourth embodiments, the upper surface portion and the outer peripheral portion of the heat exchanger are covered with a heat insulating material. According to this Embodiment, the heat of the combustion gas which flows through a slit can be efficiently given to a heat exchanger. In addition, the combustion gas is heat-exchanged in the gas passage, and then led to the cylindrical space, passes through the combustion gas passage formed between the heat exchanger and the heat insulating material on the upper surface portion, and is formed in the heat insulating material on the outer peripheral portion. Exhausted through the combustion gas passage. Therefore, the heat exchanger does not dissipate heat or conduct heat other than heat exchange in the gas passage, and the temperature of the heat exchanger decreases below the combustion gas temperature after heat exchange by the combustion gas after heat exchange. The heat insulation effect of the heat exchanger is high. Furthermore, the above-mentioned heat retention effect can be increased by reducing the combustion gas passage, which is the gap between the contact surface with the end surface of the heat insulating material disposed on the upper surface portion and the end surface of the heat exchanger.
In the sixth embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the third embodiment, a heating source is arranged on the outer periphery of the bottom cylindrical portion or the trunk cylindrical portion. According to the present embodiment, the combustion gas generated by the heating source can be guided to the cylindrical space after passing through the slit, and heat can be efficiently given to the heat exchanger.
In the seventh embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the second embodiment, a plurality of gas passages are concentrically arranged in a heat exchanger. According to the present embodiment, heat can be uniformly transmitted to the working gas flowing through the gas passage.
In an eighth embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the second embodiment, the heat exchanger is selected from silicon carbide ceramics, silicon nitride ceramics, aluminum nitride ceramics, or alumina ceramics. Is used. According to the present embodiment, a heat exchanger having excellent heat resistance and high thermal conductivity can be realized.
According to a ninth embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the third embodiment, the bottom cylindrical portion, the trunk cylindrical portion, and the top cylindrical portion are respectively formed as separate members, and the cylindrical barrel portion is further formed. , Molded as a piece for the body part divided for each slit, and fired after fitting the bottom cylindrical part, the trunk cylindrical part, and the top cylindrical part. According to the present embodiment, a gas passage and a slit can be formed with high accuracy by forming a plurality of members in advance, joining them, and firing them to obtain ceramics.
以下本発明の一実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は本実施例によるスターリングエンジンの側断面概略図である。
図１において、ハウジング１内にディスプレーサピストン２が配置され、ディスプレーサピストン２の下方にはパワーピストン３が配置されている。パワーピストン３の外周には、パワーピストン３とともに往復動作するインナーヨーク４が配置されている。インナーヨーク４は、円筒状に構成され、その外周には磁石５が配置される。
インナーヨーク４の外周部には、円筒状のアウターヨーク６がインナーヨーク４と所定のギャップを持って配置される。アウターヨーク６の内周側にはコイル７が、磁石５と対向するように配置されている。磁石５を有するインナーヨーク４と、コイル７を有するアウターヨーク６によって発電機が構成される。
ハウジング１内の、ディスプレーサピストン２の外周部には、再生器１０、及び冷却器１１を備えている。ディスプレーサピストン２の膨脹空間１ａは、ハウジング１によって形成している。熱交換器９は、ハウジング１の一端側の外端面に密着固定している。冷却器１１はハウジング１の他端側に配置し、再生器１０は熱交換器９と冷却器１１との間に配置している。再生器１０と冷却器１１は、ともに円筒状に構成されており、ハウジング１の他端側から挿入固定される。
熱交換器９内には、複数のガス通路９ａが形成され、ガス通路９ａの一端をハウジング１内の連通路１ｂを介して膨脹空間１ａと連通し、ガス通路９ａの他端をハウジング１内の連通路１ｂを介して再生器１０と連通している。
熱交換器９は、耐熱・高熱伝導性材料が適しており、例えば、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス、又はアルミナ系から選択されるセラミックスを用いる。なお、これらのセラミックスと金属の傾斜機能材料としてもよい。熱交換器９の上面部及び外周部は、断熱材９０にて覆われ、熱交換器９と断熱材９０との間には、加熱源９ｃが配置されている。
熱交換器９の中心部には、筒状空間９ｄが形成されている。
ロッド１２の一端側は大径ロッド１２ａ、ロッド１２の他端側は小径ロッド１２ｂで構成され、大径ロッド１２ａはディスプレーサピストン２に固定され、小径ロッド１２ｂは板バネ１３に連結されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic side sectional view of a Stirling engine according to this embodiment.
In FIG. 1, a displacer piston 2 is disposed in a housing 1, and a power piston 3 is disposed below the displacer piston 2. An inner yoke 4 that reciprocates together with the power piston 3 is disposed on the outer periphery of the power piston 3. The inner yoke 4 is formed in a cylindrical shape, and a magnet 5 is disposed on the outer periphery thereof.
A cylindrical outer yoke 6 is disposed on the outer periphery of the inner yoke 4 with a predetermined gap from the inner yoke 4. A coil 7 is arranged on the inner peripheral side of the outer yoke 6 so as to face the magnet 5. A generator is constituted by the inner yoke 4 having the magnet 5 and the outer yoke 6 having the coil 7.
A regenerator 10 and a cooler 11 are provided on the outer periphery of the displacer piston 2 in the housing 1. An expansion space 1 a of the displacer piston 2 is formed by the housing 1. The heat exchanger 9 is tightly fixed to the outer end surface on one end side of the housing 1. The cooler 11 is disposed on the other end side of the housing 1, and the regenerator 10 is disposed between the heat exchanger 9 and the cooler 11. Both the regenerator 10 and the cooler 11 are formed in a cylindrical shape, and are inserted and fixed from the other end side of the housing 1.
A plurality of gas passages 9 a are formed in the heat exchanger 9, one end of the gas passage 9 a communicates with the expansion space 1 a via the communication passage 1 b in the housing 1, and the other end of the gas passage 9 a is in the housing 1. The communication path 1b communicates with the regenerator 10.
The heat exchanger 9 is suitably a heat-resistant and highly heat-conductive material. For example, a ceramic selected from silicon carbide ceramics, silicon nitride ceramics, aluminum nitride ceramics, or alumina is used. Note that these ceramic and metal functionally graded materials may be used. An upper surface portion and an outer peripheral portion of the heat exchanger 9 are covered with a heat insulating material 90, and a heating source 9 c is disposed between the heat exchanger 9 and the heat insulating material 90.
A cylindrical space 9 d is formed at the center of the heat exchanger 9.
One end side of the rod 12 is constituted by a large diameter rod 12 a, and the other end side of the rod 12 is constituted by a small diameter rod 12 b, the large diameter rod 12 a is fixed to the displacer piston 2, and the small diameter rod 12 b is connected to the leaf spring 13.
容器１４は筒状部材で構成され、パワーピストン３、インナーヨーク４、アウターヨーク５を内部に収容する。
容器１４には、パワーピストン３の一端側の外周面が摺動する第１の軸受部１５と、パワーピストン３の他端側の内周面が摺動する第２の軸受部１６とを有している。第１の軸受部１５は、パワーピストン３が摺動する第１の円筒部１５ａと、第１の円筒部１５ａの一端に形成した第１のフランジ部１５ｂとで構成され、第２の軸受部１６は、パワーピストン３が摺動する第２の円筒部１６ａと、第２の円筒部１６ａの一端に形成した第２のフランジ部１６ｂとで構成される。第１の円筒部１５ａの内周面には滑り軸受を設けている。第２の円筒部１６ａの中心には第２の貫通孔１６ｃを形成している。第１の軸受部１５は、第１の円筒部１５ａの外周面と容器１４の一端側の内周面で位置決め固定され、第２の軸受部１６は、第２のフランジ部１６ｂの外周面と容器１４の他端側の内周面で位置決め固定される。
アウターヨーク６は容器１４の内周面で位置決め固定される。
容器１４の一端側にはハウジング１が配置され、ハウジング１と容器１４とは連結部材１７を介して締結する。連結部材１７は、リング状の連結板１７ａと、ハウジング１側から挿入されるボルト１７ｂから構成される。容器１４の他端側には封止部材１８が配置される。
The container 14 is formed of a cylindrical member and accommodates the power piston 3, the inner yoke 4, and the outer yoke 5 therein.
The container 14 has a first bearing portion 15 on which an outer peripheral surface on one end side of the power piston 3 slides, and a second bearing portion 16 on which an inner peripheral surface on the other end side of the power piston 3 slides. is doing. The first bearing portion 15 includes a first cylindrical portion 15a on which the power piston 3 slides, and a first flange portion 15b formed at one end of the first cylindrical portion 15a. 16 includes a second cylindrical portion 16a on which the power piston 3 slides and a second flange portion 16b formed at one end of the second cylindrical portion 16a. A sliding bearing is provided on the inner peripheral surface of the first cylindrical portion 15a. A second through hole 16c is formed at the center of the second cylindrical portion 16a. The first bearing portion 15 is positioned and fixed on the outer peripheral surface of the first cylindrical portion 15a and the inner peripheral surface on one end side of the container 14, and the second bearing portion 16 is connected to the outer peripheral surface of the second flange portion 16b. The container 14 is positioned and fixed on the inner peripheral surface on the other end side.
The outer yoke 6 is positioned and fixed on the inner peripheral surface of the container 14.
The housing 1 is disposed on one end side of the container 14, and the housing 1 and the container 14 are fastened via a connecting member 17. The connecting member 17 includes a ring-shaped connecting plate 17a and a bolt 17b inserted from the housing 1 side. A sealing member 18 is disposed on the other end side of the container 14.
パワーピストン３は、ヘッド部３ａとスカート部３ｂで構成し、ヘッド部３ａの外周面を第１の軸受部１５との摺動面とし、スカート部３ｂの内周面を第２の軸受部１６との摺動面としている。なお、スカート部３ｂの外周面にインナーヨーク４は位置決め固定される。ヘッド部３ａの中心には第１の貫通孔３ｃを形成している。第１の貫通孔３ｃの内周面には軸受を形成する。スカート部３ｂの内周面には第２の滑り軸受３ｅを設けている。
板バネ１３は、第２の軸受部１６と封止部材１８との間に配置される。
ディスプレーサピストン２と板バネ１３とを連結するロッド１２は、大径ロッド１２ａを第１の貫通孔３ｃに配置し、小径ロッド１２ｂを第２の貫通孔１６ｃに配置している。
The power piston 3 includes a head portion 3a and a skirt portion 3b. The outer peripheral surface of the head portion 3a is a sliding surface with the first bearing portion 15, and the inner peripheral surface of the skirt portion 3b is the second bearing portion 16. And a sliding surface. The inner yoke 4 is positioned and fixed on the outer peripheral surface of the skirt portion 3b. A first through hole 3c is formed at the center of the head portion 3a. A bearing is formed on the inner peripheral surface of the first through hole 3c. A second plain bearing 3e is provided on the inner peripheral surface of the skirt portion 3b.
The leaf spring 13 is disposed between the second bearing portion 16 and the sealing member 18.
The rod 12 that connects the displacer piston 2 and the leaf spring 13 has a large diameter rod 12a disposed in the first through hole 3c and a small diameter rod 12b disposed in the second through hole 16c.
次に、図２から図６を用いて本実施例による熱交換器について説明する。
図２は、同熱交換器の上方から見た斜視図、図３は、同熱交換器の下方から見た斜視図、図４は、同熱交換器の側面図、図５は図４のＶ−Ｖ線断面図、図６は同熱交換器の組み立て状態を示す要部側断面図である。
本実施例による熱交換器は、円柱形状であり、ハウジング１と密着固定される底部円柱部９１と、底部円柱部９１と連続し底部円柱部９１の径以上の径からなる胴部円柱部９２と、胴部円柱部９２と連続し胴部円柱部９２の径よりも小さな径からなる頂部円柱部９３とによって構成されている。
燃焼ガス経路を形成するスリット９ｂは、胴部円柱部９２に筒状空間９ｄから外周面に向かって放射状に形成されている。
ガス通路９ａは、スリット９ｂ間に配置されている。また、ガス通路９ａは、熱交換器９に同心円状に配置している。
Next, the heat exchanger according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
2 is a perspective view of the heat exchanger as viewed from above, FIG. 3 is a perspective view of the heat exchanger as viewed from below, FIG. 4 is a side view of the heat exchanger, and FIG. A VV line sectional view and Drawing 6 are principal part side sectional views showing the assembly state of the heat exchanger.
The heat exchanger according to the present embodiment has a cylindrical shape, a bottom cylindrical portion 91 that is closely fixed to the housing 1, and a trunk cylindrical portion 92 that is continuous with the bottom cylindrical portion 91 and has a diameter equal to or larger than the diameter of the bottom cylindrical portion 91. And a top cylindrical portion 93 that is continuous with the barrel cylindrical portion 92 and has a diameter smaller than the diameter of the barrel cylindrical portion 92.
The slits 9b forming the combustion gas path are radially formed in the body cylindrical portion 92 from the cylindrical space 9d toward the outer peripheral surface.
The gas passage 9a is disposed between the slits 9b. Further, the gas passage 9 a is disposed concentrically with the heat exchanger 9.
本実施例によれば、ハウジング１によって膨脹空間１ａを形成しているので、熱交換器９には膨脹空間１ａの圧力を受けない。したがって、熱交換器９にはガス通路９ａ内に圧力が加わるだけであるため、熱交換器９は耐圧部材とする必要がなく、熱交換性能だけを考えた構成とすることができる。
また、本実施例によれば、スリット９ｂ内を流れる燃焼ガスからガス通路９ａを流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。
また、本実施例によれば、最も大径部である胴部円柱部９２にスリット９ｂによって燃焼ガス経路を形成するので、ガス通路９ａを流れる作動ガスに効率よく熱を伝達することができる。
また、本実施例によれば、スリット９ｂを流れる燃焼ガスの熱を熱交換器９に効率よく与えることができる。
また、本実施例によれば、加熱源で発生させた燃焼ガスをスリット９ｂ通過後、筒状空間９ｄに導くことができ、熱交換器９に効率よく熱を与えることができる。
また、本実施の形態によれば、ガス通路９ａを流れる作動ガスに均一に熱を伝えることができる。
また、本実施例によれば、パワーピストン３の摺動面を形成する第１の軸受部１５と第２の軸受部１６とを容器１４に有するとともにアウターヨーク６を容器の内周部に設けることで、パワーピストン３がアウターヨーク６に対して、傾き及び芯ずれ状態で組み付けられることを抑制し、パワーピストン３とアウターヨーク６との隙間寸法を精度良く組み立てることができる。そのため、パワーピストン３が傾きや芯ずれによって発生する機械損失（摺動損失）を低減することができる。さらに、第１の軸受部１５だけで、パワーピストン３を支持する場合には、高さ方向に長くなるが、アウターヨーク６内周面内に第２の軸受部１６を形成することで、可動部内周面を有効に軸受部として形成することができるため、スターリングエンジンをコンパクトに構成できる。
また本実施例によれば、スターリングエンジンを構成する部材を、ハウジング１と容器１４とにそれぞれ配置するとともに、ハウジング１と容器１４とを締結することで、特にディスプレーサピストン２とパワーピストン３との位置調整を精度良く行うことができる。
また本実施例によれば、アウターヨーク６を、容器１４の内周面で位置決め固定するため、インナーヨーク４とアウターヨーク６との組み立て誤差を少なくすることができる。
また本実施例によれば、第１の軸受部１５を、第１の円筒部１５ａの外周面で容器１４に位置決め固定し、第２の軸受部１６を、第２のフランジ部１６ｂの外周面で容器１４に位置決め固定するため、第１の軸受部１５と第２の軸受部１６との組み立て誤差を少なくすることができる。
また本実施例によれば、パワーピストン３を、ヘッド部３ａとスカート部３ｂで構成し、ヘッド部３ａの外周面を第１の軸受部１５との摺動面とし、スカート部３ｂの内周面を第２の軸受部１６との摺動面とし、スカート部３ｂの外周面にインナーヨーク４を位置決め固定するため、インナーヨーク４とアウターヨーク６との位置調整を精度良く行うことができる。
また本実施例によれば、第１の貫通孔３ｃに大径ロッド１２ａを配置し、第１の貫通孔３ｃの内周面に軸受部を形成するため、ディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間にできる空間の気密性を高めることができる。
また本実施例によれば、パワーピストン３の両端を滑り軸受で受けることでパワーピストンの往復駆動の挙動を安定させ、エンジンの信頼性を高めることができる。
According to this embodiment, since the expansion space 1a is formed by the housing 1, the heat exchanger 9 does not receive the pressure of the expansion space 1a. Therefore, since only the pressure is applied to the heat exchanger 9 in the gas passage 9a, the heat exchanger 9 does not need to be a pressure-resistant member, and can be configured only with respect to the heat exchange performance.
Further, according to the present embodiment, heat can be efficiently transferred from the combustion gas flowing in the slit 9b to the working gas flowing in the gas passage 9a.
Further, according to the present embodiment, the combustion gas path is formed by the slit 9b in the body cylindrical portion 92 which is the largest diameter portion, so that heat can be efficiently transferred to the working gas flowing through the gas passage 9a.
Moreover, according to the present Example, the heat of the combustion gas which flows through the slit 9b can be efficiently given to the heat exchanger 9.
Further, according to the present embodiment, the combustion gas generated by the heating source can be guided to the cylindrical space 9d after passing through the slit 9b, and heat can be efficiently given to the heat exchanger 9.
Moreover, according to this Embodiment, heat can be uniformly transmitted to the working gas which flows through the gas passage 9a.
Further, according to this embodiment, the container 14 has the first bearing portion 15 and the second bearing portion 16 that form the sliding surface of the power piston 3, and the outer yoke 6 is provided on the inner peripheral portion of the container. Thus, it is possible to suppress the assembly of the power piston 3 with respect to the outer yoke 6 in an inclined and misaligned state, and to assemble the gap dimension between the power piston 3 and the outer yoke 6 with high accuracy. Therefore, the mechanical loss (sliding loss) generated by the power piston 3 due to the inclination or misalignment can be reduced. Further, when the power piston 3 is supported only by the first bearing portion 15, it becomes longer in the height direction, but it is movable by forming the second bearing portion 16 in the inner peripheral surface of the outer yoke 6. Since the inner peripheral surface of the part can be effectively formed as a bearing part, the Stirling engine can be configured compactly.
Further, according to the present embodiment, the members constituting the Stirling engine are arranged in the housing 1 and the container 14 respectively, and the housing 1 and the container 14 are fastened, so that the displacer piston 2 and the power piston 3 are particularly connected. Position adjustment can be performed with high accuracy.
Further, according to the present embodiment, the outer yoke 6 is positioned and fixed on the inner peripheral surface of the container 14, so that an assembly error between the inner yoke 4 and the outer yoke 6 can be reduced.
Further, according to the present embodiment, the first bearing portion 15 is positioned and fixed to the container 14 by the outer peripheral surface of the first cylindrical portion 15a, and the second bearing portion 16 is fixed to the outer peripheral surface of the second flange portion 16b. Therefore, the assembly error between the first bearing portion 15 and the second bearing portion 16 can be reduced.
Further, according to the present embodiment, the power piston 3 is composed of the head portion 3a and the skirt portion 3b, the outer peripheral surface of the head portion 3a is used as a sliding surface with the first bearing portion 15, and the inner periphery of the skirt portion 3b. Since the surface is a sliding surface with the second bearing portion 16 and the inner yoke 4 is positioned and fixed on the outer peripheral surface of the skirt portion 3b, the position adjustment between the inner yoke 4 and the outer yoke 6 can be performed with high accuracy.
Further, according to the present embodiment, the large diameter rod 12a is disposed in the first through hole 3c, and the bearing portion is formed on the inner peripheral surface of the first through hole 3c. The airtightness of the space created between them can be increased.
Further, according to the present embodiment, the both ends of the power piston 3 are received by the sliding bearing, so that the behavior of the reciprocating drive of the power piston can be stabilized and the reliability of the engine can be improved.
上記構成において、熱交換器９での加熱によって、封入されている気体が膨張してディスプレーサピストン２を下方へ移動させる。ディスプレーサピストン２の下方への移動によって、ディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間の空間にあるガスが圧縮されてパワーピストン３を下方へ移動させる。パワーピストン３の下方への移動によって、気体はディスプレーサピストン２の上部から、熱交換器９、再生器１０、及び冷却器１１を通過してディスプレーサピストン２の下部に移動する。そしてディスプレーサピストン２の上方への移動によってディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間の空間が低圧になることで、パワーピストン３は上方へ移動する。ディスプレーサピストン２の下部に移動した気体は、パワーピストン３の上方への移動によって、冷却器１１、再生器１０、及び熱交換器９を通過して、ディスプレーサピストン２の上部に移動する。
このように、熱交換器９での加熱と冷却器１１での冷却によって、気体は膨張収縮を行いながらディスプレーサピストン２の上部と下部を往復することで、ディスプレーサピストン２を移動させるとともに、パワーピストン３を移動させる。そして、パワーピストン３の移動によって発電を行うことができる。
In the above configuration, the enclosed gas expands due to the heating in the heat exchanger 9 and moves the displacer piston 2 downward. By the downward movement of the displacer piston 2, the gas in the space between the displacer piston 2 and the power piston 3 is compressed to move the power piston 3 downward. By the downward movement of the power piston 3, the gas moves from the upper part of the displacer piston 2 to the lower part of the displacer piston 2 through the heat exchanger 9, the regenerator 10 and the cooler 11. The space between the displacer piston 2 and the power piston 3 is lowered by the upward movement of the displacer piston 2, so that the power piston 3 moves upward. The gas that has moved to the lower part of the displacer piston 2 passes through the cooler 11, the regenerator 10, and the heat exchanger 9 by the upward movement of the power piston 3, and moves to the upper part of the displacer piston 2.
In this way, the gas is reciprocated between the upper and lower portions of the displacer piston 2 while expanding and contracting by the heating in the heat exchanger 9 and the cooling in the cooler 11, thereby moving the displacer piston 2 and the power piston. 3 is moved. And power generation can be performed by the movement of the power piston 3.
次に、図７から図９を用いて熱交換器の製造方法について説明する。
図７は、焼結前の状態における熱交換器の上方から見た一部分解斜視図、図８は、同状態における熱交換器の下方から見た分解斜視図、図９は、同状態における熱交換器の側面図である。
底部円柱部９１、胴部円柱部９２、及び頂部円柱部９３からなる熱交換器９は、それぞれ別部材として成形し、更に胴部円柱部９２は、スリット９ｂごとに分割した胴部用ピース９２ａ、９２ｂ、９２ｃ・・として成形する。
胴部用ピース９２ａ、９２ｂ、９２ｃ・・には、それぞれ底部円柱部９１と嵌合する嵌合部、及び頂部円柱部９３と嵌合する嵌合部が一体に成形されている。
これら各部材は、例えば珪素系材料で成形し、図示のように各部材を嵌合させた後に、所定温度で焼成することで炭化珪素系セラミックスとする。
このようにあらかじめ複数の部材を成形し、それらを接合して焼成することによりセラミックスを得ることで、ガス通路９ａやスリット９ｂを精度よく形成することができる。
Next, the manufacturing method of a heat exchanger is demonstrated using FIGS. 7-9.
FIG. 7 is a partially exploded perspective view as seen from above the heat exchanger in a state before sintering, FIG. 8 is an exploded perspective view as seen from below of the heat exchanger in the same state, and FIG. It is a side view of an exchanger.
The heat exchanger 9 including the bottom cylindrical portion 91, the trunk cylindrical portion 92, and the top cylindrical portion 93 is formed as a separate member, and the trunk cylindrical portion 92 is further divided into slits 9b for a trunk piece 92a. , 92b, 92c...
The body pieces 92a, 92b, 92c,... Are integrally formed with a fitting portion that fits with the bottom cylindrical portion 91 and a fitting portion that fits with the top cylindrical portion 93, respectively.
Each of these members is formed of, for example, a silicon-based material, and after fitting the members as illustrated, firing is performed at a predetermined temperature to form silicon carbide-based ceramics.
In this way, by forming a plurality of members in advance, joining them, and firing them to obtain ceramics, the gas passage 9a and the slit 9b can be formed with high accuracy.
次に、図１０を用いて他の実施例による熱交換器について説明する。
上記実施例と同一機能部材には同一符号を付して説明を一部省略する。
熱交換器９ｘ内には、複数のガス通路９ａが形成され、ガス通路９ａの一端はハウジング１内の連通路１ｂを介して膨脹空間１ａと連通し、ガス通路９ａの他端はハウジング１内の連通路１ｂを介して再生器１０と連通している。熱交換器９ｘの外周部は、断熱材９０にて覆われ、熱交換器９ｘの底部円柱部９１ｘまたは胴部円柱部９２ｘと断熱材９０との間には、加熱源配置空間９ｙが形成され、この加熱源配置空間９ｙに加熱源９ｚが配置されている。また、熱交換器９ｘの上面部は、燃焼ガス通路を形成するように断熱材９０にて覆っている。外周部の断熱材９０には、燃焼ガスを径方向に排出する燃焼ガス通路を形成している。
熱交換器９ｘの中心部には、筒状空間９ｄが形成されている。
本実施例による熱交換器９ｘは、円柱形状であり、ハウジング１と密着固定される底部円柱部９１ｘと、底部円柱部９１ｘと連続しガス通路９ａを形成する胴部円柱部９２ｘと、胴部円柱部９２ｘと連続しガス通路９ａを形成しない頂部円柱部９３ｘとにより構成し、胴部円柱部９２ｘの外周に加熱源配置空間９ｙが形成され、この加熱源配置空間９ｙに加熱源９ｚが配置されている。
なお、図示はしないが、本実施例においても燃焼ガス経路を形成するスリットが、胴部円柱部９２ｘに筒状空間９ｄから外周面に向かって放射状に形成されている。
また、スリット間にガス通路９ａが配置されている。そして、ガス通路９ａは、熱交換器９ｘに同心円状に配置している。
Next, a heat exchanger according to another embodiment will be described with reference to FIG.
The same functional members as those in the above embodiment are given the same reference numerals, and a part of the description is omitted.
A plurality of gas passages 9 a are formed in the heat exchanger 9 x, one end of the gas passage 9 a communicates with the expansion space 1 a via the communication passage 1 b in the housing 1, and the other end of the gas passage 9 a is in the housing 1. The communication path 1b communicates with the regenerator 10. The outer peripheral portion of the heat exchanger 9x is covered with a heat insulating material 90, and a heating source arrangement space 9y is formed between the bottom cylindrical portion 91x or the body cylindrical portion 92x of the heat exchanger 9x and the heat insulating material 90. The heating source 9z is arranged in the heating source arrangement space 9y. Further, the upper surface portion of the heat exchanger 9x is covered with a heat insulating material 90 so as to form a combustion gas passage. A combustion gas passage for discharging the combustion gas in the radial direction is formed in the heat insulating material 90 at the outer peripheral portion.
A cylindrical space 9d is formed at the center of the heat exchanger 9x.
The heat exchanger 9x according to the present embodiment has a cylindrical shape, a bottom cylindrical portion 91x that is closely fixed to the housing 1, a trunk cylindrical portion 92x that is continuous with the bottom cylindrical portion 91x and forms a gas passage 9a, and a trunk portion. The cylindrical portion 92x is continuous with the top cylindrical portion 93x that does not form the gas passage 9a. A heating source arrangement space 9y is formed on the outer periphery of the trunk cylindrical portion 92x, and the heating source 9z is arranged in the heating source arrangement space 9y. Has been.
In addition, although not shown in the drawings, also in the present embodiment, the slits that form the combustion gas path are radially formed in the body cylindrical portion 92x from the cylindrical space 9d toward the outer peripheral surface.
A gas passage 9a is disposed between the slits. The gas passage 9a is arranged concentrically on the heat exchanger 9x.
本実施例によれば、加熱源９ｚで発生させた燃焼ガスをスリット通過後、筒状空間９ｄに導くことができ、熱交換器９ｘに効率よく熱を与えることができる。
また、本実施例によれば、加熱源９ｚを胴部円柱部９２ｘの外周に設けることで熱交換器９ｘの軸方向の寸法を抑えることができる。
また、本実施例によれば、胴部円柱部９２ｘの外周に加熱源配置空間９ｙを形成し、この加熱源配置空間９ｙ内で加熱源９ｚの配置を変更できるように構成することで、燃焼効率の高い位置に加熱源９ｚを配置することができ、設計を容易にすることができるとともに、燃焼条件などに応じて、加熱源９ｚを最適な位置に変更することができる。
According to the present embodiment, the combustion gas generated by the heating source 9z can be guided to the cylindrical space 9d after passing through the slit, and heat can be efficiently given to the heat exchanger 9x.
Moreover, according to the present Example, the dimension of the heat exchanger 9x in the axial direction can be suppressed by providing the heating source 9z on the outer periphery of the barrel cylindrical portion 92x.
Further, according to the present embodiment, the heating source arrangement space 9y is formed on the outer periphery of the body cylindrical portion 92x, and the arrangement of the heating source 9z can be changed in the heating source arrangement space 9y, thereby combusting. The heating source 9z can be arranged at a highly efficient position, the design can be facilitated, and the heating source 9z can be changed to an optimum position according to the combustion conditions.
本発明のスターリングエンジンは、廃熱やバイオマスなどの熱源ガスを活用した発電装置や動力装置として利用することができる。 The Stirling engine of the present invention can be used as a power generator or a power unit that utilizes heat source gas such as waste heat or biomass.
１ ハウジング
２ ディスプレーサピストン
３ パワーピストン
４ インナーヨーク
５ 磁石
６ アウターヨーク
７ コイル
９ 熱交換器
１０ 再生器
１１ 冷却器
１４ 容器
１５ 第１の軸受部
１６ 第２の軸受部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 2 Displacer piston 3 Power piston 4 Inner yoke 5 Magnet 6 Outer yoke 7 Coil 9 Heat exchanger 10 Regenerator 11 Cooler 14 Container 15 1st bearing part 16 2nd bearing part
Claims (9)
前記ハウジングによって前記ディスプレーサピストンの膨脹空間を形成し、
前記ハウジングに熱交換器を密着固定し、
前記熱交換器内には、複数のガス通路が形成され、
前記ガス通路の一端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記膨脹空間と連通し、
前記ガス通路の他端を、前記ハウジング内の連通路を介して前記再生器と連通したことを特徴とするスターリングエンジン。 A Stirling engine having a displacer piston in the housing and having a regenerator and a cooler disposed on the outer periphery of the displacer piston,
Forming an expansion space for the displacer piston by the housing;
A heat exchanger is tightly fixed to the housing,
A plurality of gas passages are formed in the heat exchanger,
One end of the gas passage communicates with the expansion space via a communication passage in the housing,
A Stirling engine characterized in that the other end of the gas passage communicates with the regenerator through a communication passage in the housing.
前記筒状空間から外周面に向かって放射状に形成されたスリットによって燃焼ガス経路が形成され、
前記スリット間に、前記ガス通路を配置した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。 The heat exchanger has a cylindrical shape, and a cylindrical space is formed at the center,
A combustion gas path is formed by slits formed radially from the cylindrical space toward the outer peripheral surface,
The Stirling engine according to claim 1, wherein the gas passage is disposed between the slits.
前記スリットを前記胴部円柱部に形成したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。 The heat exchanger includes a bottom cylindrical portion that is closely fixed to the housing, a trunk cylindrical portion that is continuous with the bottom cylindrical portion and has a diameter equal to or larger than a diameter of the bottom cylindrical portion, and a continuous cylindrical portion. It is constituted by a top cylindrical portion having a diameter smaller than the diameter of the barrel cylindrical portion,
The Stirling engine according to claim 2, wherein the slit is formed in the body cylindrical portion.
前記胴部円柱部の外周に加熱源を配置したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。 The heat exchanger has a bottom cylindrical portion that is closely fixed to the housing, a barrel cylindrical portion that is continuous with the bottom cylindrical portion to form the gas passage, and a gas passage that is continuous with the barrel cylindrical portion. The top cylinder part that does not,
The Stirling engine according to claim 2, wherein a heat source is disposed on an outer periphery of the barrel cylindrical portion.
前記底部円柱部、前記胴部円柱部、及び前記頂部円柱部を嵌合させた後に焼成したことを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン。 The bottom cylindrical portion, the barrel cylindrical portion, and the top cylindrical portion are molded as separate members, respectively, and the barrel cylindrical portion is molded as a trunk piece divided for each slit,
The Stirling engine according to claim 3, wherein the Stirling engine is fired after fitting the bottom cylindrical portion, the trunk cylindrical portion, and the top cylindrical portion.
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