JP2009228658A

JP2009228658A - ガス加熱冷却装置

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Publication number: JP2009228658A
Application number: JP2008094631A
Authority: JP
Inventors: Aritomi Okuno; 有富奥野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】
断熱圧縮された作動ガスが加熱される前に冷却されるため熱効率が低くなるという現在のスターリングエンジンが持つ問題を解消した大出力スターリングエンジンを作る事を最終目標とし、そのためのガス加熱冷却装置を開発することを課題とした。
【解決手段】
ディスプレーサシリンダ内に複数本数の棒状加熱冷却器を設け、ディスプレーサピストンをこれらに嵌合させ、さらにディスプレーサピストンに再生熱交換器の機能を持たせ、作動ガスがシリンダの外部を通ることなく高温空間と低温空間の間を行き来して加熱冷却できるようにした。これによって伝熱面積を大きくできると共に断熱圧縮された作動ガスが加熱される前に冷却されるということがなくなり課題を解決した。
【選択図】図１

Description

本発明は熱効率の優れたスターリングエンジンを構成する部材とこれを用いたスターリングエンジンに関するもの、詳しくは作動ガスの加熱および冷却をディスプレーサシリンダ内部で行うことによって熱効率の向上を図ったスターリングエンジンに使用するガス加熱冷却装置とこれを用いたスターリングエンジンに関するものである。

スターリングエンジンはその理論熱効率があらゆる熱機関の理論上の限界値であるカルノー機関の熱効率に等しいため、その高い熱効率を実現するべく多くの学者や研究機関によって研究開発がなされてきた。しかしそれらの結果は必ずしも成功したものとは言えず、スターリングエンジンの熱効率はカルノー機関の熱効率には程遠くディーゼルエンジンの熱効率にも及ばないのが現状である。

スターリングエンジンは冷却水に放出される熱が全体の約５０％に達するといわれておりこれがスターリングエンジンの熱効率が低くなる原因の一つと考えられる。スターリングエンジンは構造的に見て冷却水に放出される熱は作動ガスが持っていた熱だけであり、これほどの熱が理論熱効率が６０％以上になるというスターリングエンジンから放出されるのは理解に苦しむところである。しかし冷却水への放熱はスターリングエンジン本来の性質として当然のことであるとしてそれほど問題視していないのが一般的である。本発明者はこの点に疑問を感じその原因について研究した結果、放熱量が多い原因は現在のスターリングエンジンの構造に由来する基本的な問題であり、これがスターリングエンジンの熱効率をあげることができない原因であると解明するに至った。さらにこの解決方法について研究を進め本装置を発明したものである。

図８は従来例の一つとしてディスプレーサシリンダ５１の外壁を加熱する方式のスターリングエンジンを模式図として示したものである。このタイプのものはさらにディスプレーサピストン５２自体に通気性を持たせたものとディスプレーサシリンダ５１とディスプレーサピストン５２との間に間隙を設けその間隙を作動ガスが通るようにしたものとに分類できる。
また図９は別の従来例であり、ディスプレーサシリンダ６１と独立して、加熱器６３、再生熱交換器６４、冷却器６５を設けたスターリングエンジンの模式図である。
図９のような構造をした公知のスターリングエンジンは大出力エンジンとして広く採用されている方式であるがこの方式は熱効率の上で大きな問題をはらんでいる。この方式ではパワーピストン３７が下死点から上昇する圧縮行程の前半ではディスプレーサピストン６２も上昇しており作動ガスは冷却されながら圧縮されるので等温圧縮に近く問題ない。しかし圧縮行程の後半ではディスプレーサピストン６２は降下に転じ作動ガスを加熱し始めるので作動ガスは加熱されながら圧縮されることになりパワーシリンダ３６内では断熱圧縮（ないしは加熱圧縮）が起こり温度が上昇した作動ガスがディスプレーサシリンダ６１に貯えられる。膨張行程ではこの断熱圧縮されてある程度温度が上昇した作動ガスがディスプレーサピストンによって加熱器６３に送られさらに加熱されて膨張するわけであるが、この際作動ガスが加熱器６３に入る前に冷却器６５を通る構造になっておりここに問題が存在する。断熱圧縮になると圧縮の際余分なエネルギーが必要となり望ましいことではないが、断熱圧縮自体は可逆過程でありそのまま膨張させると膨張する際この余分なエネルギーを回収することができて熱効率が低下することはない。しかし断熱圧縮されて温度が上昇した作動ガスが冷却器で冷却されることになるとこの過程は可逆でなくなり冷却された分はエネルギーロスとなって熱効率が低下することになる。それのみならず断熱圧縮によって生じた熱を余分に放出しなければならず大型のラジエータが必要になるという問題も発生する。
同じ公知のスターリングエンジンであっても図８のようにディスプレーサシリンダ５１の外壁を直接加熱あるいは冷却する構造になっているものではこのような問題が発生することはない。しかしこの形式のものは伝熱面積が小さく模型エンジンとして作られている程度であり大出力エンジンとして実用になるものではない。
上記の例はいずれもガンマ型といわれるものであるがアルファ型あるいはベータ型と呼ばれる形式のものでも作動ガスが加熱器、再生熱交換器、冷却器を順に往復するタイプものでは同様の問題が発生する。

公開特許公報２００５−０２３９１９公開特許公報特開平９−４２０５５

断熱圧縮された作動ガスが加熱される前に冷却されるため熱効率が低くなるという現在のスターリングエンジンが持つ問題を解消した大出力スターリングエンジンを作ることを最終目標とし、そのためのガス加熱冷却装置を開発することをその課題とした。なお、ここで言うガス加熱冷却装置とは、通常ガンマ型と称されるスターリングエンジンに使用されるもので、加熱器、再生熱交換器、冷却器およびディスプレーサシリンダ、ディスプレーサピストン、配管類等の作動ガスを移動させるための機構からなる集合体をさすものとする。

断熱圧縮された作動ガスが加熱される前に冷却されるという問題を回避する手段としては、逆止弁を使用して温度が上がった作動ガスが冷却器を通らないようにバイパスさせる方法があるが、逆止弁に限らず弁を使用することは流動抵抗の増大や弁の故障による信頼性の低下、シール部分からのガス漏れ等を招きあまり良い方法ではない。それゆえ弁の使用はこれ以外に適切な手段が考えられない場合に限ることとし、弁を使用せずに断熱圧縮された作動ガスが冷却されることがないようにする方法について研究を進めた。

ディスプレーサシリンダの外壁面を直接加熱すれば作動ガスが加熱される前に冷却されることはなくなるが、この方法は伝熱面積が小さく大出力のエンジンには適さないことは既に述べたとおりである。さらに、この方法は外壁面の温度が内部の作動ガスの温度より高くなるので高温度に起因する材料強度の低下が外部に加熱器を設けたものより大きくなり、高い内圧がかかるディスプレーサシリンダに対して強度的な見地からも不利である。

本発明者は上記の諸問題を解決するため作動ガスを加熱および冷却するための棒状加熱冷却器を創出しこれをディスプレーサシリンダ内に設けることとした。さらにディスプレーサピストンに再生熱交換器の機能を持たせ作動ガスがシリンダの外部を通ることなしに高温空間と低温空間の間を行き来できるようにもした。伝熱面積の不足については棒状加熱冷却器の本数を増すことによって解決できる。このようにすることによって断熱圧縮自体起こりにくくなり、もし起こったとしても加熱する前に冷却することなく加熱する事が可能となり課題を解決した。なお本発明になるガス加熱冷却装置はスターリングエンジンに使用することを主たる目的としたものであるが,特許文献１に示す外燃式ガスタービンの揺圧器としても使用できるものである。

本発明によって得られる主たる効果として,
（１）断熱圧縮されて温度が上昇した作動ガスが冷却されることがなくなり熱効率が高くなる。また、余分な冷却をしないためラジエータが小さくすむ。
（２）ディスプレーサシリンダ外部に加熱あるいは冷却のための熱交換器を設けることが不要となって死空間が小さくなり出力が増大する。また、作動ガスの流路が短縮されるため流動損失が減少しこの面からも熱効率の向上が期待できる。
（３）棒状加熱冷却器の本数を増すことによって伝熱面積を増すことができるので出力が大きい装置に対しても対応が可能である。
（４）気体燃料、液体燃料、固体燃料のいずれもが使用できる。ただし、粘度の高い液体燃料や流動性がない固体燃料に対しては溶融金属等の熱媒を用いた間接加熱方式としなければならない場合がある。
（５）ディスプレーサシリンダ外壁が作動ガスの温度以上に上昇することがないので高温度に起因する材料強度の低下が少なくなり強度面で有利である。
（６）構造がシンプルで軽量化できる。
（７）棒状加熱冷却器はディスプレーサシリンダの上壁面と下壁面とをつなぐ補強材として機能させることができる。
等が挙げられる。

はじめにその概略について簡単に説明する。
本装置が公知のスターリングエンジンのガス加熱冷却装置と異なる点はディスプレーサシリンダの内部に棒状加熱冷却器がディスプレーサシリンダの中心軸と平行に複数本数取り付けてある点とディスプレーサピストンがこれに対応できるように特殊な形状をしている点である。
一般的なディスプレーサシリンダは内部が空洞になっていてその中をディスプレーサピストンが往復するものであるが、本装置ではディスプレーサシリンダの中には棒状加熱冷却器がディスプレーサシリンダの中心軸と平行に複数本数このシリンダの内部空間を貫通するように取り付けられておりこの中をディスプレーサピストンが往復するようになっている。このためディスプレーサピストンは縦方向に細い穴が棒状加熱冷却器の本数と同数あいており練炭を長くしたような形状になっている。この穴が棒状加熱冷却器に嵌合し、さらにピストン本体がディスプレーサシリンダの内壁に嵌合してシリンダ内を往復する構造になっている。ディスプレーサピストン自体に通気性がありディスプレーサピストンが動くことによって作動ガスはディスプレーサピストンの内部を通って高温のシリンダ上部と低温のシリンダ下部の間を往復することができる。棒状加熱冷却器の上部の加熱器の内部は燃焼ガスまたは熱媒によって加熱され下部の冷却器は冷却水によって冷却されている。ディスプレーサピストンの往復に伴い棒状加熱冷却器の上部の加熱器と下部の冷却器が交互に露出して作動ガスを加熱冷却する仕組みである。

上記の説明で本装置の概略は理解してもらえると思うが、以下、本発明になるガス加熱冷却装置の詳細な実施形態を、図１〜図７およびこれらに付した符号を引用して具体的に説明する。

図１は本発明になるガス加熱冷却装置１０の要部断面図である。ただし燃料挿入管等の細管類とピストンロッド１５については輪郭を図示したものである。
最初にこのガス加熱冷却装置１０の中心となるディスプレーサシリンダ１１とそれに関連する部材の構造について説明する。
ディスプレーサシリンダの内部にはディスプレーサピストンがあり作動ガスが高圧で封入されている点は公知のスターリングエンジンのガス加熱冷却装置と変わるところはない。作動ガスとしては、水素、ヘリウム、空気、窒素等、公知のスターリングエンジンで一般的に使用されているものが使用できる。

ただ本装置は上述のように公知のものとは異なりディスプレーサシリンダ１１内に複数本数の棒状加熱冷却器２０がディスプレーサシリンダ１１の中心軸と平行すなわちディスプレーサピストン１２の移動方向と平行に設けられている。
ディスプレーサシリンダ１１の上壁面には棒状加熱冷却器２０の端部の太さに相当する穴があいており棒状加熱冷却器２０の上端はこの穴にシリンダ内部に封入されている作動ガスが漏出しないようにしてナット２８で封じとめられている。棒状加熱冷却器２０の上端に位置する加熱器２２は燃焼ガス集合室３１につながることになり燃焼ガスあるいは熱媒と作動ガスとは管壁で隔絶され混ざり合うことなく作動ガスを加熱することが出来る。この加熱器２２の周辺の空間は加熱された作動ガスが集まる高温空間１４である。
作動ガスを加熱する熱源は、加熱器２２内部で燃料を燃焼させた時に発生する熱である。熱媒を用いて行うこともできるが熱媒を用いる場合については後で述べるものとする。
下壁面にも同様に棒状加熱冷却器２０の端部の太さに相当する穴があいており棒状加熱冷却器２０の下端はこの穴に作動ガスがもれないようにしてナット２８で封じとめられている。棒状加熱冷却器２０の下端に位置する冷却器２４は冷却水集合室３３につながっている。やはり冷却水は管壁によって作動ガスと隔絶されており作動ガスと直接接触することなく作動ガスを冷却することが出来る。

ディスプレーサピストン１２はこの棒状加熱冷却器２０に嵌合すると共にディスプレーサシリンダ１１の内壁面にも嵌合するように挿入されている。ディスプレーサシリンダ１１は通気口３５を介してパワーシリンダ３６につながっている。
図面を見やすくするため棒状加熱冷却器２０の数を６本（断面図に表れているものは２本）としているが、６本では容量が不足することは後述する簡単な説明で明らかである。棒状加熱冷却器２０の本数はディスプレーサシリンダと加熱燃焼管の直径によって大きく異なるが、通常十数本ないし数十本あるいはそれ以上必要である。

棒状加熱冷却器２０は、加熱器２２、閉塞部分２３、冷却器２４等からなっているが詳細については後ほど図２、図３および図４によって説明する。

それぞれの加熱器２２の中空部分２１には燃料送入管２５と空気送入管２６が閉塞部分２３近くまで挿入されている。加熱器２２の内部で燃料を燃焼させることによってその外壁に接触する作動ガスを加熱するためのものである。加熱器２２の周辺の空間は加熱された作動ガスが集まる高温空間１４である。燃焼には大量の空気が必要であり燃料送入管２５に比べ空気送入管２６は十分に太くすることが必要である。加熱器２２の内部は外気につながっており燃焼は大気圧の下で行われる。加熱器２２には燃料に点火する機構が必要であるが、気体燃料や揮発性の高い液体燃料に対しては図４の説明で後述するように電気火花により点火する方法が簡単でよい。

作動ガスを加熱した燃焼ガスは燃焼ガス集合室３１に集まり排気管３２より排気される。しかしこの燃焼ガスは多くの熱を持っておりこのまま捨てたのではエネルギーロスが大きいため、図には示していないが空気予熱器による熱回収やボトミングサイクル用スターリングエンジンの熱源として利用し更なる熱効率の向上を図ることが重要である。このほか、脱硫、脱硝、脱ＰＭ（脱粒子状物質）等の公害対策も考えなければならない。ただこれらはいずれも公知の技術であり詳細は省略する。
図には示していないがディスプレーサシリンダ１１の上部は高温になるため、保温材による保温や表面の鏡面化等の処置によって熱の散逸を防止し熱効率の向上を図ることが望ましい。

それぞれの冷却器２４には冷却水送入管２７が閉塞部分２３近くまで挿入されておりこの内部に冷却水を送る構造になっている。これによって冷却器２４の外壁面を常に低い温度に維持しこれに接触する作動ガスを冷却することが可能となる。冷却器２４の周辺の空間は冷却された作動ガスが集まる低温空間１３である。作動ガスを冷却した冷却水は冷却水集合室３３に集まり冷却水排出口３４より排出される。冷却には新水またはラジエータで冷却した循環水が使用できる。

ディスプレーサシリンダ１１の長さは高温空間１４と低温空間１３との間隔を大きくして熱伝導損失やシャトルロスを小さくするため長いほうがよい。ただディスプレーサシリンダ１１を長くするとディスプレーサピストン１２もが長くしなければならないが、これは再生熱交換器が長くなることになり、流動抵抗によるロスの増大や死空間の増大による出力低下を招くので長くしすぎるのも問題である。
ディスプレーサピストン１２はピストンロッド１５によって駆動される。ピストンロッド１５はロッドシール１７によってシールされている。

次に棒状加熱冷却器２０の構造について説明する
図２は棒状加熱冷却器２０の正面図、図３は加熱器２２付近の拡大斜視図である。冷却器２４付近についての拡大図は加熱器２２付近とほとんど同じであり省略する。図２および図３に示すように棒状加熱冷却器２０は両端に中空部分２１が、中央に閉塞部分２３がある細管のような形状をしたものである。その一端の中空部分２１は内部を燃焼ガスあるいは熱媒によって加熱することでその外壁面を高温度とし、その外壁面に接触する作動ガスを加熱することができるもので加熱器２２の一部である。その反対側の中空部分２１は内部を冷却することでその外壁面を低温度とし、その外壁面に接触する作動ガスを冷却することができるもので冷却器２４の一部である。中空部分２１の長さはディスプレーサピストン１２のストロークにほぼ等しくなっておりこれがほぼ加熱器２２および冷却器２４の長さになっている。
両端とも図１に示したようにディスプレーサピストン１２の上壁面および下壁面にナット止めされるのでこのためのネジ溝２９が切られている。

図２および図３に示した加熱器２２は内部が中空になっておりここに燃料送入管と空気送入管とが挿入されているものである。この場合、加熱器２２側の中空部分２１で燃焼した燃料は燃焼ガスとなり、燃焼ガスが持つ熱は加熱器２２の内壁面を通じて作動ガスに伝えられる。この形式のものは構造が簡単で製造する上で都合がよいが、大気圧下で燃焼させる場合、燃焼ガスと加熱器２２の内壁面との間の熱伝達係数が小さいため棒状加熱冷却器一本あたりの伝熱能力はそれ程大きいものではない。

図４はこの欠点を補った加熱器で、図に示すように内部に加熱器２２の内壁面と接触する伝熱材１８を充填したことが特徴である。これによって燃焼ガスの接触面積が大きくなり伝熱性能が向上する。
冷却器については金属と水との間の熱伝達であるため熱伝達係数が大きく特別な対策は必要ないことが多いが、水切り板を挿入する等して冷却水の内壁面への当たりを強め冷却能力を高める方法をとってもよい。

加熱器２２の内部に充填する伝熱材１８は燃焼ガスから受け取った熱を加熱器２２の内壁面に伝えるため、耐熱性があり、且つ熱伝導性が良好である必要がある。また、構造的には伝熱材１８の内部で燃焼を維持できる空隙と燃焼ガスを流すことができる通気性を持った構造でなければならない。また燃焼ガスとの接触面積はできる限り大きい構造であることが望まれる。
このような伝熱材１８として
（１）金属製のリボン又は針金を波状に折り曲げたもの。
（２）放射状に切込みを入れた金属円板の各片を適宜にねじり扇風機の羽根状としたもの。
（３）加熱器２２の形状に合わせて小さな円板状に切った金網。
等を必要量重ねて使用すればよい。いずれの場合でも伝熱材１８と加熱器２２の内壁面との接触を完全にして熱の移動が十分に行われるよう注意する必要がある。この部分が接触していないと熱伝導による熱の移動がなくなり放射熱による熱移動だけになるため伝熱材１８の効果が小さくなる。

燃料を燃焼させるに当たっては大量の空気が必要になるため、図４に示したように空気送入管２６の方を太くする必要がある。また図のように燃料送入管２５を空気送入管２６の中を通すようにすると伝熱材１８の加工が楽である。
加熱器２２の奥まで伝熱材１８を充填するとその奥で燃料に点火することは困難になるので点火プラグ等による点火が必要になる。空気送入管２６をセラミック等の電気絶縁材料で作り燃料送入管２５を金属材料で作ると、燃料送入管２５を燃料点火用電極として共用することができる。燃料送入管２５と棒状加熱冷却器２０との間に高圧電流を流すことによって先端で火花放電を起こし燃料に点火するものである。勿論この場合、燃料送入管２５は棒状加熱冷却器２０から電気的に浮かせておくことが必要である。

燃料と空気との混合を加熱器２２の先端部分で一度に行うと、先端部分のみで燃焼が起こり、この部分の温度が異常に上昇するため燃料を僅かしか送ることができなくなることがある。このような場合には、空気送入管２６の先端部を絞ると共に空気送入管２６の途中に中間吐出口１９を設け、空気を一次空気、二次空気という形に分けて供給して段階的に燃焼させるとよい。

次に図５に示すディスプレーサピストン１２の構造について説明する。
ディスプレーサピストン１２はディスプレーサシリンダ１１に嵌合する円筒体であるが、この円筒体をディスプレーサシリンダ１１に嵌合させた時このディスプレーサシリンダ１１に設けた棒状加熱冷却器２０が邪魔にならないように棒状加熱冷却器２０に対応する位置にこの棒状加熱冷却器２０の直径より僅かに太い貫通孔１６をこの円筒体の中心軸に平行に設けたものであり外見は図５に示すように練炭を長くしたような形状になっている。複数本数の棒状加熱冷却器２０はこの貫通孔１６に嵌合してディスプレーサピストン１２を貫通すると共にこのディスプレーサピストン１２はディスプレーサシリンダ１１に嵌合されている。このようにディスプレーサピストン１２はディスプレーサシリンダ１１と棒状加熱冷却器２０の双方に嵌合しているため、棒状加熱冷却器２０があってもそれに妨げられることなくディスプレーサシリンダ１１内を自由に往復運動することができる。

ディスプレーサピストン１２の長さはディスプレーサシリンダ１１の長さからディスプレーサピストン１２のストローク長を差し引いた長さにほぼ等しくなっている。前述したようにディスプレーサピストン１２にはこれを駆動するためのピストンロッド１５が付いており作動ガスがもれないようにロッドシール１７によってシールされている。このロッドシール１７は作動ガスをシールするものであり厳密なシール性が要求されるが、シールを厳密にしすぎると摩擦抵抗が大きくなり出力に悪影響が出るので両者の兼ね合いが大切である。図には示していないが、リニアモータによる駆動方式としてディスプレーサシリンダ内に組み込むとロッドシールは不要となりこれらの問題を回避できる。いずれの方法であっても正確に駆動できるものであれば本発明の効果に影響を及ぼすものではない。

ディスプレーサピストン１２の往復運動によって作動ガスが高温空間１４から低温空間１３へ、あるいは低温空間１３から高温空間１４へディスプレーサピストン１２の内部を通過して移動するが、このときディスプレーサピストン１２は再生熱交換器としても機能する。このためディスプレーサピストン１２は通気性と蓄熱性を持つことが必要である。ディスプレーサピストン１２の貫通孔１６は棒状加熱冷却器２０が嵌合するため作動ガスを通すことができない。このため通常ディスプレーサピストン１２自体を蓄熱性を有する通気性素材によって作り、作動ガスはその内部を通過しその際作動ガスとの間で熱の授受ができるようにしてある。
ディスプレーサピストン１２自体を通気性素材で作ったのでは強度が不足する場合には、ディスプレーサピストン１２の構造材には通気性はないが強度が大きいものを使用し、この内部を縦方向に貫通するようにディスプレーサピストン１２の上端面から下端面に至る作動ガス流路を設ければよい。この流路を蓄熱性を有する通気性素材によって作ることによってディスプレーサピストン１２自体を蓄熱性を有する通気性素材で作ったのと同様の効果を得ることができる。
ディスプレーサピストン１２に使用する蓄熱性を有する通気性素材として、積層金網、発泡金属、焼結金属、金属繊維マット、スプリングメッシュ、スチールウール、充填されたスチールボール等公知のスターリングエンジンの再生熱交換器に用いられている材料が適している。

ディスプレーサピストン１２は作動ガスを高温空間１４から低温空間１３へ、あるいは低温空間１３から高温空間１４へ移送する機能と再生熱交換器としての機能だけではなく、加熱器２２および冷却器２４を交互に露出隠蔽する機能も持っている。ディスプレーサピストン１２が上昇すると上部にある加熱器２２および高温空間１４はディスプレーサピストン１２によって隠蔽され、下部にある冷却器２４が林立するように露出し低温空間１３が出現する。作動ガスは冷却器２４の表面に接触して冷却される。ディスプレーサピストン１２が降下すると下部にある冷却器２４および低温空間１３はディスプレーサピストン１２によって隠蔽され、上部にある加熱器２２が林立するように露出し高温空間１４が出現する。作動ガスは加熱器２２の表面に接触して加熱される。

ディスプレーサピストンに再生熱交換器としての機能を持たせることは特許文献２等にも記されていることであり公知の技術であるが、ディスプレーサシリンダ内部に棒状加熱冷却器を多数配備してこれらをディスプレーサピストンに嵌合させ、ディスプレーサピストンの往復運動によって加熱器および冷却器を交互に露出隠蔽することで作動ガスの加熱および冷却を行わせるという方法は公知の技術にはなく、その構造や機能は公知の技術とは大きく異なる斬新なものである。棒状加熱冷却器の本数は無制限とはいかないがかなりの自由度でもって増量することができるため、作動ガスと加熱器あるいは作動ガスと冷却器との間の接触面積の増大を図ることが可能となり、熱効率が高く出力が大きいスターリングエンジンの実現が可能となったわけである。

図１に示したガス加熱冷却装置１０は加熱器２２の内部で燃料を燃焼させる直接加熱方式のものである。メタン、プロパン、ブタンのような気体燃料やガソリンのように粘度が低く揮発性の高い液体燃料を使用する場合はこれでよいが、重油のように粘度の高い液体燃料や、石炭やＲＤＦのような固体燃料を使用する場合はこれらを狭い加熱器２２の内部で燃焼させることが必要となり困難を伴うことが多い。燃料の特性に応じ場合によっては溶融金属等の熱媒を用いた間接加熱方式とすることが必要になる。この場合には加熱器２２内部に挿入する燃料送入管２５および空気送入管２６に代えて熱媒送入管を挿入し別に設けた熱交換器で加熱した溶融金属等の熱媒を循環ポンプによって循環させればよい。このように間接加熱方式に変更した場合も直接加熱方式と同様に加熱器２２と接触する作動ガスを加熱することができる。溶融金属と加熱器２２の壁材との間の熱伝達率は燃焼ガスと加熱器２２の壁材との間の熱伝達率より大きいためこの部分の熱伝達面だけに限れば間接加熱方式の方が有利である。ただし、配管内で熱媒が凝固すると再起動できなくなるため、熱媒を配管や加熱器２２から抜き取っておくか休転中も最低限の循環や加熱を続ける等をする必要があり、維持する上でかなりの困難を伴うこととなる。

以上で本装置の構造は理解できたと考えるので次に本装置の機能およびスターリングエンジンとして構成した場合の行程について説明する。機能については既に構造のところで説明したものもあり重複する部分もあるが理解を容易ならしめるため重複をいとわず説明するので諒解願いたい。
初めに本装置におけるディスプレーサピストン１２と棒状加熱冷却器２０の働きについて説明する。

ディスプレーサピストン１２が上昇すると高温空間１４にあった作動ガスはディスプレーサピストン１２の内部を通りディスプレーサピストン１２に自分が持っている熱を与えながら低温空間１３に移動する。高温空間１４はディスプレーサピストン１２に占拠されてなくなり、棒状加熱冷却器２０の上部にある加熱器２２の表面はディスプレーサピストン１２に隠蔽され作動ガスを加熱することができなくなる。一方ディスプレーサシリンダ１１の下部には低温空間１３が出現し棒状加熱冷却器２０の下部にある冷却器２４が露出しこれに接触する作動ガスが冷却される。ディスプレーサピストン１２は作動ガスが持っていた熱を受け取り貯えている。

ディスプレーサピストン１２が降下すると低温空間１３にあった作動ガスはディスプレーサピストン１２の内部を通りディスプレーサピストン１２に貯えられた熱を受け取りながら高温空間１４に移動する。低温空間１３はディスプレーサピストン１２に占拠されてなくなり、棒状加熱冷却器２０の下部にある冷却器２４の表面はディスプレーサピストン１２に隠蔽され作動ガスを冷却することができなくなる。一方ディスプレーサシリンダ１１の上部には高温空間１４が出現し棒状加熱冷却器２０の上部にある加熱器２２が露出しディスプレーサピストン１２から熱を受け取った作動ガスがこれに接触しさらに加熱される。
本ガス加熱冷却装置１０はこのようにディスプレーサピストン１２を上昇降下させることによって内部に封入されている作動ガスを冷却加熱することができるものである。

ここで棒状加熱冷却器が6本では不足する理由について簡単に説明する。
一般に燃焼は大気圧下で行われるため燃焼ガスと壁材との間の熱伝達率が小さく、伝熱面積が問題になるのは燃焼ガスと壁材との間の伝熱面である。今、例としてディスプレーサシリンダの外径１００ｍｍ、ピストンストローク５０ｍｍ、加熱器の内径１０ｍｍとして比較する。外壁加熱方式の場合ディスプレーサシリンダの側壁面のみから加熱するものとするとその伝熱面積は円周率を３．１４として１５７平方ｃｍである。これに対して加熱器の場合内面の伝熱面積は９４．２平方ｃｍで加熱器の伝熱面積の方が小さい。外壁加熱方式の場合はこれに上壁面からの伝熱が加わるほかフィンを付けるなどして表面積を大きくしているがそれでもなお十分とはいえないわけで、棒状加熱冷却器が６本ではその伝熱面積は外壁加熱方式の場合の伝熱面積の６割以下にしかならず当然伝熱面積不足となるわけである。この場合、図４に示した伝熱材を充填した加熱器とすると伝熱能力が増大するが１０倍も２０倍も増大するものではない。もし外壁面の強度低下を問題にしないのであれば外壁面も合わせて加熱すれば伝熱面積は外壁面を単独で加熱した場合より大きくなるのは当然である。

図６は本発明になるガス加熱冷却装置１０を用いて構成したスターリングエンジンを模式的に示したものである。図６より明らかなようにこのスターリングエンジンは作動ガスの加熱方法、冷却方法および熱再生方法が異なるだけでそれ以外は図９に示す公知のスターリングエンジンと同じである。図６に示したものはディスプレーサピストン１２の位相がパワーピストン３７の位相にほぼ９０度先行するごく一般的なものである。この位相差はディスプレーサピストンとパワーピストンとの相互干渉のため最適値は７０度から１２０度まで設計によって変化するといわれている。パワーピストンやパワーシリンダの構造、ディスプレーサピストンの駆動方法、サイドスラストに配慮した出力取り出し機構等についてはスターリングエンジンの公知の技術であり詳細については省略する。

図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は図６に示したスターリングエンジンの行程を示した模式図である。図中の矢印はピストンの動く方向を示している。この図を用いて本ガス加熱冷却装置を使用したスターリングエンジンの行程について説明する。

今、加熱器２２は燃焼ガスによって高温に、また冷却器２４は冷却水によって低温に維持されているものとする。
最初、ディスプレーサピストン１２が図７（Ａ）のように上死点にあり高温空間１４はディスプレーサピストン１２によって占拠され加熱器２２はディスプレーサピストン１２でほとんど隠蔽されているものとする。この状態ではディスプレーサシリンダ１１の内部の作動ガスは低温空間１３に押しやられ加熱されることはない。このときパワーピストン３７は最高速度で作動ガスを圧縮し低温空間１３に送り込んでくる。低温空間１３に送り込まれた作動ガスは閉塞部分２３の下にある冷却器２４と接触し冷却されている状態にあり等温圧縮である。

ディスプレーサピストン１２が降下を始め図７（Ｂ）に示すようにディスプレーサシリンダ１１の中央部に達するとその速度は最高になり、低温空間１３にあった作動ガスはディスプレーサピストン１２の内部を通って上部の高温空間１４に急速に移動する。ディスプレーサピストン１２は再生熱交換器としての機能も併せ持っており、高温空間１４に移動しようとする作動ガスは前の行程でディスプレーサピストン１２が貯えていた熱を受け取って温度が上昇する。さらに加熱器２２に接触して加熱され一層温度が上昇して膨張しようとする。しかしパワーピストン３７は上死点にあって系全体の体積は最小値近辺で変化しないため等積加熱となり圧力が上昇する。

ディスプレーサピストン１２が図７（Ｃ）に示すように下死点に達すると低温空間１３はディスプレーサピストン１２でほぼ完全に塞がれ低温空間１３にあった作動ガスはディスプレーサピストン１２の内部を通って高温空間１４に移動し加熱器２２によって加熱され膨張する。膨張した作動ガスはパワーシリンダ３６の方に流れてパワーピストン３７を押し下げる。ディスプレーサピストン１２は下死点にあるためほとんど動かず加熱器２２は露出したままであり等温膨張である。

ディスプレーサピストン１２が上昇を続け図７（Ｄ）に示すように中央部に達したときパワーピストン３７も上昇に転ずるがそれまでに多くの作動ガスが通気口３５を通ってパワーシリンダ３６に流れ込む。
ディスプレーサピストン１２が中央部に達したときその上昇速度はもっとも早くなり高温空間１４にあった作動ガスは急速に低温空間１３に移動してきて冷却器２４によって冷却される。一方パワーピストン３７は下死点にあり系全体の体積はほとんど変化しないため等積冷却である。

ディスプレーサピストン１２が上死点に達して最初の状態に戻りサイクルは完結する。

このように本発明になるガス加熱冷却装置を用いて構成したスターリングエンジンはスターリングサイクルをほぼ忠実に実現したものである。作動ガスが圧縮されるときは冷却器２４が露出して作動ガスは冷却されているため基本的に等温圧縮である。もし冷却効率が悪く断熱圧縮が起こったとしても作動ガスは冷却されることなく加熱器２２によって加熱される構造になっているため、図９に示す公知のスターリングエンジンのように断熱圧縮により温度が上昇した作動ガスがディスプレーサシリンダに集まりこれが加熱される前に冷却されるという事態が発生することはない。このためエネルギーロスがなくなり熱効率の向上が期待できる。

直接加熱方式のガス加熱冷却装置の要部断面図である。棒状加熱冷却器の正面図である。棒状加熱冷却器の加熱器付近の拡大斜視図である。伝熱材を充填した棒状加熱冷却器の加熱器付近の拡大断面模式図である。ディスプレーサピストンの斜視図である。本発明になるガス加熱冷却装置を用いて構成したスターリングエンジンの模式図である。図６に示すスターリングエンジンの行程を示した模式図である。従来のスターリングエンジンの模式図である。別の形式の従来のスターリングエンジンの模式図である。

符号の説明

１０ガス加熱冷却装置
１１ディスプレーサシリンダ
１２ディスプレーサピストン
１３低温空間
１４高温空間
１５ピストンロッド
１６貫通孔
１７ロッドシール
１８伝熱材
１９中間吐出口
２０棒状加熱冷却器
２１中空部分
２２加熱器
２３閉塞部分
２４冷却器
２５燃料送入管
２６空気送入管
２７冷却水送入管
２８ナット
２９ネジ溝
３１燃焼ガス集合室
３２排気管
３３冷却水集合室
３４冷却水排出口
３５通気口
３６パワーシリンダ
３７パワーピストン
５１ディスプレーサシリンダ
５２ディスプレーサピストン
６１ディスプレーサシリンダ
６２ディスプレーサピストン
６３加熱器
６４再生熱交換器
６５冷却器

Claims

一端に内部を加熱して高温度となしその外壁面に接触する作動ガスを加熱することができる加熱器を備え、他端に内部を冷却して低温度となしその外壁面に接触する作動ガスを冷却することができる冷却器を備えた棒状加熱冷却器を、該作動ガスが出入りする通気口を備えたシリンダ内に該シリンダの中心軸と平行に複数本数取り付けこれをディスプレーサシリンダとし、該ディスプレーサシリンダ内に取り付けられた該棒状加熱冷却器に対応する位置に該棒状加熱冷却器と嵌合させる貫通孔を設けた蓄熱性と通気性を有するピストンをディスプレーサピストンとし、該ディスプレーサシリンダ内壁面と夫々の棒状加熱冷却器の外壁面とのいずれにも嵌合するように該ディスプレーサピストンを該ディスプレーサシリンダ内に組み込み、該ディスプレーサピストンを駆動する機構を取り付けて構成したガス加熱冷却装置。
請求項１記載のガス加熱冷却装置の通気口とパワーシリンダの通気口を接続し、ディスプレーサピストンと該パワーシリンダに嵌合しているパワーピストンを位相差を持たせて連接して駆動するようにした請求項１記載のガス加熱冷却装置を使用したスターリングエンジン。