JP2009257250A - Low pressure-loss stirling engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスターリングエンジンをより小型化高出力化するため高速回転が可能となるようにシリンダー内の作動ガスの往復流動損失による圧力損失を大幅に軽減することを狙いとしたスターリングエンジンである。 The present invention is a Stirling engine aimed at greatly reducing pressure loss due to reciprocal flow loss of working gas in a cylinder so that high-speed rotation is possible in order to make the Stirling engine smaller and higher in output.
スターリングエンジンは一種の外燃機関であり、シリンダー内部の作動ガスを外部から加熱器を介して加熱膨張せしめ、冷却器を介して冷却収縮せしめエンジンとして動作させるものである。そして、スターリングエンジンの最大の特徴は再生器を前記加熱器と冷却器の間に設けて、作動ガスが加熱側から冷却側に移動する際に該再生器で一旦蓄熱し、そして、作動ガスが冷却側から加熱側に移動する際には該蓄熱された熱を受熱し、昇温されて加熱器にいたる構成としたことである。
The Stirling engine is a kind of external combustion engine, which is operated as an engine in which the working gas inside the cylinder is heated and expanded from the outside via a heater and is cooled and contracted via a cooler. The greatest feature of the Stirling engine is that a regenerator is provided between the heater and the cooler, and when the working gas moves from the heating side to the cooling side, the regenerator temporarily stores heat, and the working gas is stored in the regenerator. When moving from the cooling side to the heating side, the stored heat is received and the temperature is raised to the heater.
しかしながら、シリンダー内を作動ガスが冷却側→再生器→加熱器→再生器→冷却器と往復流するため、作動ガスの流動損失(圧力損失)が発生する。作動ガスが空気の場合は1000rpm、ヘリュームガスの場合は1800rpm、そして、最も粘性の小さい水素ガスでも2500rpm以上の回転でエンジンの出力は顕著に減少する傾向となる。
一方、内燃機関は吸気・排気が一方向で行われるためこのような流動損失が少なく、5000rpmまでも回転し、回転にほぼ比例して出力が増加する。この重量にたいする比出力の大きさが、スターリングエンジンの実用化にブレーキとなっていた。
また、スターリングエンジンではピストン頂隙、冷却器、再生器、加熱器、および通路などで占める所謂無駄な容積(死容積という)がある。該死容積が大きくなるとエンジン出力が低下する傾向がある。従って、冷却器、再生器、加熱器などの熱交換器での流動損失を減らすために、作動ガスの流路断面積を増やすことは、前記死容積を大きくすることは問題の解決にはならない。死容積も減らし、流動損失も同時に減らすことがスターリングエンジンに最も望まれることである。
However, since the working gas reciprocates in the cylinder in the cooling side → regenerator → heater → regenerator → cooler, a working gas flow loss (pressure loss) occurs. When the working gas is air, the engine output tends to decrease significantly at 1000 rpm, when the gas is helium gas, 1800 rpm, and even with the least viscous hydrogen gas, the rotation speed is 2500 rpm or more.
On the other hand, since the intake and exhaust are performed in one direction, the internal combustion engine has such a flow loss and rotates up to 5000 rpm, and the output increases almost in proportion to the rotation. The magnitude of the specific output relative to this weight was a brake for the practical use of Stirling engines.
In addition, the Stirling engine has a so-called wasted volume (referred to as dead volume) occupied by a piston top gap, a cooler, a regenerator, a heater, and a passage. When the dead volume increases, the engine output tends to decrease. Therefore, in order to reduce flow loss in heat exchangers such as coolers, regenerators, and heaters, increasing the cross-sectional area of the working gas does not solve the problem of increasing the dead volume. . It is most desirable for Stirling engines to reduce dead volume and flow loss at the same time.
現在のスターリングエンジンの構成において、まず、冷却器はチューブ&シエル型が最も多く、内径およそΦ1mmの数十本細管内を作動ガスが流れ、管外を水が流れ冷却するが、該管内の作動ガスによる流動損失は大きい。また、再生器は100メッシュ〜200メッシュの細かい目のステンレスの金網を流れ方向に直角に数百枚積層しているものが殆ど一般的であり、これが、流動損失の最大の原因となっている。スターリングエンジンの最大の特徴が最大のネックになっているのが現状である。また、加熱器は管長はあるが、管内径も大きくとれるため、流動損失は比較的問題とはならない。
更に、一般的なスターリングエンジンにおいて、冷却器、再生器、および加熱器を一体的に構成するシリンダーは、一般的にフランジ部を有し、該フランジでエンジンケースに固定されている。このためフランジ付きシリンダーの外周にウオータジャケットを設けることは構成上困難である。また、銅管のコイル巻き冷却器をシリンダー外周に構成することは可能であるが、冷却有効長を長く取れないこととフランジの付いたシリンダーでは冷却マスが大きくなるなどで充分な冷却効果が得られないという欠点がある。
Further, in a general Stirling engine, a cylinder that integrally constitutes a cooler, a regenerator, and a heater generally has a flange portion, and is fixed to the engine case by the flange. For this reason, it is difficult to construct a water jacket on the outer periphery of the flanged cylinder. Although it is possible to configure a coiled coil cooler for copper pipes on the outer periphery of the cylinder, a sufficient cooling effect can be obtained due to the fact that the effective cooling length cannot be made long and the cooling mass becomes large in the flanged cylinder. There is a disadvantage that it is not possible.
スターリングエンジンの死容積を減らし、且つ、流動損失を減少せしめ、高回転でのエンジン出力を確保するために、再生器と冷却器をシリンダーの同心内側に位置するシリンダーライナーの同一円筒空間内に配置し、該再生器である比較的幅の広い金網を該円筒空間内で円周方向に巻かれた状態で配置し、そして、前記水冷却器を前記シリンダーライナーに形成された円筒空間と同心外側のシリンダー外周壁とストップ部材の延長部で密封的に形成された水冷ジャケット或いはシリンダー外周壁と直接接触する様に巻かれた銅管コイルで冷却する構成とすることで、作動ガスはシリンダーライナーに形成された冷却器および再生器の大径部僅少スキマをストレートで且つ、スムースに往復し、流動損失を低減する構成とすることが狙いである。 In order to reduce the dead volume of the Stirling engine, reduce the flow loss, and ensure the engine output at high rotation, the regenerator and the cooler are placed in the same cylindrical space of the cylinder liner located concentrically inside the cylinder. A relatively wide wire mesh as the regenerator is disposed in a state of being wound in the circumferential direction in the cylindrical space, and the water cooler is concentrically outside the cylindrical space formed in the cylinder liner. The cooling gas is cooled by a water cooling jacket that is hermetically formed by the cylinder outer wall of the cylinder and an extension of the stop member, or by a copper tube coil wound so as to be in direct contact with the cylinder outer wall. The aim is to reduce the flow loss by straightly and smoothly reciprocating the small diameter clearance of the formed cooler and regenerator. .
上記課題を達成するために、前記再生器と冷却器をシリンダーライナーの同一円筒空間内に配置し、そして、前記水冷却器を前記円筒空間と同心外側に配置されたシリンダーに水冷ジャケット或いは銅管コイルで冷却する構成とするには、該シリンダーに固定用フランジ部を設けなくシリンダーの円筒部を直接固定するが一つのポイントとなる。本発明はシリンダーとエンジンケースの固定を一個のリング部材で行うこととし、該リング部材を一方はフランジ部材或いはエンジンケースで他端はストップ部材で両側から挟んで固定する構成としたことを特徴とする。
そして、ストップ部材の他端はシリンダー外周に2箇所密封状態で軸方向に延長し、ウオータジャケットを形成することを特徴とするスターリングエンジンを提供する。
In order to achieve the above object, the regenerator and the cooler are disposed in the same cylindrical space of a cylinder liner, and the water cooler is installed in a water cooling jacket or a copper pipe on a cylinder disposed concentrically outside the cylindrical space. In order to cool by a coil, one point is to directly fix the cylinder portion of the cylinder without providing a fixing flange portion on the cylinder. The present invention is characterized in that the cylinder and the engine case are fixed by a single ring member, one of which is a flange member or an engine case and the other end is fixed by being sandwiched from both sides by a stop member. To do.
In addition, the Stirling engine is characterized in that the other end of the stop member extends in the axial direction in a sealed state at two locations on the outer periphery of the cylinder to form a water jacket.
以上説明したように、最小限の死容積で作動ガスの冷却器および再生器の流動損失(圧力損失)を小さく抑えたエンジンを提供するとともに、確実な水冷却が行え、更に、金網を巻いた長尺再生器により作動ガスの通過パスが長くなり、再生器効率が高くとれるという効果も付随的に出る。
こうしたことで、作動ガスの流動損失が低減され、高回転で出力が得られるスターリングエンジンが提供でき、冷却器および再生器の構成も簡単となり、より安価なスターリングエンジンを提供できる。
As described above, an engine that minimizes the flow loss (pressure loss) of the working gas cooler and regenerator with a minimum dead volume is provided, and water can be reliably cooled, and a wire mesh is wound. The long regenerator lengthens the passage of the working gas and has the additional effect of increasing the regenerator efficiency.
As a result, the flow loss of the working gas is reduced, and a Stirling engine that can output at a high rotation speed can be provided. The configuration of the cooler and the regenerator can be simplified, and a cheaper Stirling engine can be provided.
この構成は高速回転が要求されるフリーピストンのスターリングエンジンで最も優れた効果を発揮する。勿論、キネマチック型のスターリングエンジンにおいても小型化と安価なエンジンという効果が期待できる。
This configuration is most effective in a free piston Stirling engine that requires high speed rotation. Of course, a kinematic Stirling engine can also be expected to have the effect of downsizing and an inexpensive engine.
図1はスターリングエンジンの一般的構成を示したものである1はキネマチック型のスターリングエンジン発電機本体を示す。該エンジン本体1は2個の同軸上に配置されたパワーピストン14’とディスプレーサピストン13’に連結されたディスプレーサロッド15’を所定の位相差で駆動するクランク機構16’とフライホイール17’からなる駆動部、および、始動時はモータとして作動し、エンジン自立後は発電機として作動するモータ&発電機部18’、そして、前記ディスプレサピストン13’と同心軸上に配置された熱交換器類である冷却器4’、再生器5’および加熱器6’を有する作動部の3つの部分で構成されている。
前記駆動部であるパワーピストン15’はフランジ部材9’の内径側で軸方向摺動可能に嵌合し、そして、前記ディスプレーサピストン13’はシリンダー3’の内側にあって同心軸上に配置されたシリンダーライナー7’の内径側で摺動可能に嵌合している。そして、前記パワーピストン14’の上端部と前記ディスプレーサピストン13’に設けられたピストンシール19’で形成された低温空間12’と前記ディスプレーサピストン13’の上端部とシリンダー3’の内径側上端部で形成される高温空間11’があり、該2つの空間を繋ぐ作動ガス経路に冷却器4’、再生器5’、通路22’、および加熱器6’が配置される構成となっている。
該冷却器4’は一般的なチューブ&シェルであり、前記シリンダー3’に密封されて同軸上で嵌合し、水入り口と出口を有し、水冷却され、そして、フランジ部材9’で一端を軸方向で固定され他端はシリンダー3’の肩部で固定されている。また、再生器5’は一般的には数百枚の金網を軸方向に積層したタイプのものであり、シリンダー3’の内径側と前記シリンダーライナー7’の間にドウナツ状に配置されている。更に、前記シリンダー3’は通路22’と加熱器6’を有し、全体はフランジ部でエンジンケース2’に固定される構成となっている。
FIG. 1 shows a general configuration of a Stirling engine. Reference numeral 1 denotes a kinematic Stirling engine generator body. The engine body 1 comprises two coaxially arranged power pistons 14 'and a displacer rod 15' connected to the displacer piston 13 'with a crank mechanism 16' and a flywheel 17 'for driving with a predetermined phase difference. A drive unit, a motor &
The power piston 15 ', which is the driving portion, is fitted on the inner diameter side of the flange member 9' so as to be slidable in the axial direction, and the displacer piston 13 'is disposed on the concentric shaft inside the cylinder 3'. The cylinder liner 7 'is slidably fitted on the inner diameter side. The upper end of the power piston 14 ', the low temperature space 12' formed by the piston seal 19 'provided in the displacer piston 13', the upper end of the displacer piston 13 ', and the upper end of the cylinder 3' on the inner diameter side. And a cooler 4 ', a regenerator 5', a passage 22 ', and a heater 6' are arranged in a working gas path that connects the two spaces.
The cooler 4 'is a general tube and shell, is sealed to the cylinder 3' and coaxially fits, has a water inlet and outlet, is water cooled, and has one end at a flange member 9 '. Is fixed in the axial direction, and the other end is fixed by the shoulder of the cylinder 3 '. The regenerator 5 'is generally of a type in which several hundreds of wire meshes are laminated in the axial direction, and is arranged in a donut shape between the inner diameter side of the cylinder 3' and the cylinder liner 7 '. . Further, the cylinder 3 'has a passage 22' and a heater 6 ', and the whole is fixed to the engine case 2' by a flange portion.
図2は本発明の全体構成と拡大図を示したものである。図1の構成と異なるところのみ以下説明する。
冷却器4は一般的なチューブ&シェルではなく、シリンダー3の内径側と該シリンダー3に同軸上で嵌合しているシリンダーライナー7の外周部に形成された狭い通路が作動ガス側の冷却空間となり、そして、ストップ部材8の延長した内径側とシリンダー3の外周壁と密封的に形成された水入り口と出口を有するウオータジャケット部で水冷却される構成となっている。また、再生器5は一般的な数百枚の金網を軸方向に積層したタイプのものでなく、前記冷却器と同じ延長空間上に配置され、シリンダー3の内径側と前記シリンダーライナー7の間に長い幅で円周巻き状に配置されており、そして、前記図1の通路22’が省略され無駄な死容積空間がなくなっている。更に、前記シリンダー3全体は該シリンダー3の一端に設けられた溝に嵌ったリング部材10をフランジ部材9の肩部とストップ部材8の一端で挟んでエンジンケース2に固定する構成となっている。
FIG. 2 shows an overall configuration and an enlarged view of the present invention. Only the differences from the configuration of FIG. 1 will be described below.
The cooler 4 is not a general tube and shell, but a narrow passage formed in the inner diameter side of the
図3は本発明の他の実施例を示したものである。図1の構成と異なるところのみ以下説明する。
冷却器4”は一般的なチューブ&シェルではなく、シリンダー3の内径側と該シリンダー3に同軸上で嵌合しているシリンダーライナー7の外周部に形成された狭い通路が作動ガス側の冷却空間となり、そして、シリンダー3の外周壁に密着的に巻かれた熱伝導性に優れた銅管で水冷却される構成となっている。できれば、該銅管を巻く際に放熱効果のあがるシリコン熱伝導剤を使用すると冷却効率がより向上する。また、再生器5は一般的な数百枚の金網を軸方向に積層したタイプのものでなく、前記冷却器と同じ延長空間上に配置され、シリンダー3の内径側と前記シリンダーライナー7の間に長い幅で円周巻き状に配置されており、そして、前記通路22’が省略され無駄な死容積空間がなくなっている。更に、図2と同様、前記シリンダー3全体は該シリンダー3の一端に設けられた溝に嵌ったリング部材10をエンジンケース2の肩部とストップ部材8の一端で挟んでエンジンケース2に固定する構成となっている。
該エンジンケース2は前述図2のフランジ部材9が一体的に構成されている場合を示したものであり、構造上問題はない。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. Only the differences from the configuration of FIG. 1 will be described below.
The cooler 4 ″ is not a general tube and shell, but a narrow passage formed on the inner diameter side of the
The
図4は本発明の実施例を他の形式のスターリングエンジンで示したもである。図1の構成と異なるところのみ以下説明する。1”はフリーピストン型のスターリングエンジン発電機本体を示す。
該エンジン本体1”は2個の同軸上に配置されたパワーピストン14とディスプレーサピストン13に連結されたディスプレーサロッド15を複数個のバネ手段により所定の位相差で駆動するリニアー駆動機構16”、および、始動時はリニアーモータとして作動し、エンジン自立後は発電機として作動するリニアーモータ&発電機部18”、そして、前記ディスプレサピスト13と同心軸上に配置された熱交換器類である冷却器4、再生器5および加熱器6を有する作動部の3つの部分で構成されている。
冷却器4、再生器5、およびシリンダー3の固定方法は図2のクランク型スターリングエンジンと全く同じであるため説明を省略する。
FIG. 4 shows an embodiment of the present invention with another type of Stirling engine. Only the differences from the configuration of FIG. 1 will be described below. Reference numeral 1 ″ denotes a free piston type Stirling engine generator body.
The engine body 1 ″ includes a
The fixing method of the cooler 4, the
1 スターリングエンジン発電機本体
2 エンジンケース
3 シリンダー
4 冷却器
5 再生器
6 加熱器
7 シリンダーライナー
8 ストップ部材
9 フランジ部材
10リング部材
1 Stirling
6
Claims (3)
金網からなる再生器と水冷却器を有するスターリングエンジンに於いて、シリンダーをリング部材で軸方向に固定することにより、再生器と冷却器をシリンダーライナーの同一円筒空間内に配置することが可能となり、該再生器である金網を該円筒空間内で円周方向に巻かれた状態で配置し、そして、前記円筒空間と同心外側に配置されたシリンダー壁に形成された水冷ジャケット或いは直接シリンダーに巻き付けた銅管コイルで冷却する低圧損型スターリングエンジンを提供する。
In a Stirling engine with a regenerator made of wire mesh and a water cooler, the regenerator and cooler can be placed in the same cylindrical space of the cylinder liner by fixing the cylinder in the axial direction with a ring member. The regenerator is arranged in a state of being wound in the circumferential direction in the cylindrical space, and is wound around a water-cooled jacket or a direct cylinder formed on a cylinder wall arranged concentrically outside the cylindrical space. A low pressure loss type Stirling engine cooled by a copper tube coil is provided.
2. The Stirling engine according to claim 1, wherein one end of the stop member fixes the ring member in the axial direction, and the other end extends in the axial direction in a sealed state at two locations on the outer periphery of the cylinder. Provided is a Stirling engine characterized in that a water jacket is formed therebetween.
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JP2008108947A JP2009257250A (en) | 2008-04-18 | 2008-04-18 | Low pressure-loss stirling engine |
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CN107762660A (en) * | 2017-11-27 | 2018-03-06 | 品孚罗特过滤设备(北京)有限公司 | Backheat structure and the Stirling engine for including the backheat structure |
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- 2008-04-18 JP JP2008108947A patent/JP2009257250A/en active Pending
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CN107762660B (en) * | 2017-11-27 | 2024-05-14 | 品孚罗特过滤设备(北京)有限公司 | Heat returning structure and Stirling engine comprising same |
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