JP2009264671A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 スターリングエンジンの冷却部に関して、内圧に対する強度の低下を招くことなく、高い熱交換効率を実現する技術を提供する。
【解決手段】 本発明のスターリングエンジンは、円筒形状に形成され、内面に沿って流れる作動ガスと外面に沿って流れる冷媒を熱交換させる熱交換器と、熱交換器の外面に沿って熱交換器の周方向に冷媒を流す冷媒流路と、冷媒流路に冷媒を供給する冷媒入口と、冷媒流路から冷媒を排出する冷媒出口を備え、熱交換器の外面に、冷媒流路を熱交換器の軸方向に区画する円環形状の仕切り壁と、熱交換器の外面からの突出高さが仕切り壁よりも低い円環形状のフィンが形成され、熱交換器の周方向に関して、冷媒入口と冷媒出口が、熱交換器の中心軸を挟んで互いに対向する位置に配置され、熱交換器の軸方向に関して、冷媒入口の中心と冷媒出口の中心が、仕切り壁の中心と略同じ位置となるように配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明はスターリングエンジンに関する。

従来、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の原動機に代わるものとして、各種のスターリングエンジンが提案されている。スターリングエンジンは、理論的な効率が高く、燃料の種類に制約がなく、排気、騒音等の公害を発生しない等の利点を備えている。最近では、家庭用の発電装置にスターリングエンジンを組み込んだものについても開発が行われている。

スターリングエンジンは、作動ガスを加熱するための加熱部と、作動ガスを冷却するための冷却部を備えている。冷却部に関して、多くのスターリングエンジンでは、外部から導いた冷却水との熱交換によって作動ガスを冷却する。特許文献１には、ディスプレーサを囲うように二重円筒形状のガス流路を配置し、ガス流路の内部を流れる作動ガスとガス流路の外部を流れる冷却水とを熱交換させることで、作動ガスを冷却するスターリングエンジンが記載されている。

特開平７−１５８５０８号公報

特許文献１の技術では、冷却水が作動ガスと熱交換する伝熱面に均等に流れにくく、熱交換効率が低いという問題がある。冷却部の熱交換効率が低いと、作動ガスの冷却が不十分となり、スターリングエンジンの出力低下を招いてしまう。

冷却部の熱交換効率を向上するためには、作動ガスと冷却水の間の伝熱部材を薄肉化したり、伝熱部材を熱伝導性の高い材料とすることが考えられる。しかしながら、スターリングエンジンは、高圧の作動ガスを内部に封止する圧力容器でもあるため、作動ガスの内圧に対して十分な強度を確保しておかなければならない。作動ガスと冷却水の間の伝熱部材を薄肉化したり、あるいは熱伝導性の高い材料に変更すると、内圧に対する強度の低下を招いてしまう。作動ガスの内圧に対する強度を確保しつつ、冷却部の熱交換効率を高める技術が待望されている。

本発明は上記の課題を解決する。本発明は、スターリングエンジンの冷却部に関して、内圧に対する強度の低下を招くことなく、高い熱交換効率を実現する技術を提供する。

本発明のスターリングエンジンは、外部からの加熱と冷却によって動力を生成する。そのスターリングエンジンは、円筒形状に形成されており、内面に沿って流れる作動ガスと、外面に沿って流れる冷媒を熱交換させる冷却用熱交換器と、冷却用熱交換器の外面に沿って冷却用熱交換器の周方向に冷媒を流す冷媒流路と、冷媒流路に冷媒を供給する冷媒入口と、冷媒流路から冷媒を排出する冷媒出口を備えている。そのスターリングエンジンでは、冷却用熱交換器の外面に、冷媒流路を冷却用熱交換器の軸方向に区画する円環形状の仕切り壁と、冷却用熱交換器の外面からの突出高さが仕切り壁よりも低い円環形状のフィンが形成されている。そのスターリングエンジンでは、冷却用熱交換器の周方向に関して、冷媒入口と冷媒出口が、冷却用熱交換器の中心軸を挟んで互いに対向する位置に配置されている。そのスターリングエンジンでは、冷却用熱交換器の軸方向に関して、冷媒入口の中心と冷媒出口の中心が、仕切り壁の中心と略同じ位置となるように配置されている。

このスターリングエンジンでは、冷媒入口と冷媒出口が円筒形状の冷却用熱交換器の中心軸を挟んで互いに対向する位置関係で配置されている。このような構成とすることによって、冷媒入口から供給される冷媒は、冷却用熱交換器の外面に沿って右回りに流れる冷媒流路と、冷却用熱交換器の外面に沿って左回りに流れる冷媒流路に均等に分岐する。冷却用熱交換器の伝熱面に冷媒が均等に流れるので、高い熱交換効率を実現することができる。

このスターリングエンジンでは、冷却用熱交換器の外面に、冷媒流路を冷却用熱交換器の軸方向に区画する円環形状の仕切り壁が形成されている。また、冷却用熱交換器の軸方向に関して、冷媒入口の中心と冷媒出口の中心が、仕切り壁の中心と略同じ位置となるように配置されている。このような構成とすることによって、冷媒入口から供給された冷媒が、仕切り壁によって区画された各流路に均等に分岐して流れ、その後に冷媒出口から排出される。冷却用熱交換器の伝熱面に冷媒が均等に流れるので、高い熱交換効率を実現することができる。

このスターリングエンジンでは、冷却用熱交換器の外面に、冷媒流路を区画する仕切り壁のほかに、仕切り壁よりも突出高さの低い円環形状のフィンが形成されている。このように、仕切り壁とフィンを組み合わせた構成とすることで、冷媒が冷媒通路を流れる際の圧力損失の増大を抑制しつつ、高い熱交換効率を実現することができる。

このスターリングエンジンでは、冷媒流路に形成された円環形状の仕切り壁が、作動ガスの内圧に対する補強部材の役割も果たす。このような仕切り壁を設けたことによって、作動ガスの内圧に対する強度を確保しつつ、冷却用熱交換器の板厚を薄くして、高い熱交換効率を実現することができる。あるいは、冷却用熱交換器として熱伝導性の優れた材料を用いて、作動ガスの内圧に対する強度を確保しつつ、高い熱交換効率を実現することができる。

上記のスターリングエンジンでは、前記仕切り壁が、冷媒入口と冷媒出口に対向する個所で切り欠かれていることが好ましい。

このスターリングエンジンでは、冷媒入口と冷媒出口の近傍で仕切り壁が切り欠かれているので、冷媒入口から冷媒出口へ冷媒を流す際の圧力損失をさらに低減することができる。

本発明のスターリングエンジンによれば、作動ガスの内圧に対する強度の低下を招くことなく、冷却部における高い熱交換効率を実現することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）スターリングエンジンはフリーピストン形スターリングエンジンである。

図面を参照しながら、本発明のスターリングエンジンを具現化した実施例を説明する。図１は本実施例のスターリングエンジン１００の構成を示している。本実施例のスターリングエンジン１００は、家庭用の発電装置に組み込まれており、燃焼加熱器１２４による加熱を受けて、交流電力を発電する。

スターリングエンジン１００は、外形が略円柱形状をしているハウジング１０２と、ハウジング１０２内で膨張空間１０４と圧縮空間１０６を区画するディスプレーサ１０８と、ハウジング１０２内で圧縮空間１０６とバウンス空間１１０を区画する出力ピストン１１２を備えている。膨張空間１０４、圧縮空間１０６、バウンス空間１１０には、作動ガスであるヘリウムガスが充填されている。

ハウジング１０２は、ディスプレーサ１０８を収容するエンジンハウジング１５０と、出力ピストン１１２を収容する出力ハウジング１５２から構成されている。エンジンハウジング１５０は、ドーム形状に形成されたヒータヘッド１５４と、円筒形状に形成された冷却用熱交換器１５６と、冷却用熱交換器１５６を囲うように配置されたクーラハウジング１５８から構成されている。

ディスプレーサ１０８は、エンジンハウジング１５０内に設けられたシリンダ１１４に収容されているとともに、出力ハウジング１５２に固定されているシャフト１１６に摺動可能に支持されている。ディスプレーサ１０８とシャフト１１６は２つの板ばね１１８を介して接続されており、ディスプレーサ１０８はシリンダ１１４の内面に沿って往復運動する。ディスプレーサ１０８の固有振動数は、ディスプレーサ１０８の重量と板ばね１１８のバネ定数によって調整される。シャフト１１６は固定プレート１２０を介して出力ハウジング１５２に固定されており、固定プレート１２０には複数の孔１２０ａが形成されている。

シリンダ１１４の外面とエンジンハウジング１５０の内面の間には、膨張空間１０４と圧縮空間１０６を連通する経路１２２が形成される。この経路１２２には、通過するヘリウムガスを加熱する加熱部１２６と、蓄熱体が敷設された再生部１２８と、通過するヘリウムガスを冷却する冷却部１３２が形成されている。

加熱部１２６では、ヒータヘッド１５４の外側に配置された燃焼加熱器１２４の燃焼によって、ヒータヘッド１５４の内面に沿って流れるヘリウムガスを加熱する。燃焼加熱器１２４は、ヒータヘッド１５４を囲うように配置されたリングバーナである。加熱部１２６では、経路１２２に沿ったヘリウムガスの移動を妨げない形状の加熱部フィン１２７が、ヒータヘッド１５４から内側に伸びている。

冷却部１３２では、冷却用熱交換器１５６とクーラハウジング１５８の間に形成された冷却水流路１６０を流れる冷却水との熱交換によって、冷却用熱交換器１５６の内面に沿って流れるヘリウムガスを冷却する。クーラハウジング１５８には、冷却水流路１６０に冷却水を導入する冷却水入口１６２と、ヘリウムガスから熱を回収した冷却水を冷却水流路１６０から排出する冷却水出口１６４が形成されている。冷却水入口１６２と冷却水出口１６４は、円筒形状の冷却用熱交換器１５６の中心軸を挟んで互いに対向する位置関係で配置されている。冷却水入口１６２に供給された冷却水は、冷却水流路１６０を周方向に流れて、冷却水出口１６４へ排出される。冷却部１３２では、経路１２２に沿ったヘリウムガスの移動を妨げない形状の冷却部フィン１３３が、冷却用熱交換器１５６から内側に伸びている。

再生部１２８は蓄熱体の吸熱／放熱によって、ヘリウムガスが通過する際に予冷／予熱を行う。膨張空間１０４の高温のヘリウムガスが圧縮空間１０６へ移動する際には、ヘリウムガスは再生部１２８で蓄熱体の吸熱により予冷された後、冷却部１３２で冷却される。圧縮空間１０６の低温のヘリウムガスが膨張空間１０４へ移動する際には、ヘリウムガスは再生部１２８で蓄熱体の放熱により予熱された後、加熱部１２６で加熱される。

出力ピストン１１２にはムーバーロッド１３４が固定されており、出力ピストン１１２とムーバーロッド１３４は一体的に運動する。ムーバーロッド１３４は２つの板ばね１３６を介して出力ハウジング１５２に支持されており、出力ピストン１１２とムーバーロッド１３４は、出力ハウジング１５２の内面に形成されたガイド１３８に沿って往復運動する。出力ピストン１１２の固有振動数は、出力ピストン１１２とムーバーロッド１３４と磁石１４０等の重量と、板ばね１３６のバネ定数によって調整される。本実施例では、ディスプレーサ１０８の固有振動数を出力ピストン１１２の固有振動数よりも幾分大きくして、両者に位相差を持たせている。

ムーバーロッド１３４には複数の磁石１４０が配設されている。また、出力ハウジング１５２の磁石１４０と対向する位置には、鉄心１４２とコイル１４４が設けられている。ムーバーロッド１３４が往復運動することによって、コイル１４４に誘導起電圧が発生し、交流電力を生成することができる。このときに発電される交流電力の周波数は、出力ピストン１１２の往復運動の周波数に等しい。この場合、ムーバーロッド１３４の磁石１４０と出力ハウジング１５２の鉄心１４２およびコイル１４４は、リニア発電機として機能する。

またムーバーロッド１３４が停止しているときに、コイル１４４に交流電圧を印加することで、ムーバーロッド１３４が加振され、ムーバーロッド１３４が往復運動させることができる。この場合、ムーバーロッド１３４の磁石１４０と出力ハウジング１５２の鉄心１４２およびコイル１４４は、リニア電動機として機能する。

スターリングエンジン１００では、ディスプレーサ１０８が往復運動すると、膨張空間１０４の容積と圧縮空間１０６の容積の割合が変化する。例えばディスプレーサ１０８が膨張空間１０４側に移動すると、膨張空間１０４の容積が減少するとともに圧縮空間１０６の容積が増大する。このとき、膨張空間１０４内のヘリウムガスは、経路１２２を通って圧縮空間１０６へと移動する。逆に、ディスプレーサ１０８が圧縮空間１０６側に移動すると、圧縮空間１０６の容積が減少するとともに膨張空間１０４の容積が増大する。このとき、圧縮空間１０６内のヘリウムガスが経路１２２を通って膨張空間１０４へと移動する。膨張空間１０４の容積と圧縮空間１０６の容積の割合が変化すると、高温状態のヘリウムガスと低温状態のヘリウムガスの割合が変化し、膨張空間１０４と圧縮空間１０６の圧力が変化する。圧縮空間１０６の圧力変化によって、出力ピストン１１２が加振される。

出力ピストン１１２は、圧縮空間１０６に生じる圧力変化によって加振されつつ、往復運動する。このときのディスプレーサ１０８の往復運動の周波数は出力ピストン１１２の往復運動の周波数よりも幾分大きくなるように設定されているので、両者の間に位相差が生じて熱力学的仕事を生成する。

スターリングエンジン１００は、燃焼加熱器１２４による連続的な加熱と、冷却水流路１６０を流れる冷却水による連続的な冷却によって、ディスプレーサ１０８と出力ピストン１１２を振動させ、交流電力を発電する。スターリングエンジン１００が発電した電力は、図示しないパワーコンディショナによって調整されて、家庭用の電力系統へと供給される。

図２は冷却用熱交換器１５６とクーラハウジング１５８の間に形成される冷却水流路１６０の構造を示している。図２では、冷却水入口１６２や冷却水出口１６４の近傍以外における冷却水流路１６０の構造を示している。冷却水流路１６０は、冷却用熱交換器１５６の外面から伸びる仕切り壁２０２によって、上側冷却水流路２０４と下側冷却水流路２０６に均等に区画されている。仕切り壁２０２は、冷却用熱交換器１５６の周方向に沿って同一の断面形状を有しており、冷却用熱交換器１５６の外面に円環形状に形成されている。冷却水流路１６０を流れる冷却水は、上側冷却水流路２０４と下側冷却水流路２０６のそれぞれを流れる。仕切り壁２０２は、冷却用熱交換器１５６の軸方向に関して、その中心が冷却水入口１６２の中心および冷却水出口１６４の中心と略同じ位置となるように形成されている。

上側冷却水流路２０４と下側冷却水流路２０６には、多数のフィン２０８が形成されている。フィン２０８は冷却用熱交換器１５６の外面から伸びており、冷却用熱交換器１５６の内面に沿って流れるヘリウムガスと、冷却用熱交換器１５６の外面に沿って流れる冷却水との間の熱交換を促進する。それぞれのフィン２０８は、冷却用熱交換器１５６の周方向に沿って同一の断面形状を有しており、冷却用熱交換器１５６の外面に円環形状に形成されている。それぞれのフィン２０８は、冷却用熱交換器１５６の外面からの突出高さが、仕切り壁２０２よりも低くなるように形成されている。このようなフィン２０８を配置することによって、冷却水流路１６０の圧力損失を増大することなく、冷却用熱交換器１５６の熱交換効率が高められている。

図３は冷却水入口１６２および冷却水出口１６４の近傍における冷却水流路１６０の構造を示している。図３に示すように、冷却水入口１６２および冷却水出口１６４の近傍では、冷却水流路１６０を区画する仕切り壁２０２が切り欠かれている。従って、冷却水入口１６２から供給される冷却水は、冷却水流路１６０に一旦流れ込んだ後、上側冷却水流路２０４と下側冷却水流路２０６の双方に分岐する。また、上側冷却水流路２０４と下側冷却水流路２０６のそれぞれを流れた冷却水は、一旦合流した後に、冷却水出口１６４から排出される。

本実施例のスターリングエンジン１００では、冷却水入口１６２と冷却水出口１６４が円筒形状の冷却用熱交換器１５６の中心軸を挟んで互いに対向する位置関係で配置されている。このような構成とすることによって、冷却水入口１６２から供給された冷却水は、冷却用熱交換器１５６の外面に沿って右回りに流れる冷却水流路１６０と、冷却用熱交換器１５６の外面に沿って左回りに流れる冷却水流路１６０に均等に分岐する。冷却用熱交換器１５６の伝熱面に冷却水が均等に流れるので、冷却部１３２における高い熱交換効率を実現することができる。

本実施例のスターリングエンジン１００では、冷却用熱交換器１５６の外面に、冷却水流路１６０を区画する円環形状の仕切り壁２０２が形成されている。また、冷却水入口１６２の中心と冷却水出口の中心が、仕切り壁２０２の中心と略同じ位置となるように配置されている。このような構成とすることによって、冷却水入口１６２から供給された冷却水が、上側冷却水流路２０４と下側冷却水流路２０６のそれぞれに均等に分岐して流れ、その後に冷却水出口１６４から排出される。冷却用熱交換器１５６の伝熱面に冷却水が均等に流れるので、冷却部１３２における高い熱交換効率を実現することができる。

本実施例のスターリングエンジン１００では、冷却水流路１６０の中央部のみに仕切り壁２０２が形成されており、上側冷却水流路２０４と下側冷却水流路２０６のそれぞれにフィン２０８が形成されている。このように、仕切り壁２０２とフィン２０８を組み合わせた構成とすることで、冷却水が冷却水流路１６０を流れる際の圧力損失の増大を抑制しつつ、冷却部１３２における高い熱交換効率を実現することができる。

本実施例のスターリングエンジン１００では、冷却水入口１６２と冷却水出口１６４の近傍で、仕切り壁２０２が切り欠かれている。このような構成とすることで、冷却水入口１６２から冷却水出口へ冷却水を流す際の圧力損失を低減することができる。

本実施例のスターリングエンジン１００では、冷却水流路１６０に形成された仕切り壁２０２が、ヘリウムガスの内圧に対する補強部材の役割も果たす。このような仕切り壁２０２を設けたことによって、ヘリウムガスの内圧に対する強度を確保しつつ、冷却用熱交換器１５６の板厚を薄くして、冷却部１３２における高い熱交換効率を実現することができる。あるいは、冷却用熱交換器１５６として熱伝導性の優れた銅製のものを用いることによって、ヘリウムガスの内圧に対する強度を確保しつつ、冷却部１３２における高い熱交換効率を実現することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１はスターリングエンジン１００の構成を示す図である。 図２は冷却水入口１６２および冷却水出口１６４の近傍以外での冷却水流路１６０の構造を示す図である。 図３は冷却水入口１６２および冷却水出口１６４の近傍での冷却水流路１６０の構造を示す図である。

符号の説明

１００ スターリングエンジン
１０２ ハウジング
１０４ 膨張空間
１０６ 圧縮空間
１０８ ディスプレーサ
１１０ バウンス空間
１１２ 出力ピストン
１１４ シリンダ
１１６ シャフト
１２０ 固定プレート
１２０ａ 孔
１２２ 経路
１２４ 燃焼加熱器
１２６ 加熱部
１２７ 加熱部フィン
１２８ 再生部
１３２ 冷却部
１３３ 冷却部フィン
１３４ ムーバーロッド
１３８ ガイド
１４０ 磁石
１４２ 鉄心
１４４ コイル
１５０ エンジンハウジング
１５２ 出力ハウジング
１５４ ヒータヘッド
１５６ 冷却用熱交換器
１５８ クーラハウジング
１６０ 冷却水流路
１６２ 冷却水入口
１６４ 冷却水出口
２０２ 仕切り壁
２０４ 上側冷却水流路
２０６ 下側冷却水流路
２０８ フィン

Claims (2)

1. 外部からの加熱と冷却によって動力を生成するスターリングエンジンであって、
   円筒形状に形成されており、内面に沿って流れる作動ガスと、外面に沿って流れる冷媒を熱交換させる冷却用熱交換器と、
   冷却用熱交換器の外面に沿って冷却用熱交換器の周方向に冷媒を流す冷媒流路と、
   冷媒流路に冷媒を供給する冷媒入口と、
   冷媒流路から冷媒を排出する冷媒出口を備えており、
   冷却用熱交換器の外面に、冷媒流路を冷却用熱交換器の軸方向に区画する円環形状の仕切り壁と、冷却用熱交換器の外面からの突出高さが仕切り壁よりも低い円環形状のフィンが形成されており、
   冷却用熱交換器の周方向に関して、冷媒入口と冷媒出口が、冷却用熱交換器の中心軸を挟んで互いに対向する位置に配置されており、
   冷却用熱交換器の軸方向に関して、冷媒入口の中心と冷媒出口の中心が、仕切り壁の中心と略同じ位置となるように配置されている、スターリングエンジン。
2. 前記仕切り壁が、冷媒入口と冷媒出口に対向する個所で切り欠かれている、請求項１のスターリングエンジン。

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