JP2009270552A - ダブルアクティング型ガス加熱冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
公知のダブルアクティング型ピストンシリンダは多気筒スターリングエンジンを構成する上で有利であるが熱効率が低いという問題がある。これと同様の利点を持ちしかも熱効率が高くできるダブルアクティング型ガス加熱冷却装置の開発を課題とした。
【解決手段】
熱効率が上がらない原因の一つが断熱圧縮された作動ガスが膨張する前に冷却される構造になっている点にあり、熱効率をあげるには断熱圧縮が発生しないようにするか、もし発生しても断熱圧縮された作動ガスが膨張する前に冷却されることがないようにすることが重要である。棒状加熱冷却器２０を複数本数使用してシリンダ１１内部で作動ガスを加熱冷却するようにすることで、断熱圧縮自体発生しないように、また発生した場合も断熱圧縮された作動ガスが膨張する前に冷却されることがないようにして問題を解決した。
【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に関するもの、詳しくは作動ガスの加熱および冷却をシリンダ内部で行うことができるダブルアクティング型ガス加熱冷却装置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、その熱効率はカルノー機関の熱効率はおろか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。

本発明者はスターリングエンジンの熱効率が上がらない原因についてその行程を詳細に分析した結果、その原因のひとつが断熱圧縮された作動ガスが膨張する前に冷却される構造になっている点にあることを究明することができた。一般的にスターリングエンジンは圧縮比が大きいほど熱効率が低くなるといわれているが、この現象は圧縮比が大きいほど断熱圧縮による温度上昇が大きくなり冷却によって失われる熱が多くなるためであると考えると説明できる。
この結果に基づいて本発明者はこの問題を回避したガンマ型スターリングエンジンを構成できるガス加熱冷却装置に関する特許を出願した。（特許文献１）

しかしながら、ガンマ型スターリングエンジンは４台を一体化してトルク変動の少ない大出力スターリングエンジンを造る場合、ディスプレーサピストンシリンダ４本とパワーピストンシリンダ４本、合計８本のピストンシリンダが必要である。これに対しダブルアクティング型ピストンシリンダを使用すると４本で構成できるため、多気筒大出力スターリングエンジンではダブルアクティング型ピストンシリンダの方が多く使われている。ただ通常のダブルアクティング型ピストンシリンダでは、シリンダ内部に入った作動ガスは加熱あるいは冷却がなされないため断熱圧縮が発生し、しかも、この断熱圧縮された作動ガスが膨張する前に冷却される構造になっていて、他の公知のスターリングエンジンと同様熱効率が低いという問題が発生する。このため本発明者はさらに研究を重ね、熱効率を高くすることができるダブルアクティング型ガス加熱冷却装置を開発し本出願に至ったものである。

特願２００８−０９４６３１

上記のようにダブルアクティング型ピストンシリンダは多気筒大出力スターリングエンジンを構成する上で有利であるという特徴を持っているため、これと同様の特徴を持ちしかも熱効率を高くできるダブルアクティング型ガス加熱冷却装置を開発することをその課題とした。

熱効率が上がらない原因のひとつが断熱圧縮された作動ガスが膨張する前に冷却される構造になっている点にあることは上記のとおりである。この点に関してはダブルアクティング型スターリングエンジンもおなじで、熱効率をあげるためには断熱圧縮自体発生しないようにするか、もし発生したとしても断熱圧縮された作動ガスが膨張する前に冷却されることがないようにすることが重要である。このため〔特許文献１〕と同様、棒状加熱冷却器を使用して作動ガスをシリンダ内で加熱冷却することができるようにしてこの問題の解決を図った。この棒状加熱冷却器は伝熱面積が小さく１本では能力不足であるため複数本数シリンダ内に納めることが必要である。

ガンマ型スターリングエンジンのディスプレーサピストンと違い、ダブルアクティング型スターリングエンジンのピストンは作動ガスの圧力を受け止めて動力を発生させるものであるため通気性はあってはならないものである。それゆえピストンに再生熱交換器の機能を持たせることは不可能であり、再生熱交換器はダブルアクティング型スターリングエンジンを構成する際に外付けしなければならない。ダブルアクティング型ガス加熱冷却装置に使用するピストンは通気性のない剛実体で作られ、棒状加熱冷却器とシリンダ内壁面の双方に嵌合しているものである。

本発明によって得られる主たる効果として下記のものが挙げられる。
（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いダブルアクティング型スターリングエンジンを構成することができる。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）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。死空間が小さくなると圧縮比が大きくなり通常のスターリングエンジンでは熱効率が低下するが、本発明になるダブルアクティング型ガス加熱冷却装置を用いたスターリングエンジンでは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いため熱効率が低下することはない。逆に、作動ガスの流路が短縮されるため流動損失が減少し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、固体燃料や揮発しにくい液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）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）構造がシンプルで小型軽量化できる。従来のスターリングエンジンは加熱器の構造が複雑で加工が難しくスターリングエンジンの製造コストが高くなる原因の一つといわれているが、これを構造が簡単な棒状加熱冷却器に変えることでコストダウンが期待できる。
（７）棒状加熱冷却器は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。

はじめにその概略について簡単に説明する。
一般的なシリンダは内部が空洞になっていてその中をピストンが往復するものであるが、本装置ではシリンダの中には棒状加熱冷却器が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ピストンが往復するようになっている。このため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。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。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。通常のスターリングエンジンでは作動ガスがシリンダに送られる際にシリンダの外で加熱あるいは冷却がなされるが、本装置では作動ガスはシリンダの中で加熱あるいは冷却がなされることになる。

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、本発明になるダブルアクティング型ガス加熱冷却装置の詳細な実施形態を、図１〜図５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は直接加熱方式のダブルアクティング型ガス加熱冷却装置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。この燃料送入管２５および空気送入管２６を熱媒送入管（図示せず）に変更することで比較的簡単に間接加熱方式に変更することができる。ここで言う直接加熱方式とは加熱器２２内部で燃料を燃焼させその熱で作動ガスを加熱する方式のものを言い、間接加熱方式とは外部に熱交換器を設けそこで溶融金属のような熱媒を加熱しそれを加熱器２２内部に送り作動ガスを加熱する方式のものを言う。

最初にこのダブルアクティング型ガス加熱冷却装置１０の中心となるシリンダ１１とそれに関連する部材の構造について説明する。
シリンダ１１の内部にはピストン１２があり作動ガスが高圧で封入されている点や、シリンダの上下に通気口３５があり作動ガスが出入りできるようになっている点は公知のダブルアクティング型スターリングエンジン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、窒素等が使用できる点も公知のダブルアクティング型スターリングエンジンと同じである。

ただ、本装置は上述のようにシリンダ１１内に複数本数の棒状加熱冷却器２０がシリンダ１１の中心軸と平行すなわちピストン１２の移動方向と平行に設けられており、作動ガスをシリンダ内で加熱冷却する点と、ピストン１２が特殊な形状をしている点が公知のダブルアクティング型スターリングエンジンと異なっている。
シリンダ１１の上壁面には棒状加熱冷却器２０の太さに相当する穴があいており棒状加熱冷却器２０の上端はこの穴から突き出ており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の上方に位置する加熱器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。

加熱器２２の内部には燃料送入管２５と空気送入管２６が棒状加熱冷却器２０の閉塞部分２３近くまで挿入される。この部分で燃料を燃焼させて高温となしその外壁面に接触する作動ガスを加熱するものである。
図面を見やすくするため使用する棒状加熱冷却器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本では容量不足であり、通常十数本ないし数十本あるいはそれ以上必要である。この棒状加熱冷却器２０の必要本数はシリンダ１１と棒状加熱冷却器２０の直径によって大きく異なってくるものである。

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ことになる。このため燃焼ガスと加熱器２２との間の熱伝達はあまり良いとは言えない。この対策については段落番号〔００２３〕以降で述べるものとする。
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電気火花により点火する方法が簡単でよい。これについては〔００２６〕で述べるものとする。

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。固体燃料や揮発しにくい液体燃料を用いる場合には加熱器２２内部で燃料を燃焼させることが困難となり熱媒を用いた間接加熱方式としなければならないが、このためには燃料送入管２５と空気送入管２６を熱媒送入管（図示せず）に置き換え熱媒を循環可能とするように変更することで対応できる。また、循環方式に比べると性能は劣るがヒートパイプ方式とすることもできる。ヒートパイプ方式は熱源との間の位置関係や取付け方向等、種々制約はあるが、その構造が簡単で維持管理が殆ど必要ないという利点がある。

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まだ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。また、脱硫、脱硝、脱ＰＭ（脱粒子状物質）等の公害対策も当然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が利用できるので詳細は省略する。
ほかに図示していないものとして放熱対策処置がある。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。

下壁面にも上壁面と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の下端はこの穴から突き出ており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の下方に位置する冷却器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はない。このように冷却器２４は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出来るものである。この冷却器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。

それぞれの冷却器２４には冷却水送入管２７が棒状加熱冷却器２０の閉塞部分２３近くまで挿入されており冷却器２４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。冷却水には新水またはラジエータで冷却した循環水を使用する。

次に図２に示す棒状加熱冷却器２０について説明する。この棒状加熱冷却器２０は一端の内部を加熱して高温度としてその外壁面に接触する作動ガスを加熱することができ、その他端の内部を冷却して低温度として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機能を持っているものである。
この構造はこれまでの説明で大体推測できると思うが、図２に示すように両端に中空部分２１があり、加熱器２２、閉塞部分２３、冷却器２４等からなっている均一な太さの細管のような形状をしたものである。中空部分２１の長さはピストン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。

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。ただシリンダ１１を長くするとピストン１２も長くしなければならず装置が大型化することになる。
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。

図２に示した加熱器２２は構造が簡単で製造する上では都合がよいが、加熱器２２の内部で燃料を燃焼させる直接加熱方式では、前述のように通常大気圧下で燃焼させるため燃焼ガスと加熱器２２の内壁面との間の熱伝達係数が小さく、棒状加熱冷却器一本あたりの伝熱能力が小さいという問題がある。

図３はこの欠点を補った加熱器で、図に示すように加熱器２２の中空部分２１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。図２の棒状加熱冷却器２０の加熱器２２を図３のものにすることで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、冷却能力をさらに上げたいときには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ることができる。

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。

前述したように燃料を燃焼させるに当たっては大量の空気が必要になり空気送入管２６の方を太くする必要があるが、図３のように燃料送入管２５を空気送入管２６の中に通すようにすると伝熱材１８の加工が楽である。
加熱器２２に伝熱材１８を充填するとその奥で燃料に点火することが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その内部を通る燃料送入管２５は金属材料で作ると共に先端に放電を起こしやすくするための突起を設けることによって、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との間に高電圧を印加する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。この方式は伝熱材１８を用いない場合にも適用できるものである。

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送入量が大きく制限されることがある。このような場合には、空気送入管２６の先端部を絞り先端部に送られる空気量を少なくす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４に示すピストン１２の構造について説明する。
ピストン１２はシリンダ１１に嵌合する円筒体であるが、この円筒体をシリンダ１１に嵌合させた時このシリンダ１１の内部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４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に嵌合してピストン１２を貫通すると共にこのピストン１２はシリンダ１１に嵌合されている。このようにピストン１２はシリンダ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シリンダ１１内を自由に往復運動することができる。

ピストン１２は高温のシリンダ１１内を高速で往復運動するため、耐熱性があり、強度が大きく、質量が小さく、熱伝導度が低く、通気性を持たない剛実体であることが必要である。しかしこれらの条件を完全に満足することは困難であり、設計条件に対してある程度のところで妥協することが必要となる。

ピストン１２の長さはシリンダ１１の長さからピストン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。

次にピストン１２の動きに伴う作動ガスの挙動について説明する。一般に加熱器は上に冷却器は下に持ってくるのが普通でありここでもこのようになっているものとする。
ピストン１２が上昇すると上方の高温空間１４にある加熱器２２は隠蔽され加熱器２２によって加熱されていた作動ガスは上の通気口３５を通ってシリンダ１１から押し出される。同時に下方の冷却器２４が露出し低温空間１３が形成され下の通気口３５から作動ガスが入り冷却される。
ピストン１２が降下すると下方の低温空間１３にある冷却器２４は隠蔽され冷却器２４によって冷却されていた作動ガスは下の通気口３５を通ってシリンダ１１から押し出される。同時に上方の加熱器２２が露出し高温空間１４が形成され上の通気口３５から作動ガスが入り加熱され膨張しピストンを押下する強い力が発生する。このようにピストン１２の移動によって作動ガスが移動すると共に加熱器２２および冷却器２４が交互に露出、隠蔽され作動ガスが加熱、冷却されるわけである。

図５は本発明になるダブルアクティング型ガス加熱冷却装置１０を用いてダブルアクティング型スターリングエンジンを構成する接続方法の一例を示した模式図である。この図は断面図をベースにしているが、厳密な断面図ではなくピストン等模式的に示している。
それぞれのダブルアクティング型ガス加熱冷却装置１０の上の通気口３５は再生熱交換器３６を介して隣のダブルアクティング型ガス加熱冷却装置１０の下の通気口３５に接続されており作動ガスはこの間を往復するようになっている。この接続方法は特別なものではなく外付けの加熱器と冷却器が付いていない点が異なる他は公知のものと同じである。
夫々のピストン１２は９０°宛位相をずらせて駆動しなければならないが、この方法として、図５に示したクランクシャフトによる直列配置方式の他、Ｖ型配置方式、Ｈ型配置方式、スワッシュプレート方式等多くの公知の技術がある。これらのものは夫々一長一短があるため使用条件にかなったものを選択し利用すればよい。

作動ガスをシールするピストンリングやサイドスラストを避けるためのクロスヘッドピストン等については本発明の加熱冷却機構に直接関係するものではないので図示していないが、ピストンとシリンダ間の、あるいはピストンと棒状加熱冷却器間のガス漏れは出力や熱効率に影響し、ロッドシールからのガス漏れはこれらのほか作動ガスの散逸にも影響するものである。またサイドスラストはピストンの焼付きや磨耗に影響するものであり、これらはいずれも実用化する上では考慮しなければならない重要な項目である。当面公知の技術を利用せざるを得ないが、いずれ、より優れた方式を開発したいと考えている。

ダブルアクティング型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。 伝熱材を使用した加熱器付近の拡大断面図である。 ピストンの斜視図である。 ダブルアクティング型スターリングエンジンを構成した接続模式図である。

符号の説明

１０ ダブルアクティング型ガス加熱冷却装置
１１ シリンダ
１２ 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 再生熱交換器

Claims (1)

1. 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、両端に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、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通気性をもたない剛実体で作られたピストンを該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シリンダ内に組み込み、該ピストンを駆動する機構を取り付けて構成したダブルアクティング型ガス加熱冷却装置。

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