JP2009287490A - Sterling engine using reciprocating flow turbine - Google Patents
Sterling engine using reciprocating flow turbine Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009287490A JP2009287490A JP2008142205A JP2008142205A JP2009287490A JP 2009287490 A JP2009287490 A JP 2009287490A JP 2008142205 A JP2008142205 A JP 2008142205A JP 2008142205 A JP2008142205 A JP 2008142205A JP 2009287490 A JP2009287490 A JP 2009287490A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- flow path
- air chamber
- switching valve
- fan
- cooler
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、簡易構造にして操作、維持容易なスターリングエンジンに関するものである。 The present invention relates to a Stirling engine that has a simple structure and is easy to operate and maintain.
スターリングエンジンは、熱源の種類を問わず、現在、無駄となっているエネルギーの有効利用が可能であり、静粛で低公害であるので、各種のタイプが研究開発され、重要な将来熱機関の一つと目されている。 Stirling engines, regardless of the type of heat source, can effectively use energy that is currently wasted, and are quiet and low-pollution, so various types have been researched and developed, and are one of the important future heat engines. It has been noticed.
スターリングエンジンは、気室内に封入したガスを加熱及び冷却して該ガスを膨張及び収縮させ、動力を得るものである。
従来のディスプレーサ型スターリングエンジンは、ディスプレーサの往復動により、該ガスを加熱部と冷却部との間で往復させて該ガスを加熱及び冷却し、膨張及び収縮させて、パワーピストンを押すことにより動力を得るものである。ディスプレーサは、パワーピストンと位相をもって連動するように構成されている。
従来のスターリングエンジンは、ピストン、シリンダ等の配置によってα型、β型、γ型の3種類に分類される。それら3種類の動作の詳細については、特許文献1に記載されている。
The Stirling engine heats and cools a gas sealed in an air chamber to expand and contract the gas to obtain power.
A conventional displacer type Stirling engine reciprocates the gas between a heating part and a cooling part to heat and cool the gas, expands and contracts, and pushes a power piston to regenerate power. Is what you get. The displacer is configured to interlock with the power piston in phase.
Conventional Stirling engines are classified into three types, α type, β type, and γ type, depending on the arrangement of pistons, cylinders, and the like. Details of these three types of operations are described in Patent Document 1.
特許文献1では、冷熱源にガスハイドレードを用い高出力比と高効率が得られるスターリングエンジンが提案されている。
また、出力を増大させるとともに、耐震動性を向上させる目的で特許文献2に言及されるα型のスターリングエンジンが提案されている。
さらに、小型でも温排水や温泉熱、廃液、太陽熱等、小温度差を効率良く運動エネルギーに変換することを可能にするための装置として、水素吸蔵合金が圧縮性作動流体である水素を冷却、加熱により吸収、放出する性質(水素化反応)を利用して加圧、減圧を相乗させ、ピストンを作動させるγ型のスターリングエンジンが特許文献3で提案されている。
γ型のスターリングエンジンの変形としてフリーピストンをディスプレーサとしたスターリングエンジンがあり、ディスプレーサにコネクティングロッドやクランクを用いないで、ディスプレーサ端部にピストンを設け、該ピストンがガスバネ空間を揺動することでシリンダ内に封入したガスを加熱部と冷却部との間で往復させてシリンダ内に圧力差を生じさせ、パワーピストンを駆動するフリーピストン型圧縮機が特許文献4で提案されている。
Patent Document 1 proposes a Stirling engine in which a gas hydride is used as a cold heat source and a high output ratio and high efficiency can be obtained.
In addition, an α-type Stirling engine referred to in Patent Document 2 has been proposed for the purpose of increasing output and improving vibration resistance.
In addition, as a device that enables small temperature differences to be efficiently converted into kinetic energy, such as hot waste water, hot spring heat, waste liquid, solar heat, etc., the hydrogen storage alloy cools hydrogen, which is a compressive working fluid, Patent Document 3 proposes a γ-type Stirling engine that uses a property of absorbing and releasing by heating (hydrogenation reaction) to synergize pressurization and decompression to operate a piston.
There is a Stirling engine with a free piston as a displacer as a modification of the γ-type Stirling engine. A piston is provided at the end of the displacer without using a connecting rod or crank, and the piston swings in the gas spring space. Patent Document 4 proposes a free piston type compressor that drives a power piston by reciprocating a gas enclosed in a cylinder between a heating unit and a cooling unit to generate a pressure difference in the cylinder.
しかしながら、上記の従来のスターリングエンジンでは、精密な加工が必要で経費を要し、ピストンの往復動運動を回転運動に変換するのにクランク機構が必要なため、構造が複雑となり、高圧のピストン摺動部の潤滑性や気密性を保持するためメンテナンスが必要で、高温に耐えるため特殊な耐熱合金を必要とし、ディスプレーサは、ピストンクランク軸からリンク機構を通じて動かしているが、大きなストロークを得るために大きな機構が必要となり、また耐圧壁を貫通して往復運動を行うロッドが必要になり、構造が複雑になって費用がかかり、気密性に配慮が必要で、また高速運転が困難となり、出力向上に制約を受け、希少な資源であるヘリュウムガスを使用するなど種々の問題点があった。 However, the above-mentioned conventional Stirling engine requires precise machining and is expensive, and a crank mechanism is required to convert the reciprocating motion of the piston into a rotational motion. Maintenance is required to maintain the lubricity and airtightness of the moving part, and a special heat-resistant alloy is required to withstand high temperatures, and the displacer is moved from the piston crankshaft through the link mechanism, but in order to obtain a large stroke A large mechanism is required, and a rod that reciprocates through the pressure wall is required, which makes the structure complicated and expensive, requires airtightness, makes high-speed operation difficult, and improves output. There are various problems such as using rare gas, helium gas.
一方、ガス流の流れの方向が逆転しても同一方向に回転トルクを発生する装置には往復流型タービンがあり、往復流型衝動タービンや案内羽根を持たない対称翼型のウェルズタービンが提案されている。往復流型タービンは波力発電装置にすでに実用されている。 On the other hand, there are reciprocating turbines that generate rotational torque in the same direction even if the direction of gas flow is reversed, and a reciprocating impulse turbine and a symmetrical wing wells turbine without guide vanes are proposed. Has been. The reciprocating turbine is already in practical use for wave power generators.
特許文献5で、出力軸に固着したロータハブと、このロータハブの周囲に等間隔でハブの軸線方向に交差させるようにして一端を固着した略々半月状断面の複数のタービンブレードと、このタービンブレードの両側に配置した案内羽根と、この案内羽根のタービンブレード側の端部を回転自在に支持する回転軸と、上記案内羽根を所定の回転範囲に制限するストッパとを具えることを特徴とする自己可変ピッチ案内羽根を有する衝動タービンが提案されている。また同様の目的で、取り付け角を有する対称翼型複葉式ウェルズタービンを用いた波力発電装置が特許文献6で提案されている。
また、波力発電装置のタービン発電効率の向上を図るため、回転翼を適正な角度に制御し、同一方向に回転させるタービンが特許文献7で提案されている。
さらに、特許文献8では、往復流型空気タービン装置が提案され、頁(2)4の11〜14行で、ロータリムはロータブレードを保持するとともに、通常回転時にはフライホイールの働きをするものでもあり、安定な回転速度を得る面で有効であることが提案されている。
In Patent Document 5, a rotor hub fixed to an output shaft, a plurality of turbine blades having a substantially semicircular cross section having one end fixed so as to intersect the axial direction of the hub at equal intervals around the rotor hub, and the turbine blade A guide blade disposed on both sides of the guide blade, a rotating shaft that rotatably supports an end portion of the guide blade on the turbine blade side, and a stopper that restricts the guide blade to a predetermined rotation range. Impulse turbines with self-variable pitch guide vanes have been proposed. For the same purpose, Patent Document 6 proposes a wave power generation apparatus using a symmetrical blade type biplane wells turbine having a mounting angle.
Moreover, in order to improve the turbine power generation efficiency of the wave power generation device, Patent Document 7 proposes a turbine that controls the rotor blades to an appropriate angle and rotates them in the same direction.
Further, Patent Document 8 proposes a reciprocating air turbine device. In line (1) to line 14 of page (2) 4, the rotor rim holds the rotor blade and also functions as a flywheel during normal rotation. It has been proposed to be effective in obtaining a stable rotational speed.
上述するような従来技術に鑑み、本発明では、作動ガスを移動するためにディスプレーサを必要とせず、パワーピストン及び往復動運動を回転運動に変換するクランク機構を必要とせず、流体抵抗が小さいヘリュウムを必要とせず、特殊な耐熱材料等を使用せず、構造が簡単で、生産コストが低く、過酷な使用条件でも使用でき、耐久性が高く操作が簡単なスターリングエンジンを提供することを課題とする。 In view of the prior art as described above, the present invention does not require a displacer to move the working gas, does not require a power piston and a crank mechanism for converting reciprocating motion into rotational motion, and has a small fluid resistance. It is a challenge to provide a Stirling engine that does not require special heat-resistant materials, has a simple structure, is low in production cost, can be used even under harsh conditions, and is durable and easy to operate. To do.
本発明の発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下の構成を有する発明を完成するに至った。
請求項1の発明は、気室を隔壁で気室Aと気室Bに仕切り、該隔壁に往復流型タービンを設け、該気室Aの上端部にファン、該ファン上部に流路切り替え弁を配設し、該流路切り替え弁により加熱器と冷却器へそれぞれ流路を形成し、さらに該加熱器と冷却器の排出口を上記気室Aへそれぞれ流路を形成し、上記隔壁に設けた往復流型タービンにより、発電機や送風機等の作用体を駆動することを特徴とするもので、ディスプレーサを必要とせず、パワーピストン及び往復動運動を回転運動に変換するためのクランク機構を必要としないスターリングエンジンを実現できることを見出した。
The inventors of the present invention have intensively studied to solve the above problems, and as a result, have completed the invention having the following configuration.
According to the first aspect of the present invention, the air chamber is divided into an air chamber A and an air chamber B by a partition, a reciprocating turbine is provided in the partition, a fan is provided at the upper end of the air chamber A, and a flow path switching valve is provided above the fan. The flow path switching valve is used to form a flow path to the heater and the cooler, and the discharge port of the heater and cooler is formed to the air chamber A. The reciprocating turbine provided is used to drive an action body such as a generator or a blower. A displacer is not required, and a power piston and a crank mechanism for converting reciprocating motion into rotational motion are provided. It was found that a Stirling engine that is not necessary can be realized.
請求項2の発明は、請求項1記載のスターリングエンジンであって、上記流路切り替え弁は、ハウジング部分とハウジング内部にあって回転する回転部より構成され、該ハウジング部分には加熱器への流路、及び冷却器への流路に導通する開口部がそれぞれ設けられ、該回転部にも開口部が設けられており、該回転部の回転により該回転部の開口部と該ハウジング部分の加熱器への流路に導通する開口部が重なる位置において加熱器への流路が開かれ、また回転位置の変化により該回転部の開口部と該ハウジング部分の冷却器への流路に導通する開口部が重なる位置において冷却器への流路が開かれることを特徴とするものである。 A second aspect of the present invention is the Stirling engine according to the first aspect, wherein the flow path switching valve includes a housing part and a rotating part that rotates inside the housing, and the housing part is connected to a heater. An opening is provided for each of the flow path and the flow path to the cooler, and the rotation part is also provided with an opening. By the rotation of the rotation part, the opening of the rotation part and the housing part The flow path to the heater is opened at a position where the opening that leads to the flow path to the heater overlaps, and the rotation position changes so that the opening to the rotation section and the flow path to the cooler of the housing part are conducted. The flow path to the cooler is opened at a position where the openings to be overlapped.
請求項3の発明は、請求項1〜2のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記ファンは、上記往復流型タービンの同一軸線上に設置され該往復流型タービンにより延長軸を介して駆動することを特徴とするものである。 A third aspect of the present invention is the Stirling engine according to any one of the first and second aspects, wherein the fan is installed on the same axis of the reciprocating turbine and is extended by the reciprocating turbine. It is characterized by being driven through.
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記流路切り替え弁の回転部は上記同一軸線上の軸のまわりを自由に回転し、該流路切り替え弁回転部に設けた羽根を上記ファンによる風圧を受け回転させ、電磁石により設定位置に停止させることを特徴とするものである。 The invention of claim 4 is the Stirling engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the rotating part of the flow path switching valve freely rotates around an axis on the same axis, The blades provided in the flow path switching valve rotating portion are rotated by receiving the wind pressure from the fan and stopped at a set position by an electromagnet.
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記流路切り替え弁、ファン、往復流型タービン及び作用体の同一軸線上の軸は、中空軸で構成され、該中空軸へ該流路切り替え弁位置と導通する開口と気室B内下部と導通する開口とを設け、該中空軸内部にラビリンスを設けたことを特徴とするものである。 A fifth aspect of the present invention is the Stirling engine according to any one of the first to fourth aspects, wherein the flow path switching valve, the fan, the reciprocating turbine, and the axis on the same axis of the working body are hollow. The hollow shaft is provided with an opening that communicates with the flow path switching valve position and an opening that communicates with the lower part of the air chamber B, and a labyrinth is provided inside the hollow shaft. .
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載されているスターリングエンジンであって、上記気室Aを外筒と内筒よりなる2重構造とし、該外筒と内筒間の空所に仕切り板を備えて熱気通路と冷気通路を形成し、冷気通路を冷却器としたことを特徴とするものである。 A sixth aspect of the present invention is the Stirling engine according to any one of the first to fifth aspects, wherein the air chamber A has a double structure composed of an outer cylinder and an inner cylinder, and the space between the outer cylinder and the inner cylinder. A partition plate is provided in the empty space to form a hot air passage and a cold air passage, and the cold air passage is a cooler.
請求項7の発明は、請求項1に記載されているスターリングエンジンであって、上記気室Bへ気室Aに設けた同様のファン及び流路切り替え弁を配設し、該流路切り替え弁により気室Aに設けた同様の加熱器と冷却器へそれぞれ流路を形成し、さらに該加熱器と冷却器の排出口を該気室Bへそれぞれ流路を形成したことを特徴とするものである。 A seventh aspect of the present invention is the Stirling engine according to the first aspect, wherein the air chamber B is provided with a similar fan and a flow path switching valve provided in the air chamber A, and the flow path switching valve. The flow paths are respectively formed in the same heater and cooler provided in the air chamber A by the above, and the flow paths are further formed in the air chamber B through the discharge ports of the heater and the cooler, respectively. It is.
請求項8の発明は、請求項1〜7に記載されているスターリングエンジンであって、上記ファン風上又は風下側に再生熱交換器を設けたことを特徴とするものである。 The invention of claim 8 is the Stirling engine described in claims 1 to 7, wherein a regenerative heat exchanger is provided on the fan windward or leeward side.
本発明のスターリングエンジンは、従来のスターリングエンジンに比し、ディスプレーサを使用せず、ファンと流路切り替え弁を使用しているので、加熱・冷却は一方向流で行うため従来のスターリングエンジンと同様の熱効率を得るに再生熱交換器を必要とせず、その結果流路抵抗が低いため作動ガスは窒素又は空気等でよく、特に稀少なヘリュウムを使う必要が無い。またディスプレーサがないため気室内側に断熱材を付けることができ、熱効率を向上できるとともに気室を外部から冷却することが許され、気室外殻を低温に保つことにより特殊な耐熱合金を使用する必要がない。
また、パワーピストンを使用せず往復流型タービンを使用しているので、発電機等に直接回転運動を伝えて動力として取り出すことができ、気密漏れの問題が発生せず、摺動部潤滑の必要もなく、摩擦等による機械的損失が少なく効率が向上し、構造は簡単で、精度が高い加工を必要とする部分は局限され、組立が容易で、耐久性が高く、操作は簡単であり、振動が少なく、騒音が低く静粛である等種々の優れた効果を奏する。
The Stirling engine of the present invention does not use a displacer compared to a conventional Stirling engine, and uses a fan and a flow path switching valve. Therefore, a regenerative heat exchanger is not required to obtain the heat efficiency, and as a result, the flow resistance is low, so that the working gas may be nitrogen or air, and it is not necessary to use rare helium. In addition, since there is no displacer, heat insulation can be attached to the inside of the air chamber, improving the thermal efficiency and allowing the air chamber to be cooled from the outside, and using a special heat resistant alloy by keeping the air chamber outer shell at a low temperature There is no need.
In addition, since a reciprocating turbine is used without using a power piston, the rotary motion can be transmitted directly to a generator, etc., so that it can be taken out as power. There is no need, there is little mechanical loss due to friction, etc., the efficiency is improved, the structure is simple, the parts that require high precision processing are limited, the assembly is easy, the durability is high, and the operation is simple There are various excellent effects such as low vibration, low noise and quietness.
以下、本発明を実施するための具体的な形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific modes for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明のスターリングエンジン100の基本形式を示すものである。
同図において、気室101を隔壁110で気室Aと気室Bに仕切り、該隔壁110に回転軸200を設け、往復流型タービン120が固設されている。気室101上端にはファン121を設置し、該ファン121下流には流路切り替え弁300が設置されている。該ファン121を駆動する手段や該流路切り替え弁300を駆動し制御する手段は、ここで言及しない。130は、回転軸200の最下部に設けられた発電機で、気室101外部に設けられている。150は加熱器で、一端が流路切り替え弁300と流路151を介して導通し、他端が気室Aの下部と流路152を介して導通している。160は冷却器で、一端が流路切り替え弁300と流路161を介して導通し、他端が気室Aの下部と流路162を介して導通している。
FIG. 1 shows a basic form of a Stirling
In the figure, an
上記作用は、まずファン121により気室A内の作動ガスである窒素ガスの流れが生じ、流路切り替え弁300が、矢印で示すように流路151へ導通する位置にある場合は、該窒素ガス流が加熱器150を通過して流路152から気室A下部へ矢印で示すように流れ込むことにより、気室A内の窒素ガスが加熱されて膨張し、該窒素ガスが気室Aから気室Bへ移動するので、往復流型タービン120が窒素ガス流によって回転する。次に、上記流路切り替え弁300が信号により流路161へ導通するように切り替わり、該窒素ガス流が冷却器160を通過して流路162から気室A下部へ流れ込むことにより気室A内の窒素ガスが冷却されて収縮し、気室B内の窒素ガスが気室Aへ移動するので、往復流型タービン120が窒素ガス流によって回転する。生じるガス流は加熱時と逆方向であるが、往復流型タービン120は同一方向に回転トルクを発生するので同一方向に回転をし続けることにより、発電機130を運転し電気として動力を得ることができ、また直接回転トルクとして動力を取り出すこともできる。
The above-described action is as follows. First, when the flow of nitrogen gas, which is the working gas in the air chamber A, is generated by the
図2は、上記流路切り替え弁300の原理を示す。該流路切り替え弁300は、ハウジング部分310と該ハウジング部分310内部にあって回転する回転部320よりなり、ハウジング部分310にはそれぞれ加熱器150、及び冷却器160に通じる開口部311、312が設けられている。回転部320にも開口部321が設けられ、回転位置により回転部320開口部321がハウジング部分310の加熱器150に通じる開口部311に重なって加熱器150に通じる導通路が開かれる。このとき冷却器160に通じる開口部312が閉鎖される(図2(a))。
また、回転位置の変化により回転部320開口部321がハウジング部分310の冷却器160に通じる開口部312に重なって冷却器160に通じる導通路が開かれる。このとき加熱器150に通じる開口部311が閉鎖される(図2(b))。
FIG. 2 shows the principle of the flow
Further, due to the change in the rotation position, the
図2では、ハウジング部分310と回転部320の形状を円筒としたが、円筒に限らず回転体であればよい。又はハウジング部分310の加熱器150、及び冷却器160に通じる開口部311、312の位置は側面でも天井部313でもよく、またハウジング部分310の開口部311、312及び回転部320開口部321は各々複数でもよい。
In FIG. 2, the shape of the
図3は、上記ファン121、及び上記流路切り替え弁300を駆動、また制御する方法の例を示す。
該ファン121を上記往復流型タービン120の同一軸線上に設置して、該往復流型タービン120により延長軸201を介して駆動し、また該流路切り替え弁300回転部320内側に羽根330を設け、上記ファン121による風圧(矢印方向で示す)を受けて回転トルクを発生さて回転させ、ハウジング部分310に取り付けた電磁石340と回転部320に取り付けた鉄片350間の吸引力により設定位置に停止させるものである。該ファン121及び該流路切り替え弁300付近は高温になり、永久磁石、電動モーター、歯車等は使用困難であるため永久磁石、電動モーター、歯車等を用いず上記ファン121、及び上記流路切り替え弁300を駆動、また制御するものである。
また該ファン121は、該往復流型タービン120の同一軸線上に設置して、前記延長軸201により駆動する以外に歯車、ベルト他の動力伝達手段を介して駆動することも可能である。
FIG. 3 shows an example of a method for driving and controlling the
The
The
また、該流路切り替え弁300回転部320を電磁石340により設定位置に停止させる方法は、図3で示す電磁石340と鉄片350による方法以外にバリアブルリアクタンス型ステッピングモーターの原理を応用する方法(図示せず)、ヒステリシスブレーキによる方法(図示せず)がある。
In addition, the method of stopping the flow
図4は、上記ファン121の軸受け210及び上記流路切り替え弁300の軸受け211を冷却する方法の例を示す。
上記ファン121の軸受け210及び上記流路切り替え弁300の軸受け211付近は、高温になるため冷却が必要となるが、前記往復流型タービン120によりファン121を駆動する延長軸201及び往復流型タービン120により作用体を駆動する回転軸200を中空とし、該延長軸201の上端は広がってファン121の軸受け室214を形成してファン121の軸受け210を収納している。該ファン121の軸受け210は、該流路切り替え弁300のハウジング部分310の天井部313に固定された中心軸314にとりつけられており、該延長軸201及びファン121は、該ファン121の軸受け210を介して中心軸314の廻りを回転する。また該流路切り替え弁300の回転部320は、流路切り替え弁300の軸受け室214を共有し、流路切り替え弁300の軸受け211を収納している。該流路切り替え弁300の軸受け211は、該流路切り替え弁300のハウジング部分310の天井部313に固定された中心軸314に取り付けられており、該流路切り替え弁300の回転部320は、該流路切り替え弁300の軸受け211を介して中心軸314の廻りを回転する。該延長軸201の中空部の上端は該ファン121の軸受け室214内に開口しており、下端は前記回転軸200の中空部に接続し、該回転軸200の中空部の下端は閉じられているが、気室B内下部に開口(図示せず)を設けてある。該延長軸201の中空部内部にはラビリンス220を設けている。また該延長軸201は、断熱構造としている。該回転軸200と該延長軸201は、往復流型タービン120位置で接合(図示せず)され一体で構成し、中空部も導通している。すなわち、往復流型タービン120〜作用体間を回転軸200とし、往復流型タービン120〜ファン121間を延長軸201で構成している。往復流型タービン120〜作用体間は大きなトルクがかかり、往復流型タービン120〜ファン121間は、ファン121を回すのみで大きなトルクがかからず、材質、構造が異なる。
FIG. 4 shows an example of a method for cooling the
The vicinity of the bearing 210 of the
作動ガスが加熱される時、まず気室A内の圧力PAが上昇し、次に気室B内の圧力PBが上昇していく。この加熱される間は、気室A内の圧力PA>気室B内の圧力PBである。従って、気室Aと気室Bが内部中空の延長軸201及び回転軸200で導通しているので、作動ガスが、気室Aから内部中空の延長軸201及び回転軸200を通じ、気室Bへ流れる。気室A内の圧力PAが最大となればPAの上昇は停止し、気室A内の圧力PA=気室B内の圧力PBとなる。さらに作動ガスが冷却される時、気室A内の圧力PAが下降し、次に気室B内の圧力PBが下降していく。この冷却される間は気室A内の圧力PA<気室B内の圧力PBである。
When the working gas is heated, the pressure P A in the air chamber A rises initially, then the pressure P B in the air chamber B rises. During this heating, the pressure P A in the air chamber A > the pressure P B in the air chamber B. Therefore, since the air chamber A and the air chamber B are electrically connected by the internal
従って、気室Aと気室Bが、内部中空の延長軸201及び内部中空の回転軸200で導通しているので、作動ガスが、気室Bから、内部中空の延長軸201及び内部中空の回転軸200を通じ、気室Aへ流れる。前記ラビリンス220は、作動ガスが下側へ移動する時抵抗が大きく、上側へ移動する時抵抗が小さい。
結果として、気室Bの冷たい作動ガスが、該延長軸201及び回転軸200内部を上向き方向に流れる流れが優勢となり、流路上にある上記往復流型タービン120の軸受け213(図6)、ファン121の軸受け210及び上記流路切り替え弁300の軸受け211は冷却される。
該延長軸201を通過する冷たい作動ガスが加熱されないように、該延長軸201を断熱構造としている。
Therefore, since the air chamber A and the air chamber B are electrically connected by the internal
As a result, the flow of the cold working gas in the air chamber B flowing upward in the
The
図5は、図1に示した本発明によるスターリングエンジン100の基本形式に、図2に示した上記流路切り替え弁300、また図3に示した上記ファン121を、延長軸201を介して上記往復流型タービン120により駆動する方法を組み合わせたものであり、本発明によるスターリングエンジン100を具体化するための標準的な形式を示したものである。
FIG. 5 shows a basic form of the
図6は、図5の例に基づく実機の構成図である。加熱器150は、図1で示す気室101最上部の蓋部102に取り付けられており、上流は上記流路切り替え弁300に接続され、下流は、流路151を介して気室Aに接続されている。
冷却器160は、複数の冷却管163として側面に取り付けられおり、上流は流路切り替え弁300に接続され、下流は流路161を介して気室Aに接続されている。流路切り替え弁300の回転部320内側下部には羽根330が取り付けられており、ファン121による作動ガスの流れにより、該回転部320が回転する。ハウジング部分310に取り付けた電磁石340への通電により回転部320に取り付けた鉄片350が吸引されて回転部320の回転は停止する。停止位置は、加熱器150に通じる開口部323が開かれて冷却器163に通じる開口部322が閉鎖される位置、また加熱器150に通じる開口部323が閉鎖され冷却器163に通じる開口部322が開かれる位置とされている。
従って電磁石340への通電のON、OFFにより加熱器150側に通じる導通路を開き、同時に冷却器163側に通じる導通路を閉じ、又は冷却器163側に通じる導通路を開き、同時に加熱器150側に通じる導通路を閉じことができる。
FIG. 6 is a configuration diagram of an actual machine based on the example of FIG. The
The cooler 160 is attached to the side surface as a plurality of cooling
Accordingly, when the
上記ファン121は、延長軸201を介し往復流型タービン120により駆動されている。この方式により永久磁石、電動モーター、歯車等を用いず、該ファン121、及び該流路切り替え弁300を駆動、また制御が可能である。
気室A内の作動ガスは、ファン121により流路切り替え弁300に送られるが、加熱器150側に通じる導通路が開かれた場合、作動ガスは気室A、ファン121、流路切り替え弁300、加熱器150、熱気流路151、気室Aの矢印で示す経路で循環し、加熱器150により加熱される。
The
The working gas in the air chamber A is sent to the flow
加熱された作動流体は、膨張し、気室A、B間に設けられた隔壁110に設置された往復流型タービン120を通って気室Bに侵入するが、その過程で往復流型タービン120が作動ガス流によって回転する。次に上記流路切り替え弁300が信号により切り替わり、冷却器163側に通じる導通路が開かれた場合、作動ガスは気室A、ファン121、流路切り替え弁300、流路161、冷却器163、気室Aの矢印で示す経路で循環し、冷却器163により冷却される。冷却された作動流体は収縮し、気室Bに侵入していた作動ガスが往復流型タービン120を通って気室Aに戻るが、その過程で往復流型タービン120が作動ガス流によって回転する。生じるガス流は加熱時と逆方向であるが、往復流型タービン120は同一方向に回転トルクを発生して回転を継続し、発電機130を運転して電気として動力を得ることができる。熱気流路151は、内部の熱気が伝熱により冷却されることを防ぐため断熱材203を設け断熱構造としている。
The heated working fluid expands and enters the air chamber B through the
上記往復流型タービン120により、ファン121を駆動する延長軸201及び往復流型タービン120により作用体を駆動する回転軸200は中空であり、上端はファン121の軸受け室214内に開口し、下端は気室B内の該中空回転軸200の往復流型タービン120軸受け213の上部に開口212を有するので、該中空延長軸201と中空回転軸200内には気室Aが加熱されて作動ガスが膨張し圧力が上昇し、気室A内の圧力PA>気室B内の圧力PBの時は、流路切り替え弁300から気室Bに向かう流れが生じ、気室Aが冷却され、気室A内の圧力PA<気室B内の圧力PBの時は気室Bから流路切り替え弁300に向かう流れが生じるが、中空延長軸201内部にはラビリンス220が設けられており、気室Bから流路切り替え弁300に向かう方向の流路抵抗は、流路切り替え弁300から気室Bに向かう方向の流路抵抗より小さい。このため気室Bから流路切り替え弁300に向かう方向の作動ガス流量が、反対方向より大きくなる。
By the
気室Bから流路切り替え弁300に向かう方向の作動ガスは、気室B内の冷気通路153を通過する際、気室B外殻103を介して冷却され、往復流型タービン120軸受け213を冷却してから往復流型タービン120軸受け213の上部の開口212に導かれ、さらに中空延長軸201内を通ってファン121の軸受け室214内に導かれてファン121の軸受け210及び該流路切り替え弁300の軸受け211を冷却する。該中空延長軸201は、内部を通る冷気が気室A内の作動ガスで熱せられないため断熱構造としている。
When the working gas in the direction from the air chamber B toward the flow
また、気室101内側、気室Aと蓋102間、気室Aと気室B間は断熱材203、204、205(図示せず)で熱遮断されている。このため熱効率は向上するが、さらに気室101内側が断熱材203で断熱されているため、気室101外殻103は高温とならず、特に耐熱材料を使用する必要はない。
Further, the inside of the
発電機130は、耐圧外殻103外の常圧環境にあり、耐圧、耐熱は要求されない。このため汎用目的の発電機130を使用できる。このため発電機130を駆動する回転軸200は耐圧壁104を貫通することが必要となるが、回転軸200耐圧壁104貫通構造は図10の如く構成し、同図において230は耐圧貫通部で、231は前記回転軸200を受ける軸受け、232は、高圧仕様の回転軸シールである。2個の軸受け231間に設けられた空隙234は、別途設けられた高圧ボンベ(図示せず)と接続部233が導通され、圧力調整弁(図示せず)を介し、気室B内の平均圧力に調整されているので、空隙234と気室B間には作動ガスの漏れがなく、空隙234から大気側へ多少のガス漏れがあっても、容易に入手できる窒素ガスであり問題とならない。
The
図6に示されるように、本発明のスターリングエンジン100は、隔壁110を中心にして内蔵の各部品や装置を組み込むことができ、冷却器163を含む気室A、気室B、加熱器150を取り付けた蓋部102はフランジ105をボルトナット(図示せず)で螺着するだけでよく、組立性がきわめて良好である。
As shown in FIG. 6, the
図7は、図6に示した本発明によるスターリングエンジン100の標準的な形式で冷却器163を気室101内に収納した例である。
上記気室Aを外筒360と内筒370よりなる2重構造とし、該外筒360と内筒370間の空所380に、右図該当部平断面図に示す仕切り板381を備えて熱気通路390と冷気通路400を形成し、冷気通路400を冷却器160として使用することを特徴とするものである。
熱気通路390には、断熱材391を設け、内筒370と冷気通路400間に断熱材392を設け、断熱構造としている。
FIG. 7 shows an example in which the cooler 163 is housed in the
The air chamber A has a double structure composed of an
The
また上記ファン121は、上記往復流型タービン120の同一軸線上に設置して該往復流型タービン120により延長軸201を介して駆動し、また上記流路切り替え弁300回転部320内側下部(図6参照)に羽根330を設け、上記ファン121による風圧を受けて回転トルクを発生させて回転させ、ハウジング部分310に取り付けた電磁石340と回転部320に取り付けた鉄片350間の吸引力により設定位置に停止させるものである。
なお、外筒360は、水等で常時冷却されているので高温となることはなく、内筒370は、耐圧の必要はない。すなわち、外筒360は、圧力による応力を受けるが低温に保たれるため耐熱の必要はなく、内筒370は、高温となるが応力は受けないので、それぞれの材質選択肢が容易であるという効果がある。
この構造によれば極めてコンパクトな設計となり、小型機に適する。
The
Since the
This structure is extremely compact and suitable for small machines.
図8は、本発明のスターリングエンジン100を複動式とした例である。
気室Bにもファン122及び流路切り替え弁301を配設し、また加熱器155と冷却器165を設置して、該流路切り替え弁301により加熱器155と冷却器165へそれぞれ熱気流路156、冷気流路166を形成し、さらに該加熱器155と冷却器165の排出口を上記気室Bへそれぞれ流路157、167を形成して、上記気室Aの加熱・冷却機能を気室Bにも付加したものである。なお、該ファン122、流路切り替え弁301、加熱器155、冷却器165は、気室Aのファン121、流路切り替え弁300、加熱器150、冷却器160と同じものを設けてもよい。
FIG. 8 shows an example in which the
A
上記ファン121、122を上記往復流型タービン120により駆動することは困難となるが、上部に該ファン121、122と上記流路切り替え弁300、301を駆動する電動機やステッピングモーター等(図示せず)を設ければよい。気室Aの加熱・冷却のサイクルと気室Bの加熱・冷却のサイクルを逆位相にすることにより、気室A内の作動ガスが加熱され膨張するとき、気室B内の作動ガスは冷却され収縮する。逆に気室A内の作動ガスが冷却され収縮するとき、気室B内の作動ガスは加熱され膨張する。この結果、往復流型タービン120に加わる圧力差は2倍となり、往復流型タービン120の発生出力は2倍となり、中型機以上の高出力化に適する。
Although it is difficult to drive the
図9は、図5に示した本発明によるスターリングエンジン100の標準的な形式に再生熱交換器410を取り付けたものである。
従来型のスターリングエンジンでは、作動ガスを加熱また冷却するのにディスプレーサの往復動により、該作動ガスを加熱部と冷却部との間で往復させている。このため該作動ガスを加熱するには冷却器を通過して、いったん冷却された該作動ガスを加熱器により加熱している。また該作動ガスを冷却するには加熱器を通過して、いったん加熱された該作動ガスを冷却器により冷却している。このため加熱器と冷却器の間に再生熱交換器を設置して熱効率の向上を図っているが、再生熱交換器は流路抵抗が高いため抵抗の少ないヘリュウムを使用している。
FIG. 9 shows a
In the conventional Stirling engine, the working gas is reciprocated between the heating part and the cooling part by reciprocating movement of the displacer to heat or cool the working gas. For this reason, in order to heat this working gas, it passes through a cooler and the working gas once cooled is heated by the heater. In addition, the working gas is cooled by passing through a heater and cooling the working gas once heated by the cooler. For this reason, a regenerative heat exchanger is installed between the heater and the cooler to improve thermal efficiency. However, the regenerative heat exchanger uses helium which has a low resistance because of its high flow resistance.
本発明によるスターリングエンジン100では、加熱のためには作動ガスは流路切り替え弁300を介し直接加熱器150に導かれ、冷却のためには作動ガスは流路切り替え弁300を介し直接冷却器160に導かれる。このため再生熱交換器410を使用しなくても再生熱交換器を使用した従来型のスターリングエンジンと同等の熱効率が得られる。再生熱交換器410を使用しないため、ヘリュウムガスを使用する必要がなくなり、入手しやすい窒素ガスですむ。
しかし、本発明によるスターリングエンジン100に再生熱交換器410を取り付ければ、さらに熱効率の向上が可能である。
In the
However, if the
再生熱交換器410を取り付ける位置は、流路切り替え弁300の直上流とすることが必要である。ファンの直上流でも可能である。
The position where the
100 スターリングエンジン
101 気室
102 蓋部
103 外殻
104 耐圧壁
105 フランジ
110 隔壁
120 往復流型タービン
121 ファン
122 ファン
130 発電機
150 加熱器
151 熱気流路
152 流路
153 冷気通路
155 加熱器
156 熱気流路
157 流路
160 冷却器
161 冷気流路
162 流路
163 冷却管
165 冷却器
166 冷気流路
167 流路
200 回転軸
201 延長軸
203 断熱材
204 断熱材
205 断熱材(図示せず)
210 軸受け
211 軸受け
212 開口
213 軸受け
214 軸受け室
220 ラビリンス
230 耐圧貫通部
231 軸受け
232 回転軸シール
233 接続部
234 空隙
300 流路切り替え弁
301 流路切り替え弁
310 ハウジング部分
311、312 開口部
313 天井部
314 中心軸
320 回転部
321 開口部
322 開口部
323 開口部
330 羽根
340 電磁石
350 鉄片
360 外筒
370 内筒
380 空所
381 仕切り板
390 熱気通路
391 断熱材
392 断熱材
400 冷気通路
410 再生熱交換器
DESCRIPTION OF
210
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008142205A JP2009287490A (en) | 2008-05-30 | 2008-05-30 | Sterling engine using reciprocating flow turbine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008142205A JP2009287490A (en) | 2008-05-30 | 2008-05-30 | Sterling engine using reciprocating flow turbine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009287490A true JP2009287490A (en) | 2009-12-10 |
Family
ID=41456943
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008142205A Withdrawn JP2009287490A (en) | 2008-05-30 | 2008-05-30 | Sterling engine using reciprocating flow turbine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009287490A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012017849A1 (en) * | 2010-08-02 | 2012-02-09 | 横浜製機株式会社 | External combustion closed-cycle heat engine |
CN103680651A (en) * | 2013-12-03 | 2014-03-26 | 清华大学 | Radioactive atmosphere isolation technology for high temperature gas-cooled reactor maintenance |
-
2008
- 2008-05-30 JP JP2008142205A patent/JP2009287490A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012017849A1 (en) * | 2010-08-02 | 2012-02-09 | 横浜製機株式会社 | External combustion closed-cycle heat engine |
JP2012031804A (en) * | 2010-08-02 | 2012-02-16 | Yokohama Seiki Kk | External combustion closed cycle heat engine |
CN103680651A (en) * | 2013-12-03 | 2014-03-26 | 清华大学 | Radioactive atmosphere isolation technology for high temperature gas-cooled reactor maintenance |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7891184B2 (en) | 4-cycle stirling machine with two double-piston units | |
US6701708B2 (en) | Moveable regenerator for stirling engines | |
US6996983B2 (en) | Stirling engine | |
JP4520527B2 (en) | External combustion type closed cycle heat engine | |
JP2017160910A (en) | Hot-air engine | |
AU2002322185A1 (en) | Stirling engine | |
US9945321B2 (en) | Hot gas engine | |
WO2011151888A1 (en) | External-combustion, closed-cycle thermal engine | |
JP5525371B2 (en) | External combustion type closed cycle heat engine | |
US10221808B2 (en) | Stirling engine and methods of operations and use | |
JP2009287490A (en) | Sterling engine using reciprocating flow turbine | |
WO2009138724A2 (en) | A thermodynamic device | |
US10072608B2 (en) | Stirling engine | |
EP3401500A1 (en) | Machine for the transformation of thermal energy into mechanical work or electrical energy | |
US20150369124A1 (en) | Heat engine operating in accordance with carnot's thermodynamic cycle and control process | |
MXPA04012100A (en) | Method and device for converting thermal energy into kinetic energy. | |
CA3075188A1 (en) | Engine with at least one of non-sinusoidal motion and embedded pistons | |
CN102562359A (en) | Cooling system for power generator and engine | |
CN219139192U (en) | Double-sided piston engine | |
DE4103623A1 (en) | Rotary pump for Stirling engine - is driven by out of contact EM drive | |
RU2094650C1 (en) | Hydraulic motor | |
RU2208176C2 (en) | Rotary enternal combustion engine | |
US20050172624A1 (en) | Method and device for converting thermal energy into kinetic energy | |
US7805934B1 (en) | Displacer motion control within air engines | |
JP2003138986A (en) | Stirling engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110802 |