JP2010112241A - スターリングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱ヘッドをバーナーで加熱するスターリングエンジンにおいて、断熱材を用いることなく、バーナーから下方への熱伝達を防止する技術を提供する。
【解決手段】 本発明は加熱ヘッドを有するエンジン本体と、加熱ヘッドを加熱する加熱器を備えるスターリングエンジンとして具現化される。そのスターリングエンジンでは、加熱器が、エンジン本体の加熱ヘッドの側面に対向しているバーナーと、バーナーに燃料ガスを供給するガス供給経路を備えている。そのスターリングエンジンでは、ガス供給経路がバーナーの直下を通過するように配置されている。
【選択図】図２

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、連続燃焼であるために燃料の種類に制限がなく、静粛性が高く、環境負荷が低い等の利点を備えている。最近では、家庭用コージェネレーションシステム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の熱効率を高める技術が開発されている。特許文献１や特許文献２には、スターリングエンジンの燃焼排気の熱を回収する技術が開示されている。これらの技術では、スターリングエンジンの加熱ヘッドを加熱した後の燃焼ガスを用いてバーナーに供給される燃料ガスを予熱し、熱効率を高めている。

米国特許第５９１８４６３号明細書 国際公開第２００４／０６５７７８号パンフレット

特許文献１や特許文献２の技術では、加熱ヘッドを加熱するバーナーの熱が下方に伝わらないように、バーナーの直下に断熱材を設けている。バーナーの直下に断熱材を配置することによって、バーナーよりも下方に配置される冷却器などの他の構成要素へ熱が伝わることを防止している。

しかしながら、バーナーの直下のような高温下で使用される断熱材は、割れやすく耐久性に乏しいという問題がある。スターリングエンジンは運転中絶えず振動し、その振動は断熱材にもわずかに伝達する。スターリングエンジンの長期間の運用に伴って、振動環境下にある断熱材は経時劣化していく。経時劣化した断熱材の定期的な交換が必要となり、メンテナンスに多大な労力を必要とする。従って、スターリングエンジンにおいては、耐久性に乏しい断熱材をなるべく使用しない構成とすることが望ましい。

本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、加熱ヘッドをバーナーで加熱するスターリングエンジンにおいて、断熱材を用いることなく、バーナーから下方への熱伝達を防止する技術を提供する。

本発明は加熱ヘッドを有するエンジン本体と、加熱ヘッドを加熱する加熱器を備えるスターリングエンジンとして具現化される。そのスターリングエンジンでは、加熱器が、エンジン本体の加熱ヘッドの側面に対向しているバーナーと、バーナーに燃料ガスを供給するガス供給経路を備えている。そのスターリングエンジンでは、ガス供給経路がバーナーの直下を通過するように配置されている。なお、ここでいう燃料ガスとは、空気と混合されていない原燃料ガスであってもよいし、予め空気と混合された予混合ガスであってもよい。

上記のスターリングエンジンでは、ガス供給経路を介してバーナーへ供給される燃料ガスが、バーナーの直下を通過する際に、バーナーから下方へ伝わる熱を吸熱し、それ以上下方へ熱が伝達することを抑制する。このような構成とすることによって、バーナーの直下に断熱材を用いることなく、バーナーの下方への熱伝達を防止することができる。

また上記のスターリングエンジンでは、バーナーから下方へ伝わる熱によって燃料ガスが予熱される。バーナーの直下に断熱材を設ける場合、断熱材から外部へのわずかな放熱によって、熱損失が生じる。これに対して、上記のスターリングエンジンによれば、バーナーから下方へ伝わる熱が、ガス供給経路を流れる燃料ガスに吸熱されて、加熱ヘッドの加熱に利用される。高い熱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、ガス供給経路が、エンジン本体から見てバーナーよりも外側を上方から下方に伸びて、バーナーの直下に回り込んでいることが好ましい。

上記のスターリングエンジンでは、加熱ヘッドから見てバーナーの後ろ側に向かって伝わる熱についても、ガス供給経路を流れる燃料ガスの予熱に利用することができる。熱効率をさらに高めることができる。

上記のスターリングエンジンは、ガス供給経路が、スターリングエンジンと加熱器の間に設けられた弾性シール部材とバーナーとの間に配置されていることが好ましい。

多くのスターリングエンジンでは、エンジン本体は加熱器に対して相対的に振動する。この種のスターリングエンジンでは、エンジン本体と加熱器の相対的な振動を許容しつつ、バーナーの燃焼ガスがエンジン本体と加熱器の隙間から漏洩しないように、バーナーより下方に弾性シール部材が設けられている。一般的に弾性シール部材は耐熱性が低く、バーナーから弾性シール部材への熱伝達を確実に防止する必要がある。上記のスターリングエンジンでは、ガス供給経路がバーナーと弾性シール部材の間に配置されているので、バーナーから弾性シール部材への熱伝達を確実に防止することができる。

上記のスターリングエンジンは、バーナーの直下のガス供給経路が仕切板によって上側経路と下側経路に区画されており、ガス供給経路に供給された燃料ガスが下側経路と上側経路を順に経てバーナーへ供給されることが好ましい。

上記のスターリングエンジンでは、バーナーの直下に上側経路と下側経路の２層分の燃料ガスの流れが存在するので、バーナーから下方へ伝わる熱を燃料ガスがより多く吸熱することができる。バーナーから下方への熱伝達を確実に防止することができる。

また上記のスターリングエンジンでは、燃料ガスがまず下側経路を流れて、それから上側経路を流れる。上側経路はバーナーに近く、上側経路を流れる燃料ガスはそれだけ高温まで予熱される。逆に下側経路はバーナーから離れており、上側経路を流れる燃料ガスよりも低い温度に予熱される。上記のスターリングエンジンでは、温度の低い燃料ガスがバーナーから離れた下側経路で予熱されて、下側経路で予熱された燃料ガスがバーナーに近い上側経路でさらに予熱される。さらに高い熱効率を実現することができる。

本発明によれば、加熱ヘッドでバーナーを加熱するスターリングエンジンにおいて、断熱材を用いることなく、バーナーから下方への熱伝達を防止することができる。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） スターリングエンジンはフリーピストン型のスターリングエンジンである。
（形態２） 燃料ガスは予め空気と混合された予混合ガスである。

本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施例のスターリングエンジン１０の構成を示す模式図である。スターリングエンジン１０は、いわゆるβ形のスターリングエンジンであり、クランク機構などのピストン駆動機構を持たないフリーピストン型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン１０は、エンジン本体７０と、燃焼加熱器２０を備えている。エンジン本体７０には、略円柱形状に形成された加熱ヘッド９４ａや、冷却器９６が設けられている。エンジン本体７０は、動作時に振動することから、図示しないフレームに防振機構を介して支持されている。一方、燃焼加熱器２０は、前記フレームに固定されている。従って、燃焼加熱器２０とエンジン本体７０は互いに固定されておらず、エンジン本体７０が動作時に振動しても、その振動が燃焼加熱器２０に伝わらないようになっている。

燃焼加熱器２０は、可燃性ガスを燃焼するリングバーナー２４を備えており、エンジン本体７０の加熱ヘッド９４ａを加熱する。スターリングエンジン１０は、燃焼加熱器２０によって加熱ヘッド９４ａを加熱し、冷却器９６によって冷却することによって、交流電力を発電して外部の電気機器に供給する。

以下ではエンジン本体７０の内部の構成について説明する。エンジン本体７０は、外形が略円柱形状をしているハウジング９４と、ハウジング９４内の作動空間１００、１０２内に設けられているディスプレーサ７８と、ハウジング９４内の作動空間１００に面している出力ピストン８０を備えている。エンジン本体７０の加熱ヘッド９４ａは、ハウジング９４の図面上方の端部に位置している。

ディスプレーサ７８は、作動空間１００、１０２内に設けられているシリンダ１０４内に収容されているとともに、ハウジング９４に固定されているシャフト７２に摺動可能に支持されている。ディスプレーサ７８とシャフト７２は２つの板ばね７６を介して接続されており、ディスプレーサ７８はシリンダ１０４の内面に沿って所定の周波数（固有振動数）で往復運動するようになっている。ディスプレーサ７８の固有振動数は、２つの板ばね７６のバネ定数によって調整することができる。また、シャフト７２は固定プレート７９を介してハウジング９４に固定されており、固定プレート７９には複数の孔７９ａが形成されている。

作動空間１００、１０２内には、作動ガスであるヘリウムガスが充填されている。作動空間１００、１０２のなかで、ディスプレーサ７８よりも図面上方に位置する作動空間１０２は、燃焼加熱器２０によって加熱される加熱側作動空間である。加熱側作動空間１０２は、加熱ヘッド９４ａの内部に位置している。一方、ディスプレーサ７８よりも図面下方に位置する作動空間１００は、冷却器９６によって冷却される冷却側作動空間である。加熱側作動空間１０２と冷却側作動空間１００は、シリンダ１０４の外面とハウジング９４の内面との間の空間によって連通されており、その連通空間には再生器７４が設けられている。

エンジン本体７０では、加熱側作動空間１０２内のヘリウムガスが連続的に加熱されるとともに、冷却側作動空間１００内のヘリウムガスが連続的に冷却されることによって、ディスプレーサ７８がシリンダ１０４内で往復運動する。ディスプレーサ７８が往復運動すると、加熱側作動空間１０２の容積と冷却側作動空間１００の容積との割合が変化する。例えばディスプレーサ７８が加熱側作動空間１０２側に移動すると、加熱側作動空間１０２が減少するとともに冷却側作動空間１００が増大する。このとき、加熱側作動空間１０２内のヘリウムガスは、再生器７４を通って冷却側作動空間１００へと移動する。逆に、ディスプレーサ７８が冷却側作動空間１００側に移動すると、冷却側作動空間１００が減少するとともに加熱側作動空間１０２が増大する。このとき、冷却側作動空間１００内のヘリウムガスが再生器７４を通って加熱側作動空間１０２へと移動する。加熱側作動空間１０２の容積と冷却側作動空間１００の容積と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するため、作動空間全体１００、１０２の圧力が変化する。作動空間全体１００、１０２の圧力変化は、作動空間１００に面している出力ピストン８０に加えられる。

出力ピストン８０は、そのシャフト８２が板ばね８４、９２を介してハウジング９４に接続されており、図面上下方向に沿って所定の周波数（固有振動数）で往復運動可能に支持されている。出力ピストン８０の固有振動数は、板ばね８４、９２のバネ定数によって調整することができる。本実施例では、出力ピストン８０の固有振動数よりもディスプレーサ７８の固有振動数を幾分大きくして、両者に位相差を持たせている。

出力ピストン８０のシャフト８２には、複数の磁石８６が配設されている。また、ハウジング９４側には、複数の磁石８６と対向する位置に鉄心８８とコイル９０が設けられている。エンジン本体７０では、磁石８６群や鉄心８８やコイル９０等によって発電機が構成されており、出力ピストン８０が往復運動することによって、交流電力が発電されるようになっている。このとき、発電される交流電力の周波数は、出力ピストン８０の往復運動の周波数に等しくなる。従って、ディスプレーサ７８や出力ピストン８０の固有振動数を調整することによって、発電する交流電力の周波数を調整することができる。

図２は燃焼加熱器２０の詳細な構成を示している。燃焼加熱器２０は、リングバーナー２４を備えている。リングバーナー２４は、エンジン本体７０の加熱ヘッド９４ａの側面に対向している。リングバーナー２４には、ガス供給経路２０２を介して、可燃性ガスと空気を混合した予混合ガスが供給される。リングバーナー２４は、予混合ガスを燃焼することによって、エンジン本体７０の加熱ヘッド９４ａを加熱する。加熱ヘッド９４ａの外側にはフィン２２０が設けられており、燃焼ガスによる加熱が促進されている。加熱ヘッド９４ａは、リングバーナー２４より上方で、断熱材２０６によって取囲まれている。リングバーナー２４で生成された燃焼ガスは、加熱ヘッド９４ａを加熱しながら加熱ヘッド９４ａと断熱材２０６の間の空間を上昇し、断熱材２０６の上部に形成されたガス排出孔２０８から外部に排出される。

加熱ヘッド９４ａの外側にはヒートシールド２２２が設けられており、リングバーナー２４の燃焼ガスが下方へ漏洩することが抑制されている。さらに燃焼加熱器２０とエンジン本体７０の冷却器９６との間には、弾性シール部材２２４が設けられている。弾性シール部材２２４は、エンジン本体７０と燃焼加熱器２０の相対的な振動を許容しつつ、リングバーナー２４の燃焼ガスが漏洩することを防止する。本実施例では、弾性シール部材２２４はシリコンゴム製のシール部材である。リングバーナー２４の燃焼ガスがヒートシールド２２２の隙間から漏洩しても、弾性シール部材２２４によって燃焼ガスが大気中に放出されることが防止される。

ガス供給経路２０２には、燃焼加熱器２０の上部に形成されたガス供給孔２０９を介して、予混合ガスが供給される。ガス供給孔２０９には図示しないブロアが設けられており、燃焼加熱器２０の内部へ予混合ガスが送り込まれる。ガス供給経路２０２は、第１ガス供給経路２１０と、第２ガス供給経路２１２を備えている。第１ガス供給経路２１０は、断熱材２０６の外側面を覆うように形成された円筒状の経路であって、断熱材２０６の外側面に沿って上方から下方に向けて伸びている。断熱材２０６の外側面からは、内部の燃焼ガスの熱がわずかに放出される。第１ガス供給経路２１０を流れる間に、断熱材２０６からの放熱によって予熱される。さらに第１ガス供給経路２１０はリングバーナー２４よりも外側を上方から下方に伸びている。第１ガス供給経路２１０を流れる予混合ガスは、加熱ヘッド９４ａから見てリングバーナー２４の後ろ側に向かって放熱される熱によっても予熱される。

第２ガス供給経路２１２は、リングバーナー２４の直下を通過するように配置されている。第２ガス供給経路２１２は、仕切板２２６によって下側経路２１６と上側経路２１８に区画されている。第１ガス供給経路２１０から第２ガス供給経路２１２へ流入した予混合ガスは、下側経路２１６、上側経路２１８を順に経由して、リングバーナー２４へ供給される。

第２ガス供給経路２１２の上側経路２１８を流れる予混合ガスは、直上のリングバーナー２４の燃焼ガスとの熱交換によって高温まで予熱される。また、下側経路２１６を流れる予混合ガスは、上側経路２１８を流れる予混合ガスとの熱交換によって、上側経路２１８を流れる予混合ガスよりも低い温度に予熱される。このような構成とすることによって、第２ガス供給経路２１２を流れる予混合ガスは、下側経路２１６と上側経路２１８で段階的に予熱されてから、リングバーナー２４へ供給される。

リングバーナー２４から下方へ向けた熱伝達の抑制という観点から見ると、リングバーナー２４の直下には上側経路２１８と下側経路２１６の２層分の予混合ガスの流れが存在する。上側経路２１８と下側経路２１６を流れる予混合ガスによって、リングバーナー２４から下方へ伝わる熱が十分に吸熱されるので、第２ガス供給経路２１２よりさらに下方にはリングバーナー２４からの熱が伝わり難い。リングバーナー２４より下方に配置されている弾性シール部材２２４や冷却器９６にリングバーナー２４からの熱が伝わることを防止することができる。

以上のように、本実施例のスターリングエンジン１０では、ガス供給経路２０２がリングバーナー２４の直下を通過するように配置されており、リングバーナー２４から下方へ伝わる熱が、ガス供給経路２０２を流れる予混合ガスによって吸熱される。耐久性の低い断熱材を用いることなく、リングバーナー２４の熱が下方に配置された弾性シール部材２２４や冷却器９６へ伝達することを防止することができる。

本実施例のスターリングエンジン１０では、ガス供給経路２０２が、エンジン本体７０から見てリングバーナー２４よりも外側を上方から下方に伸びる第１ガス供給経路２１０と、リングバーナー２４の直下に回り込んでいる第２ガス供給経路２１２を備えている。スターリングエンジン１０の外部から供給された予混合ガスは、第１ガス供給経路２１０で断熱材２０６からの放熱やリングバーナー２４の後ろ側へ向けた熱伝達によって予熱されてから、さらに第２ガス供給経路２１２で予熱される。このような構成とすることによって、スターリングエンジン１０では高い熱効率を実現している。

本実施例のスターリングエンジン１０では、第２ガス供給経路２１２が、仕切板２２６によって上側経路２１８と下側経路２１６に区画されており、ガス供給経路２０２に供給された予混合ガスが、下側経路２１６、上側経路２１８を順に経由して、リングバーナー２４へ供給される。これによって、第２ガス供給経路２１２の経路長が確保されて、高い熱効率を実現している。また、リングバーナー２４から下方へ向けた熱伝達の抑制という観点から見ると、リングバーナー２４の直下に上側経路２１８と下側経路２１６の２層分の予混合ガスの流れが存在することで、リングバーナー２４より下方に配置されている弾性シール部材２２４や冷却器９６にリングバーナー２４からの熱が伝わることを確実に防止することができる。

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。
上記した実施例では、β形のスターリングエンジン、特にフリーピストン型のスターリングエンジンを例示して説明したが、本明細書で開示する技術はスターリングエンジンの形態に限定されない。
上記した実施例では、ガス供給経路に、予め空気と混合された予混合ガスが流れる例について説明したが、これ以外にも、ガス供給経路に、空気と混合されていない原燃料ガスが流れる構成としてもよい。
上記した実施例では、ガス供給孔にブロアを設け、燃焼加熱器の内部に予混合ガスを送り込む例について説明したが、これ以外にも、ガス排出孔にブロアを設け、燃焼加熱器の内部から燃焼ガスを吸引する構成としてもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書また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。

本発明の一実施例に係るスターリングエンジン１０の構成を模式的に示す断面図。 本発明の一実施例に係るスターリングエンジン１０における燃焼加熱器２０の構成を模式的に示す断面図。

符号の説明

１０ スターリングエンジン
２０ 燃焼加熱器
２４ リングバーナー
７０ エンジン本体
７２ シャフト
７４ 再生器
７８ ディスプレーサ
７９ 固定プレート
７９ａ 孔
８０ 出力ピストン
８２ シャフト
８６ 磁石
８８ 鉄心
９０ コイル
９４ ハウジング
９４ａ 加熱ヘッド
９６ 冷却器
１００、１０２ 作動空間
１０４ シリンダ
２０２ ガス供給経路
２０６ 断熱材
２０８ ガス排出孔
２０９ ガス供給孔
２１０ 第１ガス供給経路
２１２ 第２ガス供給経路
２１６ 下側経路
２１８ 上側経路
２２０ フィン
２２２ ヒートシールド
２２４ シール部材
２２６ 仕切板

Claims (4)

1. 加熱ヘッドを有するエンジン本体と、加熱ヘッドを加熱する加熱器を備えるスターリングエンジンであって、
   加熱器が、エンジン本体の加熱ヘッドの側面に対向しているバーナーと、バーナーに燃料ガスを供給するガス供給経路を備えており、
   ガス供給経路が、バーナーの直下を通過するように配置されているスターリングエンジン。
2. ガス供給経路が、エンジン本体から見てバーナーよりも外側を上方から下方に伸びて、バーナーの直下に回り込んでいる請求項１のスターリングエンジン。
3. ガス供給経路が、スターリングエンジンと加熱器の間に設けられた弾性シール部材とバーナーとの間に配置されている請求項１または２のスターリングエンジン。
4. バーナーの直下のガス供給経路が、仕切板によって上側経路と下側経路に区画されており、
   ガス供給経路に供給された燃料ガスが、下側経路と上側経路を順に経てバーナーへ供給される請求項１から３の何れか一項のスターリングエンジン。

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