JP3258872B2 - スターリング機器 - Google Patents

スターリング機器

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2243/00Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
    • F02G2243/30Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes having their pistons and displacers each in separate cylinders

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮空間と膨張空
間との間のガス流通経路における作動ガスの圧損を低減
し、性能を向上させたスターリング機器に関する。
【0002】
【従来の技術】図9は、スターリング機器の一例を示す
概略断面図であって、1は第1シリンダ11に内挿され
た第1ピストン、2は第2シリンダ12に内挿された第
2ピストン、3は第1ピストンと第2ピストンを或る位
相差を持って往復運動させる駆動部、4は第1ピストン
1の前方に形成されるガス圧縮空間、5は第2ピストン
2の前方に形成されるガス膨張空間を示しておる。
【0003】6はガス圧縮空間4とガス膨張空間5とを
連通させるガス流路で、このガス流路6には、ガス圧縮
空間4側にギャップ式熱交換器7を配設する一方、ガス
膨張空間5側に熱再生器8と熱交換器(放熱フィン)9
とを配設している。
【0004】ここで、第2シリンダ12は、内側筒体1
3と外側中空筒14から成り、内側筒体13と外側中空
筒14との間の形成される環状空間15内に前記熱再生
器8が収納配設されている。
【0005】そして前記環状空間15の底部には、ガス
流路6からの作動ガスが最初に流入するガス入口空間1
6が環状の空胴となって連設形成されており、そしてそ
のガス入口空間16の底面の一カ所にガス入口17が開
口形成されている。従って、このガス入口17から流入
した作動ガスは、そのガス入口空間16から立ち昇って
熱再生器8を通過してガス膨張空間5に流入するように
なっている。
【0006】また第1シリンダ11側に設けられるギャ
ップ式熱交換器7は、そのシリンダの内側筒体の外周壁
と放熱フィンを有する外側筒体の内周壁との間にギャッ
プ部19を設けており、このギャップ部19を圧縮作動
ガスが通過する際に熱を外部へ放出するようにしてい
る。なお10は第ピストン1と第2ピストン2との後方
空間の背圧調整用の流路を示している。
【0007】上記構成で、まず駆動部3が駆動すると第
1ピストン1がガス圧縮空間4側に移動してガス圧縮空
間4に充満するヘリウムや窒素等の液化しにくい作動ガ
スが圧縮される。圧縮された作動ガスは、ギャップ式熱
交換器7で外気と熱交換され冷却される。そしてさらに
ガス流路6を介して作動ガスは、熱再生器8に流入す
る。熱再生器8に流入した作動ガスは、内部の充填材を
通過する際に蓄熱され、作動ガスはガス膨張空間5へ流
入される。
【0008】その後、ガス膨張空間5の第2ピストン2
が第1ピストン1とある位相差を持って降下してくる。
これによって、ガス膨張空間5が拡張されて熱再生器8
からガス膨張空間5へ流入した高圧の作動ガスが急膨張
して、作動ガスの圧力が急降下するため作動ガスが低温
となる。やがて、第2ピストン2が上昇を開始し、第1
ピストン1が後退すると、低温となる作動ガスが熱再生
器8を通ってガス圧縮空間4へ戻る。このとき、熱再生
器8では冷熱の蓄熱がされる。
【0009】上記した工程によって、1つの熱サイクル
が終了し、この工程が駆動部の往復運動にによって繰り
返され、これにより、徐々に、ガス膨張空間の周辺の温
度が低温とされる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところで、熱再生器の
熱効率は、第1シリンダのガス圧縮空間4から第2シリ
ンダのガス膨張空間5へ流入し、膨張に作用する有効ガ
ス量が多いほど高いものとなる。従って熱再生器8を配
設している環状空間15を作動ガスがどの部分でも抵抗
差がなく、即ち圧損が無く熱再生器8を通過し、均一に
ガスが流れることが望ましい。
【0011】しかし、上述した従来の第2シリンダ12
の構造であると、環状空間へは作動ガスは位置的に見て
片方に寄った一個のガス入口17から入り、そのガスが
環状の空間を全周方向に拡散し、その後空間底面と鉛直
な環状空間15の内面に沿うよう方向を転換して上方へ
と流れるが、ガス入口17から遠い場所ほど届くガス量
が減り、かつその場所でガスが方向を転換する際、環状
空間の鉛直な内面と底面とのなす角度が直角なためガス
にとって大きい流通抵抗となって、熱再生器8を通過す
るガスは弱いガス流になってしまい、ガス膨張空間5に
流入する総ガス量が減り、熱効率が低いものとなる問題
があった。
【0012】本発明は、上記問題に鑑みて成されたもの
で、作動ガスをガス膨張空間にスムーズに流し、有効ガ
ス量が多くなって熱効率を向上させ性能を高められるス
ターリング機器を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項1記載のスターリング機器は、第1
シリンダにおける第1ピストン前方のガス圧縮空間と第
2シリンダにおける第2ピストン前方のガス膨張空間と
がガス流路で連通し、前記第1ピストンと第2ピストン
が或る位相差を持って往復動駆動することにより、第1
シリンダから第2シリンダに流入した圧縮作動ガスが膨
張して冷却され、その膨張作動ガスが第1シリンダに戻
る熱サイクルが繰返されて、前記第2シリンダの外周壁
と放熱フィンを有する外側中空筒との間に形成された環
状空室に収設された円筒状の熱再生器に冷熱が蓄熱され
るスターリング機器において、前記ガス流路からのガス
流入口が開口している前記環状空室の内底部に、流入し
た作動ガスが前記環状空室の底部全周域に均一に拡散し
かつ前記熱再生器へと均一な流れとなって上昇通過して
前記ガス膨張空間に流入するようなガス流を形成させる
環状のスペーサを配したことを特徴とするスターリング
機器。
【0014】また、請求項2記載のスターリング機器
は、前記環状空室の内底部に配される前記環状のスペー
サは、一端部に前記ガス流入口と連通するガス流通孔を
有するか若しくは前記ガス流入口と対応する端部が切徐
された形状に形成され、かつ前記ガス流入口と反対側端
に向い漸次高さが高くなる一定角度の傾斜した上面に形
成したものである。
【0015】さらにまた、請求項3記載のスターリング
機器は、前記環状空室の内底部に配される前記環状のス
ペーサは、内側に凹んだ湾曲した傾斜上面に形成されて
いるものである。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づき説明する。なお図9に示す従来装置と同一又は同等
の構成部は同一番号で示す。
【0017】図1において、熱再生器8を配設する第2
シリンダ12における環状空室15の下部、すなわち図
番16で示すガス入口空間の内部に、図2に示すように
全体が環形で、かつ高さが一方に向かって徐々に高くな
るように上面21を斜めにカットした形状のスペーサー
20を配設する。このスペーサー20は、高温の作動ガ
スに耐えられるように耐熱性の部材例えば樹脂の成形品
で形成されていると共に、低い方の部分にはガス流通孔
22が設けられている。
【0018】従って、スペーサー20はこのガス流通孔
22をガス入口17と一致させる向きにして、ガス入口
空間16内に配し、接着剤等によりガス入口空間16の
底に強固に装着固定されている。
【0019】こうしたスペーサー20がガス入口部分で
ある第2シリンダ12内の底部(ガス入口空間16)に
配されていると、ガス流路6からの作動ガスがガス入口
17からガス流通孔22を通りガス入口空間16に出る
と、そのガスはスペーサー20の傾斜上面21に沿い抵
抗なく流れ、ガス流通孔22と反対側のガス入口空間1
6の領域の方へもスムースに回り込んで行き、ガス入口
空間16全体に十分に拡散する。
【0020】こうして横(水平向き)へ流れガス入口空
間16に拡散したガスは、その後、第2シリンダの内側
面に沿い立ち昇るように水平から垂直方向へと流れる向
きが変わる。この時この流れが変更する地点の角度が、
本発明では、図4に示すように、スペーサー20の傾斜
上面21と第2シリンダの内側面24とで鈍角βとなっ
ているため、従来の水平なシリンダ底面と垂直な内面と
による直角になっていた場合より、抵抗が少なくなりガ
スの流れが良くなり、熱再生器8をガスが圧損を受けず
に均一に通過するようになっって、シリンダのガス膨張
空間5に十分な量のガスを送給することができるように
なる。よって、スタリーング機器の性能が高まり、熱再
生器8の熱効率を向上させることができるようになる。
【0021】またスペーサーの上面を、図5に示すよう
に下に凸の曲線を描くような内側(下方)に湾曲した傾
斜上面21bに形成したスペーサー20Bを使用する
と、ガス流に対する抵抗が更に少なくすることができる
ので、もっと効果的にガスの拡散及び上昇を推進できる
ようになり、熱効率の改善により有効となる。またこの
湾曲度合いをシリンダの内径、ピストンの駆動力等構造
上の要素と関連させて適正に設定することで、最高の出
力を得られるようになることは言うまでもない。
【0022】図6乃至図8は、他の実施例に係るスペー
サー20Cを示し、第1実施例のスペーサー20のよう
にガス導入のためのガス流通孔22を備えさせるのでは
なく、ガス流路6のガス入口17と対応する側の端部2
6を広く切徐した形のスペーサー20Cとしたものであ
る。
【0023】このスペーサー20Cでは、端部26を切
り落してガス導入を可能としており、第1実施例のスペ
ーサー20のようにガス流通孔22を形成せずともよい
ので、加工等が容易になりコスト的にも安いものとでき
る。
【0024】
【発明の効果】以上のように請求項1の発明によれば、
筒状の熱再生器を配設したシリンダ外周の環状空室に、
偏在位置するガス入口から流入した作動ガスをガス入口
と遠い側まで十分に誘導して、環状空室をシリンダの作
動空間へと均一に流れるガス流を形成できるようなスペ
ーサを配したので、流通抵抗を受けて流量の減る心配の
熱再生器も、ガスは均一な流れとなって通過し、ガス作
動空間へ送り込まれる有効ガス量は十分となり、熱再生
器での蓄熱度も高められて、熱効率を向上できるスタリ
ーング機器を提供できる。
【0025】また、具体的には請求項2の発明のよう
に、このスペーサは環状でかつ傾斜した上面を持つスペ
ーサとすることで、簡単にガス流を均一に流せるものと
なり、構成的にも複雑にならず、低コストで実現でき
る。
【0026】更に、このスペーサの傾斜上面を内側に凹
む湾曲状にすれば、一段に均一なガス流を形成できるよ
うになり、さらなる熱効率の向上、及び性能をアップさ
せたスタリーング機器を提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスタリーング機器の概略断面図。
【図2】本発明の熱再生器に均一に流すガス流を形成せ
るスペーサの斜視図。
【図3】上記スペーサの縦断側面図。
【図4】上記スペーサの平面図。
【図5】上面を下方に湾曲した傾斜面とした他の実施例
に係るスペーサの側面図。
【図6】別の実施例に係るスペーサの斜視図。
【図7】同スペーサの縦断側面図。
【図8】同スペーサの平面図。
【図9】従来のスタリーング機器の概略断面図。
【符号の説明】
1 第1ピストン 2 第2ピストン 6 ガス流路 8 熱再生器 12 第2シリンダ 15 環状空間 16 ガス入口空間 17 ガス入口 20,20B,20C スペーサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F25B 9/14 520 F25B 9/14 510 F02G 1/053

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1シリンダにおける第1ピストン前方
    のガス圧縮空間と第2シリンダにおける第2ピストン前
    方のガス膨張空間とがガス流路で連通し、前記第1ピス
    トンと第2ピストンが或る位相差を持って往復動駆動す
    ることにより、第1シリンダから第2シリンダに流入し
    た圧縮作動ガスが膨張して冷却され、その膨張作動ガス
    が第1シリンダに戻る熱サイクルが繰返されて、前記第
    2シリンダの外周壁と放熱フィンを有する外側中空筒と
    の間に形成された環状空室に収設した円筒状の熱再生器
    に冷熱が蓄熱されるスターリング機器において、 前記ガス流路からのガス流入口が開口している前記環状
    空室の内底部に、流入した作動ガスが前記環状空室の底
    部全周域に均一に拡散しかつ前記熱再生器へと均一な流
    れとなって上昇通過して前記ガス膨張空間に流入するよ
    うなガス流を形成させる環状のスペーサを配したことを
    特徴とするスターリング機器。
  2. 【請求項2】 前記環状空室の内底部に配される前記環
    状のスペーサは、一端部に前記ガス流入口と連通するガ
    ス流通孔を有するか若しくは前記ガス流入口と対応する
    端部が切徐された形状に形成され、かつ前記ガス流入口
    と反対側端に向い漸次高さが高くなる一定角度の傾斜し
    た上面に形成されていることを特徴とする前記請求項1
    記載のスターリング機器。
  3. 【請求項3】 前記環状空室の内底部に配される前記環
    状のスペーサは、内側に凹んだ湾曲した傾斜上面に形成
    されていることを特徴とする前記請求項2記載のスター
    リング機器。
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