JP4268125B2 - スターリングエンジン組立体 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、スターリングエンジン組立体に関するものであり、特に、主に家庭環境用の熱併給(combined heat and power:ｃｈｐ)システムで用いられるスターリングエンジン組立体に関するものである。

スターリングエンジンは、エンジン頂部にあるヒータヘッドを囲んで配置されたバーナを有している。スターリングエンジンに基づくｃｈｐシステムについての問題は、燃焼ガスが下方に流れて空間封止した（room-sealed)ユニットの囲いに入り潜在的に有害なガスの蓄積を生じさせないように確実にする必要性である。従って、スターリングエンジンとバーナケーシングとの間には、何らかの形式のシールが必要とされる。

稼働時、スターリングエンジンは、その往復動する構成要素のために振動する。種々の減衰及び吸収構成要素を組み込んだ制振システムは、振動の残留レベルを低レベルにさせることができるが、振動しているエンジンと静止バーナケーシングの間に配置されたどんなシールに対しても種々の問題を生じさせるのに依然として十分である。従来のシール設計の中には、エンジン懸架システムよりも著しく堅いのが一般的であり、そしてもし何らかの用途において使用されれば、振動しているエンジン及び静止バーナ構成要素間の受け容れ難い力の伝達になるものがある。このようなシール設計は、ガス設備器具認証手続きに規定されているように、極めて頑丈であり、高温で作動し、そして全ての作動条件下で適切な封止を維持しうることが要求される。

かかるシールの過剰な摩耗、疲労又は劣化により、燃焼ガスが漏れてユニットの囲いに入り、危険を生じさせると共に、騒音レベルを高くするであろう。従って、シール設計は、エンジンとバーナとの間の相対運動（本来、垂直、水平及び回転運動）に対抗するのに十分な可撓性が要求される。更に、このシールは、バーナガスに関連される高温に耐えることができなければならず、関連のガスにより腐食してはならない。

１９７９年にＧＥにより提案された従来構成（ＧＥ Ｓｅｍｉ−Ａｎｎｕａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ８０ＳＤ５４２１５参照）は、ＰＴＦＥシールを用いている。このようなシールは、ＰＴＦＥからの周知の有毒放出物のために或る温度にて潜在的な危険性があるので、家庭環境には不適である。

また、米国特許第５,９１８,４６３号は、セラミック製のシールの使用を提案している。しかし、セラミックは、振動による損傷を受けやすい材料である。

本発明によれば、スターリングエンジン組立体は、ヘッドを有するスターリングエンジンと、前記エンジンヘッドに熱を供給するバーナと、前記エンジンと前記バーナとの間の可撓性のシールと、前記バーナから前記シールへの伝熱を減じるべく前記バーナと前記シールとの間に配置された第１の液体クーラント回路とを備えている。

クーラント回路を設けることにより、シールが耐えなければならない温度を相当に減じることができ、従来のシール（封止）材料を用いることができる。

第１の液体クーラント回路についての液体は、適当な供給源から提供され得る。しかし、スターリングエンジンは、第２の液体クーラント回路を有するクーラを備えている。従って、第１と第２の液体クーラント回路に共通の液体が供給されることが有効である。

このような構成においては、第１の液体クーラント回路と第２の液体クーラント回路とは並列で配置されるとよい。この場合、第１の液体クーラント回路への液体の流れは、通常、第２の液体クーラント回路への液体の主流からの流出流れである。或いはまた、第１と第２の液体クーラント回路への流れは、連続的な（直列的）な配列でもよい。この場合、クーラを可能な限り低温に維持するために、液体は、第１の液体クーラント回路の前に、第２の液体クーラント回路を流れるようにすることが好ましい。

第１の液体クーラント回路がシールの径方向外方に配置されている場合、バーナとシールとの間の距離を大きくすることができ、周囲空気によりより容易に冷却される領域にシールを配置することができる。

第１の液体クーラント回路に加えて、バーナからシールへの伝熱を減らす別の手段を設けることが有効である。例えば、バーナからシールに流れるガスのための蛇行経路を設けることができる。代替的に又は付加的に、バーナからシールへの伝熱を減じるために、断熱体を設けてもよい。これらの目的の両方は、繊維状の断熱材料を、バーナハウジングとスターリングエンジンのヘッドとの間であって、バーナの下の間隙に封ずることにより、達成される。

可撓性のシールは、製品に適したものならばどのような材料であってもよい。しかし、本発明では、シリコンゴム封止材料のような、３５０℃未満の最高温度に耐え得る従来一般の市販されている封止材料の使用を可能とするものである。

可能な限り低温にシールを維持するための更なる手段は、可撓性シールを第１の液体クーラント回路内に延在させることである。これにより、クーラントは可撓性シールに直接、接することになる。好ましくは、第１の液体クーラント回路は、エンジンを囲み、開放した環状のチャネルセクションと、開放した環状セクションを横切る環状プレートとを有し、シールはチャネルセクションと前記プレートとの間で挟持されている。これにより、前述したのと同様に、クーラントがシールに接することができ、また、クーラント回路にシールを取り付ける手段と、クーラント回路を封止する手段とを提供し、更なる封止要素の必要性を除去することができる。

以下、本発明に基づくスターリングエンジン組立体の諸実施形態を、添付図面を参照して説明する。

図１に示すスターリングエンジン組立体の殆どの態様は周知であり、ここでは簡単に説明することとする。

スターリングエンジン１は、線型の自由ピストンスターリングエンジンであり、下にクーラ３とオルタネータもしくは交流発電機４が配置されたエンジンヘッド２を備えている。このスターリングエンジン１は、複数のばね５によってケーシング（図示しない）から吊り下げられている。

エンジンヘッド２を加熱するためにバーナ７に点火される前に、雰囲気が煙未知６を通して引き入れられ。燃焼ガスにより予加熱され、可燃燃料と混合される。複数のフィン８がヘッドへの熱伝導を促す。燃焼ガスは、入ってくる空気／燃料混合物を予加熱し、次いで熱交換器９に供給されて家庭用セントラルヒーティング回路１０内の水を加熱する。温水の需要がスターリングエンジン１単独で供給できる量を超えた場合に、家庭用セントラルヒーティング回路１０に付加的な熱を供給するために、補助バーナ１１が設けられている。ファン１２が２つのバーナ７，１１に風を送り、スプリッタバルブ１３がバーナ７と補助バーナとの間の空気量を調整する。これは、ファン速度の制御と共に、各バーナに供給される空気量の制御を可能とする。

家庭用セントラルヒーティング回路１０内の温水は、家庭用セントラルヒーティングシステムを通って循環し、そこで、温水は家庭用放熱器を通して熱を失い、或いは、家庭での温水の要求に応じて用いられる。この後、冷却された液体はライン１０Ａに沿ってスターリングエンジン組立体に戻る。知られていることであるが、この水は次いでエンジンクーラ３を冷却するために用いられ、これにより、セントラルヒーティングシステムで必要とされる十分な温度に加熱されるべくライン１４に沿って熱交換器９に戻される前に、水の温度が僅かに上昇されるのである。本発明はこのように動作されるが、本発明は、以下で詳細に述べるように、ライン１０Ａ内に入ってくる冷水を更に利用しようとするものである。

図２〜図４に示すように、スターリングエンジン１のヘッド２に溶接された環状フランジ２２と、バーナケーシング２１との間の間隙を封止するために、シール２０が設けられている。また、逆Ｕ断面形状を有する鋳造アルミニウム製のチャネル要素２５によって、クーラントチャネル（流路）が設けられている。シール２０は、このチャネル要素の下部の全幅にわたり延びており、チャネル要素２５の下部と、複数のボルト２７により適所に保持された環状プレート２６との間にて挟持されている。チャネルは入口２８と出口２９を有している。シールとチャネルのこのような配置は、多くの機能を果たす。すなわち、それは、バーナケーシングに対してシールを取り付ける手段を提供し、また、シール要素の大部分がチャネル２５内を循環している水と直接接するため、シールを効果的に冷却する手段を提供し、更には、別個の封止要素を設けることなくシャンネルを封止する手段を提供する。このシール２０は、シール保持クリップ３３により環状溝３０内に固定される。

チャネル２５を通る冷却液の循環と共に、図２から理解されるように、シールの温度を下げるために採られた他の手段も多数ある。２つの半円形の部片から作られたセラミック製の断熱リング２４が、バーナ７と冷却用チャネル２５との間の間隙の大部分を満たす。また、このリングは、バーナからシール２０への蛇行した経路があるように配置されている。また、シール２０の露出部分がチャネル２５の径方向外方に配置され、周囲の空気にさらされるようになっていることに注意されたい。これにより、周囲の空気によってシールが冷却され、また上述した蛇行経路の効果を増強させる。

このエンジン組立体を組み立てるために、エンジンは、バーナモジュール及びエンジンモジュールとして提供される。エンジンモジュールは、エンジン１と、環状フランジ２２と、シール２０と、シール保持クリップ３３と、冷却用チャネル２５と、環状プレート２６と、ボルト２７と、環状エンジン支持ブラケット４０とを含んでいる。なお、エンジン支持ブラケット４０は図２に示す以上に延び、独立して支持され、チャネル２５の重量がエンジン支持ブラケット４０により支持され、シール２０によっては支持されないようになっている。バーナモジュールはバーン７を含み、これに、周方向に配置されたボルト４３により、環状の支持ブラケット４２と環状スペーサ４１とが取り付けられている。バーナモジュールを適所に設けた状態で、エンジンモジュールは、エンジン支持ブラケット４０がメイン支持ブラケット４２に接するまで、バーナモジュール内に上向きで挿入される。これらの間はガスケット４４により封止される。

この実施形態においては、環状ウォータジャケット２５を通る流れは、クーラ３を通る流れと連続する。図１に示すように、ライン１０Ａ内の冷却液体は、ライン２６に沿って環状ウォータジャケット２５に流れる前に、周知の態様でクーラ３を流れる。環状ウォータジャケット２５から出た水は、その後、ライン１４を通って熱交換器９に移動する。

水はスターリングエンジンのクーラ３から環状ウォータジャケット２５内に流入する。従って、通常運転の下では、水の温度は、水がジャケットに入った時、５０℃の範囲にある。熱はバーナハウジング２１から除去され、シール材料を許容温度に維持する。これにより、冷却しない場合に生ずるであろう温度（３５０℃ハウジング温度を越える可能性がある）にて劣化される、より効果的なシール材料の使用が可能となる。このようなシール材料としては、例えば、シリコンゴム、又は、ＶｉｔｏｎやＰＴＦＥのようなフルオロエラストマー（ｆｌｕｏｒｏｅｌａｓｔｏｍｅｒ）がある。

或る環境においては、住居が熱を必要しないが、スターリングエンジンが発電するために運転される場合がある。このような状況において、水はスターリングエンジンのクーラ３を通り、シール、そして熱交換器の周りを流れるが、家庭用温水システムに流れることなく、バイパスを通ってエンジンクーラに戻されるルートをとる。熱交換器９は、そこに付加的な熱が全く加えられないので、水を冷却するために動作する。補助バーナ１１及びスターリングエンジンのバーナ７が別個のファンを用いる場合、補助バーナのファンは、英国特許第出願ＧＢ０１０３７８．３に記載のように、この熱除去の目的で動作され得る。しかし、住宅で熱が消費されないので、冷却システム内の水温は高く、通常、最高８０℃となる。この温度レベルであっても、シール領域は十分に冷却され、過剰な材料劣化は生じない。

この液体で冷却されるシール設計の別の利点は、冷却水への付加的な熱の回収という点である。この領域において移動する熱は、通常、ｃｈｐユニットの囲いの内側における空気温度を上昇させる。空気は、補助バーナ１１の吸気口内に吸引される際、強制通風により囲い内を流れる。スターリングエンジンとオルタネータ４の外表面についての冷却は、内部構成要素についての許容温度を維持するために必要であり、周囲空気がシール領域の周りで加熱される場合、これは循環空気の冷却効果を減じる。水システム内でこの熱を除去することにより、エンジン／オルタネータを冷却する空気は低温であり、従ってより効果的に冷却を可能とする。これは、オルタネータの磁石のような温度に敏感な構成要素の寿命を延ばし、また、オルタネータの発電効率を向上させる可能性がある。

エンジンを図示実施形態にて示したが、水平エンジンのような非垂直方エンジンにも等しく適用可能である。また、図示のものと逆の配置で取り付けられたエンジンにも等しく適用可能である。

第１のスターリングエンジン組立体の概略図である。 スターリングエンジンヘッドと、第１のエンジンの燃焼シールとを部分的に示す断面図である。 図２の液体流路の回路の斜視図である。 図３の液体クーラント流路の断面図である。

Claims (13)

1. ヘッドを有するスターリングエンジンと、
   前記エンジンヘッドに熱を供給するバーナと、
   前記エンジンと前記バーナとの間の間隙を封止するための可撓性のシールと、
   前記バーナから前記シールへの伝熱を減じるべく前記バーナと前記シールとの間に配置された第１の液体クーラント回路と、
   を備えるスターリングエンジン組立体。
2. 前記スターリングエンジンは、前記第１の液体クーラント回路に共通の液体が供給される第２の液体クーラント回路を有するクーラを備える、請求項１に記載のスターリングエンジン組立体。
3. 前記第１の液体クーラント回路と前記第２の液体クーラント回路とが並列で配置されている、請求項２に記載のスターリングエンジン組立体。
4. 前記第１の液体クーラント回路と前記第２の液体クーラント回路とが直列で配置されている、請求項２に記載のスターリングエンジン組立体。
5. 前記シールの露出部分が前記チャネルの径方向外方に配置されている、請求項１又は２に記載のスターリングエンジン組立体。
6. 前記バーナから前記シールに流れるガスのための蛇行経路が設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のスターリングエンジン組立体。
7. 前記バーナから前記シールへの伝熱を減じるための断熱体が設けられている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のスターリングエンジン組立体。
8. 繊維状の断熱材料が、バーナハウジングと前記スターリングエンジンの前記ヘッドとの間であって、前記バーナの下の間隙に封入されている、請求項６又は７に記載のスターリングエンジン組立体。
9. 前記シールがシリコンゴム封止材料である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のスターリングエンジン組立体。
10. 前記シールがフルオロエラストマー封止材料である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のスターリングエンジン組立体。
11. 前記シールが３５０℃未満の最高温度に耐えるものである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスターリングエンジン組立体。
12. 可撓性の前記シールが前記第１の液体クーラント回路内に延びている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のスターリングエンジン組立体。
13. 前記第１の液体クーラント回路が、前記エンジンを囲み、開放した環状のチャネルセクションと、前記開放した環状のチャネルセクションを横切る環状プレートとを有し、前記シールが前記チャネルセクションと前記環状プレートとの間で挟持されている、請求項１２に記載のスターリングエンジン組立体。

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