JP4541694B2 - スターリン・エンジンの熱システムの改良 - Google Patents
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Description
て実現することができる。本発明によれば、外側あるいは内側の突起物、またはそれらの両方を備えたヒーター・ヘッドの部分を一体として鋳造することができる。
ーと燃焼ガスおよびデバイダーの壁との間は、セラミック・インシュレーション142によって断熱されている。セラミックは温度センサーを内部に保持するようにデバイダーの壁との間で接着結合することができる。更に温度センサー138の電気リード線144は、電気的に絶縁する必要がある。エンジンの出力はヒーター・ヘッドの熱効率とその他の種々のファクターから定まる。この熱効率はピン状フィンのフィン効率に依存している。非常に高い運転温度において、高いクリープ強度と耐酸化性が要求されるため、高ニッケル合金を使用することが望ましい。内側フィンの効率は、ニッケルまたは銅のような高い熱伝導率を有する金属の層を適用することによって向上させることができる。この層の厚さは0.001インチより厚く、好適には約0.005インチであり、ヒーター・ヘッド120の内側表面に蒸着またはメッキ、あるいはその他の方法によって形成される。本発明の他の実施例では、上述した内側フィンに代えて、類似のコーティングを外側表面に形成することもできる。スターリン・サイクル・エンジンのサイズを小さく維持するために、ヒーター・ヘッドを通って燃焼ガスから入ってくる熱流束を、望ましくは最大化することである。図6Aを参照すると、スターリン・エンジンのヒーター・ヘッドへの熱伝達、すなわちスターリン・エンジンの出力は、上述したようにヒーター・ヘッドの最大温度によって限定される。出力を最大化するために、ヒーター・ヘッドは高ニッケル合金、一般的にはスーパー・アロイとして知られているインコネル600(軟化点最大温度Tmax=800℃、インコネル625ではTmax=900℃、インコネル745ではTmax=1080℃)、あるいはハステロイGMR235(Tmax=935℃)で作ることが望ましい。シリンダー壁面2010の上方に配置された熱交換面を有するヒーター・ヘッド・ドーム2216は、熱交換器2218の上部2200の温度によって制限を受ける。ここでは火炎2220の温度によって支配されるので、ガス温度は最も高く(一般的には1500℃以上)、ヒーター・ヘッドの外側面においては高温の燃焼ガスからの熱伝達率、内側面においては作動流体からの冷却にも支配される。熱交換器の上部2200からの距離の関数として、図6Bに示した表した熱伝達率は、バーナー出力と空気流の関数とな
っている。燃焼ガスとヒーター・ヘッドの間の熱伝達が燃焼ガスの温度が最も高い位置で低くなると、バーナー出力すなわちエンジン出力は増加する。
Claims (22)
- シリンダー壁外部の流体とシリンダー壁内部の作動ガスの間にあるヒーター・ヘッドのシリンダー壁を通して熱を伝導するための熱伝達用突起物を製造する方法において、当該方法がシリンダー壁の一部を形成する裏板と熱伝達用突起物とを1つの製造工程で鋳造するステップからなり、当該ステップが、
a. 複数のメス型用モールドを作る工程であって、当該各モールドが実質的に平行な方向を向いた穴のグループである工程と、
b. 熱伝達用突起部を備えた裏板を鋳造するためのメス型を形成するために当該複数のメス型用モールドを組み立てる工程と、
c. 当該メス型を使用して、シリンダー軸に垂直な軸を有し、実質的に平行な方向を向いた熱伝達用突起部のグループを有する少なくとも一つの裏板を一体的に製造する工程と、
d. 当該少なくとも一つの裏板を、ヒーター・ヘッドを形成する構造へ熱的に接触させるとともに、ヒーター・ヘッドの構造へ結合する工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、熱伝達用突起物を備えた裏板を鋳造するステップが、インベストメント鋳造法、砂鋳造法、およびダイカスト鋳造法の内の少なくとも一つを含むことを特徴とする方法。
- シリンダー壁外部の流体とシリンダ壁内部の作動ガスの間にあるヒーター・ヘッドのシリンダー壁を通して熱を伝導するための熱伝達用突起物を製造する方法において、当該方法がシリンダー壁の一部を形成する裏板と熱伝達用突起物とを1つの製造工程で鋳造するステップからなり、当該ステップが、更に
a. インベストメント鋳造法のための複数のオス型を作る工程であって、当該型が実質的に平行な方向を向いた複数の熱伝達用突起部のグループを有する工程と、
b. 熱伝達用突起部を備えた裏板を鋳造するためのオス型を形成するために当該複数のオス型用モールドを組み立てる工程と、
c. 当該オス型を使用して、シリンダー軸に垂直な軸を有し、実質的に平行な方向を向いた熱伝達用突起部のグループを有する少なくとも一つの裏板を一体的に製造する工程と、
d. 当該少なくとも一つの裏板をヒーター・ヘッドを形成する構造へ熱的に接触させるとともに、ヒーター・ヘッドの構造へ結合する工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記複数のメス型用モールドを作る工程が、
a. ダイカストまたはメタル・インジェクションによって前記メス型用モールドを製造する工程であって、メス型用モールドが複数の部分から成り、当該部分の少なくとも一つが実質的に平行な方向を向いた熱伝達用突起部のグループからなるメス用モールドである工程と、
b. 鋳造した部品を分割するために当該複数の部分を引き離す工程と、
を更に備えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記ヒーター・ヘッドが、ヒーター・ヘッドの長手方向に配置された分割構造(デバイダー)を備え、前記少なくとも一つの裏板をヒーター・ヘッドの構造へ結合する工程が、前記少なくとも一つの裏板を当該分割構造(デバイダー)へ結合する工程であることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記裏板を一体的に製造する工程には、裏板を鋳造で製造する工程が含まれることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記裏板を一体的に製造する工程には、裏板をインジェクション・モールドで製造する工程が含まれることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記結合する工程には前記裏板をヒーター・ヘッドに機械的に結合することが含まれることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記結合する工程には熱伝達ピン・アレイの板をヒーター・ヘッドにロウ付け結合することが含まれることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、前記結合する工程には熱伝達ピン・アレイの板をヒーター・ヘッドにトランジェット・リキッド-フェーズ・ボンディングにより結合することが含まれることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、当該方法が熱サイクル・ヒート・エンジンのヒーター・ヘッドを製造するためのものであって、ヒーター・ヘッドを通じた作動ガスへの熱伝達の効率を向上させるために、当該ヒーター・ヘッドが内側表面を有し、ヒーター・ヘッドの内側表面と外側表面の少なくとも一つに、1またはそれ以上の高熱伝導金属の層を更に設けていることを特徴とする方法。
- 請求項1に記載の方法において、当該方法が熱サイクル・ヒート・エンジンのヒーター・ヘッドを製造するためのものであって、ヒーター・ヘッドが実質的にシリンダー状をした壁の部分を有し、フープ強度を向上させるためにシリンダー状の壁の部分の内側表面に複数のリブを更に備えていることを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の方法において、シリンダー状の壁の部分の中に、長手方向中心軸と平行に伸びた複数の通路を更に備えていることを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の方法において、ヒーター・ヘッドが、更に長手方向中心軸と実質的に平行であり、前記複数のリブの中を通過する複数の通路を備えていることを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の方法において、ヒーター・ヘッドが、シリンダー状の壁の部分の中に、実質的にヘリカル状のチャンネルを更に備えていることを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の方法において、ヒーター・ヘッドがドームを有し、ドームの強度を向上させるためにドームの内側表面に複数のリブを備えていることを特徴とする方法。
- 請求項12に記載の方法において、前記シリンダー壁が前記シリンダー壁の中心軸と平行であり、前記ヒーター・ヘッドが
a. 1セットの千鳥状に配置された熱伝達突起物であって、シリンダー壁から実質的に離れる方向の軸を持つ当該各熱伝達突起物と、
b. 千鳥状に配置された熱伝達突起物を通って流体を強制的に流すために、シリンダー壁の実質的に長手方向に沿って配置された複数のデバイダーと、
を更に備えることを特徴とする方法。 - 請求項17に記載の方法において、前記ヒーター・ヘッドが熱伝達突起物のセットを通って、シリンダー壁の軸方向に実質的に沿った流路の中へ加熱された外部流体をガイドするためのバッカー板を備え、当該バッカー板とシリンダー壁の間の空間が変化することを特徴とする方法。
- 請求項18に記載の方法において、バッカー板とシリンダー壁の間の空間が軸方向に沿って減少していくことを特徴とする方法。
- 請求項17に記載の方法において、熱伝達突起物が軸方向に沿って増加していく流路に対して、直交する表面領域を有することを特徴とする方法。
- 請求項17に記載の方法において、熱伝達ピンの設置密度が軸方向に沿って増加していくことを特徴とする方法。
- 請求項17に記載の方法において、熱伝達ピンの高さと設置密度の少なくとも一つが軸方向の距離によって変化することを特徴とする方法。
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