JP4897335B2 - スターリングエンジン - Google Patents
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Description
この熱損失による熱効率の低下を防止するために、圧縮空間と膨張空間を複数の連結管で連結し、各連結管に冷却部、再生器および加熱部を順に配置し、加熱部の温度分布に合わせて再生器および冷却部の諸元を変えることによりエンジンの出力を向上させるもの(たとえば特許文献1参照)、さらに、加熱部、再生器および低温部を二重シェルで囲んで二重シェルの内部に断熱液体を充填して作動温度と圧力を高め、再生器の効率を向上させるもの(たとえば特許文献2参照)などが提案されている。
また、加熱部の温度を上げることによって、理論熱効率が向上するが、加熱部の部分的なヒートスポットや加熱部の熱応力の増加により、金属材料のクリープなど耐久性に問題が生じる。
また、加熱部のヒータの構成が簡単で小型化を図ることができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。
また、構成が簡単で小型化を図ることができる複数台連結型のスターリングエンジンを提供することを目的とする。
また、加熱部のヒータ部の耐久性を高め、熱効率を向上させることができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。
請求項2記載の本発明は、請求項1に記載のスターリングエンジンにおいて、前記第1の平板及び前記第2の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする。
請求項3記載の本発明は、請求項2に記載のスターリングエンジンにおいて、前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする。
請求項4記載の本発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のスターリングエンジンにおいて、第1の締結枠と第2の締結枠とによって前記加熱部と前記再生器とを挟み、前記第1の締結枠および前記第2の締結枠を締結部材を用いて固定することを特徴とする。
請求項5記載の本発明は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のスターリングエンジンにおいて、前記加熱源の外周部に断熱材を配置したことを特徴とする。
請求項6記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した平板と、前記平板上に配置したブロックと、前記平板と前記ブロックとの間に形成した作動ガス流路とによって構成し、前記平板の下部に前記再生器を配置し、前記平板には前記再生器に連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆い、前記平板及び前記ブロックをセラミックス、ハステロイ、インコネル、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成し、前記ブロックには炎あるいは熱が侵入する中空の孔または長孔を形成するか、又は前記ブロックを炎あるいは熱が侵入するハニカム構造とすることを特徴とする。
請求項7記載の本発明は、請求項6に記載のスターリングエンジンにおいて、前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする。
請求項8記載の本発明のスターリングエンジンは、請求項6又は請求項7に記載のスターリングエンジンを複数台設け、前記複数のスターリングエンジンのいずれかの前記ブロックを共通にして、前記複数台のスターリングエンジンを連結したことを特徴とする。
請求項9記載の本発明は、請求項6又は請求項7に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ブロックは、前記加熱源からの炎または熱を侵入させる孔を有することを特徴とする。
請求項10記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記ディスプレーサピストンの外周にシリンダを配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置したスターリングエンジンであって、前記加熱部の外周部に加熱源を配置し、前記加熱部と前記シリンダとの間には前記ディスプレーサピストンの上部空間と前記再生器とを連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆うとともに、前記加熱部の上面には断熱部材を設け、前記加熱部を前記断熱ケースと前記断熱部材との間に設けたことを特徴とする。
請求項11記載の本発明は、請求項10に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンの上部を凸状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凹状形状としたことを特徴とする。
請求項12記載の本発明は、請求項10に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンの上部を凹状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凸状形状としたことを特徴とする。
請求項13記載の本発明は、請求項10に記載のスターリングエンジンにおいて、前記第1の平板及び前記第2の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする。
請求項14記載の本発明は、請求項13に記載のスターリングエンジンにおいて、前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする。
請求項15記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施し、前記被膜を、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成したことを特徴とする。
請求項16記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施し、前記被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、前記被膜と前記加熱部との間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成したことを特徴とする。
請求項17記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施し、前記被膜を、ショットピーニングによって形成したことを特徴とする。
請求項18記載の本発明は、請求項1から請求項5、請求項9から請求項14のいずれか1項に記載のスターリングエンジンにおいて、前記加熱源に導入される空気を前記加熱部と熱交換を行った後の空気と熱交換させる空気予熱器を設けたことを特徴とする。
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、第1の平板及び第2の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。特に、加熱部を構成する第1の平板及び第2の平板に生じる曲げによるせん断変形が少ないため、曲げに対して一般的に弱いセラミックスのような材料に対しても、高い耐久性を有する。また、加熱部が平板のようなシンプルな構成であるため、加工時の傷によるクラック等も発生しにくく、信頼性の高い構成とすることができる。
本発明の第3の実施の形態は、第2の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第4の実施の形態は、第1から第3の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、第1の締結枠と第2の締結枠とによって加熱部と再生器とを挟み、第1の締結枠および第2の締結枠を締結部材を用いて固定するものである。本実施の形態によれば、加熱部の流体路と再生器を確実に連結することができるとともに、加熱部を断熱部材と再生器の断熱ケースとにより確実に挟むことができる。したがって、加熱部の熱損失が小さく、作動ガスに対する熱交換効率が高くすることができるので、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。
本発明の第5の実施の形態は、第1から第4の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、加熱源の外周部に断熱材を配置したものである。本実施の形態によれば、加熱手段の熱が加熱部以外に加えられることを防止することができる。
本発明の第6の実施の形態によるスターリングエンジンは、加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した平板と、平板上に配置したブロックと、平板とブロックとの間に形成した作動ガス流路とによって構成し、平板の下部に再生器を配置し、平板には再生器に連通する流体路を形成し、再生器を断熱ケースで覆い、平板及びブロックをセラミックス、ハステロイ、インコネル、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成し、ブロックには炎あるいは熱が侵入する中空の孔または長孔を形成するか、又はブロックを炎あるいは熱が侵入するハニカム構造とするものである。本実施の形態によれば、簡単な構造でしかも熱損失が小さい加熱部を実現することができ、しかも、熱伝導率が高い加熱部の流体路に直接作動ガスを流すことにより作動ガスに対する熱交換効率を高くすることができる。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。また、加熱部のヒータである平板のせん断による変形が無くなり、かつ、スターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。さらに、平板上にブロックを配置して加熱部を構成する平板の上面をブロックによって覆うことで、平板の中央部を固定するため、加熱部の外周部によって締結して固定する場合に比べて、加熱部に生じる曲げによるせん断変形が少なくなり、信頼性の高いスターリングエンジンの構成が可能となる。また、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。特に、加熱部を構成する平板に生じる曲げによるせん断変形が少ないため、曲げに対して一般的に弱いセラミックスのような材料に対しても、高い耐久性を有する。また、加熱部が平板のようなシンプルな構成であるため、加工時の傷によるクラック等も発生しにくく、信頼性の高い構成とすることができる。
本発明の第7の実施の形態は、第6の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第8の実施の形態によるスターリングエンジンは、第6又は第7の実施の形態によるスターリングエンジンを複数台使用し、複数のスターリングエンジンのいずれかのブロックを共通にして、ブロックに複数台のスターリングエンジンを連結したものである。本実施の形態によれば、ブロックを使用した加熱部が複数台のスターリングエンジンに共通しているので、複数台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図り、スターリングエンジンを対称に配置することができるため、低振動化も図ることができる。
本発明の第9の実施の形態は、第6又は第7の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、ブロックに加熱源からの炎または熱を侵入させる孔を有するものである。本実施の形態によれば、加熱源からの炎あるいは熱が孔内に侵入してブロックを効率的に加熱することができる。
本発明の第10の実施の形態によるスターリングエンジンは、加熱部の外周部に加熱源を配置し、加熱部とシリンダとの間にはディスプレーサピストンの上部空間と再生器とを連通する流体路を形成し、再生器を断熱ケースで覆うとともに、加熱部の上面には断熱部材を設け、加熱部を断熱ケースと断熱部材との間に設けたものである。本実施の形態によれば、簡単な構造でしかも熱損失が小さい加熱部を実現することができ、しかも、熱伝導率が高い加熱部の流体路に直接作動ガスを流すことにより作動ガスに対する熱交換効率を高くすることができる。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。さらに、加熱部の上面には断熱部材を設け、この断熱部材によって加熱部の中央部を固定するため、加熱部の外周部によって締結して固定する場合に比べて、加熱部に生じる曲げによるせん断変形が少なくなり、信頼性の高いスターリングエンジンの構成が可能となる。
本発明の第11の実施の形態は、第10の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストンの上部を凸状形状とし、加熱部の内周面上部を凹状形状としたものである。本実施の形態によれば、加熱部の内周面上部を凹状形状としたものであっても、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第12の実施の形態は、第10の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストンの上部を凹状形状とし、加熱部の内周面上部を凸状形状としたものである。本実施の形態によれば、加熱部の内周面上部を凸状形状としたものであっても、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。さらに加熱部の中央部の肉厚が大きくなるので、圧力及び熱によって発生する応力を低下させ、信頼性の高い構成にすることができる。
本発明の第13の実施の形態は、第10の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、第1の平板及び第2の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。特に、加熱部を構成する第1の平板及び第2の平板に生じる曲げによるせん断変形が少ないため、曲げに対して一般的に弱いセラミックスのような材料に対しても、高い耐久性を有する。また、加熱部が平板のようなシンプルな構成であるため、加工時の傷によるクラック等も発生しにくく、信頼性の高い構成とすることができる。
本発明の第14の実施の形態は、第13の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第15の実施の形態によるスターリングエンジンは、再生器と冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、隔壁部に加熱部を連結し、加熱部を金属材料で構成するとともに加熱部の外表面に被膜を施し、被膜を、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成したものである。本実施の形態によれば、溶射によって被膜を形成することで、耐熱性を高めることができる。
本発明の第16の実施の形態によるスターリングエンジンは、再生器と冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、隔壁部に加熱部を連結し、加熱部を金属材料で構成するとともに加熱部の外表面に被膜を施し、被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、被膜と加熱部との間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成したものである。本実施の形態によれば、溶射によって被膜を形成するとともに二層の被膜を形成することで、耐熱性を更に高めることができる。
本発明の第17の実施の形態によるスターリングエンジンは、再生器と冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、隔壁部に加熱部を連結し、加熱部を金属材料で構成するとともに加熱部の外表面に被膜を施し、被膜を、ショットピーニングによって形成したものである。本実施の形態によれば、ショットピーニングによって被膜を形成することで、耐熱性を高めることができる。
本発明の第18の実施の形態は、第1から第5、第9から第14の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、加熱源に導入される空気を加熱部と熱交換を行った後の空気と熱交換させる空気予熱器を設けたものである。本実施の形態によれば、廃熱を利用して加熱源に供給される気体の温度を上昇させることで、効率を高めることができる。
図1は本発明の実施例1におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
図1において、シリンダ11内にパワーピストン12およびディスプレーサピストン13が配置されている。パワーピストン12の下端には端板14が設けられており、端板14の外周端部にはリング15が固定されている。このリング15の端部には、永久磁石16が設けられている。パワーピストン12の外周部にはシリンダ11を介してコイル17が設けられ、パワーピストン12が上下に往復運動することにより永久磁石15がコイル17に対して上下動することで発電が行われる。
第1の平板22には、作動ガス流路24と再生器31とを連通する流体路30が形成されている。再生器31は断熱材を充填した断熱ケース32で覆われており、断熱ケース32の上端は第1の平板22にパッキンを介して接している。加熱部21は、断熱材28と断熱ケース32とで挟むように構成されている。
ディスプレーサピストン13は、シリンダ11、断熱ケース32および加熱部21で囲まれた空間内に配置されている。
再生器31の下端側には加熱源26および断熱材27の位置よりも外方に延びて鉄製の締結枠33が設けられ、締結枠29と締結枠33の間に流体路30と再生器31が連結するように加熱部21および再生器31を挟み、ボルトなどの締結部材34により固定する。
再生器31の下方には冷却器35が設けられる。冷却器35は作動ガス配管36を囲んで冷却水配管37を設け、冷却水を水供給口38から導入して水排出口39から導出させ、作動ガス配管36を通過する作動ガスを冷却する。
高温に加熱された加熱部21は、ディスプレーサピストン13の上部空間内の作動ガスに熱を与える。ディスプレーサピストン13の上部空間内の作動ガスは、作動ガス流路24および流体路30を通過し、再生器31に供給され、再生器31に熱が蓄えられる。再生器31を通過した作動ガスは冷却器35で冷却され、ディスプレーサピストン13の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン13の下部空間から出た作動ガスは、再生器31を通り再びディスプレーサピストン13の上部空間において加熱部21で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン13の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン13の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン13はシリンダ11内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン12が上下方向に往復運動して発電する。
図2において、図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施例においては、第1の平板22、ブロック40及び作動ガス流路24により加熱部21を構成している。ブロック40は、第1の平板22と同様の耐熱性が高く熱伝導率が高い炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかのセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼などの材料による。ブロック40には中空の孔または長孔41が形成されており、この孔または長孔41内を加熱源(図示せず)からの炎あるいは熱が侵入してブロック40を効率的に加熱する。なお、ブロック40はハニカム構造としてもよい。
この高温に加熱された加熱部21は、ディスプレーサピストン13の上部空間内の作動ガスに熱を与える。ディスプレーサピストン13の上部空間内の作動ガスは、作動ガス流路24および流体路30を通過し、再生器31に供給され、再生器31に熱が蓄えられる。再生器31を通過した作動ガスは冷却器35で冷却され、ディスプレーサピストン13の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン13の下部空間から出た作動ガスは、再生器31を通り再びディスプレーサピストン13の上部空間において加熱部21で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン13の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン13の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン13はシリンダ11内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン12が上下方向に往復運動して発電する。
実施例1で説明した図1の構成においては、第1の平板22および第2の平板23をセラミックスで構成した場合、圧縮には強いがせん断に弱いので、ディスプレーサピストン13による圧力で変形するするおそれがあるが、本実施例によれば、第1の平板22の上部がブロック40で覆われているので、せん断による変形が無くなり、信頼性の高いエンジン構成となる。また、断熱材28、締結枠29、33および締結部材34を不要とすることができるので、スターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
スターリングエンジン51、52の各々には、電気出力部511、521および冷却水を排出する水排出口512、522が設けられている。電気出力部511、521は、スターリングエンジン51、52の各々のパワーピストン12の往復運動により発電された電力を取り出す部分で、必要に応じてパワーピストン12の往復運動に対応した電力をクランク機構や磁気回転機により回転運動に対応した電力に変換して取り出す。また、電気出力部511および電気出力部521からの電力を加算することにより大電力を取り出すことができる。その他の構成および動作は実施例2と同様であるので説明は省略する。
本実施例によれば、ブロック40を使用した加熱部21が2台のスターリングエンジン51、52に共通している。したがって、加熱部21の被加熱体にブロック40を使用すれば、2台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
本実施例によれば、加熱部21が4台のスターリングエンジン61、62、63、64に共通している。したがって、加熱部21の被加熱体にブロック40を使用すれば、4台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
本実施例によれば、加熱部21が6台のスターリングエンジン71、72、73、74、75、76に共通している。したがって、加熱部21の被加熱体にブロック40を使用すれば、6台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
実施例2から実施例5で説明したように、本実施例によるブロック70を用いることで、複数台のスターリングエンジンを設けることが容易になる。
図7において、シリンダ11内にパワーピストン12およびディスプレーサピストン13が配置されている。パワーピストン12及び発電の構成は図1と同様であるので説明を省略する。
加熱部21Aは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されている。加熱部21Aの外周部には、円筒状空間が形成され、この円筒状空間には加熱源26が設けられている。また、円筒状空間に連続するように、筒状の断熱材27が設けられている。加熱部21Aとしては、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかのセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼が使用される。加熱部21Aの上面には加熱源26および断熱材27の位置よりも外方に延びるように断熱材28を介して鉄製の締結枠29が設けられている。
再生器31は断熱材を充填した断熱ケース32で覆われており、断熱ケース32の上端は加熱部21Aに接している。加熱部21Aは、断熱材28と断熱ケース32とで挟むように構成されている。
ディスプレーサピストン13は、シリンダ11、断熱ケース32および加熱部21Aで囲まれた空間内に配置されている。
再生器31の下端側には加熱源26および断熱材27の位置よりも外方に延びて鉄製の締結枠33が設けられ、締結枠29と締結枠33の間に加熱部21Aおよび再生器31を挟み、ボルトなどの締結部材34により固定する。
再生器31の下方には冷却器35が設けられる。冷却器35は作動ガス配管36を囲んで冷却水配管37を設け、冷却水を水供給口38から導入して水排出口39から導出させ、作動ガス配管36を通過する作動ガスを冷却する。
高温に加熱された加熱部21Aは、ディスプレーサピストン13の上部空間内の作動ガスに熱を与える。ディスプレーサピストン13の上部空間内の作動ガスは、作動ガス流路24および流体路30を通過し、再生器31に供給され、再生器31に熱が蓄えられる。再生器31を通過した作動ガスは冷却器35で冷却され、ディスプレーサピストン13の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン13の下部空間から出た作動ガスは、再生器31を通り再びディスプレーサピストン13の上部空間において加熱部21で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン13の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン13の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン13はシリンダ11内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン12が上下方向に往復運動して発電する。
本実施例では、加熱部21Bの内周面上部は、ディスプレーサピストン13の上部の凹状形状に対応させた凸状形に構成されている。また、加熱部21Bとシリンダ11との間、又は図示のように加熱部21B内にはディスプレーサピストン13の上部空間と再生器31とを連通する流体路30を形成している。内圧による最大主応力は加熱部21Bの中央部の中心線にて発生する。特に加熱部21Bをセラミック材料で構成した場合、凸状形に構成することにより、加熱部21Bの中央部の肉厚を太くすることができるので、加熱部21Bの変形量が小さくなり、信頼性をより高めることができる。
その他の構成や作用効果については図7と同様であるので説明を省略する。
図9において、シリンダ11内にパワーピストン(図示せず)およびディスプレーサピストン13が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図1と同様であるので説明を省略する。
隔壁部10Aには、加熱部21Cとディスプレーサピストン13の上部空間とを連通する流体路30A、加熱部21Cと再生器31とを連通する流体路30Bを形成している。
ディスプレーサピストン13は、隔壁部10A及びシリンダ11で囲まれた空間内に配置されている。
再生器31の下方には冷却器35が設けられる。冷却器35は作動ガス配管36を囲んで冷却水配管37を設け、冷却水を水供給口38から導入して水排出口39から導出させ、作動ガス配管36を通過する作動ガスを冷却する。
図10において、シリンダ11内にパワーピストン(図示せず)およびディスプレーサピストン13が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図1と同様であるので説明を省略する。
隔壁部10Bには、加熱部21Dに近接したディスプレーサピストン13の上部空間と再生器31とを連通する流体路30Bを形成している。
ディスプレーサピストン13は、隔壁部10B及びシリンダ11で囲まれた空間内に配置されている。
再生器31の下方には冷却器35が設けられる。冷却器35は作動ガス配管36を囲んで冷却水配管37を設け、冷却水を水供給口38から導入して水排出口39から導出させ、作動ガス配管36を通過する作動ガスを冷却する。
図11において、シリンダ11内にパワーピストン(図示せず)およびディスプレーサピストン13が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図1と同様であるので説明を省略する。
隔壁部10Cには、加熱部21Dに近接したディスプレーサピストン13の上部空間と再生器31とを連通する流体路30A、30Bを形成している。
ディスプレーサピストン13は、隔壁部10C及びシリンダ11で囲まれた空間内に配置されている。
再生器31の下方には冷却器35が設けられる。冷却器35は作動ガス配管36を囲んで冷却水配管37を設け、冷却水を水供給口38から導入して水排出口39から導出させ、作動ガス配管36を通過する作動ガスを冷却する。
図において、シリンダ11内にパワーピストン(図示せず)およびディスプレーサピストン13が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図1と同様であるので説明を省略する。
隔壁部10Dには、加熱部21Fに近接したディスプレーサピストン13の上部空間と再生器31とを連通する流体路30A、30Bを形成している。
ディスプレーサピストン13は、隔壁部10D及びシリンダ11で囲まれた空間内に配置されている。
再生器31の下方には冷却器35が設けられる。冷却器35は作動ガス配管36を囲んで冷却水配管37を設け、冷却水を水供給口38から導入して水排出口39から導出させ、作動ガス配管36を通過する作動ガスを冷却する。
図14は、実施例11における隔壁部の他の実施例を示している。隔壁部以外の構成は実施例11と同様であるので説明を省略する。
図15は、実施例11における隔壁部の他の実施例を示している。隔壁部以外の構成は実施例11と同様であるので説明を省略する。
本実施例に示す空気予熱器は、例えば実施例9から実施例13にも適用することができるものであり、スターリングエンジンの機構については、既に説明した実施例の構成と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
この空気予熱器80Aは、ディスプレーサピストン13の上部に配置された加熱部21Kの外周部に設けられる。なお、加熱源26は、燃焼気体供給通路83Aの出口側に配置される。加熱源26で加熱された気体は、加熱部21Kの外周を上昇し、加熱部21Kを加熱した後に廃熱筒82A内の燃焼気体排気通路を通過する。従って、廃熱筒82Aは、廃熱を吸収し、吸収した廃熱を、燃焼気体供給通路83Aを通過する気体に伝える。
本実施例によれば、加熱部21Kで利用されなかった熱を、廃熱筒82Aで回収し、回収した熱で加熱源26に供給される気体を加熱することで、加熱源26での加熱温度を高めることができる。さらに、廃熱筒82Aを触媒とすることで、Nox低減に寄与することができる。
本実施例に示す空気予熱器は、例えば実施例9から実施例13にも適用することができるものであり、スターリングエンジンの機構については、既に説明した実施例の構成と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
この空気予熱器80Bは、ディスプレーサピストン13の上部に配置された加熱部21Kの外周部に設けられる。なお、加熱源26は、燃焼気体供給通路83Bの出口側に配置される。加熱源26で加熱された気体は、加熱部21Kの外周を上昇し、加熱部21Kを加熱した後に廃熱筒82B内の燃焼気体排気通路を通過する。従って、廃熱筒82Bは、廃熱を吸収し、吸収した廃熱を、燃焼気体供給通路83Bを通過する気体に伝える。
本実施例によれば、加熱部21Kで利用されなかった熱を、廃熱筒82Bで回収し、回収した熱で加熱源26に供給される気体を加熱することで、加熱源26での加熱温度を高めることができる。さらに、廃熱筒82Aを触媒とすることで、Nox低減に寄与することができる。
本実施例に示す空気予熱器は、例えば実施例9から実施例13にも適用することができるものであり、スターリングエンジンの機構については、既に説明した実施例の構成と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
この空気予熱器80Cは、ディスプレーサピストン13の上部に配置された加熱部21Kの外周部に設けられる。なお、加熱源26は、燃焼気体供給通路83Cの出口側に配置される。加熱源26で加熱された気体は、加熱部21Kの外周を上昇し、加熱部21Kを加熱した後に廃熱筒82C内の燃焼気体排気通路を通過する。従って、廃熱筒82Cは、廃熱を吸収し、吸収した廃熱を、燃焼気体供給通路83Cを通過する気体に伝える。
本実施例によれば、加熱部21Kで利用されなかった熱を、廃熱筒82Cで回収し、回収した熱で加熱源26に供給される気体を加熱することで、加熱源26での加熱温度を高めることができる。さらに、廃熱筒82Aを触媒とすることで、Nox低減に寄与することができる。
12 パワーピストン
13 ディスプレーサピストン
15 リング
16 永久磁石
17 コイル
21 加熱部
22 第1の平板
23 第2の平板
24 作動ガス流路
26 加熱源
27、28 断熱材
29 締結枠
30 流体路
31 再生器
32 断熱ケース
33 締結枠
34 締結部材
35 冷却器
36 作動ガス配管
37 冷却水配管
38 水供給口
39 水排出口
40 ブロック
41 長孔
50 加熱源
51、52 スターリングエンジン
511、521 電気出力部
512、522 水排出口
513、523 短部
61、62、63、64 スターリングエンジン
71、72、73、74、75、76 スターリングエンジン
Claims (18)
- 加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した第1の平板と、前記第1の平板に対向させて配置した第2の平板と、前記第1の平板と前記第2の平板との間に形成した作動ガス流路とによって構成し、前記第1の平板の下部に前記再生器を配置し、前記第1の平板の外周部に加熱源を配置し、前記第1の平板には前記再生器に連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆うとともに、前記第2の平板の上面には断熱部材を設け、前記加熱部を前記断熱ケースと前記断熱部材との間に設けたことを特徴とするスターリングエンジン。
- 前記第1の平板及び前記第2の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする請求項1に記載のスターリングエンジン。
- 前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする請求項2に記載のスターリングエンジン。
- 第1の締結枠と第2の締結枠とによって前記加熱部と前記再生器とを挟み、前記第1の締結枠および前記第2の締結枠を締結部材を用いて固定することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
- 前記加熱源の外周部に断熱材を配置したことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
- 加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した平板と、前記平板上に配置したブロックと、前記平板と前記ブロックとの間に形成した作動ガス流路とによって構成し、前記平板の下部に前記再生器を配置し、前記平板には前記再生器に連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆い、前記平板及び前記ブロックをセラミックス、ハステロイ、インコネル、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成し、前記ブロックには炎あるいは熱が侵入する中空の孔または長孔を形成するか、又は前記ブロックを炎あるいは熱が侵入するハニカム構造とすることを特徴とするスターリングエンジン。
- 前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする請求項6に記載のスターリングエンジン。
- 請求項6又は請求項7に記載のスターリングエンジンを複数台設け、前記複数のスターリングエンジンのいずれかの前記ブロックを共通にして、前記複数台のスターリングエンジンを連結したことを特徴とするスターリングエンジン。
- 前記ブロックは、加熱源からの炎または熱を侵入させる孔を有することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のスターリングエンジン。
- 加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記ディスプレーサピストンの外周にシリンダを配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置したスターリングエンジンであって、前記加熱部の外周部に加熱源を配置し、前記加熱部と前記シリンダとの間には前記ディスプレーサピストンの上部空間と前記再生器とを連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆うとともに、前記加熱部の上面には断熱部材を設け、前記加熱部を前記断熱ケースと前記断熱部材との間に設けたことを特徴とするスターリングエンジン。
- 前記ディスプレーサピストンの上部を凸状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凹状形状としたことを特徴とする請求項10に記載のスターリングエンジン。
- 前記ディスプレーサピストンの上部を凹状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凸状形状としたことを特徴とする請求項10に記載のスターリングエンジン。
- 前記加熱部をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする請求項10に記載のスターリングエンジン。
- 前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする請求項13に記載のスターリングエンジン。
- 加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施し、前記被膜を、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成したことを特徴とするスターリングエンジン。
- 加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施し、前記被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、前記被膜と前記加熱部との間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成したことを特徴とするスターリングエンジン。
- 加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施し、前記被膜を、ショットピーニングによって形成したことを特徴とするスターリングエンジン。
- 前記加熱源に導入される空気を前記加熱部と熱交換を行った後の空気と熱交換させる空気予熱器を設けたことを特徴とする請求項1から請求項5、請求項9から請求項14のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
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