JP4929470B2

JP4929470B2 - スターリング機関熱交換器

Info

Publication number: JP4929470B2
Application number: JP2009185826A
Authority: JP
Inventors: 澄香川
Original assignee: 防衛省技術研究本部長
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2029-08-10
Also published as: JP2011038460A

Description

本発明は、スターリング機関熱交換器に関するものである。

スターリング機関は省エネルギー化の一環として見直されており、以前から熱心な研究が行われている。スターリング機関には種々の形態のものがあるが、図７を参照してその原理を簡単に説明する。図７には１９７０年代にスウェーデンのユナイテッドスターリング社（ＵＳＡＢ）が開発したダブルアクティング型スターリングエンジン（４−９５エンジン）を示しており、図中の符号１０１はシリンダ、１０２はピストン、１０３は再生熱交換器、１０４は高温熱交換器、１０５は低温熱交換器、１０６は燃料噴射弁、１０７は点火プラグ、１０８は出力軸、１０９はクランク軸である。図７に示すように、スターリング機関は、原理的にはそれぞれにピストン１０２を内蔵した二つのシリンダ１０１の間に再生熱交換器１０３を閉流路構成に接続し、再生熱交換器１０３の一端と一方のシリンダ１０１との間の流路を高温熱交換器１０４として加熱し、再生熱交換器１０３の他端と他方のシリンダ１０１との間の流路を低温熱交換器１０５として冷却するように構成されている。このとき、各ピストン１０２の回転角（位相角）を略９０度ずらしてそれぞれのクランク軸１０９，１０９を介して出力軸１０８に連結しており、内部の流体（作動ガス）はこれらの空間内で移動−膨張−移動−圧縮を連続的に繰り返して、ピストン１０２から出力軸１０８へエネルギーを取り出すことになる。なお、スターリング機関を冷凍機に用いた場合は、パワーを与えることによって熱エネルギーを得る逆サイクルとなる。この機関は静粛で、理論的熱効率が高く、あらゆる熱源を使用できるという特長を有する。

また、スターリング機関関係の特許出願は多く、その中にて本発明に関連する従来技術として、例えば下記特許文献１〜６がある。

特許第３３６６５２１号公報特許第３２５８７９６号公報特許第３１６４１３０号公報特許第２９４６９２９号公報特許第２８２８９４８号公報特開２０００−２７７０１号公報

ところで、上述したスターリング機関では、閉流路空間内を作動ガスは移動−膨張−移動−圧縮を連続的に繰り返しているため、内部ガス流動圧力損失が出力低下や効率低下を招いている。逆に、この圧力損失を低減するために流路空間を大きくすると、熱伝達効率が低下すると同時に死空間が多くなり、これにより、出力低下や効率低下を招いてしまう。また、各熱交換器とシリンダとを連結する空間（配管など）が必要となるため、死空間が多くなり、上記同様に出力低下や効率低下を招いている。

上記特許文献１〜６に開示されているスターリング機関においても、作動ガスが移動−膨張−移動−圧縮を連続的に繰り返してエネルギーを取り出すことと、各熱交換器とシリンダとを連結する空間が必要となることから上記同様の問題が生じてしまう。

特に、上記特許文献６の第１図に開示されているような出力軸と同心円上の等配位置に配置された四つのシリンダの上下端に各パワー空間を設けて機関全体を小型化した複動（ダブルアクティング）型においては、シリンダの上端−高温熱交換器−再生熱交換器−低温熱交換器−隣のシリンダの下端からなる四系統の閉流路を構成する必要があり、これらの接続部を含む流路構成が複雑で、四系統の均一化が難しく、また、死空間が多くなり、出力低下や効率低下を招いている。

そこで本発明は、上記問題点を解消するために、圧力損失を増加させることなく熱伝達効率を向上させ、且つ死空間を低減したスターリング機関熱交換器を提供することを目的としている。

次に、上記の課題を解決するための手段を、実施の形態に対応する図面を参照して説明する。
本発明による請求項１記載のスターリング機関熱交換器は、複数のシリンダ３のそれぞれの周囲同心に該周囲を覆うように配置した再生熱交換器５及び低温熱交換器６を備えるとともに、隣り合う前記シリンダ３のそれぞれの同心上に配置して該シリンダ３の間を接続する複数の伝熱管７ａにより構成された高温熱交換器７を備え、
前記低温熱交換器６の内部空間にて前記シリンダ３と該シリンダ３に内蔵されたピストン９の片端９ａとで形成された圧縮空間１０が前記低温熱交換器６に隣接する構造となり、前記高温熱交換器７を前記再生熱交換器５の内部空間にて前記圧縮空間１０を形成する前記シリンダ３の隣のシリンダ３と該シリンダ３に内蔵されたピストン９の片端９ｂとで形成された膨張空間１１に接続して前記圧縮空間１０、前記低温熱交換器６、前記再生熱交換器５、前記高温熱交換器７及び前記膨張空間１１が複数系統の閉流路をなし、
前記高温熱交換器７を構成する複数の前記伝熱管７ａを前記膨張空間１０を形成する前記シリンダ３に同心円上の等配位置に接続し、該伝熱管７ａをすべて等長としてその内部にねじれ板１２を挿入した構造とし、
更に、前記低温熱交換器６を、
外周面を冷却水あるいは冷却材の流れ方向に沿った複数の溝形状に形成するとともに、内部に中子部材１９を挿入した複数の伝熱管１８を備え、該伝熱管１８の両端部がそれぞれ環状の枠体に保持されることにより一対の枠体の間にて該伝熱管１８を前記シリンダ３の周囲に環状に並列させた構造としたことを特徴としている。

請求項２記載のスターリング機関熱交換器は、前記シリンダ３を四つ備え、該シリンダ３を出力軸４と同心円上の等配位置に配置したことを特徴としている。

請求項３記載のスターリング機関熱交換器は、前記シリンダ３の外周面と前記再生熱交換器５の内面との間、前記シリンダ３の外周面と前記低温熱交換器６の内面との間をそれぞれ同一隔壁構造としたことを特徴としている。

請求項４記載のスターリング機関熱交換器は、前記圧縮空間１０及び前記膨張空間１１の接続部における流路口１３を均等位置に設け、前記流路口１３の周縁１３ａをテーパ形状又は丸みのある形状に形成したことを特徴としている。

請求項５記載のスターリング機関熱交換器は、前記再生熱交換器５をメッシュシート１５の積層構造としたことを特徴としている。

本発明の請求項１記載のスターリング機関熱交換器によれば、再生熱交換器及び低温熱交換器とシリンダとの間に空間がほとんどなくなるため、死空間を大幅に低減し、これにより、機関内部にて流体（作動ガス）の流れを容易にしてその圧力損失を低減すると同時にサイクル出力やサイクル効率が向上し、且つ容積効率が向上するように小型化するとともに、機関外部への放熱損失を低減する。

また、高温熱交換器を構成する伝熱管をすべて等長とし、伝熱管にねじれ板を挿入したことから伝熱管を流れる作動ガスは一定となり、均一な熱伝達と伝熱促進が可能となり、熱効率が向上する。
さらに、低温熱交換器の伝熱管を流れる作動ガスは一定となり、伝熱促進が可能となり、熱効率が向上する。

請求項２記載のスターリング機関熱交換器によれば、いわゆる複動（ダブルアクティング）型として機関全体を小型化する。

請求項３記載のスターリング機関熱交換器によれば、低温熱交換器の冷却と同時にシリンダの外周面を冷却するため、伝熱損失を低減し、熱効率が向上する。

請求項４記載のスターリング機関熱交換器によれば、シリンダに流入又は流出する作動ガスの流れを容易にしてその圧力損失を低減する。

請求項５記載のスターリング機関熱交換器によれば、再生熱交換器を、伝熱面積が大きく、圧力損失が少なく、ダブルアクティング型のスターリング機関において再生熱交換器の数量が増加することにより機関内部の作動ガスが再生熱交換器の内面と蓄熱材との隙間を通過する量が増加することによるガス漏れ損失低減を図ったメッシュシート積層構造としたため、伝熱促進が可能となり、熱効率が向上する。

本発明によるスターリング機関熱交換器の一実施の形態を示す機関全体構成図（断面図）である。（ａ）同実施の形態における高温熱交換器（伝熱管）を示す平面図である。（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。同実施の形態における高温熱交換器（伝熱管）に挿入されるねじり板を示す斜視図である。（ａ）同実施の形態における圧縮空間と低温熱交換器の接続部に設けられる部材を示す平面図である。（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図である。（ａ）同実施の形態における再生熱交換器を構成するメッシュシートを示す平面図である。（ｂ）Ｃ部分の拡大図である。同実施の形態における低温熱交換器を示す斜視図（一部断面図）である。従来のスターリング機関の全体構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
なお、この実施の形態では、スターリング機関を発電機に適用しており、その出力軸は発電機に連結されている。

図１に示すように、この実施の形態は、ハウジング２内に四つのシリンダ３を備えて、これらのシリンダ３が出力軸４と同心円上の等配位置に配置された複動（ダブルアクティング）型のスターリング発電機１である。四つのシリンダ３は略９０度の位相差をなしている。四つのシリンダ３のそれぞれの周囲同心には再生熱交換器５及び低温熱交換器６が配置されている。詳細には、再生熱交換器５と低温熱交換器６は共にシリンダ３の周囲を覆うように設けられており、シリンダ３の上半部には再生熱交換器５が配置され、下半部には低温熱交換器６が配置されている。また、隣り合うシリンダ３のそれぞれの同心上には、これらのシリンダ３の間を接続する複数の伝熱管７ａにより構成された高温熱交換器７が配置されている。さらに、高温熱交換器７の上方には、複数の伝熱管７ａを加熱するためのバーナーなどの加熱器８が設けられている。

低温熱交換器６の内部空間において、シリンダ３と、このシリンダ３に内蔵されたピストン９の片端９ａとで圧縮空間１０が形成される。圧縮空間１０は、低温熱交換器６に隣接する構造となっている。

再生熱交換器５の内部空間において、圧縮空間１０を形成するシリンダ３の隣のシリンダ３と、このシリンダ３に内蔵されたピストン９の片端９ｂとで膨張空間１１が形成される。

高温熱交換器７を構成する複数の伝熱管７ａは膨張空間１１に接続されており、圧縮空間１０、低温熱交換器６、再生熱交換器５、高温熱交換器７及び膨張空間１１が四系統の閉流路をなし、この閉流路空間内にて流体（作動ガス）は移動−膨張−移動−圧縮を連続的に繰り返して、ピストン９から出力軸４へエネルギーを取り出すことになる。

また、高温熱交換器７を構成する複数の伝熱管７ａは、膨張空間１１を形成するシリンダ３に同心円上の等配位置にて接続されている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、高温熱交換器７を構成する複数の伝熱管７ａは、この管７ａを精密に引き回してすべて等長となるように形成されている。さらに、伝熱管７ａは、その内部に図３に示すようなねじれ板１２が挿入された構造となっている。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、圧縮空間１０及び膨張空間１１のそれぞれの接続部には作動ガスが流入又は流出する各流路口１３が均等位置に設けられており、これらの流路口１３の周縁１３ａが丸みのある形状に形成されている。また、流路口１３の周縁１３ａはテーパ形状に形成されていてもよい。なお、図４には低温熱交換器６（図１参照）と圧縮空間１０の接続部に設けられる部材１４を示している。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、再生熱交換器５は、厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度の金属薄板にエッチング（腐食液による侵食作用によって金属を加工する方法）又は電気鋳造（電極により金属をベースパターン上に析出する方法）により形成された千鳥配列又は碁盤目配列の多数の細孔１６と、細孔１６を結ぶ溝１７とからなるメッシュシート１５（特許第３６７７５５１号）の積層構造となっている。メッシュシート１５の積層構造では、伝熱面積が大きく、圧力損失が少なく、ダブルアクティング型のスターリング機関において再生熱交換器５の数量が増加することにより機関内部の作動ガスが再生熱交換器５の内面と蓄熱材との隙間を通過する量が増加することによるガス漏れ損失低減を図ることができる。

図６に示すように、低温熱交換器６では、この低温熱交換器６が備える伝熱管１８の外周面が冷却水あるいは冷却材の流れ方向に沿った複数の溝形状に形成されている。また、伝熱管１８は、その内部に中子部材１９が挿入された構造となっている。

さらに、図示しないが、シリンダ３の外周面と再生熱交換器５の内面との間は同一隔壁構造となっている。これと同様に、シリンダ３の外周面と低温熱交換器６の内面との間も同一隔壁構造となっており、低温熱交換器６による冷却と同時にシリンダ３の外側を冷却する構造となっている。

なお、上述したスターリング発電機１では、四つのシリンダ３に内蔵されたピストン９は、そのピストンロッド９ａが球面軸受２１を備えた十字型回転体２２及びＺ型クランク軸２３を主な構成要素とする運動変換機構を介して出力軸４に連結されている。

また、上述したスターリング発電機１における各部の作用は次の通りである。すなわち、ピストン９を内蔵したシリンダ３の上端部に形成される膨張空間１１と、加熱器８によって加熱される複数の伝熱管７ａにより構成された高温熱交換器７と、メッシュシート１５の積層構造によって構成され、蓄熱部分となる再生熱交換器５と、冷却部分となる低温熱交換器６と、膨張空間１１が形成されたシリンダ３と略９０度の位相差をなして配置された隣のシリンダ３の下端部に形成される圧縮空間１０とがそれぞれの接続部を介して四系統の閉流路を構成しており、各ピストン９の片端９ａ，９ｂは、回転角（位相角）を略９０度ずらして往復運動を回転運動に変える運動変換機構に連結され、四系統の閉流路空間内にて作動ガスが移動−膨張−移動−圧縮を連続的に繰り返して各ピストン９に往復作用力を与え、運動変換機構を経由して出力軸４へ回転運動で伝わり、エネルギーを取り出すことになる。なお、ここでは、出力軸４の下端部に設けられた発電機２４にて電気エネルギーとして取り出している。

上述した実施の形態によれば、再生熱交換器５及び低温熱交換器６とシリンダ３との間に空間がほとんどなくなるため、死空間を大幅に低減し、これにより、機関内部にて作動ガスの流れを容易にしてその圧力損失を低減すると同時にサイクル出力やサイクル効率が向上し、且つ容積効率が向上するように小型化するとともに、機関外部への放熱損失を低減する。

また、高温熱交換器を構成する伝熱管をすべて等長とし、伝熱管にねじれ板を挿入したことから伝熱管を流れる作動ガスは一定となり、均一な熱伝達と伝熱促進が可能となり、熱効率が向上する。

さらに、ダブルアクティング型として機関全体を更に小型化する。

また、低温熱交換器６の冷却と同時にシリンダ３の外側を冷却するため、伝熱損失を低減し、熱効率が向上する。

さらに、流路口１３の周縁１３ａをテーパ形状又は丸みのある形状に形成したため、シリンダ３に流入又は流出する作動ガスの流れを容易にしてその圧力損失を低減する。

また、再生熱交換器５を、伝熱面積が大きく、圧力損失が少なく、ダブルアクティング型のスターリング機関において再生熱交換器の数量が増加することにより機関内部の作動ガスが再生熱交換器５の内面と蓄熱材との隙間を通過する量が増加することによるガス漏れ損失低減を図ったメッシュシート１５の積層構造としたため、伝熱促進が可能となり、熱効率が向上する。

さらに、低温熱交換器６の伝熱管１８の外周面が冷却水や冷却材の流れ方向に沿った溝形状に形成され、伝熱管１８の内部に複数溝形状の中子部材１９が挿入されたことから低温熱交換器５の伝熱管１８と中子部材１９との間を流れる作動ガスは一定となり、伝熱促進が可能となり、熱効率が向上する。

なお、上述した実施の形態では、スターリング機関を発電機に適用しているが、その他、冷凍機などに適用してもよい。冷凍機に用いた場合は、パワーを与えることにより熱エネルギーを得る逆サイクルとなる。このようなスターリング冷凍機は、上述した実施の形態（スターリング発電機１）と略同等の構成となり、スターリング冷凍機からは上記同様の効果が得られる。

１…スターリング機関（スターリング発電機）
３…シリンダ
４…出力軸
５…再生熱交換器
６…低温熱交換器
７…高温熱交換器
７ａ…伝熱管
９…ピストン
９ａ，９ｂ…（ピストンの）片端
１０…圧縮空間
１１…膨張空間
１２…ねじれ板
１３…流路口
１３ａ…（流路口の）周縁
１５…メッシュシート
１８…（低温熱交換器の）伝熱管
１９…中子部材

Claims

複数のシリンダのそれぞれの周囲同心に該周囲を覆うように配置した再生熱交換器及び低温熱交換器を備えるとともに、隣り合う前記シリンダのそれぞれの同心上に配置して該シリンダの間を接続する複数の伝熱管により構成された高温熱交換器を備え、
前記低温熱交換器の内部空間にて前記シリンダと該シリンダに内蔵されたピストンの片端とで形成された圧縮空間が前記低温熱交換器に隣接する構造となり、前記高温熱交換器を前記再生熱交換器の内部空間にて前記圧縮空間を形成する前記シリンダの隣のシリンダと該シリンダに内蔵されたピストンの片端とで形成された膨張空間に接続して前記圧縮空間、前記低温熱交換器、前記再生熱交換器、前記高温熱交換器及び前記膨張空間が複数系統の閉流路をなし、
前記高温熱交換器を構成する複数の前記伝熱管を前記膨張空間を形成する前記シリンダに同心円上の等配位置に接続し、該伝熱管をすべて等長としてその内部にねじれ板を挿入した構造とし、
更に、前記低温熱交換器を、
外周面を冷却水あるいは冷却材の流れ方向に沿った複数の溝形状に形成するとともに、内部に中子部材を挿入した複数の伝熱管を備え、該伝熱管の両端部がそれぞれ環状の枠体に保持されることにより一対の枠体の間にて該伝熱管を前記シリンダの周囲に環状に並列させた構造としたことを特徴とするスターリング機関熱交換器。
前記シリンダを四つ備え、該シリンダを出力軸と同心円上の等配位置に配置したことを特徴とする請求項１記載のスターリング機関熱交換器。
前記シリンダの外周面と前記再生熱交換器の内面との間、前記シリンダの外周面と前記低温熱交換器の内面との間をそれぞれ同一隔壁構造としたことを特徴とする請求項１又は２記載のスターリング機関熱交換器。
前記圧縮空間及び前記膨張空間の接続部における流路口を均等位置に設け、前記流路口の周縁をテーパ形状又は丸みのある形状に形成したことを特徴とする請求項１又は２又は３記載のスターリング機関熱交換器。
前記再生熱交換器をメッシュシートの積層構造としたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載のスターリング機関熱交換器。