JP5327464B2 - Cryogenic Stirling Engine and Method for Manufacturing Chilled Stirling Engine - Google Patents

Cryogenic Stirling Engine and Method for Manufacturing Chilled Stirling Engine Download PDF

Info

Publication number
JP5327464B2
JP5327464B2 JP2009152349A JP2009152349A JP5327464B2 JP 5327464 B2 JP5327464 B2 JP 5327464B2 JP 2009152349 A JP2009152349 A JP 2009152349A JP 2009152349 A JP2009152349 A JP 2009152349A JP 5327464 B2 JP5327464 B2 JP 5327464B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
working gas
cold
stirling engine
core
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009152349A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011007129A (en
Inventor
宏一 平田
洋一 仁木
正國 川田
啓史 三木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shikoku Research Institute Inc
National Maritime Research Institute
Original Assignee
Shikoku Research Institute Inc
National Maritime Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shikoku Research Institute Inc, National Maritime Research Institute filed Critical Shikoku Research Institute Inc
Priority to JP2009152349A priority Critical patent/JP5327464B2/en
Publication of JP2011007129A publication Critical patent/JP2011007129A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5327464B2 publication Critical patent/JP5327464B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

本発明は、特に液化ガスを気化する際の冷熱を利用する冷熱スターリングエンジン及び冷熱スターリングエンジンの製造方法に関する。   The present invention particularly relates to a cold Stirling engine that uses cold energy when vaporizing liquefied gas, and a method for manufacturing a cold Stirling engine.

液化ガスとしての代表例である天然ガスは、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素の混合物であり、地下の貯留槽内に天然で存在するエネルギー源である。天然ガスは石油と比べて経済性に劣ると言われているものの、昨今のエネルギー問題や地球温暖化問題に対する世界的な関心から高く注目されている。
液化天然ガス(LNG)は、LNGタンカーにより大規模なLNG受入基地に輸送される。主要な都市では、パイプライン(導管)により工場や家庭に導かれる。この際、液体のLNGはLNG受入基地において気化され、いわゆる都市ガスとして送出される。一方、パイプラインの設置が難しい地方の地域などでは、LNGはタンクローリにより各地域のサテライト基地に運ばれる。そしてサテライト基地では、使用される量のLNGを気化し、工場や家庭に天然ガスを供給する。
従来から一部のLNG受入基地において、直接膨脹タービンやランキンサイクルによる大規模発電が行われている。その出力レベルは1〜10MW程度であり、これらの大規模発電設備において、LNG潜熱を基準とした成績係数(COP)は20〜40%と推算される。
一方、サテライト基地においては、夜間のLNG出荷量が少なく発電設備の連続運転が困難であること、さらに暖気に手間と時間を要する蒸気タービンは断続的な運転に適さないことなどにより、冷熱回収が行われておらず、LNGを気化する際の冷熱が大気に放出されている。
そこで、LNG冷熱の有効利用を図る必要があり、LNGの持つ冷熱を利用したサイクルにスターリングエンジンを用いるものが既に提案されている(例えば特許文献1から特許文献3)。
なお、特許文献4には、スターリングエンジンの熱交換器としてバヨネット型熱交換器を用いることが提案されている。
また、バヨネット型熱交換器としては、特許文献5から特許文献7に示されるような構成が提案されている。
Natural gas, which is a typical example of liquefied gas, is a mixture of hydrocarbons such as methane, ethane, and propane, and is an energy source that naturally exists in underground storage tanks. Although natural gas is said to be less economical than oil, it has attracted a great deal of attention from the global interest in recent energy problems and global warming issues.
Liquefied natural gas (LNG) is transported by a LNG tanker to a large LNG receiving terminal. In major cities, they are led to factories and households by pipelines. At this time, the liquid LNG is vaporized at the LNG receiving terminal and sent out as so-called city gas. On the other hand, in rural areas where it is difficult to install pipelines, LNG is transported to the satellite bases in each area by tank trucks. At the satellite base, the amount of LNG used is vaporized and natural gas is supplied to factories and homes.
Conventionally, large-scale power generation using a direct expansion turbine or Rankine cycle has been performed at some LNG receiving terminals. The output level is about 1 to 10 MW, and in these large-scale power generation facilities, the coefficient of performance (COP) based on LNG latent heat is estimated to be 20 to 40%.
On the other hand, at the satellite base, cold recovery is not possible due to the fact that nighttime LNG shipments are small and continuous operation of power generation facilities is difficult, and that steam turbines that require time and effort to warm up are not suitable for intermittent operation. It is not carried out, and cold heat when vaporizing LNG is released to the atmosphere.
Therefore, it is necessary to make effective use of LNG cold heat, and those using a Stirling engine in a cycle using the cold heat of LNG have already been proposed (for example, Patent Document 1 to Patent Document 3).
Patent Document 4 proposes using a bayonet type heat exchanger as a heat exchanger of a Stirling engine.
Moreover, as a bayonet-type heat exchanger, the structure as shown in patent document 5 to patent document 7 is proposed.

特開2008−175151号公報JP 2008-175151 A 特開2006−329059号公報JP 2006-329059 A 特開2006−275018号公報JP 2006-275018 A 特開昭58−25556号公報JP 58-25556 A 特開平7−187603号公報JP-A-7-187603 特開平10−103882号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-103882 特開平11−264677号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-264677

特許文献1から特許文献3では、冷熱を利用することが提案されているが、これらはいずれもサイクルに関するものであり、スターリングエンジンの構成に関するものではない。
LNGを気化する際の冷熱を有効に利用するためには、冷熱用熱交換器が−200℃付近の温度域での作動環境となるため、既存のスターリングエンジンの構成での性能特性や課題が明らかでない。
そこで、本発明者らは、冷熱利用スターリングエンジンの基本特性を調べるため、液体窒素を低温熱源として性能特性を調べた。
その実験結果として、液体窒素を低温熱源とした低温熱交換器においては以下の点が明らかになった。
冷熱スターリングエンジンに用いる低温熱交換器の管外熱伝達は、液体を熱源とした熱交換となるため、燃焼排ガスを熱源とした熱交換器と比べて、高い伝熱性能を必要としない。そのため、管外伝熱面積を大きくする必要がなく、簡易的な形状であってもよい。
冷熱スターリングエンジンが高温加熱スターリングエンジンと同一の出力性能を得ようとする場合、冷熱スターリングエンジンの低温熱交換器の交換熱量は少なくてよいため、管内熱伝達を小さくすることができ、適切な伝熱面積を設定すればよい。
熱交換器壁における熱伝導は、熱交換器の形式により大きく異なるが、−200℃に近い温度域でのシール性の課題などから、加工性が高く、冷却熱源の供給のしやすさが重要な課題である。
なお、特許文献4では、部品点数が少なく加工性が高いという観点からバヨネット型熱交換器を提案しているが、液体窒素を低温熱源としたスターリングエンジンを想定していないために、管外熱伝達を高めるためのフィンが設けられている一方で、シール性を重視した加工性は高くなく、冷熱スターリングエンジンの低温熱交換器としては適さない。
また、特許文献5から特許文献7においても、冷熱スターリングエンジンに用いる低温熱交換器を想定したものではないため、冷熱スターリングエンジンに適した構成ではない。
In Patent Document 1 to Patent Document 3, it is proposed to use cold heat, but these are all related to the cycle and are not related to the configuration of the Stirling engine.
In order to effectively use the cold energy at the time of vaporizing LNG, the heat exchanger for cold heat becomes an operating environment in the temperature range near -200 ° C, so there are performance characteristics and problems in the configuration of the existing Stirling engine. It is not clear.
Therefore, the present inventors investigated performance characteristics using liquid nitrogen as a low-temperature heat source in order to investigate basic characteristics of a cold-powered Stirling engine.
As a result of the experiment, the following points were clarified in a low-temperature heat exchanger using liquid nitrogen as a low-temperature heat source.
Since the heat transfer outside the tube of the low-temperature heat exchanger used for the cold Stirling engine is a heat exchange using a liquid as a heat source, high heat transfer performance is not required as compared with a heat exchanger using a combustion exhaust gas as a heat source. Therefore, it is not necessary to increase the heat transfer area outside the tube, and a simple shape may be used.
When the cold Stirling engine tries to obtain the same output performance as the high temperature heated Stirling engine, the heat exchange in the low temperature heat exchanger of the cold Stirling engine may be small, so that the heat transfer in the pipe can be reduced and an appropriate transmission can be achieved. What is necessary is just to set a heat area.
The heat conduction in the heat exchanger wall varies greatly depending on the type of heat exchanger, but due to the problem of sealing performance in a temperature range close to -200 ° C, workability is high and the ease of supplying a cooling heat source is important. It is a difficult task.
In Patent Document 4, a bayonet type heat exchanger is proposed from the viewpoint that the number of parts is small and the workability is high, but since a Stirling engine using liquid nitrogen as a low-temperature heat source is not assumed, the heat outside the tube While fins for enhancing transmission are provided, workability with an emphasis on sealing performance is not high, and it is not suitable as a low-temperature heat exchanger for a cold Stirling engine.
Also, Patent Documents 5 to 7 do not assume a low-temperature heat exchanger used for a cold Stirling engine, and are not suitable for a cold Stirling engine.

そこで、本発明は、特にシール性能を考慮した加工性に優れるとともに冷却熱源の供給にも優れる冷熱スターリングエンジン及びこの冷熱スターリングエンジンの製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a cold Stirling engine that is excellent in workability especially considering the sealing performance and also excellent in the supply of a cooling heat source, and a method for manufacturing the cold Stirling engine.

請求項1記載に対応した冷熱スターリングエンジンにおいては、冷熱エネルギーとして液化ガスを液化状態で用い、低温熱交換器を、内部に作動ガス通路空間を形成した一体型のブロック本体と、作動ガス通路空間に挿入嵌合させた中子とで構成し、中子の管内に形成した第1の通路及び中子と作動ガス通路空間との間に形成した第2の通路で作動ガスの往復流路を形成したことを特徴とする。請求項1に記載の本発明によれば、冷熱エネルギーとして液化ガスを液化状態で用いることで、管外伝熱面積を大きくする必要がないため、低温熱交換器を一体型のブロック本体とすることができ、一体型のブロック本体の内部に作動ガス通路空間を形成し、中子をこの作動ガス通路空間に配設して往復流路を形成するため、シール性能を考慮した加工性に優れている。また、低温熱交換器を一体型のブロック本体とすることで冷却熱源の供給にも優れた構成とすることができる。   The cold Stirling engine according to claim 1 uses a liquefied gas in a liquefied state as cold energy, a low-temperature heat exchanger, an integrated block body in which a working gas passage space is formed, and a working gas passage space. And a reciprocating flow path of the working gas by a first passage formed in the core tube and a second passage formed between the core and the working gas passage space. It is formed. According to the first aspect of the present invention, it is not necessary to increase the heat transfer area outside the tube by using the liquefied gas in the liquefied state as the cold energy, so that the low-temperature heat exchanger is an integral block body. Since the working gas passage space is formed inside the integrated block body and the core is disposed in the working gas passage space to form the reciprocating flow path, the workability considering the sealing performance is excellent. Yes. Moreover, it can be set as the structure excellent also in the supply of a cooling heat source by making a low-temperature heat exchanger into an integrated block main body.

請求項2記載の本発明は、請求項1に記載の冷熱スターリングエンジンにおいて、中子の外周部には、作動ガス通路空間の内周面と当接する支持部を形成し、支持部には、作動ガスの通過を可能とする複数の溝を形成したことを特徴とする。請求項2に記載の本発明によれば、支持部によって中子と作動ガス通路空間の内周面とが当接するため、ブロック本体の冷熱を中子にも伝達でき、中子の管内に形成した第1の通路を流れる作動ガスにも効果的に冷熱を伝達することができる。   According to a second aspect of the present invention, in the cold Stirling engine according to the first aspect, a support portion that contacts the inner peripheral surface of the working gas passage space is formed on the outer peripheral portion of the core, A plurality of grooves that allow the working gas to pass therethrough are formed. According to the second aspect of the present invention, since the core and the inner peripheral surface of the working gas passage space come into contact with each other by the support portion, the cold heat of the block main body can be transmitted to the core and is formed in the core tube. The cold heat can be effectively transmitted to the working gas flowing through the first passage.

請求項3記載の本発明は、請求項1又は請求項2に記載の冷熱スターリングエンジンにおいて、ブロック本体を中子よりも線膨張係数の大きい材料で構成し、かつ作動ガス通路空間の内径寸法と中子の外径寸法を、冷熱運転時にしまりばめを維持できる寸法に設定したことを特徴とする。請求項3に記載の本発明によれば、ブロック本体からの中子への熱伝導ロスを少なくでき、ブロック本体の冷熱を効果的に中子に伝達できる。   According to a third aspect of the present invention, in the cold Stirling engine according to the first or second aspect, the block body is made of a material having a larger linear expansion coefficient than the core, and the inner diameter dimension of the working gas passage space is The outer diameter dimension of the core is set to a dimension that can maintain an interference fit during cold operation. According to the third aspect of the present invention, the heat conduction loss from the block main body to the core can be reduced, and the cold heat of the block main body can be effectively transmitted to the core.

請求項4記載の本発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の冷熱スターリングエンジンにおいて、ブロック本体をアルミ系の材料とし、中子を銅系の材料としたことを特徴とする。請求項4に記載の本発明によれば、高い出力特性を得ることができる。   According to a fourth aspect of the present invention, in the cold Stirling engine according to any one of the first to third aspects, the block body is made of an aluminum-based material and the core is made of a copper-based material. . According to the fourth aspect of the present invention, high output characteristics can be obtained.

請求項5記載の本発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の冷熱スターリングエンジンの製造方法において、中子の作動ガス通路空間への挿入嵌合を、冷却又は加熱によるしまりばめによって行うことを特徴とする。請求項5に記載の本発明によれば、ブロック本体の冷熱を効果的に中子に伝達できるとともに、圧入と比較して中子などの部材に対する損傷を防ぐことができる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a cold Stirling engine according to any one of the first to fourth aspects, if the insertion fitting of the core into the working gas passage space is performed by cooling or heating, It is characterized by being performed by According to this invention of Claim 5, while being able to transmit the cold heat of a block main body to a core effectively, damage to members, such as a core, can be prevented compared with press injection.

請求項6記載の本発明は、請求項1に記載の冷熱スターリングエンジンにおいて、高温熱交換器の熱媒体として液体熱媒を用いることを特徴とする。請求項6に記載の本発明によれば、低温熱交換器とともに高温熱交換器についても液体状態の熱媒体を用いることで装置の小型化を実現することができる。   According to a sixth aspect of the present invention, in the cold Stirling engine according to the first aspect, a liquid heat medium is used as the heat medium of the high-temperature heat exchanger. According to the sixth aspect of the present invention, the downsizing of the apparatus can be realized by using the liquid heat medium for the high temperature heat exchanger as well as the low temperature heat exchanger.

請求項7記載の本発明は、請求項6に記載の冷熱スターリングエンジンにおいて、高温熱交換器に用いる熱媒体の流動性低下を防ぐ流動性低下防止手段を備えたことを特徴とする。請求項7記載の本発明によれば、極低温となる低温熱交換器の影響による熱媒体の流動性低下を防止でき、高温熱交換器の伝熱性能を維持することができる。   According to a seventh aspect of the present invention, in the cold Stirling engine according to the sixth aspect, the present invention is characterized in that it includes a fluidity reduction preventing means for preventing a fluidity degradation of a heat medium used in a high-temperature heat exchanger. According to this invention of Claim 7, the fluidity | liquidity fall of the heat medium by the influence of the low temperature heat exchanger used as an extremely low temperature can be prevented, and the heat transfer performance of a high temperature heat exchanger can be maintained.

本発明によれば、一体型のブロック本体の内部に作動ガス通路空間を形成し、中子をこの作動ガス通路空間に配設して往復流路を形成するため、特にシール性能を考慮した加工性に優れている。
本発明は、一体型のブロック本体によって作動ガス通路空間を形成することで、機械加工で寸法精度を出せるために加工性に優れ、シール性が良好となる。また、一体型のブロック本体によって作動ガス通路空間を形成することで、第2通路を等間隔に製作でき、また維持できるため作動ガスの偏流がなく、熱交換性が良好となる。
なお、内周面と当接する支持部を形成したときは、接触による効果的な冷熱の伝達ができ、中子の正しい位置出しによって作動ガスの均等な分配ができる。
また、支持部には複数の溝を形成したときは、作動ガスへの伝熱面積増大、収縮/膨張に伴う乱流促進、抵抗付与による作動ガスの更なる均一流化によって伝熱促進を行えるとともに、作動ガス通路の確保と挿入嵌合の容易化を図ることができる。また、冷熱運転時にしまりばめとなるため伝熱性が良好となり、封止部によって作動ガスのリーク防止を図れる。
また、ブロック本体をアルミ系の材料とし中子を銅系の材料としたときは、伝熱性が良好で高出力を得ることができ、線膨張係数の差によってしまりばめの効果促進を図れる。また、特に外側のブロック本体をアルミ系の材料としたことで軽量化を図れる。また、特にブロック本体をアルミ系の材料とすることで外側が少ない冷熱で速く冷え、中子を銅系の材料とすることで熱伝導率がよいため小さくても作動ガスを効果的に冷却でき、降温性がよい。
また、冷却又は加熱によるしまりばめとしたときは、例えば、圧入と比較して偏心を生じず、ブロック本体や中子の損傷防止を図れ、密着効果が高く、第2通路を等間隔にできるため作動ガスの偏流がなく、熱交換性が良好となる。
また、高温熱交換器の熱媒体として液体熱媒を用いたときは、装置を小型化でき、高温側も液体のために伝熱が速く装置を迅速に立ち上げることができる。
また、流動性低下防止手段を備えたときは、凍結や粘度増加による流動量の低下防止を図れて伝熱特性を維持でき、高温側熱供給が行われなくなり運転停止するなどの機関運転障害の防止を図れる。
According to the present invention, the working gas passage space is formed inside the integrated block body, and the core is disposed in the working gas passage space to form the reciprocating flow passage. Excellent in properties.
In the present invention, the working gas passage space is formed by the integrated block main body, so that dimensional accuracy can be obtained by machining so that the workability is excellent and the sealing property is good. Further, by forming the working gas passage space by the integrated block body, the second passage can be manufactured at an equal interval and can be maintained, so that there is no drift of the working gas and the heat exchange property is improved.
In addition, when the support part which contact | abuts with an internal peripheral surface is formed, the effective cold heat transmission by contact can be performed and a working gas can be equally distributed by the correct positioning of a core.
In addition, when a plurality of grooves are formed in the support portion, heat transfer can be promoted by increasing the heat transfer area to the working gas, promoting turbulent flow accompanying contraction / expansion, and further uniformizing the working gas by applying resistance. In addition, it is possible to secure the working gas passage and facilitate the insertion fitting. In addition, since it is an interference fit during cold operation, the heat transfer is good and the sealing portion can prevent leakage of the working gas.
Further, when the block main body is made of an aluminum material and the core is made of a copper material, heat transfer is good and a high output can be obtained, and the effect of the interference fit can be promoted by the difference in coefficient of linear expansion. Moreover, weight reduction can be achieved by using an aluminum-based material for the outer block body. In particular, the block body is made of an aluminum-based material, so that the outside can be cooled quickly with little cold, and the core is made of a copper-based material. Good temperature drop.
In addition, when an interference fit is achieved by cooling or heating, for example, no eccentricity is generated compared to press-fitting, damage to the block main body and the core can be prevented, a close contact effect is high, and the second passage can be equally spaced. Therefore, there is no drift of the working gas, and the heat exchange is good.
In addition, when a liquid heat medium is used as the heat medium of the high-temperature heat exchanger, the apparatus can be downsized, and the high-temperature side can also quickly start up the apparatus because of heat transfer due to the liquid.
In addition, when equipped with fluidity reduction prevention means, it is possible to prevent the flow rate from decreasing due to freezing or increase in viscosity, maintain heat transfer characteristics, and prevent engine operation troubles such as shutdown due to no high-temperature heat supply. It can be prevented.

本発明の一実施形態における実施例を示す冷熱スターリングエンジンの全体構成図The whole block diagram of the cooling Stirling engine which shows the example in one embodiment of the present invention. 図1の要部拡大断面図1 is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 同冷熱スターリングエンジンに用いる低温熱交換器の一部切り欠き斜視図Partial cutaway perspective view of a low-temperature heat exchanger used in the cold Stirling engine 同低温熱交換器の底面図Bottom view of the low-temperature heat exchanger 同冷熱スターリングエンジンに用いる中子の斜視図Perspective view of the core used in the cold Stirling engine 同中子の断面図Cross section of the core 作動ガス平均ガス圧力Pmを2.5MPaとした場合のエンジン回転数に対する図示出力Wiおよび発電出力Wgの実験結果を示す出力特性図Output characteristic diagram showing experimental results of indicated output Wi and power generation output Wg with respect to engine speed when working gas average gas pressure Pm is 2.5 MPa エンジン回転数に対する圧縮空間ガス温度Tcompおよび低温熱交換器壁温Tw2の実験結果を示す温度特性図Temperature characteristic diagram showing experimental results of compressed space gas temperature Tcomp and low temperature heat exchanger wall temperature Tw2 with respect to engine speed エンジン回転数に対する膨張空間ガス温度Texpおよび常温水出口温度Toutの実験結果を示す温度特性図Temperature characteristic diagram showing experimental results of expansion space gas temperature Texp and normal temperature water outlet temperature Tout with respect to engine speed エンジン回転数に対する全エンジン入熱量Qtotalおよび冷却熱量Qrejの実験結果を示す熱量特性図Calorific value characteristic graph showing experimental results of total engine heat input amount Qtotal and cooling heat amount Qrej with respect to engine speed 本熱効率およびCOPの特性図 エンジン回転数に対する発電端効率ηg(=Wg/Qtotal)、内部変換効率ηint(図示出力Wiと膨張空間図示出力WEの比)およびCOP(成績係数=Wg/Qrej)Characteristic diagram of main thermal efficiency and COP Power generation end efficiency ηg (= Wg / Qtotal), internal conversion efficiency ηint (ratio of indicated output Wi and expansion space indicated output WE) and COP (coefficient of performance = Wg / Qrej) 作動ガス平均ガス圧力Pmを3.5MPaとした場合のエンジン回転数に対する実験用スターリングエンジンのエネルギーバランスを示す特性図Characteristic diagram showing energy balance of experimental Stirling engine with respect to engine speed when working gas average gas pressure Pm is 3.5 MPa

以下に、本発明の冷熱スターリングエンジンの一実施形態における実施例について説明する。
図1は本実施例による冷熱スターリングエンジンの全体構成図、図2は図1の要部拡大断面図、図3は同冷熱スターリングエンジンに用いる低温熱交換器の一部切り欠き斜視図、図4は同低温熱交換器の底面図、図5は同冷熱スターリングエンジンに用いる中子の斜視図、図6は同中子の断面図である。
Hereinafter, examples of one embodiment of the cold Stirling engine of the present invention will be described.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a cooling Stirling engine according to the present embodiment, FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 1, FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a low-temperature heat exchanger used in the cooling Stirling engine, FIG. Is a bottom view of the low temperature heat exchanger, FIG. 5 is a perspective view of a core used in the cold Stirling engine, and FIG. 6 is a sectional view of the core.

図1に示すように、本実施例によるスターリングエンジンは、冷熱エネルギーを利用して低温熱交換器10を冷却する冷熱スターリングエンジンであり、低温熱交換器10を液体窒素などの低温熱源1と直接接するように設置し、冷熱エネルギーとして液化ガスを液化状態で用いる。低温熱源1は断熱材で構成された容器2によって覆われた空間内に貯留される。なお、容器2の代わりに、低温熱源1を流通させる配管であってもよい。基本的に低温熱交換器10には、液化ガスが液体状で接することが好ましく、配管を設けた場合は、低温熱源1の下流側に位置する気化手段(図示しない)によって、最終的に気化させることが好ましい。
冷熱スターリングエンジンは、ディスプレーサピストン21とパワーピストン22とを有している。ディスプレーサピストン21及びパワーピストン22は、スコッチ・ヨーク機構23を介して、それぞれクランクシャフト24に連結されている。なお、ディスプレーサピストン21とパワーピストン22とは位相を所定角度ずらして設けられている。クランクシャフト24の一端側は発電機25と接続されている。また、クランクシャフト24と発電機25との間、及びクランクシャフト24の他端側にはフライホイール26が接続されている。
As shown in FIG. 1, the Stirling engine according to this embodiment is a cold Stirling engine that cools a low-temperature heat exchanger 10 using cold energy, and the low-temperature heat exchanger 10 is directly connected to a low-temperature heat source 1 such as liquid nitrogen. It installs so that it may touch and uses liquefied gas in a liquefied state as cold energy. The low-temperature heat source 1 is stored in a space covered by a container 2 made of a heat insulating material. Instead of the container 2, a pipe through which the low-temperature heat source 1 is circulated may be used. Basically, it is preferable that the low-temperature heat exchanger 10 is in contact with the liquefied gas in a liquid state. When piping is provided, the vaporization means (not shown) located downstream of the low-temperature heat source 1 is finally vaporized. It is preferable to make it.
The cold heat Stirling engine has a displacer piston 21 and a power piston 22. The displacer piston 21 and the power piston 22 are connected to a crankshaft 24 via a scotch / yoke mechanism 23, respectively. The displacer piston 21 and the power piston 22 are provided with phases shifted by a predetermined angle. One end side of the crankshaft 24 is connected to the generator 25. A flywheel 26 is connected between the crankshaft 24 and the generator 25 and the other end of the crankshaft 24.

低温熱交換器10は、内部に作動ガス通路空間11を形成した一体型のブロック本体12と、作動ガス通路空間11に挿入嵌合させた中子13とで構成されている。
再生器31及び高温熱交換器32は、シリンダ27の外周部に配置される。このシリンダ27内には、ディスプレーサピストン21が配置されている。シリンダ27の一方は、低温熱交換器10によって形成されたヘッド部14によって覆われ、ヘッド部14とディスプレーサピストン21との間に圧縮空間が形成され、ディスプレーサピストン21とパワーピストン22との間に膨張空間が形成される。
再生器31は、シリンダ27に対して同心円状に円管を配置し、各円管の隙間にはオーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網のマトリックス材を詰めている。作動ガスは、マトリックス材を通り抜けて、低温熱交換器10又は高温熱交換器32に流れる。作動ガスは、この再生器31を通り抜けるときに、マトリックス材から吸熱し、又はマトリックス材に放熱する。
高温熱交換器32内は、熱媒体が流れる通路と作動ガスが流れる通路に区分され、作動ガスは熱媒体で加熱される。
高温熱交換器32には、例えば常温水のような液体熱媒が供給される。本実施例では、恒温水槽33を備え、高温熱交換器32には、恒温水槽33内の常温水がポンプ34によって供給される。高温熱交換器32に常温水のような液体熱媒を用いることにより、液体の熱伝達率が高く、熱容量も大きいところから高温熱交換器32の小型化や迅速な立ち上げが可能となり、低温側熱交換器10が液体で作動することと併せて、この冷熱スターリングエンジンが小型で応答性も高いものとなっている。高温熱交換器32に供給される常温水は、作動ガスに放熱した後に恒温水槽33に戻される。高温熱交換器32には、常温水(熱媒)の流動性を検出する検知手段35が設けられ、この検知手段35によって常温水の流動性低下を検出した場合には、制御部36によって加熱手段37を動作させる。検知手段35としては、例えば温度検出器を用いることができ、高温熱交換器32の熱媒出口側流路の温度を検出する。この検知手段35は、恒温水槽33を含めて常温水の流れる経路の何処にも設けてもよいが、特に熱媒出口側流路に設けることにより、低温熱交換器10の影響による常温水の凍結に迅速に対応できる。また、検知手段35としての他の手段は、熱媒の流量を検出する流量検出器を用いることができる。
The low-temperature heat exchanger 10 includes an integrated block body 12 having a working gas passage space 11 formed therein, and a core 13 inserted and fitted into the working gas passage space 11.
The regenerator 31 and the high temperature heat exchanger 32 are disposed on the outer peripheral portion of the cylinder 27. A displacer piston 21 is disposed in the cylinder 27. One of the cylinders 27 is covered by the head portion 14 formed by the low-temperature heat exchanger 10, a compression space is formed between the head portion 14 and the displacer piston 21, and between the displacer piston 21 and the power piston 22. An expansion space is formed.
The regenerator 31 has circular tubes arranged concentrically with respect to the cylinder 27, and a gap between each circular tube is filled with a wire mesh matrix material such as austenitic stainless steel or brass. The working gas passes through the matrix material and flows to the low temperature heat exchanger 10 or the high temperature heat exchanger 32. When the working gas passes through the regenerator 31, the working gas absorbs heat from the matrix material or dissipates heat to the matrix material.
The high temperature heat exchanger 32 is divided into a passage through which a heat medium flows and a passage through which a working gas flows, and the working gas is heated by the heat medium.
The high temperature heat exchanger 32 is supplied with a liquid heat medium such as room temperature water. In the present embodiment, a constant temperature water tank 33 is provided, and normal temperature water in the constant temperature water tank 33 is supplied to the high temperature heat exchanger 32 by a pump 34. By using a liquid heat medium such as room temperature water for the high-temperature heat exchanger 32, the high-temperature heat exchanger 32 can be downsized and quickly started up because of its high heat transfer coefficient and large heat capacity. Along with the fact that the side heat exchanger 10 operates with liquid, the cold Stirling engine is small and highly responsive. The room temperature water supplied to the high temperature heat exchanger 32 is returned to the constant temperature water tank 33 after radiating heat to the working gas. The high temperature heat exchanger 32 is provided with a detecting means 35 for detecting the fluidity of room temperature water (heat medium). When the detecting means 35 detects a decrease in the fluidity of the ordinary temperature water, it is heated by the control unit 36. The means 37 is operated. As the detection means 35, for example, a temperature detector can be used, and the temperature of the heat medium outlet side flow path of the high temperature heat exchanger 32 is detected. This detecting means 35 may be provided anywhere in the path of room temperature water including the constant temperature water tank 33, but in particular, by providing it in the flow path on the outlet side of the heat medium, room temperature water due to the influence of the low temperature heat exchanger 10 is provided. It can respond quickly to freezing. Moreover, the flow rate detector which detects the flow volume of a heat medium can be used for the other means as the detection means 35. FIG.

本実施例では、加熱手段37を動作させることで、恒温水槽33内の常温水を所定の温度に維持するか、常温水の温度を高めることで凍結を防止し、流動性の低下を防止する。本実施例においては、検知手段35、制御部36、及び加熱手段37によって流動性低下防止手段を構成するが、流動性低下防止手段は、検知手段35や制御部36を備えず、大気熱、太陽光、又は工業用その他の排熱を利用して熱媒の温度を所定温度以上に維持するものでもよい。また加熱手段37としては、電気ヒータの他に、本実施例の冷熱スターリングエンジンで気化させた天然ガスの燃焼熱を用いてもよい。また電気ヒータの電源としては、本実施例の冷熱スターリングエンジンで発生する電力を用いることができ、発電機の熱損失,駆動部の機械損失を利用することも有効である。また、流動性低下防止手段として、液体熱媒が水の場合には例えば不凍液を用いるなど、添加剤による化学的手段を用いてもよい。   In this embodiment, by operating the heating means 37, the room temperature water in the constant temperature water tank 33 is maintained at a predetermined temperature or the temperature of the room temperature water is increased to prevent freezing and to prevent a decrease in fluidity. . In the present embodiment, the fluidity reduction prevention means is configured by the detection means 35, the control unit 36, and the heating means 37. However, the fluidity reduction prevention means does not include the detection means 35 or the control unit 36, and includes atmospheric heat, The temperature of the heat medium may be maintained at a predetermined temperature or higher by using sunlight or industrial waste heat. In addition to the electric heater, the heating means 37 may use natural gas combustion heat vaporized by the cold Stirling engine of this embodiment. As the power source of the electric heater, the electric power generated by the cold Stirling engine of this embodiment can be used, and it is also effective to use the heat loss of the generator and the mechanical loss of the drive unit. Further, as the fluidity reduction preventing means, when the liquid heat medium is water, chemical means using an additive such as an antifreeze solution may be used.

次に、本実施例による低温熱交換器10について図2から図6を用いて説明する。
低温熱交換器10は、一体型のブロック本体12で構成されている。ブロック本体12は、熱源側凹部を内部に形成する円筒状部12Aと、円筒状部12Aの一端に配置されてヘッド部14を中央部に形成するフランジ部12Bとからなる。円筒状部12Aの外周には、軸方向のスリット12Cを所定間隔空けて複数形成することで熱伝達性能を高めている。フランジ部12Bには締結用ボルト15を挿入する複数の孔16が設けられている。このフランジ部12Bは、シリンダ27の端部に形成されたシリンダ側フランジ27Aと当接し、締結用ボルト15によってシリンダ側フランジ27Aと連結される。このときシリンダ側フランジ27Aに設けた溝に装着されたカーボンシート等で構成されるシール材27Bが変形し、低温熱交換器10側のフランジ部12Bとシリンダ側フランジ27Aとの間でシールを行っている。なお、このカーボンシート等で構成されるシール材は、溝を設けずに平パッキン状に形成して、フランジ部12Bとシリンダ側フランジ27Aとの間に挟持させ、締結用ボルト15によって締め付けてシールを行ってもよい。ブロック本体12の円筒状部12A、フランジ部12B、またシリンダ側フランジ27Aは機械加工が容易な構成であり、フランジ部12Bやシリンダ側フランジ27Aの平面度や面粗さ、またシール材27Bの溝も寸法精度や面粗さが程よく加工ができるため、シール材27Bの圧縮も適正に確保でき、シール性能のよいものとなっている。
ブロック本体12には、複数の作動ガス通路空間11を形成している。作動ガス通路空間11は、円柱状凹部であり、フランジ部12Bの端面を開口部として円筒状部12Aの内部に形成されている。本実施例では、複数個の作動ガス通路空間11を同心円状に配置したものを示しているが、必ずしも同心円状に配置する必要はなく、ヘッド部14内の作動ガスが均一に流動できるように、それぞれの作動ガス通路空間11を均等に配置する。
Next, the low temperature heat exchanger 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
The low-temperature heat exchanger 10 includes an integrated block body 12. The block main body 12 includes a cylindrical portion 12A that forms a heat source side concave portion therein, and a flange portion 12B that is disposed at one end of the cylindrical portion 12A and forms a head portion 14 in the center portion. Heat transfer performance is enhanced by forming a plurality of axial slits 12C at predetermined intervals on the outer periphery of the cylindrical portion 12A. A plurality of holes 16 for inserting fastening bolts 15 are provided in the flange portion 12B. The flange portion 12 </ b> B abuts on a cylinder side flange 27 </ b> A formed at the end of the cylinder 27 and is connected to the cylinder side flange 27 </ b> A by the fastening bolt 15. At this time, the sealing material 27B composed of a carbon sheet or the like mounted in a groove provided in the cylinder side flange 27A is deformed, and sealing is performed between the flange portion 12B on the low temperature heat exchanger 10 side and the cylinder side flange 27A. ing. The sealing material composed of the carbon sheet or the like is formed in a flat packing shape without providing a groove, and is sandwiched between the flange portion 12B and the cylinder side flange 27A, and is tightened by the fastening bolt 15 to be sealed. May be performed. The cylindrical portion 12A, the flange portion 12B, and the cylinder side flange 27A of the block main body 12 are configured to be easily machined. The flatness and surface roughness of the flange portion 12B and the cylinder side flange 27A, and the groove of the sealing material 27B. Since the dimensional accuracy and surface roughness can be processed moderately, the compression of the sealing material 27B can be ensured properly, and the sealing performance is good.
A plurality of working gas passage spaces 11 are formed in the block body 12. The working gas passage space 11 is a columnar concave portion, and is formed inside the cylindrical portion 12A with the end face of the flange portion 12B as an opening. In this embodiment, a plurality of working gas passage spaces 11 are concentrically arranged, but are not necessarily arranged concentrically, so that the working gas in the head portion 14 can flow uniformly. The working gas passage spaces 11 are evenly arranged.

作動ガス通路空間11の円柱状凹部内周面とヘッド部14とは作動ガス連通路11Aで連通している。作動ガス連通路11Aはそれぞれの作動ガス通路空間11毎に形成されており、それぞれの作動ガス連通路11Aは、ヘッド部14の中心から放射状に形成されている。またそれぞれの作動ガス連通路11Aの軸線の交わる仮想点Xは、ヘッド部14の空間より外側でディスプレーサピストン21側に設定することで、作動ガス連通路11Aを、シリンダ27の軸線に垂直な面に対して傾斜して設けている。このように、作動ガス連通路11Aを、それぞれの作動ガス通路空間11毎にヘッド部14の中心から放射状に形成し、更に傾斜して設けることでヘッド部14内の作動ガスが均一に流動できるとともに、加工性を高めることができる。
シリンダ側フランジ27Aの端面には、作動ガス通路空間11と再生器31とを連通する連通路11Bが形成されている。ブロック本体12はブロック構成であり、配管やフィン等の組み合わせで構成されるものではないため、機械加工が可能となり、各部の寸法精度が出し易く、加工性が高いものとなっている。また、溶接構造を取らず、複数個の作動ガス通路空間11も外部漏れを生じるようなシール部が無いため、装置としてシール性能の高いものとなっている。
The cylindrical recess inner peripheral surface of the working gas passage space 11 communicates with the head portion 14 through a working gas communication passage 11A. The working gas communication passages 11 </ b> A are formed for each working gas passage space 11, and each working gas communication passage 11 </ b> A is formed radially from the center of the head portion 14. Further, an imaginary point X where the axes of the working gas communication passages 11A intersect is set on the displacer piston 21 side outside the space of the head portion 14, so that the working gas communication passage 11A is a surface perpendicular to the axis of the cylinder 27. It is inclined with respect to. In this manner, the working gas communication passage 11A is formed radially from the center of the head portion 14 for each working gas passage space 11, and further provided with an inclination, so that the working gas in the head portion 14 can flow uniformly. At the same time, workability can be improved.
A communication passage 11B that connects the working gas passage space 11 and the regenerator 31 is formed on the end face of the cylinder side flange 27A. Since the block main body 12 has a block configuration and is not configured by a combination of piping, fins, and the like, machining is possible, dimensional accuracy of each part is easily obtained, and workability is high. In addition, since a plurality of working gas passage spaces 11 do not have a welding structure and do not have a seal portion that causes external leakage, the device has high sealing performance.

作動ガス通路空間11には中子13を挿入嵌合する。中子13は両端開口の円筒管であり、中子13の外周部には、作動ガス通路空間11の内周面と当接する支持部13Aを形成している。支持部13Aによって中子13と作動ガス通路空間11の内周面とを当接させることで、ブロック本体12の冷熱を中子13にも直接伝達でき、中子13の管内に形成した第1の通路を流れる作動ガスにも効果的に冷熱を伝達することができる。支持部13Aには、作動ガスの通過を可能とする複数の溝13Bを形成している。本実施例では、溝13Bを中子13の軸方向に設けているが、螺旋状に設けることで伝熱性能を高めることができる。支持部13Aは、複数に分割して形成することが好ましい。支持部13Aを複数に分割することで、中子13の作動ガス通路空間11への挿入嵌合を容易にすることができ、中子13の外周部を流れる作動ガスの流動抵抗を減少させることができるとともに、溝13Bによって区分される作動ガス流の溝間の不均一を解消することができる。中子13のフランジ部12B側の端部には、封止部13Cを形成している。この封止部13Cによって、中子13の管内に形成する第1の通路と、中子13の外周部に形成する第2の通路とのリークを防止している。また、中子13の他端には、支持部13Aを形成しないことで、中子13の管内に形成する第1の通路と、中子13の外周部に形成する第2の通路との他端での流動抵抗を少なくしている。また、中子13の支持部13A、封止部13Cの外周部は、機械加工が可能なことから、寸法精度が出し易く、溝13Bの高さも均一にできる。このため、溝間の抵抗の差が少ない上、この実施例のように複数箇所に溝部を設けることによる溝間の作動ガス流の不均一性解消の効果と相俟って、第2通路を流れる作動ガスの流れを均一化できている。また、溝部と溝部の後で作動ガスが収縮し拡大する作用により、熱伝達率の向上が期待できる。
更に、複数ある作動ガス通路空間11に挿入される中子の寸法のバラツキが少なく、またブロック本体12の機械加工が可能で作動ガス通路空間11自身も精度良く製作できることから、これらの組み合わせで形成される複数ある作動ガス通路間の抵抗のバラツキを少なくできる。この結果、溝13Bによる作動ガス流に対する抵抗付与効果と併せて、複数ある作動ガス通路間の作動ガスの流れも均等な分配ができ、偏流が無いものとなっている。
A core 13 is inserted and fitted into the working gas passage space 11. The core 13 is a cylindrical tube that is open at both ends, and a support portion 13 </ b> A that contacts the inner peripheral surface of the working gas passage space 11 is formed on the outer peripheral portion of the core 13. By bringing the core 13 and the inner peripheral surface of the working gas passage space 11 into contact with each other by the support portion 13A, the cold heat of the block body 12 can be directly transmitted to the core 13 and the first formed in the tube of the core 13 is formed. The cold heat can be effectively transmitted also to the working gas flowing through the passage. A plurality of grooves 13B that allow the working gas to pass therethrough are formed in the support portion 13A. In this embodiment, the grooves 13B are provided in the axial direction of the core 13, but heat transfer performance can be improved by providing the grooves 13B in a spiral shape. The support portion 13A is preferably formed by being divided into a plurality of portions. By dividing the support portion 13A into a plurality of parts, the insertion fitting of the core 13 into the working gas passage space 11 can be facilitated, and the flow resistance of the working gas flowing through the outer peripheral portion of the core 13 can be reduced. In addition, nonuniformity between the grooves of the working gas flow divided by the grooves 13B can be eliminated. A sealing portion 13C is formed at the end of the core 13 on the flange portion 12B side. The sealing portion 13 </ b> C prevents leakage between the first passage formed in the tube of the core 13 and the second passage formed in the outer peripheral portion of the core 13. Further, the support 13A is not formed at the other end of the core 13 so that the first passage formed in the tube of the core 13 and the second passage formed in the outer peripheral portion of the core 13 are provided. The flow resistance at the edge is reduced. Further, since the outer peripheral portion of the support portion 13A of the core 13 and the sealing portion 13C can be machined, dimensional accuracy can be easily obtained and the height of the groove 13B can be made uniform. For this reason, the difference in resistance between the grooves is small, and in combination with the effect of eliminating the non-uniformity of the working gas flow between the grooves by providing the groove portions at a plurality of positions as in this embodiment, the second passage is formed. The flow of working gas can be made uniform. Further, the heat transfer coefficient can be expected to be improved by the action of the working gas contracting and expanding after the groove and the groove.
Furthermore, since the size of the core inserted into the plurality of working gas passage spaces 11 is small, the block main body 12 can be machined, and the working gas passage space 11 itself can be manufactured with high precision. It is possible to reduce variation in resistance between a plurality of working gas passages. As a result, in addition to the effect of imparting resistance to the working gas flow by the groove 13B, the working gas flow between the plurality of working gas passages can be evenly distributed, and there is no drift.

中子13の外周部に形成される第2の通路は、作動ガス連通路11Aによって、ディスプレーサピストン21とヘッド部14との間の圧縮空間と連通し、中子13の管内に形成される第1の通路は、連通路11Bによって再生器31と連通する。
従って、圧縮空間から流出した作動ガスは、作動ガス連通路11A、第2の通路、第1の通路、連通路11Bを順に経由して再生器31に導かれ、その後、高温熱交換器32を経由して、ディスプレーサピストン21とパワーピストン22との間の膨張空間内に導かれる。また、膨張空間内の作動ガスは、高温熱交換器32、再生器31、連通路11B、第1の通路、第2の通路、作動ガス連通路11Aを順に経由して圧縮空間に導かれる。
上記構成において、スタート時には発電機25を動力源としてディスプレーサピストン21を動作させることで、ディスプレーサピストン21の一方の空間である膨張空間と他方の空間である圧縮空間との間を作動ガスが移動する。作動ガスは、高温熱交換器32で加熱して膨張空間に導入され、低温熱交換器10で冷却して圧縮空間に導入されることで、圧縮空間とパワーピストン22の背面の空間との間に圧力変動が生じ、この作動空間内の圧力変動によってパワーピストン22が動作することで出力を得ることができる。
The second passage formed in the outer peripheral portion of the core 13 communicates with the compression space between the displacer piston 21 and the head portion 14 through the working gas communication passage 11 </ b> A, and is formed in the tube of the core 13. The first passage communicates with the regenerator 31 through the communication passage 11B.
Therefore, the working gas flowing out from the compression space is led to the regenerator 31 through the working gas communication passage 11A, the second passage, the first passage, and the communication passage 11B in order, and then the high temperature heat exchanger 32 is passed through the high temperature heat exchanger 32. Via, it is guided into the expansion space between the displacer piston 21 and the power piston 22. The working gas in the expansion space is led to the compression space through the high-temperature heat exchanger 32, the regenerator 31, the communication passage 11B, the first passage, the second passage, and the working gas communication passage 11A in this order.
In the above configuration, when the starter is started, the displacer piston 21 is operated using the generator 25 as a power source, so that the working gas moves between the expansion space that is one space of the displacer piston 21 and the compression space that is the other space. . The working gas is heated by the high temperature heat exchanger 32 and introduced into the expansion space, and cooled by the low temperature heat exchanger 10 and introduced into the compression space, so that the working gas is interposed between the compression space and the space behind the power piston 22. A pressure fluctuation occurs, and an output can be obtained by operating the power piston 22 due to the pressure fluctuation in the working space.

ブロック本体12は中子13よりも線膨張係数の大きい材料で構成する。ブロック本体12は一体の切削加工で製作する。中子13についても一体の切削加工で製作することが好ましい。ブロック本体12には、例えば、高強度で熱伝導率が高いアルミニウム合金(A7075)又は、耐食性に優れ、極低温構造材料としての実績があるステンレス鋼(SUS316)が適しており、中子13には、例えば、熱伝導率が高い銅合金(C1100)が適している。特に、ブロック本体12をアルミ系の材料とし、中子13を銅系の材料とすることで、高い出力特性を得ることができる。アルミニウム合金は、低温域で高強度となるという特性があり、その中でも特にA7075は、−100〜−200℃レベルで600MPa以上の引張強さを有する高強度材料である。また、ブロック本体12をアルミ系材料、中子13を銅系の材料とすることにより、両者の線膨張係数の差から、しまりばめの促進や軽量化が図れる。更に、特に外側のブロック本体12がアルミ系のため少ない冷熱で速く冷え、温度降下性が高く、中子13の熱伝導率も高いため作動ガスを効果的に冷却できる。
中子13の作動ガス通路空間11への挿入嵌合を、冷却又は加熱によるしまりばめで行う。組立時には、中子13を液体窒素で冷やして直径15mmの中子13を20〜30μm程度縮めておき、リボンヒータで保温したブロック本体12に挿入する。このようにしまりばめをした後の中子13は、しっかりとした嵌合ではめ合わされていることを確認する。なお、冷却又は加熱によるしまりばめは、寸法、材質、使用条件等によっては冷却のみ、あるいは加熱のみでも可能である。
ブロック本体12と中子13は、冷却又は加熱によるしまりばめで組み立てるため、冷熱運転時に部品同士がしまりばめになるような寸法公差を与えている。作動ガス通路空間11の内径寸法と中子13の支持部13Aの外径寸法とを、冷熱運転時にしまりばめを維持できる寸法に設定することで、ブロック本体12から中子13への熱伝導ロスを少なくでき、ブロック本体12の冷熱を効果的に中子に伝達できる。また、作動ガス通路空間11と中子13の封止部13Cとの間から作動ガスがリークすることが確実になくせ、例えばアルミニウム合金と銅合金の組み合わせとすることにより、運転時にも一層確実にリークが無くせる。従って、作動ガスの内部漏れの防止の観点からも、シール性能の高いものとなっている。
The block body 12 is made of a material having a larger linear expansion coefficient than the core 13. The block body 12 is manufactured by integral cutting. The core 13 is also preferably manufactured by integral cutting. For the block main body 12, for example, an aluminum alloy (A7075) having high strength and high thermal conductivity or stainless steel (SUS316) that has excellent corrosion resistance and has a track record as a cryogenic structural material is suitable. For example, a copper alloy (C1100) having a high thermal conductivity is suitable. In particular, high output characteristics can be obtained by using the block body 12 as an aluminum material and the core 13 as a copper material. An aluminum alloy has a characteristic that it has high strength in a low temperature range. Among them, A7075 is a high-strength material having a tensile strength of 600 MPa or more at a level of −100 to −200 ° C. Further, by using the block main body 12 as an aluminum material and the core 13 as a copper material, it is possible to promote interference fit and reduce the weight from the difference in linear expansion coefficient between them. Furthermore, since the outer block body 12 is made of aluminum, it can be cooled quickly with a small amount of cold heat, has a high temperature drop, and the core 13 has a high thermal conductivity, so that the working gas can be cooled effectively.
Insertion fitting of the core 13 into the working gas passage space 11 is performed by interference fit by cooling or heating. At the time of assembly, the core 13 is cooled with liquid nitrogen, and the core 13 having a diameter of 15 mm is contracted by about 20 to 30 μm and inserted into the block main body 12 kept warm by a ribbon heater. In this way, it is confirmed that the core 13 after the interference fit is fitted with a firm fit. Note that the interference fit by cooling or heating can be performed only by cooling or only by heating depending on dimensions, materials, use conditions, and the like.
Since the block main body 12 and the core 13 are assembled by an interference fit by cooling or heating, a dimensional tolerance is given so that the components become an interference fit during the cold operation. Heat conduction from the block body 12 to the core 13 by setting the inner diameter dimension of the working gas passage space 11 and the outer diameter dimension of the support portion 13A of the core 13 so as to maintain an interference fit during the cooling operation. Loss can be reduced and the cold heat of the block body 12 can be effectively transmitted to the core. Further, it is possible to reliably prevent the working gas from leaking from between the working gas passage space 11 and the sealing portion 13C of the core 13, and for example, by using a combination of an aluminum alloy and a copper alloy, the operation gas can be more reliably operated. Leakage can be eliminated. Therefore, the sealing performance is high from the viewpoint of preventing internal leakage of the working gas.

以下に、本発明の実施例による冷熱スターリングエンジンの実験例について説明する。
既に説明した冷熱スターリングエンジンの構成を基本とするが、主な仕様は、エンジンタイプをベータ型、ピストン直径を100mm、ディスプレーサピストン21のストロークを32mm、パワーピストン22のストロークを28mmとし、作動ガスにヘリウムを用い、平均圧力を3〜4MPa、目標出力を500W/1000rpmとした。発電機25にはPM発電機を用いた。なお、本エンジンは、400℃程度のディーゼルエンジン排ガスを高温熱源として運転することで500W程度の発電出力が得られる排熱利用エンジンがベースとなっている。
図1に示すように、低温熱交換器10の周囲の容器2として、発泡スチロール製断熱容器を取り付け、その内部に液体窒素などの低温熱源を供給し熱交換をさせた。
本実験においては、作動ガス温度および圧力は、圧縮空間、膨張空間、及びバッファ空間(フライホイール26周辺の空間)の3ヶ所を測定し、低温熱交換器10の壁温は、上下方向に2ヶ所を測定した。また、常温水の入口と出口の温度2ヶ所を測定した。また、高温熱交換器32の性能を安定させるために恒温水槽33を設置し、恒温水槽33内には加熱手段37として定格容量4kWの電気ヒータを設置し、常温水を約40℃に加熱・保温して循環させた。液体窒素は、低温熱交換器10の壁温や発泡スチロール製の断熱の容器2内の温度の測定値に応じて、貯蔵容器から断続的に供給した。
Hereinafter, experimental examples of the cold Stirling engine according to the embodiment of the present invention will be described.
The basic specifications are the configuration of the cold Stirling engine already described, but the main specifications are the beta type, the piston diameter is 100 mm, the displacer piston 21 stroke is 32 mm, and the power piston 22 stroke is 28 mm. Helium was used, the average pressure was 3-4 MPa, and the target output was 500 W / 1000 rpm. A PM generator was used as the generator 25. This engine is based on an exhaust heat utilization engine that can generate a power output of about 500 W by operating a diesel engine exhaust gas at about 400 ° C. as a high-temperature heat source.
As shown in FIG. 1, as a container 2 around the low-temperature heat exchanger 10, an insulating container made of polystyrene foam was attached, and a low-temperature heat source such as liquid nitrogen was supplied into the inside thereof to exchange heat.
In this experiment, the working gas temperature and pressure were measured at three locations, the compression space, the expansion space, and the buffer space (the space around the flywheel 26), and the wall temperature of the low-temperature heat exchanger 10 was 2 in the vertical direction. Measurements were made at several locations. In addition, the temperature at the inlet and outlet of room temperature water was measured at two locations. In addition, a constant temperature water tank 33 is installed in order to stabilize the performance of the high temperature heat exchanger 32, and an electric heater with a rated capacity of 4 kW is installed as a heating means 37 in the constant temperature water tank 33 so that room temperature water is heated to about 40 ° C. It was kept warm and circulated. Liquid nitrogen was supplied intermittently from the storage container according to the measured value of the wall temperature of the low-temperature heat exchanger 10 and the temperature in the insulated container 2 made of polystyrene foam.

図7に出力特性図、図8及び図9に温度特性図を示す。
図7は、作動ガス平均ガス圧力Pmを2.5MPaとした場合のエンジン回転数に対する図示出力Wiおよび発電出力Wgの実験結果を示している。これより、A7075製熱交換器を用いた場合、SUS316製熱交換器と比べて100W程度高い発電出力が得られていることがわかる。なお、SUS316製熱交換器を用いた場合の出力性能は、予備試験に用いた銅パイプ製熱交換器と同程度である。
図8は、エンジン回転数に対する圧縮空間ガス温度Tcompおよび低温熱交換器壁温Tw2の実験結果を示している。これより、A7075製熱交換器を用いた場合の圧縮空間ガス温度は、SUS316製熱交換器と比べて15℃程度低いことがわかる。これは熱交換器ブロック本体の熱伝導率の相違によるものと考えられ、この相違によって、A7075製熱交換器の方が高い出力が得られたものと考えられる。
図9にエンジン回転数に対する膨張空間ガス温度Texpおよび常温水出口温度Toutの実験結果を示す。常温水入口温度は恒温水槽33内の電気ヒータによって約40℃に保たれており、常温水出口温度は18〜24℃程度まで低下している。恒温水槽を設置しない状態で行った予備試験においては、常温水の温度が0℃以下に低下し、熱交換器内で凍結するなどの不具合が見られたが、本実験においては、常温側ガス温度は15〜18℃程度で概ね安定していることが確認されている。
FIG. 7 is an output characteristic diagram, and FIGS. 8 and 9 are temperature characteristic diagrams.
FIG. 7 shows the experimental results of the indicated output Wi and the power generation output Wg with respect to the engine speed when the working gas average gas pressure Pm is 2.5 MPa. From this, it can be seen that when an A7075 heat exchanger is used, a power output of about 100 W higher than that of a SUS316 heat exchanger is obtained. In addition, the output performance at the time of using the heat exchanger made from SUS316 is comparable as the heat exchanger made from a copper pipe used for the preliminary test.
FIG. 8 shows the experimental results of the compressed space gas temperature Tcomp and the low-temperature heat exchanger wall temperature Tw2 with respect to the engine speed. This shows that the compressed space gas temperature when using the A7075 heat exchanger is about 15 ° C. lower than that of the SUS316 heat exchanger. This is considered to be due to the difference in the thermal conductivity of the heat exchanger block main body, and it is considered that the output of the A7075 heat exchanger was higher due to this difference.
FIG. 9 shows the experimental results of the expansion space gas temperature Texp and the normal temperature water outlet temperature Tout with respect to the engine speed. The normal temperature water inlet temperature is maintained at about 40 ° C. by the electric heater in the constant temperature water tank 33, and the normal temperature water outlet temperature is lowered to about 18 to 24 ° C. In the preliminary test conducted without a constant temperature water tank, the temperature of the room temperature water dropped to 0 ° C or below and it was frozen in the heat exchanger. It has been confirmed that the temperature is generally stable at about 15 to 18 ° C.

図10に熱量特性図、図11に熱効率およびCOPの特性図を示す。
図10はエンジン回転数に対する全エンジン入熱量Qtotalおよび冷却熱量Qrejの実験結果である。ここで、全エンジン入熱量は常温水流量、入口・出口温度から算出しており、全冷却熱量は全エンジン入熱量と図示出力の差として求めている(図12参照)。これより、A7075製熱交換器を用いた場合の全エンジン入熱量はSUS316製熱交換器と比べてやや大きいことがわかる。
図11は、以上の実験結果に基づくエンジン回転数に対する発電端効率ηg(=Wg/Qtotal)、内部変換効率ηint(図示出力Wiと膨張空間図示出力WEの比)およびCOP(成績係数=Wg/Qrej)である。これより、実験用スターリングエンジンの発電端効率は20%程度、内部変換効率は40〜50%程度、COPは25〜30%程度であることがわかる。なお、正味COPを評価するためには、液体窒素の消費量を調べる必要がある。
本実験より、同一形状のステンレス鋼製熱交換器とアルミニウム合金製熱交換器を用いて、液体窒素を低温熱源とした運転を行った結果、熱伝導性が高いアルミニウム合金製熱交換器の方が高い出力性能が得られた。
FIG. 10 shows a calorific value characteristic chart, and FIG. 11 shows a thermal efficiency and COP characteristic chart.
FIG. 10 shows the experimental results of the total engine heat input amount Qtotal and the cooling heat amount Qrej with respect to the engine speed. Here, the total engine heat input is calculated from the room temperature water flow rate and the inlet / outlet temperature, and the total cooling heat is calculated as the difference between the total engine heat input and the indicated output (see FIG. 12). It can be seen from this that the total engine heat input when using the A7075 heat exchanger is slightly larger than that of the SUS316 heat exchanger.
FIG. 11 shows the power generation end efficiency ηg (= Wg / Qtotal), the internal conversion efficiency ηint (ratio of the indicated output Wi and the expansion space indicated output WE), and COP (coefficient of performance = Wg / Qrej). This shows that the power generation end efficiency of the experimental Stirling engine is about 20%, the internal conversion efficiency is about 40-50%, and the COP is about 25-30%. In order to evaluate the net COP, it is necessary to examine the consumption amount of liquid nitrogen.
From this experiment, as a result of operation using liquid nitrogen as a low-temperature heat source using the same shape stainless steel heat exchanger and aluminum alloy heat exchanger, the heat exchanger made of aluminum alloy with high thermal conductivity High output performance was obtained.

図12は、上記の運転で最高出力が得られた条件(作動ガス平均圧力:3.5MPa、エンジン回転数:1200rpm)における実験用スターリングエンジンのエネルギーバランスを示している。
一般に、冷熱機器においては、冷熱の熱量を基準として性能評価が行われることが多いが、同図においては、高温熱源(常温水)からの熱の授受を示している。エンジン入熱量は4953W、冷却熱量は3841Wであり、発電端効率は18%、COPは23%である。また、本実験における雑熱損失(熱伝導損失と再熱損失の総和)が2219Wである。これは、400℃程度の熱源を用いた場合の高温加熱エンジンにおいて、雑熱損失が700〜800W程度であるのに対してかなり大きい。現状の測定データから詳細な評価を行うことは難しいが、シリンダ上下の温度差に起因する熱伝導損失には大きな相違はないと考えられるため、冷熱エンジンは再熱損失が大きいものと推察される。すなわち、この損失を低減することによって熱効率並びにCOPを高めることができる。
本実験により、恒温水槽33を用いて常温水を保温することで、安定した長時間運転が可能であることが確認された。実用時には、高温熱交換器32の伝熱性能の最適化と安定した温度の常温水の供給が重要である。
FIG. 12 shows the energy balance of the experimental Stirling engine under the conditions (maximum working gas pressure: 3.5 MPa, engine speed: 1200 rpm) where the maximum output was obtained in the above operation.
In general, performance evaluation is often performed on a cooling / heating device on the basis of the amount of heat of cooling, but this figure shows the transfer of heat from a high-temperature heat source (room temperature water). The engine heat input is 4953 W, the cooling heat is 3841 W, the power generation efficiency is 18%, and the COP is 23%. Moreover, the miscellaneous heat loss (total of heat conduction loss and reheat loss) in this experiment is 2219W. This is considerably large in the high-temperature heating engine using a heat source of about 400 ° C., while the miscellaneous heat loss is about 700 to 800 W. Although it is difficult to make a detailed evaluation from the current measurement data, it is thought that there is no significant difference in the heat conduction loss due to the temperature difference between the upper and lower cylinders, so it is assumed that the cold engine has a large reheat loss . That is, the thermal efficiency and COP can be increased by reducing this loss.
From this experiment, it was confirmed that stable long-time operation was possible by keeping the room temperature water warm using the constant temperature water bath 33. In practical use, it is important to optimize the heat transfer performance of the high-temperature heat exchanger 32 and supply room temperature water at a stable temperature.

本発明は、特に地域のLNGサテライト基地における冷熱回収に利用できるが、本発明による低温熱交換器は、液化ガスを冷熱源とする熱交換器に適している。   The present invention can be used particularly for cold recovery at a local LNG satellite station, but the low-temperature heat exchanger according to the present invention is suitable for a heat exchanger using liquefied gas as a cold heat source.

1 低温熱源
2 容器
10 低温熱交換器
11 作動ガス通路空間
12 ブロック本体
13 中子
13A 支持部
13B 溝
32 高温熱交換器
35 検知手段(流動性低下防止手段)
36 制御部(流動性低下防止手段)
37 加熱手段(流動性低下防止手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Low temperature heat source 2 Container 10 Low temperature heat exchanger 11 Working gas passage space 12 Block main body 13 Core 13A Support part 13B Groove 32 High temperature heat exchanger 35 Detection means (fluidity fall prevention means)
36 control unit (fluidity lowering prevention means)
37 Heating means (fluidity reduction preventing means)

Claims (7)

冷熱エネルギーを利用して低温熱交換器を冷却する冷熱スターリングエンジンにおいて、前記冷熱エネルギーとして液化ガスを液化状態で用い、前記低温熱交換器を、内部に作動ガス通路空間を形成した一体型のブロック本体と、前記作動ガス通路空間に挿入嵌合させた中子とで構成し、前記中子の管内に形成した第1の通路及び前記中子と前記作動ガス通路空間との間に形成した第2の通路で前記作動ガスの往復流路を形成したことを特徴とする冷熱スターリングエンジン。   In a cold Stirling engine that cools a low-temperature heat exchanger using cold energy, a liquefied gas is used in the liquefied state as the cold energy, and the low-temperature heat exchanger is an integrated block in which a working gas passage space is formed. A main body and a core inserted and fitted in the working gas passage space, and a first passage formed in a pipe of the core and a first passage formed between the core and the working gas passage space. A refrigerating Stirling engine characterized in that a reciprocating flow path for the working gas is formed in two passages. 前記中子の外周部には、前記作動ガス通路空間の内周面と当接する支持部を形成し、前記支持部には、前記作動ガスの通過を可能とする複数の溝を形成したことを特徴とする請求項1に記載の冷熱スターリングエンジン。   A support portion that contacts the inner peripheral surface of the working gas passage space is formed on the outer peripheral portion of the core, and a plurality of grooves that allow the working gas to pass therethrough are formed on the support portion. The cold Stirling engine according to claim 1. 前記ブロック本体を前記中子よりも線膨張係数の大きい材料で構成し、かつ前記作動ガス通路空間の内径寸法と前記中子の外径寸法を、冷熱運転時にしまりばめを維持できる寸法に設定したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の冷熱スターリングエンジン。   The block body is made of a material having a linear expansion coefficient larger than that of the core, and the inner diameter dimension of the working gas passage space and the outer diameter dimension of the core are set to dimensions that can maintain an interference fit during cold operation. The cold Stirling engine of Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned. 前記ブロック本体をアルミ系の材料とし、前記中子を銅系の材料としたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の冷熱スターリングエンジン。   4. The cold Stirling engine according to claim 1, wherein the block main body is made of an aluminum-based material and the core is made of a copper-based material. 5. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の冷熱スターリングエンジンの製造方法であって、前記中子の前記作動ガス通路空間への挿入嵌合を、冷却又は加熱による前記しまりばめによって行うことを特徴とする冷熱スターリングエンジンの製造方法。   The method for manufacturing a cold Stirling engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the fitting of the core into the working gas passage space is performed by the interference fit by cooling or heating. A method of manufacturing a cold Stirling engine. 高温熱交換器の熱媒体として液体熱媒を用いることを特徴とする請求項1に記載の冷熱スターリングエンジン。   The cold heat Stirling engine according to claim 1, wherein a liquid heat medium is used as a heat medium of the high temperature heat exchanger. 前記高温熱交換器に用いる前記熱媒体の流動性低下を防ぐ流動性低下防止手段を備えたことを特徴とする請求項6に記載の冷熱スターリングエンジン。   The cold Stirling engine according to claim 6, further comprising fluidity reduction preventing means for preventing fluidity reduction of the heat medium used in the high temperature heat exchanger.
JP2009152349A 2009-06-26 2009-06-26 Cryogenic Stirling Engine and Method for Manufacturing Chilled Stirling Engine Expired - Fee Related JP5327464B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009152349A JP5327464B2 (en) 2009-06-26 2009-06-26 Cryogenic Stirling Engine and Method for Manufacturing Chilled Stirling Engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009152349A JP5327464B2 (en) 2009-06-26 2009-06-26 Cryogenic Stirling Engine and Method for Manufacturing Chilled Stirling Engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011007129A JP2011007129A (en) 2011-01-13
JP5327464B2 true JP5327464B2 (en) 2013-10-30

Family

ID=43564059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009152349A Expired - Fee Related JP5327464B2 (en) 2009-06-26 2009-06-26 Cryogenic Stirling Engine and Method for Manufacturing Chilled Stirling Engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5327464B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5911052B2 (en) * 2011-12-06 2016-04-27 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 Stirling engine system and ship equipped with Stirling engine system

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5825556A (en) * 1981-08-08 1983-02-15 Naoji Isshiki Starring engine with bayonet heater
JPH0648147B2 (en) * 1990-03-30 1994-06-22 東京瓦斯株式会社 Double pipe type open rack type vaporizer
JPH0665759U (en) * 1993-01-19 1994-09-16 石川島播磨重工業株式会社 Bayonet type heat exchanger
JPH0755370A (en) * 1993-08-11 1995-03-03 Kobe Steel Ltd Evaporating device for low-temperature liquefied gas
JP3340918B2 (en) * 1996-09-27 2002-11-05 株式会社クボタ Bayonet heat exchanger
JP2003287296A (en) * 2002-03-28 2003-10-10 Sanyo Electric Co Ltd Sterling refrigerator
JP4723468B2 (en) * 2006-12-25 2011-07-13 株式会社神戸製鋼所 Liquefied gas vaporization system and control method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011007129A (en) 2011-01-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20180363852A1 (en) Thermoelectric power generating module, and thermoelectric power generating device, anti-freezing vaporizer, and vaporized fuel gas liquefaction process device including same
CN101427007B (en) A method of storing energy and a cryogenic energy storage system
JP2009528469A (en) Energy storage method and cryogenic energy storage system
AU2004285058B2 (en) Conduit component for a power supply network, use thereof, method for transporting cryogenic energy carriers in conduits and devices suitable therefor
Garvey et al. Analysis of a wind turbine power transmission system with intrinsic energy storage capability
CN115342554B (en) Working medium spiral double-circulation type heat exchanger structure, evaporator and condenser
US20140238012A1 (en) Stirling Engine
KR100642773B1 (en) Pre-cooler of boil-off gas from LNG
AU2001275254B2 (en) Method and apparatus for cooling the inlet air of combustion turbines
JP5907519B2 (en) Superconducting power transmission system and cooling method
JP5327464B2 (en) Cryogenic Stirling Engine and Method for Manufacturing Chilled Stirling Engine
US10221808B2 (en) Stirling engine and methods of operations and use
CN109356680A (en) A kind of Rankine cycle electricity generation system with thermo-electric generation heat exchanger using LNG cold energy
Hill Study of low-grade waste heat recovery and energy transportation systems in industrial applications
Hoque Experimental investigation of an R134a based organic Rankine cycle
KR20150098797A (en) Thermoelectric Generation Module for Pipe
JP3571390B2 (en) LNG cold heat power generation system
Abdullah et al. Efficiency analysis of refrigerant work fluid in the Organic Rankine Cycle (ORC) as an energy generating machine electricity 1 kW scale
Cao Theory and performance analysis of a new heat engine for concentrating solar power
US6820423B1 (en) Method for improving power plant thermal efficiency
Gehlot et al. Development and fabrication of Alpha Stirling Engine
JP2017180746A (en) Re-liquefaction facility for boil-off gas
JP2008025973A (en) Heat exchange system
KR20150024625A (en) cold storage module allowing for gravitation tolerance, refrigerator container mounting a plurality of cold storage module, and refrigerator vehicle
JP2020012629A (en) Anti-icing vaporization device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120625

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20120625

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130626

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130702

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20130709

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees