JPH01200049A - 熱ガスエンジンにおける改良された加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景と概要〕 本発明は一般的に熱ガスエンジンに関するもので、具体
的にエンジンへの入力熱エネルギーを供給する新規な加
熱装置に関するものである。

米国特許第４，０５５，９５２号（ジョハンソンほか）
は外部燃焼エンジン用の加熱装置を開示している。

ヘリウムなどのような動作ガスが低湿圧縮シリンダと高
温膨張シリンダの間の閉回路を通って吸引吐出される。

この回路にはヒータとクーラが含まれていて、それぞれ
熱を導入、廃棄し、総合効果は熱力学サイクルを実行し
て、シリンダ内で動くピストンに連結したクランクシャ
フトに機械的出力を生じるようになっている。

上記ヒータは、動作ガスが導かれる多数の正確に形状づ
けられたチューブと、該チューブを加熱するため直近し
ている燃焼装置とから成る。液状又はガス状の燃料は燃
焼装置の燃焼室内で燃焼され、熱ガス状の燃焼生成物は
正確に形状づけられたチューブの外側を流れて、チュー
ブ内を流れる動作ガスを加熱するようになっている。上
記特許のエンジンは他の動力装置と識別される多くの特
徴を有している。゛すなわち、多種燃料の使用、低振動
、低騒音、円滑動作などである。

エンジンの効率というものは動作ガスの温度に関係し、
温度が高ければ効率はそれだけ増大する。

上記特許に開示したタイプのヒータにおいては。

しかし、材料が高温に耐える能力が動作ガスの加熱され
得る温度を制限する。

現実の製作において、上記特許に示したようなエンジン
は、熱移動表面を最大にするように、溶接したチューブ
とフィンの組立体を有している。

燃焼ガスの熱はフィンを通ってチューブに伝わり、動作
ガスを加熱する。どの加熱装置でも、ヒータの寿命は部
品構成材料が受ける熱歪の関数である。

エンジン効率を改善するのに望ましい高温では。

高い歪を受け、従って耐用寿命は低下する。従って異常
に低い寿命とならないように、ヒータはより低い最大温
度にさらされるが、これはエンジン効率を下げる犠牲を
生じる。最大温度はフィン先端で生じるから、フィン材
料の温度許容性がエンジン効率改善における制限要因と
いうことになる。

本発明はヒータにとっての満足できる耐用寿命を維持し
つつエンジン効率を改善するための新規な加熱装置に関
する６本発明の一般原理によれば。

熱移動用の流体媒体として凝縮性物質を使用し、チュー
ブ上のフィンを省略することにより、耐用寿命の低下を
きたすことなく、上記特許に示される従来のヒータの設
計で温度を上昇させた以上に効率を改良させることがで
きる０本発明によれば。

チューブの外表面が最大温度点になり、フィン先端でな
いから、チューブ材料がエンジン効率と耐用寿命との間
の分岐をきめる要因になる。全体として意義のある改良
が意図される。

本発明は依然としてこのタイプのエンジンの重要な利点
の１つ、すなわち異種の燃料源により駆動される能力を
保持している。エンジン構造に固有の他の利点は、駆動
ユニットすなわちシリンダ。

ブロック、クランクシャフトが変更を要しないから、同
様に保持される。勿論１本発明の一般原理は上記特許に
示された特定のエンジン構造に限定されるものではない
。

妄説すれば、本発明はパヒートパイプ”と呼び得るタイ
プの蒸発器及び凝縮器形状で、Ｉ！縮性媒体のための閉
鎖系を形成する。媒体としてナトリウムが適当な物質で
ある。ナトリウムは蒸発器内で加熱されて気化する。そ
れは導管を通って凝縮器へ流れ、そこでエンジンへの熱
動作ガスを運んでいるチューブ上に凝縮する。凝縮した
液体ナトリウムは導管を戻って蒸発器へ帰り、そこで再
び気化する。この連続サイクルにより蒸発器から凝縮器
への熱動力流が蒸発器内でのナトリウムの加熱により連
続して生じる。

本発明の他の局面は蒸発器と凝縮器の詳細にある。凝縮
器は、熱動作ガスを運ぶチューブを取り巻いている外側
の円筒を有する。動作ガスのチューブは束にして配列さ
れ、個々のチューブは等長のものを平行にし、互いに間
隔を置いて束になっている０束の両端にはヘッダがある
。チューブは熱膨張、熱収縮できるように長さ方向にＳ
字状になっている。外側の円筒は同じ目的のため膨張継
手を有している。

蒸発器は内方殻体と外方殻体とを、直立した環状カップ
形の蒸発室スペースを形成するよう配置しである、戻り
凝縮液は前記スペースの上方リムの所で蒸発室スペース
に入る。この液は内方殻体壁上の環状樋に流入して環状
に分散し、ついで樋から溢れ出て内方壁上を流下する。

この壁には含浸材料が付設されていて、凝縮液を壁全体
に拡がらせ、効果的な蒸発を促進する。別の殻体が内方
殻体の中に重ねられていて、内方殻壁を通る熱の流れに
より内方壁を加熱し、従って凝縮液を加熱するための環
状カップ形加熱通路を形成している。

この加熱通路は燃焼装置の一部であり、熱、特に熱ガス
状燃焼生成物の環状カップ形加熱通路を通る流れを生じ
る。

１本の導管が蒸発室スペースと凝縮室スペースとを連絡
し、凝縮液と蒸発物の両方がこの１本の導管内を反対方
向に流れる。この導管が蒸発器に入る所に、１個又はそ
れ以上の孔が戻り凝縮液の液面より上に形成されている
から、蒸発物はこの孔を通って蒸発室スペースから導管
内へ凝縮液に邪魔されることなく進入できる。

〔実施例〕

第１図は本発明の加熱装置１２を含む熱ガスエンジンｌ
Ｏを示している。新規な加熱装置１２を除いて図示のエ
ンジンｌＯは米国特許第４，０５５，９５２号（ジョハ
ンソンほか）に示されているものと同様で、エンジン１
０はクランクシャフト１６を含むケーシング又はブロッ
クエ４を有する駆動ユニットから成る。

この駆動ユニットは、低温圧縮シリンダ１８及び比較的
高温膨張シリンダ２０といわれるものをＶ字形に配列し
て有する。各シリンダは、それぞれピストン２２．２４
がピストンロッド２６，２８を介してクロスヘツド３０
．３２に連結され、ついでクランク３４　、３６がクラ
ンクシャフト１６に連結している。２個のピストン２２
．２４の作用は上記特許の例で９０°位相をずらしであ
る。

ヘリウムなどのような熱動作ガスが２個のシリンダ１８
．２０のヘッド端の間の閉じた通路に封入される。この
開通路はシリンダ１８のヘッド端から順にクーラ４０、
再生器４２及び凝縮器４４で、後者は加熱装置１２の一
部である。

作用において、加熱装置１２は、動作ガスが凝縮器４４
を通る時、該動作ガスに外部熱を与える。

動作ガスは、ピストンがそれぞれのシリンダの中を往復
する時１両シリンダ間を行ったり戻ったりする。圧縮さ
れた動作ガスはクーラ４０を通って流され、そこで動作
ガスから熱が奪われ、廃熱として捨てられる。再生器４
２は、ガスが比較的熱い時そこから熱を吸収し、比較的
冷たい時ガスに熱を戻すことを交互に行って、熱源兼説
熱器（ヒートシンク）として働く。凝縮器４４は動作ガ
スに外部熱が加えられる所である。

結果は、サイクル中、熱ガスが膨張してクランクシャフ
ト１６を運動させ、それにより有用な出力を引き出す。

動作ガスサイクルは連続的であって、全体的動作は凝縮
器４４が熱源となってそこで外部熱が加えられ、クーラ
４０がヒートシンクとなってそこで廃熱が捨てられ、そ
して動作ガスがピストンとシリンダとの間の（それらを
含む）閉通路で熱力学サイクルを実行して、クランクシ
ャフト１６に有用な機械的動力を引きだす、というよう
なものである。

凝縮器４４の詳細は第１図から第３図に示す。池数の実
質的に同一なチューブ４６が一端のへラダ４８と他端の
へラダ５０との間で束にして配列されている。チューブ
の具体的な数は種々の設計上の考慮により決まるが、３
０〜４０本のチューブが代表的な束になるように考えら
れている。個々のチューブ４６は好適に円形断面のもの
で、これをヘッダ４８と５０の間でほぼＳ字形に形成し
である。従って、諸チューブは、直線的ではないけれど
も、本質的には互いに平行である。この目的は熱膨張及
び熱収縮を許容するためである。

凝縮器は、ヘッダ４８．５０と協働してチューブ４６の
束を包被する包囲体５２を有している。包囲体５２は両
ヘッダ間に延びる円筒壁５４を有する。凝縮器の両端は
ヘッダ４８．５０上に閉じるように形状づけられる。こ
うして個々のチューブ４６は、凝縮空間５５内に閉じ込
められる。

円筒壁５４は直線状に図示しであるが、波形部５６を含
み、これは熱膨張及び熱収縮の効果を実効あらしめる膨
張継手を形成する。

チューブ４６の束の一端はへラダ４８に対し、他端はヘ
ッダ５０に対し密封状態で嵌合する。これらヘッダは事
実上マニホルドスペースを形成し、それぞ九の流路５８
，６０を凝縮器端から再生器４２へ（流路５８の場合）
、及び膨張シリンダ２０へ（流路６０の場合）連通させ
る。

各ヘッダは軸ｔＪＡ６２．６４を有し、チューブの端は
この軸線に平行に各ヘッダに受入られる。こうしてＳ字
形の場合、両ヘッダの軸線は互いに重ならず、また円筒
壁５４の主軸線６６とも同姓ではない。

第３図に見られるように、束の中の個々のチューブ４６
は互いに、且つ円筒壁５４からも、隔てられている。

第１図に破線で示すように連通路６８が凝縮器４４から
蒸発器７０（これも加熱装置の一部）へ延びている。こ
の連通路は筒状流路で、その一端はヘッダ４８を囲む端
で径方向に突出した入ロア１の地点で凝縮器４４の内部
の凝縮空間５５に通じている。この地点は凝縮器の比較
的低い点である。

連通路６８の反対端は蒸発器７０の蒸発室スペース７２
の比較的高い点に通じている。詳細は第２〜４図に示す
。連通路６８の凝縮器４４への接続点は蒸発室スペース
７２への接続点より高い位置にある。

特に第４図を参照すると、蒸発器７０はカップ状の３個
の殻体７４，７６．７８から成り、これらは７４が７６
の内側に、７６が７８の内側にというように重積した状
態に配列されている。蒸発器７０の軸線は８０で示され
、はぼ垂直をなしている。

殻体７４　、７６　、７８の各々は、それぞれの側壁７
４Ａ。

７６Ａ、　７８Ａと、底端壁７４Ｂ、　７６Ｂ、　７８
Ｂを有している。

２つの殻体７４．７６で流路８１が形成され、ここを熱
いガス状燃焼生成物が第４図に矢印８２で示すように流
れる。このガスの源は、殻体７４に協働的に配置された
燃焼器８３である。燃焼器８３は液状又はガス状燃料が
燃焼される燃焼領域を有する。底端壁７４Ｂにはホール
８４があり、ここから燃焼ガスは殻体７６と７８で形成
される環状スペースへ入る。熱燃焼ガスがホール８４を
通ると、ガスは殻体７６に沿って外向きに、ついで上向
きに流れる。第４図には殻体７４と７６の間にフィン付
きマトリックス８６を示しである。この部材は、熱の移
動のためのより大きい表面を与えるので、熱燃焼ガスか
ら殻体７６の壁面への熱の移動を助ける。

殻体７６と７８は蒸発室スペース７２を形成する。この
２つの殻体は符号８８により表わす円形継手により密封
状態に結合される。こうして蒸発室スペースは大体カッ
プ状の形となる。

上述した殻体７６の加熱は、ついで蒸発室スペース７２
を加熱するのに有効である。連通路６８はカップ状の蒸
発室スペースの上方リム部で蒸発器と接続し、これによ
り蒸発室スペース７２と、凝縮空間５５と、連通導管６
８とは完全に閉じた容積を形成する。

問題の温度で液相及び気相を有する適当な熱媒体が前記
閉じた容積内にいれられる２適当な媒体はナトリウムで
ある。簡単にいうと、ナトリウムは、燃焼装置からの熱
入力により蒸発室スペース内で上述のように蒸発する。

蒸気は導管６８から凝縮空間５５へ流れ、そこで束にな
った個々のチューブ４６を横切る。蒸気は、熱エネルギ
ーをチューブ内を通るエンジンへの熱動作ガスに与える
過程でチューブ上に凝縮する。凝縮液は導管６８から流
れ下って蒸発器７０へ戻り、そこで再び気化する。これ
は連続サイクルで行われ、燃焼熱による蒸発器の加熱は
上述の方法での媒体の循環を含む。

最外方の殻体７８は孔９０を有し、ここから導管６８の
端部が蒸発室スペース７２へ入る。この導管は、凝縮液
が重力で流れるよう、好適に水平に対し少し傾いた角度
で蒸発室スペースへ入るのが好ましい。導管の軸線は傾
斜し、殻体７６の壁まで延びている。

リング９２が、蒸発室スペース内で導管６８がほぼ終る
高さで殻体７６の周りにあり、リングの壁への取付けに
より形成されたチャンネル９５の底に浅い環状４ｉｉ９
４を形成する。戻り凝縮液は、導管を出たあと、このチ
ャンネルへ流入し、リングには適当な入口を設けて底か
ら凝縮液がチャンネルに入るようにする。チャンネルと
樋は凝縮液を蒸発室スペース７２の頂部の周りに運んで
実質的にすべての８殻体壁７６が湿潤に保たれ、サイク
ル続行中ナトリウムの効果的な気化が促進されるように
する。

この湿潤化は、樋の底を形成するように密封状に内方の
殻体壁に取付いているリングの下方縁より上に隔てられ
て、間隔を置いてリング９２周囲に一連の孔９６を形成
することにより実現される。ナトリウムの液面が樋の中
で上がると、孔９６から溢れだし、殻体壁を流れ下る。

殻体を湿潤させる助けとして、適当な含浸材料９８がリ
ング９２の高さより下に殻体７６の全体に貼り付けられ
ている。この含浸材料は、殻体壁上に液状ナトリウムを
含浸して拡げる十分な厚さのある層を形成する。しかし
、それは蒸発室スペースを狭くする程は厚くなく、蒸発
物に対し十分なスペースを残している。

蒸発物は蒸発室を上方へ上り、１個又はそれ以上の開口
１００から戻り凝縮液の流れより上にある導管６８内に
入る。この開口１００は導管６８の側壁の凝縮液水準よ
り上にあり、望ましくは導管端と蒸発器との継目に補強
のため補強材又はガセット１０２を用いるのがよい。導
管６８の径は液体と気体との流れのため十分大きなもの
であるから、一方が他方を妨げることがなく共通導管に
よって運ばれる。第６図には戻り凝縮液流を矢印１０４
で、出ていく蒸発物を矢印１０６で示している。

加熱装置のこの新規な形状によれば、動作ガスにより高
い温度を与えることができるので、構成部品の使用材料
の所定の限界温度について期待される寿命を損なうこと
なくエンジン効率を改善することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の改良加熱装置を含むエンジンの略示的
な断面図、 第２図は第１図の一部の拡大図、 第３図は第２図３−３線における拡大断面図、第４図は
第１図４−４線における拡大断面図、第５図は第４図５
−５線における拡大断面図、第６図は第５図６−６ｆｉ
における断面図である。 〔主要符号〕 ４６・・・チューブ、５２・・・包囲体、５５・・・凝
縮室スペース。 ６８・・・連通手段、７０・・・蒸発器、７２・・・蒸
発室スペース、７４．７６．７８・・・殻体、８２・・
・ガス状燃焼生成物、９８・・・含浸材料、１０４・・
・凝縮液、１０６・・・蒸発物。 特許出願人　スターリング　パワー　システムズコーポ
レイション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、動作ガス流がエンジンの比較的低温の圧縮シリダ側
   と比較的高温の膨張シリンダ側との間の閉回路を往復し
   て流れ、該閉回路には圧縮及び膨張シリンダと協働して
   該動作ガスに対し作用する熱源と脱熱器とを含んでいて
   該動作ガスに熱力学サイクルを実行させ有用な機械的出
   力を引き出すようにした熱ガスエンジンにおいて、前記
   閉回路の一部を形成する個々のチューブ多数を互いに間
   隔を置いて配列した多数のチューブと、該多数チューブ
   の周りに閉じた凝縮室スペースを形成するように多数チ
   ューブを取り巻く包囲体と、閉じた蒸発室スペースを前
   記凝縮室スペースに連通させる連通手段と、前記閉じた
   両スペース及び連通手段内に封入され、液相と気相であ
   る媒体と、前記蒸発器に含まれ、前記媒体を気化させる
   ため蒸発室スペースを加熱する加熱手段とから成り、こ
   れら閉じた両スペース及び連通手段は、蒸発器による媒
   体の加熱が前記蒸発室スペースと凝縮室スペースとの間
   を往復する流れを生じさせて、媒体が蒸発室スペースで
   気化され、連通手段を通って凝縮室スペースへ入り、熱
   をチューブ内に流れる動作ガスに与えて凝縮し、液体と
   して前記連通手段から蒸発室スペースへ戻って再び気化
   されるように配置構成されていることを特徴とする熱ガ
   スエンジンにおける改良された加熱装置。 ２、前記多数チューブは互いに平行に配列されている請
   求項２に記載の加熱装置。 ３、前記多数チューブは実質的に等長であり、一端及び
   多端にそれぞれ共通のヘッダを有している請求項２に記
   載の加熱装置。 ４、前記多数チューブは熱膨張及び収縮を許容するよう
   に前記ヘッダ間で弯曲形をなしている請求項３に記載の
   加熱装置。 ５、前記弯曲形はＳ字形である請求項４に記載の加熱装
   置。 ６、前記各ヘッダはそれぞれ固有の軸線を有し、各ヘッ
   ダにおける多数チューブ端は該ヘッダ軸線に平行にヘッ
   ダに受入られ、両ヘッダの軸線は互いに重ならない請求
   項５に記載の加熱装置。 ７、前記凝縮室スペースを形成する包囲体は軸線方向の
   熱膨張及び収縮を許容する継手を有している請求項４に
   記載の加熱装置。 ８、前記包囲体は前記多数チューブの長さ方向に延びる
   円筒壁を有し、該円筒壁の端部を前記ヘッダに閉じる手
   段を有している請求項７に記載の加熱装置。 ９、前記多数チューブの各々は弯曲Ｓ字形をなし、各ヘ
   ッダは固有の軸線を有し、各ヘッダにおけるチューブ端
   はそれぞれのヘッダ軸線に平行に受入られ、両ヘッダ軸
   線は重ならない請求項８に記載の加熱装置。 １０、前記連通手段は、前記包囲体の低い点で前記凝縮
   室スペースに、蒸発室スペースの高い点で前記蒸発器に
   接続する筒状導管から成り、前記包囲体の低い点は前記
   蒸発室スペースの高い点より垂直方向に上に配置されて
   いる請求項９に記載の加熱装置。 １１、前記蒸発器は環状カップ形の蒸発室スペースを形
   成する内外壁から成り、前記蒸発室の高い点は該環状カ
   ップのリム部分にある請求項１０に記載の加熱装置。 １２、蒸発室スペースのための前記加熱手段は、前記蒸
   発室スペースの外側にある内方壁の熱を供給する手段か
   ら成り、該蒸発室スペース内で該内方壁上に含浸材料が
   配置されて該内方壁上への液状媒体の分散を助け、前記
   連通手段は液状媒体を蒸発室スペースへ戻し該内方壁上
   へ送るように位置づけられている請求項１２に記載の加
   熱装置。 １３、前記内方壁の周りに浅い樋が、蒸発室スペースへ
   戻る液状媒体を受入れ、液状媒体を内方壁の周りに環状
   に分配し樋から溢れさせて内方壁を流下させることによ
   り、含浸材料を湿潤させるように配置されている請求項
   １２に記載の加熱装置。 １４、前記蒸発器は直立した環状カップ形の蒸発室スペ
   ースを形成する内方壁及び外方壁を有し、前記連通手段
   は該直立環状カップ形のリム部分で蒸発室スペースに接
   続する筒状導管から成る請求項１に記載の加熱装置。 １５、蒸発室スペース用の前記加熱手段は蒸発室スペー
   ス外の前記壁の一方の表面に熱を与える手段から成り、
   前記筒状導管は蒸発室スペースへ戻る液状媒体を前記一
   方の壁上へ送向させるように配置されている請求項１４
   に記載の加熱装置。 １６、前記一方の壁上への液状媒体の分散を助けるため
   蒸発室スペース内で前記一方の壁上に含浸材料が配置さ
   れ、前記筒状導管から蒸発室スペースへ戻る液状媒体を
   受入れて、前記一方の壁の周りに運ぶように配置された
   樋が該媒体を樋から溢れさせて該一方の壁上を流下させ
   、含浸材料を湿潤させるようにした請求項１５に記載の
   加熱装置。 １７、前記連通手段が蒸発室スペース内の前記含浸材料
   で仕切られた自由空間と通じていて、気化した媒体を該
   自由空間から筒状導管の内部へ連通させ、凝縮室スペー
   スへ運ぶようになっている請求項１６に記載の加熱装置
   。 １８、前記一方の壁は前記内方壁である請求項１７に記
   載の加熱装置。 １９、前記連通手段は前記媒体を液相と気相同時に運ぶ
   単一の導管である請求項１に記載の加熱装置。 ２０、前記蒸発器は蒸発室を画成する内方殻体及び外方
   殻体から成り、前記加熱手段は前記内方殻体及び外方殻
   体の一方と協働して、蒸発室スペース内の媒体を蒸発さ
   せるため前記一方の殻体を通じて熱を与えるために加熱
   用流体が流れる流体加熱領域を形成する請求項１に記載
   の加熱装置。