JPH01240758A - スターリングエンジン - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、スターリングエンジンに係り、特に燃焼シ
ステムを用いて作動流体を加熱する加熱器の構成に関す
る。

（従来の技術） 省エネルギーの一環として、スターリングエンジンが注
目されている。スターリングエンジンは２ピストン式の
ものを例にとると、次のように構成されている。

膨脹シリンダおよび圧縮シリンダに加熱器および冷却器
がそれぞれ接続され、さらに加熱器と冷却器との間に再
生器が接続される。膨脹シリンダ内の膨脹ピストンと圧
縮シリンダ内の圧縮ピストンは、それぞれコネクティン
グロッドを介してクランク軸に連結される。膨脹シリン
ダから圧縮シリンダに至る部分に形成された作動空間に
、ヘリウムガスのような作動流体が封入されている。

作動流体が加熱器により加熱されて膨脹すると、膨脹ピ
ストンが下降してクランク軸が回転され、次いで膨脹ピ
ストンの上昇時に作動流体が押出されて再生器および冷
却器を経て圧縮シリンダ側に移送される。次に、圧縮シ
リンダ内の作動流体が圧縮ピストンの上昇により圧縮さ
れた後、冷却器および再生器を経て熱交換により加熱さ
れ、さらに加熱器で再加熱されて膨張シリンダに戻る。

ここで、作動流体を加熱するための加熱器は燃焼システ
ムを用いて構成される。この燃焼式加熱器は一般に、セ
ラミックス製等の断熱プロ、ツクにより覆われた燃焼室
内に、燃焼ガスとの熱交換によって作動流体を加熱する
複数のバイオネット管式の熱交換器を配置し、かつ熱交
換器に伝熱フィンを取付けた構成となっている。この場
合、断熱ブロックの燃焼ガス出口部に面した位置に段部
を形成し、この段部に先端部を対向させて熱交換器を燃
焼ガス出口部に立設することにより、燃焼ガスの熱がで
きるだけ少ない熱損失で効率よく熱交換器に伝わるよう
にすることが望ましい。

ところで、熱交換器は一般に金属製であり、セラミック
等からなる断熱ブロックより熱膨張率が大きい。このた
め、熱交換器の先端部を断熱ブロックの段部に接触させ
ると、エンジンを長時間運転する間に熱交換器の熱膨張
によって断熱ブロックに大きな応力が加わり、断熱ブロ
ックが破損する。このため熱交換器の先端部に保護部材
を設けるとともに、断熱ブロックの段部との間に間隙を
設け、この間隙に気密性及び可撓性を有する緩衝部材を
設ける提案がなされている（特願昭６２−１９１５４５
号）。

ところで、熱交換器の先端部は作動流体の流れが反転す
る部分であり、最上段の伝熱フィンより突出している。

熱交換器の先端部と断熱ブロックとの間を通って燃焼ガ
スが漏れ出ると、先端部の温度が局部的に上昇するとと
もに、加熱効率の低下を招く。熱交換器の先端部と断熱
ブロック間に前記の如く緩衝部材を充填してシールを行
なえば、このような問題は回避される。しかしながら、
熱交換器の先端部は熱交換器の中で最高温部であるため
、温度検出用熱電対が設けられていて、構造が複雑であ
る。このため緩衝部材を均一に充填するととは困難であ
り、また充填作業に長い時間を要する。

（発明が解決しようとする課題） このように熱交換器の先端部と断熱ブロックとの間に緩
衝部材を設ける構成では、均一に緩衝部材を充填するこ
とが困難であり、作業に長時間を要するという問題があ
った。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもの
で、加熱器の熱交換器の先端部と断熱ブロックとの間の
シールを容易にかつ確実に行なう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。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は断熱ブロックにより
覆われた燃焼室と、この燃焼室の燃焼ガス出口部に位置
して立設され、エンジン内の作動空間を流通する作動流
体を燃焼室内で発生する燃焼ガスの熱によって加熱する
複数の熱交換器と、この熱交換器に該熱交換器の先端部
が突出するように取付けられた伝熱フィンと、熱交換器
の先端部と断熱ブロックとの間に設けられた気密性およ
び可撓性を有する材料からなる緩衝部材とを備えたスタ
ーリングエンジンにおいて、緩衝部材と熱交換器の先端
部に最も近い伝熱フィンとの間に、熱交換器の先端部を
取囲むように環状体を設け、この環状体の内側に耐熱性
充填部材を充填したことを特徴とする。

（作用） このように緩衝部材と熱交換器の先端部に最も近い最上
段の伝熱フィンとの間に環状体を設け、その内側に耐熱
性充填部材を充填すると、緩衝部材と熱交換器の先端部
との間のシールが確実になされ、この間から燃焼ガスが
漏れ出ることがなくなるので、燃焼ガスの熱が効率良く
作動流体の加熱に利用される。

耐熱性充填部材の充填に際しては、既に形成されている
環状体と熱交換器の先端部とで囲まれた空間に単純に充
填するだけで容易に均一な充填ができるため、その作業
は非常に簡単であり、短時間で終了する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の一実施例に係る２ピストン式スターリング
エンジンの概略構成を示す断面図である。

第１図に示すように、このスターリングエンジンは作動
流体を膨脹させるための膨脹シリンダ１および膨脹シリ
ンダ１内に摺動自在に装着された膨脹ピストン２と、作
動流体を圧縮させるための圧縮シリンダ３および圧縮シ
リンダ３内に摺動自在に装着された圧縮ピストン４との
間に、燃焼式加熱器５と再生器６および冷却器７を配置
し、さらに膨脹ピストン２および圧縮ピストン４にそれ
ぞれコネクティングロッド８，９を介してクランクケー
ス１１内に回転自在に設けられたクランク軸１０を連結
した基本構造を有する。なお、クランク軸１０は図示し
ない出力軸に連結されている。

また、膨脹シリンダ１と膨脹ピストン２とで囲まれた空
間、再生器６と冷却器７および後述する熱交換器１６の
内部、圧縮シリンダ３と圧縮ピストン４とで囲まれた空
間からなる作動空間に作動流体、例えばＨｅガスが封入
されている。

一方、燃焼式加熱器５は次のように構成されている。膨
脹シリンダ１のシリンダヘッド１２の上方に、例えばセ
ラミックス製の断熱ブロック１３により略円筒状の燃焼
室１４が形成されている。

この燃焼室１４の下方の周部は燃焼ガス出口部となって
おり、この燃焼ガス出口部に位置して、バイオネット管
（二重管）からなる伝熱管によって構成された複数の金
属製熱交換器１６がほぼ垂直に同心円上に立設されてい
る。また、熱交換器１６には熱交換器１６の先端部が突
出するように複数の伝熱フィン１５が取付けられている
。熱交換器１６はそれぞれの内部に形成された作動流体
通路の一端側が膨脹シリンダ１の内側に連通し、他端側
がシリンダヘッド１２内に形成されたマニホルドを介し
て再生器６に連通している。なお、熱交換器１６を構成
する伝熱管は、特にバイオネット管に限定されない。

断熱ブロック１３の燃焼ガス出口部の上方は段部となっ
ており、この段部と熱交換器１６の先端部１６ａとの間
の環状空間に、緩衝部材１７が配置されている。この緩
衝部材１７は気密性および可撓性を有する材料、例えば
綿状セラミックスによって形成されている。

そして、本実施例では第２図に要部を拡大して示すよう
に、緩衝部材１７と熱交換器１６の先端部１６ａに最も
近い伝熱フィン、つまり最上段の伝熱フィン１５ａとの
間に、熱交換器１６の先端部１６ａを取囲む形で、燃焼
室１４側及び背面側にそれぞれ沿って環状体１８ａ、１
８ｂが設けられている。なお、環状体１８ａ、１８ｂは
例えば金属製であり、熱交換器１６の先端部１６ａの伝
熱フィン１５ａよりの突出長より高く形成されている。

また環状体１８ａ、１８ｂは熱膨張が吸収されるように
、周方向に複数に分割されている。

そして、環状体１．８ａ、１８ｂの内側、すなわち環状
体１８ａ、１８ｂと熱交換器１６の先端部１６ａと、最
上段の伝熱フィン１５ａ及び緩衝部材１７で囲まれた空
間に、耐熱性充填部材１９が充填されている。なお、こ
の充填部材１９は伝熱性にも優れたものが望ましく、例
えばペースト状アルミナが用いられる。

燃焼室１４の上方にはガスノズル２０が配置されている
。また、断熱ブロック１３の周囲には、燃焼用空気を燃
焼排ガスとの熱交換により予熱する空気予熱器２１が配
置されている。空気予熱器２１は吸気筒２２から燃焼用
空気を吸入し、燃焼室１４から排気筒２３を経て排出さ
れる燃焼排ガスの熱によって予熱する。そして、この予
熱された燃焼用空気がスワラ−２４によって燃焼室１４
内に旋回供給される。

次に、本実施例のスターリングエンジンの作用を説明す
る。燃焼室１４内にガスノズル２０からガス燃料を噴射
するとともに、燃焼用空気を空気予熱器２１を通してス
ワラ−２４から供給することによって燃焼火炎を形成し
た状態で、クランク軸１０に連結されている出力軸を外
部動力源によって一時的に回転させると、クランク軸１
０およびコネクティングロッド８，９を介して膨脹ピス
トン２および圧縮ピストン４がある位相差をもって往復
動する。この往復動によって膨脹ピストン２が圧縮行程
に移ると、膨脹シリンダ１内の作動流体（Ｈｅ）が熱交
換器１６．再生器６および冷却器７を介して圧縮シリン
ダ３内に流入し、膨脹ピストン２が上死点に達した時点
で作動流体のほとんどが圧縮シリンダ３内に流れ込む。

このとき、作動流体は再生器６を通過する間にその保有
している熱が再生器６に奪われ、次いで冷却器７によっ
て冷却される。出力軸の回転に・伴なって圧縮ピストン
４が下死点から上死点に向けて移動を開始すると、圧縮
シリンダ３内の低温の作動流体が圧縮され、それまでと
は逆の経路で膨脹シリンダ１内に流入する。このとき、
作動流体は再生器６を通過する間に吸熱して高温に加熱
され、次に熱交換器１６および伝熱フィン１５の間を通
過する際さらに加熱される。膨脹シリンダ１内に流入し
た高温の作動流体は、膨脹して膨脹ピストン２を押し下
げる。以後、上述した動作が繰返され、外部動力源を断
った状態でも出力軸が回転を継続し、スターリングエン
ジンとしての動作がなされる。

ここで、加熱器５の動作を詳しく説明すると、ガスノズ
ル２０から噴射された燃料がスワラ−２４から供給され
る空気により燃焼して得られた高温の燃焼ガスは、旋回
しながら断熱ブロック１３の内周面に沿って熱交換器１
６に取付けられた伝熱フィン１５に導かれる。熱交換器
１６は伝熱フィン１５を介して高温の燃焼ガスから熱を
受け、内部を流通している作動流体に熱を伝える。

この際、熱交換器１６自体の温度も例えば７００℃〜９
００℃程度まで上昇するため、熱交換器１６は熱膨張に
より加熱前よりも１〜２ｕ程度伸長する。

この熱交換器１６の伸長は、緩衝部材１７の変形によっ
て吸収される。また、緩衝部材１７は熱交換器１６の先
端部１６ａに充填された耐熱性充填部材１９と断熱ブロ
ック１３の段部との間を気密にシールする役割をも果た
す。

そして、最上段め伝熱フィン１５ａと緩衝部材１７との
間は、ここに設けられた環状体１８ａ。

１８ｂの内側に充填された耐熱性充填部材１９によって
ほぼ完全にシールされているため、燃焼室１４内の燃焼
ガスが熱交換器１６の先端部１６ａと断熱ブロック１３
との間から漏れ出て空気予熱器２１に直接排出されるこ
とはない。これにより燃焼ガスは全て熱交換器１６に取
付けられた伝熱フィン１５の間を通ることになり、作動
流体の加熱に効率良く利用される。このようにして熱交
換器１６を介して作動流体を加熱した後の燃焼ガスは、
空気予熱３２１において燃焼用空気を予熱した後、排気
筒２３から排出される。

また、上記実施例においては耐熱性充填部材１９として
伝熱性にも優れた材料を選ぶことにより、熱交換器１６
の温度の均一化も図られるので、熱交換器１６の耐久性
が向上する。

［発明の効果］ 本発明によれば、作動流体を燃焼ガスの熱によって加熱
する熱交換器の先端部に最も近い伝熱フィンと、断熱ブ
ロックとの緩衝のための緩衝部材との間に、熱交換器の
先端部を取囲むように環状体を設け、この環状体の内側
に耐熱性充填部材を充填したことにより、緩衝部材と熱
交換器の先端部との間のシールを十分に行なうことがで
き、燃焼ガスが作動流体に寄与せずに漏れ出ることがな
く、作動流体の加熱効率が向上する。

さらに、本発明では環状体の内側の空間に耐熱性充填部
材を単純に充填することで容易に均一な充填ができるた
め、上記のシールを確実に行なうことが可能であり、充
填作業に要する時間も短くて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るスターリングエンジン
の縦断面図、第２図は同実施例における要部の構成を示
す断面図である。 １・・・膨脹シリンダ、２・・・膨脹ピストン、３・・
・圧縮シリンダ、４・・・圧縮ピストン、５・・・加熱
器、６・・・再生器、７・・・冷却器、８，９・・・コ
ネクティングロッド、１０・・・クランク軸、１１・・
・クランクケース、１２・・・膨脹シリンダヘッド、１
３・・・断熱ブロック、１４・・・燃焼室、１５・・・
伝熱フィン、１５ａ・・・最上段の伝熱フィン、１６・
・・熱交換器、１６ａ・・・熱交換器の先端部、１７・
・・緩衝部材、１８ａ。 １８ｂ・・・環状体、１９・・・耐熱性充填部材、２０
・・・ガスノズル、２１・・・空気予熱器、２２・・・
吸気筒、２３・・・排気筒、２４・・・スワラ−０出願
人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 断熱ブロックにより覆われた燃焼室と、この燃焼室の燃
   焼ガス出口部に位置して立設され、エンジン内の作動空
   間を流通する作動流体を前記燃焼室内で発生する燃焼ガ
   スの熱によって加熱する管状の熱交換器と、この熱交換
   器に該熱交換器の先端部が突出するように取付けられた
   伝熱フィンと、前記熱交換器の先端部と前記断熱ブロッ
   クとの間に設けられた気密性および可撓性を有する材料
   からなる緩衝部材と、この緩衝部材と前記熱交換器の先
   端部に最も近い伝熱フィンとの間に熱交換器の先端部を
   取囲むように設けられた環状体と、この環状体の内側に
   充填された耐熱性充填部材とを備えたことを特徴とする
   スターリングエンジン。