JPH01240759A - スターリングエンジン用再生器 - 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おいて作動流体か
らの蓄熱および作動流体への放熱を行なう再生器に関す
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
、ヘリウムガスめ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脹シリンダに戻る。

このようなスターリングエンジンにおいて、再生器は加
熱器で加熱されて高温となった作動流体が冷却器側（圧
縮シリンダ側）に向うときは、作動流体の熱を回収して
蓄え（蓄熱）、また冷却で冷却された低温の作動流体が
加熱器側（膨脹シリンダ側）に向うときは、蓄えた熱を
作動流体に与える（放熱）作用がある。この再生器の作
用により、冷却器からエンジン外部へ放出される熱を減
少させ、エンジン効率を高くすることができる。

従来のスターリングエンジン用再生器は、金網等の多孔
質材部材からなる伝熱体によって構成されたものが多い
。

ところで、スターリングエンジン用再生器に要求される
条件は、（１）熱交換効率を高くするために伝熱面積が
大きいこと、（２）蓄熱容量が大であること、（３）無
効容積が小さいこと、（４）作動流体の流れによる損失
（流動損失）が小さいこと、等であるが、より重要なこ
とは作動流体が再生器内を均一に流れることである。

しかしながら、実際のスターリングエンジン、特に２ピ
ストン式のものでは、再生器の前後の作動流体の通路に
複雑な曲りや分岐、合流部などが存在するため、再生器
内を作動流体が均一に流れず、再生器の効率低下の原因
となる。

（発明が解決しようとする課題） このように従来のスターリングエンジン用再生器は、再
生器部後の作動流体通路の形状に起因して、再生器内を
作動流体が均一に流れにくい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、作動流体の流動損失を増大させることなく、作動流
体が内部を均一に流れるようにしたスターリングエンジ
ン用再生器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） 本発明は、スターリングエンジン用再生器を構成する金
網のような多孔質部材からなる伝熱体を作動流体の流れ
方向に３個以上に分割し、作動流体の流れ方向両端部の
伝熱体の密度を他の部分の伝熱体より高くしたことを特
徴とする。

（作　用） 再生器における作動流体の流れ方向両端部は、伝熱体が
密に形成されていることから圧力損失が大きい。このた
め再生器に入った作動流体は、この圧力損失の大きい端
部で均一の流れとなり、再生器を通過する。従って、再
生器では伝熱体の全ての部分が蓄熱・放熱作用に有効に
利用されることになり、効率向上に寄与する。

また、伝熱体を部分的に密にしているため、再生器を構
成する伝熱体を全体的に密に形成した場合のように流動
損失が増大することはない。

また、作動空間内の作動流体の流れは往復流であるが、
再生器の作動流体の流れ方向両端部が密になっているこ
とにより、作動流体がどの方向に流れるときでも、同じ
効果が得られる。

（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、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および加熱
器５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。

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。燃焼室１４の上方には燃料
ガス供給用のガスノズル１５と燃焼用空気に旋回力を与
えるスワラ−１６が設けられている。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１７が配置されている。空気予熱器
１７は吸気筒１８から燃焼用空気を吸入し、燃焼室１４
から排気筒１９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−１６によって燃焼室１４内に旋回されながら供給さ
れる。

燃焼室１４の下方の周部は燃焼排ガス出口部となってお
り、この燃焼排ガス出口部に位置してフィン２０を備え
たバイオネット管（二重管）からなる金属製伝熱管によ
り構成された加熱器５（高温熱交換器）がほぼ垂直に同
心円上に立設されている。加熱器５はそれぞれの伝熱管
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
。

冷却器７は複数の伝熱管からなる熱交換器であり、内部
を作動流体が流れ、外周部を冷却水が流れる構造となっ
ている。

本発明に係る再生器６は第２図に示すように構成され、
上述した加熱器５と冷却器７との間の作動流体流路に、
例えば膨脹シリンダ１の周囲を囲むように設けられてい
る。

すなわち、この再生器６は多孔質部材、例えば金網から
なる３つの伝熱体２１，２２．２３を作動流体の流れ方
向に沿って積層し、その両端を作動流体が通る複数個の
孔２４を有する固定板２５゜２６によって挟んで固定し
たものである。

ここで、伝熱体２１．２２．２３のうち、作動流体の流
れ方向両゛端部の伝熱体２１．２３は流れ方向中央部の
伝熱体２２より薄く、かつ密に形成されている。すなわ
ち、伝熱体が金網で構成される場合を例にとると、伝熱
体２１．２３は伝熱体２２より目の細かいメツシュの大
きい）金網が用いられる。

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１５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１７を通してス
ワラ−１６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）が加熱
器５．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、
次に加熱器５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。

このスターリングエンジンの運転状態において、再生器
６は前述したように加熱器５から高温の作動流体が流入
した場合は、この作動流体の熱を伝熱体２１，２２．２
３により奪い、作動流体を低温にしてから冷却器７に送
り込む。一方、冷却器７から低温の作動流体が流入した
場合は、作動流体が伝熱体２１，２２，２３の熱を吸収
して高温となり、加熱器５へ放出させる。このような過
程を交互に繰返すことにより、再生器６は熱エネルギー
を再生し、スターリングエンジンの熱効率を向上させる
。

この場合、本発明の再生器６は第２図に示したように、
作動流体の流れ方向両端部の伝熱体２１゜２３が密に形
成されているため、加熱器５から流入する作動流体は先
ず伝熱体２１により流れが均一なってから、伝熱体２２
に流れ込み、次いで伝熱体２３から冷却器７側へ向かっ
て流れ出る。−方、冷却器７から流入する作動流体は先
ず伝熱体２３により流れが均一なってから、伝熱体２２
に流れ込み、次い伝熱体２１から加熱器５側へ向かって
流れ出る。

このように作動流体は再生器６内を均一に流れるので、
再生器６の伝熱体２１，２２．２３のどの部分も有効に
蓄熱・放熱に使用されることになり、効率が向上する。

換言すれば伝熱体２１゜２２．２３に無駄がなくなるた
め、−様な密度の伝熱体を用いた従来の再生器に比較し
て、同じ蓄熱・放熱量に対しより小型化を図ることがで
きる。

また、密に形成された伝熱体２１．２３は両端部にのみ
設けられているので、再生器６の流動損失を増大させる
ことはない。しかも、伝熱体２１゜２３では金網等の量
が多く、伝熱面積が大きいので、蓄熱容量及び伝熱量が
増大し、効率向上により一層寄与する。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、例え
ば伝熱体２１．２３のうち加熱器５及び冷却器７からの
作動流体入口部に対応した部分を他の部分に比較してよ
り密に形成してもよい。すなわち、第１図の構造におい
ては、特に伝熱体２３における冷却器７からの作動流体
人口部が伝熱体２３の端部に位置しているので、この位
置を集中的に密にすれば、冷却器７から流入した作動流
体は伝熱体２３内を周辺部に広がって、伝熱体２２．２
１を通過する。従って作動流体は再生器６内をより均一
に流れ易くなる。

また、上記実施例では伝熱体を３個に分割したが、４個
以上に分割してもよい。その他、本発明は要旨を逸脱し
ない範囲で種々変形して実施できる。

［発明の効果］ 本発明によるスターリングエンジン用再生器は、多孔質
部材からなる伝熱体を作動流体の流れ方向に３個以上に
分割し、作動流体の流れ方向両端部の伝熱体の密度を他
の部分の伝熱体より高くしたことにより、再生器全体の
流動損失を増大させることなく、再生器内での作動流体
の流れを均一化でき、伝熱体の全ての部分を蓄熱・放熱
作用に有効に利用できるので、効率が著しく向上すると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る再生器を組込んだスタ
ーリングエンジンの断面図、第２図は同実施例の再生器
の斜視図である。 １・・・膨張シリンダ、２・・・膨張ピストン、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Ｉｄｌ、１１
−・・クランクケース、１２・・・膨張シリンダヘッド
、１３・・・断熱ブロック、１４・・・燃焼室、１５・
・・ガスノズル、１６・・・スワラ−１１７・・・空気
予熱器、１８・・・吸気筒、１９・・・排気筒、２０・
・・フィン、２１，２２．２３・・・伝熱体、２４・・
・孔、２５．２６・・・固定板。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. スターリングエンジンにおける加熱器と冷却器との間に
   設けられ、高温の作動流体が冷却器側に向うとき、作動
   流体の熱を回収して蓄え、低温の作動流体が加熱器側に
   向うとき、蓄えた熱を作動流体に与える再生器であって
   、多孔質部材からなる伝熱体により構成されるスターリ
   ングエンジン用再生器において、前記伝熱体を作動流体
   の流れ方向に３個以上に分割し、作動流体の流れ方向両
   端部の伝熱体を他の部分の伝熱体より密に形成したこと
   を特徴とするスターリングエンジン用再生器。