JPH01244152A - スターリングサイクル機関の高温側熱交換器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スターリング・エンジン、ベルマイヤー機
関・ＧＭ冷凍機などスターリング・サイクルを使った機
関の高温側熱交換器に関し、特に再生器がディスプレー
サ・ピストンと同軸上に配置された、円筒形の形状（ア
ニユラ−）を持った機関において、再生器の配設位置を
改善したものに関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は従来のスターリング・サイクル機関の１種であ
るスターリング・エンジンの高温側熱交換器を示す断面
図であり、図において１はシリンダ２に接合され、頂部
が０字型に曲げられたヒータ管、２は高温側熱交換器の
本体であるシリンダ、４はシリンダ２内に往復自在に嵌
合されたデイスプレーサビストンで、デイスプレーサビ
ストン４とクーラ９内壁とはピストンシール１２により
シールされている。５はシリンダ２内を往復動するパワ
ーピストンであり、このパワーピストン５とライナーホ
ルダー１３とはピストンシール１４によりシールされて
いる０本図では、デイスプレーサビストン４とパワーピ
ストン５を駆動させる機構は図示せず省略した。

また６はシリンダ２とデイスプレーサビストン４間の空
間である膨張室で、シリンダ２にはガス通路１５が設け
られており再生器８に作動ガスが流れるようになってい
る。７はパワーピストン５とデイスプレーサビストン４
間の空間である圧縮室である。８は円筒形の金網を充填
した再生器であり、その内周は薄肉のインナーライナ１
０と、その外周はシリンダ２と嵌合している。９はシリ
ンダ２内にこれと同軸上に配置された円筒形のクーラで
ある。１０は薄肉のインナーライナで、−端がシリンダ
２と嵌合され、他端がクーラ９と嵌合されている。クー
ラ９にはガス通路１６が形成され、圧縮室７につながっ
ている。１３はシリンダ２内に同軸上に配置された円筒
形のライナーホルダーである０図中−点鎖線で示したの
が、デイスプレーサビストン４が下死点に移動した時の
位置である。

次に従来のスターリング・サイクル機関の高温側熱交換
器の動作について説明する。

本熱交換器はシリンダ２に動作流体である高圧ヘリウム
ガスを封入し、バーナ熱源（図示せず）によりシリンダ
高温部、ヒータ管１を外部加熱するとともに、クーラ９
で外部から冷却してシリンダ２内の動作流体を熱交換で
きるようになっている。またシリンダ内のパワーピスト
ン５及びデイスプレーサビストン４を適当な位相差をも
って外部から往復運動させると、動作流体は圧縮室７か
らクーラ９を通り、再生器８を通過する間に徐熱され、
膨張室６に入り、ヒータ管１でさらに加熱され、膨張室
６を高温に保つ、そして、逆に膨張室６を出た動作流体
は、再生器８に入りここを通過する間に徐冷され、クー
ラ９によりさらに冷却される。

このように、膨張室６と圧縮室７の間を動作流体が往復
することにより、熱サイクルの１種のスターリング・サ
イクルを構成し自立運転するようになる。そのとき、ス
ターリング・エンジンの効率をよくする為には、熱交換
器部での熱損失をいかに減少させるかが重要な問題とな
る。再生器８は、膨張室６の高温（７００℃）から、ク
ーラ９入り口温度の低温（８０℃）までの温度分布を持
ち、再生器部の熱損失が熱交換器部での損失の中で占め
る割合は高い。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のスターリングサイクル機関は以上のように構成さ
れているので、デイスプレーサビストン４が下がると、
温度分布を持っている再生器８と膨張室６とはシリンダ
２に嵌合された薄肉のインナーライナ１０を隔てて接し
、膨張室６と、その温度より低い再生器８の部分（高温
側）との間で熱の流れが発生し、膨張室６の温度を下げ
てしまう、そのため、熱損失が増大し、機関の熱効率を
低下させることとなる。

また、ディスプレーサ・ピストン４が上死点に上がった
時、再生器８の最下部（低温側）がディスプレーサ・ピ
ストン４の下端部より低くなる場合、温度分布を持って
いる再生器８と圧縮室７とはクーラ９に嵌合された薄肉
のインナーライナ１０を隔てて接し、圧縮室７と、その
温度より高い再生器８の部分との間で熱の流れが発生し
、圧縮室７の温度を上昇させてしまう、そのため、熱損
失が増大し、機関の熱効率を低下させることとなる。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、再生器と膨張室及び圧縮室との間の熱流を防
ぐことができ、熱損失が少なく、機関の熱効率が高いス
ターリングサイクル機関の高温側熱交換器を得ることを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るスターリングサイクル機関の高温側熱交
換器は、再生器を、これと膨張室及び圧縮室との間で熱
流束が発生しない位置に、つまりディスプレーサ・ピス
トンの下死点に膨張室と同温度の再生器の部分が位置し
、かつディスプレーサ・ピストンの上死点においてディ
スプレーサ・ピストンの下端部が再生器の最下部より低
い位置に位置するよう配置したものである。

〔作用〕

この発明においては再生器を、これと膨張室及び圧縮室
との間で熱流速が発生しない位置に配設したから、熱損
失を減少させ、機関の熱効率を向上することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例によるスターリングサイクル
機関の高温側熱交換器を示す断面側面図であり、第１図
において、ヒータ管ｌはシリンダ２に接合され、高温側
熱交換器本体であゐシリンダ２内にはディスプレーサ・
ピストン４が往復自在に嵌合され、ピストン４とクーラ
９内壁とはピストンシール１２によってシールされてい
る。薄肉のインナーライナ１０は、シリンダ２と嵌合さ
れ、またクーラ９とも嵌合され固定されている。

デイスプレーサビストン４とシリンダ２との間には膨張
室６が形成され、シリンダ２にはガス通路１５が設けら
れており再生器８に作動ガスが流れるようになっている
。シリンダ２とインナーライナ１０との間には金網を充
填した再生器８が設けられている。再生器８の高さ方向
の位置は、再生器８部分がデイスプレーサビストン４の
下死点から始まるような位置で、再生器８はその下端部
がクーラ９に当たる位置まで下方に延びている。そして
、デイスプレーサビストン４が上死点にある時、ピスト
ン４下端部が再生器８の最下部より低い位置に位置する
ようになっている。

またクーラ９はシリンダ２に取り囲まれ、器内に充填さ
れた冷却水はクーラ９のガス通路１６からの熱を吸収し
てガス通路１６を流れる作動ガスから吸熱するようにな
っている。デイスプレーサビストン４とパワーピストン
５との間には圧縮室７が形成されており、ガス通路１６
は圧縮室７につながっている。パワーピストン５とライ
ナーホルダー１３とはピストンシール１４によりシール
されている。デイスプレーサビストン４はパワーピスト
ン５とは一定の位相差を保ちながら駆動機構で往復動す
る。駆動機構部は従来と同様図示していない。

次に動作について説明する。

図中下死点近くにあるパワーピストン５は駆動機構によ
り上昇し、それと同時に上死点にあるディスプレーサ・
ピストン４も下降し、圧縮室７の作動ガスを圧縮する。

パワーピストン５及びディスプレーサ・ピストン４は最
大圧縮時に図中の一点鎖線の位置に来るので、圧縮室７
の死容積がほぼＯになる。圧縮された作動ガスは、クー
ラ９のガス通路１６を通って再生器８及び膨張室６に流
れ込む。再生器８は膨張室６の高温から、クーラ９高温
側入口の温度まで温度分布を持つ、このとき、ディスプ
レーサ・ピストン４が下死点に来た時でも高温の膨張室
６と、膨張室６より温度の低い再生器部とは、薄いイン
ナーライナ１０を挟んで接することがないのでこの部分
での熱損失がほとんどない。

その後、ディスプレーサ・ピストン４は、下死点に達し
た後上昇し、膨張室６内の作動ガスを再生器８及びクー
ラ９のガス通路１６を通して圧縮室７にもどす、この場
合ピストン４の下端部が上死点においても再生器８の最
下部より下にあるため、圧縮室７と、これより温度の高
い再生器部とは、薄いインナーライナ１０を挟んで接す
ることがないのでこの部分での熱損失がほとんどない。

上記サイクルを繰り返すことにより、熱サイクルの一種
のスターリング・サイクルを構成し自立運転するように
なる。

このように本実施例では、再生器８を、その上端がデイ
スプレーサビストン４の下死点より低い位置に、その下
端が上死点位置のデイスプレーサビストン４の下端部よ
り高い位置に位置するよう配設したので、再生器８と膨
張室６及び圧縮室７との間で熱流束が発生するのを防止
でき、これにより熱損失を減少させて機関の熱効率を向
上することができる。

なお、上記実施例ではディスプレーサ・ピストンとパワ
ーピストンとが同軸上にあるβ型スターリング・エンジ
ンを示したが、これはアニユラ−型の熱交換器を持つも
のであればその他の形式のエンジンでもよい。例えば、
Ｔ型スクーリング・エンジンや、フリー・ピストン型ス
ターリング・エンジン、ベルマイヤー機関の高温側熱交
換器、ＧＭ冷凍機の高温側熱交換器などである。

また、上記実施例では、シリンダー２の再生器８と接し
ている部分を下方に伸張することにより、再生器８の位
置を再生器部骨がデイスプレーサビストン４の下死点か
ら始まるような位置としたが、これは第２図に示すよう
にシリンダ２と再生器８上端部との間に、シリンダ２と
同じ材料もしくは、シリンダ材より線膨張率の低い材料
を素材とし、ガス通路を持つスペーサ２０を入れてもよ
く、この場合、スペーサの通路面積や通路形状は規定す
るものではない。

さらに、上記実施例では、シリンダ２とインナーライナ
１０とが別体であるものを示したが、第３図の様にシリ
ンダとインナーライナーとを一体に形成したものでもよ
い。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係るスターリングサイクル機
関の高温側熱交換器によれば、再生器を、その上記膨張
室とほぼ同温度の部分が上記ディスプレーサ・ピストン
の下死点下側に位置し、かつその最下端部が上死点位置
のディスプレーサ・ピストン下端部より上側に位置する
よう配置したので、再生器と高温の膨張室との間、及び
再生器と低温の圧縮室との間で熱流束が発生するのを防
止でき、これにより熱損失を少なくして機関の熱効率を
高くできる効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例によるスターリングサイク
ル機関の高温側熱交換器を示す断面側面図、第２図及び
第３図はそれぞれこの発明の他の実施例による高温側熱
交換器の断面側面図、第４図は従来のスターリングサイ
クル機関の高温側熱交換器を示す断面側面図である。 １・・・ヒータ管、２・・・シリンダ、４・・・デイス
プレーサビストン、５・・・パワーピストン、６・・・
膨張室、７・・・圧縮室、８・・・再生器、９・・・タ
ーラ、１０・・・インナーライナ、１２・・・ピストン
シール、１３・・・ライナ・ホルダー、１４・・・ピス
トンシール、１５・・・ガス通路、１６・・・ターラの
ガス通路、２０・・・スペーサ。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　　　　早　　瀬　　憲　　−＾写　３　図 手続主甫正書　帽発） 昭和６３年／ｇ月／／日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮ピストン及びディスプレーサ・ピストンが同
   軸状に内蔵され、両ピストン間に圧縮室を、ディスプレ
   ーサ・ピストン上に膨張室を有するシリンダと、該シリ
   ンダに近接してこれと同軸状に配置された再生器とを備
   え、上記膨張室側で作動ガスの加熱を、圧縮室側で作動
   ガスの冷却を行って両室間を上記再生器を介して往復移
   動させ、上記圧縮ピストンを作動ガスの圧力変化により
   駆動するスターリングサイクル機関において、 上記再生器を、その上記膨張室とほぼ同温度の部分が上
   記ディスプレーサ・ピストンの下死点より下側に位置し
   、かつその最下部が上死点位置のディスプレーサ・ピス
   トン下端部より上側に位置するよう配置したことを特徴
   とするスターリングサイクル機関の高温側熱交換器。