JPH01262354A - 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・ピストンと同軸状に配置された、円筒形の形状（ア
ニユラ−）を持った機関において、シリンダのガス通路
の構造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・サイクル機関の一種であ
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に接合されたヒー
タ管、４は高温側熱交換器本体であるシリンダ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、このピ
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。工０はシリンダ２と嵌合された薄
肉のインナーライナで、これはクーラ９とも嵌合され固
定されている。また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１１があ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。

２０はシリンダ２の上部内面と再生器８との間に配設さ
れ、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、複数のガス通路１５を持つ
スペーサである。第５図はこのスペーサを示す正面図で
ある。

上記再生器８はこのスペーサ２０により位置決めされて
おり、その高さ方向の位置は、再生器８の上端がデイス
プレーサビストン４の下死点から始まる位置となってお
り、再生器８の下端はクーラ９に当たる位置まで下方に
延びており、またデイスプレーサビストン４が上死点の
時、ピストン４下端部が再生器８の最下部より低い位置
にくるようになっている。クーラ９はシリンダ２に取り
囲まれ、器内に充鎮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とライナホルダ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とパワーピストン５とは一定の位相差を保ちながら
駆動機構（図示せず）により往復する。

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。

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イスプレーサビ
ストン４は下降し、これらは圧縮室７の作動ガスを圧縮
する。パワーピストン５とデイスプレーサビストン４と
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．再生器８を通り、スペーサ２
Ｏの部分で縮流され、スペーサ２０にあけられた複数の
ガス通路１５を通過し、シリンダ２のガス通路１１を通
って、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高温側人口の温度までの温度分布を持つ。

ここでは、デイスプレーサビストン４が下死点に来た時
でも高温の膨張室６とこれより温度の低い再生器８部分
とが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。また、スペ
ーサ２０を設けることにより、再生器８上部の肉厚が薄
くなり、シリンダー２が柔構造になるので、発生応力が
低くなる。

その後、デイスプレーサビストン４は、下死点に達した
後上昇し、膨張室６内の作動ガスをスペーサ２０のガス
通路１５．鼻生器８．及びクーラ９のガス通路１６を通
して圧縮室７に戻す。このとき、スペーサ２０部で絞ら
れて高速になった作動ガスは、すぐに再生器８に流入す
るので、再生器８の上部全体に作動ガスが回らず有効に
使われていない部分ができる。それを防ぐため、再生器
８の上部にいくらか死容積を持たせて、高速になった作
動ガスの流速を落としている。またピストン４の下端部
が上死点においても再生器８の最下部より下側にあるた
め、圧縮室７より温度の高い再生器部は、薄いインナー
ライナ１０を挟んで圧縮室７と接することがないのでこ
の部分での熱損失もほとんどない。

このようなサイクルを操り返すことにより、機関は熱サ
イクルの一種のスターリング・サイクルを樽成し自立運
転するようになる。

〔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のスペーサは以上のよ
うに構成されているので、シリンダのガス通路１１の開
口とスペーサのガス通路１６の開口とを合わす位置決め
に問題があった。つまり、これらのガス通路１１及びＩ
６の開口がずれると作動流体の圧力損失が増大し、機関
の熱効率が低下する。またガス通路１５の入口と出口の
急拡大・急縮小による圧損が大きく、再生器８に流入す
る時に、再生器上部、つまり再生器の上端から３ミリ−
５ミリまでの部分では作動ガスが各部に均一に行き渡ら
ず、再生器８の利用効率が悪い。さらに、使用中に機関
の振動によりスペーサ２０がずれることもあるので、位
置決めピンなどで強制的に固定しなければならなかった
。このため、スペーサの位置決めのための加工をシリン
ダに施す必要があり、またスペーサのシリンダへの嵌め
込みはヒータ管のガス通路とスペーサのガス通路とがず
れないように慎重に行わねばならず組み込みに時間がか
かるなどの問題点があった。

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、スペーサの組み込みを容易にすることができ
るとともに、スペーサの位置決め固定のための加工をな
くすことができ、しかも使用中にスペーサが位置ずれし
ても作動流体の圧力損失の増大を招（ことはなく、スペ
ーサのガス通路の出入口での圧力損失の小さいスターリ
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、シリンダ周壁の再生器上部分にシリンダと同軸
状に第１の円筒状体を、その外側にこれより径の大きい
第２の円筒状体を組込んで、再生器の位置決めのための
スペーサを構成し、該百円筒状体間の間隙を、該スペー
サ下側の再生器と上側のヒータ管のガス通路とを接続す
るガス通路としたものである。

〔作用〕

この発明においては、スペーサを大小２つの円筒状体か
ら構成したから、その工作を簡単にすることができ、ま
た上記２つの円筒状体の間隙をスペーサのガス通路とし
ているため、スペーサ及びシリンダのガス通路開口の位
置合わせを容易にすることができ、しかも使用中にスペ
ーサが位置ずれしても作動ガスの圧力損失の増大を招く
ことな（、再生器に流入する作動ガスを再生器の各部へ
均等に行き渡らせることができ、この結果機関の熱効率
の低下を防止することができる。

〔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図において、１はシリンダ２に接合されたヒータ管
、４は高温側熱交換器本体であるシリンダ２内に往復自
在に嵌合されたデイスプレーサビストで、このピストン
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。１０はシリンダ２と嵌合された薄肉のイ
ンナーライナで、これはクーラ９とも嵌合され固定され
ている。

また上記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１１
があ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
金網を充慎した再生器８が設けられている。

また２０はシリンダ２周壁の再生器８上側部分、に組み
込まれ、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からなるスペーサである。このスペ
ーサ２０は内側の円筒状スペーサ２０ａ及びこれより径
の大きい外側の円筒状スペーサ２０ｂからなり、再生器
８の高さ方向の位置決めをしている。スペーサ２０ａは
シリンダ２内周と嵌合されており、スペーサ２０ｂはイ
ンナーライナ１０と嵌合されている。この２つのスペー
サ２０ａ、２０ｂは組み合わされた時、シリンダ２のガ
ス通路１１を塞がない距離をおいて離れており、再生器
８に作動ガスがスムーズに流入できる形状になっている
。なおこの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。

第２図にスペーサ２０ａ、２０ｂを組み合わせたスペー
サ２０を示す。このスペーサ２０により再生器８はその
上端がデイスプレーサビストン４の下死点から始まる高
さ位置に位置決めされ、再生器８の下端はクーラ９に当
たる位置まで下方に延びており、しかもデイスプレーサ
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くるようになっている。ク
ーラ９はシリンダ２に取り囲まれ、器内に充慎された冷
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、また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
ホルダ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とパワーピストン５
とは一定の位相差を保ちながら駆動機構（図示せず）に
より往復動する。

次に動作について説明する。

本発明に係わるスターリングサイクル機関の高温側熱交
換器のスペーサの役割について説明すると、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イスプレーサビストン４は
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とデイスプレーサビストン４とは最大
圧縮時に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．再生器８．及びスペーサ２０のガス通路１
５を通過し、膨張室６に流れ込む。このとき、クーラ９
から流入した作動ガスは、スペーサ２０部に均等に流れ
、このとき圧力損失も少ない。この場合作動ガスはスペ
ーサ２０部を通過する間に徐々に絞られて、シリンダ２
のガス通路１１に流れ込むので、流路の急縮による圧力
損失は小さい。また、スペーサ２０を設けることにより
再生器８上部の肉厚が薄（なり、シリンダ２が柔構造に
なるので、発生応力が低くなる。

その後、デイスプレーサビストン４は、下死点に達した
後上昇し、膨張室６内の作動ガスはスペーサ２０のガス
通路１５を通過し、この間にて整流され、再生器８及び
クーラ９のガス通路１６を通して圧縮室７に戻る。この
ときシリンダ２のガス通路１１から流入した作動ガスは
スペーサ２０部で徐々に拡大され、再生器８に流れ込む
ので、再生器全体に作動ガスが回り、再生器上部が有効
に使われ、スペーサ２０と再生器８の間の再生器損失が
小さくてすむ。このようなサイクルを繰り返すことによ
り、機関は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、スペーサ２０を大小２つの円
筒状スペーサ２０ａ、２０ｂから構成し、この２つのス
ペーサ２０ａ、２０ｂの間隔をシリンダ２にあけられた
六列（ヒータ管１のガス通路１１の開口）を塞がない程
度に取り、この部分をガス通路１５としたので、スペー
サの工作を簡単にすることができ、またスペーサ２０の
位置決めも容易にすることができる。しかも使用中にス
ペーサ２０がずれてもこれがシリンダ２のヒータ管１の
ガス通路開口を塞ぐことはな（、つまり作動ガスの圧力
損失の増大を招くことはなく、再生器８に流入する作動
ガスを再生器の各部へ均等に行き渡らせることができ、
再生器部での熱損失を小さくすることができる。また、
スペーサ２０を設けることによりシリンダ２の再生器上
側部分の肉厚を薄くできるので熱応力を緩和でき、以上
の作用により熱損失を少なく、機関の耐久性と熱効率を
高くできる。

なお、上記実施例ではデイスプレーサビストンとパワー
ピストンとが同軸上にあるβ形スターリング・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０例えば、Ｔ
型スターリング・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２とインナーライナ１
０とが別体で分かれているものについて示したが、これ
は第３図に示すようにシリンダとインナーライナとが一
体のものでもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によればシリンダ周壁の再生器
上部分にシリンダと同軸状に第１の円筒状体を、その外
側にこれより径の大きい第２の円筒状体を組込んで、再
生器の位置決めのためのスペーサを構成し、該百円筒状
体間の間隙を、該スペーサ下側の再生器と上側のシリン
ダのガス通路とを接続するガス通路としたので、スペー
サの位１決めの容易化、工作の簡単化を図ることができ
、しかも機関の耐久性及び熱効率を高（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図はこ
の熱交換器のスペーサの詳細図、第３図はこの発明の他
の実施例を示す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、第５図は該熱交換器のスペーサの詳細図
である。 ｌ・・・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・・・
膨脹室、７・・・圧縮室、８・・・再生器、９・・・タ
ーラ、１０・・・インナーライナ、１２．１４・・・ピ
ストンシール、１３・・・ライナーホルダ、１５．１６
・・・ガス通路、２０・・・スペーサ、２０ａ・・・内
側スペーサ、２０ｂ・・・外側スペーサ。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

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・ピストン上に膨脹室を有するシリンダと、該シリ
   ンダ周壁内に該シリンダと同軸状に配置され、ガス通路
   を有するスペーサにより所定の高さ位置に位置決めされ
   た再生器とを備え、作動ガスをその加熱及び冷却により
   上記再生器及びスペーサを介して上記膨脹室及び圧縮室
   間で往復移動させ、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
   、 上記シリンダ周壁の再生器上部分にシリンダと同軸状に
   第１の円筒状体を、その外側にこれより径の大きい第２
   の円筒状体を組込んで上記スペーサを構成し、 該両円筒状体間の間隙を上記ガス通路としたことを特徴
   とするスターリングサイクル機関の高温側熱交換器。