JPH02112655A - 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冷凍機などスターりング・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６図は本件発明者がすでに開発しているスターリング
・サイクル機関の一種であるスターりング・エンジンの
高温側熱交換器（特願昭６３−８８５２９号）を示す断
面図であり、図において、１はシリンダ２と接合された
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
よっテシ−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填した再生器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
膨脹率の低い材料からなるスペーサである。このスペー
サ２０は第７図ａ）、　　ｂ）に示すように内側の円筒
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す、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２０　ａ、　　２０　ｂ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、再生器８に作動ガスがスムーズに流入で
きる形状としている。

そして、このスペーサ２０により再生器８は、その上端
が下死点位置のデイスプレーサビストン４の周壁上端か
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。

またクーラ９はシリンダ２に取り囲まれ、器内に充填さ
れた冷却水がクーラ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（圧縮ピストン）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）により往復運動する。

次に動作について説明する。

このような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０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、流路の急縮により圧
縮損失は小さい。また、スペーサ２０を設けることによ
り再生器８上部の肉厚が薄くなり、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、再生画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ｔｎ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φサイク
ルを構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は以上のように構成さ
れているので、スペーサが２つの部品からなっており、
部品点数が多く組立作業が面倒であった。また、スペー
サの作動ガス出入口での圧力損失を削減するため、該出
入口の面積を大きくしているが、この場合ガス通路の面
積も大きくなって死容積が増大してしまい、エンジンの
効率を低下させてしまう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、部品点数を少なくできるとともに、スペーサ
の出入口での圧損を少な（でき、しかも機関の死容積を
小さくすることができる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、再生器をデイプレーサビストンに対して所定高
さ位置に位置決めするスペーサを、シリンダ内にこれと
同軸状に嵌合装着可能で、かつ該嵌合杖態において該シ
リンダ周壁面とともに中間部分が狭いガス通路を構成す
る周壁面を有する１つの円筒状体から構成したものであ
る。

〔作用〕

この発明においては、スペーサを１つの円筒状体から構
成したから、その工作時間を削減することができ、また
ガス通路の出入口での面積を大きくシ、中央部を絞って
いるので、該ガス通路出入口での圧力ｔｎ失を減少させ
ることができるだけでなく、機関の死容積を削減するこ
とができ、この結果機関の熱効率の向上を図ることがで
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構造図であり、図にお
いて第６図と同一符号は同一または相当部分を示し、２
は熱交換器本体であるシリンダであり、該シリンダ外壁
内面の、再生器８の上端外周が接する部分には、外側ス
ペーサ２０ａ（第７図）に相当する環状の迫出部２ａが
上記シリンダ２の外壁と一体に形成されている。また２
１はインナライナ１０と同じ材料もしくはシリンダ材よ
り線膨脹率の低い材料からなり、再生器８上側部分に組
み込まれたスペーサである。

ここで、このスペーサ２１はインナライナ１０と嵌合さ
れており、スペーサ２１を組み込んだ時、シリンダ２に
開けられたガス通路１１を塞がないよう位置し、上記環
状の迫出部２ａとともにスペーサ部のガス通路１５を形
成している。スペーサ２１はシリンダ２の迫出部２ａと
同じ長さであり、このスペーサ２１とシリンダ２の迫出
部２ａにより再生器８をその上端が下死点位置のデイス
プレーサビストン４の周壁上端から始まる高さ位置に位
置決めしている。

そして、スペーサ２１の入口、つまり上面開口はガス通
路１１を塞がない口径にしてあり、スペーサ２１の中央
を膨らませて死容積をつめ、スペーサ２１出口、つまり
再生器８上面と接する下面開口は再生器８が位置決めで
きる程度に大きな口径にしており、第２図にこのような
スペーサ２１の平面及び断面形状を示している。

この場合流動損失は入口拳出口の流路の拡流。

縮流をなるべく小さい値にしており、そのことにより流
路中の圧力損失かい（らか増加しても、ガス通路１５で
の総合の圧力損失はスペーサ２１をストレートな形状と
した場合より小さくなる。

次に動作について説明する。

本発明に係るスターリングサイクル機関の高温側熱交換
器のスペーサの役割について説明する。

まず図中下死点近くにあるパワーピストン（圧縮ピスト
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くるので
、圧縮室７の死容積がほぼ０になる。

そして圧縮された作動ガスはクーラ９のガス通路１６．
再生器８内のガス通路、及びスペーサ２１とシリンダ２
の環状迫出部２ａからなるガス通路１５を通過し、膨脹
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２１部に均等に流れ、徐々に流路が絞られ
る。このときの圧力損失は少なく、つまり作動ガスはス
ペーサ２１部を通過する間に徐々に絞られ、そして徐々
に拡がりながら、シリンダ２のガス通路１１に流れ込む
ので、流路の急縮・急拡大による圧力損失は小さい。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、膨脹室６内の作動ガスはスペーサ２１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を通って圧縮室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２１部で徐々に絞られ、再生器８に入る手前で徐々に
拡大されるので、スペーサ２１部のガス通路１５と再生
器８の間の再生画損失（おもに圧力損失）が小さくてす
む。そして、スペーサ２１部での死容積、つまりガス通
路１５の体積は従来に比べ、小さくなるのでエンジンの
仕事量が増え、エンジン効率が向上する。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、スペーサを１つの円筒状体か
ら構成したので、その工作時間を削減することができ、
しかも該スペーサを、ピストンに装着した時、ピストン
の外壁内面上端の迫出部２ａとともに両端部分が広く、
中央部が狭いガス通路を構成するような形状としたので
、スペーサが構成するガス通路の入口、出口の圧力損失
を減少させることができるだけでなく、機関の死容積を
減少することができ、つまり圧力損失の低減と、死容積
の削減とを両立することができ、この結果エンジンの効
率を向上することができる。

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型スクーリングエンジンを
示したが、これはアニユラ−型熱交換器を持つものであ
ればγ型スターリングエンジン、ベルマイヤー機関の高
温側熱交換器などでもよい。またスペーサ２１の形状に
ついては第２図に示すように入口・出口が拡がっており
、かつ真中あたりが膨らんだ形状であれば、その詳細な
形状は規定するものではない。

また、上記実施例ではシリンダ２とインナライナ１０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２とインナライナ１０とが一
体のものでもよい。

さらに、上記実施例ではインナライナ１０側にスペーサ
２１を設けたが、これは第４図に示すようにシリンダ外
壁の迫出部２ａと嵌合可能であり、該嵌合状態において
インナライナ１０の外周面とともに中間部分が狭いガス
通路を構成するスペーサ２２であってもよい。またこの
スペーサ２２と迫出Ｋ　２　ａとを設ける代わりに、第
５図のようにシリンダの外壁内面の、再生器上側部分を
環状に内側に大きく迫り出す肉厚部２３としてもよい。

〔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、再生器をデイプレーサビ
ストンに対して所定高さ位置に位置決めするスペーサを
、シリンダ内にこれと同軸状に嵌合装着可能で、かつ該
嵌合状態において該シリンダ周壁面とともに中間部分が
狭いガス通路を構成する周壁面を有する１つの円筒状体
から構成したので、部品点数を少なくできるとともに、
ガス通路での圧損の低減及び死容積の削減を図って機関
の熱効率を向上することができる効果かある。

【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構成図、第２図は本
発明に係る熱交換器のスペーサの詳細図、第３図ないし
第５図はそれぞれこの発明の他の実施例による高温側熱
交換器の断面構成図、第６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構成図、第７図は
この従来の熱交換器のスペーサの詳細図である。 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・・・
膨脹室、７・・・圧縮室、８・・・再生器、９・・・ク
ーラ、１０・・・インナライナ、１２．１４・・・ピス
トンシール、１３・・・ライナホルダ、１５．１６・・
・ガス通路、２１・・・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)

1. 【特許請求の範囲】 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
   ダ周壁に該シリンダと同軸状に配置され、ガス通路を構
   成するスペーサにより所定の高さ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空間で往
   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、 上記スペーサを、 上記シリンダ内にこれと同軸状に嵌合装着可能であり、
   かつ該嵌合状態において該シリンダ周壁面とともに中間
   部分が狭いガス通路を構成する周壁面を有する１つの円
   筒状体から構成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。