JPH0350105B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は熱機関に組込むのに特に有効な、コン
パクトで熱交換量の多い熱交換器に関するもので
ある。

熱機関の一例として第１図に示すスターリング
機関について説明すると、バーナー熱源１によつ
て加熱されるシリンダヘツド２とシリンダ３を構
成する上下のシリンダのうち上部シリンダ３ａ内
に摺動自在に嵌挿するデイスプレイサーピストン
４頂部との間に空間７を膨脹空間、下部シリンダ
３ｂ内に摺動自在に嵌挿するパワーピストン５と
上記デイスプレイサーピストン４間の空間８を圧
縮空間、またパワーピストン５背部の空間９を背
圧空間と呼ぶと、この膨脹空間７と圧縮空間８と
は、シリンダ３の外側に配設されたバーナー熱源
１から直接熱を受けて機関内部に封入した作動ガ
スに熱を伝える加熱器１１と、作動ガスの往復動
時に熱を受けたり与えたりする熱再生器１２、お
よび作動ガスから熱を奪う冷却器１３の三部が連
続して構成する熱交換器１０によつて連絡されて
いる。そして下記の如き所謂スターリングサイク
ルによつて作動ガスは往復動し、熱交換器１０で
は熱の授受が行なわれるのである。

等温膨脹（第５図イ参照） 膨脹空間７及び加熱器１１内の作動ガスはバ
ーナー熱源１によつて約600℃に加熱され、そ
の際のガス圧が加熱器１１、熱再生器１２、冷
却器１３を経て圧縮空間８にかかるから、パワ
ーピストン５を押し下げ、同時に例えば片ロン
ビツク機構６で連動してデイスプレイサーピス
トン４も追従して下降させることで、作動ガス
の等温膨脹を行なう。

等容放熱（第５図ロ参照） パワーピストン５が慣性力によつて第５図ロ
の状態まで下降するとき、デイスプレイサーピ
ストン４を逆に上昇させることで、膨脹空間７
内の作動ガスを加熱器１１、熱再生器１２およ
び冷却器１３を通つて圧縮空間８内に移動さ
せ、その際、約600℃に加熱された作動ガスは
その熱を熱再生器１２に与え、自らは約200℃
まで温度降下し、更に冷却器１３で冷却され
る。

等温圧縮（第５図ハ参照） 背圧空間９内の圧力が膨脹空間７及び圧縮空
間８内の圧力を上廻ると、その差圧力と慣性力
とによりパワーピストン５は下死点から上昇が
始まり、引続き片ロンビツク機構６で連動して
上昇しているデイスプレイサーピストン４が第
５図ハの状態に至つたのち、圧縮空間８内の低
温作動ガスの圧縮が始まる。

等容吸熱（第５図ニ参照） パワーピストン５の上昇とデイスプレイサー
ピストン４の下降とによつて圧縮空間８内の低
温作動ガスは冷却器１３、熱再生器１２、加熱
器１１を経て膨脹空間７へ移動する。その際、
上記の等容放熱行程で熱再生器１２に蓄熱した
熱を吸熱して約600℃まで昇温する。

この熱交換器１０は取付場所も限られているこ
とから、熱交換量の多いものがよいことはいうま
でもない。

そこで本発明は、このような要請に応えること
ができる外燃機関を提供することを目的としてな
されたものである。

上記の目的を達成する本発明の構成は、作動ガ
スが封入され内部に膨脹空間を有するシリンダ
と、前記作動ガスの通路を夫々有する複数の加熱
器とを有し、前記通路を個々に前記膨脹空間のシ
リンダ壁と熱再生器とに跨がつて接続した外燃機
関において、前記加熱器を外部から加熱される有
底筒状の外管と、この外管の筒内に収納される中
空の内管とから構成し、この内管の外周壁に多数
の条溝を設けてこの条溝で前記通路の一部を形成
すると共に、この条溝の底部に多数の噴出孔を形
成したものである。

本発明の好適な実施例を示す第２図に従つて以
下に詳述するが、第１図と対応する部品には同一
符号を付してある。先ず、加熱器１１であるが、
一端をプラグ１９で塞いだ有底筒状の外管１８内
に、表面に複数の条溝１４並びに条溝１４の底部
に小さな噴出孔１５を多数穿設（第３図参照）し
た内管１６を挿入し、両管１６，１８とで形成さ
れる向流状の二つの作動ガスの通路を上記した多
数の小さな噴出孔１５によつて連通させている。
外管１８外面にはバーナー熱源１からの受熱面積
を増やすフイン１７があり、外管１８はシリンダ
ヘツド２の鍔部に取付く。上部シリンダ３ａの鍔
部に取付く内管１６は、熱伝導によつて外管１８
側から加熱されるから両管１６，１８は、空間７
とその下端で連通する条溝１４（外側の作動ガス
の通路）を除き密着していることが好ましい。し
かし、加工精度上数10μm程度の遊嵌状態となつ
ても格別の支障はない。内側の作動ガスの通路は
つぎのようにして形成するのがよい。すなわち、
プラグ１９にテーパー状部分２０を一体形成し、
該部分２０で内管１６内側の不必要な死空間を埋
めることによつて、下方になるに従い大きくなる
環状の内側の作動ガスの通路を形成し、しかもテ
ーパー部分２０の形成を決定するにあたつては、
ある位置での環状の内側通路断面積を、その位置
までの噴出孔１５の全面積とほぼ等しくなるよう
に設定すると断面積変化によるエネルギー損失を
小さくすることができる。併せてテーパー状部分
２０の下端で後述する熱再生器１２の充填材２２
を囲つている金網２１を押えつけて加熱器１１側
への喰い込みを阻止している。

つぎに熱再生器１２であるが、上端は内管１６
と、下端は後述する管体３０と接続するチユーブ
２３内に、等容放熱行程で蓄熱し、等容吸熱時に
その蓄熱を放出する充填材２２を装填したもので
あつて、図中２４は充填材２２を囲む金網であ
る。充填材２２の材料を選定するのに単に熱伝導
率の高い材料から決めると、折角蓄熱しても冷却
器１３に容易に熱伝達してしまい、熱の有効利用
を図ることができないから、あたたまり易くさめ
易い材料例えばスチールボールと、あたたまりに
くくさめにくい材料例えばセラミツクボールとを
混合して、加熱器１１に近い方は比較的スチール
ボールに富み、冷却器１３に近い方は比較的セラ
ミツクボールに富む配合とすることが好ましい。
こうすることによつて両端間の熱勾配を充分取る
ことができる。また充填材２２の形状や大きさは
作動ガスの流動に伴つて熱交換を素早く行なうた
めの必要な伝熱面積とか、通路抵抗あるいは加熱
器１１や冷却器１３からの通路断面積変化を可及
的小ならしめる観点から決めることができ、例え
ばおむすび形、米粒形、連珠玉形といつたような
形状とする。チユーブ２３は第４図のようにＳ字
状に形成し、その曲がりの向きを第２図の紙面方
向に向けて取付けると、上部シリンダ３ａとの温
度分布の違いによる熱応力を緩和することができ
る。

最後に冷却器１３であるが、これも加熱器１１
とほぼ同じように、一端を閉じ他端は冷却水出口
２９と繋がる外管２８内に、小さな噴出孔２７を
多数あけ且つ冷却水入口２５と繋がる内管２６を
挿入しているから、外管２８と内管２６とで形成
される向流又は並流状の二つの流体通路を噴出孔
２７によつて連通している。下端で圧縮空間８と
繋がり、上端でチユーブ２３と繋がる管体３０は
外管２８との間で作動ガスとの通路を形成し、管
体３０の外側はウオータージヤケツト３２内の冷
却水で冷やされるようになつている。３１は内管
２６固定用のナツトである。

本発明は前述した構成としたから、圧縮空間８
から膨脹空間７に作動ガスが流れるとき、噴出孔
１５からのガス噴流が外管１８の内壁に衝突する
ことによつて乱流となるし、作動ガスが通る噴出
孔１５は目詰まりの虞がないから孔径を小さくす
ることで作動ガスの流速を十分速くすることが可
能である。こうして外管１８内側の流れは熱伝導
的にいつて望ましい乱流状態となるのを助長させ
られるから、外管１８の外側を流れる燃焼ガスに
よる加熱効率は良好で、極めて高効率の熱交換が
素早く達成される点で甚だ優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱交換器を装着したスターリ
ング機関の断面図、第２図はその要部を示す拡大
断面図、第３図は第２図の加熱器内管の横断面
図、第４図第２図の熱再生器のチユーブの縦断面
図、第５図イからニまではスターリングサイクル
を説明するための図である。 １５，２７…噴出孔、１６，２６…内管、１
８，２８…外管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 作動ガスが封入され内部に膨脹空間を有する
   シリンダと、前記作動ガスの通路を夫々有する複
   数の加熱器とを有し、前記通路を個々に前記膨脹
   空間のシリンダ壁と熱再生器とに跨がつて接続し
   た外燃機関において、前記加熱器を外部から加熱
   される有底筒状の外管と、この外管の筒内に収納
   される中空の内管とから構成し、この内管の外周
   壁に多数の条溝を設けてこの条溝で前記通路の一
   部を形成すると共に、この条溝の底部に多数の噴
   出孔を形成したことを特徴とする外燃機関。