JPH0566518B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、スターリングエンジンの高温燃焼ガ
スの流路にデイスプレーサピストンとパワーピス
トンとの間を往復流動する作動媒体の管路を配置
し、高温燃焼ガスと該管路内を流れる作動媒体と
を熱交換させるスターリングエンジンの高温熱交
換器の改良に関し、更に詳しくは高温燃焼ガスの
流れに乱れを生じさせると同時に輻射熱を利用し
て熱交換率を向上させた前記スターリングエンジ
ンの高温熱交換器に関する。

（従来技術） 内燃機関は燃焼音、燃料の自由度及び有害排出
物等の面で難点があり、このような難点のない外
燃機関が注目されている。

そのような外燃機関の一つとしてスターリング
エンジンがある。

スターリングエンジンは、往復動するデイスプ
レーサピストンにより閉鎖空間内のガスからなる
作動媒体を等容加熱、等温膨張、等容冷却及び等
温圧縮するものである。そして、このスターリン
グエンジンの性能を向上させるには、作動媒体で
あるガスを加熱する高温熱交換器の熱交換率を向
上させることが肝要である。

従来のスターリングエンジンの高温熱交換器
は、それぞれの管路を逆Ｕ字状に曲げて高温ガス
の流れの中に配置して、管路内ガスと熱交換させ
ていた。

一方、内部を第１の流体が流れる管群と、該管
群を通過しながら前記第１の流体と熱交換する第
２の流体とからなる熱交換器において、管群の上
流に多数の疑似管を設け、該疑似管によつて生ず
る流体の乱れを利用して熱交換率を向上させた熱
交換器も公知である。（特開昭60−33494号公報参
照） （発明が解決しようとする問題点） 本発明者は管群の熱交換率を研究し、流れに沿
つて４段の管を設置し、該管列におけるそれぞれ
各段の管における熱交換率を測定したところ第４
図に示すような特性となつていることが分かつ
た。

即ち、第４図は縦軸に４段目の管の熱交換率を
１とした場合の１段目ないし３段目の管における
熱交換率の割合を採つたものであり、横軸には管
列数採つたものである。

図を参照して、第１段目の管における熱交換率
は0.67と極端に低くなつており、第２段目の管に
おける熱交換率は0.93と急上昇している。そし
て、管列が第３段目では1.00となつて第４段目の
管と同じ熱交換率になり、これ以降はサチユレー
トしているものと推察される。

上記特性が生じる理由は、上流に位置している
管がそれぞれ抵抗体としての作用を行つており、
この抵抗体としての管が第１次流体に乱れを生じ
させているからであると考察される。

さて、上記従来のスターリングエンジンの高温
熱交換器では、管列が２段であるから第４図の特
性の管列数が第１段目と第２段目の管によつて熱
交換するものとなり、第１段目の管では0.67の熱
交換率、第２段目の管では0.93の熱交換率となつ
て平均的には0.80の熱交換率となつて、管列数の
多いものと比べて熱交換率が低いものとなつてい
る。このため、高温ガスの熱を管内ガスに効率良
く与えるために多数のパイプを用いたり、長いパ
イプとしなければならず、重量の面で難点がある
上、エンジンまわりに大きなパイプの束があるた
め、エンジン回りのレイアウトが自由にならない
等の問題点があることがわかつた。

又、前記従来公知のスターリングエンジンの高
温熱交換器においては、高温燃焼ガスが管に直接
接触することによる熱伝達しか利用しておらず、
その点においても熱交換率の向上があまり大きい
ものということができなかつた。

そこで、本発明は、スターリングエンジンの高
温熱交換器の管路において、高温燃焼ガスが管路
に接触する際の熱伝達率を向上させると同時に、
輻射熱交換を利用することにより熱交換率の向上
を図つたスターリングエンジンの高温熱交換器を
提供することを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明では、円周状
に配置され、内部を作動媒体が往復流動する多数
の逆Ｕ字状の管路と、該管路によつて囲まれた筒
状の燃焼室と、該燃焼室に臨ませて設けられた燃
料ノズルと、該燃焼室へ燃焼用空気を送り込む空
気供給装置と、前記管路の外側を囲んで設けられ
たケーシングと、該ケーシングに設けられた排気
口と、からなり、前記燃焼室内で生じた高温燃焼
ガスが前記管路を通過して該管路内を流れる作動
媒体と熱交換させるスターリングエンジンの高温
熱交換器において、円周状に配置された管路の内
側に該管路と平行に延びる耐熱材料からなる抵抗
体を円周状に多数設け、該抵抗体によつて最初の
管路に衝突する高温燃焼ガスの流れに乱れを生ぜ
しめると同時に該抵抗体の輻射熱を管路に与えて
なることを特徴とするものである。

（作用） 本発明では、抵抗体により高温燃焼ガスの流れ
に乱れを起こさせ、管路との熱交換率を向上させ
ると同時に、抵抗体の輻射熱が管路に与えられる
ことにより輻射熱交換が生じて、それらの複合効
果によつて高温燃焼ガスと管路内を流れる作動媒
体との熱交換が一層効率良く行なわれるものとな
る。

（実施例） 以下に、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。

第３図はスターリングエンジンのうちダブルア
クテイング型の概略を示しており、同図によりス
ターリングエンジンの作動原理を説明する。

シリンダ１，２，３，４内をデイスプレーサピ
ストン５が往復動し、各デイスプレーサピストン
５の上方が膨張空間６、下方が圧縮空間７であ
る。シリンダ１，２，３，４の位相は、90℃づつ
ずれている。シリンダ１の膨張空間６とシリンダ
２の圧縮空間７を連絡し、その連絡路に高温熱交
換器８、蓄熱器９及び低温熱交換器１０を膨張空
間６から圧縮空間７に向かつて順次設ける。高温
熱交換器８は作動媒体を加熱するものであり、蓄
熱器９は冷却される前の作動媒体の熱を蓄えるも
のであり、低温熱交換器１０は作動媒体を冷却す
るものである。

上記高温熱交換器８、蓄熱器９及び低温熱交換
器１０をシリンダ１とシリンダ２の間、シリンダ
２とシリンダ３の間、シリンダ３とシリンダ４の
間及びシリンダ３とシリンダ４の間に設けること
により、４個のシリンダを互いに関連するものと
している。各デイスプレーサピストン５のロツド
１１を斜板１２に摺動取着し、出力軸１３を回転
させる。

スターリングエンジンでは高温熱交換器８が多
数本のチユーブから成り、これに高温燃焼ガスを
触れさせることにより、チユーブ内に作動流体を
加熱している。従来の高温熱交換器では入量のチ
ユーブを使用し、これを各シリンダ１，２，３，
４の上方に円周状に多数本集中して設けていた。
このため、シリンダ１，２，３，４の上方の空間
に制約が生じ、更には燃焼装置の設計に自由度に
も欠けるものとなつていた。

第１図は、本発明の一実施例に係るスターリン
グエンジンの高温熱交換器８を示している。

ケーシング２１内に燃焼室２２を設け、該燃焼
室２２の下方部にシリンダ１，２の膨張空間６を
臨ませて配置している。５はデイスプレーサピス
トンである。膨張空間６に逆Ｕ字状の管路２３の
一端を接続し、該管路２３の他端を図示しない蓄
熱器及び低温熱交換器を介して他のシリンダ１，
２接続する。この逆Ｕ字状の管路２３内にはヘリ
ウム等の作動媒体が流れている。管路２３は、第
２図に示すように円周状に多数配置される。燃焼
室２２は円周状に配置された管路２３によつて囲
まれた筒状部分の内部に形成されており、該燃焼
室２２の上方部には燃料ノズル２４を臨ませて設
け、該燃料ノズル２４から噴射された燃料はスワ
ーラ２５から送られる空気と混合して燃料室２２
内で燃焼する。高温燃焼ガスは管路２３を加熱し
た後、予熱体２６を介して排気口２７から排出す
る。スワーラ２５が噴出する空気は、予熱体２６
により予熱された空気を予熱通路２８を介して吸
引したものである。

以上説明したように、高温熱交換器の管路２３
は逆Ｕ字状となつているため、管列としては２段
の管列になつている。従つて、第４図の特性から
も分かるように熱交換率はあまり高くない。そこ
で、高温燃焼ガスから管路２３への伝熱促進のた
め、棒状の耐熱性材料から成る抵抗体２９を複数
本円周状に燃焼室の上方から垂下して取り付けて
いる。この実施例では抵抗体２９は燃焼室上方の
燃料吹き出し筒３０に固定されている。この抵抗
体２９は、第２図に示すように、筒状に並んで設
けられた管路２３の内側に、かつ隣接する各管路
２３の中間に位置するように配置され、更に該管
路２３に沿つて平行に延びて設けられている。

今、逆Ｕ字状に管路２３のうち矢印Ａで示す高
温燃焼ガスの進行方向の上流側の部分を第１段の
管路２３ａとし、下流側を第２段の管路２３ｂと
すると、抵抗体２９を通過する際に高温燃焼ガス
の流れが乱され、この流れの乱れにより特に第１
段の管路２３ａへの熱伝達が大きく促進される
（一例として、第４図の0.67から0.93に上昇する）
他、第２段の管路２３ｂへの熱伝達も促進（一例
として、第４図の0.93から1.00に上昇する）され
る。また、抵抗体２９自身が高温となるので、そ
の輻射熱によつても第１段の管路２３ａ及び第２
段の管路２３ｂが加熱され、この面においても熱
伝達が促進される。

これにより、管路２３の全量を低減でき、低コ
スト、軽量化の他、シリンダ上方の空間を使用す
る管路２３を小形化することによりシリンダ１，
２の上方空間のレイアウトが容易になるものであ
る。

（発明の効果） 本発明では第１次流体の進行方向の最初の管路
の上流側に耐熱性の材料からなる抵抗体を設け、
該抵抗体により第１流体の流れを乱すと共に抵抗
体の輻射熱によつても熱伝達を促進するので、熱
交換器の熱交換効率を向上させ、熱交換器の小形
化、軽量化が得られる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の縦断面図であ
る。第２図は、第１図の横断面略図である。第３
図は、スターリングエンジンの一例を示す概略図
である。第４図は、管列数とそれぞれの管におけ
る熱交換率との関係を示す特性線図である。 １，２……シリンダ、５……デイスプレーサピ
ストン、６……膨張空間、７……圧縮空間、８…
…高温熱交換器、２２……燃焼室、２３……管
路、２３ａ……第１段の管路、２３ｂ……第２段
の管路、２４……燃料ノズル、２５……スワー
ラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円周状に配置され、内部を作動媒体が往復流
   動する多数の逆Ｕ字状の管路と、該管路によつて
   囲まれた筒状の燃焼室と、該燃焼室に臨ませて設
   けられた燃料ノズルと、該燃焼室内へ燃焼用空気
   を送り込む空気供給装置と、前記管路の外側を囲
   んで設けられたケーシングと、該ケーシングに設
   けられた排気口と、からなり、前記燃焼室内で生
   じた高温燃焼ガスが前記管路を通過して該管路内
   を流れる作動媒体と熱交換させるスターリングエ
   ンジンの高温熱交換器において、 円周状に配置された管路の内側に該管路と平行
   に延びる耐熱材料からなる抵抗体を円周状に多数
   設け、該抵抗体によつて最初の管路に衝突する高
   温燃焼ガスの流れに乱れを生ぜしめると同時に該
   抵抗体の輻射熱を管路に与えてなることを特徴と
   する熱交換器。