JPH0670404B2 - スタ−リングエンジンのヒ−タ - Google Patents

スタ−リングエンジンのヒ−タ

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JPH0670404B2
JPH0670404B2 JP14716485A JP14716485A JPH0670404B2 JP H0670404 B2 JPH0670404 B2 JP H0670404B2 JP 14716485 A JP14716485 A JP 14716485A JP 14716485 A JP14716485 A JP 14716485A JP H0670404 B2 JPH0670404 B2 JP H0670404B2
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G2243/00Stirling type engines having closed regenerative thermodynamic cycles with flow controlled by volume changes
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    • F02G2244/00Machines having two pistons
    • F02G2244/02Single-acting two piston engines

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は,スターリングエンジンのヒータに係り,特
に,加熱効率を向上させることができるようにしたヒー
タに関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
最近,省エネルギ化の一環として,スターリングエンジ
ンが見直され,熱心な研究が行われている。スターリン
グエンジンには種々の形態のものがあるが,たとえば2
ピストン方式のものを例にとると,それぞれパワーピス
トンを内蔵した2つのパワーシリンダ間に再生熱交換器
を閉流路構成に接続するとともに再生熱交換器の一端と
一方のパワーシリンダとの間の流路をヒータで加熱し,
再生熱交換器の他端と他方のパワーシリンダとの間の流
路をクーラで冷却するように構成されている。この機関
は,理論的熱効率が高く,あらゆる熱源を使用できると
言う特徴を有している。
ところで,スターリングエンジンのヒータは,通常,ガ
ス燃料あるいは液体燃料を燃焼させる燃焼室と,この燃
焼室内に配置され高温燃焼ガスでスターリングエンジン
を動作させるのに必要な作動流体を加熱する熱交換器
と,燃焼排ガスで燃焼用空気を予熱する空気予熱器とで
構成されている。スターリングエンジンの場合,上述し
た作動流体の加熱温度が高い程,効率が向上する。した
がって,燃焼器で形成される燃焼火炎温度は高い程よい
ことになる。このようなことから,空気予熱器を設け,
この空気予熱器で排ガスの熱を回収して燃焼用空気を高
温にし,これによって燃焼火炎温度を高める方式が採用
されている。
ところで,従来のヒータは,通常,バーナを備えた燃焼
室内に複数の熱交換器を上記バーナの中心線を中心とし
た環状列が形成される如く配置し,燃焼ガスを環状列の
内側から各熱交換器間を通して外側に向けて通流させ,
上記熱交換器で作動流体を加熱する方式を採用してい
る。
しかしながら,上記のように構成された従来のヒータに
あっては次のような問題があった。すなわち,各熱交換
器間を通流する高温の燃焼ガスの流速はバーナに近い部
分程速く,バーナから離れている部分程遅くなる。この
ため,流速の速い部分では熱交換されずに流出する燃焼
ガスの量が多く,また流速の遅い部分では燃焼ガスがよ
どみ易く,この結果,熱交換効率が低いという問題があ
った。また,各熱交換器間の間隔が熱交換器の軸方向に
沿って不均一の場合には,この不均一の影響を受けて燃
焼ガスの流れも不均一となり,やはり熱交換効率が低い
と言う問題があった。
〔発明の目的〕
本発明は,このような事情に鑑みてなされたもので,そ
の目的とするところは,バーナの位置や熱交換器間の間
隔の影響を受けることなく,熱交換効率を大幅に向上さ
せることができるスターリングエンジンのヒータを提供
することにある。
〔発明の概要〕
本発明によれば,バーナを備えた燃焼室内に複数の熱交
換器を上記バーナの中心線を中心とした環状列が形成さ
れる如く配置し,燃焼ガスを環状列の内側から各熱交換
器間を通して外側へ向けて通流させ,上記各熱交換器で
作動流体を加熱するようにしたスターリングエンジンの
ヒータにおいて,前記各熱交換器で形成された環状列を
囲む位置に配置された多孔性の輻射熱送出体と,この輻
射熱送出体の外側に配置され上記輻射熱送出体を支持す
る支持体と,この支持体と前記輻射熱送出体との間に介
在した多孔性の断熱材層とを備え,前記輻射熱送出体お
よび前記断熱材層の少なくとも一方で前記燃焼ガスの流
量分布設定がなされてなるスターリングエンジンのヒー
タが提供される。
〔発明の効果〕
本発明によれば,各熱交換器で形成された環状列を囲む
位置に輻射熱送出体を配置している。このため,燃焼ガ
スのうち,熱交換器との直接的な熱交換に供されずに各
熱交換器間を通過した燃焼ガスは,輻射熱送出体を加熱
する。このように,輻射熱送出体が加熱されると,輻射
熱送出体から輻射熱が送出され,この輻射熱は熱交換器
を加熱する。したがって,従来,捨てられていた燃焼ガ
スの熱を効果的に回収でき,この熱で熱交換器を加熱す
ることができるので,熱交換効率を大幅に向上させるこ
とができる。これに加えて,輻射熱送出体の外側に断熱
材層を配置しているので,輻射熱送出体から送出される
輻射熱のほとんどを熱交換器の加熱に利用することがで
き,なお一層,熱交換効率を向上させることができる。
また,輻射熱送出体および断熱材層の少なくとも一方の
厚みや密度等の調整で各部を通流する燃焼ガスの流量分
布を設定しているので,各部を通流する流量が均一にな
るように予め設定しておきさえすれば,前述した機能を
損うことなく,各熱交換器の全体で熱交換を行なわせる
ことができ,より一層,熱交換効率を向上させることが
できる。
〔発明の実施例〕
以下,本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
第1図は,本発明の一実施例に係るヒータを組込んでな
る2ピストン方式のスターリングエンジンの縦断面図を
示している。
すなわち,このスターリングエンジンは,大きく別け
て,作動流体の膨張用に供されるパワーシリンダ(以
後,膨張シリンダと称す。)1と,この膨張シリンダ1
内に摺動自在に装着されたパワーピストン(以後,膨張
ピストンと称す。)2と,作動流体の圧縮に供されるパ
ワーシリンダ(以後,圧縮シリンダと称す。)3と,こ
の圧縮シリンダ3内に摺動自在に装着されたパワーピス
トン(以後,圧縮ピストンと称す。)4と,膨張シリン
ダ1と圧縮シリンダ3との間に設けられたヒータ5,再生
熱交換器6およびクーラ7と,膨張ピストン2および圧
縮ピストン4にそれぞれコンロッド8,9,クランク軸10,1
1を介して連結された出力軸12とで構成されている。
前記ヒータ5は,大きく分けて,膨張シリンダ1のヘッ
ド13を取り囲むように断熱材14を配置して形成された燃
焼室15と,この燃焼室15内に配置された複数の熱交換器
16と,燃焼室15に臨むように配置されたバーナ17と,燃
焼室15を取り囲むように配置され燃焼に必要な空気を燃
焼排ガスで予熱する空気予熱器18とで構成されている。
前記各熱交換器16は,それぞれ外形が棒状に形成されお
り,各流体通路の一端側を膨張シリンダ1内の頂部に通
じさせ,他端側をヘッド13内に形成されたマニホルド19
に通じさせて,バーナ17の中心線を中心とした環状列を
形成し,かつ全体で漏斗を形成する如く配置されてい
る。マニホルド19は,接続管20を介して再生熱交換器6
に接続され,この再生熱交換器6は熱交換器によって構
成されたクーラ7を介して圧縮シリンダ3内の頂部に接
続されている。そして,膨張シリンダ1と膨張ピストン
2とで囲まれた空間,各熱交換器16,マニホルド19,接続
管20,再生熱交換器6,クーラ7,圧縮シリンダ3と圧縮ピ
ストン4とで囲まれた空間からなる閉じられた空間には
作動流体としてのHeが封入されている。
しかして,前記各熱交換器16によって形成された環状列
の内側には,漏斗状に形成された整流板21が配置されて
おり,この整流板21には孔22が複数形成されている。ま
た,各熱交換器16によって形成された環状列の外側には
第2図に示すように多孔質の輻射熱送出体,たとえば積
層された金網23が環状列を取り囲む関係に配置されてお
り,この金網23の外側には,たとえばセラミック繊維で
形成された多孔質の断熱材層24が配置され,さらに断熱
材層24の外側には上記断熱材層24および前記金網23を支
持する支持板25が配置されている。この実施例の場合,
金網23としては,各熱交換器16間を通流する燃焼ガスの
流量を均一にさせ得る厚さあるいは密度に設定されたも
のが用いられている。また,断熱材層24としては,図中
上端部から下端部にかけて厚さおよび密度の均一なもの
が用いられている。さらに,支持板25としては,孔26を
多数有したものが用いられており,この支持板25の下端
部はヘッド13に固定されている。
なお,第1図中31は燃焼室15内から燃焼排ガスを排出さ
せるために燃焼室15の下端周縁に設けられた排出口を示
し,32,33はリニアベアリングを示し,34はクーラ7の冷
媒を通流させる冷媒管を示し,35は所定レベルまで潤滑
油が収容されたクランク室を示し,36は燃焼に必要な空
気を燃焼室15へ旋回流を与えながら送り込むスワラーを
示している。
このような構成であると,バーナ17に点火するとともに
冷媒管34に冷媒を通流させている状態で,外部動力源に
よって出力軸12を一時的に回転させると,この出力軸12
にクランク軸10,11,コンロッド8,9を介して連結されて
いる膨張ピストン2および圧縮ピストン4がある位相差
を以て往復動する。この往復動によって膨張ピストン2
が圧縮行程に移ると,膨張シリンダ1内のHeが各熱交換
器16,マニホルド19,接続管20,再生熱交換器6,クーラ7
を介して圧縮シリンダ3内に流れ込み,膨張ピストン2
が上死点に達した時点でHeのほとんどが圧縮シリンダ3
内に流れ込む。このとき,Heは再生熱交換器6を通過す
る間に,その保有している熱が再生熱交換器6に奪わ
れ,またクーラ7を通過する間にさらに冷却される。出
力軸12の回転に伴って圧縮ピストン4が下死点から上死
点に向けて移動を開始すると,圧縮シリンダ3内の低温
のHeが圧縮され,いままでとは逆の経路で膨張シリンダ
1内へ流れ込む。このとき,Heは再生熱交換器6を通過
する間に吸熱して高温に加熱され,次に各熱交換器16を
通過するときさらに加熱される。膨張シリンダ1内に流
れ込んだ高温のHeは,膨張して膨張ピストン2を押し下
げる。以後,上述した動作が繰り返され,外部動力源を
断った状態でも出力軸12が回転を継続し,スターリング
エンジンとしての機能を発揮する。
ところで,上記のような運転状態において,ヒータ5は
次のように作用する。すなわち,バーナ17から噴射され
た燃料とスワラー36を介して供給された空気との混合ガ
スが燃焼室15内で燃焼し,この燃焼ガスは整流板21によ
って形成された漏斗状の空間へと吹き込まれる。このよ
うに吹き込まれた燃焼ガスは,整流板21に設けられた孔
22,各熱交換器16間に形成された隙間,金網23,断熱材層
24,支持板25に形成された孔26を通って排出口31へと流
れる。燃焼ガスが熱交換器16間に形成された隙間を流れ
るとき,燃焼ガスの一部は熱交換器16に直接接触して熱
交換器16を加熱する。また,残りのガスは,金網23を通
過する間に金網23を加熱する。金網23が加熱されて赤熱
すると,この金網23から輻射熱が送出され,この輻射熱
によっても各熱交換器16が加熱される。この場合,金網
23の外側には断熱材層24が位置しているので輻射熱のほ
とんどは熱交換器16の加熱に供される。したがって,燃
焼ガスが有している熱の大部分を熱交換器16の加熱に利
用でき,熱交換効率を大幅に向上させることができる。
また,この実施例では,金網23の厚みや密度の調整で各
部を通流する燃焼ガスの流量をほぼ均一にしているの
で,実施例のように熱交換器相互の間隔が不均一な場合
でも熱交換器16の全体を均一に加熱することができ,な
お一層熱交換効率を向上させることができ,結局,前述
した効果を発揮させることができる。
なお,本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。すなわち,上述した実施例では,金網,つまり輻射
熱送出体の厚みや密度を調整して各部を通流する流量の
均一化を図っているが,輻射熱送出体と断熱材層との両
方,または断熱材層の厚みや密度を調整して流量の均一
化を図るようにしてもよい。また,断熱材層を海綿状セ
ラミックやガラス繊維で構成するようにしてもよい。そ
の他,本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係るヒータを組込んでなる
スターリングエンジンの縦断面図,第2図は同エンジン
を第1図におけるX−X線に沿って切断し整流板を取り
除いて矢印方向に見た図である。 1……膨張シリンダ,2……膨張ピストン,3……圧縮シリ
ンダ,4……圧縮ピストン,5……ヒータ,6……再生熱交換
器,7……クーラ,15……燃焼室,16……熱交換器,17……
バーナ,18……空気予熱器,21……整流板,23……輻射熱
送出体,24……断熱層,25……支持板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本郷 一郎 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝家電機器技術研究所内 (72)発明者 長友 繁美 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝家電機器技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−63347(JP,A) 実開 昭60−157965(JP,U)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】バーナを備えた燃焼室内に複数の熱交換器
    を上記バーナの中心線を中心とした環状列が形成される
    如く配置し,燃焼ガスを環状列の内側から各熱交換器間
    を通して外側へ向けて通流させ,上記各熱交換器で作動
    流体を加熱するようにしたスターリングエンジンのヒー
    タにおいて,前記各熱交換器で形成された環状列を囲む
    位置に配置された多孔性の輻射熱送出体と,この輻射熱
    送出体の外側に配置され上記輻射熱送出体を支持する支
    持体と,この支持体と前記輻射熱送出体との間に介在し
    た多孔性の断熱材層とを備え,前記輻射熱送出体および
    前記断熱材層の少なくとも一方で前記燃焼ガスの流量分
    布設定がなされてなることを特徴とするスターリングエ
    ンジンのヒータ。
  2. 【請求項2】前記輻射熱送出体は,金網を積層したもの
    で構成されてなることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載のスターリングエンジンのヒータ。
  3. 【請求項3】前記断熱材層は,セラミック繊維,海綿状
    セラミックおよびガラス繊維の少なくとも1種で構成さ
    れてなることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    スターリングエンジンのヒータ。
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