JPH0747945B2 - スタ−リングエンジン - Google Patents

スタ−リングエンジン

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JPH0747945B2
JPH0747945B2 JP59167282A JP16728284A JPH0747945B2 JP H0747945 B2 JPH0747945 B2 JP H0747945B2 JP 59167282 A JP59167282 A JP 59167282A JP 16728284 A JP16728284 A JP 16728284A JP H0747945 B2 JPH0747945 B2 JP H0747945B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明はスターリングエンジンに係り、さらに詳細に
は、燃焼室内の高温ガス流に偏りがなく、かつ熱交換率
をより向上させることができるスターリングエンジンに
関する。
［発明の技術的背景およびその問題点］ 一般に、スターリングエンジンは、第１図に示すごとき
等温膨張→と、等積冷却→と、等温圧縮→
と、等積加熱→との４つの過程で形成されるスター
リングサイクルを実現しようとするものである。上記ス
ターリングサイクルを実現するためのスターリングエン
ジンの１つとしては、第２図にその概略を示す如く、約
90゜の位相差をつけられた第１のパワーピストン10と第
２のパワーピストン12を嵌入した第１のシリンダ14と第
２のシリンダ16とを有し、その第１のシリンダ14と第２
のシリンダ16とが３つの熱交換器すなわち加熱器18,再
生器20,冷却器22を介して接続されている２ピストン形
のものが知られている。上記第１のシリンダ14と第２の
シリンダ16とを接続することによって形成された空間内
には所定量の作動流体が封入されており、上記加熱器18
および冷却器22によって加熱あるいは冷却される。上記
のごときスターリングエンジンの動作を説明すると自立
運転後は、等積加熱期間において第１のパワーピストン
10は上死点より下降し、膨脹スペースは加熱膨脹（圧力
は上昇）する。第２のパワーピストン12も同時に上死点
方向に上昇するため作動流体容積は変わらず、低温の作
動流体は高温側へ移動するとき、再生器より熱を回収し
て高温になる。そして、等温膨脹期間において、第１の
パワーピストン10は更に下降し、第２のパワーピストン
12も下降するため、作動流体空間は膨脹し、圧力は低下
する。この期間で上記スターリングエンジンはヒータの
加熱により外部に力を出力する。等積冷却期間において
は、第１のパワーピストン10は下死点より上昇し、第２
のパワーピストン12は下死点へ下降するため、作動ガス
容積は変わらず、高温作動ガスは低温側へ移動し、再生
器20に蓄積し低温になる。等温圧縮期間においては第１
のパワーピストン10は更に上昇し、第２のパワーピスト
ン12も上昇するため、作動流体空間は圧縮され、圧力は
上昇する。この期間で上記スターリングエンジンは外部
からの力を受ける。
そして上記等温膨脹時に外部へ出力する力と上記等温圧
縮時に外部から受ける力との差が上記スターリングエン
ジンの正味の出力となり、その大きさは膨脹時と圧縮時
における温度の差及び封入ガスの量に比例する。上記再
生器20は、等積冷却器の熱量を温度差も維持しながら蓄
えておき、等積加熱時にこれを再生して利用するための
ものであり、これにより高い熱効率を得ることがでる。
ところで、従来の２ピストン形スターリングエンジンに
おいては、第３図に示す如く第２のシリンダ24の上部に
第２のパワーピストンの動作方向とほぼ直角方向に伸び
る冷却器25の一端が設けられ、その冷却器25の他端に再
生器28の一端が設けられている。その再生器28の他端と
第１のシリンダ26の上部とが複数の加熱パイプ30で結ば
れ、その加熱パイプ30の周囲に燃焼ダクト32が設けられ
燃焼室34を形成している。そして、上記燃焼ダクト32の
燃焼ガス入口35から、燃焼ガスを導入して燃焼させ、加
熱パイプ30中の作動流体に熱を加える構成となってい
る。しかしながら、このような従来のスターリングエン
ジンでは、その構造上、上記複数の加熱パイプ30の長さ
が均一ではないため、第１のシリンダ26から再生器28ま
での作動流体流路の長さが不均一となる。従って、上記
各加熱パイプ30における加熱状態での高温流体の流量が
不均一となり、流量の少ない加熱パイプにより加熱パイ
プを加熱する燃焼ガスのガス温度が抑制されるため、熱
入力が少なくなりエンジンの出力性能が低下してしまう
ものであった。また、上記スターリングエンジンは、そ
の構造上、燃焼室34における加熱部材すあわち上記加熱
パイプ30が加熱され膨脹すると夫々の接続部分にむりな
力がかかり、装置の寿命を縮める原因となるものであっ
た。また燃焼ガスの分布も不均一になり、熱交換効率の
向上を妨げるものであった。
［発明の目的］ 本発明の目的は、伝熱管が加熱される際にその接続部分
に無理な力がかからないようにして装置寿命を長くする
とともに、伝熱管内における作動流体の流量を均一化し
て出力性能を向上させ、さらに伝熱管が配置される燃焼
室内における燃焼ガスの分布を均一化して熱交換効率を
向上させることにある。
［発明の概要］ 上記のごとき目的達成するために、本発明においては、
所定の位相差を有する第１のパワーピストンと第２のパ
ワーピストンを備えると共に、第１のパワーピストンを
嵌入した第１のシリンダおよび第２のパワーピストンを
嵌入した第２のシリンダを備え、第１のシリンダと第２
のシリンダとを加熱器、再生器および冷却器を介して接
続することにより形成された空間内に作動流体を封入
し、この作動流体を前記加熱器および冷却器によって加
熱あるいは冷却することにより駆動されるスターリング
エンジンにおいて、前記第１のシリンダのシリンダヘッ
ドにマニホールド部およびこのマニホールド部と上記再
生器とを連通すべく再生器通路を設け、かつ上記シリン
ダヘッドにマニホールド部と上記第１のシリンダとを連
通する複数の伝熱管の一端を接続し、伝熱管の他端を前
記加熱器における燃焼室空間中に位置させてなるもので
ある。
［発明の効果］ この発明のスターリングエンジンによれば、第１のシリ
ンダヘッドにマニホールド部およびマニホールド部と再
生器とを連通すべく再生器通路を設け、かつ上記シリン
ダヘッドにマニホールド部と第１シリンダとを連通する
複数の伝熱管の一端を接続し、伝熱管の他端を前記加熱
器における燃焼室空間中に位置させてなるものであるか
ら、伝熱管が加熱される際に接続部分に無理な力がかか
らず、装置寿命を長くすることができる。また、各伝熱
管の作動流体の流通する流路長をほぼ等しく形成できる
ため、作動流体の流路抵抗がほぼ等しくなり、伝熱管を
加熱する燃焼ガスのガス温度を上昇させることができ、
熱入力を大きくできてエンジンの出力性能を向上させる
ことができる。
また、伝熱管の少なくとも１本は、再生器通路を貫通し
て第１シリンダに接続される細管と、再生器通路に接続
した外部管を備えるものとして、複数の伝熱管を同心円
状にほぼ等間隔に配列可能なため、燃焼室内の高温燃焼
ガスの流量分布を均一化できるとともに、伝熱面積がよ
り増加して熱交換効率の向上を図ることができる。
［発明の実施例］ 以下、第４図〜第７図を用いてこの発明の１実施例につ
いて説明する。
第４図を参照するに、本実施例に係るスターリングエン
ジン40は、重力方向に固定された第１のシリンダ42に所
定の角度傾斜して設けられた第２のシリンダ44を有して
おり、上記第１のシリンダ42内には第１のパワーピスト
ン46が移動自在に収納され、上記第２のシリンダ44内に
は第２パワーピストン48が移動自在に収納されている。
上記２つのシリンダの傾斜角は、２つのピストンが位相
差90゜の角度を持って駆動可能を傾斜角で設置されてい
る。上記第２のシリンダ44の上部には、冷却器50が取り
付けられており、上記冷却器50には再生器52が取り付け
られている。第１のパワーピストン46および第２のパワ
ーピストン48は、第１のパワーピストン46および第２の
パワーピストン48の移動によりクランク軸53が回転する
様にコネクティングロッド54,56を介してクランク軸53
に連結されている。
上記第１のシリンダ42の上部には、加熱器58が設けられ
ており、上記加熱器は、上記第１のシリンダ42の上部に
断熱材60により形成された燃焼室62を有しており、膨脹
シリンダヘッド64の頂部外周部には複数の伝熱管66が同
一円周上に前もて決められた角度で傾斜して装着されて
いる。すなわち、上記シリンダヘッド64は、第５図に示
される様にシリンダヘッド下部68と、シリンダヘッド上
部70と、上記シリンダヘッド下部68とシリンダヘッド上
部70との間に介設されたマニホールド部材72とから成
り、上記シリンダヘッド上部70とマニホールド部材72に
は、上記複数の伝熱管66を前もって決められた角度で傾
斜して装着するための複数の孔74,76が設けられてい
る。上記シリンダヘッド64は、上記伝熱管66を装着した
状態でマニホールド部78を形成する様に構成され、上記
伝熱管66内には、おり返して二重に形成されたガス通路
80が設けられ、そのガス通路80の一端82は、上記第１の
シリンダ42の上部に連通され、他端84はおり返して上記
マニホールド部78に連通している。上記マニホールド部
78には、上記再生器52へ作動流体を導くための再生器通
路86が設けられており、上記再生器通路86に対応する位
置には、上記伝熱管66のうち他のものと構成の異なる特
別の伝熱管88が装着されている。
この伝熱管88には、第５図に示すように、中側伝熱管90
が設けられており、この中側伝熱管90内には、上記再生
器通路86を貫通して第１のシリンダ42に接続した細管92
が設けられている。また中側伝熱管90の外側には前記細
管92に接続すると共に前記マニホールド部78に接続され
た外部管94が設けられている。また、第１のパワーピス
トン46の頂部中央に椀状の凹部46aが形成され、この凹
部46aの形状に対応させて膨脹シリンダヘッド64の下面
すなわち前記マニホールド部材72の下面には半球状の凸
部64aが形成されている。
上記のごとき構成において、第１のシリンダ42側からガ
ス通路80の一端82を経て上記伝熱管66内に流入した作動
流体は、上記ガス通路80の他端84から上記マニホールド
部78を通って再生器52側へ移送され、第１のシリンダ42
側から細管92内を経て上記特別の伝熱管88内に流入した
作動流体は、中側伝熱管90と外部管94との間の筒状の間
隙96およびマニホールド部78を通って再生器52側へ流出
する構成となっている。
従って、上記第１のシリンダ42から伝熱管66,88を経由
し再生器52までの作動流体流路の長さがほぼ均一とな
り、上記作動流体の流量も均一となる。よって、上記伝
熱管66,88の温度もほぼ均一となり、上記燃焼室62にお
ける伝熱管66,88の加熱温度を高く設定することがで
き、エンジンの出力性能が向上するものである。また、
上記伝熱管66,88は、上記燃焼室62内で一端は固定され
ているが他端がフリーになっている。従って、上記伝熱
管66,88が加熱され膨脹しても、その膨脹は、伝熱管の
軸方向にその延びを逃すことができるので、装置の他の
部分に悪影響を及ぼすことがなく、装置寿命を長くする
ことができる。
また、燃焼室62の上部には高温ガスを噴射するための燃
焼器98が設けられており、燃焼室62内で発生した排気は
予熱器100を経て排気筒102から排気される。
以上のごとき構成において、燃焼器98の燃焼により発生
した高温ガスは燃焼室62内を旋回しつつ伝熱管66,88を
加熱し、各伝熱管66,88の間を通過して予熱器100側へ流
出する。このとき、膨脹シリンダヘッド64にはマニホー
ルド部78及び再生器通路86を形成してあるものの、この
部位には細管92及び外部管94を備えた特別な伝熱管88を
配置することで、各伝熱管66,88は同心円状に略等間隔
に配列されることになるため、各伝熱管66,88相互間に
おける高温ガスの流路抵抗はほぼ等しく、高温ガスの流
量分布は略均一化され、各伝熱管66,88をより均一的に
加熱することができるとともに、伝熱面積が増大して熱
交換効率がより一層向上する。また上記伝熱管66,88は
前述した如くに決められた角度で傾斜しているので高温
ガスの熱が効率よく上記伝熱管66,88に伝わるものであ
る。
各伝熱管66,88の加熱により内部の作動流体が加熱され
て第１のシリンダ42内へ供給されると、第４図において
第１のパワーピストン46が下降しクランク軸53を回転さ
せる。そして、第１のパワーピストン46が上昇するとき
には、作動流体は第１のシリンダ42から排出され、再生
器52を経て冷却器50へ流出される。作動流体が冷却器50
へ流出するとき、再生器52内に充填されている蓄熱材に
熱を与え冷却される。冷却器50において作動流体はさら
に冷却され、第２のシリンダ44側に流入する。第２のシ
リンダ44側に流入した作動流体は、第２のパワーピスト
ン48の上昇行程で圧縮され、圧縮された作動流体は再生
器52側へ移送される。そして、作動流体は、再生器52内
の蓄熱材から熱を奪いながら温度を上昇して伝熱管66,8
8へ流れ、そこで再び高温ガスによって加熱膨脹させら
れる。ここで、前述した如く第１のパワーピストン46の
頂部は凹状に形成され、膨脹シリンダヘッド64の下面は
凸状に形成されているため、前記第１のパワーピストン
46の上昇時には、第５図に示すように第１のパワーピス
トン46によって押し出される作動流体は、矢印のように
流れ、従来のようにピストン頂部を平面状あるいは半球
の突出した曲面に形成された場合に比べて流路抵抗が少
なく、第１のシリンダ42内から円滑に排出されるもので
ある。
流路抵抗が少くなることで、作動流体の圧力損失を小さ
くできると共に伝熱面積が大きくなるので伝熱量を増加
させることができる。
なお、この発明は前述の実施例に限定されるものではな
く、適宜の変更を行なうことにより、その他の態様で実
施可能である。例えば、第２のパワーピストンの頂部に
凹部を形成させてもよい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、スターリングサイクルのＰ−Ｖ線図；第２図
は、一般の２ピストン形のスターリングエンジンの基本
構成図； 第３図は、従来の２ピストンの形のスターリングエンジ
ンの概略構成図； 第４図は、本発明を実施したスターリングエンジンの全
体断面図； 第５図は、第４図に示すスターリングエンジンの伝熱管
部の拡大断面図； 第６図は、第４図に示すスターリングエンジンにおける
VI矢視図； 第７図は、第５図に示す伝熱管部のマニホールド部材の
平面図である。 46……第１のパワーピストン 48……第２のパワーピストン 42……第１のシリンダ、44……第２のシリンダ 52……再生器、50……冷却器 78……マニホールド部、86……再生器通路 66,88……伝熱管、92……細管 94……外部管
フロントページの続き (72)発明者 佐久間 勉 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 香川 澄 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 駒木根 隆 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 岩崎 敏則 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58−25556（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−158499（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】所定の位相差を有する第１のパワーピスト
    ンと第２のパワーピストンを備えると共に、第１のパワ
    ーピストンを嵌入した第１のシリンダおよび第２のパワ
    ーピストンを嵌入した第２のシリンダを備え、第１のシ
    リンダと第２のシリンダとを加熱器、再生器および冷却
    器を介して接続することにより形成された空間内に作動
    流体を封入し、この作動流体を前記加熱器および冷却器
    によって加熱あるいは冷却することにより駆動されるス
    ターリングエンジンにおいて、前記第１のシリンダのシ
    リンダヘッドにマニホールド部およびこのマニホールド
    部と上記再生器とを連通すべく再生器通路を設け、かつ
    上記シリンダヘッドに、マニホールド部と上記第１のシ
    リンダとを連通する複数の伝熱管の一端を装着し、伝熱
    管の他端を前記加熱器における燃焼室空間中に位置させ
    てなることを特徴とするスターリングエンジン。
  2. 【請求項２】前記複数の伝熱管は、同心円状にほぼ等間
    隔に配置し、そのうち少なくとも１本は、前記シリンダ
    ヘッドに形成された再生器通路を貫通して第１のシリン
    ダに接続した細管を備えると共に、再生器通路に接続し
    た外部管を備えてなることを特徴とする特許請求の範囲
    第１項に記載のスターリングエンジン。
  3. 【請求項３】第１のパワーピストンあるいは第２のアワ
    ーピストンの少なくとも一方のパワーピストンの頂部に
    半球形状の凹部を形成してなり、このパワーピストンに
    対応するシリンダヘッドの内面に、上記凹部に対応する
    半球形状の凸部を形成してなることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項または第２項に記載のスターリングエン
    ジン。
JP59167282A 1984-08-11 1984-08-11 スタ−リングエンジン Expired - Fee Related JPH0747945B2 (ja)

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