JPS5857052A - スタ−リング機関 - 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】 本発明は、スターリング機関の構造に関するものである
。

スターリング機関は、エンジン内部に水素、ヘリウム、
空気などのガス又は液体を作動流体として密封し、これ
を外部から壁を通して加熱し、熱エネルギを作動流体の
圧力エネルギに変換して仕事を得る閉サイクルの原動機
であり、古くに発明開発されたものであるが、その後に
開発されたオツトーエンジン、ディーゼルエンジンとの
競争に敗れ、忘れ去られてしまっている。しかし７なが
ら、ＪＬ近騒音、排気、各種燃料の使用、太陽熱の利用
等の問題よシスターリング板間が再び脚光を浴ひる。よ
うになり、各国で研究開発が進められている。

スターリング像−でも各種の方式のものが開発されてい
るが、その一つに単シリンダ当り一対のディスプレーサ
とパワーピストンを用い、シリンダーカバとディスプレ
ーサの間の高温室とディスプレーサとパワーピストンの
間の低温室との間を作動ガスを加熱器、再生器及び冷却
器を通して往復すると共に、高温室内の作動ガスをシリ
ンダーカバを通して加熱し、ディスプレーサとパワーピ
ストンを所要の位相差で動かすドライビング機構を組合
せた方式が有効な一つの方式として開発され、壕だ実用
にも供されている。更に年−シリンダに単一ピストンを
有するシリンダを４組または６絹設け、１つのピストン
の上部空間が隣接するピストンの下部空間を加熱器、再
生器、冷却器を介して連結され、これら４組または６組
の組合せでスターリング機関を構成するいわゆるＤｉＩ
７１型スターリスターリング機関本発明のスターリング
機関は、この両方式のいづれも適用できるものである。

スターリングサイクルは理想的には２つの等温変化と２
つの叫容変化よりなる可逆サイクルであり、カルノーサ
イクルと同様にその理論熱効率は熱源の温度比によって
定まる。即ち、淵度差が犬なる程理論熱効率が高い。

スターリング機関の問題点の一つに、ピストン、シリン
ダ等の高温度における耐熱性、給油の許されないピスト
ン、シリンダの粕漬及び高圧作動流体経路における封止
機構等がある。

本発明の目的は、作動ガスの加熱温度を上昇することが
でき、また作動ガスの伝熱面を介しての加熱が促進され
、作動ガスの移動の圧損失が減少され、機関効率が向上
されたスターリング機関を提供するにある。

本発明によるスターリング機関は、単一のシリンダ内に
１つのディスプレーす及び１つのパワーピストンを備え
、高温室カバと、ディスプレーサの間の高温室とディス
プレーサとパワーピストンの間の低温室、との間を作動
流体が加熱器、再生器及び冷却器を通して往復すると共
に高温室内の作動流体が高温室カバを通して加熱される
ディスプレーサ−パワーピストン型スターリング機関お
よび前記の複動蓋スターリング機関に関するものであり
、次の←）〜億）全てまたはこれらのいくつかの構成要
素を有することを特徴とするスターリング機関である。

（ａ）　　高温室カバがシリンダ室内に向けて湾曲突出
部を有し、且つ必要に応じて該湾曲突出部の周辺に中空
環状体状又は該湾曲突出部を中心とする同一円周上の複
数の円筒状体の周辺突出部を有する。

（１））　　該高温室カバの周縁が燃焼室カバと接合さ
れ、該高温室カバと燃焼室カバにて燃焼室が区画形成さ
れている。

（Ｃ）前記燃焼室カバを貫通して、前記湾曲突出部に向
けて燃焼ガスを噴射するバーナが設けられ、該高温室カ
バ周縁部または周辺突出部に排気枝管が挿入され、排気
枝管が複数の場合に各排気枝管は燃焼室外において排気
集合管に接続されている。

姓）　高温室カバの中央の湾曲突出部と周辺突出部の間
に、高温量カバと僅かな間隔を保ちて配置されるシリン
ダーカバチと、該高温室カバにて高温室が形成されてい
る。

（ｅ）　　ディスプレーサは前記高温室カバの中央突出
部に嵌合するようなヘッド形状を有する。

（ｆ）　　シリンダーライナ及び高温室カバの周辺突出
部を囲む円筒形のシリンダージャケットの一端が高温室
カバの周縁に結合され、該シリンダージャケットとシリ
ンダーライナの間に加熱器、再生器及び冷却器が収容さ
れている。

（ｇ）　　該加熱器は、高温室カバの周辺突出部と該突
出部に挿入された排、気枝管により形成される燃焼ガス
通路と、該周辺突出部の周囲に形成される作動流体通路
とによ多形成されている。この場合、この加熱器は湾曲
突出部だけで加熱面積が゛十分であるときには特に必要
としない。

本発明によるスターリング機関の好ましい態様において
は、前記シリンダーライナの作動ガスの低温室への連絡
孔を過ぎると個所にて、シリンダーライナとシリンダー
ジャケットの間が閉塞され、閉塞個所より再生器に到る
空域にシリンダーライナ、シリンタニジャケット及び再
生器のそれぞれに僅かな間隙を保持して複数個の両端閉
塞の円筒体がその軸心をシリンダーと平行として配設さ
れ、該円筒体の再生器より遠ざかる側部に冷却水導入管
が設けられ、円筒体の前記閉塞個所側の一端部より円筒
体先端に僅か々間隔になる迄排水管が挿入されて冷却器
が形成されている。

本発明によるスターリング機関の他の好ましい態様にお
いては、前記の高温室力、バ、又は該高温室カバ、シリ
ンダーライナ及びディスプレーサ頂部がセラミックス材
料よシなり、シリンダージャケットが金属材料よりなり
、該シリンダージャケット内部に断熱材がライニングし
である。

以下、本発明のスターリング機関を実施例の図面に基づ
いて説明する。第１図は本発明のスターリング機関の実
施例の縦断面図である。

第１図において、８は高温室カバ、６は燃焼室カバであ
る。高温室カバ８と燃焼室カッ（６とは互いに周縁でボ
ルト結合され、両者で燃焼室１８が区画形成されている
。高温室カバ８は、燃焼室１８よシ外方に向けて中央に
湾曲した中央突出部８ａを有している。中央突出部８ａ
の形状は伝熱、熱応力、機械的応力等を配慮して決定さ
れ簡単に数式で表すことはできないが、概ね円、隋円、
双曲線、放射物線等あるいはこれらと直線の組合せなど
の曲線を軸を中心として回転して得られる錐体に概ね類
似な形状をしている。高温室カバ８には、更に中央突出
部Ｂａの周辺に中央突出部８＆を中心とする同一円周上
の複数′（実施例では６個）の円筒体状の周辺突出部８
ｂを有している０周辺突出部８ｂはまた中央突出部８ａ
の中心と同窓の中空環状体状であってもよい。

燃焼室１Ｂ内には燃焼冨カバ６の中心を貫通して、中央
突出部８ａに向けて、゛先端に燃料ノズル７ａ及び空気
噴出孔？ｂを有する１乃至複数のバーナ７が設けられで
ある。バーナ７から燃焼ガスが中央突出部３ａに向けて
噴射され、燃焼ガスは中央突出部８ａを加熱しながら中
央突出部８ａの曲面に漕って周辺突出部８ｂの方向に向
う。

また、燃焼室１８内には燃焼室カバ６を貫電して、各周
辺突出部８ｂにそれぞれ１個づつの排気枝管８ａが挿入
され（周辺突出部８ｂが１個の中空環状体状の突出部で
あるときは、複数個の排気枝管８ａが等間隔に挿入され
る。）、各排気枝管８ａは、燃焼室１３外において排気
集合管８ｂに連結され（枝管８ａと集合管８ｂを総括し
て排気ダクト８と称する。）、燃焼室１８内の燃焼ガス
は中央突出部８ａ及び周辺突出部８１：Ｉを加熱した後
、排気ダクト８より排気１１として排出される。

高温゛呈カバ８の中央突出部８ａと周辺突出部８ｂの間
に、シリンターカバ８と僅かな間隔を保って円筒形のシ
リンダーライナ５が配置されている。

高温室カバ８とシリンダーライナ５で高温室が形成され
ている。

高温室にはディスプレーサ１及びパワーピストン２が備
えられている。ディスプレーサ１のロッド１ａは、パワ
ーピストン２及びそのロッド２ａを貫通して下方に延（
ＩＮしている。ロッド１ａはパワーピストン２及びその
ロッド２ａと滑動可能で、且つ滑動面の気密は保たれる
。ディスプレーサ１のロッド１ａとパワーピストン２の
ロッド２ａは、ロンビックドライブ機構すなわち通常の
クランク機構に接続される。

ディスプレーサ１は高温室カバ８の中央突出部８ａに嵌
合するようなヘッド形状を有している。高温室カバ８と
ディスプレーサ１の間で高温室１４が、ディスプレーサ
１とパワーピストン２の間で低温室１５が形成される。

シリンダーライナ５及び高温室カバ８の周辺突出部８ｂ
を囲み、円筒形の上部シリンダージャケット４がその上
端で燃焼室カバ６と共に高温室カバ８にボルト結合され
ている。上部シリンダージャケット４の下端は下部シリ
ンダージャケット１０とボルト結合、され、下部シリン
ダージャケット１０はシリンダーライナ５と上部シリン
ダージャケット４の間を閉塞している。

上部シリンダージャケット４とシリンダーライナ５の間
に加熱器１６、再生器９及び冷却器１７が収容されてい
る。また、上部シリンダージャケット４の内側に加熱器
１６及び掛生器９の収容位置を囲み、断熱材４ａがライ
ニングにしである。

高温室１４と加熱器１６の間は、高温室カバ３とシリン
ダーライナ５との間隙にて、低渦室１５と冷却器１７０
間はシリンダーライナ５に穿設した複数個の、又は複数
の支柱で連結された環状の連通孔５ａにて、それぞれ作
動ガスの流通の為に連通される。連通孔５ａはパワーピ
ストン２の上死点における先端より低い位置に穿設され
、パワーピストン２は先端より上死点において連通孔５
ａに接する個所に到るまで縮径してあシ、作動ガスの冷
却効率を上昇せしめである。

加熱器１６は、高温室カバ８の周辺突出部３ｂと、周辺
突出部８ｂに挿入された排気枝管８ａにより形成される
燃焼ガス通路と、周辺突出部８ｂとシリンダーライナ５
、断熱材４ａとの間に形成される作動ガス通路とにより
形成されている。

再生器９はシリンダーライナ５と上部シリンンージャケ
ット４（断熱材４ａ）の間の中間環状部を専有している
。次に冷却器１７の構成について説明する。冷却器１７
は加熱器１６と同様に所謂バヨネット型と称される構造
である。

下部シリンダージャケット１０の下側より再生器９に到
る空域にシリンダーライナ５、上部シリンダージャケッ
ト４及び再生器９にそれぞれ僅かな間隙を保持して、複
数個の両端閉塞の円筒体１０ａがその細心をシリンダー
ライナ中心と平行に配設されている。円筒体１０ａの再
生。

器９よシ遠ざかる側部に冷却水１２の導入管が設けられ
である。また、円筒体ｉｏａの下端よシ円筒体先端と僅
かな間隔となるまで排水管１０１）が挿入されている。

冷九器１７は以上の如くして構成されている。

次に、本発明のスターリ”ング機関の作動、特に本発明
のスターリング機関の特徴とする加熱行程及び膨張行程
の作動について、第１図の実施例に基づいて説明する。

第１図はディスプレーサ１が上死点から下降を始め、パ
ワーピストン２が上死点に向って上昇している状態、即
ち等容加熱の行程中を示すものである。低温室１５中の
低温ガスはパワーピストン２とシリンダーライナ５との
間の通路及び連通孔５ａを通過し、冷却器１７に入り、
更に再生器９に入シ昇温せしめられた後、加熱器１６で
殆んど最高温変寸で大幅に温度上昇する。ディスプレー
サ１の下降、パワーピストン２の上死点到着、下降に伴
い作動ガス収容容積が増大して膨張行程に入り、この間
引続いて高温室１４内に作動ガスが流入する。

従来のスターリング機関では、高温室への外部からの入
熱が十分満足に行なわれなかった為、高温室内の作動ガ
スが膨張に伴って温度低下する。即ち、従来のスターリ
ング機関では膨張行程で断熱膨張に近い温度低下が認め
られていた。

従来のスターリング機関においても、高温室カバの上部
を火炎によって直接加熱し、作動ガスの膨張時の温度降
下を防止し等温膨張せしめんと試みたものもあるが、こ
れらの機関においては高温室に流入する作動ガスが白熱
した高温室壁面に沿って流れない−また加熱、膨張行程
中高温室壁面を介しての作動ガスと燃焼ガスの流れが逆
流をなしていない等によシ熱交換効率が低い。このため
、作動ガスの温度が十分上昇せずパワーピストンの駆動
圧力が低下し、十分なサイクル効率が得られない。

このスターリング機関が従来のスターリング機関と大き
く異なる点の１つは、膨張工程中での高温室内作動ガス
の加熱である。即ち、高温室１４内に流入する作動ガス
は高温室カバ８とシリンダーライナ５との間の狭い間隙
によシ中央突出部８ａの表面に向けて案内され、中央突
出部８ａとこれに嵌合できる形状の頭部形状を有するデ
ィスプレーサ゛１との間の狭い空間を大きな流速で流れ
、燃焼ガスにより強熱され白熱した中央突出部３ａから
主として対流伝熱によシ吸熱する。この場合、対流伝熱
を促進するため、シリンダーライナを高温室ライナに接
触せしめ、シリンタ鞭イナの高温室カバとの接合部分付
近にシリンダーライナの軸線に対して傾斜した中心線を
有する連通口を設け、高温室に流入する作動ガスに強い
旋回を与えるようにｌ〜でもよい。

また、高温室カバが高温室に向けて深く湾曲しているこ
とは、加熱ｌｌＯ積を増大しかつ構造上の強度を大きく
するほかに高温室カバ又は高温室上部を逆に湾曲させた
場合に比べて、噴流状で高温室カバに衝突した燃焼ガス
が噴流と逆向きに湾曲した壁面に押し付けられながら流
れるため（後者の場合は周縁部で剥離流となる）、強い
対流伝達が燃焼ガスから高温室カバに対して行なわれる
。十分に考慮された設計では、本発明の場合従来のスタ
ーリング機関の加熱器における燃焼ガスと加熱器壁面の
熱伝達率に比べて、約１５倍相度の熱伝達率が燃焼ガス
と高温室カバの伝熱において期待される。また、バーナ
で燃焼用空気に大きな圧力降下を与えることができるの
で、燃焼ガスの高速噴流を高温室カバに衝突させること
ができ高い熱伝達率が得られる。更にこの高温室カバ８
（この場合は中央突出部８ａ）を介しての燃焼ガスと作
動ガスの熱交換は、両ガスの流れが作動ガスの加熱、膨
張行程中中央突出部８ａ壁面を介して対向流をなしてい
るので、極めて効果的に行なわれる。

これによって、このスターリング機関では殆んど等温で
の作動ガスの膨張が達成され、サイクル効率は従来に比
し飛躍的に増大する。

さらに、また加熱及び膨張行程においては加熱器１６に
おいて、燃焼ガスと作動ガスが周辺突出部８ｂの壁面に
沿って高速で、しかも対向流をなして流れるので熱交換
かつ極めて効果的で充分な作動ガスの加熱が行なわれる
。

加熱器１６においては、作動ガスの冷却期間中筒温室１
４から流出する作動ガスと、周辺突出部８ｂを介して流
れる燃焼ガスは並行して流れる為、膨張して若干温度が
下り気味の作動ガスへの熱伝達量が減少し、再生器９の
蓄熱容量が少くて済み、配管死容積が少さくなりサイク
ル効率が向上する。

冷却工程における冷却器１７においては、前述の加熱及
び膨張行程における加熱器１６におけると同様に（両者
が所謂バヨネット型構造であることによる。）、作動ガ
スと冷却水１２今円筒体１０ａ壁を介して互いに対向流
で流れているので、作動ガスの冷却が極めて効果的に行
われる。

更に、加熱器１６及び冷却器１７に従来のような長い細
管を使用せず、太くて短い管を使用している為、単位伝
熱面積当りの作動ガス圧力損失が大幅に小さくなるので
熱交換にかかる両流体を高速で流すことができ、熱伝達
率が者しく増大するだめサイクル効率が従来に比して大
幅に向上することになる。なお、適切に設計することに
より、従来の細管型に比し圧力損失を約１／２０　程度
にすることができる。なお、冷却器を従来のようにシェ
ルアンドチューブ式にすることも勿論可能であり、その
場合は冷却器をシリンダージャケットと別体とすること
もできる。冷却器をバヨネット型とすることは望しいこ
とであるが、本発明に必要なものではない。

本発明のスターリング機関では、高温室カバが高温室側
からみて凸形状をなしているので、内圧により高温室カ
バに圧縮応力が生じ高温室。

カバに圧縮強度の大きいセラミックス材を使用した場合
、高い内圧に対して容易に耐えることができる特徴を有
する。従来の凸形状のシリンダーカバでは内圧を高くし
た場合大きな引張応力が発生し、引張強度の小さいセラ
ミックス材は使用できず、金属材のみが用いられていた
。

このため、シリンダーカバの温度も低く押えざるを得す
、シリンダーカバから作動ガスへの大きな熱伝達は最初
から期待し得なかった。

また、本発明のスターリング機関においてはシリンダー
ライナの内外圧がほぼ同一にされるので、シリンダーラ
イナの強度や担が軽減されシリンダーライナにセラミッ
クス材の適用が可能である。

本発明のスターリング機関においては、シリンダーカバ
、シリンダーライナ、ディスプレーサ及び排気管にセラ
ミックス材を使用することができる。これにより燃焼ガ
ス福１度（ｒ−２００，０℃程度まで高めることが可能
となりサイクル効率を上昇することができる。また、こ
れにより作動ガス温度は膨張工稈中、貴生器出口で約１
０００℃、高温室内で約１２００℃に達する。

この結果、燃焼排ガスも排ガス集合管入口で約７５０℃
程度になる。このため、本発明のスターリング機関は容
易に過絽化することができる。

即ち、燃焼装置内圧力を例えば８驚Ｇとすると排気ガス
タービンへ２．５％Ｇ、７５０℃の排ガスが流入し、排
気ガスタービンは排気ガスタービンと同軸の燃焼用空気
の圧縮機を駆動する。

雫・ こり結果、排気ガスタービン出口の排ガス温度は約４５
０℃程度まで低下する。燃焼用空気の圧縮機、即ち過給
機を肢けることにより、燃焼用空気圧送に璧する動力が
節約できると共に、燃焼圧が高いことから燃焼装置容積
、加熱器容積が小さくでき更に過給機よりの排ガスによ
って燃焼用空気を予熱する空気予熱器の容量（伝熱面積
、スペース）を小さくできる。

本発明のスターリング機関は以上の如く構成され、且つ
作動する。本発明のスターリング機関の特徴及び効果を
要約すると次のとおりである。

（１）膨張行程において高温室中及び高温室に流入する
作動ガスと燃焼ガスは、中央突出部の壁面を介して互い
に大きな流速で対向流で流れるので、燃焼ガスより作動
ガスへの熱伝達は極めて効果的に行なわれ、膨張に伴う
作動ガスの温度低下が防止され、膨張行程をより等温変
化に近づけることができ、サイクル効率が向上せしめら
れる。

（２）加熱、膨張行程において加熱器において加熱器に
おいて作動ガスと燃焼ガスは周辺突出部壁を介して、互
いに大きな流速で対向流で流れるので燃焼ガスより作動
ガスへの熱伝達が極めて効果的に行われる。

また、作動ガスの冷却行程においては、加熱器において
作動ガスと燃焼ガスは前述と逆に並行して流れるので、
作動ガスへの熱伝達量が減少し再生器の蓄熱容量が少々
くて済み配管死容積が小さくなりサイクル効率が向上す
る。

（８）冷却器を所謂バヨネット型として図のように配置
することにより、冷却行程における冷却器の冷却を効果
的に行うことができる。

（４）　　”７ｉｏ熱器及び冷却器における作動ガスの
圧力損失が少ない。従来の細管型に較べて圧力損失を約
１／２０とすることができる。

（５）　　シリンダーカバにセラミックス材を使用する
ことができるので、加熱温度を上昇することができ機関
効率を上昇することができる。

（６）゛　シリンダーライナの内外圧をほぼ同一にする
ことによシリンダーライナの強度負担を軽減し、セラミ
ックス材の適用が可能である。

（７）　　シリンダーカバ、シリンダーライナ、排気管
等にセラミックス材を使用することができるので、スタ
ーリング機関本体のサイクル効率を上昇できるばかシで
なく、排ガス出口温度上昇により機関の高過給化が容易
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスターリング機関の実施例の縦断面図
である。 １　・・・・・・ディスプレーサ　　２・・・・・・パ
ワーピストン８　・・・・・・シリンダーカバ　　８ａ
・・・中央突出部８ｂ・・・・・・周辺突出部　　　　
　４・・・・・・上部シリンダージャケット４ａ・・・
・・・断熱材　　　　　　５・・・・・・シリンダーラ
イナ５ａ・・・・・・連通孔　　　　　　８ａ・・・排
気枝管８ｂ・・・・・・排気集合管　　　　９・・・・
・・再生器１０　・・・・・・下部シリンタージャフッ
ト１０ａ・・・円筒体１０ｂ・・・・・・排水管　　　
　　１８・・・・・・燃焼室１４　・・・・・・高温室
　　　　　１゛５・・・・・・低温室１６　・・・・・
・加熱室　　　　　１７・・・・・・冷却室才ｌ田。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　高温室内の作動流体が高温室カバをＭ−４シて加熱
   されるスターリング機関において、ａ・高温室カバが高
   温室内に向けて中央に大きな湾曲突出部を有し、該高温
   室カバの周縁が燃焼室カバと接合され、該高協室力・く
   と燃焼室カバにて燃焼室が区画形成され、ｂ・前記燃焼
   室カバを貫通して高温室カバＶこ向けて）ｅ、焼ｊｊス
   を噴射するバーナが設けらｉｔ、Ｃ・高温室カバの湾曲
   突出部を囲んで、かつ該湾曲突出部と僅かな間隔を保っ
   てｆｉｌｌ置されるシリンダ受けと、該測温室カバにて
   θｆ１温￥が形成され、 ｄ、シリンダライナを囲むシリンダジャケットの一端が
   〜＋流室カバの周縁に結合され、−くシリンダジャケッ
   トとシリンダライナの曲に再生器が収容さ′ｉ＋でいる
   。 ことを持仏とするスターリングｇ関。 １　−１’Ｉｊ１Ｍにシリンターライナの作動ガスの低
   温室への連絡孔の位置を過ぎる個所にて、シリンターラ
   イナとシリンダージャケットの間が閉塞され、閉塞＋１
   ７ＩＩＦ’）ｊより再生器に到る空域１にシリンターラ
   イナ、シリンダージャケット及び再生器のそれぞれに告
   かな間隙を保持して、複数（ＩＥの両端閉基の円筒体が
   その軸上・をシリンダΣ平行として配設芒れ、該円筒体
   の再生器より遠ざかる側部に冷却水導入管が設けられ、
   円筒体の’ｆ３１Ｊ　８６閉購個ｂ「側の端部より円筒
   体先端に１午かな曲噛になる贅で排水管が挿入されて冷
   ’ｆｌｕ器が杉欣１されているｔ＋ｆ；ｊ’ｆ拍求の範
   ＩＪＨ第バ、シリンダーライナ及びディスプレーサがセ
   ラミックス材料よりなり、シリンダージャケットが金Ｊ
   ＰＡＩＩ料よりなり、該シリンダージャケット内部に繭
   熱材かライニングしである特ｔＦＦ請求の範囲第１項又
   は第２項のスターリング機関。