JPS5865957A - 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、スターリング機関に係り、更に詳しくは、ス
ターリング４幾関の加熱設備の改良に関するものである
。

スターリング機関に２、エンジン内部に水素。

ヘリウム、空気などのガスを作動流体として密ネルギ全
作動流体の圧力エネルギに変換１−７て仕事ケ得る閉サ
イクルの原動機であり、古くに元明開発されたものであ
るが、その後に開発されたオッ゛トーエンジン、ディー
ゼルエンジンとの競争に敗れ、忘扛去ら扛てし寸ってい
る。し７かしながら、最近騒音、排気、各柚燃利の使用
、太陽熱の利用等の問題より、スターリング機関が再び
脚光ケ浴びるようになり、各１囚で研究開発が進められ
ている。

スターリンク機関でも各押刃式のものが開発さ扛ている
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
サの曲の高温室とディスプレーサとパワーピストンの間
の低温室との開音作動カスを加熱器、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
トン全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ている。更に
単一ピストンを有する単一シリンダ全４組又は６組設け
、１つのピストンの上部空間が隣接するピストンの下部
空間に加熱器、再生器、冷却器を介して連結され、こ゛
れら４組又は６組の組合せでスターリング機関を構成す
るいわゆる複動型スターリング機関も開発されている。

本発明のスターリング機関は、これらの方式のいずれに
も適用できるものである。

スターリング４幾関ルは、理想的には、２つの等温変化
と２つの等容質化よりなる可逆ザイクルであり、カルノ
ーザイクルと同様にその理論熱効率は熱源の温度比によ
って定する。即ち、温度差が大なる程理論熱効率が高い
。

また、スターリング機関においては、作動流体か外部か
ら壁を通（〜で力１熱されるものであるので、この壁全
通しての熱伝達量、即ち加熱器の容量にスターリング機
関の連合を左右するといっても過言でない。ディスプレ
ーザ上部の高温室を囲むシリンダーカバを加熱器又は加
熱器の一部とするスターリング機関において、該加熱器
についても各種の形態のものが提案されている。単に先
端を球面状とした円筒体の加熱器も提案されているが、
伝熱面積が小さい為、作動流体を短時間に充分加熱する
ことができない。

壕だ、加熱器の表面積を大きくするために、多数のフィ
ン付Ｕ字細管をディスプレーザ全収芥する高温室上部に
設ける方式のものが提案されている。しかしながらこの
方式においては、Ｕ字細管の高温室シリンダへの接合に
多大の工数と高度の技術を必要とすると共に、Ｕ字細管
が細長いため、振動を発生し易く、高温室シリンダとの
接合部の折損事故が多発していた。

また従来、熱源、特に燃焼ガスから加熱器への伝熱は、
燃焼ガスから加熱器壁面への強制対流伝熱が主であった
。これは限定されたスペースにエンジンを収容するとい
う構造上の要請から、輻射伝熱にとって大きな影響因子
である゛９ガス厚み″が十分とれない為、輻射伝熱によ
るものは強制対流伝熱によるものに較べて極めて少ない
。強制対流熱伝達率に、ガス流速、ガス圧力にもよるが
、従来は概ね５０〜６０　ｋｒＡｌ　／ｎ？　ｉｎ　℃
に過ぎないので、所要の伝熱の為にｍ：非常に大きな伝
熱面積を必要としていた。この為に、前述のよう庁多数
のフィン（＝ｔ　Ｕ字細管の取付等が必要とされていた
。

本発明の目的は、加熱器の構造が１’／ｌ“ｉ単で製作
が容易で、製作費が低減されると共に、燃ジ４″１１．
ガスより作動流体への熱伝達率が著しく向上されたスフ
−リング機関全提供するにある。

本発明の第１の発明によるスターリング機関は、高温室
内の作動流体が先端が閉じた円筒体状の加熱器全通して
加熱きれるスターリング機関において、該加熱器内に冒
温室壁を構成するシリンダライナの先端に連結され、該
加熱器との間に僅小な間隙を保って作動流体の通路を形
成すると共に、その先端部と基部との間に作動流体の流
通孔を穿設［〜だ円柱体の中子が設けられ、高温室が該
中子に穿設された流通孔及び該中子と加熱器との間の通
路を経で内生器に連通ようにし７であることを特徴とす
るスターリング機関である。

本発明の第２の発明によるスターリング機関は、前記第
１の発明のスターリング機関に、更に、前記加熱器が、
該加熱器を所要の間隔を保って囲む外筒内に収容され、
該外筒内には、該力ｌ熱器及び該外筒内壁と適宜な間隔
を保ち、燃焼バーナと接続する空間をその内側に有する
多孔質の円筒体が設けられ、該多孔質筒体内にて発生し
た燃焼ガスが該多孔質筒体を貫通して該外筒より排出さ
れるようにしであることを特徴とするスターリング機関
である。

本発明の第２の発明によるスターリング機関の好丑しい
一態様においては、前記加熱器は、外周面に軸方向の複
数個のフィンを有し、前記多孔質筒体は該フィン付加熱
器と所要の間隔音形成させる凹凸を円周方向に設けであ
る。

本発明の第２の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、前記燃焼バーナが前記加熱器
の先端部に対向する個所に設けられ、前記多孔質筒体の
該バーナに近い端部が前記外筒に保持され、その間が閉
鎖され、該バーナより遠ざかる端部が前記加熱室に保持
され、その間が閉鎖されている。

不発明の第２の発明によるスターリング機関の更に他の
好捷しい一態様においては、前記多孔質筒体が燃焼ガス
の流れ方向に複数段に分割さ扛、各多孔質筒体が燃焼ガ
スの流れ方向に向けて縮径され、又０、縮径されること
なく、上流側が燃焼筒に、下流側が加熱室にそれぞれ固
定されている。

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。先ず、第１図に基づいて、不発明が適用
されるスターリング機関の一例について、従来のスター
リング機関と共通する項について簡単に述べる。

シリンダライナ７（土部ライナ７ａと下部ライナ７ｂよ
りなる。）内にディスプレーサ８及びパワーピストン９
が収容され、それぞれロン（９） ドを有し、クランク機構、ロンビックドライブ機構など
の動力取出し機構に接続され、一定の位相差でシリンダ
ライナ７内で上下に往復摺動せしめられる。ディスプレ
ーサ８とシリンダヘッドの加熱器２（本発明は加熱器に
特徴を有すが、単にシリンダヘッドを加熱器としたもの
Ｃ：従来よりある。）との間に高温室１３が、ディスプ
レーサ８とパワーピストン９との間に低温室１７が形成
される。

加熱器２はシリンダライナ７の係より大な径ヲ有し、シ
リンダライナ７との間に所要の間隙を形成し、シリンダ
シイナ７上端より延伸し、先端を閉鎖した円筒形をなし
、基部で、中央にシリンダライナ７を貫通させている管
板１１に固定されている。加熱器２と−Ｆ部ラうイアａ
との間に再生器６が形成されている。

加熱￥２の外側には、加熱￥２と所要の間隔を保って先
端閉鎖のＨ筒形の外筒４が設けられている。外筒４は鉄
皮４ｂと断熱ライニング４ａよりなり、その基部で加熱
器２と共に管板１１に（１０） 固定されている。外筒４の頂部には、空気［］１ａ及び
燃焼ノズルｌｂ’（＜有する燃９３’ｔ、バーナ１が開
口している。加熱室２頂部と外筒４との間に燃焼ゾーン
２０が形成される。寸た、外筒４の基部に近い部分、即
ち、上部シリンダライナ７ａ及び再生器６よりはずれた
個所は、環状才たは渦巻室状に膨ら寸せられて」ＪＩ気
ダクト１８が形成され、排気ダクト１８には排気Ｉ］１
９が取付けである。

下部シリンダライナ７ｂの下部は外方に拡張させられ、
機関主体部に固定されるようになっている。下部シリン
ダライナ７１〕の下部拡張部と管板１１には多数の冷却
器ナユーブ１０が貫通させである。冷却器チューブ１０
ヲ囲み、管板１１及び下部ライナー７　ｂ拡張部とＯリ
ング１２ａ　、　１２’Ｌｌで密封して、冷却器ハウジ
ング１２が取付けである。冷却器・・ウジング１２は冷
却水人口１２ｃ及び冷却水出１ｌ　１２ｄ　ｋ有する。

第１図は、本発明の装置６゛、の実Ｍ！ｉ　？ｌｌケ示
すもの（１１） であるが、従来の装置においては、加熱器２は第１図の
ように中子ケ有さす、筒温室１３の作動流体は直接、」
二部ライナ７ａと加熱器２との間に再生器６に送られ、
ここで熱ヲ奪われた後、冷却器のチューブ１０内ヲ刈り
冷却水で冷却され、通路１６及びパワーピストン９と下
部ライナ７ｂ間の間隙を通り低温型１７に到る。低温室
１７の作動流体はこの逆の妥碩で高温室１３に到る。

第１図は、ディスプレーサ８が上死点から下降を開始し
、パワーピストン９がその行程の中間点を過き′つつあ
る状態、即ち、等容加熱のプロセスが始１っている状＝
Ｗ示すもので、低温室中の作動流体は、通路１６、冷却
器チューブ１０を逼って再生器６に入り、再生器エレメ
ントとの熱交換により温１ｉｋｅ二昇して高温室１３に
入る。

第１図に示す不発明の実施例の装置においては、先ず加
熱器２がシリンダライナ７の先端より長く延伸している
。加熱器２円には、加熱器（１２） ２の内壁との間に僅かな間隔を保って作動流体の通路１
５を形成させて、円柱体の中子５が設けられである。中
子５はその基部で上部ライナ７ａに嵌装され、その先端
部と基部との間に作動流体の流通孔１４が穿設さね−で
ある。高温室１３は流通孔１４及び通路１５を経て１工
生器６に連通されている。従って加熱お」：び膨張プロ
セスにおいて高温室１３へ送入される作動流体は、加熱
器２の壁を介して燃焼ガスと反対方向に流れ、しかも通
路１５は狭隘であるので作動流体は高速度で移送され、
燃焼ガスの保有熱が作動ガスに効果的に伝熱される。捷
だ、中子８ケ入れることにより加熱器２の十分な加熱面
積をとることが可能である。中子８と加熱器２の熱膨張
差をなくすため、中子８０線膨張係数は加熱器２の線膨
張係数と同じか、これより若干大きくとる必要が楽る。

第１図に示す本発明の実施例の装置においては、更に、
外筒４内に、外筒４及び加熱器２と所要の間隔を保ち、
燃焼バーナ１をその内側に（１３） 開口させた多孔質筒３が設けられている。燃焼バーナ１
による燃料の燃焼により発生した多孔質筒３内の燃焼ガ
ス、即ち燃焼シー７２０内の燃焼ガスは、第１図に矢印
で示すように、多孔質筒３を貫通して、外筒４の排気ダ
クト１８゜排気口１９を通り外部に排出きれるようにし
である。その為の一つの手段として、第２図に示すよう
に、多孔質筒３のバーナ１に近い端部が上部フランジ３
ａにまり外筒４に保持され、且つ外筒４との間が閉鎖さ
れ、バーナ１より遠ざかる端部が下部フランジ３ｂによ
り加熱器２に保持さ扛、且つ加熱器２との間が閉鎖され
ている。第２図の装置Ｉｆには後述のフィン２ａが記載
されであるが、燃焼ガスを導く上述の手段には直接関係
はない。

バーナ１から噴出する空気と燃料により、燃焼ゾーン２
０は高温の燃焼ガスで満される。高温の燃焼ガスは前述
のように、第１図で下方に移動しつつ多孔質筒３を貫通
し、多孔質筒内側を白熱させる。多孔質筒３の内側から
外側方向（１４） に射出される輻射エネルギは多孔Ｊ肖の層によって遮断
される為、白熱した多孔質筒内側から射出する輻射エネ
ルギの大部分が内側方向に向く。

このため、高温の燃焼ガスは多孔質筒の層を横切るどき
に非常に太き々エンタルピ降下を生じ、排ガスの温度は
著しく下がる。

多孔質筒３の真の表面積Ｃきわめで大きく、甘だ、多孔
質筒のぶ子く１−法が小さい為、燃焼ガスとの対流熱伝
達も非常に大きい。Ｅ−たかって、多孔質筒内１１１１
１１０１の温度は燃９：ａ’ｒ；　ノノス温Ｉ更に極め
て近くなる。多孔質筒の厚さ全適切に選ぶことにより、
多孔質筒の厚さは種々の条件によりノ°べ択されるが、
例えば成る条件で約］　（１〃ｕｎとすると、燃焼カス
流れ方間下流１１１１１にば殆んど申品射がなく、多孔
質筒よりの放熱しよ上流側での：Ｉｌｌ′＋ｆ射が支配
的となる。

結論的には、燃焼カスからの加熱器への伝熱は、燃焼ガ
スから多孔η筒へ主に対流熱伝達により熱が伝えられ、
多孔質筒から加熱器へＩＩ！ｆ＋ｆ射熱伝達により熱が
崎えられ、多孔質筒から加熱（１５〕 器への輻射熱伝達により、全体の熱伝達が支配される。

輻射による熱伝達率（１ｉｌｌ′ｉｆ射伝熱量を加熱器
表面積及び多孔質筒と加熱器表面との温度差で除した値
）は５００〜６００ｋａｂ達する。従って伝熱面積に従
来の１０分の１程度で済む。

第２図に示す実施例の装置のＡ−Ａ線矢視断面を第３図
に示しであるが、この、実施例では、加熱器２の外周面
には軸方向の複数個のフィン２ａが設けてあり、多孔質
筒３は、フィン付加熱器２と所要の間隙を形成させる為
に円周方向に凹凸を有する形状としである。これにより
、多孔質筒３はフィン２ａを完全に取り囲むよりに配置
され、加熱器２の全表面は多孔質筒３からの輻射ケ一様
に受は高温となる。このようにすると、フィン２ａのな
い場合に比べで、はぼフィンの面積分より多くの熱量ケ
加熱器が受取ることになる。

１だ、他の実施例においては、第４図乃至第６図に示す
ように、多孔質筒３が燃焼ガスの流（１６） れ方向に複数段に分割されている。第４図の実施例に示
すものは、第２図に示す多孔質筒３がその１−１燃焼ガ
スの流れ方向に複数段に分割され、各分割多孔質筒３毎
に第２図の場合と同様に−１一部フランジ３ａ及び下部
フランジ３ｂが設けである。第４図に１加熱器２がフィ
ン２ａｉ有する場合を図示しであるが、フィン２ａがな
い場合にも適用することができる。

第５図及び第６図の実施例に示すものは、各分割多孔質
筒が燃焼ガスの流れ方向に向けて縮径され、」−流側が
燃焼筒４の鉄皮４ｂに、下流側が加熱室２に固定されて
いる。

こ扛らの実施例においては、燃知、ガスは各多孔質筒を
通過するに従い順次温塵が低下１〜、加熱器の温度Ｃ：
上端部から下書Ｘ１−捷で徐々に低下するため大きな熱
応力が加熱器１ノ」に発生しない。

本発明によるスターリング（幾関は以上の如く構成され
ているので優れた効果をあけることができる。即ち、加
熱器の構造がｆｆ１ｌ単化さ扛ているので、製作が容易
となり、製作コストが低減（１７） される。寸だ、加熱器内に中子を収容する構造としであ
るので加熱器の面積を多くとることができ、寸だ作動流
体を加熱器壁面に清って高速度で移動せしめるので、加
熱器より作動流体への熱伝達率が高い。

丑だ、加熱器周囲に多孔質筒体を配設し、燃焼ガスから
加熱器への熱伝達を、燃焼ガスから多孔質体へ対流熱伝
達、多孔質体より加熱器へ輻射熱伝達の径路で行なわし
めることにより、従来に比し熱伝達の大幅の向」二ヲ計
ることができる。更に、本発明のスターリング機関の好
ましい態様のフィン及び多孔質体の分割の手段を用いる
ときは、更に熱伝達の向上、熱応力の抑制等に役立つ。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明によるスターリング機関の実測例
？示すもので、第１図は要部縦断ｍ１図、第２図及び第
５図はそれぞれ異なる実施例の部分断面図、第３図は第
２図におけるＡ−Ａ線矢視断面図、第４図は更に異なる
実施例の多（１８） 孔質筒体の部分縦断面図、第６図は第５図Ｃ部分の詳細
を示す断面図である。 １・・・燃焼バーナ、２・・・加熱器、３・・・多孔質
筒体、４・・・燃焼筒、　５・・・中子、６・・・再生
器、７・・・シリンダーライナ、　８・・・ディスプレ
ーサ、９・・パワーピストン、１０・・・冷却器チュー
ブ、１３・・高温室　、　１４・・・流通孔、１５．１
６・・・作動ガス通路、　１７　・・低温室。 （］９） −’７３閲 ＼ 才４胆 ′Ｘ４４

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温室内の作動流体が先端が閉じた円筒体状をな
   した加熱器全通して加熱されるスターリング機関におい
   て、該加熱器内に高温室壁を構成するシリンダライチの
   先端に連結され、該加熱器との間に僅小々間隙を保って
   作動流体の通路全形成すると共に、その先端部と基部と
   の間に作動流体の流通孔を穿設した円柱体の中子が設け
   られ、高温室が該中子に穿設された流通孔及び枝中子と
   加熱器との間の通路ケ経て再生器に連通され、該加熱器
   外周が熱源によって加熱されるようにしであることを特
   徴とするスターリング機関。
2. （２）高温室内の作動流体が先端が閉じた円筒体状をな
   した加熱器を通（７て加熱されるスターリング機関にお
   いて、該加熱器内に高温室壁を構成する７リンダライナ
   の先端に連結され、該加熱器との間に僅小な間隙を保っ
   て作動流体の通路を形成すると共に、その先端部と基部
   との間に作動流体の通路孔を穿設した円柱体の中子が設
   けられ、高温室が該中子に穿設された通路孔及び該中子
   と加熱器との間の通路を経て再生器に連通され、該加熱
   器外周が熱源によって加熱されるようにしてあり、該加
   熱器が、該加熱器を適宜力間隔を保って囲む外筒内に収
   容され、該外筒内には、該加熱器及び該外筒内壁と所要
   の間隔を保ち、燃焼バーナと接続する空ｒｒＪ１　ｋそ
   の内側に有する多孔質筒体が設けられ、該多孔質筒体内
   に流入した燃焼ガスが該多孔質筒体を貫通して該外筒よ
   り排出されるようにしであるとと全特徴とするスターリ
   ング機関。
3. （３）前記加熱器は、外周面に軸方向の複数個のフィン
   を有し、前記多孔質筒体は、該フィン付加熱器と所要の
   間隔を形成させる凹凸を円周方向に設けである特許請求
   の範囲第２項のスターリング機関。
4. （４）前記燃焼バーナが前記加熱器の先端部に対向する
   個所に設けられ、前記多孔質筒体の該バーナに近い端部
   が前記外筒に保持され、その間が閉鎖され、該バーナ」
   ：り遠ざかる端部が前記加熱器に保持され、その間が閉
   鎖されている特許請求の範囲第２項又は第３項のスター
   リング機関。
5. （５）前記多孔質筒体が燃焼ガスの流れ方向に複数段に
   分割され、各多孔質筒体が燃焼ガスの流れ方向に向けて
   縮径され、又は縮径されることなく、上流側か外筒に、
   下流側が加熱室にそれぞれ固定されている特許請求の範
   囲第２項又は第３項のスターリング機関。