JPS627960A - スタ−リングエンジンのヒ−タ - 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】 〔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。したがつ゛　　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９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
部分程遠く、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
焼ガスの鯖が多く、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−卜
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、バーす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、ト記各熱交換器で
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ど、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
−トさせることができる。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の実施例を図面を参照しながら説−〇− 明する。

第１図は１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
１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、膨張ビス
１−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１０．１１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．り〜う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ｍ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１ノでは、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１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、３
６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−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２
０．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、１−１ｅ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１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−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２
６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どき、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、前述した効宋を発揮させる
ことができる。

なお１本発明は上述１ノだ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＃Ａ＃１で構成するようにしてもよ
い。その他９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＝１３＝ 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、１
８・・・空気予熱器。 ２１・・・整流板、２３・・・輻射熱送出体、２４・・
・断熱層、２５・・・支持板。 出願人代理人　弁理士　鈴汀武彦 １１間口ｆｆ６２−７’１６Ｕ　　（５）第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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. （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。