WO2005042958A1

WO2005042958A1 - スターリングエンジン

Info

Publication number: WO2005042958A1
Application number: PCT/JP2004/016135
Authority: WO
Inventors: Takeshi Hoshino; Teruyuki Akazawa; Koichi Hirata; Masakuni Kawada
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency; Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.; National Maritime Research Institute
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2005-05-12
Also published as: CA2543690A1; CN100434685C; JP2005133653A; CA2543690C; JP3796498B2; KR101107136B1; US20080282693A1; EP1683955A4; EP1683955A1; CN1871423A; EP1683955B1; US7640740B2; KR20060106827A

Abstract

　高温部の加熱温度を高くすることができ、且つ高温部と低温部をつなぐ部材での熱損失を抑えることにより、熱効率にすぐれた高効率スターリングエンジンを得る。　高温部５と該高温部と前記低温部をつなぐ部材（再生器ハウジング１６）を各々別材質で分割構成として、高温部５を耐熱性が高くかつ熱伝導率の高い耐熱・高熱伝導性材料で形成し、かつ高温部５と低温部７をつなぐ再生器ハウジング１６を熱伝導率の低い耐熱・低熱伝導性材料で形成し、両者を一体に接合して一体の密封構造とする。

Description

明細書

スターリングエンジン

技術分野

[0001] 本発明は、スターリングエンジン、特に高効率ィ匕を図ったスターリングエンジンに関する。

背景技術

[0002] スターリングエンジンの理論熱効率は、高温部と低温部の温度のみによって決まり、高温部の温度を高ぐ低温部の温度を低くすればする程熱効率が高い。そして、スターリングエンジンはクローズサイクルであり、動作ガスを外部より加熱.冷却を行なうので、動作ガスの加熱及び冷却は高温部及び低温部の壁面を通して行う必要があり、高温部及び低温部での熱交換率を高めるためには熱伝導率の高!、材料が必要である。動作ガスとしては、通常ヘリウムガスや水素ガスが使用されており、高圧で循環しているため、動作ガスの流路は、耐熱性と共に耐圧性 ·耐酸化'耐食性、高クリープ強度、高熱疲労強度を有することが要求される。そのため、従来、シリンダ及び高温側熱交を構成するヒータ管として、耐食性 ·耐熱性に優れている HR30 (日本ェ業規格)、 SUS310S (日本工業規格)、インコネル (登録商標）、ハステロィ (登録商標)等の耐熱合金鋼を用いているが非常に高価であるという問題点がある。し力も、その場合でも、高温部を構成する部材及び高温部力の受熱により高温となる部材は、金属材料により加熱温度に制限を受けてしまう。例えば、動作ガスの圧力が 3M Paにも達する高圧条件下では、先に述べた金属材料のクリープの発生により、耐久性の観点から加熱温度は 700°C程度までの温度が限界と考えられており、それ以上の加熱温度の高温ィ匕による高効率ィ匕を困難にしている。

さらに、従来のスターリングエンジンでは高温部を、伝熱面積を力せぐために動作ガスが通過する多数の耐熱合金管を膨張空間ヘッド部に、ロウづけや溶接で接合して突出させて形成する必要があり、シール不良によるもれが発生しやすぐ多数の耐熱合金管を必要とすることから、構造体として、複雑になり、コスト高となっている。

[0003] 一方、スターリングエンジンにお、て高温部と低温部をつなぐ部材は、高温部端が高温で低温部端が低温を維持し、温度差の大き!/、状態を維持することが要求され、高温部の高温と低温部の低温が隣接することになるため、断熱性が高く熱伝導率が低い部材で構成することが望ましい。し力しながら、従来のスターリングエンジンでは、高温部と低温部をつなぐ部材は耐熱性'熱伝導性に優れている高ニッケル鋼ゃステンレス材料力なる高温部と一体部材で構成して、るため、高温部と低温部をつなぐ部材壁を通じた熱伝導により、大きな熱損失が発生するという問題点がある。

このように、高温部を構成する材質は、耐熱性に優れ、一方においては高い熱伝導性を有し、他方において、高効率の観点力高温部と低温部をつなぐ部材は低い熱伝導性を有するという、相反する特性が要求されるが、従来のスターリングエンジン構造では、この相反する要求を同時に満たすのは不可能であるので、何れかを犠牲にしなければならなかった。

そのような技術的背景のもとで、スターリングエンジンの熱効率をより上昇させる手段として、例えば、燃焼器の燃焼ガスと動作ガスとの熱交換を行う複数本の U字状のヒータ管のうち、互いに隣接する管の U字曲げ部の中心位置に段差を付けることによつて、熱応力や外力を受けても相互に干渉しないようにして、各 U字状管相互の均等幅の隙間を常時確保し、高温の燃焼ガスとの接触を均等に行えるようにして、高温部での熱交換効率を高めるようにしたもの (特許文献 1参照）、あるいは圧縮空間と膨張空間を複数の連結管で連結して、各連結管内に低温部、再生部、高温部を順に配置し、高温部の温度分布に合わせて再生部及び低温部の諸元を自由に変えることによって、エンジン出力の向上を図ったもの (特許文献 2参照)等が提案されている。さらに、他の方法として、高温部、再生器、低温部を二重シェルで囲って、二重シェル内に液体塩のような非圧縮性の断熱材料を充填することによって、作動温度と圧力を高め、再生器の効率を向上させると共に、動作流体の流れに対して直交する方向に熱伝達が増加されるようにすることが提案されて、る（特許文献 3参照)。

特許文献 1：特開平 5— 172003号公報

特許文献 2：特開平 6— 280678号公報

特許文献 3：特表 2001— 505638号公報

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0005] スターリングエンジンの熱効率高めるために従来提案されて!、る上記方法は、何れも熱効率の向上には寄与するものである力未だ満足するものではない。

そこで、本発明は、従来と比べて大幅な熱効率の向上と熱伝導損失の低減により、高効率スターリングエンジンを得ようとするものであり、より具体的には高温部の加熱温度を従来よりも高くすることを可能とし、且つ高温部と低温部をつなぐ部材での大きな熱損失を抑えることを可能とすることにより、高効率ィ匕を達成することができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0006] 上記問題点を解決する本発明のスターリングエンジンは、高温部と、該高温部と低温部をつなぐ部分を別材質で形成して一体に接合してなり、前記高温部を耐熱性が高くかつ熱伝導率の高ヽ耐熱 ·高熱伝導性材料で一体構造に形成したことを特徴とするものである。前記高温部は、膨張空間ヘッド部と高温側熱交本体を同一材質で一体に成形して形成したことを特徴とするものである。

[0007] 前記耐熱'高熱伝導性材料としては、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミツタス、窒化アルミニウム系セラミックス又はアルミナ系力も選択されるセラミックス、又はこれらのセラミックスと金属の傾斜機能材料が好適に採用できる。また、前記高温部と低温部をつなぐ部分を、熱伝導率の低い耐熱'低熱伝導性材料で形成することが望ましい。該耐熱 '低熱伝導性材料としては、酸化珪素系、コージライト系、マイ力系、チタン酸アルミニウム系又は石英系力も選択されるセラミックス、又はこれらのセラミツタスと金属との傾斜機能材料が好適に採用できる。

[0008] 前記スターリングエンジンは、その形式が限定されるものでなぐディスプレーサピストンとパワーピストンが同一のシリンダに配置されている 13型スターリングエンジン、デイスプレーサピストンとパワーピストンが独立した異なるシリンダに配置されている γ型スターリングエンジン、または膨張シリンダに配置された膨張ピストンと、圧縮シリンダに配置された圧縮ピストンの 2つの独立したピストンを有する型スターリングェンジン何れにも適用可能である。

発明の効果 [0009] 本発明の請求項 1によれば、高温部と低温部をつなぐ部材を分割構成として、高温部を耐熱性が高くかつ熱伝導率の高、耐熱 ·高熱伝導性材料で形成したので、高温部の温度を従来よりも高く設定することができ、効率を高めることができた。そして、請求項 2の発明によれば、前記高温部を、膨張空間ヘッド部と高温側熱交換器本体が同一材質である耐熱 ·高熱伝導性材料で一体に成形されて形成されて!ヽるので、高温側熱交換器本体を厚く一体形成することができ、従来の伝熱管のみを突出形成した高温側熱交換器に比べて耐圧構造を有し、高温部での加熱温度のより高温化を可能にすると共に、耐久性を向上させることができる。さらに、請求項 4の発明によれば、前記つなぐ部分を熱伝導率の低い耐熱'低熱伝導性材料で形成したので、つなぐ部分での熱伝導による熱損失を従来と比べて大幅に低減させることができ、その結果高効率スターリングエンジンを得ることができる。そして、高温部を耐熱'高熱伝導性のセラミックス材料で、及びつなぎ部を耐熱 ·低熱伝導性のセラミックス材料で形成することにより、動作ガスに対する耐熱性と共に耐圧性'耐酸化'耐食性、高クリープ強度、高熱疲労強度を高めることができ、高温部での加熱温度のより高温化を可能にすると共に、耐久性を向上させることができる。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]本発明の実施形態に係るスターリングエンジンの正面断面図である。

[図 2]本発明の他の実施形態に係るスターリングエンジンの模式図であり、 (a)はひ型、 (b)は γ型のスターリングエンジンをそれぞれ示して、る。

[図 3]スターリングエンジンにおける膨張空間温度と理論熱効率との関係を示す線図である。

符号の説明

[0011] 1、 35、 50 スターリングエンジン

2、 51 ディスプレーサピストン

3、 52 ノヮ一ピストン

4、 53、 58 シリンダ

5、 40、 55 高温部

7、 43, 57 低温部 10 永久磁石

11 インナーヨーク

12 膨張空間ヘッド部

13 膨張空間

14 高温側熱交換器本体

15、 44、 60 動作ガス流路

16、 41、 56 再生器ハウジング

20 シリンダ本体

21 内筒

22 外筒

27、 28、 29、 30 取付フランジ

31、 32 クランプ

36 膨張ピストン

38 圧縮ピストン

59 圧縮空間

発明を実施するための最良の形態

以下、本発明を図面を基に詳細に説明する。図 1は、本発明を |8型のフリーピストン型スターリングエンジンに適用した本発明の実施形態を示している。

図中、 2はディスプレーサピストン、 3はパワーピストン、 4はシリンダ、 5は高温部である高温側熱交換器、 6は再生器、 7は低温部である。そして、本実施形態では、パヮーピストン 3の出力により発電している場合を示し、パワーピストン 3の下端に固定された端板 8の端部に、永久磁石 10が先端部に固定された環状リング 9を直立させて、永久磁石 10とシリンダ 4の外周部に設けられたインナーヨーク 11内に挿入固定されたコイル（図示せず）との間に発電機を構成し、パワーピストン 3が往復動することによって永久磁石 10が上下振動し発電するようになっている。し力しながら、パワーピストン 3の出力形式は、これに限るものでなぐパワーピストン 3の上下運動を回転運動や直動往復運動として出力するなど種々の用途に適用できるものであり、特に限定されない。

[0013] 本実施形態では、上記構成の β型のスターリングエンジン 1にお、て、ディスプレーサピストン 2が摺動するシリンダ 4を、上部から順に高温部 5、再生器 6、低温部 7に対応する部分に分割して違う材質で構成している。高温部 5は、シリンダ 4の膨張空間ヘッド部 12と高温側熱交換器本体 14を構成し、熱伝導率が高く且つ耐熱性に優れて、るセラミックス材料で一体成形して形成されて、る。高温側熱交^^本体 14 の内部には、再生器 6と膨張空間 13を移動する動作ガスを加熱するために動作ガス流路 15が形成され、高温側熱交換器本体 14を外部より加熱することによって、動作ガス流路を通過する動作ガスを加熱するようになっている。本実施形態では、図 1に示すように、動作ガス流路 15に、後述する再生器 6と膨張空間 13を結ぶ加熱パイプ 19を嵌合して、高温側熱交翻を構成しているが、耐熱'高熱伝導性セラミックスで一体成形された高温側熱交本体内に形成された動作ガス流路 15内を直接動作ガスが移動するようにしてもよ!、。

[0014] 本実施形態では、高温側熱交換器本体 14を熱伝導率が高く且つ耐熱性に優れて V、る材料で形成されて、るので、高温側熱交^^本体 14内の動作ガス流路 15を通過する動作ガスを 1000°C以上に加熱することが可能である。そして、本実施形態によれば、後述するように高温側熱交換機本体を熱伝導率が高く且つ耐熱性に優れて V、るセラミックス又は傾斜機能材で、その内部に多数の動作ガス流路を設けて一体に成形した一体構造となっているので、従来のように、燃焼室内に動作流体が流通する多数の加熱チューブを U字状に外部突出させる必要がなぐ高温側熱交 ( ヒータ)の構成を単純化できると共に、高温側熱交本体を厚く形成しても動作流体を効率良く加熱することができるので、高温側熱交換器本体を厚く形成して耐圧性を向上させることができる。

[0015] 熱伝導率が高く且つ耐熱性に優れている材料としては、耐熱温度が 750°C以上で、熱伝導率が 20WZmK以上であることが望ましぐ炭化珪素系（SiC)、窒化珪素系 (Si N )、窒化アルミニウム（ALN)系、アルミナ系（Al O )等のセラミックスや、これ

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らのセラミックスと金属との傾斜機能材が好適に採用できる。 SiC系セラミックスは、耐熱性、耐磨耗性、耐食性において優れた特性を有し、 1000°C以上の高温下でも強度の低下は殆どみられない。また、 SiC系セラミックスの母材の中に SiC系セラミックス繊維が埋め込まれた複合材にすることによって、より高い強度と靭性を併せ持つ材料が得られる。そして、 SiC系セラミックス、 ALN系セラミックスは、共に熱伝導率が 100 WZmK以上で熱伝導性に優れ且つ耐熱性に優れて、るので、高温側熱交換器本体 (ヒータ）を形成するのに適している。窒化珪素系セラミックスは、共有結合性の高い物質で、機械的、熱的性質に優れている。特に、強度、靭性、耐磨耗性に優れ、膨張係数が低く熱伝導性 (熱伝導率約が 20— 30WZmK)が高ぐ対衝撃性もきわめて良好であり、 1000°C以上の高温で十分使用可能である。さらに、アルミナ系セラミックスは、耐磨耗性、絶縁性に優れ、且つ熱伝導率が約 30WZmKと高ぐしカゝも比較的安価であると、う利点がある。

[0016] 再生器 6は、筒状の再生器ノ、ウジング 16にその環状壁内に所定間隔毎に金網 17 が嵌合し動作流体が通過する孔 18を、高温側熱交換器 14の動作ガス流路 15と連通するように形成してある。なお、本実施形態では、再生器を筒状の再生器ハウジング 16に軸心と平行に所定ピッチで複数の孔 18を形成して構成した力再生器ハウジングをシリンダの内壁面となる内筒と外筒に分割し、内筒と外筒との間の環状穴に金網を嵌合して形成することも可能である。再生器ハウジング 16は耐熱'低熱伝導材料で形成され、耐熱'低熱伝導材料としては、耐熱温度が 750°C以上で、熱伝導率が 1 OWZmK以下の材料であることが望ましぐ例えば酸化珪素系（熱伝導率約 1WZ mK)、コージライト系（熱伝導率約 lWZmK)、マイ力系（熱伝導率約 2WZmK)または石英ガラス系（熱伝導率約 lWZmK)等の低熱伝導セラミックスが好適に使用できる。これらのセラミックス材料はステンレスと比べて強度は約 1Z5程度であるので、肉厚を 5倍にする必要がある力熱伝導率が約 1Z16であるので、全体として熱伝導による熱損失を 1Z3に低減できる。

[0017] また、再生器ノヽウジング 16の材料としては、上記のセラミックス単独の場合に限らず、内壁側がマイ力、コージライト、ジルコユア、石英ガラス、チタン酸アルミニウム等の熱伝導率の低、セラミックス層、外壁側に安価でかつ強度の強 1ヽ鉄材層を積層してなる複合材、あるいは外壁側となる鉄材に前記熱伝導率の低、セラミックスを溶射してなる複合材、さらには、該複合材の外側となる鉄材の表面にさらにマイ力、コージライト、ジルコユア、石英ガラス、チタン酸アルミニウム等を溶射して、外壁面に熱伝導率の低い層を形成した複合材等を採用することによって、より安価にかつ薄く形成することができる。さらには、内側面が熱伝導率の低いセラミックス層で外側が鉄材となるように厚さ方向に分子レベルで成分が変化した傾斜機能材を使用することもできる

[0018] 本実施形態では、低温部から下方のパワーピストン 3が摺動する部分までを一体にシリンダ本体 20として形成し、その上方外周部に低温部 (クーラ） 7を構成する内筒 2 1と外筒 22を設け、内筒 21と外筒 22の間に動作ガスが通過する複数個の冷却パイプ 23を配置して、該冷却パイプと熱交換する冷却流体を供給口 24、排出口 25を介して循環させて、クーラを形成している。作動流体が通過する冷却パイプ 23は、従来と同様にステンレス金属材又は熱伝導性に優れたセラミックス材等、熱伝導性に優れて機械的性質に優れているものであれば、特にその材質は限定されない。冷却パイプ 23の下端は、シリンダ本体 20内のディスプレーサピストン 2の下方位置にマ-ホルド 26を介して連通して!/、る。

[0019] 以上のように、本実施形態では、ディスプレーサピストン 2、パワーピストン 3が摺動するシリンダ 4を、シリンダ本体 20、再生器ハウジング 16、高温側熱交換器本体 14に 3分割して構成してあるため、その繋ぎ目のシール構造は流通する高圧動作ガスが漏洩しな、ために重要である。次にそのシール構造にっ、て説明する。

本実施形態では、高温側熱交換器本体 (ヒータヘッド） 14に取付フランジ 27を形成すると共に、再生器ハウジング 16の上端に取付フランジ 28を対向して形成し、両者をクランプ 31で固定し、且つ再生器ノ、ウジング 16の下端にも取付フランジ 29を形成し、低温部 7の外筒 22上端に形成した取付フランジ 30と共に低温部 7の内筒 21の上端に形成した取付フランジ 30との間をクランプ 32で固定して、 3者を緊密に一体ィ匕している。その際、高温側の取付フランジ 27から冷却側の取付フランジ 28に熱が逃げてしまうおそれがあるが、両者の係合面に耐熱性'断熱性'耐食性に優れたセラミックスフアイバー等のシール材を介在させることによって、再生器ハウジングへの伝熱を少なくすると共に、接合面の密封性を高めている。シール材としては、前記のようにセラミックスファイバ一等で形成したパッキング等が採用できるが、高耐熱性を有するバテ状の不定形シール剤や無機接着剤も採用可能である。

[0020] 以上のように、本実施形態のスターリングエンジンでは、高温側に炭化珪素セラミツタス（SiC)、窒化珪素セラミックス（Si N )、アルミナ (Al O )等のセラミックスや、これ

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らのセラミックスと金属との複合材ゃ傾斜機能材を使用することによって、膨張空間温度 Teを 1000°Cにしても十分強度的に可能であるので、図 3に示すように、低温側の温度を 60°Cとした場合、理論熱効率は 73、 8%に向上可能である。したがって、従来のステンレス金属材を使用した場合の膨張空間温度 700°Cの場合は、理論熱効率は 65. 8%であるので、従来と比べて大幅に熱効率を向上させることができる。

[0021] 以上の実施形態は、本発明をディスプレーサピストンとパワーピストンが同一のシリンダに配置されている j8型のスターリングエンジンに適用した場合について説明した力本発明のスターリングエンジンは 13型に限らず、 a型又は γ型のスターリングェンジンにも適用できる。図 2 (a)は、 α型のスターリングエンジンに適用した場合、同図（b)は γ型のスターリングエンジンに適用した場合の実施形態の概略を示している

[0022] 図 2 (a)の本実施形態は (X型スターリングエンジン 35を示す。該 α型スターリングェンジン 35において、 36が膨張シリンダ 37内に配置された膨張ピストン (パワーピストン）、 38が圧縮シリンダ 39内に配置された圧縮ピストンであり、膨張シリンダ 37が高温部 40、再生器ハウジング 41及び膨張シリンダ本体 42をそれぞれ別部材で形成して一体に構成されてヽる。高温部 40及び再生器ハウジング 41の構成は前記実施形態と同様な構成であり、且つそれぞれ材質も前記実施形態と同様な材質を採用して構成してあるので、詳細な説明は省略する。圧縮シリンダ 39は、圧縮ピストンヘッド部と圧縮シリンダ本体 45を別部材で形成して一体に構成してなり、圧縮ピストンヘッド部が低温部 43となっており、該低温部に膨張シリンダ 37の再生器ノ、ウジング 41の下部から動作ガス流路 44が形成され、冷却側熱交を構成して!/ヽる。

[0023] 図 2 (b)は、本実施形態の γ型のスターリングエンジン 50を示して!/、る。該 γ型のスターリングエンジン 50において、ディスプレーサピストン 51とパワーピストン 52が異なるシリンダに配置されている。ディスプレーサピストン 51が配置されているシリンダ 53 は、図 1に示す実施形態と同様に、高温部 55、再生器ハウジング 56及び低温部 57 から構成され、それぞれを別々の材料で形成して、一体に接合している。即ち、高温部 55は膨張空間ヘッド部と高温側熱交換器本体が耐熱 ·高熱伝導性材料で一体に形成され、再生器ハウジング 56は耐熱'低熱伝導性材料で形成され、低温部 57は低温側熱交換器を構成して高熱伝導性材料で形成されている。そして、低温部の一端がパワーピストン 52が配置されているシリンダ 58の動作ガス流路 60を介して圧縮空間と連通している。

産業上の利用可能性

本発明のスターリングエンジンは、その出力形態により大型 ·小型を問わず種々分野で利用可能であり、例えばリニア型の発電機、圧縮機、その他の回転機関や直動機関として利用でき、また宇宙での太陽エネルギーを利用した太陽電池よりも効率の良い高効率の発電機として利用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] スターリングエンジンにおいて、高温部と、該高温部と低温部をつなぐ部分を別材質で形成して一体に接合してなり、前記高温部を耐熱性が高くかつ熱伝導率の高い耐熱 ·高熱伝導性材料で一体構造に形成したことを特徴とするスターリングエンジン

[2] 前記高温部の一体構造が、膨張空間ヘッド部と高温側熱交換器本体が同一材質で一体に成形されてなることを特徴とする請求項 1に記載のスターリングエンジン。

[3] 前記耐熱'高熱伝導性材料が、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミニウム系セラミックス又はアルミナ系力選択されるセラミックス、又はこれらのセラミックスと金属の傾斜機能材料である請求項 1又は 2に記載のスターリングェンジン。

[4] 前記高温部と低温部をつなぐ部分が、熱伝導率の低い耐熱'低熱伝導性材料で形成されている請求項 1、 2又は 3に記載のスターリングエンジン。

[5] 前記耐熱'低熱伝導性材料が、酸化珪素系、コージライト系、マイ力系、チタン酸ァルミ-ゥム系又は石英系力選択されるセラミックス、又はこれらのセラミックスと金属との傾斜機能材料である請求項 4に記載のスターリングエンジン。

[6] 前記スターリングエンジンが、ディスプレーサピストンとパワーピストンが同一のシリンダに配置されている β型スターリングエンジンである請求項 1一 5に記載のスターリングエンジン。

[7] 前記スターリングエンジンが、ディスプレーサピストンとパワーピストンが独立した異なるシリンダに配置されている γ型スターリングエンジンである請求項 1又は 2に記載のスターリングエンジン。

[8] 前記スターリングエンジンが、膨張シリンダに配置された膨張ピストンと、圧縮シリンダに配置された圧縮ピストンの 2つの独立したピストンを有する OL型スターリングェンジンである請求項 1又は 2に記載のスターリングエンジン。