JPH01240760A - スターリングエンジン用再生器 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、スターリングエンジンにおいて作動流体か
らの蓄熱および作動流体への放熱を行なう再生器に関す
る。

（従来の技術） 省エネルギーの一環として、スターリングエンジンが注
目されている。スターリングエンジンは２ピストン式の
ものを例にとると、次のように構成されている。

膨脹シリンダおよび圧縮シリンダに加熱器および冷却器
がそれぞれ接続され、さらに加熱器と冷却器との間に再
生器が接続される。膨脹シリンダ内の膨脹ピストンと圧
縮シリンダ内の圧縮ピストンは、それぞれコネクティン
グロッドを介してクランク軸に連結される。膨脹シリン
ダから圧縮シリンダに至る部分に形成された作動空間に
、ヘリウムガスのような作動流体が封入されている。

作動流体が加熱器により加熱されて膨脹すると、膨脹ピ
ストンが下降してクランク軸が回転され、次いで膨脹ピ
ストンの上昇時に作動流体が押出されて再生器および冷
却器を経て圧縮シリンダ側に移送される。次に、圧縮シ
リンダ内の作動流体が圧縮ピストンの上昇により圧縮さ
れた後、冷却器および再生器を経て熱交換により加熱さ
れさらに加熱器で再加熱されて膨脹シリンダに戻る。

このようなスターリングエンジンにおいて、再生器は加
熱器で加熱されて高温となった作動流体が冷却器側（圧
縮シリンダ側）に向うときは、作動流体の熱を回収して
蓄え（蓄熱）、また冷却で冷却された低温の作動流体が
加熱器側（膨脹シリンダ側）に向うときは、蓄えた熱を
作動流体に与える（放熱）作用がある。この再生器の作
用により、冷却器からエンジン外部へ放出される熱を減
少させ、エンジン効率を高くすることができる。

従来のスターリングエンジン用再生器は、第５図に示す
ように、金網を積層した伝熱体５１に固定棒５２を貫通
させ、両側から押え板５３．５４で挾んで固定した構成
のものが多く用いられている。

このスターリングエンジン用再生器は部品点数が多いば
かりでなく、製作時には金網を円形に打抜き、それを積
層した後、固定棒５２および押え板５３．５４で固定す
るという煩雑な工程が必要であり、また金網の打抜き後
の残材が無駄になる等により、コスト高となる。しかも
押え板５３゜５４は作動流体の流れを阻害するし、固定
棒５２は熱伝導損失の要因となるので、いずれもエンジ
ン効率の面からは好ましくない。さらに打抜き加工され
た金網を積層すると、伝熱体の外周面が均一な形状とな
りにくいため、エンジンへの取付けが難しいという問題
がある。

（発明が解決しようとする課題） このように金網を積層した伝熱体により構成された従来
のスターリングエンジン用再生器は、部品点数が多く、
製作工程が複雑であり、金網の残材が無駄になるために
コストが高く、また固定のための押え板および固定棒が
エンジンの効率を低下させ、さらに伝熱体の外周面が不
均一となり、取付けが容易でないという問題がある。

本発明はこのような問題を解決し、エンジン効率を低下
させる要因となる、金網の固定用の部品が不要で、製造
も容易であり、材料の無駄もなく、しかも取付けが容易
であるスターリングエンジン用再生器を提供することを
目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のスターリングエンジン用再生器は、金網を円筒
状に巻回してなる伝熱体により構成されることを特徴と
する。

また、この再生器はより好ましくは上記伝熱体を複数個
積層して構成される。

（作　用） このように金網を円筒状に巻回した伝熱体は、押え板及
び固定棒のような固定用部品を用いることなく伝熱体と
しての形状を安定に保持する。従って再生器の部品点数
および工程数が減少し、また金網の残材で出ないことか
ら、製作コストが大きく低減される。また、伝熱体が金
網のみで構成され、作動流体の流れを阻害したり、熱伝
導損失の要因となる余分な部品が無いため、エンジン効
率を高めることができる。また、外周面が均一になり、
取付けが容品となる。

さらに、金網を円筒状に巻回した伝熱体を複数個情層し
た構造にすると、各層の伝熱体間が熱的にある程度遮断
されるため、再生器での熱伝導により高温側から低温側
へ伝わる熱損失が減少し、さらに効率が向上する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の一実施例に係る２ピストン式スターリング
エンジンの概略構成を示す断面図である。

第１図に示すように、このスターリングエンジンは作動
流体を膨脹させるための膨脹シリンダｌおよび膨脹シリ
ンダ１内に摺動自在に装着された膨脹ピストン２と、作
動流体を圧縮させるための圧縮シリンダ３および圧縮シ
リンダ３内に摺動自在に装着された圧縮ピストン４との
間に、加熱器５と再生器６および冷却器７を配置しさら
に膨脹ピストン２および圧縮ピストン４にそれぞれコネ
クティングロッド８，９を介してクランクケース１１内
に回転自在に設けられたクランク軸１ｏを連結した基本
構造を有する。なお、クランク軸１０は図示しない出力
軸に連結されている。また膨脹シリンダ１と膨脹ピスト
ン２とで囲まれた空間、再生器６と冷却器７および加熱
器５の内部、圧縮シリンダ３と圧縮ピストン４とで囲ま
れた空間からなる作動空間に作動流体、例えばＨｅガス
が封入されている。

膨脹シリンダ１のシリンダヘッド１２の上方に、例えば
セラミックス製の断熱ブロック１３により略円筒状の燃
焼室１４が形成されている。燃焼室１４の上方には燃料
ガス供給用のガスノズル１５と燃焼用空気に旋回力を与
えるスワラ−１６が設けられている。断熱ブロック１３
の周囲には、燃焼用空気を燃焼排ガスとの熱交換により
予熱する空気予熱器１７が配置されている。空気予熱器
１７は吸気筒１８から燃焼用空気を吸入し、燃焼室１４
から排気筒１９を経て排出される燃焼排ガスの熱によっ
て予熱する。そして、この予熱された燃焼用空気がスワ
ラ−１６によって燃焼室１４内に旋回されながら供給さ
れる。

燃焼室１４の下方の周部は燃焼排ガス出口部となってお
り、この燃焼排ガス出口部に位置してフィン２０を備え
たバイオネット管（二重管）からなる金属製伝熱管によ
り構成された加熱器５（高温熱交換器）がほぼ垂直に同
心円上に立設されている。加熱器５はそれぞれの伝熱管
の内部に形成された作動流体通路の一端側が膨脹シリン
ダ１の内側に連通し、他端側がシリンダヘッド１２内に
形成されたマニホルドを介して再生器６に連通している
。

冷却器７は複数の伝熱管からなる熱交換器であり、内部
を作動流体が流れ、外周部を冷却水が流れる構造となっ
ている。

本発明に係る再生器６は第２図に示すように構成され、
上述した加熱器５と冷却器７との間の作動流体流路に、
例えば膨脹シリンダ１の周囲を囲むように設けられてい
る。

すなわち、この再生器６は金網を円筒状に巻回した伝熱
体２１により構成されている。伝熱体２１を構成する金
網は、例えば１００〜２００メツシユ程度のものがよい
。この金網を再生器６の内径とほぼ同一径のローラに所
定の径となるまで巻付けて固定すればよい。この場合、
金網として再生器６の長さ（作動流体の流れ方向におけ
る寸法）のほぼ整数倍のものを用意し、所定の径に巻回
した後、所要とする伝熱体２１の長さに切断加工すれば
、複数の再生器を同時に作製でき、生産性が向上する。

さらに、伝熱体２１の製作に当たっては、金網の巻始め
と巻終りの部分にローラ等で圧縮加工（カレンダ加工）
を施して、端部が乱れないようにするとともに、伝熱体
２１の径が金網の巻始め及び巻終りの部分で大きくなら
ないように均一化させることが望ましい。

次に、本実施例のスターリングエンジンの作用を説明す
る。燃焼室１４内にガスノズル１５からガス燃料を噴射
するとともに、燃焼用空気を空気予熱器１７を通してス
ワラ−１６から供給することによって燃焼火炎を形成し
た状態で、クランク軸１０に連結されている出力軸を外
部動力源によって一時的に回転させると、クランク軸１
ｏおよびコネクティングロッド８．９を介して膨脹ピス
トン２および圧縮ピストン４がある位相差をもって往復
動する。この往復動によって膨脹ピストン２が圧縮行程
に移ると、膨脹シリンダ１内の作動流体（Ｈｅ）が加熱
器５．再生器６および゛冷却器７を介して圧縮シリンダ
３内に流入し、膨脹ピストン２が上死点に達した時点で
作動流体のほとんどが圧縮シリンダ３内に流れ込む。こ
のとき、作動流体は再生器６を通過する間にその保有し
ている熱が再生器６に奪われ、次いで冷却器７によって
冷却される。出力軸の回転に伴なって圧縮ピストン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内の低温の作動゛流体が圧縮され、それまでとは
逆の経路で膨脹シリンダ１内に流入する。このとき、作
動流体は再生器６を通過する間に吸熱して高温に加熱さ
れ、次に加熱器５を通過する際さらに加熱される。膨脹
シリンダ１内に流入した高温の作動流体は、膨脹して膨
脹ピストン２を押し下げる。以後、上述した動作が繰返
され、外部動力源を断った状態でも出力軸が回転を継続
し、スターリングエンジンとしての動作がなされる。

このスターリングエンジンの運転状態において、再生器
６は前述したように加熱器５から高温の作動流体が流入
した場合は、この作動流体の熱を伝熱体２１により奪い
、作動流体を低温にしてから冷却器７に送り込む。一方
、冷却器７から低温の作動流体が流入した場合は、作動
流体が伝熱体２１の熱を吸収して高温となり、加熱器５
へ放出させる。このような過程を交互に繰返すことによ
り、再生器６は熱エネルギーを再生し、スターリングエ
ンジンの熱効率を向上させる。

この場合、本発明の再生器６は第２図に示したように金
網からなる伝熱体２１のみによって構成され、第５図に
示した従来の再生器のように押え板５３．５４が不要で
あり、作動流体は流れを妨げられることなく、伝熱体２
１に流入する。また、固定棒５２も不要であるから、熱
伝導損失が減少する。これらのことから再生器６の蓄熱
・放熱性能が高くなり、エンジンの効率が向上する。

また、再生器６は金網からなる伝熱体２１のみによって
構成されるため、製作が容易であり、低コストとなる。

しかも伝熱体２１は金網を巻回したものであることから
、従来のように打抜き加工した金網を積層した再生器の
ように外周面の形状が不均一となることがなく、エンジ
ンへの再生器６の組込みが容易となり、さらに積層枚数
の過不足による製造むらの問題もない。

第３図に本発明の第２の実施例の再生器を示す。

これは金網を巻回した伝熱体を再生器の長さより短い寸
法に分割し、これらを２１ａ〜２１ｃの如く複数個積層
して所定の長さにしたものである。

本実施例によれば、伝熱体２１ａ〜２１ｃの相互間での
熱の伝達がある程度遮断されることにより、再生器の作
動流体の流れ方向での熱伝導による高温側から低温側へ
の熱伝導損失が減少し、さらに効率が向上する。

また、本実施例において高温側及び低温側の伝熱体２１
ａ、２１ｃのいずれか一方または両方のメツシュを中央
部の伝熱体２１ｂのメツシュより大きく（目を細かく）
すれば、再生器内を作動流体が均一に流れるようになる
。これにより再生器を構成する伝熱体２１ａ〜２１ｃ全
体が有効に使用されるので、効率をさらに向上させるこ
とができる。

第４図に本発明の第３の実施例の再生器を示す。

第２図及び第３図は膨脹シリンダ１の周囲に設けられる
再生器の例であったが、本実施例は膨脹シリンダ１とは
別の位置に設けられる再生器の例であり、断熱性の高い
セラミックス等からなる芯材２２の周囲に金網を巻回し
た伝熱体２１により構成されている。本実施例によって
も、第２図の実施例と同様の効果が得られる。

【発明の効果］ 本発明によるスターリングエンジン用再生器は、金網を
円筒状に巻回した伝熱体によって構成されるため、特別
な固定用部品を用いる必要がなく、部品点数および工程
数が減少し、また金網の残材が出ないことから、製作コ
ストが大きく低減される。さらに、作動流体の流れを阻
害したり、熱伝導損失の要因となる余分な部品を必要と
せず、エンジン効率が向上する。しかも伝熱体の外周面
形状が均一になるため、エンジンへの取付けが容品とな
る。

さらに、伝熱体を複数個積層した構成にすれば、再生器
での熱伝導により高温側から低温側へ伝わる熱損失が減
°少し、さらに効率が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る再生器を組込んだスタ
ーリングエンジンの断面図、第２図は同実施例の再生器
の斜視図、第３図及び第４図は本発明の他の実施例に係
るスターリングエンジン用再生器の斜視図、第５図は従
来のスターリングエンジン用再生器の斜視図である。 １・・・膨脹シリンダ、２・・・膨脹ピストン、３・・
・圧縮シリンダ、４・・・圧縮ピストン、５・・・加熱
器、６・・・再生器、７・・・冷却器、８，９・・・コ
ネクティングロッド、１０・・・クランクｌ１ｔｌ、１
１−・・クランクケース、１２・・・膨脹シリンダヘッ
ド、１３・・・断熱ブロック、１４・・・燃焼室、１５
・・・ガスノズル、１６・・・スワラ−１１７・・・空
気予熱器、１８・・・吸気筒、１９・・・排気筒、２０
・・・フィン、２１．２１ａ〜２１ｃ・・・伝熱体、２
２・・・芯材。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）スターリングエンジンにおける加熱器と冷却器と
   の間に設けられ、高温の作動流体が冷却器側に向うとき
   、作動流体の熱を回収して蓄え、低温の作動流体が加熱
   器側に向うとき、蓄えた熱を作動流体に与える再生器に
   おいて、金網を円筒状に巻回してなる伝熱体により構成
   されることを特徴とするスターリングエンジン用再生器
   。
2. （２）前記伝熱体を複数個積層し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用再生器。