JPS61502005A - 空気作動流体によるスタ−リングエンジン - 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】 ６、　請求の範囲第５項記載の発明でおって、前記冷却手段は、シリンダ内に形 成されて前記蓄熱器手段の周囲に位置させられ、中を冷却剤が通る複数のはぼま っすぐな中空管部材と、それらの管部材の間に形成され、蓄熱器手段から低温連 結ダクトマで作動流体を流せるようＫする横方向チャネルとを備える発明。

７、　請求の範囲第６項記載の発明であって、その中に前記加熱管ユニットの一 部が配置される開口部を有し、前記燃焼室内に配置される円筒形のセラミツクマ ニホルド手段を更に含む発明。

８．請求の範囲第７項記載の発明でおって、二ン′シンの運転中にそれの周囲に 燃焼ガスを渦巻かせるようＫ、セラミックマニホルド内に配置されている加熱管 ユニットの部分の周囲に位置させられる溝付管を更に含む発明。

明　細　書 スターリンゲニン・シンが復活して以来、それに対する関心が高まってきている ために、スターリングエンジンの設計についての改良が九ゆまず続けられてきた 。スターリングエンジンの基本的な動作原理がり−・ウォーカー（Ｇ　、Ｗａｌ ｋｅｒ　）著「スターリングエンシン（Ｓｔｉｒｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｓ）Ｊ第 １版、１９８０年、に述べられている。は、ぼこれに関しては、スターリングエ ンジンは作動流体（、ガス）の加熱と冷却の原理で動作し、有用な仕事を行なう 丸めにガスの膨張と圧縮が利用される。上記の本には種々の設計と、それに駆除 する利点が示されている。

大多数のスターリンゲニンシンは、熱伝導率および比熱が高く、かつ粘性が低い という理由で、作動流体として、水素また社ヘリウムのような空気より軽いガス を利用している。そのようなガスの使用にはそれな夛の利点が得られるが、一定 量のガスの保持の必要性があること、したがってシールされるサイクルを維持す る必要があるという、大きな要求がされる。

軽いガスの代シとして空気も使用されてきた。空気より軽い一定量のガスを保持 するエンジンと比較して空気サイクルのスターリングエンノンの明うかな利点は 、作動スペースと周囲の諸条件の閣のシーリングの性質の利点でおる。現在の水 素エンジンおよびヘリウムエンジンは、ピストンとクロスヘッドの間のロンド上 り滑りシールを使用している。この構造では間隙を必要とするから、それを設け るためにエンジンの高さが高くなシ、容積が大きくなる。

空気中の空気サイクルエンジンにおいて社空気が洩れても周囲から空気を容易に 補充できるから、そのようなエンジンはほぼ完全なシーリングを必要としないた めに、そのエンシンは利用されているｆｆ密なシーリング装置を無くせるはかり でなく、そのようなシーリング装置を無くし九ことにより容積を小さく１１重量 を軽くできる。

しかし、これまでは、空気の輸送特性および流動性のために、（すなわち、伝導 度がよシ低く、比熱がよシ小さく、粘度がよ＃）高い）１作′ｋｂｆｔ体として 空気を用いているスターリングエンジンの設計は十分に満足できるというもので はなかつ九。比較的悪い流動性を補償しようという試みが行なわれたが、その結 果得られたエンジンは極めて大型で、出力−重量比が低い低効率のものとなるの が通常であった。

軽いガスを利用しているエンジンの効率と比較して空気サイクルエンシンの効率 を高くすることがこれまで可能であったが、それは低速および低い比出力におい てのみ実現されていたのであるから、それらのエンジンの用途は限定されること になる。

発明の概要 したがって１本発明の主な目的は、効率が比較的良く、空気より軽いガスを利用 するサイクルエンシンが用いられている用途に類似の広い用途に高速かつ高出力 密度で使用できる空気サイクルスターリングエンジンを得ることである。

本発明の別の目的な、設計が比較的簡単で、比較的安価な空気サイクルのスター リングエンシンを得ることである。

本発明の更に別の目的な、空気よシ軽い作動流体のエンシンのめる種の欠点、と くに厳重なシーリングを必要とするという欠点を解消したスターリングエンジン を得ることである。

本発明は、たとえば水素エンジンまたはヘリウムエンジンの代９に使用できる空 気サイクルのスターリングエンジンを提供するものである。これに関して、改良 した燃交換器設計を使用することにより、作動流体として空気を使用する欠点が 解消される。

更に、この熱交換器設計によシ、たとえば水素サイクルエンジンに匹敵する重量 ・と容積を有し、しかも水素サイクルエンジンよシ簡単で、安価であり、かつ信 頼度が高い構造のエンジンを得ることができる。

これに関して、本発明は、加熱器と、蓄熱器、および冷却器を燃焼室の周囲にコ ン／ダクトで安価なユニットとして層状にまとめる熱変換モジュールを提供する ものでめる。この特定の加熱管構造と、蓄熱器および冷却器の設計により、比較 的簡単で、安価であるにもかかわらず、空気サイクルエンジンに必要な小型であ るという状況において効率的に熱を伝えることができる。

図面の簡単な説明 したがって、前記諸口的および諸利点ならびＫその他のことは本発明により実現 され、それらについての説明を図面を参照して行なりことにする。

第１図は、本発明の教えを含むスターリングエンジンの部分断面側面図、 第２図は、本発明の教えを含むスターリングエンシンの頂部の一部断面図。

第３図は、熱交換モジュールと膨張ピストンおよび圧縮ピストンの関係を示す多 少概略的な図、第４図は、熱交換モジュールのうち本発明の教えを含む部分の分 解部分断面図、 第４１図は、本発明の教えを含む組立てられた加熱管ユニットの部分断面図、 第５因は、スターリングエンジン内に位置させられている熱交換モジュールの部 分の拡大部分断面頂部図、 第６図は、スターリングエンノンの膨張ピストンの軸線に向って見た部分断面側 面図、 第７図は、第６因に示されている゛スターリングエンジン内に位置させられてい る熱交換モノニールの部分の拡大側面図である。

好適な実施例の詳細な説明 図面を詳しく参照して、その作動流体として空気を利用するように設計されてい るスターリングサイクルすなわちスターリングエンジン１０が全体的に示されて いる。このエンジンは外部ケーシング１２を含む。この外部ケーシングの内部に 熱交換モノニール１４が位置させられる。この熱交換モノニールは加熱管マトリ ックス１６を含む。この加熱管マトリックス１６杜、第１図および第２図に示す ように、燃焼室２４の周囲に層状に逐次位置させられる個々の加熱管１８と、蓄 熱器２０と、冷却器２２とで構成される。

本発明の部分である熱交換モジュール１４と圧縮（低温）ピストン２６および膨 ＊（高温）ピストン２８との間の全体的な関係は、第３図を参照して最も良く説 明できる。それらのピストンは共通のクランク上に示されており、空間的に変位 させられて膨張ピストン２Ｂを圧縮ピストン２６よりある角度（すなわち、９０ 度）だけ進ませる。低温圧縮ピストン２６は低温圧縮ダクト２９に連結されて、 空気を熱交換モジュール１４内に流す。その熱交換モジュールにおいてその空気 は加熱される。高温の連結ダクト３０がＭｅ張スイースと環状ダクト３１の間に 通じる。その環状ダクトは加熱された空気を熱交換モ・ジュール１４からとる。

ピストン２８は加熱された空気により駆動され、振動する空気が前後に流れて、 周知のスターリンゲニンシンの原理に従って仕事を生ずる。

本発明は、熱交換器に含まれている部品、すなわち、加熱管と蓄熱器および冷却 器に対してめられる容積すなわちスペースを最小にする。これに関して、熱交換 モ・シューＡ／１４が分解図で示されている第４図を参照する。熱伝導率が非常 に高い材料で作られている加熱管ユニット３２が、朝顔形で、一端が閉じられて いる探しぼり部材３４を含む。この探しぼり部材３４の周囲に不純鋸歯状にされ た端部開放管３６がきっちυはめこまれて、探しぼり部材３４との間にテヤネＡ ／３８を形成する。それから、それは面が平滑な端部開放管４ｏの中にきっちり はめこまれる。この基部開放管４０は通路４２を形成する。

それからこのアセンブリは、第４＆図に示すように、１つの加熱管ユニットの中 に入れられてろうづけされる。このユニットは完全にろうづけされるから。

短い実効通路直径で７−グ応カが大きく引受けられて薄肉とすることができ、か つ熱的性能を良くできる。部材３４と３６は比較的簡単で、製作および組立を安 価にできる。冷却器（後で説明する）と同様に、加熱器は多くの空気通路を必要 とする。それらの空気通路は、より軽いガスを使用するエンジンでこれまで利用 されていた空気通路より短く、かつ細い。

加熱管ユニツ）３２は、スペース４４からス４−ス４６４で、およびス（−ス４ ６からスペース４４までの簡単な同軸マニホルドで、ガス通路すなわちチャネル の環状の集りである。４８から入る空気は部材３Ｇと４０の間をチャネル４２を 通ってスペース４４に入り、それから向きを変え３４と３６の間をチャネル３８ を通って流れ下り、管３６の開口部５０から出る。また、空気は、管３６の開口 部５０から入って、チャネル３８ｔ−通って３４と３６の間を上方へ流れ、それ から向１！を変えてスペース４４に入り、チャネル４２ｔ−通って部材３６と４ ０の間を流れる。通路の実効的な数は管３６の朝顔形のでこぼこの数によシ決定 される。

加熱管の中を流れている空気への熱の伝導は、それの間に形成されたチャネルの 中の排気として出る燃焼ガスに渦を巻かせるように、加熱管にひれを設けること によシ、またはおそらく可変ピッチ溝付管５２を付加することによシ、高めるこ とができる。

第５図はそのような溝付管の加熱管ユニット３２への随意の使用を示すものであ る。図示のように、それらの管は、燃焼室２４内の円筒形のファイバーセラミツ ク・マニホルド５３の開口部内に位置させられる。溝付管を使用するのと類似の 結果を達成するために、セラミック・マニホルド５３内の開口部に溝を設けて、 燃焼ガスに希望の渦巻を起させることができる。

多数の管ユニット３２が利用され、図示のように燃焼室の周囲に層を成した列と して半径方向に位置させられる。それらの管は細くて短かく、高い性能を発揮で き、いくりかの管ユニットにマニホルドを予め形成することにより機械的に組立 てることができ、それによジ組立費用を低減できる。

燃焼室２４の周囲に位置させられている高圧シリンダ５６の半径方向内側の開口 部５４に各加熱管ユニット３２が扛めこまれる。これに関して、第５図および第 ７図に６０で最も明らかに示されているように、管３８の端部はシリンダ５６の 外面５８と同一レベルである。

それからｗニホルド６２が設けられる。このマニホルドは薄い板から作られ、開 口部５４に対して軸線方向に位置させられる盛シろがった開口部６４を形成する ために打抜かれる。開口部６４は滑って加熱管ユニット３２の開口部５０の中に 入プ、開口部５０の内面に接触する。マニホルド６２は盛シ上っｆｔインｆｉ− ロック６６ｆ、含む。それらのインターロックにより隣接するマニホルドの結合 が容易に行なえる。マニホルド６２とシリンダ５６の間に、加熱管ユニット３２ のチャネル４２に通じる環状のスペースＴＯが形成されるように、マニホルド６ ２はシリンダ５６の周囲にはめこまれる。そのスペースＴＯは膨張ス（−ス２８ へ連結される。これについては後で説明する。また、チャネル３８は、開口部６ ４を通じてマニホルド６２の外側のスペースに通じることを制限される。

この後者のスペースにおいては、蓄熱器マトリックスが巻かれる。スリーエム社 （３ＭＣｏｍｐ鼻ｎｙ）により製造されたＮｅｘｔｅｌ　３１２　のようなセラ ミック７アイパから、らせん状に巻かれて網状に作られた蓄熱器が非常に効果的 でおることが見出されている。そのような耐熱ファイバは強力で、柔軟であるか ら薄く編むことができ、そうすると伝導率が低い。本発明においては、従来の蓄 熱器の材料では温度こう配の方向の長さが短いために、ここで拡避けられる望ま しくない量の伝導損失が生ずるから、そのよりな７アイパを使用すると有利であ る。それらの７フイノ譬によｐ蓄熱器の効果が高くなり、高温の面から低温の面 への熱の損失を防ぎ、かつ従来利用されていた金属線の設計よシ優れていること が見出されている。

蓄熱器２０の周囲には半径方向にガスを流す円筒形の冷却器２２が位置される。

この冷却器は環状に組立てられた数多くの中空テーパー管７２を有する。

それらの管７２の間に折り曲げられたひれストック７６が位置させられる。それ から、仮想線で示されている端板により組立てられた状態に保持されている管Ｔ ２とひれストック７６の全体のアセンブリを、従来の自動車用ラソエータに非常 に似たユニットとしてろうづけできる。管７２の中空Ｓを冷却剤（ＨｓＯ）が通 され、ひれストック７６で形成されているチャネルを作動ガス（空気）が流れる 。

ひれストックを用いるのではなくて、管自体の壁に横方向の溝を設けることがで きることに注意されたい。それらの溝は端部の間の領域に設けられて空気のため のチャネルを形成し、それから−緒にろうづけされる。いずれかの方法によシ、 何千という効率の良い通路が少数の部品により安価に作られ、しかも熱的な性能 が高い。

この熱交換モジュール１４全体が次にエンジン１０内に位置させられる。冷却器 ２２と外部ケーシング１２の間に低温連結チャネルが設けられる。七のテヤネ／ Ｉ／社ダクト２９に通じ、かつ低温圧縮シリンダすなわちマニホルド８２内に形 成されたチャネル８０を含むことができる。そのマニホルド８２は外部ケーシン グ１２の一部とすることができる。

次に第６図を参照してこのエンジンの動作を説明する。加熱管ユニット３２およ びその中を流れる作動流体（空気）ｔ−加熱するために燃焼装置８２が設けられ る。燃焼のための空気は８４から入り、標準型の回収予熱器８６を通って燃焼室 ２４に入る。その燃焼室２４から燃焼用の空気は加熱管ユニット３２に沿って軸 線方向く動き、セラミック・マニホルド５３（ｔたは溝付管５２）を通り、それ から戻シ環８８と予熱器８６を通って９０から排気として出る。

作動流体（空気）の動きは次のような経路に沿うものである。膨張ピストン２８ が高温の連結ダクト３０と環状ダクト３１に連結される。その環状ダクトはｉエ ホルド６２とシリンダ５６の間に環状スペース７０に連結される。加熱管のチャ ネル４２がこの領域に連結される。低温連結ダクト２９が、ひれストック７６よ り形成されているチャネルへ蓄熱器２０ｔ−介して連結され、かつ加熱管３２内 に形成されているチャネル３８へマニホルド５０を介して連結される。

先に説明したようにチャネルの間の加熱管内の振動する流れがサイクルを完結す る。膨張スペースからの作動流体（空気）が環状スペース１０の中へ軸線方向に 入れられ、加熱管のチャネルの中を上下に流れ、蓄熱器および冷却器の中を通っ て（両方とも半径方向の流れで）出てから、チャネル８０の周囲を通って圧縮ス ペースに入る。

半径方向に流すこの円筒形構造によシ、軸線方向に流すための広い流れ領域に関 連する長い直径の容器で通常起る高いフープ応力とベッセル応力の生じない非常 に広い流れ領域をとることができるようにされる。また、この構造は主として自 己絶縁性であって、所期の利点を有する。

また、同じクランク軸に付加スターリングサイクルを加えることができ、それら の付加スターリングサイク／Ｉ１０熱交換モゾユールは同じ燃焼器を共用して、 その装置の融通性と効率を高くする。

したがって、本発明によりそれの諸口的および諸利点が実現され、かつ、ここで 好適な実施例を開示および詳しく説明したが、それの範囲はそれによシ限定ナベ きではなく、むしろそれの範囲は添付した請求の範囲により決定すべきである。

国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．圧縮手段および膨張手段と、熱を発生する燃焼室と、この燃焼室からの熱の 伝導を受けるために燃焼室の周囲に位置させられる熱交換モジユールであつて、 前記燃焼室の周囲に円周方向に位置させられて、内部に作動ガスを流し、その作 動ガスを加熱する複数の加熱管ユニツトとフアイバマトリツクスの態様の蓄熱器 手段および作動流体を冷却する冷却手段を含む前記熱交換モジユールと、作動流 体を冷却手段と圧縮手段の間で流すことができるように冷却手段を圧縮手段に連 結する低温連結ダクトと、作動ガスを加熱手段と膨張手段の間で流すことができ るように加熱手段を膨張手段に連結する高温連結ダクトとを備え、前記加熱管ユ ニツトと蓄熱器手段および冷却手段はそれぞれ円筒形であつて、それぞれ低温連 結ダクトおよび高温連結ダクトの周囲に層を成して位置させられ、前記圧縮手段 と前記膨張手段は、スターリングサイクル運転中に作動流体を熱交換モジユール を通じて周期的に流すために動作するスターリングエンジン。
2. ２．請求の範囲第１項記載の発明であつて、前記加熱管ユニツトは、一端が閉じ られ、他端が開かれて、作動ガスが第１の組のチヤネルを通つて開放端部から管 の中に入り、第２の組のチヤネルを通つて開放端部から管を出られるように、チ ヤネルを形成された円筒管をそれぞれ備える発明。
3. ３．請求の範囲第２項記載の発明であつて、前記管の開放端部はシリンダの壁に 連結される発明。
4. ４．請求の範囲第３項記載の発明であつて、前記シリンダの壁と蓄熱器手段の間 に位置させられて、加熱管ユニツトに連結されるマニホルド手段を更に含み、こ のマニホルド手段はシリンダの壁とともに、前記第１の組のチヤネルを膨張手段 に通じさせる通路を形成し、第２のチヤネルから蓄熱器手段へ作動ガスを流せる ように、前記マニホルド手段の開口部が前記第２のチヤネルに連結される発明。
5. ５．請求の範囲第４項記載の発明であつて、前記蓄熱器手段は、前記マニホルド 手段の周囲に位置させられる円筒形のセラミツクフアイバマトリツクスを使える 発明。
6. ６．請求の範囲第５項記載の発明であつて、前記冷却手段は、シリンダ内に形成 されて前記蓄熱器手段の周囲に位置させられ、中を冷却剤が通る複数のほぼまつ すぐな中空管部材と、それらの管部材の間に形成され、蓄熱器手段から低温連結 ダクトまで作動流体を流せるようにする横方向チヤネルとを備える発明。
7. ７．請求の範囲第６項記載の発明であつて、その中に前記加熱管ユニツトの一部 が配置される開口部を有し、前記燃焼室内に配置される円筒形のセラミツクマニ ホルド手段を更に含む発明。
8. ８．請求の範囲第７項記載の発明であつて、エンジンの運転中にそれの周囲に燃 焼ガスを渦巻かせるように、セラミツクマニホルド内に配置されている加熱管ユ ニツトの部分の周囲に位置させられる溝付管を更に含む発明。