JP2603683B2 - スターリングサイクル機関の高温側熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スターリング・エンジン、ベルマイヤー
機関・GM冷凍機などスターリング・サイクルを使った機
関の高温側熱交換器に関し、特に再生器がディスプレー
サ・ピストンと同軸状に配置された、円筒形の形状（ア
ニュラー）を持った機関において、シリンダのガス通路
の構造を改善したものに関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は従来のスターリング・サイクル機関の一種で
あるスターリング・エンジン高温側熱交換器を示す断面
図であり、図において１はシリンダ２に接合されたヒー
タ管、４は高温側熱交換器本体であるシリンダ２内に往
復自在に嵌合されたディスプレーサピストンで、このピ
ストン４とクーラ９内壁とはピストンシール12によって
シールされている。10はシリンダ２と嵌合された薄肉の
インナーライナで、これはクーラ９とも嵌合され固定さ
れている。またディスプレーサピストン４とシリンダ２
との間には膨脹室６が形成され、シリンダ２にはガス通
路11があけられており再生器８に作動ガスが流れるよう
になっている。シリンダ２とインナーライナ10との間に
は金網を充填した再生器８が設けられている。20はシリ
ンダ２の上部内面と再生器８との間に配設され、シリン
ダ２と同じ材料もしくはシリンダ材より線膨脹率の低い
材料を素材とし、複数のガス通路15を持つスペーサであ
る。第５図はこのスペーサを示す正面図である。

上記再生器８はこのスペーサ20により位置決めされて
おり、その高さ方向の位置は、再生器８の上端がディス
プレーサピストン４の下死点から始まる位置となってお
り、再生器８の下端はクーラ９に当たる位置まで下方に
延びており、またディスプレーサピストン４が上死点の
時、ピストン４下端部が再生器８の最下部より低い位置
にくるようになっている。クーラ９はシリンダ２に取り
囲まれ、器内に充填された冷却水はクーラ９のガス通路
16からの熱を吸収してガス通路16を流れる作動ガスから
吸熱するようになっている。ディスプレーサピストン４
とパワーピストン５との間には圧縮室７が形成されてお
り、ガス通路16は圧縮室７につながっている。パワーピ
ストン５とライナホルダ13とは、ピストンシール14によ
りシールされている。ディスプレーサピストン４とパワ
ーピストン５とは一定の位相差を保ちながら駆動機構
（図示せず）により往復する。

次に従来のスターリングサイクル機関の高温側熱交換
器の動作について説明する。

図中下死点近くにあるパワーピストン５は駆動機構に
より上昇し、それと同時に上死点にあるディスプレーサ
ピストン４は下降し、これらは圧縮室７の作動ガスを圧
縮する。パワーピストン５とディスプレーサピストン４
とは最大圧縮時に図中一点鎖線の位置に来るので、圧縮
室７の死容積がほぼ０になる。圧縮された作動ガスは、
クーラ９のガス通路16,再生器８を通り、スペーサ20の
部分で縮流され、スペーサ20にあけられた複数のガス通
路15を通過し、シリンダ２のガス通路11を通って、膨脹
室６に流れ込む。再生器８は膨脹室６の高温からクーラ
９高温側入口の温度までの温度分布を持つ。ここでは、
ディスプレーサピストン４が下死点に来た時でも高温の
膨脹室６とこれより温度の低い再生器８部分とが薄いイ
ンナーライナ10を挟んで接することがないので、この部
分での熱損失がほとんどない。また、スペーサ20を設け
ることにより、再生器８上部の肉厚が薄くなり、シリン
ダー２の柔構造になるので、発生応力が低くなる。

その後、ディスプレーサピストン４は、下死点に達し
た後上昇し、膨脹室６内の作動ガスをスペーサ20のガス
通路15,再生器8,及びクーラ９のガス通路16を通して圧
縮室７に戻す。このとき、スペーサ20部で絞られて高速
になった作動ガスは、すぐに再生器８に流入するので、
再生器８の上部全体に作動ガスが回らず有効に使われて
いない部分ができる。それを防ぐため、再生器８の上部
にいくらか死容積を持たせて、高速になった作動ガスの
流速を落している。またピストン４の下端部が上死点に
おいても再生器８の最下部より下側にあるため、圧縮室
７より温度の高い再生器部は、薄いインナーライナ10を
挟んで圧縮室７と接することがないのでこの部分で熱損
失もほとんどない。

このようなサイクルを繰り返すことにより、機関は熱
サイクルの一種のスターリング・サイクルを構成し自立
運転すようになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のスターリングサイクル機関のスペーサは以上の
ように構成されているので、シリンダのガス通路11の開
口とスペーサのガス通路16の開口とを合わす位置決めに
問題があった。つまり、これらのガス通路11及び16の開
口がずれると作動流体の圧力損失が増大し、機関の熱効
率が低下する。またガス通路15の入口と出口の急拡大・
急縮小による圧損が大きく、再生器８に流入する時に、
再生器上部，つまり再生器の上端から３ミリ〜５ミリま
での部分では作動ガスが各部に均一に行き渡らず、再生
器８の利用効率が悪い。さらに、使用中に機関の振動に
よりスペーサ20がずれることもあるので、位置決めピン
などで強制的に固定しなければならなかった。このた
め、スペーサの位置決めのための加工をシリンダに施す
必要があり、またスペーサのシリンダへの嵌め込みはヒ
ータ管のガス通路とスペーサのガス通路とがずれないよ
うに慎重に行わねばならず組み込みに時間がかかるなど
の問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、スペーサの組み込みを容易にすることがで
きるとともに、スペーサの位置決め固定のための加工を
なくすことができ、しかも使用中にスペーサが位置ずれ
しても作動流体の圧力損失と増大を招くことはなく、ス
ペーサのガス通路の出入口での圧力損失の小さいスター
リングサイクル機関の高温側熱交換器を得ることを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係るスターリングサイクル機関の高温交換
器は、シリンダ周壁の再生器上部分にシリンダと同軸状
に第１の円筒状体を、その外側にこれより径の大きい第
２の円筒状体を組込んで、再生器の位置決めのためのス
ペーサを構成し、該両円筒状体間の間隙を、該スペーサ
下側の再生器と上側のヒータ管のガス通路とを接続する
ガス通路としたものである。

〔作用〕

この発明においては、スペーサを大小２つの円筒状体
から構成したから、その工作を簡単にすることができ、
また上記２つの円筒状体の間隙をスペーサのガス通路と
しているため、スペーサ及びシリンダのガス通路開口の
位置合わせを容易にすることができ、しかも使用中にス
ペーサが位置ずれしても作動ガスの圧力損失の増大を招
くことなく、再生器に流入する作動ガスを再生器の各部
へ均等に行き渡らせることができ、この結果機関の熱効
率の低下を防止することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、１はシリンダ２に接合されたヒータ
管、４は高温側熱交換器本体であるシリンダ２内に往復
自在に嵌合されたディスプレーサピストンで、このピス
トン４とクーラ９内壁とはピストンシール12によってシ
ールされている。10はシリンダ２と嵌合された薄肉のイ
ンナーライナで、これはクーラ９とも嵌合され固定され
ている。また上記ディスプレーサピストン４とシリンダ
２との間には膨脹室６が形成され、シリンダ２にはガス
通路11があけられており再生器８に作動ガスが流れるよ
うになっている。シリンダ２とインナーライナ10との間
には金網を充填した再生器８が設けられている。

また20はシリンダ２周壁の再生器８上側部分に組み込
まれ、シリンダ２と同じ材料もしくはシリンダ材よりも
線膨脹率の低い材料からなるスペーサである。このスペ
ーサ20は内側の円筒状スペーサ20a及びこれより径の大
きい外側の円筒状スペーサ20bからなり、再生器８の高
さ方向の位置決めをしている。スペーサ20aはシリンダ
２内周と嵌合されており、スペーサ20bはインナーライ
ナ10と嵌合されている。この２つのスペーサ20a,20bは
組み合わされた時、シリンダ２のガス通路11を塞がない
距離をおいて離れており、再生器８に作動ガスがスムー
ズに流入できる形状になっている。なおこのスペーサの
通路面積や通路形状は規定するものではない。

第２図にスペーサ20a,20bを組み合わせたスペーサ20
を示す。このスペーサ20により再生器８はその上端がデ
ィスプレーサピストン４の下死点から始まる高さ位置に
位置決めされ、再生器８の下端はクーラ９に当たる位置
まで下方に延びており、しかもディスプレーサピストン
４が上死点にある時、ピストン４下端部が再生器８の最
下部より低い位置にくるようになっている。クーラ９は
シリンダ２に取り囲まれ、器内に充填された冷却水はク
ーラ９のガス通路16からの熱を吸収してガス通路16を流
れる作動ガスから吸熱するようになっている。またディ
スプレーサピストン４とパワーピストン５との間には圧
縮室７が形成されており、ガス通路16は圧縮室７につな
がっている。パワーピストン５とライナホルダ13とは、
ピストンシール14によりシールされている。ディスプレ
ーサピストン４とパワーピストン５とは一定の位相差を
保ちながら駆動機構（図示せず）により往復動する。

次に動作について説明する。

本発明に係わるスターリングサイクル機関の高温側熱
交換器のスペーサの役割について説明すると、図中下死
点近くにあるパワーピストン５は駆動機構により上昇
し、それと同時に上死点にあるディスプレーサピストン
４は下降し、圧縮室７の作動ガスを圧縮する。

パワーピストン５とディスプレーサピストン４とは最
大圧縮時に一点鎖線の位置に来るので、圧縮室７の死容
積がほぼ０になる。圧縮された作動ガスは、クーラ９の
ガス通路16,再生器8,及びスペーサ20のガス通路15を通
過し、膨脹室６に流れ込む。このとき、クーラ９から流
入した作動ガスは、スペーサ20部に均等に流れ、このと
き圧力損失も少ない。この場合作動ガスはスペーサ20部
を通過する間に徐々に絞られて、シリンダ２のガス通路
11に流れ込むので、流路の急縮による圧力損失は小さ
い。また、スペーサ20を設けることにより再生器８上部
の肉圧が薄くなり、シリンダ２が柔構造になるので、発
生応力が低くなる。

その後、ディスプレーサピストン４は、下死点に達し
た後上昇し、膨脹室６内の作動ガスはスペーサ20のガス
通路15を通過し、この間にて整流され、再生器８及びク
ーラ９のガス通路16を通して圧縮室７に戻る。このとき
シリンダ２のガス通路11から流入した作動ガスはスペー
サ20部で徐々に拡大され、再生器８に流れ込むので、再
生器全体に作動ガスが回り、再生器上部が有効に使わ
れ、スペーサ20と再生器８の間の再生器損失が小さくて
すむ。このようなサイクルを繰り返すことにより、機関
は熱サイクルの一種のスターリング・サイクルを構成し
自立運転するようになる。

このような本実施例では、スペーサ20を大小２つの円
筒状スペーサ20a,20bから構成し、この２つのスペーサ2
0a,20bの間隔をシリンダ２にあけられた穴列（ヒータ管
１のガス通路11の開口）を塞がない程度に取り、この部
分をガス通路15としたので、スペーサの工作を簡単にす
ることができ、またスペーサ20の位置決めも容易にする
ことができる。しかも使用中にスペーサ20がずれてもこ
れがシリンダ２のヒータ管１のガス通路開口を塞ぐこと
はなく、つまり作動ガスの圧力損失の増大を招くことは
なく、再生器８に流入する作動ガスを再生器の各部へ均
等に行き渡らせることができ、再生器部での熱損失を小
さくすることができる。また、スペーサ20を設けること
によりシリンダ２の再生器上側部分の肉厚を薄くできる
ので熱応力を緩和でき、以上の作用により熱損失を少な
く、機関の耐久性と熱効率を高くできる。

なお、上記実施例ではディスプレーサピストンとパワ
ーピストンとが同軸上にあるβ形スターリング・エンジ
ンを示したが、これはアニュラー型の熱交換器を持つも
のであればその他の形式のエンジンでもよい。例えば、
γ型スターリング・エンジンや、フリー・ピストン型ス
ターリング・エンジン、ベルマイヤー機関の高温側熱交
換器、GM冷凍機の高温側熱交換器などである。

また、上記実施例では、シリンダ２とインナーライナ
10とが別体で分かれているものについて示したが、これ
は第３図に示すようにシリンダとインナーライナが一体
のものでもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によればシリンダ周壁の再生
器上部分にシリンダと同軸状に第１の円筒状体を、その
外側にこれより径の大きい第２の円筒状体を組込んで、
再生器の位置決めのためのスペーサを構成し、該両円筒
状体間の間隙を、該スペーサ下側の再生器と上側のシリ
ンダのガス通路とを接続するガス通路としたので、スペ
ーサの位置決めの容易化，工作の簡単化を図ることがで
き、しかも機関の耐久性及び熱効率を高くできる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の一実施例によるスターリングサイク
ル機関の高温側熱交換器を示す断面側面図、第２図はこ
の熱交換器のスペーサの詳細図、第３図はこの発明の他
の実施例を示す高温側熱交換器の断面側面図、第４図は
従来のスターリングサイクル機関の高温側熱交換器を示
す断面側面図、第５図は該熱交換器のスペーサの詳細図
である。 １……ヒータ管、２……シリンダ、４……ディスプレー
サピストン、５……パワーピストン、６……膨脹室、７
……圧縮室、８……再生器、９……クーラ、10……イン
ナーライナ、12,14……ピストンシール、13……ライナ
ーホルダ、15,16……ガス通路、20……スペーサ、20a…
…内側スペーサ、20b……外側スペーサ。 なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧縮ピストン及びディスプレーサ・ピスト
   ンが同軸状に内蔵され、両ピストン間に圧縮室を、ディ
   スプレーサ・ピストン上に膨脹室を有するシリンダと、
   該シリンダ周壁内に該シリンダと同軸状に配置され、ガ
   ス通路を有するスペーサにより所定の高さ位置に位置決
   めされた再生器とを備え、作動ガスをその加熱及び冷却
   により上記再生器及びスペーサを介して上記膨脹室及び
   圧縮室間で往復移動させ、上記圧縮ピストンを作動ガス
   の圧力変化により駆動するスターリングサイクル機関に
   おいて、 上記シリンダ周壁の再生器上部分にシリンダと同軸状に
   第１の円筒状体を、その外側にこれより径の大きい第２
   の円筒状体を組込んで上記スペーサを構成し、 該両円筒状体間の間隙を上記ガス通路としたことを特徴
   とするスターリングサイクル機関の高温側熱交換器。