JP4665199B2 - フリーピストン型スターリングサイクルサイクル機関 - Google Patents

Description

本発明はフリーピストン型のスターリングサイクル機関の作動ガスを加熱または冷却するための熱交換器の構造に関する。

従来、例えば特許文献１で開示されるスターリングサイクル機関が知られている。このスターリングサイクル機関は、ケーシング内に設けられたシリンダの内部に、ピストン及びディスプレーサーが摺動可能に挿入されると共に、スターリングクーラーとして稼動させる場合には、前記ピストンを駆動機構によって往復動させるものがあった。そして、前記ピストンが前記駆動機構によって駆動されて前記シリンダ内で前記ディスプレーサーに近づく方向に移動すると、前記ピストンとディスプレーサーの間に形成された圧縮室内の気体（作動ガス）が圧縮されて、放熱フィン、再生器、吸熱フィンを通り、前記ディスプレーサーの先端と前記ケーシングの先端部との間に形成された膨張室に至ることで、前記ディスプレーサーが前記ピストンに対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストンが前記ディスプレーサーから遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室の内部が負圧となり、前記、膨張室内の気体（作動ガス）が前記吸熱フィン、再生器、放熱フィンを通って前記圧縮室に還流することで、前記ディスプレーサーが前記ピストンに対して所定の位相差をもって押し上げられる。このような工程中において二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室付近は低温となり、一方、前記圧縮室付近は高温となるというものである。（例えば特許文献１）。
前記スターリングサイクル機関をエンジンとして稼動させるには吸熱フィンを通して内部の気体（作動ガス）に熱が加えられ、膨張室の気体（作動ガス）が高温になり膨張し、この膨張室に連なった吸熱フィン、再生器、放熱フィンを通って圧縮室の空間を膨張させ、ピストンをディスプレーサーから遠ざかる方向に移動させる。するとピストンの圧縮室側と反対側との圧力差によりディスプレーサーが膨張室方向にピストンと所定の位相差をもって押し上げられるため膨張室内の気体（作動ガス）はさらに圧縮室に移動し、冷却フィンにより冷却され収縮する。するとピストンはディスプレーサーに近づく方向に移動し、ピストンの両端の圧力差によりディスプレーサーはピストンと所定の位相差をもってピストンに近づく方向に移動するために圧縮室内の気体（作動ガス）は放熱フィン、再生器、吸熱フィンを通って膨張室に移動し再び気体（作動ガス）は加熱され膨張する。この繰り返しによりピストン及びディスプレーサーは往復動運動をし、ピストンに結合された永久磁石が往復動することにより電磁コアーや電磁コイル等により構成される発電装置により発電される。

しかし、吸熱フィンや放熱フィンはケーシングの内部に設けられているため、外部から作動ガスへの熱の移動や内部の熱の外部への排出は前記のケーシングを通して行われるために、ケーシングの熱抵抗やこのケーシングと内部のフィン等の接触による熱抵抗があるために効率良く行われていなかった。そのためにスターリングサイクル機関の効率も低くなっていた。
例えば、特許文献２でもスターリングサイクル機関外部とその内部の作動ガス間の熱伝達を改善する方法が開示されているが、熱の移動や伝達はスターリングサイクル機関の外殻容器（ケーシング）を通して行われるので、このケーシングの肉厚方向の熱抵抗とケーシングと熱交換器間の熱抵抗があり、熱伝達効率の改善は不十分である。

さらに、圧力容器であるケーシングはその表面積が限られており、熱伝達に適するように十分な表面積を設けることは困難であり、例えば特許文献３に開示されているように外殻容器（ケーシング）の外部に熱伝達用部材を追加して、熱伝達の効率を高める手段が開示されている。
しかし、この場合でも外部の熱媒体と内部の作動ガスとの間の熱抵抗は、（熱媒体と外部の熱伝達用部材間の熱抵抗）＋（熱伝達用部材の熱抵抗）＋（熱伝達用部材とケーシング間の熱抵抗）＋（ケーシングの熱抵抗）＋（ケーシングと内部フィンとの間の熱抵抗）＋（フィンの熱抵抗）＋（フィンと作動ガス間の熱抵抗）となり、熱抵抗の要因が多く、熱抵抗を十分には小さく出来ない。

また、特許文献４に開示されているように、膨張空間ヘッド部に作動ガスが通過する多数のＵ字状管を接続し熱交換効率を向上させる方法が開示されているが、通常これら多数のＵ字状管は溶接やロウづけで接合する必要があるが、直線状の管に比較し形状が不均一になりやすく複雑であり、更に突出して構成する必要があるため、接合工程もやり難くコスト高となっている。また、この文献には排熱部分の熱効率の改善には触れられていない。更に、熱効率を向上させるためにＵ字状管の数を増すとスターリングサイクル機関の膨張室の体積が増加し、効率の低下を招いてしまう欠点がある。

更に、特許文献１に開示されているように、従来のピストンの電磁駆動装置の電磁コイルはピストンの外径よりも大きい部分に配置されていた。そのためにその電磁コイルの直径が大きくなり、そのため導線の電気抵抗が大きくなりスターリングサイクル機関の効率を下げてしまう欠点があった。

特許第３８８７８２３号（段落０００２、０００９） 米国公表特許（Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ）Ｐｕｂ．Ｎｏ．：ＵＳ２００５／０２６８６０６Ａ１（段落００１０、００１９） 特表２００４−５０６８３７ 特開平５−１７２００３

スターリングサイクル機関の熱効率を高めるために従来提案されている上記の方法は、何れも熱効率の向上はさせるが、未だ満足できるものではないと言う課題があった。
そこで、本発明は製造し易く低コストでスターリングサイクル機関内部の作動ガスと該スターリングサイクル機関外部の空気や水等の熱媒体との間の熱抵抗を小さくすることにより熱効率を高め、更に電磁コイルの電気抵抗も減らしてスターリングサイクル機関の効率を高める事を目的とする。

請求項１の発明は円筒状のシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入したディスプレーサーと、前記シリンダの起端側内部に摺動可能に挿入したピストンと、前記ピストンと前記ディスプレーサーとの間に形成された圧縮室と、前記シリンダの外周部に吸熱体と排熱体及び前記吸熱体と前記排熱体との間に設けられた再生器と、前記シリンダの内部先端から前記吸熱体、前記再生器、前記排熱体を通って前記圧縮室に至る経路と、前記シリンダの起端側に配置され前記ピストンを往復動させる駆動装置、またはピストンの往復動により発電する発電装置を備えたスターリングサイクル機関で前記吸熱体または前記排熱体あるいは前記吸熱体と前記排熱体が共に、作動ガスを通す直線状の複数の管の両端に前記複数の管を保持する保持部材を備え前記複数の管の外側に空気や水等の熱媒体を通す構成としたものである。

また、請求項２の発明は請求項１に加えて、前記ピストンの駆動装置またはピストンの往復動により発電する発電装置の永久磁石の外径をピストンの外径よりも小さくし、この永久磁石の内側に電磁コイルを配置することにより、この電磁コイルの電気抵抗を小さくして、電気的損失も小さくする構成とするものである。

この請求項１の発明によれば直線状の複数の管に通された作動ガスを直接空気や水等の熱媒体により加熱または冷却する事により作動ガスと熱媒体との間の熱抵抗は、熱媒体と管外壁表面間の熱抵抗と、管の肉厚方向の熱抵抗および管内壁表面と作動ガス間の各熱抵抗の和のみとなり、小さくすることができる。そのために前記熱媒体と前記作動ガスとの温度差が少なくなり、熱効率を高めることができる。また、前記複数の管は直線状でありこの複数の管の両端を保持する部材があり、前記複数の直線状管とその両端を保持する部材とで構成される吸熱体あるいは排熱体はそれらを単体で溶接やロウづけ作業が可能のため製造が容易でコストも低くできる。更に、作動ガスを通す前記複数の直線状の管の数や直径はスターリングサイクル機関の効率に対して最適に設計しやすい。すなわち、熱媒体との接触面積や、作動ガスの流路抵抗を考慮して管の直径やその数を適切にさせる設計に対する自由度が高く、効率を高くする設計が容易となる。また、請求項２によれば永久磁石をピストン外径よりも小さくし、この永久磁石の内部に電磁コイルを配置する構成とすることにより、その電気抵抗を少なくすることが出来て、スターリングサイクル機関の効率は更に向上する。

以下、本発明の一実施形態について、添付図を参照して説明する。図１において８は金属製のシリンダで先端部内部にはディスプレーサー９、起端部にはピストン２３がそれぞれ摺動可能に挿入されている。前記シリンダ８の外周部には作動ガスを通す複数の吸熱管２、吸熱管保持部材上３および吸熱管保持部材下１０からなる吸熱体と作動ガスを通す複数の排熱管１７、排熱管保持部材上１４および排熱管保持部材下１９からなる排熱体および前記吸熱体と前記排熱体との間に設けた再生器１３を取り付けた円筒状の固定部材７が前記シリンダ８に圧入または接着などで取り付け固定されている。これら吸熱管保持部材上３と吸熱管保持部材下１０と排熱管保持部材上１４および排熱管保持部材下１９の各内周部は溶接や接着等により固定部材７に接合してシールされている。
尚、前記複数の吸熱管２の上端は吸熱管保持部材上３にロウづけや接着等により接合してシールされている。同様にこの複数の吸熱管２の下端は吸熱管保持部材下１０にロウづけや接着等により接合してシールされている。同様に、前記複数の排熱管１７の上端は排熱管保持部材上１４とその下端は排熱管保持部材下１９にそれぞれロウづけや接着等により接合してシールされている。

前記吸熱管保持部材上３の外周部はトップケーシング１と溶接や接着等で接合およびシールされていて、前記再生器１３の外周部にはケーシング中上１２が配置されてその外周部が前記吸熱管保持部材下１０および排熱管保持部材上１４にそれぞれ溶接や接着等で接合およびシールされている。さらに、前記排熱管保持部材下１９にはケーシング中下２０が溶接や接着等により接合およびシールされており、前記ケーシング中下２０にはケーシング中下保持部材３０が溶接されており、前記ケーシング中下２０はこのケーシング中下保持部材２２を介してボルト等によりシリンダ８の起端部に固定されている。さらに、ケーシング中下２０はボトムケーシング２１に溶接等で接合およびシールされている。

前記シリンダ８の下端部には駆動装置または発電装置用の電磁コイル２９を備えた電磁固定子２６を固定子取り付け具小２８と共に固定するための固定子取り付け具大２７がボルト等により取り付けられている。そして、この固定子取り付け具大２７はシリンダ８の下端にボルト等で固定されていて、前記電磁固定子２６の外周部にはこの電磁固定子２６とわずかな磁気的隙間を介して配置された円筒状の永久磁石２５が前記ピストン２３の内側に取り付けられた導磁部２４の内側に接着等により取り付けられている。 また、前記ディスプレーサー９の起端側には、このディスプレーサー９の動作を制御するためのロッド３１の一端が接続されていると共に、このロッド３１の他端には板バネ３０が接続されており、更にこの板バネ３０は前記シリンダ８の下端部に配置されている。 尚、前記ロッド３１はピストン２３を貫通して延びており、このピストン２３とは摺動可能となっている。尚、本実施例では永久磁石２５がピストン２３の内側に配置されたものが示されているが、参考文献１に示されたように、ピストンの外側に駆動装置または発電装置用の永久磁石を配置しても良い。また、永久磁石２５は円筒状であるが一体構造でなくても、円弧状の永久磁石を組み合わせて円筒状とする事も可能である。また、図１では導磁部２４が永久磁石２５と共に往復動する構造を示しているが、この導磁部２４はピストン２３と切り離してシリンダ８に固定する構造でも良いことは自明である。

次に吸熱部分を説明する。空気や水あるいは炭酸ガス等の熱媒体を取り入れまたは排出するための複数の接続具６を接合した封止具５が封止材４、４を介してトップケーシング１と吸熱管保持部材下１０とに締め付け固定されて複数の吸熱管２を囲う空間が形成され、この空間に空気や水あるいは炭酸ガス等の熱媒体を通過させて、この複数の吸熱管２を通過する作動ガスを直接加熱する。尚、前記封止具５は封止材４を省略して、トップケーシング１および吸熱管保持部材下１０と直接溶接等で接合して封止しても良い。
同様に排熱部分を説明する。熱媒体の出し入れのための複数の接続具１５を接合した封止具１６が封止材１８、１８を介してケーシング中上１２とケーシング中下２０とに締め付け固定されて複数の排熱管１７を囲う空間が形成される。この空間に熱媒体を通過させて、排熱管１７を通過する作動ガスを直接冷却する。尚、１１は吸熱管２と再生器１３との間および排熱管１７と再生器との間に配置された、金属製やプラスチック製の繊維等からなる通気性のある材料で作られていて、作動ガスの流れを制御しスターリングサイクル機関の効率を良くするが、無くても良い。以上の構成ではスターリングサイクル機関の外殻であるケーシングが、圧力容器の一部となっている吸熱体および排熱体以外でも４分割されており、吸熱体、再生器および吸熱体の組み込みを容易にしている。しかし、固定部材７により機械的強度は十分に保持されている。

図２は吸熱体として従来のフィンの構造を採用した実施例を示すもので、５１はケーシング上でその内部に銅等の熱良導体で作られた吸熱フィン５２がロウづけまたは圧入等で固定されている。図３は図２に示す線Ａ−Ａに沿った断面図で、スターリングサイクル機関の外部からの熱はケーシング上５１を通過して吸熱フィン５２の外周端部に達しこのフィン全体に伝わり、ケーシング上５１と吸熱フィン５２で囲われた空間および吸熱フィン５２と固定体７で囲われた空間をそれぞれ通過する作動ガスを加熱する。熱の伝達はケーシング５１を通して行われるため、この部分の熱効率は従来と同じであるが、構造が簡単で低コストとする事が出来ので、作動ガスを通過させる複数の排熱管１７を有する熱効率の良い本発明の案の排熱体と組み合わせた構成とすることで、コストと効率のバランスをとったスターリングサイクル機関とすることができる。尚、ケーシング上５１と排熱管保持部材上１４とは溶接等により接合およびシールされている。

図４は図１に示した実施例１の別の例を示す図で、図１における吸熱管保持部材下１０および排熱管保持部材下１９の内径部の軸方向長さを長くして吸熱管保持部材下５３および排熱管保持部材下５４として、吸熱管保持部材上３や排熱管保持部材上１４とそれぞれ溶接やロウづけ等により接合しシールして図１における固定部材７を省略し、使用材料を減らしたものである。勿論、図１における吸熱管保持部材上３の内径部を軸方向に長くして、図１における吸熱管保持部材下１０と溶接やロウづけ等により接合しシールしても良く、同様に図１における排熱管保持部材上１４の内径部を軸方向に長くして、図１における排熱管保持部材下１９と溶接やロウづけ等により接合しシールしても良い。

図５は図１におけるシリンダ８の変形例を示す図である。図１におけるシリンダ８は通常アルミダイキャスト等の金属で製作されるが、ディスプレーサー９の先端部とトップケーシング１との間の膨張室の温度とディスプレーサーとピストン間の圧縮室の温度とは大きい方が望ましい、即ちこれら両室にまたがる部材は伝熱抵抗が大きい方が望ましい。
この伝熱抵抗を大きくするために、前記シリンダ８はこれら両室にまたがる部分を伝熱抵抗の大きい材料、例えばプラスチックとか薄いステンレス鋼板とかが望ましい。図５は図１のシリンダ８の先端部分をこのシリンダ８と分離してプラスチック製のスタッファ５９とし、図１のシリンダ８の基端部分をシリンダ５８と短くした例を示し、図６は図５のスタッファ５９を薄いステンレス鋼板製のスタッファ６０とした例を示している。これらにより、膨張室と圧縮室間の伝熱抵抗が大きくなり、熱効率の向上が図れる。尚、図５において固定部材７はシリンダ５８に圧入または接着等により固定され、スタッファ５９はこの固定部材７に保持されている。

本発明の一実施例を示すスターリングサイクル機関の正面断面図である。 本発明の他の実施例を示す要部の断面図である。 図２に示す線Ａ−Ａに沿った断面図である。 図１における吸熱体及び排熱体の他の例の構造を示す要部の断面図である。 図１におけるシリンダ８の他の例を示す断面図である。 図１におけるシリンダ８の更に他の例を示す断面図である。

符号の説明

１トップケーシング
２吸熱管
３級熱管保持部材上
４、１８封止材
５、１６封止具
６、１５接続具
７固定部材
８、５８シリンダ
９ディスプレーサー
１０、５３吸熱管保持部材下
１１緩衝材
１２ケーシング中上
１３再生器
１４排熱管保持部材上
１７排熱管
１９、５４排熱管保持部材下
２０ケーシング中下
２１ボトムケーシング
２３ピストン
２４導磁部
２５永久磁石
２６電磁固定子
２７固定子取付け具大
２８固定子取付け具小
２９電磁コイル
３０板バネ
３１ロッド
５１ケーシング上
５２吸熱フィン
５９，６０スタッファ

Claims (5)

1. 円筒状のシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入したディスプレーサーと、前記シリンダの起端側内部に摺動可能に挿入したピストンと、前記ピストンと前記ディスプレーサーとの間に形成された圧縮室と、前記シリンダの外周部に配置されて熱媒体から吸熱する吸熱体と作動ガスの熱を排出する排熱体及び前記記吸熱体と前記排熱体との間に設けられた再生器と、前記シリンダの内部先端から前記吸熱体、前記再生器、前記排熱体を通って前記圧縮室に至る経路と、前記シリンダの起端側に配置され前記ピストンを往復動させる駆動装置、またはピストンの往復動により発電する発電装置を備えていて、前記吸熱体は作動ガスを通す直線状の複数の管の両端にこれら複数の管を保持する保持部材を備えた構造とし、該吸熱体をトップケーシングとディスプレーサーとで形成された膨張室と前記再生器との間に配置し、作動ガスを加熱する手段とすることを特徴とするスターリングサイクル機関。
2. 前記駆動装置または発電装置の永久磁石の外径寸法を前記ピストンの外径寸法よりも小さくし、該永久磁石の内周部に電磁コアと電磁コイルを配置した請求項１記載のスターリングサイクル機関。
3. 前記ピストンの内周部にピストンを往復動させる駆動装置またはピストンの往復動により発電する発電装置の導磁部と永久磁石を取り付け、該ピストンよりも内側に前記駆動装置または発電装置の電磁コアと電磁コイルとを配置した請求項１記載のスターリングサイクル機関。
4. 前記吸熱体または前記排熱体あるいは前記吸熱体と前記排熱体の両方を固定するための円筒状の固定部材を前記シリンダに取り付けた事を特徴とする請求項１のスターリングサイクル機関。
5. 前記吸熱体または前記排熱体あるいは前記吸熱体と前記排熱体の両方を固定する円筒状の固定部材の内側にシリンダよりも伝熱抵抗の大きな材料のスタッファを配置し、圧縮室と膨張室との間の熱抵抗を大きくした事を特徴とする請求項１のスターリングサイクル機関

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