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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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