JP4813208B2 - スターリングエンジン - Google Patents
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- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
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Description
本発明はスターリングエンジンに関する。
β型のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストンと、ディスプレーサピストンの冷却器と連通する作動室と、作動室内の作動気体の圧力変化に対応して作動するパワーピストンを具備しており、作動気体が加熱・冷却されることによる作動室内の圧力変化に対応してパワーピストンを作動する。
このフリーピストン型のスターリングエンジンの冷却器としては、両端に配設されてフランジ部を構成するヘッダー部と、ヘッダー部の間に延在配設され、冷却水を循環させる複数の開口部を備えた外筒を構成するボディー部と、両端がヘッダー部に固着され多数平行に列設された作動ガス中空筒状体のチューブと、このチューブの外周壁に当接して微小間隔をおいて多数積層された冷却用の外部フィンとから成る構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開平１０−２０５９０２号公報（（００３４）〜（００３５）および図１〜図３など）
このフリーピストン型のスターリングエンジンの冷却器としては、両端に配設されてフランジ部を構成するヘッダー部と、ヘッダー部の間に延在配設され、冷却水を循環させる複数の開口部を備えた外筒を構成するボディー部と、両端がヘッダー部に固着され多数平行に列設された作動ガス中空筒状体のチューブと、このチューブの外周壁に当接して微小間隔をおいて多数積層された冷却用の外部フィンとから成る構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
しかし、特許文献１に記載された方法は、作動気体を流す多数本の中空筒状体のチューブを真空ロウ付けにより接合して構成しているので、作業が複雑であり製造に熟練を要するなど、製造コストが高くなる課題を有している。
そこで本発明は、簡単な構造で製造も簡単であり、しかも冷却効率が高い冷却器を備えたスターリングエンジンを提供することを目的とする。
請求項１記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱器と、冷却器と、前記加熱器および前記冷却器をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記冷却器は金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、前記冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、前記金属細管とともに、隙間形成部材を巻回したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱器と、冷却器と、前記加熱器および前記冷却器をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記冷却器は金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、前記冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、前記金属細管の外周に、隙間形成部材を巻回したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記金属細管を、段方向に多重に巻回したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記隙間形成部材として、金属細線を用いたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジンにおいて、前記金属細管の外周面に、溝又は突起をスパイラル状に形成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱器と、冷却器と、前記加熱器および前記冷却器をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記冷却器は金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、前記冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、前記金属細管の外周に、隙間形成部材を巻回したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記金属細管を、段方向に多重に巻回したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記隙間形成部材として、金属細線を用いたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジンにおいて、前記金属細管の外周面に、溝又は突起をスパイラル状に形成したことを特徴とする。
本発明によれば、冷却水の通路をコイル状の金属細管で構成し、この金属細管の外周部に作動気体を流すようにしたので、金属細管をコイル状に形成するだけで製造が可能であり、多数の細管をロウ付けするなどの工程が不要となるので、製造作業、製造工程が著しく簡単になる。また、コイル状の金属細管に冷却水を流すだけで作動気体の冷却を確実に行うことができる。
本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンは、冷却器が金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、この冷却水通路の外周に作動気体を流し、金属細管とともに、隙間形成部材を巻回したもので、多数の金属細管のロウ付けなどの複雑な工程が不要となって、製造作業、製造工程が著しく簡単になる。また、コイル状の金属細管に冷却水を流すことで作動気体の冷却を確実に行うことができる。また、隙間形成部材によって作動気体の通路を確保することができる。
本発明の第２の実施の形態によるスターリングエンジンは、冷却器が金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、この冷却水通路の外周に作動気体を流し、金属細管の外周に、隙間形成部材を巻回しするもので、シェルアンドチューブ等のような熱交換器で使われる多数の金属細管のロウ付け・真空ロウ付けやタングステン・イナート・ガス溶接などの複雑な工程が不要となって、製造作業、製造工程が著しく簡単になる。冷却水通路をウォータジェケットのようなフィン構成する場合と比較しても金属細管の外周に、隙間形成部材を巻回しするものの方が、加工工数が大幅に低減できる。また、コイル状の金属細管に冷却水を流すことで作動気体の冷却を確実に行うことができる。また、金属細管同士の隙間を隙間形成部材によって確保することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、金属細管を段方向に多重に巻回したもので、多重に積み重ねられた各層の間に作動気体の通路を自動的に形成することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、隙間形成部材として、金属細線を用いたもので、熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１から第３の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、金属細管の外周面に、溝又は突起をスパイラル状に形成したもので、金属細管同士の隙間を確保することができる。
本発明の第２の実施の形態によるスターリングエンジンは、冷却器が金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、この冷却水通路の外周に作動気体を流し、金属細管の外周に、隙間形成部材を巻回しするもので、シェルアンドチューブ等のような熱交換器で使われる多数の金属細管のロウ付け・真空ロウ付けやタングステン・イナート・ガス溶接などの複雑な工程が不要となって、製造作業、製造工程が著しく簡単になる。冷却水通路をウォータジェケットのようなフィン構成する場合と比較しても金属細管の外周に、隙間形成部材を巻回しするものの方が、加工工数が大幅に低減できる。また、コイル状の金属細管に冷却水を流すことで作動気体の冷却を確実に行うことができる。また、金属細管同士の隙間を隙間形成部材によって確保することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、金属細管を段方向に多重に巻回したもので、多重に積み重ねられた各層の間に作動気体の通路を自動的に形成することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、隙間形成部材として、金属細線を用いたもので、熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１から第３の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、金属細管の外周面に、溝又は突起をスパイラル状に形成したもので、金属細管同士の隙間を確保することができる。
以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明の実施例におけるスターリングエンジンの側断面概略図である。
図１において、シリンダ１内には、ディスプレーサピストン２とパワーピストン３が配置されている。パワーピストン３の外周にはインナーヨーク４が配置され、このインナーヨーク４はシリンダ１に固定されている。インナーヨーク４の外周には、永久磁石５が配置され、この永久磁石５は、パワーピストン３と連結されている。永久磁石５の外周にはアウターヨーク６が配置されている。インナーヨーク４、永久磁石５、及びアウターヨーク６によって発電機が構成される。パワーピストン３の中心部には貫通孔３Ａを有している。ディスプレーサピストン２のヘッド部側には加熱器７を、ディスプレーサピストン２の外周部には再生器８および冷却器２０を備えている。
ディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間には、中空部９が設けられており、この中空部９とパワーピストン３の貫通孔３Ａ内にロッド１０が挿通される。ロッド１０の一端はディスプレーサピストン２に固定され、その他端は板バネ１１に連結される。
図１は本発明の実施例におけるスターリングエンジンの側断面概略図である。
図１において、シリンダ１内には、ディスプレーサピストン２とパワーピストン３が配置されている。パワーピストン３の外周にはインナーヨーク４が配置され、このインナーヨーク４はシリンダ１に固定されている。インナーヨーク４の外周には、永久磁石５が配置され、この永久磁石５は、パワーピストン３と連結されている。永久磁石５の外周にはアウターヨーク６が配置されている。インナーヨーク４、永久磁石５、及びアウターヨーク６によって発電機が構成される。パワーピストン３の中心部には貫通孔３Ａを有している。ディスプレーサピストン２のヘッド部側には加熱器７を、ディスプレーサピストン２の外周部には再生器８および冷却器２０を備えている。
ディスプレーサピストン２とパワーピストン３との間には、中空部９が設けられており、この中空部９とパワーピストン３の貫通孔３Ａ内にロッド１０が挿通される。ロッド１０の一端はディスプレーサピストン２に固定され、その他端は板バネ１１に連結される。
図２は冷却器２０の側断面概略図、図３は同冷却器の平面概略図である。
図に示すように、冷却器２０は、筒状の胴部２１Ａ、２１Ｂと、胴部２１Ａの両端部に形成されるフランジ部２２、２３によって構成され、胴部２１Ａ、２１Ｂによって形成される環状空間２４が熱交換部として利用される。環状空間２４内には、銅などの熱伝導率の高い金属細管２５が、段方向（ディスプレーサピストン２の動作方向）に多重にコイル状に積み重ねられ、冷却水通路を形成する。図においては、段方向に２０段、径方向に５重に巻回した例を示す。多重に巻回した金属細管２５の隙間によって、作動気体の通路が形成される。なお、フランジ部２２側には冷却水出口通路２６が、フランジ部２３側には冷却水入口通路２７が形成されている。
図に示すように、冷却器２０は、筒状の胴部２１Ａ、２１Ｂと、胴部２１Ａの両端部に形成されるフランジ部２２、２３によって構成され、胴部２１Ａ、２１Ｂによって形成される環状空間２４が熱交換部として利用される。環状空間２４内には、銅などの熱伝導率の高い金属細管２５が、段方向（ディスプレーサピストン２の動作方向）に多重にコイル状に積み重ねられ、冷却水通路を形成する。図においては、段方向に２０段、径方向に５重に巻回した例を示す。多重に巻回した金属細管２５の隙間によって、作動気体の通路が形成される。なお、フランジ部２２側には冷却水出口通路２６が、フランジ部２３側には冷却水入口通路２７が形成されている。
上記構成において、加熱器７で加熱された作動気体は、再生器８を経由してフランジ部２２側端部から環状空間２４に流入し、金属細管２５の隙間を通過して冷却され、フランジ部２３側端部から導出する。この冷却された作動気体は、中空部９に導入される。また、中空部９から導出された作動気体は、逆にフランジ部２２側端部から環状空間２４に流入し、金属細管２５の隙間を通過した後にフランジ部２３側端部から導出して再生器８に導入される。再生器８を通過した作動気体は、加熱器７に導かれ、ディスプレーサピストン２のヘッド側空間に導入される。
なお、コイル状にそれぞれ積み重ねて巻回された金属細管２５を互いに緊縛させて巻回すると作動気体が流れにくくなるので、必要に応じて隙間を形成するように巻回することが好ましい。また、金属細管２５とともに、隙間形成部材を巻回することにより、作動気体の通路を確実に形成することができる。
なお、コイル状にそれぞれ積み重ねて巻回された金属細管２５を互いに緊縛させて巻回すると作動気体が流れにくくなるので、必要に応じて隙間を形成するように巻回することが好ましい。また、金属細管２５とともに、隙間形成部材を巻回することにより、作動気体の通路を確実に形成することができる。
図４は、本実施例の冷却器に用いる金属細管の要部斜視図である。
同図においては、金属細管２５の外周に、金属細線（隙間形成部材）３０を巻回している。このように、金属細管２５の外周に隙間形成部材３０を巻回することで、金属細管２５同士の隙間を確保することができる。
なお、金属細管２５の外周面に、溝又は突起をスパイラル状に形成することで、作動気体の通路を形成してもよい。
同図においては、金属細管２５の外周に、金属細線（隙間形成部材）３０を巻回している。このように、金属細管２５の外周に隙間形成部材３０を巻回することで、金属細管２５同士の隙間を確保することができる。
なお、金属細管２５の外周面に、溝又は突起をスパイラル状に形成することで、作動気体の通路を形成してもよい。
本実施例によれば、金属細管２５を複数段にわたってコイル状に積み重ねて巻回することで冷却器２０を構成することができる。したがって、従来技術のように、多数の細管をロウ付けするといった複雑な作業が不要となり、製造作業、製造工程が著しく簡単になる。
本発明は、β型以外のスターリングエンジン、スターリングエンジンを利用したリニア型発電機などの他に、スターリングエンジンの逆サイクルであるスターリング冷凍機、圧縮機、その他の回転機関や直動機関にも適用することができる。
１ シリンダ
２ ディスプレーサピストン
３ パワーピストン
４ インナーヨーク
５ 永久磁石
６ アウターヨーク
７ 加熱器
８ 再生器
２０ 冷却器
２５ 金属細管
２ ディスプレーサピストン
３ パワーピストン
４ インナーヨーク
５ 永久磁石
６ アウターヨーク
７ 加熱器
８ 再生器
２０ 冷却器
２５ 金属細管
Claims (5)
- 加熱器と、冷却器と、前記加熱器および前記冷却器をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記冷却器は金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、前記冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、前記金属細管とともに、隙間形成部材を巻回したことを特徴とするスターリングエンジン。
- 加熱器と、冷却器と、前記加熱器および前記冷却器をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記冷却器は金属細管をコイル状に巻回した冷却水通路と、前記冷却水通路の外周を通路とする作動気体通路を具備し、前記金属細管の外周に、隙間形成部材を巻回したことを特徴とするスターリングエンジン。
- 前記金属細管を、段方向に多重に巻回したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジン。
- 前記隙間形成部材として、金属細線を用いたことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
- 前記金属細管の外周面に、溝又は突起をスパイラル状に形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジン。
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