JPH01142250A - スターリングエンジンの再生器 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スターリングエンジンにおいて作動流体の蓄
熱および放熱を行なうための再生器に関する。

（従来の技術） 最近、省エネルギーの一環としてスターリングエンジン
が注目されている。スターリングエンジンは種々の方式
のものがあるが、例えば２ピストン方式のものを例にと
ると、冷却器と加熱器との間、つまり膨張シリンダと圧
縮シリンダ間に蓄熱形態交換器である再生器を接続し、
この再生器と膨張シリンダ間の流路に設けられた加熱器
により作動流体を加熱し、再生器と圧縮シリンダ間の流
路に設けられた冷却器により作動流体を冷却する構成と
なっている。この機関は理論的熱効率が高く、あらゆる
熱源を使用できるという特徴を持つ。

ところで、スターリングエンジンにおける再生器は、エ
ンジン出力および効率に大きな影響を与える熱交換器で
あり、高温の作動流体が冷却器側（圧縮シリンダ側）に
流れるとき、作動流体の熱を十分に回収して蓄え、低温
の作動流体が加熱器側（膨脹シリンダ）側に流れるとき
、蓄えておいた熱を作動流体に十分に放熱できる構造で
あることが望まれる。そこで、スターリングエンジンの
再生器としては、蓄熱部材としてメツシュの細かい金網
を積層して筒状容器内に配置した構造のものが多く使用
されている。

この構造の再生器では、織物である金網の形状から金網
の周縁部と筒状容器との間に隙間が生じることは避けら
れず、この隙間を作動流体が通過してしまうことにより
、漏れ損失が増大するという問題がある。すなわち、再
生器にお、いては作動流体が蓄熱部材と十分に接触する
ことが必要であるが、上記の隙間を通る作動流体は蓄熱
部材と十分に接触せずに再生器内を通過するので、これ
が多いほど再生器での蓄熱および放熱に寄与しない損失
分、いわゆる漏れ損失が増大する。この再生器での漏れ
損失は、スターリングエンジンの出力および効率を低下
させる要因となる。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来のスターリングエンジンの再生器は、漏
れ損失が大きいという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決し、蓄熱部材の周縁部
と筒状容器との間の隙間がほとんど無い構造とすること
により、漏れ損失を低減させたスターリングエンジンの
再生器を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明に係る再生器は、高温の作動流体の熱を回収して
蓄熱を行ない低温の作動流体に放熱するための蓄熱部材
として、複数のスリットを有した蓄熱板を用い、これら
を隣接する蓄熱板のスリットの方向を互いに異ならせて
筒状容器内に積層配置したものである。

（作　用） 本発明のように板状の蓄熱部材を用いると、その周縁部
は金網の周縁部のような不規則な形状とならず、連続し
た形状となるので、筒状容器の内周面に合致させた形状
とすることができ、容器との間に隙間はほとんど生じな
い。従って、再生器内を通過する作動流体は全て蓄熱部
材と十分に接触して熱交換を行なうので、漏れ損失は大
幅に減少し、エンジンの性能向上に寄与する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の一実施例に係る再生器を組込んだスターリ
ングエンジンの概略構成を示す断面図である。

第１図に示すように、このスターリングエンジンは作動
流体を膨脹させるためのパワーシリンダ（膨脹シリンダ
）１および膨脹シリンダ１内に摺動自在に装着されたパ
ワーピストン（膨脹ピストン）２と、作動流体を圧縮さ
せるためのシリンダ（圧縮シリンダ）３および圧縮シリ
ンダ３内に摺動自在に装着されたピストン（圧縮ピスト
ン）４との間に、加熱器５．再生器６および冷却器７を
配置し、さらに膨脹ピストン２および圧縮ピストン４に
それぞれコネクティングロッド８．９およびクランク軸
１０．１１を介して出力軸１２を連結した構造の２ピス
トン式スターリングエンジンである。

加熱器５は膨脹シリンダ１のヘッド１３を取り囲むよう
に内側断熱材１４を介して配置された燃焼室１５と、こ
の燃焼室１５内に配置された複数の熱交換器１６と、燃
焼室１５に臨んで配置されたガスノズル１７と、燃焼室
１５を取り囲んで配置され、燃焼用空気を燃焼排ガスと
の熱交換により予熱する空気予熱器１８とで構成されて
いる。

熱交換器１６は全体として漏斗状に配置され、それぞれ
の内部に形成された流体通路の一端側が膨脹シリンダ１
の頂部に、他端側がヘッド１３内に形成されたマニホル
ド１９および接続管２０を介して再生器６にそれぞれ連
通している。そして、膨脹シリンダ１と膨脹ピストン２
とで囲まれた空間、熱交換器１６．マニホルド１９．接
続管２０゜再生器６．冷却器７．および圧縮シリンダ３
と圧縮ピストン４とで囲まれた空間に作動流体、例えば
Ｈｅが封入されている。

なお、第１図において２１は潤滑油が所定レベルまで収
容されたクランク室、２２．２３はリニアベアリング、
２４．２５は冷却器７の冷媒を案内する配管、２６〜２
８は断熱材、２９は燃焼用空気を燃焼室１５内へ旋回供
給するスワラ−をそれぞれ示している。

このスターリングエンジンの作用を簡単に説明する。燃
焼室１５内にガスノズル１７からガス燃料を噴射すると
ともに、燃焼用空気を空気予熱器１８を通してスワラ−
２９から供給することによって燃焼火炎が形成され、さ
らに配管２４．２５によって冷媒を通流させている状態
で、出力軸１２を外部動力源によって一時的に回転させ
ると、クランク軸１０．１１およびコネクティングロッ
ド８，９を介して膨脹ピストン２および圧縮ピストン４
がある位相差をもって往復動する。この往復動によって
膨脹ピストン２が圧縮行程に移ると、膨脹シリンダ１内
の作動流体（Ｈｅ）が熱交換器１６、マニホルド１９．
接続管２０．再生器６および冷却器７を介して圧縮シリ
ンダ３内に流入し、膨脹ピストン２が上死点に達した時
点で作動流体のほとんどが圧縮シリンダ３内に流れ込む
。このとき、作動流体は再生器６を通過する間にその保
有している熱が再生器６に奪われ、次いで冷却器７によ
って冷却される。出力軸１２の回転に伴なって圧縮ピス
トン４が下死点から上死点に向けて移動を開始すると、
圧縮シリンダ３内の低温の作動流体が圧縮され、それま
でとは逆の経路で膨脹シリンダ１内に流入する。このと
き、作動流体は再生器６を通過する間に吸熱して高温に
加熱され、次に熱交換器１６を通過する際さらに加熱さ
れる。

膨脹シリンダ１内に流入した高温の作動流体は、膨脹し
て膨脹ピストン２を押し下げる。以後、上述した動作が
繰返され、外部動力源を断った状態でも出力軸１２が回
転を継続し、スターリングエンジンとしての動作がなさ
れる。

次に、本発明に係る再生器６の一実施例について説明す
る。第２図は再生器６の断面構造を示したもので、両端
が開口した筒状容器３０内に蓄熱板３１を多数（例えば
数百枚）積層配置したものである。

蓄熱板３１は例えばステンレスのような耐熱性に優れた
金属材料の薄板（−例として厚さｔ　−８０μ尻程度）
からなり、第３図に示すように例えば幅Ｄ１ｍｍ８０μ
尻程度のスリブト３２を多数有したもので、隣接するも
のどうしスリット３２の方向を異ならせて積層される。

なお、スリット３２は例えばフォトエツチング、レーザ
加工、打抜き加工あるいは放電加工等により形成される
。蓄熱板３１の積層体の上下両側には、幅の狭いリング
状の保護板３５．３６が設けられている。

このように蓄熱板３１を積層した構成にすると、第２図
に示すように蓄熱板３１の周縁部３４と容器３０の内周
面との間に隙間が生じないので、再生器６内を通過する
作動流体はくまなく蓄熱板３１と接触し、前述した漏れ
損失は減少する。すなわち、蓄熱板３１により高温状態
で通過する作動流体の熱を効率良く回収して蓄熱し、そ
の後低温状態の作動流体に効率良く放熱して、エンジン
の出力および効率を高めることができる。

なお、蓄熱板３１は第４図に示すように隣接する蓄熱板
のスリットの方向が９０’ずつずれた関係で積層される
ことが最も望ましい。すなわち、第３図に示すように蓄
熱板３１の９０＠間隔の位置をＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄとすると
、１番目の蓄熱板のＡの上に、ｉ＋１番目の蓄熱板のＢ
を置き、その上にｉ＋２番目の蓄熱板のＣ１その上にｉ
＋３番目の蓄熱板のＤを置くというように重ねる。この
ようにすると、積層された蓄熱板３１は隣接するものど
うしでスリットの位置が交叉して重なることがない。ま
た、蓄熱板のＢ−Ｄ軸から見て上半分（Ａ側の半分）に
おけるスリット部３２の位置と、隣接する下半分（Ｃ側
の半分）におけるソリッド部３３（スリット部３２とス
リット部３２間の部分）とを等しくしておき、かつスリ
ット部３２の幅Ｄｌとソリッド部３３の幅Ｄ２を等しく
しておけば、１番目の蓄熱板とｉ＋２番目の蓄熱板とは
スリット３２の方向は平行であるが、位置的にはＡ−Ｃ
軸方向にスリット３２の幅分だけずれることになる。

従って、蓄熱板３１を９０’ずつずらせて積層すること
は、隣接する４枚の形状が平面的に重ならないことを意
味し、作動流体を半径方向に深く浸透させ、伝熱面積お
よび蓄熱容量を実効的に高める効果を持つ。

さらに、本実施例では第４図に示すように、スリット３
２とスリット３２との間のソリッド部３３の両面側に例
えば幅ｄ１−２０μ尻程度で、高さｈ−ｉｏμｍ程度の
突条（細長い線状突起）３ニアを形成し、隣接する蓄熱
板３１どうしの接触面積を極力小さくしている。このよ
うにすると、再生、器での流体の流れ方向における熱伝
導損失が減少し、再生器の性能がより一層向上する。

上記実施例では、再生器６を低温側熱交換器７に隣接し
て設置したが、膨脹シリンダ１の周囲に配置してもよい
。第５図は膨脹シリンダの周囲に配置されるのに適した
中空構造の再生器に本発明を適用した実施例であり、二
重筒構造の筒状容器４０を用い、その外筒と内筒との間
に第６図に示すドーナツ状の蓄熱板４１を積層配置して
いる。

蓄熱板４１はスリット４２およびソリッド部４３を有し
、全体形状がドーナツ状である意思外は先の実施例と同
様である。この場合、蓄熱板４１の外周縁部４４ａは筒
状容器４０の外筒の内周面に密着し、蓄熱板４１の内周
縁部４４ｂは筒状容器４０の内筒の外周面に密着するこ
とになる。蓄熱板４１の積層体の上下両側には、ドーナ
ツ状の保護板４５．４６が設けられている。

なお、上記実施例では２ピストン式のスターリングエン
ジンについて説明したが、１ピストン式のスターリング
エンジンにも本発明を適用できることは言うまでもない
。

［発明の効果］ 本発明による再生器は、複数のスリットを有した蓄熱板
を隣接する蓄熱板のスリットの方向を互いに異ならせて
筒状容器内に積層配置した構成としたことにより、金網
を蓄熱部材とした再生器に比較して漏れ損失が大きく減
少し、スターリングエンジンの出力を高め、効率を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るスターリングエンジン
の断面図、第２図は第１図における再生器の概略構成を
示す断面図、第３図は第２図における蓄熱板の構成を示
す平面図、第４図（ａ）（ｂ）は第２図の一部を拡大し
て示す断面図および平面図、第５図は本発明の他の実施
例に係る再生器の概略構成を示す断面図、第６図は第５
図における蓄熱板の構成を示す平面図である。 １・・・膨脹シリンダ、２・・・膨脹ピストン、３・・
・圧縮シリンダ、４・・・圧縮ピストン、５・・・加熱
器、６・・・再生器、７・・・冷却器、８，９・・・コ
ネクティングロッド、１０．１１・・・クラ°ンク軸、
１２・・・出力軸、１３・・・シリンダヘッド、１４．
２６〜２８・・・断熱材、１５・・・燃焼室、１６・・
・熱交換器、１７・・・ガスノズル、１８・・・空気予
熱器、１９・・・マニホルド、２０・・・接続管、２１
・・・クランク室、２２．２３・・・リニアベアリング
、２４．２５・・・冷媒配管、２９・・・スワラ−１３
０，４０・・・筒状容器、３１．４１・・・蓄熱板、３
２．４２・・・スリット、３３．４３・・・ソリッド部
、３４，４４ａ、４４ｂ−・・周縁部、３５．３６．４
５．４６・・・保護板、３７・・・突条。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 ＼ 第２図　３６ 第３図 第４図 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）スターリングエンジンにおける冷却器と加熱器と
   の間に設けられ、高温の作動流体が冷却器側に流れると
   き、作動流体の熱を回収して蓄え、低温の作動流体が加
   熱器側に流れるとき、蓄えた熱を作動流体に放熱する再
   生器において、複数のスリットを有した蓄熱板を隣接す
   る蓄熱板のスリットの方向を互いに異ならせて筒状容器
   内に積層配置したことを特徴とするスターリングエンジ
   ンの再生器。
2. （２）蓄熱板は、隣接する蓄熱板のスリットの方向を９
   ０゜異ならせて積層されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のスターリングエンジンの再生器。
3. （３）蓄熱板は、スリットとスリットとの間に隣接する
   蓄熱板と接触する突条を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のスターリングエンジンの再生器。