JPH0291462A - スターリングエンジン - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、冷暖房や発電に適したスターリングエンジン
に関する。

（従来の技術） 二つの等温変化と二つの等容度化からる可逆サイクルを
持つスターリングエンジンは、内部に封入したヘリウム
ガスの如き作動ガスを外部冷却（一般にはクーラによる
水冷）しながら低温（等温）圧縮し、又、外部加熱（一
般にはヒータへの燃焼熱の供給）しながら高温（等温）
膨脹させるサイクルを有する。このようなサイクルを有
するスターリングエンジンは、クーラの冷却水へ行く廃
熱が熱入力の約５０％高と大きく、この廃熱を暖房や給
湯に使え、エネルギーの利用効率を高め得ることや、熱
効率や低公害性、多種燃料の利用可能といった持点から
、据え置きタイプの冷暖房機のエンジンとして注目され
ている。即ち、冷暖房システムの圧縮機の動力源として
スターリングエンジンは好適と云える。

このようなスターリングエンジンは、膨脹ピストンと圧
縮ピストンを有する２気筒の場合、クーラを圧縮室に連
通させている。

（本発明が解決しようとする課題） ２ピストン構成のスターリング機関で該２ピストンがク
ランク軸によって所定の角度をもって駆動される場合、
３次元的に配置された圧縮ビストンシリンダとクーラハ
ウジングとの接続を、加工上の寸法精度およびエンジン
作動中の熱による変形を考慮して行わねば組付時に締付
力でシリンダを破壊する。特に、スターリングエンジン
においては、低分子のヘリウムガスで且つ高圧が使用さ
れるいわゆる耐圧構造が要求されることと、接続部の内
の死容積を出来る丈少なくし、流動抵抗を減らす様にし
てエンジンの出力を高める様に配慮せねばならない。

こうした接続部に金属ベローや耐圧フレキシブルホース
を用いることは構造を複雑にし、死容積を増し、ひいて
は価格が高（なる。

本発明は、１つのパイプと２つのフランジ継手を用い、
組付時の３次元的なあらゆる誤差を吸収し、作動中の変
形を吸収する継手を提供することを解決すべき課題とす
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、前述した課題を解決するために、膨脹室をヒ
ータ、再生器及びクーラを介して圧縮室に連通させ、両
室を画定する膨脹ピストンと圧縮ピストンとがクランク
軸に位相角をもって結合されているスターリングエンジ
ンにおいて、クーラと圧縮室とを連通させるパイプがク
ーラのヘッドにバカ穴を介して固定される第１のフラン
ジと、圧縮シリンダのヘッドにバカ穴を介して固定され
る第２のフランジとに支持され、パイプが一方のフラン
ジに対して相対的に移動可能であることを特徴とするス
ターリングエンジンを提供することにある。

（作　用） 両フランジ及びパイプの相対的位置を互いにずらし得る
ので三次元の位置調整が可能となる。

（実施例） 第１図を参照する。図示例のスターリングエンジン１は
、２気筒からなり、膨脹室２を作る膨脹シリンダ３内の
膨脹ピストン４が、クロスヘツド５を介して、クランク
６に連結される。クランク６の回転中心に対して４５度
傾斜させて、クロスヘツド７を介して圧縮ピストン８を
クランク６に連結させる。この圧縮ピストン８は、圧縮
シリンダ９内を往復動し、圧縮室１０の容積を可変とさ
せる。膨脹室２は、ヒータ１１、再生器１２及びクーラ
１３を介して圧縮室１０に連通し、ヘリウム等の作動ガ
スのスターリングサイクルを可能にさせる。

燃焼器について簡単に説明する。断熱外筒１４の内側に
沿って燃焼用空気の予熱器１５を配す。

燃焼用空気は、ブロア１６から供給され、スロットルバ
ルブ１７により供給量が調節されて予熱器１５内に入る
。予熱器１５に入った空気は、上昇し、次いで、予熱さ
れながら下降して、環状のセラミックバーナー１８に入
る。一方、燃料はコントロール弁１９を介してバーナー
１８に供給される。バーナー１８から噴出された空気と
燃料とが混合され、燃焼する。高温燃焼ガスは、矢印の
如く、ヒータ１１の周囲を上下動しながら、作動ガスと
熱交換を行い、中央の排気ダクト１９から外筒１４内周
に沿って流れ、予熱器１５内を通って、出口２６より排
出される。

ヒータ１１により加熱された作動ガスは、膨張作動ガス
はヒータ１１を介して再生器１２に入り、次いで、冷却
水を用いたクーラ１３により冷却され、圧縮室１０内で
等温圧縮される。

各ピストン４．８と、ピストンロッドを保持する中間部
材２１．２２との間には、中間室２３゜２４が設けられ
る。この中間室２３．２４は、各ピストン４，８の往復
動に伴い、その内部圧を変動させ、各ピストン４．８の
動きに抵抗を与える。

本例では、クランク室２５の周りにバッファー室２６を
形成し、雨中間室２３．２４を通路２７゜２８を介して
、バッファー室２６に連通させ、中間室２３．２４の圧
力変動を防止する。

クランク室２５の内部に、フィルター２９を介してオイ
ル室３０を形成する。このオイル室３０は、油路３１を
介してオイルポンプ３２に通じ、このポンプ３２により
潤滑を必要とする個所にオイルを供給する。

クランク６は、両ピストン４．８の往復動に伴い回転出
力が取出されるが、この出力は出力軸３３より外部へ伝
達される。

第４図を参照して、燃焼器について述べる。断熱材で覆
れた外筒１４の内周壁に沿って配された予熱器１５は、
ブロアー１６からの燃焼空気と排気ガスと熱交換する部
分３４とバーナー１８に通じる空気路３５を有し、さら
に、排気ガスを通す通路４１を有す。空気路３５に入っ
た燃焼空気は、バーナー１８の孔３６より、燃焼室３７
に供給される。燃料通路３８により調圧集合管３９に入
った燃料は、バーナー１８の孔４０より燃焼室３７に噴
出され、混合気となって、ヒータ１１の外側で燃焼する
。高温燃焼ガスは、ヒータ１１の外側から内側へと矢印
の如く迂回し、作動ガスとの熱交換を効率良く行う。排
気ガスは、ヒータ１１の中央空間に延出している中央ダ
クト１９より、燃焼室の外周側へと流れ、予熱器１５の
通路４１に入って燃焼用空気と熱交換しながら、出口２
０より排出される。

第５図に示す例は、第４図に示す例がセラミックバーナ
ー１Ｂを介して、燃焼空気と燃料を供給しているが、空
気路３５の下部に燃焼室に通じる空気供給口４２を複数
個、好ましくは、外筒１４の接線方向に向けて設ける。

空気供給口４２の中心線と略直交するような中心線を有
する燃料噴射口４３を設ける。両日４２．４３より空気
と燃料を燃焼室３７に噴出させる。この例では、ヒータ
１１まわりの排気ガスの流れ及びヒータと作動ガスとの
熱交換は、第４図の例と同じである。

第６図に示す例は、予熱器１５を燃焼室３７の外周に配
することな（、中央ダクト１９菱を円筒１４の中央より
外側へ延出させたものである。混合気を複数個のバイブ
４４を介して燃焼室３７に噴出させ、燃焼させる。燃焼
ガスは、第４図及び第５図に示す例と同じく、ヒータ１
１の内外周面を加熱しながら中央ダクト１９＃より排気
される。

第４図に示す例に用いられているバーナー１８を、第６
図以下を用いて説明する。第７−９図にの合せ面となっ
ている。上部分４６と下部分４７の合せ面４５に水平な
空気孔３６が穿けられる。

又、下部分４７に上下方向に延在する燃料噴射孔４０が
穿けられる。バーナー１８の内周面の上側をテーパ面４
８とし、空気と燃料の混合を一層密にさせる。第１０−
１２図に示す例は、上部４６′と下部４７′の合せ面４
５′を段付とした例である。空気孔３６は、合せ面の段
付により、第１１図に明確に示されるように、隣り合う
同志が上下にずれた形となっている。しかし、両孔３６
．４０はその中心線が略直交する形となっている。第１
３＝１４図に示す例は、第６−８図に示す例と、はぼ同
じであるが、燃料噴射孔４０を空気供給孔３６の途中で
合流させたものである。

第１５図を参照する。膨張シリンダ３の上部をさらに上
方へ延出させ、この延出部分４９のまわりに環状の空間
５０を作るようにしてヒータ１１を配す。ヒータ１１は
円筒状のもので、その円筒壁内に空間５０を形成し、こ
の空間５０内に延出部分４９を挿入する。その結果、こ
の空間５０は、再生器１２に通じる環状通路とこの通路
に連通し且つ膨脹室２に通じる環状通路とが形成され、
この空間５０内の作動ガスはヒータ１１の内外周面から
熱を受けることになる。

ヒータ１１に通じる再生器１２は、円筒体５１を膨張シ
リンダ３まわりに配した時の環状空間５２に詰られたド
ーナッツ状のメツシュ５３よりなる。

メツシュはステンレス製にして、線径５０〜２００μと
し、この空間５２の空間容積の略半分を占めるようにメ
ツシュ５３を詰る。

第１６ａ図に示す例は、再生器１２の空間５２に、５０
〜２００μ線径のステンレスの金属繊維５３′を詰めた
ものである。金属繊維５３′はマンドレル５４により空
間５２の５０％の容積を占めるように詰める。第１６ｂ
図に示す例は金属繊維５３＃をドーナッツ状にカサ密度
を略５０％となるように予め成形したものを空間５２に
詰めたものである。

第１７図にヒータ１１にフィン５５を用いた例である。

膨張シリンダ３の延長部分４９の内外周面にフィン５５
を配し、又円筒状のヒータ１１の内外周面にフィン５５
を設け、伝熱面積を増大させる。フィン５５は第１９図
に示すように、薄いステンレス板に千鳥状に凹凸を近接
して連続させて表面積を増大させたものである。上下の
平坦面５６を延長部分４９やヒータ１１の内外周面に接
着させる。作動ガスや燃焼ガスは矢印で示す如き凹凸で
形成された油路を流れて伝熱することになる。

第１８図に示すフィン５５が、第１図に示した空気予熱
器１５に用いる。燃焼用空気が通る円筒状通路と排気ガ
スが通る円筒状通路に、第１８図に示すフィン５５を円
筒状に配して燃焼用空気を予熱する。

バッファー室２６は、クランク室２５内で飛沫するオイ
ルがバッファー室２６に侵入し難い位置に、第１図に示
す如く、穿けられた通路５６．５７により連通ずる。本
例では、通路２７．２８をクランク室２５に直接連通さ
せた場合に比し、作動空間への油汚染がない。

第１図に関連してオイル室３０をクランク室２５の下部
にフィルター２９を介して配することを述べたが、フィ
ルター２９は、クランク室２５のオイルレベル以下に位
置させる。この結果、ポンプ３２の吸引力によりオイル
はフィルター２９を容易に通過できる。

第１図から明らかなように、膨脹ピストン４の作動中心
と圧縮ピストン８の作動中心とがクランク軸６に対し４
５度のずれをもって連結されている。このため、クーラ
１３と圧縮室１０を連結させる構造も三次元的要素を必
要とする。第２０図を参照する。クーラ１３のヘッド５
７に、バカ穴を介して第１のフランジ５日を固定させる
。このバカ穴を利用した第１のフランジ５８の取付はＹ
方向の位置調整を可能にする。圧縮シリンダ９のへラド
５９にバカ穴を介して固定される第２のフランジ６０が
Ｘ方向の位置調整を可能にする。即ち、バカ穴の利用は
両ヘッド５７．５９に対して両フランジ５８．６０を相
対的に動かすことができる。バイブロ１の一端は、第１
のフランジ５８の通路内に爆接され、又、他端が第２の
フランジ６０の通路内にＯ−リングを介して挿入され、
このバイブロ１と第２のフランジ６０との相対的動きが
Ｚ方向の位置調整を可能にする。

（効　果） 作動ガスの流れ中心を、クーラ、パイプ及び圧縮シリン
ダと合致きせて、死容積を小さくし且つ流れ抵抗を小さ
くできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例の断面図、第２図はオイルポンプ
部の部分断面図、第３図は出力軸の部分の断面図、第４
図は燃焼室内を示す断面図、第５図及び第６図は別の燃
焼器を示す断面図、第７図はバーナーの部分平面図、第
８図は同バーナーの縦断面図、第９図はその正１面図、
第１０図は別の例のバーナーの部分平面図、第１１図は
同バーナーの縦断面図、第１２図はその正面図、第１３
図は他の例の部分平面図、第１４図はその断面図、第１
５図は再生器の一例を示す断面図、第１６ａとｂ図は再
生器の別の例を示す断面図、第１７図はヒータ部分の断
面図、第１８図はヒータの横断面図、第１９図はフィン
の部分斜視図、第２０図はクーラと圧縮室とを連通させ
る構造を示す部分断面図である。 図中＝１・・・・・・スターリングエンジン、２・・・
・・・膨脹室、４・・・・・・膨脹ピストン、６・・・
・・・クランク、８・・・・・・圧縮ピストン、１０・
・・・・・圧縮室、１１・・・・・・ヒータ、１２・・
・・・・再生器、１３・・・・・・クーラ、１４・・・
・・・外筒、１５・・・・・・予熱器、１８・・・・・
・バーナー　１９・・・・・・排気ダクト、２３．２４
・・・・・・中間室、２５・・・・・・クランク室、２
６・・・・・・バッファー室、２７．２８・・・・・・
通路、２９・・・・・・フィルター、３７・・・・・・
燃焼室、４５・・・・・・合せ面、５０・・・・・・ヒ
ータの空間、５３・・・・・・メツシュ、５５・・・・
・・フィン、５８・・・・・・第１のフランジ、６０・
・・・・・第２のフランジ、６１・・・・・・パイプ。 代理人　弁理士　　桑　原　英　明 第６図 第７図 第８図 第９図 →５− 第１３図 第１４図 ５３″ 第１６図 （α）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 膨脹室をヒータ、再生器及びクーラを介して圧縮室に連
   通させ、両室を画定する膨脹ピストンと圧縮ピストンと
   がクランク軸に位相角をもって結合されているスターリ
   ングエンジンにおいて、クーラと圧縮室とを連通させる
   パイプがクーラのヘッドにバカ穴を介して固定される第
   １のフランジと、圧縮シリンダのヘッドにバカ穴を介し
   て固定される第２のフランジとに支持され、パイプが一
   方のフランジに対して相対的に移動可能であることを特
   徴とするスターリングエンジン。