(57)【要約】スターリングエンジン組立体は、高温ヘッド（３）及び冷却領域（４）を有するスターリングエンジン（１）を備えている。環状のバーナ（９）は、前記ヘッドを囲んで該ヘッドに熱を供給すべく配置されている。前記スターリングエンジン及び前記バーナの間にある波形シール（２）は、前記ヘッドからの燃焼ガスの流れが周囲の環境に入るのを防止する。該スターリングエンジンは、少なくとも部分的に前記シールを介して装着フレーム（２３）により支持されている。
2005525499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ヘッド及び冷却領域を有するスターリングエンジンと、前記ヘッドを囲んで該ヘッドに熱を供給すべく配置された環状のバーナと、前記ヘッドからの燃焼ガスの流れが周囲の環境に入るのを防止すべく前記スターリングエンジン及び前記バーナの間にある波形シールとを備え、前記スターリングエンジンは、少なくとも部分的に前記シールを介して装着フレームにより支持されている、スターリングエンジン組立体。
【請求項２】
前記バーナから前記シールに向かう高温燃焼ガスの通過を実質的に減少させるためにベローズ及び前記エンジンの間の遮断が行われている、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記シールはベローズである請求項１又は２に記載のスターリングエンジン組立体。
【請求項４】
前記ベローズは、前記バーナの近くの箇所から、前記スターリングエンジンの長さのかなりの部分に沿って延びている、請求項３に記載の組立体。
【請求項５】
エンジンクーラへの及びからの冷媒の流れを可能にすべく冷媒が前記ベローズを通過するための手段が設けられている、請求項４に記載の組立体。
【請求項６】
前記ベローズを通り延びると共に、可撓性のシールにより封止されている冷媒入口管及び冷媒出口管を更に備える、請求項５に記載の組立体。
【請求項７】
前記ベローズは、エンジンクーラの領域において円筒形である、請求項４又は請求項５に記載の組立体。
【請求項８】
前記ベローズは、エンジンクーラの上方で終端している、請求項３に記載の組立体。
【請求項９】
前記ベローズは、前記スターリングエンジンの重量が該ベローズの長さに沿って支えられるように、垂直に延びて配置されている、請求項３〜８のいずれか１項に記載の組立体。
【請求項１０】
前記ベローズは垂直面に対して斜めに配置されている、請求項３〜８のいずれか１項に記載の組立体。
【請求項１１】
前記エンジンの重量は前記ベローズにより全て支えられている、請求項３に記載の組立体。
【請求項１２】
前記スターリングエンジンの重量は、前記ベローズにより部分的に支持され、１つ以上の補助弾性部材により部分的に支持されている、請求項３に記載の組立体。
【請求項１３】
前記補助弾性部材はスプリングであり、そこから前記エンジンが懸架されている、請求項１１に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、スターリングエンジン組立体に関するものである。特に、この発明は、熱電気併給(combined heat and power:ｃｈｐ)ユニットに関するものである。
【０００２】
ｃｈｐユニットのような設備が家庭環境内に設置される場合、相当な迷惑を引き起こすことがある騒音及び振動は非常に低いレベルに保たれることが極めて重要である。該設備は、交流発電機を備えたスターリングエンジンを含んでいるため、許容しうるよりも相当に高いレベルの騒音及び振動を発生させる。従って、熱電気併給ユニットのケーシング及び支持フレームを介する家庭環境への騒音及び振動の伝達を最少にする必要がある。
【０００３】
スターリングエンジンのバーナは、エンジン頂部にあるヒータヘッドを囲んで配置されている。スターリングエンジンに基づくｃｈｐシステムについての問題は、燃焼ガスが下方に流れて空間封止した（room-sealed)ユニットの囲いに入り潜在的に有害なガスの蓄積を生じさせないように確実にする必要性である。従って、スターリングエンジンとバーナケーシングとの間には、何らかの形式のシールが必要とされる。
【０００４】
稼働時、スターリングエンジンは、その往復動する構成要素のために振動する。種々の減衰及び吸収構成要素を組み込んだ制振システムは、振動の残留レベルを低レベルにさせることができるが、振動しているエンジンと静止バーナケーシングの間に配置されたどんなシールに対しても種々の問題を生じさせるのに依然として十分である。シール設計は、ガス設備器具認証手続きに規定されているように、極めて頑丈であり、高温で作動し、そして全ての作動条件下で適切な封止を維持しうることが要求される。従来のシール設計の中には、エンジン懸架装置よりも著しく堅いのが一般的であり、そしてもし何らかの用途において使用されれば、振動しているエンジン及び静止バーナ構成要素間の受け容れ難い力の伝達になるものがある。
【０００５】
かかるシールの過剰な摩耗、疲労又は劣化により、燃焼ガスが漏れてユニットの囲いに入り、危険を生じさせると共に、騒音レベルを高くするであろう。
【０００６】
米国特許第５,９１８,４６３号が開示するスターリングエンジンは、バーナケーシングとスターリングエンジンとの間に、可撓性、半剛性、又は剛性の繊維状セラミック絶縁材のワッシャ形ピースを備えている。
【０００７】
普通の慣行は、通常のエンジン作動中に発生する振動の大部分を隔離もしくは遮断するスプリングの頂部にエンジンを装着することにより、それを支持することである。このような配列を有するスターリングエンジンの例は、米国特許第４,４００,９４１号にある。遮断の度合いを最大にするために、低剛性の装着システムが必要になる。圧縮スプリングを用いてこれを実施することは、特に、関連した力が垂直振動に加えて本質的に横方向である場合に、結果として不安定状態を導くことになる可能性がある。従って、代わりの支持装置が必要である。我々の先行特許出願ＰＣＴ/ＧＢ ０２/０５１１１は、この問題の解決策を詳述しており、そこでは、複数のスプリングをスターリングエンジンの外表面の周りに配設し、エンジンを装着フランジから懸架している。
【０００８】
本発明によると、高温ヘッド及び冷却領域を有するスターリングエンジンと、前記ヘッドを囲んで該ヘッドに熱を供給すべく配置された環状のバーナと、前記ヘッドからの燃焼ガスの流れが周囲の環境に入るのを防止すべく前記スターリングエンジン及び前記バーナの間にある波形シールとを備え、前記スターリングエンジンは、少なくとも部分的に前記シールを介して装着フレームにより支持されている、スターリングエンジン組立体が提供されている。
【０００９】
従って、シールの設計は、エンジン及びバーナ間の相対運動（本質的に垂直方向、水平方向及び回転方向の双方）に対処するのに十分な可撓性であるように造ることができる。加えて、バーナのガスに関連した高温度に耐え得ると共に、問題のガスにより腐蝕されない適当な材料がシールのために入手することができる。
【００１０】
スターリングエンジンを少なくとも部分的にシールを介して装着フレームにより支持することで、燃焼ガスが逃げてｃｈｐユニットのケーシングの本体内に入るのを防止する非常に効果的なシ−ルを同時に提供しながら、振動の大部分を遮断するエンジンを支持する装置が提供される。
【００１１】
スターリングエンジンの重量の一部がシールにより支持されるので、懸架装置は、それがより軽い重量を支持するためより軽量にすることができるか、或いは省略さえすることができ、要するに明らかに価格優位性を有する。
【００１２】
バーナからシールに向かう高温燃焼ガスの通過を実質的に減少させるためにベローズ及びエンジンの間に遮断が行われているのが好ましい。
【００１３】
シールは例えばベローズとすることができる。
【００１４】
ベローズは、バーナの近くの箇所から、スターリングエンジンの長さのかなりの部分に沿って延びるように配置することができる。この場合、エンジンクーラへの及びからの冷媒の流れを可能にすべく冷媒がベローズを通過するための手段が設けられる。これは、ベローズを通り延びると共に、可撓性のシールにより封止されている冷媒入口管及び冷媒出口管を必要とすることが好ましい。ベローズは、円筒形の部分を有して、この領域に設けられるのが好ましい。この細長いベローズの設計は、エンジンの本体の周りに密封ガスクッションを提供することによりスターリングエンジンからの伝達騒音のレベルを低下させる。しかしながら、同様にこのガスクッションは、エンジンを遮断すると共に、ケーシングからの熱損失を減少させる。交流発電機は、特に、磁石の温度を動作可能なレベルに維持するために下方のエンジン／吸収器ケーシングの周りの空気冷却に依存しているので、これは不利であるかも知れない。これを超克するために、冷却フィンをエンジンの露出した下端部に設けて熱損失を支援し、それによりベローズの加温効果に対して補償することが可能である。
【００１５】
エンジンの実質的に全長に沿って延びるベローズに対する代替例として、ベローズは、エンジンクーラの上方で終端することができる。この場合、冷媒がベローズを通過する必要はない。
【００１６】
ベローズが垂直に延びるように配置されていれば、スターリングエンジンの重量はベローズの長さに沿って支えられる。しかし、ベローズは垂直面に対して斜めに配置されていてもよい。
【００１７】
エンジンの重量はベローズにより全て支えられていてもよい。代案として、スターリングエンジンの重量は、ベローズにより部分的に支持され、１つ以上の追加の弾性部材により部分的に支持される。このようなスプリングからエンジンが懸架される。
【００１８】
以下、本発明に基づくスターリングエンジン組立体の諸実施形態を、添付図面を参照して説明する。
【００１９】
スターリングエンジン組立体は、ケーシング２内に格納されたスターリングエンジン１から構成されている。スターリングエンジン１の設計は技術的に既知である。エンジンは３つのセグメント、即ち、ヒータヘッド３、クーラ４及びオルタネータもしくは交流発電機５に大きく分けられる。エンジンは、ディスプレーサピストン及び出力ピストンを有しており、双方共に、垂直方向に往復動するように配設されている。これは、スターリングエンジン自体の最終的な垂直振動を発生する。この振動を減じるために、環状の吸収器塊６が、該吸収器塊の上下にある多数の圧縮スプリング７によって支持されている。
【００２０】
熱をヒータヘッド３に伝達するため、ガス／水混合物は、入口ダクト８に沿ってバーナエレメント９に供給され、そこで点火される。発生した熱は、複数の環状のフィン１０を介してヒータヘッド３に伝達される。燃焼ガスは、ヒータヘッドの頂部を取り囲むフィン１０を通り上へと流れて伝熱式熱交換器１１に流入し、そこで燃焼ガスは、入ってくるガス／水混合物を予加熱し、次いで家庭用の水を加熱する。セラミックの繊維状絶縁体１２は、ごく僅かの下向きガス流しか生じないように、下向きのガス流に対する抵抗を増している。
【００２１】
燃焼ガスは、スターリングエンジン１を囲むベローズ２０の形の環状シールの存在により、逃げて外部環境に入るのを防止されている。ベローズ２０は、その頂端に、バーナ／伝熱式熱交換器アセンブリ２２の下面にボルト止めされる環状のフランジ２１を有している。該フランジ２１は、ユニット式フレーム２３に着座している。該フレーム２３は、住宅の壁に取り付けられる剛な壁式構造である。ベローズ２０は、その下端において、下側環状フランジ２４で終端しており、これは、交流発電機５に隣接するスターリングエンジン１のケーシング２の下方部分の周りに溶接された装着リング２５にクランプリングを使用してボルト止め又は結合される。このようにして、振動吸収器６及びその関連の装着部と共にフィン１０を含むスターリングエンジン１の重量は、全て、ベローズ２０を介してユニット式フレーム２３上に支持される。
【００２２】
クーラ４の周りに冷却流体を循環させるために、クーラへの及びクーラからの冷媒の流れを可能にすることが必要である。環状の冷媒ダクト３０は、クーラ４の近くでケーシング２を囲んでいる。この環状のダクトには入口管３１から冷媒液が供給され、一方、ダクト３０からの出口は出口管３２に通じている。入口管３１及び出口管３２は、図１Ａにもっと詳しく示されているようにベローズ２０の壁を貫いて延びている。ベローズ２０の壁は、この箇所で、円筒形であると共に、１対の円形開口３３を備えている。環状のダクト３０に螺着された剛な管延長部３４は、該開口３３を貫通している。入口管３１／出口管３２(場合に応じて)は、クランプリング３５を有するジュビリークリップ(jubilee clip)を使用して剛な管延長部３４に固定される。各開口３３には、可撓性のゴム製グロメットシール３６を使用して封止装置が形成されている。このシールは剛な管延長部３４に押し付けられている。このような配置は、入口管３１／出口管３２が損傷無く振動することを可能にするであろう。グロメットシール３６は冷媒管と接触しているので、この領域における温度は十分に低く、市販のゴム製シールの使用が可能であり、この領域における諸構成要素に対して低い摩耗率を与える。
【００２３】
スターリングエンジンが現場でサービスを提供されるべきであるとは考えられていないので、ベローズ２０内に封止されるであろう諸構成要素に対するアクセスの必要性はない。エンジン故障が起きれば、エンジンは、単一のモジュール（ベローズを含む）として取り外され、修理され、元の場所に戻される。しかしながら、剛な管延長部３４及びグロメットシール３３は、サービスインターバルの際に交換することができる。
【００２４】
本発明に基づくスターリングエンジン組立体の第２実施形態は、図２に示されている。これは、図１に示した実施形態と大体同一であり、同一の構成要素を表わすために同一の参照数字が使用されている。これらの共通構成要素についての更なる説明はここでは繰り返さない。
【００２５】
第２実施形態は、ベローズ２０’がクーラ４の上方で終端している点で第１実施形態と異なっている。この場合、上方の装着は第１実施形態に対するものと同一であるが、下方の装着はクーラ４の上方でケーシング２を囲んで溶接された装着板２４’によっている。この場合、環状の吸収器塊６も環状のクーラダクト３０もベローズ内にない。従って、冷媒入口管３１／出口管３２及びベローズ間に境界を設ける必要性がない。
【００２６】
この配置では、振動吸収器６と共にフィン１０含むスターリングエンジン１は、ベローズ２０’を介してユニット式フレーム２３から懸架される。
【００２７】
ベローズ２０は、環状の波形コンボリューションを有する可撓性のステンレス鋼（ＡＩＳＩ ３２又はＡＩＳＩ ３１６Ｔｉ）で構成されている。最も費用対効果の高いベローズの断面形状は、図１及び図２の、並びに図３Ａにより詳細に示すような丸い端の断面形状である。これらは、液圧成形プロセスによって製作される。或いは、断面は、尖った端４０を有していてもよく、その各々が溶接される。丸くされた断面のベローズはまた、その端と端の間の相対的な側方運動を許容するという点から見てより有利な特性を有している。これは、スターリングエンジンにより発生された振動力が垂直方向だけでなく水平方向でありうると共に、システム内の力の伝達を衰えさせる場合に重要になりうる。
【００２８】
典型的には、スターリングエンジン１及び吸収器塊６の重量は２０〜１００Ｋｇである。ベローズの剛度は、エンジン重量や、許容できる伸張ために利用可能なスペースに調和するように調節される。
【００２９】
代表的には、図１のエンジンについては、クーラ４の上方に３〜４個の屈曲部もしくはコンボリューションがあり、クーラ４の直下に１２〜１８個の屈曲部がある。図２の短いベローズにおいては、３〜４個の屈曲部があるのが代表的であろう。１屈曲部当りの剛度は、６０Ｋｇのエンジンについて３８０Ｎ／ｍｍ〜５０Ｎ／ｍｍである。１屈曲部当りの剛度は、ベローズの内径を一定に保ちながら外径を変えることにより、変えられる。より低い剛度は、振動レベルを低下させる利点を有するが、追加の重量や、エンジンの周りに必要とされる余分のスペースに対してバランスをとる必要がある。
【００３０】
垂直に延びるベローズの代替例が図４及び図５に示されている。これらの実施形態は、全てが別の点で、図２と類似している。
【００３１】
図４は、環状のディスク２０”を示しており、これは該ディスクの面に対して垂直の方向に屈曲した同心の環状屈曲部を有している。この場合、装着板２４”は上方に延びる環状のフランジ５０を有しており、ところが一方、下方への環状のフランジ５１は、バーナ９のケーシングから従属している。シール２０”は、これら２つのフランジ間に装着されると共に、環状のクリップ５２で所定位置に保持されている。しかし、このような配列は、エンジンの重量を少しも支持することができず、従って、本発明の一部ではない。
【００３２】
同様の配列は図５に示されているが、この場合、シールは水平に対して約４５°の角度がついたベローズ”’である。
【００３３】
これまで記載した実施形態において、スターリングエンジン１及び吸収器塊６の全重量は、シール２０を介して懸架されている。代替例として、図６に示すように、シールがスターリングエンジン１及び吸収器塊６の重量の幾分かを支持するのに対して、他方ではスターリングエンジン１及び吸収器塊６のための補足的な懸架装置を設けることができる。これは、エンジンを囲んで配設されると共にユニット式フレーム２３及び下方のフランジ２４の間に取り付けられる複数のスプリング６０の形のものでよい。これは、ベローズの大きさ、従って、重量及びコストを低減させることができる。この場合、スプリングの破損はベローズ懸架装置の破損ほど深刻ではないであろうから、この配列は、高価につくｃｈｐ停止時間の危険性を減少させる。しかしながら、シールの重量及びコストの減少は、関連の付加的重量及びコストを有するこの配列で要求される付加的構成要素と釣り合いがとれていなければならない。図６は図２のものに類似するベローズを有して示されているが、図１及び図３〜図５の別の諸形態のどれでも使用することが可能であろう。
【００３４】
図７は、スターリングエンジンが水平に装着されるスターリングエンジン組立体を示している。スターリングエンジン組立体の大部分の形態は、図２に示したものと類似しており、ここで更に詳しく記載されることはない。この場合、ベローズ２０は、純粋にシールとして機能しており、スターリングエンジン組立体の重量を何ら支持していない。従って、この実施形態は、本発明の一部を形成していない。図４の環状のディスク２０”はこの水平装着の形式に特に適している。
【００３５】
その代わりに、組立体の重量は、支持体７０によって支持されている。これは、クーラ４の近く及び交流発電機５の近くでそれぞれエンジン１に取り付けられた２つの弓形ブラケット７１，７２を備えている。ブラケット７１，７２内の冷却通路７３は、空気の流れを許容すると共に、交流発電機の近くのケーシング２の温度が不適格なレベルまで上昇するのを防止する。脚部７４は、各弓形ブラケットから延びて基台７５の中に入り、そこで基台７５への振動の伝達を軽減するゴム製受座７６によって保持されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態の概略断面図である。
【図１Ａ】より詳細に図１の一部を示している。
【図２】図１に類似する図であり、第２実施形態を示している。
【図３Ａ】別のベローズ部分の横断面図である。
【図３Ｂ】別のベローズ部分の横断面図である。
【図４】スターリングエンジンの一部を通る横断面図であり、本発明に基づかない別のシール構造を示している。
【図５】図４に類似する図であり、更なるベローズ配列を示している。
【図６】図２に類似する図であり、第３実施形態を示している。
【図７】図２に類似する図であり、本発明に基づかない例を示している。
【図８】図７における線VIII−VIIIに沿っての断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2005525499.tif 000012