(57)【要約】  外燃機関用の、特にスターリングエンジン用の再生器（５）であって、機関の高温側から機関の低温側へと及びその逆方向で移動する作動流体用の通路内に取り付けるのに適した再生器が説明されている。この再生器（５）は、前記作動流体が前記機関の前記高温側から前記低温側へ移動する途中で前記作動流体が前記再生器（５）を通過する際に前記作動流体によってあずけられた熱を受け取り一時的に蓄えることができ、前記作動流体が前記機関の前記低温側から前記高温側へ移動する途中で前記作動流体が前記再生器（５）を通過する際に、前記作動流体へ再び熱を放出することができる。前記再生器（５）は少なくとも１つの貫通路（５０）を有しており、該貫通路は、該貫通路（５０）に沿って流れる前記作動流体がほぼ一定の圧力下に維持され得るように、前記貫通路の軸方向の延在に沿って前記貫通路（５０）の高温側ポートから低温側ポートへと先細りしている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外燃機関、特にスターリングエンジン用の再生器であって、前記機関の高温側（４１）から低温側（４２）への作動流体（１０）用の管路（４）に取り付けるように適合されていて、前記作動流体が前記機関の前記高温側（４１）から前記低温側（４２）へと移動する途中で前記作動流体（１０）が前記再生器（５）を通過する際に、前記作動流体（１０）によってあずけられた熱を受け取り一時的に蓄えることができ、前記作動流体が前記機関の前記低温側（４２）から前記高温側（４１）へ移動する途中で前記作動流体（１０）が前記再生器（５）を通過する際に、前記作動流体（１０）へ再び熱を放出することができる再生器において、
前記再生器は少なくとも１つの貫通路（５０）を有しており、該貫通路（５０）は、該貫通路（５０）に沿って流れる前記作動流体（１０）がほぼ一定の圧力下に維持され得るように、前記貫通路の縦方向の軸方向延在に沿って前記貫通路（５０）の高温側ポートから低温側ポートへと先細りしていることを特徴とする、外燃機関用の再生器。
【請求項２】
前記貫通路（５０）は連続的に先細りしている形状を有している、請求項１記載の再生器。
【請求項３】
前記貫通路（５０）は円錐台の形状を有している、請求項１又は２記載の再生器。
【請求項４】
前記先細りしている貫通路（５０）の側壁と、前記貫通路の縦方向軸線とは、０°より大きく４５°よりも小さい、好適には２°〜４０°の、最も好適には５°〜３５°の角度（α）を成す、請求項３記載の再生器。
【請求項５】
前記貫通路（５０）の低温側ポートは、前記貫通路（５０）の高温側ポートの横断面積の１０％以上１００％未満の、好適には１５％〜８０％の、最も好適には２０％〜６５％の横断面積を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の再生器。
【請求項６】
複数の先細りする貫通路（５０）を有しており、これら貫通路（５０）の縦方向の通路軸線（Ａ）は互いにほぼ平行に延在している、請求項１から５までのいずれか１項記載の再生器。
【請求項７】
各貫通路（５０）は、それぞれ高温側ポート及び／又は低温側ポートで、長円形の又は楕円形の横断面を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の再生器。
【請求項８】
各貫通路（５０）は、それぞれ高温側ポート及び／又は低温側ポートで、円形の横断面を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の再生器。
【請求項９】
前記複数の貫通路（５０）の前記高温側ポートは高温側フランジプレート（５１）に設けられていて、前記複数の貫通路（５０）の前記低温側ポートは低温側フランジプレート（５２）に設けられている、請求項６又は７記載の再生器。
【請求項１０】
前記貫通路（５０）はハウジング内に配置されていて、前記高温側フランジプレート（５１）と前記低温側フランジプレート（５２）とは前記ハウジングの２つの表面である、請求項９記載の再生器。
【請求項１１】
前記複数の貫通路（５０）は単一材の金属に設けられていて、該単一材の金属は、該単一材の金属の２つの表面を形成する前記高温側フランジプレート（５１）と前記低温側フランジプレート（５２）とを有している、請求項９記載の再生器。
【請求項１２】
前記高温側フランジプレート（５１）は、前記外燃機関（１）の高温側用の加熱手段（８）に取り付けられるように適合されていて、前記低温側フランジプレート（５２）は、前記外燃機関（１）の低温側用の冷却手段（９，９１）に取り付けられるように適合されている、請求項１０又は１１記載の再生器。
【請求項１３】
各前記貫通路（５０）の先細りは、気体の作動流体（１０）と組み合わせて使用するように選択されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の再生器。
【請求項１４】
各前記貫通路（５０）の先細りは、前記作動流体（１０）としての空気と組み合わせて使用するように選択されている、請求項１３記載の再生器。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項記載の再生器を有しているα型のスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の導入部に記載の外燃機関用の、特にスターリングエンジン用の再生器に関する。
【０００２】
外燃機関、特にスターリングエンジンは、原則的に、例えば、空気、ヘリウム、水素、又はその他の気体のような作動流体の周期的な圧縮及び膨張により運転される熱機関である。作動流体の周期的な圧縮及び膨張は異なる温度レベルで行われるので、外部から供給される熱エネルギは機械的な仕事に直接変換される。この熱機関は、クローズド・サイクルの、好適には再生式の、永久的に作動する気体の流体による熱機関とも言われる。「クローズド・サイクル」という用語は、作動流体が永久的にそのシステム内部に保持される所定の熱動力学的システムとして規定することができる。「再生式」については、再生器として公知の所定の形式の内部熱交換器及び蓄熱システムの規定が参照される。スターリングエンジンをその他公知のクローズド・サイクルの熱気機関から区別するのは再生器を含んでいるという点である。
【０００３】
再生器は、内部熱交換器であり一時的な蓄熱器である。再生器は、外燃機関のそれぞれ高温部と低温部との間に位置しているので、作動流体は機関の高温部から低温部へと移動し、かつ再び戻るときにこの再生器を通過する。再生器の機能は作動流体の熱をシステム内に保持することであり、その熱はさもないと周囲と交換される。従って、外燃熱機関の高温側から来るときに、作動流体は熱を再生器へとあずけ、外燃熱機関の低温側から再び流れて戻るときに、作動流体は再生器から再び熱を回収する。
【０００４】
再生器の主な作用は、システム内部の熱を維持し「再利用」することにより熱効率を向上させることである。そうでない場合、内部の熱は不可逆的に失われる。従来技術により公知の形式のこのような再生器における１つの問題点は、これらの再生器に伴う付加的な体積が過大であり、機関のデッドスペースを生じさせることである。外燃機関におけるデッドスペースの結果、作動流体における利用可能な差圧の損失が生じ、これによりシステムの熱動力学的効率及び機械効率が減じられる。微細な金属ワイヤメッシュの積層体を使用する別の形式の再生器の問題点は、作動流体が再生器を通って流れる際に作動流体内に乱流を発生させることである。これらの乱流により作動流体の流れ抵抗が生じ、結果として、熱機関の熱効率にネガティブな作用をもたらす。
【０００５】
従って本発明の課題は、従来公知の形式の再生器の欠点を解消することである。過大な付加的な内部体積又は流れ抵抗を招くことなく気体の作動流体への又は気体の作動流体からの効果的かつ十分高い熱伝導を可能にする再生器が設けられるべきである。例えば作動流体としての空気のようなより重たい気体の使用も可能にする再生器が設けられるべきである。再生器は比較的簡単な構成を有しているのが望ましく、様々な形式の外燃機関、特にα又はβ型のスターリングエンジンに適応できるのが望ましい。
【０００６】
上述した主題に関連してこれらの課題及びさらに別の課題は、請求項１にあげた特徴を有する本発明による再生器により解決される。本発明のさらなる改良および有利な好適な態様は、従属請求項の対象である。
【０００７】
従って、本発明によれば、外燃機関用の、特にスターリングエンジン用の再生器であって、機関の高温部から低温部へと通過する作動流体用の管路内に取り付けるのに適した再生器が設けられている。この再生器は、前記作動流体が前記機関の前記高温側から前記低温側へ移動する途中で前記作動流体が前記再生器を通過する際に前記作動流体によってあずけられた熱を受け取り一時的に蓄えることができ、次いで前記再生器は、前記作動流体が前記機関の前記低温側から前記高温側へ移動する途中で前記作動流体が前記再生器を通過する際に、前記作動流体へ再び熱を放出することができる。前記再生器は少なくとも１つの貫通路を有しており、該貫通路は、該貫通路に沿って流れる前記作動流体がほぼ一定の圧力下に維持されるように、前記貫通路の軸方向の延在に沿って前記貫通路の高温側ポートから低温側ポートへと先細りしている。
【０００８】
貫通路の高温側ポートから低温側ポートへと先細りする少なくとも１つの貫通路を備えた再生器を設けることにより、運転中、作動流体が、機関の高温側の高温側ポートで高温に達することが考慮される。結果として作動流体は膨張し体積が大きくなる、又は一定の体積である場合にはより高圧となる。作動流体は貫通路を通過する間に、その熱を再生器にあずける。その結果、作動流体の温度は下がり、体積は収縮し、圧力は低下する。圧力の低下は、単位面積当たりより少ない分子が貫通路の側壁に達することを意味する。従って、作動流体の温度が下がるにつれ、再生器の貫通路の側壁との熱交換も減少する。
【０００９】
先細りする貫通路により、温度により生じる減圧を阻止することができる。貫通路に沿って流れる作動流体がほぼ一定の圧力下に維持されるように貫通路の先細りの程度を選択することにより、通路壁に達する分子の数をほぼ一定に維持することができ、再生器における熱交換効率を大幅に増大させることができる。このような効果は、外燃機関の高温側から低温側へと貫通路を移動する作動流体によってもたらされるだけでなく、作動流体が、外燃機関の低温側から高温側へと逆方向に貫通路を通って流れるときも繰り返される。貫通路の壁に接触すると作動流体は加熱される。作動流体の温度が高くなると、作動流体は膨張する。貫通路の横断面は、作動流体の体積増大に対応する形式で大きくなる。従って、再生器の貫通路内の作動流体の圧力はほぼ一定に維持される。突然の圧力上昇による流れ抵抗の増加は回避される。貫通路の先細りする形状により、外燃機関の高温側から低温側へと流れる作動流体が冷却される際に生じる希釈作用が阻止される；そして、作動流体が逆方向に機関の低温側から高温側へと流れる際に作動流体が加熱される際の密封作用が阻止される。作動流体内の乱流はほぼ一定に維持され制御可能である。貫通路にはワイヤメッシュ等の障害物は設けられない。従って、制御されない余計な乱流は回避することができる。再生器の構造は比較的単純であり、再生器の高温側ポートから低温側ポートへと先細りする少なくとも１つの貫通路を形成するだけで良い。
【００１０】
再生器の極めて単純な設計では、貫通路は連続的に又は直線的に先細りされて良い。このような態様の背景は、貫通路移動中の作動流体の温度が、ひいては体積が線的に増加するという仮定である。再生器の選択的な態様では、再生器の高温側ポートから低温側ポートへと貫通路の延在に沿って増大又は減少する先細りを有する少なくとも１つの貫通路が設けられていても良い。
【００１１】
貫通路は原則的には任意の横断面を有していて良い。しかしながら極めて実用的な再生器の態様では、ほぼ円錐台の形状を有していて良い少なくとも１つの貫通路が設けられている。このような形状の機械的な実現は比較的容易に可能である。
【００１２】
円錐台の形状を有した貫通路は円形の横断面を有していなくて良い。本発明の実施態様では、貫通路は長円形の又は楕円形の横断面を有していて良く、結果として、再生器のそれぞれ高温側及び低温側においてほぼスロット状のポートが形成されている。
【００１３】
多くの外燃機関、特にスターリングエンジンの構成に適用するために、再生器における少なくとも１つの円錐状に先細りする貫通路が側壁を有していて、この側壁が、貫通路の軸線と０°よりも大きく４５°よりも小さい、好適には２°〜４０°の、最も好適には５°〜３５°の角度を成している再生器を使用することができる。先細りの程度は、再生器の高温側ポート及び低温側ポートにおける作動流体の温度に応じて当業者によって決定されて良い。本発明による上記範囲内で先細りするほぼ円錐状の形状を有する先細りした貫通路は、多くの外燃機関の要求を満たし、機関の高温側と低温側との間の通常利用される温度差を満たす。
【００１４】
熱交換の所望の程度に応じて、貫通路の低温側ポートが、貫通路の高温側ポートの横断面積の１０％〜１００％の、好適には１５％〜８０％の、最も好適には２０％〜６５％の横断面積を有している貫通路を再生器に設けることができる。
【００１５】
作動流体が再生器を通過する際に熱交換が生じ得る面積を拡大するために、再生器は複数の先細りの貫通路を有していて良く、これら貫通路の各軸線は互いにほぼ平行に延在している。全ての貫通路は、上記態様のいずれかのように先細りしていて良い。機械的な単純性及び再生器効率の予測可能性のために、全ての貫通路は同様の形状を有していて良く、同様に構成されていて良いことに留意されたい。従って、高温側及び低温側における再生器の横断面に応じて、貫通路のポートの幅は互いに異なっていて良いが、先細りと、ポート横断面のパーセンテージの関係は好適には同様であって良い。
【００１６】
再生器の簡単に取り付け可能な態様では、複数の通路の高温側ポートは高温側フランジプレートに設けられていて良く、複数の通路の低温側ポートは低温側フランジプレートに設けられている。
【００１７】
周囲環境を介した熱損失に対して再生器をより効果的に絶縁するために、貫通路はハウジングによって取り囲まれていて良い。再生器のこのような態様では、高温側フランジプレートと低温側フランジプレートとはそれぞれハウジングの表面を形成する。
【００１８】
比較的簡単に製造され、特別な別個の組み立てを必要としない本発明の別の態様では、複数の通路が単一材の金属に設けられていて良い。高温側フランジと低温側フランジとはそれぞれ、この単一材の金属の表面を成している。
【００１９】
再生器のさらに別の態様では、高温側フランジプレートは、外燃機関の高温側用の加熱手段に取り付けられるように適合されていて良く、低温側フランジプレートは、外燃機関の低温側用の冷却手段に取り付けられるように適合されていて良い。加熱手段及び冷却手段は好適には再生器の極めて近くに設けられているので、作動流体と再生器との間で多量の熱を交換することができる。再生器に加熱手段及び冷却手段を最大限近付けて配置する本発明のこのような態様では、機関の死体積が減じられることに留意されたい。
【００２０】
原則的に、作動流体は液体又は気体であって良い。取り扱いに関して及び効率という意味で気体の作動流体が好適である。従って、再生器は複数の貫通路を有していて、各貫通路は、気体の作動流体と組み合わせて使用するように適合されている。気体の作動流体は、例えばヘリウム又は水素のような高い熱容量を有するガスであって良い。例えばヘリウムのために必要であるようなシールの複雑性を減じるために、かつ作動流体として水素を使用する場合の安全対策上の要件を考慮すると、空気は好ましい作動流体である。従って、再生器の貫通路は作動流体としての空気と組み合わせて使用するのに適合され、最適化されている。
【００２１】
上記に概要を説明したようないずれか１つの態様による再生器は好適には、α型のスターリングエンジンの経路に取り付けられるように適合されて良い。従って、α型のスターリングエンジンには好適には、上述したいずれか１つの態様による再生器が備えられている。このようなスターリングエンジンは、従来の形式のスターリングエンジンよりも効率の良い熱交換を示し、よりスムーズな運転特性を有する。
【００２２】
本発明の詳細及び利点は、概略図を参照して行う実施態様の以下の説明により明らかとなろう。この場合、図面の縮尺は正確ではない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による再生器の態様を含むα型のスターリングエンジンを示す断面図である。
【図２】本発明による再生器の原理を示した図である。
【図３】再生器の実施態様の高温側ポートを示した斜視図である。
【図４】貫通路の低温側ポートを示した図３の再生器の斜視図である。
【００２４】
図１には、α型スターリングエンジンの断面図が概略的に示されている。スターリングエンジンはよく知られた旧来の形式の外燃機関であり、再生器を備えていることにより、公知の選択的な形式の外燃機関とは区別される。スターリングエンジンを全般的に符号１で示す。α型の構成のスターリングエンジン１は第１のシリンダ２と第２のシリンダ３とを有していて、これらシリンダ内ではそれぞれピストン２１，３１が周期的に上下運動させられる。２つのシリンダ２，３は作動流体１０用の管路４を介して接続されていて、この管路４は第１の支管４１と第２の支管４２とを有する。シリンダ２，３と管路４とはクローズド・システムを形成していて、このクローズド・システム内で、通常は気体である作動流体１０が第１のシリンダ２から第２のシリンダ３へと周期的に搬送され再び戻される。作動流体１０は例えばヘリウム、水素、又は空気であって良い。２つのシリンダ２，３はハウジング６に取り付けられていて、このハウジング６にはフライホイール７が回転可能に支持されている。フライホイール７はピストン２１，３１に接続されていて、これらピストン２１，３１はピストンロッド２２，３２を介してそれぞれ第１のシリンダ２及び第２のシリンダ３内で往復運動する。再生器５は気体の作動流体１０用の管路４内に配置されていて、この管路を２つの支管４１，４２に分離している。再生器５の独特の構成と仕事については、より詳しく後述する。
【００２５】
スターリングエンジン１を運転するために、シリンダのうちの一方が、この記載の態様では左側の第１のシリンダ２が加熱され続け、右側の第２のシリンダ３が冷却され続ける。機関の高温側での第１のシリンダ２の加熱は、例えば、ガス、オイル、ガソリン等のような従来の燃料と、例えば、太陽エネルギ、地熱エネルギ等のような代替的な燃料源との両方から生じる任意の熱源により行われて良い。図１では、機関の高温側における第１のシリンダ２の加熱は、螺旋状加熱体８によって示されている。機関の低温側の第２のシリンダ３は、例えば第２の支管４２に設けられた冷却フィン９１による空気循環によるようなヒートシンクによって冷却され続ける。機関の低温側における第２のシリンダ３のより効果的な冷却のために、螺旋状冷却体９が設けられていて良い。螺旋状加熱体８と螺旋状冷却体９とは各支管４１，４２の内側に配置されている必要はない。螺旋状加熱体８と螺旋状冷却体９とは管路４又は支管４１，４２の外部にそれぞれ配置されていても良く、第１及び第２のシリンダ２，３のより近くに配置されていても良い。
【００２６】
スターリングエンジン１のスターリングサイクルは、４つの異なる位相：膨張、移動、収縮、移動、を有するものとして考えることができる。膨張位相では、気体の作動流体１０の殆どが、スターリングエンジン１の高温側へと駆動されている。加熱された作動流体１０は膨張し、各シリンダ２，３内の両ピストン２１，３１を内側へとシリンダの底面に向かって駆動する。移動するピストン２１，３１の軸方向の動きはピストンロッド２２，２３を介してフライホイール７へと伝達され、フライホイール７の回転運動へと変換される。気体の作動流体１０が完全に膨張すると、移動位相に到達する。気体の作動流体１０は、低温状態と比較して例えば約２〜５倍膨張させられている。作動流体１０の殆どは、機関の高温側に最初はまだ位置している。フライホイール７のはずみによりピストンロッド２２，３２は次に９０°動かされ、この場合、第１の高温のシリンダ２のピストン２１はシリンダの底面から離れるように前進させられ、機関の低温側における第２のシリンダ３内のピストン３１はさらに引き込まれる。このような動きにより気体の作動流体１０の体積は、機関の低温側に移動される。第３の位相、収縮位相では、殆ど全ての作動流体１０が今や機関の低温側にあり、冷却が継続される。作動流体１０が冷えると、作動流体は収縮し、これにより両ピストン２１，３１は再び上方に向かって、第１及び第２のシリンダ２，３の底面から離れるように引かれる。最終的な移動位相では、収縮された気体の作動流体１０はまだ殆ど、第２のシリンダ３のところの機関の低温側にある。フライホイールのはずみによりピストンロッド３２はさらに９０°動かされ、作動流体１０を機関の高温側における第１のシリンダ２へと再び移動させて戻し、スターリングサイクルは完了する。
【００２７】
機関の高温側から低温側への経路で、気体の作動流体１０は、管路４を第１の高温側の支管４１と第２の低温側の支管４２とに分けている再生器５を通過する。再生器５は、熱伝導性の良い材料、通常は何らかの金属から構成されている。作動流体への又は作動流体からの熱伝導性を向上させるために、再生器は好適には大きな表面積を有している。高温の作動流体が駆動されて再生器５を通るとき、熱の一部は再生器５内へとあずけられる。冷えた作動流体１０が再生器５を通って戻されるとき、この熱は「回収」される。再生器５は熱の中間貯蔵部として機能し、再生器を通る作動流体の周期的な移動の際に気体の作動流体１０を予冷及び予熱する。再生器５により、スターリングエンジンの効率を改善することができる。
【００２８】
図２には、本発明による再生器５の原理が示されている。再生器５は少なくとも１つの、好適には複数の貫通路５０を有していて、これらの貫通路は、軸方向の延在に沿って各貫通路５０の高温側ポートから低温側ポートへと先細りしている。図２に示された態様によれば、貫通路５０の高温側ポートは高温側フランジプレート５１に設けられていて、貫通路５０の低温側ポートは低温側フランジプレート５２に設けられている。貫通路５０は、再生器５を、気体の作動流体１０用の管路４の高温側支管４１と低温側支管４２（図１）とにそれぞれ接続する２つのフランジプレート５１，５２の間に延在している。貫通路５０は、互いにほぼ平行に延在する軸線Ａを有している。貫通路５０は連続的に先細りされていて、好適には円錐台の形状を有している。各貫通路５０の円錐状の側壁５３は貫通路５０の軸線Ａと角度αを成している。この角度αは０°より大きく４５°よりも小さく、好適には２°〜４０°、最も好適には５°〜３５°である。
【００２９】
低温側フランジプレート５２における貫通路５０の低温側ポートは、高温側フランジプレート５１における高温側ポートの貫通路５０の横断面積の１０％以上１００％未満の、好適には１５％〜８０％の、最も好適には２０％〜６５％の横断面積を有している。貫通路５０は全て同様に構成されて良く、同様の形状であって良い。貫通路５０は適切な金属から成る単一のブロックに設けられて良く、この場合高温側フランジ５１と低温側フランジ５２とは、この単一のブロックの表面を形成する。選択的に貫通路は、それぞれ高温側フランジプレート５１と低温側フランジプレート５２とに接続される別個の金属シートから成っていて良い。貫通路５０はハウジング内に配置されて良い。その場合、高温側フランジプレート５１及び低温側フランジプレート５２はハウジングの表面を形成する。
【００３０】
図３には、再生器５の一例としての態様が、高温側フランジプレート５１を見た斜視図で示されている。高温側フランジプレートには、貫通路５０の複数の高温側ポートが設けられている。貫通路５０はそれぞれ長円形の又は楕円形の横断面を有していて、結果として、再生器のそれぞれ高温側及び低温側におけるほぼスロット状のポートとなっている。高温側及び低温側における再生器５の横断面に応じて、貫通路５０のポートの幅は互いに異なる。先細りと、ポート横断面のパーセンテージの関係は好適には同様である。
【００３１】
図４には、図３の再生器の斜視図が示されているが、低温側フランジプレート５２を見た図で示されている。この図からは、貫通路５０の低温側ポートは、図３に示したような高温側ポートよりも小さい領域を取り囲んでいることがわかる。
【００３２】
本発明を特別な態様に基づき説明したが、この態様は単に本発明の概要の一例によるものであり、様々な変更及び改良が本発明の根底にある教示から逸脱することなく考えられることが、当業者には明らかである。したがって、発明は、説明された態様によって限定されるのではなく、添付の請求項の範囲によって限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2016538480.tif 000007
2016538480.tif 000008