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JP4813208B2 - Stirling engine - Google Patents

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JP4813208B2 JP2006048996A JP2006048996A JP4813208B2 JP 4813208 B2 JP4813208 B2 JP 4813208B2 JP 2006048996 A JP2006048996 A JP 2006048996A JP 2006048996 A JP2006048996 A JP 2006048996A JP 4813208 B2 JP4813208 B2 JP 4813208B2
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas 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。   The present invention relates to a Stirling engine.

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)
The β-type Stirling engine includes a displacer piston, a working chamber communicating with a cooler of the displacer piston, and a power piston that operates in response to a pressure change of the working gas in the working chamber. The power piston is operated in response to a pressure change in the working chamber due to cooling.
As a cooler of this free piston type Stirling engine, it is provided with a header portion which is disposed at both ends and forms a flange portion, and a plurality of openings which are disposed between the header portion and circulate cooling water. The body part that constitutes the outer cylinder, the tubes of the working gas hollow cylinders that are fixed to the header part at both ends and arranged in parallel, and a large number of the tubes are abutted against the outer peripheral wall of the tube and stacked at a minute interval The structure which consists of the external fin for cooling performed is known (for example, refer patent document 1).
JP-A-10-205902 ((0034) to (0035) and FIGS. 1 to 3 etc.)

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。   However, since the method described in Patent Document 1 is configured by joining a plurality of hollow cylindrical tubes through which a working gas flows, by vacuum brazing, the operation is complicated and requires skill in manufacturing. There is a problem that the manufacturing cost becomes high.

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。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a Stirling engine including a cooler that has a simple structure, is easy to manufacture, and has high cooling efficiency.

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。
The Stirling engine of the present invention according to claim 1 is a Stirling engine comprising a heater, a cooler, and a regenerator that connects the heater and the cooler, wherein the cooler has a thin metal tube in a coil shape. A wound cooling water passage and a working gas passage having an outer periphery of the cooling water passage as a passage are provided , and the gap forming member is wound together with the metal thin tube .
The Stirling engine of the present invention according to claim 2 is a Stirling engine comprising a heater, a cooler, and a regenerator connecting the heater and the cooler, wherein the cooler has a metal thin tube in a coil shape. A wound cooling water passage and a working gas passage having an outer periphery of the cooling water passage as a passage are provided, and a gap forming member is wound around the outer periphery of the metal thin tube.
According to a third aspect of the present invention, in the Stirling engine according to the first or second aspect , the metal thin tubes are wound in multiple stages in the step direction.
A fourth aspect of the present invention is the Stirling engine according to the second aspect , wherein a thin metal wire is used as the gap forming member.
According to a fifth aspect of the present invention, in the Stirling engine according to any one of the first to third aspects, grooves or protrusions are spirally formed on the outer peripheral surface of the metal thin tube.

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。   According to the present invention, the cooling water passage is constituted by a coiled metal thin tube, and the working gas is allowed to flow through the outer peripheral portion of the metal thin tube. In addition, since a process such as brazing a large number of thin tubes is not necessary, the manufacturing operation and the manufacturing process are remarkably simplified. Further, the working gas can be reliably cooled only by flowing cooling water through the coiled metal thin tube.

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。
The Stirling engine according to the first embodiment of the present invention includes a cooling water passage in which a cooler winds a metal thin tube in a coil shape, and a working gas passage having the outer periphery of the cooling water passage as a passage. to flow the working gas on the outer periphery of the passage, with the metal thin tube, which was wound the gap forming member, become complicated processes such as brazing of a number of metal tubules unnecessary, and the manufacturing work, much simpler manufacturing process become. In addition, the working gas can be reliably cooled by flowing cooling water through the coiled metal thin tube. Further, the working gas passage can be secured by the gap forming member.
The Stirling engine according to the second embodiment of the present invention includes a cooling water passage in which a cooler winds a metal thin tube in a coil shape, and a working gas passage having the outer periphery of the cooling water passage as a passage. A working gas is made to flow around the outer periphery of the passage, and a gap forming member is wound around the outer periphery of the metal thin tube, and brazing / vacuum brazing of many metal thin tubes used in heat exchangers such as shell and tube Complex processes such as tungsten / inert / gas welding are not required, and the manufacturing process and the manufacturing process are remarkably simplified. Compared to the case where the cooling water passage is configured as a fin such as a water jet, the number of processing steps can be greatly reduced when the gap forming member is wound around the outer periphery of the metal thin tube. In addition, the working gas can be reliably cooled by flowing cooling water through the coiled metal thin tube. Moreover, the clearance gap between metal thin tubes can be ensured by a clearance gap formation member.
The third embodiment of the present invention is a Stirling engine according to the first or second embodiment, in which metal thin tubes are wound in multiple steps in the step direction, and the working gas is interposed between the multiple layers. The passage can be formed automatically.
In the Stirling engine according to the second embodiment, the fourth embodiment of the present invention uses a thin metal wire as the gap forming member, and can improve the heat exchange efficiency.
In the fifth embodiment of the present invention, in the Stirling engine according to the first to third embodiments, grooves or protrusions are formed in a spiral shape on the outer peripheral surface of the metal thin tube, and a gap between the metal thin tubes is formed. Can be secured.

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。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic side sectional view of a Stirling engine in an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a displacer piston 2 and a power piston 3 are arranged in a cylinder 1. An inner yoke 4 is disposed on the outer periphery of the power piston 3, and the inner yoke 4 is fixed to the cylinder 1. A permanent magnet 5 is disposed on the outer periphery of the inner yoke 4, and the permanent magnet 5 is connected to the power piston 3. An outer yoke 6 is disposed on the outer periphery of the permanent magnet 5. The inner yoke 4, the permanent magnet 5, and the outer yoke 6 constitute a generator. The center portion of the power piston 3 has a through hole 3A. A heater 7 is provided on the head portion side of the displacer piston 2, and a regenerator 8 and a cooler 20 are provided on the outer peripheral portion of the displacer piston 2.
A hollow portion 9 is provided between the displacer piston 2 and the power piston 3, and the rod 10 is inserted into the hollow portion 9 and the through hole 3 </ b> A of the power piston 3. One end of the rod 10 is fixed to the displacer piston 2, and the other end is connected to the leaf spring 11.

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。
FIG. 2 is a schematic side sectional view of the cooler 20, and FIG. 3 is a schematic plan view of the cooler.
As shown in the figure, the cooler 20 is constituted by cylindrical body portions 21A and 21B and flange portions 22 and 23 formed at both ends of the body portion 21A, and is formed by an annular shape formed by the body portions 21A and 21B. The space 24 is used as a heat exchange unit. In the annular space 24, metal thin tubes 25 having high thermal conductivity such as copper are stacked in a coil shape in the step direction (the operation direction of the displacer piston 2) to form a cooling water passage. In the figure, an example is shown in which the winding is performed in 20 steps in the step direction and fivefold in the radial direction. A working gas passage is formed by the gaps between the multiple thin metal tubes 25 wound. A cooling water outlet passage 26 is formed on the flange portion 22 side, and a cooling water inlet passage 27 is formed on the flange portion 23 side.

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。
In the above configuration, the working gas heated by the heater 7 flows into the annular space 24 from the flange 22 side end via the regenerator 8, passes through the gap between the metal thin tubes 25, and is cooled. Derived from the 23 side end. The cooled working gas is introduced into the hollow portion 9. On the other hand, the working gas led out from the hollow portion 9 flows into the annular space 24 from the end portion on the flange portion 22 side, passes through the gap between the metal thin tubes 25, and then is led out from the end portion on the flange portion 23 side. 8 is introduced. The working gas that has passed through the regenerator 8 is guided to the heater 7 and introduced into the head side space of the displacer piston 2.
In addition, since it will become difficult to flow a working gas when the metal thin tubes 25 each piled up and wound in the shape of a coil are tied together and wound, it is preferable to wind so as to form a gap as necessary. In addition, by winding the gap forming member together with the thin metal tube 25, the working gas passage can be reliably formed.

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。
FIG. 4 is a perspective view of a main part of a thin metal tube used in the cooler of the present embodiment.
In the figure, a thin metal wire (gap forming member) 30 is wound around the outer periphery of the thin metal tube 25. Thus, by winding the gap forming member 30 around the outer periphery of the thin metal tube 25, a gap between the thin metal tubes 25 can be secured.
In addition, you may form the channel | path of a working gas by forming a groove | channel or protrusion in the outer peripheral surface of the metal thin tube 25 in a spiral shape.

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。   According to the present embodiment, the cooler 20 can be configured by stacking and winding the thin metal tubes 25 in a coil shape over a plurality of stages. Therefore, a complicated operation such as brazing a large number of thin tubes as in the prior art is not required, and the manufacturing operation and the manufacturing process are remarkably simplified.

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。   The present invention is applicable to Stirling refrigerators, compressors, and other rotary engines and direct-acting engines, which are reverse cycles of Stirling engines, in addition to β-type Stirling engines, linear generators using Stirling engines, etc. can do.

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1 is a schematic side sectional view of a Stirling engine in an embodiment of the present invention. 同スターリングエンジンの冷却器の側断面概略図Schematic side sectional view of the cooler of the Stirling engine 同冷却器の平面概略図Schematic plan view of the cooler 同冷却器に用いる金属細管の要部斜視図Perspective view of the main part of a metal thin tube used for the cooler

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder 2 Displacer piston 3 Power piston 4 Inner yoke 5 Permanent magnet 6 Outer yoke 7 Heater 8 Regenerator 20 Cooler 25 Metal capillary

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。 A Stirling engine comprising a heater, a cooler, and a regenerator connecting the heater and the cooler, wherein the cooler is a cooling water passage in which a metal thin tube is wound in a coil shape, and the cooling water passage A Stirling engine comprising a working gas passage having an outer periphery of the gas passage and a gap forming member wound together with the metal thin tube . 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。  A Stirling engine comprising a heater, a cooler, and a regenerator connecting the heater and the cooler, wherein the cooler is a cooling water passage in which a metal thin tube is wound in a coil shape, and the cooling water passage A Stirling engine comprising a working gas passage having an outer periphery thereof as a passage, and a gap forming member wound around the outer periphery of the metal thin tube. 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。 The Stirling engine according to claim 1 or 2 , wherein the metal thin tube is wound in multiple steps in the step direction. 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。 The Stirling engine according to claim 2 , wherein a thin metal wire is used as the gap forming member. 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。 The Stirling engine according to any one of claims 1 to 3, wherein a groove or a protrusion is formed in a spiral shape on the outer peripheral surface of the metal thin tube.
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