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JPWO2006126241A1 - Stirling engine and pressure difference generation method for Stirling engine - Google Patents

Stirling engine and pressure difference generation method for Stirling engine Download PDF

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JPWO2006126241A1
JPWO2006126241A1 JP2007517673A JP2007517673A JPWO2006126241A1 JP WO2006126241 A1 JPWO2006126241 A1 JP WO2006126241A1 JP 2007517673 A JP2007517673 A JP 2007517673A JP 2007517673 A JP2007517673 A JP 2007517673A JP WO2006126241 A1 JPWO2006126241 A1 JP WO2006126241A1
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隆啓 阿賀田
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Abstract

本発明は、作動ガスの温度差が大きくとれない、低温の熱源を用いる場合に、高圧の作動ガスを封入したり、装置を大型化せずに、エンジン出力を高めることができるスターリングエンジンの提供を目的としており、高温空間13と低温空間14との間で作動ガスを往復させ、作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を動力として取り出すスターリングエンジン1において、作動ガスが、作動条件の範囲内で非凝縮性気体である作動媒体Aと、作動条件の範囲内で液相と気相とが共存する作動媒体Bの蒸気とを含み、低温空間14から再生熱交換器17を介して高温空間13へ移動する作動ガスを加熱する蒸発式加熱器6が、外部熱源媒体HMにより加熱された作動媒体Bの液体8と作動ガスを接触させて加熱する構成となっており、加熱された作動媒体Bの液温における作動媒体Bの飽和蒸気圧が、休止状態で最低作動温度とした時の作動ガスの全圧以下になるように設定されている。The present invention provides a Stirling engine capable of increasing engine output without enclosing high-pressure working gas or enlarging the apparatus when using a low-temperature heat source that does not allow a large temperature difference of the working gas. In the Stirling engine 1 in which the working gas is reciprocated between the high temperature space 13 and the low temperature space 14 and the pressure change accompanying the heating and cooling of the working gas is extracted as power, the working gas is within the range of the working conditions. The working medium A, which is a non-condensable gas, and the steam of the working medium B in which the liquid phase and the gas phase coexist within the range of the working conditions are included. The evaporative heater 6 that heats the working gas that moves to the heating medium 6 is configured to heat the working gas by bringing the working gas B in contact with the liquid 8 heated by the external heat source medium HM into contact with the working gas. Saturated vapor pressure of the working medium B at the liquid temperature of the dynamic medium B is set to be the total pressure or under working gas when the minimum operating temperature in a dormant state.

Description

本発明はスターリングエンジン、及びスターリングエンジンの圧力差生成方法に関し、より詳細には、比較的温度の低い熱源を利用した場合であってもエンジンの出力を高めることができるスターリングエンジン、及びスターリングエンジンの圧力差生成方法に関する。   The present invention relates to a Stirling engine and a method for generating a pressure difference of the Stirling engine, and more particularly, to a Stirling engine capable of increasing the output of the engine even when a heat source having a relatively low temperature is used. The present invention relates to a pressure difference generation method.

従来より、容器内に形成された高温空間と低温空間との間で作動ガスを往復させ、該作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を動力として取り出す装置として、スターリングエンジンが知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a Stirling engine is known as a device that reciprocates a working gas between a high-temperature space and a low-temperature space formed in a container and takes out a pressure change accompanying heating and cooling of the working gas as power.

スターリングエンジンは、原理的にカルノーサイクルに相当する高い熱効率が得られる点、外燃機関であり多種多様な熱源(バイオマスなどのあらゆる可燃物、地熱、太陽熱、温排水など)を利用できる点、内燃機関のような燃焼を伴わないため騒音が小さい点、排気有害成分が排出されずクリーンな排ガスを得ることができる点等に鑑み、従来から種々の型式のものが提案されている。   The Stirling engine is, in principle, capable of obtaining a high thermal efficiency equivalent to the Carnot cycle. It is an external combustion engine and can use a wide variety of heat sources (all kinds of combustible materials such as biomass, geothermal, solar heat, and hot wastewater). Various types have been proposed in view of the point that noise is low because it does not involve combustion like an engine, and that clean exhaust gas can be obtained without exhaust harmful components being discharged.

図5は従来のディスプレーサ型のスターリングエンジンの要部を模式的に示した部分断面図である。図中11は、ディスプレーサシリンダを示しており、ディスプレーサシリンダ11内には、ディスプレーサピストン12が摺動可能に配設され、ディスプレーサピストン12によりディスプレーサシリンダ11内に作動ガスが封入された高温空間13と低温空間14とが形成されるようになっている。   FIG. 5 is a partial cross-sectional view schematically showing a main part of a conventional displacer type Stirling engine. In the figure, reference numeral 11 denotes a displacer cylinder. A displacer piston 12 is slidably disposed in the displacer cylinder 11, and a high-temperature space 13 in which working gas is sealed in the displacer cylinder 11 by the displacer piston 12. A low temperature space 14 is formed.

ディスプレーサシリンダ11内の高温空間13と低温空間14とは、ガス通路15を介して互いに連通しており、ガス通路15内には、高温空間13側から順に加熱器16、再生熱交換器17、及び冷却器18が配設されている。また、低温空間14側のガス通路15は分岐してパワーシリンダ19にも連通しており、ガス通路15が上端で連結されたパワーシリンダ19内には、パワーピストン20が摺動可能に配設されている。また、ディスプレーサピストン12とパワーピストン20とは、それぞれロッド12a、20aを介してクランクシャフト(図示せず)に所定の位相差が設定されて連結されており、クランクシャフトには、フライホイール(図示せず)が連結されている。   The high temperature space 13 and the low temperature space 14 in the displacer cylinder 11 communicate with each other via a gas passage 15, and in the gas passage 15, a heater 16, a regenerative heat exchanger 17, And a cooler 18 is provided. Further, the gas passage 15 on the low-temperature space 14 side branches and communicates with the power cylinder 19, and the power piston 20 is slidably disposed in the power cylinder 19 to which the gas passage 15 is connected at the upper end. Has been. The displacer piston 12 and the power piston 20 are connected to a crankshaft (not shown) via rods 12a and 20a with a predetermined phase difference, respectively. (Not shown) are connected.

図6は従来の2ピストン型のスターリングエンジンの要部を模式的に示した部分断面図である。図中21は、上端にガス通路15が連結された高温側シリンダを示しており、高温側シリンダ21内には、高温側ピストン22が摺動可能に配設され、高温側ピストン22の上方に高温空間13が形成されるようになっている。   FIG. 6 is a partial cross-sectional view schematically showing a main part of a conventional two-piston type Stirling engine. In the figure, reference numeral 21 denotes a high temperature side cylinder having a gas passage 15 connected to the upper end. In the high temperature side cylinder 21, a high temperature side piston 22 is slidably disposed, and above the high temperature side piston 22. A high temperature space 13 is formed.

また、上端にガス通路15が連結された低温側シリンダ23が、高温側シリンダ21と並設されており、低温側シリンダ23内に低温側ピストン24が摺動可能に配設され、低温側ピストン24の上方に低温空間14が形成されるようになっている。   Further, a low temperature side cylinder 23 having a gas passage 15 connected to the upper end is provided in parallel with the high temperature side cylinder 21, and a low temperature side piston 24 is slidably disposed in the low temperature side cylinder 23. A low temperature space 14 is formed above 24.

また、作動ガスが封入された高温側シリンダ21の高温空間13と低温側シリンダ23の低温空間14とが、ガス通路15を介して互いに連通しており、ガス通路15内には、高温空間13側から順に加熱器16、再生熱交換器17、及び冷却器18が配設されている。高温側ピストン22と低温側ピストン24とは、それぞれロッド22a、24aを介してクランクシャフト(図示せず)に所定の位相差が設定されて連結されており、クランクシャフトには、フライホイール(図示せず)が連結されている。   Further, the high temperature space 13 of the high temperature side cylinder 21 filled with the working gas and the low temperature space 14 of the low temperature side cylinder 23 communicate with each other through the gas passage 15. A heater 16, a regenerative heat exchanger 17, and a cooler 18 are arranged in this order from the side. The high temperature side piston 22 and the low temperature side piston 24 are connected to a crankshaft (not shown) via rods 22a and 24a, respectively, and a predetermined phase difference is set. (Not shown) are connected.

上記したディスプレーサ型や2ピストン型のいずれの型式のスターリングエンジンにおいても、封入された作動ガスを低温空間14から再生熱交換器17を介して高温空間13へ移動させる加熱過程と、高温空間13へ移動してきた作動ガスを膨張させる膨張過程と、作動ガスを高温空間13から再生熱交換器17を介して低温空間14へ移動させる冷却過程と、低温空間14へ移動してきた作動ガスを圧縮させる圧縮過程とを繰り返すことによって生じる作動ガスの圧力変化をパワーピストン20や高温側ピストン22により外部に動力として取り出すことができるようになっている。   In any of the above-described displacer type or two-piston type Stirling engines, a heating process for moving the sealed working gas from the low temperature space 14 to the high temperature space 13 via the regenerative heat exchanger 17, and An expansion process for expanding the working gas that has moved, a cooling process for moving the working gas from the high temperature space 13 to the low temperature space 14 via the regenerative heat exchanger 17, and a compression for compressing the working gas that has moved to the low temperature space 14 The pressure change of the working gas generated by repeating the process can be taken out as power by the power piston 20 or the high temperature side piston 22.

また近年では、スターリングエンジンの小型化や高出力化等の機能を向上させるための改良も種々提案されており(例えば、下記の特許文献1参照)、また、作動ガスを加熱する熱源温度が比較的低温(例えば100℃以下)で、数十度程度の温度差でも作動する低温度差スターリングエンジンの提案もなされている。   In recent years, various improvements for improving functions such as downsizing and high output of the Stirling engine have been proposed (for example, see Patent Document 1 below), and the heat source temperature for heating the working gas is compared. A low temperature difference Stirling engine that operates even at a temperature difference of several tens of degrees at a low temperature (for example, 100 ° C. or less) has been proposed.

低温度差スターリングエンジンでは、作動ガスの加熱冷却に伴う温度差を大きくとることができないため、作動ガスの圧力差も小さくなる。そのため、エンジンを効率よく作動させるために、ピストンの行程容積(すなわち作動ガスの移動容積)を大きくするなどの工夫が行われていた。また、エンジン内に低圧の空気等が作動ガスとして封入されていたが、作動ガスの熱伝達率が非常に小さく、熱交換の効率を高めるために加熱器や冷却器を大型なものにしなければならなかった。そのため、従来の低温度差スターリングエンジンは、装置として出力に見合わない大型なものになってしまうといった課題があった。
特開平9−42055号公報
In the low temperature difference Stirling engine, the temperature difference accompanying the heating and cooling of the working gas cannot be made large, so the pressure difference of the working gas is also small. For this reason, in order to operate the engine efficiently, a device such as increasing the stroke volume of the piston (that is, the moving volume of the working gas) has been taken. In addition, low-pressure air or the like was sealed as working gas in the engine. However, the heat transfer coefficient of working gas is very small, and the heater and cooler must be made large in order to increase the efficiency of heat exchange. did not become. Therefore, the conventional low temperature difference Stirling engine has a problem that it becomes a large-sized device that does not meet the output as a device.
JP-A-9-42055

本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、作動ガスの温度差を大きくとることができない、すなわち比較的温度の低い熱源を利用する場合に、高圧の作動ガスを封入したり、装置を大型化することなく、エンジンの出力を高めることができるスターリングエンジン、及びスターリングエンジンの圧力差生成方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and when the temperature difference of the working gas cannot be taken large, that is, when a heat source having a relatively low temperature is used, a high-pressure working gas is sealed or an apparatus is installed. An object of the present invention is to provide a Stirling engine that can increase the output of the engine without increasing the size, and a method for generating a pressure difference of the Stirling engine.

上記目的を達成するために本発明に係るスターリングエンジン(1)は、容器内に形成される高温空間と低温空間との間で作動ガスを往復させ、該作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を動力として取り出すスターリングエンジンにおいて、前記作動ガスが、作動条件の範囲内で非凝縮性気体である第1の作動媒体と、作動条件の範囲内で液相と気相とが共存する第2の作動媒体の蒸気とを含み、前記低温空間から再生熱交換手段を介して前記高温空間へ移動する前記作動ガスを加熱する加熱手段が、外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスを接触させて加熱する構成となっており、前記外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液温における該第2の作動媒体の飽和蒸気圧が、休止状態で最低作動温度とした時の前記作動ガスの全圧以下となるように設定されていることを特徴としている。   In order to achieve the above object, a Stirling engine (1) according to the present invention reciprocates a working gas between a high temperature space and a low temperature space formed in a container, and changes pressure due to heating and cooling of the working gas. In a Stirling engine to be extracted as motive power, a second operation in which the working gas is a non-condensable gas within a range of operating conditions and a liquid phase and a gas phase coexist within the operating conditions. A heating means for heating the working gas that moves from the low-temperature space to the high-temperature space via the regenerative heat exchange means, and a liquid of the second working medium heated by an external heat source medium. The working gas is brought into contact and heated, and the saturated vapor pressure of the second working medium at the liquid temperature of the second working medium heated by the external heat source medium is the minimum operation in a resting state. It is characterized in that is configured so that the total pressure or under the working gas when the degree.

上記スターリングエンジン(1)によれば、前記低温空間から再生熱交換手段を介して前記高温空間へ移動する前記作動ガスを加熱する加熱手段が、外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスを接触させて加熱する構成となっているので、加熱過程における、前記作動ガスが前記再生熱交換手段を通過する過程では、前記作動ガスが前記再生熱交換手段より熱(顕熱及び潜熱)を受け取ることで前記第2の作動媒体の蒸気分圧が上昇し、前記作動ガスが前記加熱手段を通過する過程では、前記作動ガスと前記加熱された第2の作動媒体の液体とが接触することで前記作動ガス中の前記第2の作動媒体の蒸気分圧をさらに上昇させることができる。したがって、前記作動ガスが非凝縮性気体である前記第1の作動媒体のみの場合と比較して、前記高温空間における全圧(すなわち、前記作動ガスに含まれる前記第1の作動媒体の分圧と前記第2の作動媒体の蒸気分圧との和)を高めることができる。一方、冷却過程では、冷却された作動ガス温度における前記第2の作動媒体の飽和蒸気圧まで作動ガス中の前記第2の作動媒体の蒸気分圧を一気に低下させることができる。したがって、前記作動ガスの加熱温度が比較的低温(例えば、数百℃以下)の場合であっても、前記作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を大きくすることができ、エンジンの出力を高めることができ、低温度差での効率的な稼働が可能なスターリングエンジンを提供することができる。   According to the Stirling engine (1), the heating means for heating the working gas moving from the low temperature space to the high temperature space via the regenerative heat exchange means is the second working medium heated by an external heat source medium. In this process, the working gas is heated by the regeneration heat exchange means in the process of passing the regeneration heat exchange means in the heating process. In the process where the vapor pressure of the second working medium rises by receiving the sensible heat and latent heat) and the working gas passes through the heating means, the working gas and the heated second working medium The vapor partial pressure of the second working medium in the working gas can be further increased by contact with the liquid. Therefore, compared with the case of only the first working medium in which the working gas is a non-condensable gas, the total pressure in the high temperature space (that is, the partial pressure of the first working medium contained in the working gas). And the vapor partial pressure of the second working medium). On the other hand, in the cooling process, the vapor partial pressure of the second working medium in the working gas can be reduced at a stretch to the saturated vapor pressure of the second working medium at the cooled working gas temperature. Accordingly, even when the heating temperature of the working gas is relatively low (for example, several hundred degrees C or less), the pressure change accompanying heating and cooling of the working gas can be increased, and the output of the engine can be increased. And a Stirling engine capable of efficient operation at a low temperature difference can be provided.

また、前記高温空間と前記低温空間との間で、前記作動ガスの移動に伴う熱移動の大半は潜熱移動であり、前記第2の作動媒体の蒸発・凝縮による伝熱は、前記第2の作動媒体の蒸気が含まれていない場合の作動ガスと比較して、作動ガスの熱伝達率を高め、結果、加熱冷却のための熱交換効率が良くなることで、装置の小型化を図ることができる。さらに、冷却過程では、前記第2の作動媒体の蒸気が凝縮することにより作動ガス量が大幅に減少し、次の圧縮過程でのマイナス仕事が軽減される。これらの効果はスターリングエンジンのアイデアとして提案されている気液二相スターリングエンジンに挙げられているものであるが、この気液二相スターリングエンジンの欠点である、加熱器と冷却器との間に生じるヒートパイプ様の直接熱伝達ロスによる熱効率の低下という逆効果に対策を講じる必要がある。その対策手段として、本発明に係るスターリングエンジンでは、前記加熱手段において加熱された前記第2の作動媒体の液温における該第2の作動媒体の飽和蒸気圧が、休止(すなわち非加熱)状態で最低作動温度とした時の前記作動ガスの全圧以下となるように、前記第1の作動媒体や前記第2の作動媒体の選定、及び/又は前記第1の作動媒体の充填量の調整等の設定が行われる。   Further, between the high temperature space and the low temperature space, most of the heat transfer accompanying the movement of the working gas is latent heat transfer, and the heat transfer by evaporation / condensation of the second working medium is the second heat transfer. Compared with the working gas when the working medium vapor is not included, the heat transfer coefficient of the working gas is increased, and as a result, the heat exchange efficiency for heating and cooling is improved, thereby reducing the size of the device. Can do. Further, in the cooling process, the vapor of the second working medium is condensed, so that the amount of working gas is greatly reduced, and negative work in the next compression process is reduced. These effects are listed in the gas-liquid two-phase Stirling engine that has been proposed as a Stirling engine idea, but it is a drawback of this gas-liquid two-phase Stirling engine, between the heater and the cooler. It is necessary to take measures against the adverse effect of reduced thermal efficiency due to the heat pipe-like direct heat transfer loss that occurs. As a countermeasure, in the Stirling engine according to the present invention, the saturated vapor pressure of the second working medium at the liquid temperature of the second working medium heated by the heating means is in a resting (that is, non-heating) state. Selection of the first working medium and the second working medium, and / or adjustment of the filling amount of the first working medium, etc. so that the total pressure of the working gas when the minimum working temperature is reached Is set.

なお、可逆変化でサイクルが成立しているスターリングエンジンは、加熱をしないでモータ等を用いて正方向に空転すると加熱器側から冷却器側へ熱を移送するようになり、ヒートポンプや冷凍機として機能することが知られている。本発明のスターリングエンジンも同様にヒートポンプや冷凍機として機能させることは可能であるが、従来のスターリングサイクル冷凍機と異なり、作動ガスへの熱の出入りは蒸発・凝縮による潜熱交換が大半を占め、膨張過程で前記第2の作動媒体の蒸発により作動ガスへ吸熱し、圧縮過程で前記第2の作動媒体の凝縮により作動ガスから放熱する。蒸発・凝縮を利用する実用冷凍サイクルとしての従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、冷媒の蒸発温度における飽和蒸気圧(低圧)から、冷媒の凝縮温度における飽和蒸気圧(高圧)まで冷媒ガスを圧縮するための高圧縮比の圧縮機を使用しなければならないが、本発明に係るスターリングエンジンによるスターリング冷凍サイクルでは前記再生熱交換手段の働きにより冷媒(すなわち、前記第2の作動媒体)の蒸発・凝縮を低圧縮比で行わせることができるので、従来の蒸気圧縮式冷凍機に比べてより成績係数の高い、省エネルギーなヒートポンプや冷凍機を作ることができる。   A Stirling engine that has a cycle with reversible change will transfer heat from the heater side to the cooler side when idling in the forward direction using a motor or the like without heating, and as a heat pump or refrigerator It is known to work. The Stirling engine of the present invention can also function as a heat pump or refrigerator as well, but unlike conventional Stirling cycle refrigerators, the heat flow into and out of the working gas occupies most of the latent heat exchange by evaporation and condensation, Heat is absorbed into the working gas by evaporation of the second working medium in the expansion process, and heat is radiated from the working gas by condensation of the second working medium in the compression process. In a conventional vapor compression refrigeration cycle as a practical refrigeration cycle using evaporation / condensation, refrigerant gas is compressed from the saturated vapor pressure (low pressure) at the refrigerant evaporation temperature to the saturated vapor pressure (high pressure) at the refrigerant condensation temperature. However, in the Stirling refrigeration cycle by the Stirling engine according to the present invention, the refrigerant (that is, the second working medium) is evaporated and condensed by the action of the regenerative heat exchange means. Can be performed at a low compression ratio, so that an energy-saving heat pump or refrigerator having a higher coefficient of performance than a conventional vapor compression refrigerator can be produced.

また本発明に係るスターリングエンジン(2)は、上記スターリングエンジン(1)において、前記加熱手段が、前記外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスとの熱交換面積を広げるための熱交換手段を含んで構成されていることを特徴としている。   In the Stirling engine (2) according to the present invention, in the Stirling engine (1), the heating means has a heat exchange area between the liquid of the second working medium heated by the external heat source medium and the working gas. It is characterized by including a heat exchange means for spreading.

上記スターリングエンジン(2)によれば、前記熱交換手段により、前記外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスとの熱交換面積を広げることができ、熱交換効率を高めることができる。   According to the Stirling engine (2), the heat exchange means can expand the heat exchange area between the liquid of the second working medium heated by the external heat source medium and the working gas, and the heat exchange efficiency. Can be increased.

また本発明に係るスターリングエンジン(3)は、上記スターリングエンジン(2)において、前記熱交換手段が、前記外部熱源媒体の熱を伝える伝熱部と、該伝熱部の前記作動ガスとの接触面に配設された毛細管作用を有する部材とを含んで構成されていることを特徴としている。   In the Stirling engine (3) according to the present invention, in the Stirling engine (2), the heat exchanging means contacts the heat transfer section that transfers the heat of the external heat source medium and the working gas of the heat transfer section. And a member having a capillary action disposed on the surface.

上記スターリングエンジン(3)によれば、前記熱交換手段が、前記外部熱源媒体の熱を伝える伝熱部と、該伝熱部の前記作動ガスとの接触面に配設された毛細管作用を有する部材とを含んで構成されているので、前記毛細管作用を有する部材の毛細管作用により前記第2の作動媒体の液体を前記伝熱部の前記作動ガスとの接触面に行き渡らせることができ、前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスとの熱交換面積を広げることができ、熱交換効率を高めることができる。   According to the Stirling engine (3), the heat exchanging means has a capillary action disposed on a contact surface between the heat transfer section for transferring the heat of the external heat source medium and the working gas of the heat transfer section. And the liquid of the second working medium can be spread over the contact surface of the heat transfer section with the working gas by the capillary action of the member having the capillary action. The heat exchange area between the liquid of the second working medium and the working gas can be expanded, and the heat exchange efficiency can be increased.

また本発明に係るスターリングエンジン(4)は、上記スターリングエンジン(3)において、前記伝熱部が、前記第2の作動媒体の液体の受け部に所定間隔を設けて立設された複数の伝熱板から構成され、前記毛細管作用を有する部材が、前記複数の伝熱板の側面に配設されていることを特徴としている。   Further, the Stirling engine (4) according to the present invention is the Stirling engine (3), wherein the heat transfer section is provided with a plurality of transmission lines provided at predetermined intervals in the liquid receiving section of the second working medium. The member which is comprised from a hot plate and has the said capillary action is arrange | positioned at the side surface of the said several heat exchanger plate, It is characterized by the above-mentioned.

上記スターリングエンジン(4)によれば、前記伝熱部が、前記第2の作動媒体の液体の受け部に所定間隔を設けて立設された複数の伝熱板から構成され、前記毛細管作用を有する部材が、前記複数の伝熱板の側面に配設されているので、前記毛細管作用を有する部材により前記第2の作動媒体の液体を前記複数の伝熱板の側面に行き渡らせることができ、前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスとの熱交換面積を前記複数の伝熱板の側面積分ほど広げることができ、熱交換効率を高めることができる。   According to the Stirling engine (4), the heat transfer section is composed of a plurality of heat transfer plates provided upright at predetermined intervals in the liquid receiving section of the second working medium, and the capillary action is performed. Since the member having the plurality of heat transfer plates is disposed on the side surfaces of the plurality of heat transfer plates, the liquid having the second working medium can be spread to the side surfaces of the plurality of heat transfer plates by the member having the capillary action. The heat exchange area between the liquid of the second working medium and the working gas can be increased as the side surface integral of the plurality of heat transfer plates, and the heat exchange efficiency can be increased.

また本発明に係るスターリングエンジン(5)は、上記スターリングエンジン(3)において、前記伝熱部が、複数の伝熱管が収容された多管式加熱器から構成され、前記毛細管作用を有する部材が、前記複数の伝熱管の内側面に配設され、前記外部熱源媒体により前記第2の作動媒体の液体を加熱して、該加熱された液体を前記加熱手段に導入するための液体加熱導入手段を備えていることを特徴としている。   In the Stirling engine (5) according to the present invention, in the Stirling engine (3), the heat transfer section is composed of a multi-tube heater in which a plurality of heat transfer tubes are accommodated, and the member having a capillary action is provided. Liquid heating introduction means disposed on the inner side surfaces of the plurality of heat transfer tubes, for heating the liquid of the second working medium by the external heat source medium, and introducing the heated liquid into the heating means It is characterized by having.

上記スターリングエンジン(5)によれば、前記液体加熱導入手段により前記加熱手段に導入された前記第2の作動媒体の液体が、前記複数の伝熱管の内側面に配設された前記毛細管作用を有する部材に供給されるので、前記第2の作動媒体の液体を前記複数の伝熱管の内側面に行き渡らせることができ、また、前記液体加熱導入手段から前記加熱手段に、加熱された前記第2の作動媒体の液体が導入されるので、前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスとの熱交換面積を前記複数の伝熱管の内側面積、及び導入された液体の表面積とすることで熱交換面積をさらに広げることができ、熱交換効率を一層高めることができる。また、前記多管式加熱器を用いているので、前記加熱手段を大型化させる場合や、作動圧力が大気圧以上で耐圧性が要求される場合に特に有効となる。   According to the Stirling engine (5), the liquid of the second working medium introduced into the heating means by the liquid heating introduction means has the capillary action provided on the inner side surfaces of the plurality of heat transfer tubes. Since the liquid is supplied to the member having the second working medium, the liquid of the second working medium can be spread over the inner side surfaces of the plurality of heat transfer tubes, and the heated heating means from the liquid heating introduction means to the heating means. Since the liquid of the second working medium is introduced, the heat exchange area between the liquid of the second working medium and the working gas is set as the inner area of the plurality of heat transfer tubes and the surface area of the introduced liquid. The heat exchange area can be further expanded, and the heat exchange efficiency can be further enhanced. In addition, since the multi-tube heater is used, it is particularly effective when the heating means is enlarged or when the pressure is required when the operating pressure is atmospheric pressure or higher.

また本発明に係るスターリングエンジンの圧力差生成方法(1)は、作動ガスを低温空間から少なくとも再生熱交換手段及び加熱手段を介して高温空間へ移動させる加熱過程と、前記高温空間へ移動してきた作動ガスを膨張させる膨張過程と、前記作動ガスを前記高温空間から少なくとも前記再生熱交換手段及び冷却手段を介して前記低温空間へ移動させる冷却過程と、前記低温空間へ移動してきた作動ガスを圧縮させる圧縮過程との繰り返しにより前記作動ガスの圧力差を生成するスターリングエンジンの圧力差生成方法において、前記作動ガスが、作動条件の範囲内で非凝縮性気体である第1の作動媒体と、作動条件の範囲内で液相と気相とが共存する第2の作動媒体の蒸気とを含み、前記加熱過程において、前記低温空間から前記再生熱交換手段を通過してきた前記作動ガスを、外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と接触させて加熱することを特徴としている。   Further, the pressure difference generating method (1) for the Stirling engine according to the present invention has moved to the high temperature space, a heating process for moving the working gas from the low temperature space to the high temperature space through at least the regenerative heat exchange means and the heating means. An expansion process for expanding the working gas, a cooling process for moving the working gas from the high temperature space to the low temperature space through at least the regenerative heat exchange means and the cooling means, and compression of the working gas that has moved to the low temperature space In the Stirling engine pressure difference generating method for generating the pressure difference of the working gas by repeating the compression process, the working gas is a non-condensable gas within a working condition range, A second working medium vapor in which a liquid phase and a gas phase coexist within a range of conditions, and in the heating process, the regeneration from the low temperature space The working gas which has passed through the exchange means, is characterized by heating in contact with the liquid of the heated second working medium by the external heat source medium.

上記スターリングエンジンの圧力差生成方法(1)によれば、前記加熱過程において、前記作動ガスが前記再生熱交換手段を通過する過程では、前記作動ガスが前記再生熱交換手段より熱(顕熱及び潜熱)を受け取ることで前記第2の作動媒体の蒸気分圧が上昇し、前記加熱手段を通過する過程では前記作動ガスと、加熱された前記第2の作動媒体の液体とが接触することで前記作動ガス中の前記第2の作動媒体の液体の蒸気分圧をさらに上昇させることができる。したがって、前記作動ガスが非凝縮性気体である前記第1の作動媒体のみの場合と比較して、前記高温空間における全圧(すなわち、前記作動ガスに含まれる前記第1の作動媒体の分圧と前記第2の作動媒体の蒸気分圧との和)を高めることができ、前記作動ガスの加熱温度が比較的低温(例えば、数百℃以下)の場合であっても、前記作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を大きくすることができ、エンジンの出力を高めることができ、低温度差での効率的な稼働が可能なスターリングエンジンを提供することが可能となる。   According to the pressure difference generating method (1) of the Stirling engine, in the heating process, in the process in which the working gas passes through the regenerative heat exchange means, the working gas is heated (sensible heat and sensible heat) by the regenerative heat exchange means. The vapor partial pressure of the second working medium rises by receiving (latent heat), and the working gas and the heated liquid of the second working medium come into contact with each other in the process of passing through the heating means. The vapor partial pressure of the liquid of the second working medium in the working gas can be further increased. Therefore, compared with the case of only the first working medium in which the working gas is a non-condensable gas, the total pressure in the high temperature space (that is, the partial pressure of the first working medium contained in the working gas). And the vapor partial pressure of the second working medium), even when the heating temperature of the working gas is relatively low (for example, several hundred degrees C or less), It is possible to provide a Stirling engine that can increase the pressure change caused by heating and cooling, increase the engine output, and efficiently operate at a low temperature difference.

本発明の実施の形態(1)に係るスターリングエンジンの要部を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the principal part of the Stirling engine which concerns on embodiment (1) of this invention. (a)〜(d)は、実施の形態(1)に係るスターリングエンジンの動作を説明するための図である。(A)-(d) is a figure for demonstrating operation | movement of the Stirling engine which concerns on embodiment (1). 実施の形態(2)に係るスターリングエンジンの要部を模式的に示した図であり、(a)は部分断面図、(b)は(a)におけるB−B線断面図である。It is the figure which showed typically the principal part of the Stirling engine which concerns on embodiment (2), (a) is a fragmentary sectional view, (b) is the BB sectional drawing in (a). 実施の形態(3)に係るスターリングエンジンの要部を模式的に示した図であり、(a)は部分断面図、(b)は(a)におけるB−B線断面図である。It is the figure which showed typically the principal part of the Stirling engine which concerns on embodiment (3), (a) is a fragmentary sectional view, (b) is the BB sectional drawing in (a). 従来のγ型ディスプレーサエンジンの要部を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the principal part of the conventional gamma-type displacer engine. 従来のα型ディスプレーサエンジンの要部を模式的に示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed typically the principal part of the conventional alpha type displacer engine.

以下、本発明に係るスターリングエンジン、及びスターリングエンジンの圧力差生成方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、実施の形態(1)に係るスターリングエンジンの要部を模式的に示した部分断面図である。但し、図5に示した従来のスターリングエンジンと同一機能を有する構成部品には、同一符号を付すこととする。   Embodiments of a Stirling engine and a Stirling engine pressure difference generation method according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing a main part of a Stirling engine according to Embodiment (1). However, components having the same functions as those of the conventional Stirling engine shown in FIG.

図中1は、ディスプレーサ型のスターリングエンジンを示しており、密閉されたディスプレーサシリンダ11内には、ディスプレーサピストン12が摺動可能に配設され、ディスプレーサピストン12によりディスプレーサシリンダ11内に作動ガスが封入された高温空間13と低温空間14とが形成されるようになっている。   In the figure, reference numeral 1 denotes a displacer type Stirling engine. A displacer piston 12 is slidably disposed in a sealed displacer cylinder 11, and a working gas is enclosed in the displacer cylinder 11 by the displacer piston 12. The high temperature space 13 and the low temperature space 14 thus formed are formed.

ディスプレーサシリンダ11内の高温空間13と低温空間14とは、ガス通路15を介して互いに連通しており、ガス通路15内には、高温空間13側から順に蒸発式加熱器6、再生熱交換器17、及び冷却器18が配設されている。また、低温空間14側のガス通路15は分岐してパワーシリンダ19に連通しており、ガス通路15が上端で連結されたパワーシリンダ19内には、パワーピストン20が摺動可能に配設されている。   The high temperature space 13 and the low temperature space 14 in the displacer cylinder 11 communicate with each other via a gas passage 15, and the evaporative heater 6 and the regenerative heat exchanger are sequentially provided in the gas passage 15 from the high temperature space 13 side. 17 and a cooler 18 are disposed. Further, the gas passage 15 on the low temperature space 14 side branches and communicates with the power cylinder 19, and a power piston 20 is slidably disposed in the power cylinder 19 to which the gas passage 15 is connected at the upper end. ing.

ディスプレーサピストン12とパワーピストン20とは、それぞれロッド12a、20aを介してクランクシャフト(図示せず)に連結されており、クランクシャフトには、フライホイール(図示せず)が連結されている。なお、ディスプレーサピストン12とパワーピストン20との位相関係は、ロッド12a及びロッド20aのクランクシャフトへの連結角度によって決められており、本実施の形態では、ディスプレーサピストン12が、パワーピストン20に対して90度進んでいるものとする。なお、この位相差は、90度に限定されるものではない。   The displacer piston 12 and the power piston 20 are connected to a crankshaft (not shown) via rods 12a and 20a, respectively, and a flywheel (not shown) is connected to the crankshaft. The phase relationship between the displacer piston 12 and the power piston 20 is determined by the connecting angle of the rod 12a and the rod 20a to the crankshaft. In the present embodiment, the displacer piston 12 is in relation to the power piston 20. It is assumed that it has advanced 90 degrees. This phase difference is not limited to 90 degrees.

蒸発式加熱器6は、作動条件(圧力、温度)の範囲内で液相と気相とが共存する第2の作動媒体(以下、作動媒体Bと記す)の液体8が、ガス通路15を移動する作動ガスと直接接触するように入れられた液受け部7と、液受け部7に入れられた作動媒体Bの液体8を外部熱源媒体HMにより加熱するための加熱部9とを含んで構成されている。外部熱源媒体HMには、液体、気体、蒸気などの比較的低温(数百℃以下)の熱源媒体が利用されるようになっている。   The evaporative heater 6 has a liquid 8 as a second working medium (hereinafter referred to as working medium B) in which a liquid phase and a gas phase coexist within a range of operating conditions (pressure and temperature). The liquid receiving part 7 put in direct contact with the moving working gas, and the heating part 9 for heating the liquid 8 of the working medium B put in the liquid receiving part 7 by the external heat source medium HM are included. It is configured. As the external heat source medium HM, a heat source medium having a relatively low temperature (several hundred degrees C or less) such as liquid, gas, and vapor is used.

したがって、高温空間13と低温空間14とを含む作動空間内には、作動条件(圧力、温度)の範囲内で非凝縮性気体である第1の作動媒体(以下、作動媒体Aと記す)、作動条件(圧力、温度)の範囲内で液相と気相とが共存する作動媒体Bの蒸気とを含む作動ガスが封入された状態になっている。   Therefore, in the working space including the high temperature space 13 and the low temperature space 14, a first working medium (hereinafter referred to as working medium A) that is a non-condensable gas within the range of working conditions (pressure, temperature), The working gas containing the vapor of the working medium B in which the liquid phase and the gas phase coexist is within the range of the working conditions (pressure and temperature).

再生熱交換器17は、蓄熱機能を有するものであり、高温空間13から低温空間14へ移動する作動ガスから熱(顕熱及び潜熱)を奪う一方、低温空間14から高温空間13へ移動する作動ガスへ熱(顕熱及び潜熱)を渡す熱交換器から構成されている。また、冷却器18は、再生熱交換器17を通過してきた作動ガスを冷熱源により所定温度まで冷却する熱交換器から構成されている。   The regenerative heat exchanger 17 has a heat storage function and takes heat (sensible heat and latent heat) from the working gas moving from the high temperature space 13 to the low temperature space 14 while moving from the low temperature space 14 to the high temperature space 13. It consists of a heat exchanger that transfers heat (sensible heat and latent heat) to the gas. The cooler 18 includes a heat exchanger that cools the working gas that has passed through the regenerative heat exchanger 17 to a predetermined temperature by a cold heat source.

次に実施の形態(1)に係るスターリングエンジン1の動作について説明する。図2(a)〜(d)は、スターリングエンジン1の動作過程を示した図である。   Next, the operation of the Stirling engine 1 according to the embodiment (1) will be described. FIGS. 2A to 2D are views showing an operation process of the Stirling engine 1.

図2(a)は、低温空間14内の作動ガスを冷却器18、再生熱交換器17、及び蒸発式加熱器6を介して高温空間13へ移動させる加熱過程を示している。加熱過程では、ディスプレーサピストン12が低温空間14を狭める方向に移動することにより、低温空間14内の作動ガスが、冷却器18、再生熱交換器17、及び蒸発式加熱器6を介して高温空間13へ移動する。低温空間14から移動してきた作動ガスは、再生熱交換器17を通って熱(顕熱及び潜熱)を受け取った後、さらに蒸発式加熱器6で加熱される。   FIG. 2A shows a heating process in which the working gas in the low temperature space 14 is moved to the high temperature space 13 via the cooler 18, the regenerative heat exchanger 17, and the evaporative heater 6. In the heating process, the displacer piston 12 moves in the direction of narrowing the low temperature space 14, so that the working gas in the low temperature space 14 passes through the cooler 18, the regenerative heat exchanger 17, and the evaporative heater 6. Move to 13. The working gas that has moved from the low temperature space 14 receives heat (sensible heat and latent heat) through the regenerative heat exchanger 17, and is further heated by the evaporative heater 6.

蒸発式加熱器6では、液受け部7に入れられた作動媒体Bの液体8が外部熱源媒体HMにより加熱されており、この加熱された液体8と、再生熱交換器17を通過してきた作動ガスとが直接接触することで、再生熱交換器17を通過してきた作動ガスが速やかに加熱され、作動ガス中の作動媒体Aの分圧が上昇するとともに、蒸気8aが生成されることで作動媒体Bの蒸気分圧が急激に上昇する。したがって、作動媒体Aの分圧の上昇分に加え、作動媒体Bの蒸気分圧の上昇分が加算されるため、作動空間内のガス圧力が大幅に高められる。   In the evaporative heater 6, the liquid 8 of the working medium B placed in the liquid receiver 7 is heated by the external heat source medium HM, and the heated liquid 8 and the operation that has passed through the regenerative heat exchanger 17. When the gas comes into direct contact, the working gas that has passed through the regenerative heat exchanger 17 is quickly heated, the partial pressure of the working medium A in the working gas increases, and the steam 8a is generated to operate. The vapor partial pressure of the medium B increases rapidly. Therefore, in addition to the increase in the partial pressure of the working medium A, the increase in the vapor partial pressure of the working medium B is added, so that the gas pressure in the working space is significantly increased.

図2(b)は、高温空間13へ移動してきた作動ガスを膨張させる膨張過程を示している。加熱過程から膨張過程において作動ガスの圧力が最大となるときにパワーピストン20が押し下げられ、エンジンは外部に仕事を行う。なお、クランクシャフトは、フライホイールに蓄積された回転エネルギーを利用して同じ方向に回転を続け、ディスプレーサピストン12が押し上げられる。   FIG. 2B shows an expansion process for expanding the working gas that has moved to the high temperature space 13. The power piston 20 is pushed down when the pressure of the working gas reaches a maximum from the heating process to the expansion process, and the engine performs work to the outside. The crankshaft continues to rotate in the same direction using the rotational energy accumulated in the flywheel, and the displacer piston 12 is pushed up.

図2(c)は、高温空間13内の作動ガスを蒸発式加熱器6、再生熱交換器17、及び冷却器18を介して低温空間14へ移動させる冷却過程を示している。冷却過程では、ディスプレーサピストン12が、高温空間13を狭める方向に移動することにより、高温空間13内の作動ガスが、蒸発式加熱器6、再生熱交換器17、及び冷却器18を介して低温空間14へ移動する。   FIG. 2C shows a cooling process in which the working gas in the high temperature space 13 is moved to the low temperature space 14 via the evaporative heater 6, the regenerative heat exchanger 17, and the cooler 18. In the cooling process, the displacer piston 12 moves in the direction of narrowing the high temperature space 13, so that the working gas in the high temperature space 13 passes through the evaporative heater 6, the regenerative heat exchanger 17, and the cooler 18. Move to space 14.

高温空間13から移動してきた作動ガスは、再生熱交換器17を通って熱(顕熱及び潜熱)を奪われた後、さらに冷却器18で冷却される。冷却により作動ガス中の作動媒体Aの分圧が低下するとともに、作動媒体Bの液体8の蒸気分圧も急激に低下し、作動空間内のガス圧力が最低作動圧力まで一気に低下する。なお、作動ガスの冷却により凝縮した作動媒体Bの液体は液受け部7に戻されるようになっている。   The working gas that has moved from the high-temperature space 13 is deprived of heat (sensible heat and latent heat) through the regenerative heat exchanger 17 and then cooled by the cooler 18. As a result of the cooling, the partial pressure of the working medium A in the working gas is lowered, the vapor partial pressure of the liquid 8 in the working medium B is also suddenly lowered, and the gas pressure in the working space is lowered to the lowest working pressure. The liquid of the working medium B condensed by the cooling of the working gas is returned to the liquid receiving part 7.

図2(d)は、低温空間14へ移動してきた作動ガスを圧縮させる圧縮過程を示している。圧縮過程では、パワーピストン20がパワーシリンダ19との空間を狭めるように押し上げられる。そして、上記動作が繰り返されることにより、クランクシャフトが回転し続け、低温度差でも効率よく動力が取り出されるようになっている。   FIG. 2D shows a compression process in which the working gas that has moved to the low temperature space 14 is compressed. In the compression process, the power piston 20 is pushed up so as to narrow the space with the power cylinder 19. By repeating the above operation, the crankshaft continues to rotate, and power is efficiently extracted even at a low temperature difference.

上記実施の形態(1)に係るスターリングエンジン1によれば、低温空間14から再生熱交換器17を介して高温空間13へ移動する作動ガスを加熱する加熱手段(蒸発式加熱器6)が、外部熱源媒体HMにより加熱された作動媒体Bの液体8と作動ガスを接触させて加熱する構成となっているので、加熱過程において、作動ガスが再生熱交換器17を通過する過程では、作動ガスが再生熱交換器17より熱(顕熱及び潜熱)を受け取ることで作動媒体Bの蒸気分圧が上昇し、作動ガスが蒸発式加熱器6を通過する過程では、作動ガスと高温の作動媒体Bの液体8とが接触することで作動ガス中の作動媒体Bの蒸気分圧をさらに上昇させることができる。   According to the Stirling engine 1 according to the embodiment (1), the heating means (evaporation heater 6) for heating the working gas moving from the low temperature space 14 to the high temperature space 13 via the regenerative heat exchanger 17 is provided. Since the liquid 8 of the working medium B heated by the external heat source medium HM is brought into contact with the working gas and heated, the working gas passes through the regenerative heat exchanger 17 during the heating process. Receives the heat (sensible heat and latent heat) from the regenerative heat exchanger 17, the vapor partial pressure of the working medium B rises, and the working gas passes through the evaporative heater 6 in the process of passing the working gas and the high-temperature working medium. The vapor partial pressure of the working medium B in the working gas can be further increased by contact with the B liquid 8.

したがって、作動ガスが非凝縮性気体である作動媒体Aのみの場合と比較して、高温空間13における全圧(すなわち、作動ガスに含まれる作動媒体Aの分圧と作動媒体Bの蒸気分圧との和)を高めることができる。一方、冷却過程では、冷却された作動ガス温度における作動媒体Bの飽和蒸気圧まで作動ガス中の作動媒体Bの蒸気分圧を一気に低下させることができる。したがって、作動ガスの加熱温度が比較的低温(例えば、数百℃以下)の場合であっても、作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を大きくすることができ、エンジンの出力を高めることができ、低温度差での効率的な稼働が可能なスターリングエンジンを提供することができる。   Therefore, compared with the case where only the working medium A in which the working gas is a non-condensable gas is used, the total pressure in the high-temperature space 13 (that is, the partial pressure of the working medium A contained in the working gas and the vapor partial pressure of the working medium B). And the sum). On the other hand, in the cooling process, the vapor partial pressure of the working medium B in the working gas can be lowered at a stretch to the saturated vapor pressure of the working medium B at the cooled working gas temperature. Therefore, even when the heating temperature of the working gas is relatively low (for example, several hundred degrees C or less), the pressure change accompanying the heating and cooling of the working gas can be increased, and the output of the engine can be increased. A Stirling engine capable of efficient operation at a low temperature difference can be provided.

また、高温空間13と低温空間14との間で、作動ガスの移動に伴う熱移動の大半は潜熱移動であり、作動媒体Bの蒸発・凝縮による伝熱は、作動媒体Bの蒸気が含まれていない場合の作動ガスと比較して、作動ガスの熱伝達率を高め、結果、加熱冷却のための熱交換効率が良くなることで、装置の小型化を図ることができる。   Further, between the high temperature space 13 and the low temperature space 14, most of the heat transfer accompanying the movement of the working gas is latent heat transfer, and the heat transfer due to evaporation / condensation of the working medium B includes the steam of the working medium B. The heat transfer coefficient of the working gas is increased as compared with the working gas in the case where it is not, and as a result, the heat exchange efficiency for heating and cooling is improved, so that the apparatus can be downsized.

図3は実施の形態(2)に係るスターリングエンジンの要部を模式的に示した図であり、(a)は部分断面図、(b)は(a)におけるB−B線断面図である。但し実施の形態(2)に係るスターリングエンジンの構成については、蒸発式加熱器6Aを除いて図1に示したスターリングエンジン1と略同様であるため、異なる機能を有する蒸発式加熱器6Aには、異なる符号を付し、その他の同一機能を有する構成部品については、同一符号を付して、その説明を省略することとする。   FIG. 3 is a diagram schematically showing the main part of the Stirling engine according to the embodiment (2), where (a) is a partial sectional view, and (b) is a sectional view taken along the line BB in (a). . However, since the configuration of the Stirling engine according to the embodiment (2) is substantially the same as the Stirling engine 1 shown in FIG. 1 except for the evaporative heater 6A, the evaporative heater 6A having a different function is used. The other components having the same function are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

蒸発式加熱器6Aは、下部に加熱部9と液受け部7とが一体的に形成され、液受け部7の上部に作動ガス通流部30となる空間を備えた加熱器本体31と、液受け部7に作動ガスの流通方向に平行に所定間隔を設けて立設された平板状の複数の伝熱板(伝熱部)32と、各伝熱板32の両側面に貼着された毛細管作用を有するフェルト等から構成されたウィック(毛細管作用を有する部材)33とを含んで構成されている。なお、ウィック33の下端部は液受け部7の作動媒体Bの液体8に浸漬されており、ウィック33は、外部熱源媒体HMにより加熱された作動媒体Bの液体8を毛細管力で吸い上げて、作動媒体Bの液体8を伝熱板32の表面に行き渡らせる作用を有している。また、ウィック33に吸収された作動媒体Bの液体8は伝熱板32からの熱により加熱されるようになっている。   In the evaporative heater 6A, a heating unit 9 and a liquid receiving part 7 are integrally formed at the lower part, and a heater main body 31 having a space serving as a working gas flow part 30 above the liquid receiving part 7, A plurality of plate-like heat transfer plates (heat transfer portions) 32 erected on the liquid receiving portion 7 in parallel with the flow direction of the working gas and attached to both side surfaces of each heat transfer plate 32. And a wick (a member having a capillary action) 33 made of felt or the like having a capillary action. The lower end portion of the wick 33 is immersed in the liquid 8 of the working medium B of the liquid receiving portion 7, and the wick 33 sucks up the liquid 8 of the working medium B heated by the external heat source medium HM by capillary force, The liquid 8 of the working medium B has the effect of spreading the surface of the heat transfer plate 32. The liquid 8 of the working medium B absorbed by the wick 33 is heated by heat from the heat transfer plate 32.

外部熱源媒体HMの熱を伝える複数の伝熱板32と、これら伝熱板32の両側面に貼着されたウィック33とを含んで、外部熱源媒体HMにより加熱された作動媒体Bの液体8と作動ガスとの熱交換面積を広げるための熱交換手段34が構成されている。なお、伝熱部にヒートパイプを採用することもできる。   The liquid 8 of the working medium B heated by the external heat source medium HM includes a plurality of heat transfer plates 32 that transmit the heat of the external heat source medium HM and wicks 33 attached to both side surfaces of the heat transfer plates 32. The heat exchanging means 34 for expanding the heat exchange area between the working gas and the working gas is configured. In addition, a heat pipe can also be employ | adopted for a heat-transfer part.

実施の形態(2)に係るスターリングエンジン1Aの動作は、実施の形態(1)に係るスターリングエンジン1の動作(図2(a)〜(d)参照)と略同様であるので、ここでは相違点のみ説明することとする。   Since the operation of the Stirling engine 1A according to the embodiment (2) is substantially the same as the operation of the Stirling engine 1 according to the embodiment (1) (see FIGS. 2A to 2D), it is different here. Only the point will be explained.

加熱過程において、蒸発式加熱器6Aでは、液受け部7に入れられた作動媒体Bの液体8が外部熱源媒体HMにより加熱されており、さらにこの加熱された作動媒体Bの液体8はウィック33の毛細管作用により吸い上げられ、伝熱板32の表面に行き渡った状態になっている。この加熱された液受け部7の液体8及びウィック33に吸収された液体と、再生熱交換器17を通過してきた作動ガスとが直接接触することで、再生熱交換器17を通過してきた作動ガスが、より一層速やかに加熱され、作動ガス中の作動媒体Aの分圧が急激に上昇するとともに、液受け部7の液体8及びウィック33に吸収された液体から蒸気が生成され、作動媒体Bの蒸気分圧が急激に上昇する。すなわち、熱交換効率が向上し、作動空間内のガス圧力が大幅かつ急激に高められるようになっている。   In the heating process, in the evaporative heater 6A, the liquid 8 of the working medium B put in the liquid receiving portion 7 is heated by the external heat source medium HM, and the heated liquid 8 of the working medium B is further wicked 33. It is sucked up by the capillary action and spread over the surface of the heat transfer plate 32. The operation that has passed through the regenerative heat exchanger 17 by direct contact between the heated liquid 8 in the liquid receiving portion 7 and the liquid absorbed by the wick 33 and the working gas that has passed through the regenerative heat exchanger 17 The gas is heated more rapidly, the partial pressure of the working medium A in the working gas rapidly increases, and vapor is generated from the liquid 8 in the liquid receiving portion 7 and the liquid absorbed by the wick 33, and the working medium. The vapor partial pressure of B increases rapidly. That is, the heat exchange efficiency is improved, and the gas pressure in the working space is increased significantly and rapidly.

上記実施の形態(2)に係るスターリングエンジン1Aによれば、蒸発式加熱器6Aが、外部熱源媒体HMの熱を伝える複数の伝熱板32と、これら伝熱板32の両側面に張着されたウィック33と含んで構成されている熱交換手段34を含んで構成されているので、毛細管作用を有するウィック33により作動媒体Bの液体8を複数の伝熱板32の両側面に行き渡らせることができ、作動媒体Bの液体8と作動ガスとの熱交換面積を複数の伝熱板32の両側面の面積分ほど広げることができ、熱交換効率を高めることができる。   According to the Stirling engine 1A according to the above embodiment (2), the evaporative heater 6A is attached to the plurality of heat transfer plates 32 that transmit the heat of the external heat source medium HM and to both side surfaces of these heat transfer plates 32. Since the wick 33 and the heat exchanging means 34 including the wick 33 are included, the liquid 8 of the working medium B is spread on both side surfaces of the plurality of heat transfer plates 32 by the wick 33 having a capillary action. In addition, the heat exchange area between the liquid 8 of the working medium B and the working gas can be increased by the area of both sides of the plurality of heat transfer plates 32, and the heat exchange efficiency can be increased.

図4は実施の形態(3)に係るスターリングエンジンの要部を模式的に示した図であり、(a)は部分断面図、(b)は(a)におけるB−B線断面図である。但し実施の形態(3)に係るスターリングエンジンの構成については、蒸発式加熱器6Bと液体加熱導入手段60とを除いて図1に示したスターリングエンジン1と略同様であるため、異なる機能を有する蒸発式加熱器6Bと液体加熱導入手段60とには、異なる符号を付し、その他の同一機能を有する構成部品については、同一符号を付して、その説明を省略することとする。   FIG. 4 is a diagram schematically showing the main part of the Stirling engine according to the embodiment (3), where (a) is a partial sectional view and (b) is a sectional view taken along line BB in (a). . However, the configuration of the Stirling engine according to the embodiment (3) is substantially the same as the Stirling engine 1 shown in FIG. 1 except for the evaporative heater 6B and the liquid heating introducing means 60, and thus has different functions. The evaporative heater 6B and the liquid heating introducing means 60 are denoted by different reference numerals, and other components having the same function are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

蒸発式加熱器6Bは、高温空間13側のガス通路15と再生熱交換器17との間に介装された多管式加熱器(いわゆる、シェルアンドチューブ式加熱器)40を含んで構成されている。多管式加熱器40は、角筒形状をした胴体部41と、胴体部41内に収容された複数の伝熱管42と、これら伝熱管42と連通するように伝熱管42の両端で連結され、胴体部41の両側開口面に取り付けられる管板43と、胴体部41内に外部熱源媒体HMを導入する導入口44と、胴体部41内の外部熱源媒体HMを排出する排出口45と、胴体部41の両端部に管板43を介して連結された胴体カバー46、47とを含んで構成されており、胴体カバー46の他端側にはガス通路15が連結され、胴体カバー47の他端側には再生熱交換器17が連結されている。また、胴体カバー46、47にはそれぞれドレン48、49が設けられている。また、複数の伝熱管42の内側面には、毛細管作用を有するフェルト等から構成されたウィック(毛細管作用を有する部材)50が貼着されている。   The evaporative heater 6B includes a multi-tube heater (so-called shell and tube heater) 40 interposed between the gas passage 15 on the high temperature space 13 side and the regenerative heat exchanger 17. ing. The multi-tube heater 40 is connected at both ends of the heat transfer tube 42 so as to be in communication with the heat transfer tube 42, a body portion 41 having a rectangular tube shape, a plurality of heat transfer tubes 42 accommodated in the body portion 41. A tube plate 43 attached to the opening surfaces on both sides of the body portion 41, an introduction port 44 for introducing the external heat source medium HM into the body portion 41, a discharge port 45 for discharging the external heat source medium HM in the body portion 41, The body cover 41 includes body covers 46 and 47 connected to both ends of the body part 41 through the tube plate 43, and the gas passage 15 is connected to the other end side of the body cover 46. A regenerative heat exchanger 17 is connected to the other end side. The body covers 46 and 47 are provided with drains 48 and 49, respectively. A wick (a member having a capillary action) 50 made of felt or the like having a capillary action is attached to the inner side surfaces of the plurality of heat transfer tubes 42.

外部熱源媒体HMの熱を伝える多管式加熱器40と、多管式加熱器40の伝熱管42の内側面に貼着されたウィック50とを含んで、外部熱源媒体HMにより加熱された作動媒体Bの液体8と作動ガスとの熱交換面積を広げるための熱交換手段51が構成されており、伝熱管42の内側が作動ガス通流部52となっている。   An operation heated by the external heat source medium HM, including a multi-tube heater 40 for transferring the heat of the external heat source medium HM and a wick 50 attached to the inner surface of the heat transfer tube 42 of the multi-tube heater 40 A heat exchanging means 51 for expanding the heat exchange area between the liquid 8 of the medium B and the working gas is configured, and the inside of the heat transfer tube 42 is a working gas flow part 52.

また、図中60は、外部熱源媒体HMにより作動媒体Bの液体8を加熱して、該加熱された液体8を蒸発式加熱器6Bに導入するための液体加熱導入手段を示している。液体加熱導入手段60は、外部熱源媒体HMにより作動媒体Bの液体8を加熱する液体加熱器61と、ドレイン溜68内の液体8を吸い上げるポンプ(吸引手段)62及び液体加熱器61を介して多管式加熱器40の胴体カバー47に連結された液体導入ノズル63とを含んで構成されており、ポンプ62で吸い上げられた液体8が液体導入ノズル63の先端部から噴霧されるように構成されている。液体導入ノズル63の先端部から噴霧される作動媒体Bの液体8は、低温空間14から再生熱交換器17を介して高温空間13へ移動する作動ガスの気流に乗せて、伝熱管42の内側に貼着されたウィック50に供給され、ウィック50は、供給された作動媒体Bの液体8を毛細管力で吸収して、作動媒体Bの液体8を伝熱管42の内側面に行き渡らせる作用を有している。なお、液体導入ノズル63によるドレイン溜68内の液体8の噴霧方式には、例えば、ガソリンエンジンのキャブレタ方式を採用することもできる。   In the figure, reference numeral 60 denotes liquid heating introduction means for heating the liquid 8 of the working medium B by the external heat source medium HM and introducing the heated liquid 8 into the evaporative heater 6B. The liquid heating introducing means 60 is provided via a liquid heater 61 that heats the liquid 8 of the working medium B by the external heat source medium HM, a pump (suction means) 62 that sucks up the liquid 8 in the drain reservoir 68, and the liquid heater 61. And a liquid introduction nozzle 63 connected to the body cover 47 of the multi-tube heater 40, and the liquid 8 sucked up by the pump 62 is sprayed from the tip of the liquid introduction nozzle 63. Has been. The liquid 8 of the working medium B sprayed from the tip of the liquid introduction nozzle 63 is put on the air flow of the working gas moving from the low temperature space 14 to the high temperature space 13 via the regenerative heat exchanger 17, and inside the heat transfer tube 42. The wick 50 is supplied to the wick 50, and the wick 50 absorbs the supplied liquid 8 of the working medium B by a capillary force and spreads the working medium B liquid 8 to the inner surface of the heat transfer tube 42. Have. Note that, for example, a carburetor system of a gasoline engine can be adopted as a spraying method of the liquid 8 in the drain reservoir 68 by the liquid introduction nozzle 63.

また、多管式加熱器40のドレン48、49とドレイン溜68とは、逆止弁64が介装されているドレイン管65で連結されており、蒸発式加熱器6B内の液体8がドレイン溜68に回収されるようになっており、また、再生熱交換器17及び冷却器18とドレイン溜68とは、逆止弁66が介装されているドレイン管67で連結されており、再生熱交換器17内及び冷却器18内の液体8がドレイン溜68に回収されるようになっている。   Further, the drains 48 and 49 of the multi-tube heater 40 and the drain reservoir 68 are connected by a drain pipe 65 in which a check valve 64 is interposed, and the liquid 8 in the evaporation heater 6B is drained. The regeneration heat exchanger 17 and the cooler 18 and the drain reservoir 68 are connected to each other by a drain pipe 67 having a check valve 66 interposed therebetween. The liquid 8 in the heat exchanger 17 and the cooler 18 is collected in the drain reservoir 68.

なお、蒸発式加熱器6Bでは、作動ガスが再生熱交換器17を出て高温空間13へ至る過程で蒸気として受け取る作動媒体Bの質量は極僅かなものであるので、それに必要な量の液体を液体導入ノズル63から供給するのであれば、多管式加熱器40が作動ガスを加熱する役割の殆どを担うこととなる。また、液体導入ノズル63から供給する液体8の噴霧量を増量すると、多管式加熱器40と噴霧された液体8とで作動ガスの加熱を分担させることが可能となっている。   In the evaporative heater 6B, the mass of the working medium B received as vapor in the process of the working gas leaving the regenerative heat exchanger 17 and reaching the high temperature space 13 is extremely small. Is supplied from the liquid introduction nozzle 63, the multi-tube heater 40 plays most of the role of heating the working gas. Further, when the spray amount of the liquid 8 supplied from the liquid introduction nozzle 63 is increased, the heating of the working gas can be shared by the multi-tube heater 40 and the sprayed liquid 8.

実施の形態(3)に係るスターリングエンジン1Bの動作は、実施の形態(1)に係るスターリングエンジン1の動作(図2(a)〜(d)参照)と略同様であるので、ここでは相違点のみ説明することとする。   Since the operation of the Stirling engine 1B according to the embodiment (3) is substantially the same as the operation of the Stirling engine 1 according to the embodiment (1) (see FIGS. 2A to 2D), it is different here. Only the point will be explained.

蒸発式加熱器6Bでは、液体加熱導入手段60から導入された作動媒体Bの液体8が、ウィック50に吸収されて、伝熱管42の内側面に行き渡った状態になっている。加熱過程では、液体加熱導入手段60の液体導入ノズル63から噴霧された作動媒体Bの液体8が作動ガスの気流に乗って蒸発式加熱器6Bに供給され、また、多管式加熱器40の伝熱管42の内側面に貼着されたウィック50に吸収されている作動媒体Bの液体8が、伝熱管42からの熱により加熱された状態になっている。   In the evaporative heater 6 </ b> B, the liquid 8 of the working medium B introduced from the liquid heating introducing means 60 is absorbed by the wick 50 and is spread over the inner surface of the heat transfer tube 42. In the heating process, the liquid 8 of the working medium B sprayed from the liquid introduction nozzle 63 of the liquid heating introduction means 60 is supplied to the evaporative heater 6B along the air flow of the working gas, and the multi-tube heater 40 The liquid 8 of the working medium B absorbed by the wick 50 attached to the inner surface of the heat transfer tube 42 is heated by the heat from the heat transfer tube 42.

したがって、加熱過程においては、液体加熱導入手段60から導入された液体8及びウィック50に吸収された液体と、再生熱交換器17を通過してきた作動ガスとが直接接触することで、再生熱交換器17を通過してきた作動ガスが、より一層速やかに加熱され、、作動ガス中の作動媒体Aの分圧が急激に上昇するとともに、液体加熱導入手段60から導入された液体8及びウィック50に吸収された液体から蒸気が生成され、作動媒体Bの蒸気分圧が急激に上昇する。すなわち、作動ガスの熱交換効率が向上し、作動空間内のガス圧力が大幅かつ急激に高められるようになっている。   Therefore, in the heating process, the liquid 8 introduced from the liquid heating introducing means 60 and the liquid absorbed by the wick 50 and the working gas that has passed through the regenerative heat exchanger 17 are in direct contact with each other, thereby regenerating heat exchange. The working gas that has passed through the vessel 17 is heated more rapidly, and the partial pressure of the working medium A in the working gas rapidly increases, and the liquid 8 and the wick 50 introduced from the liquid heating introduction means 60 Vapor is generated from the absorbed liquid, and the vapor partial pressure of the working medium B rapidly increases. That is, the heat exchange efficiency of the working gas is improved, and the gas pressure in the working space is increased significantly and rapidly.

上記実施の形態(3)に係るスターリングエンジン1Bによれば、蒸発式加熱器6Bが、外部熱源媒体HMの熱を伝える多管式加熱器40と、多管式加熱器40の伝熱管42の内側面に貼設されたウィック50と含んで構成された熱交換手段51を含んで構成されているので、毛細管作用を有するウィック50により作動媒体Bの液体8を多管式加熱器40の伝熱管42の内側面に行き渡らせることができ、また、液体加熱導入手段60から蒸発式加熱器6Bに、加熱された作動媒体Bの液体8が噴霧状で導入されるので、作動媒体Bの液体8と作動ガスとの熱交換面積を複数の伝熱管42の内側面積、及び噴霧状の液体8の表面積とすることで熱交換面積をさらに広げることができ、熱交換効率を一層高めることができる。また、多管式加熱器40を用いているので、蒸発式加熱器6Bを大型化する場合や、作動圧力が大気圧以上で耐圧性が要求される場合に特に有効となる。   According to the Stirling engine 1B according to the embodiment (3), the evaporative heater 6B includes the multi-tube heater 40 that transmits the heat of the external heat source medium HM, and the heat transfer tubes 42 of the multi-tube heater 40. Since it is configured to include the heat exchange means 51 configured to include the wick 50 attached to the inner surface, the liquid 8 of the working medium B is transferred to the multi-tubular heater 40 by the wick 50 having a capillary action. Since the heated liquid 8 of the working medium B can be introduced into the evaporating heater 6B from the liquid heating introduction means 60 in the form of spray, the liquid of the working medium B can be spread. Since the heat exchange area between the working gas and the working gas is the inner surface area of the plurality of heat transfer tubes 42 and the surface area of the spray-like liquid 8, the heat exchange area can be further expanded and the heat exchange efficiency can be further enhanced. . Further, since the multi-tube heater 40 is used, it is particularly effective when the evaporation heater 6B is enlarged or when the operating pressure is atmospheric pressure or higher and pressure resistance is required.

なお、実施の形態(3)に係るスターリングエンジン1Bにおける蒸発式加熱器6Bを構成する多管式加熱器40の代わりに、気水分離器を設け、液体加熱導入手段60による液体8の噴霧による加熱のみを行う構成とすることもできる。係る構成をスターリング冷凍サイクルに応用すれば、冷媒(作動媒体B)の冷却液を効率よく作ることができる。   In addition, instead of the multi-tube heater 40 constituting the evaporative heater 6B in the Stirling engine 1B according to the embodiment (3), a steam separator is provided, and the liquid 8 is sprayed by the liquid heating introducing means 60. It can also be set as the structure which only heats. If such a configuration is applied to the Stirling refrigeration cycle, the coolant (working medium B) can be efficiently produced.

また、上記実施の形態(1)〜(3)では、スターリングエンジンの型式としてディスプレーサ型のスターリングエンジンに適用した場合について説明したが、2ピストン型(α型)、β型、又はこれらの変形タイプのスターリングエンジンにも適用することができ、いずれのエンジンにおいても、高温空間13と再生熱交換器17との間に蒸発式加熱器6、6A、6Bを設ける構成とすればよい。   In the above embodiments (1) to (3), the case where the Stirling engine is applied to a displacer type Stirling engine has been described. However, the two-piston type (α type), the β type, or a modified type thereof. In any engine, the evaporative heaters 6, 6 </ b> A, 6 </ b> B may be provided between the high temperature space 13 and the regenerative heat exchanger 17.

さらに、ディスプレーサピストン内に再生熱交換器を設けた型式など、ディスプレーサピストンと再生熱交換器とを一体的に摺動させる構造のスターリングエンジンにも適用することができ、この場合は、高温空間を加熱する加熱手段として蒸発式加熱器6を設ける構成とすればよい。   Furthermore, the present invention can be applied to a Stirling engine having a structure in which the displacer piston and the regenerative heat exchanger are slid integrally, such as a model in which a regenerative heat exchanger is provided in the displacer piston. What is necessary is just to set it as the structure which provides the evaporation type heater 6 as a heating means to heat.

実施例及び比較例Examples and Comparative Examples

以下、実施例、比較例に係るスターリングエンジンを用いて、以下の条件でエンジンの動作過程における作動空間内の圧力変化を求めた結果について説明する。なお、以下の実施例には、実施の形態(1)に係るスターリングエンジン1を適用し、比較例に係るスターリングエンジンには、蒸発式加熱器6を有していない従来のγ型スターリングエンジン(図5参照)を適用した。ただし、いずれのエンジンもパワーシリンダ19を取り外し、ディスプレーサピストン12の移動に伴う等容加熱冷却による作動空間内の圧力変化として求めたものである。したがって、実際のスターリングエンジンにおいては、パワーピストン19による仕事や死空間の存在により、実際の最高作動圧(高温状態II)は、実施例及び比較例のいずれにおいても表に示した値より小さな値となる。   Hereinafter, the result of obtaining the pressure change in the working space in the operation process of the engine under the following conditions using the Stirling engine according to the example and the comparative example will be described. Note that the Stirling engine 1 according to the embodiment (1) is applied to the following examples, and the conventional γ-type Stirling engine that does not have the evaporative heater 6 is used for the Stirling engine according to the comparative example ( (See FIG. 5). However, in any engine, the power cylinder 19 is removed and the pressure change in the working space due to the equal volume heating and cooling accompanying the movement of the displacer piston 12 is obtained. Therefore, in an actual Stirling engine, due to the work by the power piston 19 and the existence of a dead space, the actual maximum operating pressure (high temperature state II) is smaller than the values shown in the table in both the examples and the comparative examples. It becomes.

下記の表1は、実施例1〜5、比較例1〜5に係るスターリングエンジンにおける低温状態Iと、高温状態IIとにおける作動ガスの状態量を求めたものであり、ディスプレーサシリンダ11以外の容積が圧力変化に影響を与えないものとして、低温状態Iにおいて温度T、圧力1atm(101325Pa)の作動ガスが、高温状態IIにおいて温度Tに加熱されたときの圧力を示している。Table 1 below shows the amount of state of the working gas in the low temperature state I and the high temperature state II in the Stirling engines according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5, and the volume other than the displacer cylinder 11 Shows that the pressure does not affect the pressure change when the working gas at the temperature T 1 and the pressure 1 atm (101325 Pa) in the low temperature state I is heated to the temperature T 2 in the high temperature state II.

実施例1〜5は、蒸発式加熱器6の液受け部7に作動媒体Bの液体8として十分量の水を入れ、作動空間内に作動媒体Aとして空気が封入された場合、すなわち、空気が液体(水)の蒸気(水蒸気)で飽和されている場合を示しており、作動ガスの全圧は、空気分圧と水蒸気分圧との和で表せる。この場合、水蒸気分圧は、温度T、Tにおける飽和蒸気圧に相当する値をとる、すなわち相対湿度100%であるとしたときの圧力を示している。一方、比較例1〜5は、作動空間内に空気のみ封入された場合の状態変化を示している。なお、表中Pは、空気(作動媒体A)の分圧を、Pは、水(作動媒体B)の水蒸気分圧を示している。In Examples 1 to 5, when a sufficient amount of water is put as the liquid 8 of the working medium B in the liquid receiving portion 7 of the evaporation heater 6 and air is sealed as the working medium A in the working space, that is, the air Is saturated with liquid (water) vapor (water vapor), and the total pressure of the working gas can be expressed as the sum of the partial pressure of air and the partial pressure of water vapor. In this case, the water vapor partial pressure indicates a pressure when the value corresponds to the saturated vapor pressure at the temperatures T 1 and T 2 , that is, when the relative humidity is 100%. On the other hand, Comparative Examples 1 to 5 show state changes when only air is sealed in the working space. Note that in the table P A, the partial pressure of air (working medium A), P B represents the water vapor partial pressure of water (working medium B).

Figure 2006126241
実施例1〜5と比較例1〜5との高温状態IIにおける全圧をそれぞれ比較すると、実施例1〜5では、加熱により圧力が高まった空気分圧Pに水蒸気分圧Pが加算されることで、温度T、Tの温度差が数十度程度の低温度差であっても、同一加熱条件の比較例1〜5と比べて圧力を高めることができた。特に、液体(水)8の高温時における蒸気圧が、最低作動圧力(この場合、1atm)以下で、且つ最低作動圧力に近い場合(実施例1)に大きな圧力上昇を示した。
Figure 2006126241
When the total pressure in the high temperature state II and Comparative Example 1-5 to Example 1-5 are compared respectively, in Examples 1-5, adding water vapor partial pressure P B in the air partial pressure P A of increased pressure by heating Thus, even if the temperature difference between the temperatures T 1 and T 2 is a low temperature difference of about several tens of degrees, the pressure could be increased as compared with Comparative Examples 1 to 5 under the same heating conditions. In particular, when the vapor pressure of the liquid (water) 8 at a high temperature is equal to or lower than the minimum operating pressure (in this case, 1 atm) and close to the minimum operating pressure (Example 1), a large pressure increase is shown.

また、下記の表2は、実施例6、比較例6に係るスターリングエンジンにおける低温状態Iと、高温状態IIとにおける作動ガスの状態量を求めたものであり、ディスプレーサシリンダ11以外の容積が圧力変化に影響を与えないものとして、低温状態Iにおいて温度T、圧力1atm(101325Pa)の作動ガスが、高温状態IIにおいて温度T に加熱されたときの圧力を示している。Table 2 below shows the state quantities of the working gas in the low temperature state I and the high temperature state II in the Stirling engine according to Example 6 and Comparative Example 6, and the volume other than the displacer cylinder 11 is the pressure. The pressure when the working gas having the temperature T 1 and the pressure 1 atm (101325 Pa) in the low temperature state I is heated to the temperature T 2 in the high temperature state II is shown as not affecting the change.

なお、実施例6は、蒸発式加熱器6の液受け部7に入れる液体8として、フッ素系不活性液体(フロリナートFC−84(3M社製):沸点80℃)を採用し、作動空間内に空気が封入された場合、すなわち、空気がフッ素系不活性液体の蒸気で飽和されている場合を示しており、作動ガスの全圧は、空気分圧とフッ素系不活性液体の蒸気分圧との和で表せる。この場合、フッ素系不活性液体の蒸気分圧は、温度T、Tにおける飽和蒸気圧に相当する値をとる。一方、比較例6は、作動空間内に空気のみ封入された場合の状態変化を示している。なお、表中Pは、空気(作動媒体A)の分圧を、Pは、フロリナートFC−84(作動媒体B)の蒸気分圧を示している。In Example 6, a fluorine-based inert liquid (Fluorinert FC-84 (manufactured by 3M): boiling point 80 ° C.) is used as the liquid 8 to be put into the liquid receiving portion 7 of the evaporation heater 6, and the working space is Shows the case where air is sealed, that is, the air is saturated with the vapor of the fluorine-based inert liquid, and the total pressure of the working gas is the air partial pressure and the vapor partial pressure of the fluorine-based inert liquid. It can be expressed as the sum of In this case, the vapor partial pressure of the fluorine-based inert liquid takes a value corresponding to the saturated vapor pressure at the temperatures T 1 and T 2 . On the other hand, Comparative Example 6 shows a state change when only air is sealed in the working space. Incidentally, P A in the tables, the partial pressure of air (working medium A), the P B, shows a partial vapor pressure of Fluorinert FC-84 (working medium B).

Figure 2006126241
また、下記の表3は、実施例7、比較例7に係るスターリングエンジンにおける低温状態Iと、高温状態IIとにおける作動ガスの状態量を求めたものであり、ディスプレーサシリンダ11以外の容積が圧力変化に影響を与えないものとして、低温状態Iにおいて温度T、圧力1atm(101325Pa)の作動ガスが、高温状態IIにおいて温度Tに加熱されたときの圧力を示している。
Figure 2006126241
Table 3 below shows the state quantities of the working gas in the low temperature state I and the high temperature state II in the Stirling engine according to Example 7 and Comparative Example 7, and the volume other than the displacer cylinder 11 is the pressure. The pressure when the working gas having the temperature T 1 and the pressure 1 atm (101325 Pa) in the low temperature state I is heated to the temperature T 2 in the high temperature state II is shown as not affecting the change.

なお、実施例7は、蒸発式加熱器6の液受け部7に入れる液体8として、フッ素系不活性液体(フロリナートFC−72(3M社製):沸点56℃)を採用し、作動空間内に空気が封入された場合、すなわち、空気がフッ素系不活性液体の蒸気で飽和されている場合を示しており、作動ガスの全圧は、空気分圧とフッ素系不活性液体の蒸気分圧との和で表せる。この場合、フッ素系不活性液体の蒸気分圧は、温度T、Tにおける飽和蒸気圧に相当する値をとる。一方、比較例7は、作動空間内に空気のみ封入された場合の状態変化を示している。なお、表中Pは、空気(作動媒体A)の分圧を、Pは、フロリナートFC−72(作動媒体B)の蒸気分圧を示している。In Example 7, a fluorine-based inert liquid (Fluorinert FC-72 (manufactured by 3M): boiling point 56 ° C.) is used as the liquid 8 to be put into the liquid receiving portion 7 of the evaporation heater 6, and the working space is Shows the case where air is sealed, that is, the air is saturated with the vapor of the fluorine-based inert liquid, and the total pressure of the working gas is the air partial pressure and the vapor partial pressure of the fluorine-based inert liquid. It can be expressed as the sum of In this case, the vapor partial pressure of the fluorine-based inert liquid takes a value corresponding to the saturated vapor pressure at the temperatures T 1 and T 2 . On the other hand, Comparative Example 7 shows a state change when only air is sealed in the working space. Incidentally, P A in the tables, the partial pressure of air (working medium A), the P B, shows a partial vapor pressure of Fluorinert FC-72 (working medium B).

Figure 2006126241
実施例6、7と比較例6、7との高温状態IIにおける全圧をそれぞれ比較すると、実施例6、7では、加熱により圧力が高まった空気分圧P にフッ素系不活性液体の蒸気分圧P が加算されることで、温度T、Tの温度差が数十度程度の低温度差であっても、同一加熱条件の比較例6、7と比べて圧力を高めることができた。
Figure 2006126241
When the total pressure in the high temperature state II and Comparative Examples 6 and 7 and Examples 6 and 7 compare respectively, in Examples 6 and 7, a vapor of a fluorine-based inert liquid air partial pressure P A of increased pressure by heating By adding the partial pressure P B, even if the temperature difference between the temperatures T 1 and T 2 is a low temperature difference of about several tens of degrees, the pressure is increased compared to Comparative Examples 6 and 7 under the same heating conditions. I was able to.

さらに、実施例6、7で使用したフッ素系不活性液体は、その沸点が水の沸点よりも低く、水と比べて、より低温側で蒸気圧が上昇する性質を有している。そのため、実施例6、7では、同一加熱条件の実施例4、5と比べてより高温時における圧力を高めることができ、加熱温度が低い場合に、圧力を高める効果を一層高めることができた。   Furthermore, the fluorinated inert liquid used in Examples 6 and 7 has a property that its boiling point is lower than that of water, and its vapor pressure increases on a lower temperature side than water. Therefore, in Examples 6 and 7, it was possible to increase the pressure at a higher temperature than in Examples 4 and 5 under the same heating conditions, and when the heating temperature was low, the effect of increasing the pressure could be further enhanced. .

また、下記の表4は、実施例8、比較例8に係るスターリングエンジンにおける低温状態Iと、高温状態IIとにおける作動ガスの状態量を求めたものであり、ディスプレーサシリンダ11以外の容積が圧力変化に影響を与えないものとして、低温状態Iにおいて温度T、圧力1atm(101325Pa)の作動ガスが、高温状態IIにおいて温度Tに加熱されたときの圧力を示しており、大気圧スターリングエンジンとしながら、高温状態IIにおける温度Tが100℃を越える場合の例である。Table 4 below shows the state quantities of the working gas in the low temperature state I and the high temperature state II in the Stirling engine according to Example 8 and Comparative Example 8, and the volume other than the displacer cylinder 11 is the pressure. The pressure when the working gas having the temperature T 1 and the pressure 1 atm (101325 Pa) is heated to the temperature T 2 in the high temperature state II in the low temperature state I is shown as not affecting the change. while the examples of the case where temperature T 2 in the high temperature state II exceeds 100 ° C..

実施例8では、高温状態IIにおける温度T(>100℃)の液温における作動媒体Bの飽和蒸気圧が、低温状態I(休止状態で最低作動温度)としたときの作動ガスの全圧(この場合1atm)以下となるように、作動媒体Bとして、沸点215℃のフッ素系不活性液体(フロリナートFC−70(3M社製))を採用した場合の例である。In Example 8, the total pressure of the working gas when the saturated vapor pressure of the working medium B at the liquid temperature of the temperature T 2 (> 100 ° C.) in the high temperature state II is the low temperature state I (minimum operating temperature in the rest state). (In this case, 1 atm) In this example, a fluorine-based inert liquid (Fluorinert FC-70 (manufactured by 3M)) having a boiling point of 215 ° C. is employed as the working medium B.

実施例8は、作動媒体Aとしての空気がフッ素系不活性液体(FC−70)の蒸気で飽和されている場合を示しており、作動ガスの全圧は、空気分圧とフッ素系不活性液体(FC−70)の蒸気分圧との和で表せる。この場合、フッ素系不活性液体(FC−70)の蒸気分圧は、温度T、Tにおける飽和蒸気圧に相当する値をとる。一方、比較例8は、作動空間内に空気のみ封入された場合の状態変化を示している。なお、表中Pは、空気(作動媒体A)の分圧を、Pは、フロリナートFC−70(作動媒体B)の蒸気分圧を示している。Example 8 shows the case where the air as the working medium A is saturated with the vapor of the fluorine-based inert liquid (FC-70), and the total pressure of the working gas is the air partial pressure and the fluorine-based inert gas. It can be expressed as the sum of the vapor partial pressure of the liquid (FC-70). In this case, the vapor partial pressure of the fluorine-based inert liquid (FC-70) takes a value corresponding to the saturated vapor pressure at the temperatures T 1 and T 2 . On the other hand, Comparative Example 8 shows a change in state when only air is sealed in the working space. Incidentally, P A in the tables, the partial pressure of air (working medium A), the P B, shows a partial vapor pressure of Fluorinert FC-70 (working medium B).

Figure 2006126241
実施例8と比較例8との高温状態IIにおける全圧をそれぞれ比較すると、実施例8では、加熱により圧力が高まった空気分圧P にFC−70の蒸気分圧Pが加算されることで、同一加熱条件の比較例8と比べて圧力を高めることができた。
Figure 2006126241
Comparing the total pressures in Example 8 and Comparative Example 8 in the high temperature state II, in Example 8, the vapor partial pressure P B of FC-70 is added to the air partial pressure P A whose pressure is increased by heating. Thus, the pressure could be increased as compared with Comparative Example 8 under the same heating conditions.

また、高温状態IIにおける温度T(>100℃)の液温における作動媒体Bの飽和蒸気圧が、低温状態Iにおける温度T(休止状態で最低作動温度)としたときの作動ガスの全圧(この場合1atm)以下となるように、作動媒体Bを適切に選択することにより、高温状態IIにおける温度Tが100℃を越える場合でも、大気圧スターリングエンジンとすることができ、実施例1と比較してさらに大きな圧力上昇をもたらすことができた。Further, all of the working gas when the saturated vapor pressure of the working medium B at the liquid temperature of the temperature T 2 (> 100 ° C.) in the high temperature state II is the temperature T 1 in the low temperature state I (minimum operating temperature in the resting state). By appropriately selecting the working medium B so that the pressure (in this case, 1 atm) or less, even when the temperature T 2 in the high temperature state II exceeds 100 ° C., an atmospheric Stirling engine can be obtained. Compared with 1, it was possible to bring about a larger pressure increase.

また、下記の表5は、実施例9、比較例9に係るスターリングエンジンにおける低温状態Iと、高温状態IIとにおける作動ガスの状態量を求めたものである。実施例9、比較例9では、高温状態IIにおける温度T を150℃とし、実施例9では、作動媒体Bの液体8として水を使用した場合の例を示している。なお、高温状態IIにおける液温(150℃)における水の蒸気圧は、4.67atm(475720Pa)であるので、加熱された作動媒体Bの液温における作動媒体Bの飽和蒸気圧が、休止状態で最低作動温度とした時の作動ガスの全圧以下となるように、ここでは低温状態I(温度T=50℃)における作動ガスの全圧が5atmに設定されている。Table 5 below shows the state quantities of the working gas in the low temperature state I and the high temperature state II in the Stirling engine according to Example 9 and Comparative Example 9. Example 9, Comparative Example 9, the temperature T 2 and 0.99 ° C. in a high temperature state II, Example 9 shows an example of when water is used as the liquid 8 of the working medium B. Since the vapor pressure of water at the liquid temperature (150 ° C.) in the high temperature state II is 4.67 atm (475720 Pa), the saturated vapor pressure of the working medium B at the liquid temperature of the heated working medium B is in the dormant state. Here, the total pressure of the working gas in the low temperature state I (temperature T 1 = 50 ° C.) is set to 5 atm so as to be equal to or lower than the total pressure of the working gas at the minimum operating temperature.

実施例9は、作動媒体Aとしての空気が液体(水)の蒸気(水蒸気)で飽和されている場合を示しており、作動ガスの全圧は、空気分圧と水蒸気分圧との和で表せる。この場合、水蒸気分圧は、温度T、Tにおける飽和蒸気圧に相当する値をとる、すなわち相対湿度100%であるとしたときの圧力を示している。一方、比較例9は、作動空間内に空気のみ封入された場合の状態変化を示している。なお、表中Pは、空気(作動媒体A)の分圧を、Pは、水(作動媒体B)の水蒸気分圧を示している。Example 9 shows a case where the air as the working medium A is saturated with liquid (water) vapor (water vapor), and the total pressure of the working gas is the sum of the air partial pressure and the water vapor partial pressure. I can express. In this case, the water vapor partial pressure indicates a pressure when the value corresponds to the saturated vapor pressure at the temperatures T 1 and T 2 , that is, when the relative humidity is 100%. On the other hand, Comparative Example 9 shows a change in state when only air is sealed in the working space. Note that in the table P A, the partial pressure of air (working medium A), P B represents the water vapor partial pressure of water (working medium B).

Figure 2006126241
実施例9と比較例9との高温状態IIにおける全圧をそれぞれ比較すると、実施例9では、加熱により圧力が高まった空気分圧Pに水の蒸気分圧Pが加算されることで、同一加熱条件の比較例9と比べて圧力を高めることができた。
Figure 2006126241
When the total pressure in the high temperature state II and Comparative Example 9 Example 9 compares each embodiment In Example 9, by the air partial pressure P A of increased pressure vapor partial pressure P B of the water is added by heating The pressure could be increased as compared with Comparative Example 9 under the same heating conditions.

また、高温状態IIにおける温度Tの液温における作動媒体Bの飽和蒸気圧が高くなるように温度T と作動媒体Bとを選定し、高温状態IIにおける温度Tの液温における作動媒体Bの飽和蒸気圧が、低温状態Iにおける温度T(休止状態で最低作動温度)としたときの作動ガスの全圧以下となるように、低温状態I(温度T)における作動ガスの全圧を高くする(充填量を増やす)ことにより、最低作動圧を高めて、エンジン出力を一層大きくすることができた。Further, the temperature T 2 and the working medium B are selected so that the saturated vapor pressure of the working medium B at the liquid temperature of the temperature T 2 in the high temperature state II is high, and the working medium at the liquid temperature of the temperature T 2 in the high temperature state II. All of the working gas in the low temperature state I (temperature T 1 ) is such that the saturated vapor pressure of B is equal to or lower than the total pressure of the working gas when the temperature T 1 in the low temperature state I is the minimum operating temperature in the rest state. By increasing the pressure (increasing the filling amount), the minimum operating pressure was increased and the engine output could be further increased.

本発明に係るスターリングエンジンは、従来、動力変換の難しかった温泉熱や排熱などの比較的温度の低い熱源を利用して動力変換を実現できる実用的なスターリングエンジンとして各種産業への利用が可能である。
The Stirling engine according to the present invention can be used in various industries as a practical Stirling engine that can realize power conversion by using a heat source having a relatively low temperature such as hot spring heat and exhaust heat, which has been difficult to convert. It is.

Claims (6)

容器内に形成される高温空間と低温空間との間で作動ガスを往復させ、該作動ガスの加熱冷却に伴う圧力変化を動力として取り出すスターリングエンジンにおいて、
前記作動ガスが、作動条件の範囲内で非凝縮性気体である第1の作動媒体と、作動条件の範囲内で液相と気相とが共存する第2の作動媒体の蒸気とを含み、
前記低温空間から再生熱交換手段を介して前記高温空間へ移動する前記作動ガスを加熱する加熱手段が、外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスを接触させて加熱する構成となっており、
前記外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液温における該第2の作動媒体の飽和蒸気圧が、休止状態で最低作動温度とした時の前記作動ガスの全圧以下となるように設定されていることを特徴とするスターリングエンジン。
In a Stirling engine that reciprocates a working gas between a high-temperature space and a low-temperature space formed in a container, and takes out a pressure change accompanying heating and cooling of the working gas as power,
The working gas includes a first working medium that is a non-condensable gas within a range of operating conditions, and a vapor of a second working medium in which a liquid phase and a gas phase coexist within a range of operating conditions,
Heating means for heating the working gas moving from the low temperature space to the high temperature space via the regenerative heat exchange means brings the working gas liquid into contact with the working gas liquid heated by an external heat source medium. It is configured to heat,
The saturated vapor pressure of the second working medium at the liquid temperature of the second working medium heated by the external heat source medium is less than or equal to the total pressure of the working gas when the minimum working temperature is set in the rest state. Stirling engine characterized by being set to.
前記加熱手段が、前記外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と前記作動ガスとの熱交換面積を広げるための熱交換手段を含んで構成されていることを特徴とする請求項1記載のスターリングエンジン。   The heating means includes heat exchange means for expanding a heat exchange area between the liquid of the second working medium heated by the external heat source medium and the working gas. Item 1. A Stirling engine according to item 1. 前記熱交換手段が、
前記外部熱源媒体の熱を伝える伝熱部と、
該伝熱部の前記作動ガスとの接触面に配設された毛細管作用を有する部材とを含んで構成されていることを特徴とする請求項2記載のスターリングエンジン。
The heat exchange means
A heat transfer section for transferring heat of the external heat source medium;
The Stirling engine according to claim 2, comprising a member having a capillary action disposed on a contact surface of the heat transfer section with the working gas.
前記伝熱部が、前記第2の作動媒体の液体の受け部に所定間隔を設けて立設された複数の伝熱板から構成され、
前記毛細管作用を有する部材が、前記複数の伝熱板の側面に配設されていることを特徴とする請求項3記載のスターリングエンジン。
The heat transfer part is composed of a plurality of heat transfer plates provided upright at predetermined intervals in the liquid receiving part of the second working medium,
The Stirling engine according to claim 3, wherein the member having the capillary action is disposed on a side surface of the plurality of heat transfer plates.
前記伝熱部が、複数の伝熱管が収容された多管式加熱器から構成され、
前記毛細管作用を有する部材が、前記複数の伝熱管の内側面に配設され、
前記外部熱源媒体により前記第2の作動媒体の液体を加熱して、該加熱された液体を前記加熱手段に導入するための液体加熱導入手段を備えていることを特徴とする請求項3記載のスターリングエンジン。
The heat transfer part is composed of a multi-tube heater in which a plurality of heat transfer tubes are accommodated,
The member having the capillary action is disposed on an inner surface of the plurality of heat transfer tubes;
The liquid heating introducing means for heating the liquid of the second working medium by the external heat source medium and introducing the heated liquid into the heating means. Stirling engine.
作動ガスを低温空間から少なくとも再生熱交換手段及び加熱手段を介して高温空間へ移動させる加熱過程と、
前記高温空間へ移動してきた作動ガスを膨張させる膨張過程と、
前記作動ガスを前記高温空間から少なくとも前記再生熱交換手段及び冷却手段を介して前記低温空間へ移動させる冷却過程と、
前記低温空間へ移動してきた作動ガスを圧縮させる圧縮過程との繰り返しにより前記作動ガスの圧力差を生成するスターリングエンジンの圧力差生成方法において、
前記作動ガスが、作動条件の範囲内で非凝縮性気体である第1の作動媒体と、作動条件の範囲内で液相と気相とが共存する第2の作動媒体の蒸気とを含み、
前記加熱過程において、前記低温空間から前記再生熱交換手段を通過してきた前記作動ガスを、外部熱源媒体により加熱された前記第2の作動媒体の液体と接触させて加熱することを特徴とするスターリングエンジンの圧力差生成方法。
A heating process for moving the working gas from the low temperature space to the high temperature space through at least the regenerative heat exchange means and the heating means;
An expansion process for expanding the working gas that has moved to the high temperature space;
A cooling process of moving the working gas from the high temperature space to the low temperature space through at least the regenerative heat exchange means and the cooling means;
In a method of generating a pressure difference of a Stirling engine that generates a pressure difference of the working gas by repeating a compression process of compressing the working gas that has moved to the low temperature space,
The working gas includes a first working medium that is a non-condensable gas within a range of operating conditions, and a vapor of a second working medium in which a liquid phase and a gas phase coexist within a range of operating conditions,
Stirling characterized in that, in the heating process, the working gas that has passed through the regenerative heat exchange means from the low-temperature space is heated in contact with the liquid of the second working medium heated by an external heat source medium. Engine pressure difference generation method.
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