JP4828601B2 - スターリングエンジンアセンブリ及びアセンブリの組立方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、装着ブラケットと、装着ブラケットに対して取り付けられるバーナと、装着ブラケットに対して取り付けられ且つ使用時にバーナ内に位置されるヘッドを有するスターリングエンジンと、バーナとスターリングエンジンとの間の環状隙間をシールするための環状シール部材と、スターリングエンジンを取り囲み且つシール部材を冷却するように位置される冷却材チャンネルとを備えるスターリングエンジンアセンブリに関する。そのようなアセンブリは、以下、「記載された種類の」アセンブリと称する。

記載された種類のアセンブリは国際公開公報第０３／０９８０２５号に開示されている。これは、エンジンとバーナとの間の環状隙間をシールする方法に関する問題を扱っている。多くの検討材料がこのシールに対して適用される。エンジンはバーナハウジングおよび装着ブラケットに対して僅かに振動するため、シールは、この振動を周囲の構成要素へ、例えば装着ポイント、筐体またはケーシングへ伝えないように構成されていなければならない。また、バーナとシールとの間の近接性を考慮して、シールは、劣化することなく高温に耐えることができなければならない。国際公開公報第０３／０９８０２５号は、これらの問題を、フレキシブルシールを設け且つシールへの熱伝達を減らすためにバーナとシールとの間に冷却回路を位置させることによって解決している。この構造は、シールが晒される温度を下げ、これにより、従来のシール材料の使用を可能にする。

本発明は、このアセンブリの様々な改良に関するものである。

本発明の第１の態様によれば、記載された種類のアセンブリは、冷却材チャンネルが、その上側の面が開放された環状チャンネル部材を備え、環状チャンネル部材が装着ブラケットに固定され、それにより、装着ブラケットが、チャンネル部材をシールするとともに、当該チャンネル部材と共に冷却材チャンネルを形成することを特徴とする。

国際公開公報第０３／０９８０２５号において、冷却材チャンネルは、その下面が開放し且つシール部材を用いて環状プレートに対してボルト締結されたチャンネル部材によって形成されており、シール部材はこれら２つの構成要素間に挟まれて冷却材チャンネルをシールしていた。環状チャンネルを装着ブラケットに対して直接に固定してシールされたチャンネルを形成することにより、チャンネルの構造が簡略化される。

環状チャンネル部材は永久（すなわち、不可逆的な）固定によって装着ブラケットに対して固定されることが好ましい。これは、蝋付け結合または溶接結合などの溶融結合であることが好ましい。溶融結合を行なうことにより、チャンネルをシールするための別個のシール部材が不要となり、これにより、アセンブリが更に簡略化される。また、永久固定は、エンジンから周囲の構成要素／環境へのノイズおよび振動の伝達を防止するのに更に有効な、より硬質なブラケットを提供する。

本発明の第２の態様によれば、記載された種類のアセンブリは、冷却材チャンネルが、その径方向の最も内側の縁部に、上方に延びる環状フランジを有し、当該フランジが、装着ブラケットの中心開口内で上方へ延びて、バーナと装着ブラケットとの間の界面をシールドすることを特徴とする。

このフランジは、バーナと装着ブラケットとの間の界面を、バーナからの放射熱から保護する。したがって、装着ブラケットとバーナとの間にガスケットなどの別個のシール部材が必要とされる場合には、この構成要素が耐えるようになっていなければならない温度が減少され、それにより、安価な材料を使用できる。また、フランジが冷却材チャンネルから延びているため、バーナからフランジへと放射される熱がチャンネル内の冷却材によって容易に連れ出され、それにより、周囲へと失われる熱が減少される。

本発明の第３の態様によれば、記載された種類のアセンブリは、冷却材チャンネルの下側領域から環状リップが延び、シール部材の下側部分がエンジンに対してシールし、シール部材の上側部分が環状リップの周囲に取り付けられてバーナに対してシールすることを特徴とする。

このリップは、エンジンとバーナとの間で確実なシールを形成するのを助ける。

環状リップは、上方に延びるとともに、エンジンに向けて後方に傾けられていることが好ましい。また、環状リップは、径方向外側に延びる部分で終端していることが好ましい。

アセンブリは、シールの上側部分を取り囲んで環状リップとの間で上記上側部分をクランプする上側クランプバンドを更に備えていることが好ましい。代替として、或いは、好ましくはこれに加えて、アセンブリは、ヘッドの下側のエンジンに対して固定される環状プレートと、シールの下側部分を取り囲んで環状プレートとの間で上記下側部分をクランプする下側クランプバンドとを更に備えている。これにより、簡単で且つ確実なシール構造が提供される。

環状リップは、冷却材チャンネルの一体部分であってもよいが、冷却材チャンネルに対して固定される別個の構成要素であることが好ましい。

本発明の第４の態様によれば、装着ブラケットと、装着ブラケットに対して取り付けられるバーナと、使用時にバーナ内に位置されるヘッドを有するスターリングエンジンとを備えるスターリングエンジンアセンブリの組立方法であって、バーナの下側のブラケットに対して冷却材チャンネルを固定するステップと、その後にチャンネルとエンジンとの間にフレキシブルシールを固定するステップとを備える、方法が提供される。

国際公開公報第０３／０９８０２５号において、エンジンモジュールは、冷却材チャンネルおよびシールがエンジンに対して予め組み付けられた状態で組み立てられる。このモジュールは、その後、エンジン装着ブラケットに対して別個に取り付けられる。シールがチャンネルに取り付けられる前にブラケットに対して冷却材チャンネルを取り付けると、組み立て作業が大きく簡略化される。これは、エンジンまたはシールによって妨げられることなくチャンネルを所定位置に固定できるからである。

フレキシブルシールは、エンジンに対して固定される前にチャンネルに対して固定されることが好ましい。これにより、シールをチャンネルに対して予め組み付けることができる。この場合、シールは、スターリングエンジンのヘッドがバーナ内に挿入される前にチャンネルに対して固定されることが好ましい。そのような構成において、バーナ、ブラケット、チャンネルおよびシールは、第１のサブアセンブリとして組み付けることができる。その後、エンジンをその作動位置へと挿入することができるとともに、シールをエンジンに対して取り付けるだけでシールを完了させることができる。

本発明の第１の態様に関連して説明したように、冷却材チャンネルは、溶融結合によって、例えば溶接または蝋付けによってブラケットに取り外し不能に装着されることが好ましい。また、本発明の第２の態様に関連して説明したように、冷却材チャンネルには上方に延びるフランジが設けられていることが好ましく、また、本発明の第３の態様に関連して説明したように、冷却材チャンネルには上方に延びる環状リップおよびクランプバンドが設けられていることが好ましい。

なお、本発明の４つの全ての態様は互いに独立に使用されてもよいが、本発明の２つ以上の態様が組み合わされてもよい。

ここで、添付図面を参照して、本発明の様々な態様の実施形態について説明する。

スターリングエンジンアセブリの全体の構成は、例えば国際公開公報第０３／０９８０２５号に記載されているため、ここでは更に詳しく説明しない。

本発明は専らスターリングエンジンとバーナとの間の界面に関するものであり、これについて図１を参照して説明する。この図は、主軸１Ａに中心付けられるスターリングエンジン１を示している。図１には、スターリングエンジン、バーナおよびシールの右側だけが示されている。これは、左側が単に鏡像だからである。

アセンブリの基本的な構成要素は、スターリングエンジン１、エンジンヘッドを取り囲むバーナ２、その上にバーナ２が装着される装着ブラケット３、ブラケット３の下面に装着された冷却材チャンネル４、フレキシブルシール５であり、フレキシブルシール５は、バーナ２とスターリングエンジン１との間の界面をシールして、バーナガスがエンジンの周囲および周囲空気中へ逃げるのを防止する。バーナからの熱が下方へ移動するのを妨げるため、断熱材の環状ブロック６が設けられている。

スターリングエンジン１は、国際公開公報第０３／０４２５６６号に記載されるように複数のスプリング上に装着されており、図２に示されるように複数のエンジンサスペンションポイント７を有している。

あるいは、エンジンは、別個の構成要素から懸架されてもよい。本発明は、エンジンサスペンションの正にその本質に関するものではないため、ここではそれについて詳しく説明しない。エンジンの振動を減少させるために例えば国際公開公報第０３／０４２５６６号に開示された手段にもかかわらず、必然的に、エンジン１が装着ブラケット３に対してある程度振動してしまうと言えば十分である。これは、フレキシブルシール５が設けられているからである。

動作時、ガスと空気との混合物が入口チャンネル８に沿ってバーナ２へ供給される。この混合物は、図１に示されていない復熱装置９の上部内でエンジンから放出される排ガスと熱接触する際に復熱装置９内で予熱される。ガスがバーナ２で点火されるとともに、高温燃焼ガスが複数のフィン１０へと方向付けられ、それにより、スターリングエンジンヘッドが加熱されるとともに、スターリングエンジンは当分野において既知のように動作できる。

エンジンは、高温ガスの大部分が排気通路１１に沿って流出するように設計されており、これにより、熱が回収されて流入ガス／空気が予熱されるとともに、暖房及び温水暖房が行なわれる。しかしながら、この熱の僅かな割合の部分は、必然的に、伝導、対流、放射により、バーナ２とエンジン１との間のシール５に向かって下方へ移動する。

シール５が晒される温度を最小限に抑えるために多くの手段がとられてきた。第１に、図１から分かるように、シール５はバーナ２からある距離だけ離れて位置されており、また、バーナ２からシール５までの通路は曲がりくねっている。第２に、バーナ５はその外面が周囲環境に対して開放する領域に位置されており、それにより、特定量の空気がシールを冷却することができる。第３に、断熱材の環状ブロックは、シールの方向での伝導熱流をかなり減少させる。また、ブロック６は、任意のバーナガスのための曲がりくねった通路を形成するエンジンとバーナとの間の物理的空間の殆どを占めており、これにより、対流熱流が減少される。しかしながら、ブロック６は、周囲のハウジングに非常に近接して近づくことができず、すなわち、エンジンが振動する際にハウジングと接触し、それにより、エンジンの外部にあるケーシングへの不必要な振動伝達が生じることは言うまでもない。最後に、冷却材チャンネル４は、ヘッドの周囲で冷却材流を循環させるとともに、バーナ２とエンジン１との間で物理的に離間される。

当分野において周知のように、エンジンから熱を引き出して熱サイクルを作用させることができるようにするために、スターリングエンジンの中心部の周囲には別個のエンジン冷却回路が設けられている。冷却材チャンネル４を通じて循環される水は、このエンジン冷却回路に対して直列に或いは並列に接続されることが好ましい。あるいは、完全に別個の冷却材が使用されてもよい。

これまで説明したように、エンジンについては国際公開公報第０３／０９８０２５号に十分に記載されている。

ここで、本発明の新規なアセンブリ、方法および新規な特徴について説明する。

アセンブリは、２つの主要なサブアセンブリ、すなわち、ブラケットサブアセンブリとエンジンサブアセンブリとから成っている。ブラケットサブアセンブリは図２に示されている。エンジン装着ブラケット３は、スチールプレートからプレス加工され、図２に示されるような３Ｄ形状を形成するように折り曲げられる。あるいは、ブラケット側面が別個にプレス加工されてブラケットの上端に蝋付け或いは溶接されてもよい。このブラケットは、その後、国際公開公報第０４／１０１９８２号に記載されるようにルームシールボックスに対して固定される。ブラケット３は、２つの下方に延びる独立のサイド支持部材１５を有するエンジン／バーナ支持面１４を備えており、支持面１４の後縁からは一対の装着タブ１６が上方へ突出し、各タブは補強リブ１７を連ね、その下面が支持面１４と接触している。前述したように、支持面１４は複数のエンジンサスペンションポイント７を有しており、これらのエンジンサスペンションポイント７からエンジンが装着される。また、支持面には、後述するバーナモジュールのための多数の装着スタッド１８が設けられている。これらのスタッド１８は、ブラケットの穴に押し通されて所定位置で溶接される。

この支持面１４には冷却材出口オリフィス１９も設けられており、このオリフィス１９についても以下で更に詳しく説明する。装着ブラケット３は、中心オリフィス２２を取り囲む下方に延在する環状リップ２１を有している。

冷却材チャンネル部材２４には、連続環状ダクト２５と、冷却材入口２６と、冷却材出口２７とが形成されている（例えば鋳造）。水が入口２６に入って環状ダクト２５を周回して出口２７を通じて出るように、入口と出口との間には、環状ダクト２５を横切って仕切り（図示せず）が位置される。入口ダクト２８が入口２６に対して固定されるとともに、出口２７が装着ブラケットの出口オリフィス１９と位置合わせされる。出口ダクト（図示せず）は、冷却水をシールから離れるように運ぶために、冷却材出口オリフィス１９に対してシールされる。

冷却チャンネル部材２４の断面形状は図１に更に詳しく示されている。チャンネルは略Ｕ字形状の断面を有している。チャンネルには、径方向の最も内側の縁部に、上方に延びる環状フランジ２９が設けられており、この環状フランジ２９は、図１に示されるようにチャンネルの内壁から径方向内側にオフセットされている。チャンネルは、その径方向の最も外側の縁部では、径方向に延びるフランジ３０で終端している。チャンネルの最下端にある径方向最も外側の角部には凹部３１が設けられている。

冷却材チャンネル部材２４をブラケット３に対して取り付けるため、これらの２つの構成要素が図１に示される位置で互いに合わせられる。この構造において、ブラケット３の下方に延びる環状リップ２１は、チャンネル４の径方向最も内側の面の内面の上部に当接し、一方、チャンネルの径方向に延びるフランジ３０は、装着ブラケット３の下面に当接する。これらの両方の接触領域は溶接され或いは蝋付けされ、それにより、冷却材チャンネル部材がブラケット３に対して固定されるとともに、シールされた冷却材チャンネル４が提供される。

図１から分かるように、これは、最小の構成要素を必要とし且つ国際公開公報第０３／０９８０２５号の別個のシール部材を何ら必要としない冷却材チャンネル形成方法を提供する。また、溶接され或いは蝋付けされたチャンネル部材２４は、装着ブラケット３を補強するのに役立つ。

チャンネル４の下面にはシール装着リップ３２が（例えば、蝋付け或いはスポット溶接によって）取り付けられている。シール装着リップは、その径方向最も外側の縁部に直立リップ３３を有する平坦な環状構造を成している。リップ３３は、冷却材チャンネル部材２４に対して取り付けられると、図１に示されるように凹部３１内へと上方に向けて延びる。したがって、装着ブラケット３、チャンネル部材２４およびシールリップ３２は単一の硬質アセンブリを形成する。これらの構成要素は全て、放っておけば起こり得る任意の電食問題を排除するために同じ材料（例えば、耐食性３０４ステンレススチールなどのステンレススチール）から形成されることが好ましい。

これらの構成要素が組み付けられると、このアセンブリに対してフレキシブルシール５が取り付けられる。フレキシブルシールは、ポリマーから形成されており、図１に示される断面を有して図２に示される環状構造を成している。シールの最上部４０は、径方向内側に延びるとともに、下方に延びる部分で終端しており、シール装着リップ３２のリップ３３を乗り越えて図１に示される所定位置に取り付けられている。その後、シールは、上側スチールクランプバンド４１によって所定位置に固定される。

ここで、図１を参照してエンジンアセンブリについて説明する。フィン１０がヘッドに対して蝋付けされると同時に、環状構造を有する内側バーナシールプレート５０がエンジンケーシング５２に対して蝋付けされる。その後、同様に環状構造を有する外側バーナシールプレート５３が、フィン１０を通り過ぎて、蝋付け、溶接、半田付け或いはボルトとガスケットとの組み合わせによって内側バーナシールプレート５０に対して所定位置に固定される。バーナシールプレートのこの２部品構造は、蝋付けプロセス中のプレート歪みを防止する。しかしながら、蝋付けプロセスを更に注意深く制御することにより、単一のバーナシールプレートを使用することができる。

バーナモジュール５５（バーナ２と、復熱装置９と、下側装着フランジ５６とから成る）を装着ブラケット３に対して固定するため、バーナモジュールは、装着スタッド１８が装着フランジ５６の対応する穴を貫通して突出するように装着ブラケット３上に配置される。ガスケット６０は、装着ブラケット３とバーナモジュール５５との間の界面をシールする。バーナモジュールは、各スタッド１８上のナット６１によって所定位置に固定される。図１から分かるように、冷却材チャンネル４から上方へ延びる環状フランジ２９はガスケット６０を効果的に覆い、それにより、バーナ２から放射される熱からガスケットを保護する。

システム全体の組み立てを完了するため、装着ブラケット３（または、取り付けられた或いはその後のステップで取り付けられるバーナモジュールと共に）がエンジン１上に配置される。その後、エンジンは、スプリング（図示せず）によってエンジンサスペンションポイント７でブラケット３から懸架される。その後、フレキシブルシール５の下側部分６２が外側バーナシールプレート５３の最外部に対して取り付けられる。外側バーナシールプレートは、その外縁において、下方延在部６３へと延びるとともに、径方向外側に延びる部分６４で終端している。下側クランプバンド６５は、下方延在部６３に対してシールを強固に保持する。図１から分かるように、シールの最下縁は、径方向外側に延びる部分６４の周囲で延びている。

内側および外側バーナシールプレート５０，５３間での任意の高温ガスの漏れを検知するために漏れ検出が行なわれる。この漏れ検出は、外側エンジンシールプレート５３の裏面上の簡単なバイメタル温度スイッチによって行なわれる。漏れが存在しない場合には、高温ガスが追従できる流れ経路がこの接合部を介して存在しないため、温度は比較的低い。漏れが生じる場合には、高温ガスがバーナから流下し、それにより、プレート５３の下側の温度が上がる。その結果、バイメタルスイッチが作動し、それにより、警告がなされ、あるいは、エンジンが自動的に止まる。

シールの第２の実施形態が図３に示されている。同様の構成要素は、図１に関して使用された同じ参照符号で特定されている。直ぐに分かるように、この実施形態は、多くの共通の特徴を図１の実施形態と共有しており、ここでは違いのみについて説明する。

シール装着リップ３２は異なる構造を有している。上方延在部７０は、チャンネル４に向かって上方に延びるとともに、僅かな角度（例えば、５度）だけエンジンに向けて傾けられている。これは、シールの滑りを減少させる非垂直面を与える。プレート３２は、シールを支持するのに役立つ径方向外側に延びる環状フランジ７１で終端している。クランプリング４１は、第１の実施形態と同様の方法で装着リップ３２に対してシールを保持する。クランプバンド４１を収容するためにシールには凹部７２が設けられている。

同様の傾斜面７３がシールプレート５３に設けられるとともに、同様の凹部７４がシールの下部に設けられている。

冷却チャンネルの下面の周囲には、シール装着リップ３２の対応する窪みと嵌合する多数（例えば３つ）の窪み７５が設けられており、これにより、エンジンが冷却チャンネル内で同心的に装着される。シール５は、エンジンカラーとバーナ／復熱装置との間の単なる物理的リンクであり、そのため、任意の位置ずれにより、構成要素間に不均一な周方向クリアランスが生じ、それにより、動作中に接触する可能性がある。

環状フランジ２９は、図１の対応するフランジ２９ほどは上方へ延びていない。フランジ２９は依然としてガスケット６０をシールドしているが、図１の場合よりも低い度合いでシールドしている。この場合、シールドの減少を補償するために、ガスケット６０は、先の実施形態のセラミックの代わりにニッケルグラファイトであってもよい。

スターリングエンジンヘッドと、バーナと、冷却材チャンネルと、装着ブラケットと、フレキシブルシールとから成る部品の断面である。 装着ブラケットと、冷却材チャンネルと、フレキシブルシールとを示す分解斜視図である。 シールアセンブリの第２の実施形態の断面である。

Claims (7)

1. 装着ブラケットと、
   前記装着ブラケットに対して取り付けられるバーナと、
   前記装着ブラケットに対して取り付けられ且つ使用時に前記バーナ内に位置されるヘッドを有するスターリングエンジンと、
   前記バーナと前記スターリングエンジンとの間の環状隙間をシールするための環状シール部材と、
   前記スターリングエンジンを取り囲み且つ前記シール部材を冷却するように位置される冷却材チャンネルと
   を備えるスターリングエンジンアセンブリにおいて、
   前記冷却材チャンネルが、その上側の面が開放された環状チャンネル部材を備え、前記環状チャンネル部材が前記装着ブラケットに固定され、それにより、前記装着ブラケットが、前記チャンネル部材をシールするとともに、当該チャンネル部材と共に前記冷却材チャンネルを形成することを特徴とするスターリングエンジンアセンブリ。
2. 前記環状チャンネル部材が永久固定によって前記装着ブラケットに対して固定される、
   請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記永久固定が溶融結合である、請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記装着ブラケットおよび前記チャンネル部材が同じ材料から形成されている、請求項
   １〜３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
5. 前記冷却材チャンネルが、その径方向の最も内側の縁部に、上方に延びる環状フランジ
   を有し、当該フランジが、前記装着ブラケットの中心開口内で上方へ延びて、前記バーナと前記装着ブラケットとの間の界面をシールドする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
6. 装着ブラケットと、
   前記装着ブラケットに対して取り付けられるバーナと、
   前記装着ブラケットに対して取り付けられ且つ使用時に前記バーナ内に位置されるヘッドを有するスターリングエンジンと、
   前記バーナと前記スターリングエンジンとの間の環状隙間をシールするための環状シール部材と、
   前記スターリングエンジンを取り囲み且つ前記シール部材を冷却するように位置される冷却材チャンネルと
   を備えるスターリングエンジンアセンブリにおいて、
   前記冷却材チャンネルが、その径方向の最も内側の縁部に、上方に延びる環状フランジを有し、当該フランジが、前記装着ブラケットの中心開口内で上方へ延びて、前記バーナと前記装着ブラケットとの間の界面をシールドすることを特徴とするスターリングエンジンアセンブリ。
7. 前記装着ブラケットおよび前記冷却材チャンネルが同じ材料から形成されている、請求
   項６に記載のアセンブリ。

Images