JPH0734966A - 液式スターリング機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】始動力を用いずとも液ピストン１７、液ピスト
ン２７を始動できる液式スターリング機関を提供するこ
と。 【構成】この機関は、シリンダ１、シリンダ２、出力シ
リンダ３、連通管４、蓄熱器５を備えている。連通管４
は高温空間１２と低温空間２２とを連通する。連通管４
は仮想水平線Ｈ１に対して角度θ傾斜している。蓄熱器
５は高温空間１２に接近している。ヒータ１９により加
熱された高温空間１２の作動ガスは高温となり対流によ
り上昇し、作動ガスは蓄熱器５に迅速に移行して奪熱さ
れて冷却されると共に圧力が低下し、その結果、作動ガ
スが収縮する。これに伴い液ピストン１７、液ピストン
２７が位相差をもって共に昇降し、出力シリンダ３の液
面も昇降する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液式スターリング機関に
関し、特に始動性を向上させた液式スターリング機関に
関する。

【０００２】

【従来の技術】液式スターリング機関として、図４に示
す様に、第１液室１０１及び作動ガスが封入された高温
空間１０２をもつ第１シリンダ１００と、第２液室２０
１及び作動ガスが封入された低温空間２０２もつ第２シ
リンダ２００と、第１室１０１に連通する出力シリンダ
３００と、高温空間１０２と低温空間２０２とを連通す
る連通管４００と、連通管４００に配設された蓄熱器５
００とで構成されたものが知られている。第１室１０１
と第２室２０１とは液連通路１０５を介して連通してい
る。第１液室１０１の液は第１液ピストン１０７とさ
れ、第２液室２０１の液は第２液ピストン２０７とされ
ている。また高温空間１０２の回りには高温空間１０２
の作動ガスを加熱するヒータ１０９が設けられ、低温空
間２０２の回りには放熱フィン２０９が設けられてい
る。

【０００３】この機関では、第１液ピストン１０７及び
第２液ピストン２０７が位相差をもって繰り返して上
昇、下降し、これに伴い出力シリンダ３００の液の液面
が繰り返して下降、上昇する。この様に出力シリンダ３
００の液面が繰り返して昇降するので、これを出力とし
て取り出す。この機関の駆動原理は次の様に考えられて
いる。即ち、ヒータ１０９で高温空間１０２を加熱して
いる状態で、始動力Ｆ１を出力シリンダ３００の液面に
負荷し、その液面を押し下げる。すると、液連通路１０
５の管路抵抗の関係で第１液ピストン１０７の液面は先
に上昇し、第２液ピストン２０７の液面は遅れて上昇
し、両者に位相差が生じる。このとき第１液ピストン１
０７の上昇に伴い、高温空間１０２の高温の作動ガスは
連通管４００のガス連通路４０２を通り蓄熱器５００に
送られる。そして、高温の作動ガスは蓄熱器５００で奪
熱されて冷却されると共に圧力が低下し、その結果、作
動ガスが収縮する。尚、ここで、作動ガスは収縮により
温度が上昇する虞があるが、そこで発生する熱が放熱フ
ィン２０９に放熱される為、作動ガスの温度が上昇する
のが防がれる。これに伴い、第１液ピストン１０７の液
面及び第２液ピストン２０７の液面が共に上昇し、出力
シリンダ３００の液面が下降する。

【０００４】次に重力の関係で第１液ピストン１０７と
第２液ピストン２０７の液面が同じ高さとなろうとする
ため、その際の反動で、第２液ピストン２０７の液面が
第１液ピストン１０７の液面よりも高くなる。これに伴
い作動ガスは蓄熱器５００を経て高温空間１０２側に移
行し、蓄熱器５００から熱を奪い、加熱されると共に圧
力が上昇し、その結果、作動ガスが膨張する。尚、ここ
で、作動ガスは膨張により温度が低下しようとするが、
ヒータ１０９で加熱される為、作動ガスの温度が低下す
るのが防がれる。これにより第１液ピストン１０７及び
第２液ピストン２０７の液面が共に位相差をもって下降
し、出力シリンダ３００の液面が上昇する。これが繰り
返される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記した液式
スターリング機関では、始動の際には、始動力Ｆ１で出
力シリンダ３００の液面を押し下げる操作を加える必要
がある。出力シリンダ３００の液面を押し下げる操作を
加えない限り、ヒータ１０９で加熱し続けても液式スタ
ーリング機関は実際に始動しない。

【０００６】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、その目的は、始動力Ｆ１を用いずとも、あるい
は、より一層小さな始動力Ｆ１で始動でき、始動性を改
善できる液式スターリング機関を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は液式スターリ
ング機関の始動性について鋭意開発を進めた。そして、
連通管の長さ方向における中央よりも高温空間側に寄せ
て蓄熱器を配置する第１の手段と、連通管のうち少なく
とも高温空間と蓄熱器との間の管部分を、高温空間から
蓄熱器に向かうにつれて上昇傾斜させる第２の手段とを
併用すれば、始動力Ｆ１を用いずとも、あるいは、より
一層小さな始動力Ｆ１で、高温空間の加熱により液式ス
ターリング機関を始動できることを知見し、試験で確認
し、本発明を完成させたものである。

【０００８】始動性が改善される理由は必ずしも明らか
ではないが、蓄熱器が高温空間に接近しており、かつ連
通管が高温空間から蓄熱器に向かうにつれて上昇傾斜し
ているので、高温空間で加熱された作動ガスが冷えるこ
となく、対流により蓄熱器の高温側を迅速に温め、蓄熱
器内に温度勾配ができる。ここで、温度勾配のある空間
では、何処にでも存在するわずかな微振動でも、熱の速
やかな授受と収縮、膨張が起こり、さらに大きく移動す
る力が得られる。この自励振動により微振動が徐々に大
きくなり、液面を動かしているものと推察される。

【０００９】即ち、本発明の液式スターリング機関は、
液が貯溜される第１液室と、該第１液室の液面上方に形
成され作動ガスが封入される高温空間と、第１液室から
所定間隔隔てて配設され液連通路を介して第１室と連通
する第２液室と、第２液室の液面上方に形成され作動ガ
スが封入される低温空間とを有する基体と、第１液室と
第２液室の液面の動きに基づき出力を取り出す出力部
と、高温空間と低温空間とを連通するガス連通路をもつ
連通管と、連通管に配設され高温空間から低温空間に移
行する作動ガスの熱を奪う蓄熱器とで構成され、蓄熱器
は、連通管の長さ方向における中央よりも高温空間側に
寄せて配置されており、連通管のうち少なくとも高温空
間と蓄熱器との間の管部分は、高温空間から蓄熱器に向
かうにつれて上昇傾斜していることを特徴とするもので
ある。

【００１０】なお高温空間とは、内部の作動ガスが加熱
手段で加熱される空間という意味である。低温空間とは
高温空間よりも低温の空間であるという意味である。

【００１１】

【作用】本発明の液式スターリング機関では、従来と同
様に第１液室の液面及び第２液室の液面が位相差をもっ
て繰り返して昇降し、これに伴い出力部から出力が取り
出される。本発明の液式スターリング機関では、始動力
を用いずとも、あるいは、より一層小さな始動力で、液
式スターリング機関は始動される。始動性が改善される
理由は、蓄熱器が高温空間に接近しており、かつ連通管
のうち少なくとも高温空間と蓄熱器との間の部分が蓄熱
器に向かうにつれて上昇傾斜しているので、高温空間で
加熱された作動ガスが冷えることなく、対流により蓄熱
器の高温側を迅速に温め、蓄熱器内に温度勾配ができ
る。ここで、温度勾配のある空間では、何処にでも存在
するわずかな微振動でも、熱の速やかな授受と収縮、膨
張が起こり、さらに大きく移動する力が得られる。この
自励振動により微振動が徐々に大きくなり、液面を動か
しているものと推察される。

【００１２】

【実施例】本発明の液式スターリング機関の実施例を図
１を参照しつつ説明する。この液式スターリング機関
は、基体としての縦型の第１シリンダ１及び第２シリン
ダ２と、出力部としての縦型の出力シリンダ３と、連通
管４と、蓄熱器５とで構成されている。

【００１３】第１シリンダ１は、液が貯溜された第１液
室１１と、第１液室１１の液面上方に作動ガス（不使用
時のガス圧は常温で１気圧）が封入された高温空間１２
とを備えている。第１液室１１の液により第１液ピスト
ン１７が形成される。液としては水が採用されている
が、これに限られるものではない。また作動ガスとして
は空気が採用されているが、ヘリウムとしても良い。高
温空間１２の回りにはコイル状の電気式のヒータ１９が
配置されている。

【００１４】第２シリンダ２は、第１シリンダ１と所定
間隔を隔てて配設されている。第２シリンダ２は液が貯
溜された第２液室２１と、第２液室２１の液面上方に作
動ガスが封入された低温空間２２とを備えている。第２
液室２１の液により第２液ピストン２７が形成される。
低温空間２２の回りには放熱フィン２９が配置されてい
る。第２液室２１の底部と第１室１１の底部とは液連通
路１５を介して連通している。出力シリンダ３は連設部
３ｃを介して液連通路１５に連通している。

【００１５】連通管４の一端部４ａは第１シリンダ１の
高温空間１２側に連設され、連通管４の他端部４ｂは第
２シリンダ２の低温空間２２側に連設されており、連通
管４のガス連通路４０により高温空間１２と低温空間２
２とは連通している。ここで連通管４の全体は仮想水平
線Ｈ１に対して傾斜角度θぶん傾いている。蓄熱器５は
多数のガス小通路を形成する金属繊維集合体や金属網体
等で形成されている。蓄熱器５は、連通管４の長さ方向
における中央よりも第１シリンダ１側つまり高温空間１
２側に接近させて配置されている。具体的には本実施例
では、第１シリンダ１の軸芯Ｐ１と第２シリンダ２の軸
芯Ｐ２との間の間隔Ｌ１は０．５〜３ｍ程度であり、連
通管４の軸芯方向における第１シリンダ１の軸芯Ｐ１と
蓄熱器５の端５ａとの間の間隔Ｌ２は３０〜３００ｍ
ｍ、特に５０〜１００ｍｍ程度に設定されている。

【００１６】この例の液式スターリング機関では、第１
液ピストン１７及び第２液ピストン２７が位相差をもっ
て繰り返して上昇、下降し、これに伴い出力シリンダ３
の液面も繰り返して下降、上昇し、これにより出力が取
り出される。この例では駆動の際にはヒータ１９を作動
させるだけであり、図４に示す従来機関で必要とされて
いた始動力Ｆ１を加える操作は必要ない。これは試験で
確認されている。

【００１７】この例では始動の原理は次の様に考えられ
ている。即ち、ヒータ１９により加熱された高温空間１
２の作動ガスは高温となり対流により上昇する。ここ
で、連通管４は高温空間１２から蓄熱器５に向かうにつ
れて上昇傾斜しており、かつ蓄熱器５は高温空間１２に
接近しているので、作動ガスは蓄熱器５に迅速に移行し
て奪熱されて冷却されると共に圧力が低下し、その結
果、作動ガスが収縮する。尚、ここで、作動ガスは収縮
により温度が上昇する恐れがあるが、そこで発生する熱
が放熱フィン２９に放熱される為、作動ガスの温度が上
昇するのが防がれる。これに伴い、第１液ピストン１７
の液面、第２液ピストン２７の液面が共に上昇し、出力
シリンダ３の液面が下降する。このとき液連通路１５の
管路抵抗により第１液ピストン１７の液面は先に上昇
し、第２液ピストン２７の液面は遅れて上昇する。即ち
第１液ピストン１７と第２液ピストン２７とで位相差が
生じる。次に重力の関係で第１液ピストン１７の液面と
第２液ピストン２７の液面とが同じになろうとし、その
反動で、第１液ピストン１７の液面よりも第２液ピスト
ン２７の液面が高くなる。これにより冷えた作動ガスは
蓄熱器５を経て高温空間１２に移行し、蓄熱器５から熱
を奪い、加熱されると共に圧力が上昇し、その結果、作
動ガスが膨張する。ここで、作動ガスは膨張により温度
が低下しようとするが、ヒータ１９で加熱される為、作
動ガスの温度が低下するのを防がれる。これに伴い第１
液ピストン１７の液面、第２液ピストン２７の液面が位
相差をもって共に下降し、出力シリンダ３の液面が上昇
する。これが繰り返される。

【００１８】以上説明した様に本実施例では、ヒータ１
９を作動させるだけで始動するものであり、これは試験
で確認されている。この様に本実施例では、図４に示す
従来機関で必要とされていた始動力Ｆ１を加える操作は
行わなくて済む。従って、始動性が改善される。なお本
実施例では、連通管４の傾斜角度θは、間隔Ｌ２の大き
さ、作動ガスの種類等に応じて適宜変更できるが、液が
水、作動ガスが空気の場合、２°以上で始動性改善効果
が発現することが試験で確認されている。

【００１９】更に本実施例では、作動ガスが蓄熱器５内
で水滴となっても、傾斜により自然に高温空間１２側に
落下または流下するので、蓄熱器５への水滴付着による
蓄熱機能の低下、腐食等を防止するのに有利である。 （他の例）図２に示す様に第１シリンダ１のうち高温空
間１２を区画する上壁面１２ｆ、１２ｉを、第２シリン
ダ２のうち低温空間２２を区画する上壁面２２ｆ、２２
ｉよりも縦向きとしても良い。このようにすれば、第１
シリンダ１の高温空間１２の作動ガスが対流により連通
管４のガス連通路４０に流入し易くなるので、高温空間
１２の作動ガスは蓄熱器５に一層迅速に到達できる。更
に、図３に示す様に第１シリンダ１の高温空間１２の作
動ガスが蓄熱器５に移行するまでの間に奪熱されること
を回避すべく、断熱材４９を配置することもできる。こ
のようにすれば、高温空間１２で加熱された高温の作動
ガスを、冷えるのを抑えつつ蓄熱器５に移行させるのに
有利である。

【００２０】図１に示す実施例では、連通管４全体が傾
斜しているが、場合によっては、連通管４のうち、蓄熱
器５と高温空間１２との間の管部分を、高温空間１から
２蓄熱器５に向かうにつれて上昇傾斜させると共に、蓄
熱器５と低温空間２２との間の管部分を、ほぼ水平にし
ても良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明の液式スターリング機関によれ
ば、蓄熱器は、連通管の長さ方向における中央よりも高
温空間側に寄せて配置されており、かつ、高温空間と低
温空間とを連通させる連通管は、少なくとも高温空間と
蓄熱器との間の管部分が蓄熱器に向かうにつれて上昇傾
斜している。そのため、始動の際には、図４に示す従来
機関で必要とされていた始動力Ｆ１を加える操作が不要
となるか、あるいは、より小さな始動力Ｆ１で始動でき
る。従って、始動性が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る液式スターリング機関の断面図で
ある。

【図２】他の例に係る液式スターリング機関の要部の断
面図である。

【図３】別の他の例に係る液式スターリング機関の要部
の断面図である。

【図４】従来に係る液式スターリング機関の断面図であ
る。

【符号の説明】

図中、１は第１シリンダ、１１は第１液室、１２は高温
空間、１７は第１液ピストン、１９はヒータ、２は第２
シリンダ、２１は第２液室、２２は低温空間、２７は第
２液ピストン、３は出力シリンダ、４は連通管、５は蓄
熱器を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液が貯溜される第１液室と、該第１液室の
   液面上方に形成され作動ガスが封入される高温空間と、
   該第１液室から所定間隔隔てて配設され液連通路を介し
   て該第１室と連通する第２液室と、該第２液室の液面上
   方に形成され作動ガスが封入される低温空間とを有する
   基体と、 該第１液室と該第２液室の液面の動きに基づき出力を取
   り出す出力部と、 該高温空間と該低温空間とを連通するガス連通路をもつ
   連通管と、 該連通管に配設され該高温空間から該低温空間に移行す
   る作動ガスの熱を奪う蓄熱器とで構成され、 該蓄熱器は、該連通管の長さ方向における中央よりも該
   高温空間側に寄せて配置されており、該連通管のうち少
   なくとも該高温空間と該蓄熱器との間の管部分は、該高
   温空間から該蓄熱器に向かうにつれて上昇傾斜している
   ことを特徴とする液式スターリング機関。