JPH0734967A - スターリング機関用加熱器及びスターリング機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】太陽光、赤外線ランプ等で加熱する受光面７２
をもつ蓄熱盤７１とフィン群７５を用い、作動ガスの加
熱の効率を向上させ得ること。 【構成】スターリング機関の加熱器７では、お碗状の殻
体７０内に配置された蓄熱盤７１は、耐熱ガラス盤７６
を介して太陽光を受ける受光面７２と、作動ガスに対面
する伝熱面７３とをもつ。伝熱面７３にはフィン群７５
が固定されている。フィン群７５の各フィンは半円形状
をなし、略均等間隔で並設されている。フィン群７５の
切欠９３、９５は作動ガスの通路４ｃ、４ａの開口に対
面している。蓄熱盤７１は高温空間の軸芯Ｐ１に対して
傾斜し、低温空間に連設された通路４ｃの軸芯Ｐ３に対
して傾斜し、よって通路４ｃを流れる作動ガスは伝熱面
７３に衝突し易い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスターリング機関用加熱
器及びスターリング機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリング機関として、高温空間と、
低温空間と、高温空間と低温空間とを連通する連通路
と、連通路に配設された加熱器とを備え、高温空間及び
低温空間に作動ガスを封入すると共に、高温空間の作動
ガスを電気式ヒータで加熱するものが知られている。

【０００３】ところで上記したスターリング機関では、
高温空間の作動ガスを加熱するためのヒータは電気式の
ため電気機器を必要とする。更に電気式ヒータを備えた
スターリング機関を屋外に設置することは、給電の関係
等で困難である。ヒータをガス式とした場合にも、ガス
ボンベを必要とする。また電気式ヒータの場合には漏
電、ガス式ヒータの場合にはガス洩れ等のおそれがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本出願人は太
陽光や赤外線ランプの光等を利用して蓄熱盤を加熱し、
この蓄熱盤を利用して作動ガスの加熱を行う方式を新た
に着想した。しかしこの方式だけでは、作動ガスの加熱
効率は充分ではない。また本出願人は光加熱式の蓄熱盤
を用いたスターリング機関のみならず、電気式ヒータや
ガス式ヒータで加熱した蓄熱盤を用いたスターリング機
関においても、作動ガスの加熱を一層効率良くできる方
式について開発を進めた。

【０００５】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、請求項１及び請求項２は、蓄熱盤を利用して作
動ガスの加熱の効率を向上させ得ることを共通の解決課
題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るスターリ
ング機関用加熱器は、スターリング機関の作動ガスの加
熱を行うものであり、作動ガスに対面する内壁面で区画
された室をもつ殻体と、殻体に保持され光を受ける受光
面をもち受光に伴い加熱される蓄熱盤と、蓄熱盤のうち
受光面以外の面に立設されると共に殻体の室に配置さ
れ、室の作動ガスを加熱する多数個のフィンからなるフ
ィン群とで構成されていることを特徴とするものであ
る。殻体は加熱器を保持する部位であり、高温空間を形
成するシリンダとは別体であっても、このシリンダの一
部で形成しても良い。フィンの形態は平板状であるが、
場合によっては突起状でも良い。蓄熱盤は熱伝導率、比
熱等を考慮して選択する。蓄熱盤は金属で形成しても良
いし、或いは、金属体と金属体に収納された蓄熱性に富
む蓄熱剤とで形成しても良い。

【０００７】請求項２に係るスターリング機関は、作動
ガスが封入される高温空間及び低温空間と、高温空間と
低温空間とを連通すると共に高温空間の軸芯と交差する
向きの中間通路をもつ連通路とを備えた基体と、基体に
配置され作動に伴い連通路を介して高温空間と低温空間
との間で作動ガスを移行させるピストンと、連通路内に
配置され連通路を流れる作動ガスの加熱を行う加熱器と
を具備するスターリング機関において、加熱器は、連通
路の中間通路と高温空間との間に配置され、作動ガスに
対面すると共に中間通路及び高温空間の双方の軸芯に対
して傾斜した伝熱面を備えた蓄熱盤をもつことを特徴と
するものである。この蓄熱盤を加熱する方式は特に限定
されず、受光で加熱する方式でも、電気ヒータで加熱す
る方式でも、ガスで加熱する方式でも良い。この蓄熱盤
の伝熱面にはフィンを立設させたり、場合によっては、
作動ガスが通過する金属繊維の集合体を接触させても良
い。

【０００８】

【作用】請求項１に係る液式スターリング機関用加熱器
では、太陽光や赤外線等の光エネルギを蓄熱盤の受光面
が受けると蓄熱盤が加熱される。作動ガスはフィンから
蓄熱盤の熱を受け、作動ガスは加熱される。フィンは表
面積が大きいので、フィンを介しての作動ガスの加熱が
良好となる。

【０００９】請求項２に係るスターリング機関では、ピ
ストンの作動に伴い作動ガスは連通路を介して高温空間
と低温空間との間を移行する。この場合、加熱器の蓄熱
盤の伝熱面は、中間通路及び高温空間の双方の軸芯に対
して傾斜している。そのため、高温空間から中間通路に
移行する作動ガスは、伝熱面に衝突し易くなる。逆に中
間通路から高温空間に移行する作動ガスも、伝熱面に衝
突し易くなる。そのため、作動ガスの加熱が良好とな
る。

【００１０】

【実施例】本発明を液式スターリング機関に適用した実
施例について、図１〜図６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、縦型の出力シリンダ３
と、連通路４と、蓄熱器５とで構成されている。

【００１１】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
時において圧力は常温で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。

【００１２】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。
第２液室２１の底部と第１室１１の底部とは液連通路１
５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。

【００１３】連通路４はコの字形状をなしており、高温
空間１２に接続された縦向きの第１通路４ａ、低温空間
２２に接続された第２通路４ｂと、ほぼ水平方向にのび
る横型の中間通路４ｃとを備えている。連通路４により
高温空間１２と低温空間２２とは連通している。図１か
ら理解できる様に中間通路４ｃの軸芯Ｐ３は、高温空間
１２の軸芯Ｐ１とほぼ直交して交差する向きに配置され
ている。更に中間通路４ｃには蓄熱器５が配置されてい
る。蓄熱器５は、多数のガス通路を形成した金属繊維集
合体あるいは金属網体で形成されている。

【００１４】さて要部を説明する。加熱器７は中間通路
４ｃと高温空間１２との間に配置されている。加熱器７
の内部は図２に示されている。図２から理解できる様
に、ほぼお碗形状の外観をもつ殻体７０を用いると共
に、比較的厚肉の銅製の蓄熱盤７１を用いる。蓄熱盤７
１の片側の面は受光面７２とされ、蓄熱盤７１の反対側
の面は伝熱面７３とされている。蓄熱盤７１の伝熱面７
３には多数個の銅製のフィンをそれぞれほぼ平行に立設
してフィン群７５が装備されている。各フィンは圧力損
失を低減すべく作動ガスの流れと略平行にされている。
そして図２に示す様に、その蓄熱盤７１の縁部を殻体７
０の取付部に被着すると共に、透光性をもつ耐熱ガラス
盤７６の縁部を耐熱シール７０ｆを介して被着し、更に
開口７８ｍをもつ外枠７８を耐熱シール７０ｈを介して
被着し、ボルト７９を殻体７０の螺孔７０ｘに締付け、
これにより加熱器７が形成されている。この様に耐熱シ
ール７０ｆ、７０ｈでシールされているので、作動ガス
の漏れ、殻体７０内の熱の漏れを回避できると共に、雨
水がかかる屋外に設置するのにも有利となる。

【００１５】この加熱器７では、殻体７０の内壁面で区
画された室７０ｙは、連通路４及び高温空間１２に連通
している。また蓄熱盤７１、特に受光面７２は光の反射
を防止して光吸収性を確保すべく黒色に着色されてお
り、蓄熱盤７１の加熱性が向上している。更に本実施例
では図１や図２から理解できる様に、蓄熱盤７１の伝熱
面７３は、高温空間１２の軸芯Ｐ１及び中間通路４ｃの
軸芯Ｐ３に対して略４５度で傾斜している。従って、第
１通路４ａから矢印Ｅ１方向に移行する作動ガスは蓄熱
盤７１の伝熱面７３に衝突し易くなる。また中間通路４
ｃから矢印Ｅ２方向に移行する作動ガスも蓄熱盤７１の
伝熱面７３に衝突し易くなる。即ち、蓄熱盤７１の伝熱
面７３を利用した加熱効率が向上する。

【００１６】本実施例では図２から理解できる様に、蓄
熱盤７１の受光面７２も同様に傾斜している。従って赤
外線ランプ９１を斜めに配置し、赤外線ランプ９１の照
射面９１ｔを受光面７２に対向させる。また太陽光は一
般的に斜めから投射されるので、屋外に設置して太陽光
の受光で蓄熱盤７１を加熱するのに適する。さて図２、
図３から理解できる様に、前記した加熱器７のフィン群
７５のフィンはそれぞれほぼ半円形状をなしており、略
均等間隔で並設されている。図３から理解できる様にフ
ィン群７５のフィンは、並設方向つまり矢印Ｘ１方向に
おける中央域に向かうにつれて径大とされている。従っ
て矢印Ｘ１方向における端側のフィン７５ａは最も径小
であり、フィン７５ｂ、フィン７５ｃ、フィン７５ｄ〜
と中央に配置されるにつれて径が順次大きくなる。

【００１７】更に図３に示す様に、フィン群７５のうち
幅方向の端には切欠９３が形成されている。図２に示す
様に切欠９３は、中間通路４ｃの端部開口４ｉに対面し
ている。ここで、中間通路４ｃの端部開口４ｉから矢印
Ｅ２方向に殻体７０内に移行した作動ガスは、切欠９３
のため、図３に示す矢印Ｘ１方向に分散するのが容易と
なり、従ってフィン群７５を構成する各フィンにむらな
く作動ガスを接触させ得、しかも切欠９３のため空間容
積が確保されるので、作動ガスの速度が低下する。その
ため、作動ガスと各フィンとの間の加熱時間が確保さ
れ、加熱に有利となる。

【００１８】同様に図２に示す様にフィン群７５のう
ち、第１通路４ａの端部開口４ｋに対面する領域にも切
欠９５が形成されており、第１通路４ａから矢印Ｅ１方
向に殻体７０内に移行する作動ガスに対しても、同様な
効果が期待できる。更に本実施例では、図６に示す様に
中間通路４ｃの端部開口４ｉ、第１通路４ａの端部開口
４ｋは偏平化され、矢印Ｘ１方向（即ちフィンの並設方
向）において横長形状されており、かかる意味でも中間
通路４ｃの端部開口４ｉから殻体７０内に移行した作動
ガスは、あるいは、第１通路４ａの端部開口４ｋから殻
体７０内に移行した作動ガスは、図３に示す矢印Ｘ１方
向に分散するのが容易となり、各フィンにむらなく作動
ガスを接触させ得るのに一層有利となる。

【００１９】更に本実施例では図４、図５から理解でき
る様に、蓄熱盤７１の受光面７２のの略全域には、傾斜
面７２ａ、７２ｂを備えた断面三角形状の微小突起が形
成されている。よって、図５に示す様に、一の傾斜面７
２ａで反射した光Ｌは他の傾斜面７２ｂでも再受光され
ることになり、受光効率が向上し、蓄熱盤７１を受光で
加熱するのに有利となる。

【００２０】この例の液式スターリング機関では、赤外
線ランプ９５の光を蓄熱盤７１の受光面７２が受光する
と、蓄熱盤７１、ひいてはフィン群７５が加熱され、ひ
いては作動ガスが加熱される。これに伴い従来のスター
リング機関と同様に、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。

【００２１】この例では駆動原理は次の様に考えられて
いる。即ち、蓄熱盤７１の受光面７２で光を受光して蓄
熱盤７１、フィン群７５が加熱されると、殻体７０内の
作動ガスは加熱され、蓄熱器５に移行して奪熱されて冷
え圧力が下がる。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上
昇し、出力シリンダ３の液面が下降する。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に移行する。このとき作動ガスは蓄熱器５、加熱
器７５のフィン群７５から熱を奪い加熱されて作動ガス
の圧力は増す。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。なお第１液
ピストン１７及び第２液ピストン２７の位相差は液連通
路１５による管路抵抗で生じると考えられている。

【００２２】（他の例）加熱器の他の実施例を図７、図
８に示す。この加熱器は大型なものに適する。この例で
は、前記した実施例と基本的には同様の機能を果たす部
位には同一の符号を付している。従って受光面７２を備
えた銅製の蓄熱盤７１、透光性をもつ耐熱ガラス盤７６
が装備されている。

【００２３】この例では、加熱器７の殻体７０は連通路
４から上向きに突設されている。フィン群７５を構成す
るフィンは角板形状であり、それぞれ同一面積のものを
採用している。第１邪魔板８０が第１通路４ａに対面
し、第２邪魔板８２が中間通路４ｃに対面して装備され
ている。従って第１通路４ａから矢印Ｆ１方向に移行す
る作動ガスは第１邪魔板８０に衝突して９０度方向転換
し、分散しながらフィン群７５に向かうため乱流が形成
され易くなり、かつ第１邪魔板８０への衝突により作動
ガスの速度が低下するから、作動ガスの加熱効率が向上
する。

【００２４】同様に、中間通路４ｃから矢印Ｆ２方向に
移行する作動ガスについても同様であり、加熱効率が向
上する。なおフィン群７５を構成するフィンは、作動ガ
スの流れに平行に配置されているため、圧力損失の低下
を抑制できる。

【００２５】

【発明の効果】請求項１に係る液式スターリング機関用
加熱器によれば、太陽光等の受光に伴ない蓄熱盤が加熱
され、作動ガスが加熱される。この様に光を用いて蓄熱
盤を加熱する方式を採用しているので、電気式ヒータ、
ガス式ヒータに比べてスターリング機関を屋外に設置す
るのに有利となる。更にフィン群は表面積が大きいの
で、フィン群と作動ガスとの間の加熱効率が確保され
る。更に太陽光は一般的には斜めから投射されるので、
蓄熱盤の受光面が仮想水平線に対して傾斜している場合
には、太陽光の受光で蓄熱盤を加熱するのに有利であ
り、屋外設置に有利である。

【００２６】請求項２に係るスターリング機関によれ
ば、そのため、高温空間から中間通路に移行する作動ガ
スは、蓄熱盤の伝熱面に衝突し易くなる。同様に中間通
路から高温空間に移行する作動ガスも蓄熱盤の伝熱面に
衝突し易くなる。そのため、蓄熱盤による作動ガスの加
熱が良好となる。

【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】加熱器の断面図である。

【図３】フィン群の斜視図である。

【図４】図２の矢印Ｗ方向からみた図である。

【図５】蓄熱盤の受光面の拡大断面図である。

【図６】中間通路の端部の平面図である。

【図７】他の例にかかる加熱器の断面図である。

【図８】図７のＭ−Ｍ線にそう断面図である。

【符号の説明】

図中、１は第１シリンダ、１２は高温空間、１７は第１
液ピストン、２は第２シリンダ、２２は低温空間、２７
は第２液ピストン、４は連通路、４ｃは中間通路、７は
加熱器、７０は殻体、７１は蓄熱盤、７２は受光面、７
３は伝熱面、７５はフィン群を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 新 愛知県安城市箕輪町正福田66番地３ スカ イビレッジ1009号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スターリング機関の作動ガスの加熱を行う
   ものであり、 作動ガスに対面する内壁面で区画された室をもつ殻体
   と、 該殻体に保持され光を受ける受光面をもち受光に伴い加
   熱される蓄熱盤と、 該蓄熱盤のうち該受光面以外の面に立設されると共に該
   殻体の室に配置され、該室の作動ガスを加熱する多数個
   のフィンからなるフィン群とで構成されていることを特
   徴とするスターリング機関用加熱器。
2. 【請求項２】作動ガスが封入される高温空間及び低温空
   間と、該高温空間と該低温空間とを連通すると共に該高
   温空間の軸芯と交差する向きの中間通路をもつ連通路と
   を備えた基体と、 該基体に配置され作動に伴い該連通路を介して該高温空
   間と該低温空間との間で作動ガスを移行させるピストン
   と、 該連通路内に配置され該連通路を流れる作動ガスの加熱
   を行う加熱器とを具備するスターリング機関において、 該加熱器は、該連通路の中間通路と該高温空間との間に
   配置され、作動ガスに対面すると共に該中間通路及び該
   高温空間の双方の軸芯に対して傾斜した伝熱面を備えた
   蓄熱盤をもつことを特徴とする液式スターリング機関。