JPH074309A

JPH074309A - 熱交換器を有するスターリング機関

Info

Publication number: JPH074309A
Application number: JP5119470A
Authority: JP
Inventors: Eckhart Weber; ヴェーバーエックハルト
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-05-21
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 1995-01-10
Also published as: US5337563A; EP0570731B1; CN1085313A; EG20100A; AU667353B2; ZW5693A1; DE4216839C1; ATE134420T1; DK0570731T3; IL105532A; ZA933017B; IL105532A0; CA2096762A1; MX9302940A; KR930023586A; BR9302017A; AU3836693A; EP0570731A1; ES2085070T3; TR27770A

Abstract

(57)【要約】【目的】ケーシングプレートと排除プレートを出来る
だけ大きく形成することにより出力域を拡大し、同時に
構成費を低減する。【構成】双方のケーシングプレート１，２が分配配置
されたウエブ３により相互に間隔をおいて保持され、ウ
エブ３が排除プレート５を直角に貫通し、更に排除プレ
ート５がその端縁に沿って、ケーシング端側に対して直
線状のロールダイアフラム９により案内されるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱交換器を有するスタ
ーリングエンジン、それも低温作動から中程度の温度で
の作動用に、言いかえると低圧縮比と高排除量用に設計
され、ケーシングの２つの互いに平行なケーシングプレ
ートの間を排除プレートが往復動し、この排除プレート
が周囲に沿ってケーシング端側に対して滑り摩擦をまぬ
がれており、更に排除プレートが２つの作業ガス部分容
積、すなわち膨張室と圧縮室を分離しており、これらの
室には熱交換用に冷却器と加熱器とが配属されており、
更に、２つの作業ガス部分容積が蓄熱器を介して互いに
連通しており、更にまた排除プレートの往復動が、作業
ピストンとのサイクル上の位相ずれの状態で行なわれる
形式のものに関する。

【０００２】

【従来の技術】この形式の公知のスターリング機関（Ｄ
Ｅ−ＤＳ３０１５８１５）の場合、２つのケーシングプ
レートが、端側を形成する壁部を介しただけ互いに支え
合っており、排除プレートが端縁のところにケーシング
端側に対し遊びを有している。このスターリング機関の
場合、ケーシングプレート及び排除プレートの面積を大
きくして、出力をより大きくしようとしても、限界があ
る。なぜなら、高められた圧力に耐えるには、ケーシン
グプレートの構成に多額の出費を要するからである。こ
のため、公知のスターリング機関の場合、多数の比較的
小型のモータモジュールが１つの集合装置にまとめら
れ、高出力域でのスターリング機関が実現される。多数
の比較的小型のモータモジュールに関連する構成費用
は、各モジュールの製造し、複数のリンケージを介して
モータ軸と結合せねばならないので比較的高額にのぼ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、した
がって、冒頭に述べた形式のスターリング機関を次のよ
うに構成することにある。すなわち、ケーシングの耐圧
性を考慮した上でケーシングプレートと排除プレートと
を出来るだけ大きく形成することによって出力域が拡大
され、同時に構成費用が低減されるようにするのであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、この課
題は次のようにすることにより解決された。すなわち、
双方のケーシングプレートが分配配置されたウエブによ
り相互に間隔を保持されており、しかも、ウエブが排除
プレートに対して直角に排除プレートを貫通して延びて
おり、かつまた、排除プレートがその端縁に沿ってケー
シング端側に対して直線状のロールダイアフラムにより
案内されるようにしたのである。

【０００５】本発明によるスターリング機関の場合、ケ
ーシングプレートと排除プレートとを異常に大きく構成
することができる。なぜなら、ケーシングプレートは、
その面がウエブによって互いに安定化されるからであ
る。たとえば５０〜５００Ｗの出力域が可能である。そ
の場合、ケーシングプレートは数平方メータの大きさで
あり、作動ガス部分量の作動圧力は１０，０００Ｐａ強
である。ウエブが、出来るだけ密に案内されて排除プレ
ートを通過するようにし、排除プレートをウエブが貫通
することによって、膨張室と圧縮室との間に、望ましく
ないガスの連通が生じることのないようにする。したが
って、排除プレートを精確に平行に案内することが必要
であり、この精確な平行案内はロールダイアフラムによ
り可能となる。ロールダイアフラムにより、ケーシング
プレート間にウエブを用いることが実際に可能となる。

【０００６】押除けプレートとモータ軸との間の結合
は、従来形式でもっぱらリンケージを介して行なう。特
に有利なのは、しかし、排除プレートと一方のケーシン
グプレートとの間に、排除プレートの往復運動のために
伸縮空気べローズを備えておき、これらの空気ベローズ
が、制御べローズと空気の供給・排出のために接続さ
れ、制御べローズを介して操作される。制御べローズは
連結棒を介してモータ軸により膨張と収縮が可能であ
る。全面にわたって分配された伸縮空気ベローズによる
排除プレートの操作により、排除プレートの平行案内が
改善される。しかし、特に、連結リンケージの、案内さ
れる可動ロッドの滑り摩擦が避けられる。伸縮空気ベロ
ーズと、空気供給・排出部材と、制御べローズとを介し
てロータ軸に押除けプレートを接続する措置は、押除け
プレートが著しく大型の場合に重要であり、ケーシング
プレートとの平行案内や運動時の摩擦低減にも決定的に
重要である。伸縮空気ベローズの容積は、排除プレート
の運動、すなわち制御べローズの運動と、作業べローズ
との間の位相関係の変化により、通常は９０度から９０
度以上に補償される。

【０００７】ウエブは引張力と圧縮力とを吸収できるよ
うに構成されている。モータ室から大気へ連通させるこ
とにより、作業べローズ内の空気圧が平均して大気圧と
等しくなる。

【０００８】特に有利な場合は、ウエブがそれぞれ引張
棒として構成され、逆止め弁が作業べローズ内の空気圧
を大気圧に等しく、もしくは大気圧以上に調節する場合
か、又はウエブをそれぞれ補強支柱として構成し、かつ
逆止め弁が作業べローズ内の空気圧を大気圧に等しく、
もしくは大気圧以下に調節する場合である。この選択的
な構成の場合ウエブの機能は一義的であり、製造の手間
が簡単になる。圧力比、吸込比のいずれかのみに決める
ことにより、それぞれ特定の用途が可能となる。

【０００９】本発明の特に有利な実施形式の場合、蓄熱
器が排除プレートのところに設けられ、プレート全面に
わたって延びている。こうすることにより、排除プレー
トの端縁とケーシングの端側壁部との間の密封・案内状
態が簡単化される。蓄熱器の寸法も本発明による熱交換
器の大型の面に適合せしめられ、蓄熱器の流れ抵抗も低
減される。

【００１０】蓄熱器は、たとえば厚さ０．１ｍで、たと
えば開放孔を有するポリエステルフォウム製の排除プレ
ートの体積を介して作用する。移動せしめられた蓄熱器
は、ケーシングプレート側の上面に熱交換器を形成す
る。この熱交換器は、ケーシングプレートとともに運動
し、ガスが通過するように構成されている。冷却器−熱
交換器は、通例、水平排除プレートの場合、下方に配置
されている。

【００１１】出力域５０〜５００Ｗのこのスターリング
機関の場合、太陽のよく照る地域で水の供給、冷凍、発
電、穀物挽きを行なうのに適している。このスターリン
グ機関は、また、精密部品なしで簡単な材料から製造で
きるので、工業化されていない諸国で製造するにも適し
ている。

【００１２】

【実施例】図面には本発明の有利な複数実施例が示され
ている。

【００１３】図１と図２のスターリング機関は、ほぼ長
方形のケーシングを有する熱交換器を有している。ケー
シングは、２個のケーシングプレート１，２と、４個の
長方形に取囲むケーシング端壁１０とにより形成されて
いる。ケーシングプレート１，２の面には、引張棒３と
して形成されたウエブが一様に分配されている。ウエブ
は、両端がケーシングプレートの各１つに固定されてい
る。引張棒３は、長方形の排除プレート５の孔２７を貫
通している。排除プレート５は、ケーシング内に収容さ
れ、端縁が周囲のケーシング端壁１０から間隔をおいて
位置している。端縁には、それぞれ、ロールダイアフラ
ム９の一方の長手側が固定され、他方の長手側は、配属
されたケーシング端壁１０に直接に取付けられている。
ロールダイアフラム９は、端縁に沿って延びるストリッ
プである。このストリップは、その縦の延び方向に折り
みぞ２１が形成されている。排除プレート５は、コアと
してプレート状の蓄熱器１８を形成している。蓄熱器の
上面には熱交換用の加熱器１９が備えられ、下面には熱
交換用の冷却器２０が備えられている。排除プレート５
は、ケーシングを膨張室１１と圧縮室１２とに分割さ
れ、かつ下方からは持上げべローズ１３に支えられてい
る。

【００１４】持上げべローズ１３からは、流体導管３６
が出ており、圧縮室１２からは流体導管３８が出てお
り、これらの導管は、それぞれクランク機構を有する部
分に通じている。詳言すれば、流体導管３８は圧縮室１
２から作業べローズ７へ通じている。このべローズには
逆止め弁６が配属されている。作業べローズ７は、連接
棒４７を介してクランク軸ないしモータ軸１５に作用す
る。軸１５ははずみ車３５を保持している。持上げべロ
ーズ１３から出る流体導管３６は、制御べローズ１４に
通じている。制御べローズ１４は連接棒１６を介してモ
ータ軸１５と結合されている。作業べローズと制御べロ
ーズ１４は、モータ軸１５に対し、９０度以上の位相位
置１７だけ互いにずらされて配置されている。図２は、
ケーシングプレート、排除プレート５、孔２７、引張棒
３の配属関係を示したものである。

【００１５】図３のスターリングエンジンは、広い周囲
内に図１及び図２同様の構成を有している。各端縁に沿
って、ロールダイアフラム９により形成された折りみぞ
の折り目が符号３４の方向に延びている。排除プレート
５は、直線的に案内された押し棒２８を介してモータ部
分と結合されている。押し棒２８は、案内装置４８を通
過し、連接棒２９を介しモータ軸１５に作用している。

【００１６】約１ｍ×１ｍ以上のスターリングエンジン
−これはケーシング面を湾曲させれば、まだ製造可能だ
が−を製造しようとする場合、ケーシング壁の安定化が
難しい。なぜなら、スターリングエンジン内の１０，０
００Ｐａの作業圧が壁部を１ｔ／ｍ²の圧力で押拡げよ
うとするからである。頑丈なスチール製支持構造物を用
いれば、高額であるし、またケーシングプレートが透明
でなければならない場合に、エンジン内への光の入射を
妨げることになろう。

【００１７】図１〜図３の実施例では、耐圧的なケーシ
ングは、引張棒３が、２個の互いに向い合うケーシング
プレート１，２を締付け、エンジン内の圧力は、空気を
エンジン内へ流入させる逆止め弁６を介して、大気圧に
等しく、又は大気圧以上に維持される。引張棒は引張荷
重のみを負荷可能だからである。作業べローズ７は加圧
べローズとして働く（べローズ内空気圧≧大気圧）。こ
の場合ケーシングプレート１は、透明で破裂しにくいポ
リカーボネート製である。図４の場合のように、上側の
ケーシングプレート１に高度に透明で、割れやすい安全
ガラスを用いる場合には、引張棒の代わりに支柱４を用
い、その上に安全ガラス板をルーズに載せるだけでよ
い。この場合、エンジン内の空気圧は、逆止め弁６の旋
回により、空気が流出することによって大気圧以下とな
るか、又は大気圧と等しくなる。作業べローズ８は、そ
の吸込べローズ（図５及び図６参照）として働く。ガラ
ス板は支柱に引付けられるが、支柱数が十分であれば
（約２５／ｍ²）割れることはない。ウエブを引張り、
圧縮いずれの荷重も負荷可能に構成する場合には、エン
ジン内の圧力を、逆止め弁の代りに小孔を介して平均的
に大気圧に維持することができる。

【００１８】公知のスターリング機関（ＤＥ−ＯＳ３０
１５８１５）の場合、排除プレートの案内についての明
確な記載がない。排除プレートは、ケーシングプレート
の間で往復運動を行なうほかに、駆動リンケージの回転
のため、旋回運動をも行なう。排除プレートは、また蓄
熱器に隙間なしに密着できないので、周囲に沿って滑り
摩擦が生じることはないが、作動ガス部分容積、すなわ
ち膨張室と圧縮室とが互いに密封されない。

【００１９】本発明によるスターリングエンジンの場
合、引張棒３又は支柱４が、２個の平行のケーシングプ
レート１，２に対して直角に位置しており、排除プレー
ト５（図２）を直角に貫通している。排除プレートは摩
耗や摩擦なしに精確に案内されねばならず、また、引張
棒ないしウエブ触れてはならない。しかも、引張棒を通
す孔２７は、膨張室と圧縮室との分離を保証するため、
引張棒直径よりごく僅か大きくするにとどめねばならな
い。加えて、排除プレートは、以下で更に述べる有利な
実施例の場合、きわめて重い（約３０ｋｇ／ｍ²）。こ
の重さを排除プレート案内が吸収せねばならない。エン
ジンは、あらゆる位置で作業せねばならないからであ
る。本発明による案内は、直線状のロールダイアフラム
９（方形又は長方形のケーシングの場合は４個）から成
っている。これらのロールダイアフラム９は、排除プレ
ートを精確に案内し、同時に滑り摩擦も生ぜしめること
なく、ケーシング端壁１０に対して密封機能を有してい
る。直線状のロールダイアフラムは、円形のロール部材
又はチューブロール・べローズとは異なり、摩耗が生じ
ない。なぜなら、ロールダイアフラムは、事実上、曲げ
作業は受けることなく、またスターリング機関の場合、
強制的に必要とされることだが、内側と外側間の圧力差
なしでも作業可能だからである。直線状の折りみぞ２１
は折りみぞ方向３４に支持力を有し、排除プレートの重
量を吸収できる（エンジンが水平作動でない場合）。排
除プレートとケーシング壁ないし蓄熱器との間の精密な
シールは、高い効率を得るためには絶対的に必要である
（本発明によるエンジン効率を測定すると、６０％カル
ノーである）。前述の公知のエンジンの場合、蓄熱器容
積が著しく不足する上に、圧縮器と蓄熱器との間に著し
い隙間損失が生じるので、効率的ではない（測定値：＜
１％カルノー）。

【００２０】図５〜図７は、図１、図３、図４より拡大
して示されている。図５と図６とには、それぞれ異なる
吸込べローズが示され、図７には加圧べローズが示され
ている。方形又は長方形のケーシングの場合、図８に示
したように、２個の互いに向い合った直線状のロールダ
イアフラム９が、本発明によりケーシング角隅部まで延
びている。角隅部まで延びているこれらロールダイアフ
ラムは、これらに密接して終っている他方のロールダイ
アフラムより深い折りみぞ２１を有している。このよう
な配置によって、作動ガス部分容積相互の、より確実な
シールが、ケーシング角隅部でも可能となると同時に、
直線状ロールダイアフラムの摩耗なき簡単な構成が可能
になる。

【００２１】２個のケーシングプレート間で行なわれる
排除プレートの往復動は、図３の実施例の場合、直線的
に案内される押し棒２８（ワット平行四辺形、クロスヘ
ッド、線形玉軸受）により行なわれる。押し棒２８は、
一方のケーシングプレート２の中心から直角に排除プレ
ート５と固定結合され、連接棒２９を介してモータ軸１
５に作用している。排除プレートは、この場合、サイン
形の運動を行なう。このため、図９のインジケータ線図
で角の部分が丸くなる。押し棒の直線的案内は、普通は
保守不要である。押し棒には排除プレート全体が懸架さ
れているため、排除プレートの寸法は約２×２ｍに制限
されている。しかし、排除プレートは、調和運動により
著しい加速力を受けることはなく、機関は運動エネルギ
ーを与えられ、きわめて静かに回転する。

【００２２】とはいえ、出力密度を高めるためには、非
連続的な押除け運動が望ましい。前述の公知機関は、そ
の目的のために双安定的な予圧クランク機構を用いてい
る。このクランク機構は、ばねにより予圧を与えられた
押し棒を有している。このばねの一端は押し棒に、他端
はフォーク状部材のレバー腕に取付けられている。この
フォーク状部材のフォーク先端の間にはダイアフラム・
モータ部分のレバー腕に配置された連行体が、ダイアフ
ラムの動程に応じて移動せしめられる。この場合、ばね
の予圧により２つの安定的な位置がプリセットされてい
る。しかしながら、この形式は複雑かつ脆弱で、重い数
平方メータの排除プレートを断続的に往復動させるには
不適である。

【００２３】排除プレートの有利な昇降機構は、図１お
よび図４の実施例では、保守不要の、摩擦の少ない、ほ
とんど摩耗を生じない低圧空気装置から成っている。低
圧空気装置は、制御ベローズ及び持上げベローズである
トーラス状ダイアフラムを有している。排除プレート５
の低温側には、排除プレートの角隅部に、又はケーシン
グプレート２の凹所内に持上げベローズ１３が配置され
ている。このベローズ１３内へは、モータ軸により連接
棒１６を介してサイン形に圧縮されたり膨張せしめられ
たりする制御ベローズ１４から空気が圧入され、再び呼
出される。持上げベローズと押除けプレートの運動は、
その場合、サイン形である。なぜなら、サイン形に運動
する制御ベローズ内の圧力上昇は双曲線状に行なわれ、
かつまた、排除プレートは、その自重のため持上げシス
テム内が相応の圧力に達してから初めて運動を始めるか
らである。排除プレートは、断続的に高温側へストッパ
のところまで案内され、制御ベローズが持上げシステム
内の空気を更にいくらか圧縮している間、そこに留ま
り、持上げシステム内の圧力が再び（双曲線状に）降下
すると、はじめて急激に低温側へ戻される。圧縮運動
は、図１９に示されているように台形である。排除プレ
ートの断続的な運動の結果、インジケータ線図（図９）
では、エッジ３１がより鋭い角度をなしている。周知の
ように、これによってエンジンの出力密度が高くなる。
エンジン出力は、図９のインジケータ線図で囲まれてい
る面に比例する（Ｗ＝§ｐｄＶ）。この持上げシステム
により、数メータ長さの重い排除プレートの確実な運動
が可能になる（図２５参照）。圧縮器ケーシングは、も
はや強制的に作業ベローズと軸とに固定結合されておら
ず、たとえば可とう的なチューブ３６，３８に結合され
ることによって、圧縮器ボックスが難なく単軸又は２軸
により太陽を追尾するようにすることができる（図２２
参照）。

【００２４】持上げベローズ１３の空気量は、まずスタ
ーリング過程に不都合な影響を与える。なぜなら、圧縮
段階で空気が作業ガスに加えられ、膨張段階で差引か
れ、要するに、より多くの圧縮作業が必要となり、膨張
作業がより少なくされるからである。このモータ出力の
低下を避けるため、図１１の実施例の場合、別のベロー
ズ３２を介して、精確に持上げベローズのこの空気分
が、制御ベローズ１８０°に対し１８０°ずらされて作
動ガス量に付加されたり、取出されたりし、それにより
持上げベローズ容積の不都合な作用が補償される。この
別のベローズ容積は、しかし、このベローズに９０°ず
らされている作業ベローズ容積とオーバラップするので
（図１２）、本発明の別の特徴によれば、最適位相ずれ
は、制御ベローズと作業ベローズとの９０°以上のずれ
の場合であり、付加的な補償用のベローズ３２は組付け
る必要はなくなる。

【００２５】前述の公知エンジンの場合、排除プレート
は、孔なしの空気不透過性のプレートである。蓄熱器
は、細いストリップでケーシング端側に固定配置されて
いる。摩擦を生じないようにするために、排除プレート
周囲と蓄熱器内側との間に、既述のように隙間が必要で
ある。このため蓄熱器は事実上無効となる。なぜなら、
大方の空気は蓄熱器を通らず、隙間を通って流れるから
である。蓄熱器の横断面が小さいため、蓄熱器が生ぜし
める流れ抵抗は、可動フォーク状部材の、双安定的な予
圧により生ぜしめられる断続的な衝撃的運動が、排除プ
レートに緩慢作用が発生することにより、十分には排除
プレートに伝達されない。

【００２６】本発明によるスターリング機関の場合、蓄
熱器１８が、膨張室１１と圧縮室１２とを連通させ、可
動の排除プレート５内に配置され（図１、図３、図
４）、プレート全面にわたって延び、プレートの全容積
を占めてもいる。ケーシング寸法とは無関係に、蓄熱器
は、高温の膨張室と低温の圧縮室とを互いに熱絶縁する
ため、少なくとも約０．１ｍの厚さを有しており、有利
には開放孔ポリエステルフォウムから成っている。この
ポリエステルフォウムは、耐熱性を有し、高い比熱容量
を備え、伝熱性が低く、したがって低温スターリング機
関用に好適の蓄熱器である。広い面積を有する蓄熱器
は、断続的に行なわれる圧縮運動にも著しい流れ抵抗は
示さない。

【００２７】前述の公知スターリング機関の場合は、ケ
ーシングプレートが、同時に流体透過性の熱交換器であ
る。この熱交換器は、しかし、作動ガスを十分に冷却及
び加熱することができない。プレート表面が比較的小さ
く、作動ガスがその面上に強制的に案内されることがで
きないからである。実際の低温スターリング機関の場
合、モータの高温側と低温側との間の温度差に依存する
高い効率を得るために、この温度差を出来るだけ大きく
維持するように努めねばならない。これを実現するに
は、熱交換表面の寸法を大きくし、作動ガスと接触する
ようにし、加熱流体ないし冷却流体と高温作動ガスない
し低温作動ガスとの間の温度差が事実上存在しないよう
にするほかはない。

【００２８】本発明によるスターリング機関は、したが
って、加熱器１９と冷却器２０とが、ケーシングプレー
ト１，２側の蓄熱器表面に配置され、ほとんど任意の大
きさの表面を有するガス透過性の薄層熱交換器として構
成されている。加熱器１９と冷却器とは、蓄熱器と一緒
に運動し、作動ガスと密に接触する。（熱交換流体と作
動ガスとの間の測定温度差は、公知のスターリングエン
ジンでは２０℃、本発明の場合は２℃である）。加熱器
１９、圧縮器５、冷却器２０、蓄熱器１８が、本発明に
よるスターリング機関の場合、可動ユニットをなしてい
る。機関は低温源（たとえば温水式平形太陽コレクタ）
又は中音源（たとえば放物線形内部集電器）からエネル
ギー供給される（図２３参照）。スターリング機関が機
械式に、たとえば１台のより大型のスターリング機関又
は複数の他のスターリング機関により駆動される場合に
は、冷凍器として働く（図２４参照）。その場合、熱交
換器が双方とも冷却器として働く。しかも、一方の熱交
換器ではポンピングにより吸込まれた熱が排出され、他
方の熱交換器内では冷却回路用の低温が生ぜしめられ
る。各機関は有利には水平方向に位置せしめられ、しか
も低温熱交換器を常に下方に位置させて機関内での作動
ガスの対流を防止するようにする。この機構は、明らか
な効率低下を生じさせる損失機構であることが判明し
た。スターリング機関が透明なケーシングプレート１を
有する場合は、太陽は直接に熱交換器１９に当たる。こ
の熱交換器は、この場合、流体小管を有していないガス
透過性の、視覚的に黒色の表面として構成され、通常は
蓄熱器の表面である。

【００２９】前述の公知スターリング機関では、普通の
（不透明な）断熱材を用いて、熱交換器の外側を周囲に
対する熱損失が防止されている。不透明なケーシングプ
レート１を有する本発明によるスターリング機関、すな
わち有利にはコレクタを介して太陽光により作動し、通
例は戸外に、太陽光線を受けるように配置される形式の
ものの場合、図１３に示されているように、透明な断熱
材２２（はちの巣形ポリカーボネート、エアロゲルその
他）が、作動ガスと接触する上側のケーシングプレート
１の上に配置され、作動ガスの熱損失を防止している。
太陽は、透明の断熱材２２を通してケーシングプレート
に当り、このプレートを高温に維持する結果、このプレ
ートと作動ガスとの間の温度差が生じないため、熱流が
発生することがない。また、温度差が生じないことによ
り、作動ガスの加熱が助成されさえする。この透明な部
材の断熱作用は、上側のケーシングプレート１を、図１
４に示したように温水式平形太陽コレクタ２３で覆うよ
うにしても達せられる。このコレクタのコレクタプレー
ト５３は、流体導管５４を介して温水を内部の熱交換器
１９に供給する。そのさい、コレクタの熱損失はその裏
側を介して防止され、作動ガスの熱損失は上側のケーシ
ングプレートを介して防止される。高温のコレクタプレ
ートにより、下方から上方への熱流が生じないからであ
る。通常の断熱材は、この場合、不要である。

【００３０】図１５に示されている本発明によるスター
リング機の実施例の場合には、上側の熱良導性のケーシ
ングプレート１が、拡大プレート３３を形成し、排除プ
レートより大型にされ、したがって少なくとも一方の端
側から突出していると同時に、入射する太陽光用の、視
覚的に黒色のコレクタプレートをなしており、通常は、
熱損失を防止するためにガラス板３９が張られている。
プレート内に発生する熱は、熱伝導によりモータケーシ
ング室の上方のプレート区域へ伝えられる。プレート内
のこの熱伝導は、図１５に示されているように、プレー
ト１に取付けられた加熱管２４により助成される。この
場合、拡大プレート３３は、加熱管２４を介してケーシ
ングプレート１と結合されている複数部材から成ってい
る（図１６参照）。熱伝導性ケーシングプレート１は、
図１５及び図１６に示されているように、通常はモータ
室内側に拡大表面、たとえば薄片２５又はロッドを有し
ている。排除プレートないし蓄熱器１８内へ突入せしめ
られるこれら薄片又はロッドにより作動ガスへの良好な
熱伝達が保証される。蓄熱器と一緒に案内される内側熱
交換器１９は、この場合には不要である。

【００３１】本発明によるスターリング機の一実施例に
よれば、作動形式が特に簡単に構成されている。但し、
以下の制限をともなう。すなわち、スターリング機関
が、吸込ベローズ８（図１７）を、つまり大気に対する
負圧を有する作業発動機として作動し、高温側（膨張
室）１１と水平に上方に位置する場合、持上げベローズ
直径を適切に選定すれば（これらの直径は、排除プレー
トの重量及び、モータの高温側と低温側との温度差に合
わせねばならない）、制御ベローズは不要である。なぜ
なら、モータ内室と周囲との圧力差のみで、排除プレー
ト５を持上げるには十分だからである。持上げベローズ
１３は、この場合、下方が大気に通じている。モータの
高温側と低温側との温度差、蓄熱器の流れ抵抗、排除プ
レートの重量、持上げベローズ内室と大気との間の開口
寸法の選定により、作業ベローズの運動と排除運動との
間で、約９０度の所望の位相ずれが自動的に調整される
が、排除運動はモータ軸に対する交番荷重に鋭敏であ
る。排除プレートの運動は、この場合も非連続的であ
る。

【００３２】スターリング機関が、作業ベローズである
加圧ベローズ７（図１８）を、つまり大気に対して過圧
を有する作業発電機として機能するさいには、次の場合
に排除プレートの、制御ベローズなしの運動も可能にな
る。すなわち、モータの高温側が下方に位置し、持上げ
ベローズが上方に配置されているか、又は、モータ高温
側が上方に位置するのが望ましい場合に、排除プレート
５がばね４０により高温側に保持され、持上げベローズ
１３により−この場合は引張りベローズ−低温側に引張
られるかする場合である。材料工学上の理由から、持上
げベローズは、常にモータ低温側に配置されねばならな
い。制御ベローズを備えていないこの形式のスターリン
グ機関冷凍機として作動させる場合、機関内の対流を防
止するため、作業発動機の場合同様、低温熱交換器を下
方に配置しておく。この場合、熱交換器は低温を発生さ
せる。これは、機関を大気圧以下で作動させる場合に可
能となる（図１７）。この場合、排除運動と作業ベロー
ズの運動との間の位相ずれが自動的に調節される。しか
し、冷凍機としては、吸込ベローズによって達成可能で
ある以上の出力密度を要することがある。加圧ベローズ
を有する冷凍機としては、しかし、逆位相が生ぜしめら
れる（２７０°ずらされ、低温側が上方に生じるように
する）。

【００３３】このため、冷凍機の本発明による形式（図
１９）では、持上げベローズ内室と大気との間に２個の
弁が用いられている。第１の弁４１は、ばね負荷されて
おり、持上げベローズ内室の空気が一定圧力を超える
と、大気内へ逃がす働きを有している。第２の弁４２
は、ダイアフラム４３を介して持上げベローズ１３の内
圧を負荷されており、この内圧が一定圧以下になると、
空気をベローズ１３内へ送入する。その場合、ダイアフ
ラムは弁フラップの機能を発揮し、一時的に流路を開
く。弁の負荷を適宜に選定するこの弁装置により、位相
は１８０°だけずらされ、機関の低温発生側は所望の通
り下方で調節される。

【００３４】更に、図２０に示した本発明によるスター
リング機関は、モータ低温側１２を冷却するために水４
４が用いられている。水４４は入口４９を経てモータ室
内へ導入され、下側のケーシングプレート上を流れ、出
口５０から送出される。この冷却作用は、水内へ薄片、
ロッド、ワイヤ等４５が浸漬されると、著しく高められ
る。これらの薄片等４５は蓄熱器１８に取付けられてお
り、水内へ浸漬されたり、引出されたりし、被冷却作動
ガスに対して大きな熱交換面を提供する。そのさい注意
せねばならないのは、蓄熱器が水で濡れないようにする
ことである。水に濡れると、蓄熱作用は失われ、蓄熱器
がガスを透過しなくなるからである。このために、この
実施例の場合、蓄熱器下方にワイヤ編物、プラスチック
フリースその他製のマット４６が取付けられている。こ
のマット４６は、作動ガスからはね水を分離する分離器
の機能を有するが、ワイヤから滴下するエアロゾルも分
離できる。このマット４６は、既述の冷却用薄片に代え
て用い、マット自体をケーシングプレート上を流れる水
内へ浸漬することもできる。このマットは蓄熱器自体の
構成要素となることもできる。

【００３５】更に、本発明のスターリング機関の別の実
施例（図２１）の場合には、作業ベローズが連接棒を介
してモータ軸に作用するのではなく、何らかの質量体
を、たとえば振り子５０を揺振させ、この振り子がはず
み車の代りに圧縮作業を行なう。この構成の利点は、機
関が全出力域にわたって等しい揺振数で作動し、出力増
大がより大きい振幅に現われる結果、たとえば往復水ポ
ンプの駆動時には行程変更によって簡単に出力調整が可
能である。特に簡単なスターリング機関の形式は、揺振
質量体又はその一部として慣性揚水機の水柱５１を用い
たものである。この水柱が、揺振毎の水柱上昇時に水源
の底部の弁５３から水の一部を上方部分５４へ送り、同
時にスターリングモータ内の作動ガスを圧縮する。水柱
は作業ベローズ７の膨張段階中に下方へ加圧される。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱交換器を有する第１スターリング機関の略示
断面図。

【図２】図１のスターリング機関の一部分を拡大して示
した詳細図。

【図３】熱交換器を有する第２スターリング機関の略示
断面図。

【図４】熱交換器を有する第３スターリング機関の略示
断面図。

【図５】吸込ベローズの略示断面図。

【図６】別の形式の吸込ベローズの略示断面図。

【図７】加圧ベローズの略示断面図。

【図８】排除プレートを取囲むロールダイアフラムの斜
視図。

【図９】作動ガス圧と作動ガス量との関係を示すインジ
ケータ線図。

【図１０】熱交換器を有するスターリング機関での個別
の状態を示した曲線の推移。図において、（１）サイン形の制御ベローズの運動（２）制御ベローズ及び持上げベローズ内での、双曲線
状の圧力上昇（３）台形曲線状の排除運動。

【図１１】熱交換器を有する第４スターリング機関の略
示断面図。

【図１２】図１１のスターリング機関での個々の状態を
示した曲線の推移。図において、Ｙ＝ｃｏｓ（ｘ）＋１作業ベローズ（制御ベローズに対
して９０度）（１）Ｙ＝０．２＊ｃｏｓ（ｘ−０．５＊ＰＩ）＋０．２制御
ベローズ（作業ベローズに対して９０度）（２）Ｙ＝０．２＊ｃｏｓ（ｘ−１．５＊ＰＩ）０．２仮想補
助ベローズ（制御ベローズに対して１８０度）（３）Ｙ＝（０．２＊ｃｏｓ（ｘ−１．５＊ＰＩ）＋０．２＋
（ｃｏｓ（ｘ）＋１）作業ベローズ＋補助ベローズ
（４）制御ベローズ（２）との位相ずれは＞９０°。

【図１３】第５スターリング機関の排除プレートのケー
シングを略示した断面図。

【図１４】第６スターリング機関の排除プレートのケー
シングを略示した断面図。

【図１５】第１の拡張ケーシングプレートの側面図。

【図１６】第２の拡張ケーシングプレートの斜視図。

【図１７】第８スターリング機関で、制御ベローズを備
えていない第１形式の略示断面図。

【図１８】第９スターリング機関で、制御ベローズを備
えていない第２形式の略示断面図。

【図１９】第１０スターリング機関で、制御ベローズを
備えていない第３形式の略示断面図。

【図２０】第１１スターリング機関で、第２形式の下方
熱交換器を有するものの略示断面図。

【図２１】第１２スターリング機関で、モータ軸を備え
ていない形式の略示断面図。

【図２２】図１のスターリング機関で、２軸式に太陽を
追尾する圧縮ボックスを有する形式の斜視図。

【図２３】図３のスターリング機関で、太陽コレクタ区
画を有する形式の斜視図。

【図２４】図３のスターリング機関のグループを示した
斜視図。このグループによりスターリング冷却ユニット
が、同じく図３の機関のように駆動される。

【図２５】２個の圧縮機ケーシングを有する図１及び図
４の大型スターリング機関の斜視図。

【符号の説明】

１，２ケーシングプレート、３引張棒、５排
除プレート、６逆止め弁、７作業ベローズ、
９ロールダイアフラム、１０ケーシング端壁、
１１膨張室、１２圧縮室、１３持上げベロー
ズ、１４制御ベローズ、１５モータ軸、１６
連接棒、１７位相関係、１８蓄熱器、１９
加熱器、２０冷却器、２１折りみぞ、２３
温水式平形太陽コレクタ、２４加熱、２７孔、
２８押し棒、２９連接棒、３０角隅部、
３３拡張プレート、３６，３８チューブ、３９
ガラス板、４０ばね、４１弁、４２弁、
４３ダイアフラム、４４水、４５薄片、４６
マット、４９水の入口、５０水の出口、５
１水柱、５２慣性揚水機、５３底部の弁、
５４上方部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱交換器を有するスターリング機関であ
って、低温作動から中温作動用、すなわち低圧縮比と高
圧縮容積用に設計され、ケーシングの２つの互いに平行
なケーシングプレートの間を排除プレートが往復動可能
であり、このプレートが周辺部に沿ってケーシング端側
との滑り摩擦をまぬがれており、更に排除プレートが２
つの作動ガス部分容積、すなわち膨張室と圧縮室とを互
いに分離しており、これらの室には熱交換用の冷却器と
加熱器とが配属されており、また双方の作動ガス部分容
積が蓄熱器を介して相互に連通しており、更に排除プレ
ートの往復運動が作動ピストンとサイクル上の位相ずれ
の状態で行なわれる形式のものにおいて、双方のケーシングプレート（１，２）が、分配配置され
ているウエブ（３，４）により互いに間隔をおいて保持
されており、しかもウエブ（３，４）が排除プレート
（５）に対し直角に排除プレートを貫通して延びてお
り、更に排除プレート（５）が、その端縁に沿って直線
状ロールダイアフラムによりケーシング端側（１０）に
対して案内されていることを特徴とする、熱交換器を有
するスターリング機関。
【請求項２】排除プレート（５）の往復運動用に排除
プレート（５）と一方のケーシングプレート（１，２）
との間に伸縮空気ベローズ（１３）が配置され、これら
の空気ベローズ（１３）が、制御べローズ（１４）と空
気供給・排出のため導管を介して接続され、制御べロー
ズ（１４）を介して操作され、制御べローズ（１４）が
モータ軸（１５）により連接棒（１６）を介して収縮及
び膨張されうることを特徴とする、請求項１記載のスタ
ーリング機関。
【請求項３】伸縮空気ベローズの容積が、制御べロー
ズの運動と作業べローズ（７）の運動との間の、９０゜
から９０゜以上への位相関係の変化により補償されるこ
とを特徴とする、請求項２記載のスターリング機関。
【請求項４】ウエブが引張力及び圧縮力双方を吸収で
き、モータケーシング内の小穴が作業べローズ内の圧力
を平均して大気圧に維持することを特徴とする、請求項
１又は２記載のスターリング機関。
【請求項５】ウエブが、それぞれ締付け引張棒（３）
として構成され、かつまた逆止め弁（６）が、作業べロ
ーズ（７）内の空気圧を大気圧と等しいか、又はより高
い圧力に調節することを特徴とする、請求項１又は２記
載のスターリング機関。
【請求項６】ウエブが、それぞれ補強支柱(４)として
構成され、かつまた逆止め弁（６）が、作業べローズ
（７）内の空気圧を大気圧に等しいか又はそれ以下に調
節することを特徴とする、請求項１又は２記載のスター
リング機関。
【請求項７】蓄熱器（１８）が排除プレート（５）の
ところに備えられ、このプレート（５）の全面にわたっ
て延びていることを特徴とする、請求項１から６までの
いずれか１項記載のスターリング機関。
【請求項８】蓄熱器が、ケーシングプレート（１，
２）に向いた表面上にガスが流過可能に構成されている
双方の熱交換器（１９，２０）を一緒に案内しているこ
とを特徴とする、請求項７記載のスターリング機関。
【請求項９】圧縮機ケーシングが水平に配置され、よ
り低温の熱交換器が下方に配置されていることを特徴と
する、請求項８記載のスターリング機関。
【請求項１０】方形又は長方形のケーシングの場合、
２つの向い合ったロールダイアフラム（９）が、ケーシ
ング角隅部まで延び、これらのダイアフラム（９）に端
側が密着して終っている２つの他方のロールダイアフラ
ムよりも深い折りみぞを有することを特徴とする、請求
項１から９までのいずれか１項に記載のスターリング機
関。
【請求項１１】高温のケーシング部分室（膨張室１
１）に属する不透明なケーシングプレート（１）が、外
側に透明の断熱材（２２）を備えているか、又は太陽コ
レクタ（２３）の裏側と接触していることを特徴とす
る、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のスタ
ーリング機関。
【請求項１２】ケーシングプレート（３３）が、排除
プレート室より長く、少なくとも端側から突出し、同時
に、入射太陽光用の視覚的に黒色の集光板であることを
特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記
載のスターリング機関。
【請求項１３】熱伝達が、ケーシングプレート（３
３）の延びる方向に、ケーシングプレート（３３）内に
埋め込まれるか、もしくはそれに取付けられるかした加
熱管（２４）により助成されることを特徴とする、請求
項１から１２までのいずれか１項に記載のスターリング
機関。
【請求項１４】モータ室内に位置するケーシングプレ
ート表面が薄片（２５）等により拡大されており、これ
ら薄片等が蓄熱器（１８）内へ差込まれることを特徴と
する、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のス
ターリング機関。
【請求項１５】排除プレートの往復運動が持上げべロ
ーズにより行なわれ、持上げべローズの内室が大気に連
通していることを特徴とする、請求項１から１４までの
いずれか１項に記載のスターリング機関。
【請求項１６】大気に対する持上げべローズ内室の連
通が弁(４１，４２)を介して制御されることを特徴とす
る、請求項１５記載のスターリング機関。
【請求項１７】冷却水（４４）が、下方ケーシングプ
レート（２）を介してモータ室内を案内され、ケーシン
グプレート（２）上方を流れることにより冷却熱交換器
の機能を引受けることを特徴とする、請求項１から１６
までのいずれか１項に記載のスターリング機関。
【請求項１８】排除プレートに薄片等（４５）が取付
けられており、これらの薄片等が水面内へ浸漬されるこ
とを特徴とする、請求項１７記載のスターリング機関。
【請求項１９】冷却器として、蓄熱器下側に水しぶき
又はエアロゾルの分離器（４６）が配置されていること
を特徴とする、請求項１９記載のスターリング機関。
【請求項２０】作業べローズがモータ軸に作用するの
ではなく、質量体（５０）を揺振させることを特徴とす
る、請求項１から１９までのいずれか１項に記載のスタ
ーリング機関。
【請求項２１】作業べローズが、モータ軸に作用する
のではなく、慣性揚水機の水柱（５１）を振動させるこ
とを特徴とする、請求項１から２０までのいずれか１項
に記載のスターリング機関。