WO2006126241A1

WO2006126241A1 - 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

Info

Publication number: WO2006126241A1
Application number: PCT/JP2005/009317
Authority: WO
Inventors: Takahiro Agata
Original assignee: Takahiro Agata
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2006-11-30
Also published as: JPWO2006126241A1

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。

Description

明細書

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技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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ヽる。

[0003] 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、従来力種々の型式のものが提案されている。

[0004] 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、る。

[0005] 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側力順に加熱器 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、デイ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、クランタシャフトには、フライホイール（図示せず）が連結されて、る。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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側カゝら順に加熱器 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、クランタシャフトには、フライホイール（図示せず）が連結されて、る。

[0009] 上記したディスプレーサ型ゃ 2ピストン型の!/、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 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つている。

[0010] 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°C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。

[0011] 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力作動ガスの熱伝達率が非常に小さぐ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力つた。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。

特許文献 1：特開平 9— 42055号公報

発明の開示

[0012] 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ぐ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。

[0013] 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、前記作動ガス力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力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ヽることを特徴としている。

[0014] 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 °C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。

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ヽなヽ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力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、前記加熱手段にぉ、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 Z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。 [0016] 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力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力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、、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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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!/ヽて、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、ることを特徴として、る。

[0020] 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、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。

[0021] 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、ることを特徴として、る。

[0022] 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さる。

[0023] 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!/ヽて、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、ることを特徴として、る。

[0024] 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。

[0025] 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ェ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。

[0026] 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 °C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。

図面の簡単な説明

[0027] [図 1]本発明の実施の形態（1)〖こ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。

[図 2] (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。

[図 3]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。

[図 4]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。

[図 5]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 [図 6]従来の oc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発明を実施するための最良の形態

[0028] 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)に係るスタ一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。

[0029] 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、密閉されたデイ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。

[0030] 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 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。

[0031] 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、ノヮ一ピストン 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。

[0032] 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 °C以下)の熱源媒体が利用されるようになってヽる。

[0033] 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。

[0034] 再生熱交翻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力熱 (顕熱及び潜熱)を奪う一方、低温空間 14から高温空間 1 3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！ヽる。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!ヽる。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 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。加熱過程力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。

[0039] 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。

[0040] 高温空間 13から移動してきた作動ガスは、再生熱交翻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つている。

[0041] 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、る。

[0042] 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 17を通過する過程では、作動ガスが再生熱交 17より熱 (顕熱及び潜熱）を受け取ることで作動媒体 Β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 Βの液体 8とが接触することで作動ガス中の作動媒体 Βの蒸気分圧をさらに上昇させることができる。

[0043] したがって、作動ガスが非凝縮性気体である作動媒体 Α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 °C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。

[0044] 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。

[0045] 図 3は実施の形態（2)〖こ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っ、ては、蒸発式加熱器 6Aを除ヽて図 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 6 A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。

[0046] 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カゝ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、ゥイツク 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。

[0047] 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。

[0048] 実施の形態（2)に係るスターリングエンジン 1 A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。

[0049] 加熱過程におヽて、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の表面に行き渡つ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^^ 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。

[0050] 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、る熱交換手段 34を含んで構成されてヽるので、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さる。

[0051] 図 4は実施の形態（3)〖こ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っヽては、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。

[0052] 蒸発式加熱器 6Bは、高温空間 13側のガス通路 15と再生熱交翻17との間に介装された多管式加熱器 (V、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、胴体力バー 47の他端側には再生熱交翻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力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。

[0053] 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 4 2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。

[0054] 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で吸ヽ上げられた液体 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の先端部力も噴霧される作動媒体 Bの液体 8は、低温空間 14から再生熱交翻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イック 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ヤブレタ方式を採用することもできる。

[0055] 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、再生熱交翻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、再生熱交翻 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。

[0056] 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、る。

[0057] 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。

[0058] 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 力ウィック 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、多管式カロ熱器 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。

[0059] したがって、加熱過程にぉヽては、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、再生熱交翻17を通過してきた作動ガスとが直接接触することで、再生熱交翻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つている。

[0060] 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 4 2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。

[0061] 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。

[0062] 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力 2ピストン型（ α 型）、 j8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。

[0063] 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^^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ょヽ。

実施例及び比較例

[0064] 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、以下の条件でェ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型スタ一リングエンジン（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 1 9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。

[0065] 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 Τ、圧力 latm (101325Pa)の作動ガスが、高温状態 IIにおいて温度 Tに加

1 2 熱されたときの圧力を示して!/ヽる。

[0066] 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!ヽ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

1、 T 2 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レ、る。

[0067] [表 1] 作動媒体 A=空気

作動媒体状態: 作動媒体 B=水

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

A B

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

1 2

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、 latm)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。

[0068] 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 latm (101325Pa)の作動ガスが、高温状態 IIにおいて温度 T に加

1 2 熱されたときの圧力を示して!/ヽる。

[0069] 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°C)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

1 2 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

A

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。

B

[0070] [表 2] 作動媒体 A=空気

作動媒体状態量作動媒体 B=フロリナート FG84

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 latm (101325Pa)の作動ガスが、高温状態 IIにおいて温度 Tに加

1 2 熱されたときの圧力を示して!/ヽる。

[0071] 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°C)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

1 2 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

A

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。

B

[0072] [表 3] 作動媒体 A=空気

作動媒体状態量作動媒体 B=フロリナ

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 Ρ にフッ素系不活性液体の蒸気

A

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つ

B 1 2

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。

[0073] 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ぐ水と比べて、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

[0074] 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 latm (101325Pa)の作動ガスが、高温状態 IIにおいて温度 Tに加

1 2 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°Cを越える場合の例である。 [0075] 実施例 8では、高温状態 IIにおける温度 T ( > 100°C)の液温における作動媒体 B

2

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 latm)以下となるように、作動媒体 Bとして、沸点 215°C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。

[0076] 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

1 2

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

A B

気分圧を示している。

[0077] [表 4] 作動媒体 A=空気

作動媒体状態量作動媒体 B=フロリナート FC70

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

Aに FC— 70の蒸気分圧 P

B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。

また、高温状態 IIにおける温度 T ( > 100°C)の液温における作動媒体 Bの飽和蒸

2

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 latm)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°Cを越える場合でも、大気圧スターリングェンジ

2

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 [0079] 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°Cとし、実施例 9では、作動媒体 Bの

2

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（1 50°C)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 1 (温度 T = 50°C)における作動ガスの全圧が 5atmに設定されて!、る。

[0080] 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！、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

1 2

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

A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。

B

[0081] [表 5] 作動媒体 A=空気

作動媒体状態量作動媒体 B=水

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

Aに水の蒸気分圧 P

B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。

[0082] 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

2

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 (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 1 (温度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、ェンジン出力を一層大きくすることができた。

産業上の利用可能性

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ゃ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。

Claims

請求の範囲

[1] 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ヽることを特徴とするスターリングエンジン。

[2] 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。

[3] 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。

[4] 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。

[5] 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。

[6] 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!、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。