(57)【要約】【課題】耐久性および熱効率が高く、異なる熱源に容易に対応でき、熱源の温度変動があっても安定して稼働することのできるスターリングエンジンを提供する。【解決手段】スターリングエンジン１０は、燃焼熱を熱源とし、作動流体を加熱する加熱部１４と作動流体を冷却する冷却部１８とが継ぎ目無く一体で形成されたエンジン本体１２と、熱源からの熱を加熱部１４に伝達する外殻部材２２とを備えている。そして、加熱部１４の外面には、外殻部材２２が加熱部１４の先端部１５および筒状部１６を覆う態様で配置されている。外殻部材２２はネジ止めでエンジン本体１２に固定されており、加熱部１４の外面と外殻部材２２の加熱部１４に面する内面の間の空間には、炭素の粉末粒子が蓄熱材２６として充填されている。【選択図】図１
2014047770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を加熱する加熱部と作動流体を冷却する冷却部とを備えたスターリングエンジンであって、
前記加熱部と前記冷却部とが一体で形成されたエンジン本体と、熱源から該加熱部に熱を伝導する外殻部材とを備え、
前記加熱部は先端部分が閉じた円筒状に形成されており、前記外殻部材は一端が閉じ他端が開口する筒状に形成されており、
前記加熱部の外面に前記外殻部材が該加熱部の先端部分を覆う態様で配置されており、該外殻部材の開口部が該加熱部の円筒状の部位に着脱可能な固定手段により固定されており、
前記加熱部の外面と前記外殻部材の該加熱部に面する内面との間に蓄熱材が充填されているスターリングエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のスターリングエンジンであって、
前記エンジン本体の加熱部はステンレスまたはハステロイで形成されており、前記外殻部材は炭化ケイ素で形成されていることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のスターリングエンジンであって、
前記蓄熱材は２種以上の物質の粉末粒子を混合した混合物であることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジンであって、
前記外殻部材は蛇腹状の胴部を備えることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のスターリングエンジンであって、
前記加熱部の外面と前記外殻部材の該加熱部に面する内面との間に充填された蓄熱材の中に蓄熱部材が埋設されており、
前記蓄熱部材は中空の部材にスターリングエンジンの作動温度域で溶融する潜熱蓄熱材を封入することにより形成されることを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のスターリングエンジンであって、
前記外殻部材には該外殻部材を内側から外側に貫通する伝熱パイプが取り付けらており、該伝熱パイプは該外殻部材の内側で該外殻部材と前記加熱部の間に充填された蓄熱材に接触し、該外殻部材の外側で熱源からの熱を受ける構成とされており、
前記伝熱パイプの内部にはスターリングエンジンの作動温度域で気化または溶融する伝熱材が充填されており、該伝熱材が該伝熱パイプの内部を循環することを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項７】
請求項６に記載のスターリングエンジンであって、
前記伝熱パイプは前記外殻部材の内外を循環するループ状に形成されており、該伝熱パイプには該外殻部材の外側の位置に電磁ポンプが取り付けられており、前記伝熱材はアルミであって、
スターリングエンジンの作動温度域でアルミが溶融し、溶融したアルミが前記伝熱パイプに取り付けられた電磁ポンプの駆動により該伝熱パイプの内部を循環することを特徴とするスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はスターリングエンジンに関する。さらに詳しくは、熱源からスターリングエンジンに熱を伝達する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは、エンジンの外部にある熱源の熱を利用し、シリンダ内部に密封された作動流体を加熱および冷却し、作動流体の膨張と収縮を利用して動力を取り出す方式の外燃機関であり、発明されてから２００年近くの歴史がある。
スターリングエンジンは、多様な熱源に対応できることから、廃熱や太陽熱等の利用手段としての期待があった。そのため、長らく研究開発が続けられてきた。しかし、耐久性の低さ、コスト高等の問題があるため、スターリングエンジンの利用は開発者の周辺に限られており、未だ普及するには至っていない。
【０００３】
近年、再生可能エネルギーへの関心の高まりとともに、スターリングエンジンが改めて注目されている。スターリングエンジンでは、間伐材をはじめとしたバイオ燃料の燃焼熱やゴミの焼却熱、あるいは金属溶解炉の熱や、ディーゼルエンジン等のエンジンからの排熱を熱源として利用することができる。しかし、現状では、これらの熱は全く利用されずに環境に捨てられるか、わずかにお湯や水蒸気として回収されているに過ぎない。
そこで、スターリングエンジンを普及させることができれば、スターリングエンジンに発電機を連結することにより、これまでほとんど利用されず環境に捨てられていた熱を、電気エネルギーに変換して回収することが可能となる。例えば、家庭用の薪ストーブに小型のスターリングエンジン組み合わせることで、煙突から環境に廃棄されていた熱を利用して発電を行い、得られた電気を家庭用の電気として利用することが可能となる。
【０００４】
ここで、各種の熱機関の熱効率を見ると、自動車用のガソリンエンジンでは３０％、ディーゼルエンジンでは４０〜４５％程度である。そして、大型の最新発電方式であるガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインド発電方式では６０％であり、内燃機関の平均では５０％以下である。そして、外燃機関である蒸気機関車では熱効率は５％程度と云われている。
一方、スターリングエンジンでは、加熱用に専用の燃焼室を備えた形式のスターリングエンジンにおいて３０〜４０％程度の熱効率が得られている。これは、スターリングエンジンによって、内燃機関と同程度の熱効率が得られることを示している。なお、専用の燃焼室を備えず、廃熱等を利用する形式のスターリングエンジンの熱効率は熱源に対して１０％程度である。
【０００５】
ところで、スターリングエンジンは外燃機関ゆえ、専用の燃焼室の有無にかかわらず、作動流体をいかに効率よく加熱できるかにより、熱源に対するエンジンの熱効率が大きく変わることとなる。
スターリングエンジンは、加熱部で熱源からの熱を受けてシリンダ内部の作動流体を加熱する構造となっており、加熱部の壁面を通して熱交換をするので、作動流体を効率よく加熱するためには、加熱部は熱伝導性の高い材料で、できるだけ薄く構成することが望ましい。一方、シリンダの内部にはヘリウムガス等の作動流体が５〜１００気圧程度の高圧で封入されているので、加熱部は強度が高い材料で構成することが必要である。また、熱源である燃焼ガスや排ガスの中には硫黄酸化物や窒素酸化物等の腐食物質が含まれているので、加熱部は耐腐食性が高いことも必要である。
【０００６】
しかしながら、これらの条件を全て満足することのできる金属は知られておらず、加熱部を熱伝導性の高い銅で構成した場合には、作動流体の圧力による劣化や燃焼ガス中の腐食物質による腐食等により、エンジンの耐久性が低くなるという問題が生ずる。また、加熱部を強度と耐腐食性の高いステンレスで構成した場合には熱伝導率が低いために、エンジンの熱効率が悪くなるという問題が生ずる。
そして、熱源により加熱部に必要とされる形状が異なる。熱源として油やガスを専用の燃焼室で燃やす場合は、熱源のエネルギー密度が高いので加熱部は比較的小面積な単純な形状で済ますことができる。一方、ディーゼルエンジン等のエンジンからの排熱や工業炉からの排熱などを熱源とする場合は、熱源の温度が３００℃〜４００℃程度の低温でエネルギー密度が低いため、効率よく熱を取り込むためには加熱部の受熱面積を大きくする必要がある。
これらの事情から、従来のスターリングエンジンは、加熱部を強度が高いステンレス等の金属でエンジン本体のシリンダ部分と一体で形成して強度を確保しようとするものが多い。そして、排熱を熱源とし、加熱部にフィン等を設けて加熱部の受熱面積を広げて効率よく熱を取り込もうとするものが多い。
【０００７】
ここで、特開２００８−１４２１８号公報（特許文献１）には、熱源ガスを利用し、シリンダの加熱部に相当するシリンダヘッドをシリンダ本体とは別体で構成したスターリングエンジンが記載されている（特許文献１の図１参照）。そして、特許文献１に記載のスターリングエンジンでは、シリンダに形成されたフランジとシリンダヘッドに形成されたフランジにボルトを挿通してシリンダとシリンダヘッドが締結されている。そして、シリンダヘッドはシリンダの内側に面した第１の層とシリンダの外側に面した第２の層とで構成され、Ｕ字状に曲げられたヒータの両端部を挿入する貫通孔が開けられて、ヒータの両端部が第１の層にロウ付けにより接続されている。そして、ヒータの一端側端部はシリンダ内部に連通し、他端側端部は再生器に連通している。そして、ヒータとシリンダヘッドの第１の層は熱伝導率の高い銅製とされ、シリンダヘッドの第２の層は耐熱性、耐圧性の高いステンレス鋼製とされている。
特許文献１に記載のスターリングエンジンは、ヒーターとシリンダヘッドの第１層に熱伝導率の高い材料を選定することにより作動流体を効率よく加熱するとともに、シリンダヘッドの第２の層によって強度と耐熱性を確保しようとするものである。
そして、熱源ガスのエネルギー密度が低いので、特許文献１のスターリングエンジンではヒータにフィン等を多数設けて受熱面積を大きくして受熱効率を高めようとしている。しかし、熱源ガスの温度は変動しやすく、フィンは燃焼ガスに熱を放出する場合もあるため、フィンによる作動流体への熱の伝導効果は限定的と考えられる。
【０００８】
そして、特開平２−２０７１６４号公報（特許文献２）には、バナーの火炎や太陽熱を熱源とし、スターリングエンジンの加熱に利用できる加熱装置が記載されている（特許文献２の第１図参照）。特許文献２に記載の加熱装置では、燃焼器ハウジングの凹部にヒーターチューブが配置され、ヒーターチューブの一端はシリンダの加熱部に挿通されてシリンダ内部に連通され、他端は再生器に挿通されている。そして、燃焼器ハウジング内には耐熱性および耐腐食性の高い材料からなる離隔部材によりヒーターチューブが収容される密閉空間が形成され、密閉空間内には、熱伝導率の高い蓄熱材が充填されている。
特許文献２に記載の加熱装置は、ヒーターチューブに燃焼ガス等が直接当たることを防ぎ、ヒータチューブの腐食を防ごうとするものである。そして、蓄熱材をヒータチューブの回りに充填することで、熱源からの熱量が変動しても、スターリングエンジンから安定した出力が得られるようにしようとするものである。
【０００９】
なお、特開２００５−０６９１１７（特許文献３）には先端が閉じられ先端から基端まで継ぎ目無く形成された円筒部の先端側の外面に熱伝導ブロックを被せたスターリング冷凍機が記載されている。そして、熱伝導ブロックの内面と円筒部の先端側の外面との微少な隙間に熱伝導材として銀鑞が充填されている。
スターリング冷凍機では燃焼ガスは用いないでの耐腐食性の問題は生じないが、スターリング冷凍機においても、シリンダの強度と熱伝導性の確保はスターリングエンジンと共通の課題である。そして、特許文献３のスターリング冷凍機は、熱伝導ブロックが円筒部の強度を補強するとともに、円筒部と熱伝導ブロックの隙間に銀鑞を充填することで、円筒部から熱伝導ブロックへの高い熱伝導性を確保しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−１４２１８号公報
【特許文献２】特開平２−２０７１６４号公報
【特許文献３】特開２００５−０６９１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述の通り、従来のスターリングエンジンでは、強度及び耐腐食性を考慮して、加熱部がスターリングエンジンの本体部分のシリンダと一体でステンレス、ハステロイ、インコネル等の強度及び耐腐食性の高い金属で形成されるものが多い。しかし、ステンレス等であっても耐腐食性に限度があり、燃焼ガス中の腐食物質による腐食や燃焼ガス中の煤、灰、シリカ、炭酸カルシウム等の付着により加熱部が劣化し、高温にさらされることで劣化が加速する。加熱部への灰等の付着は広く知られた現象であり、灰等の付着により、熱の取り込み効率が悪くなるので、スターリングエンジンの加熱部は定期的なメンテナンスが欠かせない。そして、加熱部がフィン等を備えた複雑な形状の時はメンテナンスが非常に煩雑となる。この加熱部の劣化はスターリングエンジンの性能の劣化にもつながる。そして、加熱部が劣化すると、加熱部の寿命がそのまま加熱部と一体で形成されたスターリングエンジンの寿命となるため、スターリングエンジンの耐久性の低さの一因となっている。
この点について、特許文献１および特許文献２に記載のスターリングエンジンでは加熱部の交換が可能と考えられるが、加熱部の交換にはヒータをシリンダにロウ付してシリンダ内へ作動流体を再充填することが必要となり大改修となる。
【００１２】
そして、強度及び耐腐食性は高いが熱伝導率の低いステンレス等で加熱部が形成されるため、熱効率が悪い。
そして、スターリングエンジンは使用する熱源ごとに加熱部の構造が異なるため、特定の熱源に対応した加熱部と一体で専用機として開発されているので、他の熱源への対応ができず量産効果が見込めない。これがスターリングエンジンのコスト高の一因となっている。
そして、排熱ガスはエネルギー密度が低いため、加熱部の受熱面積を広げるために耐腐食性は高いが加工効率の悪いステンレス等の金属でフィン等を形成しており、これもコスト高の一因となっている。
また、排熱ガスの温度は一定とは限らず、スターリングエンジンの利用温度が変動するとスターリングエンジンの回転数の変化により出力が変動し、スターリングエンジンの安定した運転ができなくなるという問題もある。
【００１３】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、耐久性および熱効率が高く、異なる熱源に容易に対応させることができ、熱源の温度変動があっても安定して稼働することのできるスターリングエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明にかかるスターリングエンジンは次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、作動流体を加熱する加熱部と作動流体を冷却する冷却部とを備えたスターリングエンジンであって、
前記加熱部と前記冷却部とが一体で形成されたエンジン本体と、熱源から該加熱部に熱を伝導する外殻部材とを備え、
前記加熱部は先端部分が閉じた円筒状に形成されており、前記外殻部材は一端が閉じ他端が開口する筒状に形成されており、
前記加熱部の外面に前記外殻部材が該加熱部の先端部分を覆う態様で配置されており、該外殻部材の開口部が該加熱部の円筒状の部位に着脱可能な固定手段により固定されており、
前記加熱部の外面と前記外殻部材の該加熱部に面する内面との間に蓄熱材が充填されているスターリングエンジンである。
【００１５】
この第１の発明によれば、スターリングエンジンは加熱部を含むエンジン本体と熱源からの熱を伝導する外殻部材とが別体で形成されている。よって、個別に最適な材料を選択することができる。具体的には、加熱部を含むエンジン本体には強度の高い材料を選択し、外殻部材には耐熱性および熱伝導性の高い材料を選択することができる。
そして、加熱部と外殻部材の間に蓄熱材が充填されているので、蓄熱材により効率よく熱を吸収することができる。また、熱源の温度変動があっても、蓄熱材が温度変動を吸収して、蓄熱材から加熱部へ熱を安定して供給することができ、スターリングエンジンを安定稼働させることができる。
そして、外殻部材はエンジン本体の加熱部に着脱可能な固定手段で固定される構成とされているので、外殻部材が劣化したら、外殻部材を交換することで、スターリングエンジンのエンジン本体は継続して使用できる。また、熱源ごとに専用の外殻部材を用意し、熱源に応じて外殻部材を選択することで、異なる熱源に容易に対応させることができる。
よって、この第１の発明によれば、耐久性および熱効率が高く、異なる熱源に容易に対応させることができ、熱源の温度変動があっても安定して稼働することができるスターリングエンジンを提供することができる。
【００１６】
次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係るスターリングエンジンであって、前記エンジン本体の加熱部はステンレスまたはハステロイで形成されており、前記外殻部材は炭化ケイ素で形成されていることを特徴とするスターリングエンジンである。
この第２の発明によれば、エンジン本体の加熱部はステンレスまたはハステロイで形成ているので強度が高い。そして、外殻部材は炭化ケイ素で形成されているので耐熱性および熱伝導性が高い。よって、耐久性および熱効率の高いスターリングエンジンを提供することができる。
【００１７】
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係るスターリングエンジンであって、前記蓄熱材は２種以上の物質の粉末粒子を混合した混合物であることを特徴とするスターリングエンジンである。
この第３の発明によれば蓄熱材は粉状の物質であるため充填が容易である。そして、蓄熱材として使用される物質の組み合わせ、比率を変えることで、スターリングエンジンの用途に合わせて、熱伝導性能や蓄熱性能を変えることができる。
【００１８】
次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明ないし第３の発明のいずれかの発明に係るスターリングエンジンであって、前記外殻部材は蛇腹状の胴部を備えることを特徴とするスターリングエンジンである。
この第４の発明によれば、蓄熱材が温度上昇により膨張すると外殻部材の蛇腹状の胴部が伸張して蓄熱材の収容されている部分の体積が増加するので、外殻部材にかかる圧力の増加を低減させることができる。
【００１９】
次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明ないし第４の発明のいずれかの発明に係るスターリングエンジンであって、
前記加熱部の外面と前記外殻部材の該加熱部に面する内面との間に充填された蓄熱材の中に蓄熱部材が埋設されており、
前記蓄熱部材は中空の部材にスターリングエンジンの作動温度域で溶融する潜熱蓄熱材を封入することにより形成されることを特徴とするスターリングエンジンである。
この第５の発明によれば、中空の部材に封入されている潜熱蓄熱材が溶融することにより、多量の熱を融解熱として吸収するために加熱部と外殻部材の間における蓄熱量が増大するので、熱源からの熱の取り込み効率がさらに向上し、加熱部への熱の供給がさらに安定する。なお、熱源の差異等により使用温度域が異なるスターリングエンジンについては、使用温度域で溶融する潜熱蓄熱材を選択して蓄熱部材を構成することができる。
【００２０】
次に、本発明の第６の発明は、上記第１の発明ないし第５の発明のいずれかの発明に係るスターリングエンジンであって、
前記外殻部材には該外殻部材を内側から外側に貫通する伝熱パイプが取り付けらており、該伝熱パイプは該外殻部材の内側で該外殻部材と前記加熱部の間に充填された蓄熱材に接触し、該外殻部材の外側で熱源からの熱を受ける構成とされており、
前記伝熱パイプの内部にはスターリングエンジンの作動温度域で気化または溶融する伝熱材が充填されており、該伝熱材が該伝熱パイプの内部を循環することを特徴とするスターリングエンジンである。
この第６の発明によれば、外殻部材に伝熱パイプを取り付けることにより、外殻部材から離れた熱源からの熱を効率よく受けることができる。そして、伝熱パイプの内部に充填された伝熱材が気化または溶融して伝熱パイプの内部を循環して熱源から蓄熱材に熱を運搬するので、熱源から効率よく熱を取り込むことができる。
【００２１】
次に、本発明の第７の発明は、上記第６の発明に係るスターリングエンジンであって、  前記伝熱パイプは前記外殻部材の内外を循環するループ状に形成されており、該伝熱パイプには該外殻部材の外側の位置に電磁ポンプが取り付けられており、前記伝熱材はアルミであって、
スターリングエンジンの作動温度域でアルミが溶融し、溶融したアルミが前記伝熱パイプに取り付けられた電磁ポンプの駆動により該伝熱パイプの内部を循環することを特徴とするスターリングエンジンである。
この第７の発明によれば、アルミが溶融する温度域で作動するスターリングエンジンにおいて、熱源から効率よく熱を取り込むことができる。
【発明の効果】
【００２２】
上述の本発明の各発明によれば、次の効果が得られる。
まず、上述の第１の発明によれば、、耐久性および熱効率が高く、異なる熱源に容易に対応させることができ、熱源の温度変動があっても安定して稼働することができるスターリングエンジンを提供することができる。
次に上述の第２の発明によれば、耐久性および熱効率の高いスターリングエンジンを提供することができる。
次に上述の第３の発明によれば、蓄熱材の充填が容易であり、充蓄熱材として使用する物質の組み合わせ、比率を変えることで、スターリングエンジンの用途に合わせて、熱伝導性能や蓄熱性能を変えることができる。
次に上述の第４の発明によれば、蓄熱材が温度上昇により膨張すると外殻部材の蛇腹状の胴部が伸張して蓄熱材の収容されている部分の体積が増加するので、外殻部材にかかる圧力の増加を低減させることができる。
次に上述の第５の発明によれば、、蓄熱部材に封入されている蓄熱材が溶融することにより、多量の熱を融解熱として吸収するために加熱部と外殻部材の間における蓄熱量が増大し、加熱部への熱の供給がさらに安定する。
次に上述の第６の発明によれば、外殻部材から離れた熱源からの熱を効率よく受けることができる。そして、伝熱材が気化または溶融して伝熱パイプの内部を循環して熱源から蓄熱材に熱を運搬するので、熱源から効率よく熱を取り込むことができる。
次に上述の第７の発明によれば、アルミが溶融する温度域で作動するスターリングエンジンにおいて、熱源から効率よく熱を取り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１におけるスターリングエンジンを組み込んだ発電装置の一部断面表示による正面図である。
【図２】実施例２におけるスターリングエンジンを組み込んだ発電装置の一部断面表示による正面図である。
【図３】実施例３におけるスターリングエンジンを組み込んだ発電装置の一部断面表示による正面図である。
【図４】実施例３のスターリングエンジンの外殻部材の平面図である。
【図５】フィンを備えた外殻部材の断面図である。
【図６】太陽熱用の外殻部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための形態について実施例にしたがって説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１に本発明の実施例１におけるスターリングエンジン１０を組み込んだ発電装置３０の一部断面表示による正面図を示す。発電装置３０はスターリングエンジン１０によって得られた動力を発電機３２により電気エネルギーに変換する装置である。
スターリングエンジン１０は、燃焼熱を熱源とし、作動流体を加熱する加熱部１４と作動流体を冷却する冷却部１８とが継ぎ目無く一体で形成されたエンジン本体１２と、熱源からの熱を加熱部１４に伝達する外殻部材２２とを備えている。エンジン本体１２の加熱部１４を含む作動流体の圧力を受ける部分はステンレスで形成され、外殻部材２２は炭化ケイ素で形成されている。そして、加熱部１４は円板状の先端部１５と先端部１５に続く円筒状の筒状部１６からなり、外殻部材２２は一端が閉じ他端が開口する筒状に形成された薄肉の中空部材である。そして、加熱部１４の外面には、外殻部材２２が加熱部１４の先端部１５および筒状部１６を覆う態様で配置されている。なお、図１ではエンジン本体１２は外観で表示し、外殻部材２２は断面で表示している。
【００２６】
外殻部材２２は、図１に示すように、加熱部１４の先端部１５に面する円板状の頂部２２ａ、頂部２２ａに続いて外殻部材２２の側面を形成する円筒状の胴部２２ｂ、胴部２２ｂから縮径する円錐状の縮径部２２ｃを備えている。胴部２２ｂは蛇腹状に形成されており、軸方向に伸縮が可能である。そして、縮径部２２ｃの先に円筒状の開口部２２ｄが形成され、開口部２２ｄの先端には径方向外方に突出した円板状のフランジ２４が形成されており、フランジ２４にはボルト挿通用の締結孔が開けられている。
そして、外殻部材２２の頂部２２ａ及び胴部２２ｂは加熱部１４の先端部１５及び筒状部１６から離れており、外殻部材２２の縮径部２２ｃが開口部２２ｄ側で加熱部１４の筒状部１６に接近し、開口部２２ｄが筒状部１６に対して微少な隙間を有している。
加熱部１４の筒状部１６には鍔状のフランジ２０が径方向外方へ突出形成されており、フランジ２０にはボルト挿通用の締結孔が形成されている。そして、フランジ２０及びフランジ２４の締結孔にボルトが挿通されて、外殻部材２２がスターリングエンジン１０の加熱部１４の筒状部１６にネジ止めで固定されている。なお、フランジ２０及びフランジ２４にＯリング装着用の溝を形成し、フランジ２０とフランジ２４の接合面に耐熱性の高い素材で形成されたＯリング等のシール材を挟む構成としても良い。あるいは、フランジ２０とフランジ２４の接合面に耐熱性の高い接着剤を挟む構成としても良い。この場合、接着剤やＯリング等のシール材はセラミックと金属を接着あるいはシールできるものを使用する。
【００２７】
そして、加熱部１４の外面と外殻部材２２の加熱部１４に面する内面の間の空間には、炭素の粉末粒子が蓄熱材２６として充填されている。蓄熱材２６としては、銅のような熱伝導性の高い金属、あるいはセラミックの粉末を用いても良く、２種類以上の粉末状の物質を混合したものであっても良い。
なお、蓄熱材２６として使用する粉末粒子は、エンジン本体１２の加熱部１４との境界面における熱損失を防ぐため、微細な粒子とし、高密度で充填することが好ましい。そして、蓄熱材２６は、加熱部１４の外面と外殻部材２２の加熱部１４に面する内面の間の空間に隙間無く充填することが好ましい。
【００２８】
この実施例１のスターリングエンジン１０によれば、加熱部１４を含むエンジン本体１２と熱源から加熱部１４に熱を伝導する外殻部材２２とは別体で形成されるので、それぞれの役割に適した材料で形成することができる。よって、作動流体の圧力を受ける加熱部１４を含むエンジン本体１２には強度の高い材料を選択し、外殻部材２２には耐熱性および熱伝導性の高い材料を選択することができる。
また、エンジン本体１２の加熱部１４と外殻部材２２で作動流体を加熱する役割と熱源から熱を取り入れる役割を分担する。よって、加熱部１４は熱源の特性を考慮する必要がなくなり、エンジン本体１２の加熱部１４を単純な形状とすることが可能で、エンジン本体１２の製造コストを低減化することができる。そして、外殻部材２２は作動流体の圧力を受けないため、薄肉で形成できるので材料費が節約できる。また、外殻部材２２と加熱部１４の接合部分はフランジのみであり、外殻部材２２の形状には高い加工精度は要求されないので、外殻部材２２の加工コストも低減できる。そして、従来は加工が難しくスターリングエンジンに使用できなかった炭化ケイ素を、外殻部材２２に使用することができるようになった。
【００２９】
そして、蓄熱材２６は炭素の粉末粒子なので、充填が容易であり、熱伝導率も高い。そして、加熱部１４と外殻部材２２の間に蓄熱材２６が充填されているので、外殻部材２２が熱源から取り込んだ熱を蓄熱材２６により効率よく吸収することができる。また、熱源の温度変動があっても、蓄熱材２６が温度変動を吸収し、蓄熱材２６から加熱部１４へ熱を安定して供給する事ができるので、スターリングエンジン１０を安定稼働させることができる。
そして、外殻部材２２はエンジン本体１２の加熱部１４にボルトでの締結により固定されているので、外殻部材２２が劣化したら、簡単な作業で、古い外殻部材２２を取り外して新しい外殻部材２２に交換することができる。そして、スターリングエンジン１０のエンジン本体１２は継続して使用することができる。そして、外殻部材２２の交換は簡単に済ますことができるので、スターリングエンジンの運転を長期間休止する必要がない。
また、エンジン本体への外殻部材の固定手段を共通化し、熱源ごとに用途に合わせた形状や大きさ、使用材質を最適化した専用の外殻部材を用意することができる。そして、熱源に応じて外殻部材を選択することで、スターリングエンジンのエンジン本体は共通で、異なる熱源に容易に対応させることができる。
【００３０】
よって、この実施例１のスターリングエンジンによれば、耐久性および熱効率が高く、異なる熱源に容易に対応させることができ、熱源の温度変動があっても安定して稼働することができるスターリングエンジンを提供することができる。
そして、エンジン本体を異なる熱源に対して共通で使用することができるので、エンジン本体の量産効果が期待できるため、価格を低減させることができる。
そして、蓄熱材は燃焼ガスに直接触れないので、蓄熱材の変質を防ぐことができる。また、充填する蓄熱材の組み合わせ、比率を変えることで、スターリングエンジンの用途に合わせて、熱伝導性能や蓄熱性能を変えることができる。
そして、外殻部材の外形が単純なので、外殻部材への燃焼ガス中の灰等の付着を減じることができ、灰等の除去も容易であり、メンテナンス性に優れる。
外殻部材の胴部は平坦な円筒状でも良いが、起伏をつけると表面積が広がり熱の取り込み効率が良くなる。そして、外殻部材の胴部を蛇腹状にすれば、蓄熱材が温度上昇により膨張すると外殻部材の蛇腹状の胴部が伸張して蓄熱材の収容されている部分の体積が増加するので、外殻部材にかかる圧力の増加を低減させることができる。
【実施例２】
【００３１】
次に、本発明の実施例２について説明する。
図２に本発明の実施例２におけるスターリングエンジン４０を組み込んだ発電装置５０の一部断面表示による正面図を示す。発電装置５０はスターリングエンジン４０によって得られた動力を発電機３２により電気エネルギーに変換する装置である。
スターリングエンジン４０は、燃焼熱を熱源とし、作動流体を加熱する加熱部１４と作動流体を冷却する冷却部１８とが継ぎ目無く一体で形成されたエンジン本体１２と、熱源からの熱を加熱部１４に伝達する外殻部材４２とを備えている。
スターリングエンジン４０のエンジン本体１２の部分は実施例１のスターリングエンジン１０と共通するので同一符号を付して詳細な説明は省略する。そして、外殻部材４２は炭化ケイ素で形成された一端が閉じ他端が開口する筒状で薄肉の中空部材である。
そして、加熱部１４の外面に、外殻部材４２が加熱部１４の先端部１５および筒状部１６を覆う態様で配置されている。図２では、エンジン本体１２は外観で表示し、外殻部材４２は断面で表示している。
【００３２】
外殻部材４２は、図２に示すように、加熱部１４の先端部１５に面する円板状の頂部４２ａ、頂部４２ａに続いて外殻部材４２の側面を形成する円筒状の胴部４２ｂ、胴部４２ｂから縮径する円錐状の縮径部４２ｃを備えている。そして、縮径部４２ｃの先に円筒状の開口部４２ｄが形成され、開口部４２ｄの先端には円板状のフランジ４４が形成されており、フランジ４４にはボルト挿通用の締結孔が開けられている。
そして、外殻部材４２の頂部４２ａ及び胴部４２ｂは加熱部１４の先端部１５及び筒状部１６から離れており、外殻部材４２の縮径部４２ｃが開口部４２ｄ側で加熱部１４の筒状部１６に接近し、開口部４２ｄが筒状部１６に対して微少な隙間を有している。
そして、加熱部１４のフランジ２０及び外殻部材４２のフランジ４４の締結孔にボルトが挿通されて、外殻部材４２がスターリングエンジン４０の加熱部１４の筒状部１６にネジ止めで固定されている。
そして、加熱部１４の外面と外殻部材４２の加熱部１４に面する内面の間の空間には、ダイヤモンドパウダーが蓄熱材４６として隙間無く充填されている。
【００３３】
そして、加熱部１４の外面と外殻部材４２の加熱部１４に面する内面の間の空間に充填された蓄熱材４６の中に、蓄熱パイプ４７が埋設されている。蓄熱パイプ４７は熱伝導性の高い金属で形成された扁平なドーナツ状の管であって、蓄熱パイプ４７には、スターリングエンジン４０の作動温度域で溶融する塩が潜熱蓄熱材４８として封入されている。この潜熱蓄熱材４８が封入された蓄熱パイプ４７が本願の発明の蓄熱部材に相当する。蓄熱パイプ４７は蛇腹構造としても良い。また、蓄熱パイプ４７の形状はドーナッツ状に限られず、円盤状としても良い。
【００３４】
この実施例２のスターリングエンジン４０は、エンジン本体１２と外殻部材４２が別体とされていること、外殻部材４２と加熱部１４との間に蓄熱材４６が充填されていること、外殻部材４２がネジ止めによりエンジン本体１２に固定されていることが、実施例１のスターリングエンジン１０と共通する。
よって、実施例２のスターリングエンジン４０によれば、耐久性および熱効率が高く、異なる熱源に容易に対応させることができ、熱源の温度変動があっても安定して稼働することができるスターリングエンジンを提供することができる。
【００３５】
そして、蓄熱パイプ４７に封入されている潜熱蓄熱材４８が溶融することにより、多量の熱を融解熱として吸収するために加熱部１４と外殻部材４２の間における蓄熱量が増大するので、熱源からの熱の取り込み効率がさらに向上し、加熱部１４への熱の供給がさらに安定する。
なお、熱源の差異等により使用温度域が異なるスターリングエンジンについては、使用温度域で溶融する塩や金属を蓄熱パイプに封入する蓄熱材として選択して蓄熱部材を構成すればよい。
【実施例３】
【００３６】
次に、本発明の実施例３について説明する。
図３に本発明の実施例３におけるスターリングエンジン６０を組み込んだ発電装置７０の一部断面表示による正面図を示す。発電装置７０はスターリングエンジン６０によって得られた動力を発電機３２により電気エネルギーに変換する装置である。
スターリングエンジン６０は、燃焼熱を熱源とし、作動流体を加熱する加熱部１４と作動流体を冷却する冷却部１８とが継ぎ目無く一体で形成されたエンジン本体１２と、熱源からの熱を加熱部１４に伝達する外殻部材６２とを備えている。
スターリングエンジン６０のエンジン本体１２の部分は実施例１のスターリングエンジン１０と共通するので同一符号を付して詳細な説明は省略する。そして、外殻部材６２は炭化ケイ素で形成された一端が閉じ他端が開口する筒状で薄肉の中空部材である。
そして、加熱部１４の外面に、外殻部材６２が加熱部１４の先端部１５および筒状部１６を覆う態様で配置されている。図３では、エンジン本体１２は外観で表示し、外殻部材６２は断面で表示している。
【００３７】
外殻部材６２は、図３に示すように、加熱部１４の先端部１５に面する円板状の頂部６２ａ、頂部６２ａに続いて外殻部材６２の側面を形成する円筒状の胴部６２ｂ、胴部６２ｂから縮径する円錐状の縮径部６２ｃを備えている。そして、縮径部６２ｃの先に円筒状の開口部６２ｄが形成され、開口部６２ｄの先端には円板状のフランジ６４が形成されており、フランジ６４にはボルト挿通用の締結孔が開けられている。
そして、外殻部材６２の頂部６２ａ及び胴部６２ｂは加熱部１４の先端部１５及び筒状部１６から離れており、外殻部材６２の縮径部６２ｃが開口部６２ｄ側で加熱部１４の筒状部１６に接近し、開口部６２ｄが筒状部１６に対して微少な隙間を有している。
そして、加熱部１４のフランジ２０及び外殻部材６２のフランジ６４の締結孔にボルトが挿通されて、外殻部材６２がスターリングエンジン６０の加熱部１４の筒状部１６にネジ止めで固定されている。
そして、加熱部１４の外面と外殻部材６２の加熱部１４に面する内面の間の空間には、ダイヤモンドパウダーが蓄熱材６６として隙間無く充填されている。
【００３８】
そして、外殻部材６２には、外殻部材６２の内側から外殻部材６２の外側に貫通し、外殻部材６２の内外を循環するループ状の伝熱パイプ６７が取り付けられている。伝熱パイプ６７は銅製であり、伝熱パイプ６７は外殻部材６２の内側で外殻部材６２と加熱部１４の間の空間に充填されている蓄熱材６６に接触し、外殻部材６２の外側で熱源からの熱を受けることができる構成とされている。
そして、伝熱パイプ６７にはスターリングエンジン６０の作動温度域で溶融するアルミが伝熱材６８として充填されている。そして、図３に示すように伝熱パイプ６７には外殻部材６２の外側の位置に電磁ポンプ６９が取り付けられている。そして、スターリングエンジン６０の作動温度域で、溶融したアルミが伝熱材６８として電磁ポンプ６９の駆動により伝熱パイプ６７の内部を循環する構成とされている。
図４に伝熱パイプ６７が取り付けられた外殻部材６２の平面図を示す。図４に示すように外殻部材６２には８本の伝熱パイプ６７が放射状に配置されて取り付けられている。なお、図４では電磁ポンプ６９は図示を省略している。
【００３９】
この実施例３のスターリングエンジン６０は、エンジン本体１２と外殻部材６２が別体とされていること、外殻部材６２と加熱部１４との間に蓄熱材６６が充填されていること、外殻部材６２がネジ止めによりエンジン本体１２に固定されていることが、実施例１のスターリングエンジン１０と共通する。
そして、外殻部材６２に伝熱パイプ６７を設けることにより、外殻部材６２から離れた熱源からの熱を効率よく受けることができる。そして、伝熱パイプ６７の内部に充填されたアルミがスターリングエンジン６０の作動温度域で溶融し、伝熱材６８として伝熱パイプ６７の内部を循環して熱源から蓄熱材６６に熱を運搬するので、熱源から効率よく熱を取り込むことができる。そして、蓄熱材６６及び伝熱材６８により熱源の温度変動を吸収することができる。
よって、実施例３のスターリングエンジン６０によれば、耐久性および熱効率が高く、異なる熱源に容易に対応させることができ、熱源の温度変動があっても安定して稼働することができるスターリングエンジンを提供することができる。
なお、異なる温度域の熱源等で使用する場合は、スターリングエンジンの使用温度域で溶融する塩あるいは金属を、伝熱材として伝熱パイプに封入して使用すればよい。
【００４０】
次に、本発明のその他の実施形態について説明する。
上述の実施例１ないし実施例３では外殻部材のエンジン本体への固定は、フランジに挿通したボルトをネジで留める構成としている。これが本発明の着脱可能な固定手段の一例であるが、着脱可能な固定手段はこれに限られない。
例えば、外殻部材の開口部とエンジン本体の加熱部の筒状部の隙間に酸に溶ける性質を有する耐熱性の接着剤を注入して、外殻部材を接着によりエンジン本体に固定しても良い。そして、外殻部材を取り外すときは、接着剤に酸をかけて接着剤を溶かせばよい。
また、外殻部材の開口部とエンジン本体の加熱部の筒状部の隙間に扁平なＯリングを挟み、開口部の外側に金属製のベルトを環状に装着して、ベルトの両端にボルトを挿通しナットで締める構成としても良い。その他、蓄熱材の流出を防ぎ、加熱によって損傷せず、外殻部材を取り外す時にエンジン本体に損傷を与えない、適宜な固定手段を用いることができる。
【００４１】
上述の実施例１ないし実施例３では外殻部材は筒状に形成された薄肉の中空部材としているが、外殻部材の外側にフィンを形成して、外殻部材の表面積を大きくして、外殻部材が熱源に触れる面積を広げ、熱を効率よく取り込めるようにしても良い。また、外殻部材を熱容量の大きな素材で厚めに形成し、外殻部材に蓄熱機能を持たせても良い。
図５にフィン８２を備えた外殻部材８０の例を示す。フィン８２は厚めに形成して蓄熱機能を持たせることが好ましい。また、フィン８２の間隔を広げて、灰等による目詰まりが起きにくくメンテナンスが容易な構成とすることが好ましい。蓄熱材８４の充填、ボルトによるスターリングエンジンのエンジン本体への取付け等は実施例１等と同様であるので説明は省略する。
【００４２】
上述の実施例１ないし実施例３では燃焼熱を熱源とする例を示したが、燃焼熱以外の熱源にも対応させることができる。
図６に太陽熱を熱源とする外殻部材９０の断面を示す。外殻部材９０では、集熱レンズ９６で集めた太陽熱を平面状の集熱部９２で受け、これを蓄熱材９４に蓄えながら、熱をスターリングエンジンのエンジン本体の加熱部に伝達する。外殻部材９０のスターリングエンジンのエンジン本体への取付方法を他の熱源用と共通にすることで、エンジン本体を共通化することができる。
【００４３】
上述の実施例３では伝熱材をアルミとし、電磁ポンプにより溶融したアルミが伝熱パイプ内部を循環する構成としているが、伝熱パイプの構成はこれに限られない。伝熱材としてスターリングエンジンの作動温度域で気化する塩を用い、伝熱パイプを棒状の構成とし、ヒートポンプ方式で気化した塩が伝熱パイプ内部を移動して、熱を熱源から蓄熱材に運搬する構成とすることもできる。
【００４４】
本発明に係るスターリングエンジンは、スターリングエンジンのフリーピスト形式、キネマチック形式等の形式にかかわらず、加熱部を外部から加熱する方式のスターリングエンジン全般で実施することができる。その他、本発明に係るスターリングエンジンはその発明の思想の範囲で、各種の形態で実施できるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１０、４０、６０ スターリングエンジン
１２ エンジン本体
１４ 加熱部
１５ 先端部
１６ 筒状部
１８ 冷却部
２０ フランジ
２２、４２、６２ 外殻部材
２２ａ、４２ａ、６２ａ 頂部
２２ｂ、４２ｂ、６２ｂ 胴部
２２ｃ、４２ｃ、６２ｃ 縮径部
２２ｄ、４２ｄ、６２ｄ 開口部
２４、４４、６４ フランジ
２６、４６、６６ 蓄熱材
３０、５０、７０ 発電装置
３２ 発電機
４７ 蓄熱パイプ
４８ 潜熱蓄熱材
６７ 伝熱パイプ
６８ 伝熱材
６９ 電磁ポンプ
８０ 外殻部材
８２ フィン
８４ 蓄熱材
９０ 外殻部材
９２ 集熱部
９４ 蓄熱材
９６ 集熱レンズ
【図１】
2014047770.tif 000003
【図２】
2014047770.tif 000004
【図３】
2014047770.tif 000005
【図４】
2014047770.tif 000006
【図５】
2014047770.tif 000007
【図６】
2014047770.tif 000008