(57)【要約】【課題】表面積や電圧によって発熱温度を異ならせることができる発熱体を用い、発熱温度と熱交換量とを調整可能なスターリングエンジンを提供すること。【解決手段】本発明のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、高温空間と低温空間との間に、加熱部５、再生部６、及び冷却部７を配置し、高温空間と低温空間との間に作動ガスを移動させるスターリングエンジンであって、加熱部５を覆う熱源キャップ２０を設け、熱源キャップ２０の内周面に、電極端子３０ａ、３０ｂ間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる平板状の複数の発熱体３０を設け、これらの発熱体３０を、電気的に並列に接続して配置したことを特徴とする。【選択図】        図1
2014098318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間と前記低温空間との間に、加熱部、再生部、及び冷却部を配置し、前記高温空間と前記低温空間との間に作動ガスを移動させるスターリングエンジンであって、
前記加熱部を覆う熱源キャップを設け、
前記熱源キャップの内周面に、電極端子間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる平板状の複数の発熱体を設け、
これらの前記発熱体を、電気的に並列に接続して配置したことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
全ての前記発熱体を、それぞれ、同一長さで同一幅としたことを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン。
【請求項３】
前記熱源キャップの外周面を断熱材で覆ったことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
前記発熱体は、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、前記半導体膜は、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金であり、
インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
前記発熱体の前記幅を４ｍｍから１５ｍｍとし、前記発熱体に加える前記入力電圧を１５ｖから１００ｖとしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
前記発熱体の発熱温度を２００℃から１４００℃としたことを特徴とする請求項５に記載のスターリングエンジン。
【請求項７】
前記熱源キャップを、前記ディスプレーサピストンが挿入されるシリンダとしたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のスターリングエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、高温空間と低温空間との間に、加熱部、再生部、及び冷却部を配置し、高温空間と低温空間との間に作動ガスを移動させるスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱源を選ばず、温度差があれば発電ができるスターリングエンジンが知られている。
図１０は、一般的に知られたスターリングエンジンの構成図である。
スターリングエンジンは、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２とを有し、ディスプレーサピストン１によって分離される一方の空間を高温空間３、他方の空間を低温空間４とし、高温空間３と低温空間４との間で作動ガスを移動させる。
加熱部５は高温空間３を挟んでディスプレーサピストン１と対向する位置に、再生部６及び冷却部７はディスプレーサピストン１の外周に配置している。ここで加熱部５は、高温作動ガスを移動させる伝熱管により構成している。
ディスプレーサピストン１及びパワーピストン２は、それぞれクランクシャフト８に連結され、クランクシャフト８の一端には、発電機用シャフト９が接続されている。発電機用シャフト９には発電機１０が接続されている。
再生部６は筒状に形成され、再生部６の内部には蓄熱材が設けられ、この蓄熱材によって、高温作動ガスから吸熱し低温作動ガスに放熱する。
冷却部７も筒状に形成され、冷却部７の内部は、冷却水が流れる通路と作動ガスが流れる通路に区分され、作動ガスは冷却水で冷却される。
加熱部５は再生部６と接続され、再生部６は冷却部７と接続されている。加熱部５は高温空間３と連通し、冷却部７は低温空間４と連通している。
【０００３】
上記構成において、スタート時には発電機を動力源としてディスプレーサピストン１を動作させることで、高温空間３と低温空間４とを作動ガスが移動する。作動ガスは、加熱部５で加熱・膨張して高温空間３に導入され、冷却部７で冷却・収縮して低温空間４に導入されることで、高温空間３及び低温空間４に圧力変動が生じる。この圧力変動によってパワーピストン２が動作することで出力を得ることができる。
すなわち、加熱部５で加熱されることによって、封入されている作動ガスが膨張して、差圧を受けることで、ディスプレーサピストン１を下方へ移動させる。ディスプレーサピストン１の下方への移動によって、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２との間の低温空間４にある作動ガスが圧縮されてパワーピストン２を下方へ移動させる。パワーピストン２の下方への移動によって、作動ガスはディスプレーサピストン１の上部空間（高温空間３）から、加熱部５、再生部６、及び冷却部７を通過してディスプレーサピストン１の下部空間（低温空間４）に移動する。そしてディスプレーサピストン１の上方への移動によって、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２との間の低温空間４が低圧になることで、パワーピストン２は上方へ移動する。ディスプレーサピストン１の下部に移動した作動ガスは、パワーピストン２の上方への移動によって、冷却部７、再生部６、及び加熱部５を通過して、ディスプレーサピストン１の上部に移動する。
このように、加熱部５での加熱と冷却部７での冷却によって、作動ガスは膨張収縮を行いながらディスプレーサピストン１の上部と下部を往復することで、ディスプレーサピストン１を移動させるとともに、パワーピストン２を移動させて発電を行うことができる。
【０００４】
一方、液体を加熱する場合に面状発熱体を利用する装置が提案されている（特許文献１）。
また、従来のニクロム線で構成される発熱体と比較して、熱量が大きく、高温を出せる面状発熱体を用いた装置が提案されている。
例えば、特許文献２は、ニッケルインジウム酸化化合物を主材料とする発熱体を用い、液体加熱管内にこの発熱体を挿通した液体加熱装置である。
また、特許文献３は、導電性の高いニッケルインジウム酸化化合物を添加した塗料を塗布した発熱体を用い、融雪マットや温床マットにこの発熱体を用いている。
また、特許文献４は、ニッケル、インジウム及びチタンを含有するニッケル基合金を発熱体として用い、この発熱体によって気体を加熱する気体加熱装置、又は雪や氷などの固体を溶かす固体加熱装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平７−１１１９００号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１３８０５号公報
【特許文献３】特許第３９９７１７９号公報
【特許文献４】特開２００８−１５６７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、面状発熱体の一方の面を被覆することなく露出させ、この露出面を液体槽の外壁に接着することで加熱効率を高めているが、この面状発熱体がどのような特性を持つ発熱体であるかについては明確に記載されていない。
特許文献２から特許文献４では、ニクロム線とは全く異なった発熱体を用いており、これらの文献で開示されている発熱体は、表面積や電圧によって発熱温度を異ならせることができる。
しかし、特許文献２のように液体加熱管内にこの発熱体を挿通した場合には、発熱体の発熱温度を高くすると蒸気爆発を起こすことに留意しなければならない。
また、特許文献３では、電圧を一定とし、面積によって電力量が異なることを開示するのみで、発熱温度の調整については何ら記載されていない。
特許文献４についても、発熱温度の調整については何ら記載されていない。
【０００７】
本発明は、表面積や電圧によって発熱温度を異ならせることができる発熱体を用い、発熱温度と熱交換量とを調整可能なスターリングエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の本発明のスターリングエンジンは、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間と前記低温空間との間に、加熱部、再生部、及び冷却部を配置し、前記高温空間と前記低温空間との間に作動ガスを移動させるスターリングエンジンであって、前記加熱部を覆う熱源キャップを設け、前記熱源キャップの内周面に、電極端子間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる平板状の複数の発熱体を設け、これらの前記発熱体を、電気的に並列に接続して配置したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジンにおいて、全ての前記発熱体を、それぞれ、同一長さで同一幅としたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記熱源キャップの外周面を断熱材で覆ったことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジンにおいて、前記発熱体は、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、前記半導体膜は、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金であり、インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３としたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のスターリングエンジンにおいて、前記発熱体の前記幅を４ｍｍから１５ｍｍとし、前記発熱体に加える前記入力電圧を１５ｖから１００ｖとしたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載のスターリングエンジンにおいて、前記発熱体の発熱温度を２００℃から１４００℃としたことを特徴とする。
請求項7記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のスターリングエンジンにおいて、熱源キャップを、前記ディスプレーサピストンが挿入されるシリンダとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発熱体を並列に接続することで、発熱体の長さを調整して所定の発熱温度を得ることができ、また熱交換量を増やすためには発熱体の数を増やすことで対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例によるスターリングエンジンの熱源キャップを取り外した状態を示す正面図
【図２】図１に示すＸ−Ｘ線から見た平面図
【図３】同スターリングエンジンの熱源キャップを装着した状態を示す正面図
【図４】図３に示す同スターリングエンジンの平面図
【図５】同スターリングエンジンの熱源キャップを示す正面図
【図６】図３に示す同スターリングエンジンの熱源キャップの平面図
【図７】発熱体の面積と入力電圧とを変えたときの発熱温度の測定結果を示す表
【図８】図３の結果による特性を示すグラフ
【図９】本発明の他の実施例によるスターリングエンジンの構成図
【図１０】一般的に知られたスターリングエンジンの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンは、加熱部を覆う熱源キャップを設け、熱源キャップの内周面に、電極端子間の長さと幅によって同一入力電圧下における発熱温度が異なる平板状の複数の発熱体を設け、これらの発熱体を、電気的に並列に接続して配置したものである。本実施の形態によれば、発熱体を並列に接続することで、発熱体の長さを調整して所定の発熱温度を得ることができ、また熱交換量を増やすためには発熱体の数を増やすことで対応できる。
【００１２】
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、全ての発熱体を、それぞれ、同一長さで同一幅としたものである。本実施の形態によれば、全ての発熱体を、それぞれ、同一幅、同一長さとすることで、全ての発熱体の発熱温度を同じとすることができる。
【００１３】
本発明の第３の実施の形態は、第１又は第２の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、熱源キャップの外周面を断熱材で覆ったものである。本実施の形態によれば、外部への放熱を少なくして熱効率を高めることができる。
【００１４】
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、発熱体は、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、半導体膜は、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金であり、インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３としたものである。本実施の形態によれば、金属箔の表面温度を半導体膜で更に高めることができる。
【００１５】
本発明の第５の実施の形態は、第１から第４の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、発熱体の幅を４ｍｍから１５ｍｍとし、発熱体に加える入力電圧を１５ｖから100ｖとしたものである。本実施の形態によれば、低電圧で２００℃から１４００℃の温度で発熱させることができる。
【００１６】
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、発熱体の発熱温度を２００℃から１４００℃としたものである。本実施の形態によれば、スターリングエンジンを効率よく運転し発電することができる。
【００１７】
本発明の第７の実施の形態は、第１から第４の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、熱源キャップを、前記ディスプレーサピストンが挿入されるシリンダとしたものである。本実施の形態によればシリンダからの発熱より更に高効率熱交換し、放熱を少なくして熱効率を高めることができ、高効率に発電させることができる。
【実施例】
【００１８】
以下に本発明の一実施例を図１から図６に示す。
図１は本発明の一実施例によるスターリングエンジンの熱源キャップを取り外した状態を示す正面図、図２は図１に示すＸ−Ｘ線から見た平面図、図３は同スターリングエンジンの熱源キャップを装着した状態を示す正面図、図４は図３に示す同スターリングエンジンの平面図、図５は同スターリングエンジンの熱源キャップを示す正面図、図６は図３に示す同スターリングエンジンの熱源キャップの平面図である。
【００１９】
本実施例によるスターリングエンジンは、従来例で説明した構成と同様に、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、高温空間と低温空間との間に、加熱部５、再生部６、及び冷却部７を配置し、高温空間と低温空間との間に作動ガスを移動させる。本実施例によるスターリングエンジンは、ディスプレーサピストン及びパワーピストンと同軸上に発電機１０を配置している。
本実施例によるスターリングエンジンは、加熱部５を覆う熱源キャップ２０を設けている。熱源キャップ２０は、筒状部２１とドーム部２２から構成される。
熱源キャップ２０の内周面、すなわち、筒状部２１及びドーム部２２の内周面には、発熱体３０を設けている。
熱源キャップ２０は、外周面を断熱材で覆うか、熱源キャップ２０自体を断熱材で形成することが好ましい。熱源キャップ２０自体を断熱材で形成した場合には、熱源キャップ２０の内周面に熱伝導性の高い部材を貼り付け、この部材に発熱体３０を設けてもよい。
【００２０】
以下に本発明の他の実施例を図９に示す。
図９は本発明の他の実施例によるスターリングエンジンの構成図である。なお、図１０で説明した構成と同一構成には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例では、熱源キャップ２０を、ディスプレーサピストン１が挿入されるシリンダ１１の上部及びシリンダヘッド１１ａで形成している。そして、シリンダ１１の上部及びシリンダヘッド１１ａで形成される熱源キャップ２０で、加熱部５を覆っている。
本実施例では、図１０で説明した加熱部５を、熱源キャップ２０内に形成している。
本実施例では、熱源キャップ２０の内周面、すなわち、シリンダ１１の上部筒状部及びシリンダヘッド１１ａの内周面に発熱体３０を設けている。
【００２１】
いずれの実施例においても、２つの発熱体３０を設けている。２つの発熱体３０は、渦巻き状に形成されている。
それぞれの発熱体３０の両端には、電極端子３０ａ、３０ｂが形成され、一方の電極端子３０ａは一方の電極（図示せず）に接続され、他方の電極端子３０ｂは他方の電極（図示せず）に接続されている。
それぞれの発熱体３０は、全て電極端子３０ａ、３０ｂ間の長さと幅が同じ（同一面積）で平板状に形成され、全ての発熱体３０は、一方の電極と他方の電極によって電気的に並列に接続されている。
発熱体３０及び電極端子３０ａ、３０ｂは、耐熱絶縁樹脂からなる保護フィルムで覆われている。
図９に示す実施例においては、発熱体３０の表面、すなわち発熱体３０のディスプレーサピストン１側には、セラミック薄膜を形成することが好ましい。
【００２２】
発熱体３０は、金属箔に半導体膜をコーティングしたものからなり、金属箔にはステンレス、半導体膜には、ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金を用いることができる。ニッケル、インジウム、及びチタンを配合したニッケル基合金では、インジウム／ニッケルの質量比を０．００１〜０．２、チタン／ニッケルの質量比を０．０３〜０．３とする。半導体膜のコーティングは、蒸着やスパッタリングで行うことができる。
【００２３】
金属箔として、厚さ３０μｍ、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍのステンレス基板を用いた。このステンレス基板にニッケル基合金をコーティングした面状発熱体と、ステンレス基板のみの発熱体との、１２ｖの入力電圧に対するそれぞれの表面温度を計測した。その結果、ステンレス基板のみの発熱体では５１℃であるのに対して、ステンレス基板にニッケル基合金をコーティングした面状発熱体は１２８℃となった。
このように、基板であるステンレス基材の表面に半導体膜をコーティングした面状発熱体では、ステンレス基板の抵抗熱と半導体膜内の電子の移動による熱及び輻射熱との相乗効果で発熱する。すなわち、ステンレス基板自体の抵抗熱に加えて、ステンレス基板が発したエネルギーを半導体膜が受けることで発熱する。
【００２４】
１ｍｍの幅、３００ｍｍの長さ、３０μｍの厚さの面状発熱体について、１ｍｍの径、３００ｍｍの長さの棒状ニクロム線を比較例として電力比較を行った。
比較例としてのニクロム線では、表面温度を３４０℃とするために、電圧１０ｖ、電流１０．４Ａ、電力１０４ｗが必要であるのに対して、面状発熱体では、電圧２８ｖ、電流２．１Ａ、電力５８．８ｗとなった。
本実施例による発熱体３０は、長さ３３０ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ２０μｍのものを用い、入力電圧２０ｖとした。この発熱体３０では、入力電圧２０ｖにおいて、発熱温度は２４０℃である。
【００２５】
発熱体３０の特性を図７及び図８に示す。
図７は、発熱体の面積と入力電圧とを変えたときの発熱温度の測定結果であり、図８は図７の結果による特性を示すグラフである。
実験によれば、長さ３００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧１５Ｖを印加すると、１．０８Ａの電流が流れ、発熱温度は１７０℃となり、長さ３００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、１．４６Ａの電流が流れ、発熱温度は２００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、１．６３Ａの電流が流れ、発熱温度は１４０℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、２．２９Ａの電流が流れ、発熱温度は２４０℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧２０Ｖを印加すると、３．０１Ａの電流が流れ、発熱温度は２７０℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧５０Ｖを印加すると、３．９３Ａの電流が流れ、発熱温度は４２８℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧５０Ｖを印加すると、５．６８Ａの電流が流れ、発熱温度は６７３℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧５０Ｖを印加すると、７．１８Ａの電流が流れ、発熱温度は７００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、７．８Ａの電流が流れ、発熱温度は８００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、１１．２Ａの電流が流れ、発熱温度は１２００℃となり、長さ１０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、１４．２Ａの電流が流れ、発熱温度は１４００℃となり、長さ２０００ｍｍ、幅５ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、４．１７Ａの電流が流れ、発熱温度は４０７℃となり、長さ２０００ｍｍ、幅８ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、６．０５Ａの電流が流れ、発熱温度は６３０℃となり、長さ２０００ｍｍ、幅１０ｍｍの場合、電圧１００Ｖを印加すると、７．３Ａの電流が流れ、発熱温度は７２０℃となった。
【００２６】
発熱体３０は、長さ（電極端子３０ａ、３０ｂ間の寸法）が同じであれば幅（長さ方向に垂直な方向の寸法）が広い方が高い発熱温度となり、幅が同じであれば長さが短い方が高い発熱温度となっている。また、長さと幅の比率が同じであれば、面積が小さいほど小さい入力電圧で同じ発熱温度を得ることができる。
【００２７】
しかし、発熱体３０の耐久性を考えると４ｍｍ以上の幅とすることが好ましく、更には８ｍｍ以上が更に好ましい。
また、小さい入力電圧で高い発熱温度を得るためには、発熱体３０の長さを３００ｍｍから２０００ｍｍ、幅を１５ｍｍ以下の幅とすることが好ましい。
入力電圧は５vから１００v、更には１５vから１００vが適している。商用電源を用いる場合には変圧器を用いて５v、２０v、又は５０v、１００vに変圧して用いる。
なお、発熱体３０の長さを３００ｍｍから１０００ｍｍ、幅を５ｍｍから１０ｍｍとすることで、２０vの電圧で発熱体３０の発熱温度を１４０℃から２７０℃とすることができる。
また、発熱体３０の長さを１０００ｍｍ、幅を５ｍｍから１０ｍｍとすることで、５０vの電圧で発熱体３０の発熱温度を４２８℃から７００℃とすることができる。
また、発熱体３０の長さを１０００ｍｍから２０００ｍｍ、幅を５ｍｍから１０ｍｍとすることで、１００vの電圧で発熱体３０の発熱温度を４０７℃から１４００℃とすることができる。
【００２８】
以上のように、全ての発熱体３０を、それぞれ、同一幅で同一長さとすることで、全ての発熱体３０の発熱温度を同じとすることができ、流体を所定の温度に加熱し、又は蒸気を発生させることができる。
スターリングエンジンには、発熱体３０の発熱温度を２００℃から１４００℃とすることが好ましい。
【００２９】
以上のように本実施例によれば、発熱体３０を並列に接続することで、発熱体３０の長さを調整して所定の発熱温度を得ることができ、また熱交換量を増やすためには発熱体３０の数を増やすことで対応できる。
なお、従来例で示したスターリングエンジンに本実施例で説明した熱源キャップ２０を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明によれば、効率よく安定的にスターリングエンジンを運転して発電することができる。
【符号の説明】
【００３１】
５  加熱部
６  再生部
７  冷却部
１０  発電機
２０  熱源キャップ
２１  筒状部
２２  ドーム部
３０  発熱体
３０ａ  電極端子
３０ｂ  電極端子
【図１】
2014098318.tif 000003
【図２】
2014098318.tif 000004
【図３】
2014098318.tif 000005
【図４】
2014098318.tif 000006
【図５】
2014098318.tif 000007
【図６】
2014098318.tif 000008
【図７】
2014098318.tif 000009
【図８】
2014098318.tif 000010
【図９】
2014098318.tif 000011
【図１０】
2014098318.tif 000012