(57)【要約】      （修正有）【課題】スターリングエンジンの高温側の放射熱交換を強化し、集光された太陽光の中心の高温エネルギーを効果的に利用し、高温側のデッドボリュームを減少させ、スターリング加熱器の管破裂等の問題を解決し、エンジン効率を向上させ、光エネルギーと熱エネルギーの補完利用を実現し、エンジンの安定性を向上させる。【解決手段】加熱器ベース６、光エネルギー変換デバイス５、加熱管３、燃焼室２及び加熱管バルブ４を有し、太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器１である。【選択図】図１
2018025193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱器ベース（６）、光エネルギー変換デバイス（５）、加熱管（３）、燃焼室（２）及び加熱管バルブ（４）を有し、太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）であって、
前記加熱管（３）が加熱管バルブ（４）に接続され、加熱管バルブ（４）が加熱器ベース（６）に接続され、前記燃焼室（２）が加熱管（３）の周りに位置し、燃焼室（２）内が加熱管（３）に必要な熱量を供給し、前記光エネルギー変換デバイス（５）が加熱器ベース（６）とスターリングエンジンの膨張室（１９）の上端に位置し、前記加熱器ベース（６）が第１の孔構造（２０）、第２の孔構造（２１）、第３の孔構造（２２）を備え、前記第２の孔構造（２１）が加熱器ベース（６）と膨張室（１９）との接続箇所に位置し、前記第１の孔構造（２０）が加熱器ベース（６）と再生器（７）との接続箇所に位置し、前記第３の孔構造（２２）が膨張室（１９）と再生器（７）との接続箇所に位置すると共に加熱器ベース（６）の上端面に接近することを特徴とする太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項２】
前記光エネルギー変換デバイス（５）は、その材料が半導体又は金属であり、光吸収器、中間層及び光放射器を有し、光吸収器は集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、中間層は熱伝達の役割を果たし、光放射器は作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射して、熱放射により膨張室内の作動ガスを直接加熱し、前記作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーは、放射スペクトルの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じでかつスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりも小さい放射エネルギーであることを特徴とする請求項１に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項３】
前記太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）の吸熱作動ガスは、二酸化炭素、ブタン及びブテンからなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項２に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項４】
前記第３の孔構造（２２）は常に開状態にあり、前記第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）は加熱管バルブ（４）を制御することにより操作可能であり、前記第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）が開状態にある場合、前記加熱管バルブ（４）を制御することによって第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）の開孔の大きさを制御することを実現し、加熱管（３）と第３の孔構造（２２）を通過する作動ガスの流量比を制御することができることを特徴とする請求項１に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項５】
前記加熱管（３）は円周に沿って均一に配置され、一つの加熱管が二つの部分に折り曲げられ、空間円弧形を呈し、第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）が開状態にある場合、作動ガスは膨張室（１９）から第２の孔構造（２１）を通過して加熱管（３）の一端に入り、かつ加熱管（３）の他端から第１の孔構造（２０）を通過して再生器（７）に入ることを特徴とする請求項１に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項６】
前記加熱器（１）に用いられる太陽放射熱源（２４）は、太陽集光システムにより実現し、かつＣＰＣ集光器（２３）により更なる集光を実現することができることを特徴とする請求項１に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）を含み、さらに再生器（７）、冷却器（８）、膨張室（１９）及び圧縮室（１８）を含み、放射吸熱器（１）が再生器（７）の一端に接続され、再生器（７）の他端が冷却器（８）に接続され、冷却器（８）の出口が圧縮室（１８）に接続され、放射吸熱器（１）の出口が膨張室（１９）に接続され、膨張室（１９）、放射吸熱器（１）、再生器（７）、冷却器（８）及び圧縮室（１８）が完全な循環ループを形成し、作動ガスが前記循環ループを流れることを特徴とするスターリングエンジン（２５）。
【請求項８】
前記膨張室（１９）と前記圧縮室（１８）は、それぞれ膨張室のピストン（１０）と圧縮室のピストン（１６）に接続され、かつ膨張室のピストンリング（９）と圧縮室のピストンリング（１７）を用いて前記膨張室と前記圧縮室内の作動ガスを外部ガスから遮断し、膨張室のピストン（１０）と圧縮室のピストン（１６）は、それぞれ膨張室のピストンロッド（１１）と圧縮室のピストンロッド（１４）を介して伝動構造（１３）に接続され、伝動構造（１３）がフライホイール（１２）の一端に接続され、フライホイール（１２）の他端がモータ（１５）に接続されていることを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン（２５）。
【請求項９】
太陽光放射のみで加熱する場合、
加熱管バルブ（４）を制御して第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）を閉状態にし、作動ガスが前記膨張室（１９）内に膨張して仕事をし、太陽放射エネルギーが光エネルギー変換デバイス（５）を通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベース（６）の上端面と放射熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスが第３の孔構造（２２）を通過して前記再生器（７）に入り、前記再生器（７）を通過した作動ガスが冷却器（８）を通過して冷却され、前記圧縮室（１８）に排出して圧縮され、その後に作動ガスが冷却器（８）、再生器（７）、第３の孔構造（２２）を順に通過して膨張室（１９）に戻り、上記過程を繰り返すステップＡと、
太陽光放射と燃焼補助熱源で加熱する場合、
加熱管バルブ（４）を制御して第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２２）を開状態にし、加熱管バルブ（４）を調整して第２の孔構造（２１）と第３の孔構造（２２）を通過する作動ガスの流量比を制御し、作動ガスが前記膨張室（１９）内に膨張して仕事をし、太陽放射エネルギーが光エネルギー変換デバイス（５）を通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベース（６）の上端面と放射熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスの一部が第３の孔構造（２２）を通過して前記再生器（７）に入り、加熱された作動ガスの残部が第２の孔構造（２１）を通過して加熱管（３）の一端に入り、作動ガスがさらに加熱され、かつ第１の孔構造（２０）を通過した後に再生器に入り、前記再生器（７）を通過した作動ガスが冷却器（８）を通過して冷却され、前記圧縮室（１８）に排出して圧縮され、その後に作動ガスが冷却器（８）、再生器（７）、第３の孔構造（２２）又は第１の孔構造（２０）、加熱管（３）及び第２の孔構造（２１）を順に通過して膨張室（１９）に戻り、上記過程を繰り返すステップＢと、
を含むことを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン（２５）の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特性吸収スペクトルによる放射吸熱器、スターリングエンジン及びその運転方法に関し、特に光エネルギー変換デバイスを用い、光エネルギー変換デバイスの片側が集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを光エネルギー変換デバイスの他側に伝達して、作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーに変換し、かつ膨張室内に放射して熱交換を行い、また光エネルギーと熱エネルギーの補完利用を実現でき、ディッシュ−スターリング型太陽熱発電システムに適用され、放射による加熱を用いるスターリング加熱器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディッシュ−スターリング型太陽熱発電は、太陽熱発電技術のうち光電変換効率が最も高い方式であり、また、発電パワーが小さいため、小型分散型エネルギーシステムに適する。それは、放物面集光鏡により太陽光を収集して集光鏡の焦点に反射するものであり、スターリングエンジンは、一般的に集光鏡の焦点位置のスポットの近くに配置され、収集された集中的な高温かつ高熱流密度の熱量がスターリングエンジンの加熱管によって吸収されて、内部の作動媒体を加熱して、太陽エネルギーを熱エネルギーに変換し、スターリングエンジンの安定運転を保証することにより、エンジンを発電させるように駆動する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
スターリングエンジン（ヒートエンジンとも呼ばれる）は、外部熱源で可逆サイクルつまりスターリングサイクルを実現するエンジンであり、ループに密封された作動媒体の周期的膨張及び圧縮により、熱エネルギーから機械仕事への変換を実現するピストンエンジンである。スターリングエンジンの外部加熱の特徴により，エネルギー適応性に優れているという優れた利点を有し、石炭、ガソリン、ディーゼル燃料、天然ガス等の化石エネルギー、木屑、わら、酒精、メタンガス等のバイオマスエネルギーを燃焼することができるだけでなく、余熱、太陽エネルギー等の低エネルギーレベルのものを利用することができる。外部燃焼過程は、連続的であり、燃焼制御及び完全燃焼を実現しやすく、排出された有害ガスを大幅に減少させると共に、ノッキングと排気波の現象がなく、安定して運転し、信頼性が高い。発電用の原動機、冷凍機、ヒートポンプ及び圧力発生器として、家電用品、自動車、汽船、航空宇宙、マイクロエレクトロニクス及び生物低温保存等の様々な分野において広く適用される。
【０００４】
スターリングエンジンの作動容積は、主に膨張室、圧縮室、加熱器、再生器及び冷却器の五つの部分で構成される。作動媒体は、ピストン運動の駆動下でループ中に往復流動し、加熱器内で外部熱源によって加熱され、冷却器内で外部低熱源によって冷却される。異なる加熱方式を採用すると、対応するスターリング加熱器の構造は異なる特性を有する。従来の関連研究によると、ガス加熱の加熱管は一般的にＵ型直列管であり、加熱器は、一定数量の加熱管が円周に沿って均一に配置されてなり、加熱管の管壁に光エネルギー変換デバイスが取り付けられ、特定の波長の放射線を透過して対応する作動媒体を加熱することにより、ガス吸熱効果をより高くし、太陽熱放射が弱い場合、熱煙道ガスを補助として導入して、加熱管と対流熱交換を行うことができる。太陽熱放射による加熱されたスターリング加熱器は、一般的に外向きに伸び、全体的に軸対称となる構造に設計されることにより、限られた空間内により多くの太陽エネルギーを吸収し、さらにキャビティ型断熱構造で加熱器のパイプを囲むことにより、熱量を集中し、熱損失を減少させる。
【０００５】
太陽熱放射に明らかな不安定性が存在し、太陽熱放射が不足するか又はない場合、スターリングエンジンは運転パワーの要件を満たさないため、追加の熱源により熱を供給する必要があり、この場合、ガス加熱と太陽エネルギー加熱の組み合わせは合理的な手段である。研究によると、ガスから生じた排気ガスは温度が一般的に１０００℃以下であり、粒状物質の含有量が少ないため、対流熱交換方式が支配的であり、放射熱交換量が総熱交換量の約３１％を占め、排気ガスと加熱管の間の対流熱交換を強化することによりスターリングエンジンの性能を向上させることについても大量の研究がある。従来のスターリングエンジンの加熱器が十分な熱交換面積を備えてこそスターリングエンジン内部の作動ガスを完全に加熱することができ、それに応じてスターリングエンジン加熱器部分が大きなデッドボリュームを有することは、スターリングエンジンの効率に影響する重要な要因であり、スターリングエンジンの加熱器部分の作動ガスの迅速熱変換を実現すると共にスターリングエンジンの加熱器部分のデッドボリュームを減少させると、スターリングエンジンの出力パワーとサイクル効率の向上に重要な役割を果たすことができる。
【０００６】
ディッシュ型太陽集光システムにおいて、集光太陽光の中心に非常に高い温度を有するため、スターリングエンジン加熱器の材料に巨大な挑戦をもたらすことになり、一般的に、ディッシュ型太陽熱発電システムにおけるスターリングエンジンはこの部分の高温エネルギーを回避し、その結果、全体的な光熱効率を低下させることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−７９５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、特性吸収スペクトルのガス吸熱を用いる迅速吸熱型スターリングエンジンの加熱器装置、スターリングエンジン及びスターリングエンジンの運転方法を提供することを目的とする。太陽熱放射による加熱を主とし、燃焼加熱を補助熱源とし、光エネルギー変換デバイスにより、一部の太陽熱放射エネルギーが膨張室の最上端で作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して作動ガスを加熱し、一部の太陽熱放射エネルギーが加熱器内部の作動ガスを加熱することで、ディッシュ−スターリング型太陽熱発電システムに適用されるものである。
【０００９】
従来のスターリングエンジンは、一般的な加熱器を採用し、スターリングエンジンの高温側に大きなデッドボリュームを有し、高温側のデッドボリュームはスターリングエンジン効率とサイクルパワーに影響する重要な要因である。光エネルギー変換デバイスを用いると、スターリングエンジン内部の作動ガスの迅速的な吸熱を実現することにより、スターリングエンジンの高温側のデッドボリュームを減少させ、スターリングエンジンのサイクルパワーと効率を向上させることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、加熱器ベース、光エネルギー変換デバイス、加熱管、燃焼室及び加熱管バルブを有し、太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器であって、前記加熱管が加熱管バルブに接続され、加熱管バルブが加熱器ベースに接続され、前記燃焼室が加熱管の周りに位置し、燃焼室が加熱管に必要な熱量を供給し、前記光エネルギー変換デバイスが加熱器ベースとスターリングエンジンの膨張室の上端に位置し、前記加熱器ベースが第１の孔構造、第２の孔構造、第３の孔構造を備え、前記第２の孔構造が加熱器ベースと膨張室との接続部に位置し、前記第１の孔構造が加熱器ベースと再生器との接続部に位置し、前記第３の孔構造が膨張室と再生器との接続部に位置すると共に加熱器ベースの上端面に接近する太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器を開示する。
【００１１】
さらに、前記光エネルギー変換デバイスは、その材料が半導体又は金属であり、光吸収器、中間層及び光放射器を有し、光吸収器は集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、中間層は熱伝達の役割を果たし、光放射器は作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射して、熱放射により膨張室内の作動ガスを直接加熱し、前記作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーは、放射スペクトルの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じでかつスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりも小さい放射エネルギーである。
【００１２】
さらに、前記太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器の吸熱作動ガスは、二酸化炭素、ブタン又はブテンの一種又は複数種を含む。
【００１３】
さらに、前記第３の孔構造は常に開状態にあり、前記第１の孔構造と第２の孔構造は加熱管バルブを制御することにより操作可能である。前記第１の孔構造と第２の孔構造が開状態にある場合、前記加熱管バルブを制御して第１の孔構造と第２の孔構造の開孔の大きさを制御することにより、加熱管と第３の孔構造を通過する作動ガスの流量比を制御することができる。
【００１４】
さらに、前記加熱管は円周に沿って均一に配置され、単一の加熱管が二つの部分に折り曲げられ、空間円弧形を呈する。第１の孔構造と第２の孔構造が開状態にある場合、作動ガスは膨張室から第２の孔構造を通過して加熱管の一端に入り、かつ加熱管の他端から第１の孔構造を通過して再生器に入る。
【００１５】
さらに、前記加熱器に用いられる太陽放射熱源は、太陽集光システムにより実現し、かつＣＰＣ集光器により更なる集光を実現することができる。
【００１６】
本発明は、太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する前記放射吸熱器を有し、さらに再生器、冷却器、膨張室及び圧縮室を有し、放射吸熱器が再生器の一端に接続され、再生器の他端が冷却器に接続され、冷却器の出口が圧縮室に接続され、放射吸熱器の出口が膨張室に接続され、膨張室、放射吸熱器、再生器、冷却器及び圧縮室が完全な循環ループを形成し、作動ガスが前記循環ループを流れるスターリングエンジンを開示する。
【００１７】
さらに、前記膨張室と前記圧縮室は、それぞれ膨張室のピストンと圧縮室のピストンに接続され、かつ膨張室のピストンリングと圧縮室のピストンリングを用いて前記膨張室と前記圧縮室内の作動ガスを外部ガスから遮断し、膨張室のピストンと圧縮室のピストンは、それぞれ膨張室のピストンロッドと圧縮室のピストンロッドを介して伝動機構に接続され、伝動機構がフライホイールの一端に接続され、フライホイールの他端がモータに接続されている。
【００１８】
本発明は、さらに、
太陽光放射のみで加熱する場合、
加熱管バルブを制御して第１の孔構造と第２の孔構造を閉状態にし、作動ガスが前記膨張室内に膨張して仕事をし、太陽放射エネルギーが光エネルギー変換デバイスを通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベースの上端面と放射熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスが第３の孔構造を通過して前記再生器に入り、前記再生器を通過した作動ガスが冷却器を通過して冷却され、前記圧縮室に入って圧縮され、その後に作動ガスが冷却器、再生器、第３の孔構造を順に通過して膨張室に戻り、上記過程を繰り返すステップＡと、
【００１９】
太陽光放射と燃焼補助熱源で加熱する場合、
加熱管バルブを制御して第１の孔構造と第２の孔構造を開状態にし、加熱管バルブを調整して第２の孔構造と第３の孔構造を通過する作動ガスの流量比を制御し、作動ガスが前記膨張室内に膨張して仕事をし、太陽放射エネルギーが光エネルギー変換デバイスを通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベースの上端面と放射熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスの一部が第３の孔構造を通過して前記再生器に入り、加熱された作動ガスの残部が第２の孔構造を通過して加熱管の一端に入り、作動ガスがさらに加熱されて第１の孔構造を通過して再生器に入り、前記再生器を通過した作動ガスが冷却器を通過して冷却され、前記圧縮室に入って圧縮され、その後に作動ガスが冷却器、再生器、第３の孔構造又は第１の孔構造、加熱管及び第２の孔構造を順に通過して膨張室に戻り、上記過程を繰り返すステップＢとを含む前記スターリングエンジンの運転方法を開示する。
【発明の効果】
【００２０】
まとめて言えば、本発明は、従来の技術に比べて以下の利点を有する：
１、特性吸収スペクトルのガス吸熱を用いる迅速吸熱型スターリングエンジン加熱器装置を用いるスターリングエンジンは、ディッシュ型太陽熱による放射加熱に適用される。太陽熱による放射熱源で加熱する場合、光エネルギー変換デバイスによって作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射し、流れた作動媒体によって直接迅速かつ効率的に吸収される。前記装置は、集光された太陽光の中心の高温部分のエネルギーを十分に利用し、光熱変換効率を向上させ、かつ１０００℃超の高温集光太陽エネルギーを利用することができる。
【００２１】
２、特性吸収スペクトルのガス吸熱を用いる迅速吸熱型スターリングエンジン加熱器装置を用いるスターリングエンジンは、太陽熱放射エネルギーの迅速吸収を実現することができ、スターリングエンジンの高温側の放射熱交換を強化し、高温側のデッドボリュームを減少させ、エンジンの効率を向上させることに役立つ。ＧＰＵ−３を例として、該スターリング加熱器装置を用いると、完全に太陽熱による放射加熱を用いることにより、高温側加熱管の容積の８０％以上のデッドボリュームを減少させることができ、対応して効率が２８％から３４％に向上し、パワーが４ｋＷから４．６ｋＷに向上する。
【００２２】
３、特性吸収スペクトルのガス吸熱を用いる迅速吸熱型スターリングエンジン加熱器装置を用いるスターリングエンジンは、ディッシュ型太陽熱放射加熱と燃焼排気ガス加熱の二種の熱源に適用され、太陽熱放射が不足するか又はない場合、ガス燃焼により生じた高温排気ガスを用いて対流熱変換を行って、十分な供給熱量を保証することにより、スターリングエンジンは安定して運転することができる。
【００２３】
４、特性吸収スペクトルのガス吸熱を用いる迅速吸熱型スターリングエンジン加熱器装置を用いるスターリングエンジンは、太陽熱放射エネルギーの迅速吸収を実現し、スターリングエンジンの高温側の放射熱交換を強化し、作動ガスの迅速吸熱を実現し、スターリングエンジン加熱器の管破裂の問題を効果的に解決することに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の放射加熱器及びスターリングエンジンの構成概略図である。
【図２】放射加熱器の部分拡大図である。
【図３】太陽熱放射熱源のみを用いる放射加熱器の部分拡大図である。
【図４】光源補完熱源を用いる放射加熱器の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面を参照しながら本発明をさらに説明する。
図１、図２及び図３に示すように、本発明の放射吸熱器１は、加熱器ベース６、光エネルギー変換デバイス５、加熱管３、燃焼室２及び加熱管バルブ４を含み、前記加熱管３が加熱管バルブ４に接続され、加熱管バルブ４が加熱器ベース６に接続され、前記燃焼室２が加熱管３の周りに位置し、燃焼室２が加熱管３に必要な熱量を供給し、前記光エネルギー変換デバイス５が加熱器ベース６とスターリングエンジンの膨張室１９の上端に位置し、前記加熱器ベース６が第１の孔構造２０、第２の孔構造２１、第３の孔構造２２を備え、前記第２の孔構造２１が加熱器ベース６と膨張室１９との接続部に位置し、前記第１の孔構造２０が加熱器ベース６と再生器７との接続部に位置し、前記第３の孔構造２２が膨張室１９と再生器７との接続部に位置すると共に加熱器ベース６の上端面に接近する。
【００２６】
本発明の一つの具体的な実施例において、前記光エネルギー変換デバイス５は、その材料が半導体又は金属であり、光吸収器、中間層及び光放射器を含み、光吸収器は集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、中間層は熱伝達の役割を果たし、光放射器は作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射して、熱放射により膨張室内の作動ガスを直接加熱し、前記作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーは、放射スペクトルの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じでかつスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりも小さい放射エネルギーである。
【００２７】
本発明の一つの具体的な実施例において、前記太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器１の吸熱作動ガスは、二酸化炭素、ブタン及びブテンからなる群から選ばれる少なくとも一種を含む。
【００２８】
本発明の一つの具体的な実施例において、前記第３の孔構造２２は常に開状態にあり、前記第１の孔構造２０と第２の孔構造２１は加熱管バルブ４を制御することにより操作可能である。前記第１の孔構造２０と第２の孔構造２１が開状態にある場合に、前記加熱管バルブ４を制御して第１の孔構造２０と第２の孔構造２１の開孔の大きさを制御することにより、加熱管３と第３の孔構造２２を通過する作動ガスの流量比を制御することができる。
【００２９】
本発明の一つの具体的な実施例において、前記加熱管３は円周に沿って均一に配置され、単一の加熱管が二つの部分に折り曲げられ、空間円弧形を呈する。第１の孔構造２０と第２の孔構造２１が開状態にある場合、作動ガスは膨張室１９から第２の孔構造２１を通過して加熱管３の一端に入り、かつ加熱管３の他端から第１の孔構造２０を通過して再生器７に入る。
【００３０】
本発明の一つの具体的な実施例において、前記加熱器１に用いられる太陽熱放射熱源２４は、太陽光集光システムにより実現し、かつＣＰＣ集光器２３により更なる集光を実現することができる。
【００３１】
本発明は、さらに、太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する前記放射吸熱器１を含み、さらに再生器７、冷却器８、膨張室１９及び圧縮室１８を含み、放射吸熱器１が再生器７の一端に接続され、再生器７の他端が冷却器８に接続され、冷却器８の出口が圧縮室１８に接続され、放射吸熱器１の出口が膨張室１９に接続され、膨張室１９、放射吸熱器１、再生器７、冷却器８及び圧縮室１８が完全な循環ループを形成し、作動ガスが前記循環ループを流れるスターリングエンジン２５を開示する。
【００３２】
本発明の一つの具体的な実施例において、前記膨張室１９と前記圧縮室１８は、それぞれ膨張室のピストン１０と圧縮室のピストン１６に接続され、かつ膨張室のピストンリング９と圧縮室のピストンリング１７を用いて前記膨張室と前記圧縮室内の作動ガスを外部ガスから遮断し、膨張室のピストン１０と圧縮室のピストン１６は、それぞれ膨張室のピストンロッド１１と圧縮室のピストンロッド１４を介して伝動機構１３に接続され、伝動機構１３がフライホイール１２の一端に接続され、フライホイール１２の他端がモータ１５に接続されている。
【実施例】
【００３３】
実施例１
図１、図２及び図３に示すように、実施例１において太陽光放射のみで加熱し、加熱管バルブを制御して第１の孔構造２０と第２の孔構造２１を閉状態にし、作動ガスが前記膨張室で膨張して仕事をし、太陽熱放射エネルギーが光エネルギー変換デバイスを通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベースの上端面と放射による熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスが第３の孔構造２２を通過して前記再生器に入り、前記再生器を通過した作動ガスが冷却器を通過して冷却され、前記圧縮室に入って圧縮され、その後に作動ガスが冷却器、再生器、第３の孔構造２２を通過して膨張室に戻り、上記過程を繰り返す。
【００３４】
実施例２
図１、図２及び図４は、実施例２のスターリングエンジンのシステム構成図である。実施例２において、太陽光放射と燃焼補助熱源で加熱し、加熱管バルブ４を制御して第１の孔構造２０と第２の孔構造２１を開状態にし、加熱管バルブを調整して第２の孔構造２１と第３の孔構造２２を通過する作動ガスの流量比を制御し、作動ガスが前記膨張室で膨張して仕事をし、太陽放射エネルギーが光エネルギー変換デバイスを通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベースの上端面と放射による熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスの一部が第３の孔構造２２を通過して前記再生器に入り、加熱された作動ガスの残部が第２の孔構造２１を通過して加熱管の片端に入り、作動ガスがさらに加熱されて第１の孔構造２０を通過して再生器に入り、前記再生器を通過した作動ガスが冷却器を通過して冷却され、前記圧縮室に入って圧縮され、その後に作動ガスが冷却器、再生器、第３の孔構造２２又は第１の孔構造２０、加熱管及び第２の孔構造２１を順に通過して膨張室に戻り、上記過程を繰り返す。
【００３５】
以上、本発明の具体的な実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されない。当業者にとって、本発明に対して行われた任意の等価修正及び代替も本発明の範囲にある。したがって、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに行われた均等変換及び修正はいずれも本発明の範囲に含まれるべきである。
【符号の説明】
【００３６】
１  放射吸熱器、２  燃焼室、３  加熱管、４  加熱管バルブ、５  光エネルギー変換デバイス、６  加熱器ベース、７  再生器、８  冷却器、９  膨張室のピストンリング、１０  膨張室のピストン、１１  膨張室のピストンロッド、１２  フライホイール、１３  伝動構造、１４  圧縮室のピストンロッド、１５  モータ、１６  圧縮室のピストン、１７  圧縮室のピストンリング、１８  圧縮室、１９  膨張室、２０  第１の孔構造、２１  第２の孔構造、２２  第３の孔構造、２３  ＣＰＣ集光器、２４  太陽放射熱源、２５  スターリングエンジン
【図１】
2018025193.tif 000003
【図２】
2018025193.tif 000004
【図３】
2018025193.tif 000005
【図４】
2018025193.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月25日(2017.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱器ベース（６）、光エネルギー変換デバイス（５）、加熱管（３）、燃焼室（２）及び加熱管バルブ（４）を有し、太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）であって、
前記加熱管（３）が加熱管バルブ（４）に接続され、加熱管バルブ（４）が加熱器ベース（６）に接続され、前記燃焼室（２）が加熱管（３）の周りに位置し、燃焼室（２）内が加熱管（３）に必要な熱量を供給し、前記光エネルギー変換デバイス（５）が加熱器ベース（６）とスターリングエンジンの膨張室（１９）の上端に位置し、放射吸熱器（１）の一端はスターリングエンジンの再生器（７）と接続し、前記加熱器ベース（６）が第１の孔構造（２０）、第２の孔構造（２１）、第３の孔構造（２２）を備え、前記第２の孔構造（２１）が加熱器ベース（６）と膨張室（１９）との接続箇所に位置することによって、加熱管（３）と膨張室（１９）とを連通させ、前記第１の孔構造（２０）が加熱器ベース（６）と再生器（７）との接続箇所に位置することによって、再生器（７）と加熱管（３）とを連通させ、前記第３の孔構造（２２）が膨張室（１９）と再生器（７）との接続箇所に位置し、膨張室（１９）と再生器（７）とを連通させると共に加熱器ベース（６）の上端面に接近することを特徴とする太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項２】
前記光エネルギー変換デバイス（５）は、その材料が半導体又は金属であり、光吸収器、中間層及び光放射器を有し、光吸収器は集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、中間層は熱伝達の役割を果たし、光放射器は作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射して、熱放射により膨張室内の作動ガスを直接加熱し、前記作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーは、放射スペクトルの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じでかつスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりも小さい放射エネルギーであることを特徴とする請求項１に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項３】
前記太陽光をスターリングサイクルの作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）の吸熱作動ガスは、二酸化炭素、ブタン及びブテンからなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項４】
前記第３の孔構造（２２）は常に開状態にあり、前記第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）は加熱管バルブ（４）を制御することにより操作可能であり、前記第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）が開状態にある場合、前記加熱管バルブ（４）を制御することによって第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）の開孔の大きさを制御することを実現し、加熱管（３）と第３の孔構造（２２）を通過する作動ガスの流量比を制御することができることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項５】
前記加熱管（３）は円周に沿って均一に配置され、一つの加熱管が二つの部分に折り曲げられ、空間円弧形を呈し、第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）が開状態にある場合、作動ガスは膨張室（１９）から第２の孔構造（２１）を通過して加熱管（３）の一端に入り、かつ加熱管（３）の他端から第１の孔構造（２０）を通過して再生器（７）に入ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項６】
さらに、太陽集光システム及びＣＰＣ集光器（２３）を有し、前記集光された太陽光は、該太陽集光システム及びＣＰＣ集光器（２３）により集光した太陽放射熱源（２４）から得られることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の太陽光をスターリングサイクル作動ガスの特性吸収スペクトルに変換する放射吸熱器（１）。
【請求項７】
放射吸熱器（１）、再生器（７）、冷却器（８）、膨張室（１９）、及び圧縮室（１８）を含み、放射吸熱器（１）が再生器（７）の一端に接続され、再生器（７）の他端が冷却器（８）に接続され、冷却器（８）の出口が圧縮室（１８）に接続され、放射吸熱器（１）の出口が膨張室（１９）に接続され、作動ガスが、膨張室（１９）、放射吸熱器（１）、再生器（７）、冷却器（８）、圧縮室（１８）、冷却器（８）、再生器（７）、膨張室（１９）と流れることを特徴とするスターリングエンジン（２５）。
【請求項８】
前記膨張室（１９）と前記圧縮室（１８）は、それぞれ膨張室のピストン（１０）と圧縮室のピストン（１６）に接続され、かつ膨張室のピストンリング（９）と圧縮室のピストンリング（１７）を用いて前記膨張室と前記圧縮室内の作動ガスを外部ガスから遮断し、膨張室のピストン（１０）と圧縮室のピストン（１６）は、それぞれ膨張室のピストンロッド（１１）と圧縮室のピストンロッド（１４）を介して伝動構造（１３）に接続され、伝動構造（１３）がフライホイール（１２）の一端に接続され、フライホイール（１２）の他端がモータ（１５）に接続されていることを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン（２５）。
【請求項９】
太陽光放射のみで加熱する場合、
加熱管バルブ（４）を制御して第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２１）を閉状態にし、作動ガスが前記膨張室（１９）内に膨張して仕事をし、太陽放射エネルギーが光エネルギー変換デバイス（５）を通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベース（６）の上端面と放射熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスが第３の孔構造（２２）を通過して前記再生器（７）に入り、前記再生器（７）を通過した作動ガスが冷却器（８）を通過して冷却され、前記圧縮室（１８）に排出して圧縮され、その後に作動ガスが冷却器（８）、再生器（７）、第３の孔構造（２２）を順に通過して膨張室（１９）に戻り、上記過程を繰り返すステップＡと、
太陽光放射と燃焼補助熱源で加熱する場合、
加熱管バルブ（４）を制御して第１の孔構造（２０）と第２の孔構造（２２）を開状態にし、加熱管バルブ（４）を調整して第２の孔構造（２１）と第３の孔構造（２２）を通過する作動ガスの流量比を制御し、作動ガスが前記膨張室（１９）内に膨張して仕事をし、太陽放射エネルギーが光エネルギー変換デバイス（５）を通過した後、作動ガスの吸収ピークに近い特定の狭域スペクトル光波を放射して、加熱器ベース（６）の上端面と放射熱交換を行い、かつエネルギーを膨張室内の作動ガスに伝達し、加熱された作動ガスの一部が第３の孔構造（２２）を通過して前記再生器（７）に入り、加熱された作動ガスの残部が第２の孔構造（２１）を通過して加熱管（３）の一端に入り、作動ガスがさらに加熱され、かつ第１の孔構造（２０）を通過した後に再生器に入り、前記再生器（７）を通過した作動ガスが冷却器（８）を通過して冷却され、前記圧縮室（１８）に排出して圧縮され、その後に作動ガスが冷却器（８）、再生器（７）、第３の孔構造（２２）又は第１の孔構造（２０）、加熱管（３）及び第２の孔構造（２１）を順に通過して膨張室（１９）に戻り、上記過程を繰り返すステップＢと、
を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載のスターリングエンジン（２５）、の運転方法。