(57)【要約】【課題】簡単な構造で熱損失が無く熱効率の高いスターリングエンジンを提供する。【解決手段】加熱部２１と、冷却器３５と、加熱部２１および冷却器３５をつなぐ再生器３１を具備したスターリングエンジンにおいて、加熱部２１は作動ガス流路２４を耐熱性が高く熱伝導率が高い材料の第１の平板２２、第２の平板２３で挟み、かつ再生器３１に連通する流体路３０が形成された加熱部２１と、この加熱部２１の外周部に配された加熱装置２６とを有する。再生器３１は断熱ケース３２で覆われており、加熱部２１は、断熱部材２９と断熱ケース３２とで挟んで締結枠２９、３３と締結部材３４により締め付けて固定する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した第１の平板と、前記第１の平板に対向させて配置した第２の平板と、前記第１の平板と前記第２の平板との間に形成した作動ガス流路とによって構成し、前記第１の平板の下部に前記再生器を配置し、前記第１の平板の外周部に加熱源を配置し、前記第１の平板には前記再生器に連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆うとともに、前記第２の平板の上面には断熱部材を設け、前記加熱部を前記断熱ケースと前記断熱部材との間に設けたことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項２】
前記第１の平板及び前記第２の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成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】
前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする請求項２に記載のスターリングエンジン。
【請求項４】
第１の締結枠と第２の締結枠とによって前記加熱部と前記再生器とを挟み、前記第１の締結枠および前記第２の締結枠を締結部材を用いて固定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
【請求項５】
前記加熱源の外周部に断熱材を配置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1項に記載のスターリングエンジン。
【請求項６】
加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した平板と、前記平板上に配置したブロックと、前記平板と前記ブロックとの間に形成した作動ガス流路とによって構成し、前記平板の下部に前記再生器を配置し、前記平板には前記再生器に連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆ったことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項７】
前記平板及び前記ブロックをセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする請求項６に記載のスターリングエンジン。
【請求項８】
前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成した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。
【請求項９】
請求項６から請求項８のいずれか1項に記載のスターリングエンジンを複数台設け、前記複数のスターリングエンジンのいずれか1項におけるブロックを共通にして、前記複数台のスターリングエンジンを連結したことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１０】
前記ブロックは、加熱源からの炎または熱を侵入させる孔を有することを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか1項に記載のスターリングエンジン。
【請求項１１】
加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記ディスプレーサピストンの外周にシリンダを配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置したスターリングエンジンであって、前記加熱部の外周部に加熱源を配置し、前記加熱部と前記シリンダとの間には前記ディスプレーサピストンの上部空間と前記再生器とを連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆うとともに、前記加熱部の上面には断熱部材を設け、前記加熱部を前記断熱ケースと前記断熱部材との間に設けたことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１２】
前記ディスプレーサピストンの上部を凸状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凹状形状としたことを特徴とする請求項１１に記載のスターリングエンジン。
【請求項１３】
前記ディスプレーサピストンの上部を凹状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凸状形状としたことを特徴とする請求項１１に記載のスターリングエンジン。
【請求項１４】
前記加熱部をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする請求項１１に記載のスターリングエンジン。
【請求項１５】
前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする請求項１４に記載のスターリングエンジン。
【請求項１６】
加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施したことを特徴とするスターリングエンジン。
【請求項１７】
前記被膜を、ジルコニアをコーティングすることで形成したことを特徴とする請求項１６に記載のスターリングエンジン。
【請求項１８】
前記被膜を、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成したことを特徴とする請求項１６に記載のスターリングエンジン。
【請求項１９】
前記被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成したことを特徴とする請求項１６に記載のスターリングエンジン。
【請求項２０】
前記被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、前記被膜と前記加熱部との間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成したことを特徴とする請求項１６に記載のスターリングエンジン。
【請求項２１】
前記被膜を、ショットピーニングによって形成したことを特徴とする請求項１６に記載のスターリングエンジン。
【請求項２２】
前記加熱源に導入される空気を前記加熱部と熱交換を行った後の空気と熱交換させる空気予熱器を設けたことを特徴とする請求項１から請求項２１のいずれか1項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】
本発明はスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、フリーピストン型のスターリングエンジンにおいては、シリンダの一端側を加熱し他端側を冷却するので、非常に短い距離で高温の加熱部と低温の冷却部が隣接している。したがって、高温の加熱部と低温の冷却部の中間に位置する再生器は上端が高温で下端が低温となるよう数百度の温度差を維持する必要があるので、作動ガスの流れる方向に対して低い熱伝導性を有することが要求される。ところが、従来のスターリングエンジンにおいては、作動ガスの密封性の必要上、加熱部、再生器および冷却部を耐熱性、熱伝導性に優れた金属材料による一体シリンダで構成しているので、再生器でシリンダ壁を通じた熱伝導により大きな熱損失が発生していた。
この熱損失による熱効率の低下を防止するために、圧縮空間と膨張空間を複数の連結管で連結し、各連結管に冷却部、再生器および加熱部を順に配置し、加熱部の温度分布に合わせて再生器および冷却部の諸元を変えることによりエンジンの出力を向上させるもの（たとえば特許文献１参照）、さらに、加熱部、再生器および低温部を二重シェルで囲んで二重シェルの内部に断熱液体を充填して作動温度と圧力を高め、再生器の効率を向上させるもの（たとえば特許文献２参照）などが提案されている。
【特許文献１】特開平６−２８０６７８号公報（（００１３）〜（００１４）、（００２０）および図１など）
【特許文献２】特表２００１−５０５６３８号公報（第１０頁第１２行〜第２４行、第１４頁第１２行〜第２１行、第３０頁第５行〜第３１頁第５行および図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１、特許文献２に記載された方法は、いずれも熱効率の向上には寄与するものの、これらの構成では燃焼ガスのシール構造が複雑になり、特許文献３の構成では二重シェル内の密封性や構造が複雑であるので、製造コストが高くなる課題を有している。
また、加熱部の温度を上げることによって、理論熱効率が向上するが、加熱部の部分的なヒートスポットや加熱部の熱応力の増加により、金属材料のクリープなど耐久性に問題が生じる。
【０００４】
そこで本発明は、簡単な構造で熱損失が少なく、熱効率を高めることができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。
また、加熱部のヒータの構成が簡単で小型化を図ることができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。
また、構成が簡単で小型化を図ることができる複数台連結型のスターリングエンジンを提供することを目的とする。
また、加熱部のヒータ部の耐久性を高め、熱効率を向上させることができる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】
【０００５】
請求項１記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した第１の平板と、前記第１の平板に対向させて配置した第２の平板と、前記第１の平板と前記第２の平板との間に形成した作動ガス流路とによって構成し、前記第１の平板の下部に前記再生器を配置し、前記第１の平板の外周部に加熱源を配置し、前記第１の平板には前記再生器に連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆うとともに、前記第２の平板の上面には断熱部材を設け、前記加熱部を前記断熱ケースと前記断熱部材との間に設け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、前記第１の平板及び前記第２の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項２に記載のスターリングエンジンにおいて、前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成し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1項に記載のスターリングエンジンにおいて、第１の締結枠と第２の締結枠とによって前記加熱部と前記再生器とを挟み、前記第１の締結枠および前記第２の締結枠を締結部材を用いて固定することを特徴とする。
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1項に記載のスターリングエンジンにおいて、前記加熱源の外周部に断熱材を配置したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備したスターリングエンジンであって、前記加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した平板と、前記平板上に配置したブロックと、前記平板と前記ブロックとの間に形成した作動ガス流路とによって構成し、前記平板の下部に前記再生器を配置し、前記平板には前記再生器に連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆ったことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項６に記載のスターリングエンジンにおいて、前記平板及び前記ブロックをセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項７に記載のスターリングエンジンにおいて、前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする。
請求項９記載の本発明のスターリングエンジンは、請求項６から請求項８のいずれか1項に記載のスターリングエンジンを複数台設け、前記複数のスターリングエンジンのいずれか1項におけるブロックを共通にして、前記複数台のスターリングエンジンを連結したことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項６から請求項９のいずれか1項に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ブロックは、前記加熱源からの炎または熱を侵入させる孔を有することを特徴とする。
請求項１１記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記ディスプレーサピストンの外周にシリンダを配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置したスターリングエンジンであって、前記加熱部の外周部に加熱源を配置し、前記加熱部と前記シリンダとの間には前記ディスプレーサピストンの上部空間と前記再生器とを連通する流体路を形成し、前記再生器を断熱ケースで覆うとともに、前記加熱部の上面には断熱部材を設け、前記加熱部を前記断熱ケースと前記断熱部材との間に設けたことを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンの上部を凸状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凹状形状としたことを特徴とする。
請求項１３記載の本発明は、請求項１１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記ディスプレーサピストンの上部を凹状形状とし、前記加熱部の内周面上部を凸状形状としたことを特徴とする。
請求項１４記載の本発明は、請求項１１に記載のスターリングエンジンにおいて、前記第１の平板及び前記第２の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したことを特徴とする。
請求項１５記載の本発明は、請求項１４に記載のスターリングエンジンにおいて、前記セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したことを特徴とする。
請求項１６記載の本発明のスターリングエンジンは、加熱部と、冷却部と、前記加熱部および前記冷却部をつなぐ再生器を具備し、前記加熱部をディスプレーサピストンの上方に配置し、前記加熱部の下部に前記再生器を配置し、前記再生器の下部に冷却部を配置したスターリングエンジンであって、前記再生器と前記冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、前記隔壁部に前記加熱部を連結し、前記加熱部を金属材料で構成するとともに前記加熱部の外表面に被膜を施したことを特徴とする。
請求項１７記載の本発明は、請求項１６に記載のスターリングエンジンにおいて、前記被膜を、ジルコニアをコーティングすることで形成したことを特徴とする。
請求項１８記載の本発明は、請求項１６に記載のスターリングエンジンにおいて、前記被膜を、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成したことを特徴とする。
請求項１９記載の本発明は、請求項１６に記載のスターリングエンジンにおいて、前記被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成したことを特徴とする。
請求項２０記載の本発明は、請求項１６に記載のスターリングエンジンにおいて、前記被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、前記被膜と前記加熱部との間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成したことを特徴とする。
請求項２１記載の本発明は、請求項１６に記載のスターリングエンジンにおいて、前記被膜を、ショットピーニングによって形成したことを特徴とする。
請求項２２記載の本発明は、請求項１から請求項２１のいずれか1項に記載のスターリングエンジンにおいて、前記加熱源に導入される空気を前記加熱部と熱交換を行った後の空気と熱交換させる空気予熱器を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、熱伝導率が高い加熱部に対して外周方向から熱が伝えられ、かつ、その上下を断熱材で挟んでいるので、簡単な構造でしかも熱損失が小さい加熱部を実現することができる。また、熱伝導率が高い加熱部の流体路に作動ガスを流すことにより作動ガスに対する熱交換効率が高い。また、加熱部の温度を向上させることができるので、同様に加熱部のヒータの熱効率を高めることができる。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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、ディスプレーサピストンの上方に配置した第１の平板と、第１の平板に対向させて配置した第２の平板と、第１の平板と第２の平板との間に形成した作動ガス流路とによって構成し、第１の平板の下部に再生器を配置し、第１の平板の外周部に加熱源を配置し、第１の平板には再生器に連通する流体路を形成し、再生器を断熱ケースで覆うとともに、第２の平板の上面には断熱部材を設け、加熱部を断熱ケースと断熱部材との間に設けたものである。本実施の形態によれば、簡単な構造でしかも熱損失が小さい加熱部を実現することができ、しかも、熱伝導率が高い加熱部の流体路に直接作動ガスを流すことにより作動ガスに対する熱交換効率を高くすることができる。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。さらに、第２の平板の上面には断熱部材を設け、この断熱部材によって第２の平板の上面を覆うことで、加熱部を構成する第２の平板の中央部を固定するため、加熱部の外周部によって締結して固定する場合に比べて、加熱部に生じる曲げによるせん断変形が少なくなり、信頼性の高いスターリングエンジンの構成が可能となる。
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、第１の平板及び第２の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。特に、加熱部を構成する第１の平板及び第２の平板に生じる曲げによるせん断変形が少ないため、曲げに対して一般的に弱いセラミックスのような材料に対しても、高い耐久性を有する。また、加熱部が平板のようなシンプルな構成であるため、加工時の傷によるクラック等も発生しにくく、信頼性の高い構成とすることができる。
本発明の第３の実施の形態は、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、セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
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、第１の締結枠と第２の締結枠とによって加熱部と再生器とを挟み、第１の締結枠および第２の締結枠を締結部材を用いて固定するものである。本実施の形態によれば、加熱部の流体路と再生器を確実に連結することができるとともに、加熱部を断熱部材と再生器の断熱ケースとにより確実に挟むことができる。したがって、加熱部の熱損失が小さく、作動ガスに対する熱交換効率が高くすることができるので、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。
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、加熱源の外周部に断熱材を配置したものである。本実施の形態によれば、加熱手段の熱が加熱部以外に加えられることを防止することができる。
本発明の第６の実施の形態によるスターリングエンジンは、加熱部を、ディスプレーサピストンの上方に配置した平板と、平板上に配置したブロックと、平板とブロックとの間に形成した作動ガス流路とによって構成し、平板の下部に再生器を配置し、平板には再生器に連通する流体路を形成し、再生器を断熱ケースで覆ったものである。本実施の形態によれば、簡単な構造でしかも熱損失が小さい加熱部を実現することができ、しかも、熱伝導率が高い加熱部の流体路に直接作動ガスを流すことにより作動ガスに対する熱交換効率を高くすることができる。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。また、加熱部のヒータである平板のせん断による変形が無くなり、かつ、スターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。さらに、平板上にブロックを配置して加熱部を構成する平板の上面をブロックによって覆うことで、平板の中央部を固定するため、加熱部の外周部によって締結して固定する場合に比べて、加熱部に生じる曲げによるせん断変形が少なくなり、信頼性の高いスターリングエンジンの構成が可能となる。
本発明の第７の実施の形態は、第６の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、平板及びブロックをセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。特に、加熱部を構成する平板に生じる曲げによるせん断変形が少ないため、曲げに対して一般的に弱いセラミックスのような材料に対しても、高い耐久性を有する。また、加熱部が平板のようなシンプルな構成であるため、加工時の傷によるクラック等も発生しにくく、信頼性の高い構成とすることができる。
本発明の第８の実施の形態は、第７の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第９の実施の形態によるスターリングエンジンは、第６から第８の実施の形態によるスターリングエンジンを複数台使用し、複数のスターリングエンジンのいずれか1項におけるブロックを共通にして、ブロックに複数台のスターリングエンジンを連結したものである。本実施の形態によれば、ブロックを使用した加熱部が複数台のスターリングエンジンに共通しているので、複数台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図り、スターリングエンジンを対称に配置することができるため、低振動化も図ることができる。
本発明の第１０の実施の形態は、第６から第９の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、ブロックに加熱源からの炎または熱を侵入させる孔を有するものである。本実施の形態によれば、加熱源からの炎あるいは熱が孔内に侵入してブロックを効率的に加熱することができる。
本発明の第１１の実施の形態によるスターリングエンジンは、加熱部の外周部に加熱源を配置し、加熱部とシリンダとの間にはディスプレーサピストンの上部空間と再生器とを連通する流体路を形成し、再生器を断熱ケースで覆うとともに、加熱部の上面には断熱部材を設け、加熱部を断熱ケースと断熱部材との間に設けたものである。本実施の形態によれば、簡単な構造でしかも熱損失が小さい加熱部を実現することができ、しかも、熱伝導率が高い加熱部の流体路に直接作動ガスを流すことにより作動ガスに対する熱交換効率を高くすることができる。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。さらに、加熱部の上面には断熱部材を設け、この断熱部材によって加熱部の中央部を固定するため、加熱部の外周部によって締結して固定する場合に比べて、加熱部に生じる曲げによるせん断変形が少なくなり、信頼性の高いスターリングエンジンの構成が可能となる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストンの上部を凸状形状とし、加熱部の内周面上部を凹状形状としたものである。本実施の形態によれば、加熱部の内周面上部を凹状形状としたものであっても、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、ディスプレーサピストンの上部を凹状形状とし、加熱部の内周面上部を凸状形状としたものである。本実施の形態によれば、加熱部の内周面上部を凸状形状としたものであっても、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。さらに加熱部の中央部の肉厚が大きくなるので、圧力及び熱によって発生する応力を低下させ、信頼性の高い構成にすることができる。
本発明の第１４の実施の形態は、第１１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、第１の平板及び第２の平板をセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼のいずれかの材料で構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。特に、加熱部を構成する第１の平板及び第２の平板に生じる曲げによるせん断変形が少ないため、曲げに対して一般的に弱いセラミックスのような材料に対しても、高い耐久性を有する。また、加熱部が平板のようなシンプルな構成であるため、加工時の傷によるクラック等も発生しにくく、信頼性の高い構成とすることができる。
本発明の第１５の実施の形態は、第１４の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、セラミックスとして炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかで構成したものである。本実施の形態によれば、加熱部を高温にすることができるので、作動ガスとの熱交換効率を向上させることができる。
本発明の第１６の実施の形態によるスターリングエンジンは、再生器と冷却部とを内包するように一体形成された隔壁部を設け、隔壁部に加熱部を連結し、加熱部を金属材料で構成するとともに加熱部の外表面に被膜を施したものである。本実施の形態によれば、加熱部の外表面に被膜を施すことで、耐熱性を高めることができる。
本発明の第１７の実施の形態は、第１６の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、被膜を、ジルコニアをコーティングすることで形成したものである。本実施の形態によれば、コーティングによって被膜を形成することで、耐熱性を高めることができる。
本発明の第１８の実施の形態は、第１６の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、被膜を、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成したものである。本実施の形態によれば、溶射によって被膜を形成することで、耐熱性を高めることができる。
本発明の第１９の実施の形態は、第１６の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成したものである。本実施の形態によれば、溶射によって被膜を形成することで、耐熱性を高めることができる。
本発明の第２０の実施の形態は、第１６の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、被膜を、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、被膜と加熱部との間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成したものである。本実施の形態によれば、溶射によって被膜を形成するとともに二層の被膜を形成することで、耐熱性を更に高めることができる。
本発明の第２１の実施の形態は、第１６の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、被膜を、ショットピーニングによって形成したものである。本実施の形態によれば、ショットピーニングによって被膜を形成することで、耐熱性を高めることができる。
本発明の第２２の実施の形態は、第１から第２１の実施の形態によるスターリングエンジンにおいて、加熱源に導入される空気を加熱部と熱交換を行った後の空気と熱交換させる空気予熱器を設けたものである。本実施の形態によれば、廃熱を利用して加熱源に供給される気体の温度を上昇させることで、効率を高めることができる。
【実施例１】
【０００８】
以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
図１において、シリンダ１１内にパワーピストン１２およびディスプレーサピストン１３が配置されている。パワーピストン１２の下端には端板１４が設けられており、端板１４の外周端部にはリング１５が固定されている。このリング１５の端部には、永久磁石１６が設けられている。パワーピストン１２の外周部にはシリンダ１１を介してコイル１７が設けられ、パワーピストン１２が上下に往復運動することにより永久磁石１５がコイル１７に対して上下動することで発電が行われる。
【０００９】
ディスプレーサピストン１３の上方には第１の平板２２が設けられている。第１の平板２２の上方には第２の平板２３が配置され、第１の平板２２と第２の平板２３との間には作動ガス流路２４を構成している。これら第１の平板２２、第２の平板２３、及び作動ガス流路２４は、加熱部２１を構成している。第１の平板２２と第２の平板２３とは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されている。第１の平板２２の外周部には、筒状の断熱材２７が設けられ、この断熱材２７によって形成される筒状の空間に加熱源２６が設けられている。ここで、第１の平板２２および第２の平板２３としては、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかのセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼が使用される。第２の平板２３の上面には加熱源２６および断熱材２７の位置よりも外方に延びるように断熱材２８を介して鉄製の締結枠２９が設けられている。
第１の平板２２には、作動ガス流路２４と再生器３１とを連通する流体路３０が形成されている。再生器３１は断熱材を充填した断熱ケース３２で覆われており、断熱ケース３２の上端は第１の平板２２にパッキンを介して接している。加熱部２１は、断熱材２８と断熱ケース３２とで挟むように構成されている。
ディスプレーサピストン１３は、シリンダ１１、断熱ケース３２および加熱部２１で囲まれた空間内に配置されている。
再生器３１の下端側には加熱源２６および断熱材２７の位置よりも外方に延びて鉄製の締結枠３３が設けられ、締結枠２９と締結枠３３の間に流体路３０と再生器３１が連結するように加熱部２１および再生器３１を挟み、ボルトなどの締結部材３４により固定する。
再生器３１の下方には冷却器３５が設けられる。冷却器３５は作動ガス配管３６を囲んで冷却水配管３７を設け、冷却水を水供給口３８から導入して水排出口３９から導出させ、作動ガス配管３６を通過する作動ガスを冷却する。
【００１０】
ヘリウムなどの作動ガスを作動ガス流路２４、流体路３０、再生器３１および作動ガス配管３６からなる作動ガス循環路に循環させることで、ディスプレーサピストン１３を動作させる。加熱源２６で第１の平板２２を加熱すると、第１の平板２２は耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されているので、加熱源２６からの熱は第１の平板２２の周囲から中央に向かって効率的に伝熱され、第２の平板２３および作動ガス流路２４、流体路３０を含むディスプレーサピストン１３の上部空間を高温に加熱する。このとき、加熱源２６は断熱材２７で覆われているので、加熱源２６の熱が締結部材３４、あるいは、それを介して締結枠２９や締結枠３３などの第１の平板２２以外の部品に加えられることを防止することができる。
高温に加熱された加熱部２１は、ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスに熱を与える。ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスは、作動ガス流路２４および流体路３０を通過し、再生器３１に供給され、再生器３１に熱が蓄えられる。再生器３１を通過した作動ガスは冷却器３５で冷却され、ディスプレーサピストン１３の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン１３の下部空間から出た作動ガスは、再生器３１を通り再びディスプレーサピストン１３の上部空間において加熱部２１で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン１３の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン１３はシリンダ１１内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン１２が上下方向に往復運動して発電する。
【００１１】
本実施例によれば、加熱部２１が断熱材２８および断熱ケース３２で挟むように構成されており、加熱部２１を加熱する熱は耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成された第１の平板２２の外周から供給されているので、加熱部２１は高温を維持しつつ熱損失の小さい動作が可能になる。また、作動ガスが、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成された第１の平板２２および第２の平板２３に直接供給されるので、熱交換効率が高い。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。
【実施例２】
【００１２】
図２は本発明の実施例２におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
図２において、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施例においては、第１の平板２２、ブロック４０及び作動ガス流路２４により加熱部２１を構成している。ブロック４０は、第１の平板２２と同様の耐熱性が高く熱伝導率が高い炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかのセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼などの材料による。ブロック４０には中空の孔または長孔４１が形成されており、この孔または長孔４１内を加熱源（図示せず）からの炎あるいは熱が侵入してブロック４０を効率的に加熱する。なお、ブロック４０はハニカム構造としてもよい。
【００１３】
長孔４１内を通過する熱によってブロック４０を加熱すると、ブロック４０は耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されているので、長孔４１からの熱はブロック４０から第１の平板２２に向かって効率的に伝熱され、作動ガス流路２４、流体路３０を含む加熱部２１を高温に加熱する。
この高温に加熱された加熱部２１は、ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスに熱を与える。ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスは、作動ガス流路２４および流体路３０を通過し、再生器３１に供給され、再生器３１に熱が蓄えられる。再生器３１を通過した作動ガスは冷却器３５で冷却され、ディスプレーサピストン１３の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン１３の下部空間から出た作動ガスは、再生器３１を通り再びディスプレーサピストン１３の上部空間において加熱部２１で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン１３の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン１３はシリンダ１１内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン１２が上下方向に往復運動して発電する。
実施例１で説明した図１の構成においては、第１の平板２２および第２の平板２３をセラミックスで構成した場合、圧縮には強いがせん断に弱いので、ディスプレーサピストン１３による圧力で変形するするおそれがあるが、本実施例によれば、第１の平板２２の上部がブロック４０で覆われているので、せん断による変形が無くなり、信頼性の高いエンジン構成となる。また、断熱材２８、締結枠２９、３３および締結部材３４を不要とすることができるので、スターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
【実施例３】
【００１４】
図３は本発明の実施例３におけるスターリングエンジンの要部側面図である。本実施例は、実施例２で説明したスターリングエンジンを、そのブロック４０を共通にして２台連結した構成である。スターリングエンジン５１、５２は実施例２で説明したスターリングエンジンと略同一の構成である。スターリングエンジン５１、５２はそれぞれの第１の平板２２によりブロック４０に連結される。加熱源５０は図１で説明した加熱源２６に対応し、ブロック４０を加熱する。ブロック４０には中空の孔または長孔４１が形成されており、この孔または長孔４１内を加熱源５０からの炎あるいは熱が侵入してブロック４０を効率的に加熱する。第１の平板２２、ブロック４０および加熱源５０により加熱部２１が形成される。
スターリングエンジン５１、５２の各々には、電気出力部５１１、５２１および冷却水を排出する水排出口５１２、５２２が設けられている。電気出力部５１１、５２１は、スターリングエンジン５１、５２の各々のパワーピストン１２の往復運動により発電された電力を取り出す部分で、必要に応じてパワーピストン１２の往復運動に対応した電力をクランク機構や磁気回転機により回転運動に対応した電力に変換して取り出す。また、電気出力部５１１および電気出力部５２１からの電力を加算することにより大電力を取り出すことができる。その他の構成および動作は実施例２と同様であるので説明は省略する。
本実施例によれば、ブロック４０を使用した加熱部２１が２台のスターリングエンジン５１、５２に共通している。したがって、加熱部２１の被加熱体にブロック４０を使用すれば、２台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
【００１５】
図４は、図３によるスターリングエンジンを利用した発電機の斜視図である。図３と同一部分には同一符号を付している。スターリングエンジン５１、５２のそれぞれの端部５１３、５２３にそれぞれのパワーピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランク機構または磁気回転機が設けられており、クランク機構または磁気回転機で回転運動に変換されて出力された電力は電気出力部５１１、５２１内の回転軸を回転させて電力が取り出される。
【実施例４】
【００１６】
図５は本発明の実施例４におけるスターリングエンジンの要部平面図である。本実施例は、実施例２で説明したスターリングエンジンを、そのブロック４０を共通にして４台のスターリングエンジン６１、６２、６３、６４の第１の平板２２を挟んで連結した構成である。スターリングエンジン６１、６２、６３、６４は実施例２で説明したスターリングエンジンと略同一の構成である。ブロック４０は図３と同様に加熱源５０により加熱される。その他の構成および動作は実施例２、実施例３と同様であるので説明は省略する。
本実施例によれば、加熱部２１が４台のスターリングエンジン６１、６２、６３、６４に共通している。したがって、加熱部２１の被加熱体にブロック４０を使用すれば、４台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
【実施例５】
【００１７】
図６は本発明の実施例５におけるスターリングエンジンの要部平面図である。本実施例は、実施例４におけるブロック４０を断面が６角形のブロック７０に置き換え、ブロック７０の６つの側面に、実施例２で説明したスターリングエンジンを６台設け、ブロック７０を共通にして６台のスターリングエンジン７１、７２、７３、７４、７５、７６を連結した構成である。その他の構成および動作は実施例２、実施例３、実施例４と同様であるので説明は省略する。
本実施例によれば、加熱部２１が６台のスターリングエンジン７１、７２、７３、７４、７５、７６に共通している。したがって、加熱部２１の被加熱体にブロック４０を使用すれば、６台連結型のスターリングエンジンの構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
実施例２から実施例５で説明したように、本実施例によるブロック７０を用いることで、複数台のスターリングエンジンを設けることが容易になる。
【実施例６】
【００１８】
図７は本発明の実施例６におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
図７において、シリンダ１１内にパワーピストン１２およびディスプレーサピストン１３が配置されている。パワーピストン１２及び発電の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００１９】
ディスプレーサピストン１３の上方には加熱部２１Ａが設けられている。加熱部２１Ａの内周面上部は、ディスプレーサピストン１３の上部の凸状形状に対応させた凹状形に構成されている。また、加熱部２１Ａとシリンダ１１との間にはディスプレーサピストン１３の上部空間と再生器３１とを連通する流体路３０を形成している。
加熱部２１Ａは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されている。加熱部２１Ａの外周部には、円筒状空間が形成され、この円筒状空間には加熱源２６が設けられている。また、円筒状空間に連続するように、筒状の断熱材２７が設けられている。加熱部２１Ａとしては、炭化珪素系セラミックス、窒化珪素系セラミックス、窒化アルミ系セラミックス、ジルコニア系セラミックス、およびアルミナセラミックスのいずれかのセラミックス、ハステロイ、インコネル、ステンレス、チタンアルミ、および耐熱鋳鋼が使用される。加熱部２１Ａの上面には加熱源２６および断熱材２７の位置よりも外方に延びるように断熱材２８を介して鉄製の締結枠２９が設けられている。
再生器３１は断熱材を充填した断熱ケース３２で覆われており、断熱ケース３２の上端は加熱部２１Ａに接している。加熱部２１Ａは、断熱材２８と断熱ケース３２とで挟むように構成されている。
ディスプレーサピストン１３は、シリンダ１１、断熱ケース３２および加熱部２１Ａで囲まれた空間内に配置されている。
再生器３１の下端側には加熱源２６および断熱材２７の位置よりも外方に延びて鉄製の締結枠３３が設けられ、締結枠２９と締結枠３３の間に加熱部２１Ａおよび再生器３１を挟み、ボルトなどの締結部材３４により固定する。
再生器３１の下方には冷却器３５が設けられる。冷却器３５は作動ガス配管３６を囲んで冷却水配管３７を設け、冷却水を水供給口３８から導入して水排出口３９から導出させ、作動ガス配管３６を通過する作動ガスを冷却する。
【００２０】
ヘリウムなどの作動ガスを、流体路３０、再生器３１および作動ガス配管３６からなる作動ガス循環路に循環させることで、ディスプレーサピストン１３を動作させる。加熱源２６で加熱部２１Ａを加熱すると、加熱部２１Ａは耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されているので、加熱源２６からの熱は加熱部２１Ａの周囲から中央に向かって効率的に伝熱され、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温に加熱する。このとき、加熱源２６は断熱材２７で覆われているので、加熱源２６の熱が締結部材３４、締結枠２９などの加熱部２１Ａ以外の部品に加えられることを防止することができる。
高温に加熱された加熱部２１Ａは、ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスに熱を与える。ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスは、作動ガス流路２４および流体路３０を通過し、再生器３１に供給され、再生器３１に熱が蓄えられる。再生器３１を通過した作動ガスは冷却器３５で冷却され、ディスプレーサピストン１３の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン１３の下部空間から出た作動ガスは、再生器３１を通り再びディスプレーサピストン１３の上部空間において加熱部２１で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン１３の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン１３はシリンダ１１内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン１２が上下方向に往復運動して発電する。
【００２１】
本実施例によれば、加熱部２１Ａが断熱材２８および断熱ケース３２で挟むように構成されており、加熱部２１Ａを加熱する熱は耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成された加熱部２１Ａの外周から供給されているので、加熱部２１Ａは高温を維持しつつ熱損失の小さい動作が可能になる。また、作動ガスが、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成された加熱部２１Ａに直接供給され、さらに、加熱部２１Ａの加熱源２６と、熱流入部である流体路３０との距離を比較的近くすることができるので、熱交換のための熱抵抗も小さくなるので、熱交換効率が高い。したがって、スターリングエンジンの熱効率を非常に高くすることができる。
【実施例７】
【００２２】
図８は本発明の実施例７におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
本実施例では、加熱部２１Ｂの内周面上部は、ディスプレーサピストン１３の上部の凹状形状に対応させた凸状形に構成されている。また、加熱部２１Ｂとシリンダ１１との間、又は図示のように加熱部２１Ｂ内にはディスプレーサピストン１３の上部空間と再生器３１とを連通する流体路３０を形成している。内圧による最大主応力は加熱部２１Ｂの中央部の中心線にて発生する。特に加熱部２１Ｂをセラミック材料で構成した場合、凸状形に構成することにより、加熱部２１Ｂの中央部の肉厚を太くすることができるので、加熱部２１Ｂの変形量が小さくなり、信頼性をより高めることができる。
その他の構成や作用効果については図７と同様であるので説明を省略する。
【実施例８】
【００２３】
図９は本発明の実施例８におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
図９において、シリンダ１１内にパワーピストン（図示せず）およびディスプレーサピストン１３が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００２４】
本実施例では、再生器３１と冷却部３５とを内包するように一体形成された隔壁部１０Ａを設けている。加熱部２１Ｃは、複数の管によって構成され、加熱部２１Ｃを構成するそれぞれの管は、隔壁部１０Ａの上部に連結している。加熱部２１Ｃは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料、特に金属材料で構成され、加熱部２１Ｃの外表面には被膜を施している。ここで、被膜は、ジルコニアをコーティングすることで形成する。また、被膜は、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成してもよい。また被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成してもよい。また、被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、この被膜と加熱部２１Ｃとの間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成することが好ましい。なお、被膜を、ショットピーニングによって形成してもよい。
隔壁部１０Ａには、加熱部２１Ｃとディスプレーサピストン１３の上部空間とを連通する流体路３０Ａ、加熱部２１Ｃと再生器３１とを連通する流体路３０Ｂを形成している。
ディスプレーサピストン１３は、隔壁部１０Ａ及びシリンダ１１で囲まれた空間内に配置されている。
再生器３１の下方には冷却器３５が設けられる。冷却器３５は作動ガス配管３６を囲んで冷却水配管３７を設け、冷却水を水供給口３８から導入して水排出口３９から導出させ、作動ガス配管３６を通過する作動ガスを冷却する。
【００２５】
加熱源（図示せず）で加熱部２１Ｃを加熱すると、加熱部２１Ｃは耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されているので、加熱源からの熱は加熱部２１Ｃ内の作動ガスに伝熱され、ディスプレーサピストン１３の上部空間に流入する。ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスは、流体路３０Ａ、加熱部２１Ｃ、及び流体路３０Ｂを通過し、再生器３１に供給され、再生器３１に熱が蓄えられる。再生器３１を通過した作動ガスは冷却器３５で冷却され、ディスプレーサピストン１３の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン１３の下部空間から出た作動ガスは、再生器３１を通り再びディスプレーサピストン１３の上部空間において加熱部２１Ｃで加熱される。したがって、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン１３の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン１３はシリンダ１１内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン１２が上下方向に往復運動して発電する。
【００２６】
本実施例によれば、加熱部２１Ｃを金属材料で構成するとともに加熱部２１Ｃの外表面に被膜を施すことで、加熱部２１Ｃの部分的なヒートスポットや加熱部２１Ｃの熱応力の増加による金属材料のクリープなどの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
【実施例９】
【００２７】
図１０は本発明の実施例９におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
図１０において、シリンダ１１内にパワーピストン（図示せず）およびディスプレーサピストン１３が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００２８】
本実施例においては、再生器３１と冷却部３５とを内包するように一体形成された隔壁部１０Ｂを設けている。加熱部２１Ｄは、複数のフィンによって構成され、加熱部２１Ｄを構成するそれぞれのフィンは、隔壁部１０Ａの上部に連結している。加熱部２１Ｄは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料、特に金属材料で構成され、加熱部２１Ｄの外表面には被膜を施している。ここで、被膜は、ジルコニアをコーティングすることで形成する。また、被膜は、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成してもよい。また被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成してもよい。また、被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、この被膜と加熱部２１Ｃとの間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成することが好ましい。なお、被膜を、ショットピーニングによって形成してもよい。
隔壁部１０Ｂには、加熱部２１Ｄに近接したディスプレーサピストン１３の上部空間と再生器３１とを連通する流体路３０Ｂを形成している。
ディスプレーサピストン１３は、隔壁部１０Ｂ及びシリンダ１１で囲まれた空間内に配置されている。
再生器３１の下方には冷却器３５が設けられる。冷却器３５は作動ガス配管３６を囲んで冷却水配管３７を設け、冷却水を水供給口３８から導入して水排出口３９から導出させ、作動ガス配管３６を通過する作動ガスを冷却する。
【００２９】
加熱源（図示せず）で加熱部２１Ｄを加熱すると、加熱部２１Ｄは耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されているので、加熱源からの熱は加熱部２１Ｄに伝熱され、ディスプレーサピストン１３の上部空間内を加熱する。ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスは、流体路３０Ｂを通過し、再生器３１に供給され、再生器３１に熱が蓄えられる。再生器３１を通過した作動ガスは冷却器３５で冷却され、ディスプレーサピストン１３の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン１３の下部空間から出た作動ガスは、再生器３１を通り再びディスプレーサピストン１３の上部空間において加熱部２１Ｄから伝達される熱で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン１３の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン１３はシリンダ１１内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン１２が上下方向に往復運動して発電する。
【００３０】
本実施例によれば、加熱部２１Ｄを金属材料で構成するとともに加熱部２１Ｄの外表面に被膜を施すことで、加熱部２１Ｄの部分的なヒートスポットや加熱部２１Ｄの熱応力の増加による金属材料のクリープなどの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
【実施例１０】
【００３１】
図１１は本発明の実施例１０におけるスターリングエンジンの要部側断面図である。
図１１において、シリンダ１１内にパワーピストン（図示せず）およびディスプレーサピストン１３が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００３２】
本実施例においては、再生器３１と冷却部３５とを内包するように一体形成された隔壁部１０Ｃを設けている。加熱部２１Ｅは、複数のフィンによって構成され、加熱部２１Ｅを構成するそれぞれのフィンは、隔壁部１０Ｃの上部に連結している。加熱部２１Ｅは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料、特に金属材料で構成され、加熱部２１Ｅの外表面には被膜を施している。ここで、被膜は、ジルコニアをコーティングすることで形成する。また、被膜は、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成してもよい。また被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成してもよい。また、被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、この被膜と加熱部２１Ｃとの間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成することが好ましい。なお、被膜を、ショットピーニングによって形成してもよい。
隔壁部１０Ｃには、加熱部２１Ｄに近接したディスプレーサピストン１３の上部空間と再生器３１とを連通する流体路３０Ａ、３０Ｂを形成している。
ディスプレーサピストン１３は、隔壁部１０Ｃ及びシリンダ１１で囲まれた空間内に配置されている。
再生器３１の下方には冷却器３５が設けられる。冷却器３５は作動ガス配管３６を囲んで冷却水配管３７を設け、冷却水を水供給口３８から導入して水排出口３９から導出させ、作動ガス配管３６を通過する作動ガスを冷却する。
【００３３】
加熱源（図示せず）で加熱部２１Ｅを加熱すると、加熱部２１Ｅは耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されているので、加熱源からの熱は加熱部２１Ｅに伝熱され、ディスプレーサピストン１３の上部空間内を加熱する。ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスは、流体路３０Ａ、３０Ｂを通過し、再生器３１に供給され、再生器３１に熱が蓄えられる。再生器３１を通過した作動ガスは冷却器３５で冷却され、ディスプレーサピストン１３の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン１３の下部空間から出た作動ガスは、再生器３１を通り再びディスプレーサピストン１３の上部空間において加熱部２１Ｅから伝達される熱で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン１３の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン１３はシリンダ１１内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン１２が上下方向に往復運動して発電する。
【００３４】
本実施例によれば、加熱部２１Ｅを金属材料で構成するとともに加熱部２１Ｅの外表面に被膜を施すことで、加熱部２１Ｅの部分的なヒートスポットや加熱部２１Ｅの熱応力の増加による金属材料のクリープなどの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
【実施例１１】
【００３５】
図１２は本発明の実施例１１におけるスターリングエンジンの要部側断面図、図１３は同スターリングエンジンの要部斜視図である。
図において、シリンダ１１内にパワーピストン（図示せず）およびディスプレーサピストン１３が配置されている。パワーピストン及び発電の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
【００３６】
本実施例においては、再生器３１と冷却部３５とを内包するように一体形成された隔壁部１０Ｄを設けている。隔壁１０Ｄの上部には同心円状又は螺旋状に凹凸が形成されている。そしてこの凹凸形状によって加熱部２１Ｆが形成されている。なお、加熱部２１Ｆは同心円状又は螺旋状に形成された凹凸を横切るような溝２１Ｇを複数本形成している。加熱部２１Ｆを含む隔壁部１０Ｄは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料、例えばシリコンカーバイドで構成され、加熱部２１Ｆの外表面には被膜を施している。ここで、被膜は、ジルコニアをコーティングすることで形成する。また、被膜は、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウム、又はタングステンカーバイトを溶射することで形成してもよい。また被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成してもよい。また、被膜は、ジルコニア、アルミナ、ムライト、又はスピネルなどのセラミックスを溶射することで形成し、この被膜と加熱部２１Ｃとの間に、ニッケル・アルミニウム、ニッケル・クロニュウムを溶射することで中間層を形成することが好ましい。なお、被膜を、ショットピーニングによって形成してもよい。
隔壁部１０Ｄには、加熱部２１Ｆに近接したディスプレーサピストン１３の上部空間と再生器３１とを連通する流体路３０Ａ、３０Ｂを形成している。
ディスプレーサピストン１３は、隔壁部１０Ｄ及びシリンダ１１で囲まれた空間内に配置されている。
再生器３１の下方には冷却器３５が設けられる。冷却器３５は作動ガス配管３６を囲んで冷却水配管３７を設け、冷却水を水供給口３８から導入して水排出口３９から導出させ、作動ガス配管３６を通過する作動ガスを冷却する。
【００３７】
加熱源（図示せず）で加熱部２１Ｆを加熱すると、加熱部２１Ｆは耐熱性が高く熱伝導率が高い材料で構成されているので、加熱源からの熱は加熱部２１Ｆに伝熱され、ディスプレーサピストン１３の上部空間内を加熱する。ディスプレーサピストン１３の上部空間内の作動ガスは、流体路３０Ａ、３０Ｂを通過し、再生器３１に供給され、再生器３１に熱が蓄えられる。再生器３１を通過した作動ガスは冷却器３５で冷却され、ディスプレーサピストン１３の下部空間に導かれる。また、ディスプレーサピストン１３の下部空間から出た作動ガスは、再生器３１を通り再びディスプレーサピストン１３の上部空間において加熱部２１Ｆから伝達される熱で加熱される。したがって、ディスプレーサピストン１３の上部空間を高温高圧とし、ディスプレーサピストン１３の下部空間を低温低圧とすることで、ディスプレーサピストン１３はシリンダ１１内を上下方向に往復運動し、これによりパワーピストン１２が上下方向に往復運動して発電する。
【００３８】
本実施例によれば、加熱部２１Ｆをシリコンパーバイドで構成するとともに加熱部２１Ｆの外表面に被膜を施すことで、加熱部２１Ｆの部分的なヒートスポットや加熱部２１Ｆの熱応力の増加による金属材料のクリープなどの発生を防止して耐久性を向上させることができる。
【実施例１２】
【００３９】
図１４は本発明の実施例１２におけるスターリングエンジンの要部斜視図である。
図１４は、実施例１１における隔壁部の他の実施例を示している。隔壁部以外の構成は実施例１１と同様であるので説明を省略する。
【００４０】
本実施例においては、隔壁１０Ｅの上部には、ディスプレーサピストンの運動方向に複数本の凹凸が形成されている。そしてこの凹凸形状によって加熱部２１Ｈが形成されている。加熱部２１Ｈを含む隔壁部１０Ｅは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料、例えばシリコンカーバイドで構成され、加熱部２１Ｈの外表面には被膜を施している。
【実施例１３】
【００４１】
図１５は本発明の実施例１３におけるスターリングエンジンの要部斜視図である。
図１５は、実施例１１における隔壁部の他の実施例を示している。隔壁部以外の構成は実施例１１と同様であるので説明を省略する。
【００４２】
本実施例においては、隔壁１０Ｆの上部は、徐々に外径が小さくなる傾斜部を構成するとともに、ディスプレーサピストン１３の運動方向に複数本の凹凸が形成されている。そしてこの凹凸形状によって加熱部２１Ｊが形成されている。加熱部２１Ｊを含む隔壁部１０Ｆは、耐熱性が高く熱伝導率が高い材料、例えばシリコンカーバイドで構成され、加熱部２１Ｊの外表面には被膜を施している。
【実施例１４】
【００４３】
図１６は本発明の実施例１４におけるスターリングエンジンの空気予熱器の上面図及び側断面図である。
本実施例に示す空気予熱器は、例えば実施例９から実施例１３にも適用することができるものであり、スターリングエンジンの機構については、既に説明した実施例の構成と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００４４】
本実施例における空気予熱器８０Ａは、外筒８１Ａと廃熱筒８２Ａとから構成され、外筒８１Ａと廃熱筒８２Ａの間にはハニカム形状に区切られた燃焼気体供給通路８３Ａが形成され、廃熱筒８２Ａ内部にはハニカム形状に区切られた燃焼気体排気通路が形成されている。ハニカムは、鉄系又はセラミック系（アルミナ、コージライト、炭化珪素）で構成される。なお、廃熱筒８２Ａの中心部であって、加熱部２１Ｋの上部は断熱材８４が配置されている。
この空気予熱器８０Ａは、ディスプレーサピストン１３の上部に配置された加熱部２１Ｋの外周部に設けられる。なお、加熱源２６は、燃焼気体供給通路８３Ａの出口側に配置される。加熱源２６で加熱された気体は、加熱部２１Ｋの外周を上昇し、加熱部２１Ｋを加熱した後に廃熱筒８２Ａ内の燃焼気体排気通路を通過する。従って、廃熱筒８２Ａは、廃熱を吸収し、吸収した廃熱を、燃焼気体供給通路８３Ａを通過する気体に伝える。
本実施例によれば、加熱部２１Ｋで利用されなかった熱を、廃熱筒８２Ａで回収し、回収した熱で加熱源２６に供給される気体を加熱することで、加熱源２６での加熱温度を高めることができる。さらに、廃熱筒８２Ａを触媒とすることで、Ｎｏx低減に寄与することができる。
【実施例１５】
【００４５】
図１７は本発明の実施例１５におけるスターリングエンジンの空気予熱器の上面図及び側断面図である。
本実施例に示す空気予熱器は、例えば実施例９から実施例１３にも適用することができるものであり、スターリングエンジンの機構については、既に説明した実施例の構成と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００４６】
本実施例における空気予熱器８０Ｂは、廃熱筒８２Ｂの外周部に複数の燃焼気体供給通路８３Ｂが形成され、廃熱筒８２Ｂ内部にはハニカム形状に区切られた燃焼気体排気通路が形成されている。ハニカムは、鉄系又はセラミック系（アルミナ、コージライト、炭化珪素）で構成される。なお、それぞれの燃焼気体供給通路８３Ｂ内部もハニカム形状に区切られている。また、廃熱筒８２Ｂの中心部であって、加熱部２１Ｋの上部は断熱材８４が配置されている。
この空気予熱器８０Ｂは、ディスプレーサピストン１３の上部に配置された加熱部２１Ｋの外周部に設けられる。なお、加熱源２６は、燃焼気体供給通路８３Ｂの出口側に配置される。加熱源２６で加熱された気体は、加熱部２１Ｋの外周を上昇し、加熱部２１Ｋを加熱した後に廃熱筒８２Ｂ内の燃焼気体排気通路を通過する。従って、廃熱筒８２Ｂは、廃熱を吸収し、吸収した廃熱を、燃焼気体供給通路８３Ｂを通過する気体に伝える。
本実施例によれば、加熱部２１Ｋで利用されなかった熱を、廃熱筒８２Ｂで回収し、回収した熱で加熱源２６に供給される気体を加熱することで、加熱源２６での加熱温度を高めることができる。さらに、廃熱筒８２Ａを触媒とすることで、Ｎｏx低減に寄与することができる。
【実施例１６】
【００４７】
図１８は本発明の実施例１６におけるスターリングエンジンの空気予熱器の上面図及び側断面図である。
本実施例に示す空気予熱器は、例えば実施例９から実施例１３にも適用することができるものであり、スターリングエンジンの機構については、既に説明した実施例の構成と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００４８】
本実施例における空気予熱器８０Ｃは、外筒８１Ｃと廃熱筒８２Ｃとから構成され、外筒８１Ｃと廃熱筒８２Ｃの間には複数の燃焼気体供給通路８３Ｃが形成され、廃熱筒８２Ｃ内部にはハニカム形状に区切られた燃焼気体排気通路が形成されている。ハニカムは、鉄系又はセラミック系（アルミナ、コージライト、炭化珪素）で構成される。なお、それぞれの燃焼気体供給通路８３Ｃ内部もハニカム形状に区切られている。また、廃熱筒８２Ｃの中心部であって、加熱部２１Ｋの上部は断熱材８４が配置されている
この空気予熱器８０Ｃは、ディスプレーサピストン１３の上部に配置された加熱部２１Ｋの外周部に設けられる。なお、加熱源２６は、燃焼気体供給通路８３Ｃの出口側に配置される。加熱源２６で加熱された気体は、加熱部２１Ｋの外周を上昇し、加熱部２１Ｋを加熱した後に廃熱筒８２Ｃ内の燃焼気体排気通路を通過する。従って、廃熱筒８２Ｃは、廃熱を吸収し、吸収した廃熱を、燃焼気体供給通路８３Ｃを通過する気体に伝える。
本実施例によれば、加熱部２１Ｋで利用されなかった熱を、廃熱筒８２Ｃで回収し、回収した熱で加熱源２６に供給される気体を加熱することで、加熱源２６での加熱温度を高めることができる。さらに、廃熱筒８２Ａを触媒とすることで、Ｎｏx低減に寄与することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、スターリングエンジン、スターリングエンジンを利用したリニア型発電機などの他にスターリングエンジンの逆サイクルであるスターリング冷凍機や、圧縮機、その他の回転機関や直動機関にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図２】本発明の実施例２におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図３】本発明の実施例３におけるスターリングエンジンの要部側面図
【図４】本発明の実施例３におけるスターリングエンジンを利用した発電機の斜視図
【図５】本発明の実施例４におけるスターリングエンジンの要部平面図
【図６】本発明の実施例５におけるスターリングエンジンの要部平面図
【図７】本発明の実施例６におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図８】本発明の実施例７におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図９】本発明の実施例８におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図１０】本発明の実施例９におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図１１】本発明の実施例１０におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図１２】本発明の実施例１１におけるスターリングエンジンの要部側断面図
【図１３】同スターリングエンジンの要部斜視図
【図１４】本発明の実施例１２におけるスターリングエンジンの要部斜視図
【図１５】本発明の実施例１３におけるスターリングエンジンの要部斜視図
【図１６】本発明の実施例１４におけるスターリングエンジンの空気予熱器の上面図及び側断面図
【図１７】本発明の実施例１５におけるスターリングエンジンの空気予熱器の上面図及び側断面図
【図１８】本発明の実施例１６におけるスターリングエンジンの空気予熱器の上面図及び側断面図
【符号の説明】
【００５１】
１１  シリンダ
１２  パワーピストン
１３  ディスプレーサピストン
１５  リング
１６  永久磁石
１７  コイル
２１  加熱部
２２  第１の平板
２３  第２の平板
２４  作動ガス流路
２６  加熱源
２７、２８  断熱材
２９  締結枠
３０  流体路
３１  再生器
３２  断熱ケース
３３  締結枠
３４  締結部材
３５  冷却器
３６  作動ガス配管
３７  冷却水配管
３８  水供給口
３９  水排出口
４０  ブロック
４１  長孔
５０  加熱源
５１、５２  スターリングエンジン
５１１、５２１  電気出力部
５１２、５２２  水排出口
５１３、５２３  短部
６１、６２、６３、６４  スターリングエンジン
７１、７２、７３、７４、７５、７６  スターリングエンジン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図４】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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