(57)【要約】【課題】  スターリングエンジンに関して、メンテナンスを必要とすることなく、加熱部における高い加熱効率を実現する技術を提供する。【解決手段】  本発明のスターリングエンジンは、外部のバーナによってヒータヘッドを加熱することで動力を生成する。そのスターリングエンジンは、ヒータヘッドの表面に粗面化処理が施されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部のバーナによってヒータヘッドを加熱することで動力を生成するスターリングエンジンであって、
ヒータヘッドの表面に粗面化処理が施されているスターリングエンジン。
【請求項２】
前記粗面化処理がブラスト処理である請求項１のスターリングエンジン。
【請求項３】
前記ブラスト処理において砥粒にアルミナが用いられている請求項２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】
従来、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の原動機に代わるものとして、各種のスターリングエンジンが提案されている。スターリングエンジンは、理論的な変換効率が高く、燃料の種類に制約がなく、静粛性が高い等の利点を備えている。最近では、家庭用の発電装置にスターリングエンジンを組み込んだものについても開発が行われている。
【０００３】
スターリングエンジンは、作動ガスを加熱するための加熱部を備えている。特許文献１には、加熱部の加熱効率を高めたスターリングエンジンが記載されている。特許文献１の技術では、加熱部であるヒータヘッドの表面にフィンを形成して、外部に設けられたバーナからの燃焼ガスによる対流伝熱を促進することで、加熱部の加熱効率を高めている。
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５１３２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術は更なる改善の余地を残している。加熱部の熱源としてバーナを用いる場合、加熱部はバーナからの燃焼ガスによる対流伝熱だけでなく、バーナの輻射伝熱によっても加熱される。従って、バーナの輻射伝熱についての吸熱をより多くすることができれば、加熱部の加熱効率を更に高めることができる。
【０００６】
バーナの輻射伝熱についての吸熱をより多くするためには、ヒータヘッドの表面の放射率をより高める必要がある。ヒータヘッドの表面の放射率を高めるには、例えば黒色の耐熱塗料をヒータヘッドの表面に塗布する方式が考えられる。しかしながら、耐熱塗料は耐久性に乏しく、短期間で塗膜の剥離を生じてしまい、スターリングエンジンの長期間の運用に耐えることができない。このため、ヒータヘッドの表面に耐熱塗料を塗布する方式では、定期的に耐熱塗料を塗り直す作業が必要となり、メンテナンスに多大な労力を必要とする。メンテナンスを必要とすることなく、バーナの輻射伝熱についての吸熱をより多くして、加熱部の加熱効率を向上する技術が期待されている。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決する。本発明は、スターリングエンジンに関して、メンテナンスを必要とすることなく、加熱部における高い加熱効率を実現する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のスターリングエンジンは、外部のバーナによってヒータヘッドを加熱することで動力を生成する。そのスターリングエンジンは、ヒータヘッドの表面に粗面化処理が施されている。
【０００９】
上記のスターリングエンジンでは、ヒータヘッドの表面に施された粗面化処理によって、ヒータヘッドの表面に微細な凹凸が形成される。ヒータヘッドの表面が平滑面である場合に比べて、ヒータヘッドの表面に微細な凹凸を形成した場合、ヒータヘッドの表面の放射率が高められる。これによって、バーナの輻射伝熱についての吸熱をより多くすることができ、加熱部の加熱効率を高めることができる。
【００１０】
耐熱塗料を塗布する場合とは異なり、ヒータヘッドの表面に粗面化処理を施した場合には、高い放射率が長期間に亘って維持される。従って、メンテナンスを必要とすることなく、加熱部における高い加熱効率を実現することができる。
【００１１】
上記のスターリングエンジンでは、前記粗面化処理がブラスト処理であることが好ましい。
【００１２】
ブラスト処理は他の粗面化処理に比べて少ない労力で行うことができる。スターリングエンジンの製造作業を容易に行うことができる。
【００１３】
上記のスターリングエンジンでは、前記ブラスト処理において砥粒にアルミナが用いられていることが好ましい。
【００１４】
アルミナの砥粒は、ガラスビーズなどの他の砥粒に比べて、粒子が角張っている。このため、アルミナを砥粒としてブラスト処理を施した場合、ヒータヘッドの表面に打痕がギザギザに形成されて、より高い放射率を実現することができる。加熱部における加熱効率をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスターリングエンジンによれば、メンテナンスを必要とすることなく、加熱部における高い加熱効率を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）スターリングエンジンはフリーピストン形スターリングエンジンである。
【実施例１】
【００１７】
図面を参照しながら、本発明のスターリングエンジンを具現化した実施例を説明する。図１は本実施例のスターリングエンジン１００の構成を示している。本実施例のスターリングエンジン１００は、家庭用の発電装置に組み込まれており、燃焼加熱器１２４による加熱を受けて、交流電力を発電する。
【００１８】
スターリングエンジン１００は、外形が略円柱形状をしているハウジング１０２と、ハウジング１０２内で膨張空間１０４と圧縮空間１０６を区画するディスプレーサ１０８と、ハウジング１０２内で圧縮空間１０６とバウンス空間１１０を区画する出力ピストン１１２を備えている。膨張空間１０４、圧縮空間１０６、バウンス空間１１０には、作動ガスであるヘリウムガスが充填されている。
【００１９】
ハウジング１０２は、ディスプレーサ１０８を収容するエンジンハウジング１５０と、出力ピストン１１２を収容する出力ハウジング１５２から構成されている。エンジンハウジング１５０は、ドーム形状に形成されたヒータヘッド１５４と、円筒形状に形成された冷却用熱交換器１５６と、冷却用熱交換器１５６を囲うように配置されたクーラハウジング１５８から構成されている。
【００２０】
ディスプレーサ１０８は、エンジンハウジング１５０内に設けられたシリンダ１１４に収容されているとともに、出力ハウジング１５２に固定されているシャフト１１６に摺動可能に支持されている。ディスプレーサ１０８とシャフト１１６は２つの板ばね１１８を介して接続されており、ディスプレーサ１０８はシリンダ１１４の内面に沿って往復運動する。ディスプレーサ１０８の固有振動数は、ディスプレーサ１０８の重量と板ばね１１８のバネ定数によって調整される。シャフト１１６は固定プレート１２０を介して出力ハウジング１５２に固定されており、固定プレート１２０には複数の孔１２０ａが形成されている。
【００２１】
シリンダ１１４の外面とエンジンハウジング１５０の内面の間には、膨張空間１０４と圧縮空間１０６を連通する経路１２２が形成される。この経路１２２には、通過するヘリウムガスを加熱する加熱部１２６と、蓄熱体が敷設された再生部１２８と、通過するヘリウムガスを冷却する冷却部１３２が形成されている。
【００２２】
加熱部１２６では、ヒータヘッド１５４の外側に配置された燃焼加熱器１２４の燃焼によって、ヒータヘッド１５４の内面に沿って流れるヘリウムガスを加熱する。燃焼加熱器１２４は、ヒータヘッド１５４を囲うように配置されたリングバーナである。加熱部１２６は、燃焼加熱器１２４からの燃焼ガスによる対流伝熱によっても加熱されるし、燃焼加熱器１２４の輻射伝熱によっても加熱される。本実施例のスターリングエンジン１００では、高耐熱性材料（例えばインコネル）のヒータヘッド１５４の表面がブラスト処理によって粗面化されており、ヒータヘッド１５４の表面の放射率が高められている。これによって、燃焼加熱器１２４の輻射伝熱についても効率良く吸熱することができる。加熱部１２６では、経路１２２に沿ったヘリウムガスの移動を妨げない形状の加熱部フィン１２７が、ヒータヘッド１５４から内側に伸びている。
【００２３】
冷却部１３２では、冷却用熱交換器１５６とクーラハウジング１５８の間に形成された冷却水流路１６０を流れる冷却水との熱交換によって、冷却用熱交換器１５６の内面に沿って流れるヘリウムガスを冷却する。クーラハウジング１５８には、冷却水流路１６０に冷却水を導入する冷却水入口１６２と、ヘリウムガスから熱を回収した冷却水を冷却水流路１６０から排出する冷却水出口１６４が形成されている。冷却水入口１６２と冷却水出口１６４は、円筒形状の冷却用熱交換器１５６の中心軸を挟んで互いに対向する位置関係で配置されている。冷却水入口１６２に供給された冷却水は、冷却水流路１６０を周方向に流れて、冷却水出口１６４へ排出される。冷却部１３２では、経路１２２に沿ったヘリウムガスの移動を妨げない形状の冷却部フィン１３３が、冷却用熱交換器１５６から内側に伸びている。
【００２４】
再生部１２８は蓄熱体の吸熱／放熱によって、ヘリウムガスが通過する際に予冷／予熱を行う。膨張空間１０４の高温のヘリウムガスが圧縮空間１０６へ移動する際には、ヘリウムガスは再生部１２８で蓄熱体の吸熱により予冷された後、冷却部１３２で冷却される。圧縮空間１０６の低温のヘリウムガスが膨張空間１０４へ移動する際には、ヘリウムガスは再生部１２８で蓄熱体の放熱により予熱された後、加熱部１２６で加熱される。
【００２５】
出力ピストン１１２にはムーバーロッド１３４が固定されており、出力ピストン１１２とムーバーロッド１３４は一体的に運動する。ムーバーロッド１３４は２つの板ばね１３６を介して出力ハウジング１５２に支持されており、出力ピストン１１２とムーバーロッド１３４は、出力ハウジング１５２の内面に形成されたガイド１３８に沿って往復運動する。出力ピストン１１２の固有振動数は、出力ピストン１１２とムーバーロッド１３４と磁石１４０等の重量と、板ばね１３６のバネ定数によって調整される。本実施例では、ディスプレーサ１０８の固有振動数を出力ピストン１１２の固有振動数よりも幾分大きくして、両者に位相差を持たせている。
【００２６】
ムーバーロッド１３４には複数の磁石１４０が配設されている。また、出力ハウジング１５２の磁石１４０と対向する位置には、鉄心１４２とコイル１４４が設けられている。ムーバーロッド１３４が往復運動することによって、コイル１４４に誘導起電圧が発生し、交流電力を生成することができる。このときに発電される交流電力の周波数は、出力ピストン１１２の往復運動の周波数に等しい。この場合、ムーバーロッド１３４の磁石１４０と出力ハウジング１５２の鉄心１４２およびコイル１４４は、リニア発電機として機能する。
【００２７】
またムーバーロッド１３４が停止しているときに、コイル１４４に交流電圧を印加することで、ムーバーロッド１３４が加振され、ムーバーロッド１３４が往復運動させることができる。この場合、ムーバーロッド１３４の磁石１４０と出力ハウジング１５２の鉄心１４２およびコイル１４４は、リニア電動機として機能する。
【００２８】
スターリングエンジン１００では、ディスプレーサ１０８が往復運動すると、膨張空間１０４の容積と圧縮空間１０６の容積の割合が変化する。例えばディスプレーサ１０８が膨張空間１０４側に移動すると、膨張空間１０４の容積が減少するとともに圧縮空間１０６の容積が増大する。このとき、膨張空間１０４内のヘリウムガスは、経路１２２を通って圧縮空間１０６へと移動する。逆に、ディスプレーサ１０８が圧縮空間１０６側に移動すると、圧縮空間１０６の容積が減少するとともに膨張空間１０４の容積が増大する。このとき、圧縮空間１０６内のヘリウムガスが経路１２２を通って膨張空間１０４へと移動する。膨張空間１０４の容積と圧縮空間１０６の容積の割合が変化すると、高温状態のヘリウムガスと低温状態のヘリウムガスの割合が変化し、膨張空間１０４と圧縮空間１０６の圧力が変化する。圧縮空間１０６の圧力変化によって、出力ピストン１１２が加振される。
【００２９】
出力ピストン１１２は、圧縮空間１０６に生じる圧力変化によって加振されつつ、往復運動する。このときのディスプレーサ１０８の往復運動の周波数は出力ピストン１１２の往復運動の周波数よりも幾分大きくなるように設定されているので、両者の間に位相差が生じて熱力学的仕事を生成する。
【００３０】
スターリングエンジン１００は、燃焼加熱器１２４による連続的な加熱と、冷却水流路１６０を流れる冷却水による連続的な冷却によって、ディスプレーサ１０８と出力ピストン１１２を振動させ、交流電力を発電する。スターリングエンジン１００が発電した電力は、図示しないパワーコンディショナによって調整されて、家庭用の電力系統へと供給される。
【００３１】
本実施例のスターリングエンジン１００では、ヒータヘッド１５４の表面がブラスト処理によって粗面化されている。ヒータヘッド１５４の表面に粗面化処理を施すことによって、ヒータヘッド１５４の表面の放射率が高められている。これによって、燃焼加熱器１２４の輻射伝熱についての吸熱をより多くして、加熱部１２６における高い加熱効率が実現されている。このように、粗面化処理によって放射率を向上させる場合、黒色の耐熱塗料を塗布することで放射率を向上させる場合とは異なり、高い放射率が長期間に亘って維持される。従って、メンテナンスを必要とすることなく、加熱部１２６における高い加熱効率を実現することができる。
【００３２】
なおヒータヘッド１５４の表面に施すブラスト処理では、例えばガラスビーズ等を砥粒として用いてもよいが、アルミナを砥粒として用いるとより効果的である。ガラスビーズのように球形の砥粒を用いると、ヒータヘッド１５４の表面の打痕形状は滑らかなディンプル状となり、放射率の向上は僅かなものとなる。それに対して、アルミナのように角張った形状の砥粒を用いると、ヒータヘッド１５４の表面の打痕形状はギザギザとなり、それだけ放射率が大きく向上する。加熱部１２６におけるより高い加熱効率を実現することができる。
【００３３】
なおヒータヘッド１５４の表面に施す粗面化処理は、ブラスト処理以外の粗面化処理であってもよい。例えば、ブラシ研磨などの他の機械的手段による粗面化処理であってもよいし、電解エッチングなどの電気化学的粗面化処理であってもよいし、強アルカリ性水溶液を用いる化学的粗面化処理であってもよい。
【００３４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１はスターリングエンジン１００の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００        スターリングエンジン
１０２        ハウジング
１０４        膨張空間
１０６        圧縮空間
１０８        ディスプレーサ
１１０        バウンス空間
１１２        出力ピストン
１１４        シリンダ
１１６        シャフト
１２０ 固定プレート
１２０ａ             孔
１２２        経路
１２４        燃焼加熱器
１２６        加熱部
１２７        加熱部フィン
１２８        再生部
１３２        冷却部
１３３        冷却部フィン
１３４        ムーバーロッド
１３８        ガイド
１４０        磁石
１４２        鉄心
１４４        コイル
１５０        エンジンハウジング
１５２        出力ハウジング
１５４        ヒータヘッド
１５６        冷却用熱交換器
１５８        クーラハウジング
１６０        冷却水流路
１６２        冷却水入口
１６４        冷却水出口
【図１】
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