JPH02207164A - 外燃機関用加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、外燃機関用加熱装置に関し、更に詳細には燃
焼器または加熱器内に配設されて熱源により加熱される
伝熱管の周辺に隔離部材により該伝熱管が収容される空
間部を区画形成し、該空間部に蓄熱材を充填せしめて、
前記熱源からの熱が一次熱源として前記蓄熱材を介して
前記伝熱管に入力されると共に、前記蓄熱材によって蓄
熱された熱が二次熱源として前記伝熱管に入力されるよ
うにした外燃機関用加熱装置に関し、例えば人工衛生に
搭載されるスターリングエンジン等の外燃機関の加熱装
置等に利用される。

（従来の技術） 従来、この種の加熱装置としては特開昭６３−５７８５
６号公報に開示されるものがある。

このものは、スターリングエンジンにおいて、燃焼器内
に配設されて熱源により加熱される伝熱管の周辺にシー
ル部材により空間部を形成し、該空間部内に、顕熱もし
くは潜熱もしくは化学反応利用により蓄熱する蓄熱材を
充填せしめて、−次熱源である熱源からの熱人力が変動
しても、蓄熱材に蓄熱された熱が二次熱源として伝熱管
に入力されて、伝熱管に入力される熱量が変動すること
なく、安定したスターリングエンジンの軸出力が得られ
るようにしている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上記した従来の装置においては、蓄熱材とし
て潜熱を利用する場合に、一般に蓄熱材として用いられ
る熱容量の大きな溶融塩等は、熱伝導率が低い（金属２
例えばステンレスに比し、１１５から１／１０以下）た
め、伝熱管への伝熱特性が悪く所期の目的が達成できな
いという問題のみならず、溶融塩等においては、その転
移融解温度での体積変化率が大きく（５〜３０％程度）
、融解時における膨張時に破壊されず、且つ固化収縮時
に空洞が形成されないように、空間部を形成しなければ
ならないため、空間部の設計が困難となるという問題が
あった。

更に、上記した従来の装置を人工衛生等に搭載して宇宙
環境下で使用する場合には、無重力下であることから蓄
熱材の対流が発生しないため、蓄熱材の転移融解温度で
の体積変化により発生しやすい気泡が偏ってかたまって
存在し、伝熱管への伝熱特性を更に悪化させるという問
題もあった。

そこで本発明は、上記した従来の問題を鑑み、外燃機関
用加熱装置において、蓄熱材の蓄熱の伝熱管への熱伝導
率を向上させて一次熱源の変動によらず安定した外燃機
関の軸出力が確実に得られるようにすること、をその技
術的課題とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記した技術的課題を解決するために講じた技術的手段
は、当該外燃機関用加熱装置において、前記蓄熱材に大
きな単位体積当たり面積を有した高熱伝導率金属材を混
入したこと、である。

前記蓄熱材は、潜熱を利用した蓄熱材であり、前記高熱
伝導率金属材は弾力性のあるメツシュ状もしくはウィス
カー状の金属材であって良い。

また、前記蓄熱材は、潜熱を利用した蓄熱材であり、前
記高熱伝導率金属材は発泡状の金属材であっても良い。

（作用） これによれば、蓄熱材内及び蓄熱材と伝熱管との間の熱
伝導率を向上でき、蓄熱材全体の熱伝導率を高熱伝導率
金属材を混入させないものに比し２〜５倍以上高くする
ことができる。そのため、−次熱源としての熱源からの
熱人力が大きい場合には、蓄熱材全体に熱を高熱伝導率
金属材を介して蓄熱すると同時に蓄熱材及び高熱伝導率
金属材を介して熱を間接的に伝熱管に十分に入力するこ
とができ、また熱源からの熱入力が小さいか、または全
く入力がなくなった場合には、二次熱源として高熱伝導
率金属材を介して蓄熱材全体に蓄熱された熱を伝熱管に
十分に入力することができるので、−次熱源である熱源
が変動しても、伝熱管に入力される熱量が変動すること
なく、安定した機関の軸出力を確実に得ることができる
。

また、高熱伝導率金属材を蓄熱材内に混入させることに
より、所定の熱容量を維持しつつ蓄熱材全体の体積変化
率を高熱伝導率金属材を混入させないものに比し４０〜
５０％程度低下させることができ、それにより充填材が
充填される空間部の設計を容易にすることができる。

また、更に無重力下で蓄熱材の溶融時に気泡が発生した
場合には、高熱伝導率金属材によって毛細管現象が発生
し易（なることから、毛細管現象によって蓄熱材と共に
気泡が均一に分布されるので、蓄熱材及び気泡が不均一
になることによる熱伝導率の悪化を防止することができ
る。

（実施例） 以下、本発明に従った外燃機関用加熱装置をスターリン
グエンジンに用いた場合の実施例を図面に基づき説明す
る。

第１図において、スターリングエンジン１０は、ハウジ
ング１１に夫々平行に形成された４つのシリンダ１ｌａ
（２つのシリンダは図示されていない）内に気密的に摺
動可能に嵌挿される４つのピストン１２（２つのピスト
ンは図示されていない）を備え、各ピストン１２は夫々
ロッド１３を介して出力取出機構たる周知の回転斜板機
構１４に連結されていて、各ピストン１２が隣合うピス
トン１２と夫々９０°の位相差で往復摺動することによ
り、出力軸１５を回転させて出力として取出すようにな
っている。

各シリンダＩｌａ内には、各ピストン１２の一端面側に
ピストン１２の往復摺動によりその容積が増減する膨張
空間１６が区画形成されていると共に、各ピストン１２
の他端面倒にピストン１２の往復摺動により膨張空間１
６の容積変化に１８０°の位相差でその容積が増減する
圧縮空間１７が夫々区画形成されている。

各膨張空間１６は、ハウジング１１に固設された燃焼器
ハウジング１８の凹部１８ａ内に延在する本発明におけ
る伝熱管であるヒーターチューブ１９、再生器２０及び
冷却器２１を介して９０゜位相の進んだ側の隣合うピス
トン１２の圧縮空間１７に夫々連通され、各空間内には
作動ガス（Ｈｅ等）が封入されていて、これにより燃焼
器ハウジング１８の凹部１８ａにて図示せぬバーナーの
火炎を熱源２７としてヒーターチューブＩ９を加熱する
ことにより、作動ガスが膨張空間１６と圧縮空間１７と
の間を往来してピストン１２に軸力を生ぜしめる４組の
スターリングサイクルが形成される。尚、図中２６は作
動ガスと冷却器２１にて熱交換する冷却水の管路である
。

燃焼器ハウジング１１の凹部１１ａ内には、高熱伝導率
を有し、且つ耐熱性及び耐腐食性の高い材料から成る隔
離部材２２により、ヒーターチューブ１９が収容される
密閉空間２３が区画形成されていて、該密閉空間２３内
には大きな単位体積当り面積を有し、高熱伝導率、高耐
熱性、高耐腐食性及び大きな熱容量を備えた弾力性のあ
る金属材２４（例えば、ステンレス等）を混入した蓄熱
材２５が充填されている。尚、隔離部材２２は図中に明
示されていないが、金属製ベローズにより形成すること
が望ましい。

蓄熱材２５は、本実施例においては熱容量の大きな溶融
塩から成り、溶融塩の潜熱を利用して蓄熱しようとする
もので、また金属材２４は第２図に示すように４０〜１
００ミクロン程度の線径のステンレス鋼線をメツシュ状
に編んだ円板状部材から成っていて、該円板状部材を鋼
線とヒーターチューブ１９とを接触させつつ、ヒーター
チューブ１９に沿って積層して、密閉空間２３内に均一
に全体的に蓄熱材２５と共に充填されている。尚、蓄熱
材全体に所定の熱容量を維持させるためには、蓄熱材全
体に対する金属材２４の混入割合（体積割合）を５０％
以下にすることが望ましい。

以上の構成から成る本実施例の作用を説明する。

図示せぬ始動装置を介して出力軸１５が駆動され、回転
斜板機構１４により各ピストン１２が所定の位相差で一
次的に往復摺動させられると共に、図示せぬバーナーに
よる熱源２７により、ヒーターチューブ１９が蓄熱材２
５及び金属材２４を介して加熱されると、スターリング
エンジン１０゜が始動し、安定した軸力が出力軸１５に
出力される。

しかして本実施例においては、４０〜１００ミクロン程
度の線径のステンレス鋼線をメツシュ状に編んだ円板状
の金属材２４を所定の割合で混入した蓄熱材２５を燃焼
器ハウジング１８内にヒーターチューブ１９を収容して
形成される密閉空間２３内に充填している。

そのため、蓄熱材内及び蓄熱材２５とヒーターチューブ
１９との間の熱伝導率が向上され、蓄熱材全体の熱伝導
率を高熱伝導率の金属材２４をを混入させないものに比
し、２〜５倍以上高くすることができる。それゆえ、本
実施例においては、−成熱源としての熱源２７からの熱
入力が大きい場合には、蓄熱材２５全体に熱を金属材２
４を介して蓄熱すると同時に蓄熱材２５及び金属材２４
を介して熱を間接的にヒーターチューブ１９に十分に入
力することができ、また熱源２７からの熱入力が小さい
か、または全く入力がなくなった場合には、二次熱源と
して金属材２４を介して蓄熱材２５全体に蓄熱された熱
をヒーターチューブ１９に十分に入力することができる
ので、−次熱源である熱源２７が変動しても、ヒーター
チューブ１９に入力される熱量が変動することなく、安
定した軸出力を出力軸１５に確実に得ることができる。

また、金属材２４を蓄熱材２５内に混入させることによ
り、所定の熱容量を維持しつつ蓄熱材全体の体積変化率
を金属材を混入させないものに比し４０〜５０％程度低
下させることができ、それにより、充填材が充填される
密閉空間２３を形成する隔離部材２２の設計を容易にす
ることができる。

また、更に無重力下で蓄熱材２５の溶融時に気泡が発生
した場合には、金属材２４によって毛細管現象が発生し
易くなることから、毛細管現象によって蓄熱材２５と共
に気泡が均一に分布されるので、蓄熱材２５及び気泡が
不均一になることによる熱伝導率の悪化を防止すること
ができる。

第３図は、本発明の第２実施例を示し、−次熱源として
太陽熱を利用した例を示す。第３図においで、４０はハ
ウジング１１に固設されたレシーバで、該レシーバ４０
の凹部４０ａ内には第１図に示す実施例と同様に金属材
２４を混入した蓄熱材２５が充填された密閉空間２３が
隔離部材２２により形成されている。また、レシーバ４
０の凹部４０ａの内面は鏡面仕上げされて反射率を高く
されており、集光器４１により集められた太陽光が孔４
０．ｂより照射されて凹部４０ａ内にて乱反射して、蓄
熱材２４を照射し加熱するようになっている。

この実施例においては、上述した実施例と同じ作用を奏
し、例えば９０分で地球を一周する人工衛生に搭載し、
発電機用エンジンとして使用する場合には、４５分間の
加熱と４５分間の非加熱が繰返され、従来のように蓄熱
材内及び蓄熱材とヒーターチューブとの熱伝導率が低い
と安定した発電が行われないが、本実施例では加熱時に
はエンジン運転と同時に蓄熱材２５に金属材２４を介し
て蓄熱し、非加熱時には蓄熱材２５及び金属材２４を介
して蓄熱した熱でヒーターチューブ１９を加熱すること
から、エンジンは一周期９０分連続して運転される。し
たがって、エンジンを常時運転させることができるため
、同サイズにエンジンで２倍の電力を確実に発電するこ
とができ、起動、停止を繰り返す必要が確実になくなる
ことから故障原因を排除することもできる。尚、第３図
において第１図に示す実施例と同じ構成には第１図で用
いた番号符号と同じ番号符号を付しである。

上記した２つの実施例においては、金属材２４として、
４０〜１００ミクロン程度の線径のステンレス鋼線をメ
ツシュ状に編んだ円板状の金属材を用いた例を説明した
が、本発明を実施するにあたっては、第４図に示すよう
にウィスカー状の４０〜１００ミクロン程度の線径のス
テンレス鋼線を金属材５０として蓄熱材に混入しても良
い。この場合には、ウィスカー状の金属材５０をヒータ
ーチューブ１９に巻付けるようにして且つ蓄熱材に対す
る混入割合（体積割合）を５０％以下として均一に混入
させることが望ましい。

また更に、本発明を実施するにあたっては、第５図に示
すように、金属材として発泡状の金属材６０を用いても
良い。この場合には多孔部に封入される蓄熱材に対する
体積割合を５０％以下とすることが望ましく、ヒーター
チューブ１９に沿った形状に型成形することによりヒー
ターチューブ１゛９のほぼ全周に金属材６０を接触させ
ることができる。

以上説明した実施例においては、本発明をスターリング
エンジン用の加熱装置に用いた例を説明したが、本発明
はランキンサイクル及びプレイトンサイクルのような他
の外燃機関の加熱装置としても利用することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、高熱伝導率を有した金属材を混入した
蓄熱材を介して伝熱管が加熱されるため、熱伝導率が低
下することなく、均一な温度分布及び熱的保護が図られ
、熱疲労が軽減できて伝熱管の耐久性を向上することが
できる。

また、本発明によれば、蓄熱材内及び蓄熱材と伝熱管と
の間の熱伝導率を向上でき、蓄熱材全体の熱伝導率を高
熱伝導率金属材を混入させないものに比し、２〜５倍以
上高くすることができる。

そのため、−・次熱源としての熱源からの熱入力が大き
い場合には、蓄熱材全体に熱を高熱伝導率金属材を介し
て蓄熱すると同時に蓄熱材及び高熱伝導率金属材を介し
て熱を間接的に伝熱管に十分に入力することができ、ま
た熱源からの熱入力が小ざいか、または全く入力がなく
なった場合には、二次熱源として高熱伝導率金属材を介
して蓄熱材全体に蓄熱された熱を伝熱管に十分に入力す
ることができるので、−次熱源である熱源が変動しても
、伝熱管に入力される熱量が変動することなく、安定し
た機関の軸出力を確実に得ることができる。

また、本発明によれば、高熱伝導率金属材を蓄熱材内に
混入させることにより、所定の熱容量を維持しつつ蓄熱
材全体の体積変化率を高熱伝導率金属材を混入させない
ものに比し４０〜５０％程度低下させることができ、そ
れにより充填材が充填される空間部の設計を容易にする
ことができるまた、更に無重力下で蓄熱材の溶融時に気
泡が発生した場合には、高熱伝導率金属材によって毛細
管現象が発生し易くなることから、毛細管現象によって
蓄熱材と共に気泡が均一に分布されるので、蓄熱材及び
気泡が不均一になることによる熱伝導率の悪化を防止す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従った外燃機関用加熱装置の一実施例
を示す断面図、第２図は第１図における金属材の外観図
、第３図は本発明の第２実施例を示す断面図、第４図及
び第５図は本発明における金属材の変形例を示す外観図
である。 １１・・・ハウジング、１２・・・ピストン、１５・・
・出力軸、１６・・・膨張空間、１７・・・圧縮空間、
１８・・・燃焼器ハウジング、１８ａ・・・凹部、１９
・・・ヒーターチューブ、２２・・・隔離部材、２３・
・・密閉空間、２４・・・金属材、２５・・・蓄熱材、
４０・・・レシーバ（加熱器）、４０ａ・・・凹部、４
１・・・集光器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃焼器または加熱器内に配設されて熱源により加
   熱される伝熱管の周辺に隔離部材により該伝熱管が収容
   される空間部を区画形成し、該空間部に蓄熱材を充填せ
   しめて、前記熱源からの熱が一次熱源として前記蓄熱材
   を介して前記伝熱管に入力されると共に、前記蓄熱材に
   よつて蓄熱された熱が二次熱源として前記伝熱管に入力
   されるようにした外燃機関用加熱装置において、前記蓄
   熱材に大きな単位体積当たり面積を有した高熱伝導率の
   金属材を混入したことを特徴とする外燃機関用加熱装置
   。
2. （２）前記蓄熱材は、潜熱を利用して蓄熱する蓄熱材で
   あり、前記高熱伝導率の金属材は４０〜１００ミクロン
   の線径を有したメッシュ状もしくはウィスカー状の弾性
   力のある金属材であることを特徴とする請求項（１）記
   載の外燃機関用加熱装置。
3. （３）前記蓄熱材は、潜熱を利用して蓄熱する蓄熱材で
   あり、前記高熱伝導率の金属材は発泡状の金属材である
   ことを特徴とする請求項（１）記載の外燃機関用加熱装
   置。