JPS5932664B2 - フレネルレンズ併用形ソ−ラ−スタ−リングサイクル機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフレネルレンズ併用形のソーラースターリング
サイクル機関に関するものである。

そもそも太陽熱を用いて作動するいわゆるソーラー機関
なるものができれば、例えば太陽熱冷暖房システムを作
動させるものとして使用した場合、日射量に応じた作動
をすることからシステム系そのものが日射量に即応した
動きをすることになり、システム系の制御を考える上で
便利である。

このように太陽熱に関係する各種のシステム系の作動に
対して、その特質を生かした使用の仕方があるばかりで
なく、他の種々の仕事をさせるものとして使用できるこ
とから電気エネルギーの節約、引いては省エネルギー上
寄与するところが犬である。

従来、ソーラー機関としては第１図に示すような放物曲
面をした太陽熱反射鏡を備えたソーラー機関が考えられ
ていたが、反射鏡の頂点から焦点までの距離りは同放物
面鏡の曲面の形に太いに関係し、ｈの値を決めてしまえ
ば自ずから放物曲面の形は決まってしまい、そのため例
えば日射面積の拡大を計るべく、放物曲面の曲率の第２
図のごとく太き（すればｈの値が大きくなってしまう。

一方、第３図のようにｈの値を変えずに日射面積の拡大
を計れば反射鏡そのものが異常に大きくなるという欠点
がある。

また第１図のように反射鏡と機関部との一体型では太陽
の動きと共に機関部をも逐次、太陽の追尾の必要から姿
勢が変ることになり、この不都合さを避けるべく機関本
体から反射鏡部を分離すれば、反射鏡は太陽の追尾を行
わなければならないことから第４図のごとく反射鏡中央
部にかなりの大きさの切欠き孔を明ける必要が生じ、こ
のことはそれ相応の太陽光受光面積の減少をもたらすこ
とになる。

従って切欠き孔をできるだけ小さくする必要から機関部
受熱部にしてもそれ程、太くすることもできず同部外表
面からの熱漏えい軽減の処置も思うように行えないのが
実状であり、それだけソーラーエンジンそのものの熱効
率も低下する結果となっている。

更に従来のソーラー機関は、反射鏡により太陽光を集め
得られた熱を単に熱機関の高熱源としてだけ用いるもの
であった。

本発明はフレネルレンズとスターリングサイクル機関と
を組み合せることにより前記反射鏡を用いることによる
種々の欠点を解消して太陽熱の集熱効率を高めると共に
、フレネルレンズとスターリングサイクル機関とを効果
的に組み合せることにより空気の自然対流が誘起される
ことに着目し、この対流空気をスターリングサイクル機
関の冷熱源に利用することにより熱効率も優れ、簡素で
コンパクトにまとめられたソーラースターリングサイク
ル機関を得ることを目的としている。

更に本発明は、スターリングサイクル機関の作動流体加
熱部外表面からの熱漏えいを低減させると共に、強度的
にも優れたフルネルレンズを備えたソーラースターリン
グサイクル機関を得ることを目的としている。

そこで本発明ではレンズ面に太陽光が常に垂直に当るよ
うに追尾される曲率を有スるフレネルレンズの焦点部付
近にスターリングサイクル機関の作動流体加熱部を有し
、かつ、この部分の外表面からの熱漏えいを低減するた
め同部分は概して透明真空容器内に収められており、更
に前記スターリングサイクル機関は直立させ、その冷却
部を前記加熱部の下方に配置させることにより、前記目
的を達成しようとするものである。

以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。

第５図は、本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースタ
ーリングサイクル機関の一実施例である。

１はフレネルレンズで、平板形フレネルレンズの面積が
大きくなった場合に生ずるレンズのたわみを防ぎ、かつ
レンズの曲げ強度を増す意味で若干の曲率を持たせてい
る。

３は直立したスターリング機関の作動流体加熱部、５は
作動流体膨張空間部である。

６はディスプレーサ、７はパワーピストン、８はフライ
ホイール、１０は再生器である。

１１はスターリングサイクル機関の冷却室９の周囲に取
りつけられた冷却フィンであり、冷却室９と冷却フィン
１１とで冷却部を構成し、冷却室９の作動流体を対流空
気で冷却している。

２は透明真空容器で作動流体加熱部３や再生器１０との
間には真空間げき４を設けている。

又、第７図では、スターリングサイクル機関部１３と太
陽光捕獲のためのフレネルレンズ部１とを分離し、この
間を光ファイバー１４で連結している。

次に、本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースターリ
ングサイクル機関の作用を述べる。

いま、太陽光追尾可能な、かつ、作動流体加熱部３方向
に曲率を有するフレネルレンズ１を通過した太陽光は更
に透明真空容器２をも透過して作動流体加熱部３の外表
面に当り発熱、同壁面を加熱する。

従って同壁面温度は上昇するが壁面外側の空げき４は真
空であるため大部分の熱はエンジン膨張空間部５にある
作動流体の加熱に費やされ、同流体は膨張する。

その結果、ディスプレーサ６は下へ押し下げられ更にパ
ワーピストン７を伴なって更に下方へと押し下げられる
。

その後、フライホイール８の慣性力で先ずディスプレー
サ６が上へ再び押し上げられ、空間５にあった高温作動
流体はディスプレーサ６の側面に沿って下方へと流れ再
生器１０に熱を与えて冷却室９に入り回部壁面を通じて
冷却される。

次にパワーピストン７が上昇してきて冷却された作動流
体は圧縮される。

この状態で再びディスプレーサ６が下がり始めるため作
動流体は再び再生器１０のもつ熱を回収しつつ加熱膨張
空間５にもどる。

このようなサイクルを繰り返しながらエンジンは作動す
るわけで、この場合の作動流体は空気であるがヘリウム
とか水素を作動流体として機関部内に封じ込めて加圧し
たタイプの機関についても同様な原理で作動する。

又、本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースターリン
グ機関においては、第６図に模式的に示すように透明真
空容器２の近傍で温められた空気が上昇し、いわゆる空
気の自然対流により生じた対流空気がスターリングサイ
クツ場関の冷却部を冷却している。

次に、本発明の効果を述べる。

本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースターリングサ
イクル機関は作動流体加熱部３とフレネルレンズ１との
距離Ｈをレンズの焦点距離だけで決めることができる。

（第５図参照）。そして最も重要な利点はフレネルレン
ズと加熱部間に有効な空間を確保できることである。

しかもその焦点距離もおおむね任意に選んで簡単にレン
ズを製作することが可能であることから距離Ｈも自由に
決めることができ、従って、小型化を計ることができる
ことにもなる。

又、太陽光受光面積にしても集光にかかわる問題だけで
自由に選択することができ、かつ太陽の追尾にしてもエ
ンジン本体を動かさずにレンズ間の空間を利用してレン
ズのみを動かすことによって容易に達成できる。

更にレンズに切欠き孔を設ける必要もない。

又、放物曲面反射鏡の場合に比して曲率の差からくる展
開面積の減少から太陽光集光部そのものの軽量化が計ら
れ、このことはソーラー機関そのものの軽量化、かつ簡
素化につながっている。

更に本ソーラースターリングサイクル機関では作動流体
加熱部、いわゆる太陽光集受光部の大きさにしても何ら
外的な制限を受けることがないので間部ならびにその付
近（再生器相当部）の外表面からの熱損失を少なくする
意味でこれらを透明容器で覆い、それらの間にできる空
げきを真空にすることができる。

その結果、これらの部分からの熱伝導や対流熱伝達によ
る熱損失は極めて小さく押えることができ、作動流体加
熱部の温度は飛躍的に上昇し、かつ風などの外気の影響
を直接に受けないことから同温度も安定して機関の熱効
率は一層よくなっている。

もし、真空部を形成しない場合、風があると熱が持ち去
られたりして効率が大幅に低下することが実験の結果判
った。

−伊ｌとして、加熱部の表面温度が真空部のない場合２
００℃であったものがある場合には５００°Ｃ以上にな
ることが測定されている。

これは被った場合、対流ならびに熱伝導による熱損失が
充分に阻止できるからで、このことは熱機関としての熱
効率を大いに上昇せしめることにつながっている。

又、本発明で用いられるフレネルレンズは曲率を持たせ
ることによってレンズそのものの曲げ強さを向上させる
。

その結果、余分な補強材や支持部材を必要とせずその分
レンズを大型化できる。

又、フレネルレンズを曲面としているので、その曲面側
が機関側であることもスターリングサイクル機関部の保
護や全体の寸法の点からみてもコンパクトとなり一層好
ましいものである。

更に、本発明ではフレネルレンズ併用形ソーラースター
リングサイクル機関とすることにより、空気の自然対流
を誘起せしめ、その対流空気によりスターリングサイク
ル機関の冷却部を冷却させているので、冷却部の構造が
簡単となり、かつ経済的である。

加えて、第７図のものにあってはスターリングサイクル
機関部１３が常にフレネルレンズ１に付スいして屋外に
なければならないという不便さは解消される。

このように太陽光集光を曲率を持たせたフレネルレンズ
によったことから従来のものと比較してスターリングサ
イクル機関全体として簡素化かつコンパクトにまとめら
れ、このことは設計も容易、かつ太陽光受光面積の無だ
もなく機関そのものを地にしっかりと固定、設置できる
ことから安定性もよく、かつ熱損失の低減も計ることも
できてスターリングサイクル機関の熱効率も高め得るな
ど幾多の優れた効果を奏することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は放物曲面反射鏡を用いたソーラー機関を、第２
図、第３図は同反射鏡の放物曲面の形状と焦点距離の関
係を示す。 第４図はスターリングサイクル機関部本体を固定し、放
物曲面反射鏡のみを動かした場合の動きの状況を示し、
切欠き孔の大きさを示唆している。 第５図は本発明のフレネルレンズ併用形ソーラースクー
リングサイクル機関の一実施例である。 第６図は本フレネルレンズ併用形ソーラースターリング
サイクル機関の自然対流による冷却空気流の様子を模式
的に示したものである。 第７図はスターリングサイクル機関部とフレネルレンズ
部とを分離した使用例を示す。 １・・・フレネルレンズ、２・・・透明真空容器、３・
・・作動流体加熱部、４・・・真空部げき、５・・・作
動流体膨張空間部、６・・・ディスプレーサ、７・・・
パワーピストン、８・・・フライホイール、９・・・冷
却室、１０・・・再生器、１１・・・冷却フィン、１２
・・・放物曲面反射鏡、１３・・・スターリングサイク
ル機関部、１４・・・光ファイバー、１５・・・凹レン
ズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レンズ面に太陽光が常に垂直に当るように追尾され
   る曲率を有するフレネルレンズの焦点部付近にスターリ
   ングサイクル機関の作動流体加熱部を有し、かつ、この
   部分の外表面からの熱漏えいを低減するために同部分は
   概して透明真空容器内に収められており、更に前記スタ
   ーリングサイクル機関は直立させ、その冷却部を前記加
   熱部の下方に配置させたことを特徴とするソーラースタ
   ーリングサイクル機関。