JP2003536015A - スターリングモータ及びヒートポンプ - Google Patents

スターリングモータ及びヒートポンプ

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JP2003536015A JP2002502296A JP2002502296A JP2003536015A JP 2003536015 A JP2003536015 A JP 2003536015A JP 2002502296 A JP2002502296 A JP 2002502296A JP 2002502296 A JP2002502296 A JP 2002502296A JP 2003536015 A JP2003536015 A JP 2003536015A
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Abstract

(57)【要約】 ヒートポンプとして使用することができるスターリングエンジンは、熱間ハーフ及び冷間ハーフとにより構成する。双方のハーフは、対向流熱交換器をなす２個のライン又は対向流熱交換器を取り付ける２個のラインによって互いに接続する。更に、熱間ハーフで大きなピストン及び小さなピストンに取り付け、また冷間ハーフで大きなピストン及び小さなピストンに取り付ける相互シャフトにより双方の部分を連結する。このシャフトの各上下動に対してスターリングサイクルの１周期が遂行される。所要に応じ、シャフトに替えて液圧的相互接続を使用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作用的に見てモータの熱間部分及び冷間部分で往復運動可能な少な
くとも１個のピストンを設けたスターリングモータに関するものである。スター
リング氏によって１８１７年に発明されたスターリングモータは、一方の側を加
熱し、他方の側を冷却するシリンダにより構成される。シリンダ内ではディスプ
レイサ及びピストンが自由に移動することができる。ディスプレイサ及びピスト
ンはそれぞれ個別にフライホイールに連結する。スターリングモータにおいては
スターリングサイクルを遂行させ、このサイクル中にピストンによって仕事が行
われる。
【０００２】 既知のスターリングモータの欠点は、加熱と冷却とをほぼ一箇所で生じさせな
ければならないが、実際上は熱源及び冷却源は異なる位置で利用可能であること
が多い。本発明によるスターリングモータは、この欠点をほぼ回避するため、前
記モータに熱間部分及び冷間部分を個別に設け、これら熱間部分及び冷間部分を
、２個のチューブと、シャフト又は液圧的相互接続部とによって接続したことを
特徴とする。
【０００３】 本発明スターリングモータの好適な実施例においては、モータの熱間部分に互
いに連結した２個のピストンよりなる第１システムを設け、モータの冷間部分に
互いに連結した２個のピストンよりなる第２システムを設け、また前記第１シス
テムと第２システムとの間の接続を、シャフト又は液圧的相互接続部によって行
う。このようにして、モータの熱間部分において等熱膨張を行うことができ、ま
たモータの冷却部分において等熱圧縮を行うことができる。更に、このようにし
て、往復ピストンの各単独行程において完全かつほぼ連続的なスターリングサイ
クルを行うスターリングモータが得られるという利点がある。
【０００４】 更に、本発明スターリングモータの他の好適な実施例においては、前記２個の
チューブを対向流熱交換器によって互いに熱的に相互接続する。好適には、チュ
ーブ自体は長さ全体にわたり熱的に互いに密接結合させ、スターリングサイクル
の等容部分中における熱交換に使用できるようにする。
【０００５】 本発明の他の好適な実施例においては、互いに結合されたピストンの第１シス
テムを大きなピストン及び小さなピストンにより構成し、これらピストンを大き
なシリンダ及び小さなシリンダよりなる第１組立体内で移動可能にし、また互い
に結合されたピストンの第２システムを大きなピストン及び小さなピストンによ
り構成し、これらピストンを大きなシリンダ及び小さなシリンダよりなる第２組
立体内で移動可能にする。本発明のこの実施例においては、直径間の比が少なく
とも大部分、熱源と冷却源との間で期待される温度差によって決定される。
【０００６】 本発明の他の好適な実施例においては、個のシリンダに８個の接続部を設け、
スターリングサイクルを遂行させるため、８個の接続部を相互接続するためのバ
ルブシステムを設ける。この構成によれば、切替が瞬時に行われ、このことはス
ターリングサイクルの一方の部分から次の部分への切替が最も最適な瞬間に行わ
れることを意味する。
【０００７】 更に、本発明は、作用的に見てポンプの熱間部分及び冷間部分で往復運動可能
な少なくとも１個のピストンを設けたヒートポンプに関する。本発明ヒートポン
プは、前記ポンプに熱間部分及び冷間部分を個別に設け、これら熱間部分及び冷
間部分を、２個のチューブと、シャフト又は液圧的相互接続部とによって接続し
たことを特徴とする。この場合、ポンプの冷間部分は土壌中に配置し、熱間部分
をハウス中に配置し、発生するすべての熱を利用できるようにする。
【０００８】 本発明ヒートポンプの好適な実施例においては、ポンプの熱間部分に互いに連
結した２個のピストンよりなる第１システムを設け、モータの冷間部分に互いに
連結した２個のピストンよりなる第２システムを設け、また前記第１システムと
第２システムとの間の接続を、シャフト又は液圧的相互接続部によって行う。こ
の構成によれば、等熱圧縮がポンプの熱間部分中で完全に行われ、等熱膨張がポ
ンプの冷間部分中で完全に行われる。更に、このようにして、ピストンの各往復
行程に関して完全かつほぼ連続的なスターリングサイクルを行うヒートポンプが
得られる。
【０００９】 本発明ヒートポンプの他の好適な実施例においては、前記２個のチューブを対
向流熱交換器によって互いに熱的に相互接続する。好適には、チューブ自体は長
さ全体にわたり熱的に密着連結し、スターリングサイクルの等容部分中に熱交換
に使用できるようにする。
【００１０】 更に、本発明ヒートポンプの好適な実施例においては、互いに結合されたピス
トンの第１システムを大きなピストン及び小さなピストンにより構成し、これら
ピストンを大きなシリンダ及び小さなシリンダよりなる第１組立体内で移動可能
にし、また互いに結合されたピストンの第２システムを大きなピストン及び小さ
なピストンにより構成し、これらピストンを大きなシリンダ及び小さなシリンダ
よりなる第２組立体内で移動可能にする。本発明のこの実施例においては、直径
間の比が少なくとも大部分、熱源と冷却源との間で期待される温度差によって決
定される。
【００１１】 本発明ヒートポンプの更に他の好適な実施例においては、４個のシリンダに８
個の接続部を設け、スターリングサイクルを遂行させるため、８個の接続部を相
互接続するためのバルブシステムを設ける。この構成によれば、切替が瞬時に行
われ、このことはスターリングサイクルの一方の部分から次の部分への切替が最
も最適な瞬間に行われることを意味する。
【００１２】 次に図面につき本発明を説明する。
【００１３】 図１は、スターリングサイクルの起こりうるＰＶダイヤグラムを示し、このサ
イクルにおいてガス容積は歴程１で等温圧縮、次いで歴程２で等容加熱、更に、
歴程３で等温膨張、最後に歴程４で等容冷却を履歴する。従来技術のスターリン
グモータにおいては４個の歴程が順次に連続的に進行するが、本発明によるスタ
ーリングモータにおいては４個のすべての歴程が同時に連続して進行する。
【００１４】 図２は、本発明によるスターリングモータ又はヒートポンプの、シリンダ９，
１０，１１，１２におけるピストン５，６，７，８の下降行程中の状態を線図的
に示す。シリンダ９，１０，１１，１２にはガスが充填されており、所定温度範
囲内で大きな外部仕事を行うことができるガスを選択する。低い温度に関しては
例えば、ヘリウムを選択し、高い温度に関しては例えば、Ｒ‐１２及びＲ‐２２
の冷却流体を選択する。上昇又は下降行程において、ガスは移送され、この移送
中に、ガスは二重スライドバルブ１３，１４，１５，１６を通過しなければなら
ない。
【００１５】 シリンダ９，１０及びスライドバルブ１３，１４は、接続ラインとともに、ス
ターリングモータの熱間部分を構成する。この熱間部分に対して熱を連続的に供
給して温度Ｔhighに維持する。シリンダ１１，１２及びスライドバルブ１５，１
６は、接続ラインとともに、スターリングモータの冷間部分を構成する。この冷
間部分から熱を連続的に放熱し、温度Ｔlow に維持する。ライン１７，１８はモ
ータの熱間部分を冷間部分に接続する。これらライン１７，１８はともに対向流
熱交換器をなし、熱交換のためにこれらラインを極めて低い熱抵抗を有するブリ
ッジ１９によって完全に相互連結する。この目的のために、これらラインは例え
ば、銅で形成し、銀のはんだによって長さ全体にわたりはんだ付けする。
【００１６】 好適には、シリンダ９，１２は同一寸法にし、またシリンダ１０，１１も同一
寸法にする。更に、ピストン５とピストン６の面積比及びピストン８とピストン
７の面積比をそれぞれＴhigh／Ｔlow に等しくする。
【００１７】 スライドバルブが図示の位置にあるとき、ガスはピストン６の下側空間からピ
ストン５の上方空間に押し出されて膨張し、この過程においてガス温度はモータ
の熱間部分温度Ｔhighに等しい状態に維持される。更に、ガスはピストン８の下
側からピストン７の上方の空間に押し出され、この過程においてガスは圧縮され
るとともに、ガス温度はモータ冷間部分の温度Ｔlow に等しい状態に維持される
。更に、ガスは、ピストン５の下側空間からライン１７を経てピストン８の上方
の等容積空間に押し出され、この過程において、ピストン７の下側空間からライ
ン１８を経てピストン６の上方の等容積空間に押し出されるガスに熱を配給する
。要約すると、ピストンの下降行程中、スターリングサイクルの４個のすべての
歴程は同時に進行する。
【００１８】 図３は本発明によるスターリングモータ又はヒートポンプのピストン上昇行程
中の状態を示す。スライドバルブが図示の位置にあるとき、ガスはピストン６の
上方空間からピストン５の下側空間に押し出されて膨張し、この過程においてガ
ス温度はモータの熱間部分温度Ｔhighに等しい状態に維持される。更に、ガスは
ピストン８の上方空間からピストン７の下側空間に押し出され、この過程におい
てガスは圧縮されるとともに、ガス温度はモータ冷間部分の温度Ｔlow に等しい
状態に維持される。更に、ガスはピストン５の上方空間からライン１７を経てピ
ストン８の下側の等容積の空間に押し出され、この過程においてピストン７の上
方空間からライン１８を経てピストン６の下側の等容積空間に押し出されるガス
に熱を配給する。要約すると、ピストンの上昇行程中スターリングサイクルの４
個のすべての歴程が同時に進行する。
【００１９】 ピストン５，６，７，８を結合するロッド２０は、当業界で既知の方法でフラ
イホイールに連結し、またスライドバルブ１３，１４，１５，１６を結合するロ
ッド２１を、例えば、フライホイールにおける２個のカムによって、ピストン５
，６，７，８が下死点に達したときにスライドバルブが図３に示す位置をとるよ
うにするとともに、ピストン５，６，７，８が上死点に達したときにスライドバ
ルブが図２に示す位置をとるように制御する。
【００２０】 図２及び図３に示すスライドバルブの代わりに、図面につき説明した機能を実
現する限りにおいては、他のタイプのバルブを使用することができることは勿論
である。例えば、電動バルブを使用し、また位置センサ又は速度センサをロッド
２０に結合すると有利である。フライホイールから導かれる切替タイミングを固
定するかわりに、例えば、マイクロプロセッサを使用し、ロッド２０の位置及び
／又は速度に基づいて、またできればＴhigh及びＴlow に基づいて、より最適な
切替タイミングを決定するようにすることもできる。
【００２１】 電動バルブによって、モータの熱間部分及び冷間部分のピストン間の固定連結
はロッド２０のみとすることができる。図４にはピストン間を液圧的に相互連結
した実施例を示し、この実施例によれば、ライン１７，１８、及び液圧的相互接
続部２２の接続のみとなるようにモータの冷間部分及び熱間部分を個別に取り付
けることができる。この場合、ロッド２０は、ピストン５，６を連結するロッド
部分２０ａと、ピストン７，８を連結するロッド部分２０ｂとに分割する。ロッ
ド部分２０ａは小さいピストン２３ａに連結し、またロッド部分２０ｂは小さい
ピストン２３ｂに連結し、これら小さいピストンはそれぞれに対応する小さいシ
リンダ２４ａ，２４ｂの内側で移動することができる。小さいシリンダ２４ａ，
２４ｂ及び液圧的相互接続部２２は、通常通り、液圧オイルを充填する。
【００２２】 図１乃至図３につき説明したところは、特に、スターリングモータに関して説
明した。スターリングエンジンは外部から駆動するもので、この場合、図１乃至
図３につき説明したことをほとんど変更することなくヒートポンプにも適用でき
る。この場合、図１のＰＶダイヤグラムの歴程を逆に進行することが知られてい
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 スターリングサイクルの起こりうるＰＶダイヤグラムである。
【図２】 本発明によるスターリングモータ又はヒートポンプのピストン下降行
程中の状態を示す線図的説明図である。
【図３】 本発明によるスターリングモータ又はヒートポンプのピストン上昇行
程中の状態を示す線図的説明図である。
【図４】 ピストン間の液圧的相互接続の線図的説明図である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 作用的に見てモータの熱間部分及び冷間部分で往復運動可能な少
    なくとも１個のピストンを設けたスターリングモータにおいて、前記モータに熱
    間部分及び冷間部分を個別に設け、これら熱間部分及び冷間部分を、２個のチュ
    ーブと、シャフト又は液圧的相互接続部とによって接続したことを特徴とするス
    ターリングモータ。
  2. 【請求項２】 モータの熱間部分に互いに連結した２個のピストンよりなる第１
    システムを設け、モータの冷間部分に互いに連結した２個のピストンよりなる第
    ２システムを設け、また前記第１システムと第２システムとの間の接続を、シャ
    フト又は液圧的相互接続部によって行う請求項１記載のスターリングモータ。
  3. 【請求項３】 前記２個のチューブを対向流熱交換器によって互いに熱的に相互
    接続した請求項１又は２記載のスターリングモータ。
  4. 【請求項４】 互いに結合されたピストンの第１システムを大きなピストン及び
    小さなピストンにより構成し、これらピストンを大きなシリンダ及び小さなシリ
    ンダよりなる第１組立体内で移動可能にし、また互いに結合されたピストンの第
    ２システムを大きなピストン及び小さなピストンにより構成し、これらピストン
    を大きなシリンダ及び小さなシリンダよりなる第２組立体内で移動可能にした請
    求項２記載のスターリングモータ。
  5. 【請求項５】 ４個のシリンダに８個の接続部を設け、スターリングサイクルを
    遂行させるため、８個の接続部を相互接続するためのバルブシステムを設けた請
    求項４記載のスターリングモータ。
  6. 【請求項６】 作用的に見てポンプの熱間部分及び冷間部分で往復運動可能な少
    なくとも１個のピストンを設けたヒートポンプにおいて、前記ポンプに熱間部分
    及び冷間部分を個別に設け、これら熱間部分及び冷間部分を、２個のチューブと
    、シャフト又は液圧的相互接続部とによって接続したことを特徴とするヒートポ
    ンプ。
  7. 【請求項７】 ポンプの熱間部分に互いに連結した２個のピストンよりなる第１
    システムを設け、モータの冷間部分に互いに連結した２個のピストンよりなる第
    ２システムを設け、また前記第１システムと第２システムとの間の接続を、シャ
    フト又は液圧的相互接続部によって行う請求項６記載のヒートポンプ。
  8. 【請求項８】 前記２個のチューブを対向流熱交換器によって互いに熱的に相互
    接続した請求項６又は７記載のスターリングモータ。
  9. 【請求項９】 互いに結合されたピストンの第１システムを大きなピストン及び
    小さなピストンにより構成し、これらピストンを大きなシリンダ及び小さなシリ
    ンダよりなる第１組立体内で移動可能にし、また互いに結合されたピストンの第
    ２システムを大きなピストン及び小さなピストンにより構成し、これらピストン
    を大きなシリンダ及び小さなシリンダよりなる第２組立体内で移動可能にした請
    求項７記載のヒートポンプ。
  10. 【請求項１０】 ４個のシリンダに８個の接続部を設け、スターリングサイクル
    を遂行させるため、８個の接続部を相互接続するためのバルブシステムを設けた
    請求項４記載のヒートポンプ。
JP2002502296A 2000-06-06 2001-05-29 スターリングモータ及びヒートポンプ Pending JP2003536015A (ja)

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NL1015383 2000-06-06
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EP (1) EP1287251B1 (ja)
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