JP2828541B2 - スターリングサイクル機器 - Google Patents

スターリングサイクル機器

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JP2828541B2
JP2828541B2 JP4086559A JP8655992A JP2828541B2 JP 2828541 B2 JP2828541 B2 JP 2828541B2 JP 4086559 A JP4086559 A JP 4086559A JP 8655992 A JP8655992 A JP 8655992A JP 2828541 B2 JP2828541 B2 JP 2828541B2
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JP
Japan
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heat exchanger
working space
piston
space
regenerative heat
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JP4086559A
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哲也 本田
照男 椙本
通雄 藤原
和彦 川尻
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2257/00Regenerators

Landscapes

  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、再生熱交換器と作動
空間との間で直接熱交換することを防止するスターリン
グサイクル機器(なお、ここでは構造が同様のヴィルミ
エサイクル機器もこれに含まれる)に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】図5は例えば特開平1−244152号
公報に示された従来のスターリングサイクル機器の一部
を示す断面図であり、図において、1はパイプにより構
成された高温熱交換器で、シリンダ2から露出した形で
周方向に数本並んでいる。3はピストンで、これを取り
巻くように、シリンダ2には再生熱交換器4や冷却熱交
換器5が配置されている。
【0003】6はピストン3によりシリンダ2内に隔成
された膨張作動空間、7は圧縮作動空間で、2つの作動
空間6,7はピストン3外周に設けたピストンシール8
で隔離されている。9は再生熱交換器4の空間と膨張作
動空間6を隔離する薄壁、10は再生熱交換器4と高温
熱交換器1を結ぶガス通路である。
【0004】次に動作について説明する。例えばスター
リングエンジンでは、シリンダ2の内部に作動気体とし
てヘリウムガスなどを封入し、ピストン3を往復動させ
ることにより、作動気体を膨張作動空間6と圧縮作動空
間7の間で繰り返し移動させる。
【0005】この移動によって、作動気体は高温熱交換
器1,再生熱交換器4,冷却熱交換器5を順次通過し、
まず、高温熱交換器1では加熱装置(図示せず)により
加熱され、冷却熱交換器5では、冷却装置(図示せず)
で冷却される。
【0006】これにより膨張作動空間6には高温の作動
気体が、一方、圧縮作動空間7には低温の作動気体がそ
れぞれ存在することになり、ピストン3の位置の変化に
よりそれぞれの容積が変化し、それに伴う圧力の変化が
発生する。この圧力の変化が圧縮作動空間7側にあるも
う一つのピストン(図示せず)に作用し、外部に対する
機械的な仕事が得られる。
【0007】ところで、上記圧力の変化をより大きく、
より効率よく発生させるには、膨張作動空間6の作動気
体の温度はより高く、圧縮作動空間7の作動気体の温度
はより低くする必要があり、再生熱交換器4はこれを実
現させるための重要な要素である。すなわち、作動気体
が膨張作動空間6側から圧縮作動空間7側に流れると
き、再生熱交換器4は自らが作動気体により加熱される
ことで作動気体を冷却し、冷却熱交換器5での冷却熱量
を低く保ったまま圧縮作動空間7の作動気体の温度を低
く保つ。
【0008】また、作動気体が逆に流れるときは、再生
熱交換器4は自らが作動気体により冷却されることで作
動気体を加熱し、高温熱交換器1での加熱量を低く保っ
たまま膨張作動空間6の作動気体の温度を高く保つ。
【0009】このため、再生熱交換器4には、高温熱交
換器1端の温度が膨張作動空間6の作動気体の温度にほ
ぼ等しく、圧縮作動空間7の作動気体温度にほぼ等しい
冷却熱交換器5端に向ってある温度勾配をもって温度分
布が生じている。このような再生熱交換器4の蓄熱作用
がスターリングエンジンの性能に大きく関与している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従来のスターリングエ
ンジンは以上のように構成されているので、ピストン3
が移動し、膨張作動空間6の容積が大きくなったとき
に、その空間の高温の作動気体よりも温度の低い再生熱
交換器4が薄壁9を介して直接加熱されて蓄熱効果が妨
げられるので、ガス通路10などを設けて、再生熱交換
器4の高温熱交換器1端側を、膨張作動空間6の容積が
最大となる時のピストン3の側先端よりも冷却熱交換器
5寄りに設定しなければならず、これが却ってシリンダ
2の全長を長くするとともに、ガス通路での流動損失を
招き、圧力の変化の妨げとなる死容積を増加させるなど
の問題点があった。
【0011】請求項1の発明は上記のような問題点を解
消するためになされたもので、シリンダ全長を延ばすこ
となく、また、流動損失や死容積の増加を招くことな
く、再生熱交換器の性能を高く維持することができるス
ターリングサイクル機器を得ることを目的とする。
【0012】また、請求項2および請求項3の発明は簡
単な構造の断熱構造を用いることで、再生熱交換器の性
能を高く維持することができるスターリングサイクル機
器を得ることを目的とする。
【0013】さらに、請求項4の発明は断熱層の変形を
防止しながら再生熱交換器の性能を十分に高く維持する
ことができるスターリングサイクル機器を得ることを目
的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係るス
ターリングサイクル機器は、膨張作動空間および圧縮作
動空間をシリンダ内に隔成するピストンと、該ピストン
をとり囲むように上記シリンダに設けられた高温熱交換
器,再生熱交換器および冷却熱交換器と、上記再生熱交
換器の空間と上記膨張作動空間または圧縮作動空間とを
隔離する薄壁とを備え、断熱層を上記再生熱交換器の上
記膨張作動空間に対向する部位に配置したものである。
【0015】請求項2の発明に係るスターリングサイク
ル機器は、膨張作動空間および圧縮作動空間をシリンダ
内に隔成するピストンと、該ピストンをとり囲むように
上記シリンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交換器
および冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と上記
膨張作動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁とを
備え、コ字形断面のリング状の断熱層を上記再生熱交換
器の上記膨張作動空間に対向する部位に配置したもので
ある。
【0016】請求項3の発明に係るスターリングサイク
ル機器は、膨張作動空間および圧縮作動空間をシリンダ
内に隔成するピストンと、該ピストンをとり囲むように
上記シリンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交換器
および冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と上記
膨張作動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁とを
備え、L字形断面のリング状の断熱層を上記再生熱交換
器の上記膨張作動空間に対向する部位に配置したもので
ある。
【0017】請求項4の発明に係るスターリングサイク
ル機器は、膨張作動空間および圧縮作動空間をシリンダ
内に隔成するピストンと、該ピストンをとり囲むように
上記シリンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交換器
および冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と上記
膨張作動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁とを
備え、一部が外部へ通じる空洞断面のリング状の断熱層
を上記再生熱交換器の上記膨張作動空間に対向する部位
に配置したものである。
【0018】
【作用】請求項1の発明における断熱層は、再生熱交換
器と膨張作動空間の間に設けられて、再生熱交換器が膨
張作動空間の高温の作動気体により直接加熱されるのを
阻止し、これにより再生熱交換器の蓄熱性能を低下させ
ずに、高い機器性能を実現可能にする。
【0019】請求項2および請求項3におけるコ字形断
面およびL字形断面のリング状の断熱層は、構成が簡単
かつ軽量に拘らず、効果的に再生熱交換器における作動
気体の流動方向の熱伝導を抑えて、この再生熱交換器が
蓄熱機能を十分に果せるようにする。
【0020】請求項4における空洞断面のリング状の断
熱層は、再生熱交換器に対する断熱効果をさらに一段と
向上させ、その空洞に設けた小孔により内部圧力を調整
可能にして、空洞体の変形を防止可能にする。
【0021】
【実施例】
実施例1.以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1において、1はパイプにより構成された高温
熱交換器で、シリンダ2から露出した形で周方向に数本
並んでいる。3はピストンで、これを取り巻くように、
シリンダ2には再生熱交換器4や冷却熱交換器5が配置
されている。
【0022】6はピストン3によりシリンダ2内に隔成
された膨張作動空間、7は圧縮作動空間で、2つの作動
空間6,7はピストン3外周に設けたピストンシール8
で隔離されている。9は再生熱交換器4の空間と膨張作
動空間6を隔離する薄壁、11は伝熱を阻止するために
再生熱交換器4の上部内周と薄壁9との間に設けられた
断熱層としての断熱リングである。
【0023】また、この断熱リング11は例えば図2に
示すような構造をなし、その断面形はコ字形をなしてい
る。また、ここでは従来のガス通路10が省略されてい
る。
【0024】次に動作について説明する。シリンダ2に
封入された作動気体は、ピストン3の往復動に伴って膨
張作動空間6と圧縮作動空間7の間を繰り返し往復する
が、その際、従来のようなガス通路10を通過すること
なく、高温熱交換器1,再生熱交換器4,冷却熱交換器
5のみを通過する。このため、ガスの流動損失が低減
し、圧力変化の妨げとなる死容積を抑えることができ
る。
【0025】また、再生熱交換器4は、特に、高温熱交
換器1端付近で膨張作動空間6の高温の作動気体によ
り、薄壁9と断熱リング11を介して僅か加熱されるだ
けであり、従って、再生熱交換器4の蓄熱効果が阻害さ
れるのを、効果的に抑えることができる。
【0026】実施例2.なお、上記実施例では断熱層と
しての断熱リング11をコ字形断面のリング体としたが
図3に示すように、L字形断面のリング体とすることに
よって、比較的構造が小形かつ軽量であるにも拘らず、
再生熱交換器上部に対する十分な断熱効果が得られる。
【0027】実施例3.また、上記実施例2では断熱リ
ング11としてL字形断面のリング体としたが、矩形な
どの空洞断面のリング体とすることにより、再生熱交換
器に対する断熱効果をさらに十分に高めることができ、
更に小孔をその空洞体に設けた場合には空洞内の圧力を
調整することで、リング体の変形を防止できる。(図4
参照)
【0028】断熱リング11の断面をコの字形やL字形
または内部を空洞とすることで生じる空間は、作動気体
を満たした状態のままでも良いが、生じた空間を作動気
体よりも熱伝導率の低い固体材料で満たすと大きい効果
が得られる。
【0029】以上、スターリングエンジンを例に発明の
効果を説明したが、同様の構造を有するヴィルミエ(V
uilleumier)冷凍機やヴィルミエヒートポン
プなどヴィルミエサイクル機器においても同様の効果が
得られる。
【0030】
【発明の効果】以上のように、請求項1の発明によれ
ば、膨張作動空間および圧縮作動空間をシリンダ内に隔
成するピストンと、該ピストンをとり囲むように上記シ
リンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交換器および
冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と上記膨張作
動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁とを備え、
断熱層を上記再生熱交換器の上記膨張作動空間に対向す
る部位に配置するように構成したので、再生熱交換器が
直接加熱されるのを低く抑えることができ、従来再生熱
交換器が直接加熱されることを防ぐため設けていたガス
通路を廃しても蓄熱性能を高く維持できる上、ガス通路
を廃したことにより流動損失や死容積を低く抑えられる
とともに、シリンダの全長を短くでき、材料コストを低
減できるものが得られる効果がある。
【0031】また、請求項2および請求項3の発明によ
れば、上記断熱層をコ字形断面やL字形断面のリング状
に構成したので、簡単かつ軽量の構造にも拘らず、再生
熱交換器に対する断熱効果を十分に高めることができ、
所期の良好な再生熱交換器性能を得ることができるもの
が得られる効果がある。
【0032】さらに、請求項4の発明によれば、上記断
熱層を空洞断面のリング状に構成したので、再生熱交換
器に対するさらに十分な断熱効果を得ることができると
ともに、リング状体に設けた小孔により、上記断熱層の
変形を未然に防止できるものが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例によるスターリングサイク
ル機器の要部を示す断面図である。
【図2】この発明におけるコ字形断面の断熱リングを一
部破断して示す斜視図である。
【図3】この発明におけるL字形断面の断熱リングを一
部破断して示す斜視図である。
【図4】この発明における空洞断面の断熱リングを一部
破断して示す斜視図である。
【図5】従来のスターリングサイクル機器の一部を示す
断面図である。
【符号の説明】
1 高温熱交換器 2 シリンダ 3 ピストン 4 再生熱交換器 5 冷却熱交換器 6 膨張作動空間 7 圧縮作動空間 9 薄壁 11 断熱リング(断熱層)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川尻 和彦 尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電 機株式会社 中央研究所内 (56)参考文献 特開 平2−112655(JP,A) 特開 平1−244253(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F25B 9/14 510 F25B 9/14 520 F02G 1/057 F25B 9/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 膨張作動空間および圧縮作動空間をシリ
    ンダ内に隔成するピストンと、該ピストンをとり囲むよ
    うに上記シリンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交
    換器および冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と
    上記膨張作動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁
    と、上記再生熱交換器の上記膨張作動空間に対向する部
    位に配置した断熱層とを備えたスターリングサイクル機
    器。
  2. 【請求項2】 膨張作動空間および圧縮作動空間をシリ
    ンダ内に隔成するピストンと、該ピストンをとり囲むよ
    うに上記シリンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交
    換器および冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と
    上記膨張作動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁
    と、上記再生熱交換器の上記膨張作動空間に対向する部
    位に配置したコ字形断面のリング状の断熱層とを備えた
    スターリングサイクル機器。
  3. 【請求項3】 膨張作動空間および圧縮作動空間をシリ
    ンダ内に隔成するピストンと、該ピストンをとり囲むよ
    うに上記シリンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交
    換器および冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と
    上記膨張作動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁
    と、上記再生熱交換器の上記膨張作動空間に対向する部
    位に配置したL字形断面のリング状の断熱層とを備えた
    スターリングサイクル機器。
  4. 【請求項4】 膨張作動空間および圧縮作動空間をシリ
    ンダ内に隔成するピストンと、該ピストンをとり囲むよ
    うに上記シリンダに設けられた高温熱交換器,再生熱交
    換器および冷却熱交換器と、上記再生熱交換器の空間と
    上記膨張作動空間または圧縮作動空間とを隔離する薄壁
    と、上記再生熱交換器の上記膨張作動空間に対向する部
    位に配置した、一部が外部に通じる空洞断面のリング状
    の断熱層とを備えたスターリングサイクル機器。
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JPH05256531A JPH05256531A (ja) 1993-10-05
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