JP3776276B2

JP3776276B2 - スターリングサイクルおよび熱交換器

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Publication number: JP3776276B2
Application number: JP2000015034A
Authority: JP
Inventors: 誠竹内
Original assignee: 株式会社サクション瓦斯機関製作所
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP2001207909A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、少なくとも二つの温度域を持つ作動ガスを密閉した空間に、吸熱器、再生器および放熱器からなる各熱交換器を互いに直列に配置し、吸熱器および放熱器に対応するそれぞれの膨脹空間および圧縮空間の容積変化によって熱と動力との変換を行うスターリングサイクルおよび、伝熱流体が流れる伝熱管の周囲をガスが通過することで、このガスが伝熱流体と熱交換を行う熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スターリングサイクルを利用するエンジン、冷凍機およびヒートポンプは、密閉された作動ガス空間に、吸熱器、再生器および放熱器を直列に配置し、ピストンまたはディスプレーサの往復運動によって、作動ガスが吸熱器、再生器および放熱器を順次往復流となって通過する際に、吸熱器および放熱器にて熱交換を行うと同時に、再生器を通過する温度境界の移動が行われ、作動ガス空間の容積変化による作動ガスの膨脹・圧縮で、熱と動力との変換が行われている。
【０００３】
図５は、スターリングサイクルの簡略化した断面図であり、左右二つのシリンダ１および３内には、膨脹側ピストン５および圧縮側ピストン７が、互いに所定の位相差をもってそれぞれ図中で左右方向に移動可能に収容され、膨脹空間９および圧縮空間１１をそれぞれ形成している。
【０００４】
シリンダ１，３相互間には、中央に再生器１３が、その左右両側に、吸熱器１５，放熱器１７がそれぞれ配置され、吸熱器１５で加熱された作動ガスが膨脹空間９にて膨脹する一方、放熱器１７で放熱された作動ガスが圧縮空間１１で圧縮する。吸熱器１５および放熱器１７は、膨脹空間９と圧縮空間１１とを、中央の再生器１３を通して連通する作動ガス伝熱管をそれぞれ備え、この作動ガス伝熱管によって連通している膨脹側ピストン５と圧縮側ピストン７との間の領域が、作動ガスが密閉状態で封入される作動ガス空間となる。
【０００５】
上記した膨脹空間９と圧縮空間１１との間の作動ガス空間で、吸熱器１５，再生器１３および放熱器１７を経て、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、作動ガスの膨脹・圧縮の際の熱交換は、膨脹空間９および圧縮空間１１それぞれを等温に保つことが目的であり、より等温に近づけることが熱効率および性能の向上に有効である。そのためには熱交換器に充分ガスを流す必要があるが、熱交換のために作動ガス流が再生器１３を通る量が増えることは熱的なロスとなる。すなわち、上記図５に示した構成のスターリングサイクルでは、再生器１３は、高温側の吸熱器１５で熱交換したガスが低温側の放熱器１７に移動する際に、熱を回収して再生しているが、再生器１３の能力には限界があり、作動ガスの流れが、吸熱器１５、再生器１３および放熱器１７と直線的となっているので、この流れに伴って高温側から低温側へ熱が漏洩するロスが大きく、熱交換効率を向上させることができなかった。また、再生器１３を通る作動ガスの圧力損失も大きく、改善が望まれている。
【０００７】
そこで、この発明は、熱交換器における熱交換効率を向上させ、膨張・圧縮の際の作動ガスをより等温に近づけるとともに、再生器における熱損失及び流動損失を低減することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、少なくとも二つの温度域を持つ作動ガスを密閉した空間に、吸熱器、再生器および放熱器からなる各熱交換器を互いに直列状に配置し、前記吸熱器および放熱器に対応するそれぞれの膨脹空間および圧縮空間の容積変化と圧力変化によって熱と動力との変換を行うスターリングサイクルにおいて、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器に対し、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させる作動ガス流発生手段を備え、前記作動ガス流発生手段は、前記膨脹空間および圧縮空間の容積変化を行わせるピストンのうち少なくとも一方に対し、前記吸熱器または放熱器を間に挟んだ位置に配置され、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向で、かつピストン頂面が吸熱器または放熱器に対して接近離反する方向に移動可能であるとともに、前記一方のピストンに対し相対移動可能で、このピストンとの間の空間の容積を変化させる第２のピストンである構成としてある。
【０００９】
このような構成のスターリングサイクルによれば、吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器において、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れによって、熱交換が行われ、再生器における、熱交換された熱の移動、すなわち等容加熱等容冷却行程における温度の境界移動については、上記配列方向となる。
また、第２のピストンが吸熱器または放熱器に向かって移動することで、再生器を経て放熱器または吸熱器に向かう作動ガスの流れと交差する方向の作動ガスの流れが、吸熱器または放熱器にて発生する。
さらに、膨脹空間および圧縮空間の容積変化を行わせるそれぞれのピストンと第２のピストンとが、所定の位相差、例えばピストンに連結されるクランク軸の回転角度として９０度の位相差で往復移動することで、吸熱器または放熱器において、再生器を経て放熱器または吸熱器に向かう作動ガスの流れと交差する方向の作動ガスの流れが、放熱器または吸熱器を間に挟んでピストン側と第２のピストン側との間で発生する。
【００１６】
請求項２の発明は、少なくとも二つの温度域を持つ作動ガスを密閉した空間に、吸熱器、再生器および放熱器からなる各熱交換器を互いに直列状に配置し、前記吸熱器および放熱器に対応するそれぞれの膨脹空間および圧縮空間の容積変化と圧力変化によって熱と動力との変換を行うスターリングサイクルにおいて、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器に対し、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させる作動ガス流発生手段を備え、前記膨脹空間または圧縮空間が、吸熱器または放熱器を間に挟んで再生器と反対側に形成され、前記作動ガス流発生手段は、前記吸熱器または放熱器の、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向の側部に配置され、前記作動ガス流発生手段は、吸熱器または放熱器を間に挟んでその両側に一対配置されて相互間の容積変化が発生しないよう互いに一体移動する構成としてある。
【００１７】
上記構成によれば、吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器において、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れによって、熱交換が行われ、再生器における、熱交換された熱の移動、すなわち等容加熱等容冷却行程における温度の境界移動については、上記配列方向となる。
また、作動ガス流発生手段の作動によって、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れが、吸熱器または放熱器にて発生する。
さらに、一対の作動ガス流発生手段が一体移動することで、この移動による容積変化が発生することなく、吸熱器または放熱器にて、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れが発生する。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、作動ガス流発生手段は、補助ピストンで構成されている。
【００２１】
上記構成によれば、一対の補助ピストンが一体移動することで、この移動による容積変化が発生することなく、吸熱器または放熱器にて、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れが発生する。
【００２２】
請求項４の発明は、少なくとも二つの温度域を持つ作動ガスを密閉した空間に、吸熱器、再生器および放熱器からなる各熱交換器を互いに直列状に配置し、前記吸熱器および放熱器に対応するそれぞれの膨脹空間および圧縮空間の容積変化と圧力変化によって熱と動力との変換を行うスターリングサイクルにおいて、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器に対し、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させる作動ガス流発生手段を備え、前記膨脹空間および圧縮空間の容積変化を行わせるそれぞれのピストンのうち少なくとも一方を、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向で、かつピストン頂面が吸熱器または放熱器に対して接近離反する方向に、移動可能に設けて前記作動ガス流発生手段とし、前記吸熱器または放熱器を間に挟んでピストンと反対側に、このピストンと異なるシリンダ断面積を備え、かつ前記ピストンと一体移動する補助ピストンを設けた。
【００２３】
上記構成によれば、吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器において、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れによって、熱交換が行われ、再生器における、熱交換された熱の移動、すなわち等容加熱等容冷却行程における温度の境界移動については、上記配列方向となる。
また、ピストンが吸熱器または放熱器に向かって移動することで、再生器を経て放熱器または吸熱器に向かう作動ガスの流れと交差する方向の作動ガスの流れが、吸熱器または放熱器にて発生する。
さらに、ピストンと補助ピストンとが一体移動することで、小さなシリンダ断面積を備えたピストン側の断面積分が、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを、吸熱器または放熱器にて発生させる一方、二つのピストン相互の断面積の差分が、作動ガスの容積変化を発生させる。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項の発明の構成において、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを備えている、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器は、作動ガスと熱交換を行う伝熱流体が流れる伝熱管を備えた構成としてある。
【００２５】
上記構成によれば、吸熱器または放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器にて、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れが、伝熱流体を流れる伝熱管の周囲を通過可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３１】
図１は、この発明の第１の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。左右二つのシリンダ２１，２３は互いに平行に図中で上下方向に延長して配置され、この各シリンダ２１，２３内には、作動ガス流発生手段を構成する膨脹側ピストン２５および圧縮側ピストン２７が、図示しないクランク軸に連結されて互いに所定の位相差をもってそれぞれ上下方向に移動可能に収容されている。左右二つのシリンダ２１，２３の上部には、熱交換器用ハウジング２９が設けられ、このハウジング２９とシリンダ２１，２３および各ピストン２５，２７に囲まれた領域が、ヘリウムなどの作動ガスが密閉状態で封入される作動ガス空間３１となる。
【００３２】
熱交換器用ハウジング２９内には、膨脹側ピストン２５に対向して配置される吸熱器３３、圧縮側ピストン２７に対向して配置される放熱器３５および、吸熱器３３と放熱器３５との間に配置される再生器３７が、各ピストン２５，２７の移動方向と直交する、図中で左右方向に、互いに直列状態で配置されている。
【００３３】
吸熱器３３と膨脹側ピストン２５との間には、吸熱器３３にて加熱された作動ガスが膨脹する膨脹空間３９が、放熱器３５と圧縮側ピストン２７との間には、放熱器３５にて放熱された作動ガスが圧縮される圧縮空間４１がそれぞれ形成されている。この膨脹空間３９と圧縮空間４１との間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。
【００３４】
吸熱器３３は、図中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管４３を備え、この伝熱管４３内には、高温の伝熱流体が流れ、伝熱管４３の周囲には複数のフィン４５が装着されている。放熱器３５も同様に、図中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管４７を備え、この伝熱管４７内には、低温の伝熱流体が流れ、伝熱管の周囲には複数のフィン４９が装着されている。一方、再生器３７は、金網などを積層して構成されている。
また、前記した膨脹側ピストン２５および圧縮側ピストン２７に対し、吸熱器３３および放熱器３５を間に挟んで反対側（図中で上部側）に、この各ピストン２５，２７に対し所定の位相差をもって相対移動し、各ピストン２５，２７との間の空間の容積をそれぞれ変化させる、作動ガス流発生手段を構成する第２の膨脹側ピストン５５，第２の圧縮側ピストン５７を、シリンダ５９，６１内にて上下動可能に設けている。
【００３５】
上記した構成のスターリングサイクルでは、膨脹側ピストン２５と第２の膨脹側ピストン５５とが平行移動するとともに、圧縮側ピストン２７と第２の圧縮側ピストン５７とが平行移動するとき、つまりピストン２５と５５との間の容積、およびピストン２７と５７との間の容積が変化しない状態で移動するときには、吸熱器３３、再生器３７および放熱器３５の配列方向（図中で左右方向）に向かう作動ガスの流れと直交する、図中で上下方向の作動ガスの流れが発生して、吸熱器３３または放熱器３５で熱交換が効率よくなされる。
一方、膨脹側ピストン２５と第２の膨脹側ピストン５５とが相対移動するとともに、圧縮側ピストン２７と第２の圧縮側ピストン５７とが相対移動するときは、相互に対向するピストン相互間の容積が変化し、この２つの作用は膨脹側ピストン２５と第２の膨脹側ピストン５５との位相差、圧縮側ピストン２７と第２の圧縮側ピストン５７との位相差によって変えることができる。そして膨脹側ピストン２５および第２の膨脹側ピストン５５の組と、圧縮側ピストン２７および第２の圧縮側ピストン５７の組が、相互に例えば９０°の位相差をもつとき、温度の境界移動が再生器３７を中心として吸熱器３３と放熱器３７との間で発生するとともに作動ガスが容積変化し、スターリングサイクルを形成する。
【００３６】
そして、本実施例のスターリングサイクルでは、膨脹側ピストン２５および圧縮側ピストン２７は、吸熱器３３、再生器３７および放熱器３５の配列方向（図中で左右方向）に向かう作動ガスの流れと直交する方向で、かつピストン頂面が吸熱器３３および放熱器３５に対して接近離反する方向に往復移動しているので、左右方向の流れに直交する図中で上下方向の作動ガスの流れが、吸熱器３３および放熱器３５内で発生する。これにより、作動ガスの膨脹・圧縮の際に、熱的なロスとなる再生器３７を通過するガス流が抑制されて、再生器３７の能力が最大限に生かされ、吸熱器３３および放熱器３５における熱交換効率が向上し、理想的な等温圧縮・等温膨脹に近いスターリングサイクルが実現できる。
【００３７】
熱交換効率の向上により、同等の能力の熱交換器を対象とすれば、熱交換器の小型化が達成される。また、熱交換する際に、作動ガスは吸熱器３３および放熱器３５を図中で上下方向に向けて主に流れるので、再生器３７を作動ガスが必要以上に流れることによる圧力損失増加も防げる。
【００４３】
図２は、この発明の第２の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。この実施の形態は、シリンダ２１を吸熱器３３の左側に、シリンダ２３を放熱器３５の右側に、それぞれ配置して、膨脹側ピストン２５および圧縮ピストン２７の往復移動方向を、前記図５に示した従来のスターリングサイクルと同様とし、さらに吸熱器３３を間に挟んで上下両側に、作動ガス流発生手段として一対の補助ピストン６３，６５を補助シリンダ６７，６９内に移動可能に設けるとともに、放熱器３５を間に挟んで上下両側に、作動ガス流発生手段として一対の補助ピストン７１，７３を補助シリンダ７５，７７内に移動可能に設けたものである。補助ピストン６３，６５は、吸熱器３３を貫通する中間ロッド７９により、また補助ピストン７１，７３は放熱器３５を貫通する中間ロッド８１により、それぞれ互いに連結されて一体移動する。
【００４４】
補助ピストン６３，６５および７１，７３は、リニアモータやボイスコイルモータなどの電気駆動などでよく、またこのスターリングサイクルをエンジンとして利用する場合には、取り出される動力を利用して駆動することもできる。
【００４５】
上記した補助ピストン６３，６５が、互いに一体移動することで、相互間の容積が変化せず、吸熱器３３では、吸熱器３３、再生器３７および放熱器３５の配列方向（図中で左右方向）に向かう作動ガスの流れと直交する、図中で上下方向の作動ガスの流れが発生し、これにより再生器３７へ流れるガス流が制御されて熱交換効率が向上し、再生器３７を流れるガス流による圧力損失も抑制される。補助ピストン７１，７３についても同様に、互いに一体移動することで、放熱器３５の熱交換効率が向上するとともに、圧力損失も抑制される。
【００４６】
なお、上記した図中で上下方向の作動ガスの流れを発生させるための補助ピストン６３，６５および７１，７３は、スターリングサイクルの運転中は常時作動させることが望ましいが、作動ガスが膨脹・圧縮して熱交換が行われるときのみ作動させるようにしてもよい。また、上下方向の作動ガス流はサイクルと同じ周波数である必要はなく、補助ピストン６３，６５および７１，７３に代えて、例えばスピーカなどの振動板を設けて吸熱器３３および放熱器３５内の作動ガスを振動させるようにしてもよい。
【００４７】
図３は、この発明の第３の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。図１，２に示した実施の形態では、α型と呼ばれるスターリングサイクルにて説明したが、この実施の形態では、γ型と呼ばれるスターリングサイクルに、この発明を適用している。
【００４８】
すなわち、密閉されたディスプレーサシリンダ８３内にディスプレーサピストン８５を図中で左右方向に移動可能に設けて、膨脹空間８７および圧縮空間８９を形成するとともに、圧縮空間８９に連通するパワーシリンダ９１を設けて、このパワーシリンダ９１内にパワーピストン９３を図中で左右方向に移動可能に設けている。膨脹空間８７は通路９５を介して吸熱器３３に連通する一方、圧縮空間８９は通路９７を介して放熱器３５に連通している。
【００４９】
そして、吸熱器３３および放熱器３５の上下両側には、前記図２に示した第２の実施の形態と同様に、中間ロッド７９および８１によってそれぞれ連結された、一対の補助ピストン６３，６５および一対の補助ピストン７１，７３が配置されている。
【００５０】
このような構成のスターリングサイクルにおいても、吸熱器３３および放熱器３５においては、前記図２のものと同様に、補助ピストン６３，６５および補助ピストン７１，７３が上下に往復移動することで、吸熱器３３、再生器３７および放熱器３５の配列方向（図中で左右方向）に向かう作動ガスの流れと直交する、図中で上下方向の作動ガスの流れが発生するので、熱交換効率が向上し、再生器３７を作動ガスが流れることによる圧力損失増加も抑制される。
【００５１】
また、ディスプレーサピストン８５とパワーピストン９３とを、所定の位相差で往復移動させることで、作動ガス空間の容積変化と、再生器３７を通過する温度境界の移動が行われる。
【００５２】
図４は、この発明の第４の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。この実施の形態は、前記図１のものに対し、膨脹側ピストン２５および圧縮側ピストン２７に対し、吸熱器３３および放熱器３５を間に挟んで反対側（図中で上部側）に、シリンダ２１，２３より小さい断面積を備えた補助シリンダ９９，１０１を作動空間３１に連通して接続し、このシリンダ９９，１０１内に、前記ピストン２５，２７とそれぞれ一体移動する補助ピストン１０３，１０５を上下動可能に設けたものである。膨脹側ピストン２５と補助ピストン１０３とは中間ロッド１０７で、圧縮側ピストン２７と補助ピストン１０５とは中間ロッド１０９で、それぞれ連結されて一体移動する。
【００５３】
膨脹側ピストン２５と補助ピストン１０３とが一体移動することで、小さな補助ピストン１０３のシリンダ断面積分が、吸熱器３３、再生器３７および放熱器３５の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを、吸熱器３３および放熱器３５にて発生させる一方、二つのピストン２５，１０３相互のシリンダ断面積の差分および、二つのピストン２７，１０５相互のシリンダ断面積の差分が、作動ガス空間３１のの容積変化を発生させる。
【００６２】
なお、前記図１ないし図４に示した実施の形態では、作動ガス流発生手段によって、吸熱器３３、再生器３７および放熱器３５の配列方向に向かう作動ガスの流れと直交する方向の作動ガスの流れを発生させるようにしたが、必ずしも直交させる必要はなく、再生器３７に向かう作動ガスの流れを制御させる構成であればよい。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１の発明によれば、吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器が、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させる作動ガス流発生手段を備えたスターリングサイクルとしたため、吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器において、前記交差する作動ガスの流れによって、熱交換が行われ、熱交換された熱の移動、すなわち温度の境界移動については、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向となり、熱交換効率の向上および、再生器における熱損失と圧力損失の増加を防止することができる。
また、作動ガス流発生手段は、前記膨脹空間および圧縮空間の容積変化を行わせるピストンのうち少なくとも一方に対し、前記吸熱器または放熱器を間に挟んだ位置に配置され、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向で、かつピストン頂面が吸熱器または放熱器に対して接近離反する方向に移動可能であるとともに、前記一方のピストンに対し相対移動可能で、このピストンとの間の空間の容積を変化させる第２のピストンとしたため、第２のピストンが吸熱器または放熱器に向かって移動することで、再生器を経て放熱器または吸熱器に向かう作動ガスの流れと交差する方向の作動ガスの流れを、吸熱器または放熱器にて発生させることができ、熱交換効率の向上および、再生器における熱損失と圧力損失の増加を防止することができる。
【００６７】
請求項２の発明によれば、膨脹空間または圧縮空間が、吸熱器または放熱器を間に挟んで再生器と反対側に形成され、作動ガス流発生手段は、前記吸熱器または放熱器の、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向の側部に配置されているため、作動ガス流発生手段の移動によって、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れが、吸熱器または放熱器にて発生し、これにより熱交換効率の向上および、再生器における熱損失と圧力損失の増加を防止することができる。
また、作動ガス流発生手段は、吸熱器または放熱器を間に挟んでその両側に一対配置されて相互間の容積変化が発生しないよう互いに一体移動する構成としたため、一対の作動ガス流発生手段が一体移動することで、この移動による容積変化が発生することなく、吸熱器または放熱器にて、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れが発生し、これにより熱交換効率の向上および、再生器における熱損失と圧力損失の増加を防止することができる。
【００６９】
請求項３の発明によれば、作動ガス流発生手段は、補助ピストンで構成されているため、補助ピストンが移動することで、吸熱器または放熱器にて、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させることができる。
【００７０】
請求項４の発明によれば、吸熱器または放熱器を間に挟んでピストンと反対側に、このピストンと異なるシリンダ断面積を備え、かつ前記ピストンと一体移動する補助ピストンを設けたため、ピストンと補助ピストンとが一体移動することで、小さなピストンのシリンダ断面積分が、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させ、これにより熱交換効率の向上および、再生器における熱損失と圧力損失の増加を防止することができる。
【００７１】
請求項５の発明によれば、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを備えている、吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器は、作動ガスと熱交換を行う伝熱流体が流れる伝熱管を備えた構成としたため、吸熱器または放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器にて、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れが、伝熱流体を流れる伝熱管の周囲を通過し、高効率の熱交換が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。
【図３】この発明の第３の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。
【図４】この発明の第４の実施の形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。
【図５】従来例を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。
【符号の説明】
２５膨脹側ピストン（作動ガス流発生手段）
２７圧縮側ピストン（作動ガス流発生手段）
３１作動ガス空間
３３吸熱器（熱交換器）
３５放熱器（熱交換器）
３７再生器（熱交換器）
３９膨脹空間
４１圧縮空間
４３，４７伝熱管
５５，５７第２のピストン（作動ガス流発生手段）
６３，６５，７１，７３補助ピストン（作動ガス流発生手段）
１０３，１０５補助ピストン（作動ガス流発生手段）

Claims

少なくとも二つの温度域を持つ作動ガスを密閉した空間に、吸熱器、再生器および放熱器からなる各熱交換器を互いに直列状に配置し、前記吸熱器および放熱器に対応するそれぞれの膨脹空間および圧縮空間の容積変化と圧力変化によって熱と動力との変換を行うスターリングサイクルにおいて、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器に対し、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させる作動ガス流発生手段を備え、前記作動ガス流発生手段は、前記膨脹空間および圧縮空間の容積変化を行わせるピストンのうち少なくとも一方に対し、前記吸熱器または放熱器を間に挟んだ位置に配置され、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向で、かつピストン頂面が吸熱器または放熱器に対して接近離反する方向に移動可能であるとともに、前記一方のピストンに対し相対移動可能で、このピストンとの間の空間の容積を変化させる第２のピストンであることを特徴とするスターリングサイクル。
少なくとも二つの温度域を持つ作動ガスを密閉した空間に、吸熱器、再生器および放熱器からなる各熱交換器を互いに直列状に配置し、前記吸熱器および放熱器に対応するそれぞれの膨脹空間および圧縮空間の容積変化と圧力変化によって熱と動力との変換を行うスターリングサイクルにおいて、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器に対し、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させる作動ガス流発生手段を備え、前記膨脹空間または圧縮空間が、吸熱器または放熱器を間に挟んで再生器と反対側に形成され、前記作動ガス流発生手段は、前記吸熱器または放熱器の、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向の側部に配置され、前記作動ガス流発生手段は、吸熱器または放熱器を間に挟んでその両側に一対配置されて相互間の容積変化が発生しないよう互いに一体移動することを特徴とするスターリングサイクル。
作動ガス流発生手段は、補助ピストンで構成されていることを特徴とする請求項２記載のスターリングサイクル。
少なくとも二つの温度域を持つ作動ガスを密閉した空間に、吸熱器、再生器および放熱器からなる各熱交換器を互いに直列状に配置し、前記吸熱器および放熱器に対応するそれぞれの膨脹空間および圧縮空間の容積変化と圧力変化によって熱と動力との変換を行うスターリングサイクルにおいて、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器に対し、前記吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを発生させる作動ガス流発生手段を備え、前記膨脹空間および圧縮空間の容積変化を行わせるそれぞれのピストンのうち少なくとも一方を、吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する方向で、かつピストン頂面が吸熱器または放熱器に対して接近離反する方向に、移動可能に設けて前記作動ガス流発生手段とし、前記吸熱器または放熱器を間に挟んでピストンと反対側に、このピストンと異なるシリンダ断面積を備え、かつ前記ピストンと一体移動する補助ピストンを設けたことを特徴とするスターリングサイクル。
吸熱器、再生器および放熱器の配列方向に向かう作動ガスの流れと交差する作動ガスの流れを備えている、前記吸熱器および放熱器の少なくともいずれか一方の熱交換器は、作動ガスと熱交換を行う伝熱流体が流れる伝熱管を備えた構成であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のスターリングサイクル。