JPH0116327B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はスターリング機関に関するものであ
る。 従来の熱機関には(a)理論効率がカルノーサイク
ルに等しい物、例えばスターリング機関と(b)理論
効率がカルノーサイクルにより低い物、例えばオ
ツトーサイクル、デイーゼルサイクル、ブレイト
ンサイクルを用いた熱機関がある。理論効率の点
からは(a)が最良であるが、現実の熱機関の選定に
当つては、用途に従つて、所要出力、使用可能な
燃料等が考慮される場合が多く、理論効率のみで
選定する訳ではない。 一方、カルノーサイクルは等温圧縮、等エント
ロピ圧縮、等温膨張、等エントロピ膨張の４つの
過程からなつており、スターリングサイクルは等
温圧縮、等積圧縮、等温膨張、等積膨張の４つの
過程からなつている。 従つて、カルノーサイクルとスターリングサイ
クルとのちがいは、圧縮および膨張過程を等エン
トロピ的に行うのか等積的に行うのかのちがいで
あつて、最初に述べたようにカルノーサイクルの
→効率η_c＝スターリング機関の理論効率η_tsであ
る事に変わりはない。 従来のスターリング機関に於ては、圧縮（膨
張）手段に容積式流体機関が用いられて居り、そ
の中でも特に往復式流体機械が用いられていた。 しかしながらこれら往復式流体機械を用いたス
ターリング機関には以下に示すような欠点があつ
た。シリンダとピストンの間には摺動面があ
り、この摺動面で摩擦が発生する。その結果、摩
擦損失が発生し、これによつて機械効率が低下
し、その為理論効率より効率が下がる一つの原因
となる。さらに摩擦により摺動面が摩耗し、信頼
性の低下を来たす。往復式流体機械を使用して
いる為、運転時、部品に働く力は変動する。この
為に振動が発生したり、又騒音が発生する。一
般にスターリング機関、デイーゼル機関等の容積
式流体機械を用いた熱機関は同一シリンダ体積で
比較した時、ターボ式流体機械を用いた熱機関、
例えばガスタービン等に比較してサイクルを循環
する作動媒体の重量流量が少く、大出力の物には
不向きである。 本発明は、このような従来のスターリング機関
の欠点を解消し、高信頼性、機械効率が高
い、振動、騒音が低い、大出力にも適用可能
なるスターリング機関を得る事を目的とする物で
ある。 以下本発明の詳細について図面とともに説明す
る。 第１図は本発明の第１の実施例の概略構造を示
す断面図である。説明の便宜上、スターリング機
関には損失のない理想的な場合について説明す
る。同図に於て１はターボ圧縮機２の羽根車、３
はターボ圧縮機２のケーシング４内に羽根車１を
囲むようにコイルばねのように設けられ、壁５を
通して作動媒体を冷却する為に設けられた冷却管
で、入口管６から冷却媒体を流入させ、出口管７
から流出させるようになつている。８はターボ圧
縮機９の羽根車、１０はターボ圧縮機９のケーシ
ング１１内に羽根車８を囲むようにコイルばねの
ように設けられ、壁１２を通して作動媒体を加熱
するために設けられた加熱管で、入口管１３から
媒体を流入させ、出口管１４から流出させるよう
になつている。 １５はタービン１６の羽根車、１７は壁１８を
通して作動媒体を加熱する為にタービン１６のケ
ーシング１９内に設けられたヒートパイプで、軸
２０の中心軸に向つて羽根車１５のまわりに放射
状に設けられている。その凝縮部２１は壁１８の
近傍にあり、蒸発部２２は外壁２３の外に突出し
て居りバーナ２４によつて加熱されている。第１
図にはヒートパイプおよびバーナの一部のみ図示
してある。 ２５はタービン２６の羽根車、２７はタービン
２６のケーシング２８内に羽根車２５を囲むよう
にコイルバネのように設けられ、壁２９を通して
作動媒体を冷却する為に設けられた冷却管で、入
口管３０から媒体を流入させ、出口管３１から流
出させるようになつている。 ターボ圧縮機２とターボ圧縮機９とは流路３２
で、ターボ圧縮機９とタービン１６とは流路３３
で、タービン１６とタービン２６とは流路３４で
それぞれ連絡されている。またタービン２６の羽
根車２５の出口には環状室３５が設けられて居
り、これに出口管３６が接続されている。 また出口管１４と入口管３０とはポンプ３７を
介して接続されて居り、入口管１３と出口管３１
を接続されており、冷却管２７、加熱管１０と共
に閉ループを形成している。 羽根車１，８，１５，２５は共通の軸２０に固
定されている。そして軸２０は軸受３７，３８，
３９によつてハウジング４０内に支持されてい
る。この軸受３７，３８，３９は作動媒体を用い
た気体軸受を用いる事も可能であり、また作動媒
体等により冷却する事も可能である。 またシール４１〜４４が軸２０とライナ４５〜
４８とのすきまを通つて漏れを防ぐ為に設けられ
ている。右端には固定子４９、回転子５０からな
る発電機が設けられており、固定子４９はハウジ
ング４０に固定されて居り、回転子５０は軸２０
に固定されている。ハウジング４０には断熱部５
１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄが設けられて居
り、熱の移動を防止している。同様の目的で軸の
中にもこのような断熱部（図示せ）が設けられて
いる。 なお、第１図に於ては、圧縮機２台、タービン
２台を用いているが用途等に応じて、圧縮機、タ
ービンを直列に多数設けたり、並列に設ける事も
可能である。また、本実施例によればターボ圧縮
機とタービンと発電機の軸は共通であるが、これ
を二つに切離してターボ圧縮機をモータに直結
し、タービンと発電機を一つの軸で構成してもよ
い。 次に動作について説明する。第１図に於て羽根
車１は軸２０から動力を与えられ回転する。これ
により作動媒体は圧縮され、流路３２の方へ流動
する。この圧縮過程で、作動媒体は冷却管３で冷
却され、等温変化するようになつている。 流路３２を通つた作動媒体は回転する羽根車８
を通つて流路３３の方へ流動する。この圧縮過程
で、作動媒体は加熱管１０で加熱され、等積変化
するようになつている。 流路３３を通つた作動媒体は羽根車１５に仕事
をして回転させ、軸２０に動力を与えながら膨張
し流路３４の方へ流動する。この膨張過程で、作
動媒体はヒートパイプ１７で加熱され、等温変化
するようになつている。 ここで一般にタービンの出口の温度は入口の温
度より低くなるが、温度が低下しないように加熱
することにより出口の圧力は入口の圧力より低下
するが、温度は等しくすることができる。流路３
４を通つた作動媒体は、羽根車２５を通過しなが
ら圧力が低下し、環状室３５の方へ流動する。こ
の膨張過程で、作動媒体は冷却管２７で冷却さ
れ、等積変化するようになつている。環状室３５
の作動媒体は出口管３６を通つて再び羽根車１の
入口へ戻り、以上の過程を繰返す。 一方、図示しているように加熱管１０の出口管
１４を出た低温の媒体はポンプ３７によつて冷却
管２７の入口管３０を通つて冷却管２７に入り、
作動媒体を冷却して自らは高温となり、冷却管２
７の出口管３１を通つて加熱管１０の入口管１３
に入る。加熱管１０に入つた媒体は作動媒体を加
熱して自らは低温となり、加熱管１０の出口管１
４に再び戻り、以上の過程を繰返す。このように
して、加熱管１０が作動媒体に与える熱量は、冷
却管２７が作動媒体から奪う熱量に等しい。以上
述べた動作から本実施例のスターリング機関の出
力は （出力）＝（ヒートパイプ１７より作動媒体に
与えられる熱量）−（冷却管３より作動
媒体が奪われる熱量） となり、この出力は発電機４９，５０に仕事をす
る事を通して消費される。 以上述べてきた動作を第２図および第３図を用
いてさらに説明する。第２図および第３図は各々
第１図における圧力Ｐと容積ｖの関係図、エント
ロピＳと絶対温度Ｔの関係図である。第２図に於
て５２は作動媒体の流路３２に於ける状態、５３
は流路３３，５４は流路３４，５５は環状室３５
の状態をそれぞれ示している。また、５６はター
ボ圧縮機２と冷却管３とによる等温圧縮変化、５
７はターボ圧縮機９と加熱管１０とによる等積変
化、５はタービン１６とヒートパイプ１７とによ
る等温膨張変化、５９はタービン２６と冷却管２
７とによる等積変化をそれぞれ示している。Q_L
は冷却管が作動媒体から奪う熱量、Q_Hはヒート
パイプが作動媒体に与える熱量、Q₁は加熱管が
作動媒体に与える熱量、Q₂は冷却管が作動媒体
から奪う熱量であり、前に述べたように Q₁＝Q₂ となる。 第３図に於ては６０は作動媒体の流路３２に於
ける状態、６１は流路３３、６２は流路３４、６
３は環状室３５の状態をそれぞれ示している。今
まで、説明の便宜上スターリング機関には損失の
ない理想的な場合について説明してきたが、実際
には、各種の不可逆過程が存在する為に損失が発
生し、理想的な場合より熱効率が低下する。本発
明に直接関係のないこれら不可逆過程に関する詳
細な説明は省略する。 なお本実施例に於ては、等積変化する作動媒体
同志の熱交換を、加熱管１０と冷却管２７内に媒
体を循環させて行つているが、壁１２と壁２９と
の間に直接ヒートパイプを設けても同様の効果が
得られる。 以上述べたように、本実施例に於ては作動媒体
の圧縮手段および膨張手段としてターボ圧縮機お
よびタービンを用いたスターリング機関であり、
かつこれら流体機械の回転軸２０は共通の１つの
軸から構成されており減速機、増速機等を使用し
ていないので、信頼性が高く発電機を電動機とし
て用いて容易に起動できる上、シリンダとピスト
ンとの間に存在するような摩擦損失がない為に機
械効率が高く、振動や騒音が低く、また大出力に
も適用可能という効果がある。 次に本発明の異なる実施例について述べる。 第４図は本発明の異なる実施例の構成を示す概
略図である。以下、第２の実施例の説明に於ては
説明の便宜上、スターリング機関には損失のな
い、理想的な場合について説明する。第４図に於
て６４〜６６は軸６７から動力を得て作動媒体を
圧縮する為の圧縮機、６８〜７０は作動媒体から
動力を得て軸に動力を与え、作動媒体を膨張させ
る為のタービン、７１，７２は作動媒体を冷却す
る為の熱交換器、７３，７４はバーナ７５，４６
によつて作動媒体を加熱する為の熱交換器であ
る。７７は作動媒体を加熱する為の熱交換器、７
８は作動媒体を冷却する為の熱交換器である。 回路７９内には媒体が入つて居りポンプ８０の
出口の低温の媒体は熱交換器７８で作動媒体を冷
却し自らは高温となる。次に熱交換器７７に到つ
て作動媒体を加熱し、自らは低温となりポンプ入
口に到り、ポンプ８０で加圧され、ポンプ出口へ
到り、以上の過程を繰返す。 またターボ圧縮機６４〜６６の駆動軸、および
タービン６８〜７０の出力軸は全て共通の単一軸
６７であり、したがつてターボ圧縮機６４〜６６
およタービン６８〜７０の回転数は全て等しい。
また軸６７の右端には発電機等の負荷８１が取付
けられている。 また第４図に示すようなターボ圧縮機、タービ
ン、熱交換器の数に限らず、用途等に応じてこれ
らの数を自由に選定してよい。 第４図に於て、熱交換器７１の入口の作動媒体
は熱交換器７１に流入し、冷却される。さらにタ
ーボ圧縮機６４によつて圧縮され、さらに熱交換
器７２によつて冷却される。これら連続する３つ
の過程に於て熱交換器７１の入口温度と熱交換器
７２の出口温度とは等しくなるようになつてい
る。次にターボ圧縮機６５によつて圧縮され、さ
らに熱交換器７７によつて加熱され、さらにター
ボ圧縮機６６によつて圧縮される。これら連続す
る３つの過程に於て、ターボ圧縮機６５の入口比
体積とターボ圧縮機６６の出口の比体積とは等し
くなるようになつている。 次に、熱交換器７３によつて加熱され、さらに
タービン６８によつて膨張し、さらに熱交換器７
４によつて加熱される。これら連続する３つの過
程に於て、熱交換器７３の入口温度と熱交換器７
４の出口温度とは等しくなるようになつている。 次に、タービン６９によつて膨張し、さらに熱
交換器７８によつて冷却され、さらにタービン７
０によつて膨張する。これら連続する３つの過程
に於て、タービン６９の入口比体積とタービン７
０の出口比体積とは等しくなるようになつてい
る。タービン７０から流出した作動媒体は再び熱
交換器７１に流入し、以上の過程を繰返す。 一方、（構成）の所で説明した様に回路７９の
働きにより熱交換器７７が作動媒体に与える熱量
は、熱交換器７８が作動媒体から奪う熱量に等し
い。以上述べた作用から本実施例のスターリング
機関の出力は （出力）＝（熱交換器７３，７４より作動媒体
に与えられる熱量）−（熱交換器７１，
７２より作動媒体が奪われる熱量） となり、この出力は負荷に仕事をする事を通して
消費される。 以上述べてきた動作を第５図およ第６図ととも
にさらに詳しく説明する。なお、第１表は、第４
図に於ける作動媒体の場所と第５図のPv線図と
第６図のTS線図上で対応する点を表わした表で
ある。 第４図、第５図、第６図および第１表から分る
ように、第４図の熱交換器７１の入口にある作動
媒体は、第５図のPv線図上で、点８２から等圧
冷却、等エントロピ圧縮、等圧冷却、等エントロ
ピ圧縮、等圧加熱、等エントロピ圧縮、等圧加
熱、等エントロピ膨張、等圧加熱、等エントロピ
膨張、等圧冷却、等エントロピ膨張し、元の点８
２に戻つて来る。 その結果第６図のTS線図で実線で表わされた
多角形の面積がスターリング機関の出力となる。
また第５図および第６図で破線は、圧縮（又は膨
張）と加熱（又は冷却）とを同時かつ連続的に行
つた場合の損失のない理想的なスターリングサイ
クルの線である。これから分るように、ターボ圧
縮機、タービン、熱交換器の数を増加させる事に
より、圧縮（又は膨張）と加熱（又は冷却）とを
同時かつ連続的に行つた場合の損失のない理想的
なスターリングサイクルにより近づけ得る。

【表】

【表】 なお、今まで説明の便宜上スターリング機関に
は損失のない理想的な場合について説明してきた
が、実際には、各種の不可逆過程が存在する為に
損失が発生し、理想的な場合より熱効率が低下す
る。本発明に直接関係のない、これら不可逆過程
に関する詳細な説明は省略する。 本実施例に於ては、作動媒体の圧縮手段および
膨張手段としてターボ圧縮機およびタービンを用
いたスターリング機関であり、かつこれら流体機
械の回転軸は共通の１つの軸から構成されてお
り、減速機、増速機等を使用していない。したが
つて信頼性が高く、かつシリンダとピストンとの
間に存在するような摩擦損失がない為に機械効率
が高く、振動、騒音が低くまた大出力にも適用可
能である。 またターボ式流体機械と熱交換器とが分離した
構成であるので、ターボ式流体機械と熱交換器の
数を増加させる事により、より圧縮（又は膨張）
と加熱（又は冷却）とを同時かつ連続的に行つた
場合の損失のない理想的なスターリングサイクル
に近づけ得る。また、分離した構成の為、熱交換
器の伝熱面積を自由に選択できる。 以上のように、本発明は従来のスターリング機
関が往復式流体機械を使用しているのに比べター
ボ式流体機械を用いることになり、 ○イ 摺動部に発生する摩耗等が少なくなつて信頼
性が向上する。 ○ロ 摺動部での摩擦損失が減少して機械効率が増
加する。 ○ハ 振動、騒音が低下する。 ○ニ 大出力にも適用可能である。 等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の概略の断面
図、第２図は本発明の第１の実施例のサイクルを
圧力ｐ−比容積ｖ線図上に示した図、第３図は本
発明の第１の実施例のサイクルをエントロピＳ−
絶対温度Ｔ線図上に示した図、第４図は本発明の
第２の実施例の構成を示す概略図、第５図は本発
明の第２の実施例のサイクルを圧力ｐ−比容積ｖ
線図上に示した図、第６図は本発明の第２の実施
例のサイクルをエントロピＳ−絶対温度Ｔ線図上
に示した図である。 ２，９……ターボ圧縮機、１６，２６……ター
ビン、３……冷却管、１０……加熱管、１７……
ヒートパイプ、２４……バーナ、２７……冷却
管、３７……ポンプ、４９，５０……発電機、２
０……軸、５６……ターボ圧縮機２と冷却管３と
による等温圧縮変化、５７……ターボ圧縮機９と
加熱管１０とによる等温変化、５８……タービン
１６とヒートパイプ１７とによる等温膨張変化、
５９……タービン２６と冷却管２７とによる等積
変化、６４〜６６……ターボ圧縮機、６８〜７０
……タービン、７５，７６……バーナ、７１，７
２……熱交換器、８０……ポンプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１の圧縮手段と、第２の圧縮手段と、第１
   の膨張手段と、第２の膨張手段と、これら４つを
   以上の順序で連結すると共にさらに第２の膨張手
   段と第２の圧縮手段とを連結する流路と、流路内
   に封入された作動媒体と、第１の圧縮手段内で作
   動媒体が等温圧縮又はこれに近似の変化をするよ
   うに作動媒体を冷却する手段Ａと、第２の圧縮手
   段内で作動媒体が等積圧縮又はこれに近似の変化
   をするように作動媒体を加熱する手段Ｂと、第１
   の膨張手段内で作動媒体が等温膨張又はこれに近
   似の変化をするように作動媒体を加熱する手段Ｃ
   と、第２の膨張手段内で作動媒体が等積膨張又は
   これに近似の変化をするように作動媒体を冷却す
   る手段Ｄと、冷却する手段Ｄによつて作動媒体か
   ら得た熱を加熱手段Ｂに輸送する手段とを有し、
   第１、第２の圧縮手段および第１、第２の膨張手
   段としてターボ式流体機械を用いると共に、作動
   媒体にスターリングサイクル又はこれに近似のサ
   イクルを行わせることにより動力を得ることを特
   徴とするスターリング機関。