JPH11132104A - 補助的な強制流動によって伝熱促進したスターリングサ イクル機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スターリングエンジンあるいはスターリ
ング冷凍機・ヒートポンプにおいて，高温空間・低温空
間における伝熱を促進して，熱効率と体積当たりの出力
を向上させる． 【構成】 高温空間（６）・低温空間（１２）と強
制流動装置（補助シリンダ（８），補助ピストン（９）
から成る）を伝熱管（７）によって連結して，高温空間
・低温空間内の作動ガスを伝熱管内に繰り返しまたは継
続的に導き入れる．

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】スターリングエンジンは，近年漸
く実用に供する事ができるようになった新型の原動機で
あって，原理的には極めて高い熱効率が期待できるエン
ジンである．スターリング冷凍機は主に極低温（液体ヘ
リウム温度程度）を作るのに使われているが，フロン規
制によって通常の冷凍機・冷暖房装置への応用も期待さ
れている．本発明は，サイクルの行程のうち主に圧縮・
膨張の行程での伝熱を促進して，熱効率の向上と体積当
たりの出力の向上を狙っている． 【０００２】 【従来の技術】現在作られているスターリングサイクル
機関は，高温部・低温部のガスの体積が正弦的またはそ
れに近い形で変化させるものに限られている．その場
合，スターリングサイクルの等温圧縮・等積加熱・等温
膨張・等積冷却の４つの基本行程は，明確なものとはな
らない．そのため，高温部・低温部における伝熱に比べ
て再生器での伝熱に関心が集まっており，ここにおける
伝熱の促進に関する積極的な努力は，高温または低温空
間を薄べったい形にする程度にとどまり，能動的な努力
は皆無である． 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】スターリングサイクル
は，等温圧縮・等積加熱・等温膨張・等積冷却の４行程
からなる．このうち等積冷却で放出される熱量を等積加
熱で利用（再生）すると，熱力学の理論上最高の熱効率
が得られる．しかし，機関を高速で運転するにつれて，
また，機関の大きさが大きくなるにつれて，等温変化は
実現されず，圧縮においては温度上昇，膨張においては
温度降下が顕著になる．こうなると再生される熱量が激
減して熱効率と１サイクル当たりの出力の低下を引き起
こす．圧縮・膨張時の温度の上昇・低下は作動ガスと熱
源の間の伝熱の不足が原因であり，スターリングサイク
ル機関を実用化し普及させるためには，この問題を解決
しなければならない． 【０００４】 【課題を解決するための手段】スターリングサイクル機
関は，高温空間・低温空間とそれを結ぶ加熱器（冷凍機
・ヒートポンプでは放熱器）・再生器・冷却器（冷凍機
・ヒートポンプでは吸熱器）からなる．前述の課題を解
決するため，高温空間・低温空間内の作動ガスへの伝熱
を促進する．主空間（高温空間または低温空間）を，熱
源熱交換器（加熱器・放熱器または冷却器・吸熱器）内
を通過する伝熱管を経由して強制流動装置に接続する．
主空間内の作動ガスを強制流動装置を用いて伝熱管内を
往復流動または循環させる． 【０００５】強制流動の形態には，往復流動式と循環式
がともに有効である．往復流動式の流動装置は，シリン
ダとピストンによって構成できる．循環式では，往復動
ポンプ，ターボ式のポンプが利用できる．往復流動式や
往復動ポンプによる循環式の場合，２つのシリンダを設
置してこれらを逆位相で動かしたり，３つのシリンダを
設置して１２０゜ずつ位相がずれるように動かすと全体
の体積が変化しない．そうすれば，強制流動装置のピス
トンの動作には摩擦に抗する仕事のみが必要であって，
作動ガスを圧縮・膨張させる仕事は含まれなくなり，往
復流動を発生させるために必要な動力を低減できる． 【０００６】伝熱管と強制流動装置内の作動ガスの体積
は，等積変化で温度が変化しない体積（無駄体積）なの
で，等積変化で温度変化する体積（有効体積，ディスプ
レーサ型の機関ではディスプレーサの行程容積に相当）
に比べて十分小さいのが望ましい．これを有効体積の１
０％程度以下に抑える．その一方，十分なガスの移動を
確保するために強制流動装置内のピストンの往復動周波
数を主ピストン（主ピストン，パワーピストンとディス
プレーサまたは２つのパワーピストンを指す）の数倍以
上にしたり，ターボ式ポンプの流量を十分にとることよ
って十分な伝熱を確保する． 【０００７】 【作用】流体と温度差が与えられたとき，狭い空間にあ
るほど伝熱が良好である．したがって，気体が主空間内
にあって大きな固まりをなす場合にはさほど高い伝熱は
望めない．それに対して細い管内を流体が流れるとき
は，良好な伝熱が期待できる．補助ピストンの動きを速
くして，１サイクル当たりに管内を往復する作動ガスの
量を増加させると，主空間内の作動ガスを，より伝熱の
良い管内で十分に熱交換させることができる． 【０００８】 【実施例】往復流動式の実施例を示す．加熱器伝熱管３
や冷却器伝熱管１０の他に伝熱管７を設置して高温空間
６・低温空間１２と強制流動装置（補助シリンダ８と補
助ピストン９から成る）を連結する．主ピストン１１，
１３の往復周波数に比べて大きな周波数で補助ピストン
を往復運動させる．この動きによって主空間内にあった
作動ガスを伝熱の良い伝熱管内に繰り返し導き入れ，作
動ガスと熱源の間の伝熱が促進する． 【０００９】図面の例では，ベルトまたはチェーンを使
って補助ピストンの動きを主ピストンの動きに連動させ
る場合を示しているが，連動は必ずしも必要でなく，別
個に動くモータによって補助ピストンの往復動を引き起
こしてもかまわない．また，図の例では加熱器２内の補
助ピストンと冷却器５内の補助ピストンを逆位相で動か
す場合を示しているが，補助シリンダを加熱器内に２個
または３個，冷却器内に２個または３個設置してそれぞ
れで合計体積が一定になるように動かすのが理想的であ
る．なお，補助シリンダを加熱器または冷却器の内部に
設置すれば，放熱損失が少なく，より高い効果が期待で
きる． 【００１０】 【発明の効果】補助的な往復流動を起こして，高温部・
低温部にある作動ガスとそれぞれの熱源との間の伝熱を
促進すると，高温部・低温部にある作動ガスは，それぞ
れの熱源の温度に近づく．すなわち圧縮・膨張における
変化が温度一定の変化にに近づく．十分伝熱が良好でな
い場合，例えばエンジンのサイクルでは，圧縮で温度が
上がった作動ガスが，次の等積加熱行程で冷却器で冷却
され，再生器からの加熱を相殺する．膨張と等積冷却で
も同様のことが起こり，再生される熱が減少して，１サ
イクル当たりの出力が低下する．本発明はこの出力の低
下を抑制し，スターリングサイクル機関の熱効率と体積
当たりの出力の向上を図ることができる． 【００１１】熱効率と体積当たりの出力の向上によっ
て，スターリングエンジンが真に実用化されることが見
込める．すなわち，現状では，スターリングエンジンの
熱効率は，ディーゼルエンジンのそれに比べやや劣る程
度である．本特許によって熱効率が向上すれば，製品コ
ストが極めて高いという決定的な欠点を克服することが
予想される．

【図面の簡単な説明】 本発明をディスブレーサ型のエンジンとして実施した例
であり，断面図である． 【符号の説明】 １．燃焼器 ２．加熱器 ３．加熱器伝熱
管 ４．再生器 ５．冷却器 ６．高温空間 ７．伝熱管 ８．補助シリンダ ９．補助ピスト
ン １０．冷却器伝熱管 １１．ディスプレーサ １２．低温空間 １３．ディスプレーサ
駆動機構 １４．パワーピストン １５．補助ピストンク
ランク軸 １６．ベルトまたはチェーン １７．動力軸

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項目１】スターリングサイクル機関（エンジンな
   らびに冷凍機・ヒートポンプ）において，高温部・低温
   部の双方またはいずれか一方を補助的なシリンダと接続
   し，補助シリンダ接続部を加熱または冷却しながら主シ
   リンダと補助シリンダの間に強制的に往復流動を生じさ
   せることによって伝熱の促進を行うこと．