JPS6313021B2

JPS6313021B2 -

Info

Publication number: JPS6313021B2
Application number: JP13331881A
Authority: JP
Inventors: Yozo Tosa; Kunihiko Shimoda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1981-08-27
Filing date: 1981-08-27
Publication date: 1988-03-23
Also published as: JPS5835250A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はスターリング機関の改善に関する。

第１図は従来のスターリング機関の構成を示す
説明図である。

図において、０１は膨張ピストン、０２は膨張
シリンダで、膨張ピストン０１の往復動により内
容積が変化する。０３は加熱器で、外部からの加
熱により内部の作動ガスが加熱され、膨張シリン
ダ０２と連通している。０４は圧縮ピストンで、
図示しないクランク機構によつて膨張ピストン０
１と位相を異にして連動する。０５は圧縮シリン
ダで、圧縮ピストン０４の往復動により内容積が
変化する。０６は冷却器で、外部からの冷却によ
り内部の作動ガスが冷却され、圧縮シリンダ０５
と連通している。０７は再生器で、金属メツシユ
や金属球等で内部が充填されており、作動ガスの
交番流れにより熱を蓄熱、放熱できるようになつ
ている。一方の入口は加熱器０３に他方の入口は
冷却器０６にそれぞれ通路０９及び０８で連通し
ている。

第２図に膨張ピストン０１及び圧縮ピストン０
４の動きによる膨張シリンダ０２内容積V_E及び
圧縮シリンダ０５内容積V_Cの変化、及びこれら
と加熱器０３、再生器０７、冷却器０６を合わせ
た全作動ガスの容積V_Tの変化を膨張ピストン０
１のクランク角度を横軸にして示した。また、こ
のときの作動ガス圧力及び各部での作動ガス温度
の変化を第３図に示す。

膨張ピストン０１が上死点（クランク角度0゜）
から下がり膨張シリンダ０２容積V_Eが増すとき、
同時に圧縮シリンダ０５の容積は減少するので、
作動ガスは圧縮シリンダ０５から冷却器０６で熱
を奪われながら再生器０７に送り込まれるが、こ
こで再生熱を受けてさらに加熱器０３でも加熱さ
れて膨張シリンダ０２へ送られる。その結果、作
動ガスの圧力は高く上昇する。

さらに膨張シリンダ０２が容積が増してゆく
と、圧縮シリンダ０５の容積V_Cは圧縮ピストン
０４の動きによつて増大に転じ（クランク角90゜
以降）、全作動ガス容積V_Tは増大する。このと
き、作動ガスは膨張による内部エネルギの減少分
を図示していないクランク軸を通して外部へ与え
ながら圧力が降下する。

膨張ピストン０１の動きによつて膨張シリンダ
０２内の容積V_Eが減少し始めると（クランク角
180゜以降）、同時に圧縮シリンダ０５の容積V_Cも
増大しているために、作動ガスは膨張シリンダ０
２から加熱器０３で熱を加えられながら再生器０
７に送りこまれる。ここで、作動ガスは再生器０
７の充填物に再生熱を与えた後温度が下つた状態
で、さらに冷却器０６を経て圧縮シリンダ０５に
送られる。

つぎに圧縮シリンダ０５の容積が再び減少し始
めると（クランク角270゜以降）、全作動ガス容積
V_Tは減少してゆくことになり、このとき作動ガ
スは、圧縮ピストン０４及び膨張ピストン０１の
両方から圧縮仕事を受けて、圧力が上昇する。

以上のサイクルを繰返すことによつて、作動ガ
スが加熱器０３から受けた熱量と冷却器０６に捨
てた熱量の差だけの熱エネルギを仕事に変換して
図示しないクランク軸から外部に取り出す。

一般に知られている理想的なスターリングサイ
クルにおいては、再生器０７を境としてこれより
膨張シリンダ０２側の作動ガスは全く加熱器０３
の加熱壁温度T_Hと等しく、またこれより圧縮シ
リンダ０５側の作動ガスは全て冷却器０６の冷却
壁温度T_Lと等しいとされ、かつ全サイクル期間
中にわたつて変化しないとすることによつて高熱
効率の理想サイクルが描かれる。

これに対し従来のものの現実のサイクルにおけ
る作動ガスは、加熱器０３及び冷却器０２内に存
在する作動ガス温度はこれら熱交換器の能力を向
上させることによつて理想的にはそれぞれ加熱壁
温度T_H及び冷却壁温度T_Lに一定に保つことがで
きるが、膨張シリンダ０２及び圧縮シリンダ０５
内に存在する多量の作動ガスは、それぞれ加熱器
０３及び冷却器０６からの熱の授受を受けること
ができず、サイクル中に第３図に示すように圧力
の変動に伴つて大きく変化する。

即ち、作動ガスの圧力が高い期間には、圧縮シ
リンダ０５内の温度は冷却器０６の温度T_Lより
も大巾に上昇し、また作動ガス圧力が低い期間に
は膨張シリンダ０２内の温度は加熱器０３の温度
T_Hより大巾に低下する。

このため、冷却器０６から熱を放出すべき期間
の冷却器側の作動ガスの熱力学的平均温度は冷却
壁温度T_Lよりも高くなつており、また加熱器０
６にて熱を受けるべき期間の加熱器側の作動ガス
の熱力学的平均温度は加熱壁温度T_Hよりも低く
なつてしまつている。

先に述べた理想的なスターリングサイクルの熱
効率は温度比T_H／T_Lにて決まり、第４図に破線
で示すように、T_H／T_Lが高い程熱効率が高く、
かつ出力も増大するが、現実のスターリング機関
のサイクルでは、膨張シリンダ０２及び圧縮シリ
ンダ０５内の作動ガスの温度変動により実質の温
度レベルがそれぞれ低下及び上昇してしまうた
め、実質のT_H／T_Lが大巾に低下した形になつて、
第４図の実線で示すように、熱効率及び出力とも
に、理想サイクルに比べて大巾に低下してしまう
と云う欠点を有している。

本発明の目的は上記の点に着目し、圧縮シリン
ダ及び膨張シリンダ内の作動ガスの温度変動を少
なくして、熱効率及び出力を理想スターリングサ
イクルのものに近づけることのできるスターリン
グ機関を提供することであり、その特徴とすると
ころは、 (1) 冷却器と再生器との間のガス通路から圧縮シ
リンダへの循環通路を設け、 (2) 加熱器と再生器との間のガス通路から膨張シ
リンダへの循環通路を設け、 (3) それぞれの循環通路中に作割ガスの移送装置
を設け、 (4) それぞれの循環通路中に作動ガスの流れ方向
へ切替える切替弁を設け、 (5) それぞれの切替弁は、ａそれぞれのシリン
ダ内のピストンがシリンダ内容積を減少させる
方向に動いている期間に移送装置による循環通
路中の作動ガスの流れがそれぞれのシリンダ側
に向うように、またｂそれぞれのシリンダ内
のピストンがシリンダ内容積を増大させる方向
に動いている期間に移送装置による循環通路内
の作動ガスの流れが上記それぞれのガス通路側
へ向うように切替えるようにしたことである。

なお、それぞれ移送装置及び切換弁を設けた上
記圧縮シリンダへの循環通路と上記膨張シリンダ
への循環通路とのいずれか一方のみを設けてもよ
い。

以下図面を参照して本発明による実施例につき
説明する。

第５図は本発明による１実施例のスターリング
機関の構成を示す説明図、第６図は本発明による
１実施例の切替弁の構成を示す説明図である。

図において、符号１より９までは従来例を示す
第１図の符号０１より０９までと同じものを示
す。

１０は圧縮シリンダ側の循環通路で、冷却器６
と再生器７との間のガス通路８と圧縮シリンダ５
とを連通している。

１１は移送装置で、循環通路１０中に設けられ
ている。

１２は切替弁で、循環通路１０中に設けられて
おり、移送装置１１による作動ガスの流れの方向
を、ａ圧縮ピストン４が圧縮シリンダ５内容積を減
少させる方向に動いている期間に、循環通路１
０内の作動ガスの流れが圧縮シリンダ５側へ向
うように、ｂ圧縮ピストン４が圧縮シリンダ５内容積を増
大させる方向に動いている期間に、循環通路１
０内の作動ガスの流れが冷却器６と再生器７の
間のガス通路８に向うように、第６図に示すように構成され、図示しない駆動装
置により切替制御される。

１３は膨張シリンダ側の循環通路で、加熱器３
と再生器７の間のガス通路９と膨張シリンダ２と
を連通している。

１４は移送装置で、循環通路１３中に設けられ
ている。

１５は切替弁で、循環通路１３中に設けられて
おり、移送装置１４による作動ガスの流れの方向
を、ａ膨張ピストン１が膨張シリンダ２内容積を減
少させる方向に動いている期間に、循環通路１
３内の作動ガスの流れが膨張シリンダ２側に向
うように、ｂ膨張ピストン１が膨張シリンダ２内容積を増
大させる方向に動いている期間に、循環通路１
３内の作動ガスの流れが加熱器３と再生器７の
間のガス通路９に向うように、第６図に示すように構成され、図示しない駆動装
置により切替制御される。

上記構成の場合の作用について述べる。

圧縮ピストン４が圧縮シリンダ５内容積を減少
させる方向に動いている期間は、圧縮シリンダ５
内作動ガスは押し出され冷却器６で熱を奪われて
ガス通路８を経て再生器７へ向うが、そのうちの
一部が循環通路１０を通つて切替弁１２及び移送
装置１１によつて再び圧縮シリンダ５内に循環さ
れる。

圧縮ピストン４が圧縮シリンダ５内容積を増大
させる方向に動いている期間は、再生器７から流
れてきた作動ガスはガス通路８を経て冷却器６で
熱を奪われ圧縮シリンダ５に吸入されるが、圧縮
シリンダ５内ガスの一部は再び循環通路１０を通
つて切替弁１２及び移送装置１１によつてガス通
路８に戻されるように循環される。

これにより、圧縮シリンダ５内の作動ガスは絶
えず冷却器６を循環して冷却器６の壁温T_Lに一
定に保たれる。

膨張ピストン１が膨張シリンダ２内容積を減少
させる方向に動いている期間は、膨張シリンダ２
内作動ガスは押し出され、加熱器３で熱を与えら
れてガス通路９を経て再生器７へ向うが、そのう
ちの一部が循環通路１３を通つて切替弁１５及び
移送装置１４によつて再び膨張シリンダ２内に循
環される。

膨張ピストン１が膨張シリンダ２内容積を増大
させる方向に動いている期間は、再生器７から流
れてきた作動ガスはガス通路９を経て加熱器３で
熱を与えられた後膨張シリンダ２に吸入される
が、膨張シリンダ２内ガスの一部は再び循環通路
１３を通つて切替弁１５及び移送装置１４によつ
てガス通路９に戻されるように循環される。

これにより、膨張シリンダ２内の作動ガスは絶
えず加熱器３を循環して、加熱器３の壁温T_Hに
一定に保たれる。

上述のような本発明による場合は、サイクル中
の圧縮シリンダ５及び膨張シリンダ２内の作動ガ
スの温度は、作動ガス圧力の変動にかかわらず、
それぞれ冷却器壁温T_L及び加熱器壁温T_Hに保た
れるので、理想的なスターリングサイクルに近い
サイクルを描くようになり、第４図に破線で示す
ように、実線の従来のものに比べて、熱効率及び
出力の向上が得られる。

なお、上記実施例では循環通路、移送装置及び
切替弁を圧縮シリンダ側及び膨張シリンダ側の両
方にそれぞれ符号１０より１２まで及び１３より
１５までとして設けたが、いずれか一方、即ち圧
縮シリンダ側の部材１０〜１２のみを設けても、
上記実施例と同様の作用により、従来のものに比
べて熱効率及び出力の改善が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のスターリング機関の構成を示す
説明図、第２図は膨張シリンダ容積、圧縮シリン
ダ容積及び全作動ガス容積の変化を示す線図、第
３図は作動ガス圧力及び各部での作動ガス温度の
変化を示す線図、第４図はスターリング機関の熱
効率及び出力の変化を示す線図、第５図は本発明
による１実施例のスターリング機関の構成を示す
説明図、第６図は本発明による１実施例の切替弁
の構成を示す説明図である。１…膨張ピストン、２…膨張シリンダ、３…加
熱器、４…圧縮ピストン、５…圧縮シリンダ、６
…冷却器、７…再生器、８，９…ガス通路、１０
…圧縮シリンダ側の循環通路、１１，１４…移送
装置、１２，１５…切替弁、１３…膨張シリンダ
側の循環通路。

Claims

【特許請求の範囲】

１圧縮ピストンが往復動する圧縮シリンダから
冷却器を径て再生器の一方の入口に作動ガスを導
くガス通路と膨張ピストンが往復動する膨張シリ
ンダから加熱器を経て上記再生器の他方の入口に
作動ガスを導くガス通路とを有するスターリング
機関において、上記冷却器と再生器との間のガス
通路と上記圧縮シリンダとを連通し途中に作動ガ
スの移送装置と上記圧縮ピストンの圧縮シリンダ
内容積を減少させる方向への移動期間には上記移
送装置により作動ガスが上記圧縮シリンダ側へ向
うようにし上記圧縮ピストンの圧縮シリンダ内容
積を増大させる方向への移動期間には上記移送装
置により作動ガスが上記冷却器と再生器との間の
ガス通路へ向うように作動ガスの流れを切替える
切替弁とを設けた圧縮シリンダ側の循環通路と、
上記加熱器と再生器との間のガス通路と上記膨張
シリンダとを連通し途中に作動ガスの移送装置と
上記膨張ピストンの膨張シリンダ内容積を減少さ
せる方向への移動期間には上記移送装置により作
動ガスが上記膨張シリンダ側に向うようにし上記
膨張ピストンの膨張シリンダ内容積を増大させる
方向への移動期間には上記移送装置により作動ガ
スが上記加熱器と再生器との間のガス通路へ向う
ように作動ガスの流れを切替える切替弁とを設け
た膨張シリンダ側の循環通路とのいずれか一方の
循環通路または双方の循環通路を備えたことを特
徴とするスターリング機関。