JPH0129983B2 - - Google Patents
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- JPH0129983B2 JPH0129983B2 JP58231126A JP23112683A JPH0129983B2 JP H0129983 B2 JPH0129983 B2 JP H0129983B2 JP 58231126 A JP58231126 A JP 58231126A JP 23112683 A JP23112683 A JP 23112683A JP H0129983 B2 JPH0129983 B2 JP H0129983B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- temperature
- heater
- endothermic
- set temperature
- tube wall
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/045—Controlling
- F02G1/047—Controlling by varying the heating or cooling
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2244/00—Machines having two pistons
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2270/00—Constructional features
- F02G2270/85—Crankshafts
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Regulation And Control Of Combustion (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
- Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の対象〕
本発明は、高い平均温度の膨張空間と低い平均
温度の圧縮空間を有し、前記両空間との連通を吸
熱用ヒータ、蓄熱器、及び放熱器を介して行うス
ターリング機関において、前記吸熱用ヒータの管
壁温度の温度制御に関するものである。
温度の圧縮空間を有し、前記両空間との連通を吸
熱用ヒータ、蓄熱器、及び放熱器を介して行うス
ターリング機関において、前記吸熱用ヒータの管
壁温度の温度制御に関するものである。
エンジンシステムを第１図を用いて説明する。
スターリングエンジン２は、膨張シリンダ９と膨
張ピストン１０によつて形成される高温度の膨張
空間１と、圧縮シリンダ１１と圧縮ピストン１２
によつて形成されるほぼ常温の圧縮空間２とが、
吸熱用ヒータ３、蓄熱器４及び放熱器５を介して
接続され、それらの内部には、水素、ヘリウム等
の高圧ガスが封入されている。ここで前記吸熱用
ヒータ３は、燃焼空間６内に在り、この燃焼空間
６内で加熱されることにより、前記高圧ガスは熱
を受ける。また、前記放熱器５は、ポンプ７によ
つて送られる水等の媒体と接触し、前記高圧ガス
と前記媒体との熱交換によつて、前記高圧ガス
は、圧縮によつて生じた熱を捨てる。そして、前
記媒体によつて取られた熱は、ラジエータ８によ
つて外部に捨てられる。
スターリングエンジン２は、膨張シリンダ９と膨
張ピストン１０によつて形成される高温度の膨張
空間１と、圧縮シリンダ１１と圧縮ピストン１２
によつて形成されるほぼ常温の圧縮空間２とが、
吸熱用ヒータ３、蓄熱器４及び放熱器５を介して
接続され、それらの内部には、水素、ヘリウム等
の高圧ガスが封入されている。ここで前記吸熱用
ヒータ３は、燃焼空間６内に在り、この燃焼空間
６内で加熱されることにより、前記高圧ガスは熱
を受ける。また、前記放熱器５は、ポンプ７によ
つて送られる水等の媒体と接触し、前記高圧ガス
と前記媒体との熱交換によつて、前記高圧ガス
は、圧縮によつて生じた熱を捨てる。そして、前
記媒体によつて取られた熱は、ラジエータ８によ
つて外部に捨てられる。
前記膨張空間１及び前記圧縮空間２内での前記
高圧ガスの膨張と圧縮によつて生じた力は、ピス
トンロツド１３及び１４と連結するクランクシヤ
フト１５等のピストン往復動機構から動力を得
る。
高圧ガスの膨張と圧縮によつて生じた力は、ピス
トンロツド１３及び１４と連結するクランクシヤ
フト１５等のピストン往復動機構から動力を得
る。
前記吸熱用ヒータ３の管壁温度を、熱電対１６
等の温度検出端を介して、温度調節器１７に入力
する。前記温度調節器１７は、前記熱電対１６等
を介して送られてきた管壁温度と、予め設定され
た前記吸熱用ヒータ３の管壁温度との偏差を求
め、この偏差に、PID動作（比例、積分、微分動
作）を与えて、この偏差が無くなるように、燃焼
用空気の量を変化させ空気流量調整弁１８の開度
を制御する。前記空気流量調整弁１８で調整され
る燃焼用空気は、クランクシヤフト１５からベル
ト１９等を介して伝達される動力によつて作動す
るブロア２０から送られ、調整された燃焼用空気
は、空燃比制御部２１に送られ、前記温度調節器
１７と前記空気流量調整弁１８によつて制御され
た空気流量で燃焼できる燃料流量を前記空燃比制
御器２１で制御する。前記空燃比制御器２１によ
つてその流量が制御された燃料は、前記燃焼空間
６内に噴霧され、燃焼用空気で燃焼する。第１図
において、２３は圧力制御部であり、ガス圧力を
変化させることによつて得られる出力を制御す
る。
等の温度検出端を介して、温度調節器１７に入力
する。前記温度調節器１７は、前記熱電対１６等
を介して送られてきた管壁温度と、予め設定され
た前記吸熱用ヒータ３の管壁温度との偏差を求
め、この偏差に、PID動作（比例、積分、微分動
作）を与えて、この偏差が無くなるように、燃焼
用空気の量を変化させ空気流量調整弁１８の開度
を制御する。前記空気流量調整弁１８で調整され
る燃焼用空気は、クランクシヤフト１５からベル
ト１９等を介して伝達される動力によつて作動す
るブロア２０から送られ、調整された燃焼用空気
は、空燃比制御部２１に送られ、前記温度調節器
１７と前記空気流量調整弁１８によつて制御され
た空気流量で燃焼できる燃料流量を前記空燃比制
御器２１で制御する。前記空燃比制御器２１によ
つてその流量が制御された燃料は、前記燃焼空間
６内に噴霧され、燃焼用空気で燃焼する。第１図
において、２３は圧力制御部であり、ガス圧力を
変化させることによつて得られる出力を制御す
る。
前記温度調節器１７に予め設定された前記吸熱
用ヒータ３の管壁温度（設定温度Ｔとする）は、
前記吸熱用ヒータ３の材料特性と全負荷状態での
ガス圧力によつて決定される。これは、一般的な
金属の材料特性として、第２図に示すように、温
度が上昇するにつれて、引張り強度が低下すると
いう傾向があることと、全負荷状態でガス圧力は
最大となるため、前記吸熱用ヒータ３にかかる応
力もこの状態で最大になることを考慮して、設定
温度Ｔを全負荷状態で充分な強度が保てるように
設定する（全負荷状態を基準にして設定された設
定温度をT1（一定）とする。）しかしながら、一
般的に前記吸熱用ヒータ３の管壁温度、すなわち
設定温度Ｔは、可能な限り高く保つ方が高出力、
高効率を得るために効果的である。ここで、ガス
圧力と前記吸熱用ヒータ３の破壊温度とを第３図
ａに、設定温度T1を第３図ｂに示すが、ガス圧
力の低い状態においては、前記吸熱用ヒータにか
かる応力も、全負荷状態よりも小さいため、設定
温度Ｔを全負荷状態での設定温度T1よりも高く
与えることは可能である。以上のように、従来の
設定温度ＴをT1（一定）に保つ温度制御方法で
は、部分負荷効率及び出力に対して非常に不利な
設定である。
用ヒータ３の管壁温度（設定温度Ｔとする）は、
前記吸熱用ヒータ３の材料特性と全負荷状態での
ガス圧力によつて決定される。これは、一般的な
金属の材料特性として、第２図に示すように、温
度が上昇するにつれて、引張り強度が低下すると
いう傾向があることと、全負荷状態でガス圧力は
最大となるため、前記吸熱用ヒータ３にかかる応
力もこの状態で最大になることを考慮して、設定
温度Ｔを全負荷状態で充分な強度が保てるように
設定する（全負荷状態を基準にして設定された設
定温度をT1（一定）とする。）しかしながら、一
般的に前記吸熱用ヒータ３の管壁温度、すなわち
設定温度Ｔは、可能な限り高く保つ方が高出力、
高効率を得るために効果的である。ここで、ガス
圧力と前記吸熱用ヒータ３の破壊温度とを第３図
ａに、設定温度T1を第３図ｂに示すが、ガス圧
力の低い状態においては、前記吸熱用ヒータにか
かる応力も、全負荷状態よりも小さいため、設定
温度Ｔを全負荷状態での設定温度T1よりも高く
与えることは可能である。以上のように、従来の
設定温度ＴをT1（一定）に保つ温度制御方法で
は、部分負荷効率及び出力に対して非常に不利な
設定である。
そこで、本発明は、部分負荷状態において、高
い効率と出力とを得るためのスターリング機関の
温度制御をすることを、その技術的課題とするも
のである。
い効率と出力とを得るためのスターリング機関の
温度制御をすることを、その技術的課題とするも
のである。
上記技術的課題を解決するために講じた技術的
手段は、検出した作動流体のガス圧力に基づいて
設定温度を算出し（この演算、算出した設定温度
をT′とする。）、この設定温度T′を温度制御ルー
プに加えるようにすることである。
手段は、検出した作動流体のガス圧力に基づいて
設定温度を算出し（この演算、算出した設定温度
をT′とする。）、この設定温度T′を温度制御ルー
プに加えるようにすることである。
〔技術的手段の作用〕
上記技術的手段は、次のように作用する。すな
わち、吸熱用ヒータ３の管壁温度は、ガス圧力に
対応した設定温度T′に温度制御することが可能
である。
わち、吸熱用ヒータ３の管壁温度は、ガス圧力に
対応した設定温度T′に温度制御することが可能
である。
本発明は、次の特有の効果を生じる。すなわ
ち、この発明によるスターリング機関の温度制御
方法によれば、部分負荷状態で設定温度を高く保
つことができるため、部分負荷状態での効率、出
力を高めることができる。これは、スターリング
機関を産業機械、発電用機械、あるいは輸送用機
械等に使用する場合、通常負荷状態の使用がほと
んどであるため、燃料費の向上に非常役立つ。ま
た、第６図ｃに示すように、ガス圧力を時間ｔに
P1からP2（P1＜P2）に増加させた場合、前記吸熱
用ヒータ３の管壁温度は、設定温度を一定に保つ
従来型ではａの変化を、本発明の設定温度を変え
る方法ではｂの変化を生ずる。従来型では、増加
時一度前記吸熱用ヒータ３の管壁温度が設定温度
より下がつてしまうためレスポンスが非常に悪か
つたが、本発明によれば、低圧側で設定温度を上
げ、高圧側で設定温度を下げるようにしているた
め、第６図に示すように、前記吸熱用ヒータ３の
管壁温度は、設定温度以下の落ち込みをほとんど
みせず、従来型と比較して、スターリング機関の
レスポンスは良好となる。また部分負荷効率およ
び出力を向上させる他の方法として、スターリン
グ機関の前記圧縮空間２のガス温度を低くする事
による方法も考えられるが、これはスターリング
機関に使用する前記ラジエータ８の容量によつて
決定してしまうため、きわめて困難である。ま
た、他の方法として、部分負荷効率、および出力
を向上させるため、予め設定温度を上げておくと
いう方法も考えられるが、これでは、全負荷状態
で前記吸熱用ヒータ３が破壊するおそれがあり危
険である。
ち、この発明によるスターリング機関の温度制御
方法によれば、部分負荷状態で設定温度を高く保
つことができるため、部分負荷状態での効率、出
力を高めることができる。これは、スターリング
機関を産業機械、発電用機械、あるいは輸送用機
械等に使用する場合、通常負荷状態の使用がほと
んどであるため、燃料費の向上に非常役立つ。ま
た、第６図ｃに示すように、ガス圧力を時間ｔに
P1からP2（P1＜P2）に増加させた場合、前記吸熱
用ヒータ３の管壁温度は、設定温度を一定に保つ
従来型ではａの変化を、本発明の設定温度を変え
る方法ではｂの変化を生ずる。従来型では、増加
時一度前記吸熱用ヒータ３の管壁温度が設定温度
より下がつてしまうためレスポンスが非常に悪か
つたが、本発明によれば、低圧側で設定温度を上
げ、高圧側で設定温度を下げるようにしているた
め、第６図に示すように、前記吸熱用ヒータ３の
管壁温度は、設定温度以下の落ち込みをほとんど
みせず、従来型と比較して、スターリング機関の
レスポンスは良好となる。また部分負荷効率およ
び出力を向上させる他の方法として、スターリン
グ機関の前記圧縮空間２のガス温度を低くする事
による方法も考えられるが、これはスターリング
機関に使用する前記ラジエータ８の容量によつて
決定してしまうため、きわめて困難である。ま
た、他の方法として、部分負荷効率、および出力
を向上させるため、予め設定温度を上げておくと
いう方法も考えられるが、これでは、全負荷状態
で前記吸熱用ヒータ３が破壊するおそれがあり危
険である。
以下、上記技術的手段の一具体例を示す実施例
について説明する。
について説明する。
第４図は、この発明の一実施例で、この図にお
いて、第１図の各部に対応する部分には、同一の
符号が付してある。第４図において、圧力センサ
２４、変換器２５、演算器２６が、新たに設けら
れたものであり、前記圧力センサ２４で検出して
得られた圧力を前記変換器２５で信号に変換し、
前記演算器２６で前記変換器２５から送られてき
た信号に基づいて前記吸熱用ヒータ３の設定温度
（T′とする）を演算算出する。この場合、演算器
２６は、以下のようにして設定温度T′を求める。
ここで第５図は、ガス圧力と設定温度T′の関係
を示し、これは第３図ａのガス圧力と前記吸熱用
ヒータ３の破壊温度から決定されたものである。
前記演算器２６では、入力される信号に基づい
て、第５図の関係になるように、予め用意された
演算式を使用して解を求める方法、あるいは各変
数に対応して予めテーブルとして記憶されている
解を参照して該当する解を求める方法等を使用し
て設定温度T′は、前記温度調節器１７に供給さ
れる。
いて、第１図の各部に対応する部分には、同一の
符号が付してある。第４図において、圧力センサ
２４、変換器２５、演算器２６が、新たに設けら
れたものであり、前記圧力センサ２４で検出して
得られた圧力を前記変換器２５で信号に変換し、
前記演算器２６で前記変換器２５から送られてき
た信号に基づいて前記吸熱用ヒータ３の設定温度
（T′とする）を演算算出する。この場合、演算器
２６は、以下のようにして設定温度T′を求める。
ここで第５図は、ガス圧力と設定温度T′の関係
を示し、これは第３図ａのガス圧力と前記吸熱用
ヒータ３の破壊温度から決定されたものである。
前記演算器２６では、入力される信号に基づい
て、第５図の関係になるように、予め用意された
演算式を使用して解を求める方法、あるいは各変
数に対応して予めテーブルとして記憶されている
解を参照して該当する解を求める方法等を使用し
て設定温度T′は、前記温度調節器１７に供給さ
れる。
第１図は、従来のスターリングエンジンの構成
図、第２図は、一般的な吸熱用ヒータに使用する
金属の引張り強度と温度の関係を示すグラフ、第
３図は、設定温度およびガス圧力と吸熱用ヒータ
破壊温度の関係を示すグラフ、第４図は、この発
明の一実施例を示す構成図、第５図は、同実施例
におけるガス圧力と設定温度の関係を示す特性
図、そして第６図は、増圧時に伴う吸熱用ヒータ
の管壁温度の変化を示した図である。 １…膨張空間、２…圧縮空間、３…吸熱用ヒー
タ、４…蓄熱器、５…放熱器、６…燃焼空間、７
…ポンプ、８…ラジエータ、９…膨張シリンダ、
１０…膨張ピストン、１１…圧縮シリンダ、１２
…圧縮ピストン、１３…ピストンロツド、１４…
ピストンロツド、１５…クランクシヤフト、１６
…熱電対、１７…温度調節器、１８…空気流量調
整弁、１９…ベルト、２０…ブロア、２１…空燃
比制御器、２２…噴霧ノズル、２３…圧力制御
器、２４…圧力センサ、２５…変換器、２６…演
算器。
図、第２図は、一般的な吸熱用ヒータに使用する
金属の引張り強度と温度の関係を示すグラフ、第
３図は、設定温度およびガス圧力と吸熱用ヒータ
破壊温度の関係を示すグラフ、第４図は、この発
明の一実施例を示す構成図、第５図は、同実施例
におけるガス圧力と設定温度の関係を示す特性
図、そして第６図は、増圧時に伴う吸熱用ヒータ
の管壁温度の変化を示した図である。 １…膨張空間、２…圧縮空間、３…吸熱用ヒー
タ、４…蓄熱器、５…放熱器、６…燃焼空間、７
…ポンプ、８…ラジエータ、９…膨張シリンダ、
１０…膨張ピストン、１１…圧縮シリンダ、１２
…圧縮ピストン、１３…ピストンロツド、１４…
ピストンロツド、１５…クランクシヤフト、１６
…熱電対、１７…温度調節器、１８…空気流量調
整弁、１９…ベルト、２０…ブロア、２１…空燃
比制御器、２２…噴霧ノズル、２３…圧力制御
器、２４…圧力センサ、２５…変換器、２６…演
算器。
Claims (1)
- １ 吸熱用ヒータの管壁温度を温度調節器、空気
流量調整弁及び空燃比制御器を用いて制御する温
度制御ループを備え、スターリング機関に使用さ
れた作動流体のガス圧力に応じて前記吸熱用ヒー
タの設定温度を算出する演算器を有し、前記演算
器で算出された設定温度信号を、前記温度制御ル
ープの前記温度調節器に入力し、前記温度調節器
が前記吸熱用ヒータの管壁温度を前記設定温度に
制御するようにして成るスターリング機関の温度
制御方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58231126A JPS60122255A (ja) | 1983-12-07 | 1983-12-07 | スタ−リング機関の温度制御方法 |
| US06/679,451 US4768341A (en) | 1983-12-07 | 1984-12-07 | Temperature control system for stirling engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58231126A JPS60122255A (ja) | 1983-12-07 | 1983-12-07 | スタ−リング機関の温度制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60122255A JPS60122255A (ja) | 1985-06-29 |
| JPH0129983B2 true JPH0129983B2 (ja) | 1989-06-15 |
Family
ID=16918688
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58231126A Granted JPS60122255A (ja) | 1983-12-07 | 1983-12-07 | スタ−リング機関の温度制御方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4768341A (ja) |
| JP (1) | JPS60122255A (ja) |
Families Citing this family (32)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6220658A (ja) * | 1985-07-19 | 1987-01-29 | Toshiba Corp | スタ−リングエンジンのヒ−タ制御装置 |
| US20030012985A1 (en) | 1998-08-03 | 2003-01-16 | Mcalister Roy E. | Pressure energy conversion systems |
| US5899071A (en) * | 1996-08-14 | 1999-05-04 | Mcdonnell Douglas Corporation | Adaptive thermal controller for heat engines |
| US6247310B1 (en) | 1997-07-15 | 2001-06-19 | New Power Concepts Llc | System and method for control of fuel and air delivery in a burner of a thermal-cycle engine |
| US6381958B1 (en) * | 1997-07-15 | 2002-05-07 | New Power Concepts Llc | Stirling engine thermal system improvements |
| US6705081B2 (en) | 1997-07-15 | 2004-03-16 | New Power Concepts Llc | System and method for sensor control of the fuel-air ratio in a burner |
| US6269640B1 (en) | 1999-12-17 | 2001-08-07 | Fantom Technologies Inc. | Heat engine |
| US6269639B1 (en) | 1999-12-17 | 2001-08-07 | Fantom Technologies Inc. | Heat engine |
| US6279319B1 (en) | 2000-02-11 | 2001-08-28 | Fantom Technologies Inc. | Heat engine |
| US6226990B1 (en) | 2000-02-11 | 2001-05-08 | Fantom Technologies Inc. | Heat engine |
| US7469760B2 (en) * | 2000-03-02 | 2008-12-30 | Deka Products Limited Partnership | Hybrid electric vehicles using a stirling engine |
| US7111460B2 (en) * | 2000-03-02 | 2006-09-26 | New Power Concepts Llc | Metering fuel pump |
| US7308787B2 (en) * | 2001-06-15 | 2007-12-18 | New Power Concepts Llc | Thermal improvements for an external combustion engine |
| MXPA05005245A (es) | 2002-11-13 | 2005-09-08 | Deka Products Lp | Destilacion con presurizacion de vapor. |
| US8069676B2 (en) | 2002-11-13 | 2011-12-06 | Deka Products Limited Partnership | Water vapor distillation apparatus, method and system |
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| US7310945B2 (en) | 2004-02-06 | 2007-12-25 | New Power Concepts Llc | Work-space pressure regulator |
| US7007470B2 (en) * | 2004-02-09 | 2006-03-07 | New Power Concepts Llc | Compression release valve |
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| US7607299B2 (en) * | 2005-08-09 | 2009-10-27 | Pratt & Whitney Rocketdyne, Inc. | Thermal cycle engine with augmented thermal energy input area |
| US11826681B2 (en) | 2006-06-30 | 2023-11-28 | Deka Products Limited Partneship | Water vapor distillation apparatus, method and system |
| US11884555B2 (en) | 2007-06-07 | 2024-01-30 | Deka Products Limited Partnership | Water vapor distillation apparatus, method and system |
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