図にスターリングエンジンの作動原理とスターリングサイクルを示します。スターリングサイクルは、図に示すように、等容加熱(1-2)−等温膨張(2-3)−等容冷却(3-4)−等温圧縮(4-1)の4つの行程を経て、サイクルを完了する熱サイクルです。これらの過程はそれぞれ以下のようです。
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等容冷却行程(3-4)で外界に捨てる熱量は等容加熱行程(1-2)で供給される熱量に等しいので、再生熱交換器を用いて、等容加熱行程で必要な熱量を等容冷却行程で捨てる熱量でまかなうことができれば、熱効率は以下の式のようになります。
ここで、Thは高温側温度、Tcは低温側温度です。これはカルノーサイクルと等しい熱効率であり、従って、スターリングサイクルは理論的に最も優れた熱効率となる熱サイクルであるといえます。
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