JP2001164993A - スターリングエキスパンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリングエキスパンダの圧力ガス使用量
を低減する。 【解決手段】 半周期の位相差をもって動作する２組の
スターリング機構Ａ，Ａ′の夫々について、容積減少工
程から容積増加工程への移行時点付近で低温室Ｃ，Ｃ′
へ圧力ガスＳ，Ｓ′を注入し、かつ、容積減少工程に伴
い低温室Ｃ，Ｃ′から内部圧力ガスＳ，Ｓ′の一部を排
出する圧力ガス給排手段Ｌを設け、これらスターリング
機構Ａ，Ａ′の相互において、一方が容積増加工程から
容積減少工程への移行時点付近で圧力ガス給排手段Ｌに
よる圧力ガス排出の直前時期にあり、かつ、他方が容積
減少工程から容積増加工程への移行時点付近で圧力ガス
給排手段Ｌによる圧力ガス注入の直前時期にあるとき、
圧力ガス回収用の連通路２２を開いて両スターリング機
構Ａ，Ａ′の低温室Ｃ，Ｃ′どうしを連通させる弁手段
２３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種々の用途の動力
源に用いるスターリングエキスパンダに関し、詳しく
は、作動ガスを熱再生器を通じて低温室から加熱器を備
える高温室へ移動させる高温化工程と、熱再生器を通じ
て連通する低温室と高温室との全室容積を増加させる容
積増加工程と、作動ガスを熱再生器を通じて高温室から
低温室へ移動させる低温化工程と、低温室と高温室との
全室容積を減少させる容積減少工程とを、その順に繰り
返すスターリング機構において、容積減少工程から容積
増加工程への移行時点付近で低温室へ作動ガスとする圧
力ガスを注入し、かつ、容積減少工程に伴い低温室から
作動ガスとしての内部圧力ガスの一部（先の注入量に対
し質量的に相当する量）を排出する圧力ガス給排手段を
設けたスターリングエキスパンダに関する。

【０００２】

【従来の技術】このようなスターリングエキスパンダ
は、スターリングサイクルを行うスターリングエンジン
や、ランキンサイクルを行う蒸気機関に比べ、図４に実
線で示す如き複合サイクル（一点鎖線で示す如きスター
リングサイクルの上半部を上部に有し、二点鎖線で示す
如きランキンサイクルの下半部を下部に有する複合サイ
クル）の実施により高い比出力を得られるものとして、
また、高圧ヘリウムガスなどの封入ガスを作動ガスとす
るスターリングエンジンに比べ、特殊な作動ガスの高圧
封入が不要で装置構造も簡略にし得るものとして提案さ
れているが、従来、この種のスターリングエキスパンダ
では、熱再生器及び加熱器による熱付与により容積増加
工程で膨張させた作動ガスとしての内部圧力ガス（例え
ば蒸気）を、低温化工程において熱再生器で熱回収する
ものの、容積減少工程に伴い圧力ガス給排手段により低
温室から大気中ないし復水器へ単に排出していた（例え
ば、特開平１１−１０７８５６号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、容積増加工程
の終期で膨張を完了した内部圧力ガスとは言え、圧力ガ
ス給排手段による圧力ガス排出に至るまでは閉塞の作動
ガス空間（高温室と低温室との連通空間）において熱再
生器や加熱器の存在により未だかなり高い圧力（例え
ば、圧力ガス給排手段による圧力ガス注入圧力の４０％
程度の圧力）を保有しており、このような膨張内部圧力
ガスを上記の如く単に大気中ないし復水器へ排出してし
まう点で従来装置にはエネルギー的な無駄があり、この
点、未だ改善の余地があった。

【０００４】この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、
容積増加工程で膨張させた内部圧力ガスを有効に回収利
用する点にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１に係る発
明では、作動ガスを熱再生器を通じて低温室から加熱器
を備える高温室へ移動させる高温化工程と、前記熱再生
器を通じて連通する前記低温室と前記高温室との全室容
積を増加させる容積増加工程と、作動ガスを前記熱再生
器を通じて前記高温室から前記低温室へ移動させる低温
化工程と、前記低温室と前記高温室との全室容積を減少
させる容積減少工程とを、その順に繰り返すスターリン
グ機構を２組設け、これら２組のスターリング機構を互
いに半周期の位相差をもって動作させる構成にし、前記
２組のスターリング機構の夫々について、容積減少工程
から容積増加工程への移行時点付近で前記低温室へ作動
ガスとする圧力ガスを注入し、かつ、容積減少工程に伴
い前記低温室から作動ガスとしての内部圧力ガスの一部
を排出する圧力ガス給排手段を設け、前記２組のスター
リング機構の前記低温室どうしにわたる圧力ガス回収用
の連通路を設け、前記２組のスターリング機構の相互に
おいて、その一方が容積増加工程から容積減少工程への
移行時点付近で前記圧力ガス給排手段による圧力ガス排
出の直前時期にあり、かつ、他方が容積減少工程から容
積増加工程への移行時点付近で前記圧力ガス給排手段に
よる圧力ガス注入の直前時期にあるときに、前記連通路
を開いて両スターリング機構の前記低温室どうしを連通
させる弁手段を設ける。

【０００６】つまり、この装置構成では、上記２組のス
ターリング機構の夫々について、容積減少工程から容積
増加工程への移行時点付近で低温室へ作動ガスとする圧
力ガス（例えば蒸気）を注入し、かつ、容積減少工程に
伴い低温室から作動ガスとしての内部圧力ガスの一部を
排出することにより、上部にスターリングサイクルの上
半部を有し下部にランキンサイクルの下半部を有する複
合サイクルを実行させ、動力を発生させる。

【０００７】そして、これら２組のスターリング機構の
相互において、その一方が容積増加工程から容積減少工
程への移行時点付近で前記圧力ガス給排手段による圧力
ガス排出の直前時期にあり、かつ、他方が容積減少工程
から容積増加工程への移行時点付近で前記圧力ガス給排
手段による圧力ガス注入の直前時期にあるときに、上記
弁手段により両スターリング機構の低温室どうしにわた
る圧力ガス回収用の連通路を開いて、両スターリング機
構の低温室どうしを連通させることにより、容積増加工
程から容積減少工程への移行時点付近にある側のスター
リング機構における膨張内部圧力ガス（先述の如く未だ
かなり高い圧力を保有する内部圧力ガス）の一部を回収
して、その回収圧力ガスを、容積減少工程から容積増加
工程への移行時点付近にある側のスターリング機構（圧
力ガス給排手段による圧力ガス排出で内部圧力が大気圧
ないし復水器圧まで低下した側のスターリング機構）に
おける低温室へ上記連通路を通じ注入し、これにより、
容積減少工程から容積増加工程への移行時点付近にある
側のスターリング機構における作動ガス空間を、圧力ガ
ス給排手段による圧力ガス注入に先立ち、上記連通路か
ら注入する回収圧力ガスをもって予圧する形態にする。

【０００８】すなわち、この回収圧力ガスによる予圧を
行うことにより、各スターリング機構が実施する複合サ
イクルは例えば図３において実線で示す如き形態になる
が、このような予圧を行わない従来のスターリングエキ
スパンダの実施複合サイクルが同図３において破線で示
す如き形態でｘ′→ａ′→ａの経路を取り、圧力ガス給
排手段による圧力ガス注入をもって昇圧する部分がａ′
→ｂ間となるのに対し、上記予圧を行う場合では、その
予圧Δｐの効果として複合サイクルがｘ′→ａの経路を
取ることにより、圧力ガス給排手段による圧力ガス注入
をもって昇圧する部分がａ→ｂ間で済むようになり、こ
れにより、従来のスターリングエキスパンダに比べ圧力
ガス使用量を効果的に低減できて、装置のエネルギ効率
を高めることができる。

【０００９】ちなみに、この回収圧力ガスによる予圧の
効果は、圧力ガス給排手段の圧力ガス注入圧力ｐｓが高
いほど顕著になり、圧力ガス給排手段の圧力ガス注入圧
力ｐｓが１０気圧以上の場合、圧力ガス使用量の低減量
は回収圧力ガスによる予圧を行わない場合の圧力ガス使
用量の２５％程度にも達し得る。

【００１０】なお、図３においてｐｅは大気圧ないし復
水器圧を示す。また、図３において破線で示す従来装置
の複合サイクルがｘ→ｄ′→ｄの経路を取るのに対し、
実線で示す本発明装置の複合サイクルがｘ→ｄの経路を
取るのは、容積増加工程から容積減少工程への移行時点
付近で圧力ガス給排手段による圧力ガス排出の前に、膨
張内部圧力ガスの一部を上記連通路を通じ他方のスター
リング機構へ送出するためであり、Δｐ′は、この圧力
ガス送出による内部圧力降下である。

【００１１】〔２〕請求項２に係る発明では、請求項１
に係る発明の実施において、前記２組のスターリング機
構を、互いの同種対応ピストンどうしが同一の中心軸心
を有する状態で共通のクランク軸に対し対称配置となる
構造にする。

【００１２】つまり、この構造であれば、両スターリン
グ機構における同種の対応ピストンどうしが同一の中心
軸心を有して共通のクランク軸に対し対称位置に位置す
るピストン位置関係から、これら２組のスターリング機
構を半周期の位相差で動作させることができて、２組の
スターリング機構を半周期の位相差をもって動作させる
ための付加的な同期構造を不要にすることができ、これ
により、装置構造を簡略なものにして装置の製作を容易
にすることができる。

【００１３】また、両スターリング機構における同種の
対応ピストンを共通クランク軸に連結するにしても、こ
れら対応ピストンを共通クランク軸の軸心方向で位置を
異ならせて配置するに比べ、共通クランク軸の軸心方向
における装置長を短くすることができ、この点、上記の
如き装置構造の簡略化と相俟って装置をコンパクトにす
ることができる。

【００１４】なお、上記の構造に加え、２組のスターリ
ング機構の各々における複数のピストンを、互いに平行
姿勢にして共通クランク軸の軸心方向に並列配置する構
造を採れば、例えば、２組のスターリング機構の各々に
おける複数ピストンを、それらの中心軸心が捻れの位置
関係となる状態に配置するに比べ、装置を一層コンパク
トにすることができる。

【００１５】〔３〕請求項３に係る発明では、請求項１
又は２に係る発明の実施において、前記２組のスターリ
ング機構の夫々について、前記圧力ガス給排手段におけ
る前記低温室への圧力ガス注入路に、その低温室からの
圧力ガスの逆流を阻止する逆止弁を設ける。

【００１６】つまり、この構成によれば、２組のスター
リング機構の夫々について、熱再生器及び加熱器での熱
付与による内部圧力ガスの圧力上昇で、その内部圧力ガ
スが圧力ガス給排手段の圧力ガス注入圧力に打ち勝って
低温室から圧力ガス給排手段の圧力ガス注入路へ逆流漏
出することを、上記逆止弁により阻止して、そのような
逆流漏出による内部圧力ガスの圧力上昇値の低下を防止
することができ、これにより、高い比出力を確実に発揮
させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は２組の同構造の２シリンダ
・ガンマ型スターリング機構Ａ，Ａ′を装備したスター
リングエキスパンダを示し、各スターリング機構Ａ，
Ａ′において、１，１′はパワーピストン２，２′を内
装したパワーシリンダ、３，３′はディスプレーサピス
トン４，４′を内装した底部閉塞型のディスプレーサシ
リンダであり、パワーシリンダ１，１′とディスプレー
サシリンダ３，３′とは平行姿勢で並列に配置してあ
る。

【００１８】パワーシリンダ１，１′のピストン先端側
室１ａ，１ａ′とディスプレーサシリンダ３，３′のピ
ストン先端側室３ａ，３ａ′とは、一連の高温室Ｈ，
Ｈ′として加熱路５，５′を通じ連通させてあり、この
高温室Ｈ，Ｈ′において加熱路５，５′は内部の作動ガ
スＧ，Ｇ′を加熱する加熱器を構成し、この加熱路５，
５′においてその路内を通過する作動ガスＧ，Ｇ′を付
帯のバーナ６，６′により加熱する。

【００１９】ディスプレーサシリンダ３，３′のピスト
ン基端側室３ｂ，３ｂ′は低温室Ｃ，Ｃ′として、ディ
スプレーサピストン４，４′に形成の内部ガス路４ａ，
４ａ′を通じディスプレーサシリンダ３，３′における
高温室Ｈ，Ｈ′としてのピストン先端側室３ａ，３ａ′
に連通させてあり、ディスプレーサピストン４，４′に
形成の内部ガス路４ａ，４ａ′には、通気性の蓄熱材充
填層からなる熱再生器７，７′を設けてある。

【００２０】また、ディスプレーサシリンダ３，３′に
おける低温室Ｃ，Ｃ′としてのピストン基端側室３ｂ，
３ｂ′には、シリンダ底部寄りに配置して張り出し部３
ｃ，３ｃ′を形成し、この張り出し部３ｃ，３ｃ′に
は、両スターリング機構Ａ，Ａ′に対する共通のボイラ
８により生成した飽和近傍の高圧蒸気Ｓ，Ｓ′を作動ガ
スＧ，Ｇ′として低温室Ｃ，Ｃ′に注入する蒸気注入路
９，９′、及び、作動ガスＧ，Ｇ′としての内部蒸気
Ｓ，Ｓ′を低温室Ｃ，Ｃ′から外部（大気中ないし復水
器）へ排出する蒸気排出路１０，１０′を接続するとと
もに、蒸気注入路９，９′を開閉する蒸気注入弁１１，
１１′、及び、蒸気排出路１０，１０′を開閉する蒸気
排出弁１２，１２′を設けてある。

【００２１】１３は両スターリング機構Ａ，Ａ′に対す
る共通のクランク軸であり、パワーピストン２，２′と
ディスプレーサピストン４，４′とは、平行姿勢でクラ
ンク軸１３の回転軸心ｑｃの方向に並列配置して、夫
々、ピストンロッド１４，１４′，１５，１５′を介し
クランク軸１３に連結してあり、そして、クランク軸１
３におけるパワーピストン用のクランクピン１６とディ
スプレーサピストン用のクランクピン１７とは、ディス
プレーサピストン４，４′がパワーピストン２，２′に
対し所定の先行クランク角度差Δθ（例えば７０°）を
保って先行動作（進相）するように相対配置してある。

【００２２】また、２組のスターリング機構Ａ，Ａ′
は、互いの同種対応ピストンどうしが同一の中心軸心を
有する状態で上記の共通クランク軸１３に対し対称配置
となる配設形態、すなわち、パワーピストン２，２′ど
うしが同一の中心軸心ｑ１を有してクランク軸１３に対
し対称配置となり、かつ、ディスプレーサピストン４，
４′どうしが同一の中心軸心ｑ２を有してクランク軸１
３に対し対称配置となる配設形態にしてあり、これによ
り、両スターリング機構Ａ，Ａ′は互いに半周期（すな
わち、クランク角度θにして１８０°）の位相差をもっ
て動作し、そして、各々が、作動ガスＧ，Ｇ′を熱再生
器７，７′を通じ低温室Ｃ，Ｃ′から加熱器５，５′を
備える高温室Ｈ，Ｈ′へ移動させる高温化工程と、熱再
生器７，７′を通じて連通する低温室Ｃ，Ｃ′と高温室
Ｈ，Ｈ′との全室容積Ｖ（加熱路５，５′の内部を含む
全作動ガス空間の容積）を増加させる容積増加工程と、
作動ガスＧ，Ｇ′を熱再生器７，７′を通じて高温室
Ｈ，Ｈ′から低温室Ｃ，Ｃ′へ移動させる低温化工程
と、低温室Ｃ，Ｃ′と高温室Ｈ，Ｈ′との全室容積Ｖを
減少させる容積減少工程とを、その順に繰り返す。

【００２３】１８はクランク軸１３に付設した蒸気注入
弁用のカムであり、このカム１８と蒸気注入弁１１，１
１′との弁ロッド１９、１９′を介しての連動により、
図２の（イ），（ロ）に示す如く２組のスターリング機
構Ａ，Ａ′の夫々につき、蒸気注入弁１１，１１′は、
容積減少工程から容積増加工程への移行時点ａ（パワー
ピストン２，２′の上死点）から所定の短期間ａ→ｂだ
け開弁して、低温室Ｃ，Ｃ′へボイラ８の発生蒸気Ｓ，
Ｓ′を注入する。

【００２４】また、２０はクランク軸１３に付設した蒸
気排出弁用のカムであり、このカム２０と蒸気排出弁１
２，１２′との弁ロッド２１、２１′を介しての連動に
より、２組のスターリング機構Ａ，Ａ′の夫々につき、
蒸気排出弁１２，１２′は、容積増加工程から容積減少
工程への移行時点ｄ（パワーピストン２，２′の下死
点）の直前から所定期間ｃ→ｅにわたり開弁して、容積
減少工程に伴ない低温室Ｃ，Ｃ′から内部蒸気Ｓ、Ｓ′
を排出し、この蒸気給排を伴なう前記各工程の実行によ
り、両スターリング機構Ａ，Ａ′は、夫々、上部にスタ
ーリングサイクルの上半部を有し、かつ、下部にランキ
ンサイクルの下半部を有する複合サイクルを実施する。

【００２５】２２は両スターリング機構Ａ，Ａ′の張り
出し部３ｃ，３ｃ′どうし（すなわち低温室Ｃ，Ｃ′ど
うし）にわたらせた蒸気回収用の連通路、２３はこの連
通路２２に介装したロータリー弁であり、このロータリ
ー弁２３は、クランク軸１３を操作軸としての切り替わ
り動作により、同図２の（イ），（ロ）に示す如く、２
組のスターリング機構Ａ，Ａ′の相互において、その一
方が容積増加工程から容積減少工程への移行時点ｄより
少し前（本例ではクランク角度θにして約１５°前）で
蒸気排出弁１２，１２′による蒸気排出ｃ→ｅの直前時
期にある時点ｘから容積減少工程への移行時点ｄに至る
までの期間ｘ→ｄ、すなわち、他方について言えば、容
積減少工程から容積増加工程への移行時点ａより少し前
（クランク角度θにして１５°前）で蒸気注入弁１１，
１１′による蒸気注入ａ→ｂの直前時期にある時点ｘ′
から容積増加工程への移行時点ａに至るまでの期間ｘ′
→ａ、蒸気回収用の連通路２２を開いて両スターリング
機構Ａ，Ａ′の低温室Ｃ，Ｃ′どうしを連通させる。

【００２６】つまり、このロータリー弁２３による蒸気
回収用連通路２２の開閉により、容積増加工程から容積
減少工程への移行時点ｄ付近にある側のスターリング機
構Ａ，Ａ′における膨張内部蒸気Ｓ，Ｓ′（未だかなり
高い圧力を保有する内部蒸気）の一部を回収して、その
回収蒸気Ｓ，Ｓ′を、容積減少工程から容積増加工程へ
の移行時点ａ付近にある側のスターリング機構Ａ′，Ａ
（すなわち、蒸気排出弁１２，１２′による蒸気排出で
内部圧力が大気圧ないし復水器圧まで低下した側のスタ
ーリング機構）における低温室Ｃ′，Ｃへ上記連通路２
２を通じ注入し、これにより、容積減少工程から容積増
加工程への移行時点ａ付近にある側のスターリング機構
Ａ，Ａ′における作動ガス空間（低温室Ｃ，Ｃ′と高温
室Ｈ，Ｈ′の連通空間）を、蒸気注入弁１１，１１′に
よるボイラ発生蒸気Ｓ，Ｓ′の注入に先立ち、上記連通
路２２からの注入回収蒸気Ｓ，Ｓ′をもって予圧する。

【００２７】そして、この回収蒸気による予圧を行うこ
とで、各スターリング機構Ａ，Ａ′の実施複合サイクル
が図３において実線で示す如き形態になるようにして、
このような予圧を行わない蒸気スターリングエキスパン
ダの実施複合サイクルが同図３において破線で示す如き
形態でｘ′→ａ′→ａの経路（すなわち、蒸気注入弁１
１，１１′によるボイラ発生蒸気Ｓ，Ｓ′の注入をもっ
て昇圧する部分がａ′→ｂ間となる経路）を取るのに対
し、上記予圧Δｐの効果として、複合サイクルがｘ′→
ａの経路（すなわち、蒸気注入弁１１，１１′によるボ
イラ発生蒸気Ｓ，Ｓ′の注入をもって昇圧する部分がａ
→ｂ間で済む経路）を取るようにし、これにより、ボイ
ラ発生蒸気Ｓ，Ｓ′の使用量を低減して、装置のエネル
ギ効率を高めるようにしてある。

【００２８】なお、図３においてｐｓは蒸気注入路９，
９′からの蒸気注入圧力（すなわち、ボイラ発生蒸気の
圧力）を示し、ｐｅは大気圧又は復水器圧を示す。

【００２９】２４，２４′は各スターリング機構Ａ、
Ａ′に対する蒸気注入路９，９′の夫々に設けた逆止弁
であり、２組のスターリング機構Ａ、Ａ′の夫々につい
て、容積増加工程における内部蒸気Ｓ，Ｓ′の圧力上昇
で、その内部蒸気Ｓ，Ｓ′が蒸気注入路９，９′からの
蒸気注入圧ｐｓに打ち勝って蒸気注入路９，９′へ逆流
することを、これら逆止弁２３，２３′により阻止し、
この逆流阻止により、容積増加工程における内部蒸気
Ｓ，Ｓ′の圧力上昇を確実にして、高い比出力を確実に
得るようにしてある。

【００３０】以上、本実施形態において、ボイラ８、蒸
気注入路９，９′、蒸気排出路１０，１０′、蒸気注入
弁１１，１１′、蒸気排出弁１２，１２′、カム１８，
２０、弁ロッド１９，１９′，２１，２１′は、半周期
の位相差をもって動作する２組のスターリング機構Ａ、
Ａ′の夫々について、容積減少工程から容積増加工程へ
の移行時点ａ付近で低温室Ｃ，Ｃ′へ作動ガスＧ，Ｇ′
としての蒸気Ｓ，Ｓ′（圧力ガスの一例）を注入し、か
つ、容積減少工程に伴い低温室Ｃ，Ｃ′から作動ガス
Ｇ，Ｇ′としての内部蒸気Ｓ，Ｓ′の一部を排出する圧
力ガス給排手段Ｌを構成する。

【００３１】そして、前記ロータリー弁２３は、半周期
の位相差をもって動作する上記２組のスターリング機構
Ａ、Ａ′の相互において、その一方が容積増加工程から
容積減少工程への移行時点ｄ付近で圧力ガス給排手段Ｌ
による蒸気排出ｃ→ｅの直前時期にあり、かつ、他方が
容積減少工程から容積増加工程への移行時点ａ付近で圧
力ガス給排手段Ｌによる蒸気注入ａ→ｂの直前時期にあ
るときに、蒸気回収用の連通路２２（すなわち、圧力ガ
ス回収用の連通路）を開いて両スターリング機構Ａ，
Ａ′の低温室Ｃ，Ｃ′どうしを連通させる弁手段を構成
する。

【００３２】〔別実施形態〕次に本発明の別実施形態を
列記する。前述の実施形態では、注入圧力ガスとして蒸
気Ｓ，Ｓ′を用いる例を示したが、注入圧力ガスには、
蒸気Ｓ、Ｓ′に限らず、例えば高圧空気など、その他の
種々の気体を適用できる。

【００３３】半周期の位相差をもって動作させる２組の
スターリング機構Ａ、Ａ′の夫々について、高温室Ｈ，
Ｈ′や低温室Ｃ，Ｃ′の具体的な室構造、並びに、高温
室Ｈ，Ｈ′に装備する加熱器５，５′の具体的な構造な
どは種々の構成変更が可能であり、また、高温室Ｈ，
Ｈ′と低温室Ｃ，Ｃ′とを熱再生器７，７′を通じて連
通させるのに、熱再生器７，７′を設けた内部ガス路４
ａ，４ａ′をディスプレーサピストン４，４′に形成す
るに代え、高温室Ｈ，Ｈ′と低温室Ｃ，Ｃ′とを連通さ
せる固定管路を設け、この固定管路に熱再生器７，７′
を介装するようにしてもよい。

【００３４】前述の実施形態では、２組のスターリング
機構Ａ，Ａ′の各々における複数のピストン２，２′，
４，４′を互いに平行姿勢にして共通クランク軸１３の
軸心方向に並列配置し、そして、これら２組のスターリ
ング機構Ａ，Ａ′を、互いの同種対応ピストンどうしが
同一の中心軸心ｑ１，ｑ２を有する状態で共通クランク
軸１３に対し対称配置となる構造にしたが、この構造に
限らず、半周期の位相差をもって動作させる２組のスタ
ーリング機構Ａ，Ａ′の配設形態は種々の変更が可能で
あり、また、これら２組のスターリング機構Ａ，Ａ′に
対し各別のクランク軸を具備させる構造を採ってもよ
い。

【００３５】前述の実施形態では、蒸気注入弁１１，１
１′、及び、蒸気排出弁１２，１２′をカム機構などの
機械的連動機構を介してクランク軸１３に連動させるこ
とで、各スターリング機構Ａ、Ａ′の低温室Ｃ，Ｃ′に
対する圧力ガス（蒸気Ｓ，Ｓ′）の給排を所定タイミン
グで行なうようにしたが、これに代え、各スターリング
機構Ａ、Ａ′の低温室Ｃ，Ｃ′に対する圧力ガスの給排
をいわゆる電子制御により所定タイミングで行うように
してもよく、２組のスターリング機構Ａ、Ａ′の夫々に
ついて、容積減少工程から容積増加工程への移行時点付
近で低温室Ｃ，Ｃ′へ作動ガスＧ，Ｇ′としての圧力ガ
スを注入し、かつ、容積減少工程に伴い低温室Ｃ，Ｃ′
から作動ガスＧ，Ｇ′としての内部圧力ガスの一部を排
出する圧力ガス給排手段Ｌの具体的構造は、前述の実施
形態で示した構造に限らず種々の構成変更が可能であ
り、また、それら圧力ガス注入及び圧力ガス排出の具体
的なタイミングについても、スターリングエキスパンダ
としての作動が可能な範囲で種々の変更が可能である。

【００３６】半周期の位相差をもって動作する２組のス
ターリング機構Ａ、Ａ′の相互において、その一方が容
積増加工程から容積減少工程への移行時点付近で圧力ガ
ス給排手段Ｌによる圧力ガス排出の直前時期にあり、か
つ、他方が容積減少工程から容積増加工程への移行時点
付近で圧力ガス給排手段Ｌによる圧力ガス注入の直前時
期にあるときに、圧力ガス回収用の連通路２２を開いて
両スターリング機構Ａ，Ａ′の低温室Ｃ，Ｃ′どうしを
連通させる弁手段には、前述の実施形態で示した如きロ
ータリー弁２３に限らず種々の弁形式のものを採用で
き、この弁手段もクランク軸１３との機械的連動で動作
させるに代え、電子制御により動作させるようにしても
よい。

【００３７】また、この弁手段をもって２組のスターリ
ング機構Ａ、Ａ′の低温室Ｃ，Ｃ′どうしを連通させる
具体的なタイミングについても、容積増加工程から容積
減少工程への移行時点付近にある側のスターリング機構
Ａ，Ａ′における膨張内部圧力ガスを用いて、容積減少
工程から容積増加工程への移行時点付近にある側のスタ
ーリング機構Ａ′，Ａを、圧力ガス給排手段Ｌによる圧
力ガス注入に先立ち有効に予圧し得る範囲で種々の変更
が可能である。

【００３８】高温室Ｈ，Ｈ′に装備する加熱器５，５′
の熱源や、注入圧力ガスとして蒸気を用いる場合の蒸気
Ｓ，Ｓ′の生成熱源には、燃料熱源や電気熱源、あるい
は、太陽熱利用熱源や他の装置・設備からの排熱など、
種々の形態のものを採用できる。また、本発明によるス
ターリングエキスパンダの発生動力は発電用や冷凍機駆
動用など種々の用途に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】装置の構成図

【図２】圧力ガス（蒸気）の給排及び回収のタイミング
を示す図

【図３】実施サイクルを示すｐ−Ｖ線図

【図４】複合サイクルを示すｐ−Ｖ線図

【符号の説明】

２，２′ ピストン ４，４′ ピストン ５，５′ 加熱器 ７，７′ 熱再生器 ９，９′ 圧力ガス注入路 １３ クランク軸 ２２ 圧力ガス回収用の連通路 ２３ 弁手段 ２４，２４′ 逆止弁 Ａ，Ａ′ スターリング機構 Ｃ，Ｃ′ 低温室 Ｇ，Ｇ′ 作動ガス Ｈ，Ｈ′ 高温室 Ｌ 圧力ガス給排手段 ｑ１，ｑ２ 中心軸心 Ｓ，Ｓ′ 圧力ガス Ｖ 全室容積

フロントページの続き (71)出願人 591255689 樫山工業株式会社 東京都杉並区高円寺南１丁目32番３号 (72)発明者 柳生 寿美夫 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会社 クボタ技術開発研究所内 (72)発明者 一色 尚次 東京都世田谷区経堂２丁目29番６号 (72)発明者 一色 誠太 東京都世田谷区経堂２丁目29番６号 (72)発明者 小島 博 山形県酒田市上本町６番７号 前田製管株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを熱再生器を通じて低温室から
   加熱器を備える高温室へ移動させる高温化工程と、前記
   熱再生器を通じて連通する前記低温室と前記高温室との
   全室容積を増加させる容積増加工程と、作動ガスを前記
   熱再生器を通じて前記高温室から前記低温室へ移動させ
   る低温化工程と、前記低温室と前記高温室との全室容積
   を減少させる容積減少工程とを、その順に繰り返すスタ
   ーリング機構を２組設け、 これら２組のスターリング機構を互いに半周期の位相差
   をもって動作させる構成にし、 前記２組のスターリング機構の夫々について、容積減少
   工程から容積増加工程への移行時点付近で前記低温室へ
   作動ガスとする圧力ガスを注入し、かつ、容積減少工程
   に伴い前記低温室から作動ガスとしての内部圧力ガスの
   一部を排出する圧力ガス給排手段を設け、 前記２組のスターリング機構の前記低温室どうしにわた
   る圧力ガス回収用の連通路を設け、 前記２組のスターリング機構の相互において、その一方
   が容積増加工程から容積減少工程への移行時点付近で前
   記圧力ガス給排手段による圧力ガス排出の直前時期にあ
   り、かつ、他方が容積減少工程から容積増加工程への移
   行時点付近で前記圧力ガス給排手段による圧力ガス注入
   の直前時期にあるときに、前記連通路を開いて両スター
   リング機構の前記低温室どうしを連通させる弁手段を設
   けてあるスターリングエキスパンダ。
2. 【請求項２】 前記２組のスターリング機構を、互いの
   同種対応ピストンどうしが同一の中心軸心を有する状態
   で共通のクランク軸に対し対称配置となる構造にしてあ
   る請求項１記載のスターリングエキスパンダ。
3. 【請求項３】 前記２組のスターリング機構の夫々につ
   いて、前記圧力ガス給排手段における前記低温室への圧
   力ガス注入路に、その低温室からの圧力ガスの逆流を阻
   止する逆止弁を設けてある請求項１又は２記載のスター
   リングエキスパンダ。