JP2011226392A

JP2011226392A - 熱機関

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Publication number: JP2011226392A
Application number: JP2010097201A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takeuchi; 誠竹内
Original assignee: Alpha Plus Power Inc
Current assignee: Alpha Plus Power Inc
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-04-20
Also published as: JP5632187B2; KR101116715B1; KR20110116944A

Abstract

【課題】低温度差熱源を利用する際の再生器通過ガス流量を増やすことで、熱源との充分な交換熱量を確保できるようにする。
【解決手段】再生器１１、吸熱器１３及び放熱器１５を有する熱交換ユニット９に対して高温空間１７に第１ディスプレーサ１９を、低温空間２０に第２ディスプレーサ２７をそれぞれ収容してこれら各ディスプレーサ１９，２７を連結ロッド３１で連結する。低温空間２０には、さらにパワーピストン２１を収容し、パワーピストン２１のシリンダ部２１ａ内に第２ディスプレーサ２７を収容する。第１，第２ディスプレーサ１９，２７は互いに１８０度の位相差で運動し、これら各第１，第２ディスプレーサ１９，２７とパワーピストン２１とは１８０度よりも小さい位相差、例えば９０度の位相差で運動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、互い異なる温度域を持つ作動ガスが保持された空間に、前記温度域の境界としての再生器を設け、この再生器の両側の高温空間及び低温空間の容積変化と作動ガスの移動を利用して熱と動力との変換を行う熱機関、例えばスターリングサイクルに関する。

スターリングサイクルは、燃焼熱源だけでなく、廃熱や太陽熱などの様々な温度差の熱源を利用できることを特徴としているが、異なる温度域の熱源においてそれぞれ最大の出力を得るためには、作動ガスの容積変化量と再生器通過ガス流量とのバランスを温度差に合わせて最適化する必要がある。

廃熱や太陽熱などの低温度差熱源においては容積変化量に比べ、再生器通過ガス流量の比率を大きくする必要がある。なぜならば、スターリングサイクルの出力の源泉は、再生器を通過するときのガスの圧力上昇であり、温度差が小さいとガスの通過流量に対する圧力上昇が少なくなるからである。したがって、低温度差熱源から最大の出力を出そうとすれば、高温度差熱源を利用する場合に比較して容積変化量に対する再生器通過ガス流量を増やす必要がある（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００６−１１８４３０号公報

このように、特に低温度差熱源を利用するスターリングサイクルでは、高温度差熱源を利用する場合に比較して容積変化量に対する再生器通過ガス流量を増やす必要がある。

そこで、本発明は、低温度差熱源を利用する際の再生器通過ガス流量を増やすことで、充分な圧力変化を確保できるようにすることを目的としている。

本発明は、互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に、前記温度域の境界としての再生器を設け、この再生器の両側の高温空間及び低温空間の容積変化と作動ガスの移動を利用して熱と動力との変換を行う熱機関において、前記作動空間の容積変化をもたらすとともに、前記作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する第１ピストンを設け、前記作動ガスを前記高温空間と低温空間との間を移動させる第２及び第３ピストンを、前記再生器に対して互いに１８０度の位相差で運動させるよう構成して前記高温空間及び低温空間にそれぞれ設け、前記第２及び第３ピストンのうちの一方を、前記第１ピストン内に設けたシリンダ部に移動可能に収容し、前記第１ピストンと前記第２及び第３ピストンとを１８０度よりも小さな位相差で運動させるよう設定したことを特徴とする。

本発明によれば、互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に対し、作動ガスの容積変化を行わせるとともに作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する第１ピストン及び、作動ガスを高温空間と低温空間との間を移動させる第２，第３ピストンを設けることにより、温度差に応じた必要な再生器通過ガス流量を確保して、充分な圧力変化を確保することができる。

また、第２，第３ピストンを対向配置してディスプレーサを構成することで、相互に連結ロッドで連結することで再生器に対する１８０度の位相差での運動を達成でき、大面積のピストンを使用しても作動ガスの圧力変化を連結ロッドで吸収することができ、クランクシャフトに作用するピストン力を小さく保つことができる。したがって、クランクシャフトの軸径を小さく抑えることができる。

本発明の第１の実施形態を示す熱機関のクランクシャフトの軸方向から見た断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の第２の実施形態を示す熱機関のクランクシャフトの軸方向から見た断面図である。図３のＢ−Ｂ断面図である。本発明の第３の実施形態を示す熱機関のクランクシャフトの軸方向から見た断面図である。図５のＣ−Ｃ断面である。本発明の第４の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。参考例を示す、図１に対応する断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

［第１の実施形態］
図１，図２は、本発明の第１の実施形態に係わるスターリングサイクルを備える熱機関としてのスターリングエンジンを示している。ハウジング本体１の上部開口にはカバー３を、同下部開口にはクランクケース５をそれぞれ設けてハウジング７を構成している。

なお、上記した図１，図２を含めて以下の説明で使用する各図においては、図示簡素化のため、ハウジング本体１、カバー３及びクランクケース５の３つの部材を一体化したものとして示している。

ハウジング本体１の図中で上下方向ほぼ中央の熱交換器ハウジング部１ａには、熱交換器ユニット９を収容固定している。熱交換器ユニット９は、中央に互いに異なる温度域の境界としての再生器１１を、その上下両側に吸熱器１３及び放熱器１５をそれぞれ設けている。

吸熱器１３は、図２中で紙面に直交する方向に延びる伝熱管1３ａを備え、この伝熱管1３ａ内には、熱交換器ハウジング部１ａの外部を通して高温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンを装着している。放熱器１５も同様に、図２中で紙面に直交する方向に延びる伝熱管1５ａを備え、この伝熱管１５ａ内には、熱交換器ハウジング部１ａの外部を通して低温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンを装着している。一方、再生器１１は、金網などを積層して構成している。

吸熱器１３の図中上部側に位置するハウジング本体１には高温側シリンダ部１ｂを形成し、この高温側シリンダ部１ｂ内の高温空間１７に、第３ピストン（他方のピストンに相当）としての第１ディスプレーサ１９を図中で上下方向に移動可能に収容する。一方、放熱器１５の図中下部側の位置するハウジング本体１には低温側シリンダ部１ｃを形成し、この低温側シリンダ部１ｃ内の低温空間２０に、第１ピストンとしてのパワーピストン２１を図中で上下方向に移動可能に収容する。第１ディスプレーサ１９及びパワーピストン２１の外周には、ピストンリング２３，２５をそれぞれ装着している。

上記した第１ディスプレーサ１９とパワーピストン２１とは、外径を同等としてある。また、これら第１ディスプレーサ１９とパワーピストン２１との間に位置する熱交換器ユニット９は、第１ディスプレーサ１９及びパワーピストン２１の外周面より径方向外側に突出するよう大きく形成してあり、平面視（図１，図２中で上下方向から見た図）でほぼ正方形状としてある。その際、熱交換器ユニット９の外周縁は、ハウジング本体１の熱交換器ハウジング部１ａに対応して形成してある凹部１ｄに挿入配置している。

パワーピストン２１の熱交換器ユニット９に対向する側には、ピストン収容部となるシリンダ部２１ａを形成してあり、このシリンダ部２１ａには、第１ディスプレーサ１９よりも外径の小さい、第２ピストン（一方のピストンに相当）としての第２ディスプレーサ２７を図中で上下方向に移動可能に収容している。第２ディスプレーサ２７の外周にはピストンリング２９を装着している。

第１ディスプレーサ１９と第２ディスプレーサ２７とは、熱交換器ユニット９の中心に設けた貫通孔９ａに対して軸方向（図１中で上下方向）に移動可能に貫通する連結ロッド３１により互いに連結している。そして、第２ディスプレーサ２７は、クランクケース５内にて回転可能に収容しているクランクシャフト３３に１本のコネクティングロッド３５を介して連結している。

したがって、第１ディスプレーサ１９と第２ディスプレーサ２７とは、一方が上死点に位置するときに他方が下死点に位置することになり、熱交換器ユニット９に対して互いに１８０度の位相差で運動する二つのピストンで構成していることになる。

一方、パワーピストン２１は、第１ディスプレーサ１９に対し１８０度よりも小さい位相差、例えば９０度の位相差で運動するように、２本のコネクティングロッド３７を介してクランクシャフト３３に連結している。

ここで、シリンダ部２１ａを内部に備えるパワーピストン２１は、円筒形状の周壁部２１ｂと、円板状の底壁部２１ｃと、周壁部２１ｂの底壁部２１ｃと反対側の熱交換器ユニット９に対向する位置にあるピストン頂部２１ｄとを備えている。

そして、上記底壁部２１ｃの中心に設けた貫通孔２１ｃ１には、第２ディスプレーサ２７の下面中央に取り付けた連結具３９を、図中で上下方向に移動可能に挿入し、連結具３９に取り付けたピストンピン４１に、前記したコネクティングロッド３５の小端部３５ａを回転可能に連結している。

また、図２に示すように、パワーピストン２１の底壁部２１ｃの外周側におけるクランクシャフト３３に対応する位置には、クランクシャフト３３側に向けて突出するボス部２１ｅを形成し、このボス部２１ｅに設けたピストンピン４３に、前記したコネクティングロッド３７の小端部３７ａを回転可能に連結している。

上記したコネクティングロッド３５及び２本のコネクティングロッド３７のそれぞれの大端部３５ｂ及び３７ｂは環状に形成してあり、この環状の大端部３５ｂ及び３７ｂ内に、クランクシャフト３３に対し偏心して形成してある偏心円板部３３ａ及び３３ｂを回転可能に連結している。

以上より、クランクシャフト３３の回転により、１本のコネクティングロッド３５を介して第１，第２ディスプレーサ１９，２７が、互いに１８０度の位相差で運動すると同時に、２本のコネクティングロッド３７を介してパワーピストン２１が、第１ディスプレーサ１９に対し１８０度よりも小さい位相差、例えば９０度の位相差で運動する。

そして、吸熱器１３と第１ディスプレーサ１９との間に、吸熱器３３にて加熱された作動ガスが膨脹する前記した高温空間１７が、放熱器１５と第２ディスプレーサ２７及びパワーピストン２１との間には、放熱器１５にて放熱された作動ガスが圧縮される前記した低温空間２０がそれぞれ形成される。この高温空間１７と低温空間２０との間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹、圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。

ここで、上記したハウジング本体１と、第１ディスプレーサ１９及びパワーピストン２１とに囲まれた領域が、ヘリウムなどの作動ガスが密閉状態で封入される作動空間となる。この際、パワーピストン２１は、低温空間２０に対し作動ガスの容積変化をもたらすとともに、作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する機能を備えている。一方、第１，第２ディスプレーサ１９，２７は、作動ガスを高温空間１７及び低温空間２０相互間で移動させる機能を備えている。

なお、第１，第２ディスプレーサ１９，２７は外径が互いに異なっていることから、ディスプレーサとして機能するだけでなく、容積変化をもたらすパワーピストンとしても機能している。

作動ガスの圧力変化に基づくパワーピストン２１の往復運動をクランクシャフト３３が回転運動として外部に取り出すことで、本スターリングサイクルはエンジンとなり、逆にクランクシャフト３３に外部からモータなどの駆動手段によって回転させてパワーピストン２１を往復移動させることで、吸熱器１３及び放熱器１５を貫通する伝熱管１３ａ及び１５ａ内を流れる伝熱流体を介して外部に温熱や冷熱を供給するヒートポンプや冷凍機となる。

上記した第１の実施形態によるスターリングサイクルでは、第１ディスプレーサ１９と第２ディスプレーサ２７とが熱交換器ユニット９に対して１８０度の位相差で往復移動する際に、パワーピストン２１が往復移動して作動空間の容積変化をもたらすことになる。このため、高温空間１７と低温空間２０とは、実質的に１８０度以外の位相差で容積変化することと等価となる。

作動空間の容積変化による作動ガスの膨脹，圧縮により、熱と動力との変換が行われ、このとき作動ガスは、吸熱器１３、再生器１１及び放熱器１５を順次往復流となって通過する際に、吸熱器１３及び放熱器１５にて熱交換を行うと同時に、再生器１１を通過する作動ガスの移動が行われる。

この際、本実施形態では、互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に対し、作動ガスの容積変化を行わせるとともに作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達するパワーピストン２１及び、作動ガスを高温空間１７と低温空間２０との間を移動させる第１，第２ディスプレーサ１９，２７を設けることにより、温度差に応じた必要な再生器通過ガス流量を確保して、充分な圧力変化を確保することができる。

このように、高温空間１７と低温空間２０とを、実質的に１８０度以外の例えば１５０度前後の位相差で容積変化させる際には、パワーピストン２７の行程容積が各ディスプレーサ１９，２７のそれより小さいので、高温空間１７と低温空間２０の容積変化の位相差は、実質的に大きくすることができる。これにより、パワーピストン２１は、第１ディスプレーサ１９に対して９０度の位相差で相対移動可能となるようクランクシャフト３３に連結すればよいので、クランクシャフト３３の設定は容易であり、低温度差型のスターリングサイクルであっても、高温度差型と理論上同等な最大出力を得ることが容易に可能となる。

また、この場合、熱交換器ユニット９を薄型化して表面積を大きくしコンパクト化を図っても、熱交換器ユニット９に対する第１ディスプレーサ１９と第２ディスプレーサ２７との位相差が１８０度、つまり各ディスプレーサ１９，２７相互が一体移動する構成であることから、高温空間１７と低温空間２０との間の作動ガスの移動がより確実になり、また流路抵抗の低減および圧力損失も低減することから、高速回転が容易となる。高回転化及びコンパクト化が達成されることで、特に、地熱などの自然エネルギや産業廃棄熱を有効利用可能な低温度差型のスターリングエンジンに最適なものとなる。

上記した第１の実施形態によるスターリングサイクルでは、パワーピストン２１のピストン頂部２１ｄによる受圧面積を、内部にシリンダ部２１ａを形成することで第１ディスプレーサ１９の受圧面積より小さくしている。その際、パワーピストン２１の支持構造として、２本のコネクティングロッド３７により外周側の２箇所を連結支持することで、小さい受圧面積であっても構造の複雑化を抑制しつつ支持をより確実にすることができる。

また、本実施形態では、二つのピストンで構成した第１，第２ディスプレーサ１９，２７相互を、連結ロッド３１で互いに連結している。このため、第１ディスプレーサ１９と第２ディスプレーサ２７に掛かるピストン力は連結ロッド３１で吸収され、各ディスプレーサ１９，２７の面積差分のみクランクシャフト３３に作用することから、機械損失が低減して高速回転が容易となる。

その際、本実施形態では、二つのピストンで構成した第１，第２ディスプレーサ１９，２７相互を、これらの中心にて１本の連結ロッド３１で互いに連結している。ここで、膨張側の第１ディスプレーサ１９は、圧縮側の第２ディスプレーサ２７に対して高温（例えば３００℃）となり、したがって第２ディスプレーサ２７との間で熱膨張差が発生する。

しかしながら、第１，第２ディスプレーサ１９，２７相互の中心を１本の連結ロッド３１で連結していることから、連結ロッド３１の傾きや、連結ロッド３１と熱交換器ユニット９の貫通孔９ａとの間など部品相互の干渉もしくは摺動抵抗を抑え、第１，第２ディスプレーサ１９，２７の往復運動についても摩擦抵抗が低減されて効率よくなされることになる。

また、連結ロッド３１が１本であることから、その分組立誤差が減少し、組立作業性が向上する上、部品点数も削減され、加工精度の要求も小さくなって、コスト低下に有効となる。

例えば、図８に示す参考例の熱機関では、２つのディスプレーサ１０１，１０３相互を２本の連結ロッド１０５，１０７で連結している。この場合、一方のディスプレーサ１０３に形成したシリンダ部１０３ａ内にパワーピストン１０９を収容することになる。

このように、２つのディスプレーサ１０１，１０３を２本の連結ロッド１０５，１０７で連結する構成では、２つのディスプレーサ１０１，１０３相互の熱膨張差によって連結ロッド１０５，１０７相互の間隔が不均一になって連結ロッド１０５，１０７が傾くことになる。その結果、連結ロッド１０５，１０７と熱交換ユニット９の貫通孔９ａとの間など部品相互が干渉もしくは摺動抵抗が増大する恐れがある。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、図３，図４に示すように、前記図１のパワーピストン２１に相当するパワーピストン２１Ａの外径を、図１のパワーピストン２１よりも外径を大きくすることで、パワーピストン２１Ａの外径を第１ディスプレーサ１９の外径より大きくしている。このためパワーピストン２１Ａを収容しているハウジング本体１の低温側シリンダ部１ｃの直径が、図１の同直径より大きくなっており、これに対応してクランクケース５も大きくなっている。

なお、第２の実施形態では、図１の構造において、パワーピストン２１の外径はそのままで、第１ディスプレーサ１９の外径をパワーピストン２１の外径よりより小さくしてもよい。

その他の構成は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付してある。但し、パワーピストン２１Ａの各部については、図１の符号に「Ａ」を付加している。

ここで、パワーピストン２１は、２本のコネクティングロッド３７でクランクシャフト３３に連結しているが、第１ディスプレーサ１９については、１本のコネクティングロッド３５でクランクシャフト３３に連結している。このため、パワーピストン２１と第１ディスプレーサ１９とが同径の場合には、これらに作用するピストン力が同等となり、第１，第２ディスプレーサ１９，２７の駆動系はパワーピストン２１の駆動系に比較して負担が２倍大きくなる。

しかしながら、本実施形態では、パワーピストン２１Ａの外径を第１ディスプレーサ１９の外径より大きくすることで、パワーピストン２１Ａが負担するピストン力を相対的に大きくでき、第１，第２ディスプレーサ１９，２７の双方に作用するピストン力を軽減させることができる。

ここで、パワーピストンの面積＝Ｃ×（第１ディスプレーサの面積−第２ディスプレーサの面積）とし、Ｃ＝パワーピストンの支持点数／ディスプレーサの支持点数とすると、各支持点における荷重を等しくすることができる。

したがって、この場合第１，第２ディスプレーサ１９，２７の双方に作用するピストン力と、パワーピストン２１Ａに作用するピストン力とをより均衡させることができ、１本のコネクティングロッド３５に作用する力をより軽減することができる。

特に、パワーピストン２１Ａの外径を第１ディスプレーサ１９の外径より大きくするとともに、さらに、図３に示すように第２ディスプレーサ２７の外径を第１ディスプレーサ１９の外径より小さくすることで、第１，第２ディスプレーサ１９，２７の双方に作用するピストン力と、パワーピストン２１Ａに作用するピストン力とをより一層均衡させることができる。

また、第２の実施形態において、第２ディスプレーサ２７の外径を大きくして第１ディスプレーサ１９の外径と同等とした場合には、第１，第２ディスプレーサ１９，２７はディスプレーサとしてのみ機能することになり、ピストン力をパワーピストン２１Ａのみに作用させることができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、図５，図６に示すように、図１または図３の構造に対し、第１ディスプレーサ１９の熱交換器ユニット９と反対側に第２の熱交換器ユニット９０を配置するとともに、第２の熱交換器ユニット９０の第１ディスプレーサ１９と反対側に第２パワーピストン２１０及び第３ディスプレーサ２７０を配置している。

第２パワーピストン２１０は、パワーピストン２１のシリンダ部２１ａに相当するシリンダ部２１０ａを備えている。このシリンダ部２１０ａに往復移動可能に収容した第３ディスプレーサ２７０と第１ディスプレーサ１９とは、第２連結ロッド３１０によって互いに連結している。したがって、第１ディスプレーサ１９及び第２ディスプレーサ２７と第３ディスプレーサ２７０とは、互いに一体となって往復移動する。

また、ここでのパワーピストン２１は、第２の実施形態のパワーピストン２１Ａのように第１ディスプレーサ１９よりも外径を大きくしてあり、第２パワーピストン２１０の外径はパこのワーピストン２１の外径と同等としている。

ここでこれらパワーピストン２１及び第２パワーピストン２１０の外径は、上述したように第１ディスプレーサ１９の外径より大きく、かつ平面視でほぼ正方形状とした熱交換器ユニット９，９０の一辺の長さより大きくしており、各パワーピストン２１，２１０の外周縁部を、第１ディスプレーサ１９及び熱交換器ユニット９，９０の外周縁部より外側へ突出させている。

そして、この外側へ突出した部分の各パワーピストン２１，２１０相互を、複数の例え４本のパワーピストン連結ロッド４７によって互いに連結している。したがって、ここでの各パワーピストン２１，２１０は、互いに一体となって往復運動することになる。上記４本のパワーピストン連結ロッド４７は、ハウジング本体１の熱交換器ハウジング部１ａに、上下方向に貫通して形成してあるハウジング貫通孔１ａ１に移動可能に挿入してある。

したがって、本実施形態では、第１，第２ディスプレーサ１９，２７及びパワーピストン２１をそれぞれ備えた一つの熱機関ユニット４９と、第１，第３ディスプレーサ１９，２７０及び第２パワーピストン２１０をそれぞれ備えた他の一つの熱機関ユニット５１とを、ピストン移動方向に複数積層していることになる。この際、互いに隣接する熱機関ユニット４９，５１相互間に位置する第１ディスプレーサ１９は、各熱機関ユニット４９，５１相互で共用していることになる。

このように隣り合う熱機関ユニット４９，５１相互がピストン（第１ディスプレーサ１９）を共用して、構造の簡素化を図りつつ、このスターリングサイクルをエンジンサイクルとして使用する場合には、標準化されたモジュールを適宜積層することで、必要とする出力を容易に得ることができ、さらに、ヒートポンプサイクルや冷凍サイクルを適宜組み合わせることで、多様な熱源および出力温度に対応した複合サイクルを実現することができる。

なお、上記図５の例においては、熱機関ユニット４９，５１を二つとしたが、これを
さらに三つ四つと増加させることも可能である。

また、上記図５の例において、パワーピストン２１と第２パワーピストン２１０とをパワーピストン連結ロッド４７で連結せずに、第２パワーピストン２１０を、パワーピストン２１と同様に２本のコネクティングロッド及びクランクシャフトを別途設定して往復移動させるようにしてもよい。その場合においても、パワーピストン２１，２１０相互は、互いに１８０度位相差で運動させることはもちろんである。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、図７に示すように、前記した各実施形態で使用していたクランクシャフト３３に代えてリニア発電機ユニット（リニア電動機でもよい）５３を使用している。リニア発電機ユニット５３は、第２ディスプレーサ２７に連結した１本コネクティングロッド５５に対応するリニア発電機５７と、パワーピストン２１に連結した２本コネクティングロッド５９に対応するリニア発電機６１，６３とを備えている。

これら各リニア発電機５７，６１，６３は同等の構成であり、クランクケース５側に固定したコイルを有するステータ６５と、ステータ６５内にて図７中で上下方向に移動可能な移動体となるプランジャ６７とを備えている。各プランジャ６７は、コネクティングロッド５５，５９にそれぞれ一体化して設けてある。

また、第１ディスプレーサ１９とカバー３側の内面に設けたスプリング受６９との間にはスプリング７１を、パワーピストン２１とクランクケース５側の内面に設けたスプリング受７３との間にはスプリング７５をそれぞれ設けている。これら各スプリング７１，７５は、第１ディスプレーサ１９，パワーピストン２１をそれぞれ中立位置（ピストン移動行程の中間位置）に保持するように機能している。

この場合、作動ガスの圧力変化に基づいて、パワーピストン２１及び第１，第２ディスプレーサ１９，２７が往復運動することで、各プランジャ６７がステータ６５内を往復移動してリニア発電機５７，６１，６３が発電する。このとき、スプリング７１，７５は強制振動されてパワーピストン２１及び第１，第２ディスプレーサ１９，２７の往復運動を補完する。その際、第１，第２ディスプレーサ１９，２７とパワーピストン２１とが、前記した各実施形態と同様に、１８０度よりも小さい例えば９０度の位相差で運動するように、第１，第２ディスプレーサ１９，２７とパワーピストン２１の質量及び、各スプリング７１，７５のばね定数の調整を行う。

逆に、リニア発電機ユニット５３をリニア電動機として利用する場合には、リニア発電機５７，６１，６３がリニア電動機となり、該リニア電動機に交流電源から通電することで第１，第２ディスプレーサ１９，２７とパワーピストン２１を往復移動させる。これにより、吸熱器１３及び放熱器１５を貫通する伝熱管１３ａ及び１５ａ内を流れる伝熱流体を介して外部に温熱や冷熱を供給するヒートポンプや冷凍機となる。

１１再生器
１７高温空間
１９第１ディスプレーサ（第３ピストン，他方のディスプレーサ）
２０低温空間
２１，２１Ａパワーピストン（第１ピストン）
２１ａシリンダ部
２７第２ディスプレーサ（第２ピストン，一方のディスプレーサ）
３１連結ロッド
４９，５１熱機関ユニット
２１０第２パワーピストン
２７０第３ディスプレーサ

Claims

互いに異なる温度域を持つ作動ガスが保持された作動空間に、前記温度域の境界としての再生器を設け、この再生器の両側の高温空間及び低温空間の容積変化と作動ガスの移動を利用して熱と動力との変換を行う熱機関において、前記作動空間の容積変化をもたらすとともに、前記作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達する第１ピストンを設け、前記作動ガスを前記高温空間と低温空間との間を移動させる第２及び第３ピストンを、前記再生器に対して互いに１８０度の位相差で運動させるよう構成して前記高温空間及び低温空間にそれぞれ設け、前記第２及び第３ピストンのうちの一方を、前記第１ピストン内に設けたシリンダ部に移動可能に収容し、前記第１ピストンと前記第２及び第３ピストンとを１８０度よりも小さな位相差で運動させるよう設定したことを特徴とする熱機関。
前記第２，第３ピストン相互を、連結ロッドで連結したことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
前記第２，第３ピストン相互を、これら各ピストンの中心にて１本の連結ロッドで連結したことを特徴とする請求項２に記載の熱機関。
前記第１ピストンの直径を、前記第２，第３ピストンのうちの他方のピストンの直径より大きくしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱機関。
前記第２，第３ピストン及び前記第１ピストンをそれぞれ備えた一つの熱機関ユニットを、ピストン移動方向に複数積層し、この複数の熱機関ユニットの隣接するもの相互間に、この各熱機関ユニット相互で共用する一つのピストンを、前記第２，第３ピストンのうちの他方として配置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱機関。