JP4281643B2 - 振動流再生型熱機関 - Google Patents

Description

本発明は、振動流再生型熱機関に関し、特に、その圧縮空間（膨張空間）がロータリピストンにより画定される圧縮機（膨張機）に関する。

周知のように、振動流再生型熱機関の一形態であるロータリ式スターリング冷凍機若し
くはスターリングエンジンは、圧縮機の圧縮空間、放熱器、再生器、吸熱器及び膨張機の
膨張空間から形成される系の内部に作動ガスを封入し、前記圧縮空間の容積及び前記膨張
空間の容積を所定の位相差でもって周期的に変化させることにより（スターリングサイク
ルを形成し）、冷却若しくは動力が得られるようにしたものであって、圧縮空間及び膨張
空間は、内部空間の中に回転可能なロータを設けて形成される。具体的には、非特許文献
１並びに特許文献１〜４に開示のものがある。
すなわち、非特許文献１にあるものはバンケルタイプのロータリピストン機構を持った
ものであるが、圧縮部並びに膨張部のハウジング内において、ロータ（回転体）側のシー
ル部で仕切られている複数の作動空間はサイクル中、ロータの回転とともに回転移動する
。それに対して圧縮部並びに膨張部のハウジングの外周部に付設されている作動ガスの出
入り口は位置を変えないために、個々の圧縮部及び膨張部内の作動ガスは、圧縮部並びに
膨張部のハウジングに付設されている作動ガスの出入り口に連通している複数の熱交換器
セット（再生器、放熱器、吸熱器）に対しても流れるので、本来、分離されるべき複数の
サイクルが混ざり合うことになる。作動ガスが、サイクル中、別サイクル（気筒）の熱交
換器内等で混ざり合うことは、熱的損失発生が大きい上に、正規のスターリングサイクル
に特有のなめらかな圧力変動の実現も困難にする。可変容積空間が回転して、ガスの出入
り口がハウジング外側に固定されている基本構成は、特許文献１〜３も同様である。
"Stirling Engines" P.118, G. Walker 著 米国特許第６１０９０４０号公報 米国特許第３４２６５２５号公報 米国特許第３７６３６４９号公報 米国特許第５４４２９２３号公報

非特許文献１にて開示される装置は膨張空間、圧縮空間がサイクル中に完全に遮断・開
通されるタイミングが生じる為、それが遮断・開通する瞬間には切換弁損失（圧力等の状
態量が異なる空間同士が遮断・連通される際に発生する、熱力学的不可逆性に基づく損失
）に相当する損失が発生する上、なめらかにサイクルをつなぎ、熱的、流体的バランスを
取り、定常サイクルを維持することは容易ではないと考えられる。特許文献１開示の装置
は冷却を得ることを主目的にしたものではあるが、非特許文献１と同様の問題がある。特許文献２開示の装置は、熱交換器に対して、作動流体の流れが一方向性をもつため、カウ
ンターの流れをもつ別気筒の再生器同士で再生熱の交換をする必要が生じることなど往復
流動下で効果を発揮する再生器（スターリングサイクル機関の性能上、大きな役割を果た
す再生型の熱交換器）が十分働かず、大きな性能低下は否めない。特許文献３に開示の装
置は、圧縮部と膨張部の出入り口部に開閉切換弁が取り付けられており、切換弁がないの
が特長のひとつでもあるスターリングサイクルとしては、切換弁損失が発生して性能低下
につながることや切換弁という余分な機構の増加につながる。

しかして、特許文献４に開示の装置は、ロータ側にベーンが付設され、ベーンによるシ
ール部ならびにそれで仕切られる個々の可変容積空間が、ロータの回転とともに、回転移
動する点は、非特許文献１並びに特許文献１〜３に開示の装置と基本的に同じであるが、
ガスの出入り口が、回転するロータ自身の中心部にあり、個々の可変容積空間とそれぞれ
相手になる熱交換器セットの組み合わせは変化しないので、理論上は理想的なスターリン
グサイクルの形成が可能である。しかしながら、この機構でも大きな問題点がある。（１
）コンプレッサ、ウオームディスプレース・ポンプ、コールドディスプレース・ポンプの
各ハウジング内に夫々形成される可変容積空間の出入り口がロータ中心部に付設されるこ
とになり、そこからハウジング外部へ連通させるには、ロータの回転シャフト部を通さな
くてはならず、その際、回転部に密閉性（シール性）を考慮したガス通路を敷設すること
は、機関の設計上、困難が大きい。また、この場合、最も大きな問題は、ハウジング中心
部に通じる各室のふたつの可変容積空間の出入り口は、特許文献４（同特許明細書中の図
４）にあるように、必ず、ロータの両端面に付設されることになることである。そうなる
と、ロータリスターリング機関としては、最も自然な構造となる、同軸上に各ハウジング
を付設する構成（例えば、後述する本発明の図２に示すような構成）において、膨張部と
圧縮部のそれぞれは、対面する空間にガス流路を最短均一形状で連結することが困難にな
る。例えば、片方の流路はぐるりとハウジング全体を迂回する必要がでてくる。その場合
には、ふたつのサイクルを形成する空間において、大きな死容積の違いが生じる（大きな
死容積を生じたほうは、大きな性能低下がある上、ふたつの気筒間での作動アンバランス
も大きい）。また、ガス出入り口は、ロータ中心部に限られるので、この特許にあるよう
に２気筒（２空間）構成が限界で、これを更なる多気筒化することは困難である。（２）
特許文献４にあるように、各空間から作動ガスをハウジング出入り口に導くのに、ロータ
の両端面に溝をほる必要があり、（１）で指摘した軸まわりのシールの難しさだけでなく
、ロータ端面シール（ロータ端面とハウジングの間の密閉）も難しい構造と言える。（３
）可変容積空間がロータの回転に従って回転移動し続けるので、それに伴う作動ガスの流
動損出が各ハウジング内で発生し、性能低下につながる。尚、特許文献４に開示の装置は
、スターリングサイクル機関の中でもγ 型に相当し、ここでは、コンプレッサとウオー
ムディスプレース・ポンプが所謂圧縮機の機能を発揮し、コールドディスプレース・ポンプが所謂膨張機の機能を発揮している。

それ故に、本発明は、上記した５つの文献に開示の振動流再生型熱機関が共通してあるいは個別に持つ下記の不具合がない、つまり、実用化が容易な振動流再生型熱機関を提供
することを、技術的課題とするものである。

（１）複数のサイクルの作動空間が完全に分離されないことがあり、それぞれの作動ガス
の混在に伴う、エネルギー損失、また、圧力波形のひずみ等（それに伴う仕事損失）があ
る。また、可変容積空間の作動ガスの出入り口部などに切替弁の付設が必要となり、構成
が複雑となり、その開閉に伴う損失が惹起される。

（２）可変容積空間がロータの回転に従って回転移動し続けるので、それに伴う作動ガス
の流動損出が各ハウジング内で発生し、性能低下につながる。

（３）可変容積空間の作動ガス出入り口を、ロータ中心部に付設する必要があり、出入り
口部でのガスシールが困難となる。また、同一ハウジング内の２つの可変容積空間の出入
り口部を同じ方向に取り出せず、最短均一な作動ガス流路が形成できず、また、多気筒化
（３気筒以上）において出入り口部を更に増やすことには困難が大きい（特許文献４に固
有の問題）。

（４）ロータの両端面に、ガス溝を作成する必要があり、製作が煩瑣で且つ端面シールが
困難である（特許文献４に固有の問題）。

（５）ハウジングの内周面とロータの外周面の一部を常時、密着・摺接させておく必要が
あり、高い加工精度と精密な装置駆動機構が要求される。

上記技術的課題を解決するために本発明において講じた技術的手段は、
「内部に筒状の第１内部空間が形成された第１ハウジング、前記第１内部空間の軸方向に
延在して設けられた第１シャフト、前記第１内部空間内で前記第１シャフトと一体回転す
べく前記第１シャフトに偏心して固定された第１ロータ、並びに前記第１内部空間の軸心
に対して半径方向に移動可能なように前記第１ハウジングの周方向に所定間隔をもって前
記第１ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの先端部を前記第１ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第１内部空間を少な
くとも容積可変の第１圧縮空間及び第２圧縮空間とに区画形成する第１ロータ機構とを有
する初段圧縮機と、
内部に筒状の第２内部区間が形成された第２ハウジング、前記第２内部空間の軸方向に
延在して設けられた第２シャフト、前記第２内部空間内で前記第２シャフトと一体回転す
べく前記第２シャフトに偏心して固定された第２ロータ、並びに前記第２内部空間の軸心
に対して半径方向に移動可能なように前記第２ハウジングの周方向に所定間隔を持って前
記第２ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの
先端部を前記第２ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第２内部空間を少な
くとも容積可変の第１膨張空間及び第２膨張空間とに区画形成する第２ロータ機構とを有
する初段膨張機と、
内部に筒状の第３内部空間が形成された第３ハウジング、前記第３内部空間の軸方向に
延在して設けられた第３シャフト、前記第３内部空間内で前記第３シャフトと一体回転す
べく前記第３シャフトに偏心して固定された第３ロータ、並びに前記第３内部空間の軸心
に対して半径方向に移動可能なように前記第３ハウジングの周方向に所定間隔を持って前
記第３ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの
先端部を前記第３ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第３内部空間を少な
くとも容積可変の第３圧縮空間及び第４圧縮空間とに区画形成する第３ロータ機構とを有
する次段圧縮機と、
内部に筒状の第４内部空間が形成された第４ハウジング、前記第４内部空間の軸方向に
延在して設けられた第４シャフト、前記第４内部空間内で前記第４シャフトと一体回転す
べく前記第４シャフトに偏心して固定された第４ロータ、並びに前記第４内部空間の軸心
に対して半径方向に移動可能なように前記第４ハウジングの周方向に所定間隔を持って前
記第４ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの
先端部を前記第４ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第４内部空間を少な
くとも容積可変の第３膨張空間及び第４膨張空間とに区画形成する第４ロータ機構とを有
する次段膨張機と、
前記第１圧縮空間と前記第１膨張空間との間に介設された第１放熱器、第１再生器及び
第１吸熱器と、
前記第２圧縮空間と前記第２膨張空間との間に介設された第２放熱器、第２再生器及び
第２吸熱器と、
前記第３圧縮空間と前記第３膨張空間との間に介設された第３放熱器、第３再生器及び
第３吸熱器と、
前記第４圧縮空間と前記第４膨張空間との間に介設された第４放熱器、第４再生器及び
第４吸熱器と、
前記第１吸熱器、前記第２吸熱器、前記第３放熱器及び前記第４放熱器を、この順序で
熱的に連結する熱連結手段とを備え、
前記第１圧縮空間、前記第１放熱器、前記第１再生器、前記第１吸熱器及び前記第１膨
張空間から形成される系の内部に第１作動ガスが封入され、前記第１圧縮空間の容積及び
前記第１膨張空間の容積が所定の位相差で周期的に変化したときに前記第１作動ガスが振動して、
前記第２圧縮空間、前記第２放熱器、前記第２再生器、前記第２吸熱器及び前記第２膨
張空間から形成される系の内部に第２作動ガスが封入され、前記第２圧縮空間の容積及び
前記第２膨張空間の所定の位相差で周期的に変化したときに前記第２作動ガスが振動して、
前記第３圧縮空間、前記第３放熱器、前記第３再生器、前記第３吸熱器及び前記第３膨
張空間から形成される系の内部に第３作動ガスが封入され、前記第３圧縮空間の容積及び
前記第３膨張空間の容積が所定の位相差で周期的に変化したときに前記第３作動ガスが振
動して、
前記第４圧縮空間、前記第４放熱器、前記第４再生器、前記第４吸熱器及び前記第４膨
張空間から形成される系の内部に第４作動ガスが封入され、前記第４圧縮空間の容積及び
前記第４膨張空間の容積が所定の位相差で周期的に変化したときに前記第４作動ガスが振
動して、
前記第１吸熱器、前記第２吸熱器、前記第３吸熱器、前記第４吸熱器から、夫々、個別に所定温度の冷却能力が得られるようにしてなる振動流再生型熱機関。」
を構成したことである。

尚、本発明における技術的手段の「振動流再生型熱機関」としては、請求項２が示すように、スターリングエンジンおよびビルミエサイクル機関、パルス管部が膨張機に相当するタイプのスターリング型パルス管冷凍機、ＣＹサイクル機関、ＧＭ冷凍機及びソルベイ型冷凍機のいずれかである。

本発明においては、スターリングエンジン、スターリング冷凍機に代表される振動流再
生型熱機関において、圧縮機の内部空間及び／又は膨張機の内部空間を、ロータおよびベ
ーンで複数空間に仕切り、ロータの回転により仕切られた空間が容積変動を起こす。この
ようにして容積変動を起こした空間を圧縮空間又は膨張空間として利用するものである。
この場合において、ハウジング及びベーンにより区画された空間が常に同じサイクル空間
を形成するため、サイクルのどの時点においても、複数のサイクル空間同士は、完全に隔
離され、それぞれの作動ガスの混在を防げることができる。よって、常時毎サイクル中、
作動ガスが混ざり合うことによるエネルギー損失、また、圧力波形のひずみ等（それに伴
う仕事損失）が防げられる。更に、一方向的な作動ガス流れも生じず、再生器を初めとす
る熱交換器も正規に稼動し、また、作動ガスの出入り口部などに切換弁（切換弁並びにそ
の開閉・切換機構の付加のため構成を複雑にする上、開閉・切換に伴う損失を発生させる
）の付設も一切必要ない。

また、本発明では、ベーンがロータ側ではなくハウジング側に付設されている。このた
め、ベーン、ロータ、ハウジングで区画される複数の空間は、特許文献４のように回転す
ることがない。そのため、空間の回転に伴なう流動損失の発生を防止することができる。
また、空間の回転が起こらないために、空間内の作動ガス出入り口を自由に設けることが
でき、特許文献４の装置のようにロータ中心部に付設する必要がない。よって、出入り口
部でのガスシールが容易で、同一ハウジング内の複数の可変容積の作動ガス出入り口部を
同じ方向に取り出せ、最短均一な作動ガス流路が形成できる。更に、多気筒化に伴い出入
り口を増やす場合でも、きわめて容易な構造である。

さらに、本発明においては、ロータが内部空間で回転することにより、ベーンによって区画された空間が容積変動を起こすものであれば、どのような回転でも良い。例えば、ロータを内部空間内で偏心回転させることによって容積変動を起こすようにしても良いし、また、ロータを例えば四角形や三角形のような非円形断面として、内部空間でロータを同心的又は偏心的に回転させることによって容積変動を起こすようにしても良い。この場合において、ロータの作りやすさやコストの面から、ロータを円柱状にし、且つ、内部空間内で偏心回転させるのが、好ましい。

（１）ロータ機構において、サイクルのどの時点においても、複数のサイクル空間同士は、完全に隔離され、それぞれの作動ガスの混在が防げられるため、常時サイクル中、作動ガスが混ざり合うことによるエネルギー損失、また、圧力波形のひずみ等（それに伴う仕事損失）が防げる。更に、一方向的な作動ガス流れも生じず、再生器を初めとする熱交換器も正規に稼動し、また、作動ガスの出入り口部などに切換弁（切換弁並びにその開閉機構の付加のため構成を複雑にする上、開閉に伴う損失を発生させる）の付設も一切必要ない。

（２）ベーンがハウジング外周壁に付設されており、作動ガス出入り口を、特許文献４の
装置のようにロータ中心部に付設する必要がないので、出入り口部でのガスシールが容易
で、同一ハウジング内の複数の可変容積の作動ガス出入り口部を同じ方向に取り出せ、最
短均一な作動ガス流路が形成できる。更に、多気筒化に伴い出入り口を増やす場合でも、
きわめて容易な構造である。

（３）特許文献４の装置のように、ロータの両端面に、ガス溝を作成する必要がないので、端面シールが容易である。

（４）圧縮機や膨張機の可変容積の空間がロータの回転に従って回転移動することはない
ので、これに伴う各ハウジング内での流動損失が発生しない。

（５）ハウジングの内周面とロータの外周面の一部を常時、密着・摺接させておく必要が
なく、設計・製作が容易な構成となる。

本発明に係るスターリング冷凍機、スターリングエンジン、ビルミエサイクル機関およびスターリング型パルス管冷凍機の構成と、本発明をスターリング冷凍機にあてはめた実施形態例を図面に基づいて詳しく説明する。

はじめに、本発明に係るスターリング冷凍機の構成について説明する。図１及び図２において、スターリング冷凍機ＳＲ１は、圧縮機１０、放熱器２０、再生器３０、吸熱器４０、放熱器６０、再生器７０、吸熱器８０及び膨張機５０を備える。圧縮機１０（膨張機５０）の本体を構成する第１ハウジンング１１（第２ハウジンング５１）の内部には、円筒状の第１内部空間１２（第２内部空間５２）が形成されている。第１内部空間１２と第２内部空間５２とは、直列的に配置されている。第１内部空間１２（第２内部空間５２）の内部には、同心的に、第１シャフト１３（第２シャフト５３）が配設されている。しかして、第１シャフト１３は、モータ９８により回転されるようになっており、また、図示されない連結手段により第２シャフト５３は第１シャフト１３と連結されており、第２シャフト５３は、第１シャフト１３と一体回転するようになっている。

尚、図示の状態では、第１シャフト１３（第２シャフト５３）は、第１内部空間１２（
第２内部空間５２）の軸心に対して偏心していないが、これは絶対条件ではなく、また、
第１内部空間１２と第２内部空間５２とは、段違い平行的に設けて、第１シャフト１３と
第２シャフト５３とを図示されない機構を介して同期して作動させても良い。

第１シャフト１３（第２シャフト５３）上には、円形外周面を持つ第１ロータ１４（第
２ロータ５４）が偏心して、すなわち、第１ロータ１４（第２ロータ５４）の中心を通る
軸心が第１シャフト１３（第２シャフト５３）の軸心からオフセットするように、固定さ
れている。第１ハウジンング１１（第２ハウジンング５１）には、一対の第１ブレード１
５・１５（一対の第２ブレード５５・５５）が、第１内部空間１２（第２内部空間５２）
の軸心に対して半径方向に移動可能に、周方向に所定の間隔をおいて（この場合は、１８
０度の角度位相差をおいて、同一対向的に）支持されている。しかして、一対の第１ブレ
ード１５・１５（一対の第２ブレード５５・５５）は、一対の付勢手段１６・１６（一対
の付勢手段５６・５６）により、常時、半径内方向に付勢されており、これにより、一対
の第１ブレード１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一対の第２ブレード５５・５５の先
端部５５ａ・５５ａ）は、回転する第１ロータ１４（第２ロータ５４）の円形外周面上を
、シール係合を保ちながら、摺接する。

尚、図１１に示すように、第１シャフト１３上に、円柱状の中間部材１４ａを該第１シ
ャフト１３に対して偏心して一体的に取り付け、この中間部材１４ａの外周に円形外周面
を持つ第１ロータ１４を設けるようにしても良い。この場合には、第１シャフト１３の回
転により中間部材１４ａが一体回転するが、中間部材１４ａと第１ロータ１４との接触面
における摩擦抵抗を小さく設定することにより、中間部材１４ａに対する第１ロータ１４
の連れ回りを防止することができる。このようにすることにより、第１ロータ１４の自転
を防止することができる。一方、中間部材１４ａによる偏心運動は第１ロータ１４にも作
用するため、結局のところ、第１ロータ１４は、第１内部空間１２内において自転せずに
偏心回転する。第１ロータ１４が自転せずに偏心回転するので、第１ロータ１４と第１ブ
レード１５・１５との摺接部分における摺動速度を減ずることができ、その結果、摩耗防
止を図ることができる。さらに、第１ロータ１４の外周面を潤滑性に優れた材質で形成す
ることにより、より一層摩耗防止を図ることができる。

上記したような一対の第１ブレード１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一対の第２ブ
レード５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ）の第１ロータ１４（第２ロータ５４）の円形
外周面上へのシール係合は、第１内部空間１２（第２内部空間５２）を、第１圧縮空間１
７と第２圧縮空間１８（第１膨張空間５７と第２膨張空間５８）とに、気密的に、区画す
る。第１圧縮空間１７（第２圧縮空間１８）は、放熱器２０、再生器３０及び吸熱器４０
（放熱器６０、再生器７０及び吸熱器８０）が介設された配管９０（配管９１）を介して
、第１膨張空間５７（第２膨張空間５８）に連結される。かような第１圧縮空間１７、放
熱器２０、再生器３０、吸熱器４０及び第１膨張空間５７の連結（第２圧縮空間１８、放熱器６０、再生器７０、吸熱器８０及び第２膨張空間５８の連結）により形成される系の
内部には、作動ガス（例えばヘリウム）が封入され、第１圧縮空間１７の容積及び第１膨
張空間５７の容積（第２圧縮空間１８の容積及び第２圧縮空間５８の容積）が例えば９０
度の位相差で周期的に変化すると、この系においては、周知のスターリングサイクルが形
成され、吸熱器４０（吸熱器８０）からは、所定の低温が取り出される。

すなわち、第１圧縮空間１７、放熱器２０、再生器３０、吸熱器４０及び第１膨張空間
５７の連結により形成される系において、圧縮空間が膨張空間に対して例えば９０度遅れ
た位相を持つ場合、図３の（１）、（２）、（３）及び（４）並びに図４の（１）、（２
）、（３）及び（４）に示すように、第１ロータ１４の角位置（位相）が０度、９０度、
１８０度及び２７０度にあるとき、第２ロータ５４の角位置（位相）は、夫々、９０度、
１８０度、２７０度及び０度となる（なお、図４は、図３における容積変化を、往復動ピ
ストン型と対比させて示したグラフである。また、図３において、ロータの回転方向は図
面に向かって右回転（時計回り方向の回転）としている。）。第１ロータ１４の角位置（
位相）が０度から９０度に変移する過程では、第１圧縮空間１７の容積は最小から中位に
向かうと共に、第１膨張空間５７の容積は中位から最大に向かい、系全体の容積は膨張的
となる。これにより、第１膨張空間５７内の作動ガスは冷却されて、吸熱器４０からの吸
熱が、主として、最大過程となる。

第１ロータ１４の角位置（位相）が９０度から１８０度に変移する過程では、第１圧縮
空間１７の容積は中位から最大に向かうと共に、第１膨張空間５７の容積は最大から中位
に向かい、系全体の容積変化は等容的となる。これにより、再生器３０を、第１膨張空間
５７から第１圧縮空間１７側に流れる作動ガスの量が増加し、系は主として再生過程とな
る。
第１ロータ１４の角位置（位相）が１８０度から２７０度に変移する過程では、第１圧
縮空間１７の容積は最大から中位に向かうと共に、第１膨張空間５７の容積は中位から最
小に向かい、系全体の容積変化は圧縮的となる。これにより、第１圧縮空間１７の温度は
上昇し、放熱器２０からの放熱は最大過程となる。

第１ロータ１４の角位置（位相）が２７０度から３６０度（＝０度）に変移する過程で
は、第１圧縮空間１７の容積は中位から最小に向かうと共に、第１膨張空間５７の容積は
最小から中位に向かい、系全体の容積変化は等容的となる。これにより、再生器３０を、
第１圧縮空間１７側から第１膨張空間５７側に流れる作動ガスの量が増加し、系は主とし
て再生過程となる。
尚、第２圧縮空間１８、放熱器６０、再生器７０、吸熱器８０及び第２膨張空間５８の
連結により形成される系においても、上記したスターリングサイクルと１８０度の位相差
をもったスターリングサイクルが形成される。

しかして、上記したスターリングサイクルの過程においては、一対の第１ブレード１５
・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一対の第２ブレード５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ）は、回転する第１ロータ１４（第２ロータ５４）の円形外周面上を、シール係合を保ち
ながら、摺接する。かような一対の第１ブレード１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一
対の第２ブレード５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ）の第１ロータ１４（第２ロータ５
４）の円形外周面上へのシール係合は、また、第１内部空間１２（第２内部空間５２）に
より画成される内部空間を、第１圧縮空間１７と第２圧縮空間１８（第１膨張空間５７と
第２膨張空間５８）とに、気密的に区画し、作動ガスが第１圧縮空間１７から第２圧縮空
間１８に漏洩したり、第２圧縮空間１８から第１圧縮空間１７に漏洩したりすることはな
い（作動ガスが第１膨張空間５７から第２膨張空間５８に漏洩したり、第２膨張空間５８
から第１膨張空間５７に漏洩したりすることはない）。
尚、上述のスターリング冷凍機は、圧縮機と膨張機とが共にロータリタイプの容積変動方式を採用している例であるが、圧縮機側のみ、又は膨張機側のみに、採用したものとしても良い。例えば、図１２に示すように、圧縮機１０のみに採用した構成を採用し、一方、膨張機を、往復動するピストン２５７Ｂ（ピストン２５８Ｂ）と、このピストン２５７Ｂ（ピストン２５８Ｂ）を受容するシリンダ２５７Ａ（シリンダ２５８Ａ）とで第１膨張空間２５７（第２膨張空間２５８）が画成される往復動型のものとしても良い。

図５に示すスターリング冷凍機ＳＲ２は、図１及び図２に示す２気筒のスターリング冷
凍機ＳＲ１を、４気筒に改変したものである。すなわち、スターリング冷凍機ＳＲ２は、
圧縮機１０、放熱器２０（放熱器２０Ａ）、再生器３０（再生器３０Ａ）、吸熱器４０（
吸熱器４０Ａ）、放熱器６０（放熱器６０Ａ）、再生器７０（再生器７０Ａ）、吸熱器８
０（吸熱器８０Ａ）及び膨張機５０を備える。圧縮機１０（膨張機５０）の本体を構成す
る第１ハウジンング１１（第２ハウジンング５１）の内部には、円筒状の第１内部空間１
２（第２内部空間５２）が形成されている。第１内部空間１２と第２内部空間５２とは、
直列的に配置されている。第１内部空間１２（第２内部空間５２）の内部には、同心的に
、第１シャフト１３（第２シャフト５３）が配設されている。しかして、第１シャフト１
３は、モータ（図示略）により回転されるようになっており、また、図示されない連結手
段により第２シャフト５３は第１シャフト１３と連結されており、第２シャフト５３は、
第１シャフト１３と一体回転するようになっている。

第１シャフト１３（第２シャフト５３）上には、円形外周面を持つ第１ロータ１４（第
２ロータ５４）が偏心して固定されている。第１ハウジンング１１（第２ハウジンング５
１）には、４枚の第１ブレード１５・１５・１５・１５（４枚の第２ブレード５５・５５
・５５・５５）が、第１内部空間１２（第２内部空間５２）の軸心に対して半径方向に移
動可能に支持されている。しかして、４枚の第１ブレード１５・１５・１５・１５（４枚
の第２ブレード５５・５５・５５・５５）は、対応する付勢手段１６・１６・１６・１６
（付勢手段５６・５６・５６・５６）により、常時、半径内方向に付勢されており、これ
により、第１ブレード１５・１５・１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ・１５ａ・１５ａ
（第２ブレード５５・５５・５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ・５５ａ・５５ａ）は、回転する第１ロータ１４（第２ロータ５４）の円形外周面上を、シール係合を保ちながら
、摺接する。

第１ブレード１５・１５・１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ・１５ａ・１５ａ（第２
ブレード５５・５５・５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ・５５ａ・５５ａ）の第１ロー
タ１４（第２ロータ５４）の円形外周面上へのシール係合は、また、第１内部空間１２（
第２内部空間５２）を、第１圧縮空間１７と第２圧縮空間１８と第３圧縮空間１７Ａと第
４圧縮空間１８Ａ（第１膨張空間５７と第２膨張空間５８と第３膨張空間５７Ａと第４膨
張空間５８Ａ）とに、気密的に、区画する。第１圧縮空間１７（第２圧縮空間１８／第３
圧縮空間１７Ａ／第４圧縮空間１８Ａ）は、放熱器２０、再生器３０及び吸熱器４０（放
熱器６０、再生器７０及び吸熱器８０／放熱器２０Ａ、再生器３０Ａ及び吸熱器４０Ａ／
放熱器６０Ａ、再生器７０Ａ及び吸熱器８０Ａ）が介設された配管９０（配管９１／９０
Ａ／９１Ａ）を介して、第１膨張空間５７（第２膨張空間５８／第３膨張空間５７Ａ／第
４膨張空間５８Ａ）に連結される。かような第１圧縮空間１７、放熱器２０、再生器３０
、吸熱器４０及び第１膨張空間５７の連結（第２圧縮空間１８、放熱器６０、再生器７０
、吸熱器８０及び第２膨張空間５８の連結／第３圧縮空間１７Ａ、放熱器２０Ａ、再生器
３０Ａ、吸熱器４０Ａ及び第３膨張空間５７Ａの連結／第４圧縮空間１８Ａ、放熱器６０
Ａ、再生器７０Ａ、吸熱器８０Ａ及び第４膨張空間５８Ａの連結）により形成される系の
内部には、作動ガス（例えばヘリウム）が封入され、第１圧縮空間１７の容積及び第１膨
張空間５７の容積（第２圧縮空間１８の容積及び第２膨張空間５８の容積／第３圧縮空間
１７Ａの容積及び第３膨張空間５７Ａの容積／第４圧縮空間１８Ａの容積及び第４膨張空
間５８Ａの容積）が所定の位相差（この場合、９０度の位相差）で周期的に変化すると、
この系においては、周知のスターリングサイクルが形成され、吸熱器４０（吸熱器８０／
吸熱器４０Ａ／吸熱器８０Ａ）からは、所定の低温が取り出される。

図６に示す本発明をスターリング冷凍機ＳＲ３に適応した実施形態では、図１及び図２に示す２気筒のスターリング冷凍機ＳＲ１を一対備え、一方のスターリング冷凍機ＳＲ１（つまり第１段側のスターリング冷凍機ＳＲ１）の吸熱器を、他方のスターリング冷凍機ＳＲ１（つまり第２段側のスターリング冷凍機ＳＲ１）の放熱器に、熱伝導体１００によって熱的に連結したものである。このような構成においては、一方のスターリング冷凍機において、より低温を取り出すことが実現できる。すなわち、熱伝導体１００に吸熱器４０が連結された側のスターリング冷凍機を初段側スターリング冷凍機とし、熱伝導体１００に放熱器２０が連結された側のスターリング冷凍機を次段側スターリング冷凍機とすれば、初段側スターリング冷凍機によって発生した寒冷が熱伝導体１００により次段側スターリング冷凍機の放熱器側に伝達される。これにより次段側スターリング冷凍機の放熱が促進され、次段側スターリング冷凍機の吸熱器においてより低温の寒冷を取り出すことができる。

図７及び図８に、図１及び図２に示す２気筒のスターリング冷凍機ＳＲ１に適応したロ
ータ機構を、スターリングエンジンに採用した例を示す。図７及び図８において、スター
リングエンジンＳＥは、圧縮機１０、放熱器２０、再生器１３０、吸熱器４０、放熱器６０、再生器１７０、吸熱器８０及び膨張機５０を備える。圧縮機１０（膨張機５０）の本
体を構成する第１ハウジンング１１（第２ハウジンング５１）の内部には、円筒状の第１
内部空間１２（第２内部空間５２）が形成されている。第１内部空間１２と第２内部空間
５２とは、直列配置になっている。第１内部空間１２（第２内部空間５２）の内部には、
同心的に、第１シャフト１３（第２シャフト５３）が配設されている。しかして、第１シ
ャフト１３には、発電機１９０の回転軸が一体的に連結されており、また、図示されない
連結手段により第２シャフト５３は第１シャフト１３と連結されており、第２シャフト５
３は、第１シャフト１３と一体回転するようになっている。

第１シャフト１３（第２シャフト５３）上には、円形外周面を持つ第１ロータ１４（第
２ロータ５４）が偏心して固定されている。第１ハウジンング１１（第２ハウジンング５
１）には、一対の第１ブレード１５・１５（一対の第２ブレード５５・５５）が、第１内
部空間１２（第２内部空間５２）の軸心に対して半径方向に移動可能に、対向的に支持さ
れている。しかして、一対の第１ブレード１５・１５（一対の第２ブレード５５・５５）
は、一対の付勢手段１６・１６（一対の付勢手段５６・５６）により、常時、半径内方向
に付勢されており、これにより、一対の第１ブレード１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ
（一対の第２ブレード５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ）は、回転する第１ロータ１４
（第２ロータ５４）の円形外周面上を、シール係合を保ちながら、摺接する。

上記したような一対の第１ブレード１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一対の第２ブ
レード５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ）の第１ロータ１４（第２ロータ５４）の円形
外周面上へのシール係合は、また、第１内部空間１２（第２内部空間５２）を、第１圧縮
空間１７と第２圧縮空間１８（第１膨張空間５７と第２膨張空間５８）とに、気密的に、
区画する。第１圧縮空間１７（第２圧縮空間１８）は、放熱器２０、再生器１３０及び吸
熱器４０（放熱器６０、再生器１７０及び吸熱器８０）が介設された配管９０（配管９１
）を介して、第１膨張空間５７（第２膨張空間５８）に連結される。かような第１圧縮空
間１７、放熱器２０、再生器１３０、吸熱器４０及び第１膨張空間５７の連結（第２圧縮
空間１８、放熱器６０、再生器１７０、吸熱器８０及び第２膨張空間５８の連結）により
形成される系の内部には、作動ガス（例えばヘリウム）が封入され、吸熱器４０（吸熱器
８０）に火力、太陽熱その他の熱エネルギーが継続して印加されると、第１圧縮空間１７
の容積及び第１膨張空間５７の容積（第２圧縮空間１８の容積及び第２膨張空間５８の容
積）が所定の位相差で周期的に変化する。つまり、この系おいては、周知のスターリング
サイクルが形成され、第１シャフト１３及び第２シャフト５３が一体回転し、発電機１９
０が駆動され、発電がなされる。尚、発電機１９０を駆動して発電する代わりに、第１シ
ャフト１３及び／または第２シャフト５３から、直接、動力（軸出力）を取り出しても良
い。

しかして、上記したスターリングサイクルの過程においては、一対の第１ブレード１５
・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一対の第２ブレード５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ
）は、回転する第１ロータ１４（第２ロータ５４）の円形外周面上を、シール係合を保ちながら、摺接する。かような一対の第１ブレード１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一
対の第２ブレード５５・５５の先端部５５ａ・５５ａ）の第１ロータ１４（第２ロータ５
４）の円形外周面上へのシール係合は、また、第１内部空間１２（第２内部空間５２）を
、第１圧縮空間１７と第２圧縮空間１８（第１膨張空間５７と第２膨張空間５８）とに、
気密的に区画し、作動ガスが第１圧縮空間１７から第２圧縮空間１８に漏洩したり、第２
圧縮空間１８から第１圧縮空間１７に漏洩したりすることはない（作動ガスが第１膨張空
間５７から第２膨張空間５８に漏洩したり、第２膨張空間５８から第１膨張空間５７に漏
洩したりすることはない）。

なお、上記したロータ機構は、スターリングサイクル機関以外の他の振動流再生型熱機
関、すなわち、スターリング型パルス管冷凍機、ビルミエサイクル機関、ＣＹサイクル機
関（熱を入力することで、ヒートポンプや冷凍機として動作するＣｏｏｋｅ−Ｙａｒｂｏ
ｒｏｕｇｈサイクル機関）、ＧＭ冷凍機、ソルベイ型冷凍機等の圧縮機・膨張機（ディス
プレーサを含む）に採用できることは言うまでもない。尚、ディスプレーサとは、系の全
容積変化をさせることを目的とするのではなく、作動ガスの空間的移動を目的としたピス
トン機構を言う。

すなわち、図９に示すように、ビルミエサイクル機関ＶＨは、高温側ハウジンング１１
（中温側ハウジンング５１／低温側ハウジンング６１）を備える。この高温側ハウジンン
グ１１（中温側ハウジンング５１／低温側ハウジンング６１）内には、シャフト１３（５
３／６３）に連結されたディスプレーサ１４（５４／６４）が回転可能に配置される。

高温側ハウジンング１１（中温側ハウジンング５１／低温側ハウジンング６１）には、
一対の第１ブレード１５・１５（一対の第２ブレード５５・５５／一対の第３ブレード６
５・６５）が、高温側ハウジンング１１の内部空間１２（中温側ハウジング５１の内部空
間５２／低温側ハウジンング６１の内部空間６２）の軸心に対して半径方向に移動可能に
、周方向に所定の間隔をおいて（この場合は、対向的に）支持されている。しかして、一
対の第１ブレード１５・１５（一対の第２ブレード５５・５５／一対の第３ブレード６５
・６５））は、一対の付勢手段１６・１６（一対の付勢手段５６・５６／一対の付勢手段
６６・６６）により、常時、半径内方向に付勢されており、これにより、一対の第１ブレ
ード１５・１５の先端部１５ａ・１５ａ（一対の第２ブレード５５・５５の先端部５５ａ
・５５ａ／一対の第３ブレード６５・６５の先端部６５ａ・６５ａ）は、回転するディス
プレーサ１４（５４／６４）の円形外周面上を、シール係合を保ちながら、摺接する。

このシール係合は、また、内部空間１２（内部空間５２／内部空間６２）を、第１高温
空間１７と第２高温空間１８（第１中温空間５７と第２中温空間５８／第１低温空間６７
と第２低温空間６８）とに、気密的に、区画する。第１高温空間１７（第２高温空間１８
）は、吸熱器２０Ａ、再生器３０Ａ及び放熱器４０Ａ（吸熱器２０Ｂ、再生器３０Ｂ及び
放熱器４０Ｂ）が介設された配管９０（配管９１）を介して、第１中温空間５７（第２中
温空間５８）に連結される。また、第１中温空間５７（第２中温空間５８）は、放熱器８１Ａ、再生器８２Ａ及び吸熱器８３Ａ（放熱器８１Ｂ、再生器８２Ｂ及び吸熱器８３Ｂ）
が介設された配管９２（配管９３）を介して、第１低温空間６７（第２低温空間６８）に
連結される。

かような第１高温空間１７、吸熱器２０Ａ、再生器３０Ａ、放熱器４０Ａ、第１中温空
間５７、放熱器８１Ａ、再生器８２Ａ、吸熱器８３Ａ及び第１低温空間６７の連結（第２
高温空間１８、吸熱器２０Ｂ、再生器３０Ｂ、放熱器４０Ｂ、第２中温空間５８、放熱器
８１Ｂ、再生器８２Ｂ、吸熱器８３Ｂ及び第２低温空間６８の連結）により形成される系
の内部には、作動ガス（例えばヘリウム）が封入され、第１高温空間１７の容積、第１中
温空間５７及び第１低温空間６７の容積（第２高温空間１８の容積、第２中温空間５８の
容積及び第２低温空間６８の容積）が所定の位相差で周期的に変化すると、この系におい
ては、周知のビルミエサイクルが形成され、吸熱器２０Ａ（吸熱器２０Ｂ）が図示されな
いバーナその他の加熱手段から吸熱すると、吸熱器８３Ａ（吸熱器８３Ｂ）で冷却能力若
しくは放熱器４０Ａ（放熱器４０Ｂ・放熱器８１Ａ・放熱器８１Ｂ）で暖熱が得られる。

図１０に示すスターリング型パルス管冷凍機は、位相制御機構にオリフィスを用いた典
型例であって、上記のように構成された圧縮機１０の第１圧縮空間１７（第２圧縮空間１
８）とバッファタンク９９Ａ（９９Ｂ）との間に接続された放熱器２０Ａ、再生器３０Ａ
、吸熱器４０Ａ、パルス管９７Ａ及びオリフィス９６Ａ（放熱器２０Ｂ、再生器３０Ｂ、
吸熱器４０Ｂ、パルス管９７Ｂ及びオリフィス９６Ｂ）を、介設することにより、構成さ
れる。

本発明に係るスターリング冷凍機のブロック図１。 図１のスターリング冷凍機の説明用斜視図。 図１のスターリング冷凍機の容積変化状態を説明する図。 図３の容積変化を、往復動ピストン型と対比させて、示すグラフ。 本発明に係るスターリング冷凍機のブロック図２。 本発明をスターリング冷凍機に適応した実施形態のブロック図。 本発明に係るスターリングエンジンの説明用斜視図。 図７のスターリングエンジンのブロック図。 本発明に係るビルミエサイクル機関のブロック図。 本発明に係るスターリング型パルス管冷凍機のブロック図。 ロータとシャフトとを中間部材を介して連結した状態を示す図。 図１のスターリング冷凍機の変形例を示す図。

符号の説明

１０：圧縮機
１２：内部空間
１４：ロータ
２０：放熱器
３０：再生器
４０：吸熱器

Claims (2)

1. 内部に筒状の第１内部空間が形成された第１ハウジング、前記第１内部空間の軸方向に延在して設けられた第１シャフト、前記第１内部空間内で前記第１シャフトと一体回転すべく前記第１シャフトに偏心して固定された第１ロータ、並びに前記第１内部空間の軸心に対して半径方向に移動可能なように前記第１ハウジングの周方向に所定間隔をもって前記第１ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの先端部を前記第１ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第１内部空間を少なくとも容積可変の第１圧縮空間及び第２圧縮空間とに区画形成する第１ロータ機構とを有する初段圧縮機と、
   内部に筒状の第２内部区間が形成された第２ハウジング、前記第２内部空間の軸方向に
   延在して設けられた第２シャフト、前記第２内部空間内で前記第２シャフトと一体回転す
   べく前記第２シャフトに偏心して固定された第２ロータ、並びに前記第２内部空間の軸心
   に対して半径方向に移動可能なように前記第２ハウジングの周方向に所定間隔を持って前
   記第２ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの
   先端部を前記第２ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第２内部空間を少な
   くとも容積可変の第１膨張空間及び第２膨張空間とに区画形成する第２ロータ機構とを有
   する初段膨張機と、
   内部に筒状の第３内部空間が形成された第３ハウジング、前記第３内部空間の軸方向に
   延在して設けられた第３シャフト、前記第３内部空間内で前記第３シャフトと一体回転すべく前記第３シャフトに偏心して固定された第３ロータ、並びに前記第３内部空間の軸心
   に対して半径方向に移動可能なように前記第３ハウジングの周方向に所定間隔を持って前
   記第３ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの
   先端部を前記第３ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第３内部空間を少な
   くとも容積可変の第３圧縮空間及び第４圧縮空間とに区画形成する第３ロータ機構とを有
   する次段圧縮機と、
   内部に筒状の第４内部空間が形成された第４ハウジング、前記第４内部空間の軸方向に
   延在して設けられた第４シャフト、前記第４内部空間内で前記第４シャフトと一体回転す
   べく前記第４シャフトに偏心して固定された第４ロータ、並びに前記第４内部空間の軸心
   に対して半径方向に移動可能なように前記第４ハウジングの周方向に所定間隔を持って前
   記第４ハウジングに支持される複数のベーンを備え、付勢手段をして前記複数のベーンの
   先端部を前記第４ロータの外周面に常時摺接せしめることにより前記第４内部空間を少な
   くとも容積可変の第３膨張空間及び第４膨張空間とに区画形成する第４ロータ機構とを有
   する次段膨張機と、
   前記第１圧縮空間と前記第１膨張空間との間に介設された第１放熱器、第１再生器及び
   第１吸熱器と、
   前記第２圧縮空間と前記第２膨張空間との間に介設された第２放熱器、第２再生器及び
   第２吸熱器と、
   前記第３圧縮空間と前記第３膨張空間との間に介設された第３放熱器、第３再生器及び
   第３吸熱器と、
   前記第４圧縮空間と前記第４膨張空間との間に介設された第４放熱器、第４再生器及び
   第４吸熱器と、
   前記第１吸熱器、前記第２吸熱器、前記第３放熱器及び前記第４放熱器を、この順序で
   熱的に連結する熱連結手段とを備え、
   前記第１圧縮空間、前記第１放熱器、前記第１再生器、前記第１吸熱器及び前記第１膨
   張空間から形成される系の内部に第１作動ガスが封入され、前記第１圧縮空間の容積及び
   前記第１膨張空間の容積が所定の位相差で周期的に変化したときに前記第１作動ガスが振
   動して、
   前記第２圧縮空間、前記第２放熱器、前記第２再生器、前記第２吸熱器及び前記第２膨
   張空間から形成される系の内部に第２作動ガスが封入され、前記第２圧縮空間の容積及び
   前記第２膨張空間の容積が所定の位相差で周期的に変化したときに前記第２作動ガスが振
   動して、
   前記第３圧縮空間、前記第３放熱器、前記第３再生器、前記第３吸熱器及び前記第３膨
   張空間から形成される系の内部に第３作動ガスが封入され、前記第３圧縮空間の容積及び
   前記第３膨張空間の容積が所定の位相差で周期的に変化したときに前記第３作動ガスが振
   動して、
   前記第４圧縮空間、前記第４放熱器、前記第４再生器、前記第４吸熱器及び前記第４膨
   張空間から形成される系の内部に第４作動ガスが封入され、前記第４圧縮空間の容積及び
   前記第４膨張空間の容積が所定の位相差で周期的に変化したときに前記第４作動ガスが振
   動して、前記第１吸熱器、前記第２吸熱器、前記第３吸熱器、前記第４吸熱器から、夫々、個別に所定温度の冷却能力が得られるようにしてなる振動流再生型熱機関。
2. 前記振動流再生型熱機関は、スターリングエンジンおよびビルミエサイクル機関、パルス管部が膨張機に相当するタイプのスターリング型パルス管冷凍機、ＣＹサイクル機関、ＧＭ冷凍機及びソルベイ型冷凍機のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の振動流再生型熱機関。

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