JP4630626B2

JP4630626B2 - 熱機関

Info

Publication number: JP4630626B2
Application number: JP2004306998A
Authority: JP
Inventors: 誠竹内
Original assignee: 株式会社サクション瓦斯機関製作所
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: US7836691B2; KR20070072918A; EP1820953A1; CN101044311A; KR100862965B1; EP1820953B1; CN100487235C; EP1820953A4; WO2006043665A1; US20090056329A1; JP2006118430A; CA2584731A1; CA2584731C

Description

この発明は、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およ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。

さて、スターリングサイクルを実現する構造として、従来大きく分けてアルファ型、ベータ型そしてガンマ型の３種類が存在する。アルファ型は、高温空間、低温空間にそれぞれ一つのパワーピストンを持ち、別名２ピストン型と呼ばれる。この方式は、二つのピストンのそれぞれが各空間で完全に掃気するため、死空間が非常に小さいことが特徴である。

また、二つのピストンの変位の位相差によって前記比率を変えることができ、低温度差熱源の場合、その位相差が、５００℃以上の高温度差では９０度、１００℃程度の低温度差では１５０度程度までに、温度差に応じて広げていくことで最適化が可能である（特許文献１参照）。
特許第３１３４１１５号

しかし、上記したアルファ型において、位相差を広げることは、二つのピストンの相対変位を小さくすることであり、所定の容積変化量を得るためには、ピストン径を大きくする必要があり、よってピストンが過大となり、ひいては耐久性の低下や機械損失が増加するという問題がある。

ベータ型は、低温側に一つのパワーピストンを持ち、ディスプレーサがパワーピストンと同一のシリンダに収まり、互いにオーバラップしながら運動し、完全掃気可能なことを特徴とする。この場合、ディスプレーサおよびパワーピストンのボア径が同一に固定されるため、前記比率を変えるためには、ディスプレーサのストロークを大きくするか、パワーピストンのストロークを小さくすることになり、それぞれピストンスピードおよびピストン力から、再生器通過ガス流量には限界がある。

ガンマ型は、低温側に一つのパワーピストンを持ち、ディスプレーサは別のシリンダに収まるため、その径を大きくして再生器通過ガス量を増やし、前記比率を温度差に応じて最適化することができる。しかし、ディスプレーサの径を大きくすると、熱交換器およびパワーピストンへの連絡管の流路の拡大縮小が大きくなり、圧力損失が増大し、それを避けるよう流路を広げると、死空間が増大するという問題があり、最適化に限界がある。

さらに、コンパクト化、軽量化そしてコストダウンを進めるためには、高回転化を図る必要がある。そのためには、前記の問題を克服し、再生器通過ガス量を多く、ピストン力は小さく、死空間も小さくするという要件を満足する必要がある。

そこで、この発明は、再生器を通過するガス量を多く、ピストン力は小さく、死空間も小さくするという要件を満足させることを目的としている。

前記目的を達成するために、この発明は、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およ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、前記高温空間および低温空間それぞれに対し、作動ガス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、動力を伝達するパワーピストンを各一つ、計二つ設け、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ディスプレーサを設け、前記二つのパワーピストンを、互いに位相差を持たせつつ相対移動させてアルファ型のスターリングサイクルの要素を持たせたことを最も主要な特徴とする。

この発明によれば、高温空間および低温空間それぞれ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を備えたアルファ型に、独立したディスプレーサを設けることにより、完全掃気ではなくなるものの、アルファ型の要素を持つためガンマ型に比べて死空間は少なくて済み、温度差に応じた必要な再生器通過ガス流量を確保することができ、ピストン力は、二つのパワーピストンの相対運動で容積変化を行って、二つのピストンで分散して受けるため、全体として小さく抑えることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、この発明の第１の実施形態を示す熱機関としてのスターリングサイクルの断面図である。ハウジング本体２１の上部開口にはカバー２３が、同下部開口にはクランクケース２５がそれぞれ装着されてハウジング２７を構成している。ハウジング本体２１の図中で上下方向ほぼ中央の熱交換器ハウジング部２１ａには、熱交換器ユニット２９が収容固定されている。熱交換器ユニット２９は、中央に互いに異なる温度域の境界としての再生器３１が、その上下両側に吸熱器３３および放熱器３５がそれぞれ設けられている。

吸熱器３３は、図中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管３３ａを備え、この伝熱管３３ａ内には、高温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンが装着されている。放熱器３５も同様に、図中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管３５ａを備え、この伝熱管３５ａ内には、低温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンが装着されている。一方、再生器３１は、金網などを積層して構成されている。

吸熱器３３の上部側のハウジング本体２１の高温側シリンダ部２１ｂ内には、高温側パワーピストン３７が、放熱器３５の下部側のハウジング本体２１の低温側シリンダ部２１ｃ内には低温側パワーピストン３９が、それぞれ図中で上下方向に移動可能に収容されている。

上記した高温側パワーピストン３７は、熱交換器ユニット２９および低温側パワーピストン３９に対して相対移動可能に貫通する複数のピストンロッド４１を介してクランク軸５３のクランクピン５３ａに連結され、一方低温側ピストン３９は、１本のピストンロッド５７を介してクランク軸５３のクランクピン５３ｂに連結されている。

このような高温側パワーピストン３７と低温側パワーピストン３９とは、互いに位相差９０度で相対移動可能となるようクランク軸５３に連結されている。

上記した高温側パワーピストン３７および低温側パワーピストン３９は、後述する高温空間４５よび低温空間４７それぞれ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パワーピストンを構成している。

上記したハウジング本体２１および各パワーピストン３７，３９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ガス空間となる。

吸熱器３３と高温側パワーピストン３７との間には、吸熱器３３にて加熱された作動ガスが膨脹する高温空間４５が、放熱器３５と低温側パワーピストン３９との間には、放熱器３５にて放熱された作動ガスが圧縮される低温空間４７がそれぞれ形成されている。この高温空間４５と低温空間４７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。

上記したハウジング本体２１に隣接してディスプレーサシリンダ２０１を設置する。ディスプレーサシリンダ２０１内には、ディスプレーサ２０３を移動可能に収容する。ディスプレーサ２０３の上下両側の空間２０５，２０７は、前記した高温空間４５，低温空間４７に、連通管２０９，２１１を介してそれぞれ連通している。

上記したディスプレーサ２０３は、コネクティングロッド２１３を介して前記したクランク軸５３のクランクピン５３ｃに連結されている。このようなディスプレーサ２０３は、作動ガスを、前記した高温空間４５および低温空間４７相互間で圧力差を発生させずに移動させる。

作動ガスの圧力変化に基づく各パワーピストン３７，３９の往復運動をクランク軸５３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、逆にクランク軸５３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３７，３９を往復移動させることで、吸熱器３３および放熱器３５を貫通する伝熱管３３ａおよび３５ａ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、高温空間および低温空間それぞれ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高温側パワーピストン３７および低温側パワーピストン３９を備えたアルファ型に、独立したディスプレーサ２０３を設けることにより、完全掃気ではなくなるものの、アルファ型の要素を持つためガンマ型に比べて死空間は少なくて済み、温度差に応じた必要な熱交換量を得るために充分なガス移動流量を確保することができ、またピストン力は、高温側パワーピストン３７と低温側パワーピストン３９との相対運動で容積変化を行って、これら各パワーピストン３７，３９で分散して受けるため、全体として小さく抑えることができる。

図２は、この発明の第２の実施形態を示す熱機関としてのスターリングサイクルの断面図である。この実施形態は、前記図１に示したハウジング本体２１およびカバー２３と一体の第２ハウジング本体２１０および第２カバー２３０を設け、ハウジング本体２０１の図中で上下方向ほぼ中央の熱交換器ハウジング部２１０ａには、前記した熱交換器ハウジング部２１ａとの間にわたって配置される熱交換器ユニット２９０が収容固定されている。熱交換器ユニット２９０は、中央に再生器３１０がその上下両側に吸熱器３３０および放熱器３５０がそれぞれ設けられている。

吸熱器３３０は、図中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管３３０ａを備え、この伝熱管３３０ａ内には、高温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンが装着されている。放熱器３５０も同様に、図中で紙面に直交する方向に延長する伝熱管３５０ａを備え、この伝熱管３５０ａ内には、低温の伝熱流体が流れ、その周囲には複数のフィンが装着されている。一方、再生器３１０は、金網などを積層して構成されている。

第２ハウジング本体２１０内における高温側シリンダ部２１０ｂ内には第１ディスプレーサ２１５が、低温側シリンダ部２１０ｃ内には第２ディスプレーサ２１７が、それぞれ図中で上下方向に移動可能に収容されている。

上記したハウジング本体２１および第２ハウジング本体２１０などを備えるハウジング２７０は、高温側シリンダ部２１ｂ，２１０ｂ，低温側シリンダ部２１ｃ，２１０ｃが、いずれも円筒形状であり、熱交換器ハウジング部２１ａ，２１０ａが、両ハウジング部２１ａ，２１０ａにわたって熱交換器ユニット２９０を収容するために、平面視でほぼ四角形状を呈している。

上記した第１，第２ディスプレーサ２１５，２１７相互は、熱交換器ユニット２９０に対して移動可能に貫通する複数のロッド２１９により連結され、両者が一体となって往復移動する。したがって、第１，第２ディスプレーサ２１５，２１７は、互いに位相差が１８０度で運動する二つのピストンで構成されることになる。

第１ディスプレーサ２１５と熱交換器ユニット２９０との間の空間２２１は、連通路２２３によって前記した高温空間４５に連通し、第２ディスプレーサ２１７と熱交換器ユニット２９０との間の空間２２５は、連通路２２７によって前記した低温空間４７と連通する。したがって、各空間２２１，２２５は、それぞれ高温空間４５，低温空間４７の一部であり、このため、第１，第２ディスプレーサ２１５，２１７は、前記高温空間４５，低温空間４７にそれぞれ配置したことになる。

第２ディスプレーサ２１７は、複数のロッド２２８を介して前記したクランク軸５３のクランクピン５３ｄに連結されている。

上記した第２の実施形態によるスターリングサイクルでは、第１の実施形態における効果に加え、第１，第２ディスプレーサ２１５，２１７が互いに１８０度の位相差で運動する二つのピストンで構成されて、高温側空間４５，低温側空間４７にそれぞれ配置されるため、死容積をより小さくすることができるとともに、圧力損失も小さくすることができる。

また、二つの第１，第２ディスプレーサ２１５，２１７を対向配置することで、１８０度位相については、相互にロッド２１９で連結することで達成でき、大面積のディスプレーサを使用しても作動ガスの圧力変化を軸系（クランク軸５３）に伝達せずにロッド２１９で吸収することができ、ピストン力を小さく保つことができる。したがって、機械損失を最小に抑えることができる。

なお、上記図２に示した第２の実施形態において、第１，第２ディスプレーサ２１５，２１７のうちいずれか一方、例えば第１ディスプレーサ２１５と、高温側，低温側パワーピストン３７，３９のいずれか一方、例えば高温側パワーピストン３７とを、互いに一体化してもよい。この場合のハウジング２７０は、互いに一体化する第１ディスプレーサ２１５および高温側パワーピストン３７を収容する高温側シリンダ部２１ｂ，２１０ｂと、熱交換器ハウジング部２１ａ，２１０ａとを、連続する一つの円筒形状とする。

これにより、図２の構成に対し、実質的にはピストンを１個減らすことができ、構造が簡素化し、作動ガスの漏れ損失や機械損失も減らすことができる。

図３は、この発明の第３の実施形態を示す熱機関としてのスターリングサイクルの断面図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態と同様に、ハウジング本体２１の上部開口にはカバー２３が、同下部開口にはクランクケース２５がそれぞれ装着されてハウジング２７を構成している。ハウジング本体２１の図中で上下方向ほぼ中央の熱交換器ハウジング部２１ａには、熱交換器ユニット２９が収容固定されている。熱交換器ユニット２９は、中央に再生器３１がその上下両側に吸熱器３３および放熱器３５がそれぞれ設けられている。

吸熱器３３の上部側のハウジング本体２１の高温側シリンダ部２１ｂ内には、第１ディスプレーサ３７０が、放熱器３５の下部側のハウジング本体２１の低温側シリンダ部２１ｃ内には第２ディスプレーサ３９０が、それぞれ図中で上下方向に移動可能に収容されている。上記した第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０は、熱交換器ユニット２９を貫通する複数のピストンロッド４１により連結され、両者が一体となって往復移動する。したがって、第１，第２ディスプレーサ３７０，３９０は、互いに１８０度の位相差で運動する二つのピストンで構成されることになる。

上記したハウジング本体２１および各ディスプレーサ３７０，３９０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ガス空間となる。

吸熱器３３と第１ディスプレーサ３７０との間には、吸熱器３３にて加熱された作動ガスが膨脹する高温空間４５が、放熱器３５と第２ディスプレーサ３９０との間には、放熱器３５にて放熱された作動ガスが圧縮される低温空間４７がそれぞれ形成されている。この高温空間４５と低温空間４７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。

第２ディスプレーサ３９０は、クランクケース２５内に回転可能に支持されるクランク軸５３のクランクピン５３ｅに、複数のピストンロッド５５を介して連結されるている。

また、低温空間４７に連通路５８を介して外部に連通するシリンダ部６０を設け、このシリンダ部６０内にパワーピストン５１を収容している。パワーピストン５１は、コネクティングロッド５６を介してクランク軸５３のクランクピン５３ｆに連結されている。ここでのパワーピストン５１は、第２ディスプレーサ３９０に対して位相差９０度で相対移動可能となるようクランク軸５３に連結されている。また、第１，第２ディスプレーサ３７０，３９０は、パワーピストン５１より受圧面積を大きくしている。

そして、クランクケース２５は、パワーピストン５１の背部および第２ディスプレーサ３９０の背部を覆うよう形成されてバッファ空間６６を形成している。バッファ空間６６は、作動ガス空間を大気圧より高くするために設けたもので、作動ガス空間内の圧力とバッファ空間６６内の圧力との差圧がパワーピストン５１に作用し、これによりパワーピストン５１の受ける負荷が減少する。

上記した第３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３７０と第２ディスプレーサ３９０とが１８０度の位相差で往復移動する際に、パワーピストン５１が往復移動して作動ガス空間の容積変化をもたらすことで、第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０とは、実質的に１８０度以外の位相差で作動することと等価となる。作動ガス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３３、再生器３１および放熱器３５を順次往復流となって通過する際に、吸熱器３３および放熱器３５にて熱交換を行うと同時に、再生器３１を通過する作動ガスの移動が行われる。

このように、第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０とを、実質的に１８０度以外の例えば１５０度前後の位相差で作動させる際には、パワーピストン５１の行程容積が各ディスプレーサ３７０，３９０のそれより小さいので、高温空間と低温空間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５１は、第１ディスプレーサ３７０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軸５３に連結すればよいので、クランク軸５３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２９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、第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０との位相差が１８０度、つまり各ディスプレーサ３７０，３９０相互が一体移動する構成であることから、高温空間４５と低温空間４７との間の作動ガスの移動が確実になり、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。高回転化およ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。

また、熱交換器ユニット２９の薄型化に伴って各ディスプレーサ３７０，３９０の表面積が大きくなっても、第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０とは複数のピストンロッド４１で連結され、かつ第２ディスプレーサ３９０がクランク軸５３に連結されているので、クランク軸５３に掛かる荷重は小さくて済み、これによりクランク軸５３は必要な強度が小さくてよく、機関損失も小さく抑えることができる。

上記した第３の実施形態によるスターリングサイクルでは、第１の実施形態における効果に加え、二つの第１，第２ディスプレーサ３７０，３９０を対向配置することで、１８０度位相については、相互にピストンロッド４１で連結することで達成でき、大面積のディスプレーサを使用しても作動ガスの圧力変化を軸系（クランク軸５３）に伝達せずにピストンロッド４１で吸収することができ、パワーピストン５１のピストン力を小さく保つことができる。したがって、機械損失を最小に抑えることができる。

図４は、この発明の第４の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この実施形態は、第２ディスプレーサ３９０の中央部に、低温空間４７に連通するシリンダ部４９を形成し、このシリンダ部４９内に、前記図３に示した第３の実施形態のパワーピストン５１を上下動可能に収容している。

すなわち、この実施形態では、パワーピストン５１と第２ディスプレーサ３９０とを、相互間をシールしつつ相対移動可能に構成している。

一方、クランクケース２５内に支持されるクランク軸５３のクランクピン５３ａには、複数のピストンロッド５５を介して第２ディスプレーサ３９０が連結されるとともに、ピストンロッド５７を介してパワーピストン５１がクランクピン５３ｂに連結されている。ここでのパワーピストン５１は、第２ディスプレーサ３９０に対して位相差９０度で相対移動可能となるようクランク軸５３に連結されている。

第４の実施形態では、第３の実施形態の効果に加え、パワーピストン５１と第２ディスプレーサ３９０とを、相互間をシールしつつ相対移動可能に構成しているので、シール部での摺動距離が短くて済み。シールの耐久性が向上する。

また、シリンダ部４９を第２ディスプレーサ３９０内に形成することで、スペースの有効利用が図られ、装置全体のコンパクト化が可能となる。

図５は、この発明の第５の実施形態を示すスターリングサイクルの簡略化した断面図である。この実施形態は、図中で上部における第１ディスプレーサ３７０、熱交換器ユニット２９、第２ディスプレーサ３９０を順に配列した図４と同様の構成に対し、第２ディスプレーサ３９０の下部に、第２熱交換器ユニット５９、第３ピストン６１、第３熱交換器ユニット６３、第４ピストン６５を順次配置したものである。

第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０とは、図４のものと同様に、複数のピストンロッド４１により連結し、さらに第２ディスプレーサ３９０と第３ピストン６１とは、第２熱交換器ユニット５９を貫通する複数のロッド４２により連結するとともに、第３ピストン６１と第４ピストン６５とは、第３熱交換器ユニット６３を貫通する複数のロッド４４により連結している。また、第４ピトン６５はピストンロッド５５を介してクランク軸５３に連結している。したがって、第１ディスプレーサ３７０，第２ディスプレーサ３９０，第３ピストン６１，第４ピストン６５は、互いに位相差が１８０度で一体的に作動することになる。

また、第２ディスプレーサ３９０に設けたパワーピストン５１と、第４ピストン６５に設けたパワーピストン５１とは、第２熱交換器ユニット５９，第３ピストン６１および第３熱交換器ユニット６３を貫通するロッド５２を介して連結し、第４ピストン６５に設けたパワーピストン５１は、ピストンロッド５７を介してクランク軸５３に連結している。各パワーピストン５１は、第１ディスプレーサ３７０，第２ディスプレーサ３９０，第３ピストン６１，第４ピストン６５に対して９０度の位相差で作動する。

この場合、第１ディスプレーサ３７０、熱交換器ユニット２９および第２ディスプレーサ３９０を一つのサイクルユニットＳ1とすれば、これに隣接するサイクルユニットＳ2は、第２ディスプレーサ３９０、第２熱交換器ユニット５９および第３ピストン６１で構成され、サイクルユニットＳ1とサイクルユニットＳ2とは第２ディスプレーサ３９０を共用することになる。また、サイクルユニットＳ2に隣接するサイクルユニットＳ3は、第３ピストン６１、第３熱交換器ユニット６３および第４ピストン６５で構成され、サイクルユニットＳ2とサイクルユニットＳ3とは第３ピストン６１を共用することになる。

上記したサイクルユニットＳ1，Ｓ2，Ｓ3は、熱機関ユニットを構成している。

このように隣り合うサイクルユニット相互がピストンを共用して、構造の簡素化を図りつつ、この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、サイクルユニットをＳ1〜Ｓ3の三つとしたが、これをさらに四つ五つと増加させても構わない。

図６は、この発明の第６の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この実施形態は、再生器３１，吸熱器３３および放熱器３５からなる熱交換器ユニット２９を、熱交換器ボディ６７に収容し、この熱交換器ボディ６７の上部の開口部周縁にベローズ６９の下端開口部周縁を、熱交換器ボディ６７の下部の開口部にベローズ７１の上端開口部をそれぞれ取り付けている。

そして、ベローズ６９の上部の開口部周縁は第１ディスプレーサ３７０の外周縁部に、ベローズ７１の下部の開口部周縁は第２ディスプレーサ３９０の外周縁部に、それぞれ取り付けてある。また、第２ディスプレーサ３９０の下部にはバッファ空間７２を形成するアンダカバー７３が装着されている。このアンダカバー７３に対し、ピストンロッド５５および５７がシール性を保持しつつ貫通している。

さらに、熱交換器ボディ６７の外周には、円筒状の支持ハウジング７４の上端内周部が固定され、支持ハウジング７４の下端にはクランク軸５３が回転可能に支持されている。

この例においても、第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０とは、ピストンロッド４１により相互に連結されており、したがって各ディスプレーサ３７０，３９０が相互に一体となって１８０度の位相差で往復移動するとともに、パワーピストン５１が第２ディスプレーサ３９０に対し９０度の位相差で相対移動して作動ガス空間の容積変化をもたらし、これにより各ディスプレーサ３７０，３９０は実質的に１８０度以外の位相差で往復移動することになる。

そして、この場合、熱交換器ボディ６７と各ディスプレーサ３７０，３９０とは、上下に伸縮可能なベローズ６９，７１で連結しているので、各ディスプレーサ３７０，３９０の摺動部が不要となり、シール性を考慮する必要もなく、より簡素化した構造で済む。

図７は、この発明の第７の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この実施形態は、第１ディスプレーサ７５に設けたシリンダ部７７にパワーピストン５１を設定したものであり、パワーピストン５１に一端が連結されるコネクティングロッド７９は、他端が熱交換器ユニット２９および第２ディスプレーサ８１を貫通してクランク軸５３に連結されている。また、第１ディスプレーサ７５には、バッファ空間８２を形成するアッパカバー８３が密閉して装着されている。

この例においても、第１ディスプレーサ７５と第２ディスプレーサ８１とは、ピストンロッド４１により相互に連結されており、したがって各ディスプレーサ７５，８１が相互に一体となって１８０度の位相差で往復移動するとともに、パワーピストン５１が第１ディスプレーサ７５に対し９０度の位相差で相対移動して作動ガス空間の容積変化をもたらし、これにより高温空間４５と低温空間４７は実質的に１８０度以外の位相差で容積変化することになる。

なお、図４に示した第４の実施形態においても、図７の例のように、パワーピストン５１を第１ディスプレーサ３７０に設けてもよい。また、パワーピストン５１は、図４，図６，図７のいずれにおいても、第１ディスプレーサ３７０と第２ディスプレーサ３９０との双方に設けてもよく、この場合には、熱交換ユニット２９を貫通する連結ロッドにより、二つのパワーピストン５１相互を連結する構成とする。すなわち、二つのパワーピストン５１は同期して往復移動する。

さらに、図３に示した第３の実施形態においては、低温空間４７側にパワーピストン５１を設ける代わりに、高温空間４５に連通路を介してシリンダ部を設け、このシリンダ部にパワーピストン５１を収容してもよく、低温空間４７側と高温空間４５側との双方にパワーピストン５１を設けるようにしても構わない。

また、図５に示した第５の実施形態においては、パワーピストン５１を、第２ディスプレーサ３９０と第４ピストン６５とにそれぞれ設ける代わりに、第１ディスプレーサ３７０と第３のピストン６１とにそれぞれ設けてもよく、さらにディスプレーサ３７０，３９０，ピストン６１，６５のすべてにパワーピストン５１を設けても構わない。

図８は、第８の実施形態を示し、この実施形態は、前記図４に示した第４の実施形態に対し、第１ディスプレーサ３７０にコンプレッサ２２９を連結している。すなわち、第１ディスプレーサ３７０に、ピストンロッド２３１を介してピストン２３３を連結し、このピストン２３３をカバー２３に固定してあるコンプレッサ用シリンダ部２３５内に移動可能に収容する。コンプレッサ用シリンダ部２３５の図８中で上部には、弁機構２３７を設け、第１ディスプレーサ３７０の移動に伴うピストン２３３の往復運動によってコンプレッサとして機能する。

このように、図８に示した第８の実施形態では、熱機関であるスターリングサイクルと、コンプレッサ２２９とを一体構造化し、これにより、両者を別体とした場合に比較して少ない部品点数でコンプレッサを駆動することができ、機械損失を最小限に抑えたシステムを得ることができる。

この発明の第１の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この発明の第２の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この発明の第３の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この発明の第４の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この発明の第５の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この発明の第６の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この発明の第７の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。この発明の第８の実施形態を示すスターリングサイクルの断面図である。

符号の説明

３１，１３３再生器
３７高温側パワーピストン
３９低温側パワーピストン
４５高温空間
４７低温空間
５１パワーピストン
７５，２１５，３７０第１ディスプレーサ
８１，２１７．３９０第２ディスプレーサ
２０３ディスプレーサ
２２９コンプレッサ
Ｓ1，Ｓ2，Ｓ3 サイクルユニット（熱機関ユニット）

Claims

互いに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およ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、前記高温空間および低温空間それぞれに対し、作動ガス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、動力を伝達するパワーピストンを各一つ、計二つ設け、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ディスプレーサを設け、前記二つのパワーピストンを、互いに位相差を持たせつつ相対移動させてアルファ型のスターリングサイクルの要素を持たせたことを特徴とする熱機関。
前記ディスプレーサを、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、前記高温空間および低温空間にそれぞれ一つ配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
互いに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およ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、前記高温空間と低温空間とのいずれかに対し、作動ガス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、動力を伝達するパワーピストンを一つ設け、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、前記パワーピストンより受圧面積の大きなディスプレーサを、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前記高温空間および低温空間にそれぞれ一つ配置したことを特徴とする熱機関。
前記二つのパワーピストンのうちいずれか一方と、前記二つのディスプレーサのうちいずれか一方とを互いに一体化したことを特徴とする請求項２に記載の熱機関。
前記二つのパワーピストンのうちいずれか他方と、前記二つのディスプレーサのうちいずれか他方とを、相互間をシールしつつ相対移動可能に設けたことを特徴とする請求項４に記載の熱機関。
前記ディスプレーサおよび前記パワーピストンをそれぞれ備えた一つの熱機関ユニットを、その配列方向に複数積層し、前記隣接する熱機関ユニット相互間に、この各熱機関ユニット相互で共用する一つのディスプレーサまたはパワーピストンを配置したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱機関。
前記パワーピストンと前記ディスプレーサとの少なくともいずれか一方に、コンプレッサを連結したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱機関。