JPH10196454A - スターリングサイクル機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で且つ安価に所望のスターリング
冷凍機、スターリングエンジン発電機等のスターリング
サイクル機関を提供する。 【解決手段】 少なくとも１つのシリンダを有するハウ
ジング１と、ハウジング１内に収納された電動要素６
と、電動要素６によって駆動されるスターリング冷凍機
部とを備え、前記シリンダは前記スターリング冷凍機部
のピストン又はディスプレーサのクロスガイドとされて
いる構成とした。この場合、前記シリンダを前記スター
リング冷凍機部のピストン又はディスプレーサのクロス
ガイドとすると共に、電動要素６を発電機としたり、並
設されたシリンダ内を往復動するピストン又はディスプ
レーサのクロスガイドは位相差を有するようにする等の
各種の構成が考えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、スターリングサイ
クル機関に係り、簡単な構成で且つ安価に所望のスター
リング冷凍機、スターリングエンジン発電機等のスター
リングサイクル機関を提供できるように工夫したものに
関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリング冷凍機やスターリングエン
ジン発電機等のスターリングサイクル機関としては、例
えば、「T.OTAKA, et al., EXPERIMENTAL STUDY ON A 1
00WCLASS STIRLING CYCLE COOLER, Proc.7th ICSC, 95
088,1995」（以下文献Ａという）や「A.BAUMULLER, et
al.,SOLAR STIRLING R＋D-ACTIVITIES IN GERMANY,Pro
c.7th ICSC, 95 IP02,1995 」（以下文献Ｂという）に
示すようなものがある。即ち、文献Ａには、図１４に示
すようなプロトタイプのスターリング冷凍機が記載され
ている。同図において、２０１は真空絶縁ケース、２０
２は冷却壁、２０３は膨張室、２０４はシリンダ、２０
５はフィン、２０６はディスプレーサ、２０７は再生
器、２０８はラジェータ、２０９はパイプ、２１０は圧
縮室、２１１はピストン、２１２はピストンロッド、２
１３は駆動ディスク、２１４はクランクシャフト、２１
５は駆動用モータ、２１６はクランクボックス、２１７
はロータリエンコーダ、２１８はバランスウェイトであ
る。なお、このものでは作動媒体としてヘリウムを使用
し、冷凍能力として１００Ｗの能力が出せることが記載
されている。一方、文献Ｂには、図１５に示すようなソ
ーラシステムに適用されるスターリングエンジンが記載
されている。同図において、クランクシャフト２２１を
基点として圧縮ピストン２２２側にシリンダブロック２
２３、水管２２４、ガス冷却器２２５、再生器２２６が
配置されている。なお、２２７はシーリングユニットで
ある。又、膨張ピストン２２８側にもシーリングユニッ
ト２２９が設けられている。２３０は油溜め、２３１は
油フィルタ、２３２は太陽光の採光部である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成による
と、次のような問題があった。上記文献Ａや、文献Ｂに
記載されているスターリングサイクル機関は、いずれも
その実用化には多くの問題があり、特に、駆動部の部品
の調達や、駆動部を構成する構成部品の購入に困難を要
してしまい、結局、コストが上昇してしまうという問題
があった。

【０００４】本発明はこのような点に基づいてなされた
もので、その目的とするところは、簡単な構成で且つ低
コストで、所望の性能を発揮する機関を得ることを可能
にしたスターリングサイクル機関を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１によるスターリングサイクル機関
では、少なくとも１つのシリンダを有するハウジング
と、このハウジング内に収納された電動要素と、この電
動要素によって駆動されるスターリング冷凍機部とを備
え、前記シリンダを前記スターリング冷凍機部のピスト
ン又はディスプレーサのクロスガイドとしたことを特徴
とするものである。請求項２によるスターリングサイク
ル機関では、少なくとも１つのシリンダを有するハウジ
ングと、このハウジング内に収納された電動要素と、ス
ターリング冷凍機部とを備え、前記シリンダを前記スタ
ーリング冷凍機部のピストン又はディスプレーサのクロ
スガイドとすると共に、前記電動要素を発電機としたこ
とを特徴とするものである。請求項３によるスターリン
グサイクル機関では、請求項１又は２記載のスターリン
グサイクル機関において、並設されたシリンダ内を往復
動するピストン又はディスプレーサのクロスガイドは位
相差を有することを特徴とするものである。請求項４に
よるスターリングサイクル機関では、請求項１又は２記
載のスターリングサイクル機関において、ハウジングの
シール面に封入ガスの漏洩を防止する気密シールを設け
たことを特徴とするものである。請求項５によるスター
リングサイクル機関では、請求項１又は２記載のスター
リングサイクル機関において、 ピストン又はディスプ
レーサを連結したクランク軸の少なくとも一端にフライ
ホイールを設けたことを特徴とするものである。

【０００６】即ち、本発明によるスターリングサイクル
機関は、既存の半密閉型コンプレッサをスターリングサ
イクル機関の駆動部として使用するようにしたものであ
り、コンプレッサの圧縮要素側に、スターリングサイク
ル機構部を連結したものである。それによって、簡単な
構成で所望のスターリングサイクル機関、例えば、スタ
ーリング冷凍機、スターリングエンジン発電機を得るこ
とが可能になる。

【０００７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、図１乃至図７を参照して、
本発明の第１の実施の形態を説明する。まず、図１及び
図２を参照して、本実施の形態であるスターリング冷凍
機として機能するスターリングサイクル機関の構成から
説明する。本実施の形態におけるスターリング冷凍機１
００は、その駆動部として、既存のコンプレッサ、例え
ば、半密閉型コンプレッサを使用しており、まず、その
コンプレッサ側から説明する。図１及び図２に示すよう
に、１はシリンダ２を有する鋳物で形成されたハウジン
グで、このハウジング１内は、区画壁３によってモータ
室４とクランク室５とに区画され、このモータ室４には
電動要素６が、クランク室５には回転運動を往復運動に
変換する機構部７が夫々収納されている。この機構部７
は半密閉型コンプレッサとして使用する場合には、圧縮
要素として機能する。モータ室４の開口及びクランク室
５の開口は夫々閉塞部材８で閉塞され、これらの閉塞部
材８は高気密ガスケット９を介して複数のボルト１０に
よってハウジング１に固定されている。又、高密度ガス
ケット９は夫々の部品の接合部の間に介在されてシール
を行っている。ハウジング１内には、区画壁３の軸受部
１１に軸支されたクランクシャフト１２が回転可能に配
置されている。電動要素６は、ハウジング１のモータ室
４の内周壁に固定されたステータ１３と、このステータ
１３の内周側に回転可能に配置されたロータ１４とから
構成され、このロータ１４の中央にクランクシャフト１
２が固定されている。１５は端子箱で、電動要素６と外
部電源（図示せず）とを接続している。

【０００８】機構部７は、クランクシャフト１２のクラ
ンク室５内に延びたクランク部１６ａ、１６ｂと、この
クランク部１６ａ、１６ｂに連結されたコンロッド１７
ａ、１７ｂと、このコンロッド１７ａ、１７ｂの先端に
取り付けられたクロスガイドヘッド１８ａ、１８ｂとで
構成され、後述するスターリング冷凍機部の駆動手段と
して作用している。又、クランクシャフト１２にはスタ
ーリング冷凍機部とのバランスをとるバランスウエイト
１２ａ，１２ｂが取り付けられている。クロスガイドヘ
ッド１８ａ、１８ｂは、ハウジング１のシリンダ２の内
壁に設けられたクロスガイドライナ１９ａ、１９ｂ内を
往復動可能に配置されている。そして、シリンダ２はク
ロスガイドヘッド１８ａ、１８ｂを案内するクロスガイ
ドとして機能している。クランク部１６ａ、１６ｂは９
０°位相差を付けて形成されている。スターリング冷凍
機部２０は、ハウジング１のクランク室５の上部に、圧
縮シリンダ２１と、この圧縮シリンダの上に膨張シリン
ダ２２とを配置して形成される。

【０００９】圧縮シリンダ２１は、ハウジング１にボル
ト２３によって固定される圧縮シリンダブロック２４
と、この圧縮シリンダブロックの空間２５内を往復摺動
してこの空間を圧縮空間２６にして圧縮させて高温室２
７にする圧縮ピストン２８と、この圧縮ピストンに一端
を固定し、他端をピン２９ａによってクロスガイドヘッ
ド１８ａに回動自在に連結された圧縮ピストンロッド３
０とで構成されている。空間２５を往復動する圧縮ピス
トン２８は上死点及び下死点で摺動方向が反転するた
め、速度がゼロになり、上死点及び下死点付近では速度
が遅く単位時間当たりの容積の変化量も小さく、下死点
から上死点及び上死点から下死点に向かって移動すると
きの夫々の中間点で最高速度になり、単位時間当たりの
ピストンの移動による容積の変化量も最大となる。

【００１０】膨張シリンダ２２は、圧縮シリンダ２１の
上部にボルト（図示せず）によって固定される膨張シリ
ンダブロック３１と、この膨張シリンダブロック３１の
空間３２内を往復摺動して、この空間の上部を膨張空間
３３にして膨張させて低温室３４にすると共に、下部を
作動空間３５にするディスプレーサピストン３６と、こ
のディスプレーサピストンに一端を固定し、他端を圧縮
シリンダブロック２４を貫通してピン２９ｂによってク
ロスガイドヘッド１８ｂに回動自在に連結されたディス
プレーサピストンロッド３７とで構成されている。ディ
スプレーサピストンロッド３７は圧縮シリンダブロック
２４の貫通孔３８に軸封装置３９を介在してシールされ
ている。

【００１１】圧縮ピストン２８はディスプレーサピスト
ン３６より９０°位相が遅れている。又、圧縮ピストン
２８とディスプレーサピストン３６との摺動面には夫々
シールリング４０が設けられている。圧縮シリンダブロ
ック２４と膨張シリンダブロック３１とには圧縮空間２
６と作動空間３５とを連通する連通孔４１が形成されて
いる。膨張シリンダブロック３１には膨張空間３３と作
動空間３５とを連通する通路４２が形成され、この通路
には外部を冷却するクーラ４３と、蓄冷器４４と、ラジ
エータ４５とが順番に設けられている。スターリング冷
凍機１００の作動ガス及びハウジング１内の封入ガスと
しては、例えば、ヘリウム、水素、窒素等が使用可能
で、本実施の形態ではヘリウムを使用している。なお、
軸封装置や圧縮ピストンからの作動ガスの漏洩を完全に
なくすことはできないので、作動ガスの漏洩を考慮し
て、ハウジング内の封入ガスは作動ガスと同一のガスを
使用しているものである。

【００１２】次に、以下の各実施の形態を簡略図で説明
する都合上、図１のスターリング冷凍機の構成を、簡略
化して図示した図３について説明する。このスターリン
グ冷凍機１００は、「１ディスプレーサ＋１ピストン、
熱交換器アニュラー配置」から構成されるものである。
まず、電動要素６によってクランクシャフト１２が回転
し、クランク室５内のクランク部１６ａ、１６ｂが９０
°位相をずらして回転している。このクランク部１６
ａ、１６ｂに回動自在に連結されたコンロッド１７ａ、
１７ｂが摺動してこのコンロッドの先端に取り付けられ
たクロスガイドヘッド１８ａ、１８ｂがシリンダ２に設
けたクロスガイドライナ１９ａ、１９ｂ内を往復摺動す
る。クロスガイドヘッド１８ａに圧縮ピストンロッド３
０を介して連結された圧縮ピストン２８で圧縮シリンダ
ブロック２４内の圧縮空間２６の作動ガスは圧縮ピスト
ン２８が上死点に向かうときに圧縮され、連通孔４１か
ら作動空間３５内に導入されている。この作動空間３５
内に導入された作動ガスはクロスガイドヘッド１８ｂに
ディスプレーサピストンロッド３７を介して連結された
ディスプレーサピストン３６が下向きに移動することに
よってラジエータ４５に排出される。そして、このラジ
エータ４５で外部に放熱された作動ガスは蓄冷器４４で
冷却され、クーラ４３を通って膨張空間３３内に流入す
る。作動空間３５と膨張空間３３とはディスプレーサピ
ストン３６の移動方向によって作動ガスが移動するだけ
で、膨張空間３３と作動空間３５との間の移動では容積
変動が生じない。即ち、ディスプレーサピストン３６だ
けでは圧縮や膨張が起こらないようになっている。

【００１３】そして、ディスプレーサピストン３６が下
死点に向かって９０°の位置で速度が最大のとき、圧縮
ピストン２８は上死点に達し、速度がゼロになってい
る。そして、圧縮ピストン２８が下死点に向かって移動
するときの速度が遅く、圧縮空間２６内の容積の増大の
変化が小さいのに対してディスプレーサピストン３６の
速度が最大で作動空間３５と膨張空間３３との容積変化
が大きいため、作動空間３５内の作動ガスは膨張空間３
３内に移動する。又、ディスプレーサピストン３６が下
死点付近になると、膨張空間３３内の容積も最大となっ
てくる。そのとき、圧縮ピストン２８が下死点に向かっ
て中間位置の回転角９０°付近の位置になっており、速
度も最大となる。そのため、圧縮空間２６内の作動ガス
が膨張をはじめて、この作動ガスの圧力が低下すると、
膨張空間３３内の作動ガスが圧縮空間２６内に瞬時に移
動すると共に、膨張をはじめて冷熱が発生する。

【００１４】膨張空間３３内で冷やされた作動ガスはデ
ィスプレーサピストン３６が上死点に移動して膨張空間
３３が縮小されることにより膨張空間３３からクーラ４
３に排出され、クーラ４３で外部と熱交換を行って冷却
物を冷却し、蓄冷器４４に蓄熱し、ラジエータ４５で外
気、或いは水などの媒体と熱交換を行って作動空間３５
に流入し、この作動空間３５から圧縮空間２６に連通孔
４１を介して吸い込まれ、以後同様のサイクルを繰り返
してスターリング冷凍機１００で−３０℃〜−２００℃
の超低温まで冷却できるようにしている。圧縮ピストン
２８とディスプレーサピストン３６とは９０°位相をず
らして説明をしたが、６０°〜１２０°程度の位相差を
設けてもスターリングサイクル機関として機能する。
又、スターリングエンジン発電機として構成する場合に
は、圧縮ピストン２８がパワーピストンと、低温室３４
が高温室と、高温室２７が低温室と、クーラ４３がヒー
タと、さらに蓄冷器４４が再生器となるように構成すれ
ばよい。

【００１５】上記構成をなすスターリングエンジン発電
機として機能するスターリングサイクル機関１０１の実
施の形態を図４及び図５に具体的に示す。なお、図４及
び図５において、図１、図２及び図３と対応する構成は
図１、図２及び図３と同一の符号を付して説明を省略す
る。図４、図５において、４６は逆Ｕ字状のヒータで、
このヒータ４６はバーナー等の熱源４６Ａによって加熱
されている。４７は再生器で、この再生器４７は熱源４
６Ａによってヒータ４６で加熱された作動ガスの熱を蓄
熱している。４８はクーラである。４９はパワーピスト
ンで、作動ガスの加熱による膨張によって作動されるよ
うになっている。５０は発電機で、外部に電力を供給す
る。又、５１はフライホイールで、このフライホイール
５１はスターリングエンジンのトルクが変動するのを制
御している。

【００１６】このように構成されることにより、スター
リングエンジン発電機は、ヒータ４６を熱源４６Ａのバ
ーナーで加熱すると、膨張空間３３の作動ガスが吸熱し
て膨張する。このとき、ディスプレーサピストン３６が
下死点に向かって押し下げられる。そして、下死点に到
達して向きの変わったディスプレーサピストン３６が上
死点に向かって移動すると、膨張空間３３内の作動ガス
はヒータ４６から再生器４７、クーラ４８を通って圧縮
空間２６に流入する。その際、作動ガスの温熱が再生器
４７に蓄熱される。この圧縮空間２６内に流入した作動
ガスはそれ自体の圧力が高くなっているため、圧縮ピス
トン２８を下死点に向かって押し下げ、この圧縮ピスト
ン２８のトップ面に作用する圧力でクランクシャフト１
２を回動させ、発電機５０を駆動させている。又、パワ
ーピストン４９に作用した作動ガスはディスプレーサピ
ストン３６が下死点に向かって移動するのに伴い、クー
ラ４８、再生器４７、ヒータ４６を通って膨張空間３３
内に流入する。このとき、作動ガスは再生器４７で蓄熱
された熱で加熱され、更に、熱源４６Ａのバーナーで加
熱される。これらの行程を繰り返すことにより、パワー
ピストン４９が往復動してコンロッド１７ａ及びクラン
ク部１６ａによってクランクシャフト１２を回動させて
発電機５０を駆動する。この発電機５０で得られた電力
は端子箱１５から外部に供給される。図６及び図７は、
本実施の形態によるスターリング冷凍機の特性図で、そ
の内、図６は低温室平均ガス温度（℃）と冷凍能力
（Ｗ）との関係を示す特性図であり、又、図７は低温室
平均ガス温度（℃）と成績係数（COP)との関係を示す特
性図である。図６及び図７の各特性図に示すように、本
実施の形態のものでは、−１００℃〜−２００℃という
極低温の平均ガス温度においても、高い冷凍能力と成績
係数を有することが確認されている。

【００１７】（第２の実施の形態）次に、図８を参照し
て、スターリング冷凍機１０２として機能する本発明の
第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態に
よるスターリング冷凍機１０２は、「２ピストン、熱交
換器アニュラー配置」から構成されているものである。
なお、前記第１の実施の形態の場合と対応する部分には
図３と同一符号を付して説明を省略する。図８におい
て、５２は膨張ピストンで、この膨張ピストン５２は、
前記第１の実施の形態で示したディスプレーサピストン
３６の位置に配置される。膨張ピストン５２が、圧縮ピ
ストン２８と同様の機能を有するように構成することに
より、スターリング冷凍機１０２内の作動ガスの充填さ
れた空間の容積変動を大きくすることによって、冷凍能
力の大きいスターリング冷凍機１０２を提供できるよう
にしている。又、熱交換するための機器が環状に配置さ
れているので、前記第１の実施の形態の場合と同様に、
「熱交換器アニュラー配置」となり、膨張シリンダ２２
の膨張シリンダブロック３１にはクーラ４３と、蓄冷器
４４と、ラジエータ４５とが順番に配置されている。そ
して、ラジエータ４５の下端には圧縮空間２６に連通す
るマニホールド５３が配置されている。

【００１８】この構成により、圧縮ピストン２８で圧縮
空間２６内の作動ガスが圧縮され、連通孔４１からマニ
ホールド５３を介してラジエータ４５に排出される。そ
して、このラジエータ４５で外部に放熱された作動ガス
は蓄冷器４４で冷却され、クーラ４３を通って膨張空間
３３内に流入する。この膨張空間３３は膨張ピストン５
２の下向きの摺動により圧縮空間２６内で圧縮された作
動ガスが流入する。そして、圧縮ピストン２８は膨張ピ
ストン５２より位相が９０°遅れて移動するため、膨張
ピストン５２が下死点付近のときに圧縮ピストン２８が
中間点付近にあり、圧縮空間２６内の圧力が急激に低下
して膨張空間３３内の作動ガスが圧縮空間２６内に瞬時
に移動すると共に、膨張をはじめて冷熱が発生する。
又、圧縮ピストン２８と膨張ピストン５２とが圧縮空間
２６と膨張空間３３とで作動ガスを圧縮するため、同仕
様の１ピストンと１ディスプレーサから構成されるスタ
ーリング冷凍機に対して作動ガスの体積変動が大きくス
ターリング冷凍機１０２の冷凍能力が向上する。

【００１９】又、第２の実施の形態の場合にも、スター
リングエンジン発電機として構成する場合には、圧縮ピ
ストン２８と膨張ピストン５２とがパワーピストンと、
低温室３４が高温室と、クーラ４３がヒータと、さらに
蓄冷器４４が再生器となるように構成すればよい。そし
て、圧縮ピストン２８と膨張ピストン５２との両方には
加熱による作動ガスの膨張による圧力が作用して夫々の
ピストン２８、５２を下向きに押し下げてクランクシャ
フト１２を回動させ、発電機５０を駆動するようにして
いる。

【００２０】（第３の実施の形態）次に、図９を参照し
てスターリング冷凍機として機能する本発明の第３の実
施の形態を説明する。この実施の形態によるスターリン
グ冷凍機１０３は、「２ピストン、熱交換器キャニスタ
ー配置」から構成されている。又、この実施の形態の場
合には、前記第１の実施の形態におけるクーラ４３、蓄
冷器４４、ラジエータ４５の構成を変えたものであり、
図９に示すように逆Ｕ字状のクーラ５４を介して蓄冷器
５５とラジエータ５６と連結するように圧縮シリンダブ
ロック２４の上方に別に配置したものである。その他の
構成は前記第１及び第２の実施の形態の場合と同じであ
り、対応部分には図３、図８と同一符号を付して説明を
省略する。

【００２１】そして、この場合には、前記第２の実施の
形態の場合と同様に、膨張ピストン５２が、圧縮ピスト
ン２８と同様の機能を有するように構成することによ
り、同仕様の１ピストンと１ディスプレーサから構成さ
れるスターリング冷凍機に対してスターリング冷凍機１
０３内の作動ガスの充填された空間の容積変動を大きく
することによって、冷凍能力の大きいスターリング冷凍
機１０３を提供できるようにしている。又、熱交換する
ための機器は環状に配置されているのではなく、別に配
置された構成になっていて、逆Ｕ字状のクーラ５４、蓄
冷器５５、ラジエータ５６を直列に配置している。そし
て、これを「熱交換器キャニスター配置」と称してい
る。なお、第３の実施の形態の場合にも、スターリング
エンジン発電機として構成する場合には、上記圧縮ピス
トン２８と膨張ピストン５２とがパワーピストンと、低
温室３４を高温室と、クーラ５４をヒータと、蓄冷器５
５を再生器と、さらにラジエータ５６をクーラとなるよ
うに構成すればよい。

【００２２】（第４の実施の形態）次に、図１０を参照
して本発明のスターリング冷凍機１０４として機能する
第４の実施の形態を説明する。この実施の形態によるス
ターリング冷凍機１０４は、「１ディスプレーサ＋１ピ
ストン、熱交換器キャニスター配置」から構成されてい
る。又、この実施の形態の場合には、圧縮シリンダ５７
と膨張シリンダ５８が夫々二組設けられていて、夫々圧
縮ピストン５９、ディスプレーサピストン６０が配置さ
れているものである。そして、コンプレッサ側との連結
に際しては、まず、左右の各圧縮ピストン５９が、夫々
２本の圧縮ピストンロッド６１、クロスガイドヘッド６
２、コンロッド６３を介してクランクシャフト１２のク
ランク部６４に連結されている。

【００２３】又、左右の各ディスプレーサピストン６０
は、ディスプレーサピストンロッド６５を圧縮ピストン
５９の中央を貫通してクランクシャフト１２のクランク
部６６に連結されている。熱交換器キャニスター配置は
逆Ｕ字状のクーラ５４、蓄冷器５５、ラジエータ５６を
直列に接続している。この場合、圧縮ピストン５９とデ
ィスプレーサピストン６０との位相差は９０°となるよ
うに設定される。そして、二組のスターリングサイクル
機関は１８０°位相差をもうけて配置されているが、こ
の配置は二組のスターリングサイクル機関のバランスを
考慮して設定すればよい。又、この場合には、「１ディ
スプレーサ＋１ピストン」なる構成を二組設けており、
且つ、熱交換するための機器は環状ではなく、別に配置
された構成になっているので、「熱交換器キャニスター
配置」となっているが、熱交換器をアニュラー配置とし
ても良い。なお、第４の実施の形態の場合にも、スター
リングエンジン発電機として構成する場合には、圧縮ピ
ストン５９をパワーピストンと、低温室３４を高温室
と、クーラ５４をヒータと、蓄冷器５５を再生器と、さ
らにラジエータ５６をクーラとなるように構成すれば良
い。

【００２４】（第５の実施の形態）次に、図１１を参照
して本発明のスターリング冷凍機１０５として機能する
第５の実施の形態を説明する。この実施の形態によるス
ターリング冷凍機１０５は、「１ディスプレーサ＋１ピ
ストン、熱交換器アニュラー配置」から構成されてい
る。なお、前記第１の実施の形態の場合と対応する部分
には図１と同一符号を付して説明は省略する。図１１に
おいて、圧縮シリンダ２１の圧縮シリンダブロック２４
内には、圧縮ピストン２８とこの圧縮ピストン２８との
間でバランスをとるバランスピストン６７とがピストン
ロッド６８ａ、６８ｂを介してクロスガイドヘッド１８
ａ、１８ｂに連結されて摺動自在に配置されている。圧
縮ピストン２８とバランスピストン６７とはクランクシ
ャフト１２のクランク部６９ａ、６９ｂで１８０°位相
をずらして摺動している。又、バランスピストン６７に
は、圧縮作用をしないように上下を連通する連通孔６７
ａが設けられている。

【００２５】膨張シリンダ２２の膨張シリンダブロック
３１内には内部を中空室７０にしたフリータイプのディ
スプレーサピストン７１が配置されている。このディス
プレーサピストン７１は圧縮シリンダブロック２４の上
端に固定されたディスプレーサ案内ロッド７２を中空室
７０に臨ませ、このディスプレーサ案内ロッド７２の先
端に対向して取り付けられた２本の圧縮ばね７３ａ、７
３ｂで摺動自在に取り付けられている。ディスプレーサ
案内ロッド７２の圧縮ばね７３ａ、７３ｂの取付部に
は、中空室７０内を２分して夫々の圧縮ばね７３ａ、７
３ｂの収納されている室をガスばね室７４ａ、７４ｂに
仕切る仕切部材７４ｃが設けられている。

【００２６】図１１のスターリング冷凍機１０５の構成
を、簡略化して図示した図１２について説明する。ディ
スプレーサピストン７１は圧縮ピストン２８によって圧
縮空間２６内の作動ガスが圧縮されると、この圧縮され
た作動ガスが作動空間３５と膨張空間３３とに供給され
る。そのため、作動空間３５内と膨張空間３３内とが同
一の高圧圧力になるが、ディスプレーサ案内ロッド７２
の太さの分だけ膨張空間３３側のディスプレーサピスト
ン７１のトップ面より作動空間３５側のディスプレーサ
ピストン７１のトップ面の圧力を受ける面積が小さいた
め、ディスプレーサピストン７１は下死点側に移動して
膨張空間３３内の容積が大きくなり、作動空間３５内の
容積が小さくなる。このときの膨張空間３３と作動空間
３５との圧力差は中空室７０内の圧縮ばね７３ａとガス
ばね室７４ａとのばね定数より大きいので、ディスプレ
ーサピストン７１が下死点側に移動する。又、ディスプ
レーサピストン７１は圧縮ピストン２８によって圧縮空
間２６内に作動ガスが吸い込まれると、この作動ガスの
吸込によって膨張空間３３内の作動ガスの圧力が低下す
ると、この膨張空間３３内の圧力が中空室７０内の圧縮
ばね７３ａとガスばね室７４ａとのばね定数より小さく
なり、ディスプレーサピストン７１が上死点に向かって
移動する。そして、圧縮ピストン２８の圧縮・吸込行程
と、中空室７０内の圧縮ばね７３ａ、７３ｂ及びガスば
ね室７４ａ、７４ｂとによってディスプレーサピストン
７１は往復摺動させられる。

【００２７】ディスプレーサピストン７１は、このディ
スプレーサピストン７１自体の重さ、圧縮ばね７３ａ、
７３ｂのばね定数、ガスばね室７４ａ、７４ｂのばね定
数及びディスプレーサ案内ロッド７２の太さ（ディスプ
レーサピストン７１のトップ面の面積差）を適正にする
ことにより、圧縮ピストン２８より位相を９０°進めて
往復摺動するようにされている。バランスピストン６７
は圧縮ピストン２８と位相を１８０°ずらして往復摺動
させることにより、クランクシャフト１２のバランスウ
エイトを廃止できるようにされている。なお、第５の実
施の形態の場合にも、スターリングエンジン発電機とし
て構成する場合には、上記圧縮ピストン２８をパワーピ
ストンと、低温室３４を高温室と、クーラ４３をヒータ
と、蓄冷器４４を再生器と、さらにラジエータ４５をク
ーラとなるように構成すればよい。

【００２８】（第６の実施の形態）次に、図１３を参照
して本発明のスターリング冷凍機１０６として機能する
第６の実施の形態を説明する。この実施の形態によるス
ターリング冷凍機１０６は、「１ディスプレーサ＋１ピ
ストン、熱交換器キャニスター配置」から構成されてい
る。又、この実施の形態の場合には、圧縮シリンダ５７
と膨張シリンダ５８が夫々二組設けられていて、夫々圧
縮ピストン５９、フリータイプのディスプレーサピスト
ン７１が配置されているものである。そして、コンプレ
ッサ側との連結に際しては、まず、左右の各圧縮ピスト
ン５９が、圧縮ピストンロッド６１、クロスガイドヘッ
ド６２、コンロッド６３を介してクランクシャフト１２
のクランク部６４に連結されている。

【００２９】又、左右の各膨張シリンダ５８の膨張シリ
ンダブロック７５内にはフリータイプの内部を中空室７
６にしたディスプレーサピストン７１が配置されてい
る。このディスプレーサピストン７１は圧縮空間２６と
作動空間３５との間に設けられた仕切板７８に固定され
たディスプレーサ案内ロッド７９を中空室７６内に臨ま
せ、このディスプレーサ案内ロッド７９の先端に対向し
て取り付けられた２本の圧縮ばね８０ａ、８０ｂで摺動
自在に取り付けられている。ディスプレーサ案内ロッド
７９の圧縮ばね８０ａ、８０ｂの取付部には、中空室７
６を２分して夫々の圧縮ばね８０ａ、８０ｂの収納され
ている室をガスばね室８１ａ、８１ｂに仕切る仕切部材
８２が設けられている。この場合も、圧縮ピストン５９
とディスプレーサピストン７１との位相差は９０°とな
るように設定される。そして、二組のスターリングサイ
クル機関は１８０°位相差を設けて配置されている。こ
の配置は二組のスターリングサイクル機関のバランスを
考慮して設定されている。又、この場合には、「１ディ
スプレーサ＋１ピストン」なる構成を二組設けており、
且つ、熱交換するための機器は環状ではなく、別に配置
された構成になっているので、「熱交換器キャニスター
配置」となっているが、熱交換器をアニュラー配置とし
ても良い。なお、第６の実施の形態の場合にも、スター
リングエンジン発電機として構成する場合には、圧縮ピ
ストン５９をパワーピストンと、低温室３４を高温室
と、クーラ５４をヒータと、蓄冷器５５を再生器と、さ
らにラジエータ５６をクーラとなるように構成すれば良
い。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によるスタ
ーリングサイクル機関によると、次のような効果を奏す
ることができる。 （１）請求項１に記載のように構成すると、既存の半密
閉型コンプレッサをスターリングサイクル機関の駆動部
として使用することができ、コンプレッサの圧縮要素側
にスターリングサイクル機構部を連結するだけの簡単な
構成で所望のスターリング冷凍機又はスターリングエン
ジン発電機等のスターリングサイクル機関を得ることが
可能になった。 （２）又、請求項１及び請求項２に記載のように、コン
プレッサのシリンダ部をクロスガイドとして使用する
と、芯振れを無くして、機械損失の低減、シリンダの損
傷防止を図ることができる。 （３）請求項３に記載のように、並設されたシリンダ内
を往復動するピストン又はデイスプレーサのクロスガイ
ドを所定の位相差を有するように構成すると、ハウジン
グ内に設けられるコンプレッサの駆動力がスターリング
サイクル機関を構成する圧縮ピストン又はデイスプレー
サ側の作動力として適正に伝達することができる。 （４）請求項４に記載のように、コンプレッサのハウジ
ングのシール面に気密シールを設けた場合には、作動ガ
スの不用意な漏洩を防止することができる。 （５）請求項５に記載のように、ピストン又はデイスプ
レーサを連結したクランク軸の少なくとも一端にフライ
ホイールを設けるようにすると、このフライホイールの
慣性モーメントにより、エンジンの出力変動の影響を緩
和することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態をスターリング冷凍
機とした場合のスターリングサイクル機関の構成を示す
縦断正面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図１を
ＩＩ−ＩＩ方向からみて、その半部を切欠いて示す図で
ある。

【図３】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図１の
スターリングサイクル機関の構成を簡略化して示す図で
ある。

【図４】本発明の第１の実施の形態をスターリングエン
ジン発電機とした場合の、スターリングサイクル機関の
構成を示す縦断正面図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図４を
Ｖ−Ｖ方向からみて、その半部を切欠いて示す図であ
る。

【図６】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図４、
図５に示したスターリングサイクル機関の冷凍能力−温
度特性を示す特性図である。

【図７】本発明の第１の実施の形態を示す図で、図４、
図５に示したスターリングサイクル機関の成績係数−温
度特性を示す特性図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態を示す図で、スター
リングサイクル機関の構成を簡略化して示す図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態を示す図で、スター
リングサイクル機関の構成を簡略化して示す図である。

【図１０】本発明の第４の実施の形態を示す図で、スタ
ーリングサイクル機関の構成を簡略化して示す図であ
る。

【図１１】本発明の第５の実施の形態を示す図で、スタ
ーリングサイクル機関の構成を簡略化して示す図であ
る。

【図１２】本発明の第５の実施の形態を示す図で、図１
１のスターリングサイクル機関の構成を簡略化して示す
図である。

【図１３】本発明の第６の実施の形態を示す図で、スタ
ーリングサイクル機関の構成を簡略化して示す図であ
る。

【図１４】従来例の文献Ａのプロットタイプのスターリ
ング冷凍機の構成を示す縦断正面図である。

【図１５】従来例の文献Ｂのソーラシステムに適用され
るスターリングエンジンの構成を示す縦断正面図であ
る。

【符号の説明】

１：ハウジング ６：電動要素 ７：機構部 １２：クランクシャフト １３：ステータ １４：ロータ １７ａ、１７ｂ：コンロッド １８ａ、１８ｂ：クロスガイドヘッド １９ａ、１９ｂ：クロスガイドライナ ２６：圧縮空間 ２８、５９：圧縮ピストン（パワーピストン） ３３：膨張空間 ３５：作動空間 ３６、７１：ディスプレーサピストン ５２：膨張ピストン ４３：クーラ（ヒータ） ４４：蓄冷器（再生器） ４５：ラジエータ（クーラ） ５１：フライホイール ７３ａ、７３ｂ：圧縮ばね ７４ａ、７４ｂ：ガスばね室 ７４ｃ：仕切部材 ８０ａ、８０ｂ：圧縮ばね ８１ａ、８１ｂ：ガスばね室 ８２：仕切部材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つのシリンダを有するハウ
   ジングと、このハウジング内に収納された電動要素と、
   この電動要素によって駆動されるスターリング冷凍機部
   とを備え、前記シリンダは前記スターリング冷凍機部の
   ピストン又はディスプレーサのクロスガイドとされてい
   ることを特徴とするスターリングサイクル機関。
2. 【請求項２】 少なくとも１つのシリンダを有するハウ
   ジングと、このハウジング内に収納された電動要素と、
   スターリング冷凍機部とを備え、前記シリンダを前記ス
   ターリング冷凍機部のピストン又はディスプレーサのク
   ロスガイドとすると共に、前記電動要素を発電機とした
   ことを特徴とするスターリングサイクル機関。
3. 【請求項３】 並設されたシリンダ内を往復動するピス
   トン又はディスプレーサのクロスガイドは位相差を有す
   ることを特徴とする請求項１又は２記載のスターリング
   サイクル機関。
4. 【請求項４】 ハウジングのシール面に封入ガスの漏洩
   を防止する気密シールを設けたことを特徴とする請求項
   １又は２記載のスターリングサイクル機関。
5. 【請求項５】 ピストン又はディスプレーサを連結した
   クランク軸の少なくとも一端に、フライホイールを設け
   たことを特徴とするスターリングサイクル機関。