(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１シリンダ，第２シリンダ，前記第１シリンダに収容された第１ピストン，前記第１ピストンに対し所定の位相遅れを以て動作する，前記第２シリンダに収容された第２ピストンをそれぞれ備え，前記第１シリンダの導入口と前記第２シリンダの排出口間を連通する第１通路と，前記第２シリンダの導入口と前記第１シリンダの排出口間を連通する第２通路をそれぞれ設けると共に，前記第１通路を開閉する第１通路開閉弁と，前記第２通路を開閉する第２通路開閉弁を備えたスターリング熱機関において，
前記第１通路開閉弁及び第２通路開閉弁のいずれ共に，受圧室に対する作動圧力の導入により開閉動作する開閉弁とし，
前記第１シリンダ及び／又は第２シリンダの内部側壁に，前記第１ピストン及び／又は第２ピストンの側面によって開閉される作動圧力取出口を設けると共，前記第１通路開閉弁及び第２通路開閉弁の前記受圧室を，前記作動圧力取出口を介して第１シリンダ及び／又は第２シリンダ内の空間に連通して成り，
前記第１シリンダ及び第２シリンダそれぞれが完全排気状態にあるピストンの移動端部位置を上死点，該上死点とは反対側におけるピストンの移動端部位置を下死点，前記上死点と下死点の中間位置を中間点とし，前記第１ピストンが上死点から中間点に至ると共に前記第２ピストンが中間点から上死点に至るサイクルのみ前記第１通路を開く作動圧力を前記第１通路開閉弁に導入し，且つ，
前記第１ピストンが下死点から中間点に至ると共に前記第２ピストンが中間点から下死点に至るサイクルのみ前記第２通路を開く作動圧力を前記第２通路開閉弁に導入する位置及び範囲に前記作動圧力取出口を設けたことを特徴とするスターリング熱機関。
【請求項２】
前記第１通路開閉弁を，前記第１シリンダの導入口を開閉する第１吸入弁と，前記第２シリンダの排出口を開閉する第２排気弁の組合せによって構成し，
前記作動圧力取出口として，前記第１シリンダの内壁に設けた第１吸入弁用作動圧力取出口と，前記第２シリンダの内壁に設けた第２排気弁用作動圧力取出口を設け，前記第１吸入弁の受圧室を，前記第１吸入弁用作動圧力取出口に連通すると共に，前記第２排気弁の受圧室を，前記第２排気弁用作動圧力取出口に連通し，
前記第１ピストン又は第２ピストンが前記中間点にあるとき，前記第１ピストン又は第２ピストンの側面によって閉塞され，
前記第１ピストン又は第２ピストンが前記中間点に対し下死点側にあるときに，前記第１ピストン又は第２ピストンに対する上死点側の空間に連通して作動圧力を供給すると共に，
前記第１ピストン又は第２ピストンが前記中間点に対し上死点側にあるときに，前記第１ピストン又は第２ピストンに対する下死点側の空間に連通する位置及び範囲に，前記第１吸入弁用作動圧力取出口及び第２排気弁用作動圧力取出口を設けたことを特徴とする請求項１記載のスターリング熱機関。
【請求項３】
前記第２通路開閉弁を，前記第２シリンダの導入口を開閉する第２吸入弁と，前記第１シリンダの排出口を開閉する第１排気弁によって構成し，
前記作動圧力取出口として，前記第１シリンダの内壁に設けた第１排気弁用作動圧力取出口と，前記第２シリンダの内壁に設けた第２吸入弁用作動圧力取出口を設け，前記第２吸入弁の受圧室を，前記第２吸入弁用作動圧力取出口に連通すると共に，前記第１排気弁の受圧室を，前記第１排気弁用作動圧力取出口に連通し，
前記第１ピストン又は第２ピストンが下死点にあるときに前記第１ピストン又は第２ピストンに対する上死点側の空間と連通して作動圧力を供給し，
前記第１ピストン又は第２ピストンが下死点よりも上死点側から中間点迄の位置にあるとき，前記第１ピストン又は第２ピストンの側壁によって閉塞され，
前記第１ピストン又は第２ピストンが中間点よりも上死点側にあるとき，前記第１ピストン又は第２ピストンに対する下死点側の空間と連通する位置及び範囲に，第１排気弁用作動圧力取出口及び第２吸入弁用作動圧力取出口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熱機関。
【請求項４】
前記第１シリンダ内の流体を加熱する加熱器，及び／又は前記第２シリンダ内の流体を冷却する冷却器を設けて，スターリングエンジンとして構成したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のスターリング熱機関。
【請求項５】
前記第１ピストン及び前記第２ピストンを往復動させるための駆動源を設けて，スターリングヒートポンプとして構成したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のスターリング熱機関。
【請求項６】
前記第１ピストンの駆動源と，前記第２ピストンの駆動源をそれぞれ別個に設けたことを特徴とする請求項５記載のスターリング熱機関。
【請求項７】
前記第１通路と第２通路とを近接配置して，該第１通路と第２通路を流れる流体間の熱交換を可能としたことを特徴とする請求項４記載のスターリング熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリングエンジン，又はスターリングヒートポンプとして使用されるスターリング熱機関に関し，より詳細には２ピストン形（α形）のスターリング熱機関の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは，加熱器によって加熱される加熱室と，冷却器によって冷却される，前記加熱室と連通した冷却室を備え，この加熱室と冷却室の容積比を変化させることにより，加熱室の容積を大きくした場合には空間内の気体が膨張し，冷却室の容積を大きくした場合には空間内の気体が収縮することを利用して空間内における気体の膨張と収縮を交互に繰り返し行うことで，この気体の膨張，収縮をピストンの往復動という機械的なエネルギとして取り出すことができるように構成した，外燃機関と呼ばれる機関の一種である。
【０００３】
このようなスターリングエンジンには，大別してα形，β形，γ形の３形態があるが，このうち，本発明の対象であるα形と呼ばれる２ピストン形のスターリングエンジン２００は，加熱側ピストン２１１と冷却側ピストン２２１，前記各ピストン２１１，２２１をそれぞれ収容する，加熱器２６０によって加熱される加熱側シリンダ２１０及び冷却器２７０によって冷却される冷却側シリンダ２２０，並びに前記シリンダ２１０，２２０間を連通する連結路２３０を備え，加熱側ピストン２１１と冷却側ピストン２２１とを位相差（加熱側ピストン２１１に対し冷却側ピストン２２１が９０°遅れ）を以て動作させることにより，加熱側シリンダ２１０内に形成された加熱室２１０’と，冷却側シリンダ２２０内に形成された冷却室２２０’の容積比を変化させることで，動力を取り出すことができるようになっている。
【０００４】
すなわち，図７（Ａ）に示すように冷却室２２０’に対し加熱室２１０’の容積が大きい状態では，空間内の空気は加熱されて膨張するために，加熱側，冷却側の両ピストン２１１，２２１にはいずれもこれを押し下げる方向の力が働き図７（Ｂ）に示す位置迄押し下げられる。
【０００５】
一方，図７（Ｃ）に示すように加熱室２１０’に対して冷却室２２０’の容積が大きい状態では空間内の空気は冷却されて収縮するので両ピストン２１１，２２１を引き上げる方向の力が生じ，図７（Ｄ）に示す位置迄引き上げられる。このようにしてピストン２１１，２２１に対して働く力を，クランクシャフト（図示せず）等を介して運動エネルギとして取り出すと共に，図７（Ｂ），（Ｃ）間及び図７（Ｄ），（Ａ）間の動作をクランクシャフトに取り付けたフライホイール等によって行わせることで，連続動作させることができるように構成されている。
【０００６】
なお，このような２ピストン形のスターリングエンジン２００では，図７（Ａ）〜（Ｄ）を参照して説明したように加熱室２１０’と冷却室２２０’を単一の連通路２３０によって連通するのが一般的であるが，このような構成を採用する場合，加熱された気体と冷却された気体とが混ざり合うことで大きな熱損失が生じると共に，加熱，冷却によって生じた圧力が他方の室に逃げることで圧力損失をも生じる点に鑑み，本発明の発明者は，加熱室と冷却室にそれぞれ吸入口と吐出口を設け，冷却室の吐出口と加熱室の吸入口を連通する加熱側通路と，加熱室の吐出口と冷却室の吸入口とを連通する冷却側通路をそれぞれ設けた復路構成と成すと共に，各通路を開閉制御する弁を設けることで，加熱室から冷却室に向かう気体の流れと，冷却室から加熱室に向かう気体の流れをそれぞれ別の流路内を流動させることにより，両気体が混ざり合うことによる熱損失や圧力損失の発生を防止して，効率的に動力を取り出すことができるようにしたスターリングエンジンを既に提案している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１７２５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した特許文献１に記載のスターリングエンジンでは，加熱室と冷却室とを連通する通路を複路構成と成すと共に，各通路を開閉制御するバルブ機構を設けたことで，前述した熱損失や圧力損失の発生を好適に防止することができ，熱エネルギから効率良く運動エネルギを取り出すことができるものとなっている。
【０００９】
しかし，上記構成のスターリングエンジンでは，各通路の開閉制御をロータリ弁によって行うものとし，各ロータリ弁を所定のタイミングで開閉動作させるために，プーリやタイミングベルトから成るロータリ弁の駆動機構をスターリングエンジンに外付けで設けているため，スターリングエンジンの構造が複雑化することや部品点数の増大によってスターリングエンジンの製造コストが増大すると共に装置全体の大型化を招くものとなっていた。
【００１０】
また，このように各ロータリ弁の駆動軸に取り付けたプーリに対し，スターリングエンジンより取り出した回転駆動力をタイミングベルトによって伝達する構成を採用した場合，スターリングエンジンで発生した動力の一部がロータリ弁の開閉制御のための動力として消費されるだけでなく，タイミングベルトの伸びや弛み，タイミングベルトの滑り等によって各ロータリ弁間の動作タイミングに狂いが生じた場合，大幅な出力低下が生じるだけでなく，スターリングエンジンの正常な動作を阻害するものとなるため，定期的な点検や調整，タイミングベルトの交換等の煩雑な作業が必要となるだけでなく，このようなメンテナンス作業を可能とするためにスターリングエンジンと，その周辺に配置される機器との間にメンテナンスのために必要な空間を確保する必要がある等，設置上においても制約が生じる。
【００１１】
なお，以上の説明では，スターリング熱機関が「スターリングエンジン」である場合を例に挙げて説明したが，同様の構造を有するスターリング熱機関は，前述した例とは逆に運動エネルギを与えて流体の圧縮と膨張を繰り返すことで熱を取り出す「スターリングヒートポンプ」として使用することができると共に，「スターリングヒートポンプ」として使用した場合にも同様の問題が生じ得る。
【００１２】
そこで本発明は，２つのシリンダ間を連通する通路を複路構成とした，前述の特許文献１に記載のα形スターリング熱機関の改良に関するもので，より単純な構成を採用するものでありながら，各通路の開閉タイミングに狂いを生じさせることなく，弁体相互を常に一定のタイミングで正確に動作させることができるバルブ機構を備えたスターリング熱機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下に，課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本願発明の特許請求範囲の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。
【００１４】
上記目的を達成するために，本発明のスターリング熱機関１は，
第１シリンダ１０，第２シリンダ２０，前記第１シリンダ１０に収容された第１ピストン１１，前記第１ピストン１１に対し所定の位相遅れ（例えば９０°）を以て動作する，前記第２シリンダ２０に収容された第２ピストン２１をそれぞれ備え，前記第１シリンダ１０の導入口１２と前記第２シリンダ２０の排出口２３間を連通する第１通路４１と，前記第２シリンダ２０の導入口２２と前記第１シリンダ１０の排出口１３間を連通する第２通路５１をそれぞれ設けると共に，前記第１通路４１を開閉する第１通路開閉弁８１（８１ａ，８１ｂ）と，前記第２通路５１を開閉する第２通路開閉弁８２（８２ａ，８２ｂ）を備えたスターリング熱機関において，
前記第１通路開閉弁８１及び第２通路開閉弁８２のいずれ共に，受圧室に対する作動圧力（負圧を含む）の導入により開閉動作する開閉弁とし，
前記第１シリンダ１０及び／又は第２シリンダ２０の内部側壁に，前記第１ピストン１１及び／又は第２ピストン２１の側面によって開閉される作動圧力取出口（１８，１９，２８，２９）を設けると共に，前記第１通路開閉弁８１（８１ａ，８１ｂ）及び第２通路開閉弁８２（８２ａ，８２ｂ）の前記受圧室を，前記作動圧力取出口（１８，１９，２８，２９）を介して第１シリンダ１０及び／又は第２シリンダ２０内の空間に連通して成り，
前記第１シリンダ１０及び第２シリンダ２０それぞれが完全排気状態にあるピストンの移動端部位置を上死点，該上死点とは反対側におけるピストンの移動端部位置を下死点，前記上死点と下死点の中間位置を中間点とし，前記第１ピストン１１が上死点から中間点に至ると共に前記第２ピストン２１が中間点から上死点に至るサイクル（図２のＴ0−Ｔ1）のみ前記第１通路４１を開く作動圧力を前記第１通路開閉弁８１（８１ａ，８１ｂ）に導入し，且つ，
前記第１ピストン１１が下死点から中間点に至ると共に前記第２ピストン２１が中間点から下死点に至るサイクル（図２のＴ2−Ｔ3）のみ前記第２通路５１を開く作動圧力を前記第２通路開閉弁８２（８２ａ，８２ｂ）に導入する位置及び範囲に前記作動圧力取出口（１８，１９，２８，２９）を設けたことを特徴とする（請求項１）。
【００１５】
上記構成のスターリング熱機関１において，前記第１通路開閉弁８１を，前記第１シリンダ１０の導入口１２を開閉する第１吸入弁８１ａと，前記第２シリンダ２０の排出口２３を開閉する第２排気弁８１ｂの組合せによって構成し，
前記作動圧力取出口として，前記第１シリンダ１０の内壁に設けた第１吸入弁用作動圧力取出口１８と，前記第２シリンダ２０の内壁に設けた第２排気弁用作動圧力取出口２９を設け，前記第１吸入弁８１ａの受圧室を，前記第１吸入弁用作動圧力取出口１８に連通すると共に，前記第２排気弁８１ｂの受圧室を，前記第２排気弁用作動圧力取出口２９に連通し，
前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１が前記中間点にあるとき，前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１の側面によって閉塞され，
前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１が前記中間点に対し下死点側にあるときに，前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１に対する上死点側の空間に連通して作動圧力を供給すると共に，
前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１が前記中間点に対し上死点側にあるときに，前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１に対する下死点側の空間に連通する位置及び範囲に，前記第１吸入弁用作動圧力取出口１８及び第２排気弁用作動圧力取出口２９を設けた構成とすることができる（請求項２）。
【００１６】
また，前記第２通路開閉弁８２を，前記第２シリンダ２０の導入口２２を開閉するノーマリオープン型の第２吸入弁８２ｂと，前記第１シリンダ１０の排出口１３を開閉するノーマリクローズ型の第１排気弁８２ａによって構成し，
前記作動圧力取出口として，前記第１シリンダ１０の内壁に設けた第１排気弁用作動圧力取出口１９と，前記第２シリンダ２０の内壁に設けた第２吸入弁用作動圧力取出口２８を設け，前記第２吸入弁８２ｂの受圧室を，前記第２吸入弁用作動圧力取出口２８に連通すると共に，前記第１排気弁８２ａの受圧室を，前記第１排気弁用作動圧力取出口１９に連通し，
前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１が下死点にあるときに前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１に対する上死点側の空間と連通して作動圧力を供給し，
前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１が下死点よりも上死点側から中間点迄の位置にあるとき，前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１の側壁によって閉塞され，
前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１が中間点よりも上死点側にあるとき，前記第１ピストン１１又は第２ピストン２１に対する下死点側の空間と連通する位置及び範囲に，第１排気弁用作動圧力取出口１９及び第２吸入弁用作動圧力取出口２８を設けた構成とすることができる（請求項３）。
【００１７】
上記構成のスターリング熱機関１は，前記第１シリンダ１０内の流体を加熱する加熱器６０，及び／又は前記第２シリンダ２０内の流体を冷却する冷却器７０を設けて，スターリングエンジンとして構成することができる（請求項４）。
【００１８】
また，前記第１ピストン１１及び前記第２ピストン２１を往復動させるための，モータ，エンジン等の駆動源（図示せず）を設けて，スターリングヒートポンプとして構成することもできる（請求項５）。
【００１９】
前述のように，本発明のスターリング熱機関１をスターリングヒートポンプとする場合，前記第１ピストン１１の駆動源と，前記第２ピストン２１の駆動源をそれぞれ別個に設けるものとしても良い（請求項６）。
【００２０】
また，前述したスターリングエンジンとして使用する場合には，前記第１通路４１と第２通路５１とを近接配置して，該第１通路４１と第２通路５１を流れる流体間の熱交換を可能とすることが好ましい（請求項７）。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明した本発明の構成により，本発明のスターリング熱機関１では，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０とを連通する第１通路４１及び第２通路５１に設けた第１通路開閉弁８１及び第２通路開閉弁８２を，いずれも，受圧室に対する作動圧力（負圧を含む）の導入により開閉動作する開閉弁とし，これらの開閉弁に対する作動圧力として，シリンダ１０，２０内の圧力を第１シリンダ１０及び／又は第２シリンダ２０の内部側壁に設けた作動圧力取出口（１８，１９，２８，２９）を介して行うことで，シリンダ１０，２０の内部側壁に対する作動圧力取出口（１８，１９，２８，２９）の形成範囲を適切に設定することで，ピストン１１，２１の動きに連動して第１通路４１及び第２通路５１を適切なタイミングで開閉制御することができた。
【００２２】
その結果，第１通路開閉弁８１と第２通路開閉弁８２の動作タイミングを規制するための，プーリやタイミングベルト等の動力伝達手段を別途，スターリング熱機関に外付けで設ける必要が無く，部品点数の減少に伴う装置全体の小型化が可能であると共に，タイミングベルトのテンション調整や交換等といった連動機構のメンテナンス作業を必要とせず，常に正確なタイミングで各通路の開閉制御を行うことが可能となった。
【００２３】
前述の第１通路開閉弁８１を，前記第１シリンダ１０の導入口１２を開閉する第１吸入弁８１ａと，前記第２シリンダ２０の排出口２３を開閉する第２排気弁８１ｂによって構成し，前述した構成の第１吸入弁用作動圧力取出口１８及び第２排気弁用作動圧力取出口２９にそれぞれ連通した構成では，作動圧力取出口（１８，２９）の形成位置と形成範囲を適切に設定することで，第１・第２ピストン１１，２１の動作に連動させて，第１通路４１の開閉制御を正確に行うことができた。
【００２４】
また，前記第２通路開閉弁８２を，前記第２シリンダ２０の導入口２２を開閉する第２吸入弁８２ｂと，前記第１シリンダ１０の排出口１３を開閉する第１排気弁８２ａによって構成し，前記第２吸入弁８２ｂと，前記第１排気弁８２ａを，前記構成の作動圧力取出口（１９，２８）に連通したことで，ピストン１１，２１側面による作動圧力取出口（１９，２８）の開閉により，ピストンの動きに連動させて第２通路５１の開閉制御を正確に行うことができた。
【００２５】
以上のように構成されたスターリング熱機関１は，第１シリンダ１０内の流体を加熱する加熱器６０，及び／又は前記第２シリンダ２０内の流体を冷却する冷却器７０を設けてスターリングエンジンとして構成することができ，又は，第１ピストン１１及び前記第２ピストン２１を往復動させるための，モータ，エンジン等の駆動源（図示せず）を設けて，スターリングヒートポンプとして構成することもでき，いずれの場合においても，第１通路４１，第２通路５１の開閉制御を正確かつ確実に行うことで，効率的な運転を行うことができた。
【００２６】
なお，前記第１ピストン１１の駆動源（図示せず）と，前記第２ピストン２１の駆動源（図示せず）をそれぞれ別個に設けた構成にあっては，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０を離れた位置に配置することが可能となり，スターリングヒートポンプによって生じた発熱と冷熱とを，例えば別の施設や設備等において別個に利用することが可能である。
【００２７】
更に，前記第１通路４１と第２通路５１とを近接配置して，第１通路４１と第２通路５１を流れる流体の熱交換を可能とした構成にあっては，スターリングエンジンとしての利用時に，与えた熱エネルギから効率的に運動エネルギを回収することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のスターリング熱機関の構成図。
【図２】本発明のスターリング熱機関の各部における動作を示すタイムチャート。
【図３】本発明のスターリング熱機関（スターリングエンジン）の動作を説明した模式図であり，（Ａ）は図２におけるＴ0，（Ｂ）はＴ0に対し僅かに動作した状態。
【図４】本発明のスターリング熱機関（スターリングエンジン）の動作を説明した模式図であり，（Ａ）は図２におけるＴ1，（Ｂ）はＴ1に対し僅かに動作した状態。
【図５】本発明のスターリング熱機関（スターリングエンジン）の動作を説明した模式図であり，（Ａ）は図２におけるＴ2に至る僅かに前の状態，（Ｂ）はＴ2の状態，（Ｃ）はＴ2に対し僅かに進んだ状態。
【図６】本発明のスターリング熱機関（スターリングエンジン）の動作を説明した模式図であり，（Ａ）は図２におけるＴ3，（Ｂ）はＴ3に対し僅かに進んだ状態。
【図７】従来の２ピストン形スターリングエンジンの説明図であり，（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ１／４周期毎の動作状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に，添付図面を参照しながら，本発明のスターリング熱機関１をスターリングエンジンとして使用する場合を例に取り説明する。
【００３０】
〔スターリングエンジンの構造〕
図１に，本発明のスターリング熱機関であるスターリングエンジン１の全体構成を示す。
【００３１】
このスターリングエンジン１は，第１シリンダ１０及び第２シリンダ２０，前記第１シリンダ１０内を進退移動する第１ピストン１１，前記第２シリンダ２０内を進退移動する第２ピストン２１をそれぞれ備えており，各ピストン１１，２１は，各シリンダ１０，２０内を，シリンダ内の流体が完全に排出された状態にある上死点と，この上死点とは反対側の移動端である下死点間で進退移動するように構成されている。なお，本明細書において「中間点」とは，前述した上死点と下死点間の中間位置を指す。
【００３２】
第１シリンダ１０と第２シリンダ２０には，両者間を移動する流体が熱媒として封入されており，本実施形態では一例として空気を用いる場合を例として説明するが，この流体は，熱により膨張，収縮して第１及び第２ピストン１１，２１を進退移動させることができるものであれば本実施形態で例示する空気に限定されず，例えばヘリウムガス等のその他の気体を前述の流体とすることもでき，水，油，その他の液体を流体として使用することもできる。
【００３３】
なお，本発明のスターリング熱機関をヒートポンプとして使用する場合には，封入する流体としてフロン，アンモニア，アルコール等を使用するものとしても良い。
【００３４】
前述の第１ピストン１１に設けられたピストンロッド１１ａ，及び第２ピストン２１に設けられたピストンロッド２１ａには，それぞれクロスヘッド１１ｂ，２１ｂが設けられていると共に，このクロスヘッド１１ｂ，２１ｂにコンロッド１１ｃ，２１ｃを介してクランクケース３０，３１に収容されたクランク３２，３３及びクランクシャフト３４，３５が取り付けられており，第１ピストン１１に対して第２ピストン２１が９０°の位相遅れで動作するように調整がされている。
【００３５】
図示の例では，第１ピストン１１と第２ピストン２１にそれぞれ別個のクランクケース３０，３１設け，このクランクケース３０，３１外に設けたフライホイール兼プーリ３６，３７を，プーリベルト３８で連結して前述した９０°の位相差を以て両ピストン１１，２１が動作するように構成しているが，この構成に代え，例えば第１シリンダ１０と第２シリンダ２０を同一軸線上に対向配置し，又は，Ｖ字状に配置すると共に，第１・第２ピストン１１，２１のコンロッド１１ｃ，２１ｃを，いずれも共通のフライホイール（図示せず）に取り付けて，プーリベルトを省略した構成としても良い。
【００３６】
また，ピストン１１，２１の往復運動を回転力として取り出すための動力伝達機構として，図示の例ではクロスヘッドやクランクを使用する例を示したが，この構成に代え，スコッチヨーク等の既知の他の手段を用いても良い。
【００３７】
前述の第１シリンダ１０には，第１シリンダ１０内の空間に流体を導入するための導入口１２と，該第１シリンダ１０内より流体を排出するための排出口１３とがそれぞれ設けられている。
【００３８】
また，第２シリンダ２０にも同様に，第２シリンダ２０内に流体を導入するための導入口２２と，第２シリンダ２０内の流体を排出するための排出口２３とがそれぞれ設けられている。
【００３９】
そして，第１シリンダ１０には，第１シリンダ１０内の流体を加熱するための加熱器６０が設けられていると共に，第２シリンダ２０には，第２シリンダ２０内の流体を冷却するための冷却器７０がそれぞれ設けられており，本実施形態にあっては，第１シリンダ１０及び第２シリンダ２０の導入口１２，２２からシリンダ内の空間に至る通路中に，この加熱器６０及び冷却器７０を設け，導入口１２，２２を介して導入された流体を，シリンダ１０，２０内に導入する際に加熱又は冷却することができるように構成している。
【００４０】
以上のように構成された第１シリンダ１０内の空間と，第２シリンダ２０内の空間は，前述した流体を移動させるための通路によって連通されており，本発明のスターリングエンジン１では，第２シリンダ２０の排出口２３と第１シリンダ１０の導入口１２間を連通する第１通路４１を設け，第２シリンダ２０より排出された低温の流体を，加熱器６０を備えた第１シリンダ１０に昇温しながら導入可能としていると共に，第１シリンダ１０の排出口１３と第２シリンダ２０の導入口２２間を連通する第２通路５１を設け，第１シリンダ１０より排出された高温の流体を，冷却器７０を備えた第２シリンダ２０に降温しながら導入可能とし，第１シリンダ１０から第２シリンダ２０に対する流体の移動と，第２シリンダ２０から第１シリンダ１０に対する流体の移動を，それぞれ別経路で行うことで，両シリンダ１０，２０内の流体が混ざり合うことにより生じる熱損失の発生防止している。
【００４１】
そして，この第１通路４１と第２通路５１を開閉弁によって開閉制御するバルブ機構を設けることで，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０間における流体の移動が，熱損失だけでなく，圧力損失についても生じることなく円滑に行われるように制御している。
【００４２】
このような第１通路４１と第２通路５１の開閉制御は，各通路にそれぞれ設けた単一の開閉弁の開閉動作によって行うものとしても良いが，本実施形態にあっては，第１通路４１と第２通路５１の端部寄りの位置にそれぞれ開閉弁を設け，各通路４１，５１毎に２個ずつ設けられた開閉弁の開閉動作を組み合わせることにより，第１通路４１と第２通路５１の開閉制御を行っている。
【００４３】
この構成として，第１シリンダ１０の導入口１２を開閉する第１吸入弁８１ａと第２シリンダ２０の排出口２３を開閉する第２排気弁８１ｂを第１通路開閉弁８１として設けていると共に，第２シリンダ２０の導入口２２を開閉する第２吸入弁８２ｂと，第１シリンダ１０の排出口１３を開閉する第１排気弁８２ａを，第２通路開閉弁８２として設けている。
【００４４】
本発明では，前述した第１吸入弁８１ａ，第２排気弁８１ｂ，第２吸入弁８２ｂ，第１排気弁８２ａを，いずれも受圧室に対する作動圧力（負圧を含む）の導入によって開閉動作する開閉弁，図示の実施形態にあってはスライド弁として構成し，これらの弁の受圧室に対し，第１シリンダ１０及び／又は第２シリンダ２０内の圧力を作動圧力として導入することで，各弁に開閉動作を行わせることができるように構成している。
【００４５】
そして，前記各弁（８１ａ，８１ｂ，８２ａ，８２ｂ）に対する作動圧力の取り出しを，第１シリンダ１０及び第２シリンダ２０の内部側壁に形成した作動圧力取出口（１８，１９，２８，２９）を介して行うことで，この作動圧力取出口（１８，１９，２８，２９）を第１ピストン１１及び第２ピストン２１の側面によって開閉することで，第１ピストン１１及び第２ピストン２１の動作に連動して，第１通路４１と第２通路５１を適切なタイミングで開閉制御することができるように構成している。
【００４６】
このような開閉制御を可能とするために，図示の実施形態にあっては，一例として第１ピストン１１及び第２ピストン２１の軸線方向の長さを，ピストンの進退移動長さの１／３に形成すると共に，ピストン１１，２１との摺動範囲におけるシリンダ１０，２０の内壁を軸線方向に上段，中段，下段に３等分し，このうちの中段部分に，中段の高さ方向の全長に亘る溝として形成された，第１吸入弁用作動圧力取出口１８，第２排気弁用作動圧力取出口２９を設けると共に，該中段の下端位置において開口する孔として形成された第１排気弁用作動圧取出口１９，第２吸入弁用作動圧力取出口２８を設けている。
【００４７】
そして，ノーマリオープン型（以下，「ＮＯ型」と略称する。）で，且つ，圧縮気体の導入により動作する第１吸入弁８１ａの閉弁受圧室に，第１シリンダ１０の内壁で開口する第１吸入弁用作動圧力取出口１８を連通し，また，ノーマリクローズ型（以下，「ＮＣ型」という。）で，且つ，圧縮気体の導入により動作する第１排気弁８２ａの開弁受圧室に，第１シリンダ１０の内壁で開口する第１排気弁用作動圧力取出口１９を連通している。
【００４８】
更に，ＮＯ型で且つ，負圧の導入により動作する第２排気弁８１ｂの閉弁受圧室に，第２シリンダ２０の内壁で開口する第２排気弁用作動圧力取出口２９を連通すると共に，ＮＯ型で且つ負圧の導入により動作する第２吸入弁８２ｂの閉弁受圧室に第２シリンダ２０の内壁において開口する第２吸入弁用作動圧力取出口２８を連通している。
【００４９】
また，図示の実施形態にあっては，第１シリンダ１０における排出口１３を前述の中段よりも高い位置，図示の例では中段との境界に近い上段の側壁に開口し，第１ピストン１１が中間点から僅かに上死点側に移動すると，第１ピストン１１の側面によって排出口１３が塞がれて排出口１３を介した排気が行われなくなるように構成している。
【００５０】
一方，第２シリンダ２０の排出口２３は，第２シリンダ２０の内壁上段に高さ方向の上端に至る位置迄形成された連通溝２３’と連通し，第２ピストン２１が上死点に至る迄，第２シリンダ２０内の流体が排出口２３を介して排出できるように構成している。
【００５１】
更に，第１・第２シリンダ１０，２０のいずれ共に，導入口１２，２２は，加熱器６０又は冷却器７０を介して各シリンダ１０，２０の上死点側端部に連通させており，各シリンダ１１，２１が上死点に至った状態においても，加熱器６０又は冷却器７０内に貯留されている流体を加熱又は冷却することができるように構成されている。
【００５２】
なお，図１中，符合９１は蓄熱材であり，第１通路４１と第２通路５１の近接配置部分を共にこの蓄熱材９１で覆うことにより，第１通路４１内を流れる流体と第２通路５１内を流れる流体間における熱交換を行うことができるように構成している。
【００５３】
また，図１中の符合９０は背圧連通配管であり，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０のピストン１１，２１の背圧を軽減する。
【００５４】
〔スターリングエンジンの動作〕
以上のように構成された本発明のスターリングエンジン１の動作を図２〜６を参照して説明する。
【００５５】
図２におけるＴ0〔図３（Ａ）に対応〕を原位置として，スターリングエンジン１の一周期の動作を説明すると，この原位置Ｔ0において，第１ピストン１１は上死点にあると共に，第１ピストン１１に対し９０°の位相遅れを以て動作する第２ピストン２１は中間点にある〔図３（Ａ）参照〕。
【００５６】
この位置では，第１吸入弁８１ａ，及び第１排気弁８２ａのいずれに対しても作動圧力の導入が行われておらず，ＮＯ型の第１吸入弁８１ａは開いた状態，ＮＣ型の第１排気弁８２ａは閉じた状態にある。
【００５７】
一方，第２シリンダ２０では，第２吸入弁用作動圧力取出口２８，及び第２排気弁用作動圧力取出口２９は，いずれもピストンの側面によって閉塞された状態にあり，冷却によって収縮された状態にある負圧の流体が第２吸入弁８２ｂの閉弁受圧室，及び第２排気弁８１ｂの閉弁受圧室内に閉じ込められた状態に維持されており，そのため，ＮＯ型である第２吸入弁８２ｂ及び第２排気弁８１ｂは，いずれも閉じた状態に維持されている。
【００５８】
これにより，第１シリンダ１０内の空間と第２シリンダ２０内の空間を連通する第１通路４１及び第２通路５１は，いずれも，閉じた状態にあり，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０内の空間は，隔絶された状態にある。
【００５９】
この原位置Ｔ0から第１ピストン１１が下死点に向かって移動を開始すると共，中間点にある第２ピストン２１が上死点に向かって移動を開始すると〔図３（Ｂ）参照〕，第２ピストン２１によって閉塞されていた第２吸入弁用作動圧力取出口２８，及び第２排気弁用作動圧力取出口２９がいずれも開放されて第２ピストン２１に対し下死点側にある空間と連通し，これにより，第２吸入弁８２ｂ及び第２排気弁８１ｂの受圧室内の圧力（負圧）が開放されて，ＮＯ型の第２吸入弁８２ｂ及び第２排気弁８１ｂがいずれも開く。
【００６０】
一方，第１シリンダ１０では，第１吸入弁用作動圧力取出口１８及び第１排気弁用作動圧力取出口１９は依然として第１ピストン１１に対し下死点側の空間と連通した状態にあり作動圧力の導入は行われていないため，ＮＯ型の第１吸入弁８１ａは開いた状態，ＮＣ型の第２排気弁８２ａは閉じた状態を維持している。
【００６１】
その結果，第２吸入弁８２ｂの開放によっても第２通路５１は閉じた状態を維持するが，第２排気弁８１ｂが開くことで第１通路４１が開き，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０は第１流路４１を介して連通する。
【００６２】
この連通により，第２シリンダ２０内の流体は，第２ピストン２１が上死点に向かう移動に伴い第１通路４１を介して第１シリンダ１０に向かって排出されると共に，第２シリンダ２０より排出された流体は，加熱器６０を通って，第１ピストン１０が下死点に向かって下降するに従い第１シリンダ１０内に吸入される。
【００６３】
このようにして，第１シリンダ１０内では第１ピストン１１が下死点に向かって移動して流体の吸入を行いながら，やがて中間点に至ると共に，第２シリンダ２０内では第２ピストン２１が上死点に向かって移動して第２シリンダ２０内の流体を排出しながら，やがて上死点に至って流体の排出が完了する〔図２のＴ1，図４（Ａ）参照〕。
【００６４】
第１ピストン１１が中間点を超えて更に下死点に向かって移動すると〔図４（Ｂ）参照〕，第１ピストン１１の側面で塞がれていた第１吸入弁用作動圧力取出口１８の上端が第１ピストン１１に対し上死点側にある空間と連通して，第１吸入弁用作動圧力取出口１８を介して第１吸入弁８１ａの受圧室に対し作動圧力が導入される。
【００６５】
この作動圧力の導入により，ＮＯ型の第１吸入弁８１ａが閉じることで，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０間の連通が遮断され，第１シリンダ１０内の流体が第１通路４１を介して第２シリンダに逆流することが防止される。
【００６６】
従って，加熱器６０による加熱による膨張によって上昇している第１シリンダ１０内の圧力は，第１ピストン１１を下死点側に押し下げる方向に作用し，これを運動エネルギとして取り出すことができる。
【００６７】
また，第１ピストン１１に対し９０°の位相差を以て動作する第２ピストン２１は，上死点から下死点側に向かって下降する動作に転じる。この第２ピストン２１の下降に伴い，第２シリンダ２０内に対しては流体を吸引しようとする作用が生じるが，第１吸入弁８１ａ及び第１排気弁８２ａがいずれも閉じた状態で，第１通路４１及び第２通路５１を介した第１シリンダ１０内の空間に対する連通はいずれも遮断された状態にあることから，第２ピストン２１の下降によっても第１シリンダ１０内の流体が第２シリンダ２０内に導入されることはなく，第２ピストン２１は，第２シリンダ２０及びこれに連通する部分の第１通路４１及び第２通路５１内の空間を減圧しながら下降する。
【００６８】
第１シリンダ１０に設けられた第１排気弁用作動圧力取出口１９は，第１ピストン１１が下死点に至る直前迄，第２ピストン１１の側面によって閉塞された状態に維持され，従って第１シリンダ１０の排出口１３は第１排気弁８２ａによって閉ざされた状態に維持されているが〔図５（Ａ）参照〕，第１ピストン１１が下死点に至ると，第１ピストン１１の側面によって閉塞されていた第１排気弁用作動圧力取出口１９が第１ピストン１１に対し上死点側にある空間と連通して，第１排気弁８２ａの開弁受圧室に対し作動圧力が導入される。その結果，ＮＣ型の第１排気弁８２ａが開く〔図２中のＴ2，図５（Ｂ）参照〕。
【００６９】
このとき，第２吸入弁８２ｂは開いた状態を維持しているため，第１排気弁８２ａが開くことで第２通路５１を介して第１シリンダ１０内の空間と第２シリンダ２０内の空間が連通する。
【００７０】
第２シリンダ２０内の空間は，第２ピストン２１が上死点から中間点に下降することにより減圧されていることから，この連通により，第１シリンダ１０内の流体は高速で第２シリンダ２０内の空間に吸引される。
【００７１】
その後，第１ピストン１１が下死点から上死点側に向かう上昇移動に転じると，第１排気弁用作動圧力取出口１９は，再度，第１ピストン１１の側面によって閉塞されることとなるが，この閉塞により，第１排気弁８２ａの開弁受圧室には加圧流体が閉じ込められた状態となるため，第１排気弁８２ａはその後も開いた状態を維持し，第２通路５１を介した第１シリンダ１０と第２シリンダ２０の連通が維持されている〔図５（Ｃ）参照〕。
【００７２】
また，第２ピストン２１が中間点にある際には第２ピストン２１の側面によって塞がれていた第２排気弁用作動圧力取出口２９が，第２ピストン２１に対し上死点側にある減圧された空間と連通し，ＮＯ型の第２排気弁８１ｂの閉弁受圧室に対し作動圧力が導入される結果，第２シリンダ２０の排出口２３が第２排気弁８１ｂによって閉じられる〔図５（Ｃ）参照〕。
【００７３】
その後，更に第１ピストン１１が上昇するに伴い第１シリンダ１０内より押し出された流体は，排出口１３及び第２通路５１を介して第２シリンダ２０に向かい，第２ピストン２１が中間点から下死点に向かって下降する第２シリンダ２０内に冷却器７０を介して吸入されると共に収縮される。
【００７４】
以上のようにして，第１シリンダ１０による排気は第１ピストン１１が下死点から中間点に上昇する迄行われると共に，第２シリンダ２０による吸気は，第２ピストン２１が中間点から下死点に下降する迄行われ，第２ピストン２１が下死点に至ると，第２ピストン２１の側面によって閉塞されていた第２吸入弁用作動圧力取出口２８が第２ピストン２１の上死点側の空間と連通し，これによりＮＯ型の第２吸入弁８２ｂの閉弁受圧室に対し作動圧力が導入されて，第２吸入弁８２ｂが閉じ，第２通路５１を介した第１シリンダ１０と第２シリンダ２０の連通が解除されて流体の移動が終了する〔図２中のＴ3，図６（Ａ）参照〕。
【００７５】
この状態において，第２シリンダ２０は吸入口２２及び排出口２３を何れも閉ざした状態で，第２シリンダ２０内の流体は冷却されて収縮することから，この流体の収縮によって第２ピストンに対しては，これを上死点側に向かって引き上げる方向に作用する。
【００７６】
その結果，第２ピストン２１は，下死点から上死点に向かう上昇移動を開始すると共に，この第２ピストン２１と連動して動作する第１ピストン１１は，中間点から上死点に向かって更に上昇移動を継続する〔図６（Ｂ）〕。
【００７７】
このようにして，第１ピストン１１が中間点よりも上死点側に移動すると，第１ピストン１１の側面によって閉塞されていた第１吸入弁用作動圧力取出口１８及び第１排気弁用作動圧力取出口１９が，第１ピストン１１に対し下死点側の空間と連通することで，第１吸入弁８１ａ及び第１排気弁８２ａに対する作動圧力の導入が停止して，ＮＯ型の第１吸入弁８１ａは開き，ＮＣ型の第１排気弁８２ａは閉じる。
【００７８】
その後，流体の収縮による第２ピストン２１の上昇は，第２ピストン２１が中間点に至る迄行われ，これにより，第２ピストン２１と連動する第１ピストン１１は，上死点迄移動して，原位置に復帰する〔図２のＴ0，図３（Ａ）参照〕。
【００７９】
第１ピストン１１が中間点から上死点に移動する過程で，第１シリンダ１０内に残っていた流体は第１シリンダ１０内の空間と連通する加熱器６０，及び第１通路４１の一部内に圧縮されるとともに加熱された状態で蓄積される。
【００８０】
なお，以上の説明では，本発明のスターリング熱機関をスターリングエンジンとして使用する例について説明したが，本発明のスターリング熱機関は，これをスターリングヒートポンプとして使用することも可能である。
【００８１】
このようにスターリングヒートポンプとして使用する場合，第１シリンダ１０内の流体を加熱する加熱器６０や，第２シリンダ２０内の流体を冷却する冷却器７０は，これを設ける必要が無い一方，第１ピストン１１及び第２ピストン２１を進退移動させるための，エンジンやモータ，その他の駆動源（図示せず）を設けることが必要となる。
【００８２】
また，スターリングヒートポンプとして使用する場合，スターリングエンジンでは加熱器６０が設けられていた第１シリンダ１０側が吸熱を，冷却器７０が設けられていた第２シリンダ２０側が放熱を行うものとなると共に，シリンダ１０，２０内の圧力の正・負の状態がスターリングエンジンとして使用する場合とは逆転するため，スターリングエンジンでは圧縮気体の導入によって動作する型式を採用していた第１吸気弁８１ａ，第１排気弁８２ａを，負圧の導入により動作する型式のものに変更する必要があると共に，負圧の導入により動作する型式を採用していた第２排気弁８１ｂ，第２吸気弁８２ｂについては，圧縮気体の導入により動作する型式のものに変更する必要がある。
【００８３】
このように，本発明のスターリング熱機関１を，スターリングヒートポンプとして使用する場合，図１を参照して説明したように，タイミングベルト９０とフライホイール兼プーリ３６によって構成された連動機構によって連動された第１ピストン１１と第２ピストン２１を，単一の駆動源によって同時に駆動するものとしても良いが，第１ピストン１１を駆動する駆動源と，第２ピストン２１を駆動する駆動源をそれぞれ別個に設け，例えば電子制御等によって，第１ピストン１１の駆動を制御する駆動源と，第２ピストン２１を駆動する駆動源との動作を連動させるものとしても良い。
【００８４】
このように，第１ピストン１１と第２ピストン２１とを独立して駆動することで，第１シリンダ１０と第２シリンダ２０とを離して配置することが可能となり，スターリングヒートポンプにより得た発熱と冷却とを，例えば別の施設や設備等においてそれぞれ利用することも可能である。
【００８５】
なお，以上の説明では，第１，第２シリンダ１０，２０に設けたスライド弁である吸入弁８１ａ，８２ｂ及び排気弁８２ａ，８１ｂを，第１，第２シリンダ１０，２０内の圧力を作動圧力として動作させる構成について説明したが，これら吸入弁８１ａ，８２ｂ及び排気弁８２ａ，８１ｂの動作は，前述したシリンダ１０，２０内の圧力を作動圧力とする構成に代え，例えばクランクシャフト３４，３５に連動するカム（図示せず）を設け，このカムによって動作するように構成しても良い。
【００８６】
また，吸入弁８１ａ，８２ｂや排気弁８２ａ，８１ｂの開閉は，これを電気的，磁気的な方法で制御するものとしても良く，例えば，前述の吸入弁８１ａ，８２ｂや排気弁８２ａ，８１ｂを電磁弁によって構成すると共に，フライホイール兼プーリ３６，３７の回転角度を検知する検知手段（図示せず）を設け，この検知手段が検知したフライホイール兼プーリ３６，３７の回転角度に対応して電磁弁である吸気弁８１ａ，８２ｂや排気弁８２ａ，８１ｂを開閉制御するものとしても良い。
【符号の説明】
【００８７】
１  スターリング熱機関（スターリングエンジン）
１０  第１シリンダ
１１  第１ピストン
１１ａ  ピストンロッド
１１ｂ  クロスヘッド
１１ｃ  コンロッド
１２  導入口
１３  排出口
１８  第１吸入弁用作動圧力取出口
１９  第１排気弁用作動圧力取出口
２０  第２シリンダ
２１  第２ピストン
２１ａ  ピストンロッド
２１ｂ  クロスヘッド
２１ｃ  コンロッド
２２  導入口
２３  排出口
２３’  連通溝
２８  第２吸入弁用作動圧力取出口
２９  第２排気弁用作動圧力取出口
３０，３１  クランクケース
３２，３３  クランク
３４，３５  クランクシャフト
３６，３７  フライホイール兼プーリ
３８  プーリベルト
４１  第１通路
５１  第２通路
６０  加熱器
７０  冷却器
８１  第１通路開閉弁
８１ａ  第１吸入弁
８１ｂ  第２排気弁
８２  第２通路開閉弁
８２ａ  第１排気弁
８２ｂ  第２吸入弁
９０  背圧連通配管
９１  蓄熱材
２００  スターリングエンジン（α形）
２１０  加熱側シリンダ
２１０’  加熱室
２１１  加熱側ピストン
２２０  冷却側シリンダ
２２０’  冷却室
２２１  冷却側ピストン
２３０  連通路
２６０  加熱器
２７０  冷却器
【図１】
0006000214.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006000214.tif 000008