(57)【要約】    【課題】  主として家庭用の暖冷房に使用する熱源装置の低コスト、低騒音、効率及び信頼性の向上を図ると共に対環境性を向上させる。    【解決手段】  ヘリウムガスで作動するスターリングエンジン１に、ランキンサイクル２の往復圧縮機２１を一体的に形成する。凝縮器２５の出口側に設けた分離器２７により液化した冷媒と、これに混入したヘリウムガスとを分離し、この分離したヘリウムガスをスターリングエンジン１に還流する。したがって冷媒が往復圧縮機２１から内部漏洩しても外部には洩れず、またスターリングエンジン１とランキンサイクル２とは、それぞれ最適な動作流体である、ヘリウムガスと冷媒とで作動させることができる。    【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレッサ型のスターリングエンジンと、ランキンサイクルの熱ポンプとを備え、
上記スターリングエンジンのパワーピストンは、上記熱ポンプの往復圧縮機を駆動するものであって、
上記往復圧縮機のシリンダは、上記パワーピストンのシリンダの一端部にこのシリンダと一体的に形成され、
上記往復圧縮機のピストンは、上記パワーピストンの一端部にこのパワーピストンと一体的に形成され、
上記熱ポンプは、凝縮器と膨張弁との間に分離器を備え、
上記スターリングエンジンの動作流体はヘリウムガスであり、
上記熱ポンプの動作流体は、上記凝縮器の出口において、その全てが液体状態まで冷却され、
上記分離器は、上記ヘリウムガスを上記熱ポンプの動作流体から分離し、
上記分離したヘリウムガスは、上記スターリングエンジンに還流され、
上記分離した熱ポンプの動作流体は、上記膨張弁に供給される
ことを特徴とする熱源装置。
【請求項２】
請求項１において、前記膨張弁は、直列に連結した２個の膨張弁からなり、
前記分離器は、上記２個の膨張弁の間に設けてあり、
前記往復圧縮機は、切替弁によって動作流体の吸込経路と吐出経路とを切り替え可能になっており、
上記切替弁の切り替えに連動して上記２個の膨張弁のうち上流側に位置する膨張弁の絞り機能が解除される
ことを特徴とする熱源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスプレッサ型のスターリングエンジンで駆動するランキンサイクルからなる熱源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の大多数の家庭用の熱源装置は、発電所から送電される電気で駆動している。ところで図５に示すように、発電所における発電効率は通常４０〜４５％程度であり、更に送電による損失１０％程度を引くと、各家庭で熱源装置に使用できる電気エネルギは、発電所で供給された石油等のエネルギのうち３０〜３５％に過ぎず、残りの６５〜７０％は無駄となっている。
【０００３】
例えば、各家庭等において暖房を行う際には、この電気エネルギを直接電気ヒータとして利用する場合には、３０〜３５％の暖房熱しか利用できない。一方、この電気エネルギによってモーターを回し、このモータによって熱ポンプを駆動する場合には、この熱ポンプの動作効率（ＣＯＰ）を３とすると、外気からくみ上げた６０〜７０％の熱を加えて、９０〜１０５％の暖房熱を利用できるが、この場合にも、各家庭に送電されるまでに、発電所で供給された石油等のエネルギのうち、６５〜７０％が無駄になっている事実に変わりはない。
【０００４】
このため、各家庭で石油等のエネルギ源を直接利用する手段が考えられる。たとえば石油等を燃焼させれば、ほぼ１００％の熱エネルギを暖房として利用することができる。しかし、石油等の有するエネルギ以上の、熱エネルギを利用することはできない。したがって、従来より石油等の燃焼熱により吸収サイクルを作動させる手段や、石油等でエンジンを駆動して、このエンジンでランキンサイクルを作動させる手段が採用されている。
【０００５】
例えば図５の下部に示すように、石油を直接燃料として内燃機関を作動させ、この内燃機関によって熱ポンプを駆動する場合には、内燃機関の熱効率ηを０．２５、熱ポンプの動作係数（ＣＯＰ）を３とすると、暖房熱は、内燃機関の排熱７５％と、内燃機関の発生動力２５％と、外気からくみ上げた熱５０％を加えた、１５０％の暖房熱を発生させることができる。また冬場等の外気温が低い場合には、より暖かい地下水から吸熱することによって、熱ポンプの動作係数（ＣＯＰ）を、例えば６程度に容易に向上させることができる。この場合には、図５の下部の括弧内数字に示すように、２２５％の暖房熱を発生させることもできる。また、同一エネルギ量に対して、石油燃料料金は、電気料金の１／５程度であり、このエネルギコストの差を考慮すると、さらに大幅な費用の削減が可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし吸収サイクルは、ランキンサイクルに比べて動作係数が低い。したがって熱エネルギにコストが掛からない、例えば、排熱等を利用する場合に利用されるものであって、家庭用には適さない。また動作流体には、リチウム・臭素やアンモニアが使用されるために、環境保護の点で問題になるおそれがある。一方、上述したように内燃機関でランキンサイクルを駆動する手段には、次の問題があった。
【０００７】
すなわち従来のエンジンは、往復式の内燃機関が使用されているために、一般的に騒音が大きく、寿命が短い。そして、家庭用の熱源装置は小さな駆動力で足りるため、小型のエンジンを使用することになるが、この小型の内燃機関は、特に騒音が高く、熱効率が低く、耐久性が劣り、何よりも始動性や安定性に劣るといった欠点があり、実用上問題が多い。第２には、ランキンサイクルに使用する往復圧縮機のシールが困難であるという点である。すなわち、往復圧縮機のピストンとシリンダとの間隙からの冷媒の漏洩を遮断するためには、この間隙をできるだけ小さくする必要があるが、一方間隙をあまり小さくすると、両者の摩擦力が大きくなって、損失が増加する。したがって、冷媒の漏洩を完全に遮断することは困難であり、漏洩した代替フロンやアンモニア等の冷媒は環境に悪影響を与え得る。
【０００８】
したがって、石油を燃料とする往復式の内燃機関を利用したランキンサイクルは、原理的には、家庭用の熱源装置として、極めて効率が良い手段であることは明らかであるが、上述した問題の存在により、魅力的で実用的な手段は提案されていなかった。
【０００９】
そこで本発明の目的は、低コスト低騒音で、耐環境性に優れ、更に高効率で、高い耐久性と信頼性とを備える熱源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく、本発明による熱源装置の第１の特徴は、ディスプレッサ型のスターリングエンジンと、ランキンサイクルの熱ポンプとを備え、このスターリングエンジンのパワーピストンは、この熱ポンプの往復圧縮機を駆動するものであることにある。上記往復圧縮機のシリンダは、上記パワーピストンのシリンダの一端部にこのシリンダと一体的に形成され、一方この往復圧縮機のピストンは、上記パワーピストンの一端部にこのパワーピストンと一体的に形成されている。
【００１１】
上記熱ポンプは、凝縮器と膨張弁との間に分離器を備え、上記スターリングエンジンの動作流体はヘリウムガスであり、この熱ポンプの動作流体は、この凝縮器の出口において、その全てが液体状態まで冷却される。そして上記分離器は、上記ヘリウムガスを上記熱ポンプの動作流体から分離し、この分離したヘリウムガスは、上記スターリングエンジンに還流され、一方この分離した熱ポンプの動作流体は、上記膨張弁に供給される。
【００１２】
本発明による熱源装置の第２の特徴は、前記特徴１に記載した膨張弁は、直列に連結した２個の膨張弁からなり、前記分離器は、これら２個の膨張弁の間に設けてあることにある。そして前記往復圧縮機は、切替弁によって動作流体の吸込経路と吐出経路とを切り替え可能になっており、この切替弁の切り替えに連動して、これら２個の膨張弁のうち上流側に位置する膨張弁の絞り機能が解除される。
【００１３】
ここでディスプレッサ型のスターリングエンジンとは、公知の技術であって、シリンダ内に同心状に配列したパワーピストンとディスプレッサとが、相互に対向して往復運動を行い、外部から供給される熱エネルギによって、パワーピストンに機械的エネルギを発生させるものである。また、ランキンサイクルとは、公知の技術であって、動作流体を往復圧縮機で高温高圧のガスに圧縮し、凝縮器で放熱させ、膨張弁で等エンタルピ膨張させ、気化器で蒸発させて吸熱するものである。そして凝縮器の放熱を利用すれば、熱ポンプとなり、一方の気化器の吸熱を利用すれば、冷凍機あるいは冷房装置となる。なお熱源装置とは、冷房装置または暖房装置のいずれにも利用できるものを意味する。
【００１４】
往復圧縮機のシリンダは、パワーピストンのシリンダの一端部に、このシリンダと一体的に形成されとは、両シリンダのつなぎ目からシリンダ内の動作流体が外部に漏洩しないようにという意味であって、両シリンダが一個の部品で製作されている場合に限らず、複数の部品の結合で構成されている場合も含む。また往復圧縮機のピストンは、パワーピストンの一端部に、このパワーピストンと一体的に形成されているとは、両ピストンが機械的に連結されているという意味であって、両シリンダが一個の部品で製作されている場合に限らず、例えば両者を連結棒で結合する場合のような複数の部品で構成されている場合も含む。
【００１５】
熱ポンプの動作流体は、凝縮機の出口においてその全てが液体状態に冷却されるとは、この熱ポンプの動作流体が、凝縮機の出口であって膨張弁に流入する前において、この凝縮機の放熱によって、飽和液線または飽和液線より低エンタルピ側の液相にまで冷却されるということを意味しており、このような状態で使用できる動作流体としては、標準的なランキンサイクルに使用されている、例えばアンモニア、Ｒ-１３４、Ｒ−４０７Ｃ、Ｒ６００ＡおよびＲ−７１７が該当する。
【００１６】
分離器は、ヘリウムガスを熱ポンプの動作流体から分離してとは、往復圧縮機のピストンとシリンダとの間から、熱ポンプの動作流体に混入したスターリングエンジンの動作流体であるヘリウムガスを、この熱ポンプの動作流体から回収するということを意味している。
【００１７】
分離器が２個の膨張弁の間に設けてあるとは、直列に連結した２個の膨張弁の一方の流出側と他方の流入側の間に設けてあることを意味している。また切替弁の切り替えに連動して、これら２個の膨張弁のうち上流側に位置する膨張弁の絞り機能が解除されるとは、この切替弁によって往復圧縮機の動作流体の吸込経路と吐出経路との切り替操作がなされた場合には、その切り替え操作と連動して、２個の膨張弁のうち、動作流体の流れ方向からみて上流側の膨張弁の絞りが開放され、下流側の膨張弁だけが絞り機能を果すことを意味する。したがって凝縮器の放熱を利用する場合には、分離器の圧力は、この凝縮器の出口圧力となり、一方動作流体の流れ方向を切替弁で逆に切り替えて、気化器を凝縮器として利用する場合には、分離器の圧力は、この気化器の出口圧力となる。すなわち分離器の圧力は、いずれの場合にも、動作流体が凝縮した後の圧力になる。
【００１８】
また、上流側の膨張弁の絞り機能を解除するとは、この膨張弁の絞りを完全に開放して、圧力低下を生じさせない場合にかぎらず、上流側の膨張弁の出口において、動作流体が液相の状態に維持できる程度の圧力低下を生じる場合も含む。
【発明の効果】
【００１９】
このように発明を構成することにより、次の作用効果が得られる。第１に、スターリングエンジンを使用することにより、往復圧縮機の駆動エンジンを、小型軽量、高効率、かつ低騒音にすることができ、さらに耐久性、始動性及び安定性も向上させることができる。第２に、スターリングエンジンと往復圧縮機とのシリンダを一定的に形成することによって、動作流体の外部への漏洩を容易に防止することができるので、優れた環境性を実現することができる。
【００２０】
スターリングエンジンと往復圧縮機とのピストンを一体的に形成することによって、
両者の結合構造を、極めて小型簡易、低コストかつ信頼性の高いものにすることができる。またスターリングエンジンの動作流体として、一番比熱の小さいへリウムガスを使用することによって、高いスターリングエンジンの熱効率を達成でき、かつへリウムガスは不活性ガスであるため、優れた耐火性および環境性を実現することができる。
【００２１】
分離器によって、熱ポンプの動作流体内に混入したヘリウムガスを分離回収して、スターリングエンジンに還流させることにより、スターリングエンジンは、理想的な動作ガスであるヘリウムガスで継続的に運転可能となるため、スターリングエンジンの高い熱効率を維持できる。一方熱ポンプの気化器には、ヘリウムガスを分離した残りの動作流体が供給されるため、ヘリウムガスの混入によって気化器における吸熱効率が低下することを回避できる。
【００２２】
分離器を凝縮器の出口に設けることによって、次の効果が得られる。まず本発明においては、熱ポンプの動作流体は、凝縮器の出口で液相にまで冷却される。よって分離器では、混入したヘリウムガスは気体として、液化状態にある熱ポンプの動作流体から、その比重差によって容易に分離することが可能となる。また分離器では、熱ポンプの動作流体は、液体と蒸気の混合相ではなく、液相の状態にまで冷却されているため、分離されたヘリウムガスには、この動作流体の蒸気は混入せず、専らヘリウムガスだけがスターリングエンジンに還流される。
【００２３】
次に、分離器を凝縮器の出口に設け、分離したヘリウムガスをスターリングエンジンに還流させることによって、凝縮器の出口圧力と、スターリングエンジンの動作圧力とを、ほぼ同一レベルにすることができる。したがって、標準的なランキンサイクルの動作流体として使用される多様な媒体を選択可能となり、一方スターリングエンジンの動作圧力として、高圧過ぎず、かつ良好な熱効率が得られる圧力に設定することができる。すなわちスターリングエンジンの動作圧力を高圧に設定すると、エンジンのサイズを小さくすることができるものの、製造コストが上昇し、かつ安全性上も問題となる。
【００２４】
また分離器を膨張弁の後流に設けると、標準的なランキンサイクルに使用される動作流体では、分離器の圧力が膨張弁で低下した後の低い圧力になってしまうため、スターリングエンジンの動作圧力が低すぎて、良好な熱効率が得られない。さらに膨張弁の後流では、動作流体は等エンタルピ変化して、蒸気と液体との混合相にまで冷却されるため、分離器でヘリウムガスだけを分離できず、動作流体の蒸気が多量にヘリウムガスに混入してしまう。
【００２５】
分離器を直列に連結した２個の膨張弁の間に設け、往復圧縮機を切替弁によって動作流体の入出方向を切り替え可能とし、この切替弁の切り替え操作に連動して、２個の膨張弁のうち上流側に位置する膨張弁の絞り機能を解除することによって、切替弁を切り替えるだけで、上述した作用効果を奏しつつ、熱源装置を冷房装置または暖房装置として利用することができる。
【００２６】
すなわち往復圧縮機からの動作流体の流出方向を逆に切り替えれば、気化器で動作流体を凝縮させた後に、絞りを開放した上流側の膨張弁を素通りさせ、次いで分離器でヘリウムガスを分離した後に、後流側の膨張弁で膨張冷却させ、凝縮器で気化させて外部から吸熱させることができる。したがって、気化器又は凝縮器の一方を室内に設置し、他方を屋外に設置しておけば、切替弁を切り替えるだけで、極めて容易に冷暖房を切り替えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１に示す熱源装置は、外部から熱Ｑ2をくみ上げ、熱量Ｑ1を供給する暖房機として使用する場合を示している。すなわち熱源装置は、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１のパワーピストン１１により、ランキンサイクル２の往復圧縮機２１を駆動するものであって、この往復圧縮機のシリンダ２１ａは、このパワーピストンのシリンダ１３の右側端部に、このシリンダの同一部品として一体的に形成してある。往復圧縮機２１のピストン２１ｂは、パワーピストン１１の右側端部の中央に、このパワーピストンの同一部品として一体的に形成してある。
【００２８】
ここで図１を参照しつつ、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１の構成を説明する。ディスプレッサ型のスターリングエンジン１は、円筒形状をしたシリンダ１３と、このシリンダの内周面に摺動し、相互に対向して往復運動する同心状に配列したパワーピストン１１とディスプレッサ１４とを備えている。パワーピストン１１の左側端面中央には、円柱状の突起部が形成してあり、この突起部は、ディスプレッサ１４の対向する面に形成した円柱孔に密接挿入されて、ガスバネ１４ａを形成している。
【００２９】
シリンダ１３は、容器１５内に収納してあり、この容器内には、動作流体として使用するヘリウムガスが密封してある。シリンダ１３の左側は開口端となっており、ディスプレッサ１４の左側端面と、容器１５の左端部とで左側密閉空間１６を形成しており、その外部には燃焼室３１が設けてある。シリンダ１３の右側は閉塞端となっており、上述した往復圧縮機２１が形成してある。シリンダ１３の外周上には、ディスプレッサ１４の左端面に相当する位置に受熱熱交換器１７が、右端面に相当する位置に放熱熱交換器１９が、そしてそれらの中間に蓄熱器１８が、それぞれ巻装してあり、またパワーピストン１１に相当する位置に、交流発電機３２が巻装してある。
【００３０】
パワーピストン１１の左側端面と、ディスプレッサ１４の右側端面との間には中央空間１４ｂが形成され、この中央空間は、放熱熱交換器１９、蓄熱器１８、及び受熱熱交換器１７を経由して、左側密閉空間１６と連通している。なお中央空間１４ｂは、パワーピストン１１とシリンダ１３とに形成した貫通孔１３ａを経由して、このパワーピストンの中立位置で、右側密閉空間１２と連通している。
【００３１】
次にディスプレッサ型のスターリングエンジン１の動作を説明する。燃料調整装置３３を経由して供給された燃料が、燃焼室３１で燃焼すると、この燃焼熱は、受熱熱交換器１７を経由して左側密閉空間１６内のヘリウムガスに供給される。左側密閉空間１６内と、これに連通する中央空間１４ｂ内とのヘリウムガスは膨張して、パワーピストン１１を右側に押しやる。また、ガスバネ１４ａは、その内部圧力と左側密閉空間１６内の圧力差分だけ圧縮されつつ右側に移動する。パワーピストン１１の右側方向への移動が完了すると、圧縮されたガスバネ１４ａの反発力によって、ディスプレッサ１４は左側に押し戻され、左側密閉空間１６内のヘリウムガスを、中央空間１４ｂ内に移動させる。この移動の際に、ヘリウムガスの熱量の一部が蓄熱器１８に蓄熱される。
【００３２】
次に中央空間１４ｂ内のヘリウムガスは、放熱熱交換器１９により外部に放熱して、収縮し、パワーピストン１１を左側方向に移動させる。またガスバネ１４ａは、その内部圧力と左側密閉空間１６内の圧力差分だけ膨張しつつ左側に移動する。パワーピストン１１の左側方向への移動が完了すると、膨張したガスバネ１４ａの復元力によって、ディスプレッサ１４は右側に引き戻され、中央空間１４ｂ内のヘリウムガスを、左側密閉空間１６内に移動させる。この移動の際に、蓄熱器１８に蓄熱された熱量の一部がヘリウムガスに回収され、この熱回収によって熱効率を大幅に向上させる。
【００３３】
以上により、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１は、外部から熱エネルギを受けると共に、この熱エネルギの一部を放出して、残りの熱エネルギをパワーピストン１１の往復運動エネルギに変換する。なお上述したパワーピストン１１と、ディスプレッサ１４との往復運動は、それぞれの運動を分解して記述したものであって、実際的にはガスバネ１４ａの共振を利用して、このパワーピストンと、ディスプレッサとを、相互に対向して往復運動させるものである。
【００３４】
また、交流発電機３２は、始動時からこの往復運動が安定するまでの期間、リニアモータとして、往復運動をサポートし、安定後は、交流発電機として、必要な電気の供給やバッテリーへの充電を行う。そしてパワーピストン１１とシリンダ１３とに形成した貫通孔１３ａは、パワーピストン１１の外周摺動面からの漏洩によって、中央空間１４ｂと、このパワーピストンの右側端面空間との圧力差が過大又は過小になると、ガスバネ１４ａのバネ定数等が変化して、円滑な作動を維持できなくなるため、このパワーピストンの中立位置において、この中央空間と、後述するように往復圧縮機２１の吸入圧力と同じにしてある右側密閉空間１２とを連通させ、上記圧力差が過大又は過小になるのを防止する。
【００３５】
さて次に、ランキンサイクル２の構成を説明する。ランキンサイクル２は、上述したスターリングエンジン１の右端部に一体成形した往復圧縮機２１と、この往復圧縮機に連通する動作流体の吐出経路２２及び吸入経路２３と、この吐出経路及び吸入経路を切り替える切替弁２４とを備えている。切替弁２４の吐出経路２２は、凝縮器２５、第１の膨張弁２６、及び分離器２７と、この順序にそれぞれ経路で連通してある。分離器２７は、簡単な密閉容器から形成してあり、容器の底部に溜まった液体化した動作流体と、容器の上部に溜まった気体状態のヘリウムガスを、それぞれの経路で外部に流出させる経路を有している。
【００３６】
分離器２７の容器の底部に溜まった液体化した動作流体は、第２の膨張弁２８と、気化器２９とを経由して、往復圧縮機２１の吸入経路２３に還流する。なお上流側に位置する第１の膨張弁２６は、切替弁２４の切り替え操作に連動して、絞り機能が解除してある。一方分離器２７の容器の上部に溜まった気化したヘリウムガスは、スターリングエンジン１の右側密閉空間１２に導入される。なお、ランキンサイクル２の動作流体は、標準的なランキンサイクルに使用される冷媒の一例として、Ｒ−４０７Ｃを使用している。
【００３７】
次にランキンサイクル２の動作を説明する。ディスプレッサ型のスターリングエンジン１のパワーピストン１１が、右方向に移動し、これと一体形成した往復圧縮機２１によって動作流体であるＲ−４０７Ｃは圧縮され、高温高圧の蒸気となって、吐出経路２２と切替弁２４とを経由して凝縮器２５に流入する。次にＲ−４０７Ｃの蒸気は、凝縮器２５において熱量Ｑ1を外気に放熱して凝縮し、全てのＲ−４０７Ｃが液体になる液相まで等圧冷却する。
【００３８】
次に液化したＲ−４０７Ｃは、分離器２７に導入され、この分離器を構成する容器の底部に溜まる。ところで、本発明の往復圧縮機２１のシリンダ２１ａの内周面と、ピストン２１ｂの外周面との間隙は、完全なシールが困難であるために、スターリングエンジンの動作流体であるヘリウムガスが、ある程度内部漏洩することを許容する構造になっている。したがってランキンサイクル２の動作流体であるＲ−４０７Ｃには、この間隙を通じて漏洩したヘリウムガスが混入する。そしてこの混入したヘリウムガスは、凝縮器２５及び第１の膨張弁２６において液化することはなく、液化したＲ−４０７Ｃに混入した状態で、分離器２７に導入される。
【００３９】
したがって、分離器２７を構成する容器には、その比重の相違によって、液化したＲ−４０７Ｃが底部に溜り、その上部にヘリウムガスが分離される。これにより液化したＲ−４０７Ｃと、これに混入したヘリウムガスとが、分離器２７でほぼ完全に分離される。
【００４０】
次に分離器２７の底部に溜まった液化したＲ−４０７Ｃは、その分離器の低部から、絞り機能が解除されていない第２の膨張弁２８に流入し、ここで等エンタルピ膨張して、気化器２９に導入される。そして、気化器２９において、外部から熱量Ｑ2を吸熱して蒸発し、この蒸発したＲ−４０７Ｃは、切替弁２４と吸入経路２３とを経由して、往復圧縮機２１に吸引される。一方分離器２７の上部に分離されたヘリウムガスは、この分離器の上部から、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１の右側密閉空間１２に還流される。
【００４１】
以上により、ランキンサイクル２は、気化器２９における液化したＲ−４０７Ｃの蒸発によって、効率的に外部から熱量Ｑ2を汲み上げ、この熱量と往復圧縮機２１の動力とを加えた熱量Ｑ1を、暖房熱として凝縮機２５から供給する。一方、往復圧縮機２１で漏洩混入したヘリウムガスは、分離器２７で液化したＲ−４０７Ｃから分離回収されるので、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１は、Ｒ−４０７Ｃが混入していないヘリウムガスによって、継続運転可能となる。
【００４２】
さて図２は、熱源装置を冷房装置として利用する場合を示している。すなわち図２に示す熱源装置は、図１に示すランキンサイクル２を、切替弁２４によって動作流体の流れを逆にし、この切替弁の切り替え操作と連動して、第２の膨張弁２８の絞り機能を解除し、一方第１の膨張弁２６の絞り機能を復帰させたものである。この場合には、凝縮器２５と気化器２９、及び第１の膨張弁２６と第２の膨張弁２８とを、相互に逆の機能を発揮させることになり、凝縮器２５で動作流体を気化させて、外部から熱量Ｑ2を吸熱して冷房する。そしてこの吸熱した熱量Ｑ2に、往復圧縮機２１の圧縮仕事を加えた熱量Ｑ1を、気化器２９から放熱する。したがって、凝縮器２５と気化器２９とのいずれかの一方を屋内に設置し、他方を屋外等に設置しておけば、切替弁２４を切り替えるだけで、暖房装置と冷房装置とを切り替えて使用することができる。
【００４３】
図３に、ランキンサイクル２のサイクル工程の１例を示す。図３中の点１ｈ〜点４ｈは、図１に示す暖房装置として使用する１例であり、凝縮器２５の出口圧力（点３ｈ）を、１．２〜１．６ＭＰａに設定してある。すなわち動作流体であるＲ−４０７Ｃは、往復圧縮機２１で過熱蒸気に圧縮され（点２ｈ）、次いで凝縮器２５で外部に熱量Ｑ1を放熱して、液相まで等圧冷却し（点３ｈ）、絞り機能が解除された第１の膨張弁２６を素通りして、第２の膨張弁２８によって等エンタルピ膨張し（点４ｈ）、気化器２９で外部から熱量Ｑ2を吸収する（点１ｈ）。なお、第１の膨張弁２６の出口側の点３ｈにおいて、分離器２７によって、混入しているヘリウムガスを分離する。
【００４４】
ところで上述したように、ディスプレッサ型の、スターリングエンジン１の動作流体であるヘリウムガスの密閉圧力は、ランキンサイクル２の凝縮器２５の出口圧力とほぼ同じになる。したがって上述した例においては、このヘリウムガスの密閉圧力は、ほぼ１．２〜１．６ＭＰａとなり、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１の製造コストを低減させ、安全にかつ効率よく作動させ得る圧力になっている。
【００４５】
最後に図４中の上図に、図１に示したように熱源装置を暖房装置として使用する場合の、熱勘定の１例を示す。ここで、燃焼器３１の燃焼効率ηを０．８、スターリングエンジン１の熱効率ηを０．３とする。また気化器２９における吸熱Ｑ2は、−５℃の外気から汲み上げ、凝縮器２５から３５℃で放熱Ｑ1を行うものとする。このような条件では、ランキンサイクル２の動作係数（ＣＯＰ）は、４．７を達成することができる。このような条件の下で、熱ポンプが標準的なランキンサイクル、すなわち図３に示す動作工程１ｈ、２ｈ、３ｈ、４ｈおよび１ｈとして動作すると、暖房として供給できる熱量は、燃焼器３１からの排熱０．２と、スターリングエンジン１からの排熱、０．８  Ｘ  （１．０−０．３）＝０．５６と、ランキンサイクル２からの放熱、０．２４  Ｘ  ４．７＝１．１３とを加えた、１．８９となる。なお、外気から汲み上げる熱量Ｑ2は、１．１３−０．２４＝０．８９となる。したがって、消費する燃料エネルギー１．０に対して、１８９％すなわち約２倍の暖房熱を得ることができる。
【００４６】
図４中の下図に、図２に示したように熱源装置を冷房装置として使用する場合の、熱勘定の１例を示す。この場合、３５℃の外気に放熱し、１５℃の冷風を供給するものとすると、標準的なランキンサイクル２では、５．０のＣＯＰを達成することができる。したがって、気化器として作動する凝縮器２５で吸収できる熱量Ｑ2は、０．２４  Ｘ  ５．０＝１．２０となる。なお外気への放熱量Ｑ1は、１．２０  ＋  ０．２４＝１．４４となる。なお、燃焼器３１とスターリングエンジン１とからの排熱、０．２＋０．５６＝０．７６は、温水器の熱源として利用することもできる。
【００４７】
したがって、本発明による熱源装置は、冬場には暖房機として、夏場には冷房機として、季節を問わず使用することができ、燃料代を大きく削減することが可能となる。
【００４８】
なお凝縮器２５の出口と、往復圧縮機２１の入口との間で、動作流体の熱を交換させて、ランキンサイクル２の効率を向上することも効果的である。また、図１、図２の破線で示すように、ランキンサイクル２の要求負荷に合わせて、供給燃料の流量と、第１の膨張弁２６と、第２の膨張弁２８との絞り度、すなわち流量とを制御して、気化器２９又は凝縮器２５の出口で、流入した液化動作流体が過不足なく１００％気化するようにして、熱源装置全体の作動効率を最適化することも効果的である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明による熱源装置は、小型軽量かつ低騒音で高効率にすることができ、また耐久性、始動性、安定性および対環境性も向上させることができ、さらに冬場には暖房機として、夏場には冷房機として、季節を問わず利用することができるため、一般家庭およびその他のオフィス等に、広く使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】熱源装置を暖房装置として使用する場合の、全体構成図である。
【図２】熱源装置を冷房装置として使用する場合の、全体構成図である。
【図３】ランキンサイクルの圧力とエンタルピの関係を例示した線図である。
【図４】熱源装置の熱勘定を例示した説明図である。
【図５】従来例による暖房装置の熱勘定を例示した説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１                    スターリングエンジン
１１                  パワーピストン
１２                  右側密閉空間
１３                  シリンダ
１４                  ディスプレッサ
１５                  容器
１６                  左側密閉空間
２                    ランキンサイクル
２１                  往復圧縮機
２１ａ                シリンダ
２１ｂ                ピストン
２４                  切替弁
２５                  凝縮器
２６                  第１の膨張弁
２７                  分離器
２８                  第２の膨張弁
２９                  気化器
３１                  燃焼室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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