(57)【要約】【課題】再生器内において作動流体が通過する蓄熱材を、前記作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設することによって、作動流体と蓄熱材との間の伝熱性及び蓄熱材による蓄熱の効率が高く、再生器の効率が高く、全体として効率を高くすることができるようにする。【解決手段】作動流体が膨張する膨張空間（１４）と、前記作動流体が圧縮される圧縮空間（１５）と、前記膨張空間（１４）と圧縮空間（１５）との間を移動する前記作動流体が流通する再生器（３０）とを有するスターリングサイクル機関（１０）であって、前記再生器（３０）は、前記作動流体が通過する蓄熱材（３１、３２、３３、３４）を内部に備え、該蓄熱材（３１、３２、３３、３４）は、前記再生器（３０）内における作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設されている。【選択図】図１
2007224793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）作動流体が膨張する膨張空間と、
（ｂ）前記作動流体が圧縮される圧縮空間と、
（ｃ）前記膨張空間と圧縮空間との間を移動する前記作動流体が流通する再生器とを有するスターリングサイクル機関であって、
（ｄ）前記再生器は、前記作動流体が通過する蓄熱材を内部に備え、
（ｅ）該蓄熱材は、前記再生器内における作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設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。
【請求項２】
前記蓄熱材を作動流体の流れ方向に変化させる駆動装置を有する請求項１に記載のスターリングサイクル機関。
【請求項３】
前記蓄熱材よりも比重が大きく、前記蓄熱材を作動流体の流れ方向に変化させる自由移動部材を有する請求項１に記載のスターリングサイクル機関。
【請求項４】
前記再生器内における作動流体の流れ方向に関して中間に配設された蓄熱材は、該蓄熱材の両側に配設された蓄熱材より比重が大きい請求項１に記載のスターリングサイクル機関。
【請求項５】
前記蓄熱材は樹脂マトリックスから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載のスターリングサイクル機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリングサイクル機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の原動機に代わるものとして、各種のスターリングサイクル機関が提案されている。スターリングサイクル機関は、理論的に効率が高く、連続燃焼であるために燃料の種類に制限がなく、排気、騒音等の公害を発生しない等の利点を備えている。
【０００３】
また、原動機として使用する場合とは逆のサイクル、すなわち、逆スターリングサイクルを利用し、スターリングサイクル機関を冷凍装置又は冷却装置として利用することも提案されている（例えば、特許文献１〜４参照。）。この場合、モータ等の駆動源によってスターリングサイクル機関を駆動し、作動ガスを圧縮及び膨張させて吸熱及び放熱を行わせるようになっている。
【特許文献１】特開平４−３４７０４４号公報
【特許文献２】特開平５−１８６２３号公報
【特許文献３】特開平５−３０６８４６号公報
【特許文献４】特開平８−２４７５６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来のスターリングサイクル機関においては、再生器の効率が低いためにスターリングサイクル機関全体の効率を十分に向上させることができなかった。
【０００５】
すなわち、スターリングサイクル機関において、作動ガスは、膨脹空間と圧縮空間との間を、再生器を介して行き来するが、その際に、再生器は作動ガスの保有する熱又は冷熱を蓄えておくようになっている。一般的に、再生器は、金網等の蓄熱材を備え、作動ガスが蓄熱材を通過する際に、作動ガスの熱又は冷熱が蓄熱材に伝達され、該蓄熱材に蓄えられるようになっている。ここで、蓄熱材を通過する際の作動ガスの流速、圧力、温度等は、一様でなく、局所的にも時間的にも変化するものであるが、蓄熱材は再生器全体に亘（わた）って均一に充填（てん）されている。そのため、作動ガスから蓄熱材への伝熱性や蓄熱材内部での蓄熱の効率が低く、再生器の効率を高くすることができなかった。
【０００６】
本発明は、前記従来のスターリングサイクル機関の問題点を解決して、再生器内において作動流体が通過する蓄熱材を、前記作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設することによって、作動流体と蓄熱材との間の伝熱性及び蓄熱材による蓄熱の効率が高く、再生器の効率が高く、全体として効率の高いスターリングサイクル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】
【０００７】
そのために、本発明のスターリングサイクル機関においては、作動流体が膨張する膨張空間と、前記作動流体が圧縮される圧縮空間と、前記膨張空間と圧縮空間との間を移動する前記作動流体が流通する再生器とを有するスターリングサイクル機関であって、前記再生器は、前記作動流体が通過する蓄熱材を内部に備え、該蓄熱材は、前記再生器内における作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設されている。
【０００８】
本発明の他のスターリングサイクル機関においては、さらに、前記蓄熱材を作動流体の流れ方向に変化させる駆動装置を有する。
【０００９】
本発明の更に他のスターリングサイクル機関においては、さらに、前記蓄熱材よりも比重が大きく、前記蓄熱材を作動流体の流れ方向に変化させる自由移動部材を有する。
【００１０】
本発明の更に他のスターリングサイクル機関においては、さらに、前記再生器内における作動流体の流れ方向に関して中間に配設された蓄熱材は、該蓄熱材の両側に配設された蓄熱材より比重が大きい。
【００１１】
本発明の更に他のスターリングサイクル機関においては、さらに、前記蓄熱材は樹脂マトリックスから成る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スターリングサイクル機関においては、再生器内において作動流体が通過する蓄熱材を、前記作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設するようになっている。これにより、作動流体と蓄熱材との間の伝熱性及び蓄熱材による蓄熱の効率を向上させ、再生器の効率を向上させ、スターリングサイクル機関全体の効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の構成を示す断面図である。
【００１５】
図において、１０はスターリングサイクル機関である。該スターリングサイクル機関１０は、作動流体を加熱及び冷却することによって膨張及び圧縮させ、それによってピストンを作動させて駆動力を出力する原動機として使用することができる。また、モータ等の駆動源によってピストンを作動させ、作動流体を膨張及び圧縮させて吸熱及び放熱を行わせる冷凍装置又は冷却装置としても使用することができる。
【００１６】
本実施の形態においては、説明の都合上、前記スターリングサイクル機関１０を冷凍装置又は冷却装置としても使用する場合についてのみ説明する。また、前記作動流体は、例えば、ヘリウムガス、水素ガス、窒素ガス等のガスであるが、いかなる種類の流体であってもよい。さらに、前記スターリングサイクル機関１０は再生器３０を有し、前記作動流体が膨張空間１４と圧縮空間１５との間を移動する際に再生器３０内を流通し、蓄熱材３１に蓄熱するようになっている。
【００１７】
そして、前記スターリングサイクル機関１０は、作動流体が膨張空間１４と圧縮空間１５との間を移動する際に再生器３０内を流通するものであれば、いかなる形式の機関であってもよく、いかなる構造を有するものであってもよいが、本実施の形態においては、図に示されるような構造を有するスターリングサイクル機関１０についてのみ説明する。
【００１８】
なお、本実施の形態において、スターリングサイクル機関１０の各部の構成及び動作を説明するために使用される上、下、左、右、前、後等の方向を示す表現は、絶対的なものでなく相対的なものであり、前記スターリングサイクル機関１０の各部が図に示される姿勢である場合に適切であるが、その姿勢が変化した場合には姿勢の変化に応じて変更して解釈されるべきものである。
【００１９】
図に示される例において、スターリングサイクル機関１０は、いわゆるβ型の機関であり、円筒状のシリンダ１２、並びに、該シリンダ１２内に往復運動可能に配設されたディスプレーサ２０及びパワーピストン４１を有する。なお、該ディスプレーサ２０及びパワーピストン４１は、駆動源としてのサーボモータ５０によって駆動される。また、前記ディスプレーサ２０は、上端に配設された上部仕切部材としてのディスプレーサピストン２１及び下端に配設された下部仕切部材としての圧縮ヘッド２４を備える。なお、前記シリンダ１２の上側の周囲は、断熱性を備えるケーシング１１によって覆われている。
【００２０】
そして、前記シリンダ１２のシリンダヘッド１３とディスプレーサピストン２１との間には、膨張空間１４が形成される。また、前記圧縮ヘッド２４とパワーピストン４１との間には圧縮空間１５が形成される。なお、前記シリンダヘッド１３の下面には、下方に向けて突出するように形成された複数の円筒状のフィンが同心円状に配設されている。一方、前記ディスプレーサピストン２１の上面には、上方に向けて突出するように形成された複数の円筒状のフィンが同心円状に配設されている。そして、前記シリンダヘッド１３のフィンとディスプレーサピストン２１のフィンとは、ディスプレーサピストン２１が上昇してシリンダヘッド１３に接近したときに、相互に嵌（はま）り込むように、位置をずらして形成されている。このようにフィンを形成することによって、膨張空間１４の表面積が増大し、作動流体との熱伝達効率を向上させることができる。
【００２１】
また、前記パワーピストン４１は、第１コネクティングロッド４２を介して、第１上下動部材４３に接続され、前記サーボモータ５０によって往復運動させられるようになっている。ここで、該サーボモータ５０は、ハウジング５５に固定されたステータ５１、前記ハウジング５５に回転可能に取り付けられた上下方向に延在する回転軸５３、及び、該回転軸５３に固定され前記ステータ５１と対向するロータ５２を有する。そして、前記回転軸５３の周囲には鍔（つば）状の円筒カム部材５４が固定されている。該円筒カム部材５４は回転軸５３の軸線に対して傾斜するように形成されている。そして、前記円筒カム部材５４には、上端が第１上下動部材４３に接続されたカムフォロワー部材４４が係合している。該カムフォロワー部材４４は、回転可能に取り付けられた上側ローラ４５ａ及び下側ローラ４５ｂを備え、該上側ローラ４５ａ及び下側ローラ４５ｂによって円筒カム部材５４を上下から挟み込むようになっている。これにより、サーボモータ５０が作動して回転軸５３が回転すると、該回転軸５３の軸線に対して傾斜する円筒カム部材５４によってカムフォロワー部材４４が上下動させられ、前記回転軸５３の回転運動がカムフォロワー部材４４の往復運動に変換される。そして、カムフォロワー部材４４の往復運動が、第１上下動部材４３及び第１コネクティングロッド４２を介して、パワーピストン４１に伝達される。なお、このような運動変換装置は、特許文献１にも示されるように、公知のものであるので、その詳細についての説明は省略する。
【００２２】
さらに、前記ディスプレーサ２０は、圧縮ヘッド２４に接続された第２コネクティングロッド２５ａ及び第３コネクティングロッド２５ｂを介して、図示されない第２上下動部材に接続されている。そして、該第２上下動部材には、第１上下動部材４３と同様にして往復運動が伝達されるので、前記ディスプレーサ２０もサーボモータ５０によって往復運動させられる。なお、前記第２コネクティングロッド２５ａ及び第３コネクティングロッド２５ｂは、パワーピストン４１内に配設されたリニアボールベアリング２５ｃを介して、相互に接続されている。そのため、第２上下動部材の往復運動は、第２コネクティングロッド２５ａ、第３コネクティングロッド２５ｂ及びリニアボールベアリング２５ｃによって、パワーピストン４１を貫通して、ディスプレーサ２０に伝達される。なお、該ディスプレーサ２０の往復運動の位相は、前記パワーピストン４１の往復運動の位相と所定の位相差、例えば、１／４周期だけずれるように設定されている。
【００２３】
そして、前記ディスプレーサ２０内には再生器３０が配設され、前記膨張空間１４と圧縮空間１５との間を移動する作動流体は、前記再生器３０内を通過するようになっている。ここで、前記シリンダ１２の下側の側壁内には、上下方向に延在して圧縮空間１５と再生器３０とを連通する第１流路１６が形成されている。該第１流路１６の下端には膨張空間１４に開口する下側連通孔（こう）が接続され、上端には再生器３０内に開口する上側連通孔が接続されている。また、前記第１流路１６は、放熱器として機能する熱交換器１７を通過し、圧縮空間１５から再生器３０に流入する高温の作動流体は、第１流路１６の熱交換器１７の部分を通過することによって放熱し、冷却される。
【００２４】
また、前記ディスプレーサピストン２１には、上下方向に延在して膨張空間１４と再生器３０とを連通する第２流路２２が形成されている。該第２流路２２は、上端が膨張空間１４に開口し、下端が再生器３０内に開口する。なお、図には第２流路２２が１本しか示されていないが、第２流路２２は複数本であることが望ましい。
【００２５】
そして、前記再生器３０内には蓄熱材３１が配設されている。該蓄熱材３１は、例えば、ステンレス合金等の金属製の線材を編んだ金網状の部材を複数枚積層したものであるが、内部に連通する空隙（げき）を備え、作動流体が通過可能であり、かつ、蓄熱性を備えるものであれば、いかなる材質から成り、いかなる形状を備えるものであってもよい。例えば、ナイロン等の樹脂から成る繊維を編んだ樹脂マトリックスであってもよいし、カーボン繊維、セラミック繊維、スチールウール等を編んだマトリックスであってもよい。さらに、発泡ウレタン等の発泡樹脂であってもよいし、発泡金属であってもよい。そして、作動流体が蓄熱材３１を通過しながら再生器３０内を上から下へ、又は、下から上へ流通することによって、前記蓄熱材３１は、作動流体と熱交換を行って蓄熱する。
【００２６】
なお、本実施の形態においてはスターリングサイクル機関１０が冷凍装置又は冷却装置として使用されるので、前記蓄熱材３１は比較的低温で使用される。そのため、前記蓄熱材３１を「蓄冷材」と称することもできる。しかし、一般的に「蓄熱材」の範疇（ちゅう）には「蓄冷材」も含まれること、及び、前記スターリングサイクル機関１０は原動機としても使用することができることを考慮して、ここでは「蓄熱材」という名称を使用する。
【００２７】
本実施の形態における蓄熱材３１は、密度がρ１である第１蓄熱材３１ａと密度がρ２である第２蓄熱材３１ｂとを含むものである。また、前記第１蓄熱材３１ａの比重はγ１であり、第２蓄熱材３１ｂの比重はγ２である。なお、第１蓄熱材３１ａ及び第２蓄熱材３１ｂの密度及び比重の関係は、次の式（１）及び（２）で示される。
ρ１＜ρ２  ・・・式（１）
γ１＜γ２  ・・・式（２）
そして、蓄熱材３１は作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設され、再生器３０内における上側に第１蓄熱材３１ａが位置し、該第１蓄熱材３１ａの下側に第２蓄熱材３１ｂが位置するように配設されている。すなわち、作動流体が圧縮空間１５から膨張空間１４に向けて再生器３０内を流通する場合には、流れの上流側に密度が高く、比重が大きい第２蓄熱材３１ｂが位置し、流れの下流側に密度が低く、比重が小さい第１蓄熱材３１ａが位置する。また、作動流体が膨張空間１４から圧縮空間１５に向けて再生器３０内を流通する場合には、流れの上流側に密度が低く、比重が小さい第１蓄熱材３１ａが位置し、流れの下流側に密度が高く、比重が大きい第２蓄熱材３１ｂが位置する。
【００２８】
なお、第１蓄熱材３１ａと第２蓄熱材３１ｂとは、異なる材質から成るものであってもよいし、同じ材質から成るものであってもよい。例えば、第１蓄熱材３１ａを密度の低い材質から成るものとし、第２蓄熱材３１ｂを密度の低い材質から成るものとしてもよい。また、例えば、第１蓄熱材３１ａ及び第２蓄熱材３１ｂを同一の材質から成る網状の部材で構成し、あまり圧縮しないものを第１蓄熱材３１ａとして使用し、かなり圧縮して密度を高くしたものを第２蓄熱材３１ｂとして使用することもできる。
【００２９】
次に、前記構成のスターリングサイクル機関１０の動作について説明する。
【００３０】
まず、ディスプレーサ２０に対してパワーピストン４１が上昇すると、ディスプレーサ２０の圧縮ヘッド２４とパワーピストン４１との間に形成された圧縮空間１５の容積が縮小し、該圧縮空間１５内の作動流体が圧縮される。そして、作動流体は、圧縮空間１５から第１流路１６を通って再生器３０内に流入するので、圧縮によって発生した熱が熱交換器１７から放熱される。また、作動流体は、蓄熱材３１を通過しながら該蓄熱材３１に熱を奪われて冷却される。一方、蓄熱材３１は、作動流体から熱を受けて蓄熱する。
【００３１】
続いて、シリンダヘッド１３に対してディスプレーサ２０が下降すると、シリンダヘッド１３とディスプレーサ２０のディスプレーサピストン２１との間に形成された膨張空間１４の容積が拡大するので、作動流体が第２流路２２を通って膨張空間１４に流入する。そして、該膨張空間１４内の作動流体が膨張するので、冷凍作用が生じ、シリンダヘッド１３とディスプレーサ２０のディスプレーサピストン２１が冷却される。
【００３２】
続いて、ディスプレーサ２０に対してパワーピストン４１が下降し、シリンダヘッド１３に対してディスプレーサ２０が上昇すると、作動流体は、膨張空間１４から第２流路１６を通って再生器３０内に流入し、さらに、第１流路１６を通って圧縮空間１５内に流入する。このとき、作動流体は、蓄熱材３１を通過しながら該蓄熱材３１に蓄熱された熱によって加熱される。一方、蓄熱材３１は、作動流体に熱を奪われて冷却される。以降、上述の動作を繰り返して行うことによって、スターリングサイクル機関１０は冷凍能力を発揮する。
【００３３】
このように、本実施の形態においては、再生器３０内において蓄熱材３１が作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設されている。具体的には、膨張空間１４寄りの位置に密度の低い第１蓄熱材３１ａが配設され、圧縮空間１５寄りの位置に密度の高い第２蓄熱材３１ｂが配設されている。
【００３４】
これにより、例えば、圧縮空間１５において圧縮され温度が上昇した作動流体が再生器３０内を下から上へ膨張空間１４に向けて流通する際には、温度の高い状態の作動流体が第２蓄熱材３１ｂを通過し、該第２蓄熱材３１ｂを通過して温度が低下した状態の作動流体が第１蓄熱材３１ａを通過することとなる。そして、一般に温度が高いほど作動流体と蓄熱材３１との間の伝熱性が向上するので、作動流体の温度が高い位置に密度の高い第２蓄熱材３１ｂを配設することによって、より効果的に蓄熱することができ、再生器３０の効率を向上させることができる。すなわち、蓄熱材３１を作動流体の流れ方向に関して密度が異なるように配設して、作動流体と蓄熱材３１との間の伝熱性が高い部位に高い密度の蓄熱材３１を位置させることによって、蓄熱材３１による蓄熱の効率を向上させ、再生器３０の効率を向上させることができる。
【００３５】
また、作動流体と蓄熱材３１との間の伝熱性が低い部位に低い密度の蓄熱材３１を位置させることによって、作動流体の流通抵抗を低減することができる。そのため、作動流体が再生器３０内をスムーズに流通し、スターリングサイクル機関１０の効率を向上させることができる。
【００３６】
なお、作動流体と蓄熱材３１との間の伝熱性は、温度だけでなく、作動流体の圧力や流速にも依存する。また、再生器３０内を流通する作動流体の温度、圧力及び流速には波動があり、一定ではない。そのため、第１蓄熱材３１ａの密度と第２蓄熱材３１ｂの密度との比率は、個々のスターリングサイクル機関１０の構造、運転条件等に応じて、適宜設定することができる。また、図に示される例においては、第１蓄熱材３１ａの領域が第２蓄熱材３１ｂの領域よりも広くなっているが、第１蓄熱材３１ａの領域と第２蓄熱材３１ｂの領域との割合は、個々のスターリングサイクル機関１０の構造、運転条件等に応じて、適宜設定することができ、例えば、第１蓄熱材３１ａの領域を第２蓄熱材３１ｂの領域よりも狭くすることもできる。さらに、本実施の形態においては、蓄熱材３１が第１蓄熱材３１ａ及び第２蓄熱材３１ｂの２種類から成るものである場合についてのみ説明したが、蓄熱材３１は３種類以上から成るものであってもよい。
【００３７】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び効果についても、その説明を省略する。
【００３８】
図２は本発明の第２の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の要部の構成を示す拡大断面図、図３は本発明の第２の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の成績係数の変化を示すグラフである。
【００３９】
図２に示されるように、本実施の形態において、スターリングサイクル機関１０は、再生器３０内に配設された蓄熱材３２を作動流体の流れ方向に変化させる駆動装置６１を有している。なお、図２においては、説明の便宜上、シリンダ１２内部の構造が拡大して図示され、その他の部分は図示が省略されている。
【００４０】
ここで、前記駆動装置６１は、再生器３０内に往復運動可能に配設された板状の部材であり、蓄熱材３２を上側に配設された第１蓄熱材３２ａと下側に配設された第２蓄熱材３２ｂとに分割する。なお、前記駆動装置６１は、上下方向に貫通する図示されない流路を備え、該流路を作動流体が通過することができるようになっている。また、前記蓄熱材３２は、前記第１の実施の形態における蓄熱材３１と同様のものであり、内部に連通する空隙を備え、ある程度の圧縮及び膨張が可能なものである。さらに、第１蓄熱材３２ａと第２蓄熱材３２ｂとは、異なる材質から成るものであってもよいし、同じ材質から成るものであってもよい。さらに、第１蓄熱材３２ａと第２蓄熱材３２ｂとは、密度が同じものであってもよいし、異なるものであってもよい。
【００４１】
また、前記駆動装置６１は、第４コネクティングロッド６２を介して、図示されない第３上下動部材に接続されている。そして、該第３上下動部材には、前記第１の実施の形態において説明した第１上下動部材４３と同様にして往復運動が伝達されるので、前記駆動装置６１もサーボモータ５０によって往復運動させられる。なお、前記第４コネクティングロッド６２が圧縮ヘッド２４及びパワーピストン４１を貫通するように配設されているので、第３上下動部材の往復運動は、圧縮ヘッド２４及びパワーピストン４１を貫通して、駆動装置６１に伝達される。また、該駆動装置６１の往復運動の位相は、前記パワーピストン４１及びディスプレーサ２０の往復運動の位相と所定の位相差だけずれるように設定されている。なお、図２においては、パワーピストン４１、ディスプレーサ２０及び駆動装置６１の往復運動に位相差があることを示すために、模式的なクランクシャフトが描かれている。
【００４２】
このように、駆動装置６１の往復運動の位相がディスプレーサ２０の往復運動の位相と所定の位相差だけずれているので、駆動装置６１はディスプレーサ２０に配設された再生器３０内を相対的に上昇及び下降する。そして、駆動装置６１が上昇すると、ディスプレーサピストン２１と駆動装置６１との間に配設された第１蓄熱材３２ａは圧縮されて密度が高くなり、圧縮ヘッド２４と駆動装置６１との間に配設された第２蓄熱材３２ｂは膨張して密度が低くなる。逆に、駆動装置６１が下降すると、第１蓄熱材３２ａは膨張して密度が低くなり、第２蓄熱材３２ｂは圧縮されて密度が高くなる。
【００４３】
ここで、第１蓄熱材３２ａと第２蓄熱材３２ｂとは密度が同じものであるとする。そして、例えば、圧縮空間１５において圧縮され温度が上昇した作動流体が再生器３０内を下から上へ膨張空間１４に向けて流通する際に、駆動装置６１を再生器３０内で下降させておくと、温度が高い作動流体が流入する位置に密度が高くなった第２蓄熱材３２ｂを配設することになるので、より効果的に蓄熱することができ、再生器３０の効率を向上させることができる。逆に、膨張空間１４において膨張して温度が低下した作動流体が再生器３０内を上から下へ圧縮空間１５に向けて流通する際に、駆動装置６１を再生器３０内で上昇させておくと、温度が低い作動流体が流入する位置に密度が高くなった第１蓄熱材３２ａを配設することになるので、より効果的に冷気を蓄える、すなわち、蓄冷することができ、再生器３０の効率を向上させることができる。
【００４４】
本実施の形態におけるスターリングサイクル機関１０の効率を示す成績係数（ＣＯＰ）が図３に示されている。図３は、スターリングサイクル機関１０の運転周波数の変化に対応する成績係数の変化を示すグラフであり、縦軸に成績係数（無次元数）を採り、横軸に運転周波数（単位：Ｈｚ）を採ってある。なお、図３において、曲線αは本実施の形態におけるスターリングサイクル機関１０の効率を示し、曲線βは蓄熱材が再生器全体に亘って均一に充填されている従来のスターリングサイクル機関の効率を示している。前記曲線αとβとを比較することによって、本実施の形態においては、蓄熱材３２による蓄熱の効率が高く、再生器３０の効率が高くなっているので、スターリングサイクル機関１０の効率が高くなっていることが分かる。
【００４５】
なお、前記第１の実施の形態でも説明したように、作動流体と蓄熱材３１との間の伝熱性は、温度だけでなく、作動流体の圧力や流速にも依存し、再生器３０内を流通する作動流体の温度、圧力及び流速には波動があり、一定ではない。そのため、駆動装置６１の往復運動と、パワーピストン４１及びディスプレーサ２０の往復運動との位相差の値、駆動装置６１の往復運動のストロークの値等は、個々のスターリングサイクル機関１０の構造、運転条件等に応じて、適宜設定することができる。なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４６】
このように、本実施の形態において、スターリングサイクル機関１０は、再生器３０内に配設された蓄熱材３２を作動流体の流れ方向に変化させる駆動装置６１を有し、前記蓄熱材３２の密度を前記流れ方向に関して能動的に、かつ、動的に変化させるようになっている。そのため、作動流体と蓄熱材３２との間の伝熱性が高い部位における蓄熱材３２の密度を適切なタイミングで高めることによって、蓄熱材３２による蓄熱の効率を向上させ、再生器３０の効率を向上させることができる。
【００４７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び効果についても、その説明を省略する。
【００４８】
図４は本発明の第３の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の構成を示す断面図である。
【００４９】
図に示されるように、本実施の形態において、スターリングサイクル機関１０は、再生器３０内に配設された蓄熱材３３を作動流体の流れ方向に変化させる前記蓄熱材３３よりも比重の大きな自由移動部材６５を有している。
【００５０】
ここで、該自由移動部材６５は、再生器３０内に上下動可能に配設された板状の部材であり、蓄熱材３３を上側に配設された第１蓄熱材３３ａと下側に配設された第２蓄熱材３３ｂとに分割する。なお、前記自由移動部材６５は、上下方向に貫通する図示されない流路を備え、該流路を作動流体が通過することができるようになっている。また、前記蓄熱材３３は、前記第１の実施の形態における蓄熱材３１と同様のものであり、内部に連通する空隙を備え、ある程度の圧縮及び膨張が可能なものである。さらに、第１蓄熱材３３ａと第２蓄熱材３３ｂとは、異なる材質から成るものであってもよいし、同じ材質から成るものであってもよい。さらに、第１蓄熱材３３ａと第２蓄熱材３３ｂとは、密度が同じものであってもよいし、異なるものであってもよい。
【００５１】
なお、前記自由移動部材６５は、再生器３０内を自由に上下動することができるように配設されているが、第１蓄熱材３３ａと第２蓄熱材３３ｂとによって上下から挟まれた状態となっている。また、前記自由移動部材６５は、第１蓄熱材３３ａ及び第２蓄熱材３３ｂよりも比重が大きくなっている。そして、スターリングサイクル機関１０が停止して再生器３０が静止している状態において、前記自由移動部材６５は、第２蓄熱材３３ｂによって下から支持されて静止している。この場合、第２蓄熱材３３ｂは、自由移動部材６５の重量を受けて上から押されているので、自由移動部材６５が存在しない場合と比較すると、自由移動部材６５によって圧縮されて密度が高くなっている。逆に、第１蓄熱材３３ａは、自由移動部材６５が存在しない場合と比較すると、膨張して密度が低くなっている。したがって、第１蓄熱材３３ａと第２蓄熱材３３ｂとは密度が同じものであったとしても、再生器３０が静止している状態においては、第１蓄熱材３３ａよりも第２蓄熱材３３ｂの密度が高くなっている。
【００５２】
また、前記自由移動部材６５は慣性によっても再生器３０内を移動する。例えば、上昇中の再生器３０が停止すると、前記自由移動部材６５が慣性によって再生器３０内を更に上昇するので、第１蓄熱材３３ａは自由移動部材６５によって圧縮されて密度が高くなり、第２蓄熱材３２ｂは膨張して密度が低くなる。なお、停止している再生器３０が下降を開始した場合も同様である。このように、第１蓄熱材３３ａが自由移動部材６５によって圧縮されて密度が高くなっているときに、膨張空間１４において膨張して温度が低下した作動流体を再生器３０内を上から下へ圧縮空間１５に向けて流通させると、密度が高くなった第１蓄熱材３３ａがより効果的に蓄冷することができ、再生器３０の効率を向上させることができる。
【００５３】
逆に、下降中の再生器３０が停止すると、前記自由移動部材６５が慣性によって再生器３０内を更に下降するので、第２蓄熱材３３ｂは自由移動部材６５によって圧縮されて密度が高くなり、第１蓄熱材３３ａは膨張して密度が低くなる。なお、停止している再生器３０が上昇を開始した場合も同様である。このように、第２蓄熱材３３ｂが自由移動部材６５によって圧縮されて密度が高くなっているときに、圧縮空間１５において圧縮され温度が上昇した作動流体を再生器３０内を下から上へ膨張空間１４に向けて流通させると、密度が高くなった第２蓄熱材３３ｂがより効果的に蓄熱することができ、再生器３０の効率を向上させることができる。なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５４】
このように、本実施の形態において、スターリングサイクル機関１０は、再生器３０内に配設された蓄熱材３３よりも比重の大きな自由移動部材６５を有し、前記蓄熱材３３の密度を前記流れ方向に関して能動的に、かつ、動的に変化させるようになっている。この場合、自由移動部材６５は、重力及び慣性によって再生器３０内を移動するので、自由移動部材６５を移動させるための装置を必要としない。そのため、構造を複雑化することがなく、蓄熱材３３の密度を前記流れ方向に関して能動的に、かつ、動的に変化させることができ、蓄熱材３３による蓄熱の効率を向上させ、再生器３０の効率を向上させることができる。
【００５５】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第１〜第３の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１〜第３の実施の形態と同じ動作及び効果についても、その説明を省略する。
【００５６】
図５は本発明の第４の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の構成を示す断面図である。
【００５７】
図に示されるように、本実施の形態において、再生器３０内において作動流体が通過する蓄熱材３４は、前記作動流体の流れ方向に関して比重が異なるように配設されている。この場合、前記蓄熱材３４は、第１蓄熱材３４ａ、第２蓄熱材３４ｂ及び第３蓄熱材３４ｃの３つに分かれており、第１蓄熱材３４ａ及び第３蓄熱材３４ｃの比重が同一であり、第２蓄熱材３４ｂの比重が大きくなっている。すなわち、第１蓄熱材３４ａの比重がγ１であり、第２蓄熱材３４ｂの比重がγ２であり、第３蓄熱材３４ｃの比重がγ３であるとすると、次の式（３）の関係が成立するようになっている。
γ１＝γ３＜γ２  ・・・式（３）
なお、前記蓄熱材３４は、前記第１の実施の形態における蓄熱材３１と同様のものであり、内部に連通する空隙を備え、ある程度の圧縮及び膨張が可能なものである。さらに、第１蓄熱材３４ａ、第２蓄熱材３４ｂ及び第３蓄熱材３４ｃは、異なる材質から成るものであってもよいし、同じ材質から成るものであってもよい。
【００５８】
そして、第２蓄熱材３４ｂは、その比重が第１蓄熱材３４ａ及び第３蓄熱材３４ｃの比重より大きくなっているので、蓄熱材として機能しつつ、前記第３の実施の形態における自由移動部材６５と同様に機能する。
【００５９】
すなわち、第２蓄熱材３４ｂは、再生器３０が静止している状態において、第３蓄熱材３４ｃを圧縮する。また、上昇中の再生器３０が停止すると、前記第２蓄熱材３４ｂが慣性によって再生器３０内を更に上昇するので、第１蓄熱材３４ａは第２蓄熱材３４ｂによって圧縮されて密度が高くなり、第３蓄熱材３４ｃは膨張して密度が低くなる。なお、停止している再生器３０が下降を開始した場合も同様である。さらに、下降中の再生器３０が停止すると、前記第２蓄熱材３４ｂが慣性によって再生器３０内を更に下降するので、第３蓄熱材３４ｃは第２蓄熱材３４ｂによって圧縮されて密度が高くなり、第１蓄熱材３４ａは膨張して密度が低くなる。なお、停止している再生器３０が上昇を開始した場合も同様である。なお、その他の点の構成及び動作については、前記第１〜第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００６０】
このように、本実施の形態において、スターリングサイクル機関１０は、再生器３０内において作動流体が通過する蓄熱材３４が、前記作動流体の流れ方向に関して比重が異なるように配設されている。そして、比重の大きな第２蓄熱材３４ｂが第１蓄熱材３４ａ及び第３蓄熱材３４ｃの密度を前記流れ方向に関して能動的に、かつ、動的に変化させるようになっている。そのため、構造を複雑化することがなく、蓄熱材３４の密度を前記流れ方向に関して能動的に、かつ、動的に変化させることができ、蓄熱材３４による蓄熱の効率を向上させ、再生器３０の効率を向上させることができる。また、第２蓄熱材３４ｂが蓄熱するので、再生器３０内におけるデッドスペースを少なくすることができ、再生器３０の効率を向上させることができる。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、第１蓄熱材３４ａ及び第３蓄熱材３４ｃの比重が同一であり、第２蓄熱材３４ｂの比重が大きくなっている場合、すなわち、式（３）の関係が成立する場合についてのみ説明したが、第１蓄熱材３４ａ、第２蓄熱材３４ｂ及び第３蓄熱材３４ｃの比重は、順次変化するようになっていてもよい。すなわち、次の式（４）又は（５）の関係が成立するようになっていてもよい。
γ１＜γ２＜γ３  ・・・式（４）
γ１＞γ２＞γ３  ・・・式（５）
また、次の式（６）又は（７）の関係が成立するようになっていてもよい。
γ１＜γ３＜γ２  ・・・式（６）
γ１＞γ３＞γ２  ・・・式（７）
さらに、本実施の形態においては、蓄熱材３４が第１蓄熱材３４ａ、第２蓄熱材３４ｂ及び第３蓄熱材３４ｃの３種類から成るものである場合についてのみ説明したが、蓄熱材３４は４種類以上から成るものであってもよい。
【００６２】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の要部の構成を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の成績係数の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第３の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態におけるスターリングサイクル機関の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０    スターリングサイクル機関
１４    膨張空間
１５    圧縮空間
３０    再生器
３１、３２、３３、３４    蓄熱材
６１    駆動装置
６５    自由移動部材
【図１】
2007224793.tif 000003
【図２】
2007224793.tif 000004
【図３】
2007224793.tif 000005
【図４】
2007224793.tif 000006
【図５】
2007224793.tif 000007