(57)【要約】【課題】ディスプレーサから膨張空間に吹き出す作動ガスの勢いを強くして膨張空間内の作動ガスを効果的に攪拌し、より高い機関効率が得られるようにする。【解決手段】スターリングサイクル装置１Ａは、第１シリンダ３内でピストン５を、第２シリンダ４内でディスプレーサ６を、それぞれクランク円板１２により相互に位相差をもって往復運動させ、それによって生じる再生器１１を通じた作動ガスの流動により、ディスプレーサ６の一方の端が面する膨張空間８の温度を下げる。ディスプレーサ６の内部には、ディスプレーサ６の外部空間の方が圧力が高いときに作動ガス流入口１６を通じて作動ガスを受け入れ、膨張空間８の方が圧力が低くなったときに作動ガス噴出口１７を通じて膨張空間８に作動ガスを噴出させる蓄圧空間１５が形成されている。作動ガス流入口１６には、蓄圧空間１５外への作動ガスの流出を阻止する一方向弁１８が配置されている。【選択図】図１
2009133513.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源によりピストンとディスプレーサをそれぞれシリンダ内で相互に位相差をもって往復運動させ、それによって生じる再生器を通じた作動ガスの流動及び圧縮膨張により、前記ディスプレーサの一方の端が面する膨張空間で作動ガスに吸熱させるスターリングサイクル装置において、
前記ディスプレーサの内部に、ディスプレーサの外部空間の方が圧力が高いときに作動ガス流入口を通じて作動ガスを受け入れ、前記膨張空間の方が圧力が低くなったときに作動ガス噴出口を通じて膨張空間に作動ガスを噴出させる蓄圧空間を形成したことを特徴とするスターリングサイクル装置。
【請求項２】
前記ディスプレーサの内部に、このディスプレーサの一方の端が面する膨張空間と他方の端が面する圧縮空間とに連通する再生器を配置し、前記再生器を二分して、その一方を収納した空間を前記蓄圧空間としたことを特徴とする請求項１に記載のスターリングサイクル装置。
【請求項３】
前記ディスプレーサを収容したシリンダの外側に第１再生器を配置し、前記ディスプレーサの内部にはこのディスプレーサの一方の端が面する膨張空間と他方の端が面する圧縮空間とに連通する第２再生器を配置し、前記第２再生器を収納した空間を前記蓄圧空間としたことを特徴とする請求項１に記載のスターリングサイクル装置。
【請求項４】
前記作動ガス流入口には、蓄圧空間外への作動ガスの流出を阻止する一方向弁が配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスターリングサイクル装置。
【請求項５】
前記作動ガス噴出口には、前記蓄圧空間と前記膨張空間との圧力差が所定値以上になったときに開く一方向弁が配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のスターリングサイクル装置。
【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装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングサイクルで熱を動力に変換し、あるいは逆スターリングサイクルで動力を熱に変換するスターリングサイクル装置は、近年技術開発が進み、実用化に供される例も多くなっている。文献例も数多く、その一例として特許文献１を挙げることができる。特許文献１にはα型と呼ばれる２シリンダ構成のスターリングサイクル装置であって、冷凍装置として用いられるものが記載されている。
【０００３】
熱機関の通例として、スターリングサイクル装置には不断の効率向上が求められ、そのため数多くの工夫がなされている。特許文献１に記載された冷凍装置では、膨張ディスプレーサが蓄冷器を内蔵しており、この蓄冷器の膨張空間側の出入り口に、膨張空間に吹き出す作動ガスの流れを乱す作動ガス乱流発生部を設けている。これにより低温を発生する膨張空間内を攪拌し、膨張空間内の低温作動ガスと膨張シリンダの内壁面との熱伝達を円滑に行えるようにして、冷凍効果を向上させている。
【特許文献１】特開平８−１５２２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載のスターリングサイクル装置は、ディスプレーサの一端から取り込んだ作動ガスをそのままディスプレーサの他端から吹き出しており、吹き出しの力が強いとは言えず、強力な乱流効果を期待するのは難しい。本発明はこの点に鑑みなされたものであり、ディスプレーサから膨張空間に吹き出す作動ガスの勢いを強くして膨張空間内の作動ガスを効果的に攪拌し、より高い機関効率が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、動力源によりピストンとディスプレーサをそれぞれシリンダ内で相互に位相差をもって往復運動させ、それによって生じる再生器を通じた作動ガスの流動及び圧縮膨張により、前記ディスプレーサの一方の端が面する膨張空間で作動ガスに吸熱させるスターリングサイクル装置において、前記ディスプレーサの内部に、ディスプレーサの外部空間の方が圧力が高いときに作動ガス流入口を通じて作動ガスを受け入れ、前記膨張空間の方が圧力が低くなったときに作動ガス噴出口を通じて膨張空間に作動ガスを噴出させる蓄圧空間を形成したことを特徴としている。
【０００６】
この構成によると、ディスプレーサに取り込んだ作動ガスを即座に吹き出すのでなく、ディスプレーサの内部に形成した蓄圧空間が、ディスプレーサの外部空間の方が圧力が高いときに受け入れた作動ガスを、膨張空間の方が圧力が低くなったときに膨張空間に噴出させるものであるから、吹き出す作動ガスの勢いが強くなり、膨張空間内の作動ガスを効果的に攪拌することができ、より高い機関効率を得ることができる。
【０００７】
また本発明は、上記構成のスターリングサイクル装置において、前記ディスプレーサの内部に、このディスプレーサの一方の端が面する膨張空間と他方の端が面する圧縮空間とに連通する再生器を配置し、前記再生器を二分して、その一方を収納した空間を前記蓄圧空間としたことを特徴としている。
【０００８】
この構成によると、蓄圧空間に取り込んだ作動ガスと再生器との間で熱交換を行い、作動ガスを膨張空間の作動ガスに近い温度にして噴出できるから、熱損失が少なくて済む。
【０００９】
また本発明は、上記構成のスターリングサイクル装置において、前記ディスプレーサを収容したシリンダの外側に第１再生器を配置し、前記ディスプレーサの内部にはこのディスプレーサの一方の端が面する膨張空間と他方の端が面する圧縮空間とに連通する第２再生器を配置し、前記第２再生器を収納した空間を前記蓄圧空間としたことを特徴としている。
【００１０】
この構成によると、蓄圧空間に取り込んだ作動ガスと再生器との間で熱交換を行い、作動ガスを膨張空間の作動ガスに近い温度にして噴出できるから、熱損失が少なくて済む。
【００１１】
また本発明は、上記構成のスターリングサイクル装置において、前記作動ガス流入口には、蓄圧空間外への作動ガスの流出を阻止する一方向弁が配置されていることを特徴としている。
【００１２】
この構成によると、蓄圧空間に取り込まれる作動ガスの逆流を阻止し、蓄圧空間の圧力が、膨張空間に作動ガスを噴出させる前に低下してしまうという事態を防ぐことができる。
【００１３】
また本発明は、上記構成のスターリングサイクル装置において、前記作動ガス噴出口には、前記蓄圧空間と前記膨張空間との圧力差が所定値以上になったときに開く一方向弁が配置されていることを特徴としている。
【００１４】
この構成によると、蓄圧空間の圧力に比べ膨張空間の圧力が少しでも下がったら膨張空間に作動ガスを出すというのでなく、蓄圧空間と膨張空間との圧力差が所定値以上になったときに一方向弁が開いて作動ガスを噴出させるものであるから、噴出する作動ガスの勢いが増して噴流を発生させる力が強くなり、一層高い機関効率を得ることができる。また、作動ガス噴出口からの作動ガスの漏洩が問題にならなくなるので、作動ガス噴出口の口径を大きくし、噴流量を大きくして、熱伝達率を大幅に向上できる。さらに、一方向弁の調整により噴流のタイミングをずらし、より効果的なタイミングで噴流を生じさせるようにすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、ディスプレーサに取り込んだ作動ガスを即座に吹き出すのでなく、ディスプレーサ内の蓄圧空間に、ディスプレーサの外部空間の方が圧力が高いときに作動ガスを取り込み、その作動ガスを、膨張空間の方が圧力が低くなったときに膨張空間に噴出させるものであるから、吹き出す作動ガスの勢いを強め、膨張空間内の作動ガスを効果的に乱し、熱機関としての効率を一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の第１実施形態を図１から図４までの図に基づき説明する。図１はスターリングサイクル装置の断面図、図２はスターリングサイクル装置の部分拡大断面図、図３は同じくスターリングサイクル装置の部分拡大断面図にして、図２と異なる状態におけるもの、図４はＰＶ線図である。
【００１７】
図１に示すスターリングサイクル装置１Ａは、α型２シリンダ構成で、冷凍機として用いられるものであり、クランク室２と、クランク室２から突き出す第１シリンダ３及び第２シリンダ４を備える。第１シリンダ３と第２シリンダ４は互いに直角をなす。第１シリンダ３にはピストン５が挿入され、圧縮機を構成する。第２シリンダ４にはディスプレーサ６が挿入され、膨張機を構成する。第１シリンダ３の圧縮空間７と第２シリンダ４の膨張空間８は作動ガス管路９により連通せしめられる。作動ガス管路９には、第１シリンダ３寄りの箇所に放熱器１０が設けられ、第２シリンダ４寄りの箇所に再生器１１が設けられる。クランク室２には図示しない動力源（例えば電動機）により回転せしめられるクランク円板１２が配置され、このクランク円板１２に対し、ピストン５はコネクティングロッド１３を介して、ディスプレーサ４はコネクティングロッド１４を介して、それぞれ連結されている。
【００１８】
クランク円板１２が回転すると、ピストン５は第１シリンダ３の中で、ディスプレーサ６は第２シリンダ４の中で、相互に所定の位相差をもって往復運動する。これにより作動ガスは、圧縮空間７と膨張空間８の間を移動する。
【００１９】
スターリングサイクル装置１Ａは図４のＰＶ線図に従った動作を展開する。図４は冷凍サイクルを示すものであり、圧縮過程（１→２）では圧縮空間７からそれに連通する再生器１１及び膨張空間８が高圧となる。等容過程（２→３）から膨張過程（３→４）になると膨張空間８からそれに連通する空間が低圧となり、等容過程（４→１）を経てサイクルが再スタートする。
【００２０】
圧縮過程（１→２）で圧力が上昇し放熱器１０で温熱を放散した圧縮空間７の作動ガスは、等容過程（２→３）において再生器１１に温熱を伝えた後、膨張空間８へと向かう。膨張空間８の作動ガスは膨張過程（３→４）で低圧となり、第２シリンダ４の中で吸熱を行い、膨張空間８を囲む部分を冷却する。第２シリンダ４のこの部分は吸熱ヘッド４ａとして機能し、吸熱ヘッド４ａの冷熱により、スターリングサイクル装置１Ａは冷凍機としての役割を果たす。膨張空間８の作動ガスは等容過程（４→１）で圧縮空間７の側に引き戻され、その過程で再生器１１と熱交換する。
【００２１】
続いて、本発明の眼目であるディスプレーサ６の蓄圧空間につき説明する。ディスプレーサ６の内部には、膨張空間８に面する側の端部に蓄圧空間１５が形成されている。蓄圧空間１５には、膨張空間８に面して、１個の貫通孔からなる作動ガス流入口１６と、複数の小径貫通孔からなる作動ガス噴出口１７が形成されている。作動ガス流入口１６の内側には、蓄圧空間１５内の作動ガスが外部に流出するのを阻止する一方向弁１８が配置されている。一方向弁１８はバネ用金属材料（例えばリン青銅）の薄板の一端をビスやリベットなどの締結部材で蓄圧空間１５の内壁に固定して構成される。
【００２２】
図２は圧縮過程における作動ガスの挙動を示す。圧縮過程では膨張空間８が高圧となる。この圧力は蓄圧空間１５の圧力よりも高いので、作動ガス流入口１６を通じて作動ガスが、一方向弁１８を押し開いて蓄圧空間１５に流入する。作動ガス噴出口１７からも僅かではあるが作動ガスが蓄圧空間１５に流入する。このように、圧縮過程における膨張空間８の圧力上昇に応じて蓄圧空間１５の圧力も上昇する。
【００２３】
図３は膨張過程における作動ガスの挙動を示す。膨張過程では膨張空間８が低圧となり、それに比較して蓄圧空間１５の圧力が高圧となる。作動ガス流入口１６には一方向弁１８があるのでここから作動ガスが流出することはない。作動ガス噴出口１７は小径であるため流路抵抗が大きく、膨張空間８と蓄圧空間１５の圧力差がある程度になるまで作動ガス噴出口１７を通じての作動ガスの噴出はない。
【００２４】
膨張空間８と蓄圧空間１５の圧力差がある程度に達すると、蓄圧空間１５内の作動ガスが作動ガス噴出口１７から噴出する。噴出は膨張空間８と蓄圧空間１５の圧力差が作動ガス噴出口１７の流路抵抗より低くなるまで続く。噴出している間、作動ガスは膨張空間８内に噴流を形成し、膨張空間８の作動ガスの温度を均一化し、作動ガスと吸熱ヘッド４ａの間の熱伝達を促進する。このように膨張過程での熱交換が促進されるため、膨張空間８で発生した冷熱を効率よく吸熱ヘッド４ａから取り出すことができる。そして、ディスプレーサ６の外部空間の方が圧力が高いときに蓄圧空間１５に受け入れた作動ガスを、膨張空間８の方が圧力が低くなったときに膨張空間８に噴出させるものであるから、吹き出す作動ガスの勢いが強くなり、膨張空間８内の作動ガスを効果的に乱すことができ、より高い機関効率を得ることができる。
【００２５】
第１実施形態はα型と呼ばれる２シリンダ構成のスターリングサイクル装置への応用例であるが、同様の蓄圧空間を、β型と呼ばれる単一シリンダ構成のスターリングサイクル装置や、γ型と呼ばれる２シリンダ構成のスターリングサイクル装置に設けることもできる。つまり第１実施形態の構成は、スターリングサイクル装置の形式を問わず利用することができる。
【００２６】
本発明の第２実施形態を図５及び図６に示す。図５はスターリングサイクル装置の部分拡大断面図、図６は同じくスターリングサイクル装置の部分拡大断面図にして、図５と異なる状態におけるものである。
【００２７】
第２実施形態はディスプレーサの構造を第１実施形態から変化させたものである。すなわち第２実施形態のディスプレーサ６は、作動ガス噴出口１７の外側に、蓄圧空間１５と膨張空間８との圧力差（蓄圧空間１５の方が高圧で、膨張空間８の方が低圧となったときの圧力差）が所定値以上になったときに開く一方向弁１９が配置されている。一方向弁１９は一方向弁１８と同様の構造であるが、開く方向が異なる。
【００２８】
膨張過程で膨張空間８が低圧となり、それに比較して蓄圧空間１５の圧力が高圧となっても、その圧力差が所定値に達するまで一方向弁１９は開かない。圧力差が所定値に達してはじめて一方向弁１９が開き、蓄圧空間１５内の作動ガスが作動ガス噴出口１７から噴出するので、噴出する作動ガスの勢いが増して噴流を発生させる力が強くなり、一層高い機関効率を得ることができる。また、作動ガス噴出口１７からの作動ガスの漏洩が問題にならなくなるので、作動ガス噴出口１７の口径を大きくし、噴流量を大きくして、熱伝達率を大幅に向上できる。さらに、一方向弁１９の調整により噴流のタイミングをずらし、より効果的なタイミングで噴流を生じさせるようにすることができる。例えば、ディスプレーサ６の端面が第２シリンダ４の内壁から遠ざかるときのみ噴流を生じさせることも可能となる。
【００２９】
本発明の第３実施形態を図７に示す。図７はスターリングサイクル装置の断面図である。
【００３０】
第３実施形態のスターリングサイクル装置１Ｂは、第１実施形態のスターリングサイクル装置１Ａと次の点が異なる。すなわち第２シリンダ４とクランク室２の間に隔壁２０が形成され、この隔壁２０とディスプレーサ６の間が圧縮空間２１となっている。ディスプレーサ６には隔壁２０を貫通してクランク室２側に突き出すロッド２２が固定されており、このロッド２２の端にコネクティングロッド１４が連結している。作動ガス管路９は圧縮空間２１に接続するものであり、その途中に再生器は設けられていない。再生器はディスプレーサ６の内部に設けられている。
【００３１】
ディスプレーサ６の内部は、円筒形の隔壁２３により同心円状の２空間に区分される。隔壁２３の外側の環形空間は主流路２４となり、隔壁２３の内側の円筒形空間は蓄圧空間２５となる。再生器も二分され、一方は主流路２４に挿入される第１再生器２６ａとなり、他方は蓄圧空間２５に挿入される第２再生器２６ｂとなる。第１再生器２６ａも第２再生器２６ｂも、一方の端は膨張空間８に連通し、他方の端は圧縮空間２１に連通する。蓄圧空間２５の流路抵抗は主流路２４よりはるかに大きい。そのため、ディスプレーサ６の動作に応じて圧縮空間２１と膨張空間８の間を移動する作動ガスの大部分が主流路２４を流れることになる。主流路２４と蓄圧空間２５は隔壁２３で完全に分離され、主流路２４と蓄圧空間２５を通る作動ガスが入れ替わることはない。
【００３２】
蓄圧空間２５の圧縮空間２１に面する側には作動ガス流入口２７及び一方向弁２８が設けられ、膨張空間８に面する側には作動ガス噴出口２９が設けられている。作動ガス流入口２７、一方向弁２８、及び作動ガス噴出口２９の構造は第１実施形態の作動ガス流入口１６、一方向弁１８、及び作動ガス噴出口１７と同様である。
【００３３】
圧縮空間７、膨張空間８、作動ガス管路９、圧縮空間２１、及び第１再生器２６ａが占有する空間を「作動空間」と総称することとする。スターリングサイクル装置１Ｂでは、圧縮過程において、作動空間７、８、９、２１、２６ａが高圧となる。この圧力は蓄圧空間２５の圧力よりも高いので、作動ガス流入口２７から作動ガスが、一方向弁２８を押し開いて蓄圧空間２５に流入する。膨張過程に入ると作動空間７、８、９、２１、２６ａが低圧となり、それに比較して蓄圧空間２５の圧力が高圧となる。作動ガス噴出口２９は小径であるため流路抵抗が大きく、膨張空間８と蓄圧空間２５の圧力差がある程度になるまで作動ガス噴出口２９を通じての作動ガスの噴出はない。
【００３４】
膨張空間８と蓄圧空間２５の圧力差がある程度に達すると、蓄圧空間２５内の作動ガスが作動ガス噴出口２９から噴出する。噴出は膨張空間８と蓄圧空間２５の圧力差が作動ガス噴出口２９の流路抵抗より低くなるまで続く。噴出している間、作動ガスは膨張空間８内に噴流を形成し、膨張空間８の作動ガスの温度を均一化し、作動ガスと吸熱ヘッド４ａの間の熱伝達を促進する。このように膨張過程での熱交換が促進されるため、膨張空間８で発生した冷熱を効率よく吸熱ヘッド４ａから取り出すことができる。
【００３５】
圧縮空間２１の方が圧力が高いときに蓄圧空間２５に受け入れた作動ガスを、膨張空間８の方が圧力が低くなったときに膨張空間８に噴出させるものであるから、吹き出す作動ガスの勢いが強くなり、膨張空間８内の作動ガスを効果的に乱すことができ、より高い機関効率を得ることができる。また、蓄圧空間２５にも第２再生器２６ｂがあるため、作動ガス流入口２７から流入した作動ガスと第２再生器２６ｂとの間で熱交換を行い、作動ガスを膨張空間８の作動ガスに近い温度にして噴出できるから、熱損失が少なくて済む。
【００３６】
第３実施形態の構成は、図７の構造以外の構造のスターリングサイクル装置にも適用できる。また第３実施形態の作動ガス噴出口２９に第２実施形態の一方向弁１９を組み合わせれば、噴出する作動ガスの勢いがさらに増し、一層高い効率を得ることができる。
【００３７】
本発明の第４実施形態を図８に示す。図８はスターリングサイクル装置の断面図である。
【００３８】
スターリングサイクル装置１Ｃはβ型のシリンダ構成で、冷凍機として用いられる。スターリングサイクル装置１Ｃはフリーピストンタイプであって、シリンダ３０、３１が組立の中心をなす。シリンダ３０、３１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ３０にはピストン３２が挿入され、シリンダ３１にはディスプレーサ３３が挿入される。ピストン３２及びディスプレーサ３３は、スターリングサイクル装置１Ｃの運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ３０、３１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン３２とディスプレーサ３３は所定の位相差を備えて動く。
【００３９】
ピストン３２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ３４が設けられる。ディスプレーサ３３の一方の端からはディスプレーサ軸３５が突出する。ディスプレーサ軸３５はピストン３２及びマグネットホルダ３４を軸線方向にスライドできるように貫通し、背圧空間に突出する。
【００４０】
シリンダ３０はピストン３２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ４０を保持する。リニアモータ４０は、コイル４１を備えたアウターヨーク４２と、シリンダ３０の外周面に接するように設けられたインナーヨーク４３と、アウターヨーク４２とインナーヨーク４３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット４４と、アウターヨーク４２を囲む管体４５と、アウターヨーク４２、インナーヨーク４３、及び管体４５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット４６、４７とを備える。マグネット４４はマグネットホルダ３４に固定されている。
【００４１】
マグネットホルダ３４のハブの部分にはスプリング５０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸３５にはスプリング５１の中心部が固定される。スプリング５０、５１の外周部はエンドブラケット４７に固定される。スプリング５０、５１の外周部同士の間にはスペーサ５２が配置されており、これによりスプリング５０、５１は一定の距離を保つ。スプリング５０、５１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ３３をピストン３２に対し所定の位相差（６５゜〜９０゜の位相差）をもたせて共振させる役割を果たす。
【００４２】
シリンダ３１のうち、ディスプレーサ３３の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド６０と低温側伝熱ヘッド６１が配置される。高温側伝熱ヘッド６０、低温側伝熱ヘッド６１、及び後述する再生器チューブ６８はスターリングサイクル装置１Ｃの外殻の一部を構成する。
【００４３】
高温側伝熱ヘッド６０はリング状、低温側伝熱ヘッド６１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。高温側伝熱ヘッド６０の内周面にはリング状の高温側内部熱交換器６２が装着され、低温側伝熱ヘッド６１の内周面には同じくリング状の低温側内部熱交換器６３が装着される。高温側内部熱交換器６２と低温側内部熱交換器６３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を高温側伝熱ヘッド６０と低温側伝熱ヘッド６１に伝える。高温側内部熱交換器６２と低温側内部熱交換器６３は、銅や銅合金などの薄板をコルゲート加工し、リング状に形成したものである。
【００４４】
高温側伝熱ヘッド６０と低温側伝熱ヘッド６１はこのように高温側内部熱交換器６２と低温側内部熱交換器６３を介在させた形でシリンダ３１の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド６０にはシリンダ３０及び圧力容器７０が連結される。圧力容器７０はリニアモータ４０、シリンダ３０、及びピストン３２を包む。圧力容器７０の内部のシリンダ３０の外周側の空間は背圧空間７１となる。
【００４５】
高温側伝熱ヘッド６０、シリンダ３０、３１、ピストン３２、ディスプレーサ３３、ディスプレーサ軸３５、及び高温側内部熱交換器６２で囲まれる環状の空間は圧縮空間６５となる。低温側伝熱ヘッド６１、シリンダ３１、ディスプレーサ３３、及び低温側内部熱交換器６３で囲まれる空間は膨張空間６６となる。
【００４６】
ディスプレーサ３３を収容したシリンダ３１の外側には、高温側内部熱交換器６２と低温側内部熱交換器６３の間に、第１再生器６７が配置される。第１再生器６７は樹脂フィルムを円筒形に巻回したものであり、フィルムの片面に微小な突起を多数点在させてフィルム間に突起の高さ分の間隙を形成し、これを作動ガスの通り道としている。第１再生器６７の外側を再生器チューブ６８が包み、伝熱ヘッド６０、６１の間に気密通路を構成する。再生器チューブ６８は、例えばステンレス鋼で形成することができる。再生器チューブ６８の両端は高温側伝熱ヘッド６０と低温側伝熱ヘッド６１の内面に連結され、高温側伝熱ヘッド６０と低温側伝熱ヘッド６１は再生器チューブ６８により連結される。
【００４７】
ディスプレーサ３３の内部は蓄圧空間８０となり、ここに第２再生器８１が収納される。第２再生器８１の構造は第１再生器６７と同様である。第２再生器８１の一方の端は膨張空間６６に連通し、他方の端は圧縮空間６５に連通する。蓄圧空間８０の圧縮空間６５に面する側には作動ガス流入口８２及び一方向弁８３が設けられ、膨張空間６６に面する側には作動ガス噴出口８４が設けられている。作動ガス流入口８２、一方向弁８３、及び作動ガス噴出口８４の構造は第１実施形態の作動ガス流入口１６、一方向弁１８、及び作動ガス噴出口１７と同様である。また第１実施形態の場合と同様、高温側熱交換器６２が占有する空間、低温側熱交換器６３が占有する空間、圧縮空間６５、膨張空間６６、及び第１再生器６７が占有する空間を「作動空間」と総称することとする。
【００４８】
スターリングサイクル装置１Ｃは次のように動作する。リニアモータ４０のコイル４１に交流電流を供給するとインナーヨーク４３とアウターヨーク４２の間にマグネット４４を貫通する交番磁界が発生し、マグネット４４は軸方向に電磁力を受け往復運動する。ピストン系（ピストン３２、マグネットホルダ３４、マグネット４４、及びスプリング５０）の総質量と、スプリング５０のバネ定数とにより定まる共振周波数に略一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。
【００４９】
ディスプレーサ系（ディスプレーサ３３、ディスプレーサ軸３５、及びスプリング５１）にあっては、その総質量と、スプリング５１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン３２の駆動周波数に共振するよう設定する。
【００５０】
ピストン３２の往復運動により、作動空間６２、６３、６５、６６、６７では圧縮、膨脹の圧力変化を生じる。この圧力変化に起因する推力によって、ディスプレーサ３３もピストン３２の駆動周波数に同期して往復運動を行う。このとき、ディスプレーサ３３の往復運動とピストン３２の往復運動との間には、ピストン３２の駆動周波数とディスプレーサ系の共振周波数との差異により決定される所定の位相差が生じる。
【００５１】
ディスプレーサ３３の移動により、圧縮空間６５と膨脹空間６６の間に逆スターリングサイクルが構成される。
【００５２】
運転中に圧縮空間６５と膨張空間６６の間を移動する作動ガスは、高温側内部熱交換器６２と低温側内部熱交換器６３を通過する際に、その有する熱を高温側内部熱交換器６２と低温側内部熱交換器６３を通じて高温側伝熱ヘッド６０と低温側伝熱ヘッド６１に伝える。圧縮空間６５から膨張空間６６に向かう作動ガスは高温であるため高温側伝熱ヘッド６０は加熱され、高温側伝熱ヘッド６０は放熱ヘッドとなる。膨張空間６６から圧縮空間６５に向かう作動ガスは低温であるため低温側伝熱ヘッド６１は冷却され、低温側伝熱ヘッド６１は吸熱ヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド６０で放熱し、低温側伝熱ヘッド６１で吸熱することにより、スターリングサイクル装置１Ｃは冷凍機関としての機能を果たす。
【００５３】
第１再生器６７及び第２再生器８１は、圧縮空間６５と膨張空間６６の作動ガス温度による顕熱を相手側の空間には伝えないように作動ガスを通す働きをする。第２再生器８１は第１再生器６７に比べて流路抵抗が大きく、そのため作動ガスの大部分は第１再生器６７を通ることになる。
【００５４】
圧縮空間６５から高温側内部熱交換器６２を経て第１再生器６７に入った高温の作動ガスは、第１再生器６７を通過するときにその顕熱を第１再生器６７に与え、温度が下がった状態で低温側内部熱交換器６３を経て膨張空間６６に流入する。圧縮空間６５から第２再生器８１に入った高温の作動ガスも、第２再生器８１を通過するときにその顕熱を第２再生器８１に与え、温度が下がった状態で膨張空間６６に流入する。膨張空間６６から低温側内部熱交換器６３を冷却した後第１再生器６７に入った低温の作動ガスは、第１再生器６７を通過するときに第１再生器６７から顕熱を回収し、温度が上がった状態で高温側熱交換器６２を経て圧縮空間６５に流入する。膨張空間６６から第２再生器８１に入った低温の作動ガスも、第２再生器８１を通過するときに第２再生器８１から顕熱を回収する。
【００５５】
スターリングサイクル装置１Ｃでは、圧縮過程において、圧縮空間６５、再生器６７、膨張空間６６、高温側および低温側内部熱交換器６２、６３のすべての空間が高圧となる。この圧力は蓄圧空間８０の圧力よりも高いので、作動ガス流入口８２から作動ガスが、一方向弁８３を押し開いて蓄圧空間８０に流入する。膨張過程に入ると圧縮空間６５、再生器６７、膨張空間６６、高温側および低温側内部熱交換器６２、６３のすべての空間が低圧となり、それに比較して蓄圧空間８０の圧力が高圧となる。作動ガス噴出口８４は小径であるため流路抵抗が大きく、膨張空間６６と蓄圧空間８０の圧力差がある程度になるまで作動ガス噴出口８４を通じての作動ガスの噴出はない。
【００５６】
膨張空間６６と蓄圧空間８０の圧力差がある程度に達すると、蓄圧空間８０内の作動ガスが作動ガス噴出口８４から噴出する。噴出は膨張空間６６と蓄圧空間８０の圧力差が作動ガス噴出口８４の流路抵抗より低くなるまで続く。噴出している間、作動ガスは膨張空間６６内に噴流を形成し、膨張空間６６の作動ガスの温度を均一化し、作動ガスと低温側伝熱ヘッド６１の間の熱伝達を促進する。このように膨張過程での熱交換が促進されるため、膨張空間６６で発生した冷熱を効率よく低温側伝熱ヘッド６１から取り出すことができる。
【００５７】
圧縮空間６５の方が圧力が高いときに蓄圧空間８０に受け入れた作動ガスを、膨張空間６６の方が圧力が低くなったときに膨張空間６６に噴出させるものであるから、吹き出す作動ガスの勢いが強くなり、膨張空間６６内の作動ガスを効果的に乱すことができ、より高い機関効率を得ることができる。また、蓄圧空間８０に取り込んだ作動ガスと第２再生器８１との間で熱交換を行い、作動ガスを膨張空間６６の作動ガスに近い温度にして噴出できるから、熱損失が少なくて済む。作動ガス噴出口８４に第２実施形態の一方向弁１９を組み合わせれば、噴出する作動ガスの勢いがさらに増し、一層高い効率を得ることができる。
【００５８】
［実施例］
本発明の実施でどの程度性能向上を図れるかを理論的に検討した。検討するにあたり、図８のようなβ型単一シリンダ構成のスターリングサイクル装置を想定して、作動ガス噴出口から作動ガスが噴出したときの流速を、一般の流体解析プログラムを用いて求めた。環境条件は、蓄圧空間と膨張空間の圧力差が０．２ＭＰａになったと仮定した。作動ガス噴出口の数は５７個で、それが図９に示すパターンで配置されているものとした。作動ガス噴出口の直径Ｄは０．５mm、作動ガス噴出口同士の間隔ｒは５mmとした。
【００５９】
解析画面を図１０に示す。この画面から、作動ガスが膨張空間へ噴出し、５０ｍ／ｓ以上の流速で吸熱面近傍まで到達していることが判明した。また、噴出した作動ガスが膨張空間の作動ガスをかき乱していることがわかった。
【００６０】
次に、作動ガスの噴流による伝熱促進効果を計算する。Martinが提案している実験式（参考文献：Martin, H., Advances in Heat Transfer, 13(1977), 1：日本機械学会発行「伝熱工学資料」改訂第４版第６６頁より）を用いて熱伝達率を試算する。図９のガス噴出口に対して用いた実験式は以下のとおりである。
【数１】
2009133513.tif 000003
【数２】
2009133513.tif 000004
【数３】
2009133513.tif 000005
【数４】
2009133513.tif 000006
Ｆ＝０．５Ｒｅ2/3    （２０００＜Ｒｅ＜１０００００）          （式５）
０．００４≦ｇ＜０．０４                                        （式６）
２＜Ｈ／Ｄ／１２                                                （式７）
Ｈ：作動ガス噴出口と吸熱面との距離
Ｄ：作動ガス噴出口の直径
Ｎｕ：ヌセルト数
【００６１】
ヌセルト数Ｎｕと熱伝達率ｈの関係及びレイノルズ数Ｒｅを求める式を以下に示す。
【数５】
2009133513.tif 000007
【数６】
2009133513.tif 000008
λ：流体の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
ｕ：流速（ｍ／Ｓ）
ν：動粘性係数（ｍ2／ｓ）
【００６２】
計算条件は次のように設定した。作動ガス噴出口直径Ｄ＝０．５mm、作動ガス噴出口同
士の間隔ｒ＝５mm、作動ガス噴出口と吸熱面との距離Ｈ＝５mm、作動ガス噴出口からの噴
出流速は図１０の解析結果を参考にｕ＝５０ｍ／ｓと仮定した。作動ガスはヘリウムとしてν＝３．６６５×１０-6（ｍ2／ｓ）、λ＝０．１５３（Ｗ／ｍＫ）を用いた。これらの値を前記数式に代入して計算すると熱伝達率ｈ＝５５０５（Ｗ／ｍ2Ｋ）となる。
【００６３】
次に、作動ガス噴出口のないディスプレーサが、膨張空間側の端面で作動ガスを動かすものと仮定して、熱伝達率を計算する。ディスプレーサが移動する速度と作動ガスが移動する速度が同じとすると、作動ガスの最大速度はディスプレーサの最大速度に一致する。ディスプレーサの振幅をＸｄ、運転周波数をｆとして作動ガス速度を求める式は
ｕ＝Ｘｄ・ω＝Ｘｄ・２πｆ                                        （式１０）
となる。直交平板の熱伝達を求める式は、参考文献（日本機械学会発行「伝熱工学資料」改訂第４版第６２頁）から
Ｎｕ＝０．０６０Ｒｅ1/2                                          （式１１）
を用いた。ディスプレーサ端面及び吸熱面の直径を代表長さとして４０mm、ディスプレー
サのストローク（振幅）Ｘｄ＝４mm、運転周波数６０Hzとして計算すると熱伝達率ｈ＝２
９４（Ｗ／ｍ2Ｋ）となる。作動ガスはヘリウムとして前述と同じくν＝３．６６５×１０-6（ｍ2／ｓ）、λ＝０．１５３（Ｗ／ｍＫ）を用いた。
【００６４】
上記計算結果は、作動ガス噴出口を設けることにより熱伝達率を１０倍以上にすることができる可能性を示すものであり、作動ガスの噴流効果が非常に高いことがわかる。
【００６５】
次に、図８の第４実施形態のように、ディスプレーサ内部に第２再生器を挿入することによる効果を実験で検証した。図８の通り、ディスプレーサの圧縮空間側から作動ガスが流入するように一方向弁を取り付け、ディスプレーサの膨張空間側から作動ガスが噴出するように作動ガス噴出口を設けた構造（「再生器あり」）のスターリングサイクル装置を用意した。作動ガス噴出口は直径０．５mmのものが１個とした。第２再生器としてはポリ
エステル系ウレタンフォームの連続気泡発泡体を用いた。対比のため、ディスプレーサに作動ガス噴出口と第２再生器を設けていない構造（「再生器なし」）のスターリングサイクル装置も用意した。
【００６６】
「再生器あり」のスターリングサイクル装置と、「再生器なし」のスターリングサイクル装置は、いずれも、作動ガスとしてヘリウムを使用し、ディスプレーサ直径は３９．８mm、ピストンのストロークは４mm、運転周波数７０Hz、内部圧力は３．４Ｍｐａとした。
再生器（第１再生器）の外径×内径×長さは６８mm×５４mm×５５mmとした。本発明構造
において、ディスプレーサに挿入される第２再生器の外径×長さは３４．５mm×５２．５
mmとした。
【００６７】
実験は、「再生器あり」のスターリングサイクル装置と、「再生器なし」のスターリングサイクル装置を、どちらも放熱器の温度が３０℃、吸熱ヘッドの温度が−２３℃で一定になるように調整し、ピストン振幅も一定にコントロールして行った。その結果を図１１に示す。比ＣＯＰは、「再生器なし」のＣＯＰを１とし、「再生器あり」のＣＯＰがその何倍になったかを示したものである。図１１から、「再生器なし」の場合に比べ、「再生器あり」の場合はＣＯＰが１．２倍以上となることがわかる。
【００６８】
次に、作動ガスの噴流による効果を実験で検証した。実験には「再生器あり」「再生器なし」の比較実験で用いたスターリングサイクル装置と同様、β型単一シリンダ構造のスターリングサイクル装置を用いた。「噴流あり」のスターリングサイクル装置は、ディスプレーサの圧縮空間側から作動ガスが流入するように一方向弁を取り付け、ディスプレーサの膨張空間側から作動ガスが噴出するように作動ガス噴出口を設けた構造で、ディスプレーサの中には再生器を挿入していない。作動ガス噴出口は直径０．１mmのものが３個と
した。「噴流なし」のスターリングサイクル装置は、作動ガス噴出口がないことを除く他、「噴流あり」のスターリングサイクル装置と同じ構造とした。またスターリングサイクル装置の諸元は「再生器あり」「再生器なし」の比較実験で用いたスターリングサイクル装置と同じとした。
【００６９】
実験は、「噴流あり」のスターリングサイクル装置と、「噴流なし」のスターリングサイクル装置を、どちらも放熱器の温度が３０℃、吸熱ヘッドの温度が−２３℃で一定になるように調整し、ピストン振幅も一定にコントロールして行った。その結果を図１２に示す。比ＣＯＰは、「噴流なし」のＣＯＰを１とし、「噴流あり」のＣＯＰがその何倍になったかを示したものである。図１２から、「噴流なし」の場合に比べ、「噴流あり」の場合はＣＯＰが向上することがわかる。
【００７０】
以上本発明の各実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。
【００７１】
本発明は、適用対象が冷凍機に限定されるものではない。スターリングサイクル動力機関に本発明を適用して吸熱側に噴流を生じさせる構造としても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、スターリングサイクル装置全般に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】スターリングサイクル装置の断面図
【図２】スターリングサイクル装置の部分拡大断面図
【図３】スターリングサイクル装置の部分拡大断面図にして、図２と異なる状態におけるもの
【図４】ＰＶ線図
【図５】第２実施形態に係るスターリングサイクル装置の部分拡大断面図
【図６】第２実施形態に係るスターリングサイクル装置の部分拡大断面図にして、図５と異なる状態におけるもの
【図７】第３実施形態に係るスターリングサイクル装置の断面図
【図８】第４実施形態に係るスターリングサイクル装置の断面図
【図９】解析実験における作動ガス噴出口の配置パターンを示す図
【図１０】作動ガス噴出口から作動ガスが噴出したときの流速の解析画面
【図１１】再生器の有無に基づく比ＣＯＰの値を示すグラフ
【図１２】噴流の有無に基づく比ＣＯＰの値を示すグラフ
【符号の説明】
【００７４】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  スターリングサイクル装置
２    クランク室
３    第１シリンダ
４    第２シリンダ
５    ピストン
６    ディスプレーサ
７    圧縮空間
８    膨張空間
９    作動ガス管路
１０  放熱器
１１  再生器
１５  蓄圧空間
１６  作動ガス流入口
１７  作動ガス噴出口
１８  一方向弁
１９  一方向弁
２１  圧縮空間
２５  蓄圧空間
２６ａ  第１再生器
２６ｂ  第２再生器
２７  作動ガス流入口
２８  一方向弁
２９  作動ガス噴出口
３１  シリンダ
３３  ディスプレーサ
６５  圧縮空間
６６  膨張空間
６７  第１再生器
８０  蓄圧空間
８１  第２再生器
８２  作動ガス流入口
８３  一方向弁
８４  作動ガス噴出口
【図１】
2009133513.tif 000009
【図２】
2009133513.tif 000010
【図３】
2009133513.tif 000011
【図４】
2009133513.tif 000012
【図５】
2009133513.tif 000013
【図６】
2009133513.tif 000014
【図７】
2009133513.tif 000015
【図８】
2009133513.tif 000016
【図９】
2009133513.tif 000017
【図１１】
2009133513.tif 000018
【図１２】
2009133513.tif 000019
【図１０】
2009133513.tif 000020