(57)【要約】  【課題】コンパクトに構成できて、暖房出力やエネルギー変換効率の高い冷暖房システムを提供する。  【解決手段】  冷暖房システム１Aにおいては、ランキンサイクル回路１１の膨張機１５、スターリングエンジン１２に冷凍空調サイクル回路５０のコンプレッサ５１が接続される。膨張機１５、スターリングエンジン１２が駆動するとコンプレッサ５１が駆動し冷凍空調サイクル回路５０において暖房が行われる。熱交換器１６ａにおいてランキンサイクル回路１１の作動媒体と冷凍空調サイクル回路５０の第二作動媒体が熱交換する。冷却媒体循環回路３５を循環する冷却媒体はウォータージャケット３３でスターリングエンジン１２の低温部、排熱回収器１４で加熱器１３内部の熱をそれぞれ吸収し冷却媒体貯蔵槽３４に蓄積される。【選択図】図１
2009138970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屋内にてコンデンサとして機能する第一熱交換器と、該第一熱交換器から供給された冷凍サイクル作動媒体を膨張させる膨張手段と、前記第一熱交換器が配設される屋内以外の場所に配設されてエバポレータとして機能する第二熱交換器と、該第二熱交換器から供給された前記冷凍サイクル作動媒体を圧縮するコンプレッサとを備えた冷凍空調サイクル回路と、前記コンプレッサを駆動させる動力供給装置とを備えた冷暖房システムであって、
該動力供給装置は、
ランキンサイクル作動媒体の膨張エネルギーを運動エネルギーに変換する膨張機を備えたランキンサイクル回路と、作動ガスを加熱膨張させる高温部及び前記作動ガスを冷却収縮させる低温部を備え熱エネルギーを運動エネルギーに変換するスターリングエンジンと、前記ランキンサイクル回路に設けられて前記ランキンサイクル作動媒体を加熱する加熱部及び前記スターリングエンジンの高温部のうち少なくとも何れか一方を加熱する加熱器とを備え、前記コンプレッサに対し前記膨張機及び前記スターリングエンジンのうち前記加熱器によって前記加熱部及び前記高温部が加熱された少なくとも何れか一方から駆動力が供給されることを特徴とする冷暖房システム。
【請求項２】
前記スターリングエンジンの出力軸と、前記膨張機の出力軸と、前記コンプレッサの入力軸とが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷暖房システム。
【請求項３】
前記冷凍空調サイクル回路の前記第二熱交換器は、前記冷凍サイクル作動媒体と前記ランキンサイクル作動媒体との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷暖房システム。
【請求項４】
前記冷凍空調サイクル回路の前記第二熱交換器は、前記冷凍サイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷暖房システム。
【請求項５】
前記冷凍空調サイクル回路において、前記冷凍サイクル作動媒体の流路を切り替えて、前記第二熱交換器をエバポレータとして使用するための第一循環路及び前記第二熱交換器をコンデンサとして使用するための第二循環路の何れかを形成する四方弁を備えたことを特徴とする請求項４に記載の冷暖房システム。
【請求項６】
前記ランキンサイクル作動媒体と前記スターリングエンジンの前記低温部を冷却させる前の冷却媒体とを熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却させる第一のランキンサイクル熱交換器と、前記ランキンサイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却する第二のランキンサイクル熱交換器とが設けられ、
前記作動媒体の流路として、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第一のランキンサイクル熱交換器に通過させる第一の作動媒体流路と、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第二のランキンサイクル熱交換器に通過させる第二の作動媒体流路とが設けられ、
前記第一の作動媒体流路及び前記第二の作動媒体流路に対する前記作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷暖房システム。
【請求項７】
前記第二熱交換器として、前記ランキンサイクル作動媒体と前記冷凍サイクル作動媒体とを熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却させる第三のランキンサイクル熱交換器と、前記ランキンサイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却する第四のランキンサイクル熱交換器とが設けられ、
前記作動媒体の流路として、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第三のランキンサイクル熱交換器に通過させる第一の作動媒体流路と、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第四のランキンサイクル熱交換器に通過させる第二の作動媒体流路とが設けられ、
前記第一の作動媒体流路及び前記第二の作動媒体流路に対する前記作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の冷暖房システム。
【請求項８】
前記スターリングエンジンの出力軸及び前記膨張機の出力軸のうち少なくとも何れか一方には前記コンプレッサの入力軸とジェネレータ、モータ等の回転機の入力軸とが接続され、
前記出力軸と前記各入力軸との接続部分には、前記スターリングエンジン及び前記膨張機のうち少なくとも何れか一方から出力される駆動力の、前記各入力軸の一方又は双方に対する伝達状態を調節する回転調節部が設けられたことを特徴とする請求項７に記載の冷暖房システム。
【請求項９】
前記低温部を通過した、該低温部を冷却する冷却媒体を貯蔵する冷却媒体貯蔵槽を備えたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一つに記載の冷暖房システム。
【請求項１０】
前記冷却媒体貯蔵槽に貯蔵された前記冷却媒体を前記低温部に供給するための冷却媒体導通管が設けられたことを特徴とする請求項９に記載の冷暖房システム。
【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を用いた冷暖房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、資源問題や環境問題が重視され、熱機関等のエネルギー変換効率の向上やエネルギーの有効活用が重要課題となっている。このため、従来、スターリングエンジンを複合させた冷暖房システムが提案されている。例えば特許文献１には、図１１に示す模式図のように、スターリングエンジン４００の出力軸４０１に冷凍空調サイクル回路４０２のコンプレッサ４０３を接続し、スターリングエンジン４００の駆動によりコンプレッサ４０３を駆動させる冷暖房システム（冷暖房給湯システム）５００が記載されている。この冷暖房システム５００において、冷凍空調サイクル回路４０２には膨張弁４０４、「第一熱交換器」としての屋内用熱交換器４０５、「第二熱交換器」としての屋外用熱交換器４０６が設けられてこれらが第二作動媒体導通管で連結されて第二作動媒体の循環路が形成され、冷却媒体導通管（給水路）４０７は途中で分岐して、分岐した一方側はスターリングエンジン４００の低温部（冷却部）４０８に冷却媒体を供給して低温部４０８を冷却し、分岐した他方側は高温部（加熱部）４０９の周囲に冷却媒体を通過させて湯を生成する。
【特許文献１】特開昭５８−１２９６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、一般にスターリングエンジンは比出力が小さいため十分な出力を得るには装置を大型化する必要があり、また、使用環境（例えば気温）等によっては効率が低下する場合がある。そのため、上記特許文献１に記載の発明は、高温部を加熱する際に生ずる大量の排熱の十分な活用という点で問題がある。また、高出力を得るにはエンジンの構成要素を大型化しなければならず、その結果冷暖房システムの装置自体が大型化するという問題や、エンジンにおける機械損等の損失が大きくなってしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、コンパクトに構成できて、暖房出力やエネルギー変換効率の高い冷暖房システムを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、屋内にてコンデンサとして機能する第一熱交換器と、該第一熱交換器から供給された冷凍サイクル作動媒体を膨張させる膨張手段と、前記第一熱交換器が配設される屋内以外の場所に配設されてエバポレータとして機能する第二熱交換器と、該第二熱交換器から供給された前記冷凍サイクル作動媒体を圧縮するコンプレッサとを備えた冷凍空調サイクル回路と、前記コンプレッサを駆動させる動力供給装置とを備えた冷暖房システムであって、該動力供給装置は、ランキンサイクル作動媒体の膨張エネルギーを運動エネルギーに変換する膨張機を備えたランキンサイクル回路と、作動ガスを加熱膨張させる高温部及び前記作動ガスを冷却収縮させる低温部を備え熱エネルギーを運動エネルギーに変換するスターリングエンジンと、前記ランキンサイクル回路に設けられて前記ランキンサイクル作動媒体を加熱する加熱部及び前記スターリングエンジンの高温部のうち少なくとも何れか一方を加熱する加熱器とを備え、前記コンプレッサに対し前記膨張機及び前記スターリングエンジンのうち前記加熱器によって前記加熱部及び前記高温部が加熱された少なくとも何れか一方から駆動力が供給されることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記スターリングエンジンの出力軸と、前記膨張機の出力軸と、前記コンプレッサの入力軸とが接続されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記冷凍空調サイクル回路の前記第二熱交換器は、前記冷凍サイクル作動媒体と前記ランキンサイクル作動媒体との間で熱交換を行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記冷凍空調サイクル回路の前記第二熱交換器は、前記冷凍サイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の構成に加え、前記冷凍空調サイクル回路において、前記冷凍サイクル作動媒体の流路を切り替えて、前記第二熱交換器をエバポレータとして使用するための第一循環路及び前記第二熱交換器をコンデンサとして使用するための第二循環路の何れかを形成する四方弁を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、前記ランキンサイクル作動媒体と前記スターリングエンジンの前記低温部を冷却させる前の冷却媒体とを熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却させる第一のランキンサイクル熱交換器と、前記ランキンサイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却する第二のランキンサイクル熱交換器とが設けられ、前記作動媒体の流路として、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第一のランキンサイクル熱交換器に通過させる第一の作動媒体流路と、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第二のランキンサイクル熱交換器に通過させる第二の作動媒体流路とが設けられ、前記第一の作動媒体流路及び前記第二の作動媒体流路に対する前記作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の構成に加え、前記第二熱交換器として、前記ランキンサイクル作動媒体と前記冷凍サイクル作動媒体とを熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却させる第三のランキンサイクル熱交換器と、前記ランキンサイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて前記ランキンサイクル作動媒体を冷却する第四のランキンサイクル熱交換器とが設けられ、前記作動媒体の流路として、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第三のランキンサイクル熱交換器に通過させる第一の作動媒体流路と、前記膨張機から流出した前記作動媒体を前記第四のランキンサイクル熱交換器に通過させる第二の作動媒体流路とが設けられ、前記第一の作動媒体流路及び前記第二の作動媒体流路に対する前記作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする。
【００１２】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の構成に加え、前記スターリングエンジンの出力軸及び前記膨張機の出力軸のうち少なくとも何れか一方には前記コンプレッサの入力軸とジェネレータ、モータ等の回転機の入力軸とが接続され、前記出力軸と前記各入力軸との接続部分には、前記スターリングエンジン及び前記膨張機のうち少なくとも何れか一方から出力される駆動力の、前記各入力軸の一方又は双方に対する伝達状態を調節する回転調節部が設けられたことを特徴とする。
【００１３】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８の何れか一つに記載の構成に加え、前記低温部を通過した、該低温部を冷却する冷却媒体を貯蔵する冷却媒体貯蔵槽を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の構成に加え、前記冷却媒体貯蔵槽に貯蔵された前記冷却媒体を前記低温部に供給するための冷却媒体導通管が設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、冷凍空調サイクル回路のコンプレッサを駆動させる動力供給装置においては、ランキンサイクル回路及びスターリングエンジンのうち少なくとも何れか一方から駆動力が供給されることにより、冷凍空調サイクル回路のコンプレッサをスターリングエンジンの駆動力と膨張機の駆動力との複合力によって駆動させることができ、高出力を得ることができる。また、スターリングエンジンと膨張機とのうち何れか一方の駆動によりコンプレッサの駆動を継続できるので、縮退運転等が容易になり障害に強い冷凍空調サイクル回路を形成できる。更に、ランキンサイクル回路とスターリングエンジンとを組み合わせることにより、動力供給装置の動作を安定させることができ、また、スターリングエンジンの構成要件を大型化しなくても高出力を得ることができて、小型で高出力の駆動力供給装置を形成できる。更に、ランキンサイクル回路の一部及び前記スターリングエンジンの高温部のうち少なくとも何れか一方を加熱する加熱器とを備えたことにより、ランキンサイクル回路とスターリングエンジンとのうち一方を駆動させた排熱を利用して他方を駆動させることが可能になってエネルギー利用効率が高くなる。これにより、冷暖房システムをコンパクトに構成できて、高い暖房出力や高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、スターリングエンジンの出力軸と、膨張機の出力軸と、コンプレッサの入力軸とが接続されていることにより、スターリングエンジン及び膨張機のうち少なくとも何れか一方が駆動すればこの駆動力が確実に膨張機に伝達される。これにより、コンプレッサを高出力で駆動させることも縮退運転によって駆動させることも簡易かつ確実に行うことができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、冷凍空調サイクル回路の第二熱交換器は、冷凍サイクル作動媒体とランキンサイクル作動媒体との間で熱交換を行うことにより、ランキンサイクル回路から排出される熱エネルギーを冷凍サイクル作動媒体によって回収することが可能になる。これにより、ランキンサイクル回路から排出される熱をシステム内の冷凍空調サイクル回路で利用することが可能になって、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、冷凍空調サイクル回路の第二熱交換器は、前記冷凍サイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させることにより、冷凍空調サイクル回路における冷凍サイクル作動媒体の冷却又は加熱を冷却媒体や作動媒体との熱交換によらずに行なうことができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、冷凍空調サイクル回路において、冷凍サイクル作動媒体の流路を切り替えて、第二熱交換器をエバポレータとして使用するための第一循環路及び第二熱交換器をコンデンサとして使用するための第二循環路の何れかを形成する四方弁を備えたことにより、第一熱交換器を暖房用室内機のみならず、冷房用室内機にも使用可能となって、システムをより多様に運用することができる。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、ランキンサイクル作動媒体とスターリングエンジンの低温部を冷却させる前の冷却媒体とを熱交換させてランキンサイクル作動媒体を冷却させる第一のランキンサイクル熱交換器と、ランキンサイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させてランキンサイクル作動媒体を冷却する第二のランキンサイクル熱交換器とが設けられ、作動媒体の流路として、膨張機から流出した作動媒体を第一のランキンサイクル熱交換器に通過させる第一の作動媒体流路と、膨張機から流出した作動媒体を第二のランキンサイクル熱交換器に通過させる第二の作動媒体流路とが設けられ、第一の作動媒体流路及び第二の作動媒体流路に対する作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁が設けられたことにより、ランキンサイクル回路から排出される熱エネルギーを冷却媒体によって回収することも、周囲の空気と強制的に熱交換し放熱することもでき、スターリングエンジンの作動状態や気温の状態等に基づいて第一のランキンサイクル熱交換器又は第二のランキンサイクル熱交換器に対する作動媒体の流量を調節し、常時良好な状態でランキンサイクル回路を駆動させることが可能になる。
【００２１】
請求項７に記載の発明によれば、第二熱交換器として、ランキンサイクル作動媒体と冷凍サイクル作動媒体とを熱交換させてランキンサイクル作動媒体を冷却させる第三のランキンサイクル熱交換器と、ランキンサイクル作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させてランキンサイクル作動媒体を冷却する第四のランキンサイクル熱交換器とが設けられ、作動媒体の流路として、膨張機から流出した作動媒体を第三のランキンサイクル熱交換器に通過させる第一の作動媒体流路と、膨張機から流出した作動媒体を第四のランキンサイクル熱交換器に通過させる第二の作動媒体流路とが設けられ、第一の作動媒体流路及び第二の作動媒体流路に対する作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁が設けられたことにより、ランキンサイクル回路から排出される熱をシステム内の冷凍空調サイクル回路で利用することも、周囲の空気と強制的に熱交換して放熱又は放出することもでき、冷凍空調サイクル回路の駆動の如何に依存せずにランキンサイクル回路を駆動させることが可能となり、エネルギーの利用効率を向上させつつシステムの利便性を向上させることができる。
【００２２】
請求項８に記載の発明によれば、スターリングエンジンの出力軸及び膨張機の出力軸のうち少なくとも何れか一方にはコンプレッサの入力軸とジェネレータ、モータ等の回転機の入力軸とが接続され、出力軸と各入力軸との接続部分には、スターリングエンジン及び膨張機のうち少なくとも何れか一方から出力される駆動力の、各入力軸の一方又は双方に対する伝達状態を調節する回転調節部が設けられたことにより、一の出力軸に入力軸が接続されているコンプレッサと回転機とについて、駆動対象の選択や駆動状態の制御を行うことができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明によれば、低温部を通過した、低温部を冷却する冷却媒体を貯蔵する冷却媒体貯蔵槽を備えたことにより、冷却媒体によって回収した排熱を冷却媒体貯蔵槽に保存することができる。また、貯蔵した冷却媒体を取り出して、冷却媒体及び冷却媒体が回収した排熱を多目的に利用することが可能になる。これにより、システムの利用者が使用可能なエネルギー量を増大させることができる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明によれば、冷却媒体貯蔵槽に貯蔵された冷却媒体を低温部に供給するための冷却媒体導通管が設けられたことにより、冷却媒体貯蔵槽に貯蔵された冷却媒体でスターリングエンジンを冷却でき、スターリングエンジンと冷却媒体貯蔵槽との間で冷却媒体を循環させることができて、冷却媒体を使い捨てることなく繰返し使用できる。また、繰返し使用した冷却媒体を冷却媒体貯蔵槽に貯蔵することで、冷却媒体によって回収した排熱を冷却媒体貯蔵槽に順次蓄積していくことができ、冷却媒体を取り出して熱を使用する際の利便性が高められる。これにより、冷却媒体の使用量の増大を抑止し、熱利用の利便性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】
【００２５】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
〔発明の実施の形態１〕
図１乃至図４には、この発明の実施の形態を示す。
【００２６】
まず構成を説明すると、この実施の形態の冷暖房システム１Ａは、家庭用コジェネレーションシステムであって、数百Ｗ程度（より具体的には３００Ｗ〜７００Ｗ程度）の出力を有する「動力供給装置」としてのランキンサイクル回路１１と、数ｋＷ程度（より具体的には１ｋＷ〜３ｋＷ程度）の出力を有する「動力供給装置」としてのスターリングエンジン１２と、ランキンサイクル回路１１及びスターリングエンジン１２に熱を供給してコンプレッサ５１を駆動させる「動力供給装置」としての加熱器１３と、排熱回収器１４と、冷凍空調サイクル回路５０とを備えている。
【００２７】
ランキンサイクル回路１１は、加熱部１８ｄと、膨張機１５と、「第二熱交換器」としての熱交換器１６ａと、第１ポンプ１７とを備えている。加熱部１８ｄ、膨張機１５、熱交換器１６ａ、第１ポンプ１７は作動媒体の導通路である作動媒体導通管１８ａ，１８ｂ，１８ｃによってそれぞれ連結されて作動媒体の循環路が形成されている。
【００２８】
作動媒体は、例えばＲ２４５ｆａやＲ２４５ｃａ等のフロン類を用いるが、ブタン、ペンタンや二酸化炭素等、圧縮により容易に液化し、気化熱が大きい他の物質を作動媒体に用いてもよい。
【００２９】
加熱器１３はガスの燃焼によって放熱するバーナであり、排熱回収器１４にスターリングエンジン１２の高温部が臨むように設けられている。加熱器１３はスターリングエンジン１２（外燃機関）の熱源として使用できるものであればどのようなものでもよく、例えば化石燃料を直接燃焼させるものや、工場の排熱、自動車の排熱、焼却炉の排熱等を利用するものであってもよい。
【００３０】
排熱回収器１４は耐熱性及び断熱性の高い部材によって略筒状に形成され、一方側（図２の右側）が空気を吸入する吸気側、他方側（図２の左側）が空気を排出する排気側に形成されている。図２に示す通り、加熱器１３は排熱回収器１４の吸気側に設けられ、加熱器１３から発生された熱は排熱回収器１４の内部を通過して排気側に放出される。
【００３１】
膨張機１５はスクロール型の膨張機であって、作動媒体の膨張エネルギーを回転運動エネルギーに変換する。膨張機１５には出力軸１９が設けられ、この出力軸１９は、スターリングエンジン１２の出力軸２９に接続されている。
【００３２】
熱交換器１６ａには、膨張機１５を通過して膨張エネルギーが運動エネルギーに変換された作動媒体と冷凍空調サイクル回路５０を循環する「冷凍サイクル作動媒体」としての第二作動媒体とが供給される。熱交換器１６ａの内部には作動媒体の流路と第二作動媒体の流路とがそれぞれ設けられ、作動媒体と第二作動媒体との熱交換が行われ、冷凍空調サイクル回路５０におけるエバポレータとして機能するように構成されている。
【００３３】
第１ポンプ１７は低温高圧用ポンプであり、熱交換器１６ａを通過した作動媒体を排熱回収器１４に送り出し、ランキンサイクル回路１１内において作動媒体を循環させるように構成されている。
【００３４】
作動媒体導通管１８ａの途中には、加熱部１８ｄが設けられている。この加熱部１８ｄは作動媒体を導通させることのできる管状の部材によって螺旋状に形成され、排熱回収器１４の内部の加熱器１３よりも排気側に配設されている。この実施の形態における加熱部１８ｄは排熱回収器１４の内周面に沿って配設されているが、例えば排熱回収器１４の周囲に配設される等、加熱部１８ｄ内部を導通する作動媒体と排熱回収器１４内部の空気（即ち加熱器１３の燃焼排気）との熱交換を効率良く行えればどのような配設態様でよい。
【００３５】
一方、スターリングエンジン１２は図２に示す通り２ピストン形スターリングエンジンであり、鋳造等により形成されたハウジング２１にクランク室１２ａが設けられ、クランク室１２ａの上側には「高温部」の高温側シリンダ２４及び「低温部」としての低温側シリンダ２５を備えている。クランク室１２ａの一側側（図２の右側）にはコンプレッサ収容室５１ａが、他側側（図２の左側）には膨張機収容室１５ａがそれぞれ形成され、それらは隔壁部３９ａ，３９によってそれぞれ区画されている。
【００３６】
高温側シリンダ２４の内部には高温側ピストン２７、低温側シリンダ２５の内部には低温側ピストン２８がそれぞれ設けられており、高温側シリンダ２４の内部と高温側ピストン２７との間に形成された空間は膨張室３１に、低温側シリンダ２５と低温側ピストン２８との間に形成された空間は収縮室３２に形成され、膨張室３１と収縮室３２とは連通管２６によって連通されている。膨張室３１及び収縮室３２には作動ガスが封入されている。作動ガスは連通管２６を介して膨張室３１と収縮室３２とを移動し、膨張室３１において加熱膨張し、収縮室３２において冷却収縮する。作動ガスはヘリウムや水素、二酸化炭素、窒素、空気等の非凝縮性ガスが用いられる。
【００３７】
高温側ピストン２７と低温側ピストン２８とはクランク室１２ａに配設された一の出力軸２９に連結されている。出力軸２９はクランク軸であって、各ピストン２７，２８の上下運動を回転運動に変換する。高温側ピストン２７が連結された第一クランク部２９ａと低温側ピストン２８が連結された第二クランク部２９ｂとはそれぞれ所定角度（例えば約９０度）の位相差が設けられている。出力軸２９の一端側はコンプレッサ５１の入力軸４９に接続されており、出力軸２９の他端部は膨張機１５の出力軸１９が接続されている。図示しないが、出力軸２９にはスターリングエンジン１２を始動させるためのスタータモータが接続されている。
【００３８】
スターリングエンジン１２の出力軸２９と膨張機１５の出力軸１９との接続部分には、図２に示す通り、それぞれの出力軸２９，１９の回転数を機構的に調節する回転調節部４０が設けられている。この回転調節部４０は例えば遊星歯車機構等の変速機構によって形成されており、隔壁部３９に設けられている。なお、回転調節部４０は、遊星歯車機構以外のギア機構、トルクコンバータ、無段変速機等によって形成してもよく、また、ギア機構、トルクコンバータ、無段変速機等の一部又は全部を組み合わせて形成してもよい。
【００３９】
高温側シリンダ２４は、排熱回収器１４の内部における加熱器１３よりも排気側に収容されており、加熱器１３が発生した熱によって加熱される。
【００４０】
低温側シリンダ２５の外壁面には、冷却媒体循環回路３５を形成するウォータージャケット３３が設けられており、低温側シリンダ２５はウォータージャケット３３を流通する冷却媒体によって冷却される。この実施の形態における冷却媒体は水である。
【００４１】
冷却媒体循環回路３５は、冷却媒体貯蔵槽３４から供給された冷却媒体を熱交換器１６に送り出す第２ポンプ３６と、ウォータージャケット３３と、排熱回収部３７ｈとを備えている。冷却媒体貯蔵槽３４、第２ポンプ３６、ウォータージャケット３３、排熱回収部３７ｈは、冷却媒体の導通路として設けられた冷却媒体導通管３７ａ，３７ｂ，３７ｄによってそれぞれ連結され、また排熱回収部３７ｈは冷却媒体導通管３７ｄの途中に設けられて、冷却媒体の循環路が形成されている。
【００４２】
第２ポンプ３６は低温低圧用ポンプであり、冷却媒体貯蔵槽３４から供給された冷却媒体をウォータージャケット３３に送り出す。冷却媒体貯蔵槽３４は数十リットル〜数百リットル程度の貯湯能力のある貯湯槽である。
【００４３】
冷却媒体貯蔵槽３４には、流出管３４ａと流入管３４ｂとが設けられている。流出管３４ａは冷却媒体貯蔵槽３４の上側に設けられ、冷却媒体貯蔵槽３４内に貯蔵された冷却媒体を外部に流出させることができるように構成されており、冷却媒体の流出の如何及び流出量を調節するバルブ３４ｃが設けられている。流入管３４ｂは冷却媒体貯蔵槽３４の下側に設けられ、外部から冷却媒体貯蔵槽３４内に冷却媒体を注入できるように構成されている。
【００４４】
冷凍空調サイクル回路５０は、コンプレッサ５１、「第一熱交換器」としての屋内用熱交換器５４、膨張弁５３、「第二熱交換器」としての熱交換器１６ａを備え、それらは第二作動媒体導通管５５ｈ，５５ｅ，５５ｆ，５５ｇによって連結されて第二作動媒体の循環路を形成している。第二作動媒体は、例えばＲ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａや二酸化炭素を用いるが、圧縮により容易に液化し、気化熱が大きい他の物質を作動媒体に用いてもよい。
【００４５】
コンプレッサ５１は、例えばスクロールコンプレッサであり、回転運動エネルギーに基づいて第二作動媒体を圧縮する。屋内用熱交換器５４はコンデンサであり、送風用ファンを備え、通過する第二作動媒体と屋内の空気とを強制的に熱交換させる。屋外用熱交換器５４の設置場所は屋内用熱交換器５２が配設される屋内以外の場所で周囲の空気と熱交換が可能な場所であれば屋内外を問わずどこに配設されてもよい。
【００４６】
膨張弁５３は、液状態の第二作動媒体を膨張させて気液混合状態の第二作動媒体を放出する。但し、同様の機能を奏するものであれば、膨張弁５３に代えてキャピラリ（毛細管）等を用いてもよい。
【００４７】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【００４８】
ランキンサイクル回路１１において第１ポンプ１７が作動すると作動媒体を加圧し、加圧された作動媒体は作動媒体導通管１８ａに送り出され、排熱回収器１４の内部に配設された作動媒体導通管１８ａにおいて加熱器１３が発生した熱で加熱される。加熱された作動媒体は作動媒体導通管１８ａを経て膨張機１５に供給され、膨張機１５にて膨張する。作動媒体の膨張による膨張エネルギーは膨張機１５を回転駆動する運動エネルギーに変換され、この運動エネルギーにより出力軸１９が回転する。膨張後の作動媒体は膨張機１５から作動媒体導通管１８ｂを経て熱交換器１６ａに供給され、第二作動媒体との熱交換により冷却される。冷却された作動媒体は熱交換器１６ａから作動媒体導通管１８ｃを経て再び第１ポンプ１７にて加圧され、以下同様の作動媒体の循環が繰り返される。
【００４９】
一方、スターリングエンジン１２においては、高温側シリンダ２４が加熱器１３の発生した熱で加熱されると膨張室３１内の作動ガスが加熱されて膨張し、連通管２６を経て収縮室３２に送られる。収縮室３２においては低温側シリンダ２５の壁面を介して作動ガスとウォータージャケット３３内部の冷却媒体との熱交換が行われ、作動ガスは冷却されて収縮し、連通管２６を経て膨張室３１に送られ、以下同様の工程が繰り返される。この作動ガスの膨張と収縮によって、高温側シリンダ２４内と低温側シリンダ２５内とにおいて高温側ピストン２７と低温側ピストン２８とが高温側シリンダ２４と低温側シリンダ２５とをそれぞれ上下方向に往復動させる運動エネルギーが発生し、この運動エネルギーにより出力軸２９が回転する。
【００５０】
両出力軸２９，１９は連結しているので、出力軸２９、出力軸１９のうち一方又は双方の運動エネルギーが入力軸４９に伝達され、コンプレッサ５１が駆動される。ランキンサイクル回路１１とスターリングエンジン１２との双方が作動している場合は、両出力軸２９，１９の運動エネルギーが入力軸４９に伝達され、この運動エネルギーによってコンプレッサ５１が駆動される。
【００５１】
即ち、この実施の形態によれば、入力軸４９をスターリングエンジン１２の駆動力とランキンサイクル回路１１の膨張器１５の駆動力とによって作動させ、コンプレッサ５１を大きな出力で駆動させることができる。
【００５２】
コンプレッサ５１が駆動し、第二作動媒体を圧縮する。コンプレッサ５１で圧縮された高温高圧の第二作動媒体は第二作動媒体導通管５５ｈを経て屋内用熱交換器５４に供給され、屋内の空気との熱交換が行われる。これにより屋内に暖気が供給されると共に第二作動媒体が凝縮される。熱交換によって凝縮された液状態の第二作動媒体は第二作動媒体導通管５５ｅを経て膨張弁５３に供給されて膨張する。膨張した低温低圧の第二作動媒体は気液混合の状態で第二作動媒体導通管５５ｆを経て熱交換器１６ａに供給され、作動媒体と熱交換が行われる。これにより作動媒体が冷却されると共に第二作動媒体は気化が進行し温度が上昇する。作動媒体と熱交換を行った第二作動媒体は熱交換器１６ａから第二作動媒体導通管５５ｇを経てコンプレッサ５１に供給されて圧縮され、以下同様の第二作動媒体の循環が行なわれる。
【００５３】
冷却媒体は冷却媒体循環回路３５における循環によってウォータージャケット３３に供給される。具体的には、冷却媒体貯蔵槽３４に貯蔵された冷却媒体は第２ポンプ３６により冷却媒体導通管３７ａに導出され、第２ポンプ３６の加圧により冷却媒体導通管３７ｂを経てウォータージャケット３３に供給され、冷却媒体と作動ガスとの熱交換が行われる。
【００５４】
作動ガスとの熱交換が行われた冷却媒体はウォータージャケット３３から冷却媒体導通管３７ｄに送り出されて排熱回収部３７ｈに供給される。そして、排熱回収部３７ｈを通過する際、冷却媒体と排熱回収器１４内部の（加熱器１３が発生した）燃焼排気との熱交換が行われる。排熱回収器１４内部の（加熱器１３が発生した）燃焼排気との熱交換が行われた冷却媒体は、排熱回収部３７ｈから冷却媒体貯蔵槽３４に送られ、冷却媒体貯蔵槽３４に再び貯蔵される。この冷却媒体の循環が継続されると冷却媒体貯蔵槽３４内の冷却媒体の温度は次第に上昇し、熱エネルギーが冷却媒体貯蔵槽３４内に蓄積されていく。
【００５５】
冷暖房システム１Ａの利用者がこの冷却媒体貯蔵槽３４内の熱エネルギーを利用する場合、流出管３４ａのバルブ３４ｃを開いて冷却媒体貯蔵槽３４内の冷却媒体を外部に流出させる。一方、冷却媒体貯蔵槽３４内に冷却媒体を補充する場合、流入管３４ｂから冷却媒体貯蔵槽３４内に冷却媒体を注入する。尚、冷却媒体貯蔵槽３４は、常に満水になるように冷却媒体が補充（注入）される。
【００５６】
以上示した通り、この実施の形態においては、冷凍空調サイクル回路５０のコンプレッサ５１を駆動させる動力供給装置においては、ランキンサイクル回路１１と、スターリングエンジン１２とから駆動力が供給されることにより、ランキンサイクル回路１１の膨張機１５の出力とスターリングエンジン１２の出力とを複合させて高出力（高トルク）でコンプレッサ５１を駆動させることができると共に動力供給装置の動作を安定させることができる。また、ランキンサイクル回路１１とスターリングエンジン１２とのうち何れか一方の作動によってもコンプレッサ５１が駆動されるので、縮退運転等が容易になり障害に強い冷凍空調サイクル回路５０を形成できる。
【００５７】
また、この実施の形態においては、ランキンサイクル回路１１とスターリングエンジン１２とを組み合わせることにより、ランキンサイクル回路１１の軸出力でスターリングエンジン１２を起動させることが可能になってスターリングエンジン１２の補助起動動力（例えばモータ等）を別途設ける必要がなくなり、また、スターリングエンジン１２の回転持続機能をランキンサイクル回路１１に持たせることが可能になって、スターリングエンジン１２の回転を持続させるためのフライホイールを小型化又は不要とすることができ、動力供給装置の小型化と構成の簡素化を図ることができる。
【００５８】
更に、この実施の形態においては、ランキンサイクル回路１１に設けられてランキンサイクル作動媒体を加熱する加熱部１８ｄ及びスターリングエンジン１２の高温側シリンダ２４を加熱する加熱器１３とを備え、コンプレッサ５１に対しランキンサイクル回路１１又はスターリングエンジン１２のうち加熱器１３によって加熱部１８ｄ及び高温側シリンダ２４が加熱された少なくとも何れか一方から駆動力が供給されることにより、ランキンサイクル回路１１とスターリングエンジン１２とのうち一方を駆動させた排熱を利用して他方を駆動させることが可能になってエネルギー利用効率が高くなる。
【００５９】
この実施の形態においては、スターリングエンジン１２の出力軸と、膨張機１５の出力軸と、コンプレッサ５１の入力軸４９とが接続されていることにより、スターリングエンジン１２及び膨張機１５のうち少なくとも何れか一方が駆動すればこの駆動力が確実にコンプレッサ５１に伝達される。これにより、コンプレッサ５１を高出力で駆動させることも縮退運転によって駆動させることも簡易かつ確実に行うことができる。
【００６０】
この実施の形態においては、熱交換器１６ａは、第二作動媒体と作動媒体との間で熱交換を行うことにより、ランキンサイクル回路１１から排出される熱エネルギーを第二作動媒体によって回収することが可能になる。これにより、ランキンサイクル回路１１から排出される熱を家庭用冷暖房システム１Ａ内の冷凍空調サイクル回路５０で利用することが可能になって、エネルギーの利用効率を向上させることができる。
【００６１】
この実施の形態においては、ランキンサイクル回路１１の加熱部１８ｄ及びスターリングエンジン１２の高温側シリンダ２４を加熱する加熱器１３と、加熱器１３から発生された熱を通過させる排熱回収器１４とが設けられ、排熱回収器１４に冷却媒体を通過させる排熱回収部３７ｈが配設されたことにより、加熱器１３が発生した熱のうち作動媒体や高温側シリンダ２４の加熱時に用いられなかった排熱を排熱回収部３７ｈを通過する冷却媒体によって回収できるので、熱の廃棄量を減少させることができる。
【００６２】
この実施の形態においては、ウォータージャケット３３を通過した冷却媒体を貯蔵する冷却媒体貯蔵槽３４を備えたことにより、冷却媒体によって回収した排熱を冷却媒体貯蔵槽３４に保存することができる。また、貯蔵した冷却媒体を取り出して、冷却媒体及び冷却媒体が回収した排熱を多目的に利用することが可能になる。
【００６３】
この実施の形態においては、冷却媒体貯蔵槽３４に貯蔵された冷却媒体をウォータージャケット３３に供給し冷却媒体貯蔵槽３４とウォータージャケット３３との間で冷却媒体を循環させる冷却媒体導通管３７ａ，３７ｂ，３７ｃが設けられたことにより、冷却媒体貯蔵槽３４に貯蔵された冷却媒体でスターリングエンジン１２を冷却でき、スターリングエンジン１２と冷却媒体貯蔵槽３４との間で冷却媒体を循環させることができるので、冷却媒体の利用効率を高めることができる。また、継続して循環する冷却媒体を冷却媒体貯蔵槽３４に貯蔵することで、冷却媒体貯蔵槽３４に大きな熱量を貯蔵でき、冷却媒体を取り出して熱を使用する際の利便性が高められる。
【００６４】
ここで、本発明の計算の一例として示す、この実施の形態における暖房時のエネルギー効率について考える。図３はこの実施の形態に係る冷暖房システム１Ａにおけるおける暖房時のエネルギーフロー図であり、図４はこの実施の形態の冷暖房システム１Ａにおけるランキンサイクル回路１１を駆動させた場合のモリエル線図である。両図は、ランキンサイクル１１の作動媒体がＲ２４５ｃａ、冷凍空調サイクル回路５０の第二作動媒体がＲ４１０Ａ、スターリングエンジン１２の作動ガスがヘリウム（Ｈｅ）である場合を考えたものである。
【００６５】
例えば冷暖房システム１Ａにおいて、加熱器１３の加熱によって加熱部１８ｄを流れる作動媒体が約１７５℃に加熱され（図４，図１のｈ１）、この作動媒体が膨張機１５において膨張すると、膨張機１５から送り出されるときの作動媒体の温度は約６０℃になって（図４，図１のｈ２）熱交換器１６ａに供給される。熱交換器１６ａから送り出されるときの作動媒体の温度は約３０℃となり（図４，図１のｈ３）、第１ポンプ１７に供給される（図４，図１のｈ４）。この結果、図４に示す通り、膨張機の理論軸出力は２２．５％となり、更にランキン効率を７０％とすると、膨張機１５の軸出力（即ちランキンサイクル回路１１の出力）は１６％となる。
【００６６】
一方、膨張室３１内部の作動ガスが約８００℃に加熱される場合を考える。ウォータージャケット３３に供給される冷却媒体の温度が約１５℃とすると、スターリングエンジン１２の膨張室３１で膨張した作動ガスが収縮室３２に送られたとき、作動ガスは約７０℃まで冷却される。ウォータージャケット３３に供給された冷却媒体はスターリングエンジン１２の収縮室３２で熱交換されて、約５０℃に加熱される。この冷却媒体は排熱回収部３７で更に加熱されて沸点に近い温度となり、冷却媒体貯蔵層３４に送られる。
【００６７】
更に、冷凍空調サイクル回路５０では、熱交換器１６ａにおいて作動媒体と第二作動媒体との熱交換が行われる。熱交換器１６ａに供給される第二作動媒体の温度を約４０℃とすると（図１のｈ５）、第二作動媒体は約５０℃の気体となって熱交換器１６ａから送り出され（図１のｈ６）、この状態でコンプレッサ５１に供給される。コンプレッサ５１で圧縮された第二作動媒体は約８５℃の気体となって屋内用熱交換器５４に供給され（図１のｈ７）、屋内用熱交換器５４で約６０℃に液化凝縮される（図１のｈ８）ことで屋内を暖房する。第二作動媒体は屋内用熱交換器５４から膨張弁５３に入り、更に熱交換器１６ａに供給される。
【００６８】
ここで、スターリングエンジン１２がカルノーサイクルとして駆動している場合、スターリングエンジン１２の出力軸２９からは
ηＴＨ＝１−ＴＣ／ＴＨ・・・（式Ａ）
但しηＴＨ：カルノー効率、ＴＣ：低温側ガス温度、ＴＨ：高温側ガス温度である。
そして上記（式Ａ）においてＴＣ＝７０＋２７３．１５（Ｋ）、ＴＨ＝８００＋２７３．１５（Ｋ）とすると、ηＴＨ≒６８％となる。更に再生器効率を６１％、熱伝達効率を７２％とすると、このスターリングエンジン１２の効率は約３０％（０．６８×０．６１×０．７２≒０．３０）となる。
【００６９】
そして、図４に示す通り、この実施の形態の冷暖房システム１Ａの加熱器１３が４ｋＷの発熱量で加熱した場合を考えると、上記により、スターリングエンジン１２の出力軸２９が０．７３ｋＷ（即ち、スターリングエンジン１２の高温側シリンダ２４に入熱された熱エネルギー（２．４２ｋＷ）のうちの３０％）の出力で駆動され、ランキンサイクル回路１１の膨張機１５の出力軸１９が０．１５ｋＷ（即ち、ランキンサイクル回路１１の加熱部１８ｄに入熱された熱エネルギー（１．３８ｋＷ）の１６％（０．２２ｋＷ）からランキンサイクル回路１１の出力ロス３２％（０．２２ｋＷ×０．３２＝０．０７（ｋＷ））を引いた値）の出力で駆動される。ここで、スターリングエンジン１２の出力軸、膨張機１５の出力軸１９の伝達効率をそれぞれ９０％とすると、スターリングエンジン１２の出力軸２９側の軸出力は０．６６ｋＷ（０．７３（ｋＷ）×０．９≒０．６６（ｋＷ））、膨張機１５の出力軸１９側の軸出力は０．１３ｋＷ（０．１５（ｋＷ）×０．９＝０．１３（ｋＷ））となり、ＣＯＰ（Coefficient of Performance）＝４．３とした場合、コンプレッサ５１の出力は約３．４ｋＷ（｛０．６６（ｋＷ）＋０．１３（ｋＷ）｝×４．３≒３．４（ｋＷ））となる。更に、この冷暖房システム１Ａにおいて、スターリングエンジン１２と膨張機１５の駆動に使用されなかったエネルギーのうち９０％が冷却媒体によって回収され、冷却媒体貯蔵槽３４に蓄積されるとすると、２．１ｋＷの熱エネルギーが冷却媒体貯蔵槽３４に蓄積される。ゆえに、冷暖房システム１Ａにて取得される総エネルギー量は５．５ｋＷ（３．４（ｋＷ）＋２．１（ｋＷ）＝５．５（ｋＷ））となり、この冷暖房システム１Ａの総合効率（加熱器１３にて使用された燃料（又は「エネルギー」）に対する取得されたエネルギーの比率のこと。本明細書において同じ。）は１３７．５％となる。
【００７０】
即ち、この実施の形態においては、一の加熱器１３でランキンサイクル回路１１とスターリングエンジン１２を駆動させてコンプレッサ５１を駆動させ、ランキンサイクル回路１１の作動媒体やスターリングエンジン１２の作動ガスの冷却、排熱回収器１４内部の排熱をスターリングエンジン１２の冷却媒体で回収し冷却媒体貯蔵槽３４に蓄積することにより、入熱より大きい１００％を超える高いエネルギー変換効率を得ることができる。更に、この実施の形態においては、熱交換器１６ａにおいて作動媒体と第二作動媒体との間で直接熱交換を行うこと等により、図３に示すスターリングエンジン１２におけるエネルギーロス（ａ）とランキンサイクル回路１１におけるエネルギーロス（ｂ）とを更に小さくすることができ、一層高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００７１】
〔発明の実施の形態２〕
図５乃至図７に、この発明の実施の形態を示す。
【００７２】
この実施の形態の冷暖房システム１Ｂにおいては、実施の形態１に示す冷凍空調サイクル回路５０における熱交換器１６ａに代えて、「第二熱交換器」としての熱交換器１６ｂを備えている。この熱交換器１６ｂはファンを備え、通過する第二作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させる。冷凍空調サイクル回路５０の屋内用熱交換器５４、膨張弁５３、熱交換器１６ｂは第二作動媒体導通管５５ｄ，５５ｃで連結されている。また、この冷凍空調サイクル回路５０には四方弁６１が設けられている。この四方弁６１に、一端部が屋内用熱交換器５４に連結された第二作動媒体導通管５５ａの他端部と、一端部がコンプレッサ５１の流入側に連結された第二作動媒体導通管５５ｉの他端部と、一端部がコンプレッサ５１の流出側に連結された第二作動媒体導通管５５ｊの他端部と、一端部が熱交換器１６ｂに連結された第二作動媒体導通管５５ｂの他端部とが連結されている。屋内用熱交換器５４も熱交換器１６ｂも、エバポレータとしてもコンデンサとしても使用可能に構成されている。
【００７３】
四方弁６１は、冷凍空調サイクル回路５０における第二作動媒体の流路を切り替える。即ち、四方弁６１は、冷凍空調サイクル回路５０は、図５に示す第一位置においては、屋内用熱交換器５４をコンデンサとして使用するための第一循環路５０ａを形成し、図６に示す第二位置においては、屋内用熱交換器５４をエバポレータとして使用するための第二循環路５０ｂを形成する。
【００７４】
この実施の形態においては、実施の形態１における熱交換器１６ａに代えて、第三熱交換器６２ａを備えている。第三熱交換器６２ａは、ランキンサイクル回路１１の作動媒体と、冷却媒体貯蔵槽３４からウォータージャケット３３に供給される冷却媒体との熱交換を行う。即ち、冷却媒体循環回路３５においては、第二ポンプ３６、第三熱交換器６２ａ、ウォータージャケット３３が冷却媒体導通管３７ｂ，３７ｃによって連結されている。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００７５】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【００７６】
四方弁６１が図５に示す第一位置にある場合、熱交換器１６ｂはエバポレータとして、屋内用熱交換器５４はコンデンサとして機能する。この場合、図５に示す通り、コンプレッサ５１が駆動されると、第二作動媒体は第二作動媒体導通管５５ｄを介して膨張弁５３に供給されて膨張し、膨張した後第二作動媒体導通管５５ｃを介して熱交換器１６ｂに供給されて吸熱し、吸熱した後第二作動媒体導通管５５ｂ，５５ｉを介してコンプレッサ５１に供給されて圧縮され、圧縮された後第二作動媒体導通管５５ｊ，５５ａを介して屋内用熱交換器５４に供給されて屋内の空気と熱交換され、これにより屋内に暖気が供給されると共に第二作動媒体が放熱する。屋内の空気と熱交換を行った第二作動媒体は屋内用熱交換器５４から第二作動媒体導通管５５ｄを介して再び膨張弁５３に供給されて膨張し、以下同様の第二作動媒体の循環が行なわれる。
【００７７】
一方、四方弁６１が図６に示す第二位置にある場合、熱交換器１６ｂはコンデンサとして、屋内用熱交換器５４はエバポレータとして機能する。この場合、図６に示す通り、コンプレッサ５１が駆動されると、第二作動媒体は第二作動媒体導通管５５ｉを介してコンプレッサ５１に供給されて圧縮され、圧縮された後第二作動媒体導通管５５ｊ，５５ｂを介して熱交換器１６ｂに供給されて凝縮され、凝縮された後第二作動媒体導通管５５ｃを介して膨張弁５３に供給されて膨張し、膨張した後第二作動媒体導通管５５ｄを介して屋内用熱交換器５４に供給されて屋内の空気と熱交換され、これにより、屋内に冷気が供給されると共に第二作動媒体が吸熱し蒸発する。屋内の空気と熱交換を行った第二作動媒体は屋内用熱交換器５４から第二作動媒体導通管５５ａ，５５ｉを介して再びコンプレッサ５１に供給されて圧縮され、以下同様の第二作動媒体の循環が行なわれる。
【００７８】
冷却媒体循環回路３５においては、冷却媒体貯蔵槽３４に貯蔵された冷却媒体は冷却媒体導通管３７ａ，３７ｂを経て第三熱交換器６２ａに供給され、第三熱交換器６２ａにおいて作動媒体と熱交換が行われて加熱されたのち、冷却媒体導通管３７ｃを経てウォータージャケット３３に供給される。
【００７９】
この実施の形態においては、熱交換器１６ｂは、第二作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させることにより、冷凍空調サイクル回路５０における第二作動媒体の冷却又は加熱を冷却媒体や作動媒体との熱交換によらずに行なうことができる。
【００８０】
この実施の形態においては、第二作動媒体の流路を切り替えて、熱交換器１６ｂをエバポレータとして使用するための第一循環路及び熱交換器１６ｂをコンデンサとして使用するための第二循環路の何れかを形成する四方弁６１を備えたことにより、屋内用熱交換器５４を暖房用室内機のみならず、冷房用室内機にも使用可能となって、冷暖房システム１Ｂをより多様に運用することができる。
【００８１】
ここで、本発明の計算の一例として示す、この実施の形態における冷房時のエネルギー効率について考える。図７はこの実施の形態に係る冷暖房システム１Ｂにおける冷房時のエネルギーフロー図である。同図は、図３の場合と同様に加熱器１３において４ｋＷの発熱量で加熱してスターリングエンジン１２の出力軸２９が０．７３ｋＷ、ランキンサイクル回路１１の膨張機１５の出力軸１９が０．２２ｋＷの出力で駆動し、コンプレッサ５１を駆動させた場合が示している。ここで、スターリングエンジン１２の出力軸２９、膨張機１５の出力軸１９の伝達効率を９０％とすると、両出力軸２９，１９の総軸出力は０．７９ｋＷ（０．７３（ｋＷ）×０．９＋０．２２（ｋＷ）×０．９＝０．７９（ｋＷ））となり、ＣＯＰ＝３のときに、冷暖房システム１Ｂの出力は約２．３７ｋＷ（０．７９（ｋＷ）×３＝２．３７（ｋＷ））となる。また、この実施の形態においては、図３の場合と同様に２．１ｋＷの熱エネルギーが冷却媒体貯蔵槽３４に蓄積される。ゆえに、冷暖房システム１Ｂにて取得される総エネルギー量は４．４７ｋＷ（０．７９（ｋＷ）＋２．３７（ｋＷ）＝４．４７（ｋＷ））となり、冷暖房システム１Ｂの総合効率は１１２％となる。
【００８２】
即ち、この実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様に高いエネルギー変換効率を得ることができる。更に、第三熱交換器６２ａにおいて冷却媒体と作動媒体との間で直接熱交換を行うこと等により、図７に示すスターリングエンジン１２におけるエネルギーロス（ｃ）とランキンサイクル回路１１におけるエネルギーロス（ｄ）とを更に小さくすることができ、一層高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００８３】
〔発明の実施の形態３〕
図８に、この発明の実施の形態を示す。
【００８４】
この実施の形態の冷暖房システム１Ｃにおいては、ランキンサイクル回路１１において「第二のランキンサイクル熱交換器」としての第四熱交換器６２ｂが「第一のランキンサイクル熱交換器」としての第三熱交換器６２ａと並列に設けられている。即ち、一端部が膨張機１５に連結された作動媒体導通管１８ｂの他端部側が分岐し、分岐した一方側の「第一の作動媒体流路」としての作動媒体導通管６３ａは第三熱交換器６２ａの流入側に連結されて、膨張機１５から流出した作動媒体を第三熱交換器６２ａに流入させる。一方、分岐した他方側の「第二の作動媒体流路」としての作動媒体導通管６４ａは第四熱交換器６２ｂの流入側に連結されて、膨張機１５から流出した作動媒体を第四熱交換器６２ｂに流入させる。更に、一端部が第１ポンプ１７に連結された作動媒体導通管１８ｃの他端部側が分岐し、分岐した一方側の「第一の作動媒体流路」としての作動媒体導通管６３ｂは第三熱交換器６２ａの流出側に連結され、分岐した他方側の「第二の作動媒体流路」としての作動媒体導通管６４ｂは第四熱交換器６２ｂの流出側に連結されている。
【００８５】
第四熱交換器６２ｂは送風用ファンを備え、通過する作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させる。第三熱交換器６２ａの流出側に連結された作動媒体導通管６３ｂと第四熱交換器６２ｂの流出側に連結された作動媒体導通管６４ｂとが分岐する部分には、作動媒体流量調節弁６５が設けられている。この作動媒体流量調節弁６５は三方弁であり、第三熱交換器６２ａを通過する作動媒体の流量及び第四熱交換器６２ｂを通過する作動媒体の流量を調節する。なお、作動媒体流量調節弁６５は作動媒体導通管６３ａと作動媒体導通管６４ａとが分岐する部分に設けてもよい。その他の構成は実施の形態２と同じである。
【００８６】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【００８７】
ランキンサイクル回路１１の作動媒体を第三熱交換器６２ａにおいて熱交換する場合、第三熱交換器６２ａ側から第１ポンプ１７側への流路が形成されるように作動媒体流量調節弁６５を調整する。これにより、作動媒体は膨張機１５から作動媒体導通管６３ａを経て第三熱交換器６２ａに供給され、冷却媒体との熱交換により冷却される。一方、作動媒体を第四熱交換器６２ｂにおいて熱交換する場合、第四熱交換器６２ｂ側から第１ポンプ１７側への流路が形成されるように作動媒体流量調節弁６５を調整する。これにより、作動媒体は膨張機１５から作動媒体導通管６４ａを経て第四熱交換器６２ｂに供給され、周囲の空気との熱交換により冷却される。
【００８８】
この実施の形態においては、作動媒体とウォータージャケット３３に供給される前の冷却媒体とを熱交換させて作動媒体を冷却させる第三熱交換器６２ａと、作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて作動媒体を冷却する第四熱交換器６２ｂとが設けられ、作動媒体の流路として、膨張機１５から流出した作動媒体を第三熱交換器６２ａに通過させる作動媒体導通管６３ａ，６３ｂと、膨張機１５から流出した作動媒体を第四熱交換器６２ｂに通過させる作動媒体導通管６４ａ，６４ｂとが設けられ、作動媒体導通管６３ａ，６３ｂ及び作動媒体導通管６４ａ，６４ｂに対する作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁６５が設けられたことにより、ランキンサイクル回路１１から排出される熱エネルギーを冷却媒体によって回収することも、周囲の空気と強制的に熱交換し放熱することもでき、スターリングエンジン１２の作動状態や気温の状態等に基づいて第三熱交換器６２ａ又は第四熱交換器６２ｂに対する作動媒体の流量を調節し、常時良好な状態でランキンサイクル回路１１を駆動させることが可能になる。
【００８９】
これにより、例えば、冷却媒体の温度が十分に低く熱交換によって作動媒体を冷却可能な場合には作動媒体が第三熱交換器６２ａを通過するように作動媒体流量調節弁６５を調節し、冷却媒体の温度が作動媒体の冷却が困難なところまで上昇してしまった場合には作動媒体が第四熱交換器６２ｂを通過するように作動媒体流量調節弁６５を調節する制御が可能になる。
〔発明の実施の形態４〕
【００９０】
図９に、この発明の実施の形態を示す。
【００９１】
この実施の形態の冷暖房システム１Ｄにおいては、ランキンサイクル回路１１の「第二熱交換器」として、「第三のランキンサイクル熱交換器」としての熱交換器１６ａと「第四のランキンサイクル熱交換器」としての第五熱交換器６６とが並列に設けられている。即ち、実施の形態３の場合と同様に、作動媒体導通管６３ａは熱交換器１６ａの流入側に連結され、作動媒体導通管６４ａは第五熱交換器６６の流入側に連結されて、膨張機１５から流出した作動媒体を熱交換器１６ａと第五熱交換器６６とにそれぞれ流入させる。更に、作動媒体導通管６３ｂは熱交換器１６ａの流出側に連結され、作動媒体導通管６４ｂは第五熱交換器６６の流出側に連結されている。
【００９２】
第五熱交換器６６は送風用ファンを備え、通過する作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させる。作動媒体導通管６３ｂと作動媒体導通管６４ｂとが分岐する部分には、熱交換器１６ａ及び第五熱交換器６６を通過する作動媒体の流量を調節する三方弁の作動媒体流量調節弁６５が設けられている。なお、作動媒体流量調節弁６５は作動媒体導通管６３ａと作動媒体導通管６４ａとが分岐する部分に設けてもよい。
【００９３】
スターリングエンジン１２の出力軸２９にコンプレッサ５１とジェネレータ２２とが接続されている。ジェネレータ２２は、ランキンサイクル回路１１の膨張器１５やスターリングエンジン１２から駆動力の供給を受けて発電を行うが、スターリングエンジン１２を始動させる際のスタータモータとしても機能する。但し、ジェネレータ２２に発電のみを行わせる構成としてもよい。
【００９４】
そして、出力軸２９とコンプレッサ５１の入力軸４９及びジェネレータ２２の入力軸２２ａとの接続部分には、スターリングエンジン１２から出力される駆動力の各入力軸４９，２２ａの一方又は双方に対する伝達状態を調節する回転調節部５９が設けられている。この回転調節部５９は変速及び動力分配機構であって例えばクラッチ機構とギア機構とによって形成されている。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００９５】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【００９６】
スターリングエンジン１２及び膨張機１５のうち少なくとも何れか一方が駆動すると出力軸２９が回転する。出力軸２９の運動エネルギーは回転調節部５９の制御により、コンプレッサ５１の入力軸４９及びジェネレータ２２の入力軸２２ａのうち少なくとも何れか一方に伝達され、運動エネルギーが伝達されたコンプレッサ５１及びジェネレータ２２のうち少なくとも何れか一方は回転する。また、このときの回転数等の回転状態は回転調節部５９の制御によって調節される。
【００９７】
ランキンサイクル回路１１の作動媒体を熱交換器１６ａにおいて熱交換する場合、熱交換器１６ａ側から第１ポンプ１７側への流路が形成されるように作動媒体流量調節弁６５を調整する。これにより、作動媒体は膨張機１５から作動媒体導通管６３ａを経て熱交換器１６ａに供給され、第二作動媒体との熱交換により冷却される。一方、作動媒体を第五熱交換器６６において熱交換する場合、第五熱交換器６６側から第１ポンプ１７側への流路が形成されるように作動媒体流量調節弁６５を調整する。これにより、作動媒体は膨張機１５から作動媒体導通管６４ａを経て第五熱交換器６６に供給され、周囲の空気との熱交換により冷却される。
【００９８】
この実施の形態においては、作動媒体と第二作動媒体とを熱交換させて作動媒体を冷却させる熱交換器１６ａと、作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて作動媒体を冷却する第五熱交換器６６とが設けられ、作動媒体の流路として、膨張機１５から流出した作動媒体を熱交換器１６ａに通過させる作動媒体導通管６３ａ，６３ｂと、膨張機１５から流出した作動媒体を第五熱交換器６６に通過させる作動媒体導通管６４ａ，６４ｂとが設けられ、作動媒体導通管６３ａ，６３ｂ及び作動媒体導通管６４ａ，６４ｂに対する作動媒体の流量を調節する作動媒体流量調節弁６５が設けられたことにより、ランキンサイクル回路１１から排出される熱を室内用暖房システム１Ｄ内の冷凍空調サイクル回路５０で利用することも、周囲の空気と強制的に熱交換して放熱又は放出することもでき、冷凍空調サイクル回路５０の駆動の如何に依存せずにランキンサイクル回路１１を駆動させることが可能となり、エネルギーの利用効率を向上させつつ室内用暖房システム１Ｄの利便性を向上させることができる。
【００９９】
この実施の形態においては、スターリングエンジン１２の出力軸２９にコンプレッサ５１とジェネレータ２２とが接続され、出力軸２９とコンプレッサ５１及びジェネレータ２２との接続部分には、スターリングエンジン１２及び膨張機１５のうち少なくとも何れか一方から出力される駆動力の、各入力軸４９，２２ａの一方又は双方に対する伝達状態を調節する回転調節部５９が設けられたことにより、一の出力軸２９に入力軸４９，２２ａが接続されているコンプレッサ５１とジェネレータ２２とについて、駆動対象の選択や駆動状態の制御を行うことができる。
【０１００】
これにより、例えば、冷凍空調サイクル回路５０を駆動させていない場合は出力軸２９の運動エネルギーをジェネレータ２２に伝達させるように回転調節部５９を切り替え、冷凍空調サイクル回路５０を駆動させている場合は出力軸２９の運動エネルギーをコンプレッサ５１に伝達させるように回転調節部５９を切り替える制御が可能になる。
【０１０１】
なお、この実施の形態においては、スターリングエンジン１２の出力軸２９にコンプレッサ５１、ジェネレータ２２、回転調節部５９が接続された構成としたが、これに代えて膨張機１５の出力軸１９にコンプレッサ５１、ジェネレータ２２、回転調節部５９が接続された構成としてもよい。
【０１０２】
また、この実施の形態においては、回転調節部５９はクラッチ機構とギア機構とで形成したが、これに限定されず、遊星歯車機構、トルクコンバータ、無段変速機等によって形成してもよく、また、クラッチ機構、ギア機構、トルクコンバータ、無段変速機等の一部又は全部を組み合わせて形成してもよい。
【０１０３】
ここで、本発明の計算の一例として示す、この実施の形態における発電時のエネルギー効率について考える。図１０はこの実施の形態に係る冷暖房システム１Ｄにおける冷房時のエネルギーフロー図である。同図は、図３の場合と同様に加熱器１３において４ｋＷの発熱量で加熱してスターリングエンジン１２の出力軸２９が０．７３ｋＷ、ランキンサイクル回路１１の膨張機１５の出力軸１９が０．２２ｋＷの出力で駆動され、ジェネレータ２２を駆動させた場合が示している。この場合、ジェネレータ２２の発電効率を８０％とすると、両出力軸２９，１９の総軸出力０．７ｋＷ（０．７３（ｋＷ）×０．８＋０．２２（ｋＷ）×０．８＝０．７（ｋＷ））となる。また、この実施の形態においては、図３の場合と同様に２．１ｋＷの熱エネルギーが冷却媒体貯蔵槽３４に蓄積される。ゆえに、冷暖房システム１Ｄにて取得される総エネルギー量は２．８ｋＷ（０．７（ｋＷ）＋２．１（ｋＷ）＝２．８（ｋＷ））となり、冷暖房システム１Ｄの総合効率は７０．０％となる。
【０１０４】
即ち、この実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様に高いエネルギー変換効率を得ることができる。更に、この実施の形態においても、熱交換器１６ａにおいて作動媒体と第二作動媒体との間で直接熱交換を行うこと等により、図６に示すスターリングエンジン１２におけるエネルギーロス（ｅ）とランキンサイクル回路１１におけるエネルギーロス（ｆ）とを更に小さくすることができ、一層高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【０１０５】
この実施の形態における「回転機」はコジェネレーションシステムのジェネレータ２２として形成したが、これに限定されず、例えばモータやファン等、出力軸１９，２９の回転エネルギーによって回転駆動されるものであればどのようなものを「回転機」として適用してもよい。
【０１０６】
上記各実施の形態の冷暖房システム１Ａ〜１Ｄは家庭用コジェネレーションシステムとして形成したが、これに限定されず、工場用や発電所用のコジェネレーションシステムにも適用できる。
【０１０７】
上記各実施の形態は例示であり、本発明が上記実施の形態のみに限定されることを意味するものではないことは、いうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る冷暖房システムのシステム構成図である。
【図２】同実施の形態に係る冷暖房システムの概念図である。
【図３】同実施の形態に係る冷暖房システムにおける冷房時のエネルギーフロー図である。
【図４】同実施の形態に係る冷暖房システムにおけるランキンサイクルを駆動させた場合のモリエル線図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る冷暖房システムのシステム構成図である。
【図６】同上冷暖房システムのシステム構成図である。
【図７】同実施の形態に係る冷暖房システムにおける冷房時のエネルギーフロー図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る冷暖房システムのシステム構成図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係る冷暖房システムのシステム構成図である。
【図１０】同実施の形態に係る冷暖房システムにおける発電時のエネルギーフロー図である。
【図１１】従来例に係る冷暖房システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
【０１０９】
1A,1B,1C,1D  冷暖房システム
11  ランキンサイクル（動力供給装置）
12  スターリングエンジン（動力供給装置）
13  加熱器（動力供給装置）
15  膨張機
16a  熱交換器（第二熱交換器、第三のランキンサイクル熱交換器）
16b  熱交換器（第二熱交換器）
19,29  出力軸
22  ジェネレータ（回転機）
22a,49  入力軸
24  高温側シリンダ（高温部）
25  低温側シリンダ（低温部）
34  冷却媒体貯蔵槽
37a,37b,37c,37d  冷却媒体導通管
59  回転調節部
50  冷凍空調サイクル回路
51  コンプレッサ
53  膨張弁（膨張手段）
54  屋内用熱交換器（第一熱交換器）
61  四方弁
62a  第三熱交換器（第一のランキンサイクル熱交換器）
62b  第四熱交換器（第二のランキンサイクル熱交換器）
63a,63b 作動媒体導通管（第一の作動媒体流路）
64a,64b 作動媒体導通管（第二の作動媒体流路）
65  作動媒体流量調節弁
66  第五熱交換器（第二熱交換器、第四のランキンサイクル熱交換器）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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