(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構造で排熱回収効率が高く、高いエネルギー変換効率を得ることができるエネルギー変換システムを提供する。【解決手段】エネルギー変換システム１Aはランキンサイクル回路１１とスターリングエンジン１２とを備え、加熱器１３によってランキンサイクル回路１１の作動媒体とスターリングエンジン１２の高温側ピストンとを加熱する。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にはジェネレータ２０，２２が接続される。冷却媒体貯蔵槽３４から流出したスターリングエンジン１２の冷却媒体は熱交換器１６でランキンサイクル回路１１の作動媒体と熱交換し作動媒体の熱を吸収する。冷却媒体は更に、ウォータージャケット３３でスターリングエンジンの低温部の熱を、排熱回収器１４の排熱回収部３７ｈで加熱器１３の排熱をそれぞれ吸収したのち冷却媒体貯蔵槽３４に蓄積される。【選択図】図１
2009115065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、膨張室内の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を備えたエネルギー変換システムにおいて、
前記スターリングエンジンの前記低温部を冷却する冷却媒体と前記作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器を備えたことを特徴とするエネルギー変換システム。
【請求項２】
前記熱交換器には、前記膨張機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前記作動媒体と前記スターリングエンジンの前記低温部に供給される前の前記冷却媒体とが供給されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換システム。
【請求項３】
前記ランキンサイクル回路に設けられた前記作動媒体に膨張エネルギーを与えるために熱を吸収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、該加熱器から発生された熱を通過させる排熱回収器とが設けられ、該排熱回収器に前記冷却媒体を通過させ該冷却媒体と前記排熱回収器内部の空気とを熱交換する排熱回収部が配設されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー変換システム。
【請求項４】
ジェネレータ、モータ等の回転機を備え、該回転機が前記スターリングエンジンの出力軸及び前記ランキンサイクル回路の膨張機の出力軸のそれぞれに、又は、何れか一方のみに接続されて、前記回転機に回転運動エネルギーが供給されて駆動されるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項５】
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が連結されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項６】
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の連結部分には、それぞれの前記出力軸の回転数を機構、流体等によって調節することでそれぞれの前記出力軸を所定の回転比で回転させる回転調節部が設けられたことを特徴とする請求項５に記載のエネルギー変換システム。
【請求項７】
前記回転調節部は遊星歯車機構等のギア機構、トルクコンバータ、無段変速機等を有する変速手段によって形成されたことを特徴とする請求項６に記載のエネルギー変換システム。
【請求項８】
前記低温部を通過した前記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７の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項９】
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し前記冷却媒体貯蔵槽と前記低温部との間で前記冷却媒体を循環させる冷却媒体導通管が設けられたことを特徴とする請求項８に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１０】
前記冷却媒体の流路として、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記熱交換器に流入させる第一の冷却媒体流路と、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記低温部に流入させる第二の冷却媒体流路とが設けられ、
前記第一の冷却媒体流路及び前記第二の冷却媒体流路に対する前記冷却媒体の流量を調節する冷却媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする請求項８又は９に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１１】
前記低温部を通過した前記冷却媒体が導通する前記冷却媒体導通管及び前記冷却媒体貯蔵槽のうち少なくとも何れか一方に連結されて、前記冷却媒体及び前記冷却媒体貯蔵層に貯蔵された前記冷却媒体のうち少なくとも何れか一方を外部に流出させる外部流路と、
前記外部流路の前記冷却媒体の流量を調節する流出量調節弁とが設けられたことを特徴とする請求項８乃至１０の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項１２】
第二作動媒体を圧縮するコンプレッサと、屋内の空気と前記第二作動媒体との間で熱交換を行う第二熱交換器とを備えた冷凍空調サイクル回路が設けられ、
前記コンプレッサが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接続されたことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項１３】
前記冷凍空調サイクル回路の前記第二作動媒体と前記スターリングエンジンの冷却媒体との間で熱交換を行う第三熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１２に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１４】
前記第三熱交換器と、前記ランキンサイクル回路の作動媒体と前記スターリングエンジンの冷却媒体との間で熱交換を行う前記熱交換器とがそれぞれ設けられ、
前記冷却媒体の流路として、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記熱交換器に流入させる第三の冷却媒体流路と、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記第三熱交換器に流入させる第四の冷却媒体流路とが設けられ、
前記第三の冷却媒体流路及び前記第四の冷却媒体流路に対する前記冷却媒体の流量を調節する冷却媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする請求項１３に記載のエネルギー変換システム。
【請求項１５】
前記冷凍空調サイクル回路は、前記第二作動媒体と屋外の空気とを強制的に熱交換させる第四熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１２乃至１４の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項１６】
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と前記回転機とが接続され、
前記出力軸と前記コンプレッサ及び前記回転機との接続部分には、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、前記コンプレッサ及び前記回転機のうち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１２乃至１５の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項１７】
前記冷凍空調サイクル回路において、前記第二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１２乃至１６の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【請求項１８】
前記ランキンサイクル回路の作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて前記作動媒体を冷却する第五熱交換器が設けられ、
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五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乃至１７の何れか一つに記載のエネルギー変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル回路とスターリングエンジンとを複合したエネルギー変換システムに関する。
【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廃棄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、ランキンサイクル回路とスターリングエンジンとを複合させたエネルギー変換システムが提案されている。例えば特許文献１には、図１９に示す模式図のように、ランキンサイクル回路１００とスターリングエンジン２００とを複合させて発電を行うエネルギー変換システム（複合冷熱発電装置）３００が記載されている。
【０００３】
このエネルギー変換システム３００はランキンサイクル回路１００内にエバポレータ（蒸発器）１０１で蒸発させられた作動媒体により駆動される膨張機（膨張タービン）１０２と膨張後の作動媒体を凝縮させるコンデンサ（凝縮器）１０３を備え、膨張機１０２には膨張機１０２の駆動によって発電するジェネレータ（発電機）１０４が取り付けられている。
【０００４】
一方、スターリングエンジン２００は、高温側シリンダ（図示せず）を設けた高温部２０２と低温側シリンダ（図示せず）を設けた低温部２０４との間で作動ガスを往復させ、作動ガスが膨張と収縮とを繰り返すことで駆動される。スターリングエンジン２００にもジェネレータ（発電機）２０１が取り付けられている。スターリングエンジン２００の高温部２０２が加熱された際の排熱は回収されて、ランキンサイクル回路１００内のエバポレータ１０１に供給される。ランキンサイクル回路１００の作動媒体は膨張機１０２で膨張したのちコンデンサ１０３において第二の冷却媒体としての液化天然ガスと熱交換が行われて凝縮し、一方、スターリングエンジン２００の冷却媒体（冷却用熱媒体）は、スターリングエンジン２００と気化器２０３との間で循環し、スターリングエンジン２００の低温部２０４で熱交換を行い温度上昇したのち、気化器２０３において、コンデンサ１０３を通過した第二の冷却媒体と熱交換が行われて冷却される。
【特許文献１】特開２００６−３２９０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載の発明は、ランキンサイクル回路の作動媒体とスターリングエンジンの冷却媒体とを、排熱を吸収し廃棄するための第二の冷却媒体によってそれぞれ凝縮・冷却するため、コンデンサと気化器とを別途設けなければならず、又、作動媒体の導通管と冷却媒体の導通管との他に第二の冷却媒体の導通管を設けなければならないため、構造が複雑化するという問題がある。また、上記特許文献１に記載の発明は、作動媒体をコンデンサで、冷却媒体を気化器でそれぞれ別個に熱交換するため、総合的な熱交換効率が低くなり、熱交換後の排熱を再利用するような場合のエネルギー利用効率が低下するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、簡易な構造で排熱回収効率が高く、高いエネルギー変換効率を得ることができるエネルギー変換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】
【０００７】
かかる課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、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、膨張室内の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を備えたエネルギー変換システムにおいて、前記スターリングエンジンの前記低温部を冷却する冷却媒体と前記作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記熱交換器には、前記膨張機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前記作動媒体と前記スターリングエンジンの前記低温部に供給される前の前記冷却媒体とが供給されることを特徴とする。
【０００９】
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、前記ランキンサイクル回路に設けられた前記作動媒体に膨張エネルギーを与えるために熱を吸収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、該加熱器から発生された熱を通過させる排熱回収器とが設けられ、該排熱回収器に前記冷却媒体を通過させ該冷却媒体と前記排熱回収器内部の空気とを熱交換する排熱回収部が配設されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の構成に加え、ジェネレータ、モータ等の回転機を備え、該回転機が前記スターリングエンジンの出力軸及び前記ランキンサイクル回路の膨張機の出力軸のそれぞれに、又は、何れか一方のみに接続されて、前記回転機に回転運動エネルギーが供給されて駆動されるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか一つ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が連結されたことを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項５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の連結部分には、それぞれの前記出力軸の回転数を機構、流体等によって調節することでそれぞれの前記出力軸を所定の回転比で回転させる回転調節部が設けられたことを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の構成に加え、前記回転調節部は遊星歯車機構等のギア機構、トルクコンバータ、無段変速機等の変速手段によって形成されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７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前記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。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項８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し前記冷却媒体貯蔵槽と前記低温部との間で前記冷却媒体を循環させる冷却媒体導通管が設けられたことを特徴とする。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の構成に加え、前記冷却媒体の流路として、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記熱交換器に流入させる第一の冷却媒体流路と、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記低温部に流入させる第二の冷却媒体流路とが設けられ、前記第一の冷却媒体流路及び前記第二の冷却媒体流路に対する前記冷却媒体の流量を調節する冷却媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、請求項８乃至１０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前記冷却媒体が導通する前記冷却媒体導通管又は前記冷却媒体貯蔵槽のうち少なくとも何れか一方に連結されて、前記冷却媒体及び前記冷却媒体貯蔵層に貯蔵された前記冷却媒体のうち少なくとも何れか一方を外部に流出させる外部流路と、前記外部流路の前記冷却媒体の流量を調節する流出量調節弁とが設けられたことを特徴とする。
【００１８】
請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１１の何れか一つに記載の構成に加え、第二作動媒体を圧縮するコンプレッサと、屋内の空気と前記第二作動媒体との間で熱交換を行う第二熱交換器とを備えた冷凍空調サイクル回路が設けられ、
【００１９】
前記コンプレッサが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接続されたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１３に記載の発明は、請求項１２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作動媒体と前記スターリングエンジンの冷却媒体との間で熱交換を行う第三熱交換器を備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の構成に加え、前記第三熱交換器と、前記ランキンサイクル回路の作動媒体と前記スターリングエンジンの冷却媒体との間で熱交換を行う前記熱交換器とがそれぞれ設けられ、前記冷却媒体の流路として、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記熱交換器に流入させる第三の冷却媒体流路と、前記冷却媒体貯蔵槽から流出した前記冷却媒体を前記第三熱交換器に流入させる第四の冷却媒体流路とが設けられ、前記第三の冷却媒体流路及び前記第四の冷却媒体流路に対する前記冷却媒体の流量を調節する第二の冷却媒体流量調節弁が設けられたことを特徴とする。
【００２２】
請求項１５に記載の発明は、請求項１２乃至１４の何れか一つに記載の構成に加え、前記冷凍空調サイクル回路は、前記第二作動媒体と屋外の空気とを強制的に熱交換させる第四熱交換器を備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項１６に記載の発明は、請求項１２乃至１５の何れか一つ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と前記回転機とが接続され、前記出力軸と前記コンプレッサ及び前記回転機との接続部分には、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、前記コンプレッサ及び前記回転機のうち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。
【００２４】
請求項１７に記載の発明は、請求項１２乃至１６の何れか一つ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、前記第二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。
【００２５】
請求項１８に記載の発明は、請求項１乃至１７の何れか一つに記載の構成に加え、前記ランキンサイクル回路の作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換させて前記作動媒体を冷却する第五熱交換器が設けられ、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五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。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載の発明によれば、ランキンサイクル回路とスターリングエンジンとを備えたエネルギー変換システムにおいて、スターリングエンジンの低温部を冷却する冷却媒体とスターリングエンジンの作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器を備えたことにより、冷却媒体と作動媒体との間で直接熱交換を行うことが可能となる。これにより、ランキンサイクル回路の排熱を、排熱を回収するための第二の冷却媒体を介在させることなく、冷却媒体のみによって回収することが可能になり、排熱を再利用する場合のエネルギー変換効率を向上させることができる。
【００２７】
また、請求項１に記載の発明によれば、第二の冷却媒体を導通させるための導通管を設けたり、第二の冷却媒体と作動媒体とを熱交換させるコンデンサ及び第二の作動媒体と冷却媒体とを熱交換させる気化器を別個に設けたりする必要がなく、システム全体の構成を簡素化することができる。これにより、簡易な構造で排熱回収効率が高く、高いエネルギー変換効率を得ることができるエネルギー変換システムを構築できる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、熱交換器には、膨張機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スターリングエンジンの低温部に供給される前の冷却媒体とが供給されることにより、膨張機を通過した後の比較的低温の作動媒体と作動媒体よりも低温の冷却媒体との熱交換を行って作動媒体を冷却媒体で冷却した後に、この冷却媒体を比較的高温であるスターリングエンジンの低温部に供給できる。これにより、熱交換の効率を低下させることなく、また、作動媒体の膨張後に残っている排熱を余すところなく回収できると共に、冷却媒体によって作動媒体と低温部を冷却できて、一層高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、ランキンサイクル回路に設けられた作動媒体に膨張エネルギーを与えるために熱を吸収する加熱部及び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、加熱器から発生された熱を通過させる排熱回収器とが設けられ、排熱回収器に冷却媒体を通過させ冷却媒体と排熱回収器内部の空気とを熱交換する排熱回収部が配設されたことにより、加熱器が発生した熱のうち作動媒体やスターリングエンジンの高温部の加熱時に用いられなかった排熱を排熱回収部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。
【００３０】
請求項４に記載の発明によれば、ジェネレータ、モータ等の回転機を備え、回転機がスターリングエンジンの出力軸及びランキンサイクル回路の膨張機の出力軸のそれぞれに、又は、何れか一方のみに接続されて、回転機に回転運動エネルギーが供給されて駆動されるようにしたことにより、スターリングエンジン及びランキンサイクル回路のうち少なくとも何れか一方から出力されたエネルギーによって、回転機を駆動させることができる。これにより、出力軸の回転運動のエネルギーから多様な運動エネルギーや電力エネルギーを効率よく取得することができる。
【００３１】
請求項５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が連結されたことにより、連結された出力軸をスターリングエンジンから出力されるエネルギーとランキンサイクル回路から出力されるエネルギーとによって駆動し、連結された出力軸に接続された一の回転機から大きな出力を得ることができる。
【００３２】
請求項６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の連結部分には、それぞれの出力軸の回転数を機構、流体等によって調節することでそれぞれの出力軸を所定の回転比で回転させる回転調節部が設けられたことにより、スターリングエンジンとランキンサイクル回路との駆動状態の相違等によりそれぞれの出力軸の回転数が相違しても回転調節部によって回転数の相違を調節して回転数の同期をとりスターリングエンジンと膨張機の合力を得ることができ、回転機へのエネルギーの伝達ロスの発生を抑止できる。
【００３３】
請求項７に記載の発明によれば、回転調節部は遊星歯車機構等のギア機構、トルクコンバータ、無段変速機等の変速手段によって形成されたことにより、連結された複数の出力軸の回転数の調節を機構や流体を用いた具体的な装置によって実現できる。
【００３４】
請求項８に記載の発明によれば、低温部を通過した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。
【００３５】
請求項９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し前記冷却媒体貯蔵槽と前記低温部との間で前記冷却媒体を循環させる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に貯蔵することで、冷却媒体貯蔵槽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。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。
【００３６】
請求項１０に記載の発明によれば、冷却媒体の流路として、冷却媒体貯蔵槽から流出した冷却媒体を熱交換器に流入させる第一の冷却媒体流路と、冷却媒体貯蔵槽から流出した冷却媒体を低温部に流入させる第二の冷却媒体流路とが設けられたことにより、冷却媒体貯蔵槽から流出した冷却媒体を低温部に直接供給することができ、スターリングエンジンの熱効率を向上させることができる。また、第一の冷却媒体流路及び第二の冷却媒体流路に対する冷却媒体の流量を調節する冷却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やスターリングエンジンの作動状態に基づいてランキンサイクル回路の作動媒体の冷却に用いる冷却媒体の流量及びスターリングエンジンの冷却効率を高めるために用いる冷却媒体の流量を制御することができる。
【００３７】
請求項１１に記載の発明によれば、低温部を通過した冷却媒体が導通する冷却媒体導通管及び冷却媒体貯蔵槽のうち少なくとも何れか一方に連結されて、冷却媒体及び冷却媒体貯蔵層に貯蔵された冷却媒体のうち少なくとも何れか一方を外部に流出させる外部流路が設けられたことにより、排熱を回収した冷却媒体を容易に外部に取り出すことが可能になる。また、外部流路の冷却媒体の流量を調節する流出量調節弁が設けられたことにより、冷却媒体を外部に取り出すとき外部流路からの吐水量を制御することができる。これにより、冷却媒体及び冷却媒体が回収した排熱を利用する際の利便性を向上させることができる。
【００３８】
請求項１２に記載の発明によれば、第二作動媒体を圧縮するコンプレッサと、屋内の空気と第二作動媒体との間で熱交換を行う第二熱交換器とを備えた冷凍空調サイクル回路が設けられ、コンプレッサが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接続されたことにより、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つの出力で冷凍空調サイクル回路に駆動力を供給して、第二熱交換器によって屋内の空気の暖房や冷房などを行う空気調和装置を実現できる。これにより、システムをより多目的に利用できる。
【００３９】
請求項１３に記載の発明によれば、冷凍空調サイクル回路の第二作動媒体とスターリングエンジンの冷却媒体との間で熱交換を行う第三熱交換器を備えたことにより、第二作動媒体を冷却媒体で冷却することを可能にする。これにより、冷凍空調サイクル回路を含むシステム構成要素相互間で熱交換を行い、一層高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００４０】
請求項１４に記載の発明によれば、第三熱交換器と熱交換器とがそれぞれ設けられ、冷却媒体の流路として、冷却媒体貯蔵槽から流出した冷却媒体を熱交換器に流入させる第三の冷却媒体流路と、冷却媒体貯蔵槽から流出した冷却媒体を第三熱交換器に流入させる第四の冷却媒体流路とが設けられたことにより、冷却媒体を第二作動媒体の冷却と作動媒体の冷却とに併用することができる。また、第三の冷却媒体流路及び第四の冷却媒体流路に対する冷却媒体の流量を調節する第二の冷却媒体流量調節弁が設けられたことにより、冷凍空調サイクル回路及びランキンサイクル回路の作動状態に基づいて冷凍空調サイクル回路の冷却に用いる冷却媒体の流量及びランキンサイクル回路の冷却に用いる冷却媒体の流量を制御することができる。
【００４１】
請求項１５に記載の発明によれば、冷凍空調サイクル回路は、第二作動媒体と屋外の空気とを強制的に熱交換させる第四熱交換器を備えたことにより、冷凍空調サイクル回路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。
【００４２】
請求項１６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と回転機とが接続され、出力軸とコンプレッサ及び回転機との接続部分には、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、コンプレッサ及び回転機のうち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。
【００４３】
請求項１７に記載の発明によれば、冷凍空調サイクル回路において、第二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又は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、第二熱交換器を冷房用屋内機、暖房用屋内機の何れ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。
【００４４】
請求項１８に記載の発明によれば、ランキンサイクル回路の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が設けられたことにより、ランキンサイクル回路における作動媒体の冷却を冷却媒体との熱交換によらずに行なうことができる。また、作動媒体の流路として、膨張機から流出した作動媒体を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五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熱交換器及び第五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り、システム運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】
【００４５】
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。
【００４６】
まず構成を説明すると、この実施の形態のエネルギー変換システム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）の出力を有するランキンサイクル回路１１と、数ｋＷ（より具体的には１ｋＷ〜３ｋＷ程度）の出力を有するスターリングエンジン１２と、スターリングエンジン１２を冷却する冷却媒体を循環させる冷却媒体循環回路３５とを備えている。
【００４７】
ランキンサイクル回路１１は、加熱部１８ｄと、膨張機１５と、熱交換器１６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１６、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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の内部にスターリングエンジン１２の高温部に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。
【００５０】
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。
【００５１】
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には、「回転機」としてのジェネレータ２０が接続されており、このジェネレータ２０は膨張機１５の回転運動エネルギーにより駆動される。
【００５２】
第１ポンプ１７は低温高圧用ポンプであり、熱交換器１６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。
【００５３】
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。
【００５４】
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とジェネレータ室２３とが連通して設けられ、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。
【００５５】
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。
【００５６】
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の一端側はジェネレータ室２３の内部に延設されて「回転機」としてのジェネレータ２２が接続されており、出力軸２９の他端部はハウジング２１の他側部から外部に突出してフライホイール３０が接続されている。ジェネレータ２２は、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とは別にスタータモータを設け、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。
【００５７】
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。
【００５８】
低温側シリンダ２５の周囲には、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。
【００５９】
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、熱交換器１６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、熱交換器１６、ウォータージャケット３３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，３７ｃ，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。
【００６０】
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熱交換器１６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。
【００６１】
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。
【００６２】
熱交換器１６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スターリングエンジン１２のウォータージャケット３３に供給される前の冷却媒体とが供給される。熱交換器１６の内部には作動媒体の流路と冷却媒体の流路とがそれぞれ設けられ、作動媒体と冷却媒体との熱交換が行われるように構成されている。
【００６３】
排熱回収部３７ｈは冷却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、図２に示す通り、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排熱回収部３７ｈ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、排熱回収部３７ｈ内部を導通する冷却媒体と排熱回収器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。
【００６４】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【００６５】
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、加熱部１８ｄにおいて加熱器１３が発生した熱で加熱される。加熱部１８ｄで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が回転し、ジェネレータ２０が駆動される。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１６に供給され、冷却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１６から作動媒体導通管１８ｃを経て再び第１ポンプ１７に供給されて加圧され、以下同様の作動媒体の循環が繰り返される。
【００６６】
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が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が回転し、ジェネレータ２２が駆動される。
【００６７】
ここで、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を経て熱交換器１６に供給される。熱交換器１６においては冷却媒体と作動媒体との熱交換が行なわれる。作動媒体との熱交換が行われた冷却媒体は冷却媒体導通管３７ｃに送り出され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。
【００６８】
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。
【００６９】
エネルギー変換システム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。
【００７０】
以上示した通り、この実施の形態によれば、ランキンサイクル回路１１とスターリングエンジン１２とを備えたエネルギー変換システム１Ａにおいて、スターリングエンジン１２の低温側シリンダ２５を冷却する冷却媒体とランキンサイクル回路１１の作動媒体との間で熱交換を行う熱交換器１６を備えたことにより、冷却媒体と作動媒体との間で直接熱交換を行うことが可能となる。これにより、ランキンサイクル回路１１の排熱とスターリングエンジン１２の排熱とを、排熱を回収するための第二の冷却媒体を介在させることなく、冷却媒体のみによって回収することが可能になる。また、第二の冷却媒体を導通させるための導通管を設けたり、第二の冷却媒体と作動媒体とを熱交換させるコンデンサ及び第二の作動媒体と冷却媒体とを熱交換させる気化器を別個に設けたりする必要がなく、システム全体の構成を簡素化することができる。
【００７１】
この実施の形態においては、冷却媒体貯蔵槽３４から導出された冷却媒体は、熱交換器１６にて作動媒体と熱交換が行われた後にウォータージャケット３３にて低温側シリンダ２５の壁面を介して作動ガスとの熱交換が行われる。ここで、膨張機１５において膨張した後の作動媒体の温度は、スターリングエンジン１２の膨張室３１で加熱され、膨張した後に収縮室３２に送られた作動ガスの温度や低温側シリンダ２５の壁面の温度よりも低くなっている。一方、通常使用時において、熱交換器１６を通過する冷却媒体の温度は、膨張機１５において膨張した後の作動媒体の温度よりも低くなっている。
【００７２】
即ち、この実施の形態において、熱交換器１６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ウォータージャケット３３に供給される前の冷却媒体とが供給されることにより、膨張機１５を通過した後の比較的低温の作動媒体と作動媒体よりも低温の冷却媒体との熱交換を行って作動媒体を冷却媒体で冷却した後に、この冷却媒体を比較的高温である低温側シリンダ２５の周囲のウォータージャケット３３に供給できる。これにより、熱交換の効率を低下させることなく、また、作動媒体の膨張後に残っている排熱を余すところなく回収できると共に、冷却媒体によって作動媒体と低温側シリンダ２５及び作動ガスを冷却できる。
【００７３】
この実施の形態によれば、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。
【００７４】
また、この実施の形態においては、冷却媒体はウォータージャケット３３にて熱交換が行われたのちに排熱回収部３７ｈに供給されて排熱回収器１４の内部の（加熱器１３の）燃焼排気との熱交換が行われる。ここで、排熱回収器１４の内部の燃焼排気の温度は、膨張室３１から収縮室３２に送られた作動ガスの温度や低温側シリンダ２５の壁面の温度よりも高くなっている。
【００７５】
即ち、この実施の形態においては、ウォータージャケット３３に連結された冷却媒体導通管３７ｄの途中に排熱回収部３７ｈが設けられ、冷却媒体は、収縮室３２の壁面や作動ガスと熱交換を行った後に排熱回収器１４の（加熱器１３の）燃焼排気と熱交換を行うことにより、熱交換の効率を低下させることなく、冷却媒体によって加熱器１３の排熱を回収できる。
【００７６】
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。
【００７７】
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て、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。
【００７８】
この実施の形態によれば、ジェネレータ２０，２２を備え、ジェネレータ２０，２２がスターリングエンジン１２の出力軸２９及びランキンサイクル回路１１の膨張機１５の出力軸１９のそれぞれに接続されて、ジェネレータ２０，２２に回転運動エネルギーが供給されて駆動されるようにしたことにより、スターリングエンジン１２及びランキンサイクル回路１１から出力されたエネルギーによってジェネレータ２０，２２が駆動されるようにすることができる。
【００７９】
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エネルギー変換システム１Ａにおける発電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エネルギー変換システム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。
【００８０】
例えばエネルギー変換システム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）、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。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１６に供給される。熱交換器１６に供給される冷却媒体の温度が約１５℃とすると、熱交換器１６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。
【００８１】
一方、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３０℃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。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。
【００８２】
そして、図３に示す通り、この実施の形態のエネルギー変換システム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、ジェネレータ２２，２０の発電効率を８０％とすると、ジェネレータ２２の発電端出力は０．５８ｋＷ（０．７３（ｋＷ）×０．８≒０．６６（ｋＷ））、ジェネレータ２０の発電端出力は０．１２ｋＷ（０．１５（ｋＷ）×０．８＝０．１２（ｋＷ））となり、合計約０．７ｋＷの発電が行われる。更に、このエネルギー変換システム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、エネルギー変換システム１Ａ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、このエネルギー変換システム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７０．０％となる。
【００８３】
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を駆動させてジェネレータ２２，２０が駆動されるようにし、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、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１６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。
【００８４】
〔発明の実施の形態２〕
図５及び図６は、第２の実施の形態を示す。
【００８５】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｂは、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とが連結されて、スターリングエンジン１２の出力軸２９にのみジェネレータ２２が接続されてジェネレータ２２に回転運動エネルギーが供給されるようにした構成を有している。
【００８６】
図６に示す通り、スターリングエンジン１２は、ジェネレータ２２と膨張機１５とが一体構造に形成されている。具体的には、ハウジング３８のクランク室１２ａの一側側（図６の右側）にジェネレータ室２３が形成され、他側側に膨張機１５が設けられている。クランク室１２ａと膨張機１５との間は隔壁部３９によって区画されている。
【００８７】
スターリングエンジン１２の出力軸２９の他端部は膨張機１５の出力軸１９に連結されている。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との連結部分には、図６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。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００８８】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【００８９】
スターリングエンジン１２が作動すると出力軸２９が回転し、また、作動媒体がランキンサイクル回路１１を循環して膨張機１５が駆動されると出力軸１９が回転する。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ジェネレータ２２に伝達し、ジェネレータ２２に回転運動エネルギーが供給されて駆動される。
【００９０】
スターリングエンジン１２と膨張機１５の双方が駆動している場合は、両出力軸２９，１９の回転運動エネルギーがジェネレータ２２に供給され、この運動エネルギーによってジェネレータ２２が駆動される。両出力軸２９，１９の連結部分には回転調節部４０が設けられているので、両出力軸２９，１９が異なる回転数で回転している場合、回転調節部４０が両出力軸２９，１９の回転数の相違を調節し回転数の同期をとり、両出力軸２９，１９がそれぞれ所定の回転比で回転する状態になるように調節する。そして、ジェネレータ２２には、両出力軸２９，１９の回転数が同期した状態で、両出力軸２９，１９の合力としての運動エネルギーが伝達される。
【００９１】
即ち、この実施の形態によれば、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とが接続されて、ジェネレータ２２にスターリングエンジン１２と膨張機１５との回転運動エネルギーが供給されて駆動されるようにしたことにより、連結された出力軸２９，１９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てトルクを大きくし、連結された出力軸２９，１９に接続された一のジェネレータ２２から大きな出力を得ることができる。
【００９２】
また、この実施の形態によれば、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との連結部分には、それぞれの出力軸２９，１９の回転数を機構によって調節することでそれぞれの出力軸２９，１９を所定の回転比で回転させる回転調節部４０が設けられたことにより、スターリングエンジン１２とランキンサイクル回路１１との駆動状態の相違等によりそれぞれの出力軸２９，１９の回転数が相違しても回転調節部４０によって回転数の相違を調節して回転数の同期をとりスターリングエンジン１２と膨張機１５の合力を得ることができ、ジェネレータ２２へのエネルギーの伝達ロスの発生を抑止できる。
【００９３】
この実施の形態によれば、回転調節部４０は遊星歯車機構等のギア機構によって形成されたことにより、連結されたそれぞれの出力軸２９，１９の回転数の調節を、機構を用いた具体的な装置によって実現できる。
【００９４】
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にジェネレータ２２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にジェネレータ２２が接続された構成としてもよい。
【００９５】
また、この実施の形態においては、回転調節部４０は遊星歯車機構として形成したが、これに限定されず、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。
【００９６】
〔発明の実施の形態３〕
図７に、この発明の実施の形態を示す。
【００９７】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｃにおいては、ハウジング４９のクランク室１２ａの一側部（図７の右側）にジェネレータ室２３が設けられ、ジェネレータ室２３の一側部に膨張機１５が設けられた構成であり、ジェネレータ室２３と膨張機１５との間は貫通しており、スターリングエンジン１２とジェネレータ室２３との間は隔壁部４１によって区画されている。
【００９８】
スターリングエンジン１２の出力軸２９の一端部は膨張機１５の出力軸１９に連結されている。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との連結部分には回転調節部４０が設けられ、この回転調節部４０はジェネレータ室２３の一側部に接続されている。
【００９９】
また、膨張後の作動媒体が導通する作動媒体導通管１８ｂは、一端がジェネレータ室２３に連結され、他端が熱交換器１６に連結されている。その他の構成は実施の形態２と同じである。
【０１００】
この実施の形態においては、膨張機１５において膨張した作動媒体がジェネレータ室２３の内部に放出されたのち、作動媒体導通管１８ｂを経て熱交換器１６に供給される。そして、ジェネレータ室２３に供給される作動媒体の温度はジェネレータ２２よりも十分に温度が低く、従ってジェネレータ室２３を作動媒体が通過する際にジェネレータ２２を冷却するので、ジェネレータ２２の過熱を抑止できる。
【０１０１】
〔発明の実施の形態４〕
図８に、この発明の実施の形態を示す。
【０１０２】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｄは、冷却媒体の流路として、冷却媒体貯蔵槽３４から流出し、第２ポンプ３６から冷却媒体導通管３７ｂに送り出された冷却媒体を熱交換器１６に流入させる「第一の冷却媒体流路」としての冷却媒体導通管４２と、同じく第２ポンプ３６から冷却媒体導通管３７ｂに送り出された冷却媒体をウォータージャケット３３に流入させる「第二の冷却媒体流路」としての冷却媒体導通管４３とが設けられている。
【０１０３】
冷却媒体導通管３７ｂ，４２，４３の一端部は、冷却媒体流量調節弁４４に連結され、冷却媒体導通管４２の他端部は熱交換器１６に連結され、冷却媒体導通管４３の他端部はウォータージャケット３３に連結されている。一端部が熱交換器１６の冷却媒体が流出する側に連結された冷却媒体導通管３７ｃの他端部は、一端部がウォータージャケット３３の冷却媒体が流出する側に連結された冷却媒体導通管３７ｄの途中に連結されて冷却媒体の流路が合流している。
【０１０４】
冷却媒体流量調節弁４４は三方弁であり、冷却媒体導通管４２，４３にそれぞれ送り出される冷却媒体の量を調節する。その他の構成は実施の形態２と同じである。
【０１０５】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１０６】
冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体は第２ポンプ３６から冷却媒体導通管３７ｂに送り出されて冷却媒体流量調節弁４４に供給され、冷却媒体流量調節弁４４の調節の度合いに基づいてそれぞれの冷却媒体導通管４２，４３に流出する。冷却媒体導通管４２に流出した冷却媒体は熱交換器１６に供給されて作動媒体との熱交換を行う。冷却媒体導通管４３に流出した冷却媒体はウォータージャケット３３に供給されて低温側シリンダ２５及び作動ガスとの熱交換を行う。熱交換器１６から冷却媒体導通管３７ｃに流出した冷却媒体及びウォータージャケット３３から冷却媒体導通管３７ｄに流出した冷却媒体は合流したのち排熱回収部３７ｈにおいて排熱回収器１４内部の（加熱器１３の）燃焼排気と熱交換を行い、冷却媒体貯蔵槽３４に再び貯蔵される。
【０１０７】
以上、この実施の形態においては、冷却媒体の流路として、冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体を熱交換器１６に流入させる冷却媒体導通管４２と、冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体をウォータージャケット３３に流入させる冷却媒体導通管４３とが設けられたことにより、冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体をウォータージャケット３３に直接供給することができ、スターリングエンジン１２の熱効率を向上させることができる。また、それぞれの冷却媒体導通管４２，４３に対する冷却媒体の流量を調節する冷却媒体流量調節弁４４が設けられたことにより、ランキンサイクル回路１１やスターリングエンジン１２の作動状態に基づいてランキンサイクル回路１１の作動媒体の冷却に用いる冷却媒体の流量及びスターリングエンジン１２の冷却効率を高めるために用いる冷却媒体の流量を制御することができる。
【０１０８】
〔発明の実施の形態５〕
図９に、この発明の実施の形態を示す。
【０１０９】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｅにおいては、外部から冷却媒体循環回路３５に冷却媒体を流入させるための冷却媒体導通管４５と、冷却媒体循環回路３５から冷却媒体を外部に流出させるための「外部流路」としての冷却媒体導通管４６ａ，４６ｂ，４６ｃとが設けられている。
【０１１０】
冷却媒体導通管３７ｃの一端部は、ウォータージャケット３３の冷却媒体が流出する側に連結された冷却媒体導通管３７ｄに途中に連結されており、この連結された部分と排熱回収部３７ｈとの間において、冷却媒体導通管３７ｄの途中には流入量調節弁４７が設けられている。冷却媒体導通管４６ａは、排熱回収部３７ｈ（及びウォータージャケット３３）を通過した冷却媒体が導通する冷却媒体導通管３７ｄの途中に一端部が連結され、冷却媒体導通管４６ｂは一端部が冷却媒体貯蔵層３４に連結されている。冷却媒体導通管４６ａ，４６ｂの他端部と、冷却媒体導通管４６ｃの一端部とは流出量調節弁４８に連結されている。
【０１１１】
流入量調節弁４７及び流出量調節弁４８は三方弁であり、外部から冷却媒体導通管３７ｄに流入する冷却媒体の量及び冷却媒体導通管３７ｄや冷却媒体貯蔵槽３４から外部に流出する冷却媒体の量を調節する。その他の構成は実施の形態４と同じである。
【０１１２】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１１３】
冷却媒体循環回路３５を循環する冷却媒体を外部に取り出すときは、流出量調節弁４８を開き、冷却媒体導通管４６ａ又は冷却媒体導通管４６ｂから流出した冷却媒体を冷却媒体導通管４６ｃから外部に流出させる。一方、冷却媒体を外部から冷却媒体循環回路３５に追加するときは、流入量調節弁４７を開き、冷却媒体導通管４５から流入した冷却媒体を冷却媒体導通管３７ｄに流入させる。
【０１１４】
以上、この実施の形態においては、ウォータージャケット３３及び排熱回収部３７ｈを通過した冷却媒体を外部に流出させる冷却媒体導通管４６ａ，４６ｃ、及び冷却媒体貯蔵層３４に貯蔵された冷却媒体を外部に流出させる冷却媒体導通管４６ｂ，４６ｃが設けられたことにより、排熱を回収した冷却媒体を容易に外部に取り出すことが可能になる。また、冷却媒体の流量、即ち冷却媒体導通管４６ａ又は／及び冷却媒体導通管４６ｂから冷却媒体導通管４６ｃへの冷却媒体の流出量や冷却媒体導通管４６ｃからの吐出量を調節する流出量調節弁４８が設けられたことにより、冷却媒体を外部に取り出すときの冷却媒体導通管４６ａ，４６ｂからの流出量や冷却媒体導通管４６ｃからの吐水量を制御することができる。
【０１１５】
また、この実施の形態においては、冷却媒体導通管４６ａ，４６ｂ，４６ｃと流入量調節弁４７とが設けられたことにより、ランキンサイクル回路１１やスターリングエンジン１２が稼動していない場合であっても冷却媒体を加熱して利用することができる。例えば、何らかの理由により冷却媒体循環回路３５における冷却媒体の循環が停止してしまった場合（例えば、第２ポンプ３６の停止、冷却媒体流量調節弁４４の不調、冷却媒体導通管３７ａ，３７ｂ，３７ｃの破損や詰まり、等が考えられる。）、また、意図的な理由で冷却媒体循環回路３５における冷却媒体の循環を停止させた場合（例えば、冷却媒体貯蔵層３４内に満水状態に貯蔵された冷却媒体が貯蔵したばかりで熱源として利用できない場合（つまり、冷却媒体が冷水の状態であって温水として利用できない場合）、等が考えられる。）において、流入量調節弁４７の調節により、冷却媒体導通管３７ａから流出する冷却媒体の流路を閉じると共に冷却媒体導通管４５，３７ｄ，排熱回収部３７ｈ，冷却媒体導通管３７ｄ，４６ａ，４６ｃの順に冷却媒体を導通させる流路を形成することで、冷却媒体導通管４５から流入させた低温の冷却媒体（冷水）を排熱回収部３７ｈにおいて加熱し、高温の冷却媒体（熱湯）を冷却媒体導通管４６ｃから取り出すことが可能になる。
【０１１６】
〔発明の実施の形態６〕
図１０及び図１１に、この発明の実施の形態を示す。
【０１１７】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｆ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とに加え、第二作動媒体を循環させる冷凍空調サイクル回路５０を備えている。この冷凍空調サイクル回路５０は、コンプレッサ５１、第三熱交換器５２、膨張弁５３、「第二熱交換器」としての屋内用熱交換器５４を備え、それらは第二作動媒体導通管５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
第三熱交換器５２はコンデンサであり、第二作動媒体とスターリングエンジン１２の冷却媒体との間で熱交換を行う。第三熱交換器５２は、冷却媒体の流入側に冷却媒体導通管３７ｂが連結され、冷却媒体の流出側には一端部が熱交換器１６の流入側に連結された冷却媒体導通管３７ｅの他端部が連結されている。
【０１２０】
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。
【０１２１】
屋内用熱交換器５４はエバポレータであり、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。
【０１２２】
この実施の形態においては、実施の形態２におけるジェネレータ２２に代えてコンプレッサ５１がスターリングエンジン１２の出力軸２９に接続されている。
【０１２３】
その他の構成は実施の形態２と同じである。
【０１２４】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１２５】
スターリングエンジン１２や膨張機１５が作動すると、出力軸２９の運動エネルギーによりコンプレッサ５１が駆動され、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５５ｂを経て第三熱交換器５２に供給され、冷却媒体との熱交換により凝縮される。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５５ｃ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５５ｄを経て屋内用熱交換器５４に供給され蒸発しその気化潜熱により屋内の空気と熱交換が行われる。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は気化が進行し温度が上昇する。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を経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。
【０１２６】
この実施の形態においては、第二作動媒体を圧縮するコンプレッサ５１と、屋内の空気と第二作動媒体との間で熱交換を行う屋内用熱交換器５４とを備えた冷凍空調サイクル回路５０が設けられ、コンプレッサ５１がスターリングエンジン１２の出力軸２９に接続されたことにより、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つの出力で冷凍空調サイクル回路５０に駆動力を供給して、屋内用熱交換器５４によって屋内の空気の暖房や冷房などを行う空気調和装置を実現できる。
【０１２７】
また、この実施の形態においては、冷凍空調サイクル回路５０の第二作動媒体とスターリングエンジン１２の冷却媒体との間で熱交換を行う第三熱交換器５２を備えたことにより、第二作動媒体を冷却媒体で冷却することを可能にする。これにより、冷凍空調サイクル回路５０を含むシステム構成要素相互間で熱交換を行い、高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【０１２８】
なお、この実施の形態で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を接続したが、これに代えて、膨張機１５の出力軸１９にコンプレッサ５１を接続してもよい。また、この実施の形態における第二作動媒体の循環を逆にして、第三熱交換器５２をエバポレータとして、屋内用熱交換器５４をコンデンサとしてそれぞれ用い、屋内を暖房させる構成とすることもできる。
【０１２９】
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１１はこの実施の形態に係るエネルギー変換システム１Ｆ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０．１５ｋＷの出力で駆動し、コンプレッサ５１が駆動された場合が示している。この場合、ジェネレータ２２，２０の伝達効率をそれぞれ９０％とすると、ジェネレータ２２側の軸出力は０．６６ｋＷ（０．７３（ｋＷ）×０．９≒０．６６（ｋＷ））、ジェネレータ２０側の軸出力は０．１３ｋＷ（０．１５（ｋＷ）×０．９＝０．１３（ｋＷ））となり、ＣＯＰ（Coefficient of Performance）＝３とした場合、合計約２．３７ｋＷ（｛０．６６（ｋＷ）＋０．１３（ｋＷ）｝×３．０≒２．３７（ｋＷ）となる。更に、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、このエネルギー変換システム１Ｆにて取得される総エネルギー量は４．４７ｋＷ（２．３７（ｋＷ）＋２．１（ｋＷ）＝４．４７（ｋＷ））となり、このエネルギー変換システム１Ｆの総合効率は１１２％となる。
【０１３０】
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１６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１０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。
【０１３１】
〔発明の実施の形態７〕
図１２に、この発明の実施の形態を示す。
【０１３２】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｇにおいては、冷却媒体の流路として、冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体を熱交換器１６に流入させる「第三の冷却媒体流路」としての冷却媒体導通管５６ａと、冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体を第三熱交換器５２に流入させる「第四の冷却媒体流路」としての冷却媒体導通管５６ｂとが設けられている。冷却媒体導通管５６ａの一端部は熱交換器１６の流入側に連結され、冷却媒体導通管５６ｂの一端部は第三熱交換器５２の流入側に連結されている。それら冷却媒体導通管５６ａ，５６ｂの他端部は、冷却媒体導通管３７ｂに連結された「第二の冷却媒体流量調節弁」としての冷却媒体流量調節弁５７に連結されている。この冷却媒体流量調節弁５７は三方弁であり、冷却媒体導通管５６ａ，５６ｂに対する冷却媒体の流量を調節する。熱交換器１６とウォータージャケット３３とに連結された冷却媒体導通管３７ｃは途中で分岐し、分岐した冷却媒体導通管３７ｆは第三熱交換器５２の流出側に連結されている。その他の構成は実施の形態６と同じである。
【０１３３】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１３４】
冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体は第２ポンプ３６から送り出されて冷却媒体流量調節弁５７に供給され、冷却媒体流量調節弁５７の調節の度合いに基づいてそれぞれの冷却媒体導通管５６ａ，５６ｂに流出する。冷却媒体導通管５６ａに流出した冷却媒体は熱交換器１６に供給されて作動媒体との熱交換を行う。冷却媒体導通管５６ｂに流出した冷却媒体は第三熱交換器５２に供給されて第二作動媒体との熱交換を行う。熱交換器１６から冷却媒体導通管３７ｃに流出した冷却媒体及び第三熱交換器５２から冷却媒体導通管３７ｆに流出した冷却媒体は合流したのちウォータージャケット３３に供給される。
【０１３５】
この実施の形態においては、第三熱交換器５２と熱交換器１６とがそれぞれ設けられ、冷却媒体の流路として、冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体を熱交換器１６に流入させる冷却媒体導通管５６ａと、冷却媒体貯蔵槽３４から流出した冷却媒体を第三熱交換器５２に流入させる冷却媒体導通管５６ｂとが設けられたことにより、冷却媒体を第二作動媒体の冷却と作動媒体の冷却とに併用することができる。また、それぞれの冷却媒体導通管５６ａ，５６ｂに対する冷却媒体の流量を調節する冷却媒体流量調節弁５７が設けられたことにより、冷凍空調サイクル回路５０及びランキンサイクル回路１１の作動状態に基づいて冷凍空調サイクル回路５０の冷却に用いる冷却媒体の流量及びランキンサイクル回路１１の冷却に用いる冷却媒体の流量を制御することができる。
【０１３６】
〔発明の実施の形態８〕
図１３に、この発明の実施の形態を示す。
【０１３７】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｈにおいては、冷凍空調サイクル回路５０は、実施の形態６における第三熱交換器５２に代えて、第四熱交換器５８を備えている。第四熱交換器５８は送風用ファンを備えたコンデンサであり、通過する第二作動媒体と屋外の空気とを強制的に熱交換させる。熱交換器１６とウォータージャケット３３とは冷却媒体導通管３７ｃによって連結されている。その他の構成は実施の形態６と同じである。
【０１３８】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１３９】
冷凍空調サイクル回路５０においては、コンプレッサ５１で圧縮された第二作動媒体は第二作動媒体導通管５５ｂを介して第四熱交換器５８に供給される。第四熱交換器５８は第二作動媒体と周囲の空気とを強制的に熱交換し、第二作動媒体を冷却する。冷却された第二作動媒体は第二作動媒体導通管５５ｃを介して膨張弁５３に供給される。
【０１４０】
この実施の形態においては、冷凍空調サイクル回路５０は、第二作動媒体と屋外の空気とを強制的に熱交換させる第四熱交換器５８を備えたことにより、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。
【０１４１】
なお、この実施の形態における第二作動媒体の循環を逆にして、第四熱交換器５８をエバポレータとして、屋内用熱交換器５４をコンデンサとしてそれぞれ用い、屋内を暖房させる構成とすることもできる。
【０１４２】
〔発明の実施の形態９〕
図１４に、この発明の実施の形態を示す。
【０１４３】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｉ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とが接続されている。そして、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１４から出力される駆動力の、コンプレッサ５１及びジェネレータ２２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６と同じである。
【０１４４】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１４５】
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作動すると出力軸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及びジェネレータ２２のうち少なくとも何れか一方に伝達し、運動エネルギーの伝達を受けたコンプレッサ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。即ち、出力軸２９とコンプレッサ５１又はジェネレータ２２の出力軸とをそれぞれ所定の回転比で回転させることもできる。
【０１４６】
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、コンプレッサ５１及びジェネレータ２２のうち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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
〔発明の実施の形態１０〕
図１５乃至図１７に、この発明の実施の形態を示す。
【０１５１】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｊにおいては、実施の形態８に示す冷凍空調サイクル回路５０において四方弁６１が設けられて、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、一端部が第四熱交換器５８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も第四熱交換器５８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。
【０１５２】
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１５に示す第一位置においては、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一循環路５０ａを形成し、図１６に示す第二位置においては、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二循環路５０ｂを形成する。その他の構成は実施の形態８と同じである。
【０１５３】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１５４】
四方弁６１が図１５に示す第一位置にある場合、第四熱交換器５８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１５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を介して第四熱交換器５８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。
【０１５５】
一方、四方弁６１が図１６に示す第二位置にある場合、第四熱交換器５８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１６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を介して第四熱交換器５８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。
【０１５６】
この実施の形態においては、冷凍空調サイクル回路５０において、第二作動媒体の流路を切り替えて、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一循環路５０ａ及び屋内用熱交換器５４をコンデンサとして使用するための第二循環路５０ｂ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を冷房用屋内機、暖房用屋内機の何れにも使用可能となる。
【０１５７】
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１７はこの実施の形態に係るエネルギー変換システム１Ｊにおける暖房時のエネルギーフロー図である。同図は、図３，図１１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０．１５ｋＷの出力で駆動し、コンプレッサ５１を駆動させた場合を示している。この場合、ジェネレータ２２，２０の伝達効率をそれぞれ９０％とすると、ジェネレータ２２側の軸出力は０．６６ｋＷ、ジェネレータ２０側の軸出力は０．１３ｋＷとなり、ＣＯＰ＝４．３とした場合、合計約３．４ｋＷ（｛０．６６（ｋＷ）＋０．１３（ｋＷ）｝×４．３≒３．４（ｋＷ）となる。更に、図３，図１１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、このエネルギー変換システム１Ｊ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、このエネルギー変換システム１Ｆの総合効率は１３７．５％となる。
【０１５８】
即ち、この実施の形態においても、実施の形態１，６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１６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１５，図１６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。
【０１５９】
〔発明の実施の形態１１〕
図１８に、この発明の実施の形態を示す。
【０１６０】
この実施の形態のエネルギー変換システム１Ｋにおいては、ランキンサイクル回路１１において第五熱交換器６２が熱交換器１６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は熱交換器１６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１６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は第五熱交換器６２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五熱交換器６２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は熱交換器１６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は第五熱交換器６２の流出側に連結されている。
【０１６１】
第五熱交換器６２はコンデンサであり、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。熱交換器１６の流出側に連結された作動媒体導通管６３ｂと第五熱交換器６２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、熱交換器１６を通過する作動媒体の流量及び第五熱交換器６２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１０と同じである。
【０１６２】
次に、この実施の形態の作用について説明する。
【０１６３】
ランキンサイクル回路１１の作動媒体を熱交換器１６において熱交換する場合、熱交換器１６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１６に供給され、冷却媒体との熱交換により冷却される。一方、作動媒体を第五熱交換器６２において熱交換する場合、第五熱交換器６２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６２に供給され、周囲の空気との熱交換により冷却される。
【０１６４】
この実施の形態においては、ランキンサイクル回路１１の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６２が設けられたことにより、ランキンサイクル回路１１における作動媒体の冷却を冷却媒体との熱交換によらずに行なうことができる。また、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１６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６２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熱交換器１６及び第五熱交換器６２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。
【０１６５】
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熱交換器１６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や冷却媒体の温度よりも気温の方が低い場合には作動媒体が第五熱交換器６２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。
【０１６６】
上記各実施の形態のエネルギー変換システム１Ａ〜１Ｋ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。また、上記各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２０，２２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。
【０１６７】
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】
【０１６８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るエネルギー変換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エネルギー変換システムの概念図である。
【図３】同実施の形態に係るエネルギー変換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４】同実施の形態に係るエネルギー変換システムにおけるランキンサイクル回路が作動し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に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図６】同実施の形態に係るエネルギー変換システムの概念図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係るエネルギー変換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５に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態６に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１１】同実施の形態に係るエネルギー変換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１２】この発明の実施の形態７に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１３】この発明の実施の形態８に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１４】この発明の実施の形態９に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１５】この発明の実施の形態１０に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１６】同実施の形態に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１７】同実施の形態に係るエネルギー変換システムにおける暖房時のエネルギーフロー図である。
【図１８】この発明の実施の形態１１に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【図１９】従来例に係るエネルギー変換システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
【０１６９】
1A,1B,1C,1D,1E,1F,1G,1H,1I,1J,1K  エネルギー変換システム
11  ランキンサイクル回路
12  スターリングエンジン
13  加熱器
14  排熱回収器
15  膨張機
16  熱交換器
18d  加熱部
19,29  出力軸
20,22  ジェネレータ（回転機）
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,37e,37f,37g  冷却媒体導通管
37h  排熱回収部
40,59  回転調節部
42  冷却媒体導通管（第一の冷却媒体流路）
43  冷却媒体導通管（第二の冷却媒体流路）
44  冷却媒体流量調節弁
46a,46b,46c 冷却媒体導通管（外部流路）
48  流出量調節弁
50  冷凍空調サイクル回路
50a 第一循環路
50b 第二循環路
51  コンプレッサ
52  第三熱交換器
54  屋内用熱交換器（第二熱交換器）
56a 冷却媒体導通管（第三の冷却媒体流路）
56b 冷却媒体導通管（第四の冷却媒体流路）
57  冷却媒体流量調節弁（第二の冷却媒体流量調節弁）
58  第四熱交換器
61  四方弁
62  第五熱交換器
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
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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