(57)【要約】【課題】膨張空間に吹き出すガスの勢いを強くして膨張空間内の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】シリンダ４に、膨張空間８にガスを噴出する噴流機構を設けた。噴流機構は、膨張空間８に開口するガス流入口１６及びガス流出口１７を有する蓄圧空間１５を有し、蓄圧空間１５は、膨張空間８の方が圧力が高いときにガス流入口１６を通じてガスを受け入れ、膨張空間８の方が圧力が低くなったときにガス噴出口１７を通じてガスを噴出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとディスプレーサをそれぞれシリンダ内で動力源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を通じたガス流動により、前記ディスプレーサの一方の端面が面する膨張空間で吸熱し、前記ピストンの一方の端面が面する圧縮空間で放熱するスターリングサイクル装置において、前記シリンダに、前記膨張空間または前記圧縮空間にガスを噴出する噴流機構を設け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】
前記噴流機構は、前記膨張空間または前記圧縮空間に開口するガス流入口及びガス流出口を有する蓄圧空間を有し、前記蓄圧空間は、前記膨張空間または前記圧縮空間の方が圧力が高いときに前記ガス流入口を通じてガスを受け入れ、前記膨張空間または前記圧縮空間の方が圧力が低くなったときにガス噴出口を通じてガスを噴出する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】
前記膨張空間に内面が接して設けられた吸熱部材または前記圧縮空間に内面が接して設けられた放熱部材を有し、前記ガス噴出口を前記吸熱部材または前記放熱部材の内面に向かって突出したノズル形状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】
前記ガス噴出口は、噴出ガス流が前記吸熱部材または前記放熱部材の内面に対して略垂直になるように配置されたことを特徴とする請求項３に記載のスターリングサイクル装置。
【請求項５】
前記ガス流入口には、蓄圧空間外への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１〜４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６】
前記ガス噴出口には、前記蓄圧空間と前記膨張空間または前記圧縮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１〜５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ものである。
【背景技術】
【０００２】
外燃機関として知られ、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ガスの流れを乱す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（段落［００１７］、［００２４］、図１、２、３、６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された冷凍装置は、ディスプレーサの一端から取り込んだ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。また、この方法では圧縮空間での熱伝達促進を図ることができない。
【０００５】
本発明はこの点に鑑みなされたものであり、膨張空間または圧縮空間に吹き出すガスの勢いを強くして膨張空間または圧縮空間内の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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明は、ピストンとディスプレーサをそれぞれシリンダ内で動力源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を通じたガス流動により、前記ディスプレーサの一方の端面が面する膨張空間で吸熱し、前記ピストンの一方の端面が面する圧縮空間で放熱するスターリングサイクル装置において、前記シリンダに、前記膨張空間または前記圧縮空間にガスを噴出する噴流機構を設けたことを特徴としている。
【０００７】
この構成によると、噴流機構をシリンダに設けているので、主流路に流路抵抗を作ることなく、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。
【０００８】
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、前記噴流機構は、前記膨張空間または前記圧縮空間に開口するガス流入口及びガス流出口を有する蓄圧空間を有し、前記蓄圧空間は、前記膨張空間または前記圧縮空間の方が圧力が高いときに前記ガス流入口を通じてガスを受け入れ、前記膨張空間または前記圧縮空間の方が圧力が低くなったときにガス噴出口を通じてガスを噴出することを特徴としている。
【０００９】
この構成によると、蓄圧空間に取り込んだガスが膨張空間または圧縮空間のガスを効果的に撹拌することができ、より高い機関効率を得ることができる。
【００１０】
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、前記膨張空間に内面が接して設けられた吸熱部材または前記圧縮空間に内面が接して設けられた放熱部材を有し、前記ガス噴出口を前記吸熱部材または前記放熱部材の内面に向かって突出したノズル形状としたことを特徴としている。
【００１１】
この構成によると、蓄圧空間に取り込んだガスがノズルによりさらに吸熱部材または放熱部材に近づけるため、吸熱部材または放熱部材近傍の熱伝達率を促進し、より高い機関効率を得ることができる。
【００１２】
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、前記ガス噴出口は、噴出ガス流が前記吸熱部材または前記放熱部材の内面に対して略垂直になるように配置されたことを特徴としている。
【００１３】
この構成によるとガスの噴出が外部との熱交換を行う吸熱部材または前記放熱部材の内面に対して略垂直となるため、膨張空間または圧縮空間のガスを撹拌するだけでなく、噴流の高速流れを確実に部材に衝突させることができるので、放熱部材または吸熱部材の内面近傍にあるガスを効果的に乱して、放熱部材または吸熱部材の近傍の熱伝達率向上が図れる。
【００１４】
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、前記ガス流入口には、蓄圧空間外への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。
【００１５】
この構成によると、蓄圧空間に取り込まれるガスの逆流を阻止し、蓄圧空間の圧力が、作動空間に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。
【００１６】
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、前記ガス噴出口には、前記蓄圧空間と前記膨張空間または前記圧縮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。
【００１７】
この構成によると、蓄圧空間の圧力に比べ作動空間の圧力が少しでも下がったら作動空間にガスを出すというのでなく、蓄圧空間と作動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ガスを噴出させるものであるから、噴出する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、ガス噴出口からのガスの漏洩が問題にならなくなるので、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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、シリンダに取り込んだガスを即座に吹き出すのでなく、シリンダ内の蓄圧空間に、膨張空間または圧縮空間の方が圧力が高いときにガスを取り込み、そのガスを、膨張空間または圧縮空間の方が圧力が低くなったときに膨張空間または圧縮空間に噴出させるものであるから、吹き出すガスの勢いを強め、膨張空間または圧縮空間内の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】
【００１９】
本発明の第１実施形態を図１から図４までの図面に基づき説明する。図１は第１実施形態に係るスターリングサイクル装置の断面図、図２は同スターリングサイクル装置の部分拡大断面図、図３は同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は逆スターリングサイクルのＰＶ線図である。
【００２０】
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はその軸線が互いに直角をなしている。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内の圧縮空間７と第２シリンダ４内の膨張空間８はガス管路９により連通せしめられる。圧縮空間７、膨張空間８、及びガス管路９内の空間は総称して「作動空間」と呼ばれる。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６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。
【００２１】
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内で、ディスプレーサ６は第２シリンダ４内で、相互に所定の位相差をもって往復運動する。これによりガスは、圧縮空間７と膨張空間８の間を移動する。
【００２２】
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は逆スターリングサイクルと呼ばれる既知の熱力学的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。
【００２３】
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のガスは膨張過程（３→４）で低圧となり、第２シリンダ４の内部で吸熱を行い、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（吸熱部材）４ａとして機能し、吸熱ヘッド４ａより冷熱を取り出すことにより、スターリングサイクル装置１Ａは冷凍機としての用途に使用できる。膨張空間８のガスは等容過程（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。
【００２４】
続いて、本発明の特徴である蓄圧空間につき説明する。膨張空間８側の第２シリンダ４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ガス流入口１６と、複数の小径貫通孔からなるガス噴出口１７が形成されている。ガス流入口１６の内側には、蓄圧空間１５内の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。
【００２５】
図２は圧縮過程におけるガスの挙動を示す吸熱ヘッド周辺のスターリングサイクル装置の部分拡大断面図である。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、ガス流入口１６を通じてガスが、一方向弁１８を押し開いて蓄圧空間１５に流入する。このときガス噴出口１７からも僅かではあるがガスが蓄圧空間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。
【００２６】
図３は膨張過程におけるガスの挙動を示す吸熱ヘッド周辺のスターリングサイクル装置の部分拡大断面図である。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。ガス流入口１６には一方向弁１８があるのでここからガスが流出することはない。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ガス噴出口１７を通じてのガスの噴出はない。
【００２７】
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内のガスがガス噴出口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、ガスは膨張空間８内に噴流を形成し、膨張空間８のガスの温度を均一化し、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、膨張空間８の方が圧力が高いときに蓄圧空間１５に受け入れたガスを、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、吹き出すガスの勢いが強くなり、膨張空間８内の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。
【００２８】
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。また、第１実施形態は吸熱側の第２シリンダに蓄圧空間を設けたが、放熱側の第１シリンダに同様の蓄圧空間を設けても放熱ヘッド（放熱部材）近傍のガスの熱伝達を促進することができる。さらに、吸熱ヘッド側と放熱ヘッド側の両方に取り付けることでさらに機関効率向上を図ることができる。さらに、この例では冷凍機のスターリングサイクル装置に用いたが、発動機のスターリングサイクル装置でも同様の効果が得られる。
【００２９】
本発明の第２実施形態を図５及び図６に基づき説明する。図５は第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は同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。
【００３０】
第２実施形態はシリンダの構造を第１実施形態から変化させたものである。すなわち第２実施形態のシリンダは、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。
【００３１】
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内のガスがガス噴出口１７から噴出するので、噴出する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、ガス噴出口１７からのガスの漏洩が問題にならなくなるので、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。
【００３２】
本発明の第３実施形態を図７、図８に基づき説明する。図７は第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は同スターリングサイクル装置のシリンダ噴流機構部の平面図である。
【００３３】
スターリングサイクル装置１Ｂ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１Ｂはフリーピストンタイプであって、第１、第２シリンダ３０、３１が組立の中心をなす。第１、第２シリンダ３０、３１の軸線は同一直線上に並ぶ。第１シリンダ３０にはピストン３２が挿入され、第２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１Ｂの運転中、ガスベアリングの仕組みにより第１、第２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。
【００３４】
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。
【００３５】
第１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、第１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。
【００３６】
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。
【００３７】
第２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（放熱部材）６０と低温側伝熱ヘッド（吸熱部材）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１Ｂの外殻の一部を構成する。
【００３８】
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。
【００３９】
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を介在させた形で第２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には第１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、第１シリンダ３０、及びピストン３２を包む。圧力容器７０の内部の第１シリンダ３０の外周側の空間は背圧空間７１となる。
【００４０】
高温側伝熱ヘッド６０、第１、第２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、第２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。
【００４１】
ディスプレーサ３３を収容した第２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、再生器６７が配置される。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、これをガスの通り道としている。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。
【００４２】
第２シリンダ３１の内部は蓄圧空間８０となる。蓄圧空間８０の膨張空間６６に面する側にはガス流入口８１及び一方向弁８２、ガス噴出口８３が設けられている。ガス流入口８１、一方向弁８２、及びガス噴出口８３の構造は第１実施形態のガス流入口１６、一方向弁１８、及びガス噴出口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。
【００４３】
スターリングサイクル装置１Ｂ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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
運転中に圧縮空間６５と膨張空間６６の間を移動するガスは、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１Ｂは冷凍機関としての機能を果たす。
【００４８】
再生器６７は、圧縮空間６５と膨張空間６６の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ガスを通す働きをする。
【００４９】
圧縮空間６５から高温側内部熱交換器６２を経て再生器６７に入った高温のガスは、再生器６７を通過するときにその顕熱を再生器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。膨張空間６６から低温側内部熱交換器６３を冷却した後、再生器６７に入った低温のガスは、再生器６７を通過するときに再生器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。
【００５０】
スターリングサイクル装置１Ｂ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、ガス流入口８１からガスが、一方向弁８２を押し開いて蓄圧空間８０に流入する。図８には、第２シリンダ３１の噴流機構のガスの出入り部分を示している。第２シリンダ３１の端面にガス流入口８１とガス噴流口８３が図のように配置されている。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。ガス噴出口８３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ガス噴出口８３を通じてのガスの噴出はない。
【００５１】
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内のガスがガス噴出口８３から噴出する。噴出は膨張空間６６と蓄圧空間８０の圧力差がガス噴出口８３の流路抵抗より低くなるまで続く。噴出している間、ガスは膨張空間６６内に噴流を形成し、膨張空間６６のガスの温度を均一化し、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。
【００５２】
圧縮過程で作動空間の圧力が高いときに蓄圧空間８０に受け入れたガスを、膨張過程で作動空間の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、吹き出すガスの勢いが強くなり、膨張空間６６内の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、ガス噴出口８３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。
【００５３】
本発明の第４実施形態を図９に基づき説明する。第４実施形態はガス噴流口の構造を第３実施形態から変化させたものである。すなわちガス噴流口９０をノズル状に伸ばして、低温側伝熱ヘッド６１の吸熱面に近づけ、さらに吸熱面と略垂直となるようにガス噴流口９０に角度をつけた構造である。この構造により噴流は第３実施形態と同様の動作で実現され、さらにそれが伝熱ヘッド面に確実に当てることができるため、膨張空間のガス撹拌だけでなく、伝熱ヘッド面近傍のガスを直接動かして熱伝達率を促進させるため、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。
【００５４】
以上、実施の形態を冷凍機で説明してきたが、この技術は冷凍機に限るものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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】
【００５６】
【図１】第１実施形態に係るスターリングサイクル装置の断面図
【図２】同スターリングサイクル装置の部分拡大断面図
【図３】同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】逆スターリングサイクルの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】同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】同スターリングサイクル装置のシリンダ噴流機構部の平面図
【図９】第４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
【符号の説明】
【００５７】
１Ａ、１Ｂ  スターリングサイクル装置
２    クランク室
３、３０    第１シリンダ
４、３１    第２シリンダ
４ａ  吸熱ヘッド（吸熱部材）
５、３２    ピストン
６、３３    ディスプレーサ
７、６５    圧縮空間
８、６６    膨張空間
９    ガス管路
１０  放熱器
１１、６７  再生器
１５、８０  蓄圧空間
１６、８１  ガス流入口
１７、８３  ガス噴出口
１８、１９、８２  一方向弁
６０  高温側伝熱ヘッド（放熱部材）
６１  低温側伝熱ヘッド（吸熱部材）
９０  ノズル形状のガス噴流口
【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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