JPH06123510A

JPH06123510A - 弁つきスターリングサイクル機器

Info

Publication number: JPH06123510A
Application number: JP27183292A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Otomo; 充弘大友; Naoji Isshiki; 尚次一色
Original assignee: Tohoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Tohoku Electric Power Co Inc
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1994-05-06
Anticipated expiration: 2010-08-02
Also published as: JPH0772652B2

Abstract

(57)【要約】【目的】スターリングサイクル機器の出力を増大す
る。【構成】スターリングサイクル機器において、その作
動ガスが断熱膨張や断熱圧縮を行う作動空間１５を、弁
（ＢＣＶ）１２，１３を介してその外部の区画であるク
ランク室空間１９と接続し、作動空間１５内のガスの膨
張サイクルの途中で所定のタイミングにおいて前記弁を
短時間開いて前記クランク室空間１９へのガスの放出を
行い、該作動空間１５の圧縮サイクルの途中で所定のタ
イミングで前記弁（ＢＣＶ）１２，１３を短時間開いて
前記クランク室空間１９から作動空間１５へのガスの注
入を行なうように構成した【効果】作動空間のガスのＰ〜Ｖ線図の閉曲線内の面
積が増加し、シリンダ容積を増加することなく出力を増
加することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多種燃料・多種熱源の
スターリングエンジン及びフロンを使用しないスターリ
ング冷凍機及びヴィルミエ冷凍機、ＧＭサイクルクライ
オクーラ等、スターリングサイクルを含む各種熱機関に
関する。

【０００２】

【従来の技術】スターリングサイクル機器のうち、スタ
ーリングエンジンは最近十数年のうちに国家プロジェク
トを含む多くの研究開発が続けられているが、まだ複雑
高価格のため必ずしも実用に至っていない。

【０００３】一方、広義のスターリングサイクル冷凍機
はその一種であるヴィルミエ冷凍機を含めて、フロン類
を使用しない点で最近大いに注目を浴び、多くの研究が
なされているが、まだ重量、価格の点で極低温クライオ
クーラを除いて実用に至っていない。またクライオクー
ラはＣＯＰがまだ低い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなスターリ
ングサイクル機器は、エンジンにおいても冷凍機器にお
いても多くの問題を残しているが、特にその重量あたり
の出力とＣＯＰにおいて在来のエンジンや冷凍機より劣
っている。

【０００５】本発明の課題は、サイクルを改善してその
出力もしくは冷却能力を上昇させるにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するために、従来のスターリングサイクル機器におい
て、その作動ガスが断熱膨張や断熱圧縮を行う作動空間
を、弁を介してその外部の区画と接続し、作動空間内の
ガスの膨張サイクルの途中で所定の時間前記弁を開いて
前記外部の区画へのガスの放出を行い、圧縮サイクルの
途中で所定の時間前記弁を開いて前記外部の区画から作
動空間へのガスの注入を行なうように構成したものであ
る。外部の区画としては、当該スターリングサイクル機
器のシリンダに結合されたクランク室、当該スターリン
グサイクル機器の当該シリンダと位相を異にして動作す
る他のシリンダの作動空間、高圧の作動ガスを供給する
手段と作動空間の作動ガスを吸引する手段を備えた装
置、あるいはそれらの組合せが採用可能である。作動空
間からガスが放出される区画と、作動空間にガスを供給
する区画は必ずしも同一でなくてもよく、たとえば、作
動空間からガスが放出される区画が大気中であってもよ
い。

【０００７】

【作用】図１及び図２によって本発明の作用原理を説明
する。図１は、スターリングサイクル機器（ヴィルミエ
機器を含む）の任意の一つの対象とする作動空間の圧力
〜容積（Ｐ〜Ｖ）線図を示す。図２は、図１の作動空間
の容積変化を与えるクランクのクランク角の対応する位
置を示す図面である。

【０００８】従来の原動機としての出力や冷熱を生じて
いるスターリングサイクルやヴィルミエ機器の任意の対
象作動空間のＰ〜Ｖ線図は、図１の点１，２，３，４を
通る楕円５のような平均圧力Ｐｍをはさむ楕円形状をな
す。

【０００９】ここで点１は図２のクランクＲの上死点
（ＴＤ）、点３はその下死点（ＢＤ）、２，４は中央点
（Ｍ₁，Ｍ₂）に対応する。

【００１０】さて本発明は、作動空間の膨張サイクルで
このクランクＲが中央点Ｍ₁を過ぎ、かつ作動空間内の
ガスの圧力が平均圧力Ｐｍより高いＢ点の位置のタイミ
ングで、該作動空間内のガスを弁（Ｂleed and Ｃhar
ge Ｖalve 以下ＢＣＶという）を開いて外部の区画に
急速に放出（Ｂleed）して作動空間のガス圧力をＰｍま
で下げ、又Ｂ点とクランク軸芯Ｏを挟んでほぼ１８０度
の対称の位置にあり、かつ作動空間内のガスの圧力がＰ
ｍより低い圧縮サイクル中のクランク位置Ｃ点のタイミ
ングにおいて、ＢＣＶを開いて外部の区画から逆に作動
空間内にガスを急速に注入（Ｃharge）して、作動空間
のガス圧力をＰｍまで上げる動作を繰り返させるもので
ある。そのときの作動空間内のガスの示すＰ〜Ｖ線図
は、ガスの放出と注入継続時間が充分短いときは図１の
点１’，２’，Ｂ₁，Ｂ₂，３’，４’，Ｃ₁，Ｃ₂，１’
で示されるようなＺ形折線楕円６となる。

【００１１】これはクランク位置Ｂ点において作動空間
内のガスが放出されて、作動空間内のガス重量が通常の
場合より減少するので、３’，４’，Ｃ₁の圧縮側で低
圧側の圧力が通常の場合の３，４，１より低くなり、ま
た膨脹側ではガスの注入によって、作動空間内のガス重
量が通常より増すので、高圧側１’，２’，Ｂ₁の圧力
が通常の１，２より高くなるからである。

【００１２】Ｐ〜Ｖ線図が描く閉曲線の内部の面積が、
スターリングエンジンの場合はその出力を、スターリン
グ冷凍機やヴィルミエ冷凍機の場合はその冷凍能力を、
それぞれ表す。このようにＢＣＶによる作動空間内のガ
スの放出と注入によって、作動空間のガスのＰ〜Ｖ線図
がその形状を変え、面積を増大させることによって、ス
ターリングエンジンの場合はその出力が増し、スターリ
ング冷凍機やヴィルミエ冷凍機の場合はその冷凍能力が
増加する。

【００１３】なお、ガスの放出と注入に若干長い継続時
間を要するときはＰ〜Ｖ線図はＢ₁，Ｂ₂及びＣ₁，Ｃ₂を
それぞれ結ぶ線が、図上で垂直でなくなり角がとれて点
線７，８に示すように斜めとなる。計算によれば、作動
ガスが水素やヘリウムのような軽いガスの場合は、どの
ようなスターリングサイクル機器においても、ＢＣＶの
弁がシリンダ直径の約１５％前後の弁直径を有し、かつ
その継続時間がクランク角の約３０度以内であれば十分
にＢＣＶの目的を達することがわかっている。作動ガス
として空気が用いられるときは、ＢＣＶの径をもっと大
きくすればよい。

【００１４】

【実施例】上に述べたように、作動ガスの放出・注入を
行なうことが本発明の根本原理であるが、具体的にはＢ
ＣＶには多くの方法や変化があるので、その主要なもの
を実施例によって説明する。

【００１５】図３はγ形・スターリングエンジンにピス
トン弁ＢＣＶを設けた本発明の第１の実施例である。図
に示すγ形・スターリングエンジンは、主シリンダー９
と、該主シリンダー９に内挿されたディスプレーサーピ
ストンＤＰと、主シリンダー９の前記ディスプレーサー
ピストンＤＰよりもクランク軸側に前記ディスプレーサ
ーピストンＤＰとの間に作動空間１５をへだてて内挿さ
れたパワーピストンＰＰと、前記主シリンダー９に接続
して形成された密閉区域であるクランク室空間１９と、
該クランク室空間１９内に配置されたクランク軸と、該
クランク軸と前記ディスプレーサーピストンＤＰをＤＰ
駆動用クランクピン１１を介して結合するコンロッド１
１Ａと、クランク軸と前記パワーピストンＰＰとをＰＰ
駆動用クランクピン１０を介して結合するコンロッド１
０Ａと、前記クランク室空間１９に接続して形成された
ＢＣＶシリンダ１２と、該ＢＣＶシリンダ１２内に摺動
可能に配置された中空円筒状の弁用中空ピストン１３
と、該弁用中空ピストン１３のほぼ中央部に半径方向に
形成され該弁用中空ピストン１３の外面と中空部を連通
する弁孔１４と、前記弁用中空ピストン１３とクランク
軸を前記ＰＰ駆動用クランクピン１０と同軸上に配置さ
れたクランクピンを介して結合するコンロッド１３Ａ
と、ディスプレーサーピストンＤＰで仕切られた主シリ
ンダ９末端部の区画をヒータＨ，熱再生器ＲＧ及びクー
ラＣＬを介して接続する連絡管１７Ａと、作動空間１５
を構成する主シリンダ９の壁に形成された側孔１６と、
ＢＣＶシリンダ１２の中央部壁面に形成された側孔１８
と、該側孔１８と前記側孔１６とを接続する連絡管１７
Ｂとを含んで構成されている。

【００１６】作動ガスとしては、ヘリウム，水素，空気
などを使用できるが、作動ガスを大気に放出する場合の
ことを考慮すると、空気が適当である。

【００１７】ＢＣＶシリンダ１２，弁用中空ピストン１
３及び該ピストン１３を駆動するコンロッド１３Ａとを
含んでガス放出注入弁機構（Ｂleed and Ｃharge Ｖ
alve以下ＢＣＶという）が構成されている。弁用中空ピ
ストン１３の中空部は前記クランク室空間１９に連通さ
れている。側孔１８は、弁用中空ピストン１３が行程の
中央部付近にあるとき、弁用中空ピストン１３に形成さ
れた弁孔１４に対抗する位置に配置されている。図３に
示す例では、ＰＰ駆動用クランクピン１０が、クランク
軸芯を通りＢＣＶシリンダ１２の軸芯線に垂直な直線Ｂ
−Ｃ上にあるときに、側孔１８の位置と弁孔１４の位置
が一致し、作動空間１５とクランク室空間１９が、弁孔
１４，側孔１８，連絡管１７Ｂ及び側孔１６を経て接続
される。またＰＰ駆動用クランクピン１０はＤＰ駆動用
クランクピン１１に対し、クランク角度がほぼ９０度遅
れた位置に配置されている。

【００１８】クランクピン１０が直線Ｂ−Ｃ上にあると
き（クランク角度がＢ及びＣのとき）はＰＰの膨脹行程
及び圧縮行程の後半中央付近にあって、図１のＢ₁，Ｂ₂
点及びＣ₁，Ｃ₂点と一致するので、作動空間内部のガス
の所期の放出注入が生じ、作動空間内部のガスのＰ〜Ｖ
線図の拡大が起ってＢＣＶがないときに比べて出力が増
大する。

【００１９】また、弁孔１４と側孔１８の位置が一致す
るタイミング、つまり、作動空間１５とクランク室空間
１９を連通するタイミングを調整できるように、例え
ば、弁用中空ピストン１３のピストンピンを支持してい
るブラケット１３Ｂと弁用中空ピストン１３とをねじで
結合し、ねじこみ長さを調節できるようにしてもよい。
タイミングを調整するには、その他に、ピストンピンが
嵌合する孔を軸方向に長い孔とし、所望の位置でピスト
ンピンを固定するようにすることも可能である。

【００２０】また、本実施例では、クランク室空間を作
動ガスの放出先あるいは供給元として利用しているが、
かならずしもクランク室空間でなく、他の密閉された空
間でもよいことは明らかであり、その場合はＢＣＶシリ
ンダ１２及び弁用中空ピストン１３の形状を変えて、側
孔１８と弁孔１４が一致したとき、作動空間１５と他の
密閉された空間が連通されるようにすればよい。もちろ
ん、クランク室空間と他の密閉された空間を併用するこ
とも可能である。

【００２１】また、連絡管１７ＡのヒータＨと熱再生器
ＲＧの間に分岐管を設け、該分岐管と連絡管１７Ｂを接
続し、連絡管１７Ｂに熱再生器ＲＧとクーラＣＬを介装
してもよい。この場合は、連絡管１７Ｂと作動空間１５
の接続は行われない。

【００２２】図４は本発明の第２の実施例を示し、γ型
スターリングエンジンに対して電磁弁ＢＣＶを使用する
場合の例である。図における各種の記号及び２０までの
番号の部品は図１〜図３と同じである。図示のスターリ
ングエンジンは、ディスプレーサピストンＤＰを収容す
る主シリンダ９に対してＶ形をなす副シリンダ９Ａがク
ランク室に接続して設けられ、副シリンダ９Ａにパワー
ピストンＰＰが収容されている。パワーピストンＰＰの
コンロッドとクランク軸を結合するクランクピンは、デ
ィスプレーサピストンＤＰのコンロッドとクランク軸を
結合するクランクピン１０と同軸に配置されている。ヒ
ータＨ，熱再生器ＲＧ及びクーラＣＬを介装した連絡管
１７ＡはディスプレーサピストンＤＰの上下の区画を連
通し、副シリンダ９Ａの頭部側のパワーピストンＰＰで
区切られた作動空間１５は、主シリンダ９のディスプレ
ーサピストンＤＰの下の区画と、連絡管２００で連通さ
れている。作動空間１５を形成する副シリンダ９Ａの頭
部壁面には側孔１６が配置され、該側孔１６とクランク
室空間は電磁弁２０を介装した連絡管１７Ｂで連通され
ている。

【００２３】本実施例においては、作動空間１５とクラ
ンク室空間１９とを結ぶ連絡管１７Ｂには、電磁弁２０
が設けられ、クランク室１９の中にはクランクピンのク
ランク角度がＢ及びＣのときに通電するようにしたスイ
ッチ接点２１，２２が設けられている。クランクピンの
ヘッド２３がそれらスイッチ接点２１，２２に接触する
と、所定の時間、電磁弁２０は開弁するように構成され
ている。すなわち、クランク軸が回転して図の状態にな
ったとき、スイッチ接点２１が閉じられて電磁弁２０が
所定の時間開き、クランク室空間１９と作動空間１５と
が連通され、作動空間１５内のガスが電磁弁を経てクラ
ンク室空間１９に放出される。クランク軸がさらに１８
０度回転してクランクピンのヘッド２３がＢ，Ｃを結ぶ
線上に来ると、今度はスイッチ接点２２が閉じられ、電
磁弁２０が再び開く。この段階では、先程とは逆に、ク
ランク室空間１９内のガスが作動空間１５に注入され、
作動空間１５の圧力が増加する。また、電磁弁２０の励
磁コイルと接点２２は開弁遅延装置兼電源スイッチ２０
Ａ及び電源を介して接続されており、スイッチ接点の閉
じた時から電磁弁２０が開くまでの時間を任意に遅らせ
ることが可能としてある。また、開弁遅延装置兼電源ス
イッチ２０Ａは、機器の使用目的や性能により、ＢＣＶ
の作動を任意の時点で停止あるいは起動させるためにも
使用される。

【００２４】図５は本発明の第３の実施例を示し、α形
ブルマイヤサイクル冷凍器にロータリー弁によるＢＣＶ
を適用した例である。図６は図５の機器のクランクとＢ
ＣＶ付近のVI−VI線矢視断面図を示す。

【００２５】図に示す装置は、クランク軸３２を収容す
るクランク室空間３２と、該クランク室空間３２に接続
して配置され互いにほぼ９０度の角度をなす二つのディ
スプレーサシリンダ２４，２５と、ディスプレーサシリ
ンダ２４，２５にそれぞれ内装されたディスプレーサ・
ピストンＤＰ１，ＤＰ２と、ディスプレーサーシリンダ
ー２４のディスプレーサ・ピストンＤＰ１で分けられた
上下の区画を連通するヒータＨ，熱再生器ＲＧ及びクー
ラＣＬを介装した連絡管２４Ａと、ディスプレーサーシ
リンダー２５のディスプレーサ・ピストンＤＰ２で分け
られた上下の区画を連通する冷却用熱変換機ＣＣ，熱再
生器ＲＧ及びクーラＣＬを介装した連絡管２５Ａと、デ
ィスプレーサシリンダ２４，２５それぞれのピストン下
方の空間を連通する連絡管２９と、この連絡管２９に分
岐して設けられ先端をクランク室空間１９内に位置させ
た側枝管３０と、前記クランク軸と同心状に配置され該
クランク軸３２とともに回転する円筒状のロータ３３
と、該ロータ３３の壁面に半径方向に互いに対向する位
置に開けられた開孔３５，３６と、前記側枝管３０の先
端に該側枝管３０の軸線方向に摺動可能に配置され、そ
の先端面が前記ロータ３３の外周面３４に当接している
孔あき滑動子３１と、該孔あき滑動子３１をロータ３３
の外周面３４方向に付勢しているコイルばね３０Ａと、
を含んで構成されている。孔あき滑動子３１には側枝管
３０の内径とほぼ同じ径の孔が該側枝管と同軸上に設け
られている。

【００２６】上記構成の装置においては、ディスプレー
サシリンダ２５のディスプレーサ・ピストンＤＰ２の上
側（図上、ディスプレーサ・ピストンＤＰ２の右側）区
画２８が冷却空間となり、クランクアーム２７の矢印方
向の回転に伴う区画２８内での断熱膨張により作動ガス
が冷却される。冷却された作動ガスが冷却用熱変換機Ｃ
Ｃを通過する際に、作動ガスの冷熱が取り出され、冷熱
負荷に供給される。

【００２７】本実施例では、ロータ３３と孔あき滑動子
３１とコイルばね３０Ａと側枝管３０とがＢＣＶを構成
し、クランク軸とともに回転するロータ３３の外周面
を、コイルばね３０Ａにより押しつけられた孔あき滑動
子３１が摺動する。そして、孔あき滑動子３１の位置に
ロータ３３の開孔３５，３６がきたとき、クランク室空
間１９とディスプレーサシリンダ２４，２５それぞれの
ピストン下方の空間とが、孔あき滑動子３１，側枝管３
０を介して連通され、作動ガスの放出あるいは注入が行
われる。

【００２８】本実施例では、とくに冷却空間２８のＰ〜
Ｖ線図に対して最も効果を生ずるクランク角位置（容積
最大位置と容積最小位置の中間位置と圧力が平均圧力Ｐ
mになる位置の中間部付近）にてＢＣＶが開孔するよう
に開孔３５，３６の位置が定められる。

【００２９】図７は本発明の第４の実施例を示し、互い
に１８０度位相を異にして運動する二組のγ型スターリ
ングエンジンによって構成された二気筒スターリングエ
ンジンにおいて、カム形式のＢＣＶ弁を適用した例であ
る。図８は図７のVIII−VIII線矢視断面図である。また
図９はこの時の作動空間４１，４２のＰ〜Ｖ線図を示
す。

【００３０】図示の装置は、クランク室空間１１９を形
成するクランクケース１１９Ａと、該クランクケース１
１９Ａに内装された主軸４６と、該クランクケース１１
９Ａに結合された二つのシリンダ３７，３８と、シリン
ダ３７に内装され前記クランク軸４６にクランク機構３
９により結合されたディスプレーサピストンＤＰ１及び
パワーピストンＰＰ１と、シリンダ３８に内装され前記
主軸４６にクランク機構４０により結合されたディスプ
レーサピストンＤＰ２及びパワーピストンＰＰ２と、デ
ィスプレーサピストンＤＰ１とパワーピストンＰＰ１の
間の作動空間４１を構成するシリンダ３７の壁面に設け
られた側管４３と、ディスプレーサピストンＤＰ２とパ
ワーピストンＰＰ２の間の作動空間４２を構成するシリ
ンダ３７の壁面に設けられた側管４４と、該側管４４と
前記側管４３を接続する連通弁４５と、該連通弁４５の
弁体に結合された連結棒４５Ａと、前記主軸４６に設け
られた円板カム４７と、該円板カム４７の円周上に互い
に１８０度離れた位置に形成された突起４８，４９と、
前記連結棒４５Ａの先端に装着され前記円板カム４７の
円周面に当接して回転するカム作動輪５０と、シリンダ
３７のディスプレーサ・ピストンＤＰ１で分けられた上
下の区画を連通するヒータＨ，熱再生器ＲＧ及びクーラ
ＣＬを介装した連絡管３７Ａと、シリンダ３８のディス
プレーサ・ピストンＤＰ２で分けられた上下の区画を連
通するヒータＨ，熱再生器ＲＧ及びクーラＣＬを介装し
た連絡管３８Ａと、を含んで構成されている。

【００３１】左右のシリンダー３７，３８の中に図のよ
うに納められているＤＰ１，ＤＰ２，とそれぞれのＰＰ
であるＰＰ１，ＰＰ２は１８０度位相の異なるクランク
機構３９，４０によってそれぞれ互いに対称的に運動し
ている。また、回転する前記円板カム４７，突起４８，
４９，カム作動輪５０，連結棒４５Ａ及び連通弁４５に
よりＢＣＶが形成されている。

【００３２】連通弁４５は、主軸４６とともに回転する
円板カム４７にある突起４８，４９がカム作動輪５０を
半径方向に動かすことによって短期間開弁する。その開
弁時期及び長さはそれぞれのシリンダーに適した時期に
設定されている。一方の作動空間（例えば４１）より放
出されたガスは他方の作動空間（例えば４２）に注入さ
れ、他方より放出されるガスは一方へ注入され、交互に
それをくり返すので二つのシリンダー以外に特別のタン
クや空間やクランク室を必要としないために、ＢＣＶシ
ステムは他めて簡単となる。

【００３３】図９にこのさいのＰ〜Ｖ線図を示す。シリ
ンダー３７の作動空間４１の内部圧力Ｐと全容積のＰ〜
Ｖ線図を実線５１で示すと、それと同じ時期における他
方のシリンダー３８の圧力Ｐ〜Ｖ線図は破線５２のよう
になり、この際のそれぞれのＰ〜Ｖ線図で囲まれた部分
の面積はＢＣＶを持たないときにくらべて、いずれも数
１０％大きくなることは明らかである。

【００３４】図のように二つのシリンダー内作動空間４
１，４２が１８０度位相が異なる動きをしているとき
は、それぞれの作動空間のＢＣＶの放出点Ｂ₁，Ｃ₂’
は、丁度他のシリンダーの作動空間の注入点Ｂ₁’，Ｃ₁
に対応する。いずれも平均圧力Ｐｍを挟んで上下にはな
れているので、その圧力差は図６までのシステムより大
きくなり、かつＢＣＶ機構も簡単となる。

【００３５】図１０は本発明の第５の実施例を示し、４
個のシリンダーをもつリネヤ型スターリングエンジンに
本発明を適用した例の側面断面図である。図１１はその
部分断面を上方より見た断面図である。

【００３６】本実施例においては、主軸５９の周囲に、
該主軸と軸線を平行にして、シリンダー５３，５４，５
５，５６がリング状に９０度ずつ位相を異にして配置さ
れ、それらシリンダの中に、それぞれピストン５７，５
８等が納められている。それらのピストンは主軸５９に
設けられた傾斜板６０の回転によって上下される。主軸
５９の図上上方に更にＢＣＶ用ロータリー弁６１が設け
られていて、その弁箱６１Ａには４個のシリンダー５
３，５４，５５，５６の各下方作動空間より各１個の連
通管６３，６４，６５，６６が通じている。この弁箱内
で前記主軸５９の軸線を中心として主軸とともに回転す
る弁体６１Ｂには前記主軸と垂直の方向に一個の連通孔
６２が明けられている。連通管６３，６４，６５，６６
は弁箱６１Ａの円周上でそれぞれ互いにほぼ９０度づつ
位置がずれており、前記連通孔６２は、連通管６３と６
５もしくは連通管６４と６６を連通することが可能なよ
うになっている。

【００３７】このように設けてあると、斜板６０とロー
タリー弁６１が回転するとともに、１８０度対向するシ
リンダー５３と５５，５４と５６が交互に短時間連通す
るようになり、その時期がそれぞれの空間の最適ＢＣＶ
の時期となるようにロータリー弁の位相と斜板の傾斜方
向をきめておけば、その作用と効果はさきの図７の配置
と全く同様になる。

【００３８】図１２は本発明の第６の実施例を示すもの
で、α型スターリングサイクル冷凍機に対して電磁弁式
ＢＣＶを適用したものである。図１３は本実施例の冷凍
シリンダー内のＰ〜Ｖ線図を示す。

【００３９】図示の装置は、矢印８１の方向に回転する
主軸４６を収容するクランクケース４６Ａと、該クラン
クケースに互いにほぼ９０度の角度をなして結合された
冷凍シリンダー６７及び高温（被冷却）シリンダー６８
と、冷却用熱変換機ＣＣ，熱再生器ＲＧ及びクーラＣＬ
を介装し冷凍シリンダー６７のピストン上側の空間６７
Ａと高温（被冷却）シリンダー６８のピストン上側の空
間６８Ａを相互に接続する連絡管２５Ａと、高温シリン
ダー６８のピストン上側空間６８Ａとクランク室内空間
を一次注入放出用電磁弁７４を介して連通する連絡管１
７Ｂと、内部にコンプレッサー７８を納め高圧ＰＨをも
ってガスを吐出する高圧予圧孔７９及び低圧ＰＬをもっ
てガスを吸入する低圧吸入孔８０を有する作動ガス補給
吸入装置７７と、前記ピストン上側空間６８Ａと高圧予
圧孔７９とを二次注入用電磁弁７６を介して連通する連
絡管１７Ｃと、前記ピストン上側空間６８Ａと低圧吸入
孔８０とを二次放出用電磁弁７５を介して連通する連絡
管１７Ｄと、前記主軸４６に結合された主クランク４６
Ｂと、該主クランク４６Ｂの先端に装着されクランクケ
ース４６Ａの内面に沿って回転するコンタクトローラ６
９と、クランクケース４６Ａ内面のコンタクトローラ６
９の回転経路上に配置された電磁弁用接点７０，７１，
７２，７３及び７４とを含んで構成されている。

【００４０】接点７０は一次放出用の電磁弁の接点、接
点７１は二次放出用の電磁弁の接点、接点７２は一次注
入用の電磁弁の接点、接点７３は二次注入用の電磁弁の
接点である。

【００４１】上記の装置は次のように動作する。主クラ
ンク４６Ｂが矢印８１の方向に回転するとコンタクトロ
ーラー６９が主クランク４６Ｂと一緒に回って、接点７
０，７１，７２，７３、をその順に短時間閉じる。接点
が閉じると、電磁弁７４，７５，７４，７６の順に開
き、所定の時間経過後再び閉じる。この電磁弁の動作に
より、ピストン上側空間６８Ａの作動ガスの放出あるい
は注入が行われる。

【００４２】図１３に図１２の冷凍シリンダー６７のピ
ストン上側空間６７ＡのＰ〜Ｖ線図を示す。まず破線で
示される楕円１−２−３−４−１が、ＢＣＶをもたない
場合のＰ〜Ｖ線図である。それに一次放出注入用電磁弁
７４による作動ガスの放出，注入を行なう場合のＰ〜Ｖ
線図が上下に変形したＺ形楕円１’−２’−Ｂ₂−３’
−４’−Ｃ₂−１’であって、これは図１に示したもの
と同様の線図である。

【００４３】それに対し、本実施例では、Ｂ₃点で二次
放出用電磁弁７５を開いてコンプレッサ７８による吸引
で二次放出を行ない、低圧力ＰＬまで降圧させ、またＣ
₃点で二次注入用電磁弁７６を開いてコンプレッサ７８
から吐出されるガスによる二次注入を行なって、高圧力
ＰＨまで昇圧させる。この二次放出及び二次注入によっ
てＰ〜Ｖ線図は、実線１”−２”−Ｂ₁−Ｂ₂−Ｂ₃−Ｂ₄
−３”−４”−Ｃ₁−Ｃ₂−Ｃ₃−Ｃ₄−１”というような
折れ線Ｚ形楕円形となり、Ｐ〜Ｖ線図の面積は１回だけ
注入放出を行う場合よりさらに大きくなる。

【００４４】図１４は本発明の第７の実施例を示すもの
で、双子形マクマホン・ギフォードサイクル冷凍器に対
して本発明を適用した場合の断面図である。図１５は図
１４のＢＣＶ用ロータリー弁の側断面図である。

【００４５】図１４に示す双子形マクマホン・ギフォー
ドサイクル冷凍器は、並置された二つの冷凍用作動シリ
ンダー８２，８３と、冷凍用作動シリンダー８２，８３
に内装され熱再生器ＲＧを内蔵したピストン８４，８５
と、前記シリンダー８２，８３に固定されたブラケット
９０Ａにピン９０Ｂを介して枢着されたＴ型レバー９０
と、前記ピストン８４，８５にそれぞれ一端を結合され
他端を前記Ｔ型レバー９０の両端にそれぞれピン９０
Ｃ，９０Ｄを介して結合されたスコッチヨーク８６，８
７と、前記Ｔ型レバー９０をクランクロッド８９を介し
て結合され該Ｔ型レバー９０を揺動させるモータ８８
と、冷凍用作動シリンダー８２，８３に連絡管９５，９
６、ロータリー弁９３及び高圧補給管１００，低圧補給
管１０１を介して接続されたガス補給吸入装置９２と、
図上冷凍用作動シリンダー８２，８３の下部周囲に形成
された冷凍室１０４とを含んで構成されている。

【００４６】ロータリー弁９３は、図１５に示されてい
るように、連絡管９５，９６，高圧補給管１００及び低
圧補給管１０１が接続された円筒形の弁箱９３Ａと、弁
箱９３Ａに内装され弁箱を貫通する駆動軸により回転駆
動される円柱形のロータ９４とを含んで構成されてい
る。ロータ９４は外周面を弁箱９３Ａの内周面に接して
回転するようになっており、ロータ９４の軸方向端面と
弁箱９３Ａの軸方向端面内面との間には所定の間隔が設
けられ、弁室９３Ｂ，９３Ｃが形成されている。連絡管
９５，９６は、弁箱９３Ａの周面（ロータ９４が接する
面）の、ロータ９４を挟んで互いに対向する位置に接続
され、高圧補給管１００及び低圧補給管１０１は、弁箱
９３Ａの軸方向端面に接続されてそれぞれ前記弁室９３
Ｂ，９３Ｃに連通されている。

【００４７】ロータ９４には、その軸心を通り外周面に
開口を備えて半径方向に貫通する連通孔９７と、連通孔
９７の外周面開口に対してそれぞれほぼ９０度外周面上
でずれた位置に配置された低圧側開孔９８及び高圧側開
孔９９が設けられ、低圧側開孔９８はロータ９４の弁室
９３Ｃに連通する曲がり管路１０２に、高圧側開孔９９
はロータ９４の弁室９３Ｂに連通する曲がり管路１０３
に、それぞれつながっている。また、連通孔９７はロー
タ９４のある回転位置で連絡管９５，９６を連通する位
置に配置されており、低圧側開孔９８及び高圧側開孔９
９は、連通孔９７が連絡管９５，９６を連通するロータ
９４の前記回転位置からさらに所定の角度（例えば９０
度）ロータが回転した位置で前記連絡管９５，９６のい
ずれかにそれぞれ接続する位置に配置されている。ロー
タ９４は前記Ｔ型レバー９０の揺動と連動して回転駆動
される。

【００４８】スコッチヨーク８６，８７はモーター８８
で駆動されるクランクロッド８９とＴ型レバー９０の動
きで交互に上下し、それにつれて冷凍用作動シリンダー
８２，８３に内装され、中にＲＧを納めたピストン８
４，８５が互いに１８０度位相を異にして、交互に上下
する。

【００４９】作動ガス補給吸入装置９２は、内部にコン
プレッサー９１を有し、該コンプレッサー９１により、
ロータリー弁９３から低圧補給管１０１を介して低圧Ｐ
Ｌの作動ガスを吸入し、同時にロータリー弁９３に高圧
補給管１００を介して高圧ＰＨの作動ガスを供給するよ
うになっている。このガス補給吸入装置９２は従来のマ
クマホンギフォードサイクル冷凍機には必要のものであ
り公知の装置である。

【００５０】本実施例はガス補給吸入装置９２が供給す
る作動ガスをロータリー弁９３を介してシリンダー８
２，８３に配給するようにし、ロータリー弁９３のロー
ター９４に両シリンダーへの連絡管９５，９６を互いに
短時間連通させる連通孔９７を装着して、これにＢＣＶ
の作用をさせたものである。

【００５１】すなわち、このロータリー弁には低圧側開
孔９８、高圧側開孔９９がついていて、ピストン８４，
８５の各ストロークの最後半部で連通管９７により連絡
管９５，９６が連通され、両シリンダー８２，８５の圧
力を互いに平均に近づけた後に低圧側開孔９８と高圧側
開孔９９が、各連絡管９５，９６に交互につながって、
ガスの究極的な所定圧までの補給と吸入が行なわれるよ
うに構成されている。

【００５２】このように構成することによって、この双
子型マクマホンギフォードサイクル冷凍器では、両シリ
ンダー８２，８３に交互に送り込まれる高圧ガスのうち
の約１／２が、ロータ９４の連通管９７を通じてさきに
高圧側のシリンダから低圧側のシリンダーに直接流れ込
み、両者が中間圧にほぼ近づいた後、両シリンダー８
２，８３がガス補給吸入装置の高圧低圧源につながっ
て、残りの約１／２が該ガス補給装置により高圧、もし
くはより低圧とされる。そのため、従来のように本連通
ＢＣＶの作用なしに作動部分とガス補給吸入装置の完全
なペアーを、全く別個に二個作動させるときに比べてそ
のガス流量がへり、ほぼ１つ分のガス補給吸入装置で２
個の冷凍作動シリンダーを駆動でき、全体のＣＯＰは約
２倍に増大される。

【００５３】このような連通ＢＣＶを用い、二組の双子
形機器へのＢＣＶの適用によってガス補給吸入装置の使
用率を減少するのはピストンをもたないパルスチューブ
クーラーにも同様で、二組の双子形パルスチューブクー
ラーに対し、補給と吸入直前の連通を行なってＣＯＰを
増すことは同じ効果がある。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、狭義・広義のスターリ
ングサイクルで作動するあらゆる機器の作動空間に対
し、該作動空間とは隔離された区画からあるタイミング
において作動ガスを注入したり、前記作動空間から作動
ガスを該作動空間とは隔離された区画に抜き出したりす
る手段を設けたので、前記作動空間の断熱膨張の行程中
に該空間の圧力を低下させたり、断熱圧縮の行程中に該
空間の圧力を上昇させることが可能になり、シリンダ容
積や回転数を増大させることなく装置の出力を増加させ
る効果がある。理論計算によれば、ＢＣＶの効果は、最
適タイミングにおいて、エンジンの場合は出力を約２０
〜３０％上昇させることが可能であり、冷凍機の場合
は、ＣＯＰの若干の低下を伴うものの冷凍能力自体を約
５０％以上上昇させることが可能である。スターリング
機器のこのような出力向上は他の方法では容易に得られ
ないものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明する作動空間のＰ〜Ｖ線図
である。

【図２】図１に示すＰ〜Ｖ線図の体積とクランクピンの
位置の相対関係を示す側面図である。

【図３】本発明の第１の実施例を示す断面図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す断面図である。

【図６】図５のVI−VI線矢視断面図である。

【図７】本発明の第４の実施例を示す断面図である。

【図８】図７のVIII−VIII線矢視断面図である。

【図９】図７に示す実施例のＰ〜Ｖ線図である。

【図１０】本発明の第５の実施例を示す断面図である。

【図１１】図１０に示す実施例の部分断面平面図であ
る。

【図１２】本発明の第６の実施例の要部構成を示す系統
図である。

【図１３】図１２に示す実施例のＰ〜Ｖ線図である。

【図１４】本発明の第７の実施例の要部構成を一部断面
で示す系統図である。

【図１５】図１４に示す実施例の部分の詳細を示す断面
図である。

【符号の説明】

９主シリンダ１０ＰＰ駆
動用クランクピン１０Ａコンロッド１１ＤＰ駆
動用クランクピン１１Ａコンロッド１２ＢＣＶ
シリンダ１３弁用中空ピストン１４弁孔１５作動空間１６側孔１７Ａ〜１７Ｄ連絡管１８側孔１９クランク室空間２０電磁弁２０Ａ開弁遅延装置兼電源スイッチ２１，２２
スイッチ接点２３クランクのヘッド２４ディス
プレーサシリンダ２４Ａ連絡管２５ディス
プレーサシリンダ２５Ａ連絡管２７クラン
ク２８シリンダのピストン上側空間２９連絡管３０側枝管３０Ａコイ
ルばね３１孔あき滑動子３２クラン
ク軸３３ロータ３４ロータ
の外周面３５，３６開孔３７シリン
ダ３７Ａ連絡管３８シリン
ダ３８Ａ連絡管３９，４０
クランク機構４１，４２作動空間４３，４４
側管４５連通弁４６主軸４７円板カム４８，４９
突起５０カム作動輪５１シリン
ダ３７のＰ〜Ｖ線図５２シリンダ３８のＰ〜Ｖ線図５３，５４，
５５，５６シリンダ５７，５８ピストン５９主軸６０斜板６１ロータ
リー弁６１Ａロータリー弁弁箱６１Ｂロー
タリー弁の弁体６２連通孔６３，６４，
６５，６６連通管６７Ａ冷凍シリンダのピストン上側空間６７冷凍
シリンダ６８Ａ高温シリンダのピストン上側空間６８高温
（被冷却）シリンダ６９コンタクトローラー７０一次放
出用電磁弁接点７１二次放出用電磁弁接点７２一次注
入用電磁弁接点７３二次注入用電磁弁接点７４一次注
入放出用電磁弁７５二次放出用電磁弁７６二次注
入用電磁弁７７作動ガス補給吸入装置７８コンプ
レッサ７９高圧予圧孔８０低圧吸
入孔８１主軸回転方向を示す矢印８２，８３
冷凍用作動シリンダ８４，８５ＲＧ内蔵したピストン８６，８７
スコッチヨーク８８モータ８９クラン
クロッド９０Ｔ型レバー９１コンプ
レッサ９２作動ガス補給吸入装置９３ロータ
リー弁９３Ａロータリー弁弁箱９３Ｂ，９３
Ｃ弁室９４ロータ９５，９６
連絡管９７連通孔９８低圧側
開孔９９高圧側開孔１００高圧
補給管１０１低圧補給管１０２，１０
３曲がり管路１０４冷凍室１１９クラ
ンク室空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つの主軸に結合され、位相を異にして
往復運動する二つのピストンを含んで構成され、その内
部の作動ガスの圧力変化と全体もしくは一部の空間の容
積変化の位相がずれることによってその空間に出力もし
くは冷凍効果を生ずる閉じられた作動空間を少なくとも
一個有する、ヴィルミエサイクルを含むスターリングサ
イクル機器において、該作動空間が弁を介して他の密閉
された空間に接続され、該弁は前記作動空間内の作動ガ
スの膨張サイクルの途中及び圧縮サイクルの途中にそれ
ぞれ所定のタイミングにおいて一定時間開くように構成
されたものであることを特徴とする弁つきスターリング
サイクル機器。
【請求項２】他の密閉された空間が、当該作動空間を
構成する二つのピストンに結合された主軸を収容するク
ランク室であることを特徴とする請求項１に記載の弁つ
きスターリングサイクル機器。
【請求項３】他の密閉された空間が、任意の外部密閉
容器内空間もしくは大気空間であることを特徴とする請
求項１に記載の弁つきスターリングサイクル機器。
【請求項４】他の密閉された空間が、当該作動空間か
ら作動ガスを吸引し、吸引した作動ガスの圧力を高めた
後当該作動空間に送り返す手段を備えてなるものである
ことを特徴とする請求項１に記載の弁つきスターリング
サイクル機器。
【請求項５】他の密閉された空間が、当該作動空間と
異なる位相のスターリングサイクルで動作する他の作動
空間と、当該作動空間から作動ガスを吸引し、吸引した
作動ガスの圧力を高めた後当該作動空間に送り返す手段
を備えてなるものの組合せであることを特徴とする請求
項１に記載の弁つきスターリングサイクル機器。
【請求項６】一つの主軸に結合され、位相を異にして
往復運動する二つのピストンを含んで構成され、その内
部の作動ガスの圧力変化と全体もしくは一部の空間の容
積変化の位相がずれることによってその空間に出力もし
くは冷凍効果を生ずる閉じられた作動空間を少なくとも
一個有する、ヴィルミエサイクルを含むスターリングサ
イクル機器において、該作動空間が弁を介して作動ガス
吸引手段及び高圧作動ガス供給手段に接続され、該作動
ガス吸引手段と前記作動空間とを結ぶ弁は前記作動空間
内の作動ガスの膨張サイクルの途中で所定の時間開くよ
うに構成され、該高圧作動ガス供給手段と前記作動空間
とを結ぶ弁は前記作動空間内の作動ガスの圧縮サイクル
の途中で所定の時間開くように構成されたものであるこ
とを特徴とする弁つきスターリングサイクル機器。
【請求項７】弁の開閉のタイミングを調整する手段を
設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記
載の弁つきスターリングサイクル機器。
【請求項８】一つの主軸によって駆動され、位相を異
にして運動する二つのピストンを含んで構成され、その
内部の作動ガスの圧力変化と全体もしくは一部の空間の
容積変化の位相がずれることによって、その空間に出力
もしくは冷凍効果を生ずる閉じられた作動空間を一個も
しくは複数個有するヴィルミエサイクルを含むスターリ
ングサイクル機器において、そのＰ〜Ｖ曲線が右回りで
ある任意の作動空間の膨脹行程の後半部にて、内部圧力
がその作動空間の平均圧力Ｐｍより高い期間の適当な位
置において、放出・吸入弁機構を所定の時間開いて、該
作動空間の作動ガスの一部を、常に平均圧力Ｐｍに近い
圧力を保有するクランク室内空間もしくは大気圧空間に
向けて放出させ、ついでその対象としている作動空間が
さらに約１８０度前進した圧縮行程の後半部において、
該作動空間の内部圧力がまだ平均圧力Ｐｍより低いうち
に前記放出・吸入弁機構を所定の時間開いて、クランク
室内空間もしくは大気圧空間から作動ガスを再注入する
ことによりこの対象作動空間の示す圧力行程線図の面積
が上記放出および注入を行わない場合よりその面積を増
すことを特徴とする放出・注入弁機構つきスターリング
サイクル機器。
【請求項９】一つの主軸によって駆動され、位相を異
にして運動する二つのピストンを含んで構成され、互い
に１８０度位相を異にして対称的な圧力変動をする二つ
の作動空間を少なくとも一組配置した双子形もしくはリ
ネヤ形スターリングサイクル機器において、その作動ガ
スのＰ〜Ｖ曲線が右回りである任意の作動空間の膨脹行
程の後半部にて、内部圧力がその作動空間の平均圧力Ｐ
ｍより高い期間の適当な位置において、放出・吸入弁機
構を所定の時間開いて、該作動空間の作動ガスの一部を
その対称作動空間内に向けて放出させ、ついでその対象
としている作動空間がさらに約１８０度前進した圧縮行
程の後半部においては、内部圧力がまだ平均圧力Ｐｍよ
り低いうちに前記放出・吸入弁機構を所定の時間開い
て、前記対称作動空間よりガスを再注入することにより
この対象作動空間の示す圧力行程線図の面積が上記放出
および注入を行わない場合よりその面積を増すことを特
徴とする放出・注入弁機構つきスターリングサイクル機
器。
【請求項１０】請求項８または９に記載の放出・注入
弁機構つきスターリングサイクル機器において、該スタ
ーリングサイクル機器が冷凍及びヒートポンプ作動をな
すものであり、その外部に、作動ガスを高圧ＰＨで補給
し、低圧ＰＬで吸入するコンプレッサーを有するガス補
給吸入装置を設けるとともに、前記放出・注入弁機構に
加えてさらに二次放出・注入弁機構を付加し、任意の冷
凍作動空間が作動ガスを中間圧力空間もしくは１８０度
位相を異にする対称作動空間に、放出・注入弁機構の開
弁によってガスを放出した直後に、二次放出・注入弁機
構によって、作動ガスを該ガス補給吸入装置の低圧側に
短時間放出して、作動空間内部のガス重量をさらに減少
させ、また放出・注入弁機構の開弁によって対象とする
作動空間にガスが注入された直後に二次放出・注入弁機
構を開弁して、作動ガスをガス補給吸入装置の高圧側よ
り補充して作動空間内部のガス重量をさらに増大させる
よう構成したことを特徴とする放出・注入弁機構つきス
ターリングサイクル機器。
【請求項１１】１つの作動空間の外部に、コンプレッ
サーを内蔵して作動ガスを高圧ＰＨで供給し、低圧ＰＬ
で吸引する作動ガス補給吸入装置を有するマクマホン・
ギフォードサイクル冷凍機等の広義のスターリングサイ
クル冷凍機器において、互いに１８０度の位相差を有し
て対称的に作動する双子状に配置された同一種類の二組
の作動空間と、前記二組の作動空間と前記作動ガス補給
吸引装置を連通する放出・吸入弁機構とを含んでなり、
該放出・吸入弁機構は、前記二組の作動空間のうちの一
方が圧力を降下する行程の前半において、前記二組の作
動空間を所定の時間連通させ、その後前記作動ガス補給
吸入装置の吸入側と圧力降下行程中の前記作動空間を所
定の時間連通させ、又作動ガスの圧力が上昇する行程の
前半部において前記二組の作動空間を所定の時間連通さ
せ、その後前記作動ガス補給吸入装置の供給側と圧力上
昇行程中の前記作動空間を所定の時間連通させるように
構成されていることを特徴とするマクマホン・ギフォー
ドサイクル冷凍機等の広義の弁つきスターリングサイク
ル冷凍機器。
【請求項１２】位相を等分にずらして作動する同一種
類の三個以上の作動空間を有してなり、各作動空間は位
相差がもっとも１８０度に近い他の作動空間と組合せら
れ、放出・吸入弁機構は各組合せの作動空間を相互に連
通するように構成されていることを特徴とする請求項１
０に記載の弁つきスターリングサイクル冷凍機器。
【請求項１３】放出・吸入弁機構の開閉のタイミング
を調整する手段を設けたことを特徴とする請求項８乃至
１２のいずれかに記載の弁つきスターリングサイクル機
器。
【請求項１４】放出・吸入弁機構自体の作動を任意の
時期に停止もしくは起動する手段を設けたことを特徴と
する請求項１乃至１２のいずれかに記載の弁つきスター
リングサイクル機器。