JPH09264191A - スターリング機器の容積室構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリング機器において、膨張行程や圧縮
行程の作動ガス変化を等温変化に近づける等温化を効果
的に達成する。 【解決手段】 再生熱交換器５を備えるガス路４を介し
て容積室３内に流入させた作動ガスＧを、スターリング
サイクル又は逆スターリングサイクルにおける膨張又は
圧縮の行程として、容積室３の容積変化を伴い膨張又は
圧縮させるスターリング機器において、容積室３を、膨
張又は圧縮の行程で各々が容積変化する複数の分室３ａ
〜３ｃに分割し、これら分室３ａ〜３ｃのうち、ガス路
４を接続した第１分室３ａに対し、他の分室３ｂ，３ｃ
を分室連通路７ａ，７ｂを介して連通させ、この分室連
通路７ａ，７ｂに、作動ガスＧと等温化用熱媒Ｌとを熱
交換させる等温化用の熱交換器８ａ，８ｂを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリングエン
ジンや、スターリング冷凍機／ヒートポンプ、あるい
は、スターリングサイクルと逆スターリングサイクルと
を並行実施する熱・動力機器などのスターリング機器に
関し、詳しくは、再生熱交換器を備えるガス路を介して
容積室内に流入させた作動ガスを、スターリングサイク
ル又は逆スターリングサイクルにおける膨張又は圧縮の
行程として、前記容積室の容積変化を伴い膨張又は圧縮
させるスターリング機器の容積室構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スターリング機器では、膨張室又
は圧縮室（本明細書では、両室を総称して容積室と称
す）での作動ガスの膨張や圧縮が、理論サイクル通りの
等温変化とはならず、膨張では温度降下を伴う、また、
圧縮では温度上昇を伴う断熱膨張や断熱圧縮傾向の変化
となる為、断熱損失を生じて機器効率が低下することが
知られている。そして、この問題に対し、容積室での作
動ガスの膨張や圧縮を等温変化に近づける等温化の工夫
として、次の（イ）〜（ハ）の各方式があった。

【０００３】（イ）図７に示すように、容積室３を形成
するシリンダ１のヘッドを円錐形状にするとともに、ピ
ストン２も、これに対応する円錐形状にし、そして、シ
リンダヘッドの円錐形状の壁１ａをヒレ付きの伝熱壁と
して、膨張又は圧縮行程にあるシリンダ室内（容積室３
内）の作動ガスＧと、外部の等温化用熱媒Ｌ（すなわ
ち、作動ガスＧとの熱授受により作動ガスＧを等温に維
持する熱源熱媒）とを熱交換させる方式。

【０００４】（ロ）図８に示すように、容積室３を形成
するシリンダ１のヘッドを、複数の円錐形状を有する凹
凸形状に形成するとともに、ピストン２も、これに対応
する凹凸形状にし、そして、上記（イ）と同様、シリン
ダヘッドの凹凸形状の壁１ａ’をヒレ付きの伝熱壁とし
て、膨張又は圧縮行程にあるシリンダ室内（容積室３
内）の作動ガスＧと、外部の等温化用熱媒Ｌとを熱交換
させる方式。

【０００５】すなわち、（イ），（ロ）の方式は、いず
れも、容積室３内の作動ガスＧと外部の等温化熱媒Ｌと
の伝熱面積を、容積室３の容積の割りに大きく確保する
ことで、容積室３内の作動ガスＧと等温化用熱媒Ｌとの
熱交換を促進し、これにより、容積室３内での作動ガス
Ｇの膨張や圧縮を等温変化に近づけようとするものであ
る。

【０００６】（ハ）図９に示すように、容積室３を形成
するシリンダ１の壁１ａ”を、シリンダ室内の作動ガス
Ｇと外部の等温化用熱媒Ｌとを熱交換させるヒレ付きの
伝熱壁にするとともに、シリンダ室内に対するガス路４
の開口４ａを、シリンダ室内周面の接線方向に向けて作
動ガスＧを流入させる構造とし、このガス路開口４ａか
らの作動ガス流入により、シリンダ室内（容積室３内）
で作動ガスＧを旋回させる方式。

【０００７】すなわち、この（ハ）の方式では、容積室
３内で作動ガスＧを旋回させることにより、容積室３内
の作動ガスＧと、シリンダ壁１ａ”により形成されたヒ
レ付き伝熱壁との熱伝達を良好に維持して、作動ガスＧ
と等温化用熱媒Ｌとの熱交換を促進し、これにより、容
積室３内での作動ガスＧの膨張や圧縮を等温変化に近づ
けようとするものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の（イ）
や（ロ）の方式では、ピストン２が上死点近くにあると
き（すなわち、ピストン２とシリンダヘッドとの離間寸
法が小さい状態にあるとき）には、容積室３内の作動ガ
スＧと外部の等温化用熱媒Ｌとの間の熱伝達率を比較的
高く確保できるものの、ピストン２が下死点側に位置し
てピストン２とシリンダヘッドとの離間寸法が大きい状
態にあるとき、容積室３内の作動ガスＧの伝熱に関わる
水力直径が大きくなって熱抵抗が大きくなることで、容
積室３内の作動ガスＧと外部の等温化用熱媒Ｌとの間の
熱伝達率が低下し、この為、断熱変化傾向を充分には回
避できず、容積室３内での作動ガスＧの膨張や圧縮を等
温変化に近づける等温化の効果は未だ低いものであっ
た。

【０００９】また、（ハ）の方式では、旋回流動による
熱交換の促進により上記（イ）や（ロ）の方式に比べれ
ば、高い等温化効果を得ることができて機器効率をある
程度は向上し得るものの、未だ、（イ），（ロ）の場合
と同様の理由で等温化の達成は不十分で、その等温化効
果による機器効率の向上分に対し、作動ガスＧを旋回さ
せるためのエネルギ消費で生じる機器効率の低下分（い
わゆる流動損失）が大きな割合を占め、この為、全体と
しては、等温化による機器効率の向上を充分には達成で
きないものであった。

【００１０】以上の実情に対し、本発明の主たる課題
は、スターリングサイクルや逆スターリングサイクルの
膨張行程や圧縮行程において、膨張室又は圧縮室として
の容積室内での作動ガスの膨張や圧縮を効果的に等温変
化に近づけ、これにより、スターリング機器の機器効率
の一層の向上を図る点にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

〔請求項１記載の発明〕請求項１記載の発明では（図１
参照）、容積室３を膨張室として用いる場合、ガス路４
から第１分室３ａへ、また、その第１分室３ａから分室
連通路７ａ，７ｂを介して他の分室３ｂ，３ｃへ作動ガ
スＧを流入させながら、各分室３ａ〜３ｃの容積拡大を
伴い各分室３ａ〜３ｃで作動ガスＧを膨張させるが、こ
れら各分室３ａ〜３ｃでの作動ガスＧの膨張が断熱膨張
で温度降下を伴うものであるとしても、第１分室３ａに
ついて見た場合、第１分室３ａには、その第１分室３ａ
から他の分室３ｂ，３ｃへ流出させる作動ガスＧも含め
た大量の作動ガスＧがガス路４から流入するのに対し、
第１分室３ａでの断熱膨張は自室の容積変化に応じたも
のに限られることから、第１分室３ａでの断熱膨張によ
る温度降下Δｔ１は、第１分室３ａから他の分室３ｂ，
３ｃへの作動ガス流出が無い場合に比べ小さいものとな
る。

【００１２】そして、第１分室３ａから分室連通路７ａ
を介して次の第２分室３ｂに流入する作動ガスＧは、分
室連通路７ａに設けた等温化用熱交換器８ａにおいて等
温化用熱媒Ｌと常に高い熱伝達率を保ちつつ熱交換し、
これにより第１分室３ａでの温度降下分Δｔ１を回復し
た上で、第２分室３ｂに流入する。

【００１３】ここで、第２分室３ｂが、この第２分室３
ｂから更に分室連通路７ｂを介して次の第３分室３ｃに
作動ガスＧを流出させる分室である場合、この第２分室
３ｂについても、上記の第１分室３ａの場合と同様に、
第２分室３ｂでの断熱膨張による温度降下Δｔ２は、第
３分室３ｃへの作動ガス流出が無い場合に比べ小さいも
のとなり、このように各分室３ａ，３ｂにおいて断熱膨
張による温度降下Δｔ１，Δｔ２が抑制されることによ
り、容積室３の全体として、作動ガスＧの膨張を等温変
化に近づける等温化が効果的に達成される。

【００１４】また、第２分室３ｂが端末の分室である場
合、第２分室３ｂから次の分室への作動ガス流出が無い
ことで、第２分室３ｂでは断熱膨張による温度降下が抑
制されることなく生じるが、上述の如く第１分室３ａで
の断熱膨張による温度降下Δｔ１が抑制される分につ
き、やはり容積室３の全体としては、作動ガスＧの膨張
を等温変化に近づける等温化が効果的に達成される。

【００１５】一方、容積室３を圧縮室として用いる場
合、他の分室３ｃ，３ｂから分室連通路７ｂ，７ａを介
して第１分室３ａへ、また、第１分室３ａからガス路４
へ作動ガス４を流出させながら、各分室３ａ〜３ｃの容
積縮小を伴い各分室３ａ〜３ｃで作動ガスＧを圧縮する
が、これら各分室３ａ〜３ｃでの作動ガスＧの圧縮が断
熱圧縮で温度上昇を伴うものであるとしても、第１分室
３ａについて見た場合、他の分室３ｃ，３ｂでの断熱圧
縮により温度上昇した作動ガスＧが、分室連通路７ｂ，
７ａにおける等温化用熱交換器８ｂ，８ａでの等温化用
熱媒Ｌとの高い熱伝達率を保ちながらの熱交換により温
度上昇分を解消した上で、他の分室３ｃ，３ｂから第１
分室３ａに流入して、第１分室３ａ内の作動ガスＧに混
合するのに対し、第１分室３ａでの断熱圧縮は自室の容
積変化に応じたものに限られることから、第１分室３ａ
での断熱圧縮による温度上昇Δｔ１は、等温化用熱交換
器８ｂ，８ａを介しての他の分室３ｃ，３ｂからの作動
ガス流入が無い場合に比べ小さいものとなる。

【００１６】そして、ここで、分室連通路７ａを介して
第１分室３ａに連通する第２分室３ｂが、この第２分室
３ｂから更に分室連通路７ｂを介して次の第３分室３ｃ
に連通する分室である場合、この第２分室３ｂについて
も、上記の第１分室３ａの場合と同様に、第２分室３ｂ
での断熱圧縮による温度上昇Δｔ２は、等温化用熱交換
器８ｂを介しての第３分室３ｃからの作動ガス流入が無
い場合に比べ小さいものとなり、このように各分室３
ａ，３ｂにおいて断熱圧縮による温度上昇が抑制される
ことにより、容積室３の全体として、作動ガスＧの圧縮
を等温変化に近づける等温化が効果的に達成される。

【００１７】また、第２分室３ｂが端末の分室である場
合、等温化用熱交換器７ｂを介しての第３分室３ｃから
第２分室３ｂへの作動ガス流入が無いことで、第２分室
３ｂでは断熱圧縮による温度上昇が抑制されることなく
生じるが、上述の如く第１分室３ａでの断熱圧縮による
温度上昇Δｔ１が抑制される分につき、やはり容積室３
の全体としては、作動ガスＧの圧縮を等温変化に近づけ
る等温化が効果的に達成される。

【００１８】つまり、請求項１記載の発明によれば、分
室間での分室連通路を介しての作動ガス流通過程で作動
ガスと等温化用熱媒とを、伝熱に関わる水力直径を小さ
くして常に高い熱伝達率を保ちつつ熱交換させて、容積
室全体としての膨張行程や圧縮行程の等温化を図るか
ら、先述の（イ）や（ロ）の従来方式の如く、ピストン
の行程位置（すなわち、容積室の容積変化位相）によっ
て作動ガスと等温化用熱媒との間の熱伝達率が大きく低
下してしまうといったことがなく、これにより、これら
（イ）や（ロ）の従来方式に比べ、作動ガスの膨張や圧
縮を一層効果的に等温変化に近づけることができて、ス
ターリング機器における断熱損失を効果的に低減するこ
とができる。

【００１９】また、基本的には、先述の（ハ）の従来方
式の如き流動損失を伴う旋回流動を用いずに、上述の如
き効果的な等温化を達成できるから、この等温化によ
り、各種のスターリング機器につき、その全体としての
機器効率も効果的に向上させることができ、特に、スタ
ーリングエンジン等に比べ断熱損失が機器効率低下の大
きな要因を占めるスターリング冷凍機／ヒートポンプに
ついて大きな効果を得ることができる。

【００２０】〔請求項２記載の発明〕請求項２記載の発
明では（図１参照）、容積室３を３室以上の分室３ａ〜
３ｃに分割して、これら分室３ａ〜３ｃのうち、ガス路
４を接続する第１分室３ａに対し、第２分室以降の他の
分室３ｂ，３ｃを分室連通路７ａ，７ｂを介して順次に
直列接続し、そして、これら複数の分室連通路７ａ，７
ｂの夫々に等温化用の熱交換器８ａ，８ｂを設けること
により、上述の〔請求項１記載の発明〕の項でも説明し
たように、容積室３を膨張室として用いる場合では、直
列接続した分室３ａ〜３ｃのうち、端末の分室３ｃを除
く２以上の分室３ａ，３ｂの各々について、それら分室
３ａ，３ｂでの断熱膨張による温度降下Δｔ１，Δｔ２
を、端末側への順次の作動ガス流出が無い場合に比べ小
さいものにすることができる。

【００２１】また、容積室３を圧縮室として用いる場合
では、直列接続した分室３ａ〜３ｃのうち、端末の分室
３ｃを除く２以上の分室３ａ，３ｂの各々について、そ
れら分室３ａ，３ｂでの断熱圧縮による温度上昇Δｔ
１，Δｔ２を、端末側からの順次の作動ガス流入が無い
場合に比べ小さいものにすることができる。

【００２２】すなわち、請求項２記載の発明によれば、
２以上の分室の各々について、それら分室での断熱膨張
による温度降下や断熱圧縮による温度上昇を抑制できる
ことにより、例えば、請求項１記載の発明の一実施形態
として、第１分室と第２分室との２室のみを設けて、第
１分室についてのみ、断熱変化による温度変化を抑制す
る形態に比べ、膨張行程や圧縮行程における容積室全体
としての等温化、ひいては、機器効率の向上を一層高度
に達成することができる。

【００２３】〔請求項３記載の発明〕請求項３記載の発
明では（図１参照）、ヘッド側ほど内径が段階的に小径
になる複数段構造のシリンダ１と、このシリンダ１の各
段部に対する複数段のピストン部分２ａ〜２ｃを備える
複数段構造のピストン２とにより、シリンダ１内の各段
部で、各段のピストン部分２ａ〜２ｃの先端側に区画空
間ｎａ〜ｎｃを形成し、これら区画空間ｎａ〜ｎｃの夫
々を前記の分室３ａ〜３ｃとする。そして、この構成に
おいて、ピストン移動による各区画空間ｎａ〜ｎｃの容
積変化を伴い、分室３ａ〜３ｃとしての各区画空間ｎａ
〜ｎｃで作動ガスＧを膨張又は圧縮させる。

【００２４】また、シリンダ１の周壁部に形成した環状
配置流路ｆａ，ｆｂを前記の分室連通路７ａ，７ｂとし
て、この環状配置流路ｆａ，ｆｂにより各区画空間ｎａ
〜ｎｃどうしを連通させるとともに、この環状配置流路
ｆａ，ｆｂの流路壁１０ａ，１０ｂを、その外部に流通
させる等温化用熱媒Ｌと内部の作動ガスＧとを熱交換さ
せる伝熱壁として、前記の等温化用熱交換器８ａ，８ｂ
を構成することにより、分室３ａ〜３ｃとしての区画空
間ｎａ〜ｎｃでの断熱膨張による作動ガスＧの温度降下
分や、断熱圧縮による作動ガスＧの温度上昇分を、この
環状配置流路ｆａ，ｆｂを介しての区画空間ｎａ〜ｎｃ
どうしにわたる作動ガス流通過程で回復・解消させる。

【００２５】つまり、請求項３記載の発明によれば、一
組のシリンダ・ピストンをもって複数の分室をシリンダ
内に区画形成するから、例えば、複数の分室を各別のシ
リンダ及びピストンにより個別に形成する構造を採るに
比べ、機器構造を簡略でコンパクトなものにすることが
できる。

【００２６】また、シリンダ周壁部に形成する環状配置
流路の流路壁を伝熱壁にして等温化用熱交換器を構成す
るから、例えば、等温化用熱交換器をシリンダとは別体
の器体構造として、管構造の分室連通路に介装する構造
を採るなどに比べ、機器構造の簡略化・コンパクト化を
一層効果的に達成することができる。

【００２７】〔請求項４記載の発明〕請求項４記載の発
明では（図３参照）、シリンダ内部側に向かって開口す
る環状の凹部２０をシリンダヘッドに形成したシリンダ
１と、このシリンダ側環状凹部２０の内部に先端を位置
させる環状突起２１を先端に形成したピストン２とによ
り、シリンダ内部において、ピストン側環状突起２１の
先端側と、ピストン側環状突起２１における中央孔部
と、場合によっては、ピストン先端側のうちピストン側
環状突起２１の外側部分との夫々に区画空間ｎａ’〜ｎ
ｃ’を形成し、これら区画空間ｎａ’〜ｎｃ’の夫々を
前記の分室３ａ〜３ｃとする。そして、この構成におい
て、ピストン移動による各区画空間ｎａ’〜ｎｃ’の容
積変化を伴い、分室３ａ〜３ｃとしての各区画空間ｎ
ａ’〜ｎｃ’で作動ガスＧを膨張又は圧縮させる。

【００２８】また、シリンダ側環状凹部２０の周壁部に
形成した環状配置流路ｆａ’，ｆｂ’を前記の分室連通
路７ａ，７ｂとして、この環状配置流路ｆａ’，ｆｂ’
により各区画空間ｎａ’〜ｎｃ’どうしを連通させると
ともに、この環状配置流路ｆａ’，ｆｂ’の流路壁２３
ａ，２３ｂを、その外部に流通させる等温化用熱媒Ｌと
内部の作動ガスＧとを熱交換させる伝熱壁として、前記
の等温化用熱交換器８ａ，８ｂを構成することにより、
分室３ａ〜３ｃとしての区画空間ｎａ’〜ｎｃ’での断
熱膨張による作動ガスＧの温度降下分や、断熱圧縮によ
る作動ガスＧの温度上昇分を、この環状配置流路ｆ
ａ’，ｆｂ’を介しての区画空間ｎａ’〜ｎｃ’どうし
にわたる作動ガス流通過程で回復・解消させる。

【００２９】つまり、請求項４記載の発明によれば、上
記した請求項３記載の発明と同様、一組のシリンダ・ピ
ストンをもって複数の分室を一つのシリンダ内に区画形
成するから、また、シリンダ側環状凹部の周壁部に形成
する環状配置流路の流路壁を伝熱壁にして等温化用熱交
換器を構成するから、機器構造を簡略でコンパクトなも
のにすることができ、殊に、複数の分室を区画形成する
のに、シリンダ側の環状凹部とピストン側の環状突起と
を咬合配置する形態を採ることから、特にシリンダの軸
芯方向について機器構造を効果的にコンパクト化するこ
とができる。

【００３０】〔請求項５記載の発明〕請求項５記載の発
明では（図１参照）、分室３ｃの室壁１４を、その外部
に流通させる等温化用熱媒Ｌと内部の作動ガスＧとを熱
交換させる伝熱壁にすることにより、分室３ｃ内での作
動ガスＧの断熱膨張による温度降下や断熱圧縮による温
度上昇を、分室３ｃの室壁１４を介しての分室外部の等
温化用熱媒Ｌと分室内部の作動ガスＧとの熱交換により
抑制し、これにより、前述の如く、分室３ａ〜３ｃ間で
の分室連通路７ａ，７ｂを介しての作動ガス流通過程
で、前記の等温化用熱交換器８ａ，８ｂにより作動ガス
Ｇと等温化用熱媒Ｌとを熱交換させて等温化を図ること
との協働で、容積室３の全体としての膨張行程や圧縮行
程の等温化、ひいては、機器効率の向上を一層効果的に
達成する。

【００３１】〔請求項６記載の発明〕請求項６記載の発
明では（図４参照）、分室連通路７ａから分室３ｂ又は
３ａ内へ流入させる作動ガスＧに対し、旋回案内具３６
をもって旋回流動成分を付与することにより、分室連通
路７ａにおける等温化用熱交換器８ａで断熱膨張による
温度降下分や断熱圧縮による温度上昇分を回復・解消さ
せた作動ガスＧと、先に分室内に位置して断熱膨張によ
る温度降下や断熱圧縮による温度上昇を生じた分室内の
作動ガスＧとの混合を効果的に促進し、これにより、分
室３ｂ又は３ａ内での断熱膨張による温度降下や断熱圧
縮による温度上昇を上記の混合をもって抑制する効果を
一層確実なものとする。

【００３２】また、上述した請求項５記載の発明と並行
実施する場合には、上記の旋回流動により、伝熱壁とし
ての分室３ｂの室壁３１と分室３ｂ内の作動ガスＧとの
熱伝達を促進し、これにより、分室３ｂの室壁３１を介
しての等温化用熱媒Ｌと作動ガスＧとの熱交換をもっ
て、分室３ｂ内での断熱膨張による温度降下や断熱圧縮
による温度上昇を抑制する効果を一層高く得られるよう
にする。

【００３３】したがって、請求項６記載の発明によれ
ば、容積室全体としての膨張行程や圧縮行程の等温化を
一層効果的に達成でき、そして、旋回を生じさせるため
の流動損失は生じるが、それに余りある等温化効果によ
り機器効率を一層向上させることができる。

【００３４】

【発明の実施の形態】

〔第１実施形態〕図１及び図２は、スターリングサイク
ルや逆スターリングサイクルの実施において、膨張室又
は圧縮室として用いる容積室の構造を示し、シリンダ１
とピストン２とによりシリンダ１内に容積室３を形成
し、この容積室３に対し作動ガスＧを周期的に流出入さ
せるガス路４を接続してある。

【００３５】５はガス路４に介装した再生熱交換器であ
り、この再生熱交換器５は、流通作動ガスＧと熱授受し
て蓄熱と放熱を行う。また、６は再生熱交換器５よりも
容積室３側でガス路４に介装した入出熱用の熱交換器で
あり、この入出熱用の熱交換器６は、流通作動ガスＧと
外部の熱媒Ｌとを熱交換させる。

【００３６】図中省略してあるが、ガス路４の他端側
は、他の入出熱用熱交換器を介して他の容積室に接続し
てあり、ピストン動作を伴い両容積室の間で上記の各熱
交換器を介して作動ガスＧを往復流動させるようにし
て、スタリーングサイクルや逆スターリングサイクルを
実施する。

【００３７】なお、スターリングサイクルの実施におい
て、前記の容積室３を膨張室として用いる場合には、入
出熱用熱交換器６は、高温熱媒Ｌにより作動ガスＧを加
熱する加熱器として機能し、他の入出熱用熱交換器は、
低温熱媒に対し作動ガスＧを放熱させる放熱器として機
能する。また、スターリングサイクルの実施において、
前記の容積室３を圧縮室として用いる場合には、入出熱
用熱交換器６は、低温熱媒Ｌに対し作動ガスＧを放熱さ
せる放熱器として機能し、他の入出熱用熱交換器は、高
温熱媒により作動ガスＧを加熱する加熱器として機能す
る。

【００３８】一方、逆スターリングサイクルの実施にお
いて、前記の容積室３を膨張室として用いる場合には、
入出熱用熱交換器６は、低温熱媒Ｌに対し作動ガスＧを
吸熱させる吸熱器として機能し、他の入出熱用熱交換器
は、高温熱媒に対し作動ガスＧを放熱させる放熱器とし
て機能する。また、逆スターリングサイクルの実施にお
いて、前記の容積室３を圧縮室として用いる場合には、
入出熱用熱交換器６は、高温熱媒Ｌに対し作動ガスＧを
放熱させる放熱器として機能し、他の入出熱用熱交換器
は、低温熱媒に対し作動ガスＧを吸熱させる吸熱器とし
て機能する。

【００３９】前記の容積室３は、膨張又は圧縮の行程に
おいて各々が容積変化する複数の分室３ａ〜３ｃに分割
してあり、これら分室３ａ〜３ｃのうち、ガス路４を接
続した第１分室３ａに対しては、他の分室３ｂ，３ｃを
分室連通路７ａ，７ｂを介して連通させ、そして、これ
ら分室連通路７ａ，７ｂには、作動ガスＧと等温化用熱
媒Ｌ（本例では、入出熱用熱交換器６での熱交換対象の
熱媒Ｌに同じ）とを熱交換させる等温化用の熱交換器８
ａ，８ｂを備えさせてある。

【００４０】シリンダ１は、その内径が段階的にヘッド
側ほど小径となる三段構造にし、また、これに対応させ
て、ピストン２は、シリンダ１の各段部に対する三段の
ピストン部分２ａ〜２ｃを備える三段構造にしてあり、
このシリンダ・ピストン構造により、シリンダ１内の各
段部で、各段のピストン部分２ａ〜２ｃの先端側に区画
空間ｎａ〜ｎｃを形成し、これら区画空間ｎａ〜ｎｃを
第１ないし第３の分室３ａ〜３ｃとしてある。

【００４１】シリンダ１の二段目及び三段目の周壁部
は、シリンダ内壁９ａ，９ｂとシリンダ外壁１０ａ，１
０ｂとの二重壁構造とし、これにより、シリンダ１の二
段目において、シリンダ内壁９ａとシリンダ外壁１０ａ
との間に形成される環状配置の流路ｆａを、第１分室３
ａと第２分室３ｂとを連通させる分室連通路７ａとし、
また、シリンダ１の三段目において、シリンダ内壁９ｂ
とシリンダ外壁１０ｂとの間に形成される環状配置の流
路ｆｂを、第２分室３ｂと第３分室３ｃとを連通させる
分室連通路７ｂとしてある。

【００４２】つまり、ガス路４を接続する第１分室３ａ
に対し、第２及び第３分室３ｂ，３ｃは、分室連通路７
ａ，７ｂとしての上記の環状配置流路ｆａ，ｆｂを介し
て順次に直列接続してある。

【００４３】また、各環状配置流路ｆａ，ｆｂの流路壁
を形成するシリンダ内壁９ａ，９ｂとシリンダ外壁１０
ａ，１０ｂとのうち、各シリンダ外壁１０ａ，１０ｂの
内外面には多数のヒレ１２ａ，１２ｂを設け、これによ
り、これらシリンダ外壁１０ａ，１０ｂを、その外部の
等温化用熱媒Ｌと流路内部の作動ガスＧとを熱交換させ
るヒレ付きの伝熱壁として、前記の等温化用熱交換器８
ａ，８ｂを構成してある。

【００４４】１３は、上記のシリンダ外壁１０ａ，１０
ｂと、入出熱用熱交換器６における作動ガス流路のヒレ
付き流路壁（伝熱壁）６ａとを囲む熱媒ジャケット形成
用のケースであり、このケース１３の内部に熱媒Ｌを流
通させることにより、入出熱用熱交換器６及び等温化用
熱交換器８ａ，８ｂの夫々についての作動ガスＧと熱媒
Ｌとの熱交換を行わせる。

【００４５】なお、シリンダ上壁１４の外面にも多数の
ヒレ１５を設けるとともに、上記ケース１３は、このヒ
レ付きシリンダ上壁１４をも囲むものとし、これによ
り、第３分室３ｃの室壁であるシリンダ上壁１４を伝熱
壁として、第３分室３ｃ内の作動ガスＧについても外部
の等温化用熱媒Ｌと熱交換させるようにしてある。

【００４６】シリンダ外壁１０ａ，１０ｂの内面に形成
するヒレ１２ｂは、シリンダ軸芯方向に延びる形状で、
かつ、ヒレ先端がシリンダ内壁９ａ，９ｂに接するヒレ
としてあり、このヒレ１２ｂをシリンダ周方向に並設す
ることにより、前記の環状配置流路ｆａ，ｆｂは、シリ
ンダ軸芯方向に延びる細流路がシリンダ周方向に多数並
ぶ流路構成としてある。

【００４７】以上構成において、容積室３を膨張室とし
て用いる場合、ガス路４から第１分室３ａへ、また、そ
の第１分室３ａから分室連通路７ａ，７ｂとしての環状
配置流路ｆａ，ｆｂを介して第２及び第３分室３ｂ，３
ｃへ順次に作動ガスＧを流入させながら、ピストン移動
による各分室３ａ〜３ｃの容積拡大を伴い各分室３ａ〜
３ｃで作動ガスＧを膨張させる。

【００４８】この膨張行程において、第１分室３ａにつ
いて見た場合、第１分室３ａには、その第１分室３ａか
ら第２及び第３分室３ｂ，３ｃへ流出させる作動ガスＧ
も含めた大量の作動ガスＧがガス路４から流入するが、
これに対し、第１分室３ａでの断熱膨張は自室の容積変
化に応じたものに限られることから、第１分室３ａでの
断熱膨張による作動ガスＧの温度降下Δｔ１は、第１分
室３ａから第２及び第３分室３ｂ，３ｃへの作動ガス流
出が無い場合に比べ小さいものとなる。

【００４９】続いて、第１分室３ａから環状配置流路ｆ
ａを介して次の第２分室３ｂに流入する作動ガスＧは、
等温化用熱交換器７ａを構成する伝熱壁としてのヒレ付
きシリンダ外壁１０ａを介して等温化用熱媒Ｌと常に高
い熱伝達率を保ちつつ熱交換し、これにより第１分室３
ａでの温度降下分Δｔ１を回復した上で、第２分室３ｂ
に流入する。

【００５０】ここで、第２分室３ｂについて見た場合、
これも上記の第１分室３ａの場合と同様の理由で、第２
分室３ｂでの断熱膨張による作動ガスＧの温度降下Δｔ
２は、第３分室３ｃへの作動ガス流出が無い場合に比べ
小さいものとなり、続いて、第２分室３ｂから環状配置
流路ｆｂを介して次の第３分室３ｃに流入する作動ガス
Ｇは、等温化用熱交換器７ｂを構成する伝熱壁としての
ヒレ付きシリンダ外壁１０ｂを介して等温化用熱媒Ｌと
常に高い熱伝達率を保ちつつ熱交換し、これにより第２
分室３ｂでの温度降下分Δｔ２を回復した上で、第３分
室３ｃに流入する。

【００５１】そして、第３分室３ｃでは、この第３分室
３ｃから次の分室への作動ガス流出が無いことから、断
熱膨張による作動ガスＧの温度降下Δｔ３が抑制される
ことなく正味生じるが、上述の如く第１及び第２分室３
ａ，３ｂでの断熱膨張による温度降下Δｔ１，Δｔ２が
抑制される分につき、容積室３の全体として、作動ガス
Ｇの膨張を等温変化に近づける等温化が効果的に達成さ
れる。

【００５２】一方、容積室３を圧縮室として用いる場
合、第３及び第２分室３ｃ，３ｂから分室連通路７ｂ，
７ａとしての環状配置流路ｆｂ，ｆａを介して第１分室
３ａへ、また、第１分室３ａからガス路４へ作動ガスＧ
を流出させながら、ピストン移動による各分室３ａ〜３
ｃの容積縮小を伴い各分室３ａ〜３ｃで作動ガスＧを圧
縮する。

【００５３】この圧縮行程において、第１分室３ａにつ
いて見た場合、第３分室３ｃからの作動ガス混入を伴い
ながら第２分室３ｂでの断熱圧縮により温度上昇した作
動ガスＧが、等温化用熱交換器７ａを構成する伝熱壁と
してのヒレ付きシリンダ外壁１０ａを介しての等温化用
熱媒Ｌとの高い熱伝達率を保ちながらの熱交換により温
度上昇分を解消した上で、第２分室３ｂから第１分室３
ａに流入して第１分室３ａ内の作動ガスＧに混合するの
に対し、第１分室３ａでの断熱圧縮は自室の容積変化に
応じたものに限られることから、第１分室３ａでの断熱
圧縮による温度上昇Δｔ１は、等温化用熱交換器７ａを
介しての第２分室３ｂからの作動ガス流入（第３分室３
ｃからの流出作動ガスＧを含む）が無い場合に比べ小さ
いものとなる。

【００５４】また、第２分室３ｂについて見た場合、こ
れも上記の第１分室３ａの場合と同様の理由で、第２分
室３ｂでの断熱圧縮による温度上昇Δｔ２は、等温化用
熱交換器７ｂを介しての第３分室３ｃからの作動ガス流
入が無い場合に比べ小さいものとなる。

【００５５】そして、第３分室３ｃでは、他の分室から
の等温化用熱交換器を介しての作動ガス流入が無いこと
から、断熱圧縮による温度上昇Δｔ３が抑制されること
なく正味生じるが、上述の如く第１及び第２分室３ａ，
３ｂでの断熱圧縮による温度上昇Δｔ１，Δｔ２が抑制
される分につき、容積室３の全体として、作動ガスＧの
圧縮を等温変化に近づける等温化が効果的に達成され
る。

【００５６】ちなみに、各分室３ａ〜３ｃの容積が等し
い構成において、膨張行程での他の分室への作動ガス流
出や、圧縮行程での他の分室からの作動ガス流入が無い
場合に生じる各分室３ａ〜３ｃでの断熱膨張や断熱圧縮
による作動ガスＧの温度変化（これは容積室を分割する
ことが無く、また、等温化用熱交換器の装備も無い単純
容積室で生じる温度変化に等しい）をΔｔとすれば、本
例の容積室構造において生じる各分室３ａ〜３ｃでの断
熱膨張や断熱圧縮による作動ガスＧの温度変化Δｔ１，
Δｔ２，Δｔ３は、 Δｔ１＝Δｔ／３，Δｔ２＝Δｔ／２，Δｔ３＝Δｔ となり、したがって、本例の容積室構造における容積室
３の全体としての平均の作動ガス温度変化Δｔａｖは、 Δｔａｖ＝（Δｔ１＋Δｔ２＋Δｔ３）／３ ＝｛（Δｔ／３）＋（Δｔ／２）＋Δｔ｝／３ ＝０．６１・Δｔ となる。すなわち、３９％程度の等温化効果がある。

【００５７】なお、本例の容積室構造では、前述の如
く、第３分室３ｃの室壁であるシリンダ上壁１４をヒレ
付き伝熱壁として、第３分室３ｃ内の作動ガスＧも等温
化用熱媒Ｌと熱交換させる構成を採用したことにより、
第３分室３ｃでの断熱膨張や断熱圧縮による作動ガスＧ
の温度変化Δｔ３も抑制し、これにより、容積室３の全
体としての膨張行程や圧縮行程の等温化を一層効果的に
達成できるようにしてある。

【００５８】〔第２実施形態〕図３は前述の第１実施形
態で示した容積室構造に構造変更を加えた容積室構造を
示し、主な変更点は、各分室３ａ〜３ｃの形成構造を変
更した点にある。

【００５９】すなわち、この容積室構造では、シリンダ
１のヘッドに、シリンダ内部側に向かって開口する環状
の凹部２０を形成し、これに対応させて、ピストン２の
先端には、シリンダ側環状凹部２０の内部に先端を位置
させる環状突起２１を形成してあり、このシリンダ・ピ
ストン構造により、シリンダ１内において、ピストン先
端側のうちピストン側環状突起２１の外側部分と、ピス
トン側環状突起２１の先端側と、ピストン側環状突起２
１における中央孔部との夫々に区画空間ｎａ’〜ｎｃ’
を形成し、これら区画空間ｎａ’〜ｎｃ’を第１ないし
第３の分室３ａ〜３ｃとしてある。

【００６０】シリンダ側環状凹部２０の外側の周壁部
は、シリンダ内壁２２ａとシリンダ外壁２３ａとの二重
壁構造に、また、シリンダ側環状凹部２０の内側の周壁
部は、シリンダ内壁２２ｂとシリンダ外壁２３ｂとの二
重壁構造にしてあり、これにより、シリンダ側環状凹部
２０の外側の周壁部において、シリンダ内壁２２ａとシ
リンダ外壁２３ａとの間に形成される環状配置の流路ｆ
ａ’を、第１分室３ａと第２分室３ｂとを連通させる分
室連通路７ａとし、また、シリンダ側環状凹部２０の内
側の周壁部において、シリンダ内壁２２ｂとシリンダ外
壁２３ｂとの間に形成される環状配置の流路ｆｂ’を、
第２分室３ｂと第３分室３ｃとを連通させる分室連通路
７ｂとしてある。

【００６１】つまり、上記の環状配置流路ｆａ’，ｆ
ｂ’により、第１分室３ａに対し第２及び第３分室３
ｂ，３ｃを順次に直列接続してある。

【００６２】そして、各環状配置流路ｆａ’，ｆｂ’の
流路壁を形成するシリンダ内壁２２ａ，２２ｂとシリン
ダ外壁２３ａ，２３ｂとのうち、各シリンダ外壁２３
ａ，２３ｂの内外面には多数のヒレ２４ａ，２４ｂを設
け、これにより、これらシリンダ外壁２３ａ，２３ｂ
を、その外部の等温化用熱媒Ｌと流路内部の作動ガスＧ
とを熱交換させるヒレ付きの伝熱壁として、等温化用熱
交換器８ａ，８ｂを構成してある。

【００６３】１３は、第１実施形態で示した容積室構造
と同様、上記のシリンダ外壁２３ａ，２３ｂと、入出熱
用熱交換器６における作動ガス流路のヒレ付き流路壁
（伝熱壁）６ａとを囲む熱媒ジャケット形成用のケース
であり、このケース１３の内部に熱媒Ｌを流通させるこ
とにより、入出熱用熱交換器６及び等温化用熱交換器８
ａ，８ｂの夫々についての作動ガスＧと熱媒Ｌとの熱交
換を行わせる。

【００６４】以上構成において、容積室３を膨張室とし
て用いる場合には、第１実施形態で示した容積室構造の
場合と同様、ガス路４から第１分室３ａへ、また、その
第１分室３ａから分室連通路７ａ，７ｂとしての環状配
置流路ｆａ’，ｆｂ’を介して第２及び第３分室３ｂ，
３ｃへ順次に作動ガスＧを流入させながら、ピストン移
動による各分室３ａ〜３ｃの容積拡大を伴い各分室３ａ
〜３ｃで作動ガスＧを膨張させる。

【００６５】一方、容積室３を圧縮室として用いる場合
には、これも第１実施形態で示した容積室構造の場合と
同様、第３及び第２分室３ｃ，３ｂから分室連通路７
ｂ，７ａとしての環状配置流路ｆｂ，ｆａを介して第１
分室３ａへ、また、第１分室３ａからガス路４へ作動ガ
スＧを流出させながら、ピストン移動による各分室３ａ
〜３ｃの容積縮小を伴い各分室３ａ〜３ｃで作動ガスＧ
を圧縮する。

【００６６】〔第３実施形態〕図４は前述の第１又は第
２実施形態で示した容積室構造に構造変更を加えた容積
室構造を示し、主な変更点は、分室３ａ，３ｂに流入さ
せる作動ガスＧを旋回流動させるようにした点にある。
また、同図４に示す容積室構造では容積室３を二つの分
室３ａ，３ｂに分割してある。

【００６７】すなわち、この容積室構造では、シリンダ
１を内径がヘッド側ほど小径となる二段構造にし、ま
た、これに対応させて、ピストン２は、シリンダ１の各
段部に対する二段のピストン部分２ａ，２ｂを備える二
段構造にしてあり、このシリンダ・ピストン構造によ
り、シリンダ１内の各段部で、各段のピストン部分２
ａ，２ｂの先端側に区画空間ｎａ”，ｎｂ”を形成し、
これら区画空間ｎａ”，ｎｂ”を第１及び第２の分室３
ａ，３ｂとしてある。

【００６８】また、第２分室３ｂの室壁となるシリンダ
上壁３１は円錐形状に形成し、これに対応させて、二段
目のピストン部分２ｂも円錐形状に形成してあり、さら
に、円錐形状としたシリンダ上壁３１の内外面には多数
のヒレ３１ａ，３４を設け、このシリンダ上壁３１を伝
熱壁として、第２分室３ｂ内の作動ガスＧと外部の等温
化用熱媒Ｌとを熱交換させるようにしてある。

【００６９】つまり、第２分室３ｂの室壁であるシリン
ダ上壁３１を伝熱壁とする構成において、上記の如くシ
リンダ上壁３１及び二段目のピストン部分２ｂを円錐形
状にすることにより、第２分室３ｂ内の作動ガスＧと外
部の等温化用熱媒Ｌとの伝熱面積を、第２分室３ｂの容
積の割りに大きく（すなわち、第２分室３ｂ内の作動ガ
ス量の割りに大きく）確保する。

【００７０】シリンダ１の二段目の周壁部は、シリンダ
内壁３２とシリンダ外壁３３との二重壁構造とし、これ
により、これらシリンダ内壁３２とシリンダ外壁３３と
の間に形成される環状配置の流路ｆａ”を、第１分室３
ａと第２分室３ｂとを連通させる分室連通路７ａとして
ある。

【００７１】そして、環状配置流路ｆａ”の流路壁を形
成するシリンダ内壁３２とシリンダ外壁３３とのうち、
シリンダ外壁３３の外面にはシリンダ上壁３１の外面か
ら続く多数のヒレ３４を設け、これにより、このシリン
ダ外壁３３を、その外部の等温化用熱媒Ｌと流路内部の
作動ガスＧとを熱交換させるヒレ付きの伝熱壁として、
等温化用熱交換器８ａを構成してある。

【００７２】３５は、シリンダ外壁３３とシリンダ上壁
３１とを囲む熱媒ジャケット形成用のケースであり、こ
のケース３５の内部に熱媒Ｌを流通させることにより、
シリンダ上壁３１を伝熱壁とする第２分室３ｂ内の作動
ガスＧと等温化用熱媒Ｌとの熱交換、及び、シリンダ外
壁３３を伝熱壁とする等温化用熱交換器８ａでの作動ガ
スＧと等温化用熱媒Ｌとの熱交換を行わせる。

【００７３】なお、本例において、入出熱用熱交換器６
の熱媒ジャケット形成用ケースは、上記ケース３５とは
別体に形成してある。

【００７４】分室連通路７ａとしての環状配置流路ｆ
ａ”には、流通作動ガスＧに旋回流動成分を付与する旋
回案内具としての螺旋状ヒレ３６を設けてあり、この螺
旋状ヒレ３６による作動ガス案内をもって、膨張室とし
ての使用では膨張行程で第１分室３ａから第２分室３ｂ
に流入させる作動ガスＧを、また、圧縮室としての使用
では圧縮行程で第２分室３ｂから第１分室３ａに流入さ
せる作動ガスＧを旋回させるようにしてある。

【００７５】つまり、断熱膨張による温度降下分や断熱
圧縮による温度上昇分を上記の等温化用熱交換器８ａで
回復・解消させた上で作動ガスＧを他の分室（３ｂ又は
３ａ）に流入させるにあたり、その作動ガスＧを旋回さ
せて他の分室に流入させることにより、その流入作動ガ
スＧを、流入先の分室３ｂ，３ａ内で断熱膨張による温
度降下や断熱圧縮による温度上昇を生じた分室内の作動
ガスＧと効果的に混合させ、これにより、分室内での断
熱膨張による温度降下や断熱圧縮による温度上昇を上記
の混合により抑制する効果を一層確実なものとする。

【００７６】また、膨張室としての使用、及び、圧縮室
としての使用のいずれにしても、第２分室３ｂへの作動
ガス吸入過程で、上記の螺旋状ヒレ３６により第２分室
３ｂへの流入作動ガスＧに旋回流動成分を与えて、第２
分室３ｂ内で作動ガスＧを旋回させることにより、伝熱
壁としての前記シリンダ上壁３１と第２分室３ｂ内の作
動ガスＧとの熱伝達を促進し、これにより、シリンダ上
壁３１を介しての分室内作動ガスＧと等温化用熱媒Ｌと
の熱交換をもって、第２分室３ｂ内での断熱膨張による
温度降下や断熱圧縮による温度上昇を抑制する効果を一
層高く得られるようにする。

【００７７】なお、上記の螺旋状ヒレ３６は、等温化用
熱交換器７ａを構成するシリンダ外壁３３において、そ
の外面側のヒレ３４とともに、作動ガスＧと等温化用熱
媒Ｌとの伝熱面積を大きく確保する伝熱用ヒレとしても
機能する。

【００７８】〔第４実施形態〕図５及び図６は前述の第
１実施形態で示した容積室構造にさらに構造変更を加え
た容積室構造を示し、主な変更点は、分室連通路７ａ，
７ｂとしての環状配置流路ｆａ，ｆｂの形成構造を合理
化した点、及び、複数の分室３ａ〜３ｃに分割した容積
室３に対するガス路４の接続形態を変更した点にある。

【００７９】すなわち、この容積室構造では、前述の第
１実施形態と同様、シリンダ１を三段構造するととも
に、ピストン２を、シリンダ１の各段部に対する三段の
ピストン部分２ａ〜２ｂを備える三段構造にし、このシ
リンダ・ピストン構造により、シリンダ室１内の各段部
で、各段のピストン部分２ａ〜２ｃの先端側に区画空間
ｎａ〜ｎｃを形成するが、これら区画空間ｎａ〜ｎｃの
うちシリンダヘッド側に位置するものから順に、第１分
室３ａ，第２分室３ｂ，第３分室３ｃとして、シリンダ
ヘッド側の第１分室３ａに対しガス路４を接続してあ
る。

【００８０】シリンダ１の周壁部は、二重壁構造とはせ
ず一重壁構造とするが、シリンダ１の三段目の周壁４０
ａと二段目の周壁４０ｂには、それら周壁４０ａ，４０
ｂの内外面に、周方向を延設方向とする環状のヒレ４
１，４２を、シリンダ軸芯方向に並べて多数形成し、こ
れら周壁４０ａ，４０ｂのヒレ４１，４２のうち、内面
側のヒレ４１の夫々には、これら内面側ヒレ４１をシリ
ンダ軸芯方向に貫通する孔４３を、シリンダ周方向に並
べて多数形成してある。

【００８１】つまり、三段目の周壁４０ａにおける内面
側ヒレ４１の孔４３をもって、ピストン２と三段目の周
壁４０ａとの間に、第１分室３ａと第２分室３ｂとを連
通させる分室連通路７ａとしての環状配置流路ｆａを形
成し、また、二段目の周壁４０ｂにおける内面側ヒレ４
１の孔４３をもって、ピストン２と二段目の周壁４０ｂ
との間に、第２分室３ｂと第３分室３ｃとを連通させる
分室連通路７ｂとしての環状配置流路ｆｂを形成してあ
る。

【００８２】そして、内外面にヒレ４１，４２を形成し
たこれら周壁４０ａ，４０ｂを、その外部の等温化用熱
媒Ｌと環状配置流路ｆａ，ｆｂの内部流通作動ガスＧと
を熱交換させるヒレ付きの伝熱壁として、等温化用熱交
換器８ａ，８ｂを構成してある。

【００８３】すなわち、このように内側ヒレ４１に形成
の孔４３をもって分室連通路７ａ，７ｂとしての環状配
置流路ｆａ，ｆｂを形成することにより、シリンダ１の
周壁を、環状配置流路ｆａ，ｆｂの形成のために二重壁
構造にすることを不要にして、構造の簡略化を図り、ま
た、等温化用熱交換器８ａ，８ｂとして、環状配置流路
ｆａ，ｆｂを流通させる作動ガスＧに対し大きな伝熱面
積を確保できるようにしてある。

【００８４】４４は、二段目の周壁４０ａ及び三段目の
周壁４０ｂを囲む熱媒ジャケット形成用の筒体であり、
この筒体４４の内部に等温化用熱媒Ｌを流通させること
により、三段目の周壁４０ａ及び二段目の周壁４０ｂを
伝熱壁とする等温化用熱交換器８ａ，８ｂでの作動ガス
Ｇと等温化用熱媒Ｌとの熱交換を行わせる。

【００８５】また、４５はシリンダ１の一段目の周壁４
０ｃ（すなわち、第３分室３ｃの室壁）を囲む熱媒ジャ
ケット形成用の筒体であり、この筒体４５の内部に等温
化用熱媒Ｌを流通させることにより、一段目の周壁４０
ｃを伝熱壁とする第３分室３ｃ内の作動ガスＧと等温化
用熱媒Ｌとの熱交換を行わせる。

【００８６】４６は、ピストン２の先端に形成した案内
孔４７に対し、摺接自在に係合させる案内扞であり、こ
れら案内孔４７と案内扞４６との係合によりピストン２
の往復動作を案内する。

【００８７】４８は、上記案内孔４７の内部とシリンダ
内の容積室３（本例では第２分室３ｂ）とを連通させる
通気孔であり、ピストン２の下死点側への動作に対して
は、この通気孔４８を介して案内孔４７の内部に作動ガ
スＧを流入させ、また、ピストン２の上死点側への動作
に対しては、この通気孔４８を介して案内孔４７の内部
の作動ガスＧを容積室３内へ流出させる。つまり、案内
孔４７の内部が密閉空間となってピストン動作に支障を
来すことがないようにしてある。

【００８８】また、本例では、この通気孔４８の形成に
より、案内孔４７の内部を第２分室３ｂの一部として機
能させるようにしてある。

【００８９】〔その他の実施形態〕次にその他の実施形
態を列記する。分室３ａ〜３ｃの室数（すなわち、容積
室３の分割数）は、２室ないし３室に限定されるもので
はなく、容積室３を４室以上の分室に分割する構成を採
用してもよい。

【００９０】膨張又は圧縮の行程において各々が容積変
化する複数の分室３ａ〜３ｃを、前述の各実施形態の如
く一組のシリンダ・ピストンにおいて形成するのに代
え、各分室３ａ〜３ｃを個別のシリンダ・ピストンによ
り形成する形態を採用してもよい。

【００９１】分室連通路７ａ，７ｂは、前述の各実施形
態の如くシリンダ１の内部流路として形成する形態に代
え、シリンダ１とは別の管構造により形成するようにし
てもよい。

【００９２】また、分室連通路７ａ，７ｂに備えさせる
等温化用熱交換器８ａ，８ｂも、前述の各実施形態の如
くシリンダ外壁１０ａ，１０ｂ，２３ａ，２３ｂ，３３
を伝熱壁として構成する形態に代え、シリンダ１とは別
の器体もって構成するようにしてもよい。

【００９３】作動ガスＧとしては、例えば窒素ガスや空
気など、種々の気体を採用でき、また、等温化用熱媒Ｌ
も水を始めとして各種の流体を適用できる。

【００９４】ガス路４を接続する第１分室３ａに対し、
第２分室以降の他の分室３ｂ，３ｃを分室連通路７ａ，
７ｂを介し順次に直列接続する形態を採る場合、この直
列接続の対象とする第２分室以降の他の分室３ｂ，３ｃ
の室数は、３室以上の複数としてもよい。

【００９５】ガス路４を接続する第１分室３ａに対し、
複数の他の分室３ｂ，３ｃを夫々、分室連通路７ａ，７
ｂを介して並列的に接続する形態、また、このように第
１分室３ａに対し並列的に接続した他の分室３ｂ，３ｃ
に、さらに他の分室を分室連通路を介して直列接続する
形態を採用してもよい。

【００９６】前述の各実施形態において第１分室３ａの
室壁となるシリンダ壁部を、内部の作動ガスＧと外部の
等温化用熱媒Ｌとを熱交換させる伝熱壁にするなど、端
末の分室以外の分室についても、その室壁を、内部の作
動ガスＧと外部の等温化用熱媒Ｌとを熱交換させる伝熱
壁とするようにしてもよい。

【００９７】分室連通路７ａから分室３ｂ，３ａへ流入
させる作動ガスＧに旋回流動成分を付与する旋回案内具
は、前述の第３実施形態で示した螺旋状ヒレ３６の如き
構造に限定されるものではなく、例えば、プロペラ状の
案内翼を用いるなど、その他、種々の形状・構造を採用
できる。

【００９８】前述の各実施形態では、等温化用熱交換器
８ａ，８ｂで作動ガスＧと熱交換させる等温化用熱媒Ｌ
と、入出熱用熱交換器６で作動ガスＧと熱交換させる熱
媒Ｌとに同じ熱媒を用いたが、場合によっては、これら
熱媒を互いに異種の熱媒としたり、あるいはまた、ガス
路４に介装する入出熱用熱交換器６を省略して、シリン
ダ側での作動ガスＧと等温化用熱媒Ｌとの熱交換のみを
行わせる形態としてもよい。

【００９９】伝熱壁とする部分に設けるヒレ（フィン）
の具体的形状や配列形態は、種々の構成変更が可能であ
り、また、容積室３としてのシリンダ室の内面にヒレを
設ける場合、これら内面側のヒレどうしの間に先端を位
置させるピストン側のヒレをピストン２に設け、シリン
ダ室内面側のヒレとピストン側のヒレとの交互配列を保
った状態でピストン２を動作させるようにしてもよい。

【０１００】本発明は、スターリングエンジンや、スタ
ーリング冷凍機／ヒートポンプ、あるいはまた、スター
リングサイクルと逆スターリングサイクルとを並行実施
する熱・動力機器など、スターリングサイクル又は逆ス
ターリングサイクルを実施する各種のスターリング機器
に適用できる。

【０１０１】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするため符号を記すが、該記入により本発明は添
付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態を示す縦断面図

【図２】第１実施形態を示す横断面図

【図３】第２実施形態を示す縦断面図

【図４】第３実施形態を示す縦断面図

【図５】第４実施形態を示す縦断面図

【図６】第４実施形態を示す横断面図

【図７】従来構造を示す縦断面図

【図８】他の従来構造を示す縦断面図

【図９】他の従来構造を示す縦断面図

【符号の説明】

５ 再生熱交換器 ４ ガス路 ３ 容積室 Ｇ 作動ガス ３ａ〜３ｃ 分室 ３ａ 第１分室 ３ｂ，３ｃ 他の分室 ７ａ，７ｂ 分室連通路 Ｌ 等温化用熱媒 ８ａ，８ｂ 等温化用熱交換器 １ シリンダ ２ ピストン ２ａ〜２ｃ ピストン部分 ｎａ〜ｎｃ 区画空間 ｆａ，ｆｂ 環状配置流路 １０ａ，１０ｂ 流路壁（伝熱壁） ２０ シリンダ側環状凹部 ２１ ピストン側環状突起 ｎａ’〜ｎｃ’ 区画空間 ｆａ’，ｆｂ’ 環状配置流路 ２３ａ，２３ｂ 流路壁（伝熱壁） １４，３１，４０ｃ分室の室壁（伝熱壁） ３６ 旋回案内具

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 再生熱交換器（５）を備えるガス路
   （４）を介して容積室（３）内に流入させた作動ガス
   （Ｇ）を、スターリングサイクル又は逆スターリングサ
   イクルにおける膨張又は圧縮の行程として、前記容積室
   （３）の容積変化を伴い膨張又は圧縮させるスターリン
   グ機器の容積室構造であって、 前記容積室（３）を、前記膨張又は圧縮の行程において
   各々が容積変化する複数の分室（３ａ〜３ｃ）に分割
   し、 これら分室（３ａ〜３ｃ）のうち、前記ガス路（４）を
   接続した第１の分室（３ａ）に対し、他の分室（３
   ｂ），（３ｃ）を分室連通路（７ａ），（７ｂ）を介し
   て連通させ、 前記分室連通路（７ａ），（７ｂ）に、作動ガス（Ｇ）
   と等温化用熱媒（Ｌ）とを熱交換させる等温化用の熱交
   換器（８ａ），（８ｂ）を設けたスターリング機器の容
   積室構造。
2. 【請求項２】 前記容積室（３）を３室以上の前記分室
   （３ａ〜３ｃ）に分割し、 これら分室（３ａ〜３ｃ）のうち、前記ガス路（４）を
   接続した前記第１分室（３ａ）に対し、第２分室以降の
   他の分室（３ｂ），（３ｃ）を、前記分室連通路（７
   ａ），（７ｂ）を介して順次に直列接続し、 これら複数の分室連通路（７ａ），（７ｂ）の夫々に前
   記等温化用の熱交換器（８ａ），（８ｂ）を設けた請求
   項１記載のスターリング機器の容積室構造。
3. 【請求項３】 シリンダ（１）とピストン（２）とによ
   りシリンダ内に前記容積室（３）を形成する構成におい
   て、 前記シリンダ（１）を、その内径が段階的にヘッド側ほ
   ど小径となる複数段構造にするとともに、前記ピストン
   （２）を、前記シリンダ（１）の各段部に対する複数段
   のピストン部分（２ａ〜２ｃ）を備える複数段構造に
   し、 このシリンダ・ピストン構造により前記シリンダ（１）
   の内部に区画形成される区画空間（ｎａ〜ｎｃ）の夫々
   を前記分室（３ａ〜３ｃ）とし、 これら区画空間（ｎａ〜ｎｃ）のうち、前記ガス路
   （４）を接続する前記第１分室（３ａ）としての区画空
   間（ｎａ）に対し他の区画空間（ｎｂ），（ｎｃ）を連
   通させる流路（ｆａ），（ｆｂ）を、環状の配置で前記
   シリンダ（１）の周壁部に形成して、この環状配置流路
   （ｆａ），（ｆｂ）を前記分室連通路（７ａ），（７
   ｂ）とし、 この環状配置流路（ｆａ），（ｆｂ）の流路壁（１０
   ａ），（１０ｂ）を、その外部に流通させる等温化用熱
   媒（Ｌ）と内部の作動ガス（Ｇ）とを熱交換させる伝熱
   壁として、前記等温化用の熱交換器（８ａ），（８ｂ）
   を構成してある請求項１又は２記載のスターリング機器
   の容積室構造。
4. 【請求項４】 シリンダ（１）とピストン（２）とによ
   りシリンダ内に前記容積室（３）を形成する構成におい
   て、 前記シリンダ（１）のヘッドに、シリンダ内部側に向か
   って開口する環状の凹部（２０）を形成するとともに、
   前記ピストン（２）の先端に、前記シリンダ側環状凹部
   （２０）の内部に先端を位置させる環状突起（２１）を
   形成し、 このシリンダ・ピストン構造によりシリンダ内部に区画
   形成される区画空間（ｎａ’〜ｎｃ’）の夫々を前記分
   室（３ａ〜３ｃ）とし、 これら区画空間（ｎａ’〜ｎｃ’）のうち、前記ガス路
   （４）を接続する前記第１分室（３ａ）としての区画空
   間（ｎａ’）に対し他の区画空間（ｎｂ’），（ｎ
   ｃ’）を連通させる流路（ｆａ’），（ｆｂ’）を、環
   状の配置で前記シリンダ側環状凹部（２０）の周壁部に
   形成して、この環状配置流路（ｆａ’），（ｆｂ’）を
   前記分室連通路（７ａ），（７ｂ）とし、 この環状配置流路（ｆａ’），（ｆｂ’）の流路壁（２
   ３ａ），（２３ｂ）を、その外部に流通させる等温化用
   熱媒（Ｌ）と内部の作動ガス（Ｇ）とを熱交換させる伝
   熱壁として、前記等温化用の熱交換器（８ａ），（８
   ｂ）を構成してある請求項１又は２記載のスターリング
   機器の容積室構造。
5. 【請求項５】 前記分室（３ｃ），（３ｂ）の室壁（１
   ４），（３１），（４０ｃ）を、その外部に流通させる
   等温化用熱媒（Ｌ）と内部の作動ガス（Ｇ）とを熱交換
   させる伝熱壁にしてある請求項１、２、３又は４記載の
   スターリング機器の容積室構造。
6. 【請求項６】 前記分室連通路（７ａ）から前記分室
   （３ｂ），（３ａ）内へ流入させる作動ガス（Ｇ）に旋
   回流動成分を付与する旋回案内具（３６）を設けた請求
   項１、２、３、４又は５記載のスターリング機器の容積
   室構造。