JP3394665B2 - ガスサイクル機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、逆スターリングサ
イクル・ヒートポンプやスターリングサイクル・エンジ
ンなどのガスサイクル機器に関し、詳しくは、第１回転
軸に連結したピストンを備えるシリンダ室と、第２回転
軸に連結したピストンを備えるシリンダ室とを、ガスサ
イクル用のガス連通路を介して連通させ、そして、第１
及び第２回転軸を連動同期回転させる非作用状態と、第
１及び第２回転軸を相対回転動作させて、連動同期回転
の際の両回転軸の位相差を変更する作用状態とに切り換
え自在な位相制御機構を設けるガスサイクル機器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種のガスサイクル機器は、上記の位
相制御機構を非作用状態にして、第１及び第２回転軸を
連動同期回転（すなわち、位相差を一定に保つように互
いに等しい速度で連動回転）させることにより、第１回
転軸の側のピストンと第２回転軸の側のピストンとを一
定位相差で動作させてガスサイクル運転を行い、また、
位相制御機構を作用状態にして、連動同期回転の際の両
回転軸の位相差を変更することにより、第１回転軸の側
のピストンと第２回転軸の側のピストンとの位相差を変
更して、ガスサイクル特性の変更を行うものである。

【０００３】ところで、従来、この種のガスサイクル機
器では、いわゆる差動機構を用いて位相制御機構を構成
することに対し、この位相制御機構を単純に両回転軸の
突き合わせ端部間に介装する形式、すなわち、端部どう
しを突き合わせる状態に第１及び第２回転軸を一直線状
に配置し、これら回転軸どうしの連結部に位相制御機構
を介装する形式を採っていた（例えば、特願平８−７３
８３４号参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来形
式では、位相制御機構の介装の為に、第１回転軸の側の
ピストンを有するシリンダ室と第２回転軸の側のピスト
ンを有するシリンダ室との離間距離が大きくなって、こ
れらシリンダ室どうしを結ぶガス連通路が長尺化し、こ
の為、ガス連通路での断熱変化などによるロスが大きく
なって機器効率が低下する、また、配管スペースが大き
くなって機器が大型化するなどの問題があった。

【０００５】以上の実情に対し、本発明の主たる課題
は、位相制御機構を合理的に配備することにより、上記
問題の解消を図る点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１記載の発
明では、第１及び第２回転軸を位相制御機構に対し同じ
側に配置して、これら第１及び第２回転軸に連結のピス
トンを位相制御機構の一方側に集約配置するから、先述
の従来形式、すなわち、一直線状に配置した第１及び第
２回転軸の突き合わせ端部間に位相制御機構を介装する
構成上、回転軸芯方向において、この位相制御機構の両
側に、第１回転軸の側のピストンと第２回転軸の側のピ
ストンとが振り分けられる形式に比べ、第１回転軸の側
のピストンを有するシリンダ室と第２回転軸の側のピス
トンを有するシリンダ室との離間距離を小さくすること
ができ、これにより、これらシリンダ室どうしを結ぶガ
ス連通路を短尺化することができる。そして、このこと
から、ガス連通路での断熱変化などによるロスを抑制し
て機器効率を向上させることができ、また、配管スペー
スを小さくして機器をコンパクト化することができる。

【０００７】また、第１及び第２回転軸を、その一方の
内部に他方を同芯状に挿通配置する二重軸構造にするか
ら、例えば、第１及び第２回転軸を互いに離間する平行
姿勢に配置して、これら回転軸の一端側に位相制御機構
を配備するといった形態に比べ、軸配置をコンパクトに
して機器のコンパクト化を促進できる。

【０００８】〔２〕請求項２記載の発明では、前記の二
重軸構造における外側回転軸のピストン連結用偏芯軸部
を、その断面内に回転軸芯が位置する径に形成すること
により、その外側回転軸に対しピストンを直接的に連結
する形態を採りながら二重軸構造を実現でき、このこと
から、例えば、外側回転軸に対し適当な別の中間連動機
構を介してピストンを間接的に連結するといった形態で
二重軸構造を実現するに比べ、機器のコンパクト化を一
層効果的に促進することができる。

【０００９】〔３〕請求項３記載の発明では（図３参
照）、第１及び第２非円形部材１６，１７のうちの一方
の非円形部材１７を固定とし、かつ、他方の非円形部材
１６を相対回転操作用モータ１９の出力軸１９ａに連結
する構成において、このモータ１９による他方の非円形
部材１６の回転操作を停止した状態では、第１弾性環状
体１４を介しての第１剛性環状体１１と第２剛性環状体
１２との連動回転において生じる差動分と、第２弾性環
状体１５を介しての第２剛性環状体１２と第３剛性環状
体１３との連動回転において生じる差動分とを相殺させ
て、第１剛性環状体１１と第３剛性環状体１３とを一体
的に連動回転させ、これにより、位相制御機構Ｋの非作
用状態として、第１回転軸８と第２回転軸９とを一定位
相差に保って連動同期回転させる状態を得る。

【００１０】また、相対回転操作用モータ１９により上
記他方の非円形部材１６を所要角度だけ回転操作するこ
とで、第１弾性環状体１４を介しての第１剛性環状体１
１と第２剛性環状体１２との連動回転において生じる差
動分と、第２弾性環状体１５を介しての第２剛性環状体
１２と第３剛性環状体１３との連動回転において生じる
差動分とに差を生じさせて、第１剛性環状体１１と第３
剛性環状体１３とを相対回転動作させ、これにより、位
相制御機構Ｋの作用状態として、第１回転軸８と第２回
転軸９とを相対回転動作させて両回転軸８，９の位相差
を変更する状態を得る。

【００１１】すなわち、この構成であれば、内周歯列の
剛性環状体と外周歯列の弾性環状体と非円形部材との三
者を用いた差動構造を採用するものとしながらも、相対
回転操作用モータの機体そのものを回転軸とともに回転
させる（先述の特願平８−７３８３４号参照）といった
ことは不要となって、相対回転操作用モータの機体を固
定にできることから、このモータに対する操作信号線の
接続構造を簡略化し得るとともに、モータ機体の回転に
動力を費やすことを無くして動力ロスを低減することが
できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、スターリング機器を用い
たヒートポンプ装置を示し、１はガスサイクル運転用原
動機としての駆動モータ、２はガスサイクル機器部であ
り、このガスサイクル機器部２には、ピストンｐ１，ｐ
２，ｐ３の動作に伴い個別に作動ガスＧの吐出と吸入を
繰り返す高温シリンダ室Ｃ１と中温シリンダ室Ｃ２と低
温シリンダ室Ｃ３を設け、そして、高温シリンダ室Ｃ１
と中温シリンダ室Ｃ２とをガス連通路３ａを介して連通
させるとともに、中温シリンダ室Ｃ２と低温シリンダ室
Ｃ３とをガス連通路３ｂを介して連通させ、これらガス
連通路３ａ，３ｂの各々に、蓄熱材内装の再生熱交換器
４ａ，４ｂを介装してある。

【００１３】また、５は高温シリンダ室Ｃ１に熱入力す
る加熱器、６は中温シリンダ室Ｃ２での発生温熱を取り
出す温熱取出用の熱交換器、７は低温シリンダ室Ｃ３の
発生冷熱を取り出す冷熱取出用の熱交換器である。

【００１４】つまり、このガスサイクル機器部２では、
各ピストンｐ１〜ｐ３の動作とともに、各シリンダ室Ｃ
１〜Ｃ３を、ガス連通路３ａ，３ｂによる連通下で、ま
た、加熱器５や各熱交換器４ａ，４ｂ，６，７の作用下
で作動ガス吐出吸入させることにより、高温シリンダ室
Ｃ１と中温シリンダ室Ｃ２との組については、加熱器５
による高温シリンダ室Ｃ１への熱入力の下でスターリン
グサイクルを実行させてスターリングエンジンとして機
能させ、この発生動力を駆動モータ１からの付与動力に
付加する形態で後述のスターリングヒートポンプの運転
に使用する。

【００１５】また、中温シリンダ室Ｃ２と低温シリンダ
室Ｃ３との組については、駆動モータ１からの付与動力
及び上述のスターリングエンジンによる付与動力で逆ス
ターリングサイクルを実行させてスターリングヒートポ
ンプとして機能させ、これにより、その熱出力として、
低温シリンダ室Ｃ３での発生冷熱を冷熱取出用の熱交換
器７から取り出すとともに、中温シリンダ室Ｃ２での発
生温熱を温熱取出用の熱交換器６から取り出す。

【００１６】なお、ガスサイクル機器部２における作動
ガスＧには、ヘリウムガスや水素ガス、あるいは空気な
ど、種々の気体を採用でき、また、加熱器５により高温
シリンダ室Ｃ１へ入力する熱としては、バーナによる発
生熱や他の装置・設備で生じる排熱、あるいは、原動機
としてエンジンを用いる場合にはそのエンジン排熱な
ど、種々の熱を採用できる。

【００１７】ガスサイクル機器部２における伝動構造に
ついては、図１〜図３に示すように、駆動モータ１の出
力軸１ａに第１回転軸８の基端を直結し、この第１回転
軸８のクランク部８ａに、中温シリンダ室Ｃ２のピスト
ンｐ２と低温シリンダ室Ｃ３のピストンｐ３とを連結
し、また、これら中温及び低温シリンダ室Ｃ２，Ｃ３の
ピストンｐ２，ｐ３よりも第１回転軸８の先端側（すな
わち、本実施形態では駆動モータ１に対する連結側とは
反対側）において、第１回転軸８に対し第２回転軸９を
二重軸構造で相対回転自在に外嵌させ、この第２回転軸
９のクランク部９ａに高温シリンダ室Ｃ１のピストンｐ
１を連結してある。

【００１８】そして、この二重軸構造における軸先端部
には、第１回転軸８と第２回転軸９とを連動同期回転
（すなわち、位相差を一定に保つように互いに等しい速
度で連動回転）させる非作用状態と、これら第１及び第
２回転軸８，９を所要角度だけ相対回転動作させて、連
動同期回転の際の両回転軸８，９の位相差を変更する作
用状態とに切り換え自在な位相制御機構Ｋを連設してあ
る。

【００１９】つまり、加熱器５からの熱入力によりガス
サイクル機器部２をエンジン機能させて得る動力と駆動
モータ１からの付与動力とで、ガスサイクル機器部２を
ヒートポンプ機能させて冷熱及び温熱の熱出力を得る
が、この運転にあたり、上記の位相制御機構Ｋにより、
第１回転軸８と第２回転軸９との連動同期回転の際の位
相差を変更して、高温シリンダ室Ｃ１のピストンｐ１
と、他の二つのシリンダ室Ｃ２，Ｃ３のピストンｐ２，
ｐ３とのピストン動作の位相差関係を調整することで、
ガスサイクル特性を変更して駆動モータ１からの動力入
力と加熱器５からの熱入力との入力比を適宜に変更調整
できるようにしてある。

【００２０】また、位相制御機構Ｋの装備にあたり、上
記の如く二重軸構造を採用して、三つの全てのピストン
ｐ１〜ｐ３を位相制御機構Ｋに対し回転軸芯方向の一方
側で集約配置する構造を採ることにより、シリンダ室Ｃ
１〜Ｃ３どうしを連通させるガス連通路３ａ，３ｂ（特
に高温シリンダ室Ｃ１用のガス連通路３ａ）を短尺化で
きるようにし、これにより、ガス連通路３ａ，３ｂでの
断熱変化などによるロスの抑制、及び、機器全体のコン
パクト化を図ってある。

【００２１】なお、二重軸構造の採用にあたっては、外
側に位置する第２回転軸９のクランク部９ａを形成する
のに、それにおけるピストン連結用偏芯軸部を、その断
面内に回転軸芯Ｑが位置する径ｄに形成し、これによ
り、外側の第２回転軸９に対しピストンｐ１を直接的に
連結する構造を採りながら二重軸構造を実現できるよう
にしてある。

【００２２】上記の位相制御機構Ｋは、差動部１０と、
これに対する操作手段としての相対回転操作用サーボモ
ータ１９を有し、具体的構造としては図３に示すよう
に、差動部１０において、内周にスプライン状の多数の
歯（例えば、百枚から数百枚の歯）を形成した第１〜第
３の三つの剛性環状体１１〜１３を同芯状に並置すると
ともに、外周にスプライン状の多数の歯を形成した第１
弾性環状体１４を、第１及び第２剛性環状体１１，１２
の内側に配置し、かつ、外周にスプライン状の多数の歯
を形成した第２弾性環状体１５を、第２及び第３剛性環
状体１２，１３の内側に配置してある。

【００２３】また、第１弾性環状体１４に対し相対回転
自在に内嵌させて、この内嵌により、第１弾性環状体１
４の外周歯列を周方向の二個所で第１及び第２剛性環状
体１１，１２夫々の内周歯列に咬合させるように、第１
弾性環状体１４を楕円形に弾性変形させる第１楕円部材
１６と、第２弾性環状体１５に対し相対回転自在に内嵌
させて、この内嵌により、第２弾性環状体１５の外周歯
列を周方向の二個所で第２及び第３剛性環状体１２，１
３夫々の内周歯列に咬合させるように、第２弾性環状体
１５を楕円形に弾性変形させる第２楕円部材１７とを設
けてある。

【００２４】そして、第１剛性環状体１１は、二重軸構
造の先端部における第１回転軸８の先端に連結し、第３
剛性環状体１３は、ケース兼用の連結部材１８を介して
二重軸構造の先端部における第２回転軸９の先端に連結
し、また、第１楕円部材１６は、上記サーボモータ１９
の回転軸１９ａに連結してある。なお、第２楕円部材１
７は固定支持し、サーボモータ１９の機体はガスサイク
ル機器部２のケースに固定支持してある。

【００２５】さらにまた、第２剛性環状体１２の内周歯
列の歯数、第１弾性環状体１４の外周歯列の歯数、第２
弾性環状体１５の外周歯列の歯数は、互いに等しい歯数
とし、これに対し、第１回転軸８に連結した第１剛性環
状体１１の内周歯列の歯数と、第２回転軸９に連結した
第３剛性環状体１３の内周歯列の歯数は、上記の第２剛
性環状体１２、第１、第２弾性環状体１４，１５の歯数
とは共に極僅か（例えば２，３枚程度）だけ歯数を異な
らせた互いに等しい歯数としてある。

【００２６】つまり、この位相制御機構Ｋにおいては、
サーボモータ１９による第１楕円部材１６の回転操作を
停止した状態では、第１弾性環状体１４を介しての第１
剛体環状体１１と第２剛体環状体１２との連動回転にお
いて生じる差動分（すなわち、第１弾性環状体１４と第
１剛体環状体１１との歯数の相違による差動分）と、第
２弾性環状体１５を介しての第２剛体環状体１２と第３
剛体環状体１３との連動回転において生じる差動分（す
なわち、第２弾性環状体１５と第３剛体環状体１３との
歯数の相違による差動分）とを相殺させて、第１剛性環
状体１１と第３剛性環状体１３とを一体的に連動回転さ
せ、これにより、位相制御機構Ｋの非作用状態として、
第１回転軸８と第２回転軸９とを一定位相差に保って連
動同期回転させる状態を得る。

【００２７】また、サーボモータ１９により第１楕円部
材１６を所要角度だけ回転操作することで、第１弾性環
状体１４を介しての第１剛体環状体１１と第２剛体環状
体１２との連動回転において生じる差動分と、第２弾性
環状体１５を介しての第２剛体環状体１２と第３剛体環
状体１３との連動回転において生じる差動分とに差を生
じさせて、第１剛性環状体１１と第３剛性環状体１３と
を相対回転動作させ、これにより、位相制御機構Ｋの作
用状態として、第１回転軸８と第２回転軸９とを相対回
転動作させて両回転軸８，９の位相差を変更する状態を
得るようにしてある。

【００２８】なお、上記構造の位相制御機構Ｋでは、サ
ーボモータ１９の機体そのものを回転軸８，９とともに
回転させることは不要となって、サーボモータ１９の機
体を固定にできることから、サーボモータ１９に対する
操作信号線の接続構造を簡略化し得るとともに、モータ
機体の回転に動力を費やすことを無くして動力ロスを低
減できる。

【００２９】〔別の実施形態〕 次に別の実施形態を列記する。前述の実施形態では、位
相制御機構Ｋにおける差動部１０を、内周歯列の剛性環
状体と外周歯列の弾性環状体と楕円形など（三角形や四
角形などの多角形であてっもよい）の非円形部材とで形
成する形態を示したが、場合によっては、請求項１〜２
記載の発明の実施にあたり、位相制御機構Ｋにおける差
動部１０を、遊星歯車式やベベルギヤ式などの差動機構
をもって形成するようにしてもよい。

【００３０】本発明は、スターリングサイクルや逆スタ
ーリングサイクルを実施するスターリング機器に限ら
ず、種々のガスサイクル機器に適用でき、また、シリン
ダ数も３筒に限定されるものではなく、第１回転軸８の
側、及び、第２回転軸９の側の夫々に装備するシリンダ
数は単数ないし複数のいずれであってもよい。

【００３１】尚、〔特許請求の範囲〕の項に、及び、
〔課題を解決するための手段〕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】機器の全体構成を示す斜視図

【図２】伝動構造の拡大図

【図３】位相制御機構の拡大図

【符号の説明】

８ 第１回転軸 ９ 第２回転軸 ｐ１〜ｐ３ ピストン Ｃ１〜Ｃ３ シリンダ室 ３ａ，３ｂ ガス連通路 Ｋ 位相制御機構 Ｑ 回転軸芯 ｄ ピストン連結用偏芯軸部の径 １１〜１３ 第１〜第３剛性環状体 １４，１５ 第１及び第２弾性環状体 １６，１７ 第１及び第２非円形部材 １９ 相対回転操作用モータ １９ａ 出力軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−193988（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−219569（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−69367（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 520 F25B 9/14 510 F02G 1/045

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１回転軸（８）に連結したピストン
   （ｐ２，ｐ３）を備えるシリンダ室（Ｃ２，Ｃ３）と、
   第２回転軸（９）に連結したピストン（ｐ１）を備える
   シリンダ室（Ｃ１）とを、ガスサイクル用のガス連通路
   （３ａ，３ｂ）を介して連通させ、 前記第１及び第２回転軸（８，９）を連動同期回転させ
   る非作用状態と、前記第１及び第２回転軸（８，９）を
   所要角度だけ相対回転動作させて、前記連動同期回転の
   際の両回転軸（８，９）の位相差を変更する作用状態と
   に切り換え自在な位相制御機構（Ｋ）を設けるガスサイ
   クル機器であって、 前記第１及び第２回転軸（８，９）を前記位相制御機構
   （Ｋ）に対し同じ側に配置して、これら第１及び第２回
   転軸（８，９）に連結の前記ピストン（ｐ１，ｐ２，ｐ
   ３）を前記位相制御機構（Ｋ）の一方側に集約配置し、 前記第１及び第２回転軸（８，９）を、その一方の内部
   に他方を同芯状に挿通配置する二重軸構造にしてある ガ
   スサイクル機器。
2. 【請求項２】 前記二重軸構造における外側回転軸
   （９）のピストン連結用偏芯軸部を、その断面内に回転
   軸芯（Ｑ）が位置する径（ｄ）に形成してある請求項１
   記載のガスサイクル機器。
3. 【請求項３】 前記位相制御機構（Ｋ）は、 内周に多数の歯を形成した第１〜第３の剛性環状体（１
   １，１２，１３）と、 外周に多数の歯を形成して前記第１及び第２剛性環状体
   （１１，１２）の内側に配置する第１弾性環状体（１
   ４）と、 外周に多数の歯を形成して前記第２及び第３剛性環状体
   （１２，１３）の内側に配置する第２弾性環状体（１
   ５）と、 前記第１弾性環状体（１４）に対し相対回転自在に内嵌
   させて、この内嵌により、前記第１弾性環状体（１４）
   の外周歯列を周方向の一部分で前記第１及び第２剛性環
   状体（１１，１２）の内周歯列に咬合させるように、前
   記第１弾性環状体（１４）を弾性変形させる第１非円形
   部材（１６）と、 前記第２弾性環状体（１５）に対し相対回転自在に内嵌
   させて、この内嵌により、前記第２弾性環状体（１５）
   の外周歯列を周方向の一部分で前記第２及び第３剛性環
   状体（１２，１３）の内周歯列に咬合させるように、前
   記第２弾性環状体（１５）を弾性変形させる第２非円形
   部材（１７）とを備え、 前記第２剛性環状体（１２）と前記第１弾性環状体（１
   ４）と前記第２弾性環状体（１５）とを等歯数にすると
   ともに、この歯数とは異なる歯数で、前記第１剛性環状
   体（１１）と前記第３剛性環状体（１３）とを等歯数に
   し、 前記第１剛性環状体（１１）を前記第１回転軸（８）
   に、かつ、前記第３剛性環状体（１３）を前記第２回転
   軸（９）に連結するとともに、 前記第１及び第２非円形部材（１６，１７）の一方を固
   定として、他方を相対回転操作用モータ（１９）の出力
   軸（１９ａ）に連結してある請求項１又は２記載のガス
   サイクル機器。