JPH05626B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は熱駆動ヒートポンプに係り、特に、作
動ガスを高温と低温の熱源で加熱、冷却すること
によつて発生する作動ガス圧力の上昇、下降を、
機械動力を介することなく直接ヒートポンプにお
ける作動ガスの圧縮、膨張に利用して吸熱、排熱
を行う方式のヒートポンプに関する。

〔従来の技術〕

２個のデイスプレーサを適切な時間ずれをもつ
て変位するように、対向状に配置した２個のシリ
ンダ内に収容し、各デイスプレーサの往復変位に
伴つて、、各シリンダに付属する加熱器、リジエ
ネレータおよび冷却器を含む流路を経て、両シリ
ンダ内の作動ガスを、両シリンダの端部の高温室
および低温室と、両シリンダの中間の中温室との
間を往復させるようにしたヒートポンプは、米国
特許第1275507号明細書に記載されているように
公知である。

この公知のヒートポンプでは、両デイスプレー
サは、両シリンダの中間部に設けた駆動軸により
クランク機構を介して強制的に時間ずれをもつて
変位する。

また、２個のデイスプレーサを外部から別々の
モータで駆動するようにしたものは、米国特許第
3630041号明細書により、２個のデイスプレーサ
に永久磁石を取付けて電磁石の力でデイスプレー
サを駆動するようにしたものは、米国特許第
3774405号明細書により、それぞれ公知である。

一方、デイスプレーサの変位を作動ガスからの
力によつて行い、デイスプレーサの動きをそれに
連係されたクランク軸を介して動力として取出せ
るようにしたヒートポンプは、米国特許第
3379026号明細書により公知である。

また、中温室をフローテイングピストンで仕切
つたものが、米国特許第4455841号明細書に記載
されている。

さらにまた、低温デイスプレーサをフリーピス
トンとし、かつガスばねで支持し、受圧面積差に
よつて作動ガス圧力で駆動するようにしたもの
も、米国特許第4024727号明細書に記載されてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上に述べた公知のヒートポンプは、いずれ
も、クランク機構を有し、少くとも一方のデイス
プレーサは外部からの機械力または電磁力により
駆動される。したがつて、ヒートポンプは機構的
に複雑になり、外部に動力源がないと運転するこ
とができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決することがで
き、構造が簡単で、熱源のみがあれば運転するこ
とが可能で、しかも高い性能を期待することがで
きる熱駆動ヒートポンプを提供することを主目的
とする。

また、本発明は、中温室フローテイングピスト
ンで仕切る前記公知の方式に対して、ピストンの
摺動による摩擦ロスがない。ピストンの慣性抵抗
や摩擦抵抗によつて生じるピストン前後両間の圧
力差によるピストン前後面間の作動ガスのもれに
よるロスがない。等の利点をさらに有する熱駆動
ヒートポンプを提供することをも目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による熱駆動ヒートポンプは、同軸的に
配置され、、内部に作動ガスを充填した高温シリ
ンダおよび低温シリンダと、高温シリンダの低温
シリンダと反対の側に高温室を形成しかつ高温シ
リンダの低温シリンダ側に中温室を形成するよう
に、高温シリンダの内部に摺動自在に挿入された
高温デイスプレーサと、前記高温室と中温室とを
連通させる高温側作動ガス流路と、高温室から中
温室へ向かう方向に関して高温側作動ガス流路内
に順次配列された高温熱交換器、高温リジエネレ
ータおよび高温側中温熱交換器と、低温シリンダ
の高温シリンダと反対の側に低温室を形成しかつ
低温シリンダの高温シリンダ側に中温室を形成す
るように、低温シリンダの内部に摺動自在に挿入
された低温デイスプレーサと、前記低温室と中温
室とを連通させる低温側作動ガス流路と、低温室
から中温室へ向かう方向に関して低温側作動ガス
流路内に順次配列された低温熱交換器、低温リジ
エネレータおよび低温側中温熱交換器と、前記高
温シリンダおよび低温シリンダの間に固定状態で
設けられた高温側デイスプレーサガイドおよび低
温側デイスプレーサガイドとを備え、高温側デイ
スプレーサガイドおよび低温側デイスプレーサガ
イドは、それぞれ高温デイスプレーサおよび低温
デイスプレーサと摺動自在にかん合して両デイス
プレーサを軸方向に案内し、かつ両デイスプレー
サとの間にガスを収容したガスばね室を形成して
おり、両デイスプレーサガイドは、両シリンダの
間に固設された隔壁に一体的に設けられ、隔壁は
連通開口を有し、隔壁の両側に前記中温室が形成
され、両中温室が前記連通開口を介して連通して
ことを特徴とする。

また、併合発明によれば、上記構成において、
両デイスプレーサガイドは両シリンダ間に固設さ
れた隔壁に設けられ、隔壁は連通開口を有し、こ
の連通開口内に中温リジエネレータが設けられ、
隔壁の両側に中温室が形成されている。

〔作 用〕

以上の構成により、本発明の熱駆動ヒートポン
プは、デイスプレーサ外部から機械的駆動力を与
えなくても、作動ガスの高温部と低温部の間での
流動を伴う作用と、両デイスプレーサに作用する
ガスばねの作用とにより、デイスプレーサガイド
やシリンダとの摩擦、流路を作動ガスが流れると
きの抵抗などに起因する減衰力と作動ガスからの
力がつり合つた状態で持続振動をする。

〔実施例〕

つぎに、図面について本発明の実施例を説明す
る。

第１図において、１は本発明の熱駆動ヒートポ
ンプの筒状ケーシングで、このケーシング１の内
部には、それを一体的に高温シリンダ２Ｈおよび
低温シリンダ２Ｌが同軸的に設けられている。図
示の例では低温シリンダ２Ｌの方が高温シリンダ
２Ｈより径が大となつている。ケーシング１内に
は、たとえばヘリウムガスのような作動ガスが封
入されている。

高温シリンダ２Ｈの内部には高温デイスプレー
サ３Ｈが摺動自在に収容され、この高温デイスプ
レーサ３Ｈによつて、高温シリンダ２Ｈの低温シ
リンダ２Ｌと反対の側に高温室４Ｈが形成され、
また低温シリンダ２Ｌの側に中温室４が形成され
ている。

高温室４Ｈと中温室４Ｍは、高温シリンダ２Ｈ
の外周に形成した環状の高温側作動ガス流路５Ｈ
により連通している。そして、この流路５Ｈの内
部には、高温室４Ｈから中温室４Ｍへ向かつて高
温熱交換器７Ｈ、高温リジエネレータ８Ｈおよび
高温側中温熱交換器９Ｈが順次設けられている。

低温シリンダ２Ｌの側においても同様な構成が
とられ、低温シリンダ２Ｌの内部に低温デイスプ
レーサ３Ｌが摺動自在に収容され、この低温デイ
スプレーサ３Ｌによつて、低温シリンダ２Ｌの高
温シリンダ２Ｈと反対の側に低温室４Ｌが形成さ
れ、また高温シリンダ２Ｈの側に中温室４Ｍが形
成されている。

さらに、低温室４Ｌと中温室４Ｍは、低温シリ
ンダ２Ｌの外周に形成した環状の低温側作動ガス
流路５Ｌにより連通している。そして、この流路
５Ｌの内部には、低温室４Ｌから中温室４Ｍへ向
かつて低温熱交換器７Ｌ、低温リジエネレータ８
Ｌおよび低温側中温熱交換器９Ｌが順次設けられ
ている。

両シリンダ２Ｈ，２Ｌの中間部には、ケーシン
グ１と一体をなして隔壁１０が設けられ、この隔
壁１０からは高温側および低温側デイスプレーサ
ガイド１１Ｈ，１１Ｌが軸方向に突設されてい
る。図示の例ではこれらのガイド１１Ｈ，１１Ｌ
はロツドとして形成され、それぞれのロツド１１
Ｈ，１１Ｌは高温および低温デイスプレーサ３
Ｈ，３Ｌに形成した凹穴１２Ｈ，１２Ｌに摺動自
在に挿入され、これにより凹穴１２Ｈ，１２Ｌ内
にガスばね室１３Ｈ，１３Ｌが形成されている。
ガスばね室内には、たとえばヘリウムガスが封入
される。なお、ガイドと凹穴の雌雄関係は逆にす
ることも可能であるが、図示の構造の方が好まし
い。隔壁１０には連通開口１４が形成され、両中
温室４Ｍ，４Ｍは連通し、１つの中温室のように
機能するようになつている。

前記高温熱交換器７Ｈは、その外部から高温の
熱源、たとえばプロパンガスの燃焼ガスによつて
矢印Ａで示すように加熱され、内部の作動ガスへ
その熱が伝わるようにされる。また、高温室４Ｈ
は高温熱交換器７Ｈによつて高温に保持される。

一方、高温側中温熱交換器９Ｈは、外部の低温
熱源、たとえば上水道水に接し、それによつて冷
却され、内部の作動ガスを中間温度、たとえば40
℃程度にするように機能する。

作動ガスは、２個のデイスプレーサ３Ｈ，３Ｌ
の動きに応じて、それぞれの作動ガス流路５Ｈ，
５Ｌ内をいずれの方向にも自由に流れることもで
きる。そして、高温室４Ｈと中温室４Ｍ、および
低温室４Ｌと中温室４Ｍの圧力の間には、作動ガ
スが流路５Ｈ，５Ｌを流れるときに発生する圧力
降下に起因する圧力差のみが存在する。

両リジエネレータ８Ｈ，８Ｌは蓄熱性能に優れ
た材料からなり、そこを流通する作動ガスに、蓄
えた熱を放出したり、熱を奪つたりする。

つぎに、以上に説明したヒートポンプの作用を
説明する。

前述のように、高温デイスプレーサ３Ｈおよび
低温デイスプレーサ３Ｌは、それぞれガスばね室
１３Ｈ，１３Ｌ内のガスばねを介してケーシング
１内に支持されており、いわゆるばね質点系を構
成している。また、高温室４Ｈ、中温室４Ｍおよ
び低温室４Ｌは流路５Ｈ，５Ｌを通じて互いに連
通しており、各室の作動ガス圧力間には流路５
Ｈ，５Ｌの圧力降下分の圧力差があるのみであ
り、全作動ガスの圧力はほぼ均一とみなせる。

一方、デイスプレーサ３Ｈ，３Ｌが作動ガスか
ら圧力を受ける面積は、高温、低温いずれのデイ
スプレーサにおいても、中温室４Ｍ側の方がケー
シング端（高温室４Ｈ、低温室４Ｌ）側よりロツ
ド１１Ｈ，１１Ｌの断面積分だけ小さくなつてい
る。よつて、いずれのデイスプレーサも、作動ガ
ス圧力が上昇すると圧力上昇分にロツド断面積を
乗じただけの力を中温室４Ｍに向かう方向へ受
け、作動ガス圧力が低下すると圧力の低下分にロ
ツド断面積を乗じただけの力を中温室４Ｍから遠
ざかる方向へ受ける。

作動ガスの温度は、前述のように高温室４Ｈで
は高温に保持され、中温室４Ｍでは中間的な温度
に保持され、低温室４Ｌは、後述のような本ヒー
トポンプの作動の結果低温に保持される。

このような状態の下で、高温デイスプレーサ３
Ｈと低温デイスプレーサ３Ｌは、後で詳述するよ
うに自励振動を開始し、このヒートポンプは低温
側熱交換器７Ｌを介して外部から熱を吸収し、２
つの中温熱交換器９Ｈ，９Ｌから外部へ熱を排出
する。

以下、それについて詳述する。なお、表現の便
宜上、中温室４Ｍから高温室４Ｈへ向かう方向を
上方向、中温室４Ｍから中温室４Ｌへ向かう方向
を下方向と呼ぶ。

まず、低温デイスプレーサ３Ｌの動きが高温デ
イスプレーサ３Ｈに及ぼす影響ついて述べる。

いま、低温デイスプレーサ３Ｌが周期的に往復
運動をしているとする。低温デイスプレーサ３Ｌ
が上方向へ移動すると、中温室４Ｍの一部の作動
ガスは低温デイスプレーサ３Ｌに押しのけられ
て、低温側中温熱交換器９Ｌ、低温リジエネレー
タ８Ｌ、低温熱交換器７Ｌを通り、低温リジエネ
レータ８Ｌに熱を奪われて低温になり低温室４Ｌ
へ流入する。この過程で、中間温度の作動ガスの
一部が低温に冷却されることになるため、作動ガ
スの圧力は下り、また各室４Ｈ，４Ｍ，４Ｌの作
動ガスは流路５Ｈ，５Ｌを通じて連通しているた
めに、各室の圧力が互いに均一になつた状態で全
作動ガスの圧力の低下が起る。

作動ガス圧力が低下すると、前述のように高温
デイスプレーサ３Ｈには、圧力の低下分にロツド
１１Ｈの断面積を乗じた力が中温室４Ｍから遠ざ
かる方向すなわち上方向へ加わる。

逆に低温デイスプレーサ３Ｌが下方向へ移動す
ると、低温室４Ｌの作動ガスは低温デイスプレー
サ３Ｌに押しのけられて、低温熱交換器７Ｌ、低
温リジエネレータ８Ｌ、低温側中温熱交換器９Ｌ
を通り、低温リジエネレータ８Ｌから熱を受けと
り中間温度となつて中温室４Ｍへ流入する。この
過程で低温の作動ガスの一部が中間温度に加熱さ
れることになるため、作動ガスの圧力は上がり、
また各室４Ｈ，４Ｍ，４Ｌの作動ガスは流路５
Ｈ，５Ｌを通じて連通しているために圧力の上昇
は各室の圧力が均一になつた状態で起る。

作動ガスの圧力が上昇すると、前述のように高
温デイスプレーサ３Ｈには圧力の上昇分にロツド
１１Ｈの断面積を乗じただけの力が下方向に加わ
る。

以上より、低温デイスプレーサ３Ｌが往復運動
をすると、高温デイスプレーサ３Ｈには低温デイ
スプレーサ３Ｌの変位と同方向の力が加わること
がわかる。

高温デイスプレーサ３Ｈは、デイスプレーサ自
身を質点、ガスばね室１３Ｈ内のガスばねをばね
とするばね質点系の質点とみなすことができるた
め、周期的な力を受けると、ばね質点系の一般的
な特性を基づいて、加えられた力に時間的に遅れ
て追従して変化する。ただし、この時間的な遅れ
は、変位が力の逆方向となるまでは遅れない。

よつて、高温デイスプレーサ３Ｈは低温デイス
プレーサ３Ｌの変位と同方向の力を受け、その結
果高温デイスプレーサ３Ｈの変位は低温デイスプ
レーサ３Ｌの変位に時間的に遅れつつ追従するこ
とになる。

つぎに、高温デイスプレーサ３Ｈの動きが低温
デイスプレーサ３Ｌに及ぼす影響について述べ
る。

高温デイスプレーサ３Ｈが周期的に往復運動を
しているとする。いま、高温デイスプレーサ３Ｈ
が上方向へ移動すると、高温度４Ｈの作動ガスの
一部は高温デイスプレーサに押しのけられて、高
温熱交換器７Ｈ、高温リジエネレータ８Ｈ、高温
側中温熱交換器９Ｈを通り、高温リジエネレータ
８Ｈに熱を与えて中間温度となつて中温室４Ｍへ
流入する。この過程で高温の作動ガスの一部が中
間温度に冷却されることになるため、作動ガスの
圧力は下り、各室４Ｈ，４Ｍ，４Ｌの作動ガスは
流路５Ｈ，５Ｌによつて互いに連通しているため
この圧力の低下は全作動ガスに及ぶ。

作動ガス圧力が低下すると、低温デイスプレー
サ３Ｌには圧力の低下分にロツド１１Ｌの断面積
を乗じた力が下方向へ加わる。

逆に、高温デイスプレーサ３Ｈが下方向へ移動
すると、中温室４Ｍの作動ガスの一部は高温デイ
スプレーサに押しのけられて、高温側中温熱交換
器９Ｈ、高温リジエネレータ８Ｈ、高温熱交換器
７Ｈを通り交換リジエネレータ８Ｈから熱を受け
とつて高温となつて高温室４Ｈへ流入する。この
過程で、中間温度の作動ガスが一部加熱されるこ
とになるため、全作動ガスの圧力は上る。

作動ガス圧力が上昇すると、低温デイスプレー
サ３Ｌには圧力の上昇分にロツド１１Ｌの断面積
を乗じた力が上方向に加わる。

以上より、高温デイスプレーサ３Ｈが周期運動
をすると、低温デイスプレーサ３Ｌには高温デイ
スプレーサの変位と逆向きの力が加わることがわ
かる。

低温デイスプレーサ３Ｌも高温デイスプレーサ
３Ｈと同じくばね質点系の質点とみなせるため、
受けた力が、時間的に遅れて変位が追従するが、
その遅れは、受けた力に対して変位が逆方向にな
るほどではない。このことは次のように言いかえ
られる。すなわち、ばね質点系の質点が周期的な
力を受けると、受けた力と逆向きの波形に対して
は先行して変位る。この関係を第２図に示す。同
図において、力Ｆによる変位Ｄは力Ｆに対してＢ
だけ遅れるが、力Ｆと逆向きの波形Ｒに対しては
Ｃだけ先行する。

一方、高温デイスプレーサ３Ｈの動きに対して
低温デイスプレーサ３Ｌが受ける力は、高温デイ
スプレーサ３Ｈの変位と逆方向であるため、低温
デイスプレーサ３Ｌの変位は、高温デイスプレー
サ３Ｈの変位と逆方向の力とは逆向きの波形に先
行する。すなわち、低温デイスプレーサ３Ｌは高
温デイスプレーサ３Ｈの変位に先行した波形で変
位する。

以上より、 (a) 低温デイスプレーサ３Ｌが周期運動をする
と、高温デイスプレーサ３Ｈは低温デイスプレ
ーサ３Ｌの変位に遅れて追従する波形で変位
し、 (b) 高温デイスプレーサ３Ｈが周期運動をする
と、低温デイスプレーサ３Ｌは高温デイスプレ
ーサ３の変位に先行する波形で変位する、 ことが明らかである。

よつて、低温デイスプレーサ３Ｌが周期運動を
した場合も、高温デイスプレーサ３Ｈが周期運動
をした場合も、いずれもその結果引き起される両
デイスプレーサの運動の相対関係は同じで、必ず
低温デイスプレーサ３Ｌの変位は高温デイスプレ
ーサ３Ｈの変位に先行する。

一方、高温デイスプレーサ３Ｈも低温デイスプ
レーサ３Ｌもばねでケーシング１内に支持されて
いるため、何らかの外力たとえば衝撃力や電磁力
などの人為的な力が加わると、その外力が消減し
た後に継続して振動する性質を持つが、、この振
動においては上述のように、低温デイスプレーサ
３Ｌの変位は高温デイスプレーサ３Ｈの変位に先
行する。また、この振動はもし、２個のデイスプ
レーサの運動を促進する力を作動ガスが発生しな
ければ、デイスプレーサとシリンダ２Ｈ，２Ｌや
ロツド１１Ｈ，１１Ｌとの摩擦力、前記流路５
Ｈ，５Ｌの抵抗などにより減衰し、停止すること
になる。

この熱駆動ヒートポンプでは、高温および低温
デイスプレーサ３Ｈ，３Ｌに対する作動ガスの作
用により、上述のような外力の消減後も、両デイ
スプレーサの振動は減衰せずに持続する。

両デイスプレーサ３Ｈ，３Ｌのいずれかに外力
を与えて両者を振動させたとすると、外力は除い
た後、両者は第３図に示すように、低温デイスプ
レーサ３Ｌの変位が高温デイスプレーサ３Ｈの変
位にｃだけ先行する形で振動する。以下、第３図
にａないしｈで示す状態におけるヒートポンプの
作動状態を第４Ａ図ないし第４Ｈ図を参照して説
明する。なお、ａないしｈの状態は第４Ａ図ない
し第４Ｈ図の状態にそれぞれ対応する。

() 状態ａから状態ｃに至るまで （第４Ａ図ないし第４Ｃ図） この間、高温デイスプレーサ３Ｈは上方から下
方への方向転換をし、動きは緩やかであるため作
動ガスの状態に与える影響は小さく、作動ガスの
状態は下方へ向かつて移動する低温デイスプレー
サ３Ｌの動きの影響を受ける。

第４Ａ図の状態においては、高温室４Ｈの作動
ガスは容積が最小となりつつあり、低温室４Ｌの
作動ガスは容積が最大から減少しかけているとこ
ろである。よつて、第４Ａ図の状態は作動ガスが
低温側へ最も偏つた状態であり、サイクル中で作
動ガス圧力が最も低くなつた状態である。

低温デイスプレーサ３Ｌが下方へ向つて移動す
る第４Ｂ図の過程で、低温室４Ｌの低温の作動ガ
スは低温熱交換器７Ｌ、低温リジエネレータ８
Ｌ、低温側中温熱交換器９Ｌを順に通り、低温熱
交換器７Ｌを介して外部から熱を奪い、さらに低
温リジエネレータ８Ｌからも熱を受けとり、中間
温度となつて中温室４Ｍへ流入する。この結果、
低温の作動ガスが一部中間温度にまで加熱される
ため、作動ガス圧力は上昇する。圧力が上昇する
過程で、第４Ａ図の時点で中温室を占めていた作
動ガスもまた圧力が上昇すなわち、圧縮されるこ
とになり、中温室４Ｍにおいては断熱圧縮と類似
の状態変化が起り、中温室４Ｍの温度は上昇す
る。この温度上昇分に見合つた熱量が引き続く過
程で、高温側および低温側の中温熱交換器９Ｈ，
９Ｌから低温熱源に排出される。

第４Ａ図ないし第４Ｃ図の過程での圧力上昇幅
は、上述から明らかなように、低温室４Ｌと中温
室４Ｍの温度差が大なるほど大きく、したがつ
て、この過程での中温室４Ｍの温度上昇幅すなわ
ち引続く過程での中温熱交換器９Ｈ，９Ｌからの
排出熱量は、低温室４Ｌと中温室４Ｍの温度差が
大なるほど大きい。

() 状態ｃから状態ｅに至るまで （第４Ｃ図ないし第４Ｅ図） この間、低温デイスプレーサ３Ｌは下方から上
方への方向転換をし、動きは緩やかであるため、
作動ガスの状態に与える影響は少なく、作動ガス
の状態は下方へ向かつて移動する高温デイスプレ
ーサ３Ｈの動きの影響を受ける。

第４Ｃ図の状態においては高温室４Ｈ、低温室
４Ｌとも、容積が最小の状態に近く、中温室４Ｍ
の容積は最大の状態である。よつてこの状態は、
サイクルの中で作動圧力が平均値に近い値になつ
ている状態である。

高温デイスプレーサ，３Ｈが下方へ向かつて移
動する第４Ｃ図の過程で、中温室４Ｍの中間温度
の作動ガスは高温デイスプレーサ３Ｈに押しのけ
られて高温側中温熱交換器９Ｈ、高温リジエネレ
ータ８Ｈ、高温熱交換器７Ｈを順に通り、前記
（）の過程での中温室４Ｍの温度上昇に見合つ
た熱量を高温側中温熱交換器９Ｈへ排出し、高温
リジエネレータ８Ｈから熱を受けとり高温となつ
て高温室４Ｈへ流入する。この結果、中間温度の
作動ガスが一部高温に熱せられるため、作動ガス
の圧力は前記（）の過程に引き続いて上昇す
る。このように圧力が上昇する過程で、第４Ｃ図
の状態で中温室４Ｍと低温室４Ｌをそれぞれ占め
ていた作動ガス圧力も上昇することになり、わず
かの作動ガスが中温室４Ｍから低温室４Ｌへも流
れ込む。このとき、前記（）の過程での中温室
４Ｍの温度上昇に見合つた熱量の一部が低温側中
温熱交換器９Ｌからも排出される。これと同時
に、中温室４Ｍでは圧縮に伴い断熱圧縮と類似の
状態変化が起り、中温室４Ｍの温度は上昇する。
この温度上昇分に見合つた熱量が引き続く過程で
低温側中温熱交換器９Ｌから低温熱源に排出され
る。

第４Ｃ図ないし第４Ｅ図の過程での圧力上昇幅
は上述から明かなように中温室と高温室の温度差
が大なるほど大きく、したがつて、この過程での
中温室の温度上昇幅、すなわち引続く過程での中
温熱交換器からの排出熱量は中温室と高温室の温
度差が大なるほど大きい。

() 状態ｅから状態ｇに至るまで （第４Ｅ図ないし第４Ｇ図） この間、高温デイスプレーサ３Ｈは下方から上
方への方向転換をし、動きは緩やかであるため作
動ガスの状態に与える影響は小さく、作動ガスの
状態は、上方へ向かつて移動する低温デイスプレ
ーサ３Ｌの動きの影響を受ける。

第４Ｅ図の状態においては、高温室４Ｈの作動
ガスの容積は最大になりつつあり、低温室４Ｌの
作動ガスの容積は最小から増大しかけているとこ
ろである。よつて、第４Ｅ図の状態は作動ガスが
高温側へ最も偏つた状態であり、サイクル中で作
動ガス圧力が最も高くなつた状態である。

低温デイスプレーサ３Ｌが上方へ向かつて移動
する第４Ｆ図の過程で、中温室４Ｍの中間温度の
作動ガスは、低温デイスプレーサ３Ｌに押しのけ
られて低温側中温熱交換器９Ｌ、低温リジエネレ
ータ８Ｌ、低温熱交換器７Ｌを順に通り、前記
（）の過程での中温室４Ｍの温度上昇に見合つ
た熱量を低温側中温熱交換器９Ｌに排出し、さら
に低温リジエネレータ８Ｌに熱を奪われて低温と
なつて低温室４Ｌへ流入する。この結果、中間温
度の作動ガスが一部低温に冷却されることになる
ため、作動ガス圧力は低下する。

このように作動ガス圧力が低下する過程で、高
温室４Ｈの作動ガスも流路５Ｈを通り中温室４Ｍ
へ流入し圧力が低下し、全作動ガスの圧力の低下
が起ることになる。すなわち、この過程において
は、高温室４Ｈは容積変化がほとんどない状態
で、作動ガスが引き抜かれることになり、高温室
４Ｈの作動ガスには断熱膨張と類似の状態変化が
起り、高温室４Ｈの温度は低下する。この高温室
４Ｈの温度低下に見合つた熱量が引き続く過程で
高温熱源から高温熱交換器７Ｈを介して作動ガス
に加えられる。

第４Ｅ図から第４Ｇ図の過程での圧力低下の幅
は、上述から明らかなように、低温室４Ｌと中温
室４Ｍの温度差が大なるほど大きく、したがつて
この過程での高温室４Ｈの温度低下幅すなわち引
き続く過程での高温熱交換器７Ｈからの吸収熱量
は、低温室４Ｌと中温室４Ｍの温度差が大なるほ
ど大きい。

() 状態ｇから状態ｈに至るまで （第４Ｇ図および第４Ｈ図） この間、低温デイスプレーサ３Ｌは上方から下
方への方向転換をし、動きは緩やかであるため、
作動ガスの状態に与える影響は小さく、作動ガス
の状態は上方へ向かつて移動する高温デイスプレ
ーサ３Ｈの動きの影響を受ける。

第４Ｇ図の状態においては、低温室４Ｌ、高温
室４Ｈともに容積がほぼ最大の圧力が平均値に近
い値になつている状態である。

高温デイスプレーサ３Ｈが上方へ向かつて移動
する第４Ｈ図の過程で、高温室４Ｈの高温の作動
ガスは高温デイスプレーサ３Ｈに押しのけられて
高温熱交換器７Ｈ、高温リジエネレータ８Ｈ、高
温側中温熱交換器９Ｈを順に通り、前記（）の
過程での高温室４Ｈの温度低下に見合つた熱量を
高温熱交換器７Ｈから吸収し、さらに高温リジエ
ネレータ８Ｈに熱を与えて中間温度となつて中温
室４Ｍへ流入する。この結果、高温の作動ガスが
一部中間温度に冷却されることになるため、作動
ガス圧力は前記（）の過程に続き低下する作動
ガス圧力の変化は前述のように全作動ガスについ
て起るために、この作動ガス圧力が低下する過程
においては低温室４Ｌの作動ガスも一部が流路５
Ｌを通り中温室４Ｍへ流れ込み、低温室４Ｌの圧
力も低下ることになる。よつて、この過程では、
低温室４Ｌは容積変化がほとんどない状態で作動
ガスが一部引抜かれることになり、低温室４Ｌ内
の作動ガスは断熱膨張と類似の状態変化が起り、
低温室４Ｌの温度は低下する。この温度の低下に
よつて、低温室４Ｌは低温に保たれることにな
る。また、この低温室４Ｌの温度低下に見合つた
熱量を、引き続く過程で作動ガスは低温熱交換器
７Ｌから吸収する。

第４Ｇ図から第４Ａ図の過程での圧力低下の幅
は、上述から明らかなように高温室４Ｈと中温室
４Ｍの温度差が大なるほど大きく、したがつてこ
の過程での低温室４Ｌの温度低下幅すなわち引き
続く過程での低温熱交換器７Ｌからの吸収熱量
は、高温室４Ｈと中温室４Ｍの温度差が大なるほ
ど大きい。

以上が、高温デイスプレーサ３Ｈと低温デイス
プレーサ３Ｌとが１サイクル分運動したときの本
ヒートポンプの状態の変化である。

前記（）から（）までの過程をまとめると
次のようになる。

(A) デイスプレーサに対する作動ガスの作用作動
ガス圧力は第４Ａ図の状態で最低値、第４Ｃ図
の状態で中間的な値、第４Ｅ図の状態で最高
値、第４Ｇ図の状態で再び中間的値をとりつつ
変動する。高温デイスプレーサ３Ｈの変位、低
温デイスプレーサ３Ｌの変位に関連して作動ガ
ス圧力Ｐがどのように変動するかを第３図に示
す。

高温デイスプレーサおよび低温デイスプレー
サは、ケーシング端側と中温室側との間の受圧
面積の差によつて作動ガスから次のような力を
受ける。

(a) 第３図の状態ｃから状態ｇまで、作動ガス
圧力は平均的な値より高いために、高温デイ
スプレーサ３Ｈ、低温デイスプレーサ３Ｌ共
にケーシング端から中温室４Ｍの方向に作動
ガスから力を受ける。すなわち、高温デイス
プレーサ３Ｈは下向き、低温デイスプレーサ
３Ｌは上向きの力をそれぞれ作動ガスから受
ける。

高温デイスプレーサ３Ｈは、この間ほとん
どの間下向きに移動しつつあり、作動ガスは
高温デイスプレーサ３Ｈの下向きの運動をさ
らに加速する方向に作用する。また、低温デ
イスプレーサ３Ｌはこの間ほとんどの間上向
きに移動しつつあり、作動ガスは低温デイス
プレーサ３Ｌの上向きの運動をさらに加速す
る方向に作用する。

(b) 第３図の状態ｇから状態ｃまで、作動ガス
圧力は平均的な値より低いために、デイスプ
レーサには前記ａ）の場合と逆向きの力、す
なわち高温デイスプレーサ３Ｈには上向き、
低温デイスプレーサ３Ｌには下向きの力が作
動ガスから加わる。

高温デイスプレーサ３Ｈはこの間ほとんど
の間上向きに移動しつつあり、作動ガスは高
温デイスプレーサ３Ｈの上向きの運動をさら
に加速する方向に作用する。また、低温デイ
スプレーサ３Ｌはこの間ほとんどの間下向き
に移動しつつあり、作動ガスは低温デイスプ
レーサ３Ｌの下向きの運動をさらに加速する
方向に作用する。

すなわち、前記ａ）、ｂ）より高温デイスプ
レーサ３Ｈおよび低温デイスプレーサ３Ｌの運
動は作動ガスからの力によつて促進されること
になる。

第５Ａ図および第５Ｂ図に高温デイスプレー
サ３Ｈの変位と高温デイスプレーサに対する作
動ガスの力の線図、および低温デイスプレーサ
３Ｌの変位と低温デイスプレーサに関する作動
ガスの力の線図を示す。これらの図中、ａない
しｈは前述の状態ａないしｈにそれぞれ相当す
る。

高温デイスプレーサと低温デイスプレーサと
は、これらの線図で囲まれた面積に相当するエ
ネルギーを作動ガスから受け取る。

よつて、高温デイスプレーサ３Ｈと低温デイ
スプレーサ３Ｌとは、上述の作動ガスからの力
と、ロツド１１Ｈ，１１Ｌやシリンダ２Ｈ，２
Ｌとの摩擦、流路５Ｈ，５Ｌを作動ガスが流れ
るときの抵抗などに起因する減衰力とがつり合
つた状態で持続振動をする。

(B) 熱交換器における熱の授受 第３図のａないしｈ（第４図ないし第４Ｈ図）
の過程において各熱交換器での熱の授受は次の
通りである。

(a) ａからｃの過程では、ｈからａの過程にお
ける低温室４Ｌの膨張仕事相当分の熱量を低
温熱交換器７Ｌから吸収する。この熱量は高
温室４Ｈと中温室４Ｍの温度差に比例する。
また、同時に中温室４Ｍの作動ガスは圧力上
昇により圧縮仕事を受ける。

(b) ｃからｅの過程では、ａからｃの過程にお
ける中温室４Ｍに対する圧縮仕事相当分の熱
量を主に高温側中温熱交換器９Ｈから排出す
る。この熱量は低温室４Ｌと中温室４Ｍの温
度差に比例する。また、同時に中温室４Ｍの
作動ガスはａからｃに引き続いて圧縮仕事を
受ける。

(c) ｅからｇの過程では、ｃからｅの過程にお
ける中温室４Ｍに対する圧縮仕事相当分の熱
量を低温側中温熱交換器９Ｌから排出する。
この熱量は高温室４Ｈと中温室４Ｍの温度差
に比例する。また、同時に高温室４Ｈは中温
室４Ｍへ向かつて作動ガスを排出すことによ
る膨張仕事をする。

(d) ｇからａの過程では、ｅからｇの過程にお
ける高温室４Ｈの膨張仕事相当分の熱量を高
温熱交換器７Ｈから吸収する。この熱量は中
温室４Ｍと低温室４Ｌの温度差に比例する。
また同時に、低温室４Ｌは中温室４Ｍへ向か
つて作動ガスを排出することによる膨張仕事
をする。この膨張仕事相当分の熱量は上述の
ように、ａからｃの過程で低温熱交換器７Ｌ
から吸収される。

以上より概略次のことが成立する。

高温熱交換器７Ｈ… 中温室４Ｍと低温室４Ｌの温度
差に比例する熱量を吸収。

高温側中温熱交換器９Ｈ… 中温室４Ｍと低温室４Ｌの温度
差に比例する熱量を排出。

低温側中温熱交換器９Ｌ… 高温室４Ｈと中温室４Ｍの温度
差に比例する熱量を排出。

低温熱交換器７Ｌ… 高温室４Ｈと中温室４Ｍの温度
差に比例する熱量を吸収。

よつて、本装置がヒートポンプとして作動する
ことは以下より明らかである。そして、本ヒート
ポンプは、 (i) 高温室４Ｈと中温室４Ｍの温度差に比例し
た熱量を低温室４Ｌの温度レベルから中温室４
Ｍの温度レベルにまで汲み上げる。

(ii) そのために必要なエネルギーは、中温室４
Ｍと低温室４Ｌの温度差すなわち汲み上げの温
度揚程に比例する。

(iii) したがつて、 (a) 汲上げの出力の温度レベルが高いほど、すな
わち中温室４Ｍの温度が高いほど投入エネルギ
ーに対する汲上げ熱量の比率は低くなる。

(b) 高温室４Ｈの温度が高いほど、投入エネルギ
ーに対する汲上げ熱量の比率は高くなる。

(c) 汲上げの入力の温度レベルが低いほど、すな
わち低温室４Ｌの温度が低いほど投入エネルギ
ーに対する汲上げ熱量の比率は低くなる。

などの性質がある。

第６図は本発明のヒートポンプの他の例を示
す。このヒートポンプにおいては、第１図のヒー
トポンプにおいて、連通開口１４内に中温リジエ
ネレータ１６が挿入されて、中温室は２つの室４
Ｍ１，４Ｍ２に分けられている。また、互いに温
度の異なる２種の低温熱源が用いられ、高温側中
温熱交換器９Ｈは高温側の低温熱交換器によつて
冷却され、低温側中温熱交換器９Ｌは低温側の低
温熱交換器によつて冷却される。したがつて中温
室４Ｍ１，４Ｍ２の温度は異なつてくる。

作動ガスは中温リジエネレータ１６を自由に通
過できるようになつており、作動ガスの状態の変
化は第１図の場合と同じく全作動ガスが均圧状態
をとる。

中温リジエネレータ１６は、高温側中温室４Ｍ
１の温度と低温側中温度室４Ｍ２の温度が異なつ
ているため、温度の高い側から温度の低い側へ作
動ガスが流れるときには、作動ガスから熱を奪い
蓄熱材にその熱を一旦たくわえて作動ガスの温度
を低温側の温度にまで下げ、逆に温度の低い側か
ら温度の高い側へ作動ガスが流れるときには上述
の一旦たくわえた熱を作動ガスに与えて作動ガス
の温度を高温側の温度にまで高める。すなわち、
中温リジエネレータ１６は高温側中温室４Ｍ１と
低温側中温室４Ｍ２の温度差を保持する働きをす
る。したがつて、高温側中温室４Ｍ１は２つの低
温熱源の温度差に応じて低温側中温室４Ｍ２より
も高い温度に保持される。

第１図に示した装置の作動に関する前記説明
は、第６図に示す装置についても該当し、高温デ
イスプレーサ３Ｈの運動と低温デイスプレーサ３
Ｌの運動の相互干渉の仕組、および高温デイスプ
レーサ３Ｈおよび低温デイスプレーサ３Ｌの変位
と作動ガス圧力との相対関係は中温室４Ｍの温度
が一様である場合と全く同じであり、第６図の装
置においても高温デイスプレーサ３Ｈおよび低温
デイスプレーサ３Ｌは振動を持続する。

一方、熱交換器における熱の授受に関しては概
略次のことが言える。

高温熱交換器７Ｈ… 低温側中温室４Ｍ２と低温室４
Ｌの温度差に比例する熱量を吸
収。

高温側中温熱交換器９Ｈ… 低温側中温室４Ｍ２と低温室４
Ｌの温度差に比例する熱量を排
出。

低温側中温熱交換器９Ｌ… 高温側中温室４Ｍ１と高温室４
Ｈの温度差に比例する熱量を排
出。

低温熱交換器７Ｌ… 高温側中温室４Ｍ１と高温室４
Ｈの温度差に比例する熱量を吸
収。

したがつて、第６図に示した装置はヒートポン
プとしては、 (i) 高温室４Ｈと高温側中温室４Ｍ１の温度差に
比例する熱量を低温室４Ｌの温度レベルから汲
み上げる。

(ii) そのために必要なエネルギーは、低温側中温
室４Ｍ２と低温室４Ｌの温度差に比例する。

(iii) 汲み上げた熱の出力温度レベルは、高温側中
温室４Ｍ１の温度と低温側中温室４Ｍ２の温度
の２段階があり、各段における出力熱量は、 (a) 低温側中温室４Ｍ２と低温室４Ｌの温度差
が小さいほど高温側中温室４Ｍ１の温度レベル
での出力は小さくなり、 (b) 高温側中温室４Ｍ１と高温室４Ｈの温度差
が小さいほど低温側中温室４Ｍ２の温度レベル
の出力は小さくなる。

などの性質があり、第１図の装置と比較して次の
ことが言える。

(1) 第６図の装置において、高温側中温室４Ｍ１
の温度を第１図の装置の中温室４Ｍの温度と等し
くし、低温側中温室４Ｍ２の温度をそれよりも低
くすることにより、第６図の装置においては、第
１図の装置よりも少ない所要エネルギーによつて
第１図の装置と等しい低温室の温度レベルから同
量の熱量を汲み上げ、第１図の装置よりも熱量は
少ないが温度レベルの等しい熱出力が得られる。
(2) 第６図の装置において、高温側中温室４Ｍ１
の温度を第１図の装置の中温室４Ｍの温度と等し
くし、低温側中温室４Ｍ２の温度はそれよりも低
くし、低温室４Ｌの温度も第１図の装置の低温室
４Ｌの温度よりも低くすることにより、第１図の
装置と同量の所要エネルギーによつて、第１図の
装置と同量の熱量をより低温から汲み上げること
ができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明のヒートポンプ
は、外部から機械的動力を与えなくても持続振動
するので、構造的に簡単であり、クランク機構等
の外部動力機構の保守等が不要となり、高い性能
が期待できる。また、本発明では１対のデイスプ
レーサの間に単なる固定隔壁があつて、その両側
の２つの中温室が連通開口を介して連通してい
て、デイスプレーサ以外に可動部分がないので、
構造が簡単であり、部品点数が少なく、摺動部が
少ないことにより寿命が長くなり、熱エネルギー
を直接的にヒートポンプの作動のために用いるこ
とができる。

また、本併合発明では、隔壁の連通開口に中温
リジエネレータが設けられていることにより、特
定発明の場合よりも少ない所要エネルギーにより
同量の熱量を汲み上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱駆動ヒートポンプの原理的
軸方向断面図、第２図はばね質点系の振動の説明
図、第３図は本発明における高温および低温デイ
スプレーサの変位および作動ガス圧力の変動の関
係を示す線図、第４Ａ図ないし第４Ｈ図は本発明
の熱駆動ヒートポンプの作動経過を順次示す図、
第５Ａ図は高温デイスプレーサの変位と作動ガス
がそれに及ぼす力の関係を示すグラフ、第５Ｂ図
は低温デイスプレーサの変位と作動ガスがそれに
及ぼす力の関係を示すグラフ、第６図は本発明の
熱駆動ヒートポンプの他の例を示す原理的軸方向
断面図である。 １…ケーシング、２Ｈ…高温シリンダ、２Ｌ…
低温シリンダ、３Ｈ…高温デイスプレーサ、３Ｌ
…低温デイスプレーサ、４Ｈ…高温室、４Ｌ…低
温室、４Ｍ，４Ｍ１，４Ｍ２…中温室、５Ｈ…高
温側作動ガス流路、５Ｌ…低温側作動ガス流路、
７Ｈ…高温熱交換器、７Ｌ…低温熱交換器、８Ｈ
…高温リジエネレータ、８Ｌ…低温リジエネレー
タ、９Ｈ…高温側中温熱交換器、９Ｌ…低温側中
温熱交換器、１０…隔壁、１１Ｈ…高温側デイス
プレーサガイド、１１Ｌ…低温側デイスプレーサ
ガイド、１２Ｈ，１２Ｌ…凹穴、１３Ｈ，１３Ｌ
…ガスばね室、１４…連通開口、１６…中温リジ
エネレータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同軸的に配置され、内部に作動ガスを充填し
   た高温シリンダおよび低温シリンダと、高温シリ
   ンダの低温シリングと反対の側に高温室を形成し
   かつ高温シリンダの低温シリンダ側に中温室を形
   成するように、高温シリンダの内部に摺動自在に
   挿入された高温デイスプレーサと、前記高温室と
   中温室とを連通させる高温側作動ガス流路と、高
   温室から中温室へ向かう方向に関して高温側作動
   ガス流路内に順次配列された高温熱交換器、高温
   リジエネレータおよび高温側中温熱交換器と、低
   温シリンダの高温シリンダと反対の側に低温室を
   形成しかつ低温シリンダの高温シリンダ側に中温
   室を形成するように、低温シリンダの内側に摺動
   自在に挿入された低温デイスプレーサと、前記低
   温室と中温室とを連通させる低温側作動ガス流路
   と、低温室から中温室へ向かう方向に関して低温
   側作動ガス流路内に順次配列された低温熱交換
   器、低温リジエネレータおよび低温側中温熱交換
   器と、前記高温シリンダおよび低温シリンダの間
   に固定状態で設けられた高温側デイスプレーサガ
   イドおよび低温側デイスプレーサガイドとを備
   え、高温側デイスプレーサガイドおよび低温側デ
   イスプレーサガイドは、それぞれ高温デイスプレ
   ーサおよび低温デイスプレーサと摺動自在にかん
   合して両デイスプレーサを軸方向に案内し、かつ
   両デイスプレーサとの間にガスを収容したガスば
   ね室を形成しており、両デイスプレーサガイド
   は、両シリンダの間に固設された隔壁に一体的に
   設けられ、隔壁は連通開口を有し、隔壁の両側に
   前記中温室が形成され、両中温室が前記連通開口
   を介して連通していることを特徴とする熱駆動ヒ
   ートポンプ。 ２ 高温側および低温側デイスプレーサガイドが
   いずれも軸方向に突出するロツドからなり、高温
   および低温デイスプレーサはそれぞれのロツドを
   摺動自在に受ける凹穴を有し、この凹穴内にガス
   ばね室が形成されている特許請求の範囲第１項記
   載の熱駆動ヒートポンプ。 ３ 高温側作動ガス流路および低温側作動ガス流
   路がそれぞれ高温シリンダおよび低温シリンダの
   外周に形成されている特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の熱駆動ヒートポンプ。 ４ 同軸的に配置され、内部に作動ガスを充填し
   た高温シリンダおよび低温シリンダと、高温シリ
   ンダの低温シリンダと反対の側に高温室を形成し
   かつ高温シリンダの低温シリンダ側に中温室を形
   成するように、高温シリンダの内部に摺動自在に
   挿入された高温デイスプレーサと、前記高温室と
   中温室とを連通させる高温側作動ガス流路と、高
   温室から中温室へ向かう方向に関して高温側作動
   ガス流路内に順次配列された高温熱交換器、高温
   リジエネレータおよびの高温側中温熱交換器と、
   低温シリンダの高温シリンダと反対の側に低温室
   を形成しかつ低温シリンダの高温シリンダ側に中
   温室を形成するように、低温シリンダの内部に摺
   動自在に挿入された低温デイスプレーサと、前記
   低温室と中温室とを連通させる低温側作動ガス流
   路と、低温室から中温室へ向かう方向に関して低
   温側作動ガス流路内に順次配列された低温熱交換
   器、低温リジエネレータおよび低温側中温熱交換
   器と、前記高温シリンダおよび低温シリンダの間
   に固定状態で設けられた高温側デイスプレーサガ
   イドおよび低温側デイスプレーサガイドとを備
   え、高温側デイスプレーサガイドおよび低温側デ
   イスプレーサガイドは、それぞれ高温デイスプレ
   ーサおよび低温デイスプレーサと摺動自在にかん
   合して両デイスプレーサを軸方向に案内し、かつ
   両デイスプレーサとの間にガスを収容したガスば
   ね室を形成しており、両デイスプレーサガイドは
   両シリンダ間に固設された隔壁に設けられ、隔壁
   は連通開口を有し、この連通開口内に中温リジエ
   ネレータが設けられ、隔壁の両側に中温室が形成
   されていることを特徴とする熱駆動ヒートポン
   プ。 ５ 高温側および低温側デイスプレーサガイドが
   いずれも軸方向に突出するロツドからなり、高温
   および低温デイスプレーサはそれぞれのロツドを
   摺動自在に受ける凹穴を有し、この凹穴内にガス
   ばね室が形成されている特許請求の範囲第４項記
   載の熱駆動ヒートポンプ。