JPH06159838A - スターリングサイクル冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】冷却された作動気体を冷却を必要とする部屋等
に直接に給送でき、効率良く冷却できる。 【構成】冷却工程時に作動空気が冷却されるが、この冷
却された気体が作動気体吐出機構７から吐出され、この
冷却気体が冷却空間に給送される。他方、この作動気体
の吐出により減少した分は加熱工程時に作動気体吸入機
構８により圧縮空間に補充され、冷却された作動気体が
連続的に給送される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフロンガスを使用しない
冷凍機として知られるスターリングサイクル冷凍機に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガスサイクルの中に２つの等温変
化と２つの等容変化よりなるスターリングサイクルを利
用したスターリングエンジンが提案されており、このス
ターリングサイクルを逆サイクルで駆動するときはスタ
ーリングサイクル冷凍機が構成される。

【０００３】この種のスターリングサイクル冷凍機の一
例を説明する。即ち、シリンダ内にディスプレーサーピ
ストンとパワーピストンとを上下に配置しており、この
ディスプレーサーピストンとシリンダヘッドとの間に膨
張空間を形成し、ディスプレーサーピストンとパワーピ
ストンとの間に圧縮空間を形成している。また、この膨
張空間と圧縮空間は熱交換を行う再生器を介して連結し
ている。

【０００４】このように構成されたスターリングサイク
ル冷凍機において、各ピストンを所定の位相差で往復動
させるとき、シリンダ内の作動気体が膨張空間と圧縮空
間との間で循環し、圧縮工程、冷却工程、膨張工程及び
加熱工程と順次繰り返すようになっており、この冷却工
程で膨張空間側即ちシリンダヘッド側が低温となる。

【０００５】そこで、このシリンダヘッドに冷却装置用
の冷媒管を巻回して、冷却された冷媒を冷却を必要とす
る部屋に給送したり、或いは、シリンダヘッドに向かっ
て熱交換用の空気を送風し、この空気をシリンダヘッド
で冷却して部屋に給送している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のスターリングサイクル冷凍機では、シリンダ内の作
動気体が流通する空間が閉鎖空間となっており、シリン
ダヘッドの外面から冷熱を取っているため、シリンダヘ
ッドに伝導した冷熱の一部がシリンダの下部側へも伝導
して漏れてしまい、冷熱を効率良く回収できなかった。
また、この冷熱を回収するため、前述の如く冷媒循環用
の冷凍機器或いは送風用の送風フアンが必要となり、装
置部品の増加を招いていた。

【０００７】本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、冷
却された作動気体を冷却を必要とする空間に直接に給送
でき、効率良く冷却できるスターリングサイクル冷凍機
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するため、シリンダ内の上下にディスプレーサーピスト
ンとパワーピストンを配置し、該ディスプレーサーピス
トンとシリンダヘッドとの間に膨張空間を、該ディスプ
レーサーピストンと該パワーピストンとの間に圧縮空間
をそれぞれ形成するとともに、該膨張空間と該圧縮空間
とを熱交換を行う再生器を介して連結し、該各ピストン
の往復動により該シリンダ内の作動気体を流通させ、圧
縮工程、冷却工程、膨張工程及び加熱工程と順次繰り返
すスターリングサイクル冷凍機において、前記膨張空間
に連通し前記冷却工程時に該膨張空間の作動気体を吐出
する作動気体吐出機構と、前記圧縮空間に連通し前記加
熱工程時に該圧縮空間に圧縮された作動気体を給送する
作動気体吸入機構とを設けたことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明によれば、冷却工程時に作動空気が冷却
されるが、この冷却された気体が作動気体吐出機構から
吐出され、更に必要な空間に給送される。他方、この作
動気体の吐出により減少した分は加熱工程時に作動気体
吸入機構により圧縮空間に補充され、冷却された作動気
体の給送が連続的に行われる。

【００１０】

【実施例】図１乃至図４は本発明に係るスターリングサ
イクル冷凍機の一実施例を示すもので、図１はスターリ
ングサイクル冷凍機の断面図、図２はスターリングサイ
クル冷凍機の作動工程を示す工程図、図３はディスプレ
ーサーピストン及びパワーピストンの動作及び作動気体
の圧力変化を示すグラフ、図４は膨張空間の圧力ー容積
変化を示すグラフである。

【００１１】図中、１はスターリングサイクル冷凍機の
シリンダである。このシリンダ１の内部には往復動自在
にディスプレーサーピストン２とパワーピストン３が上
下に配置され、それぞれピストンリング２ａ，３ａによ
りシリンダ１内を気密状態で摺動している。また、この
ディスプレーサーピストン２とシリンダヘッド１ａとの
間には膨張空間Ａを形成し、各ピストン２，３の間には
圧縮空間Ｂを形成している。この各ピストン２，３はキ
ャンドモータ４に連結するクランク機構５により駆動さ
れる。このクランク機構５は、クランクアーム５ａと各
連結ロッド５ｂ，５ｃを介してディスプレーサーピスト
ン２に連結し、他方、クランクアーム５ｄ及び連結ロッ
ド５ｅを介してパワーピストン３に連結しており、この
各ピストン２，３の位相差を図３のグラフに示すように
９０°に設定している。

【００１２】他方、このシリンダ１の外部には再生器
６、作動気体吐出機構７及び作動気体吸入機構８を連結
している。

【００１３】この再生器６はその筐体６ａの内部に熱交
換良好な部材例えば金網等の多孔材６ｂを多数枚積層し
てなり、その上部を膨張空間Ａに連通させ、その下部を
圧縮空間Ｂに連通させている。これにより、この膨張空
間Ａから圧縮空間Ｂに、或いは、これとは逆に圧縮空間
Ｂから膨張空間Ａに作動気体例えば空気が移動し、この
空気が多孔材６ｂを通るとき、この空気と多孔材６ｂと
の間で熱交換し、作動気体の蓄放熱が行なわれる。な
お、この多孔材６ｂに代えてその他の蓄熱材を使用する
ようにしても良い。

【００１４】作動気体吐出機構７はシリンダヘッド１ａ
に設置されている。この吐出機構７はその内部に復帰用
ばね７ａで付勢された弁体７ｂを有し、シリンダヘッド
１ａに穿設された弁孔７ｃを開閉するようになってい
る。この復帰用ばね７ａの付勢力は図３に示すように膨
張空間Ａが所定圧力Ｐ１に達したとき弁孔７ｃを開口
し、空気吐出口７ｄから冷却を必要とする部屋例えば自
動車の車内Ｃに空気を供給するようになっている。

【００１５】作動気体吸入機構８はシリンダ１の側壁１
ｂを通じて圧縮空間Ｂに連通している。この吸入機構８
はその内部に復帰用ばね８ａで付勢された弁体８ｂを有
し、弁孔８ｃを開閉するようになっている。この復帰用
ばね８ａの付勢力は図３に示すように圧縮空間Ｂが所定
圧力Ｐ２に達したとき弁孔８ｃを開口し、圧縮機８ｅか
らの圧縮空気を空気吐出口８ｄを介して圧縮空間Ｂに供
給するようになっている。

【００１６】このように構成されたスターリングサイク
ル冷凍機の動作を図２乃至図４を参照して説明する。

【００１７】図３に示すように、クランク角が約４５°
のときは図２の（ａ）に示すようにディスプレーサーピ
ストン２がシリンダヘッド１ａ側に位置し、他方、パワ
ーピストン３がシリンダ１の下部側に位置している。こ
の状態から図２の（ａ）の白抜き矢印に示すようにパワ
ーピストン３が上方に移動し、図３及び図４に示すよう
に作動気体を圧縮し、図２の（ｂ）の状態になる（圧縮
工程）。

【００１８】この作動気体の圧縮により作動気体の圧力
がＰ１に達するため、吐出機構７の弁体７ｂが復帰用ば
ね７ａの付勢力に抗して開動作し、弁孔７ｃを開口する
とともに、ディスプレーサーピストン２が下方に移動す
る（図２の（ｂ）の白抜き矢印）。これにより、圧縮空
間Ｂ内の圧縮空気が再生器６を通り膨張空間Ａに流れる
（冷却工程）。ここで、この圧縮空気は再生器６の多孔
材６ｂで吸熱され冷却されるため、高圧低温の空気とな
って吐出機構７から車内Ｃに供給される。車内Ｃに供給
された高圧低温空気は等エントロピ膨張により冷凍効果
が高まり、車内Ｃの温度を低下させる。

【００１９】この冷却工程が終了したときは、図２の
（ｃ）の白抜き矢印に示すように各ピストン２，３が下
方に降下し、図４に示すように膨張空間Ａの容積が大き
くなる。これにより、作動気体の圧力が下がるため、吐
出機構７の弁体７ｂが弁孔７ｃを閉鎖する（膨張工
程）。

【００２０】この膨張工程で圧縮空間Ｂの圧力が下が
り、作動気体の圧力がＰ２に達するため、図２の（ｄ）
に示すように吸入機構８の弁体８ｂが復帰用ばね８ａの
付勢力に抗して開動作し、弁孔８ｃを開口するととも
に、ディスプレーサーピストン２が上方に移動する（図
２の（ｄ）の白抜き矢印）（加熱工程）。これにより、
圧縮機８ｅの圧縮空気が圧縮空間Ｂ内に流入して、吐出
さた作動気体量に相当する作動気体がシリンダ１内に補
充される一方、膨張空間Ａの作動気体が再生器６を通
り、多孔材６ｂから熱を奪って圧縮空間Ｂに流れる。

【００２１】この加熱工程の終了により図２の（ａ）の
状態に戻り再度圧縮工程が開始され、この圧縮工程→冷
却工程→膨張工程→加熱工程→圧縮工程と順次連続的に
繰り返される。

【００２２】このように本実施例によれば、高圧低温の
作動気体を冷却を要する部屋に直接に給送することがで
き、非常に効率の良い冷房を行うことができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の如く冷凍機器或いは送風フアンという機器が不要
となり、部品点数を少なくできることは勿論のこと、冷
却された作動気体を冷却空間に直接に給送でき、効率良
く冷却できるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】スターリングサイクル冷凍機の断面図

【図２】スターリングサイクル冷凍機の作動工程を示す
工程図

【図３】ディスプレーサーピストン及びパワーピストン
の動作及び作動気体の圧力変化を示すグラフ

【図４】膨張空間の圧力ー容積変化を示すグラフ

【符号の説明】

１…シリンダ、１ａ…シリンダヘッド、２…ディスプレ
ーサーピストン、３…パワーピストン、６…再生器、７
…作動気体吐出機構、８…作動気体吸入機構、Ａ…膨張
空間、Ｂ…圧縮空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ内の上下にディスプレーサーピ
   ストンとパワーピストンを配置し、該ディスプレーサー
   ピストンとシリンダヘッドとの間に膨張空間を、該ディ
   スプレーサーピストンと該パワーピストンとの間に圧縮
   空間をそれぞれ形成するとともに、該膨張空間と該圧縮
   空間とを熱交換を行う再生器を介して連結し、該各ピス
   トンの往復動により該シリンダ内の作動気体を流通さ
   せ、圧縮工程、冷却工程、膨張工程及び加熱工程を順次
   繰り返すスターリングサイクル冷凍機において、 前記膨張空間に連通し前記冷却工程時に該膨張空間の作
   動気体を吐出する作動気体吐出機構と、前記圧縮空間に
   連通し前記加熱工程時に該圧縮空間に圧縮された作動気
   体を給送する作動気体吸入機構とを設けたことを特徴と
   するスターリングサイクル冷凍機。