JPH07151405A - ハイブリッド熱ガス機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 出力密度が高くて軽量・小型のハイブリット
熱ガス機関を提供すること。 【構成】 高温側ディスプレ−サ５及び低温側ディスプ
レ−サ９をクランク機関（１５，１７，１９，２１，２
３，２５）にて駆動し，補助ピストン３９をばね手段４
１，４３にて支えて駆動するものである。高温側ディス
プレ−サ５及び低温側ディスプレ−サ９をクランク機構
（１５，１７，１９，２１，２３，２５）にて駆動し，
二つの補助ピストンをばね手段にて支えて駆動するよう
に構成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【従来の技術】本発明は，低温熱源，中温熱源，高温熱
源の間で作動し，作動ガスが移動することにより，高温
熱源から得た熱エネルギ（熱仕事）によって，低温熱源
から吸熱し，中温熱源に放熱を行うハイブリッド熱ガス
機関に係り，特に，出力密度（単位重量当たりの出力）
を高めるとともに，軽量・小型化を図ったものに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱ガス機関においては，ディスプ
レ−サや補助ピストンの運動を，クランク機構等の機械
的な結合により規制する構成のものが多く，そのような
ものとして，例えば，特願平３−３２４７２７号，特願
平３−３２４７７５号，特願平３−３２４７７６号，特
願平３−３２４７７７号の願書に添付した明細書等に記
載されているものがある。まず，第１の従来例の構成を
図８に示す。まず，ハウジング１０１があり，このハウ
ジング１０１内には，高温側ディスプレ−サ１０３と，
低温側ディスプレ−サ１０５とが夫々収容・配置されて
いる。上記高温側ディスプレ−サ１０３と低温側ディス
プレ−サ１０５は，クランク機構１０９によって同期さ
れている。又，ハウジング１０１には，加熱器１１１，
高温側再生器１１３，高温側中温熱交換器１１５，低温
側中温熱交換器１１７，低温側再生器１１９，低温側熱
交換器１２１が夫々配置されている。

【０００３】図８に示す第１の従来例の場合には，補助
シリンダと補助ピストンを従来のデッドスペ−スに相等
する場所に配置でき，それによって，小型化を図ること
が考えられるが，補助ピストンの位相に制限を受けてし
まい，ディスプレ−サに対して０度乃至１８０度の位相
しか選択できないという問題があった。そして，これら
の位相で補助ピストンを駆動しようとすると，外部より
動力を供給する必要があり，エネルギの入力が大きくな
って効率の改善を図ることができないという問題があっ
た。

【０００４】又，外部からの動力を低減するためには，
図９の特性図に示すように第１の従来例では，高温側デ
ィスプレ−サに対して，９０度から１８０度の位相遅れ
の間に，補助ピストンでの仕事量が零となる位相が存在
し，その位相において補助ピストンを駆動することが必
要になってくる。仕事が零となる位相は，機関の死容積
の分布や温度条件等によって変化するため，実際の設計
にあたっては，数値計算や試験デ−タを基に決定してい
かなければならない。又，このような位相にて，機関を
設計するには，例えば，第２の従来例では，補助ピスト
ンを図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように別途設置して，
クランク角度とシリンダの角度を調整する必要がある。
しかしながら，このような方法では，軸方向の機関寸法
が大きくなると共に重量も増大し，軽量・小型の機関を
提供することができないという問題があった。尚，図１
０において，符号１０１はケ−シング，符号１０３は高
温側ディスプレ−サ，符号１０５は低温側ディスプレ−
サ，符号１０９はクランク機構，符号１１１は加熱器，
符号１１３は高温側再生器，符号１１５は高温側中温熱
交換器，符号１１７は低温側中温熱交換器，符号１１９
は低温側再生器，符号１２１は低温側熱交換器である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように，従来
の各熱ガス機関においては，外部からの動力の供給が必
要であり，又，それを低減しようとすると装置が大型
化，大重量化してしまうという問題があった。又，この
種の熱ガス機関は，いわゆる熱駆動型ヒ−トポンプと称
されるものであり，燃焼等の高温熱源を駆動源として冷
暖房を行う機関であり，その最大の特徴は，冷媒として
気体（ヘリウム，窒素等）を使用し，フロン等を一切使
用しないことである。しかしながら，フロンを冷媒とし
て使用するランキンサイクルの冷凍機に比べて，出力密
度（単位重量当たりの出力）が小さいという欠点があっ
た。そのため，一般的な冷凍機に比べて大型であり，広
い設置スペ−スを必要としてしまうという問題を潜在的
に持っているものである。つまり，出力密度が小さくて
大型であるという問題があった。

【０００６】本発明はこのような点に基づいてなされた
ものでその目的とするところは，既に説明したような問
題点を解決し，出力密度が高くて軽量・小型のハイブリ
ット熱ガス機関を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するべ
く本願発明によるハイブリット熱ガス機関は，作動ガス
が封入されたシリンダと，このシリンダ内を高温室と中
温室と低温室とに区画する高温側ディスプレ−サ及び低
温側ディスプレ−サと，高温室と中温室をつなぐガス流
路に配置された作動ガス加熱用の高温側熱交換器と高温
側再生器及び中温側熱交換器と，低温室と中温室をつな
ぐガス流路に配置された低温側熱交換器と低温側再生器
及び中温側熱交換器とからなり，中温室或いは連通部ガ
ス流路と連結するように補助シリンダ及び補助ピストン
が設けられた熱ガス機関において，高温側ディスフレ−
サ及び低温側ディスプレ−サをクランク機関にて駆動
し，補助ピストンをばね手段にて支えて駆動することを
特徴とするものである。

【０００８】又，作動ガスが封入されたシリンダと，こ
のシリンダ内を高温室と中温室と低温室とに区画する高
温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サと，高温
室と中温室をつなぐガス流路に配置された作動ガス加熱
用の高温側熱交換器と高温側再生器及び中温側熱交換器
と，低温室と中温室をつなぐガス流路に配置された低温
側熱交換器と低温側再生器及び中温側熱交換器とからな
り，中温室或いは連通部ガス流路と連結するように補助
シリンダ及び一対の対向配置された補助ピストンが設け
られた熱ガス機関において，高温側ディスプレ−サ及び
低温側ディスプレ−サをクランク機構にて駆動し，二つ
の補助ピストンをばね手段にて支えて駆動することを特
徴とする構成としてよい。

【０００９】

【作用】すなわち，本願発明によるハイブリット熱ガス
機関の場合には，高温側ディスフレ−サ及び低温側ディ
スプレ−サをクランク機関にて駆動するとともに，補助
ピストンをばね手段にて支えて駆動するようにしたもの
である。上記構成において，クランク機構により同期さ
れた二つのディスプレ−サ，すなわち，高温側ディスプ
レ−サ及び低温側ディスプレ−サは外部から機械的駆動
力を付与しなくても，低温側ディスプレ−サ用のピスト
ンロッドが発生する動力で駆動され，補助ピストンは高
温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サの運動に
よって引き起こされる圧力変動と一定圧力に保たれた空
間との間に働く力を強制力とし，補助ピストンに働くば
ねの力や，摩擦，流路を作動ガスが流れるときの抵抗に
起因する減衰力等が釣り合った状態で持続振動する。そ
して，クランク機構により同期された高温側ディスプレ
−サ及び低温側ディスプレ−サとばね手段により駆動さ
れる補助ピストンの持続運動によって発生する作動ガス
の移動と各作動空間の温度により熱の移動を引き起こ
す。又，高温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−
サをクランク機構にて駆動するとともに，二つの補助ピ
ストンをばね手段にて支えて駆動するようにしたもので
ある。

【００１０】

【実施例】以下，図１乃至図５を参照して本発明の第１
実施例を説明する。まず，ハウジング１Ａ，１Ｂ，１
Ｃ，１Ｄがあり，これら各ハウジング１Ａ，１Ｂ，１
Ｃ，１Ｄは，図では夫々分離された状態で示されている
が，実際にはボルト等の締結手段により一体化されてい
る。上記ハウジング１Ａには高温側シリンダ３が形成さ
れていて，この高温側シリンダ３内には高温側ディスプ
レ−サ５が収容・配置されている。尚，上記高温側ディ
スプレ−サ５をガイドすると共に作動ガスをシ−ルする
ための高温側シ−ル群（図示せず）が設けられている。

【００１１】一方，ハウジング１Ａには低温側シリンダ
７が形成されていて，この低温側シリンダ７内には低温
側ディスプレ−サ９が収容・配置されている。尚，低温
側ディスプレ−サ９をガイドすると共に作動ガスをシ−
ルするための低温側シ−ル群（図示せず）が設けられて
いる。又，ハウジング１Ａには中温シリンダ１１，１３
が夫々形成されている。又，ハウジング１Ａにはバッフ
ァ室を兼用するクランクケ−ス１５が形成されていて，
このクランクケ−ス１５内には，クランク軸１７，連結
棒１９，２１，ピストンロッド２３，２５が収容・配置
されている。

【００１２】ハウジング１Ｂは，高温側の熱交換器であ
る加熱器２７，高温再生器２９，高温側放熱器３１を収
納するための高温側熱交換ケ−シングとして機能するも
のである。又，ハウジング１Ｃは，低温側の熱交換器で
ある冷却器３３，低温再生器３５，低温側放熱器３７を
収納するための低温側熱交換器ケ−シングとして機能す
るものである。又，ハウジング１Ｄは，補助ピストン３
９を内部に収容し補助シリンダとしての機能を有する補
助ケ−シングとして機能するものである。上記補助ピス
トン３９は，その両側に配置された可撓体としての機械
式ばね４１，４３によって支持されている。又，補助ピ
ストン３９の外周側にはシ−ル群４５が配置されてい
る。又，上記補助ピストン３９は，所定の運転周波数に
おいて強制力である圧力変動と，１８０度近傍の位相で
運動するように設計されている。

【００１３】又，各作動空間とハウジング１Ａ乃至１Ｄ
は，ハウジング１Ａ乃至１Ｄと一体形成されたダクト４
７を介して連結されている。又，クランクケ−ス１５内
のバッファ室とハウジング１Ｄ内の部屋４９とは連通管
５１を介して連通されている。

【００１４】ここで，図１に示した構成と同様の解析モ
デル（図２に示す）を使用して，補助ピストン３９の質
量，バネ定数，振動の位相の決定について考察してみ
る。図２に示す解析モデルにおいて，この振動系に作用
する強制力は，クランク機構によって同期されて運動す
る高温側ディスプレ−サ５と低温側ディスプレ−サ９
で，高温室，中温室，低温室に排気された作動ガスの質
量分布によって決定される作動ガスの圧力変動である。
又，補助ピストン３９での仕事量が０となる点での圧力
変動と補助ピストン３９の関係を数値計算すると，圧力
変動と補助ピストン３９の変位は図３に示すようなもの
となる。図２に示す解析モデルで考えると，強制力の圧
力が高い場合にばねが伸びる方向になっているため，強
制力と変位の位相は１８０度であることになる。

【００１５】作動ガスの圧力変動は図３に示すように，
略正弦波であるということができ，よって，圧力変動の
振幅を（Ｐ）として，図２の解析モデルの運動方程式を
求めると，次の式（１）に示すようなものとなる。

【００１６】

【数１】

【００１７】上記式（１）の解は次の式（２）に示すよ
うなものである。

【００１８】 ｘ＝Ｘsin（ωｔ−φ） （２）

【００１９】尚，（Ｘ）と（φ）は次の式（３），
（４）によって表わされる。

【００２０】

【数２】

【００２１】

【数３】

【００２２】尚，上記式（１）乃至（４）における各符
号は次のような内容を示すものである。 ｍ：補助ピストン３９の質量 Ｃ：補助ピストン３９の減衰係数 Ｐ：作動室ガス圧力振幅 Ａ：補助ピストン３９の面積 Ｋ：補助側ばね定数 ｘ：補助ピストン３９の変位 Ｘ：補助ピストン３９の振幅 ｘst：強制力ＡＰが静的に働いた時のたわみ ω：強制力の角振動数 ωｎ：固有角振動数＝（Ｋ／ｍ）^1/2 η：減衰定数＝Ｃ／２（ｍＫ）^1/2 λ：振動数比＝ω／ωｎ φ：補助ピストン３９の位相

【００２３】そして，式（３) 及び（４）をプロットす
ると図４及び図５に示すようなものとなる。図４，図５
から減衰定数が小さい時或いは零のときに，振動数比が
大きい範囲で強制力と位相角が約１８０度になることが
わかる。一方，減衰係数が大きい時は約１３５度とな
り，設計条件によっては１３５〜１８０度の範囲で位相
を変えて最適値を採用できる。

【００２４】次に，図６を参照して本発明の第２実施例
を説明する。この実施例の場合には，ガスばね６１を併
用したものである。その他の構成は第１実施例と同様で
あるので，対応する構成については図１と同一の符号で
示した。

【００２５】次に，図７を参照して本発明の第３実施例
を説明する。この実施例の場合には，補助ピストンを二
つの補助ピストン３９ａ，３９ｂに分割し，補助ピスト
ン３９ａ，３９ｂの間に機械式ばね７１を配置したもの
である。このような構成とすることにより，慣性力を打
ち消して振動を低減するようにしたものである。その他
の構成は第１実施例と同様であるので，対応する構成に
ついては図１と同一の符号で示した。

【００２６】尚，本発明は前記各実施例に限定されるも
のではない。まず，機械式ばねではなく，ガスばねのみ
から構成するようにしてもよい。又，図９に示す構成に
おいて，ガスばねを併用するようにしてもよい。

【００２７】

【発明の効果】上記のように本発明によるハイブリッド
熱ガス機関では，高温側ディスプレ−サ及び低温側ディ
スプレ−サをクランク機関にて駆動し，補助ピストンを
ばね手段にて支えて駆動するようにし，又は，高温側デ
ィスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サをクランク機構
にて駆動し，二つの補助ピストンをばね手段にて支えて
駆動するようにしたから，次のような優れた効果を有す
る。 （１）クランク機構や振動系の共振を利用することによ
り，高温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サ及
び補助ピストンを駆動するようにしているので，構造が
簡単である。 （２）又，補助ピトスンを付加することにより能力の増
大を図ることができる。 （３）したがって，装置の小型・軽量化を図ることがで
き，出力密度の向上を図ることができる。 （４）省資源であってフロンを使用しない冷暖房が可能
になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す図でハイブリッド熱
ガス機関の構成図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す図でハイブリッド熱
ガス機関の解析モデルを示す構成図である。

【図３】本発明の第１実施例である図２の解析モデルに
おいて変動圧力と補助ピストン変位との関係を示す特性
図である。

【図４】本発明の第１実施例である図２の解析モデルに
おいて振幅比を示す特性図である。

【図５】本発明の第１実施例である図２の解析モデルに
おいて位相差を示す特性図である。

【図６】本発明の第２実施例を示す図でハイブリッド熱
ガス機関の構成図である。

【図７】本発明の第３実施例を示す図でハイブリッド熱
ガス機関の構成図である。

【図８】第１の従来例を示す図で熱ガス機関の構成図で
ある。

【図９】第１の従来例の特性図である。

【図１０】第２の従来例を示す図で，同図（Ａ）は縦断
正面図，同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＹ−Ｙ方向の断面図
である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ：ハウジング ３：高温側シリンダ ５：高温側ディスプレ−サ ７：低温側シリンダ ９：低温側ディスプレ−サ １１，１３：中温室 １５：クランクケ−ス １７：クランクシャフト １９，２１：連結棒 ２３，２５：ピストンロッド ２７：加熱器 ２９：高温再生器 ３１：高温側放熱器 ３３：冷却器 ３５：低温再生器 ３７：低温側放熱器 ３９：補助ピストン ４１，４３：機械式ばね ４５：シ−ル群 ４７：ダクト ４９：室 ５１：連通管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石野 光彦 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスが封入されたシリンダと，この
   シリンダ内を高温室と中温室と低温室とに区画する高温
   側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サと，高温室
   と中温室をつなぐガス流路に配置された作動ガス加熱用
   の高温側熱交換器と高温側再生器及び中温側熱交換器
   と，低温室と中温室をつなぐガス流路に配置された低温
   側熱交換器と低温側再生器及び中温側熱交換器とからな
   り，中温室或いは連通部ガス流路と連結するように補助
   シリンダ及び補助ピストンが設けられた熱ガス機関にお
   いて，高温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サ
   をクランク機関にて駆動し，補助ピストンをばね手段に
   て支えて駆動することを特徴とするハイブリッド熱ガス
   機関。
2. 【請求項２】 作動ガスが封入されたシリンダと，この
   シリンダ内を高温室と中温室と低温室とに区画する高温
   側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サと，高温室
   と中温室をつなぐガス流路に配置された作動ガス加熱用
   の高温側熱交換器と高温側再生器及び中温側熱交換器
   と，低温室と中温室をつなぐガス流路に配置された低温
   側熱交換器と低温側再生器及び中温側熱交換器とからな
   り，中温室或いは連通部ガス流路と連結するように補助
   シリンダ及び一対の対向配置された補助ピストンが設け
   られた熱ガス機関において，高温側ディスプレ−サ及び
   低温側ディスプレ−サをクランク機構にて駆動し，二つ
   の補助ピストンをばね手段にて支えて駆動する事を特徴
   とするハイブリッド熱ガス機関。