JPH07151406A - フリ−ピストン式熱ガス機関 - Google Patents
フリ−ピストン式熱ガス機関Info
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- JPH07151406A JPH07151406A JP32081693A JP32081693A JPH07151406A JP H07151406 A JPH07151406 A JP H07151406A JP 32081693 A JP32081693 A JP 32081693A JP 32081693 A JP32081693 A JP 32081693A JP H07151406 A JPH07151406 A JP H07151406A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 小型構造で，ばね特性が安定し，フロンを一
切使用しない，安価なフリ−ピストン式熱ガス機関を提
供する。 【構成】 作動ガスが封入されたシリンダ１０２Ｈ，１
０５Ｌと，シリンダ１０２Ｈ，１０５Ｌ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１０３
Ｈおよび低温側ディスプレ−サ１０６Ｌ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１１６と高温側再生器１１７および高温側
中温熱交換器１１８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１１９と低温側再生器１
２０および低温側中温熱交換器１２１とからなる熱ガス
機関において，高温側ディスプレ−サ１０３Ｈおよび低
温側ディスプレ−サ１０６Ｌを機械ばね１１１Ｈ，１１
１Ｌおよびガスばね１１０Ｈ，１１０Ｌによって支承
し，高温側ディスプレ−サ１０３Ｈと低温側ディスプレ
−サ１０６Ｌを９０度近傍の位相で駆動するように構成
した。
切使用しない，安価なフリ−ピストン式熱ガス機関を提
供する。 【構成】 作動ガスが封入されたシリンダ１０２Ｈ，１
０５Ｌと，シリンダ１０２Ｈ，１０５Ｌ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１０３
Ｈおよび低温側ディスプレ−サ１０６Ｌ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１１６と高温側再生器１１７および高温側
中温熱交換器１１８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１１９と低温側再生器１
２０および低温側中温熱交換器１２１とからなる熱ガス
機関において，高温側ディスプレ−サ１０３Ｈおよび低
温側ディスプレ−サ１０６Ｌを機械ばね１１１Ｈ，１１
１Ｌおよびガスばね１１０Ｈ，１１０Ｌによって支承
し，高温側ディスプレ−サ１０３Ｈと低温側ディスプレ
−サ１０６Ｌを９０度近傍の位相で駆動するように構成
した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】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，中温熱源への放熱を行うフリ−ピス
トン式熱ガス機関の改良に関するものである。
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，中温熱源への放熱を行うフリ−ピス
トン式熱ガス機関の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の熱ガス機関としては，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
に係る願書に添付した各明細書等に記載されているよう
なものがある。これらに示されている熱ガス機関は，高
温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サを往復動
させる手段としてはクランク機構を利用している。この
ようなクランク機構を利用する場合には，各ディスプレ
−サや補助ピストンの位相やストロ−クを正確に規定で
きるため便利であるが，反面これらの機構部品を収納す
るケ−スが必要で，このために機器の寸法が大きくなっ
たり，重量の増加を招く上，クランク機構の軸受を始め
とする運動を支える部品に負荷がかかり潤滑油を必要と
する。通常，この潤滑油は液体の油を使うが，このタイ
プの熱ガス機関は作動空間内に異物が入ることを極端に
嫌うため，特願平４−３２６４５２号に係る願書に添付
した明細書に示される実施例では，転がり軸受とグリ−
ス潤滑が採用されているが，このことは軸受の冷却不足
をもたらし，軸受の寿命あるいは軸受部の大型化を招
く。一方，これらの機構的な課題を解決する方法とし
て，各ディスプレ−サをばね等の可撓体で支持する構成
例が，下記の文献（１）〜（４）に記載されている。 (１)S.Schulz, “A Linear Model of a Free-Piston Vu
illermier MachineCompared to Experimental Result o
f a Prototype", Proc. ofthe 27th International Con
ference of Energy Conversion,1992 (２)S.Schulz, “Develpment of a Free Piston Vuille
rmier Machine forCooling Purposes", Proc. of the 5
th InternationalStirling Engine Conference, 1990 (３)J.P.Budliger, “Stirling Heat Pump System with
Resonance Tube", 6thInternational Stirling Engine
Conference, May 1993,Eindhoven, Netherland, p.24-
30 (４)土居良規ほか，「熱駆動ヒ−トポンプ」，特公平５
−６２６号公報 図４は，文献（１）に示されている当該機器の構成を示
す概念図で，ケ−シングは図示を省略している。同図に
おいて，１Ｌは低温側ディスプレ−サ，１Ｓはその支持
用の機械ばね，２Ｈは高温側ディスプレ−サ，２Ｓはそ
の支持用の機械ばね，また，３ａは低温側熱交換器，３
ｂは低温側再生器，３ｃは低温側中温熱交換器，４ａは
高温側熱交換器，４ｂは高温側再生器，４ｃは高温側中
温熱交換器であり，さらにディスプレ−サ１Ｌ，２Ｈ相
互はガスばね５にて支承されている。図５は，文献
（２）に示されている当該機器の構成を示す縦断正面図
で，同図において，６Ｌは低温側ディスプレ−サ，７Ｈ
は高温側ディスプレ−サ，８はヒ−タ，９は熱交換器，
１０は再生器，１１は水ジャケット，１２は外部ジャケ
ット，１３は結合ロッド，１４はスタ−タである。この
場合は一つのディスプレ−サ６Ｌを機械ばねＳ１でケ−
シングに支承すると共に，さらに各ディスプレ−サ６
Ｌ，７Ｈ同士を機械ばねＳ２にて支承している。図６
は，文献（３）に示されている当該機器の二つのディス
プレ−サを機械ばねでケ−シングに支承した場合の概念
図で，同図において，１５はケ−シング，１６Ｈは高温
側ディスプレ−サ，１７Ｌは低温側ディスプレ−サ，１
６Ｓ，１７Ｓは夫々機械ばね，１８は共鳴管，１９は高
温側再生器，２０は高温側中温熱交換器，２１は低温側
中温熱交換器，２２は低温側再生器，２３は低温側熱交
換器である。このように２つのディスプレ−サをケ−シ
ングに可撓体で支承する方法としては，図４〜図６に示
す３通りのものが考えられる。図７に示すものは，文献
（４）の特公平５−６２６号公報に見られる実施例で，
同図において，２４は熱駆動ヒ−トポンプのケ−シン
グ，２５Ｈ及び２５Ｌは夫々ケ−シング２４内に同軸的
に設けられた高温側シリンダ及び低温側シリンダ，２６
Ｈ及び２６Ｌは夫々高温側ディスプレ−サ，低温側ディ
スプレ−サ，２７Ｈ，２７Ｍ及び２７Ｌは夫々高温室，
中温室及び低温室である。２８Ｈ及び２８Ｌは夫々高温
側作動ガス流路及び低温側作動ガス流路，２９Ｈ及び２
９Ｌは夫々各流路２８Ｈ及び２８Ｌに設けられる高温側
熱交換器及び低温側熱交換器，３０Ｈ及び３０Ｌは夫々
高温側再生器及び低温側再生器，３１Ｈ及び３１Ｌは夫
々高温側中温熱交換器及び低温側中温熱交換器，３２は
ケ−シング２４と一体になった隔壁，３２Ｈ及び３２Ｌ
は夫々高温側及び低温側のディスプレ−サガイド，３３
Ｈ及び３３Ｌは夫々高温側ガスばね室及び低温側ガスば
ね室である。図７に示したものは，図６のものと実質
上，同じ構成であり，可撓体が機械ばねからガスばねに
置換されたものといえる。
願平３−３２４７２７号，特願平３−３２４７７５号，
特願平３−３２４７７６号，特願平３−３２４７７７号
に係る願書に添付した各明細書等に記載されているよう
なものがある。これらに示されている熱ガス機関は，高
温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ−サを往復動
させる手段としてはクランク機構を利用している。この
ようなクランク機構を利用する場合には，各ディスプレ
−サや補助ピストンの位相やストロ−クを正確に規定で
きるため便利であるが，反面これらの機構部品を収納す
るケ−スが必要で，このために機器の寸法が大きくなっ
たり，重量の増加を招く上，クランク機構の軸受を始め
とする運動を支える部品に負荷がかかり潤滑油を必要と
する。通常，この潤滑油は液体の油を使うが，このタイ
プの熱ガス機関は作動空間内に異物が入ることを極端に
嫌うため，特願平４−３２６４５２号に係る願書に添付
した明細書に示される実施例では，転がり軸受とグリ−
ス潤滑が採用されているが，このことは軸受の冷却不足
をもたらし，軸受の寿命あるいは軸受部の大型化を招
く。一方，これらの機構的な課題を解決する方法とし
て，各ディスプレ−サをばね等の可撓体で支持する構成
例が，下記の文献（１）〜（４）に記載されている。 (１)S.Schulz, “A Linear Model of a Free-Piston Vu
illermier MachineCompared to Experimental Result o
f a Prototype", Proc. ofthe 27th International Con
ference of Energy Conversion,1992 (２)S.Schulz, “Develpment of a Free Piston Vuille
rmier Machine forCooling Purposes", Proc. of the 5
th InternationalStirling Engine Conference, 1990 (３)J.P.Budliger, “Stirling Heat Pump System with
Resonance Tube", 6thInternational Stirling Engine
Conference, May 1993,Eindhoven, Netherland, p.24-
30 (４)土居良規ほか，「熱駆動ヒ−トポンプ」，特公平５
−６２６号公報 図４は，文献（１）に示されている当該機器の構成を示
す概念図で，ケ−シングは図示を省略している。同図に
おいて，１Ｌは低温側ディスプレ−サ，１Ｓはその支持
用の機械ばね，２Ｈは高温側ディスプレ−サ，２Ｓはそ
の支持用の機械ばね，また，３ａは低温側熱交換器，３
ｂは低温側再生器，３ｃは低温側中温熱交換器，４ａは
高温側熱交換器，４ｂは高温側再生器，４ｃは高温側中
温熱交換器であり，さらにディスプレ−サ１Ｌ，２Ｈ相
互はガスばね５にて支承されている。図５は，文献
（２）に示されている当該機器の構成を示す縦断正面図
で，同図において，６Ｌは低温側ディスプレ−サ，７Ｈ
は高温側ディスプレ−サ，８はヒ−タ，９は熱交換器，
１０は再生器，１１は水ジャケット，１２は外部ジャケ
ット，１３は結合ロッド，１４はスタ−タである。この
場合は一つのディスプレ−サ６Ｌを機械ばねＳ１でケ−
シングに支承すると共に，さらに各ディスプレ−サ６
Ｌ，７Ｈ同士を機械ばねＳ２にて支承している。図６
は，文献（３）に示されている当該機器の二つのディス
プレ−サを機械ばねでケ−シングに支承した場合の概念
図で，同図において，１５はケ−シング，１６Ｈは高温
側ディスプレ−サ，１７Ｌは低温側ディスプレ−サ，１
６Ｓ，１７Ｓは夫々機械ばね，１８は共鳴管，１９は高
温側再生器，２０は高温側中温熱交換器，２１は低温側
中温熱交換器，２２は低温側再生器，２３は低温側熱交
換器である。このように２つのディスプレ−サをケ−シ
ングに可撓体で支承する方法としては，図４〜図６に示
す３通りのものが考えられる。図７に示すものは，文献
（４）の特公平５−６２６号公報に見られる実施例で，
同図において，２４は熱駆動ヒ−トポンプのケ−シン
グ，２５Ｈ及び２５Ｌは夫々ケ−シング２４内に同軸的
に設けられた高温側シリンダ及び低温側シリンダ，２６
Ｈ及び２６Ｌは夫々高温側ディスプレ−サ，低温側ディ
スプレ−サ，２７Ｈ，２７Ｍ及び２７Ｌは夫々高温室，
中温室及び低温室である。２８Ｈ及び２８Ｌは夫々高温
側作動ガス流路及び低温側作動ガス流路，２９Ｈ及び２
９Ｌは夫々各流路２８Ｈ及び２８Ｌに設けられる高温側
熱交換器及び低温側熱交換器，３０Ｈ及び３０Ｌは夫々
高温側再生器及び低温側再生器，３１Ｈ及び３１Ｌは夫
々高温側中温熱交換器及び低温側中温熱交換器，３２は
ケ−シング２４と一体になった隔壁，３２Ｈ及び３２Ｌ
は夫々高温側及び低温側のディスプレ−サガイド，３３
Ｈ及び３３Ｌは夫々高温側ガスばね室及び低温側ガスば
ね室である。図７に示したものは，図６のものと実質
上，同じ構成であり，可撓体が機械ばねからガスばねに
置換されたものといえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来技術のものでは，
各々のディスプレ−サを支承している可撓体は機械ばね
か，ガスばねのいずれか一つの可撓体の場合である。と
ころで，これらの可撓体には次のような問題点がある。 （１）機械ばねの場合，機械的にばね定数が決定できる
ため安定した性能が得られるという長所を有する反面，
使用される許容応力に限界があり，この条件を満たしな
がら所定のばね定数を決定するため素線の径，ばねの
径，長さ及び巻数に制限を受け，機械ばねを収納する空
間が大となってしまう。 （２）一方，ガスばねの場合は，気体の状態方程式によ
りばね定数が計算でき，容積の変化量と気体の温度によ
って決定されるため，収納する空間は節約できるという
長所がある反面，ガスばねを構成するガスの温度変化に
よるばね定数の変化やガス室からのガス漏れによるばね
定数の変化安定，さらにディスプレ−サ重量が働く状態
での静止時にはディスプレ−サ重量によって荷重を受け
中立点が変化する恐れがあった。また，本熱ガス機関は
熱駆動型ヒ−トポンプと呼ばれるものの一種で，燃焼な
どの高温熱源を駆動源として冷暖房を行う機器で，その
最大の特徴は，冷媒に気体（ヘリウム，窒素等）を使用
することで，フロンを一切使用しないことである。しか
るに，一般の冷暖房に使用されているフロンを冷媒とし
たランキンサイクル冷凍機（蒸発式冷凍機）に比べて出
力密度（単位重量あたりの出力）が小さいという欠点を
もっている。したがって，一般の冷凍機に比べて大きく
重く，商品化にあたって据え付けスペ−スの確保やコス
ト面で不利であるという問題点があった。本発明は，従
来のものの上記課題（問題点）を解決し，出力密度の高
い小型軽量なフリ−ピストン式熱ガス機関を提供するこ
とを目的とするものである。
各々のディスプレ−サを支承している可撓体は機械ばね
か，ガスばねのいずれか一つの可撓体の場合である。と
ころで，これらの可撓体には次のような問題点がある。 （１）機械ばねの場合，機械的にばね定数が決定できる
ため安定した性能が得られるという長所を有する反面，
使用される許容応力に限界があり，この条件を満たしな
がら所定のばね定数を決定するため素線の径，ばねの
径，長さ及び巻数に制限を受け，機械ばねを収納する空
間が大となってしまう。 （２）一方，ガスばねの場合は，気体の状態方程式によ
りばね定数が計算でき，容積の変化量と気体の温度によ
って決定されるため，収納する空間は節約できるという
長所がある反面，ガスばねを構成するガスの温度変化に
よるばね定数の変化やガス室からのガス漏れによるばね
定数の変化安定，さらにディスプレ−サ重量が働く状態
での静止時にはディスプレ−サ重量によって荷重を受け
中立点が変化する恐れがあった。また，本熱ガス機関は
熱駆動型ヒ−トポンプと呼ばれるものの一種で，燃焼な
どの高温熱源を駆動源として冷暖房を行う機器で，その
最大の特徴は，冷媒に気体（ヘリウム，窒素等）を使用
することで，フロンを一切使用しないことである。しか
るに，一般の冷暖房に使用されているフロンを冷媒とし
たランキンサイクル冷凍機（蒸発式冷凍機）に比べて出
力密度（単位重量あたりの出力）が小さいという欠点を
もっている。したがって，一般の冷凍機に比べて大きく
重く，商品化にあたって据え付けスペ−スの確保やコス
ト面で不利であるという問題点があった。本発明は，従
来のものの上記課題（問題点）を解決し，出力密度の高
い小型軽量なフリ−ピストン式熱ガス機関を提供するこ
とを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，本発明によるフリ−ピストン式熱ガス機関は，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
高温側再生器及び高温側中温熱交換器と，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
側再生器及び低温側中温熱交換器とからなる熱ガス機関
において，高温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ
−サを機械ばね及びガスばねによって支え，高温側ディ
スプレ−サと低温側ディスプレ−サを異なる位相で駆動
するように構成した。位相は設計条件によっては効果を
考慮して変更される場合があり，通常６０度〜１２０度
の範囲で採用されるが，理論的には９０度が良い。
に，本発明によるフリ−ピストン式熱ガス機関は，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
高温側再生器及び高温側中温熱交換器と，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
側再生器及び低温側中温熱交換器とからなる熱ガス機関
において，高温側ディスプレ−サ及び低温側ディスプレ
−サを機械ばね及びガスばねによって支え，高温側ディ
スプレ−サと低温側ディスプレ−サを異なる位相で駆動
するように構成した。位相は設計条件によっては効果を
考慮して変更される場合があり，通常６０度〜１２０度
の範囲で採用されるが，理論的には９０度が良い。
【０００５】
【作用】以上の手段により構成される本発明の熱駆動ヒ
−トポンプにおいて，２つのディスプレ−サは外部から
機械的駆動力を与えなくても，作動ガスの変動圧力と一
定圧力に保たれた空間との間に働く力や，両ディスプレ
−サに働く可撓体の力や，ディスプレ−サに働く摩擦，
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をする。このディスプレ−
サの持続振動によって生じる作動ガスの移動と各作動空
間の温度により本機関は熱の移動を引き起こす。本発明
の特徴は，機械ばねとガスばねによって２つのディスプ
レ−サを支承する構成にした点にあり，この結果，機械
ばねとガスばねを併用することによりコイルに働く荷重
を軽減できるため，ばねを小型にして収納する空間を節
約でき，あるいは素線に働く応力軽減ができ疲労破壊を
防ぐことができる。また，この併用によりガスばねの不
安定性による固有振動数のバラツキを軽減できる。
−トポンプにおいて，２つのディスプレ−サは外部から
機械的駆動力を与えなくても，作動ガスの変動圧力と一
定圧力に保たれた空間との間に働く力や，両ディスプレ
−サに働く可撓体の力や，ディスプレ−サに働く摩擦，
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をする。このディスプレ−
サの持続振動によって生じる作動ガスの移動と各作動空
間の温度により本機関は熱の移動を引き起こす。本発明
の特徴は，機械ばねとガスばねによって２つのディスプ
レ−サを支承する構成にした点にあり，この結果，機械
ばねとガスばねを併用することによりコイルに働く荷重
を軽減できるため，ばねを小型にして収納する空間を節
約でき，あるいは素線に働く応力軽減ができ疲労破壊を
防ぐことができる。また，この併用によりガスばねの不
安定性による固有振動数のバラツキを軽減できる。
【０００６】
【実施例】まず，本発明の構成の原理から説明する。本
発明の構成の特徴は，機械ばねとガスばねによって２つ
のディスプレ−サを支承する構成にした点にあり，各質
量とばね定数の決定は重要な技術となるが，多質点の振
動系の解析技術を利用することにより，各要素の要目は
次のように決定される。図１は本発明の構成を模式的に
示した解析モデル図で，同図に示されている各部の数値
を使用して解析して見ると，２つのディスプレ−サ及び
ケ−スに対する運動方程式は，次の（数１）乃至（数
３）（以下式（１）乃至式（３）という）で与えられ
る。
発明の構成の特徴は，機械ばねとガスばねによって２つ
のディスプレ−サを支承する構成にした点にあり，各質
量とばね定数の決定は重要な技術となるが，多質点の振
動系の解析技術を利用することにより，各要素の要目は
次のように決定される。図１は本発明の構成を模式的に
示した解析モデル図で，同図に示されている各部の数値
を使用して解析して見ると，２つのディスプレ−サ及び
ケ−スに対する運動方程式は，次の（数１）乃至（数
３）（以下式（１）乃至式（３）という）で与えられ
る。
【０００７】
【数１】
【０００８】
【数２】
【０００９】
【数３】
【００１０】また，外力によって生ずる定常状態が，次
の式（４），式（５）で示される調和運動であると仮定
する。
の式（４），式（５）で示される調和運動であると仮定
する。
【００１１】 ｘｈ＝ａhｓｉｎ（ω0ｔ） （４） ｘｃ＝ａcｓｉｎ（ω0ｔ＋φｃ） （５）
【００１２】そして，上記式（１）乃至式（５）により
各要目を決定していくことになる。但し，上記各式中の
各符号は次の内容を表わすものとする。 ｍｈ：高温側ディスプレ−サの質量 ｍｃ：低温側ディスプレ−サの質量 ｍｅ：ケ−スの質量 Ｃｈ：高温側ディスプレ−サの減衰係数 Ｃｃ：低温側ディスプレ−サの減衰係数 Ｃｅ：ケ−スの減衰係数 Ａｈ：高温側ロッドの面積 Ａｃ：低温側ロッドの面積 Ｐｇｈ：高温側ガスばね室のガス圧力 Ｐｇｃ：低温側ガスばね室のガス圧力 Ｐ：作動室のガス圧力 Ｋｈ：高温側ばね定数 Ｋｃ：低温側ばね定数 ｘｈ：高温側ディスプレ−サの変位 ｘｃ：低温側ディスプレ−サの変位 ａｈ：高温側ディスプレ−サの振幅 ａｃ：低温側ディスプレ−サの振幅 φｃ：低温側ピストンの位相（本発明の場合，φｃ≒−
９０度） なお，式（１），（２）に考慮されている高温側ガスば
ね室のガス圧力Ｐｇｈ，低温側ガスばね室のガス圧力Ｐ
ｇｃ等は図１に示すように，各ガスばね室内にロッドを
挿入することによりガスばね室圧力と作動室圧力の差を
求めることによって得ることができる。
各要目を決定していくことになる。但し，上記各式中の
各符号は次の内容を表わすものとする。 ｍｈ：高温側ディスプレ−サの質量 ｍｃ：低温側ディスプレ−サの質量 ｍｅ：ケ−スの質量 Ｃｈ：高温側ディスプレ−サの減衰係数 Ｃｃ：低温側ディスプレ−サの減衰係数 Ｃｅ：ケ−スの減衰係数 Ａｈ：高温側ロッドの面積 Ａｃ：低温側ロッドの面積 Ｐｇｈ：高温側ガスばね室のガス圧力 Ｐｇｃ：低温側ガスばね室のガス圧力 Ｐ：作動室のガス圧力 Ｋｈ：高温側ばね定数 Ｋｃ：低温側ばね定数 ｘｈ：高温側ディスプレ−サの変位 ｘｃ：低温側ディスプレ−サの変位 ａｈ：高温側ディスプレ−サの振幅 ａｃ：低温側ディスプレ−サの振幅 φｃ：低温側ピストンの位相（本発明の場合，φｃ≒−
９０度） なお，式（１），（２）に考慮されている高温側ガスば
ね室のガス圧力Ｐｇｈ，低温側ガスばね室のガス圧力Ｐ
ｇｃ等は図１に示すように，各ガスばね室内にロッドを
挿入することによりガスばね室圧力と作動室圧力の差を
求めることによって得ることができる。
【００１３】実施例１：図２は本発明の実施例１の構成
を示すものである。同図において，１０１Ａ乃至１０１
Ｃは夫々本発明の熱ガス機関を構成する第１乃至第３の
ケ−シングで，同図では分離された形で示されている
が，実際のものは，ボルト結合なり，一体成形なりで一
つのケ−シングとして集積化されている。第１のケ−シ
ング１０１Ａには，その中に高温側シリンダ１０２Ｈ，
高温側ディスプレ−サ１０３Ｈ，この高温側ディスプレ
−サ１０３Ｈをガイドする役目と作動ガスをシ−ルする
ための高温側シ−ル群１０４，低温側シリンダ１０５
Ｌ，低温側ディスプレ−サ１０６Ｌ，この低温側ディス
プレ−サ１０６Ｌをガイドする役目と作動ガスをシ−ル
するための低温シ−ル群１０７，高温側中温シリンダ１
０８Ｈ，低温側中温シリンダ１０９Ｌが収納されてい
る。また，第１のケ−シング１０１Ａの中央部にはケ−
シング１０１Ａと一体構造に設けられる隔壁１０１Ｋ内
に高温側ガスばね室１１０Ｈ，低温側ガスばね室１１０
Ｌが設置されている。なお，これらの各ガスばね室はガ
スばねの機能を有するので，ガスばねということがあ
る。高温側ガスばね室１１０Ｈに高温側ディスプレ−サ
１０３Ｈに接続されたピストンロッド１１２とが，また
低温側ガスばね室１１０Ｌに低温側ディスプレ−サ１０
６Ｌと接続されたピストンロッド１１３が，夫々ガイド
機能とシ−ル機能を備えた高温側ロッドシ−ル群１１４
及び低温側ロッドシ−ル群１１５を介して挿入されてい
る。なお，１１１Ｈ及び１１１Ｌは夫々高温側ディスプ
レ−サ１０３Ｈ及び低温側ディスプレ−サ１０６Ｌを支
承する機械ばねである。第２のケ−シング１０１Ｂは高
温側の熱交換器である加熱器１１６，高温側再生器１１
７及び高温側中温熱交換器である放熱器１１８を収納す
るための高温側熱交換ケ−シングの機能を有するもので
ある。同様に，第３のケ−シング１０１Ｃは低温側の熱
交換器である冷却器１１９，低温側再生器１２０及び低
温側中温熱交換器である放熱器１２１を収納するための
低温側熱交換器ケ−シングの機能を有するものである。
各作動空間と熱交換器ケ−シングは配管またはケ−シン
グと一体成形されたダクト１２２ａ〜１２２ｅにより連
通されている。上記のように２つのディスプレ−サ１０
３Ｈ及び１０６Ｌは夫々機械ばね１１１Ｈ，１１１Ｌと
ガスばね１１０Ｈ，１１０Ｌにて支承されているが，こ
の場合，これらのばねのばね定数を設定することによ
り，所定の共振周波数において高温側ディスプレ−サ１
０３Ｈと低温側ディスプレ−サ１０６Ｌの位相差が９０
度近傍の位相差となるように設定されている。なお，理
解を助けるために図１の符号は図２の符号を対応して付
してある。
を示すものである。同図において，１０１Ａ乃至１０１
Ｃは夫々本発明の熱ガス機関を構成する第１乃至第３の
ケ−シングで，同図では分離された形で示されている
が，実際のものは，ボルト結合なり，一体成形なりで一
つのケ−シングとして集積化されている。第１のケ−シ
ング１０１Ａには，その中に高温側シリンダ１０２Ｈ，
高温側ディスプレ−サ１０３Ｈ，この高温側ディスプレ
−サ１０３Ｈをガイドする役目と作動ガスをシ−ルする
ための高温側シ−ル群１０４，低温側シリンダ１０５
Ｌ，低温側ディスプレ−サ１０６Ｌ，この低温側ディス
プレ−サ１０６Ｌをガイドする役目と作動ガスをシ−ル
するための低温シ−ル群１０７，高温側中温シリンダ１
０８Ｈ，低温側中温シリンダ１０９Ｌが収納されてい
る。また，第１のケ−シング１０１Ａの中央部にはケ−
シング１０１Ａと一体構造に設けられる隔壁１０１Ｋ内
に高温側ガスばね室１１０Ｈ，低温側ガスばね室１１０
Ｌが設置されている。なお，これらの各ガスばね室はガ
スばねの機能を有するので，ガスばねということがあ
る。高温側ガスばね室１１０Ｈに高温側ディスプレ−サ
１０３Ｈに接続されたピストンロッド１１２とが，また
低温側ガスばね室１１０Ｌに低温側ディスプレ−サ１０
６Ｌと接続されたピストンロッド１１３が，夫々ガイド
機能とシ−ル機能を備えた高温側ロッドシ−ル群１１４
及び低温側ロッドシ−ル群１１５を介して挿入されてい
る。なお，１１１Ｈ及び１１１Ｌは夫々高温側ディスプ
レ−サ１０３Ｈ及び低温側ディスプレ−サ１０６Ｌを支
承する機械ばねである。第２のケ−シング１０１Ｂは高
温側の熱交換器である加熱器１１６，高温側再生器１１
７及び高温側中温熱交換器である放熱器１１８を収納す
るための高温側熱交換ケ−シングの機能を有するもので
ある。同様に，第３のケ−シング１０１Ｃは低温側の熱
交換器である冷却器１１９，低温側再生器１２０及び低
温側中温熱交換器である放熱器１２１を収納するための
低温側熱交換器ケ−シングの機能を有するものである。
各作動空間と熱交換器ケ−シングは配管またはケ−シン
グと一体成形されたダクト１２２ａ〜１２２ｅにより連
通されている。上記のように２つのディスプレ−サ１０
３Ｈ及び１０６Ｌは夫々機械ばね１１１Ｈ，１１１Ｌと
ガスばね１１０Ｈ，１１０Ｌにて支承されているが，こ
の場合，これらのばねのばね定数を設定することによ
り，所定の共振周波数において高温側ディスプレ−サ１
０３Ｈと低温側ディスプレ−サ１０６Ｌの位相差が９０
度近傍の位相差となるように設定されている。なお，理
解を助けるために図１の符号は図２の符号を対応して付
してある。
【００１４】実施例２：図３は，本発明の実施例２の構
成を示すもので，本実施例は実施例１において高温側ガ
スばねの機能を有する高温側ガスばね室１２５Ｈを高温
側ディスプレ−サ１０３Ｈ内に，低温側ガスばねの機能
を有する低温側ガスばね室１２５Ｌを低温側ディスプレ
−サ１０６Ｌ内に設置した点に，その構成上の特徴があ
る。その他の構成は実施例１と全く同一であるので，対
応する構成については図１と同一の符号を付して示し
た。
成を示すもので，本実施例は実施例１において高温側ガ
スばねの機能を有する高温側ガスばね室１２５Ｈを高温
側ディスプレ−サ１０３Ｈ内に，低温側ガスばねの機能
を有する低温側ガスばね室１２５Ｌを低温側ディスプレ
−サ１０６Ｌ内に設置した点に，その構成上の特徴があ
る。その他の構成は実施例１と全く同一であるので，対
応する構成については図１と同一の符号を付して示し
た。
【００１５】上記各構成において，２つのディスプレ−
サ１０３Ｈ，１０６Ｌは外部から機械的駆動力を与えな
くても，作動ガスの変動圧力と一定圧力に保たれた空間
との間に働く力や，両ディスプレ−サ１０３Ｈ，１０６
Ｌに働く可撓体であるガスばね１１０Ｈ（１２５Ｈ），
１１０Ｌ（１２５Ｌ）及び機械ばね１１１Ｈ，１１１Ｌ
の力や，各ディスプレ−サ１０３Ｈ，１０６Ｌに働く摩
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をする。これらのディ
スプレ−サ１０３Ｈ，１０６Ｌの持続振動によって生じ
る作動ガスの移動と各作動空間の温度により本機関は熱
の移動を引き起こす。本発明の特徴は，上記のように機
械ばね１１１Ｈ，１１１Ｌとガスばね１１０Ｈ（１２５
Ｈ），１１０Ｌ（１２５Ｌ）によって２つのディスプレ
−サを支承する構成にした点にあり，この結果，機械ば
ねのコイルに働く荷重を軽減できるため，機械ばねを小
型にして収納する空間を節約でき，あるいは素線に働く
応力軽減ができ疲労破壊を防ぐことができる。また，両
ばねの併用によりガスばねの不安定性による固有振動数
のバラツキも軽減されている。
サ１０３Ｈ，１０６Ｌは外部から機械的駆動力を与えな
くても，作動ガスの変動圧力と一定圧力に保たれた空間
との間に働く力や，両ディスプレ−サ１０３Ｈ，１０６
Ｌに働く可撓体であるガスばね１１０Ｈ（１２５Ｈ），
１１０Ｌ（１２５Ｌ）及び機械ばね１１１Ｈ，１１１Ｌ
の力や，各ディスプレ−サ１０３Ｈ，１０６Ｌに働く摩
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をする。これらのディ
スプレ−サ１０３Ｈ，１０６Ｌの持続振動によって生じ
る作動ガスの移動と各作動空間の温度により本機関は熱
の移動を引き起こす。本発明の特徴は，上記のように機
械ばね１１１Ｈ，１１１Ｌとガスばね１１０Ｈ（１２５
Ｈ），１１０Ｌ（１２５Ｌ）によって２つのディスプレ
−サを支承する構成にした点にあり，この結果，機械ば
ねのコイルに働く荷重を軽減できるため，機械ばねを小
型にして収納する空間を節約でき，あるいは素線に働く
応力軽減ができ疲労破壊を防ぐことができる。また，両
ばねの併用によりガスばねの不安定性による固有振動数
のバラツキも軽減されている。
【００１６】
【発明の効果】本発明によるフリ−ピストン式熱ガス機
関は，上記のように振動系の共振を利用してディスプレ
−サや補助ピストンを駆動する構成としたから，次のよ
うな優れた効果を有する。 機械ばねとガスばねとを併用することによりコイルに
働く荷重を軽減できるため，機械ばねを小型にして収納
する空間を節約でき，構造が簡単とできる。また，機械
ばねとガスばねとの併用によりガスばねの不安定性によ
る固有振動数のバラツキを軽減でき，ばねとしての安定
性は高精度に保たれている。 小型軽量化が可能で，出力密度の高い熱ガス機関が供
給できるため，省資源でかつ，フロンを使用しない冷暖
房が可能である。 素線に働く応力軽減ができ疲労破壊を防ぐことができ
るから，クランク機構等による機械摩擦損失を低減で
き，高い性能が期待できる。
関は，上記のように振動系の共振を利用してディスプレ
−サや補助ピストンを駆動する構成としたから，次のよ
うな優れた効果を有する。 機械ばねとガスばねとを併用することによりコイルに
働く荷重を軽減できるため，機械ばねを小型にして収納
する空間を節約でき，構造が簡単とできる。また，機械
ばねとガスばねとの併用によりガスばねの不安定性によ
る固有振動数のバラツキを軽減でき，ばねとしての安定
性は高精度に保たれている。 小型軽量化が可能で，出力密度の高い熱ガス機関が供
給できるため，省資源でかつ，フロンを使用しない冷暖
房が可能である。 素線に働く応力軽減ができ疲労破壊を防ぐことができ
るから，クランク機構等による機械摩擦損失を低減で
き，高い性能が期待できる。
【図１】本発明の構成を模式的に示した解析モデル図で
ある。
ある。
【図２】本発明の実施例１の構成を模式的に示した縦断
正面図である。
正面図である。
【図３】本発明の実施例２の構成を模式的に示した縦断
正面図である。
正面図である。
【図４】第１の従来例の構成を示した縦断正面図であ
る。
る。
【図５】第２の従来例の構成を示した縦断正面図であ
る。
る。
【図６】第３の従来例の構成を示した縦断正面図であ
る。
る。
【図７】第４の従来例の構成を示した縦断正面図であ
る。
る。
１０２Ｈ，１０５Ｌ：シリンダ １０３Ｈ：高温側ディスプレ−サ １０６Ｌ：低温側ディスプレ−サ １１０Ｈ，１２５Ｈ：高温側ガスばね（高温側ガスばね
室） １１０Ｌ，１２５Ｌ：低温側ガスばね（低温側ガスばね
室） １１１Ｈ：高温側機械ばね １１１Ｌ：低温側機械ばね １１６：加熱器（高温側熱交換器） １１７：高温側再生器 １１８：放熱器（高温側中温熱交換器） １１９：冷却器（低温側熱交換器） １２０：低温側再生器 １２１：放熱器（低温側中温熱交換器）
室） １１０Ｌ，１２５Ｌ：低温側ガスばね（低温側ガスばね
室） １１１Ｈ：高温側機械ばね １１１Ｌ：低温側機械ばね １１６：加熱器（高温側熱交換器） １１７：高温側再生器 １１８：放熱器（高温側中温熱交換器） １１９：冷却器（低温側熱交換器） １２０：低温側再生器 １２１：放熱器（低温側中温熱交換器）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大竹 雅久 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 (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高温側中温熱交換
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低温側中温熱交換器と
からなる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−サを機械ばね及びガスばねによっ
て支承し，高温側ディスプレ−サと低温側ディスプレ−
サを異なる位相で駆動するようにしたことを特徴とする
フリ−ピストン式熱ガス機関。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32081693A JPH07151406A (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | フリ−ピストン式熱ガス機関 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32081693A JPH07151406A (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | フリ−ピストン式熱ガス機関 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07151406A true JPH07151406A (ja) | 1995-06-16 |
Family
ID=18125555
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32081693A Pending JPH07151406A (ja) | 1993-11-29 | 1993-11-29 | フリ−ピストン式熱ガス機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07151406A (ja) |
-
1993
- 1993-11-29 JP JP32081693A patent/JPH07151406A/ja active Pending
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