JPH08145488A

JPH08145488A - 等温圧縮／膨張機熱機械

Info

Publication number: JPH08145488A
Application number: JP28965194A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Goto; 英一後藤; Matsukenna An; アン・マッケンナ; Susumu Kase; 晋加瀬
Original assignee: Fujitsu Ltd; Hitachi Ltd; NEC Corp; IBM Japan Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Fujitsu Ltd; Hitachi Ltd; NEC Corp; IBM Japan Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 1996-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】無（公害）省（エネルギー）低（価格）長
（寿命）の熱機械を提供することを目的とする。【構成】圧縮／膨張機は、熱拡散距離Ｄ＝（ａｔ_W）
^1/2［ｍ］（但し、ａは熱拡散率、ｔ_Wは各ガス分子が
ポンプ壁の近くに滞在する時間）として、各ガス分子を
中心として直径Ｄの球を考え、その球内に圧縮／膨張機
の固体壁（固定壁１と駆動壁２）がある構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、等温ガス圧縮／膨張機
熱機械に係り、特に無公害、高効率による省エネルギー
を達成する安価でかつ長寿命の等温ガス圧縮／膨張機熱
機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧縮／膨張機方式熱機械では、ピ
ストン・シリンダー機構、ベローズ・ダイヤフラム機
構、ロータリー圧縮機構、タービン機構等を用い、外部
との熱交換を殆ど行うことなしに断熱的に作業ガスの圧
縮／膨張を行っている。

【０００３】また熱ポンプ用の作業ガスにはフレオンを
用いることが圧倒的大多数である。ここで、熱機械とは
熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する熱機関
（「岩波理化学辞典」第４版第７刷９５０頁、以下「理
化学辞典」と言う。）と機械的エネルギーを使って熱を
移送する熱ポンプの総称である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の断熱圧縮／膨張
方式熱機械では、無公害で、しかも高熱効率による省エ
ネルギーを達成し、且つ安価で長寿命であると言う目標
は達成されておらず、またかかる熱機械に広く使われて
きた作業ガスであるフレオンガスはオゾン層の破壊と言
う重大な公害があることが分かり、近年世界的大問題と
なっている。

【０００５】また、エネルギーの過剰消費を有力な原因
とする地球の温暖化による公害もある。このような熱機
械に用いる作業物質として、西暦２０００年迄にフレオ
ン（炭化フッ素冷媒）を徐々に廃止するという規制の実
施が決まって以来、環境面で安全且つ効率の高い熱ポン
プの開発に関心が集まるようになった。

【０００６】また、現在の冷却機を小改造して現在の液
相気相の二相サイクルをそのまま用い、冷媒のみフレオ
ンから水塩素化フッ化炭素類（ＨＣＦＣ）の新規冷媒に
変える研究も重点的に行われてきた。

【０００７】しかし、このＨＣＦＣはオゾン層の破壊能
力としてはフレオンの１／２０であるとは言え依然とし
てオゾン層を破壊することに変りはない。

【０００８】このように、現存する熱機械は、公害源と
なるばかりでなく、高熱効率によって省エネルギーを達
成する目的に最もかなう理想可逆熱力学サイクルの実現
にも程遠く、またこれらの問題を低価格で且つ長寿命と
言う条件を守りながら解決する目処も立っていない。

【０００９】本発明は、従来の技術が持つこのような問
題点に鑑みてなされたものであり、その目的とする所
は、無毒性で無公害物質であるヘリウム、窒素、空気、
等を作業ガスに使用し、かつ高熱効率を実現して省エネ
ルギー化を図り上記の公害問題を解決あるいは軽減する
ことである。また、広く普及して多数使用される熱機械
は安価で長寿命であることが要求されるので、本発明は
これを達成する無（公害）省（エネルギー）低（価格）
長（寿命）の熱機械を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
作業ガスを機械的に圧縮または膨張させる圧縮／膨張機
を用いる熱機械において、前記圧縮／膨張機は、固体部
品として、機械的往復運動をする駆動壁と、固定壁と、
当該駆動壁と固定壁との間に設けられたピストン・シリ
ンダー機構またはベローズ・ダイヤフラム機構を用いる
ガス封入手段と、を具備し、且つ、前記作業ガスの各分
子を中心として直径が熱拡散距離Ｄ（Ｄ＝（ａｔ_W）
^1/2，ａは熱拡散率［ｍ²ｓ^-1］，ａ＝κ／ｃ_p´，κ
は熱伝導率［Ｊ／（ｍｓＫ）］，ｃ_p´は単位体積当た
りの等圧比熱［Ｊ／（ｍ³Ｋ）］，ｔ_Wは各作業ガス分
子の圧縮／膨張機内壁近傍の滞在時間［ｓ］）程度の球
内に、前記圧縮／膨張機の前記固体部品が位置する構造
とすることにより、前記固体部品の温度（Ｔ_W）に前記
作業ガスの温度を近づけて作業ガスの等温化を達成せし
めることを特徴とする等温圧縮／膨張機熱機械。

【００１１】請求項２記載の発明は、前記圧縮／膨張機
が、機械的往復運動をする前記駆動壁と前記固定壁と前
記ガス封入手段とから形成されるガス室内に、固体部品
として弾性的に略等間隔に支持され且つ通気孔を持つこ
とにより両面の圧力差による応力の発生を防止した複数
の良熱伝導性の蓄熱薄膜移動壁を具備し、前記ガス室の
容積が最大の場合に当該蓄熱薄膜移動壁の最大間隔（Ｚ
_M）を前記作業ガスの熱拡散距離（Ｄ）程度以下とし、
前記ガス室の内容積最小の場合に前記蓄熱薄膜移動壁、
移動壁、及び固定壁が互いに略接触して急速に熱交換を
行うことにより、前記等温化を達成せしめることを特徴
とする請求項１に記載の等温圧縮／膨張機熱機械。

【００１２】請求項３記載の発明は、前記ガス封入手段
が、高抗張力であるが、極めて曲げ易く摩擦損の少ない
材質（例えば革、ポリエステル、ケブラー、ガラス等の
繊維を紡織した紡織布）のダイヤフラムで形成される柔
軟壁機構であり、該柔軟壁機構は固定壁表面に凹凸をつ
けることにより該圧縮／膨張機の運転中に該柔軟壁の厚
みの２〜３０倍程度の範囲内、好ましくは５〜２０倍の
曲率半径を維持することによって作業ガスの圧力を支え
ることを特徴とする請求項１又は２記載の等温圧縮／膨
張機熱機械。

【００１３】請求項４記載の発明は、前記作業ガスが前
記圧縮／膨張機の固体部品と熱接触して作業ガスを等温
に保温する保温手段を有し、当該保温手段が保温用ガス
流と当該保温流体を流すポンプとから構成され、当該保
温ガス流のポンプの固体部品が作業ガス流の圧縮／膨張
機の固体部品の一部を共用することを特徴とする請求項
１乃至３のいずれかに記載の等温圧縮／膨張機熱機械。

【００１４】請求項５記載の発明は、前記変形壁から外
部に作業ガスが流出しない密閉容器を付帯することを特
徴とする請求項２乃至４記載の等温圧縮／膨張機熱機
械。

【００１５】請求項６記載の発明は、前記作業ガスはヘ
リウム、窒素、空気等の無公害物質であることを特徴と
する請求項目１乃至５のいずれかに記載の等温圧縮／膨
張機熱機械。

【００１６】

【作用】高熱効率の実現手段は、作業ガスの動作サイク
ルを理想可逆熱力学サイクルに近づけると共に機械的摩
擦損失を減少させることである。

【００１７】先ず理想可逆熱力学サイクルとしてはカル
ノー、スターリング、エリクソンの各サイクル及び後記
の三角サイクルがあるが、これらは何れも等温圧縮／膨
張の行程を必要としているので、この等温圧縮／膨張行
程を安価で長寿命な圧縮／膨張機で実現することが高熱
効率の実現手段となる。

【００１８】圧縮／膨張機にピストン・シリンダー機
構、ベローズ・ダイヤフラム機構の何れを用いる場合に
ついても、圧縮／膨張機内の作業ガス各分子を中心とし
て直径が熱拡散距離Ｄ（Ｄ＝（ａｔ_W）^1/2，ａは熱拡
散率［ｍ²ｓ^-1］，ａ＝κ／ｃ_p´，κは熱伝導率［Ｊ
／（ｍｓＫ）］，ｃ_p´は単位体積当たりの等圧比熱
［Ｊ／（ｍ³Ｋ）］，ｔ_Wは各作業ガス分子の圧縮／膨
張機内壁近傍の滞在時間［ｓ］）程度の球内に前記圧縮
／膨張機の固体部品が常時存在する構造とすることによ
り、作業ガスの温度を常にこれら固体部品の温度に近い
値に保ち、作業ガス圧縮中の等温化を実現する。尚、上
記Ｄ等の数学記号については表１を参照されたい。

【００１９】

【表１】作業ガス分子を中心とする直径Ｄの球内に常に圧縮／膨
張機の固体部品を存在させる第一の手段は、この圧縮／
膨張機の固体部品を機械的往復運動をする駆動壁と、固
定壁と、当該駆動壁と固定壁との間に設けられたピスト
ン・シリンダー機構またはダイヤフラム・ベロウズ機構
を用いるガス封入手段とから成るものとし、これら固体
部品によって圧縮／膨張機内にガス室を構成し、圧縮／
膨張機の作動中にこのガス室の容積が最大となる場合に
おいても、隣接する前記固体部品の最大間隔（Ｚ_M）が
前記Ｄ程度以下となるように構成することである。

【００２０】作業ガス分子を中心とする直径Ｄの球内に
常に圧縮／膨張機の固体部品を存在させる第二の手段
は、前記固体部品で構成したガス室内に固体部品として
弾性的に略等間隔に支持され、且つ通気孔を持つことに
より両面の圧力差による応力の発生を防止した複数の良
熱伝導性の蓄熱薄膜移動壁を設置し、前記ガス室の容積
が最大の場合に当該蓄熱薄膜移動壁の最大間隔（Ｚ_M）
を前記作業ガスの熱拡散距離（Ｄ）程度以下とすること
である。この第二の手段を取る場合は、前記ガス室の内
容積最小の場合に前記蓄熱薄膜移動壁、移動壁、及び固
定壁が互いに略接触して急速に熱交換を行うことによ
り、圧縮／膨張中の作業ガスの等温化が達成される。ピ
ストン・シリンダー機構は摩擦損失が大きいが、ベロー
ズ・ダイヤフラム機構は摩擦損失が少なく、この点は後
者が優れている。

【００２１】そこで、本機では圧縮／膨張機にダイヤフ
ラム機構を用いる場合、ダイヤフラム各層の接合部分に
柔らかい紡織布を用いて曲げに対する抵抗を殆どゼロと
し摩擦損失を極小とした。しかしベローズの従来知られ
た弱点は耐疲労性であり、事実これまでにヘリウム液化
機でベローズ・ダイヤフラム型のヘリウム膨張機を用い
た報告があり、これによって通常のピストン・シリンダ
ー機構に見られる摩擦損を殆ど無くすることが可能であ
ることを示し得たが、この試作膨張機は６３．２時間後
に１．９×１０⁶サイクルでベローズが疲労破壊してし
まった。

【００２２】この疲労破壊の原因は金属ベローズの変形
とベローズ各層の蝋着け部分の応力破壊によるものであ
った。

【００２３】しかし、ダイヤフラム各層の接合部分に柔
らかい紡織布を用いて曲げ応力を略ゼロとし、また圧縮
行程の終点ではダイヤフラム各層が密着するように設計
して金属ダイヤフラムの変形を防止することによって、
圧縮／膨張機は略半永久的な寿命を期待できる。

【００２４】また、前記理想可逆熱力学サイクルの内、
カルノー・サイクルとスターリング・サイクルの実現に
はそれぞれ４個の圧縮／膨張機を必要とするのに対し
て、後述のようにエリクソン・サイクルと三角サイクル
は２個のみで済む有利性があるので、本発明ではエリク
ソン・サイクルと三角サイクルを近似的に実現させるこ
ととする。さらに、本発明において、ダイヤフラム型圧
縮／膨張機を多段構造にすることによって、必要に応じ
て段数を増やすだけで能力を増加させることができる。
また、本発明において、圧縮／膨張機は、目的に応じて
寸法の変更が容易なので家庭用冷蔵庫や冷暖房機から超
低温の液体ヘリウム温度の冷凍機に至る広範囲の用途に
対応が可能である。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例の詳細を図面を参照し
て説明する。

【００２６】［熱力学的設計］最も高い熱効率を持つ理
想可逆熱力学サイクルの例としては、図１（ａ）、
（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示すカルノー・サイクル、ス
ターリング・サイクル、エリクソン・サイクルが良く知
られているが、これらは何れも４行程から成り、その４
行程の中の２行程は可逆の等温圧縮（乃至膨張）行程で
あり、残る２行程は、カルノー・サイクルでは等エント
ロピー（断熱）行程、スターリング・サイクルでは熱再
生を伴う等容積行程、エリクソン・サイクルでは熱交換
を伴う等圧行程である。カルノー・サイクルとスターリ
ング・サイクルを構成する４行程のいずれにも機械的圧
縮／膨張機が必要である。

【００２７】これに対して、エリクソン・サイクルで
は、機械的圧縮／膨張行程は２行程で済み、等圧の２行
程は機械的可動部分のない熱交換器で済むのでエリクソ
ン・サイクルの方がカルノー・サイクルとスターリング
・サイクルよりも実用上は優れている。この理由から以
後の実施例ではカルノー・サイクルとスターリング・サ
イクルは示さない。

【００２８】カルノー・サイクル、スターリング・サイ
クル及びエリクソン・サイクルは作業ガスへの熱入出力
（可逆サイクルでは作業ガスの流れ方向を逆にすること
により熱の出入りの正負号が逆転するので電気電子工学
で用いる入出力と言う用語をここでは熱にも用いること
とする）は定温で行われる。具体的には、低温側温度Ｔ
₁と高温側温度Ｔ₂の二定温が入出力温度である。

【００２９】ところがが、冷水機、温水機などでは熱入
出力が定温ではなく連続的に変化する。このような場合
に対処する理想可逆熱力学サイクルとしては図１
（ａ），（ｃ）に示した三角サイクルがある。この三角
サイクルは通常の熱力学の教科書と機械工学便覧には記
載されていないので以下に説明する。

【００３０】図１（ａ）の４−３−２−４及び図１
（ｃ）の１−３−２−１が三角サイクルであり、図１
（ａ）に示すＴ−Ｓ線図と図１（ｃ）に示すＴ−Ｐ線図
の上では異なって見えるものの、等温、等エントロピー
（断熱）、等圧の３行程から成る三角サイクルとしては
同一のものである。

【００３１】さて図２は本発明による熱機械を構成記号
図に描いたものであり、図２（ａ）の断熱圧縮／膨張機
１００、図２（ｂ）の等温圧縮／膨張機１０１、図２
（ｃ）の等圧吸／放熱器１０２および図２（ｄ）の（向
流）熱交換器１０３は、それぞれ本発明による熱機械の
構成要素であり、図３（ａ）と図３（ｂ）は本発明によ
るエリクソン・サイクルと三角サイクルの実現方法をそ
れぞれ構成記号図に描いたものである。

【００３２】これら図２，図３の構成記号図で鎖線は機
械的エネルギーの出入りを、破線は熱エネルギーの出入
りを、また点線は各構成要素の範囲を示し、矢印はエネ
ルギー、作業ガスの流れる方向もしくは作業ガスの状態
遷移の方向を示すが、これ以降、構成記号図に用いる記
号については表２を参照されたい。

【００３３】

【表２】三角サイクルでは、作業流体の流れる方向の正負と外気
温Ｔ₀と入出力温度Ｔの二者の間の大小関係によって４
種の異なる場合があり、それぞれの場合について三角サ
イクルは熱機関もしくは熱ポンプとなる。熱機関となる
例としてはガスタービンの排熱回収及びＬＮＧの冷熱回
収の昇温部分を挙げることができ、熱ポンプになる例と
しては温水機、冷水機がある。ＬＮＧの冷熱回収工程に
ついては、ＬＮＧの蒸発過程にはエリクソン・サイクル
を、気化したガスの常温迄の昇温には三角サイクルを、
それぞれ用いるのが最適であり、この場合何れも熱機関
となる。

【００３４】図３（ａ）の構成記号図に示す通りエリク
ソン・サイクルは可逆の等温行程２個と等圧熱交換（加
熱／冷却）行程２個から成っている。ガスは膨張すると
同時に冷却する性質をもっているので、原理的には等温
の膨張過程で冷凍作用が生じることになる。つまり、作
業ガスが等温（Ｔ₁＝Ｔ₄）で膨張する過程で熱量が定
温の熱入力から作業ガスに移動することによって作業ガ
スの等温状態が維持されることになる。また、等温圧縮
行程２−３では熱量は作業ガスから定温熱出力（Ｔ₂＝
Ｔ₃）に移動する事となる。

【００３５】２個の等圧行程は熱交換器で結ばれ、この
熱交換器は熱の再生回収を同時に行う。この熱の回収は
等圧行程３−４で排出された熱をもう一方の等圧行程１
−２の吸収熱に回すものである。理論的にはこの等圧行
程３−４の排出熱と等圧行程１−２の吸収熱は互いに相
等しい。実際にはこの熱交換器の伝熱面上の特定箇所両
側の作業ガス温度は、それぞれ一定値に維持され、熱伝
達は一定の温度差の下に行われる事になる。この熱伝達
によってエントロピー生成損失が発生するが、その量は
この一定の温度差の大きさに比例する。従って熱交換器
は充分この温度差が小さくなるように設計せねばならな
い。

【００３６】ここで、本発明における熱力学的考察をさ
らに詳細に説明する。

【００３７】先ず、本発明によって近似的な実現を図る
等温圧縮／膨張行程の優位性を、図４と前記表１に示す
記号によって熱力学的に示すこととする。

【００３８】温度Ｔ、圧力Ｐの理想気体である作業ガス
を、図４のＡＢで示すように、断熱的に圧縮（Ｐ´＞
Ｐ）または膨張（Ｐ´＜Ｐ）させた場合に作業ガス温度
はＴ´（圧縮Ｔ´＞Ｔ、膨張Ｔ´＜Ｔ）に変化する。

【００３９】更にこの温度Ｔ´のガスを、図４のＢＣで
示すような、等圧行程で当初温度Ｔ迄戻すものとする。
この断熱と等温の２行程のガス１モル当りの機械的エネ
ルギー入力の合計Ｗ_A（圧縮Ｗ_A＞０、膨張Ｗ_A＜０）
は、Ｗ_A＝Ｃ_PＴ（（Ｐ´／Ｐ）^β−１）（１）である。

【００４０】次にこれとは別に、この当初状態（Ｐ，
Ｔ）の作業ガスを、図４のＡＣで示すような等温圧縮／
膨張の１行程によって、上記の断熱行程及び等温行程の
後の状態（Ｐ´，Ｔ）になるようにする時の機械的エネ
ルギー入力Ｗ_Iは、Ｗ_I＝ＲＴｌｎ（Ｐ´／Ｐ）（２）であり、このＷ_Iと（１）式のＷ_Aの差は、エントロピ
ー生成損失Ｓ_H ^＊を使って、Ｓ_H ^＊＝（Ｗ_A−Ｗ_I）／Ｔ＝Ｒ［β（ｌｎ（Ｐ´／Ｐ））²／２＋β²（ｌｎ（Ｐ´／Ｐ））³／６＋……］（３）と求められる。Ｓ_H ^＊＞０は熱力学第２法則の要求する
所であり、（３）式が任意のＰ´／Ｐ＜１（ｌｎ（Ｐ´
／Ｐ）＜０）の場合でも非負であることは指数関数の性
質から容易に証明される。

【００４１】（３）式は、圧力比Ｐ´／Ｐを一定とした
場合、β＝Ｒ／Ｃ_Pが小さい程（Ｃ_Pが大きい程）エン
トロピー生成損失が小さいことを意味する。表３に各種
のガスのβ値が記載されていて、βの小さい（Ｃ_Pが大
きい）フレオンが熱機械に広く使用されている理由の一
つはここにある。βの大きいガスでも等温に近い圧縮／
膨張機を使えばエントロピー生成損失を小さくできる。

【００４２】高い熱力学的効率を達成する上で、このよ
うに重要な等温圧縮／膨張過程に近いものを実現するた
めには、作業ガスと圧縮／膨張機の壁の間の熱伝達を極
めて良好なものとせねばならないが、この熱伝達を支配
する最も重要な量は熱拡散率ａ＝［ｍ²ｓ^-1］（「理化
学辞典」９５０頁及び９５１頁に記載）である。このａ
は、ａ＝κ／ｃ_p´ （４）で定義されるが、ここにκ，ｃ_p´はそれぞれ作業ガス
の熱伝導率、単位体積当たりの等圧比熱である。各ガス
分子がポンプ壁の近くに滞在する時間をｔ_W［ｓ］とし
て熱拡散距離ＤをＤ＝（ａｔ_W）^1/2［ｍ］とする。特
に圧縮／膨張機が周波数ｆ［Ｈｚｓ^-1］で往復運動して
いる場合にはｔ_W＝１／ｆとなりＤはｆの関数として、Ｄ（ｆ）＝（ａ／ｆ）^1/2 （５）となる。表３に各種のガスについてａとＤ（ｆ）の値を
記載した。

【００４３】

【表３】熱拡散距離Ｄの意味は「熱はＤ以上の距離には殆ど伝わ
らない」というものである。従って、図５（ａ）のピス
トン・シリンダー機構と（ｂ）のベローズ・ダイヤフラ
ム機構に示すようにＺ_Mをポンプ壁相互間の最大距離と
し、各ガス分子を中心として直径Ｄの球を考えて、その
球内に圧縮／膨張機の固体壁（固定壁１と駆動壁２）が
ある構造を持つ８^＊のＤ＞Ｚ_Mの場合は圧縮／膨張機は
等温的に作動する。作動周波数ｆを充分遅くすれば等温
的になるが圧縮／膨張機の容積は１／ｆに比例して大き
くなるのでｆは数ヘルツ程度にすることが望ましい。と
ころが、表３のＤ（ｆ）はかなり短い。特に、フレオン
ではＤ（１０Ｈｚ）＝０．５ｍｍと短い。図５（ａ）の
ピストンをこのような小振幅で作動させる場合にはピス
トン面積を大きくする必要がある。しかし、大面積のピ
ストンの摺動部の面積は大きいので摩擦損失が増大す
る。この他にピストンとシリンダーの工作精度を上げる
必要もある。さらに、壁の熱膨張も問題になる等々数多
くの問題があってピストン・シリンダー機構によるもの
の実用化は難しい。

【００４４】しかし、後に詳しく述べるように、ベロー
ズ・ダイヤフラム機構による圧縮／膨張機を用いれば、
Ｄより小さいＺ_M、数Ｈｚ以上の高ストローク数での運
転、ゼロに近い摩擦損失の３点を同時に満足させること
ができる。

【００４５】次はＤ＞Ｚ_Mを実現する手段として金属製
の薄膜移動壁を用いた等温圧縮／膨張機１０１の実施例
であるが、図６（ａ）、図６（ｂ）及び図７で４０は薄
膜移動壁である。なお、図６はガス封入手段がピストン
である場合を示し、図７はガス封入手段がベローズ・ダ
イヤフラム機構である場合を示している。

【００４６】上記薄膜移動壁４０は、通気孔４１を持つ
ことにより両面間のガス圧差はなく、耐圧性を必要とし
ないので、厚さ数十ミクロンの薄い膜を使う。この薄膜
移動壁４０は弾性的に相互結合され、固定壁１と駆動壁
２の間に略等間隔に並ぶ。膜厚が薄いので弾性的変形に
伴う内部応力は小さく疲労破壊の恐れはない。圧縮／膨
張機容積最大時の薄膜移動壁間隔Ｚ＝Ｚ_MはＺ_M＜Ｄと
ならしめてガス分子と薄膜移動壁間の熱交換を等温的に
行い、また圧縮／膨張機の容積最小時には壁間隔がＺ＝
０となるようにして、固定壁１、薄膜移動壁４０、駆動
壁２が図６（ｂ）に示すように互いに固体接触して壁間
熱伝導による等温化（Ｔ＝Ｔ_W）を行うことによって圧
縮／膨張機の等温化が達成される。

【００４７】次は作業ガスの選択である。在来技術では
断熱過程と等圧熱交換過程の組み合わせを使用するので
βの値の小さいガスが望ましく、フレオンはこのために
開発された。一方、等温圧縮／膨張機では熱拡散率ａが
大きいことが望ましい。諸物質中でこのａが最も大きい
のはヘリウム（Ｈｅ）である。Ｈｅ³のａはＨｅ⁴のそ
れよりもやや大きいが、Ｈｅ³は極めて高価なので、以
下の説明では、Ｈｅ⁴を使うことにする。また表３の諸
作業ガスの中で、Ｈｅは最も等圧比熱Ｃ_Pが小である
が、エリクソン・サイクルの熱交換器の伝熱量Ｑ_AHに比
例することが知られている。

【００４８】従って、Ｈｅを作業ガスに用いると熱交換
器が小型ですみ、この点からもＨｅの採用が有利であ
る。

【００４９】表３中でフレオンのａ値は最も小さく、等
温圧縮／膨張機には最も不適当と言うことになる。β値
が大きくて断熱プラス熱交換の過程には最悪であったＨ
ｅが等温圧縮／膨張機には最良なのであり、しかもモル
当りの価格もＨｅ⁴の方がフレオンよりも安い。

【００５０】さらに、フレオンにはオゾン層の破壊とい
う重大な公害があるが、Ｈｅは無公害であり、しかも不
燃性であって水素（Ｈ₂）のように爆発する恐れもな
い。従って、Ｈｅの使用により無省低長の目標のうち、
無公害が達成され、圧縮／膨張機の等温化による熱力学
的効率の向上による省エネルギー化も達成される。

【００５１】以下、残る低長（低価格、長寿命）の達成
法を述べる。

【００５２】図８はベローズ・ダイヤフラム方式の等温
圧縮／膨張機の実施例であり、ダイヤフラム２を１枚使
用するのでベローズの凹凸の１個のみを使用したものと
みることができる。より具体的には、固定壁１と駆動壁
２には鉄等の材質をプレスした板を使用すれば、極めて
低価格に量産することができる。最も重要なことは、柔
軟壁５０、つまりダイヤフラムの変形部の構造である。
この変形壁部は、引っ張りには強いが、曲がり易いこと
が望ましい。このためには、ポリエステル、ナイロン、
ケブラー、ガラス等の繊維を紡織した布または革（天然
または人工）のような非等方的構造を持つ柔軟な材料を
使用する。紡織布は防水加工をして気密性を上げても完
全ではないが、少量のガス漏れは圧縮／膨張機の効率に
は悪影響はなく、作業ガスの外気への漏れは図８の実施
例に示すように圧縮／膨張機全体を固定壁延長部と見な
せる気密容器１１０に封入することによって防止するこ
とができる。図８の実施例では、駆動手段９も気密室１
１０内に封入されており、往復動駆動の手段としては通
常のモーターとクランク機構の組み合わせなどの他に、
電力を直接往復運動に変えるボイスコイルモータ、スウ
イングモータ等のリニアモータ９^＊を使うことができ
る。この場合、駆動振幅は小さいので振幅を増大させる
ための機械的共振系（特許公告公報昭３０ー２４８６
参照）を省略する簡単化が可能で、共振に伴う使用周波
数の制限も除かれる。

【００５３】図８のダイヤフラム圧縮／膨張機には近接
壁間熱交換という重要な性質がある。即ち、図８の両硬
壁１、２の最接近時の熱抵抗が小さい必要があり、この
ため図８ではダイヤフラムの中央部は最接近時に金属性
の硬壁が接触するような構造にしてある。圧縮機の設計
はベローズの両側を織物状の軟膜体５０で隣接するダイ
ヤフラムを結合する構造から出発している。この軟体膜
は応力の少ない曲面となっていて、膜自体およびダイヤ
フラムとの接着部分にかかる応力を減少させるようにし
ている。

【００５４】この実施例による圧縮／膨張機はガス弁７
を除き完全に軸対称であり、図９に駆動壁２及び固定壁
１の円柱座標（ｒ，ｚ）断面を（壁厚みを省略して）示
した。図９で硬壁（固定壁１と駆動壁２の総称）の断面
は開角２θ（またはθ）の円弧を応力集中がないように
滑らかに接続した形を持つ。円弧の半径が与える曲率半
径 R_s（ｒ）には＋ｚ方向から見ての円弧の凹凸に応じ
て正負の符号を与える。径区間０＜ｒ＜ｒ₀で R
_s（ｒ）＝ R₀＞０であり、区間ｒ₀＜ｒ＜ｒ₁＝３ｒ
₀で R_s＝− R₀＜０である。λ区間と命名するｒ₁＜
ｒ＜ｒ₂＝ｒ₁＋λには変形軟壁５０が接触する。硬壁
は波長でｒ₁＜ｒ＜ｒ₁＋λ／２では、 R_s＝ R_λ＞０
であり、ｒ₁＋λ／２＜ｒ＜ｒ₂では、 R_s＝− R_λ＜
０であり、ｒ₂＜ｒ＜ｒ₃，ｒ₃＝ｒ₂＋ｒ_λ，ｒ_λ＝
λ／４で R_s＝＋ R_λ＞０である。最外区間ｒ＞ｒ₃で
は R_s＝ R_∞＝∞（平面）である。

【００５５】図９の座標原点０と点Ｚ，Ｈ， Rからなる
図形から円弧角θを使って、（ｈ₀，ｒ₀，ｚ₀）＝（１−ｃｏｓθ，ｓｉｎθ，ｃｏｓθ） R₀ （６）である。波長λの波状部でもｒ_λ＝λ／４として同様に（ｈ_λ，ｒ_λ，ｚ_λ）＝（１−ｃｏｓθ，ｓｉｎθ，ｃｏｓθ） R_λ （７）である。波長λの波状部でもｒ_λ＝λ／４として同様に（ｈ_λ，ｒ_λ，ｚ_λ）＝（１−ｃｏｓθ，ｓｉｎθ，ｃｏｓθ） R_λ である。特に図９の直角三角形Ｏ， R，Ｚの３辺長比が
３：４：５（３²＋４²＝５²、ピタゴラスの定理）と
なる円弧開角 θ＝θ_4/3＝ａｒｃｔａｎ（４／３）＝０．９２７３ｒａｄ＝５３．１３ｄｅｇ（８）を使用して、主要な長さをすべてｍｍ単位で整数とし
て、数値と作図を簡単化してある。

【００５６】（θ_m/n＝ａｒｃｔａｎ（ｍ／ｎ）として
θ_3/4、θ_5/12、θ_12/5などでも整数化できるが以下で
はθ_4/3のみを使う）。

【００５７】図１０には図９の実施例において、駆動壁
２が移動して固定壁１から離れるとともに柔軟壁５０の
曲率半径が変わる有様を示すが移動距離Ｚ＝０の場合、
λ区間内の柔軟壁５０は硬壁１と２に密着しており変形
壁長Ｌ_F＝４ R_λθ_4/3である。

【００５８】図１０のＺ＝Ｚ₀＞０の場合には、柔軟壁
５０の硬壁と接触していない部分は内外圧力差（この図
では内圧Ｐ_inは外圧Ｐ_outより高いとする）によって曲
率半径 R_Fが一定値を持つように変形し、内外圧力によ
る僅かの伸びを無視すれば、全長Ｌ_Fは変らない。特に
Ｚ₀＝４ｈ_λの場合、図１０に示すようにλ区間内の幅
３λ／４＝３ｒ_λの区間で曲率半径Ｒ_F＝＋３Ｒ_λで曲
がることとなり、 R_FM＝３ R_λと置くと、 R_F＝［ｓｉｇｎ（Ｐ_out−Ｐ_in）］ R_FM （９）となる。またｈ＝Ｚ₀／４，ｒ_λ＝λ／４及び式（７）
と式（９）から次の２式を得る。

【００５９】 R_FM＝３Ｚ₀／４（１−ｃｏｓθ_4/3）＝（１５／８）Ｚ₀ （１０） λ＝Ｚ₀ｃｏｔ（θ_4/3／２）＝２Ｚ₀ （１１）図１０のＺ＝Ｚ₀の場合、柔軟壁にかかる応力Ｐ_Fは純
引っ張り力であり、内外圧力差を｜ΔＰ｜＝｜Ｐ_in−Ｐ
_out｜、柔軟壁厚をＷ_Fとすれば、θ_4/3の場合、Ｐ_F＝｜ΔＰ｜ R_FM／Ｗ_F＝１５｜ΔＰ｜Ｚ₀／８Ｗ_F （１２）となり、柔軟壁材料の抗張力τ_Fとの比τ_F／Ｐ_Fは、
耐圧安全係数を与える。柔軟壁５０と硬壁１，２の接着
部５０^＊に働く力はＺ＜Ｚ₀では純せん断力で、接着に
は望ましくない。接着面に垂直な引き剥がし力は零であ
るが、Ｚ＞Ｚ₀ではこれが零ではなくなる。従って、実
際の硬壁間隔の最大値Ｚ_Mには安全のため耐圧設計値Ｚ
₀よりも小さい値を用いることが望ましい。

【００６０】具体的数値例として、Ｈｅ⁴を作業ガスと
してＺ＝Ｚ_Mでガス圧１ａｔｍとなる圧縮／膨張機をｆ
＝５０Ｈｚで駆動する場合を考える。表３よりＤ＝Ｚ_M
＝１．７５２ｍｍであるが、これよりも１割強大きくＺ
₀＝２ｍｍとする。外圧Ｐ_ou _t＝１ａｔｍ、内圧Ｐ_inの
最大値を３ａｔｍとすると｜ΔＰ｜＝２ａｔｍとなる。
軟壁厚Ｗ_F＝０．３ｍｍ，τ_F＝４ｋｇｆ／ｍｍ²＝４
００ａｔｍのポリエステル紡織布を使用すれば式（１
２）はτ_F／Ｐ_F＝１６を与える。一方、式（１１）は
λ＝４ｍｍと接着長ｒ＝λ／４＝１ｍｍ＝３．３Ｗ_Fを
与え、接着剤にポリエステル布のτ_Fと同程度の強度の
ものを使用すれば引き剥がし力はないので耐久性は非常
によい。

【００６１】さらに柔軟壁の最小曲率半径 R_λ＝ R_FM／
３＝１．２５ｍｍ（略４Ｗ_F）であるから紡織布の曲げ
疲労耐久性にも問題はない。軟壁部の耐久性は半永久的
と推定される。等方的ポリエステル（マイラー）材では
このように高い安全係数を実現するのはまず不可能であ
ろう。

【００６２】図９に断面を示す硬壁（固定壁１或いは駆
動壁２、但し図では硬壁厚みＷ_sが０であるかの如く描
かれている）の強度計算については、ｒ₀＝１２ｍｍ、
硬壁厚Ｗ_s＝０．６ｍｍとし硬壁の材料には引張り強度
τ_s＝３４ｋｇｆ／ｍｍ²（略３４００ａｔｍ）のＪＩ
ＳＳＳ−３４プレス用軟鋼板を使う。硬壁の内部応力
の最大値は近似的に式（１２）と同形の式で、Ｐ_s＝３｜ΔＰ｜ R₀／Ｗ_s＝１２０ａｔｍ（１３）で与えられるとすると耐圧安全係数は、τ_s／Ｐ_s＝２
８と柔軟壁以上の値になり、耐久性に全く問題がない。

【００６３】図９、図１０の数値例で圧縮／膨張機の最
大容積はＶ_P＝πｒ₁ ²Ｚ_M＝π（３６ｍｍ）²（１．
７３ｍｍ）＝３．１７×１０^-4ｍｏｌであり、５０Ｈｚ
運転のモル流率は、ｍ´＝１．６×１０^-2ｍｏｌ／ｓで
ある（ｍ´はｍの時間微分を表す。）。式（２）でＴ＝
２７３、Ｐ´＝３ａｔｍとすると動力はｍ´Ｗ₁＝ｍ´
RＴｌｎ３＝４０Ｗとなる。これよりも大きな動力は図
８の等温ダイヤフラム圧縮／膨張機を多数並列運転すれ
ば得られる。

【００６４】次に保温用ガス流のある等温ガス圧縮／膨
張機熱機械の実施例を図１１及び図１２に示す。図１１
上部のダイヤフラム群ＤＩＰ_Hは等温圧縮機として使わ
れるガス圧縮／膨張機であり、ＤＩＰ_Hの半分は作業ガ
スの圧縮に、他の半分は高温側の保温用ガスの循環にあ
てられる。また図１１の下部のダイヤフラム群ＤＩＰ_L
は等温膨張機として用いられるガス圧縮／膨張機であ
り、ＤＩＰ_Lの半分は作業ガスの膨張に、他の半分は低
温側の保温ガスの循環に充てられる。

【００６５】保温ガス流は高温側では外気と熱交換を行
った後、ＤＩＰ_Hの容積最小時の硬壁同士の接触を通じ
て作業ガスを含むＤＩＰ_H全体を等温ならしめる。

【００６６】図８の実施例に示したベローズダイヤフラ
ム方式の圧縮／膨張機を多段化した実施例を図１３
（ａ）の断面概念図に示したが、この図は４段分、つま
り機械動力１６０Ｗ分相当を示している。各段は１組の
ダイヤフラムを縦に積み上げて形成するが、紡織布より
成る柔軟壁５０が固定壁１と駆動壁２に接着されガス封
入手段となることは図８、図９、図１０に示した実施例
と同じである。各ダイヤフラムは駆動壁連結棒７１と固
定壁連結管７０の上のバルブ位置関係によって多少形状
が異なっている。７２は固定壁１の内部に設けたガス導
溝である。

【００６７】図１３のガス封入機構は複数のダイヤフラ
ムを複合したベローズと見ることもできる。このベロー
ズは通常のベローズと同様に圧力差ΔＰ＝Ｐ_in−Ｐ_out
をもってガスを封入する耐圧性を持つとともに中央大面
積部はガスとの熱交換と接触時に壁相互間熱交換を行う
熱交換機能を備えている。この耐圧性を除き熱交換機能
のみを残したことに相当する等温圧縮／膨張機の実施例
は図６（ａ）（ｂ）と図７に示した。

【００６８】図１３（ａ）に示す駆動壁（可動ダイヤフ
ラム）２は２枚の固定壁１の間を上下に往復運動をす
る。固定壁は図１３（ａ）ではハッチングした断面とし
て示してある。図１３（ｂ）の固定壁１の厚み中心断面
の水平投影図を併せ見ると圧縮／膨張機設計の概略が示
される。

【００６９】図１３の圧縮／膨張機は図５の圧縮／膨張
機をｎ＝４台並列に接続したもので、中間の硬壁板を共
用することにより、本来８枚必要な硬壁をｎ＋１＝５枚
に減少させている。圧縮／膨張機の全高さを低くするた
めに板壁の固定と駆動機構を周辺部に設け、ガスの出入
り通路も固定壁内に半径方向へのガス導溝７２と周辺部
で縦方向に走るガス管７０とから構成される。隣接する
硬壁間の熱交換が壁の最接近時に効率良く行われること
は直列の場合と同様であるが、熱交換は同時ではなく、
壁最接近時に交互に実行されるが、総ての壁温度が一定
値Ｔ_Wに保たれるという効果に変わりはない。

【００７０】

【発明の効果】以上に述べた構造の熱機械によって、無
公害、低価格、省エネ、長寿命の熱機械が達成できる。
無公害はヘリウムという無害のガスを用いることによ
り、低価格と省エネは安価な材料を用い、カルノー・サ
イクルと同一の高い効率のエリクソン・サイクルを用い
ることにより、それぞれ達成される。また、長寿命は紡
織布膜の使用によって大きな疲労寿命を得ることで達成
される。圧縮機一段の所要動力は４０Ｗと計算され、段
数を増やすことで動力を増やすことは可能である。この
設計で超低温に到達することも目的の一部であり、従っ
て、本機の設計はまことに広範な応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】理想可逆熱力学サイクルを示す図（ａ）カルノー・サイクル及び三角サイクルのＴ−Ｓ線
図（ｂ）スターリング・サイクルのＴ−Ｖ線図（ｃ）エリクソン・サイクル及び三角サイクルのＴ−Ｐ
線図

【図２】熱機械の構成要素を示す図（構成機能図）（ａ）断熱圧縮／膨張機、１００（ｂ）等温圧縮／膨張機、１０１（ｃ）等圧放／吸熱器、１０２（ｄ）熱交換器、１０３

【図３】エリクソン・サイクルと三角サイクルを示す図（ａ）エリクソン・サイクル（ｂ）三角サイクル

【図４】断熱圧縮／膨張機と等圧加熱／冷却器の組み合
わせによる等温圧縮／膨張過程の実現（非可逆）を示す
図

【図５】断熱圧縮／膨張機と等温圧縮／膨張機における
熱拡散距離Ｄの役割を示す図（ａ）ピストン・シリンダー機構の場合（ｂ）ベローズ・ダイヤフラム機構の場合

【図６】蓄熱薄膜移動壁を用いる等温圧縮／膨張機のガ
ス封入手段がピストン・シリンダー機構である場合を示
す図（ａ）容積最大の場合（ｂ）容積最小の場合

【図７】蓄熱薄膜移動壁を用いる等温圧縮／膨張機のガ
ス封入手段がベローズ・ダイヤフラム機構である場合を
示す図

【図８】ガス封入手段に用いる柔軟壁ダイヤフラム機構
及び柔軟壁５０の円環状の構成を示す図

【図９】円形の駆動壁２及び固定壁１の半径方向断面形
状を示す図

【図１０】駆動壁２の移動にともなう柔軟壁５０の曲率
半径変化を示す図

【図１１】保温用ガス流を有する等温圧縮／膨張機熱機
械を示す図（機構図）

【図１２】保温用ガス流を有する等温圧縮／膨張機熱機
械を示す図（構成機能図）であり１１０は保温用ガスの
ポンプと部品を共有する等温圧縮／膨張機

【図１３】等温圧縮／膨張機の４室並列の実施例を示す
図であり各室の流体種別は管、弁の配置と接続によって
定まる

【符号の説明】

１（圧縮／膨張機の）固定壁２（圧縮／膨張機の）駆動壁３ピストン・シリンダー摺動機構によるガス封入手段４ダイヤフラム．ベローズ変形壁機構によるガス封入
手段７ガス弁８、８^＊ガス分子を中心とする直径Ｄの球、８はＤ＜
Ｚ_Mの断熱的状況を示し、８^＊はＤ＞Ｚ_Mの等温的状況
を示す９、９^＊圧縮／膨張機の機械的駆動機構、９^＊は電力
を直接往復運動に変える線型モータを示す４０移動壁、固定壁１と駆動壁２の間にあって弾性力
またはガス圧で移動する壁４１移動壁に設けられた通気孔５０柔軟壁５０^＊柔軟壁の固定壁１と駆動壁２との接着部分７０固定壁連結管、固定壁を支持すると共にガスの流
路となる７１駆動壁連結棒、駆動壁を連結し、機械的運動を伝
える７２ガス導溝、固定壁１の内部に存在してガスを半径
方向に導くと共に、固定壁連結管７０に導通する１００断熱圧縮／膨張機１０１等温圧縮／膨張機１０２等圧放／吸熱器１０３熱交換器、作業ガス１モル当たりの吸熱量をＱ
とし、Ｑ＞０では熱交換器は吸熱器として、Ｑ＜０では
放熱器として使用１１０密閉容器、作業ガスの流出を防止する容器

フロントページの続き (71)出願人 000004237 日本電気株式会社東京都港区芝五丁目７番１号 (72)発明者後藤英一神奈川県藤沢市辻堂東海岸３−９−305 (72)発明者アン・マッケンナアメリカ合衆国・ペンシルベニア州・ディアウッド・ディーアール・ウェストチェスター・エヌ・205番地 (72)発明者加瀬晋東京都町田市広袴町710−67

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作業ガスを機械的に圧縮または膨張させ
る圧縮／膨張機を用いる熱機械において、前記圧縮／膨張機は、固体部品として、機械的往復運動
をする駆動壁と、固定壁と、当該駆動壁と固定壁との間
に設けられたピストン・シリンダー機構またはベローズ
・ダイヤフラム機構を用いるガス封入手段と、を具備
し、且つ、前記作業ガスの各分子を中心として直径が熱拡散
距離Ｄ（Ｄ＝（ａｔ_W）^1/2，ａは熱拡散率［ｍ
²ｓ^-1］，ａ＝κ／ｃ_p´，κは熱伝導率［Ｊ／（ｍｓ
Ｋ）］，ｃ_p´は単位体積当たりの等圧比熱［Ｊ／（ｍ
³Ｋ）］，ｔ_Wは各作業ガス分子の圧縮／膨張機内壁近
傍の滞在時間［ｓ］）程度の球内に、前記圧縮／膨張機
の前記固体部品が位置する構造とすることにより、前記固体部品の温度（Ｔ_W）に前記作業ガスの温度を近
づけて作業ガスの等温化を達成せしめることを特徴とす
る等温圧縮／膨張機熱機械。
【請求項２】前記圧縮／膨張機が、機械的往復運動を
する前記駆動壁と前記固定壁と前記ガス封入手段とから
形成されるガス室内に、固体部品として弾性的に略等間
隔に支持され且つ通気孔を持つことにより両面の圧力差
による応力の発生を防止した複数の良熱伝導性の蓄熱薄
膜移動壁を具備し、前記ガス室の容積が最大の場合に当該蓄熱薄膜移動壁の
最大間隔（Ｚ_M）を前記作業ガスの熱拡散距離（Ｄ）程
度以下とし、前記ガス室の内容積最小の場合に前記蓄熱
薄膜移動壁、移動壁、及び固定壁が互いに略接触して急
速に熱交換を行うことにより、前記等温化を達成せしめ
ることを特徴とする請求項１に記載の等温圧縮／膨張機
熱機械。
【請求項３】前記ガス封入手段が、高抗張力である
が、極めて曲げ易く摩擦損の少ない材質（例えば革、ポ
リエステル、ケブラー、ガラス等の繊維を紡織した紡織
布）のダイヤフラムで形成される柔軟壁機構であり、該
柔軟壁機構は固定壁表面に凹凸をつけることにより該圧
縮／膨張機の運転中に該柔軟壁の厚みの２〜３０倍程度
の範囲内、好ましくは５〜２０倍の曲率半径を維持する
ことによって作業ガスの圧力を支えることを特徴とする
請求項１又は２記載の等温圧縮／膨張機熱機械。
【請求項４】前記作業ガスが前記圧縮／膨張機の固体
部品と熱接触して作業ガスを等温に保温する保温手段を
有し、当該保温手段が保温用ガス流と当該保温流体を流
すポンプとから構成され、当該保温ガス流のポンプの固
体部品が作業ガス流の圧縮／膨張機の固体部品の一部を
共用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
記載の等温圧縮／膨張機熱機械。
【請求項５】前記変形壁から外部に作業ガスが流出し
ない密閉容器を付帯することを特徴とする請求項２乃至
４記載の等温圧縮／膨張機熱機械。
【請求項６】前記作業ガスはヘリウム、窒素、空気等
の無公害物質であることを特徴とする請求項目１乃至５
のいずれかに記載の等温圧縮／膨張機熱機械。