JPH09152212A - 外燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱伝導率の低い部材が外へ漏れるのを阻止す
る。 【解決手段】 ピストン５５Ａは、筒体５６に中空部５
７を有して、中空部５７に熱伝導率の低い部材６２を充
満設置している。そして、蓋体６０に設ける連通穴６０
ａには、通気性部材６３を配置して、熱伝導率の低い部
材６２が外部へ漏れるのを阻止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷暖房、給湯、動
力等に用いられるヴィルミエサイクルやスターリングサ
イクル等の外燃機関のピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の外燃機関のピストンにおいて
は、ピストン駆動部の負荷およびピストンの材料費等の
低減のため、ピストン内部を中空にした中空部を有する
ものがある。しかし、ピストンに中空部を形成すると、
熱の対流や輻射が生じる場合があり、熱損失を減少させ
るために種々の提案がされている。

【０００３】図６は外燃機関としてのヴィルミエサイク
ルの縦断面図である。

【０００４】図において、ヴィルミエサイクルは、高温
側ピストン（ディスプレーサー）１と低温側ピストン
（ディスプレーサー）２と高温側ピストン（ディスプレ
ーサー）１を収容する高温側シリンダ３と低温側ピスト
ン（ディスプレーサー）２を収容する低温側シリンダ４
とを有しており、高温側ピストン（ディスプレーサー）
１は低温側ピストン（ディスプレーサー）２と直角位置
に配設したピストンロッド５に連結され往復運動を行
い、低温側ピストン（ディスプレーサー）２はピストン
ロッド６に連結され往復運動をするようになっている。

【０００５】そして、高温側シリンダ３の前方に高温室
３ａを有し、高温室３ａに連通する高温側熱交換器７は
ヒータ等の外部熱源によって加熱されている。高温側熱
交換器７の先端と高温側シリンダ３の後方に配置する中
温室３ｂとの間には、高温側再生器９および中温側熱交
換器１０を介設している。さらに、低温側シリンダ４の
前方に低温室４ａを有し、この低温室４ａと低温側シリ
ンダ４の後方に配設される中温室４ｂとの間には、低温
側熱交換器１１、低温側再生器１２および中温側熱交換
器１３を介設している。なお、１４は中温室３ｂと中温
室４ｂとを連通するガス流路としての連通路である。

【０００６】一方、直角位置に配設されるピストンロッ
ド５およびピストンロッド６に連結される２本のコンロ
ッド１６，１７とクランク軸１８とバランスウェイト１
９とがクランク機構１５を構成してクランクケース２０
に内蔵されている。クランク軸１８の軸上には、駆動モ
ータ（図示せず）がクランク軸１８に直結され、高温側
ピストン（ディスプレーサー）１と低温側ピストン（デ
ィスプレーサー）２とはクランク機構１５により約９０
°の位相差を有して往復運動を行うように構成されてい
る。

【０００７】以上の構成で、まず、低温側では、低温側
ピストン（ディスプレーサー）２が周期的に往復運動を
行い、図において、左の方向へ動くと（下死点から上死
点へ）、低温室４ａ内部のヘリウム等の作動ガスは低温
側熱交換器１１と低温側再生器１２および中温側熱交換
器１３を経由して中温室４ｂに流入する。このとき、移
動した作動ガスは、低温側再生器１２に蓄えてあった熱
を受取り温度を上昇させる。温度が上昇すると作動ガス
の膨張により体積を増加させ、一部の作動ガスが中温室
４ｂを満たすため、中温室４ｂに入り切らない残りの作
動ガスは連通路１４を通って中温室３ｂへ移動する。こ
れにより、中温室３ｂの作動ガスの圧力が上がる。そこ
で、熱を中温側熱交換器１０から外へ放出し、上昇した
温度を元に戻す。

【０００８】これに対応して、高温側ピストン（ディス
プレーサー）１が、図において、降下すると（上死点か
ら下死点に下がる）、中温室３ｂ内部の作動ガスは中温
側熱交換器１０および高温側再生器９を経由して高温室
３ａに流入する。この過程で、高温側再生器９を通過し
た作動ガスは、高温側再生器９から熱を受取り温度を上
昇させる。高温室３ａの作動ガスの温度が上昇すると、
作動ガスが膨張し、一部の作動ガスが高温室３ａを満た
し、残りの作動ガスは高温室３ａへの流入を妨げられ連
通路１４を通って中温室４ｂへ移動する。この結果、作
動ガスが流入した中温室４ｂの作動ガスの温度と圧力と
を上昇させる。そこで、熱を中温側熱交換器１３から外
へ放出し、上昇した温度を元に戻す。

【０００９】一方、低温側ピストン（ディスプレーサ
ー）２が周期的に往復運動をして、図において、右の方
向へ動くと（上死点から下死点へ）、中温室４ｂ内部の
作動ガスは中温側熱交換器１３と低温側再生器１２およ
び低温側熱交換器１１を経由して低温室４ａに流入す
る。この場合に、移動した作動ガスは、低温側再生器１
２に熱を蓄え、温度を降下させる。このため作動ガスが
収縮し、不足した容積を補うために高温室３ａの作動ガ
スの一部が各熱交換器と連通路１４を通って低温室４ａ
へ移動する。この結果、作動ガスの流出に伴い温度と圧
力が下がった高温室３ａの作動ガスが高温側熱交換器７
から熱を吸収し、温度を元に戻す。

【００１０】これに対して、高温側ピストン（ディスプ
レーサー）１が、図において、上昇すると（下死点から
上死点に上がる）、高温室３ａ内部の作動ガスは高温側
再生器９および高温側熱交換器１０を経由して中温室３
ｂに流入する。移動した作動ガスは、高温側再生器９に
熱を蓄え温度を降下させる。このため作動ガスが収縮
し、不足した容積を補うため低温室４ａの作動ガスの一
部が各熱交換器と連通路１４を通って中温室３ｂへ移動
する。この結果、作動ガスの流出に伴って温度と圧力が
下がった低温室４ａの作動ガスが低温側熱交換器１１を
介して外から吸熱して、温度を元に戻す。

【００１１】そして、中温側熱交換器１０から出た配管
は図示省略する室外（または室内）側熱交換器、循環ポ
ンプ、中温側熱交換器１３を経て中温側熱交換器１０に
戻るようになっており、また、低温側熱交換器１１から
出た配管は図示省略する室内（または室外）側熱交換
器、循環ポンプを経て低温側熱交換器１１に戻るように
なっていて、冷房（または暖房）の作用をすることがで
きる。

【００１２】なお、２１，２２は連通穴を示し、２３は
高温側ピストン（ディスプレーサー）１内に配設する仕
切板で、仕切板２３は穴２３ａが形成され、２４は低温
側ピストン（ディスプレーサー）に配設する仕切板で、
穴２４ａが形成されている。

【００１３】次に、外燃機関の他の例としてスターリン
グサイクルによる冷凍機について図７を参照して説明す
る。

【００１４】スターリングサイクルは、主として膨張機
２６、圧縮機２７、駆動室２８により構成されている。
その膨張機２６は、膨張シリンダ２９、そのシリンダ内
を往復動作する膨張ピストン３０からなり、同様に圧縮
機２７は、圧縮シリンダ３１、そのシリンダ内を往復動
作する圧縮ピストン３２から成る。

【００１５】膨張ピストン３０および圧縮ピストン３２
は、それぞれピストンロッド３３，３４を介して駆動室
２８内部に配置されるクランク機構３５に連結され、９
０°の位相差を持って駆動される。

【００１６】膨張機２６の膨張シリンダ２９周囲と容器
間には再生器である蓄熱器３６が配置され、この蓄熱器
３６を介して膨張ピストン３０の前方に生じる膨張空間
３７と圧縮ピストン３２の前方に生じる圧縮空間３８と
の間はガス流路３９によって連通され、冷凍サイクル時
のガスの移動が行われる。

【００１７】一方、膨張ピストン３０および圧縮ピスト
ン３２の背圧側空間はピストンの仕事量の損失を防ぐた
め、ガス流路４０によって連通されている。また、圧縮
機２７の容器外周面には、放熱フィン４２が配置されて
いる。なお、４４，４５はバッファ室を示し、４６，４
７は連通穴を示している。

【００１８】この構成で、図示省略する駆動モータの回
転によって駆動室２８のクランク機構３５が駆動される
と、圧縮機２７の圧縮シリンダ３１内の圧縮ピストン３
２が圧縮空間３８側に移動して圧縮空間３８に充満する
ヘリウム等の液化しにくい作動ガスとしての冷媒ガスが
圧縮される。

【００１９】圧縮された冷媒ガスは、ガス流路３９から
蓄熱器３６へ流入する。蓄熱器３６に流入した冷媒ガス
は、比熱の大きな材料、例えば、銅や鉛の金網状あるい
は球からなる蓄熱材によって冷却された冷媒ガスが膨張
機２６の膨張空間３７へ流入され高圧状態となる。

【００２０】その後、膨張機２６の膨張シリンダ２９内
の膨張ピストン３０が圧縮ピストン３２と約９０°の位
相差を持って降下する。これによって、膨張空間３７が
急に拡張されて、冷媒ガスの圧力が急降下することによ
り冷媒ガスが低温となる。

【００２１】やがて、膨張ピストン３０が上昇を開始
し、圧縮ピストン３２が後退すると、低温の冷媒ガス
が、蓄熱器３６を通り、ガス流路３９を経て圧縮空間３
８へ戻される。このとき、蓄熱器３６では、蓄熱材が冷
却されて冷熱が蓄えられる。

【００２２】上記した行程によって、一つの熱サイクル
が終了し、この行程がクランク機構３５によって繰り返
されることにより、徐々に膨張空間３７である冷凍発生
部の温度と蓄熱器３６の温度が降下し、冷凍発生部の冷
媒ガスが低温になり、発生する冷熱を外部に取出し利用
することができるようになる。

【００２３】ところで、図６で説明した高温側ピストン
（ディスプレーサー）１および低温側ピストン（ディス
プレーサー）２、あるいは、図７で説明した膨張ピスト
ン３０および圧縮ピストン３２は、内部を中空にした方
がクランク機構１５，３５の負担やコスト，重量を軽減
できる。このために図６に示す場合、ピストン外部の圧
力はかなりの高圧になるので、ピストン内部には高圧の
ガスを封入する必要が生じる。しかし、予めピストン内
部に高圧ガスを封入することは組立作業上難しい。この
ため、従来は、ピストンロッド５、６に内部中空のガス
通路として連通穴２１、２２を設けて駆動室内部と連通
させ、組立後に駆動室内部に外部から高圧ガスを封入す
ることにより、ピストン１、２の内部を高圧に保つよう
にしていた。

【００２４】この場合、ピストンの中空部で対流や輻射
が生じて熱損失が大きいという新たな問題が生じる。

【００２５】これを解決するために、図８および図９に
示すようにピストン５５は、筒体５６の中空部５７に連
通穴５８ａを有する仕切板５８と連通穴５９ａを有する
仕切板５９とを配置し、図８の場合には、蓋体６０に連
通穴６０ａを設け、蓋体６０にピストンロッド６１を接
続している。また、図９の場合には、ピストンロッド６
１に連通穴６１ａを設けている。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８お
よび図９に示す如くのピストン５５では、仕切板５８，
５９とにより三つの中空部５７ａ，５７ｂ，５７ｃに区
画してある程度、中空部５７の輻射や対流を防止できる
が、三つの中空部５７ａ，５７ｂ，５７ｃが未だあり、
仕切板５８に連通穴５８ａがあり，仕切板５９に連通穴
５９ａがある。さらに、図８では、蓋体６０に連通穴６
０ａがあり、図９では、ピストンロッド６１に連通穴６
１ａがあり、これらの空間内で輻射や対流が生じ、熱損
失が大きく、熱効率が低下するという問題があった。

【００２７】そこで、本発明は、上記問題点を解決して
熱効率の良い外燃機関のピストンを提供することを目的
とする。

【００２８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、内部
に中空部を有する一方、該中空部から外部へ連通する連
通穴を有すると共に、ピストンロッドを介して駆動源へ
連結するピストンを備える外燃機関のピストンにおい
て、中空部に熱伝導率の低い部材を充満設置する一方、
連通穴に熱伝導率の低い部材が外部に漏れるのを阻止す
る通気性部材を配置するようにしたことである。

【００２９】請求項２の発明は、内部に中空部を有する
と共に、ピストンロッドに形成される連通穴を介して駆
動室へ連通するピストンを備える外燃機関のピストンに
おいて、中空部に熱伝導率の低い部材を充満設置する一
方、連通穴に熱伝導率の低い部材が外部へ漏れるのを阻
止する通気性部材を配置するようにしたことである。

【００３０】請求項３の発明は、内部に中空部を有する
と共に、ピストンロッドを介して駆動室へ連通するピス
トンを備える外燃機関のピストンにおいて、中空部に熱
伝導率の低い部材を充填すると共に、中空部に熱伝導率
の低い部材が外へ漏れるのを阻止する通気性部材を配置
するようにしたことである。

【００３１】請求項４の発明は、請求項３記載の外燃機
関のピストンにおいて、通気性部材は、熱伝導率の低い
部材または通気性金属を用いるようにしたことである。

【００３２】請求項５の発明は、請求項３記載の外燃機
関のピストンにおいて、通気性部材は、中空部に充填さ
れる熱伝導率の低い部材の全体を包囲するように配置す
るようにしたものである。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００３４】図１は、本発明の第１実施の形態を示すピ
ストンの断面図を示し、ピストン５５Ａは、図６に示す
ヴィルミエサイクルの高温側ピストン（ディスプレーサ
ー）１と低温側ピストン（ディスプレーサー）２とに適
用でき、また、図７に示すスターリング冷凍機の膨張ピ
ストン３０および圧縮ピストン３２等に適用可能とする
ものである。

【００３５】図１に示すように、ピストン５５Ａは、中
空部５７に熱伝導率の低い部材６２を充満配置すると共
に、蓋体６０の連通穴６０ａに通気性部材６３を配置し
た点に特徴を有する。

【００３６】これら熱伝導率の低い部材６２としては、
例えば、セラミックファイバー、グラスファイバー、ロ
ックウール等のバルク状（わた状）の一般に断熱材と言
われるものやこれらを成形した発泡スチロールやフエル
ト（帯状）としたもの、あるいは、断熱材の粉末等が使
用できる。

【００３７】上記するように、ピストン５５Ａの中空部
５７に熱伝導率の低い部材６２を充満設置する構成とし
た場合、中空部５７の気体の移動が熱伝導率の低い部材
６２により阻止される。従って、ピストン５５Ａの筒体
５６の外側と内側に温度差が生じても中空部５７で対流
が生じることが阻止される。

【００３８】さらに、中空部５７に充満設置されている
熱伝導率の低い部材６２によって輻射熱が伝達されるの
が阻止される。これによって、ピストン５５の中空部５
７の熱の対流と輻射とによる熱損失を大幅に減少され
る。その上、熱伝導率の低い部材６２により中空部５７
を熱が直接伝導することが阻止される。

【００３９】一方、ピストン５５の中空部５７へ熱伝導
率の低い部材６２を充満設置すると、熱伝導率の低い部
材６２が連通穴６０ａから外部のバッファ室等へ漏れる
おそれがある。この場合には、連通穴６０ａに配置され
る通気性部材６３によって熱伝導率の低い部材６２が外
部のバッファ室等へ漏れるのが阻止される。この結果、
ベアリングやシール部等に熱伝導率の低い部材６２へ侵
入して影響を及ぼし、外燃機関の各部の耐久性を縮める
等のおそれを解消できる一方、外圧に対抗して筒体５６
が耐えるように中空部５７の圧力を調整することがで
き、図７に示す場合はピストンの仕事量を軽減すること
ができる。なお、通気性部材６３としては、例えば、ポ
ーラスメタルである焼結金属などがある。

【００４０】例えば、前述した図６に示すヴィルミエサ
イクルでは、高温側ピストン（ディスプレーサー）１と
低温側ピストン（ディスプレーサー）２とが各サイクル
によって、ピストン各部所が高温から低温、高圧から低
圧と繰り返される。このような場合に、ピストン５５Ａ
の筒体５６の各部所が急に温度変化するが、熱伝導率の
低い部材６２により中空部５７では気体の対流が阻止ま
たは輻射による熱の移動が阻止される。また、図７に示
すスターリングサイクルによる冷凍庫についても同様で
ある。

【００４１】このように本発明の第１実施の形態によれ
ば、ピストン５５Ａの中空部５７とバッファ室とを連通
しつつピストン５５Ａの中空部５７内の熱の移動が阻止
され、温度的に遮断することができ、その上、熱伝導率
の低い部材６２が連通穴６０ａから外へ漏れるのを防止
することができ、外燃機関の各部の耐久性を縮めるおそ
れを解消することができる。

【００４２】図２は、本発明の第２実施の形態を示すピ
ストンの断面構成図であって、ピストン５５Ｂは中空部
５７に熱伝導率の低い部材６２を充満設置する一方、ピ
ストンロッド６１に設ける連通穴６１ａに通気性部材６
４を配置した点に特徴を有する。

【００４３】この構成によれば、まず、ピストン５５Ｂ
の中空部５７の気体の移動が熱伝導率の低い部材６２に
よって阻止され、中空部５７の対流が減少され、さら
に、熱伝導率の低い部材６２によって輻射熱が伝達され
るのが阻止され、熱伝導率の低い部材６２によって直接
熱伝導することが阻止される。そして、通気性部材６４
によって駆動室等と連通して圧力調整しつつ駆動室等へ
中空部５７から熱伝導率の低い部材６２が漏れるのを阻
止する。

【００４４】このように、温度的に遮断して、ピストン
５５Ｂによる熱損失を大幅に減少させ、熱効率を向上さ
せると共に、駆動室等へ圧力的に連通しつつ熱伝導率の
低い部材６２が駆動室等へ漏れ、耐久性を縮める等のお
それを解消できる。

【００４５】図３は、本発明の第３実施の形態を示す外
燃機関のピストンの断面構成図であって、ピストン５５
Ｃは、中空部５７に熱伝導率の低い部材６２を充填する
と共に、蓋体６０側に空間６６を形成するように板状の
通気性部材６５を配置した点に特徴を有する。

【００４６】この構成によると、第２実施の形態の作用
に加え、通気性部材６５の表面積が大きく形成されてお
り、駆動室等との封入圧力の調整が充分にでき、熱伝導
率の低い部材６２によって通気性部材６５の詰まり等の
おそれが解消される。

【００４７】図４は、本発明の第４実施の形態を示す外
燃機関のピストンの断面構成図であって、ピストン５５
Ｄは、中空部５７に熱伝導率の低い部材６２を充填する
と共に、蓋体６０側に熱伝導率が低く、かつ、通気性を
有する通気性部材６７を介設した点に特徴を有する。こ
こで、通気性部材６７としては、例えば、長繊維状の断
熱材や布状の断熱材等がある。

【００４８】この構成によれば、第２実施の形態の作用
に加えて、通気性部材６７の表面積を大きく形成するこ
とができ、駆動室等との封入圧力調整ができ、通気性部
材６７の通気機能と熱伝導率の低い部材６２が外へ漏れ
るのを阻止する機能との双方が充分に発揮できる。

【００４９】図５は、本発明の第５実施の形態を示す外
燃機関のピストンの断面構成図であって、ピストン５５
Ｅは、袋状の通気性部材６８により熱伝導率の低い部材
６２を包囲して中空部５７に配置した点に特徴を有す
る。ここで、通気性部材６８としては、布状の断熱材等
がある。

【００５０】この構成によれば、第２実施の形態の作用
に加えて、通気性部材６８の表面積を大きく形成するこ
とができ、駆動室等との封入圧力調整ができ、通気性部
材６８によって通気機能と熱伝導率の低い部材６２が外
へ漏れるのを阻止する機能との双方が充分に発揮でき
る。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、中空部に熱伝導率の低い部材を充満設置し、連通
穴に通気性部材を配置したために中空部内の熱の移動を
阻止でき、その上、熱伝導率の低い部材が外部へ漏れる
のを阻止することができる。

【００５２】また、請求項２の発明によれば、中空部に
熱伝導率の低い部材を充満設置し、連通穴に通気性部材
を配置したために中空部内の熱の移動を阻止でき、その
上、熱伝導率の低い部材が外部へ漏れるのを阻止するこ
とができる。

【００５３】また、請求項３の発明によれば、中空部に
通気性部材を設け通気性部材の表面積が請求項２の発明
より大きいから、通気性部材が詰まったりすることがな
く、封入圧力調整が充分にできる。

【００５４】また、請求項４の発明によれば、請求項３
の効果に加えて、使用条件に応じた通気性部材を用いて
適切に封入圧力調整と熱伝導率の低い部材の外部への漏
れを阻止できる。

【００５５】また、請求項５の発明によれば、請求項３
の効果に加えて、熱伝導率の低い部材の全体を包囲する
通気性部材を設けたから、大きな表面積により通気機能
が充分に発揮できる。

【００５６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態を示す外燃機関のピス
トンの断面構成図。

【図２】本発明の第２実施の形態を示す外燃機関のピス
トンの断面構成図。

【図３】本発明の第３実施の形態を示す外燃機関のピス
トンの断面構成図。

【図４】本発明の第４実施の形態を示す外燃機関のピス
トンの断面構成図。

【図５】本発明の第５実施の形態を示す外燃機関のピス
トンの断面構成図。

【図６】従来の外燃機関のとしてのヴィルミエサイクル
を示す断面構成図。

【図７】従来の外燃機関としてのスターリング冷凍機を
示す断面構成図。

【図８】従来の外燃機関のピストンの第１例を示す断面
構成図。

【図９】従来の外燃機関のピストンの第２例を示す断面
構成図。

【符号の説明】

１ 高温側ピストン（ディスプレーサー） ２ 低温側ピストン（ディスプレーサー） ３ 高温側シリンダ ３ａ 高温室 ３ｂ，４ｂ 中温室 ４ 低温側シリンダ ４ａ 低温室 ５，６，３３，３４，６１ ピストンロッド ９ 高温側再生器 １０，１３ 中温側熱交換器 １１ 低温側熱交換器 １２ 低温側再生器 １４ 連通路 ２６ 膨張機 ２７ 圧縮機 ２８ 駆動室 ２９ 膨張シリンダ ３０ 膨張ピストン ３１ 圧縮シリンダ ３２ 圧縮ピストン ５５ ピストン ５６ 筒体 ５７ 中空部 ６０ 蓋体 ６２ 熱伝導率の低い部材 ６３ 通気性部材 ６６ 空間

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に中空部を有する一方、該中空部か
   ら外部へ連通する連通穴を有すると共に、ピストンロッ
   ドを介して駆動源へ連結するピストンを備える外燃機関
   のピストンにおいて、 前記中空部に熱伝導率の低い部材を充満設置する一方、
   前記連通穴に前記熱伝導率の低い部材が外部に漏れるの
   を阻止する通気性部材を配置したことを特徴とする外燃
   機関のピストン。
2. 【請求項２】 内部に中空部を有すると共に、ピストン
   ロッドに形成される連通穴を介して駆動室へ連通するピ
   ストンを備える外燃機関のピストンにおいて、 前記中空部に熱伝導率の低い部材を充満設置する一方、
   前記連通穴に前記熱伝導率の低い部材が外部へ漏れるの
   を阻止する通気性部材を配置したことを特徴とする外燃
   機関のピストン。
3. 【請求項３】 内部に中空部を有すると共に、ピストン
   ロッドを介して駆動室へ連通するピストンを備える外燃
   機関のピストンにおいて、 前記中空部に熱伝導率の低い部材を充填すると共に、前
   記中空部に前記熱伝導率の低い部材が外へ漏れるのを阻
   止する通気性部材を配置したことを特徴とする外燃機関
   のピストン。
4. 【請求項４】 前記通気性部材は、熱伝導率の低い部材
   または通気性金属を用いることを特徴とする請求項３記
   載の外燃機関のピストン。
5. 【請求項５】 前記通気性部材は、前記中空部に充填さ
   れる熱伝導率の低い部材の全体を包囲するように配置す
   ることを特徴とする請求項３記載の外燃機関のピスト
   ン。