JPH09152213A - 外燃機関のピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱の移動に伴う熱損失を減少する。 【解決手段】 ピストン５５Ａの筒体５６は、熱伝導率
の低い部材６２によって構成してピストン５５Ａと外部
と断熱して熱効率を向上させる。

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】図４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。

【０００３】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を収納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を収納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。

【０００４】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。

【０００５】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。

【０００６】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、右の方向へ動くと（下死点から上死
点へ）、低温室４ａ内部の作動ガスは低温側熱交換器１
１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。

【０００７】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。

【０００８】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、左の方
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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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５を参照して説明す
る。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】膨張機２６の膨張シリンダ２９周囲と容器
間には蓄熱器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。

【００１５】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の容器外周面と膨張機２６の容器下部外周面には
放熱フィン４２，４３が配置されている。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】ところで、図４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５で説明した膨張ピストン３
０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やクランク機構３５の負担やコスト，重
量を軽減できる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
上記外燃機関のピストンは、耐圧、耐熱のために金属を
用いて、薄厚に形成して駆動部の軽減を図るようにして
いるが、ピストンの中空が大きくなると内部に対流が生
じて熱の移動に伴う熱損失が大きいという問題がある。

【００２３】そこで、本発明は、ピストンの耐圧、耐熱
を維持しつつ熱効率の高い外燃機関のピストンを提供す
ることを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、熱伝
導率の低い部材を用いてピストンを構成するようにした
ものである。

【００２５】請求項２の発明は、請求項１記載の外燃機
関のピストンにおいて、全体を熱伝導率の低い部材を用
いて形成するようにしたものである。

【００２６】請求項３の発明は、請求項１記載の外燃機
関のピストンにおいて、ピストンは、使用圧力に耐えら
れる厚みで内部を中空に形成するようにしたものであ
る。

【００２７】請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３
記載のいずれかの外燃機関のピストンにおいて、熱伝導
率の低い部材として、使用圧力および使用温度に応じた
部材を用いるようにしたものである。

【００２８】

【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。

【００２９】図１は、本発明の第１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５５Ａは、筒体
５６を熱伝導率の低い部材で構成した点に特徴を有す
る。

【００３０】ここで、熱伝導率の低い部材としては、例
えば、プラスチック等の樹脂が適用できる。また、セラ
ミック部材は高温度で使用することができる。この構成
により、ピストン５５Ａの筒体５６が外部の熱を断熱
し、筒体５６に外側の温度差が小さく、中空部５７の気
体の対流を減少させる。さらに、筒体５６自体による熱
伝導が減少され、その結果、熱損失が減少される。従っ
て、プラスチック等の樹脂の場合は、特に低温で、か
つ、低い圧力で使用されるピストンに適用できる。ま
た、セラミック部材は特に高温で、低い圧力に使用され
るピストンに適用できる。

【００３１】例えば、前述した図４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の周辺に急な温度変化があっても筒体５６が
周辺と断熱し、筒体５６に温度差が大きく生じないか
ら、中空部５７の気体の対流が少なく熱の移動が少な
い。このことは、図５に示すスターリングサイクルにつ
いても同様である。なお、図１では、ピストンロッドを
図示省略している。

【００３２】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、筒体
５６を使用圧力や温度等の条件に応じた厚さとするよう
に熱伝導率の低い部材で構成した点に特徴を有する。

【００３３】すなわち、ピストン５５Ｂの筒体５６は、
使用圧力や温度に耐えられる厚さとすることで強度不足
を補いつつ、厚さが増加した場合、熱伝導率の低い部材
で外部と断熱して熱損失を増加させない。また、中空部
５７の容積が小さくなれば、対流が減少して熱損失が減
少することができる。

【００３４】図３は、本発明の第３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５５Ｃは、中空
部を有することなく熱伝導率の低い部材で一体的に形成
した点に特徴を有する。

【００３５】すなわち、ムク材にすることにより、中空
に伴う気体の対流が全くなくなり、対流による伝熱量が
なくなり、熱伝導率の低い部材により熱伝導に伴う熱の
移動もなくなる。従って、使用温度に応じて熱伝導率の
低い部材でピストン５５Ｃを構成すると極めて熱効率が
高く、しかも強度を向上させたピストン５５Ｃが得られ
る。

【００３６】

【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、熱伝導率の低い部材を用いてピストンを形成した
ために外部と断熱ができ、全体的に熱の移動が大幅に減
少して熱効率を向上させることができる。

【００３７】また、請求項２の発明によれば、請求項１
の発明の効果に加え、ピストン全体を一体的に熱伝導率
の低い部材によって形成したために、熱の移動が極めて
少なく熱効率が高く、しかも、強度も増加した外燃機関
のピストンが得られる。

【００３８】また、請求項３の発明によれば、請求項１
の発明の効果に加え、使用圧力条件に耐えられる範囲の
厚みによるピストンを形成することにより耐強度を備
え、かつ、熱効率の高い外燃機関のピストンが得られ
る。

【００３９】また、請求項４の発明によれば、請求項１
の発明の効果に加え、使用圧力および使用温度に応じた
熱効率の高い外燃機関のピストンが得られる。

【００４０】

【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】従来の外燃機関としてのヴィルミエサイクルを
示す断面構成図。

【図５】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。

【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 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 ５５Ａ，５５Ｂ，５５Ｃ ピストン ５７ 中空部 ６０ 蓋体 ６２ 熱伝導率の低い部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱伝導率の低い部材を用いてピストンを
   構成することを特徴とする外燃機関のピストン。
2. 【請求項２】 前記ピストンは、全体を前記熱伝導率の
   低い部材を用いて形成したことを特徴とする請求項１記
   載の外燃機関のピストン。
3. 【請求項３】 前記ピストンは、使用圧力条件に耐えら
   れる範囲の厚みで内部を中空に形成したことを特徴とす
   る請求項１記載の外燃機関のピストン。
4. 【請求項４】 前記熱伝導率の低い部材として、使用圧
   力および使用温度に応じた部材を用いるようにしたこと
   を特徴とする請求項１乃至請求項３記載のいずれかの外
   燃機関のピストン。