JPS5852151B2 - 熱ガス往復機械 - Google Patents

熱ガス往復機械

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JPS5852151B2
JPS5852151B2 JP53022883A JP2288378A JPS5852151B2 JP S5852151 B2 JPS5852151 B2 JP S5852151B2 JP 53022883 A JP53022883 A JP 53022883A JP 2288378 A JP2288378 A JP 2288378A JP S5852151 B2 JPS5852151 B2 JP S5852151B2
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auxiliary
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working
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Koninklijke Philips Electronics NV
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    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/001Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内部で作動流体が熱力学的サイクルをおこな
う少なくとも1つの作動空間を有し、前記作動空間は復
熱器を含む熱交換器を介して互いに連結されかつ作動中
に相互に異なる平均温度の圧縮空間とを含み、シリンダ
内で往復運動可能にした少なくとも1つのフリーピスト
ンをそなえ、該フリーピストンの片面側で作動空間の容
積を変化させると共に、他面側で作動空間内の平均作動
流体圧力に対応する少なくともはマ一定の圧力で作動中
に作動流体を含む緩衝空間の境界面の一部を形成し、緩
衝空間を内部で圧力が変化する空間との間でこれらの連
通を瞬間的におこなうことによりフリーピストンの所定
の中央位置を保持する制御機構をそなえ、前記制御機構
は補助シリンダおよび補助ピストンとして構成された2
つの部材を有し、補助シリンダ空間内の容積を変化させ
るために補助ピストンは補助シリンダ内で運動可能であ
り、前記両部材の一方はフリーピストンに連結されてい
ると共に、他方の部材は固定して配置され、補助ピスト
ンは少なくとも1つのダクトをそなえ、ダクトの一端側
は補助ピストンの所定位置で、緩衝空間と連通ずる補助
シリンダ壁の少なくとも1つのポートに対応する位置で
、補助シリンダ壁と共働する補助ピストン壁で開口する
熱ガス往復機械に関するものである。
本発明でいう熱ガス往復機械は、寒冷ガス冷蔵装置、熱
ガス機関およびヒートポンプなどを意味するものである
本出願人の未公開のオランダ国特許出願第7、5’14
,812号では、上述した種類の熱ガス往復機械を提案
している。
上記出願の熱ガス往復機械にかいて、緩衝空間から離れ
た補助ピストン内のダクトの一端側は、機械の作動空間
内で開口している。
したがって、フリーピストンの所定の中央位置は、緩衝
空間と作動空間との間で連通状態が瞬間的に存在するこ
とで保たれる。
このとき、作動流体は緩衝空間から作動空間へあるいは
その反対の方向に流れる。
このような構造のものでは、作動空間内でおこる熱力学
的サイクルが悪影響を受ける欠点を有している。
この熱力学的サイクルに加わる作動流体の最高/最低圧
力比が悪影響を受けると共に同時に移相を生ずる。
すなわち、作動空間内の作動流体の圧力変化と容積変化
との間の位相差が変化する。
これは機械の効率を低下させることになる。本発明の目
的は、熱力学的サイクルに悪影響を及ぼさないようにし
てフリーピストンの中央位置の制御をむとなうことがで
きる熱ガス往復機械を提供することにある。
本発明による熱ガス往復機械は、補助ピストンに設けた
ダクトの他端側を補助シリンダ空間で開口させたことを
特徴としている。
本発明による熱ガス往復機械の好lしい実施例では、固
定配置した部材をシリンダ軸の方向に前記シリンダに関
して調整可能にしている。
このようにすれば、フリーピストンの中央位置を調整す
ることができる。
本発明による熱ガス往復機械のさらに好ましい実施例で
は、フリーピストンに連結した部材を前記フリーピスト
ンに関してその軸方向に調整可能にしている。
このようにしたときも、ピストンの中央位置を調整する
ことができる。
さらに望1しくは、装置の大きさも考慮して両部材を緩
衝空間に収容する。
以下、本発明の熱ガス往復機械の実施例を図面によって
詳細に説明する。
第1図において、1はシリンダを示し、この内部にフリ
ーピストン2とフリーディスプレーサ3とを互いに関連
した位相差で往復運動可能に設けている。
このピストン2の作動面2aとディスプレーサ3の作動
面3aとの間で圧縮空間4を形成し、この圧縮空間4に
は冷却器5を収容している。
ディスプレーサ3の上部作動面3bは、前記圧縮空間4
と共に作動空間を形成する膨張空間6に面している。
ディスプレーサ3は復熱器7を収容しており、との復熱
器7は孔8を介してその下面側より作動流体を受は入れ
可能にしていると共に、孔9を介してその上面側より作
動流体を受は入れ可能にしている。
この機械は、膨張した低温の作動流体と冷却されるべき
物質との間で熱交換をむとなう熱交換器として作動する
冷却器10をそなえている。
作動中においてピストン2むよびディスプレーサ3が関
連した位相差で働くと、機関の作動空間内にある作動流
体(たとえば、ヘリウムや水素)は、交互に圧縮および
膨張をくりかえし、膨張により冷気を発生する。
作動流体の圧縮は、そのほとんどすべてが圧縮空間4内
にあるときに生ずる。
作動流体は、圧縮熱を放出する冷却器5、孔8、熱を放
出する復熱器7、および孔9を通って膨張空間6に連続
的に流れる。
作動流体の膨張は、作動流体のほとんど全部が膨張空間
6内にあるときに生ずる。
そのとき、作動流体は冷凍器10において冷却されるべ
き物質(図示せず)から熱をうばったのち、前記とは逆
の順序で前述した通路に沿って再び逆流し、復熱器7内
にあらかじめたくわえられた熱は再び取り上げられる。
フリーピストン2の下面側2bは、作動空間内の平均作
動流体圧力に対応するはビ一定の圧力で作動中に作動流
体を含んでいる緩衝空間11と面している。
ピストン2の下面側2bは、硬質紙あるいはアルミニウ
ムのような非磁性および非磁化材料からなる軽量スリー
ブ12を支持している。
スリーブ12の周囲には、電機子コイル13を形成する
ように電流導体を巻き、これに電流供給導線14および
15を結合し、気体を通さないようにシリンダ1に連結
したハウジング16の壁部を貫通させて前記導線を外部
に出し、外部において前記導線14お−よび15にそれ
ぞれ電気接点17および18を取り付けている。
電機子コイル13は、環状間隙19内でピストン2の軸
方向に往復運動可能であり、環状間隙19には電機子コ
イル13の運動方向を横切る半径方向に永久磁界の磁力
線が通過している。
永久磁界は、本実施例の場合、上部側および下部側に極
を有する環状の永久磁石20と、軟鉄製リング21と、
軟鉄製シリンダ22と、軟鉄製円板23とより得られる
永久磁石20釦よび軟鉄製部品21,22゜23は、閉
磁路、すなわち閉塞した磁気回路を形成している。
作動中に釦いては、周波数f。(例えば、50ヘルツ)
の交流電源(例えば、主電源)に両接点17および18
を接続する。
環状間隙19内での永久磁界の影響によって、交流を流
している電機子コイル13には上向きむよび下向きの方
向に交互に向かうローレンツ力が加えられ、その結果、
ピストン2、スリーブ12お・よび電機子コイル13よ
り構成された組立体が共振し始める。
可動組立体より形成された運動系および作動空間内にあ
る作動流体の共振周波数は、交流周波数f。
(10%の偏差は許容される)に少なくともはマ等しい
ものとなる。
そのとき作動空間内の作動流体は弾性系として作用する
交流は、ピストン/電機子コイル組立体および作動流体
からなる共振系に対し、電機子コイル13を介して、十
分なエネルギーを与えるだけ必要であり、作動流体およ
び摩擦損失によって費やされる仕事量を償なうのに要求
される。
ディスプレーサ3は部分的に小径になってむす、したが
ってシリンダ1とディスプレーサ3との間に環状の中間
空間24が形成されている。
一方、シリンダ1の壁には突起25を有している。
また、弾性部材26をその一方側で突起25にそして他
方側でディスプレーサ3の環状面27に結合している。
弾性部材26はディスプレーサ3の振幅を制限すると共
にこれらと関連して質量/弾性系を形成し、ディスプレ
ーサ3は、ピストン2のように、ピストンと同じ周波数
でしかしピストンに対して位相差をもってきれいに調和
した運動をむとなう。
弾性部材26のはね定数およびディスプレーサ3の質量
は、この系が共振可能である周波数f、がピストン/電
機子コイル組立体および作動流体によって形成された系
の共振周波数fよりも高くなるように選定される。
作動中に釦いて、ピストン2むよびディスプレーサ3の
等しい振動周波数で、膨張空間の容積変化はこの空間内
において生ずる圧力変化をひき釦こし、その結果膨張空
間内で冷気を発生する。
補助ピストン28はロッド29を介して軟鉄製シリンダ
22に連結され、緩衝空間11内に固定される。
補助ピストン28はフリーピストン2に連結した補助シ
リンダ30内で運動可能であると同時に空間31の容積
を変化させることが可能である。
補助ピストン28内には、一端側で空間31に連通する
と■時に他端側で補助シリンダ壁と共に作動する補助ピ
ストン壁32aの異なる位置で開口するダクト32をそ
なえており、ダクト32は補助シリンダ30の壁に設け
たポート33と共働するようにしている。
そしてポート33は、緩衝空間11と開放状態で連通し
ている。
第2図から明らかなように、第1図の作動空間4,6内
のサイクル圧力P1は、時間々隔Aの間にトいて緩衝空
間11内の圧力P2よりも高い。
そこでピストン2の壁部とシリンダ1との間にある隙間
34を通過する漏れによって、作動流体は作動空間4,
6から緩衝空間11へと流れる。
しかしながら、時間間隔B(第2図)の間にち−いて、
緩衝空間11内の圧力P2は作動空間4,6内の圧力P
1よりも高いので、作動流体は隙間34を通って緩衝空
間11から作動空間4,6へと流れる。
しかし、間隔Aの間に作動空間4,6から流れる作動流
体の圧力は、間隔Bの間に緩衝空間11から流れる流体
の圧力よりも高い。
これは作動空間4,6へのおよび作動空間4,6からの
流体の容積は等しいが、多量の流れでないことを意味し
ている。
緩衝空間11への流体の多量の流れは、作動空間4,6
への流体の流れよりも大きい。
この結果、ピストン2の中央位置は次第に高くなり、ピ
ストン2の中央位置が圧縮空間4の方向に移り変わる。
しかし、この問題は補助ピストン28および補助シリン
ダ30によって形成される制御機構の作動により解消で
きる。
ピストン2が所望の名目上の中央位置で往復運動すると
、ポート33は作動空間、緩衝空間釦よび補助シリンダ
空間内の圧力が等しいときに瞬時t1.t2およびt3
(第2図)においてダクト32aを通過する。
そのとき、作動流体はポート33釦よびダクト32を流
れない。
ピストン2の平均位置が、隙間34を通る圧縮空間4か
ら緩衝空間11への流体の流れが反対方向における流体
の流れよりも大きいために、上記流れによって上方に上
がると、ポート33は瞬間的に、例えばt2よりも遅い
t4において、ピストン2の下向きの運動の間にダク)
32aを通過し、一方、ピストン2の上向きの運動の間
にポート33は瞬時t3よシも早い瞬時t、においてダ
クト32aを通過する。
この結果、瞬時t4およびt。において、補助シリンダ
空間31内の圧力P3が緩衝空間11内の圧力P2より
も高いときに、作動流体はダクト32およびポート33
を通って、補助シリンダ空間31から緩衝空間11へと
流れる。
補助シリンダ空間31内の圧力レベルはかくして減少し
、逆転を生じてピストン2にか\る下向きの力となり、
したがってピストン2をもとの中央位置に戻す。
ピストン2の平均位置が下方に、たとえばそれ自体の重
量の影響により、す々わち軟鉄製シリンダ22の方向に
移されると、ポート33は瞬間的にたとえば11(第2
図)よりも遅いt6においてピストン2の上向きの動き
の間にダク)32aを通過し、ピストン2の下向きの動
きの間に、ポー・ト33はt2よりも早い瞬時t7に耘
いてダクト32aを通過する。
瞬時t6およびt7において、緩衝空間11内の圧力P
2が補助シリンダ空間31内の圧力P3よりも大きいと
きに、作動流体は緩衝空間11からポート33およびダ
クト32を通って、補助シリンダ空間31へと流れる。
続いて補助シリ/ダ空間31内の平均圧力が増加し、そ
の結果平均のピストン位置かもとの中央位置へと上方に
動かされる。
第3図に示す熱ガス機関においては、第1図に示す寒冷
ガス冷蔵装置の部分に対応する部分に、同じ参照番号を
つけている。
図にむいて、圧縮空間4は冷却器5、シリンダ40内に
固定配置した復熱器7およびヒータ41を介して膨張空
間6に連通している。
ヒータ40は一端側を復熱器7に連結すると共に他端側
を環状導管43に連結した多数のパイプ42を有し、さ
らに一端側を環状導管43に連結すると共に他端側を膨
張空間6に連結した多数のパイプ44を有している。
バーナ装置45から発生した熱は、作動中においてヒー
タパイプ42,44内を流れる作動流体に放出される。
バーナ装置45は燃料人口47および空気入口48を有
するバーナ46からなっている。
ハウジング49の内側に配置したヒータ41に熱を放出
したのち、燃焼ガスは出口50を通ってハウジング49
から排出される。
ディスプレーサロッド51を介してディスプレーサ3を
図示しない駆動装置に連結している。
熱ガス機関の作動中において、ディスプレーサ3とピス
トン2とが関連した位相差で動く間、ヒータ41に供給
された熱エネルギーはピストン2を駆動するのに使用さ
れ、したがって電気エネルギーが電機子コイル13に発
生する。
ディスプレーサ3が電気的な駆動源をそなえているとき
、電機子コイル13に発生した電気エネルギーの一部は
、熱ガス機関の始動後に、ディスプレーサロッド51に
結合した電機子コイルに動力を供給するのに使用される
補助シリンダ54内で往復運動可能にした補助ピストン
53は、ロッド52を介してフリーピストン2に連結さ
れている。
補助ピストン53は補助シリンダ空間55の容積を変化
させる。
補助ピスト153内にはダクト56を設け、その一端側
を補助シリンダ空間55内で開口させると共に、その他
端側を補助シリンダ54の壁面に形成したポート57と
共働させ、このポート57をダクト58を介して緩衝空
間11に開放状態で連通している。
ピストン2の中央位置の制御は第2図に示したものと同
じであり、さらに説明はしない。
第4図に示す寒冷ガス冷蔵装置では、第1図に示す装置
の部分に対応する部分について同一の参照符号を付して
いる。
この場合、ピストン2内にはねじ60を有する孔61を
形成し、ロッド62をガス密閉状態でその中にねじ込み
、ロッド62によってポート65をそなえた補助シリン
ダ64内で往復運動可能にした補助ピストン63を支持
している。
図示の状態で、緩衝空間11は、ポート65および補助
ピストン63内のダクト66を介して、補助シリンダ空
間67と開放状態で連通している。
ピストン2の中央位置を制御する機構の作動は、第1図
をもとに説明したと同じである。
ピストン2の所望の中央位置は、ロッド62をさらに孔
61内にねじ込みあるいは孔61からねじ戻すことによ
って調整できる。
第5図に示す寒冷ガス冷蔵装置では、第4図に示す装置
の対応する部分について同一の参照符号を付している。
ピストン2にはロッド62を固定連結し、補助シリンダ
64をブツシュ71内の調整ねじ70によって軸方向に
調整可能にしている。
かくして、ピストン2の中央位置は再度調整でき、作動
中においてその調整を外部からかとなうことができる利
点を得る。
第6図は寒冷ガス冷蔵装置を示し、この冷蔵装置には圧
縮ピストン81を収容したシリンダ80をそなえており
、ピストンロッド82を介して圧縮ピストン81をクラ
ンクケース空間83a内の駆動装置83に連結している
上記圧縮ピストン81は、これが移動した際に圧縮空間
84の容積を変える。
圧縮空間84は、冷却器85、復熱器86および冷凍器
87を介して膨張空間88に連通し7ている。
膨張空間88は膨張ピストン89に面し、膨張ピストン
89の他端側は膨張空間88内の平均作動流体圧力に等
しい圧力の作動流体を含んだ緩衝空間90に面している
膨張ピストン89には補助ピストン92を支持するピス
トンロッド91を連結し、この補助ピストン92はこれ
が動いた際に補助シリンダ94内の空間93の容積を変
化させる。
補助ピストン92内にはダクト95をそなえ、補助シリ
ンダ94にはポート96をそなえている。
図示の状態において、緩衝空間90は、ポート96釦よ
びダクト95を介して、補助シリンダ空間93と開放状
態で連通している。
補助ピストン92と補助シリンダ94により形成したピ
ストン89の中央位置制御機構の作動は、第1図により
説明したと同じである。
明らかに、圧縮ピストン81は、たとえば第1図に示す
ような中央位置制御機構をそなえたフリーピストンとし
ても構成することができる。
クランクケース空間83aは、必要ならば、緩衝空間9
0と一体不可分のものとして形成することができる。
第7図に示す熱ガス機関のすべての部品については第3
図の参照番号を用いている。
第7図に示す熱ガス機関にお・いて、第3図に示すもの
と異なるところは、補助ピストン53の上部側が補助シ
リンダ空間55の容積を変えるところだけである。
これは補助シリンダ空間55内の圧力変化P3が、第8
図に示すように、圧縮空間4内の圧力変化P1と同じ位
相にあることを示している。
ピストン2の平均的な位置が再度上方に動くと、瞬時t
2より遅い瞬時t4において、ピストン2の下方への動
きの間にダクト56はポート57を通過し、一方、ピス
トン2の上方への動きの間に、瞬時t3より早い瞬時t
、に釦いてダクト56はポート5Tを通過する。
結果として、瞬時t4およびt、において、かつ緩衝空
間11内の圧力P2が補助シリンダ空間55の圧力P3
より高い状態において、作動流体は緩衝空間11から、
ダクト58、ポート57釦よびダクト56を通って補助
シリンダ空間55に流れ、したがって補助シリンダ空間
55内の圧力レベルを増加させる。
かくしてピストン2はもとの中央位置に再び戻される。
ピストン2の平均位置が下方に動くと、瞬時t1より遅
い瞬時16(第8図)において、ピストン2の上方への
動きの間に、ダクト56はポート57を通過し、瞬時t
2より早い瞬時t7においてピストン2の下方への動き
の間にダクト56はポート57を通過する。
瞬時t6およびt7において、補助シリンダ空間55内
の圧力P3は緩衝空間11内の圧力P2よりも高い。
したがって作動流体は補助シリンダ空間55から緩衝空
間11へと流れる。
このため補助シリンダ空間55内の圧力レベルは減少し
、その結果ピストン2はより高くなって、もとの中央位
置に再び戻る。
このように中央位置制御装置は、作動空間および補助シ
リンダ空間内の変化する圧力が同じ位相(第8図)にあ
るときだけでなく、前記両圧力が反対の位相(180°
の位相差)(第2図)のときにも同様に機能することが
明らかである。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施例を示し、第1図はフリーピストン
の所定の中央位置を保持する制御機構が、緩衝空間内に
固定し、かつフリーピストンに連結した補助シリンダ内
で往復運動可能にした補助ピストンからなる寒冷ガス冷
蔵装置の縦断面図、第2図は第1図に示す熱ガス往復機
械の作動空間内の作動流体圧力P1、緩衝空間内の作動
流体圧力P2、および前記機械の補助シリンダ空間内の
作動流体圧力P3の圧力Pと時間tの関係を示すグラフ
、第3図は補助ピストンをフリーピストンに連結すると
\もに緩衝空間に連結した補助シリンダ内で運動可能に
し、電気エネルギーを発生させる(発電機)ようにした
熱ガス機関の縦断面図、第4図は緩衝空間内に固定した
補助シリンダとフリーピストンに連結して軸方向に調整
可能にした補助ピストンとをそなえる寒冷ガス冷蔵装置
の縦断面図、第5図はフリーピストンに連結した補助ピ
ストンと緩衝空間内に配置して軸方向に調整可能にした
補助シリンダとをそなえる寒冷ガス冷蔵装置の縦断面図
、第6図は膨張ピストンが補助シリンダ内で往復運動可
能にした補助ピストンをそなえるフリーピストンを形成
する寒冷ガス冷蔵装置の縦断面図、第7図は第3図の機
関をわずかに変更した熱ガス機関の縦断面図、第8図は
第7図に示す熱ガス機関の作動空間内の作動流体圧力P
1、緩衝空間内の作動流体圧力P2、および補助シリン
ダ空間内の作動流体圧力P3の圧力Pと時間tの関係を
示すグラフである。 L40・・・シリンダ、2・・・フリーピストン、3・
・・ディスプレーサ、4,84・・・圧縮空間、5゜8
5・・・冷却器、6.H・・・膨張空間、7,86・・
・復熱器、10,87・・・冷凍器、11,90・・・
緩衝空間、28,53,63,92・・・補助ピストン
、30.54,64,94・・・補助シリンダ、31゜
55.67.93・・・補助シリンダ空間、32゜56
.66.95・・・ダクト、33,57,65゜96・
・・ポート、34・・・隙間、60,70・・・ねじ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 内部で作動流体が熱力学的サイクルをち−となう少
    なくとも1つの作動空間を有し、前記作動空間は復熱器
    を含む熱交換器を介して互いに連結されかつ作業中に相
    互に異なる平均温度の圧縮空間と膨張空間とを含み、シ
    リンダ内で往復運動可能にした少なくとも1つのフリー
    ピストンをそなえ。 該フリーピストンの片面側で作動空間の容積を変化させ
    ると共に、他面側で作動空間内の平均作動流体圧力に対
    応する少なくともはビ一定の圧力で作動中に作動流体を
    含む緩衝空間の境界面の一部を形成し、緩衝空間と内部
    で圧力が変化する空間との間でこれらの連通を瞬間的に
    おこなうことによりフリーピストンの所定の中央位置を
    保持する制御機構をそなえ、前記制御機構は補助シリン
    ダおよび補助ピストンとして構成される2つの部材を有
    し、補助シリンダ空間内の容積を変化させるために補助
    ピストンは補助シリンダ内で運動可能であシ、前記両部
    材の一方はフリーピストンに連結されていると共に、他
    方の部材は固定して配置され、補助ピストンは少なくと
    も1つのダクトをそなえ、ダクトの一端側は補助ピスト
    ンの所定の位置で、緩衝空間と連通ずる補助シリンダ壁
    の少なくとも1つのポートに対応する位置で、補助シリ
    ンダ壁と共働する補助ピストン壁で開口する熱ガス往復
    機関において、補助ピストンに設けたダクトの他端側を
    補助シリンダ空間で開口させたことを特徴とする熱ガス
    往復機械。 2 固定配置した部材をシリンダ軸の方向に前記シリン
    ダに関して調整可能にした特許請求の範囲第1項記載の
    熱ガス往復機械。 3 フリーピストンに連結した部材を前記フリーピスト
    ンに関してその軸方向に調整可能にした特許請求の範囲
    第1項または第2項記載の熱ガス往復機械。 4 両部材を緩衝空間内に収容した特許請求の範囲第1
    ,2項lたは第3項記載の熱ガス往復機械。
JP53022883A 1977-03-02 1978-03-02 熱ガス往復機械 Expired JPS5852151B2 (ja)

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