JPS6057166A - 外燃式往復動ガス機関ヒ−トポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は外燃式往復動ガス機関により駆動されるヒート
ポンプ装置に関するものである。

従来のヒートポンプ装置は通常その動力としては電動機
、内燃機関などが用いられており、またその動力源とし
ては電力１石油、ガスによるものであるが、一方、最近
に至シ外燃式往復動ガス機関がその熱効率の高さ、無公
害性、エネルギーの多様化の面からとみに注目を集めて
きている。この機関は外燃機関であるため、ガス、石油
９石炭など各種の燃料に対応でき、また燃焼の結果排出
されるカスの有害物質を制御しやすいといった点から無
公害化に効果を発揮しうるという特長を有している。

外燃式往復動ガス機関は一般に知られている型式として
はダブルアクティング型、ディスプレーサ（仕切りピス
トン）型、フリーピストン型等がある。ここでは本発明
に関係する機関の作動について第１図乃至第４図につい
て略述する。第１図は仕切りピストン型外燃式往復動ガ
ス機関の作動説明図であり、この機関は密閉された気筒
１１中に往復動する仕切りピストン１２と出力ビストン
１３が収納されておりこの２個のピストンは機械的にあ
る位相差で連結されてお９気筒１１内の作動空間である
高温膨張部１４および低温圧縮部１５に高圧の水素ガス
又はヘリウムガスなどが密封され、高温膨張部１４と低
温圧縮部１５を連通して設けられている加熱器１６．再
熱器１７．冷却器１８を通して仕切りピストンにより作
動ガスの移動がおこなわれ、ここで加熱、冷却をおこな
うことに、Ｊ：り気筒内の作動ガスの圧力が変化し、こ
れ全出力ビストン１３に伝え出力として外部に取り出す
ものである。第２図はこの機関の２個のピストンの作動
状況と作動の関係を説明するための線図であシ１２−１
は仕切シピストン１２の作動線図、１３−１は出力ビス
トン１３の作動線図であり、両ピスト／は一定の位相角
を保ちながら往復運動をおこなうものである。第１図Ａ
１．　Ｂ１．Ｃ１，Ｉ）。

の夫々の図は第２図の線図のＡ、　、　Ｂ１．　Ｃ１，
Ｄ工の位置に対応する両ピストンの関係を図示したもの
である。

第３図は第１図に例示した仕切りピストン型機関の改良
型であるフリーピストン型外燃式往復動ガス機関であり
、これは密閉された気筒２１中に往復動する仕切りピス
トン２２と出力ビストン２３が収納されておシ、この２
個のピストンは仕切りピストン２２に設けられている連
結枠２９と出力ビストン２３に設けられた小気筒３４０
間にガスバネ３０を形成して連結され、また、出力ビス
トン２３は仕切壁３１との間にバウンススペース３２を
形成している。ここで気筒２１内に加圧封入されている
作動ガスを加熱器２６．再熱器２１．冷却器２８を通じ
て外部から加熱、冷却すればガスバネ３０のバネ定数お
よびバウンススペース３２のバネ定数およ（５） び仕切りピストン２２と出力ビストン２３の質量により
規制される質点の振動系の利用により仕切りピストン２
２と出力ビストン２３は適当な位相差をもって振動し、
これによ多気筒２１内のガス圧力が変動しこの圧力変化
が出力ビストンを動かし出力枠３３を通じて外部に動力
を伝えるものである。第４図は、この両ピストンの作動
状況と作動の関係を説明するための線図であＪ）２２−
１は仕切りピストン２２の作動線図、２３−１は出力ビ
ストン２３の作動線図であυ、　・両ピストンは若干の
位相差を保ちながら往復運動をおこなうものである。第
３図ＡＱ　＊　Ｂ２　＋　ＣＢ　＋Ｄ、の夫々の図は第
４図の線図のＡ２．　Ｂ２．　Ｃ２，Ｉ）。

の位置に対応する両ピストンの関係を図示したものであ
る。

以上はフリーピストン型の外燃式往復動ガス機関の構成
と作動について説明したものであるが、これを一般の内
燃式往復動機関と比較すると、（１）外燃式機関である
ためにその使用する燃料は固体、液体、気体の何れにて
もよく、エネ（６） ルギーの多様化に対応できること。（２）排出ガスの有
害物質を制御しやすく無公害化の対策がたて易いこと。

（３）爆発燃焼がないので機関騒音や振動が非常に少い
０などの利点があるが他力においては高温高圧ガスが封
入使用されるのでこのガスの完全な密封機構が技術的に
困難であシ、特に気筒とピストンの間や軸動部の密封に
は問題が残されているとともにこれを改良したフリーピ
ストン型機関は前述した如くガスバネのバネ定数、バウ
ンススペースのバネ定数およヒ仕切りピストンと出力ビ
ストンの質量によりその振動が規制されるために機関と
しての設計値の許容範囲は非常に狭くなるという欠点を
有１−でいる。また前記の密封機構の問題については、
例えばこれらの機関に直結される負荷として冷凍機など
が駆動される場合に長時間運転されている間に機関に封
入されている作動ガスが軸部などより漏洩して冷凍機の
冷媒ガスと混合したり、また作動ガスがその摺動部よυ
外部に漏洩するという不具合が生ずるものである。

本発明に係る外燃式往復動ガス機関ヒートポンプは上記
の問題点に解決を与えたものであり、フリーピストン型
機関の有する振動の規制にたいして仕切りピストンおよ
び出力ビストンをその機関の気筒内において機械的に結
合することによって設計上の自由度を拡大するとともに
、これに直結駆動せられるヒートポンプを同一の気筒内
に収納し、かつ、駆動機関に使用する作動ガスとヒート
ポンプ用熱媒ガスを同柚のガスを使用することにより機
関およびヒートポンプのピストンの摺動部などよりのガ
スの漏洩にたいして融通をもたせるとともに、気筒全体
よりのガスの漏洩の問題を解決したものである。

以下本発明の実施例（ｉｌ−第５図乃至第７図について
詳述すると、第５図は略縦断面図であり、この装置は駆
動部５０とヒートポンプ部６０より構成され、駆動部５
０の密閉された駆動部気筒５１内には駆動部仕切りピス
トン５２．出力ビストン５３が収められている。ここで
駆動部仕切りピストン５２と駆動部気筒５１の間には高
温膨張室５４が形成され、駆動部仕切りピストン５２と
出力ビストン５３０間には低温圧縮室５５が形成され、
高温膨張室５４と低温圧縮室５５は加熱器５６．再熱器
５７．冷却器５８により連接され、以上にて外燃式往復
動ガス機関の駆動部を構成し、またヒートポンプ部の密
閉されたヒートポンプ気筒６１内にはヒートポンプ仕切
シピストン６２とヒートポンプピストン６３が収められ
ており、ここでヒートポンプ仕切りピストン６２とヒー
トポンプ気筒６１の間にはヒートポンプ膨張室６４が形
成せられ、ヒートポンプ仕切りピストン６２とヒートポ
ンプピストン６３の間にはヒートポンプ圧縮室６５が形
成され、ヒートポンプ膨張室６４とヒートポンプ圧縮室
６５は冷却部コイル６６、再熱器６１、加熱部コイル６
８に一１ニジ連接され、以上にてヒートポンプ部を構成
している。駆動部気筒５１とヒートポンプ気筒６１は一
体として構成され一つの密閉された気筒を構成している
。

ここで駆動部仕切りピストン５２とヒートポ（９） ンプ仕切りピストン６２は出力ビストン５３を貫通し、
かつ相互に摺動する直桿（Ｅ側）１１およびヒートポン
プピストン６３を貫通し、かつ相互に摺動する直桿（Ｐ
側）１１′ならびに仕切りピストンクランク桿（Ｅ側）
１２および仕切りピストンクランク桿（Ｐ側）７２′に
より連結され、出力ビストン５３とヒートポンプピスト
ン６３ｆｄ出カビストンクランク桿（Ｅ供ｏ）１３と出
カビストンクランク桿（Ｐ側）７３′にょ多連結され、
かつ駆動部およびヒートポンプ部を構成する気筒５１．
５２の筒体のほぼ中央部の気筒内に設けられた軸受５９
にょシ支えられたクランク軸７０において一定の回転角
を維持して設けられた２組のクランク即ち仕切りピスト
ン用クランク７４には仕切りピストンクランク桿（Ｅ側
）１２と仕切りピストンクランク桿（Ｐ側）７２′が婬
１合し、出力ビストン用クランク１５には出カビストン
クランク桿（Ｅ側）７３と出カビストンクランク桿（Ｐ
側）７３′が掛合し、駆動部仕切シピストン５２と出力
ビストン５３（１０） およびヒートポンプ仕切りピストン６２とヒートポンプ
ピストン６３が一定の回転角を維持して駆動するように
構成されている。

第６図（Ａ）　、　０３は上記の各ピストン、各クラン
ク桿、クランク軸および各クランクの構成の関係を表し
た機構説明図であシ、第６図（Ｎは仕切りピストン５２
．６２を主体にあられし、第６図（Ｂ）は出力ビストン
およびヒートポンプピストン５３．６３を主体にあられ
している。ここで仕切りピストン用クランク７４と出力
ビストン用クランクγ５は一定の回転角例えば図示αの
角度を維持してクランク軸７０に固着され、例えばクラ
ンク軸７０が図示７６の方向に回転する場合においては
出力ビストン用クランク１５げ仕切りピストン用クラン
ク７４よシ常にαの回転角だけ遅れて回転し、従ってこ
れに付随すル仕切シピストン５２．６２および出力ビス
トン、ヒートポンプピストン５３．６３は夫々のクラン
クの動きに従い駆動される。

第７図（Ａ）　、　０３１は第６図の関係にある各ピス
ト７５２．６２および５３．６３の夫々の関係位置およ
び作動状況を説明するための図面であり、第７図の）の
７１−１曲線はクランク軸１０が１回転した場合の駆動
部仕切りピストン５２およびヒートポンプ仕切りピスト
ン６２の作動を横方向を回転角とし、縦方向をピストン
のストロークとして表わした作動曲線７７−１であり、
同様に仕切りピストン５２．６２よシ回転角αだけおく
れて作動する出力ビストンおよびヒートポンプピストン
５３．６３の作動面＠（を１７−２にて表わしている。

第７図（Ａｔ（１）乃至（Ａ）　（７）は第７図（Ｂ）
の夫々の角度におけるピストン５２．６２゜５３．６３
の関係位置を回転方向に順して表わしたものである。

なお駆動部、ヒートポンプ部に使用される作動ガス、熱
媒ガスは同種のガスを用い、例えば水素ガスまたはヘリ
ウムガス等が封入使用されるＯ 以上の如く構成きれた本発明において、これが運転駆動
される場合は、先づ駆動部５０の加熱器５６が加熱され
るとともに冷却器５８が冷却され、さらに駆動部仕切シ
ピストン５２の往復動によシ駆動部気筒５１内に加圧封
入されている作動ガスのガス圧力が仕切υピストンの往
復動に応じて変化して機関が始動する。ここでフリーピ
ストン型機関の場合には、バネ定数。

各ピストンの質量によりその振動が規制されるという欠
点と有していたが、本発明の機関においては駆動部仕切
りピストン５２と出力ビストン５３とが機械的に結合さ
れ出力ビストン５３の往復動とともに仕切シピストン５
２が付随的に往復運動を起し、高温膨張室５４と低温圧
縮室５５の間の作動ガスの移動も非常に円滑であり、ピ
ストンなどの質量に関係なく非常に幅の広い回転数の範
囲にて円滑なる運転が継続運転ぜられる。

以上の駆動部の出力は出力ビストン５３．．ｌ：り出カ
ビストンクランク桿（Ｅ側）および（Ｐ側）７３．７３
”ｅ介してヒートポンプピストン６３に伝えられると同
時にクランク軸１０および仕（１３） 切りピストン用クランクγ４を介してヒートポンプ仕切
υピストン６２も同時に往復運動がおこなわれる。ここ
で、ヒートポンプ部６０においても駆動部５０と同様に
ヒートポンプピストン６３とヒートポンプ仕切シピスト
ン６２が機械的に結合されているのでピストンなどの質
量に関係なく円滑にピストンの運転駆動がおこなわれる
。

ここでヒートポンプ圧縮室６５にて圧縮加熱された熱媒
ガスは加熱部コイル６８．再熱器６７゜冷却部コイル６
６を経由してヒートポンプ膨張室６４において膨張冷却
してヒートポンプとして作用する。

ここで、この駆動機構の特徴とするところは仕切りピス
トン用クランク７４と出力ビストン用クランク７５の回
転角を任意かつ容易に設計段階にて選択でき、最高効率
の回転角が選べることである。

ついで、前記ヒートポンプにおいて加熱部コイル６８を
冷却することにょシ熱媒ガスは加熱（１４） 部コイル６８にて冷却されたのち更に再熱器６７にて熱
を失い、次にヒートポンプ膨張室６４にて熱媒ガスは断
熱膨張することに、Ｊニジ更に温度は降下し、この冷気
は冷却部コイル６６を通じて外部に取出される。またこ
れが逆の場合においては冷却部コイルを加熱することに
工りヒートポンプ膨張室６４内にある膨張冷却された熱
媒ガスは冷却部コイル６６にて熱を受け更に再熱器６１
にて温められ、ヒートポンプ圧縮室６５にて熱媒ガスが
圧縮加熱され、この熱が加熱部コイル６８を通じて外部
に取出される。以上の動作を繰返しなからヒートポンプ
として運転される。ここで再熱器６７は加熱部コイル６
８側より送られる高温熱媒ガスにたいしてはこの熱を吸
収して冷却された熱媒ガスを冷却部コイル６６に送り、
また冷却部コイル６６側よシくる低湛熱媒ガヌにだいし
ては熱を与えて加熱部コイル６８に送るいわゆる熱クッ
ションの作用をおこなっている。

本発明は以上の如き構成１作用を有するものであり、外
燃式往復動ガス機関の有するエネルギーの多様化、排出
ガスの無公害化、運転時の騒音、振動の減少に対処し得
るとともにンＩＪ−ピストン型機関の有する運転におけ
る設計値の許容範囲の狭さを各ピストンを機械的に結合
することによって解決し、自由に運転条件と効率を選定
し得る機関とするとともに更にこの機関の持つ問題点で
ある軸受や摺動部よりの作動ガスの外部への漏洩につい
ては駆動部とヒートポンプ部を一体の気筒内に収納し、
また駆動部の作動ガスとヒートポンプ部の熱媒ガスを同
補のガスを使用することによりこの相互にガスの漏洩が
生じても何ら運転に支障が生じないことで解決し、また
装置の外部にだいしても摺動部はなく確実にガスを密封
することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は仕切りピストン型外燃式往復動ガス機関の作動
説明図、第２図は第１図の機関の作動特性図、第３図は
フリーピストン型外燃式往復動ガス機関の作動説明図、
第４図は第３図の機関の作動特性図、第５図は本発明の
実施例の略縦断面図、第６図（〜、（Ｅ９は第５図の実
施例の機構説明図、第７図（Ａ）は第５図の実施例の作
動説明図、第７図（Ｂ）は第７図（〜の作動曲線図であ
る０ ５０・・・駆動部　５１・・・駆動部気筒　５２・・・
駆動部仕切りピスト１５３・・・出力ビストン５４・・
・高温膨張室　５５・・・低温圧縮室５６・・・加熱器
　５７・・・再熱器　５８・・・冷却器　５９・・・軸
受　６０・・・ヒートポンプ部６１・・・ヒートボン７
’気ＷＪ　６２・・・ヒートポンプ仕切りピストン　６
３・・・ヒートボ／ブピストン　６４・・・ヒートポン
プ膨張室　６５・・・ヒートポンプ圧縮室　６６・・・
冷却部コイル６７・・・再熱器　６Ｂ・・・加熱部コイ
ル　ＴＯ・・・クランク軸　７１　、７１’・・・面枠
　７２　、７２’・・・仕切りピストンクランク桿　７
３　、７３’・・・出カビストンクランク桿　７４°゛
°仕切ｐピストン用クランク　１５・・・出力ビストン
用クランク（１７） 節１図 第２図 一一一１８Ｐ磨り 第３図 鎗　／　丘テ 特開昭ＧＯ−５７１６６Ｃ６’） 第５図 明 ６ ７ ８ １ ３ ２ ４ ９５９ 床→凶 ７５へ’ｌ１ｔｔｌｊ　ｌ−≧６＼、Ｌｉ２二［１：Ｉ
Ｐ　７−ミ手続補正書（自発） １．事件の表示 昭和５８年　特　許　願第１６４３１４号２°発明０名
称　外燃式往復動−、ｆ７機関ｅ−ｔ−＋７プ３　補正
をする者 事件との関係　特許出願人 ４・　代　理　人　〒１０３ 住　所　東京都中央区日本橋本町２丁目１番地第３図 Ａ２　８２　Ｃ２Ｄ２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）円筒状の密閉され一体として構成された気筒５１
   ，６１の駆動部気筒５１内に駆動部仕切りピストン５２
   と出力ビストン５３を設け、駆動部仕切りピストン５２
   にＪ−Ｄ仕切られた高温膨張室５４と低温圧縮室５５を
   加熱器５６．再熱器５１．冷却器５８で連接し、前記駆
   動部仕切りピストン５２と出力ビストン５３と加熱器５
   ６、再熱器５７．冷却器５８をもって駆動部を構成し、
   ヒートポンプ気筒６１内にヒートポンプ仕切リピストン
   ６２とヒートポンプピストン６３を設け、ヒートポンプ
   仕切υピストン６２により仕切られたヒートポンプ膨張
   室６４とヒートポンプ圧縮室６５を冷却部コイル６６、
   再熱器６７、加熱部コイル６８で連接し、前記ヒートポ
   ンプ仕切りピストン６２とヒートポンプピストン６３と
   冷却部コイル６６、再熱器６１゜加熱部コイル６８をも
   ってヒートポンプ部を構成するとともに、駆動部仕切り
   ピストン５２とヒートポンプ仕切りピストン６２を直桿
   （Ｅ側）７１と仕切シピストンクランク桿（ＥＩ１７２
   と仕切シピストンクランク桿（Ｐ側）７２′ト直程（Ｐ
   側）１１′を介して連結し、出力ビストン５３とヒート
   ポンプピストン６３を出カビストンクランク桿（Ｅ側）
   １３と出カビストンクランク桿（Ｐ側）７３′を介して
   連結し、力・っ気筒５１．６１の筒体のほぼ中央部の気
   筒内に設けられ軸受５９により支えられたクランク軸Ｔ
   。 に一定の回転角全維持して構成せられた仕切シピストン
   用クランク７４と出力ビストン用クランク１５に、前記
   仕切りピストンクランク桿（Ｅ側）７２と前記仕切りピ
   ストンクランク桿（Ｐ側）１２′を前記仕切りピストン
   用クランク１４に掛合するとともに前記出カビストンク
   ランク桿（Ｅ側）１３と前記出カビストンクランク桿（
   Ｐ側）７３′を出力ビストン用クランク１５に掛合し、
   駆動部仕切りピストン５２と出カピストン５３およびヒ
   ートポンプ仕切りピストン６２とヒートポンプピストン
   ６３が一定の回転角を維持して駆動するように構成せら
   れた外燃式往復動ガス機関ヒートポンプ。