JPS6158741B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱サイクルが理想的には２つの等温
変化と２つの等容変化からなるスターリングサイ
クルであり、且つ冷凍機、原動機、ヒートポンプ
等に用いることを可能とし、更には、出願人の特
許第841228号（特公昭51−14168）及び第841230
号（特公昭51−14169）の方式を改良発展させ、
高出力化した構造の簡単な可逆サイクルの機器構
成を提供することをその目的とするもので、以下
本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

先ず、第１図に基づいて基本となる２気筒の可
逆サイクルの流路構成から説明する。ほぼ常温の
比較的短い複動型ピストン（以後短ピストンと云
う）１ａ，１ｂは、シリンダ２ａ，２ｂの中で上
下動することにより、高圧力の作動流体（水素、
ヘリウムその他、あるいは混合気体で以後流体と
云う）の容積可変空間（以後空間と云う）３ａ，
３aa，３ｂ，３bbを形成し、この空間と高温度
又は低温度となる比較的長いピストン（以後長ピ
ストンと云う）４ａ，４ｂが長シリンダ９ａ，９
ｂの中で上下動することにより形成する容積可変
空間（以後空間という）５ａ，５ｂとの間に、第
１図に示す如く、熱交換器、６ａ，６ｂ，６ｃ，
６ｄ，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄおよび蓄熱器８
ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを接続する。ピストンロツ
ド１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、第３図に
示す如きピストン往復動機構２０のガイドピスト
ン２１，２２に連結されている。ここで、第３図
に基づいてピストン往復動機構２０の構造を説明
すると、前記ガイドピストン２１，２２は回転斜
板（又は揺動板）２３に摺動ベアリング２４，２
５を介して回転軸２６に夫々作用的に連結されて
いる。ピストンリング１１はほぼ常温で高圧力の
流体のシールをする。

次に、流体動作を述べれば、長ピストン４ａは
短ピストン１ａより90度早く上に動き、長ピスト
ン４ｂは長ピストン４ａに、および短ピストン１
ｂは短ピストン１ａにそれぞれ180度遅れて動
く。従つて、空間３ａでの流体の容積変化は、空
間３bbと同位相で、且つ同様に空間３aaでは空
間３ｂと同位相でそれぞれ可変される。第１図の
長ピストン４ａ，４ｂおよび短ピストン１ａ，１
ｂが２本づつでは２気筒の可逆サイクルを構成す
る。すなわち、前記短ピストン１ａ，１ｂのみが
複動型となり、その上下動により構成される空間
３ａ，３aa，３ｂ，３bbの総空間容積は、すべ
てのピストン径とストロークを一定とすれば、長
ピストン４ａ，４ｂより形成される空間５ａ，５
ｂのほぼ２倍になることが明らかである。

なお、熱交換器７ｂと７ｃ，７ａと７ｄ，６ｂ
と６ｃ，６ａと６ｄ、そして蓄熱器８ｂと８ｃお
よび８ａと８ｄは、同位相のため、それぞれ１個
にすることができる。また、熱交換器６ｄは、第
１図記号ＡよりA′に接続されている。

次に冷凍機としての動作を述べる。図示しない
モータ等の原動機でそれぞれのピストンロツド１
０ａ〜１０ｄがピストン往復動機構２０を介して
上下動されると、長ピストン４ａより90度遅れて
上下動する短ピストン１ａによる空間３ａ内の高
圧力（20〜50気圧）の流体は、等温的に圧縮さ
れ、熱交換器７ａより圧縮熱を放出し、次に蓄熱
器８ａで冷却され、熱交換器６ａより空間５ａに
等容的にはいる。それから空間５ａで等温的に膨
張して低温（０℃から−260℃）を発生する。す
なわち、熱交換器６ａで図示しない外部の被冷却
体より然を吸収し、しながら膨張し、次に蓄熱器
８ａに冷熱を与え、ほぼ常温で熱交換器７ａより
空間３ａに等容的にはいり１サイクルを終える。

一方、空間３bb内の流体は、短ピストン１ｂ
が短ピストン１ａより180度遅れて上下動するた
め、空間３ａと同位相で容積可変をする。この時
前記空間３bb内の流体は、先に述べた如く、流
体が２つの等温および２つの等容変化を長ピスト
ン４ａによる空間５ａと熱交換器７ｄ、蓄熱器８
ｄ、熱交換器６ｄを介して行なうため、当然該熱
交換器６ｄでも冷凍を発生させることができる。
さらに、長ピストン４ａより180度遅れて上下動
する長ピストン４ｂにより形成される空間５ｂ
と、さらに長ピストン４ｂよりほぼ90度遅れて流
体の容積可変をする空間３ｂおよび３aaとの間
で、先に述べた２つの等温および２つの等容変化
をするため、熱交換器６ａ〜６ｄでの発生冷凍温
度は、空間５ａと５ｂの容積を同じに、あるいは
変えることにより、０℃から−260℃の同一温度
やそれぞれ異なる冷凍温度を発生させることがで
きる。

次に、原動機としての動作について述べる。前
述した冷凍機の場合と同様、ピストン１ａの上昇
により空間３ａ内での流体は、等温的に圧縮され
（例えば100気圧から140気圧に）、熱交換器７ａで
圧縮熱を外に放出し、それから等容過程で蓄熱器
８ａおよび火災等で加熱される熱交換器６ａを通
る間に温度および圧力が上昇（例えば800℃、200
気圧）し、等温的に膨張して仕事を発生させる。
更に、前記流体は、蓄熱器８ａに熱を与えて冷却
され、熱交換器７ａを通つてほぼ常温、約100気
圧で空間３ａに等容的に戻り１サイクルを終る。
この間短ピストン１ａより180度遅れて上下動す
る短ピストン１ｂの空間３bbと空間５ａとの間
でも同様に２つの等温および２つの等容変化が行
われ、さらに空間５ｂと空間３aaおよび３ｂとの
間でも行われる。有効な動力は、理論的には空間
５ａおよび５ｂでの等温膨張仕事から空間３ａ，
３ｂ，３aa，３bbでの等温圧縮仕事を差し引い
た量がピストンロツド１０ａ〜１０ｄと連結する
ピストン往復動機構２０から得られる。

また、低温型原動機とする場合について述べ
る。長ピストン４ａ，４ｂで空間５ａ，５ｂ内の
高圧力（例えば150気圧）の流体を、等温圧縮
し、その圧縮熱を液体水素（−253℃）や液化天
然ガス（約−160℃）等の寒剤の冷熱で冷却せし
める。それから前記流体が蓄熱器８ａ，８ｄ、温
水やスチーム等で加熱される熱交換器７ａ，７ｄ
を通し、空間５ａより90度進んだ位相で容積変化
する空間３ａ，３bbに等容的に移動されると、
ほぼ常温あるいは約100℃，200気圧になる。次
に、等温膨張で仕事を発生させ７ａ，７ｄ，８
ａ，８ｄ，６ａ，６ｄを介して空間５ａに等容的
に移動させると、その流体の温度は低温度とな
り、１サイクルが終える。この低温型原動機も先
の原動機の動作で述べた如く、空間５ｂと３ｂ、
および３aaとの間で、それぞれ２つの等温変化と
２つの等容変化が行われるから、理論的に有効な
動力は空間３ａ，３aa，３ｂ，３bbでの等温膨
張仕事から空間５ａ，５ｂでの等温圧縮仕事を引
いた量だけ得られることになる。なお、前記低温
型原動機の場合、長ピストン４ａ，４ｂによる空
間５ａ，５ｂは圧縮空間に、短ピストン１ａ，１
ｂによる空間３ａ，３aa，３ｂ，３bbは膨張空
間となる。すなわち、前述した冷凍機や原動機の
動作の場合とは逆になる。

更に、第２図に基づいて、極低温型冷凍機とし
て用いた場合の変形流路の構成と作用を第１図と
相違する点を中心に説明する。

この極低温型冷凍機は、第２図で示す空間５ａ
と５ｂで異なる冷凍温度を発生させることができ
るものである。つまり、熱交換器６ｄの冷凍量で
長シリンダ９ｂを、さらに蓄熱器８ｃと８ccおよ
び８ｂと８bbとの間を冷却して熱交換器６ｂ，
６ｃでの発生冷凍量を増し、かつ冷凍温度を下げ
た機器構成である。例えば熱交換器５ｂが−260
℃で熱交換器５ａが−180℃の冷凍温度となり、
この冷凍量は他の冷凍サイクルを付加させれば、
例えばジユール・トムソンサイクルで遠方に移送
して冷凍・液化することができる。なお、ピスト
ンロツド１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、第
３図に示す如きピストン往復動機構２０のガイド
ピン２１，２２、摺動ベアリング２４・２５及び
回転斜板（又は揺動板）２３を介して回転軸２６
に連結するが、低温部を集中して高効率にするた
め、となり合わせにすることができる。すなわ
ち、ピストンロツド１０ａは、ピストンロツド１
０ｂより90度位相を進めれば前記回転軸２６に直
列に連結できる。又、Ｖ型あるいは逆Ｔ型等の配
置でも可能である。

そして、第１図と第２図における４本のシリン
ダ、具体的には長シリンダ９ａ，９ｂとシリンダ
２ａ，２ｂの効果的な配置について第４図と第５
図に基づいて説明する。第４図において、前記シ
リンダ２ａ，２ｂと長シリンダ９ａ，９ｂは、ピ
ストン往復動機構２０の回転軸２６を中心とした
円周上に配置される。３０はケースであり、前記
長シリンダ９ａ，９ｂを回転軸２６から近い円周
上に、また前記シリンダ２ａ，２ｂを遠い円周上
に夫々配置する。

第５図は、第１図にある４本のシリンダの組合
せを２組円周上に配置した図である。円筒形のケ
ース３０内の中心に回転軸２６が位置し、該回転
軸２６に近い円周上に長シリンダ９ａ，９a′，９
ｂ，９b′が、また離れた円周上にシリンダ２ａ，
２a′，２ｂ，２b′が配置される。

よつて、いずれも低温又は高温となる長シリン
ダ９ａ，９ｂ又は９ａ，９a′，９ｂ，９b′が中央
部に集中するため、熱交換器６ａ〜６ｄと共に低
温又は高温となる部分をコンパクトにまとめるこ
とができ、原動機の場合の加熱又は冷凍機の冷凍
量の取り出しが容易になるとともに、熱の流出又
は流入が少いから熱交換効率も高くなる。

以上の如く本発明によれば、可逆サイクルを冷
凍機として用いる場合、圧縮ピストンとなる第２
ピストン１ａ（第４ピストン１ｂ）の先端側およ
び背面側の双方を圧縮空間たらしめたので、従来
の冷凍機（例えば、特公昭51−14169号の第１図
に開示されたもの）と比べると、圧縮室の容積が
同一であれば、本発明においては圧縮ピストンの
ストローク量もしくは圧縮シリンダの径を大幅に
小さくでき、メカニカル損失の低減を図ることが
できる。

また、常温部にある４つの空間は、２つのピス
トンで形成して膨張又は圧縮過程に用いることが
できるため、２気筒の可逆サイクルでも動バラン
スが良く、振動が少い。当然、熱効率も高くな
る。

更に、第１図の本発明流路図を１組の可逆サイ
クルとすれば、複数組をピストン往復動機構に連
結し、火災等で加熱して動力を発生させると同時
に冷凍、冷暖房機として、あるいは冷熱利用の原
動機として利用することができる。

また、機器構成が単純で、高温又は常温のピス
トンが独立であるから保守が容易となり、安価な
可逆サイクルとなる。

そして、いずれも低温又は高温となる長シリン
ダが中央部に集中するため、熱交換器とともに低
温又は高温となる部分をコンパクトにまとめるこ
とができ、原動機の場合の加熱又は冷凍機の冷凍
量の取り出しが容易になるとともに、熱の流出又
は流入が少いから、熱交換効率も高くなるという
効果が得られる。

なお、本発明の実施例では長および短ピストン
シリンダを１組又は複数組のピストン往復動機構
に連結する場合、回転軸の連結では直列にあるい
はＶ型、逆Ｔ型等に、あるいは回転斜板又は揺動
板では同心円周上に配列配置が可能で、さらに流
体の圧力制御に小型圧縮機を一体化し配置させて
駆動させることができる。

【図面の簡単な説明】

図は全て本発明可逆サイクルの機器構成に関す
るもので、第１図は２気筒の流路図、第２図は極
低温型冷凍機として用いた場合の変形流路図、第
３図はピストン往復動機構を分り易く示した部分
断面図、第４図は第３図矢示Ｘ−X′線より下方
を見た場合の４本シリンダの配置図、そして第５
図は第４図の４本シリンダの組合せを２組にした
配置図である。 １ａ，１ｂ：ほぼ常温の比較的短い複動型ピス
トン（短ピストン）、２ａ，２a′，２ｂ，２b′：
シリンダ、３ａ，３aa，３ｂ，３bb：容積可変
空間（空間）、４ａ，４ｂ：高温度又は低温度と
なる比較的長いピストン（長ピストン）、５ａ，
５ｂ：容積可変空間（空間）、６ａ，６ｂ，６
ｃ，６ｄ，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ：熱交換器、
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：蓄熱器、２０：ピスト
ン往復動機構、２３：回転斜板又は揺動板、２
６：回転軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 第１シリンダ９ａ： (b) 前記第１シリンダ９ａ内に往復動可能に装架
   された第１ピストン４ａ： (c) 前記第１シリンダ９ａと前記第１ピストン４
   ａ先端部との間に画成される第１先端可変空間
   ５ａ： (d) 前記第１シリンダ９ａと前記第１ピストン４
   ａ背面部との間に画成される第１背面可変空
   間： (e) 前記第１背面可変空間を通り前記第１ピスト
   ン４ａ背面部から下方へ延在して前記第１シリ
   ンダ９ａ外に突出する第１ロツド１０ａ： (f) 略常温に保たれる第２シリンダ２ａ： (g) 前記第２シリンダ２ａ内に往復動可能に装架
   され前記第１ピストン４ａより90度位相が遅れ
   た第２ピストン１ａ： (h) 前記第２シリンダ２ａと前記第２ピストン１
   ａ先端部との間に画成される第２先端可変空間
   ３ａ： (i) 前記第２シリンダ２ａと前記第２ピストン１
   ａ背面部との間に画成され、シール部材により
   前記第２先端可変空間３ａとの間の気密が保た
   れると共に前記第２先端可変空間３ａよりも容
   積が小さい第２背面可変空間３aa： (j) 前記第２背面可変空間３aaを通り前記第２ピ
   ストン１ａ背面部から下方へ延在して前記第２
   シリンダ２ａ外に突出する第２ロツド１０ｂ： (k) 前記第１シリンダ９ａと同じ定格を備える第
   ３シリンダ９ｂ： (l) 前記第３シリンダ９ｂ内に往復動可能に装架
   され前記第１ピストン４ａと同じ定格を備え前
   記第１ピストン４ａより180度位相が遅れた第
   ３ピストン４ｂ： (m) 前記第３シリンダ９ｂと前記第３ピストン
   ４ｂ先端部との間に画成される第３先端可変空
   間５ｂ： (n) 前記第３シリンダ９ｂと前記第３ピストン
   ４ｂ背面部との間に画成される第３背面可変空
   間： (o) 前記第３背面可変空間を通り前記第３ピス
   トン４ｂ背面部から下方へ延在して前記第３シ
   リンダ９ｂ外に突出する第３ロツド10c： (p) 略常温に保たれる第４シリンダ２ｂ： (q) 前記第２ピストン１ａと同一の定格を備え
   前記第４シリンダ２ｂ内に往復動可能に装架さ
   れ前記第３ピストン４ｂより90度位相が遅れた
   第４ピストン１ｂ： (r) 前記第４シリンダ２ｂと前記第４ピストン
   １ｂ先端部との間に画成される第４先端可変空
   間３ｂ： (s) 前記第４シリンダ２ｂと前記第４ピストン
   １ｂ背面部との間に画成され、シール部材によ
   り前記第４先端可変空間３ｂとの間の気密が保
   たれると共に前記第４先端可変空間３ｂよりも
   容積が小さい第４背面可変空間３bb： (t) 前記第４背面可変空間３bbを通り前記第４
   ピストン１ｂ背面部から下方へ延在して前記第
   ４シリンダ２ｂ外に突出する第４ロツド１０
   ｄ： (u) 前記第１先端可変空間５ａと前記第２先端
   可変空間３ａとの間に介設された第１熱交換器
   ６ａおよび第１蓄冷器８ａ： (v) 前記第３先端可変空間５ｂと前記第２背面
   可変空間３aaとの間に介設された第２熱交換器
   ６ｂおよび第２蓄冷器８ｂ： (w) 前記第３先端可変空間５ｂと前記第４先端
   可変空間３ｂとの間に介設された第３熱交換器
   ６ｃおよび第３蓄冷器８ｃ： (x) 前記第１先端可変空間５ａと前記第４背面
   可変空間３bbとの間に介設された第４熱交換
   器６ｄおよび第４蓄冷器８ｄ： ならびに、 (y) 前記第１ないし第４ロツド１０ａ，１０
   ｂ，１０ｃ，１０ｄに作用的に連結された駆動
   手段２０： を有し、前記第１先端可変空間５ａの容積を前記
   第２先端可変空間３ａと前記第２背面可変空間３
   aaの容積和よりも小ならしめると共に前記第３先
   端可変空間５ｂの容積を前記第４先端可変空間３
   ｂと前記第４背面可変容積空間３bbの容積和よ
   りも小ならしめた、可逆サイクルの機器構成。