JPH058349U - スターリングサイクルヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スターリングサイクルのヒートポンプ装置の
効率を向上させ、作動ガスの系外への漏れを防ぎ、装置
のコンパクト化を図る。 【構成】 スターリングサイクルヒートポンプ装置にお
ける冷凍機（１）のシリンダ（２）を内燃機関（２１）
のクランクケース（２７）に気密状に結合し、その結合
部で、シリンダ（２）内のディスプレーサ（３）及びパ
ワーピストン（４）を互いに所定の位相差で往復動する
ように内燃機関（２１）のピストン（２５）に連結し
て、冷凍機（１）を内燃機関（２１）により駆動するよ
うにする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、スターリングサイクルヒートポンプ装置に関し、特に、冷凍機を 内燃機関により駆動するようにしたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】

今日、フロンガスによる環境問題から、フロン冷媒を用いる蒸気圧縮式に代る 新タイプの空気調和機の開発が要求され、この一方式として、ヘリウムガスを作 動媒体とする気体圧縮式（逆スターリングヒートポンプ）のものが注目されてお り、例えばDuplexフリーピストンスターリングエンジンにスターリングヒートポ ンプを組み合わせたものや、ビルマイヤサイクルを用いたヒートポンプ装置（特 開平１−１３７１６４号公報等参照）が知られている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、これらのヒートポンプ装置では、原理及び構造上、暖房ＣＯＰ （成績係数）は高いが、冷房ＣＯＰは現行の電動蒸気圧縮式のものに比べ低い。 また、ガスの差動圧力が高く、３つの熱交換器を要する等の理由から、能力に対 する装置寸法が大きく、製造コストが高くなるという問題があった。

【０００４】 一方、地球の温暖化防止という問題から、ＣＯ2 の排出量を低減することも求 められており、空気調和機においてもエネルギーの削減が望まれている。このた め、従来、スターリングエンジンで駆動するヒートポンプ装置も提案されている が、その冷凍機はフロン冷媒を用いた開放型のものであり、フロンガスの問題を 解決できない。また、ガスエンジンで駆動するヒートポンプ装置も開発されてい るが、このものでもフロン冷媒が用いられている。

【０００５】 本考案は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的は、上記したヒートポ ンプ装置における駆動形態を改良することで、空気調和機として使用するヒート ポンプ装置の効率の向上及び小形化を図るとともに、系外への作動ガスの漏れを 防止することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

上記の目的の達成のため、請求項１の考案では、ヒートポンプ装置における冷 凍機を内燃機関で駆動することとし、かつその冷凍機と内燃機関とを気密密閉構 造により接合することとした。

【０００７】 具体的には、この考案のスターリングサイクルヒートポンプ装置は、図１及び 図２に示すように、内燃機関（２１）により駆動される冷凍機（１）を有するも のであり、上記冷凍機（１）は、内燃機関（２１）のクランクケース（２７）の 開口部に気密状に結合された開口部を有しかつ内部空間がクランクケース（２７ ）内の空間と連通された有底状のシリンダ（２）と、このシリンダ（２）内の奥 側に往復動可能に嵌挿され、シリンダ（２）内奥部に膨張空間（５）を区画する ディスプレーサ（３）と、上記シリンダ（２）内の開口側に往復動可能に嵌挿さ れ、上記ディスプレーサ（３）との間に圧縮空間（６）を区画するパワーピスト ン（４）とを備えている。

【０００８】 上記圧縮空間（６）と膨張空間（５）とは連通路（７）により連通され、該連 通路（７）には再生器（８）と、該再生器（８）の膨張空間（５）側に位置する 熱交換器からなるクーラ（９）と、上記再生器（８）の圧縮空間（６）側に位置 する熱交換器からなるヒータ（１０）とが配設されている。

【０００９】 そして、上記ディスプレーサ（３）及びパワーピストン（４）は内燃機関（２ １）のピストンに対し、所定の位相差で往復動するように内燃機関（２１）のク ランクケース（２７）と冷凍機（１）のシリンダ（２）との連結部で連結手段（ ４１）により連結されていることを特徴とする。

【００１０】 請求項２の考案では、上記連結手段（４１）は、内燃機関（２１）のピストン （２５）の往復動により回転駆動されるクランク軸（４２）を有し、このクラン ク軸（４２）には所定の位相差を有するディスプレーサ側及びパワーピストン側 クランク部（４２ｂ），（４２ｃ）が形成されており、このクランク軸（４２） のパワーピストン側クランク部（４２ｃ）はリンク（４８）及びロッド（４７） を介してパワーピストン（４）に連結される一方、ディスプレーサ側クランク部 （４２ｂ）はリンク（４６）、及び上記パワーピストン（４）の中心部を気密状 に貫通するロッド（４５）を介してディスプレーサ（３）に連結されていること を特徴とする。

【００１１】 請求項３の考案では、上記内燃機関（２１）を２サイクルレシプロエンジンと する。

【００１２】

【作用】

請求項１の考案では、冷凍機（１）のディスプレーサ（３）及びパワーピスト ン（４）が内燃機関（２１）のピストン（２５）と連結手段（４１）により連結 されているので、内燃機関（２１）のピストン（２５）の往復動に伴いディスプ レーサ（３）及びパワーピストン（４）が所定の位相差をもってシリンダ（２） 内で往復動し、ディスプレーサ（３）の往復動により作動ガスは膨張空間（５） と圧縮空間（６）との間を連通路（７）を経由して移動し、その際、ヒータ（１ ０）、再生器（８）及びクーラ（９）で熱の受渡しをする。また、パワーピスト ン（４）の往復動により作動ガスは圧縮及び膨張を繰り返して自ら加熱冷却され る。

【００１３】 そのとき、冷凍機（１）は内燃機関（２１）により駆動されるので、内燃機関 （２１）の大きな出力が直接得られ、電動駆動源に比べ駆動源効率が高い分だけ 、ヒートポンプ装置の効率を向上させることができる。

【００１４】 また、冷凍機（１）のシリンダ（２）は内燃機関（２１）のクランクケース（ ２７）に気密状に結合されていて、両者の内部空間が互いに連通され、この結合 部内でディスプレーサ（３）及びパワーピストン（４）と内燃機関（２１）のピ ストン（２５）とが連結手段（４１）により連結されているので、作動ガスの漏 れがないとともに、ヒートポンプ装置の寸法を小さくしてコンパクト化を図るこ とができる。

【００１５】 また、請求項２の考案では、内燃機関（２１）のピストン（２５）が往復動す ると、該ピストン（２５）によりクランク軸（４２）が駆動されて回転する。こ のクランク軸（４２）のパワーピストン側クランク部（４２ｃ）はリンク（４８ ）及びロッド（４７）を介して冷凍機（１）のパワーピストン（４）に、またパ ワーピストン側クランク部（４２ｃ）と所定の位相差を有するディスプレーサ側 クランク部（４２ｂ）はリンク（４６）、及びパワーピストン（４）の中心部を 気密状に貫通するロッド（４５）を介して冷凍機（１）のディスプレーサ（３） にそれぞれ連結されているため、クランク軸（４２）の回転によりディスプレー サ（３）及びパワーピストン（４）はシリンダ（２）内で所定の位相差で往復動 することとなり、内燃機関（２１）で冷凍機（１）のディスプレーサ（３）及び パワーピストン（４）を位相差をつけて往復動させる構造が容易に得られる。

【００１６】 その際、クランク軸（４２）のディスプレーサ側クランク部（４２ｂ）と冷凍 機（１）のディスプレーサ（３）とを連結するロッド（４５）はパワーピストン （４）の中心部を気密状に貫通しているので、ディスプレーサ（３）及びパワー ピストン（４）が位相差をもって往復動しても、シリンダ（２）内の圧縮空間（ ６）とクランクケース（２７）内の空間とを確実に気密シールすることができる 。

【００１７】 請求項３の考案では、内燃機関（２１）が簡単な構造で大きな出力を有する２ サイクルレシプロエンジンであるので、ヒートポンプ装置の効率の向上及びコン パクト化をより一層効果的に図ることができる。

【００１８】

【実施例】 以下、本考案の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本考案の一実施例に 係るスターリングサイクルヒートポンプ装置（Ａ）の全体構成を示し、このヒー トポンプ装置（Ａ）は空気調和機を構成している。ヒートポンプ装置（Ａ）は、 冷凍機（１）とそれを駆動する内燃機関としての２サイクルレシプロエンジン（ ２１）とを備えている。上記冷凍機（１）は一端が開口された有底状のシリンダ （２）を有し、その内部には底側（奥側）から順にディスプレーサ（３）及びパ ワーピストン（４）がそれぞれ嵌挿され、これらはシリンダ（２）内で往復動可 能とされている。上記シリンダ（２）内の底側にはディスプレーサ（３）によっ て区画される膨張空間（５）が、また中間部にはディスプレーサ（３）及びパワ ーピストン（４）によって区画される圧縮空間（６）がそれぞれ形成され、これ ら空間（５），（６）にはヘリウム等の作動ガスが充填されている。

【００１９】 上記圧縮空間（６）と膨張空間（５）とは、シリンダ（２）の壁部内に形成し たシリンダ中心と同心の断面環状の連通路（７）により連通されている。この連 通路（７）の途中部には蓄冷式熱交換器からなるアニュラ型の再生器（８）と、 該再生器（８）の膨張空間（５）側に位置するシェルアンドチューブ型の熱交換 器からなるクーラ（９）と、上記再生器（８）の圧縮空間（６）側に位置する同 様の熱交換器からなるヒータ（１０）とが配設されている。上記ヒータ（１０） 及びクーラ（９）は内部に冷媒としての冷却水が流れる伝熱管（図示せず）を有 し、この冷却水と、膨張空間（５）及び圧縮空間（６）の間で往来する作動ガス との間で熱交換を行う。上記ヒータ（１０）の伝熱管はポンプ（１１）を配設し た配管（１２）を介して室内熱交換器（１３）に、またクーラ（９）の伝熱管は ポンプ（１４）を配設した配管（１５）を介して室外熱交換器（１６）にそれぞ れ接続されている。

【００２０】 一方、エンジン（２１）は周知構造のもので、シリンダ（２２）を有するシリ ンダブロック（２３）と、このシリンダブロック（２３）の上面に気密状に組み 付けられたシリンダヘッド（２４）とを有し、上記シリンダ（２２）内にピスト ン（２５）が往復動可能に嵌挿され、このピストン（２５）の頂面、シリンダ（ ２２）及びシリンダヘッド（２４）下面により燃焼室（２６）が区画され、この 燃焼室（２６）に点火プラグ（図示せず）が臨んでいる。シリンダブロック（２ ３）の下端には下方に開放されたクランクケース（２７）が気密状に組み付けら れ、このクランクケース（２７）の下端開口部は上記冷凍機（１）のシリンダ（ ２）開口部にシール部材（２８）を介して気密状に接合され、このことで、クラ ンクケース（２７）内の空間はシリンダ（２）内における開口端部（膨張及び圧 縮空間（５），（６）以外の部分）に連通されている。

【００２１】 上記クランクケース（２７）には燃焼空気を吸入する吸気ポート（２９）が開 口されている。また、シリンダブロック（２３）にはピストン（２５）が下死点 付近にあるときに開かれてクランクケース（２７）内を燃焼室（２６）に連通さ せる掃気ポート（３０）と、この掃気ポート（３０）の開時期と同じ時期に開放 される排気ポート（３１）とが形成され、この排気ポート（３１）には排気管（ ３２）が接続されており、ピストン（２５）が下死点から上死点に向かうとき、 吸気ポート（２９）から吸気をクランクケース（２７）内に吸入するとともに、 燃焼室（２６）内の吸気を圧縮し、ピストン（２５）が上死点から下死点に向か うとき、クランクケース（２７）内の吸気を掃気ポート（３０）を介して燃焼室 （２６）に吸入するとともに、燃焼室（２６）の排気ガス（燃焼ガス）を排気ポ ート（３１）を介して排出するようになっている。

【００２２】 上記シリンダブロック（２３）及びシリンダヘッド（２４）内には冷却水を流 すウォータジャケット（３３）が形成されている。また、上記排気管（３２）の 途中には排気ガスと冷却水を熱交換させる排気熱交換器（３４）が配設されてお り、これらの冷却水は給湯用に使用される。

【００２３】 上記エンジン（２１）のクランクケース（２７）と冷凍機（１）のシリンダ（ ２）との連結部内には、冷凍機（１）のディスプレーサ（３）及びパワーピスト ン（４）を、所定の位相差（例えば９０°）で往復動するようにエンジン（２１ ）のピストン（２５）に対し連結する連結機構（４１）が設けられている。この 連結機構（４１）は、上記クランクケース（２７）に回転可能に支持されたクラ ンク軸（４２）を有し、該クランク軸（４２）には、図２に示すように、その回 転軸心に対しオフセットされたエンジン側、ディスプレーサ側及びパワーピスト ン側の３種類のクランク部（４２ａ）〜（４２ｃ）が形成されている。上記エン ジン側クランク部（４２ａ）にはコネクティングロッド（４３）を介して上記ピ ストン（２５）が連結されており、エンジン（２１）のピストン（２５）の往復 動によりクランク軸（４２）を回転駆動するようにしている。

【００２４】 また、上記パワーピストン側クランク部（４２ｃ）はディスプレーサ側クラン ク部（４２ｂ）の両側に２つ形成され、これらディスプレーサ側及びパワーピス トン側クランク部（４２ｂ），（４２ｃ）同士はディスプレーサ（３）とパワー ピストン（４）との間の位相差に対応した所定の位相角度（９０°）だけ回転方 向にずれている。上記パワーピストン側クランク部（４２ｃ），（４２ｃ）はそ れぞれ２本のロッド（４７），（４７）及びリンク（４８），（４８）を介して 上記パワーピストン（４）に連結されている。一方、上記ディスプレーサ側クラ ンク部（４２ｂ）は、上記パワーピストン（４）に形成した中心孔（４ａ）をロ ッドシール（４４）を介して気密状に摺動可能に貫通するロッド（４５）と、リ ンク（４６）を介してディスプレーサ（３）に連結されており、エンジン（２１ ）によりディスプレーサ（３）及びパワーピストン（４）を所定の位相差でもっ て往復動させるようになっている。

【００２５】 尚、クランク軸（４２）は図外の起動用モータに駆動連結されており、エンジ ン（２１）の始動時、モータによりクランク軸（４２）を回転させてエンジン（ ２１）を始動運転させる。

【００２６】 次に、上記実施例の作用について説明する。エンジン（２１）が運転され、そ のピストン（２５）がシリンダ（２２）内で往復動すると、このピストン（２５ ）の往復動に伴ってクランク軸（４２）が回転する。このクランク軸（４２）に は所定の位相角度だけずれたディスプレーサ側及びパワーピストン側クランク部 （４２ｂ），（４２ｃ）が形成され、パワーピストン側クランク部（４２ｃ）は ロッド（４７）及びリンク（４８）を介してパワーピストン（４）に、またディ スプレーサ側クランク部（４２ｂ）はロッド（４５）及びリンク（４６）を介し てディスプレーサ（３）にそれぞれ連結されているので、上記クランク軸（４２ ）の回転によりディスプレーサ（３）及びパワーピストン（４）が所定の位相差 をもってシリンダ（２）内で往復動する。このディスプレーサ（３）の往復動に より作動ガスは膨張空間（５）と圧縮空間（６）との間を連通路（７）を経由し て移動し、その間にヒータ（１０）、再生器（８）及びクーラ（９）で熱の受渡 しをする。また、パワーピストン（４）の往復動により作動ガスは圧縮及び膨張 を繰り返して自ら加熱冷却される。

【００２７】 すなわち、このスターリングサイクルのＰ−Ｖ線図は図３に、またＴ−Ｓ線図 は図４にそれぞれ示すようになり、行程１→２の等温圧縮行程では、ガスはクー ラ（９）（室外熱交換器（１６））から放熱して等温圧縮し、次の行程２→３の 等容冷却行程では、熱を再生器（８）に与えて等容冷却される。さらに、行程３ →４で、ヒータ（１０）を介して室内熱交換器（１３）から吸熱して等温膨張し 、行程４→１では、上記再生器（８）に与えた熱により等容加熱される。この行 程の繰返しにより、室内熱交換器（１３）から吸熱しかつ室外熱交換器（１６） から放熱して室内を冷房することができる。

【００２８】 この実施例では、上記のように冷凍機（１）をエンジン（２１）により駆動す ることで、エンジン（２１）の大きな出力が直接冷凍機（１）の駆動のために得 られ、電動による駆動源に比べ駆動源効率が高くなり、その分、ヒートポンプ装 置（Ａ）の効率を上げることができ、空気調和機の冷房ＣＯＰが向上する。しか も、エンジン（２１）のウォータジャケット（３３）内の冷却水及び排気熱によ り加熱された冷却水を回収して給湯用として使用するので、ヒートポンプ装置（ Ａ）の総合効率をさらに増大させることができる。

【００２９】 また、冷凍機（１）のシリンダ（２）はエンジン（２１）のクランクケース（ ２７）に気密状に結合されていて、両者の内部空間が互いに連通され、この両空 間内でディスプレーサ（３）及びパワーピストン（４）とエンジン（２１）のピ ストン（２５）とが連結機構（４１）により連結されているので、冷凍機（１） 及びエンジン（２１）の各シリンダ内が密閉構造となり、その内部でディスプレ ーサ（３）、パワーピストン（４）、ピストン（２５）及び連結機構（４１）が 移動する。それ故、作動ガスの外部への漏れがなく、しかもヒートポンプ装置（ Ａ）の寸法を小さくしてコンパクト化を図ることができる。

【００３０】 また、クランク軸（４２）のディスプレーサ側クランク部（４２ｂ）と冷凍機 （１）のディスプレーサ（３）とを連結するロッド（４５）はパワーピストン（ ４）の中心孔（４）をロッドシール（４４）を介して気密状に貫通しているので 、ディスプレーサ（３）及びパワーピストン（４）が位相差をもって往復動して も、シリンダ（２）内の圧縮空間（６）とクランクケース（２７）内の空間とを 確実に気密シールすることができる。

【００３１】 尚、上記実施例では、エンジン（２１）のピストン（２５）の往復動を一旦ク ランク軸（４２）の回転運動に変えた後、冷凍機（１）のディスプレーサ（３） 及びパワーピストン（４）の往復動に変換するようにしているが、エンジン（２ １）のピストン（２５）の往復動を回転運動に変えることなくそのままディスプ レーサ（３）及びパワーピストン（４）に伝達するようにしてもよい。

【００３２】

【考案の効果】

以上説明したように、請求項１の考案によれば、スターリングサイクルヒート ポンプ装置における冷凍機のシリンダを内燃機関のクランクケースに気密状に結 合し、その結合部で、シリンダ内のディスプレーサ及びパワーピストンを互いに 所定の位相差で往復動するように内燃機関のピストンに連結して、冷凍機を内燃 機関により駆動するようにしたことにより、内燃機関の大きな出力が直接得られ 、ヒートポンプ装置の効率を向上させることができるとともに、冷凍機のシリン ダと内燃機関のクランクケースとの気密結合により、作動ガスの漏れを防止でき 、ヒートポンプ装置の寸法を小さくしてコンパクト化を図ることができ、延いて は現行の電動蒸気圧縮式ヒートポンプ装置に匹敵する利便性を有するノンフロン 空気調和機の実現が期待できるという優れた効果が得られる。

【００３３】 請求項２の考案によると、内燃機関により回転駆動されるクランク軸に、所定 の位相差を有するディスプレーサ側及びパワーピストン側クランク部を形成し、 このクランク軸のパワーピストン側クランク部をリンク及びロッドを介してパワ ーピストンに連結する一方、ディスプレーサ側クランク部はリンク及びパワーピ ストンの中心部を気密状に貫通するロッドを介してディスプレーサに連結したの で、ディスプレーサ及びパワーピストンが位相差をもって往復動する際に、シリ ンダ内の圧縮空間とクランクケース内の空間とを確実に気密シールしながら、内 燃機関で冷凍機のディスプレーサ及びパワーピストンを位相差をつけて往復動さ せる構造が容易に得られる。

【００３４】 請求項３の考案によると、内燃機関を簡単な構造で大きな出力を有する２サイ クルレシプロエンジンで構成したことにより、ヒートポンプ装置の効率の向上及 びコンパクト化をより一層効果的に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係るヒートポンプ装置の全体
構成を示す断面図である。

【図２】図１のII方向から見た要部断面図である。

【図３】スターリングサイクルのＰ−Ｖ線図である。

【図４】スターリングサイクルのＴ−Ｓ線図である。

【符号の説明】

（Ａ）…ヒートポンプ装置 （１）…冷凍機 （２）…シリンダ （３）…ディスプレーサ （４）…パワーピストン （５）…膨張空間 （６）…圧縮空間 （８）…再生器 （９）…クーラ （１０）…ヒータ （２１）…エンジン （２５）…ピストン （２７）…クランクケース （４１）…連結機構（連結手段） （４２）…クランク軸 （４２ｂ）…ディスプレーサ側クランク部 （４２ｃ）…パワーピストン側クランク部 （４５），（４７）…ロッド （４６），（４８）…リンク

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関（２１）により駆動される冷凍
   機（１）を有するスターリングサイクルヒートポンプ装
   置であって、 上記冷凍機（１）は、内燃機関（２１）のクランクケー
   ス（２７）の開口部に気密状に結合された開口部を有し
   かつ内部空間がクランクケース（２７）内の空間と連通
   された有底状のシリンダ（２）と、 上記シリンダ（２）内の奥側に往復動可能に嵌挿され、
   シリンダ（２）内奥部に膨張空間（５）を区画するディ
   スプレーサ（３）と、 上記シリンダ（２）内の開口側に往復動可能に嵌挿さ
   れ、上記ディスプレーサ（３）との間に圧縮空間（６）
   を区画するパワーピストン（４）とを備え、 上記圧縮空間（６）と膨張空間（５）とは連通路（７）
   により連通され、該連通路（７）には再生器（８）と、
   該再生器（８）の膨張空間（５）側に位置する熱交換器
   からなるクーラ（９）と、上記再生器（８）の圧縮空間
   （６）側に位置する熱交換器からなるヒータ（１０）と
   が配設され、 上記ディスプレーサ（３）及びパワーピストン（４）は
   内燃機関（２１）のピストン（２５）に対し、所定の位
   相差で往復動するように内燃機関（２１）のクランクケ
   ース（２７）と冷凍機（１）のシリンダ（２）との連結
   部内で連結手段（４１）により連結されていることを特
   徴とするスターリングサイクルヒートポンプ装置。
2. 【請求項２】 連結手段（４１）は、内燃機関（２１）
   のピストン（２５）の往復動により回転駆動されるクラ
   ンク軸（４２）を有し、 上記クランク軸（４２）には所定の位相差を有するディ
   スプレーサ側及びパワーピストン側クランク部（４２
   ｂ），（４２ｃ）が形成され、上記パワーピストン側ク
   ランク部（４２ｃ）はリンク（４８）及びロッド（４
   ７）を介してパワーピストン（４）に連結されている一
   方、ディスプレーサ側クランク部（４２ｂ）はリンク
   （４６）、及び上記パワーピストン（４）の中心部を気
   密状に貫通するロッド（４５）を介してディスプレーサ
   （３）に連結されていることを特徴とする請求項１記載
   のスターリングサイクルヒートポンプ装置。
3. 【請求項３】 内燃機関（２１）は、２サイクルレシプ
   ロエンジンであることを特徴とする請求項１又は２記載
   のスターリングサイクルヒートポンプ装置。