JPH06137697A - 熱駆動式冷凍機 - Google Patents
熱駆動式冷凍機Info
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- JPH06137697A JPH06137697A JP4333421A JP33342192A JPH06137697A JP H06137697 A JPH06137697 A JP H06137697A JP 4333421 A JP4333421 A JP 4333421A JP 33342192 A JP33342192 A JP 33342192A JP H06137697 A JPH06137697 A JP H06137697A
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- JP
- Japan
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- 230000009291 secondary effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression 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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
- F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
- F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
- F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
- F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G2250/00—Special cycles or special engines
- F02G2250/18—Vuilleumier cycles
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 VM冷凍機に比べて効率、能力が高い熱駆動
式冷凍機を得る。 【構成】 外部より加熱される高温空間4と放熱部とし
ての中間温度空間5Aを蓄熱器7を通して作動流体を連
通させて、周期的に入れ換える高温ディスプレーサ2
と、寒冷を発生する低温空間6と放熱部としての中間温
度空間5Bを同様に作動流体を蓄冷器8を通して入れ換
える低温ディスプレーサ3の両ディスプレーサを固定さ
れた一定の位相差で駆動されることにより、連通された
3つの温度空間へ流体が連続的周期的に出入りするよう
に構成した作動流体回路内にさらに中間温度空間に1個
または複数個の可変容積空間19を付加した熱駆動型冷
凍機。
式冷凍機を得る。 【構成】 外部より加熱される高温空間4と放熱部とし
ての中間温度空間5Aを蓄熱器7を通して作動流体を連
通させて、周期的に入れ換える高温ディスプレーサ2
と、寒冷を発生する低温空間6と放熱部としての中間温
度空間5Bを同様に作動流体を蓄冷器8を通して入れ換
える低温ディスプレーサ3の両ディスプレーサを固定さ
れた一定の位相差で駆動されることにより、連通された
3つの温度空間へ流体が連続的周期的に出入りするよう
に構成した作動流体回路内にさらに中間温度空間に1個
または複数個の可変容積空間19を付加した熱駆動型冷
凍機。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この出願の発明は、宇宙用冷凍
機、クライオポンプ用などの極低温冷凍機、空調機、冷
蔵庫などの室温付近のヒートポンプなどに利用される熱
駆動式冷凍機に関するものである。
機、クライオポンプ用などの極低温冷凍機、空調機、冷
蔵庫などの室温付近のヒートポンプなどに利用される熱
駆動式冷凍機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のVM冷凍機の基本的な構成図を図
1に示す。構成としてはクランク機構1などによりある
位相差(ほとんどのものは90°)で連結、駆動される
高温ディスプレーサ2および低温ディスプレーサ3によ
り3つの温度空間4、5Aおよび5B、6に分離され
る。空間4は高温空間でヒータ9などで外部から加熱さ
れる。空間5Aおよび空間5Bは中間温度空間で、一般
的にはほぼ室温であり、冷却水などで放熱される。空間
6は低温空間で寒冷の発生部として利用される。温度の
異なる空間をつないでいるのが蓄熱器7および蓄冷器8
で温度の異なる空間に作動流体がその分布を周期的に変
えることにより圧力変動を引き起こし、その圧力変動と
流体の動き(振動)で蓄熱器7で仕事を発生し、蓄冷器
8で低温空間6から、中間温度空間5A,5Bへ熱を汲
み上げている。
1に示す。構成としてはクランク機構1などによりある
位相差(ほとんどのものは90°)で連結、駆動される
高温ディスプレーサ2および低温ディスプレーサ3によ
り3つの温度空間4、5Aおよび5B、6に分離され
る。空間4は高温空間でヒータ9などで外部から加熱さ
れる。空間5Aおよび空間5Bは中間温度空間で、一般
的にはほぼ室温であり、冷却水などで放熱される。空間
6は低温空間で寒冷の発生部として利用される。温度の
異なる空間をつないでいるのが蓄熱器7および蓄冷器8
で温度の異なる空間に作動流体がその分布を周期的に変
えることにより圧力変動を引き起こし、その圧力変動と
流体の動き(振動)で蓄熱器7で仕事を発生し、蓄冷器
8で低温空間6から、中間温度空間5A,5Bへ熱を汲
み上げている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】蓄熱器、蓄冷器付近の
作動流体の動きおよひ圧力の変化から蓄熱器7、蓄冷器
8での仕事の発生と熱輸送について考察する。図2は蓄
熱器および蓄冷器での流体の変位(動き)と圧力の変化
を表したものである。横軸ξの正の方向は図1に表した
矢印の方向で、蓄熱器、蓄冷器とも横軸の正の方向が温
度の低くなる方向である。流体周囲の固体の温度を考え
なければ、圧力が下がる(膨張する)ときに熱が吸収さ
れ、圧力が上がる(圧縮される)ときに放熱する。効率
よい仕事の発生や熱輸送が行われるためには蓄熱器では
図2(A)のように高温側で圧力が上がり吸熱され、低
温側で放熱が行われることが望ましく、蓄冷器では逆に
図2(B)のように低温側で吸熱し高温側で放熱される
ことが望ましい。このような流体の変位と圧力の位相関
係が実現するためには、両ディスプレーサがほぼ同位相
(両方が同時刻に各々の上死点に達する)であることが
必要である。ところが同位相で駆動すると圧力変動がほ
とんど取れないことになる。なぜなら、低温空間、高温
空間の変化が同位相になるので全体として平均温度の変
化が少なく、その結果、圧力の変動は小さくなってしま
う。逆に最も圧力変動が取れるのは両ディスプレーサが
ほぼ逆位相(180°位相)で駆動されたときである
か、そのときは蓄熱器、蓄冷器の中の流体の様子は図2
(C)および図2(D)の様になる。これでは吸熱、放
熱が行われない。そこで現実の機器はその中間を取り約
90°の位相差になるようにクランク機構などで構成し
ている。そのときの蓄熱器、蓄冷器での圧力と流体変位
の関係は図2(E)および図2(F)のようになる。こ
の図からわかるように図2(A)、図2(B)よりは小
さいものの、両空間で吸熱はある程度実現できることに
なる。しかし機器としての効率、能力を上げるためには
できるだけ図2(A)、図2(B)を蓄熱器、蓄冷器の
中で実現させるように近づけることがその課題であり、
この出願の発明はこの課題の解決を狙ったものである。
この課題は別の表現をすると次のように言い替えられ
る。即ち、両ディスプレーサの駆動はほぼ同位相にしな
がら十分な圧力変動が得られ、適切な圧力との位相関係
を実現することである。そのためには従来のように全体
の容積が一定になる構造では実現不可能である。
作動流体の動きおよひ圧力の変化から蓄熱器7、蓄冷器
8での仕事の発生と熱輸送について考察する。図2は蓄
熱器および蓄冷器での流体の変位(動き)と圧力の変化
を表したものである。横軸ξの正の方向は図1に表した
矢印の方向で、蓄熱器、蓄冷器とも横軸の正の方向が温
度の低くなる方向である。流体周囲の固体の温度を考え
なければ、圧力が下がる(膨張する)ときに熱が吸収さ
れ、圧力が上がる(圧縮される)ときに放熱する。効率
よい仕事の発生や熱輸送が行われるためには蓄熱器では
図2(A)のように高温側で圧力が上がり吸熱され、低
温側で放熱が行われることが望ましく、蓄冷器では逆に
図2(B)のように低温側で吸熱し高温側で放熱される
ことが望ましい。このような流体の変位と圧力の位相関
係が実現するためには、両ディスプレーサがほぼ同位相
(両方が同時刻に各々の上死点に達する)であることが
必要である。ところが同位相で駆動すると圧力変動がほ
とんど取れないことになる。なぜなら、低温空間、高温
空間の変化が同位相になるので全体として平均温度の変
化が少なく、その結果、圧力の変動は小さくなってしま
う。逆に最も圧力変動が取れるのは両ディスプレーサが
ほぼ逆位相(180°位相)で駆動されたときである
か、そのときは蓄熱器、蓄冷器の中の流体の様子は図2
(C)および図2(D)の様になる。これでは吸熱、放
熱が行われない。そこで現実の機器はその中間を取り約
90°の位相差になるようにクランク機構などで構成し
ている。そのときの蓄熱器、蓄冷器での圧力と流体変位
の関係は図2(E)および図2(F)のようになる。こ
の図からわかるように図2(A)、図2(B)よりは小
さいものの、両空間で吸熱はある程度実現できることに
なる。しかし機器としての効率、能力を上げるためには
できるだけ図2(A)、図2(B)を蓄熱器、蓄冷器の
中で実現させるように近づけることがその課題であり、
この出願の発明はこの課題の解決を狙ったものである。
この課題は別の表現をすると次のように言い替えられ
る。即ち、両ディスプレーサの駆動はほぼ同位相にしな
がら十分な圧力変動が得られ、適切な圧力との位相関係
を実現することである。そのためには従来のように全体
の容積が一定になる構造では実現不可能である。
【0004】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、外部
より加熱される高温空間と放熱部としての中間温度空間
を蓄熱器を通して作動流体を連通させて、周期的に入れ
換える高温ディスプレーサと、寒冷を発生する低温空間
と放熱部としての中間温度空間を同様に作動流体を蓄冷
器を通して入れ換える低温ディスプレーサの両ディスプ
レーサを固定された一定の位相差で駆動されることによ
り、連通された3つの温度空間へ流体が速続的周期的に
出入りするように構成した作動流体回路内にさらに中間
温度空間に1個または複数個の可変容積空間を付加した
ことを特徴とする熱駆動型冷凍機である。
より加熱される高温空間と放熱部としての中間温度空間
を蓄熱器を通して作動流体を連通させて、周期的に入れ
換える高温ディスプレーサと、寒冷を発生する低温空間
と放熱部としての中間温度空間を同様に作動流体を蓄冷
器を通して入れ換える低温ディスプレーサの両ディスプ
レーサを固定された一定の位相差で駆動されることによ
り、連通された3つの温度空間へ流体が速続的周期的に
出入りするように構成した作動流体回路内にさらに中間
温度空間に1個または複数個の可変容積空間を付加した
ことを特徴とする熱駆動型冷凍機である。
【0005】
【作用】この出願の発明では、高温、低温両ディスプレ
ーサをクランク機構などで同位相に駆動し、さらに作動
流体空間の一部に可変容積空間を設けたことにより、可
変容積空間の容積変化の効果により蓄熱器、蓄冷器での
流体変位と圧力変動との位相関係をそれぞれ図2
(A)、図2(B)に近づけることができ、機器として
の効率、能力を向上させることができる。
ーサをクランク機構などで同位相に駆動し、さらに作動
流体空間の一部に可変容積空間を設けたことにより、可
変容積空間の容積変化の効果により蓄熱器、蓄冷器での
流体変位と圧力変動との位相関係をそれぞれ図2
(A)、図2(B)に近づけることができ、機器として
の効率、能力を向上させることができる。
【0006】
【実施例】この出願の発明の具体的な第1実施例を図3
により、第2実施例を図4により、第3実施例を図5に
より、第4実施例を図6により、第5実施例を図7によ
りそれぞれ説明する。
により、第2実施例を図4により、第3実施例を図5に
より、第4実施例を図6により、第5実施例を図7によ
りそれぞれ説明する。
【0007】図3の第1実施例はピストン13とクラン
クなどの駆動機構14により可変容積空間19を構成し
たものである。その駆動は図示していないモータなどで
ディスプレーサ2,3の駆動系とは切り離して、任意の
位相で駆動できるものとする。ピストン13の駆動位相
は常に蓄熱器7および蓄冷器8内での流体の変位と圧力
の位相関係が図2(A)および図2(B)となるように
制御するものとする。その制御はディスプレーサ2,3
とピストン13の駆動系の間の図示していないそれぞれ
の位置検出器と圧力変化のセンサーとにより比較的簡単
な制御系で可能である。その位相は低温空間6の温度に
より異なることは容易に理解できる。これと同様なこと
はその駆動機構としてリニアモータを用いても可能であ
る。
クなどの駆動機構14により可変容積空間19を構成し
たものである。その駆動は図示していないモータなどで
ディスプレーサ2,3の駆動系とは切り離して、任意の
位相で駆動できるものとする。ピストン13の駆動位相
は常に蓄熱器7および蓄冷器8内での流体の変位と圧力
の位相関係が図2(A)および図2(B)となるように
制御するものとする。その制御はディスプレーサ2,3
とピストン13の駆動系の間の図示していないそれぞれ
の位置検出器と圧力変化のセンサーとにより比較的簡単
な制御系で可能である。その位相は低温空間6の温度に
より異なることは容易に理解できる。これと同様なこと
はその駆動機構としてリニアモータを用いても可能であ
る。
【0008】図4の第2実施例はピストン13の駆動位
相制御をピストンとしてフリーピストンリニア発電機に
してその発電負荷を調節することで行うもので、ピスト
ン13とその作動流体と触れる反対の空間に配置したバ
ネ17で構成される共振系とする。図4ではピストン1
3を永久磁石としその外側にコイル15を巻いて負荷抵
抗16を接続してある。リニア発電機としてはコイルを
ピストンとして動かすなど別の方法も考えられる。負荷
抵抗の大きさを調節することで圧力とピストンの位相差
は制御可能となり最適位相で駆動されることになる。
相制御をピストンとしてフリーピストンリニア発電機に
してその発電負荷を調節することで行うもので、ピスト
ン13とその作動流体と触れる反対の空間に配置したバ
ネ17で構成される共振系とする。図4ではピストン1
3を永久磁石としその外側にコイル15を巻いて負荷抵
抗16を接続してある。リニア発電機としてはコイルを
ピストンとして動かすなど別の方法も考えられる。負荷
抵抗の大きさを調節することで圧力とピストンの位相差
は制御可能となり最適位相で駆動されることになる。
【0009】図5の第3実施例、図6の第4実施例は前
記2つの実施例とは違い、外部から積極的に位相調節を
行わずにフリーピストンの自立的な位相関係の成立を利
用して駆動するものである。図5ではバネ17とピスト
ン13で共振系を構成し、図6では図5のバネをピスト
ンの作動流体と触れる反対側の空間18をガススプリン
グとして構成したものである。一般的に共振系とそれに
対する振動する外力が働く場合、共振系の固有振動数よ
り高い周波数で外力が振動すると共振体は外力とはほぼ
逆の位相(180°)で振動する。さらにその共振系の
運動が外力より支配的であると外力を内消してさらにそ
の共振系により発生する力が表に現れてくる。このこと
をこの第4実施例に適用すると、系内の圧力がディスプ
レーサの駆動により変化した場合このピストン13は駆
動振動数より低い固有振動数を持っていると、その圧力
変動を打ち消す方向に動き、その容積変化による圧力変
動が大きいと、元々とは逆の位相の圧力変動を誘起す
る。その結果、ピストン13が圧力変動の支配的な可変
容積部となり蓄熱器7の中で図2(A)の位相関係、蓄
冷器11の中で図2(B)の位相関係が成立することが
可能になる。
記2つの実施例とは違い、外部から積極的に位相調節を
行わずにフリーピストンの自立的な位相関係の成立を利
用して駆動するものである。図5ではバネ17とピスト
ン13で共振系を構成し、図6では図5のバネをピスト
ンの作動流体と触れる反対側の空間18をガススプリン
グとして構成したものである。一般的に共振系とそれに
対する振動する外力が働く場合、共振系の固有振動数よ
り高い周波数で外力が振動すると共振体は外力とはほぼ
逆の位相(180°)で振動する。さらにその共振系の
運動が外力より支配的であると外力を内消してさらにそ
の共振系により発生する力が表に現れてくる。このこと
をこの第4実施例に適用すると、系内の圧力がディスプ
レーサの駆動により変化した場合このピストン13は駆
動振動数より低い固有振動数を持っていると、その圧力
変動を打ち消す方向に動き、その容積変化による圧力変
動が大きいと、元々とは逆の位相の圧力変動を誘起す
る。その結果、ピストン13が圧力変動の支配的な可変
容積部となり蓄熱器7の中で図2(A)の位相関係、蓄
冷器11の中で図2(B)の位相関係が成立することが
可能になる。
【0010】図7の第5実施例は図6のフリーピストン
13と同様の働きをするフリーピストン13、13’を
それぞれディスプレーサ2、3の下部同軸上に配したも
のである。
13と同様の働きをするフリーピストン13、13’を
それぞれディスプレーサ2、3の下部同軸上に配したも
のである。
【0011】
【発明の効果】この出願の発明によれば、従来のVM冷
凍機に比べ蓄熱器での仕事の発生および蓄冷器での熱輸
送が増加し、効率も向上する。さらに2つのディスプレ
ーサを同位相つまり対称性の良い駆動が可能となり振動
や騒音が低減されるなどの副次的な効果もある。
凍機に比べ蓄熱器での仕事の発生および蓄冷器での熱輸
送が増加し、効率も向上する。さらに2つのディスプレ
ーサを同位相つまり対称性の良い駆動が可能となり振動
や騒音が低減されるなどの副次的な効果もある。
【図1】従来の熱駆動型冷凍機(VM冷凍機)の基本構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図2】蓄熱機、蓄冷器の中での圧力と流体変位との位
相関係を示す図である。
相関係を示す図である。
【図3】この出願の発明の第1実施例を示す図である。
【図4】この出願の発明の第2実施例を示す図である。
【図5】この出願の発明の第3実施例を示す図である。
【図6】この出願の発明の第4実施例を示す図である。
【図7】この出願の発明の第5実施例を示す図である。
1 クランク機構などの駆動系 2 高温ディスプレーサ 3 低温ディスプレーサ 4 高温空間 5 中温空間 5’中温空間 6 低温空間 7 蓄熱器 8 寒冷器 9 加熱用ヒーター 10 高温熱交換器 11 中温熱交換器 11’中温熱交換器 12 低温熱交換器 13 可変容積空間用ピストン 13’可変容積空間用ピストン 14 駆動機構 15 発電用コイル 16 負荷抵抗 17 バネ 18 空間 19可変容積空間
Claims (1)
- 【請求項1】 外部より加熱される高温空間と放熱部と
しての中間温度空間を蓄熱器を通して作動流体を連通さ
せて、周期的に入れ換える高温ディスプレーサと、寒冷
を発生する低温空間と放熱部としての中間温度空間を同
様に作動流体を蓄冷器を通して入れ換える低温ディスプ
レーサの両ディスプレーサを固定された一定の位相差で
駆動されることにより、連通された3つの温度空間へ流
体が連続的周期的に出入りするように構成した作動流体
回路内にさらに中間温度空間に1個または複数個の可変
容積空間を付加したことを特徴とする熱駆動型冷凍機。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4333421A JPH06137697A (ja) | 1992-10-29 | 1992-10-29 | 熱駆動式冷凍機 |
| US08/143,140 US5406801A (en) | 1992-10-29 | 1993-10-29 | Thermally operated refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4333421A JPH06137697A (ja) | 1992-10-29 | 1992-10-29 | 熱駆動式冷凍機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06137697A true JPH06137697A (ja) | 1994-05-20 |
Family
ID=18265927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4333421A Pending JPH06137697A (ja) | 1992-10-29 | 1992-10-29 | 熱駆動式冷凍機 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5406801A (ja) |
| JP (1) | JPH06137697A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012533018A (ja) * | 2009-07-07 | 2012-12-20 | グローバル・クーリング・インク | ガンマ型フリー・ピストン・スターリング機関の構成 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06201207A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-07-19 | Daikin Ind Ltd | ヴィルミエヒートポンプ装置 |
| ATE166700T1 (de) * | 1994-12-08 | 1998-06-15 | Bomin Solar Holding Ag | Vorrichtung mit einem antrieb und einer vom antrieb antreibbaren maschine |
| US7013639B2 (en) * | 2003-12-29 | 2006-03-21 | Qnk Cooling Systems Inc. | Heat differential power system |
| JP4630626B2 (ja) * | 2004-10-21 | 2011-02-09 | 株式会社サクション瓦斯機関製作所 | 熱機関 |
| DE102008009782A1 (de) * | 2008-02-19 | 2009-08-27 | BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH | Hausgerät zum Trocknen eines feuchten Gutes mit einer Kühlanordnung und einer Heizanordnung |
| CN104848576B (zh) * | 2015-04-30 | 2017-04-19 | 中国科学院理化技术研究所 | 热驱动斯特林制冷机 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3523427A (en) * | 1968-12-23 | 1970-08-11 | Garrett Corp | Gas engine-refrigerator |
| US4642988A (en) * | 1981-08-14 | 1987-02-17 | New Process Industries, Inc. | Solar powered free-piston Stirling engine |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5406801A (en) | 1995-04-18 |
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