JPH0719637A - 熱ガス機関 - Google Patents
熱ガス機関Info
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- JPH0719637A JPH0719637A JP18337093A JP18337093A JPH0719637A JP H0719637 A JPH0719637 A JP H0719637A JP 18337093 A JP18337093 A JP 18337093A JP 18337093 A JP18337093 A JP 18337093A JP H0719637 A JPH0719637 A JP H0719637A
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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
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/001—Gas cycle refrigeration machines with a linear configuration or a linear motor
Landscapes
- Vibration Prevention Devices (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 出力密度が高くて小型軽量な熱ガス機関を提
供すること。 【構成】 中温室又はガス流路に補助シリンダ１０３内
に補助ピストン１０５をバネ手段１０７により移動可能
に付勢した状態で配置した補助シリンダ手段１０１を接
続するように構成した。この場合、中温室又はガス流路
に補助シリンダ１０３内に一対の補助ピストンをバネ手
段により移動可能に付勢した状態で配置した補助シリン
ダ手段１０１を接続するようにしてもよい。その際、上
記の各補助ピストン１０５等を電磁駆動可能にすること
が考えられる。
供すること。 【構成】 中温室又はガス流路に補助シリンダ１０３内
に補助ピストン１０５をバネ手段１０７により移動可能
に付勢した状態で配置した補助シリンダ手段１０１を接
続するように構成した。この場合、中温室又はガス流路
に補助シリンダ１０３内に一対の補助ピストンをバネ手
段により移動可能に付勢した状態で配置した補助シリン
ダ手段１０１を接続するようにしてもよい。その際、上
記の各補助ピストン１０５等を電磁駆動可能にすること
が考えられる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，低温熱源，中温熱源，
高温熱源の間で動作し，作動ガスが移動することによ
り，高温熱源より得た熱エネルギ−（熱仕事）によって
低温熱源から吸熱するとともに中温熱源に放熱を行う熱
ガス機関に係り，特に，出力密度（単位重量当たりの出
力）を高めるとともに軽量・小型化を図ったものに関す
る。
高温熱源の間で動作し，作動ガスが移動することによ
り，高温熱源より得た熱エネルギ−（熱仕事）によって
低温熱源から吸熱するとともに中温熱源に放熱を行う熱
ガス機関に係り，特に，出力密度（単位重量当たりの出
力）を高めるとともに軽量・小型化を図ったものに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】熱ガス機関としては，例えば，特開平３
−２４４９６８号公報，特開平４−６０３５３号公報に
示すようなもの，或いは，特願平３−３２４７２７号，
特願平３−３２４７７５号，特願平３−３２４７７６
号，特願平３−３２４７７７号に係る願書に添付した明
細書等に記載されているようなものがある。これらに示
されている熱ガス機関は，高温側ディスプレ−サピスト
ン及び低温側ディスプレ−サピストンを往復動させる手
段としてはクランク機構の構造を利用している。そのよ
うなクランク機構を利用する場合には，高温側ディスプ
レ−サピストン及び低温側ディスプレ−サピストンの位
相やストロ−クを正確に規定することができるという利
点があるが，反面，それらの機構部品（クランク機構
等）を収納するための大きなハウジングが必要となり，
そのため，機器の大型化や大重量化を誘発していた。
−２４４９６８号公報，特開平４−６０３５３号公報に
示すようなもの，或いは，特願平３−３２４７２７号，
特願平３−３２４７７５号，特願平３−３２４７７６
号，特願平３−３２４７７７号に係る願書に添付した明
細書等に記載されているようなものがある。これらに示
されている熱ガス機関は，高温側ディスプレ−サピスト
ン及び低温側ディスプレ−サピストンを往復動させる手
段としてはクランク機構の構造を利用している。そのよ
うなクランク機構を利用する場合には，高温側ディスプ
レ−サピストン及び低温側ディスプレ−サピストンの位
相やストロ−クを正確に規定することができるという利
点があるが，反面，それらの機構部品（クランク機構
等）を収納するための大きなハウジングが必要となり，
そのため，機器の大型化や大重量化を誘発していた。
【０００３】又，クランク機構の軸受等運動を支える部
品に負荷が掛かるために潤滑油を使用することが必要と
なる。そのような潤滑油としては液体の油が考えられ
る。ところが，熱ガス機関の場合には，機関の作動空間
内への異物の浸入は好ましいことではない。そこで，上
記のような液体の油を使用するのではなく，軸受として
転がり軸受を使用するとともに潤滑油としてはいわゆる
グリ−スを使用することが考えられている。グリ−スの
場合には液体油の場合のように機関の作動空間内への浸
入がないからである。しかしながら，その場合には，軸
受の冷却が不十分となり軸受の寿命が短くなったり，軸
受の大型化を来してしまうという問題があった。
品に負荷が掛かるために潤滑油を使用することが必要と
なる。そのような潤滑油としては液体の油が考えられ
る。ところが，熱ガス機関の場合には，機関の作動空間
内への異物の浸入は好ましいことではない。そこで，上
記のような液体の油を使用するのではなく，軸受として
転がり軸受を使用するとともに潤滑油としてはいわゆる
グリ−スを使用することが考えられている。グリ−スの
場合には液体油の場合のように機関の作動空間内への浸
入がないからである。しかしながら，その場合には，軸
受の冷却が不十分となり軸受の寿命が短くなったり，軸
受の大型化を来してしまうという問題があった。
【０００４】そこで，上記のような問題を解決するもの
として，高温側ディスプレ−サピストン及び低温側ディ
スプレ−サピストンをバネ手段（例えば，コイルスプリ
ング，ガスバネ）によって支持する構成が提案されてお
り，その構成を図９に示す。この図９に示す構成は，例
えば，次の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す文献に記載さ
れている。 （Ａ）ＪP.Budliger,"STIRLING HEAT PUMP SYSTEM WITH
RESONANCE TUBE",5thINTERNANIONAL STIRLING ENGINE
CONFERENCE, MAY 1991, Dubrovnik,Yugoslavia, p149-1
54 （Ｂ）J.P.Budliger,"STIRLING HEAT PUMP SYSTEM WITH
RESONANCE TUBE",6thINTERNATIONAL STIRLING ENGINE
CONFERENCE, MAY 1993, Eindhoven,Netherland, p25-30
5 （Ｃ）S.Schulz "A Linear Model of a Free-Piston Vu
illermier MachineCompared to Experimental Result o
f a Prototype", Proc of the 27thInternational Conf
erence of Energy Conversion, 1992
として，高温側ディスプレ−サピストン及び低温側ディ
スプレ−サピストンをバネ手段（例えば，コイルスプリ
ング，ガスバネ）によって支持する構成が提案されてお
り，その構成を図９に示す。この図９に示す構成は，例
えば，次の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す文献に記載さ
れている。 （Ａ）ＪP.Budliger,"STIRLING HEAT PUMP SYSTEM WITH
RESONANCE TUBE",5thINTERNANIONAL STIRLING ENGINE
CONFERENCE, MAY 1991, Dubrovnik,Yugoslavia, p149-1
54 （Ｂ）J.P.Budliger,"STIRLING HEAT PUMP SYSTEM WITH
RESONANCE TUBE",6thINTERNATIONAL STIRLING ENGINE
CONFERENCE, MAY 1993, Eindhoven,Netherland, p25-30
5 （Ｃ）S.Schulz "A Linear Model of a Free-Piston Vu
illermier MachineCompared to Experimental Result o
f a Prototype", Proc of the 27thInternational Conf
erence of Energy Conversion, 1992
【０００５】図９に示すように，ハウジング１内には，
高温側ディスプレ−サピストン３と，低温側ディスプレ
−サピストン５が夫々収容・配置されている。上記高温
側ディスプレ−サピストン３は，バネ手段としてのコイ
ルスプリング７によって図中上方に付勢されている。
又，上記低温側ディスプレ−サピストン５は，同じくバ
ネ手段としてのコイルスプリング９によって図中下方に
付勢されている。又，ハウジング１の外側には，加熱器
１０，高温側再生器１１，高温側中温熱交換器１３，低
温側中温熱交換器１５，低温側再生器１７，低温用熱交
換器１９が設置されている。
高温側ディスプレ−サピストン３と，低温側ディスプレ
−サピストン５が夫々収容・配置されている。上記高温
側ディスプレ−サピストン３は，バネ手段としてのコイ
ルスプリング７によって図中上方に付勢されている。
又，上記低温側ディスプレ−サピストン５は，同じくバ
ネ手段としてのコイルスプリング９によって図中下方に
付勢されている。又，ハウジング１の外側には，加熱器
１０，高温側再生器１１，高温側中温熱交換器１３，低
温側中温熱交換器１５，低温側再生器１７，低温用熱交
換器１９が設置されている。
【０００６】そして，図９に示す熱ガス機関の場合には
共鳴用管２１を使用し，この共鳴用管２１によって，従
来機器の大型化等の原因となっていたクランク機構を不
要として，前述したような問題点を解決しようとするも
のである。上記図９に示した熱ガス機関について，高温
側ディスプレ−サピストン３及び低温側ディスプレ−サ
ピストン５の変位と作動ガス圧力の変動を測定すると，
図１０に示すような特性を得ることができた。同図にお
いて，横軸は変位（度）を，縦軸に示したＸE，ＰE ，
ＸHP，ＰHPは，夫々高温側ディスプレ−サピストンの変
動，その作動ガス圧力変動，低温側ディスプレ−サピス
トンの変動，その作動ガス圧力変動を示す。これに対し
て，図９に示す構成から共鳴用管２１を削除した場合に
は，その特性が図１１に示すようなものになった。これ
ら図１０及び図１１に示す特性から明らかなように，共
鳴用管２１を使用することにより，圧力変動の位相に遅
れが発生し，図１２のＰＶ線図に示すように，各作動室
における吸熱と放熱が発生するものである。尚，図にお
いて，横軸は行程容積を，縦軸は圧力比を示す。
共鳴用管２１を使用し，この共鳴用管２１によって，従
来機器の大型化等の原因となっていたクランク機構を不
要として，前述したような問題点を解決しようとするも
のである。上記図９に示した熱ガス機関について，高温
側ディスプレ−サピストン３及び低温側ディスプレ−サ
ピストン５の変位と作動ガス圧力の変動を測定すると，
図１０に示すような特性を得ることができた。同図にお
いて，横軸は変位（度）を，縦軸に示したＸE，ＰE ，
ＸHP，ＰHPは，夫々高温側ディスプレ−サピストンの変
動，その作動ガス圧力変動，低温側ディスプレ−サピス
トンの変動，その作動ガス圧力変動を示す。これに対し
て，図９に示す構成から共鳴用管２１を削除した場合に
は，その特性が図１１に示すようなものになった。これ
ら図１０及び図１１に示す特性から明らかなように，共
鳴用管２１を使用することにより，圧力変動の位相に遅
れが発生し，図１２のＰＶ線図に示すように，各作動室
における吸熱と放熱が発生するものである。尚，図にお
いて，横軸は行程容積を，縦軸は圧力比を示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の構成による
と次のような問題があった。まず，共鳴用管２１の長さ
の設定に関する問題がある。すなわち，上記文献中に
は，共鳴用管２１と作動ガスの分子量の調整に関する詳
細が述べられていて，それによると，作動ガスの成分に
はヘリウムと二酸化炭素の混合ガスを使用し，例えば，
4.2mの共鳴用管２１の固有振動数を４４Ｈｚとするため
に，混合ガスの分子量を24乃至28としなければならない
とある。このことは，作動ガスの約５０％が二酸化炭素
であることを意味しており，分子量が大きい二酸化炭素
の含有量が多いことは，その作動ガスが熱交換器１３，
１５，１９内を流通する場合の流動損失が大きいことを
意味している。このように，流動損失，還元すれば圧力
損失が大きくなると，熱ガス機関としての機関効率が低
下してしまうことになる。又，そのような圧力損失を小
さくするためには，共鳴用管２１の長さを長くすること
が考えられる。つまり，共鳴用管２１の特性からすれ
ば，固有振動数を保ちながら作動ガスの分子量を小さく
するためには，共鳴用管２１の長さを長くすればよいか
らである。しかしながら，それでは，機器の大型化を来
してしまうことになる。
と次のような問題があった。まず，共鳴用管２１の長さ
の設定に関する問題がある。すなわち，上記文献中に
は，共鳴用管２１と作動ガスの分子量の調整に関する詳
細が述べられていて，それによると，作動ガスの成分に
はヘリウムと二酸化炭素の混合ガスを使用し，例えば，
4.2mの共鳴用管２１の固有振動数を４４Ｈｚとするため
に，混合ガスの分子量を24乃至28としなければならない
とある。このことは，作動ガスの約５０％が二酸化炭素
であることを意味しており，分子量が大きい二酸化炭素
の含有量が多いことは，その作動ガスが熱交換器１３，
１５，１９内を流通する場合の流動損失が大きいことを
意味している。このように，流動損失，還元すれば圧力
損失が大きくなると，熱ガス機関としての機関効率が低
下してしまうことになる。又，そのような圧力損失を小
さくするためには，共鳴用管２１の長さを長くすること
が考えられる。つまり，共鳴用管２１の特性からすれ
ば，固有振動数を保ちながら作動ガスの分子量を小さく
するためには，共鳴用管２１の長さを長くすればよいか
らである。しかしながら，それでは，機器の大型化を来
してしまうことになる。
【０００８】又，この種の熱ガス機関は，いわゆる熱駆
動型ヒ−トポンプと称されるものであり，燃焼等の高温
熱源を駆動源として冷暖房を行う機器であり，その最大
の特徴は，冷媒として気体（ヘリウム，窒素等）を使用
し，フロン等を一切使用しないことにある。しかしなが
ら，フロンを冷媒として使用するランキンサイクルの冷
凍機（蒸発式冷凍機）に比べて，出力密度（単位重量当
たりの出力）が小さいという欠点がある。そのため，一
般的な冷凍機に比べて大型であり，広い設置スペ−スを
必要としてしまうという問題を潜在的に持っているもの
である。つまり既に述べた共鳴用管２１の長さの問題と
あいまって，出力密度が小さくて大型であるという問題
がある。
動型ヒ−トポンプと称されるものであり，燃焼等の高温
熱源を駆動源として冷暖房を行う機器であり，その最大
の特徴は，冷媒として気体（ヘリウム，窒素等）を使用
し，フロン等を一切使用しないことにある。しかしなが
ら，フロンを冷媒として使用するランキンサイクルの冷
凍機（蒸発式冷凍機）に比べて，出力密度（単位重量当
たりの出力）が小さいという欠点がある。そのため，一
般的な冷凍機に比べて大型であり，広い設置スペ−スを
必要としてしまうという問題を潜在的に持っているもの
である。つまり既に述べた共鳴用管２１の長さの問題と
あいまって，出力密度が小さくて大型であるという問題
がある。
【０００９】本発明はこのような点に基づいてなされた
もので，その目的とするところは，上記したような問題
点（課題）を解決して，出力密度が高くて軽量・小型な
熱ガス機関を提供することにある。
もので，その目的とするところは，上記したような問題
点（課題）を解決して，出力密度が高くて軽量・小型な
熱ガス機関を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するべく
本願発明による熱ガス機関は，作動ガスが封入されたハ
ウジングと，上記ハウジング内に移動可能であって対向
した位置にそれぞれ配置されハウジング内を高温室，中
温室，低温室に区画する高温側ディスプレ−サピストン
及び低温側ディスプレ−サピストンと，ガス流路に配置
された熱交換器及び再生器と，上記高温側ディスプレ−
サピストン及び低温側ディスプレ−サピストンをそれぞ
れ移動可能に支持するバネ手段とを具備してなる熱ガス
機関において，上記中温室又はガス流路に補助シリンダ
手段を接続し，該補助シリンダ手段は補助シリンダ内に
補助ピストンをバネ手段により移動可能に付勢した状態
で配置した構成であることを特徴とするものである。
本願発明による熱ガス機関は，作動ガスが封入されたハ
ウジングと，上記ハウジング内に移動可能であって対向
した位置にそれぞれ配置されハウジング内を高温室，中
温室，低温室に区画する高温側ディスプレ−サピストン
及び低温側ディスプレ−サピストンと，ガス流路に配置
された熱交換器及び再生器と，上記高温側ディスプレ−
サピストン及び低温側ディスプレ−サピストンをそれぞ
れ移動可能に支持するバネ手段とを具備してなる熱ガス
機関において，上記中温室又はガス流路に補助シリンダ
手段を接続し，該補助シリンダ手段は補助シリンダ内に
補助ピストンをバネ手段により移動可能に付勢した状態
で配置した構成であることを特徴とするものである。
【００１１】又，作動ガスが封入されたハウジングと，
上記ハウジング内に移動可能であって対向した位置にそ
れぞれ配置されハウジング内を高温室，中温室，低温室
に区画する高温側ディスプレ−サピストン及び低温側デ
ィスプレ−サピストンと，ガス流路に配置された熱交換
器及び再生器と，上記高温側ディスプレ−サピストン及
び低温側ディスプレ−サピストンをそれぞれ移動可能に
支持するバネ手段とを具備してなる熱ガス機関におい
て，上記中温室又はガス流路に補助シリンダ手段を接続
し，該補助シリンダ手段は補助シリンダ内に一対の補助
ピストンをバネ手段により夫々移動可能に付勢した状態
で配置した構成であることを特徴とするものである。
又，上記した各熱ガス機関において，補助ピストンを電
磁駆動することが考えられる。
上記ハウジング内に移動可能であって対向した位置にそ
れぞれ配置されハウジング内を高温室，中温室，低温室
に区画する高温側ディスプレ−サピストン及び低温側デ
ィスプレ−サピストンと，ガス流路に配置された熱交換
器及び再生器と，上記高温側ディスプレ−サピストン及
び低温側ディスプレ−サピストンをそれぞれ移動可能に
支持するバネ手段とを具備してなる熱ガス機関におい
て，上記中温室又はガス流路に補助シリンダ手段を接続
し，該補助シリンダ手段は補助シリンダ内に一対の補助
ピストンをバネ手段により夫々移動可能に付勢した状態
で配置した構成であることを特徴とするものである。
又，上記した各熱ガス機関において，補助ピストンを電
磁駆動することが考えられる。
【００１２】
【作用】従来のものでは，共鳴用管を使用することによ
り，クランク機構を使用していた場合の不具合を解消す
るようにしていたのに対して，本発明のものではこれを
補助シリンダ手段によって実現しようとするものであ
る。即ち，この種の補助シリンダ手段を使用し，高温側
ディスプレ−サピストン，低温側ディスプレ−サピスト
ン，補助ピストンの質量，各バネ手段のばね定数等を適
宜選択して設定することにより，分子量の小さな単一の
作動ガスの使用を可能とした。又，それによって，流動
抵抗を低減させて機関効率を高めるとともに，共鳴用管
を使用した場合のような装置の大型化を防止し，軽量小
型化を実現した。又，補助ピストンを電磁駆動可能にす
ることにより付加価値を高めることを可能とした。
り，クランク機構を使用していた場合の不具合を解消す
るようにしていたのに対して，本発明のものではこれを
補助シリンダ手段によって実現しようとするものであ
る。即ち，この種の補助シリンダ手段を使用し，高温側
ディスプレ−サピストン，低温側ディスプレ−サピスト
ン，補助ピストンの質量，各バネ手段のばね定数等を適
宜選択して設定することにより，分子量の小さな単一の
作動ガスの使用を可能とした。又，それによって，流動
抵抗を低減させて機関効率を高めるとともに，共鳴用管
を使用した場合のような装置の大型化を防止し，軽量小
型化を実現した。又，補助ピストンを電磁駆動可能にす
ることにより付加価値を高めることを可能とした。
【００１３】
【実施例】以下，図１乃至図４を参照して本発明の第１
実施例を説明する。尚，従来と同一部分には同一符号を
付して示しその説明は省略する。この実施例の場合に
は，従来の共鳴用管の代わりに，補助シリンダ手段１０
１を使用する構成にしたものである。上記補助シリンダ
手段１０１は，補助シリンダ１０３と，この補助シリン
ダ１０３内に移動可能に収容された補助ピストン１０５
と，この補助ピストン１０５を付勢するバネ手段として
の補助コイルスプリング１０７とから構成されている。
このような構成をなす補助シリンダ手段１０１によっ
て，従来の共鳴用管と同様の機能を発揮させようとする
ものである。すなわち，この実施例の特徴は，バネ手段
としての各コイルスプリング７，９及び１０７によって
２個のディスプレ−サピストン３，５，補助ピストン１
０５を支持することにある。
実施例を説明する。尚，従来と同一部分には同一符号を
付して示しその説明は省略する。この実施例の場合に
は，従来の共鳴用管の代わりに，補助シリンダ手段１０
１を使用する構成にしたものである。上記補助シリンダ
手段１０１は，補助シリンダ１０３と，この補助シリン
ダ１０３内に移動可能に収容された補助ピストン１０５
と，この補助ピストン１０５を付勢するバネ手段として
の補助コイルスプリング１０７とから構成されている。
このような構成をなす補助シリンダ手段１０１によっ
て，従来の共鳴用管と同様の機能を発揮させようとする
ものである。すなわち，この実施例の特徴は，バネ手段
としての各コイルスプリング７，９及び１０７によって
２個のディスプレ−サピストン３，５，補助ピストン１
０５を支持することにある。
【００１４】その際，各ピストンの質量と各コイルスプ
リングのばね定数は重要な要因となり，それは次のよう
にして決定される。まず，図１に示した構成を模式的に
示すと図２に示すようなものとなり，その図２中に示さ
れている各部の数値を使用して解析してみると，同位相
で運動する２個のディスプレ−サピストン３，５と補助
ピストン１０５に対する運動方程式は，次の数１乃至数
４（以下式（１）乃至式（４）という）に示すようなも
のとなる。
リングのばね定数は重要な要因となり，それは次のよう
にして決定される。まず，図１に示した構成を模式的に
示すと図２に示すようなものとなり，その図２中に示さ
れている各部の数値を使用して解析してみると，同位相
で運動する２個のディスプレ−サピストン３，５と補助
ピストン１０５に対する運動方程式は，次の数１乃至数
４（以下式（１）乃至式（４）という）に示すようなも
のとなる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
【数２】
【００１７】
【数３】
【００１８】
【数４】
【００１９】又，外力によって生ずる定常状態が次の式
（５）乃至（７)で示される調和運動であると仮定す
る。
（５）乃至（７)で示される調和運動であると仮定す
る。
【００２０】 ｘｈ＝ａh ・sin(ω0 ・t ） （５） ｘｃ＝ａc ・sin(ω0 ・t ） （６） ｘｐ＝ａp ・sin(ω0 ・t ＋φ） （７)
【００２１】そして，上記式（１）乃至（７)より各数
値を決定していくことになる。但し， ｍｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の質量 ｍｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の質量 ｍｐ：補助ピストン１０５の質量 ｍｅ：ハウジング１の質量と補助シリンダ１０３のハウ
ジング質量との和 Ｃｈ：高温側ディスレ−サピストン３の減衰係数 Ｃｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の減衰係数 Ｃｐ：補助ピストン１０５の減衰係数 Ｃｅ：ハウジング１と補助シリンダ１０３のハウジング
の減衰係数 Ａｈ：高温ロッド面積 Ａｃ：低温ロッド面積 Ａｐ：補助シリンダ面積 Ｐｂ：バッファ室ガス圧力 Ｐ：作動室ガス圧力 Ｋｈ：高温側コイルスプリング７のばね定数 Ｋｃ：低温側コイルスプリング９のばね定数 Ｋｐ：補助コイルスプリング１０７のばね定数 ｘｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の変位 ｘｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の変位 ｘｐ：補助ピストン１０５の変位 Ａｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の振幅 Ａｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の振幅 Ａｐ：補助ピストン１０５の振幅 φ：補助ピストン１０５の位相
値を決定していくことになる。但し， ｍｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の質量 ｍｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の質量 ｍｐ：補助ピストン１０５の質量 ｍｅ：ハウジング１の質量と補助シリンダ１０３のハウ
ジング質量との和 Ｃｈ：高温側ディスレ−サピストン３の減衰係数 Ｃｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の減衰係数 Ｃｐ：補助ピストン１０５の減衰係数 Ｃｅ：ハウジング１と補助シリンダ１０３のハウジング
の減衰係数 Ａｈ：高温ロッド面積 Ａｃ：低温ロッド面積 Ａｐ：補助シリンダ面積 Ｐｂ：バッファ室ガス圧力 Ｐ：作動室ガス圧力 Ｋｈ：高温側コイルスプリング７のばね定数 Ｋｃ：低温側コイルスプリング９のばね定数 Ｋｐ：補助コイルスプリング１０７のばね定数 ｘｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の変位 ｘｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の変位 ｘｐ：補助ピストン１０５の変位 Ａｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の振幅 Ａｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の振幅 Ａｐ：補助ピストン１０５の振幅 φ：補助ピストン１０５の位相
【００２２】このように，従来の共鳴用管の代わりに補
助シリンダ手段１０１を使用することにより，次のよう
な利点がある。まず，共鳴用管を使用する場合と同等の
効果を奏することができることは勿論であるが（クラン
ク機構を不要とすることにより装置の軽量・小型化を図
る），バネ手段，すなわち，高温側コイルスプリング
７，低温側コイルスプリング９，補助コイルスプリング
１０７の夫々のばね定数と，高温側ディスプレ−サピス
トン３，低温側ディスプレ−サピストン５，補助ピスト
ン１０５の夫々の質量を最適な値にすることにより，分
子量が小さい単一の作動ガスによっても同等の固有振動
数を得ることができる。よって，分子量が大きい場合に
問題となっていた流動損失を大幅に軽減させることがで
きる。又，高温側ディスプレ−サピストン３，低温側デ
ィスプレ−サピストン５の振幅を増大させ，機関の行程
容積の増加ひいては出力の増大を図ることができる。
又，共鳴用管を使用した場合のように，流動損失を低減
させるために共鳴用管を長くし，それによって，装置の
大型化を来すといったこともなくなり，小型軽量の装置
を実現することができる。尚，本実施例による構成によ
り，共鳴用管を使用した従来の構成の場合と同等の圧力
変動を発生させることができることは数値計算で確認さ
れており，それを図３に示す。尚，同図において，Ｐｈ
及びｘｈは高温側ディスプレ−サピストン３の変位とそ
の作動ガス圧力変動を，又，Ｐｃ及びｘｃは夫々低温側
ディスプレ−サピストン５の変位とその作動ガス圧力変
動を示す。又，高温側ディスプレ−サピストン３と補助
ピストン１０５の間の位相角が各作動室での仕事に及ぼ
す影響についても数値計算により確認されており，それ
を図４に示す。図４によれば，補助ピストン１０５の位
相が９０°において低温室仕事が最大となっているた
め，設計においてはディスプレ−サピストン３，５と補
助ピストン１０５との位相差を９０°ないしは，その近
傍に求めることになる。補助ピストン１０５は外部に対
して機械的仕事を行い，その量は温度条件と位相差およ
び作動室の行程容積比によって決定されるが，本実施例
の場合，補助ピストン１０５の機械的仕事を吸収する手
段を備えていないため，補助ピストンの機械的仕事を零
とする必要がある。例えば，ディスプレ−サピストン
３，５と補助ピストン１０５の位相差が９０°の場合に
は，次に示す文献（Ｄ）に記載されている。 （Ｄ）”A Short-Cut Optimization of the Swept Volu
me Ratio forRegenerative Cycles" , Proc. 24th IECE
C,Vo1.5, NO.899377, 1989, p2193 条件 Ｖｈ/Ｖｃ＝(Ｔｈ/Ｔｃ)・(Ｔｍ−Ｔｃ)/(Ｔｈ−
Ｔｍ) を満たす設計を行うことにより，機械的仕事を零とする
ことができる。実際の設計においても同様な手段によっ
て補助ピストン１０５の機械的仕事を零とする条件を見
い出すことができる。
助シリンダ手段１０１を使用することにより，次のよう
な利点がある。まず，共鳴用管を使用する場合と同等の
効果を奏することができることは勿論であるが（クラン
ク機構を不要とすることにより装置の軽量・小型化を図
る），バネ手段，すなわち，高温側コイルスプリング
７，低温側コイルスプリング９，補助コイルスプリング
１０７の夫々のばね定数と，高温側ディスプレ−サピス
トン３，低温側ディスプレ−サピストン５，補助ピスト
ン１０５の夫々の質量を最適な値にすることにより，分
子量が小さい単一の作動ガスによっても同等の固有振動
数を得ることができる。よって，分子量が大きい場合に
問題となっていた流動損失を大幅に軽減させることがで
きる。又，高温側ディスプレ−サピストン３，低温側デ
ィスプレ−サピストン５の振幅を増大させ，機関の行程
容積の増加ひいては出力の増大を図ることができる。
又，共鳴用管を使用した場合のように，流動損失を低減
させるために共鳴用管を長くし，それによって，装置の
大型化を来すといったこともなくなり，小型軽量の装置
を実現することができる。尚，本実施例による構成によ
り，共鳴用管を使用した従来の構成の場合と同等の圧力
変動を発生させることができることは数値計算で確認さ
れており，それを図３に示す。尚，同図において，Ｐｈ
及びｘｈは高温側ディスプレ−サピストン３の変位とそ
の作動ガス圧力変動を，又，Ｐｃ及びｘｃは夫々低温側
ディスプレ−サピストン５の変位とその作動ガス圧力変
動を示す。又，高温側ディスプレ−サピストン３と補助
ピストン１０５の間の位相角が各作動室での仕事に及ぼ
す影響についても数値計算により確認されており，それ
を図４に示す。図４によれば，補助ピストン１０５の位
相が９０°において低温室仕事が最大となっているた
め，設計においてはディスプレ−サピストン３，５と補
助ピストン１０５との位相差を９０°ないしは，その近
傍に求めることになる。補助ピストン１０５は外部に対
して機械的仕事を行い，その量は温度条件と位相差およ
び作動室の行程容積比によって決定されるが，本実施例
の場合，補助ピストン１０５の機械的仕事を吸収する手
段を備えていないため，補助ピストンの機械的仕事を零
とする必要がある。例えば，ディスプレ−サピストン
３，５と補助ピストン１０５の位相差が９０°の場合に
は，次に示す文献（Ｄ）に記載されている。 （Ｄ）”A Short-Cut Optimization of the Swept Volu
me Ratio forRegenerative Cycles" , Proc. 24th IECE
C,Vo1.5, NO.899377, 1989, p2193 条件 Ｖｈ/Ｖｃ＝(Ｔｈ/Ｔｃ)・(Ｔｍ−Ｔｃ)/(Ｔｈ−
Ｔｍ) を満たす設計を行うことにより，機械的仕事を零とする
ことができる。実際の設計においても同様な手段によっ
て補助ピストン１０５の機械的仕事を零とする条件を見
い出すことができる。
【００２３】次に，図５を参照して本発明の第２実施例
を説明する。この実施例の場合には，前記第１実施例に
おけ補助ピストン１０５に磁石（図示せず）を取付け，
一方，補助シリンダ１０３の外周側に励磁コイル１１１
を配置したものである。つまり，上記磁石と励磁コイル
１１１による電磁的効果を利用して外部より補助ピスト
ン１０５を駆動したり，発電させるように工夫したもの
である。そして，補助ピストン１０５を駆動することに
より，それをスタ−タや出力制御に応用する。又，発電
する場合には，その電力を熱ガス機関の補助機器の駆動
に利用することになる。
を説明する。この実施例の場合には，前記第１実施例に
おけ補助ピストン１０５に磁石（図示せず）を取付け，
一方，補助シリンダ１０３の外周側に励磁コイル１１１
を配置したものである。つまり，上記磁石と励磁コイル
１１１による電磁的効果を利用して外部より補助ピスト
ン１０５を駆動したり，発電させるように工夫したもの
である。そして，補助ピストン１０５を駆動することに
より，それをスタ−タや出力制御に応用する。又，発電
する場合には，その電力を熱ガス機関の補助機器の駆動
に利用することになる。
【００２４】次に，図６を参照して本発明の第３実施例
を説明する。この実施例の場合には，２個の補助ピスト
ン１２１，１２３を使用している。すなわち，補助シリ
ンダ１０３内には，補助ピストン１２１，１２３が，夫
々補助コイルスプリング１２５，１２７に付勢された状
態で移動可能に収容・配置されている。それによって，
前記第１実施例の場合と同様の効果を奏することができ
るのはもとより，静粛性を得ることができる。２つのデ
ィスプレ−サピストン３，５は同位相で運動し，対向配
置されているため慣性力を打ち消すように設計でき，対
向配置された２つの補助ピストン１２１，１２３につい
ても同様にして調整可能で個別に対応し，機器としての
振動をなくすことができる。あるいは，２つのディスプ
レ−サピストン３，５と２つの補助ピストン１２１，１
２３全体のバランスを考慮し，補助ピストン１２１，１
２３の内，例えば，補助ピストン１２３をバランサとし
て機能させ，不必要な振動をなくすこともできる。
を説明する。この実施例の場合には，２個の補助ピスト
ン１２１，１２３を使用している。すなわち，補助シリ
ンダ１０３内には，補助ピストン１２１，１２３が，夫
々補助コイルスプリング１２５，１２７に付勢された状
態で移動可能に収容・配置されている。それによって，
前記第１実施例の場合と同様の効果を奏することができ
るのはもとより，静粛性を得ることができる。２つのデ
ィスプレ−サピストン３，５は同位相で運動し，対向配
置されているため慣性力を打ち消すように設計でき，対
向配置された２つの補助ピストン１２１，１２３につい
ても同様にして調整可能で個別に対応し，機器としての
振動をなくすことができる。あるいは，２つのディスプ
レ−サピストン３，５と２つの補助ピストン１２１，１
２３全体のバランスを考慮し，補助ピストン１２１，１
２３の内，例えば，補助ピストン１２３をバランサとし
て機能させ，不必要な振動をなくすこともできる。
【００２５】又，この実施例の場合にも，前記第１実施
例の場合と同様に，その振動系の解析技術を利用して，
各数値を決定することができる。すなわち，高温側ディ
スプレ−サピストン３，低温側ディスプレ−サピストン
５，補助ピストン１２１，１２３に対する運動方程式
は，図７の模式図に示す符号を使用して示すと前記した
式（１）乃至式（３）と次の数５，数６（以下式
（８），式（９）という）に示すようなものとなる。
尚，図７に各部に示した各数値は図２と全く同等である
ので，その説明は省略する。
例の場合と同様に，その振動系の解析技術を利用して，
各数値を決定することができる。すなわち，高温側ディ
スプレ−サピストン３，低温側ディスプレ−サピストン
５，補助ピストン１２１，１２３に対する運動方程式
は，図７の模式図に示す符号を使用して示すと前記した
式（１）乃至式（３）と次の数５，数６（以下式
（８），式（９）という）に示すようなものとなる。
尚，図７に各部に示した各数値は図２と全く同等である
ので，その説明は省略する。
【００２６】
【数５】
【００２７】
【数６】
【００２８】又，外力によって生ずる定常状態が次式
（１０) 乃至（１３)で示される調和運動であると仮定
する。
（１０) 乃至（１３)で示される調和運動であると仮定
する。
【００２９】 ｘｈ＝ａh ・sin(ω0 ・t ） （１０) ｘｃ＝ａc ・sin(ω0 ・t ） （１１) ｘｐ＝ａp ・sin(ω0 ・t ＋φp ） （１２） ｘａ＝ａa ・sin(ω0 ・t ＋φa ） （１３)
【００３０】そして，上記式（１）乃至（７)より各数
値を決定していくことになる。但し， ｍｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の質量 ｍｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の質量 ｍｐ：補助ピストン１２１の質量 ｍａ：バランス用補助ピストン１２３の質量 ｍｅ：ハウジング１の質量と補助シリンダ１０３のハウ
ジング質量およびバランス用補助シリンダのハウジング
の質量の総和 Ｃｈ：高温側ディスレ−サピストン３の減衰係数 Ｃｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の減衰係数 Ｃｐ：補助ピストン１２１の減衰係数 Ｃａ：バランス用補助ピストン１２３の減衰係数 Ｃｅ：ハウジング１と補助シリンダ１０３のハウジング
およびバランス用補助シリンダのハウジングの減衰係数 Ａｈ：高温ロッド面積 Ａｃ：低温ロッド面積 Ａｐ：補助シリンダ面積 Ｐｂ：バッファ室ガス圧力 Ｐ：作動室ガス圧力 Ｋｈ：高温側コイルスプリング７のばね定数 Ｋｃ：低温側コイルスプリング９のばね定数 Ｋｐ：補助コイルスプリング１２５のばね定数 Ｋａ：バランス用補助コイルスプリング１２７のばね定
数 ｘｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の変位 ｘｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の変位 ｘｐ：補助ピストン１２１の変位 ｘａ：バランス用補助ピストン１２３の変位 Ａｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の振幅 Ａｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の振幅 Ａｐ：補助ピストン１２１の振幅 Ａａ：バランス用補助ピストン１２３の振幅 φｐ：補助ピストン１２１の位相 φａ：バランス用補助ピストン１２３の位相
値を決定していくことになる。但し， ｍｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の質量 ｍｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の質量 ｍｐ：補助ピストン１２１の質量 ｍａ：バランス用補助ピストン１２３の質量 ｍｅ：ハウジング１の質量と補助シリンダ１０３のハウ
ジング質量およびバランス用補助シリンダのハウジング
の質量の総和 Ｃｈ：高温側ディスレ−サピストン３の減衰係数 Ｃｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の減衰係数 Ｃｐ：補助ピストン１２１の減衰係数 Ｃａ：バランス用補助ピストン１２３の減衰係数 Ｃｅ：ハウジング１と補助シリンダ１０３のハウジング
およびバランス用補助シリンダのハウジングの減衰係数 Ａｈ：高温ロッド面積 Ａｃ：低温ロッド面積 Ａｐ：補助シリンダ面積 Ｐｂ：バッファ室ガス圧力 Ｐ：作動室ガス圧力 Ｋｈ：高温側コイルスプリング７のばね定数 Ｋｃ：低温側コイルスプリング９のばね定数 Ｋｐ：補助コイルスプリング１２５のばね定数 Ｋａ：バランス用補助コイルスプリング１２７のばね定
数 ｘｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の変位 ｘｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の変位 ｘｐ：補助ピストン１２１の変位 ｘａ：バランス用補助ピストン１２３の変位 Ａｈ：高温側ディスプレ−サピストン３の振幅 Ａｃ：低温側ディスプレ−サピストン５の振幅 Ａｐ：補助ピストン１２１の振幅 Ａａ：バランス用補助ピストン１２３の振幅 φｐ：補助ピストン１２１の位相 φａ：バランス用補助ピストン１２３の位相
【００３１】次に，図８を参照して本発明の第４実施例
を説明する。この実施例の場合には，前記第３実施例に
おけ補助ピストン１２１，１２３に図示しない磁石を取
付け，一方，補助シリンダ１０３の外周側に励磁コイル
１２９，１３１を設置したものである。そして，上記磁
石と励磁コイル１２９，１３１による電磁的効果を利用
して外部より補助ピストン１２１，１２３を駆動した
り，発電させるように工夫したものである。
を説明する。この実施例の場合には，前記第３実施例に
おけ補助ピストン１２１，１２３に図示しない磁石を取
付け，一方，補助シリンダ１０３の外周側に励磁コイル
１２９，１３１を設置したものである。そして，上記磁
石と励磁コイル１２９，１３１による電磁的効果を利用
して外部より補助ピストン１２１，１２３を駆動した
り，発電させるように工夫したものである。
【００３２】
【発明の効果】以上詳述したように本発明による熱ガス
機関によると次のような優れた効果を有する。 従来，共鳴用管を使用してクランク機構を使用してい
た場合の不具合を解消するようにしていたのに対して，
これを補助シリンダ手段によって実現する構成にしたの
で，高温側ディスプレ−サピストン，低温側ディスプレ
−サピストン，補助ピストンの質量，各バネ手段のばね
定数等を適宜選択して設定することにより，分子量の小
さな単一の作動ガスの使用が可能となった。 従って，流動抵抗を低減させて機関効率を高めるとと
もに，共鳴用管を使用した場合のような装置の大型化を
防止して軽量小型化を実現できる。 又，一対の補助ピストンを使用することにより，機関
の静粛性を得ることができる。 又，補助ピストンを電磁駆動可能にすることにより付
加価値を高めることが可能になる。
機関によると次のような優れた効果を有する。 従来，共鳴用管を使用してクランク機構を使用してい
た場合の不具合を解消するようにしていたのに対して，
これを補助シリンダ手段によって実現する構成にしたの
で，高温側ディスプレ−サピストン，低温側ディスプレ
−サピストン，補助ピストンの質量，各バネ手段のばね
定数等を適宜選択して設定することにより，分子量の小
さな単一の作動ガスの使用が可能となった。 従って，流動抵抗を低減させて機関効率を高めるとと
もに，共鳴用管を使用した場合のような装置の大型化を
防止して軽量小型化を実現できる。 又，一対の補助ピストンを使用することにより，機関
の静粛性を得ることができる。 又，補助ピストンを電磁駆動可能にすることにより付
加価値を高めることが可能になる。
【図１】本発明の第１実施例を示す図で熱ガス機関の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す図で熱ガス機関の構
成を模式的に示す図である。
成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第１実施例を示す図で圧力変動特性を
示す特性図である。
示す特性図である。
【図４】本発明の第１実施例を示す図で補助ピストン位
相角と低温室仕事量との関係を示す特性図である。
相角と低温室仕事量との関係を示す特性図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す図で熱ガス機関の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施例を示す図で熱ガス機関の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図７】本発明の第３実施例を示す図で熱ガス機関の構
成を模式的に示す図である。
成を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第４実施例を示す図で熱ガス機関の構
成を示す図である。
成を示す図である。
【図９】従来例を示す図で熱ガス機関の構成を示す図で
ある。
ある。
【図１０】従来例を示す図で圧力変動を示す特性図であ
る。
る。
【図１１】従来例を示す図で圧力変動を示す特性図であ
る。
る。
【図１２】従来例を示す図で吸熱・放熱作用を説明する
ための特性図である。
ための特性図である。
１ ハウジング３ 高温側ディスプレ−サピストン ５ 低温側ディスプレ−サピストン ７ 高温側コイルスプリング（バネ手段） ９ 低温側コイルスプリング（バネ手段） １１ 高温側再生器 １３ 高温側中温熱交換器 １５ 低温側中温熱交換器 １７ 低温側再生器 １９ 低温用熱交換器 １０１ 補助シリンダ手段 １０３ 補助シリンダ １０５，１２１，１２３ 補助ピストン １０７，１２７ 補助コイルスプリング（バネ手段） １１１，１２９，１３１ 励磁コイル
フロントページの続き (72)発明者 石原 寿和 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 石野 光彦 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 大竹 雅久 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 岡本 泉 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 作動ガスが封入されたハウジングと，上
記ハウジング内に移動可能であって対向した位置にそれ
ぞれ配置されハウジング内を高温室，中温室，低温室に
区画する高温側ディスプレ−サピストン及び低温側ディ
スプレ−サピストンと，ガス流路に配置された熱交換器
及び再生器と，上記高温側ディスプレ−サピストン及び
低温側ディスプレ−サピストンをそれぞれ移動可能に支
持するバネ手段とを具備してなる熱ガス機関において，
上記中温室又はガス流路に補助シリンダ手段を接続し，
該補助シリンダ手段は補助シリンダ内に補助ピストンを
バネ手段により移動可能に付勢した状態で配置した構成
であることを特徴とする熱ガス機関。 - 【請求項２】 作動ガスが封入されたハウジングと，上
記ハウジング内に移動可能であって対向した位置にそれ
ぞれ配置されハウジング内を高温室，中温室，低温室に
区画する高温側ディスプレ−サピストン及び低温側ディ
スプレ−サピストンと，ガス流路に配置された熱交換器
及び再生器と，上記高温側ディスプレ−サピストン及び
低温側ディスプレ−サピストンをそれぞれ移動可能に支
持するバネ手段とを具備してなる熱ガス機関において，
上記中温室又はガス流路に補助シリンダ手段を接続し，
該補助シリンダ手段は補助シリンダ内に一対の補助ピス
トンをバネ手段により夫々移動可能に付勢した状態で配
置した構成であることを特徴とする熱ガス機関。 - 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の熱ガス機関
において，補助ピストンを電磁駆動するようにしたこと
を特徴とする熱ガス機関。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18337093A JP3182261B2 (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | 熱ガス機関 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18337093A JP3182261B2 (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | 熱ガス機関 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0719637A true JPH0719637A (ja) | 1995-01-20 |
| JP3182261B2 JP3182261B2 (ja) | 2001-07-03 |
Family
ID=16134587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18337093A Expired - Fee Related JP3182261B2 (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | 熱ガス機関 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3182261B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6489709B1 (en) | 1999-03-19 | 2002-12-03 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Captive spark plug gasket |
-
1993
- 1993-06-30 JP JP18337093A patent/JP3182261B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6489709B1 (en) | 1999-03-19 | 2002-12-03 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Captive spark plug gasket |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3182261B2 (ja) | 2001-07-03 |
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