JPH1061490A - 外燃式熱ガス機関および同機関を用いた空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クロスガイドやガイド孔における摺動面の磨
耗を少なくし、もって耐久性に優れた外燃式熱ガス機関
と同機関を用いた空気調和機を提供する。 【解決手段】 クロスガイド１０１，１０２には、円筒
状のスライダ１１５が摺動自在に外嵌している。スライ
ダ１１５は、ＰＴＦＥを素材としており、その長さＬが
上下フランジ１１１，１１２間の距離Ｄの略半分に設定
されている。クロスガイド１０１，１０２もガイド孔１
０５に沿って往復動する。この際、スライダ１１５は、
内周面がクロスガイド１０１，１０２に接触する一方
で、外周面がガイド孔１０５に接触しているため、クロ
スガイド１０１，１０２およびガイド孔１０５に対して
略同等の摩擦抵抗を受けながら相対動する。その結果、
スライダ１１５のクロスガイド１０１，１０２およびガ
イド孔１０５に対する摺動速度もクロスガイド１０１，
１０２の移動速度の略半分となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外燃式熱ガス機関
と同機関を用いた空気調和機とに係り、詳しくは部品点
数や組立工数の削減等を図る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷暖房や給湯を行う装置として、
外燃式熱ガス機関たるヴェルミエサイクルエンジンを利
用したヒートポンプ（以下、ＶＭＨＰ：Vuilleumier cy
cle Heat Pump という）が開発されている。ＶＭＨＰ
は、封入媒体（作動ガス）としてのＨｅ（ヘリウム）ガ
スの温度分布変化のみにより圧力変化を引起こさせ、再
生器による蓄熱や熱交換器による熱交換を行うことによ
り、ダイレクトに冷暖房や給湯を行うものである（例え
ば、特公平５−６５７７７号公報または特開平４−１１
３１７０号公報等参照）。

【０００３】ヴェルミエサイクルエンジンでは、高温側
および低温側のディスプレーサピストン（以下、単にピ
ストンと記す）が往復動することにより、高温室と中温
室との間および中温室と低温室との間を作動ガスが移動
する。そして、中温室がピストンとクランクケースとの
間に形成されている都合上、中温室とクランクケースの
内部との間の気密を確保するべく、ピストンがクロスガ
イドを介してコンロッドに連結されている。すなわち、
ピストンがピストンロッドを介してクロスガイドに剛結
合される一方で、ピストンロッドの外周面にクランクケ
ースに取り付けられたシールが接触し、これにより軸封
が行われる。したがって、クロスガイドは、ピストンの
往復動に伴い、クランクケースに形成されたガイド孔に
沿って摺動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ヴェルミエサ
イクルエンジンでは、作動ガス回路に介装される再生器
として、目の細かい金網を数百枚積層したものが用いら
れる。そのため、エンジン各部の回転部や摺動面等に潤
滑油を使用した場合、潤滑油ミストの付着によって再生
器が目詰りし、蓄熱性能が著しく低下する。また、ヒー
タや熱交換器においても、潤滑油ミストが付着した場合
には、熱交換性能が低下する問題が生じる。そこで、回
転部にグリース封入型の転がり軸受を用いたり、摺動面
に低摩擦材を配置すること等により、無潤滑運転を実現
している。

【０００５】ところが、上述したクロスガイドは、エン
ジンの運転時において、コンロッドからの入力によりガ
イド孔の壁面に押し付けられつつ比較的高速で摺動する
ため、ガイド孔の内周面に低摩擦材が配置されていて
も、摺動面の磨耗が早期に進行する。そして、その磨耗
が使用限度に達した場合には、エンジンを分解してクロ
スガイドを交換する必要があり、ランニングコストが上
昇するという問題があった。この問題の解決にあたって
は、クロスガイドの摺動速度（すなわち、エンジンの回
転数）を下げる方法もあるが、この場合には能力の低下
が避けられなかった。

【０００６】本発明の目的は、クロスガイドやガイド孔
における摺動面の磨耗を少なくし、もって耐久性に優れ
た外燃式熱ガス機関と同機関を用いた空気調和機を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明では、クランクシャフトに大端部が
連結されたコネクティングロッドと、シリンダ内を往復
動するディスプレーサピストンと、前記コネクティング
ロッドの小端部と前記ディスプレーサピストンとの連結
に供されて、当該ディスプレーサピストンの移動に伴っ
てガイド孔内を摺動するクロスガイドと、前記クロスガ
イドと前記ガイド孔との間に介装され、当該クロスガイ
ドと当該ガイド孔との双方に対して摺動するスライダと
を備えた外燃式熱ガス機関を提案する。

【０００８】この発明によれば、例えば、スライダがク
ロスガイドとガイド孔とに対して等しい速度で摺動すれ
ば、それぞれの摺動速度がスライダとガイド孔との相対
速度の半分になる。これにより、各摺動面における磨耗
の進行が抑えられ、エンジンの耐久性が向上する。

【０００９】また、請求項２の発明では、クランクシャ
フトに大端部が連結されたコネクティングロッドと、シ
リンダ内を往復動するディスプレーサピストンと、前記
コネクティングロッドの小端部と前記ディスプレーサピ
ストンとの連結に供されて、当該ディスプレーサピスト
ンの移動に伴ってガイド孔内を摺動するクロスガイド
と、前記クロスガイドと前記ガイド孔との間に介装さ
れ、当該クロスガイドと当該ガイド孔との双方に対して
摺動するＰＴＦＥ製のスライダとを備えた外燃式熱ガス
機関を提案する。

【００１０】この発明によれば、スライダをごく摩擦係
数の小さいＰＴＦＥ製としたため、摺動面の磨耗が極め
て少なくなると共に、エンジン回転時の抵抗も減少して
熱効率が向上する。

【００１１】また、請求項３の発明では、請求項１また
は２記載の外燃式熱ガス機関を用いた空気調和機を提案
する。

【００１２】この発明によれば、空気調和機を構成する
外燃式熱ガス機関の耐久性が向上するため、保守・点検
インターバルの長期化が図れると共に、ランニングコス
トが低減される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づき詳細に説明する。

【００１４】図１にはヒートポンプ型空気調和機の冷温
水回路を示してあり、この回路には図２に断面斜視を示
すヴィルミエサイクルの熱ガス機関１が採用されてい
る。熱ガス機関１は、互いに直交配置された高温側ピス
トン２と低温側ピストン３とを備えており、これらがヘ
リウム等の作動ガスを封入したハウジング４に収納され
ている。

【００１５】両ピストン２，３は、９０°の位相差をも
って動作するように、コンロッド５，６を介してクラン
クシャフト７に形成された同一のクランクピン８に連結
されている。したがって、例えば高温側ピストン２が上
死点と下死点との中間に位置すると、低温側ピストン３
が上死点に位置することになる。図１，図２において、
符号９はクランクシャフト７を駆動するスタータモータ
を示す。

【００１６】ハウジング４内には、高温室４１と、中温
室４２，４３と、低温室４４とが画成されており、高温
室４１と中温室４２との間には高温再生器４５と中温熱
交換器４６とが介装される一方、中温室４３と低温室４
４との間には中温熱交換器４７、低温再生器４８および
低温熱交換器４９が介装されている。また、高温室４１
の端部には加熱器５１が形成されており、この加熱器５
１は燃焼器５２により加熱される。

【００１７】ハウジング４内で高温側ピストン２と低温
側ピストン３とが動作すると、封入された作動ガスが、
高温再生器４５と低温再生器４８とを通って各室４１，
４２，４３，４４間を移動する。そして、作動ガスは、
これら再生器４５，４８を通過する際に加熱あるいは冷
却され、これにより、密閉されたハウジング４内が昇圧
あるいは減圧される。

【００１８】また、外部との熱エネルギーのやり取り
は、中温室４２，４３に接続する中温熱交換器４６，４
７及び低温室４４に接続する低温熱交換器４９が行う。
例えば、加熱器５１が高温室４１の作動ガスに熱エネル
ギーを与えると、中温室４２，４３側の作動ガスが中温
熱交換器４６，４７を介して外部熱媒体に熱エネルギー
を放出すると共に、低温室４４側の作動ガスが低温熱交
換器４９を介して外部熱媒体から熱エネルギーを吸収す
る。すなわち、本実施形態の熱ガス機関１では、低温熱
交換器４９と低温室４４とが吸熱部を構成する一方で、
中温熱交換器４６，４７と中温室４２，４３とが放熱部
を構成する。

【００１９】本実施形態では、熱ガス機関１の中温熱交
換器４６，４７と低温熱交換器４９とを熱源として、室
内ユニット６１と室外ユニット７１とを備えた空気調和
機８１が構成されている。室内ユニット６１内には室内
熱交換器６２が配設され、室外ユニット７１内には室外
熱交換器７２が配設されている。６３は室内ファン、７
３は室外ファンである。

【００２０】中温熱交換器４６と室内熱交換器６２と
は、管路９１と四方弁８３と管路９２とを介して接続さ
れ、さらに室内熱交換器６２と低温熱交換器４９とは、
管路９３と四方弁８４と管路９４とを介して接続されて
いる。また、中温熱交換器４６と室外熱交換器７２と
は、管路９５と四方弁８３と管路９６とを介して接続さ
れ、さらに室外熱交換器７２と中温熱交換器４７とは、
管路９７と四方弁８４と管路９８とを介して接続されて
いる。また、中温熱交換器４６と中温熱交換器４７と
は、管路９９とを介して接続されている。管路を循環す
る外部熱媒体としては、水（以下、液冷媒と記す）が用
いられている。

【００２１】本実施形態の空気調和機では、以下に述べ
る手順で冷暖房運転が行われる。

【００２２】例えば、冷房運転時には、燃焼器５２の点
火により熱ガス機関１が作動し、中温熱交換器４６，４
７を介して作動ガスの熱エネルギーが液冷媒に放出され
る一方で、低温熱交換器４９を介して液冷媒の熱エネル
ギーが作動ガスに吸収される。この際、四方弁８３，８
４は図１で実線で示すように切り替えられており、低温
熱交換器４９で熱エネルギーを放出した液冷媒は、管路
９１、四方弁８３、管路９２を経由して室内熱交換器６
２に流れる。室内ユニット６１内では、低温となった室
内熱交換器６２に室内ファン６３からの送風が行われ、
室内に冷風が送り出され（冷房が行われ）、室内気の熱
エネルギーを吸収した液冷媒は管路９３、四方弁８４、
管路９４を経由して低温熱交換器４９に環流する。

【００２３】このとき、中温熱交換器４６で熱エネルギ
ーを吸収した液冷媒は、管路９５、四方弁８３、管路９
６を経由して室外熱交換器７２に流れ、そこで室外ファ
ン７３からの送風により冷却された後、管路９７、四方
弁８４、管路９８を通じて中温熱交換器４７に流れ、更
に管路９９を経由して中温熱交換器４６に環流する。

【００２４】また、暖房運転時にも、燃焼器５２の点火
により熱ガス機関１が作動し、中温熱交換器４６，４７
を介して作動ガスの熱エネルギーが液冷媒に吸収される
一方で、低温熱交換器４９を介して液冷媒の熱エネルギ
ーが作動ガスに放出されるが、この際には四方弁８３，
８４が図１で点線で示すように切り替えられ、冷房運転
時と逆の手順で外気の熱エネルギーが室内熱交換器６２
に供給される。

【００２５】次に、図３の要部縦断面図を併用し、クラ
ンクシャフト７およびスタータモータ９周りの構造を述
べる。

【００２６】図２，図３に示したように、ハウジング４
は、クランクシャフト７を保持するクランクケース１１
と、ピストン２，３を保持するシリンダバレル１２，１
３と、スタータモータ９を収納するモータカバー１４と
からなっている。そして、クランクシャフト７は、ジャ
ーナル１５，１６に嵌合する一対のボールベアリング１
７，１８を介して、クランクケース１１に回転自在に保
持され、また、ピストン２，３は、中温熱交換器４６等
を介して、シリンダバレル１２に摺動自在に保持されて
いる。

【００２７】図４に分解斜視を示したように、クランク
シャフト７は、コンロッド５，６を組み込んだ状態でメ
インシャフト２０とサブシャフト２１とが一体化され
る、いわゆる組立式である。これは、コンロッド５，６
の大端部軸受にニードルローラベアリング２３が用いら
れているためで、メインシャフト２０側のクランクピン
８の先端小径部をサブシャフト２１側の係合孔２６に挿
入した後、ボルト２７で締結することによりクランクシ
ャフト７の一体化がなされる。

【００２８】さて、本実施形態では、クランクシャフト
７とスタータモータ９の回転軸（以下、モータシャフト
と記す）３０とが、鋳造成形あるいは鍛造加工により、
同軸かつ一体に形成されている。すなわち、モータシャ
フト３０は、メインシャフト２０のジャーナル１５から
同軸上に延設されたもので、その外周面にスタータモー
タ９のロータ３１が圧入される構造となっている。図
中、３２はモータカバー１４の内周面に固定されたステ
ータである。

【００２９】これにより、本実施形態では、クランクシ
ャフト７とモータシャフト３０との結合が不要となり、
モータシャフト３０の支持に独立した軸受が不要となる
ことも相俟って、両者が別体のものに比べて部品点数や
組立工数を大幅に削減することができる。また、スター
タモータ９のクランクセンタからのオフセットがなくな
ることにより、ハウジング４全体の体格が小さくなり、
円筒形となることにより、薄肉化および軽量化を行うこ
とができる。更に、スタータモータ９を高トルク形とし
たため、減速装置を省略することが可能となり、部品点
数や組立工数を更に削減することができる。

【００３０】また、本実施形態では、従来は別部品であ
ったクランクシャフト７とバランスウエイト３５，３６
とを一体化した。すなわち、メインシャフト２０側にバ
ランスウエイト３５を一体に形成し、サブシャフト２１
側にバランスウエイト３６を一体に形成してある。

【００３１】これにより、本実施形態では、クランクシ
ャフト７とバランスウエイト３５，３６との結合が不要
になり、部品点数や組立工数が削減されると共に、バラ
ンスウエイト３５，３６用の鋳造金型も不要となり、生
産設備費を低減させることができる。

【００３２】一方、本実施形態の熱ガス機関１では、中
温室４２，４３とクランクケース１１の内部との間の気
密を確保するべく、ピストン２，３がクロスガイド１０
１，１０２を介してコンロッド５，６に連結されてい
る。すなわち、ピストン２，３がピストンロッド１０３
を介してクロスガイド１０１，１０２に剛結合される一
方で、ピストンロッド１０３の外周面にクランクケース
１１に取り付けられたシール１０４が接触し、これによ
り軸封が行われる。したがって、クロスガイド１０１，
１０２は、ピストン２，３の往復動に伴い、クランクケ
ース１１に形成されたガイド孔１０５に沿って摺動す
る。

【００３３】図５の分解斜視に示したように、本実施形
態のクロスガイド１０１，１０２は、上下にフランジ１
１１，１１２を有する円柱状に形成されている。クロス
ガイド１０１，１０２には、上下フランジ１１１，１１
２間に円筒状のスライダ１１５が摺動自在に外嵌してお
り、ガイド孔１０５にはスライダ１１５の外周面が接触
する。スライダ１１５は、摩擦係数のごく小さいＰＴＦ
Ｅ（四弗化エチレン樹脂）を母材としており、その長さ
Ｌが上下フランジ１１１，１１２間の距離Ｄの略半分に
設定されている。図５中で、符号２４はコンロッド５，
６の小端部軸受であるニードルローラベアリングを示
し、１１７はコンロッド５，６とクロスガイド１０１，
１０２とを連結するクロスガイドピンを示してある。

【００３４】さて、本実施形態では、ピストン２、３の
往復動に伴って、クロスガイド１０１，１０２もガイド
孔１０５に沿って往復動する。この際、スライダ１１５
は、内周面がクロスガイド１０１，１０２に接触する一
方で、外周面がガイド孔１０５に接触しているため、ク
ロスガイド１０１，１０２およびガイド孔１０５に対し
て略同等の摩擦抵抗を受けながら相対動する。

【００３５】その結果、スライダ１１５は、図６に示し
た最上昇時（ピストン２、３の上死点時）にクロスガイ
ド１０１，１０２の下端部近傍に位置し、図７に示した
最下降時（ピストン２、３の下死点時）にクロスガイド
１０１，１０２の上端部近傍に位置する。つまり、スラ
イダ１１５の移動距離はクロスガイド１０１，１０２の
移動距離の略半分となり、スライダ１１５のクロスガイ
ド１０１，１０２およびガイド孔１０５に対する摺動速
度もクロスガイド１０１，１０２の移動速度の略半分と
なる。

【００３６】これにより、スライダ１１５とクロスガイ
ド１０１，１０２との間の移動速度が大幅に低下するこ
とで、異常磨耗や焼付き等が防止され、従来のものに対
して遙かに耐久性を高めることができる。

【００３７】一方、図８の一部断面側面視に示したよう
に、本実施形態のコンロッド５，６内には、二つのグリ
ース溜まり１２１，１２５が形成されている。第１のグ
リース溜まり１２１は、小端側の端部円周に沿った円弧
状のもので、グリース溜まり１２１と小端部の内周面１
２２とは連通孔１２３により連通されている。また、第
２のグリース溜まり１２５は、大端側から小端側に延設
された筒穴状のもので、グリース溜まり１２５と大端部
の内周面１２６とは連通孔１２７により連通されてい
る。尚、本実施形態のコンロッド５，６は鋳造品であ
り、これらグリース溜まり１２１，１２５は中子を用い
ることにより形成されている。

【００３８】両グリース溜まり１２１，１２５内にはグ
リース１３１が充填されており、連通孔１２３，１２７
から、小端部および大端部の内周面１２２，１２６に流
出可能となっている。したがって、長時間の運転によっ
てニードルローラベアリング２３，２４内のグリースが
消費されると、両グリース溜まり１２１，１２５から連
通孔１２３，１２７を経由して適量のグリース１３１が
補充される。

【００３９】これにより、Ｈｅガス雰囲気中で熱ガス機
関１が長期間運転された場合にも、ニードルローラベア
リング２３，２４の潤滑が良好な状態に維持され、焼き
付き等に起因する回転不良や故障を防止することができ
る。

【００４０】以上で具体的実施形態の説明を終えるが、
本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態ではクランクシャフトとモータシ
ャフトとを一体品としたが、別体で製作してカップリン
グ等を介して連結するようにしてもよい。また、クロス
ガイドとガイド孔との間に介装させるスライダについて
は、含油焼結合金等の素材を用いてもよいし、金属パイ
プ等の内外周面にＰＴＦＥ等のコーティングを行ったも
のを用いてもよいし、円筒以外の形状としてもよい。ま
た、コンロッドに形成したグリース溜まりの形状につい
ては、高温側と低温側とで異なるものとしてもよいし、
生産性や機能性等を勘案して決定してもよい。その他、
装置各部の構成や部材の形状等についても、本発明の趣
旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。更に、本
発明は、ヴェルミエサイクル以外に、スターリングエン
ジン等、種々の外燃式熱ガス機関に適用可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、外
燃式熱ガス機関において、クロスガイドとガイド孔との
間にこれらに対して摺動するスライダを介装させるよう
にしたため、各摺動面の磨耗の要因となる摺動速度を小
さくすることができる。また、スライダをＰＴＦＥ製と
したものにあっては、摺動面の磨耗が極めて少なくな
る。そして、この外燃式熱ガス機関を用いた空気調和機
では、保守・点検インターバルの長期化が図れると共
に、ランニングコストが低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒートポンプ式空気調和機の構成を示す回路図
である。

【図２】熱ガス機関の構造を示す断面斜視図である。

【図３】熱ガス機関の要部縦断面図である。

【図４】クランクシャフトの分解斜視図である。

【図５】クロスガイド周りの分解斜視図である。

【図６】クロスガイド上昇時のスライダの位置を示す説
明図である。

【図７】クロスガイド下降時のスライダの位置を示す説
明図である。

【図８】コンロッドの要部断面側面図である。

【符号の説明】

１ 熱ガス機関 ２ 高温側ディスプレーサピストン ３ 低温側ディスプレーサピストン ４ ハウジング ５，６ コンロッド ７ クランクシャフト ６１ 室内ユニット ７１ 室外ユニット７１ ８１ 空気調和機 １０１，１０２ クロスガイド １０５ ガイド孔 １１５ スライダ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランクシャフトに大端部が連結された
   コネクティングロッドと、 シリンダ内を往復動するディスプレーサピストンと、 前記コネクティングロッドの小端部と前記ディスプレー
   サピストンとの連結に供されて、当該ディスプレーサピ
   ストンの移動に伴ってガイド孔内を摺動するクロスガイ
   ドと、 前記クロスガイドと前記ガイド孔との間に介装され、当
   該クロスガイドと当該ガイド孔との双方に対して摺動す
   るスライダとを備えたことを特徴とする外燃式熱ガス機
   関。
2. 【請求項２】 クランクシャフトに大端部が連結された
   コネクティングロッドと、 シリンダ内を往復動するディスプレーサピストンと、 前記コネクティングロッドの小端部と前記ディスプレー
   サピストンとの連結に供されて、当該ディスプレーサピ
   ストンの移動に伴ってガイド孔内を摺動するクロスガイ
   ドと、 前記クロスガイドと前記ガイド孔との間に介装され、当
   該クロスガイドと当該ガイド孔との双方に対して摺動す
   るＰＴＦＥ製のスライダとを備えたことを特徴とする外
   燃式熱ガス機関。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の外燃式熱ガス機
   関を用いたことを特徴とする空気調和機。