JPH1061493A - 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】 部品点数や組立工数の削減を図り、もって製
造・保守の容易化や製造コストの低減等を実現した外燃
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】 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とが、一体に鋳造また
は鍛造されている。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２
１側にバランスウエイト３６を一体に形成してある。こ
れにより、クランクシャフト７とバランスウエイト３
５，３６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。

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】ＶＭＨＰでは、高温側シリンダと低温側シ
リンダとが直交配置されており、高温側シリンダ内を高
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）が摺動し、低温側シリンダ内を低温側のピストン
が摺動する。両ピストンは、コネクティングロッド（以
下、コンロッドと記す）を介してクランクシャフトに支
持され、９０゜の位相差をもって作動する。また、ＶＭ
ＨＰは、一旦作動（回転）し始めると高温室側の作動ガ
スを加熱するだけで作動し続ける。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＶＭＨＰでは、クラン
クシャフトにバランスウエイトが設けられるが、従来の
バランスウエイトはクランクシャフトと別体品であっ
た。すなわち、クランクシャフトとバランスウエイトと
を鋳造あるいは鍛造によりそれぞれ成形した後、両者を
ボルト締め等によって結合していた。そのため、締結用
のボルト等も含めて部品点数が多くなり、組立工数や製
造コストを増大させる要因となっていた。また、バラン
スウエイトをクランクシャフトに締結する際には、運転
時にバランスウエイトの脱落が起こらないように、ボル
トの締付トルクを厳格に管理する必要があった。

【０００５】本発明の目的は、部品点数や組立工数の削
減を図り、もって製造・保守の容易化や製造コストの低
減等を実現し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。

【０００６】

【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、クランクケースに回転自在に
支持されたクランクシャフトと、当該クランクシャフト
のつり合いをとるバランスウエイトとを有する外燃式熱
ガス機関であって、前記クランクシャフトと前記バラン
スウエイトとが一体に形成されたものを提案する。

【０００７】この発明によれば、例えば、クランクシャ
フトとバランスウエイトとを一体に形成した後、クラン
クケース内にクランク機構を組み立てる。これにより、
部品点数や組立工数が削減されると共に、別体品のバラ
ンスウエイトを用いた場合に比べてつり合いもより正確
になる。

【０００８】また、請求項２の発明では、クランクケー
スに回転自在に支持されたクランクシャフトと、当該ク
ランクシャフトのつり合いをとるバランスウエイトとを
有する外燃式熱ガス機関であって、前記クランクシャフ
トと前記バランスウエイトとが一体に鋳造または鍛造さ
れたものを提案する。

【０００９】この発明によれば、クランクシャフトやバ
ランスウエイトの形状が比較的複雑なものであっても、
鋳造機や鍛造機を駆動するだけでその製作が行えるた
め、製作工数が更に削減できる。

【００１０】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。

【００１１】この発明によれば、空気調和機の構成部品
点数が少なくなり、製造や保守が容易になると共に、装
置全体の価格も低減される。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】一方、熱ガス機関１では、中温室４２，４
３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１０１，１０２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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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、ＰＴＦＥ以外の素材を用いてもよいし、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。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ク
ランクシャフトとバランスウエイトとを一体にしたた
め、部品点数や組立工数が削減されると共に、別体品の
バランスウエイトを用いた場合に比べてつり合いもより
正確になる。また、クランクシャフトとバランスウエイ
トとを一体に鋳造または鍛造したものにあっては、クラ
ンクシャフトやバランスウエイトの形状が比較的複雑な
ものであっても、鋳造機や鍛造機を駆動するだけでその
製作が行えるため、製作工数が更に削減できる。

【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 ８ クランクピン １５，１６ ジャーナル １７，１８ ボールベアリング ２０ メインシャフト ２１ サブシャフト ３５，３６ バランスウエイト ６１ 室内ユニット ７１ 室外ユニット７１ ８１ 空気調和機

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランクケースに回転自在に支持された
   クランクシャフトと、当該クランクシャフトのつり合い
   をとるバランスウエイトとを有する外燃式熱ガス機関で
   あって、前記クランクシャフトと前記バランスウエイト
   とが一体に形成されたことを特徴とする外燃式熱ガス機
   関。
2. 【請求項２】 クランクケースに回転自在に支持された
   クランクシャフトと、当該クランクシャフトのつり合い
   をとるバランスウエイトとを有する外燃式熱ガス機関で
   あって、前記クランクシャフトと前記バランスウエイト
   とが一体に鋳造または鍛造され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。