JPS61265455A - 熱駆動ヒ−トポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は熱駆動ヒートポンプに係り、特に、作動ガスを
高温と低温の熱源で加熱、冷却することによって発生す
る作動ガス圧力の上昇、下降を、機械動力を介すること
なく直接ヒートポンプにおける作動ガスの圧縮、膨張に
利用して吸熱、排熱を行う方式のヒートポンプに関する
。

〔従来の技術〕

２個のディスプレーサを適切な時間ずれをもって変位す
るように、対向状に配置した２個のシリンダ内に収容し
、各ディスプレーサの往復変位に伴って、各シリンダに
付属する加熱器、リジェネレータおよび冷却器を含む流
路を経て、両シリンダ内の作動ガスを、両シリンダの端
部の高温室および低温室と、両シリンダの中間の中温室
との間を往復させるようにしたヒートポンプは、米国特
許第１２７５５０７号明細書に記載されているように公
知である。

この公知のヒートポンプでは、両ディスプレーサは、両
シリンダの中間部に設けた駆動軸によりクランク機構を
介して強制的に時間ずれをもって変位する。

また、２個のディスプレーサを外部から別々のモータで
駆動するようにしたものは、米国特許第３６３００４１
号明ＩＩＩ書により、２個のディスプレーサに永久磁石
を取付けて電磁石の力でディスプレーサを駆動するよう
にしたものは、米国特許第３７７４４０５号明ｍ１ｌｌ
により、それぞれ公知である。

一方、ディスプレーサの変位を作動ガスからの力によっ
て行い、ディスプレーサの動きをそれに連係されたクラ
ンク軸を介して動力として取出せるようにしたヒートポ
ンプは、米国特許第３３７９０２６号明ＩＩＩ書記載り
公知である。

また、中温室をフローティングピストンで仕切ったもの
が、米国特許第４４５５８４１号明細書に記載されてい
る。

さらにまた、低温ディスプレーサをフリーピストンとし
、かつガスばねで支持し、受圧面積差によって作動ガス
圧力で駆動するようにしたものも、米国特許第４０２４
２７号明ｍ書に記載されている。

（発明が解決しようとする問題点） 以上に述べた公知のヒートポンプは、いずれも、クラン
ク機構を有し、少くとも一方のディスプレーサは外部か
らの機械力または電磁力により駆動される。したがって
、ヒートポンプは機構的に複雑になり、外部に動力源が
ないと運転することができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決することができ、構造
が簡単で、熱源のみがあれば運転することが可能で、し
かも高い性能を期待することができる熱駆動ヒートポン
プを提供することを主目的とする。

また、本発明は、中温室フローティングピストンで仕切
る前記公知の方式に対して、ピストンの摺動による摩擦
ロスがない、ピストンの慣性抵抗や摩擦抵抗によって生
じるピストン前後面間の圧力差によるピストン前後面間
の作動ガスのもれによるロスがない、等の利点をさらに
・有する熱駆動ヒートポンプを提供することをも目的と
する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による熱駆動ヒートポンプは、同軸的に配置され
、内部に作動ガスを充填した高温シリンダおよび低温シ
リンダと、高温シリンダの低温シリンダと反対の側に高
温室を形成しかつ高温シリンダの低温シリンダ側に中温
室を形成するように、高温シリンダの内部に摺動自在に
挿入されたｉ温ディスプレーサと、前記高温室と中温室
とを連通させる高温側作動ガス流路と、高温室から中温
室へ向かう方向に関して高温側作動ガス流路内に順次配
列された高温熱交換器、高温リジェネレータおよび高温
側中温熱交換器と、低温シリンダの高温シリンダと反対
の側に低温室を形成しかつ低温シリンダの高温シリンダ
側に中温室を形成するように、低温シリンダの内部にＷ
Ｉ勤自在に挿入された低温ディスプレーサと、前記低温
室と中温室とを連通させる低温側作動ガス流路と、低温
室から中温室へ向かう方向に関して低温側作動ガス流路
内に順次配列された低温熱交換器、低温リジェネレータ
および低温側中温熱交換器と、前記高温シリンダおよび
低温シリンダの間に固定状態で設けられた高温側ディス
プレーサガイドおよび低温側ディスプレーサガイドとを
備え、高温側ディスプレーサガイドおよび低温側ディス
プレーサガイドは、それぞれ高温ディスプレーサおよび
低温ディスプレーサと摺動自在にかん合して両ディスプ
レーサを軸方向に案内し、かつ両ディスプレーサとの間
にガスを収容したガスばね室を形成していることを特徴
とする。

また、併合発明によれば、上記構成において、両ディス
プレーサガイドは両シリンダ間に固設された隔壁に設け
られ、隔壁は連通開口を有し、この連通開口内に中温リ
ジェネレータが設けられ、隔壁の両側に中温室が形成さ
れている。

〔作　用〕

以上の構成により、本発明の熱駆動ヒートポンプは、デ
ィスプレーサ外部から機械的駆動力を与えなくても、作
動ガスの作用と、両ディスプレーサに作用するガスばね
の作用とにより、ディスプレーサガイドやシリンダとの
摩擦、流路を作動ガスが流れるときの抵抗などに起因す
る減衰力と作動ガスからの力がつり合った状態で持続振
動をする。

〔実施例〕

つぎに、図面について本発明の詳細な説明する。

第１図において、１は本発明の熱駆動ヒートポンプの筒
状ケーシングで、このケーシング１の内部には、それと
一体的に高温シリンダ２Ｈおよび低温シリンダ２Ｌが同
軸的に設けられている。図示の例では低温シリンダ２Ｌ
の方が高温シリンダ２日より径が大となっている。ケー
シング１内には、たとえばヘリウムガスのような作動ガ
スが封入されている。

高温シリンダ２Ｈの内部には高温ディスプレーサ３Ｈが
摺動自在に収容され、この高温ディスプレーサ３Ｈによ
って、高温シリンダ２Ｈの低温シリンダ２Ｌと反対の側
に高温室４Ｈが形成され、また低温シリンダ２Ｌの側に
中温室４Ｍが形成されている。

高温室４Ｈと中温室４Ｍは、高温シリンダ２Ｈの外周に
形成した環状の′Ｂ温側作動ガス流路５Ｈにより連通し
ている。そして、この流路５Ｈの内部には、高温室４日
から中温室４Ｍへ向かって高温熱交換器７Ｈ，高温リジ
ェネレータ８Ｈおよび高温側中温熱交換Ｇ！１９Ｈが順
次設けられている。

低温シリンダ２Ｌの側においても同様な構成がとられ、
低温シリンダ２Ｌの内部に低温ディスプレーサ３Ｌが摺
動自在に収容され、この低温ディスプレーサ３Ｌによっ
て、低温シリンダ２Ｌの高温シリンダ２日と反対の側に
低温室４Ｌが形成され、また高温シリンダ２Ｈの側に中
温室４Ｍが形成されている。

さらに、低温室４Ｌと中温室４Ｍは、低温シリンダ２Ｌ
の外周に形成した環状の低温側作動ガス流路５Ｌにより
連通している。そして、この流路５Ｌの内部には、低温
室４Ｌから中編室４Ｍへ向かって低温熱交換器７Ｌ、低
温リジェネレータ８Ｌおよび低温側中１熱交換器９　Ｌ
、が順次設けられている。

両シリンダ２Ｈ，２Ｌの中間部には、ケーシング１と一
体をなして隔壁１０が設けられ、この隔壁１０からは高
温側および低温側ディスプレーサガイド１１Ｈ，１１Ｌ
が軸方向に突設されている。

図示の例ではこれらのガイド１１Ｈ，１１Ｌはロッドと
して形成され、それぞれのロッド１１Ｈ１１１Ｌは高温
および低温ディスプレーサ３Ｈ。

３Ｌに形成した凹穴１２Ｈ，１２Ｌに摺動自在に挿入さ
れ、これにより凹穴１２Ｈ，１２Ｌ内にガスばね室１３
Ｈ，１３Ｌが形成されている。ガスばね室内には、たと
えばヘリウムガスが封入される。なお、ガイドと凹穴の
雌雄関係は逆にすることも可能であるが、図示の構造の
方が好ましい。

隔壁１０には連通関口１４が形成され、雨中温室４Ｍ、
４Ｍは連通し、１つの中温室のように機能するようにな
っている。

前記高温熱交換器７日は、その外部から高温の熱源、た
とえばプロパンガスの燃焼ガスによって矢印Ａで示すよ
うに加熱され、内部の作動ガスへその熱が伝わるように
される。また、高ｍ室４日は高温熱交換器７Ｈによって
高温に保持される。

一方、高温側中温熱交換器９日は、外部の低温熱源、た
とえば上水通水に接し、それによって冷却され、内部の
作動ガスを中門温度、たとえば４０℃程度にするように
機能する。

作動ガスは、２個のディスプレーサ３Ｈ，３Ｌの動きに
応じて、それぞれの作動ガス流路５Ｈ。

５Ｌ内をいずれの方向にも自由に流れることもできる。

そして、高温室４日と中温室４Ｍ、および低温室４Ｌと
中温室４Ｍの圧力の間には、作動ガスが流路５Ｈ，５Ｌ
を流れるときに発生する圧力降下に起因する圧力差のみ
が存在する。

両リジェネレータ８８．８１は蓄熱性能に優れた材料か
らなり、そこを流通ずる作動ガスに、蓄えた熱を放出し
たり、熱を奪ったりする。

つぎに、以上に説明したヒートポンプの作用を説明する
。

前述のように、高温ディスプレーサ３Ｈおよび低温ディ
スプレーサ３Ｌは、それぞれガスばね室１３Ｈ，１３Ｌ
内のガスばねを介してケーシング１内に支持されており
、いわゆるばね質点系を構成している。また、高温室４
Ｈ，中温室４Ｍおよび低温室４Ｌは流路５１−１．５Ｌ
を通じて互いに連通しており、各室の作動ガス圧力間に
は流路５Ｈ。

５Ｌの圧力降下分の圧力差があるのみであり、全作動ガ
スの圧力はほぼ均一とみなせる。

一方、ディスプレーサ３Ｈ，３Ｌが作動ガスから圧力を
受ける面積は、高温、低温いずれのディスプレーサにお
いても、中温室４Ｍ側の方がケーシング端（高温室４Ｈ
，低温室４Ｌ）側よリロッド１１Ｈ，１１Ｌの断面積分
だけ小さくなってぃる。よって、いずれのディスプレー
サも、作動ガス圧力が上昇すると圧力上昇分にロッド断
面積を乗じただりの力を中温室４Ｍに向かう方向へ受け
、作動ガス圧力が低下すると圧力の低下分にＯラド断面
積を乗じただけの力を中温室４Ｍから遠ざかる方向へ受
ける。

作動ガスの温度は、前述のように高温室４日では高温に
保持され、中温室４Ｍでは中間的な温度に保持され、低
温室４Ｌは、後述のような本ヒートポンプの作動の結果
低温に保持される。

このような状態の下で、高温ディスプレーサ３Ｈと低温
ディスプレーサ３Ｌは、後で詳述するように自励娠勤を
開始し、このヒートポンプは低温熱交換器７Ｌを介して
外部から熱を吸収し、２つの中温熱交換！１９８．９Ｌ
から外部へ熱を排出する。

以下、それについて詳述する。なお、表現の便宜上、中
温室４Ｍから高温室４日へ向かう方向を上方向、中温室
４Ｍから低温室４Ｌへ向かう方向を下方向と呼ぶ。

まず、低温ディスプレー＋ｊ３Ｌの動きが高温ディスプ
レーサ３Ｈに及ぼす影響ついて述べる。

いま、低温ディスプレーサ３Ｌが周期的に往復運動をし
ているとする。低温ディスプレーサ３Ｌが上方向へ移動
すると、中温室４Ｍの一部の作動ガスは低温ディスプレ
ーサ３Ｌに押しのけられて、低温側中温熱交換器９し、
低温リジェネレータ８Ｌ、低温熱交換器７Ｌを通り、低
・潟リジェネレータ８Ｌに熱を奪われて低温になり低温
室４Ｌへ流入する。この過程で、中間温度の作動ガスの
一部が低温に冷却されることになるため、作動ガスの圧
力は下り、また各室４８．４Ｍ、４Ｌの作動ガスは流路
５）（，５Ｌを通じて連通しているために、各室の圧力
が互いに均一になった状態で全作動ガスの圧力の低下が
起る。

作動ガス圧力が低下すると、前述のように高温ディスプ
レーサ３Ｈには、圧力の低下分にロッド１１Ｈの断面積
を乗じた力が中温室４Ｍから遠ざかる方向すなわち上方
向へ加わる。

逆に低温ディスプレーサ３Ｌが下方向へ移動すると、低
温室４Ｌの作動ガスは低温ディスプレーサ３Ｌに押しの
けられて、低温熱交換器７Ｌ、低温リジェネレータ８Ｌ
、低温側中温熱交換器９［を通り、低温リジェネレータ
８Ｌから熱を受けとり中間温度となって中温室４Ｍへ流
入する。この過程で低温の作動ガスの一部が中間温度に
加熱されることになるため、作動ガスの圧力は上がり、
また各室４Ｈ，４Ｍ、４Ｌの作動ガスは流路５Ｈ。

５Ｌを通じて連通しているために圧力の上昇は各室の圧
力が均一になった状態で起る。

作動ガスの圧力が上昇すると、前述のように高温ディス
プレーサ３Ｈには圧力の上昇分にロッド１１Ｈの断面積
を乗じただけの力が下方向に加わる。

以上より、低温ディスプレーサ３Ｌが往復運動をすると
、高温ディスプレーサ３Ｈには低温ディスプレーサ３Ｌ
の変位と同方向の力が加わることがわかる。

高温ディスプレーサ３Ｈは、ディスプレーサ自身を質点
、ガスばね室１３Ｈ内のガスばねをばねとするばね質点
系の質点とみなすことができるため、周期的な力を受け
ると、ばね質点系の一般的な特性に基づいて、加えられ
た力に時間的に遅れて追従して変位する。ただし、この
ｒＲ１ｉｌ的な遅れは、変位が力の逆方向となるまでは
遅れない。

よって、高温ディスプレーサ３Ｈは低温ディスプレーサ
３Ｌの変位と同方向の力を受け、その結果高温ディスプ
レーサ３Ｈの変位は低温ディスプレーサ３Ｌの変位に時
間的に遅れつつ追従することになる。

つぎに、高温ディスプレーサ３Ｈの動きが低温ディスプ
レーサ３Ｌに及ぼす影響について述べる。

高温ディスプレーサ３Ｈが周期的に往復運動をしている
とする。いま、高温ディスプレーサ３Ｈが上方向へ移動
すると、高温室４Ｈの作動ガスの一部は高温ディスプレ
ーサに押しのけられて、高温熱交換器７Ｈ，高温リジェ
ネレータ８Ｈ，高温側中温熱交換器９日を通り、高温リ
ジェネレータ８Ｈに熱を与えて中Ｉｌｌｌｌ色度って中
温室４Ｍへ流入する。この過程で高温の作動ガスの一部
が中量温度に冷却されることになるため、作動ガスの圧
力は下り、各室４Ｈ，４Ｍ、４Ｌの作動ガスは流路５Ｈ
，５Ｌによって互いに連通しているためこの圧力の低下
は全作動ガスに及ぶ。

作動ガス圧力が低下すると、低温ディスプレーサ３Ｌに
は圧力の低下分にロッド１１［の断面積を乗じた力が下
方向へ加わる。

逆に、高温ディスプレーサ３Ｈが下方向へ移動すると、
中温室４Ｍの作動ガスの一部は高温ディスプレーサに押
しのけられて、高温側中温熱交換器９Ｈ，高温リジェネ
レータ８　Ｈ、高温熱交換器７日を通り交換リジェネレ
ータ８日から熱を受けとって高温となって高温室４Ｈへ
流入する。この過程で、中間温度の作動ガスが一部加熱
されることになるため、全作動ガスの圧力は上る。

作動ガス圧力が上昇すると、低温ディスプレーサ３Ｌに
は圧力の上昇分にロッド１１Ｌの断面積を乗じた力が上
方向に加わる。

以上より、高温ディスプレーサ３Ｈが周期運動をすると
、低温ディスプレーサ３Ｌには高温ディスプレーサの変
位と逆向きの力が加わることがわかる。

低温ディスプレーサ３Ｌも高温ディスプレーサ３Ｈと同
じくばね質点系の質点とみな仕るため、受けた力が、時
間的に遅れて変位が追従するが、その遅れは、受けた力
に対して変位が逆方向になるほどではない。このことは
次のように言いかえられる。すなわち、ばね質点系の質
１点が周期的な力を受けると、受けた力と逆向きの波形
に対しては先行して変位する。この関係を第２図に示す
。

同図において、力Ｆによる変位りは力Ｆに対してＢだけ
遅れるが、力Ｆと逆向きの波形Ｒに対してはＣだけ先行
する。

一方、高温ディスプレーサ３Ｈの動きに対して低温ディ
スプレーサ３Ｌが受ける力は、高温ディスプレーサ３Ｈ
の変位と逆方向であるため、低温ディスプレーサ３Ｌの
変位は、高温ディスプレーサ３Ｈの変位と逆方向の力と
は逆向きの波形に先行する。すなわち、低温ディスプレ
ーサ３Ｌは高温ディスプレーサ３Ｈの変位に先行した波
形で変位する。

以上より、 ａ）　低温ディスプレーサ３Ｌが周期運動をすると、高
温ディスプレーサ３Ｈは低温ディスプレーサ３Ｌの変位
に遅れて追従する波形で変位し、 ｂ）　高温ディスプレーサ３Ｈが周期運動をすると、低
温ディスプレーサ３Ｌは高温ディスプレーサ３の変位に
先行する波形で変位する、ことが明らかである。

よって、低温ディスプレーサ３Ｌが周期運動をした場合
も、高温ディスプレーサ３Ｈが周期運動をした場合も、
いずれもその結果引き起される両ディスプレーサの運動
の相対関係は同じで、必ず低温ディスプレーサ３Ｌの変
位は高温ディスプレーサ３Ｈの変位に先行する。

一方、高温ディスプレーサ３Ｈも低温ディスプレーサ３
Ｌもばねでケーシング１内に支持されているため、何ら
かの外力たとえば衝撃力や電磁力などの人為的な力が加
わると、その外力が消滅した後に継続して振動する性質
を持つが、この撮動においては上述のように、低温ディ
スプレーサ３Ｌの変位は高温ディスプレーサ３Ｈの変位
に先行する。また、この振動はもし、２個のディスプレ
ーサの運動を促進する力を作動ガスが発生しなければ、
ディスプレーサとシリンダ２Ｈ，２Ｌやロッド１１Ｈ，
１１Ｌとの摩擦力、前記流路５Ｈ。

５Ｌの抵抗などにより減衰し、停止することになる。

この熱駆動ヒートポンプでは、高温および低温ディスプ
レーサ３Ｈ，３Ｌに対する作動ガスの作用により、上述
のような外力の消滅後も、両ディスプレーサの振動は減
衰せずに持続する。

両ディスプレーサ３Ｈ，３Ｌのいずれかに外力を与えて
両者を振動させたとすると、外力を除いた後、両者は第
３図に示すように、低温ディスプレーサ３Ｌの変位が高
温ディスプレーサ３Ｈの変位にＣだけ先行する形で振動
する。以下、第３図にａないしｈで示す状態におけるヒ
ートポンプの作動状態を第４八図ないし第４Ｈ図を参照
して説明する。なお、ａないしｈの状態は第４八図ない
し第４Ｈ図の状態にそれぞれ対応する。

（Ｉ）状態ａから状態Ｃに至るまで （第４八図ないし第４Ｃ図） この間、高温ディスプレーサ３Ｈは上方から下方への方
向転換をし、動きは緩やかであるため作動ガスの状態に
与える影響は小さく、作動ガスの状態は下方へ向かって
移動する低温ディスプレーサ３Ｌの動きの影響を受ける
。

第４Ａ図の状態においては、高温室４Ｈの作動ガスは容
積が最小となりつつあり、低温室４Ｌの作動ガスは容積
が最大から減少しかけているところ工ある。よって、第
４Ａ図の状態は作動ガスが低温側へ最も偏った状態であ
り、サイクル中で作動ガス圧力が最も低くなった状態で
ある。

低温ディスプレーサ３Ｌが下方へ向って移動する第４Ｂ
図の過程で、低温室４Ｌの低温の作動ガスは低温熱交換
器７Ｌ、低温リジェネレータ８Ｌ、低温側中温熱交換器
９Ｌを順に通り、低温熱交換器７Ｌを介して外部から熱
を奪い、さらに低温リジェネレータ８Ｌからも熱を受け
とり、中間温度となって中温室４Ｍへ流入する。この結
果、低温の作動ガスが一部中間温度にまで加熱されるた
め、作動ガス圧力は上昇する。圧力が上昇する過程で、
第４Ａ図の時点で中温室を占めていた作動ガスもまた圧
力が上昇すなわち、圧縮されることになり、中温室４Ｍ
においては断熱圧縮と類似の状態変化が起り、中温室４
Ｍの温度は上昇する。この温度上昇分に見合った熱量が
引き続く過程で、高温側および低温側の中温熱交換器９
Ｈ，，９Ｌから低温熱源に排出される。

第４八図ないし第４Ｃ図の過程での圧力上昇幅は、上述
から明らかなように、低温室４Ｌと中温室４Ｍの温度差
が大なるほど大きく、したがって、この過程での中温室
４Ｍの温度上昇幅すなわち引続く過程での中温熱交換！
１９１−１，９Ｌがらの排出熱量は、低温室４Ｌと中温
室４Ｍの温度差が大なるほど大きい。

（ｎ）状態Ｃから状９ｅに至るまで （第４Ｃ図ないし第４Ｅ図） この間、低温ディスプレーサ３しは下方から上方への方
向転換をし、動きは緩やかであるため、作動ガスの状態
に与える影響は少なく、作動ガスの状態は下方へ向かっ
て移動する高温ディスプレーサ３Ｈの動きの影響を受け
る。

第４Ｃ図の状態においては高温室４日、低温室４Ｌとも
、容積が最小の状態に近く、中温室４Ｍの容積は最大の
状態である。よってこの状態は、サイクルの中で作動圧
力が平均値に近い値になっている状態である。

高温ディスプレーサ３Ｈが下方へ向かって移動する第４
Ｄ図の過程で、中温室４Ｍの中間温度の作動ガスは高温
ディスプレーサ３Ｈ１，：＃Ｌ、のけられて高温側中温
熱交換器９Ｈ１高温りジェネレータ８日、高温熱交換器
７日を順に通り、前記（Ｉ）の過程での中温室４Ｍの温
度上昇に見合った熱量を高温側中温熱交換器９日へ排出
し、高温りジェネレータ８Ｈから熱を受けとり高温とな
って高温９４）−１へ流入する。この結果、中間温度の
作動ガスが一部高温に熱せられるため、作動ガスの圧力
は前記（Ｉ）の過程に引き続いて上昇する。このように
圧力が上昇する過程で、第４Ｃ図の状態で中温室４Ｍと
低温室４Ｌをそれぞれ占めていた作動ガス圧力も上昇す
ることになり、わずかの作動ガスが中温ｖ４Ｍから低温
室４Ｌへも流れ込む。

このとき、前記（Ｉ）の過程での中温室４Ｍの温度上昇
に見合った熱量の一部が低温側中温熱交換器９Ｌからも
排出される。これと同時に、中温室４Ｍでは圧縮に伴い
断熱圧縮と類似の状態変化が起り、中温室４Ｍの温度は
上昇する。この温度上昇分に見合った熱量が引き続く過
程で低温側中温熱交換器９Ｌから低温熱源に排出される
。

第４Ｃ図ないし第４Ｅ図の過程での圧力上昇幅は上述か
ら明らかなように中温室と高温室の温度差が大なるほど
大きく、したがって、この過程での中温室の温度上昇幅
、すなわち引続く過程での中温熱交換器からの排出熱量
は中温室と高温室の温度差が大なるほど大きい。

＜ＩＩＩ）状態ｅから状態ｑに至るまで（第４Ｅ図ない
し第４Ｇ図） この間、高温ディスプレーサ３Ｈは下方から上方への方
向転換をし、動きは緩やかであるため作動ガスの状態に
与える影響は小さく、作動ガスの状態は、上方へ向かっ
て移動する低温ディスプレーサ３Ｌの動きの影響を受け
る。

第４Ｅ図の状態においては、高温室４Ｈの作動ガスの容
積は最大になりつつあり、低温室４Ｌの作動ガスの容積
は最小から増大しかけているところである。よって、第
４Ｅ図の状態は作動ガスが高温側へ最も偏った状態であ
り、サイクル中で作動ガス圧力が最も高くなった状態で
ある。

低温ディスプレーサ３Ｌが上方へ向かって移動する第４
Ｆ図の過程で、中温室４Ｍの中間温度の作動ガスは、低
温ディスプレーサ３Ｌに押しのけられて低温側中温熱交
換器９Ｌ、低温リジェネレータ８Ｌ、低温熱交換器７Ｌ
を順に通り、前記（Ｉ）の過程での中温室４Ｍの温度上
昇に見合った熱量を低温側中温熱交換３９Ｌに排出し、
さらに低温リジェネレータ８Ｌに熱を奪われて低温とな
って低温室４Ｌへ流入する。この結果、中間温度の作動
ガスが一部低温に冷却されることになるため、作動ガス
圧力は低下する。

このように作動ガス圧力が低下する過程で、高温室４Ｈ
の作動ガスも流路５Ｈを通り中温室４Ｍへ流入し圧力が
低下し、全作動ガスの圧力の低下が起ることになる。す
なわち、この過程においては、高温室４日は容積変化が
ほとんどない状態で、作動ガスが引き抜かれることにな
り１、高温室４Ｈの作動ガスには断熱膨張と類似の状態
変化が起り、高温室４Ｈの温度は低下する。この高温室
４Ｈの温度低下に見合った熱量が引き続く過程で高温熱
源から高温熱交換器７日を介して作動ガスに加えられる
。

第４Ｅ図から第４Ｇ図の過程での圧力低下の幅は、上述
から明らかなように、低温室４Ｌと中温室４Ｍの温度差
が大なるほど大きく、したがってこの過程での高温室４
Ｈの温度低下幅すなわち引き続く過程での高温熱交換器
７Ｈからの吸収熱量は、低温室４Ｌと中温ｖ４Ｍの温度
差が大なるほど大きい。

（ＩＶ）状！ｌｌｏから状１ｈに至るまで（第４Ｇ図お
よび第４Ｈ図） この間、低温ディスプレーサ３Ｌは上方から下方への方
向転換をし、動きは緩やかであるため、作動ガスの状態
に与える影響は小さく、作動ガスの状態は上方へ向かっ
て移動する高温ディスプレーサ３Ｈの動きの影響を受け
る。

第４Ｇ図の状態においては、低温室４Ｌ、高温室４日と
もに容積がほぼ最大の圧力が平均値に近い値になってい
る状態である。

高温ディスプレーサ３Ｈが上方へ向かって移動する第４
Ｈ図の過程で、高温室４Ｈの高温の作動ガスは高温ディ
スプレーサ３Ｈに押しのけられて高温熱交換器７Ｈ，高
温リジェネレータ８日、高温側中温熱交換ｉ！９Ｈを順
に通り、前記（Ｔ［Ｉ）の過程での高温室４Ｈの温度低
下に見合った熱量を高温熱交換器７日から吸収し、さら
に高温リジェネレータ８Ｈに熱を与えて中間温度となっ
て中温室４Ｍへ流入する。この結果、高温の作動ガスが
一部中間温度に冷却されることになるため、作動ガス圧
力は前記（ＩＩ［）の過程に続き低下する作動ガス圧力
の変化は前述のように全作動ガスについて起るために、
この作動ガス圧力が低下する過程においては低温室４Ｌ
の作動ガスも一部が流路５Ｌを通り中温室４Ｍへ流れ込
み、低温室４Ｌの圧力も低下することになる。よって、
この過程では、低温室４Ｌは容積変化がほとんどない状
態で作動ガスが一部引抜かれることになり、低温室４Ｌ
内の作動ガスは断熱膨張と類似の状態変化が起り、低湿
室４Ｌの温度は低下する。この温度の低下によって、低
温室４Ｌは低温に保たれることになる。

また、この低温室４Ｌの温度低下に見合った熱量を、引
き続く過程で作動ガスは低温熱交換器７Ｌから吸収する
。

第４Ｇ図から第４Ａ図の過程での圧力低下の幅は、上述
から明らかなように高温室４日と中温室４Ｍの温度差が
大なるほど大きく、したがってこの過程での低温室４Ｌ
の温度低下幅すなわち引き続く過程での低温熱交換２！
７Ｌからの吸収熱量は、高温室４Ｈと中温室４Ｍの温度
差が大なるほど大きい。

以上が、高温ディスプレーサ３Ｈと低温ディスプレーサ
３Ｌとが１サイクル分運動したときの本ヒートポンプの
状態の変化である。

前記（Ｉ）から（ＥＶ　）までの過程をまとめると次の
ようになる。

（Ａ＞ディスプレー１ｊに対する作動ガスの作用作動ガ
ス圧力は第４Ａ図の状態で最低値、第４Ｃ図の状態で中
間的な値、第４Ｅ図の状態で最高値、第４Ｇ図の状態で
再び中間的値をとりつつ変動する。高温ディスプレー＋
ｊ−３Ｈの変位、低温ディスプレーサ３Ｌの変位に関連
して作動ガス圧力Ｐがどのように変動するかを第３図に
示す。

高温ディスプレーサおよび低温ディスプレーサは、ケー
シング端側と中温室側との間の受圧面積の差によって作
動ガスから次のような力を受ける。

ａ）　第３図の状態Ｃから状態Ｑまで、作動ガス圧力は
平均的な値より高いために、高温ディスプレーサ３Ｈ，
低温ディスプレーサ３Ｌ共にケーシング端から中温室４
Ｍの方向に作動ガスから力を受ける。すなわち、高温デ
ィスプレーサ３Ｈは下向き、低温ディスプレーサ３Ｌは
上向きの力をそれぞれ作動ガスから受ける。

高温ディスプレーサ３Ｈは、この間はとんどの門下向き
に移動しつつあり、作動ガスは高温ディスプレーサ３Ｈ
の下向きの運動をさらに加速する方向に作用する。また
、低温ディスプレーサ３Ｌはこの間はとんどの同上向き
に移動、しつつあり、作動ガスは低温ディスプレーサ３
Ｌの上向きの運動をさらに加速する方向に作用する。

ｂ）　第３図の状態Ｑから状ｌｃまで、作動ガス圧力は
平均的な値より低いために、ディスプレーサには前記ａ
）の場合と逆向きの力、すなわち高温ディスプレーサ３
Ｈには上向き、低温ディスプレーサ３Ｌには下向きの力
が作動ガスから加わる。

高温ディスプレーサ３Ｈはこの間はとんどの同上向きに
移動しつつあり、作動ガスは高温ディスプレーサ３Ｈの
上向きの運動をさらに加速する方向に作用する。また、
低温ディスプレーサ３Ｌはこの間はとんどの門下向きに
移動しつつあり、作動ガスは低温ディスプレーサ３Ｌの
下向きの運動をさらに加速する方向に作用する。

すなわち、前記ａ）、ｂ）より高温ディスプレーサ３Ｈ
および低温ディスプレーサ３Ｌの運動は作動ガスからの
力によって促進されることになる。

第５Ａ図および第５Ｂ図に高温ディスプレーサ３Ｈの変
位と高温ディスプレーサに対する作動ガスの力の線図、
および低温ディスプレーサ３Ｌの変位と低温ディスプレ
ーサに対する作動ガスの力の絵図を示す。これらの図中
、ａないしｈは前述の状態ａないしｈにそれぞれ相当す
る。

高温ディスプレーサと低温ディスプレーサとは、これら
の絵図で囲まれた面積に相当するエネルギーを作動ガス
から受は取る。

よって、高温ディスプレーサ３Ｈと低温ディスプレーサ
３Ｌとは、上述の作動ガスからの力と、ロッド１１Ｈ，
１１Ｌやシリンダ２Ｈ，２ｍとの１１！擦、流路５１−
１．５Ｌを作動ガスが流れるときの抵抗などに起因する
減衰力とがつり合った状態で持続振動をする。

（８）熱交換器における熱の授受 第３図のａないしｈ（第４図ないし第４Ｈ図）の過程に
おいて各熱交換器での熱の授受は次の通りである。

ａ）　　ａからＣの過程では、ｈからａの過程における
低温室４Ｌの膨張仕事相当分の熱量を低温熱交換器７Ｌ
から吸収する。この熱量は高温室４日と中温室４Ｍの温
度差に比例する。また、同。

時に中温室４Ｍの作動ガスは圧力上昇により圧縮仕事を
受ける。

ｂ）　　ｃからｅの過程では、ａからＣの過程における
中温室４Ｍに対する圧縮仕事相当分の熱量を主に高温側
中温熱交換器９日から排出する。この熱量は低温室４Ｌ
と中温室４Ｍの温度差に比例する。また、同時に中温室
４Ｍの作動ガスはａか・らＣに引き続いて圧縮仕事を受
ける。

ｃ）　　ｅからＱの過程では、Ｃからｅの過程における
中温室４Ｍに対する圧縮仕事相当分の熱ｍを低温側中温
熱交換器９Ｌから排出する。この熱量は高温室４Ｈと中
温室４Ｍの一度差に比例する。

また、同時に高温室４日は中温室４Ｍへ向かって作動ガ
スを排出することによる膨張仕事をする。

ｄ）　ｑからａの過程では、ｅから９の過程における高
温室４Ｈの膨張仕事相当分の熱量を高温熱交換器７日か
ら吸収する。この熱量は中温室４Ｍと低温室４Ｌの温度
差に比例する。また同時に、低温室４Ｌは中温室４Ｍへ
向かって作動ガスを排出することによる膨張仕事をする
。この膨張仕事相当分の熱量は上述のように、ａからＣ
の過程で低温熱交換器７Ｌから吸収される。

以上より概路次のことが成立する。

高温熱交換器７日・・・ 中温室４Ｍと低温室４Ｌの温度 差に比例する熱ｍを吸収。

高温側中温熱交換器９日・・・ 中温室４Ｍと低温室４Ｌの温度 差に比例する熱量を排出。

低温側中温熱交換器９Ｌ・・・ 高温室４日と中温室４Ｍのｍ度 差に比例する熱量を排出。

低温熱交換器７Ｌ・・・ 高温室４日と中温室４Ｍの温度 差に比例する熱量を吸収。

よって、本装置がヒートポンプとして作動することは以
上より明らかである。そして、本ヒートポンプは、 （ｉ）　高温室４日と中温室４Ｍの温度差に比例した熱
量を低温室４Ｌの温度レベ・ルから中温室４Ｍの温度レ
ベルにまで汲み上げる。

（ｉｉ）　　そのために必要なエネルギーは、中温室４
Ｍと低温室４Ｌの温度差すなわち汲み上げの温度揚程に
比例する。

（ｉｉｉ）　　したがって、 （ａ）　　汲上げの出力の温度レベルが高いほど、すな
わち中温室４Ｍの温度が高いほど投入エネルギーに対す
る汲上げ熱量の比率は低くなる。

（ｂ）　　高温室４Ｈの温度が高いほど、投入エネルギ
ーに対する汲上げ熱量の比率は高くなる。

（Ｃ）　　汲上げの入力の温度レベルが低いほど、すな
わち低温室４［の温度が低いほど投入エネルギーに対す
る汲上げ熱ａの比率は低くなる。

などの性質がある。

第６図は本発明のヒートポンプの他の例を示す。

このヒートポンプにおいては、第１図のヒートポンプに
おいて、連通開口１４内に中温リジェネレータ１６が挿
入されて、中温室は２つの室４Ｍ１゜４Ｍ２に分けられ
ている。また、互いに温度の異なる２種の低温熱源が用
いられ、高温側中温熱交換器９日は高温側の低温熱交換
器によって冷却され、低温側中温熱交換器９Ｌは低温側
の低温熱交換器によって冷却される。したがって中温室
４Ｍ１．４Ｍ２の温度は異なってくる。

作動ガスは中温リジェネレータ１６を自由に通過できる
ようになっており、作動ガスの状態の変化は第１図の場
合と同じく全作動ガスが均圧状態をとる。

中温リジェネレータ１６は、高温側中温室４Ｍ１の温度
と低温側中温室４Ｍ２の温度が異なっているため、温度
の高い側から温度の低い側へ作動ガスが流れるときには
、作動ガスから熱を奪い蓄熱材にその熱を一旦たくわえ
て作動ガスの温度を低温側の温度にまで下げ、逆に温度
の低い側から温度の高い側へ作動ガスが流れるときには
上述の一旦たくわえた熱を作動ガスに与えて作動ガスの
温度を高温側の温度にまで高める。すなわち、中温リジ
ェネレータ１６は高温側中温室４Ｍ１と低温側中温室４
Ｍ２の温度差を保持する働きをする。したがって、高温
側中温ｖ４Ｍ１は２つの低温熱源の温度差に応じて低温
側中温室４Ｍ２よりも高い温度に保持される。

第１図に示した装置の作動に関する前記説明は、第６図
に示す装置についても該当し、高温ディスプレーサ３Ｈ
の運動と低温ディスプレーサ３Ｌの運動の相互干渉の仕
組、および高温ディスプレーサ３Ｈおよび低温ディスプ
レーサ３Ｌの変位と作動ガス圧力との相対関係は中温室
４Ｍの温度が一様である場合と全く同じであり、第６図
の装置においても高温ディスプレーサ３Ｈおよび低温デ
ィスプレーサ３Ｌは振動を持続する。

一方、熱交換器における熱の授受に関しては概路次のこ
とが言える。

高温熱交換器７日・・・ 低温側中温室４Ｍ２と低温室 ４Ｌの温度差に比例する熱量を 吸収。

高温側中温熱交換器９Ｈ・・・ 低温側中温室４Ｍ２と低温室 ４Ｌの温度差に比例する熱量を 排出。

低温側中温熱交換器９Ｌ・・・ 高温側中温室４Ｍ１と高温室 ４Ｈの温度差に比例する熱量を 排出。

低温熱交換器７Ｌ・・・ 高温側中温室４Ｍ１と高温室 ４Ｈの温度差に比例する熱量を 吸収。

したがって、第６図に示した装置はヒートポンプとして
は、 （ｔ）　　Ｊｉ６ｍ空４Ｈとｉ温側中ｍ’Ｊ４Ｍ１の温
度差に比例する熱量を低温室４Ｌの温度レベルから汲み
上げる。

（１１）　　そのために必要なエネルギーは、低温側中
温室４Ｍ２と低温室４Ｌの温度差に比例する。

（ｉｉｉ）　　汲み上げた熱の出力温度レベルは、高温
側中温室４Ｍ１の温度と低温側中温室４Ｍ２の温度の２
段階があり、各段における出力熱量は、（ａ）　　低温
側中温室４Ｍ２と低温室４Ｌの温度差が小さいほど高温
側中温室４Ｍ１の温度レベルでの出力は小さくなり、 （ｂ）　　高温側中温室４Ｍ１と高温室４Ｈの温度差が
小さいほど低温側中温ｆｆ４Ｍ２のｌｉ１度レベルの出
力は小さくなる。

などの性質があり、第１図の装置と比較して次のことが
言える。

（１）　第６図の装置において、高温側中温室４Ｍ１の
温度を第１図の装置の中温室４Ｍの温度と等しくし、低
温側中温室４Ｍ２の温度をそれよりも低くすることによ
り、第６図の装置においては、第１図の装置よりも少な
い所要エネルギーによって第１図の装置と等しい低温室
の温度レベルから同ｍの熱量を汲み上げ、第１図の装置
よりも熱量は少ないが温度レベルの等しい熱出力が得ら
れる。　　（２）　第６図の装置において、高温側中温
室４Ｍ１の温度を第１図の装置の中温室４Ｍの温度と等
しくし、低温側中温室４Ｍ２の温度はそれよりも低くし
、低温室４Ｌの温度も第１図の装置の低温室４Ｌの温度
よりも低くすることにより、第１図の装置と同量の所要
エネルギーによって、第１図の装置と同盟の熱量をより
低温から汲み上げることができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明のヒートポンプは、外部か
ら機械的動力を与えなくても持続振動するので、構造的
に簡単であり、クランク機構等の外部動力機構の保守等
が不要となり、高い性能が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱駆動ヒートポンプの原理的軸方向断
面図、第２図はばね質点系の振動の説明図、第３図は本
発明における高温および低温ディスプレーサの変位およ
び作動ガス圧力の変動の関係を示す縮図、第４八図ない
し第４Ｈ図は本発明の熱駆動ヒートポンプの作動経過を
順次示す図、第５Ａ図は高温ディスプレーサの変位と作
動ガスがそれに及ぼす力の関係を示すグラフ、第５Ｂ図
は低温ディスプレーサの変位と作動ガスがそれに及ぼす
力の関係を示すグラフ、第６図は本発明の熱駆動ヒート
ポンプの他の例を示す原理的軸方向断面図である。 １・・・ケーシング、２日・・・高温シリンダ、２Ｌ・
・・低温シリンダ、３日・・・高温ディスプレーサ、３
Ｌ・・・低温ディスプレーサ、４日・・・高温室、４Ｌ
・・・低温室、４Ｍ、４Ｍ１．４Ｍ２・・・中温室、５
Ｈ・・・高温側作動ガス流路、５Ｌ・・・低温側作動ガ
ス流路、７日・・・高温熱交換器、７し・・・低温熱交
換器、８Ｈ・・・高温リジェネレータ、８Ｌ・・・低温
リジエネレータ、９Ｈ・・・高温側中温熱交換器、９Ｌ
・・・低温側中温熱交換器、１０・・・隔壁、１１Ｈ・
・・高温側ディスプレーサガイド、１１Ｌ・・・低温側
ディスプレーサガイド、１２１−１．１２Ｌ・・・凹穴
、１３１−１．１３１・・・ガスばね室、１４・・・連
通開口、１６・・・中温リジェネレータ。 出願人代理人　　猪　　股　　　　情 感１園 ＄２図 弔３目 第４Ａ図　　　　　第４Ｂ目 第４Ｃ目　　　　　　第４Ｄ目 弔４Ｅ目　　　　　第４Ｆ図 懇４Ｇ目　　　　　　も４Ｈ図 第５Ａ目 第５８園

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同軸的に配置され、内部に作動ガスを充填した高温
   シリンダおよび低温シリンダと、高温シリンダの低温シ
   リンダと反対の側に高温室を形成しかつ高温シリンダの
   低温シリンダ側に中温室を形成するように、高温シリン
   ダの内部に摺動自在に挿入された高温ディスプレーサと
   、前記高温室と中温室とを連通させる高温側作動ガス流
   路と、高温室から中温室へ向かう方向に関して高温側作
   動ガス流路内に順次配列された高温熱交換器、高温リジ
   ェネレータおよび高温側中温熱交換器と、低温シリンダ
   の高温シリンダと反対の側に低温室を形成しかつ低温シ
   リンダの高温シリンダ側に中温室を形成するように、低
   温シリンダの内部に摺動自在に挿入された低温ディスプ
   レーサと、前記低温室と中温室とを連通させる低温側作
   動ガス流路と、低温室から中温室へ向かう方向に関して
   低温側作動ガス流路内に順次配列された低温熱交換器、
   低温リジェネレータおよび低温側中温熱交換器と、前記
   高温シリンダおよび低温シリンダの間に固定状態で設け
   られた高温側ディスプレーサガイドおよび低温側ディス
   プレーサガイドとを備え、高温側ディスプレーサガイド
   および低温側ディスプレーサガイドは、それぞれ高温デ
   ィスプレーサおよび低温ディスプレーサと摺動自在にか
   ん合して両ディスプレーサを軸方向に案内し、かつ両デ
   ィスプレーサとの間にガスを収容したガスばね室を形成
   していることを特徴とする熱駆動ヒートポンプ。 ２、高温側および低温側ディスプレーサガイドがいずれ
   も軸方向に突出するロッドからなり、高温および低温デ
   ィスプレーサはそれぞれのロッドを摺動自在に受ける凹
   穴を有し、この凹穴内にガスばね室が形成されている特
   許請求の範囲第１項記載の熱駆動ヒートポンプ。 ３、両ディスプレーサガイドが、両シリンダの間に固設
   された隔壁に設けられ、隔壁は連通開口を有し、隔壁の
   両側に中温室が形成されている特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の熱駆動ヒートポンプ。 ４、高温側作動ガス流路および低温側作動ガス流路がそ
   れぞれ高温シリンダおよび低温シリンダの外周に形成さ
   れている特許請求の範囲第１項または第２項記載の熱駆
   動ヒートポンプ。 ５、同軸的に配置され、内部に作動ガスを充填した高温
   シリンダおよび低温シリンダと、高温シリンダの低温シ
   リンダと反対の側に高温室を形成しかつ高温シリンダの
   低温シリンダ側に中温室を形成するように、高温シリン
   ダの内部に摺動自在に挿入された高温ディスプレーサと
   、前記高温室と中温室とを連通させる高温側作動ガス流
   路と、高温室から中温室へ向かう方向に関して高温側作
   動ガス流路内に順次配列された高温熱交換器、高温リジ
   ェネレータおよび高温側中温熱交換器と、低温シリンダ
   の高温シリンダと反対の側に低温室を形成しかつ低温シ
   リンダの高温シリンダ側に中温室を形成するように、低
   温シリンダの内部に摺動自在に挿入された低温ディスプ
   レーサと、前記低温室と中温室とを連通させる低温側作
   動ガス流路と、低温室から中温室へ向かう方向に関して
   低温側作動ガス流路内に順次配列された低温熱交換器、
   低温リジェネレータおよび低温側中温熱交換器と、前記
   高温シリンダおよび低温シリンダの間に固定状態で設け
   られた高温側ディスプレーサガイドおよび低温側ディス
   プレーサガイドとを備え、高温側ディスプレーサガイド
   および低温側ディスプレーサガイドは、それぞれ高温デ
   ィスプレーサおよび低温ディスプレーサと摺動自在にか
   ん合して両ディスプレーサを軸方向に案内し、かつ両デ
   ィスプレーサとの間にガスを収容したガスばね室を形成
   しており、両ディスプレーサガイドは両シリンダ間に固
   設された隔壁に設けられ、隔壁は連通開口を有し、この
   連通開口内に中温リジェネレータが設けられ、隔壁の両
   側に中温室が形成されていることを特徴とする熱駆動ヒ
   ートポンプ。 ６、高温側および低温側ディスプレーサガイドがいずれ
   も軸方向に突出するロッドからなり、高温および低温デ
   ィスプレーサはそれぞれのロッドを摺動自在に受ける凹
   穴を有し、この凹穴内にガスばね室が形成されている特
   許請求の範囲第５項記載の熱駆動ヒートポンプ。