JPH0849927A - ヴィルミエヒートポンプ - Google Patents

ヴィルミエヒートポンプ

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JPH0849927A
JPH0849927A JP6186037A JP18603794A JPH0849927A JP H0849927 A JPH0849927 A JP H0849927A JP 6186037 A JP6186037 A JP 6186037A JP 18603794 A JP18603794 A JP 18603794A JP H0849927 A JPH0849927 A JP H0849927A
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displacer
high temperature
low
heat
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Application number
JP6186037A
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English (en)
Inventor
Tetsuya Honda
哲也 本田
Kazuhiko Kawajiri
和彦 川尻
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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    • 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
    • F02G2244/00—Machines having two pistons
    • F02G2244/50—Double acting piston machines
    • 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)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ばねによる共振系を構成してディスプレーサ
が運動するフリーピストン型のヴィルミエヒートポンプ
においても冷暖房負荷に応じた細かな出力調整を行うた
めに、高温部の作動気体温度を制御により変化させ、安
定した運転状態と高い運転効率を得る。 【構成】 高温ディスプレーサ３および低温ディスプレ
ーサ５のストロークを制御することにより温熱および冷
熱の出力を制御するように構成した。また、上記ストロ
ークの制御は、高温空間２ａの作動気体温度を制御する
ことにより行う。また、高温ディスプレーサおよび低温
ディスプレーサの少なくとも一方にモータ５２、５５を
備え、上記ストロークの制御は上記モータの運転周波数
を上記高温ディスプレーサと上記低温ディスプレーサの
駆動系で決定される共振周波数付近に保ちつつ上記モー
タの出力を制御することにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、冷凍あるいは冷暖房の
空気調和等に用いられるヴィルミエヒートポンプに関
し、主にその出力制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１４と図１５は例えば特開平２−４１
７４号公報に示された従来例１によるヴィルミエヒート
ポンプの構成と出力制御処理の簡単な流れを示した図で
ある。図１４において、２は高温シリンダであり、ヘリ
ウムなどの高圧の作動気体を密封した高温空間２ａと高
温側中温空間２ｂを隔てる高温ディスプレーサ３が内部
を往復運動する。高温空間２ａと高温側中温空間２ｂ
は、高温部熱交換器７、高温側再生器８、高温側中温部
熱交換器９を介して連結されており、高温部熱交換器６
は加熱装置３６によりその外壁が加熱される。６はヒー
ターチューブである。４は低温シリンダであり、低温空
間４ａと低温側中温空間４ｂを隔てる低温ディスプレー
サ５が内部を往復運動する。低温空間４ａと低温側中温
空間４ｂは低温部熱交換器１２、低温側再生器１１、低
温側中温部熱交換器１０を介して連結されており、さら
に高温側中温空間２ｂと低温側中温空間４ｂは連結管１
４により連結されており、低温部熱交換器１２の外壁に
は低温ポンプ３８により冷房熱交換器１７や４０との間
で循環する流体が流れ、低温側中温部熱交換器１０と高
温側中温部熱交換器９の外壁には高温ポンプ３７により
暖房熱交換器１５や３９との間で循環する流体が流れて
いる。暖房熱交換器３９と冷房熱交換器４０は屋外に設
けられており、暖房熱交換器１５と冷房熱交換器１７は
居住室内に設けられて室内ユニット４１を構成してい
る。１３はチューブ、１６は温水管路、１８は冷水管
路、４２〜４５は三方弁である。高温ディスプレーサ３
には高温ロッド２１が固定され、低温ディスプレーサ５
には低温ロッド２２が固定され、高温ロッド２１は適当
なシール機構を有する高温側中温空間隔壁２６を貫通
し、低温ロッド２２は適当なシール機構を有する低温側
中温空間隔壁２７を貫通し、クランクケース２５内部の
クランク機構１９、２０および２３に連結され、クラン
ク機構の回転軸２４には駆動装置２８と制動装置２９が
設けられている。
【０００３】次に、運転動作について図１５のフローチ
ャートをもとに説明する。起動に際し、高温側中温部熱
交換器９と低温側中温部熱交換器１０に対し高温ポンプ
３７により、低温部熱交換器１２に対し低温ポンプ３８
によりそれぞれ水などの熱輸送媒体を循環させ、加熱装
置３６により高温シリンダ２の一部や高温部熱交換器６
表面を加熱する（ＳＴ２）と共に、駆動装置２８により
高温ディスプレーサ３と低温ディスプレーサ５を一定の
位相差を保ちながらそれぞれ往復運動させる（ＳＴ１）
と、高温空間２ａの作動気体の温度は上昇し、高温側中
温空間２ｂの作動気体温度は高温ポンプ３７で循環する
熱輸送媒体温度よりもやや高い温度となり、高温空間２
ａと高温側中温空間２ｂの作動気体の温度差にほぼ比例
した圧力変動が作動気体に生じる。高温側中温空間２ｂ
と低温側中温空間４ｂは連結管１４で連結されているた
め、発生した作動気体の圧力変動はそのまま低温シリン
ダ４側に伝わり、作動気体の圧縮仕事により低温側中温
空間４ｂの作動気体温度は高温側中温空間２ｂの作動気
体温度と同程度となり、低温作動空間４ａの作動気体温
度は、作動気体の膨張仕事により低温側中温空間４ｂよ
りも低い温度となる。以上のような状態が得られると、
高温ポンプ３７で循環される熱輸送媒体は高温側中温部
熱交換器９と低温側中温部熱交換器１０で作動気体に加
熱されることで温度が上昇するため暖房用の熱が得ら
れ、低温ポンプ３８で循環される熱輸送媒体は低温部熱
交換器１２で作動気体に冷却されるため冷房用の熱が得
られる。高温空間２ａの作動気体温度が十分に上昇する
ことで作動気体の十分な圧力変動が得られると、高温ロ
ッド２１と低温ロッド２２に、シリンダ側の作動気体の
圧力とクランクケース２５側の作動気体の圧力の差が作
用して駆動仕事を発生し、この駆動仕事と主に機構部分
で生じる摩擦損失が釣り合う運転周波数で駆動装置２８
を必要としない自立運転が得られる。
【０００４】暖房および冷房負荷に応じて自立運転状態
以上の出力が必要な場合や自立運転状態以下の出力が必
要な場合は、制御器３２により次のような制御を行う。
まず、温熱輸送媒体や冷熱輸送媒体の温度検知手段３
０、３１によって検出（ＳＴ３、５）された温水温度や
冷水温度情報を設定温度と比較（ＳＴ４、６）して要求
回転数（運転周波数）を算出（ＳＴ７）する。次に、要
求回転数と自立運転回転数とを比較手段３３によって比
較（ＳＴ８）して、要求回転数が自立運転回転数より大
きい場合はバックアップ手段３４によって駆動装置２８
によるバックアップ制御（ＳＴ９）を行い、逆に要求回
転数が自立運転回転数より小さい場合はブレーキ手段３
５によって制動装置２９によるブレーキ制御（ＳＴ１
０）を行う。
【０００５】このように、従来例１によるヴィルミエヒ
ートポンプでは、クランク軸１回転毎のディスプレーサ
３、５の移動距離（ストローク）や２つのディスプレー
サ３、５の位相差が常に一定であるため、クランク軸端
に設けた駆動装置２８や制動装置２９を制御することで
単位時間当たりのディスプレーサ３、５の移動回数すな
わちクランク軸の回転数を変化させて温熱または冷熱の
出力を調節できる。
【０００６】次に、本出願人らが特願平４−５３２３２
号明細書（特開平５−２３１７３５号公報）で提案して
いる例えば図１６に示すようなばねによる共振系を構成
して運動を行う従来例２によるフリーピストン型のヴィ
ルミエヒートポンプについて説明する。図１６において
は、図１４と対応する部分に同一符号を付して説明を省
略する。図１６において、５１は高温側コイルばねで、
一端は高温側ばねケース５０に固定され他端は高温ロッ
ド２１と高温側モータコイル５２ａに固定されている。
高温側モータコイル５２ａの周囲には磁気回路として高
温側磁石５２ｂと高温側ヨーク５２ｃが配置されてお
り、これらにより直動型のモータ５２が構成されてい
る。同様に５４は低温側コイルばねで、一端は低温側ば
ねケース５３に固定され他端は低温ロッド２２と低温側
モータコイル５５ａに固定されている。低温側モータコ
イル５５ａの周囲には磁気回路として低温側磁石５５ｂ
と低温側ヨーク５５ｃが配置されており、これらにより
往復動型のモータ５５が構成されている。
【０００７】次に動作について説明する。従来例１では
高温ディスプレーサ３と低温ディスプレーサ５はクラン
ク機構１９、２０および２３で連結され常に一定の位相
差とストロークを維持するよう構成されているのに対
し、本従来例２は高温ディスプレーサ３と低温ディスプ
レーサ５はそれぞれ独立したばね５１および５４による
共振系で構成されており、位相差やストロークは作動条
件により変化する点で異なるが、冷凍サイクルの作動形
態は双方とも同じである。
【０００８】加熱装置３６により高温部熱交換器６を加
熱し、高温側モータ５２と低温側モータ５５のどちらか
一方または双方を起動することで高温ディスプレーサ３
と低温ディスプレーサ５を往復運動させると従来例１と
同様に作動空間の作動気体の移動に伴う圧力変動が発生
する。その際高温ディスプレーサ３にはこの作動空間内
の作動気体と高温側ばねケース５０内の作動気体の圧力
差により高温ロッド２１の断面積に比例した駆動力が作
用する。高温ディスプレーサ３はこの駆動力と高温側コ
イルばね５１の復元力による共振系で駆動され、定常状
態ではモータを停止させても高温ディスプレーサ３の駆
動系の共振周波数と低温ディスプレーサ５の駆動系の共
振周波数から決まる運転周波数で往復運動を繰り返す。
その際作動気体の移動に伴い高温部熱交換器６、高温側
再生器８、高温側中温部熱交換器９などで生じる流動抵
抗とシール部材（図示せず）による摺動抵抗は駆動力を
打ち消す減衰抵抗として高温ディスプレーサ３に作用
し、ストロークが決定される。一方、低温ディスプレー
サ５も同様に低温ロッド２２の断面積に比例した駆動力
と低温側コイルばね５４の復元力による共振系で駆動さ
れ、低温側中温部熱交換器１０、低温側再生器１１、低
温部熱交換器１２などで生じる流動抵抗とシール部材
（図示せず）による摺動抵抗が減衰抵抗として作用し、
ストロークが決定される。
【０００９】なお、ヴィルミエヒートポンプはガスサイ
クルの特性から高温ディスプレーサ３と低温ディスプレ
ーサ５の往復運動の位相差は９０度程度が最適であるた
め、従来例１の様なクランク軸を用いて駆動される場合
は上記位相差となるように予めクランク角度が調整され
ており、従来例２の様なフリーピストン型では予めばね
定数や可動部分の重量が調整されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】フリーピストン型ヴィ
ルミエヒートポンプは以上のように構成されており、温
熱または冷熱の出力を調節する場合には以下のような問
題があった。すなわち、図１４に示した従来例１のヴィ
ルミエヒートポンプでは予め調整されたクランク機構に
より軸回転数を変化させた場合でも２つのディスプレー
サ３、５は常に一定の位相差で運動を続けることで安定
した出力が得られたが、フリーピストン型では、クラン
ク軸の回転数に相当する運転周波数を変化させた場合、
図１７の発明者らが実験により得た結果が示すように２
つのディスプレーサ３、５の位相差が変化し、駆動系に
より決定される共振周波数（この例では１７．５Ｈｚ付
近）を最大に温熱または冷熱の出力や運転効率は著しく
低下する。また、共振周波数を境に出力特性が変化する
ため、必要な運転周波数が共振周波数よりも高い周波数
の場合と低い周波数の場合に制御を切り替える必要が生
じるなど出力制御を複雑にし、安定した制御状態を保つ
ことが困難であった。
【００１１】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ばねによる共振系を利用して駆
動されるフリーピストン型のヴィルミエヒートポンプに
おいて、運転効率を著しく低下させることなく温熱また
は冷熱負荷に追従し安定かつ適正な運転状態を実現する
ことを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るヴィルミエヒートポンプは、高温シリンダの内部にば
ねによる共振系を構成して往復する高温ディスプレーサ
と上記高温ディスプレーサで分けられる高温空間と高温
側中温空間を備え、低温シリンダの内部にばねによる共
振系を構成して往復する低温ディスプレーサと上記低温
ディスプレーサで分けられる低温空間と低温側中温空間
を備え、上記高温空間と上記高温側中温空間は高温部熱
交換器、高温側再生器、および高温側中温部熱交換器を
介して連結され、上記低温空間と上記低温側中温空間は
低温部熱交換器、低温側再生器、および低温側中温部熱
交換器を介して連結され、上記高温側中温空間と低温側
中温空間が連結された構成を有し、上記高温空間内部の
作動気体を加熱することで、上記高温側中温部熱交換器
および上記低温側中温部熱交換器からは温熱が、上記低
温部熱交換器からは冷熱がそれぞれ得られるフリーピス
トン型のヴィルミエヒートポンプにおいて、上記高温デ
ィスプレーサおよび上記低温ディスプレーサのストロー
クを制御することにより上記温熱および冷熱の出力を制
御するように構成したものである。
【００１３】請求項２記載の発明に係るヴィルミエヒー
トポンプは、請求項１において高温ディスプレーサおよ
び低温ディスプレーサのストロークの制御は、高温空間
の作動気体温度を制御することにより行うものである。
【００１４】請求項３記載の発明に係るヴィルミエヒー
トポンプは、高温空間の作動気体温度の制御は、上記高
温空間の作動気体を加熱する加熱量を制御することによ
り行うものである。
【００１５】請求項４記載の発明に係るヴィルミエヒー
トポンプは、高温ディスプレーサおよび低温ディスプレ
ーサの少なくとも一方にモータを備え、上記モータの運
転周波数を上記高温ディスプレーサと上記低温ディスプ
レーサの駆動系で決定される共振周波数付近に保ちつつ
上記モータの出力を制御することにより上記高温ディス
プレーサおよび上記低温ディスプレーサのストロークの
制御を行うものである。
【００１６】請求項５記載の発明に係るヴィルミエヒー
トポンプは、温熱負荷側および冷熱負荷側の少なくとも
一方に温度検出手段を設け、上記温度検出手段から得ら
れる温度情報をもとに温熱および冷熱の出力を制御する
ものである。
【００１７】請求項６記載の発明に係るヴィルミエヒー
トポンプは、高温ディスプレーサおよび低温ディスプレ
ーサの往復運動におけるディスプレーサの少なくとも一
部の位置を検知する手段を備え、上記検知手段から得ら
れる位置情報を、上記請求項５記載の温度検出手段から
得られる温度情報に加えた情報をもとに温熱および冷熱
の出力を制御するものである。
【００１８】請求項７記載の発明に係るヴィルミエヒー
トポンプは、非可動部に振動検出手段を備え、上記振動
検出手段から得られる情報を、上記請求項５記載の温度
検出手段から得られる温度情報に加えた情報をもとに温
熱および冷熱の出力を制御するものである。
【００１９】
【作用】請求項１記載の発明に関するヴィルミエヒート
ポンプは、高温ディスプレーサおよび低温ディスプレー
サのストロークを制御することにより温熱および冷熱の
出力を制御するように構成したので、運転周波数にはほ
とんど変化を与えず高温ディスプレーサと低温ディスプ
レーサのストロークを変化させられるため、ばねの共振
系を利用して運動を行うフリーピストン型のヴィルミエ
ヒートポンプにおいても温熱および冷熱の出力を安定か
つ容易に増減させることができ、負荷が変化した場合で
も常に共振周波数近傍での運転が可能となり、運転効率
を高く維持することができる。
【００２０】請求項２記載の発明に関するヴィルミエヒ
ートポンプは、高温ディスプレーサおよび低温ディスプ
レーサのストロークの制御は、高温空間の作動気体温度
を制御することにより行うので、常に共振周波数近傍で
の安定した運転状態と高い運転効率が得られる。
【００２１】請求項３記載の発明に関するヴィルミエヒ
ートポンプは、高温空間の作動気体温度の制御は、上記
高温空間の作動気体を加熱する加熱量を制御することに
より行うので、温熱および冷熱の出力を安定かつ容易に
増減させることができる。
【００２２】請求項４記載の発明に関するヴィルミエヒ
ートポンプは、高温ディスプレーサおよび低温ディスプ
レーサの少なくとも一方にモータを備え、上記モータの
運転周波数を上記高温ディスプレーサと上記低温ディス
プレーサの駆動系で決定される共振周波数付近に保ちつ
つ上記モータの出力を制御することにより上記高温ディ
スプレーサおよび上記低温ディスプレーサのストローク
の制御を行うので、温熱および冷熱の出力を安定かつ容
易に増減させることができ、常に共振周波数近傍での安
定した運転状態と高い運転効率が得られる。
【００２３】請求項５記載の発明に関するヴィルミエヒ
ートポンプは、温熱負荷側および冷熱負荷側の少なくと
も一方に温度検出手段を設け、上記温度検出手段から得
られる温度情報をもとに温熱および冷熱の出力を制御す
るので、常に負荷に対し適切な熱を供給することができ
る。
【００２４】請求項６記載の発明に関するヴィルミエヒ
ートポンプは、高温ディスプレーサおよび低温ディスプ
レーサの往復運動におけるディスプレーサの少なくとも
一部の位置を検知する手段を備え、上記検知手段から得
られる位置情報を、上記請求項５記載の温度検出手段か
ら得られる温度情報に加えた情報をもとに温熱および冷
熱の出力を制御するので、高温空間の作動気体温度の上
昇に伴う各ディスプレーサ上下端のシリンダへの衝突
や、高温空間の作動気体温度の低下による運動の停止を
回避しつつディスプレーサのストローク制御を行え、常
に安定した運転状態が得られるとともに、衝突による破
損や停止による焼損を防止することができる。
【００２５】請求項７記載の発明に関するヴィルミエヒ
ートポンプは、非可動部に振動検出手段を備え、上記振
動検出手段から得られる情報を、上記請求項５記載の温
度検出手段から得られる温度情報に加えた情報をもとに
温熱および冷熱の出力を制御するので、高温空間の作動
気体温度の上昇に伴う各ディスプレーサ上下端のシリン
ダへの衝突状態が継続することなく安定した運転状態が
得られるとともに、衝突による破損を防止することがで
きる。
【００２６】
【実施例】
実施例１．以下、この発明の実施例１について説明す
る。ガスサイクルにおける冷熱の発生量は、変動する空
間圧力を空間容積で１サイクル分積分したものと運転周
波数の積から損失熱量を引いて式（１）で与えられる。
【００２７】
【数１】
【００２８】一方、温熱の発生量も同様に式（２）で与
えられる。
【００２９】
【数２】
【００３０】温熱および冷熱の発生量を変化させるには
式（１）、（２）から各空間圧力や容積変化や運転周波
数を変化させる必要があることがわかる。運転周波数は
高温側モータや低温側モータにより変化させることもで
きるが、図１７に示した実機による測定結果からも明ら
かなように、両ディスプレーサの駆動系の共振周波数の
関係から決定される理想的な運転周波数（この例では１
７．５Ｈｚ前後）に温熱および冷熱の出力の最大を持
ち、その状態から僅かに周波数を変化させた場合でも運
転効率は急激に低下している。このように特性の変化が
激しく、最大値を有する出力特性に対する制御は困難で
あり運転効率も高く維持できない。
【００３１】運転効率を高く維持したままで運転周波数
を変更するため駆動系の共振周波数自体を変化させるに
は式（３）で与えられる各駆動系の共振周波数を変化さ
せる必要があり、これを変化させるには可動部分の重量
またはばね定数を変化させる必要がある。しかしながら
これらは運転中に変更することができず制御要素とはな
らない。
【００３２】
【数３】
【００３３】これに対しdＶC、dＶMH、dＶMCで示される
空間２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂの容積変化は運転中に変更
できる制御要素となり得るもので、これは高温ディスプ
レーサ３および低温ディスプレーサ５のストロークを変
更することで実現される。
【００３４】ディスプレーサのストロークは空間２ａ、
２ｂ、４ａ、４ｂと高温側ばねケース５０または低温側
ばねケース５３の圧力差が高温ロッド２１または低温ロ
ッド２２の断面積に比例して発生する駆動力と減衰抵抗
による制動力およびモータによる駆動力の釣り合いから
決定され、減衰抵抗による制動力は機器の構造により確
定される要素であり運転中に自由に変更できないが、駆
動力は容易に変更できる。すなわち運転中常に一定であ
る高温ロッド２１および低温ロッド２２に作用する圧力
差を何らかの方法で変化させるとよい。この場合の圧力
差は各空間２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂとばねケース５０、
５３内部のそれぞれの圧力変動幅に依存するもので、圧
力変動幅の変更がストロークの変更を可能とする。な
お、空間の圧力変動はディスプレーサ３、５の移動に伴
い高温空間２ａと高温側中温空間２ｂと低温側中温空間
４ｂと低温空間４ａの容積比率が変わり、作動気体の全
平均温度が変化することで生じており、変動幅は各空間
の作動気体の温度に依存している。すなわち４個の空間
の作動気体の温度差が小さいときは圧力変動幅は小さく
なり、温度差が大きいときは圧力変動幅は大きくなる。
高温空間２ａ以外は温熱または冷熱負荷に温度が支配さ
れるが、燃焼などにより温度条件を与えることができる
高温空間２ａの作動気体の温度は比較的容易に変更する
ことができる。図１の発明者らが実験により得た結果の
一例からも高温空間２ａの作動気体温度の変化に対して
各ディスプレーサ３、５のストロークや温熱および冷熱
の出力は比例的に変化しており、さらに運転効率の変化
は僅かであることが示されている。
【００３５】したがって、図１６に示した従来例２によ
るフリーピストン型のヴィルミエヒートポンプは高温デ
ィスプレーサ３および低温ディスプレーサ５のストロー
クを変化させることにより容易に温熱または冷熱の出力
を変化させることができ、ストロークは高温空間２ａの
作動気体温度を変化させることで容易に変化させること
ができる。
【００３６】実施例２．次にこの発明の実施例２につい
て説明する。上記実施例１では高温空間の作動気体温度
を変化させて温熱または冷熱の出力を変化させる場合に
ついて説明したが、これに限るものではなく、駆動モー
タ５２、５５の出力を変化させることによりストローク
を変化させてもよい。すなわち、前述のごとくストロー
クは駆動力と減衰抵抗の関係から決定され、駆動力はロ
ッド２１、２２に作用する圧力差で発生する他にも駆動
モータ５２、５５により与えることができる。なお、駆
動力は双方の駆動モータ５２、５５で与えてもよいが、
どちらか一方で与えた場合でもその駆動モータが結合さ
れたディスプレーサのストロークが変化し、その結果と
して、作動気体の圧力変動幅に変化が生じ、もう一方の
ディスプレーサのロッドに作用する圧力差にも変化が生
じ、ストロークに変化が起こる。したがって、駆動系の
共振周波数付近の周波数で少なくとも一方の駆動モータ
５２、５５の出力を変化させることによりストロークを
変化させることができ、温熱または冷熱の出力を容易に
変化させることができる。
【００３７】実施例３．図２はこの発明の実施例３によ
るヴィルミエヒートポンプの要部の構成を示す断面図で
ある。図において、５６は高温空間２ａ内の作動気体温
度を検出できるように取り付けられた熱電対などの温度
検出素子で、５７は温度検出素子５６から得られる温度
情報と予め与えられた制御目標温度情報をもとに最適な
演算処理を行い、加熱装置３６の加熱量を制御する加熱
制御装置である。なお、図２では高温シリンダ２部のみ
を示したが他の構成は図１６に示した従来例１のものと
同じである。
【００３８】次に動作について説明する。この実施例は
上記実施例１における温熱または冷熱の出力を変化させ
るために、高温空間２ａの作動気体温度を変化させて高
温ディスプレーサ３および低温ディスプレーサ５のスト
ロークを変化させる具体的な手段を提供するもので、加
熱装置３６による加熱量を制御する。安定した制御状態
を得る１つの方法として、高温空間２ａ内の作動気体温
度を直接検知できる温度検出素子５６から温度情報を取
得し、加熱制御装置５７において運転状況に応じて予め
設定した制御目標温度に高温空間２ａの作動気体温度を
保つよう、ＰＩＤ制御などの適切な制御演算を行い加熱
装置３６の加熱量を制御することが考えられる。
【００３９】この方法では、運転状況に応じて高温空間
２ａの作動気体の制御目標温度を適宜変更しても、温度
検出素子５６から得られる温度情報にもとづき適切に加
熱量の変更を行うので、高温空間２ａの作動気体の温度
は安定かつ適正に制御され、温熱または冷熱の出力を安
定かつ容易に増減することができる。
【００４０】なお、図３における高温部熱交換器６の外
壁温度を検知できるように設けた温度検出素子５６ａ、
図４における高温部熱交換器６の内壁温度を検知できる
ように設けた温度検出素子５６ｂ、図５における高温部
熱交換器内部の作動気体温度を検知できるように設けた
温度検出素子５６ｃ、図６における高温シリンダ２の高
温空間２ａ近傍の外壁温度を検知できるように設けた温
度検出素子５６ｄ、図７における高温シリンダ２の高温
空間２ａ近傍の外内壁温度を検知できるように設けた温
度検出素子５６ｅをそれぞれ用いた場合も高温空間２ａ
の作動気体温度を間接的に検知できるため、上記実施例
と同等の効果を得ることができる。
【００４１】実施例４．図８はこの発明の実施例４によ
るヴィルミエヒートポンプの構成を示す断面図である。
図において、５８は水などの熱輸送媒体の温度を検知で
きるように取り付けられた熱電対などの温度検出素子、
５９は冷房用熱交換器１７の室内空気吸い込み側に取り
付けられ室内温度を検知できる熱電対などの温度検出素
子で、６０は空調負荷に応じて高温空間２ａの作動気体
の制御目標温度を決定し加熱装置３６による加熱量を制
御する制御装置である。
【００４２】次に動作について説明する。ヴィルミエヒ
ートポンプを希望する室内温度で運転する場合には室内
の空調負荷の増減に合わせて温熱または冷熱の出力を変
更する必要がある。本実施例では温度検出素子５９また
は５９により室内（空調空間）の代表温度を間接的又は
直接的に検知し、制御装置６０において予め設定された
室内設定温度との関係からＰＩＤ制御などの適切な制御
演算を行い、高温空間２ａの作動気体の制御目標温度を
算出する。この算出結果に応じて加熱装置３６による加
熱量を制御することにより空調負荷に応じて冷熱の出力
を変化させることができ、室内設定温度に対して正確か
つ安定した冷房空調が行える。
【００４３】なお、図９および図１０における温水など
の熱輸送媒体の温度を検知できるように取り付けられた
熱電対などの温度検出素子５８ａ、５８ｂや、温熱交換
器の室内空気吸い込み側に取り付けられ室内温度を検知
できる熱電対などの温度検出素子５９ａ、５９ｂから得
られる温度情報をもとに制御演算を行い加熱装置３６を
制御した場合には温熱の出力が制御でき、暖房運転時に
も室内設定温度に対し正確かつ安定した空調が行える。
【００４４】なお、この実施例では温度情報をもとにし
た加熱量制御による温熱または冷熱の制御について説明
したが、温度情報をもとに周波数を駆動系の共振周波数
付近に保った駆動モータ５２、５５の出力制御を行った
場合でも各ディスプレーサ３、５のストローク制御が可
能であり、同様に空調負荷に応じて温熱または冷熱の出
力を変化させることができる。
【００４５】実施例５．図１１はこの発明の実施例５に
よるヴィルミエヒートポンプの構成を示す断面図であ
る。図において、６１は高温ディスプレーサ３の位置を
検知できる例えばレーザ式変位センサや渦電流式変位セ
ンサなどによる高温側変位センサ（位置検知手段）、６
２は同様に低温ディスプレーサ５の位置を検知できる低
温側変位センサ（位置検知手段）、６３は各ディスプレ
ーサの変位に応じて高温空間２ａの作動気体の制御目標
温度を修正する演算回路である。
【００４６】次に動作について説明する。冷暖房空調負
荷に応じて高温ディスプレーサ３または低温ディスプレ
ーサ５のストロークを変化させる場合に、高温側変位セ
ンサ６１により高温ディスプレーサ３の変位を、低温側
変位センサ６２により低温ディスプレーサ５の変位を取
得することにより、ストロークが過大な場合にはディス
プレーサ３、５がシリンダ２、４などに衝突する可能性
を事前に検知し、ストロークが過小な場合にはディスプ
レーサ３、５の停止の可能性を事前に検知し、制御装置
６３での演算結果にもとづき高温空間２ａの作動気体の
加熱量を変化させる制御を行うことで各ディスプレーサ
３、５のストロークを常に適正範囲内に保つ。
【００４７】したがって、冷暖房負荷などの変動時にお
いても各ディスプレーサ３、５はシリンダ２、４に衝突
することがなく、または停止することもなく運転を続け
ることができ、常に安定した運転状態が得られる。
【００４８】なお、この実施例ではディスプレーサ３、
５の位置情報をもとに加熱量を変化させることでストロ
ークを適正に制御したが、ディスプレーサ３、５の位置
情報をもとに周波数を駆動系の共振周波数付近に保った
駆動モータ５２、５５の出力制御を行った場合でも各デ
ィスプレーサ３、４のストローク制御が可能であり、同
様の効果が得られる。
【００４９】実施例６．図１２はこの発明の実施例６に
よるヴィルミエヒートポンプの構成を示す断面図であ
る。図において、６４は非可動部例えば高温ばねケース
５０に取り付けた加速度センサなどの振動検出素子であ
る。
【００５０】次に動作について説明する。冷暖房空調負
荷に応じて高温ディスプレーサ３または低温ディスプレ
ーサ５のストロークを増加させる場合に、振動検出素子
６４によりディスプレーサがシリンダに衝突したことを
見知し、演算回路６３での演算結果にもとづき高温空間
２ａの作動気体の加熱量を減少させる制御を行うことで
各ディスプレーサ３、５のストロークを常に適正範囲内
に保つ。
【００５１】したがって、冷暖房負荷などの変動時にお
いても各ディスプレーサ３、５をシリンダ２、４に衝突
させ続けることなく運転することができ、安定した運転
状態が得られる。
【００５２】なお、振動検出素子６４は高温ばねケース
５０のほか低温ばねケース５３や高温シリンダ２や低温
シリンダ４など他の非可動部分に取り付けても衝突が検
知できるため、同様の効果が得られ、図１１で説明した
変位センサ６１、６２に比べて取り付けが容易である利
点がある。
【００５３】なお、この実施例では振動情報をもとに加
熱量を減少させることでストロークを適正範囲内に制御
したが、振動情報をもとに周波数を駆動系の共振周波数
付近に保った駆動モータ５２、５５の出力制御を行った
場合でも各ディスプレーサ３、５のストローク制御が可
能であり、同様の効果が得られる。
【００５４】なお、以上の各実施例では高温ディスプレ
ーサ３の駆動系と低温ディスプレーサ５の駆動系の双方
に駆動用モータ５２、５５を設けているが、起動が可能
であれはどちらか一方または双方の駆動用モータ５２、
５５を省略してもよく、駆動モータによってストローク
を制御する場合を除く全ての実施例に適用でき同様の効
果を得ることができる。
【００５５】実施例７．また、図１３に示す様な高温デ
ィスプレーサ３と低温ディスプレーサ５を一列に配置
し、例えば低温側コイルばねを省略し新たに連結ばね６
５を設けた構成のヴィルミエヒートポンプにおいても、
温熱および冷熱の発生の機構は上記各実施例と同じであ
り、請求項１〜７記載の全ての発明を適用でき、上記各
実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５６】なお、上記各実施例では主に、ヴィルミエ
ヒートポンプを冷暖房の空気調和に用いた場合について
説明したがこれに限るものではなく、例えば冷凍に用い
た場合にもこの発明は適用でき、上記各実施例と同様の
効果が得られる。
【００５７】
【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、高温シリンダの内部にばねによる共振系を構成し
て往復する高温ディスプレーサと上記高温ディスプレー
サで分けられる高温空間と高温側中温空間を備え、低温
シリンダの内部にばねによる共振系を構成して往復する
低温ディスプレーサと上記低温ディスプレーサで分けら
れる低温空間と低温側中温空間を備え、上記高温空間と
上記高温側中温空間は高温部熱交換器、高温側再生器、
および高温側中温部熱交換器を介して連結され、上記低
温空間と上記低温側中温空間は低温部熱交換器、低温側
再生器、および低温側中温部熱交換器を介して連結さ
れ、上記高温側中温空間と低温側中温空間が連結された
構成を有し、上記高温空間内部の作動気体を加熱するこ
とで、上記高温側中温部熱交換器および上記低温側中温
部熱交換器からは温熱が、上記低温部熱交換器からは冷
熱がそれぞれ得られるフリーピストン型のヴィルミエヒ
ートポンプにおいて、上記高温ディスプレーサおよび上
記低温ディスプレーサのストロークを制御することによ
り上記温熱および冷熱の出力を制御するように構成した
ので、温熱および冷熱の出力を安定かつ容易に増減させ
ることができ、負荷が変化した場合でも常に共振周波数
近傍での運転が可能となり、運転効率を高く維持するこ
とができる。
【００５８】請求項２記載の発明によれば、高温ディス
プレーサおよび低温ディスプレーサのストロークの制御
は、高温空間の作動気体温度を制御することにより行う
ので、容易に温熱または冷熱の出力を変更できることに
加え、運転周波数に殆ど影響を与えず運転状態が安定と
なり運転効率も高く維持される。
【００５９】請求項３記載の発明によれば、高温空間の
作動気体温度の制御は、上記高温空間の作動気体を加熱
する加熱量を制御することにより行うので、高温空間の
作動気体温度を常に安定かつ適切に制御することがで
き、機器全体の安定した運転状態と高い運転効率が得ら
れる。
【００６０】請求項４記載の発明によれば、高温ディス
プレーサおよび低温ディスプレーサの少なくとも一方に
モータを備え、上記モータの運転周波数を上記高温ディ
スプレーサと上記低温ディスプレーサの駆動系で決定さ
れる共振周波数付近に保ちつつ上記モータの出力を制御
することにより上記高温ディスプレーサおよび上記低温
ディスプレーサのストロークの制御を行うので、容易に
温熱または冷熱の出力を変更できることに加え、安定し
た運転状態が得られ運転効率も高く維持される。
【００６１】請求項５記載の発明によれば、温熱負荷側
および冷熱負荷側の少なくとも一方に温度検出手段を設
け、上記温度検出手段から得られる温度情報をもとに温
熱および冷熱の出力を制御するので、常に負荷に対し適
切な熱を供給することができる。
【００６２】請求項６記載の発明によれば、高温ディス
プレーサおよび低温ディスプレーサの往復運動における
ディスプレーサの少なくとも一部の位置を検知する手段
を備え、上記検知手段から得られる位置情報を、上記請
求項５記載の温度検出手段から得られる温度情報に加え
た情報をもとに温熱および冷熱の出力を制御するので、
高温空間の作動気体温度の上昇に伴う各ディスプレーサ
上下端のシリンダへの衝突や、高温空間の作動気体温度
の低下による運動の停止を回避しつつディスプレーサの
ストローク制御を行え、常に安定した運転状態が得られ
るとともに、衝突による破損や停止による焼損を防止す
ることができる。
【００６３】請求項７記載の発明によれば、非可動部に
振動検出手段を備え、上記振動検出手段から得られる情
報を、上記請求項５記載の温度検出手段から得られる温
度情報に加えた情報をもとに温熱および冷熱の出力を制
御するので、高温空間の作動気体温度の上昇に伴う各デ
ィスプレーサ上下端のシリンダへの衝突状態が継続する
ことなく安定した運転状態が得られるとともに、衝突に
よる破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１によるヴィルミエヒートポンプの高
温空間作動気体温度に対する各種の特性を示す特性図で
ある。
【図２】 本発明の実施例３によるヴィルミエヒートポ
ンプの要部の一例を示す断面構成図である。
【図３】 本発明の実施例３によるヴィルミエヒートポ
ンプの要部の他の例を示す断面構成図である。
【図４】 本発明の実施例３によるヴィルミエヒートポ
ンプの要部の他の例を示す断面構成図である。
【図５】 本発明の実施例３によるヴィルミエヒートポ
ンプの要部の他の例を示す断面構成図である。
【図６】 本発明の実施例３によるヴィルミエヒートポ
ンプの要部の他の例を示す断面構成図である。
【図７】 本発明の実施例３によるヴィルミエヒートポ
ンプの要部の他の例を示す断面構成図である。
【図８】 本発明の実施例４によるヴィルミエヒートポ
ンプの一例を示す断面構成図である。
【図９】 本発明の実施例４によるヴィルミエヒートポ
ンプの他の例を示す断面構成図である。
【図１０】 本発明の実施例４によるヴィルミエヒート
ポンプの他の例を示す断面構成図である。
【図１１】 本発明の実施例５によるヴィルミエヒート
ポンプを示す断面構成図である。
【図１２】 本発明の実施例６によるヴィルミエヒート
ポンプを示す断面構成図である。
【図１３】 本発明の実施例７に係るヴィルミエヒート
ポンプ本体の要部の構造を示す断面構成図である。
【図１４】 従来例１によるヴィルミエヒートポンプを
示す断面構成図である。
【図１５】 従来例１によるヴィルミエヒートポンプの
出力制御に関するフローチャートである。
【図１６】 従来例２によるヴィルミエヒートポンプを
示す断面構成図である。
【図１７】 従来例２によるヴィルミエヒートポンプの
運転周波数に対する各種の特性を示す特性図である。
【符号の説明】
２ 高温シリンダ、 ２ａ 高温空間、 ２ｂ 高温側
中温空間、 ３ 高温ディスプレーサ、 ４ 低温シリ
ンダ、 ４ａ 低温空間、 ４ｂ 低温側中温空間、
５ 低温ディスプレーサ、 ６ 高温部熱交換器、 ８
高温側再生器、９ 高温側中温部熱交換器、 １０
低温側中温部熱交換器、 １１ 低温側再生器、 １２
低温部熱交換器、 １４ 連結管、 １５ａ、ｂ、３
９ 暖房熱交換器、 １７、４０ 冷房熱交換器、 １
９、２０、２３ クランク機構、２１ 高温ロッド、
２２ 低温ロッド、 ２４ 回転軸、 ２５ クランク
ケース、 ２６ 高温側中温空間隔壁、 ２７ 低温側
中温空間隔壁、 ２８駆動装置、 ２９ 制動装置、
３０、３１ 熱輸送媒体の温度検知手段、 ３６ 加熱
装置、 ３７ 高温ポンプ、 ３８ 低温ポンプ、 ５
０ 高温側ばねケース、 ５１ 高温側コイルばね、
５２ 高温側モータ、 ５３ 低温側ばねケース、５４
低温側コイルばね、 ５５ 低温側モータ、 ５６、
５６ａ〜ｅ、５８ａ，ｂ、５９ａ，ｂ 温度検出素子、
５７、６０、６３ 制御装置、６１ 高温側変位セン
サ、 ６２ 低温側変位センサ、 ６４ 振動検出素
子、 ６５ 連結ばね

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高温シリンダの内部にばねによる共振系
    を構成して往復する高温ディスプレーサと上記高温ディ
    スプレーサで分けられる高温空間と高温側中温空間を備
    え、低温シリンダの内部にばねによる共振系を構成して
    往復する低温ディスプレーサと上記低温ディスプレーサ
    で分けられる低温空間と低温側中温空間を備え、上記高
    温空間と上記高温側中温空間は高温部熱交換器、高温側
    再生器、および高温側中温部熱交換器を介して連結さ
    れ、上記低温空間と上記低温側中温空間は低温部熱交換
    器、低温側再生器、および低温側中温部熱交換器を介し
    て連結され、上記高温側中温空間と低温側中温空間が連
    結された構成を有し、上記高温空間内部の作動気体を加
    熱することで、上記高温側中温部熱交換器および上記低
    温側中温部熱交換器からは温熱が、上記低温部熱交換器
    からは冷熱がそれぞれ得られるフリーピストン型のヴィ
    ルミエヒートポンプにおいて、上記高温ディスプレーサ
    および上記低温ディスプレーサのストロークを制御する
    ことにより上記温熱および冷熱の出力を制御するように
    構成したことを特徴とするヴィルミエヒートポンプ。
  2. 【請求項２】 高温ディスプレーサおよび低温ディスプ
    レーサのストロークの制御は、高温空間の作動気体温度
    を制御することにより行うことを特徴とする請求項１記
    載のヴィルミエヒートポンプ。
  3. 【請求項３】 高温空間の作動気体温度の制御は、上記
    高温空間の作動気体を加熱する加熱量を制御することに
    より行うことを特徴とする請求項２記載のヴィルミエヒ
    ートポンプ。
  4. 【請求項４】 高温ディスプレーサおよび低温ディスプ
    レーサの少なくとも一方にモータを備え、上記モータの
    運転周波数を上記高温ディスプレーサと上記低温ディス
    プレーサの駆動系で決定される共振周波数付近に保ちつ
    つ上記モータの出力を制御することにより上記高温ディ
    スプレーサおよび上記低温ディスプレーサのストローク
    の制御を行うことを特徴とする請求項１記載のヴィルミ
    エヒートポンプ。
  5. 【請求項５】 温熱負荷側および冷熱負荷側の少なくと
    も一方に温度検出手段を設け、上記温度検出手段から得
    られる温度情報をもとに温熱および冷熱の出力を制御す
    ることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の
    ヴィルミエヒートポンプ。
  6. 【請求項６】 高温ディスプレーサおよび低温ディスプ
    レーサの往復運動におけるディスプレーサの少なくとも
    一部の位置を検知する手段を備え、上記検知手段から得
    られる位置情報を、上記請求項５記載の温度検出手段か
    ら得られる温度情報に加えた情報をもとに温熱および冷
    熱の出力を制御することを特徴とする請求項１ないし４
    の何れかに記載のヴィルミエヒートポンプ。
  7. 【請求項７】 非可動部に振動検出手段を備え、上記振
    動検出手段から得られる情報を、上記請求項５記載の温
    度検出手段から得られる温度情報に加えた情報をもとに
    温熱および冷熱の出力を制御することを特徴とする請求
    項１ないし４の何れかに記載のヴィルミエヒートポン
    プ。
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