JPS6256419B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空調機，除湿器，冷凍機，ヒートポン
プ原動機等に使用される閉サイクルガス機関のフ
レオン，ヘリウム，水素，空気，ネオン等の気体
又はこれらの混合気体からなる作動流体をピスト
ンの作用にて圧縮又は膨張なすシリンダの構造に
関する。

閉サイクルガス機関として典型的なスタリング
サイクルを第１図にて説明する。

圧縮シリンダ１と圧縮ピストン２により形成さ
れる圧縮室３と膨張シリンダ４と膨張ピストン５
にて形成される膨張室６との間に、作動流体の圧
縮熱を水又はポリビニルアルコール等の被作動流
体を介して放出するための第１熱交換器７，比熱
の大きい多数の金属球や網，セラミツクス等の蓄
熱体が収納された蓄熱器８，蓄熱器８により水又
はポリビニルアルコール等の被作動流体を冷却す
る第２熱交換器９が両シリンダ１，４の外方に順
次配されて、両室３，６は連通している。両ピス
トン２，５の往復動作はモータ（図示略）に連結
されたクランクシヤフト，回転斜板等により行な
われるもので、なお膨張ピストン５が圧縮ピスト
ン２よりも進角（位相差）が20〜130度早ければ
低温度が得られるが、55〜100度の範囲がどのよ
うな発生冷却温度においても効率が良い。

冷却発生のための動作は膨張ピストン５をほぼ
上死点におき、位相差がたとへば90度遅れて往復
動される機構により圧縮ピストン２を上死点に向
けて動かすと、圧縮室３の作動流体は圧縮され、
圧縮熱が圧縮シリンダ１や第１熱交換器７にて外
部に放出され温度一定で作動流体の圧力が高ま
る。すなわち等温行程が行なわれ、次に膨張ピス
トン５を下部に、圧縮ピストン２をさらに上死点
に動かすと圧縮室３の作動流体は蓄熱器８内の蓄
熱体に徐々に冷やされて第２熱交換器９を通り膨
張室６に入る、いわゆる容積が一定の等容行程と
なる。次に膨張ピストン５をさらに下部に動かす
と膨張室６に入つた作動流体は第２熱交換器２１
より熱を吸収しながら膨張する等温行程となり、
冷却を発生し、被作動流体を第２熱交換器２１に
より冷却する。終りに低温度となつた作動流体は
膨張ピストン５を上に、圧縮ピストン２を下に動
かすことにより、膨張室６から第２熱交換器９を
通り、蓄熱器８で蓄熱体に冷熱を与え徐々に温度
上昇し、第１熱交換器９を通り圧縮室３に戻る等
容行程となり、１サイクルが終る。この行程を繰
り返すことにより、冷却を行なうことができる。
封入されている作動流体は常に圧縮室３と膨張室
６との間を第１熱交換器７，蓄熱器８，第２熱交
換器９を介して出入し、サイクル外部に出ないい
わゆる閉サイクルである。この閉サイクルガス機
関を空調器に利用し冷房に使用する場合を説明す
ると、４ポート弁の第１初換弁１０をポート１１
がポート１２に、又ポート１３がポート１４に連
通切換し、又４ポート弁の第２切換弁１５をポー
ト１６がポート１７にそしてポート１８がポート
１９に連通切換なす。２０は室内ユニツト、２１
は屋外ユニツトを示す。２２，２３は被作動流体
を循環するポンプを示すもので、各ポンプ２２，
２３にて各熱交換器７，９に送られてくる大気温
の被作動流体は第２熱交換器９に冷却されポート
１６，１７を通つて室内ユニツト２０にて室内を
冷却し、その冷却に大気に温められた被作動流体
はポート１２，１１、ポンプ２２を介して再び第
２熱交換器９に至る。又第１熱交換器７にて圧縮
熱を受けた被作動流体はポート１８，１９を通つ
て屋外ユニツトにてその圧縮熱を屋外に放ち、そ
れにより大気温となつた被作動流体はポート１
３，ポート１４，ポンプ２３を介して再び第１熱
交換器７に至る。又このシステムを暖房に使用す
る場合には、第１切換弁１０はポート１１をポー
ト１３に、そしてポート１２をポート１４に連通
切換するとともに第２切換弁１５はポート１６が
ポート１９にそしてポート１８がポート１７に連
通切換させれば良く屋外ユニツト２１にて大気温
になつた被作動流体はポート１３，１１，ポンプ
２２を通つて第２熱交換器９にて作動流体９にて
放熱し、その放熱した被作動流体はポート１６，
１９を通り、屋外ユニツト２１に至る。又一方第
１熱交換器７にて圧縮熱を受けて大気温よりも暖
められた被作動流体はポート１８，１７を介して
室内ユニツト２０にて放熱して室内を暖房し、そ
してその暖房の際に大気温に冷やされた被作動流
体はポート１２，１４，ポンプ２３を介して第１
熱交換器７に至る。又この際、被作動流体がモー
タから生ずる熱を吸収して第１熱交換器７に至る
構成とすれば、更に暖房効率を向上なすことがで
きる。この様に室内を冷暖して空調を行なうこと
ができる。なおこの閉サイクルガス機関の第２熱
交換器又は膨張シリンダ４の双方を火炎，高温流
体（200〜1000℃）等で加熱すればクランクシヤ
フトより動力が得られる原動機となる。

しかしながら従来一般周知の閉サイクルガス機
関では熱交換器はシリンダの外方に数多くのパイ
プを別個に配設して構成されていたことから、構
成も複雑で装置も大きくなり、安価に製作するこ
とができない等の欠点を有していた。

そこで本発明は前述の欠点を解消すべく、シリ
ンダの内壁及び外壁の両面に多数のフインを形成
するとともにそのシリンダの内壁側にピストンを
気密的にガイドするスリーブを装着して、内壁側
のフインとスリーブにて形成される空間を作動流
体の通路として、そのシリンダ自体に熱交換器の
機能を付与することにより、別個に熱交換器を配
設する必要をなくして簡単な構成にて安価に製作
できる熱ガス機関のシリンダ構造の提供を第１の
目的とする。更に本発明はシリンダの外方に別個
に配設していた蓄熱器をもシリンダに内蔵させ
て、小型化が容易な熱ガス機関のシリンダ構造の
提供を第２の目的とする。

以下本発明の一実施例を第２〜６図に基づいて
説明する。

３０は中空で略円錐台状の薄肉厚の金属製シリ
ンダでその円筒部分の内壁及び外壁の両面にはそ
れぞれスパイラル状の多数の同一幅のフイン３
１，３２の全部が円筒部分の下方から上方へ連続
して配設されており、両フイン３１，３２はその
相隣合う間隔はフインの各幅と略同一とし、内壁
側のフイン３１と外壁側のフイン３２とでは１ピ
ツチずれている。シリンダ３０の内壁側にはシリ
ンダ３０に対応した円錐台状のピストン３３を気
密的にガイドする金属製スリーブ３４が配設さ
れ、ピストン３３の往復動を潤滑になすために、
そのスリーブ３４の内周面に樹脂がコーテイング
されている。なおスリーブ３４の外壁にフイン３
１を交叉しない様にフインを形成して、その間を
作動流体通路としても良い。シリンダ３０の下方
部には作動流体の接続口３５が設けられ、その接
続口３５はシリンダ３０の円筒部分の下方全周に
連通しており、その接続口３５はシリンダ３０の
内壁側のフイン３１とスリーブ３４にて形成され
る空間の多数の作動流体通路３６を介して、ピス
トン３３とシリンダ３０の円錐部分の内壁にて形
成される圧縮又は膨張作動する作動室３７に連通
する。シリンダ３０の外壁の表面は被作動流体の
入口側接続口３８と出口接続口３９を有する断熱
カバー４０にて被覆され、その入口側接続口３８
はシリンダ３０の円筒部下方の全周に連通し、又
出口側接続口３９はシリンダ３０の円筒部上方の
全周に連通する構成で、被作動流体は入口接続口
３８からシリンダ３０の外壁側のフイン３２と断
熱カバー４０にて形成される空間の多数の被作動
流体通路４１を介して出口接続口３９に連通す
る。従つて作動流体とシリンダ３０の外壁若しく
は被作動流体間の熱の授受はシリンダ３０特に両
フイン３１，３２を介して行なうことができ、シ
リンダ３０自体に熱交換器の又、シリンダ３０に
形成した両フイン３１，３２は第６図示の如く、
フイン３１とフイン３２とはそのスパイラル方向
を一方側のフインと機能を付与なすことができ
る。なおシリンダ３０の円錐部もその表面積が逆
方向に形成しても第３図構成のシリンダと同様に
シリンダを薄肉化しても強度を保持できるもので
ある。平板状に比較して大きいことから、作動流
体の熱の授受を有利に行なうことができる。４３
は作動流体の漏洩を防止するシールである。なお
シリンダ３０は圧縮シリンダとしても又膨張シリ
ンダとしても作用させることができるが、膨張シ
リンダとして作用させる場合には、シリンダ３０
の接続口３５の内方でかつ内壁側フイン３１の下
端部との間で、シリンダ３０の内壁面とスリーブ
３４の外周間に比熱の大きい多数の金属球や鋼，
セラミツクス等の蓄熱体が収納された環状の蓄熱
器４２を介在させる構成とすれば、シリンダ３０
の外方に蓄熱器を別個に配設しなくてもすみ、構
成も簡単で小型化することができる。

次に本発明におけるシリンダの変形例を第７図
にて説明すると、この変形例は前述の実施例にお
けるシリンダ３０及びピストン３３の頂部の円錐
形状を図示の如くその中心部分を陥没状に変形し
たもので、この様に構成すれば更にシリンダの軸
方向長さを短かくでき、小型化することができ
る。なおこの陥没状のシリンダ３０ではその外壁
に形成したフイン３２は円筒部よりも上方の頂部
にも直線状に連続して形成されている。

以上説明の如く本発明装置によれば、シリンダ
自体に熱交換器機能を付与したことにより、従来
の如くシリンダとは別個に多数のパイプ等にて形
成した熱交換器をシリンダの外方に配設する必要
がなくなり、構造簡単で安価に製作できる等実用
上優れてなる効果を奏する。又、シリンダの外周
に断熱カバーを設けることにより、より一層熱交
換器の機能を向上なすことができる。更に蓄熱器
もシリンダ内部に配設できることにより、更に構
造簡単で安価に製作できるものである。

そしてシリンダの内外壁両面に形成したフイン
は略同一幅として内壁及び外壁側ともその相隣合
う間隔はフインの幅と略同一とし、内壁側と外壁
側とでは１ピツチずれた構成としたことから、作
動流体の圧力を受けるシリンダ自体を薄肉化して
も強度も充分であり、熱抵抗を小さくでき、効率
を向上することができる。

更に本発明装置は熱交換器をシリンダ自体に形
成したこと及び蓄熱器をシリンダ内に装着したこ
とにより、熱侵入も小さくなつて吸熱及び放熱の
効率をなすとともに作動流体の圧力損失も低下な
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は閉サイクルガス機関を空調機に応用し
た例を示す説明図、第２図は本発明装置の一実施
例を示す縦断面図、第３図は本発明におけるシリ
ンダの円筒部分のみを示し、フイン形成を一部略
して示す斜視図、第４図は本発明におけるシリン
ダの円筒部分の底面図、第５図は本発明における
シリンダとスリーブと断熱カバーとの関係を示す
横断面部分図、第６図は本発明にシリンダのフイ
ン構成の他の例を一部略して示す斜視図、第７図
は本発明装置の変形例を示す部分断面図である。 ３３……ピストン、３７……作動室、３０……
シリンダ、３１……フイン（内壁側）、３２……
フイン（外壁側）、３４……スリーブ、３６……
作動流体通路、４０……断熱ケース、４２……蓄
熱器、４１……被作動流体通路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内蔵したピストンの作用にて作動流体を圧縮
   又は膨張なす作動室を有する圧縮シリンダ又は膨
   張シリンダの少なくとも何れか一方のシリンダの
   内壁及び外壁の両面に多数条のフインを形成する
   とともにそのシリンダの内壁側に前記ピストンを
   気密的にガイドするスリーブを装着して、前記内
   壁側のフインと前記スリーブの外周面にて形成さ
   れた空間を作動流体の通路として、前記外壁と前
   記作動流体間の熱の授受を前記シリンダを介して
   行なわせしめることを特徴とする閉サイクルガス
   機関のシリンダ構造。 ２ 内蔵したピストンの作用にて作動流体を圧縮
   又は膨張なす作動室を有する圧縮シリンダ又は膨
   張シリンダの少なくとも何れか一方のシリンダの
   内壁及び外壁の両面に多数条のフインを形成する
   とともにそのシリンダの内壁側に前記ピストンを
   気密的にガイドするスリーブを装着して、前記内
   壁側のフインと前記スリーブの外周面に形成され
   た空間を作動流体の通路とするとともに、前記外
   壁の外方に断熱ケースを装着して、前記外壁側の
   フインと前記断熱ケースの内面にて形成された空
   間を被作動流体の通路として、前記作動流体と前
   記被作動流体間の熱の授受を前記シリンダを介し
   て行なわせしめることを特徴とする閉サイクルガ
   ス機関のシリンダ構造。 ３ 内蔵したピストンの作用にて作動流体を膨張
   なす作動室を有する膨張シリンダの内壁及び外壁
   の両面に多数条のフインを形成するとともにその
   シリンダの内壁側に前記ピストンを気密的にガイ
   ドするスリーブを装着して、前記内壁側のフイン
   と前記スリーブの外周面にて形成された空間を作
   動流体の通路とするとともにその通路中に蓄熱器
   を介在させて、該蓄熱器と前記作動室間の作動流
   体と前記外壁間の熱の授受を前記シリンダを介し
   て行なう様にしたことを特徴とする閉サイクルガ
   ス機関のシリンダ構造。 ４ 前記多数条のフインはスパイラル状としたこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲１記載の閉サ
   イクルガス機関のシリンダ構造。 ５ 前記多数条のフインは略同一幅として内壁及
   び外壁側ともその相隣合う間隔はフインの幅と略
   同一とし、内壁側と外壁側とでは１ピツチずれた
   ことを特徴とする前記特許請求の範囲１記載の閉
   サイクルガス機関のシリンダ構造。 ６ 前記シリンダの頂部の中央部分を陥没状に形
   成するとともに前記ピストンの頂面もそのシリン
   ダの形状に対応して陥没状に形成したことを特徴
   とする前記特許請求の範囲１記載の閉サイクルガ
   ス機関のシリンダ構造。 ７ 前記多数条のフインは内壁側と外壁側とでは
   そのスパイラル方向を逆に形成したことを特徴と
   する前記特許請求の範囲４項記載の閉サイクルガ
   ス機関のシリンダ構造。