(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温部中温室と低温部中温室とを連通するためのガス通路を設けた再生サイクルを用いた外燃機関であるフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関において、
低温ディスプレーサロッドを中空にして高温ディスプレーサロッドを収納する中空室とし、低温ディスプレーサ内を中空にして低温ディスプレーサ用ガスばね室とし、上記中空室を低温ディスプレーサ用ガスばね室内に張り出して高温ディスプレーサ用ガスばね室とし、さらに外部に上記高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積を調整するための、高温ガスばね室用リザーバを設けるようしたことを特徴とするフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関。
【請求項２】
高温部中温室と低温部中温室とを連通するためのガス通路を設けた再生サイクルを用いた外燃機関であるフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関において、
低温ディスプレーサロッドを中空にして高温ディスプレーサロッドを収納する中空室とし、低温ディスプレーサ内を中空にして低温ディスプレーサ用ガスばね室とし、上記中空室を低温ディスプレーサ用ガスばね室内に張り出して高温ディスプレーサ用ガスばね室とし、さらに外部に上記高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積を調整するための、高温ガスばね室用シリンダ、高温ガスばね室用ピストンを設け、この高温ガスばね室用ピストンを可動マグネットコイル及び固定マグネットコイルから成るアクチュエータによって駆動するようにしたことを特徴とするフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関。
【請求項３】
高温部中温室と低温部中温室とを連通するためのガス通路を設けた再生サイクルを用いた外燃機関であるフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関において、
低温ディスプレーサロッドを中空にして高温ディスプレーサロッドを収納する中空室とし、上記中空室を低温ディスプレーサ用ガスばね室内に張り出して高温ディスプレーサ用ガスばね室とし、また外部に上記高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積を調整するための、高温ガスばね室用シリンダ、高温ガスばね室用ピストンを設け、この高温ガスばね室用ピストンを可動マグネットコイル及び固定マグネットコイルから成るアクチュエータによって駆動するようにし、さらに、上記アクチュエータと連動する外部補機用駆動機を付加するようにしたことを特徴とするフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の再生サイクルを用いた外燃機関であるフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関において、
上記高温ディスプレーサ用ガスばね室内部に高温ディスプレーサ用機械ばねを装着すると共に、低温側ガスばね室内に上記低温ディスプレーサロッドに装着される低温ディスプレーサ用機械ばねを設けるようにしたことを特徴とするフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリーピストン式ヴィルミエサイクル機関（以下フリーピストン式ＶＭ機関と略称する）に関し、特にＶＭ機関全体を小型化して空調機及び冷凍機等に好適なフリーピストン式ＶＭ機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフリーピストン式ＶＭ機関は、図４に示すように構成されていた。
同図において、高温ディスプレーサ１０１は直径ａのディスプレーサピストンロッド１０２と直径ｂのディスプレーサピストンロッド１０３とが直列に連結された段違いロッドを有し、ディスプレーサピストンロッド１０３の端部はリニアアクチュエータ１０４により強制的に図面上、上下に駆動される。
一方、円筒形のスリーブ１０５ａ、１０５ｂの外側には、図で上から順に高温側高温部熱交換器１０６ａ、高温側再生器１０７、高温側中温部熱交換器１０８、低温側中温部熱交換器１０９、低温側再生器１１０及び低温側低温部熱交換器１１１が配設され、高温側中温部熱交換器１０８と低温側中温部熱交換器１０９とはリング形部１１２を介して一体となっている。
さらに、高温側再生器１０７、高温側中温部熱交換器１０８、低温側中温部熱交換器１０９の外側には夫々高温側円筒形シェル１１３、中温側円筒形シェル１１４ａ、１１４ｂが配設され、また低温側再生器１１０及び低温側低温部熱交換器１１１の外側には低温側円筒形シェル１１５が配設されて外部と隔離される。
高温側円筒形シェル１１３の頭部には電気ヒータ１０６が設けられ、暖房用として高温側中温部熱交換器１０８及び低温側中温部熱交換器１０９から熱を取り出し、また冷房用として低温側低温部熱交換器１１１から冷熱を与えられる。搬送用媒体としては水が夫々の熱交換器の外側に配設される。
ここで、電気ヒータ１０６により加熱された高温作動空間１１６及び中温作動空間１１７内のヘリウム等の作動ガスによって、高温側中温部熱交換器１０８を介して外側の水を加熱し、一方低温作動空間１１８及び中温作動空間１１７内の作動ガスは低温側中温部熱交換器１０９を介して外側の水を加熱すると共に、低温側低温部熱交換器１１１を介して外側の水から熱を奪う。
このとき、前記高温ディスプレーサ１０１の上下運動は作動ガスを高温作動空間１１６と中温作動空間１１７との間を、高温側高温部熱交換器１０６ａ、高温側再生器１０７及び高温側中温部熱交換器１０８を通って交番させる。
また、低温ディスプレーサ１１９の上下運動は作動ガスを低温作動空間１１８及び中温作動空間１１７の間を、低温側低温部熱交換器１１１、低温側再生器１１０及び低温側中温部熱交換器１０９を通って交番させる。
その際、高温の作動ガスと低温の作動ガスとの割合が変化することにより圧力変動を生じるが、ディスプレーサピストンロッド１０２、１０３の直径ａ及びｂの相違によって起こる容積変化により低温ディスプレーサ１１９に加振力を生じ、高温ディスプレーサ１０１とはある一定の位相差を保つように低温ディスプレーサ１１９が作動する。このとき、各再生器１０７、１１０の蓄熱作用により各作動空間は温度が一定に保たれる。機関としての出力は各熱交換器１０６ａ、１０８、１０９及び１１１の熱の放出、吸収を暖房、冷房として利用するものである。
また、１２０は低温ディスプレーサ用補助機械ばね、１２１は作動空間１１８のためのロッドシール、１２２は高温ディスプレーサ用機械ばね、１２３は適当な圧力値に保つためのバッフア室、１２４はバッフア室用ロッドシール、１２５は低温ディスプレーサ内ガスばね室である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のフリーピストン式ＶＭ機関では、上記のように構成されていたから、次のような問題点があった。
▲１▼高温ディスプレーサ用機械ばねが、機関外のバッファ室に設けられていたため、ＶＭ機関全体が大きくなる。
▲２▼また、従来のものでは低温室内をディスプレーサロッドが貫通するため、シール部を配置することが必要であり、このシール部でガス漏れや摩擦損失が発生する恐れがあった。
▲３▼さらに、高温ディスプレーサ用ガスばね室の大きさを小さくすることが要望されていた。
▲４▼また、外部補機を一体化して装備できることも要望されていた。
本発明は従来の上記課題（問題点）を解決するようにしたフリーピストン式ＶＭ機関を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、
第１の発明としては、高温部中温室と低温部中温室とを連通するためのガス通路を設けた再生サイクルを用いた外燃機関であるフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関において、低温ディスプレーサロッドを中空にして高温ディスプレーサロッドを収納する中空室とし、低温ディスプレーサ内を中空にして低温ディスプレーサ用ガスばね室とし、上記中空室を低温ディスプレーサ用ガスばね室内に張り出して高温ディスプレーサ用ガスばね室とし、さらに外部に上記高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積を調整するための、高温ガスばね室用リザーバを設けるようしたフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関を提供し、
第２の発明としては、第１の発明の構成における高温ガスばね室用リザーバに代え、上記高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積を調整するための、高温ガスばね室用シリンダ、高温ガスばね室用ピストンを設け、この高温ガスばね室用ピストンを可動マグネットコイル及び固定マグネットコイルから成るアクチュエータによって駆動するようにしたフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関を提供し、
第３の発明としては、第２の発明の構成において、さらに、上記アクチュエータと連動する外部補機用駆動機を付加するようにしたフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関を提供し、
第４の発明としては、上記各構成において、上記高温ディスプレーサ用ガスばね室内部に高温ディスプレーサ用機械ばねを装着すると共に、低温側ガスばね室内に上記低温ディスプレーサロッドに装着される低温ディスプレーサ用機械ばねを設けるようにしたフリーピストン式ヴィルミエサイクル機関を提供するようにしたものである。
【０００５】
第１の発明によれば、高温ディスプレーサ用ガスばね室の大きさが小さくなり、機関全体がコンパクト化され、
第２の発明によれば、高温ガスばね室リザーバの代わりに設けられた高温ガスばね室用シリンダの大きさが小さくなり、
第３の発明によれば、外部補機を別途装着する必要がなくなり、
第４の発明によれば、ＶＭ機関としての作動を、さらに安定させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図３に示す第１乃至第４の各実施の形態により本発明を具体的に説明する。
第１の実施の形態：
本発明の第１の実施の形態は図１に示すように構成される。
同図において、１は高温室、２は高温部中温室、３は低温部中温室、４は低温室である。５は高温ディスプレーサ用ガスばね室、６は低温ディスプレーサ用ガスばね室である。
また、７は高温部中温室２と低温部中温室３とを連通するガス通路、８は高温ディスプレーサ、９は低温ディスプレーサ、１０は高温ディスプレーサロッド、１１は低温ディスプレーサロッドである。
また、１２はヒータ、１３は高温側再生器、１４は低温側再生器、１５は高温部ラジエータ、１６は低温部ラジエータ、１７はクーラ、１８は高温ディスプレーサ用機械ばね、１９は低温ディスプレーサ用機械ばねである。
さらに、２０はリザーバ用ガス通路、２１は流量調整弁、２２は高温ガスばね室用リザーバである。
本実施の形態のものでは、上記のように低温ディスプレーサロッド１１の内部を中空に形成して、高温ディスプレーサ用ガスばね室５とし、高温ディスプレーサ用ガスばね室５の内部に高温ディスプレーサ用機械ばね１８を装着すると共に、低温ディスプレーサ用ガスばね室６内に低温ディスプレーサロッド１１に装着される低温ディスプレーサ用機械ばね１９を設けると共に、機関の外部に高温ディスプレーサ用ガスばね室５とガス通路２０及び流量調整弁２１を介して連通される高温ガスばね室用リザーバ２２を設けるように構成した点に、構成上の特徴がある。
本実施の形態では、上記のように、特に高温ディスプレーサ用ガスばね室５と連通するガスばね室用リザーバ２２を外部に設けたので、その分だけ機関内部に設けられる高温ディスプレーサ用ガスばね室５の大きさは小さくなり、機関全体がコンパクト化される。
なお、高温ガスばね室用リザーバ２２へ供給されるガスは、流量調整弁２１により所望の値に調整することができる。
また、従来のように低温室内をロッドが貫通する構成ではないから、シールが不要となり、またガス漏れがなくなり、熱損失や摩擦による機械損失等が低減される。また、従来のＶＭ機関では機関の外部に設けられていた高温ディスプレーサ用機械ばねを、本実施の形態のものでは、機関内部に配置される低温ディスプレーサロッドの内部に収納するようにしたので、この点からもＶＭ機関全体の構成を小型化できる。
【０００７】
第２の実施の形態：
本発明の第２の実施の形態は、図２に示すように構成される。
同図において、第１の実施の形態と同等の構成については、図１と同一の符号を付し、その説明は省略する。
本実施の形態では、図２に示すように、第１の実施の形態の高温ガスばね室用リザーバ２２の代わりに、高温ガスばね室用シリンダ２３とこの高温ガスばね室用シリンダ２３に内蔵される高温ガスばね室用ピストン２４、ピストン保持用スプリング２５、可動マグネットコイル２６及び固定マグネットコイル２７より成る高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積調整手段をシリンダ用ガス通路２０ａに流量調整弁２１を介して連結するようにした点に、その構成上の特徴がある。
本実施の形態では、高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積調整手段による調整は、高温ガスばね室用ピストンを可動マグネットコイル及び固定マグネットコイルから成るアクチュエータにより駆動することで行うから、容積が固定型である第１の実施の形態の高温ガスばね室用リザーバに比べ、高温ガスばね室用シリンダの大きさを小さくできる。
なお、高温ガスばね室用シリンダ２３に供給されるガスは、流量調整弁２１により所望の値に調整することができる。
また、シールが不要となり、またガス漏れがなくなり、熱損失や摩擦による機械損失等が低減される点は第１の実施の形態のものと同様である。
【０００８】
第３の実施の形態：
本発明の第３の実施の形態は、図３に示すように構成される。
同図において、第２の実施の形態と同等の構成については、図２と同一の符号を付し、その説明は省略する。
本実施の形態では、図３に示すように、第２の実施の形態の構成において、さらに、上記アクチュエータと連動する外部補機用駆動機を追加したものである。
なお、この外部補機用駆動機は空気ブロワ及び水ポンプなどに利用可能であり、図示のように補機シリンダ３８、補機ピストン３９、ピストン保持用スプリング４０、ダイヤフラム４１、吸入ポート４２及び排出ポート４３より構成され、必要により補機ピストン３９にクランク機構を付加するようにしても良い。
本実施の形態で設けられる高温ガスばね室用シリンダのアクチュエータと連動する補機シリンダ等の補機の存在により、ＶＭ機関に通常、別途設けられる外部補機は不要となった。
なお、本実施の形態でも、高温ガスばね室用シリンダ２３に供給されるガスは、流量調整弁２１により所望の値に調整することができ、また、シールが不要となり、またガス漏れがなくなり、熱損失や摩擦による機械損失等が低減される点は第１の実施の形態のものと同様である。
【０００９】
第４の実施の形態：
本実施の形態は、上記の第１乃至第３の実施の形態の構成において、図１乃至図３に示すようにように高温ディスプレーサ用ガスばね室５内部に高温ディスプレーサ用機械ばね１８を装着すると共に、低温ディスプレーサ用ガスばね室６内に低温ディスプレーサロッド１１に装着される低温ディスプレーサ用機械ばね１９を設けるように構成したものである。
このようにすれば、ガスばねの作用に加えて、機械ばねの作用が助長されるので、ＶＭ機関の作動は、さらに安定となる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明は上記のように、まず、低温ディスプレーサロッドを中空にして高温ディスプレーサロッドを収納する中空室とし、低温ディスプレーサ内を中空にして低温ディスプレーサ用ガスばね室とする構成としたので、次のような優れた効果を有する。
▲１▼従来のように低温室内をロッドが貫通する必要がないため、シールが不要となり、またガス漏れがなくなり、熱損失や摩擦による機械損失等が低減される。
▲２▼従来、ＶＭ機関の外部に設けられていた高温ディスプレーサ用機械ばねを、本発明では機関の内部に配置される低温ディスプレーサロッドの内部に収納するようにしたので、ＶＭ機関全体の構成が著しく小型化される。 従って、空調機及び冷凍機等に好適なフリーピストン式ＶＭ機関が得られる。
さらに、本発明のものでは、上記構成に加えて、機関外部に上記高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積を調整するためのガスばね室用リザーバまたはガスばね室用ピストン、可動マグネットコイル及び固定マグネットコイルから成るアクチュエータ等の高温ディスプレーサ用ガスばね室の容積調整手段を設けるように構成したので、次のような優れた効果も併せ有する。
▲３▼第１の発明によれば、高温ディスプレーサ用ガスばね室の大きさが小さくなり、機関全体がコンパクト化される。
▲４▼第２の発明によれば、上記第１の発明の効果に加え、高温ガスばね室リザーバの代わりに設けられた高温ガスばね室用シリンダの大きさが小さくなる。
▲５▼第３の発明によれば、上記第２の発明の効果に加え、外部補機を別途装着する必要がなくなる。
▲６▼第４の発明によれば、上記第３の発明の効果に加え、ＶＭ機関としての作動は、さらに安定となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるフリーピストン式ＶＭ機関の構成を示す縦断正面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態であるフリーピストン式ＶＭ機関の構成を示す縦断正面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態であるフリーピストン式ＶＭ機関の構成を示す縦断正面図である。
【図４】従来のフリーピストン式ＶＭ機関の構成を示す縦断正面図である。
【符号の説明】
５：高温ディスプレーサ用ガスばね室
６：低温ディスプレーサ用ガスばね室
７：ガス通路
８：高温ディスプレーサ
９：低温ディスプレーサ
１０：高温ディスプレーサロッド
１１：低温ディスプレーサロッド
１８：高温ディスプレーサ用機械ばね
１９：低温ディスプレーサ用機械ばね
２０：リザーバ用ガス通路
２０ａ：シリンダ用ガス通路
２１：流量調整弁
２２：高温ガスばね室用リザーバ
２３：高温ガスばね室用シリンダ
２４：高温ガスばね室用ピストン
２５：ピストン保持用スプリング
２６：可動マグネットコイル
２７：固定マグネットコイル
３８：補機シリンダ
３９：補機ピストン
４０：ピストン保持用スプリング
４１：ダイヤフラム
４２：吸入ポート
４３：排出ポート
【図１】
0003695814.tif 000002
【図２】
0003695814.tif 000003
【図３】
0003695814.tif 000004
【図４】
0003695814.tif 000005