(57)【要約】【課題】極めて小型且つ簡易な構造で、フリーピストンの往復動作をより安定化させ、気体の作動流体の膨張仕事を圧縮仕事に変換するとともに発電出力を取得することができる往復動型膨張圧縮機を提供する。【解決手段】往復動型膨張圧縮機１は、シリンダー２と、該シリンダー２に往復動可能に収容されシリンダー２を膨張部３及び圧縮部４に区画するフリーピストン５と、膨張部３と連通し流路の開閉を行う高圧吸入弁ＶＨ１及び低圧吐出弁ＶＬ１と、圧縮部４と連通し流路の開閉を行う低圧吸入弁ＶＬ２及び高圧吐出弁ＶＨ２とを備え、膨張部３における高圧の冷媒の膨張仕事を圧縮部４における低圧の冷媒の圧縮仕事に変換する。フリーピストン５の外周部に設けられたモータ可動子１１と、モータ可動子１１の外周側に配置されたモータ固定子１６とを備える。【選択図】図１
2011127879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダーと、該シリンダーに往復動可能に収容され前記シリンダーを膨張部及び圧縮部に区画するフリーピストンと、前記膨張部と連通し流路の開閉を行う高圧吸入弁及び低圧吐出弁と、前記圧縮部と連通し流路の開閉を行う低圧吸入弁及び高圧吐出弁とを備え、前記膨張部における作動流体の膨張仕事を前記圧縮部における作動流体の圧縮仕事に変換する往復動型膨張圧縮機において、
前記フリーピストンと一体でインナーヨーク及び該インナーヨーク外周に埋設された永久磁石を有するモータ可動子と、
前記シリンダーの外周側に設けられ、アウターヨーク及び該アウターヨークに内蔵されたコイルを有するモータ固定子とを備えたことを特徴とする往復動型膨張圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の往復動型膨張圧縮機において、
前記コイルの通電制御により前記モータ固定子及び前記モータ可動子間に働く発電による制動力又は、モータ推力による推進力を利用して前記フリーピストンの振幅を制御する振幅制御手段を備えたことを特徴とする往復動型膨張圧縮機。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の往復動型膨張圧縮機において、
前記高圧吸入弁及び前記低圧吐出弁の開閉タイミングを変更することにより前記フリーピストンの振動数を制御する振動数制御手段を備えたことを特徴とする往復動型膨張圧縮機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の往復動型膨張圧縮機において、
作動流体の温度の変化に伴う高圧圧力の変化に合わせ、前記高圧吸入弁の開時間を変更することにより、膨張圧力比を制御する膨張圧力比制御手段を備えたことを特徴とする往復動型膨張圧縮機。
【請求項５】
熱入力で膨張仕事を発生するランキンサイクルと、圧縮仕事から空調出力を得る蒸気圧縮式ヒートポンプの組合せシステムで、シリンダーと、該シリンダーに往復動可能に収容され前記シリンダーを膨張部及び圧縮部に区画するフリーピストンと、前記膨張部と連通し流路の開閉を行う高圧吸入弁及び低圧吐出弁と、前記圧縮部と連通し流路の開閉を行う低圧吸入弁及び高圧吐出弁とを備え、前記膨張部における作動流体の膨張仕事を前記圧縮部における作動流体の圧縮仕事に変換する往復動型膨張圧縮機において、
前記低圧吐出弁に接続され、該低圧吐出弁から吐出された作動流体を放熱する凝縮器と、
前記凝縮器に接続され、該凝縮器から供給された作動流体を昇圧するポンプと、
前記ポンプに接続され、該ポンプから供給された作動流体に熱源から熱入力して前記高圧吸入弁に供給する蒸発器と、
前記高圧吐出弁に接続され、該高圧吐出弁から吐出された作動流体を放熱する凝縮器と、
前記凝縮器に接続され、該凝縮器から供給された作動流体を絞り膨張する絞り弁と、
前記絞り弁に接続され、該絞り弁から供給された作動流体に外部から熱入力して前記低圧吸入弁に供給する蒸発器と、
前記フリーピストンと一体でインナーヨーク及び該インナーヨーク外周に埋設された永久磁石を有するモータ可動子と、
前記シリンダーの外周側に設けられ、アウターヨーク及び該アウターヨークに内蔵されたコイルを有するモータ固定子とを備えたことを特徴とする往復動型膨張圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル又は蒸気圧縮式ヒートポンプ又はそれらの組合せサイクルにおける往復動型膨張圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、膨張機又は圧縮機又は膨張圧縮機として種々のものが提案されている。
例えば特許文献１のシステムでは、単一のシリンダー内にフリーピストンが往復動可能に設けられており、該ピストンの一側（膨張機側）の空間に高圧（高温）の気体の冷媒（作動流体）を導入して該冷媒を膨張させる。そして、ピストンの他側（圧縮機側）の空間に導入されている低圧（低温）の気体の冷媒を圧縮する。その後、当該ピストンの圧縮機側の空間に低圧の気体の冷媒を導入して該ピストンを反転移動させる。このように、ピストンの膨張機側の空間における高圧の冷媒の膨張仕事を、ピストンの圧縮機側の空間における低圧の冷媒の圧縮仕事に変換している。
【０００３】
また、特許文献２のシステムは、回転式の膨張圧縮機であって、冷媒（作動流体）の膨張エネルギーを膨張機で回収し、圧縮機で冷媒を圧縮する仕事の一部として利用するものである。なお、このシステムは、膨張機側と圧縮機側とを一軸で連結した電動モータを備えており、該電動モータの回転速度制御により冷媒の流量制御が可能であるとともに、電動モータを発電機として使用することによりその回転エネルギーから電気エネルギー（発電出力）が得られると推定される。
【０００４】
さらに、特許文献３のシステムは、斜板式の膨張機であって、例えば斜板の傾斜角度に応じた範囲で複数のピストンがシリンダー（シリンダボア）内を往復動することにより、該斜板が出力シャフトと一体で回転するようになっている。なお、このシステムは、斜板の傾斜角度を制御することで作動流体の膨張比を制御する。また、出力シャフトを回転駆動する電動モータを備えることで、その回転速度制御により冷媒の流量制御が可能であるとともに、電動モータを発電機として使用することによりその回転エネルギーから電気エネルギー（発電出力）が得られると推定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，４１８，７４５号明細書
【特許文献２】特開２００７−２９８２０７号公報
【特許文献３】特開２００６−１８３５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１のシステムでは、膨張仕事と圧縮仕事がバランスすることにより安定したピストンストロークが得られる。例えば膨張仕事に対し、圧縮仕事が減少した場合は、ピストンストロークが過大となり、ピストンがシリンダー壁に衝突するなどの不安定な運転となる可能性がある。膨張仕事はサイクルへの熱入力量、圧縮仕事は空調負荷によって決定される量であるため、例えば熱入力量が一定で、空調負荷が減少したときは上記の現象が現れる可能性がある。また、逆に膨張仕事に対し圧縮仕事が大きい場合は、ピストンストロークが十分得られず圧縮不足となる可能性があるあるいは、ピストンの圧縮機側の空間における低圧の冷媒の圧縮仕事を利用しない場合、膨張機側における高圧の作動流体の膨張仕事を回収する手段がないことから、エネルギーロスが生じることになる。
【０００７】
また、特許文献２のシステムでは、圧縮機側の回転子、膨張機側の回転子及びこれらを連結する電動モータ（発電機）を同軸上に配置する必要があり、装置全体としての大型化を余儀なくされる。また、圧縮機、膨張機、モータをそれぞれ個々に設ける必要があるため、部品点数も多く複雑な構成となる。また、構造上、冷媒の圧縮比及び膨張比を変更できないため、例えば冷凍サイクルの放熱温度又は吸熱温度の変化などにより適切な圧縮比又は膨張比が変化した場合、圧縮不足（膨張不足）や、過圧縮（過膨張）などの非効率な運転となる場合がある。また、回転型の膨張機として主として用いられるスクロール型またはロータリー型は、構造上膨張比を大きく取れないため、入熱温度が高い場合、充分膨張仕事を取ることができずに非効率となる場合がある。
【０００８】
さらに、特許文献３のシステムでは、回転を往復動に変換させるため、斜板装置を用いていることから、装置全体としての大型化を余儀なくされる。また、圧縮機としての機能を有しないことで、例えば空調出力への利用ができないなど、その用途が限定されたものとなる。
【０００９】
本発明の目的は、極めて小型且つ簡易な構造で、フリーピストンの往復動作をより安定化させ、気体の作動流体の膨張仕事から圧縮仕事への変換を行うとともに発電出力を取得することができる往復動型膨張圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、シリンダーと、該シリンダーに往復動可能に収容され前記シリンダーを膨張部及び圧縮部に区画するフリーピストンと、前記膨張部と連通し流路の開閉を行う高圧吸入弁及び低圧吐出弁と、前記圧縮部と連通し流路の開閉を行う低圧吸入弁及び高圧吐出弁とを備え、前記膨張部における作動流体の膨張仕事を前記圧縮部における作動流体の圧縮仕事に変換する往復動型膨張圧縮機において、前記フリーピストンと一体でインナーヨーク及び該インナーヨーク外周に埋設された永久磁石を有するモータ可動子と、前記シリンダーの外周側に設けられ、アウターヨーク及び該アウターヨークに内蔵されたコイルを有するモータ固定子とを備えたことを要旨とする。
【００１１】
同構成によれば、前記シリンダーに前記フリーピストンを往復動可能に収容することで前記シリンダーを前記膨張部及び前記圧縮部に区画する、極めて小型で簡易な構造にできる。また、前記フリーピストンと一体の前記モータ可動子及び前記シリンダーの外周側に設けられた前記モータ固定子によりモータ（リニアモータ）を構成したことで、前記コイルの通電制御により前記モータ固定子及び前記モータ可動子間に働く発電による制動力又は、モータ推力による推進力を利用して前記フリーピストンの振幅を制御し、振幅量の安定を図ることができる。例えば何らかの影響を受けて前記フリーピストンの動作（往復動）が不安定になろうとした場合に、該モータの制御によってこれを抑制することができる。さらに、前記圧縮部における低圧の作動流体の圧縮仕事を利用しない場合、モータを発電機として使用することにより前記膨張部における高圧の作動流体の膨張仕事（フリーピストンの運動エネルギー）から電気エネルギー（発電出力）を得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の往復動型膨張圧縮機において、前記コイルの通電制御により前記モータ固定子及び前記モータ可動子間に働く発電による制動力又は、モータ推力による推進力を利用して前記フリーピストンの振幅を制御する振幅制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１３】
同構成によれば、前記振幅制御手段により、前記フリーピストンの振幅が制御（制動制御又は駆動制御）されることで、例えば装置の起動時や運転状態の条件変更時などに前記フリーピストンの挙動が過渡的不安定状態に陥ることを抑制することができる。あるいは、装置の定常運転時に前記フリーピストンの振幅（ストローク）を一定に制御することで、装置の安定駆動が可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の往復動型膨張圧縮機において、前記高圧吸入弁及び前記低圧吐出弁の開閉タイミングを変更することにより前記フリーピストンの振動数を制御する振動数制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１５】
同構成によれば、作動流体の流量は、前記振動数制御手段により、前記高圧吸入弁及び前記低圧吐出弁の開閉タイミングを変更することにより前記フリーピストンの振動数（駆動周波数）を制御することで制御される。この際、前記フリーピストンの振動数が前記フリーピストンと磁気によるバネとガスが持つバネによって構成される振動系の固有振動数を大きく外れる場合、前記フリーピストンの振幅の減少が発生する。この場合、前記コイルの通電制御により前記モータ固定子及び前記モータ可動子間の電磁力を制御して磁気によるバネ力を調整し、振動系が持つ固有振動数を前記フリーピストンの駆動周波数に近づける。これにより、前記フリーピストンの振幅の減少を避けることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の往復動型膨張圧縮機において、作動流体の温度の変化に伴う高圧圧力の変化に合わせ、前記高圧吸入弁の開時間を変更することにより、膨張圧力比を制御する膨張圧力比制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１７】
同構成によれば、前記膨張圧力比制御手段により、作動流体の温度の変化（作動流体の圧力変化）に合わせて、前記高圧吸入弁の開時間を変更することにより、膨張圧力比が制御される。従って、作動流体の温度が変化して高圧圧力が変化した場合、高圧圧力／低圧圧力の割合に合致する膨張圧力比を前記膨張機で得ることが可能となる。従って、実際の膨張圧力比が適正化されることで、例えば膨張不足が生じて動力発生効率が低下したりすることを抑制できる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、熱入力で膨張仕事を発生するランキンサイクルと、圧縮仕事から空調出力を得る蒸気圧縮式ヒートポンプの組合せシステムで、シリンダーと、該シリンダーに往復動可能に収容され前記シリンダーを膨張部及び圧縮部に区画するフリーピストンと、前記膨張部と連通し流路の開閉を行う高圧吸入弁及び低圧吐出弁と、前記圧縮部と連通し流路の開閉を行う低圧吸入弁及び高圧吐出弁とを備え、前記膨張部における作動流体の膨張仕事を前記圧縮部における作動流体の圧縮仕事に変換する往復動型膨張圧縮機において、前記低圧吐出弁に接続され、該低圧吐出弁から吐出された作動流体を放熱する凝縮器と、前記凝縮器に接続され、該凝縮器から供給された作動流体を昇圧するポンプと、前記ポンプに接続され、該ポンプから供給された作動流体に熱源から熱入力して前記高圧吸入弁に供給する蒸発器と、前記高圧吐出弁に接続され、該高圧吐出弁から吐出された作動流体を放熱する凝縮器と、前記凝縮器に接続され、該凝縮器から供給された作動流体を絞り膨張する絞り弁と、前記絞り弁に接続され、該絞り弁から供給された作動流体に外部から熱入力して前記低圧吸入弁に供給する蒸発器と、前記フリーピストンと一体でインナーヨーク及び該インナーヨーク外周に埋設された永久磁石を有するモータ可動子と、前記シリンダーの外周側に設けられ、アウターヨーク及び該アウターヨークに内蔵されたコイルを有するモータ固定子とを備えことを要旨とする。
【００１９】
同構成によれば、前記シリンダーに前記フリーピストンを往復動可能に収容することで前記シリンダーを前記膨張部及び前記圧縮部に区画する、極めて小型で簡易な構造にできる。また、前記フリーピストンと一体の前記モータ可動子及び前記シリンダーの外周側に設けられた前記モータ固定子によりによりモータ（リニアモータ）を構成したことで、前記コイルの通電制御により前記モータ固定子及び前記モータ可動子間に働く発電による制動力又は、モータ推力による推進力を利用して前記フリーピストンの振幅を制御し、振幅量の安定を図ることができる。例えば何らかの影響を受けて前記フリーピストンの動作（往復動）が不安定になろうとした場合に、該モータの制御によってこれを抑制することができる。さらに、前記圧縮部における低圧の作動流体の圧縮仕事を利用しない場合、モータを発電機として使用することにより前記膨張部における高圧の作動流体の膨張仕事（フリーピストンの運動エネルギー）から電気エネルギー（発電出力）を得ることができる。また、前記高圧吸入弁（即ち膨張部）から吸入される作動流体は、前記ポンプにおいて昇圧され前記蒸発器において前記熱源から熱入力されることで、前記膨張部における高圧の作動流体の膨張仕事として回収することができる（ランキンサイクル）。
【発明の効果】
【００２０】
本発明では、極めて小型且つ簡易な構造で、フリーピストンの往復動作をより安定化させ、気体の作動流体の膨張仕事を圧縮仕事に変換するとともに発電出力を取得することができる往復動型膨張圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態が適用されるランキンサイクル−蒸気圧縮式ヒートポンプシステムを示す構成図。
【図２】同実施形態を示す拡大図。
【図３】同実施形態の比エンタルピと冷媒の圧力との関係で示すグラフ。
【図４】ピストン変位と冷媒の圧力との関係を示すグラフ。
【図５】ピストン変位とピストン荷重との関係を示すグラフ。
【図６】ピストン変位とピストン荷重との関係を展開して示すグラフ。
【図７】同実施形態の制御態様を示すフローチャート。
【図８】磁気ばねを示す模式図。
【図９】同実施形態の制御態様を示すフローチャート。
【図１０】（ａ）（ｂ）は、膨張比の制御態様を示す模式図。
【図１１】同実施形態の制御態様を示すフローチャート。
【図１２】本発明の第２の実施形態が適用されるランキンサイクル−蒸気圧縮式ヒートポンプシステムを示す構成図。
【図１３】ピストン変位と冷媒の圧力との関係を示すグラフ。
【図１４】ピストン変位とピストン荷重との関係を示すグラフ。
【図１５】ピストン変位とピストン荷重との関係を展開して示すグラフ。
【図１６】本発明の第３の実施形態が適用される蒸気圧縮式ヒートポンプシステムを示す構成図。
【図１７】同実施形態の比エンタルピと冷媒の圧力との関係で示すグラフ。
【図１８】ピストン変位と冷媒の圧力との関係を示すグラフ。
【図１９】ピストン変位とピストン荷重との関係を示すグラフ。
【図２０】本発明の変形形態を示す構成図。
【図２１】本発明の変形形態を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態に係る往復動型膨張圧縮機１が適用されるランキンサイクル−蒸気圧縮式ヒートポンプシステム（組合せシステム）を示す構成図である。同図に示されるように、往復動型膨張圧縮機１は、有蓋有底略円筒状のシリンダー２と、該シリンダー２に往復動可能に収容されシリンダー２を膨張部３及び圧縮部４に区画するフリーピストン５と、膨張部３に連通する高圧吸入路６及び低圧吐出路７に配設された高圧吸入弁ＶＨ１及び低圧吐出弁ＶＬ１と、圧縮部４に連通する低圧吸入路８及び高圧吐出路９に配設された低圧吸入弁ＶＬ２及び高圧吐出弁ＶＨ２とを備えて構成される。なお、シリンダー２内でのフリーピストン５の往復動の範囲（有効振幅範囲）は、該フリーピストン５がシリンダー２の圧縮部４側の蓋壁に当接する位置（以下、「上死点ＤＵ」ともいう）から膨張部３側の底壁に当接する位置（以下、「下死点ＤＬ」ともいう）までの範囲に規制される。
【００２３】
高圧吸入弁ＶＨ１及び低圧吐出弁ＶＬ１は、例えば電磁弁からなり、膨張部３と連通し流路の開閉を行う。膨張部３は、基本的に、高圧吸入弁ＶＨ１を通じて２．５ＭＰａの気体の作動流体としての冷媒（本実施例ではＨＦＣ−１３４ａ）を吸込むとともに、低圧吐出弁ＶＬ１を通じて１．０ＭＰａの気体の冷媒を吐出する。また、低圧吸入弁ＶＬ２及び高圧吐出弁ＶＨ２は、例えばリード弁又は逆止弁からなり、各々の上流側及び下流側の圧力差に応じて圧縮部４と連通し流路の開閉を行う。圧縮部４は、基本的に、低圧吸入弁ＶＬ２を通じて０．４ＭＰａの気体の冷媒を吸込むとともに、高圧吐出弁ＶＨ２を通じて１．０ＭＰａの気体の冷媒を吐出する。
【００２４】
高圧吸入弁ＶＨ１は、冷媒配管２０ａを介して蒸発器２１に接続されるとともに、該蒸発器２１は、冷媒配管２０ｂを介してポンプ２２に接続される。また、低圧吸入弁ＶＬ２は、冷媒配管２０ｃを介して蒸発器２３に接続されるとともに、該蒸発器２３は、冷媒配管２０ｄを介して絞り弁２４に接続され、更に該絞り弁２４は、冷媒配管２０ｅを介してポンプ２２に接続される。一方、低圧吐出弁ＶＬ１及び高圧吐出弁ＶＨ２は、冷媒配管２０ｆ，２０ｇをそれぞれ介して凝縮器２５に接続されるとともに、該凝縮器２５は、冷媒配管２０ｈを介してポンプ２２に接続される。蒸発器２１等の配置される冷媒配管２０ａ〜２０ｈは、冷媒の循環する冷媒回路Ｌを構成する。
【００２５】
図２に拡大して示すように、フリーピストン５の外周部には、モータ可動子１１が一体に設けられている。このモータ可動子１１は、磁性材にて略円筒状に成形されたインナーヨーク１２及び該インナーヨーク１２に埋設された永久磁石１３を有する。一方、シリンダー２（モータ可動子１１）の外周側には、モータ可動子１１の径方向に対向して、モータ固定子１６が設けられている。このモータ固定子１６は、磁性材にて略円環状に成形されたアウターヨーク１７及び該アウターヨーク１７に配置されたコイル１８を有する。なお、アウターヨーク１７は、永久磁石１３の径方向に対向するシリンダー２側の内壁面の軸方向中央部に間隙を有する。モータ可動子１１及びモータ固定子１６は、リニアモータ１０を構成するもので、モータ可動子１１と一体のフリーピストン５は、モータ可動子１１及びモータ固定子１６（アウターヨーク１７、コイル１８）の磁気作用（電磁力）で駆動される。つまり、フリーピストン５は、モータ可動子一体型のピストンとして構成されている。
【００２６】
制御装置３０は、例えばマイコンを主体に構成されており、高圧吸入弁ＶＨ１及び低圧吐出弁ＶＬ１にそれぞれ電気的に接続されて各々を開閉制御するとともに、ポンプ２２に電気的に接続されてその圧力（流量）を制御し、更にドライバ３１を介してモータ固定子１６のコイル１８に電気的に接続されて該コイル１８を通電制御等する。例えば制御装置３０は、コイル１８の通電制御によりモータ可動子１１及びモータ固定子１６間の電磁力を制御してフリーピストン５を制御する。また、制御装置３０は、膨張部３の圧力を検出する第１圧力センサ３２に電気的に接続されるとともに、圧縮部４の圧力を検出する第２圧力センサ３３に電気的に接続される。なお、制御装置３０は、コイル１８に通電する電流（モータ電流）若しくは電圧、又は変位計３４の位置信号Ｓｔに基づいて、フリーピストン５の位置を検出する。制御装置３０は、第１圧力センサ３２及び第２圧力センサ３３の圧力信号Ｐ１，Ｐ２、並びに位置信号Ｓｔに基づいて、低圧吐出弁ＶＬ１及び高圧吐出弁ＶＨ２の開閉動作（開閉タイミング、開閉時間等）、ポンプ２２の圧力（流量）、並びにリニアモータ１０の推力（フリーピストン５の振幅、振動数等）をそれぞれ制御する。
【００２７】
ここで、ランキンサイクル−蒸気圧縮式ヒートポンプシステムの基本的な動作について説明する。
図１に示すように、高圧吸入弁ＶＨ１を介して膨張部３に吸入された高温高圧の冷媒は、該膨張部３において断熱膨張されて低圧になり、低圧吐出弁ＶＬ１を介して凝縮器２５に吐出される。そして、冷媒は、凝縮器２５において冷却・等圧変化して外部に放熱する。続いて、冷媒は、ポンプ２２において圧縮されて高圧になる。そして、冷媒は、蒸発器２１において外部の熱源からの入熱（廃熱などの入熱）により加熱・等圧変化した後、前述の態様で膨張部３に吸入される。以上の過程を繰り返すことで、蒸発器２１における熱源から冷媒への入熱が、膨張部３における高温高圧の冷媒の膨張仕事として回収される（ランキンサイクル）。
【００２８】
一方、低圧吸入弁ＶＬ２を介して圧縮部４に吸入された低圧の冷媒は、該圧縮部４において断熱圧縮されて高温高圧になり、高圧吐出弁ＶＨ２を介して凝縮器２５に吐出される。そして、冷媒は、凝縮器２５において冷却・等圧変化して外部に放熱する。続いて、冷媒は、絞り弁２４において絞り膨張して低温低圧になる。そして、冷媒は、蒸発器２３において外部からの吸熱により加熱・等圧変化した後、前述の態様で圧縮部４に吸入される。以上の過程を繰り返すことで、圧縮部４における冷媒の圧縮仕事に基づいて、蒸発器２３において外部から吸熱される。（蒸気圧縮式ヒートポンプ）。膨張部３における高圧の冷媒の膨張仕事の一部が、圧縮部４における低圧の冷媒の圧縮仕事として回収されていることはいうまでもない。
【００２９】
そして、冷房などの冷熱利用の場合は、凝縮器２５から外部に放熱し、蒸発器２３の吸熱を利用する。一方、給湯などの高温利用の場合は、蒸発器２３により外部から吸熱し、凝縮器２５の放熱を利用する。
【００３０】
図３は、上述した各サイクルの冷媒の状態を比エンタルピｈと、圧力Ｐとの関係で示すグラフ（いわゆるモリエル線図）である。
まず、膨張部３側のランキンサイクルについて説明する。同図に示すように、工程（１）では、過熱蒸気の冷媒は、膨張部３における断熱膨張によって２．５ＭＰａから１．０ＭＰａまで圧力Ｐの減少した低圧の過熱蒸気になる。そして、工程（２）では、過熱蒸気の冷媒は、凝縮器２５における冷却・等圧変化で湿り蒸気になり、１．０ＭＰａの圧力Ｐのまま比エンタルピｈが２４７ｋＪ／ｋｇまで減少する。続いて、工程（３）では、液体に相変化した冷媒は、ポンプ２２における等比エンタルピ変化で、２４７ｋＪ／ｋｇの比エンタルピｈのまま圧力Ｐが２．５ＭＰａまで増加する。そして、工程（４）では、液体の冷媒は、蒸発器２１における外部の熱源からの入熱により蒸発潜熱で気化し、等圧変化で工程（１）の過熱蒸気になる。この際、冷媒は、２．５ＭＰａの圧力Ｐのまま比エンタルピｈが４４４ｋＪ／ｋｇまで増加する。このような工程（１）〜（４）の繰り返しによってランキンサイクルが実現される。
【００３１】
次に、圧縮部４側の蒸気圧縮式ヒートポンプについて説明する。同図に示すように、工程（６）では、過熱蒸気の冷媒は、圧縮部４における断熱圧縮によって０．４ＭＰａから１．０ＭＰａまで圧力Ｐの増加した高温高圧の過熱蒸気になる。そして、工程（７）では、過熱蒸気の冷媒は、凝縮器２５における冷却・等圧変化で液体に相変化し、１．０ＭＰａの圧力Ｐのまま比エンタルピｈが２４７ｋＪ／ｋｇまで減少する。続いて、工程（８）では、液体の冷媒は、絞り弁２４における等比エンタルピ変化で、２４７ｋＪ／ｋｇの比エンタルピｈのまま圧力Ｐが０．４ＭＰａまで減少する。そして、工程（９）では、湿り蒸気に相変化冷媒は、蒸発器２３において外部から吸熱し、等圧変化で工程（６）の過熱蒸気になる。この際、冷媒は、０．４ＭＰａの圧力Ｐのまま比エンタルピｈが４１１ｋＪ／ｋｇまで増加する。このような工程（６）〜（９）の繰り返しによって蒸気圧縮式ヒートポンプが実現される。
【００３２】
図４は、膨張部３及び圧縮部４の各々におけるフリーピストン５の変位と冷媒の圧力との関係を示すグラフである。
同図に示すように、膨張部３は、上死点ＤＵ付近で高圧吸入弁ＶＨ１が開放されることで、フリーピストン５を下死点ＤＬ側に移動させつつ２．５ＭＰａで気体の冷媒を吸込み、その後に高圧吸入弁ＶＨ１が閉鎖されることで、フリーピストン５を更に移動させつつ下死点ＤＬ付近で１．０ＭＰａになるまで気体の冷媒を膨張させる。一方、低圧吸入弁ＶＬ２及び高圧吐出弁ＶＨ２が閉鎖される圧縮部４は、上死点ＤＵ付近で内部の気体の冷媒を０．４ＭＰａから圧縮し始める。そして、下死点ＤＬ付近で内部の気体の冷媒が１．０ＭＰａに達すると、高圧吐出弁ＶＨ２が開放されることで該高圧吐出弁ＶＨ２が閉鎖されるまで１．０ＭＰａで気体の冷媒を吐出する。
【００３３】
続いて、フリーピストン５が下死点ＤＬ側から上死点ＤＵ側に移動（反転移動）する際は、低圧吐出弁ＶＬ１及び低圧吸入弁ＶＬ２が開放されることで、膨張部３は、１．０ＭＰａで気体の冷媒を吐出するとともに、圧縮部４は、０．４ＭＰａで気体の冷媒を吸込む。
【００３４】
以上により、往復動型膨張圧縮機１における膨張部３及び圧縮部４の冷媒の圧力変化、並びにこれに伴うフリーピストン５の往復動によって、前述の各サイクルが実現されている。
【００３５】
図５は、フリーピストン５の変位と膨張部３及び圧縮部４の両側からの冷媒の圧力によって該フリーピストン５に加わる荷重（ピストン荷重）との関係を示すグラフである。同図において、ピストン荷重の＋側は、フリーピストン５を上死点ＤＵ側から下死点ＤＬ側に押圧する力を表し、−側は、フリーピストン５を下死点ＤＬ側から上死点ＤＵ側に押圧する力を表す。同図に示すように、フリーピストン５が上死点ＤＵ側から下死点ＤＬ側に移動する際には、ピストン荷重の漸減に伴って、上死点ＤＵから中間位置までは＋の荷重となり、該中間位置から下死点ＤＬまでは−の荷重となる。そして、フリーピストン５が下死点ＤＬ側から上死点ＤＵ側に移動する際には、若干の＋の荷重となる。
【００３６】
図６は、このようなフリーピストン５の変位を時系列的に展開したときのピストン荷重との関係を示すグラフである。同図に示すように、ピストン荷重は、フリーピストン５の時系列的な変位（時間相当）に対して周期性を有するものの、１周期では不規則な推移を示している。ただし、系の持つ固有振動数付近であれば計算上、フリーピストン５は連続運転（連続振動）可能であることが確認されている。また、リニアモータ１０を制御することで、フリーピストン５の振動状態を主体的に制御可能である。
【００３７】
具体的には、例えば装置の起動時や運転状態の条件変更時などにフリーピストン５の挙動が過渡的不安定状態に陥ろうとする際、制御装置３０は、位置信号Ｓｔ等に基づくコイル１８の通電制御（モータ電流の制御）によりリニアモータ１０を制御してフリーピストン５の振幅を制御（制動制御又は駆動制御）する。これにより、フリーピストン５が定常状態に至るまで安定制御される。特に、フリーピストン５の振幅を制動制御する場合には、リニアモータ１０の発電出力として取得することができる。また、フリーピストン５の挙動が安定した後、即ち装置の定常運転時は、制御装置３０は、同じくリニアモータ１０を制御してフリーピストン５の振幅（ストローク）を一定に制御するなど適正制御する。これにより、フリーピストン５が、例えば上死点ＤＵ又は下死点ＤＬでシリンダー２と干渉したりすることが回避される。（振幅制御手段）
図７は、制御装置３０によるリニアモータ１０（フリーピストン５）の制御態様を概略的に示すフローチャートである。同図に示すように、装置の起動時や運転状態の条件変更時には（Ｓ１）、フリーピストン５が定常状態に至るまで安定制御される（Ｓ２）。そして、フリーピストン５の安定後は（Ｓ３）、該フリーピストン５の振幅（ストローク）が適正制御される（Ｓ４）。
【００３８】
また、蒸発器２１における外部の熱源からの熱入力量（入熱量）に応じた効率的な冷媒の流量制御を行う際には、制御装置３０は、高圧吸入弁ＶＨ１及び低圧吐出弁ＶＬ１の開閉タイミング（具体的には開閉周波数及び開時間）を調整し、フリーピストン５の振動数（駆動周波数）を制御する。この際、フリーピストン５の振動数が制御によってフリーピストン５と磁気によるバネとガスが持つバネによって構成される振動系の固有振動数を大きく外れる場合、フリーピストン５の振幅の減少が発生する。制御装置３０は、コイル１８の通電制御によりモータ固定子１６及びモータ可動子１１間の電磁力を制御して磁気によるバネ力を調整し、振動系が持つ固有振動数をフリーピストン５の駆動周波数に近づける。なお、制御装置３０には、振動系が持つ固有振動数をフリーピストン５の該当の駆動周波数に近づけるためのコイル１８の通電制御態様（即ち磁気バネの制御態様）を表すマップが予め格納されている。つまり、制御装置３０は、このマップに従ってコイル１８を通電制御することで、振動系が持つ固有振動数をフリーピストン５の駆動周波数に近づける。この際、位置信号Ｓｔを併せ参照してもよい。これにより、フリーピストン５の振幅の減少を避けることができる。このように、蒸発器２１における熱源からの熱入力量の変化（冷媒の流量）に合わせてフリーピストン５の振動数が制御されることで、熱量を有効利用可能な効率的な振動状態にすることができる。（振動数制御手段）
図８は、制御装置３０によるフリーピストン５の振動数制御態様を概念的に示す模式図である。既述のように、制御装置３０は、冷媒が所要の流量になるようにフリーピストン５の振動数（駆動周波数）を制御する。この際、制御装置３０は、前述のマップに基づくコイル１８の通電制御（モータ電流の制御）により磁気ばねＫを制御することで、実質的な固有振動数を変化させてフリーピストン５の振動数に固有振動数を近づけ、フリーピストン５が適切な振幅を得られるように制御する。
【００３９】
図９は、制御装置３０によるリニアモータ１０（フリーピストン５）の制御態様を概略的に示すフローチャートである。同図に示すように、蒸発器２１における熱源からの入熱量が変化すると（Ｓ１１）、該入熱量に最適な冷媒の流量に相当するフリーピストン５の周波数（振動数）が計算されるとともに、該周波数を実現する磁気ばねＫのばね定数が決定される（Ｓ１２）。そして、当該周波数が設定されてこれに合わせて高圧吸入弁ＶＨ１、低圧吐出弁ＶＬ１、低圧吸入弁ＶＬ２及び高圧吐出弁ＶＨ２の開閉タイミングが制御され（Ｓ１３）、磁気ばねＫのばね定数が設定されてこれに合わせてリニアモータ１０が制御される（Ｓ１４）。
【００４０】
さらに、冷媒の温度（冷媒の圧力）が変わった場合には、制御装置３０は、高圧吸入弁ＶＨ１の開時間等を変更することにより、当該温度変化（冷媒の圧力変化）に合わせて膨張圧力比（圧縮圧力比）を制御する（膨張圧力比制御手段）。具体的には、ランキンサイクルにおいて、蒸発器２１における外部の熱源からの熱入力温度Ｔ１又は凝縮器２５における放熱温度Ｔ２が変わった場合には、制御装置３０は、高圧吸入弁ＶＨ１等の開時間を変更するとともにポンプ２２の圧力を変更することで、当該温度変化（冷媒の圧力変化）に合わせて膨張圧力比（圧縮圧力比）を制御する。これは、熱入力温度Ｔ１又は放熱温度Ｔ２が変わった場合、当該温度Ｔ１，Ｔ２の冷媒の飽和温度に対応する飽和圧力に各サイクルの圧力レベルを合わせる必要があるためである（図３参照）。特に、膨張部３における膨張圧力比を蒸気圧力に合わせることにより、膨張仕事を十分に取り出すことが可能になる。そして、冷媒の膨張不足による動力発生効率の低下が抑制される。なお、制御装置３０は、圧力信号Ｐ１，Ｐ２等に基づき蒸発器２１における熱入力温度（の変化）又は凝縮器２５における放熱温度（の変化）を検出する。
【００４１】
図１０（ａ）（ｂ）は、制御装置３０による膨張部３での膨張圧力比の制御態様を示す模式図である。図１０（ａ）に示すように、熱入力温度Ｔ１が高い場合には、高圧吸入弁ＶＨ１の開時間が短く設定されて、ポンプ２２においてより高圧に設定された冷媒が膨張部３に短時間で吸入される。そして、高圧吸入弁ＶＨ１の閉鎖に伴い、膨張部３内の冷媒（パターンを付した領域で図示）は、その圧力レベルに応じた十分な膨張圧力比で膨張する。一方、図１０（ｂ）に示すように、熱入力温度Ｔ１が低い場合には、高圧吸入弁ＶＨ１の開時間が長く設定されて、ポンプ２２においてより低圧に設定された冷媒が膨張部３に長時間に亘って吸入される。そして、高圧吸入弁ＶＨ１の閉鎖に伴い、膨張部３内の冷媒（パターンを付した領域で図示）は、その圧力レベルに応じた小さい膨張圧力比で膨張する。
【００４２】
図１１は、制御装置３０による高圧吸入弁ＶＨ１の制御態様を概略的に示すフローチャートである。同図に示すように、熱入力温度Ｔ１の変化（圧力変化）が生じると（Ｓ２１）、膨張部３の圧力比（膨張圧力比に相当）が計算される（Ｓ２２）。そして、当該圧力比が設定されてこれに合わせて高圧吸入弁ＶＨ１の開時間が変更され（Ｓ２３）、ポンプ２２の圧力が制御される（Ｓ２４）。
【００４３】
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態の往復動型膨張圧縮機１は、シリンダー２にフリーピストン５を往復動可能に収容することでシリンダー２を膨張部３及び圧縮部４に区画する、極めて小型で簡易な構造にできる。また、フリーピストン５の外周部に設けられたモータ可動子１１及びシリンダー２の外周側に設けられたモータ固定子１６によりリニアモータ１０を構成した。このため、コイル１８の通電制御によりモータ固定子１６及びモータ可動子１１間に働く発電による制動力又は、モータ推力による推進力を利用してフリーピストン５の振幅を制御し、振幅量の安定を図ることができる。例えば何らかの影響を受けてフリーピストン５の動作（往復動）が不安定になろうとした場合に、該リニアモータ１０の制御によってこれを抑制することができる。さらに、圧縮部４における低圧の冷媒の圧縮仕事を利用しない場合、リニアモータ１０を発電機として使用することにより膨張部３における高圧の冷媒の膨張仕事（フリーピストン５の運動エネルギー）から電気エネルギー（発電出力）を得ることができる。
【００４４】
（２）本実施形態では、制御装置３０により、フリーピストン５の振幅が制御（制動制御又は駆動制御）されることで、例えば装置の起動時や運転状態の条件変更時などにフリーピストン５の挙動が過渡的不安定状態に陥ることを抑制することができる。あるいは、装置の定常運転時にフリーピストン５の振幅（ストローク）を一定に制御することで、装置の安定駆動が可能となる。
【００４５】
（３）本実施形態では、ランキンサイクルにおいて熱源から熱入力する際、当該熱入力量の変化に合わせて冷媒の流量を制御することで、熱源の熱量（廃熱など）を有効利用することができる。そして、冷媒の流量は、制御装置３０により、高圧吸入弁ＶＨ１及び低圧吐出弁ＶＬ１の開閉タイミング（開閉周波数、開時間）を変更することによりフリーピストン５の振動数（駆動周波数）を制御することで制御される。この際、コイル１８の通電制御によりモータ固定子１６及びモータ可動子１１間の電磁力を制御して磁気によるバネ力を調整し、振動系が持つ固有振動数をフリーピストン５の駆動周波数に近づけることで、フリーピストン５の振幅の減少を避けることができる。従って、熱源からの熱入力量の変化（冷媒の流量）に合わせてフリーピストン５の振動数が制御されることにより、熱量を有効利用可能な振動状態にすることができる。
【００４６】
（４）本実施形態では、制御装置３０により、冷媒の温度の変化（冷媒の圧力変化）に合わせて、高圧吸入弁ＶＨ１の開時間を変更することにより、膨張圧力比が制御される。従って、冷媒の温度が変化して高圧圧力が変化した場合、高圧圧力／低圧圧力の割合に合致する膨張圧力比を膨張機３で得ることが可能となる。すなわち、ランキンサイクルにおいては、熱入力温度Ｔ１の変化（冷媒の圧力変化）に合わせて、高圧吸入弁ＶＨ１の開時間が変更されるとともにポンプ２２の圧力（高圧吸入弁ＶＨ１から吸入される冷媒の圧力）が変更されて、膨張圧力比が制御される。従って、熱源からの熱入力温度Ｔ１が変化し外部の循環経路（蒸気圧縮式ヒートポンプ）に最適に合致する膨張圧力比（圧力比）が変化しても、これに合わせて実際の膨張圧力比が適正化されることで、例えば膨張不足が生じて動力発生効率が低下したりすることを抑制できる。
【００４７】
（５）本実施形態では、ランキンサイクルにおいて、高圧吸入弁ＶＨ１（即ち膨張部３）から吸入される冷媒は、蒸発器２１において熱源から熱入力されることで、膨張部３における高圧の冷媒の膨張仕事として回収することができる。
【００４８】
（６）本実施形態では、熱源の熱量（廃熱など）に基づく膨張部３の膨張仕事を圧縮部４の圧縮仕事に変換して、蒸気圧縮式ヒートポンプにおける空調出力に利用することができる。また、空調出力（空調負荷）が不要な場合は、熱源の熱量（廃熱など）に基づく膨張部３の膨張仕事をリニアモータ１０の発電出力として取得することができる。
【００４９】
（７）本実施形態では、往復動型膨張圧縮機１を採用したことで、例えば回転式のものと比較して大きな膨張比を確保することができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施形態を図面に従って説明する。なお、第２の実施形態は、シリンダーの各側に膨張部及び圧縮部をそれぞれ備えたダブルアクティング型の往復動型膨張圧縮機にしたことが第１の実施形態と異なる構成であるため、同様の部分についてはその詳細な説明は省略する。
【００５０】
図１２は、本実施形態に係る往復動型膨張圧縮機４１を示す構成図である。同図に示されるように、往復動型膨張圧縮機４１の備えるシリンダー４２は、略円筒状の大径部４２ａ及び該大径部４２ａよりも縮径されてその両開口端に接続される一対の有蓋略円筒状の小径部４２ｂ，４２ｃを一体的に有する。そして、シリンダー４２には、段付き略円柱状のフリーピストン４３が往復動可能に収容されている。このフリーピストン４３は、大径部４２ａを一対の圧縮部４４，４５に区画する略円柱状の第１ピストン４３ａを有するとともに、該第１ピストン４３ａよりも縮径されてその両端に接続され小径部４２ｂ，４２ｃにそれぞれ膨張部４６，４７を区画する一対の略円柱状の第２ピストン４３ｂ，４３ｃを有する。
【００５１】
また、一方の膨張部４６に連通する流路４６ａ，４６ｂに配設された開閉弁ＶＨ１１，ＶＬ１１を備えるとともに、一方の圧縮部４４に連通する流路４４ａ，４４ｂに配設された開閉弁ＶＨ２１，ＶＬ２１を備える。さらに、他方の膨張部４７に連通する流路４７ａ，４７ｂに配設された開閉弁ＶＨ１２，ＶＬ１２を備えるとともに、他方の圧縮部４５に連通する流路４５ａ，４５ｂに配設された開閉弁ＶＨ２２，ＶＬ２２を備える。
【００５２】
このような構成にあって、前記第１の実施形態に準じたサイクルをシリンダー４２の両側（圧縮部４４，４５、膨張部４６，４７）で互いに逆位相の関係で行うことで、図１３に示すように、１サイクルにおける冷媒の処理量が同等のサイズのまま約２倍になる。
【００５３】
そして、図１４にフリーピストン４３の変位とピストン荷重との関係を示すように、ピストン荷重は、フリーピストン４３の中央位置（中心位置）に対して上死点ＤＵ側が＋の荷重となり、該中央位置に対して下死点ＤＬ側が−の荷重となるように左右対称となる。膨張圧縮機１を自立的に連続で駆動させるためには、膨張圧縮機１の損失を見込み、圧縮仕事に対して膨張仕事を大きめに設定する。図１４の線図で囲まれた面積はこの圧縮仕事に対し、膨張仕事が上回る量に対応する。そして、ピストン荷重は、前記の理由で上死点及び下死点で凹凸が生まれるが、サイン波形に近似したフリーピストン４３の駆動力が得られる。
【００５４】
図１５は、このようなフリーピストン４３の変位を時系列的に展開したときのピストン荷重との関係を示すグラフである。同図に示すように、ピストン荷重は、フリーピストン４３の時系列的な変位（時間相当）に対して周期性を有しており、前記の理由で上死点及び下死点で凹凸が生まれるが、１周期においてサイン波形に近似して推移する。これにより、フリーピストン４３は広い運転条件下で連続運転（連続振動）可能である。なお、リニアモータ１０を制御することで、フリーピストン４３の振動状態を主体的に制御可能であることは前記第１の実施形態と同様である。
【００５５】
以上詳述したように、本実施形態によれば、前記第１の実施形態と同様の効果に加えて以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、ダブルアクティング型の往復動型膨張圧縮機４１にしたことで、１サイクルにおける冷媒の処理量を同等のサイズのまま２倍にすることができる。また、１周期におけるピストン荷重をサイン波形に近似して推移させたことで、フリーピストン５の振動をより広い運転条件下で安定化して実現することができる。
【００５６】
（第３の実施形態）
以下、本発明を具体化した第３の実施形態を図面に従って説明する。なお、説明の便宜上、前記第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を一部省略する。
【００５７】
図１６は、本実施形態に係る往復動型膨張圧縮機１が適用される蒸気圧縮式ヒートポンプシステムを示す構成図である。同図に示されるように、往復動型膨張圧縮機１の膨張部３は、基本的に、高圧吸入弁ＶＨ１を通じて１０ＭＰａの気体の冷媒（本実施例では二酸化炭素）を吸込むとともに、低圧吐出弁ＶＬ１を通じて５ＭＰａの気体の冷媒を吐出する。圧縮部４は、基本的に、低圧吸入弁ＶＬ２を通じて５ＭＰａ以上の気体の冷媒を吸込むとともに、高圧吐出弁ＶＨ２を通じて１０ＭＰａ以上の気体の冷媒を吐出する。
【００５８】
高圧吸入弁ＶＨ１は、冷媒配管５０ａを介して凝縮器５１に接続されるとともに、該凝縮器５１は、冷媒配管５０ｂを介して高圧吐出弁ＶＨ２に接続される。また、低圧吐出弁ＶＬ１は、冷媒配管５０ｃを介して蒸発器５２に接続されるとともに、該蒸発器５２は、冷媒配管５０ｄを介して低圧吸入弁ＶＬ２に接続される。フリーピストン５等の配置される冷媒配管５０ａ〜５０ｄは、冷媒の循環する冷媒回路Ｌ１を構成する。
【００５９】
ここで、蒸気圧縮式ヒートポンプシステムの基本的な動作について説明する。
フリーピストン５の往復動に伴い、圧縮部４において圧縮された冷媒は、高圧吐出弁ＶＨ２を介して凝縮器５１に吐出される。凝縮器５１では、高温になった気体の冷媒の熱が外部に放熱される。そして、高圧吸入弁ＶＨ１が開放されると、膨張部３に気体の冷媒が吸入される。その後、高圧吸入弁ＶＨ１が閉鎖されると、フリーピストン５が圧縮部４側に移動することで気体の冷媒が膨張する。このとき、圧縮部４の気体の冷媒は、フリーピストン５の移動に伴って高圧に圧縮される。続いて、フリーピストン５の反転により該フリーピストン５が膨張部３側に移動するとともに低圧吐出弁ＶＬ１が開放されると、低圧の気体の冷媒が蒸発器５２に排出される。蒸発器５２では、低温で気液二相状態となった冷媒は、外部から吸熱して気体状態に変化する。そして、低圧の気体の冷媒は、低圧吸入弁ＶＬ２を介して圧縮部４に吸入される。以上の過程を繰り返して冷媒の圧力レベルによる相変化温度の相違を利用することで、ヒートポンプ作用である低温からの吸熱、高温側への放熱が行われる。そして、冷房などの冷熱利用の場合は、凝縮器５１から外部に放熱し、蒸発器５２の吸熱を利用する。一方、給湯などの高温利用の場合は、蒸発器５２により外部から吸熱して、凝縮器５１の放熱を利用する。
【００６０】
なお、膨張部３での気体の冷媒の膨張仕事は、フリーピストン５を介して圧縮部４での気体の冷媒の圧縮仕事に変換されている。従って、膨張仕事＜（圧縮仕事＋損失）の関係になるため、仕事の不足分をリニアモータ１０で駆動制御している。この駆動制御は、フリーピストン５の振幅を適切な範囲に収めるため適切な位相でフリーピストン５に推力を与える制御である。
【００６１】
図１７は、上述した各サイクルの冷媒の状態を比エンタルピｈと、圧力Ｐとの関係で示すグラフ（いわゆるモリエル線図）である。前述のヒートポンプ作用は、同図に示す冷媒の圧力レベルによる相変化温度の相違を利用することで実現されている。
【００６２】
図１８は、膨張部３及び圧縮部４の各々におけるフリーピストン５の変位と冷媒の圧力との関係を示すグラフである。同図に示すように、膨張部３は、上死点ＤＵ付近で高圧吸入弁ＶＨ１が開放されることで、フリーピストン５を下死点ＤＬ側に移動させつつ１０ＭＰａで気体の冷媒を吸込み、その後に高圧吸入弁ＶＨ１が閉鎖されることで、フリーピストン５を更に移動させつつ下死点ＤＬ付近で５ＭＰａになるまで気体の冷媒を膨張させる。一方、低圧吸入弁ＶＬ２及び高圧吐出弁ＶＨ２が閉鎖される圧縮部４は、上死点ＤＵ付近で内部の気体の冷媒を５ＭＰａから圧縮し始める。そして、下死点ＤＬ付近で内部の気体の冷媒が１０ＭＰａに達すると、高圧吐出弁ＶＨ２が開放されることで該高圧吐出弁ＶＨ２が閉鎖されるまで１０ＭＰａで気体の冷媒を吐出する。
【００６３】
続いて、フリーピストン５が下死点ＤＬ側から上死点ＤＵ側に移動（反転移動）する際は、低圧吐出弁ＶＬ１及び低圧吸入弁ＶＬ２が開放されることで、膨張部３は、５ＭＰａで気体の冷媒を吐出するとともに、圧縮部４は、５ＭＰａで気体の冷媒を吸込む。
【００６４】
以上により、往復動型膨張圧縮機１における膨張部３及び圧縮部４の冷媒の圧力変化、並びにこれに伴うフリーピストン５の往復動によって、前述のヒートポンプ作用が実現されている。
【００６５】
図１９は、フリーピストン５の変位と冷媒のピストン荷重との関係を示すグラフである。同図に示すように、フリーピストン５が上死点ＤＵ側から下死点ＤＬ側に移動する際には、ピストン荷重の漸減に伴って、上死点ＤＵから中間位置までは＋の荷重となり、該中間位置から下死点ＤＬまでは−の荷重となる。従って、リニアモータ１０は、上死点ＤＵから中間位置までは発電機として動作し、中間位置から下死点ＤＬまではモータとして動作してフリーピストン５を制御する。そして、フリーピストン５が下死点ＤＬ側から上死点ＤＵ側に移動する際には、ゼロの荷重となる。従って、ピストン荷重は、フリーピストン５の時系列的な変位（時間相当）に対して周期性を有するものの、１周期では不規則な推移を示す（図６参照）。ただし、系の持つ固有振動数付近であれば計算上、フリーピストン５は連続運転（連続振動）可能であることが確認されている。
【００６６】
以上詳述したように、本実施形態によれば、前記第１の実施形態における（１）（２）（７）の効果と同様の効果が得られるようになる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
【００６７】
・図２０に示すように、大径部６１ａ及び該大径部６１ａよりも縮径されてその両開口端に接続される一対の小径部６１ｂ，６１ｃを一体的に有するシリンダー６１に、段付き柱状のフリーピストン６２を往復動可能に収容した往復動型膨張圧縮機であってもよい。なお、大径部６１ａ内では、両側の空間が相互に連通しており、フリーピストン６２の両側となる小径部６１ｂ，６１ｃ内に膨張部３及び圧縮部４が区画される。このように、相対的にモータ可動子１１の外径が大きくなり、小径部６１ｂ，６１ｃを往復動するフリーピストン６２の両端部の外径が小さくなるように変更することで、膨張部３及び圧縮部４の圧力差が大きい場合であっても、ピストン荷重に対するリニアモータ１０の駆動力を余裕を持って確保することができる。
【００６８】
・図２１に示すように、シリンダー７１に往復動可能に収容されたフリーピストン７２の長手方向中央部に設けた磁性材からなるインナーヨーク７３の両端部に、先端に向かって徐々に縮径されるテーパ７３ａ，７３ｂをそれぞれ形成するとともに、中央部に永久磁石７４を埋設してもよい。インナーヨーク７３及び永久磁石７４は、モータ可動子７５を構成する。そして、モータ可動子７５の外周側でケース（圧力容器）７０に収容される磁性材からなるアウターヨーク７６の両端部に、先端に向かって徐々に縮開されるテーパ７６ａ，７６ｂをそれぞれ形成するとともに、各テーパ７６ａ，７６ｂに対応して一対のコイル７７，７８を埋設する。アウターヨーク７６及びコイル７７，７８は、モータ固定子７９を構成する。なお、アウターヨーク７６は、両コイル７７，７８間に中央磁極７６ｃを形成しており、モータ可動子７５（フリーピストン７２）は、基本的にコイル７７，７８が互いに逆極性で通電制御されることで駆動される。この場合、テーパ７３ａ，７３ｂ、７６ａ，７６ｂを配設したことで、上死点ＤＵ及び下死点ＤＬでの推力を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６９】
ＶＨ１…高圧吸入弁、ＶＨ２…高圧吐出弁、ＶＬ１…低圧吐出弁、ＶＬ２…低圧吸入弁、１，４１…往復動型膨張圧縮機、２，４２，６１，７１…シリンダー、３，４６，４７…膨張部、４，４４，４５…圧縮部、５，４３，６２，７２…フリーピストン、１１，７５…モータ可動子、１２，７３…インナーヨーク、１３，７４…永久磁石、１６，７９…モータ固定子、１７，７６…アウターヨーク、１８，７７，７８…コイル、２１，２３，５２…蒸発器、２２…ポンプ、２４…絞り弁、２５，５１…凝縮器、３０…制御装置（振幅制御手段、振動数制御手段、膨張圧力比制御手段）。
【図１】
2011127879.tif 000003
【図２】
2011127879.tif 000004
【図３】
2011127879.tif 000005
【図４】
2011127879.tif 000006
【図５】
2011127879.tif 000007
【図６】
2011127879.tif 000008
【図７】
2011127879.tif 000009
【図８】
2011127879.tif 000010
【図９】
2011127879.tif 000011
【図１０】
2011127879.tif 000012
【図１１】
2011127879.tif 000013
【図１２】
2011127879.tif 000014
【図１３】
2011127879.tif 000015
【図１４】
2011127879.tif 000016
【図１５】
2011127879.tif 000017
【図１６】
2011127879.tif 000018
【図１７】
2011127879.tif 000019
【図１８】
2011127879.tif 000020
【図１９】
2011127879.tif 000021
【図２０】
2011127879.tif 000022
【図２１】
2011127879.tif 000023