JP2000249426A - 外燃式熱ガス機関およびその始動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低トルクモータを用いて駆動する場合に、加
熱器が過熱状態になるおそれがなく、当該低トルクモー
タの発熱が抑制される外燃式熱ガス機関およびその始動
方法を提供する。 【解決手段】 始動時に、加熱器１６を通る作動ガスを
燃焼器１１で加熱しながら、高温室１２に設けられた高
温側ディスプレーサ２、および低温室１５に設けられた
低温側ディスプレーサ３が連結されたクランク１０を、
始動用のモータ９で駆動する外燃式熱ガス機関におい
て、このモータ９に低トルクモータを選定し、この低ト
ルクモータ９を断続運転させる制御手段９３を設けたも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷暖房装置や給湯
装置等の熱源として好適な外燃式熱ガス機関に係り、詳
しくは燃焼器の技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷暖房や給湯を行う装置として、
外燃式熱ガス機関たるヴェルミエサイクルを利用したヒ
ートポンプ（以下、ＶＭＨＰ： Vuilleumier Cycle Hea
t Pumpという）が開発されている。

【０００３】ＶＭＨＰは、封入媒体（作動ガス）として
のＨｅ（ヘリウム）ガスの温度分布変化のみにより圧力
変化を引起し、ダイレクトに冷暖房・給湯を可能とする
ものである（例えば、特公平５−６５７７７号公報）。

【０００４】ＶＭＨＰは、高温室に設けられる高温側デ
ィスプレーサと、低温室に設けられる低温側ディスプレ
ーサと、各ディスプレーサのロッドが連結されたクラン
クと、始動時に前記クランクを駆動するモータとを備
え、始動後には自立運転に移行する外燃式熱ガス機関で
ある。

【０００５】ところで、モータの小型化を図るため、低
トルクモータを使用し、始動時に、前記クランクを低ト
ルクモータによって数ｒｐｍ程度の低速回転でゆっくり
と駆動する方式が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た外燃式熱ガス機関では、始動時に、加熱器を通る作動
ガスを燃焼器で加熱しながら始動するので、前記の低速
回転数で駆動した場合には、加熱器内部に作動ガスが滞
留し、当該加熱器内部に熱が入りにくくなり、加熱器が
過熱状態になるおそれがある。また、このように加熱器
内部に熱が入りにくくなれば、各作動室に温度差が発生
しにくくなり、外燃式熱ガス機関の軸出力が得られにく
くなるという問題がある。

【０００７】また、前述した外燃式熱ガス機関では、モ
ータ駆動前に本体を予備加熱することが行われる場合が
あるが、この場合にも始動時に加熱器内部に熱が入りに
くくなり、加熱器が過熱状態になり、各作動室に温度差
が発生しにくくなり、軸出力が得られにくくなるという
問題がある。

【０００８】更に、低トルクモータによって数ｒｐｍ程
度の低速回転でゆっくりと駆動する場合、モータが発熱
するおそれがある。

【０００９】そこで、本発明の目的は、低トルクモータ
を用いて駆動する場合に、加熱器が過熱状態になるおそ
れがなく、当該低トルクモータの発熱が抑制される外燃
式熱ガス機関およびその始動方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼器で加熱しなが
ら、高温室に設けられた高温側ディスプレーサ、および
低温室に設けられた低温側ディスプレーサが連結された
クランクを、始動用のモータで駆動する外燃式熱ガス機
関において、このモータに低トルクモータを選定し、こ
の低トルクモータを断続運転させる制御手段を設けたこ
とを特徴とするものである。

【００１１】請求項２記載の発明は、始動時に、加熱器
を通る作動ガスを燃焼器で加熱しながら、高温室に設け
られた高温側ディスプレーサ、および低温室に設けられ
た低温側ディスプレーサが連結されたクランクを、始動
用のモータで駆動する外燃式熱ガス機関の始動方法にお
いて、このモータに低トルクモータを選定し、この低ト
ルクモータを断続運転させてクランクを駆動することを
特徴とする。

【００１２】これらの発明では、始動時に低トルクモー
タが断続運転されるので、作動ガスに振動が発生し、当
該作動ガスの移動が促進され、加熱器内部に作動ガスが
滞留することがなくなる。従って、当該加熱器内部に熱
が入り易くなり、加熱器が過熱状態になるおそれが解消
される。また、このように加熱器内部に熱が入り易くな
るので、各作動室に温度差が発生し易くなり、外燃式熱
ガス機関の軸出力が得られ易くなり、自立運転までの加
熱時間が短縮される。更には、低トルクモータが断続運
転されるので、当該モータの発熱が抑制される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づき詳細に説明する。

【００１４】図１は空気調和機の冷温水供給回路を示し
ており、この回路にはヴィルミエサイクルの熱ガス機関
１（図２）が採用されている。

【００１５】熱ガス機関１は、互いに直交配置された高
温側ディスプレーサ２と低温側ディスプレーサ３とを備
えており、これらがヘリウム等の作動ガスを封入した容
器に収納されている。容器内部は、高温室１２と、中温
室１３，１４と、低温室１５とに区画されている。ま
た、高温室１２の端部には加熱器１６を有しており、加
熱器１６は、燃焼器１１により加熱される。

【００１６】両ディスプレーサ２，３は、例えば高温側
ディスプレーサ２が上死点と下死点との中間位置へ到達
するときに、低温側ディスプレーサ３が上死点に位置す
るように、互いに９０°位相をずらして動作するべく、
モータ９で駆動されるクランク１０を介して連結されて
いる。高温側ディスプレーサ２と低温側ディスプレーサ
３とが動作すると、封入された作動ガスが、高温再生器
４と低温再生器７を通って各室１２と１３，１４と１５
間を移動する。そして、作動ガスは、これら再生器４，
７を通過する際に、加熱あるいは冷却されることにな
り、密閉容器内が昇圧あるいは減圧されることになる。
例えば、高温室１２の作動ガスが高温再生器４を通って
中温室１３に移動する際には、作動ガスの熱エネルギー
が高温再生器４に蓄えられ、作動ガスの圧力は低下す
る。逆に、作動ガスが中温室１３から高温室１２に環流
する際には、高温再生器４に蓄えられた熱エネルギーが
作動ガスに放出され、作動ガスの圧力は上昇する。ま
た、低温室１５の作動ガスが低温再生器７を通って中温
室１３に移動する際には、作動ガスに高温再生器４の熱
エネルギーが供給され、作動ガスの圧力も上昇する。逆
に、作動ガスが中温室１３から低温室１５に環流する際
には、作動ガスの熱エネルギーが低温再生器４に吸収さ
れ、作動ガスの圧力は低下する。

【００１７】また、外部との熱エネルギーのやり取り
は、中温室１３，１４と接続する中温熱交換器５，６及
び低温室と接続する低温熱交換器８が行う。例えば、加
熱器１６が高温室１２の作動ガスに熱エネルギーを与え
ると、中温室１３，１４側の作動ガスが中温熱交換器
５，６を介して外部熱媒体に熱エネルギーを放出すると
共に、低温室１５側の作動ガスが低温熱交換器８を介し
て外部熱媒体から熱エネルギーを吸収する。

【００１８】すなわち、本実施形態の熱ガス機関１で
は、低温熱交換器８と低温室１５とは吸熱部を構成する
一方で、中温熱交換器５，６と中温室１３，１４とが放
熱部を構成し、熱ガス機関１の低温熱交換器８、および
中温熱交換器５，６を利用してなる空気調和機１００が
提供される。

【００１９】この空気調和機１００は、熱ガス機関１と
室内機２００と室外機３００とからなっている。室内機
２００内には室内熱交換器２０１が配設され、室外機３
００内には室外熱交換器３００が配設されている。２０
３は室内ファン、３０３は室外ファンである。低温熱交
換器８と室内熱交換器２０１は、管路２１と四方弁３６
と管路２２とによりつながれ、さらに室内熱交換器２０
１と低温熱交換器８は、管路２３と四方弁３７と管路２
４とによりつながれている。また、中温熱交換器５と室
外熱交換器３０１は、管路３１と四方弁３６と管路３２
とによりつながれ、さらに室外熱交換器３０１と中温熱
交換器６は、管路３３と四方弁３７と管路３４とにより
つながれている。また、中温熱交換器５と６は、管路３
５とによりつながれている。管路を循環する外部熱媒体
としては、水（以下、液冷媒と記す）が用いられてい
る。

【００２０】冷房運転時には、燃焼器１１の点火により
熱ガス機関１が作動し、中温熱交換器５，６を介して作
動ガスの熱エネルギーが液冷媒に放出される一方で、低
温熱交換器８を介して液冷媒の熱エネルギーが作動ガス
に吸収される。この際、四方弁３６，３７は図１で実線
で示すように切り替えられており、低温熱交換器８で熱
エネルギーを放出した液冷媒は、管路２１、四方弁３
６、管路２２を経由して室内熱交換器２０１に流れる。
室内機２００内では、低温となった室内熱交換器２０１
に室内ファン２０３からの送風が行われ、室内に冷風が
送り出され（冷房が行われ）、室内気の熱エネルギーを
吸収した液冷媒は管路２３、四方弁３７、管路２４を経
由して低温熱交換器８に環流する。

【００２１】このとき、中温熱交換器５で熱エネルギー
を吸収した液冷媒は、管路３１、四方弁３６、管路３２
を通じて室外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファン
３０３からの送風により冷却された後、管路３３、四方
弁３７、管路３４を通じて中温熱交換器６に流れ、さら
に管路３５を通じて中温熱交換器５に環流する。

【００２２】また、暖房運転時にも、燃焼器１１の点火
により熱ガス機関１が作動し、中温熱交換器５，６を介
して作動ガスの熱エネルギーが液冷媒に吸収される一方
で、低温熱交換器８を介して液冷媒の熱エネルギーが作
動ガスに放出されるが、この際には四方弁３６，３７が
図１で点線で示すように切り替えられる。この場合、中
温熱交換器５，６で熱エネルギーを吸収した液冷媒は、
管路３１、四方弁３６、管路２２を経由して室内熱交換
器２０１に流れる。

【００２３】室内機２００内では、比較的高温となった
室内熱交換器２０１に室内ファン２０３からの送風が行
われ、室内に温風が送り出される（暖房が行われる）一
方で、室内に熱エネルギーを放出した液冷媒は管路２
３、四方弁３７、管路３４を経由して中温熱交換器５，
６に環流する。

【００２４】このとき、低温熱交換器８で熱エネルギー
を放出した液冷媒は、管路２１、四方弁３６、管路３２
を通じて室外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファン
３０３からの送風により外気の熱エネルギーを吸収した
後、管路３３、四方弁３７、管路２４を経由して低温熱
交換器８に環流する。

【００２５】ところで、この外燃式熱ガス機関では、始
動時に、前記燃焼器１１の燃焼を開始し、それと同時、
あるいは加熱器１６の温度が所定温度以上に上昇した後
に、前記モータ９を駆動して、クランク１０を連続的に
回転させ、始動後には燃焼器１１の燃焼による自立運転
に移行させている。

【００２６】通常であれば、始動用のモータ９に、各ロ
ッド２ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧力変動トルク
と、クランク１０を含む機械摩擦トルクとの合計トルク
よりも大きいトルクを有するモータを選定し、このモー
タで始動するのが一般的である。しかしながら、この選
定による始動用のモータでは容量が大きく大型化すると
共に、電力消費量が大きいという問題がある。

【００２７】この実施形態では、実機において、クラン
ク室８０と中温室１３との間、および中温室１４とクラ
ンク室８０との間で、各ロッド２ａ、３ａのシール部９
０を通じて、作動ガスに僅かな漏れが発生することに着
目し、この漏れを利用して少しずつディスプレーサ２、
３を移動させるように構成した。なお、シール部９０は
リング状の部材であり、クランクケースの内周に固定さ
れ、このシール部９０の内周を各ロッド２ａ、３ａが摺
動する。

【００２８】この構成によれば、理論上、始動時に、各
ロッド２ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧力変動トル
クを無視することができる。

【００２９】すなわち、機械摩擦トルクよりも大きいト
ルクを有するモータであれば、この熱ガス機関１を始動
させることができることになる。

【００３０】ただし、始動後には燃焼器１１の燃焼によ
る自立運転に移行させるわけであるから、この場合のモ
ータには、当該モータの定格回転数が自立運転時の最低
回転数よりも大きいモータが選定される。

【００３１】図３に示すように、横軸に、各ロッド２
ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧力変動トルクと、ク
ランク１０を含む機械摩擦トルクとの合計トルクＴをと
って、縦軸に、クランク１０の回転数ｒｐｍをとった場
合、前述した作動ガスの漏れに起因して、ゆっくり（例
えば、数ｒｐｍ）ではあるが、「機械摩擦トルクよりも
大きいトルクを有するモータであれば、この熱ガス機関
１を始動させることができる、」ということが判明し
た。実証試験によれば、熱ガス機関の機械摩擦トルク
は、前述した合計トルクＴの１／１０程度であり、この
トルクに近いモータを選定すればするほど、当該モータ
の小型化を図ることができ、ランニングコストを低減さ
せることができる。

【００３２】この趣旨に従う場合、当該始動用のモータ
９には、各ロッド２ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧
力変動トルクと機械摩擦トルクとの合計トルクの１／５
（図３の点ａ）よりも小さく、機械摩擦トルクよりも大
きいトルクを有し、且つ、定格回転数が自立運転時の最
低回転数よりも大きいモータを選定することが、経済的
であることが判明した。

【００３３】以上のように、モータの小型化を図って、
低トルクモータ９を使用した場合には、始動時に、前記
クランク１０を低トルクモータ９によって数ｒｐｍ程度
の低速回転でゆっくりと駆動することになる。

【００３４】しかしながら、この外燃式熱ガス機関で
は、始動時に、加熱器１６を通る作動ガスを燃焼器１１
で加熱しながら始動するので、低速回転数で駆動した場
合には、加熱器１６内部に作動ガスが滞留し、当該加熱
器１６内部に熱が入りにくくなり、加熱器１６が過熱状
態になるおそれがある。また、このように加熱器１６内
部に熱が入りにくくなれば、各作動室１２〜１５に温度
差が発生しにくくなり、外燃式熱ガス機関の軸出力が得
られにくくなる。

【００３５】この実施形態では、低トルクモータ９に制
御手段９３が接続され、この制御手段９３によって、外
燃式熱ガス機関の始動時に、低トルクモータ９が断続的
にＯＮ−ＯＦＦ運転される。

【００３６】この実施形態では、始動時に低トルクモー
タ９が断続運転されるので、加熱器１６内部の作動ガス
に振動が発生し、当該作動ガスの移動が促進され、加熱
器１６内部に作動ガスが滞留することがなくなる。

【００３７】従って、当該加熱器１６内部に熱が入り易
くなり、加熱器１６が過熱状態になるおそれが解消され
る。また、このように加熱器１６内部に熱が入り易くな
るので、各作動室１２〜１５に温度差が発生し易くな
り、外燃式熱ガス機関の軸出力が得られ易くなり、自立
運転までの加熱時間が短縮され、従って、システム運転
開始の所要時間が短縮される。

【００３８】更には、低トルクモータ９が断続運転され
るので、当該モータ９への通電時間が減少し、モータ９
の発熱が抑制される。

【００３９】以上の実施形態において、低トルクモータ
９を断続的にＯＮ−ＯＦＦ運転する場合、ＯＮ−ＯＦＦ
のデューティ比が適宜に設定される。この場合に、ＯＮ
−ＯＦＦのデューティ比の設定は、加熱器１６内部の作
動ガスに最も大きな振動を発生させることのできる設定
が望ましい。

【００４０】また、本発明は、スターリングエンジン
等、ヴェルミエサイクル以外の外燃式熱ガス機関にも適
用可能である。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、始動時に低トルクモー
タが断続運転されるので、作動ガスに振動が発生し、当
該作動ガスの移動が促進されるので、加熱器内部に作動
ガスが滞留することがなくなり、当該加熱器内部に熱が
入り易くなり、加熱器が過熱状態になるおそれが解消さ
れる。

【００４２】また、このように加熱器内部に熱が入り易
くなるので、各作動室に温度差が発生し易くなり、外燃
式熱ガス機関の軸出力が得られ易くなり、自立運転まで
の加熱時間が短縮される。

【００４３】更には、低トルクモータが断続運転される
ので、当該モータの発熱が抑制される等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒートポンプ式空気調和機の構成を示す回路図
である。

【図２】熱ガス機関の構造を示す断面斜視図である。

【図３】モータの選定基準を説明する線図である。

【符号の説明】 １ 熱ガス機関 ２ 高温側ディスプレーサ ３ 低温側ディスプレーサ １０ クランク １１ 燃焼器 １２ 高温室 １３、１４ 中温室 １５ 低温室 １６ 加熱器 ９３ 制御手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼
   器で加熱しながら、高温室に設けられた高温側ディスプ
   レーサ、および低温室に設けられた低温側ディスプレー
   サが連結されたクランクを、始動用のモータで駆動する
   外燃式熱ガス機関において、 このモータに低トルクモータを選定し、 この低トルクモータを断続運転させる制御手段を設けた
   ことを特徴とする外燃式熱ガス機関。
2. 【請求項２】 始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼
   器で加熱しながら、高温室に設けられた高温側ディスプ
   レーサ、および低温室に設けられた低温側ディスプレー
   サが連結されたクランクを、始動用のモータで駆動する
   外燃式熱ガス機関の始動方法において、 このモータに低トルクモータを選定し、 この低トルクモータを断続運転させて前記クランクを駆
   動することを特徴とする外燃式熱ガス機関の始動方法。