JP2001280727A

JP2001280727A - 空気調和装置

Info

Publication number: JP2001280727A
Application number: JP2000094299A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshino; 明吉野; Hiromi Kiyama; 洋実木山; Atsushi Miyamoto; 篤宮本; Yasuhiro Kakimi; 康浩垣見; Shingo Kuniya; 晋吾國谷; Daisuke Ito; 大介伊藤; Takahiro Shirahata; 孝弘白幡
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP3485172B2

Abstract

(57)【要約】【課題】地球温暖化や空気汚染等の問題がなく、コンパ
クトな空気調和装置を提供する。【解決手段】パルスチューブ冷凍機５の吸気ガスとし
てコンプレッサー２により圧縮された空気を用い、この
パルスチューブ冷凍機５で冷却された空気を所望の空間
に放出することにより所望の空間の空気調和を行うよう
にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用空調設備，
家庭用空調設備，車用空調装置，保冷倉庫，冷蔵冷凍
庫，加温庫等に用いる空気調和装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、空気調和装置では、冷媒とし
て、フロン，プロパン，アンモニア，二酸化炭素等を用
い、閉サイクルにおいて、上記冷媒を圧縮・膨脹により
ガスと液体との間で相変化させ、その際の気化熱によっ
て寒冷を得たり、圧縮熱を熱源として得たりし、上記寒
冷もしくは熱源を熱交換器に通して空気と熱交換し、空
気調和を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷媒と
して主に使用されるフロンは、空気調和装置の解体時に
大気放出されると、地球温暖化の原因となるため、全廃
の方向にある。また、代替フロンも地球温暖化の原因と
なることが予測されており、廃止される方向にある。

【０００４】また、フロン，プロパン，アンモニア，二
酸化炭素等の冷媒は空気中では微量成分であるが、多量
に含まれると空気を汚染したり、酸欠を起こしたりする
等危険であるため、冷凍サイクルは閉サイクルである。
そこで、冷えた冷媒（暖房運転時には暖まった冷媒）を
空気と熱交換させる必要があるため、熱交換器が用いら
れているが、この熱交換器は熱交換効率を向上させる目
的で表面積を広くし、かつ、流路抵抗を少なくする必要
があり、大型で複雑な構造になる。

【０００５】空気調和装置の室内設置スペースをできる
だけコンパクトにするためには、そのスペースの大部分
を占める熱交換器をコンパクトにする必要がある。現
在、多様なコンパクトな熱交換器が採用されているもの
の、それでも空気調和装置の室内器は大型になり、コス
トの上昇を伴っている。しかも、熱交換効率は様々なロ
スにより１００％にはならない。

【０００６】また、プロパン，アンモニアは漏れること
により、爆発，異臭の問題があり、一般的には用いられ
ていない。それに、アンモニアは銅を腐食し、毒性ガス
でもある。また、二酸化炭素は高い圧力による圧縮が必
要なため、コンプレッサーや配管の耐性を高める必要が
あり、コストの上昇や重量の増加を招くという問題があ
る。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、地球温暖化や空気汚染等の問題がなく、コンパ
クトな空気調和装置の提供をその目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、パルスチューブ冷凍機の吸気ガスとして
コンプレッサーにより圧縮された空気を用い、このパル
スチューブ冷凍機で冷却された空気を所望の空間に供給
することにより所望の空間の空気調和を行うようにした
空気調和装置を第１の要旨とし、パルスチューブ冷凍機
の吸気ガスとしてコンプレッサーにより圧縮された空気
を用い、このパルスチューブ冷凍機で昇温された空気を
所望の空間に供給することにより所望の空間の空気調和
を行うようにした空気調和装置を第２の要旨とし、パル
スチューブ冷凍機の吸気ガスとしてコンプレッサーによ
り圧縮された空気を用い、このパルスチューブ冷凍機で
冷却された空気と昇温された空気を混合して所望の空間
に供給することにより所望の空間の空気調和を行うよう
にした空気調和装置を第３の要旨とする。

【０００９】すなわち、本発明の空気調和装置は、空気
を吸気するコンプレッサーと、このコンプレッサーによ
り圧縮されて高圧となった空気を吸気ガスとして吸気す
るパルスチューブ冷凍機とを備えている。そして、上記
パルスチューブ冷凍機により冷却された空気を所望の空
間に供給することにより、または、上記パルスチューブ
冷凍機で昇温された空気を所望の空間に供給することに
より、もしくは、上記パルスチューブ冷凍機で冷却され
た空気と昇温された空気を混合して所望の空間に供給す
ることにより、所望の空間の空気調和を行うようにして
いる。

【００１０】一般に、パルスチューブ冷凍機は、冷媒ガ
ス出入り口から圧力の変動する冷媒ガスを出入りさせる
ことにより、そのガス温度を下降させたり、上昇させた
りして冷端部と温端部とを発生させている。上記圧力の
変動する冷媒ガスを得るために、コンプレッサーとバル
ブを用いて閉鎖系を組み、バルブの開閉によりパルスチ
ューブ冷凍機に出入りする冷媒ガスの圧力を変動させる
方式がある。一方、高圧ガス源やコンプレッサーの吐出
高圧ガスを冷媒ガスとしてパルスチューブ冷凍機に取り
入れ、パルスチューブ冷凍機から出てくる冷媒ガスを外
部に放出し、高圧ガス源やコンプレッサーに回収しない
開放系においても、圧力の変動する冷媒ガスを得ること
ができる。また、パルスチューブ冷凍機内部の冷媒ガス
は時間により位置と圧力が変動している。この位相の差
が冷凍能力に深く関わっており、パルスチューブ温端部
に位相制御装置を接続したパルスチューブ冷凍機が一般
的である。

【００１１】このようなパルスチューブ冷凍機は、その
パルスチューブ冷端部に被冷却体を直接接触させたり、
二次冷媒を用いてパルスチューブ冷端部の冷熱を間接的
に被冷却体に輸送したりすることにより、ガスの液化，
センサーの冷却等に用いられている。一方、パルスチュ
ーブ温端部は空冷や液冷により放熱されている。

【００１２】また一般に、パルスチューブ冷凍機は、そ
の冷媒ガス出入り口以外は密閉されており、外部へ冷媒
ガスを放出することはしていない。

【００１３】これに対し、本発明の第１の空気調和装置
では、パルスチューブ冷端部から外部へ冷空気（パルス
チューブ冷凍機により冷やされた空気）を供給するため
の配管等を設け、冷空気を直接に所望の空間（空気調和
したい空間）に取り出す構造としている。これにより、
冷空気を上記所望の空間に熱交換器を通さずに直接に供
給することができる。

【００１４】また、本発明の第２の空気調和装置では、
パルスチューブ温端部から外部へ暖空気（パルスチュー
ブ冷凍機により暖められた空気）を供給するための配管
等を設け、暖空気を直接に所望の空間に取り出す構造と
している。また、パルスチューブ温端部に位相制御装置
が連結されているときは、その配管もしくはガス溜め等
の位相制御装置に配管等を取り付け、この配管等から直
接に所望の空間に暖空気を供給することができる。ま
た、蓄冷器を有するパルスチューブ冷凍機では、蓄冷器
側の温端部あるいは冷媒ガス出入り口から吐出された暖
空気を供給することができる。

【００１５】さらに、蓄冷器がない（すなわち、パルス
チューブのみを有する）タイプのパルスチューブ冷凍機
では、吐出ガスが冷却されているため、この吐出ガスを
直接に所望の空間に供給することができる。また、この
タイプのパルスチューブ冷凍機でも、パルスチューブ温
端部では温度が上昇するため、パルスチューブ温端部に
直接に配管等を取り付け、もしくはパルスチューブ温端
部に位相制御装置が連結されている場合には、位相制御
装置に配管等を取り付け、この配管等から暖空気を所望
の空間に供給することができる。

【００１６】本発明の第３の空気調和装置では、パルス
チューブ冷凍機により得られる冷空気と暖空気を混合し
て所望の空間に直接に供給することができる。

【００１７】つぎに、本発明を詳しく説明する。

【００１８】本発明のパルスチューブ冷凍機は、パルス
チューブのみを有するものでも、パルスチューブと蓄冷
器を有するものでも、どちらでもよい。また、位相制御
装置を備えたものでも、位相制御装置を備えていないも
のでも、どちらでもよい。また、空気が存在する場所で
あれば、どのような場所からでもコンプレッサーに空気
を送ることができるし、空気調和のために利用しない空
気の放出先はどのような場所でもよい。

【００１９】また、図６および図７に示すように、パル
スチューブ冷凍機の各部分から冷空気（図６および図７
において、Ｌで示す）もしくは暖空気（図６および図７
において、Ｈで示す）を得ることができるため、これら
冷空気および暖空気の１つもしくは複数を組み合わせて
所望の空間に供給することができる。なお、図６および
図７は、冷空気もしくは暖空気を得ることができる部分
を例示的に示したものである。図６および図７におい
て、３０はコンプレッサーで、３１は高圧吸気バルブ
で、３２は低圧排気バルブで、３３は蓄冷器で、３４は
パルスチューブで、３５は位相制御装置である。

【００２０】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。

【００２１】図１は本発明の空気調和装置の一実施の形
態を示している。図において、１は空気調和装置のケー
シングであり、このケーシング１の内部に圧力振動源と
してコンプレッサー２，高圧吸気バルブ３，低圧排気バ
ルブ４が配設されている。また、上記ケーシング１の内
部には、蓄冷器６とパルスチューブ７とを有するパルス
チューブ冷凍機５が配設されている。上記パルスチュー
ブ冷凍機５として、この実施の形態では、パルスチュー
ブ７の温端部にオリフィス管９を介してバッファタンク
（ガス溜め）８を接続してなるオリフィス型パルスチュ
ーブ冷凍機５が用いられている。

【００２２】１０はコンプレッサー２の低圧側からケー
シング１外に延びる外気吸気管である。１１はコンプレ
ッサー２の高圧側から延びる連結管であり、パルスチュ
ーブ冷凍機５の蓄冷器６の空気出入り口１４から延びる
合流管１３に接続している。この連結管１１に高圧吸気
バルブ３が取り付けられている。１２は上記合流管１３
からケーシング１外に延びる空気放出管であり、この空
気放出管１２に低圧排気バルブ４が取り付けられてい
る。１５は冷空気供給管であり、パルスチューブ７と蓄
冷器６との境界付近の、パルスチューブ７の部分から延
びており、その先端部は被空気調和空間（図示せず）に
開口している。

【００２３】上記構成において、外気吸気管１０から取
り入れた空気はコンプレッサー２で圧縮されて高圧とな
り、高圧吸気バルブ３を開け、低圧排気バルブ４を閉じ
ることにより高圧の空気が連結管１１，合流管１３を通
って蓄冷器６の空気出入り口１４から蓄冷器６の内部へ
導入される。また、高圧吸気バルブ３を閉じ、低圧排気
バルブ４を開けることにより蓄冷器６の空気出入り口１
４から低圧の空気が吐出され、合流管１３，空気放出管
１２を通ってケーシング１外に放出される。このよう
に、高圧吸気バルブ３と低圧排気バルブ４は交互に開閉
を行い、高圧の空気がパルスチューブ冷凍機５内部に導
入される時間と、低圧の空気がパルスチューブ冷凍機５
内部から吐出される時間とが交互に繰り返されて運転さ
れる。そして、この繰り返しによりパルスチューブ冷凍
機５内部の空気は位置と圧力が振動し、この位相を制御
することによりパルスチューブ冷凍機５として冷凍効率
の良いものが実現される。このようなパルスチューブ冷
凍機５において、蓄冷器６の空気出入り口１４付近とパ
ルスチューブ７のオリフィス管９付近が温端部となり、
蓄冷器６とパルスチューブ７の境界付近が冷端部とな
る。

【００２４】この実施の形態では、蓄冷器６とパルスチ
ューブ７の境界付近の、パルスチューブ７の部分に冷空
気供給管１５を取り付けているため、パルスチューブ冷
凍機５内部の冷空気を冷空気供給管１５から直接に被空
気調和空間に取り出し、この取り出した冷却空気により
被空気調和空間の空気調和を行うことができる。

【００２５】上記のように、この実施の形態では、空気
を利用して被空気調和空間の空気調和を行っているた
め、地球温暖化や空気汚染等の問題が生じない。しか
も、熱交換器を省略することができ、装置全体のコンパ
クト化を図ることができる。

【００２６】なお、この実施の形態において、冷空気供
給管１５を蓄冷器６とパルスチューブ７の境界付近の、
蓄冷器６の部分に取り付けてもよいし、蓄冷器６のパル
スチューブ７寄り側部分やパルスチューブ７の蓄冷器６
寄り側部分に取り付けてもよい。また、上記各部分の少
なくとも１つの部分に複数の冷空気供給管１５を取り付
けてもよい。

【００２７】図２は本発明の空気調和装置の他の実施の
形態を示している。この実施の形態では、温空気供給管
１６をオリフィス管９付近のパルスチューブ７の部分に
取り付け、その先端部を被空気調和空間（図示せず）に
開口している。このため、パルスチューブ冷凍機５内部
の温空気を温空気供給管１６から直接に被空気調和空間
に取り出し、この取り出した温空気により被空気調和空
間の空気調和を行うことができる。それ以外の部分は上
記実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を
付している。この実施の形態でも、上記実施の形態と同
様の作用・効果を奏する。

【００２８】図３は本発明の空気調和装置のさらに他の
実施の形態を示している。この実施の形態では、空気調
和装置のケーシング１の内部に圧力振動源としてコンプ
レッサー２，高圧吸気バルブ３，低圧排気バルブ４が配
設されている。また、上記ケーシング１の内部には、パ
ルスチューブ７とアクティブバッファ型の位相制御装置
を有するパルスチューブ冷凍機５が配設されている。上
記アクティブバッファ型の位相制御装置では、高圧バッ
ファタンク（ガス溜め）２０が配管２２を介してパルス
チューブ７温端部７ａに接続されており、同様に、低圧
バッファタンク（ガス溜め）２１が配管２３を介してパ
ルスチューブ７温端部７ａに接続されている。また、上
記各配管２２，２３の途中には開閉バルブ２４，２５が
設けられており、高圧吸気バルブ３，低圧排気バルブ４
と同期して開閉し、これにより位相制御が行われてい
る。図において、７ｂはパルスチューブ７冷端部であ
る。

【００２９】１０はコンプレッサー２の低圧側からケー
シング１外の大気中に延びる外気吸気管である。１１は
コンプレッサー２の高圧側から延びる連結管であり、パ
ルスチューブ冷凍機５のパルスチューブ７の空気出入り
口１９から延びる合流管１３に接続している。この連結
管１１に高圧吸気バルブ３が取り付けられている。１７
は上記合流管１３からケーシング１外の被空気調和空間
（図示せず）に延びる冷空気供給管であり、この冷空気
供給管１７に低圧排気バルブ４が取り付けられている。
この実施の形態では、上記冷空気供給管１７の先端部か
ら冷空気が被空気調和空間に供給される。

【００３０】上記構成において、外気吸気管１０から取
り入れた空気はコンプレッサー２で圧縮されて高圧とな
り、高圧吸気バルブ３を開け、低圧排気バルブ４を閉じ
ることにより高圧の空気が連結パイプ１１，合流管１３
を通ってパルスチューブ７の空気出入り口１９からパル
スチューブ７の内部へ導入される。また、高圧吸気バル
ブ３を閉じ、低圧排気バルブ４を開けることによりパル
スチューブ７の空気出入り口１９から低圧の空気（冷空
気）が吐出され、合流管１３，冷空気供給管１７を通っ
て被空気調和空間に供給される。このように高圧吸気バ
ルブ３と低圧排気バルブ４は交互に開閉を行い、高圧の
空気がパルスチューブ冷凍機５内部に導入される時間
と、低圧の空気がパルスチューブ冷凍機５内部から吐出
される時間とが交互に繰り返されて運転される。そし
て、この繰り返しによりパルスチューブ冷凍機５内部の
空気は位置と圧力が振動しており、この位相を制御する
ことによりパルスチューブ冷凍機５として冷凍効率の良
いものが実現される。このようなパルスチューブ冷凍機
５において、パルスチューブ７の空気出入り口１９付近
が冷端部となり、パルスチューブ７の両配管２２，２３
付近が温端部となる。

【００３１】上記のように、この実施の形態では、空気
を利用して被空気調和空間の空気調和を行っているた
め、地球温暖化や空気汚染等の問題が生じない。しか
も、熱交換器を省略することができ、装置全体のコンパ
クト化を図ることができる。

【００３２】なお、この実施の形態において、アクティ
ブバッファ型の位相制御装置としては、３つ以上のバッ
ファタンク（ガス溜め）を有する位相制御装置を用いて
もよい。

【００３３】図４は本発明の空気調和装置のさらに他の
実施の形態を示している。この実施の形態では、図３に
示す実施の形態において、温空気供給管２６を低圧バッ
ファタンク２１からケーシング１外に延ばし、その先端
部を被空気調和空間（図示せず）に開口している。この
ため、位相制御装置内部の暖空気を温空気供給管２６か
ら直接に被空気調和空間に取り出し、この取り出した温
空気により被空気調和空間の空気調和を行うことができ
る。それ以外の部分は図３に示す実施の形態と同様であ
り、同様の部分には同じ符号を付している。この実施の
形態でも、図３に示す実施の形態と同様の作用・効果を
奏する。

【００３４】なお、この実施の形態では、温空気供給管
２６を低圧バッファタンク２１に取り付けているが、高
圧バッファタンク２０，両配管２２，２３，パルスチュ
ーブ７温端部７ａ付近に取り付けてもよいし、これらの
少なくとも１つに複数の温空気供給管２６を取り付けて
もよい。

【００３５】図５は本発明の空気調和装置のさらに他の
実施の形態を示している。この実施の形態では、図３に
示す実施の形態において、冷空気供給管１７の途中部に
ミキサー２７を設け、このミキサー２７に温空気供給管
２６を接続し、上記ミキサー２７で冷空気と温空気を混
合して温度コントロールを行ったのち、被空気調和空間
に供給するようにしている。それ以外の部分は図３に示
す実施の形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を
付している。この実施の形態でも、図３に示す実施の形
態と同様の作用・効果を奏する。

【００３６】なお、図１および図２に示す実施の形態に
おいて、パルスチューブ冷凍機５として、位相制御装置
のないベーシック型パルスチューブ冷凍機を用いてもよ
いし、ダブルインレット型，アクティブバッファ型等の
パルスチューブ冷凍機を用いてもよい。

【００３７】また、上記各実施の形態において、外気吸
気管１０にフィルターを設け、水分，塵埃等のコンプレ
ッサー２の動作に悪影響のあるものを取り去るようにし
てもよい。また、放出空気の圧力や流量の脈動を減少さ
せるため、空気放出管１２にの途中にバッファタンク等
の緩衝装置を設けてもよい。また、高圧吸気バルブ３，
低圧排気バルブ４を複数セット並列に並べ、各セットの
高圧吸気バルブ３，低圧排気バルブ４の開閉タイミング
をずらす運転をしてもよい。これにより、パルスチュー
ブ７に供給される空気の圧力，流量および放出空気の圧
力，流量の脈動を少なくすることができる。

【００３８】また、上記各実施の形態では、ケーシング
１内にコンプレッサー２，高圧吸気バルブ３，低圧排気
バルブ４を配設しているが、これらのどれか（１つで
も、２つでも、３つでもよい）をケーシング１外に配設
してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上のように、本発明の空気調和装置に
よれば、熱交換器を必要としないため、省スペース，低
コストを実現することができる。特に、自動車に用いた
場合には、居住空間が大きくなり、メリットが大きい。
しかも、冷却された（もしくは暖房運転時には暖められ
た）空気を直接供給することができるため、熱交換器を
用いたものに比べて熱効率が高くなる。また、フロンや
二酸化炭素等を用いていないため、環境に優しい。ま
た、可燃性ガスを用いていないため、安全である。ま
た、空気が冷媒であるため、冷媒が原因となる大気汚
染，燃焼，異臭の危険がないうえ、冷媒の費用，管理の
必要がない。さらに、暖房と冷房の両方の空気調和に対
応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気調和装置の一実施の形態を示す説
明図である。

【図２】本発明の空気調和装置の他の実施の形態を示す
説明図である。

【図３】本発明の空気調和装置のさらに他の実施の形態
を示す説明図である。

【図４】本発明の空気調和装置のさらに他の実施の形態
を示す説明図である。

【図５】本発明の空気調和装置のさらに他の実施の形態
を示す説明図である。

【図６】冷空気もしくは暖空気を得ることができる部分
を示す説明図である。

【図７】冷空気もしくは暖空気を得ることができる部分
を示す説明図である。

【符号の説明】

２コンプレッサー５パルスチューブ冷凍機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本篤大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (72)発明者垣見康浩大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (72)発明者國谷晋吾大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (72)発明者伊藤大介大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内 (72)発明者白幡孝弘大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社堺工場内Ｆターム(参考） 3L054 BE10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルスチューブ冷凍機の吸気ガスとして
コンプレッサーにより圧縮された空気を用い、このパル
スチューブ冷凍機で冷却された空気を所望の空間に供給
することにより所望の空間の空気調和を行うようにした
ことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】パルスチューブ冷凍機の吸気ガスとして
コンプレッサーにより圧縮された空気を用い、このパル
スチューブ冷凍機で昇温された空気を所望の空間に供給
することにより所望の空間の空気調和を行うようにした
ことを特徴とする空気調和装置。
【請求項３】パルスチューブ冷凍機の吸気ガスとして
コンプレッサーにより圧縮された空気を用い、このパル
スチューブ冷凍機で冷却された空気と昇温された空気を
混合して所望の空間に供給することにより所望の空間の
空気調和を行うようにしたことを特徴とする空気調和装
置。