JP2567635B2

JP2567635B2 - 冷暖房装置

Info

Publication number: JP2567635B2
Application number: JP62294924A
Authority: JP
Inventors: 清一大澤; 汎信大嶋; 房夫寺田; 盛郎石井; 文男斉藤
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 1987-11-20
Filing date: 1987-11-20
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JPH01137164A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、ディスプレーサーピストンを有する２つの
シリンダと、作動ガスの加熱器および放熱器ならびに再
生器と、作動ガスにより熱を汲み上げる熱交換器と、こ
れら機器を結ぶ通路と、ディスプレーサーピストンの駆
動用の電動機と、上記熱交換器と結ばれている冷水など
の流路と、上記放熱器と結ばれている温水などの流路と
で構成した冷暖房装置の改良に関する。

（ロ）従来の技術上記した構成の冷暖房装置の従来の技術として、例え
ば第２図に示すようなもの〔特開昭61−25901号公報、
和書「スターリングエンジンの開発」146頁16行目〜147
頁17行目（発行所株式会社工業調査会、1982年７月
25日初版発行）参照〕がある。

第２図において、（C₁）はディスプレーサーピストン
（P₁）を有する高温側シリンダで、このシリンダ内を上
下動するディスプレーサーピストン（P₁）のヘッド側の
シリンダ内部空間には高温度レベルの作動ガス〔例えば
700K〜1000K程度のヘリウムガス〕が出入すると共に他
方の側のシリンダ内部空間には中温度レベル〔例えば30
0K〜400K〕の作動ガスが出入する。（C₂）はディスプレ
ーサーピストン（P₂）を有する低温側シリンダで、この
シリンダ内を左右に動くディスプレーサーピストン
（P₂）のヘッド側のシリンダ内部空間には低温度レベル
〔例えば200K〜300K〕の作動ガスが出入すると共に他方
の側のシリンダ内部空間には中温度レベルの作動ガスが
出入する。（T_H）は高温度レベルの作動ガスを加熱する
ヒーターチューブで、これらの外側にはフィンが設けて
ある。なお、図示していないが、ヒーターチューブ
（T_H）はバーナーの燃焼ガスで加熱されるようになって
いる。（R_H）は再生器で、その上部開口を高温度レベル
の作動ガス〔以下、高温ガスという〕が出入すると共に
下部開口を中温度レベルの作動ガスが出入する。
（C_H）、（C_M）はそれぞれ中温度レベルの作動ガス〔以
下、中温ガスという〕の第１、第２放熱器である。
（R_C）は再生器で、その左側開口を中温ガスが出入する
と共に右側開口を低温度レベルの作動ガス〔以下、低温
ガスという〕が出入する。また、（Ｃ）はクーラーであ
る。（T_C）は低温ガスの流れるチューブであり、（T_M）
は中温ガスの流れるチューブである。

（U_H）は暖房負荷側の熱交換ユニットで、これと放熱
器（C_H）、（C_M）とが温水回路（W_H）で結ばれている。
また、（U_C）は冷房負荷側の熱交換ユニットで、これと
クーラー（Ｃ）とが冷水回路（B_C）で結ばれている。

（Ｋ）はクランクであり、このクランクはそれぞれコ
ネクティングロッド（R₁）、（R₂）と回動可能に連結さ
れている。また、コネクティングロッド（R₁）とディス
プレーサーピストン（P₁）のピストンロッドとが連結さ
れる一方、コネクティングロッド（R₂）とディスプレー
サーピストン（P₂）のピストンロッドとが連結されてい
る。かつまた、（Ｏ）はクランクシャフトで、これと図
示していない電動機の回転軸とが連結されてこれらが所
定の速度で回転するようになっている。

そして、クランクシャフト（Ｏ）が図示の矢印線のよ
うに右回りに回転することにより、ディスプレーサーピ
ストン（P₁）、（P₂）が一定の位相差をもって動くよう
になっている。なお、（K_C）はクラクケースである。

上記のように構成された冷暖房装置においては、ディ
スプレーサーピストン（P₁）、（P₂）が所定の位相差を
もって動くのに伴ない低温側シリンダ（C₂）のヘッド側
の内部空間で低温ガスの膨張による温度降下を生じ、降
温した低温ガスがクーラー（Ｃ）を通る際に冷水の熱を
汲み上げる作用をする。これにより降温した冷水が冷暖
房負荷側へ供給される。換言すれば冷水出力（冷凍出
力）が得られる。一方、中温ガスが放熱器（C_H）、
（C_M）を通る際に温水を加熱する作用をする。これによ
り昇温した温水が暖房負荷側へ供給される。換言すれば
温水出力が得られる。

（ハ）発明が解決しようとする問題点上記した従来の冷暖房装置においては、クランクシャ
フト（Ｏ）がほぼ一定の速度で回転し、ディスプレーサ
ーピストン（P₁）、（P₂）がほぼ一定の周期で動くの
で、冷水出力および温水出力もほぼ一定となる。このた
め、冷暖房負荷が変化する場合、負荷に対する冷温水出
力の過不足を生じるという問題点がある。また、冷水の
凍結を招きやすい問題点もある。

本発明は、これらの問題点に鑑み、負荷に見合う冷水
出力や温水出力を得ることができ、かつまた、装置の過
熱や冷え過ぎなども防ぐことの可能な冷暖房装置の提供
を目的としたものである。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、前述の構成の冷暖房装置において、そのデ
ィスプレーサーピストンの駆動用の電動機に回転数可変
の電動機を用い、かつ、負荷の変化と関連して変化する
物理量〔例えば、クーラーの冷水出口温度もしくは放熱
器の温水出口温度あるいは低温ガスの温度など〕を検出
して電動機の回転数を調整する制御器を備える構成と
し、かつまた、この制御器で調整される電動機の回転数
変化に伴なって変化する高温ガスの温度を検出して高温
ガスの加熱器の加熱量を調節する制御器を備える構成と
したものである。

（ホ）作用本発明の冷暖房装置においては、その電動機の回転数
を調整する制御器が、例えば冷房負荷の増減に伴なうク
ーラーの冷水出口温度の上昇・降下を探知して電動機の
回転数を増減することにより、ディスプレーサーピスト
ンの動作速度を増減して低温側シリンダ内での低温ガス
の単位時間当りの膨張回数を増減させる作用をする。こ
の作用により、低温ガスの冷水からの熱の汲み上げ量が
冷房負荷の増減に合わせて増減されることになるので、
冷房負荷に見合う冷水出力を得ることができる。そし
て、低温シリンダ内での低温ガスの単位時間当りの膨張
回数が冷房負荷に対して過度に大きくて低温ガスの温度
が低くなり過ぎた場合にはこの温度を制御器が検出して
ディスプレーサーピストンの動作速度を減らす働きをす
るので、冷水の凍結も防ぐことができる。

また、本発明の装置で暖房負荷側へ温水を供給する場
合においても、制御器で放熱器の温水出口温度の降下・
上昇を探知してディスプレーサーピストンの動作速度を
増減することにより、放熱器での中温ガスの単位時間当
りの往復回数を増減して中温ガスの放熱量を増減させる
ことができるので、暖房負荷に見合う温水出力が得られ
る。

かつまた、本発明の装置においては、負荷の増減に合
わせたディスプレーサーピストンの動作速度の増減制御
に伴なう高温ガスの温度変化を探知してその加熱量を調
節する制御器が装置のエネルギー収支のバランスを保つ
作用をする。これにより、装置の過熱や冷え過ぎを防ぐ
ことができ、負荷に見合う冷水出力や温水出力を安定的
に得ることができる。

（ヘ）実施例第１図は本発明の一実施例としての冷暖房装置の概略
構成説明図である。なお、第１図の装置において、従来
の装置〔第２図参照〕と同様の構成機器には同一の符号
を付している。

第１図において、（Ｍ）は電動機で、その回転軸の動
力がクランクシャフト（Ｏ）に伝わるようこれと電動機
（Ｍ）とが接続されている。（Ｂ）はバーナである。ま
た、（L₁）、（L₂）はそれぞれディスプレーサーピスト
ン（P₁）、（P₂）のピストンロッドであり、ピストンロ
ッド（L₂）の直径はピストンロッド（L₁）のそれの約４
倍になっている。（D₁）は高温側シリンダ（C₁）とクラ
ンクケース（K_C）との仕切壁であり、（D₂）は低温側シ
リンダ（C₂）とクランクケース（K_C）との仕切壁であ
る。

（S_C）、（S_H）、（S_G）、（Ｓ）はそれぞクーラー
（Ｃ）出口側の冷水回路（B_C）、放熱器（C_H）出口側の
温水回路（W_H）、チューブ（T_C）、ヒーターチューブ
（T_H）に備えた温度センサで、これらセンサと電動機
（Ｍ）およびバーナー（Ｂ）とがコントローラー（C₀）
を介して電気配線で結ばれている。コントローラー
（C₀）には温度調節器や設定器あるいはマイクロコンピ
ュータなどの部品および冷暖切換スイッチが内蔵されて
いる。

（P_C）、（P_H）はそれぞれ冷水回路（B_C）、温水回路
（W_H）に備えたポンプであり、（V₁）、（V₂）、
（V₃）、（V₄）は冷暖切換用の三方弁である。

そして、三方弁（V₁）〜（V₄）の流路を切換えて冷房
運転を行う場合、コントローラー（C₀）は温度センサ
（S_C）の信号により電動機（Ｍ）の回転数を制御するよ
うになっている。この制御では、冷房負荷が増大して冷
水温度が上昇し始めると回転数を増し、逆に冷房負荷が
減少して冷水温度が降下し始めると回転数を減らすよう
になっている。なお、冷房運転の際、放熱器（C_H）、
（C_M）には例えば海水などのように温度変化の少ない冷
却水が供給される。あるいは、熱容量の大きい温水プー
ルなどの水が供給される。

一方、暖房運転を行う場合、コントローラー（C₀）は
温度セサ（S_H）の信号により電動機（Ｍ）の回転数を制
御するようになっている。この制御では、暖房負荷が増
大して温水温度が降下し始めると回転数を増し、逆に暖
房負荷が減少して温水温度が上昇し始めると回転数を減
らすようになっている。なお、暖房運転の際、クーラー
（Ｃ）には例えば地下水などのように温度変化の少ない
水を供給することが望ましい。

かつまた、コントローラー（C₀）は、冷暖房のいずれ
の運転の際にも、温度センサ（S_C）、（S_H）からの信号
に優先して温度センサ（S_G）の信号により電動機（Ｍ）
の回転数を制御するようになっている。この制御では、
センサ（S_G）の検出温度が下限設定値〔例えば250K〕よ
りも低くなると、検出温度が下限設定値に復帰するまで
回転数が減らされるようになっている。

また、コントローラー（C₀）は温度センサ（Ｓ）の信
号によりバーナ（Ｂ）の燃焼量を制御するようになって
いる。この制御ではセンサ（Ｓ）の検出温度が設定値
〔例えば750K〕よりも低下すると、検出温度が設定値に
復帰するまで燃焼量を増やし、逆に検出温度が設定値よ
りも上昇するとこれに復帰するまで燃焼量を減らすよう
になっている。

次に、第１図に示した冷暖房装置〔以下、本装置とい
う〕の運転動作例を説明する。

冷房時、冷房負荷が一定であってクーラー（Ｃ）の冷
水出入口温度、放熱器（C_M）、（C_H）の冷却水出入口温
度、バーナ（Ｂ）の燃焼量、電動機（Ｍ）の回転数すな
わちクランクシャフトの回転数がそれぞれ一定の値に保
たれて本装置が運転されている場合、装置のエネルギー
収支はバランスしているので、そのまま運転が継続され
る。

今、冷房負荷が増大した場合、負荷に対する冷水出力
すなわち低温ガスの冷水からの熱の汲み上げ量が不足す
るため、クーラー（Ｃ）の冷水出口温度が上昇し始める
と共に、熱の汲み上げ量の不足分だけ装置のエネルギー
収支のバランスが崩れる。換言すれば、熱の汲み上げ量
の不足分だけ装置内エネルギーが不足することになる。
この場合、本装置においては、コントローラー（C₀）が
センサー（S_C）の信号を受けて装置内エネルギーの不足
分を補なうよう電動機（Ｍ）の回転数すなわちクランク
シャフト（Ｏ）の回転数を増大制御する。このように回
転数が増大制御されることにより、ディスプレーサーピ
ストン（P₂）の摺動速度が増してシリンダ（C₂）のヘッ
ド側の内部空間での低温ガスの単位時間当りの膨張回数
が多くなるため、低温ガスの膨張に伴なう吸熱作用で冷
水から汲み上げられる熱量が増え冷水出力が増大する。
そして、負荷と冷水出力とがバランスしたとき、回転数
の増大制御が終了する。換言すれば、センサ（S_C）の検
出温度が所定の温度に復帰したとき制御が終了する。

また、この場合、放熱器（C_M）での中温ガスの単位時
間当りの往復回数が多くなってその放熱量が増えると共
に、ディスプレーサーピストン（P₁）の摺動速度も増し
てシリンダ（C₁）のヘッド側の内部空間と他方の側のそ
れとの間での作動ガスの単位時間当りの往復回数も多く
なるために放熱器（C_H）での中温ガスの放熱量も増え
る。この放熱量の増大に伴なって高温ガスの温度も低下
するため、本装置のコントローラー（C₀）がセンサ
（Ｓ）の信号を受けてバーナ（Ｂ）の燃焼量を増大制御
する。

一方、冷房負荷が減少した場合には、上記した制御と
は逆の制御がコントローラー（C₀）によってなされ、減
少した負荷に見合う冷水出力となるようコントロールさ
れることは勿論である。この場合、クランクシャフト
（Ｏ）の回転数が減少制御されて放熱器（C_H）、（C_M）
での放熱量が減るに伴ない高温ガスの温度が上昇し、こ
れを放置する装置がオーバーヒートして損傷するケース
もある。このようなケースではコントローラー（C₀）が
センサ（Ｓ）の信号を受けてバーナ（Ｂ）の燃焼量を減
少制御する。これにより、本装置のオーバーヒートが防
止される。

また、暖房運転時、暖房負荷が増大した場合、本装置
のコントローラー（C₀）はセンサ（S_H）の信号を受けて
電動機（Ｍ）の回転数を増大制御することにより、冷房
運転時と同様に装置内エネルギーを高め、負荷に見合う
温水出力を得るようにしている。なお、この場合、低温
ガスによる冷水からの熱の汲み上げ量も増えるため、ク
ーラー（Ｃ）の冷水流量および冷水入口温度が一定のと
き、その冷水出口温度が降下すると共にこの冷水と熱交
換関係にある低温ガスの温度も降下する。そして、クー
ラー（Ｃ）内の冷水が凍結するほど低温ガスの温度が降
下するケースにおいては、本装置のコントローラー
（C₀）はセンサ（S_H）の信号による回転数制御に優先し
てセンサ（S_G）の信号によるそれを行う。つまり、セン
サ（S_G）の検出温度が下限設定値に達するとコントロー
ラー（C₀）は回転数の増大制御を停止し、あるいは、検
出温度が下限設定値よりも低くなると共に回転数の減少
制御を行う。これにより、冷水の凍結が防止される。

かつまた、暖房運転時においても電動機（Ｍ）の回転
数すなわちクランクシャフト（Ｏ）の回転数を減少させ
た場合に高温ガスの温度が必要以上に高くなるケースで
は冷房運転時と同様、コントローラー（C₀）は温度セン
サ（Ｓ）の検出温度が設定値に復帰するまでバーナ
（Ｂ）の燃焼量を減らすことにより、本装置のオーバー
ヒートを防止する。

また、冷暖房のいずれの運転においても、負荷の増大
に合わせて電動機（Ｍ）の回転数を増した場合に高温ガ
スの温度が必要以上に低くなるケースでは、コントロー
ラー（C₀）は温度センサ（Ｓ）の検出温度を設定値に復
帰させるようバーナ（Ｂ）の燃焼量を増やす。これによ
り、本装置の冷え過ぎが防止され、装置本来の性能を発
揮させることができる。

上述のように、本装置は負荷に見合う冷水出力もしく
は温水出力を得られるものであり、かつ、その過熱や冷
え過ぎも防止できるものとして高い実用的価値を有す
る。

なお、本装置はディスプレーサーピストン（P₁）、
（P₂）の動きの位相差、言い代えれば、コネクティング
ロッド（R₁）、（R₂）の回転の位相角をある範囲内にセ
ットすることにより、自動運転も可能であり、バーナ
（Ｂ）の燃焼量制御のみでクランクシャフト（Ｏ）の回
転数を変えて冷水出力および温水出力を増減させ得るも
のであるが、燃焼量を増やし過ぎると装置の過熱を招く
一方で減らし過ぎると自力運転できなくなる。このた
め、バーナ（Ｂ）の燃焼量制御のみによる冷温水出力制
御は、その制御範囲も狭いと共に運転効率も悪く、実用
的でない。本装置を自力運転する場合、電動機（Ｍ）は
スターターとして用いる。

なおまた、本装置は冷暖房用のものとして用い得る以
外に給湯用や冷蔵・冷凍用などの用途にも用い得る。冷
蔵・冷凍用に本装置を使う場合、クーラー（Ｃ）には凍
結温度の低い流体を通すようにすれば良い。

（ト）発明の効果以上のとおり、本発明は、ディスプレーサーピストン
を有しそのヘッド側の内部空間には高温度レベルの作動
ガスが出入すると共に他方の側の内部空間には中温度レ
ベルの作動ガスが出入する高温側シリンダと、このシリ
ンダのディスプレーサーピストンの動きに対して一定の
位相差をもって動くディスプレーサーピストンを有しそ
のヘッド側の内部空間には低温度レベルの作動ガスが出
入すると共に他方の側の内部空間には中温度レベルの作
動ガスが出入する低温側シリンダと、高温度レベルの作
動ガスの加熱器と、高温度レベルおよび中温度レベルの
作動ガスの出入する再生器と、中温度レベルの作動ガス
の放熱器と、中温度レベルおよび低温度レベルの作動ガ
スの出入する再生器と、クーラーと、これら機器を結ぶ
作動ガス通路と、ディスプレーサーピストン駆動用の電
動機と、クーラーおよび冷房負荷側を結ぶ冷水回路また
は放熱器および暖房負荷側を結ぶ温水回路とで構成され
た冷暖房装置において、その電動機には回転数可変の電
動機を用い、かつ、冷房もしくは暖房負荷の変化と関連
して変化する物理量例えばクーラーの冷水出口温度もし
くは放熱器の温水出口温度あるいは低温度レベルの作動
ガスの温度を検出して電動機の回転数を調整する制御器
を備える構成としたものであるから、負荷に見合う冷水
出力もしくは温水出力を得る効果や低温度レベルの作動
ガスと熱交換する冷水の凍結防止効果などを有する。

かつまた、本発明は、上記の冷暖房装置の制御器で調
整される電動機の回転数変化に伴なって変化する高温度
レベルの作動ガスの温度を検出して加熱器の加熱量を調
節する制御器を備えたものであるから、装置の過熱の防
止効果などをもち、負荷に見合う冷水出力や温水出力を
安定的に取出し得るものとして高い実用的価値を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての冷暖房装置を示した
概略構成説明図であり、第２図は従来の冷暖房装置の概
略構成説明図である。（C₁）……高温側シリンダ、（C₂）……低温側シリン
ダ、（P₁）、（P₂）……ディスプレーサーピストン、
（T_H）……ヒーターチューブ、（R_H）、（R_C）……再生
器、（Ｃ）……クーラー、（C_H）、（C_M）……放熱器、
（T_M）、（T_C）……チューブ、（Ｍ）……電動機、
（K_C）クランクケース、（D₁）、（D₂）……仕切壁、
（Ｋ）……クランク、（Ｏ）……クランクシャフト、
（R₁）、（R₂）……コネクティングロッド、（L₁）、
（L₂）……ピストンロッド、（U_H）、（U_C）……熱交換
ユニット、（W_H）……温水回路、（B_C）……冷水回路、
（Ｂ）……バーナー、（S_H）、（S_C）、（S_G）、（Ｓ）
温度センサー、（C₀）……コントローラー、（P_H）、
（P_C）……ポンプ、（V₁）、（V₂）、（V₃）、（V₄）…
…冷暖切換弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石井盛郎郡馬県邑楽郡大泉大字坂田180番地三洋電気株式会社内 (72)発明者斉藤文男郡馬県邑楽郡大泉大字坂田180番地三洋電気株式会社内 (56)参考文献特開昭61−265460（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ディスプレーサーピストンを有しそのヘッ
ド側の内部空間には高温度レベルの作動ガスが出入する
と共に他方の側の内部空間には中温度レベルの作動ガス
が出入する高温側シリンダと、このシリンダのディスプ
レーサーピストンの動きに対して一定の位相差をもって
動くディスプレーサーピストンを有しそのヘッド側の内
部空間には低温度レベルの作動ガスが出入すると共に他
方の側の内部空間には中温度レベルの作動ガスが出入す
る低温側シリンダと、高温度レベルの作動ガス用の加熱
器と、一方の開口を高温度レベルの作動ガスが出入する
と共に他方の開口を中温度レベルの作動ガスが出入する
再生器と、一方の開口を中温度レベルの作動ガスが出入
すると共に他方の開口を低温度レベルの作動ガスが出入
する再生器と、低温度レベルの作動ガスによる熱の汲み
上げ部としての熱交換器と、中温度レベルの作動ガスの
放熱器と、これら機器を結ぶ作動ガス通路と、上記放熱
器と暖房もしくは給湯などの負荷側とを結ぶ温水などの
流路または上記熱交換器と冷房もしくは冷凍などの負荷
側とを結ぶ冷水などの流路と、上記ディスプレーサーピ
ストンの駆動用の電動機とで構成された冷暖房装置にお
いて、その電動機には回転数可変の電動機が用いられ、
かつ、上記負荷の変化と関連して変化する物理量を検出
して電動機の回転数を調整する制御器が備えられている
ことを特徴とした冷暖房装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の物理量が冷
水などの流路の温度である冷暖房装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項に記載の物理量が温
水などの流路の温度である冷暖房装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項に記載の物理量が低
温度レベルの作動ガスの通路の温度である冷暖房装置。
【請求項５】ディスプレーサーピストンを有しそのヘッ
ド側の内部空間には高温度レベルの作動ガスが出入する
と共に他方の側の内部空間には中温度レベルの作動ガス
が出入する高温側シリンダと、このシリンダのディスプ
レーサーピストンの動きに対して一定の位相角をもって
動くディスプレーサーピストンを有しそのヘッド側の内
部空間には低温度レベルの作動ガスが出入すると共に他
方の側の内部空間には中温度レベルの作動ガスが出入す
る低温側シリンダと、高温度レベルの作動ガス用の加熱
器と、一方の開口を高温度レベルの作動ガスが出入する
と共に他方の開口を中温度レベルの作動ガスが出入する
再生器と、一方の開口を中温度レベルの作動ガスが出入
すると共に他方の開口を低温度レベルの作動ガスが出入
する再生器と、低温度レベルの作動ガスによる熱の汲み
上げ部としての熱交換器と、中温度レベルの作動ガスの
放熱器と、これら機器を結ぶ作動ガス通路と、上記放熱
器と暖房もしくは給湯などの負荷側とを結ぶ温水などの
流路または上記熱交換器と冷房もしくは冷凍などの負荷
側とを結ぶ冷水などの流路と、上記ディスプレーサーピ
ストンの駆動用の電動機とで構成された冷暖房装置にお
いて、その電動機には回転数可変の電動機が用いられ、
かつ、上記負荷の変化に関連して変化する物理量を検出
して電動機の回転数を調整する制御器と、この制御器で
調整される電動機の回転数変化に伴なって変化する高温
度レベルの作動ガスの温度を検出して上記加熱器の加熱
量を調節する制御器とが備えられていることを特徴とし
た冷暖房装置。