JPH07332781A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高効率で作動ガスを加熱することができ、し
かもガス漏れを確実に防止することができる冷凍装置を
提供する。 【構成】 いわゆるビルマイヤーヒートポンプ型の冷凍
装置において、その高温側シリンダのシリンダ空間内
に、作動ガスが通過する多数の伝熱性のガス細管３４
と、これらのガス細管の間にガス細管を加熱する電熱ヒ
ータ３３とを配置する構成としている。高温側シリンダ
１１の作動ガスは、伝熱性のガス細管３４を通過して高
温側シリンダのシリンダ空間１３を移動するが、ガス細
管内の作動ガスは加熱用の電熱ヒータ３３によりガス細
管を介して加熱される。このような構成によ、ガス細管
３４の間に電熱線が存在するため、ガス細管内における
作動ガスの流動損失を生じることがなく、またガス細管
に孔を穿ける必要もないので、この孔が原因となってガ
ス漏れや耐久性の低下等がない。また、ガス細管と電熱
ヒータとを配置だけであるから組み付けが簡単である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷凍装置に関し、特に
ガスサイクルを利用した熱機関に用いられる作動ガスを
効率よく加熱する構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、スターリング機関（ＳＴＥ、Ｓ
ＴＨ）やビルマイヤヒートポンプ（ＶＭＨＰ）等のよう
にガスサイクルを用いた熱機関では、内部の作動ガスを
加熱する必要のあることは知られている。

【０００３】この種のものでは、従来、多数の細管内に
作動ガスを導き、細管をガスバーナで加熱することによ
り、作動ガスを加熱するか、高温室の壁に埋め込んだ電
熱線に通電して加熱することにより、作動ガスを加熱す
るか等している。しかし、これらの方法では、外部の加
熱手段から高温室のハウジングを加熱するものであるか
ら、熱損失が大きく、加熱ムラが生じるという欠点があ
る。

【０００４】この問題を解決するために、細管の内部に
電熱線を挿入し、この電熱線に通電して発熱させること
により、作動ガスを直接加熱する技術が提案されている
（特開平３−２４４９６８号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の方法では、細管内に電熱線が存在するため、細管
内における作動ガスの流動損失が増大するので、冷凍サ
イクルの効率が低下するという問題がある。

【０００６】また、多数の細管内に電熱線を配置する構
造では、各細管壁に孔をあけなければならず、この孔が
原因となってガス漏れや応力集中による耐久性の低下な
どが生じるという問題がある。

【０００７】そこで、本発明の目的は、高効率で作動ガ
スを加熱することができ、しかもガス漏れを確実に防止
することができる冷凍装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の本発明は、低温側シリンダと高温側シリンダ
とを備え、低温側シリンダの低温室と中温室との間に低
温熱交換器を介在し、この低温熱交換器に低温負荷をつ
なぐと共に、高温側シリンダの高温室と中温室との間に
中温熱交換器を介在し、この中温熱交換器に高温負荷を
つなぎ、且つ、前記高温室側には作動ガスを加熱するた
めの加熱部を設けた冷凍装置において、前記加熱部は、
高温側シリンダのシリンダ空間内に、作動ガスが通過す
る多数の伝熱性のガス細管と、これらのガス細管の間に
ガス細管を加熱する電熱ヒータとを配置してなることを
特徴とするものである。

【０００９】第２の本発明は、前記加熱部は、更に、熱
膨脹マットを備えることを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】第１の本発明によれば、高温側シリンダの作動
ガスは、伝熱性のガス細管を通過して高温側シリンダの
加熱部を移動するが、ガス細管内の作動ガスは高温室内
に配置された加熱用の電熱ヒータによりガス細管を介し
て加熱される。

【００１１】従って、ガス細管の間に電熱ヒータが存在
するため、ガス細管内における作動ガスの流動損失を生
じることがなく、またガス細管に孔を穿ける必要もない
ので、この孔が原因となってガス漏れや耐久性の低下等
がない。即ち、本発明によれば高効率で作動ガスを加熱
することができ、しかも作動ガスのガス漏れを確実に防
止することができる。また、高温室内にガス細管と電熱
ヒータとを配置だけであるから組み付けが簡単である。

【００１２】第２の本発明によれば、加熱部には、更に
熱膨張マットが配置されているから、組み付け後に加熱
部を加熱することによって、熱膨張マットが膨脹し、シ
リンダ空間内に配置されているガス細管と電熱ヒータと
を圧接する。従って、組み付け時には隙間が生じていて
も、組み付け後にガス細管どうし及びガス細管と電熱ヒ
ータとを圧接するので、電熱面積を増加し、熱効率が良
い。また、ガス細管を圧接により固定できるので、組み
付けが簡単になる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による冷凍装置の一実施例を図
面を参照して説明する。

【００１４】図１において、冷凍装置１は、作動ガスが
封入された高温側シリンダ１１を有し、この高温側シリ
ンダ１１内には高温側ディスプレーサ１２が往復動可能
に装着されている。高温側ディスプレーサ１２の先端側
には、高温室１３が形成され、後端側には中温室１４が
形成されている。

【００１５】高温側ディスプレーサ１２の後端部には、
ピストンロッド４２ａが固定され、このピストンロッド
４２ａは機械室４１の内部に延出している。

【００１６】この機械室４１において、ピストンロッド
４２ａは回転軸４４回りを回転するクランク機構４３に
連結されており、このクランク機構４３には、同じく作
動ガスの封入された低温側シリンダ２１のピストンロッ
ド４２ｂが連結されている。

【００１７】ピストンロッド４２ｂは、低温側ディスプ
レーサ２２の後端部に固定されている。この低温側ディ
スプレーサ２２は往復動可能に装着され、その先端側に
は低温室２３が形成され、後端側には中温室２４が形成
されている。

【００１８】また、高温側シリンダ１１の先端部のシリ
ンダ空間には、加熱部３１が設けられているが、この加
熱部３１には、作動ガスが通過する多数の伝熱性のガス
細管３４と、これらのガス細管３４の間にこれらのガス
細管を加熱する電熱ヒータ３３とが収納されている。

【００１９】高温側シリンダ１１の周囲において、高温
室１３と中温室１４の間には外部管路３２が配置され、
この外部管路３２の一端は高温側シリンダ１１の高温室
１３に夫々連通し、他端は高温再生器５１、中温熱交換
器５２を介して中温室１４に夫々連通している。一方、
低温側シリンダ２１の低温室２３は、低温熱交換器５
５、低温再生器５６及び中温熱交換器５７を介して中温
室２４に連通し、この中温室２４は連通管５３を介して
高温側シリンダ１１の中温室１４に連通している。

【００２０】また、夫々の中温熱交換器５２、５７に
は、温水配管６２が配管され、この温水配管６２は循環
ポンプ６３を介して高温負荷としての室外熱交換器６１
につながれている。更に、低温熱交換器５５には冷水配
管７２が配管され、この冷水配管７２は、循環ポンプ７
３を介して低温負荷としての室内熱交換器７１につなが
れている。

【００２１】加熱部３１は、図２及び図３に示すよう
に、高温シリンダ１１における高温室１３のヘッドに設
けられており、作動ガスが通過する多数のガス細管３４
と、これらのガス細管３４を加熱する４本の電熱ヒータ
３３とが配置されている。

【００２２】ガス細管３４は、伝熱性が優れたいわゆる
金属パイプであるが、その寸法、形状等は特に限るもの
でないが、ガス細管３４の寸法を長くすれば、伝熱面積
を容易に増加することができる。

【００２３】また、ガス細管３４の孔径は、特に制限す
るものではないが、本実施例では例えば、直径２乃至３
mmのものが用いられる。

【００２４】ガス細管３４の形状は、断面が丸のものに
限らず、図８の（ａ）又は（ｂ）に示すように、断面が
四角形状や５角形形状であってもよく、このような多角
形形状とすることにより伝熱面積を増すことができる。

【００２５】ガス細管３４は、通常は中空を有するパイ
プを用いるが、複数の中実パイプを周囲に取り囲んで実
質的にガス細管３４を形成したり、またはガス細管３４
内に再生メッシュを封入した構成であってもよい。

【００２６】電熱ヒータ３３は、図３に示すように、互
いに等間隔に４個配置することに限らず、図４、図５に
示すように、同心円形状に多数配置するものであっても
よい。

【００２７】電熱ヒータ３３としては、図９に示すよう
な密封構造のシースヒータ３３を用いることが好まし
い。ここで、本明細書において、シースヒータとは、セ
ラミックス等で被覆した電熱線ヒータのことをいうもの
とする。

【００２８】この図９に示すシースヒータ３３では、イ
ンコネル又はインコロイ製のシース材（被覆外筒）３６
と、このシース材３６内に封入された電熱線３７とから
構成されており、シース材３６内には酸化マグネシウム
粉末が封入されていて、電熱線３７とシース材３６との
間が絶縁されている。尚、その基端部には、ねじ込み部
が形成されていて、高温シリンダのヘッドに容易に組み
付けできるようになっている。

【００２９】再び図２を参照するが、電熱ヒータ３３と
ガス細管３４とが配置された加熱部３１には、更に、そ
の外側周囲に熱膨脹マット３８が配置されており、組み
付け後に、熱により膨脹してその内側に配置されたガス
細管３４及び電熱ヒータ３３を圧接して、ガス細管を固
定するとともにその伝熱面を確実に接触させて伝熱効率
の向上を図っている。かかる熱膨脹マット３８は、組み
付け後に膨脹させるものであるから、容易に組み付ける
ことができる。

【００３０】かかる熱膨脹マット３８としては、具体的
には、バーミキュライト（又はグラファイト）とセラミ
ックファイバーを無機及び有機バインダ（又は有機バイ
ンダー）で接合してなるもの等、熱により体積が膨脹す
るものであればよい。

【００３１】また、熱膨脹マット３８を高温室１３を形
成するシリンダ内周壁に配置した場合には、壁とガス細
管３７との断熱を図ることができる。

【００３２】尚、熱膨張マット３８は、６及び図７に示
すように、高温室１３の内側（シリンダン内周壁の内
側）に配置するものであってもよく、また、図示してい
ないが、内側と外側とに二重に配置するものであっても
同様な効果を得ることができる。

【００３３】尚、ガス細管３４の長さを変えることによ
って伝熱量を調整することができる。

【００３４】次に、本実施例による冷凍装置の動作を説
明する。

【００３５】図１においてクランク機構４３が回転する
と、ピストンロッド４２ａ、４２ｂを介して高温側ディ
スプレーサ１２と低温側ディスプレーサ２２とが位相を
ずらして往復運動する。この往復運動の過程において
は、封入された作動ガスに圧力変動が起こり、この変動
に応じて、中温熱交換器５２、５７とに熱が与えられる
と共に、低温熱交換器５５からは熱が奪われる。

【００３６】そして、低温側シリンダ２１の低温熱交換
器５５には、室内熱交換器７１がつながれると共に、中
温熱交換器５２、５７には室外熱交換器６１がつながれ
るので、結局、低温作動ガスは低温熱交換器５５におい
て吸熱し、冷房運転が行われる。

【００３７】尚、中温熱交換器５２、５７につながれた
室外熱交換器６１を利用すれば、このシステムを暖房運
転に適用することは可能である。

【００３８】しかして、この実施例によれば、加熱部３
１における作動ガスの加熱手段に特徴を有するものであ
って、高温側シリンダの作動ガスは、伝熱性のガス細管
３４を通過して高温側シリンダのシリンダ空間（高温室
１３）を移動するが、ガス細管３４内の作動ガスは加熱
用の電熱ヒータ３３によりガス細管３４を介して加熱さ
れる。

【００３９】従って、従来のようにガス細管内に電熱ヒ
ータが存在しないためガス細管内における作動ガスの流
動損失を生じることがなく、またガス細管に孔を穿ける
必要もないので、この孔が原因となってガス漏れや耐久
性の低下等がない。即ち、高効率で作動ガスを加熱する
ことができ、しかも作動ガス漏れを確実に防止すること
ができる。また、高温室１３内にガス細管３４と電熱ヒ
ータ３３とを配置するだけであるから組み付けが簡単で
ある。

【００４０】更に、高温室１３には、熱膨張マット３８
が配置されているから、組み付け後に高温室１３を加熱
することによって、熱膨張マット３８が膨脹し、シリン
ダ空間内に配置されているガス細管３４と電熱ヒータ３
３とを圧接する。従って、ガス細管３４と電熱ヒータ３
３との接触面積を大くでき、伝熱面積を増加するので熱
効率が良い。また、圧接によりガス細管３４を確実に固
定することができるので、組み付けが簡単になる。

【００４１】また、電熱ヒータ３３としてシースヒータ
を用いるのでヒータの断線時等にはヒーターの交換が容
易にでき、メンテナンスが簡単になる。

【００４２】尚、ガス細管３４の長さを変えることによ
って、伝熱量を調整することができる。

【００４３】本発明は、上述した実施例に限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

【００４４】高温シリンダ１３の内面には、耐熱製セラ
ミック等のコーティング３９が施され、シリンダ容器の
断熱性及び耐熱性の向上が図られるものであっても良
い。

【００４５】また、ガス細管３４を通過するガスの流れ
は、いわゆるターンフローに限るものでなく、ガス細管
を通過するものであればどのようなフローパターンであ
ってもよい。

【００４６】

【発明の効果】第１の本発明によれば、高温側シリンダ
の作動ガスは、伝熱性のガス細管を通過して高温側シリ
ンダのシリンダ空間を移動するが、ガス細管内の作動ガ
スは加熱用の電熱ヒータによりガス細管を介して加熱さ
れる。従って、ガス細管の間に電熱線が存在するため、
ガス細管内における作動ガスの流動損失を生じることが
なく、またガス細管に孔を穿ける必要もないので、この
孔が原因となってガス漏れや耐久性の低下等がない。即
ち、高効率で作動ガスを加熱することができ、しかも作
動ガス漏れを確実に防止することができる。また、ガス
細管と電熱ヒータとを配置だけであるから組み付けが簡
単である。

【００４７】第２の本発明によれば、シリンダ空間に
は、更に熱膨張マットが配置されているから、組み付け
後にシリンダ空間を加熱することによって、熱膨張マッ
トが膨脹し、シリンダ空間内に配置されているガス細管
と電熱ヒータとを圧接する。従って、組み付け時には隙
間が生じていても、ガス細管と電熱ヒータとの接触面積
を大きくでき、電熱面積が増加するので熱効率が良い。
また、ガス細管を圧接により固定することができるの
で、組み付けが簡単になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による冷凍装置の一実施例を示す構成図
である。

【図２】図１に示す冷凍装置における高温シリンダの加
熱部を示す縦断面図である。

【図３】図２に示す加熱部における電熱ヒータとガス細
管との配列を示す横断面図である。

【図４】他の実施例による冷凍装置における高温シリン
ダの加熱部を示す縦断面図である。

【図５】図４に示す電熱ヒータとガス細管との配列状態
を示す横断面図である。

【図６】他の実施例による冷凍装置における高温シリン
ダの加熱部を示す縦断面図である。

【図７】図６に示す電熱ヒータとガス細管との配列状態
を示す横断面図である。

【図８】ガス細管の形状の変形例を示す断面図である。

【図９】本発明の実施例に用いられるシースヒータの一
部を切り欠いて示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 冷凍装置 １１ 高温側シリンダ １３ 高温室 ２１ 低温側シリンダ ２３ 低温室 ２４ 中温室 ３１ 加熱部 ３３ 電熱ヒータ ３４ ガス細管 ５５ 低温熱交換器 ５７ 中温熱交換器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低温側シリンダと高温側シリンダとを備
   え、低温側シリンダの低温室と中温室との間に低温熱交
   換器を介在し、この低温熱交換器に低温負荷をつなぐと
   共に、高温側シリンダの高温室と中温室との間に中温熱
   交換器を介在し、この中温熱交換器に高温負荷をつな
   ぎ、且つ、前記高温室側には作動ガスを加熱するための
   加熱部を設けた冷凍装置において、 前記加熱部は、高温側シリンダのシリンダ空間内に、作
   動ガスが通過する多数の伝熱性のガス細管と、これらの
   ガス細管の間にガス細管を加熱する電熱ヒータとを配置
   してなることを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記加熱部は、更に、熱膨脹マットを備
   えることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。