JPH0735428A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ビルマイヤサイクルヒートポンプ型の冷凍機
で、ガスの流動損失を少くでき、機械的損失が小さく且
つ小型の冷凍機の提供。 【構成】 高温側回路３と低温側回路５とを備え、回路
３と回路５とは互に導圧管６により接続されており、回
路３は回路内のガスに熱を付与する高温熱交換ユニット
９と、回路内のガスから熱を取り出す第１中温熱交換ユ
ニット１１と、熱の受け取りと付与を適宜おこなう第１
再生器ユニット１３と、回路内ガスを一方向に循環させ
る第１ガス移送装置１５とを備え、回路５は回路内のガ
スにより冷却される低温熱交換ユニット３９と、回路内
のガスから熱を取り出す第２中温熱交換ユニット３７
と、熱の受け取りと付与を適宜おこなう第２再生器ユニ
ット４１と、回路内のガスを一方向に循環させる第２ガ
ス移送装置４３とを備え、作動ガスは常に一方向に循環
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温熱交換ユニットに
より外部から回路内のガスに熱を与える一方、低温熱交
換器ユニットにより外部の熱を汲み上げて冷却するガス
サイクルを用いる冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の冷凍装置として、特開平
１ー１３７１６４号公報に開示されているようなビルマ
イヤサイクルヒートポンプが公知であるが、この公報に
開示の技術は、図６に示すように、シリンダ７０及びデ
ィスプレーサ７１によりガスの作動空間を形成するとと
もに、ディスプレーサ７１の往復運動により作動空間の
容積を変化させて作動ガスの移送を行い、作動ガスは往
復流として、再生器７３、７４及び熱交換器７５、７６
内を通過させるようにしている。

【０００３】しかし、この従来のビルマイヤサイクルヒ
ートポンプでは、以下の欠点があった。

【０００４】（１）ディスプレーサ、クランクシャフ
ト、コンロッド等の部品を必要とするため装置が大型化
し重量も大きくなる。

【０００５】（２）往復運動部があるため、振動及び騒
音が大きい。

【０００６】（３）再生器を通過するガスが往復流なの
で流動損失が大きい。

【０００７】（４）摩擦摺動部（符号７７等）にシール
が必要なため、機械損失が大きい。

【０００８】（５）ガス移送装置としてのシリンダ、デ
ィスプレーサ等の組み立てが複雑である。

【０００９】これに対して、図７に示すように、特開平
４ー３４００６０号公報には、ビルマイヤサイクルヒー
トポンプのガス移送装置として、ペリトロコイド曲線型
のロータ８１及びハウジング８３を用い、往復動でな
く、ロータ８１を常時一方向に回転させて、ガスを流動
させる構成が開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ペリトロコイド曲線型のロータ等を用いたガス移送装置
では、ロータの往復動作はないものの、再生器を通過す
るガスは往復動となるためガスの流動損失が大きく、ま
た、ロータ等が複雑な形状を有するため装置が複雑で大
型になり、更に、摺動部の摩擦面積が大きいため機械的
損失が大きいという問題点がある。

【００１１】そこで、本発明の目的は、ビルマイヤサイ
クルヒートポンプ型の冷凍器であって、ガスの流動損失
を小さくでき、機械的損失が小さく且つ小型の冷凍器を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、高温側回路と低温側回路とを備え、これ
らの高温側回路と低温側回路とは互いに導圧管により接
続されており、前記高温側回路は、回路内のガスに熱を
付与する高温熱交換ユニットと、回路内のガスから熱を
取り出す第１中温熱交換ユニットと、熱の受け取りと付
与を適宜おこなう第１再生器ユニットと、回路内のガス
を一方向に循環させる第１ガス移送装置とを備え、前記
低温側回路は、回路内のガスにより冷却される低温熱交
換ユニットと、回路内のガスから熱を取り出す第２中温
熱交換ユニットと、熱の受け取りと付与を適宜おこなう
第２再生器ユニットと、回路内のガスを一方向に循環さ
せる第２ガス移送装置とを備えることを特徴とするもの
である。

【００１３】

【作用】本発明によれば、第１及び第２ガス移送装置に
より高温側回路及び低温側回路内のガスをそれぞれ常時
一方向に循環させ、そして高温側回路では、高温熱交換
器ユニットにおいて回路内のガスに熱を付与し、そのガ
スを、第１中温熱交換ユニット、第１再生器ユニットを
通過させて、所用の熱交換を行い、同様にして低温側回
路では、第２中熱交換ユニット、第２再生器ユニットを
通過させて所用の熱交換を行い、更に低温熱交換ユニッ
トで回路内の低温ガスがここから熱を汲み上げて冷凍機
に必要な低温を得る。尚、高温側及び低温側回路内ガス
の圧力は導圧管を介して、互いに伝達される。

【００１４】従って、本発明では、作動ガスは常に一方
向に循環させるものであり、且つ容積変化を生じさせる
ためのロータ等を必要としないから、ガスの流動損失を
小さくでき、機械的損失が小さく且つ小型にすることが
できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例による冷凍装置を添付
図面の図１乃至図５を参照して説明する。

【００１６】図１及び図５に示すように、冷凍装置１
は、概して高温側回路３と低温側回路５と、これらの高
温側回路３と低温側回路５とを接続する導圧管６とから
構成されている。各回路３、５の管内には、ヘリウム
（Ｈｅ）ガス等の作動ガス（以下単に「ガス」という）
が封入されている。

【００１７】高温側回路３は、適宜回路内のガスに熱を
付与する高温熱交換ユニット９と、回路内のガスから熱
を取り出す第１中温熱交換ユニット１１と、熱の受け取
りと付与を適宜おこなう第１再生器ユニット１３と、回
路内のガスを一方向に循環させる第１ガス移送装置１５
とから構成されており、各ユニット９、１１、１３で
は、それぞれ制御装置１７によりガスの流路が制御され
ている。

【００１８】高温熱交換ユニット９は、ガスバーナ又は
電熱線等により加熱領域１９にある回路内のガスを加熱
する発熱体２１を備えている。また、加熱領域１９をバ
イパスする第１バイパス通路２３が設けられており、第
１切り換えバルブ２５によりガスの導入を加熱領域１９
または第１バイパス通路２３に切り換えている。尚、第
１切り換えバルブ２５は制御装置１７によりその切り換
えが制御されている。

【００１９】第１中温熱交換ユニット１１には、図３に
更に詳図するように、ガスの熱を熱交換する熱交換器２
７と、この熱交換器２７をバイパスする第２バイパス通
路２９とが設けられており、熱交換器２７と第２バイパ
ス通路２９との切り換えは、第２切り換えバルブ３１に
よりなされている。この第２切り換えバルブ３１は、制
御装置１７によりその切り換えが制御されている。

【００２０】第１ガス移送装置１５は、高温側ガス回路
３内のガスを一方向に循環させるもので、ガスを一方向
に流すものであればよく、例えばブロワやポンプ等が用
いられるが、本実施例ではルーツ式ブロワを用いてい
る。

【００２１】第１再生器ユニット１３は、図２に更に詳
図するように、通過するガスの熱を蓄熱しあるいは蓄熱
した熱を適宜通過するガスに付与する蓄熱体３３と、こ
の蓄熱体３３をバイパスする第３バイパス通路３５とを
備えており、蓄熱体３３と第３バイパス通路３５との切
り換えは、第３切り換えバルブ３４によりなされてい
る。この第３切り換えバルブ３４も制御装置１７により
その切り換えが制御されている。

【００２２】低温側回路５は、回路内のガスから熱を取
り出す第２中温熱交換ユニット３７と、回路内のガスに
より冷却される低温熱交換ユニット３９と、熱の受け取
りと付与を適宜おこなう第２再生器ユニット４１と、回
路内のガスを一方向に循環させる第２ガス移送装置４３
から構成されており、各ユニット３７、３９、４１で
は、高温側回路３と同様に制御装置１７によりガスの流
路が制御されている。

【００２３】第２中温熱交換ユニット３７には、第１熱
交換ユニットと同様に、ガスの熱を熱交換する熱交換器
４５と、この熱交換器４５をバイパスする第４バイパス
通路４７とが設けられており、熱交換器４５と第４バイ
パス通路４７との切り換えは、第４切り換えバルブ４９
によりされている。この第４切り換えバルブ４９は、制
御装置１７によりその切り換えが制御されている。

【００２４】低温熱交換ユニット３９には、外部から熱
を汲み上げる熱交換器５１と、この熱交換器５１をバイ
パスする第５バイパス通路５３とが設けられており、熱
交換器５１と第５バイパス通路５３との切り換えは、第
５切り換えバルブ５５によりなされている。本装置は、
この低温熱交換ユニット３９で外部の熱を汲み上げるこ
とによって、冷凍機としての冷却に寄与するものであ
る。

【００２５】第２ガス移送装置４１は、低温側ガス回路
５内のガスを一方向に循環させるもので、ガスを一方向
に流すものであればよく、例えばブロワやポンプ等が用
いられるが、本実施例ではルーツ式ブロワを用いてい
る。

【００２６】第２再生器ユニット４１は、上述した第１
再生器ユニットと略同じ構成であり、通過するガスの熱
を蓄熱しあるいは蓄熱した熱を適宜通過するガスに付与
する蓄熱体５７と、この蓄熱体５７をバイパスする第６
バイパス通路５９とを備えており、蓄熱体と第５バイパ
ス通路５９との切り換えは、第５切り換えバルブ６１に
よりなされている。この第６切り換えバルブ６１も制御
装置１７によりその切り換えが制御されている。

【００２７】導圧管６は、高温側回路３の第１中温熱交
換ユニット１１と第１ガス移送装置１５との間、及び低
温側回路５の第２中温熱交換ユニット３７と第２再生器
ユニット４１との間において、高温側回路３と低温側回
路５とを接続しており、各回路３、５内の圧力を伝達し
ている。

【００２８】次に、本実施例の作用について説明する。

【００２９】本実施例では、各回路内のガスはガス移送
装置により共に、矢印に示すように一方向に循環され
る。以下に、図４及び図５を参照して熱の移動状態毎に
おける各回路内のガスの流れについて説明する。

【００３０】（１）図４の（１）では、高温側回路にお
ける第１中温熱交換ユニット１１の放熱状態を示す。

【００３１】この状態において、高温側回路３では（図
５参照）、ガスは、第１バイパス通路２３、熱交換器２
７、第１ガス移送装置１５、第３バイパス通路３５を通
過して循環し、低温側回路５では第４バイパス通路４
７、第５バイパス通路５３、第２ガス移送装置４３、蓄
熱体５７を通過して循環する。

【００３２】ここで、低温側回路５では、蓄熱体５７で
熱を放熱してガスに熱を与えるので低温側回路５の内圧
は上昇し、温度も上昇する。低温側回路５内の高圧は導
圧管６を介して高温側回路３に伝達され、これにより高
温側回路３の内圧と温度が上昇する。

【００３３】そして、高温側における第１中温熱交換ユ
ニット１１の第１熱交換器２７で高温になったガスの熱
が放熱される。第１中温熱交換ユニット１１には、暖房
や湯沸かし器等の負荷が接続されており、かかる熱の付
与によりこの負荷側媒体の温度が上昇する。

【００３４】（２）図４の（２）では、低温側回路にお
ける第２中温熱交換ユニット１１の放熱状態を示す。

【００３５】この状態において、高温側回路３では、ガ
スは、第１バイパス通路２３、第２バイパス通路２９、
第１ガス移送装置１５、蓄熱体３３を通過して循環し、
低温側回路５では第２熱交換器４５、第５バイパス通路
５３、第２ガス移送装置４３、第６バイパス通路５９を
通過して循環する。

【００３６】ここで、高温側回路３では、第１再生器ユ
ニットの蓄熱体３３で熱を放熱してガスに熱を与えるの
で高温側回路３の内圧は上昇し、温度も上昇する。高温
側回路３内の高圧は、導圧管６を介して低温側回路５に
伝達され、これにより低温側回路５の内圧と温度が上昇
する。

【００３７】そして、第２中温熱交換ユニット３７の第
２熱交換器４５でガスの熱が放熱される。第２中温熱交
換ユニット３７には、高温側の第１中温熱交換ユニット
と共通の暖房や湯沸かし器等の負荷が接続されており、
この負荷側媒体の温度が上昇する。

【００３８】（３）図４の（３）では、高温側回路３に
おける高温熱交換ユニット９の吸熱状態を示す。

【００３９】この状態において、高温側回路３では、ガ
スは、加熱領域１９、第２バイパス通路２９、第１ガス
移送装置１５、第３バイパス通路３５を通過して循環
し、低温側回路５では第４バイパス通路４７、第５バイ
パス通路５３、第２ガス移送装置４３、蓄熱体５７を通
過して循環する。

【００４０】ここで、低温側回路５では、蓄熱体５７で
ガス熱を吸収して蓄熱するので低温側回路３の内圧は下
降して低圧となり、温度も下降する。低温側回路５の低
圧は、導圧管６を介して高温側回路３に伝達され、これ
により高温側回路３の内圧と温度が下降する。

【００４１】そして、高温側回路３の熱交換ユニット９
では、加熱領域１９で発熱体２１の熱がガスに吸熱され
る。

【００４２】（４）図４の（４）では、低温側回路５に
おける低温熱交換ユニット３９の吸熱状態を示す。この
状態において、高温側回路３では、ガスは、第１バイパ
ス通路２３、第２バイパス通路２９、第１ガス移送装置
１５、蓄熱体３３を通過して循環し、低温側回路５で
は、第４バイパス通路４７、低温側ユニットの熱交換器
５１、第２ガス移送装置４３、第６バイパス通路５９を
通過して循環する。

【００４３】ここで、高温側回路５では、蓄熱体３３で
ガス熱を吸収して蓄熱するので低温側回路３の内圧は下
降して低圧となり、温度も下降する。高温側回路３の低
圧は、導圧管６を介して低温側回路５に伝達され、これ
により低温側回路５の内圧と温度が下降する。

【００４４】そして、低温側回路５の低温熱交換ユニッ
ト３９では、熱交換器５１から熱を吸収して、熱交換器
５１に導入されている負荷媒体の温度を低下させる。こ
れにより冷凍装置として作用することになる。

【００４５】本装置では上述の（１）〜（４）の工程が
繰り返される。

【００４６】しかして、この実施例によれば、作動ガス
は常に一方向に循環させるものであり、且つ容積変化を
生じさせるためのロータ等を必要としないから、ガスの
流動損失を小さくでき、機械的損失が小さく且つ小型に
することができる。

【００４７】更に、往復運動部がないため、振動及び騒
音が小さく、また再生器ユニットの蓄熱体３３を通過す
るガスは一方向流であり、往復流でないため従来の往復
流に比べて流動損失が小さく、ディスプレーサ等の摩擦
摺動部がないためにシールが必要なく、ガス移送装置
（第１及び第２ガス移送装置）は一方向の送風だけなの
で構成を簡単にすることができる。

【００４８】本発明は上述した実施例に限定されるもの
でなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能
である。

【００４９】例えば、各ユニットにおけるバイパス及び
バイパスに流路を切り換える切り換えバルブは必ずしも
必要でなく、必要に応じて熱の受け渡しを制御できるも
のであればよい。

【００５０】

【発明の効果】本発明の冷凍装置によれば、高温側回路
と低温側回路とを備え、これらの高温側回路と低温側回
路とは互いに導圧管により接続し、第１及び第２ガス移
送装置により回路内のガスを一方向に循環させる構成で
あるから、容積変化を生じさせるためのロータ等を必要
としないので、ガスの流動損失を小さくでき、機械的損
失が小さく且つ小型にすることができる。

【００５１】また、往復運動部がないため、振動及び騒
音が小さく、また再生器（第１及び第２再生器ユニッ
ト）を通過するガスは一方向流であり、往復流でないた
め従来の往復流に比べて流動損失が小さく、ディスプレ
ーサ等の摩擦摺動部がないためにシールが必要なく、第
１及び第２ガス移送装置は送風だけなので構成を簡単に
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による冷凍装置の概略的構成を示す回路
図である。

【図２】図１に示す第１及び第２再生器ユニットの構成
を示す回路図である。

【図３】図１に示す第１及び第２中温熱交換ユニットの
構成を示す回路図である。

【図４】本実施例の作用を説明するための図である。

【図５】図１に示す冷凍装置の具体的構成を示す回路図
である。

【図６】従来のビルマイヤヒートポンプによる冷凍装置
の構成を示す図である。

【図７】他の従来のビルマイヤヒートポンプによる冷凍
装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 冷凍装置 ３ 高温側回路 ５ 低温側回路 ６ 導圧管 ９ 高温熱交換ユニット １１ 第１中温熱交換ユニット １３ 第１再生器ユニット １５ 第１ガス移送装置 ３７ 第２中温熱交換ユニット ３９ 低温熱交換ユニット ４１ 第２再生器ユニット ４３ 第２ガス移送装置

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【手続補正書】

【提出日】平成５年８月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】第２ガス移送装置４３は、低温側ガス回路
５内のガスを一方向に循環させるもので、ガスを一方向
に流すものであればよく、例えばブロワやポンプ等が用
いられるが、本実施例ではルーツ式ブロワを用いてい
る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】第２再生器ユニット４１は、上述した第１
再生器ユニットと略同じ構成であり、通過するガスの熱
を蓄熱しあるいは蓄熱した熱を適宜通過するガスに付与
する蓄熱体５７と、この蓄熱体５７をバイパスする第６
バイパス通路５９とを備えており、蓄熱体と第６バイパ
ス通路５９との切り換えは、第６切り換えバルブ６１に
よりなされている。この第６切り換えバルブ６１も制御
装置１７によりその切り換えが制御されている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】ここで、高温側回路３では、蓄熱体３３で
ガス熱を吸収して蓄熱するので高温側回路３の内圧は下
降して低圧となり、温度も下降する。高温側回路３の低
圧は、導圧管６を介して低温側回路５に伝達され、これ
により低温側回路５の内圧と温度が下降する。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温側回路と低温側回路とを備え、これ
   らの高温側回路と低温側回路とは互いに導圧管により接
   続されており、 前記高温側回路は、回路内のガスに熱を付与する高温熱
   交換ユニットと、回路内のガスから熱を取り出す第１中
   温熱交換ユニットと、熱の受け取りと付与を適宜おこな
   う第１再生器ユニットと、回路内のガスを一方向に循環
   させる第１ガス移送装置とを備え、 前記低温側回路は、回路内のガスにより冷却される低温
   熱交換ユニットと、回路内のガスから熱を取り出す第２
   中温熱交換ユニットと、熱の受け取りと付与を適宜おこ
   なう第２再生器ユニットと、回路内のガスを一方向に循
   環させる第２ガス移送装置とを備えることを特徴とする
   冷凍装置。