JPH08136074A - 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
熱交換部材３５を備え、熱交換部材３５には作動ガスが
通過する多数の伝熱性のガス通路３４と、これらのガス
通路の間にガス通路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、伝熱性のガス通路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、ガス通路内の作動ガス
は加熱用の電熱ヒータ３３によりガス通路を介して加熱
される。このような構成により、ガス通路内３４内にお
ける作動ガスの流動損失を生じることがなく、また電熱
線用の孔を穿ける必要もないので、ガス漏れや耐久性の
低下等がない。また、熱交換部材にはガス通路と電熱ヒ
ータ用のヒータ取付け孔とを形成するだけであるから組
み付けが簡単であり、且つ装置の小型化を図ることがで
きる。

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冷凍装置に
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、細管をガスバーナや電力等で加熱する
ことにより作動ガスを加熱するか（特開平４ー３５３３
６３号公報）、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
大きく且つ加熱ムラが生じるという欠点があった。

【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配置された熱交換部材
と電熱ヒータとを備え、前記熱交換部材には作動ガスが
通過する多数のガス通路と、これらのガス通路を加熱す
る電熱ヒータを配置するために貫通されたヒータ取付け
孔とが形成されていることを特徴とするものである。

【０００９】第２の発明は、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配置された熱
交換部材と電熱ヒータとを備え、前記熱交換部材には作
動ガスが通過する多数のガス通路と、これらのガス通路
を加熱する電熱ヒータを配置するためにシリンダ空間側
が密封された盲穴であるヒータ取付け孔とが形成されて
いることを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】第１の発明によれば、高温側シリンダの作動ガ
スは、熱交換部材「加熱用ブラケット」ともいうガス通
路を通過して高温側シリンダの加熱部を移動する。熱交
換部材は、熱交換部材のヒータ取付け孔に配置された加
熱用の電熱ヒータにより加熱されるので、ガス通路内の
作動ガスは熱交換部材自体から熱を受けて加熱される。

【００１１】従って、熱交換部材に電熱ヒータが存在す
るため、ガス通路内における作動ガスの流動損失を生じ
ることがなく、また高温側シリンダヘッド等に孔を穿け
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、
電熱ヒータを組み付けた熱交換部材を配置しただけであ
るから組み付けが簡単であり且つ加熱器の小型化を図る
ことができる。ガス通路及び電熱ヒータは熱交換部材に
貫通孔を形成するだけであるから製造が容易である。

【００１２】第２の発明によれば、第１の発明におい
て、更に電熱ヒータを挿入するヒータ取付け孔が盲穴と
なっているので、電気ヒータの挿入穴を通じて作動ガス
が漏れるのを防止できる。従って、シリンダヘッドに電
気ヒータを取付ける際に溶接等により漏れを防止する必
要がないので、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の回りを回転するクランク機構４３
に連接棒を介して連結されており、このクランク機構４
３には、同じく作動ガスの封入された低温側シリンダ２
１のピストンロッド４２ｂが連接棒を介して連結されて
いる。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。尚、本実施例では、ディスプレーサ１２の頭部は
平坦面となっている。

【００１７】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、電熱ヒータ３３を備えた熱交換部材（又
は加熱用ブラケット）３５が配置されており、熱交換部
材３５に形成されたガス通路３４を通過するガスが加熱
されるようになっている。この加熱部３１の詳細な構成
は後述する。

【００１８】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、高温再生器５１に連通し、他端は中温熱交換器５
２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５５、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。

【００１９】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。

【００２０】加熱部３１に配置された熱交換部材３５
は、図２及び図３に示すように、円柱形状に形成されて
おり、高温シリンダ１１のシリンダ空間に設けられてい
る。この熱交換部材３５のディスプレーサピストン１２
側に位置する底面は、ディスプレーサ１２の頭部の形状
に対応して平坦に形成されている。

【００２１】熱交換部材３５には、作動ガスが通過する
多数のガス通路３４と電熱ヒータ３３が挿入されるヒー
タ取付け孔３９が形成されている。このヒータ取付け孔
３９は、電熱ヒータ３３の寸法よりもわずかに大きい寸
法で熱交換部材３５を貫通して形成されており、電熱ヒ
ータ３３の出し入れが容易にできるようになっている。
これらの電熱ヒータ３３は熱交換部材３５全体を加熱
し、この熱交換部材３５に形成されたガス通路３４を通
過する作動ガスを加熱するものである。

【００２２】熱交換部材３５には、本実施例では４本の
電熱ヒータ３３が配置され、これに応じて、熱交換部材
３５を貫通して形成されたヒータ取付け孔３９が互いに
等間隔に４個形成されているが、これに限らず、必要に
応じて６個、８個等の多数の電熱ヒータを取付けるもの
であっても良い。

【００２３】熱交換部材３５として用いられるものは、
耐熱性且つ伝熱性が優れた金属材料が好ましい。具体的
には、ＳＵＳや焼結合金製のものが用いられる。また、
熱交換部材３５の寸法、形状等は特に限るものでない
が、ガス通路３４の寸法が長くなるように寸法を長くす
れば、伝熱面積の増加を図ることができる。

【００２４】ガス通路３４の形状は、断面が丸のものに
限らず、断面が四角形状や五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】尚、ガス通路３４内には、再生メッシュを
封入して熱交換効率を高めることができる。

【００２６】電熱ヒータ３３としては、図７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。

【００２７】この図７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、高温シリンダのシリンダヘッド８に
容易に組み付けできるようになっている。

【００２８】再び図２を参照するが、電熱ヒータ３３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熱交換部材３５を圧接
して、確実に固定するようになっている。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とともに断熱を図る
ことができる。

【００２９】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。

【００３０】次に、本実施例による冷凍装置の動作を説
明する。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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
転に適用することも可能である。

【００３４】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、ガス通路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、ガス通路３４内の作動ガスは熱交換部材３
５を介して電熱ヒータ３３により加熱される。

【００３５】従って、本実施例では、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通路内におけ
る作動ガスの流動損失を生じることがなく、またガス通
路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生じることがない。即ち、
本実施例によれば、高効率で作動ガスを加熱することが
でき、しかも作動ガス漏れを確実に防止することができ
る。また、高温室１３内に熱交換部材３５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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】例えば、図４及び図５に示すように、熱交
換部材３５の底面（ディスプレーサ１２側）の形状は、
ディスプレーサ１２の頭部の形状に沿って、球面状の凹
み３５ａを有する形状であっても同様な効果を得ること
ができる。この場合、ディスプレーサ１２の頭部を球面
形状にすることによって、その表面積を広くできるので
ディスプレーサ１２の移動をスムーズにすることができ
るとともに、ディスプレーサ１２の頭部形状に沿って熱
交換部材３５の底面形状を形成することによって、高温
室１３の有効利用を図ることができる。

【００３９】また、熱交換部材３５に形成されるヒータ
取付け孔３９は、図６に示すように、高温室側が密封さ
れた盲穴に形成されていてもよい。この場合、盲孔４０
はシリンダヘッドに有底の円筒カバーを一体組付けして
もよい。このように、ヒータ取付け孔３９を盲孔４０と
することによって、ヒータ取付け孔４０からの作動ガス
の漏れを確実に防止することができる。特に、電熱ヒー
タ３３をシリンダヘッドに取付ける際に、シリンダヘッ
ドとの溶接等によるシールを必要としないので、組み付
けが容易になる。

【００４０】

【発明の効果】第１の発明によれば、高温側シリンダの
作動ガスは、ガス通路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、ガス通路内の作動ガスは加熱用
の電熱ヒータにより熱交換部を介して加熱される。従っ
て、ガス通路の間に電熱線等がが存在しないため、ガス
通路内における作動ガスの流動損失を生じることがな
く、またシリンダヘッド等に孔を穿ける必要もないの
で、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、ガス通路と電熱ヒ
ータとを配置するだけであるから組み付けが簡単であ
り、且つ加熱器の小型化を図ることができる。

【００４１】更に、高温室内に、電熱ヒータを組み付け
た熱交換部材を配置するだけであるから組み付けが簡単
である。しかも、ガス通路及び電熱ヒータは熱交換部材
に貫通孔を形成するだけであるから製造が容易である。

【００４２】第２の発明によれば、第１の発明におい
て、更に電熱ヒータを挿入するヒータ取付け孔が盲穴と
なっているので、電気ヒータのヒータ取付け孔を通じて
作動ガスが漏れるのを防止できる。従って、シリンダヘ
ッドに電気ヒータを取付ける際に溶接等により漏れを防
止する必要がないので、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に示す加熱部の熱交換部材の斜視図であ
る。

【図４】他の実施例による冷凍装置の構成図である。

【図５】図４に示す加熱部の熱交換部材の斜視図であ
る。

【図６】他の実施例によるヒータ取付け孔の部分を抜き
出して示す断面図である。

【図７】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 ３５ 熱交換部材 ３９ ヒータ取付け孔 ３４ ガス通路 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配置
   された熱交換部材と電熱ヒータとを備え、前記熱交換部
   材には作動ガスが通過する多数のガス通路と、これらの
   ガス通路を加熱する電熱ヒータを配置するために貫通さ
   れたヒータ取付け孔とが形成されていることを特徴とす
   る冷凍装置。
2. 【請求項２】 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配置
   された熱交換部材と電熱ヒータとを備え、前記熱交換部
   材には作動ガスが通過する多数のガス通路と、これらの
   ガス通路を加熱する電熱ヒータを配置するためにシリン
   ダ空間側が密封された盲穴であるヒータ取付け孔とが形
   成されていることを特徴とする冷凍装置。