JPH08503059A

JPH08503059A - エラストマーベッド

Info

Publication number: JPH08503059A
Application number: JP6511275A
Authority: JP
Inventors: グレゴリアアントニージェイデ
Original assignee: エラステックインコーポレイテッド
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1996-04-02
Also published as: WO1994010517A1; EP0670030A4; AU5587994A; US5465781A; US5339653A; CA2148093A1; EP0670030A1

Abstract

(57)【要約】高性能、低コストのリジェネレータ／熱交換器マトリクスベッド。ベッドは、スペーサ（２８）によって分けられ且つ積層された、多数の伸ばされたエラストマーシート（２６）からなる。完成したマトリクスは、多孔度が大きく、狭い均ーな遮断されていないチャネル（２５）を備えた平行板タイプのものである。ベッドは、室温近傍でのリジェネレータ用途に理想的である。このベッドは、エラストマーシートの伸びを周期的に素早く増減させることができる機構に取付けられたときに、熱を汲み出すため、或いは、熱交換のために使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】エラストマーベッド技術分野本発明は、概略的には、熱伝達装置、即ち、熱交換器或いは再生器（heat exc hanger）、冷蔵庫或いは冷凍機（refrigirator）、エアコン、換気装置及びヒートポンプに関連し、より詳細には、ゴム又は同様のエラストマーの熱弾性作用及び熱交換器の原理（regenerator principle）に関連する。本発明は、特に、室温近傍の熱交換器或いは再生器（regenerator）の用途に適切である。発明の背景ヒートポンプ及び冷凍機は、低い温度側から高い温度側に熱を汲み出すために、一つの形態のエネルギを熱エネルギに変換することに依存する。最も一般に用いられる装置である、”蒸気圧縮サイクル（vapor compressionc ycle）”は、気体の膨張及び圧縮に依存し、気体を断熱圧縮したときその温度が上昇し、気体を断熱膨張させたときその温度が降下するという原理を利用する。典型的には、流体を利用して熱を圧縮した気体から吸収する一方、もう一つの流体が熱を膨張した気体に引き渡す。今日、そのような機械的システムが、冷却の分野を支配している。これらのシステムは、典型的には塩フッ化炭素類即ちクロロフルオロカーボン類である液体冷媒を使用する。これらの冷媒は揮発し易く、大部分の材料と化学反応を起こさず、殆ど無臭で、燃えにくく、腐食性でなく、非常に安定し、且つ、代替物に比べて毒性が低いので、概して好まれてきた。しかしながら、１９７４年以来、クロロフルオロカーボンは、オゾンを破壊する性質のために環境問題の関心事にされてきており、この関心事はついには、クロロフルオロカーボンの製造及び使用に関する世界的な制限を確立した１９８９年の国際条約即ちオゾン層を消耗させる物質に関するモントリオール議定書となった。合衆国の空気清浄法により、クロロフルオロカーボンは１９９６年までに段階的に廃止されることになる。クロロフルオロメタン代替技術の世界的なコストの見積りは行われていないが、これらの冷媒に基づく、変更或いは取り替えなければならない装置は、合衆国だけで、約１億３千５百万ドルに値すると見積もられている。かくして、新しい熱伝達、冷蔵、熱交換の方法に対するニーズがある。更に、簡単な換気用途は、高品質の屋内空気を提供するエネルギ有効熱回収システムを必要とする。最近では、省エネルギ手段と、このような省エネルギ手段によって生じた質の低い屋内空気から起きる健康要因と、の間でジレンマが存在する。熱の汲み出し、冷蔵等への別のアプローチが知られているが、いずれもが蒸気圧縮システムの広範な使用、効率及び実用的な設計には近づかなかった。そのようなアプローチの一つに、磁熱効果を利用するものがある。この磁熱システムは、熱変化を起こすために、磁性の変化を利用する、即ち、ある種の磁性材料が磁化するときに暖まり、消磁するときに冷えることを利用する。種々の試作品及びモデルが示されてきた。例えば、低温学（CRYOGENIC）、第１７巻（１９７７年）、第６８９頁のプラット等（Pratt et al）の論文、J．Appl．Phys．の第４７巻（１９７６年）のブラウン（Brown）の論文を参照のこと。ごく最近では、熱交換器の原理即ちリジェネレータの原理（regenerator prin ciple）を使用する能動式磁気冷蔵機（active magnetic refrigerator）に関しての、テスト結果が報告されている。例えば、バークレイ等（Barclay et al）の米国特許第4,332,135 号明細書、及び、Adv.Cryogenic Eng.、３７巻のパ-トＢ（１９９２年）、第８７５頁乃至第８８２頁のＡ．Ｊ．デグレゴリア等（DeGr egoriaet al）の論文を参照のこと。熱交換器の原理は、流体（シャトル流体と呼ばれる流体）を異なった温度の２つのリザーバの間で往復動させて交換するとき、即ち、ディスプレイサ（displacer）のような、システムの中に往復する流体流をおこすための或る機構を用いて熱い流体或いは冷たい流体による流れを交互に起こすときの熱交換を含む。二部式リジェネレータサイクル（two-part reg enerator cycle）は、多孔性熱伝達材料のベッドを通る冷たいリザーバから熱いリザーバへの流体の流れと、これに続く、ベッドを通る熱いリザーバから冷たいリザーバへの流れとからなる。ベッドの熱容量が、シャトル流体の熱容量に比して非常に大きい場合に、リジェネレータ（regenerator）即ち熱交換器即ち再生器内に温度分布が確立される。シャトル流体は、逆戻りする前に一方向に流れる総流体質量である。何回も往復して流れた後、ベッドの材料は、冷たい流体が入る側から熱い流体が入る側まで増大する温度分布を確立する。冷たい方から熱い方への流れの間、流体は、冷たい熱交換器の温度である温度Ｔ_cで入る。この流体は、ベッドの中を通るにつれてベッドによって温められ、熱い熱交換器の温度、即ち温度Ｔ_Hより低い温度でベッドを出る。熱い方から冷たい方への流れの間、流体は温度Ｔ_Hでベッドに入る。流体は、ベッドの中を通るにつれてベッドによって冷やされ、Ｔ_cより高い温度でベッドと出る。ベッドの入口から出口への流体の温度差ΔＴは、熱いリザーバから冷たいリザーバへの熱の流れを引き起こす。もし、リジェネレータ即ち再生器が無かったとしたならば、最悪の場合でも、それはＴ_H−Ｔ_cである。 ΔＴの（Ｔ_H−Ｔ_c）に対する比率はリジェネレ-タイニイフェクティブネス即ち再生器無駄（regenerator ineffectiveness）と呼ばれる。サイクルの間、ベッドは、正味熱（net heat）を受入れない。ベッドは、中間熱リザーバとして機能し、温かい気体から熱を吸収し、それを冷たい気体に捨てる。受動的熱交換装置（passive generatice device）、例えば、回転式の空気・空気熱交換器（rotary air-to-air heat exchanger）が説明されてきている。スティール（Steele）の米国特許第4,432,409号明細書は、ガス通路を形成するのに適した空間を備えたハブに巻かれたプラスチックのストリップで作られたマトリクス（多孔性ベッド）を説明する。プラスチックは、その高い熱容量のために採用された。スティール等（Steele et al）の米国特許第4,875,520号明細書は、エンタルピ交換器(enthalpy exchanger）、即ち、顕熱と潜熱の両方を取り除くように設計された熱交換器（heat exchanger）を作るためにプラスチックに乾燥剤をつけた、同様のホイールの構成を説明する。エンタルピ交換器は、屋内から屋外への湿度の交換及び熱の交換を最小にできるので、多くの熱、換気、空調（heat， ventilation,air conditioning:HVAC）の用途において、著しい利点を提供する。スティール等の装置では、乾燥剤を付加する前に、プラスチックシートの外層を溶解させるために溶剤を使用する。次いで、乾燥剤粒子を添加し、部分的にプラスチック内に埋め込む。能動式磁気再生器冷凍機（active magnetic regenerator refrigerator）では、多孔性ベッドは、２つの熱交換器（heat exchanger）の間にサンドイッチされた磁気材料である。ベッドを磁化し、且つ、消磁するためにある種の機構が存在している。このサイクルは、（i）ベッドを磁化し、磁熱効果によって磁気材料及びベッド流体を温め、（ii）ベッドを流体を通して冷たい方から熱い方へ流し、熱を熱い熱交換器に伝達し、（iii）ベッドを消磁し、磁化材料及び流体を冷やし、（iv）ベッドを通して流体を熱い方から冷たい方へ流し、熱を冷たい熱交換器で吸収する、ことからなる。即ち、能動式磁気再生器は、冷たい方から熱い方への流体の流れに先立って、ベッドを磁化し且つ温める、次いで、熱い方から冷たい方への流れに先立って、消磁しながらベッドを冷やす。受動式再生器内のベッドの単一の温度分布は、能動式再生器の二重分布になり、一方は磁化されたベッドに対するものであり、もう一方は消磁されたベッドに対するものである。いずれの場所においても、これら２つの差は、場の変化が起ったときの磁気材料の断熱温度変化である。断熱温度変化が十分大きければ、ベッドの冷たい側から出てくる流体は、冷たいリザーバの温度であるＴ_ｃより低い温度を有することができ、その結果、熱の漏れではなく、正味の冷却が起こる。熱は冷たいリザーバから熱いリザーバに流れるので、温度力学の法則によれば、勿論、仕事がおこなわれていなければならない。移動磁石の場合には、仕事は駆動装置によって行われる。熱伝達／回収システムに利用できるもう一つの原理は、熱弾性効果である。ゴム即ちラバー（rubber）のようなある種のエラストマーは、伸びたときに該エラストマーが暖まり、緩んだときに冷える熱弾性効果を示す。１４℃程度の温度変化を起こすことができ、例えば、エラストマーを伸ばし且つ／或いは緩めるながら、エラストマーの上に空気（流体）を押しやることにより、空気（流体）に温度影響を与えることができる。エラストマー冷却は、室温において、磁気冷却より実用的に使用できるようである。磁気冷却では、実施するのに十分な大きさの断熱温度変化を得るために、超伝導磁石が実際に必要とされる（７テスラの磁界に対し、約８゜℃）。これらの超伝導磁石は、極低温の冷凍を必要とする。故に、室温では、磁気冷却の大変大きな冷却能力への用途だけが、実用的である。そのような制約は、エラストマー冷却に関しては得られない。幾つかの先行技術の装置が熱弾性効果を利用しており、例えば、シグワース（ Sigworth）の米国特許第2,931,189 号明細書、コクラン（Cochran）の米国特許第3,036,444 号明細書、パイン等（Paine et al）の米国特許第3,599,443 号明細書を参照すると、これらの全てが、ゴムの熱弾性効果を使用する冷凍機、エアコン及び／又は熱ポンプ即ちヒートポンプを説明する。しかしながら、開示されたいずれの設計もリジェネレーション即ち再生を使用せず、その結果、いずれの装置も、採用したエラストマーの断熱温度変化より大きな温度にわたることができない。これらの設計の大部分は、エラストマーと流体との間の乏しい熱伝達を示す。かくして、現在の機械システムの多くの問題及び代替システムの実用上の設計問題にもかかわらず、技術は、今までのところ、再生即ちリジェネレーション（ regeneration）を利用し且つ高い熱伝達を可能にするような、換気用熱交換器（ heat exchanger）としてもエアコン用或いは暖房用ヒートポンプとしても機能できる、安価で高性能の装置に適当に応答してこなかった。特に、技術は、再生即ちリジェネレーション（regeneration）を利用し且つ流体とエラストマーとの間の高い熱伝達を可能にする、室温近くでの再生器即ちリジェネレータ（regenera tor）用途の、エラストマー熱交換器を作ってこなかった。発明の要約本発明は、特に、クロロフルオロカーボン冷凍技術に関する環境問題及び代替の冷凍システムの固有の不十分さを克服する目的で、先行技術によっていままで満たされておらず、要望されていながら長い間解決されていなかったニーズに特に答える。本発明のシステムは、高性能且つ低コストの、熱弾性効果（thermoel a stic effect）に基づくリジェネレータ／熱交換器を提供する。このシステムは、作動中に起こる熱サイクルによる熱疲労が、たとえ有るにしても、最小であり、且つ、清掃し易く、低い熱伝導性を有し、熱交換器の熱い側から冷たい側への熱の伝導を減少させて効率を向上させる。このシステムは、換気用のリジェネレータとしても、エアコン或いは暖房用ヒートポンプとしても機能できる。ヒートポンプとして使用したときには、在来の蒸気圧縮サイクルに匹敵する効率が可能である。有害なクロロフルオロカーボンガスが利用されない。換気／ヒートポンプ用構造内では、空気以外の気体は全く使用されない。本発明の上述及び他の利点は、本発明の一態様で、熱交換器ベッドに実現され、該ベッドは、間にスペーサを備えたエラストマーシートの層を含み、シート間にほぼ矩形の流体流れチャネルを形成し、シートとスペーサとを一緒に積層体に保持し且つ該積層体を固定させる係止機構を含む。該ベッドは、熱的ゴム弾性シート即ちサーモエラストメリックシート（thermoelastomeric sheet）とスペーサとの積層体の頂部及び底部の端プレート即ち端シートを含む。これらの端プレートは、積層されたサーモエラストメリックシート及びスペーサの周囲縁を超えて延び、流れ制御装置として作用し、流れが確実に流れチャネルの中に差し向けられるようにする。もう一つの態様では、本発明は回転可能熱回収装置（rotatable heat recover y device）である。この装置は、軸を中心に放射状に配置された複数のサーモエラストメリックベッドモジュールを有するホイールを含む。このベッドモジュールは、ベッドに関して上述したように構成されている。この装置のホイールは、又、モジュールの熱弾性シートを伸ばしたり縮めたりするための偏心機構を含む。更にもう一つの態様では、本発明は、この回転可能熱回収装置を採用する換気システムを提供する。このシステムは、入ってくる屋外空気の流れを受入れる吸気ダクトと、出ていく屋内空気の流れを受入れる排気ダクトとを含む。熱回収ホイールは、入ってくる空気がホイールの一つのモジュールの中に差向けられたとき、出ていく空気がホイールのもう一つのモジュールの中に差向けられるように、吸気ダクトと排気ダクトの中に密閉され且つ吸気ダクトと排気ダクトをさえぎっている。更にもう一つの態様では、本発明は、エラストマー要素と、リジェネレータと、温度がそれぞれＴ_c及びＴ_Hの熱交換流体と、を採用するタイプの冷凍（冷却）方法を提供する。この方法では、（ａ）エラストマー要素を伸ばして該要素の平均温度をΔＴだけ上げ、（ｂ）温度がほぼＴ_cの流体を前記要素の中に流し、流体が温度Ｔ_H＋ΔＴで前記要素から流れ出るようにし、（ｃ）前記要素を縮めて該要素の平均温度をΔＴだけ下げ、（ｄ）流体を温度Ｔ_Hで前記要素の中に反対方向に流し、流体が約Ｔ_c−ΔＴで前記要素から流れ出るようにし、（ｅ）工程（ｂ）中に出てきた流体から熱を温度影響を受けるべき対象物に伝達し、工程（ｄ）中に出てきた流体に熱を温度影響を受けるべき対象物に伝達する。本発明は、又、冷凍装置即ち冷却装置を提供し、該冷凍装置は、（ａ）エラストマー要素を含む多孔性マトリクスと、（ｂ）前記エラストマー要素を伸ばし或いは縮めることによる前記多孔性マトリクス用温度変更機構と、（ｃ）前記ベッドが一方の温度のとき即ち一方の伸び状態のときに熱伝達流体を一つの方向に前記多孔性マトリクスを通過させ、且つ、前ベッドが異なった温度のとき即ち異なった伸び状態のときに前記多孔性ベッドを通る流体の流れの方向を反転させるための循環器と、（ｄ）両方向から前記ベッドからの前記流体を受入れ、且つ、流体によって温度影響を受けるべき物体の中に流体を循環させるための熱交換器と、を含む。この冷凍機は、更に、回転可能ホイールを中心に放射状に配置された複数のマトリクスを有する。このホイールは、マトリクスの要素を偏心的に伸ばしたり縮めたりするための偏心機構を含む。熱交換器装置は、ホイールの一方の側に近接した熱い熱交換器と、ホイールの他の側に隣接した冷たい熱交換器とを含む。添付図面、好ましい実施例の詳細な説明及び添付の請求の範囲を検討したとき、他の利点及び本発明の特有の特性のより完全な認識が得られるてあろう。図面は例示及び説明の為だけのものであり、本発明の範囲を限定するものとして意図されたものでないことは、明らかに理解されよう。図面の簡単な説明本発明の好ましい例示的な実施例を、添付図面と関連して、以下に説明し、同様の呼称は同様の要素を指し、図１は、エラストマーリジェネレータのエラストマーシート及びスペーサの分解図であり、図２は、組立て後のエラストマーリジェネレータモジュールであり、図３は、本発明による回転式リジェネレータホイールであり、図４は、標準的な換気構造内のエラストマーリジェネレータモジュールを示し、図５は、偏心回転モードにあるエラストマーリジェネレータモジュールであり、図６は、ヒートポンプ又は冷凍或いは冷却に用いられる、密閉型の回転エラストマーベッドの概略線図であり、図７は、ヒートポンプ又は冷凍或いは冷却に用いられる、密閉型の往復動エラストマーベッドの概略線図であり、図８は、巻付け中の、螺旋巻付けエラストマーリジェネレータであり、図９は、外側リムを付加した後の、螺旋巻付けエラストマーリジェネレータである。詳細な説明本発明は、広くは、クーラー、熱交換器（heat exchanger）及びヒートポンプに関連する。より詳細には、本発明は、エラストマーが伸びたときに暖まり緩んだときに冷える熱弾性効果を利用し、可能な温度スパンを拡げるために再生器即ちリジェネレータ（regenerator）を使用する装置に関連する。本発明は、特に、室温に近いリジェネレータ用途に適している。従って、ここでは、本発明を、そのような試みに関して詳細に説明するが、しかしながら、当業者は、本発明のそのような説明が単に例示的なものであり、これを本発明の最大範囲を制限するものとして見るべきではないことが判るであろう。本発明は、換気用熱交換器及び流体とエラストマーとの間の高い熱伝達を有する換気用熱交換器としても、或いは、空調用又は暖房用ヒートポンプとしても機能できる特徴を有し、ヒートポンプとして使用したときには、従来の蒸気圧縮システムに匹敵する効率を有する。これらの特性は、物理的パラメータの新しい組み合わせによって達成される。本明細書で用いるときには、”再生器即ちリジェネレータ（regenerator）” という用語は、熱伝達物質を通して異なった２つの温度で流体の流れを交互に行うことを言う。ＨＶＡＣの用途においては、１つの流体を用いるが、２つの流体を使用することもでき、即ち、一つの種類の流体からもう一つの流体に熱を伝達するためにリジェネレータを使用することができる。リジェネレータ又は熱交換器の性能は、単位圧力降下当たりの熱伝達に置き換えて測られる。流体が流れるチャネルの幾何学的配置が、性能に著しく影響を及ぼす。Ｓｔがスタントン数、Ｐｒがプラントル数、ｆが摩擦係数である、 α＝（ＳｔＰｒ^2/3）／ｆという単位無し数字が、単位圧力降下当たりの熱伝達の尺度として使用される。カイス（Kays）とロンドン（London）は、流体流チャネルの異なるジトメトリ即ち幾何学的形状に対して、以下のαの値を列挙した（コンパクト熱交換器、Ｗ．Ａ．カイス、Ａ．Ｌ．ロンドン著、マグロウヒル社、ニューヨーク、１９８４年：W．M．Kays and A．L．Lonndon，Compact Heat Exchanger，McGraw-Hill，New York1984）。チャネルの幾何学的配置 α 無限に平行 0.386 アスペクト比4対1矩形 0.328 環状 0.307 正方形 0.286 三角形 0.263 ２つの無限に平行な平面によって形成されたチャネルが、最も高い、単位圧力降下当たりの熱伝達を有することがわかる。まず、全体を２０で示す本発明のエラストマーのリジェネレータ／熱交換器ベッドを示す図１及び図２を参照する。本発明によるエラストマーベッド２０は平行なプレータ２４を有するマトリクス２２を含みプレートの間には流れチャネル２５が間に設けられている。プレート２４は、該プレート２４の両縁に沿って設けられた等しい厚さのスペーサ２８によって分離されている。プレート２４は、伸ばされたエラストマーシート２６の層である。本明細書で使用するときには、 “スペーサ”とういう用語は、プレートを分離することができる全ての物或いは手段を指すことなる。例えば、スペーサは別体のシム或いはシートであってもよく、又は、本来のプレートより厚いエラストマーシートの部分であっても良い。図１は、スペーサ２８とエラストマーシート２６の分解図を示す。スペーサ２８は、エラストマーシート２６に適当に接着されている。エラストマーシート２６とスペーサ２８とが、ネジ山付きロッド３４の挿入用孔３２を備えているのが示されている。組み立てる際、まずスペーサをシートに接着し、次いで、孔を明ける方が容易であることが判った。特に、スペーサがプラスチックであるならば、スペーサ用の適当な接着剤には、スーパーグルー（登録商標名：Superglue）あある。マスキングテープ、例えば、ニューヨークのニューロチェル社のタックテープ（登録商標名；Tuck Tape，New Rochelle，New York）でもうまくいくことがわかった。マスキングテープは、エラストマーシートの、片面だけではなく、両面に張られる。エラストマーは、例えば、ラテックス、ネオプレーン、シリコンゴム、ハイカー（hycar）又は熱可塑性ゴムであるのが適当である。例えば、ラテックスゴムは、伸ばすと約１４℃暖まる。ネプレンも又約１４℃暖まる。（トレアラー著の「ゴム弾性の物理学」、オックスフォード大学出版、１９５８年（Trealor，The Physics of Rubber Elasticity，Oxford University Press，1958）、及びその参照文献参照のこと。）もしベッドがエラストマーの所謂ガラス転移温度より上に維持されたならば、エラストマーベッドは、その温度に対してその形状を維持する。ガラス転移温度は、エラストマーがゴム状態からガラス状態になる温度である。加硫ゴムでは転移は、約−５５℃（−６７゜Ｆ）と約−６０℃（−７６゜Ｆ）の間で起こる。（「ゴム弾性の物理学」、オックスフォード大学出版、１９５８年（Trealor， Th e Physics of Rubber Elasticity, Oxford University Press，1958、参照のこと。）図２は、ロッド３４が挿入されたエラストマーベッドモジュール３６を示す。矩形ブロック３８が、モジュールに剛性を付与するために設けられている。特別に大きなエラストマーシート４０が、最も外側のシートのために使用される。これらは流れ制御のために使用され、流れを流れチャネル２５の回りでなく、それらの中に向ける。モジュールのエラストマーシートの初期の伸びは、図２の矢印の方向である。伸ばされたエラストマーシートは、正確且つ等しい距離離れた、丈夫な、平らなシートになる。もしシートの初期の伸びが、伸ばされていない状態の約２倍以上ならば、シートは、高い空気流の中でさえ、はためきに対して非常に大きな抵抗を有する。本明細書中のエラストマーシートベッドの作動の説明において、エラストマーシートの伸びの変化とは、伸ばされた状態と完全に緩められた状態との間の変化ではなく、より大きな伸び状態とより小さな伸び状態との間の変化であることに留意されたい。図３は、ホイール４８を形成するホイールハブ５６の回りに配置された、図２に示したタイプの６つのエラストマーベッドモジュール３６で作った熱回収組立体５０を示す。伸ばされたラバーシートの平面はホイールの半径方向に沿って延びている。ホイール４８の中実ハブ５６は、モジュール３６を介してリム５８に連結されている。ハブ５６は、２つのブッシュ６２によって保持されたシャフト６０を中心に回転する。ブッシュ６２は、ハウジング６６に取付けられたロッド６４に取付けられている。ロッド６４は、例えば、ナット６８によって螺着されて、ハウジング６６に適当に取付けられている。ナット６８を調節することにより、図４及び図５に最も良く示すように、ハブ５６を、リム５８に対して同心に或いは偏心して回転させることができる。電動ホイール６５（モータは図示せず。）が、ホイール４８を回転させる。図４では、ホイール式リジェネレータ組立体５０が、換気用機器構造即ち受動式リジェネレータ形式の中に示されている。ホイール４８は、２つのダクト５２ａ、５２ｂにまたがる。ダクト５２ａは排出空気（熱い屋内空気）を運び、一方、ダクト５２ｂは、新鮮空気（冷たい屋外空気）を運ぶ。モジュール３６がダクト５２ａに入ると、モジュール３６が、該モジュールを通過する熱い気体から熱を吸収する。モジュール３６が回転すると、モジュールは、気体ダクト５２ｂに入る。この位置で、リジェネレータモジュール３６は熱を新鮮空気の流れに伝達する。ホイール組立体５０は、反対の温度条件の下、同様にうまくはたらく。図５は、偏心してセットされたホイール４８を示す。ホイール４８の偏心率は、締められたロッド６４によって変えられる。ホイールはアクセスできない位置にあるので、ホイールのそのような偏心率変更は、又、例えば、電動モータによって適当に行われる。モジュール３６のシート２６は、ホイール４８の回りで前進しながら延びたり緩んだりして、暖まりそして冷える。図４と同様のダクトが、モジュール３６が最小伸び７１の領域にあるときには一方向に、モジュールが最大伸び７３の領域にあるときには反対方向に、熱交換器モジュール３６を通して流れを押しやる。このことが、受動式リジェネレータを、ホイールの一方の側から他方の側に熱を汲みだす能動式リジェネレータに変える。本発明の能動式リジェネレータは、ヒートポンプとして高い能率を有する。性能係数（coefficient of performance;COP ：冷却パワーを入力パワーで割ったもの）は、３から６までに分布する。これは、現存の蒸気圧縮サイクルに匹敵する。熱伝達システムで使用される大きなブロア（図示せず）の負の効率（inenff iciency）は、含まれない。受動式装置を換気用に使用したときには、いずれの場合にも、これらの損失がどうしても起こることを示すことができる。図６は、ヘリウムのような別の高圧（数気圧又はそれ以上の）流体を使用する密閉システムの概略図である。循環器７４が、管路即ちパイプ８４を通して流体８０を押しやり、先ず、流体８０は熱い熱交換器７６を通過して熱を外部シンク（図示せず）に捨てる。次いで、流体８０は、ホイール４８’の冷たい（伸びの小さい）側を通過し、次いで、冷たい熱交換器８２を通過して、外部ソース（図示せず）から熱を吸収する。次いで、流体８０は、ホイール４８’の熱い（伸びの大きい）側を通過し、循環器７４に戻る。ホイール４８’は、横から示されている。ハウジング６６’がホイール４８’を囲み、これに入る４本のパイプ８４をしっかりと連結する。ホイール４８’と循環器７４を駆動するモータ（図示せず）が、密閉システムの一部である。内側において、流れのシールは、換気装置／ヒートポンプ用途のホイールと同じである。図６に示す矢印は、流体流の方向を示す。本発明の能動式リジェネレータ（再生器）を単にヒートポンプとして使用するこの用途では、シールが、性能にとってより重要である。これらのロスが布丸太（ledger）の換気装置側にあるという要求はもはや存在しない。このシステムは密閉されているので、良い摺りシールを大変得やすい。摺りラバーシールと関連して、蒸発することのないグリース及びオイルを使用できる。ベッドモジュールのまわりでのホイールの熱い側から冷たい側への漏れは、その温度スパンが、材料の伸びによる温度変化の数倍であるので、一般に、より有害である。図７は、往復動式の機器構成を概略的に示す。往復動ベッド駆動装置８６が、共通の端９０で連結された２つのベッド８８ａ、８８ｂを動かす。２つのベッドは、エラストマーシートを積層することによって製造されており、各シートに、３つのスペーサが、即ち、各端に１つと、その間に１つ、取付けられている。別のディスプレイサ駆動装置９２が、復動ディスプレイサ９４を駆動する。ベッド駆動装置８６が上方に動くにつれて、上側のベッド８８ａが緩み、下側のベッドが伸びる。駆動装置８６が下方に動くにつれて、反対のことが起こる。完全なサイクルは、以下のとおりである：ディスプレイサ９４が静止した状態で、ベッド駆動装置８６が上方に動き、上側のベッド８８ａを緩めて冷やし、下側のベッド８８ｂを伸ばして温める。ベッド駆動装置８６が止まる。ディスプレイサ駆動装置９２は、ディスプレイサ９４を上方に動かし、流れを、２つの熱い熱交換器の一方９６を通し、上側のベッド８８ａを通し、冷たい熱交換器９７を通し、下側のベッド８８ｂを通し、他の熱い熱交換器９８を通し、そして、最後に、ディスプレイサ９４の反対側に、押しやる。ディスプレイサ９４が止まる。ベッド駆動装置８６が下方に動き、上側のベッド８８ａを伸ばして温め、下側のベッド８８ｂを緩めて冷やす。ベッド駆動装置８６が止まる。ディスプレイサ駆動装置９２が下方に動き、反対方向に流れを押しやる。これでサイクルが完了する。往復動式に機器構造を使用する２つの手動デモンストレーションモデルで、約２５゜Ｆ（約−４℃）乃至４０゜Ｆ（約４．４℃）の温度スパンが可能であることがわかった。このスパンは、装置内でゴムの伸びの変化によるゴムの断熱温度スパンの２又は３倍である。これらのモデルは著しい熱漏れを有するが、断熱温度の１０倍の温度スパンが可能であると見積もられている。図８及び図９は、換気用途に適した螺旋巻付けエラストマーリジェネレータホイール１００の製造方法を示す。コア１０２をシャフト１０３を中心に回転させ、エラストマーリボンが入るとき、ホイール１０２が該エラストマーリボン１０４の張力を一定に維持する。ぴんと張ったリボン１０２を、参照番号１０６で示す。スペーサ１１０を、リボン１０４に沿った特定位置に付加する。かくして、スペーサ１１０は、均等に間隔が開いたコア１００の角度位置１０８に配置される。もしエラストマーリボン１０４との接触に先立って接着剤をスペーサ１１０の両側につけるならば、ラバーリボン１０４を切ったときに螺旋巻き付けホイール１００がほどけることがない。図９に最も良く示すように、巻付け工程の後、円筒リム１１２をホイール１００の回りに配置する。リムと螺旋の最外面との間の間隙１１４が、充填或いはカバーされ、これらの間隙を通る流れが防止される。本発明のベッドをいかなる用途に使用した場合にも、リジェネレータの高い性能を維持するために、頻繁な清掃がしばしば重要である。本発明の清掃は、容易に行われる。清掃用糸をエラストマーシートの間の各空間に、１つの空間につき１本、挿入することができる。各糸は、流れの方向に沿って、チャネルの全長に延び、余剰部分が両側でチャネルを超えて延びる。この糸は、該余剰部分によってまとめて掴まれ、そして、チャネルを”デンタルフロス歯の間を清掃するように”清掃できる。いずれかの側でこの糸をスペーサに対しておくことによって、使用中、この糸をチャネルの中に、残すことができる。流れは、この位置ではほとんど邪魔されることはない。発明者は、このような清掃方法を利用することができる他の熱交換器の設計を知らない。本発明を概略的に説明したが、以下が本発明の特定の例である。この例は、単に例示的なものとして解釈されるべきであり、いずれにせよ、開示の他の部分を制限するものとして解釈されるべきでない。例１以下の寸法のエラストマーベットを作った。エラストマーの伸ばされていない状態での厚さ 0.006インチ（約0.1524ミリメートル）シムの厚さ 0.006インチ（約0.1524ミリメートル）ベットの高さ 1.6インチ（可変）（約40.64ミリメートル）ベットの幅 1.25インチ（約31.75ミリメートル）ベットの長さ 2.75インチ（約69.85ミリメートル）ベッドの多孔度 0.86 （孔の容積／総容積）伸ばした後、チャネルは、幅0.01インチ（約0.254ミリメートル）であり、２つの方向に1.6インチ（約40.64ミリメートル）及び2.75インチ（約31.75ミリメートル）延びる。このチャネルは、どのようにしても、遮断されない。ベッドには、約１００のチャネルがある。ベッドは、商業的に入手可能なラテックス及びラバーシートでできている。透き通ったプラスチックフィルムが、スペーサ即ちシム用に使用される。スペーサを接着するためにスーパグルー（登録商標）を使用し、スタンダードの木及び硬質製品をブロック及びロッド用に使用する。エラストマーリジェネレータのチャネルは、本来、矩形形状である。幅1.6インチ（約40.64 ミリメートル）、高さ幅0.01インチ（約0.254 ミリメートル）のチャネルのアスペクト比は１６０であり、このチャネルは、無限平行のチャネルと、事実上、同じ性能を出す。室温の換気用途のための先行技術のリジェネレータでは、流れの方向に積層された細かいアルミニウム金網の層がしばしば使用されることを注目すべきである。このタイプのマトリクスに関しては、圧力降下が比較的に高くなることがある。流れの方向と直角に積層した波形フォイルの使用は、圧力降下の問題を軽減させ、小さな孔のハニカムに似ている構造になる。しかしながら、チャネルは、丸くされた三角形に似ている。本発明のベッドの平行なチャネルは、そのような波形面の構造より、著しく良い、圧力降下に対する熱伝達比を有する。例２例１の１つに似たエラストマーリジェネレータを作った。この場合、シート間隔は、0.6mm であり、チャネルの長さは12cmであった。0.98の多孔度を達成した。本発明によるマトリクスは、現存技術より著しく高い多孔度を有することができる。もしマトリクス材料が単位容積あたり高い熱容量を有しているなら、これは利点である。ラバーはそのような単位容積あたりの高い熱容量を有する。例３図６に示すものと同様の複式リジェネレータ機器構造を作り、受動式リジェネレータとして試験した。リジェネレータモジュールを、透明プラスチック透過性フィルムでできた厚さ0.006 インチ（約0.1524ミリメートル）のスペーサによって分離された厚さ0.006 インチ（約0.1524ミリメートル）のラテックスシートで製造した。スペーサをスーパグルー（登録商標）でラテックスシートに接着した。シートに直角なリジェネレータの幅は、約1.25インチ（約31.75 ミリメートル）であった。高さは、伸び方向で、1.6 インチ（約69.85 ミリメートル）であり、長さは約2.75インチ（約31.75 ミリメートル）であった。伸ばす前、高さは、0. 5 インチ（約12.7ミリメートル）であった。電気ヒータ及び熱電対温度計を、２つのリジェネレータの間に配置した。剛性発泡断熱体をリジェネレータの側面とそれらの空間とを断熱するために使用した。約３リットルの空気を、１．５秒の流れ反転の間隔で、システムの中に往復させたとき、１．８Ｗの熱を加えることが、リジェネレータ間の温度を69.5゜Ｆ（約20.83℃）から122.5゜Ｆ（約50.27 ℃）まで上げた。もしリジェネレータが適所に無かったら、同じ温度差を維持するために約70Ｗの熱が必要になるだろう。その結果、リジェネレータの効率は、約68.2W/70W ＝0.97である。この効率は相当な変動を有するとしても、ラバーリジェネレータが優れた効率を有することを示す。流れの間、各リジェネレータを横切る圧力降下は測定されなかった。要約すると、本発明は、能動又は受動式リジェネレータ用途に使用できるエラストマーベッドを提供する。本発明によるこのベッドは、シート及びシート分離体が普通の紙の厚さ程度のものである、大変細かい平行なプレート構造を有する。ベッドは大変優秀な熱伝達特性を有する。エラストマーの大変低い熱伝導性は、例えば、アルミニウムフォイルのリジェネレータに比べて有利であり、リジェネレータの熱い側から冷たい側への熱の伝達を減らし、効率を上げる。大変鋭い物との接触を除く接触により、ベッドが損傷することがない。（一方、波形アルミニウムフォイルのベッドは簡単に損傷する。）流れチャネルの寸法をいかなる競合技術よりも小さくできるので、コンパクトで、軽量な設計が可能である。これらのコンパクトな設計は、冷たい温度がエラストマーのガラス転移温度より低くならない限り、又は、冷たい温度がエラストマーが熱で損傷を受ける温度より高くならない限り、スターリンリジェネレータ（Stirling regenerator）及び他の再生ガスサイクル冷凍機に受動式リジェネレータとして採用できる。最後に、本発明のベッドをエンタルピ交換器（enthalpy exchanger）として製造できることに特に注目する。例えば、溶剤を使用してゴムの”タッキ（tacky ）”を作るために自転車のパッチキットに関して行われるように、ゴムを処理してベタベタにすることができる。ゴムの最終的な加硫に先立って、上述したスティール等の特許明細書に記載されたものと同様の乾燥用粒子を、単に、振りかけてもよい。乾燥用粒子をゴム表面に付着させるために、他の方法も可能である。本発明を幾つかの特性とともに説明し且つ例示してきたが、当業者は説明された事項の中で行うことができる変形、付加、省略を含む種々の変更例を認識するであろう。従って、これらの変更例も本発明に包含されること、及び、本発明の範囲が添付の請求の範囲と法的に一致させることができる最も広い解釈によってのみ制限されることが企図されている。

Claims

【特許請求の範囲】１．エラストマーシートと該シート間のスペーサの層を備え、層の間にほぼ矩形の流体流れチャネルを形成し、更に、前記シートとスペーサを一緒に係止する係止手段とを備える、熱交換器ベッド。２．前記各エラストマーシートが対向する周囲縁を有し、前記スペーサが前記各エラストマーシートの対向する周囲縁に配置且つ固定されている、請求の範囲１のベッド。３．各エラストマーシート及びスペーサがその周囲縁に孔を有し、該孔は積層したときに整合し、前記係止手段は前記整合した孔の中に挿入されるロッドを含み、該ロッドの両端がシートとスペーサの積層体を超えて延び、ロッドの各端が矩形ブロックの中に取付けられている、請求の範囲１のベッド。４．エラストマーシートとスペーサの前記積層体の一端と該積層体の他端に取付けられた第１及び第２の端プレートを更に備え、前記端プレートが、エラストマーシートとスペーサの積層体の周囲縁を超えて延び、前記端プレートがエラストマーシートでできている、請求の範囲１のベッド。５．軸を中心に放射状に配置された複数のエラストマーベッドモジュールを有するホイールを備え、前記各モジュールが、エラストマーシートと該シートの間のスペーサの層を含み、前記層の間にほぼ矩形の流体流れチャネルを形成し、更に、前記シートとスペーサを一緒に係止する係止手段を備える、回転可能熱回収装置。６．前記モジュール内のエラストマーシートを偏心的に伸ばしたり縮めたりするための偏心手段を更に含む、請求の範囲５の装置。７．入ってくる屋外空気の流れを有する取入れダクトと、出て行く屋内空気の流れを有する排出ダクトと、入ってくる空気が前記ホイールの１つのモジュールの中に差し向けられたとき、出て行く空気が前記ホイールのもう一つのモジュールの中に差し向けられるように前記取入れダクトと排出ダクトの中に密閉された請求の範囲５の装置とを備えた、換気システム。８．エラストマー要素と、熱交換器と、温度Ｔ_c及びＴ_Hの単相熱伝達流体とを採用するタイプの冷却方法であって、（ａ）エラストマー要素を伸ばして該要素の平均温度をΔＴだけ上げ、（ｂ）前記要素を通して温度がほぼＴ_cで流体を流し、流体が温度約Ｔ_H＋ΔＴで前記要素から流れ出るようにし、（ｃ）前記要素を縮めて該要素の平均温度をΔＴだけ下げ、（ｄ）流体を前記要素を通してＴ_Hの流体を反対方向に流し、流体が約Ｔ_c − ΔＴで前記要素から流れ出るようにし、（ｅ）工程（ｂ）中に熱を出てきた流体から伝達し、工程（ｄ）中に出てきた流体に熱を伝達し、温度影響を受けるべき対象物に伝達する、する冷凍方法。９.(ａ) エラストマー要素を含む多孔性マトリクスと、（ｂ）前記エラストマー要素を伸ばし或いは縮めることによって前記多孔性マトリクスの温度を変化させる手段と、（ｃ）前記ベッドが一方の温度のときに熱伝達流体を前記多孔性マトリクスを通過させ、且つ、前記ベッドが異なった温度のときに前記多孔性ベッドを通る流体の流れの方向を反転させるための循環装置と、（ｄ）前記ベッドから両方向から前記流体を受け入れ、且つ、これによって温度影響を受けるべき物体を通して流体を循環させるための熱交換器手段と、を備えた冷凍装置。 10．複数の前記マトリクスが、ホイールを形成するホイールハブを中心に放射状に配置されている、請求の範囲９の装置。 11．記ホイールが、前記モジュールの要素を伸ばし或いは縮めるための偏心手段を備える、請求の範囲10の装置。 12．前記熱交換器手段が、前記ホイールの一側に近い熱い熱交換器と、前記ホイールの他の側に近い冷たい熱交換器とを含む、請求の範囲９の装置。 13．ホイールハブと、該ハブを中心に螺旋状に巻付けられエラストマー層を形成るエラストマー材料と、該層の間にあり該層の間に流れチャネルを形成するスペーサとを含み、前記スペーサは前記ハブを中心に均一に間隔をあけた角度位置に配置されている、螺旋巻付け熱交換器。 14．前記ホイール組立体を中心に配置且つ取付けられたホイールリムを備える、請求の範囲13の熱交換器。 15．ホイールハブを中心にエラストマーストリップ材料を螺旋状に伸ばし且つ巻付けて複数の螺旋巻付けエラストマー層を形成し、前記ハブを中心に均等に間隔をあけた角度位置で前記層の間にスペーサを位置決め且つ固定する、螺旋巻付け熱交換器製造方法。 16．ホイールリム内に前記螺旋巻付けエラストマー層を固定する、請求の範囲15の装置。 17.(ａ) 伸ばされた熱弾性エラストマーシートの平行な層を備え、前記各層はほぼ矩形であり且つ層の長さ寸法を有し、該シートは前記層の長さ寸法より小さい伸ばされていないシート長さを有し、（ｂ）前記シート間にほぼ平行な流体流れチャネルを形成する該シート間のスペーサを備え、前記各チャネルは第１のシートに隣接する第１の矩形面と、第２の対向する層に隣接する第２の矩形面とを有し、（ｃ）前記シートとスペーサとを一緒に係止する係止手段と、（ｄ）前記流れチャネルを通って且つ前記シートの上に差し向けられた流体流れとを備え、前記流体流れは、前記流れチャネル及びシートに入ったとき第１の温度を有し、該流れチャネルからでるとき第２の温度と有し、前記シートが、伸びのより高い状態と伸びのより低い状態との間で伸びの変化を呈し、これによって、前記シートの上に前記流体流れを押しやることによって、前記第１の温度の流体流が、前記第２の温度に変わる、熱交換ベッド。