JPH08503062A - 加熱・冷却機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、蓄熱式ガス循環方式に従つて作動している加熱・冷却機に関するもので、該加熱・冷却機は気密式ハウジング（１）内で直線運動できる２つのピストン（8,9）を備え、該ピストンは共同で中温作動容積（Vw）を限定し、そして該ピストンのうちの一方のピストン（8）はハウジング（1）内で熱を供給された高温作動容積（Vh）を、そして他方のピストン（9）は低温作勤容積（Vk）をそれぞれ限定していて、その際にこれら３つの作動容積（Vh,Vw,Vk）は蓄熱室（Rh,Rk）と熱交換器（Ww,Wk）を中間接続した上で互いに結合されている。コンパクトな構造のもとで高い伝熱効率を達成するために、中温及び低温作動容積（Vw,Vk）をピストン・ヘツド（9a）によつて互いに切り離しているピストン（9）はポツト状に形成されている。ピストン・スカート（9b）は、外側にある中温熱交換器（Ww）と内側にある低温熱交換器（Wk）との間の仕切りとして役立つている。伝熱は両方の熱交換器（Ww,Wk）のもとではピストン・スカート（9b）の外側もしくは内側にあるスカート面とそれぞれの熱交換器（WwもしくはWk）の面との間で行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 加熱・冷却機 技術分野 本発明は、蓄熱式ガス循環方式に従つて作動している加熱・冷却）類に関する もので、該加熱・冷却機は気密式ハウジング内で直線運動できる２つのピストン を備え、該ピストンは共同で中温作動容積を限定し、そして該ピストンのうちの 一方のピストンはハウジング内で熱を供給された高温作動容積を、そして他方の ピストンは低温作動容積をそれぞれ限定していて、その際にこれら３つの作動容 積は蓄熱室と熱交換器を中間接続した上で互いに結合されていて、そしてピスト ン向けの駆動装置及び／又は制御装置が取り付けられている。 技術背景 この種の例えばスターリング・サイクル、又はブイルミエール・サイクルに基 づいて作動する加熱・冷却磯は、以前から例えば英国特許出願公告第１３６１９ ５号明細書で公知である。しかしこの種の加熱・冷却機は、蓄熱式ガス循環方式 という明白な利点にも拘らず、主にこの種の機械の理論的利点の実践での実現を これまで阻んできた構造上の難点の故に実践に用いられなかつた。最近の発行物 、例えば欧州特許出願公開第0238707号明細書は、この種の加熱・冷却機の実践 的な設計よりもむしろ理論的な考察と取り組んでいる。 日常運転で使用できるこの種の加熱・冷却機のプロトタイプを越える工業的製 造を可能にするためには、この機械の個々の要素を最適化することが必要である 。本発明の課題は、当初述べた種類の加熱・冷却機をコンパクトな構造のもとで 高い伝熱効率が生じるように改善することである。 本発明によるこの課題堤起の解決は、中温及び低温作動容積をピストン・ヘツ ドによつて仕切つているピストンがポツト状に形成されていること、及びそのピ ストン・スカートが外部にある中温熱交換器と内部にある低温熱交換器との間の 仕切りとして役立つていることによつて特徴づけられていて、その際に作動流体 からの、もしくは作動流体への熱伝達は両方の熱交換器のもとではピストン・ス カートの外部スカート面又は内部スカート面とそれぞれの熱交換器の表面との間 で行われる。 ポツト状に形成された低温ピストン内に低温熱交換器を本発明に基づいて設け ることによつて、短尺で直径の小さい機械構造容積が生まれる。構造容積のいつ そうの低減は、ピストン・スカートが同時に中温熱交換器と低温熱交換器との間 の仕切りとして役立つことによつて達成される。さらに本発明に基づく構造は、 結果的に熱損失と流れ損失をもたらす追加の隔壁が不要であるがために、高い伝 熱効率を生み出す。最後に本発明に基づく設計によつて低温ピストン用の余分の 軸受けブツシユが不要となる。これはこの機能が熱交換器の壁によつて受け持た れるためである。これによつて全体的に非常にコンパクトかつ低廉に製造できる 構造が生まれる。 中温熱交換器と低温熱交換器との間の望ましくない熱交換を防止するために、 低温ピストンは本発明の別の特徴に従つて少なくとも一部、熱伝導率の低い材料 から製造されている。低温ピストンには、少なくともその一方の側で熱云導率の 低い材料が具備されているのが望ましい。 伝熱出力を向上させるために、本発明によれば作動流体にさらされる熱交換器 表面積は、多孔性材科の塗布、彼状起伏加工又は溝加工及び／又は波状起伏加工 又は溝加工された板材の使 用によつて拡大可能である。 発明の開示 本発明の１つの好ましい実施形態のもとでは、熱交換器は開放流路を具備され た低温ピストン用軸受けブツシユとして形成された本体及び流路の開放側を閉じ ている密封体から２分割式で形成されている。熱交換器の流路の圧力は作動流体 の圧力よりも極めて小さいので、両方の熱交換器のもとで作動流体が本体を密封 体に向かつて押し付け、その結果本発明に基づき形成された熱交換器のもとでは 特別で高価な密封措置は不要である。さらに作動流体の正圧は本体を経て中温熱 交換器の密封体をも機械ハウジングに押し付ンナるので中温熱交換器を通過する 流体向けの接続が難なく実施される。 本発明の別の特徴に従い、熱交換器の密封体は断熱材料から製造される。これ によつてそれぞれの熱交換器からハウジングへの望まざる伝熱の大幅な低減が生 まれる。 本発明によつて最終的に、中温熱交換器とプロセス側から見てこれに後置され た蓄熱室との間でピストン・スカートと協同するシールを設けることが提案され ている。これによつて高温熱交換器を出たあと作動流体が後置された蓄熱室を経 て低温熱交換器へと案内されることが簡単な方法で達成される。 図面の簡単な説明 図面には本発明に基づく加熱・冷却機の実施例が縦断面図で示されている。 発明を実施するための最良の形態 縦断面図で示されている機械は、シリンダとして形成された１つの気密性ハウ ジング１を持つていて、該ハウジングにはその一方の端部にフランジ1aが具備さ れていて、該フランジに は然よべきフランジ2aを備えたモータ・ハウジング２がボルト締めされている。 モータ・ハウジング２は、その一部しか示されていない。フランジ1aと2aとのの 間にはハウジング１の一方の端部を封止している耐圧性底部３が設けられている 。 他方の端部では、気密性ハウジング１にハウジング・カバー４が具備されてい る。該カバーは、本実施例においてねじ部を経て円筒状ハウジング１にねじ込ま れていて、該カバー内にはガス・バーナ５の形をした熱発生器が設けられている 。該ガス・バーナは、可燃ガス用円筒状供給パイプ5aを持ち、該パイプには出口 側で調量用半球5bが具備されている。ステンレス・スチール製金網からなる反応 面としての作用をするバーナ面5cが該調量用半球5bに対して同心円状に設けられ ていて、該バーナ面はガス流入チヤンバを限定し、そしてガス・バーナの運転時 に赤熱するので、ガス・バーナ５は発生された熱の大半を輻射によつて放熱する 。生じる燃焼ガスは、半球状バーナ面5cを取り囲んでいる燃焼室5dからガス・バ ーナ５の供給パイプ5aを同心円状に取り囲んでいる排ガス・パイプ5eを通じて排 出される。 ガス・バーナ５によつて発生された熱は輻射及び対流によつて隔壁６に放熱さ れ、該隔壁は回転対称状円錐曲線として、本実施例では半球として製造されてい て、ハウジング１の内部に向つて湾曲している。本実施例では半球状湾曲はガス ・バーナ５の半球状バーナ面5cに対して等距離でもつて延びている。 気密性ハウジング１の一部分として製造された隔壁６は、支持リング6aに固定 されている。該支持リングはダイヤフラム状延長部6bを経て円筒状ハウジング１ の端部に結合されている。本実施例では両方の結合は溶接によつて行われている 。ダ イヤフラム状延長部6bの片一方の側で一方ではハウジング・カバー４向けに、そ して他方ではハウジング１向けにそれぞれ設けられている断熱リング7a及び7bを 用いることによつて、ガス・バーナ５によつて加熱された隔壁６からハウジング １への、及びそのハウジング・カバー４への、並びにそれによつて周囲への伝熱 が大幅に低減される。 ガス・バーナ５によつて発生され、隔壁によつて吸収された熱は、隔壁６の内 側から高温作動容積Vh内にある作動流体、好ましくはヘリウムに対して放出され る。該高温作動容積Vhは、一方では隔壁６によつて、そして他方ではハウジング １内で直線運動できるように設けられているピストン８のピストン・ヘツド8aに よつて限定されている。該ピストン８は、ピストン・ロツド8bを経てモータ・ハ ウジング２に設けられた、図面には示されていないモータ、もしくは制御装置と 結合されている。 ピストン８は、別のピストン９と共同で中温作動流体Vwを限定している。同じ く直線運動できるようにハウジング１内で案内されたピストン９は、その内部で 最終的に低温作動容積Vkを限定している。これら３つの容積は、蓄熱室Rh,Rk及 び熱交換器Ww,Wkを中間接続した上で互いに結合されている。ハウジング１の高 温部に設けられた蓄熱室Rhは、蓄熱式ガス循環が進行する際に高温作動容積Vhに 与えられた熱の一部を蓄熱する。ハウジング１の低温部に設けられた蓄熱室Rkは 、低温作動容積Vkに関して然るべき機能を果たす。 本実施例のもとで低温ピストン９内で底部３上に定置的に設けられた熱交換器 Wkには底部３に設けられた配管3aを経て周囲から取り出された流体が連続的に供 給され、該流体はその含 熱量の一部が除熱されたあと配管3bを経て周囲へと戻される。熱交換器Wwには、 接続配管10a,10bによつて熱搬送流体が供給され、該流体の加熱は本機を加熱機 として使用する場合エネルギ発生に役立つ。 高温ピストン８のピストン・ヘツド8aの形状は、湾曲された隔壁６の形状に適 合されている。これによつて高温ピストン８が隔壁６に隣接した終端位置にある 時に隔壁６と高温ピストン８との間のデツド・スペースを最小限に減少できると 同時に、この適合された形状によつて、ガス循環の進行時に作動流体が小さくな りつつある高温作動容積Vhから蓄熱室Rhと熱交換器Wwを経て、両方のピストン８ と９の間で形成されている中温作動容積Vw向けスペースへと流入する時に、大き な流速とそれによつて優れた伝熱が達成される。 隔壁６の内壁から高温作動容積Vh内にある作動流体への熱伝達を改善するため に、隔壁６の周辺部分に伝熱板11が設けられている。該伝熱板11は、隔壁６の周 辺部分で流れ断面積の小さい流路を形成しているので、高温作動容積Vhを出る作 動流体は、該流体が蓄熱室Rhに入る前に大きい流速でもつて隔壁６の周辺部分を 経て案内される。 ピストン・ヘツド9aによつて中温作動容積Vwを低温作動容積Vkから切り離して いる低温ピストン９は、ボツト状に形成されていて、ピストン・へツド9aの内側 にも、ピストン・スカート9bの内側にも断熱層9cが具備されている。ピストン・ スカート9bは、外側にある中温熱交換器Wwと内側にある低温熱交換器Wkとの間の 仕切りとして役立つている。両方の熱交換器WwとWkのもとでは、熱伝達は環状ス ペース内で行われる。該環状スペースは、中温熱交換器Wwに関してはピストン・ ス カート9bの外部スカート面と熱交換器Wwの内面によつて形成されている。低温熱 交換器Wkのもとでは該環状スペースはピストン・スカート9bの断熱層9cが具備さ れた内部スカート面と低温熱交換器Wkの表面との間で生じる。 断面図の右の部分から見て取れるこのような設計によつて、低温熱交換器Wkが ポツト状に形成された低温ピストン９の内部にあるがために、高い伝熱効率のも とでコンパクトな構造が生まれる。これによつて外径の小さい短尺構造が生まれ る。コンパクトさは、さらにピストン・スカート9bが同時に両方の熱交換器Wwと Wkの間の仕切りとして役立ち、それによつて追加の仕切り壁と熱損失及び流れ損 失がなくなることによつて向上する。 さらに図面から明らかなように、両方の熱交換器WwとWkは、本体12もしくは13 と密封体14もしくは15から２分割式に構成されている。本体12もしくは13は、同 時に低温ピストン９用軸受けのブツシユとしても役立つている。ピストン９から 阻れた表面では、各々の本体12もしくは13に流路12aもしくは13aが具備され、該 流路を通じてそれぞれの熱搬送流体が通過し、そして該流路は接続配管10a,10b もしくは3a,3bに接続されている。片側に向けて開いている流路12aもしくは13a は、それぞれの密封体14もしくは15によつて覆われている。流路12aもしくは13a を流れる熱搬送流体の圧力は本体12もしくは13の閉じられた表面に負荷をかけて いる作動流体の圧力よりも極めて小さいので、密封体14もしくは15による片側が 開いた流路12aもしくは13aの信頼性の高い密封が自発的に生じる。 密封体14への、そしてそれによつてハウジング１の内側へ の本体12の押付けによつて中温熱交換器Wwの気密性ハウジング１へと通じている 接続配管10a及び10bも問題なく施行される。 図面に示された実施例の場合、それぞれピストン９向けの摺動面として役立つ ている本体12もしくは本体13の表面には溝12bもしくは13bが設けられている。該 溝を通つて作動流体が通過し、そして該溝は同時に熱交換器WwもしくはWkの伝熱 に参加している面積を拡大している。溝12bもしくは13bの代わりに、本体12もし くは13は波状加工されうるか、あるいは多孔性表面を付けて形成されうる。密封 体14もしくは15は、それぞれの熱交換器WwもしくはWkからの望ましくない放熱を 避けるために断熱材料から製造されているのが望ましい。 中温熱交換器Wwとプロセス側から見てこれに後置された蓄熱室Rkとの間にピス トン・スカート9aとともに協同しているシール16が設けられている。該シール16 は、作動流体が熱交換器WwとWkの間を流れる際にハウジング１の内側で本体12の 延長線上に設けられている低温蓄熱室Rkを経て案内されることを保証している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホーフバウエル，ペーテル ドイツ連邦共和国 デー‐51503 レース ラート‐ホフヌングスタール ローテンバ ツヘル ヴエーク29 (72)発明者 ハイクロツト，クラウス ドイツ連邦共和国 デー‐47829 クレー フエルト ニコラウス‐グロース‐シユト ラーセ11 【要約の続き】 れる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 気密式ハウジング（1）内で直線運動できる２つのピストン（8,9）を備え、 前記ピストンは共同で中温作動容積（Vw）を限定し、そして前記ピストンのうち の一方のピストン（8）はハウジング（1）内で熱を供給された高温作動容積（Vh ）を、そして他方のピストン（9）は低温作動容積（Vk）をそれぞれ限定してい て、その際にこれら３つの作動容積（Vh,Vw,Vk）は蓄熱室（Rh,Rk）と熱交換器 （Ww,Wk）を中間接続した上で互いに結合されていて、そてピストン（8,9）向け の駆動装櫛及び／又は制御装歴が取り付けられている、蓄熱式ガス循環方式に従 つて作動している加熱・冷却機において、中温及び低温作動容積（Vw,Vk）をピ ストン・ヘツド（9a）によつて互いに切り離しているピストン（9）はポツト状 に形成されていること、そのピストン・スカート（9b）は外側にある中温熱交換 器（Ww）と内側にある低温熱交換器（Wk）との間の仕切りとして役立つていて、 その際に作動流体からの、もしくは作動流体への伝熱は両方の熱交換器（Ww,Wk ）のもとでピストン・スカート（9b）の外側にある、もしくは内側にあるスカー ト面とそれぞれの熱交換器（Ww）もしくは（Wk）の面との間で行われることを特 徴とする加熱・冷却機。 ２ ピストン（9）は少なくとも一部、熱伝導率の低い材料から製造されている 、請求項１に記載の加熱・冷却機。 ３ ピストン（9）には少なくとも一方の側で熱伝導率の低い材料（断熱層9c） が具備されている、請求項２に記載の加熱・冷却機。 ４ 熱交換器（Ww,Wk）の作動流体にさらされる表面積は多孔性材料の塗布によ つて、彼状起伏加工又は溝加工（12b,13b）に よつて、及び／又は波状起伏加工又は溝加工された板材の使用によつて拡大され ている、請求項１ないし３の少なくとも１つに記載の加熱・冷却機。 ５ 熱交換器（Ww,Wk）は開放流路（12aもしくは13a）を具備された、ピスト ン（9）用軸受けブツシユとして形成された本体（12もしくは13）と、流路（12a もしくは13a）の開放側を閉じている密封体（14もしくは15）から２分割式で形 成されている、請求項１ないし４の少なくとも１つに記載の加熱・冷却機。 ６ 密封体（14もしくは15）は断熱材料から製造されている、請求項５に記載 の加熱・冷却磯。 ７ 中温熱交換器（Ww）とプロセス側から見てこれに後置された蓄熱室（Rk） との間にピストン・スカート（9b）とともに協同しているシール（16）が設けら れている、請求項１ないし６の少なくとも１つに記載の加熱・冷却機。