JPH08503063A - 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)は低温の作動容積(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る。窪かな外部寸法と十分に高い流速のもとで優れた熱取り込みを可能にするために、同時に気密性ハウジング(1)の一部を形成している、湾曲された隔壁(6)を経て熱が高温作動容積(Vh)に供給される。該隔壁は回転対称状アーチとして製造され、ハウジング(1)と断熱的に結合されている。

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・冷却機に関するも 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／又は制御装濯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・冷却機は、以前から例えば英国特許出願公告第136195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 ば欧州特許出騙公開第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・冷却磯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・冷却機を関与させられた部品（これ らは加えて熱伝達を改善するためにできる限り僅かな肉厚を有するが） の僅かな外部寸法及び高い耐圧性のもとで高温作動容積への優れた熱取り込みが 生じるように改善することである。 本発明によるこの諜題提起の解決は、気密性ハウジングの一部をも形成してい る。内側もしくは外側に湾曲した隔壁を経て熱が高温作動容積に供給され、該隔 壁は回転対称状湾曲、優先的には円錐曲線、とりわけ半球として製造され、そし てハウジングと断熱的に結合されていることによつて特徴づけられている。 同時に気密性ハウジングの一部でもある、内側又は外側に向けて湾曲された隔 壁によつて、伝熱面の高い耐圧性のもとで一方では所与の外部寸法のもとで大き な面積が、そして他方では熱の取り込みを改善するために僅かな肉厚を選べると いう可能性が生まれる。湾曲された隔壁をハウジングに対して断熱することによ つて、効率を低下させる、隔壁からハウジングへの、そしてそれによつて周囲へ の伝熱が防止される。 本発明の別の特徴に従い、隔壁にはその外側及び／又は内側に表面積を拡大す るフインが具備されている。さらに本発明によれば、隔壁の外側の周囲部分に放 熱流体の流速を増加させる流路を例えばフイン又はそらせ板の形で具備させるこ とが可能である。 発明の開示 本発明の好ましい実施形態では、取り込むべき熱は輻射割合の高い熱発生器に よつて発生され、それによつて本発明に基づく加熱・冷却機のサイズが小さくな る。本発明によれば熱発生器として、とりわけ隔壁の輸郭に合致された赤熱表面 を有するガス・ノベーナが使用される。 熱を取り込むために高温ピストンと隔壁との間のデツド・ス ぺースを最小にし、高温作動スペース内での隔壁から作動流体への伝熱を改善す るために、高温ピストンは本発明によれば湾曲された隔壁の輪郭に合致されたピ ストン・ヘツドを付けて製造され、その際にピストン・ヘツドの湾曲によつて強 度を同じに保つたままその肉厚を小さくできるので、高温ピストンの重量が低減 され得る。 本発明によつて最終的に隔壁の内側の周辺部分に流速を増加させる流路、例え ばフインやそらせ板を具備させ、それによつて高温作動容積内での隔壁から作動 流体への放熱をさらに改善することが提案されている。 熱発生器によつて発生された熱を高温作動容積内にある作動流体へと取り込む 範囲において加熱・冷却機を本発明に基づいて改善することによつて、実践に即 した構造が生み出される。この構造は、一方では加熱・冷却機の効率を向上させ 、そして他方ではこの種の機械の工業的製造を可能にする。 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１つの実施例が示されている。 図１は、両方のピストンと気密性ハウジングを有する機械部分の縦断面図を示 し、 図２は、隔壁の別の実施形態の断面図を拡大して示している。発明を実施する ための最良の形態 図１に縦断面図で示された機械は、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、該フランジには然るべきフランジ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 図示されていない．フランジ1aと2aと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・スチール製メツシユからなる 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、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へと放熱される。 該高温作動容積は、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、蓄熱式ガス循環方式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。 隔壁６を気密性ハウジング１の内部に向けて湾曲させることによつて、幾何学 形状によつて向上させられた耐圧性（これは気密性ハウジング１に属する隔壁６ の肉厚の減少を可能にするが）が生じるだけでなく、ガス・バーナ５と高温作動 容積Vhとの間の伝熱面積の拡大も生じる。その際に隔壁６の僅かな肉厚はガス・ バーナ５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。本実施例 のもとで断熱リング7aと7b、並びにダイヤフラム状延長部6bによつて形成された 、隔壁６とハウジング１との間の断熱は、同時に隔壁６からハウジング１への、 そしてそれによつて周囲への伝熱を低減させ、これによつていつそうの効率改善 が生まれる。 図１から判明するように、高温ピストン８のピストン・ヘツド8aの形状は隔壁 ６の湾曲の形状に合致されている．これによつて高温ピストン８が隔壁６に隣接 した終端位凪にある時に隔壁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、サイクルの進行時に 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に合わせてピストン・ヘツド8aを湾曲させることによつて、これによ り生み出された高い形状安定性にもとづいてピストン・ヘツド8aの肉厚も低減さ せうるので、さらに高温作動容積Vhから高温ピストン８を経ての伝熱損失も低減 される。 一方では吸熱に、そして他方では放熱に使われる、隔壁６の 面積を拡大するために、該隔壁の外側及び／又は内側に表面積を拡大するフイン を具備させうる。図１に基づく実施例は、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の二者択一的な可能性、又は追加的な可 能性を隔壁６の周辺部分に設けられたそらせ板11の形で示している。このそらせ 板11は、隔壁６の周辺部分において流れ断面積の小さな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、これが蓄熱室Rhに入る前に大きな流速でも つて隔壁６の周辺部分を経て案内される。効率改善は、この措置と結びついてい る。 この種のそらせ板11を設けることは、図２に基づく第２の実施例による隔壁６ の拡大描写からも読み取ることができる。さらにこの二者択一的実施形態は、湾 曲された隔壁６の外側に設けられたそれせ板12も示している。該そらせ板によつ て燃焼室5dを出る燃焼ガスは大きな流速でもつて隔壁６の外表面の大半を経て流 れるように強制されるので、放熱を行う燃焼ガスから吸熱を行う隔壁６への優れ た熱伝達が生じる。

───────────────────────────────────────────────────── 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

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、そしてピストン(8,9)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、蓄熱式ガス循環方式に従つて作動している加 熱・冷却机において、同時に気密性ハウジング(1)の一部を形成している、内側 又は外側に湾曲された隔壁(6)を経て熱が高温作動容積(Vh)に供給され、前記隔 壁は回転対称的アーチとして、優先的には円錐曲線として、とりわけ半球として 製造されていて、ハウジング(1)と断熱的に結合されていることを特徴とする加 熱・冷却機。 ２ 隔壁(6)の外側及び／又は内側には表面積を拡大するフインが具備されてい る、請求項１に記載の加熱・冷却機。 ３ 隔壁(6)の外側の周辺部分には放熱媒体の流速を増加させる、例えはフイン 又まそらせ板(12)によつて形成された流路が具備されている、請求項１又ま２に 記載の加熱・冷却機。 ４ 取り込むべき熱は高い輻射割合を有する熱発生器によつて発生される、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 取り込むべき熱は隔壁(6)の輪郭に適合された赤熱バーナ面(5c)を有するガ ス・バーナ(5)によつて発生される、請求項４に記載の加熱・冷却機。 ６ 高温ピストン(8)は湾曲された隔壁(6)の輪郭に合致されたピストン・ヘツド (8a)によつて形成されている、請求項１ないし５の少なくとも１つに面載の加熱 ・冷却機。 ７ 隔壁(6)の内側の周辺部分には流速を増加させる、例えばフイン又はそらせ 板(11)によつて形成された流路が具備されている、請求項６に記載の加熱・冷却 機。