JPH09318170A

JPH09318170A - 外燃式熱ガス機関の再生器

Info

Publication number: JPH09318170A
Application number: JP15493596A
Authority: JP
Inventors: Izumi Okamoto; 泉岡本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】高い吸放熱性能を確保しながら製造の容易化
を実現した外燃式熱ガス機関の再生器を提供する。【解決手段】蓄熱エレメント４１は、３種の外径を有
するステンレス鋼製の球状体４２，４３，４４から形成
されている。各球状体４２，４３，４４はランダムに配
置され、それらの間に作動ガスが往復流動する空隙４５
をなしている。そして、球状体４２，４３，４４の外径
が不均一であることにより、球状体４２，４３，４４の
整列が乱され、空隙４５の蓄熱エレメント４１における
体積割合（すなわち、空隙率）は６０〜７０％と高くな
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷暖房装置や給湯
装置等の冷熱源として好適な外燃式熱ガス機関の再生器
に係り、詳しくは吸放熱性能の向上や製造の容易化等を
図る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷暖房や給湯を行う装置として、
外燃式熱ガス機関たるヴェルミエサイクルを利用したヒ
ートポンプ（以下、ＶＭＨＰ：Vuilleumier Cycle Heat
Pumpという）が開発されている。ＶＭＨＰは、封入媒
体（作動ガス）としてのＨｅ（ヘリウム）ガスの温度分
布変化のみにより圧力変化を引起し、ダイレクトに冷暖
房・給湯を可能とするものである（例えば、特公平５−
６５７７７号公報または特開平４−１１３１７０号公報
等参照）。

【０００３】ＶＭＨＰの作動ガス回路には、高温室と中
温室との間や中温室と低温室との間に、再生器が設けら
れている。再生器は作動ガスに圧力変化を起こさせずに
熱エネルギーを蓄える装置であり、例えば、作動ガスが
高温室から中温室に流入する際に熱エネルギーを吸収
し、中温室から高温室に環流する際に蓄えた熱エネルギ
ーを放出する。再生器の蓄熱エレメントとしては、目の
細かい金網を数百枚積層したものが一般に用いられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】旧来の金網を用いた再
生器は、膨大な枚数の金網を所定の形状に打ち抜いて積
層することにより製造される。そのため、製造工程が煩
雑になると共に、製造コストが上昇することが避けられ
なかった。

【０００５】本発明の目的は、高い吸放熱性能を確保し
ながら製造の容易化を実現した外燃式熱ガス機関の再生
器を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、外燃式熱ガス機関の作動ガス回
路に内装され、往復流動する作動ガスに対して熱エネル
ギーの吸収および放出を行う再生器であって、多数の球
状体からなる蓄熱エレメントを備えることを特徴とす
る。

【０００７】この発明によれば、例えば、高温室から中
温室に作動ガスが移動する際等には、作動ガスが球状体
の表面に接触して熱エネルギーが吸収される。また、中
温室から高温室に作動ガスが移動する際等には球状体に
蓄えられた熱エネルギーが作動ガスに放出される。

【０００８】また、請求項２の発明は、外燃式熱ガス機
関の作動ガス回路に内装され、往復流動する作動ガスに
対して熱エネルギーの吸収および放出を行う再生器であ
って、多数の球状体からなる蓄熱エレメントを備えると
共に、当該多数の球状体の外径が不均一であることを特
徴とする。

【０００９】この発明によれば、例えば、大径の球状体
と小径の球状体との接触部位に大きな空隙が生じ、蓄熱
エレメントの空隙率が増大する。

【００１０】また、請求項３の発明は、外燃式熱ガス機
関の作動ガス回路に内装され、往復流動する作動ガスに
対して熱エネルギーの吸収および放出を行う再生器であ
って、多数の球状体からなる蓄熱エレメントを備えると
共に、当該多数の球状体が互いに接合されることを特徴
とする。

【００１１】この発明によれば、作動ガスの往復流動時
等に球状体が脱落しないため、球状体を保持するケーシ
ングが不要となる。

【００１２】また、請求項４の発明は、外燃式熱ガス機
関の作動ガス回路に内装され、往復流動する作動ガスに
対して熱エネルギーの吸収および放出を行う再生器であ
って、多数の球状体からなる蓄熱エレメントを備えると
共に、当該多数の球状体が金属球であることを特徴とす
る。

【００１３】この発明によれば、高温での使用が可能と
なり、また、金属には熱的性能に影響する比熱および比
重量の大きなものが多いため、高性能な再生器が得られ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づき詳細に説明する。

【００１５】空気調和機の全体説明図１は空気調和機の冷温水供給回路を示しており、この
回路には図２に断面斜視を示すヴィルミエサイクルの熱
ガス機関１が採用されている。熱ガス機関１は、シリン
ダ６１，６２に摺動自在に保持されると共に互いに直交
配置された高温側ピストン２と低温側ピストン３とを備
えており、これらがヘリウム等の作動ガスを封入した容
器に収納されている。容器内部は、高温室１２と、中温
室１３，１４と、低温室１５とに区画されている。ま
た、高温室１２の端部には加熱器１６を有しており、加
熱器１６は、燃焼器１１により加熱される。

【００１６】両ピストン２，３は、例えば高温側ピスト
ン２が上死点と下死点との中間位置へ到達するときに、
低温側ピストン３が上死点に位置するように、互いに９
０°位相をずらして動作するべく、モータ９で駆動され
るクランク１０を介して連結されている。高温側ピスト
ン２と低温側ピストン３とが動作すると、封入された作
動ガスが、高温再生器４と低温再生器７を通って各室１
２と１３，１４と１５間を移動する。そして、作動ガス
は、これら再生器４，７を通過する際に、加熱あるいは
冷却されることになり、密閉容器内が昇圧あるいは減圧
されることになる。

【００１７】例えば、高温室１２の作動ガスが高温再生
器４を通って中温室１３に移動する際には、作動ガスの
熱エネルギーが高温再生器４に蓄えられ、作動ガスの圧
力は低下する。逆に、作動ガスが中温室１３から高温室
１２に環流する際には、高温再生器４に蓄えられた熱エ
ネルギーが作動ガスに放出され、作動ガスの圧力は上昇
する。また、低温室１５の作動ガスが低温再生器７を通
って中温室１３に移動する際には、作動ガスに高温再生
器４の熱エネルギーが供給され、作動ガスの圧力も上昇
する。逆に、作動ガスが中温室１３から低温室１５に環
流する際には、作動ガスの熱エネルギーが低温再生器４
に吸収され、作動ガスの圧力は低下する。

【００１８】また、外部との熱エネルギーのやり取り
は、中温室１３，１４と接続する中温熱交換器５，６及
び低温室と接続する低温熱交換器８が行う。例えば、加
熱器１６が高温室１２の作動ガスに熱エネルギーを与え
ると、中温室１３，１４側の作動ガスが中温熱交換器
５，６を介して外部熱媒体に熱エネルギーを放出すると
共に、低温室１５側の作動ガスが低温熱交換器８を介し
て外部熱媒体から熱エネルギーを吸収する。

【００１９】すなわち、本実施形態の熱ガス機関１で
は、低温熱交換器８と低温室１５とは吸熱部を構成する
一方で、中温熱交換器５，６と中温室１３，１４とが放
熱部を構成し、熱ガス機関１の低温熱交換器８、および
中温熱交換器５，６を利用してなる空気調和機１００が
提供される。空気調和機１００は、熱ガス機関１と室内
機２００と室外機３００とからなっている。

【００２０】室内機２００内には室内熱交換器２０１が
配設され、室外機３００内には室外熱交換器３００が配
設されている。２０３は室内ファン、３０３は室外ファ
ンである。低温熱交換器８と室内熱交換器２０１は、管
路２１と四方弁３６と管路２２とによりつながれ、さら
に室内熱交換器２０１と低温熱交換器８は、管路２３と
四方弁３７と管路２４とによりつながれている。また、
中温熱交換器５と室外熱交換器３０１は、管路３１と四
方弁３６と管路３２とによりつながれ、さらに室外熱交
換器３０１と中温熱交換器６は、管路３３と四方弁３７
と管路３４とによりつながれている。また、中温熱交換
器５と６は、管路３５とによりつながれている。管路を
循環する外部熱媒体としては、水（以下、液冷媒と記
す）が用いられている。

【００２１】冷房運転時には、燃焼器１１の点火により
熱ガス機関１が作動し、中温熱交換器５，６を介して作
動ガスの熱エネルギーが液冷媒に放出される一方で、低
温熱交換器８を介して液冷媒の熱エネルギーが作動ガス
に吸収される。この際、四方弁３６，３７は図１で実線
で示すように切り替えられており、低温熱交換器８で熱
エネルギーを放出した液冷媒は、管路２１、四方弁３
６、管路２２を経由して室内熱交換器２０１に流れる。
室内機２００内では、低温となった室内熱交換器２０１
に室内ファン２０３からの送風が行われ、室内に冷風が
送り出され（冷房が行われ）、室内気の熱エネルギーを
吸収した液冷媒は管路２３、四方弁３７、管路２４を経
由して低温熱交換器８に環流する。

【００２２】このとき、中温熱交換器５で熱エネルギー
を吸収した液冷媒は、管路３１、四方弁３６、管路３２
を通じて室外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファン
３０３からの送風により冷却された後、管路３３、四方
弁３７、管路３４を通じて中温熱交換器６に流れ、さら
に管路３５を通じて中温熱交換器５に環流する。

【００２３】また、暖房運転時にも、燃焼器１１の点火
により熱ガス機関１が作動し、中温熱交換器５，６を介
して作動ガスの熱エネルギーが液冷媒に吸収される一方
で、低温熱交換器８を介して液冷媒の熱エネルギーが作
動ガスに放出されるが、この際には四方弁３６，３７が
図１で点線で示すように切り替えられる。この場合、中
温熱交換器５，６で熱エネルギーを吸収した液冷媒は、
管路３１、四方弁３６、管路２２を経由して室内熱交換
器２０１に流れる。室内機２００内では、比較的高温と
なった室内熱交換器２０１に室内ファン２０３からの送
風が行われ、室内に温風が送り出される（暖房が行われ
る）一方で、室内に熱エネルギーを放出した液冷媒は管
路２３、四方弁３７、管路３４を経由して中温熱交換器
５，６に環流する。

【００２４】このとき、低温熱交換器８で熱エネルギー
を放出した液冷媒は、管路２１、四方弁３６、管路３２
を通じて室外熱交換器３０１に流れ、そこで室外ファン
３０３からの送風により外気の熱エネルギーを吸収した
後、管路３３、四方弁３７、管路２４を経由して低温熱
交換器８に環流する。

【００２５】再生器の実施形態以下、高温再生器４および低温再生器７の実施形態を説
明するが、両再生器４，７が実質的に同一品であるた
め、具体的説明は高温再生器（以下、単に再生器と記
す）４に対してのみ行う。

【００２６】図３には本発明に係る再生器４の一実施形
態を斜視により示し、図４には図３中の拡大Ａ矢視を示
してある。

【００２７】これらの図に示したように、本実施形態の
再生器４は、シリンダ６１が通過する筒穴４０を中央に
有する円筒形状をなしている。蓄熱エレメント４１は、
３種の外径（それぞれ、０．１mm，０．３mm，０．５m
m）を有するステンレス鋼製の球状体４２，４３，４４
から形成されている。各球状体４２，４３，４４はラン
ダムに配置され、それらの間に作動ガスが往復流動する
空隙４５をなしている。そして、球状体４２，４３，４
４の外径が不均一であることにより、球状体４２，４
３，４４の整列が乱され、空隙４５の蓄熱エレメント４
１における体積割合（すなわち、空隙率）は６０〜７０
％と高くなっている。図３中、４６は再生器４の外殻を
形成するアウタリングであり、４７は内殻を形成するイ
ンナリングである。

【００２８】本実施形態の再生器４では、作動ガスが空
隙４５を通過する際に各球状体４２，４３，４４の表面
と接触して、再生器４による熱エネルギーの吸収や放出
が行われる。この際、上述したように蓄熱エレメント４
１の空隙率が高いため、作動ガスの流動性が良好にな
り、熱ガス機関の再生器として要求される流動性能を満
足させることができた。

【００２９】一方、本実施形態での蓄熱エレメント４１
の製造にあたっては、先ず球状体４２，４３，４４にバ
インダーの塗布やロウの塗布等を行った後、円筒状の金
型に充填する。しかる後、バインダーの乾燥や真空熱処
理を行い、球状体４２，４３，４４を強固に一体化させ
る。また、蓄熱エレメント４１の製造にあたっては、次
の方法を採ることも可能である。すなわち、容器にアウ
タリング４６とインナリング４７とを組み込んだ後、ロ
ウの塗布等を行った球状体４２，４３，４４を充填す
る。この際には、球状体４２，４３，４４が脱落しない
ように、アウタリング４６とインナリング４７との下部
に金網等を設ける。しかる後、加熱器１６を容器の上部
に組み込み、加熱器１６と球状体４２，４３，４４との
ロウ付けを同時に行う。これにより、熱処理工程の簡略
化が行われると共に、蓄熱エレメント４１がアウタリン
グ４６やインナリング４７に対して強固に接合される。
尚、蓄熱エレメント４１の一体化においては、ロウ付け
接合に代えて、より生産性の高い拡散接合等を用いても
よい。

【００３０】このような構成を採ったため、本実施形態
の再生器４では、膨大な枚数の金網を打ち抜いて積層し
たものに比べ、大量生産が容易に行え、製造コストの低
減を図ることも可能となった。

【００３１】以上で具体的実施形態の説明を終えるが、
本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では外径の異なる３種の球状体を
用いたが、４種以上の球状体を用いてもよいし、２種あ
るいは単一径の球状体を用いてもよい。また、再生器の
形状については、設計上の都合等に応じて、円柱形や方
形等を採用するようにしてもよい。また、球状体の素材
として、銅やチタン等、ステンレス以外のものを用いる
ようにしてもよい。更に、本発明の再生器は、ヴェルミ
エサイクル以外に、スターリングエンジン等の外燃式熱
ガス機関にも適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の再生器によ
れば、多数の球状体からなる蓄熱エレメントを備えるよ
うにしたため、吸放熱性能と流動性能とを確保しなが
ら、製造の容易化や製造コストの低減等を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒートポンプ式空気調和機の構成を示す回路図
である。

【図２】熱ガス機関の構造を示す断面斜視図である。

【図３】再生器の一実施形態を示す斜視図である。

【図４】図３中のＡ拡大矢視図である。

【符号の説明】

１熱ガス機関２高温側ピストン３低温側ピストン４高温再生器５，６中温熱交換器７低温再生器８低温熱交換器９モータ１０クランク１１燃焼器１２高温室１３，１４中温室１５低温室１６加熱器２１〜２４，３１〜３５管路３６，３７四方弁４０筒穴４１蓄熱エレメント４２〜４４球状体４５空隙４６アウタリング４７インナリング１００空気調和機２００室内機２０１室内熱交換器２０３室内ファン３００室外機３０１室外熱交換器３０３室外ファン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
収および放出を行う再生器であって、多数の球状体から
なる蓄熱エレメントを備えたことを特徴とする外燃式熱
ガス機関の再生器。
【請求項２】外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
収および放出を行う再生器であって、多数の球状体から
なる蓄熱エレメントを備えると共に、当該多数の球状体
の外径が不均一であることを特徴とする外燃式熱ガス機
関の再生器。
【請求項３】外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
収および放出を行う再生器であって、多数の球状体から
なる蓄熱エレメントを備えると共に、当該多数の球状体
が互いに接合されていることを特徴とする外燃式熱ガス
機関の再生器。
【請求項４】外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
収および放出を行う再生器であって、多数の球状体から
なる蓄熱エレメントを備えると共に、当該多数の球状体
が金属球であることを特徴とする外燃式熱ガス機関の再
生器。