JPH09318171A

JPH09318171A - 外燃式熱ガス機関の熱交換器およびその製造方法

Info

Publication number: JPH09318171A
Application number: JP16096296A
Authority: JP
Inventors: Izumi Okamoto; 泉岡本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的コンパクトでありながら、高い熱交換
効率を実現した外燃式熱ガス機関の熱交換器を提供す
る。【解決手段】ガスチューブ５０の中間部５３は、熱交
換器本体４１の軸心Ｃと平行となっておらず、スパイラ
ル状に成形されている。すなわち、ガスチューブ５０の
中間部５３は、側面視において所定の角度傾斜してお
り、平面視において熱交換器本体４１の軸心Ｃを中心と
する円弧をなしている。これにより、熱交換器本体４１
の厚みＴが従来装置と同等でありながら、ガスチューブ
５０の有効長Ｌは約５０％長くなると共に、ガスチュー
ブ５０相互の間隙が略一定に保たれている。

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熱交換
器に係り、詳しくは熱交換効率の向上等を図る技術に関
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 Hea
t 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中温室や低温
室に円環状の熱交換器が設けられている。熱交換器は作
動ガスと外部熱媒体との間で熱エネルギーの授受を行わ
せる装置であり、例えば、中温側熱交換器内では作動ガ
スから外部熱媒体に熱エネルギーが放出され、低温側熱
交換器内では作動ガスが外部熱媒体の熱エネルギーを吸
収する。

【０００４】図７には、従来の熱交換器の一例を示して
ある。この熱交換器５は、円筒形状のアウタスリーブ４
２およびインナスリーブ４３と円環形状の上下管板４
４，４５とからなる熱交換器本体４１と、両管板４４，
４５端部がに保持されたガスチューブ５０とからなって
おり、作動ガスと外部熱冷媒とがガスチューブ５０の管
壁により隔てられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した熱ガス機関で
は、運転中に作動ガスの圧力が１０ＭＰa 程度に上昇す
るため、ガスチューブ５０には高い耐圧性が要求され
る。また、熱交換効率を向上させるためには、作動ガス
と外部熱冷媒との間に広い伝熱面積を確保する必要もあ
る。そこで従来は、ガスチューブ５０として厚肉小径の
直管を数百本〜千本程度用い、これらのガスチューブ５
０を熱交換器本体４１の軸心Ｃと平行となるように配置
していた。

【０００６】しかしながら、このような構成を採って
も、十分な熱交換効率が確保できなくなることがあっ
た。すなわち、ガスチューブ５０が外部熱冷媒に曝され
る有効長Ｌは、熱交換器本体４１の厚みＴから管板４
５，４６の厚みを減じたものとなる。そのため、厚みＴ
が薄い場合には、有効長Ｌも短くなって伝熱面積が小さ
くなり、作動ガスと外部熱冷媒との間での熱エネルギー
の授受が十分に行われないことがあった。そして、この
ような不具合を解消するべく熱交換器本体４１の厚みＴ
を大きくした場合、装置の体格や重量が増加する問題が
あった。

【０００７】本発明の目的は、比較的コンパクトであり
ながら、高い熱交換効率を実現した外燃式熱ガス機関の
熱交換器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
路と外部熱媒体回路との間に介装され、少なくとも一対
の管板から構成されて外部熱媒体の流通に供される熱交
換器本体と、前記一対の管板にその両端を保持されると
共にその中間部が前記熱交換器本体内に収納されて作動
ガスの流通に供されるガスチューブとを有する熱交換器
において、前記ガスチューブの中間部が前記アウタスリ
ーブの厚み方向に対して平行となっていないことを特徴
とする。

【０００９】この発明によれば、例えば、ガスチューブ
の中間部をアウタスリーブの厚み方向に対して傾斜させ
た場合、熱交換器本体の厚みに対してガスチューブの管
長が長くなり伝熱面積が増大し、熱交換効率が大幅に向
上する。

【００１０】また、請求項２の発明によれば、外燃式熱
ガス機関の作動ガス回路と外部熱媒体回路との間に介装
され、少なくとも一対の管板から構成されて外部熱媒体
の流通に供される熱交換器本体と、前記一対の管板にそ
の両端を保持されると共にその中間部が前記熱交換器本
体内に収納されて作動ガスの流通に供されるガスチュー
ブとを有する熱交換器において、前記ガスチューブの中
間部がスパイラル状に成形されていることを特徴とす
る。

【００１１】この発明によれば、ガスチューブを傾斜さ
せたものに比べて、更にガスチューブの管長が長くな
り、伝熱面積の増大による熱交換効率が顕著に向上す
る。

【００１２】また、請求項３の発明によれば、外燃式熱
ガス機関の作動ガス回路と外部熱媒体回路との間に介装
され、少なくとも一対の管板から構成されて外部熱媒体
の流通に供される熱交換器本体と、前記一対の管板にそ
の両端を保持されると共にその中間部が前記熱交換器本
体内に収納されて作動ガスの流通に供されるガスチュー
ブとを有する熱交換器を製造する方法であって、前記一
対の管板に前記ガスチューブを固着させた後、当該一対
の管板を相対回転させる工程を含むことを特徴とする。

【００１３】この発明によれば、多数のガスチューブの
中間部を一度に且つ極めて容易に塑性変形させることが
可能となり、製造に要する時間や工数を低減することが
できる。

【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】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、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】熱交換器の実施形態以下、中温熱交換器５，６および低温熱交換器８の実施
形態を説明するが、両熱交換器５，６，８はその構成が
実質的に同一であるため、具体的説明は中温熱交換器
（以下、単に熱交換器と記す）５に対してのみ行う。

【００２６】図３には本発明に係る熱交換器５の第１実
施形態を斜視により示してある。

【００２７】この図に示したように、熱交換器５は、高
温側ピストン２（あるいは、低温側ピストン３）が往復
動する筒穴４０を中央に有した円筒形状をなしており、
熱交換器本体４１の厚みＴや容積は従来装置と同一に設
定されている。熱交換器５の熱交換器本体４１は、円筒
形状のアウタスリーブ４２およびインナスリーブ４３
と、円環形状の上下管板４４，４５とから構成されてお
り、これらがロウ付けにより接合されている。アウタス
リーブ４２の上下方向中央部には１８０°間隔で冷媒流
入口４６と冷媒流出口（図示せず）とが形成されてお
り、冷媒流入口４６から熱交換器本体４１内に流入した
液冷媒が冷媒流出口から流出する。また、上下管板４
４，４５には多数個（本実施形態では、各千個）のチュ
ーブ支持孔４８，４９が穿孔されており、これらチュー
ブ支持孔４８，４９に細径のガスチューブ５０が支持さ
れている。

【００２８】本実施形態の場合、ガスチューブ５０は銅
合金製のパイプを素材としている。そして、ガスチュー
ブ５０の上下管板４４，４５への挿入部５１，５２を除
く中間部５３は、熱交換器本体４１の軸心Ｃと平行とな
っておらず、図４，図５（図４中のＡ矢視図）に示した
ように、スパイラル状に成形されている。すなわち、ガ
スチューブ５０の中間部５３は、側面視（図４）におい
て角度θ（本実施形態では、略４５゜）傾斜しており、
平面視（図５）において熱交換器本体４１の軸心Ｃを中
心とする半径Ｒの円弧をなしている。これにより、熱交
換器本体４１の厚みＴが従来装置と同等でありながら、
ガスチューブ５０の有効長Ｌは約５０％長くなると共
に、ガスチューブ５０相互間およびアウタスリーブ４２
やインナスリーブ４３との間の隙間が略一定に保たれて
いる。

【００２９】さて、熱ガス機関１の運転が開始される
と、ガスチューブ５０内を作動ガスが往復流動する一方
で、熱交換器本体４１内を液冷媒が流動して、熱交換が
行われる。この際、本実施形態の熱交換器５では、ガス
チューブ５０の有効長Ｌが長いため、従来装置に比べて
伝熱面積が約５０％大きくなり、従来装置に比べて熱交
換効率を大幅に向上させることができた。

【００３０】一方、本実施形態での熱交換器５の製造に
あたっては、先ず上下の管板４４，４５と全てのガスチ
ューブ５０とをロウ付けする。この時点では、ガスチュ
ーブ５０は直管であり、その有効長Ｌは完成品と略等し
く設定されている。次に、これを図示しない加工機械に
セットした後、図６に示したように、両管板４４，４５
を相対回転させながら、両管板４４，４５間の距離を縮
小させてゆく。すると、各々のガスチューブ５０の中間
部５３は、圧縮力と曲げ力とを受けて、スパイラル状に
塑性変形を起こし始める。そして、ガスチューブ５０の
中間部５３が所定の寸法および形状に成形されたら、こ
れを加工機械から取り外し、上下の管板４４，４５にイ
ンナスリーブ４２とアウタスリーブ４３とをロウ付けす
る。

【００３１】このように、本実施形態では、膨大な本数
のガスチューブ５０の成形を同時に行うようにしたた
め、熱交換器５の製造を極めて容易かつ短時間で行うこ
とができた。

【００３２】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、上記実施形態ではガスチューブの中間部の形状
をスパイラル状としたが、単に傾斜させるようにしても
よい。また、ガスチューブの外周にアウタフィン等を形
成させることにより、熱交換効率を更に高めるようにし
てもよい。また、熱交換器の製造にあたっては、予め所
定の形状に成形したガスチューブを管板にロウ付けする
等の方法をとってもよい。また、熱交換器本体について
は、設計上の都合等に応じて、円柱断面や矩形断面等を
採用するようにしてもよいし、アウタスリーブやインナ
スリーブを省略するようにしてもよい。また、ガスチュ
ーブの素材として、銅合金に代えて、アルミ合金やステ
ンレス鋼等を用いてもよい。更に、本発明の熱交換器
は、スターリングエンジン等、ヴェルミエサイクル以外
の外燃式熱ガス機関にも適用可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の熱交換器に
よれば、伝熱面積が増大すると共に液冷媒の流動方向も
低減し、熱交換効率を高めることが可能となった。ま
た、本発明の製造方法によれば、ガスチューブの成形を
極めて容易かつ短時間で行うことができ、製造コストの
低減や大量生産への適用等を実現できる。

【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】熱交換器の実施形態を示す斜視図である。

【図４】ガスチューブの側面図である。

【図５】図４中のＡ矢視図である。

【図６】熱交換器の製造工程を示す説明図である。

【図７】従来の熱交換器を示す斜視図である。

【符号の説明】

１熱ガス機関５，６中温熱交換器８低温熱交換器４１熱交換器本体４２アウタスリーブ４３インナスリーブ４４，４５管板５０ガスチューブ５３中間部

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と外部
熱媒体回路との間に介装され、少なくとも一対の管板か
ら構成されて外部熱媒体の流通に供される熱交換器本体
と、前記一対の管板にその両端を保持されると共にその
中間部が前記熱交換器本体内に収納されて作動ガスの流
通に供されるガスチューブとを有する熱交換器におい
て、前記ガスチューブの中間部が前記アウタスリーブの
厚み方向に対して平行となっていないことを特徴とする
外燃式熱ガス機関の熱交換器。
【請求項２】外燃式熱ガス機関の作動ガス回路と外部
熱媒体回路との間に介装され、少なくとも一対の管板か
ら構成されて外部熱媒体の流通に供される熱交換器本体
と、前記一対の管板にその両端を保持されると共にその
中間部が前記熱交換器本体内に収納されて作動ガスの流
通に供されるガスチューブとを有する熱交換器におい
て、前記ガスチューブの中間部がスパイラル状に成形さ
れていることを特徴とする外燃式熱ガス機関の熱交換
器。
【請求項３】外燃式熱ガス機関の作動ガス回路と外部
熱媒体回路との間に介装され、少なくとも一対の管板か
ら構成されて外部熱媒体の流通に供される熱交換器本体
と、前記一対の管板にその両端を保持されると共にその
中間部が前記熱交換器本体内に収納されて作動ガスの流
通に供されるガスチューブとを有する熱交換器を製造す
る方法であって、前記一対の管板に前記ガスチューブを
固着させた後、当該一対の管板を相対回転させる工程を
含むことを特徴とする外燃式熱ガス機関の熱交換器の製
造方法。