JPH09329368A - 外燃式熱ガス機関の再生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コストを抑制しつつ、摩耗粉の発生を抑える
ことのできる外燃式熱ガス機関の再生器を提供する。 【解決手段】 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４であって、この再生器４は
蓄熱素材４３の両端部を、焼結した金属４１，４２で覆
って形成されていることを特徴とするものである。

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、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
生器では、熱ガス機関の運転時の振動などにより、金網
どうしが擦れ合い、金属粉が発生するので、この金属粉
が熱ガス機関の内部に混入すると、トラブルを起こすと
いう問題がある。これを解消するために、金網などの代
わりに、耐磨耗性に優れる燒結した金属を使用すること
も考えられが、この燒結金属を使用するとコスト高にな
るという問題がある。

【０００５】そこで、本発明の目的は、コストを抑制し
つつ、金属粉の発生を抑えることのできる外燃式熱ガス
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、この再生
器は、焼結した金属で蓄熱素材を覆って形成されている
ことを特徴とするものである。

【０００７】請求項２に記載の発明は、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、この再生器は、焼結した金属で蓄熱素材を覆って
形成されており、前記蓄熱素材と、焼結した前記金属と
は異なる素材である。

【０００８】請求項３に記載の発明は、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、この再生器は、焼結した金属で蓄熱素材を覆って
形成されており、前記蓄熱素材と、焼結した前記金属と
は同じ素材である。

【０００９】これらの発明によれば、燒結金属は例えば
例えば再生器の表面（両端部）だけであり、そのほかの
部分には蓄熱性に優れる低コストの素材が用いられるの
で、コストは低く抑えられるし、作動ガスが流通する再
生器の表面（両端部）には燒結金属が位置するので、例
えば内部の金属が擦れて金属粉が発生したとしても、燒
結金属にガードされて再生器から流出しないので、機関
内部に混入することはない。

【００１０】

【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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。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１
５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。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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】また、中温熱交換器５と室外熱交換器３０
１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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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２
３、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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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のＡ−Ａ断面を示し
てある。

【００２６】これらの図に示したように、本実施形態の
再生器４は、高温側ピストン２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。再生器４は、作動ガ
スの流れ方向の図中上下に、焼結した金属からなる焼結
金属層４１，４２を有し、両焼結金属層４１，４２間に
は、蓄熱性に優れる素材の中間層４３が設けられてい
る。 焼結金属層４１，４２は、例えば、複数の金網を
積層したものを炉に入れて、高温で焼結することにより
製造される。中間層４３の素材としては、蓄熱効率のよ
いものであれば、どのような素材であってもよく、例え
ばセラミックスや、金属、或いはロックウール断熱材等
であってもよい。

【００２７】本実施形態の再生器４では、作動ガスが焼
結金属層４１，４２、或いは中間層４３を通過する際
に、各素材４１，４２，４３の表面と接触し、再生器４
による熱エネルギーの吸収や放出が行われる。この際に
は、熱ガス機関の運転時に発生する振動などにより、各
素材４１，４２，４３間には摩擦が生じて、各素材４
１，４２，４３が破損するおそれが生じる。この場合
に、中間層４３が金属であれば、金属が破損して金属粉
が発生する。

【００２８】しかしながら、中間層４３は、破損し難い
焼結金属層４１，４２により挟まれているので、中間層
４３から金属粉が発生したとしても、耐磨耗性に優れる
焼結金属層４１，４２で封止されるので、再生器４の外
にでることはない。従って、熱ガス機関の内部に金属粉
が混入することはない。

【００２９】製造では、焼結金属層４１，４２のみを焼
結すればよいので、炉の使用量が減るので、製造コスト
を抑えることができる。また、中間層４３には蓄熱素材
であれば、どのような素材でも使用することができるの
で、その分でもコストを抑えることができるし、材料選
定の自由度が大きくなる。この実施形態では、中間層４
３が焼結されないので、作動ガスの流動に伴って、中間
層４３の素材が微少に動くので、熱伝達性が向上する。

【００３０】熱ガス機関にこの再生器４を組み込むに際
しては、図２を参照して、まず、下側に位置する焼結金
属層４１を嵌め込み、その上に蓄熱素材を充填して中間
層４３を形成し、その上に焼結金属層４２を嵌め込むだ
けでよい。このように再生器４の製造はきわめて容易で
ある。

【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ないこと
は明らかである。例えば、上記実施形態では、焼結金属
層４１，４２と中間層４３とを別々に形成しているが、
図５に示すように、インナースリーブ５１とアウタース
リーブ５２とを準備し、これらを用いて図示のようにあ
らかじめ再生器４を製造し、この再生器４を熱ガス機関
に組み込むようにしてもよい。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、焼結金属層で蓄熱素材を覆うようにして製造して
いるので、蓄熱素材全部を焼結する場合に比べて、コス
トを低く抑えることができるとともに、中間層に摩耗粉
等が発生しても、焼結金属は耐磨耗性に優れるので、焼
結金属層によって封止されるので、その摩耗粉が熱ガス
機関に混入するのを防止することができる。

【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−Ａ断面図である。

【図５】別の実施形態を示す斜視図である。

【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 ４１，４２ 焼結金属層 ４３ 中間層（蓄熱素材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 弘 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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、 この再生器は、焼結した金属で蓄熱素材を覆って形成さ
   れていることを特徴とする外燃式熱ガス機関の再生器。
2. 【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、 この再生器は、焼結した金属で蓄熱素材を覆って形成さ
   れており、前記蓄熱素材と、焼結した前記金属とは異な
   る素材であることを特徴とする外燃式熱ガス機関の再生
   器。
3. 【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、 この再生器は、焼結した金属で蓄熱素材を覆って形成さ
   れており、前記蓄熱素材と、焼結した前記金属とは同じ
   素材であることを特徴とする外燃式熱ガス機関の再生
   器。