JPH102628A

JPH102628A - 外燃式熱ガス機関の熱交換器

Info

Publication number: JPH102628A
Application number: JP17300796A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Ishihara; 寿和石原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 1998-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高い熱交換効率を確保しながら製造の容易化
や低コスト化等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】熱交換器５は、ステンレス鋼製の熱交換
エレメント４１と、熱交換エレメント４１に外嵌された
これもステンレス鋼製のアウタスリーブ４２とから構成
されている。熱交換エレメント４１には、内周側にガス
流通孔４８が多数形成され、外周面にリング状のアウタ
フィン４９が多数形成されている。アウタフィン４９の
外周はアウタスリーブ４２の内周面に当接しており、こ
れにより熱交換エレメント４１とアウタスリーブ４２と
の間には液冷媒通路となる多数の環状溝５０が画成され
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、詳しくは高い熱交換効率を確保しながら製造
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中温室や低温
室に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。
従来の熱交換器は、外部熱冷媒用の配管が接続される熱
交換器本体と、熱交換器本体内に配設されたガスチュー
ブとからなっており、作動ガスと外部熱冷媒とがガスチ
ューブの管壁により隔てられている。

【０００４】

【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がある。そ
こで従来は、ガスチューブとして厚肉小径のものを用
い、これを熱交換器本体内に数百本〜千本程度配置する
ようにしていた。しかしながら、このような構成を採っ
た場合、部品点数が非常に多くなると共に個々のガスチ
ューブを熱交換器本体の支持孔に挿通させる工程等も煩
雑になり、製造コストの上昇や製造に要する時間の増大
が避けられなかった。

【０００５】本発明の目的は、高い熱交換効率を確保し
ながら製造の容易化や低コスト化等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。

【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
路と外部熱媒体回路との間に介装され、作動ガスと外部
熱冷媒との間の熱交換に供される熱交換器であって、内
周側には前記作動ガスが流通する複数のガス流通孔が形
成され、外周側には前記外部熱冷媒が流通する冷媒流通
路が形成されたことを特徴とする。

【０００７】この発明によれば、例えば、ガス流通孔内
を流動する作動ガスの熱エネルギーが冷媒流通路内を流
動する液冷媒に伝達される。また、ガス流通孔の形成は
ドリル加工等により行うことができる。

【０００８】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、作動ガスと外部熱冷媒との間の熱交換に供される
熱交換器であって、内周側には前記作動ガスが流通する
複数のガス流通孔が形成され、外周側には前記外部熱冷
媒が流通する冷媒流通路が形成され、前記ガス流通孔内
には前記作動ガスの流れ方向に略沿ってインナフィンが
形成されたものを提案する。

【０００９】この発明によれば、作動ガスに対する熱エ
ネルギーの授受が、ガス流通孔の内壁面だけではなく、
インナフィンによっても行われる。

【００１０】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、作動ガスと外部熱冷媒との間の熱交換に供される
熱交換器であって、内周側には前記作動ガスが流通する
複数のガス流通孔が形成されると共に外周面には前記外
部熱媒体の流れ方向に略沿うように形成されたアウタフ
ィンが形成された熱交換エレメントと、前記熱交換エレ
メントに外嵌して当該熱交換エレメントとの間に冷媒流
通路を形成するアウタスリーブとを備えたものを提案す
る。

【００１１】この発明によれば、外部熱冷媒に対する熱
エネルギーの授受が、熱交換エレメントの外周面だけで
はなく、アウタフィンによっても行われる。また、アウ
タフィンの形成は、旋削加工等により行うことができ
る。

【００１２】また、請求項４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、作動ガスと外部熱冷媒との間の熱交換に供される
熱交換器であって、内周側には前記作動ガスが流通する
複数のガス流通孔が形成されると共に外周面には前記外
部熱媒体の流れ方向に略沿うように形成されたアウタフ
ィンが形成された熱交換エレメントと、前記熱交換エレ
メントに外嵌して当該熱交換エレメントとの間に冷媒流
通路を形成するアウタスリーブと、前記作動ガスの流れ
方向に略沿う形状に成形されて前記ガス流通孔に嵌挿さ
れるインナフィンとを備えたものを提案する。

【００１３】この発明によれば、インナフィンを、押出
し成形等により製造した後、そのままガス流通孔に圧入
したり、あるいは挿入後にロウ付けする。

【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、作動ガスに低温再生
器７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７
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の一実施
形態を斜視により示し、図４には同実施形態を縦断面に
より示し、図５には図４中のＡ−Ａ階段断面を示してあ
る。これらの図に示したように、本実施形態の熱交換器
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
している。熱交換器５は、ステンレス鋼製の熱交換エレ
メント４１と、熱交換エレメント４１に外嵌されたこれ
もステンレス鋼製のアウタスリーブ４２とから構成され
ている。

【００２７】アウタスリーブ４２には、上方に冷媒流入
口４３が形成される一方で、下方に冷媒流入口４３に対
して角度を１８０゜ずらして冷媒流出口４４が形成され
ており、冷媒流入口４３から熱交換器５内に流入した液
冷媒が冷媒流出口４４から流出するようになっている。

【００２８】熱交換エレメント４１の上下端部にはフラ
ンジ４５，４６が形成されており、これらのフランジ４
５，４６に保持されたＯリング４７がアウタスリーブ４
２の内周面に密着し、液冷媒に対するシーリングを行
う。また、熱交換エレメント４１には、内周側にガス流
通孔４８が多数（本実施形態では、約３００個）形成さ
れ、外周面にリング状のアウタフィン４９が多数（本実
施形態では、約３０枚）形成されている。アウタフィン
４９の外周はアウタスリーブ４２の内周面に当接してお
り、これにより熱交換エレメント４１とアウタスリーブ
４２との間には液冷媒通路となる多数の環状溝５０が画
成されている。尚、本実施形態では、ガス流通孔４５は
ドリルにより穿孔され、アウタフィン４９の成形は旋削
によって行われている。

【００２９】図４，図５に示したように、アウタフィン
４９には、冷媒流入口４３と冷媒流出口４４とに対応す
る位置に、上下フランジ４５，４６間にわたってスロッ
ト５１，５２が形成されている。そして、スロット５１
は、冷媒流入口４３の直下部において、アウタフィン４
９により、流入部スロット５１ａと連通スロット５１ｂ
とに区画されている。また、スロット５２は、冷媒流出
口４４の直上部において、アウタフィン４９により、流
出部スロット５２ａと連通スロット５２ｂとに区画され
ている。

【００３０】本実施形態の場合、各々のガス流通孔４８
には、図６に示したように、インナフィン５３が圧入さ
れている。インナフィン５３は、アルミ合金や銅等の押
出し成型品であり、８枚のフィン部５４が中心から等角
度で放射状に配置された星型となっており、これにより
ガス流通孔４８が八つに分割されている。

【００３１】さて、熱ガス機関１の運転が開始される
と、本実施形態の熱交換器５では、作動ガスがガス流通
孔４８内を往復流動する。この際、作動ガスはガス流通
孔４８の内壁面だけではなく、インナフィン５３のフィ
ン部５４にも接触しながら流動する。これにより、ガス
流通孔４８の個数が比較的少ないにも拘わらず広い伝熱
面積が確保され、作動ガスと熱交換エレメント４１との
間で熱エネルギーの授受が良好に行われる。

【００３２】一方、作動ガスの往復流動と同時に、図
５，図７に示したように、冷媒流入口４３からの液冷媒
が熱交換器５内の流入部スロット５１ａに流入する。流
入部スロット５１ａに流入した液冷媒は、上部の環状溝
群５６に沿って冷媒流出口４４側に流れ、連通スロット
５２ｂに流入する。次に、液冷媒は、中間部の環状溝群
５７に沿って冷媒流入口４３側に流れ、連通スロット５
１ｂに流入する。しかる後、液冷媒は、下部の環状溝群
５８に沿って再び冷媒流出口４４側に流れ、流出部スロ
ット５２ａを経由して冷媒流出口４４から流出する。こ
のように、液冷媒は、熱交換エレメント４１の外周面と
アウタフィン４９とに偏りなく接触しながら流動するた
め、熱交換エレメント４１と液冷媒との間でも熱エネル
ギーの授受が良好に行われる。

【００３３】このように、本実施形態では、比較的簡単
な機械加工により製造された熱交換エレメント４１とア
ウタスリーブ４２とから熱交換器５を構成するようにし
たため、従来装置に比べて部品点数を遙かに少なくする
ことができた。また、ガス流通孔４８にインナフィン５
３を嵌挿させると共に、熱交換エレメント４１の外周面
にアウタフィン４９を形成するようにしたため、ガス流
通孔４８の個数の低減等を図りながら、高い熱交換効率
を確保することができた。また、熱交換エレメント４１
にアウタスリーブ４２を外嵌させ、液冷媒に対するシー
リングをＯリング４７によって行うようにしたため、熱
交換器５の製造にロウ付け等の接合方法を用いる必要が
なくなった。

【００３４】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、上記実施形態では熱交換エレメントやアウタス
リーブの素材にステンレス鋼を用い、ガス流通孔やアウ
タフィンを切削加工により形成するようにしたが、素材
に銅合金やアルミ合金等を用いてもよいし、ロストワッ
クス法等による鋳造成形を行って熱交換エレメントとア
ウタスリーブとを一体に形成するようにしてもよい。ま
た、ガス流通孔にインナフィンを圧入するようにした
が、圧入に代えてロウ付けや拡散接合等を採用してもよ
いし、ガス流通孔の内面に直にインナフィンを形成する
ようにしてもよい。また、熱交換器の形状については、
設計上の都合等に応じて、円筒断面や矩形断面等を採用
するようにしてもよい。また、装置各部の形状をはじ
め、ガス流通孔の個数やアウタフィンの枚数等について
も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であ
る。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。

【００３５】

【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、熱交換効率を確保しながら、従来装置に比べて
部品点数の大幅な削減を図ることが可能となり、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】熱交換器の実施形態を示す縦断面図である。

【図５】図４中のＡ−Ａ階段断面図である。

【図６】インナフィンの形状を示す平面図である。

【図７】液冷媒の流れを示す説明図である。

【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熱交換器エレメント４２アウタスリーブ４３冷媒流入口４４冷媒流出口４５，４６フランジ４７Ｏリング４８ガス流通孔４９アウタフィン５０環状溝５１，５２スロット５３インナフィン５６〜５８環状溝群

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、作動ガスと外部熱冷媒と
の間の熱交換に供される熱交換器であって、内周側には
前記作動ガスが流通する複数のガス流通孔が形成され、
外周側には前記外部熱冷媒が流通する冷媒流通路が形成
された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、作動ガスと外部熱冷媒と
の間の熱交換に供される熱交換器であって、内周側には
前記作動ガスが流通する複数のガス流通孔が形成され、
外周側には前記外部熱冷媒が流通する冷媒流通路が形成
され、前記ガス流通孔内には前記作動ガスの流れ方向に
略沿ってインナフィンが形成された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、作動ガスと外部熱冷媒と
の間の熱交換に供される熱交換器であって、内周側には
前記作動ガスが流通する複数のガス流通孔が形成される
と共に外周面には前記外部熱媒体の流れ方向に略沿うよ
うに形成されたアウタフィンが形成された熱交換エレメ
ントと、前記熱交換エレメントに外嵌して当該熱交換エ
レメントとの間に冷媒流通路を形成するアウタスリーブ
とを備えたことを特徴とする外燃式熱ガス機関の熱交換
器。
【請求項４】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、作動ガスと外部熱冷媒と
の間の熱交換に供される熱交換器であって、内周側には
前記作動ガスが流通する複数のガス流通孔が形成される
と共に外周面には前記外部熱媒体の流れ方向に略沿うよ
うに形成されたアウタフィンが形成された熱交換エレメ
ントと、前記熱交換エレメントに外嵌して当該熱交換エ
レメントとの間に冷媒流通路を形成するアウタスリーブ
と、前記作動ガスの流れ方向に略沿う形状に成形されて
前記ガス流通孔に嵌挿されるインナフィンとを備えたこ
とを特徴とする外燃式熱ガス機関の熱交換器。