JPH11223402A - スターリング加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スターリングヒートポンプを使用し、暖
房機器、給湯機器等業務用及び家庭用機器、温度試験装
置等産業用機器等に使用できる、きわめて汎用性の高い
スターリング加熱装置を提供する。 【解決手段】 スターリングヒートポンプ３の放熱用熱
交換器８において放熱される放熱冷媒を放熱冷媒管路９
を介して流し、放熱冷媒管路９の一端に放熱冷媒の入口
栓１０を、他端に出口栓１１を設けて、これらの出口栓
１１及び入口栓１０に、温熱利用機器１２の放熱冷媒配
管５９の出口端１３及び入口端１４を着脱自在に接続す
ることにより、放熱冷媒の循環管路を形成して、温熱利
用機器１２に温熱を搬送する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スターリングヒー
トポンプを使用したスターリング加熱装置であり、暖房
機器、給湯機器等の業務用及び家庭用機器、温度試験装
置等産業用機器等に使用できる、きわめて汎用性の高い
スターリング加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、業務用、家庭用の加熱関連機器の
冷凍装置としては、フロン（単一、二元あるいは混合冷
媒等）を冷媒として使用したシステムが知られている。
そして地球環境問題を背景とした昨今のフロン規制に対
しては、ＨＣＦＣ、ＨＦＣを使用した冷凍装置が知られ
ている。

【０００３】しかしながら、上記従来の構成によると、
次のような問題がある。地球環境問題に対する国際的な
取組みの本格化を背景として、今後、特定フロン及び代
替フロンを含めフロン使用の一層の規制が求められる方
向にあり、他の方式の加熱装置の開発の必要性が重要と
なっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これらの従
来の加熱装置の問題を解決することが課題であり、フロ
ンを使用せずに、従って、業務用又は家庭用の暖房機
器、給湯装置をはじめとして、恒温槽、温度特性試験装
置、その他各種の温熱機器等のあらゆる産業分野の温熱
利用機器に着脱自在に接続することにより利用可能な、
コンパクトで、しかも成績係数が高く、エネルギー効率
が良好となるスターリング加熱装置を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、作動ガスを封入し、吸熱用熱交換器及び放
熱用熱交換器を有するスターリングヒートポンプと、上
記放熱用熱交換器において放熱される放熱冷媒が流され
る放熱冷媒管路と、上記吸熱用熱交換器に配設される吸
熱装置とを備えたスターリング加熱装置であって、上記
放熱冷媒管路の一端に設けられた放熱冷媒の入口栓及び
他端に設けられた出口栓と、上記放熱冷媒出口栓及び放
熱冷媒入口栓に、温熱利用機器の放熱冷媒配管を着脱自
在に接続することにより、上記加熱装置と温熱利用機器
の間で、放熱冷媒の循環管路を形成して、上記温熱利用
機器に温熱を搬送することを特徴とするスターリング加
熱装置を提供する。

【０００６】そして、スターリングヒートポンプは、圧
縮ピストンを有する圧縮シリンダと、膨張ピストンを又
はディスプレーサを有する膨張シリンダとを備え、上記
圧縮ピストンと上記膨張ピストンを又はディスプレーサ
とが位相差をもって往復動するものが使用される。

【０００７】そして、スターリング加熱装置は、スター
リングヒートポンプを制御して温度制御を行なう制御回
路を設けている。この制御回路でスターリングヒートポ
ンプのモータを逆回転するように制御し、上記温熱利用
機器の温度を一定に制御するようにしてもよい。

【０００８】スターリングヒートポンプのモータを逆回
転するように制御し、上記吸熱用熱交換器に着霜した霜
の除去を可能とする霜取り用の制御回路を設けてもよ
い。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を実施例に基
づき図面を参照して以下に説明する。図１は、本発明の
スターリング加熱装置の概略を説明する図である。本発
明のスターリング加熱装置１は、箱型のケース２を有
し、このケース２内にスターリングヒートポンプ３が配
設して構成される。

【００１０】スターリングヒートポンプ３は、吸熱用熱
交換器４を有する。吸熱用熱交換器４には、吸熱冷媒
（外気の熱をスターリングヒートポンプ３に搬送するた
めの冷媒であり、水等が使用される。）を循環させる吸
熱冷媒管路５及び吸熱冷媒用ポンプＰ２が接続されてい
て、この吸熱冷媒管路５の両端はファン６で外気と熱交
換をする熱交換器７に接続されている。

【００１１】スターリングヒートポンプ３は、放熱用熱
交換器８を有し、この放熱用熱交換器８には、放熱冷媒
（スターリングヒートポンプ３で発生した熱を外部に搬
送するための冷媒であり、水等が使用される。）を循環
させるための放熱冷媒管路９及び放熱冷媒用ポンプＰ１
が接続されている。放熱冷媒管路９の両端はケース２を
貫通し入口栓１０及び出口栓１１が設けられている。

【００１２】本発明の加熱装置１の使用に際しては、こ
の入口栓１０と出口栓１１に、恒温槽、暖房機器、加熱
試験装置等の温熱利用機器１２の放熱冷媒の配管の出口
端１３、入口端１４が着脱自在に接続される。これによ
り、スターリングヒートポンプ３の放熱用熱交換器８の
放熱冷媒管路９と温熱利用機器１２の放熱冷媒配管との
間で循環回路を形成され、スターリング加熱装置１によ
り温熱利用機器１２が加温される。

【００１３】図２は、本発明の加熱装置の第１の実施例
である。図２において、スターリングヒートポンプ３の
ハウジング１５は、鋳物で形成され、ハウジング１５の
頂部にはシリンダ１６が形成されている。このハウジン
グ１５内は、区画壁１７によってモータ室１８とクラン
ク室１９とに区画され、このモータ室１８には正逆回転
可能なモータ２０が、クランク室１９には、モータ２０
の回転動作を往復動に変換する回転往復変換機構部２１
が夫々配設されている。モータ室１８の開口２２及びク
ランク室の開口２３は、夫々蓋部材２４，２５で閉止さ
れ、ハウジング１５内が半密閉状態に保持される。

【００１４】ハウジング１５内には、区画壁１７を貫通
し、ハウジング壁２６、区画壁１７及び蓋２４の軸受部
２７に軸支されたクランクシャフト２８が回転可能に配
置されている。モータ２０は、ステータ２９と、このス
テータ２９の内周側に回転可能に配置されたロータ３０
とから構成され、このロータ３０の中央にクランクシャ
フト２８が固定されている。

【００１５】回転往復変換機構部２１は、クランク室１
９内に延びたクランクシャフト２８のクランク部３１
と、このクランク部３１に連結されたコンロッド３２，
３３と、このコンロッド３２，３３の先端に取り付けら
れたクロスガイドヘッド３４，３５とで構成され、スタ
ーリングヒートポンプ３の駆動手段として機能してい
る。

【００１６】クロスガイドヘッド３４，３５は、シリン
ダ１６の内壁に設けられたクロスガイドライナ３６，３
７内を往復動可能に配置されている。クランク部３１
は、モータ２０の正転時にクランク３１ｂがクランク３
１ａより先行して移動するように、位相差を付けて形成
されている。この位相差は一般的には９０度が採用され
る。

【００１７】スターリングヒートポンプ３のハウジング
１５のクランク室１９の上部には、圧縮シリンダ３８
と、圧縮シリンダ３８の若干上方に位置した膨張シリン
ダ３９とが配設されている。圧縮シリンダ３８と膨張シ
リンダ３９内には、作動ガスとして、例えば、ヘリウ
ム、水素、窒素等が封入されている。圧縮シリンダ３８
は、ハウジング１５にボルト等によって固定される圧縮
シリンダブロック４０を有し、この圧縮シリンダブロッ
ク４０の空間内をピストンリング４１が付設された圧縮
ピストン４２が往復摺動して、この空間の上部の高温室
４３の作動ガスを圧縮する。

【００１８】圧縮ピストンロッド４４は、圧縮ピストン
４２に一端を固定し、他端をオイルシール４５を介して
伸び、ピンによってクロスガイドヘッド３４に回動自在
に連結されている。空間を往復動する圧縮ピストン４２
は上死点及び下死点で摺動方向が反転するため、速度が
ゼロになり、上死点及び下死点付近では速度が遅く単位
時間当たりの容積の変化量も小さく、下死点から上死点
及び上死点から下死点に向かって移動するときの夫々の
中間点で最高速度になり、単位時間当たりのピストンの
移動による容積の変化量も最大となる。

【００１９】一方、膨張シリンダ３９は、圧縮シリンダ
３８の上部にボルト等によって固定される膨張シリンダ
ブロック４６を有し、この膨張シリンダ３９の空間内を
ピストンリング４７の付設された膨張ピストン４８が往
復摺動して、この空間の上部の低温室５２内の作動ガス
を膨張させる。膨張ピストン４８には、膨張ピストンロ
ッド４９の一端が固定され、膨張ピストンロッド４９の
他端はオイルシール５０を介して伸び、クロスガイドヘ
ッド３５に回動自在に連結されている。膨張ピストン４
８は、圧縮ピストン４２より９０度の位相だけ先行して
移動する。

【００２０】膨張シリンダブロック４６には、図面下か
ら、圧縮シリンダ３８の高温室４３に連通し作動ガスが
流入流出するマニホールド５１、放熱用熱交換器８、再
生器５３及び低温室５２への通路５４が互いに順次連通
していずれも環状に配設されている。圧縮シリンダブロ
ック４０の上端部近くには、高温室４３とマニホールド
５１を連通する連通孔５５が形成されており、これによ
り、高温室４３と低温室５２は、連通孔５５、マニホー
ルド５１、放熱用熱交換器８、再生器５３及び通路５４
を介して互いに順次連通するように構成されている。

【００２１】放熱用熱交換器８は、アニュラータイプの
熱交換器、例えば、図３、図４に示すようなシェルアン
ドチューブ式熱交換器（環状の熱交換室内５６に作動ガ
スを流す多数のチューブ５７を軸方向に貫設して、加熱
用の冷媒（水等）を熱交換室内に流して作動ガスの放熱
を行う熱交換器。）、あるいは図７に示すように環状の
作動ガス流路の周囲に環状のジャケット５８を配設し、
このジャケット５８内に冷媒を流して作動ガスの放熱を
行なう熱交換器等がある。

【００２２】放熱用熱交換器８は放熱冷媒管路９及び放
熱冷媒用ポンプＰ１を介して入口栓１０及び出口栓１１
と接続しており、放熱冷媒を流している。放熱用熱交換
器８で加熱された放熱冷媒は入口栓１０及び出口栓１１
を介して、温熱利用機器１２の放熱冷媒配管５９に接続
され、放熱冷媒循環路が形成される。

【００２３】膨張シリンダブロック４６の上部には吸熱
用熱交換器４が形成されている。吸熱用熱交換器４は、
例えば、図５、図６に示すように、膨張シリンダブロッ
ク４６の頂部に肉厚を大きくした頂壁６０を設け、この
頂壁６０に冷媒の熱交換流路６１を形成した構成とす
る。又は、図７に示すように膨張シリンダブロック４６
の頂部に、ジャケット壁６２を設け、このジャケット壁
６２内に吸熱冷媒を流す構造としてもよい。

【００２４】吸熱用熱交換器４は吸熱冷媒管路５及び吸
熱冷媒用ポンプＰ２を介して外気と熱交換を行なう熱交
換器７に接続されている。

【００２５】本発明のスターリング加熱装置１は、スタ
ーリングヒートポンプ３を圧縮シリンダ３８と膨張シリ
ンダ３９の２ピストンを採用することにより、スターリ
ングヒートポンプ３内の作動ガスの充填された空間の容
積変動を大きくすることによって、加熱能力の大きいス
ターリングヒートポンプ３を提供できるようにしてい
る。

【００２６】なお、本発明のスターリング加熱装置１
に、温度制御装置を設ければ、温熱利用機器１２側に温
度センサーを設置するだけで、スターリング加熱装置１
側から温熱利用機器１２の温度制御を行なうことができ
る。即ち、図８において、温熱利用機器１２には温度セ
ンサーを配設し、温熱利用機器１２には、温度設定パネ
ルにより温度設定を可能とする温度制御装置を配設す
る。温度制御装置を構成する温度制御回路の比較回路に
おいて、温度センサーで検知した温熱利用機器１２の温
度信号を設定された温度と比較し、設定された温度を中
心とする許容温度範囲にあるか否かを判断し、その結果
に応じてスターリングヒートポンプ３のモータ２０をオ
ンオフ制御又はインバータ制御して、あるいは、モータ
２０を逆回転させて、上記許容温度範囲内の温度を保ち
ながら運転を行なうことができる。

【００２７】なお、温熱利用機器１２の設定温度が設定
許容範囲より高くなったときには、モータ２０を逆回転
する。すると、圧縮ピストン４２及び膨張ピストンは、
９０度の位相差をもって上記モータ２０の正転動作の場
合と全く逆に、圧縮ピストン４２は膨張ピストンとして
作用して冷熱を発生するから、この冷熱を、放熱用熱交
換器８を介して放熱冷媒を冷却して、温熱利用機器１２
に循環させることにより、急速に、温熱利用機器１２の
温度を制御することができる。

【００２８】又、電熱ヒータ式加熱器を備えた温熱利用
機器１２に本発明のスターリング加熱装置１を利用する
場合は、上記のようなスターリングヒートポンプ３のモ
ータ２０の運転制御による温度制御に加え、上記温度セ
ンサーからの温度信号と設定温度とを制御装置において
比較演算し、その差に基づき加熱器をＰＩＤ制御し、さ
らに精密な温度コントロールを図ることができる。

【００２９】次に、本発明の上記第１の実施例のスター
リング加熱装置１の作用を説明する。モータ２０によっ
てクランクシャフト２８が正方向に回転し、クランク室
内のクランク３１ａ、３１ｂが位相がずれて（一般的に
は９０度ずらす。）回転する。このクランク３１ａ、３
１ｂに回動自在に連結されたコンロッド３２，３３を介
して、このコンロッド３２，３３の先端に取り付けられ
たクロスガイドヘッド３４，３５が、クロスガイドライ
ナ３６，３７内を往復摺動する。クロスガイドヘッド３
４，３５の夫々に圧縮ピストンロッド４４及び膨張ピス
トンロッド４９を介して連結された圧縮ピストン４２及
び膨張ピストン４８が、互いに９０度の位相差をもって
往復動する。

【００３０】膨張ピストン４８が９０度先行して上死点
付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン４２は中間付近
を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動作
を行なう。圧縮された作動ガスは、連通孔５５及びマニ
ホールド５１を通り放熱用熱交換器８に流入する。放熱
用熱交換器８内で放熱冷媒に放熱した作動ガスは、再生
器５３で冷却され、通路５４を通って低温室５２に流入
する。

【００３１】圧縮ピストン４２が上死点近辺でゆっくり
と移動している時に膨張ピストン４８は急激に下死点に
向かって移動し低温室５２に流入した作動ガスは急激に
膨張し冷熱が発生する。これにより低温室５２を囲む吸
熱用熱交換器４の設けられた膨張シリンダブロック４６
の頂部は冷却され低温となる。

【００３２】そして、吸熱用熱交換器４において、吸熱
冷媒回路を循環する吸熱冷媒から吸熱を行なう。膨張ピ
ストン４８が下死点から上死点に移動するときには圧縮
ピストン４２は中間位置から下死点に向かっており、作
動ガスは低温室４７より通路を通り再生器に流入し作動
ガスの有する冷熱を再生器に蓄熱する。

【００３３】放熱用熱交換器８において加熱された放熱
冷媒は、放熱冷媒管路９、放熱冷媒出口栓１１から、例
えば、恒温槽等の温熱利用機器１２内の吸熱冷媒配管に
送られ、温熱利用機器１２内で加熱作用を行なう。そし
て放熱冷媒は、放熱冷媒配管から、加熱装置の放熱冷媒
の入口栓１０に送られ、放熱冷媒管路９を通り、放熱用
熱交換器８に戻され、そこで加熱される。このように、
放熱冷媒はスターリングヒートポンプ３の放熱用熱交換
器８と温熱利用機器１２との問で循環し、スターリング
ヒートポンプ３で加熱され、温熱利用機器１２において
加熱作用をする。以下、同様のサイクルが繰り返され
る。

【００３４】吸熱用熱交換器４で冷却された吸熱冷媒
は、吸熱冷媒循環管路から外気との熱交換を行う熱交換
器７で外気から吸熱を行い、再度吸熱用熱交換器４へと
循環する。

【００３５】次に、吸熱交換器の外表面に生じた霜の霜
取り作用について説明する。霜取りを行なう時には、吸
熱交換器に設けた着霜センサーにより着霜を検知し、霜
取り用の制御回路によりスターリングヒートポンプ３の
モータ２０を逆回転する。すると、圧縮ピストン４２及
び膨張ピストン４８は、９０度の位相差をもって上記モ
ータ２０の正転動作の場合と全く逆に、圧縮ピストン４
２は膨張ピストンとして作用し、膨張ピストン４８は圧
縮ピストンとして作用する。

【００３６】これにより、膨張シリンダ３９の低温室５
２内の作動ガスは膨張ピストン４８により圧縮され、熱
を発生し、吸熱用熱交換器４を加熱して吸熱用熱交換器
４表面に生じた霜を除去することができる。従って、吸
熱熱交換器表面にヒータ線を装着しなくても効果的に霜
取りを行なうことが可能である。

【００３７】図９において、本発明の加熱装置の第２の
実施例を示す。第一の実施例と略共通であるので共通す
る符号は省略する。この加熱装置の特徴は、第１の実施
例の加熱装置１において、放熱冷媒管路９と吸熱冷媒管
路５を互いに切り換える四方弁Ｖ１，Ｖ２を設けた点で
ある。四方弁を図９の実線の状態で運転すれば第１の実
施例と全く同じ作用を行なう。

【００３８】今、図９において点線のように四方弁Ｖ
１，Ｖ２を切り換えると、放熱用熱交換器８を吸熱冷媒
管路５に接続して外気との熱交換器７に接続できるとと
もに吸熱用熱交換器４を放熱冷媒管路９に接続して入口
栓１０及び出口栓１１に接続できる。このように切り換
えた状態で、モータ２０を逆回転すると、膨張シリンダ
３９が圧縮シリンダとして機能し、又圧縮シリンダ３８
が膨張シリンダとして機能するので、膨張シリンダ３９
で発生した熱を吸熱部から放熱して出口栓１１を介し
て、温熱利用機器１２に温熱を送ることができる。

【００３９】なお、このように切り換えた状態で、モー
タ２０を正転させると、膨張シリンダ３９の低温室５２
で冷熱を発生し、放熱冷媒管路９は冷熱を循環させるこ
とができるので、入口栓１０、出口栓１１に冷凍庫等の
冷熱利用機器１２を接続して、冷却装置として機能す
る。

【００４０】なお、上記第１及び第２の実施例では２ピ
ストン型のスターリングヒートポンプ３を使用したが、
ディスプレーサ型等他の形式のスターリングヒートポン
プ３を使用してもよいことはいうまでもない。

【００４１】

【発明の効果】本発明によるスターリング加熱装置１に
よると、次のような効果を奏することができる。

【００４２】（１）本発明の加熱装置は、放熱冷媒用の
入口栓１０及び出口栓１１を備えており、これらの栓に
温熱利用機器１２の冷媒配管を着脱自在に接続すること
により、加熱装置と温熱利用機器１２との間に冷媒の循
環配管を簡単に形成できるようにしたので、各種の温熱
利用機器１２に簡単且つ汎用的に利用できる。

【００４３】（２）本発明の加熱装置のスターリングヒ
ートポンプ３をのモータをオンオフ又はインバータ制御
することにより、あるいは逆回転することにより、恒温
加熱を可能とする。

【００４４】（３）本発明のスターリング加熱装置１
は、スターリングヒートポンプ３を圧縮シリンダ３８と
膨張シリンダ３９の２ピストンとすることにより、スタ
ーリングヒートポンプ３内の作動ガスの充填された空間
の容積変動が大きくなり、コンパクトの割には、加熱能
力の大きいスターリングヒートポンプ３を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスターリング加熱装置の全体概念図で
ある。

【図２】本発明のスターリング加熱装置の第１の実施例
を示す図である。

【図３】スターリング加熱装置の放熱用熱交換器の一例
を説明する平面図である。

【図４】図３のＡーＡ断面である。

【図５】スターリング加熱装置の吸熱用熱交換器の一例
を説明する側部断面を示す図である。

【図６】図５の吸熱用熱交換器の正面を示す図である

【図７】スターリング加熱装置の吸熱用熱交換器の別の
例を説明する側部断面を示す図である。

【図８】本発明の加熱装置の温度制御の概念を示す図で
ある。

【図９】本発明のスターリング加熱装置の第２の実施例
を示す図である。

【符号の説明】

１ スターリング加熱装置 ２ ケース ３ スターリングヒートポンプ ４ 吸熱用熱交換器 ５ 吸熱冷媒管路 ６ ファン ７ 熱交換器 ８ 放熱用熱交換器 ９ 放熱冷媒管路 １０ 入口栓 １１ 出口栓 １２ 温熱利用機器 ３８ 圧縮シリンダ ３９ 膨張シリンダ ４２ 圧縮ピストン ４３ 高温室 ４８ 膨張ピストン ５２ 低温室 Ｖ１，Ｖ２ 四方弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 甲元 伸央 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 (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作動ガスを封入し、吸熱用熱交換器及
   び放熱用熱交換器を有するスターリングヒートポンプ
   と、 上記放熱用熱交換器において放熱される放熱冷媒が流さ
   れる放熱冷媒管路と、 上記吸熱用熱交換器に配設される吸熱装置とを備えたス
   ターリング加熱装置であって、 上記放熱冷媒管路の一端に設けられた放熱冷媒の入口栓
   及び他端に設けられた出口栓と、 上記放熱冷媒出口栓及び放熱冷媒入口栓に、温熱利用機
   器の放熱冷媒配管を着脱自在に接続することにより、上
   記加熱装置と温熱利用機器の間で、放熱冷媒の循環管路
   を形成して、上記温熱利用機器に温熱を搬送することを
   特徴とするスターリング加熱装置。
2. 【請求項２】 スターリングヒートポンプは、圧縮ピス
   トンを有する圧縮シリンダと、膨張ピストン又はディス
   プレーサを有する膨張シリンダとを備え、上記圧縮ピス
   トンと上記膨張ピストン又はディスプレーサとが位相差
   をもって往復動することを特徴とする請求項１又は２記
   載のスターリング加熱装置。
3. 【請求項３】 スターリングヒートポンプを制御して温
   度制御を行なう制御回路を設けたことを特徴とする請求
   項１又は２記載のスターリング加熱装置。
4. 【請求項４】 スターリングヒートポンプのモータを逆
   回転するように制御し、上記吸熱用熱交換器に着霜した
   霜の除去を可能とする霜取り用の制御回路を設けたこと
   を特徴とする請求項１、２又は３記載のスターリング加
   熱装置。
5. 【請求項５】 スターリングヒートポンプのモータを逆
   回転するように制御し、上記温熱利用機器の温度を一定
   に制御する制御回路を設けたことを特徴とする請求項
   １、２、３又は４記載のスターリング加熱装置。