JPS6231194B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、外部、例えば太陽エネルギーから熱
が供給される熱交換器が配置されており、その熱
が循環媒体を介して別の熱交換器に供給され、該
熱交換器が熱を例えば暖房のために放出する閉サ
イクルの中で液状および（または）気体状の媒体
を搬送するための循環ポンプに関するものであ
る。

本発明の課題は、電流とか外から供給されたエ
ネルギーによる機械的駆動のような他系エネルギ
ーを必要とせず、そして更に、なるべく大きな容
量を少ないエネルギー消費でポンプ循環させるよ
うに循環ポンプのアクチユエータを構成すること
にある。

この課題の解決手段は、循環ポンプがその出入
口間の温度落差およびそれから結果として生じる
膨張圧の利用により自己を自ら駆動し、且つ、自
動制御装置により交互に媒体で負荷される二つの
機械的に結合された差動ピストンポンプによつて
構成されていることを本質とする。

循環ポンプの駆動力として循環媒体を利用する
ことによつて、他系エネルギーに依存しないこと
が達成される。それとの組み合せにおいて差動ピ
ストンによる自動制御装置を用いることによつ
て、駆動のためには最小の分岐エネルギーで十分
であり、したがつて更に装置の効率も非常に良く
なる。

ポンプの駆動に少ない体積しか必要としない
が、それに対し大きな体積をサイクル内でポンプ
循環させることは、差動ピストンの比較的大きな
搬送によつて簡単に達成される。その場合つね
に、媒体は温度の高い方の蓄熱器からエネルギー
放出のための蓄熱器へ、より低い温度水準でポン
プ循環させられる。搬送される液体量は、循環ポ
ンプを意味する差動ピストンポンプの運転に必要
とされる液体量と比べて比較的大きくなければな
らない。

更に、温度のより高い媒体によつて負荷される
差動ピストンポンプの入口が、差動ピストンポン
プのより大きなピストン面に基づいて体積を拡大
する室に、自動制御装置により交互に接続される
ことが本質的である。

更に、液状および（または）気体状の媒体の充
てんされた熱交換器系、該媒体によつて駆動され
る機関、系に媒体を供給する圧縮ポンプから少な
くとも構成されていて、温度落差に基づくこの種
の熱アクチユエータを二つの対向差動する差動ピ
ストンポンプの使用により構成することが本発明
に従つて提案される。この差動ピストンポンプの
ピストンは共通のピストンロツドによつて結合さ
れている。ピストンロツドには、補助スプールに
負荷を加える制御通路が施されている。差動ピス
トンがその最終位置に達したらすぐピストンロツ
ドの制御通路が補助スプールに負荷を加え、該補
助スプールが二つの差動ピストンポンプの室を対
向運動へ逆転させる。

熱交換器の接続のさいにそのつど同じ差動ピス
トンポンプの両方の室、両側のピストンにおいて
等しい圧力が支配しているように、本発明の実施
形態は有利なので、特別なパツキン処置は必要な
くなる。とくに、永続的緊塞を受けるような費用
のかさむパツキンは使わずに済む。

本発明の別の実施形態は、往復運動する補助ス
プール上に、複動ポンプとして作動する少なくと
も一つのピストンを配置することを本質とする。
両方の系、すなわち差動ピストンポンプもピスト
ン付き補助スプールも往復運動するので、補助ス
プールに施されたこの複動ポンプは様々な付加的
な機能のために利用できる。例えば、媒体が差動
ピストンポンプから再び蓄熱器に供給される前の
媒体の予圧縮のために、あるいは多段圧縮冷凍装
置の構成のために利用できる。

その場合、複動ポンプが周知の仕方で流入弁と
流出弁によつて制御されるか、本発明の別の実施
形態が示しているように複動ポンプも差動ピスト
ンポンプのピストンロツド上に追加的に施された
制御通路によつて制御されるかは、重要でない。
効率あるいは利用の可能性を向上させるあらゆる
処置は当然本発明のさらに別の実施形態とみなさ
れる。

とりわけそれに属するのは、第二熱交換器系を
設け、差動ピストンポンプから流出する媒体がそ
の中で冷却され、再び差動ポンプに供給されるよ
うにする処置である。第一熱交換器系を直接に太
陽エネルギーコレクタとして形成し、そのさい第
二熱交換器系が蓄熱器であるようにすることも特
に有利である。

この種の熱アクチユエータを直接に吸収冷凍系
の構成部分として使用することも発明に従つて提
案される、そのさい第一熱交換器系が抽出器であ
り、第二熱交換器系は凝縮器、蒸発器、吸収器を
有する冷凍サイクルとして構成されている。抽出
器が直接に太陽エネルギーコレクタとして構成さ
れるように熱アクチユエータを設計するという本
発明に従つた提案は特に重要である。

同じく本発明に従つて、第二熱交換器を、少な
くとも凝縮器、膨張弁、蒸発器の設けられた圧縮
冷凍サイクルとして構成することも提案される。

補助スプール上の複動ピストンとポンプの付加
的な配置を多段圧縮サイクルの構成のために使用
することも本発明に従つて提案される。このポン
プは、蒸発器中で気体状になつた媒体を液化する
のに使うことができよう。媒体は複動ピストンポ
ンプでの圧縮後にはじめて本来の差動ピストンポ
ンプに液状で供給される。

効率のさらに別の改良は、その第一「熱」サイ
クルが差動ピストンポンプの「熱い」出口のとこ
ろに配置され、その「冷」サイクルが差動ピスト
ンポンプの「冷たい」出口のところに配置されて
いる別の熱交換器を設けることによつて達成され
る。この配置の場合、流出する熱い媒体からすで
に或る一定の熱量をうばい、その熱量を、例えば
太陽エネルギーコレクタに送つて更に加熱するた
めの冷却された媒体に直接供給する。

二つの差動ピストンポンプから成る熱機関の機
能をより良く説明できるようにするために、第１
図にそのような配置の原理が示されている。

本来の熱機関ないし自蔵のアクチユエータを有
する循環ポンプ１は一方において第一熱交換器２
（例えば太陽エネルギーコレクタ）と接続してお
り、他方において、蓄熱器４の中に設けられてい
る第二熱交換器３と接続されている。ところで熱
機関ないしは循環ポンプ１の役割はまず第一に、
第一蓄熱器２に供給されたエネルギー、例えば太
陽エネルギー５を、それを蓄熱６として蓄熱器４
に供給する第二熱交換器３に供給することであ
る。

熱交換器２の管路の中にある媒体は太陽エネル
ギー５によつて加熱されると、等しい圧力でポー
トＡおよびＣを介して熱機関ないしは循環ポンプ
１に作用するであろう。他方、ポートＢおよびＤ
を介して第二熱交換器は熱機関ないしは循環ポン
プに接続されており、該第二熱交換器の役割は、
太陽エネルギーコレクタ２で加熱された媒体を蓄
熱６の放出によつて再び冷却することである。そ
のさい、熱機関ないしは循環ポンプの本発明に従
つた構造の場合、ポートＡおよびＢとＣおよびＤ
の間に矢印方向の流れの循環が生じる。その場合
に、加熱された媒体はＡからＢへ流れ、冷却され
た媒体はＤからＣへ流れる。したがつて単純化の
ためにポートＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄについては次のよう
な名称が使われる： Ａ 循環ポンプ１の差動ピストンポンプの「熱
い」入口 Ｂ 循環ポンプ１の差動ピストンポンプの「熱
い」出口 Ｃ 循環ポンプ１の差動ピストンポンプの「冷た
い」出口 Ｄ 循環ポンプ１の差動ピストンポンプの「冷た
い」入口 第２図には、相応の制御通路を有する本発明に
従つた差動ピストンポンプの内部構造が例示され
ている。

本発明に従つた機関ないしは循環ポンプの最も
重要な構成部分は、ピストン９および１０を有す
る二つの差動ピストンポンプ７および８である。
ピストン９と１０はピストンロツド１１によつて
互いに結合されている。自動制御装置は実施例に
おいては補助スプール１２によつて構成される。
機関ないしは循環ポンプの入口と出口は上述に相
応しＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに付された矢印は、機関のそ
のポートで媒体が供給されるのか、排出されるの
かを示す。

第２図に示されているような差動ピストンの中
間位置および補助スプール１２の図示位置の場合
には、熱媒がポートＡから管路１３を通つて制御
通路１４を介し室１５に供給される。他方、同じ
大きさの圧力がポートＣから管路１６および制御
通路１７を経て室１８に作用し、それと同時にピ
ストン１０の別の側に作用する。室１５と室１８
には同じ圧力が支配しているけれども、室１５と
１８のピストン面はピストンロツド１１の面積の
差だけ異なるので、ピストンには合成力が残つて
いる。この差力でピストンロツド１１が左へ押さ
れるが、そのさいに、室１９中の媒体が管路２
０、制御通路２１、管路２２を通つて「熱い」出
口Ｂへ搬送される。同時に室２３には、ポートＤ
からやつてくる媒体が管路２４、制御通路２５、
管路２６を経て流れ込む。

ピストン９および１０、それとともにピストン
ロツド１１がほぼ左の最終位置に達したらすぐ
に、制御通路２７は管路２８と２９を介して、ポ
ートＣから補助スプール１２の右端部３０への連
絡を成立させる。そこで、ポートＣで支配してい
る圧力は、ストツパー３１が行程を制限するまで
補助スプール１２をその左最終位置へ動かすであ
ろう。そのさいまず制御通路１４と２１によつて
ポートＡが室１５から１９に切り換えられるであ
ろう。同様にそのさい、室１８は制御通路１７を
介してポートＤと接続され、室２３は制御通路２
５を介してポートＣと接続される。

それからは室１９と２３における圧力状態は逆
である、すなわち、ピストンロツド１１に対する
右方向への合成力が残つており、ピストンロツド
１１とともにピストン９と１０が右の最終位置へ
移動するであろう。しかし右の最終位置に達する
と、今度は制御通路２７を介してポートＣは管路
３３を経て補助スプール１２の左端部３２と接続
され、そして同時に補助スプールの右端部３０は
制御通路３４を介してポートＤと接続される。

ポートＣにはポートＤにおけるよりも高い圧力
が生ずるので、今度は補助スプール１２が第２図
に示されているような右の位置へ移動するであろ
う。それと同時にすべての部分が再び初めに述べ
た圧力状態の下にあり、したがつてピストンロツ
ド１１とともに両ピストン９と１０が再び左へ移
動するであろう。

この場合に一般的に前提とされるのは、熱交換
器２における媒体の加熱によりポートＡおよびＣ
には、熱交換器３における媒体の冷却により容量
低減とそれと同時に圧力降下が生じるポートＢお
よびＤにおけるよりも大きな圧力が支配している
ということである。

別の実施形態が第３図に示されている。ただし
第２図におけるのと同じ部分は同じ番号で表示さ
れている。

第３図では、補助スプール１２と共にポンプハ
ウジング３６内で往復運動するピストン３５が補
助スプール１２に追加的に配置されている。

ピストンロツド１１に追加的に配置された制御
通路３７と３８および管路３９，４０，４１との
相互作用においてこの配置は、ポートＥで吸い込
み、ポートＦで吐き出す複動ポンプを示してい
る。

ここで制御通路３７および３８によつて成立し
ている強制制御が望まれていないならば、もちろ
ん周知の仕方でこの複動ポンプは、そのつど一つ
の方向に閉塞する流入弁と流出弁に取り替えるこ
とができる。

第１図の概略図はさらに、本発明の典型的な応
用と本発明の諸長所を示している。

熱交換器２（この場合には太陽エネルギーコレ
クタとして示されている）で太陽エネルギー５に
よつて加熱された媒体は熱機関ないしは循環ポン
プ１によつて、たいていはより低く位置している
蓄熱器４へ汲み出される。該蓄熱器においては、
蓄積されるべき熱６が熱交換器３から周囲の液
体、例えば水泳プールあるいは温水貯蔵タンクに
放出される。

第４図には、冷凍機としての熱アクチユエータ
の配置が概略的に示されている。この場合には蓄
熱器２は、例えばアンモニアと水の混合物あるい
は膨張係数のなるべく大きな別の吸収性液体組合
せが加熱される吸収式冷蔵庫の抽出器として解す
ることができる。そのさい生ずる体積膨張によつ
て機関ないし循環ポンプ１の差動ピストンポンプ
が動かされ、ポートＢに流出する気液混合状態が
凝縮器４２に供給され、そこにおいて温度が降下
する。いま冷却された混合物は後置の絞り素子４
３を経て蒸発器４４に達し、そこからポートＥで
複動ピストンポンプに流入して圧縮され、ポート
Ｆを経て吸収器４５に達する。最終的に吸収器４
５から「冷たい」溶液はポートＤを介して差動ピ
ストンポンプに供給され、再びポートＣを経て熱
交換器２に達する。

効率の向上のために第４図では熱交換器４６が
介在している。該熱交換器は一方で、ポートＢで
流出する「熱い」媒体から熱をうばい、他方でそ
の熱をポートＣで流出する「冷たい」媒体に供給
する。

第４図の概略図は、今日の技術水準で吸収形冷
凍機の構造において可能な多くの方法の一つを示
したにすぎない。

吸収冷凍技術の別の方法、例えば、複動ピスト
ンポンプによる水とアンモニアの分離および分離
形ポンプ循環といつた方法も、その方法に特に適
している別の冷媒ないしは冷却剤の利用も、可能
である。

第４図の略図は、適当な冷媒がまず熱圧縮さ
れ、ついで多少冷却されるが、そのさい絞り素子
４３における膨張ののちに蒸発器４４によつて周
囲から熱がうばわれ、それと同時に冷却されると
ころの圧縮式冷蔵庫のサイクルとしても同様に解
することができる。この場合、複動ピストンポン
プの課題は媒体の予圧縮と液化である。

太陽エネルギーコレクタとしての熱交換器２の
構造の場合に本発明は特に重要である、というの
は、電流のようないかなる他系エネルギーも用い
ずに直接に冷蔵庫または空調装置を構成できるか
らである。

例えば自動車においてラジエータとか排気系統
で周囲に無駄に放出される廃液の利用についても
本発明によつて新しい可能性が開かれる、という
のは冷却装置の運転のために補助的エネルギーが
エンジンから取り出されないからである。

本発明に従つた熱アクチユエータの特別の特性
を以下に指摘しておく。

差動ピストンポンプの搬送能力は、異なる温度
での媒体の体積の比から判明する。例えば周囲温
度20゜の液体が50゜まで加熱されて20％膨張し、
それに応じて差動ポンプの体積が20％違えて設計
されれば、熱機関ないしは循環ポンプは30゜の温
度差を保持するよう努力されているであろう。そ
こで例えば太陽の投射光線が強くなつて体積増加
が高まると、それに応じて差動ピストンポンプの
運動が早まり、その結果、いつそう多くの冷却さ
れた媒体が太陽エネルギーコレクタにポンプで汲
み入れられる、それも太陽エネルギーコレクタ内
の膨張と蓄熱器中の冷却の間で20％の膨張差が再
び生じるまでそうである。

システムの特に有利な自動制御は、フリーゲン
２２（クロルジフルオルメタン）のように加熱の
増大のさいに膨張係数が増える特性をもつ媒体の
使用によつて達成される。これによつて温度上昇
のさいに太陽エネルギーコレクタには、強い太陽
投射光線の場合にいつそう大きな熱量を搬送でき
る加速されたポンプ周波数が生じる。他方、この
ような媒体の使用の場合には、等体積差がすでに
もつと少ない温度差で与えられているので、太陽
エネルギーコレクタの温度にいつそう近づく温度
にまで蓄熱器を過給することが可能である。

極端に強い太陽投射光線およびすでに「フル状
態」の蓄熱器の場合に装置の過熱を避けるため
に、本発明により推奨されるのは、第一または
（および）第二熱交換器における臨界温度超過の
さいに、空気または水で冷却される補助的な安全
熱交換器を媒体の冷却のために作動させる安全装
置を設けることである。

第５図にはそれに関する実施例が示されてい
る。図において同じ部分は再び同じ番号で表示さ
れている。例えば水取入口４８と水流出口４９を
有する安全熱交換器４７が補助的に設けられる。
弁５０は通常は水の流れを閉塞している。蓄熱器
２の媒体の温度が規定の限界値を越えたときに、
サーモスタツト５１が作動し、弁５０を開く。そ
れにより安全熱交換器４７に冷水が貫流し、過剰
な熱が排除される。付加的な処置として、サーモ
スタツト制御式２方弁５２を出口Ｂ付近に設け、
該２方弁が危険な場合にＢから熱交換器３への媒
体の直接の流れを遮断し、全体の流れが安全熱交
換器４７を通るようにすることが可能であろう。

第１〜５図の略図は、技術の水準に従つて任意
に拡張できる原理的解決策ないし例として解さな
ければならない。例えば、第５図で水冷式熱交換
器として示された安全熱交換器４７の代りに、空
冷式として作られた安全熱交換器を設置すること
もできるであろう。同様に、サーモスタツト５１
で蓄熱器４の温度またはさらに熱交換器２と４の
両方の温度を臨界測定量として使うこともできよ
う。

だが、技術的行為のための教えと解すことので
きる発明上重要な詳細な諸々の指摘は、第１〜５
図の原理図を根拠としている。

【図面の簡単な説明】

第１図は二つの差動ピストンポンプから成る熱
機関の配置を示す原理図、第２図は本発明による
差動ピストンポンプの内部構造を示す断面図、第
３図は他の実施例を示す第２図と同様の断面図、
第４図は熱アクチユエータの配置を示す概略図、
第５図は安全装置に関する実施例を示す概略図で
ある。 １……循環ポンプ、２……第一熱交換器、３…
…第二熱交換器、４……蓄熱器、７，８……差動
ピストンポンプ、９，１０，３５……ピストン、
１１……ピストンロツド、１２……補助スプー
ル、１３，１６，２０，２２，２４，２６，２
８，２９，３９，４０，４１……管路、１４，１
７，２１，２５，２７，３７，３８……制御通
路、１５，１８，１９，２３……室、３１……ス
トツパ、３６……ポンプハウジング、４２……凝
縮器、４３……絞り素子、４５……吸収器、４７
……安全熱交換器、４８……水取入口、５０……
弁、５１……サーモスタツト、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，
Ｅ，Ｆ……ポート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外部、例えば太陽エネルギーから熱が供給さ
   れる熱交換器が配置されており、その熱が循環媒
   体を介して別の熱交換器に供給され、該熱交換器
   が熱を例えば暖房のために放出する閉サイクルの
   中で、液状および（または）気体状の媒体を搬送
   するための循環ポンプにおいて、循環ポンプがそ
   の出入口間の温度落差とそれから結果として生じ
   る膨張圧の利用により自己を自ら駆動し、且つ、
   自動制御装置により交互に媒体で負荷される二つ
   の機械的に結合された差動ピストンポンプ７，８
   によつて構成されていることを特徴とする、循環
   ポンプ。 ２ 温度のより高い媒体によつて負荷される差動
   ピストンポンプ７，８の入口Ａが、差動ピストン
   ポンプのより大きなピストン面に基づいて体積を
   拡大する室１５，１９に自動制御装置により交互
   に接続されることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項に記載の循環ポンプ。 ３ 対向作動する二つの差動ピストンが共通のピ
   ストンロツドによつて結合されており、該ピスト
   ンロツドには制御通路が施されており、差動ピス
   トンの最終位置到達時に補助スプールが二つの差
   動ピストンポンプの室を対向運動へ逆転させるよ
   うに該制御通路が該補助スプールに負荷を加える
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載
   の循環ポンプ。 ４ 熱交換器系がそのつど同じ差動ピストンポン
   プの両方の室に接続されることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１項に記載の循環ポンプ。 ５ 自動制御装置が、複動ポンプとして形成され
   たピストンを少なくとも一つ有している補助スプ
   ールによつて作られていることを特徴とする、特
   許請求の範囲第１〜３または４項に記載の循環ポ
   ンプ。 ６ 複動ポンプとしての機能が周知の仕方で流入
   弁と流出弁によつて与えられていることを特徴と
   する、特許請求の範囲第５項に記載の循環ポン
   プ。 ７ 差動ピストンのピストンロツド上に、複動ポ
   ンプを切り換えるための補助的な制御通路が弁の
   かわりに設けられていることを特徴とする、特許
   請求の範囲第５項に記載の循環ポンプ。 ８ 第二熱交換器系が設けられ、差動ピストンポ
   ンプから流出する媒体がその中で冷却され、ポン
   プに再び供給されることを特徴とする、特許請求
   の範囲第１〜６または７項に記載の循環ポンプ。 ９ 第一熱交換器が太陽エネルギーコレクタであ
   り、第二熱交換器系が蓄熱器であることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１〜７または８項に記載
   の循環ポンプ。 １０ 第一熱交換器系が吸収冷凍システムの抽出
   器であり、第二熱交換器系が凝縮器、蒸発器、吸
   収器を有する冷凍サイクルとして構成されている
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１〜８また
   は９項に記載の循環ポンプ。 １１ 抽出器が太陽エネルギーコレクタとして構
   成されていることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１〜９または１０項に記載の循環ポンプ。 １２ 第二熱交換器系が、少なくとも凝縮器、膨
   張弁、蒸発器を有する圧縮冷凍サイクルとして構
   成されていることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１〜１０または１１項に記載の循環ポンプ。 １３ 複動ピストンポンプが多段圧縮サイクルの
   構成要素であることを特徴とする、特許請求の範
   囲第１〜１１または１２項に記載の循環ポンプ。 １４ 第一の「熱」サイクルが差動ピストンポン
   プの「熱い」出口Ｂのところに配置され、「冷」
   サイクルが差動ピストンポンプの「冷たい」出口
   Ｃのところに配置されている熱交換器を有するこ
   とを特徴とする、特許請求の範囲第１〜１２また
   は１３項に記載の循環ポンプ。 １５ 媒体としてフリーゲン２２（クロルジフル
   オルメタン）のように加熱の増大のさいに膨張係
   数が増える冷媒を使用することを特徴とする、特
   許請求の範囲第１〜１３または１４項に記載の循
   環ポンプ。 １６ 第一または（および）第二熱交換器におけ
   る臨界温度超過のさいに、空気または水で冷却さ
   れる補助的な安全熱交換器を媒体の冷却のために
   作動させる安全装置を有することを特徴とする、
   特許請求の範囲第１〜１４または１５項に記載の
   循環ポンプ。