JPH024174A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、外燃式エンジンと、このエンジンの放熱用熱
交換器によって温められた放熱用媒体が流れる放熱器と
、エンジンの吸熱用熱交換器によって冷却きれた吸熱用
媒体が流れる冷却器とからヒートポンプ回路を構成した
ヒートポンプ装置に関する。

（ロ）従来の技術 上述した構成のヒートポンプ装置の従来の技術として、
例えば第９図に示すようなもの〔特開昭６１−２５９０
１号公報、和書「スフ−リングエンジンの開発」１４６
頁１６行目〜１４７頁１７行目（発行所株式会社工業調
査会、１９８２年７月２５日初版発行）参照〕がある。

第９図において、（１）は外燃式エンジンであり、高温
側シリンダ（２）内を上下動するデイスプレーサービス
トン（３）のヘッド側のシリンダ内部空間には高温度レ
ベルの作動ガス〔例えば７００に〜１００ＯＫ程度のヘ
リウムガス〕が出入すると共に他方の側のシリンダ内部
空間には中温度レベル〔例えば３００に〜４００Ｋ）の
作動ガスが出入する。（４）はデイスプレーサービスト
ン（５）を有する低温側シリンダで、このシリンダ内を
左右に動くデイスプレーサービストン（５）のヘッド側
のシリンダ内部空間には低温度レベル〔例えば２００〜
３００Ｋ）の作動ガスが出入すると共に他方の側のシリ
ンダ内部空間には中温度レベルの作動ガスが出入する。

（６）は高温度レベルの作動ガスを加熱するヒーターチ
ューブで、これの外側にはフィン（７）が設けである。

なお、図示していないが、ヒーターチューブ（６）はバ
ーナーの燃焼ガスで加熱されるようになっている。（８
）は再生器で、その上部開口を高温度レベルの作動ガス
〔以下、高温ガスという〕が出入すると共に下部開口を
中温度レベルの作動ガスが出入する。（９）　、　（１
０）はそれぞれ中温度レベルの作動ガス〔以下、中温ガ
スという〕が放熱する放熱用熱交換器である。

（１１）は再生器で、その左側開口を中温ガスが出入す
ると共に右側開口を低温度レベルの作動ガス〔以下、低
温ガスという〕が出入する。また、（１２）は吸熱用熱
交換器である。（１３）は低温ガスの流れるチューブで
あり、（１４）は中温ガスの流れるチューブである。

（１５）は暖房負荷側の放熱器で、これと放熱用熱交換
器（９）　、　（１０）とが温水管路（１６）で結ばれ
ている。また、（１７）は冷房負荷側の冷却器で、これ
と吸熱用熱交換器（１２）とが冷水管路（１８）で結ば
れている。

（１９）　、　（２０）はそれぞれデイスプレーサービ
ストン（３）　、　（５）のピストンロッド（２１）（
２２）に連結したフネクティングロッドで、これらロッ
ドは互いに一定の位相角をもって回動するようにクラン
ク（２３）と連結されている。また、クランク（２３）
の回転軸（２４）にはスターターとしての電動機〔図示
せず〕が連結されている。そして、回転軸（２４）が図
示の矢印線のように右回りに回転すると共に、デイスプ
レーサービストン（３）　、　（５）が一定の位相差を
もって動くようになっている。なお、デイスプレーサー
ビストン（５）のピストンロッド（２２）の直径はデイ
スプレーサービストン（３）のピストンロッド（２１）
のそれよりも大きく構成されている。

また、（２５）はクランクケースで、このケースとシリ
ンダ（２）　、　（４）とはそれぞれ仕切壁（２６）（
２７）で区画されている。

上記のように構成されたヒートポンプ装置においては、
デイスプレーサービストン（３）　、　（５）が所定の
位相差をもって動くのに伴ない低温側シリンダ（２）の
ヘッド側の内部空間で低温ガスの膨張による温度降下を
生じ、降温した低温ガスが吸熱用熱交換器（１２）を通
る際に冷水の熱を汲み上げる作用をする。これにより降
温した冷水が冷房負荷側の冷却器（１７）へ供給される
。つまり、冷水出力が得られる。一方、中温ガスが放熱
用熱交換器（９）。

（１０）を通る際に温水を加熱する作用をする。これに
より昇温した温水が暖房負荷側の放熱器（１５）への圧
力変化、膨張・収縮、作動ガスのエンジン（１）外から
の熱の吸収およびエンジン（１）外への熱の放出のサイ
クルを生じさせるものである。

また、外燃式エンジン（１）は、上記のサイクルにおい
て、デイスプレーサービストン（３）のピストンロッド
（２１）の断面積とデイスプレーサービストン（５）の
ピストンロッド（２２）とを適当に設定することにより
、シリンダ内圧とクランクケース（２５）内圧との差で
ピストンの稼働すなわち自力運転も可能となる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 上述した従来のヒートポンプ装置において、回転軸（２
４）に連結した電動機は外燃式エンジン（１）の起動用
のスターターとして用いられ、エンジン（１）の起動後
、回転軸（２４）への電動機による動力供給は止められ
てエンジン（１）の自力運転によって回転軸（２４）が
ほぼ一定の回転速度で駆動され、デイスプレーサービス
トン（３）、（５）がほぼ一定の周期で動くので、冷温
水出力もほぼ一定となる。

つまり、従来のＥ−トボンブ装置では、冷温水出力を調
整し難いという不具合さかある。

なお、従来の装置において、ヒーターチューブ（６）の
加熱量を調節して外燃式エンジン（１）内での作動ガス
の圧力変化、膨張・収縮の度合を変化させる手段により
冷温水出力をある程度は増減させることが可能であるも
のの、加熱量を増やし過ぎると外燃式エンジン（１）の
オーバーヒートを招きやすく、逆に減らし過ぎると外燃
式エンジン（１）の自力運転を維持できなくなるため、
冷温水出力を広い範囲で調整し難いという不具合さがあ
る。

本発明は、この課題に鑑み、冷温水出力を広い範囲で調
整できると共に運転効率の向上を図ったヒートポンプ装
置を提供することを目的としたものである。

（ニ）課題を解決するための手、股 木発明は、外燃式エンジンと、この外燃式エンジンの回
転軸と連結された電動機と、前記回転軸の回転にブレー
キをかける制動機と、前記外燃式エンジンの放熱用熱交
換器によって温められた放熱用媒体が流れる放熱器と、
前記外燃式エンジンの吸熱用熱交換器によって冷却され
た吸熱用媒体が流れる冷却器とからヒートポンプ回路を
構成する一方、前記放熱用媒体及び／又は吸熱用媒体の
温度もしくは前記放熱器及び／又は冷却器と熱交換され
た媒体の温度を検出する検出器と、この検出器で検出し
た温度と設定温度との温度差に応じて前記回転軸の回転
数を制御する制御器とを付設し、前記外燃式エンジンの
運転によって回転される回転軸の自力運転の回転数を、
前記温度差に基づいて前記回転軸へ要求きれる要求回転
数の最大値よりも小さく設定する一方、前記制御器には
前記要求回転数が前記自力運転の回転数を上回わると前
記電動機を運転させて前記回転軸の回転数を上げ、前記
要求回転数が前記自力運転の回転数を下回わると前記制
動機を運転させて前記回転軸の回転数を下げる手段を設
けるようにしたものである。

（＊）作用 本発明のヒートポンプ装置においては、冷暖房負荷側か
ら要求される要求回転数が自力運転の回転数を上回わる
と制御器からの指令により電動機が運転されて回転軸の
回転数が上がり、逆に要求回転数が自力運転の回転数を
下回わると制御器からの指令により制動機が運転されて
回転軸の回転数が下がることにより、デイスプレーサー
ビストンの動作速度が増減されて、低温側シリンダ内で
の低温ガスの単位時間当りの膨張回数と放熱用熱交換器
での中温ガスの単位時間当りの往復回数とが広い範囲に
わたって増減される。この作用により、低温ガスの冷水
からの熱の汲み上げ量および中温ガスの温水への放熱量
換言すれば冷温水出力の広範囲な調整が可能となる。

（へ）実施例 第１図は本発明の実施例を示すヒートポンプ装置の配管
系統図であり、第９図の従来装置と同様な機器には同一
の符号を付している。

第１図において、（２８）は回転軸（２４）と連結きれ
た回転数可変の電動機、（２９）は回転軸（２４）の回
転にブレーキをかける制動機、（３０）は冷水管路（１
８）を流れる冷水等の吸熱用媒体の温度を検出する冷房
用検出器、（３１）は温水管路（１６）を流れる温水等
の放熱用媒体の温度を検出する暖房用検出器、（３２）
は検出器（３０）（３１）で検出した温度と冷暖房設定
温度との温度差に応じて回転軸（２４）の回転数を制御
する制御器である。そして第２図に示すように、外燃式
エンジン（１）の運転によって回転される回転軸（２４
）の自力運転の回転数ｎ、を、前記温度差に基づいて回
転軸（２４）へ要求される要求回転数の最大値ｎ１．８
よりも小さく設定されており、制御器（３２）には要求
回転数と自力運転の回転数ｎ９とを比較する比較手段（
３３）と、要求回転数が自力運転の回転数ｎｃを上回わ
る指令が比較手段（３３）から発せられると回転軸（２
４）の回転数が要求回転数まで上がるように電動機（２
８）を運転させるバックアップ手段（３４）と、逆に要
求回転数が自力運転の回転数ｎ。を下回わる指令が比較
手段（３３）から発せられると回転軸（２４）の回転数
が要求回転数まで下がるように制動機（２９）を運転さ
せるブレーキ手段（３５）とが設けられている。

（３６）はヒーターチューブ（６）や高温側シリンダ（
２）のヘッド外表面などを加熱するバーナー、（３７）
は温水管路（１８）に設けた循環ポンプ、（３ｇ）は冷
水管路（１６〉に設けた循環ポンプ、（３９）（４０）
は屋外に設けられた排熱用熱交換器、（４１）は居住室
内に設けられ放熱器（１５〉と冷却器（１７）とを有し
た室内ユニット、（４２）（４３）は温水等の放熱用媒
体を暖房運転時に放熱器（１５）へ導き、冷房運転時に
排熱用熱交換器（３９）へ導く暖房用三方弁、（４４）
（４５）は冷水等の吸熱用媒体を冷房運転時に冷却器（
１７）へ導き、暖房運転時に排熱用熱交換器（４０）へ
導く冷房用三方弁である。

なお、第１図においては、ピストンロッド（２２）の直
径がピストンロッド（２Ｉ）のそれの約４倍になってお
り、また、コネクティングロッド（Ｉ’ｌｌ。

（２０）間の位相角が約９０°となっている。

上述した第２図は回転軸（２４）の回転数と外燃式エン
ジン（１）の発生動力〔図の１点鎖線〕および外燃式子
ンジン（１）の稼働に対する摩擦抵抗や作動ガスの流動
抵抗等の力（以下、負荷動力という）〔図の曲線〕との
関係の一例を示した線図で、横軸に回転数〔ｒ−ｐ−ｍ
〕、縦軸に力〔ワット〕を表わしている。なお、第２図
のａワットは外燃式エンジン（１）の起動時の負荷動力
である。また、１点鎖線と曲線との交点Ｎ１は外燃式エ
ンジン（１）の発生動力と負荷動力とのバランス点を表
わしたもので、ｎ、は外燃式エンジン（１）の自力運転
における回転軸（２４）の回転数を表わし、ｂワットは
外燃式エンジン（１〉の自力運転における動力を表わし
ている。なおまたミ　１点鎖線の傾きは外燃式エンジン
（１）の設計条件を変えることによって変化する。

次に、運転動作を第３図のフローチャートに基づいて説
明する。起動に際し、電動機（２８）がスターターとし
て稼働されることにより、回転軸（２４）が回転し始め
ると共に、バーナー（３６）の燃焼が開始されて作動ガ
スが加熱される。回転軸（２４）が回転し始めることに
よりデイスプレーサービストン（３）、（５）が一定の
位相差をもってシリンダ（２）。

（４）を摺動し始め、これらシリンダのヘッド側とその
反対側の空間の容積が第４図〜第７図に示すように変化
し、これら空間を作動ガスが往復しつつヒーターチュー
ブ（６）において加熱される一方で放熱用熱交換器（９
）　、　（１０）において放熱する等の熱の授受を行う
ことにより、第８ｖＩＡに示すように、容積の変化する
空間における作動ガスの周期的な膨張・収縮と外燃式エ
ンジン（１）内の作動ガスの周期的な圧力変化とが繰返
され、冷温水出力が発生する。つまり、放熱用熱交換器
（９）　、　（１０）での作動ガスの放熱により温水出
力が発生し、低温側シリンダ（４）のヘッド側の可変空
間での作動ガスの周期的な膨張に伴なう吸熱用熱交換器
（１２）を介しての熱の汲み上げ作用により冷水出力が
発生する。

なお、第４図ないし第７図は回転軸（２４）の１回転（
９０’）毎のデイスプレーサービストン（３）。

（５）の位置関係を示した外燃式エンジン（１）の動作
説明図で、図中の矢印はデイスプレーサービストン（３
）　、　（５）の摺動方向および回転軸（２４）の回転
方向を表わしている。また、第８図は回転軸（２４）の
１回転における作動ガスの周期的な圧力変化およびシリ
ンダのヘッド側とその反対側の空間の容積変化を示した
線図で、図中の実線はシリンダ（２）ヘッド側の容積変
化（ｖｎ）、破線はシリンダ（４）ヘッド側の容積変化
［Ｖ、〕、１点鎖線はこれらシリンダヘッドの反対側の
容積変化〔ｖＭ〕、を表わし、２点鎖線は作動ガスの圧
力変化〔ｐ、〕を表わしている。

そして、外燃式エンジン（１）の起動後、上述の動作が
繰返されつつ次第に定常状態へ移行し、シリンダ（２）
ヘッド側の空間内の作動ガスは所望の高温度レベルの高
温ガスとなる一方、シリンダ（４）ヘッド側の空間内の
作動ガスは所望の低温度レベルの低温ガスとなり、これ
らシリンダヘッドと反対側の空間内の作動ガスは所望の
中湿度レベルの中温ガスとなる。これに伴ない外燃式エ
ンジン（１）の発生動力も次第に増え、これと負荷動力
とが定常状態においてバランスするようになって回転軸
（２４）の回転数がｎ。となり〔第２図参照〕、定格の
冷温水出力が外燃式エンジン（１）から得られるように
なる。

今、ここで外燃式エンジン（１）の自力運転によって得
られる定格の冷水出力が例えば冷房負荷に対して過大で
ある場合、吸熱用熱交換器（１２）の冷水出口温度が設
定温度以下に低下する。この低下は冷房用検出器（３０
）で検出した冷水温度と設定温度との温度差により判別
され、この温度差に基づいて算出される要求回転数と自
力運転の回転数ｎｅとを、比較手段（３３）で比較し、
要求回転数が自力運転の回転数ｎ。を下回わる指令が発
せられることにより、ブレーキ手段（３５）が働き、制
御器（３２）の信号により制動機（２９）を稼働きせ回
転軸（２４）の回転数を要求回転数まで下げる。これに
より、低温側シリンダ（４）での低温ガスの単位時間当
りの膨張回数が減ってその熱の汲み上げ量が減少するの
で、冷房負荷に見合う冷水出力を取出すことが可能とな
る。逆に、冷水出力４が冷房負荷に対して不足する場合
、比較手段（３３）から要求回転数が自力運転の回転数
ｎｃを上回わる指令が発せられてバックアップ手段（３
４）が働き、制御器（３２）の信号により電動機（２８
）を稼働させ回転軸（２４）の回転数を要求回転数まで
上げる。これにより、シリンダ（４）での低温ガスの単
位時間当りの膨張回数が増えてその熱の汲み上げ量が増
大するので、冷房運転時、負荷に応じた冷水出力を取出
すことが可能となる。このことは温水出力を取出して暖
房する場合においても同様であり、暖房用検出器（３１
）で検出した温水温度と設定温度との温度差に基づいて
算出される要求回転数と自力運転の回転数ｎｃとを比較
手段（３３）で比較し、要求回転数が自力運転の回転数
ｎ、を下回わるとブレーキ手段（３５）により制動機（
２９）が稼働して回転軸（２４）の回転数を要求回転数
まで下げ、逆に要求回転数が自力運転の回転数ｎ、を上
回わるとバックアップ手段（３４）により電動機（２８
）が稼働して回転軸（２４）の回転数を要求回転数まで
上げる。

このように、制動機（２９）と電動機（２８）とで回転
軸（２４）の回転数を第２図に示すようにｎｌ、８から
零近くまで広い範囲で増減制御することが可能であり、
しかも、外燃式エンジン（１）の自力運転による発生動
力ｂワットを過不足なく設定して冷温水出力を調整する
ことが可能である。そして、回転軸（２４）の回転数を
増減させる目的でバーナー（３６）の燃焼量を過度に加
減する必要がないため、外燃式エンジン（１）の過熱を
招くことも殆んどなく、また、外燃式エンジン（１）の
加熱不足に伴なう発生動力の不足による運転の中断を招
くことも殆んどない。つまり、運転効率低下の原因とな
る運転中断を招かずに冷温水出力の広範囲な調整を行う
ことができる。なお、外燃式エンジン（１）の自力運転
による発生動力ｂワットを過不足なく設定する好適な設
計条件として、外燃式エンジン（１）の自力運転による
回転数ｎ、を要求回転数の最大値ｎ、、８の５０％〜９
０％とすることが望ましく、５０％以下では大能力の電
動機（２８）が必要となり、９０％以上では制動力が大
きくなり効率低下の原因となる。この設計条件は外燃式
エンジン（１）の駆動部分の摩擦抵抗、作動ガスの流動
抵抗、外燃式エンジン（１）の熱抵抗およびピストンロ
ッド（２１）（２２）の断面積ならびに作動ガスの圧力
、温度などの設計値に基づいて選定きれる。

また、外燃式エンジン（１）の発生動力はシリンダ（２
）（４）内圧とクランクケース（２５）内圧との差の大
小によって増減し、かつ、回転軸（２４）の回転力は主
に低温側シリンダ（４）のピストンロッド（２２）の断
面積の大小によって増減するため、この断面積の大きさ
を変えることにより外燃式エンジン（１）の発生動力を
変えることもできる。換言すれば、第２図の１点鎖線の
傾きを変えることができる。

尚、上記実施例において、制動機（２９）は回転軸（２
４）に電動機（２８）を介して間接的に連結しても、回
転軸（２４〉に直接、連結しても良く、又、制動機（２
９）と電動機（２８〉の両方の機能を備えた電動機を使
用すれば、両者を一体にすることもできる。

又、回転軸（２４）から制動機（２９）に加わるトルク
を発電機へ伝える手段を外燃式エンジン（１）に備える
ことにより、制動＆！（２９）を稼働移せた際の外燃式
エンジン（１）の動力を発電に活用することも可能であ
る。

又、上記実施例では暖房運転時には放熱用媒体である温
水の温度を、冷房運転時には吸熱用媒体である冷水の温
度を検出したが、放熱器（１５月こ温水を、冷却器（１
７）に冷水を同時に流すことにより、冷却器（１７）で
冷却されて除湿された室内空気を放熱器（１５）で加熱
する除湿運転時には温水及び冷水の温度を検出する必要
がある。又、温水及び冷水の温度を検出する代わりに放
熱器（１５）及び冷却器（１７）と熱交換された室内空
気等の媒体の温度を検出しても良い。又、放熱器（１５
）は暖房用以外に給湯用として用いても良く、冷却器（
１７）は冷房用以外に冷蔵用、冷凍用として用いても良
い。

（ト）発明の効果 本発明は外燃式エンジンの運転によって回転される回転
軸の自力運転の回転数を、負荷に基づいて回転軸へ要求
きれる要求回転数の最大値よりも小さく設定して、要求
回転数が自力運転の回転数を上回わると電動機を、逆に
下回わると制動機を夫々運転きせることにより、回転軸
の回転数を要求回転数に合致させることができ、負荷に
見合った適正な冷温水出力を得ることができる。

併せて、回転軸の自力運転による回転数を要求回転数の
最大値の５０〜９０％に設定することにより、制動機と
電動機は小能力のもので事足り、効率の良い運転を行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第８図は本発明の実施例を示したもので、第
１図はヒートポンプ装置の配管系統図、第２図は外燃式
エンジンの動力と回転数との関係の一例を示した説明図
、第３図はフローチャート、第４図乃至第７図は回転軸
の１回転毎における２つののデイスプレーサービストン
の位置関係を示した外燃式エンジンの動作説明図、第８
図は外燃式エンジンの回転軸の１回転における作動ガス
の周期的な圧力変化およびシリンダのヘッド側とその反
対側の空間の容積変化を示した説明図、第９図は従来装
置の配管系統図である。 （１）・・・外燃式エンジン、　（９）（１０）・・・
放熱用熱交換器、　（１２）・・・吸熱用熱交換器、　
（１５）・・・放熱器、　（１７）・・・冷却器、　（
２４）・・・回転軸、　（２８）・・・電動機、　（２
９）・・・制動機、　（３０バ３１）・・・検出器、（
３２）・・・制御器、　（３３）・・・比較手段、　（
３４）・・・バックアップ手段、　（３５）・・・ブレ
ーキ手段。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外燃式エンジンと、この外燃式エンジンの回転軸と
   連結された電動機と、前記回転軸の回転にブレーキをか
   ける制動機と、前記外燃式エンジンの放熱用熱交換器に
   よって温められた放熱用媒体が流れる放熱器と、前記外
   燃式エンジンの吸熱用熱交換器によって冷却された吸熱
   用媒体が流れる冷却器とからヒートポンプ回路を構成す
   る一方、前記放熱用媒体及び／又は吸熱用媒体の温度も
   しくは前記放熱器及び／又は冷却器と熱交換された媒体
   の温度を検出する検出器と、この検出器で検出した温度
   と設定温度との温度差に応じて前記回転軸の回転数を制
   御する制御器とを付設し、前記外燃式エンジンの運転に
   よって回転される回転軸の自力運転の回転数を、前記温
   度差に基づいて前記回転軸へ要求される要求回転数の最
   大値よりも小さく設定する一方、前記制御器には前記要
   求回転数が前記自力運転の回転数を上回わると前記電動
   機を運転させて前記回転軸の回転数を上げ、前記要求回
   転数が前記自力運転の回転数を下回わると前記制動機を
   運転させて前記回転軸の回転数を下げる手段を設けたこ
   とを特徴とするヒートポンプ装置。 ２、回転軸の自力運転による回転数を要求回転数の最大
   値の５０〜９０％に設定した請求項１記載のヒートポン
   プ装置。