JPH05322338A - 複合型パルス管式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、複合型パルス管式ヒートポンプの
機器構成の確立を目的とする。 【構成】 少なくとも１つの圧縮空間部と少なくとも１
つの膨張空間部との間に、放熱器、蓄冷器、蓄熱器、高
温吸熱器、低温吸熱器、複数のパルス管等を接続する組
み合わせを少なくとも１組用い、加熱とモータ等の補助
駆動を用いて冷暖房、冷凍、気体の液化等を行えるよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複合型パルス管式ヒー
トポンプに関し、冷凍機、冷暖房、食品や液体・固体の
冷凍，乾燥、気体の液化、水の凝縮，固化などと多目的
の熱サイクルとして利用できる。

【０００２】

【従来の技術】本発明に係わる従来技術を図５に基づい
て説明すると、圧縮空間１００内の作動流体（所要冷凍
・液化温度や出力規模、さらに火炎等により加熱される
高温加熱器の温度によって空気，ヘリウム，アルゴン，
窒素，水素，その他の気体や混合気体，一部液体、以後
これらを総称して単に流体とし、数十気圧から２００気
圧で封入されている）は、ほぼ常温度の圧縮シリンダ１
０１、図示しないピストン駆動機構（ガイドピストンを
もつクランクシャフト、揺動板、回転斜板、リニアモー
タ等）に連結して往復動する圧縮ピストン１０２と流体
の膨張空間１０３を構成するほぼ常温にある膨張シリン
ダ１０４内のピストン駆動機構に接続された膨張ピスト
ン１０５、流体の圧縮熱を大気や他の流体に放出する放
熱器１０６、無数のブロンズやステンレスの金属メッシ
ュや金属や稀土類の小球体を蓄冷材として詰められた蓄
冷器１０７、低温吸熱部１０８、ガスピストンの役目を
果たすパルス管１０９、配管１１０，１１１、ピストン
リング１１２によって構成されている。

【０００３】なお、配管１１１には、膨張ピストン１０
５の膨張仕事量が大きい場合や、低温吸熱部１０８の温
度が高い場合には、図示しないが配管１１０と同様の放
熱器が膨張空間１０３とパルス管１０９との間に接続さ
れる。また、圧縮ピストン１０２と膨張ピストン１０５
が上死点にあるときは、位相角（クランク角）は０であ
る。

【０００４】通常は、低温吸熱部１０８の所要温度や圧
縮空間１００の最大の掃気容積Ｖｃと膨張空間１０３の
最大の掃気容積Ｖｅとの容積比Ｖｃ／Ｖｅ＝Ω、配管１
１０，１１１の長さと配管１１０，１１１内の容積、蓄
冷器１０７の死容積、低温吸熱部１０８の内容積や長
さ、などによって異なるが、膨張ピストン１０５は圧縮
ピストン１０２より０度（同位相）から６０度ほど進ん
だ位相角で往復駆動され容積を可変する。

【０００５】８０Ｋ用の冷凍機として用いる場合、Ω＝
７、位相角＝３０度、Ｖｃ＝４２０ｃｃ、回転数＝３４
０ｒｐｍ、蓄冷器＝ステンレス １５０メッシュ８００
枚＋鉛球０．０３ｃｍΦ ２００ｇ、死容積４０ｃｃ、
パルス管２ｃｍΦ ２５ｃｍ長さで説明する。

【０００６】圧縮空間１００内の平均圧力２０気圧のヘ
リウムの流体は、ピストン駆動機構で圧縮ピストン１０
２が上死点に向かうとほぼ３０気圧に圧縮され、配管１
１０より放熱器１０６に入り大気に放熱してほぼ常温と
なる。次に、蓄冷器１０７の蓄冷材によって冷やされ、
低温吸熱部１０８よりパルス管１０９で膨張ピストン１
０５が下死点に３０度進んでいるため断熱膨張（実際に
はポリトロピック過程）し、配管１１１より膨張空間１
０３に入り、膨張ピストン１０５を押す仕事をして約１
５気圧になる。

【０００７】この過程では、パルス管１０９内の流体は
ほぼ常温にある膨張ピストン１０５の低温から常温まで
の温度勾配をもつガスピストンの役目を果たしており、
このガスピストンの常温側からみて最先端となる低温吸
熱部１０８内の流体温度が最低となって冷凍発生にな
る。

【０００８】更に、膨張空間１０３の流体は、配管１１
１、パルス管１０９、低温吸熱部１０８、蓄冷器１０７
で温められ、配管１１０より圧縮空間１００に戻って１
サイクルが終わる。これが連続的に行われる。このと
き、低温吸熱部１０８は最低温度が約２６Ｋとなり、８
０Ｋでの冷凍出力は６０Ｗで、性能指数＝消費動力／冷
凍出力＝２５となった。この値は、冷凍サイクルの中で
も最高効率が得られるスターリング冷凍機に近い。

【０００９】また、Ωを条件（回転数、所要冷凍・液化
温度、死容積等）によるが、１．５〜６にすると、２０
０Ｋから２７０Ｋ領域での食品の冷凍、真空乾燥、空調
等における高効率の冷凍機やヒートポンプにすることが
できる。さらに、蓄冷器１０７内の鉛球を取り除き、低
温吸熱部１０８を電力で４００Ｋに加熱したところ、冷
凍機用の消費動力が減少してほとんど無くなり、温度を
高くするにしたがい発生動力が大きくなった。さらに温
度を９００Ｋ程度にすると、この構成で完全に原動機と
なることが明らかになった。

【００１０】図５に示す構成がスターリングサイクルの
構成と大きく異なる最大の特徴は、スターリングサイク
ルのような比較的長い形状で往復運動し、製作費も高
く、低温度になるディスプレーサや膨張ピストンやその
駆動機構を必要としないことである。当然、薄肉で低熱
伝導材料で製作されていた長い形状の膨張シリンダの必
要もなくなる。

【００１１】従って、図５に示す構成では、低温吸熱部
１０８での機械振動が極度に低くなり、例えば、低温吸
熱部１０８の被冷却体をエレクトロニックセンサとする
と、今まで数十ミクロンもあった機械振動により発生し
ていたノイズが無くなり、計測分野にも応用できるよう
になったことである。機械振動は流体の出入りで鉛直方
向で約５ミクロンである。

【００１２】また、通常エポキシ系樹脂を含浸させたＦ
ＲＰやベークライト材料で作られたディスプレーサや膨
張ピストンの使用は、機械振動発生のみならず、材料自
体やシリンダとの接触や摩擦振動によって不純ガスや塵
芥を発生させて作動流体や蓄冷器を汚しその性能劣化を
起こしたり、また、塵芥が配管やシリンダとピストンと
の間、更には、ピストンリングに詰まって冷凍機が停止
するといった低信頼性の原因にもなっていた。

【００１３】図５に示す構成によって、このディスプレ
ーサや膨張ピストンを必要とせず、単純構造のため、高
信頼度で低価格のマシンを提供できるようになったこと
は明らかである。

【００１４】熱力学的なサイクルの過程は、流体のパル
ス管１０９内の挙動の解析が不十分ではあるが、スター
リングサイクルの場合のディスプレーサや膨張ピストン
の役目をガスピストンとして行っていると考えられる。

【００１５】実験では、圧縮空間１００と膨張空間１０
３でのＰＶ測定において流体の圧力波形が正弦波に近
く、２つの等容積過程と２つの等温度過程からなるスタ
ーリングサイクルに近く、それぞれの４過程では非効率
を伴うポリトロピックサイクルであった。

【００１６】図６のＴＳ線図において冷凍機の動作のと
きの流体は、Ａ−Ｂが放熱しながら等温度で圧縮される
等温過程、Ｂ−Ｃが蓄冷器１０７で冷却されながら容積
一定で低温度になる等容過程、Ｃ−Ｄが温度一定で吸熱
しながら膨張する等温過程であり、この過程で冷凍が得
られ、Ｄ−Ａで蓄冷器１０７を冷やしながら容積一定で
温度上昇する等容過程である。これは、スターリングサ
イクルの理想的なサイクル過程であるが、本基本型の実
際の過程では、非効率を伴って一点鎖線のＡ−ｂ−ｃ−
ｄ−Ａのようにポリトロピック過程になる。

【００１７】動力発生ではサイクルの向きが逆になり、
Ｄ−Ｃで放熱しながらの等温過程、Ｃ−Ｂで流体の温度
が高くなる等容過程、Ｂ−Ａの等温過程で膨張仕事をし
て動力を発生し、Ａ−Ｄは等容過程で常温に戻るが、実
際にそれぞれはポリトロピックなサイクル過程になって
ｄ−ｃ−ｂ−Ａ−ｄとなる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな構成体を具体的にどのように作動させ、利用するか
が明らかではなかった。

【００１９】そこで、本発明では、複合型パルス管式ヒ
ートポンプの構成を確立することを、その技術的課題と
する。

【００２０】

【発明の構成】

【００２１】

【課題を解決するための手段】前述した本発明の技術的
課題を解決するために講じた本発明の技術的手段は、火
炎、電熱等による加熱とモータ等の補助駆動や発電機、
その他の構成よりなる冷暖房、冷凍、気体の液化等を目
的とする熱サイクルの機器構成において、少なくとも１
つの円筒型または凸型の圧縮空間部と少なくとも１つの
円筒型または凸型の膨張空間部との間に、放熱器、蓄冷
器、蓄熱器、高温吸熱器、低温吸熱器、複数のパルス管
等を接続する組み合わせを少なくとも１組用い、火炎、
電熱等による加熱とモータ等の補助駆動を用いて冷暖
房、冷凍、気体の液化等を行えるような機器構成を特徴
とするようにしたことである。

【００２２】

【作用】上述した本発明の技術的手段によれば、動力発
生系の構成と冷凍発生系の構成が一体的に組み込まれ
る。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の技術的手段を具体化した実施
例について添付図面に基づいて説明する。

【００２４】図１の第１実施例において、クランクシャ
フト（他のピストン往復動機構でもよい）１４には、図
示しないモータと発電機またはいずれかを、運転始動を
スムースにしたり発電するために付けられ、コンロッド
１５を介して圧縮シリンダ１７内の圧縮ピストン１６を
往復動させて、圧縮空間１８の流体を圧縮する。放熱器
１９、ステンレス等の多数枚積層されたメッシュや無数
の金属球やセラミックス球を蓄熱材として詰められた蓄
熱器２０、メタンガス燃焼や電熱で高温加熱される吸熱
部２１、金属製やセラミックス製のパルス管２２、放熱
器２３、ほぼ常温の膨張シリンダ２５、膨張ピストン２
６で流体が膨張される膨張空間２４から動力発生系が成
り立っている。

【００２５】コンロッド１５で圧縮シリンダ２７内で往
復運動する圧縮ピストン２８で流体が圧縮される圧縮空
間２９、放熱器３０、蓄冷器３１、冷凍・液化をする低
温吸熱部３２、パルス管３３、放熱器３４、ほぼ常温の
膨張シリンダ３５、膨張ピストン３６、膨張空間３７の
機器構成から冷凍発生系が成り立っている。

【００２６】本実施例では、以上の構成の動力発生系で
冷凍発生系の動力を賄うように構成されており、このよ
うな構成１組を１組だけでなく複数組用いて動作させる
ことができるのはもちろんである。

【００２７】尚、５８，５９は流体の圧力制御弁で圧縮
空間１８，２９と放熱器１９，３０との間に接続され、
６０は流体を高純度に精製するフィルタ、６１は流体の
供給弁、６２は図示しないバッファタンクやクランクケ
ース内への接続端であり、図３，４の構成においても同
様に付加されている。

【００２８】図２のＴＳ線図の非効率を含むポリトロピ
ックサイクルで説明すれば、動力発生系は、流体を常温
からのＡ−ｂ−Ｅ−ｆ−Ａであり、冷凍発生系は、Ａ−
ｂ−ｃ−ｄ−Ａである。これは、図６で述べた冷凍発生
系のＡ−ｂ−ｃ−ｄ−Ａと動力発生系のｄ−ｃ−ｂ−Ａ
−ｄの２系統に対応している。

【００２９】尚、Ｔｅは高温度に加熱される温度、Ｔｃ
は発生冷凍温度である。また、図１の放熱器２３，３４
は、出力が小さいときには双方、あるいはいずれかを除
く場合もあり、３８はピストンリング、３９はベアリン
グである。

【００３０】また、それぞれの圧縮ピストン１６，２
８、膨張ピストン２６，３６には、図示しないがガイド
ピストンが付けられる場合があり、また、動力発生系と
冷凍発生系を各１組に限らず、動力発生系を少なくとも
１組とし冷凍発生系を複数組として同じクランクシャフ
トに接続して動作させることや、動力発生系を複数組と
し冷凍発生系を少なくとも１組として同じクランクシャ
フトに接続して動作させることも可能である。また、複
数組の冷凍発生系のそれぞれの冷凍温度を変えることも
容易である。

【００３１】図３は第２実施例であり、凸型のピストン
４０とシリンダ４１で動力発生系の圧縮空間４３と冷凍
発生系の圧縮空間４２を形成し、更に、凸型の膨張ピス
トン４４とシリンダ４５でそれぞれの膨張空間４７，４
６を形成して、この間に放熱器４８、蓄熱器４９、高温
加熱される吸熱部５０、パルス管５１、放熱兼用配管５
２と冷凍発生系の放熱器５３、蓄冷器５４、低温の吸熱
部５５、パルス管５７、放熱型配管５７が設けられてい
る。

【００３２】凸型のピストン，シリンダの採用は圧縮空
間と膨張空間との容積比変えることが容易であること
と、通常、動力発生系の圧縮空間と膨張空間に入出する
流体温度が高くなるが、凸型ピストンの上部を動力発生
系の圧縮および膨張空間とすれば、凸型ピストンに温度
勾配をつけて容易に対応できる。また、図１の構成と比
較して、１本の凸型ピストンで動力発生系の圧縮空間と
冷凍発生系の膨張空間を設けて構成し、ピストン数を減
らすことも容易である。また、図１の構成において、膨
張空間あるいは圧縮空間のいずれかを凸型ピストンにで
きることも勿論である。

【００３３】尚、本実施例を冷房に使用する場合には、
放熱器１９，３０，２３，３４，４８，５３で大気に直
接、または間接的に放熱し、低温の吸熱部３２，５５で
直接屋内の空気を冷却するか、または他の流体で吸熱部
３２，５５の冷熱を回収して屋内に送り、ファンで屋内
空気を冷却する。暖房に使用する場合には、低温の吸熱
部３２，５５で直接、または他の流体を用いて屋外の大
気、または河川や地層の熱を回収し、放熱器１９，３
０，２３，３４，４８，５３で屋内空気を直接、または
他の流体を使用して加熱すればヒートポンプ効果によっ
て高効率の暖房機となる。都市ガスを使用しての暖房で
は、特に大気温度が低い時には、高温度にする高温の吸
熱部２１，５０の廃熱を回収するようにすれば高効率に
なる。なお、これらの冷暖房の流路系については、フロ
ン系ンヒートポンプと大差がなく公知のことであるた
め、詳細な説明は省略する。

【００３４】図４は第３実施例であり、図３の構成をさ
らに単純化し低価格化したもので、動力発生系と冷凍発
生系の圧縮空間６３と膨張空間をそれぞれ１つにしたこ
とである。圧縮ピストン６４、圧縮シリンダ６５、放熱
器６９，７４，７３，７８、蓄熱器７０、高温の吸熱部
７１とパルス管７２、蓄冷器７５、低温の吸熱部７６、
膨張ピストン６７、膨張シリンダ６８からなる。本実施
例では図３の構成よりも冷凍発生系と動力発生系より圧
縮空間６３と膨張空間６６に温度の異なる流体が入り混
合して効率が多少低下する。

【００３５】尚、図１，３，４に示す各実施例の構成に
おいて、圧縮および膨張ピストンの駆動機構には、ガイ
ドピストンをもつクランクシャフト、揺動板、回転斜
板、リニアモータ等のいずれによっても本発明の機能を
満足させることが可能である。

【００３６】

【発明の効果】上述したように、少なくとも１つの圧縮
空間部と少なくとも１つの膨張空間部との間に、放熱
器、蓄冷器、蓄熱器、高温吸熱器、低温吸熱器、複数の
パルス管等を接続する組み合わせを少なくとも１組用い
て複合型パルス管式ヒートポンプの機器構成が確立し、
加熱とモータ等の補助駆動を用いて冷暖房、冷凍、気体
の液化等が行えるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施例の複合型パルス管式ヒートポ
ンプの構成図を示す。

【図２】図１におけるＴＳ線図を示す。

【図３】本発明第２実施例の複合型パルス管式ヒートポ
ンプの構成図を示す。

【図４】本発明第３実施例の複合型パルス管式ヒートポ
ンプの構成図を示す。

【図５】従来技術のパルス管式サイクルの構成図を示
す。

【図６】図５におけるＴＳ線図を示す。

【符号の説明】

１８，２９ 圧縮空間、 １９，２３，３０，３４ 放熱器、 ２０ 蓄熱器、 ２１ 高温吸熱器、 ２２，３３ パルス管 ２４，３７ 膨張空間、 ３１ 蓄冷器、 ３２ 低温吸熱器、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 火炎、電熱等による加熱とモータ等の補
   助駆動や発電機、その他の構成よりなる冷暖房、冷凍、
   気体の液化等を目的とする熱サイクルの機器構成におい
   て、 少なくとも１つの円筒型または凸型の圧縮空間部と少な
   くとも１つの円筒型または凸型の膨張空間部との間に、 放熱器、蓄冷器、蓄熱器、高温吸熱器、低温吸熱器、複
   数のパルス管等を接続する組み合わせを少なくとも１組
   用い、 火炎、電熱等による加熱とモータ等の補助駆動を用いて
   冷暖房、冷凍、気体の液化等を行えるような機器構成を
   特徴とする複合型パルス管式ヒートポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の火炎、電熱等による加熱
   とモータ等の補助駆動や発電機、その他の機器構成より
   なる冷暖房、冷凍、気体の液化等を目的とする熱サイク
   ルの機器構成において、 動力発生系の圧縮空間と放熱器との間、および冷凍発生
   系の圧縮空間と放熱器との間に、 クランクケース内やバッファタンクからフィルタを介し
   て高純度の作動流体に導通する作動流体の圧力制御弁を
   それぞれ設け、 作動流体の圧力によって出力調整をするような機器構成
   を特徴とする複合型パルス管式ヒートポンプ。