JPH09310929A - 外燃式熱ガス機関の再生器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造の容易化や製造コストの低減等を図った
外燃式熱ガス機関の再生器を提供する。 【解決手段】 再生器４は、中央に高温側ピストン２を
保持するシリンダが通過する筒穴４０を有する円環形状
をなしている。再生器４の蓄熱エレメント４１は、共に
ごく薄いステンレス箔からなる波板４２と平板４３とを
渦巻き状に積層したもので、波板４２と平板４３との間
の空隙４４が作動ガスの流通方向に沿うように製作され
ている。また、波板４２と平板４３とには、微細な貫通
孔４５が多数穿孔されている。

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再生器
に係り、詳しくは製造の容易化や製造コストの低減等を
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、高温室と中
温室との間や中温室と低温室との間に、再生器が設けら
れている。再生器は作動ガスの熱エネルギーを蓄える装
置であり、例えば、作動ガスが高温室から中温室に流入
する際に熱エネルギーを吸収し、中温室から高温室に環
流する際に蓄えた熱エネルギーを放出する。再生器の蓄
熱エレメントとしては、目の細かい金網を多数枚積層し
たものや、微細なファイバーメタルを焼結したものが一
般に用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の再生器における
蓄熱エレメントは、膨大な枚数の金網を所定の形状に打
ち抜いて積層したり、ファイバーメタルを金型に充填し
て焼結することにより製造される。そのため、製造工程
が煩雑になると共に、製造コストが上昇することが避け
られなかった。

【０００５】本発明の目的は、製造の容易化や製造コス
トの低減等を図った外燃式熱ガス機関の再生器を提供す
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
路に内装され、往復流動する作動ガスに対して熱エネル
ギーの吸収および放出を行う再生器であって、その蓄熱
エレメントが共に金属製の波板と平板とを交互に積層し
て構成される。

【０００７】この発明によれば、例えば、高温室から中
温室に作動ガスが移動する際等には、作動ガスが波板と
平板とを加熱することにより熱エネルギーが吸収され
る。また、中温室から高温室に作動ガスが移動する際等
には波板と平板とに蓄えられた熱エネルギーが作動ガス
に放出される。

【０００８】また、請求項２の発明は、外燃式熱ガス機
関の作動ガス回路に内装され、往復流動する作動ガスに
対して熱エネルギーの吸収および放出を行う再生器であ
って、その蓄熱エレメントが共に金属製の波板と平板と
を交互に積層して成ると共に、当該波板と当該平板との
間の空隙が前記作動ガスの流通方向に略沿うよう構成さ
れる。

【０００９】この発明によれば、再生器を通過する作動
ガスは波板と平板との空隙を抵抗なく通過し、圧損が極
力抑えられる。

【００１０】また、請求項３の発明は、外燃式熱ガス機
関の作動ガス回路に内装され、往復流動する作動ガスに
対して熱エネルギーの吸収および放出を行う再生器であ
って、その蓄熱エレメントが共に金属製の波板と平板と
を交互に積層して成ると共に、当該波板と当該平板との
少なくとも一方が多孔板であるようよう構成される。

【００１１】この発明によれば、波板や平板における熱
伝達率が増大し、これにより熱エネルギーの吸収および
放出効率が向上する。

【００１２】また、請求項４の発明は、外燃式熱ガス機
関の作動ガス回路に内装され、往復流動する作動ガスに
対して熱エネルギーの吸収および放出を行う再生器であ
って、その蓄熱エレメントが共に金属製の波板と平板と
を交互に積層して成ると共に、当該波板と当該平板とが
渦巻状に形成されるように構成される。

【００１３】この発明によれば、例えば、各一枚の波板
と当該平板とを重ねた状態で巻き回すことで再生器が製
造できる。

【００１４】また、請求項５の発明は、外燃式熱ガス機
関の作動ガス回路に内装され、往復流動する作動ガスに
対して熱エネルギーの吸収および放出を行う再生器であ
って、その蓄熱エレメントが共に金属製の多孔板素材と
する波板と平板とを交互にかつ作動ガスの流動方向に対
して垂直に積層して構成される。

【００１５】この発明によれば、例えば、多孔板からな
る波板と平板とを円環形状に打ち抜き、これらを交互に
積層することで再生器が製造できる。

【００１６】

【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。

【００１７】空気調和機の全体説明 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、シリン
ダ６１，６２に摺動自在に保持されると共に互いに直交
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。

【００１８】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。

【００１９】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、作動ガスに高温再生
器４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４
に吸収され、作動ガスの圧力は低下する。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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、作動液と記
す）が用いられている。

【００２３】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作動液に放出される一方で、低
温熱交換器８を介して作動液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作動液は、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
吸収した作動液は管路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。

【００２４】このとき、中温熱交換器５で熱エネルギー
を吸収した作動液は、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。

【００２５】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作動液に吸収される一方
で、低温熱交換器８を介して作動液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作動液は、
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作動液は管
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。

【００２６】このとき、低温熱交換器８で熱エネルギー
を放出した作動液は、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。

【００２７】再生器の実施形態 以下、高温再生器４および低温再生器７の実施形態を説
明するが、両再生器４，７が実質的に同一品であるた
め、具体的説明は高温再生器（以下、単に再生器と記
す）４に対してのみ行う。

【００２８】図３には本発明に係る再生器４の第１実施
形態を斜視により示し、図４には図３中の拡大Ａ矢視を
示してある。

【００２９】これらの図に示したように、本実施形態の
再生器４は、シリンダ６１が通過する筒穴４０を中央に
有する円環形状をなしている。再生器４の蓄熱エレメン
ト４１は、共にごく薄い金属箔（本実施形態では、厚み
が５０μｍ程度のステンレス箔）からなる波板４２と平
板４３とを渦巻き状に積層したもので、波板４２と平板
４３との間の空隙４４が作動ガスの流通方向に沿うよう
に製作されている。また、波板４２と平板４３とには、
図５に示したように微細な貫通孔４５が多数穿孔されて
いる。図３中、４６は再生器４の外殻を形成するアウタ
リングであり、４７は内殻を形成するインナリングであ
る。

【００３０】第１実施形態の再生器４では、作動ガスが
空隙４４を通過する際に波板４２と平板４３との表面に
接触して、再生器４による熱エネルギーの吸収や放出が
行われる。そして、波板４２と平板４３とに貫通孔４５
を穿孔するようにしたため、作動ガスの熱伝達率を向上
でき、熱エネルギーの吸収および放出効率を向上させる
ことができた。尚、空隙４４および貫通穴４５の波板４
２および平板４３に対する体積比（すなわち、蓄熱エレ
メント４１の空隙率）は、波板４２の波高を変化させる
ことで容易に調整できる。

【００３１】一方、第１実施形態での蓄熱エレメント４
１の製造にあたっては、先ず各１枚の帯状の波板４２と
平板４３とにバインダーの塗布や箔ロウの貼付け等を行
った後、両者を重ね合わせて図示しないマンドレルに巻
き付ける。しかる後、バインダーの乾燥や真空熱処理を
行い、波板４２と平板４３とを強固に一体化させる。
尚、ロウ付け接合に代えて、より生産性の高い拡散接合
等を用いてもよい。

【００３２】このような構成を採ったため、第１実施形
態の再生器４では、巻付機等による製造工程の自動化が
容易に実現できる。したがって、膨大な枚数の金網を打
ち抜いて積層したり、ファイバーメタルを金型に充填し
て焼結する工程を必要とする従来装置に比べ、大量生産
が容易に行えると共に、製造コストの低減を図ることも
可能となった。

【００３３】図６には、本発明に係る再生器４の第２実
施形態での蓄熱エレメント４１を分解斜視により示して
ある。この実施形態では、第１実施形態と同様の波板４
２と平板４３とを円環状に打ち抜き、これらを作動ガス
の流動方向に対して垂直になるように交互に積層したも
のである。この実施形態では、作動ガスが貫通孔４５を
通過して往復流動するが、貫通孔４５の径や個数を適宜
設定することにより、第１実施形態と同等の作用効果を
奏する。尚、第２実施形態においても、製造にあたって
は、ロウ付け接合や拡散接合等を用いることが望まし
い。

【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、第１実施形態において、作動ガスの通過時間を
長くするために波板と平板との空隙がスパイラル状とな
るようにしてもよいし、製造コストを更に低減させるた
めに波板と平板との貫通孔を省略してもよい。また、再
生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、
波板や平板の素材として、銅箔やチタン箔等、ステンレ
ス箔以外のものを用いるようにしてもよいし、比較的厚
みのある金属板を用いてもよい。更に、本発明の再生器
は、ヴェルミエサイクル以外に、スターリングエンジン
等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、本発明の再生器によ
れば、共に金属製の波板と平板とを交互に積層して構成
するようにしたため、従来装置と同等の性能を有しなが
ら、製造の容易化や製造コストの低減等を実現すること
ができる。

【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】再生器の第１実施形態を示す斜視図である。

【図４】図３中のＡ拡大矢視図である。

【図５】第１実施形態における蓄熱エレメントの要部拡
大斜視図である。

【図６】第２実施形態における蓄熱エレメントの分解斜
視図である。

【符号の説明】

１ 熱ガス機関 ２ 高温側ピストン ３ 低温側ピストン ４ 高温再生器 ５，６ 中温熱交換器 ７ 低温再生器 ８ 低温熱交換器 ９ モータ １０ クランク １１ 燃焼器 １２ 高温室 １３，１４ 中温室 １５ 低温室 １６ 加熱器 ２１〜２４，３１〜３５ 管路 ３６，３７ 四方弁 ４０ 筒穴 ４１ 蓄熱エレメント ４２ 波板 ４３ 平板 ４４ 空隙 ４５ 貫通穴 ４６ アウタリング ４７ インナリング １００ 空気調和機 ２００ 室内機 ２０１ 室内熱交換器 ２０３ 室内ファン ３００ 室外機 ３０１ 室外熱交換器 ３０３ 室外ファン

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
   され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
   収および放出を行う再生器であって、その蓄熱エレメン
   トが共に金属製の波板と平板とを交互に積層して成るこ
   とを特徴とする外燃式熱ガス機関の再生器。
2. 【請求項２】 外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
   され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
   収および放出を行う再生器であって、その蓄熱エレメン
   トが共に金属製の波板と平板とを交互に積層して成ると
   共に、当該波板と当該平板との間の空隙が前記作動ガス
   の流通方向に略沿っていることを特徴とする外燃式熱ガ
   ス機関の再生器。
3. 【請求項３】 外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
   され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
   収および放出を行う再生器であって、その蓄熱エレメン
   トが共に金属製の波板と平板とを交互に積層して成ると
   共に、当該波板と当該平板との少なくとも一方が多孔板
   であることを特徴とする外燃式熱ガス機関の再生器。
4. 【請求項４】 外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
   され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
   収および放出を行う再生器であって、その蓄熱エレメン
   トが共に金属製の波板と平板とを交互に積層して成ると
   共に、当該波板と当該平板とが渦巻状に形成されている
   ことを特徴とする外燃式熱ガス機関の再生器。
5. 【請求項５】 外燃式熱ガス機関の作動ガス回路に内装
   され、往復流動する作動ガスに対して熱エネルギーの吸
   収および放出を行う再生器であって、その蓄熱エレメン
   トが共に金属製の多孔板素材とする波板と平板とを交互
   にかつ作動ガスの流動方向に対して垂直に積層して成る
   ことを特徴とする外燃式熱ガス機関の再生器。