JPH102252A - 外燃式熱ガス機関の加熱器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱器のチューブに対して、燃焼器からの火
炎の熱を良好に伝搬させることのできる外燃式熱ガス機
関の加熱器を提供する。 【解決手段】 高温側ピストン容器８３と高温再生器容
器８５との間をつないで、放射状に延びるチューブ８１
群からなり、燃焼器１１からの火炎により加熱されて、
チューブ８１の内部を流れる作動ガスを加熱する外燃式
熱ガス機関の加熱器１６において、各チューブ８１の一
端は、高温側ピストン容器８３のほぼ同一円周上につな
がれ、それぞれ円周方向に曲げられ、各チューブ８１の
他端は、チューブ８１の一端側と位相をずらして高温再
生器容器８５のほぼ同一円周上につながれるものであ
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加熱
器に関する。

【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 Hea
t 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、図６ａに示
すように、高温側ピストン容器６１と高温再生器容器６
３との間に加熱器６５が設けられる。この加熱器６５
は、放射状に延びるチューブ６７群からなり、例えばガ
スバーナー６９等を含む燃焼器７１からの火炎によって
加熱され、チューブ６７の内部を流れる作動ガスを加熱
する。このバーナー６９からの火炎は、図６ｂに示すよ
うに、チューブ６７群のほぼ中央部Ｃに広がり、その
後、外側に向けて伝搬する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
加熱器では、図６ｂに示すように、チューブ６７群の中
央部Ｃから見て、各チューブ６７の他端６７ｂが、各チ
ューブ６７の一端６７ａの陰に隠れるので、各チューブ
６７の他端６７ｂにバーナー６９からの火炎が十分に当
たらず、熱効率が悪く、一端６７ａの温度が他端６７ｂ
にくらべて高くなるという問題があった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、上述した従来の
技術が有する課題を解消し、加熱器のチューブに対し
て、燃焼器からの火炎を良好に伝搬させることのできる
外燃式熱ガス機関の加熱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、高温側ピストン容器と高温再生
器容器との間をつないで、放射状に延びるチューブ群か
らなり、燃焼器からの火炎により加熱されて、チューブ
の内部を流れる作動ガスを加熱する外燃式熱ガス機関の
加熱器において、前記各チューブの一端は、前記高温側
ピストン容器のほぼ同一円周上につながれ、それぞれ円
周方向に曲げられ、前記各チューブの他端は、前記チュ
ーブの一端側と位相をずらして前記高温再生器容器のほ
ぼ同一円周上につながれることを特徴とするものであ
る。

【０００７】請求項２に記載の発明は、高温側ピストン
容器と高温再生器容器との間をつないで、放射状に延び
るチューブ群からなり、燃焼器からの火炎により加熱さ
れて、チューブの内部を流れる作動ガスを加熱する外燃
式熱ガス機関の加熱器において、前記各チューブの一端
は、前記高温側ピストン容器のほぼ同一円周上につなが
れ、それぞれ該円よりも外側に曲げられ、上方に立ち上
げられ、且つ円周方向に曲げられて、前記各チューブの
他端は、前記チューブの一端側と位相をずらして前記高
温再生器容器のほぼ同一円周上につながれるものであ
る。

【０００８】請求項３に記載の発明は、高温側ピストン
容器と高温再生器容器との間をつないで、放射状に延び
るチューブ群からなり、燃焼器からの火炎により加熱さ
れて、チューブ内部を流れる作動ガスを加熱する外燃式
熱ガス機関の加熱器において、前記各チューブの一端
は、前記高温側ピストン容器のほぼ同一円周上につなが
れ、それぞれ該円よりも外側に曲げられ、上方に立ち上
げられ、且つ円周方向に曲げられて、前記各チューブの
他端は、それぞれ内側に曲げられて、前記チューブの一
端側と位相をずらして前記高温再生器容器のほぼ同一円
周上につながれることを特徴とするものである。

【０００９】ＶＭＨＰでは、熱ガス機関の高温側ピスト
ンは 高温側ピストン容器に収容されており、この高温
側ピストン容器内の高温室の作動ガスは、複数本のチュ
ーブを通じて高温再生器容器に送られる。複数本のチュ
ーブは加熱器を構成する。燃焼器からの火炎は、加熱器
を構成するチューブ群の中央部に入り、そこから外側に
伝搬し、チューブ内の作動ガスを加熱する。

【００１０】これらの発明によれば、燃焼器の火炎の伝
搬はきわめて良好に行われる。チューブ群の中央部に入
った燃焼器の火炎は、各チューブの一端の間を通過して
各チューブの他端側に伝搬する。この場合、他端側は周
方向に曲げられ、一端側と位相をずらして配置されてい
るので、チューブの他端が一端の陰に隠れることはな
く、チューブの他端にも火炎の輻射熱と燃焼ガスの熱が
十分に伝搬される。

【００１１】

【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。

【００１２】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。

【００１３】熱ガス機関１は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。

【００１４】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。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１
５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。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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】また、中温熱交換器５と室外熱交換器３０
１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、液冷媒と記す）が用いられている。

【００１９】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液冷媒に放出される一方で、低
温熱交換器８を介して液冷媒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液冷媒は、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
吸収した液冷媒は管路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。

【００２０】このとき、中温熱交換器５で熱エネルギー
を吸収した液冷媒は、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。

【００２１】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液冷媒に吸収される一方
で、低温熱交換器８を介して液冷媒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。

【００２２】この場合、中温熱交換器５，６で熱エネル
ギーを吸収した液冷媒は、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。

【００２３】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液冷媒は管路２
３、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。

【００２４】このとき、低温熱交換器８で熱エネルギー
を放出した液冷媒は、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。

【００２５】以下、図３ａ、図３ｂを参照して、加熱器
１６について説明する。

【００２６】加熱器１６は複数本の放射状に延びるチュ
ーブ８１群からなり、これらチューブ８１群は、高温側
ピストン容器８３と高温再生器容器８５との間につなが
れている。各チューブ８１の一端８１ａは、図３ｂに示
すように、高温側ピストン容器８３のほぼ同一円Ａ周上
につながれ、それぞれ円周方向に曲げられ、各チューブ
８１の他端８１ｂは、各チューブ８１の一端８１ａ側と
反時計方向に位相をずらして高温再生器容器８５のほぼ
同一円周Ｂ上につながれている。

【００２７】この実施形態によれば、図３ｂに示すよう
に、各チューブ８１がそれぞれ円周方向に曲げられるの
で、チューブ８１群の中央部Ｃから見て、各チューブ８
１の他端８１ｂが、一端８１ａ同士の間に露出する。す
なわち、各チューブ８１の他端８１ｂは、各チューブ８
１の一端８１ａの陰に隠れることはない。

【００２８】従って、燃焼器１１のバーナー８７からの
火炎が、チューブ８１群の中央部Ｃに入り、チューブ８
１の一端８１ａ同士の間を抜けて、外側に伝搬される際
に、一端８１ａ同士の間の先にはチューブ８１の他端８
１ｂが露出するので、火炎の輻射熱と流れが他端８１ｂ
に効率よく当たり、火炎の熱ロスが抑制されるので、従
来のものに比べ、加熱器１６の効率が大幅に向上する。

【００２９】図４ａ、図４ｂは別の実施形態を示してい
る。

【００３０】加熱器１６は複数本の放射状に延びるチュ
ーブ９１群からなり、これらチューブ９１群は、高温側
ピストン容器９３と高温再生器容器９５との間につなが
れている。各チューブ９１の一端９１ａは、図４ｂに示
すように、高温側ピストン容器９３のほぼ同一円Ａの円
周上につながれ、図４ａに示すように、一旦外側に斜め
に導出され、図４ｂに示すように、それぞれ円周方向に
曲げられ、各チューブ９１の他端９１ｂは、図４ａに示
すように、再び内側に斜めに曲げられ、図４ｂに示すよ
うに、各チューブ９１の一端９１ａ側と反時計方向に位
相をずらして高温再生器容器９５の同一円Ｂの円周上に
つながれている。

【００３１】この実施形態によれば、図４ａに示すよう
に、各チューブ９１が一旦外側に斜めに曲げられた後、
図４ｂに示すように、それぞれ円周方向に曲げられるの
で、チューブ９１群の中央部Ｃから見て、各チューブ９
１の他端９１ｂが、一端９１ａ同士の間に露出する。す
なわち、各チューブ９１の他端９１ｂは、各チューブ９
１の一端９１ａの陰に隠れることはない。

【００３２】従って、燃焼器１１のバーナー９７からの
火炎が、チューブ９１群の中央部Ｃに入り、チューブ９
１の一端９１ａ同士の間を抜けて、外側に伝搬される際
に、一端９１ａ同士の間の先にはチューブ９１の他端９
１ｂが露出するので、火炎の輻射熱と流れが他端９１ｂ
に効率よく当たり、熱ロスが抑制されるので、これによ
っても従来のものに比べ、加熱器１６の効率が向上され
る。

【００３３】図５ａ、図５ｂは別の実施形態を示してい
る。

【００３４】加熱器１６は複数本の放射状に延びるチュ
ーブ５１群からなり、これらチューブ５１群は、高温側
ピストン容器５３と高温再生器容器５５との間につなが
れている。各チューブ５１の一端５１ａは、図５ｂに示
すように、高温側ピストン容器５３のほぼ同一円Ａの円
周上につながれ、図５ａに示すように、一旦上方に立ち
上げられてから、外側に斜めに導出され、更に、図５ｂ
に示すように、それぞれ円周方向に曲げられ、各チュー
ブ５１の他端５１ｂは、図５ａに示すように、再び内側
に斜めに曲げられて、下方に立ち下げられてから、図５
ｂに示すように、各チューブ５１の一端５１ａ側と反時
計方向に位相をずらして高温再生器容器５５の同一円Ｂ
の円周上につながれている。

【００３５】この実施形態によれば、図５ａに示すよう
に、各チューブ５１が一旦外側に斜めに曲げられた後、
図５ｂに示すように、それぞれ円周方向に曲げられるの
で、チューブ５１群の中央部Ｃから見て、各チューブ５
１の他端５１ｂが、一端５１ａ同士の間に露出する。す
なわち、各チューブ５１の他端５１ｂは、各チューブ５
１の一端５１ａの陰に隠れることはない。

【００３６】従って、燃焼器１１のバーナー５７からの
火炎が、チューブ５１群の中央部Ｃに入り、チューブ５
１の一端５１ａ同士の間を抜けて、外側に伝搬される際
に、一端５１ａ同士の間の先にはチューブ５１の他端５
１ｂが露出するので、火炎の輻射熱と流れが他端５１ｂ
に効率よく当たり、熱ロスが抑制されるので、これによ
っても従来のものに比べ、加熱器１６の効率が向上され
る。

【００３７】要するに、この実施形態によれば、チュー
ブの一端側と他端側とを周方向に位相をずらして配列す
ることにより、チューブの一端同士の間を抜けて、外側
に伝搬する火炎の輻射熱と流れを、チューブの他端に効
率よく当ててやるものである。このような構成を有する
ものであれば、すべて本発明に含まれるものであり、上
述した実施形態に限定されるものでないことは明らかで
ある。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の加熱器によ
れば、チューブの一端側と他端側とを周方向に位相をず
らして配列することにより、チューブの一端同士の間を
抜けて、外側に伝搬する火炎の輻射熱と流れを、チュー
ブの他端に効率よく当ててやることができるので、加熱
器の効率を格段に向上させ、チューブ全体の温度差を小
さくすることができる。

【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】ａ、ｂは加熱器の一実施形態を示す断面図、II
I−III平面図である。

【図４】ａ、ｂは加熱器の別の実施形態を示す断面図、
IV−IV平面図である。

【図５】ａ、ｂは加熱器の更に別の実施形態を示す断面
図、V−V平面図である。

【図６】ａ、ｂは従来の加熱器を示す断面図、VI−VI平
面図である。

【符号の説明】

１ 熱ガス機関 ２ 高温側ピストン 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 ５１，８１，９１ チューブ ５３，８３，９３ 高温側ピストン容器 ５５，８５，９５ 高温再生器容器 ５７，８７，９７ バーナー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温側ピストン容器と高温再生器容器と
   の間をつないで、放射状に延びるチューブ群からなり、
   燃焼器からの火炎により加熱されて、チューブの内部を
   流れる作動ガスを加熱する外燃式熱ガス機関の加熱器に
   おいて、 前記各チューブの一端は、前記高温側ピストン容器のほ
   ぼ同一円周上につながれ、それぞれ円周方向に曲げら
   れ、前記各チューブの他端は、前記チューブの一端側と
   位相をずらして前記高温再生器容器のほぼ同一円周上に
   つながれることを特徴とする外燃式熱ガス機関の加熱
   器。
2. 【請求項２】 高温側ピストン容器と高温再生器容器と
   の間をつないで、放射状に延びるチューブ群からなり、
   燃焼器からの火炎により加熱されて、チューブの内部を
   流れる作動ガスを加熱する外燃式熱ガス機関の加熱器に
   おいて、 前記各チューブの一端は、前記高温側ピストン容器のほ
   ぼ同一円周上につながれ、それぞれ該円よりも外側に曲
   げられ、上方に立ち上げられ、且つ円周方向に曲げられ
   て、前記各チューブの他端は、前記チューブの一端側と
   位相をずらして前記高温再生器容器のほぼ同一円周上に
   つながれることを特徴とする外燃式熱ガス機関の加熱
   器。
3. 【請求項３】 高温側ピストン容器と高温再生器容器と
   の間をつないで、放射状に延びるチューブ群からなり、
   燃焼器からの火炎により加熱されて、チューブ内部を流
   れる作動ガスを加熱する外燃式熱ガス機関の加熱器にお
   いて、 前記各チューブの一端は、前記高温側ピストン容器のほ
   ぼ同一円周上につながれ、それぞれ該円よりも外側に曲
   げられ、上方に立ち上げられ、且つ円周方向に曲げられ
   て、前記各チューブの他端は、それぞれ内側に曲げられ
   て、前記チューブの一端側と位相をずらして前記高温再
   生器容器のほぼ同一円周上につながれることを特徴とす
   る外燃式熱ガス機関の加熱器。