| 【発明の名称】 |
外燃式熱ガス機関およびその始動方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】石原 寿和
【氏名】大竹 雅久
|
| 【要約】 |
【課題】低トルクモータを用いて駆動する場合に、加熱器が過熱状態になるおそれがなく、当該低トルクモータの発熱が抑制される外燃式熱ガス機関およびその始動方法を提供する。
【解決手段】始動時に、加熱器１６を通る作動ガスを燃焼器１１で加熱しながら、高温室１２に設けられた高温側ディスプレーサ２、および低温室１５に設けられた低温側ディスプレーサ３が連結されたクランク１０を、始動用のモータ９で駆動する外燃式熱ガス機関において、このモータ９に低トルクモータを選定し、この低トルクモータ９を断続運転させる制御手段９３を設けたものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼器で加熱しながら、高温室に設けられた高温側ディスプレーサ、および低温室に設けられた低温側ディスプレーサが連結されたクランクを、始動用のモータで駆動する外燃式熱ガス機関において、このモータに低トルクモータを選定し、この低トルクモータを断続運転させる制御手段を設けたことを特徴とする外燃式熱ガス機関。
【請求項２】 始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼器で加熱しながら、高温室に設けられた高温側ディスプレーサ、および低温室に設けられた低温側ディスプレーサが連結されたクランクを、始動用のモータで駆動する外燃式熱ガス機関の始動方法において、このモータに低トルクモータを選定し、この低トルクモータを断続運転させて前記クランクを駆動することを特徴とする外燃式熱ガス機関の始動方法。
|
【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熱源として好適な外燃式熱ガス機関に係り、詳しくは燃焼器の技術に関する。
【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。
【０００３】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）。
【０００４】ＶＭＨＰは、高温室に設けられる高温側ディスプレーサと、低温室に設けられる低温側ディスプレーサと、各ディスプレーサのロッドが連結されたクランクと、始動時に前記クランクを駆動するモータとを備え、始動後には自立運転に移行する外燃式熱ガス機関である。
【０００５】ところで、モータの小型化を図るため、低トルクモータを使用し、始動時に、前記クランクを低トルクモータによって数ｒｐｍ程度の低速回転でゆっくりと駆動する方式が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述した外燃式熱ガス機関では、始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼器で加熱しながら始動するので、前記の低速回転数で駆動した場合には、加熱器内部に作動ガスが滞留し、当該加熱器内部に熱が入りにくくなり、加熱器が過熱状態になるおそれがある。また、このように加熱器内部に熱が入りにくくなれば、各作動室に温度差が発生しにくくなり、外燃式熱ガス機関の軸出力が得られにくくなるという問題がある。
【０００７】また、前述した外燃式熱ガス機関では、モータ駆動前に本体を予備加熱することが行われる場合があるが、この場合にも始動時に加熱器内部に熱が入りにくくなり、加熱器が過熱状態になり、各作動室に温度差が発生しにくくなり、軸出力が得られにくくなるという問題がある。
【０００８】更に、低トルクモータによって数ｒｐｍ程度の低速回転でゆっくりと駆動する場合、モータが発熱するおそれがある。
【０００９】そこで、本発明の目的は、低トルクモータを用いて駆動する場合に、加熱器が過熱状態になるおそれがなく、当該低トルクモータの発熱が抑制される外燃式熱ガス機関およびその始動方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼器で加熱しながら、高温室に設けられた高温側ディスプレーサ、および低温室に設けられた低温側ディスプレーサが連結されたクランクを、始動用のモータで駆動する外燃式熱ガス機関において、このモータに低トルクモータを選定し、この低トルクモータを断続運転させる制御手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】請求項２記載の発明は、始動時に、加熱器を通る作動ガスを燃焼器で加熱しながら、高温室に設けられた高温側ディスプレーサ、および低温室に設けられた低温側ディスプレーサが連結されたクランクを、始動用のモータで駆動する外燃式熱ガス機関の始動方法において、このモータに低トルクモータを選定し、この低トルクモータを断続運転させてクランクを駆動することを特徴とする。
【００１２】これらの発明では、始動時に低トルクモータが断続運転されるので、作動ガスに振動が発生し、当該作動ガスの移動が促進され、加熱器内部に作動ガスが滞留することがなくなる。従って、当該加熱器内部に熱が入り易くなり、加熱器が過熱状態になるおそれが解消される。また、このように加熱器内部に熱が入り易くなるので、各作動室に温度差が発生し易くなり、外燃式熱ガス機関の軸出力が得られ易くなり、自立運転までの加熱時間が短縮される。更には、低トルクモータが断続運転されるので、当該モータの発熱が抑制される。
【００１３】
【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。
【００１４】図１は空気調和機の冷温水供給回路を示しており、この回路にはヴィルミエサイクルの熱ガス機関１（図２）が採用されている。
【００１５】熱ガス機関１は、互いに直交配置された高温側ディスプレーサ２と低温側ディスプレーサ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。
【００１６】両ディスプレーサ２，３は、例えば高温側ディスプレーサ２が上死点と下死点との中間位置へ到達するときに、低温側ディスプレーサ３が上死点に位置するように、互いに９０°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。高温側ディスプレーサ２と低温側ディスプレーサ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１２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。
【００１７】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。
【００１８】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。
【００１９】この空気調和機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。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、液冷媒と記す）が用いられている。
【００２０】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、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。
【００２１】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。
【００２２】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。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。
【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】ところで、この外燃式熱ガス機関では、始動時に、前記燃焼器１１の燃焼を開始し、それと同時、あるいは加熱器１６の温度が所定温度以上に上昇した後に、前記モータ９を駆動して、クランク１０を連続的に回転させ、始動後には燃焼器１１の燃焼による自立運転に移行させている。
【００２６】通常であれば、始動用のモータ９に、各ロッド２ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧力変動トルクと、クランク１０を含む機械摩擦トルクとの合計トルクよりも大きいトルクを有するモータを選定し、このモータで始動するのが一般的である。しかしながら、この選定による始動用のモータでは容量が大きく大型化すると共に、電力消費量が大きいという問題がある。
【００２７】この実施形態では、実機において、クランク室８０と中温室１３との間、および中温室１４とクランク室８０との間で、各ロッド２ａ、３ａのシール部９０を通じて、作動ガスに僅かな漏れが発生することに着目し、この漏れを利用して少しずつディスプレーサ２、３を移動させるように構成した。なお、シール部９０はリング状の部材であり、クランクケースの内周に固定され、このシール部９０の内周を各ロッド２ａ、３ａが摺動する。
【００２８】この構成によれば、理論上、始動時に、各ロッド２ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧力変動トルクを無視することができる。
【００２９】すなわち、機械摩擦トルクよりも大きいトルクを有するモータであれば、この熱ガス機関１を始動させることができることになる。
【００３０】ただし、始動後には燃焼器１１の燃焼による自立運転に移行させるわけであるから、この場合のモータには、当該モータの定格回転数が自立運転時の最低回転数よりも大きいモータが選定される。
【００３１】図３に示すように、横軸に、各ロッド２ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧力変動トルクと、クランク１０を含む機械摩擦トルクとの合計トルクＴをとって、縦軸に、クランク１０の回転数ｒｐｍをとった場合、前述した作動ガスの漏れに起因して、ゆっくり（例えば、数ｒｐｍ）ではあるが、「機械摩擦トルクよりも大きいトルクを有するモータであれば、この熱ガス機関１を始動させることができる、」ということが判明した。実証試験によれば、熱ガス機関の機械摩擦トルクは、前述した合計トルクＴの１／１０程度であり、このトルクに近いモータを選定すればするほど、当該モータの小型化を図ることができ、ランニングコストを低減させることができる。
【００３２】この趣旨に従う場合、当該始動用のモータ９には、各ロッド２ａ、３ａによる圧縮、膨張による圧力変動トルクと機械摩擦トルクとの合計トルクの１／５（図３の点ａ）よりも小さく、機械摩擦トルクよりも大きいトルクを有し、且つ、定格回転数が自立運転時の最低回転数よりも大きいモータを選定することが、経済的であることが判明した。
【００３３】以上のように、モータの小型化を図って、低トルクモータ９を使用した場合には、始動時に、前記クランク１０を低トルクモータ９によって数ｒｐｍ程度の低速回転でゆっくりと駆動することになる。
【００３４】しかしながら、この外燃式熱ガス機関では、始動時に、加熱器１６を通る作動ガスを燃焼器１１で加熱しながら始動するので、低速回転数で駆動した場合には、加熱器１６内部に作動ガスが滞留し、当該加熱器１６内部に熱が入りにくくなり、加熱器１６が過熱状態になるおそれがある。また、このように加熱器１６内部に熱が入りにくくなれば、各作動室１２〜１５に温度差が発生しにくくなり、外燃式熱ガス機関の軸出力が得られにくくなる。
【００３５】この実施形態では、低トルクモータ９に制御手段９３が接続され、この制御手段９３によって、外燃式熱ガス機関の始動時に、低トルクモータ９が断続的にＯＮ−ＯＦＦ運転される。
【００３６】この実施形態では、始動時に低トルクモータ９が断続運転されるので、加熱器１６内部の作動ガスに振動が発生し、当該作動ガスの移動が促進され、加熱器１６内部に作動ガスが滞留することがなくなる。
【００３７】従って、当該加熱器１６内部に熱が入り易くなり、加熱器１６が過熱状態になるおそれが解消される。また、このように加熱器１６内部に熱が入り易くなるので、各作動室１２〜１５に温度差が発生し易くなり、外燃式熱ガス機関の軸出力が得られ易くなり、自立運転までの加熱時間が短縮され、従って、システム運転開始の所要時間が短縮される。
【００３８】更には、低トルクモータ９が断続運転されるので、当該モータ９への通電時間が減少し、モータ９の発熱が抑制される。
【００３９】以上の実施形態において、低トルクモータ９を断続的にＯＮ−ＯＦＦ運転する場合、ＯＮ−ＯＦＦのデューティ比が適宜に設定される。この場合に、ＯＮ−ＯＦＦのデューティ比の設定は、加熱器１６内部の作動ガスに最も大きな振動を発生させることのできる設定が望ましい。
【００４０】また、本発明は、スターリングエンジン等、ヴェルミエサイクル以外の外燃式熱ガス機関にも適用可能である。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、始動時に低トルクモータが断続運転されるので、作動ガスに振動が発生し、当該作動ガスの移動が促進されるので、加熱器内部に作動ガスが滞留することがなくなり、当該加熱器内部に熱が入り易くなり、加熱器が過熱状態になるおそれが解消される。
【００４２】また、このように加熱器内部に熱が入り易くなるので、各作動室に温度差が発生し易くなり、外燃式熱ガス機関の軸出力が得られ易くなり、自立運転までの加熱時間が短縮される。
【００４３】更には、低トルクモータが断続運転されるので、当該モータの発熱が抑制される等の効果を奏する。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１８８９
【氏名又は名称】三洋電機株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１１年２月２５日（１９９９．２．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１１３８３
【弁理士】
【氏名又は名称】芝野 正雅
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−２４９４２６（Ｐ２０００−２４９４２６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月１４日（２０００．９．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−４８６５７ |
|