JP2006258400A - スターリング機関用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換特性が向上したスターリング機関用熱交換器を提供する。
【解決手段】 環状コルゲートフィン４２１は、外側円筒状部材４１の円周状の溝４１ａ内に嵌め込まれている。また、環状コルゲートフィン４２１の外周曲げ部４２１Ｘは、外側円筒状部材４１の内周面として円周状の溝４１ａの底面に沿った曲面になっている。前述の構成によれば、はんだ５０によるコルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１との接合が良好になるとともに、環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１との接触面積が増加する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、スターリング冷凍機、スターリング発電機等のスターリング機関に用いられる熱交換器、更に詳しくは吸熱器または放熱器の内側に配設される内部熱交換器に関するものである。

まず、図７〜図９を参照して、スターリング機関の高温側の熱交換器である放熱器を説明する。なお、低温側の熱交換器である吸熱器も放熱器と同様の構造である。

放熱器は、図７に示すように、外側円筒状部材４１の内側に環状コルゲートフィン４２１が挿入されている。また、環状コルゲートフィン４２１を外側円筒状部材４１に圧着させる内側円筒状部材４２２が環状コルゲートフィン４２１内に圧入されている。

環状コルゲートフィン４２１は、図８に示すように、コルゲート加工された０．２ｍｍのＣｕ合金の薄板にて円筒状に形成されている。また、内側円筒状部材４２２は、楔の機能を有するように、硬い金属材料（ステンレス）を用いて円筒状に形成され、環状コルゲートフィン４２１を外側円筒状部材４１に圧着させるために、その外径が環状コルゲートフィン４２１の内径よりも大きく設定されている。

また、図９に示すように環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１とは、円環状のロウ材１３によって接合されている。より具体的には、環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１とが接する部分にロウ材１３が挿入された状態でロウ材１３が加熱されると、溶融したロウ材１３は環状コルゲートフィン４２１の外側曲げ部４２１ｃに沿って軸方向に流れる。それによって、図９に示すように、ロウ材１３は環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１とが接する部分にほぼ一様に行き渡る。その後、ロウ材１３が硬化することで環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１とが接合される。
特開２００２−８１７７４号公報

上記従来のスターリング機関用熱交換器においては、環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１とは、互いに線接触しているため、熱伝達が良好ではない。また、環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１との間のはんだ接合時に、溶融した半田が環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１との接触部から下方へ流れ出してしまうことがある。それにより、半田接合にバラツキが生じるため、熱交換特性にバラツキが生じる。また、半田が付着することが好ましくない位置に半田が付着してしまうという不具合も発生する。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、熱交特性が向上したスターリング機関用熱交換器を安価に提供することである。

本発明の一の局面のスターリング機関用熱交換器は、環状コルゲートフィンと、環状コルゲートフィンの外径と略等しい内径を有し環状コルゲートフィンが軸方向に沿って挿入された外側円筒状部材と、環状コルゲートフィンの内径よりわずかに大きな外径を有し環状コルゲートフィン内に軸方向に沿って挿入された内側円筒状部材とを備えている。また、環状コルゲートフィンの外周側曲げ部が外側円筒状部材の内周面に沿った面形状である。

上記の構成によれば、環状コルゲートフィンと外側円筒状部材との接触面積が増加するため、スターリング機関用熱交換器の熱交換特性が向上する。

本発明の他の局面のスターリング機関用熱交換器は、環状コルゲートフィンと、環状コルゲートフィンの外周側曲げ部が嵌め込まれ環状コルゲートフィンの外径と略等しい内径の溝が内周面に設けられた外側円筒状部材と、環状コルゲートフィンの内径よりわずかに大きな外径を有し環状コルゲートフィン内に軸方向に沿って挿入された内側円筒状部材とを備えている。また、環状コルゲートフィンの外周側曲げ部と外側円筒状部材の溝内周面とが半田付けされている。

上記の構成によれば、外側円筒状部材の内周面に設けられた溝にクリーム状半田を装填した後で、外側円筒状部材に環状コルゲートフィンおよび内側円筒状部材を順次挿入し、前述の半田付けを行なうことができる。従って、半田接合の作業性が良く、環状コルゲートフィンの外周側曲げ部と外側円筒状部材の内周面との接合部（溝）以外に半田が流出することが防止される。また、環状コルゲートフィンと外側円筒状部材とが圧接された状態で、前述の半田付けが行なわれるため、スターリング機関用熱交換器の熱交換特性が向上する。

なお、環状コルゲートフィンを挿入するためのテーパが外側円筒状部材の環状コルゲートフィン挿入側内周面に設けられていれば、環状コルゲートフィンを外側円筒状部材の内周面に挿入し易くなる。

本発明のさらに他の局面のスターリング機関用熱交換器は、環状コルゲートフィンと、環状コルゲートフィンが挿入された円筒状部材と、環状コルゲートフィン内に挿入された内側円筒状部材とを有している。スターリング機関用熱交換器は、まず、環状コルゲートフィンの外周側曲げ部と円筒状部材の内周面とが半田付けされたフィン組品が予め準備され、その後、フィン組品が外側円筒状部材に軸方向に沿って挿入され、円筒状部材の外周面と外側円筒状部材の内周面とが半田付けされるものである。このスターリング機関用熱交換器においては、円筒状部材の外周部に、外側円筒状部材の内周面に接触して半田漏れを防止するシールリングが設けられている。

上記の構成によれば、フィン組品及びスターリング機関用熱交換器の組立てを自動化し易くなる。

本発明によれば、熱交換特性が良好なスターリング機関用熱交換器を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態のスターリング機関用熱交換器を説明する。なお、各図において同一の符号が付されている部位は、ほぼ同一構造を有しおよびほぼ同一の機能を発揮する。

(実施の形態１）
まず、図１を用いて、スターリング機関の一例であるフリーピストン型スターリング冷凍機の構成を説明する。図１はフリーピストン型スターリング冷凍機の側断面を概略的に示した図であり、スターリング冷凍機のシリンダ１内には、低温部となる吸熱器２、蓄熱／放熱する再生器３、及び、高温部となる放熱器４がこの順に収納されている。吸熱器２および放熱器４は、それぞれ、管状の外側円筒状部材２１および４１の一端側の内周面に熱交換器２２および４２が取り付けられている。熱交換器２２および４２は、それぞれ、シリンダ１内で再生器３に隣接している。

シリンダ１内には、ディスプレーサロッド５の一端に固着されたディスプレーサ６と、ディスプレーサロッド５が貫通したピストン７が設けられている。また、ディスプレーサロッド５の他端はスプリング８に接続されている。シリンダ１内では、ディスプレーサ６およびピストン７の動作に応じて、吸熱器２の内部に膨張空間９が形成され、放熱器４の内部に圧縮空間１０が形成される。膨張空間９と圧縮空間１０とは再生器３を介して連通しており、膨張空間９、圧縮空間１０、および再生器３によって閉回路が構成され、ヘリウムなどの作動ガスが封入されている。

このフリーピストン型スターリング冷凍機の動作について説明する。ピストン７は、リニアモータ(図示せず)などの外部動力により、シリンダ１の軸方向に所定の周期で往復運動する。ピストン７の移動により圧縮空間１０内の作動ガスが圧縮されると、その作動ガスは放熱器４の熱交換器４２を介して再生器３を通り膨張空間９に導かれる(図中、点線矢印Ａ)。このとき、圧縮によって熱を生じた作動ガスは、熱交換器４２を介し外部との熱交換によって熱を放出し、その後再生器３を通過するときに再生器３に蓄えられていた冷熱を受け取って予冷される。

作動ガスが膨張空間９に流入し、ディスプレーサ６の移動による作動ガスの膨張により、膨張空間９内で冷熱が生じる。その後、ディスプレーサ６の逆方向への移動によって、膨張空間９内の作動ガスは吸熱器２の熱交換器２２及び再生器３を通り再び圧縮空間１０に移動する(図中、実線矢印Ａ')。このとき、作動ガスは熱交換器２２を介し外部との熱交換によって熱を吸収し、その後再生器３を通過するときに再生器３に蓄えられていた熱を受け取って予熱される。その後、圧縮空間１０に戻った作動ガスは再びピストン７によって圧縮される。

このような一連のスターリングサイクルが連続して繰り返されることにより、吸熱器２にて極低温の冷熱が発生する。吸熱器２の熱交換器２２及び放熱器４の熱交換器４２の熱交換特性が良いほど、スターリング冷凍機の冷凍性能（冷凍効率）を向上させることができる。

以下、図２および図３を参照して、本発明の実施の形態のスターリング機関用熱交換器を説明する。図３に示すように、環状コルゲートフィン４２１と、環状コルゲートフィン４２１の外径と略等しい内径を有し、環状コルゲートフィン４２１が軸方向に沿って挿入された外側円筒状部材４１と、環状コルゲートフィン４２１の内径よりわずかに大きな外径を有し、外側円筒状部材４１に挿入された環状コルゲートフィン４２１内に軸方向に沿って挿入された内側円筒状部材４２２とを備えている。外側円筒状部材４１の内周面４１ｂと環状コルゲートフィン４２１とが半田５０によって接合されている。

また、上述の構成に加えて本実施の形態の熱交換器は、図２および図３に示すように、環状コルゲートフィン４２１の外側曲げ部４２１Ｘが外側円筒状部材４１の内周面４１ｂに沿った形状の曲面になっている。従って、本実施の形態の熱交換器は、従来の熱交換器に比較して、環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１との接触面積が増加しているため、熱交換特性が向上している。

また、外側円筒状部材４１の上端部には、環状コルゲートフィン４２１の位置から上端面４１ｄに向かって除々に内径が大きくなるように、テーパ４１ｅが設けられている。つまり、外側円筒状部材４１の環状コルゲートフィン４２１の挿入側内周面にテーパ４１ｅが設けられている。従って、環状コルゲートフィン４２１を軸方向に沿って外側円筒状部材４１内へ挿入するのが容易である。

また、図４に示すように外側円筒状部材４１が、その内周面４１ｂに円周状の溝４１ａを有し、環状コルゲートフィン４２１が円周状の溝４１ａに嵌め込まれることが好ましい。この構成によれば、半田５０を溝４１ａ内に保持した状態で（半田５０が溝４１ａから漏洩することなく）、外側円筒状部材４１と環状コルゲートフィン４２１とを半田接合することができるため、外側円筒状部材４１と環状コルゲートフィン４２１との熱的な接触が良好になり、熱交換特性が向上する。また、環状コルゲートフィン４２１が円周状の溝４１ａ内に嵌め込まれた状態で半田付け作業を行なうことができるため、外側円筒状部材４１と環状コルゲートフィン４２１との半田接合の作業性が向上する。

さらに、図２に示す構成と同様、環状コルゲートフィン４２１の外側曲げ部４２１Ｘが溝４１ａの底面（円周面）に沿った形状の曲面にすることにより、環状コルゲートフィン４２１と外側円筒状部材４１との接触面積が増加するため、熱交換特性が向上する。

また、図４に示す外側円筒状部材４１においては、環状コルゲートフィン４２１を挿入する側の上端部を、円周状の溝４１ａの立ち上がり部から外側円筒状部材４１の上端面４１ｄに向かって除々に内径が広がるテーパ４１ｅを有しているので、環状コルゲートフィン４２１を溝４１ａに向かって挿入し易く、且つ環状コルゲートフィン４２１が移動しにくくなっている。

なお、円周状の溝４１ａ内へクリーム半田を塗布した後、熱交換器組品を軸まわりに回転させながら、加熱することにより、遠心力を利用して環状コルゲートフィン４２１の外周部に溶融したクリーム半田が溝４１ａから流れ出さないような状態で、半田接合が行なわれることが望ましい。

（実施の形態２）
本実施の形態のスターリング機関用熱交換器は、図５および図６に示すように、環状コルゲートフィン４２１と、環状コルゲートフィン４２１が挿入された円筒状部材５００と、環状コルゲートフィン４２１内に挿入された内側円筒状部材４２２とを有している。また、本実施の形態のスターリング機関用熱交換器の製造工程においては、まず、図５に示す環状コルゲートフィン４２１の外周側曲げ部と円筒状部材５００の内周面とが半田付けされたフィン組品１０００が予め準備される。その後、フィン組品１０００が外側円筒状部材４１に軸方向に沿って挿入され、円筒状部材５００の外周面と外側円筒状部材４１の内周面とが半田付けされる。このスターリング機関用熱交換器においては、円筒状部材５００の外周部に、外側円筒状部材４１の内周面に接触して半田漏れを防止するシールリング５５０が設けられている。つまり、シールリング５５０が、外側円筒状部材４１と円筒状部材５００との間に流し込まれる半田の下方への流出を防止する。したがって、スターリング機関用熱交換器の組立てを自動化し易くなっている。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれていることが意図される。

実施の形態のフリーピストン型スターリング冷凍機の断面概略図である。 実施の形態１の環状コルゲートフィンの側面図である。 実施の形態１の環状コルゲートフィンが外側円筒状部材に取り付けられた状態を示す第１図である。 実施の形態１の環状コルゲートフィンが外側円筒状部材に取り付けられた状態を示す第２図である。 実施の形態２のフィン組品を示す図である。 実施の形態２のフィン組品が外側円筒状部材に取り付けられた状態を示す図である。 従来の熱交換器の外観斜視図である。 従来の熱交換器の内部部品の分解斜視図である。 従来の熱交換器を軸方向に沿って見たときの要部の拡大図である。

符号の説明

４１ 外側円筒状部材、４１ａ 溝、４１ｅ テーパ、４２ 熱交換器、５０ 半田、４２１ 環状コルゲートフィン、４２２ 内側円筒状部材、５００ 円筒状部材、５５０ シールリング、１０００ フィン組品。

Claims (3)

1. 環状コルゲートフィンと、
   該環状コルゲートフィンの外径と略等しい内径を有し前記環状コルゲートフィンが軸方向に沿って挿入された外側円筒状部材と、
   該環状コルゲートフィンの内径よりわずかに大きな外径を有し前記環状コルゲートフィン内に軸方向に沿って挿入された内側円筒状部材とを備え、
   前記環状コルゲートフィンの外周側曲げ部が前記外側円筒状部材の内周面に沿った面形状である、スターリング機関用熱交換器。
2. 環状コルゲートフィンと、
   該環状コルゲートフィンの外周側曲げ部が嵌め込まれ前記環状コルゲートフィンの外径と略等しい内径の溝が内周面に設けられた外側円筒状部材と、
   該環状コルゲートフィンの内径よりわずかに大きな外径を有し前記環状コルゲートフィン内に軸方向に沿って挿入された内側円筒状部材とを備え、
   前記環状コルゲートフィンの外周側曲げ部と前記外側円筒状部材の溝内周面とが半田付けされた、スターリング機関用熱交換器。
3. 環状コルゲートフィンと、
   該環状コルゲートフィンが挿入された円筒状部材と、
   前記環状コルゲートフィン内に挿入された内側円筒状部材とを有し、
   前記環状コルゲートフィンの外周側曲げ部と前記円筒状部材の内周面とが半田付けされたフィン組品が予め準備され、
   該フィン組品が外側円筒状部材に軸方向に沿って挿入されて、前記円筒状部材の外周面と前記外側円筒状部材の内周面とが半田付けされるスターリング機関用熱交換器であって、
   前記円筒状部材の外周部に、前記外側円筒状部材の内周面に接触して半田漏れを防止するシールリングが設けられた、スターリング機関用熱交換器。

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