JP2007085650A - 熱交換器、該熱交換器を装着したスターリング機関、及びスターリング機関の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造簡単で熱伝達効率の高い、スターリング機関に好適な熱交換器と、この熱交換器を装着した高性能のスターリング機関を提供する。
【解決手段】 スターリング機関１の外殻の一部を構成する高温側伝熱ヘッド４０の外周面には高温側冷媒配管７０をインサート成型したリング状の発泡グラファイトブロック７２から成る熱交換器８０が密着する。同じく外殻の一部を構成する低温側伝熱ヘッド４１の外周面には低温側冷媒配管７１をインサート成型したリング状の発泡グラファイトブロック７３から成る熱交換器８１が密着する。発泡グラファイトブロック７２、７３はリングが１箇所で分断された形になっていて、冷媒配管は分断箇所の一方の端部よりブロック内に導入され、他方の端部より導出される。低温側伝熱ヘッド４１と熱交換器８１は一体発泡断熱体７６で充填被覆される。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱交換器、該熱交換器を装着したスターリング機関、及びスターリング機関の製造方法に関する。

スターリング機関（本明細書では外燃機関であり動力源として用いられるスターリングエンジンと、スターリング冷凍機の総称として「スターリング機関」の名称を用いる）は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素、あるいは乾燥空気などの自然媒体を作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊や地球温暖化を招くことのない熱機関として注目を集めている。

スターリング冷凍機では、リニアモータなどの動力源によりピストンを往復運動させ、このピストンに対し所定の位相差をもってディスプレーサを同期往復運動させている。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させ、逆スターリングサイクルを構成する。圧縮空間では主として圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では主として膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。これにより、圧縮空間に近接配置される高温側伝熱ヘッドの温度は上昇し、膨張空間に近接配置される低温側伝熱ヘッドの温度は下降するので、高温側伝熱ヘッドより放熱し、低温側伝熱ヘッドから外部の熱を吸収して、外部を冷却することができる。

スターリング機関のＣＯＰ（成績係数）は、高温側伝熱ヘッドの温度と低温側伝熱ヘッドの温度に依存し、ＣＯＰ向上の鍵を握るのは高温側伝熱ヘッドの温度を極力低く保ちつつ所期の放熱を行い、かつ、低温側伝熱ヘッドの温度を極力高く保ちつつ所期の吸熱を行う伝熱構造である。伝熱ヘッドに接触する空気に温熱や冷熱を伝える方式ではかかる要請に十分応えることができない。通常採用されるのは冷媒を介して熱の授受を行う方式である。その例を特許文献１−３に見ることができる。

特許文献１には、伝熱ヘッドの外周面に冷媒配管をコイル状に巻き付けた構成が記載されている。

特許文献２、３には、伝熱ヘッドの外周面に熱交換用ジャケットを装着し、その中に冷媒を通す構成が記載されている。

特許文献４、５には、熱伝導体として、また構造材として用いられ得る発泡グラファイトについての記載がある。

発泡グラファイトは最近注目を集めるようになった高伝熱素材である。当初は、原材料自体が高価であり、かつ、小規模な生産量にとどまっていたため、製品としての発泡グラファイトは非常に高価なものであった。また、金型による成型が困難であったため、所望の形状を得るには機械や工具を使用して切削したり、穴明けしたりする必要があり、加工に手間がかかっていた。そのため、大量生産を要しない航空宇宙分野などに用途が限定されていた。

ところが近年は状況が一変した。まず、安価な石油ピッチを原材料とする生産方法が確立されたことにより、発泡グラファイトの価格が下がった。また、発泡グラファイトのブロックを金型で成型することが可能になった。これらの要因により、発泡グラファイトは今後広範な用途に使用されることが予想されている。

特許文献４には、石油ピッチを原料として製造した、高温で流動性が生じる発泡グラファイトを成形型に注ぎ込むことにより、所望の形状の発泡体を形成する発泡グラファイト製造方法が記載されている。

特許文献５には、発泡グラファイトの利用例として、冷却対象と面接触させる熱交換器が記載されている。これはヒートシンクとして用いられるものであり、外殻で覆った板状の発泡グラファイトに水やエタノールなどの液体を充填し、冷却対象に一方の面を密着させ、発泡グラファイトの熱伝導と合わせて液体の蒸発潜熱を利用して冷却対象の熱を他方の面に伝達し、放熱する。
特開２００５−１２７５６９号公報（第３頁［００１２］［００１３］、図４−図９） 特開２００３−２４０３７３号公報（第５頁−第６頁、図１−図６） 特開２０００−２０５６８２号公報（第４頁［００２８］−［００３１］、図２） 米国特許第６，３９８，９９４号明細書（第４欄第４−４２行） 米国特許第６，３９９，１４９号明細書（第４欄第２９−４４行）

特許文献１に記載された装置のように、冷媒配管を伝熱ヘッドにコイル状に巻き付ける構造は、冷媒を用いる伝熱構造としては簡便な部類に属する。しかしながらこのようにして得られた伝熱構造には次の問題がある。

第１に、伝熱ヘッドと冷媒配管の間で効率良く熱授受を行わせるためには、冷媒配管を伝熱ヘッドに隙間無く密着させる必要があるが、これが容易なことではない。伝熱ヘッドの方は銅又は銅合金を材料とする円筒状の部品である。製作にあたり加工精度のばらつきは不可避であるうえ、スターリング機関の組立工程で加圧試験を行うと塑性変形が生じ、最終仕上がり寸法のばらつきが拡大する。

他方冷媒配管の側においても、銅、アルミニウム、ステンレス鋼などを材料とする金属管をコイル状に巻く加工をしなければならないが、金属管の曲げ加工にはスプリングバックがつきものであり、コイル状に巻いたとしても、量産製品において真円度や寸法を保証するのは困難である。

このように形状・寸法の安定しない伝熱ヘッドとコイル状冷媒配管を組み合わせた場合、どこかに接触不十分な箇所が生じることは避けられない。接触不十分であると伝熱ヘッドから冷媒配管に十分熱を伝えきれず、高温側伝熱ヘッドは温熱を持ち去られないが故に高温となり、低温側伝熱ヘッドは冷熱を持ち去られないが故に低温となる。こうなると高温側伝熱ヘッドと低温側伝熱ヘッドの温度差が拡大し、ＣＯＰが低下する。

また低温側伝熱ヘッドにあっては、伝熱ヘッド外周面と冷媒配管との間で空気中の水分が結露し、凍結する。凍結により生じた氷は水より体積が増えるので、冷媒配管のコイル形状は内側から押し拡げられる。これが続くと低温側伝熱ヘッドと冷媒配管との隙間がじわじわと広がり、熱伝達性能は一層低下することになる。

熱伝達性能が低下するのみならず、冷媒配管と伝熱ヘッド外周面との隙間が拡大すると、スターリング機関の振動で冷媒配管が伝熱ヘッドから外れてしまうことさえ起こり得る。これを防ぐためには、冷媒配管を伝熱ヘッドに対し、金属線のような緊縛材料をもって、また緊縛装置を使用して、強固に緊縛する必要がある。しかしながらこのように強固に緊縛してしまうと、スターリング機関及びその周辺システムの品質不良や故障に対するサービス時、分解を行うのに邪魔になる。

特許文献２、３に記載された装置のように、伝熱ヘッドにジャケットを取り付け、その中に冷媒を流す方式では、冷媒が伝熱ヘッドに直接接触するので熱授受効率が高い。また空気中の水分の結露と凍結により熱伝達性能が左右されるということもない。しかしながらこの方式はジャケットという特殊部品を必要とし、製作・組立のコストが上昇する。加えて、ジャケットと伝熱ヘッドの接続箇所はシール部材により液密を図る必要があるが、ここで用いられるシール部材には高温（高温側伝熱ヘッドに用いられる場合）や低温（低温側伝熱ヘッドに用いられる場合）に耐え、そのうえ冷媒に長期間接触しても劣化しないという、高い規格が求められ、これまたコストアップ要因となる。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、構造簡単で熱伝達効率の高い、スターリング機関に好適な熱交換器を提供することを目的とする。また、かかる熱交換器を装着した高性能のスターリング機関と、その製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するため、本発明に係る熱交換器は、温熱源又は冷熱源に密着させて吸熱又は放熱を行うものであって、冷媒配管をインサートした発泡グラファイトブロックからなることを特徴としている。

この構成によると、冷媒配管を発泡グラファイトブロックにインサートしたものであるから構成が簡単であると共に、構造物としての強度も高い。また、発泡グラファイトブロックの外面形状を適切に仕上げることにより、温熱源又は冷熱源への密着度を高め、熱伝達効率を向上させることができる。

（２）また本発明は、外殻の一部を構成する伝熱ヘッドの外面に、上記熱交換器を密着させたスターリング機関であることを特徴としている。

この構成によると、伝熱ヘッドの形状・寸法のばらつきを発泡グラファイトの弾性で吸収できるから、伝熱ヘッドと発泡グラファイトブロックを容易に密着させることができる。発泡グラファイトブロックにインサート成型された冷媒配管も発泡グラファイトブロックと密着状態にあるから、冷媒配管は発泡グラファイトを仲立ちとして伝熱ヘッドに密着せしめられることになり、冷媒配管と伝熱ヘッドの間の熱伝達が向上する。

また、特許文献１記載の構成の場合、冷媒配管と伝熱ヘッドとの間で熱授受が行われるのは両者間の接触面を通じてのみである。本発明の構成だと、冷媒配管の全周を発泡グラファイトブロックが包んでいるから、伝熱ヘッドに対面していない箇所も熱授受に関与することになり、熱伝達が一層向上する。

（３）また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記伝熱ヘッドは円筒状をなし、前記発泡グラファイトブロックは１箇所分断したリング状をなし、前記冷媒配管は前記分断箇所の一方の端部より発泡グラファイトブロックに導入され、他方の端部より導出されることを特徴としている。

この構成によると、発泡グラファイトブロックはリング状であり、その１箇所に分断部が設けられているから、分断部を押し拡げて内径を拡大することが可能である。従って、内径を拡大した状態で発泡グラファイトブロックを伝熱ヘッドの外周面に嵌合することができ、嵌合作業をスムーズに進行させることができる。分断部の両側の端部から突出する冷媒配管は、発泡グラファイトブロックを押し拡げるためのハンドルとして役立つ。

伝熱ヘッドに発泡グラファイトブロックを嵌合した後、押し拡げていた力を緩めれば、発泡グラファイトブロックはそれ自身の弾性によるスプリングバックと、その中を通る冷媒配管の弾性によるスプリングバックで縮径する。これにより、発泡グラファイトブロックの内周面が伝熱ヘッドの外周面に密着し、熱伝達性能が向上する。

（４）また本発明は、上記構成のスターリング機関において、前記伝熱ヘッドと前記発泡グラファイトブロックを包含して断熱材を発泡させることにより、発泡グラファイトブロックを断熱材で充填すると共に、伝熱ヘッド及び発泡グラファイトブロックを一体発泡断熱体で被覆することを特徴としている。

この構成によると、断熱材が発泡グラファイトブロックの開口気泡及び発泡グラファイトブロックに分断部があればその分断部を充填した上で、連続した一体発泡断熱体となって伝熱ヘッドと発泡グラファイトブロックをすっぽりと包むのであるが、発泡グラファイトブロックは開口率が高いため、断熱材発泡時のガス圧は発泡グラファイトブロック内部の気泡を通過し、発泡グラファイトブロックに応力を与えない。従って、断熱材の発泡後も、伝熱ヘッドと発泡グラファイトブロックの密着状態が恒常的に維持される。このように、一体発泡断熱体が伝熱ヘッド部を連続して被覆することから、特に低温側伝熱ヘッドにあっては、低温となった伝熱ヘッド、及び発泡グラファイトブロックが空気に接触しないので、空気中の水分の結露や凍結が生じず、結露や凍結による悪影響をなくすことができる。

またスターリング機関を運転するか停止するかによって伝熱ヘッドの温度が変化し、これに伴い伝熱ヘッド及び発泡グラファイトブロックが膨張したり収縮したりする。開口気泡を断熱材で充填していない発泡グラファイトブロックが空気に露出していると、気泡の容積変化に伴い、発泡グラファイトブロックがあたかも呼吸をしているかのように外気を吸い込み、また吐き出すものであり、これを繰り返していると空気中の水分が次第に発泡グラファイトブロックの中に蓄積されて熱伝達性能に悪影響を及ぼす。一体発泡断熱体により発泡グラファイトブロックを被覆し、外気との接触を遮断しておけば、そのような懸念はない。なお、一体発泡断熱体に亀裂が入った場合を想定して、一体発泡断熱体の全表面をシリコン樹脂系のシール材で被覆し、一体発泡断熱体に亀裂が入ってもそこから外気が侵入しないようにしておくのが好ましい。

低温で使用する一体発泡断熱体としては、気密性、形態の安定性、及び材料としての強度が重要であることから、冷蔵庫の断熱材に使用される硬質ポリウレタン発泡体が好適する。但し、一般に硬質ポリウレタン発泡体は６０℃以上で硬度が低下するので、高温で使用する一体断熱発泡体としてはポリプロピレン系、ポリエチレン系などの耐熱性発泡体が好適である。

（５）また本発明は、上記構成のスターリング機関を製造するに際し、冷媒配管をインサートした発泡グラファイトブロックを形成する工程と、スターリング機関の外殻の一部をなす伝熱ヘッドの外面に前記発泡グラファイトブロックを密着させる工程と、前記伝熱ヘッド及び前記発泡グラファイトブロックを包含して断熱材を発泡させて伝熱ヘッド及び発泡グラファイトブロックを被覆する一体発泡断熱体を形成する工程と、を順次遂行することを特徴としている。

この構成によると、冷媒配管と伝熱ヘッドとの間に発泡グラファイトを仲立ちとする良好な伝熱構造が形成され、しかもこれを一体発泡断熱体で被覆して空気中の水分の浸入／凍結による弊害を防いだスターリング機関を容易に得ることができる。

本発明によると、高伝熱素材である発泡グラファイトで冷媒配管を包み込んだ熱交換器を作成し、その上で伝熱ヘッドの外周面に密着させることにより、伝熱ヘッド及び冷媒配管の形状・寸法のばらつきを発泡グラファイトで吸収し、伝熱ヘッドと冷媒配管の間に良好な伝熱構造を形成することができる。また、外側を一体発泡断熱体で被覆する構成とすることにより、発泡グラファイトブロックと伝熱ヘッドの密着を維持するとともに、空気中の水分の浸入／凍結による弊害を防ぐことができる。

本発明の第１実施形態を図１〜図４に基づき説明する。図１はスターリング機関の断面図、図２は熱交換器の製造方法概念図、図３は熱交換器の断面図、図４は低温側伝熱ヘッド及びこれに嵌合した熱交換器を一体発泡断熱体で被覆した状態を示す断面図である。

スターリング機関１は冷凍機として用いられるフリーピストンタイプのものであり、その組立の中心となるのはシリンダ１０、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は、スターリング機関１の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ１０、１１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン１２とディスプレーサ１３は所定の位相差を備えて動く。

ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が設けられる。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向にスライドできるように貫通し、背圧空間に突出する。

シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、コイル２１を備えたアウターヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられたインナーヨーク２３と、アウターヨーク２２とインナーヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、アウターヨーク２２及びインナーヨーク２３を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２５、２６を備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。

マグネットホルダ１４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３０、３１の外周部はエンドブラケット２６に固定される。スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサ３２が配置されており、これによりスプリング３０、３１は一定の距離を保つ。スプリング３０、３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定の位相差（６５゜〜９０゜の位相差）をもたせて共振させる役割を果たす。

シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１が配置される。高温側伝熱ヘッド４０、低温側伝熱ヘッド４１、及び後述する再生器チューブ４８はスターリング機関１の外殻の一部を構成する。

高温側伝熱ヘッド４０はリング状、低温側伝熱ヘッド４１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。高温側伝熱ヘッド４０の内周面にはリング状の高温側内部熱交換器４２が装着され、低温側伝熱ヘッド４１の内周面には同じくリング状の低温側内部熱交換器４３が装着される。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１に伝える。高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３は、銅や銅合金などの薄板をコルゲート加工し、リング状に形成したものである。

高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１はこのように高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。

高温側伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び高温側内部熱交換器４２で囲まれる環状の空間は圧縮空間４５となる。低温側伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び低温側内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。

高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３の間には再生器４７が配置される。再生器４７は樹脂フィルムを円筒形に巻回したものであり、フィルムの片面に微小な突起を多数点在させてフィルム間に突起の高さ分の間隙を形成し、これを作動ガスの通り道としている。再生器４７の外側を再生器チューブ４８が包み、伝熱ヘッド４０、４１の間に気密通路を構成する。再生器チューブ４８は、例えばステンレス鋼で形成することができる。再生器チューブ４８の両端は高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１の内面に連結され、高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１は再生器チューブ４８により連結される。

リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を筒状の圧力容器５０が包む。圧力容器５０内部のシリンダ１０の外周側の空間は背圧空間５１となる。

スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給するとインナーヨーク２３とアウターヨーク２２の間にマグネット２４を貫通する交番磁界が発生し、マグネット２４は軸方向に電磁力を受け往復運動する。ピストン系（ピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４、及びスプリング３０）の総質量と、スプリング３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に略一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。

ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）にあっては、その総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン１２の駆動周波数に略共振するよう設定する。

ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹の圧力変化を生じる。この圧力変化に起因する推力によって、ディスプレーサ１３もピストン１２の駆動周波数に同期して往復運動を行う。このとき、ディスプレーサ１３の往復運動とピストン１２の往復運動との間には、ピストン１２の駆動周波数とディスプレーサ系の共振周波数との差異により決定される所定の位相差が生じる。

ディスプレーサ１３の移動により、圧縮空間４５と膨脹空間４６の間に逆スターリングサイクルが構成される。

運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を行き来する作動ガスは、高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通過する際に、その有する熱を高温側内部熱交換器４２と低温側内部熱交換器４３を通じて高温側伝熱ヘッド４０と低温側伝熱ヘッド４１に伝える。圧縮空間４５から膨張空間４６に向かう作動ガスは高温であるため高温側伝熱ヘッド４０は加熱され、高温側伝熱ヘッド４０は放熱ヘッドであるウォームヘッドとなる。膨張空間４６から圧縮空間４５に向かう作動ガスは低温であるため低温側伝熱ヘッド４１は冷却され、低温側伝熱ヘッド４１は吸熱ヘッドであるコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド４０で放熱し、低温側伝熱ヘッド４１で吸熱することにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。

再生器４７は、圧縮空間４５と膨張空間４６の作動ガス温度による顕熱を相手側の空間には伝えないように作動ガスを通す働きをする。圧縮空間４５から高温側内部熱交換器４２を経て再生器４７に入った高温の作動ガスは、再生器４７を通過するときにその顕熱を再生器４７に与え、温度が下がった状態で低温側内部熱交換器４３を経て膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から低温側内部熱交換器４３を冷却した後再生器４７に入った低温の作動ガスは、再生器４７を通過するときに再生器４７から顕熱を回収し、温度が上がった状態で高温側熱交換器４２を経て圧縮空間４５に流入する。

スターリング機関１は、温熱源である高温側伝熱ヘッド４０からは温熱を、冷熱源である低温側伝熱ヘッド４１からは冷熱を、それぞれ効率良く取り出すため、次のような伝熱構造を備えている。

高温側伝熱ヘッド４０には高温側冷媒配管７０を熱接続し、低温側伝熱ヘッド４１には低温側冷媒配管７１を熱接続する。高温側冷媒配管７０と低温側冷媒配管７１はそれぞれ銅、アルミニウム、ステンレス鋼などを素材とする金属管により構成され、図示しない外部熱交換器に接続されている。高温側冷媒配管７０には冷媒として水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の冷媒が密封され、低温側冷媒配管７０には冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）などの自然冷媒が封入されている。

高温側冷媒配管７０及び低温側冷媒配管７１は、図３に見られるように、対応する伝熱ヘッドの外周を一巡する形に曲げられ、その形で発泡グラファイトブロック７２、７３にインサート成型されている。すなわち高温側冷媒配管７０及び低温側冷媒配管７１は発泡グラファイトブロック７２、７３ですっぽりと包まれた形で高温側伝熱ヘッド４０あるいは低温側伝熱ヘッド４１の外周面に嵌合し、発泡グラファイトの層を介して高温側伝熱ヘッド４０あるいは低温側伝熱ヘッド４１と温熱あるいは冷熱の授受を行う。高温側冷媒配管７０とそれをインサートした発泡グラファイトブロック７２が熱交換器８０を構成し、低温側冷媒配管７１とそれをインサートした発泡グラファイトブロック７３が熱交換器８１を構成する。

熱交換器８０、８１の製造は図２のようにして行う。まず、発泡グラファイトブロックの形状のキャビティ９１を有する金型９０を用意する。キャビティ９１の端は金型９０の側面に開口している。発泡グラファイトブロックの形に曲げた上で端部をプラグ９２に通した冷媒配管をキャビティ９１に入れる。プラグ９２をキャビティ９１の端に嵌め込むと、キャビティ９１は出口を閉ざされ、冷媒配管はキャビティ９１の底に接しないように保持されることになる。こうしておいて、高温で流動状態にある発泡グラファイト原料をキャビティ９１に注ぎ込み、発泡・固化させると、冷媒配管をインサートした発泡グラファイトブロックからなる熱交換器が完成する。

上記のような開放形式の金型９０を用いて発泡グラファイトブロックを形成する場合、キャビティ９１の内面に接して形成された箇所は寸法精度も面の平滑度も所望のものとすることができるが、キャビティ９１に接しないブロック上面はそのようにできない。発泡グラファイト原料の注入量や発泡時の温度管理によって発泡グラファイトブロックの高さにばらつきが生じる上、ブロック上面も型で成形された面のようにきちんとした平面にはならない。そこで、このような寸法・形状の管理の困難な面が熱伝達面となることのないように配慮して金型９０を設計する。

発泡グラファイトブロック７２、７３はそれぞれリング状で、１箇所に分断箇所（切れ目）７４、７５を有している。高温側冷媒配管７０及び低温側冷媒配管７１は分断箇所７４、７５の一方の端部より発泡グラファイトブロック７２、７３に導入され、他方の端部より導出されている。スターリング機関１の軸線方向における発泡グラファイトブロック７２の幅は高温側伝熱ヘッド４０の幅に等しく、発泡グラファイトブロック７３の幅は低温側伝熱ヘッド４１の幅に等しい。

発泡グラファイトブロック７２の内径は高温側伝熱ヘッド４０の外径よりやや小、発泡グラファイトブロック７３の内径は低温側伝熱ヘッド４１の外径よりやや小である。発泡グラファイトブロック７２、７３を高温側伝熱ヘッド４０あるいは低温側伝熱ヘッド４１の外周面に嵌合するときは、高温側冷媒配管７０あるいは低温側冷媒配管７１を両手で握って分断箇所７４あるいは７５を押し拡げ、リング内径を拡大しておいて嵌合する。所定の深さまで嵌合したところで押し拡げていた力を緩めれば、発泡グラファイトブロック７２、７３はそれ自身の弾性によるスプリングバックと、その中を通る高温側冷媒配管７０あるいは低温側冷媒配管７１の弾性によるスプリングバックで縮径する。これにより、発泡グラファイトブロック７２、７３の内周面が高温側伝熱ヘッド４０あるいは低温側伝熱ヘッド４１の外周面に密着する。

このように発泡グラファイトブロック７２、７３で高温側冷媒配管７０及び低温側冷媒配管７１を包み込んだ熱交換器８０、８１を形成し、その上で高温側伝熱ヘッド４０あるいは低温側伝熱ヘッド４１の外周面に押し当てることにより、伝熱ヘッドの形状・寸法にばらつきがあったとしても、それを発泡グラファイトの弾性で吸収し、良好な密着性を得ることができる。発泡グラファイトブロック７２、７３にインサート成型された高温側冷媒配管７０と低温側冷媒配管７１は発泡グラファイトブロック７２、７３と密着状態にあるから、高温側冷媒配管７０は発泡グラファイトブロック７２を仲立ちとして高温側伝熱ヘッド４０に密着し、低温側冷媒配管７１は発泡グラファイトブロック７３を仲立ちとして低温側伝熱ヘッド４１に密着せしめられることになり、冷媒配管と伝熱ヘッドの間の熱伝達が向上する。また冷媒配管の全周を発泡グラファイトブロック７２、７３が包んでいるから、冷媒配管の中で伝熱ヘッドに対面していない箇所も熱授受に関与することになり、熱伝達が一層向上する。

発泡グラファイトブロック７２、７３を高温側伝熱ヘッド４０及び低温側伝熱ヘッド４１に嵌合した後、発泡グラファイトブロック７３に対してはもう一つの処理を行う。それは一体発泡断熱体７６による被覆である。

発泡グラファイトブロック７３を嵌合した低温側伝熱ヘッド４１を図示しない金型で囲
い、低温側伝熱ヘッド４１と発泡グラファイトブロック７３を包含したキャビティ内で断熱材を発泡させる。断熱材には色々な種類のものがあるが、ここでは気密性、形態の安定性、及び材料としての強度を考慮し、冷蔵庫の断熱材に使用される硬質ポリウレタン発泡材を選択する。ポリウレタンは比較的低温、低圧で発泡成型でき、設備（加熱装置）も小規模で済むので、本発明の実施に特に好適である。

発泡時の圧力により、断熱材は発泡グラファイトブロック７３の開口気泡（ブロック外面に開口している気泡）を充填する。同時に断熱材は低温側伝熱ヘッド４１と発泡グラファイトブロック７３の外側を被覆する。充填部分と被覆部分は連続しており、両者一体となって一体発泡断熱体７６を形成する。このように発泡断熱体により内部の開口気泡を充填した後外部の被覆を行う成型を本明細書では「充填被覆」と称する。

このように一体発泡断熱体７６が低温側伝熱ヘッド４１と発泡グラファイトブロック７３をすっぽりと包むことにより、低温側伝熱ヘッドと発泡グラファイトブロック７３の密着状態が恒常的に維持される。スターリング機関１の運転により低温側伝熱ヘッド４１及び発泡グラファイトブロック７３が低温になっても空気との接触は一体発泡断熱体７６によって断たれており、空気中の水分が結露したり凍結したりすることがない。

スターリング機関１の運転／停止に伴い、低温側伝熱ヘッド４１の温度が変化し、低温側伝熱ヘッド４１及び発泡グラファイトブロック７３が膨張したり収縮したりする。低温側伝熱ヘッド４１と熱交換器８１の線膨張係数が異なる場合、温度変化によって両者の間に隙間が発生し、水分を含んだ外気が侵入することがある。これを繰り返していると空気中の水分が次第に熱交換器８１の中に蓄積される。本実施形態の場合、断熱材により発泡グラファイトブロック７３の気泡を充填した上で一体発泡断熱体７６により発泡グラファイトブロック７３を被覆しているので、熱交換器８１に空気中の水分が吸収されることはない。なお、一体発泡断熱体７６に亀裂が入った場合を想定して、一体発泡断熱体７６の全表面をシリコン樹脂系のシール材で被覆し、一体発泡断熱体７６に亀裂が入ったとしてもそこから外気が侵入しないようにしておくのが好ましい。

一体発泡断熱体７６を低発泡の高密度発泡とすれば、断熱性能は低下するものの機械的強度が増すので、支持部材として利用することが可能になる。また一体発泡断熱体７６は修理等のためスターリング機関１の分解が必要となった場合は刃物で切り開いて除去することができる。修理・組立完了後、現場でウレタンを発泡させて一体発泡断熱体７６を再生する。

本発明の第２実施形態を図５に基づき説明する。図５はスターリング機関の断面図である。

第２実施形態の熱交換器８１が第１実施形態の熱交換器８１と異なるのは、再生器チューブ４８の低温側を包む延長部７７を一体発泡断熱体７６に形成した点である。スターリング機関１の運転時、低温側熱交換器との熱伝導により、再生器チューブ４８の低温側の外面は周囲温度より低温となり、熱損失の原因となるが、本実施形態ではこの箇所を一体発泡断熱体７６で被覆するため熱損失を防止でき、スターリング機関１の性能を向上させることができる。

本発明の第３実施形態を図６に基づき説明する。図６はスターリング機関の断面図である。

第３実施形態の熱交換器８１ａは、低温側冷媒配管とそれをインサートして成型した発泡グラファイトブロックの配置及び形状が第１実施形態及び第２実施形態の熱交換器８１と異なる。すなわち低温側冷媒配管７１ａはループを描くもののその直径は低温側伝熱ヘッド４１の直径よりも小さく、低温側伝熱ヘッド４１の端面と平行するように配置される。発泡グラファイトブロック７３ａもリング状ではなく、低温側伝熱ヘッド４１と同一直径のディスク状である。

一体発泡断熱体７６ａを充填被覆する際、発泡グラファイトブロック７３ａは低温側伝熱ヘッド４１の端面に密着している必要がある。この条件は次のようにして満たされる。すなわち一体発泡断熱体７６ａの発泡に用いる金型に貫通穴を設け、ここから棒状の治具を挿入して発泡グラファイトブロック７３ａを低温側伝熱ヘッド４１の端面に押し付けた状態で、金型内に断熱材を注入し、発泡させて一体発泡断熱体７６ａによる充填被覆を行う。一体発泡断熱体７６ａが硬化した後に治具を抜き去れば、発泡グラファイトブロック７３ａは低温側伝熱ヘッド４１の端面に密着した状態で一体発泡断熱体７６ａにより保持される。治具が一体発泡断熱体７６ａに残した穴は別の発泡体で埋め、水分や異物が入らないようにする。

低温側伝熱ヘッド４１の端面は、加工誤差、あるいは加圧試験による塑性変形で、外殻完成段階において十分に平坦でないことがあるが、そのような形状・寸法のばらつきがあったとしても、それを発泡グラファイトの弾性で吸収して、発泡グラファイトブロック７３ａを低温側伝熱ヘッド４１に密着させることができる。これにより、低温側冷媒配管７１ａは発泡グラファイトを仲立ちとして低温側伝熱ヘッド４１に密着せしめられることになり、低温側冷媒配管７１ａと低温側伝熱ヘッド４１の間には良好な熱伝達経路が形成される。また低温側冷媒配管７１ａの全周を発泡グラファイトブロック７３ａが包んでいるから、低温側冷媒配管７１ａの中で低温側伝熱ヘッド４１に対面していない箇所も熱授受に関与することになり、熱伝達が一層向上する。

以上本発明の実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。

上記実施形態のスターリング機関はスターリング冷凍機であったが、動力源としてのスターリングエンジンでも、動作温度や熱の伝達方向は異なるものの外殻表面で熱伝達を行うことが必須であるため、本発明を適用できる。また本発明はフリーピストン構造でないスターリング機関でも実施可能である。

本発明は、構造や用途を問わず、スターリング機関全般に広く利用可能である。

第１実施形態に係るスターリング機関の断面図 熱交換器の製造方法概念図 熱交換器の断面図 低温側伝熱ヘッド及びこれに嵌合した熱交換器を断熱発泡層で被覆した状態を示す断面図 第２実施形態に係るスターリング機関の断面図 第３実施形態に係るスターリング機関の断面図

符号の説明

１ スターリング機関
４０ 高温側伝熱ヘッド
４１ 低温側伝熱ヘッド
７０ 高温側冷媒配管
７１ 低温側冷媒配管
７２、７３ 発泡グラファイトブロック
７４、７５ 分断部
７６ 一体発泡断熱体
８０、８１ 熱交換器

Claims (5)

1. 温熱源又は冷熱源に密着させて吸熱又は放熱を行う熱交換器であって、冷媒配管をインサートした発泡グラファイトブロックからなる熱交換器。
2. 外殻の一部を構成する伝熱ヘッドの外面に、請求項１に記載の熱交換器を密着させたスターリング機関。
3. 前記伝熱ヘッドは円筒状をなし、前記発泡グラファイトブロックは１箇所分断したリング状をなし、前記冷媒配管は前記分断箇所の一方の端部より発泡グラファイトブロックに導入され、他方の端部より導出されることを特徴とする請求項２に記載のスターリング機関。
4. 前記伝熱ヘッドと前記発泡グラファイトブロックを包含して断熱材を発泡させることにより、発泡グラファイトブロックを断熱材で充填すると共に、伝熱ヘッド及び発泡グラファイトブロックを一体発泡断熱体で被覆することを特徴とする請求項２又は３に記載のスターリング機関。
5. 冷媒配管をインサートした発泡グラファイトブロックを形成する工程と、スターリング機関の外殻の一部をなす伝熱ヘッドの外面に前記発泡グラファイトブロックを密着させる工程と、前記伝熱ヘッド及び前記発泡グラファイトブロックを包含して断熱材を発泡させて伝熱ヘッド及び発泡グラファイトブロックを被覆する一体発泡断熱体を形成する工程と、を順次遂行することを特徴とする請求項４に記載のスターリング機関の製造方法。

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