JP2008224165A - Heat exchanger - Google Patents
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Description
本発明は、例えばスターリング冷凍機等の機器に適用され、該スターリング冷凍機で発生した冷熱、あるいは高温排熱を重力により通過する冷媒に伝達させることにより熱交換を行う熱交換器の改良に関する。 The present invention is applied to equipment such as a Stirling refrigerator, for example, and relates to an improvement in a heat exchanger that performs heat exchange by transmitting cold heat generated in the Stirling refrigerator or high-temperature exhaust heat to a refrigerant that passes by gravity.
従来、熱発生部より熱を発生する機器の一例として、スターリング冷凍機が知られている。スターリング冷凍機は、外部に圧縮機や凝縮器等を備えていない自己冷却型の冷凍機であり、内部のガスを往復圧縮機で圧縮、膨張させることで、冷熱を発生する熱発生部である低温部と、高温排熱を発生する熱発生部である高温部とを有している。ここで、内部のガスとしては、ヘリウムガス等の自然冷媒が用いられており、フロン系ガスを用いないので、スターリング冷凍機は地球環境にも優しいものである。また、スターリング冷凍機は小型であり、高エネルギー効率を有することも周知である。 Conventionally, a Stirling refrigerator is known as an example of a device that generates heat from a heat generation unit. A Stirling refrigerator is a self-cooling type refrigerator that does not have an external compressor, condenser, or the like, and is a heat generation unit that generates cold by compressing and expanding internal gas using a reciprocating compressor. It has a low temperature part and a high temperature part which is a heat generation part which generates high temperature exhaust heat. Here, a natural refrigerant such as helium gas is used as the internal gas, and since no chlorofluorocarbon gas is used, the Stirling refrigerator is friendly to the global environment. It is also well known that Stirling refrigerators are small and have high energy efficiency.
このようなスターリング冷凍機は、ガスの圧縮および膨張による冷凍効果を利用するものであるため、圧縮・膨張空間の構造に制約があり、熱発生部である低温部および高温部のそれぞれの面積が僅かな部分に限られている。そのため、スターリング冷凍機の熱発生部で発生した熱(冷熱、あるいは高温排熱)を効率良く冷媒に伝達して熱交換を行う熱交換器が求められている。 Since such a Stirling refrigerator uses the refrigeration effect due to gas compression and expansion, there are restrictions on the structure of the compression / expansion space, and the areas of the low temperature part and the high temperature part, which are heat generation parts, are limited. Limited to a few parts. Therefore, there is a demand for a heat exchanger that efficiently exchanges heat (cold heat or high-temperature exhaust heat) generated in a heat generation unit of a Stirling refrigerator to perform heat exchange.
スターリング冷凍機で発生した熱を冷媒に伝達して熱交換を行う熱交換器としては、該スターリング冷凍機の熱発生部と熱的に接続する環状の筐体の内部に冷媒の流路を備えたものがある。このような熱交換器は、横置きに設置したスターリング冷凍機、すなわち円筒状の熱発生部の軸方向が水平方向となる態様で設置したスターリング冷凍機に主に適用するもので、フィン部材を水平方向と直交する方向、すなわち鉛直方向に沿って立設してある(例えば、特許文献1参照)。 As a heat exchanger for exchanging heat by transferring heat generated in the Stirling refrigerator to the refrigerant, a refrigerant flow path is provided inside an annular casing that is thermally connected to the heat generation part of the Stirling refrigerator. There is something. Such a heat exchanger is mainly applied to a Stirling refrigerator installed horizontally, i.e., a Stirling refrigerator installed in such a manner that the axial direction of the cylindrical heat generating portion is in the horizontal direction. It is erected along the direction orthogonal to the horizontal direction, that is, the vertical direction (see, for example, Patent Document 1).
また、熱交換器の他の例として、該スターリング冷凍機の熱発生部の外周面に冷媒配管を巻回することにより構成したものがある。このような熱交換器は、一般に縦置きに載置したスターリング冷凍機、すなわち円筒状の熱発生部の軸方向が水平方向と直交する方向(鉛直方向)となる態様で設置したスターリング冷凍機に主に適用するものである(例えば、特許文献2参照)。 Moreover, as another example of the heat exchanger, there is one configured by winding a refrigerant pipe around the outer peripheral surface of the heat generating part of the Stirling refrigerator. Such a heat exchanger is generally a Stirling refrigerator installed vertically, that is, a Stirling refrigerator installed in such a manner that the axial direction of the cylindrical heat generating portion is perpendicular to the horizontal direction (vertical direction). This is mainly applied (for example, see Patent Document 2).
ところが、上述したような特許文献1に提案されている熱交換器では、フィン部材を水平方向と直交する方向に沿って立設してあるために、設置スペースの問題からスターリング冷凍機を縦置きに設置した場合、冷媒がスムーズに流れず、結果的に熱交換効率が低下する虞れがある。また、上述したような特許文献2に提案されているような熱交換器では、熱発生部の外周面に冷媒配管を巻回することにより構成してあるために、設置スペースの問題からスターリング冷凍機を横置きに設置した場合でも冷媒配管内を冷媒が流れるものと考えられるが、元々冷媒の流路の断面積が小さいために圧力損失が大きく冷媒が良好に流れず、結果的に熱交換効率が低下する虞れがある。 However, in the heat exchanger proposed in Patent Document 1 as described above, since the fin member is erected along the direction orthogonal to the horizontal direction, the Stirling refrigerator is placed vertically due to the problem of installation space. When installed in the above, the refrigerant does not flow smoothly, and as a result, the heat exchange efficiency may be reduced. Moreover, in the heat exchanger as proposed in Patent Document 2 as described above, since the refrigerant pipe is wound around the outer peripheral surface of the heat generating unit, the Stirling refrigeration is caused by the problem of installation space. Even if the machine is installed horizontally, it is thought that the refrigerant flows through the refrigerant pipe, but the refrigerant has a large pressure loss due to the small cross-sectional area of the refrigerant flow path. There is a risk that the efficiency may decrease.
本発明は、上記実情に鑑みて、機器の設置姿勢に関わらず、機器の熱発生部で発生した熱を良好に冷媒に伝達させることにより熱交換効率の向上を図ることができる熱交換器を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention provides a heat exchanger that can improve heat exchange efficiency by transferring heat generated in a heat generation part of a device to a refrigerant satisfactorily regardless of the installation posture of the device. The purpose is to provide.
上記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る熱交換器は、円筒状の熱発生部より熱を発生する機器に適用され、前記熱発生部より発生した熱を重力により通過する冷媒に伝達させることにより熱交換を行う熱交換器において、前記熱発生部の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該熱発生部の軸方向に沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で立設した複数の無端板状のフィン部材と、これらフィン部材を含む熱発生部の外周域を覆うことにより前記熱発生部の外周面上に前記冷媒が通過するための流路を形成するカバー部材とを備え、前記フィン部材は、それぞれ水平面に対して傾斜する態様で立設してあることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a heat exchanger according to claim 1 of the present invention is applied to a device that generates heat from a cylindrical heat generating portion, and passes heat generated by the heat generating portion by gravity. In the heat exchanger for exchanging heat by transmitting to a refrigerant, each extends on the outer peripheral surface of the heat generating portion along the outer peripheral direction, and is arranged at predetermined intervals along the axial direction of the heat generating portion. A plurality of endless plate-like fin members erected in the form and a flow path for allowing the refrigerant to pass on the outer peripheral surface of the heat generating unit by covering the outer peripheral region of the heat generating unit including these fin members The fin member is erected in such a manner that it is inclined with respect to a horizontal plane.
また、本発明の請求項2に係る熱交換器は、円筒状の熱発生部より熱を発生する機器に適用され、前記熱発生部より発生した熱を重力により通過する冷媒に伝達させることにより熱交換を行う熱交換器において、前記熱発生部の外径に適合する内径を有し、かつ該熱発生部の外周面に内周面が接合する態様で配設した円筒状のフィンベース部材と、前記フィンベース部材の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該フィンベース部材の軸方向に沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で立設した複数の無端板状のフィン部材と、これらフィン部材を含むフィンベース部材の外周域を覆うことにより前記フィンベース部材の外周面上に前記冷媒が通過するための流路を形成するカバー部材とを備え、前記フィン部材は、それぞれ水平面に対して傾斜する態様で立設してあることを特徴とする。 Moreover, the heat exchanger which concerns on Claim 2 of this invention is applied to the apparatus which generate | occur | produces heat from a cylindrical heat generation part, By transmitting the heat which generate | occur | produced from the said heat generation part to the refrigerant | coolant which passes by gravity, A cylindrical fin base member having an inner diameter that matches the outer diameter of the heat generating portion and arranged in such a manner that the inner peripheral surface is joined to the outer peripheral surface of the heat generating portion in a heat exchanger that performs heat exchange And a plurality of endless plate-like fin members that are provided on the outer peripheral surface of the fin base member so as to extend along the outer peripheral direction and are arranged at predetermined intervals along the axial direction of the fin base member. And a cover member that forms a flow path for allowing the refrigerant to pass on an outer peripheral surface of the fin base member by covering an outer peripheral area of the fin base member including these fin members, Against a horizontal plane Characterized in that is erected in a manner inclined.
また、本発明の請求項3に係る熱交換器は、上述した請求項1または請求項2において、前記フィン部材は、前記熱発生部と同一の材料で形成したことを特徴とする。 The heat exchanger according to claim 3 of the present invention is characterized in that, in the above-described claim 1 or 2, the fin member is formed of the same material as the heat generating portion.
また、本発明の請求項4に係る熱交換器は、上述した請求項2または請求項3において、前記フィンベース部材は、前記熱発生部と同一の材料で形成したことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the heat exchanger according to the second or third aspect, the fin base member is formed of the same material as that of the heat generating portion.
また、本発明の請求項5に係る熱交換器は、上述した請求項1〜4のいずれか一つにおいて、前記機器はスターリング冷凍機であり、前記熱発生部は冷熱を発生する低温部であることを特徴とする。 A heat exchanger according to claim 5 of the present invention is the heat exchanger according to any one of claims 1 to 4 described above, wherein the device is a Stirling refrigerator, and the heat generation unit is a low temperature unit that generates cold. It is characterized by being.
また、本発明の請求項6に係る熱交換器は、上述した請求項1〜4のいずれか一つにおいて、前記機器はスターリング冷凍機であり、前記熱発生部は高温排熱を発生する高温部であることを特徴とする。 Moreover, the heat exchanger which concerns on Claim 6 of this invention is the high temperature which the said apparatus is a Stirling refrigerator, and the said heat generation part generate | occur | produces high temperature waste heat in any one of Claims 1-4 mentioned above. It is a part.
また、本発明の請求項7に係る熱交換器は、上述した請求項1〜6のいずれか一つにおいて、前記流路の幅の大きさを規定するための規定部材を前記フィン部材のそれぞれに一体的に形成して成ることを特徴とする。 A heat exchanger according to a seventh aspect of the present invention is the heat exchanger according to any one of the first to sixth aspects described above, wherein the defining member for defining the width of the flow path is the fin member. It is characterized by being formed integrally with.
また、本発明の請求項8に係る熱交換器は、上述した請求項1〜7のいずれか一つにおいて、前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする。 The heat exchanger according to claim 8 of the present invention is characterized in that, in any one of the above-described claims 1 to 7, the refrigerant is carbon dioxide.
本発明の熱交換器によれば、熱発生部の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該熱発生部の軸方向に沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で複数の無端板状のフィン部材を立設し、これらフィン部材を含む熱発生部の外周域をカバー部材で覆うことにより熱発生部の外周面上に冷媒が通過するための流路を形成し、フィン部材はそれぞれ水平面に対して傾斜する態様で立設してあることにより、流路に冷媒を良好に通過させることが可能となり、これにより機器の設置姿勢が縦置きでも横置きであっても該機器の設置姿勢に関わらず、熱発生部で発生した熱を良好に冷媒に伝達させることにより熱交換効率の向上を図ることができるという効果を奏する。 According to the heat exchanger of the present invention, a plurality of endless plates are arranged in such a manner that each of the heat generating portions extends along the outer peripheral direction along the outer peripheral direction and is arranged at predetermined intervals along the axial direction of the heat generating portion. A fin-shaped fin member is erected, and the outer peripheral area of the heat generating portion including these fin members is covered with a cover member to form a flow path for the refrigerant to pass on the outer peripheral surface of the heat generating portion. By standing upright with respect to each horizontal plane, it is possible to allow the refrigerant to pass through the flow path well, and this allows the device to be installed vertically or horizontally. Regardless of the installation posture, it is possible to improve the heat exchange efficiency by favorably transferring the heat generated in the heat generating portion to the refrigerant.
また、本発明の熱交換器によれば、熱発生部の外径に適合する内径を有するフィンベース部材を該熱発生部の外周面に内周面が接合する態様で配設し、フィンベース部材の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該フィンベース部材の軸方向に沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で複数の無端板状のフィン部材を立設し、これらフィン部材を含むフィンベース部材の外周域をカバー部材で覆うことによりフィンベース部材の外周面上に冷媒が通過するための流路を形成し、フィン部材はそれぞれ水平面に対して傾斜する態様で立設してあることにより、流路に冷媒を良好に通過させることが可能となり、これにより機器の設置姿勢が縦置きでも横置きであっても該機器の設置姿勢に関わらず、熱発生部で発生した熱を良好に冷媒に伝達させることにより熱交換効率の向上を図ることができるという効果を奏する。特に、フィンベース部材により伝熱面積を拡大させることができ、これによりフィン部材の立設枚数を増大させることができ、熱交換効率の向上を図ることができる。 According to the heat exchanger of the present invention, the fin base member having an inner diameter that matches the outer diameter of the heat generating portion is disposed in such a manner that the inner peripheral surface is joined to the outer peripheral surface of the heat generating portion. A plurality of endless plate-like fin members are erected on the outer peripheral surface of the member so as to extend along the outer peripheral direction and are arranged at predetermined intervals along the axial direction of the fin base member. By covering the outer peripheral area of the fin base member including the cover member with the cover member, a flow path for the refrigerant to pass is formed on the outer peripheral surface of the fin base member, and the fin members are respectively erected in an inclined manner with respect to the horizontal plane. Therefore, it is possible to allow the refrigerant to pass through the flow path satisfactorily, and this is generated in the heat generation part regardless of whether the equipment is installed vertically or horizontally. Good heat transfer to refrigerant An effect that it is possible to improve the heat exchange efficiency by causing. In particular, the heat transfer area can be increased by the fin base member, whereby the number of fin members standing can be increased, and the heat exchange efficiency can be improved.
以下に添付図面を参照して、本発明に係る熱交換器の好適な実施の形態について詳細に説明する。尚、以下においては、説明の便宜上、自動販売機の内部に収容された商品を冷却する冷却装置に適用される熱交換器について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a heat exchanger according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following, for convenience of explanation, a heat exchanger applied to a cooling device that cools a product accommodated in a vending machine will be described.
図1は、本発明の実施の形態である熱交換器(凝縮熱交換器および放熱熱交換器)を適用した冷却装置を概念的に示したものである。この図1において、冷却装置1は、スターリング冷凍機10と、冷却系配管20と、放熱系配管30とを備えて構成してある。スターリング冷凍機10は、縦置きに設置してあり、稼働することにより冷熱を発生する円筒状の低温部11と、高温排熱を発生する円筒状の高温部12とを有している。ここで、「縦置きに設置」とは、図2に示すように、低温部11の軸方向Jおよび高温部12の軸方向Jのそれぞれが設置床面Pに対して直交する方向となる場合をいい、より具体的には、設置床面Pが水平面の場合の低温部11および高温部12の軸方向Jが鉛直方向となることをいう。本実施の形態では、設置床面Pが水平面であるとして説明する。
FIG. 1 conceptually shows a cooling device to which a heat exchanger (condensation heat exchanger and heat radiation heat exchanger) according to an embodiment of the present invention is applied. In FIG. 1, the cooling device 1 includes a Stirling
冷却系配管20は、スターリング冷凍機10から所定の距離だけ離隔した位置にある冷却室41に冷熱を輸送するものである。そのような冷却系配管20は、内部に冷却用冷媒が封入してあり、凝縮熱交換器21と蒸発熱交換器22とを、液体ライン23および気体ライン24で別個に接続して構成してある。ここに、冷却用冷媒としては、例えば二酸化炭素等のように常温では気体であって、スターリング冷凍機10の低温部11からの冷熱では凍らないもの(不凍冷媒)が用いられている。
The
凝縮熱交換器21は、図3にも示すようにスターリング冷凍機10の低温部11の外周面に配設してあり、図4および図5に示すように、複数の冷却冷媒流路R1と、冷却冷媒導入路213と、冷却冷媒導出路214と、冷却冷媒供給パイプ215と、冷却冷媒移送パイプ216とを備えて構成してある。ここで、図3〜図5は、それぞれ凝縮熱交換器21の構成を拡大して模式的に示したものであり、図3は、熱交換器を上方から見た平面図、図4は、図3における凝縮熱交換器のA−A線断面図、図5は、図3における凝縮熱交換器のC−C線断面図である。これらの図を適宜用いて上記凝縮熱交換器21について説明する。
The
複数の冷却冷媒流路R1は、低温部11の外周面に、該低温部11の外周方向に沿って延在し、かつ該低温部11の軸方向Jに沿って並設してあり、それぞれが冷却用冷媒を通過させるものである。そのような冷却冷媒流路R1は、複数の冷却フィン部材211と冷却カバー部材212とを次のように配設することにより構成してある。すなわち、低温部11の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該低温部11の軸方向J(図2参照)に沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で複数の無端板状の冷却フィン部材211を立設し、これら冷却フィン部材211を含む低温部11の外周域を覆う態様で冷却カバー部材212を配設することにより構成してある。
The plurality of cooling refrigerant flow paths R1 extend on the outer peripheral surface of the
ここで、冷却フィン部材211の数および間隔は、冷却用冷媒への熱伝達と必要な交換熱量とを考慮して決められる。また、冷却フィン部材211の内端縁部分および外端縁部分には、隣接する冷却フィン部材211との互いの間隔、すなわち冷却冷媒流路R1の幅を決められた大きさに規定するスペーサ部(規定部材)2111が一体的に形成してある。従って、冷却フィン部材211の間隔は、スペーサ部2111により規定されている。そして、冷却フィン部材211は、それぞれ低温部11の軸方向Jに対して直交とならない範囲内で傾斜する態様で立設してあり、つまり、設置床面P(図2参照)に対して傾斜する態様で立設してある。
Here, the number and interval of the cooling
また、冷却カバー部材212は、低温部11の外周域を覆うものであればその形状等は特に限定されるものではないが、本実施の形態では、円筒状の冷却カバー本体2121と、2つの円環状の冷却補助カバー2122とが溶接されて形成されるものである。冷却カバー本体2121は、軸方向Jの長さが低温部11のものと略等しく、内周部分が冷却フィン部材211のそれぞれの外周部分に接した状態で配設してある。これにより、冷却フィン部材211間には、上記冷却冷媒流路R1が構成される。冷却補助カバー2122は、内周部分が低温部11の外周面の各端部(上端部および下端部)に溶接され、かつ外周部分が冷却カバー本体2121の各端部(上端部および下端部)の内周部分に溶接されて設けてある。これにより、各冷却補助カバー2122と、図中最も上側に立設された冷却フィン部材211、あるいは最も下側に立設された冷却フィン部材211との間には、上記冷却冷媒流路R1が構成される。
Further, the shape of the
また、上記冷却フィン部材211は、熱伝導材料から形成してあり、特に銅のような低温部11と同一の材料、あるいは低温部11の材料である銅と電蝕し難い材料により形成してある。一方、上記冷却カバー部材212(冷却カバー本体2121および冷却補助カバー2122)は、強度等の観点からステンレス等の材料により形成してある。そして、そのような冷却冷媒流路R1を通過する冷却用冷媒は、該冷却冷媒流路R1を通過する際に、低温部11から発生した冷熱により冷却されて凝縮する。
The cooling
冷却冷媒導入路213は、図4に示すように、凝縮熱交換器21の一部、例えば図4中の左側において該低温部11の軸方向Jに沿って延在し、供給された冷却用冷媒を各冷却冷媒流路R1に導くためのものである。そのような冷却冷媒導入路213は、冷却フィン部材211のそれぞれに該低温部11の軸方向Jに沿って導入孔211aを形成することにより構成したものである。
As shown in FIG. 4, the cooling
冷却冷媒導出路214は、図4に示すように、凝縮熱交換器21の一部、例えば図4中の右側において該低温部11の軸方向Jに沿って延在し、冷却冷媒流路R1を通過して凝縮液になった冷却用冷媒を外部に導くためのものである。そのような冷却冷媒導出路214は、冷却フィン部材211のそれぞれに該低温部11の軸方向Jに沿って導出孔211bを形成することにより構成したものである。
As shown in FIG. 4, the cooling refrigerant lead-out
冷却冷媒供給パイプ215は、図中上側の冷却補助カバー2122に形成した貫通孔(図示せず)を貫通し、かつその先端部が冷却冷媒導入路213に挿通した態様で配設してある。この冷却冷媒供給パイプ215は、冷却用冷媒を供給するための円筒状配管であり、低温部11および冷却フィン部材211と同一の材料(例えば銅)から形成してある。冷却冷媒供給パイプ215の先端部は、低温部11側が切除されて半円筒状の形態を成している。つまり、冷却冷媒供給パイプ215の先端部には、その全域に亘って切欠部2151が形成してある。また、図には明示していないが、冷却冷媒供給パイプ215の基端部には気体ライン24が接続してある。
The cooling
冷却冷媒移送パイプ216は、低温部11の下方側において、図中下側の冷却補助カバー2122に形成した貫通孔(図示せず)を貫通し、かつその先端部が冷却冷媒導出路214に挿通した態様で配設してある。この冷却冷媒移送パイプ216は、冷却冷媒流路R1を通過して凝縮された(凝縮液となった)冷却用冷媒を蒸発熱交換器22に向けて移送するための円筒状配管であり、低温部11および冷却フィン部材211と同一の材料(例えば銅)から形成してある。冷却冷媒移送パイプ216の先端部は、低温部11側が切除されて半円筒状の形態を成している。つまり、冷却冷媒移送パイプ216の先端部には、その全域に亘って切欠部2161が形成してある。また、図には明示していないが、冷却冷媒移送パイプ216の基端部には液体ライン23が接続してある。
The cooling
蒸発熱交換器22は、冷却室41に配設され、より詳細には蒸発熱交換器収容箱42に収容されている。この蒸発熱交換器22は、蛇行する蒸発路221を有している。蒸発路221は、冷却用冷媒が通過するためのものである。そのような蒸発熱交換器22では、詳細は後述するが、外部から得た熱により蒸発路221を通過する冷却用冷媒が蒸発して蒸気になる。換言すると、蒸発熱交換器22の周辺の空気は、冷却用冷媒が蒸発することによって熱が奪われることになり冷却される。また、蒸発熱交換器22は、スターリング冷凍機10の低温部11の基準高さよりも下方側に配置してある。そして、蒸発熱交換器22の周辺の所定個所には、冷却用送風ファン25が設けてある。冷却用送風ファン25は、蒸発熱交換器22により冷却された空気を送出するためのものである。
The
液体ライン23は、凝縮熱交換器21と蒸発熱交換器22とを繋ぐ管路であり、より詳細には、凝縮熱交換器21を構成する冷却冷媒移送パイプ216の基端部と、蒸発熱交換器22の蒸発路221の入口とを繋ぐ管路である。この液体ライン23は、凝縮熱交換器21で凝縮した冷却用冷媒を、該凝縮熱交換器21から蒸発熱交換器22まで移動させるためのものである。
The
気体ライン24は、上記液体ライン23とは別個に、凝縮熱交換器21と蒸発熱交換器22とを繋ぐ管路であり、より詳細には、凝縮熱交換器21を構成する冷却冷媒供給パイプ215の基端部と、蒸発熱交換器22の蒸発路221の出口とを繋ぐ管路である。この気体ライン24は、蒸発熱交換器22で蒸発した冷却用冷媒を、該蒸発熱交換器22から凝縮熱交換器21まで移動させるためのものである。ここに、気体ライン24は、液体ライン23の上方に配置している。これは、気体ライン24を通る冷却用冷媒の密度の方が、液体ライン23を通る冷媒の密度よりも小さいためである。
The
放熱系配管30は、スターリング冷凍機10の高温部12で発生した高温排熱を外部に輸送するものである。そのような放熱系配管30は、内部に放熱用冷媒が封入してあり、放熱熱交換器31と空気熱交換器32とを、第1ライン33および第2ライン34で別個に接続して構成してある。ここに、放熱用冷媒としては、例えば二酸化炭素、水、アンモニア水が用いられるが、本実施の形態では放熱用冷媒を二酸化炭素として説明する。
The heat
放熱熱交換器31は、図3にも示すようにスターリング冷凍機10の高温部12の外周面に配設してあり、図6および図7に示すように、複数の放熱冷媒流路R2と、放熱冷媒導入路313と、放熱冷媒導出路314と、放熱冷媒供給パイプ315と、放熱冷媒移送パイプ316とを備えて構成してある。ここで、図6および図7は、それぞれ凝縮熱交換器の構成を拡大して模式的に示したものであり、図6は図3における放熱熱交換器のB−B線断面図、図7は図3における放熱熱交換器のC−C線断面図である。これらの図を適宜用いて上記放熱熱交換器31について説明する。
The
複数の放熱冷媒流路R2は、高温部12の外周面に、該高温部12の外周方向に沿って延在し、かつ該高温部12の軸方向J(図2参照)に沿って並設してあり、それぞれが放熱用冷媒を通過させるものである。そのような放熱冷媒流路R2は、複数の放熱フィン部材311と放熱カバー部材312とを次のように配設することにより構成してある。すなわち、高温部12の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該高温部12の軸方向Jに沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で複数の無端板状の放熱フィン部材311を立設し、これら放熱フィン部材311を含む高温部12の外周域を覆う態様で放熱カバー部材312を配設することにより構成してある。
The plurality of heat-dissipating refrigerant channels R2 extend along the outer peripheral direction of the high-
ここで、放熱フィン部材311の数および間隔は、放熱用冷媒への熱伝達と必要な交換熱量とを考慮して決められる。また、放熱フィン部材311の内端縁部分および外端縁部分には、隣接する放熱フィン部材311との互いの間隔、すなわち放熱冷媒流路R2の幅を決められた大きさに規定するスペーサ部(規定部材)3111が一体的に形成してある。従って、放熱フィン部材311の間隔は、スペーサ部3111により規定されている。そして、放熱フィン部材311は、それぞれが高温部12の軸方向Jに対して直交とならない範囲内で傾斜する態様で立設してあり、つまり、設置床面Pに対して傾斜する態様で立設してある。
Here, the number and interval of the heat dissipating
また、放熱カバー部材312は、高温部12の外周域を覆うものであればその形状等は特に限定されるものではないが、本実施の形態では、円筒状の放熱カバー本体3121と、2つの円環状の放熱補助カバー3122とが溶接されて形成されるものである。放熱カバー本体3121は、軸方向Jの長さが高温部12のものと略等しく、内周部分が放熱フィン部材311のそれぞれの外周部分に接した状態で配設してある。これにより、放熱フィン部材311間には、上記放熱冷媒流路R2が構成される。放熱補助カバー3122は、内周部分が高温部12の外周面の各端部(上端部および下端部)に溶接され、かつ外周部分が放熱カバー本体3121の各端部(上端部および下端部)の内周部分に溶接されて設けてある。これにより、各放熱補助カバー3122と、図中最も上側に立設された放熱フィン部材311、あるいは最も下側に立設された放熱フィン部材311との間には、上記放熱冷媒流路R2が構成される。
Further, the shape and the like of the heat
また、上記放熱フィン部材311は、熱伝導材料から形成してあり、特に銅のような高温部12と同一の材料、あるいは高温部12の材料である銅と電蝕し難い材料により形成してある。一方、上記放熱カバー部材312(放熱カバー本体3121および放熱補助カバー3122)は、強度等の観点からステンレス等の材料により形成してある。そして、そのような放熱冷媒流路R2を通過する放熱用冷媒は、該放熱冷媒流路R2を通過する際に、高温部12から発生した高温排熱を受熱することになる。
The heat radiating
放熱冷媒導入路313は、図6に示すように、放熱熱交換器31の一部、例えば図6中の右側において該高温部12の軸方向Jに沿って延在し、供給された放熱用冷媒を各放熱冷媒流路R2に導くためのものである。そのような放熱冷媒導入路313は、放熱フィン部材311のそれぞれに該高温部12の軸方向Jに沿って導入孔311aを形成することにより構成したものである。
As shown in FIG. 6, the radiant
放熱冷媒導出路314は、図6に示すように、放熱熱交換器31の一部、例えば図6中の左側において該高温部12の軸方向Jに沿って延在し、放熱冷媒流路R2を通過して高温排熱を受熱した放熱用冷媒を外部に導くためのものである。そのような放熱冷媒導出路314は、放熱フィン部材311のそれぞれに該高温部12の軸方向Jに沿って導出孔311bを形成することにより構成したものである。
As shown in FIG. 6, the heat dissipation refrigerant lead-out
放熱冷媒供給パイプ315は、図中上側の放熱補助カバー3122に形成した貫通孔(図示せず)を貫通し、かつその先端部が放熱冷媒導入路313に挿通した態様で配設してある。この放熱冷媒供給パイプ315は、放熱用冷媒を供給するための円筒状配管であり、高温部12および放熱フィン部材311と同一の材料(例えば銅)から形成してある。また、放熱冷媒供給パイプ315の先端部は、高温部12側が切除されて半円筒状の形態を成している。つまり、放熱冷媒供給パイプ315の先端部には、その全域に亘って切欠部3151が形成してある。また、図6には明示していないが、放熱冷媒供給パイプ315の基端部には第2ライン34が接続してある。
The heat-dissipating
放熱冷媒移送パイプ316は、高温部12の上方側において、図中上側の放熱補助カバー3122に形成した貫通孔(図示せず)を貫通し、かつその先端部が放熱冷媒導出路314に挿通した態様で配設してある。この放熱冷媒移送パイプ316は、放熱冷媒流路R2を通過して高温排熱を受熱した放熱用冷媒を空気熱交換器32に向けて移送するための円筒状配管であり、高温部12および放熱フィン部材311と同一の材料(例えば銅)から形成してある。また、放熱冷媒移送パイプ316の先端部は、高温部12側が切除されて半円筒状の形態を成している。つまり、放熱冷媒移送パイプ316の先端部には、その全域に亘って切欠部3161が形成してある。また、図6には明示していないが、放熱冷媒移送パイプ316の基端部には第1ライン33が接続してある。
The heat dissipation
空気熱交換器32は、スターリング冷凍機10から所定の距離だけ離隔した位置に配設されている。この空気熱交換器32は、蛇行する放熱路321を有している。放熱路321は、放熱用冷媒が通過するためのものである。そのような空気熱交換器32では、放熱用冷媒が放熱路321を通過する際に放熱熱交換器31で受熱した高温排熱を周囲空気へ放熱する。これにより、周囲空気は、高温排熱により加熱される。また、空気熱交換器32は、スターリング冷凍機10の高温部12の基準高さよりも上方側に配置してある。そして、空気熱交換器32の周辺の所定個所には、放出用送風ファン35が設けてある。放出用送風ファン35は、空気熱交換器32により加熱された空気を外部に放出するためのものである。
The
第1ライン33は、放熱熱交換器31と空気熱交換器32とを繋ぐ管路であり、より詳細には、放熱熱交換器31を構成する放熱冷媒移送パイプ316の基端部と、空気熱交換器32の放熱路321の入口とを繋ぐ管路である。この第1ライン33は、放熱熱交換器31で高温排熱を受熱した放熱用冷媒を空気熱交換器32に移動させるためのものである。
The first line 33 is a pipe line connecting the heat
第2ライン34は、上記第1ライン33とは別個に、放熱熱交換器31と空気熱交換器32とを繋ぐ管路であり、より詳細には、放熱熱交換器31を構成する放熱冷媒供給パイプ315の基端部と、空気熱交換器32の放熱路321の出口とを繋ぐ管路である。この第2ライン34は、空気熱交換器32で放熱した放熱用冷媒を放熱熱交換器31に移動させるためのものである。ここに、第2ライン34が第1ライン33の下方に位置している。これは、第2ライン34を通る放熱用冷媒の密度の方が、第1ライン33を通る放熱用冷媒の密度よりも大きいためである。
The
上記冷却系配管20では、スターリング冷凍機10の低温部11からの冷熱を次のようにして冷却室41に伝達する。低温部11から発生した冷熱により、凝縮熱交換器21の各冷却冷媒流路R1を通過する冷却用冷媒が急激に冷却されて凝縮液になり、その重力により下方に向けて移動する。その後、凝縮液となった冷却用冷媒は、冷却冷媒導出路214に至り、該冷却冷媒導出路214で冷却冷媒移送パイプ216の内部に進入して移動し、液体ライン23を通じて蒸発熱交換器22まで移動する。この蒸発熱交換器22において、冷却用冷媒は、蒸発路221を通過しながら、該蒸発熱交換器22の周囲の空気、すなわち冷却室41の内部の空気の熱により蒸発して蒸気になる。つまり、冷却室41の内部の空気は熱が奪われることになって冷却される。冷却された空気は、冷却用送風ファン25が駆動することにより送出され、冷却室41の内部が冷却される。つまり、冷却室41にスターリング冷凍機10の低温部11で発生した冷熱が伝達されたことになる。ところで、蒸発熱交換器22で蒸発して蒸気になった冷却用冷媒は、気体ライン24を通じて冷却冷媒供給パイプ215に至り、その後、冷却冷媒導入路213を通じて各冷却冷媒流路R1に移動し、該冷却冷媒流路R1で再び凝縮液になって上述したようなサイクルを繰り返す。
In the
かかる冷却系配管20は、冷却用冷媒が、別個に設けられた液体ライン23および気体ライン24を通じて、凝縮熱交換器21と蒸発熱交換器22との間で循環するものであり、ループ型サーモサイフォン式ヒートパイプと称されるものである。
The
上記放熱系配管30では、スターリング冷凍機10の高温部12からの高温排熱を次のようにして外部に放出する。放熱熱交換器31の各放熱冷媒流路R2を通過する放熱用冷媒が、高温部12で発生した高温排熱を受熱して上昇し、その後、放熱冷媒導出路314に至り、該放熱冷媒導出路314で放熱冷媒移送パイプ316の内部に進入して移動し、第1ライン33を通じて空気熱交換器32まで移動する。この空気熱交換器32において、放熱用冷媒は、放熱路321を通過しながら、該空気熱交換器32の周囲空気に高温排熱を放熱する。つまり、空気熱交換器32の周囲空気は加熱される。加熱された空気は、放出用送風ファン35が駆動することにより外部に送出される。ところで、空気熱交換器32で放熱した放熱用冷媒は、第2ライン34を通じて放熱冷媒供給パイプ315に至り、その後、放熱冷媒導入路313を通じて各冷却冷媒流路R1に移動し、該冷却冷媒流路R1で再び高温排熱を受熱して上述したようなサイクルを繰り返す。ここで、夏場等の外気温が30℃を超える場合には、放熱用冷媒である二酸化炭素は、超臨界状態で循環することになる。
In the heat radiating
かかる放熱系配管30は、放熱用冷媒が、別個に設けられた第1ライン33および第2ライン34を通じて、放熱熱交換器31と空気熱交換器32との間で循環するものであり、ループ型サーモサイフォン式ヒートパイプと称されるものである。
In the heat
以上説明したような冷却装置1を構成する凝縮熱交換器21では、冷却フィン部材211が低温部11の軸方向Jに対して直交とならない範囲内で傾斜する態様で立設してあるので、スターリング冷凍機10を縦置きから横置きに設置した場合、すなわち低温部11の軸方向Jが水平方向となる態様で設置床面Pに設置した場合、冷却フィン部材211は設置床面P(水平面)に対して傾斜する態様で立設している。そのため、冷却冷媒流路R1に冷媒を良好に通過させることが可能となり、これによりスターリング冷凍機10の設置姿勢が縦置きでも横置きであっても該スターリング冷凍機10の設置姿勢に関わらず、低温部11で発生した冷熱を良好に冷媒に伝達させることにより熱交換効率の向上を図ることができる。特に、スターリング冷凍機10の低温部11の外周面に、該低温部11の外周方向に沿って、かつ該低温部11の軸方向Jに略等間隔となる態様で複数の冷却フィン部材211を立設し、これら冷却フィン部材211を含む低温部11の外周域を覆う態様で冷却カバー部材212を配設することにより、該低温部11の外周面に冷却冷媒流路R1を構成したので、冷却冷媒流路R1を通過する冷却用冷媒に低温部11で発生した冷熱を直接伝達させることができる。これにより、熱伝達に伴う熱損失の発生を低減化させることができ、冷却用冷媒への冷熱の伝達効率を向上させることができる。
In the
また、凝縮熱交換器21によれば、冷却フィン部材211は、スターリング冷凍機10の低温部11と同一の材料で形成したので、両者の間に材質の違いによる経時的変化が生じる虞れがなく、また電蝕等によりいずれか一方の材質が劣化等してしまう虞れもない。
Further, according to the
更に、凝縮熱交換器21によれば、スペーサ部2111が冷却冷媒流路R1の幅を規定しているため、冷却冷媒流路R1を通過する冷却用冷媒の圧力、すなわち冷却系配管20の内部への封入圧力により、冷却冷媒流路R1の幅が経時的に変化してしまう虞れがない。これにより、各冷却冷媒流路R1の幅を略均一に確保でき、その結果、安定した熱交換効率を確保することが可能になる。
Furthermore, according to the
一方、放熱熱交換器31では、放熱フィン部材311が高温部12の軸方向Jに対して直交とならない範囲内で傾斜する態様で立設してあるので、スターリング冷凍機10を縦置きから横置きに設置した場合、すなわち高温部12の軸方向Jが水平方向となる態様で設置床面Pに設置した場合、放熱フィン部材311は設置床面P(水平面)に対して傾斜する態様で立設している。そのため、放熱冷媒流路R2に冷媒を良好に通過させることが可能となり、これによりスターリング冷凍機10の設置姿勢が縦置きでも横置きであっても該スターリング冷凍機10の設置姿勢に関わらず、高温部12で発生した冷熱を良好に冷媒に伝達させることにより熱交換効率の向上を図ることができる。
On the other hand, in the heat radiating
また、放熱熱交換器31によれば、放熱フィン部材311は、スターリング冷凍機10の高温部12と同一の材料で形成したので、両者の間に材質の違いによる経時的変化が生じる虞れがなく、また電蝕等によりいずれか一方の材質が劣化等してしまう虞れもない。
Further, according to the heat
更に、放熱熱交換器31によれば、スペーサ部3111が放熱冷媒流路R2の幅を規定しているため、放熱冷媒流路R2を通過する放熱用冷媒の圧力、すなわち放熱系配管30の内部への封入圧力により、放熱冷媒流路R2の幅が経時的に変化してしまう虞れがない。これにより、各放熱冷媒流路R2の幅を略均一に確保でき、その結果、安定した熱交換効率を確保することが可能になる。
Furthermore, according to the heat
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。例えば、図8に示すように、凝縮熱交換器21は、低温部11の外径に適合する内径を有し、かつ該低温部11の外周面に内周面が接合する態様で配設した円筒状のフィンベース部材217を有し、該フィンベース部材217の外周面に冷却フィン部材211を立設させることにより冷却冷媒流路R1を構成するようにしても良い。ここで、フィンベース部材217は、冷却フィン部材211と同様に、低温部11と同一の材料から形成されていることが好ましい。このような構成によれば、フィンベース部材217により伝熱面積を拡大させることができ、これにより冷却フィン部材211の立設枚数を増大させることができ、熱交換効率の向上を図ることができる。
The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and various modifications can be made. For example, as shown in FIG. 8, the condensing
また、図9に示すように、放熱熱交換器31は、高温部12の外径に適合する内径を有し、かつ該高温部12の外周面に内周面が接合する態様で配設した円筒状のフィンベース部材317を有し、該フィンベース部材317の外周面に放熱フィン部材311を立設させることにより放熱冷媒流路R2を構成するようにしても良い。ここで、フィンベース部材317は、放熱フィン部材311と同様に、高温部12と同一の材料から形成されていることが好ましい。このような構成によれば、フィンベース部材317により伝熱面積を拡大させることができ、これにより放熱フィン部材311の立設枚数を増大させることができ、熱交換効率の向上を図ることができる。
Further, as shown in FIG. 9, the heat
上述した実施の形態では、スターリング冷凍機10を縦置き、あるいは横置きに設置する場合における冷媒供給パイプおよび冷媒移送パイプの設置個所については特に言及していないが、これらのパイプの設置個所は、スターリング冷凍機10の設置姿勢に応じて適宜変更しても構わない。
In the above-described embodiment, the installation location of the refrigerant supply pipe and the refrigerant transfer pipe when the
以上のように、本発明に係る熱交換器は、例えばスターリング冷凍機等の機器に適用され、該スターリング冷凍機で発生した冷熱、あるいは高温排熱を冷媒に伝達させるのに有用である。 As described above, the heat exchanger according to the present invention is applied to equipment such as a Stirling refrigerator, for example, and is useful for transmitting cold heat generated in the Stirling refrigerator or high-temperature exhaust heat to the refrigerant.
10 スターリング冷凍機
11 低温部
12 高温部
20 冷却系配管
21 凝縮熱交換器
211 冷却フィン部材
2111 スペーサ部
212 冷却カバー部材
2121 冷却カバー本体
2122 冷却補助カバー
213 冷却冷媒導入路
214 冷却冷媒導出路
215 冷却冷媒供給パイプ
2152 切欠部
216 冷却冷媒移送パイプ
2162 切欠部
22 蒸発熱交換器
23 液体ライン
24 気体ライン
30 放熱系配管
31 放熱熱交換器
311 放熱フィン部材
3111 スペーサ部
312 放熱カバー部材
3121 放熱カバー本体
3122 放熱補助カバー
313 放熱冷媒導入路
314 放熱冷媒導出路
315 放熱冷媒供給パイプ
316 放熱冷媒移送パイプ
R1 冷却冷媒流路
R2 放熱冷媒流路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記熱発生部の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該熱発生部の軸方向に沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で立設した複数の無端板状のフィン部材と、
これらフィン部材を含む熱発生部の外周域を覆うことにより前記熱発生部の外周面上に前記冷媒が通過するための流路を形成するカバー部材と
を備え、
前記フィン部材は、それぞれ水平面に対して傾斜する態様で立設してあることを特徴とする熱交換器。 In a heat exchanger that is applied to a device that generates heat from a cylindrical heat generation unit and performs heat exchange by transferring heat generated by the heat generation unit to a refrigerant that passes by gravity,
A plurality of endless plate-like fin members each extending on the outer peripheral surface of the heat generating portion along the outer peripheral direction and standing in a manner arranged at predetermined intervals along the axial direction of the heat generating portion;
A cover member that forms a flow path for allowing the refrigerant to pass on an outer peripheral surface of the heat generating unit by covering an outer peripheral region of the heat generating unit including these fin members;
Each of the fin members is erected in such a manner as to be inclined with respect to a horizontal plane.
前記熱発生部の外径に適合する内径を有し、かつ該熱発生部の外周面に内周面が接合する態様で配設した円筒状のフィンベース部材と、
前記フィンベース部材の外周面にそれぞれが外周方向に沿って延設し、かつ該フィンベース部材の軸方向に沿って所定間隔ごとに並ぶ態様で立設した複数の無端板状のフィン部材と、
これらフィン部材を含むフィンベース部材の外周域を覆うことにより前記フィンベース部材の外周面上に前記冷媒が通過するための流路を形成するカバー部材と
を備え、
前記フィン部材は、それぞれ水平面に対して傾斜する態様で立設してあることを特徴とする熱交換器。 In a heat exchanger that is applied to a device that generates heat from a cylindrical heat generation unit and performs heat exchange by transferring heat generated by the heat generation unit to a refrigerant that passes by gravity,
A cylindrical fin base member having an inner diameter that matches the outer diameter of the heat generating portion, and disposed in such a manner that the inner peripheral surface is joined to the outer peripheral surface of the heat generating portion;
A plurality of endless plate-like fin members each extending on the outer peripheral surface of the fin base member along the outer peripheral direction and erected in a state of being arranged at predetermined intervals along the axial direction of the fin base member;
A cover member that forms a flow path for the refrigerant to pass on the outer peripheral surface of the fin base member by covering an outer peripheral area of the fin base member including these fin members;
Each of the fin members is erected in such a manner as to be inclined with respect to a horizontal plane.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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