JP2021038861A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、高温側熱交換部と低温側熱交換部との間の熱交換の実行又は停止を適宜に切り替える。【解決手段】第１熱交換壁部１１と、第２熱交換壁部１２と、第１熱交換壁部１１と第２熱交換壁部１２とにより密閉空間を区画する側壁部１３と、密閉空間を第１熱交換壁部１１側の第１空間室１５と第２熱交換壁部１２側の第２空間室１６とに区画するピストン２０と、一端側をピストン２０に固定されると共に、他端側を第１熱交換壁部１１の貫通孔１１Ａに挿入支持されるロッド２５と、第２空間室１６内に流入又は、第２空間室１６内から排出される断熱流体と、ピストン２０に設けられた永久磁石３０と、第１熱交換壁部１１又は第２熱交換壁部１２の何れか一方に設けられており、永久磁石３０に磁力による吸引力又は斥力を付与することにより、ピストン２０を第２熱交換壁部１２に当接又は第２熱交換壁部１２から離間させる電磁石４０とを備えた。【選択図】図２

Description

本開示は、熱交換器に関する。

熱交換器の一例として、例えば、特許文献１には、気体を密封したループ管に低温側熱交換部と高温側熱交換部とを設けると共に、ループ管に気体を圧送可能なブロワーを設けた構造が開示されている。当該文献記載の構造によれば、ブロワーにより気体をループ管内で循環させることにより、低温側熱交換部と高温側熱交換部との間で熱交換を行うように構成されている。

特開２００８−０２５９７３号公報

ところで、上記文献記載の構造では、低温側熱交換部と高温側熱交換部とが、ループ管内に密封された熱を移動させる気体と常時接している。このため、熱交換が不要な場合にブロワーを停止させても、高温側熱交換部の熱がループ管内の気体を介して低温側熱交換部に移動することで、これらの間の熱交換を完全に停止できない可能性がある。また、低温側熱交換部と高温側熱交換部とをループ管で接続しているため、装置全体の大型化を招く可能性もある。

本開示の技術は、簡素な構成で、高温側熱交換部と低温側熱交換部との間の熱交換の実行又は停止を適宜に切り替えることができる熱交換器を提供することを目的とする。

本開示の熱交換器は、熱伝導性を有する第１熱交換壁部と、熱伝導性を有すると共に、前記第１熱交換壁部と所定間隔をおいて対向する第２熱交換壁部と、前記第１熱交換壁部及び、前記第２熱交換壁部よりも熱伝達率が低い部材で筒状に形成されると共に、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部との間の対向空間に配されており、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部とにより密閉空間を区画する側壁部と、熱伝導性を有すると共に、前記密閉空間内に、前記側壁部の筒軸方向に往復移動自在に収容されており、前記密閉空間を前記第１熱交換壁部側の第１空間室と前記第２熱交換壁部側の第２空間室とに区画するピストンと、熱伝導性を有すると共に、一端側を前記ピストンに固定されており、他端側を前記第１熱交換壁部に形成された貫通孔に進退自在に挿入支持されたロッドと、前記第２空間室内に流入又は、前記第２空間室内から排出される断熱流体と、前記ピストン又は前記ロッドに一体移動可能に設けられた永久磁石と、前記第１熱交換壁部又は前記第２熱交換壁部の何れか一方に設けられており、前記永久磁石に磁力による吸引力又は斥力を付与することにより、前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接又は前記第２熱交換壁部から離間させる電磁石と、を備えることを特徴とする。

また、前記電磁石は、前記第２熱交換壁部に設けられており、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部との間で熱交換を実行する場合には、前記吸引力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる一方、前記熱交換を停止する場合には、前記吸引力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させることにより、前記第２空間室内に前記断熱流体を流入させてもよい。

また、前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第２熱交換壁部側に付勢する圧縮スプリングをさらに備え、前記熱交換を実行する場合には、前記電磁石が前記吸引力を付与することなく、前記圧縮スプリングの付勢力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させてもよい。

また、前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第１熱交換壁部側に引き寄せる引張スプリングをさらに備え、前記熱交換を停止する場合には、前記電磁石が前記斥力を付与することなく、前記引張スプリングの引張力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させてもよい。

また、前記電磁石は、前記第１熱交換壁部に設けられており、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部との間で熱交換を実行する場合には、前記斥力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる一方、前記熱交換を停止する場合には、前記吸引力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させることにより、前記第２空間室内に前記断熱流体を流入させてもよい。

また、前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第２熱交換壁部側に付勢する圧縮スプリングをさらに備え、前記熱交換を実行する場合には、前記電磁石が前記斥力を付与することなく、前記圧縮スプリングの付勢力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させてもよい。

また、前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第１熱交換壁部側に引き寄せる引張スプリングをさらに備え、前記熱交換を停止する場合には、前記電磁石が前記吸引力を付与することなく、前記引張スプリングの引張力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させてもよい。

また、前記側壁部の外周を所定の空間を隔てて覆う筒状に形成されると共に、その内周と前記側壁部の外周との間に前記第２空間室と連通する第３空間室を区画するカバー部材をさらに備えることが好ましい。

本開示の技術によれば、簡素な構成で、高温側熱交換部と低温側熱交換部との間の熱交換の実行又は停止を適宜に切り替えることができる。

本実施形態に係る熱交換器を示す模式的な断面図である。 本実施形態に係る熱交換器の動作を説明する模式的な断面図である。 他の実施形態に係る熱交換器を示す模式的な断面図である。 本実施形態に係る熱交換器の配置例を説明する模式図である。 他の実施形態に係る熱交換器を示す模式的な断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る熱交換器を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施形態に係る熱交換器１０を示す模式的な断面図である。

図１に示すように、熱交換器１０は、高温側熱交換壁部１１（第１熱交換壁部の一例）と、低温側熱交換壁部１２（第２熱交換壁部の一例）と、断熱壁部１３（側壁部の一例）と、ピストン２０と、カバー部材２１と、圧縮スプリング２３と、ロッド２５と、永久磁石３０と、電磁石４０とを備えて構成されている。

高温側熱交換壁部１１及び、低温側熱交換壁部１２は、熱伝達率が高い部材（例えば、アルミニウム、銅、カーボンナノチューブ、シリコンゴム等）で、所定の厚みを有する板状に形成されている。これら高温側熱交換壁部１１及び、低温側熱交換壁部１２は、互いに所定の間隔をおいて対向配置されている。

断熱壁部１３は、高温側熱交換壁部１１及び、低温側熱交換壁部１２よりも熱伝達率が低い部材（例えば、ガラス、ジルコニア、有機系ゴム等）で形成されている。断熱壁部１３は、略筒状に形成されており、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との対向空間内に介装されて、これら高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２とを接続する。

すなわち、高温側熱交換壁部１１と、低温側熱交換壁部１２と、断熱壁部１３とにより、シリンダ状の密閉容器１４が形成される。断熱壁部１３の形状は、高温側熱交換壁部１１及び、低温側熱交換壁部１２が円板状であれば円筒状、高温側熱交換壁部１１及び、低温側熱交換壁部１２が矩形板状であれば角筒状に形成すればよい。

なお、以下では、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との対向方向、言い換えれば、側壁部１３の筒軸方向を、単に軸方向という。

ピストン２０は、熱伝達率が高い部材（例えば、アルミニウム、銅、カーボンナノチューブ、シリコンゴム等）で形成されており、密閉容器１４の密閉空間内に軸方向に往復移動自在に収容されている。すなわち、ピストン２０によって、密閉容器１４の密閉空間内が、高温側熱交換壁部１１側の付勢室１５（第１空間室の一例）と、低温側熱交換壁部１２側の主断熱室１６（第２空間室の一例）とに区画形成されている。ピストン２０と断熱壁部１３との間には、隙間があってもよく、或いは、これらの隙間を封止するシール部材Ｓを設けてもよい。

カバー部材２１は、断熱壁部１３の外周を所定の空間を隔てて覆う筒状に形成されており、その内周面と断熱壁部１３の外周面との間に外側断熱室２２（第３空間室）を区画する。すなわち、密閉容器１４内を、断熱壁部１３と外側断熱室２２とにより二重で断熱できるように構成されている。外側断熱室２２は、断熱壁部１３に貫通形成された連通孔１３Ａを介して主断熱室１６と連通する。

主断熱室１６及び、外側断熱室２２には、空気やアルゴン等の断熱流体が充填されている。具体的には、断熱流体は、ピストン２０が低温側熱交換壁部１２側に移動すると、主断熱室１６内から連通孔１３Ａを経由して外側断熱室２２内に排出され、ピストン２０が高温側熱交換壁部１１側に移動すると、外側断熱室２２内から連通孔１３Ａを経由して主断熱室１６内に流入する。なお、断熱流体は、気体に限定されず、液体であってもよい。

ロッド２５は、熱伝達率が高い部材（例えば、アルミニウム、銅、カーボンナノチューブ、シリコンゴム等）で形成されており、軸方向に延設されている。具体的には、ロッド２５は、一端側をピストン２０に固定されると共に、他端側を高温側熱交換壁部１１に形成された貫通孔１１Ａに進退自在に挿入支持（好ましくは、摺接支持）されている。すなわち、高温側熱交換壁部１１及び、又はロッド２５に受容された熱が、ロッド２５を軸方向に移動してピストン２０に伝達されるように構成されている。

圧縮スプリング２３は、付勢室１５内に設けられており、ピストン２０を高温側熱交換壁部１１側から低温側熱交換壁部１２側に向けて付勢する。すなわち、後述する永久磁石３０と電磁石４０との間の斥力を消失させると、ピストン２０が圧縮スプリング２３の付勢力によって低温側熱交換壁部１２に向けて移動し、低温側熱交換壁部１２に当接することにより、高温側熱交換壁部１１からロッド２５及び、ピストン２０を経由して低温側熱交換壁部１２に熱が移動するように構成されている。

なお、図示例において、圧縮スプリング２３は、ロッド２５の外周に巻き回されているが、ロッド２５の周囲に複数の圧縮スプリング２３を配置するように構成してもよい。また、圧縮スプリング２３は、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２に向けて付勢できる部材であれば、板バネ等、他の付勢部材であってもよい。

永久磁石３０は、ピストン２０に一体移動可能に設けられている。永久磁石３０は、好ましくは、その一側面がピストン２０の低温側熱交換壁部１２との対向面と同一面となるように、ピストン２０に埋設されている。

電磁石４０は、低温側熱交換壁部１２に、永久磁石３０と対向して設けられており、巻芯４１と、コイル４２とを備えている。制御装置１００からの指令に応じて、バッテリ１１０からコイル４２に電流を印加すると、電磁石４０が永久磁石３０と同極となり、これら電磁石４０と永久磁石３０との間に斥力を生じさせる。一方、コイル４２への電流の印加を停止すると、電磁石４０と永久磁石３０との間の斥力は消失するように構成されている。

以上詳述した本実施形態に係る熱交換器１０の動作を図２（Ａ），（Ｂ）に基づいて説明する。

図２（Ａ）に示すように、電磁石４０のコイル４２に電流を印加し、電磁石４０と永久磁石３０とを同極にすると、これら電磁石４０と永久磁石３０との間に、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２から離間させる方向の斥力が作用する。ピストン２０が低温側熱交換壁部１２から離間すると、外側断熱室２２から主断熱室１６に断熱流体が流れ込むことで、ピストン２０と低温側熱交換壁部１２との間の主断熱室１６に断熱流体による断熱層が形成される。これにより、ピストン２０及び、ロッド２５による高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との接続は遮断され、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換が停止されるようになる。

一方、図２（Ａ）に示す状態から、コイル４２への電流の印加を停止し、電磁石４０と永久磁石３０との間の斥力を消失させると、ピストン２０は圧縮スプリング２３の付勢力により低温側熱交換壁部１２に向けて移動を開始する。図２（Ｂ）に示すように、ピストン２０の移動に伴い、断熱流体が主断熱室１６から外側断熱室２２に排出されると、ピストン２０は低温側熱交換壁部１２に当接する。これにより、高温側熱交換壁部１１の熱がロッド２５及び、ピストン２０を経由して低温側熱交換壁部１２に伝達されるようになり、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換が実行されるようになる。

すなわち、電磁石４０のコイル４２に電流を印加するのみで、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との接続を遮断し、電磁石４０のコイル４２への電流を停止するのみで、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２とを接続できるように構成されている。これにより、簡素な構成で、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換の実行又は停止を適宜に切り替えることが可能になる。

熱交換を実行するか否かは、高温側熱交換壁部１１及び低温側熱交換壁部１２の温度、或いは、これら熱交換壁部１１，１２に接触する流体又は物体の温度をそれぞれ取得する温度センサを設け、各温度センサのセンサ値に基づいて決定すればよい。具体的には、各温度センサで検出される温度の差が所定の閾値を超えた場合に、電磁石４０のコイル４２への電流を停止し、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２とを接続することにより、熱交換を実行すればよい。

［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図３に示すように、付勢室１５内に設けられるスプリングは、ピストン２０を高温側熱交換壁部１１側に引き寄せる引張スプリング２３Ａとして構成してもよい。

この場合、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間で熱交換を実行する際は、コイル４２に対して上記実施形態とは逆向きの電流を供給し、永久磁石３０と電磁石４０とを異極とし、これら永久磁石３０及び電磁石４０に磁力による吸引力を付与することにより、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２に当接させればよい。また、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を停止する際は、コイル４２への電流を停止して電磁石４０による吸引力を消失させ、引張スプリング２３Ａの引張力によりピストン２０を低温側熱交換壁部１２から離間させればよい。

また、図１及び、図３に示す各実施形態において、電磁石４０を高温側熱交換壁部１１に設けて構成してもよい。

具体的には、電磁石４０を高温側熱交換壁部１１に設ける構成において、付勢室１５内に設けられるスプリングを圧縮スプリング２３とする場合、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を停止する際は、永久磁石３０と電磁石４０とを異極とし、これら永久磁石３０及び電磁石４０に磁力による吸引力を付与することにより、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２から離間させればよい。一方、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を実行する際は、コイル４２への電流を停止して電磁石４０による吸引力を消失させ、圧縮スプリング２３の付勢力によりピストン２０を低温側熱交換壁部１２に当接させればよい。

また、電磁石４０を高温側熱交換壁部１１に設ける構成において、付勢室１５内に設けられるスプリングを引張スプリング２３Ａとする場合、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を実行する際は、永久磁石３０と電磁石４０とを同極とし、これら永久磁石３０及び電磁石４０に磁力による斥力を付与することにより、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２に当接させればよい。一方、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を停止する際は、コイル４２への電流を停止して電磁石４０による斥力を消失させ、引張スプリング２３Ａの引張力によりピストン２０を低温側熱交換壁部１２から離間させればよい。

また、上記各実施形態において、付勢室１５内の圧縮スプリング２３や引張スプリング２３Ａを廃止して構成してもよい。

具体的には、電磁石４０を低温側熱交換壁部１２に設ける構成において、スプリング２３，２３Ａを廃止する場合、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を実行する際は、永久磁石３０と電磁石４０とを異極とし、これら永久磁石３０及び電磁石４０に磁力による吸引力を付与することにより、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２に当接させればよい。一方、係る構成において、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を停止する際は、永久磁石３０と電磁石４０とを同極とし、これら永久磁石３０及び電磁石４０に磁力による斥力を付与することにより、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２から離間させればよい。

また、電磁石４０を高温側熱交換壁部１１に設ける構成において、スプリング２３，２３Ａを廃止する場合、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を停止する際は、永久磁石３０と電磁石４０とを異極とし、これら永久磁石３０及び電磁石４０に磁力による吸引力を付与することにより、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２から離間させればよい。一方、係る構成において、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を実行する際は、永久磁石３０と電磁石４０とを同極とし、これら永久磁石３０及び電磁石４０に磁力による斥力を付与することにより、ピストン２０を低温側熱交換壁部１２に当接させればよい。

また、図４に示すように、熱交換器１０を小型とし、複数の熱交換器１０を並べて配置するように構成してもよい。このように構成すれば、湾曲する面（図中の破線参照）等に沿って複数の熱交換器１０を効果的に配置することが可能になる。

また、図５に示すように、電磁石４０は、高温側熱交換壁部１１から突出するロッド２５に設けられる磁性体の可動子４５と、可動子４５を囲む励磁コイル４６とを備えてもよい。高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換を停止させる場合には、励磁コイル４６を通電し、励磁コイル４６に生じる磁力によって可動子４５を吸引することにより、ピストン２０を圧縮スプリング２３の付勢力に抗して低温側熱交換壁部１２から離間させればよい。

１０ 熱交換器
１１ 高温側熱交換壁部（第１熱交換壁部）
１２ 低温側熱交換壁部（第２熱交換壁部）
１３ 断熱壁部（側壁部）
１５ 付勢室（第1空間室）
１６ 主断熱室（第２空間室）
２０ ピストン
２１ カバー部材
２２ 外側断熱室（第３空間室）
２３ 圧縮スプリング
２３Ａ 引張スプリング
２５ ロッド
３０ 永久磁石
４０ 電磁石

Claims (8)

1. 熱伝導性を有する第１熱交換壁部と、
   熱伝導性を有すると共に、前記第１熱交換壁部と所定間隔をおいて対向する第２熱交換壁部と、
   前記第１熱交換壁部及び、前記第２熱交換壁部よりも熱伝達率が低い部材で筒状に形成されると共に、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部との間の対向空間に配されており、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部とにより密閉空間を区画する側壁部と、
   熱伝導性を有すると共に、前記密閉空間内に、前記側壁部の筒軸方向に往復移動自在に収容されており、前記密閉空間を前記第１熱交換壁部側の第１空間室と前記第２熱交換壁部側の第２空間室とに区画するピストンと、
   熱伝導性を有すると共に、一端側を前記ピストンに固定されており、他端側を前記第１熱交換壁部に形成された貫通孔に進退自在に挿入支持されたロッドと、
   前記第２空間室内に流入又は、前記第２空間室内から排出される断熱流体と、
   前記ピストン又は前記ロッドに一体移動可能に設けられた永久磁石と、
   前記第１熱交換壁部又は前記第２熱交換壁部の何れか一方に設けられており、前記永久磁石に磁力による吸引力又は斥力を付与することにより、前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接又は前記第２熱交換壁部から離間させる電磁石と、を備える
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記電磁石は、前記第２熱交換壁部に設けられており、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部との間で熱交換を実行する場合には、前記吸引力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる一方、前記熱交換を停止する場合には、前記吸引力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させることにより、前記第２空間室内に前記断熱流体を流入させる
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第２熱交換壁部側に付勢する圧縮スプリングをさらに備え、
   前記熱交換を実行する場合には、前記電磁石が前記吸引力を付与することなく、前記圧縮スプリングの付勢力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる
   請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第１熱交換壁部側に引き寄せる引張スプリングをさらに備え、
   前記熱交換を停止する場合には、前記電磁石が前記斥力を付与することなく、前記引張スプリングの引張力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させる
   請求項２に記載の熱交換器。
5. 前記電磁石は、前記第１熱交換壁部に設けられており、前記第１熱交換壁部と前記第２熱交換壁部との間で熱交換を実行する場合には、前記斥力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる一方、前記熱交換を停止する場合には、前記吸引力を付与して前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させることにより、前記第２空間室内に前記断熱流体を流入させる
   請求項１に記載の熱交換器。
6. 前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第２熱交換壁部側に付勢する圧縮スプリングをさらに備え、
   前記熱交換を実行する場合には、前記電磁石が前記斥力を付与することなく、前記圧縮スプリングの付勢力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる
   請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１空間室内に設けられており、前記ピストンを前記第１熱交換壁部側に引き寄せる引張スプリングをさらに備え、
   前記熱交換を停止する場合には、前記電磁石が前記吸引力を付与することなく、前記引張スプリングの引張力により前記ピストンを前記第２熱交換壁部から離間させる
   請求項５に記載の熱交換器。
8. 前記側壁部の外周を所定の空間を隔てて覆う筒状に形成されると共に、その内周と前記側壁部の外周との間に前記第２空間室と連通する第３空間室を区画するカバー部材をさらに備える
   請求項１から７の何れか一項に記載の熱交換器。

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