JP2021038862A - 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を効果的に行う。【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、第１空間室１５内に設けられると共に、少なくともその一部を第１熱交換壁部１１に接触させており、第１熱交換壁部１１から伝達される熱により膨張することにより、ピストン２０を第２熱交換壁部１２に当接させる感温膨張部材３０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の間で熱交換を行わせるには、ループ管内の気体をブロワーで圧送する必要がある。このため、ループ管及び、ブロワーが必須となり、装置全体の大型化やコストの上昇を招く可能性がある。

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を効果的に行う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、前記第１空間室内に設けられると共に、少なくともその一部を前記第１熱交換壁部又は、前記ピストン又は、前記ロッドの何れかに接触させており、伝達される熱により膨張することにより前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる感温膨張部材と、を備えることを特徴とする。

また、前記ピストン又は前記ロッドを前記第１熱交換壁部に向けて付勢する付勢部材をさらに備えることが好ましい。

また、前記感温膨張部材は、熱膨張型のワックスであってもよい。

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てもよい。

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を効果的に行うことができる。

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。 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、スプリング２３（付勢部材の一例）と、ロッド２５と、感温膨張部材３０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側の膨張室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。

スプリング２３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であって、膨張室１５内に設けられている。後述する感温膨張部材３０が温度低下に伴い収縮すると、ピストン２０がスプリング２３の引張力により低温側熱交換壁部１２から離間されることで、高温側熱交換壁部１１と低温側熱交換壁部１２との間の熱交換が停止されるように構成されている。

なお、図示例において、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の周囲に複数のスプリング２３を周方向に配置するように構成してもよい。また、スプリング２３は、ピストン２０又は、ロッド２５を高温側熱交換壁部１１側に引き寄せることが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。

感温膨張部材３０は、例えば、熱膨張型のワックス又は発泡ゴム等であって、少なくともその一部を高温側熱交換壁部１１に接触させた状態で膨張室１５内に収容されている。本実施形態において、感温膨張部材３０は、高温側熱交換壁部１１やピストン２０、断熱壁部１３等、周囲の他の構成よりも熱膨張係数を大きく設定されている。感温膨張部材３０は、略筒状に形成されており、その筒内にスプリング２３及びロッド２５を挿通させる。高温側熱交換壁部１１側から感温膨張部材３０に熱が伝達され、これに伴い感温膨張部材３０が膨張すると、ピストン２０が低温側熱交換壁部１２に向けて押されて、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構成されている。

なお、図示例において、感温膨張部材３０はスプリング２３を囲う筒状に形成されているが、スプリング２３の周囲に複数の感温膨張部材３０を配置するように構成してもよい。また、感温膨張部材３０は、高温側熱交換壁部１１に接触するものとして説明したが、高温側熱交換壁部１１から熱が伝達される部位であれば、ロッド２５やピストン２０に接触してもよい。

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、高温側熱交換壁部１１の温度が低い時は、感温膨張部材３０は収縮した状態となる。この場合、ピストン２０は、スプリング２３の引張力により高温側熱交換壁部１１側に引き寄せられ、低温側熱交換壁部１２から離間する。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、高温側熱交換壁部１１の温度が上昇し、感温膨張部材３０に熱が伝達されると、感温膨張部材３０が熱膨張し、これに伴いピストン２０は低温側熱交換壁部１２に向けて押圧される。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、高温側熱交換壁部１１から伝達される熱により感温膨張部材３０を膨張させるのみで、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、温度低下に伴い感温膨張部材３０を収縮させるのみで、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との間の熱交換を効果的に行うことが可能となる。また、従来技術のようなループ管やブロワー等が不要なため、装置全体の小型化を図ることもでき、さらには、コストの上昇も抑えることができる。

［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、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４に示すように、感温膨張部材３０を直接的に加熱するヒータ４０を設けて構成してもよい。このように構成すれば、高温側熱交換壁部１１から伝達される熱で感温膨張部材３０が膨張するよりも前に、ヒータ４０で感温膨張部材３０を加熱することにより、低温側熱交換壁部１２と高温側熱交換壁部１１との間の熱交換を適宜に実行することが可能になる。

また、上記実施形態において、スプリング２３は必須ではなく、スプリング２３を省略することも可能である。この場合、ピストン２０を感温膨張部材３０に固定し、感温膨張部材３０の温度低下による収縮に伴い、ピストン２０を高温側熱交換壁部１１側に追従移動できるように構成すればよい。

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 膨張室（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 スプリング（付勢部材）
２５ ロッド
３０ 感温膨張部材

Claims (4)

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、
   前記第１空間室内に設けられると共に、少なくともその一部を前記第１熱交換壁部又は、前記ピストン又は、前記ロッドの何れかに接触させており、伝達される熱により膨張することにより前記ピストンを前記第２熱交換壁部に当接させる感温膨張部材と、を備える
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記ピストン又は前記ロッドを前記第１熱交換壁部に向けて付勢する付勢部材をさらに備える
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記感温膨張部材は、熱膨張型のワックスである
   請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 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３の何れか一項に記載の熱交換器。

Images