JP3563679B2

JP3563679B2 - スターリング冷凍機用熱交換器及び熱交換器体

Info

Publication number: JP3563679B2
Application number: JP2000265231A
Authority: JP
Inventors: 仁史望月
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP2002081774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング冷凍機に備えられる吸熱器や放熱器などの熱交換器体とその熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、スターリング機関を利用したフリーピストン型スターリング冷凍機の一般的な構成について説明する。図９は該フリーピストン型スターリング冷凍機の側面断面を概略的に示した図である。シリンダ１内には低温部となる吸熱器２、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及び放熱器４はいずれも管状の本体２１，４１の一端側の内周面に熱交換器２２，４２を取り付けて成る熱交換器体であり、各熱交換器２２，４２はシリンダ１内で再生器３に隣接している。
【０００３】
上記シリンダ１内にはディスプレーサロッド５の一端に固着したディスプレーサ６と該ディスプレーサロッド５が貫通したピストン７が配設されている。また、該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内ではこれらディスプレーサ６とピストン７によって、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が形成されている。これら膨張空間９と圧縮空間１０とは再生器３によって連通して閉回路を構成している。
【０００４】
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にて往復運動する。また、圧縮空間１０には予めヘリウムなどの作動ガスが封入されている。
【０００５】
該ピストン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にて外部の空気と熱交換されて熱を放出し、再生器３を通ることで該再生器３に予め蓄えられていた冷熱を受け取って予冷される。
【０００６】
作動ガスが膨張空間９に流入するとディスプレーサ６はスプリング８に抗して押し下げられるので、作動ガスは膨張し冷熱が生じる。そして、ある程度作動ガスが膨張すると、スプリング８の復帰力によりディスプレーサ６は反対方向に押し上げられる。
【０００７】
これによって、膨張空間９内の作動ガスは吸熱器２の熱交換器２２を介して再生器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にて外部の空気と熱交換されて熱を吸収し、再生器３を通ることで該再生器３に蓄えられていた熱を受け取って余熱される。そして、圧縮空間１０に戻った作動ガスは再びピストン７の圧縮を受ける。
【０００８】
このような一連の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取り出される。ここでは、吸熱器２の熱交換器２２での吸熱量と放熱器４の熱交換器４２での放熱量とは大きい方が好ましい。なぜならば、作動ガスに対する再生器３の予冷及び予熱の効率が向上するので、再生器３にかかる負担を軽減でき、ひいてはスターリング冷凍機の冷凍性能の向上が達成できるからである。
【０００９】
次に、上述したスターリング冷凍機の高温側熱交換器体である放熱器４について図１０を参照して説明する。尚、ここでは放熱器４とその熱交換器４２についてのみ述べるが、低温側熱交換器体である吸熱器２とその熱交換器２２も同様の構成である。
【００１０】
図に示すように、この熱交換器４２はコルゲート加工した薄板を円筒状に成形したコルゲートフィン４２１である。その側面は軸方向に沿って直線状に延びるＶ字型の溝４２１ａが多数、等間隔に形成されており、ぎざぎざ状となっている。
【００１１】
ここでは、放熱器４の本体４１の中心側に突出している部分を各溝４２１ａの底部４２１ｂとし、本体４１の内周面の側に突出している部分を隣合う溝４２１ａによって形成された頂部４２１ｃとする。各頂部４２１ｃを滑らかに結んでできる円の直径（コルゲートフィン４２１の外径）と本体４１の内径とはほぼ等しく、本体４１とコルゲートフィン４２１とは互いの軸が同心となるように配されている。
【００１２】
この本体４１の内周面とコルゲートフィン４２１の頂部４２１ｃとは接着剤又ははんだによって強固に固定されている。図１１はコルゲートフィン４２１を軸方向から見た要部拡大図であり、接着剤にて固定した状態を示している。この場合、先ず本体４１の内周面に接着剤１１を薄く塗り広げておき、そこにコルゲートフィン４２１を挿入する。そして、所定の位置にコルゲートフィン４２１をしばらく保持した状態で接着剤１１を乾燥させる。
【００１３】
また、図１２ははんだにて固定した状態を示している。はんだ付けの場合は、先ずコルゲートフィン４２１を本体４１内に挿入する。そして、コルゲートフィン４２１を所定の位置に保持した状態で、本体４１の内周面とコルゲートフィン４２１の頂部４２１ｃとが接触もしくは近接する部分にはんだ１２を施す。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の熱交換器体では接着又ははんだ付けによる固定の工程が手作業で行われていた。故に、この工程は非常に手間と時間がかかるので、生産性が悪く製造コストの削減が困難であった。また、製品の品質、即ち熱交換性能にばらつきが生じやすく、製品の安定性や信頼性に欠けていた。
【００１５】
さらに、スターリング冷凍機を長期間使用するのに伴ってコルゲートフィン４２１が損傷した場合、これを取り外して交換することはできなかった。従って、修理時における使用者の経済的負担や、地球環境に配慮した資源の再生利用いわゆるリサイクルという点で問題があった。
【００１６】
本発明は上記課題をかんがみて成されたものであり、コルゲートフィンを固定する作業が簡略化されると共にメンテナンスに有効な構成であって、熱交換効率がより向上したスターリング冷凍機用熱交換器とその熱交換器体を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のスターリング冷凍機用熱交換器は、コルゲート加工により多数の溝が形成された薄板を各溝が軸方向と平行になるように円筒状に成形したコルゲートフィンと、該コルゲートフィンの内周に接する第１リング状部材とを一体化して成るものである。コルゲートフィンと第１リング状部材とが一体化することで、その接触面積は増大し良好な熱伝導性を示す。その一体化には接着手段、例えばロウ付けやはんだ付けを施すとよい。
【００１８】
また、本発明の他のスターリング機関用熱交換器は、コルゲート加工により多数の溝が形成された薄板を各溝が軸方向と平行になるように円筒状に成形したコルゲートフィンと、該コルゲートフィンの外周に接する第２リング状部材とを一体化したものである。これらコルゲートフィンと第２リング状部材とが一体化されていると、その接触面積は増大し良好な熱伝導性を示す。その一体化には接着手段、例えばロウ付けやはんだ付けを施すとよい。
【００１９】
上述したいずれの熱交換器もその外径が熱交換器体の本体の内径よりも僅かに大きいと、熱交換器を径方向に縮ませながら前記本体の中空に挿入しなければならない。故に、熱交換器は本体内に圧接した状態で位置固定される。
【００２０】
また、本発明の熱交換器体は上述した熱交換器を本体の内周面に取り付けて成るものであって、該本体の少なくとも一端には軸方向に沿って端側にいくほど内径が大きくようにテーパーが形成されており、本体の端側の内径は熱交換器の外径よりも大きい。従って、本体の端部では熱交換器を簡単に挿入できる。そして、本体の内径が小さくなるに従って徐々に力を大きくしながら熱交換器を挿入していくとよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。尚、図１０〜１２に示す従来技術と同じ名称の部材には同一の符号を付している。また、各実施形態では放熱器４とその熱交換器４２についてのみ説明するが、その構成や部材の材料の選択、設計変更などについては吸熱器２とその熱交換器２２にも適用できる。従って、特に断らない限り、説明で放熱器４及び熱交換器４２を吸熱器２及び熱交換器２２に読み変えてもよいのはもちろんである。
【００２２】
先ず、第１実施形態について説明する。図１は本実施形態の熱交換器体である放熱器４の外観斜視図である。また、図２は該放熱器４に内蔵された熱交換器４２を示しており、（ａ）は外観斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。この熱交換器４２はコルゲートフィン４２１と第１リング状部材４２２とから成る。
【００２３】
該コルゲートフィン４２１は図１０に示す従来技術と同じ構成であって、コルゲート加工した薄板を各溝４２１ａが軸方向と平行になるように円筒状に成形して成るものである。また、第１リング状部材４２２は良好な熱伝導性を有する材料から成る筒体である。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、コルゲートフィン４２１の内周には第１リング状部材４２２が、互いの軸が同心となるように接している。ここでは、コルゲートフィン４２１の各底部４２１ｂを滑らかに結んでできる円の直径（コルゲートフィン
４２１の内径）と、第１リング状部材４２２の外径とはほぼ等しい。
【００２５】
これらコルゲートフィン４２１と第１リング状部材４２２とは、円環状のロウ材１３にて接合される。即ち、コルゲートフィン４２１と第１リング状部材４２２が接する部分に該ロウ材１３を置いて加熱すると、溶解したロウ材１３はコルゲートフィン４２１の底部４２１ｂに沿って流下する。
【００２６】
これによって、図３に示すように、ロウ材１３はコルゲートフィン４２１と第１リング状部材４２２とが接する部分にほぼ一様に行き渡る。そして、ロウ材１３が硬化することでコルゲートフィン４２１と第１リング状部材４２２とは接合一体化される。尚、ここではロウ付けについて説明したが、このほかはんだ付けなどが施されてもよい。
【００２７】
上述した熱交換器４２は図１に示す本体４１に互いの軸が同心となるように挿入されて放熱器４となる。熱交換器４２を本体４１に挿入するための構成は次の通りである。即ち、本体４１及び熱交換器４２の断面概略図である図４に示すように、本体４１の両端には軸方向に沿って端側にいくほど壁厚が薄くなるようにテーパーが形成されている（テーパー部４１ａ）。
【００２８】
そして、熱交換器４２の外径（コルゲートフィン４２１の外径）Ｒ１（＝φＢ）は、本体４１の両端面での最大の内径Ｒ２（＝φＢ＋α_１）よりも僅かに小さく、またテーパー部４１ａよりも軸方向に内側での内径Ｒ３（＝φＢ−α_２）よりも僅かに大きく構成されている。
【００２９】
従って、この熱交換器４２を本体４１の端部から挿入していくと、最初は小さい力で簡単に熱交換器４２を挿入できる。そして、本体４１の内径は徐々に小さくなり最終的には熱交換器４２の外径Ｒ１よりも小さくなるので、徐々に大きな力を加えながら熱交換器４２を挿入していく。このようにすると、熱交換器４２を本体４１に簡単に挿入できる。
【００３０】
ここでは、コルゲートフィン４２１の各底部４２１ｂが第１リング状部材４２２に固定されていることから、その外径Ｒ１よりも小さい内径Ｒ３の本体４１に収納されたコルゲートフィン４２１は各溝４２１ａが押し広げられた状態となり、径方向外側に弾性力が生じる。
【００３１】
そして、該コルゲートフィン４２１は外径Ｒ１及び各溝４２１ａの深さは軸方向に一定であることから、前記弾性力によって熱交換器４２は本体４１の内周面に均一に圧接され位置固定される。このとき、コルゲートフィン４２１と第１リング状部材４２２とは強固に固定されていて変形しない。
【００３２】
上述したように、本実施形態では接着剤やはんだを用いなくても熱交換器４２を本体４１内の適切な位置に固定できるので、工程が簡素化され製造コストの削減を達成できる。また、熱交換器体の熱交換性能が安定する。
【００３３】
また、コルゲートフィン４２１が損傷した場合には本体４１から該熱交換器４２を引き抜いて取り出すこともできる。従って、必要に応じて容易に交換することができるので、修理時における使用者の経済的負担やリサイクルの問題を解消できる。
【００３４】
さらに、本実施形態で用いられる熱交換器４２はコルゲートフィン４２１と第１リング状部材４２２をロウやはんだなどにて一体化していることから、別個に構成されているよりも良好な熱伝導性を示す。従って、熱交換効率が向上する。
【００３５】
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。図５は本実施形態の熱交換器体である放熱器４の外観斜視図である。また、図６は該放熱器４に内蔵された熱交換器４２’を示しており、（ａ）は外観斜視図であり、（ｂ）は分解斜視図である。
【００３６】
この熱交換器４２’はコルゲートフィン４２１と第２リング状部材４２２’とから成る。該コルゲートフィン４２１は図１０に示す従来技術と同じ構成である。また、第２リング状部材４２２’は良好な熱伝導性及び弾性を有する材料から成る筒体である。
【００３７】
図６（ａ）に示すように、コルゲートフィン４２１の外周には第２リング状部材４２２’が、互いに軸が同心となるように接している。ここでは、コルゲートフィン４２１の外径と第２リング状部材４２２’の内径とはほぼ等しい。また、コルゲートフィン４２１と第２リング状部材４２２’と、第１実施形態のコルゲートフィン４２１及び第１リング状部材４２２と同様に、ロウ材１３やはんだなどにて接合、固定されている。
【００３８】
上述した熱交換器４２’は図５に示す本体４１に互いの軸が同心となるように挿入されて放熱器４となる。熱交換器４２’を本体４１に挿入するための構成は次の通りである。即ち、本体４１及び熱交換器４２’の断面概略図である図７に示すように、本体４１の両端には第１実施形態と同様にテーパーが形成されている（テーパー部４１ａ）。
【００３９】
そして、熱交換器４２’の外径（第２リング状部材４２２’の外径）Ｒ１’（＝φＢ’）は本体４１の両端面での最大の内径Ｒ２’（＝φＢ’＋α_１’）よりも僅かに小さく、またテーパー部４１ａよりも軸方向に内側での内径Ｒ３’（＝φＢ’−α_２’）よりも僅かに大きく構成されている。
【００４０】
従って、第１実施形態と同様に、該熱交換器４２’はテーパー部４１ａによって簡単に本体４１に挿入することができる。また、本体４１内に収納された熱交換器４２’は、コルゲートフィン４２１及び第２リング状部材４２２’に生じる弾性力によって本体４１の内周面に圧接され位置固定される。このとき、コルゲートフィン４２１と第２リング状部材４２２’とは強固に固定されていて変形しない。
【００４１】
上述したように、本実施形態も接着剤やはんだを用いずに熱交換器４２’を本体４１内に適切な位置に固定できる上、本体４１と熱交換器４２’とは固着していないので自在に取り出すことができる。また、コルゲートフィン４２１と第２リング状部材４２２’とは一体化されていることからいっそう良好な熱伝導性を示す。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の熱交換器は本体との手作業による接着を必要としないので、熱交換器体の生産性が向上し製造コストの削減を達成できる。また、得られた熱交換器体は品質のばらつきが少なく、安定した熱交換性能を有する。
【００４３】
また、熱交換器はコルゲートフィンと第１又は第２リング状部材とを一体化することで熱伝導性が良好となり、熱交換効率が向上する。
【００４４】
また、熱交換器体の本体に熱交換器を圧接させて位置固定するので、該熱交換器は本体より引き抜いて取り出すことができる。従って、コルゲートフィンが損傷を受けて熱交換器の品質が低下しても、必要に応じてコルゲートフィンを容易に交換することができるため、非常に経済的であり、リサイクルにも適している。
【００４５】
特に、熱交換器体の本体の端部にテーパーを形成した構成であると、熱交換器の外径が本体の内径よりも大きくてもスムーズに挿入することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態の熱交換器体である放熱器の外観斜視図である。
【図２】上記第１実施形態の熱交換器を示しており、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。
【図３】上記第１実施形態の熱交換器を軸方向から見た要部拡大図である。
【図４】上記第１実施形態の本体及び熱交換器の断面概略図である。
【図５】本発明に係る第２実施形態の熱交換器体である放熱器の外観斜視図である。
【図６】上記第２実施形態の熱交換器を示しており、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。
【図７】上記第２実施形態の熱交換器を軸方向から見た要部拡大図である。
【図８】上記第２実施形態の本体及び熱交換器の断面概略図である。
【図９】一般的な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。
【図１０】従来の熱交換器体である放熱器の外観斜視図である。
【図１１】従来の熱交換器の一例を示す要部拡大図である。
【図１２】従来の熱交換器の他の一例を示す要部拡大図である。
【符号の説明】
４放熱器
４１本体
４１ａテーパー部
４２熱交換器
４２１コルゲートフィン
４２１ａ溝
４２２第１リング状部材
４２２’ 第２リング状部材

Claims

スターリング冷凍機用熱交換器体の管状の本体の中空に挿入される熱交換器において、
コルゲート加工により多数の溝が形成された薄板を前記溝が軸方向と平行になるように円筒状に成形したコルゲートフィンと、該コルゲートフィンの内周に接する第１リング状部材とが一体化して成ることを特徴とするスターリング冷凍機用熱交換器。
スターリング冷凍機用熱交換器体の管状の本体の中空に挿入される熱交換器において、
コルゲート加工により多数の溝が形成された薄板を前記溝が軸方向と平行になるように円筒状に成形したコルゲートフィンと、該コルゲートフィンの外周に接する第２リング状部材とが一体化して成ることを特徴とするスターリング冷凍機用熱交換器。
前記熱交換器の外径は前記スターリング冷凍機用熱交換器体の本体の内径よりも僅かに大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱交換器を前記本体の中空に挿入して成るものであって、前記本体の少なくとも一端には軸方向に沿って端側にいくほど内径が大きくなるようにテーパーが形成されており、前記本体の端側の内径は前記熱交換器の外径よりも大きいことを特徴とするスターリング冷凍機用熱交換器体。