JP3634650B2

JP3634650B2 - Cylinder block for heat engine

Info

Publication number: JP3634650B2
Application number: JP36536498A
Authority: JP
Inventors: 弘志関谷; 栄寿福田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: JP2000186618A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品流通、環境試験、医療、バイオ産業、半導体製造等の産業用、あるいは家庭用機器等のあるゆる産業分野の冷凍、冷却に使用できるスターリング冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題におけるフロン代替の冷凍装置として、又従来の冷却装置より使用温度が広範囲で、従って、冷凍庫、冷蔵庫、投げ込み式クーラー等の業務用又は家庭用の冷熱利用機器をはじめとして、低温液循環器、低温恒温器、恒温槽、ヒートショック試験装置、凍結乾燥機、温度特性試験装置、血液・細胞保存装置、コールドクーラ、その他各種の冷熱装置等のあらゆる産業分野の冷熱利用機器に適用可能な、コンパクトで、しかも成績係数が高く、エネルギー効率が良好となる冷凍機として、スターリング冷凍機が脚光を浴びている。
【０００３】
ところで、スターリング冷凍機では、作動ガスが圧縮室（高温室）と膨張室（低温室）との間を流動し、この流路に沿って配設された吸熱用熱交換器（低温側熱交換器）及び放熱用熱交換器（高温側熱交換器）により、夫々冷熱冷媒及び放熱用冷媒との熱交換が行なわれる。従来、熱交換器としては、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器やプレートフィン式熱交換器等がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スターリング冷凍機における熱交換器は、熱交換性能、信頼性を向上させるために、作動ガスの流れが部分的に阻害されるようなことなく均一に流れる流路や、厚肉が均一な精密に形成されたフィン等が要求され、さらに、低コスト化を実現するために熱交換器自体の加工性に優れ、しかもスターリング冷凍機の全体構造を簡単にする構成が要求される。
【０００５】
シェルアンドチューブ式熱交換器は組立に手間がかかり低コスト化では問題があり、プレートフィン式熱交換器も、同様にコスト面で問題があった。本発明は、上記問題を解決することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、上記頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００７】
そして、本発明は、上記課題を解決するために、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダを有するシリンダブロックであって、上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用のフィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、環状熱交換ハウジングは冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、上記環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により形成され、熱交換器本体は、ロストワックス鋳造により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００８】
さらに、本発明は、上記課題を解決するために、頂壁及び側壁を有する円筒状の頂部熱交換ハウジングと、該頂部熱交換ハウジング内に配設され、熱機関のピストン又はディスプレーサが摺動する内側シリンダとを有するシリンダブロックであって、上記頂部熱交換ハウジングの先端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記頂部熱交換ハウジングの基端側の内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガスの再生器用の流路を形成する環状の凹部が形成されており、上記内側シリンダの外側には、円筒状の環状熱交換ハウジングとその内側に挿入固定された熱交換器本体とから成る熱交換器が配設されており、上記熱交換器本体は、その外周面には、熱交換用のフィンが形成されており、その内周面には、上記内側シリンダの外周面とともに作動ガス用の流路を形成する軸方向の直線状の細溝が形成されており、上記環状熱交換ハウジングと上記熱交換器本体との間の空間が冷媒通路とされ、該冷媒通路が連通するように、上記環状熱交換ハウジングに冷媒入口及び冷媒出口が形成されており、上記頂部熱交換ハウジング及び上記熱交換器本体は、夫々ロストワックス鋳造により、又環状熱交換ハウジングは、ロストワックス鋳造又は鋳鉄により形成された構成であることを特徴とする熱機関用のシリンダブロックを提供する。
【０００９】
上記頂部熱交換ハウジングは、その先端側外周面に上記頂部熱交換ハウジングと一体に形成されたフィン、又は別体に形成され後付けされたフィンを有する。
【００１０】
上記熱機関が、スターリングサイクル機器、ヴィルミエサイクル機器又はクーク・ヤーボロフサイクル機器等である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して以下に説明する。図１〜図５は、本発明に係る熱機関用シリンダブロックの実施例を説明する図であり、図１は、本発明に係る熱機関用シリンダブロックが適用される熱機関の一例であるスターリング冷凍機１を説明する全体図である。スターリング冷凍機１のハウジング２は、鋳物で形成され、その内部は半密閉状態に保持される。このハウジング２内は、区画壁３によってモータ室４とクランク室５とに区画されている。
【００１２】
このモータ室４には正逆回転可能なモータ６が配設されており、又クランク室５には、モータ６の回転動作を往復動に変換するクランクシャフト７と、コンロッド８と、クロスガイドヘッド９が配設され、スターリング冷凍機１の駆動手段として機能している。
【００１３】
クランクシャフト７の二つのクランク部１０、１１は、モータ６の正転時にクランク部１１がクランク部１０より先行して移動するように、位相差を付けて形成されている。この位相差は、一般的には約９０度の位相差が採用される。
【００１４】
クランク室５の上部には、圧縮シリンダ１２と、圧縮シリンダ１２の若干上方に伸びて位置した膨張シリンダ１３とが配設されている。圧縮シリンダ１２と膨張シリンダ１３、並びにハウジング２内には、作動ガスとして、例えば、ヘリウム、水素、窒素等が封入されている。圧縮シリンダ１２は、ハウジング２にボルト等によって固定される圧縮シリンダブロック１４を有し、この圧縮シリンダブロック１４の空間内を圧縮ピストン１５が往復する。この空間の上部（圧縮空間）が高温室１６であり、この中の作動ガスは圧縮されて高温となる。
【００１５】
圧縮ピストンロッド１７は、圧縮ピストン１５とクロスガイドヘッド９を連結し、圧縮シリンダ１２とクランク室５の間をオイルシール１９を通って伸びている。往復動する圧縮ピストン１５は上死点及び下死点で摺動方向が反転するため、速度がゼロになり、上死点及び下死点付近では速度が遅く単位時間当たりの容積の変化量も小さく、下死点から上死点及び上死点から下死点に向かって移動するときの夫々の中間点で最高速度になり、単位時間当たりの圧縮ピストン１５の移動による容積の変化量も最大となる。
【００１６】
一方、膨張シリンダ１３は、ハウジング２にボルト等によって固定される膨張シリンダブロック２０を有し、この膨張シリンダブロック２０の空間内を膨張ピストン２１が往復摺動して、この空間の上部（膨張空間）が低温室２２であり、この中の作動ガスが膨張し低温となる。膨張ピストンロッド２３は、膨張ピストン２１とクロスガイドヘッド１８とを連結し、膨張シリンダ１３とクランク室５との間をオイルシール２５を通って伸びている。膨張ピストン２１は、圧縮ピストン１５より９０度の位相だけ先行して移動する。
【００１７】
膨張シリンダブロック２０には、圧縮シリンダ１２の圧縮空間に作動ガスが流入流出するマニホールド２６が連通するように設けられており、さらに放熱用熱交換器（高温側熱交換器）２７、再生器２８及び冷却用熱交換器（低温側熱交換器）２９が互いに順次連通して環状に配設されている。
【００１８】
圧縮シリンダブロック１４の上端部近くには、高温室１６とマニホールド２６を連通する連通孔３０が形成されており、これにより、高温室１６と低温室２２は、連通孔３０、マニホールド２６、放熱用熱交換器２７、再生器２８及び冷却用熱交換器２９を介して互いに順次連通するように構成されている。
【００１９】
本発明に係る熱機関用シリンダブロックを、その一例として、上記膨張シリンダブロック２０により、図２〜図５により詳細に説明する。図２において、膨張シリンダブロック２０は、内側シリンダ３１と、内側シリンダ３１の下部外側に同心的に配設された、放熱用熱交換器２７及びその上に配設された低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）３２とから構成される。内側シリンダ３１は、膨張ピストン２１の往復するシリンダ空間を形成しており、上部３３及び下部３４がＯリング２４を介して組み合わされて構成さるれか、又は一体に製造してもよい。
【００２０】
図３（ａ）は低温側熱交換ハウジング３２を示しており、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ切断平面であり、図３（ｃ）は要部拡大図である。図２及び図３において、低温側熱交換ハウジング３２は、円筒状をしており、頂壁３５、側壁３６及び下端フランジ部３７とから構成される。側壁３６の先端側（図中上側）外周面にはフィン３８及び中間フランジ３８’が形成されている。頂壁３５は、フランジ頂壁部３５’と中央頂壁部３５”とから構成され、中央頂壁部３５”は、図２中のＷで示すように、側壁３６の頂端内面に溶着されて一体化される。又、頂壁３５は、側壁３６とともに後記するロストワックス鋳造によって一体に形成してもよい。
【００２１】
側壁３６の先端側内周面には、内側シリンダ３１の外面と密着するとともに、長軸方向の細溝３９が円周方向に間隔をおいて多数本形成されている。細溝３９と内側シリンダ３１の外面とにより作動ガスの流路が形成される。このようにして低温側熱交換ハウジング３２の頂部（コールドヘッド４０）は、冷却用熱交換器（低温側熱交換器）２９を形成している。このコールドヘッド４０は、空気、水、アルコールその他の冷熱冷媒と接触して、冷熱冷媒の冷却を行う。
【００２２】
低温側熱交換ハウジング３２の中央部の内周面には環状の凹部４１が形成され、内側シリンダ３１とともに環状空間４２を形成し、その内部に金属メッシュ等の再生器材料が充填され再生器２８が形成されている。低温側熱交換ハウジング３２の下端のフランジ部３７は放熱用熱交換器２７の上端のフランジ部４３に載置される。
【００２３】
本発明の低温側熱交換ハウジング３２は、ＳＵＳ系等の材料によりロストワックス法により鋳造される。即ち、本発明の低温側熱交換ハウジング３２は、外周面に冷却フィン３８が、内周面に作動ガスの流路用の細溝３９が形成されるように、ロストワックス鋳造により一体に製作されたものである構成を特徴とする。
【００２４】
このようにロストワックッス鋳造で製作された低温側熱交換ハウジング３２は、その外面に形成される冷却フィン３８が細かい襞状に精密に鋳造されるから、きわめて放熱性能に優れており、又内面に形成される軸方向の細溝３９も精密に鋳造されるから、作動ガスの流れを部分的に阻害することなく均一に流れるようにすることができ、冷凍性能を向上させる。
【００２５】
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ切断平面であり、図４（ｃ）は要部の拡大図である。図２及び図４において、放熱用熱交換器２７は、図２及び図４に示されるようなアニュラータイプの熱交換器であり、この放熱用熱交換器２７は、高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）４４とその中に同心的に挿入された熱交換器本体４５とを有し、高温側熱交換ハウジング４４と熱交換器本体４５の間に冷却水等の熱交換媒体用の流路４６が形成され、上下端はシール４７に封止されている。この流路４６に連通するように、流入口４８及び流出口４９が形成されている。
【００２６】
この流路４６に面して熱交換器本体４５の外周壁に多数の放熱フィン５０が形成されており、熱交換器本体４５の内周壁面には、軸方向に沿って細溝５１が多数円周方向に一定間隔をおいて形成され、内側シリンダ３１との間でヘリウム等の熱交換流体の流路を構成している。
【００２７】
図１において、放熱用熱交換器２７は冷却水循環管路５２及び冷却水用ポンプＰ１を介して放熱器（ラジエータ）５３と接続しており、冷却水を循環している。放熱用熱交換器２７で熱交換され加熱された冷却水は放熱器５３の冷却ファン５４より冷却される。冷却水循環管路５２は、リザーババルブ５５を介して、リザーバタンク５６が接続されている。又、放熱器５３には、エアー抜き５７が接続されていると共に、ドレーンバルブ５８が接続されている。
【００２８】
本発明の放熱用熱交換器２７の熱交換器本体４５は、ＳＵＳ、銅、アルミニウム、又はその他の材料により、ロストワックス法により鋳造されており、熱交換器本体４５の外面に形成される放熱フィン５０は細かい襞状に精密に鋳造されるのできわめて放熱性能に優れている。又、内面に形成される軸方向の細溝５１も精密に一体的に鋳造されるので作動ガスの流れを部分的に阻害することなく均一に流れることができ、冷凍性能を向上させる。高温側熱交換ハウジング４４は、上記のようにロストワックス鋳造で形成してもよいし、通常の鋳鉄により製作してもよい。
【００２９】
図５は、本発明に係る膨張シリンダブロック２０の低温側熱交換ハウジングの変形例を説明する図である。図５（ａ）は、第１の変形例である低温側熱交換ハウジング３２’を示し、この低温側熱交換ハウジング３２’は、その外周面にフィンやフランジがロストワックス鋳造により一体に形成されていないものである。この第１の変形例では、フィン等が付設されない状態（図５（ａ）の状態。）で使用され、その周面に接する空気などの冷媒と熱交換が行われるか、あるいは、その外周面に熱交換される冷媒等を流す熱交換用チューブを巻き付けて（図示せず。）使用されたり、その周面に後付けで外部フィン及びフランジを形成して使用されたりする。
【００３０】
この後付けで外部フィン及びフランジを形成したものを第２の変形例として図５（ｂ）において示す。第２の変形例である低温側熱交換ハウジング３２”は、その周面に、Ｃｕ、Ａｌ、ＳＵＳ等の材料で円環状に製造された外部フィン５９及びハウジングと同一材料のフランジ６０、６１を溶着等により取り付けて構成される。このような外部フィンは、螺旋状その他の形状でもよい。
【００３１】
次に、本発明の上記実施例のスターリング冷凍機の作用を説明する。モータ６によってクランクシャフト７が正方向に回転し、クランク室５内のクランク部１０、１１が９０度位相がずれて回転する。このクランク部１０、１１に回動自在に連結されたコンロッド８、８’を介して、クロスガイドヘッド９、１８が往復動する。クロスガイドヘッド９、１８の夫々に圧縮ピストンロッド１７及び膨張ピストンロッド２３を介して連結された圧縮ピストン１５及び膨張ピストン２１が、互いに９０度の位相差をもって往復動する。
【００３２】
膨張ピストン２１が９０度先行して上死点付近でゆっくりと移動中、圧縮ピストン１５は中間付近を上死点に向かって急速に移動して作動ガスの圧縮動作を行なう。圧縮された作動ガスは、連通孔３０及びマニホールド２６を通り放熱用熱交換器２７の細溝５１内に流入する。放熱用熱交換器２７内で冷却水に放熱した作動ガスは、再生器２８で冷却され、冷却用熱交換器２９の溝内を通って低温室２２（膨張空間）内に流入する。
【００３３】
圧縮ピストン１５が上死点近辺でゆっくりと移動している時に膨張ピストン２１は急激に下死点に向かって移動し低温室２２（膨張空間）に流入した作動ガスは急激に膨張し冷熱が発生する。これによりコールドヘッド４０は冷却され低温となる。
【００３４】
そして、コールドヘッド４０において、冷却フィン３８に接する冷熱冷媒を冷却する。膨張ピストン２１が下死点から上死点に移動するときには圧縮ピストン１５は中間位置から下死点に向かっており、作動ガスは低温室２２よりコールドヘッド４０の細溝３９を通り再生器２８に流入し作動ガスの有する冷熱を再生器２８に蓄熱する。再生器２８に蓄熱された冷熱は、上記のように高温室１６から放熱用熱交換器２７を通して送られてくる作動ガスを、再度冷却するために再利用される。
【００３５】
そして、コールドヘッド４０において冷却された冷熱冷媒は、各種の冷熱利用機器を冷却する。例えば、冷熱冷媒は、冷凍庫等の冷熱利用機器内の冷熱冷媒配管に送られ、冷熱利用機器内で冷凍あるいは冷却作用を行なう。コールドヘッド４０に循環して戻され、再度冷却される。
【００３６】
放熱用熱交換器２７で熱交換された冷却水は、冷却水循環管路５２から放熱器に流れ、そこで冷却ファンにより冷却され、再度放熱用熱交換器２７へと循環する。
【００３７】
なお、上記実施例では２ピストン型のスターリング冷凍機１を使用したが、ディスプレーサ型等他の形式のスターリング冷凍機１を使用してもよいことはいうまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
本発明のスターリング冷却装置によると、次のような効果を奏することができる。
（１）膨張シリンダーブロックを構成する頂部熱交換ハウジングに、その内面に作動ガス流路を一体に形成し、又はこの内面の作動ガス流路に加えて外面に冷熱冷媒冷却用のフィンを一体に形成することで、特にロストワックス鋳造により精密に形成することにより、加工性が改善され、スターリング冷凍機自体の構造が極めて簡単化し低価格化するとともに、溝内の作動ガスの流れが部分的に阻害されるようなことなく均一に流れ、均一な肉厚を有し、精密に形成されたフィンにより熱交換性能、信頼性が向上する。
【００３９】
（２）放熱熱交換器の環状熱交換ハウジング及び熱交換器本体も、夫々一体に形成したので、特にロストワックス鋳造により精密に形成することにより、加工性が改善され、低価格を実現し、溝内の作動ガスの流れが部分的に阻害されるようなことなく均一に流れるようにして、熱交換性能、信頼性が向上する。
【００４０】
（３）フロン以外の冷媒としてエチルアルコール、窒素、ヘリウム等の低融点の冷媒を作動ガスとして使用することにより、環境性のすぐれたフロン代替冷凍機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスターリング冷凍機を説明する全体図である。
【図２】本発明に係る熱機関用シリンダブロックの実施例として、膨張シリンダブロックを説明する図であり、その断面図である。
【図３】図２の膨張シリンダブロックの低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）を説明する断面図及び平面図である。
【図４】図２の膨張シリンダブロックの高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）を説明する断面図及び平面図である。
【図５】本発明の実施例である膨張シリンダブロックの低温側熱交換ハウジングの第１及び第２の変形例を説明する断面図である。
【符号の説明】
１スターリング冷凍機
２ハウジング
６モータ
１４圧縮シリンダブロック
１５圧縮ピストン
２０膨張シリンダブロック
２１膨張ピストン
２７放熱用熱交換器
２８再生器
２９冷却用熱交換器
３２、３２’、３２” 低温側熱交換ハウジング（頂部熱交換ハウジング）
３８冷却フィン
３８’ 中間フランジ
３９、５１細溝
４１再生器用の環状の凹部
４４高温側熱交換ハウジング（環状熱交換ハウジング）
４５熱交換器本体
５０放熱用フィン
５３放熱器
５９別体後付けの冷却フィン
６０、６１別体後付けのフランジ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Stirling refrigerator that can be used for freezing and cooling in various industrial fields such as food distribution, environmental testing, medical treatment, bio-industry, semiconductor manufacturing, and other industrial fields.
[0002]
[Prior art]
In recent years, it has been used as a refrigeration device in place of CFCs for global environmental problems and has a wider operating temperature than conventional refrigeration equipment. Application to refrigeration equipment in all industrial fields such as liquid circulators, low temperature thermostats, thermostats, heat shock test equipment, freeze dryers, temperature characteristics test equipment, blood / cell storage equipment, cold coolers, and other various refrigeration equipment Stirling refrigerators are in the spotlight as possible refrigerators that are compact, have high coefficient of performance, and have good energy efficiency.
[0003]
By the way, in the Stirling refrigerator, the working gas flows between the compression chamber (high temperature chamber) and the expansion chamber (low temperature chamber), and an endothermic heat exchanger (low temperature side heat exchange) disposed along this flow path. ) And heat radiating heat exchanger (high temperature side heat exchanger), heat exchange is performed with the cold heat refrigerant and the heat radiating refrigerant, respectively. Conventionally, examples of the heat exchanger include a shell and tube heat exchanger and a plate fin heat exchanger.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to improve heat exchange performance and reliability, the heat exchanger in the Stirling refrigerator has a flow path that flows uniformly without partially obstructing the flow of working gas, and a precise thickness that is uniform. The formed fins and the like are required, and furthermore, in order to realize cost reduction, the heat exchanger itself is excellent in workability, and a configuration that simplifies the entire structure of the Stirling refrigerator is required.
[0005]
The shell-and-tube heat exchanger is time-consuming to assemble and there is a problem in reducing the cost, and the plate fin heat exchanger also has a problem in cost. The present invention aims to solve the above problems.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a cylindrical top heat exchange housing having a top wall and a side wall, and an inner cylinder disposed in the top heat exchange housing and on which a piston or a displacer of a heat engine slides. And an axially straight narrow groove that forms a flow path for working gas together with the outer peripheral surface of the inner cylinder is formed on the inner peripheral surface of the top heat exchange housing. An annular recess that forms a flow path for a working gas regenerator together with the outer peripheral surface of the inner cylinder is formed on the inner peripheral surface of the base end side of the top heat exchange housing. The exchange housing provides a cylinder block for a heat engine, characterized in that the exchange housing is formed by lost wax casting.
[0007]
In order to solve the above-described problems, the present invention is a cylinder block having an inner cylinder on which a piston or a displacer of a heat engine slides, and a cylindrical annular heat exchange housing and an outer side of the inner cylinder. A heat exchanger comprising a heat exchanger main body inserted and fixed inside is disposed, and the heat exchanger main body has heat exchange fins formed on the outer peripheral surface thereof. The circumferential surface is formed with an axial straight narrow groove that forms a working gas flow path together with the outer peripheral surface of the inner cylinder, and is formed between the annular heat exchange housing and the heat exchanger body. The annular heat exchange housing is formed with a refrigerant inlet and a refrigerant outlet so that the space is a refrigerant passage and the refrigerant passage communicates, and the annular heat exchange housing is made of lost wax casting or cast iron. Made, the heat exchanger body provides a cylinder block for thermal engine which is a formed structure by a lost wax casting.
[0008]
Furthermore, in order to solve the above problems, the present invention provides a cylindrical top heat exchange housing having a top wall and a side wall, and a heat engine piston or displacer that is disposed in the top heat exchange housing and that slides. A cylinder block having an inner cylinder, and an axially straight narrow groove that forms a flow path for working gas together with the outer peripheral surface of the inner cylinder on the inner peripheral surface of the top heat exchange housing An annular recess that forms a flow path for a working gas regenerator together with the outer peripheral surface of the inner cylinder is formed on the inner peripheral surface of the base end side of the top heat exchange housing. A heat exchanger including a cylindrical annular heat exchange housing and a heat exchanger main body inserted and fixed therein is disposed outside the inner cylinder, and the heat exchanger main body has an outer peripheral surface thereof. Is formed with fins for heat exchange, and on its inner peripheral surface, an axial linear straight groove that forms a flow path for working gas together with the outer peripheral surface of the inner cylinder is formed, A space between the annular heat exchange housing and the heat exchanger main body serves as a refrigerant passage, and a refrigerant inlet and a refrigerant outlet are formed in the annular heat exchange housing such that the refrigerant passage communicates with the top portion. Provided is a cylinder block for a heat engine, wherein the heat exchange housing and the heat exchanger main body are formed by lost wax casting, and the annular heat exchange housing is formed by lost wax casting or cast iron. .
[0009]
The top heat exchange housing has fins formed integrally with the top heat exchange housing on the front end side outer peripheral surface, or fins formed separately and attached later.
[0010]
The heat engine is a Stirling cycle device, a Virmier cycle device, a Kuak-Yarborov cycle device, or the like.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings based on examples. 1 to 5 are diagrams for explaining an embodiment of a cylinder block for a heat engine according to the present invention, and FIG. 1 is a Stirling that is an example of a heat engine to which the cylinder block for a heat engine according to the present invention is applied. 1 is an overall view illustrating a refrigerator 1. The housing 2 of the Stirling refrigerator 1 is formed of a casting, and the inside thereof is held in a semi-sealed state. The housing 2 is partitioned into a motor chamber 4 and a crank chamber 5 by a partition wall 3.
[0012]
The motor chamber 4 is provided with a motor 6 capable of rotating in the forward and reverse directions, and the crank chamber 5 has a crankshaft 7 for converting the rotational operation of the motor 6 into a reciprocating motion, a connecting rod 8, and a cross guide head. 9 is disposed and functions as a driving means of the Stirling refrigerator 1.
[0013]
The two crank portions 10 and 11 of the crankshaft 7 are formed with a phase difference so that the crank portion 11 moves ahead of the crank portion 10 when the motor 6 rotates forward. As this phase difference, a phase difference of about 90 degrees is generally adopted.
[0014]
A compression cylinder 12 and an expansion cylinder 13 positioned slightly above the compression cylinder 12 are disposed in the upper part of the crank chamber 5. For example, helium, hydrogen, nitrogen or the like is sealed in the compression cylinder 12 and the expansion cylinder 13 and the housing 2 as working gas. The compression cylinder 12 has a compression cylinder block 14 fixed to the housing 2 with a bolt or the like, and a compression piston 15 reciprocates in the space of the compression cylinder block 14. The upper part (compression space) of this space is the high temperature chamber 16, and the working gas in this space is compressed and becomes high temperature.
[0015]
The compression piston rod 17 connects the compression piston 15 and the cross guide head 9, and extends between the compression cylinder 12 and the crank chamber 5 through an oil seal 19. Since the reciprocating compression piston 15 reverses the sliding direction at the top dead center and the bottom dead center, the speed becomes zero, and the speed is slow near the top dead center and the bottom dead center, and the amount of change in volume per unit time is also large. It is small and has the highest speed at each intermediate point when moving from bottom dead center to top dead center and from top dead center to bottom dead center, and the amount of change in volume due to movement of compression piston 15 per unit time is also maximum. It becomes.
[0016]
On the other hand, the expansion cylinder 13 has an expansion cylinder block 20 fixed to the housing 2 with bolts or the like, and an expansion piston 21 reciprocally slides in the space of the expansion cylinder block 20 so that an upper portion of the space (expansion space) ) Is the low temperature chamber 22, and the working gas in the chamber expands to a low temperature. The expansion piston rod 23 connects the expansion piston 21 and the cross guide head 18, and extends between the expansion cylinder 13 and the crank chamber 5 through an oil seal 25. The expansion piston 21 moves ahead of the compression piston 15 by a phase of 90 degrees.
[0017]
The expansion cylinder block 20 is provided with a manifold 26 through which the working gas flows in and out of the compression space of the compression cylinder 12, and further, a heat dissipation heat exchanger (high temperature side heat exchanger) 27 and a regenerator 28. In addition, a cooling heat exchanger (low temperature side heat exchanger) 29 is sequentially communicated with each other and arranged in an annular shape.
[0018]
Near the upper end of the compression cylinder block 14, a communication hole 30 is formed to communicate the high temperature chamber 16 and the manifold 26. As a result, the high temperature chamber 16 and the low temperature chamber 22 are connected to the communication hole 30, the manifold 26, and the heat radiation chamber. The heat exchanger 27, the regenerator 28, and the cooling heat exchanger 29 are configured to sequentially communicate with each other.
[0019]
A cylinder block for a heat engine according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In FIG. 2, the expansion cylinder block 20 includes an inner cylinder 31, a heat dissipation heat exchanger 27 concentrically disposed on the lower outer side of the inner cylinder 31, and a low temperature side heat exchange housing ( Top heat exchange housing) 32. The inner cylinder 31 forms a cylinder space in which the expansion piston 21 reciprocates, and the upper part 33 and the lower part 34 may be combined with each other via an O-ring 24 or may be manufactured integrally.
[0020]
3A shows the low-temperature side heat exchange housing 32, FIG. 3B is an AA cut plane of FIG. 3A, and FIG. 3C is an enlarged view of a main part. 2 and 3, the low temperature side heat exchange housing 32 has a cylindrical shape, and includes a top wall 35, a side wall 36, and a lower end flange portion 37. A fin 38 and an intermediate flange 38 'are formed on the outer peripheral surface of the side wall 36 at the front end side (upper side in the figure). The top wall 35 is composed of a flange top wall portion 35 ′ and a central top wall portion 35 ″. The central top wall portion 35 ″ is welded to the inner surface of the top end of the side wall 36, as indicated by W in FIG. Integrated. The top wall 35 may be integrally formed with the side wall 36 by lost wax casting described later.
[0021]
The inner circumferential surface at the front end side of the side wall 36 is in close contact with the outer surface of the inner cylinder 31, and a large number of narrow grooves 39 in the major axis direction are formed at intervals in the circumferential direction. A working gas flow path is formed by the narrow groove 39 and the outer surface of the inner cylinder 31. In this way, the top (cold head 40) of the low temperature side heat exchange housing 32 forms a cooling heat exchanger (low temperature side heat exchanger) 29. The cold head 40 comes into contact with air, water, alcohol, or other cold refrigerant to cool the cold refrigerant.
[0022]
An annular recess 41 is formed in the inner peripheral surface of the central portion of the low temperature side heat exchange housing 32, and an annular space 42 is formed together with the inner cylinder 31, and a regenerator material such as a metal mesh is filled in the regenerator 28. Is formed. The flange portion 37 at the lower end of the low temperature side heat exchange housing 32 is placed on the flange portion 43 at the upper end of the heat exchanger 27 for heat radiation.
[0023]
The low temperature side heat exchange housing 32 of the present invention is cast by a lost wax method using a material such as SUS. That is, the low-temperature side heat exchange housing 32 of the present invention is integrally manufactured by lost wax casting so that the cooling fins 38 are formed on the outer peripheral surface and the narrow grooves 39 for the working gas flow path are formed on the inner peripheral surface. It is characterized by a configuration that is
[0024]
Thus, the low temperature side heat exchange housing 32 manufactured by the lost wax casting has a cooling fin 38 formed on its outer surface precisely cast in a fine bowl shape, and thus has extremely excellent heat dissipation performance and is formed on the inner surface. Since the axial narrow groove 39 is also precisely cast, it can be made to flow uniformly without partially obstructing the flow of the working gas, and the refrigeration performance is improved.
[0025]
4B is a BB cut plane of FIG. 4A, and FIG. 4C is an enlarged view of the main part. 2 and 4, the heat-dissipating heat exchanger 27 is an annular heat exchanger as shown in FIG. 2 and FIG. 4, and this heat-dissipating heat exchanger 27 is a high-temperature side heat exchanging housing (annular). Heat exchange housing) 44 and a heat exchanger body 45 concentrically inserted therein, and a flow for a heat exchange medium such as cooling water between the high temperature side heat exchange housing 44 and the heat exchanger body 45. A path 46 is formed, and the upper and lower ends are sealed with a seal 47. An inflow port 48 and an outflow port 49 are formed so as to communicate with the flow path 46.
[0026]
A large number of radiating fins 50 are formed on the outer peripheral wall of the heat exchanger main body 45 so as to face the flow path 46, and the inner peripheral wall surface of the heat exchanger main body 45 has a large number of narrow grooves 51 along the axial direction. It is formed at regular intervals in the circumferential direction, and constitutes a flow path of a heat exchange fluid such as helium with the inner cylinder 31.
[0027]
In FIG. 1, a heat exchanger 27 for heat dissipation is connected to a radiator (radiator) 53 via a cooling water circulation line 52 and a cooling water pump P1, and circulates cooling water. The cooling water heated and exchanged by the heat dissipation heat exchanger 27 is cooled by the cooling fan 54 of the radiator 53. A reservoir tank 56 is connected to the cooling water circulation conduit 52 via a reservoir valve 55. The radiator 53 is connected with an air vent 57 and a drain valve 58.
[0028]
The heat exchanger main body 45 of the heat exchanger for heat dissipation 27 of the present invention is cast by the lost wax method using SUS, copper, aluminum, or other materials, and the heat dissipation formed on the outer surface of the heat exchanger main body 45. Since the fin 50 is precisely cast into a fine bowl shape, the heat dissipation performance is extremely excellent. Further, since the axial narrow groove 51 formed on the inner surface is also precisely and integrally cast, it can flow uniformly without partially obstructing the flow of the working gas, thereby improving the refrigeration performance. The high temperature side heat exchange housing 44 may be formed by lost wax casting as described above, or may be manufactured by ordinary cast iron.
[0029]
FIG. 5 is a view for explaining a modification of the low temperature side heat exchange housing of the expansion cylinder block 20 according to the present invention. FIG. 5A shows a low-temperature side heat exchange housing 32 ′ which is a first modification, and the low-temperature side heat exchange housing 32 ′ has fins and flanges integrally formed on its outer peripheral surface by lost wax casting. It is not. In the first modification, the heat exchanger is used in a state where fins or the like are not attached (the state shown in FIG. 5A), and heat exchange is performed with a refrigerant such as air in contact with the peripheral surface, or the outer peripheral surface thereof. It is used by wrapping a heat exchange tube (not shown) through which a refrigerant to be heat exchanged is passed (not shown), or is used by forming external fins and flanges on its peripheral surface.
[0030]
FIG. 5B shows a second modification in which external fins and flanges are formed later. A low-temperature side heat exchange housing 32 ″ as a second modification has outer fins 59 made of an annular material made of Cu, Al, SUS, or the like and flanges 60, 61 made of the same material as the housing on the circumferential surface. It is configured to be attached by welding, etc. Such external fins may have a spiral shape or other shapes.
[0031]
Next, the operation of the Stirling refrigerator of the above embodiment of the present invention will be described. The crankshaft 7 is rotated in the forward direction by the motor 6, and the crank portions 10 and 11 in the crank chamber 5 are rotated 90 degrees out of phase. The cross guide heads 9 and 18 reciprocate through connecting rods 8 and 8 ′ that are rotatably connected to the crank portions 10 and 11, respectively. The compression piston 15 and the expansion piston 21 connected to the cross guide heads 9 and 18 via the compression piston rod 17 and the expansion piston rod 23 reciprocate with a phase difference of 90 degrees.
[0032]
While the expansion piston 21 is moving 90 degrees ahead and slowly moving near the top dead center, the compression piston 15 rapidly moves near the middle toward the top dead center, and compresses the working gas. The compressed working gas flows into the narrow groove 51 of the heat exchanger 27 for heat radiation through the communication hole 30 and the manifold 26. The working gas radiated to the cooling water in the heat exchanger 27 for heat dissipation is cooled by the regenerator 28 and flows into the low temperature chamber 22 (expansion space) through the groove of the heat exchanger 29 for cooling.
[0033]
When the compression piston 15 is slowly moving near the top dead center, the expansion piston 21 is suddenly moved toward the bottom dead center, and the working gas flowing into the low temperature chamber 22 (expansion space) is rapidly expanded to generate cold. To do. As a result, the cold head 40 is cooled to a low temperature.
[0034]
Then, in the cold head 40, the cold refrigerant in contact with the cooling fins 38 is cooled. When the expansion piston 21 moves from the bottom dead center to the top dead center, the compression piston 15 moves from the intermediate position toward the bottom dead center, and the working gas passes from the low temperature chamber 22 through the narrow groove 39 of the cold head 40 to the regenerator 28. The refrigerating device 28 stores the cold heat that flows into the working gas. The cold energy stored in the regenerator 28 is reused to cool again the working gas sent from the high temperature chamber 16 through the heat dissipation heat exchanger 27 as described above.
[0035]
And the cold-heat refrigerant | coolant cooled in the cold head 40 cools various cold-heat utilization apparatuses. For example, the cold refrigerant is sent to a cold refrigerant pipe in a cold energy utilization device such as a freezer and performs freezing or cooling action in the cold energy utilization device. It is circulated back to the cold head 40 and cooled again.
[0036]
The cooling water heat-exchanged by the heat radiating heat exchanger 27 flows from the cooling water circulation pipe 52 to the heat radiating device, where it is cooled by the cooling fan and circulated again to the heat radiating heat exchanger 27.
[0037]
In addition, although the 2 piston type Stirling refrigerator 1 was used in the said Example, it cannot be overemphasized that other types of Stirling refrigerators 1 such as a displacer type may be used.
[0038]
【The invention's effect】
According to the Stirling cooling device of the present invention, the following effects can be obtained.
(1) A working gas flow path is integrally formed on the inner surface of the top heat exchange housing constituting the expansion cylinder block, or a cooling refrigerant cooling fin is integrally formed on the outer surface in addition to the working gas flow path on the inner surface. By forming it, especially by precise forming by lost wax casting, the workability is improved, the structure of the Stirling refrigerator itself is greatly simplified and the price is reduced, and the flow of the working gas in the groove is partially It flows uniformly without being obstructed, has a uniform thickness, and fins that are precisely formed improve heat exchange performance and reliability.
[0039]
(2) Since the annular heat exchange housing and the heat exchanger main body of the heat dissipation heat exchanger are also integrally formed, the workability is improved and the price is reduced by forming them precisely, especially by lost wax casting. Heat exchange performance and reliability are improved by allowing the working gas flow in the groove to flow uniformly without being partially obstructed.
[0040]
(3) By using a low-melting-point refrigerant such as ethyl alcohol, nitrogen, or helium as a working gas as a refrigerant other than Freon, it is possible to provide a CFC-replacement refrigerator having excellent environmental characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view illustrating a Stirling refrigerator according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an expansion cylinder block as an embodiment of a heat engine cylinder block according to the present invention.
3 is a cross-sectional view and a plan view for explaining a low temperature side heat exchange housing (top heat exchange housing) of the expansion cylinder block of FIG. 2. FIG.
4 is a cross-sectional view and a plan view for explaining a high temperature side heat exchange housing (annular heat exchange housing) of the expansion cylinder block of FIG. 2; FIG.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views illustrating first and second modifications of the low temperature side heat exchange housing of the expansion cylinder block according to the embodiment of the present invention. FIGS.
[Explanation of symbols]
1 Stirling Refrigerator 2 Housing 6 Motor 14 Compression Cylinder Block 15 Compression Piston 20 Expansion Cylinder Block 21 Expansion Piston 27 Heat Dissipation Heat Exchanger 28 Regenerator 29 Cooling Heat Exchanger 32, 32 ′, 32 ″ Low Temperature Side Heat Exchange Housing ( Top heat exchange housing)
38 Cooling fin 38 'Intermediate flange 39, 51 Narrow groove 41 Annular recess 44 for regenerator High temperature side heat exchange housing (annular heat exchange housing)
45 Heat Exchanger Body 50 Heat Dissipating Fin 53 Heat Dissipator 59 Separately Installed Cooling Fins 60, 61 Separately Installed Flange

Claims

A cylinder block having a cylindrical top heat exchange housing having a top wall and a side wall, and an inner cylinder disposed in the top heat exchange housing and on which a piston or a displacer of a heat engine slides.
Top of the top heat exchange housing, which make contact with cooling with cold refrigerant, on the inner peripheral surface of the distal end of the top heat exchange housing, a flow path for the working gas with the outer peripheral surface of the inner cylinder A plurality of axially-shaped linear narrow grooves that form are formed at intervals in the circumferential direction ,
An annular recess that forms a flow path for the working gas regenerator together with the outer peripheral surface of the inner cylinder is formed on the inner peripheral surface of the base end side of the top heat exchange housing,
A cylinder block for a heat engine, wherein the top heat exchange housing is formed by lost wax casting.

A cylinder block having an inner cylinder on which a piston or displacer of a heat engine slides,
A heat exchanger including a cylindrical annular heat exchange housing and a heat exchanger main body inserted and fixed therein is disposed outside the inner cylinder.
The heat exchanger body has heat radiating fins formed on the outer peripheral surface thereof, and an axial direction that forms a flow path for working gas on the inner peripheral surface together with the outer peripheral surface of the inner cylinder. A plurality of linear narrow grooves are formed at intervals in the circumferential direction ,
A space between the annular heat exchange housing and the heat exchanger main body is a refrigerant passage, and a refrigerant inlet and a refrigerant outlet are formed in the annular heat exchange housing so that the refrigerant passage is communicated,
A cylinder block for a heat engine, wherein the annular heat exchange housing is formed by lost wax casting or cast iron, and the heat exchanger body is formed by lost wax casting.

A cylinder block having a cylindrical top heat exchange housing having a top wall and a side wall, and an inner cylinder disposed in the top heat exchange housing and on which a piston or a displacer of the heat engine slides.
Top of the top heat exchange housing, which make contact with cooling with cold refrigerant, on the inner peripheral surface of the distal end of the top heat exchange housing, a flow path for the working gas with the outer peripheral surface of the inner cylinder A plurality of axially-shaped narrow grooves that form the are formed at intervals in the circumferential direction ,
An annular recess that forms a flow path for the working gas regenerator together with the outer peripheral surface of the inner cylinder is formed on the inner peripheral surface of the base end side of the top heat exchange housing,
A heat exchanger composed of a cylindrical annular heat exchange housing and a heat exchanger main body inserted and fixed therein is disposed outside the inner cylinder.
The heat exchanger body has heat radiating fins formed on the outer peripheral surface thereof, and an axial direction that forms a flow path for working gas together with the outer peripheral surface of the inner cylinder on the inner peripheral surface thereof. A plurality of linear narrow grooves are formed at intervals in the circumferential direction ,
A space between the annular heat exchange housing and the heat exchanger body is a refrigerant passage, and a refrigerant inlet and a refrigerant outlet are formed in the annular heat exchange housing so that the refrigerant passage is communicated,
A cylinder block for a heat engine, wherein the top heat exchange housing and the heat exchanger main body are formed by lost wax casting, and the annular heat exchange housing is formed by lost wax casting or cast iron.

The top heat exchange housing has fins formed integrally with the top heat exchange housing, or fins formed separately and attached to the outer peripheral surface on the front end side thereof. Cylinder block for the described heat engine.

5. The cylinder block for a heat engine according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the heat engine is a Stirling cycle apparatus, a Virmier cycle apparatus, or a Kuak-Yarborov cycle apparatus.