JP3757166B2 - 熱交換器及びこれを形成する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、一般に熱交換器に関し、より特別には壁の内側の流体と壁の外側の圧力の異なる流体との間で熱を伝達させるための熱交換器、及びかかる熱交換器を構成する方法に関する。
【０００３】
【関連技術の説明】
熱交換器は、熱エネルギーをある流体から別の流体に伝達させる。普通の熱交換器は、熱がラジエーター内の高温の水から低温の空気に伝達される自動車用ラジエーターである。熱は、液体又は気体となし得る流体を、薄壁の通路を通過させ、かつ薄壁の通路の外側に空気を向けることにより除去される。空気中の気体分子が通路の壁に当たり、接触中に熱を除去する。
【０００４】
フリーピストンスターリングサイクル機械においては、気密に封鎖されたハウジングの一方の側のガスから他方の側の周囲空気のような流体に熱を伝えることが必要である。特に、フリーピストンスターリングサイクル低温冷却装置においては、ハウジング内のヘリウムのような作動ガスが圧縮され、これによりその温度が上昇する。熱は、ハウジングの一領域における吸熱過程の一部としてハウジングの圧縮領域から除去され、別の領域において排出される。
【０００５】
この熱ポンプ過程は、ハウジング壁を通る熱エネルギーの流れを必要とする。しかし、最も普通のハウジング壁材料、ステンレス鋼は、特に良好な熱伝導体ではない。熱をより迅速に伝えるためにより薄く作られたハウジング壁は、ハウジング内の圧力に耐えられない。
【０００６】
通常のスターリングサイクル機械における熱伝達は、熱伝達を支援するようにハウジングの内側及び外側に薄くて熱伝導の非常によいフィンを取り付けることにより助けられる。内部フィンは大きい表面積を有し、機械内の作動ガスがこの上に当たりフィンに熱エネルギーを伝達する。この熱エネルギーは、ハウジング壁を通ってハウジング外側の冷却フィンに流れる。周囲空気のような冷却用流体が外側フィン上を通過し熱を取り去る。
【０００７】
フィンは、通常、２種の方法の一つにより取り付けられる。一方法においては、フィンは、ハウジングの内面及び外面に鑞付け又は半田づけされる。第２の方法においては、ハウジングは、ハウジングの区切り面に沿って切断された２個の部分に分離される。フィン構造が、２個のハウジング部分の間に置かれ、そして定位置に鑞付け又は半田づけされる。
【０００８】
ハウジングへのフィンの鑞付け又は半田づけは、費用が嵩むこと、及び鑞付けと半田づけとがハウジングとフィンとの両者の金属特性を変化させる傾向を有することの二つの欠点がある。フィン構造を間に挟むことの欠点は、高い費用と金属学的影響、及び貧弱な半田づけ又は鑞付けによる漏洩の可能性を含むことである。
【０００９】
従って、特にスターリングサイクル機械における、一般に壁の両側の効果的な熱交換器、及びこれを形成する方法についての要求が存在する。
【００１０】
【発明の概要】
本発明は、ハウジング壁の一方の側から反対側に熱エネルギーを伝達するための熱交換器である。本発明は、熱交換器を構成する方法も意図する。好ましい実施例においては、ハウジング壁は、低温冷却装置のようなフリーピストンスターリングサイクル機械のハウジングである。
【００１１】
本装置は、ハウジングの内面に対して座る内側リングを備える。外側リングがハウジングの外面に対して座る。両リングは、ハウジング壁の両側に同軸でかつ長手方向に揃えられて位置決めされ、壁はリングからリングへの熱エネルギー伝導路を形成する。リングは、ハウジング内の圧力により生じた応力下にあるハウジング壁を支持する。
【００１２】
熱伝達手段、好ましくは薄くて熱伝導のよいフィンが、リングの両側に取り付けられる。内側フィンは、ハウジング内の作動ガスから内側リングへの熱伝導を助ける。熱は、ハウジング側壁を通って外側リングに導かれる。次いで、熱は、外側リングに伝導され、更に外側フィンの間の間隙を通り循環するガスにより取り去れられる。このガスは、意図された実施例においては環境の空気であるが、冷却用流体とすることができる。
【００１３】
この装置の形成方法は、内側リングをハウジングの内面に座らせ、次いでこれを所定の長手方向位置に長手方向で移動させることを含む。外側リングは、ハウジングの外面に座らせられ、更にこれを所定の長手方向位置、好ましくは側壁の反対側の内側リングと揃えられた位置に長手方向で移動させられる。希望するならば、両リングの相対温度を変えることもできる。
【００１４】
構成された熱交換器は、リングとハウジング側壁の当たっている面との間に締りばめを有し、これによりリングとハウジング側壁との間の相対運動を防止している。更に、リングとハウジングとの間のきつい接触の区域が、熱エネルギー伝達のための優れた経路を提供する。半田づけ又は鑞付けによるハウジングの金属特性の弱体化はなく、事実上、この熱交換器はハウジングを強化する。構造の干渉により、ハウジング側壁を再封鎖する必要はない。
【００１５】
【本発明の詳細な説明】
図面に示された本発明の好ましい実施例の説明に当たり、明確のために特別の用語が使用されるであろう。しかし、本発明は、このように選ばれたこれら特定の用語に限定されることを意図せず、かつ特定の用語の各は、同様な目的を達成するために同様な方法で機能する全ての技術的相当事項を含むことを理解すべきである。例えば、用語「連結」又はこれと同様な用語がしばしば使用される。これらは直接的な連結に限定されず、その他の部材を介した連結であって、かかる連結が本技術熟練者により同等であると認識された連結を含む。
【００１６】
フリーピストンスターリングサイクル低温冷却装置１２における本発明の熱交換器１０が図１に示される。しかし、以下の説明より、本技術の通常の技術者に明らかになるであろうように、本発明は、パイプ、容器及びその他の構造のような熱を伝えねばならないいかなる壁にも使用することができる。
【００１７】
低温冷却装置１２は、側壁１８により定められた円筒状通路内に摺動可能に取り付けられたピストン１４を持つ。排出器１６が、側壁１９により定められた円筒状通路内に摺動可能に取り付けられる。ピストン１４は、磁石が取り付けられた環状リング２２に駆動可能に連結される。環状リング２２は間隙内に配置され、ここに時間で変化する交流磁界が作られ、リング２２、従って連結されたピストン１４は、往復運動するように駆動される。
【００１８】
低温冷却装置１２内に収容されたヘリウムのような作動ガスが、ピストン１４の往復サイクルのある部分において圧縮空間２０内で圧縮され、これにより圧縮空間２０内の作動ガスの温度が上昇する。加熱された作動ガスは、矢印１５に従って熱交換器１０の内部構成要素上を通過しハウジング１３の開口１７を通る。作動ガスから内部構成要素により吸収された熱の一部は、熱交換器１０の外部構成要素に導かれる。熱は、熱交換器１０の外部構成要素上を通過する周囲空気により除去される。
【００１９】
低温冷却装置１２は、公知の熱力学サイクルに従って、作動ガスが膨張する低温端部２６から、作動ガスが圧縮される圧縮空間２０に熱を送り込む。低温冷却装置１２の低温端部２６は、これにより、例えば、酸素を凝結させるために気体酸素を冷却し、また電子装置、超伝導体及びその他の低温（１５０Ｋ以下）を要するいかなる装置も冷却させることができる。
【００２０】
簡単に上述されかつ図３、４及び５において、より詳細に示された好ましい熱交換器１０は、低温冷却装置２４の高温側領域２４に取り付けられ、この領域の圧縮空間内の作動ガスから熱エネルギーを取り去る。
【００２１】
低温冷却装置１２は、図３、４及び５にその一部分のみが示されるハウジングを形成するように気密に封鎖された側壁４２を持つ。側壁４２は、内面４６及び外面４８を持つ。側壁は非常に薄く（ほぼ０．３ｍｍ）かつ圧縮空間を囲み、ハウジングの直径は大きく、側壁４２の応力増加が直径の増加に比例した大きさより大きい。熱交換器は、支持が最も必要とされるこの側壁４２を支持する。図２に示されるように熱交換器に続いて厚さの大きい側壁を使うことができる。これは、熱伝導が実質的に関係しないためである。
【００２２】
熱交換器１０は、２個の主要部材、即ち内側リング３２と外側リング３４とを備える。内側リング３２は、厚くて半径方向外向き面３６を有する銅の環状体であることが好ましく、これは、図示のように熱交換器領域３１に位置決めされたとき、側壁４２の内面４６に当たって座る。熱交換器領域３１は、ハウジング側壁４２の、内側リング３２と外側リング３４とが図３及び５に示された好ましい作動位置に取り付けられた領域である。
【００２３】
内側リング３２は、熱伝達手段を取り付けた半径方向内向き面３５を持つ。本発明の目的のために、熱伝達手段は、流体からリングの一方に、又は流体からリングの一方への熱伝達を容易にする構造として定められる。好ましい熱伝達手段は、図４に示された複数の半径方向に伸びているフィン３７である。別の熱伝達手段は、リングの表面に取り付けられ、又はリング内に取り付けられた銅管のような熱伝導管を備え、これを通って、水又は他の液体或いは気体のような流体が流れて熱エネルギーをリングに輸送し、又はリングから輸送する。かかる別の実施例が図６及び７に示される。更に別の熱の熱伝達手段は、熱伝導材料の非常に大きい部品としてヒートシンクを備える。
【００２４】
フィン３７は、薄い銅のストリップより作られ、コーナーが両側の縁で隣接パネルと連続している複数のパネルになるように折り畳まれることが好ましい。内側コーナーは、鑞付け又は半田づけで内側リング３２の内向き面３５に取り付けられる。或いは、フィン３７は、リングとフィンとを１個の材料で形成することにより、或いは大きいリングを形成しそしてリングとフィンとを残すようにこれから切り出すことにより、内側リング３２と一体にすることができる。
【００２５】
再び図５を参照すれば、外側リング３４は、半径方向内向き面３８を有する厚い銅の環状体であることが好ましく、これは、熱交換領域３１に置かれたとき、側壁４２の外面４８に当たって座る。外側リング３４は半径方向外向き面３９を有し、これに、図４に示されるように半径方向に伸びている複数のフィン４７が取り付けられる。フィン４７は、内側リング３２に形成されたフィン３７と実質的に同様な構造であり、そして外側リング３４に取り付けられた好ましい熱伝達手段として機能することが好ましい。フィン４７はフィン３７より大きい。
【００２６】
図２に示された概略図においては、内側リング３２及び外側リング３４は、熱交換器領域３１のこれらの最終位置に軸線に沿って動かされる前の状態で示される。リング３２及び３４は、フィンがリングに取り付けられた下組立の後でまず図示のように置かれ、続いて破線で示された位置に強制される。
【００２７】
内側リング３２は、破線で示された位置に図２において左に動かされ、外側リング３４は、破線で示された位置に図２において右に動かされる。リングの熱交換器領域３１への移動の順序は重要でない。しかし、内側リング３２から外側リング３４への適切な熱伝導経路を提供するために、リングが、これらの間の間隙内に側壁４２を把持結合することは重要である。リングと側壁とが以下説明される寸法を有するとき、かかる把持結合が保証される。この説明される寸法は、側壁４２とリング３２、３４の当たっている面との間の熱伝導を提供するきつい締りばめを保証する。
【００２８】
内側リング３２の外向き面３６の直径と外側リング３４の内向き面３８の直径の間に、ほぼ０．５０４ｍｍの差がある。この差は、リング３２がリング３４の内側に置かれた場合、厚さ０．２５２ｍｍの環状の間隙を形成する。この間隙内に位置決めされる側壁４２の好ましい厚さはほぼ０．３ｍｍである。
【００２９】
間隙の寸法と側壁４２の厚さとの差のため、図５に示された構造に位置決めするには、内側リング３２、外側リング３４、側壁４２、或いはそのどれかの組合せ又は全ての構造の変形が要求される。内側リング及び外側リングは銅合金で作られ、側壁はステンレス鋼で作られることが好ましい。銅合金は一般にステンレス鋼よりも変形し易いため、変形は第１にリング３２及び３４において生じ、外側リング３４の内径の膨張が最も多く生ずる。或いは、間隙を０．３ｍｍより小さく又はこれより大きくするために、温度差が生ずるようにリング３２及び３４を加熱し、冷却し又はこれを組み合わせることができる。
【００３０】
内側リング３２は、運転中、外側リング３４より高温に維持され、このため、内側リング３２は外側リング３４より大きく膨張する。外側リング３４の機械的な内向きの力に対抗する内側リング３２による外向き膨張力が、考えられる全ての条件下での側壁４２の把持結合を保証し、ハウジングに対する外向きのガス圧縮力に対抗して側壁４２を支える。
【００３１】
ステンレス鋼の壁４２は、リング３２と３４との間の間隙の形状に一致する能力を持つ。従って、一方のリングと壁面との間の比較的ゆるい適合がある可能性がある。しかし、リングの向かい合っている面の間の間隙が小さいため、第２のリングを定位置に置くことにより、壁は、間隙の形状と本質的に完全に一致するであろう。これが、優れた熱伝導を提供する壁対リング及びリング対壁のかなりの大きさの接触を生ずるであろう。
【００３２】
図５に示された側壁４２は、リング３２及び３４により支持されるように、好ましくは厚さ０．３ｍｍとすることができる。圧縮空間２０内の圧力は、冷却装置の運転中、周期的に上昇し、圧縮空間２０を囲む側壁４２における相当な応力を作る。この応力は、好ましい厚さの側壁が外側リング３４により支持されないとすれば、これを破裂させることができる。側壁４２が応力に耐えるためにかなり厚く作られたとすると、圧縮空間２０から熱を効果的に伝導して出すことはできない。従って、熱交換器１０により支持された薄い側壁４２の組合せは、迅速な熱伝導と強度との望ましい釣合いを提供する。
【００３３】
好ましい熱交換器を使用している低温冷却装置１２が作動すると、熱は、作動ガスの圧縮と膨張とにより低温端部２６から高温領域２４に送られる。熱は、熱交換器を経て低温冷却装置の圧縮空間２０内の作動ガスから環境に伝達され除去されねばならない。フィン３７は、作動ガスが、図１に示された側壁１８の左端部のすぐ左で、ハウジング１３の周りに形成された開口１７を通り通過することにより、フィン３７に指向される作動ガスの流路内に置かれる。低温冷却装置１２内の暖かい作動ガスが図４に示されるフィン３７の間を通って流れるとき、ガスは対流によりフィン３７に熱を伝える。この際、加熱されたガス分子がフィン３７上に当たり、短い接触時間中にフィンに熱を伝える。作動ガスは、フィン３７を通過し、排出器１６内の蓄熱室内に入り、そして低温端部２６に向かい、そこで膨張する。
【００３４】
熱交換器１０は、内側フィン３７から外側フィン４７に「下り坂」を流れる熱伝導路を形成する。熱は、フィン３７から冷却装置内側リング３２に導びかれる。熱は、内側リング３２から、やや低温の側壁２２を通り、更に低温の外側リング３４に向かって流れる。最後に、熱は、熱交換器の最も低温の部分、フィン４７に流れる。フィン４７に当たる大気の気体分子が対流により熱エネルギーを好ましくは大気中に除去する。或いは、熱交換器は、例えば低温端部２６において、スターリングサイクル低温冷却装置内に熱エネルギーを伝達するために使用することができる。本発明の熱交換器は、スターリングサイクル機関、冷却装置及びその他の非スターリングサイクル機械において使用することもできる。
【００３５】
別の熱伝達手段が図６及び７に示される。図６の熱交換器１１０の外側リング１３４及び内側リング１３２は、好ましい実施例におけると同様に側壁１４２との締りばめを形成する。外側リング１３４は流体管１４０を有し、これは、半田づけのような通常の取付けにより外側リング１３４の半径方向外向き面に取り付けられる。流体管１４２は、半田づけのような通常の取付けにより内側リング１３２の半径方向内向き面に取り付けられる。
【００３６】
流体管１４２は、熱を、管の中の流体からリング１３２に伝え、リング１３４は、熱を、管１４０内の流体に伝える。或いは、管は図７に示された熱交換器２１０におけると同様にリング内の通路として形成することができ、これにおいては、リング２３２及び２３４は側壁２５２と締りばめを形成する。流路２４０及び２４２は、それぞれリング２３４及び２３２内に形成され、流体は、これを通って流れ、熱を、流体からリングに、或いはリングから流体に伝達する。
【００３７】
本発明の幾つかの好ましい実施例が詳細に説明されたが、本発明の精神又は特許請求の範囲から離れることなく、種々の変更をなし得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 好ましいフリーピストンスターリングサイクル冷却装置における本発明の好ましい実施例を断面で示している側面図である。
【図２】 好ましい熱交換器の断面の図式的な側面図である。
【図３】 図１のフリーピストンスターリングサイクル低温冷却装置の好ましい熱交換器及び関連部分を断面で示している側面図である。
【図４】 図３の線４−４に沿った部分断面の端面図である。
【図５】 図１のフリーピストンスターリングサイクル冷却装置の好ましい熱交換器及び関連部分を断面で示している拡大図である。
【図６及び７】 別の熱伝達手段を断面で示している端面図である。

Claims (15)

1. 内面と外面とを有する環状壁に取り付けられた熱交換器であって
   （ａ）半径方向外向き面を有する環状の外側リングであって、前記環状壁の外面に対して確り座らせられた、前記環状壁の外面と径がほぼ等しい半径方向内向き面も有し、前記環状壁に対して半径方向内向きの力を加えている前記外側リング、
   （ｂ）外側リングに連結された第１の熱伝達手段、
   （ｃ）半径方向内向き面を有する環状の内側リングであって、前記環状壁の内面に対して確り座らせられた、前記環状壁の内面と径がほぼ等しい半径方向外向き面も有し、前記環状壁に対して半径方向外向きの力を加えている前記内側リング、を備え、
   内側リングは前記環状壁の所定の熱交換器領域において外側リングと同軸に揃えられ、それによって前記環状壁の熱交換器領域を内側リングと外側リングの間に挟みつけて保持し、前記環状壁の形を両リング間の空間に順応せしめて前記環状壁に両リングを摩擦力によって結合し、更に
   （ｄ）内側リングに連結された第２の熱伝導手段
   を備える熱交換器。
2. 環状壁が、フリーピストンスターリングサイクル機械用のハウジングである請求項1による熱交換器。
3. 第１の熱伝達手段が、外側リングの半径方向外向き面に取り付けられ半径方向に伸びている複数のフィンである請求項１による熱交換器。
4. 第２の熱伝達手段が、内側リングの半径方向内向き面に取り付けられ半径方向に伸びている複数のフィンである請求項１による熱交換器。
5. 第１の熱伝達手段が、外側リングの半径方向外向き面に取り付けられ半径方向外向きに伸びている複数のフィンであり、そして第２の熱伝達手段が、内側リングの半径方向内向き面に取り付けられ半径方向内向きに伸びている複数のフィンである請求項１による熱交換器。
6. 第１の熱伝達手段が、外側リングに取り付けられた流体管である請求項１による熱交換器。
7. 第２の熱伝達手段が、内側リングに取り付けられた流体管である請求項１による熱交換器。
8. 第１の熱伝達手段が、外側リングに形成された流体通路である請求項１による熱交換器。
9. 第２の熱伝達手段が、内側リングに形成された流体通路である請求項１による熱交換器。
10. 第１の熱伝達手段が、外側リングに取り付けられた流体管であり、第２の熱伝達手段が、内側リングに取り付けられた流体管である請求項１による熱交換器。
11. 内側リング及び外側リングが金属である請求項１による熱交換器。
12. 金属が銅である請求項１１による熱交換器。
13. 内面と外面とを有する環状壁の所定の熱交換器領域に熱交換器を形成する方法であって、
    （ａ）環状の外側リングの半径方向内向き面を前記環状壁の外面と同軸に揃え、外側リングは連結された熱伝達手段を有し、
    （ｂ）外側リングを外側リングの軸線に沿って、半径方向内向き面が所定の熱交換器領域において前記環状壁の外面に対して座るまで移動させ、
    （ｃ）環状の内側リングの半径方向外向き面を前記環状壁の内面と同軸に揃え、内側リングは連結された熱伝達手段を有し、更に
    （ｄ）内側リングを内側リングの軸線に沿って、半径方向外向き面が所定の熱交換器領域でかつ前記環状壁の外側リングとは反対の側において前記環状壁の内面に対して座るまで移動させ、これにより内側リングの半径方向外向き面と外側リングの半径方向内向き面との間に前記環状壁を把持し保持する
    ことを含む方法。
14. 内側リングが第１の方向で移動され、外側リングが第２の反対方向で移動される請求項１３による方法。
15. リング間に温度差を作ることを更に含む請求項１３による方法。

Images