WO2006003756A1 - 熱交換器およびスターリング機関 - Google Patents

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WO2006003756A1
WO2006003756A1 PCT/JP2005/008757 JP2005008757W WO2006003756A1 WO 2006003756 A1 WO2006003756 A1 WO 2006003756A1 JP 2005008757 W JP2005008757 W JP 2005008757W WO 2006003756 A1 WO2006003756 A1 WO 2006003756A1
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WO
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heat exchange
corrugated fin
coating layer
cylindrical member
outer shell
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PCT/JP2005/008757
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hirotaka Ohno
Haruyoshi Noda
Original Assignee
Sharp Kabushiki Kaisha
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Priority to EP05739216A priority patent/EP1780480A1/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/12—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using 3He-4He dilution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/055—Heaters or coolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/105—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being corrugated elements extending around the tubular elements

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger and a Stirling engine provided with the heat exchanger, and more particularly to a contact structure between a heat exchange member and an outer shell (cylindrical member) constituting a heat exchanger.
  • a heat exchanger in a refrigerator or the like is equipped with a heat exchange member for performing heat exchange.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-91075 describes a heat exchange for a Stirling engine, which includes a cylindrical member and a corrugated fin as a heat exchange member.
  • the corrugated fin is attached to the inside of the cylindrical member. At this time, the corrugated fin is pressed against the cylindrical member using the ring-shaped member, and thereby the corrugated fin is pressure-bonded to the cylindrical member.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-251459 describes heat exchange of a refrigerator having a heat exchange member mounted in a cylindrical case.
  • a plating layer is formed on at least one of the outer circumferential surface of the heat exchange member and the inner circumferential surface of the cylindrical case, and heat exchange with the cylindrical case is performed by a eutectic alloy formed by a eutectic reaction with the plating layer.
  • the heat transfer surface between the members is joined.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-91075
  • Patent Document 2 JP 2003-251459 A
  • the contact area between the corrugated fin and the cylindrical member can be obtained simply by crimping the corrugated fin to the inner peripheral surface of the cylindrical member as in the heat exchange described in JP-A-2001-91075. It is difficult to ensure sufficient. If the contact area between the corrugated fin and the cylindrical member is insufficient, the heat transfer efficiency to the corrugated fin force cylindrical member is lowered, resulting in a problem that the performance of the heat exchanger is lowered.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and can increase the contact area between a heat exchange member and an outer shell body to which the heat exchange member is attached. It is an object of the present invention to provide a heat exchange that can be performed and a Stirling engine equipped with the heat exchange. Means for solving the problem
  • the heat exchanger according to the present invention includes a metal outer shell, a metal heat exchange member attached to the outer peripheral surface of the outer shell, and a peripheral surface of the outer shell. And a coating layer formed on at least one of the peripheral surface of the heat exchange member and press-contacting the heat exchange member to the outer shell.
  • heat exchange member refers to a member having a function of exchanging heat with a working medium or the like.
  • the coating layer only needs to cover at least a part of the peripheral surface of the outer shell and Z or the peripheral surface of the heat exchange member.
  • the hardness of the coating layer is preferably lower than the hardness of at least one of the outer shell and the heat exchange member.
  • the coating layer may be made of a material other than a metal material as long as the material has excellent thermal conductivity.
  • the coating layer is made of a metal material, the outer shell body and the heat exchange member It is preferable to form an alloy layer formed by alloying the metal material constituting the coating layer and the metal material constituting at least one of the outer shell and the heat exchange member.
  • the coating layer may be solidified after melting.
  • the heat exchange according to the present invention includes a metal outer shell and a copper material or silver and tin that is attached to the outer shell and has a copper content of 99.99% or more.
  • the outer shell can be formed of, for example, a cylindrical member, and the heat exchange member can be formed of, for example, a corrugated fin. In this case, the heat exchange member is mounted inside the outer shell.
  • a Stirling engine according to the present invention includes the heat exchange described above. The invention's effect
  • the heat exchange member is press-contacted to the outer shell body, so that the heat exchange member is simply compared with the case where the outer shell body is in contact with the coating layer.
  • the contact area between the exchange member and the outer shell and the coating layer can be increased. Since the coating layer is formed on at least one of the surface of the outer shell and the surface of the heat exchange member, it can be said that the heat exchange member is a part of the outer shell. Therefore, the contact area between the heat exchange member and the outer shell and the coating layer increases, and as a result, the contact area between the heat exchange member and the outer shell can be increased.
  • a copper material having a copper content of 99.999% or more or a copper material containing at least one of silver and tin is used as a material for the heat exchange member.
  • the ductility of the heat exchange member itself can be improved.
  • the deformation amount of the heat exchange member at the contact portion between the heat exchange member and the outer shell can be increased. It is possible to increase the contact area with the body.
  • the Stirling engine of the present invention includes the heat exchanger as described above, a Stirling engine having a high-performance heat exchange in which a contact area between the heat exchange member and the outer shell is ensured. Is obtained.
  • FIG. 1 is a cross-sectional perspective view of main parts of a heat exchanger according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the heat exchanger shown in FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the main part of FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a modification of the structure of FIG.
  • FIG. 5 is a partially enlarged view of the heat exchanger according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the main part of FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modification of the structure of FIG.
  • FIG. 8 is a partially enlarged view of a heat exchanger according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of a heat exchanger according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a Stirling engine equipped with heat exchange according to the present invention. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a perspective view of heat exchanger 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the heat exchanger 1 shown in FIG.
  • the heat exchanger according to the first embodiment includes a metal cylindrical or bottomed cylindrical outer shell, a metal heat exchange member attached to the outer circumferential surface of the outer shell, and an outer shell.
  • the heat exchanger 1 includes a metal cylindrical member or a bottomed cylindrical member (a member that becomes a heat radiating part or a heat absorbing part: hereinafter referred to as a cylindrical member) 4 as the outer shell body,
  • a metal corrugated fin 2 as a heat exchange member mounted on the cylindrical member 4 and a metal ring-shaped member 3 are provided.
  • the cylindrical member 4 is made of, for example, a metal material (including an alloy) excellent in thermal conductivity such as copper (Cu), copper alloy, stainless steel, aluminum (A1), aluminum-um alloy, or these materials. It can be composed of a combined composite material.
  • a metal material including an alloy
  • thermal conductivity such as copper (Cu), copper alloy, stainless steel, aluminum (A1), aluminum-um alloy, or these materials. It can be composed of a combined composite material.
  • a corrugated fin 2 is attached inside a cylindrical member 4.
  • the corrugated fin 2 is a member that exchanges heat with the working medium.
  • the outer diameter of the corrugated fin 2 is set to be approximately equal to the inner diameter of the cylindrical member 4. Accordingly, by applying a force in a direction toward the radially outer side of the cylindrical member 4 to the inner periphery of the corrugated fin 2, the outer peripheral surface of the corrugated fin 2 is changed to the inner peripheral surface of the cylindrical member 4.
  • the outer peripheral surface of the corrugated fin 2 can be pressed against the inner peripheral surface of the cylindrical member 4.
  • Corrugated fi copper 2 can be made of copper or a copper alloy.
  • the ring-shaped member 3 has a function of mainly pressing and fixing the corrugated fins 2 against the inner peripheral surface of the cylindrical member 4, and can be made of the same material as the cylindrical member 4, but the cylindrical part It may be made of a material different from material 4.
  • the ring-shaped member 3 is made of a material having higher hardness than the material constituting the corrugated fin 2.
  • the ring-shaped member 3 typically has an outer diameter slightly larger than the inner diameter of the corrugated fin 2, and after the corrugated fin 2 is mounted inside the cylindrical member 4, the inner surface of the corrugated fin 2 Press fit. At this time, by forming the ring-shaped member 3 with a material having a hardness higher than that of the material forming the corrugated fin 2, the amount of deformation of the ring-shaped member 3 at the time of the press-fitting can be reduced. It is possible to reliably and effectively apply a force directed radially outward to the corrugated fin 2.
  • the coating layer 5 is formed on the inner peripheral surface of the cylindrical member 4.
  • the corrugated fin 2 has an outer peripheral portion 2a, an inner peripheral portion 2b, and a connecting portion that connects them and extends in the radial direction of the cylindrical member 4. It has a periodic uneven shape in the direction.
  • the outer peripheral portion 2 a of the corrugated fin 2 is pressed into contact with the coating layer 5 on the inner peripheral surface of the cylindrical member 4, and the inner peripheral portion 2 b of the corrugated fin 2 is pressed into contact with the outer peripheral surface of the ring-shaped member 3.
  • the coating layer 5 is typically made of metal, but it is also conceivable to use materials other than metal.
  • the coating layer 5 can be formed by a technique such as plating or vapor deposition.
  • gold Au
  • the coating layer 5 is typically formed on the entire inner peripheral surface of the cylindrical member 4 with a thickness of about several / z m, but can be selectively formed only at a necessary location.
  • the covering layer 5 may have a single layer structure or a multi-layered structure. When the covering layer 5 is formed of a multi-layered structure, the material, hardness, thickness, etc. of each layer may be the same, but they may be different.
  • Embodiment 1 An important feature of Embodiment 1 is that a heat exchange member is attached to the outer shell so as to deform the coating layer.
  • the corrugated fin 2 is mounted in the cylindrical member 4 so as to deform the coating layer 5.
  • the cover layer 5 may be deformed by press-fitting the fin 2. After the corrugated fin 2 is inserted into the cylindrical member 4, the corrugated fin 2 is moved to the cylindrical member 4 side by the ring-shaped member 3 or the like.
  • the covering layer 5 can be deformed by the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 by pressing.
  • the corrugated fin 2 Since the corrugated fin 2 is pressure-bonded to the cylindrical member 4 so as to deform the covering layer 5 in this way, the corrugated fin 2 can be attached to the cylindrical member 4 via the deformed covering layer 5.
  • the covering layer 5 can be disposed around the contact portion between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4. In either case, the contact area between the corrugated fin 2 and the coating layer 5 can be increased as compared with the case where the corrugated fin 2 is simply brought into contact with the coating layer 5.
  • the minute gap between the coating layer 5 and the corrugated fins 2 and Z or the cylindrical member 4 can also be reduced by compressing and deforming the coating layer 5 that is just that. This can also contribute to an increase in the contact area between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4.
  • the hardness of the coating layer 5 is preferably lower than the hardness of at least one of the corrugated fins 2 and the cylindrical member 4, preferably the corrugated fins 2. As a result, the contact area between the corrugated fin 2 and the covering layer 5 can be further increased if the covering layer 5 can be easily deformed.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of a contact portion (contact portion) between the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 and the inner peripheral portion of the cylindrical member 4 in FIG.
  • the coating layer 5 is deformed by pressing the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 against the coating layer 5, and accordingly, the coating layer 5 is formed around the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2. A swell is formed.
  • the covering layer 5 can be extended on the side wall surface of the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2, and the corrugated fin 2 and the covering The contact area with the layer 5 can be increased.
  • the covering layer 5 since the covering layer 5 is compressed and deformed between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4, the vicinity of the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2, the vicinity of the inner peripheral surface of the cylindrical member 4, etc.
  • the coating layer 5 can also be inserted into the minute gaps that may exist. This can also effectively contribute to an increase in the contact area between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4.
  • FIG. 4 shows a modification of the first embodiment.
  • the coating layer in the state shown in Fig. 3 5 is heated to melt and then solidified.
  • the contact area between the corrugated fin 2 and the covering layer 5 can be further increased, and in addition, the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 can be It is possible to further reduce the minute gaps that may exist.
  • the covering layer 5 located in the vicinity of the corrugated fin 2 can be adhered to the surface of the corrugated fin 2 at the time of melting.
  • the contact area can be further increased.
  • an alloy layer can be formed by alloying with at least one of the metal materials constituting one.
  • at least one of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 is made of a copper material
  • the coating layer 5 is made of a Cu—Sn—Ag (Bi) layer or a Cu—Sn—Ag (In) layer having a thickness of about 10 / zm.
  • an alloy layer can be formed between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4. In this case, the same effect as in the above case can be expected.
  • solder materials other than those described above can also be used as the material of the coating layer 5. Further, the alloying temperature can be lowered to about 220 ° C. by including bismuth (Bi) as an impurity in the coating layer 5.
  • Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • a coating layer is formed on the heat exchange member side. Specifically, as shown in FIG. 5, the coating layer 5 is formed on the surface of the corrugated fin 2.
  • Other configurations are basically the same as those in the first embodiment. In the case of the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be expected.
  • FIG. 6 shows an enlarged view of a contact portion (contact portion) between the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 and the inner peripheral portion of the cylindrical member 4 in FIG.
  • the corrugated fin 2 is pressed against the cylindrical member 4 side, so that the coating layer positioned between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 is used. 5 is deformed, and is projected laterally along the surface of the cylindrical member 4. Also, the coating layer Since 5 is compressed and deformed, the above-described minute gap between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 can be reduced. Therefore, as in the case of the first embodiment, the contact area between the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 can be increased.
  • FIG. 7 shows a modification of the second embodiment.
  • the coating layer 5 in the state shown in FIG. 6 may be heated and melted, and then solidified.
  • the material of the coating layer 5 by selecting a material having good wettability with respect to the cylindrical member 4 as the material of the coating layer 5, the material is positioned in the vicinity of the cylindrical member 4 when the coating layer 5 is melted.
  • the coating layer 5 can be attached to the surface of the cylindrical member 4. As a result, a contact area equal to or greater than that in FIG. 6 can be secured. Further, by melting the coating layer 5, the above-described minute gap between the outer peripheral portion 2 a of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 can be further reduced.
  • the metal material constituting the coating layer 5 and the metal constituting at least one of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 An alloy layer formed by alloying the material may be formed.
  • the specific material for each element can be the same as in the first embodiment.
  • a single layer or a plurality of layers of the coating layer 5 may be formed on the surfaces of both the outer peripheral portion 2 a of the corrugated toffine 2 and the cylindrical member 4.
  • a coating layer is selectively formed on at least one of the surface of the outer shell and the surface of the heat exchange member. More specifically, a coating layer is selectively formed at and near the joint between the outer shell and the heat exchange member.
  • the coating layer 5 is formed only between the outer peripheral portion 2 a of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4.
  • the covering layer 5 may be formed on at least one of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4.
  • only the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 may be immersed in a plating solution.
  • a mask is selectively formed on the inner peripheral surface of the cylindrical member 4, and the portion where the mask is formed Less than The coating layer 5 may be formed on the inner peripheral surface of the outer cylindrical member 4 by vapor deposition or the like.
  • the contact area between the corrugated fin 2, the cylindrical member 4 and the covering layer 5 can be increased, and the corrugated fin A minute gap between the in 2 and the cylindrical member 4 can be reduced.
  • the coating layer 5 may be deformed and then melted, and then the coating layer 5 may be solidified. In this case, the same effect as in the first and second embodiments can be expected.
  • Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a coating layer is formed between the outer shell body and the heat exchange member.
  • the ductility of the heat exchange member itself without forming a strong coating layer is increased. Improve.
  • FIG. 9 shows a partially enlarged view of heat exchanger 1 in the fourth embodiment.
  • a coating layer is not formed between the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4, and the outer peripheral portion 2a of the corrugated fin 2 and the cylindrical member 4 are connected. Direct contact.
  • the ductility of the corrugated fin 2 itself is improved.
  • the corrugated fin 2 when the corrugated fin 2 is substantially made of one kind of material, it may be possible to improve the ductility by increasing the purity of the material. .
  • the ductility may be improved by adding other materials to the material constituting Korge 1-to-Fin 2.
  • the ductility of the corrugated fin 2 itself is improved by producing the corrugated fin 2 using a copper material having a copper content of 99.99% or more. be able to.
  • the corrugated fin 2 is made of a material containing copper and a metal material other than copper
  • the corrugated fin 2 is made of a copper material containing copper or a material other than copper, such as silver or tin (a material mainly composed of copper). It is conceivable to configure.
  • the ductility of the copper material can be improved by adding a material such as silver or tin to the main component copper.
  • the corrugated fin 2 By improving the ductility of the corrugated fin 2 itself as described above, the corrugated fins 2 can be easily deformed. Accordingly, the corrugated fin 2 can be deformed along the inner peripheral surface of the cylindrical member 4 at a location where the corrugated fin 2 is pressed against the inner peripheral surface of the cylindrical member 4. The contact area with 4 can be increased.
  • the metal heat exchange member is mounted inside the metal outer shell body.
  • the metal heat exchange member is disposed outside the metal outer shell body.
  • the idea of the present invention can also be applied when mounting the replacement member.
  • Embodiment 5 of the present invention will be described with reference to FIG.
  • the case where the heat exchanger described in each of the above embodiments is incorporated in a Stirling engine will be described.
  • the Stirling engine 7 includes a casing 12, a cylinder 13 assembled to the casing 12, a piston 14 and a displacer 15 reciprocating in the cylinder 13, a regenerator 16, and a compression space.
  • Working space 17 including 17A and expansion space 17B, heat release part 18 (worm head), heat absorption part 19 (cold head), linear motor 23 as piston driving means, piston spring 24, displacer spring 25 And a displacer rod 26 and a back pressure space 27.
  • Various components such as a cylinder 13, a linear motor 23, a piston spring 24, and a displacer spring 25 are assembled to the casing 12.
  • the inside of the Stirling engine 7 is filled with a working medium such as helium gas, hydrogen gas, or nitrogen gas.
  • the cylinder 13 has a substantially cylindrical shape, and receives the piston 14 and the displacer 15 therein so as to be capable of reciprocating.
  • the piston 14 and the displacer 15 are coaxially spaced apart, and the piston 14 and the displacer 15 partition the working space 17 in the cylinder 13 into a compression space 17A and an expansion space 17B.
  • the working space 17 is a space located closer to the displacer 15 than the end face on the displacer 15 side of the piston 14, and a compressed air is interposed between the piston 14 and the displacer 15.
  • a space 17A is formed, and an expansion space 17B is formed between the displacer 15 and the heat absorbing portion 19.
  • the compression space 17A is mainly surrounded by the heat dissipation part 18, and the expansion space 17B is mainly surrounded by the heat absorption part 19.
  • a regenerator 16 in which a film is wound with a predetermined gap on the inner peripheral surface of the tube 8 is disposed.
  • the compression space 17A and the expansion space 17B communicate with each other through the vessel 16.
  • a closed circuit is formed in the Stirling engine 7.
  • the working medium enclosed in the closed circuit flows in accordance with the operation of the piston 14 and the displacer 15, thereby realizing a reverse Stirling cycle.
  • a linear motor 23 is disposed in the back pressure space 27 located outside the cylinder 13.
  • the linear motor 23 has an inner yoke 20, a movable magnet portion 21, and an outer yoke 22, and the piston 14 is driven in the axial direction of the cylinder 13 by the linear motor 23.
  • One end of the piston 14 is connected to a piston spring 24 composed of a plate panel or the like.
  • the piston spring 24 functions as an elastic force applying means for applying an elastic force to the piston 14. By applying an elastic force by the piston spring 24, it is possible to stably reciprocate the piston 14 in the cylinder 13 periodically.
  • One end of the displacer 15 is connected to a displacer spring 25 via a displacer rod 26.
  • the displacer rod 26 is disposed through the piston 14, and the displacer spring 25 is constituted by a plate panel or the like.
  • the peripheral edge of the displacer spring 25 and the peripheral edge of the piston spring 24 are supported by a support member that extends from the linear motor 23 toward the back pressure space 27 of the piston 14.
  • a back pressure space 27 surrounded by the casing 12 is disposed on the side opposite to the displacer 15 with respect to the piston 14.
  • the back pressure space 27 includes an outer peripheral region positioned around the piston 14 in the casing 12 and a rear region positioned closer to the piston spring 24 (rear side) than the piston 14 in the casing 12.
  • a working medium is also present in the back pressure space 27.
  • a heat exchanger 1A high temperature side heat exchanger
  • a heat exchanger 1B low temperature side heat exchanger
  • the heat exchanger described in the form is used. That is, the outer peripheral surface of the corrugated fin 2 is connected (joined) to the inner peripheral surfaces of the heat radiating unit 18 and the heat absorbing unit 19 by the method of each of the above-described embodiments.
  • the contact area between the heat dissipating part 18, the heat absorbing part 19 and the corrugated fin 2 can be increased. That is, a sufficient contact area between the heat exchange member and the outer shell in heat exchange can be ensured. Therefore, the thermal resistance in heat exchange can be reduced, and heat transfer loss can be reduced. As a result, a Stirling engine having high-performance heat exchange with reduced thermal resistance can be obtained. For example, when used as a refrigerator, the refrigeration capacity can be improved.
  • the linear motor 23 is operated to drive the piston 14.
  • the piston 14 driven by the linear motor 23 approaches the displacer 15 and compresses the working medium (working gas) in the compression space 17A.
  • the high-pressure working medium that has flowed into the expansion space 17B has the displacer 15 on the piston 14 side.
  • the displacer 15 starts to move in a direction in which the piston 14 also moves away.
  • the working medium in the expansion space 17B passes through the regenerator 16 and returns to the compression space 17A side again.
  • the temperature of the working medium rises. In other words, this process corresponds to an equal volume heating process in a reverse Stirling cycle.
  • the present invention can be effectively applied to a heat exchanger and a Stirling engine equipped with the heat exchanger.

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Abstract

　熱交換器は、外殻体としての金属製の円筒状部材（４）と、この円筒状部材（４）に装着される熱交換部材としての金属製のコルゲートフィン（２）と、円筒状部材（４）の表面とコルゲートフィン（２）の表面との少なくとも一方に形成された被覆層（５）とを備える。そして、円筒状部材（４）にコルゲートフィン（２）を圧接する。該熱交換器は、たとえばスターリング機関の吸熱部や放熱部に設置することができる。

Description

明 細 書
熱交換器およびスターリング機関
技術分野
[0001] 本発明は、熱交^^および該熱交 を備えたスターリング機関に関し、特に、熱 交換器を構成する熱交換部材と外殻体（円筒状部材)との接触構造に関する。 背景技術
[0002] 従来から、冷凍機などにおける熱交換器には熱交換を行うための熱交換部材が装 着される。たとえば、特開 2001— 91075号公報にはスターリング機関用の熱交^^ が記載され、該熱交 は、円筒状部材と、熱交換部材としてのコルゲートフィンとを 備えている。コルゲートフィンは円筒状部材の内側に取付けられるが、その際にリン グ状部材を用いてコルゲートフィンを円筒状部材側に押圧し、それにより円筒状部材 にコルゲートフィンを圧着する。
[0003] また、特開 2003— 251459号公報には、円筒ケース内に熱交換部材を装着した 冷凍機の熱交^^が記載されている。該熱交 では、熱交換部材の外周面と円 筒ケースの内周面との少なくとも一方にメツキ層を形成し、該メツキ層との共晶反応で 形成した共晶合金により円筒ケースと熱交換部材との間の伝熱面を接合している。 特許文献 1：特開 2001— 91075号公報
特許文献 2：特開 2003 - 251459号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] し力し、特開 2001— 91075号公報に記載の熱交^^のようにコルゲートフィンを 円筒状部材の内周面に圧着しただけでは、コルゲートフィンと円筒状部材との接触 面積を十分に確保することが困難である。コルゲートフィンと円筒状部材との接触面 積が不十分であると、コルゲートフィン力 円筒状部材への熱伝達効率が低下し、結 果的に熱交換器の性能が低下するという問題が生じる。
[0005] また、特開 2003— 251459号公報に記載のように、メツキ層との共晶反応で形成し た共晶合金により円筒ケースと熱交換部材との間の伝熱面を接合したとしても、共晶 合金形成前の段階で円筒ケースとメツキ層との接触面積が不十分であると、結果的 に十分な接触面積を確保することは困難となる。したがって、特開 2001— 91075号 公報の場合と同様の問題が生じ得る。
[0006] 本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱交換部材と、 該熱交換部材が装着される外殻体との間の接触面積を増大することが可能となる熱 交 および該熱交 を備えたスターリング機関を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0007] 本発明に係る熱交換器は、 1つの局面では、金属製の外殻体と、この外殻体周面 に装着される金属製の熱交換部材と、外殻体の周面と熱交換部材の周面との少なく とも一方に形成された被覆層とを備え、外殻体に熱交換部材を圧接する。なお本願 明細書にお 、て「熱交換部材」とは、作動媒体などとの間で熱交換を行う機能を有す る部材のことを称する。また、被覆層は、外殻体の周面および Zまたは熱交換部材の 周面の少なくとも一部を被覆するものであればよい。
[0008] 上記の被覆層の硬度を、外殻体と熱交換部材の少なくとも一方の硬度よりも低くす ることが好ましい。また、上記の被覆層は、熱伝導性に優れた材料であれば金属材 料以外の材料でも使用可能であるが、該被覆層を金属材料で構成する場合、外殻 体と熱交換部材との間に、被覆層を構成する金属材料と、外殻体と熱交換部材の少 なくとも一方を構成する金属材料とを合金化することで形成された合金層を形成する とよい。また、被覆層を溶融した後に固化させるようにしてもよい。
[0009] 本発明に係る熱交 は、他の局面では、金属製の外殻体と、この外殻体に装着 され銅の含有率が 99. 99%以上である銅材料または銀と錫の少なくとも一方を含む 銅材料で構成された熱交換部材とを備え、熱交換部材の周面を外殻体の周面に圧 接する。つまり、本局面では、熱交換部材の材料として熱伝導性のみならず延性に 優れた材料を使用して 、る。
[0010] 上記外殻体は、たとえば円筒状部材で構成することができ、熱交換部材は、たとえ ばコルゲートフィンで構成することができる。この場合、熱交換部材を外殻体の内部 に装着する。
[0011] 本発明に係るスターリング機関は上述の熱交翻を備える。 発明の効果
[0012] 本発明の 1つの局面の熱交換器では、外殻体に熱交換部材を圧接しているので、 単に熱交換部材ゃ外殻体を被覆層に当接する場合と比較して、熱交換部材ゃ外殻 体と、被覆層との接触面積を増大することができる。被覆層は外殻体の表面と熱交換 部材の表面との少なくとも一方に形成されることから、熱交換部材ゃ外殻体の一部で あると言える。したがって、熱交換部材ゃ外殻体と、被覆層との接触面積が増大する ことにより、結果的に熱交換部材と外殻体との間の接触面積を増大することができる
[0013] 本発明の他の局面の熱交換器では、熱交換部材の材料として銅の含有率が 99. 9 9%以上である銅材料や、銀と錫の少なくとも一方を含む銅材料を採用しているので 、熱交換部材自体の延性を向上することができる。それにより、熱交換部材を外殻体 に圧接する際に熱交換部材と外殻体との接触部における熱交換部材の変形量を増 大することができ、この場合も熱交換部材と外殻体との間の接触面積を増大すること が可能となる。
[0014] 本発明のスターリング機関は上記のような熱交換器を備えているので、熱交換部材 と外殻体との間の接触面積が確保された高性能な熱交 を備えたスターリング機 関が得られる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の実施の形態 1における熱交換器の要部断面斜視図である。
[図 2]図 1に示す熱交換器の部分拡大図である。
[図 3]図 2の要部拡大図である。
[図 4]図 3の構造の変形例を示す図である。
[図 5]本発明の実施の形態 2における熱交換器の部分拡大図である。
[図 6]図 5の要部拡大図である。
[図 7]図 6の構造の変形例を示す図である。
[図 8]本発明の実施の形態 3における熱交換器の部分拡大図である。
[図 9]本発明の実施の形態 4における熱交換器の部分拡大図である。
[図 10]本発明に基づく熱交翻を備えたスターリング機関の断面図である。 符号の説明
[0016] 1, 1A, IB 熱交換器、 2 コルゲートフィン、 2a 外周部、 2b 内周部、 3 リング状 部材、 4 円筒状部材、 5 被覆層、 7 スターリング機関、 8 チューブ、 12 ケーシン グ、 13 シリンダ、 14 ピストン、 15 ディスプレーサ、 16 再生器、 17 作動空間、 1 7A 圧縮空間、 17B 膨張空間、 18 放熱部、 19 吸熱部、 20 インナーヨーク、 2 1 可動マグネット部、 22 アウターヨーク、 23 リニアモータ、 24 ピストンスプリング 、 25 ディスプレーサスプリング、 26 ディスプレーサロッド、 27 背圧空間。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 以下、図 1〜図 10を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
[0018] (実施の形態 1)
図 1は、本発明の実施の形態 1における熱交換器 1の斜視図である。図 2は、図 1に 示す熱交換器 1の部分拡大図である。
[0019] 本実施の形態 1における熱交換器は、金属製の筒状または有底筒状の外殻体と、 この外殻体内周面に装着される金属製の熱交換部材と、外殻体の内周面と熱交換 部材の外側表面との少なくとも一方に形成された被覆層とを備える。図 1の例では、 熱交換器 1は、外殻体としての金属製の円筒状部材または有底円筒状部材 (放熱部 または吸熱部となる部材:以下円筒状部材と称す) 4と、該円筒状部材 4に装着される 熱交換部材としての金属製のコルゲートフィン 2と、金属製のリング状部材 3とを備え る。
[0020] 円筒状部材 4は、たとえば銅 (Cu)、銅合金、ステンレス、アルミニウム (A1)、アルミ -ゥム合金などの熱伝導性に優れた金属材料 (合金を含む)あるいはこれらの材料を 組み合わせた複合材料で構成することができる。
[0021] 図 1の例では、円筒状部材 4の内側に、コルゲートフィン 2を装着している。コルゲー トフイン 2は、作動媒体との間で熱交換を行う部材であり、コルゲートフィン 2の外径は 円筒状部材 4の内径とほぼ等しい大きさに設定しておく。それにより、コルゲートフィ ン 2の内周に、円筒状部材 4の径方向外方に向力う方向の力を付与することで、コル ゲートフィン 2の外周面を円筒状部材 4の内周面に押し付けることができ、コルゲート フィン 2の外周面を円筒状部材 4の内周面に圧接することができる。該コルゲートフィ ン 2は、たとえば銅や銅合金で作製可能である。
[0022] リング状部材 3は、主としてコルゲートフィン 2を円筒状部材 4の内周面に押し付けて 固定する機能を有し、円筒状部材 4と同じ材料で構成することもできるが、円筒状部 材 4と異なる材料で構成してもよ 、。たとえばコルゲートフィン 2を構成する材料よりも 硬度の高い材料でリング状部材 3を構成することが考えられる。
[0023] リング状部材 3は、典型的には、コルゲートフィン 2の内径よりも若干大きい外径を有 し、円筒状部材 4の内側にコルゲートフィン 2を装着した後にコルゲートフィン 2の内 側に圧入される。このとき、コルゲートフィン 2を構成する材料よりも硬度の高い材料 でリング状部材 3を構成することにより、上記圧入時のリング状部材 3の変形量を低減 することができ、円筒状部材 4の径方向外方に向力う力をコルゲートフィン 2に確実か つ効果的に付与することができる。
[0024] 本実施の形態 1では、図 2に示すように、円筒状部材 4の内周面上に被覆層 5を形 成している。図 2に示すように、コルゲートフィン 2は、外周部 2aと、内周部 2bと、これ らを接続し円筒状部材 4の径方向に延在する接続部とを有しており、その周方向に 周期的な凹凸形状を有する。このコルゲートフィン 2の外周部 2aが円筒状部材 4の内 周面上の被覆層 5に圧接され、コルゲートフィン 2の内周部 2bがリング状部材 3の外 周面に圧接される。
[0025] 被覆層 5は、典型的には金属で構成されるが、金属以外の材料を使用することも考 えられる。被覆層 5を金属で構成する場合、メツキや蒸着などの手法で形成可能であ る。たとえば、延性および熱伝導性に優れた金 (Au)などを被覆層 5として使用するこ とが考えられる。該被覆層 5は、典型的には円筒状部材 4の内周面全面上に数/ z m 程度の厚みで形成すればよいが、必要な箇所にのみ選択的に形成することも可能で ある。また、被覆層 5は、単層構造であってもよぐ複数層の積層構造で構成されても よい。複数層の積層構造で被覆層 5を構成する場合、各層の材質、硬度、厚みなど を同様のものとしてもよいが、これらを異ならせてもよい。
[0026] 本実施の形態 1では、被覆層を変形させるように外殻体に熱交換部材を装着するこ とを重要な特徴とする。図 1および図 2の例では、被覆層 5を変形させるように円筒状 部材 4内にコルゲートフィン 2を装着して 、る。たとえば円筒状部材 4内にコルゲート フィン 2を圧入することで被覆層 5を変形させるようにしてもよぐ円筒状部材 4内にコ ルゲートフィン 2を挿入した後にリング状部材 3などによりコルゲートフィン 2を円筒状 部材 4側に押圧することでコルゲートフィン 2の外周部 2aによって被覆層 5を変形させ ることがでさる。
[0027] このように被覆層 5を変形させるように円筒状部材 4にコルゲートフィン 2を圧着して いるので、変形した被覆層 5を介してコルゲートフィン 2を円筒状部材 4に装着するこ とも可能となり、またコルゲートフィン 2と円筒状部材 4との接触部の周囲に被覆層 5を 配置することもできる。いずれの場合も、単にコルゲートフィン 2を被覆層 5に当接する 場合と比較して、コルゲートフィン 2と被覆層 5との接触面積を増大することができる。 そればかりでなぐ被覆層 5を圧縮変形させることで、被覆層 5と、コルゲートフィン 2 および Zまたは円筒状部材 4との間の微小な隙間を低減することもできる。このことも 、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4との間の接触面積増大に寄与し得る。
[0028] なお、被覆層 5の硬度を、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4との少なくとも一方、好 ましくはコルゲートフィン 2の硬度よりも低くすると良い。それにより、被覆層 5を容易に 変形させることができるば力りでなぐコルゲートフィン 2と被覆層 5との接触面積をさら に増大することも可能となる。
[0029] 図 3に、図 2におけるコルゲートフィン 2の外周部 2aと円筒状部材 4の内周部との接 合部（当接部)の拡大図を示す。
[0030] 図 3の例では、コルゲートフィン 2の外周部 2aを被覆層 5に押圧することで被覆層 5 を変形させており、それに伴いコルゲートフィン 2の外周部 2aの周囲に被覆層 5の盛 上り部が形成されている。このようにコルゲートフィン 2の外周部 2aを被覆層 5内に押 し込むことにより、コルゲートフィン 2の外周部 2aの側壁面上に被覆層 5を延在させる ことができ、コルゲートフィン 2と被覆層 5との接触面積を増大することができる。それ ば力りでなぐ被覆層 5はコルゲートフィン 2と円筒状部材 4との間で圧縮変形される ので、コルゲートフィン 2の外周部 2aの表面近傍や、円筒状部材 4の内周面近傍など に存在し得る微小な隙間に被覆層 5を入り込ませることもできる。このことも、コルゲー トフイン 2と円筒状部材 4との間の接触面積増大に効果的に寄与し得る。
[0031] 図 4に、本実施の形態 1の変形例を示す。図 4の例では、図 3に示す状態の被覆層 5を加熱して溶融させ、その後固化している。このように被覆層 5を溶融させることで、 コルゲートフィン 2と被覆層 5との接触面積をさらに増大することができることに加えて 、コルゲートフィン 2の外周部 2aと円筒状部材 4との間に存在し得る上記の微小隙間 をさら〖こ低減することもできる。なお、被覆層 5の材料としてコルゲートフィン 2に対し 濡れ性の良好な材料を選択することにより、コルゲートフィン 2の近傍に位置する被覆 層 5を溶融時にコルゲートフィン 2の表面に付着させることができ、接触面積をさらに 増大することができる。
[0032] 被覆層 5に加える加熱処理の温度を適切に調節することにより、被覆層 5を溶融さ せた際に、被覆層 5を構成する金属材料と、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4の少な くとも一方を構成する金属材料とを合金化して合金層を形成することができる。たとえ ば、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4の少なくとも一方を銅材料で構成し、被覆層 5を 10 /z m程度の厚みの Cu— Sn— Ag (Bi)層や Cu— Sn— Ag (In)層で構成すること により、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4との間に合金層を形成することができる。こ の場合も、上記の場合と同様の効果を期待できる。
[0033] なお、上記以外のはんだ材 (Sn— Ag系はんだ材、無鉛はんだ材など)も被覆層 5 の材料として使用可能である。また、被覆層 5に不純物としてビスマス (Bi)を含有さ せることにより、合金化温度を 220°C程度まで低下させることができる。
[0034] (実施の形態 2)
次に、図 5〜図 7を用いて、本発明の実施の形態 2について説明する。
[0035] 本実施の形態 2では、熱交換部材側に被覆層を形成している。具体的には、図 5に 示すように、コルゲートフィン 2の表面上に上述の被覆層 5を形成している。それ以外 の構成については基本的に実施の形態 1の場合と同様である。本実施の形態 2の場 合も、実施の形態 1と同様の効果を期待できる。
[0036] 図 6に、図 5におけるコルゲートフィン 2の外周部 2aと円筒状部材 4の内周部との接 合部（当接部)の拡大図を示す。
[0037] 図 6に示すように、本実施の形態 2では、コルゲートフィン 2が円筒状部材 4側に押 し付けられることにより、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4との間に位置する被覆層 5 が変形して、円筒状部材 4の表面に沿って横方向に張出すこととなる。また、被覆層 5が圧縮変形されるので、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4との間の前述の微小な隙 間をも低減することができる。したがって、実施の形態 1の場合と同様に、コルゲート フィン 2と円筒状部材 4との間の接触面積を増大することができる。
[0038] 図 7に、本実施の形態 2の変形例を示す。図 7に示すように、実施の形態 1の場合と 同様に、図 6に示す状態の被覆層 5を加熱して溶融させ、その後固化させてもよい。 本変形例の場合も、被覆層 5の材料として円筒状部材 4に対し濡れ性の良好な材料 を選択することにより、被覆層 5を溶融させた際に、円筒状部材 4の近傍に位置する 被覆層 5を円筒状部材 4の表面に付着させることができる。それにより、図 6の場合と 同等以上の接触面積を確保することができる。また、被覆層 5を溶融させることで、コ ルゲートフィン 2の外周部 2aと円筒状部材 4との間の前述の微小な隙間をさらに低減 することができる。
[0039] さらに、実施の形態 1の場合と同様に、被覆層 5を溶融させた際に、被覆層 5を構成 する金属材料と、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4の少なくとも一方を構成する金属 材料とを合金化することで形成された合金層を形成してもよい。なお、各要素の具体 的な材料としては実施の形態 1の場合と同様のものを使用可能である。また、コルゲ 一トフイン 2の外周部 2aと円筒状部材 4の双方の表面上に単層または複数層の被覆 層 5を形成してもよい。
[0040] (実施の形態 3)
次に、図 8を用いて、本発明の実施の形態 3について説明する。本実施の形態 3で は、外殻体の表面と、熱交換部材の表面との少なくとも一方に、選択的に被覆層を 形成する。より詳しくは、外殻体と熱交換部材との接合箇所およびその近傍に選択的 に被覆層を形成する。
[0041] 図 8の例では、コルゲートフィン 2の外周部 2aと円筒状部材 4との間にのみ被覆層 5 を形成している。被覆層 5は、コルゲートフィン 2と円筒状部材 4の少なくとも一方に形 成すればよい。コルゲートフィン 2の外周部 2aの表面上にのみ選択的に被覆層 5を 形成するには、たとえばメツキ液にコルゲートフィン 2の外周部 2aのみを浸漬すれば よい。また、円筒状部材 4の内周面上に選択的に被覆層 5を形成するには、たとえば 円筒状部材 4の内周面上に選択的にマスクを形成し、該マスクが形成された箇所以 外の円筒状部材 4の内周面上に蒸着などにより被覆層 5を形成すればよい。
[0042] 本実施の形態 3の場合も、被覆層 5を変形させることで、コルゲートフィン 2や円筒 状部材 4と、被覆層 5との間の接触面積を増大することができるとともに、コルゲートフ イン 2と円筒状部材 4との間の微小な隙間を低減することができる。
[0043] また、上述の実施の形態 1, 2のように、被覆層 5を変形させた後に溶融し、その後 に被覆層 5を固化するようにしてもよい。この場合も、実施の形態 1, 2の場合と同様 の効果を期待できる。
[0044] (実施の形態 4)
次に、図 9を用いて、本発明の実施の形態 4について説明する。上述の各実施の形 態では、外殻体と熱交換部材との間に被覆層を形成したが、本実施の形態 4では、 力かる被覆層を形成することなぐ熱交換部材自体の延性を向上させる。
[0045] 図 9に、本実施の形態 4における熱交換器 1の部分拡大図を示す。図 9に示すよう に、本実施の形態 4ではコルゲートフィン 2の外周部 2aと円筒状部材 4との間に被覆 層を形成せず、コルゲートフィン 2の外周部 2aと円筒状部材 4とを直接接触させてい る。
[0046] そして、コルゲートフィン 2自体の延性を向上させる。コルゲートフィン 2の延性を向 上させるには、コルゲートフィン 2が実質的に 1種類の材質で構成される場合には、そ の材料の純度を上げることで延性を向上させることができる場合がある。また、コルゲ 一トフイン 2を構成する材料中に、他の材料を添加することで延性を向上させることが できる場合ちある。
[0047] たとえばコルゲートフィン 2を銅で構成する場合、銅の含有率が 99. 99%以上であ る銅材料を用いてコルゲートフィン 2を作製することにより、コルゲートフィン 2自体の 延性を向上することができる。また、コルゲートフィン 2を、銅と銅以外の金属材料とを 含む素材で構成する場合、銀や錫などの銅以外の材料を含む銅材料 (銅が主成分 である材料)でコルゲートフィン 2を構成することが考えられる。この場合も、銀や錫の ような材料を主成分である銅に添加することにより、銅材料の延性を向上させることが できる。
[0048] 上記のようにコルゲートフィン 2自体の延性を向上することにより、コルゲートフィン 2 を円筒状部材 4に装着した際にコルゲートフィン 2を変形し易くすることができる。それ により、円筒状部材 4の内周面にコルゲートフィン 2が圧接する箇所において円筒状 部材 4の内周面に沿うようにコルゲートフィン 2を変形させることができ、コルゲートフィ ン 2と円筒状部材 4との接触面積を増大することができる。
[0049] なお、上記の各実施の形態では、金属製の外殻体の内部に金属製の熱交換部材 を装着する場合について説明したが、金属製の外殻体の外部に金属製の熱交換部 材を装着する場合にも本発明の思想を適用することは可能である。
[0050] (実施の形態 5)
次に、図 10を用いて、本発明の実施の形態 5について説明する。本実施の形態 5 では上述の各実施の形態に記載の熱交換器をスターリング機関に組み込んだ場合 について説明する。
[0051] まず、図 10を用いて、本実施の形態 5におけるスターリング機関の構造について説 明する。図 10に示すように、スターリング機関 7は、ケーシング 12と、該ケーシング 12 に組付けられたシリンダ 13と、シリンダ 13内で往復動するピストン 14およびディスプ レーサ 15と、再生器 16と、圧縮空間 17Aと膨張空間 17Bとを含む作動空間 17と、放 熱部 18 (ウォームヘッド）と、吸熱部 19 (コールドヘッド）と、ピストン駆動手段としての リニアモータ 23と、ピストンスプリング 24と、ディスプレーサスプリング 25と、ディスプレ ーサロッド 26と、背圧空間 27とを備える。
[0052] ケーシング 12には、シリンダ 13、リニアモータ 23、ピストンスプリング 24およびディ スプレーサスプリング 25をはじめとする種々の部品が組付けられる。また、スターリン グ機関 7の内部には、ヘリウムガスや水素ガス、窒素ガスなどの作動媒体が充填され る。
[0053] シリンダ 13は、略円筒状の形状を有し、内部にピストン 14とディスプレーサ 15とを 往復動可能に受け入れる。シリンダ 13内において、ピストン 14とディスプレーサ 15と は同軸上に間隔をあけて配置され、このピストン 14およびディスプレーサ 15によって シリンダ 13内の作動空間 17が圧縮空間 17Aと膨張空間 17Bとに区画される。より詳 しくは、作動空間 17は、ピストン 14におけるディスプレーサ 15側の端面よりもデイス プレーサ 15側に位置する空間であり、ピストン 14とディスプレーサ 15との間に圧縮空 間 17Aが形成され、ディスプレーサ 15と吸熱部 19との間に膨張空間 17Bが形成さ れる。圧縮空間 17Aは主に放熱部 18によって囲まれ、膨張空間 17Bは主に吸熱部 19によって囲まれている。
[0054] 圧縮空間 17Aと膨張空間 17Bとの間には、チューブ 8の内周面上に所定の隙間を 有しながらフィルムが卷回されてなる再生器 16が配設されており、この再生器 16を 介して圧縮空間 17Aと膨張空間 17Bとが連通する。それにより、スターリング機関 7 内に閉回路が構成される。この閉回路内に封入された作動媒体が、ピストン 14およ びディスプレーサ 15の動作に合わせて流動することにより、逆スターリングサイクルが 実現する。
[0055] シリンダ 13の外側に位置する背圧空間 27にはリニアモータ 23が配設される。リニ ァモータ 23は、インナーヨーク 20と、可動マグネット部 21と、アウターヨーク 22とを有 し、このリニアモータ 23によって、シリンダ 13の軸方向にピストン 14を駆動する。
[0056] ピストン 14の一端は、板パネなどで構成されるピストンスプリング 24と接続される。
該ピストンスプリング 24は、ピストン 14に弾性力を付与する弾性力付与手段として機 能する。該ピストンスプリング 24により弾性力を付加することにより、シリンダ 13内でピ ストン 14を安定して周期的に往復動させることが可能となる。ディスプレーサ 15の一 端は、ディスプレーサロッド 26を介してディスプレーサスプリング 25と接続される。デ イスプレーサロッド 26はピストン 14を貫通して配設され、ディスプレーサスプリング 25 は板パネなどで構成される。該ディスプレーサスプリング 25の周縁部と、ピストンスプ リング 24の周縁部は、リニアモータ 23からピストン 14の背圧空間 27側に延びる支持 部材により支持される。
[0057] ピストン 14に対しディスプレーサ 15と反対側には、ケーシング 12によって囲まれた 背圧空間 27が配設されている。背圧空間 27は、ケーシング 12内でピストン 14の周 囲に位置する外周領域と、ケーシング 12内でピストン 14よりもピストンスプリング 24側 (後方側）に位置する後方領域とを含む。この背圧空間 27内にも、作動媒体が存在 する。
[0058] 放熱部 18、吸熱部 19には、それぞれ熱交換器 1 A (高温側熱交換器)と熱交換器 1B (低温側熱交 とが設置される。この熱交 1Α, IBとして、上述の各実施 の形態に記載の熱交換器を使用する。つまり、放熱部 18、吸熱部 19の内周面上に 上述の各実施の形態の手法でコルゲートフィン 2の外周面を接続 (接合)する。
[0059] それにより、放熱部 18、吸熱部 19とコルゲートフィン 2との間の接触面積を増大す ることができる。つまり、熱交 における熱交換部材と外殻体との間の十分な接触 面積を確保することができる。したがって、熱交^^における熱抵抗を低減すること ができ、伝熱ロスを低減することができる。その結果、熱抵抗の低減された高性能な 熱交 を備えたスターリング機関が得られ、たとえば冷凍機として使用した場合に は冷凍能力を向上することができる。
[0060] 次に、上述のスターリング機関 7の動作について説明する。
[0061] まず、リニアモータ 23を作動させてピストン 14を駆動する。リニアモータ 23によって 駆動されたピストン 14は、ディスプレーサ 15に接近し、圧縮空間 17A内の作動媒体 (作動ガス)を圧縮する。
[0062] ピストン 14がディスプレーサ 15に接近することにより、圧縮空間 17A内の作動媒体 の温度は上昇するが、熱交 を介して当該熱が放熱部 18に伝達され、放熱部 18によってこの圧縮空間 17A内に発生した熱が外部へと放出される。そのため、圧 縮空間 17A内の作動媒体の温度はほぼ等温に維持される。すなわち、本過程は、 逆スターリングサイクルにおける等温圧縮過程に相当する。
[0063] ピストン 14がディスプレーサ 15に接近した後にディスプレーサ 15は吸熱部 19側に 移動する。他方、ピストン 14によって圧縮空間 17A内において圧縮された作動媒体 は再生器 16内に流入し、さらに膨張空間 17Bへと流れ込む。その際、作動媒体の持 つ熱が再生器 16に蓄熱される。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容 冷却過程に相当する。
[0064] 膨張空間 17B内に流入した高圧の作動媒体は、ディスプレーサ 15がピストン 14側
(ケーシング 12のベッセル部分の後端側）へ移動することにより膨張する。このように ディスプレーサ 15が後方側へ移動するのに伴い、ディスプレーサスプリング 25の中 央部も後方側に突出するように変形する。
[0065] 上記のように膨張空間 17B内で作動媒体が膨張することにより、膨張空間 17B内 の作動媒体の温度は下降するが、吸熱部 19によって外部の熱が膨張空間 17B内へ と伝達されるため、膨張空間 17B内はほぼ等温に保たれる。すなわち、本過程は、逆 スターリングサイクルの等温膨張過程に相当する。
[0066] その後、ディスプレーサ 15がピストン 14力も遠ざ力る方向に移動し始める。それに より、膨張空間 17B内の作動媒体は再生器 16を通過して再び圧縮空間 17A側へと 戻る。その際に再生器 16に蓄熱されていた熱が作動媒体に与えられるため、作動媒 体は昇温する。すなわち、本過程は、逆スターリングサイクルの等容加熱過程に相当 する。
[0067] この一連の過程 (等温圧縮過程 等容冷却過程 等温膨張過程 等容加熱過程 )が繰り返されることにより、逆スターリングサイクルが構成される。この結果、吸熱部 1 9は徐々に低温になり、極低温を有するに至る。他方、放熱部 18の温度も徐々に上 昇し、所定の高温に達する。ここで、本実施の形態の熱交 1Α, IBを採用するこ とにより、作動媒体からの熱を各熱交換器 1A, 1Bを介して吸熱部 19および放熱部 1 8に効率的に伝達することができる。
[0068] 以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形 態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定して 、る。
[0069] また、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではな いと考えられるべきである。本発明の範囲は、請求の範囲によって示され、請求の範 囲と均等の意味および範囲内でのすべての変形が含まれる。
産業上の利用可能性
[0070] 本発明は、熱交換器および該熱交換器を備えたスターリング機関に有効に適用さ れ得る。

Claims

請求の範囲
[1] 金属製の筒状または有底筒状の外殻体 (4)と、
前記外殻体 (4)周面に装着される金属製の熱交換部材 (2)と、
前記外殻体 (4)の周面と前記熱交換部材 (2)の周面との少なくとも一方に形成され た被覆層（5)とを備え、
前記外殻体 (4)に前記熱交換部材 (2)を圧接した、熱交換器。
[2] 前記被覆層 (5)の硬度を、前記外殻体 (4)と前記熱交換部材 (2)の少なくとも一方 の硬度よりも低くした、請求項 1に記載の熱交換器。
[3] 前記被覆層 (5)を金属材料で構成し、
前記外殻体 (4)と前記熱交換部材 (2)との間に、前記被覆層 (5)を構成する金属 材料と、前記外殻体 (4)と前記熱交換部材 (2)の少なくとも一方を構成する金属材料 とを合金化することで形成された合金層を備えた、請求項 1に記載の熱交換器。
[4] 前記被覆層（5)を溶融した後に固化させた、請求項 1に記載の熱交換器。
[5] 請求項 1に記載の熱交翻を備えたスターリング機関。
[6] 金属製の筒状または有底筒状の外殻体 (4)と、
前記外殻体 (4)周面に装着され、銅の含有率が 99. 99%以上である銅材料また は銀と錫の少なくとも一方を含む銅材料で構成された熱交換部材 (2)とを備え、 前記熱交換部材 (2)の周面を前記外殻体 (4)の周面に圧接した、熱交換器。
[7] 請求項 6に記載の熱交翻を備えたスターリング機関。
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