WO2007034768A1

WO2007034768A1 - スターリング機関用熱交換器及びこれを用いるスターリング機関

Info

Publication number: WO2007034768A1
Application number: PCT/JP2006/318483
Authority: WO
Inventors: Hideo Okada; Atsuo Yamano; Yuhsuke Haraguchi; Katsuhisa Ohta; Junzoh Kawakami
Original assignee: Sharp Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2007-03-29
Also published as: JP2007085641A

Abstract

　スターリング機関はピストン及びディスプレーサにより圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間と膨脹空間の間に配置され、作動ガスとの間で熱を授受した熱を高温側伝熱ヘッド及び低温側伝熱ヘッドに伝える高温側内部熱交換器と低温側内部熱交換器は、いずれも本発明に係る熱交換器により構成される。熱交換器は、リング状ベースの内面に、リングの中心方向に向かって延びる多数のフィンを形成したものである。フィンの先端同士の間に形成される円筒形の空間には留めリングが圧入される。

Description

スターリング機関用熱交換器及びこれを用いるスターリング機関技術分野

[0001] 本発明はスターリング機関用熱交及びこれを用いるスターリング機関に関する背景技術

[0002] スターリング機関は、フロンでなくヘリウム、水素、窒素などを作動ガスとして用いるので、オゾン層の破壊を招くことのない熱機関として注目を集めている。冷凍機として用いるスターリング機関では、リニアモータなどの動力源によりピストンを往復運動させ、このピストンに対しディスプレーサを、所定の位相差をもって同期往復運動させる。ピストンとディスプレーサは圧縮空間と膨脹空間の間で作動ガスを行き来させる。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間では作動ガスの温度が低下する。圧縮空間（高温空間）の熱を高温伝熱ヘッドを通じて放熱して等温圧縮変化を実現し、外部の熱を低温伝熱ヘッドを通じ膨脹空間 (低温空間）に吸収して等温膨張変化を実現すれば、逆スターリングサイクルが形成される。

[0003] 圧縮空間（高温空間）の熱を高温伝熱ヘッドに伝え、また外部の熱を低温伝熱へッドを通じ膨張空間 (低温空間）に吸収するため、高温伝熱ヘッドと低温伝熱ヘッドの内部にはそれぞれ熱交換器が配置される。このような熱交換器の熱交換効率と熱授受効率を高めることは、これまでも当技術分野における関心事であった。

[0004] 特許文献 1、 2にはコルゲートフィン力もなる熱交^^が記載されている。コルゲートフィンは広、伝熱面積 (作動ガスに接触する部分の面積)を有するため用いられる。コルゲートフィンは襞の頂部が管状の伝熱ヘッドの内周面に圧接し、線状の接触箇所により伝熱ヘッドとの間で熱授受を行う。特許文献 3には熱交換器の要素技術であるスカイブ放熱部材が開示されている。特許文献 4に開示されたものは熱交^^ではなく再生器である力押出成形加工によって放射状にフィンを形成している。

特許文献 1 :特開 2002— 81774号公報 (第 3— 5頁、図 1— 8)

特許文献 2：特開 2001— 91075号公報 (第 3— 5頁、図 1— 5) 特許文献 3：特開 2001— 326308号公報 (第 3— 5頁、図 1— 5)

特許文献 4：特開 2000 - 28214号公報 (第 4— 5頁、図 1— 6)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 特許文献 1、 2に記載のもののような、コルゲートフィン力なる熱交^^を伝熱へッドに組み合わせるにあたっては、コルゲートフィンの襞の頂部力 Sもれなく伝熱ヘッドの内周面に密着することが求められる。そのためにはコルゲートフィンの襞の頂部の包絡線が真円を描くことが必要となる。し力しながら、コルゲートフィンの幾何学形状をそのように正確に仕上げることは困難であり、伝熱ヘッドの内周面に接触しない頂部が生じることがしばしばあった。伝熱ヘッドに接触すべき箇所が接触しな、と、う事態が発生すると、当然のことながら熱交^^と伝熱ヘッドの間の熱授受が阻害され、スターリング機関の性能が低下する。そのような事態に陥らないよう、コルゲートフィンの襞の頂部と伝熱ヘッドの内周面とをロウ付けしたり接着剤で接着したりして両者間に隙間をつくらないようにするという対策も実施されるが、それは材料コストと加工コストの増大を招き、好ましくない。

[0006] 特許文献 3にはスカイブ加工による熱交^^が記載されているが、スターリング機関に最適な構造に関する記載がなヽ。特許文献 4には放射状にフィンを形成したスターリング機関用再生器が記載されているが、熱交^^に最適な構造を示すものではない。

[0007] 本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、伝熱ヘッドとの間の熱授受がスムーズ且つ安定してヽる新規構造のスターリング機関用熱交を提供することを目的とする。また、力かる熱交を搭載した高性能の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

[0008] 上記目的を達成するために本発明は、圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で授受した熱を伝熱ヘッドに伝達するスターリング機関用熱交^^において、リング状ベースを備え、このリング状ベースは、外面には前記スターリング機関の伝熱ヘッドと面接触する面を有し、内面にはリングの中心方向に向かつて延びる多数のフインが形成されて、ることを特徴として、る。

[0009] この構成によると、伝熱ヘッドとの間の熱授受をコルゲートフィンのように襞の頂部という線状の部分を通じて行うのでなぐリング状ベースの外周という面状の部分を通じて行うから、伝熱面積が広ぐ熱授受が安定し、授受する熱量そのものも多くすることができる。

[0010] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記ベースとフインを一体に押出成形することを特徴として、る。

[0011] この構成によると、ベースとフィンの間に熱の授受を阻害する境界部がないので、良好な熱授受を実現できる。

[0012] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記フィンを多数立設した平板状素材をフィンを内側にして丸めることにより、前記リング状ベースを形成することを特徴として、る。

[0013] この構成によると、フィンを立設した平板状素材を丸めて熱交を形成するものであるから、フィンを立設するのに多様な手法を用いることができ、製造が容易である。また平板状素材の長さを変えることによりリング状ベースの直径を自由に調整できる

[0014] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記リング状べースは、リング軸線方向のベクトル成分を持つスリットを少なくとも 1箇所に有することを特徴としている。

[0015] この構成によると、リング状ベースに力をカ卩えてスリットの幅を縮めればベースの直径自体が小さくなるので、その状態でリング状ベースを伝熱ヘッドに挿入して力力を緩めることにより、伝熱ヘッドの内周面にリング状ベースの外周面をぴったりと密着させることができる。また熱交^^と伝熱ヘッドの間に急激に温度差が生じた場合でも、スリットの存在力 Sもたらす弾性でリング状ベースは伝熱ヘッドの膨張あるいは収縮に即座に追随し、面接触を保つことができる。

[0016] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記スリットは、前記リング状ベースを分断するものであることを特徴としている。

[0017] この構成によると、スリットの幅の伸縮で伝熱ヘッドの内周とベースの外周との寸法差を吸収できるから、熱交^^の製造にあたり、寸法精度をそれほど厳しく追求しなくて済む。また、ベースのリング形状をたわめやすいので伝熱ヘッドに挿入するのも楽である。

[0018] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記スリットは、両岸部を連結するブリッジ部を備えることを特徴としている。

[0019] この構成によると、熱交を手で支えなくてもスリットが開きすぎるということはなく、リング状ベースは一定直径以下に保たれるので、組立時のハンドリングが容易である。

[0020] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記リング状べースは、リング軸線方向のベクトル成分を持つ縮径用溝を少なくとも 1箇所に有することを特徴としている。

[0021] この構成によると、リング状ベースに力を加えて縮径用溝の幅を縮めればリング状ベースの直径自体が小さくなるので、その状態でリング状ベースを伝熱ヘッドに挿入してから力を緩めることにより、伝熱ヘッドの内周面にリング状ベースの外周面をぴったりと密着させることができる。

[0022] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記フィンは、端面方向から見た断面形状力前記リング状ベースの中心方向に向かい先細りとなつて、ることを特徴として、る。

[0023] この構成によると、フィンの熱伝達は、熱交^^の中心方向に向ってはフィンの断面積が漸減するところ力も抵抗大となり、熱交^^の外周方向に向力つてはフィンの断面積が漸増するところ力抵抗小となる。従って熱交^^の外周方向に向力つて熱が流れやすくなり、伝熱ヘッドとの間の熱授受量が増加する。

[0024] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記フィンの先端同士の間に形成される円筒形の空間に、留めリングを圧入することを特徴としている。

[0025] この構成によると、留めリングが熱交を外周方向に圧迫し、フィンを強く押圧するので、熱交換器の外周面が伝熱ヘッドの内周面に押し付けられて接触状態が安定し、熱授受効率が向上する。 [0026] また本発明は、上記構成のスターリング機関用熱交換器において、前記フィンは、端面方向から見た断面形状が曲線を描、て、ることを特徴として、る。

[0027] この構成によると、熱交^^の中心に挿入される部材に対し、フィンは曲げによる弹性で接触するから、その部材に届くフィンもあれば届かないフィンもあるといったばらつきが生じにくい。その部材が留めリングである場合、フィンが留めリングに及ぼす力の反力でリング状ベースは全周にわたり伝熱ヘッドの内周面に押し付けられて接触状態が安定し、熱授受効率が向上する。

[0028] また本発明は、上記のいずれかの熱交を搭載したスターリング機関であることを特徴としている。

[0029] この構成〖こよると、熱授受性能に優れた熱交を使用することにより、スターリング機関の能力あるいは運転効率を向上させることができる。

発明の効果

[0030] 本発明によると、広い伝熱面積をもって伝熱ヘッドの内周面に面接触し、安定した熱授受が可能なスターリング機関用熱交換器を得ることができる。

図面の簡単な説明

[0031] [図 1]スターリング機関の断面図

[図 2]第 1実施形態に係る熱交翻の端面図

[図 3]第 1実施形態に係る熱交翻の斜視図

[図 4]第 2実施形態に係る熱交換器の斜視図

[図 5]第 2実施形態に係る熱交翻の端面図

[図 6]第 2実施形態に係る熱交換器の平面展開図

[図 7]第 3実施形態に係る熱交換器の平面展開図

[図 8]第 4実施形態に係る熱交換器の平面展開図

[図 9]第 5実施形態に係る熱交翻の斜視図

[図 10]第 5実施形態に係る熱交換器の平面展開図

[図 11]第 6実施形態に係る熱交換器の平面展開図

[図 12]第 7実施形態に係る熱交換器の平面展開図

[図 13]第 8実施形態に係る熱交換器の断面図 [図 14]第 9実施形態に係る熱交換器の断面図

[図 15]第 10実施形態に係る熱交翻の斜視図

[図 16]第 11実施形態に係る熱交換器の斜視図

[図 17]第 12実施形態に係る熱交換器の斜視図

[図 18]第 13実施形態に係る熱交翻の斜視図

[図 19]第 14実施形態に係る熱交換器の端面図

[図 20]第 15実施形態に係る熱交換器の端面図

符号の説明

[0032] 1 スターリング機関

12 ピストン

13 ディスプレーサ

20 リニアモータ

40 高温側伝熱ヘッド

41 低温側伝熱ヘッド

42 高温側内部熱交換器

43 低温側内部熱交換器

45 圧縮空間

46 膨脹空間

100、 100a〜100n 熱交^^

101 ベース

102 フィン

103 スリット

104 ブリッジ部

105 縮径用溝

110 留めリング

発明を実施するための最良の形態

[0033] 最初に、本発明熱交換器の使用対象であるスターリング機関の構造を図 1に基づき説明する。図 1はスターリング機関の断面図である。 [0034] スターリング機関 1は冷凍機として用いられるフリーピストンタイプのものであり、その組立の中心となるのはシリンダ 10、 11である。シリンダ 10、 11の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ 10にはピストン 12が挿入され、シリンダ 11にはディスプレーサ 13が挿入される。ピストン 12及びディスプレーサ 13は、スターリング機関 1の運転中、ガスベアリングの仕組みによりシリンダ 10、 11の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン 12とディスプレーサ 13は所定の位相差を備えて動く。

[0035] ピストン 12の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ 14が固定される。ディスプレーサ 13の一方の端からはディスプレーサ軸 15が突出する。ディスプレーサ軸 15はピストン 12及びマグネットホルダ 14を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。

[0036] シリンダ 10はピストン 12の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ 20を保持する。リニアモータ 20は、コイル 21を備えた外側ヨーク 22と、シリンダ 10の外周面に接するように設けられた内側ヨーク 23と、外側ヨーク 22と内側ヨーク 23の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット 24と、外側ヨーク 22を囲む管体 25と、外側ョーク 22、内側ヨーク 23、及び管体 25を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット 26、 27とを備える。マグネット 24はマグネットホルダ 14に固定されている。

[0037] マグネットホルダ 14のハブの部分にはスプリング 30の中心部が固定される。デイスプレーサ軸 15にはスプリング 31の中心部が固定される。スプリング 30、 31の外周部はエンドブラケット 27に固定される。スプリング 30、 31の外周部同士の間にはスぺーサ 32が配置されており、これによりスプリング 30、 31は一定の距離を保つ。スプリング 30、 31は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ 13をピストン 12に対し所定の位相差 (一般的には約 90°の位相差)をもたせて共振させる役割を果たす。

[0038] シリンダ 11のうち、ディスプレーサ 13の動作領域にあたる部分の外側には高温側伝熱ヘッド 40と低温側伝熱ヘッド 41が配置される。高温側伝熱ヘッド 40はリング状、低温側伝熱ヘッド 41はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。高温側伝熱ヘッド 40の内周面にはリング状の高温側内部熱交換器 4 2が装着され、低温側伝熱ヘッド 41の内周面には同じくリング状の低温側内部熱交 43が装着される。高温側内部熱交換器 42と低温側内部熱交換器 43はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を高温側伝熱ヘッド 40と低温側伝熱ヘッド 41に伝える。高温側内部熱交換器 42と低温側内部熱交換器 43の構造は後で詳細に説明する。

[0039] 高温側伝熱ヘッド 40と低温側伝熱ヘッド 41はこのように高温側内部熱交と低温側内部熱交 43を介在させた形でシリンダ 11の外側に支持される。そして高温側伝熱ヘッド 40にはシリンダ 10及び圧力容器 50が連結される。

[0040] 高温側伝熱ヘッド 40、シリンダ 10、 11、ピストン 12、ディスプレーサ 13、ディスプレーサ軸 15、及び高温側内部熱交換器 42で囲まれる環状の空間は圧縮空間 45となる。低温側伝熱ヘッド 41、シリンダ 11、ディスプレーサ 13、及び低温側内部熱交換器 43で囲まれる空間は膨張空間 46となる。

[0041] 高温側内部熱交 42と低温側内部熱交 43の間には再生器 70が配置される。内部熱交 42、 43の間には再生器 47が配置される。再生器 47は容器に金網などの充填材 (マトリックス)を詰め込んだり、金属薄板や合成樹脂フィルムをコイル状に巻いたりして形成したものであって、作動ガスが通る空隙を内部に有する。再生器 47の外側を再生器チューブ 48が包む。再生器チューブ 48は伝熱ヘッド 40、 41 の間に気密通路を構成する。再生器チューブ 48は、例えばステンレス鋼で形成することができる。

[0042] リニアモータ 20、シリンダ 10、及びピストン 12を覆う筒状の圧力容器が胴体部 50を形成する。胴体部 50の内部は背圧空間 51となる。

[0043] 胴体部 50の構造は次のようになって、る。すなわち胴体部 50は、高温側伝熱へッド 40に接合されるリング状部 52と、このリング状部 52に接合されるキャップ状部 53とに 2分割されている。リング状部 52、キャップ状部 53ともステンレス鋼製である。リング状部 52の一端はテーパ状に絞り込まれ、高温側伝熱ヘッド 40にロウ付けされる。キヤップ状部 53はパイプの内面に鏡板 53aを溶接した構造である。

[0044] リング状部 52の他端と、これに向かい合うキャップ状部 53の開口端には、フランジ形状部 54、 55が設けられる。フランジ形状部 54、 55はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部 52とキャップ状部 53に溶接して形成されるものであり、最終的にはフランジ形状部 54、 55を溶接して密閉状態の胴体部 50を形成する。 [0045] 胴体部 50には、リニアモータ 20に電力を供給するための端子部 28と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ 50aが配置される。これらはいずれもキャップ状部 53の外周面力放射方向に突出するように設けられる。

[0046] 胴体部 50には動吸振器 60が取り付けられる。動吸振器 60は、胴体部 50に固定されるベース 61と、ベース 61に支持される板状のスプリング 62と、スプリング 62に支持されるバランスウェイト 63とから成る。

[0047] スターリング機関 1は次のように動作する。リニアモータ 20のコイル 21に交流電流を供給すると外側ヨーク 22と内側ヨーク 23の間にマグネット 24を貫通する磁界が発生し、マグネット 24は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン 12、マグネットホルダ 14、マグネット 24、及びスプリング 30)の総質量と、スプリング 30のパネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。

[0048] ディスプレーサ系（ディスプレーサ 13、ディスプレーサ軸 15、及びスプリング 31)にあっては、その総質量と、スプリング 31のパネ定数とにより定まる共振周波数がピストン 12の駆動周波数に共振するよう設定する。

[0049] ピストン 12の往復運動により、圧縮空間 45では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ 13も往復運動を行う。このとき、圧縮空間 45と膨脹空間 46との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ 13とピストン 12との間には位相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ 13はピストン 12と所定の位相差を有して同期して振動する。

[0050] 上記の動作により、圧縮空間 45と膨脹空間 46との間に逆スターリングサイクルが形成される。圧縮空間では作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間 46では作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空間 45の温度は上昇し、膨張空間 46の温度は下降する。

[0051] 運転中に圧縮空間 45と膨張空間 46の間を行き来する作動ガスは、高温側内部熱交翻 42と低温側内部熱交翻 43を通過する際に、その有する熱を高温側内部熱交翻 42と低温側内部熱交翻 43を通じて高温側伝熱ヘッド 40と低温側伝熱ヘッド 41に伝える。圧縮空間 45から再生器 70へ流れ込む作動ガスは高温であるため高温側伝熱ヘッド 40は加熱され、高温側伝熱ヘッド 40はウォームヘッドとなる。膨張空間 46から再生器 70へ流れ込む作動ガスは低温であるため低温側伝熱ヘッド 4 1は冷却され、低温側伝熱ヘッド 41はコールドヘッドとなる。高温側伝熱ヘッド 40より熱を大気へ放散し、低温側伝熱ヘッド 41で特定空間の温度を下げることにより、スタ一リング機関 1は冷凍機関としての機能を果たす。

[0052] 再生器 70は、圧縮空間 45と膨張空間 46の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間 45から高温側内部熱交換器 42を経て再生器 70 に入った高温の作動ガスは、再生器 70を通過するときにその熱を再生器 70に与え、温度が下がった状態で膨張空間 46に流入する。膨張空間 46から低温側内部熱交 43を経て再生器 70に入った低温の作動ガスは、再生器 70を通過するときに再生器 70から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間 45に流入する。すなわち再生器 70は蓄熱手段としての役割を果たす。

[0053] ピストン 12とディスプレーサ 13が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関 1に振動が生じる。振動抑制装置 60がこの振動を抑える。

[0054] 続いて高温側内部熱交換器 42と低温側内部熱交換器 43の構造を図 2以下の図に基づき説明する。高温側内部熱交翻 42と低温側熱交翻 43は、共に熱交換器 100により構成される。

[0055] 熱交翻100の第 1実施形態を図 2、 3に示す。図 2は高温側伝熱ヘッド 40又は低温側伝熱ヘッド 41 (以下、高温側伝熱ヘッド 40と低温側伝熱ヘッド 41を合わせて単に「伝熱ヘッド」と称する）に嵌合した状態の熱交換器 100を端面側から、すなわちリングの軸線に視線を一致させて見た図である。図 3は熱交^^ 100の斜視図である

[0056] 熱交^^ 100は、伝熱ヘッドの内径とほぼ同じ外径を有する薄いリング状のベース 101を備える。ベース 101は伝熱ヘッドと面接触する面を外面に有する。ベース 101 の内面には、リングの軸線と平行に、且つリングの中心方向に向かって延びるフィン 1 02が一定ピッチで多数形成されている。ベース 101とフィン 102のリング軸線方向の幅は同一である。

[0057] 熱交翻100は、金属素材を長いチューブの形に押出成形し、それを所定長さに切断することにより製造できる。金属素材としては銅、銅合金、アルミニウム、アルミ- ゥム合金などを用いる。押出成形によれば、ベース 101とフィン 102は一体のものとなり、両者間に熱の授受を阻害する境界部が存在しないので、良好な熱授受を実現できる。

[0058] 熱交換器 100の成形手法は押出成形に限られない。ダイキャスト成型や素材ブロッタカもの削り出しなども採用可能である。これらの手法でもベース 101とフィン 102を一体化する形で成形できる。

[0059] 熱交換器 100は、伝熱ヘッドの内周面に対し、ベース 101の外周面で向かい合い、面接触する。このようにリング状のベース 101の外周という面状の部分を通じて伝熱ヘッドとの間の熱授受を行うから、伝熱面積が広ぐ熱授受が安定し、授受する熱量そのものも多くすることができる。

[0060] フィン 102の数を多くすれば作動ガスとの接触面積が増し、多くの熱を授受できる 1S フィン 102の数に比例して通気抵抗も増す。そこで、作動ガスとの接触面積と通気抵抗とのバランスがとれるようにフィン 102の数を決定する。

[0061] フィン 102は、端面方向から見た断面形状がベース 101の中心方向に向かい先細りとなっている。このためフィン 102の熱伝達は、熱交^^ 100の中心方向に向ってはフィン 102の断面積が漸減するところ力も抵抗大となり、熱交翻 100の外周方向に向力つてはフィン 102の断面積が漸増するところ力も抵抗小となる。従って熱交換器 100の外周方向に向力つて熱が流れやすくなり、伝熱ヘッドとの間の熱授受量が増加する。

[0062] なお、先細りしたフィン 102の先端部を図 2に示すように僅かに中心方向力もずらしておくことにより、伝熱ヘッドへの挿入時にフィン 102が変形し、クッションとして作用する。これにより、熱交換器 100の伝熱ヘッドへの挿入が容易になる。

[0063] フィン 102の先端同士の間に形成される円筒形の空間には留めリング 110を圧入する。留めリング 110にはステンレス鋼を用いる力それ以外の金属であっても構わない。圧入した留めリング 110が熱交^^ 100を外周方向に圧迫し、フィン 102を強く押圧するので、熱交換器 100の外周面が伝熱ヘッドの内周面に押し付けられて接触状態が安定し、熱授受効率が向上する。 [0064] 留めリング 110の圧入は、熱交換器 100を伝熱ヘッドに挿入した後に行ってもよぐ先に留めリング 110を熱交^^ 100に圧入しておいて、それから熱交^^ 100を伝熱ヘッドに圧入すると!/、う手順を踏んでもよ!、。

[0065] 熱交換器 100の外径を伝熱ヘッドの内径よりも若干大きめにしておき、両者の嵌合がしまりばめになるようになるようにしておいてもよい。こうすれば、留めリング 110を省略できる。

[0066] フィン 102は、端面方向から見た断面形状が曲線を描いている。このため、熱交換器 100の中心に他部材を挿入すると、フィン 102〖こは圧縮だけでなく、曲率半径が縮小するという弾性変形が生じる。挿入された部材にフィン 102の先端力クッション性をもって接触することになり、その部材に届くフィンもあれば届かないフィンもあるといつたばらつきが生じにくい。留めリング 110を圧入する場合には、フィン 102が留めリング 110に及ぼす力の反力でベース 101は全周にわたり伝熱ヘッドの内周面に押し付けられるから、これによつて接触状態が安定し、熱授受効率が向上する。

[0067] 熱交換器 100の第 2実施形態を図 4〜6に示す。図 4は第 2実施形態に係る熱交換器 100aの斜視図である。図 5は伝熱ヘッドに嵌合した状態の熱交翻100_&を端面側から見た図である。図 6は熱交換器 100aの平面展開図である。

[0068] 第 1実施形態の熱交換器 100は、最初からリング形状となっていたが、第 2実施形態の熱交^^ 100aはそうではない。平板状の金属素材 101pに多数のフィン 102を立設し、その金属素材 101pをフィン 102を内側にして丸めることによりリング状のベース 101を得るものである。図 6には平面形状矩形の金属素材 101pにリング軸線と平行な多数のフィン 102を立設したものが示されている。この金属素材 10 lpを丸めると図 4、 5に示される熱交翻 100aが得られる。

[0069] この製造方法によると、フィン 102を立設するのに多様な手法、例えば特許文献 3 に記載されたスカイブカ卩ェなどを用いることができるから、コスト的に有利な手法を選んで製造することができる。また金属素材 101pの長さを変えることによりベース 101 の直径を自由に調整できる。

[0070] スカイブカ卩ェなどによってフィン 102を立設した金属素材 101pを、円筒状の型に卷き付けるなど従来周知の加工法で丸めてリング状にすると、突合せ端同士の間に、ベース 101を分断する形でリング軸線と平行に延びるスリット 103が形成される。スリット 103は、幾何学形状的に見れば、当然のことながらリング軸線方向にベクトル成分を持つ。このようにリング軸線方向にベクトル成分を持つスリット 103がベース 101 に設けられている熱交換器 100aは、ベース 101に力を加えてスリット 103の幅を縮めればベース 101の直径自体が小さくなるので、その状態でベース 101を伝熱ヘッドに挿入してから力を緩めることにより、伝熱ヘッドの内周面にベース 101の外周面をぴつたりと密着させることができる。また熱交翻 100aと伝熱ヘッドの間に急激に温度差が生じた場合でも、スリット 103の存在力もたらす弾性でベース 101は伝熱ヘッドの膨張あるいは収縮に即座に追随し、面接触を保つことができる。

[0071] スリット 103はベース 101を分断する形であり、スリット 103の幅の伸縮で伝熱ヘッドの内周とベース 101の外周との寸法差を吸収できるから、熱交^^ 100aの製造にあたり、寸法精度をそれほど厳しく追求しなくて済む。また、ベース 101のリング形状をたわめやすいので伝熱ヘッドに挿入するのも楽である。

[0072] なお、フィン 102を立設した金属素材 101pを丸めるという手法によらず、スリット 10

る。

[0073] 熱交換器 100の第 3実施形態を図 7に示す。図 7は第 3実施形態に係る熱交換器 1

00bの平面展開図である。

[0074] 第 2実施形態では、フィン 102はリング軸線と平行に立設されていた。第 3実施形態のフィン 102は、リング軸線に対し角度 Θで交差するように延びている。この金属素材 101pを丸めると、フィン 102はリング軸線に対しスキュー角をなすことになる。

[0075] 第 3実施形態の構成では、熱交換器全体の軸線方向長さが第 2実施形態と同じであつたとしても、フィン 102の長さが第 2実施形態のフィン 102より長くなり、それだけ伝熱面積が増大し、熱授受効率が向上する。

[0076] 熱交換器 100の第 4実施形態を図 8に示す。図 8は第 4実施形態に係る熱交換器 1

00cの平面展開図である。

[0077] 第 2実施形態では、フィン 102はリング軸線と平行に直線状に延びて、た。第 4実施形態では、フィン 102はブーメラン形状に屈曲して、る。 [0078] 第 4実施形態の構成では、熱交換器全体の軸線方向長さが第 2実施形態と同じであつたとしても、フィン 102の長さが第 2実施形態のフィン 102より長くなり、それだけ伝熱面積が増大し、熱授受効率が向上する。

[0079] 熱交換器 100の第 5実施形態を図 9、 10に示す。図 9は第 5実施形態に係る熱交換器 lOOdの斜視図、図 10は熱交換器 100dの平面展開図である。

[0080] 第 5実施形態が第 2実施形態と異なる点は平板状金属素材 101pの形状である。すなわち第 2実施形態の金属素材 101pは矩形であつたが、第 5実施形態の金属素材 101pは平行四辺形となっている。この金属素材 101pを丸めると、図 10に見られるように、スリット 103はリング軸線に対しスキュー角を有することになる。スリット 103がリング軸線方向にべ外ル成分を持つ点、また全般的な作用効果は第 2実施形態と変わらない。

[0081] 熱交換器 100の第 6実施形態を図 11に示す。図 11は第 6実施形態に係る熱交換器 100eの平面展開図である。

[0082] 第 6実施形態の金属素材 101pは、一端が突き出して三角形の凸部 106となり、他端は凹んで三角形の凹部 107となっている。凸部 106と凹部 107の間に形成されるスリットはブーメラン形状に屈曲する。そのスリットがリング軸線方向にベクトル成分を持つ点、また全般的な作用効果は第 2実施形態と変わらな、。

[0083] 熱交換器 100の第 7実施形態を図 12に示す。図 12は第 7実施形態に係る熱交換器 100fの平面展開図である。

[0084] 第 7実施形態は、一端が太く、他端が細くなつた金属素材 101pを 2個、太い方の端と細い方の端を並べ、全体として矩形が構成されるように組み合わせたものである。このように組み合わせた 2個の金属素材 101pを丸めると、円筒形の熱交^^ 100fを得ることができる。

[0085] 第 5〜第 7実施形態の金属素材 101pに、第 3、第 4実施形態のフィン 102を組み合わせることも可會である。

[0086] 熱交換器 100の第 8実施形態を図 13に示す。図 13は第 8実施形態に係る熱交換器 100gの断面図である。

[0087] 熱交^^ 100gは全体が円錐台形状をなし、伝熱ヘッドの内面も熱交^^ 100gと頂角の等しい円錐面になっている。熱交^^ lOOgを伝熱ヘッドに押し込むと熱交換器 100gの外周面が伝熱ヘッドの内周面に密着するので、熱授受効率を高めることができる。また熱交^^ 100gは伝熱ヘッドに一定深さまでし力入らないので、熱交翻 100gを押し込みすぎてしまうと、うことがな、。

[0088] 熱交換器 100の第 9実施形態を図 14に示す。図 14は第 9実施形態に係る熱交換器 100hの断面図である。

[0089] 熱交翻10011は、細い円筒部分と太い円筒部分を連結した 2段円筒形状を備えている。熱交翻10011を受け入れる伝熱ヘッドの内面も 2段円筒面となっている。熱交翻 100hを伝熱ヘッドに挿入するとき、細い部分と太い部分の間の段差力ストツパの役割を果たし、熱交^^ 100hは一定の挿入深さできちんと止まる。このため、伝熱ヘッドと熱交^^ 100hの相対位置を常に正確に定めることができる。

[0090] 第 8実施形態の熱交翻 100gと第 9実施形態の熱交翻 100hは、ダイキャスト成型や素材ブロックからの削り出しなどで成形することができる。また第 2〜第 7実施形態のようにフィン 102を立設した平板状金属素材 101pを丸める手法によっても成形できる。フィン 102の形状や平板状金属素材 101pの形状はこれまでの実施形態にならえばよい。

[0091] 熱交翻100の第 10実施形態を図 15に示す。図 15は第 10実施形態に係る熱交換器 100iの斜視図である。

[0092] 第 10実施形態の熱交換器 100iは、第 1実施形態と同じく押出成形でリング形状としたうえ、放電力卩ェでスリット 103を形成したものである。スリット 103はリング軸線と平行に延び、リング軸線方向のベクトル成分を持つ。スリット 103の長さ方向の両端部分には、スリット 103の両岸部を連結する細いブリッジ部 104が形成される。ブリッジ部 104は容易に挫屈するので、寸法がきつめの伝熱ヘッドの中に熱交^^ 100bを圧入してブリッジ部 104を挫屈させることにより、伝熱ヘッドの内周面にベース 101の外周面をぴったりと密着させることができる。

[0093] スリット 103の両岸部をブリッジ部 104が連結するから、熱交^^ 100iを手で支えなくてもスリット 103が開きすぎるということはなぐベース 101は一定直径以下に保たれる。従って、通い箱に入れて組立工場に届ける局面でも、伝熱ヘッドに圧入する局面でも、熱交^^ 100iのハンドリングは容易である。

[0094] 熱交換器 100の第 11実施形態を図 16に示す。図 16は第 11実施形態に係る熱交換器 lOOjの斜視図である。

[0095] 第 11実施形態の熱交翻10(¾は、第 10実施形態と同じくリング軸線と平行に延びるスリット 103の両端にブリッジ部 104を備えるものである力そのブリッジ部 104の形状が第 10実施形態と異なっている。すなわち第 11実施形態の熱交翻10(¾のブリッジ部 104は、第 10実施形態のように直線状ではなぐベース 101の外周面に直角な方向力も見たとき、ブーメラン形状を呈している。これにより、ブリッジ部 104が縮みやすぐあるいは挫屈が生じやすくなる。

[0096] 熱交換器 100の第 12実施形態を図 17に示す。図 17は第 12実施形態に係る熱交換器 100kの斜視図である。

[0097] 第 12実施形態の熱交翻 100kも、第 10実施形態と同じくリング軸線と平行に延びるスリット 103の両端にブリッジ部 104を備えるものである力そのブリッジ部 104の

ブリッジ部 104は、ベース 101の中心に向かって凹をなす円弧状断面を有する。本形状はブリッジ部 104を有するスリット 103を放電加工で形成した後、ブリッジ部 104 をプレスカ卩ェすることで形成できる。これにより、ブリッジ部 104が縮みやすぐあるいは挫屈が生じやすくなる。

[0098] 熱交翻100の第 13実施形態を図 18に示す。図 18は第 13実施形態に係る熱交換器 1001の斜視図である。

[0099] 第 13実施形態の熱交換器 1001には、スリットに代え、縮径用溝 105がベース 101 に形成されている。縮径用溝 105はリング軸線と平行に延び、リング軸線方向のベタトル成分を持つ。縮径用溝 105の断面形状は三角形である。このようにリング軸線方向にベクトル成分を持つ縮径用溝 105がベース 101に設けられて、る熱交^^ 100 1は、ベース 101に力をカ卩えて縮径用溝 105の幅を縮めればベース 101の直径自体力 S小さくなるので、その状態でベース 101を伝熱ヘッドに挿入して力も力を緩めることにより、伝熱ヘッドの内周面にベース 101の外周面をぴったりと密着させることができる。 [0100] 熱交換器 100の第 14実施形態を図 19に示す。図 19は第 14実施形態に係る熱交

[0101]

図では 90°間隔で計 4個の縮径用溝 105を形成しているが、その数は任意である。

[0102] 熱交翻100の第 15実施形態を図 20に示す。図 20は第 15実施形態に係る熱交翻10011を伝熱ヘッドに嵌合し、それを端面側力も見た図である。

[0103] 第 15実施形態の熱交翻10011は、縮径用溝 105の形状が第 13、第 14実施形態と異なる。すなわち第 15実施形態の熱交翻10011の縮径用溝 105は、ベース 101 の中心に向力つて凹をなす円弧状断面を有するとともに、その壁面はベース 101に比べて肉薄とされ、幅を縮めやすくなつている。

[0104] 第 13〜第 15実施形態の縮径用溝 105は、リング軸線と交差するように角度を持たせてもよい。 1個のベース 101に複数の縮径用溝 105を形成する場合、溝毎に角度が異なっていてもよぐ異なる角度の縮径溝 105同士を互いに交差するように配置してもよい。

[0105] 上記各実施形態の構成は排他的なものではなぐ重複実施が可能である。例えば

たり、第 13〜第 15実施形態の縮径用溝を追加するといつたことができる。その他各種の組み合わせで重複実施することが可能である。

[0106] 以上、本発明の各実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなぐ発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更をカ卩えて実施することができる。

産業上の利用可能性

[0107] 本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。

Claims

請求の範囲

[I] 圧縮空間と膨脹空間を行き来する作動ガスとの間で授受した熱を伝熱ヘッドに伝達するスターリング機関用熱交^^において、

リング状ベースを備え、このリング状ベースは、外面には前記スターリング機関の伝熱ヘッドと面接触する面を有し、内面にはリングの中心方向に向かつて延びる多数のフィンが形成されていることを特徴とするスターリング機関用熱交^^。

[2] 前記ベースとフィンを一体に押出成形することを特徴とする請求項 1に記載のスタ一リング機関用熱交換器。

[3] 前記フィンを多数立設した平板状素材をフィンを内側にして丸めることにより、前記リング状ベースを形成することを特徴とする請求項 1に記載のスターリング機関用熱交概

[4] 前記リング状ベースは、リング軸線方向のベクトル成分を持つスリットを少なくとも 1 箇所に有することを特徴とする請求項 1に記載のスターリング機関用熱交^^。

[5] 前記スリットは、前記リング状ベースを分断するものであることを特徴とする請求項 4 に記載のスターリング機関用熱交換器。

[6] 前記スリットは、両岸部を連結するブリッジ部を備えることを特徴とする請求項 4に記載のスターリング機関用熱交換器。

[7] 前記リング状ベースは、リング軸線方向のベクトル成分を持つ縮径用溝を少なくとも

1箇所に有することを特徴とする請求項 1に記載のスターリング機関用熱交^^。

[8] 前記フィンは、端面方向から見た断面形状が、前記リング状ベースの中心方向に向力、先細りとなって、ることを特徴とする請求項 1に記載のスターリング機関用熱交概

[9] 前記フィンの先端同士の間に形成される円筒形の空間に、留めリングを圧入することを特徴とする請求項 1に記載のスターリング機関用熱交^^。

[10] 前記フィンは、端面方向から見た断面形状が曲線を描、て、ることを特徴とする請求項 1に記載のスターリング機関用熱交換器。

[II] 請求項 1〜10のいずれか 1項に記載の熱交を搭載したことを特徴とするスターリング機関。