(57)【要約】【課題】  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換器および該熱交換器を備えたスターリング機関を提供する。【解決手段】  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。【選択図】        図２
2006022968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の筒状または有底筒状の外殻体と、
前記外殻体周面に装着される金属製の熱交換部材と、
前記外殻体の周面と前記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、
前記外殻体に前記熱交換部材を圧接した、熱交換器。
【請求項２】
前記被覆層の硬度を、前記外殻体と前記熱交換部材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。
【請求項３】
前記被覆層を金属材料で構成し、
前記外殻体と前記熱交換部材との間に、前記被覆層を構成する金属材料と、前記外殻体と前記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備えた、請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記被覆層を溶融した後に固化させた、請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
金属製の筒状または有底筒状の外殻体と、
前記外殻体周面に装着され、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とを備え、
前記熱交換部材の周面を前記外殻体の周面に圧接した、熱交換器。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱交換器を備えたスターリング機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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換器が記載され、該熱交換器は、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換器が記載されている。該熱交換器では、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ッキ層を形成し、該メッ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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特開２００１−９１０７５号公報に記載の熱交換器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、コルゲートフィンから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、メッ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ッ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換器および該熱交換器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いて「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／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】
本発明に係る熱交換器は、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いる。
【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換器を備える。
【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、単に熱交換部材や外殻体を被覆層に当接する場合と比較して、熱交換部材や外殻体と、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、熱交換部材や外殻体の一部であると言える。したがって、熱交換部材や外殻体と、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９９．９９％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換器を備えたスターリング機関が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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（Ａｌ）、アルミニウ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。
【００１９】
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。コルゲートフィン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の径方向外方に向か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。
【００２０】
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い。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。
【００２１】
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の径方向外方に向か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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、メッ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μｍ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く、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。
【００２４】
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を装着している。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く、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きる。
【００２５】
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。そればかりでなく、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／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。
【００２６】
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かりでなく、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。そればかりでなく、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、コルゲートフィン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。
【００２９】
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に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。
【００３０】
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１０μｍ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。
【００３１】
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℃程度まで低下させることができる。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、コルゲートフィン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。
【００３８】
（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。
【００３９】
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、たとえばメッ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。
【００４０】
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、コルゲートフィン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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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、かかる被覆層を形成することなく、熱交換部材自体の延性を向上させる。
【００４３】
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。
【００４４】
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、コルゲートフィン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もある。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
（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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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側の端面よりもディスプレーサ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。
【００５２】
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巻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。
【００５３】
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。リニアモータ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。
【００５４】
ピストン１４の一端は、板バ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。ディスプレーサロッド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は板バ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。
【００５５】
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。
【００５６】
放熱部１８、吸熱部１９には、それぞれ熱交換器１Ａ（高温側熱交換器）と熱交換器１Ｂ（低温側熱交換器）とが設置される。この熱交換器１Ａ，１Ｂ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。
【００５７】
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、熱交換器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、熱交換器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換器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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、熱交換器１Ａ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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
その後、ディスプレーサ１５がピストン１４から遠ざか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。
【００６５】
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１９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換器１Ａ，１Ｂ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１８に効率的に伝達することができる。
【００６６】
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いる。
【００６７】
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、特許請求の範囲によって示され、特許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。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【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換器を備えたスターリング機関の断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１，１Ａ，１Ｂ  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、１７Ａ  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、２１  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。
【図１】
2006022968.tif 000003
【図２】
2006022968.tif 000004
【図３】
2006022968.tif 000005
【図４】
2006022968.tif 000006
【図５】
2006022968.tif 000007
【図６】
2006022968.tif 000008
【図７】
2006022968.tif 000009
【図８】
2006022968.tif 000010
【図９】
2006022968.tif 000011
【図１０】
2006022968.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月22日(2005.9.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の筒状または有底筒状の外殻体と、
前記外殻体周面に装着される金属製の熱交換部材と、
前記外殻体の周面と前記熱交換部材の周面との少なくとも一方に金属材料で形成された被覆層とを備え、
前記被覆層の硬度を前記熱交換部材の硬度よりも低くして、前記外殻体に前記熱交換部材を圧接した、熱交換器。
【請求項２】
金属製の筒状または有底筒状の外殻体と、
前記外殻体周面に装着される金属製の熱交換部材と、
前記外殻体の周面と前記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、
前記外殻体に前記熱交換部材を圧接し、
前記被覆層を金属材料で構成し、
前記外殻体と前記熱交換部材との間に、前記被覆層を構成する金属材料と、前記外殻体と前記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備えた、熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の熱交換器を備えたスターリング機関。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明に係る熱交換器は、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金属材料で形成された被覆層とを備え、被覆層の硬度を熱交換部材の硬度よりも低くして、外殻体に熱交換部材を圧接する。なお本願明細書において「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／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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の熱交換器では、外殻体に熱交換部材を圧接しているので、単に熱交換部材や外殻体を被覆層に当接する場合と比較して、熱交換部材や外殻体と、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、熱交換部材や外殻体の一部であると言える。したがって、熱交換部材や外殻体と、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熱交換性能を向上することができる。
また、被覆層を溶融させて熱交換部材や外殻体との合金化による合金層を形成することにより、熱交換部材と外殻体との間の接触面積がさらに増大して熱交換性能をさらに向上することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】削除
【補正の内容】