(57)【要約】  【課題】  フィンチューブ型の熱交換器と配管を溶接したときの金属チューブの耐圧強度低下による破裂事故を未然に防止した二次冷媒循環回路を提供する。  【解決手段】  スターリング冷凍機１のコールドヘッド３に吸熱側二次冷媒循環回路２０を熱接続する。吸熱側二次冷媒循環回路２０は、コールドヘッド３に装着される凝縮器２１と、凝縮器２１で凝縮された二次冷媒を蒸発させる蒸発器２２と、蒸発器２２と凝縮器２１とを連結し二次冷媒を循環させる配管２３とから成る。蒸発器２２は二次冷媒を蒸発させる金属チューブ２４の外周に、金属チューブ２４の拡管により吸熱フィン２５を圧着したものである。蒸発器２２の冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂの中で、配管２３に溶接で接続した箇所に隣接する箇所には、補強スリーブ２６を被せることにより補強処理が施されている。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリング冷凍機の吸熱部に熱接続される二次冷媒循環回路であって、前記吸熱部に装着される凝縮器と、該凝縮器で凝縮された二次冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器と前記凝縮器とを連結し二次冷媒を循環させる配管とから成り、
前記蒸発器は二次冷媒を蒸発させる金属チューブの外周に、該金属チューブの拡管によりフィンを圧着して成り、
前記蒸発器の冷媒入口管／出口管と前記配管との接続部に隣接する前記冷媒入口管／出口管に補強処理が施されていることを特徴とする二次冷媒循環回路。
【請求項２】
前記補強処理は、前記冷媒入口管／出口管に補強スリーブを被せることにより成されることを特徴とする請求項１に記載の二次冷媒循環回路。
【請求項３】
前記補強スリーブの軸線方向移動を止めるストッパ構造が前記冷媒入口管／出口管に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の二次冷媒循環回路。
【請求項４】
前記補強スリーブは前記冷媒入口管／出口管と同種の材料から成ることを特徴とする請求項２又は３に記載の二次冷媒循環回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機の吸熱部に熱接続される二次冷媒循環回路に関し、更に詳しくは極低温（−３０℃以下）の吸熱に用いられ、二次冷媒を蒸発させる金属チューブの外周に金属チューブの拡管によりフィンを圧着して成る熱交換器（蒸発器）を採用してなる二次冷媒循環回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷媒を通す金属チューブの外側に金属チューブの拡管により多数の放熱／吸熱フィンを圧着したフィンチューブ型の熱交換器は、冷蔵庫、冷凍庫、冷凍冷蔵庫、ショーケースなどの冷却庫や空気調和機などの熱機器に広く用いられている。特許文献１には上述のようなフィンチューブ型熱交換器の製造方法が開示されている。
【０００３】
他方、特許文献２には、極低温（−３０℃以下）を簡単に得ることができるスターリング冷凍機を用いた冷蔵庫であって、スターリング冷凍機の吸熱部（低温部）に二次冷媒（代表的には二酸化炭素）の循環回路が熱接続され、吸熱部で発生した冷熱を二次冷媒により庫内冷却用の蒸発器に搬送するものが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２５７６４１号公報（第６頁−第１１頁、図１−図２７）
【特許文献２】特開２００２−２２１３８４号公報（第４頁、図１−図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フィンチューブ型の熱交換器は、フィンに設けられたチューブ挿入穴に金属チューブを挿入し、金属チューブを内側から拡管することによりフィンと金属チューブとを圧着（密着又はカシメ）させて製造される。金属チューブを内側から拡管する方法としては、曲がりのない、直管状態の金属チューブに拡管工具を圧入する方法とか、金属チューブの中に高圧ガス（窒素ガス）を送り込んで直径を拡大する方法などがある。
【０００５】
金属チューブは拡管することにより加工硬化して耐圧性能が向上する。ところが二次冷媒循環回路を構成するために配管を溶接により接続すると、溶接の熱で溶接箇所及びその隣接箇所の金属チューブが焼鈍され、耐圧性能が低下する。金属チューブが銅管の場合、特にこの傾向が著しい。
【０００６】
他方、極低温（−３０℃以下）を扱う二次冷媒循環回路においては二次冷媒として蒸発温度の低い冷媒、例えば二酸化炭素が採用されるが、一般的に蒸発温度の低い冷媒は常温において蒸気圧が高いので、二次冷媒循環回路の耐圧性能を上げる必要がある。二次冷媒循環回路に求められる耐圧性能として、設計圧力の１．５倍の圧力に対して変形しないことを一般的に条件としているが、二次冷媒循環回路の各部を個別に見た場合、金属チューブの溶接箇所隣接箇所が最も変形の可能性が高い。
【０００７】
金属チューブの溶接箇所隣接箇所の破裂防止策として第１に考えられるのは、焼鈍により耐圧性能が低下しても耐圧テストに耐えられるよう、金属チューブの肉厚を厚くすることである。しかしながら金属チューブの肉厚を厚くすると、今度はフィンを圧着する際の拡管に支障が出るという問題がある。
【０００８】
溶接箇所自体は金属チューブと配管の一方を他方に差し込んで溶接するので二重管構造になっており、耐圧テストに十分耐える。配管は金属チューブのように拡管する必要がないので肉厚を自由に設定でき、耐圧テストに耐えられるようにすることは容易である。フィンを圧着するために拡管を伴う金属チューブは、肉厚を厚くしにくいという課題をかかえる。
【０００９】
本発明は上記に鑑みなされたものであり、フィンチューブ型の熱交換器と配管を溶接したときの金属チューブの耐圧強度低下による破裂事故を未然に防止した二次冷媒循環回路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】
【００１０】
（１）上記目的を達成するために本発明は、スターリング冷凍機の吸熱部に熱接続される二次冷媒循環回路であって、前記吸熱部に装着される凝縮器と、該凝縮器で凝縮された二次冷媒を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器と前記凝縮器とを連結し二次冷媒を循環させる配管とから成り、前記蒸発器は二次冷媒を蒸発させる金属チューブの外周に、該金属チューブの拡管によりフィンを圧着して成り、前記蒸発器の冷媒入口管／出口管と前記配管との接続部に隣接する前記冷媒入口管／出口管に補強処理が施されていることを特徴と
している。
【００１１】
この構成によると、耐圧テストに耐える補強処理が予め施されているから、冷媒圧力には充分耐え得るものであり、破裂事故を未然に防ぐことができる。
【００１２】
補強処理には、後述する補強スリーブを補強手段とするものの他、熱処理や化学処理などが考えられる。なお蒸発器冷媒入口管／出口管と配管とを接続する際の「溶接」に、本明細書では「ロウ付け」も含まれるものと定義する。
【００１３】
（２）また前記冷媒入口管／出口管に補強スリーブを被せることにより補強処理が成されることを特徴としている。
【００１４】
冷媒入口管／出口管を局部的に肉厚にするのは工業的に困難であるが、この構成によると、接続部の隣接箇所のみを部分的に、簡単且つ安価に補強することができる。
【００１５】
（３）また前記補強スリーブの軸線方向移動を止めるストッパ構造が前記冷媒入口管／出口管に形成されていることを特徴としている。
【００１６】
この構成によると、補強スリーブが要補強箇所からずれるのを防ぎ、補強すべき箇所を確実にガードすることができる。
【００１７】
（４）また前記補強スリーブは前記冷媒入口管／出口管と同種の材料からなることを特徴としている。
【００１８】
この構成によると、補強スリーブと蒸発器の冷媒入口管／出口管との膨張係数が等しいため、温度変化で膨張あるいは収縮する際、両者間のクリアランス変化を考慮する必要が少ない。また補強スリーブと冷媒入口管／出口管との間の電気陰性度差による腐食の影響を小さくできる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、フィンチューブ型の熱交換器と配管を溶接したときの金属チューブの耐圧強度低下による破裂事故を未然に防止した二次冷媒循環回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の第１実施形態を図１−図４に基づき説明する。図１はスターリング冷凍機を構成要素とする冷却サイクルの概略構成図、図２は冷却サイクル中の二次冷媒循環回路の構成要素である蒸発器を正面側から見た概略構成図、図３は図２の蒸発器を上面側から見た概略構成図、図４は二次冷媒循環回路の配管と蒸発器の冷媒入口管／出口管との接続箇所の部分拡大断面図である。
【００２１】
図１は冷蔵庫に用いられる冷却サイクルを示す。スターリング冷凍機１は逆スターリングサイクルにより温熱と冷熱を発生するものであり、温熱は放熱部であるウォームヘッド２から取り出され、冷熱は吸熱部であるコールドヘッド３から取り出される。
【００２２】
ウォームヘッド２には放熱側二次冷媒循環回路１０が熱接続される。放熱側二次冷媒循環回路１０はサーモサイフォン循環回路であり、ウォームヘッド２に対し互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態で装着された蒸発器１１と、スターリング冷凍機１の上に配置された凝縮器１２と、蒸発器１１と凝縮器１２とを接続する配管１３を含む。放熱側二次冷媒循環回路１０には二次冷媒として水（水溶液を含む）あるいは炭化水素系の冷媒が密封されている。
【００２３】
凝縮器１２は、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなる金属チューブに、同じく熱伝導の良い金属材料からなる多数の放熱フィンを圧着した構造である。凝縮器１２には冷却用の送風機１４が組み合わせられている。
【００２４】
コールドヘッド３には吸熱側二次冷媒循環回路２０が熱接続される。吸熱側二次冷媒循環回路２０は、コールドヘッド３に対し互いの間で熱を授受する状態、すなわち熱接続された状態で装着された凝縮器２１と、冷蔵庫の断熱筐体内に設置された蒸発器２２と、凝縮器２１と蒸発器２２とを接続する配管２３を含む。吸熱側二次冷媒循環回路２０には二次冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）などの自然冷媒を封入する。
【００２５】
蒸発器２２も凝縮器１２と同様、銅や銅合金といった熱伝導の良い金属材料からなる金属チューブに、同じく熱伝導の良い金属材料からなる多数の吸熱フィンを圧着した構造である。蒸発器２２の構造については後で詳細に説明する。
【００２６】
ウォームヘッド２の温熱は冷蔵庫の開口部の結露防止にも利用される。この目的のため、ウォームヘッド２には第２の放熱側二次冷媒循環回路３０が熱接続される。第２の放熱側二次冷媒循環回路３０は、蒸発器１１と、蒸発器１１に接続され、冷蔵庫の断熱筐体の所定箇所に引き回される配管３１と、二次冷媒を強制循環させるポンプ３２とにより構成される。
【００２７】
スターリング冷凍機１を運転すると、コールドヘッド３に−３０℃以下の極低温の冷熱が発生する。この冷熱により、凝縮器２１の中の二次冷媒（ＣＯ2）が凝縮される。凝縮された二次冷媒は配管２３を通って蒸発器２２に流れ、蒸発器２２の中で蒸発して、極低温（−３０℃以下）の吸熱を行う。これにより、冷蔵庫の庫内は十分に冷却される。蒸発した二次冷媒は凝縮器２１に戻り、再び凝縮される。吸熱側二次冷媒循環回路２０の中にポンプを配設して、二次冷媒の循環を強制的に行うようにしてもよい。
【００２８】
他方ウォームヘッド２からは温熱が廃熱として放熱される。温熱により、蒸発器１１の中の二次冷媒が気化し、凝縮器１２へと上昇する。送風機１４が凝縮器１２を空冷しているので、気化した二次冷媒は熱を奪われて液体に戻り、蒸発器１１に流下する。蒸発器１１に戻った液体の二次冷媒は再び気化して凝縮器１２に昇る。このように放熱側二次冷媒循環回路１０では二次冷媒の自然循環が行われる。
【００２９】
第２の放熱側二次冷媒循環回路３０では二次冷媒の強制循環が行われる。蒸発器１１でウォームヘッド２から温熱を受け取った二次冷媒はポンプ３２により配管３１の中に引き込まれ、冷蔵庫の中で結露を防止したい箇所に温熱を伝えた後、蒸発器１１に戻される。
【００３０】
続いて図２−図４に基づき蒸発器２２の構造を説明する。本実施形態の蒸発器２２は、銅又は銅合金からなる金属チューブ２４（この中で二次冷媒が蒸発する）に吸熱フィン２５を組み合わせたものである。吸熱フィン２５は銅又は銅合金であってもよいし、それ以外の金属であってもよい。吸熱フィン２５に設けられたチューブ挿入穴に金属チューブ２４を挿入した後、拡管工具や高圧ガスで金属チューブ２４を内側から拡管し、金属チューブ２４の外周に吸熱フィン２５を圧着させる。この工程を経ることにより、金属チューブ２４は加工硬化して耐圧性能が向上する。
【００３１】
吸熱フィン２５を圧着した後、金属チューブ２４に曲げ加工を施し、蒸発器２２に求められるチューブ形状とする。なお、曲げ加工が施される箇所には初めから吸熱フィン２５を配置しない。
【００３２】
金属チューブ２４は２本のものが平行して配置される（図３参照）。金属チューブ２４の両端は冷却フィン２５の列の中で一番端に配置されたものから突き出しており、一端が冷媒入口管２４ａ、他端が冷媒出口管２４ｂとなる。冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂがそれぞれ２本ずつ存在するのに対応して、配管２３の出口と入口も２本ずつに分岐させる。これは図４に示すようなＴ字形の分岐管を配管２３に溶接し、配管２３の末端とすることにより実現される。
【００３３】
上記のように形成された金属チューブ２４の冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂと配管２３とを接続する。吸熱側二次冷媒循環回路２０に封入される二次冷媒の圧力に耐える強度とするため、接続部は溶接で強固に結合する必要があるが、それに先立ち、冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂに補強処理を施す。補強処理を施す箇所は、冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂの中で、配管２３との接続部に隣接する箇所である。
【００３４】
補強処理は、冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂに補強スリーブ２６を被せることによって行われる。被せるだけであり、溶接して固着したりはしない。補強スリーブ２６は冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂと同種の材料からなる。寸法関係は、例えば冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂが外径8.5mm、肉厚1.0mm〜0.9mmである場合、補強スリーブ２６は内径8.7mm、肉厚0.7mmといった具合に設定される。
【００３５】
冷媒が円筒形の管に封入されているものと想定し、外形8mmで肉厚1mmの密閉された厚肉円筒に内圧10MPa・Gageのみがかかっている状態で計算すると、管に作用する応力は、半径方向においては0MPa（管外壁において）から10MPa（管内壁において）となり、円周方向においては約26MPa（管外壁において）から約36MPa（管内壁において）となり、軸方向においては約13MPaとなる。高圧による管の変形を防止するには、外径が広がらないようにして、軸方向応力より大きい円周方向応力による変形を防ぐようにした方が効率が良いが、補強スリーブ方式は丁度この目的に適合する。
【００３６】
補強スリーブ２６を冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂと同種の材料で形成しておけば、補強スリーブ２６と冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂとの膨張係数が等しいため、温度変化で膨張あるいは収縮する際、両者間のクリアランス変化を考慮する必要がない。また補強スリーブ２６と冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂとの間の電気陰性度差による腐食の影響を小さくできる。
【００３７】
図２に見られるように、冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂは、吸熱フィン２５から突き出した後、直角にＲ曲げ加工されている。Ｒ曲げ箇所に補強スリーブ２６の端が引っ掛かり、補強スリーブ２６はそれ以上軸線方向に移動しない。つまりＲ曲げ箇所が補強スリーブ２６の軸線方向移動を止めるストッパ構造となっている。
【００３８】
このようなストッパ構造の存在により、補強スリーブ２６が要補強箇所からずれるのを防ぎ、補強すべき箇所を確実にガードすることができる。なおストッパ構造は上記のような冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂの直角Ｒ曲げ形状に限定されるものではない。補強スリーブ２６を被せた後、補強スリーブ２６と冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂとの重なり箇所をポンチで打撃してカシメる等の手法によってもよい。
【００３９】
上記のように補強スリーブ２６をもって冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂに補強処理を施した後、冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂの端部を、配管２３を受け入れられる程度にまで拡管する。この拡管部に配管２３を挿入し、溶接する。
【００４０】
本実施形態では溶接手法としてロウ付けを採用する。これにより、冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂの端部と配管２３の外周面との間にロウ付け部２７が形成される他、ロウの一部が冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂの内周面と配管２３の外周面との間に浸透し、冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂと配管２３とは強固に結合される。冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂが下側の継手となり、その中に配管２３を受け入れる構造のため、ロウの浸透性が良い。
【００４１】
ロウ付けの熱で、溶接箇所及びその隣接箇所の冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂが焼鈍され、耐圧性能が低下する。金属チューブ２４が銅又は銅合金であるため、焼鈍及びその結果の耐圧性能低下の発生は顕著である。しかしながら溶接箇所に隣接する箇所には予め補強スリーブ２６で補強処理が施されているから、後で耐圧テストを行ったとしても冷媒圧力には充分耐え得るものであり、破裂事故は未然に防がれる。
【００４２】
補強スリーブ２６の上端部は、冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂと配管２３との溶接部には重ならせない。重ならせると溶接部が肉厚になって加熱に要する時間が長くなり、加熱ムラによるロウ付け不良が発生するなどの弊害が多くなるからである。
【００４３】
本発明の第２実施形態を図５に示す。図５は図４と同様の部分拡大断面図である。
【００４４】
第１実施形態では冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂの端部を拡管し、その中に配管２３を挿入したが、第２実施形態ではそれを逆にした。すなわち配管２３の端部を拡管し、その中に冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂを挿入した。ロウ付け部２７は配管２３の端部と冷媒入口管２４ａ及び冷媒出口管２４ｂの外周面との間に形成される。
【００４５】
第２実施形態の構成によれば、予め端部が拡管した状態の分岐管を配管２３の末端に用いればよく、補強スリーブ２６を被せた状態の冷媒入口管２４ａと冷媒出口管２４ｂを拡管するのに比べ、製造がより容易である。
【００４６】
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く、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、スターリング機関の吸熱部に熱接続される二次冷媒循環回路であって、フィンチューブ型の熱交換器と配管を溶接により接続するものに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】スターリング冷凍機を構成要素とする冷却サイクルの概略構成図
【図２】冷却サイクル中の二次冷媒循環回路の構成要素である蒸発器を正面側から見た概略構成図
【図３】図２の蒸発器を上面側から見た概略構成図
【図４】二次冷媒循環回路の配管と蒸発器の冷媒入口管／出口管との接続箇所の部分拡大断面図
【図５】第２実施形態に係る図４と同様の部分拡大断面図
【符号の説明】
【００４９】
１    スターリング冷凍機
２    ウォームヘッド（放熱部）
３    コールドヘッド（吸熱部）
２０  吸熱側二次冷媒循環回路
２１  凝縮器
２２  蒸発器
２３  配管
２４  金属チューブ
２４ａ  冷媒入口管
２４ｂ  冷媒出口管
２５  吸熱フィン
２６  補強スリーブ
２７  ロウ付け部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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