(57)【要約】【課題】  熱交換効率を向上させることのできるスターリング冷凍機用熱交換器を提供する。【解決手段】  本発明は、作動媒体を圧縮し、高温化させる圧縮シリンダ部３と、作動媒体を膨張させ、低温化させる膨張シリンダ部４とを備えたスターリング冷凍機１において圧縮シリンダ部３や膨張シリンダ部４に設けられるスターリング冷凍機用熱交換器であって、圧縮シリンダ部３や膨張シリンダ部４の各外面に密着可能なように形成された伝熱部１１，１９，３１，５１，５２を備えていることを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を圧縮し、高温化させる圧縮シリンダ部と、前記作動媒体を膨張させ、低温化させる膨張シリンダ部とを備えたスターリング冷凍機において前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部に設けられるスターリング冷凍機用熱交換器であって、
前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部の各外面に密着可能なように形成された伝熱部を備えていることを特徴とするスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項２】
環状に曲成された丸管を複数本並設させることにより円筒状に形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記各丸管に連通する集合ヘッダ部とを備えており、隣接する前記各丸管間の隙間は接合材料により充填されている請求項１に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項３】
一本の丸管を渦巻き状に曲成することにより円筒状に形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記丸管に連通する集合ヘッダ部とを備えており、隣接する前記丸管間の隙間は接合材料により充填されている請求項１に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項４】
前記丸管は、外径が１０ｍｍ以下で内径が８．５ｍｍ以下となるように形成されている請求項２又は３に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項５】
板材を曲げ加工することにより複数の流路が並設された円筒状の伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記各流路に連通する集合ヘッダ部とを備えている請求項１に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項６】
前記伝熱部の内周側部分は円筒板状に形成されており、前記伝熱部は前記内周側部分を介して前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部の各外面に密着可能なように形成されている請求項５に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項７】
前記流路は、丸管相当の外径が１０ｍｍ以下でその内径が８．５ｍｍ以下となるように形成されている請求項５又は６に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項８】
内部にフィンが挿入された扁平チューブを円筒状に曲成することにより形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられた集合ヘッダ部とを備えている請求項１に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項９】
内部に所要数の流路が穿設された扁平部材を半円筒状に曲成することにより形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記各流路に連通する集合ヘッダ部とを備えた熱交換器が２個一対で円筒状に対向配置されている請求項１に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【請求項１０】
前記伝熱部の内周面には円筒状に形成された板材が設けられており、前記伝熱部は前記板材を介して前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部の各外面に密着可能なように形成されている請求項２〜９のいずれか１の請求項に記載のスターリング冷凍機用熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、スターリング冷凍機の圧縮シリンダ部と膨張シリンダ部に設けられるスターリング冷凍機用熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷凍・冷蔵庫や空気調和機においては、作動媒体としてフロン系冷媒を用いる蒸気圧縮式冷凍機が主流であった。しかしながら、近年、地球環境を保護する観点から、オゾン層破壊や地球温暖化の要因となるオゾン系冷媒の使用が規制されるようになってきたため、地球環境に悪影響を与えないヘリウムや窒素などの不活性ガスを作動媒体とするスターリング冷凍機が注目されてきている。
【０００３】
この種のスターリング冷凍機は、ピストンとディスプレーサの往復動作により作動媒体の圧縮と膨張を繰り返す密閉サイクルを利用するものであり、圧縮シリンダ部において圧縮されて高温化された作動媒体の熱を外部に放出すると共に、膨張シリンダ部において膨張されて低温化された作動媒体が外部から熱を吸収するように構成されている。そのため、前記圧縮シリンダ部と膨張シリンダ部には、それぞれ、熱交換器が設けられており、熱交換器内を流通する水と前記作動媒体との間で熱交換が行われるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−５３８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来のスターリング冷凍機用熱交換器では、前記圧縮シリンダ部や膨張シリンダ部と熱交換器との間に比較的大きな隙間が形成されていたため、熱交換効率の向上が図り難いといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、圧縮シリンダ部や膨張シリンダ部と熱交換器との間の隙間を少なくし、伝熱部の形状を伝熱面積が増加する形状に形成させ、熱交換効率を向上させることのできるスターリング冷凍機用熱交換器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、作動媒体を圧縮し、高温化させる圧縮シリンダ部と、前記作動媒体を膨張させ、低温化させる膨張シリンダ部とを備えたスターリング冷凍機において前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部に設けられるスターリング冷凍機用熱交換器であって、前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部の各外面に密着可能なように形成された伝熱部を備えていることを特徴とする。
【０００７】
そして、好ましくは、環状に曲成された丸管を複数本並設させることにより円筒状に形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記各丸管に連通する集合ヘッダ部とを備えており、隣接する前記各丸管間の隙間は接合材料により充填されているのがよい。
【０００８】
また、一本の丸管を渦巻き状に曲成することにより円筒状に形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記丸管に連通する集合ヘッダ部とを備えており、隣接する前記丸管間の隙間は接合材料により充填されていてもよい。
【０００９】
さらに、前記丸管は、外径が１０ｍｍ以下で内径が８．５ｍｍ以下となるように形成されているのがよい。
【００１０】
また、板材を曲げ加工することにより複数の流路が並設された円筒状の伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記各流路に連通する集合ヘッダ部とを備えていてもよく、さらに、前記伝熱部の内周側部分は円筒板状に形成されており、前記伝熱部は前記内周側部分を介して前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部の各外面に密着可能なように形成されているのがよく、さらにまた、前記流路は、丸管相当の外径が１０ｍｍ以下でその内径が８．５ｍｍ以下となるように形成されているのがよい。
【００１１】
さらに、本発明は、内部にフィンが挿入された扁平チューブを円筒状に曲成することにより形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられた集合ヘッダ部とを備えていてもよい。
【００１２】
さらにまた、内部に所要数の流路が穿設された扁平部材を半円筒状に曲成することにより形成された伝熱部と、該伝熱部の両端部に設けられ、前記各流路に連通する集合ヘッダ部とを備えた熱交換器が２個一対で円筒状に対向配置されていてもよい。
【００１３】
また、前記伝熱部の内周面には円筒状に形成された板材が設けられており、前記伝熱部は前記板材を介して前記圧縮シリンダ部や前記膨張シリンダ部の各外面に密着可能なように形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、伝熱部が圧縮シリンダ部や膨張シリンダ部の各外面に密着可能なように形成されており、また、丸管を複数本並設させたり、扁平チューブの内部にフィンを挿入させたり、或いは、扁平部材の内部に所要数の流路を穿設させたりして、伝熱部の伝熱面積が増加するように形成されているため、熱交換効率の向上を図ることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
先ず、図１により、本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機の概略構成について説明する。ここで、図１は本実施の形態におけるスターリング冷凍機の構成を概略的に示す平面図である。
【００１７】
このスターリング冷凍機１には、内部にヘリウム等の作動媒体が封入されたシリンダ２が設けられており、シリンダ２の内部には、往復動作可能なピストンとディスプレーサ（いずれも図示せず）が設けられている。また、このシリンダ２には、圧縮シリンダ部３と膨張シリンダ部４とが形成されており、圧縮シリンダ部３及び膨張シリンダ部４には、それぞれ、高温側熱交換器５及び低温側熱交換器６が設けられ、高温側熱交換器５と低温側熱交換器６はほぼ同一の構成を有している。なお、高温側熱交換器５及び低温側熱交換器６の詳細な構成については後述する。
【００１８】
このような構成のスターリング冷凍機１において、圧縮シリンダ部３内の作動媒体は、前記ピストンの移動により圧縮されて高温化され、高温側熱交換器５においてその熱交換器５内を流通する流体と熱交換し、熱を放出する。一方、膨張シリンダ部４内の作動媒体は、前記ディスプレーサの移動により膨張され低温化され、低温側熱交換器６においてその熱交換器６内を流通する流体と熱交換し、熱を吸収する。
【００１９】
以下、図２及び図３を参照しつつ、本発明の第１の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器について説明する。ここで、図２は本実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器を示す斜視図、図３はスターリング冷凍機用熱交換器の伝熱部を部分的に示す断面図である。
【００２０】
本実施の形態に係る熱交換器５，６は、圧縮シリンダ部３及び膨張シリンダ部４の各外面に密着可能なように円筒状に形成された伝熱部１１と、伝熱部１１の両端部１２，１３に接続された集合ヘッダ部１４，１５とを主体に構成されている。本実施の形態では、伝熱部１１及び集合ヘッダ部１４，１５はそれぞれ銅管製となっているが、他の材質製であてもよい。
【００２１】
伝熱部１１は、環状に曲成された丸管１６を複数本並設させることにより形成されており、各丸管１６内を伝熱流体が流通可能となっている。丸管１６は、管内における伝熱流体の流速と圧力損失とのバランスや曲げ加工性、内圧耐久性等を考慮して、細管を使用するのが良く、外径が１０ｍｍ以下で内径が８．５ｍｍ以下のものを使用するのが好ましい。そして、隣接する各丸管１６の間の隙間２４は最小とするのが良く、その隙間２４にはロウ材や半田等の接合材料が充填されている。これにより、各丸管１６同士が確実に固定されると共に、丸管１６内の伝熱流体とシリンダ２内の作動媒体との間の伝熱面積が増加し、熱交換効率を高めることができるようになっている。また、伝熱部１１の内周面には、円筒状に形成された板材１７を一体ロウ付け又は半田付けするのが好ましく、これにより、伝熱部１１と圧縮シリンダ部３及び膨張シリンダ部４との密着性が向上し、熱交換効率を一段と高めることができる。
【００２２】
なお、上記した第１の実施の形態では、複数本の丸管１６を並設させて伝熱部１１を形成させているが、図４又は図５に示すように、板材１８を曲げ加工することにより伝熱部１９を形成させてもよい。この場合、伝熱部１９の内周側部分２０を円筒板状に形成させると共に外周側部分２１を所要回数Ｕ字状に折り返すように折曲させ、内周側部分２０と外周側部分２１の折り返し部分の先端部２２とを半田付け又はロウ付けすることにより所要数の流路２３を形成させている。そして、このように伝熱部１９の内周側部分２０を円筒板状に形成させることにより、伝熱部１９とシリンダ２の外面或いは板材１７との密着性が向上し、熱交換効率を高めることができる。また、この場合の流路２３は、上記した第１の実施の形態の場合と同様の理由により、丸管相当の外径が１０ｍｍ以下でその内径が８．５ｍｍ以下となるように形成させるのが好ましい。
【００２３】
なお、上記した第１の実施の形態においては、環状に曲成された丸管１６を複数本並設させることにより伝熱部１１を形成させているが、一本の丸管１６を渦巻状に曲成し、円筒状の伝熱部１１を形成させてもよい。
【００２４】
次に、図６〜図８を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器について説明する。ここで、図６は本実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器を示す斜視図、図７はスターリング冷凍機用熱交換器の伝熱部を示す断面図、図８はスターリング冷凍機用熱交換器の伝熱部の別の例を示す断面図である。なお、以下の説明では、上記した第１の実施の形態と同様の構成については、説明の簡略化を図るため、図６において、図２中と同一の符号を付し、それらの構成に関する詳細な説明は省略する。
【００２５】
本実施の形態では、伝熱部３１は、扁平チューブ３２の内部にインナフィンを挿入し、その扁平チューブ３２を円筒状に曲成することにより形成されている。このインナフィンとしては、図７に示すようなオフセットフィン３３、或いは、図８に示すような三角形状のフィン３４等、各種タイプのインナフィンを使用することができる。
【００２６】
このように、本実施の形態では、扁平チューブ３２の内部にインナフィンを挿入しているため、放熱面積を増加させることができると共に伝熱流体を拡散させることができ、熱交換効率の向上を図ることができる。さらに、インナフィンにより扁平チューブ３２を曲げ加工する時に扁平チューブ３２の中央部分が凹むのを防止することもでき、扁平チューブ３２の強度を高めることができる。
【００２７】
また、図６に示すように、上記した第１の実施の形態の場合と同様に、伝熱部３１の内周面に、円筒状の板材１７を一体ロウ付け又は半田付けすることもでき、この場合には、伝熱部３１と圧縮シリンダ部３及び膨張シリンダ部４との密着性が一段と向上するため、熱交換効率をさらに高めることができる。
【００２８】
次に、図９及び図１０を参照しつつ、本発明の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器について説明する。ここで、図９は本実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器を示す斜視図、図１０はスターリング冷凍機用熱交換器の伝熱部を示す断面図である。
【００２９】
本実施の形態においては、内部に円形断面の流路４２が所要数穿設された扁平部材４１を半円筒状に曲成することにより形成された押し出し多孔管を伝熱部４３とする。そして、各流路４２に連通するように伝熱部４３の両端部に集合ヘッダ部４４，４５を接続させて熱交換器４６を形成させ、この熱交換器４６を２個一対で圧縮シリンダ部３及び膨張シリンダ部４の各外面に円筒状に対向配置させるようになっている。
【００３０】
このように、本実施の形態においては、伝熱部４３に押し出し多孔管を使用しており、各流路４２間に仕切り壁部分４８が形成されているため、伝熱部４３の曲げ加工時に伝熱部４３の中央部分が凹むのを防止することができ、伝熱部４３の強度を高めることができる。
【００３１】
なお、上記第３の実施の形態では、流路４２の断面形状は、円形を成しているが、これは単なる例示に過ぎず、四角形や三角形等、他の断面形状を成していてもよい。
【００３２】
また、上記各伝熱部１１，１９，３１，４３は、上記した第１及び第２の実施の形態では円筒状に形成されており、また、第３の実施の形態では半円筒状に形成されているが、伝熱部を第１及び第２の実施の形態において半円筒状に形成させたり、或いは、第３の実施の形態において円筒状に形成させたりしてもよく、さらに、図１１に示すように、半円筒状の２個の伝熱部５１，５２を集合ヘッダ部５３で連結させるように構成してもよい。
【００３３】
さらに、上記第１〜第３の実施の形態における熱交換器は、圧縮シリンダ部３や膨張シリンダ部４の外面に沿うように円筒状に形成されているが、その形状は、円筒形状に限定されるものではなく、圧縮シリンダ部３や膨張シリンダ部４の外形に合わせて各種変更することができる。さらにまた、上記した各熱交換器はシリンダ２の外周に沿って複数並設させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態におけるスターリング冷凍機の概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器における伝熱部を部分的に示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器における伝熱部の別の例を部分的に示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器における伝熱部のさらに別の例を部分的に示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器における伝熱部を示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器における伝熱部の別の例を示す断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器における伝熱部を示す断面図である。
【図１１】本発明の各実施の形態に係るスターリング冷凍機用熱交換器の別の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１          スターリング冷凍機
３          圧縮シリンダ部
４          膨張シリンダ部
１１        伝熱部
１２        端部
１３        端部
１４        集合ヘッダ部
１５        集合ヘッダ部
１６        丸管
１７        板材
１８        板材
１９        伝熱部
２０        内周側部分
２３        流路
２４        隙間
３１        伝熱部
３２        扁平チューブ
３３        オフセットフィン
３４        三角形状のフィン
４１        扁平部材
４２        流路
４３        伝熱部
４４        集合ヘッダ部
４５        集合ヘッダ部
４６        熱交換器
５１        伝熱部
５２        伝熱部
５３        集合ヘッダ部
【図１】
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【図２】
2006138568.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006138568.tif 000009
【図８】
2006138568.tif 000010
【図９】
2006138568.tif 000011
【図１０】
2006138568.tif 000012
【図１１】
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