(57)【要約】  熱交換器、及び中心軸線と軸方向両側の面とを有する中実の熱伝導性質量体の熱交換器の形成を含む製作方法である。環状リングを通しかつ両側の面を通して複数の通路が穿孔され、通路を通る流体の流れ及び質量体と流体との間の熱エネルギーの移動のための通路を提供する。通路は、好ましくは軸線と平行でありかつ円形断面を有し、更に円周方向で間隔を空けられた複数組の通路に配列され、各組は半径方向で間隔を空けられた複数の通路を持っている。
2008501099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を作る方法であって、
（ａ）熱伝導性の中実質量体の環状リングであって、中心軸線を有しかつ軸方向両側の面を有する環状リングを形成し、
（ｂ）環状リングを通し更に両側の面を通して複数の通路を穿孔する
ことを含む方法。
【請求項２】
通路がリングの軸線に平行に穿孔される請求項１による方法。
【請求項３】
通路が、円周方向で間隔を空けられた複数組の通路の状態で穿孔され、各組が半径方向で間隔を空けられた複数の通路よりなっている請求項２による方法。
【請求項４】
各組が、リングの半径に沿って穿孔された少なくも４個の整列された通路よりなる請求項３による方法。
【請求項５】
熱伝導性の中実質量体より形成された環状リングを備え、環状リングは中心軸線と軸方向両側の面とを備え、リングは、通路を通る流体の流れ及び質量体と流体との間の熱エネルギーの移動のために、リング及び両側の面を通る複数の通路を持っている熱交換器。
【請求項６】
通路が直線状でかつ軸線と平行であり、そして円形断面を有する請求項５による熱交換器。
【請求項７】
通路が、円周方向で間隔を空けられた複数組の通路に配列され、各組が半径方向で間隔を空けられた複数の通路よりなっている請求項６による熱交換器。
【請求項８】
各組が、リングの半径に沿って配列された少なくも２個の整列された通路よりなる請求項７による熱交換器。
【請求項９】
作動ガスを収容する圧力容器内で往復し得るディスプレーサーを有し、かつ圧力容器の内部と外部との間で熱を輸送するために圧力容器と熱伝導的に接触している熱交換器を有する改良されたフリーピストン、スターリングサイクル機械であって、その改良は、熱伝導性の中実質量体で形成された環状リングであって、中心軸線と軸方向両側の面とを有し、通路を通る作動ガスの流れ及び質量体と作動ガスとの間の熱エネルギーの輸送のために、リング及び両側の面を通る複数の通路を持っている前記環状リングを備えている熱交換器である機械。
【請求項１０】
通路が軸線に平行でありかつ円形断面を有する請求項９による機械。
【請求項１１】
通路が、円周方向で間隔を空けられた複数組の通路に配列され、各組が半径方向で間隔を空けられた複数の通路よりなっている請求項１０による機械。
【請求項１２】
各組が、リングの半径に沿って配列された少なくも２個の整列された通路よりなる請求項１１による機械。
【請求項１３】
環状リングが圧力容器の内壁に鑞付けされる請求項１２による機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に熱交換器及び熱交換器の製造方法に関し、より特別にはフリーピストン、スターリングサイクル機械用の内部熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの機械は、機械内のある質量体から機械外のある質量体への間の熱の移動のようなある一つの質量体から他の質量体への熱移動を必要とする。フリーピストンスターリングエンジン、ヒートポンプ及びクーラーは、通常、熱受容システムを提供するために、その気密に密封された圧力容器の外側から、圧力容器の壁を通じて圧力容器内のある一つの位置の作動ガスに熱を伝えること、並びに、排熱システムを形成するために、別の位置における機械内のガスから圧力容器の壁を通して圧力容器の外側の冷却液のような質量に熱を伝えることの両者が要求される。熱移動の効率及び熱流量を改善するために、熱交換器は、通常、スターリング機械の圧力容器の内部及び外部の両方で使用される。内部熱交換器は機械内部の作動ガスと熱交換し更に圧力容器の壁との間で熱を授受する。外部熱交換器は、外部熱源又は周囲の空気又は循環している冷却液のような冷却液と熱交換し、更に圧力容器へ、又は圧力容器から熱を伝達する。デュ・プレ（ｄｕ  Ｐｒｅ）の特許文献１は、スターリングエンジン又はヒーターにおける熱移動を論議する。
【０００３】
モスクリプ（Ｍｏｓｃｒｉｐ）の特許文献２は再生装置を論議する。これは、熱交換器と同様であるが、熱を蓄え、そして、最終的には作動ガスが再生装置を通って循環するとき、作動ガス及び再生装置の質量体との間で熱の授受を行う。リップ（Ｌｉｐｐ）の特許文献３は、スターリング機械用ではないが、直線通路を横切る構造体の側面に穿孔された通路又はオリフィスを有する直線の開口端部付きの通路を有する熱交換器を示す。
【特許文献１】米国特許第４，０５２，８５４号  明細書
【特許文献２】米国特許第４，４２９，７３２号  明細書
【特許文献３】米国特許第５，３７３，６３４号  明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術においては、大型のスターリング機械は、通常、壁を通る熱伝導面積を大きくすることを、圧力容器の壁に熱伝導的に連結された数個の平行管で構成された内部熱交換器に依存する。しかし、かかる管状の熱交換器は管を壁に取り付けるために多くの鑞付けを必要とする。この多くの接合部は漏洩による故障の可能性を大きく増加させ、かつ製作費も増加させる。
【０００５】
小型のスターリング機械は、機械の圧力容器の壁を通して熱が伝えられるモノリシックヘッド構造を使用することが普通である。モノリシックヘッドが使用されるときは、折り畳み式フィンの形式であることが多い内部のフィン面を圧力容器のヘッドに鑞付けすることが普通の方法である。かかる熱交換器では、ガスは平行板の間を流れ、この場合、質量流量はフィン間の間隙の３乗に比例するため、流れの均一性は板の間隔に極めて敏感である。従って、コーナーを通る質量流量は制限される。折り畳みフィンは、フィンの間に通路を有する多数のフィンに折り畳まれたシート材料から作られる。この工程は、圧力容器のヘッドへの連結のためのシート構成要素の鑞付けに加えて、曲げと形成の多くの段階を必要とする。更に、折り畳まれたフィンは一般にスターリング機械により要求される空間
内に適合せず、このため、２次焼鈍及び寸法直しが必要なことが多い。
【０００６】
折り畳みフィンに加えて放射状のフィンも熱交換器内に機械加工される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、特にスターリング機械用の、改良され、より効率的かつ製造費の少ない熱交換器を提供することが本発明の目的及び特徴である。
【０００８】
本発明の別の目的及び特徴は、効率的な熱移動を許す熱交換器を適切な費用で形成する方法を提供することである。
【０００９】
本発明の装置は、熱伝導性の中実質量体で形成された環状リングである熱交換器である。環状リングは中心軸線及び軸方向で両側の面を有し、通路を通る流体の流れのため及び中実質量体と流体との間の熱エネルギーの移動のために、リング及び両側の面を通って形成された複数の線形通路を持つ。通路は軸線と平行でありかつ円形断面を有することが好ましい。更に、通路は、円周方向で間隔を空けられた複数組の通路に配列され、各組は複数の半径方向で間隔を空けられた複数の通路を有することが好ましい。
【００１０】
熱交換器の製造方法は、中心軸線を有しかつ軸方向で両側の面を有する中実の熱伝導性質量体の環状リングを形成し、次いで環状リングを通し更に両側の面を通して複数の通路を穿孔することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面に示された本発明の好ましい実施例の説明に当たり、明瞭のために特定の用語によるであろう。しかし、これは、本発明をその選ばれた特定の用語に限定することを意図するものではなく、同様な目的を達成するために同様な方向で作用する全ての技術的に同義のものを包含する。
【００１２】
本発明の好ましい実施例が図１に示される。本発明は、スターリングサイクル機械の内部と機械の外部との間で熱エネルギーを移動させるための熱交換器５である。熱交換器５は、銅又はアルミニウムのような熱伝導性の中実質量体から、中心軸線７及び軸方向両側の面９と１１を有する環状リングに形成される。この質量体は、これが複数のフレーム及び／又は壁部材を一緒に連結して作るのではなく、一体の中実の材料片として始められるという意味での中実体である。リング６及び両側の面９と１１を通して複数の線形通路８が形成され、流体はこの通路８を通って流れそして質量体と流体との間で熱エネルギーを移動させることができる。
【００１３】
好ましい実施例においては、通路８は、環状リングの中心軸線７と平行であり、かつ図１及び２に示されるように円形断面を持つ。通路８は円周方向で間隔を空けられた複数組の通路８に配列され、この各組は半径方向で間隔を空けられた複数の通路８を持っている。通路８の各組が、リングの半径に沿って配列された２個から４個の通路を備えることが好ましく、図１及び２には４個が示される。しかし、その他の数及び形状の通路を使用することができ、これらは希望の流量特性及び希望の熱移動特性を達成するように熱交換器の寸法及び穴の寸法の関数として選択される。
【００１４】
通路８の形成方法は、穿孔又は鋳造を含むことができる。穿孔は、回転ドリルビット又は放電加工（ＥＤＭ）を使用する穿孔を含んだ伝統的な金属形成技法により達成することができる。通路８は、好ましい製造方法により製造されたとき円形断面及び円筒状の壁を持つことが好ましい。しかし、通路が機械加工又は鋳造されたときは、種々の形状をとることができ、例えば正方形、長方形、長円形の断面を有し、或いは放射状スロットの通路
を鋳造することができる。
【００１５】
好ましくは、中実の熱伝導性質量体は、環状リングに形成された単一片、一体の中実質量体、又はブロックである。しかし、代わりに、各が中実質量体又はブロックである離散的な分離したセグメントで環状リングを形成することができる。例えば、リングを２個の１８０゜半リングセグメント、４個の９０゜セグメント、或いは６個の６０゜セグメントで構成することができる。環状リングは、かかる多数の構成部品から構成されないことが好ましいが、かかる構成部品のリングの形成は本発明の概念から離れることはない。更に、リングが完全にエンドレス又は完全体であることは必須ではないが好ましい。例えば、軸線と平行に伸びる別の構造のために３０゜セグメントを残して円のまわりで３３０゜だけリングを延ばすことができる。リングは一般に環状であるが、完全な円形壁から外れたタブ、フィンガー又はその他の突出構造、或いは溝又はチャンネルのような切取り部を含むことができる。リングの外側輪郭は、熱伝導連結を最適化するためにスターリング機械の圧力容器の内壁の輪郭と一致することが好ましく、更に壁に鑞付けされることが好ましい。
【００１６】
本発明の好ましい実施例は、フリーピストン、スターリングサイクル機械を改良するための内部熱交換器として特に適している。図３を参照すれば、スターリング機械１０は、作動ガスを収容する圧力容器１３内で往復できるディスプレーサー１２を持つ。内部熱交換器１６及び１８は、圧力容器１３と熱伝導接触し、圧力容器の内部と外部との間で熱を移動させる。これらは、図１の熱交換器５のような環状のリングであり、圧力容器１３の内壁に鑞付けされる。特に、内部熱交換器１６と内部レジェクター１８とは圧力容器１３内に取り付けられる。
【００１７】
熱受容システムの内部熱交換器（図３に示されたような機械上部の熱交換器）を形成する環状リングの周囲壁面を円錐台又はドーム状の輪郭に形成し、同様な輪郭にされた圧力容器１３のヘッドの内部上壁と相互に組み合わせることができる。環状リング全体も同様な形状に作ることができ、更に両側の面が平行であることは必須ではない。しかし、この場合でも、通路は環状リングの両側の面の間を伸びるであろう。例えば、環状リングが円錐台状に作られた場合は、通路は中心軸線と平行でなく、想像上の円錐面に沿って置かれるようにして軸線に対して斜めに整列させることができる。
【００１８】
スターリングサイクル機械の公知の作動原理により、スターリングサイクル機械１０内の作動ガス、典型的にヘリウムは、運転中、領域Ａと領域Ｂとの間を往復させられる。本発明は、機械の運転中、作動ガス及び内部受容器１６とレジェクター１８の間の熱エネルギーの移動を支援する。好ましい実施例の通路８を通って作動ガスが動かされたとき、熱エネルギーはガスに又はガスから通路８の壁に移動され、かつ受容器及びレジェクターの熱交換器１６及び１８を通って移動させられる。熱エネルギーは圧力容器を経ても伝達される。
【００１９】
本発明の好ましい実施例は、様々の理由で従来技術の熱交換器に勝り有利であると信じられる。より良好な熱交換器は、それがより高価であっも好まれるほど熱移動の効率が重要であるが、本発明による熱交換器の構成は、最近のコンピューター制御機械設備が多くの穴を正確に穿孔する際に非常に時間効率的であるため、費用が少ないと信じられる。更に、穴は材料の中実ブロックを通して穿孔されるので、残存材料が圧力容器と穴の壁との間の熱伝導のために最大断面を有する熱伝導経路を提供する。
【００２０】
いかなる熱交換器もこれを通るガスの流れは通路の壁の間の間隔に敏感であり、従って、円筒状通路を通るガスの流れは通路の直径に敏感であり、この好ましい実施例の通路は通常の平行板熱交換器における間隙の約２倍の直径を持つであろう。従って、流れの抵抗が改良され、ガスは円筒状通路の内面全体に均等に暴露され、壁とガスとの間の熱移動を最大化する。更に、円筒状通路の壁から放射されるいかなる熱も、機械内の別の構造要素に輻射されることなく円筒状の壁の別の部分に放射されるであろう。
【００２１】
本発明の幾つかの好ましい実施例が詳細に説明されたが、本発明の精神又は特許請求の範囲から外れることなく種々の変更をなし得ることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の好ましい実施例の平面図である。
【図２】実質的に図１の線２−２に沿って得られた図１の実施例の一部分の拡大断面図である。
【図３】図１の実施例の位置を示しているスターリング機械の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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