(57)【要約】【課題】  作動ガスとフィンとの接触効率を向上させ、熱交換器の熱交換効率を向上させる。【解決手段】  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、前記フィンによって形成される作動ガス流路の幅を一定としたこと【選択図】  図１
2009222038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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換器において、
前記伝熱ヘッドの内周と接触する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、該フィンによって形成される作動ガス流路の幅が一定となるように設けたこと、
を特徴とするスターリング機関用熱交換器。
【請求項２】
前記フィンは、中心方向に向かって先細りとなってい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスターリング機関用熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
スターリング機関は、フロンではなくヘリウム、水素または窒素などの自然冷媒を作動ガスとして用いているため、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。
図４はスターリング機関の構成を示す概要図である。冷凍機として用いるスターリング機関１では、リニアモータ２０などの動力源によりピストン１２を往復運動させると、ディスプレーサ１３はピストン１２に対し作動ガスの流動抵抗等により所定の位相差を持って同期往復運動する。このピストン１２とディスプレーサ１３の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６の間で作動ガスが行き来きし、圧縮空間４５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。圧縮空間（高温空間）４５の熱を高温伝熱ヘッド４０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４１を通じ膨脹空間（低温空間）４６に吸収して等温膨脹変化を実現すれば、逆スターリングサイクルを形成することとなる。
圧縮空間（高温空間）４５の熱を高温伝熱ヘッド４０に伝え、また外部の熱を低温伝熱ヘッド４１を通じ膨脹空間（低温空間）４６で吸収するため、高温伝熱ヘッド４０と低温伝熱ヘッド４１の内部にはそれぞれ熱交換器４２，４３が配置される。このような熱交換器４２，４３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ごとであった。
【０００３】
この熱交換器に関する従来技術として特許文献１には、多数のフィンを設けた平板状素材をフィンを内側にしてリング状に成形した熱交換器が記載されている。
【特許文献１】特開２００７−８５６４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱交換器を通過する作動ガスの流速について検討すと、多数のフィンを設けた平板状素材をフィンを内側にしてリング状に成形すると、通常、図５のように流路形状は台形となる。
一般的に流路を流れる流体の圧力損失（差圧）ΔPと流速vの関係は、流体の密度をρ、流路の摩擦係数をf、流路長さをl、流路の水力直径をdとすれば、次式で表される。
【０００５】
【数１】
2009222038.tif 000003
【０００６】
数式１を流速ｖを求める式に変形する。
【０００７】
【数２】
2009222038.tif 000004
【０００８】
次に、長方形流路の場合（両端の側壁を含めない）の流路短辺をｗ、流路長辺をｈとすれば、水力直径ｄは次式のようになる。
【０００９】
【数３】
2009222038.tif 000005
【００１０】
数式２に数式３を代入すると、
【００１１】
【数４】
2009222038.tif 000006
【００１２】
となり、流速vは、流路短辺ｗのルートに比例することがわかる。すなわち、流路短辺ｗが小さいほど流速ｖは小さくなり、流路短辺ｗが大きいほど流速ｖは大きくなる。
以上のことから、台形流路のように流路短辺が変化する場合には流速分布がフィン方向に渡って漸次変化し、流速分布は図６ようになる。このようにフィン方向に渡り作動ガスの流速が異なると熱交換器内での作動ガスの流れが乱れることなり、作動ガスとフィンの接触効率が低下することとなる。
係る場合に、特許文献１に記載のように、熱交換器の外周方向に向かってはフィンの断面積を漸増することにより熱交換器の外周方向に向かって熱が流れやすくしても、フィンに作動ガスの熱がうまく伝わらないため、その効果を有効に発揮することができない。つまり、熱交換器の熱交換効率を向上させるには、作動ガスとフィンとの接触効率を低下させることなく熱交換器の熱の流れを良くする事が必要となる。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、作動ガスと伝熱ヘッドとの間の熱授受が安定しているスターリング機関用熱交換器を提供することおよびそれを用い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】
【００１３】
請求項１に係る発明は、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換器において、前記伝熱ヘッドの内周と接触する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、該フィンによって形成される作動ガス流路の幅が一定となるように設けたこと、を特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明であって、前記フィンは、中心方向に向かって先細りとなっていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、作動ガスから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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１に本発明に係るスターリング機関用熱交換器の平面図、図２に図１に示したＡ−Ａ断面図を示し、これに基づき説明する。
本発明に係るスターリング機関用熱交換器１００は、薄いリング状のベース１０１の内面に、ベース１０１の軸線中心方向に向かって延びるフィン１０２を一定ピッチで多数形成したものである。ベース１０１およびフィン１０２に囲まれた領域が作動ガスの流路となる。なお、熱交換器１００は、ベース１０１の外周にて図示しない高温伝熱ヘッドまたは低温伝熱ヘッドの内周に接触し、伝熱ヘッドを介して熱の授受を行っている。
図３は熱交換器の平面図の部分拡大図である。図３のようにフィン１０２は、流路の周方向幅ｗが径方向に渡って一定となるようにベース１０１の中心方向に向かい細くなっている。これにより、流路全体で流速が一定となり作動ガスがスムーズに流れることとなり、フィン１０２と効率良く熱の授受が可能となる。
さらに、フィン１０２は熱交換器１００の外周側に断面積が漸増することとなる。これにより外周側ほど熱抵抗が小さくなり、熱交換器１００の外周方向に向かって熱が流れやすくなることで、伝熱ヘッドとの間の熱授受量が増加する。
また、熱交換器１００ は、熱伝達効率が高い銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などから製作されている。
【００１６】
上記より従来技術より熱伝達効率が良いことが理解できるが、さらに、長方形流路と台形流路による流速分布の差異により生じる放熱量の違いについても検討してみる。
一般的に放熱量Qは、ガスとフィンの温度差ΔT、熱伝達率hyおよび表面積Aを用いて以下の式で定義される。
【００１７】
【数５】
2009222038.tif 000007
【００１８】
また、平板の壁面温度一定条件における熱伝達率hyは、ガスの熱伝導率をλ、平板（フィン）の流れ方向長さをL、平均ヌセルト数をNum、ガスのプラントル数をPr、流れ方向距離に基づくレイノルズ数をReLとすると、次式で計算される。
【００１９】
【数６】
2009222038.tif 000008
【００２０】
【数７】
2009222038.tif 000009
【００２１】
【数８】
2009222038.tif 000010
【００２２】
数式６〜８において流速ｖ以外のパラメータが一定とすると、放熱量Ｑと流速vの間には以下の関係が成り立つこととなる。
【００２３】
【数９】
2009222038.tif 000011
【００２４】
ここで、台形流路における放熱量Ｑを簡易に求めるため、台形流路をｎ分割された長方形流路の集合として考えることとする。流路断面積をＡ、流路に依存しない定数をＫとすると、放熱量は以下のように表される。
【００２５】
【数１０】
2009222038.tif 000012
【００２６】
具体的に差異を把握するため、平均水力直径dを0.6とした場合、すなわち平均流路幅wを0.3とした場合における、長方形流路と台形流路（分割された長方形流路の集合）における放熱量Ｑについて比較してみる。
台形流路を図７に示すように５分割の流路（Ｉ〜Ｖ）とし、各区間の水力直径を区間Ｉ
：０．２，区間ＩＩ：０．４，区間ＩＩＩ：０．６，区間ＩＶ：０．８，区間Ｖ：１．０とし、流
速ｖは前記数式４により求めることとすると、台形流路（５分割された長方形流路の集合）の放熱量Ｑ５は以下のようになる。
【００２７】
【数１１】
2009222038.tif 000013
【００２８】
流路短辺ｗを０．３としたときの長方形流路の放熱量をＱ１とすると以下の様になる。
【００２９】
【数１２】
2009222038.tif 000014
【００３０】
以上より、Ｑ１とＱ５を比較することにより、長方流路の方が放熱効率も高くなることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、スターリング機関全般に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る実施形態の平面図
【図２】本発明に係る実施形態のＡ−Ａ断面図
【図３】本発明に係る実施形態の部分拡大図
【図４】スターリング機関の構成を示す概要図
【図５】従来のスターリング機関用熱交換器の平面図
【図６】台形流路の流速分布図
【図７】台形流路を５分割長方形流路に置換する概念図
【符号の説明】
【００３３】
１０１  ベース
１０２  フィン
【図１】
2009222038.tif 000015
【図２】
2009222038.tif 000016
【図３】
2009222038.tif 000017
【図４】
2009222038.tif 000018
【図５】
2009222038.tif 000019
【図６】
2009222038.tif 000020
【図７】
2009222038.tif 000021