JPH11182954A - 蓄冷器 - Google Patents

蓄冷器

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JPH11182954A
JPH11182954A JP35127397A JP35127397A JPH11182954A JP H11182954 A JPH11182954 A JP H11182954A JP 35127397 A JP35127397 A JP 35127397A JP 35127397 A JP35127397 A JP 35127397A JP H11182954 A JPH11182954 A JP H11182954A
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Kimikazu Obara
公和 小原
Akito Torii
明人 鳥居
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IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU
IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
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IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU
IDOTAI TSUSHIN SENTAN GIJUTSU KENKYUSHO KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷媒流体通路の面積や経路長、形状等につい
て設計自由度が大きく、組立作業性に優れた熱交換効率
の高い蓄冷器を提供する。 【解決手段】 プレート積層体22を構成する複数のプ
レート31に、それぞれプレート積層体22の軸線を中
心とする所定半径の円弧状のスリット32aが形成さ
れ、そのスリット32aが隣接する任意の二つのプレー
ト31の間で部分的に重合するように、プレート積層体
22の軸線回りでプレート31の相対位置が設定され、
これらのプレート31によって、少なくとも一部でプレ
ート積層体22の軸線に対し傾斜しこの軸線方向の両端
側で開口する流体通路23が形成される。これにより、
プレート積層体22の軸線方向各位置で流体通路23の
断面積がほぼ一定となり、冷媒流体の圧力損失を抑える
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、逆スターリング冷
凍機、GM冷凍機又はパルス管冷凍機等の極低温冷凍機
に用いられる、再生式熱交換器からなる蓄冷器に関す
る。
【0002】
【従来の技術】この種の蓄冷器(再生式熱交換器、リジ
ェネレータともいう)は、例えば図6に示すような逆ス
ターリング冷凍機に使用されており、この冷凍機は、圧
縮シリンダ1および膨張シリンダ2とこれらの間に配さ
れた配管3とを備えている。圧縮シリンダ1内にはシー
ルリング6を装着した往復移動可能な圧縮ピストン4が
設けられており、これによって圧縮ピストン4が上死点
位置のときに容積が最小となる圧縮室5が形成されてい
る。膨張シリンダ2には、往復動可能な膨張ピストン7
と、この膨張ピストン7に内装された蓄冷器8と、膨張
ピストン7が上死点位置のときに容積が最小となる膨張
室9と、膨張室9の室壁を兼ねるとともに被冷却体10
に接する冷却部11と、が設けられている。なお、12
〜14は気密性確保のためのシール部材である。
【0003】蓄冷器8は、両端開放の円筒状ケーシング
8a内に、マトリックスと呼ばれる多数の細孔を有する
蓄冷材プレート8bを多数枚(例えば1000枚以上)
積層した状態で装填したものである。また、圧縮室5と
膨張室9は、配管3、膨張ピストン7の側面孔7a、蓄
冷器8の内部、および、膨張ピストン7の端面孔7bを
介して連通しており、これら圧縮室5から膨張室9まで
の連通部内に、ヘリウム、水素又は窒素等の高圧の冷媒
ガスが充填されている。
【0004】上記構成の冷凍機は、逆スターリングサイ
クル、すなわち、「等温圧縮行程」、「等容放熱行
程」、「等温膨張行程」および「等容吸熱行程」の四つ
の行程からなるサイクルを繰り返すように、圧縮ピスト
ン4および膨張ピストン7が所定ストロークで往復駆動
される。図7はそのピストン軌跡と行程の関係を示す説
明図である。
【0005】同図に示すように、圧縮ピストン1と膨張
ピストン2の往復動は、周期が一致し、かつ、1/4周
期(位相角で90度)だけ位相がずれた関係にある。以
下、各行程の動作を説明すると、 (1)等温圧縮行程では、圧縮室5内の冷媒ガスが圧縮
され、この圧縮によって生じた熱は配管3から外部に逃
がされ等温過程となる。 (2)等容放熱行程では、圧縮された冷媒ガスがその容
積を変えることなく膨張室9に移送されるが、移送経路
中の蓄冷器8は、前のサイクルの等容吸熱行程で冷却さ
れているため、蓄冷器8によって熱交換が行われ、膨張
室9には充分に冷やされた冷媒ガスが移送される。 (3)等温膨張行程では、膨張室9の容積拡大に伴い、
同室9内の冷媒ガスが周囲の熱(主に冷却部11の熱)
を奪いながら等温膨張する。 (4)等容吸熱行程では、等温膨張した冷媒ガスがその
容積を変えることなく圧縮室5に移送されるが、移送経
路中の蓄冷器8は、前の等容放熱行程で熱を蓄えている
ため、低温の冷媒ガスと高温の蓄冷器8との間で熱交換
が行われ、蓄冷器8は冷やされ、冷媒ガスの温度は上昇
して1サイクルが完了する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような蓄冷器にあっては、円形のプレート8bを一枚
のメッシュスクリーンから打ち抜いて製作するため、形
状がばらつきやすく、しかも積層する際のプレート同士
の重なり具合も安定させることができなかった。そのた
め、流体通路が部分的にくびれたり通路断面積が流れ方
向の各位置で変動したりすることになり、冷媒ガスの流
れの抵抗による熱交換効率の低下が大きいものとなって
いた。
【0007】これに対し、例えば図8に示すように、プ
レート8bの外周部に前記細孔(通路孔)に対し周方向
位置の特定された突起8cを設け、突起8cを目印にプ
レート8bを所定角度αずつ回転させてプレート積層体
の軸線に対し傾斜した冷媒ガス流路を形成するというよ
うなことが考えられる。しかし、この場合、ケーシング
に対するプレート8bの周方向位置決めや支持が容易で
なく、プレート8bのケーシング8aへの装填作業に手
間がかかるという問題がある。また、流体通路形状を好
適な形状に変更することが可能ではあるが、ケーシング
8aとプレート8bの積層体との間に大きな隙間ができ
るため、熱交換効率の大幅向上が期待できない。
【0008】そこで、本発明は、流体通路の面積や経路
長、通路形状等について設計自由度が大きく、しかも、
組立作業性に優れた熱交換効率の高い蓄冷器を提供する
ことを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の発明は、多数の孔を有する蓄冷材プ
レートを積層してなるプレート積層体を設け、該プレー
ト積層体の内部を通過する流体との間で熱交換を行う蓄
冷器において、前記プレート積層体を構成する複数のプ
レートに、それぞれプレート積層体の軸線を中心とする
所定半径の円弧状のスリットが形成され、該複数のプレ
ートのスリットが隣接する任意の二つのプレートの間で
部分的に重合するよう、前記プレート積層体の軸線回り
で前記複数のプレートの相対位置が設定され、該複数の
プレートによって、少なくとも一部で前記プレート積層
体の軸線に対し傾斜し該軸線方向の両端側で開口する流
体通路が形成されたことを特徴とする。
【0010】この発明では、複数のプレートにそれぞれ
形成されたスリットが隣接する任意の二つのプレート間
で部分的に重合し、複数のプレートが、少なくとも一部
で前記プレート積層体の軸線に対し傾斜した流体通路を
形成することから、プレート積層体の軸線に対する流体
通路の傾斜角を適宜設定することにより、流体通路の長
さおよび冷却面積を十分に確保するとともに、プレート
積層体の軸線方向の各位置で流体通路の断面積を一定に
することができ、流体の圧力損失を確実に抑えた高冷却
性能の冷却器となる。
【0011】また、請求項2に記載のように、前記流体
通路が前記プレート積層体の軸線に対し一定の傾斜角を
なす螺旋状に形成されると、流体通路内の流れがよく、
熱交換効率が良好になる。さらに、請求項3に記載のよ
うに、前記複数のプレートの外周形状および前記スリッ
ト形状が同一であり、該プレートがそれぞれの外周に前
記スリットに対し周方向位置の特定された位置決め部を
有すると、複数のプレートの指標部をケーシング側の溝
等のガイド部分にはめ込むだけでプレートの周方向位置
決めを容易に行うことができ、プレート積層体の組立や
調整を容易化することができる。
【0012】また、請求項4に記載のように、前記プレ
ートに複数の同一中心角の円弧状スリットが形成される
と、流体通路の数を増やしたり冷却面積を拡大して熱交
換効率を高めることができ、しかも半径方向の各位置で
均等な熱交換が行われることになる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1〜図5は、本発明に係る蓄冷器
の一実施形態を示す図であり、本発明を逆スターリング
冷凍機に適用した例を示している。この冷凍機は、全体
構成を図示しないが、圧縮シリンダおよび膨張シリンダ
とこれらの間に配された配管とを備えており圧縮シリン
ダ内には上述した圧縮ピストン4と同様なものが設けら
れ、これによって圧縮ピストンが上死点位置のときに容
積が最小となる圧縮室が形成されている。このような構
成については、従来と同様であるのでこれと重複する説
明を省略し、実施形態に係る蓄冷器を含む膨張シリンダ
の構成について詳述する。
【0014】図1および図2において、51は膨張シリ
ンダ、52は膨張シリンダ内に往復摺動自在に収納され
た膨張ピストンであり、膨張シリンダ51と膨張ピスト
ン52の間には膨張ピストン52が上死点位置のときに
容積が最小となる膨張室53が画成されている。54
は、膨張シリンダ51の上端側を閉塞するとともに膨張
室53の室壁を構成する冷却ヘッド部で、この冷却ヘッ
ド部54には所定の被冷却体55が載置されている。な
お、56a,56b,56cは気密性確保のためのリン
グ状のシール部材、21b、57および58はそれぞれ
膨張室53と前記圧縮室の間の連通路である。
【0015】膨張ピストン52には蓄冷器20が装着さ
れている。この蓄冷器20は、シリンダ状のケーシング
21内にプレート積層体22を装填したもので、このプ
レート積層体22に形成された複数の流体通路23(後
述する)と膨張ピストン52のピストン本体52aに形
成された連通路52bとを介して、膨張室53と前記圧
縮室とが連通するようになっている。そして、膨張ピス
トン52および前記圧縮ピストンの駆動により膨張室5
3と前記圧縮室の間を冷媒ガス(流体冷媒)が移動する
とき、冷媒ガスとプレート積層体22との間で熱交換が
行なわれるようになっている。
【0016】プレート積層体22は蓄冷材である多数
毎、例えば数百枚〜1000枚(複数)の薄い(板厚が
例えば0.03mm〜0.07mm程度の)ほぼ円形のプレ
ート31を同心的に積層したものであり、プレート31
はそれぞれケーシング21の内周形状に対応する外形を
有している。また、図3に示すように、プレート31に
は、それぞれプレート積層体22の中心軸線22cを中
心する同一中心角の円弧状のスリット32a,32b,
32c,32d,32e,32f,32g(孔)が形成
されている。これらスリット32a〜32gは、互いに
異なる半径を有し、隣接するスリット同士が逆向きにな
っている。また、スリット32a〜32gは半径方向等
間隔に形成されており、全てのプレート31のスリット
形状は同一である。なお、プレート31を作製する際に
は、半導体の製造等に使用されるフォトリソグラフィー
技術やフォトエッチング技術を有効に活用することがで
き、微細なスリット32a〜32gを高精度に形成する
ことができる。
【0017】図4および図5に示すように、積層された
プレート31のスリット32a〜32gは、同一円周上
に位置するスリット32a,32b,32c,32d,
32e,32f又は32g同士が複数のプレート31の
うち隣接する任意の二つのプレート31の間で部分的に
重合している。すなわち、複数のプレート31は、この
ようなスリット32a〜32gの配置をとるためにプレ
ート積層体22の軸線回りの周方向で所定角度(例えば
90度)だけ相対回転した位置関係になっており、これ
らプレート31によって、少なくとも一部でプレート積
層体22の軸線に対し傾斜した複数の流体通路がプレー
ト積層体22の軸線方向の両端側でそれぞれ開口する形
状に形成されている。
【0018】これらの流体通路は、スリット32a〜3
2gの数に対応して例えば7本形成され、それぞれ図4
および図5に流体通路23として模式的に示すように、
プレート積層体22の軸線に対し一定の傾斜角θをなし
て、互いに同心的に、かつ図1(b)に冷媒ガスの流れ
方向(一方向のみ図示)を示すように螺旋状に延在して
いる。なお、図4および図5では、便宜上プレート31
の板圧を厚く誇張しているが、各プレート31が薄いた
め、実際には各流体通路23の内壁の凹凸は小さくな
る。また、図5(b)中の流れ方向の矢印は図示の便宜
上径変化しているが、実際には同一径の螺旋を描く流れ
となる。
【0019】また、図3に示すように、プレート31
は、それぞれの外周にスリット32a〜32gに対し周
方向位置の特定された4つの位置決め部33,34,3
5および36を有している。これら位置決め部33〜3
6はそれぞれ放射外方に突出する三角形の凸状(凹状で
もよい)で、互いに90度の間隔で周方向等間隔に設け
られている。これらのうち位置決め部33は、他の位置
決め部34〜36の半分を切り欠いた形状(周方向非対
称の形状)になっており、隣接する他の位置決め部3
4,35から等間隔の位置にプレート31の半径方向に
延在する回転位置基準面33aを有している。
【0020】この位置決め部33の回転位置基準面33
aに対し前記特定の位置をとるスリット32a〜32g
は、これらの両端面がすべて回転位置基準面33aから
所定角度の位置に位置するように形成されており、スリ
ット32a〜32g の中心角が270度の場合、回転
位置基準面33aからスリット32a〜32gの両端面
までの角度は45度である。なお、スリット32a〜3
2gの中心角が180度未満であれば、同一円周上に複
数のスリット(通路孔)を配置することができることは
いうまでもない。
【0021】一方、ケーシング21の内壁には、プレー
ト31の4つの位置決め部33〜36に係合してプレー
ト31を周方向位置決めすることのできる複数のガイド
部が周方向等間隔に、例えばケーシング21の軸線と平
行な4本の直線状のV形溝21a,21b,21c,2
1dが90度の周方向間隔で形成されている。これによ
ってプレート31は、ケーシング21内でスリット32
a〜32gが互いに90度ずつ異なる4つの向きの何れ
かをとるように、ケーシング21に対する向きを制限さ
れている。
【0022】次に、この蓄冷器の組立方法について説明
する。まず、プレート積層体22をケーシング21内に
装填する際には、プレート31の積層作業と同時に螺旋
状の流体通路23を形成する必要があるため、図1
(a)に示すように、プレート31を下層のプレート3
1に対し相対的に所定角度ずつ回転させながら積層す
る。本実施形態では、ケーシング21の軸線回りにプレ
ート31を回転させながら装着していく。具体的には、
各プレート31の4つの位置決め部33〜36をケーシ
ング21の4本のV形溝21a,21b,21c,21
dに合わせてケーシング21内にプレート31を収納し
ていく。最初のプレート31の位置決め部33が21の
V形溝21a内にあったとすると、次いで、その上に積
層すべきプレート31の位置決め部33がケーシング2
1のV形溝21b内に位置するようこのプレート31を
下層のプレート31に対し所定方向に90度相対回転し
た向きにして、ケーシング21内に収納する。次いで、
その上に積層すべきプレート31の位置決め部33がケ
ーシング21のV形溝21c内に位置するようこのプレ
ート31を下層のプレート31に対し前記所定方向に9
0度相対回転した向きにして、ケーシング21内に収納
する。次いで、その上に積層すべきプレート31の位置
決め部33がケーシング21のV形溝21d内に位置す
るようこのプレート31を下層のプレート31に対し前
記所定方向に90度相対回転した向きにして、ケーシン
グ21内に収納する。このようにして、プレート31の
位置決め部33をケーシング21の4本のV形溝21a
〜21dに対し順次隣にずらしながら、プレート31を
90度づつ回転させて積層していき、所定枚数のプレー
ト31が積層されると、プレート積層体22ができあが
る。なお、プレート31の積層時の向きの変化を表すた
め、図1(a)中では位置決め部34を便宜的に矢印で
示している。
【0023】一方、上述の積層作業時には、プレート3
1のスリット32a〜32gが部分的に重なり、かつ、
これらの両端部が周方向にずれるように、プレート31
が所定回転方向に90度ずつずらして積層重合されてい
き、これによって螺旋状の流体通路23が正確に形成さ
れる。このように、本実施形態においては、プレート積
層体22を作製するケーシング21へのプレート31の
装填作業に際し、周方向の片側を切り欠いた位置決め部
33を目印として、外周から突出する位置決め部33〜
36をケーシング21の内壁のV形溝21a〜21dに
はめ込むだけの簡単な作業を行いながら、プレート31
を周方向に90度ずつ同一方向に正確にずらして積層し
ていき、螺旋状の流体通路23を有するプレート積層体
22を容易に作製することができる。したがって、プレ
ート積層体22の軸線に対する流体通路22の傾斜角θ
を適宜設定することにより、流体通路23の長さおよび
冷却面積を十分に確保するとともに、プレート積層体2
2の軸線方向の各位置で流体通路の断面積をほぼ一定に
することができ、流体の圧力損失を確実に抑えた高冷却
性能の冷却器を提供することができる。また、流体通路
23がプレート積層体22の軸線に対し一定の傾斜角θ
をなす螺旋状に形成されているので、流体通路23内の
冷媒ガスの流れをよくして、熱交換効率を高めることが
できる。さらに、プレート31の外周形状およびスリッ
ト形状が同一で、プレート31の外周にスリット32a
〜32gに対し周方向位置の特定された位置決め部33
〜36を設けているので、これら位置決め部33〜36
をケーシング21側のV形溝21a〜21dにはめ込む
だけでプレートの周方向位置決めを容易に行うことがで
き、プレート積層体22の組立や調整を大幅に容易化す
ることができる。また、プレート31に複数の同一中心
角の円弧状スリット32a〜32gを形成しているの
で、流体通路の数を増やし冷却面積を拡大して熱交換効
率を更に高めることができるとともに、半径方向の各位
置で均等な熱交換を行うことができ、熱交換効率を高め
ることができる。
【0024】さらに、本実施形態では、各プレート31
の外周縁部をケーシング21の内壁に接触させながらケ
ーシング21内にプレート積層体22を装填することに
なるから、ケーシング21とプレート積層体22の間の
隙間を小さく抑えることができ、冷媒ガスの漏れを抑え
て熱交換効率を向上させることができる。なお、ケーシ
ング21の内壁のV形溝(ガイド部)の数および外周位
置決め部の数を増減することによって、あるいはプレー
ト31の厚さを異ならせることによって、プレート積層
体22に中心軸線(ケーシング21の軸線)に対する螺
旋状の流体通路23の傾斜角θ(流体通路23の通路長
さ)を変更することができ、更にプレート31のスリッ
ト形状を変更することにより任意の流体通路本数を設定
することができる。また、上述の実施形態ではスリット
の中心角を180度より大きくした場合を示したが、中
心角を180度未満とした複数のスリットを同一円周上
に線対称に配置するといったことも考えられる。また、
流体経路の形状を螺旋状とせず、隣接する2つのプレー
ト31の間で流体通路23の傾斜角θを異ならせたり、
傾斜方向(回転方向)を変更したりするようなことも考
えられるが、流れの抵抗を考慮すると、傾斜角θを一定
とする螺旋状が好ましい。また、プレート31の4つの
位置決め部33〜36を凹状にした場合、ケーシング内
壁の複数のガイド部を凸状にするのが好ましいが、 V
形溝に丸棒等をあてがって組立作業をするようなことも
考えられる。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1記載の発
明によれば、複数のプレートに形成されたスリットを隣
接する任意の二つのプレート間で部分的に重合させ、複
数のプレートが少なくとも一部で前記プレート積層体の
軸線に対し傾斜した流体通路を形成するようにしている
ので、プレート積層体の軸線に対する流体通路の傾斜角
を適宜設定することにより、流体通路の長さおよび冷却
面積を十分に確保するとともに、プレート積層体の軸線
方向の各位置で流体通路の断面積を一定にすることがで
き、冷媒流体の圧力損失を確実に抑えた高冷却性能の冷
却器を提供することができる。
【0026】また、請求項2に記載の発明によれば、前
記流体通路を、前記プレート積層体の軸線に対し一定の
傾斜角をなす螺旋状に形成しているので、流体通路内の
流れをよくして、熱交換効率を高めることができる。請
求項3に記載の発明によれば、前記複数のプレートの外
周形状および前記スリット形状が同一で、該プレートが
それぞれの外周に前記スリットに対し周方向位置の特定
された位置決め部を有するので、複数のプレートの位置
決め部をケーシング側のガイド部に契合させてプレート
の周方向位置決めを容易に行うことができ、プレート積
層体の組立作業を大幅に容易化することができる。
【0027】また、請求項4に記載の発明によれば、前
記プレートに複数の同一中心角の円弧状スリットを形成
しているので、流体通路の数を増やし冷却面積を拡大し
て熱交換効率を更に高めることができるとともに、半径
方向の各位置で均等な熱交換を行うことができ、熱交換
効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る蓄冷器の一実施形態を示す図で、
(a)はそのプレートの斜視図、(b)はそのプレート
積層体内の冷媒ガスの流れの説明図である。
【図2】一実施形態の蓄冷器を収納した逆スターリング
サイクル冷凍機の膨張ピストンの縦断面図である。
【図3】一実施形態の蓄冷器のプレートの平面図であ
る。
【図4】一実施例の蓄冷器を所定半径の円筒面に沿って
切断し平面に展開した螺旋状流体通路の説明図である。
【図5】一実施形態の螺旋状の流体通路の説明図で、
(a)はプレートの所定半径領域の積層状態を示し、
(b)はその下層から上層のスリット間の流れの変化を
模式的に示している。
【図6】従来の蓄冷器を備えた逆スターリングサイクル
冷凍機の構成図である。
【図7】図7に示した従来の逆スターリングサイクル冷
凍機のピストン軌跡を示すグラフである。
【図8】従来の改善された蓄冷器のプレート積層体の斜
視図である。
【符号の説明】
20 蓄冷器 21 ケーシング 22 プレート積層体 23 流体通路(冷媒ガスの通路) 31 プレート(蓄冷材) 32a,32b,32c,32d,32e,32f,3
2g スリット(孔) 33,34,35,36 位置決め部 33a 回転位置基準面 51 膨張シリンダ 52 膨張ピストン 53 膨張室 54 冷却ヘッド部 55 被冷却体

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多数の孔を有する蓄冷材プレートを積層し
    てなるプレート積層体を設け、該プレート積層体の内部
    を通過する流体との間で熱交換を行う蓄冷器において、 前記プレート積層体を構成する複数のプレートに、それ
    ぞれプレート積層体の軸線を中心とする所定半径の円弧
    状のスリットが形成され、 該複数のプレートのスリットが隣接する任意の二つのプ
    レートの間で部分的に重合するよう、前記プレート積層
    体の軸線回りで前記複数のプレートの相対位置が設定さ
    れ、 該複数のプレートによって、少なくとも一部で前記プレ
    ート積層体の軸線に対し傾斜し該軸線方向の両端側で開
    口する流体通路が形成されたことを特徴とする蓄冷器。
  2. 【請求項2】前記流体通路が前記プレート積層体の軸線
    に対し一定の傾斜角をなす螺旋状に形成されたことを特
    徴とする請求項1に記載の蓄冷器。
  3. 【請求項3】前記複数のプレートの外周形状および前記
    スリット形状が同一であり、 該プレートがそれぞれの外周に前記スリットに対し周方
    向位置の特定された位置決め部を有することを特徴とす
    る請求項1又は2に記載の蓄冷器。
  4. 【請求項4】前記プレートに複数の同一中心角の円弧状
    スリットが形成された特徴とする請求項1、2又は3に
    記載の蓄冷器。
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JP2011179774A (ja) * 2010-03-02 2011-09-15 Isuzu Motors Ltd 熱音響機関

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