JP2006502366A

JP2006502366A - 平行スロット熱交換器

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Publication number: JP2006502366A
Application number: JP2003564504A
Authority: JP
Inventors: ビール，ウイリアム・テイ
Original assignee: サンパワー・インコーポレーテツド
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: KR20040074131A; US20030141044A1; DE60232544D1; BR0215530A; JP3963892B2; EP1474644A4; EP1474644B1; WO2003064951A1; KR100687969B1; AU2002352779B2; US6684637B2; EP1474644A1

Abstract

流体と面とが、従来実現されたより小さい圧力降下で、熱エネルギーを有効に伝達する熱交換器。好ましい実施例では、ピストン（６）の１端の気体がピストン室（１６）に流入し、そのピストン側壁（８）を通って形成された複数の軸方向スロット（４０）を半径方向に通過し、該ピストン側壁（８）と、該ピストン（６）が摺動可能に中に設置されたハウジング（１０）の該面（１２）と、の間のギャップ（Ｇ）内へ進む。スルースロット（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｓｌｏｔｓ）（４０）の各対の間に、より長い軸方向スロット（３０）が形成されるが、該スロットは、半径方向には部分的にだけ該側壁（８）を通るよう、そして該ピストン（６）の殆ど全長分、延びている。かくして、該ピストン（６）の円周の周りで、該スロットはスルースロット（４０）とより長いスロット（３０）との間で、構造内で交番する。該スルースロット（４０）を通り該ギャップ（Ｇ）に入る気体は該ギャップ（Ｇ）を通り、該より長いスロット（３０）内へ、円周方向に流れる。該気体は該ピストン（６）の該第１気体空間とは反対の端部で該より長いスロット（３０）を出る。

Description

本発明は一般的に熱交換器（ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒ）に関し、特に固体表面と、液体及び気体を含む流体と、の間で熱エネルギー（ｈｅａｔｅｎｅｒｇｙ）を伝達（ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ）するための熱交換器装置（ｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｒａｐｐａｒａｔｕｓ）に関する。

液体の様な１つの流体から気体の様なもう１つの流体へ熱エネルギーを伝達する熱交換器は良く知られている。熱交換器は普通機械内の流体を予熱（ｐｒｅ−ｈｅａｔ）又は予冷（ｐｒｅ−ｃｏｏｌ）するために使用される。例えば、良く知られた熱交換器は自動車のラディエーター（ｒａｄｉａｔｏｒ）であり、そこでは燃料の燃焼により加熱された液体冷却剤（ｌｉｑｕｉｄｃｏｏｌａｎｔ）が熱伝導性材料製の薄い壁の通路内にポンプされる。空気が該通路の外面上を通過し、それにより空気分子と該通路外面との間の接触中の熱を除去する。かくして、該ラディエーター内の該液体と該ラディエーターの周りの空気との間で熱が交換される。

他の機構では、気体の様な流体と固体表面との間で非常に効率的に熱を伝達することが望ましい。該熱が次いでもう１つの流体に伝達されるかどうかは該機構の機能に無関係である。スターリングサイクルエンジン（Ｓｔｉｒｌｉｎｇｃｙｃｌｅｅｎｇｉｎｅ）内では、例えば、ディスプレーサーとピストンとは熱エネルギーから運動エネルギーを作るよう往復運動（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｅ）する。該過程は暖かい端部と冷たい端部との間での該エンジンハウジング内のディスプレーサーによる気体の変位を含む。従来のスターリングサイクルエンジンは軸方向に配向された通路を有し、該通路は該気体を、該ディスプレーサーがそれを変位させる時、該デイスプレーサーを通るよう、又はその周りへ導く。しかしながら、これらの軸方向通路は熱を出来るだけ効率的に伝達してはいない。従って、流体と固体表面との間で熱エネルギーを伝達するためにより有効な熱伝達構造体のニーヅが生じている。

本発明は流体と第１壁面（ｆｉｒｓｔｗａｌｌｓｕｒｆａｃｅ）との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器装置である。該装置は該第１壁面から隔てられ、かつ該第１壁面に面する壁面を有する第２壁（ｓｅｃｏｎｄｗａｌｌ）を備えており、該第１壁面と該第２壁面（ｓｅｃｏｎｄｗａｌｌｓｕｒｆａｃｅ）の間にギャップ（ｇａｐ）を形成している。該第２壁内には第１の長いスロット（ｆｉｒｓｔｅｌｏｎｇａｔｅｄｓｌｏｔ）が形成される。第１スロットは該ギャップ内に延びる開口部（ｏｐｅｎｉｎｇ）を有し、該第１スロットは流体源と直接流体的に連通している。該第１の長いスロットから横に隔てられた（ｓｐａｃｅｄｌａｔｅｒａｌｌｙ）第２の長いスロットが該第２壁内に形成されている。該第２スロットは該第２壁面を通して該ギャップ内に延びる開口部を有する。第２スロットは流体受け手（ｆｌｕｉｄｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎ）と直接流体的に連通している。

好ましい実施例では、該装置は該第１壁の環状面から隔てられ、かつそれに面する環状の壁面を有する第２壁を備えており、それら間に環状のギャップ（ａｎｎｕｌａｒｇａｐ）を形成している。該第２壁内に第１の長いスロットが形成され、該スロットは該ギャップ内へ開いている。該第１スロットは配向の軸方向成分（ａｘｉａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｏｒｉｅｎｔａｉｏｎ）を有し、第１流体リザーバーと直接流体的に連通している。該第１の長いスロットから円周方向に隔てられた（ｓｐａｃｅｄｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙ）第２の長いスロットが該第２壁内に形成され、該ギャップ内へ開いている。該第２の長いスロットは配向の軸方向成分を有し、第２流体リザーバーに直接流体的に連通している。

もう１つの好ましい実施例では、該装置は該第１壁面から隔てられ、かつそれに面する壁面を有する第２壁を備えており、それら間に環状のギャップを形成している。該第２壁内に第１の長いスロットが形成される。該第１スロットは該ギャップ内へ開いている。第１の長いスロットから横に隔てられた第２の長いスロットが該第２壁内に形成される。該第２スロットは該ギャップ内へ開いている。

第１流体通路は少なくとも部分的に該第２壁に沿いそして該第１スロットと直接流体的に連通するよう延びている。第２流体通路は該第１円周方向通路から隔てられた該第２壁に少なくとも部分的に沿いそして該第２スロットに直接流体的に連通するよう延びている。

有利なことに、流体は熱エネルギーが伝達される壁面上を、短く、幅広い流路（ｆｌｏｗｐａｔｈ）に沿って流れる。該流体をその様に流れさせることは熱エネルギーの伝達を高めるが、何故ならばそれが、流路全体に亘り比較的一定である該流体と該壁面の間の大きな温度差を保持するからである。

本発明は重要な利点を提供する構造体の配置である。流体膜熱伝達率（ｆｌｕｉｄｆｉｌｍｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅ）は該流体が流れるギャップに反比例する（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｒｅｃｉｐｒｏｃａｌｏｆｔｈｅｇａｐ）ことは良く知られている。従って、単位面積当たりの熱伝達を増加させるために該ギャップを最大許容圧力降下（ｍａｘｉｍｕｍｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐ）が許すだけ小さくすることが好ましい。該圧力降下は該流体の流速に比例するが、該流速は本発明では減じられ、何故ならば本発明は該流体が流れる複数の平行通路の配置を提供するからである。単位流体流れ当たりの全体的圧力降下（ｏｖｅｒａｌｌｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒｏｐｐｅｒｕｎｉｔｏｆｆｌｕｉｄｆｌｏｗ）は同じ半径方向ギャップの単純軸方向流れ円環（ｓｉｍｐｌｅａｘｉａｌｆｌｏｗａｎｎｕｌｕｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｒａｄｉａｌｇａｐ）用よりも遙かに低い。同じ熱伝達についての圧力降下の比はキューブ化された分配路（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｐａｔｈｓｃｕｂｅｄ）の数に概略逆比例する。従って、例えば、本発明を具体化するデバイスでの並列路の数がもし４であるなら、その圧力降下は同じ全面積と熱伝達の単純軸方向流れ円環で存在するであろう圧力降下の約１／１６である。

この圧力降下の減少は与えられた全流体流れ及び圧力降下用でのより小さいギャップとより高い熱伝達率に帰着する。結果として、本発明は高い圧力降下から普通生じる損失無しに小さいギャップでの高い熱伝達率に帰着する。加えて、流体がデバイスの壁、例えば、スターリングサイクルクライオクーラー（Ｓｔｉｒｌｉｎｇｃｙｃｌｅｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ）の圧力壁、に直ぐ隣接するので、フインと壁の間の様な、もう１つのインターフエースの必要がなく、金属学的問題を引き起こすそのインターフエースでの蝋付けの対応した欠点がない。

図で図解される本発明の好ましい実施例の説明で、明確化のために特定の用語が利用される。しかしながら、本発明は選択された特定の用語に限定されるよう意図されておらず、各特定の用語は同様な目的を達成するために同様な仕方で作動する全ての技術的均等物を含むと理解されるべきである。例えば、言葉、接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）又はそれと同様な用語が屡々使用される。それらは直接の接続（ｄｉｒｅｃｔｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）に限定されず、この様な接続が当業者により均等物であると認識される他の要素を通した接続（ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｏｔｈｅｒｅｌｅｍｅｎｔｓ）を含む。

好ましい実施例が図１で示されるが、そこでは、フリーピストンスターリングサイクルエンジン（ｆｒｅｅｐｉｓｔｏｎＳｔｉｒｌｉｎｇｃｙｃｌｅｅｎｇｉｎｅ）のディスプレーサー（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）６の様な、可動ピストン（ｍｏｖｅａｂｌｅｐｉｓｔｏｎ）が、環状の、半径方向で内方に面する面（ａｎｎｕｌａｒｒａｄｉａｌｌｙｉｎｗａｒｄｌｙｆａｃｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ）１２を有するハウジング壁（ｈｏｕｓｉｎｇｗａｌｌ）１０内に摺動可能に設置されている（ｓｌｉｄａｂｌｙｍｏｕｎｔｅｄ）。勿論、本発明をフリーピストンスターリングサイクルエンジンに限定する必要はなく、何故ならばそれはスターリングサイクルクーラーに、そして流体と壁面が熱エネルギーを効率的に交換せねばならないどんな機構にも使用出来るからである。当業者は説明から本発明の応用の広さを理解するであろう。該ディスプレーサー６は、半径方向に外方に面する面（ｒａｄｉａｌｌｙｏｕｔｗａｒｄｌｙｆａｃｉｎｇｓｕｒｆａｃｅ）１４を有する円柱側壁（ｃｉｒｃｕｌａｒｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｉｄｅｗａｌｌ）８を備える。該側壁（ｓｉｄｅｗａｌｌ）８は図２で示す、内部ピストン室１６の半径方向境界（ｒａｄｉａｌｅｘｔｒｅｍｅｓ）を規定する。１対のデイスク形の端部壁（Ａｐａｉｒｏｆｄｉｓｋ−ｓｈａｐｅｄｅｎｄｗａｌｌ）１８及び２０は該側壁８の相対する端部に設置され、該室１６の軸方向端部を規定する。該好ましい実施例では、該ハウジング壁面１２はスムーズで切れ目無く（ｓｍｏｏｔｈａｎｄｃｏｎｔｉｇｕｏｕｓ）、何故ならばそれは、該面と流体と間で熱を伝達する（ｔｒａｎｓｆｅｒｈｅａｔ）ために上を流体が通る、機械加工された金属面であるのが好ましいからである。しかしながら、該用語”面（ｓｕｒｆａｃｅ）”は、スクリーン及メッシ面を含む、ブレークされた面及び粗い面（ｂｒｏｋｅｎａｎｄｒｏｕｇｈｓｕｒｆａｃｅｓ）を包含する。

端部壁１８及び２０の半径方向に外方に面する環状面２２及び２４はそれぞれ半径方向に内方に面する環状面１２に対しているか、又は少なくとも余りに近接して位置付けられるので、環状面１２と環状面２２及び２４との間の気体の通過は効果的に除去されるか又はほんのわずかな量（ｎｏｍｉｎａｌａｍｏｕｎｔ）にまで減じられる。環状のギャップ、Ｇが内方へ面する環状面１２と外方へ面する面１４の間に形成され、それを通して気体が流れ得る。

複数の第１の種類のスロット３０が該ディスプレーサーの側壁８内に形成される。該スロット３０は側壁８内に軸方向に配向され、該側壁８の１端近くから反対端を越えてまで、そして該端部壁２０を通って延びる。該スロット３０は該側壁８の厚さより小さい深さを有し、かくして室１６から該スロット３０内へ流体が直接流れることを妨げる。該スロット３０は、該端部壁２０の該室１６と反対側の該ディスプレーサーの端部に配置された、気体リザーバー、Ｃと直接流体的に連通している。かくして、該リザーバーＣ内の気体は直接該スロット３０内へ、そしてその反対にも、流れることが出来る。

用語”スロット（ｓｌｏｔ）”は長い溝、チャンネル又は構造体内の他の通路のみならず、それらの近接性及び整合性のために、説明される該スロットとして機能する、近く隔てられたキャビテイ（ｃａｖｉｔｉｅｓ）又はアパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）の長いシリーズも含む。例え、アパーチャ、キャビテイ又は複数のこれらがここに説明された好ましいスロットと丁度同様に形成されなくても、もしそれが全体の寸法、形そして構成で同様ならそれは実質的に同じに動作出来ることは知られている。例えば、側壁を通る近く隔てられた方形又は円形の開口部の線形のシリーズ（ｌｉｎｅａｒｓｅｒｉｅｓｏｆｃｌｏｓｅｌｙｓｐａｃｅｄｓｑｕａｒｅｏｒｃｉｒｃｕｌａｒｏｐｅｎｉｎｇｓ）は上記で論じられたスロット３０と同様に機能するであろう。或る場合には、該２つの構造体の差は重要でなく、この様な異なる構造体が使用されることを可能にする。従って、該用語”スロット”はこの様な同様な構造体を含む。

ボイド（Ｖｏｉｄｓ）が、例えば、流体室と”直接流体的に連通している”とここでは記述される。これは、与えられた例では流体が、該ボイドを去って、他の中間的ボイドを通過することなく、該流体室に入れることを意味する。１つのボイドが第２ボイドと”直接流体的に連通していない”と言うのは、該流体が第２ボイドにたどり着けためになお第３ボイドを通過せねばならない時である。

複数の第２種類のスロット４０が該ディスプレーサーの側壁８内に形成される。該スロット４０は該側壁８内で軸方向に形成され、該側壁８の１端近くから反対端近くまで延びる。該スロット４０は該側壁の厚さと等しい深さを有する。かくして、該スロット４０は側壁８を完全に突き抜けて延び、それにより流体が該ピストン内の室１６から該スロット４０内へ直接流れることを可能にする。しかしながら、該スロット４０の端部は端部壁１８又は２０の何れかを突き抜けては延びず、従って気体は該スロット４０から該リザーバーＣ内へ直接には流れることが出来ない。

用語”リザーバー”はここでは流体源（ｓｏｕｒｃｅｏｆｆｌｕｉｄ）又は流体受け手（ｄｅｓｔｉｎａｔｉｏｎｆｏｒｆｌｕｉｄ）を称するため使われる。該用語”流体源”及び”流体リザーバー”は広い用語であり、それはリーザーのみならず、通路（ｐａｓｓａｇｅｓ）、室、そして気体及び液体が中に含まれ得る、又は気体及び液体が通って流れ得る、どんな他のボイドも含んでいる。流体源はそこから流体が流れるボイドと規定され、流体受け手はそこへ流体が流れるボイドとして規定される。”源”も”受け手”もボイドが流体用の究極の源又は受け手であることを指示してはおらず、何故ならば流体の源と受け手は流体がもう１つのボイドへ着くために通過する通路も含むからである。

気体がリザーバー、Ｗから室１６に入りそして出るのは、該端部壁１８内に形成されたアパーチャ４８を通してである。気体は、スターリングサイクルの部分中に起こる、該リザーバーＷ内の該気体の圧力の増加又は該リザーバーＣ内の該気体の圧力の減少、又は少なくとも低圧力の保持、により、例えば、室１６内へ押し込められる。これが起こると、該２つのリザーバーＣ及びＷの間に圧力差（ｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）が存在し、それにより気体を図４及び５に示す様に、スロット４０を通して、室１６内へ、そしてギャップＧ内へ流れさせる。スロット４０からギャップＧ内へ流れる気体は次の隣接スロット３０へ円周方向に流れる。該スロット３０内の気体は次いでスロット３０を通りリザーバーＣ内へ軸方向に流れる。該スターリングサイクルのもう１つの部分中に、該圧力差は逆になり、該気体は反対方向へ流れる。

気体がそれら全部の間を流れ得る時、スロット３０，ギャップＧ、スロット４０，ピストン室１６そしてリザーバーＣは全て相互に流体的に連通している。図５に図解される様に、気体がスロット３０とスロット４０の間を該ギャップ内で円周方向に流れる時、それは半径方向に内方へ面する面１２上を通り、それにより、温度差が存在すると仮定すると、該気体と面１２間で熱を伝達する。従って、本発明は優れた熱伝達を有するのみならず、該流れ分布がガスベアリング（ｇａｓｂｅａｒｉｎｇ）として作用するので、該ディスプレーサーは中心に位置付けられ、摩耗を減じる。

有利なことに、本発明での気体の円周方向流路は意味が深い。本発明の気体流路は該気体と壁面１２間の優れた熱伝達に帰着する。これは、部分的には、従来技術に優る流体流れ用の増加した通路寸法により可能となった減少したギャップ寸法に依る。結果として、各々でのより多くの圧力低下を伴う少ない数の長く、狭い流路を有するよりも、ギャップ全体が流体流れ用に使われる。更に、上を該流体が通過するこの様な大きい表面積が存在するので、フイン（ｆｉｎ）の様な中間構造体が必要ない。フインの形成は通常金属を接合する蝋付け（ｂｒａｚｉｎｇ）を含み、蝋付けは蝋付けされる金属に有害な影響を及ぼす。

気体が該流路を通って流れると、それは該壁と熱エネルギーを交換し、その温度は該壁の温度により近くなる。例えば、長く狭い流路は初期には該壁面と該気体の間のより高い温度差のために実質的な熱伝達を有するが、何故ならば熱伝達率（ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅ）は温度差の関数であるからである。しかしながら、該気体が該流路に沿って遠くまで流れると、該温度差は熱伝達のために減少し、それにより流路内では後半には熱伝達の効率は低下する。かくして、より長い気体流路については、該気体／壁の温度差は該流路の先導端部（ｌｅａｄｉｎｇｅｎｄ）では後続端部（ｔｒａｉｌｉｎｇｅｎｄ）に於けるより小さい。この様な長い流路は、温度差が全体として大きい流路に比してより少ない熱伝達を有する。

従って、流路が短い程、該流路の始めと終わりの間では気体／壁の温度差は少ししか変化しない。本発明の短い気体流路のために、気体と壁面１２の間の温度差は該流路長に沿って比較的一定である。そして該気体流路が幅広いので、可成りの量の気体が薄いギャップを通過し、従来技術の構造体に於けるより可成り低い圧力低下を以て該気体と壁面１２の間で効率的に熱を伝達する。

上記で実施例に付随して説明されたスロットは好ましくは軸方向に配向され、相互に平行であるのがよい。勿論、完全には軸方向に配向されないが、軸方向成分を有する複数のスロットを形成することは可能である。該軸方向成分が小さい程、円周方向流れの利点は小さい。更に、通路幅に亘る路長の何等かの差はさもなければ存在するであろう効率の向上を減じるが、該スロットは精確には相互に平行である必要はない。

該スロットの形も重要である。好ましいスロットの相対する側壁は、平面状で、相互に平行で、そして図１と５で示す様にそれらが該ギャップ内に開く面に直角である。しかしながら、これは該スロット側壁の唯一のあり得る形及び相対配向ではない。例えば、該スロット側壁は、図１２に示す様に、好ましい流体流れ方向を誘起するために該ギャップの面に対し非直角（ｎｏｎ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）、すなわち、傾斜し得る。代わりに、該側壁は、図１３に示す様に、それを通る流体の流れに影響するように、カーブした様な、平面状より他の形であることも出来る。なお更に、該スロットは、図１５に示す”砂時計（ｈｏｕｒｇｌａｓｓ）”の形又はオーバル形の様な、その長さに沿って変化する形を持つことが出来る。連続した深さが好ましいけれども、該壁を完全に突き抜けては延びないスロットの深さも又図１４に示す様に該スロットの長さに沿って変化することも出来る。

例示的スターリングエンジンの実施例では、全ての応用品で同じである代わりにその応用品の環境に基づく、相対するスロット側壁間のスペーシングは、１ミリメートルの桁である。スロット間で気体が流れるギャップの厚さは同様にその応用品の環境により決定され、例示的実施例では、６０マイクロメートルの桁である。寸法の変形はここでの説明から当業者には明らかであろう。

図１から５に示した実施例で示された構造の幾つかの位置を変えることにより代わりの実施例が作られ得る。例えば、スターリングサイクルエンジンの作用気体の様な流体が再生器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を通過する必要がないなら、アパーチャ４８は除去され得る。スロット４０はかくしてスロット３０と同様な深さを有するよう変えられ、端部壁１８を通るよう軸方向に延びる。これは気体空間Ｗからの気体が、スロット４０を通ってギャップ内に軸方向に流れること可能にし、該気体は該ギャップを通り、スロット３０へ円周方向に流れ、次いで反対の端部壁２０を過ぎて気体空間Ｃ内へ軸方向に流れる。

本発明のもう１つの代わりの実施例が図６に示され、そこでは壁１００は半径方向に外方に面する環状面１０２を有する。半径方向に内方に面する環状面１１０を有するジャケット（ｊａｃｋｅｔ）１０８が該外方に面する面１０２に設置され、それら間で環状のギャップ１１２を形成する。該ジャケット１０８は、例えば、フリーピストンスターリングサイクル機械（ｆｒｅｅｐｉｓｔｏｎＳｔｉｒｌｉｎｇｃｙｃｌｅｍａｃｈｉｎｅ）の冷たい端部（ｃｏｏｌｅｎｄ）又は熱い端部（ｗａｒｍｅｎｄ）で使用され得る。かくして該実施例は壁１００と下記で説明される様に流れる流体の間で熱を伝達する。

複数の平行な軸方向スロット１２０が該ジャケット１０８の内方へ面する面１１０内に形成される。該スロット１２０は実質的にギャップ１１２の長さだけ延び、面１１０の周りに円周方向に隔てられる。第１の環状溝１３０は該ギャップ１１２の１端に近いジャケット１０８内に形成され、流体の流れに対し評価する程制限的でない流体流路を提供する。該環状溝１３０は、該環状溝１３０が該スロット１２０の各々とそれらの軸方向端部の近くで交叉する、該環状溝１３０の底部内に形成されたアパーチャ１３２によりスロット１２０の１つおきと流体的に連通する。

第２の環状溝１４０は該ギャップ１１２の該環状溝１３０から反対の端部に近いジャケット１０８内に形成され、流体の流れに対し評価する程制限的でない流体流路を提供する。該環状溝１４０は、該環状溝１４０が該スロット１２０の反対端部と交叉する該環状溝１４０の底部内に形成されたアパーチャ１４２により、その中にアパーチャ１３２を有しないスロット１２０と流体的に連通する。

図６から８に示す実施例の動作中、マニフオールド１３４内の流体と１４４との間に圧力差がある。かくして気体酸素の様な流体がマニフオールド１３４から該環状溝１３０内へ流れ、そして該環状溝１３０からアパーチャ１３２を通り１つおきのスロット１２０内へ流れる。この第１セットのスロット１２０の気体は、それらの反対端にアパーチャ１４２を有する次の隣接スロット１２０に向かって、該ギャップ１１２内へ流れる。第２セットのスロット１２０内の気体は該スロットに沿って軸方向に該アパーチャ１４２の方へ、アパーチャ１４２を通って環状溝１４０内へ、そして該環状溝１４０から該マニフオールド１４４内へ、流れる。１つの考えられる実施例では、気体はそれからの熱の除去により凝縮し、それにより該マニフオールド１３４に入る気体と、マニフオールド１４４を出る液体と、に帰着する。

上記で説明した好ましい実施例に於ける様に、図６から８の実施例のスロット１２０間を流れる気体は短く幅広い流路を横断し、熱エネルギーは該流体と該壁１００の間で、従来可能なより少ない圧力低下で、非常に効率的に伝達される。もし望むなら、気体流れの方向は説明されたものと逆にすることが出来る。

図６から８に付随して説明された実施例は変更され得て、なお本発明の概念を具体化することが出来る。例えば、もしジャケット１０８が壁１００の内側上にあることが望ましいなら、本説明を読んだ当業者は、普通の機械的原理を使って、壁の内側に対している新しいジャケットを作ることが出来て、それにより示されたそれと同様な機能を行うことが出来る。代わりに、図６の実施例の環状溝１３０と１４０は、１つおきのスロット１２０が軸方向に該端部壁を過ぎてマニフオールド又は該ジャケットに設置された他の流路内へ延びる、構造により置き換えられ得る。この様な実施例では、１つおきのスロット１２０は軸方向に、反対方向に第２マニフオールド又は他の流路まで延びる。かくして流体は、最初、１つおきのスロットに接続された第１マニフオールドに流入する。気体はそれらのスロット内へ流れ、円周方向ギャップを通り他のスロットへ、そして次いで反対の軸方向端部で第２マニフオールド内へ軸方向に流れる。

上記で開示された原理は、円柱形デバイスであれ、或いは平面状デバイスであれ、気体と固体面とが熱エネルギーを交換する事実上どんな構造にも応用可能である。図９で図解される実施例はその上面２０２内に形成された複数のスロットを有する平面状ブロック２００を備える。スロット２０４，２０６，２０８そして２１０は代表的で、表面２０２内の他の同様なスロットがそれらと本質的に同一に機能することの理解を伴って論じられる。

該スロット２０６と２０８は気体の流れに小さな抵抗しか生じない前部の長い通路２１２から該表面２０２内へ延び、該ブロック２００の反対エッジの近くで終わる。該スロット２０４と２１０は気体の流れに小さな抵抗しか生じない後部の長い通路２１４から該表面２０２内へ延び、通路２１２の近くの該ブロック２００の反対エッジの近くで終わる。平面状表面２２２を有するプレート２２０（図１０参照）が表面２０２に近く近接して隔てられ、ブロック２００の頂部を横切って配置され、表面２０２と平面状表面２２２の間にギャップを形成する。他のプレート２２６と２２８（図１１参照）が該ブロック２００の前部及び後部を横切って設置され、該通路２１２と２１４を囲む。相対する長手方向端部で、通路２１２と２１４へ、そしてそれらから、気体の様な流体を運ぶ流体配管を受けるために通路２１２と２１４が開いている。

例えば、気体が通路２１４より通路２１２でより高い圧力の時、気体はスロット２０６，２０８そして通路２１２に同様に接続されたスロットに流入する。その気体はスロット２０６と２０８から表面２０２及び２２２の間のギャップに流入し、そのギャップから該平行なスロット２０４と２１０そして通路２１４に同様に接続されたスロット内へ流れる。該気体は次いで該スロット２０４及び２１０から通路２１４内へ、そして該熱交換器装置外へ流れる。該気体と該表面２２２は、該気体が該表面２０２と２２２の間のギャップ内の短く、幅広い気体流路を通って流れる時熱エネルギーを交換する。

本発明の或る好ましい実施例が詳細に開示されたが、種々の変型が取り入れられ得てもそれらは本発明の精神すなわち付属する請求項の範囲に入ることは理解されるべきである。

本発明の好ましい実施例を図解する斜視図での側面図である。図１の線２−２を通る断面での端面図である。図１の線３−３を通る断面での端面図である。該好ましい実施例を図解する断面での拡大図である。該好ましい実施例を図解する断面での拡大端面図である。本発明の代わりの実施例を図解する断面での側面図である。図６の線７−７に沿う断面での端面図である。図６の線８−８に沿う断面での端面図である。本発明の代わりの実施例の部品を図解する斜視図である。図９の線１０−１０に沿う断面での側面図である。図９の線１１−１１に沿う断面での側面図である。代わりのスロットの形を図解する断面での端面図である。代わりのスロットの形を図解する断面での端面図である。代わりのスロットの形を図解する断面での側面図である。代わりのスロットの形を図解する断面での側面図である。流体が如何にスロット間を流れるかを略図で図解する斜視図での部分的端面図である。

Claims

流体と第１壁面間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器装置に於いて、
（ａ）該第１壁面から隔てられ、かつ、該第１壁面に面する壁面を備える第２壁面であり、該第１壁面と該第２壁面間でギャップを形成する該第２壁面と、
（ｂ）該第２壁面内に形成された第１の長いスロットと具備しており、該第１スロットは該ギャップ内へ開き、流体源と直接流体的に連通しており、
（ｃ）更に、該第２壁面内に形成され、該第１の長いスロットから横に隔てられた第２の長いスロットを具備しており、該第２スロットは該ギャップ内へ開き、流体受け手と直接流体的に連通していることを特徴とする該装置。
該第１及び第２スロットが配向の軸方向成分を備え、該流体源が第１流体リザーバーであり、そして該流体受け手が第２流体リザーバーであることを特徴とする請求項１の該装置。
該第１及び第２壁面が環状であり、該ギャップがそれら間に形成された環状ギャップであることを特徴とする請求項２の該装置。
該第１及び第２スロットが実質的に軸方向に配向され、相互に実質的に平行であることを特徴とする請求項３の該装置。
更に該第２壁面内に形成され該ギャップ内に開く第３及び第４の軸方向に配向されたスロットを具備しており、該第３スロットは該第２スロットと、隣接し実質的に平行に形成され、かつ、それから円周方向に隔てられており、そして該第４スロットは該第１及び第３スロットの間で、かつそれらと実質的に平行に形成され、かつ、それらから円周方向に隔てられており、該第３スロットは該第１流体リザーバーと直接流体的に連通し、該第４スロットは該第２流体リザーバーと直接流体的に連通していることを特徴とする請求項４の該装置。
該第２流体リザーバーはピストンの軸方向の１端上の流体空間であり、該流体空間は該第２及び第４スロットの軸方向端部の開口部を通して該第２及び第４スロットと連通することを特徴とする請求項５の該装置。
該第１流体リザーバーは該ピストン内の室であり、該室は該第１及び第３スロットから該ギャップ内へと反対側上の該第１及び第３スロット内への開口部を通して該第１及び第３スロットと連通することを特徴とする請求項５の該装置。
該第２流体リザーバーが該ピストンの軸方向の１端上の流体空間であり、該流体空間は該第２及び第４スロットの軸方向端部の開口部を通して該第２及び第４スロットと連通することを特徴とする請求項７の該装置。
該流体が気体であることを特徴とする請求項８の該装置。
該第１及び第２壁が相互に対し摺動的に移動可能であることを特徴とする請求項９の該装置。
該流体源は該第２壁に沿って延びており、該第１スロットと直接流体的に連通している第１流体通路であり、該流体受け手は該第１の円周方向の通路から隔てられた該第２壁に沿って延びており、該第２スロットと直接流体的に連通している第２流体通路であることを特徴とする請求項１の該装置。
該第１及び第２壁面が環状であり、該ギャップがそれら間に形成された環状ギャップであることを特徴とする請求項１１の該装置。
該第２流体通路が該第２壁の該第２スロットから反対側の第２壁の周りに延びる第２の円周方向の、環状の溝を含み、該第２溝は該第２壁を通して該第２スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを有することを特徴とする請求項１２の該装置。
該第１流体通路が該第２壁の該第１スロットから反対側の第２壁の周りに延びる第１の円周方向の、環状の溝を含み、該第１溝は該第２壁を通して該第１スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを有することを特徴とする請求項１２の該装置。
該第２流体通路が該第２壁の該第２スロットから反対側の第２壁の周りに延び、かつ、該第１スロットの長さに実質的に等しい間隔だけ該第１溝から隔てられた、第２の円周方向の、環状の溝を含み、該第２溝は該第２壁を通して該第２スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを有することを特徴とする請求項１４の該装置。
該第１及び第２スロットは実質的に軸方向に配向され、相互に実質的に平行であることを特徴とする請求項１５の該装置。
更に、該第２壁面内に形成され、該ギャップ内に開く第３及び第４の軸方向に配向されたスロットを具備しており、該第３スロットは該第２スロットと隣接しそして実質的に平行で、かつ、それから円周方向に隔てられて形成されており、そして該第４スロットは該第１及び第３スロットの間にそしてそれと実質的に平行に、かつ、それらから円周方向に隔てられて形成されており、少なくとも１つの流体アパーチャが該第３スロットから該第２壁を通り該第１溝内に延びており、そして少なくとも１つの流体アパーチャが該第４スロットから該第２壁を通り第２溝内へ延びることを特徴とする請求項１６の該装置。
更に、該第２壁に設置され、該第１溝と流体的に連通する第１流体マニフオールドと、該第２壁に設置され、該第２溝と流体的に連通する第２流体マニフオールドと、を具備することを特徴とする請求項１７の該装置。
該流体が気体であることを特徴とする請求項１８の該装置。
流体と第１壁面間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器装置に於いて、
（ａ）該第１壁面から隔てられ該第１壁面に面する壁面を備える第２壁面であり、該第１壁面と該第２壁面間でギャップを形成するための該第２壁面と、
（ｂ）該第２壁面内に形成され、該ギャップ内へ開く第１の長いスロットと具備しており、該第１スロットは配向の軸方向成分を備え、第１流体リザーバーと直接流体的に連通しており、
（ｃ）更に、該第２壁面内に形成され、該第１の長いスロットから円周方向に隔てられ、かつ、該ギャップ内へ開く第２の長いスロットを具備しており、該第２の長いスロットは配向の軸方向成分を備え、第２流体リザーバーと直接流体的に連通していることを特徴とする該装置。
該第１及び第２壁面が環状であり、該ギャップがそれら間に形成された環状ギャップであることを特徴とする請求項２０の該装置。
該第１及び第２スロットが実質的に軸方向に配向され、相互に実質的に平行であることを特徴とする請求項２１の該装置。
更に、該第２壁面内に形成され、該ギャップ内に開く第３及び第４の軸方向に配向されたスロットを具備しており、該第３スロットは該第２スロットと、隣接し実質的に平行に形成され、かつ、それから円周方向に隔てられており、そして該第４スロットは該第１及び第３スロットの間に、それらと実質的に平行に、かつそれらから円周方向に隔てられて形成されており、該第３スロットは該第１流体リザーバーと直接流体的に連通し、該第４スロットは該第２流体リザーバーと直接流体的に連通していることを特徴とする請求項２２の該装置。
該第２流体リザーバーがピストンの軸方向の１端上の流体空間であり、該流体空間は該第２及び第４スロットの軸方向端部の開口部を通して該第２及び第４スロットと連通することを特徴とする請求項２３の該装置。
該第１流体リザーバーは該ピストン内の室であり、該室は該第１及び第３スロットから該ギャップ内へと反対側上の該第１及び第３スロット内への開口部を通して該第１及び第３スロットと連通することを特徴とする請求項２３の該装置。
該第２流体リザーバーが該ピストンの軸方向の１端上の流体空間であり、該流体空間は該第２及び第４スロットの軸方向端部の開口部を通して該第２及び第４スロットと連通することを特徴とする請求項２５の該装置。
該流体が気体であることを特徴とする請求項２６の該装置。
該第１及び第２壁が相互に対し摺動的に移動可能であることを特徴とする請求項２７の該装置。
流体と第１壁面間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器装置に於いて、
（ａ）該第１壁面から隔てられ該第１壁面に面する壁面を備える第２壁面であり、該第１壁面と該第２壁面間でギャップを形成する該第２壁面と、
（ｂ）該第２壁面内に形成され、該ギャップ内に開く第１の長いスロットと、
（ｃ）該第２壁面内に形成され、該第１の長いスロットから横に隔てられた第２の長いスロットとを具備しており、該第２スロットは該ギャップ内へ開いており、
（ｄ）更に、該第２壁に沿って延び、該第１スロットと直接流体的に連通する第１流体通路と、
（ｅ）該第１円周方向通路から隔てられた該第２壁に沿って延び、かつ、該第２スロットと直接流体的に連通する第２流体通路とを具備することを特徴とする該装置。
該第１及び第２壁面が環状であり、該ギャップがそれら間に形成された環状ギャップであることを特徴とする請求項２９の該装置。
該第２流体通路が該第２壁の該第２スロットから反対側上で該第２壁の周りに延びる第２の、円周方向の、環状溝を備えており、該第２溝は該第２壁を通り該第２スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを有することを特徴とする請求項３０の該装置。
該第１流体通路が該第２壁の該第１スロットから反対側上で該第２壁の周りに延びる第１の、円周方向の、環状溝を備えており、該第１溝は該第２壁を通り該第１スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを有することを特徴とする請求項３０の該装置。
該第２流体通路が該第２壁の該第２スロットから反対側上で該第２壁の周りに延び、かつ、該第１スロットの長さに実質的に等しい間隔だけ該第１溝から隔てられた、第２の、円周方向の、環状溝を備えており、該第２溝は該第２壁を通り該第２スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを有することを特徴とする請求項３２の該装置。
該第１及び第２スロットが実質的に軸方向に配向され、相互に実質的に平行であることを特徴とする請求項３３の該装置。
更に、該第２壁面内に形成され、該ギャップ内に開く第３及び第４の軸方向に配向されたスロットを具備しており、該第３スロットは該第２スロットと隣接し、それと実質的に平行に形成されており、かつ、それから円周方向に隔てられており、そして該第４スロットは該第１及び第３スロットの間に、それらと実質的に平行に形成されており、かつ、それらから円周方向に隔てられており、少なくとも１つの流体アパーチャが該第３スロットから該第２壁を通り該第１溝内に延びており、そして少なくとも１つの流体アパーチャが該第４スロットから該第２壁を通り第２溝内へ延びることを特徴とする請求項３４の該装置。
更に、該第２壁に設置され、該第１溝と流体的に連通する第１流体マニフオールドと、該第２壁に設置され、該第２溝と流体的に連通する第２流体マニフオールドと、を具備することを特徴とする請求項３５の該装置。
該流体が気体であることを特徴とする請求項３６の該装置。
気体とハウジングとの間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器装置であり、該ハウジングはピストンが中に摺動可能に設置された円柱面を有しており、該ピストンは、中空で柱面状の側壁と、該側壁の相対する端部に設置された第１及び第２端部壁と、であるが該ピストンの側壁及び端部壁内にピストン室を規定する様な、該側壁と該端部壁とを有しており、前記第１及び第２端部壁は、該ピストンの相対する端部のそれぞれ第１及び第２気体空間と、そして該ハウジング面と該側壁との間に形成された環状ギャップと、を規定している該熱交換器装置に於いて、該装置が
（ａ）該第１端部壁を通して形成され、該第１気体空間と該ピストン室との間に気体流れ通路を形成する少なくとも１つの気体通路と、
（ｂ）該側壁の半径方向に外方に面する面内に形成される第１スロットと、を具備しており、前記第１スロットは軸方向成分と、ピストン側壁厚さに等しい深さとを備えており、かつ、該ピストン室と該環状ギャップとの間の気体流路を形成しており、該第１スロットは該ピストン側壁に沿って該第１端部壁の近くから該第２端部壁の近くまで延びており、該装置は又、
（ｃ）該側壁の半径方向に外方に面する面内に形成され、該第１スロットから隔てられ、かつ、それに実質的に平行な第２スロットと具備しており、該第２スロットは軸方向成分と、該ピストン側壁厚さより小さい深さとを備えており、該第２スロットは該ピストン側壁に沿って該第１端部壁の近くから該第２端部壁へそしてそれを通るよう延び、該環状ギャップと該第２気体空間との間の気体流路を形成しており、該装置は更に、
（ｄ）該側壁の半径方向に外方に面する面内に形成され、該第２スロットから隔てられ、それに実質的に平行な第３スロットを具備しており、前記第３スロットは軸方向成分と、該ピストン側壁厚さと等しい深さとを備え、該ピストン室と該環状ギャップとの間の気体流路を形成しており、該第３スロットは該ピストン側壁に沿って該第１端部壁の近くから該第２端部壁まで延びており、そして該装置はなお更に、
（ｅ）該側壁の半径方向に外方に面する面内に形成され、該第１及び第３スロットから隔てられ、かつ、それに実質的に平行な第４スロットを具備しており、該第４スロットは軸方向成分と、該ピストン側壁厚さより小さい深さとを備えており、該第４スロットは該ピストン側壁に沿って該第１端部壁の近くから該第２端部壁へそしてそれを通るよう延び、該環状ギャップと該第２気体空間との間の気体流路を形成することを特徴とする該装置。
更に、該ピストン室内に設置された熱再生器を具備することを特徴とする請求項３８の該装置。
該第１，第２，第３及び第４スロットが実質的に軸方向に配向されることを特徴とする請求項３８の該装置。
各スロットがその長さに沿って連続した深さを備え、実質的に平行で、平面状のスロット側壁を備えることを特徴とする請求項４０の該装置。
流体とハウジングとの間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器装置であり、該ハウジングは半径方向に外方に面する円柱面と該ハウジングに設置されたカラーとを有しており、該カラーは半径方向に内方に面する円柱面であり、該ハウジングの円柱面から半径方向に隔てられ、それら間で環状ギャップを規定する該カラーの円柱面を有している該熱交換器装置に於いて、該装置が、
（ａ）該カラーの該内方に面する面内に形成され、該ギャップ内へ開く第１の長いスロットと、
（ｂ）該カラーの該内方に面する面内に形成され、該第１の長いスロットから隔てられそしてそれに実質的に平行な第２の長いスロットと、を具備しており、該第２スロットは該ギャップ内に開いており、該装置は又、
（ｃ）該カラーの該内方に面する面内に形成され、該第２の長いスロットから隔てられ、それに実質的に平行な第３の長いスロットを具備しており、該第３スロットは該ギャップ内に開いており、該装置は更に、
（ｄ）該カラーの該内方に面する面内に形成され、該第３の長いスロットから隔てられ、それに実質的に平行な第４の長いスロットを具備しており、該第４スロットは該ギャップ内に開いており、該装置はなお更に、
（ｅ）該スロットの反対の該カラーの面内で該カラーの周りに形成された第１の、円周方向の、環状溝を具備しており、該第１溝は該カラーを通り該第１及び第３スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを備えており、そして該装置は又なお更に、
（ｆ）該スロットの反対の該カラーの該面内で該カラーの周りに形成され、該第１の円周方向の、環状溝から、該スロットの長さに実質的に等しい間隔だけ隔てられた、第２の、円周方向の、環状溝を具備しており、該第２溝は該カラーを通り該第２及び第４スロット内へ延びる少なくとも１つの流体アパーチャを備えることを特徴とする該装置。
該スロットが実質的に軸方向に配向されることを特徴とする請求項４２の該装置。
更に、該カラーに設置され、該第１溝と流体的に連通する第１流体マニフオールドと、該カラーに設置され該第２溝と流体的に連通する第２流体マニフオールドとを具備しており、該第１流体マニフオールドは流体源と流体的に連通し、そして該第２流体マニフオールドは流体受け手と流体的に連通することを特徴とする請求項４２の該装置。