JP2010019432A - 通気性蓄熱板 - Google Patents
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Abstract
スターリングエンジンの再生熱交換器は、熱回収能力、熱伝導損失、流動抵抗、空隙率等に関して、熱効率や出力に影響を及ぼす多くの問題を抱えている。スターリングサイクルを利用した冷凍機やヒートポンプ等も再生熱交換器を使用しており同様に効率の低下を招いている。再生熱交換器が持つこれらの問題を解決することができる蓄熱材の開発を課題とした。
【解決手段】
断面が菱形、六角形、円形その他の形をした素線11を作動ガスが流れることができる素線間間隙15を持たせて並べ、積層した場合にも層間間隙16ができる構造を持つように連接節12またはスペーサランド14によって接合して板状体となした通気性蓄熱板10を作製する。この通気性蓄熱板10を現在の再生熱交換器で使用されている金網に代わる蓄熱材として使用することで性能の優れた再生熱交換器を作ることができる。
【選択図】図1
Description
作動ガスの流れる方向が逆になり高温の作動ガスが再生熱交換器に入り低温の作動ガスとなって出て行くときの再生熱交換器内部の温度分布は図10でC〜B〜Aへと移動し、行程の最後となる曲線Aの低温端の最終温度は低温熱源の温度と等しくなるものである。
高温端の最終温度が高温熱源の温度より低くなる原因は、作動ガスの熱がハウジングを通して逃げる熱損失や蓄熱材同士の接触面を通して直接低温側に移動する熱損失のためであり、低温端の最終温度が低温熱源の温度より高くなる原因は、蓄熱材の流動抵抗による発熱や蓄熱材同士の接触面やハウジングの壁面を通して直接低温側に移動してくる熱によるものであると考えられる。
〔非特許文献1〕にも再生熱交換器の長さを長くすると逆に熱効率が低下するというデータが報告されている。この理由については〔非特許文献1〕ではコメントされていないが、再生熱交換器が長くなることによって流動抵抗による損失が増大し熱効率の低下を招いたものと考えられる。
温度差をなくすためには流動抵抗や熱損失等、温度差発生の原因自体を除去することが必要である。
本発明は再生熱交換器が持つこれらの問題を解決することができる蓄熱材を開発することをその課題とした。
精密鋳造法で製造したものは全体が一体化されるため厳密に言えば素線は存在せず、素線を接合して作ったものとは別のものになり、素線に相当するものは素線状部分と呼ぶべきである。しかし形状や材質が同じであれば機能は同じである。このため以後の説明では特に断らない限り、素線を接合して作製された通気性蓄熱板と、一体化して作製された通気性蓄熱板は同等のものとして扱い、一体化して作製された通気性蓄熱板の素線状部分のことも単に素線と呼ぶものとする。
(1)作動ガスは積層された素線によって形成される間隙からなる同一の経路を往復するため、熱交換が完全に行われ再生熱交換器としての能力が高くなる。
(2)金網に比べて乱流の発生が少なくなり流動抵抗が小さくなる。
(3)通気性蓄熱板を積層した場合、層間の接触がごく限られた狭い部分でしか起こらないため熱伝導損失を小さくすることができる。
(4)連接節あるいはスペーサランドの大きさを変えることによって空隙率を任意の値に設定することが可能になる。
ここで連接節とは素線と素線とを接続する小さな橋のようなもので、上に積層する通気性蓄熱板の素線の先端がこれに当たることで作動ガスが通過する間隙を作るためのもの、スペーサランドとは素線の表面に設けられた幅の狭い帯状の盛り上がりで、連接節と同様に素線同士の接続と作動ガスが通過する間隙を作るためのものである。
図1は連接節によって接合した簀の子状の通気性蓄熱板の一部を切り出し拡大して示した斜視図、図2は図1のA−A断面の接合部分を中心としてさらに拡大した拡大断面図である。
図1および図2より明らかなように、通気性蓄熱板10は基本的には断面が菱形をした素線11を一定の素線間間隙15を置いて並べ、連接節12によって夫々の素線11を接合して板状体となしたものである。
素線11は、その断面の対角線に長短がある場合には、通常、対角線の長い方が作動ガスの巨視的な流れの方向を向くようにする。連接節12は一定のスパンでもって設けられている。この連接節12は素線11を接合するとともに積層した場合に層間に間隙を持たせる役割を果たすものである。
作動ガスは図の上から下にあるいは下から上に流れることになる。図3の層間間隙16は素線11と連接節12に囲まれて閉塞しており作動ガスが流れることができないように見えるが、層間間隙16は素線11の長さ方向(紙面の前後方向)に伸びておりその部分は連接節12がなく素線間間隙になっているため、作動ガスはそこを通って素線に熱を与え、或いは素線から熱を受け取りながら行き来できるようになっている。
図5の場合には図3と異なり空隙がなく作動ガスは通過できないように見えるが、スペーサランド14は局部的なものであり、図面上には出ていないがスペーサランド14の前後は層間間隙になっており作動ガスはそこを通過することになる。
最初の1枚と最後の1枚の通気性蓄熱板を除いて作動ガスは往きも帰りも間隙によって形成された同じ経路を辿るため、往路で貯えた熱は復路で取り出すことができ本蓄熱材を使用した再生熱交換器はその性能が向上する。
金網を使用した再生熱交換器では、金網自体、空隙率が70%程度ありこれを小さくすることは困難であるが、本発明ではこれを任意の値に小さくすることが可能である。連接節あるいはスペーサランドはかなり大きいスパンで部分的に設けられているものであるためその体積は小さくその影響を無視できるものとすると、空隙率は図6の積層した簀の子状通気性蓄熱板の全体の断面積に対する流路の断面積の比になり、この値は連接節あるいはスペーサランドの大きさを変えることによって変更できる。図6のような形に積層された通気性蓄熱板の空隙率は約42%である。
スペーサランド14によって構成する場合には菱形の場合と違って稜線部分は必ずしも切り取らなくてもよい。図7のように素線11を六角形にすると連接節12を大きくすることができるためノッチ13があっても強度的にしっかりしたものになる。
スペーサランドは図4に示した断面が菱形をした素線と同じように素線の上半分だけに設けてもよいが全周に設けることも可能である。全周に設けた場合スペーサランド同士を接触させて積層する方法と偶数層のスペーサランドと奇数層のスペーサランドをずらせておきスペーサランドと素線とを接触させて積層する方法とがあるが、スペーサランドと素線とを接触させて積層する方が安定性は高くなる。
ただし簀の子状通気性蓄熱板は少しずらせば下の層の素線の谷間部に上の層の素線がはまり込むが、同心円状通気性蓄熱板の場合にはこうは行かなくなる。下の層の素線の谷間部に上の層の素線がはまり込むようにするためには、偶数層と奇数層とで素線ピッチの半分の長さだけ夫々の同心円の半径を変えておく必要がある。
素線の断面積と素線間間隙、層間間隙及び空隙率は、設計回転速度、作動ガスの流速、素線の熱伝導率、製造コスト、製造技術面の制約等を総合的に判断して決定しなければならない。
11 素線
12 連接節
13 ノッチ
14 スペーサランド
15 素線間間隙
16 層間間隙
Claims (1)
- 複数本数の素線をそれぞれの素線の断面が同じ方向に揃うように、且つ、素線間に作動ガスが通過できる間隙を持つように布置した板状体であって、この板状体の隣り合う素線によって形成される谷間部に、別の同様に布置した板状体の素線を上層と下層の素線間にも作動ガスが通過できる間隙ができるようにしてはめ込んで積層することを可能とする構造とした通気性蓄熱板、又はこれと同じ形状と機能を持った通気性蓄熱板。
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JPS61228263A (ja) * | 1985-03-30 | 1986-10-11 | アイシン精機株式会社 | 蓄冷器 |
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