JP2022126185A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱交換器に関する。 The present invention relates to heat exchangers.
従来、流体の熱交換を行う熱交換器には、チューブ型の熱交換器とプレート式の熱交換器とがある。プレート式の熱交換器は、積層した複数枚の伝熱プレート間に設けられる複数の流体層に交互に冷却媒体および加熱媒体を流し、伝熱プレートを介して流体間の熱交換を行う(例えば特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, heat exchangers for heat exchange of fluids include tube heat exchangers and plate heat exchangers. A plate-type heat exchanger alternately flows a cooling medium and a heating medium through a plurality of fluid layers provided between a plurality of stacked heat transfer plates, and performs heat exchange between the fluids through the heat transfer plates (for example, See Patent Document 1).
ところで、プレート式の熱交換器は、伝熱性能を上げるために、伝熱プレートの間隔を狭くして伝熱プレートの枚数を増やしたり、伝熱プレート間に設けた隔壁を薄肉化したりして、流体が接触する流路の表面積を増やすことが行われる。しかし、これをプレス加工で行うには限界がある。 By the way, in order to improve the heat transfer performance of a plate-type heat exchanger, the interval between the heat transfer plates is narrowed to increase the number of heat transfer plates, or the partition walls provided between the heat transfer plates are made thinner. , increasing the surface area of the flow path contacted by the fluid. However, there is a limit to doing this by press working.
本発明の一態様は、第1流体と第2流体との間で熱交換させる熱交換器である。熱交換器は、所定間隔をあけて積層した状態に配置され、第1流体を流通させる第1流通層および第2流体を流通させる第2流通層を積層方向に交互に構成する複数の伝熱プレートと、第1流通層および第2流通層に、第1流体または第2流体が流れる複数の流路を、第1流体または第2流体の流れ方向に沿って形成する流路形成部と、を備える。流路形成部は、複数の流路の境界を構成し、複数の伝熱プレートと一体成型により形成される複数の伝熱フィンにより構成される。 One aspect of the present invention is a heat exchanger that exchanges heat between a first fluid and a second fluid. The heat exchanger is arranged in a stacked state with a predetermined interval, and has a plurality of heat transfer layers alternately configured in the stacking direction of a first circulation layer for circulating the first fluid and a second circulation layer for circulating the second fluid. a plate, a flow path forming portion that forms a plurality of flow paths through which the first fluid or the second fluid flows in the first flow layer and the second flow layer along the flow direction of the first fluid or the second fluid; Prepare. The flow path forming portion forms boundaries between the plurality of flow paths, and is configured by a plurality of heat transfer fins integrally formed with a plurality of heat transfer plates.
本発明によれば、伝熱性能を向上させた熱交換器を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the heat exchanger which improved the heat-transfer performance can be provided.
以下、図1~図6を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係る熱交換器は、伝熱プレート間に冷却媒体と加熱媒体とを交互に流通させて熱交換するプレート式の熱交換器であり、種々の形状のものに適用することができる。例えば、矩形状の伝熱プレートを所定間隔をあけて積層してなる略直方体形状の熱交換器や、伝熱プレートを所定の間隔をあけて周方向に積層してなる略円筒形状の熱交換器などに適用することができる。以下では、β型のスターリングエンジンに適用される略円筒形状の熱交換器の例を説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. The heat exchanger according to the present embodiment is a plate-type heat exchanger that exchanges heat by alternately circulating a cooling medium and a heating medium between heat transfer plates, and can be applied to various shapes. . For example, a substantially rectangular parallelepiped heat exchanger in which rectangular heat transfer plates are stacked at predetermined intervals, or a substantially cylindrical heat exchanger in which heat transfer plates are stacked at predetermined intervals in the circumferential direction It can be applied to vessels and the like. An example of a substantially cylindrical heat exchanger applied to a β-type Stirling engine will be described below.
図1は、本発明の実施形態に係る熱交換器が適用されるスターリングエンジン1の要部構成を示す断面図である。なお、図1では、熱交換器6の要部構成を分かりやすく説明するために、作動ガス(第1流体)が流通する作動ガス流通層(第1流通層)63、熱源ガス(第2流体)が流通する熱源ガス流通層(第2流通層)64および冷却水が流通する冷却水流路682を図1の熱交換器6中に同時に示している。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the main structure of a Stirling
図1に示すように、スターリングエンジン1は、作動ガスが封入されるシリンダ2と、シリンダ2内に内装されるディスプレーサピストン3およびパワーピストン4と、ディスプレーサピストン3およびパワーピストン4に接続されるピストンクランク機構5と、シリンダ2内の作動ガスの温度を昇降させる熱交換器6と、を備えて構成される。
As shown in FIG. 1, a Stirling
スターリングエンジン1は、いわゆるハーメティック形式のエンジンであり、ピストンクランク機構5の軸回転出力を電力として取り出す発電機11がクランクケースの内部に配置される。スターリングエンジン1をハーメティック形式のエンジンとすることで、軸回転出力を外部に取り出すための回転軸が不要となり、作動ガスの漏れの原因となる回転軸をシールするシール部材が不要となる。
The Stirling
シリンダ2は、一端が閉塞され、他端が開口した略円筒形状を有する。シリンダ2には、軸方向における閉塞部側にディスプレーサピストン3が配設され、開口部側にパワーピストン4が配設される。このように配設されたディスプレーサピストン3とシリンダ2の閉塞部との間は、作動ガスが高温となる膨張室21を構成し、ディスプレーサピストン3とパワーピストン4との間は、作動ガスが低温となる圧縮室22を構成する。以下では、シリンダ2内の膨張室21および圧縮室22を作動空間20と呼ぶ。
The
シリンダ2は、軸方向における閉塞部側に位置する第1シリンダ23と、開口部側に位置し、第1シリンダ23と同径の第2シリンダ24とを有して構成されており、第1シリンダ23と第2シリンダ24とは、互いが有するフランジ部25,26にて同軸上で連結される。
The
第1シリンダ23の上端部(閉塞部)側の外周面には、熱交換器6の後述する複数の第1出入口部(出入口部)61aのそれぞれと連通する複数の第1連通部23aが設けられる。第1連通部23aは、第1出入口部61aと同数設けられる。各第1連通部23aは、対応する各第1出入口部61aと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第1出入口部61aと対向配置されており、複数の第1連通部23aが膨張室21への出入口となる。
A plurality of
第1シリンダ23の下端部(開口部)側の外周面には、熱交換器6の後述する複数の第2出入口部(出入口部)61bのそれぞれと連通する複数の第2連通部23bが設けられる。第2連通部23bは、第2出入口部61bと同数設けられる。各第2連通部23bは、対応する各第2出入口部61bと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第2出入口部61bと対向配置されており、第2連通部23bが圧縮室22の出入口となる。
A plurality of
ディスプレーサピストン3およびパワーピストン4は、シリンダ2内で同軸上に配置される。ディスプレーサピストン3は、シリンダ2とパワーピストン4とで構成される空間を上下方向に2分割する。言い換えると、ディスプレーサピストン3は、ディスプレーサピストン3の上方に形成される膨張室21と、ディスプレーサピストン3とパワーピストン4との間に形成される圧縮室22とを構成する。膨張室21および圧縮室22の内部空間(作動空間20)は、複数の第1連通部23aおよび複数の第2連通部23bを介して熱交換器6の内部空間と繋がっており、熱交換器6の内部圧力と略同一の圧力となる。
Displacer
ディスプレーサピストン3とパワーピストン4とは、パワーピストン4が90度先行して動く位相(位相差が90度)となるように、それぞれが異なるコネクティングロッド30,40を介してクランクシャフト10に接続されており、パワーピストン4がコネクティングロッド40を介してピストンクランク機構5に回転力を出力する。クランクシャフト10は、カップリング14を介してリコイルスタータ15の出力軸16に連結される。
The
ディスプレーサピストン3は、シリンダ2内の作動ガスを移動させるために用いられ、シリンダ2内の作動ガスを移動させて膨張室21および圧縮室22の容積比率を変化させる。例えば、膨張室21に大量の高温ガスが存在する場合にはシリンダ2の内部圧力が高くなり、圧縮室22に大量の低温ガスが存在する場合には、シリンダ2の内部圧力が低くなる。この圧力変動のタイミングに合わせて、高圧時にはパワーピストン4が上死点付近から押し下げられることでピストンクランク機構5に出力する軸回転力が得られ、低圧時には、ピストンクランク機構5によりパワーピストン4が押し上げられ、これを繰り返すことで連続した回転力を得ることができる。
The
図2は、本発明の実施形態に係る熱交換器6の要部構成を示す断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿った熱交換器6の要部断面図である。図2では、図1と同様に、熱交換器6の要部構成を分かりやすく説明するために、作動ガスが流通する作動ガス流通層63、熱源ガスが流通する熱源ガス流通層64および冷却水が流通する冷却水流路682を図1の熱交換器6中に同時に示している。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the essential configuration of the
図2および図3に示すように、熱交換器6は、径方向に延びる複数の伝熱プレート60を周方向に積層した状態に設けられた、全体として略円筒形状のプレート式の熱交換器である。具体的には、熱交換器6は、所定間隔をあけて周方向に積層した状態に配置され、作動ガスを流通させる作動ガス流通層63および熱源ガスを流通させる熱源ガス流通層64を積層方向に交互に構成する複数の伝熱プレート60と、作動ガス流通層63および熱源ガス流通層64に、作動ガスが流れる作動ガス流路および熱源ガスが流れる熱源ガス流路を、作動ガスおよび熱源ガスの流れ方向に沿って形成する複数の伝熱フィン60aと、内周側に配設される内周壁61と、外周側に配設される外周壁62と、を備えて構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
熱交換器6では、複数の伝熱プレート60が作動ガス流通層63と熱源ガス流通層64とに区画する隔壁を構成し、複数の伝熱フィン60aのそれぞれは、積層配置された伝熱プレート60の対向面同士をつなぎ、作動ガスおよび熱源ガスの流れ方向に延在して形成される。そして、熱交換器6では、この複数の伝熱フィン60aおよび複数の伝熱プレート60が金属積層造形法(Additive Manufacturing)を用いた一体成型により形成される。複数の伝熱フィン60aおよび複数の伝熱プレート60を金属積層造形法にて一体成型することで、作動ガス流路671および熱源ガス流路672を微細な細管とすることが可能になる。このため、細管効果により高い圧力差を薄い肉厚で構成することができ、耐圧性を確保しながら軽量化が可能になる。
In the
作動ガス流通層63が位置する内周壁61の上端部には、第1シリンダ23の第1連通部23aと対応する位置に第1出入口部61aが設けられる。第1出入口部61aは、対応する第1連通部23aと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第1連通部23aと対向配置されており、熱交換器6においては、第1出入口部61aがシリンダ2の膨張室21への出入口となる。
A first inlet/
作動ガス流通層63が位置する内周壁61の下端部には、第1シリンダ23の第2連通部23bと対応する位置に第2出入口部61bが設けられる。第2出入口部61bは、対応する第2連通部23bと略同形状のスリット状に形成されるとともに、対応する第2連通部23bと対向配置されており、熱交換器6においては、第2出入口部61bが圧縮室22への出入口となる。
A second inlet/
熱源ガス流通層64が位置する外周壁62には、後述する熱源ガス流路672が位置する下端部に出口部62aが設けられる。出口部62aは、スリット状に形成されるとともに、対応する熱源ガス流通層64と対向配置されており、熱源ガス流通層64から流れ出る熱源ガスを熱源ガス流通層64の外に排出可能に構成される。
The outer
熱交換器6は、作動ガス流通層63が位置する軸方向の両端部(作動ガスの流通方向両端部)が閉塞された構成となっている。一方、熱源ガス流通層64が位置する軸方向の上端部は解放されており、例えば、上方から熱源ガスを流入可能な構成となっている。また熱交換器は、熱源ガス流通層64が位置し、かつ後述する加熱部67の端部に相当する位置に突当り部66が設けられている。突当り部66は、外周壁62に設けられる出口部62aの下端に沿って設けられており、出口部62aを介して熱源ガスが熱源ガス流通層64の外に排出されるように構成される。なお、熱源ガス流通層64は、突当り部66により加熱部67と再生部69とに区切られる。
The
図2に示すように、熱交換器6は、作動ガスを加熱する加熱部67と、作動ガスを冷却する冷却部68と、作動ガスの有する熱を蓄熱する再生部69とを備えて構成される。
As shown in FIG. 2, the
加熱部67は、第1シリンダ23の上端部(閉塞部)側に位置し、第1シリンダ23の第1連通部23aを介して膨張室21に出入りする作動ガスを加熱する。具体的には、加熱部67は、作動ガス流通層63に設けられ、作動ガスが流通する複数の作動ガス流路(第1流路)671と、熱源ガス流通層64に設けられ、作動ガスを加熱するための熱源ガスを流通させる複数の熱源ガス流路(第2流路)672とを備えて構成される。作動ガス流路671を流れる作動ガスは、ディスプレーサピストン3の動きにより1回転に1回の割合で流れる方向が逆向きに変化する。作動ガスとしては、高圧の空気、ヘリウム、水素などが挙げられる。
The
図4は、本実施形態に係る熱交換器6の加熱部67に設けられる作動ガス流路671および熱源ガス流路672を模式的に示す図である。なお、図4では、作動ガス流通層63および熱源ガス流通層64を構成する伝熱プレート60や伝熱フィン60a、第1出入口部61a等の具体的な記載を省略している。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a working
図2および図4に示すように、作動ガス流路671は、熱交換器6の軸方向に延びるように形成されており、複数の作動ガス流路671は、軸方向と平行な作動ガス流路671を第1出入口部61aに向けて、伝熱プレート60に沿って並列に並べて構成される。また複数の作動ガス流路671は、第1出入口部61aの近くに位置する作動ガス流路671ほど、軸方向の端部位置が、熱交換器6の軸方向端部65から離れた位置に位置するように構成される。すなわち、第1出入口部61aの近くに位置する作動ガス流路671から排出される作動ガスほど、熱交換器6の軸方向端部65から離れた位置で排出される。
As shown in FIGS. 2 and 4, the working
図2および図4に示すように、加熱部67の作動ガス流通層63において、熱交換器6の軸方向端部65と、複数の作動ガス流路671の軸方向端部とにより形成される空間は、側面視して略三角形状となる。この空間は、鋭角となる部分が第1出入口部61aと反対側(外周側)に位置し、鋭角と反対側の底辺となる部分が第1出入口部61a側(内周側)に位置する。この空間では、作動ガス流路671から流れ出た作動ガスの流れが第1出入口部61aに向かって曲がる部位であるが、外周側から内周側(第1出入口部61a側)に向かって徐々に流路断面が拡大する形状になっているので、各位置での流速が等しくなり、圧力損失を最小に抑えることができる。また、第1出入口部61aの最大面積を複数の作動ガス流路671の断面積の総和と等しくなるように設定することで、第1出入口部61aを含めた熱交換器6の圧力損失を最小とすることができる。
As shown in FIGS. 2 and 4, in the working
図5は、加熱部67(冷却部68)に設けられる作動ガス流路671(作動ガス流路681)を模式的に示す図である。図5に示すように、複数の作動ガス流路671(作動ガス流路681)は、一対の伝熱プレート60,60の間を伝熱フィン60aで仕切ることで形成される。伝熱フィン60aは、一対の伝熱プレート60,60の各対向面と一体成型してつなぐことで形成される。このとき、作動ガス流通層63は、伝熱フィン60aにより形成される複数の作動ガス流路671(作動ガス流路681)の等価直径が等しくなるように、伝熱フィン60aで仕切られる。作動ガス流路671(作動ガス流路681)の等価直径を等しくすることで圧力損失係数および熱伝達率が等しくなり、各作動ガス流路671(作動ガス流路681)を流れる作動ガスの偏流がなくなる。作動ガス流路671(作動ガス流路681)を流れる作動ガスの偏流がなくなることで、全体としての圧力損失が減少し、伝熱性能が向上する。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a working gas flow path 671 (working gas flow path 681) provided in the heating section 67 (cooling section 68). As shown in FIG. 5, the plurality of working gas flow paths 671 (working gas flow paths 681) are formed by partitioning the pair of
作動ガス流路671(作動ガス流路681)を形成する内壁には、突起部60bが設けられる。内壁に突起部60bを設けることで、作動ガス流路671(作動ガス流路681)内を流れる作動ガスの流れが縦渦流れにより攪拌されて熱伝達率を向上させることができる。
A
図2および図4に示すように、加熱部67における熱源ガス流路672は、熱交換器6の軸方向に延びるように形成されており、複数の熱源ガス流路672は、軸方向と平行な熱源ガス流路672を出口部62aに向けて、伝熱プレート60に沿って並列に並べて構成される。また複数の熱源ガス流路672は、出口部62aの近くに位置する熱源ガス流路672ほど、軸方向の端部位置が、突当り部66から離れた位置に位置するように構成される。すなわち、出口部62aの近くに位置する熱源ガス流路672から排出される熱源ガスほど、突当り部66から離れた位置で排出される。
As shown in FIGS. 2 and 4, the heat
図2に示すように、加熱部67の熱源ガス流通層64において、熱交換器6の突当り部66と、複数の熱源ガス流路672の軸方向端部とにより形成される空間は、側面視して略三角形状となる。この空間は、鋭角となる部分が出口部62aと反対側(内周側)に位置し、鋭角と反対側の底辺となる部分が出口部62a側(外周側)に位置する。この空間では、熱源ガス流路672から流れ出た熱源ガスの流れが出口部62aに向かって曲がる部位であるが、内周側から外周側(出口部62a側)に向かって徐々に流路断面が拡大する形状になっているので、各位置での流速が等しくなり、圧力損失を最小に抑えることができる。また、出口部62aの最大面積を複数の熱源ガス流路672の断面積の総和と等しくなるように設定することで、出口部62aを含めた熱交換器6の圧力損失を最小とすることができる。
As shown in FIG. 2, in the heat source
複数の熱源ガス流路672は、加熱部67に位置する一対の伝熱プレート60,60の間を伝熱フィン60aで仕切ることで形成される。伝熱フィン60aは、一対の伝熱プレート60,60の各対向面と一体成型してつなぐことで形成される。このとき、加熱部67に位置する熱源ガス流通層64は、伝熱フィン60aにより形成される熱源ガス流路672の等価直径が等しくなるように、伝熱フィン60aで仕切られる。熱源ガス流路672の等価直径を等しくすることで圧力損失係数および熱伝達率が等しくなり、各熱源ガス流路672を流れる熱源ガスの偏流がなくなる。熱源ガス流路672を流れる熱源ガスの偏流がなくなることで、全体としての圧力損失が減少し、伝熱性能が向上する。
A plurality of heat source
冷却部68は、第1シリンダ23の下端部(開口部)側に位置し、第1シリンダ23の第2連通部23bを介して圧縮室22に出入りする作動ガスを冷却する。具体的には、冷却部68は、作動ガス流通層63に設けられ、作動ガスが流通する複数の作動ガス流路681と、熱源ガス流通層64に対応して設けられ、作動ガスを冷却するための冷却水を流通させる冷却水流路682とを備えて構成される。作動ガス流路681を流れる作動ガスは、ディスプレーサピストン3の動きにより1回転に1回の割合で流れる方向が逆向きに変化する。
The
図6は、本実施形態に係る熱交換器6の冷却部68に設けられる作動ガス流路681および冷却水流路682を模式的に示す図である。なお、図6では、作動ガス流通層63を構成する伝熱プレート60、伝熱フィン60aおよび第2出入口部61b等の具体的な記載を省略している。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a working
図2および図6に示すように、冷却部68における作動ガス流路681は、熱交換器6の軸方向に延びるように形成されており、複数の作動ガス流路681は、軸方向と平行な作動ガス流路681を第1出入口部61aに向けて、伝熱プレート60に沿って並列に並べて構成される。また複数の作動ガス流路681は、第2出入口部61bの近くに位置する作動ガス流路681ほど、軸方向の端部位置が、熱交換器6の軸方向端部65から離れた位置に位置するように構成される。すなわち、第2出入口部61bの近くに位置する作動ガス流路681から排出される作動ガスほど、熱交換器6の軸方向端部65から離れた位置で排出される。
As shown in FIGS. 2 and 6, the working
冷却部68の作動ガス流通層63においても、熱交換器6の軸方向端部65と、複数の作動ガス流路681の軸方向端部とにより形成される空間は、側面視して略三角形状となる。このため、加熱部67における説明を援用して、ここではその説明を省略する。同様に、複数の作動ガス流路681は、複数の作動ガス流路671と同様に、一対の伝熱プレート60,60の間を伝熱フィン60aで仕切ることで形成される。このため、作動ガス流路671の説明を援用して、ここではその説明を省略する。
Also in the working
図2および図6に示すように、冷却水流路682は、加熱部67の熱源ガス流通層64に対応する位置において、熱交換器6の径方向に延びる管状部材を径方向の一端部(例えば外端部)で折り返した後に他端部(例えば内端部)で折り返し、これを繰り返した形状に形成される。冷却水流路682は、いわゆるつづら折り状に形成される。冷却水流路682を複数の直線状の流路から構成せず、1本の流路を折り曲げた状態に形成することで、例えば、冷却部68における熱源ガス流通層64に対応する位置に液体を流す場合においても、液体の流速が下がることを抑制することができる。本実施形態では、作動ガス流路681を流れる作動ガスは、下流に位置するほど低温になるので、冷却水流路682には、軸方向の下端から冷却水が流入され、上端から排出されるように構成することで熱交換効率を向上させている。
As shown in FIGS. 2 and 6, the cooling
再生部69は、加熱部67と冷却部68との間に位置し、加熱部67から冷却部68に移動する作動ガスまたは冷却部68から加熱部67に移動する作動ガスの熱を蓄熱する。具体的には、再生部69は、作動ガスが高温の膨張室21から低温の圧縮室22に移動する際には蓄熱することで高温の作動ガスを冷やす冷却部68と同様の作用をし、逆に作動ガスが低温の圧縮室22から高温の膨張室21に移動する際には蓄熱した熱エネルギーを作動ガスに与えることで加熱部67と同様の作用をする。これにより、スターリングエンジン1の燃費を大きく向上させることができる。再生部69は、例えば、金属繊維等のマトリックス素材で構成される。
The
以上のように構成されたスターリングエンジン1は、ディスプレーサピストン3がクランクシャフト10の回転動力でピストンクランク機構5を介して往復動し、作動ガスが膨張室21と圧縮室22とを行き来する。このとき、膨張室21に入る作動ガスは熱交換器6により加熱され、圧縮室22に入り作動ガスは熱交換器6により冷却される。作動ガスが膨張室21と圧縮室22とを行き来することで作動空間20の内圧が変化し、この圧力変化によりパワーピストン4が往復動する。その往復動力でピストンクランク機構5のクランクシャフト10が回転し、発電機11が発電する。
In the
本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)作動ガスと熱源ガスとの間で熱交換させる熱交換器6である。熱交換器6は、所定間隔をあけて積層した状態に配置され、作動ガスを流通させる作動ガス流通層63および熱源ガスを流通させる熱源ガス流通層64を積層方向に交互に構成する複数の伝熱プレート60と、作動ガス流通層63および熱源ガス流通層64に、作動ガスおよび熱源ガスが流れる複数の作動ガス流路671および熱源ガス流路672を、作動ガスおよび熱源ガスの流れ方向に沿って形成する流路形成部と、を備える(図3)。流路形成部は、複数の作動ガス流路671および熱源ガス流路672の境界を構成し、複数の伝熱プレート60と一体成型により形成される複数の伝熱フィン60aにより構成される(図5)。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) A
この構成により、作動ガス流路671および熱源ガス流路672を微細な細管形状とすることが可能になる。このため、細管効果により高い圧力差を薄い肉厚で構成することができ、耐圧性を確保しながら軽量化が可能になる。また例えば、金属板をプレス加工して積層する場合、一対の金属板の間に作動ガス流路と熱源ガス流路との境界を構成する伝熱フィンを付ける場合には、伝熱フィンが有効に働くのは、プレス加工した伝熱プレート(金属板)の板厚の10倍の長さまでといわれている。複数の伝熱フィン60aおよび複数の伝熱プレート60を金属積層造形法にて一体成型することで、伝熱フィンの厚み(幅)を伝熱プレートの板厚の10倍以下とすることが可能になり、より高い伝熱性能を持った伝熱フィンとすることができる。また、プレス加工により形成する場合に比して部品点数や組み立て工数も減少するため、コストダウンを図ることができる。
This configuration enables the working
(2)伝熱フィン60aは、作動ガス流通層63(熱源ガス流通層64)に形成される複数の作動ガス流路671(熱源ガス流路672)の等価直径が互いに等しくなるように形成される(図5)。
(2) The
この構成により、作動ガス流路671(熱源ガス流路672)の等価直径を等しくすることで圧力損失係数および熱伝達率が等しくなり、各作動ガス流路671(各熱源ガス流路672)を流れる作動ガス(熱源ガス)の偏流がなくなる。作動ガス流路671(熱源ガス流路672)を流れる作動ガス(熱源ガス)の偏流がなくなることで、全体としての圧力損失が減少し、伝熱性能が向上する。 With this configuration, by equalizing the equivalent diameter of the working gas flow paths 671 (heat source gas flow paths 672), the pressure loss coefficients and heat transfer coefficients become equal, and each working gas flow path 671 (each heat source gas flow field 672) becomes There is no drift of the flowing working gas (heat source gas). Since the working gas (heat source gas) flowing through the working gas flow path 671 (heat source gas flow path 672) does not drift, the pressure loss as a whole is reduced and the heat transfer performance is improved.
(3)作動ガス流通層63(熱源ガス流通層64)に対応して設けられ、作動ガス流通層63(熱源ガス流通層64)に設けられる複数の作動ガス流路671(熱源ガス流路672)それぞれの流れ方向端部から出入する作動ガス(熱源ガス)が熱交換器6の外に出入り可能に構成された第1出入口部61a(出口部62a)をさらに備える(図2)。第1出入口部61a(出口部62a)は、作動ガス流路671(熱源ガス流路672)の流れ方向と交差する方向に設けられており、作動ガス流通層63(熱源ガス流通層64)に設けられる複数の作動ガス流路671(熱源ガス流路672)は、第1出入口部61a(出口部62a)側に位置する作動ガス流路671(熱源ガス流路672)ほど、端部位置が熱交換器6の軸方向端部65(突当り部66)から離れるように形成される(図4)。
(3) A plurality of working gas flow paths 671 (heat source
この構成により、第1出入口部61a(出口部62a)の近くに位置する作動ガス流路671(熱源ガス流路672)から排出される作動ガス(熱源ガス)ほど、熱交換器6の軸方向端部65(突当り部66)から離れた位置で排出される。このため、作動ガス(熱源ガス)をスムーズに第1出入口部61a(出口部62a)に向けて流通させることが可能になり、作動ガス(熱源ガス)の熱交換効率を向上させることができる。
With this configuration, the working gas (heat source gas) discharged from the working gas flow path 671 (heat source gas flow path 672) located near the first inlet/
(4)作動ガス流路671(熱源ガス流路672)には、作動ガス流路671(熱源ガス流路672)を形成する内壁から突出する突起部60bを有する(図5)。内壁に突起部60bを設けることで、作動ガス流路671(熱源ガス流路672)内を流れる作動ガス(熱源ガス)の流れが縦渦流れにより攪拌されて熱伝達率を向上させることができる。
(4) The working gas flow path 671 (heat source gas flow path 672) has
(5)複数の伝熱フィン60aは、金属積層造形法により複数の伝熱プレート60と一体成型される。この構成により、作動ガス流路671および熱源ガス流路672を容易に微細な細管形状とすることが可能になるとともに、プレス加工により形成する場合に比して部品点数や組み立て工数が減少するため、コストダウンを図ることができる。
(5) The plurality of
なお、上記実施形態では、作動ガス流路671(熱源ガス流路672)を構成する内壁に突起部60bを設けることで、縦渦流れにより攪拌させ熱伝達率を向上させたが、例えば、螺旋形状を有する部材を作動ガス流路671(熱源ガス流路672)内に配置することで作動ガス(熱源ガス)の流れを乱し、作動ガス(熱源ガス)の熱伝達効率を向上させてもよい。同様に、作動ガス流路671(熱源ガス流路672)内に螺旋形状の溝を設けて作動ガス(熱源ガス)の流れを乱し、作動ガス(熱源ガス)の熱伝達効率を向上させてもよい。
In the above-described embodiment, by providing the
上記実施形態では、複数の作動ガス流路671および熱源ガス流路672を伝熱フィン60aで仕切ることにより形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、一対の伝熱プレート60,60の間に、軸方向に延びる細管を伝熱プレート60,60の対向面に沿って配置することで作動ガス流路671および熱源ガス流路672としてもよい。細管は、円管に限らず、多角形管であってもよい。細管を一対の伝熱プレート60,60の間に配置する構成にすることで、作動ガス流路671または加熱部67に位置する熱源ガス流路672の強度を向上させることができる。
In the above embodiment, the plurality of working
上記実施形態では、熱交換器6の複数の伝熱フィン60aおよび複数の伝熱プレート60を金属積層造形法(Additive Manufacturing)を用いた一体成型により形成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、プレス加工した金属板を積層して複数の伝熱フィン60aおよび複数の伝熱プレート60を形成してもよい。
In the above embodiment, the plurality of
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の1つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。 The above description is merely an example, and the present invention is not limited by the above-described embodiments and modifications as long as the features of the present invention are not impaired. It is also possible to arbitrarily combine one or more of the above embodiments and modifications, and it is also possible to combine modifications with each other.
1 スターリングエンジン、2 シリンダ、3 ディスプレーサピストン、4 パワーピストン、6 熱交換器、60 伝熱プレート、60a 伝熱フィン(流路形成部)、63 作動ガス流通層(第1流通層)、671 作動ガス流路(流路)、64 熱源ガス流通層(第2流通層)、672 熱源ガス流路(流路) 1 Stirling engine, 2 cylinder, 3 displacer piston, 4 power piston, 6 heat exchanger, 60 heat transfer plate, 60a heat transfer fin (flow passage forming part), 63 working gas flow layer (first flow layer), 671 operation Gas channel (channel), 64 heat source gas circulation layer (second circulation layer), 672 heat source gas channel (channel)
Claims (5)
所定間隔をあけて積層した状態に配置され、前記第1流体を流通させる第1流通層および前記第2流体を流通させる第2流通層を積層方向に交互に構成する複数の伝熱プレートと、
前記第1流通層および前記第2流通層に、前記第1流体または前記第2流体が流れる複数の流路を、前記第1流体または前記第2流体の流れ方向に沿って形成する流路形成部と、を備え、
前記流路形成部は、前記複数の流路の境界を構成し、前記複数の伝熱プレートと一体成型により形成される複数の伝熱フィンにより構成されることを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger for exchanging heat between a first fluid and a second fluid,
a plurality of heat transfer plates which are arranged in a stacked state with a predetermined interval, and which alternately form a first circulation layer for circulating the first fluid and a second circulation layer for circulating the second fluid in the stacking direction;
Flow path formation in which a plurality of flow paths through which the first fluid or the second fluid flows are formed in the first flow layer and the second flow layer along the flow direction of the first fluid or the second fluid. and
The heat exchanger according to claim 1, wherein the flow passage forming portion constitutes a boundary between the plurality of flow passages and is composed of a plurality of heat transfer fins integrally formed with the plurality of heat transfer plates.
前記伝熱フィンは、前記第1流通層および前記第2流通層に形成される複数の流路の等価直径が互いに等しくなるように形成されることを特徴とする熱交換器。 The heat exchanger of claim 1, wherein
A heat exchanger, wherein the heat transfer fins are formed such that equivalent diameters of a plurality of flow paths formed in the first flow layer and the second flow layer are equal to each other.
前記第1流通層に対応して設けられ、該第1流通層に設けられる複数の前記流路それぞれの流れ方向端部から出入する前記第1流体が前記熱交換器の外に出入り可能に構成された出入口部をさらに備え、
前記出入口部は、前記第1流路の流れ方向と交差する方向に設けられており、
前記第1流通層に設けられる複数の前記第1流路は、前記出入口部側に位置する前記第1流路ほど、端部位置が前記熱交換器の流れ方向端部から離れるように形成されることを特徴とする熱交換器。 In the heat exchanger according to claim 1 or 2,
The first fluid, which is provided corresponding to the first flow layer and flows in and out of the flow direction end of each of the plurality of flow paths provided in the first flow layer, can flow in and out of the heat exchanger. further comprising an entrance and exit section,
The inlet/outlet part is provided in a direction intersecting with the flow direction of the first flow path,
The plurality of first flow passages provided in the first circulation layer are formed so that the end positions of the first flow passages located closer to the inlet/outlet portion are farther away from the end portions in the flow direction of the heat exchanger. A heat exchanger characterized by:
前記流路には、該流路を構成する内壁から突出する突起部が設けられる、ことを特徴とする熱交換器。 In the heat exchanger according to any one of claims 1 to 3,
A heat exchanger according to claim 1, wherein the flow path is provided with a protrusion projecting from an inner wall forming the flow path.
前記複数の伝熱フィンは、金属積層造形法により前記複数の伝熱プレートと一体成型されることを特徴とする熱交換器。 In the heat exchanger according to any one of claims 1 to 4,
A heat exchanger according to claim 1, wherein said plurality of heat transfer fins are integrally formed with said plurality of heat transfer plates by a metal additive manufacturing method.
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