JP2022126185A - Heat exchanger - Google Patents

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恒雄 遠藤
Tsuneo Endo
晴紀 長
Haruki Cho
駿 宮林
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Abstract

To provide a heat exchanger which achieves improvement of heat transfer performance.SOLUTION: A heat exchanger 6 includes: multiple heat transfer plates 60 which are disposed in a stacking manner while forming a predetermined space therebetween and in which a working gas circulation layers 63 for circulating a working gas and heat source gas circulation layers 64 for circulating a heat source gas are alternately formed in a stacking direction; and a passage formation part which forms multiple working gas passage 671 and multiple heat source gas passages 672, in which the working gas or the heat source gas flows, along a flow direction of the working gas or the heat source gas in the working gas circulation layers 63 and the heat source gas circulation layers 64. The passage formation part is formed by multiple heat transfer fins which form borders between the multiple working gas passages 671 and the multiple heat source gas passages 672 and are formed by integral molding with the multiple heat transfer plates 60.SELECTED DRAWING: Figure 2

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).

特開2016-1083号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2016-1083

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.

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の要部構成を示す断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Sectional drawing which shows the principal part structure of the Stirling engine to which the heat exchanger which concerns on embodiment of this invention is applied. 本発明の実施形態に係る熱交換器の要部構成を示す断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Sectional drawing which shows the principal part structure of the heat exchanger which concerns on embodiment of this invention. 図2のIII-III線に沿った熱交換器の要部断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of main parts of the heat exchanger taken along line III-III in FIG. 2; 本発明の実施形態に係る熱交換器の加熱部に設けられる作動ガス流路および熱源ガス流路を模式的に示す図。FIG. 4 is a diagram schematically showing working gas flow paths and heat source gas flow paths provided in the heating portion of the heat exchanger according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施形態に係る熱交換器の加熱部および冷却部に設けられる作動ガス流路を模式的に示す図。FIG. 4 is a diagram schematically showing working gas flow paths provided in the heating section and the cooling section of the heat exchanger according to the embodiment of the present invention; 本発明の実施形態に係る熱交換器の冷却部に設けられる作動ガス流路および冷却水流路を模式的に示す図。FIG. 4 is a diagram schematically showing working gas flow paths and cooling water flow paths provided in the cooling portion of the heat exchanger according to the embodiment of the present invention;

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 engine 1 to which a heat exchanger according to an embodiment of the invention is applied. In addition, in FIG. 1, in order to explain the main part configuration of the heat exchanger 6 in an easy-to-understand manner, a working gas circulation layer (first circulation layer) 63 through which the working gas (first fluid) flows, a heat source gas (second fluid) ) through which the heat source gas flow layer (second flow layer) 64 and the cooling water flow path 682 through which the cooling water flows are shown simultaneously in the heat exchanger 6 of FIG.

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 engine 1 includes a cylinder 2 in which a working gas is sealed, a displacer piston 3 and a power piston 4 which are installed in the cylinder 2, and a piston connected to the displacer piston 3 and the power piston 4. It is composed of a crank mechanism 5 and a heat exchanger 6 that raises and lowers the temperature of the working gas in the cylinder 2 .

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 engine 1 is a so-called hermetic type engine, and a generator 11 that takes out the shaft rotation output of the piston crank mechanism 5 as electric power is arranged inside the crankcase. By making the Stirling engine 1 a hermetic type engine, a rotating shaft for extracting shaft rotation output to the outside is not required, and a sealing member for sealing the rotating shaft which causes leakage of working gas is not required.

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 cylinder 2 has a substantially cylindrical shape with one end closed and the other end open. In the cylinder 2, a displacer piston 3 is arranged on the closed side in the axial direction, and a power piston 4 is arranged on the opening side. Between the displacer piston 3 and the closed portion of the cylinder 2 arranged in this way, an expansion chamber 21 is formed in which the working gas is at a high temperature. The compression chamber 22 is configured as follows. The expansion chamber 21 and the compression chamber 22 within the cylinder 2 are hereinafter referred to as working space 20 .

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 cylinder 2 includes a first cylinder 23 located on the closed portion side in the axial direction, and a second cylinder 24 located on the opening side and having the same diameter as the first cylinder 23 . The cylinder 23 and the second cylinder 24 are coaxially connected by flange portions 25 and 26 that they have.

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 first communication portions 23a are provided on the outer peripheral surface of the upper end portion (closed portion) of the first cylinder 23 and communicate with each of a plurality of first entrance portions (entrance portions) 61a of the heat exchanger 6, which will be described later. be done. The first communicating portions 23a are provided in the same number as the first inlet/outlet portions 61a. Each first communicating portion 23a is formed in a slit shape having substantially the same shape as the corresponding first inlet/outlet portion 61a, and is arranged to face the corresponding first inlet/outlet portion 61a. serves as an entrance to the expansion chamber 21 .

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 second communication portions 23b are provided on the outer peripheral surface of the lower end portion (opening portion) of the first cylinder 23 and communicate with a plurality of second entrance portions (entrance portion) 61b of the heat exchanger 6, which will be described later. be done. The second communicating portions 23b are provided in the same number as the second inlet/outlet portions 61b. Each second communicating portion 23b is formed in a slit shape having substantially the same shape as the corresponding second inlet/outlet portion 61b, and is arranged to face the corresponding second inlet/outlet portion 61b, and the second communicating portion 23b is compressed. It becomes the doorway of the chamber 22 .

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 piston 3 and power piston 4 are coaxially arranged within cylinder 2 . The displacer piston 3 vertically divides the space formed by the cylinder 2 and the power piston 4 into two. In other words, the displacer piston 3 comprises an expansion chamber 21 formed above the displacer piston 3 and a compression chamber 22 formed between the displacer piston 3 and the power piston 4 . The internal space (working space 20) of the expansion chamber 21 and the compression chamber 22 is connected to the internal space of the heat exchanger 6 via a plurality of first communicating portions 23a and a plurality of second communicating portions 23b. The internal pressure of 6 is approximately the same.

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 displacer piston 3 and the power piston 4 are connected to the crankshaft 10 via different connecting rods 30 and 40, respectively, so that the power piston 4 is in phase (90 degrees phase difference). , and the power piston 4 outputs rotational force to the piston crank mechanism 5 via the connecting rod 40 . Crankshaft 10 is connected to output shaft 16 of recoil starter 15 via coupling 14 .

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 displacer piston 3 is used to move the working gas inside the cylinder 2 and moves the working gas inside the cylinder 2 to change the volume ratio of the expansion chamber 21 and the compression chamber 22 . For example, when a large amount of hot gas exists in the expansion chamber 21, the internal pressure of the cylinder 2 increases, and when a large amount of low temperature gas exists in the compression chamber 22, the internal pressure of the cylinder 2 decreases. In accordance with the timing of this pressure fluctuation, the power piston 4 is pushed down from near the top dead center when the pressure is high to obtain shaft rotation force output to the piston crank mechanism 5, and when the pressure is low, the power piston 4 is pushed by the piston crank mechanism 5. It is pushed up, and by repeating this, it is possible to obtain continuous rotational force.

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 heat exchanger 6 according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the essential parts of the heat exchanger 6 taken along line III-III in FIG. be. As in FIG. 1, FIG. 2 shows a working gas circulation layer 63 through which the working gas flows, a heat source gas circulation layer 64 through which the heat source gas flows, and cooling water, in order to explain the main configuration of the heat exchanger 6 in an easy-to-understand manner. are simultaneously shown in the heat exchanger 6 of FIG.

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 heat exchanger 6 is a generally cylindrical plate-type heat exchanger in which a plurality of radially extending heat transfer plates 60 are laminated in the circumferential direction. is. Specifically, the heat exchangers 6 are arranged in a state of being laminated in the circumferential direction at predetermined intervals, and a working gas circulation layer 63 for circulating the working gas and a heat source gas circulation layer 64 for circulating the heat source gas are arranged in the stacking direction. A plurality of heat transfer plates 60 alternately configured, a working gas flow layer 63 and a heat source gas flow layer 64 are provided with a working gas flow path through which the working gas flows and a heat source gas flow path through which the heat source gas flows. , an inner peripheral wall 61 arranged on the inner peripheral side, and an outer peripheral wall 62 arranged on the outer peripheral side.

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 heat exchanger 6, a plurality of heat transfer plates 60 constitute a partition wall that partitions into a working gas circulation layer 63 and a heat source gas circulation layer 64, and each of the plurality of heat transfer fins 60a is a laminated heat transfer plate. It connects the opposing surfaces of 60 and extends in the flow direction of the working gas and the heat source gas. In the heat exchanger 6, the plurality of heat transfer fins 60a and the plurality of heat transfer plates 60 are formed by integral molding using metal additive manufacturing. By integrally molding the plurality of heat transfer fins 60a and the plurality of heat transfer plates 60 by metal additive manufacturing, it is possible to form the working gas flow path 671 and the heat source gas flow path 672 into fine capillaries. For this reason, a high pressure difference can be achieved with a small wall thickness due to the capillary effect, and weight reduction is possible while ensuring pressure resistance.

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/outlet portion 61 a is provided at a position corresponding to the first communication portion 23 a of the first cylinder 23 at the upper end portion of the inner peripheral wall 61 where the working gas circulation layer 63 is located. The first inlet/outlet portion 61a is formed in a slit shape having substantially the same shape as the corresponding first communicating portion 23a, and is arranged to face the corresponding first communicating portion 23a. The entrance/exit portion 61 a serves as an entrance/exit to the expansion chamber 21 of the cylinder 2 .

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/outlet portion 61b is provided at a position corresponding to the second communication portion 23b of the first cylinder 23 at the lower end portion of the inner peripheral wall 61 where the working gas circulation layer 63 is located. The second inlet/outlet portion 61b is formed in a slit shape having substantially the same shape as the corresponding second communication portion 23b, and is arranged to face the corresponding second communication portion 23b. The entrance/exit portion 61 b serves as an entrance/exit to the compression chamber 22 .

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 peripheral wall 62 where the heat source gas circulation layer 64 is located is provided with an outlet portion 62a at the lower end portion where the later-described heat source gas flow path 672 is located. The outlet part 62a is formed in a slit shape and arranged to face the corresponding heat source gas circulation layer 64, so that the heat source gas flowing out from the heat source gas circulation layer 64 can be discharged to the outside of the heat source gas circulation layer 64. be.

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 heat exchanger 6 has a structure in which both ends in the axial direction (both ends in the direction in which the working gas flows) where the working gas flow layers 63 are located are closed. On the other hand, the upper end in the axial direction where the heat source gas circulation layer 64 is located is open so that, for example, the heat source gas can flow in from above. The heat exchanger is provided with an abutment portion 66 at a position where the heat source gas circulation layer 64 is located and which corresponds to an end portion of a heating portion 67 which will be described later. The abutting portion 66 is provided along the lower end of the outlet portion 62a provided in the outer peripheral wall 62, and is configured to discharge the heat source gas to the outside of the heat source gas circulation layer 64 through the outlet portion 62a. The heat source gas circulation layer 64 is divided into a heating section 67 and a regeneration section 69 by an abutting section 66 .

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 heat exchanger 6 includes a heating section 67 that heats the working gas, a cooling section 68 that cools the working gas, and a regeneration section 69 that stores the heat of the working gas. be.

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 heating portion 67 is positioned on the upper end portion (closed portion) side of the first cylinder 23 and heats the working gas entering and exiting the expansion chamber 21 via the first communication portion 23 a of the first cylinder 23 . Specifically, the heating unit 67 is provided in the working gas circulation layer 63, and is provided in a plurality of working gas flow paths (first flow paths) 671 through which the working gas flows, and in the heat source gas flow layer 64. and a plurality of heat source gas flow paths (second flow paths) 672 for circulating a heat source gas for heating. The working gas flowing through the working gas flow path 671 reverses its flow direction once per rotation due to the movement of the displacer piston 3 . Working gases include high-pressure air, helium, and hydrogen.

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 gas channel 671 and a heat source gas channel 672 provided in the heating section 67 of the heat exchanger 6 according to this embodiment. Note that FIG. 4 omits specific descriptions of the heat transfer plate 60, the heat transfer fins 60a, the first inlet/outlet portion 61a, and the like, which constitute the working gas circulation layer 63 and the heat source gas circulation layer 64. As shown in FIG.

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 gas flow passages 671 are formed to extend in the axial direction of the heat exchanger 6, and the plurality of working gas flow passages 671 are formed so that the working gas flows parallel to the axial direction. The paths 671 are arranged in parallel along the heat transfer plate 60 toward the first inlet/outlet portion 61a. In the plurality of working gas flow paths 671, the closer the working gas flow path 671 is to the first inlet/outlet portion 61a, the farther the axial end position is from the axial end portion 65 of the heat exchanger 6. configured to be located. That is, the working gas discharged from the working gas flow path 671 positioned closer to the first inlet/outlet portion 61 a is discharged at a position farther from the axial end portion 65 of the heat exchanger 6 .

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 gas flow layer 63 of the heating unit 67, the axial end 65 of the heat exchanger 6 and the axial ends of the plurality of working gas flow paths 671 form The space has a substantially triangular shape when viewed from the side. In this space, the acute-angled portion is located on the opposite side (outer peripheral side) of the first entrance/exit portion 61a, and the portion that becomes the base opposite to the acute angle is located on the first entrance/exit portion 61a side (inner peripheral side). In this space, the flow of the working gas flowing out of the working gas flow path 671 bends toward the first inlet/outlet portion 61a. Since the cross section of the flow channel is shaped to expand, the flow velocity at each position becomes equal, and the pressure loss can be minimized. In addition, by setting the maximum area of the first inlet/outlet portion 61a to be equal to the sum of the cross-sectional areas of the plurality of working gas flow paths 671, the pressure loss of the heat exchanger 6 including the first inlet/outlet portion 61a can be minimized. can be

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 heat transfer plates 60, 60 with the heat transfer fins 60a. The heat transfer fins 60a are formed by integrally molding and connecting the opposing surfaces of the pair of heat transfer plates 60, 60 to each other. At this time, the working gas circulation layer 63 is partitioned by the heat transfer fins 60a so that the plurality of working gas flow paths 671 (working gas flow paths 681) formed by the heat transfer fins 60a have the same equivalent diameter. By making the equivalent diameters of the working gas flow paths 671 (working gas flow paths 681) equal, the pressure loss coefficient and heat transfer coefficient become equal, and the drift of the working gas flowing through each working gas flow path 671 (working gas flow path 681) is prevented. disappears. Since the working gas flowing through the working gas flow path 671 (working gas flow path 681) does not drift, the pressure loss as a whole is reduced and the heat transfer performance is improved.

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 protrusion 60b is provided on the inner wall that forms the working gas flow path 671 (the working gas flow path 681). By providing the protrusion 60b on the inner wall, the flow of the working gas flowing in the working gas flow path 671 (working gas flow path 681) is agitated by the vertical vortex flow, and the heat transfer coefficient can be improved.

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 source gas channel 672 in the heating unit 67 is formed to extend in the axial direction of the heat exchanger 6, and the plurality of heat source gas channels 672 are arranged parallel to the axial direction. The heat source gas flow paths 672 are arranged in parallel along the heat transfer plate 60 toward the outlet portion 62a. The plurality of heat source gas flow paths 672 are configured such that the end positions in the axial direction of the heat source gas flow paths 672 located closer to the outlet portion 62 a are positioned farther from the abutment portion 66 . That is, the heat source gas discharged from the heat source gas flow path 672 positioned closer to the outlet portion 62 a is discharged at a position farther from the abutting portion 66 .

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 gas circulation layer 64 of the heating unit 67, the space formed by the abutment portion 66 of the heat exchanger 6 and the axial ends of the plurality of heat source gas flow paths 672 is and becomes a substantially triangular shape. In this space, the acute-angled portion is located on the opposite side (inner peripheral side) of the outlet portion 62a, and the portion that becomes the base opposite to the acute-angled portion is located on the outlet portion 62a side (outer peripheral side). In this space, the flow of the heat source gas flowing out of the heat source gas channel 672 bends toward the outlet 62a. The expanding shape equalizes the flow velocity at each position, minimizing pressure loss. Also, by setting the maximum area of the outlet portion 62a to be equal to the sum of the cross-sectional areas of the plurality of heat source gas flow paths 672, the pressure loss of the heat exchanger 6 including the outlet portion 62a can be minimized. can.

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 gas flow paths 672 are formed by partitioning the pair of heat transfer plates 60, 60 located in the heating section 67 with the heat transfer fins 60a. The heat transfer fins 60a are formed by integrally molding and connecting the opposing surfaces of the pair of heat transfer plates 60, 60 to each other. At this time, the heat source gas circulation layer 64 located in the heating portion 67 is partitioned by the heat transfer fins 60a so that the equivalent diameters of the heat source gas flow paths 672 formed by the heat transfer fins 60a are equal. By equalizing the equivalent diameter of the heat source gas flow paths 672, the pressure loss coefficient and the heat transfer coefficient become equal, and the heat source gas flowing through each heat source gas flow path 672 is prevented from drifting. Since the heat source gas flowing through the heat source gas flow path 672 does not drift, the pressure loss as a whole is reduced and the heat transfer performance is improved.

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 cooling section 68 is located on the lower end (opening) side of the first cylinder 23 and cools the working gas entering and exiting the compression chamber 22 via the second communication section 23 b of the first cylinder 23 . Specifically, the cooling part 68 is provided in the working gas circulation layer 63 and is provided corresponding to a plurality of working gas flow paths 681 through which the working gas flows and the heat source gas circulation layer 64 to cool the working gas. and a cooling water flow path 682 for circulating cooling water. The working gas flowing through the working gas flow path 681 reverses its flow direction once per rotation due to the movement of the displacer piston 3 .

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 gas channel 681 and a cooling water channel 682 provided in the cooling section 68 of the heat exchanger 6 according to this embodiment. Note that FIG. 6 omits specific description of the heat transfer plate 60, the heat transfer fins 60a, the second inlet/outlet portion 61b, and the like, which constitute the working gas circulation layer 63. As shown in FIG.

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 gas passages 681 in the cooling portion 68 are formed to extend in the axial direction of the heat exchanger 6, and the plurality of working gas passages 681 are arranged parallel to the axial direction. working gas flow paths 681 are arranged in parallel along the heat transfer plate 60 toward the first inlet/outlet portion 61a. In the plurality of working gas flow paths 681, the closer the working gas flow path 681 is to the second inlet/outlet portion 61b, the farther the axial end position is from the axial end portion 65 of the heat exchanger 6. configured to be located. That is, the working gas discharged from the working gas flow path 681 positioned closer to the second inlet/outlet portion 61 b is discharged at a position farther from the axial end portion 65 of the heat exchanger 6 .

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 gas circulation layer 63 of the cooling part 68, the space formed by the axial end 65 of the heat exchanger 6 and the axial ends of the plurality of working gas flow paths 681 is substantially triangular in side view. shape. Therefore, the description of the heating unit 67 is used, and the description thereof is omitted here. Similarly, the plurality of working gas flow paths 681 are formed by partitioning the pair of heat transfer plates 60, 60 with the heat transfer fins 60a, similar to the plurality of working gas flow paths 671. As shown in FIG. Therefore, the description of the working gas flow path 671 is used, and the description thereof is omitted here.

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 water flow path 682 is formed by extending a radially extending tubular member of the heat exchanger 6 at one end (for example, After folding at the outer end), the other end (for example, the inner end) is folded back, and this is repeated to form a shape. The cooling water flow path 682 is formed in a so-called serpentine shape. By forming the cooling water channel 682 not from a plurality of linear channels but by bending one channel, for example, the liquid can flow at a position corresponding to the heat source gas circulation layer 64 in the cooling section 68. Also when flowing, it is possible to suppress the flow velocity of the liquid from decreasing. In the present embodiment, the temperature of the working gas flowing through the working gas channel 681 becomes lower as it is positioned further downstream. , the heat exchange efficiency is improved.

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 regeneration unit 69 is located between the heating unit 67 and the cooling unit 68 and stores the heat of the working gas moving from the heating unit 67 to the cooling unit 68 or the working gas moving from the cooling unit 68 to the heating unit 67 . Specifically, when the working gas moves from the high-temperature expansion chamber 21 to the low-temperature compression chamber 22, the regeneration unit 69 accumulates heat to cool the high-temperature working gas. Conversely, when the working gas moves from the low-temperature compression chamber 22 to the high-temperature expansion chamber 21 , the heat energy stored in the working gas is applied to the working gas, thereby performing the same function as the heating section 67 . As a result, the fuel efficiency of the Stirling engine 1 can be greatly improved. The regeneration part 69 is made of, for example, a matrix material such as metal fiber.

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 Stirling engine 1 configured as described above, the displacer piston 3 is reciprocated by the rotational power of the crankshaft 10 via the piston crank mechanism 5, and the working gas moves back and forth between the expansion chamber 21 and the compression chamber 22. At this time, the working gas entering the expansion chamber 21 is heated by the heat exchanger 6 and the working gas entering the compression chamber 22 is cooled by the heat exchanger 6 . As the working gas moves back and forth between the expansion chamber 21 and the compression chamber 22, the internal pressure of the working space 20 changes, and the power piston 4 reciprocates due to this pressure change. The reciprocating power rotates the crankshaft 10 of the piston crank mechanism 5, and the generator 11 generates electricity.

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 heat exchanger 6 for exchanging heat between the working gas and the heat source gas. The heat exchanger 6 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 working gas circulation layer 63 for circulating a working gas and a heat source gas circulation layer 64 for circulating a heat source gas. A plurality of working gas channels 671 and heat source gas channels 672 through which the working gas and the heat source gas flow are formed in the heat plate 60, the working gas circulation layer 63 and the heat source gas circulation layer 64 along the flow directions of the working gas and the heat source gas. and a flow path forming portion formed by the above (FIG. 3). The flow path forming portion constitutes boundaries between the plurality of working gas flow paths 671 and the heat source gas flow paths 672, and is composed of a plurality of heat transfer plates 60 and a plurality of heat transfer fins 60a integrally formed (Fig. 5).

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 gas flow path 671 and the heat source gas flow path 672 to have a fine capillary shape. For this reason, a high pressure difference can be achieved with a small wall thickness due to the capillary effect, and weight reduction is possible while ensuring pressure resistance. Further, for example, when metal plates are laminated by pressing, when heat transfer fins forming the boundary between the working gas flow path and the heat source gas flow path are attached between a pair of metal plates, the heat transfer fins work effectively. is said to be up to 10 times the thickness of the pressed heat transfer plate (metal plate). By integrally molding a plurality of heat transfer fins 60a and a plurality of heat transfer plates 60 by metal additive manufacturing, it is possible to make the thickness (width) of the heat transfer fins 10 times or less than the plate thickness of the heat transfer plates. , and the heat transfer fin can have higher heat transfer performance. In addition, since the number of parts and the number of assembling man-hours are reduced as compared with the case of forming by press working, cost reduction can be achieved.

(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 heat transfer fins 60a are formed so that the equivalent diameters of the plurality of working gas flow paths 671 (heat source gas flow paths 672) formed in the working gas flow layer 63 (heat source gas flow layer 64) are equal to each other. (Fig. 5).

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 gas flow paths 672 2.) A first inlet/outlet portion 61a (outlet portion 62a) configured to allow the working gas (heat source gas) entering and exiting from each flow direction end to enter and exit the heat exchanger 6 (FIG. 2). The first inlet/outlet portion 61a (outlet portion 62a) is provided in a direction intersecting with the flow direction of the working gas flow path 671 (heat source gas flow path 672), and is provided in the working gas circulation layer 63 (heat source gas circulation layer 64). In the plurality of working gas flow paths 671 (heat source gas flow paths 672) provided, the end positions of the working gas flow paths 671 (heat source gas flow paths 672) located closer to the first inlet/outlet portion 61a (outlet portion 62a) side. It is formed away from the axial end portion 65 (abutting portion 66) of the heat exchanger 6 (Fig. 4).

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/outlet portion 61a (outlet portion 62a) moves in the axial direction of the heat exchanger 6. It is discharged at a position away from the end portion 65 (abutting portion 66). Therefore, the working gas (heat source gas) can be smoothly circulated toward the first inlet/outlet portion 61a (outlet portion 62a), and the heat exchange efficiency of the working gas (heat source gas) can be improved.

(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 projections 60b projecting from the inner wall forming the working gas flow path 671 (heat source gas flow path 672) (FIG. 5). By providing the protrusion 60b on the inner wall, the flow of the working gas (heat source gas) flowing in the working gas flow path 671 (heat source gas flow path 672) is agitated by the vertical vortex flow, and the heat transfer coefficient can be improved. .

(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 heat transfer fins 60a are integrally formed with the plurality of heat transfer plates 60 by metal additive manufacturing. With this configuration, the working gas flow path 671 and the heat source gas flow path 672 can be easily made into a fine capillary shape, and the number of parts and assembly man-hours are reduced as compared with the case of forming by press working. , the cost can be reduced.

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 protrusion 60b on the inner wall of the working gas flow path 671 (heat source gas flow path 672), the longitudinal vortex flow agitates and improves the heat transfer coefficient. By arranging a shaped member in the working gas channel 671 (heat source gas channel 672), the flow of the working gas (heat source gas) is disturbed and the heat transfer efficiency of the working gas (heat source gas) is improved. good. Similarly, a helical groove is provided in the working gas channel 671 (heat source gas channel 672) to disturb the flow of the working gas (heat source gas) and improve the heat transfer efficiency of the working gas (heat source gas). good too.

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 gas flow paths 671 and the heat source gas flow paths 672 are formed by partitioning them with the heat transfer fins 60a, but the present invention is not limited to this. For example, between a pair of heat transfer plates 60, 60, thin tubes extending in the axial direction may be arranged along opposing surfaces of the heat transfer plates 60, 60 to form the working gas flow path 671 and the heat source gas flow path 672. . The narrow tube is not limited to a circular tube, and may be a polygonal tube. By arranging the fine tubes between the pair of heat transfer plates 60 , 60 , the strength of the working gas flow path 671 or the heat source gas flow path 672 located in the heating section 67 can be improved.

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 heat transfer fins 60a and the plurality of heat transfer plates 60 of the heat exchanger 6 are formed by integral molding using metal additive manufacturing, but the present invention is not limited to this. For example, the plurality of heat transfer fins 60a and the plurality of heat transfer plates 60 may be formed by laminating pressed metal plates.

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)

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って、
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.
請求項1に記載の熱交換器において、
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.
請求項1または2に記載の熱交換器において、
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:
請求項1から3のいずれか1項に記載の熱交換器において、
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.
請求項1から4のいずれか1項に記載の熱交換器において、
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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