JP3879099B2 - スターリング機関用の熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スターリング機関の作動流体の熱を外部に放熱、あるいは外部から作動流体に熱を供給等するための熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高効率を発揮する機関としてスターリング機関が提案されている。このスターリング機関では、例えば外燃機関として利用する場合には、外部から熱を作動流体に供給するための熱交換器と、作動流体の熱の一部を外部に捨てるための熱交換器とが必要になる。また冷凍機として利用する場合には、外部から熱を吸熱するための熱交換器と、作動流体の熱の一部を外部に放熱するための熱交換器とが必要になる。
【０００３】
図６を参照しつつ、冷凍機として利用する公知のスターリング機関（以下「冷凍機」という。）の例と、この冷凍機に使用する熱交換器とについて説明する。さて冷凍機は、シリンダ１２０内に、パワーピストン１４０とディスプレッサ１３０とが挿入してあり、それぞれ所定の位相差をもって往復運動する。パワーピストン１４０は、シリンダ１２０の内径によって半径方向を支持されている。一方ディスプレッサ１３０の一端部には、ロッド１３１が形成してあり、パワーピストン１４０の内径に設けたシールと、シリンダ１２０の内径によって半径方向を支持されている。
【０００４】
シリンダ１２０の外周には、ディスプレッサ１３０の外側位置に、それぞれリング状の放熱用の熱交換器１０１と、吸熱用の熱交換器１０２と、これらを連結する蓄熱器１１０が、巻設してある。なお、パワーピストン１４０とディスプレッサ１３０との間の空間Ｂは、放熱用の熱交換器１０１と、蓄熱器１１０と、吸熱用の熱交換器１０２とを介して、このディスプレッサの右側の空間Ｃと連通している。
【０００５】
シリンダ１２０の外側には、パワーピストン１４０に対応する位置に、リニアモータ１６０が巻設してあり、このパワーピストンを往復駆動する。ディスプレッサ１３０に設けたロッド１３１の先端と、パーワーピストン１４０の端部とは、それぞれ円形バネ１５１，１５２によって軸方向を支持してある。そして上述した構成部品は、外側ケーシング１７１，１７２，１７３と、吸熱部１７４とで形成する容器に収納され、この容器内には作動流体であるヘリウムガスが密閉してある。
【０００６】
次にこの冷凍機の作用を概説する。先ずリニアモータ１６０によって、パワーピストン１４０が図中右方向に移動すると、このパワーピストンの右側の空間Ｂと、これに連通するディスプレッサ１３０の右側の空間Ｃとのヘリウムガスは、圧縮され温度が上昇するが、放熱用の熱交換器１０１で放熱するため、等温圧縮変化となる。次にディスプレッサ１３０の右側の空間Ｃのヘリウムガスは、圧縮されているため、ロッド１３１の断面積分だけ、パワーピストン１４０の左側の空間Ａのヘリウムガスの圧力より高くなる。したがって、この圧力差によって、ディスプレッサ１３０は、図中左方向に移動する。
【０００７】
ディスプレッサ１３０が図中左方向に移動すると、空間Ｂ内のヘリウムガスは、空間Ｃに押し出されるが、空間Ｂと空間Ｃとの容積の総和は一定のため、等容変化となる。そしてこのヘリウムガスの移動の際に、ヘリウムガスの熱量の一部が蓄熱器１１０に蓄熱される。
【０００８】
次にリニアモータ１６０によって、パワーピストン１４０が図中左方向に移動すると、空間Ｂと、これに連通する空間Ｃとのヘリウムガスは、膨張して温度が低下するが、吸熱用の熱交換器１０２で外部からの熱を吸収するため、等温膨張変化となる。次にディスプレッサ１３０の右側の空間Ｃのヘリウムガスは、膨張しているため、ロッド１３１の断面積分だけ、パワーピストン１４０の左側の空間Ａのヘリウムガスの圧力より低くなる。したがって、この圧力差によって、ディスプレッサ１３０は、図中右方向に移動する。
【０００９】
ディスプレッサ１３０が図中右方向に移動すると、空間Ｃ内のヘリウムガスは、空間Ｂに押し出されるが、空間Ｂと空間Ｃとの容積の総和は一定のため、等容変化となる。そしてこのヘリウムガスの移動の際に、蓄熱器１１０に蓄熱されている熱量の一部が、ヘリウムガスに回収される。
【００１０】
上述した圧縮膨張行程を繰り返すことによって、放熱用の熱交換器１０１で放熱しつつ、吸熱用の熱交換器１０２で外部からの熱を吸収し、冷凍機として作動する。なお吸熱用の熱交換器１０２の外周には、吸熱部１７４が密接して設けてあり、この吸熱部１７４を介して、外部を冷却する。また等容変化の際に、蓄熱器１１０に蓄熱されている熱量の一部を回収することによって、サイクル効率を大幅に向上させている。なお、ディスプレッサ１３０に設けたロッド１３１の先端と、パワーピストン１４０の端部とを、それぞれ円形バネ１５１，１５２によって軸方向を支持するのは、この円形バネによるこのディスプレッサ及びパワーピストンの共振を利用して、往復運動周期と相互の位相差を制御するためである。
【００１１】
さて上述したように、スターリング機関を冷凍機として使用する場合も、あるいは外燃機関として使用する場合も、いずれも放熱用と吸熱用の熱交換器が必要とされる。従来この熱交換器としては、図７に示すように、円筒形状をした外側ケーシング２０４と、内側ケーシング２０５との間に、薄板をヘリウムガスの通過方向と平行に波形に形成したフィン２０１，２０２を、密接挿入して構成していた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述した従来の熱交換器では、次の問題点があった。第１に、フィン２０１等は、外側ケーシング２０４の内周面と、波型の頂部において線で接触しているに過ぎないため、このフィンと外側ケーシングとの間の熱伝導性が低い。第２に、波形に形成したフィン２０１等を、外側ケーシング２０４と、内側ケーシング２０５との間に挿入した場合には、製作や組付け誤差によって、波形状の頂部が、必ずしもこの外側ケーシングの内周に密接しない部分が生じ、熱伝導性をさらに低下させる。そして第３に、フィン２０１等は、ヘリウムガスの通過方向と平行に配置してあるために、ヘリウムガスとの熱伝達率が低い。
【００１３】
したがって、従来の熱交換器の熱交換率は低くなり、熱交換量を増加するためには、この熱交換器の長さを増加させる必要があった。そして熱交換器の長さを増加させることは、スターリング機関のデッドスペースを増加させ、小型軽量化の妨げとなっていた。
【００１４】
そこで本発明の目的は、熱交換率が高く、かつ小型軽量で組み立てが容易な、スターリング機関用の熱交換器を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるスターリング機関用の熱交換器の第１の特徴は、スターリング機関のシリンダの外周に装着するものであって、リング状の形状を有しており、
筒形状を有する外側ケーシングと、この外側ケーシングの内周に密接挿入した入口板と複数の中間板と出口板とを備えていることにある。この入口板と複数の中間板と出口板とは、上記外側ケーシングの中心軸にそれぞれ直交して配置してある。またこの複数の中間板は、上記入口板と出口板との間で、それぞれ所定の軸方向空隙を隔てて配置してある。
【００１６】
上記入口板と複数の中間板と出口板とは、それぞれ同一の半径位置において、周方向に所定のピッチ間隔を隔てた開口孔を有している。そしてこの入口板と出口板との開口孔は、互いに半ピッチ間隔だけずらして配置してある。また入口板と出口板との開口孔のピッチ間隔は同一であり、この中間板の開口孔のピッチ間隔は、この入口板の開口孔のピッチ間隔の半分になっている。そしてこの中間板の開口孔は、一つ置きに、この入口板の開口孔の周方向位置と一致するように配置してある。
【００１７】
本発明によるスターリング機関用の熱交換器の第２の特徴は、前記特徴１に記載した複数の中間板の間に、この中間板と所定の軸方向間隔を隔てて少なくとも１の仕切板を備えていることにある。この仕切板は、前記出口板と同一の半径、及び周方向位置に開口孔を有している。またこの仕切板の開口孔は、前記入口板から見て、この入口板と順次半ピッチ間隔だけずらして配置されている。そして上記出口板の開口孔は、直前の仕切板の開口孔と、半ピッチ間隔だけずらして配置してある。
【００１８】
本発明によるスターリング機関用の熱交換器の第３の特徴は、前記特徴１〜２に記載した入口板と、中間板と、仕切板と、出口板との外周端は、それぞれ軸方向に延出する筒状のリム部を有していることにある。そしてこの入口板と中間板と仕切板と出口板とは、それぞれこのリム部の外周面が、前記外側ケーシングの内周面に密接するように挿入してある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１〜図３に示すスターリング機関用の熱交換器は、それぞれ銅板を円筒形状に成形した外側ケーシング４と、内側ケーシング５と、この外側ケーシングの内周とこの内側ケーシングの外周との間に密接挿入した、入口板１と、複数の中間板３と、出口板２とを備えている。なお入口板１と、中間板３と、出口板２とは、アルミ板から形成してある。入口板１と、中間板３と、出口板２とは、外側ケーシング４の中心軸にそれぞれ直交して配置してある。また複数の中間板３は、入口板１と出口板２との間で、それぞれ所定の軸方向空隙を隔てて配置してある。
【００２０】
入口板１と、出口板２と、中間板３とは、それぞれ同一半径位置において、周方向に所定のピッチ間隔を隔てた、開口孔１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｄ，３ａ〜３ｅを有している。なおこれらの開口孔１ａ等、２ａ等、３ａ等は、それぞれ同一の矩形形状に形成してある。入口板１と出口板２との開口孔１ａ等、２ａ等のピッチ間隔は同一である。そして入口板１と、出口板２との開口孔１ａ等、２ａ等は、互いに半ピッチ間隔だけずらして配置してある。また中間板３の開口孔３ａ等のピッチ間隔は、この入口板の開口孔のピッチ間隔の半分になっている。そして中間板３の開口孔３ａ等は、一つ置きに、入口板１の開口孔１ａ等の周方向位置と一致するように配置してある。
【００２１】
そして図３に示すように、入口板１と、出口板２と、中間板３外周端は、それぞれ軸方向に延出する筒状のリム部１ｒ，２ｒ，３ｒを有している。なおリム部１ｒ等は、オフセットやスピニング加工の他、入口板１等をプレスで打ち抜き成形する場合に生じるバリを、所定の軸方向長さに切りそろえて成形してもよい。すなわちこれらの加工方法によって、容易にリム部１ｒ等を同一の外周径に形成することができる。そして入口板１と、出口板２と、中間板３とは、それぞれリム部１ｒ等の外周面が、外側ケーシング４の内周面に密接するように挿入する。
【００２２】
したがって、入口板１と、中間板３と、出口板２とを、それぞれ順に外側ケーシング４の内周と、内側ケーシング５の外周との間に挿入するだけで、リム部１ｒ等の長さ分に相当する所定の軸方向間隔を、容易かつ正確に確保することができる。またリム部１ｒ等の外周は、外側ケーシング４の内周に密接挿入可能な形状に形成してあるため、これらのリム部の外周面は、この外側ケーシングの内周面と隙間を生じることなく、面で接触する。したがって、入口板１等と、外側ケーシング４の内周との熱伝導率が、大幅に向上する。
【００２３】
次に図４を参照しつつ、熱交換器内のガスの流れを説明する。入口板１の開口穴１ａ〜１ｃから流入した作動流体は、円周方向に同一位置にある中間板３の開口孔３ａ，３ｃ，３ｅを通過するが、出口板２の開口孔２ａ等とは、半ピッチだけ円周方向位置がずれているため、ここでせき止められる。したがって入口板１の開口孔１ａ〜１ｃから流入した作動流体は、そのまま中間板３の開口孔３ａ，３ｃ，３ｅを一直線には通過せず、その一部が、各中間板で円周方向に分かれ、隣接する開口孔３ｂ，３ｄ等に流入する。そして隣接する開口孔３ｂ，３ｄ等から流入した作動流体は、同一円周方向位置に開口する、中間板３の開口孔３ｂ，３ｄと、出口板２の開口孔２ｂ，２ｃを通過して流出する。なお、出口板２から作動流体が流入する場合も、同様な流れになる。
【００２４】
作動流体の流れをこのように構成することにより、圧力損失の増加を抑えつつ、熱伝達率を大幅に向上させることができる。すなわち入口板１、中間板３及び出口板２の全ての開口孔を、すべて同一ピッチに配列すると、ほとんどの作動流体は、一直線にこれらの開口孔を通過するため、圧力損失は少ない。しかし、それぞれの中間板３において、円周方向の偏流部分が少ないため、これらの中間板の側面上での熱伝達量は少なくなる。一方、入口板１、中間板３及び出口板２の全ての開口孔のピッチをずらして配置すると、それぞれの中間板３において、円周方向の偏流部分が多くなるため、これらの中間板の側面上での熱伝達量は多くなる。しかし、作動流体が通過する際の圧力損失が過剰になり、スターリング機関のサイクル効率を低下させる。
【００２５】
したがって、入口板１の開口孔１ａ等から流入した作動流体の流れを、出口板２だけでせき止め、これによって各中間板３において、円周方向への偏流を増加させる。そしてこの偏流を、それぞれ同一ピッチ上に配置した、中間板の隣接する開口孔３ｂ等と、出口板２の開口孔２ｂ等とから流出させることにより、圧力損失の増加を抑えつつ、熱伝達率を大幅に向上させることができる。
【００２６】
また発明をこのように構成することにより、入口板１及び出口板２と、中間板３との２種類の伝熱フィンで足りるため、製造コストの増加を抑えることができる。さらに、入口板１と、中間板３と、出口板２との円周方向の位置決めを、極めて容易に行うことができる。すなわち入口板１の開口孔１ａから、例えば真直棒を、軸方向に一致するように差し込み、この真直棒に、順次中間板３の開口孔３ａを差し込んでいくだけで、この入口板と中間板の円周方向位置を正確に設定することができる。また、中間板３の隣接する開口孔３ｂに差し込んだ真直棒に、出口板２の開口孔２ｂを差し込むだけで、この出口板の円周方向位置を正確に設定することができる。一方入口板１と、中間板３と、出口板２との半径方向位置が、それぞれ異なる場合には、それぞれの開口孔の円周方向位置を正確に設定するためには、多大な組み立て工数や、複雑な組み立て冶具等が必要になる。
【００２７】
図５は、複数の中間板１３の間に仕切板１６を配置する構成と、この構成における作動流体の流れを示している。仕切板１６は、上述した出口板２と同一の形状を有しており、入口板１１の開口孔１１ａ等と、円周方向に半ピッチだけずらして配置してある。したがって、入口板１１と、仕切板１６と、これらの間にある中間板１３との相対位置関係は、上述した熱交換器と同一になっている。また、仕切板１６の後流側の構成は、この仕切板を入口板として、それぞれ上述したものと同様に、中間板１３と、出口板１２とを配置した構成になっている。すなわち、この仕切板１６を配置する構成は、上述した熱交換器を、複数個直列配置した構成になっている。
【００２８】
このように発明を構成することにより、各中間板１３における円周方向の偏流を増加させ、この中間板の面上での熱伝達量を増加させることができる。なお、仕切板１６を挿入したことによる圧力損失の増加を防止するためには、開口孔の面積を増加させればよい。
【００２９】
なお、入口板１、中間板３、出口板２、仕切板１６の、それぞれの開口孔１ａ，３ａ，２ａ，１６ａ等は、矩形形状に限らず、円形等その他の形状でもよい。また、入口板１、中間板３、出口板２、仕切板１６の材質は、アルミ材に限らず、その他熱伝導性の良い銅やステンレス材であってもよい。外側ケーシング４及び、内側ケーシング５も、銅材に限らず、その他アルミ材等を使用しても良い。但し、スターリング機関を外燃機関として使用する場合には、熱交換器の素材は、耐熱性の金属素材を使用する。
【００３０】
【発明の効果】
第１に、圧力損失の増加を抑制しつつ、伝熱面積を増加させることができるので、熱交換率を大幅に向上させることができる。このため、熱交換器の小型・軽量化を図ることができ、ひいてはスターリング機関の小型化を図ることができる。第２に、部品点数を少なくできるので、製造コストの低減化を図ることができる。第３に、出入口板と中間板との軸方向及び円周方向位置を、正確かつ容易に設定することができるので、組み立てコストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱交換器の横断面図である。
【図２】 熱交換器の構成部品図である。
【図３】 熱交換器の一部拡大断面図である。
【図４】 熱交換器内の作動流体の流れを示す説明図である。
【図５】 他の熱交換器内の作動流体の流れを示す説明図である。
【図６】 冷凍機として利用するスターリング機関の断面図である。
【図７】 従来例による熱交換器の構成図である。
【符号の説明】
１，１１ 入口板
１ａ，１ｂ，１ｃ 開口孔
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 開口孔
２，１２ 出口板
２ａ，２ｂ，２ｃ 開口孔
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 開口孔
３，１３ 中間板
３ａ，３ｂ，３ｃ 開口孔
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ 開口孔
４ 外側ケーシング
５ 内側ケーシング
１６ 仕切板
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 開口孔
７４，１７４ 吸熱部

Claims (4)

1. スターリング機関のシリンダの外周に装着するものであって、リング状の形状を有し、
   筒形状を有する外側ケーシングとこの外側ケーシングの内周に密接挿入した入口板と複数の中間板と出口板とを備え、
   上記入口板と上記複数の中間板と上記出口板とは、上記外側ケーシングの中心軸にそれぞれ直交して配置してあり、
   上記複数の中間板は、上記入口板と上記出口板との間にそれぞれ所定の軸方向空隙を隔てて配置してあり、
   上記入口板と上記中間板と上記出口板とは、それぞれ同一の半径位置において、周方向に所定のピッチ間隔を隔てた開口孔を有しており、
   上記入口板と上記出口板との開口孔のピッチ間隔は同一であり、
   上記入口板と上記出口板との開口孔は、互いに半ピッチ間隔だけずらして配置してあり、
   上記中間板の開口孔のピッチ間隔は、上記入口板の開口孔のピッチ間隔の半分になっており、
   上記中間板の開口孔は、一つ置きに上記入口板の開口孔の周方向位置と一致するように配置してある
   ことを特徴とするスターリング機関用の熱交換器。
2. それぞれ筒形状を有する外側ケーシングと内側ケーシングと、この外側ケーシングの内周とこの内側ケーシングの外周との間に密接挿入した入口板と複数の中間板と出口板とを備え、
   上記入口板と上記複数の中間板と上記出口板とは、上記外側ケーシングの中心軸にそれぞれ直交して配置してあり、
   上記複数の中間板は、上記入口板と上記出口板との間にそれぞれ所定の軸方向空隙を隔てて配置してあり、
   上記入口板と上記中間板と上記出口板とは、それぞれ同一の半径位置において、周方向に所定のピッチ間隔を隔てた開口孔を有しており、
   上記入口板と上記出口板との開口孔のピッチ間隔は同一であり、
   上記入口板と上記出口板との開口孔は、互いに半ピッチ間隔だけずらして配置してあり、
   上記中間板の開口孔のピッチ間隔は、上記入口板の開口孔のピッチ間隔の半分になっており、
   上記中間板の開口孔は、一つ置きに上記入口板の開口孔の周方向位置と一致するように配置してある
   ことを特徴とするスターリング機関用の熱交換器。
3. 請求項１または２のいずれかにおいて、前記複数の中間板の間に、この中間板と所定の軸方向間隔を隔てて少なくとも１の仕切板を備えており、
   上記仕切板は、前記出口板と同一の半径及び周方向位置に開口孔を有しており、
   上記仕切板の開口孔は、前記入口板から見て、この入口板と順次半ピッチ間隔だけずらして配置され、
   上記出口板の開口孔は、直前の上記仕切板の開口孔と半ピッチ間隔だけずらして配置してある
   ことを特徴とするスターリング機関用の熱交換器。
4. 請求項１〜３のいずれかの１において、前記入口板と中間板と仕切板と出口板との外周端は、それぞれ軸方向に延出する筒状のリム部を有しており、
   上記入口板と中間板と仕切板と出口板とは、それぞれ上記リム部の外周面が前記外側ケーシングの内周面に密接するように挿入してある
   ことを特徴とするスターリング機関用の熱交換器。

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