JP5470946B2 - スターリングエンジンの熱交換器 - Google Patents

Description

本発明はスターリングエンジンの熱交換器に関し、特に２気筒α型のスターリングエンジンで２つの気筒同士を連通し、当該スターリングエンジンの動作流体を流通させる複数の配管を備えたスターリングエンジンのピストンの熱交換器に関する。

近年、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱や工場排熱を回収するために、理論熱効率に優れたスターリングエンジンが注目されてきている。スターリングエンジンは高い熱効率が期待できる上に、作動流体を外から加熱する外燃機関であるために、熱源を問わず、ソーラー、地熱、排熱といった各種の低温度差代替エネルギーを活用でき、省エネルギーに役立つという利点がある。スターリングエンジンを用いて内燃機関等の排熱を回収しようとする場合、摺動部の摩擦をできる限り低減して、排熱の回収効率を向上させる必要がある。これに対して、例えば特許文献１や２では、ピストンとシリンダとの間に気体軸受を形成して両者の摩擦を低減するとともに、グラスホッパの機構を用いた近似直線機構でピストンを支持するスターリングエンジンが開示されている。

また、スターリングエンジンの熱交換器にフィンを設けている点で本発明と関連性があると考えられる技術が、例えば特許文献３または４で開示されている。
特許文献３では、例えば当該文献の図１に示すように、供給された作動ガスを加熱する複数のヒータチューブの外周壁に同一ピッチでフィンを設けた加熱器が開示されている。
特許文献４では、例えば当該文献の図２０に示すように、複数の伝熱管に対して、気筒延伸方向に突出するとともに、伝熱管に沿って延伸するフィンを設けた加熱器が開示されている。

特開２００５−１０６００９号公報 特開２００５−１０６００８号公報 特開平１０−２３８４０５号公報 特開２００５−１８０３５８号公報

高温熱源と熱交換を行う熱交換器にフィンを設けることで、より大きな伝熱面積を確保することができる。ところが、かかる熱交換器にフィンを一体成型する場合、フィンによって熱交換器の剛性が高まることが懸念される。この点、熱交換器の剛性が高まると、熱交換器で熱歪が発生した際にスターリングエンジンに悪影響を及ぼす虞がある。具体的には例えば気体潤滑を行うスターリングエンジンでは、シリンダ・ピストン間のクリアランスが数十μm程度の微小クリアランスとなっている。このため、剛性の高い熱交換器では、熱歪の影響が当該微小クリアランスにまで及び、この結果、適正なクリアランス精度を維持できなくなる虞がある点で問題があった。

そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、剛性が高まることを抑制でき、さらにはスターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の配管に対して、コスト的に有利なフィンの一体成型を可能にするスターリングエンジンの熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明のスターリングエンジンの熱交換器は、高温熱源を構成する流体の流通方向に対して、クランク軸線の延伸方向が交差するように配置される２気筒α型のスターリングエンジンで、２つの気筒同士を連通し、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の配管を備えるスターリングエンジンの熱交換器において、各々の前記配管は、前記流通方向と垂直な平面に沿って互いに平行に延び、前記流通方向が、前記クランク軸線の延伸方向と直交する方向であるとした場合に、前記流通方向および各々の前記配管が延びる方向で構成される平面に沿って延びるように、前記複数の配管のうち、前記流通方向に沿って隣接する配管同士を接続する第１のフィンと、前記流通方向が、前記クランク軸線の延伸方向と直交する方向であるとした場合に、前記複数の配管のうち、前記第１のフィンが設けられた配管同士に対して、前記流通方向に平行で前記第１のフィンが延びる平面に対して垂直な平面に沿って突出するように設けられた第２のフィンとを備え、前記複数の配管が、前記複数の配管のうち前記流通方向に沿って隣接する配管同士の集合である隣接伝熱管群を複数有しており、前記第２のフィンが前記隣接伝熱管群それぞれを互いに接続しないように設けられている。

本発明によれば、剛性が高まることを抑制でき、さらにはスターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の配管に対して、コスト的に有利なフィンの一体成型を可能にすることができる。

加熱器４７Ａを備えたスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。 スターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。 排気ガスの流通方向Ｖ１とともにスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。 加熱器４７Ａの具体的な構成を模式的に示す図である。 図４に示すＡ−Ａ断面で加熱器４７Ａを模式的に示す図である。 図４に示すＡ−Ａ断面と同様の断面で、加熱器４７Ｂを模式的に示す図である。 加熱器４７Ｃを模式的に示す図である。 図７に示すＢ−Ｂ断面で加熱器４７Ｃを模式的に示す図である。 加熱器４７Ｄを備えたスターリングエンジン１０Ｄを模式的に示す図である。 図９に示すＣ−Ｃ断面で加熱器４７Ｄを模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は本実施例にかかるスターリングエンジンの熱交換器である加熱器４７Ａを備えたスターリングエンジン１０Ａを模式的に示す図である。スターリングエンジン１０Ａは、２気筒α型のスターリングエンジンである。スターリングエンジン１０Ａは、クランク軸線ＣＬの延伸方向と気筒配列方向Ｘとが互いに平行になるように直列並行に配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を有している。高温側気筒２０は膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２とをそれぞれ備えている。圧縮ピストン３１は、膨張ピストン２１に対して、クランク角で９０°程度遅れて動くように位相差が設けられている。

高温側シリンダ２２の上部空間は膨張空間となっている。膨張空間には加熱器４７Ａで加熱された作動流体が流入する。加熱器４７Ａは本実施例では具体的には車両に搭載されたガソリンエンジンの排気管１００の内部に配置されている。そして、作動流体は高温熱源を構成する流体である排気ガスから回収した熱エネルギーにより加熱される。
低温側シリンダ３２の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５で冷却された作動流体が流入する。
再生器４６は、膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には、作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。
作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ_２、Ｎ_２等の気体を適用することができる。

次にスターリングエンジン１０Ａの動作について説明する。加熱器４７Ａで作動流体が加熱されると、膨張して膨張ピストン２１が圧下され、これにより駆動軸（クランクシャフト）１１３の回動が行われる。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７Ａを通過して再生器４６に移送され、そこで熱を放出して冷却器４５へと流れる。冷却器４５で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１の上昇行程に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７Ａへ流れ込み、そこで再び加熱膨張せしめられる。すなわち、かかる作動流体の往復流動を通じてスターリングエンジン１０Ａが動作する。

ところで、本実施例ではスターリングエンジン１０Ａの熱源が車両の内燃機関の排気ガスとなっていることから、得られる熱量に制約があり、その得られる熱量の範囲でスターリングエンジン１０Ａを作動させる必要がある。そこで本実施例では、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを可能な限り低減させることとしている。具体的にはスターリングエンジン１０Ａの内部フリクションのうち、最も摩擦損失が大きいピストンリングによる摩擦損失を無くすため、シリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間で気体潤滑を行っている。

気体潤滑ではシリンダ２２、３２とピストン２１、３１の間の微小なクリアランスで発生する空気の圧力（分布）を利用して，ピストン２１、３１を空中に浮いた形にする。気体潤滑は摺動抵抗が極めて小さいため、スターリングエンジン１０Ａの内部フリクションを大幅に低減させることができる。空中に物体を浮上させる気体潤滑には、具体的には例えば加圧流体を噴出させ、発生した静圧によって物体を浮上させる静圧気体潤滑を適用することができる。但しこれに限られず、気体潤滑は例えば動圧気体潤滑であってもよい。

気体潤滑が行われるシリンダ２２、３２とピストン２１、３１との間のクリアランスは数十μmとなっている。そして、このクリアランスにはスターリングエンジン１０Ａの作動流体が介在している。ピストン２１、３１それぞれは、気体潤滑によりシリンダ２２、３２と非接触の状態、または許容できる接触状態で支持されている。したがってピストン２１、３１の周囲には、ピストンリングは設けられておらず、また一般にピストンリングと共に使用される潤滑油も使用されていない。気体潤滑では、微小クリアランスにより膨張空間、圧縮空間それぞれの気密が保たれ、リングレスかつオイルレスでクリアランスシールが行われる。

さらにピストン２１、３１とシリンダ２２、３２とはともに金属製であり、本実施例では具体的には対応するピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２同士で線膨張率が同じ金属（ここではＳＵＳ）が適用されている。これにより、熱膨張があっても適正なクリアランスを維持して気体潤滑を行うことができる。

ところで気体潤滑の場合、負荷能力が小さいことから、ピストン２１、３１のサイドフォースを実質的にゼロにしなくてはならない。すなわち、気体潤滑を行う場合にはシリンダ２２、３２の直径方向（横方向，スラスト方向）の力に耐える能力（耐圧能力）が低くなるため、シリンダ２２、３２の軸線に対するピストン２１、３１の直線運動精度が高い必要がある。

このため、本実施例ではピストン・クランク部にグラスホッパの機構５０を採用している。直線運動を実現する機構にはグラスホッパの機構５０のほか例えばワットの機構があるが、グラスホッパの機構５０は他の機構に比べて、同じ直線運動精度を得るために必要な機構のサイズが小さくて済むため、装置全体がコンパクトになるという効果が得られる。特に本実施例のスターリングエンジン１０Ａは、自動車の床下といった限られたスペースに設置されることになるため、装置全体がコンパクトである方が設置の自由度が増す。またグラスホッパの機構５０は、同じ直線運動精度を得るために必要な機構の重量が他の機構よりも軽量で済むため、燃費の点で有利である。さらにグラスホッパの機構５０は機構の構成が比較的簡単であるため、構成（製造・組み立て）し易いという利点も有する。

図２はスターリングエンジン１０Ａのピストン・クランク部の概略構成を模式的に示す図である。なお、ピストン・クランク部には高温側気筒２０側と低温側気筒３０側とで共通の構成を採用しているため、以下では、高温側気筒２０側についてのみ説明し、低温側気筒３０側についての説明は省略する。近似直線機構は、グラスホッパの機構５０と、コネクティングロッド１１０と、エクステンションロッド１１１と、ピストンピン１１２とを備えている。膨張ピストン２１は、コネクティングロッド１１０、エクステンションロッド１１１およびピストンピン１１２を介して駆動軸１１３に接続されている。具体的には、膨張ピストン２１はピストンピン１１２を介してエクステンションロッド１１１の一端側に接続されている。そして、エクステンションロッド１１１の他端側にはコネクティングロッド１１０の小端部１１０ａが接続されている。そして、コネクティングロッド１１０の大端部１１０ｂが駆動軸１１３に接続されている。

膨張ピストン２１の往復運動は、コネクティングロッド１１０によって駆動軸１１３に伝達され、ここで回転運動に変換される。コネクティングロッド１１０はグラスホッパの機構５０によって支持されており、膨張ピストン２１を直線状に往復運動させる。このように、コネクティングロッド１１０をグラスホッパの機構５０によって支持することにより、膨張ピストン２１のサイドフォースＦがほとんどゼロになる。このため、負荷能力の小さい気体潤滑を行う場合でも十分に膨張ピストン２１を支持することができる。

スターリングエンジン１０Ａは、排気ガスの流通方向Ｖ１に対して、クランク軸線ＣＬの延伸方向（換言すれば気筒配列方向Ｘ）が交差するように配置されている。この点、図３に示すスターリングエンジン１０Ａにおいて、排気ガスは具体的には紙面奥から手前に向かって垂直に流通するようになっている。そして、これに対してスターリングエンジン１０Ａは、具体的には排気ガスの流通方向Ｖ１に対してクランク軸線ＣＬの延伸方向が直交するように配置されている。

この点、後述するように複数の伝熱管７１Ａと第１のフィン７２Ａとを備える加熱器４７Ａとの関係上、スターリングエンジン１０Ａはさらに具体的には図３に示すように、排気ガスの流通方向Ｖ１と、クランク軸線ＣＬの延伸方向および気筒延伸方向Ｙに直交する方向とが平行になる（一致する）ように配置されることが理想的で最も好ましい。なお、このようにスターリングエンジン１０Ａを配置したことに伴い、以下では、排気ガスの流通方向Ｖ１がクランク軸線ＣＬの延伸方向および気筒延伸方向Ｙに直交する方向であるとした場合について説明する。

次に加熱器４７Ａについて図４および図５を用いてさらに具体的に説明する。図４に示すように、加熱器４７Ａは具体的には中間部が直線状に形成された概ねＵ字形の形状を有している。加熱器４７Ａを概ねＵ字形の形状に形成している理由は次の通りである。
ここで、冷却器４５、再生器４６および加熱器４７Ａからなる熱交換器構成体のスペースは、出力に直接的には関与しない無効容積となっている。そして無効容積が増えると、スターリングエンジン１０Ａの出力は減少する。このためスターリングエンジン１０Ａでは、必要な熱交換能力が得られる範囲内で熱交換器構成体をコンパクトにすることが望まれる。
一方、熱交換器構成体をコンパクトにすると熱交換が困難になる。そしてこの結果、受熱量が減少する場合にもスターリングエンジン１０Ａの出力が減少する。
したがって、無効容積の減少と受熱量の増加とを両立させるためには、熱交換器構成体の効率を上げる必要がある。そしてそのためには、加熱器４７Ａが効率的に受熱する必要がある。

この点、熱交換器構成体が湾曲形状を有している場合、湾曲部の数が多いほど流路抵抗は大きくなる。また、湾曲部のカーブが小さいほど流路抵抗は大きくなる。したがって作動流体の圧力損失の観点からは、熱交換器構成体が備える湾曲部の数は１つであり、且つそのカーブが大きい方が望ましい。
また、排気管１００の内部のような限られた空間内で加熱器４７Ａが効率的に受熱するためには、加熱器４７Ａにおいて、排気ガスとの接触面積である伝熱面積を大きく確保することが望ましい。
そしてこれらのことから加熱器４７Ａは、その全体が過不足なく受熱空間内に収容されることで、最大限の伝熱面積の確保が可能となるように形成されるとともに、流路抵抗が最小となる形状に形成されることが最も望ましい。

これに対しスターリングエンジン１０Ａでは、加熱器４７Ａを含む熱交換器構成体が概ねＵ字形、或いはより正確には概ねＪ字形に形成された湾曲形状を有している。そして、これに応じてスターリングエンジン１０Ａでは、熱交換器構成体の湾曲部の数が２つとなっている。また湾曲部それぞれのカーブは、加熱器４７Ａを排気管１００内に収容可能な範囲内で可能な限り大きく設定されている。このため加熱器４７Ａは、その全体が過不足なく排気管１００に収容されるとともに、その流路抵抗が例えばより多くの湾曲部を備えた場合や屈曲部を備えた場合と比較して小さくなっている。スターリングエンジン１０Ａでは、以上のような理由により加熱器４７Ａを概ねＵ字形の形状に形成している。なお、例えば図１に概略的に示すように熱交換器構成体の湾曲部の数を１つにすることも可能である。

図４および図５に示すように、加熱器４７Ａは具体的には多管式熱交換器（shell and tube exchanger, tubular exchanger）となっている。加熱器４７Ａは、複数の配管に相当する複数の円筒状の伝熱管７１Ａと、第１のフィン７２Ａとを備えている。各伝熱管７１Ａは、全体として概ねＵ字形の形状になる１つの伝熱管群を構成するようにそれぞれ概ねＵ字形の形状に形成されている。

各伝熱管７１Ａはクランク軸線ＣＬの延伸方向（換言すれば、気筒配列方向Ｘ）および気筒延伸方向Ｙと平行になるように設けられている。各伝熱管７１Ａは、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って列をなすとともに、伝熱管群の延伸方向Ｒと排気ガスの流通方向Ｖ１とに直交する方向Ｖ２に沿って列をなすように設けられている。各伝熱管７１Ａは、その一端部が高温側シリンダ２２の上部に接続され、その他端部が再生器４６に接続されている（図１参照）。このように接続された各伝熱管７１Ａは、高温側気筒２０と低温側気筒３０の２つの気筒同士（より具体的には膨張空間と圧縮空間）を連通し、スターリングエンジン１０Ａの動作流体を流通させる。各伝熱管７１Ａの流路断面積は互いに略同一となっている。

第１のフィン７２Ａは、各伝熱管７１Ａそれぞれに対して設けられている。
第１のフィン７２Ａは、プレス加工により各伝熱管７１Ａそれぞれと一体成型されている。第１のフィン７２Ａは各伝熱管７１Ａのうち、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って隣接する伝熱管７１Ａそれぞれの間の部分に設けられている。
また第１のフィン７２Ａは、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って隣接する伝熱管７１Ａ同士の集合である隣接伝熱管群Ｇそれぞれの両端を構成する伝熱管７１Ａ各々の外側の部分にも設けられている。

第１のフィン７２Ａは、排気ガスの流通方向Ｖ１と平行になるように設けられている。具体的には第１のフィン７２Ａは、対応する伝熱管７１Ａそれぞれの延伸方向Ｒに沿って延伸するとともに、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って突出するように設けられている。そして、第１のフィン７２Ａはさらに具体的には各隣接伝熱管群Ｇそれぞれを構成する伝熱管７１Ａ同士を互いに接続しないように所定の長さだけ、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って突出するよう設けられている。
第１のフィン７２Ａは、各伝熱管７１Ａそれぞれの全長に亘って設けられている。

次に加熱器４７Ａの作用効果について説明する。加熱器４７Ａでは、各隣接伝熱管群Ｇそれぞれを構成する伝熱管７１Ａそれぞれの間の部分に第１のフィン７２Ａを備えたことで、各伝熱管７１Ａのみを備えた場合と比較して伝熱面積が増加している。また第１のフィン７２Ａを各伝熱管７１Ａそれぞれの全長に亘って設けたことで、伝熱面積が大幅に増加している。さらに各隣接伝熱管群Ｇそれぞれの両端を構成する伝熱管７１Ａ各々の外側の部分にも第１のフィン７２Ａを設けたことで、伝熱面積が増加している。そしてこれらにより、加熱器４７Ａでは受熱の効率を大幅に高めることができる。
また加熱器４７Ａでは、排気ガスの流通方向Ｖ１と平行になるように第１のフィン７２Ａを設けている。したがって、流通する排気ガスは第１のフィン７２Ａに沿って一様に、且つスムースに流通することができる。このため、加熱器４７Ａではこれによっても受熱の効率を高めることができる。

一方、高温の排気ガスに曝される加熱器４７Ａには熱歪が発生する。これに対して加熱器４７Ａでは、各伝熱管７１Ａそれぞれにつき、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って突出するように第１のフィン７２Ａを設けている。このため加熱器４７Ａでは、第１のフィン７２Ａが気筒配列方向Ｘに大幅に剛性を高める補強部材のように機能することがない。

このためこれにより、加熱器４７Ａでは第１のフィン７２Ａを設けても剛性が高まることを抑制できる。そしてこれにより、加熱器４７Ａでは熱歪による変形の影響を加熱器４７Ａのみに留めるようにすることができる。したがって加熱器４７Ａによれば、熱歪による悪影響がピストン２１、３１およびシリンダ２２、３２間の微小クリアランスに及ぶことを抑制でき、以って当該微小クリアランスの適正なクリアランス精度を維持することができる。

なお、仮に例えば各伝熱管７１Ａそれぞれにつき、排気ガスの流通方向Ｖ１と直交する方向に突出するようにフィンを設けた場合には、フィンが補強部材のように機能し、この結果、気筒配列方向Ｘの剛性が大幅に高まってしまうことになる。

本実施例に係る加熱器４７Ｂについて、図６を用いて説明する。加熱器４７Ｂは例えば加熱器４７Ａの代わりにスターリングエンジン１０Ａに適用することができる。加熱器４７Ｂは第１のフィン７２Ａの代わりに、第１のフィン７２Ｂを備えている点以外、加熱器４７Ａと実質的に同一のものとなっている。
第１のフィン７２Ｂは、各伝熱管７１Ａが構成する伝熱管群に対して設けられている。具体的には第１のフィン７２Ｂは、各隣接伝熱管群Ｇそれぞれに対して設けられている。第１のフィン７２Ｂは排気ガスの流通方向Ｖ１と平行になるように設けられている。具体的には第１のフィン７２Ｂは、対応する隣接伝熱管群Ｇそれぞれの延伸方向Ｒ（図６において図示省略）に沿って延伸するとともに、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って設けられている。

また排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って設けられた第１のフィン７２Ｂは、具体的には各隣接伝熱管群Ｇそれぞれにおいて、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って隣接する伝熱管７１Ａ同士を互いに接続するように設けられている。また、第１のフィン７２Ｂは各隣接伝熱管群Ｇそれぞれの両端を構成する伝熱管７１Ａ各々の外側の部分にも、第１のフィン７２Ａと同様に所定の長さだけ突出するように設けられている。第１のフィン７２Ｂは各伝熱管７１Ａそれぞれの全長に亘って設けられている。

次に加熱器４７Ｂの作用効果について説明する。加熱器４７Ｂでは、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って隣接する伝熱管７１Ａ同士を互いに接続するように第１のフィン７２Ｂを設けている。このため加熱器４７Ｂでは、加熱器４７Ａと比較してさらに伝熱面積が増加している。また加熱器４７Ｂでは、上述のように第１のフィン７２Ｂを設けたため、気筒配列方向Ｘの剛性が大幅に高まることはない。このため加熱器４７Ｂでは、これにより剛性が高まることを抑制しつつ、加熱器４７Ａと比較してさらに受熱の効率を高めることができる。

また加熱器４７Ｂでは、各隣接伝熱管群Ｇにつき、隣接する伝熱管７１Ａ同士を互いに接続するように、各隣接伝熱管群Ｇそれぞれの延伸方向Ｒおよび排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って第１のフィン７２Ｂを設けている。そしてこのように第１のフィン７２Ｂを設けるにあたっては、例えばある１つの隣接伝熱管群Ｇと第１のフィン７２Ｂとをまず平面状に展開した状態でプレス成型によって一体成型した後に、概ねＵ字形の形状に変形することができる。すなわち加熱器４７Ｂでは、加熱器４７Ａと比較してさらに第１のフィン７２Ｂを設けた各隣接伝熱管群Ｇそれぞれを１つのユニットとして一体成型することが可能になる。このため加熱器４７Ｂは、加熱器４７Ａと比較してさらにコスト的に有利なフィンの一体成型を可能にすることができる。

本実施例に係る加熱器４７Ｃについて、図７および図８を用いて説明する。加熱器４７Ｃは例えば加熱器４７Ａの代わりにスターリングエンジン１０Ａに適用することができる。加熱器４７Ｃは、第２のフィン７３をさらに備えている点以外、加熱器４７Ｂと実質的に同一のものとなっている。
第２のフィン７３は、各伝熱管７１Ａが構成する伝熱管群に対して設けられている。具体的には第２のフィン７３は、各隣接伝熱管群Ｇそれぞれに対して設けられている。第２のフィン７３は、各隣接伝熱管群Ｇそれぞれの間の部分に設けられている。また第２のフィン７３は、各隣接伝熱管群Ｇのうち、両端に位置する隣接伝熱管群Ｇそれぞれの外側の部分にも設けられている。

第２のフィン７３は、排気ガスの流通方向Ｖ１と平行になるように設けられている。具体的には第２のフィン７３は、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って延伸するとともに、対応する隣接伝熱管群Ｇそれぞれを構成する伝熱管４７Ａ同士を互いに接続するように設けられている。
また、第２のフィン７３は対応する隣接伝熱管群Ｇそれぞれの延伸方向Ｒと排気ガスの流通方向Ｖ１とに直交する方向Ｖ２に沿って突出するように設けられている。具体的には第２のフィン７３は、各隣接伝熱管群Ｇそれぞれを互いに接続しないように所定の長さだけ、方向Ｖ２に沿って突出するように設けられている。

また、第２のフィン７３は、伝熱管群の延伸方向Ｒが同一の位置において、各隣接伝熱管群Ｇに対して方向Ｖ２に沿って１つ置きに設けられている。そして、伝熱管群の延伸方向Ｒにおいて隣接する第２のフィン７３同士は、互いに異なる隣接伝熱管群Ｇに対してそれぞれ設けられている。伝熱管群の延伸方向Ｒにおける第２のフィン７３のピッチは一定ではなく、適宜設定されている。
さらに、第２のフィン７３は対応する隣接伝熱管群Ｇそれぞれの全長に対して部分的に設けられている。具体的には第２のフィン７３は、対応する隣接伝熱管群Ｇそれぞれのうち、加熱器４７Ｃの中間部に対応する直線状に形成された中間部のみに設けられている。

次に加熱器４７Ｃの作用効果について説明する。加熱器４７Ｃでは、第１のフィン７２Ｂに加えて、さらに第２のフィン７３を各隣接伝熱管群Ｇそれぞれの間の部分に設けている。また加熱器４７Ｃでは、各隣接伝熱管群Ｇのうち、両端に位置する隣接伝熱管群Ｇそれぞれの外側の部分にも第２のフィン７３を設けている。さらに加熱器４７Ｃでは、対応する隣接伝熱管群Ｇそれぞれを構成する伝熱管７１Ａ同士を互いに接続するように第２のフィン７３を設けている。このため加熱器４７Ｃでは、加熱器４７Ｂと比較してさらに伝熱面積が増加している。

一方、加熱器４７Ｃでも加熱器４７Ａと同様に、湾曲した各伝熱管７１Ａが熱歪により真っ直ぐになるように変形しようとする。これに対して加熱器４７Ｃでは、排気ガスの流通方向Ｖ１に沿って延伸するとともに方向Ｖ２に沿って突出するように第２のフィン７３を設けている。また加熱器４７Ｃでは、各隣接伝熱管群Ｇを互いに接続しないように第２のフィン７３を設けている。さらに加熱器４７Ｃでは、各伝熱管７１Ａの全長に対して部分的に第２のフィン７３を設けている。このため加熱器４７Ｃでは、上述のような態様の変形に対して剛性が大幅に高まることはない。したがって加熱器４７Ｃでは、これにより剛性が高まることを抑制しつつ、加熱器４７Ｂと比較してさらに受熱の効率を高めることができる。

また加熱器４７Ｃでは、各伝熱管７１Ａそれぞれの中間部のみに第２のフィン７３を設けている。このため加熱器４７Ｃでは、例えばある１つの隣接伝熱管群Ｇと、第１および第２のフィン７２Ｂ、７３とをまず平面状に展開した状態でプレス成型により一体成型するとともに、さらにその後、容易に概ねＵ字形の形状に変形することができる。すなわち加熱器４７Ｃでは、各隣接伝熱管群Ｇそれぞれを第１および第２のフィン７２Ｂ、７３とともに１つのユニットとして一体成型することが可能になる。このため加熱器４７Ｃは、加熱器４７Ｂと比較してさらに受熱効率を高めつつも、コスト的に有利なフィンの一体成型を可能にすることができる。

本実施例に係る加熱器４７Ｄについて図９および図１０を用いて説明する。図９に示すスターリングエンジン１０Ｄは、加熱器４７Ａの代わりに加熱器４７Ｄを備えている点以外、スターリングエンジン１０Ａと実質的に同一のものとなっている。加熱器４７Ｄは、複数の伝熱管７１Ａの代わりに複数の伝熱管７１Ｂを備えている点以外、加熱器４７Ａと実質的に同一のものとなっている。なお、例えば実施例２または３で前述した加熱器４７Ｂ、４７Ｃに対して、各伝熱管７１Ａの代わりに各伝熱管７１Ｂを適用することも可能である。

各伝熱管７１Ｂは次に示すように動作流体の流路断面積が設定されている点以外、各伝熱管７１Ａと実質的に同一のものとなっている。図１０に示すように、各伝熱管７１Ｂそれぞれの流路断面積は、概ねＵ字形に形成された伝熱管群の内側から外側に向かって次第に大きくなるように設定されている。また各伝熱管７１Ｂそれぞれの流路断面積は、排気ガスの流通方向Ｖ１において、上流側から下流側に向かって次第に小さくなるように設定されている。

次に加熱器４７Ｄの作用効果について説明する。一般に、伝熱管の流路断面積が互いに等しい場合、動作流体が排気ガスと熱伝達を行う時間は、伝熱管の流路長によって異なってくる。このため、流路断面積が互いに等しく、且つ流路長が互いに異なる複数の伝熱管を備えた多管式熱交換器では、流路長が長い伝熱管と短い伝熱管との間で熱伝達能力にばらつきが生じることになる。また、各伝熱管それぞれとの間で熱伝達を行う排気ガスの温度が異なる場合にも、当該各伝熱管それぞれの間で熱伝達能力にばらつきが生じることになる。そしてこれらの場合には、伝熱管毎に熱伝達能力のばらつきがない場合と比較して、伝熱管群内を流通する動作流体の単位流量当たりの熱伝達量が相対的に小さくなり、この結果、熱交換器の熱交換能力が低下することになる。

この点、加熱器４７Ｄでは、伝熱管群の外側に位置する伝熱管７１Ｂほど、流路長が長くなっている。一方、これに対して加熱器４７Ｄでは、各伝熱管７１Ｂそれぞれの流路断面積を、概ねＵ字形に形成された伝熱管群の内側から外側に向かって次第に大きくなるように設定している。このため加熱器４７Ｄでは、外側に位置する伝熱管７１Ｂほど、動作流体の流量を増大させることができる。そしてこれにより、加熱器４７Ｄでは各伝熱管７１Ｂそれぞれの熱伝達能力の均一化を図ることができる。

また加熱器４７Ｄでは、排気ガスの流通方向Ｖ１の上流側に位置する伝熱管７１Ｂほど、より高温の排気ガスと熱伝達を行うことになる。一方、これに対して加熱器４７Ｄでは、各伝熱管７１Ｂそれぞれの流路断面積を、排気ガスの流通方向Ｖ１において、上流側から下流側に向かって次第に小さくなるように設定している。このため加熱器４７Ｄでは、上流側に位置する伝熱管７１Ｂほど、動作流体の流量を増大させることができる。したがってこれにより、加熱器４７Ｄでは、各伝熱管７１Ｂそれぞれとの間で熱伝達を行う排気ガスの温度が異なることに対しても、各伝熱管７１Ｂそれぞれの熱伝達能力の均一化を図ることができる。
このように加熱器４７Ｄは加熱器４７Ａと比較して、さらに各伝熱配管７１Ｂそれぞれの熱伝達能力の均一化を図ることができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
例えば上述した実施例では、より大きな伝熱面積を確保できる点で好適であることから、伝熱管７１の全長に亘って第１のフィン７２を設けた場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、第１のフィンは例えば複数の配管の全長に対して部分的に設けられてもよく、また第１のフィンにはスリットが設けられてもよい。かかるスリットは、具体的には例えば複数の配管の延伸方向に直交する方向に延伸するように、且つ複数の配管に到達するように設けることができる。この場合には、スリットを設けた分だけ伝熱面積が減少するものの、剛性が高まることをさらに抑制することができる。
また例えば上述した実施例では、複数の伝熱管７１が円筒状である場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、複数の配管は例えば断面が楕円状となる配管であってもよい。

１０ スターリングエンジン
２０ 高温側気筒
２１ 膨張ピストン
２２ 高温側シリンダ
３０ 低温側気筒
３１ 圧縮ピストン
３２ 低温側シリンダ
４７ 加熱器
５０ グラスホッパの機構
７１ 伝熱管
７２ 第１のフィン
７３ 第２のフィン

Claims (1)

1. 高温熱源を構成する流体の流通方向に対して、クランク軸線の延伸方向が交差するように配置される２気筒α型のスターリングエンジンで、２つの気筒同士を連通し、前記スターリングエンジンの作動流体を流通させる複数の配管を備えるスターリングエンジンの熱交換器において、
   各々の前記配管は、前記流通方向と垂直な平面に沿って互いに平行に延び、
   前記流通方向が、前記クランク軸線の延伸方向と直交する方向であるとした場合に、前記流通方向および各々の前記配管が延びる方向で構成される平面に沿って延びるように、前記複数の配管のうち、前記流通方向に沿って隣接する配管同士を接続する第１のフィンと、
   前記流通方向が、前記クランク軸線の延伸方向と直交する方向であるとした場合に、前記複数の配管のうち、前記第１のフィンが設けられた配管同士に対して、前記流通方向に平行で前記第１のフィンが延びる平面に対して垂直な平面に沿って突出するように設けられた第２のフィンとを備え、
   前記複数の配管が、前記複数の配管のうち前記流通方向に沿って隣接する配管同士の集合である隣接伝熱管群を複数有しており、
   前記第２のフィンが前記隣接伝熱管群それぞれを互いに接続しないように設けられているスターリングエンジンの熱交換器。

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