JPH0726592B2 - 熱ガス機関の高温側熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、スターリング・エンジンなどの熱ガス機関
の高温側熱交換器に関し、熱交換効率が高く、コンパク
トなものに関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は例えば特開昭58−210346号公報に示された従来
の熱ガス機関の一種であるスターリング・エンジンの断
面図であり、図において、１は外部加熱器９やシリンダ
高温部２を加熱するバーナ熱源、３は高温側熱交換器の
本体であるシリンダ、４はシリンダ３内にあるディスプ
レーサ・ピストン、６はパワー・ピストンである。５は
シリンダ３とディスプレーサ・ピストン４間の空間であ
る膨張室、７はパワー・ピストン６とディスプレーサ・
ピストン４間の空間である圧縮室、８はパワー・ピスト
ン６の下部空間であるバッファ室である。９はヒータ管
にあたる外部加熱器、10は熱再生器であり、11はクーラ
である。

第６図，第７図は従来から分かっている問題点をほぼ解
消した熱ガス機関の一種であるスターリング・エンジン
の高温側熱交換器を示す断面図であり、13a,13bは第５
図の外部加熱器９に当たるヒータ管、12はヒータ管13a
と13bを頂部でろう付けまたは溶接により接合するマニ
ホールド、他の部品は第５図と同様である。

次に第５図に示す従来例の動作について説明する。シリ
ンダ３に高圧ヘリウムガスを封入し、バーナ熱源１によ
りシリンダ高温部２を外部加熱し、クーラ11で外部から
冷却し、シリンダ３内のヘリウムガスが熱交換できるよ
うになっている。シリンダ３内のパワー・ピストン６及
びディスプレーサ・ピストン４を適当な位相差をもって
外部から往復運動させると、熱サイクルの一種のスター
リング・サイクルを構成するので自立運転するようにな
る。そのとき、スターリング・エンジンの効率をよくす
るためには、バーナ熱源１により、外部加熱器９にいか
に効率良く熱を伝えるかが重要な問題となる。また、膨
張室５へのヘリウムガス温度が高いほど、エンジンの効
率があがるので、外部加熱器９をどれだけ高い温度にで
きるかがエンジン効率向上の鍵となる。しかし高温高圧
下で使用されるため、使用材料強度の面から高温にする
値に限度があり、このため外部加熱器９（ヒータ管）間
同志の温度差を小さくし、均一に加熱することが効率向
上の方法となる。また、熱交換効率を上げるため、ヒー
タ管を横切る燃焼ガス流速を上げなければならない。さ
らに、外部加熱器９が配列される円ピッチが小さいほ
ど、熱交換器がコンパクトになりバーナ熱源１を小型化
でき、ひいてはエンジン重量の軽量化につながる。

上記要求を満たすため、従来の熱交換器は第６図，第７
図に示すようにヒータ管頂部にマニホールド12を用い
て、ヒータ管13aと13bをろう付けまたは溶接加工で接合
し、ヒータ管13a,13bの配列される円ピッチを小さく
し、ヒータ管同志の隙間を小さくした密接多管型高温熱
交換器を構成していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第５図に示す熱ガス機関の高温側熱交換器では、ヒータ
管（外部加熱器９）の上列と下列のパイプの間に温度差
が大きくつくため、ヒータ管の温度を上げることができ
なかった。また、熱交換効率を上げるためヒータ管を横
切る燃焼ガス流速を上げる方法としてヒータ管のピッチ
隙間を小さくする方法があるが、従来の構成ではパイプ
本数を増やすしか方法がなく、パイプ管の隙間が大きく
なりがちであった。そして、ヒータ管が外側に突き出し
ているので熱交換器が大きくなり、バーナ熱源１となる
燃焼器が大きくなるなどの問題点があった。

また、第６図，第７図に示すマニホールドを使った密接
多管型高温側熱交換器では、ヒータ管パイプ材とマニホ
ールドの接合をろう付けまたは溶接で行わねばならず、
工作時間が多くかかり、ろう付け部または溶接部の強度
およびシール性の信頼性が劣るなどの問題があった。ま
た、マニホールド部でのパイプ内を流れる動作流体の圧
力損失が大きいなどの問題があった。また、マニホール
ドを使わず同じ配列でヒータ管を構成するとヒータ管の
Ｕ字曲げ半径が小さすぎるため、うまく加工できなかっ
た。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、パイプ管の隙間を小さくでき、ヒータ管の上
列と下列のパイプ管に温度差が生じるのを防止できると
ともに、ヒータ管が配列される円ピッチを小さくでき、
工作時間を少なくでき、しかもヒータ管内を流れる動作
流体の圧力損失を低減でき、強度，シール性を向上でき
る熱ガス機関の高温側熱交換器を得ることを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る熱ガス機関の高温側熱交換器は、各ヒー
タ管の一端を上部穴列の各穴に、その他端を該上部穴か
ら一定方向回りに見かけ上1.5ピッチ以上離れた所定位
置にある下部穴列の穴にそれぞれ接続して設けるととも
に、各ヒータ管の頂部をＵ字型に曲げたものである。

〔作用〕

この発明においては、各ヒータ管の両端がそれぞれ接合
される上部穴と下部穴とを見かけ上1.5ピッチ以上離れ
たものとするとともに、各ヒータ管の頂部をＵ字型に曲
げたので、Ｕ字管で密接多管を構成でき、第６図，第７
図に示すマニホールドを使った例に比して、ヒータ管が
配列される円ピッチを小さくでき、工作時間，材料費も
削減でき、しかも、ろう付け、溶接部を削除することが
できるので、ヒータ管内の圧力損失を小さくでき、強
度，ガス洩れなどの信頼性を向上できる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例による熱ガス機関の高温側
熱交換器を示し、図において、20a,20bはそれぞれ頂部
がＵ字型に曲げられ、一端がシリンダ21にあけられた上
部穴列の穴に接合され、他端が上部穴列の一番近い穴か
ら１ピッチ分離れた（見かけ上上部穴列と1.5ピッチ分
離れた）所にある下部穴列の穴に接合されたヒータ管で
ある。ここで、上部穴列ピッチは、上部穴列の直径をD1
とし、ヒータ管の本数をＮとすると、D1・π/Nとなる。
下部穴列は上部穴列と同数の穴が上部穴列に対して交互
になるよう設けられており、下部穴列の直径をD2とした
時、ある上部穴列からヒータ管が下部穴列へ接合される
距離はD2・π／（２・Ｎ）｝・３となる。また、ヒータ
管20aと20bの干渉をさけるため、ヒータ管20bはその頂
部が外側に曲げられている。21は高温熱交換器の本体で
あるシリンダ、残りの部品は第５図と同様である。

次に動作について説明する。ヒータ管20a,20bをバーナ
熱源（図示せず）により外部加熱し、シリンダ21内のパ
ワー・ピストン６及びディスプレーサ・ピストン４を適
当な位相差をもって外部から往復運動させると、従来と
同様、膨張室５のヘリウムガスは熱再生器10,外部から
冷却されるクーラ11を通り、圧縮室７に流入し、逆の向
きで今度は膨張室５へ流れる往復流になり、熱サイクル
の一種であるスターリング・サイクルを構成し、自立運
動するようになる。

このような構成になる熱ガス機関の高温側熱交換器で
は、シリンダ21のヘッド部にヒータ管の両端を接合する
上部穴列及び下部穴列を設けているので、ヒータ管の上
列、下列のパイプ管の隙間を小さくとることができ、両
パイプ管の間に温度差が生じるのを防ぐことができる。
しかも、ヒータ管の両端が接合される上部穴と下部穴と
を見かけ上1.5ピッチ離れたものとし、ヒータ管の頂部
をＵ字型に曲げているので、第６図，第７図に示す従来
例のようにろう付け，溶接等でマニホールドを設ける場
合に比べ、工作時間を少なくでき、ヒータ管の配列され
る円ピッチを小さくでき、ヒータ管の強度，シール性を
向上でき、さらにマニホールドを用いた時のようにヒー
タ管の内部の動作流体は急激に曲がらないので、圧力損
失を小さくできる。

なお、上記実施例では、ヒータ管20bが外側に曲がって
いたが、ヒータ管20aが内側に曲がっていてもよい。

また、第３図及び第４図はこの発明の他の実施例による
熱ガス機関の高温側熱交換器を示す側面断面図及び平面
図である。本実施例は、上記実施例がヒータ管20a,20b
の一方のみ内側又は外側に曲げたのと異なり、両方をそ
れぞれ内側，外側に曲げたものである。図において、20
c,20dはそれぞれ内側，外側に曲げられたヒータ管であ
る。

このような本実施例においても、上記実施例と同様の効
果を奏する。

なお、上記両実施例では、ヒータ管にフィンを示してい
ないが、もちろんフィンがあってもよい。またシリンダ
21に設けられる穴の数や、ヒータ管の本数，長さは限定
するものではない。Ｕ字管の頂部曲げ半径についても同
様である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の熱ガス機関の高温側熱交換器
によれば、各ヒータ管の一端を上部穴列の各穴に、その
他端を該上部穴から一定方向回りに見かけ上1.5以上の
所定ピッチ離れた位置にある下部穴列の穴にそれぞれ接
続して設けるとともに、各ヒータ管の頂部をＵ字型に曲
げたので、Ｕ字管で密接多管を実現でき、ヒータ管の隙
間，ヒータ管列の円ピッチを小さくできるとともに、圧
力損失を小さくでき、しかも工作時間，材料費も削減で
き、ヒータ管の強度，ガス洩れなどの信頼性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の一実施例による熱ガス機
関の高温側熱交換器を示す側面断面図及び平面図、第３
図及び第４図はこの発明の他の実施例による熱ガス機関
の高温側熱交換器を示す側面断面図及び平面図、第５図
は従来の熱ガス機関の高温側熱交換器を示す側面断面
図、第６図及び第７図はマニホールドを用いた従来の熱
ガス機関の高温側熱交換器を示す側面断面図及び平面図
である。 １……バーナ熱源、２……シリンダ高温部、3,21……シ
リンダ、４……ディスプレーサ・ピストン、５……膨張
室、６……パワー・ピストン、７……圧縮室、８……バ
ッファ室、９……外部加熱器、10……熱再生器、11……
クーラ、12……マニホールド、13a,13b,20a,20b,20c,20
d……ヒータ管。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダヘッド部上の２つの同心円上に、
   それぞれ等間隔に、かつ２つの同心円間で交互となるよ
   うに配設されたそれぞれｎ（ｎは２以上の整数）個の穴
   からなる内側円の上部穴列と外側円の下部穴列とにそれ
   ぞれ両端が接合され、外部熱源により加熱されるｎ本の
   ヒータ管を備えた熱ガス機関の高温側熱交換器であっ
   て、 上記ｎ本のヒータ管は、 それぞれ一端が上記上部穴列の２ピッチ毎の穴に接合さ
   れ、他端が該上部穴から一定方向回りに見かけ上1.5以
   上の所定ピッチ離れた位置にある上記下部穴列の穴に接
   合され、その頂部がＵ字型に曲げられたn/2本のヒータ
   管からなる第１のヒータ管群と、 それぞれ一端が上記上部穴列の上記第１のヒータ管群の
   接合穴とは異なる穴に接合され、他端が該上部穴から上
   記と同方向回りに見かけ上、上記所定ピッチと同ピッチ
   離れた位置にある上記下部穴列の穴に接合され、その頂
   部がＵ字型に曲げられたn/2本のヒータ管からなる第２
   のヒータ管群とからなり、 上記第1,第２のヒータ管群の少なくとも一方は、各ヒー
   タ管の頂部が外側又は内側にＵ字型に曲げられているこ
   とを特徴とする熱ガス機関の高温側熱交換器。
2. 【請求項２】上記第１のヒータ管群は、各ヒータ管の頂
   部が外側又は内側にＵ字型に曲げられ、 上記第２のヒータ管群は、各ヒータ管の頂部が内側又は
   外側にＵ字型に曲げられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の熱ガス機関の高温側熱交換器。