JPS6146450A

JPS6146450A - 熱交換器

Info

Publication number: JPS6146450A
Application number: JP16728684A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Hongo; 一郎本郷; Takashi Komagine; 駒木根　隆; Katsumasa Araoka; 勝政荒岡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-08-11
Filing date: 1984-08-11
Publication date: 1986-03-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の技術分野］この発明はスターリング機関等に供される熱交換器に関
する。

［技術的背景及び問題点１従来のこの種の熱交換器としては、例えば第６図に示す
ようにスターリング機関に用いられたものがある。すな
わち、この第６図はスターリング機関を概念的に示した
もので、作動流体が往復流＃Ｊする通路１０１の両端に
膨脹シリンダ装置１０３及び圧縮シリンダ装置１０５が
接続されている。

また通路１０１の中間部には膨脹シリンダ装置１０３側
において通路１０１を流動する作動流体を加熱する高温
側熱交換器１０７、及び圧縮シリンダ装置１０５側にお
いて作動流体を冷却する低温側熱交換器１０９が介設さ
れ、且つ画然交換器１０７．１０９間において再生器１
１１が介設されている。

そして、高温側熱交換器１０７で加熱された作動流体は
膨脹して膨脹シリンダ装置１０３を駆動する。この膨脹
シリンダ装置１０３が圧縮工程に移ると、作動流体は高
温側熱交換器１０７を再び通過して再生器１１１に移送
され、作動流体の保有熱が再生器１１１に蓄熱される。

次いで作動流体は低温側熱交換器１０９に至り、この低
温側熱交換器１０９で冷却されて作動流体は圧力低下し
、圧縮工程にある圧縮シリンダ装置１０５により圧縮さ
れる。この圧縮シリンダ装置１０５の圧縮により、作動
流体は低温側熱交換器１０９を再び通過して再生器１１
１に至り、この再生器１１１で先に蓄熱された熱を奪い
、再び高温側熱交換器１０７に至る。従って、膨脹シリ
ンダ装ｆ１１０３と圧縮シリンダ装置１０５との駆動に
より、図示しないクランク軸の回転力を１ｑることがで
きる。

ところで、このようなスターリング機関では、作動流体
が膨脹シリンダ装置１０３で外部仕事をした後、＾湯側
熱交換器１０７で再び加熱されることは、後に低温側熱
交換器１０９で冷却されることを考えれば、過剰な熱損
失となる。そしてこの場合、高温側熱交換器１０７の伝
熱作用の割合が作動流体の流動方向によって異ならない
ため、高温側熱交換器１０７で供給され膨脹シリンダ装
置１０３で外部仕事として使用される熱エネルギに対し
上記のようにして熱損失となる熱エネルギの割合が大き
く、機関の熱効率を低下させる原因となっていた。また
、このことは低温側熱交換器１０９においても同様であ
る。

これに対し、第７図のように作動流体の流動方向によっ
て作動流体を高温側熱交換器１０７、−低温側熱交換器
１０９を経由させないようバイパス通路１１３，１１５
を設けたものがある。しかしながら、この場合には、作
動流体の流動方向に応じてシリンダ装置ＩＩ　０３．１
０５と熱交換器１０７．１０９との連通状態を切換なけ
ればならず、高速で連続運転する場合に流路の確実な切
換が困難になると共に、コンパクト化には不利になる恐
れがあった。

［発明の目的］この発明は上記問題点に鑑みなされたもので、バイパス
通路等を設けることなく往復流動する作動流体に対する
伝熱作用を作動流体の流動方向によって異ならせること
のできる熱交換器の提供を目的とする。

［発明の概要コ上記目的を達成するためにこの発明は、作動流体が往復
流動する通路に伝熱路が介設された熱交換器において、
前記作動流体と伝熱路との間の伝熱作用を相対的に作動
流体の流動方向一方は低く他方は高（なるように異なら
せる偏伝熱手段を有する構成とした。

［実施例コ以下、第１図から第５図に基づき、この発明の一実施例
を詳細に説明する。

第１図はスターリング機関の全体断面図を示し、第２図
はその概略構成図を示している。そして、このスターリ
ング機関はこの発明の熱交換器の一実施例として高温側
熱交換器１と低温側熱交換器３とを有している。前記高
温側熱交換器１は断熱材５で区画された燃焼室７を有し
、この燃焼室７の上部にはガスノズル９が臨まされる一
方、下方は空気予熱器９を介して排気筒１１に連通され
ている。そして、前記燃焼室７内には伝熱路を構成する
複数の高温側伝熱管１３が設けられている。

この高温側伝熱管１３は、一端が膨脹シリンダ装Ｍ１５
の膨脹シリンダ１７上部に接続され、他端が通路を構成
するマニホールド１つに接続されている。この通路内に
はｔ−１ｅなどの非凝縮性の作動流体が往復流動可能に
封入されている。従って、作動流体が往復流動する通路
に伝熱路が介設された構成となっている。そして、前記
高温側伝熱管１３の外面には複数の伝熱フィン２１が設
けられ、内面には第３図、第４図に示すように複数の溝
２３と複数の突条２５とが設けられている。

前記溝２３は高温側伝熱管１３に沿った方向に形成され
ており、前記突条２５は高温側伝熱管１３の周方向に形
成されている。この突条２５は、作動流体と高温側伝熱
管１３との間の伝熱作用を相対的に作動流体の流動方向
一方は低く他方は高くなるように異ならせる偏伝熱手段
を構成する。

そして、この実施例では突条２５の一側、換言すれば作
動流体の膨脹シリンダ装置１５側への流動方向く矢印ａ
方向）手前側２５ａが高めに形成され、その立上りが急
なものとして形成されている。

また、突条２５の内周面２５ｂは矢印ａ方向へ向って高
温側伝熱管１３の内周面に対し、その高さが漸次低くな
るように傾斜形成されている。従って、この突条２５は
高温側伝熱管１３の膨脹シリンダ装置１５方向の伝熱作
用を相対的に高くするものとして構成されている。

前記低温側熱交換器３は、冷却水人口２７及び冷却水出
口２９を備えたシェル３１内に低温側伝熱管３３を有し
ている。この低温側伝熱管３３は、一端が前記通路に介
設された再生器３５に接続されると共に、他端が圧縮シ
リンダ装置３７のシリンダ３９に接続されている。そし
て、低温側伝熱管３３は第３図、第４図に示すように、
高温側伝熱管１３とほぼ同様に構成され、内周面に溝４
１及び突条４３を有している。この突条４３は偏伝熱手
段を構成し、その傾斜方向は作動流体の圧縮シリンダ装
置３７側への流動方向へ漸次低くなるように構成されて
いる。従って、突条４３は低温側伝熱管３３の圧縮シリ
ンダ装置３７方項の伝熱作用を相対的に高くするものと
しで構成されている。

なお、前記ｉ服シリンダ装置１５の膨脹ピストン４５及
び圧縮シリンダ装置３７の圧縮ピストン４７は、コンロ
ッド４９を介してクランク室５１内のクランク軸５３に
連結されている。

次に上記一実施例の作用について述べる。燃焼空７内で
の燃焼により、高温側伝熱管１３が加熱され、高温側伝
熱管１３内を膨脹シリンダ装置１５方向く第４図矢印ａ
方向）に流動する作動流体どの間で熱交換が行なわれ、
作動流体が加熱される。この時、作動流体は突条２５の
手前側２５ａによって抵抗を受け、その流れが乱されて
、高温側伝熱管１３から作動流体への伝熱作用が相対的
に高くなる。従って、高温側伝熱管１３の全長を短かく
して、無効容積の減少を図ることが可能である。こうし
て加熱された作動流体は膨脹シリンダ１７内で膨脹し、
膨脹ピストン４５を押下げ、コンロッド４つを介してク
ランク室５１内のクランク軸５３を回転させる。そして
、膨脹ピストン４５が圧縮工程に移ると、圧縮シリンダ
１７内の作動流体は高温側伝熱管１３を再び通過し、再
生器３５に移送される。高温側伝熱管１３を通過する時
には、作動流体は第４図矢印す方向に流動し、突条の内
周面２５ｂの傾斜に案内されて円滑に流動することがで
き、膨脹シリンダ装置３９側へ流動する場合に比較して
、高温側伝熱管１３から作動流体への伝熱作用が相対的
に低くなっている。

再生器３５へ移送された作動流体はその保有熱が再生器
３５に蓄熱され、低温側熱交換器３に至る。

この低温側熱交換器３では、シェル３１内を流動する冷
却水によって低温側伝熱管３３が冷却され、低温側伝熱
管３３とこの低温側伝熱管３３内を流動する作動流体と
の間で熱交換が行なわれ、作動流体が冷却される。この
時、低温側伝熱管３３内での作動流体は第４図矢印ａ方
向に流動しているため、突条４３の手前側４３ａによる
上記と同様な作用によって、低温側伝熱管３３ど作動流
体との間の伝熱作用が相対的に高くなっている。こうし
て低温側熱交換器３で冷却された作動流体は圧力が低下
され、先のクランク軸５３の回転によって、圧縮工程に
ある圧縮シリンダ装置３７の圧縮ピストン４７を圧縮方
向へ付勢する。この圧縮ピストン４７の圧縮により圧縮
シリンダ３９内の作動流体は、再び低温側伝熱管３３を
通過して再生器３５に移送される。低温側伝熱管３３で
は、作動流体が第４図矢印す方向に流動しているため、
突条４３の内周面４３ｂの上記と同様な作用により低温
側伝熱管３３と作動流体との間における伝熱作用が相対
的に低くなっている。そして、再生器３５では作動流体
が先に蓄熱された熱を吸熱し、高温側熱交換器１の高温
側伝熱管１３に流れ込む。

そして、上記の作用が繰り返され、クランク軸５３の継
続した回転が得られる。

次に、この実施例に係る熱交換器を用いた場合の効率向
上について述べる。まず、再生器３５を温度Ｔ１で出た
作動流体が高温側熱交換器１の出口でＴ２へ上昇し、膨
脹シリンダ１７内でＴ３に低下した後、再び高温側熱交
換器１を通りＴ４に上昇したとすると、高温側熱交換器
１での作動流体の流動方向による伝熱作用の相違を作動
流体の温度比で表した温度回復比εｈは、となる。また、この温度回復比εｈ　は、高温側熱交換
器１の伝熱ｉｍＰｆＡ度をＴｗとし、作動流体の流動方
向の相違による熱伝達率比をψとすると、伝熱面積が十
分大きな場合にで表わされ、高温側熱交換器１の出入口温度差比（上式
のカッコ内）とψにより定まる。そして、この温度回復
比εｈをパラメータとした高温側熱交換器１側での温度
効率は、再生画効率０．９０、温度比０．３５の条件の
下に第５図のようになる。

この第５図でと（＝１．００が高温側熱交換器１の出入
口温度差比が略零の従来例を示すもので、比体積比２．
１２の時とＨ＝１．ＯＯで温度効率θ＝０．３６７とな
る。これに対し、温度比が０゜３５のこの実施例では１
，５．、＝ｏ、ｃ＋５の場合にはθ＝０．３７２となり
従来例に比較して略１゜５％増、　とべ＝０．９０でθ
＝０．３７６となり略３％増、εｈ＝０．８０でθ＝０
．３８５となり略５％増となっている。従って、高温側
熱交換器１において、作動流体に対する流動方向による
伝熱作用の相違が大きくなればなるほどとｈが減少し、
これに応じて効率が良くなる。このことは、低温側熱交
換器３においても同様である。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものではない。

例えば高温側熱交換器１、低温側熱交換器３のいずれか
一方にのみ突条を設けて流動方向による伝熱作用を異な
らせるようにしてもよい。

また、偏伝熱手段は周方向の突条に限らず、突起あるい
は螺旋状の溝あるいは突条で構成することもできる。

［発明の効果］以上より明らかなようにこの発明の構成によれば作動流
体と伝熱路との間の伝熱作用を相対的に作動流体の流動
方向一方は低く、他方は高くなるように異ならせること
ができ、通路を往復流動する作動流体の不必要な熱交換
をバイパス通路等を設けることなく抑制することができ
る。

また、この熱交換器をスターリング機関の高温側熱交換
器あるいは低温側熱交換器とし、偏伝熱手段を膨脹シリ
ンダ装置方向の伝熱作用を相対的に高（するものとし、
あるいは圧縮シリンダ装置方向の伝熱作用を相対的に高
くするものとした場合は、機関の外部仕事に対する熱損
失の割合を少なくすることができると共に、無効容積の
減少を図ることもでき、効率の向上を図ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る熱交換器を用いたス
ターリング機関の縦断面図、第２図は同概略桐成因、第
３図は伝熱管の一品切欠拡大斜視図、第４図は要部拡大
断面図、第５図は温度効率の説明図、第６図、第７図は
従来の熱交換器を用いたスターリング機関の概略構成図
である。１・・・高温側熱交換器（熱交換器）、３・・・低温側
熱交換器（熱交換器）、１３・・・高温側伝熱管（伝熱
路）、１５・・・膨脹シリンダ装置、２５．４３・・・
突条（偏伝熱手段）。第２図第３図第４図第５図比体積吃第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）作動流体が往復流動する通路に伝熱路が介設され
た熱交換器において、前記作動流体と伝熱路との間の伝
熱作用を相対的に作動流体の流動方向一方は低く他方は
高くなるように異ならせる偏伝熱手段を有することを特
徴とする熱交換器。
（２）前記偏伝熱手段は、スターリング機関の膨脹シリ
ンダ装置と再生器との間の通路に介設された伝熱路の膨
脹シリンダ装置方向の伝熱作用を相対的に高くするもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱
交換器。
（３）前記漏伝熱手段は、スターリング機関の圧縮シリ
ンダ装置と再生器との間の通路に介設された伝熱路の圧
縮シリンダ装置方向の伝熱作用を相対的に高くするもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱
交換器。