JPS6146894A - 熱交換器 - Google Patents

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］ 一般にスターリング機関は膨張シリンダ装置、圧縮シリ
ンダ装置、高温側熱交換器、再生ｉ、及び低温側熱交換
器等で作動流体の閉流路が構成されている。そして、こ
の機関の出力に直接関与するスペースは膨張シリンダと
圧縮シリンダの工程容積であって、他のスペースは無効
容積となっている。従って、この無効容積が小さい程機
関の性能は優れたものとなり、この無効容積を小さくす
るために作動流体の流路断面積を小さくづる必要がある
。反面この機関では、高温側熱交換器での加熱温度が高
い程機関効率が向上するため、高温側熱交換器内におけ
る伝熱管の伝熱面積はできる限り大きくする必要がある
。

そこで、このように無効容積を小すくシながら伝熱面積
の増大を図るため、従来、内径１〜４１１１ｍ程度の多
数の細管によって伝熱管を構成した熱交換器が提案され
ている。しかしながら、このような構造では、多数の細
管を膨張シリンダ上部等に接続するため、溶接個所が多
く、作動流体の漏れに対する信頼性が低下り”る上、溶
接作業が極めて煩雑になる恐れがあっ７ＣＱ これに対して、伝熱面積を増大させるために伝熱管を大
径とし、無効容積を減少さぼるために伝熱管軸心部に芯
材を挿入したものがある（特開昭５８−１６７８６３号
公報参照）。そしてこの場合、溶接個所増加に伴なう上
記提案の問題点は回避できるが、伝熱面積をさらに増大
させるには伝熱管をさらに大径にするか、複数本の伝熱
管を設（）る必要がある。このため、機関コンパクト化
等のために限られたスペース内において伝熱面積を増大
させることには限界があった。

［発明の目的］ この発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、作動
流体の漏れ防止に対する信頼性を向上さゼるど共に、溶
接作業の簡素化を図りながら、限られたスペース内にお
いて伝熱面積の増大を図ることができる熱交換器の提供
を目的とづる。

［発明の概要］ 上記目的を達成−りるためにこの発明は、内部通路に作
動流体を流動させて外部の熱源との間に熱交換を行なわ
せる伝熱管を有する熱交換器において、前記伝熱管を一
端が閉塞された外部伝熱管と両端が開口された内部伝熱
管との多層構造として両者間に形成され前記内部通路を
構成する第１通路と、前記内部伝熱管の軸心部に芯材を
挿入して両者間に形成されると共に伝熱管の一端側で前
記第１通路に連通し前記内部通路を構成する第２通路と
、前記外部伝熱管と内部伝熱管とのいずれか一方に形成
され使方に接する軸心方向の第１突条と、前記内部伝熱
管と芯材とのいずれか一方に形成され使方に接する軸心
方向の第２突条とを有する構成とした。

［実施例コ 以下、添付図面に基づき、この発−の一実施例を詳細に
説明する。

第１図はこの発明の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を示す。このスターリング機関
の概要構成は、膨張シリンダ装置１と、Ｕｌ−１１？ｉ
シリンダ装置３と、前記熱交換器どしての高温側交換器
５と、低温側熱交換器７と、再生器８とからなるものぐ
、ｎいに接続されて作動流体の閉流路９が形成されてい
る。この閉流路９内を流動Ｊる作動流体どしＣは、非凝
縮性のＨｅ等が使用される。

前記高温側熱交換器５は、断熱材１１で区画された燃焼
室１３を右し、この燃焼室１３伯部にガスノズル１５が
臨まされ（いる。燃焼室１３の底部側は空気予熱器１７
を介して排気筒１９に連通されでいる。また、前記燃焼
室１３内には伝熱管２１が設けられている。

この伝熱管２１は内部通路に作動流体を流動させて外部
としての燃焼室１３内の熱源との間に熱交換を行なわせ
るもので、只体的には第２図、第３図のように構成され
ている。この伝熱管２１は外部伝熱管２３と、内部伝熱
管２５と、芯材２７とを有している。前記外部伝熱管２
３は一端２３ａが閉塞状態に形成されており、外周面に
複数の伝熱フィン２８が設けられている。前記内部伝熱
管２５は両端が開口され、第４図（ａ）、（ｂ）のよう
にその外径ｒ１が外部伝熱管２３の内径ｒ２に対して若
干小さく形成されている。この内部伝熱管２５が外部伝
熱管２３内に挿入されて伝熱管２１は多層構造とされ、
両者間に前記内部通路を構成する、第１通路２９が形成
されている。またこの挿入状態で、内部伝熱管２５の一
端開口２５ａ側は外部伝熱管２３の他端開口２３ｂから
突出し、他端開口２５ｂと外部伝熱管２３の一端２３ａ
との間には、第１通路２９に連通する空間部３１が形成
されている。そして、第４図（ｂ）のように内部伝熱管
２５の外周には軸心方向の第１突条３３が周方向に複数
本（図面では４本）形成され、各第１突条３３の先端が
前記外部伝熱管２３の内周面に接している。従って、内
部伝熱管２５はこの各第１突条３３により外部伝熱管２
３に対し、半径方向の位置決めがなされている。前記芯
材２７はその外径ｒ３が内部伝熱管２５の内径ｒ４より
も若干小さく形成され、この芯材２７が内部伝熱管２５
に挿入されて、両者間に第２通路３５が形成されている
。この第２通路３５は空間部３１を介して第１通路２つ
に連通されている。従って、１本の伝熱管２１内に、略
倍の長さの通路が形成され、同じ長さ、太さの従来の伝
熱管と比較して、伝熱面積が倍増されている。またこの
挿入状態で、芯材２７の一端２７ａは空間部３１内に臨
まされ、他端２７ｂは内部伝熱管２５の一端開口２５ａ
と路面−に構成されでいる。イして、第４図（Ｃ）のよ
うに芯材２７の外周には軸心方向の第２突条３７が周方
向に複数本（図面では４本）形成され、各第２突条３７
の先端が前記内部伝熱管２５の内周面に接している。従
って、芯材２７は各第２突条３７により内部伝熱管２５
に対し半径方向の位置決めがなされている。こうして構
成された各伝熱管２１の内部伝熱管２５の一端開口２５
ａは前記膨張シリンダ装置１の膨張シリンダ３９に溶接
等で接続され、外部伝熱管２３の一端開口２３ｂはマニ
ホールド４１に同様にして接続されている。

このマニホールド４１は前記再生器８に接続されている
ものである。

なお、前記膨張シリンダ装置１はＩＦ１服シリンダ３９
内に膨張ピストン４３を有し、膨張ピストン４３はフン
ロッド４５を介してクランク室４６内のクランク軸４７
に連結されている。前記圧縮シリンダ装置３は圧縮シリ
ンダ４９内に圧縮ピストン５１を有し、圧縮ピストン５
１はコンロッド５３を介して前記クランク軸４７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。

燃焼室１３内での燃焼温度を外部熱源として高温側熱交
換器５の伝熱管２１が加熱される。このとき、伝熱フィ
ン２８の作用により、外部伝熱管２３が効率よく加熱さ
れる。外部伝熱管２３が加熱されると第１突条３３を介
して内部伝熱管２５が加熱され、内部伝熱管２５が加熱
されると第２突条３７を介して芯＋７１２７が加熱され
る。この場合、第１突条３３と第２突条３７との高さは
ごく低いものであるため、伝熱距離が短かく、作動流体
と外部伝熱管２３との間の伝熱量より数倍優勢である。

従って、外部伝熱管２３の他に、内部伝熱管２５及び芯
１ｔＡ　２７の表面も伝熱面として効果的に作用づる。

そして、伝熱管２１内を第１通路２９がら空間部３１、
第２通路３５と流動する作動流体が加熱される。このと
ぎ、伝熱管２１と同一長さの従来の伝熱管と比較して、
第１通路２９ど第２通路３５とで略イ８の長さの通路が
形成されるため、伝熱面積は倍増され、作動流体の加熱
温度を高めることができる。こうして加熱された作動流
体は内部伝熱管２５の一端間口２５ａから膨張シリンダ
装置１の膨張シリンダ３９内へ送り込まれて膨張Ｊる。

従つ−で、膨張ピストン４３が押下げられ、］コン１ツ
ド４５を介してクランク室４６内のクランク軸４７が回
転される。

そして、膨張ピストン４３が圧縮工程に移ると、膨張シ
リンダ１７内の作動流体は内部伝熱管２５の一端開口２
５〕ａから第２通路３５→空間部３ゴ→第１通路２９の
順に通過し、外部伝熱管２３の間口２３ａからマニホー
ルド４１を経て再生器８に移送される。再生器８へ移送
された作動流体はその保イラ熱がｉｌ＋牛器８に蓄熱さ
れ、低温側熱交換器７に至る。この低温側熱交換器７で
は、冷却水との間で熱交換が行なわれ、作動流体は冷却
される。こうして低温側熱交換器７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４７の回転によっ
て圧縮工程にある圧縮シリンダ装置３の圧縮ピストン５
１を圧縮方向へ付勢する。この圧縮ピストン５１の圧縮
により圧縮シリンダ４９内の作動流体は、再び低温側熱
交換器７を通過して再生器８に移送される。この再生器
８では作動流体が先に蓄熱された熱を吸熱し、再び高温
側熱交換器５の伝熱管２１へ流れ込む。そして、上記の
作用が繰返され、クランク軸５３の継続した回転が得ら
れる。

なａ５、この発明は上記一実施例に限定されるものでは
ない。例えば、内部伝熱管をさらに多層構造とし、伝熱
面積をさらに増加させることもできる。第１突条は外部
伝熱管に、第２突条は内部伝熱管に設けることもできる
。また、この熱交換器は、低温側熱交換器等に応用する
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、芯
材を用いて溶接部分の減少を図り、作動流体の漏れに対
重る信頼性を高めると共に溶接作業の簡素化を図りなが
ら、外部伝熱管と内部伝熱管と芯材との全てを伝熱面と
して利用し、第１通路と第２通路とで伝熱管長さの略倍
の長さの通路を形成づることができるので、略同じ長さ
及び外部の従来の伝熱管と仕較して伝熱面積を倍増させ
ることができる。従つ−Ｃ、コンパクト化等のために限
られｌ〔スペース内におい（、伝熱面積の増大を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の一実施例を示し、第１図はスターリン
グ機関の縦断面図、第２図は高温側熱交換器の拡大断面
図、第３図は伝熱管の横断面図、第４図は外部伝熱管、
内部伝熱管、芯材の各断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部通路に作動流体を流動させて外部の熱源との間に熱
   交換を行なわせる伝熱管を有する熱交換器において、前
   記伝熱管を一端が閉塞された外部伝熱管と両端が開口さ
   れた内部伝熱管との多層構造として両者間に形成され前
   記内部通路を構成する第１通路と、前記内部伝熱管の軸
   心部に芯材を挿入して両者間に形成されると共に伝熱管
   の一端側で前記第１通路に連通し前記内部通路を構成す
   る第２通路と、前記外部伝熱管と内部伝熱管とのいずれ
   か一方に形成され他方に接する軸心方向の第１突条と、
   前記内部伝熱管と芯材とのいずれか一方に形成され他力
   に接する軸心方向の第２突条とを有することを特徴とす
   る熱交換器。