JPS62190391A

JPS62190391A - 熱交換器

Info

Publication number: JPS62190391A
Application number: JP3013486A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Hongo; 一郎本郷; Takashi Komagine; 駒木根　隆; Shigemi Nagatomo; 長友　繁美
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-02-14
Filing date: 1986-02-14
Publication date: 1987-08-20

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】［発明の目的コ（産業上の利用分野）本発明は熱交換器に係り、特にスターリングエンジンに
おける再生器に好適な熱交換器に関する。

（従来の技術）最近、省エネルギーの一環としてスターリングエンジン
が注目されている。スターリングエンジンは種々の方式
のものがあるが、例えば２ピストン方式のものを例にと
ると、それぞれ膨張シリンダと圧縮シリンダ間に再生器
を接続し、この再生器と膨張シリンダ間の流路において
作動流体を加熱し、再生器と圧縮シリンダ間の流路で作
動流体を冷却する構成となっている。この機関は理論的
熱効率が高く、あらゆる熱源を使用できるという特徴を
持つ。

ここで、スターリングエンジンにおける再生器としては
、筒状または環状の容器内に金網を積層したものを伝熱
体（マトリクス）として設けた構成の熱交換器が一般に
使用されている。

（発明が解決しようとする問題点）スターリングエンジンにおける再生用熱交換器には、熱
交換効率を高くするために伝熱面積が大きいことと、体
積が小さく無効容積の小さなことに加えて、作動流体の
流動に対して流動損失の小さいことが要求される。

上述した金網を積層した伝熱体によると、小さな占有体
積で伝熱面積を大ぎくとることができる反面、各金網の
メツシュで拡大・縮小流れが生じ、流動損失が増大する
という問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、単位体積当りの伝熱面積が大きく、しかも流動損
失の小さな熱交換器を提供することを目的とする。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するため、流体が内部を流動す
る筒状容器内に設けられる伝熱体を、波状薄板を該容器
の周方向に渦巻き状に巻回して構成したことを特徴とす
る。

（作用）本発明に係る熱交換器においては、伝熱体において渦巻
き状に巻かれた波状薄板の相互間に一定断面積の流路が
形成され、筒状容器内に入った流体はこの流路を流動す
る間に伝熱体と熱交換を行なう。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の一実施例に係る熱交換器を作動流体の再生
器として組込んだスターリングエンジンの概略構成を示
す断面図である。

第１図に示すように、このスターリングエンジンは作動
流体を膨張させるためのパワーシリンダ（膨張シリンダ
）１および膨張シリンダ１内に摺動自在に装着されたパ
ワーピストン（膨張ピストン）２と、作動流体を圧縮さ
せるためのパワーシリンダ（圧縮シリンダ）３および圧
縮シリンダ３内に摺動自在に装着されたパワーピストン
（圧縮ピストン）４との間に、加熱器５．再生器６およ
び低温側熱交換器７を配置し、ざらに膨張ピストン２お
よび圧縮ピストン４にそれぞれコネクティングロッド８
，９およびクランク軸１０．１１を介して出力軸１２を
連結した構造の２ピストン式スターリングエンジンであ
る。

加熱器５は膨張シリンダ１のヘッド１３を取り囲むよう
に内側断熱材１４を介して配置された燃焼室１５と、こ
の燃焼室１５内に配置された複数の高温側熱交換器１６
と、燃焼室１５に臨んで配置されたガスノズル１７と、
燃焼室１５を取り囲んで配置され、燃焼用空気を燃焼排
ガスとの熱交換により予熱する空気予熱器１８とで構成
されている。高温側熱交換器１６は全体として部外状に
配置され、それぞれの内部に形成された流体通路の一端
側が膨張シリンダ１の頂部に、他端側がヘッド１３内に
形成されたマニホルド１９および接続管２０を介して再
生器６にそれぞれ連通している。そして、膨張シリンダ
１と膨張ピストン２とで囲まれた空間、高温側熱交換器
１６．マニホルド１９．接続管２０．再生器６．低温側
熱交換器７、および圧縮シリンダ３と圧縮ピストン４と
で凹まれた空間に非凝縮性の作動流体、例えば）−１ｅ
が封入されている。

なお、第１図において２１は潤滑油が所定レベルまで収
容されたクランク苗、２２．２３はリニアベアリング、
２４．２５は低温側熱交換器７の冷媒を案内する配管、
２６〜２８は断熱材、２９は燃焼用空気を燃焼室１５内
へ旋回供給するスワラ−をそれぞれ示している。

次に、本発明に係る再生器６に使用される熱交換器（以
下、再生用熱交換器という）について説明する。第２図
は再生用熱交換器の構成を示すもので、両端が開口した
筒状容器３１内に、第２図に示すような波状薄板３３を
筒状容器３１の周方向に渦巻き状に巻回して構成した伝
熱体３２を挿入したものであり、この例では伝熱体３２
は流体の流動方向に３個積層されている。この場合、積
層された各伝熱体３２は流体の流動方向における熱伝導
をより少なくする目的から、第２図に示すようにある間
隔をもって配置されることが望ましい。

第３図に示す波状薄板３３は等ピッチの波状、すなわち
山および谷のそれぞれの間隔が一定の三角波状の波状を
なすものである。このような等ピッチの波状薄板３３を
渦巻き状に巻いた場合、曲率が半径方向に徐々に変化す
るため、半径方向相豆量に隙間が生じ、その隙間が流体
の流路となるので、伝熱体として使用することができる
。

次に、上記のように構成されたスターリングエンジンの
作用を説明する。燃焼室１５内にガスノズル１７からガ
ス燃料を噴射するとともに、スワラ−２９から燃焼用空
気を供給することによって燃焼火炎が形成され、さらに
配管２４．２５によって冷媒を通流させている状態で、
出力軸１２を外部動力源によって一時的に回転させると
、クランク軸１０．１１およびコネクティングロッド８
゜９を介して膨張ピストン２および圧縮ピストン４があ
る位相差をもって往復動する。この往復動によって膨張
ピストン２が圧縮行程に移ると、膨張シリンダ１内の作
動流体（Ｈｅ）が高温側熱交換器１６．マニホルド１９
．接続管２０．再生器６および低温側熱交換器７を介し
て圧縮シリンダ３内に流入し、膨張ピストン２が上死点
に達した時点で作動流体のほとんどが圧縮シリンダ３内
に流れ込む。このとき、作動流体は再生器６を通過する
間にその保有している熱が再生器６に奪われ、次いで低
温側熱交換器７によって冷却される。出力軸１２の回転
に伴なって圧縮ピストン４が下死点から上死点に向けて
移動を開始すると、圧縮シリンダ３内の低温の作動流体
が圧縮され、それまでとは逆の経路で膨張シリンダ１内
に流入する。

このとき、作動流体は再生器６を通過する間に吸熱して
高温に加熱され、次に高温側熱交換器１６を通過する際
さらに加熱される。膨張シリンダ１内に流入した高温の
作動流体は、膨張して膨張ピストン２を押し下げる。以
後、上述した動作が繰返され、外部動力源を断った状態
でも出力軸１２が回転を継続し、スターリングエンジン
としての動作がなされる。

このスターリングエンジンの運転状態において、本発明
に係る熱交換器を用いた再生器６は、前述したように高
温側熱交換器１６から高温の作動流体が流入した場合は
、この作動流体の熱を伝熱体３２により奪い、作動流体
を低温にしてから低温側熱交換器７に送り込む。一方、
低温側熱交換器７から低温の作動流体が流入した場合は
、作動流体が伝熱体３２の熱を吸収して高温となり、高
温側熱交換器１６へと流出させる。このような過程を交
互に繰返すことにより、再生器６は熱エネルギーを再生
し、スターリングエンジンの熱効率を向上させる。

ここで、再生器６に用いられる熱交換器は第２図に示し
たように、波状薄板３３を渦巻き状に巻回してなる伝熱
体３２を作動流体が流動する筒状容器３１内に収納した
構成であるため、単位体積当りの伝熱面積が大きい。し
かも、流路の断面積が流動方向でほぼ一定で、金網を積
層した従来の伝熱体のように流路の拡大・縮小がないた
め、作動流体の流動損失が著しく低減される。

また、伝熱体の外周部と筒状容器の内周部との間に隙間
があると、この隙間を流れる作動流体、は熱交換にあま
り寄与しないので、熱交換効率を低下させる原因となる
が、本発明では波状薄板３３を巻回した伝熱体３１が径
方向に弾性を持つことにより、伝熱体３２の外周部と筒
状容器３１の内周部との間の隙間が塞がるので、熱交換
効率が向上する。

また、本発明においては製作の容易な第３図に示したよ
うな等ピッチの波状薄板３３を用いても、薄板相互が重
なり合って流路が塞がったり、実効的な伝熱面積が減少
するということはない。

さらに、第２図に示したように複数の伝熱体３２を積層
した構造にすると、流体の流動方向における伝熱体３２
自体の熱伝導による熱損失が低減され、一層効率が向上
する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば伝熱体３２を構成する波状薄板３３は、第３図に
示したような三角波状のものに限られず、第４図に示す
ような方形波状のものであってもよい。

その他、本発明は要旨を逸脱しない範囲で樟々変形して
実施することができる。

［発明の効果〕本発明による熱交換器は、単位体積当りの伝熱面積が大
きくて熱交換効率が高く、しかも流体の流動損失が小さ
いという特長を有し、特にスターリングエンジンにおけ
る再生器として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る熱交換器を再生器とし
て組込んだスターリングエンジンの縦断面図、第２図は
同実施例における再生用熱交換器の構成を示す一部切欠
した斜視図、第３図は同再生用熱交換器における伝熱体
を構成する波状薄板の一例を示す斜視図、第４図は波状
薄板の他の例を示す斜視図である。１・・・膨張シリンダ、２・・・膨張ピストン、３・・
・圧縮シリンダ、４・・・圧縮ピストン、５・・・加熱
器、６・・・再生器、７・・・低温側熱交換器、８，９
・・・コネクティングロッド、１０．１１・・・クラン
ク軸、１２・・・出力軸、１３・・・シリンダヘッド、
１４・・・内側断熱材、１５・・・燃焼室、１６・・・
高温側熱交換器。１７・・・ガスノズル、１８・・・空気予熱器、１９・
・・マニホルド、２０・・・接続管、２１・・・クラン
ク室、２２．２３・・・リニアベアリング、２４．２５
・・・冷媒配管、２６〜２８・・・外側断熱材、２９・
・・スワラ−１３１・・・筒状容器、３２・・・伝熱体
、３３・・・波状薄板。出願人代理人　弁理士　鈴江載量第１図第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）流体が内部を流動する筒状容器と、この筒状容器
内に設けられ、波状薄板を該容器の周方向に渦巻き状に
巻回して構成された伝熱体とを備えたことを特徴とする
熱交換器。
（２）前記伝熱体は前記筒状容器内に前記流体の流動方
向に複数個積層されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の熱交換器。
（３）前記伝熱体を構成する波状薄板は等ピッチの波状
をなすものであることを特徴とする特許請求の範囲第１
項または第２項記載の熱交換器。