JPWO2011118033A1 - スターリングエンジンの熱交換器 - Google Patents
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Abstract
2気筒α型のスターリングエンジン10Aが備える直列平行に配置された高温側気筒20および低温側気筒30間で、スターリングエンジン10Aの作動流体を流通させる複数の伝熱管71Aからなる伝熱管群70Aを備え、伝熱管群70Aが、伝熱管群70Aの一端または他端のうちいずれか一方を始点として延伸していると見た場合に、立ち上がるように延伸する立ち上がり部G1と、立ち下がるように延伸する立ち下がり部G2と、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを折り返すようにして結ぶ折り返し部G3とを備える。
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が備える2つの気筒間で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からなる配管群を備えたスターリングエンジ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の熱交換器に関し、特に複数の配管を備えた熱交換器に関する技術である点で、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1または2で開示されている。
ところで、2つの気筒が直列平行に配置された2気筒α型のスターリングエンジンにおいて、多管式熱交換器(shell and tube exchanger, tubular exchanger)を用いて2つの気筒間で作動流体を流通させるにあたっては、例えば熱交換器の形状を概ねU字形の形状とすることが考えられる。この点、かかる形状は2つの気筒が直列平行に配置された構成の2気筒α型のスターリングエンジンに照らしても構造上、合理的であると考えられる。しかしながら、概ねU字形の形状を有する熱交換器の場合には、内側に位置する配管のほうが外側に位置する配管よりも配管長が短くなり、流通抵抗が小さくなる。このためこの場合には、内側に位置する配管のほうが外側に位置する配管よりも作動流体の流量が大きくなる。またこの場合には、内側に位置する配管を流通する作動流体のほうが、外側に位置する配管を流通する作動流体よりも熱交換時間が短くなる。すなわちこの場合には、このようにして内側に位置する配管を流通する作動流体の作用が相対的に大きくなることで、スターリングエンジンの熱効率が低下するという問題がある。
これに対して、例えば特許文献1が開示する技術は、かかる問題を解決できると考えられる。しかしながら、特許文献1の開示技術では、例えば当該特許文献1の実施例1で具体的に開示されている構造など、適用する構造次第では、管同士の干渉が問題となることから熱交換器により多くの管を設けることが困難となり、この結果、より高い熱交換性能を得ることが困難になる場合があると考えられる。一方、これに対して特許文献1の開示技術では、熱交換器により多くの管を設けるための構造に関しては特段言及されておらず、このことからも2つの気筒が直列平行に配置された構成の2気筒α型のスターリングエンジンについて、これらの問題を解決可能な構造を備える熱交換器が望まれる。
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の配管からなる高密度な配管群を備えることを可能にし、以って熱交換性能を高めることが可能な、さらには熱交換性能の更なる向上や製作容易性の向上を図ることが可能な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は、2気筒α型のスターリングエンジンが備える直列平行に配置された2つの気筒間で、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からなる配管群を備え、前記配管群が、該配管群の一端を始点として延伸していると見た場合に、立ち上がるように延伸する立ち上がり部と、立ち下がるように延伸する立ち下がり部と、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを裏返すようにして結ぶ接続部とを備えるスターリングエンジンの熱交換器である。
また本発明は前記接続部が、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを折り返すようにして結ぶ折り返し部であり、前記折り返し部が、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が連なる一対の折り曲げ端部を備えており、前記一対の折り曲げ端部が互いにオフセットするとともに、該一対の折り曲げ端部のオフセット間隔が、オフセット方向において前記立ち上がり部および前記立ち下がり部の間に隙間を形成可能な間隔に設定されており、且つ前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が、オフセット方向において間に隙間が形成されるように設けられている構成であることが好ましい。
また本発明は前記立ち上がり部を第1の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を第2の平面に沿って配置した構成であることが好ましい。
また本発明は前記配管群が前記接続部を複数備えた構成であることが好ましい。
また本発明は前記配管群が、前記接続部を複数備えており、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち上がり部を前記第1の平面に沿って配置するとともに、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち下がり部を前記第2の平面に沿って配置した構成であることが好ましい。
また本発明は前記複数の配管が互いに等長である構成であることが好ましい。
また本発明は前記複数の配管が互いに等長、且つ同形状である構成であることが好ましい。
また本発明は前記接続部における前記複数の配管の部分密度を、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部における前記複数の配管の部分密度よりも大きくした構成であることが好ましい。
また本発明は前記複数の配管が、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状を有しており、前記配管群が、前記片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1の部分配管群および第2の部分配管群を備える構成であることが好ましい。
また本発明は前記第1の部分配管群において、前記立ち上がり部を第1の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を第2の平面に沿って配置し、前記第2の部分配管群において、前記立ち上がり部を第2の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を第1の平面に沿って配置した構成であることが好ましい。
また本発明は前記接続部を複数備え、前記接続部のうち、一端を始点として延伸していると見た場合に、前記立ち上がり部に対して前記立ち下がり部を裏返すようにして、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを結ぶ接続部それぞれが、該接続部の数で前記2つの気筒のボアピッチを割った長さを有して前記範囲を均等に区分するそれぞれの範囲内に、一端側から他端側に向かって順に含まれるように設けられている構成であることが好ましい。
本発明によれば、複数の配管からなる高密度な配管群を備えることを可能にし、以って熱交換性能を高めることができる。また本発明によれば、さらには熱交換性能の更なる向上や製作容易性の向上を図ることができる。
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平行に配置された2つの気筒である高温側気筒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。この点、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)が平行になるように配置されている。加熱器47Aにおいて、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、H2、N2等の気体を適用することができる。
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、H2、N2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。
次に、加熱器47Aについて図3を用いてさらに具体的に説明する。ここで、加熱器47Aは多管式熱交換器となっており、作動流体を流通させる複数の配管に相当する複数の伝熱管71Aを備える。伝熱管71Aは、その中心軸に対して軸対称となる形状を有しており、具体的には概ねV字状の形状を有している。伝熱管71Aの一端には第1の作動流体出入口P1が、他端には第2の作動流体出入口P2が設けられている。伝熱管71Aには具体的にはSUSチューブが用いられている。
そして、複数の伝熱管71Aは伝熱管群70Aを構成する。なお、図3では説明の便宜上、伝熱管群70Aを構成する複数の伝熱管71Aとして2つの伝熱管71Aを示している。伝熱管群70Aは具体的には1列状の集合をなすように配置される複数の伝熱管71Aで構成される。さらに具体的には伝熱管群70Aは、互いに直列平行に、且つ等間隔で配置される複数の伝熱管71Aで構成される。この点、伝熱管群70Aを構成する複数の伝熱管71Aは、具体的には気筒配列方向Xに沿って互いに直列に配置されるようになっている。したがって、複数の伝熱管71Aそれぞれは、図3(a)に示すように気筒配列方向Xを水平方向に合わせて気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに直交する方向Zに沿って見た場合に、左右対称な形状になっている。伝熱管群70Aを構成する複数の伝熱管71Aそれぞれは互いに等長で、且つ同形状となっている。伝熱管群70Aは、立ち上がり部G1と、立ち下がり部G2と、折り返し部G3と、一端部G4と、他端部G5とを備えている。
立ち上がり部G1は、伝熱管群70Aが一端を始点として延伸していると見た場合に、立ち上がるように延伸した中間の部分となっている。立ち上がり部G1は、具体的には伝熱管71Aのうち、気筒延伸方向Yにおいて一端から離れるように延伸していると見た場合に、気筒配列方向Xにおいて他端に近づくように延伸することで、立ち上がるように延伸した中間の部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。このように構成された立ち上がり部G1は、第1の平面S1に沿って配置されている。第1の平面S1は気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに平行な平面となっている。
立ち下がり部G2は、伝熱管群70Aが一端を始点として延伸していると見た場合に、立ち下がるように延伸した中間の部分となっている。立ち下がり部G2は、具体的には伝熱管71Aのうち、気筒延伸方向Yにおいて他端に近づくように延伸していると見た場合に、気筒配列方向Xにおいて一端から離れるように延伸することで、立ち下がるように延伸した中間の部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。立ち下がり部G2は第2の平面S2に沿って配置されている。第2の平面S2は気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに平行な、すなわち第1の平面S1と平行な平面となっている。
折り返し部G3は、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを折り返すようにして結ぶ部分となっている。この点、折り返し部G3は、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを裏返すようにして結ぶ接続部に相当している。折り返し部G3は具体的には、伝熱管71Aのうち、立ち上がり部G1を形成する部分と、立ち下がり部G2を形成する部分とを、気筒配列方向Xと交差するとともに気筒延伸方向Yに直交するように結ぶ部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
折り返し部G3は、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2が連なる一対の折り曲げ端部Eを備えている。一対の折り曲げ端部Eは互いにオフセットしており、具体的には方向Zをオフセット方向として互いに均等にオフセットしている。また一対の折り曲げ端部Eのオフセット間隔は、オフセット方向において立ち上がり部G1および立ち下がり部G2の間に隙間を形成可能な間隔Wに設定されている。このため、第1および第2の平面S1、S2も間隔Wのオフセット間隔を有し、第1の平面S1に沿って配置された立ち上がり部G1と、第1の平面S1と平行な第2の平面S2に沿って配置された立ち下がり部G2とは間隔Wのオフセット間隔を有することで、図3(b)に示すように気筒配列方向Xに沿って見た場合にオフセット方向において間に隙間が形成されるように設けられている。
なお、立ち上がり部G1を平面(ここでは第1の平面S1)に沿って配置した場合に、立ち上がり部G1を形成する部分の複数の伝熱管71Aは、例えば図4に示す伝熱管群70A´のように平面上に厳密に配置されていなくてもよい。これは立ち下がり部G2のほか、折り返し部G3など他の部分についても同様であり、さらに以下の実施例においても同様である。この点、図4に示すような状態は、例えば製造誤差に起因して大なり小なり発生し得る。これに対して間隔Wは、平面に沿って配置された立ち上がり部G1および立ち下がり部G2が、図4に示すような状態においても、図4(c)に示すように気筒配列方向Xに沿って見た場合に互いに重ならないようにすることが可能なオフセット間隔に設定されている。この点、間隔Wは少なくとも伝熱管71Aの幅よりも大きな間隔となる。
図3に戻り、一端部G4は高温側気筒20側に設けられる端部となっている。一端部G4は具体的には、伝熱管71Aのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する一端から気筒延伸方向Yに沿って立ち上がるようにして延伸した部位と、当該部位から第1の平面S1側へ向かって、気筒配列方向Xに直交しつつ気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるようにして延伸し、立ち上がり部G1を形成する部分に接続される部位とからなる部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
他端部G5は低温側気筒30側に設けられる端部となっている。他端部G5は具体的には、伝熱管71Aのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する他端から気筒延伸方向Yに沿って立ち上がるようにして延伸した部位と、当該部位から第2の平面S2側へ向かって、気筒配列方向Xに直交しつつ気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるようにして延伸し、立ち下がり部G2を形成する部分に接続される部位とからなる部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
一端部G4と他端部G5とは、高温側気筒20および再生器46の上部それぞれの気筒延伸方向Yに沿った位置が異なる場合に、伝熱管群70Aの一端および他端それぞれの気筒延伸方向Yに沿った位置を調整可能な部分となっている。
他端部G5は低温側気筒30側に設けられる端部となっている。他端部G5は具体的には、伝熱管71Aのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する他端から気筒延伸方向Yに沿って立ち上がるようにして延伸した部位と、当該部位から第2の平面S2側へ向かって、気筒配列方向Xに直交しつつ気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるようにして延伸し、立ち下がり部G2を形成する部分に接続される部位とからなる部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
一端部G4と他端部G5とは、高温側気筒20および再生器46の上部それぞれの気筒延伸方向Yに沿った位置が異なる場合に、伝熱管群70Aの一端および他端それぞれの気筒延伸方向Yに沿った位置を調整可能な部分となっている。
伝熱管群70Aにおいて、一端部G4に設けられた第1の作動流体出入口P1それぞれは同一直線上に配置される。また他端部G5に設けられた第2の作動流体出入口P2それぞれは同一直線上に配置される。さらに、第1および第2の作動流体出入口P1、P2それぞれは、気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに平行な(すなわち第1および第2の平面S1、S2に平行な)第3の平面S3に含まれている。この点、第3の平面S3は第1および第2の平面S1、S2の間、中央に位置している。したがって、第1および第2の平面S1、S2は、第1および第2の作動流体出入口P1、P2を含む第3の平面S3を挟んで互いに平行な平面となっている。
また伝熱管群70Aでは、折り返し部G3における複数の伝熱管71Aの部分密度が、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2における複数の伝熱管71Aの部分密度よりも大きくなっている。この点、伝熱管群70Aでは、第1の作動流体出入口P1の間隔それぞれと、第2の作動流体出入口P2の間隔それぞれと、一対の折り曲げ端部Eにおける複数の伝熱管71Aの間隔それぞれとは、互いに等間隔になっている。このため、伝熱管群70Aでは、図3(a)に示すように方向Zに沿って見た場合に立ち上がり部G1および立ち下がり部G2が気筒延伸方向Yとなす鋭角それぞれよりも、図3(c)に示すように気筒延伸方向Yに沿って見た場合に折り返し部G3が方向Zとなす鋭角を大きく設定することで、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2における複数の伝熱管71A同士の間隔それぞれよりも、折り返し部G3における複数の伝熱管71A同士の間隔を狭くし、これにより上述のように部分密度を規定している。
かかる伝熱管群70Aは、具体的には図5に示すように加熱器47Aに設けられている。加熱器47Aには、図5(c)に示すように第1の作動流体出入口P1を接続するための第1の伝熱管接続口B1それぞれが高温側気筒20側に設けられている。第1の伝熱管接続口B1それぞれは、気筒配列方向Xに沿って等間隔に設けられており、また方向Zに沿って等間隔に設けられている。したがって、気筒配列方向Xに沿って隣り合う第1の伝熱管接続口B1同士は、気筒配列方向Xに沿って同一直線上に設けられている。
また加熱器47Aには、図5(c)に示すように第2の作動流体出入口P2を接続するための第2の伝熱管接続口B2それぞれが低温側気筒30側に設けられている。第2の伝熱管接続口B2それぞれは気筒配列方向Xに沿って等間隔に設けられるとともに、方向Zに沿って等間隔に設けられている。このため、気筒配列方向Xに沿って隣り合う第2の伝熱管接続口B2同士も、気筒配列方向Xに沿って同一直線上に設けられている。
また加熱器47Aには、図5(c)に示すように第2の作動流体出入口P2を接続するための第2の伝熱管接続口B2それぞれが低温側気筒30側に設けられている。第2の伝熱管接続口B2それぞれは気筒配列方向Xに沿って等間隔に設けられるとともに、方向Zに沿って等間隔に設けられている。このため、気筒配列方向Xに沿って隣り合う第2の伝熱管接続口B2同士も、気筒配列方向Xに沿って同一直線上に設けられている。
第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の数は互いに等しくなっている。また第1の伝熱管接続口B1同士の気筒配列方向Xに沿った間隔と、第2の伝熱管接続口B2同士の気筒配列方向Xに沿った間隔とは互いに等しくなっており、第1の伝熱管接続口B1同士の方向Zに沿った間隔と、第2の伝熱管接続口B2同士の方向Zに沿った間隔も互いに等しくなっている。さらに第1および第2の伝熱管接続口B1、B2は、方向Zに沿った位置が同じである場合に、気筒配列方向Xに沿って設けられた第1の伝熱管接続口B1の数と、気筒配列方向Xに沿って設けられた第2の伝熱管接続口B2の数とが互いに等しくなるように設けられている。したがって、第1および第2の伝熱管接続口B1、B2は、方向Zに沿った各位置において、気筒配列方向Xに沿って同一直線上に同じ数だけ等間隔に設けられている。また、同一の配置で設けられている第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の間隔と、伝熱管71Aの第1および第2の作動流体出入口P1、P2の間隔とは互いに等しくなっている。
そして加熱器47Aでは、同一の配置で設けられている第1および第2の伝熱管接続口B1、B2それぞれに対して、伝熱管71Aが設けられている。この点、方向Zに沿った各位置において、気筒配列方向Xに沿って同一直線上に設けられた第1および第2の伝熱管接続口B1、B2に対し、伝熱管71Aは気筒配列方向Xに沿って互いに直列平行に、且つ等間隔で配置され、複数の伝熱管群70Aを構成している。各伝熱管群70Aでは、図5(b)に示すように立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とが、気筒配列方向Xに沿って見た場合に間に隙間が形成されるように設けられている。この点、加熱器47Aでは、各伝熱各群70Aにおいて、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とが、図5(a)に示すようにオフセット方向(換言すれば方向Z)に沿って見た場合に、折り返し部G3付近で互いに重なり合う部分を有するように設けられている。
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、伝熱管群70Aが、立ち上がり部G1に対して立ち下がり部G2を折り返すようにして、これらを結ぶ折り返し部G3を備えている。そしてかかる構造によれば、伝熱管群70Aを構成する複数の伝熱管71Aを1列状の集合をなすように密に並べて配置することが可能になる。このため加熱器47Aは、これにより伝熱管群70Aの高密度化を図ることができ、以って高い熱交換性能を実現することができる。
また加熱器47Aでは、折り返し部G3が、互いにオフセットした一対の折り曲げ端部Eを備えている。この点、仮に一対の折り曲げ端部Eが平行でない場合には、上述のようにして伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたり、例えば第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置がより複雑になるか、或いは複数の伝熱管71Aの形状がより複雑になる。このため加熱器47Aでは、これにより製作容易性の向上を図ることができる。
また加熱器47Aでは、一対の折り曲げ端部Eのオフセット間隔が、オフセット方向において立ち上がり部G1および立ち下がり部G2の間に隙間を形成可能な間隔Wに設定されており、且つ立ち上がり部G1および立ち下がり部G2が、オフセット方向において間に隙間が形成されるように設けられている。このため加熱器47Aでは、上述のようにして伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたり、折り返し部G3付近において、複数の伝熱管71A同士の間で立ち上がり部G1を形成する部分と立ち下がり部G2を形成する部分との干渉が問題となることを回避でき、この結果、伝熱管群70Aの高密度化を好適に図ることができる。
また、これにより加熱器47Aでは、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2間に排気ガスを流通させることができ、この結果、更なる熱交換性能の向上を図ることができる。この点、加熱器47Aは、排気ガスの流通方向V1と直交する方向である方向Zをオフセット方向として一対の折り曲げ端部Eを互いにオフセットさせている。このため加熱器47Aは、気筒配列方向Xに沿って見た場合に立ち上がり部G1および立ち下がり部G2間に設けられる隙間に排気ガスを好適に流通させることができ、以って更なる熱交換性能の向上を図ることができる。
また加熱器47Aでは、立ち上がり部G1を第1の平面S1に沿って配置するとともに、立ち下がり部G2を第2の平面S2に沿って配置している。この点、仮に立ち上がり部G1および立ち下がり部G2が平面に沿って配置されていない場合には、伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたり、例えば第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置がより複雑になるか、或いは複数の伝熱管71Aの形状がより複雑になる。このため加熱器47Aは、これによってさらに製作容易性の向上を図ることができる。また加熱器47Aは、これによって立ち上がり部G1および立ち下がり部G2に沿って排気を好適に流通させることも可能になることから、更なる熱交換性能の向上を図ることもできる。
さらに加熱器47Aでは、第1および第2の平面S1、S2が気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに平行な平面であることから、これにより複数の伝熱管群70Aをこれら平面S1、S2に直交する方向Zに沿って高密度に備えることができ、この結果、更なる熱交換性能の向上を図ることもできる。
さらに加熱器47Aでは、第1および第2の平面S1、S2が気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに平行な平面であることから、これにより複数の伝熱管群70Aをこれら平面S1、S2に直交する方向Zに沿って高密度に備えることができ、この結果、更なる熱交換性能の向上を図ることもできる。
また加熱器47Aでは、第1の作動流体出入口P1が同一直線上に配置されるとともに、第2の作動流体出入口P2それぞれが同一直線上に配置されている。そして、これら第1および第2の作動流体出入口P1、P2それぞれは第3の平面S3上に配置されている。さらに加熱器47Aでは、第1および第2の作動流体出入口P1、P2それぞれを等間隔に配置している。
この点、仮に第1および第2の作動流体出入口P1、P2のうち、少なくともいずれかが同一直線上に配置されていない場合には、伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたって、例えば第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置がより複雑になるとともに、複数の伝熱管71Aの形状がより複雑になる。また仮に第1および第2の作動流体出入口P1、P2それぞれが第3の平面S3上に配置されていない場合には、例えば第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置がより複雑になる。また、仮に第1および第2の作動流体出入口P1、P2が等間隔に配置されていない場合には、伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたって、高密度化が阻害される。
このため加熱器47Aはこれにより更なる熱交換性能の向上を図ることができるとともに、さらに製作容易性の向上を図ることができる。
この点、仮に第1および第2の作動流体出入口P1、P2のうち、少なくともいずれかが同一直線上に配置されていない場合には、伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたって、例えば第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置がより複雑になるとともに、複数の伝熱管71Aの形状がより複雑になる。また仮に第1および第2の作動流体出入口P1、P2それぞれが第3の平面S3上に配置されていない場合には、例えば第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置がより複雑になる。また、仮に第1および第2の作動流体出入口P1、P2が等間隔に配置されていない場合には、伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたって、高密度化が阻害される。
このため加熱器47Aはこれにより更なる熱交換性能の向上を図ることができるとともに、さらに製作容易性の向上を図ることができる。
また加熱器47Aでは、複数の伝熱管71Aが等長になっている。このため加熱器47Aでは、これによって直列平行に配置された気筒20、30間で複数の伝熱管71Aからなる伝熱管群70Aを介して作動流体を流通させるにあたり、高い熱交換性能を好適に実現することができる。
また加熱器47Aでは、複数の伝熱管71Aがさらに同一形状になっている。このため加熱器47Aでは、複数の伝熱管71Aそれぞれを同一部品として製作することができ、これによってさらに製作容易性の向上を図ることができる。またこれにより、複数の伝熱管71Aを重ね合わせるようにして直列平行に密に並べて配置できることから、伝熱管群70Aの更なる高密度化を図ることができ、以って更なる熱交換性能の向上を図ることができる。
さらに加熱器47Aでは、伝熱管71Aがその中心軸に対して軸対称となる形状を有している。このため加熱器47Aでは、伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたって均一性を高めることができ、これにより更なる熱交換性能の向上を図ることができる。この点、伝熱管71Aは少なくとも立ち上がり部G1、立ち下がり部G2および折り返し部G3を形成する部分が軸対称となる形状を有していることが好ましい。また、加熱器47Aでは、第1および第2の作動流体出入口P1、P2を等間隔に規則的に配置したことによっても、伝熱管群70Aの均一性を高めることができ、これにより更なる熱交換性能の向上を図ることができる。
また加熱器47Aでは、複数の伝熱管71Aがさらに同一形状になっている。このため加熱器47Aでは、複数の伝熱管71Aそれぞれを同一部品として製作することができ、これによってさらに製作容易性の向上を図ることができる。またこれにより、複数の伝熱管71Aを重ね合わせるようにして直列平行に密に並べて配置できることから、伝熱管群70Aの更なる高密度化を図ることができ、以って更なる熱交換性能の向上を図ることができる。
さらに加熱器47Aでは、伝熱管71Aがその中心軸に対して軸対称となる形状を有している。このため加熱器47Aでは、伝熱管群70Aの高密度化を図るにあたって均一性を高めることができ、これにより更なる熱交換性能の向上を図ることができる。この点、伝熱管71Aは少なくとも立ち上がり部G1、立ち下がり部G2および折り返し部G3を形成する部分が軸対称となる形状を有していることが好ましい。また、加熱器47Aでは、第1および第2の作動流体出入口P1、P2を等間隔に規則的に配置したことによっても、伝熱管群70Aの均一性を高めることができ、これにより更なる熱交換性能の向上を図ることができる。
また加熱器47Aでは、折り返し部G3における複数の伝熱管71Aの部分密度を、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2における複数の伝熱管71Aの部分密度よりも大きくしている。そしてこれにより加熱器47Aでは、タイトな折り返しが容易になることから、各伝熱管群70Aにおいて、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とのオフセット間隔をより狭めることが可能になる。このため加熱器47Aはさらに複数の伝熱管群70A同士を高密度に備えることができ、これによって更なる熱交換性能の向上を図ることができる。
本実施例にかかる加熱器47Bは、多管式熱交換器として図6に示す伝熱管71Bを複数備える。なお、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に設けることができる。伝熱管71Bは、その中心軸に対して軸対称となる形状を有しており、具体的には概ねM字状の形状を有している。伝熱管71Bの一端には第1の作動流体出入口P1が、他端には第2の作動流体出入口P2がそれぞれ設けられている。
そして、複数の伝熱管71Bは伝熱管群70Bを構成する。なお、図6では説明の便宜上、伝熱管群70Bを構成する複数の伝熱管71Bとして2つの伝熱管71Bを示している。伝熱管群70Bは具体的には1列状の集合をなすように配置される複数の伝熱管71Bで構成される。さらに具体的には伝熱管群70Bは、互いに直列平行に、且つ等間隔で配置される複数の伝熱管71Bで構成される。この点、伝熱管群70Bを構成する複数の伝熱管71Bは、具体的には気筒配列方向Xに沿って互いに直列に配置されるようになっている。したがって、複数の伝熱管71Bは、図6(a)に示すように気筒配列方向Xを水平方向に合わせて方向Zに沿って見た場合に、左右対称な形状になっている。伝熱管群70Bを構成する複数の伝熱管71Bそれぞれは互いに等長で、且つ同形状となっている。
伝熱管群70Bは、2つの立ち上がり部G1と、2つの立ち下がり部G2と、3つの折り返し部G3と、一端部G4と、他端部G5とを備えている。この点、伝熱管群70Bは、複数の折り返し部G3を設けることで、伝熱管群70Aに対して、構造上、新たな立ち上がり部G1および新たな立ち下がり部G2をさらに設けるようにした伝熱管群となっている。なお、複数の折り返し部G3の数は具体的には奇数となる。
2つの立ち上がり部G1は、具体的には伝熱管群70Bが一端を始点として延伸していると見た場合に、一端側に位置する立ち上がり部G11と、他端側に位置する立ち上がり部G12とによって構成されている。これら2つの立ち上がり部G1それぞれは互いに平行に延伸しており、且つ第1の平面S1に沿って配置されている。またこれら立ち上がり部G1それぞれは、図6(a)に示すように方向Zに沿って見た場合に気筒延伸方向Yとなす鋭角が伝熱管群70Aの場合よりも小さくなっている。
2つの立ち下がり部G2は、具体的には伝熱管群70Bが一端を始点として延伸していると見た場合に、一端側に位置する立ち下がり部G21と、他端側に位置する立ち下がり部G22とによって構成されている。これら2つの立ち下がり部G2それぞれは互いに平行に延伸しており、且つ第2の平面S2に沿って配置されている。またこれら立ち下がり部G2それぞれは、図6(a)に示すように方向Zに沿って見た場合に気筒延伸方向Yとなす鋭角が伝熱管群70Aの場合よりも小さくなっている。
3つの折り返し部G3は、具体的には伝熱管群70Bが一端を始点として延伸していると見た場合に、立ち上がり部G1に対して立ち下がり部G2を折り返すようにして、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを結ぶ2つの折り返し部G31と、立ち下がり部G2に対して立ち上がり部G1を折り返すようにして、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを結ぶ1つの折り返し部G32とによって構成されている。2つの折り返し部G31は伝熱管群70Bにおいて両端に位置しており、折り返し部G32は伝熱管群70Bにおいて中央に位置している。これら3つの折り返し部G3それぞれは、図6(c)に示すように気筒延伸方向Yに沿って見た場合に方向Zとなす鋭角が伝熱管群70Aの場合よりも小さくなっている。これら3つの折り返し部G3それぞれにおいて、一対の折り曲げ端部Eは、伝熱管群70Aの場合と同様に設けられており、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とは間隔Wのオフセット間隔を有することで、図6(b)に示すように気筒配列方向Xに沿って見た場合にオフセット方向において間に隙間が形成されるように設けられている。
伝熱管群70Bでは、図6(a)に示すように方向Zに沿って見た場合に立ち上がり部G1および立ち下がり部G2が気筒延伸方向Yとなす鋭角と、図6(c)に示すように気筒延伸方向Yに沿って見た場合に折り返し部G3が方向Zとなす鋭角とが、伝熱管群70Aの場合と比較して小さくなっている。但し、伝熱管群70Bでも、これらの鋭角は、折り返し部G3における複数の伝熱管71Bの部分密度が、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2における複数の伝熱管71Bの部分密度よりも大きくなるように設定されている。
一端部G4は高温側気筒20側に設けられる端部となっており、具体的には伝熱管71Bのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する一端から第1の平面S1側に向かって、気筒配列方向Xに直交しつつ気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるように延伸し、一端側に位置する立ち上がり部G11を形成する部分に接続される部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
他端部G5は低温側気筒30側に設けられる端部となっており、具体的には伝熱管71Bのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する他端から第2の平面S2側に向かって、気筒配列方向Xに直交しつつ気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるように延伸し、他端側に位置する立ち下がり部G22を形成する部分に接続される部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
なお、一端部G4および他端部G5は例えば伝熱管群70Aの場合と同様に形成されてもよい。
他端部G5は低温側気筒30側に設けられる端部となっており、具体的には伝熱管71Bのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する他端から第2の平面S2側に向かって、気筒配列方向Xに直交しつつ気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるように延伸し、他端側に位置する立ち下がり部G22を形成する部分に接続される部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
なお、一端部G4および他端部G5は例えば伝熱管群70Aの場合と同様に形成されてもよい。
かかる伝熱管群70Bは、具体的には図7に示すように加熱器47Bに設けられている。加熱器47Bでは、第1および第2の伝熱管接続口B1、B2が、加熱器47Aの場合と同様に設けられている。そして加熱器47Bでは、同一の配置で設けられている第1および第2の伝熱管接続口B1,B2のセットそれぞれに対して伝熱管71Bが設けられている。この点、方向Zに沿った各位置において、気筒配列方向Xに沿って同一直線上に設けられた第1および第2の伝熱管接続口B1、B2に対し、伝熱管71Bは気筒配列方向Xに沿って互いに直列平行に、且つ等間隔で配置され、複数の伝熱管群70Bを構成している。各伝熱管群70Bでは立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とが、図7(b)に示すように気筒配列方向Xに沿って見た場合に間に隙間が形成されるように設けられている。
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、複数の折り返し部G3を設けることで、加熱器47Aに対して新たな立ち上がり部G1および新たな立ち下がり部G2をさらに設けることができる。すなわち、加熱器47Bでは、複数の折り返し部G3を設けることで、伝熱管群70Bを構成する複数の伝熱管71Bそれぞれの全長を、伝熱管群70Aを構成する複数の伝熱管71Aそれぞれの全長よりも長くすることができ、これにより加熱器47Aと比較してより大きな伝熱面積を確保できる。
また加熱器47Bでは、概ねM字状の形状を有する複数の伝熱管71Bで伝熱管群70Bを構成することで、複数の伝熱管71Bの配列方向である気筒配列方向Xにおいて、折り返し部G32が隣り合う折り返し部G31同士の間に位置するように折り返し部G3それぞれを設け、これによりコンパクトな形態を確保している。なお、この場合に折り返し部G31、G32間で気筒配列方向Xに沿った位置の重なり合いはあってもよい。
このため加熱器47Bは、加熱器47Aと比較してコンパクトな形態を確保しつつ、更なる熱交換性能の向上を図ることができる点で、さらに好適に高い熱交換性能を実現できる。
また加熱器47Bでは、概ねM字状の形状を有する複数の伝熱管71Bで伝熱管群70Bを構成することで、複数の伝熱管71Bの配列方向である気筒配列方向Xにおいて、折り返し部G32が隣り合う折り返し部G31同士の間に位置するように折り返し部G3それぞれを設け、これによりコンパクトな形態を確保している。なお、この場合に折り返し部G31、G32間で気筒配列方向Xに沿った位置の重なり合いはあってもよい。
このため加熱器47Bは、加熱器47Aと比較してコンパクトな形態を確保しつつ、更なる熱交換性能の向上を図ることができる点で、さらに好適に高い熱交換性能を実現できる。
本実施例にかかる加熱器47Cは、多管式熱交換器として図8に示す伝熱管71Cを複数備える。なお、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に設けることができる。伝熱管71Cは、その中心軸に対して軸対称な形状にはなっておらず、概ねM字状の形状からなる左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状を有している。伝熱管71Cの一端には第1の作動流体出入口P1が、他端には第2の作動流体出入口P2が設けられている。
そして複数の伝熱管71Cは、図9に示すように伝熱管群70Cを構成する。なお、図9では説明の便宜上、伝熱管群70Cを構成する複数の伝熱管71Cとして10本の伝熱管71Cを示している。伝熱管群70Cは具体的には1列状の集合をなすように配置される複数の伝熱管71Cで構成される。さらに具体的には伝熱管群70Cは、互いに直列に、且つ等間隔で配置される複数の伝熱管71Cで構成される。この点、伝熱管群70Cを構成する複数の伝熱管71Cは、具体的には気筒配列方向Xに沿って互いに直列に配置されるようになっている。したがって、複数の伝熱管71Cは、具体的には図9(a)に示すように気筒配列方向Xを水平方向に合わせて方向Zに沿って見た場合に、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状を有している。伝熱管群70Cを構成する複数の伝熱管71Cそれぞれは互いに等長で、且つ同形状となっている。
伝熱管群70Cを構成する複数の伝熱管71Cは、具体的には片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1の伝熱管711Cと第2の伝熱管712Cとによって構成される。第1の伝熱管711Cは、複数の伝熱管71Cのうち、高温側気筒20側にその一端が設けられる伝熱管となっており、第2の伝熱管712Cは、複数の伝熱管71Cのうち、高温側気筒20側にその他端が設けられる伝熱管となっている。さらに具体的には、第1の伝熱管711Cは、複数の伝熱管71Cのうち、その一端が高温側気筒20の中心軸線を含み、且つ方向Zに平行な平面S4よりも外側の部分に設けられる伝熱管となっており、第2の伝熱管712Cは、複数の伝熱管71Cのうち、その他端が平面S4よりも内側の部分に設けられる伝熱管となっている。第1および第2の伝熱管711C、712Cそれぞれは、複数の伝熱管71Cの半数ずつ設けられている。
伝熱管群70Cにおいて、第1の伝熱管711Cは第1の部分伝熱管群701Cを、第2の伝熱管712Cは第2の部分伝熱管群702Cをそれぞれ構成している。第1の部分伝熱管群701Cは具体的には直列平行に、且つ等間隔で配置された第1の伝熱管711Cによって構成されており、第2の部分伝熱管群702Cは具体的には直列平行に、且つ等間隔で配置された第2の伝熱管712Cによって構成されている。この点、伝熱管群70C全体として見た場合に、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cは、片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた伝熱管群になっている。
第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれは、2つの立ち上がり部G1と、2つの立ち下がり部G2と、3つの折り返し部G3と、一端部G4と、他端部G5とを備えている。
立ち上がり部G11、G12からなる2つの立ち上がり部G1それぞれは、第1の部分伝熱管群701Cにおいては第1の平面S1に沿って配置されており、第2の部分伝熱管群702Cにおいては第2の平面S2に沿って配置されている。2つの立ち上がり部G1それぞれは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、互いに平行に延伸している。具体的には2つの立ち上がり部G1それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角は、実施例2で前述した伝熱管群70Bにおける2つの立ち上がり部G1それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角よりも小さくなっている。
立ち上がり部G11、G12からなる2つの立ち上がり部G1それぞれは、第1の部分伝熱管群701Cにおいては第1の平面S1に沿って配置されており、第2の部分伝熱管群702Cにおいては第2の平面S2に沿って配置されている。2つの立ち上がり部G1それぞれは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、互いに平行に延伸している。具体的には2つの立ち上がり部G1それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角は、実施例2で前述した伝熱管群70Bにおける2つの立ち上がり部G1それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角よりも小さくなっている。
立ち下がり部G21、G22からなる2つの立ち下がり部G2それぞれは、第1の部分伝熱管群701Cにおいては第2の平面S2に沿って配置されており、第2の部分伝熱管群702Cにおいては第1の平面S1に沿って配置されている。
2つの立ち下がり部G2それぞれは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、互いに平行に延伸している。具体的には2つの立ち下がり部G2それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角は、伝熱管群70Bにおける2つの立ち下がり部G2それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角よりも小さくなっている。
2つの立ち下がり部G2それぞれは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、互いに平行に延伸している。具体的には2つの立ち下がり部G2それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角は、伝熱管群70Bにおける2つの立ち下がり部G2それぞれが気筒延伸方向Yとなす鋭角よりも小さくなっている。
2つの折り返し部G31および1つの折り返し部G32からなる3つの折り返し部G3は、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、伝熱管群70Bの場合と同様に立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを結んでおり、これら3つの折り返し部G3それぞれが方向Zとなす鋭角は、伝熱管群70Bの場合と同じになっている。したがって、これら3つの折り返し部G3それぞれにおいて、一対の折り曲げ端部Eは、伝熱管群70Bの場合と同様に設けられており、立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とは、図9(b)に示すように気筒配列方向Xに沿って見た場合にオフセット方向において間に隙間が形成されるように設けられている。
一端部G4は、第1の部分伝熱管群701Cにおいては、高温側気筒20側に設けられる端部となっており、第2の部分伝熱管群702Cにおいては、低温側気筒30側に設けられる端部となっている。一端部G4は、伝熱管71Cのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する一端から、気筒延伸方向Yに沿って延伸した後、第1の部分伝熱管群701Cにおいては第1の平面S1側に向かって、第2の部分伝熱管群702Cにおいては第2の平面S2側に向かって、気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるようにして延伸し、一端側に位置する立ち上がり部G1を形成する部分に接続される部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
他端部G5は、第1の部分伝熱管群701Cにおいては、低温側気筒30側に設けられる端部となっており、第2の部分伝熱管群702Cにおいては、高温側気筒20側に設けられる端部となっている。他端部G5は、伝熱管71Cのうち、第1および第2の平面S1、S2の中間に位置する他端から、気筒延伸方向Yに沿って延伸した後、第1の部分伝熱管群701Cにおいては第2の平面S2側に向かって、第2の部分伝熱管群702Cにおいては第1の平面S1側に向かって、気筒配列方向Xおよび気筒延伸方向Yに対して斜めに立ち上がるようにして延伸し、他端側に位置する立ち下がり部G2を形成する部分に接続される部分が、気筒配列方向Xに沿って互いに1列状の集合をなすように配置されることで形成されている。
第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれは、一端側に片寄った形状によって左右非対称な形状になっている。この点、片寄った形状は、具体的には第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、複数の折り返し部G3が一端側に片寄って配置された形状によって、左右非対称な形状になっている。そして、伝熱管群70Cは、伝熱管群70C全体として見た場合に、一端側および他端側に片寄った形状が配置されるように設けられた複数の伝熱管71Cによって構成されている。
この点、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cを構成する複数の伝熱管71Cそれぞれは、具体的には図10に示すように、方向Zに沿って見た場合に、一端部G4と一端を含み気筒配列方向Xに沿った直線とが外側においてなす角度θ1、および他端部G5と他端を含み気筒配列方向Xに沿った直線とが内側においてなす角度θ2それぞれが、90°以下になるように設定されている。
そして、一端部G4および他端部G5の形状は、さらに具体的には例えば図10(a)に示す伝熱管71CAや、図10(b)に示す伝熱管71CBや、図10(c)に示す伝熱管71CCなどによって実現することができる。この点、伝熱管71CAは、角度θ1、θ2が等しくなるように設定されたものとなっている。また、伝熱管71CBは角度θ1が角度θ2よりも大きくなるように設定されたものとなっている。また、伝熱管71CCは角度θ1が角度θ2よりも小さくなるように設定されたものとなっている。
そして、一端部G4および他端部G5の形状は、さらに具体的には例えば図10(a)に示す伝熱管71CAや、図10(b)に示す伝熱管71CBや、図10(c)に示す伝熱管71CCなどによって実現することができる。この点、伝熱管71CAは、角度θ1、θ2が等しくなるように設定されたものとなっている。また、伝熱管71CBは角度θ1が角度θ2よりも大きくなるように設定されたものとなっている。また、伝熱管71CCは角度θ1が角度θ2よりも小さくなるように設定されたものとなっている。
さらに、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状は、複数の伝熱管71Cの代わりに、例えば図11に示す伝熱管群70C´を構成する複数の伝熱管71C´によって実現することもできる。
伝熱管群70C´も伝熱管群70Cと同様に、伝熱管群70C´全体として見た場合に、一端側および他端側に片寄った形状が配置されるように設けられた複数の伝熱管71C´によって構成されている。そして伝熱管群70C´では、伝熱管群70Cを構成する複数の伝熱管71C´が、片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1の伝熱管711C´と第2の伝熱管712C´とによって構成されている。また伝熱管群70C´では、第1および第2の伝熱管711C´、712C´が、伝熱管群70C´全体として見た場合に、片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1および第2の部分伝熱管群701C´、702C´を構成している。
伝熱管群70C´も伝熱管群70Cと同様に、伝熱管群70C´全体として見た場合に、一端側および他端側に片寄った形状が配置されるように設けられた複数の伝熱管71C´によって構成されている。そして伝熱管群70C´では、伝熱管群70Cを構成する複数の伝熱管71C´が、片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1の伝熱管711C´と第2の伝熱管712C´とによって構成されている。また伝熱管群70C´では、第1および第2の伝熱管711C´、712C´が、伝熱管群70C´全体として見た場合に、片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1および第2の部分伝熱管群701C´、702C´を構成している。
一方、伝熱管群70C´では、2つの立ち上がり部G1それぞれが、第1および第2の部分伝熱管群701C´、702C´それぞれにおいて、互いに非平行に延伸している。また伝熱管群70C´では、2つの立ち下がり部G2それぞれも、第1および第2の部分伝熱管群701C´、702C´それぞれにおいて、互いに非平行に延伸している。すなわち、2つの立ち上がり部G1それぞれは例えば伝熱管群70C´のように互いに非平行に延伸していてもよく、また2つの立ち下がり部G2それぞれも例えば伝熱管群70C´のように互いに非平行に延伸していてもよい。
一方、伝熱管群70C´においても、角度θ1、角度θ2それぞれは90°以下になるように設定されている。この点、一端部G4および他端部G5の形状は、伝熱管群70Cと同様に、さらに具体的には例えば角度θ1、θ2が等しくなるように設定された図12(a)に示す伝熱管71CA´や、角度θ1が角度θ2よりも大きくなるように設定された図12(b)に示す伝熱管71CB´や、角度θ1が角度θ2よりも小さくなるように設定された図12(c)に示す伝熱管71CC´などによって実現することができる。この点、複数の伝熱管71C´は仮に例えば角度θ1、θ2がともに90°になるように設定された場合であっても、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状になるようになっている。すなわち、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状は、角度θ1、θ2の設定だけでなく、例えば立ち上がり部G1や立ち下がり部G2の延伸態様によっても実現することができる。そしてこの点を含めて、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状を形成するにあたって、角度θ1、θ2はともに90°以下になるように設定される。
伝熱管群70Cは、具体的には例えば加熱器47Bと同様に配置された第1および第2の伝熱管接続口B1,B2に対して設けることができる。この点、複数の部分伝熱管群である第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれでは、図13に示すように、すべての折り返し部G3が複数の伝熱管71Cの配列方向である気筒配列方向Xにおいて、ボアピッチLを長さとする範囲R内に含まれるように設けられている。
また、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれでは、折り返し部G31それぞれが、ボアピッチLを折り返し部G31の数n(ここでは2つ)で割った長さlを有して範囲Rを均等に区分するそれぞれの範囲内に、一端側から他端側に向かって順に含まれるように設けられている。そして、折り返し部G32は、気筒配列方向Xにおいて隣り合う折り返し部G31同士の間に位置するように設けられている。なお、この場合に折り返し部G31、G32間で気筒配列方向Xに沿った位置の重なり合いはあってもよい。
さらに、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、両端に位置する折り返し部G31それぞれは、気筒延伸方向Yに沿って見た場合に対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出さないように設けることができる。但しこれに限られず、両端に位置する折り返し部G31それぞれは例えば気筒配列方向Xに沿って外側へオフセットさせるようにして、対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出すように設けられてもよい。なお、再生器46と低温側気筒30とは同軸同径になっている。
一方、範囲Rは、伝熱管群70C全体として見た場合に、具体的にはボアピッチLの中心から気筒配列方向Xに沿って延伸するように設定されている。
また、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれでは、折り返し部G31それぞれが、ボアピッチLを折り返し部G31の数n(ここでは2つ)で割った長さlを有して範囲Rを均等に区分するそれぞれの範囲内に、一端側から他端側に向かって順に含まれるように設けられている。そして、折り返し部G32は、気筒配列方向Xにおいて隣り合う折り返し部G31同士の間に位置するように設けられている。なお、この場合に折り返し部G31、G32間で気筒配列方向Xに沿った位置の重なり合いはあってもよい。
さらに、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、両端に位置する折り返し部G31それぞれは、気筒延伸方向Yに沿って見た場合に対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出さないように設けることができる。但しこれに限られず、両端に位置する折り返し部G31それぞれは例えば気筒配列方向Xに沿って外側へオフセットさせるようにして、対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出すように設けられてもよい。なお、再生器46と低温側気筒30とは同軸同径になっている。
一方、範囲Rは、伝熱管群70C全体として見た場合に、具体的にはボアピッチLの中心から気筒配列方向Xに沿って延伸するように設定されている。
次に加熱器47Cの作用効果について説明する。ここで、加熱器47Bでは図14(a)に示すように、伝熱管群70Bを構成する伝熱管71Bの本数をさらに増やそうとしたときに、隣り合う折り返し部G31同士が地点T1で干渉する場合には、伝熱管71Bの本数を増やすことができない。この点、加熱器47Cでも、図14(b)に示すように第1の部分伝熱管群701Cにおいて隣り合う折り返し部G31同士が地点T2で干渉する場合には、第1の部分伝熱管群701Cを構成する伝熱管71Cとして、第1の伝熱管711Cの本数を増やすことはできない。
ところが、加熱器47Cでは、伝熱管71Cが左右非対称な形状で、且つ片寄った形状を有することから、片寄った形状が互いに離れるように一端および他端を第1の伝熱管711Cと逆向きにした第2の伝熱管712Cを設けることで、伝熱管群70Cを構成する伝熱管71Cの本数を構造上さらに増やすことができる。このため加熱器47Cは、加熱器47Bの場合と比較して、第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の気筒配列方向Xに沿った数をさらに増やして、伝熱管群70Cを構成する伝熱管71Cをさらに設けることができる。そしてこれにより、加熱器47Cは、加熱器47Bと比較して更なる熱交換性能の向上を図ることができる。
また加熱器47Cでは、このようにして伝熱管群70Cを構成する伝熱管71Cの本数をさらに増やすことで、第1の部分伝熱管群701Cにおいて隣り合う折り返し部G31同士の干渉が回避されることから、これら折り返し部G31同士の干渉がボアピッチLの短縮に対する制約条件になることも構造上回避できる。このため加熱器47Cは、加熱器47Bと比較して、ボアピッチLをさらに短くしたスターリングエンジンにも対応することができる。換言すれば、加熱器47Cは、加熱器47Bと比較してさらにスターリングエンジンのコンパクト化に寄与することもできる。
また加熱器47Cでは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、すべての折り返し部G3が、気筒配列方向Xにおいて、気筒配列方向Xに沿って設定したボアピッチLの長さを有する範囲R内に含まれるように設けられている。そしてこれにより、加熱器47Cでは、片寄った形状で複数の折り返し部G3を有する第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cを備える場合でも、これら部分伝熱管群701C、702Cそれぞれを気筒配列方向Xにおいてコンパクトに構成することができる。
また加熱器47Cでは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、折り返し部G31それぞれの気筒配列方向Xに沿った位置が、長さlを有して範囲Rを均等に区分するそれぞれの範囲内に、一端側から他端側に向かって順に含まれるように設定されている。同時に加熱器47Cでは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、折り返し部G32の気筒配列方向Xに沿った位置が、隣り合う折り返し部G31の間に位置するように設定されている。そして、これにより加熱器47Cは、部分伝熱管群701C、702Cそれぞれを合理的な形状で気筒配列方向Xにおいてコンパクトに構成することができる。
また加熱器47Cでは、範囲RをボアピッチLの中心から気筒配列方向Xに沿って延伸するように設定することで、伝熱管群70C全体として、伝熱管群70Cを気筒配列方向Xにおいて好適にコンパクトに構成することができる。
また加熱器47Cでは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、両端に位置する折り返し部G31それぞれを対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出すように設けることも可能であるところ、両端に位置する折り返し部G31それぞれを対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出さないように設けることで、伝熱管群70Cを気筒配列方向Xにおいて好適にコンパクトに構成することもできる。
また加熱器47Cでは、第1および第2の部分伝熱管群701C、702Cそれぞれにおいて、両端に位置する折り返し部G31それぞれを対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出すように設けることも可能であるところ、両端に位置する折り返し部G31それぞれを対応する各気筒20、30それぞれのボアからはみ出さないように設けることで、伝熱管群70Cを気筒配列方向Xにおいて好適にコンパクトに構成することもできる。
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1では、伝熱管群70Aを用いて、折り返し部G3に一対の折り曲げ端部Eを備えるとともに、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2をオフセット方向において間に隙間が形成されるように設け、さらに第1の平面S1に沿って立ち上がり部G1を、第2の平面S2に沿って立ち下がり部G2をそれぞれ配置し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、かかる特徴を備える伝熱管群は、例えば以下に示す伝熱管群によっても実現することができる。
例えば上述した実施例1では、伝熱管群70Aを用いて、折り返し部G3に一対の折り曲げ端部Eを備えるとともに、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2をオフセット方向において間に隙間が形成されるように設け、さらに第1の平面S1に沿って立ち上がり部G1を、第2の平面S2に沿って立ち下がり部G2をそれぞれ配置し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、かかる特徴を備える伝熱管群は、例えば以下に示す伝熱管群によっても実現することができる。
例えば図15に示す伝熱管群70Dは、伝熱管群70Aに対して、折り返し部G3を方向Zに沿って延伸するように変更して設けた伝熱管群となっており、複数の伝熱管71Aそれぞれに対して、折り返し部G3を構成する部分を同様に変更して設けた複数の伝熱管71Dそれぞれによって構成されている。しかしながら、この伝熱管群70Dも上述した特徴を備えており、かかる特徴に基づく効果を伝熱管群70Aと同様に発揮することができる。なお、この場合には、折り返し部G3における複数の伝熱管71Dの部分密度は、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2における複数の伝熱管71Dの部分密度よりも小さくなる。
また例えば図16に示す伝熱管群70Eは、伝熱管群70Aに対して、折り返し部G3を形成する部分それぞれを第1および第2の作動流体出入口P1、P2それぞれの間隔よりも広い間隔で等間隔、且つ全体として均等になるように配置するように変更して設けた伝熱管群となっている。そしてこれに伴い、伝熱管群70Eは、複数の伝熱管71Aの代わりに、複数の伝熱管71Eとして互いに異なる複数の伝熱管711Eから715Eによって構成されている。
複数の伝熱管71Eは具体的には、複数の伝熱管71Aに対して、図16(a)に示すように方向Zに沿って見た場合に、伝熱管群70Eにおいて最も一端側に設けられた伝熱管711Eから最も他端側に設けられた伝熱管715Eに向かって、立ち上がり部G1を形成する部分と気筒延伸方向Yとがなす鋭角が次第に大きくなるとともに、立ち下がり部G2を形成する部分と気筒延伸方向Yとがなす鋭角が次第に小さくなるように、且つ伝熱管群70Eが全体としてその中心軸に対して軸対称な形状になるように変更して設けられている。しかしながら、この伝熱管群70Eも上述した特徴を備えており、かかる特徴に基づく効果を伝熱管群70Aと同様に発揮することができる。
なお、この場合には、複数の伝熱管71Eを互いに同形状にすることができなくなるほか、折り返し部G3における複数の伝熱管71Eの部分密度と、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2における複数の伝熱管71Eの部分密度との関係を規定することによる複数の伝熱管群70Eの高密度化は図れなくなる。
複数の伝熱管71Eは具体的には、複数の伝熱管71Aに対して、図16(a)に示すように方向Zに沿って見た場合に、伝熱管群70Eにおいて最も一端側に設けられた伝熱管711Eから最も他端側に設けられた伝熱管715Eに向かって、立ち上がり部G1を形成する部分と気筒延伸方向Yとがなす鋭角が次第に大きくなるとともに、立ち下がり部G2を形成する部分と気筒延伸方向Yとがなす鋭角が次第に小さくなるように、且つ伝熱管群70Eが全体としてその中心軸に対して軸対称な形状になるように変更して設けられている。しかしながら、この伝熱管群70Eも上述した特徴を備えており、かかる特徴に基づく効果を伝熱管群70Aと同様に発揮することができる。
なお、この場合には、複数の伝熱管71Eを互いに同形状にすることができなくなるほか、折り返し部G3における複数の伝熱管71Eの部分密度と、立ち上がり部G1および立ち下がり部G2における複数の伝熱管71Eの部分密度との関係を規定することによる複数の伝熱管群70Eの高密度化は図れなくなる。
また例えば図17に示す伝熱管群70Fは、伝熱管群70Aに対して、一端部G4が第1の平面S1に含まれるとともに、他端部G5が第2の平面S2に含まれるように変更して設けた伝熱管群となっており、複数の伝熱管71Aそれぞれに対して、一端部G4および他端部G5を構成する部分それぞれを同様に変更して設けた複数の伝熱管71Fそれぞれによって構成されている。したがって、伝熱管群70Fでは、第1の平面S1が第1の作動流体出入口P1を含む平面になっているとともに、第2の平面S2が第2の作動流体出入口P2を含む平面になっている。しかしながら、この伝熱管群70Fも上述した特徴を備えており、かかる特徴に基づく効果を伝熱管群70Aと同様に発揮することができる。
なお、この場合には、第1および第2の作動流体出入口P1、P2を同一直線上に配置できなくなる。このためこの場合には、第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置が、加熱器47Aの場合と比較してより複雑になる。具体的にはこの場合には、例えば図18に示す加熱器47Fのように、気筒配列方向Xに沿って設けられた第1の伝熱管接続口B1の数と気筒配列方向Xに沿って設けられた第2の伝熱管接続口B2の数とが互いに等しくなる位置を方向Zに沿って間隔Wだけオフセットさせるように変更する必要がある。
なお、この場合には、第1および第2の作動流体出入口P1、P2を同一直線上に配置できなくなる。このためこの場合には、第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置が、加熱器47Aの場合と比較してより複雑になる。具体的にはこの場合には、例えば図18に示す加熱器47Fのように、気筒配列方向Xに沿って設けられた第1の伝熱管接続口B1の数と気筒配列方向Xに沿って設けられた第2の伝熱管接続口B2の数とが互いに等しくなる位置を方向Zに沿って間隔Wだけオフセットさせるように変更する必要がある。
また例えば図19に示す伝熱管群70Gは、伝熱管群70Aに対して、方向Zと交差する方向をオフセット方向として折り曲げ端部Eを間隔Wで互いに均等にオフセットさせるとともに、立ち上がり部G1および一端部G4が第1の平面S1´(図示省略)に、立ち下がり部G2および他端部G5が第2の平面S2´(図示省略)にそれぞれ含まれるように変更して設けた伝熱管群となっている。そして伝熱管群70Gは、複数の伝熱管71Aそれぞれに対して、立ち上がり部G1、立ち下がり部G2、一端部G4および他端部G5を構成する部分それぞれを同様に変更して設けた複数の伝熱管71Gそれぞれによって構成されている。この点、第1の平面S1´と第2の平面S2´とは気筒配列方向Xに交差する平面となっている。また、第1の平面S1´は第1の作動流体出入口P1を含む平面になっているとともに、第2の平面S2´は第2の作動流体出入口P2を含む平面になっている。しかしながら、この伝熱管群70Gも上述した特徴を備えており、かかる特徴に基づく効果を伝熱管群70Aと同様に発揮することができる。
一方、かかる伝熱管群70Gは、例えば図20に示す加熱器47Gのように、気筒配列方向Xに対して所定の角度(ここでは45°)を有する方向、およびこれと直交する方向それぞれに互いに等間隔に配置した第1および第2の伝熱管接続口B1、B2に対して好適に配置することができる。なお、図が煩雑になるのを避けるため、図20ではいくつかの伝熱管群70Gそれぞれについて、構成する伝熱管71Gを代表的に1つ示している。また、伝熱管71Gは例えば気筒配列方向Xに沿って直列に配置することで伝熱管群を構成することも可能である。
一方、伝熱管71F、71Gは、換言すれば第1および第2の伝熱管接続口B1、B2の配置が複雑である場合に対応可能な伝熱管であるともいえる。この点、同様の変更は、例えば実施例2で前述した伝熱管71Bや、実施例3で前述した伝熱管71Cに対しても適用することができる。
このほか例えば上述した実施例では、伝熱管71Aなど各伝熱管がSUSチューブ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やその他の形状になる配管であってもよい。
また例えば上述した実施例では、伝熱管群70Aなど各伝熱管群が立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを折り返すようにして結ぶ折り返し部G3を備え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、配管群は折り返し部の代わりに、例えば立ち上がり部と立ち下がり部とを裏返すようにして滑らかに結ぶ接続部を備えてもよい。
また例えば上述した実施例では、伝熱管群70Aなど各伝熱管群が立ち上がり部G1と立ち下がり部G2とを折り返すようにして結ぶ折り返し部G3を備え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、配管群は折り返し部の代わりに、例えば立ち上がり部と立ち下がり部とを裏返すようにして滑らかに結ぶ接続部を備えてもよい。
10A 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
47A、47B、47C、47F、47G 加熱器
50 グラスホッパの機構
70A、70A´、70B、70C、70D、70E、70F,70G 伝熱管群
71A、71B、71C、71CA、71CB、71CC、71D、71E、71F、71G 伝熱管
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
47A、47B、47C、47F、47G 加熱器
50 グラスホッパの機構
70A、70A´、70B、70C、70D、70E、70F,70G 伝熱管群
71A、71B、71C、71CA、71CB、71CC、71D、71E、71F、71G 伝熱管
【0002】
リングエンジンに照らしても構造上、合理的であると考えられる。しかしながら、概ねU字形の形状を有する熱交換器の場合には、内側に位置する配管のほうが外側に位置する配管よりも配管長が短くなり、流通抵抗が小さくなる。このためこの場合には、内側に位置する配管のほうが外側に位置する配管よりも作動流体の流量が大きくなる。またこの場合には、内側に位置する配管を流通する作動流体のほうが、外側に位置する配管を流通する作動流体よりも熱交換時間が短くなる。すなわちこの場合には、このようにして内側に位置する配管を流通する作動流体の作用が相対的に大きくなることで、スターリングエンジンの熱効率が低下するという問題がある。
[0005]
これに対して、例えば特許文献1が開示する技術は、かかる問題を解決できると考えられる。しかしながら、特許文献1の開示技術では、例えば当該特許文献1の実施例1で具体的に開示されている構造など、適用する構造次第では、管同士の干渉が問題となることから熱交換器により多くの管を設けることが困難となり、この結果、より高い熱交換性能を得ることが困難になる場合があると考えられる。一方、これに対して特許文献1の開示技術では、熱交換器により多くの管を設けるための構造に関しては特段言及されておらず、このことからも2つの気筒が直列平行に配置された構成の2気筒α型のスターリングエンジンについて、これらの問題を解決可能な構造を備える熱交換器が望まれる。
[0006]
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の配管からなる高密度な配管群を備えることを可能にし、以って熱交換性能を高めることが可能な、さらには熱交換性能の更なる向上や製作容易性の向上を図ることが可能な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。
課題を解決するための手段
[0007]
上記課題を解決するための本発明は、2気筒α型のスターリングエンジンが備える直列平行に配置された2つの気筒間で、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からなる配管群を備え、前記配管群が、該配管群の一端を始点として延伸していると見た場合に、立ち上がるように
リングエンジンに照らしても構造上、合理的であると考えられる。しかしながら、概ねU字形の形状を有する熱交換器の場合には、内側に位置する配管のほうが外側に位置する配管よりも配管長が短くなり、流通抵抗が小さくなる。このためこの場合には、内側に位置する配管のほうが外側に位置する配管よりも作動流体の流量が大きくなる。またこの場合には、内側に位置する配管を流通する作動流体のほうが、外側に位置する配管を流通する作動流体よりも熱交換時間が短くなる。すなわちこの場合には、このようにして内側に位置する配管を流通する作動流体の作用が相対的に大きくなることで、スターリングエンジンの熱効率が低下するという問題がある。
[0005]
これに対して、例えば特許文献1が開示する技術は、かかる問題を解決できると考えられる。しかしながら、特許文献1の開示技術では、例えば当該特許文献1の実施例1で具体的に開示されている構造など、適用する構造次第では、管同士の干渉が問題となることから熱交換器により多くの管を設けることが困難となり、この結果、より高い熱交換性能を得ることが困難になる場合があると考えられる。一方、これに対して特許文献1の開示技術では、熱交換器により多くの管を設けるための構造に関しては特段言及されておらず、このことからも2つの気筒が直列平行に配置された構成の2気筒α型のスターリングエンジンについて、これらの問題を解決可能な構造を備える熱交換器が望まれる。
[0006]
そこで本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、複数の配管からなる高密度な配管群を備えることを可能にし、以って熱交換性能を高めることが可能な、さらには熱交換性能の更なる向上や製作容易性の向上を図ることが可能な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。
課題を解決するための手段
[0007]
上記課題を解決するための本発明は、2気筒α型のスターリングエンジンが備える直列平行に配置された2つの気筒間で、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からなる配管群を備え、前記配管群が、該配管群の一端を始点として延伸していると見た場合に、立ち上がるように
【0003】
延伸する立ち上がり部と、立ち下がるように延伸する立ち下がり部と、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを裏返すようにして結ぶ接続部とを備え、前記立ち上がり部が前記気筒の配列方向および前記気筒の延伸方向に平行な第1の平面に沿って配置されるとともに、前記立ち下がり部が前記第1の平面に平行な第2の平面に沿って配置されたスターリングエンジンの熱交換器である。
[0008]
また本発明は前記接続部が、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを折り返すようにして結ぶ折り返し部であり、前記折り返し部が、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が連なる一対の折り曲げ端部を備えており、前記一対の折り曲げ端部が互いにオフセットするとともに、該一対の折り曲げ端部のオフセット間隔が、オフセット方向において前記立ち上がり部および前記立ち下がり部の間に隙間を形成可能な間隔に設定されており、且つ前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が、オフセット方向において間に隙間が形成されるように設けられている構成であることが好ましい。
[0009]
[0010]
また本発明は前記配管群が前記接続部を複数備えた構成であることが好ましい。
[0011]
また本発明は前記配管群が、前記接続部を複数備えており、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち上がり部を前記第1の平面に沿って配置するとともに、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち下がり部を前記第2の平面に沿って配置した構成であることが好ましい。
[0012]
また本発明は前記複数の配管が互いに等長である構成であることが好ましい。
[0013]
また本発明は前記複数の配管が互いに等長、且つ同形状である構成であることが好ましい。
[0014]
また本発明は前記接続部における前記複数の配管の部分密度を、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部における前記複数の配管の部分密度よりも大きくした構成であることが好ましい。
[0015]
また本発明は前記複数の配管が、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄
延伸する立ち上がり部と、立ち下がるように延伸する立ち下がり部と、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを裏返すようにして結ぶ接続部とを備え、前記立ち上がり部が前記気筒の配列方向および前記気筒の延伸方向に平行な第1の平面に沿って配置されるとともに、前記立ち下がり部が前記第1の平面に平行な第2の平面に沿って配置されたスターリングエンジンの熱交換器である。
[0008]
また本発明は前記接続部が、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを折り返すようにして結ぶ折り返し部であり、前記折り返し部が、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が連なる一対の折り曲げ端部を備えており、前記一対の折り曲げ端部が互いにオフセットするとともに、該一対の折り曲げ端部のオフセット間隔が、オフセット方向において前記立ち上がり部および前記立ち下がり部の間に隙間を形成可能な間隔に設定されており、且つ前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が、オフセット方向において間に隙間が形成されるように設けられている構成であることが好ましい。
[0009]
[0010]
また本発明は前記配管群が前記接続部を複数備えた構成であることが好ましい。
[0011]
また本発明は前記配管群が、前記接続部を複数備えており、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち上がり部を前記第1の平面に沿って配置するとともに、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち下がり部を前記第2の平面に沿って配置した構成であることが好ましい。
[0012]
また本発明は前記複数の配管が互いに等長である構成であることが好ましい。
[0013]
また本発明は前記複数の配管が互いに等長、且つ同形状である構成であることが好ましい。
[0014]
また本発明は前記接続部における前記複数の配管の部分密度を、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部における前記複数の配管の部分密度よりも大きくした構成であることが好ましい。
[0015]
また本発明は前記複数の配管が、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄
【0004】
った形状を有しており、前記配管群が、前記片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1の部分配管群および第2の部分配管群を備える構成であることが好ましい。
[0016]
また本発明は前記第1の部分配管群において、前記立ち上がり部を前記第1の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を前記第2の平面に沿って配置し、前記第2の部分配管群において、前記立ち上がり部を前記第2の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を前記第1の平面に沿って配置した構成であることが好ましい。
[0017]
また本発明は前記接続部を複数備え、前記接続部のうち、一端を始点として延伸していると見た場合に、前記立ち上がり部に対して前記立ち下がり部を裏返すようにして、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを結ぶ接続部それぞれが、該接続部の数で前記2つの気筒のボアピッチを割った長さを有して前記ボアピッチを長さとする範囲を均等に区分するそれぞれの範囲内に、一端側から他端側に向かって順に含まれるように設けられている構成であることが好ましい。
発明の効果
[0018]
本発明によれば、複数の配管からなる高密度な配管群を備えることを可能にし、以って熱交換性能を高めることができる。また本発明によれば、さらには熱交換性能の更なる向上や製作容易性の向上を図ることができる。
図面の簡単な説明
[0019]
[図1]実施例1にかかる加熱器を備えたスターリングエンジンを示す図である。
[図2]実施例1にかかるスターリングエンジンのピストン・クランク部の概略構成図である。
[図3]実施例1にかかる伝熱管および伝熱管群を示す図である。なお、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は上面図となっている。
[図4]伝熱管および伝熱管群についての補足説明図である。なお、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は上面図となっている。
[図5]実施例1にかかる加熱器を示す図である。なお、(a)は正面図、(b
った形状を有しており、前記配管群が、前記片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1の部分配管群および第2の部分配管群を備える構成であることが好ましい。
[0016]
また本発明は前記第1の部分配管群において、前記立ち上がり部を前記第1の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を前記第2の平面に沿って配置し、前記第2の部分配管群において、前記立ち上がり部を前記第2の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を前記第1の平面に沿って配置した構成であることが好ましい。
[0017]
また本発明は前記接続部を複数備え、前記接続部のうち、一端を始点として延伸していると見た場合に、前記立ち上がり部に対して前記立ち下がり部を裏返すようにして、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを結ぶ接続部それぞれが、該接続部の数で前記2つの気筒のボアピッチを割った長さを有して前記ボアピッチを長さとする範囲を均等に区分するそれぞれの範囲内に、一端側から他端側に向かって順に含まれるように設けられている構成であることが好ましい。
発明の効果
[0018]
本発明によれば、複数の配管からなる高密度な配管群を備えることを可能にし、以って熱交換性能を高めることができる。また本発明によれば、さらには熱交換性能の更なる向上や製作容易性の向上を図ることができる。
図面の簡単な説明
[0019]
[図1]実施例1にかかる加熱器を備えたスターリングエンジンを示す図である。
[図2]実施例1にかかるスターリングエンジンのピストン・クランク部の概略構成図である。
[図3]実施例1にかかる伝熱管および伝熱管群を示す図である。なお、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は上面図となっている。
[図4]伝熱管および伝熱管群についての補足説明図である。なお、(a)は正面図、(b)は側面図、(c)は上面図となっている。
[図5]実施例1にかかる加熱器を示す図である。なお、(a)は正面図、(b
Claims (11)
- 2気筒α型のスターリングエンジンが備える直列平行に配置された2つの気筒間で、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からなる配管群を備え、
前記配管群が、該配管群の一端を始点として延伸していると見た場合に、立ち上がるように延伸する立ち上がり部と、立ち下がるように延伸する立ち下がり部と、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを裏返すようにして結ぶ接続部とを備えるスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項1記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記接続部が、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを折り返すようにして結ぶ折り返し部であり、
前記折り返し部が、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が連なる一対の折り曲げ端部を備えており、
前記一対の折り曲げ端部が互いにオフセットするとともに、該一対の折り曲げ端部のオフセット間隔が、オフセット方向において前記立ち上がり部および前記立ち下がり部の間に隙間を形成可能な間隔に設定されており、且つ前記立ち上がり部および前記立ち下がり部が、オフセット方向において間に隙間が形成される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。 - 請求項2記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記立ち上がり部を第1の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を第2の平面に沿って配置したスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項1または2記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記配管群が、前記接続部を複数備えたスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項3記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記配管群が、前記接続部を複数備えており、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち上がり部を前記第1の平面に沿って配置するとともに、前記接続部を複数備えることで形成される新たな立ち下がり部を前記第2の平面に沿って配置したスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項1から5いずれか1項記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記複数の配管が互いに等長であるスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項1から5いずれか1項記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記複数の配管が互いに等長、且つ同形状であるスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項7記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記接続部における前記複数の配管の部分密度を、前記立ち上がり部および前記立ち下がり部における前記複数の配管の部分密度よりも大きくしたスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項1または2記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記複数の配管が、左右非対称な形状で、且つ一端側に片寄った形状を有しており、
前記配管群が、前記片寄った形状が互いに離れるように一端および他端が互いに逆向きに設けられた第1の部分配管群および第2の部分配管群を備えるスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項9記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記第1の部分配管群において、前記立ち上がり部を第1の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を第2の平面に沿って配置し、
前記第2の部分配管群において、前記立ち上がり部を第2の平面に沿って配置するとともに、前記立ち下がり部を第1の平面に沿って配置したスターリングエンジンの熱交換器。 - 請求項10記載のスターリングエンジンの熱交換器であって、
前記接続部を複数備え、
前記接続部のうち、一端を始点として延伸していると見た場合に、前記立ち上がり部に対して前記立ち下がり部を裏返すようにして、前記立ち上がり部と前記立ち下がり部とを結ぶ接続部それぞれが、該接続部の数で前記2つの気筒のボアピッチを割った長さを有して前記範囲を均等に区分するそれぞれの範囲内に、一端側から他端側に向かって順に含まれる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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