JPH01187350A - 熱機関の熱交換器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は熱機関の熱交換器に関し、特にスターリング
エンジンなどの熱ガス機関の低温側熱交換器に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第４図は例えば実開昭６１−５５１４７号公報に示され
た従来のスターリング機関を示す断面図であり、図にお
いて、１は再生器ハウジング２に取り付けられたヒータ
管、３はステンレスの金精からなる再生器、４は低温側
熱交換器である冷却器、５は冷却器が挿入されるブロッ
ク、６は通路案内部材である。

また、第５図は低温側熱交換器を詳細に示す断面図であ
り、７はシェル＆チューブ型熱交換器の冷却流体である
水が流入する冷却水入口フランジ、８は冷却水が流出す
る冷水出口フランジである。

９は熱交換流体であるＨｅ（ヘリウム）が流入するＨｅ
入口フランジ、１０はＨｅが流出するＨ　ｅ出ロフラン
ジである。１）はＨｅ入口フランジ９とＨｅ出ロフラン
ジｌＯとの間に配置されるとともにその両端が各フラン
ジにろう付され、熱交換媒体であるＨｅを流通させる熱
交換パイプ、１２は水の熱交換を促進するためのジャマ
板、１３はシェル＆チューブのシェルの部分にあたる胴
である。

次に動作について説明する。ヒータ管１部で加熱された
流体（Ｈｅ）は、再生器３に流入して徐冷され、その温
度は６５０℃から８０℃まで低くなる。次に流体は冷却
器４に流入して冷却され、その温度は２５℃まで下がる
。

次に、冷却器４での動作について詳しく説明する。第５
図において、熱交換流体である温度の高いＨｅ（約８０
℃）がＨｅ入口フランジ９から入り、熱交換パイプ１）
の中を流れる。また、冷却流体である水（約１０℃）が
冷却水入口フランジ７から入って熱交換パイプ１）の外
側を流れ、熱交換パイプ１）中のＨｅを熱伝達により冷
却する。

熱交換パイプ１）を通過中に冷却されたＨｅ（約２５℃
）は、Ｈｅ出ロフランジｌＯから流出する。

また、冷却流体である水は）（ｅから熱を奪い、冷却水
出口フランジ８から流出する。ジャマ仮１２は冷却水の
流れを乱し、強制対流によりパイプ表面の温度の上がっ
た水を冷却し、熱交換効率を向上させる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の低温側熱交換器は以上のように構成されているの
で、Ｈｅガスが冷却水に漏れないように、Ｈｅ入口フラ
ンジ９．Ｈｅ出口フランジ１０と熱交換パイプ１）とを
ろう付しなければならない。

しかるにこのろう付を行うと、ろう付時に発生する熱応
力による歪や、ろう付不良による熱交換パイプのつまり
、漏れが発生することになり、これらを解消するために
は、加工法が複雑になり、加工費も高価となる。また上
記従来構造ではパイプの本数が多くなるが、ろう付時の
制約からパイプピッチを小さくするには限界があり、従
って装置が大きく、重いなどの問題点があった。

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、ろう付を製作工程から無くし、加工法を簡素
化して加工費を安価にするとともに、軽量・小型化され
た熱機関の熱交換器を得ることを目的とする。

〔課題を解消するための手段〕

この発明に係る熱機関の熱交換器は、鉄鋼材より熱伝導
率が高く、比重が小さい材料からなる厚肉パイプの内周
面に軸方向に沿って微小な溝を多数設けるとともに、こ
の厚肉パイプにライナを圧入して上記微小な溝を熱交換
流体用の流路とし、さらに上記厚肉パイプの外周面にこ
のパイプ周囲から上記熱交換流体を冷却するためのフィ
ンを設けたものである。

〔作用〕

この発明においては、鉄鋼材に比し熱伝導率が高く、比
重が小さい材料からなる厚肉管の内周面に軸方向と平行
な多数の微小な溝を設け、該厚肉管内にライナを圧入す
ることにより′熱交換流体用の流路を構成したから、工
作法が圧入だけで済み、また材料の大部分が熱伝導率が
鉄鋼材より高く、比重が鉄鋼材より小さい材料の熱交換
器となるので、重量を著しく減少できるとともに、各部
の熱伝導性を向上でき、これにより装置全体を軽量・小
型化することができる。

〔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（ａｌはこの発明の第１の実施例によるスターリ
ングエンジンの低温側熱交換器の平面図、同図偽）はそ
の一部拡大図、同図（Ｃ）は該低温側熱交換器の断面構
成図である。これらの図において、２４は銅合金、チタ
ン（Ｔｉ）などの熱伝導率が鉄鋼材より高く、比重が鉄
鋼材より小さい材料の厚肉パイプからなる熱交換器本体
であり、その内周面には、例えば幅０．５ｍ■、高さ２
鶴、ピッチｌ鶴の微小な溝が軸方向に沿って形成されて
いる。

またその外周面には、冷却効率を高めるとともに冷却水
の流路を構成するフィン２３が形成されている。２５は
熱交換器本体２４の内部に圧入された鋳鉄製のライナー
、２６は熱交換器本体２４の内周面の溝とライナー２５
との間に形成された微小なＨｅ流路である。また、２１
は冷却流体である水が流入する冷却水入口、２２は冷却
水が流出する冷却水出口である。

次に動作について説明する。

熱交換流体である温度の高いＨｅ（約８０℃）がＨｅ流
路２６の入口（上側）から入り、Ｈｅ流路２６の中を高
速で流れる。また、冷却流体である水（約１０℃）が冷
却水人口２１から入り、フィン２３のまわりを流れ、熱
伝達によりＨｅ流路２６を流れているＨｅを冷却する。

Ｈｅ流路２６を通過中に冷却されたＨｅ（約２５℃）は
、Ｈｅ流路２６の出口から流出する。また、冷却流体で
ある水はＨｅから熱を奪い、冷却水出口２２から流出す
る。フィン２３は水側の伝熱表面積を増加させ、熱交換
効率を向上させる。

このような本実施例では、接触伝熱面積を従来装置と同
様としたままＨｅ流路２６を従来より小さくし、流速を
増加させて熱伝達率を向上させることができるので、Ｈ
ｅ流路２６本数が少なくてよく、熱交換器を小径化する
ことができる。また熱交換器の大部分が熱伝導率が鉄鋼
材より高く、比重が鉄鋼材より小さい材料で構成されて
いるため、重量を著しく減少できるだけでなく、熱伝導
率をさらに向上でき、装置全体を軽量・小型化できる。

また、低温側熱交換器が有する死容積が従来のシェル＆
チューブ型の熱交換器より小さくなり、エンジン効率も
高くなる。

第２図は本発明の第２の実施例による低温側熱交換器を
示し、この実施例では、上記実施例のように水の流路を
形成するために低温側熱交換器の外周側にハウジングを
設ける代わりに、図に示すようにエンジンの高温側熱交
換器壁２９．をハウジングとして用いており、この場合
低温側熱交換器を一層小型化（小径化）することができ
る。なお、この第２図において第１図と同一符号は同一
のものを示し、２７は冷却水の漏れを防止するためのオ
ーリングである。

また第３図は本発明の第３の実施例を示し、ここでは図
に示すように、上記第１、第２の実施例の構成に加えて
、ライナー２８の外周面に熱交換器本体２４の溝に嵌挿
される突起２８ａを形成し、熱交換器本体の微小溝と組
み合せてＨｅ流路を構成しており、この場合熱交換器本
体に形成する溝幅を上記各実施例に比較して広くするこ
とができ、溝の加工が容易になる。

なお、上述の各実施例ではライナーを熱交換器本体に圧
入により固定するようにしたが、これは焼き嵌め又は冷
し嵌めにより固定するようにしてもよい、また、水側の
フィン及び熱交換器本体内周側の溝の幅、ピッチ・高さ
などは規定するものでなく、伝熱効率の高い形状ならど
のような形状でもよい。さらに上記各実施例ではライナ
ー材として鋳鉄を使用したが、これはＡｌ製ライナーな
どでもよ（、材料は規定するものではなく、またこれら
の実施例では、素材に銅合金やチタンを使用したが、熱
伝導率が鉄鋼材より高く比重が鉄鋼材より小さい材料な
ら何を用いてもかまわない。

また、上記各実施例では本発明の熱交換器をスターリン
グエンジンに適用した場合について説明したが、スター
リングサイクルを使った熱機関、例えばスターリング冷
凍機、ベルマイヤサイクル機関（冷凍機又はヒートポン
プ）、Ｇ、Ｍサイクル機関等やその他の熱機関に使用し
てもよい。また、作動流体（熱交換流体）はＨｅに限定
するものではない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、その構成材料の熱伝
導率が鉄鋼材より高く、比重が鉄鋼材より小さい厚肉パ
イプの内周面に微小な溝を多数設けるとともに、この厚
肉パイプにライナを圧入等して上記微小溝を熱交換流体
用の流路とし、さらに該厚肉パイプの外周面に冷却用の
フィンを設けて熱交換器を構成したので、従来装置のよ
うなろう何工程がなくなって工作が非常に簡単になり、
装置が安価にできる。また、大部分が鉄鋼材より比重の
小さく、熱伝導率の大きい材料で構成されているので、
非常に軽量でありかつ各部の熱伝導性がよ（、しかも接
触伝熱面積を従来同様のまま流路を小さくして高速で熱
交換流体を流すようにしているため、熱伝導率を大きく
向上でき、この結果溝本数を削減して小型な熱交換器を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の第１の実施例による低温側熱
交換器の平面図、第１図（ｂ）はその一部拡大図、第１
図（Ｃ）は該低温側熱交換器の断面構成図、第２図ｆａ
）はこの発明の第２の実施例による低温側熱交換器の平
面図、第２図（ｂ）はその一部拡大図、第２図（Ｃ）は
該低温側熱交換器の断面構成図、第３図（ａ）はこの発
明の第３の実施例による低温側熱交換器の平面図、第３
回申）はその一部拡大図、第３図（Ｃ）は該低温側熱交
換器の断面構成図、第４図は従来のスターリングエンジ
ンの熱交換器部を示す断面構成図、第５゛図は従来のシ
ェル４チユーブ型低温側熱交換器の断面構成図である。 ２１・・・冷却水入口、２２・・・冷却水出口、２３・
・・フィン、２４・・・熱交換器本体、２５・・・ライ
ナ、２６・・・Ｈｅ流路、２７・・・オーリング、２８
・・・突起付ライナー、２９・・・高温熱交換器壁。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱機関の作動流体を熱交換するための熱交換器で
   あって、 その内周部に軸方向に沿って微小な溝が、外周部に冷却
   流体用のフィンが形成され、熱伝導率が鉄鋼材より高く
   、比重が鉄鋼材より小さいアルミニウム以外の材料から
   なる円筒体状の熱交換器本体と、 該熱交換器本体の内部に圧入され、上記溝を上記作動流
   体の流路とするためのライナとを備えたことを特徴とす
   る熱機関の熱交換器。