JPH10505148A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱交換器要素は、外管（１１）と、該外管の内部の内管（１２）と、該内管と該外管との間に形成された第１熱交換流体用の第１流体流路とを備えている。第２熱交換流体が外管の外面および／または内管の内面に熱を伝達する関係にある。スリーブ（１３）が内管と外管との間の第１流体流路の内部に設けられている。このスリーブは、外管の内面と共に外側界面（１６）を画成しかつ内管の外面と共に内側界面（１４）を画成している。ほぼ長手方向のみぞ（１６，１７）が第１流体流路を一緒に提供するために各々の界面に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 熱交換器 本発明は熱交換器および熱交換器要素に関し、かつ専用ではないが特にスター リングエンジンに使用するためのこのような熱交換器要素に関する。 スターリングエンジンは、高い熱伝達速度を有する小型の熱交換器を必要とし 、また該エンジンを高い圧力において確実に運転することができるように高い強 度を必要とすることがある。また、スターリングエンジンについては、エンジン のデッドスペースを最小限度にとどめることを助けるために、エンジンの作動流 体の容積を小さくすることが重要である。小さい容積の流体に対して高い熱伝達 速度を得るためには、熱交換器の内部に高い伝熱面対容積比を有することが要求 される。これらの要求は、作動流体からの熱をスターリングエンジンサイクルの 種種の段階に伝達するために、燃焼ガスからの熱を作動流体に伝達しかつ冷却器 に伝達するために通常使用される加熱器に適用される。加熱器についても、高い 温度で稼働させることが必要である。 英国特許第２２６１２８０号明細書から、外管と、該外管の内部の内管と、内 管と外管との間に形成された第１熱交換流体用の第１流体流路と、外管の外面お よび／または内管の内面に熱を伝達する関係に第２熱交換流体を提供するための 装置とを備えている熱交換器を提供することが知られている。 本発明によれば、この種類の熱交換器要素は、外管の内面と共に外側界面を画 成しかつ内管の外面と共に内側界面を画成する内管と外管との間の第１流体流路 の内部のスリーブと、第１流体流路を一緒に提供するために各々の界面における ほぼ長手方向のみぞとを特徴としている。 既知の熱交換器は、第１流体流路の内部の管の長手方向のリブにより環状の間 隙よりも高い熱伝達領域を提供する。また、従来の提案は、第１流体流路の内部 の層流を分散させかつ熱伝達をさらに改良するためにリブの分散を提供している 。熱伝達特性をこの方法により改良することができる程度には事実上限度がある 。例えば、リブの数を増大するためには、リブの厚さを減らすことが必要であり 、 その結果、リブに沿った管自体への熱伝導が減少し、かつ脆性および製造上の問 題が発生する。また、第１流体の容積も比較的に大きくなる。 本発明による付加的なスリーブおよびみぞを提供することにより、小量の内部 流体により大きくかつ効果的な熱伝達面が得られ、その結果、高い熱伝達面対容 積比が得られる。 このスリーブは、管のうちの少なくとも１つの管と熱交換のために密接するこ とができる。この装置により、効果的な熱流通路が第１流体、スリーブ、管、第 ２流体として存在し、その逆もまた同じである。この目的のために、スリーブを 管上にまたは管の中に収縮させることができる。代替方法として、効果的な熱伝 達が最も重要であるときに、スリーブと管との間の接触が使用温度のみにおいて 最も効果的であるように示差膨脹をひき起こすことができる。さらに良好な密接 を得るために電子ビーム溶接を使用することができる。良好な接触は、部分的に は、表面仕上げおよび寸法の両方について、精密製造に依存している。 代替方法として、流体をみぞを通じて導きかつ熱伝達の大部分またはすべてを 流体と管との間に直接に伝達するために、スリーブを主としてスペーサとして設 けることができる。 主みぞと呼ばれている上記のみぞに加えて、管および／またはスリーブの二次 みぞが主みぞに対して傾斜して設けることができる。これらの二次みぞは、管と スリーブとの間の界面を形成する表面に設けることができる。組立時に、これら の二次みぞがスロットを形成し、その内部には１つの主みぞから次の主みぞまで の比較的に小量の流体の流れをひき起こすことができる。この流体の流れは、主 みぞの下方の所望の方向にある程度のらせん形の流れをひき起こすように制御す ることができる。また、これにより層流と乱流の流体の流れの間の関係を制御す ることが可能になり、従って、所定の交換器の寸法と第１流体および流体抵抗（ ｆｌｕｉｄ ｄｒａｇ）特性に対する熱伝達の最適化に貢献する。 一つの表面における主みぞと、同じ界面における他の表面における二次みぞと を設けると便利であるかもしれない。例えば、主みぞは軸線方向に延在し、かつ 注入成形（ｃａｓｔｉｎｇ）または押出または機械加工により成形しまたは形成 することができる。そのときに、二次みぞを機械加工により形成することができ る。勿論、二次みぞは主みぞが予め注入成形され、押出され、または機械加工さ れた同じ表面上に機械加工することができよう。 主みぞは界面における両方の表面に設けることができ、その場合には、主みぞ を実質的により大きいみぞを提供するために整合させることができ、または主み ぞを実質的により多数のみぞを提供するために整合しないように配置することが できる。 本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。 第１図は本発明による熱交換器要素の図解用横断面図である。 第２図は第１図の熱交換器要素の図解用縦断面図である。 第３図は要素、例えば、第１図の要素のような単一スリーブと置き換えること ができる多重スリーブ装置を例示する。 第４図は図解用横断面図である。 第５図は典型的な主みぞおよび二次みぞパターンの対応した立面図である。 そして、第６図および第７図は代替みぞ装置の第５図および第６図に相当する 図である。 第１図および第２図は外管１１と該外管と同心をなしかつその内部の内管１２ とを有する熱交換器要素を示す。典型的には、約０．５mmないし１mmの肉厚を有 するスリーブ１３が内管と外管との間に同心状に配置され、内管とスリーブとの 間に内側界面を形成しかつスリーブと外管との間に外側界面を形成している。こ れらの界面はスリーブと管との間に機械的な密接を含むことができ、または軽い 接触または接触に近い状態を含むことができる。 領域Ａに示すように、外側主みぞ１６が界面１５において外管１１の内面に設 けられ、かつ外管の長手方向に延在している。界面において約９０mmの直径を有 する管に関する典型的な場合には、３mmの半径方向の深さと２mmの円周方向の幅 とを有する９０個のＤ形の主みぞを形成することができる。これらのみぞは、長 手方向の通路を形成するためにスリーブの表面と協働する。もしも管が押出また は注入成形により成形されれば、これらのみぞは押出または注入成形により成形 することができる。代替方法として、管は機械加工することができる。主みぞ１ ７は、同様な方法で界面１４における内管の外面に設けられている。実際問題と して、第１図の上半分に例示したみぞパターンは、熱交換器要素の周囲全体のま わりに繰り返されるが、例示の便宜のために、みぞのすべてが例示されておらず 、または要素のあるその他の部分も例示されていない。また、例示の便宜のため に、代替主みぞ装置が周囲のまわりに異なる箇所に示されている。領域Ｂにおい ては、管の主みぞは、該主みぞと整合したスリーブの対応した主みぞにより補足 されている。領域Ｂにおいては、スリーブの所定の厚さに対する実質的な深さの スロットを許容するために、スリーブの内側みぞと外側みぞが同一の空間を占め ないように、内側みぞおよび外側みぞが正確に画成された相対位置に配置されて いる。実際問題として、スリーブの主みぞについては、スリーブの厚さがみぞを 収容するために増大されている。 領域Ｃにおいては、主みぞ装置は、スリーブが事実上主みぞの間のピッチの半 分に相当する角度だけ回転せしめられ、それにより領域Ｃにおいては領域Ｂにお ける円形の通路の２倍の数の通路が形成されていることを除いては、Ｂ領域の主 みぞ装置と合致している。 第２図に関連して以下に説明するように、界面１４および１５において主みぞ により形成された通路のすべては、第１熱交換流体用の第１流体流路を形成する ために該通路の端部において一緒に接続されている。主みぞの装置は正確に画成 された流体流路を提供し、小量の流体と関連した管と流体との間の熱伝達のため の増大した表面積のための機会が得られる。また、スリーブが管の一方または両 方と密接しているときに、スリーブは熱伝達のためのさらに効果的な表面積を提 供する。 内管の内面と外管の外面の両方は、熱伝達のための有効面積を増大するために 一体のフィン１８および１９を有することができる。熱を二つの流体の間に伝達 することができるように、第２伝熱流体が使用中にこれらの表面と接触する。ス チフナ２０が第２流体を内管と極めて接近するように導くために内管の内部に設 けられている。外側ハウジング３０が第２流体と外管との間を接触させるための 外側領域を同様に画成している。 第２図に示すように、熱交換器には、上端コネクタ２１と下端コネクタ２２が 組み込まれている。内管１２の両端部は外管１１およびスリーブ１３を越えて延 在している。上端コネクタ２１は外管１１と内管１２との間を橋絡する環状の部 材であり、プレナム２３を構成している。コネクタ２１は、また、第１熱交換流 体用の入口／出口管２４を有する。下端コネクタ２２は、コネクタ２１と合致し 、プレナム２５と出口／入口２６とを有する。これらのコネクタ２１、２２によ り、第１熱交換流体用の共通の流体流路が主みぞ、例えば、１６および１７を通 じて設けられている。スチフナ２０もまた、第２図に明瞭に示している。 外側ハウジング３０と関連した符号３１および３２で示したダクトは、第２熱 交換流体用の第２流体流路を提供するために、内管１２の内部を通じかつ外管１ １のまわりに矢印３３、３４および３５により示した第２流体用の流体流路を提 供する。第２図の熱交換器の僅かな変更を符号Ｄで示してある。この部分では、 長手方向のフィン１１が円周方向フィンと置き換えられている。円周方向フィン は、第２流体流路の細部の如何によりさらに適切であるかもしれない。 スターリングエンジン加熱器については、第１図および第２図に示した一群の 要素は、第２作動流体を該要素を通じかつ該要素のまわりに導くためのダクト３ １、３２に相当する好適なダクトと共に使用することができる。その場合に、第 １流体はスターリングエンジンの作動流体であり、かつ第２流体は作動流体を加 熱するための燃焼ガスである。 確実に向けられた第２流体流路に代わるものとして、熱交換器要素が効果的な 熱伝達のための十分な移動を行うために対流またはその他の装置により流れる傾 向がある第２流体内に簡単に浸漬されるある状況がありうる。 第３図は代替スリーブ装置を示す。同心のスリーブ４１ないし４７の各々は、 長手方向の外側主みぞ、例えば、主みぞ４８を備えている。１mmの厚さのスリー ブ内の典型的な主みぞが０．７mmの（半径方向の）深さと０．５mmの（円周方向 ）を横切る幅とを有しかつ熱伝達のためにみぞの間にランド（ｌａｎｄｓ）を提 供するように隔離されている。これらのスリーブのすべては、相互に密接してい る。組立の間に、連続したスリーブが典型的には内管４９上に滑り嵌めされ、か つ外管５０がスリーブ上に焼嵌めされる。必要な密接を得るために、滑り嵌めお よび／または焼嵌めの代わりに、電子ビーム溶接を使用することができよう。 第３図の多重スリーブ装置においては、スリーブは、内側サブセット４１−４ ３と、外側サブセット４４−４７とにより構成されている。内側サブセットのス リーブのすべては、内管の外面と同様に、相互に同数の主みぞを有する。従って 、主みぞの間のランドは、内管４９への効果的な直接の熱伝導または該内管から の効果的な熱伝導を得るために１つのスリーブから次のスリーブまで、かつスリ ーブ４１から内管４９まで半径方向に直接に整列している。外側サブセット４４ −４７のスリーブのすべては、相互に同数のみぞを有しているが、内側サブセッ ト４１−４４よりも多数のスリーブが内側サブセットおよび外側サブセットにお いておおまかに同様なランド幅を得るためにスリーブのより大きい直径と釣り合 っている。外側サブセット４４−４７のランドは、同様に、第２流体と直接に接 触する外管に効果的な熱伝導を与えるために直接に整列して配置されている。 代替装置においては、すべてのスリーブは相互に同数のみぞを有しかつスリー ブのすべてのランドは、半径方向に整列して、可能な最大の強度を与える。 この多重スリーブ装置は、第１図の単一のスリーブ１３の代わりに使用するこ とができ、スリーブを収容するために、内管および外管のサイズを好適に調節す る。第１図の場合と同様に、主みぞ装置は、スリーブの間の各々の界面およびス リーブと管との間の各々の界面における１組または２組の主みぞにより変更する ことができる。この種類の多重スリーブ装置は、スターリングエンジンの作動流 体の冷却器として使用するために特に好適である高性能のコンパクトな熱交換器 要素を提供することができる。 第４図および第５図は、主みぞ、例えば、第１図の主みぞが傾斜した二次みぞ により補足されている代替みぞ装置を示す。外管５２の内面上の長手方向の主み ぞ５１がスリーブ５４の外面上の傾斜した二次みぞ５３により補足されている。 これらの二次みぞは１つの主みぞ５１から次の主みぞまで延在するスロットを形 成している。熱交換流体が主みぞ５１に沿って流れるときに、該流体は傾斜した 二次みぞ５３と接し、そしてその前方運動によりスロットを通じて偏向される。 各々のスロットに対する出入り状態の如何により、一方または両方がこのような 流れをひき起こすことができる。スロットを通じてのこの流れは、各々の主みぞ の内部にらせん形の流れを与える傾向があり、それにより効果的な熱伝達を増大 させる。第４図および第５図の実施例においては、二次みぞ５３が主みぞ５１と 交差して、層流と反対の乱流に対してさらにポテンシャルを加える。二次みぞの 構成、例えば、角度、サイズまたは間隔は、要素の一部分から別の部分にわたっ て変化することができる。 第６図および第７図は第４図および第５図の装置の変型を示す。この場合には 、スロットを形成する主みぞと二次みぞの両方が外管に設けられている。 第４図および第５図の装置または第６図および第７図の装置は、任意の界面に 設けることができ、かつ通常すべての界面に設けられよう。また、これらの装置 は第１図にＡで示したみぞ装置以外のみぞ装置に明らかな改良を加えて適用する ことができる。 スリーブが主として分離器として使用される場合を除いて、管およびスリーブ の材料は必要な熱伝導特性を与えるために選択されるべきである。 一般に、みぞおよびスリーブ装置は、正確に画成された小量の流体流路と大き い熱伝達領域とを有する熱交換器要素を得るために使用することができ、その結 果、通路を通じての流れに対する許容しうる抵抗を有する小量の流体に対する高 い熱伝達領域が得られる。 この多重スリーブ装置は、低い温度においてかつスターリングエンジン加熱器 よりも低い温度差において運転されるスターリングエンジンの冷却器に特に好適 である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１０月１０日 【補正内容】 請求の範囲 １．外管（１１）と、該外管の内部の内管（１２）と、内管と外管との間に形 成された第１熱交換流体用の第１流体流路と、第１流体を第１流体流路の入口に 供給するための入口コネクタ（２１または２２）と、第１流体流路からの第１流 体を受け入れるための出口コネクタ（２２または２１）と、外管の外面および／ または内管の内面に熱を伝達する関係に第２熱交換流体（３３，３４，３５）を 提供する装置とを備えている熱交換器要素において、外管の内面と共に外側界面 （１５）を画成しかつ内管の外面と共に内側界面（１５）を画成する内管と外管 との間の第１流体流路の内部のスリーブ（１３）と、第１流体流路を一緒に提供 するために各々の界面におけるほぼ長手方向のみぞ（１６，１７）とを特徴とす る熱交換器要素。 ２．スリーブ（１３）が管（１１または１２）のうちの少なくとも１つの管と 効果的に熱を伝達するように接触している請求の範囲第１項に記載の熱交換器要 素。 ３．第１熱交換流体流路を形成するみぞ（５１，第４図および第５図）が主み ぞでありかつ主みぞに対して傾斜した二次みぞ（５３）が１つの主みぞから隣接 した主みぞまでの流体の流れをひき起こすために主みぞの間にスロットを提供す るように界面に設けられている請求の範囲第１項または第２項に記載の熱交換器 要素。 ４．主みぞ（５１）が界面における一つの表面に形成されかつ二次みぞ（５３ ）が界面における他の表面に形成されている請求の範囲第３項に記載の熱交換器 要素。 ５．界面における両方の表面に主みぞ（Ｂ，Ｃ，第１図）を有する請求の範囲 第３項に記載の熱交換器要素。 ６．事実上大きいみぞ（Ｂ，第１図）を提供するために、界面の一つの表面に 形成された主みぞが同じ界面の他の表面における主みぞと整合している請求の範 囲第５項に記載の熱交換器要素。 ７．分離した主みぞ（Ｃ，第１図）を提供するために、一つの表面に形成され た主みぞが他の表面における主みぞと整合していない請求の範囲第５項に記載の 熱交換器要素。 ８．界面を隣接したスリーブの間、外側スリーブと外管との間ならびに内側ス リーブと内管との間に有する内管と外管との間に少なくとも２つの同心スリーブ （４１，４２，４３等、第３図）を備えている請求の範囲第１項から第７項まで のいずれか１項に記載の熱交換器要素。 ９．相互に半径方向に整合した共通の数の主みぞを有するスリーブの内側サブ セットと、相互に半径方向に整合したより大きい共通の数の主みぞを有するスリ ーブの外側サブセットとを有する請求の範囲第８項に記載の熱交換器要素。 10．スターリングエンジンの作動流体用の冷却器として使用される請求の範囲 第１項から第９項までのいずれか１項に記載の単一の多重スリーブ熱交換器要素 を備えているスターリングエンジン。 11．スターリングエンジンの作動流体用の加熱器として使用される請求の範囲 第１項から第９項までのいずれか１項に記載の一群の熱交換器要素を備えている スターリングエンジン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．外管と、該外管の内部の内管と、内管と外管との間に形成された第１熱交 換流体用の第１流体流路と、外管の外面および／または内管の内面に熱を伝達す る関係に第２熱交換流体を提供する装置とを備えている熱交換器要素において、 外管の内面と共に外側界面を画成しかつ内管の外面と共に内側界面を画成する内 管と外管との間の第１流体流路の内部のスリーブと、第１流体流路を一緒に提供 するために各々の界面におけるほぼ長手方向のみぞとを特徴とする熱交換器要素 。 ２．スリーブが管のうちの少なくとも１つの管と効果的に熱を伝達するように 接触している請求の範囲第１項に記載の熱交換器要素。 ３．第１熱交換流体流路を形成するみぞが主みぞでありかつ主みぞに対して傾 斜した二次みぞが１つの主みぞから隣接した主みぞまでの流体の流れをひき起こ すために主みぞの間にスロットを提供するように界面に設けられている請求の範 囲第１項または第２項に記載の熱交換器要素。 ４．主みぞが界面における一つの表面に形成されかつ二次みぞが界面における 他の表面に形成されている請求の範囲第３項に記載の熱交換器要素。 ５．界面における両方の表面に主みぞを有する請求の範囲第３項に記載の熱交 換器要素。 ６．事実上大きいみぞを提供するために、界面の一つの表面に形成された主み ぞが同じ界面の他の表面における主みぞと整合している請求の範囲第５項に記載 の熱交換器要素。 ７．分離した主みぞを提供するために、一つの表面に形成された主みぞが他の 表面における主みぞと整合していない請求の範囲第５項に記載の熱交換器要素。 ８．界面を隣接したスリーブの間、外側スリーブと外管との間ならびに内側ス リーブと内管との間に有する内管と外管との間に少なくとも２つの同心スリーブ を備えている請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項に記載の熱交換器 要素。 ９．相互に半径方向に整合した共通の数の主みぞを有するスリーブの内側サブ セットと、相互に半径方向に整合したより大きい共通の数の主みぞを有するスリ ーブの外側サブセットとを有する請求の範囲第８項に記載の熱交換器要素。 10．スターリングエンジンの作動流体用の冷却器として使用されるときに請求 の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の単一の多重スリーブ熱交換 器要素を備えている請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の熱 交換器。 11．スターリングエンジンの作動流体用の加熱器として使用されるときに請求 の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の一群の熱交換器要素を備え ている請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の熱交換器。