JPS629184A

JPS629184A - 熱交換器

Info

Publication number: JPS629184A
Application number: JP14716685A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Hongo; 一郎本郷; Takashi Komagine; 駒木根　隆; Minoru Komori; 実小森; Tsutomu Sakuma; 勉佐久間; Shigemi Nagatomo; 長友　繁美
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-07-04
Filing date: 1985-07-04
Publication date: 1987-01-17
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPH0631692B2

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〕本発明は、熱交換器に係り、たとえばスターリングエン
ジンのヒータに組込むの和好適する熱交換器に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

最近、省エネルギ化の一環として、スターリングエンジ
ンが見直され、熱心な研究が行われている。スターリン
グエンジンには種々の形態のものがあるが、たとえば、
２ピストン方式のものを例にとると、それぞれパワーピ
ストンを内蔵したパワーシリンダ間に再生熱交換器を閉
流路構成に接続するとともに再生熱交換器の一端と一方
のパワーシリンダとの間の流路をヒータで加熱し、再生
熱交換器の他端と他方のパワーシリンダとの間の流路を
ターラで冷却するように構成されている。

この機関は、理論的熱効率が高く、あらゆる熱源を使用
できると言う特徴を有している。

ところで、スターリングエンジンの出力は、シリンダー
内のピストン移動による最大空間容積。

温度比９機械効率等によっても左右されるが、ヒータ等
における死空間容積（デッドスペース）によっても左右
され、デッドスペースが小さい程。

出力を増加させることができる。このため、このエンジ
ンのヒータに組込まれる熱交換器としては。

デッドスペースとなり得る空間が可能な限り小さいもの
が望まれる。しかし、他方においては、ヒータでの加熱
温度が高い程効率を向上させることができるので、この
エンジンのヒータに組込まれる熱交換器は十分に広い伝
熱面積を有していることも必要条件となる。

このようなことから、従来、スターリングエンジンのヒ
ータに組込まれる熱交換器として、内径１〜４ＩＮＲ程
度の細い伝熱管を多数使用して熱交換器を構成する提案
がなされている。しかしながら。

このような構成の熱交換器では、多数の細い伝熱管をシ
リンダのヘッドに接続する必要があるため。

溶接箇所が多く、溶接作業が非常に面倒化するばかりか
、溶接箇所が多いことが原因して作動流体が漏れ易く、
装置としての信頼性に欠けると言う問題があった。

そこで、このような問題を解消するために、特開昭５８
−１６７８６３号公報に示されているように、大径の伝
熱管を使用することによって伝熱面積の増大化を図り、
また、大径の伝熱管を使用したことによって起こるデッ
ドスペースの増加を抑えるために伝熱管内に芯材を挿設
して熱が伝わる方向と同方向の流路幅（あるいは厚み）
を小さくするようにした熱交換器の提案もなされている
。

このような構成の熱交換器では、細い伝熱管を用いたも
のとは違って、溶接箇所を大幅に減少させることができ
る。しかし、伝熱面積をざらに増加させようとすると、
さらに大径の伝熱管を使用するか、伝熱管の数を増加さ
せる必要があり、限られたスペース内で伝熱面積を増大
させるのには限界があった。

さらに、上述した２種類の熱交換器に共通に言えること
は、シリンダとピストンとの間の隙間を通して作動空間
内に侵入した潤滑油に起因する伝熱管の腐蝕を如何にし
て防止するかと言う点である。すなわち、スターリング
エンジンのヒータに組込まれる熱交換器の伝熱管は９通
常数１００℃にも加熱される。作動空間に侵入した潤滑
油が上記温度に加熱されると分解し、この分解成分によ
って伝熱管の腐蝕が促進される。したがって、この腐蝕
に対する対策も解決する必要があった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、溶接作業の簡素化および作動流
体の漏れ防止化を図れるとともに限られたスペース内に
おいて伝熱面積の増大化を図れ、しかも耐腐蝕性に冨ん
だ熱交換器を提供することにある。

（発明の概要〕本発明によれば、一端側が閉じられた外側伝熱管と、こ
の外側伝熱管内に挿設された伝熱芯材と。

この伝熱芯材と前記外側伝熱管との間に挿設され上記外
側伝熱管と上記伝熱芯材との間に上記外側伝熱管の他端
側から前記一端側へ向けて延びた後。

上記一端側で折返して上記他端側へ向けて延びる折返し
流体通路を形成する内側伝熱管と、この内側伝熱管の外
面に一体的に、かつ前記外側伝熱管の内面に密接する高
さに形成され前記折返し流体通路の上記内側伝熱管と前
記外側伝熱管との間に位置する部分を周方向に複数に区
画する複数の第１の突条と、前記内側伝熱管の内面また
は前記伝熱芯材の外面の何れか一方に一体的に、かつ他
方に密接する高さに設けられ前記折返し流体通路の上記
内側伝熱管と上記伝熱芯材との間に位置する部分を周方
向に複数に区画する複数の第２の突条と、前記外側伝熱
管の内面、前記内側伝熱管の内外面および前記伝熱芯材
の外面にそれぞれ設けられたメッキ層とを備えた熱交換
器が提供される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、外側伝熱管の外面を高温流体に接触さ
せ、前述した折返し流体通路に低温流体を通流させると
、高温流体の熱は、外側伝熱管の外面〜外側伝熱管〜外
側伝熱管の内面〜低温流体からなる第１の経路と、外側
伝熱管の外面〜外側伝熱管〜外側伝熱管の内面〜第１の
突条〜内側伝熱管〜内側伝熱管の内・外面〜低温流体か
らなる第２の経路と、外側伝熱管の外面〜外側伝熱管〜
外側伝熱管の内面〜第１の突条〜内側伝熱管〜第２の突
条〜伝熱芯材〜伝熱芯材の外面〜低温流体からなる第３
の経路との３つの経路で低温流体に伝わることになる。

したがって、外側伝熱管の内径を等しいとして比較する
と、芯材を挿設して伝熱管内に単に折返し流路を形成し
たものに較べて伝熱面積を倍以上に拡大させることがで
きる。このため、全体の小形化を図った状態で、なおか
つ熱交換効率を向上させることができる。また、第１お
よび第２の突条の高さの選択で、伝熱面積をそれ程減少
させることなく折返し流体通路における熱の伝わる方向
と同方向の幅（あるいは厚み）を十分小さくできる。し
たがって、デッドスペースとなり得る空間の小さい構造
とすることができる。さらに、外側伝熱管の内面、内側
伝熱管の内外面、および伝熱芯材の外面にメッキ層を設
けているので、このメッキ層の材質を選択することによ
って折返し流体通路内に腐蝕成分が侵入した場合であっ
ても、これによって構成部材が腐蝕されるのを防止でき
る。このように、伝熱面積を十分広く取れるとともにデ
ッドスペースとなり得る空間を狭くでき、しかも耐腐蝕
性を向上させることができるので、スターリングエンジ
ンのヒータ等に組込むのに適した熱交換器を得ることが
できる。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は１本発明の一実施例に係る熱交換器をヒータに
組込んでなる２ピストン方式のスターリングエンジンの
縦断面図を示している。

すなわち、このスターリングエンジンは、大きく別けて
１作動流体の膨張用に供されるパワーシリンダ１（以後
、膨張シリンダと称す。）と、この膨張シリンダ１内に
摺動自在に装着されたパワーピストン２（以後、膨張ピ
ストンと称す。）と。

作動流体の圧縮用に供されるパワーシリンダ３（以後、
圧縮シリンダと称す。）と、この圧縮シリンダ３内に囲
動自在に装着されたパワーピストン４（以俊、圧縮ピス
トンと称す。）と、膨張シリンダ１と圧縮シリンダ３と
の間に設けられたヒータ５．再生熱交換器６およびクー
ラ７と、膨張ピストン２および圧縮ピストン４にそれぞ
れコンロッド８，９．クランク軸１０．１１を介して連
結された出力軸１２とで構成されている。

前記ヒータ５は、膨張シリンダ１のヘッド１３を取り囲
むように断熱材１４を配置して形成された燃焼室１５と
、この燃焼室１５内に配置された複数の熱交換器１６と
、燃焼ｖ１５に臨むように配置されたバーナ１７と、燃
焼に必要な空気を燃焼ガスで予熱する予熱器１８とで構
成されている。

前記各熱交換器１６は、それぞれ外形が棒状に形成され
おり、各流体通路の一端側を膨張シリンダ１内の頂部に
通じさせ、他端側をヘッド１３内に形成されたマニホル
ド１９に通じさせて、全体で漏斗を形成する如く配置さ
れている。そして。

各熱交換器１６は、具体的には第２図および第３図に示
すように構成されている。すなわち、この熱交換器１６
は、大きく分けて、一端側が閉じられ、他端側が解放さ
れた外側伝熱管２１と、この外側伝熱管２１内に同心的
に挿設された両端解放の内側伝熱管２２と、この内側伝
熱管２２内に同心的に、挿設された伝熱芯材２３とで構
成されている。外側伝熱管２１は、熱伝導率が良く、シ
かも耐熱性および対圧性に富んだ材料で形成されたもの
で、その内面にはニッケルメッキが施してあり。

また、その外周面の先端側、つまり閉じられている側に
はフィン２４が複数突設されている。内側伝熱管２２は
、外側伝熱管２１より熱伝導率のよい、たとえば銅で外
側伝熱管２１より所定だけ長めに形成されており、一方
の端部２５が外側伝熱管２１の閉塞壁から所定距離だけ
離れるとともに他方の端部２６が外側伝熱管２１より突
出する状態に外側伝熱管２１内に挿設されている。そし
て。

この内側伝熱管２２の外面には、第３図にも示すように
周方向の４箇所に亙ってそれぞれ軸方向に延びる突条２
７が一体的に形成されている。この突条２７は、内側伝
熱管２２を外側伝熱管２１内に第２図５示すように挿設
したとき外側伝熱管２１の内面に密接する高さに形成さ
れている。また、内側伝熱管２２の内・外面にはニッケ
ルメッキが施されている。伝熱芯材２３は、同じく銅な
どで内側伝熱管２２より若干長めに形成されている。こ
の伝熱芯材２３は、その一方の端部２８が外側伝熱管２
１の閉塞壁より所定距離だけ離れるとともに内側伝熱管
２２の端部２５より所定距離だけ突出し、他方の端部２
９が内側伝熱管２２の端部２６と面一となり、しかも後
述する突条３０が前記突条２７の設けられている位置と
重合する状態に内側伝熱管２２内に挿設されている。伝
熱芯材２３の外面には第３図にも示すように周方向の４
箇所に亙ってそれぞれ軸方向に延びる突条３０が一体的
に形成さ６れている。この突条３０は。

伝熱芯材２３を内側伝熱管２２内に第２図に示すように
挿設したとき内側伝熱管２２の内面に密接する高さに形
成されている。また、伝熱芯材２３の外面にはニッケル
メッキが施されている。

上記のように構成された各熱交換器１６は、第１図に示
すように内側伝熱管２２の端部２６が膨張シリンダ１内
の頂部に通じる関係にヘッド１３に溶接接続され、また
外側伝熱管２１の解放端３１がマニホルド１９に通じる
関係にヘッド１３に溶接接続されている。

しかして、マニホルド１９は、接続管３２を介して再生
熱交換器６に接続され、この再生熱交換器６は熱交換器
によって構成されたクーラ７を介して圧縮シリンダ３内
の頂部に接続されている。

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、各熱交換器１６．マニホルド１９゜接続管３２．
再生熱交換器６．クーラ７、圧縮シリンダ３と圧縮ピス
トン４とで囲まれた空間からなる閉じられた空間には作
動流体としての）−１ｅが封入されている。

なお、第１図中、３３は潤滑油が所定レベルまで収容さ
れたクランク室を示し、３４．３５はリニアベアリング
を示し、３６はクーラ７の冷媒を案内する配管を示して
いる。

このような構成であると、バーナ１７に点火するととも
に配管３６に冷媒を通流させている状態で、外部動力源
によって出力軸１２を一時的に回転させると、この出力
軸１２にクランク軸１０゜１１、コンロッド８．９を介
して連結されている膨張ピストン２および圧縮ピストン
４がある位相差を以て往復動する。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Ｈｅが各熱交換器１６．マニホルド１９．接続管３２
．再生熱交換器６．クーラ７を介して圧縮シリンダ３内
に流れ込み、膨張ピストン２が上死点に達した時点でＨ
ｅのほとんどが圧縮シリンダ３内に流れ込む。このとき
、Ｈｅは再生熱交換器６を通過する間に、その保有して
いる熱を再生熱交換器６に奪われ、またクーラ７を通過
する間にさらに冷却される。出力軸１２の回転に伴って
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Ｈｅが圧縮され、い
ままでとは逆の経路で膨張シリンダ１内へ流れ込む。こ
のとき、Ｈｅは再生熱交換器６を通過する間に吸熱して
高温に加熱され９次に各熱交換器１６を通過する間にさ
らに加熱される。

膨張シリンダ１内に流れ込んだ高温のＨｅ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
り返され、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機能を発揮
する。

ところで、Ｈｅは上記のように膨張シリンダ１と圧縮シ
リンダ３との間を移動するのであるが。

このＨｅが各熱交換器１６を通過するときには次のよう
な経路を通る。すなわち、今、Ｈｅがマニホルド１９か
ら膨張シリンダ１に向けて流れる場合を例にとると、各
熱交換器１６の外側伝熱管２１の解放端３１がマニホル
ド１９に通じ、内側伝熱管２２の端部２６が膨張シリン
ダ１内の頂部に通じていることからして、Ｈｅは第２図
中に実線矢印で示すように、外側伝熱管２１と内側伝熱
管２２との間に、突条２７の存在によって周方向に４つ
に区画形成された通路４１を軸心線に沿って外側伝熱管
２１の閉塞壁側へと流れ２．閉塞壁近傍で折返し、続い
て内側伝熱管２２と伝熱芯材２３との間に、突条３０の
存在によって周方向に４つに区画形成された通路４２を
軸心線に沿って流れた後、膨張シリンダ１へと流れる。

各熱交換器１６は燃焼室１５内に位置している。したが
って、上記経路で熱交換器１６内をＨｅが通流すると、
このＨｅは加熱されるが、この場合、各熱交換器１６を
上記のように構成しているので効率よく加熱することが
できる。すなわち、燃焼室１５で発生した熱は、外側伝
熱管２１〜外側伝熱管２１の内面〜Ｈｅからなる第１の
経路と、外側伝熱管２１〜外側伝熱管２１の内面〜突条
２７〜内側伝熱管２２の内・外面〜Ｈｅからなる第２の
経路と、外側伝熱管２１〜外側伝熱管２１の内面〜突条
２７〜内側伝熱管２２〜内側伝熱管２２の内面〜突条３
０〜伝熱芯材２３〜伝熱芯材２３の外面〜Ｈｅからなる
第３の経路との３つの経路で１−１ｅに伝わる。したが
って、外側伝熱管２１の内径と等しい伝熱管を使用し、
この伝熱管内に芯材を挿設して単なる折返し通路を形成
したものに較べて伝熱面積を数倍に拡大できる。このた
め、熱交換器１６の交換効率の向上化および全体の小形
化を図ることができる。また、突条２７．３０の高さ低
く設定するだけで伝熱面積をほとんど減少させることな
しに各通路４１．４２の伝熱方向と同方向の厚みＹを薄
くすることができ、この結果。

スターリングエンジンにとって最も好ましい熱交換器、
つまりデッドスペースとなり得る空間の小さい熱交換器
を実現できる。また、外側伝熱管２１の内面、内側伝熱
管２２の内・外面および伝熱芯材２３の外面にニッケル
メッキを施すようにしているので、運転中に、たとえｉ
ｍ滑油が侵入した場合であっても上記メッキ層の存在で
熱交換器構成材料が腐蝕されるのを防止でき、結局、前
述した効果を発運させることができる。

なお２本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く種々変形することができる。すなわち。

上記実施例では突条３０を伝熱芯材２３に設けているが
、これは内側伝熱管２２の内面に一体的に設けてもよい
。また、メッキ層は、ニッケルメッキ層に限られるもの
ではなく、使用する潤滑油との関係において選択すれば
よい。また１本発明に係る熱交換器はスターリングエン
ジンだけにその使用を限定されるものではなく各種流体
間の熱交換に使用できることは勿論である。その他２本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１ｖＩは本発明の一実施例に係る熱交換器を組込んで
なるスターリングエンジンの縦断面図、第２図は同エン
ジンのヒータに組込まれた熱交換器の縦断面図、第３図
は同熱交換器を第２図におけるＸ−Ｘ線に沿って切断し
矢印方向に見た図である。１・・・膨張シリンダ、２・・・膨張ピストン、３１°
圧縮シリンダ、４・・・圧縮ピストン、５・・・ヒータ
、６・・・再生熱交換器、７・・・クーラ、１６・・・
熱交換器。２１・・・外側伝熱管、２２・・・内側伝熱管、２３・
・・伝熱芯材、２４・・・フィン、２７．３０・・・突
条、４１゜４２・・・折返し流体通路を構成する通路。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　一端側が閉じられた外側伝熱管と、この外側伝
熱管内に挿設された伝熱芯材と、この伝熱芯材と前記外
側伝熱管との間に挿設され上記外側伝熱管と上記伝熱芯
材との間に上記外側伝熱管の他端側から前記一端側へ向
けて延びた後、上記一端側で折返して上記他端側へ向け
て延びる折返し流体通路を形成する内側伝熱管と、この
内側伝熱管の外面に一体的に、かつ前記外側伝熱管の内
面に密接する高さに形成され前記折返し流体通路の上記
内側伝熱管と前記外側伝熱管との間に位置する部分を周
方向に複数に区画する複数の第１の突条と、前記内側伝
熱管の内面または前記伝熱芯材の外面の何れか一方に一
体的に、かつ他方に密接する高さに設けられ前記折返し
流体通路の上記内側伝熱管と上記伝熱芯材との間に位置
する部分を周方向に複数に区画する複数の第２の突条と
、前記外側伝熱管の内面、前記内側伝熱管の内外面およ
び前記伝熱芯材の外面にそれぞれ設けられたメッキ層と
を具備してなることを特徴とする熱交換器。
（２）　前記内側伝熱管および伝熱芯材は、前記外側伝
熱管より熱伝導率の高い材料で形成されてなることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。
（３）　前記メッキ層は、ニッケルメッキ層であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。