(57)【要約】      （修正有）【課題】大きな熱交換面積をコンパクトに得ること、また、流動損失低減など目的に応じた流路形成が容易で、且つその製造方法も量産に適した熱交換器の構造を提供する。【解決手段】管体内部を流動する作動流体と管体外部との間で熱の授受を行う熱交換器において、管体はその軸方向に蜂の巣状に複数の細孔を設けた多孔管１２であって、該多孔管１２端面には、前記複数の細孔の少なくとも一部を閉塞、もしくは狭窄して作動流体の流動を制限するマスク部１１ｂ、１４を設ける事により、作動流体の流路を前記多孔管１２の中に選択的に形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体内部を流動する作動流体と管体外部との間で熱の授受を行う熱交換器において、管体はその軸方向に蜂の巣状に複数の細孔を設けた多孔管であって、該多孔管端面には、前記複数の細孔の一部を閉塞、もしくは狭窄して作動流体の流動を制限するマスク部を設ける事により、作動流体の流路を前記多孔管の中に選択的に形成したことを特徴とする熱交換器
【請求項２】
上記マスク部は上記多孔管端部の中心近傍に接して多孔管中心近傍の作動流体の流動を制限することにより、作動流体の流路を多孔管の外周近傍に選択的に形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
上記多孔管の一端には上記複数の細孔が相互に連通する折り返し空間を備え、上記マスク部は多孔管の他端に接して上記複数の細孔よりなる流路の開口面積を往路と復路に二分する分離帯である請求項１の熱交換器。
【請求項４】
上記多孔管が単一の分離帯に対して複数個設けられていることを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は管体内部の作動流体と外部との間で熱交換を行う熱交換器に関し、特に熱交換面積の増大を容易に実現するための構造と製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内部の作動流体と外部との間で熱の授受をおこなう熱交換器では、熱の授受に関わる熱交換面積の増大を図りつつ如何に小型に且つ、少ない流動抵抗で行うかが課題であった。また、熱交換器に接続される機器の構造上流入路と流出路を同一方向に設ける必要が生じる事も多く、そのため多数のＵ字形細管を用いる事、あるいは、管群を往路と復路にそれぞれ平行に配することは一般的で、例えば以下のような公知の技術がある。
【０００３】
特許文献１のスターリングエンジンの例に示すよう複数の細管を曲げ加工して両端を膨張空間、収縮空間にそれぞれ接続したもの。
【０００４】
特許文献２及び図６に例示されるよう管群を往路と復路にそれぞれ平行に配して熱交換面積を増大させるもの。
【０００５】
非特許文献１及び特許文献３に例示されるよう管内に往路と復路を設け熱交換面積を増大させるいわゆるバヨネットタイプと呼ばれるもの等がある。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５３−９９４４
【特許文献２】特開２００６−１３８４９５
【特許文献３】特開昭５８−２５５５６
【非特許文献１】「スターリングエンジンの理論と設計」  山海堂
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら上述の従来技術ではいずれも構造が複雑で高額なものとなっていた。特に多数の精密溶接部を必要とするこれらの構造では、量産効果も期待しにくく安価に大量生産することが困難であった。
【０００８】
特に流動抵抗低減のためにはその熱交換面積を、細管の長さで得るより細管の本数を増加させて得ることが望ましい。しかしながら本数の増加は溶接をはじめとする加工の難易度を極端に上昇させ、高額なものとならざるを得なかった。
【０００９】
例えば図６に例示されるよう管群を分離壁をまたいで往路と復路にそれぞれ平行に配した構造の場合、往路管群と復路管群の位置は明瞭に分離して配置されている必要があり、管群を構成する多数の細管両端をそれぞれ溶接固着する加工も並大抵のものではなかった。
【００１０】
この加工を少しでも量産に適した形にするため特許文献２の構造は管群一列単位で製作し、これを積層する構造が提案されている。しかし、この方法に於いても各細管の両端全てに溶接などの固着手段が必要なことに変わりはない。
【００１１】
特に細管相互の壁面を密着集積させて、外部よりの熱を細管壁の壁面相互の熱伝導で中心まで導く構造とし、内部熱交換面積の増大をコンパクトに実現させようとした場合、往路管群と復路管群の位置を明瞭に分離して配置することが困難であり、例えば一本の多孔管の中に往路と復路を形成する事は事実上不可能であった。
【００１２】
また、特許文献３に示されたいわゆるバヨネットタイプと呼ばれる方式は単管に対して数倍の熱交換面積が得られるに過ぎず、さらにこれを増大させるためにはバヨネット管自体の数を増加させねばならず、結局複雑化は避けられなかった。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みて為されたもので、大きな熱交換面積をコンパクトに得ること、また、流動損失低減など目的に応じた流路形成が容易で、且つ量産に適した熱交換器の構造を提供する事を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達するため本発明によれば、管体内部を流動する作動流体と管体外部との間で熱の授受を行う熱交換器において、管体をその軸方向に蜂の巣状に複数の細孔を設けた多孔管とし、該多孔管端面には、前記複数の細孔の一部を閉塞、もしくは狭窄して作動流体の流動を制限するマスク部を設ける事により、作動流体の流路を前記多孔管の中に選択的に形成したことを特徴としている。
【００１５】
たとえば、上記マスク部が上記多孔管端部の中心近傍に接して多孔管中心近傍の作動流体の流動を阻止することにより、作動流体の流路を多孔管の外周近傍に選択的に形成して外部からの熱伝導が良好な部分のみを用いる事も可能である。
【００１６】
また上記多孔管の一端には上記複数の細孔が相互に連通する折り返し空間を設け、他端には上記マスク部として、多孔管に接して上記複数の細孔よりなる流路の開口面積を、往路と復路に二分する分離帯とすることもできる。これにより、微細孔を集積した多孔管に簡単に往復路を形成する事ができる。
【００１７】
また、上記多孔管は異形押し出し材や、外管に細管を充填し伸管加工を施した母材を筒切りにするなど、量産が容易な任意の手段を採用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、多孔管内の複数の細孔の少なくとも一部を閉塞、もしくは狭窄して作動流体の流動を制限するマスク部を設ける事により、作動流体の流路を前記多孔管の中に選択的に形成する事ができる。
これにより分離帯と各細孔との微細な相対位置に依らずに任意の流路を形成できるため極微細管の使用など極小空間に大きな熱交換面積を集積させることも容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
図１〜図３は本発明をスターリングエンジンに適用した第１の実施例に関わり、図１はその側面図、図２は要部の組み立て構造を示す分解図、図３は図１に示すＡ−Ａ断面図である。
【００２１】
放熱を兼ねたシリンダーブロック１８には略中央に作動流体の通路となる開口１６ａを備えたシリンダー１６が固定され、シリンダー１６にはその両端の膨張空間２２と収縮空間２１の容積比率を変化させるディスプレーサ１７と、両空間の圧力変化により出力を取り出すパワーピストン１９が設けられ、クランク装置２０により相互に所定位相差で駆動されるよう構成されている。
【００２２】
シリンダーブロック１８の一端にはハウジング１３が固定され、ハウジング１３には多孔管１２が本実施例では４本植設されていると共に、膨張空間２２と収縮空間２１とを連通する空間には例えばスプリングメッシュなどを充填した蓄熱式熱交換器である再生器１５が備えられている。
【００２３】
多孔管１２は例えば外管に多数の微細管を充填し伸管加工を施した、いわゆるハニカムパイプと呼ばれる母材を筒切りにする方法等により製造され、これによりその軸方向に多数の細孔１２ａが形成される。
【００２４】
多孔管１２の先端には先端キャップ１１が固定され、上記細孔１２ａが連通する折り返し空間１１ａが形成されている。また、先端キャップ１１の中央には多孔管１２の端部に接して中心近傍の細孔を閉塞するマスク部としての突起１１ｂが形成されている。
【００２５】
一方シリンダー１６とハウジング１３の間には一端に、環状のマスク部としての分離帯１４ａを備えたスプリッター１４が設けられ、分離帯１４ａ端部は多孔管１２の細孔１２ａの最大径より広い幅をもって多孔管１２の端部に接して細孔１２ａの一部を閉塞もしくは狭窄している。
【００２６】
これにより、細孔群は往路１２ａＦと復路１２ａＲに分離され、中間の細孔群１２ａＣは閉塞または一部がふさがれる状態となり、通過する作動流体は多孔管全長を往復する経路のみが連通し、スプリッター１４と細孔１２ａの相対位置に関わらず短絡流路が形成されることはない。これにより密集した細孔群が着実に往路と復路に分離される。
【００２７】
なお本実施例では往路１２ａＦの開口面積が復路１２ａＲの開口面積より若干大きくなっている。これにより細管内の平均流速は復路、即ち外側のほうが大きくなり、外側から加熱される場合の熱伝達効率を向上させている。
【００２８】
次に以上のように構成された熱交換器の動作についてスターリングエンジンに応用した例で簡単に説明する。
【００２９】
ディスプレーサ１７により押し出された膨張空間２２の作動流体はスプリッター１４の分離帯１４ａに囲まれた中央の開口から４本の多孔管１２の往路１２ａＦ、先端キャップ１１の折り返し空間１１ａ、復路１２ａＲを経て流動し、このとき多孔管１２の外部との熱交換が行われる。
【００３０】
さらに作動流体は再生器１５を経由してその熱を再生器１５に預けるとともにシリンダーブロック１８により冷却され収縮空間２１へと至る。
【００３１】
一方、逆の行程においては、収縮空間２１の作動流体は再生器１５から熱を受け取ってのち復路１２ａＲ、往路１２ａＦを経由する間にさらに外部より加熱され、膨張空間２２に高温で流入する。
【００３２】
これにより収縮空間２１と膨張空間２２との間には温度差が与えられるとともに、ディスプレーサ１７、パワーピストン１９及びクランク装置２０の作用により両空間の容積が約９０度の位相差で変化するよう駆動される。
【００３３】
以上のように温度差を与えられ、相互に連通した膨張空間と収縮空間と、それぞれの容積を所定の位相差をもって変化させる手段を備えた熱機関はスターリングサイクル機器として広く知られるものである。このため、各行程の動作は詳述しないが、これにより多孔管１２の外部に与えられた燃焼ガスなどの熱エネルギーをクランク装置２０の動力として取り出すことができる。
【００３４】
次に図４及び図５に示した本発明の第２の実施例について説明する。
【００３５】
図４及び図５は本発明を特に排気管の廃熱の利用装置に適用した例であり、図４はその平面図、図５は図４に示したＢ−Ｂ断面図である。
【００３６】
排気管４１の内部には本実施例では８本の多孔管１２の一端が臨み、他端はハウジング１３に固定されている。
【００３７】
ハウジング１３にはマスク部として４枚の分離帯１４ａが設けられに、各分離帯１４ａはそれぞれ二本の多孔管１２の端面の略中央で接することによりそれぞれの多孔管の細孔１２ａを往路１２ａＦと復路１２ａＲに分割するとともに、中間の細孔群１２ａＣを閉塞している。
【００３８】
第２の実施例の作用を簡単に説明すると、排熱を持った排気は排気管４１を図の左から右に流れ、多孔管１２はこれより熱を受け取る。一方、同図右の流入管４３から流入した作動流体は分離帯１４ａにより２本の多孔管１２の往路１２ａＦ、復路１２ａＲを４回経て流出管に至り、この間に上記排気と作動流体との熱交換が行われる。
【００３９】
以上の実施例はいずれも、マスク部を多孔管端面に固着する手段には触れていない。往路復路相互の圧力差が低い場合には接触または近接させるだけで往路復路間の短絡流路を防ぐ事ができ、組み立て分解性を高めることができるためであり、圧力差が大きい場合など、接着、溶接などの手段を併用することを妨げるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上主としてスターリングエンジンに応用した実施形態について説明したが、本発明は、一般的冷却装置など小型で大きな熱交換面積を必要とする種々の熱交換器として多くの産業で応用可能である。特に本発明は外部に対して内部の熱交換面積を極大にできる方式であり、内部の作動流体が熱伝導率の低い気体の場合に絶大な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施例に関わる側面図
【図２】第１の実施例図１における要部分解図
【図３】第１の実施例図１におけるＡ−Ａ断面図
【図４】本発明の第２の実施例に関わる側面図
【図５】第２の実施例図４におけるＢ−Ｂ断面図
【図６】従来例を示す図
【符号の説明】
【００４２】
１１          先端キャップ
１２          多孔管
１３          ハウジング
１４          スプリッター
１５          再生器
１６          シリンダー
１７          ディスプレーサ
１８          シリンダーブロック
１９          パワーピストン
２０          クランク装置
２１          収縮空間
２２          膨張空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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