JP2012515288A - フィン付き円筒形熱交換器 - Google Patents

Abstract

スターリング・エンジンなどの熱再生式機械においてガス冷却器として使用することを目的とした円筒形の熱交換器は、作用流体が及ぼす圧力に十分耐える強度と厚さを持つ穴の開けられていない中央の壁を含む。熱交換器は、この中央の壁の内側に軸方向のガスの流路内に位置する内部の波形の壁と、中央の壁の外面に沿って軸方向の冷却剤の流路を画定する外部の波形の壁とを含む。冷却剤の流路は好ましくは波形の中間壁を含む。

Description

本発明は、スターリング・エンジンおよびその他の用途で使用するのに適した円筒形の気−液熱交換器に関する。

スターリング・サイクルの電力生成器では、生成器の筐体内で可動式のディスプレーサが往復するように動き、ヘリウムなどの加圧された作用流体を低温の収縮空間と高温の膨張空間の間を行ったり来たりするよう移動させる。ガス冷却器が、圧縮空間の圧力壁に隣接して設けられて、作用流体が圧縮空間に流れ込む際にその作用流体から熱を取り出す。従来の構造ではガス冷却器は、薄い壁で囲まれた管が環状に束になった形態であることがあり、これを組み立てるには多数の蝋付け接続を必要とする。多数の蝋付け継ぎ目が高圧の内部作用ガス圧で結合されることで、この種の熱交換器が故障する可能性が大きくなる恐れがある。管が束になった構造では、熱伝達も制限される。

一態様において本発明は、両端において開放し１つの軸に沿って延在する円筒形の中央の壁を備える熱交換器を提供し、この中央の壁は、内面と外面を有し、かつ穴が開けられていない。熱交換器はさらに、中央の壁の内側に位置し中央の壁の内面に装着される内壁を備えており、この内壁は中央の壁の曲率をなぞるように湾曲しており、内壁と中央の壁の間に１つまたは複数の軸方向に延在する空間が設けられる。第１流体流路が、内壁と中央の壁の間にある１つまたは複数の軸方向に延在する空間を含んでおり、第１流体流路は、その軸方向に離間した両端において開放している。熱交換器はさらに、中央の壁の外側に位置し中央の壁の曲率をなぞるように湾曲した外壁を備えており、中央の壁と外壁の間に１つまたは複数の軸方向に延在する空間が設けられる。第２流体流路が、中央の壁と外壁の間にある１つまたは複数の軸方向に延在する空間を含んでおり、第２流体流路は第１および第２の開放端を有する。熱交換器はさらに、第２流体流路の第１の開放端と流れ連通する第１マニフォルドと、第２流体流路の第２の開放端と流れ連通する第２マニフォルドとを備えており、第１マニフォルドは第１流体開口を備え第２マニフォルドは第２流体開口を備える。

本発明を添付の図面を参照して単なる一例として以下に記載する。

本発明の第１の実施形態による熱交換器の一部の破断斜視図である。 図１の線２−２’に沿った断面図である。 第１の実施形態の変形を示す、図２と同様の断面図である。 図１の線３−３’に沿った部分断面図である。 図３のＢの領域の拡大図である。 第１の実施形態の変形による熱交換器を示す、図３と同様の部分断面図である。 スターリング・エンジンの内部筐体に対して図５の熱交換器を密閉させるための第１の手段を示す側面図である。 スターリング・エンジンの内部筐体に対して図５の熱交換器を密閉させるための第２の手段を示す側面図である。 スターリング・エンジンの内部筐体に対して図５の熱交換器を密閉させるための第３の手段を示す側面図である。 本発明の第２の実施形態による熱交換器の側壁構造を示す部分断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態の変形による熱交換器の側壁構造を示す、図２と同様の部分断面図である。 本発明の第３の実施形態による熱交換器で使用する複数の部品でできた外壁構造を示す図である。 外壁が図７の線８−８’に沿って切断された、本発明の第３の実施形態による熱交換器の側壁構造を示す、図２と同様の部分断面図である。 第３の実施形態の変形を示す、図８と同様の断面図である。

以下の記載において、本発明による熱交換器の複数の実施形態が記載されている。以下に記載される熱交換器は特に、スターリング・エンジンなどの熱再生式機械においてガスを冷却する熱交換器として使用するように適合されている。しかしながら以下に記載されるタイプの熱交換器は、スターリング・エンジンでの利用に限定されるものではなく、むしろ多くの他の用途において気−液熱交換器として使用することができることを理解されたい。

図１に示されるのは本発明の第１の実施形態による熱交換器１０である。熱交換器１０は一般に、少なくとも３つの概ね円筒形の層で構成された側壁を有する、両端が開放した中空の円筒形形状である。熱交換器１０の側壁は、熱交換器１０の中空の内部空間の中心を通る長手方向軸Ａに平行して延在している。以下の記載において「軸方向」などの用語は軸Ａに平行する方向を指し、「内部」、「外部」、「内側」および「外側」などの用語は、軸Ａから外側にまたは軸Ａに向かって内側に延在し軸Ａを横断する半径方向を指している。

熱交換器１０は円筒形の中央の壁１２を含んでおり、これは図２で最もよく見ることができ、この壁は両端において開放し軸Ａに対して平行である。中央の壁１２は内面１４と対向する外面１６とを有し、これらは共に平滑で穴が開けられていない。熱交換器１０がスターリング・エンジンで使用されるように適合されている場合、例えば熱交換器１０の中央の壁１２は、作用流体が及ぼす圧力（約４０から６０バールの圧力であり得る）を封じ込めるのに十分な強度と厚さの圧力壁を備えることができる。このような理由により中央の壁１２は、熱交換器１０の側壁構造において最も厚さのある層であり得るが、これが全ての構造において必ずしも当てはまるとは限らない。

熱交換器１０はさらに、中央の壁１２の内側に位置し、中央の壁１２の内面１４と熱交換式に接触する内壁１８を備える。内壁１８は中央の壁１２の曲率をなぞるように湾曲しており、内壁１８は図面に示される実施形態では中央の壁１２の円周全体に沿って延在するように概ね円筒形の形状であるが、これが必ずしも当てはまるとは限らない。むしろ本発明のいくつかの実施形態では、内壁１８が中央の壁１２の内面１４の１つまたは複数の別個の部分のみに沿って延在するのが望ましい場合もある。

内壁１８は、その円周に沿った複数の地点で中央の壁１２の内面１４と直接接触してよく、前記複数の地点において例えば蝋付けによって内面１４に固定されてよい。本発明の第１の実施形態では内壁１８は、側壁２８によってつながれた軸方向に延在する複数の隆起部［ｒｉｄｇｅ］２４、２６を有する波形フィンを備えており、これは図４の拡大図で最もよく見ることができる。より具体的には内壁１８は、内壁１８がそれを介して中央の壁１２と接触するまたはそこに固定される軸方向に延在する複数の第１隆起部２４と、第１隆起部２４から内側に離間された軸方向に延在する複数の第２隆起部２６と、第１隆起部２４と第２隆起部２６を相互につなぐ側壁２８とを備えてよい。本発明のこの実施形態では隆起部２４、２６は丸みが付けられているが、以下でさらに考察するように他の構成も可能である。第１隆起部２４が中央の壁１２の内面１４と接触するまたはそこに固定されることによって、内壁１８と中央の壁１２の間に複数の軸方向に延在する空間２０が形成される。軸方向に延在する空間２０はそれぞれ、中央の壁１２の内面１４と、１組の隣接する側壁２８と、隣接する側壁２８が接続されている第２隆起部２６の１つによって画定される。

軸方向に延在する空間２０は協働して第１流体流路２２の少なくとも一部を形成し、例えばスターリング・エンジンの作用流体（ヘリウムであり得る）などの冷却されるべきガスが軸方向に流れるようにする。図面に示される実施形態では第１流体流路２２は環状であり、これは以下でさらに記載される。

円筒形の熱交換器１０がスターリング・エンジンに組み込まれる場合、その中空の中心は、例えば筐体３０（図４に概略的に示される部分）など別の円筒形の構造体によってほぼ完全に満たされてよく、この別の構造体はスターリング・エンジンの１つまたは複数の他の構成要素を中に入れることができる。筐体３０は、熱交換器１０の内壁１８と締まり嵌めを形成する固定構成要素であり、その円周に沿って内壁１８に極めて近接するおよび／またはそれと接触するかのいずれかである。本実施形態における第１流体流路２２は、筐体３０と中央の壁１２の内面１４との間の環状空間全体によって画定され、この空間内に内壁１８が位置している。したがって本発明の第１の実施形態において内壁１８が波形フィンを備える場合、第１流体流路２２は中央の壁１２と内壁１８の間に軸方向に延在する空間２０を構成し、また筐体３０と内壁１８の間に同様に構成された軸方向に延在する空間３２を構成する。図４の拡大図に示されるように内壁１８の第２隆起部２６は筐体３０と接触するまたはそれに近接するかのいずれかであってよく、その結果内壁１８の半径方向の高さ（すなわち第１隆起部２４と第２隆起部２６の間の半径方向の距離）は、第１流体流路２２を画定する環状空間の半径方向の高さ（すなわち筐体３０と中央の壁１２の間の半径方向の距離）とほぼ同一であり、したがってそれを介して作用流体から熱を取り出すことができる第１流体流路２２内の表面積が最大になる。

熱交換器１０はさらに、中央の壁１２から外側に離間され、かつ中央の壁１２の曲率をなぞるように湾曲した外壁３４を備え、中央の壁１２と外壁３４の間に環状空間３６が形成される。この環状空間３６内に第２流体流路３８が画定され、この流路は第１開放端４０と第２開放端４２とを有し、グリコールと水の混合物などの液体冷却剤が軸方向に流れるように構成されており、高温の作用ガスから熱がそこに伝達される。

図面に示される実施形態では外壁３４は平滑であり概ね円筒形の形状である。しかしながらこれが必ずしも当てはまるとは限らず、外壁３８が１つまたは複数の弓形部分［ｓｅｇｍｅｎｔ］から形成され、そのそれぞれが中央の壁１２の円周の別個の部分に沿って延在し、その結果空間３６が２つ以上の部分で構成されており、そのそれぞれが環状部分の一部を構成する場合もあることが理解できるであろう。

熱交換器１０はさらに第１および第２マニフォルド４４、４６を備えており、これは図２に最もよく見ることができ、これらのマニフォルドは環状空間３６内に位置し、第２流体流路３８の開放端４０、４２と流れ連通している。より具体的には第１マニフォルド４４は流路３８の第１開放端４０と連通し、第２マニフォルド４６は流路３８の第２開放端４２と連通している。

マニフォルド４４、４６はそれぞれ流体開口を備えており、そこを通って液体冷却剤が第２流体流路３８に進入するまたはそこから外に出る。図２に示されるように第１マニフォルド４４は、冷却剤導管（図示せず）に装着するための管継手［ｆｉｔｔｉｎｇ］５０を有する第１流体開口４８を備え、第２マニフォルド４６は、別の冷却剤導管（図示せず）に接続するための管継手５４を備えた第２流体開口５２を備える。熱交換器１０を説明する目的で、流体開口４８は入り口開口であり、管継手５０は入り口管継手であり、マニフォルド４４は入り口マニフォルドであると想定する。同様に流体開口５２は出口開口であり、管継手５４は出口管継手であり、マニフォルド４６は出口マニフォルドであると想定する。しかしながら冷却剤の流れは所望であれば逆方向でもよいことが理解できるであろう。

入り口開口４８を通って熱交換器１０に進入する液体冷却剤は、入り口マニフォルド４４を介して熱交換器１０の円周の周りに分散され、その後第２流体流路３８を軸方向に流れて第２流体流路３８の反対側の端においてマニフォルド４６に達し、そこから他方の流体開口５２を通って熱交換器１０から外に出る。液体冷却剤を最適に円周上に分散させるために、第１および第２流体開口４８および５２は、図１、２および２Ａに示されるように円周上で例えば約１８０°の角度で互いから離間されてよいが、必ずしもこれが当てはまるとは限らない。例えば以下でさらに考察するように熱交換器１０における流体開口４８、５２が円周上で互いに整列される、あるいはマニフォルド４４、４６内で十分な流体の分散が維持される限り１８０度未満の角度で円周上で離間させることもできる。

図２の断面図で示されるように、外壁３４と中央の壁１２の間の第２流体流路３８内に中間外壁５６が設けられる。中間外壁５６は波形フィンの形態であり、これは熱交換器１０の内壁１８と同じ形状および寸法であってよい。図４に最もよく見られるように中間外壁５６は、中央の壁１２の外面１６と接触するまたはそこに固定される軸方向に延在する複数の第１の隆起部５８と、外壁３４と接触するまたはそこに固定される軸方向に延在する複数の第２の隆起部６０と、隆起部５８と６０を相互につなぐ複数の側壁６２とを有する。壁５６の隆起部５８、６０は、第２流体流路３８の一端４０から他端４２まで軸方向に延在する。中間外壁５６は好ましくは、第２流体流路３８の円周全体にわたって延在し、第２流体流路３８内の液体冷却剤への熱伝達を向上させるように機能する。

外壁３４と中央の壁１２の間の環状空間３６が、第２流体流路３８ならびに２つのマニフォルド４４、４６を画定する。図１から図４に示される構成では中央の壁１２の外面１６は、中央の壁１２から外側に延出しその円周全体に沿って続く１組の半径方向の隆起部６４、６６を備える。隆起部６４、６６は軸方向に互いから離間され、中央の壁１２の開放端に近接して位置している。外壁３４は流体密封式に半径方向の隆起部６４、６６の両方に対して密閉式に固定される。したがって隆起部６４、６６は環状空間３６の両端を密閉し、外壁３４を中央の壁１２に対して固定し、中央の壁１２と外壁３４の間に所望される間隔を維持するように機能する。この点に関して隆起部６４、６６は好ましくは、波形の中間外壁５６の半径方向の高さ（すなわち第１隆起部５８と第２隆起部６０の間の半径方向の距離）にほぼ等しい半径方向の高さを有し、その結果中間外壁５６は第２流体流路３８ほぼいっぱいに広がる。

中間外壁５６は第２流体流路３８の両端４０、４２の間に延在しており、好ましくは中間外壁５６が上に延在する中央の壁１２の外面１６の面積を最大にして熱伝達を最大にする。図２に示される熱交換器１０の変形では、中間外壁５６は流体開口４８、５２の中には実質的に延在しておらず、その結果流体開口４８、５２は、環状空間３６のマニフォルド４４、４６を画定する部分の中で完全に形成される。したがってこの熱交換器１０の変形では第２流体流路３８の両端４０、４２は、流体開口４８、５２の縁部から離間されている。しかしながら図２Ａの変形では中央の壁の外面１６のより大きな面積を占めるために中間外壁５６の軸方向の長さが拡大されており、これは熱伝達に対して有益な効果を持つものと予測される。この熱交換器１０の変形では、第２流体流路３８の両端４０、４２は流体開口４８、５２の中に延在している。

中間外壁５６が流体開口４８、５２を塞ぐまたはその中に延在する度合いを変えることによって、第２流体流路３８の両端４０、４２において入り口と出口の流れの規制を強めたり緩めたりすることが可能であり得ることを理解されたい。例えば本発明のいくつかの実施形態では、熱交換器１０の円周の大半にわたる壁５６の軸方向の長さは、図２Ａに示されるようなものであってよく、流体開口４８、５２の近傍で壁５６に刻み目が付けられるあるいはそうでなければ長さが短縮される。これにより壁５６が開口４８、５２を塞ぐ度合いが小さくなり、第２流体流路３８の両端４０、４２における入り口および出口の流れ規制が弱くなると予測される。

マニフォルド４４、４６の範囲内での円周上の流れを最適に分散させるために、冷却剤が第２流体流路３８に進入するまでは冷却剤入り口開口４８に最も近い第２流体流路３８の端４０が部分的に規制されて、マニフォルド４４全体にわたる流体の円周上の分散を促進させることができる。第２流体流路３８の端４０における規制の度合いは、冷却剤の円周上の分散を最適にするために熱交換器１０の円周に沿って変化してよい。例えば規制の度合いは入り口開口４８に近接したところで最大となり、入り口開口４８から１８０度間隔を空けたところで恐らく最小になる。

図１、図２および図２Ａは、第２流体流路３８の端４０において開放領域を規制するための、流れ規制リブ［ｆｌｏｗ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｎｇ ｒｉｂ］６８の形態の手段を図示している。第２流体流路３８の開口４０における規制の度合いを変えるために、流れ規制リブ６８の高さは熱交換器１０の円周に沿って変えられてよい。この点に関して流れ規制リブ６８の高さは入り口開口４８に近接したところで恐らく最大となり、入り口開口４８から１８０度の間隔を空けたところで恐らく最小となる。この点に関して流れ規制リブ６８の最小の高さはゼロであり、その結果流れ規制リブ６８は非連続である。

流れ規制リブ６８はまた、熱交換器１０を組み立てる際に中間外壁５６の位置を維持するように機能することができることを理解されたい。図２に示されるように、中間外壁５６の他端に、中央の壁１２の円周の少なくとも一部に沿って延在する第２の位置決めリブ７０を設けることが望ましい場合もある。第２流体流路３８のいかなる障害も最小限にするために、位置決めリブ７０の半径方向の高さは中間外壁５６の半径方向の高さの１／２未満であることが好ましい。

隆起部６４、６６および流れ規制リブ６８、７０に加えて熱交換器１０の中央の壁１２がいくつかの他の特徴を備える場合もあり、これを以下で簡単に記載する。まず中央の壁１２の両端は軸方向および／または半径方向に延在する１つまたは複数の面を備えており、これに沿って熱交換器１０をスターリング・エンジンの隣接する構成要素と連結させることができる。例えば中央の壁１２の第１端は平坦な半径方向に延在する面７２を備えてよく、これに沿って中央の壁１２をスターリング・エンジンの隣接する円筒形の構成要素（図示せず）に連結させることができる。また中央の壁１２の第２端は軸方向の面７８を有する外側に延出する接続隆起部７６を備えてよく、これに沿って中央の壁をスターリング・エンジンの隣接する円筒形の構成要素（図示せず）に連結させることができる。中央の壁１２の両端の構成は、スターリング・エンジンの結び付ける構成要素の固有の構成に応じて図面に示されるものと異なる場合もあることを理解されたい。熱交換器１０とスターリング・エンジンの隣接する構成要素との構造上の接続は、中央の壁１２を介して形成されるのが好ましく、その理由は中央の壁１２が熱交換器１０を形成する他の壁１８、３４、５６より構造的に強固であるためである。

また熱交換器１０の中央の壁１２がその両端の一方に近接して内側に延出するリップ［ｌｉｐ］８０を備える場合もあり、このリップ８０は、スターリング・エンジンの隣接する構成要素（図示せず）に接続するための軸方向の面８２を有する。リップ８０は、内壁１８の一端に当接する斜めに切られた［ｂｅｖｅｌｅｄ］または面取りされた［ｃｈａｍｆｅｒｅｄ］内面８４を有してよく、この斜面または面取りは第１流体流路２２の端を塞がないように設けられている。

熱交換器１０は、中央の壁１２の内側に位置する単一の内壁１８を有するように上記に記載されているが、これが必ずしも当てはまるとは限らないことを理解されたい。むしろ図５に示されるように熱交換器１０が第２の内壁１１０を備える場合もあり、この内壁は熱交換器１０の内側の入れ子を形成する。第２の内壁１１０は、中央の壁１２から離間され、内壁１８の第２隆起部２６と接触するまたはそこに固定される外面１１２を有する平滑な円筒形の側壁（その一部のみが図５に示されている）を備えてよい。第２の内壁１１０は単一の部品から、すなわち１本の管の形態で構築されて、内壁１８の上に平滑で連続する内張を形成することができる。あるいは第２の内壁１１０は２つ以上の湾曲した弓形部分から構築されてもよく、隣接する弓形部分の間に隙間を残す場合と残さない場合がある。

第２の内壁１１０を設置することで、熱交換器１０とスターリング・エンジンの筐体３０との間で所望される隙間の公差を達成するおよび／または熱交換器１０と筐体３０との間のいかなる隙間も密閉するのを助けることができる。図５Ａに示されるように第２の内壁１１０は例えば薄い壁で囲まれた管を構成してよく、この管はまず熱交換器１０の中空の中心に挿入され、その後機械的に拡張されて内壁１８の第２隆起部２６と密接に接触する。あるいは図５Ｃに示されるように第２の内壁１１０が比較的厚さのある壁で囲まれ所望の公差まで機械加工された管を構成する場合もあり、この管は熱交換器１０の中空の中心にプレス嵌めされる。

任意選択で図５Ａおよび図５Ｃに示されるように筐体３０の外面がオー・リング９０などの密閉要素を備える場合もあり、この要素は第２の内壁１１０に設けられた平滑で連続する面に対してシールを形成する。図５Ｂに示されるような代替の構造では、第２の内壁がその両端の一方にまたはその両方に内側に突出する縁部を備える場合もある。図５Ｂに示される変形では、内側に突出する縁部９２、９４は第２の内壁１１０の両端に設けられている。内側に突出する縁部９２、９４は、筐体３０と接触しておりそれと共にシールを形成する。第２の内壁１１０と筐体３０の間に空気が閉じ込められるのを避けるために、内側に突出する縁部９２または９４の一方を不連続にするまたは息抜き穴９６が設けられて、作用流体が筐体３０と第２の内壁１１０の間の空間に進入するのを可能にし、これにより筐体３０と壁１１０の間に空気が閉じ込められるのを防ぐことができる。

図６および図６Ａは、本発明の第２の実施形態による熱交換器１００の２つの変形を示す部分断面図である。熱交換器１００のほとんどの構成要素は、上記に記載した熱交換器１０の構成要素と同様であるかまたは全く同じであり、したがって以下の記載において同様の参照番号を使用して同様の構成要素を記載する。

熱交換器１００は、中央の壁１２と、第１流体流路２２を部分的に画定する波形フィンの形態の内壁１８と、外壁３４と、開放端４０、４２を有する第２流体流路３８内に位置する波形フィンの形態の中間外壁５６とを含む。しかしながら熱交換器１００の外壁３４は熱交換器１０のように平滑ではなく半径方向に突出する部分１０２、１０４を備えており、この部分がそれぞれマニフォルド４４および４６を画定している。半径方向に突出する部分１０２、１０４は外壁３４の平滑で円筒形の壁部分１０６によって隔てられており、この部分１０６は、中間外壁５６の第２隆起部６０と接触するまたはそこに固定され第２流体流路３８の外壁を形成する。

半径方向に突出する部分１０２、１０４は概ね円筒形であり、図６に示されるようにほぼＣ字型の断面を有する。図６に示される構造において中央の壁１２の断面形状は図２に示されるものとほぼ同一であり半径方向の隆起部６４、６６を有しており、円筒形の壁部分１０６が蝋付けまたは溶接によって密閉式にそこに結合される。したがって図６に示される実施形態では、円筒形の壁部分１０６は上記に記載される熱交換器１０の外壁３４と軸方向の長さが同じである。半径方向に突出する部分１０２、１０４は、円筒形の壁１０６に対してその両端に近接して密閉式に結合されてマニフォルド４４、４６を画定し、蝋付けまたは溶接によって密閉された接続が形成される。半径方向に突出する部分１０２、１０４は、マニフォルド４４、４６の容積が拡大され、これにより液体冷却剤が熱交換器１０の中を流れる際のその圧力降下を緩和させるように機能する。

熱交換器１０でのように、熱交換器１００のマニフォルド４４、４６は流体開口４８、５２および管継手５０、５４を備えており、図６では開口５２と管継手５４のみを見ることができる。図６に示される管継手５４は、外壁３４の半径方向に突出する部分１０４と円筒形の壁部分１０６の両方に適合し、蝋付けまたは溶接などによって密閉式にそこに固定されるように構成されている。半径方向に突出する部分１０４にある穴［ａｐｅｒｔｕｒｅ］または隙間［ｇａｐ］によって流体開口５２が画定され、この穴または隙間は管継手５４の孔と位置合わせされることを理解されたい。他の開口４８および管継手５０も同様に構成されてよい。

熱交換器１００はまた、熱交換器１００において冷却剤の最適な円周上での分散を実現する目的で、マニフォルド４４、４６と第２流体流路３８の両端４０、４２との間の流れを規制するための手段を備えることができる。図６に示される実施形態では例えばこのような流れの規制は、円筒形の壁部分１０６に穴１１４を形成し、マニフォルド４４、４６と、中央の壁１２と円筒形の壁部分１０６との間の環状空間３６との間に流れ連通を形成することによって実現される。したがって穴１１４は、円筒形の壁部分１０６の、外壁３４の半径方向に突出する部分１０２、１０４によって覆われる部分に形成される。各マニフォルド４４または４６の中に１つまたは複数の穴１１４を設けることができ、図６に示される実施形態では円筒形の壁部分１０６の、半径方向に突出する部分１０２によって覆われる部分に複数の穴１１４が形成されており、また円筒形の壁部分１０６の、半径方向に突出する部分１０４によって覆われる部分にも複数の穴が形成されている。本実施形態では円筒形の壁部分１０６にある穴１１４のサイズおよび間隔は、熱交換器１００の円周の周りでほぼ一定である。しかしながら円周上の冷却剤の分散を最適にする目的で穴１１４のサイズおよび間隔を拡大または縮小して、マニフォルド４４、４６と環状空間３６との間の流れの規制を強めたり緩めたりすることもできることを理解されたい。また穴１１４のサイズおよび／または間隔は、これもまた冷却剤の円周上の分散を最適にする目的で熱交換器１００の円周に沿って変えることができることを理解されたい。

図６の熱交換器６では中間外壁５６は穴１１４を実質的に塞いでいないが、これが必ずしも当てはまるとは限らない。むしろ、熱交換器１０に関連して上記に記載したように穴１１４を通る冷却剤の流れを規制し円周上の分散を最適にするように、中間外壁５６が穴１１４によって画定される開放領域の一部を塞ぐ場合もあり、壁５６はその円周の周りで一定または可変の長さであることを理解されたい。図６の熱交換器１００はまた隆起部６８、７０および第２の内壁１１０も備えており、これらは共に熱交換器１０に関連して上記に記載されている。

図６Ａは熱交換器１００の第２の変形を示しており、これはいくつかの点で図６に示されるものと異なっている。例えば図６Ａに示される熱交換器１００の中間外壁５６は、熱交換器１００のマニフォルドが占める空間へと延在しており、好ましくは半径方向に突出する部分１０２、１０４によって画定される空間へと延在して、中央の壁１２の外面１６の面積に対する中間外壁の面積を最大にすることができ、この点では図２Ａに示される構成と同様である。また熱交換器１００は、熱交換器１０でのようにマニフォルド４４全体にわたる冷却剤の円周上の分散を最大にする目的で、入り口開口４８に最も近い第２流体流路３８の端４０に流れ規制リブ６８を備える。図６Ａの熱交換器１００には位置決めリブ７０は設けられず、第２の内壁１１０も設けられていない。

また円筒形の壁１０６が半径方向に突出する部分１０２、１０４によって画定される空間内に延在し、中間外壁５６の両端に近接して終端することを図６Ａから見ることができる。所望であれば円筒形の壁１０６は図６に示されるように中間外壁５６の両端をわずかに超えて延在してもよい。このような円筒形の壁１０６の延在は、冷却剤の流れの進路を中間外壁の開放端に向けるように変えるのを助けて、第２流体流路３８の全長にわたって冷却剤を中間外壁５６と確実に接触させ、これにより熱伝達を最大にする。また円筒形の壁１０６は、マニフォルド４４、４６全体にわたる冷却剤の分散を最適にするように第２流体流路への冷却剤の流れを規制することもできる。

図６Ａに示される熱交換器１００の変形では半径方向に突出する部分１０２、１０４は中央の壁１２の外面１６と円筒形の壁１０６の両端との両方に密閉式に接続されてマニフォルド４４、４６を画定しており、蝋付けまたは溶接によって密閉された接続が形成される。また図６Ａに示される熱交換器１００の変形では開口４８、５２および管継手５０、５４は互いに軸方向に整列されており、その結果開口４８と５２の間の軸方向の間隔は０度である。

図７、図８および図８Ａは本発明の第３の実施形態による熱交換器１２０を示している。熱交換器１２０のほとんどの構成要素は、上記に記載される熱交換器１０および１００の構成要素と同様であるかまたは全く同じであり、したがって以下の熱交換器１００の記載において同様の参照番号を使用して同様の構成要素を記載する。

熱交換器１００と同様に、熱交換器１２０はマニフォルド４４、４６を画定する半径方向に突出した部分１０２、１０４と、第２流体流路３８の外壁を形成する平坦な円筒形部分１０６とを備える外壁３４を有する。熱交換器１２０の外壁３４は熱交換器１００でのように複数の円筒形の部分を一緒に連結して組み立てるのではなく、複数の円弧状の弓形部分１２２から形成されており、隣接する弓形部分１２２の間に円周上に離間され軸方向に延在する継ぎ目１２４が設けられる。図面で示される実施形態では外壁３４はこのような２つの弓形部分１２２から形成されており、そのそれぞれが横方向の断面においてほぼ半円である。したがって外壁３４は２つの継ぎ目１２４を含んでおり、これらは円周上で互いから約１８０度離間されている。

弓形部分１２２がカバー・プレート１２６によって密閉式に一緒に連結され、そのそれぞれが例えば蝋付けまたは溶接によって２つの隣接する弓形部分１２２の縁部に対して密閉され、２つの弓形部分１２２の間にある継ぎ目１２４を覆う。カバー・プレート１２６は、弓形部分１２２の長さ全体にわたって軸方向に延在しており、弓形部分１２２の縁部に沿って効果的に密閉式に接触するように弓形部分１２２の輪郭をなぞるように成形される。

弓形部分１２２およびカバー・プレート１２６は、１つまたは複数の従来式の打ち抜き加工工程によって形成されてよい。外壁３４の平坦な円筒形部分１０６と隣接する半径方向に突出する部分１０２、１０４との間に滑らかな移行がもたらされ、これにより外壁を全体的に砂時計のような形状にすることができる。

上記に記載した熱交換器１０および１００のように、熱交換器１２０のマニフォルド４４、４６は第２流体流路３８と連通する流体開口４８、５２を備える。図面に示される実施形態では、流体開口４８、５２はそれぞれのカバー・プレート１２６の軸方向に対向する両端に形成されており、管継手５０、５４（そのうちの１つのみが図８に示されている）を収容する目的で流体開口４８、５２と位置合わせされた下にある弓形部分１２２に半円の切り取り部１０８が形成される。各弓形部分１２２はこのような切り取り部１０８を４つ備える、すなわち弓形部分１２２の両端に近接する各縁部に沿って２つ備えるのが好ましいことを理解されたい。したがって各弓形部分は長手方向と横方向の両方の面に関して対称であり、これは熱交換器１００の組み立てを簡素化する助けをする。

熱交換器１００がカバー・プレート１２６内に設けられた流体開口４８、５２を有するように記載してきたが、これが必ずしも当てはまるとは限らないことが理解できるであろう。本発明の他の実施形態では流体開口４８、５２が弓形部分１２２内に、それらの縁部同士の間に配置される場合もあり、これによりカバー・プレート１２６内に切り抜き部１０８および開口を形成する必要がなくなる。あるいは流体開口４８、５２を互いに軸方向に整列させることが望まれる場合、カバー・プレート１２６の一方が両方の開口４８、５２を備えることもできる一方、他方のカバー・プレート１２６には穴が開けられない。

熱交換器１０でのように中央の壁１２の外面１６は、中央の壁１２の開放端に近接して中央の壁１２の円周全体に沿って外側に延在する１組の半径方向の隆起部６４、６６を備えることができる。外壁３４の軸方向に離間した両端は半径方向の隆起部６４、６６に重なり、例えば蝋付けによって流体密封式にそこに固定され、これにより液体冷却剤が占める空間の軸方向に隔てられた両端を密閉することができる。

上記に記載される熱交換器１００のように、熱交換器１２０は熱伝達および円周上の冷却剤の分散を最適にするための要素を備えることができ、これらの要素を図８Ａに関連して以下に記載する。この熱交換器１００の変形では中間外壁５６は半径方向に突出する部分１０２、１０４によって画定される空間へと延在して、中央の壁１２の外面１６の表面積に対してその表面積を最大にし、これにより熱伝達を最大にする。円周上の冷却剤の分散を最適にする目的で、入り口マニフォルド４４内に設けられた入り口開口４８（図示せず）に最も近い中間外壁５６の端に流れ規制リブ６８が設けられる。図８Ａに示される熱交換器１２０の変形には位置決めリブ７０は設けられていない。また熱交換器１２０には熱交換器１００での円筒形の壁１０６の機能と同様の機能を果たす第２の中間外壁１３０が設けられている。詳細には第２の中間外壁１３０は平滑で薄い壁で囲まれた円筒形の管であり、これは中間外壁５６と外壁３４の間に位置している。壁１３０は外壁３４の円筒形の部分１０６と接触しそこに固定され、かつ中間外壁５６の第２隆起部６０に固定される。壁１３０の両端は中間外壁５６の両端に近接してまたはこれをわずかに超えて延在しており、冷却剤の流れの進路を中間外壁５６の開放端に向けるように変え、第２流体流路３８の全長にわたって冷却剤と中間外壁５６を確実に接触させ、これにより熱伝達を最大にする。壁１３０はまた第２流体流路３８への冷却剤の流れを規制し、マニフォルド４４、４６全体にわたる冷却剤の分散を最適にすることができる。

上記に記載される実施形態は、第１流体流路２２および第２流体流路３８内に封入された波形フィンの形態で壁１８、５６を有するが、これが必ずしも当てはまるとは限らないことが理解できるであろう。むしろ壁１８、５６は代わりに米国特許第Ｒｅ．３５，８９０号（Ｓｏ）および米国特許第６，２７３，１８３号（Ｓｏ等）に記載されるタイプのオフセット・ストリップ・フィンまたは切れ込みが入れられたストリップ・フィンを備えることができる。ＳｏおよびＳｏ等に対する特許はその全体が参照により本明細書に組み込まれている。オフセット・ストリップ・フィンは、波形フィンから形成された壁１８、５６に関して上記に記載したのと正に同様のやり方で第１および第２流体流路２２、３８内に収容することができ、その結果フィンの小さい圧力降下の方向が（すなわち流体が波形の先導する縁部にぶつかる場合）軸方向に向けられる。このような配向のフィンの場合、軸方向の流れ方向では比較的小さな圧力降下が生じ、横方向、または円周上の流れ方向では比較的大きな圧力降下が生じる。オフセット・ストリップ・フィンでは、波形を形成する軸方向に延在する隆起部がその長さに沿って分断され、その結果軸方向に延在する空間２０、３２、３６が蛇行する。したがってオフセット・ストリップ・フィンを利用することで流体流路２２、３８内を流れる流体の乱流が大きくなり、これにより熱伝達が改善される。しかしながらオフセット・ストリップ・フィンを代わりに、フィンの大きな圧力降下の向き（すなわち流体が波形の側面にぶつかる場合）が軸方向に向けられるように配向することもできることが理解できるであろう。大きな圧力降下を配向することは、本発明のいくつかの実施形態では例えば円周上の冷却剤の分散を最適にするのに有利であり得る。また壁１８、５６を形成するのに例えば米国特許第４，９４５，９８１号（Ｊｏｓｈｉ）に記載されるタイプのルーバー付きフィンなどの他のフィン構成が使用される場合もあり、これはその全体が参照により本明細書に組み込まれている。このようなルーバー付きフィンもまた、冷却剤の流れ方向に平行な、すなわち軸方向の小さなまたは大きな圧力降下の方向のいずれかに配向することができる。また壁１８、５６は、フィンの隆起部がジグザグのパターンを形成する襞付きフィンの形態であってもよい。

壁１８、５６を丸みが付けられた波頂を有する波形フィンを備えるものとして上記に記載してきたが、これが必ずしも当てはまるとは限らないことが理解できるであろう。フィンは好ましくは平坦な波頂を有してよいが、平坦な頂部のフィンを利用することは熱伝達に対して悪影響を与える恐れがある。相対的に小さな面積が熱交換器の壁１２、３４、１１０および／またはスターリング・エンジンの筐体３０に接触するよう維持し、これにより作用ガスまたは冷却剤と接触するフィンの面積を最大にするようなフィンを使用するのが好ましい。したがって壁１８、５６の波頂は、比較的小さな面積が熱交換器１０または筐体３０の隣接する面と接触するように丸みが付けられるまたは角度が付けられるのが好ましい。

本発明による熱交換器を構成する構成要素は多様な材料から形成されてよく、これらの材料は好ましくは熱伝達、強度および耐久性を最大にするように選択される。例えば熱交換器の構成要素は、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、それらの合金および鋼またはステンレス鋼など同一のまたは異なる金属から形成することができる。

本発明を特定の好ましい実施形態に関連して記載してきたが、これらの実施形態に限定されることは意図されていない。むしろ本発明はその範囲の中に以下の特許請求の範囲内にあり得る全ての実施形態を包含している。

Claims (28)

1. （ａ）両端において開放し１つの軸に沿って延在する円筒形の中央の壁であって、内面と外面を有しかつ穴が開けられていない中央の壁と、
   （ｂ）前記中央の壁の内側に位置し前記中央の壁の前記内面に装着される内壁であって、前記中央の壁の曲率をなぞるように湾曲しており、当該内壁と前記中央の壁の間に１つまたは複数の軸方向に延在する空間が設けられる内壁と、
   （ｃ）前記内壁と前記中央の壁の間にある前記１つまたは複数の軸方向に延在する空間を構成する第１流体流路であって、その軸方向に離間した両端において開放している第１流体流路と、
   （ｄ）前記中央の壁の外側に位置し前記中央の壁の前記曲率をなぞるように湾曲した外壁であって、前記中央の壁と当該外壁の間に１つまたは複数の軸方向に延在する空間が設けられる外壁と、
   （ｅ）前記中央の壁と前記外壁の間にある前記１つまたは複数の軸方向に延在する空間を構成する第２流体流路であって、第１および第２の開放端を有する第２流体流路と、
   （ｆ）前記第２流体流路の前記第１の開放端と流れ連通する第１マニフォルドであって、第１流体開口を備える第１マニフォルドと、
   （ｇ）前記第２流体流路の前記第２の開放端と流れ連通する第２マニフォルドであって、第２流体開口を備える第２マニフォルドとを備える熱交換器。
2. 前記内壁が概ね円筒形であり、その円周に沿った複数の地点で前記中央の壁の前記内面に固定され、前記第１流体流路の前記開放端が環状である、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記内壁が、軸方向に延在する複数の第１隆起部と、軸方向に延在する複数の第２隆起部と、前記第１隆起部と前記第２隆起部を相互につなぐ複数の側壁とを有する波形フィンで構成されており、前記第１隆起部のセットが前記第２隆起部の外側に位置し前記中央の壁の前記内面に固定され、その結果前記内壁と前記中央の壁の間に複数の前記軸方向に延在する空間が形成され、前記軸方向に延在する空間がそれぞれ、前記中央の壁の前記内面と、１組の隣接する側壁と、前記第２隆起部の１つによって画定される、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１および第２隆起部のそれぞれが前記第１流体流路の前記両端の間に連続して延在する、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記内壁がオフセット・ストリップ・フィンの形態であり、前記第１および第２隆起部がそれらの長さに沿って分断され、その結果前記軸方向に延在する空間が蛇行する、請求項３に記載の熱交換器。
6. 前記中央の壁の前記内面が平滑である、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記中央の壁が前記内壁および前記外壁より実質的に厚さがあり、少なくともおよそ４０バールの内部ガス圧を封じ込めるように構築される、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記内壁の内側に位置し、前記内壁の前記第２隆起部に固定される第２の内壁をさらに備えており、その結果前記第１流体流路が、前記中央の壁と前記第２の内壁の間の環状空間によって画定される、請求項３から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
9. 前記第２の内壁が穴の開けられていない平滑な円筒形の壁である、請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記第２の内壁が、前記中央の壁の前記開放端に近接して位置する軸方向に離間した両端を有し、前記第２の内壁の前記軸方向に離間した両端の少なくとも一方が、内側に突出する部分を備え、前記部分が、前記第２の内壁の内側に位置する円筒形の構成要素に接触するように適合される、請求項８または９に記載の熱交換器。
11. 前記第２の内壁の前記両端の両方が前記内側に突出する部分の一方を備え、前記内側に突出する部分の一方が１つまたは複数の開口を備える、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記外壁が概ね円筒形であり、その結果前記第２流体流路の前記開放端および前記マニフォルドが環状である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
13. 前記第１および第２流体開口が円周上で約１８０度互いから離間される、請求項１２に記載の熱交換器。
14. 前記第１および第２流体開口が軸方向に互いに整列される、請求項１２に記載の熱交換器。
15. 前記外壁が平滑であり、前記第１および第２流体開口が、前記外壁の軸方向に対向する両端に形成される、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の熱交換器。
16. 前記中央の壁の前記外面が、その両端に近接して前記外壁に密閉式に固定される、請求項１５に記載の熱交換器。
17. 前記中央の壁の前記外面がその両端に近接して半径方向の隆起部を備え、前記外壁が前記半径方向の隆起部に対して密閉式に固定される、請求項１６に記載の熱交換器。
18. 前記第２流体流路に波形フィンが設けられ、前記波形フィンが、軸方向に延在する複数の第１隆起部と、軸方向に延在する複数の第２隆起部と、前記第１隆起部と前記第２隆起部を相互につなぐ複数の側壁とを有し、前記第１の隆起部のセットが前記中央の壁の前記外面と接触し、前記第２隆起部のセットが前記外壁と接触する、請求項１６または１７に記載の熱交換器。
19. 前記波形フィンが前記中央の壁のほぼ円周全体の周りに延在する、請求項１８に記載の熱交換器。
20. 前記第１および第２流体開口の一方が入り口開口として機能し、前記中央の壁の前記外面が、円周上に延在するリブを備え、前記リブが、前記入り口開口に最も近い前記第２流体流路の前記開放端に近接して位置し部分的にこれを塞ぐ、請求項１８または１９に記載の熱交換器。
21. 前記マニフォルドがそれぞれ、前記外壁の外側に突出する部分に囲まれた領域内に画定され、前記波形フィンが、軸方向に離間した両端を有し、前記両端が、前記外側に突出する部分に囲まれた前記領域内へと延在する、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の熱交換器。
22. 前記波形フィンのほぼ全領域にわたって平滑な円筒形部材が設けられ、その両端が、前記波形フィンの前記軸方向に離間した両端に近接して位置する、請求項２１に記載の熱交換器。
23. 前記平滑な円筒形部材の少なくとも一部が、前記外壁の前記外側に突出する部分に装着された前記外壁の円筒形部分によって画定される、請求項２２に記載の熱交換器。
24. 前記外壁が２つ以上の円弧状の弓形部分で形成され、前記弓形部分の間に、円周上で離間され軸方向に延在する複数の継ぎ目が設けられる、請求項２１から２３のいずれか一項に記載の熱交換器。
25. 前記外壁が２つの半円状の弓形部分から形成され、前記弓形部分の間に、１組の軸方向に延在する継ぎ目が設けられる、請求項２４に記載の熱交換器。
26. 前記外壁がさらに、前記弓形部分の間の前記継ぎ目を覆うためのカバー・プレートを備え、前記カバー・プレートがそれぞれ前記２つの半円状の弓形部分に対して密閉式に固定される、請求項２５に記載の熱交換器。
27. 前記カバー・プレートがそれぞれ前記流体開口の１つを備える、請求項２６に記載の熱交換器。
28. 前記カバー・プレートの一方が前記流体開口を両方とも備え、前記カバー・プレートの他方には穴が開けられない、請求項２６に記載の熱交換器。

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