JPS6220660A

JPS6220660A - 空気予熱器

Info

Publication number: JPS6220660A
Application number: JP15933985A
Authority: JP
Inventors: Minoru Komori; 実小森; Takashi Komagine; 駒木根　隆; Tsutomu Sakuma; 勉佐久間; Ichiro Hongo; 一郎本郷; Shigemi Nagatomo; 長友　繁美
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-07-19
Filing date: 1985-07-19
Publication date: 1987-01-29

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、空気予熱器に係り、たとえばスターリングエ
ンジンのヒータに組込むのに好適する空気予熱器に関す
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２つのパワーシリンダ間に再生熱交換
器を閉流路構成に接続し、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ク
ーラで冷部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ヒータは。

通常、ガス燃料あるいは液体燃料を燃焼させる燃焼室と
、燃焼によって得られた高温燃焼ガスでスターリングエ
ンジンを動作させるのに必要な作動流体を加熱する熱交
換器と、燃焼排ガスで燃焼用空気を予熱する空気予熱器
とで構成されている。

スターリングエンジンの場合、上述した作動流体の加熱
温度が高い程、効率が向上する。したがって、燃焼火炎
温度は高い程よいことになる。このようなことから、空
気予熱器を設け、この空気予熱器で排ガスの熱を回収し
て燃焼用空気を高温にし、これによって燃焼火炎温度を
高める方式が採用されている。

上記目的に供される空気予熱器は、排ガスの熱を効率よ
く回収するために大きな伝熱面積を有していることが望
ましい。しかし、伝熱面積を大きくすると、一般的には
それに対応して空気予熱器全体の大形化を招き、また放
熱損失も増加して効率が低下する。このようなことから
、従来の空気予熱器では、燃焼室の回りに複数のパイプ
を配設し、これらを溶接によって接続したものが多い。

しかしながら、上記のように構成された従来の空気予熱
器にあっては、構造が複雑で製作に長時間を要し、大重
量化する割には伝熱面積が小さく。

熱交換効率が低いと言う問題があった。

〔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、製作の容易化。

伝熱面積の増大化、全体の軽量化を図れる空気予熱器を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明によれば、燃焼排ガスと燃焼器へ導かれる燃焼用
空気との間で熱交換を行なわせる空気予熱器において、
燃焼室を取り囲むように配置され内部に上記燃焼室を取
り囲む環状空間を有したケースと、このケースの前記環
状空間内に上記環状空間の軸心線方向へ積層状態にそれ
ぞれ収容され。

それぞれに上記積層状態下で上記環状空間を内側環状空
間と外側環状空間とに仕切る仕切り壁部を有するととも
に内外周縁に複数の内側切り欠きおよび外側切り欠きを
有した複数の環状伝熱板と。

燃焼排ガスおよび燃焼用空気の何れが一方の流体を前記
内側切り欠きを介して前記内側環状空間に通流させる手
段および他方の流体を前記外側切り欠きを介して前記外
側環状空間に通流させる手段とを備えた空気予熱器が提
供される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、上記構成を採用しているので。

機械的強度性の高い環状伝熱板は必要としない。

このため、極めて薄い環状伝熱板の使用を可能化でき、
限られた容積のケース内に多数枚の環状伝熱板を収容で
きる。したがって、伝熱面積を大幅に広くでき、この結
果、熱交換効率を向上させることができる。また、極め
て薄い環状伝熱板を使用できるので全体の軽量化を図れ
るばかりか、熱容量の低下に伴って予熱空気温度の立ち
上がりを速くでき、短時間に高温の予熱空気を得ること
ができる。さらに、環状伝熱板を薄くできることからし
て、プレス加工等によって環状伝熱板を簡単に製作する
ことができる。したがって、製作の容易化も図ることが
できる。

〔発明の実施例〕以下２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空気予熱器を組込ん
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。

作動流体の圧縮空間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
摺動自在に装着されたパワーピストン４（以後、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、ｉ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
むように一部に断熱材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、燃焼室１５に臨むように配置されたバーナ１７
と、燃焼室１５を取り囲むように配置され燃焼に必要な
空気を燃焼排ガスで予熱する空気予熱器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。マニホルド１９は、接続管２０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５７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２０．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Ｈｅが封入さ
れている。

しかして、前記空気予熱器１８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、中央部に前記膨張シリンダ１の頂部が嵌入す
る孔２１を有した基板２２が設けてあり。

この基板２２の図中上面側に、内部に燃焼室１５を取り
囲む環状空間２３を有したケース２４が上記基板２２と
の間に所定の隙間２５を設けて配置されている。なお、
上記１１１１１２５の外周縁はケース２４の外側壁構成
部材の延長部分によって閉じられている。ケース２４の
外周面および上面に対向する位置には、これらの面との
間に通路２６を構成する外側カバー２７が設けてあり、
この外側カバー２７の図中下部には通路２６へ空気を導
く空気導入口２８が形成されている。ケース２４の内側
には、ケース２４の内周面との間に通路２９を形成する
内側カバー３０が設けられている。そして１通路２９は
、スワラ−３１を介してバーナ１７の位置している空間
に通じている。

しかして、ケース２４内には、伝熱体３２が収容されて
いる。この伝熱体３２は、薄い良熱伝導板で形成された
環状伝熱板３３を環状空間２３の軸心線方向に複数枚積
層して構成されている。各環状伝熱板３３は、第３図に
示すように径方向の中間位置に段部３４を有した段付き
鍔状に形成されている。また、各環状伝熱板３３には、
その内周縁部に半円状の内側切り火き３５が周方向に複
数形成されており、その外周縁部にも半円状の外側切り
欠き３６が周方向に複数形成されている。

そして、上記のように形成された各環状伝熱板３３が、
隣接するもの同志の段部３４の曲り方向を互いに逆関係
にして積層され、この状態で通しボルト３７で積層方向
に一体化されて上述した伝熱体３２が構成されている。

したがって、伝熱体３２の収容されたケース２４内は、
各環状伝熱板３３に形成されている段部３４の仕切り壁
作用によって、内側環状空間３８と外側環状空間３９と
に仕切られたものとなっている。

しかして、ケース２４の図中上壁で、中心寄りに位置す
る部分複数箇所には上述した内側環状空間３８と通路２
６とを連通させる孔４０が設けてあり、また、ケース２
４の内側壁で図中下部複数箇所には内側環状空間３８と
通路２９とを連通させる孔４１が設けられている。また
、ケース２４の底壁で外側寄りの部分複数箇所には、隙
間２５と外側環状空間３９とを連通させる孔４２が設け
てあり、さらに、ケース２４の上壁で外側寄りの位置に
は、一端側が外側環状空間３９に通じる閏係に排気管４
３が接続されている。この排気管４３の他端側は外側カ
バー２７を貫通して外部に導かれている。

なお、第１図中５１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、５２．５３はリニアベアリングを
示し、５４はクーラ７の冷媒を案内する配管を示し、５
５．５６は断熱材を示し。

第２図中５７．５８はシールリングを示している。

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５４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２０
．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
いる熱が再生熱交換器６に奪われ、またクーラ７を通過
するときさらに冷却される。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を通過するときさ
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、上記のような運転状態において、空気予熱器
１８は次のように作用する。すなわち。

バーナ１７から噴射される燃料を燃焼させるのに必要な
空気は、第２図中実線矢印で示すように空気導入ロ２８
〜通路２６〜孔４０〜内側環状空間３８〜孔４１〜通路
２９〜スワラ−３１〜燃焼空１５の経路で供給される。

また、燃焼室１５内で生成された燃焼ガスは、各熱交換
器１６を加熱した後、第２図中太矢印で示すように、隙
間２５〜孔４２〜外側環状空間３９〜排気管４３の経路
で流れる。このため、燃焼用空気は、ケース２４の外壁
、各環状伝熱板３３．内側カバー３０を介して燃焼排ガ
スによって高温に加熱されることになる。

そして、この場合には、特に、燃焼室１５を取り囲む環
状空間２３を有したケース２４を設け。

このケース２４内に前記構成の環状伝熱板３３を積層し
て構成された伝熱体３２を収容し、主としてこの伝熱体
３２で燃焼排ガスと燃焼用空気とを熱交換させるように
している。このような熱交換部構成であると、環状伝熱
板３３には機械的な力がほとんど加わらないので、この
環状伝熱板３３の厚みを非常に薄くできる。このため、
限られた容積のケース２４内に多数枚の環状伝熱板３３
を収容でき、この結果、伝熱面積を大幅に広く設定でき
、熱交換効率を向上させることができる。また、極めて
薄い環状伝熱板３３を使用できるので。

全体の軽量化を図れるばかりか、熱容量の低下に伴って
予熱空気温度の立ち上がりを速くでき、短時間に高温の
予熱空気を得ることができる。さらに、環状伝熱板３３
を薄くできるので、プレス加工等によって環状伝熱板３
３を簡単に製作することができ、全体の製作の容易化も
図ることができるので、結局、前述した効果を発揮させ
ることができる。

なお９本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。すなわち、上述した実施例では、各環状伝熱板３３
に形成されている内側切り欠き３５および外側切り欠き
３６がそれぞれ軸心線方向に揃うように各環状伝熱板３
３を積層しているが、隣接する環状伝熱板３３の内側切
り欠きおよび外側切り欠きが周方向にずれるように積層
してもよい。また、高温の燃焼排ガスが触れる環状伝熱
板を耐熱性に富んだ材料で形成するようにしてもよい。

さらに、環状伝熱板は、必ずしも円環状である必要はな
く、環状であればよい。また、上述した実施例では２段
部３４に仕切り壁作用を行なわせているが、環状突部を
設け、この突部で仕切り壁作用を行なわせるようにして
もよい。さらに２発明に係る空気予熱器はスターリング
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
燃焼器に使用できることは勿論である。その他。

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１図は本発明の一実施例に係る空気予熱器を組込んで
なるスターリングエンジンの縦断面図。第２図は同エンジンの空気予熱器だけを取り出して示す
縦断面図、第３図は同空気予熱器に組込まれた伝熱体を
一部切断して示す斜視図である。１・・・膨張シリンダ、２・・・膨張ピストン、３・・
・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、１５・・
・燃焼室、１６・・・熱交換器、１７・・・バーナ、１
８・・・空気予熱器。２３・・・環状空間、２４・・・ケース、３２・・・伝
熱体。３３・・・環状伝熱板、３５・・・内側切り欠き、３６
・・・外側切り欠き、３８・・・内側環状空間、３９・
・・外側環状空間。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃焼排ガスと燃焼器へ導かれる燃焼用空気との間
で熱交換を行なわせる空気予熱器において、燃焼室を取
り囲むように配置され内部に上記燃焼室を取り囲む環状
空間を有したケースと、このケースの前記環状空間内に
上記環状空間の軸心線方向へ積層状態にそれぞれ収容さ
れ、それぞれに上記積層状態下で上記環状空間を内側環
状空間と外側環状空間とに仕切る仕切り壁部を有すると
ともに内外周縁に複数の内側切り欠きおよび外側切り欠
きを有した複数の環状伝熱板と、燃焼排ガスおよび燃焼
用空気の何れか一方の流体を前記内側切り欠きを介して
前記内側環状空間に通流させる手段および他方の流体を
前記外側切り欠きを介して前記外側環状空間に通流させ
る手段とを具備してなることを特徴とする空気予熱器。
（２）前記仕切り壁部は、前記環状伝熱板の径方向途中
に形成された段部によって構成されていることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の空気予熱器。
（３）前記各環状伝熱板は、隣接する環状伝熱板に形成
された内側切り欠きおよび外側切り欠き同志が周方向に
位置ずれする関係に積層されてなることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の空気予熱器。
（４）前記環状伝熱板は、高温燃焼排ガスに触れるもの
と他のものとは材質が異なっていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の空気予熱器。