JPS629186A - 空気予熱器 - Google Patents

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
の流路をタープ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器と
、この燃焼器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、燃焼器で形成される燃焼火炎温度は
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。従来、このような点
を考慮に入れて幾つかの空気予熱器が提案されているが
、何れのものも一長一短を有しており、改善が望まれて
いるのが実状である。また、スターリングエンジンの場
合には排ガス温度が非常に高温となる。このため、この
エンジンに組込まれる空気予熱器では、構成部材の熱膨
張が大きく、この膨張に伴う変形対策の出現も望まれて
いる。

〔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、伝熱面積の増大化、放熱損失の
低減化、全体の小形化および熱膨張による構成部材の変
形防止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、
燃焼器を取り囲むように同心的に配置された複数の伝熱
性筒体と、これら伝熱性筒体間に軸心線を上記伝熱性筒
体の軸心線に平行させてそれぞれ配置され上記伝熱性筒
体とで互いに分離された排ガス通路と燃焼用空気通路と
を構成する複数の伝熱管と、これら伝熱管および前記伝
熱性筒体の両端部を嵌合支持する嵌合支持部をそれぞれ
有した一対のフランジとを備え、前記一対のフランジの
前記嵌合支持部で前記伝熱性筒体および前記伝熱管の熱
膨張を吸収させるようにした空気予熱器が提供される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼器を取り囲むように複数の伝熱性
筒体を配置するとともに伝熱性筒体間に前記関係に複数
の伝熱管を配置し、これらで燃焼排ガスと燃焼用空気と
の熱交換通路を形成しているので、伝熱性筒体間の間隔
を狭くして伝熱性筒体の数を増したり、あるいは伝熱管
の数を増すだけで、全体の大形化を招くことなく広い伝
熱面積を設定することができる。したがって、結果的に
全体の小形化、伝熱面積の増大化および放熱損失の低減
化を実現することができる。また、各伝熱性筒体および
伝熱管の両端を一対のフランジで嵌合支持構成に支持さ
せているので２組立て時に嵌合余裕度を持たせて組立て
るだけで、伝熱性筒体および伝熱管の軸心線方向の伸び
を吸収させることができる。このため、伝熱性筒体や伝
熱管の繰り返し熱変形で寿命が低下するのを防止するこ
とができ、装置としての信頼性を向上させることができ
る。したがって、スターリングエンジンに組込むのに適
した空気予熱器を提供できる。

〔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
２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、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２０．再生熱交換器６．クーラ７、
圧縮シリンダ３と圧縮とストン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図乃至
第４図に示すように構成されている。すなわち９図中上
下に対向する関係に一対のフランジ２１．２２を配置し
、これらフランジ２１゜２２間に、これらフランジ２１
．２２によって支持されるとともにバーナ１７の先端と
ヘッド１３の中心とを結ぶ線を中心にして同心的に６個
の伝熱性筒体２３〜２８を配置している。そして、伝熱
性筒体２４と２５との間に、第３図にも示すように両端
がフランジ２１．２２によって支持される関係に伝熱管
２９を周方向に等間隔に複数配置し、さらに伝熱性筒体
２５と２６との間に両端がフランジ２１．２２によって
支持される関係に大径の伝熱管３０を周方向に等間隔に
複数配置している。伝熱性筒体２７と２８との間に形成
された環状空間３１の図中上端部はフランジ２１に周方
向に亙って複数形成された孔３２を介して空気ダクト３
３に通じ、このダクト３３は空気供給口３４に通じてい
る。また、環状空間３１の図中下端部はフランジ２２に
形成された連絡路３５を介して各伝熱管３０の下端部に
通じ、これら伝熱管３０の上端部はフランジ２１に設け
られた孔３６゜３７およびダクト３８を介して各伝熱管
２９の上端部に通じている。各伝熱管２９の下端部はフ
ランジ２２に形成された連絡路３９を介して伝熱性筒体
２３と２４との間に形成された環状空間４０の下端部に
通じ、この環状空間４０の上端部はフランジ２１に周方
向に亙って複数設けられた孔４１を介してダクト４２に
通じ、このダクト４２はスワラ−４３を介してバーナ１
７が位置している空間、つまり燃焼Ｗ１５に通じている
。一方。

フランジ２２の下部には燃焼室１５に通じた吸込み口４
４が設けてあり、この吸込み口４４は周方向に亙って複
数設けられた短管４５を介して伝熱性筒体２４．２５間
に形成された環状空間４６の下端部に通じ、この環状空
間４６の上端部は伝熱性筒体２５の上端に周方向に亙っ
て複数形成された孔４７を介して伝熱性筒体２５．２６
間に形成された環状空間４８の上端部に通じ、さらに環
状空間４８の下端部は伝熱性筒体２６の下端部に周方向
に亙って複数形成された孔４９を介して伝熱性筒体２６
と２７との間に形成された環状空間５０の下端部に通じ
ている。そして、環状空間５０の上端部は７ランジ２１
に周方向に亙って複数形成された孔５１を介して排気ダ
クト５２に通じている。

しかして、各伝熱性筒体２３〜２８．各伝熱管２９．３
０と各フランジ２１．２２との接続部分は、第２図中破
線で示す部分Ａを代表して取り出して示す第４図のよう
に構成されている。すなわち、フランジ２１の下面に環
状の溝６１，６２゜６３を設け、これら溝に対応する伝
熱性筒体２８゜２７．２６の端部を圧入嵌合させている
。また。

７ランジ２１の伝熱管３０に対応する部分に下面側が大
径となる段付き孔６４を設け、この段付き孔６４の大径
側に伝熱管３０の端部を圧入嵌合させている。そして、
多溝６１．６２．６３の深さおよび段付き孔６４の段部
までの深さは燃焼至１５の中心に近いもの程深くなるよ
うに設定されている。したがって、第４図に示すように
上記中心に近い溝あるいは孔程嵌合余裕距１１１（ｌが
大きくなっている。

なお、第１図中７１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、７２．７３はリニアベアリングを
示し、７４はクーラ７の冷媒を案内する配管を示し、７
５．７６は断熱材を示している。

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７４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１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、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供給ロ３４
〜ダクト３３〜孔３２〜環状空間３１〜通路３５〜伝熱
管３０〜ダクト３８〜伝熱管２９〜通路３９〜環状空間
４０〜孔４１〜ダクト４２〜スワラ−４３〜燃焼室１５
の経路で供給される。また、燃焼室１５内で生成された
燃焼排ガスは、吸い込みロ４４〜短管４５〜環状空間４
６〜孔４７〜環状空間４８〜孔４９〜環状空間５０〜孔
５１〜排気ダクト５２の経路で流れる。

このため、燃焼用空気は、伝熱性筒体２３〜２７゜伝熱
管２９．３０を介して燃焼排ガスによって高温に加熱さ
れることになり、ここに空気予熱器としての機能が良好
に発揮される。そして、この場合には、空気予熱器１８
が、燃焼室１５を取り囲むように同心的に配置された伝
熱性筒体２３〜２８と、これら伝熱性筒体間に伝熱性筒
体の軸心線と平行するように配置された複数の伝熱管２
９゜３０とで構成されているので、伝熱性筒体の間隔を
狭くして伝熱性筒体の数を増したり、伝熱管の数を増し
たりするだけで、全体の大形化を招くことなく両流体間
での熱交換に必要な伝熱面積を十分広く設定できる。し
たがって、全体の小形化。

放熱損失の低減化を図った状態で大きな伝熱面積を確保
することができる。また、各伝熱性筒体２３〜２８．各
伝熱管２９．３０の両端を一対のフランジ２１．２２に
嵌合支持させているので。

組立て時に嵌合余裕距Ｍ１を持たせて組立てれば。

この余裕距離１で各伝熱性筒体２３〜２８および各伝熱
管２９．３０の軸心線方向の伸びを吸収させることがで
きる。したがって、伝熱性筒体２３〜２８や伝熱管２９
．３０の熱膨張によって空気予熱器１８全体が破壊され
たり、短期間に全体が変形したりするのを防止でき、結
局、前述した効果を発揮させることかできる。

なお１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１本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（各種
燃焼器に使用できることは勿論である。また、各流体通
路に流体の流れを強制的に乱す部材を設け、この部材の
存在によって熱交換効率を一層向上させるようにしても
よい。

その他１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局部的断面図、第４
図は第２図中に破線で囲んだ部分Ａを拡大して示す断面
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・・・タープ、１５・・
・燃焼至、１６・・・熱交換器、１７・・・バーナ、１
８・・・空気予熱器。 ２１．２２・・・フランジ、２３〜２８・・・伝熱性筒
体。 ２９．３０・・・伝熱管、６１〜６３・・・嵌合支持部
としての溝、６４・・・嵌合支持部としての孔。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第２図

Claims (1)

【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
   ように同心的に配置された複数の伝熱性筒体と、これら
   伝熱性筒体間に軸心線を上記伝熱性筒体の軸心線に平行
   させてそれぞれ配置され上記伝熱性筒体とで互いに分離
   された排ガス通路と燃焼用空気通路とを構成する複数の
   伝熱管と、これら伝熱管および前記伝熱性筒体の両端部
   を嵌合支持する嵌合支持部をそれぞれ有した一対のフラ
   ンジとを具備し、前記一対のフランジの前記嵌合支持部
   で前記伝熱性筒体および前記伝熱管の熱膨張を吸収させ
   るようにしてなることを特徴とする空気予熱器。