JP2006118406A

JP2006118406A - 廃熱回収装置

Info

Publication number: JP2006118406A
Application number: JP2004305923A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hirata; 宏一平田; Masakuni Kawada; 正國川田
Original assignee: National Maritime Research Institute
Current assignee: National Maritime Research Institute
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: JP4524396B2

Abstract

【課題】複数のスターリングエンジンを多段化して、１台では回収しきれない熱量を、他のスターリングエンジンで有効に回収できる廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】ディスプレーサピストン１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃとパワーピストン１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃとをクランクシャフト１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃに連結したスターリングエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを複数個備え、それぞれのスターリングエンジンを多段に組み合わせ、廃熱などの熱源ガスを一方のスターリングエンジンから他方のスターリングエンジンに向けて順に通過させて加熱源として利用する廃熱回収装置であって、いずれか一つのスターリングエンジンにおけるディスプレーサピストンの行程容積とパワーピストンの行程容積との容積比を、他のスターリングエンジンにおけるディスプレーサピストンの行程容積とパワーピストンの行程容積との容積比と異ならせたことを特徴とする廃熱回収装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃熱やバイオマスなどの熱源を有効に活用する廃熱回収装置に関する。

廃熱やバイオマスなどの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それらの有効活用方法として適していると考えられる。

しかし、工場等からの廃熱は化石燃料の燃焼と比べて一般的に温度が低い。また、バイオマスの燃焼は化石燃料のように安定した燃焼が困難である。廃熱などのように限られた熱量、温度の熱源を有効に利用するためには、スターリングエンジンを運転する温度レベルが重要になる。熱源の熱量を無駄なく利用するには、スターリングエンジンへの入熱量を増加させればよいが、１台のスターリングエンジンでは回収しきれない熱量が生じる場合も少なくない。

そこで本発明は、限られた熱源を最大限に活用するために、複数のスターリングエンジンを多段化することで、１台のスターリングエンジンでは回収しきれない熱量を、他のスターリングエンジンで有効に回収することができる廃熱回収装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の廃熱回収装置は、ディスプレーサピストンとパワーピストンとをクランクシャフトに連結したスターリングエンジンを複数個備え、それぞれの前記スターリングエンジンを多段に組み合わせ、廃熱などの熱源ガスを一方の前記スターリングエンジンから他方の前記スターリングエンジンに向けて順に通過させて加熱源として利用する廃熱回収装置であって、いずれか一つの前記スターリングエンジンにおける前記ディスプレーサピストンの行程容積と前記パワーピストンの行程容積との容積比を、他の前記スターリングエンジンにおける前記ディスプレーサピストンの行程容積と前記パワーピストンの行程容積との容積比と異ならせたことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、前記ディスプレーサピストンのストローク又は前記パワーピストンのストロークを異ならせることで前記行程容積を異ならせたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、前記スターリングエンジンにおける前記容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、前記熱源ガスに対して最上流に位置する前記スターリングエンジンにおける前記容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、Ｎ段の前記スターリングエンジンで得られる加算発電出力が、（Ｎ−１）段の前記スターリングエンジンで得られる加算発電出力よりも高くなるように、それぞれの前記スターリングエンジンにおける前記容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、隣り合う前記スターリングエンジンにおける前記クランクシャフト同士を、カップリングによって連結したことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、それぞれの前記スターリングエンジンを直列に併設し、前記クランクシャフトからそれぞれの冷却部及びそれぞれの加熱部までの距離を同一としたことを特徴とする。

本発明によれば、特に上流側におけるスターリングエンジンの入熱量を低下させることで、下流側におけるスターリングエンジンの入熱量を高めることができ、それぞれのスターリングエンジンの発電効率を適切に調整することができ、結果としてトータルの発電出力を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態による廃熱回収装置は、いずれか一つのスターリングエンジンにおけるディスプレーサピストンの行程容積とパワーピストンの行程容積との容積比を、他のスターリングエンジンにおけるディスプレーサピストンの行程容積とパワーピストンの行程容積との容積比と異ならせたものである。本実施の形態によれば、それぞれのスターリングエンジンの容積比を異ならせることで、それぞれのスターリングエンジンの入熱量を調整することができ、トータルの発電出力を高めることができる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による廃熱回収装置において、ディスプレーサピストンのストローク又はパワーピストンのストロークを異ならせることで行程容積を異ならせたものである。本実施の形態によれば、行程容積の変更をストロークによって行うことで、それぞれのスターリングエンジンの設計を容易に行うことができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による廃熱回収装置において、スターリングエンジンにおける容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたものである。本実施の形態によれば、一つのスターリングエンジンにおける発電出力を低下させることで、このスターリングエンジンでの入熱量を少なくし、その低下分だけ他のスターリングエンジンの入熱量を高めることができ、熱源ガスの低下に伴う、特に下流側に配置したスターリングエンジンでの発電出力を高めることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による廃熱回収装置において、熱源ガスに対して最上流に位置するスターリングエンジンにおける容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたものである。本実施の形態によれば、熱源ガスに対して最上流側のスターリングエンジンでの入熱量を低下させることで、下流側に配置するスターリングエンジンでの十分な入熱量を確保することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による廃熱回収装置において、Ｎ段のスターリングエンジンで得られる加算発電出力が、（Ｎ−１）段のスターリングエンジンで得られる加算発電出力よりも高くなるように、それぞれのスターリングエンジンにおける容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたものである。本実施の形態によれば、個々のスターリングエンジンでの入熱量を適切に調整することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態による廃熱回収装置において、隣り合うスターリングエンジンにおけるクランクシャフト同士を、カップリングによって連結したものである。本実施の形態によれば、それぞれのクランクシャフトを単一のクランクシャフトで構成していないので、それぞれのスターリングエンジンの行程容積の変更を容易に行うことができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１の実施の形態による廃熱回収装置において、それぞれのスターリングエンジンを直列に併設し、クランクシャフトからそれぞれの冷却部及びそれぞれの加熱部までの距離を同一としたものである。本実施の形態によれば、クランクシャフトからの冷却部及び加熱部までの距離を同一とすることで、それぞれの冷却部の連接や加熱部の連接を容易に行うことができる。

以下本発明の一実施例による廃熱回収装置について説明する。
図１は本実施例による廃熱回収装置の構成を示す断面図、図２は同装置の熱交換器の構成を示す要部断面図、図３は図２における加熱部を示す要部断面図、図４は図２における再生熱交換器を示す要部断面図、図５は図２における冷却部を示す要部断面図、図６は同装置のピストン駆動機構の構成を示す要部断面図である。
図１に示すように、本実施例による廃熱回収装置は、３機のスターリングエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを直列に併設している。それぞれのスターリングエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、それぞれの加熱部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを熱源ガス流路１内に設置する。このとき、スターリングエンジン１０Ａの加熱部３１Ａを熱源ガス流路１の最上流側に、スターリングエンジン１０Ｂの加熱部３１Ｂをスターリングエンジン１０Ａの加熱部３１Ａよりも下流側に、スターリングエンジン１０Ｃの加熱部３１Ｃをスターリングエンジン１０Ｂの加熱部３１Ｂよりも下流側に配置している。また、それぞれのスターリングエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、ディスプレーサピストン１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃとパワーピストン１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃとを有している。ディスプレーサピストン１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及びパワーピストン１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、それぞれクランクシャフト１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃに連結されている。また、クランクシャフト１３Ａとクランクシャフト１３Ｂとは、カップリング１４Ａにより、クランクシャフト１３Ｂとクランクシャフト１３Ｃとは、カップリング１４Ｂにより接続され、クランクシャフト１３Ｃの他端側は、カップリング１４Ｃを介してフライホイール１５のシャフト１３Ｄと接続されている。

これら３機のスターリングエンジン１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、それぞれのディスプレーサピストン１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃとパワーピストン１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃとの行程容積が異なる他は、同一構成なので、以下の説明においては、スターリングエンジン１０Ａについて説明する。
図２に示すように、ディスプレーサピストン１１Ａの一端側には加熱部３１Ａが、ディスプレーサピストン１１Ａの他端側には冷却部３２が配置されている。また、加熱部３１Ａと冷却部３２との間には、再生熱交換器３３が配置されている。なお、ディスプレーサピストン１１Ａの一端側の空間は膨張空間３４、ディスプレーサピストン１１Ａの他端側の空間は圧縮空間３５となる。熱交換器３０は、加熱部３１Ａ、冷却部３２、及び再生熱交換器３３によって構成されている。
図３に示すように、加熱部３１Ａは、加熱ヘッド３６と内管３７で構成されている。加熱ヘッド３６は中央に窪みを有し、この窪みを構成する円筒部には、内管３７の入るΦ１０ｍｍの穴３８が２０本空いている。内管３７には、外径Φ８ｍｍ、内径Φ４ｍｍのパイプを用いている。膨張空間３４から流れ出る作動ガスは、穴３８と内管３７の隙間を上昇し、上端で折り返して内管３７の内側を通り再生熱交換器３３へ流れる。この構造により、溶接部分をなくし、伝熱面積を増加させることで高い伝熱特性が期待できる。
図４に示すように、再生熱交換器３３は、同心円状に径の異なる円管３９、４０を配置し、各円管３９、４０の隙間には黄銅金網のマトリックス材４１を詰めている。内管３７から流れ出る作動ガスは、マトリックス材４１を通り抜け、冷却部３２へと流れる。
図５に示すように、冷却部３２は、シリンダ４２の同心円状に内径Φ１０５ｍｍのクーラ管４３と内径・外径がそれぞれΦ９５ｍｍ及びΦ１０２ｍｍのクーラ内管４４を配置してある。再生熱交換器３３から流れ出る作動ガスは、クーラ管４３とクーラ内管４４の間を通り、下端で折り返し、クーラ内管４４とシリンダ４２の間を通って圧縮空間３５に流れる。この構造で、加熱部３１Ａと同様に溶接部分をなくし、広い伝熱面積を確保でき、高い伝熱特性を期待できる。冷却水は、クーラ管４３に設けられた深さ１５ｍｍ、幅５ｍｍのフィン４５の隙間を階段状に流れる。なお、圧縮空間３５で冷却された作動流体は、上記の流れと反対の方向に流れて膨張空間３４に至る。

図６に示すように、ピストン駆動機構における出力取り出し機構にはスコッチヨーク機構を用いている。ディスプレーサピストン１１Ａを連接するディスプレーサヨークボード１６と、パワーピストン１２Ａを連接するパワーピストンヨークボード１７とは、ディスプレーサピストン１１Ａ及びパワーピストン１２Ａの中心から所定距離ずらした位置に、それぞれ１つずつ配置している。なお、ディスプレーサピストン１１Ａ及びパワーピストン１２Ａの中心からディスプレーサヨークボード１６までの距離と、ディスプレーサピストン１１Ａ及びパワーピストン１２Ａの中心からパワーピストンヨークボード１７までの距離は、等しくすることが好ましい。ディスプレーサヨークボード１６の一端及びパワーピストンヨークボード１７の一端にはそれぞれベアリング１９が設けられている。そして、それぞれのベアリング１９の内周に設けたクランクピン２０によってディスプレーサヨークボード１６の一端及びパワーピストンヨークボード１７の一端はクランクディスク１８に回動自在に取り付けられている。ここで、ディスプレーサヨークボード１６のベアリング１９は、ディスプレーサヨークボード１６の回転半径だけ離した位置に、パワーピストンヨークボード１７のベアリング１９は、パワーピストンヨークボード１７の中心線からクランクシャフト１３Ａでの回転半径だけ離した位置にそれぞれ設けるとともに、ディスプレーサピストン１１Ａとパワーピストン１２Ａとの位相を９０度ずらしている。このように、ディスプレーサヨークボード１６とパワーピストンヨークボード１７とを、ディスプレーサピストン１１Ａ及びパワーピストン１２Ａの中心から所定距離ずらした位置に、それぞれ１つずつ配置することで、ピストン駆動機構を小型化し、部品点数を削減することができる。
以上のように、本実施例の装置によれば、熱量や温度レベルが異なる多様な熱源に対応して適切なスターリングエンジンを組み合わせて使用することが可能である。

次に、図７に示すように熱源に対して複数のスターリングエンジンを直列に並べ、１台目で温度低下した熱量を２台目で回収するような多段化した廃熱回収装置の最適設計について以下に説明する。
スターリングエンジンを多段化して熱源の熱量を１段ずつ回収していくと、熱源の熱量は下流に行くに従い減少する。一方、ディスプレーサ型スターリングエンジンにおいては、ディスプレーサピストンとパワーピストンの行程容積の大きさや比を変化させることで、入熱量や出力を調整できる。したがって、熱源の変化に合わせて各段の行程容積を変化させた出力特性の異なるそれらのスターリングエンジンを多段に組み合わせることで、熱源を有効に利用でき、組み合わせを変更することで多種熱源に対応できる。
このような多段式スターリングエンジンでは、熱源の熱量を最大限に活用するため、各エンジンの運転温度レベルが重要になる。そこで、多段式スターリングエンジンの運転温度レベルと性能の簡易予測計算を行う。図７に示すように、熱源の条件として、質量流量ｍ、温度Ｔ₀及び比熱ｃを設定する。この熱源の値を用い、エンジン出口温度Ｔ₁をパラメータとして、次式によりスターリングエンジンへの有効熱入力Ｑ_inを算出する。

次に、膨脹空間の温度低下を考慮したカルノー効率η_carに、熱損失及び圧力損失の影響を補正するためのカルノー係数ｋ_carを乗じて、図示熱効率η_indを求める。

ここで、Ｔ_Cは圧縮空間ガス温度、ΔＴはエンジン出口温度に対する膨脹空間の温度低下であり、両者ともエンジンや熱源の条件に合わせて設定する。
次に機械効率η_m及び発電機効率η_gをそれぞれ設定し、次式により発電出力Ｗ_gを求める。

式（１）から（３）により、出口温度Ｔ₁に応じたエンジン出力の試算が可能になる。そして、１段目におけるスターリングエンジンの出口温度Ｔ₁を２段目におけるスターリングエンジンの入口温度、２段目におけるスターリングエンジンの出口温度Ｔ₂を３段目におけるスターリングエンジンの入口温度とし、各段にて同様の計算を行うことで、多段式エンジンの性能を予測することが可能となる。

次に、質量流量ｍ＝０．００３５ｋｇ／ｓ、温度Ｔ₀＝４００℃の廃熱を想定し、３段構成におけるスターリングエンジンの出力試算を行った結果について説明する。
図８は２段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₂を２４０℃とした場合の１段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₁と発電出力との関係を示す特性図、図９は２段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₂を３００℃とした場合の１段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₁と発電出力との関係を示す特性図である。
計算は、２段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₂を１６０℃から１０℃ごとに３４０℃まで固定し、それぞれのＴ₂に対し１段目及び３段目におけるスターリングエンジン出口温度をパラメータとして行った。なお、カルノー係数ｋ_car、機械効率η_m及び発電機効率η_gはそれぞれ０．７、０．７及び０．８、膨脹空間の温度低下ΔＴは５０Ｋとした。また、１段、２段及び３段目におけるスターリングエンジンの圧縮空間ガス温度Ｔ_Cは、それぞれ６０℃、５０℃、４０℃とした。図中の実線は１段目におけるスターリングエンジンの出力、破線は１段目と２段目におけるスターリングエンジンの合計出力、その他の線は１段目から３段目におけるスターリングエンジンの合計出力を表している。
図８ではＴ₁＝３２０℃、Ｔ₃＝１６０℃付近で最大出力９６Ｗが得られている。一方図９ではＴ₁＝３６０℃、Ｔ₂＝２００℃付近で最大出力９１Ｗが得られている。エンジン出口温度をパラメータとしたマトリックス計算を行った結果、エンジン出口温度がそれぞれＴ₁＝３２０℃、Ｔ₂＝２４０℃及びＴ₃＝１６０℃の時に最大出力が得られ、１から３段エンジンの出力はそれぞれ４３Ｗ、３３Ｗ及び２０Ｗとなった。このような計算を行うことで、多段式エンジンの出力並びに最適な運転条件を試算することができる。

図１０は、同様の熱源を想定した場合、１から４段構成におけるスターリングエンジンの最高出力をまとめたグラフである。
スターリングエンジンの段数を増やすことで出力の向上を見込めることが確認できる。しかし、スターリングエンジンの段数を増やすごとにエンジン１台ごとの出力は減少していき、エンジン寸法や製作コストに見合った出力の上昇は見込まれなくなる。したがって、スターリングエンジンの段数の決定は出力の向上とエンジン寸法及び製作コストを考慮して行う必要がある。

図１０で示す最高出力の値を目標として図１に示す３段式スターリングエンジンの各寸法及び条件について下記に説明する。
まず、加熱部３１Ａの内管３７の適正本数について図１１を用いて説明する。
図１１は、加熱部のヒータ本数と発電出力との関係を示す特性図である。
３段式スターリングエンジンの適切な熱量レベルを計算条件として、簡略的な伝熱計算を行い、膨張空間作動ガス温度を算出した。そして、その値を用いて等温モデルにより出力を求めた。それによると、ヒータ管本数が１０本以上になると出力の変化はほとんどなくなり、１３本をピークになだらかに減少していく。このような結果並びにエンジン寸法の制限から、伝熱面積を多く確保できるよう管本数を２０本とした。

次に、スターリングエンジンの回転数について図１２を用いて説明する。
図１２は、１から３段目におけるそれぞれのスターリングエンジンの回転数と発電出力との関係を示す特性図である。
図１２に示すように、回転数が増加するに従い、各スターリングエンジンの出力も上昇している。しかし、この計算は機械効率及び発電機効率を一定として行った結果である。実際の機械効率は、回転数の増加に伴い低下する。したがって、実際の発電出力はある回転数で最大値を持つ。発電出力が前章により求められた各エンジンの最高出力値である４３Ｗ、３３Ｗ及び２０Ｗとなる１０００ｒｐｍ付近を目標回転数とした。

以上の結果、図１に示す３段式スターリングエンジンでは、１段目におけるスターリングエンジンの発電出力を４３Ｗ、２段目におけるスターリングエンジンの発電出力を３３Ｗ、３段目におけるスターリングエンジンの発電出力を２０Ｗ、各段における加算発電出力を９６Ｗとなるように設計した。なお、３段のスターリングエンジンの回転数は同じであり、１０００ｒｐｍとした。なお、前述の通り、質量流量ｍ＝０．００３５ｋｇ／ｓ、温度Ｔ₀＝４００℃の廃熱を想定し、１段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₁＝３２０℃、２段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₂を２４０℃、３段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₃＝１６０℃とした。
上記の条件によれば、１段目におけるスターリングエンジンの膨張空間ガス温度は２７０℃、圧縮空間ガス温度は６０℃、２段目におけるスターリングエンジンの膨張空間ガス温度は１９０℃、圧縮空間ガス温度は５０℃、３段目におけるスターリングエンジンの膨張空間ガス温度は１１０℃、圧縮空間ガス温度は４０℃となる。
従って、ディスプレーサピストンとパワーピストンのそれぞれのピストン直径を８４ｍｍとした場合、１段目におけるスターリングエンジンのディスプレーサピストンのストロークは５２ｍｍ、パワーピストンのストロークは４８ｍｍ、２段目におけるスターリングエンジンのディスプレーサピストンのストロークは５４ｍｍ、パワーピストンのストロークは４４ｍｍ、３段目におけるスターリングエンジンのディスプレーサピストンのストロークは４６ｍｍ、パワーピストンのストロークは４６ｍｍとなる。

以上のように、本実施例によれば、それぞれのスターリングエンジンの容積比を異ならせることで、特に上流側におけるスターリングエンジンの入熱量を制限することで、下流側におけるスターリングエンジンの入熱量を高めることができ、それぞれのスターリングエンジンの出力を適切に調整することができ、結果としてトータルの発電出力を高めることができる。
また、本実施例のように、ディスプレーサピストンのストローク又はパワーピストンのストロークを異ならせて行程容積を異ならせることで、それぞれのスターリングエンジンの設計を容易に行うことができる。
また、本実施例のように、スターリングエンジンにおける容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比とすることで、一つのスターリングエンジンにおける発電出力を低下させることで、このスターリングエンジンでの入熱量を少なくし、その低下分だけ他のスターリングエンジンの入熱量を高めることができ、熱源ガスの低下に伴う、特に下流側に配置したスターリングエンジンでの発電出力を高めることができる。
特に、本実施例のように、熱源ガスに対して最上流に位置するスターリングエンジンにおける容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比とすることで、下流側に配置するスターリングエンジンでの十分な入熱量を確保することができる。
また、本実施例のように、３段のスターリングエンジンで得られる加算発電出力が、２段のスターリングエンジンで得られる加算発電出力よりも高くなるように、それぞれのスターリングエンジンにおける容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比とすることで、個々のスターリングエンジンでの入熱量を適切に調整することができる。
また、本実施例のように、隣り合うスターリングエンジンにおけるクランクシャフト同士を、カップリングによって連結することで、それぞれのスターリングエンジンの行程容積の変更を容易に行うことができる。
また、本実施例のように、それぞれのスターリングエンジンを直列に併設し、クランクシャフトからそれぞれの冷却部及びそれぞれの加熱部までの距離を同一とすることで、それぞれの冷却部の連接や加熱部の連接を容易に行うことができる。

本発明の廃熱回収装置は、廃熱やバイオマスなどの熱源ガスを活用した発電装置や動力装置として利用することができる。

本発明の一実施例による廃熱回収装置の構成を示す断面図同装置の熱交換器の構成を示す要部断面図図２における加熱部を示す要部断面図図２における再生熱交換器を示す要部断面図図２における冷却部を示す要部断面図同装置のピストン駆動機構の構成を示す要部断面図熱源に対して複数のスターリングエンジンを直列に並べた場合のモデル図２段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₂を２４０℃とした場合の１段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₁と発電出力との関係を示す特性図２段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₂を３００℃とした場合の１段目におけるスターリングエンジン出口温度Ｔ₁と発電出力との関係を示す特性図１から４段構成におけるスターリングエンジンの最高出力をまとめたグラフ加熱部のヒータ本数と発電出力との関係を示す特性図１から３段目におけるそれぞれのスターリングエンジンの回転数と発電出力との関係を示す特性図

符号の説明

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃスターリングエンジン
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃディスプレーサピストン
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃパワーピストン
１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃクランクシャフト
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃカップリング
３０熱交換器
３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ加熱部
３２冷却部
３３再生熱交換器
３４膨張空間
３５圧縮空間

Claims

ディスプレーサピストンとパワーピストンとをクランクシャフトに連結したスターリングエンジンを複数個備え、それぞれの前記スターリングエンジンを多段に組み合わせ、廃熱などの熱源ガスを一方の前記スターリングエンジンから他方の前記スターリングエンジンに向けて順に通過させて加熱源として利用する廃熱回収装置であって、
いずれか一つの前記スターリングエンジンにおける前記ディスプレーサピストンの行程容積と前記パワーピストンの行程容積との容積比を、他の前記スターリングエンジンにおける前記ディスプレーサピストンの行程容積と前記パワーピストンの行程容積との容積比と異ならせたことを特徴とする廃熱回収装置。
前記ディスプレーサピストンのストローク又は前記パワーピストンのストロークを異ならせることで前記行程容積を異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
前記スターリングエンジンにおける前記容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
前記熱源ガスに対して最上流に位置する前記スターリングエンジンにおける前記容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
Ｎ段の前記スターリングエンジンで得られる加算発電出力が、（Ｎ−１）段の前記スターリングエンジンで得られる加算発電出力よりも高くなるように、それぞれの前記スターリングエンジンにおける前記容積比を、所定のエンジン入口温度に対して当該スターリングエンジンで得られる最高発電出力よりも低い発電出力となる容積比としたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
隣り合う前記スターリングエンジンにおける前記クランクシャフト同士を、カップリングによって連結したことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
それぞれの前記スターリングエンジンを直列に併設し、前記クランクシャフトからそれぞれの冷却部及びそれぞれの加熱部までの距離を同一としたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。