JP2008223622A - 熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】作動ガスと熱交換を行う熱媒流体の加熱源として廃熱などを利用する場合において、熱媒流体の過剰な温度上昇を防止する。
【解決手段】スターリングエンジンである熱機関本体１は、加熱器１５，再生器１７，冷却器１９および高温側，低温側各ピストン２１，２３を備える。加熱器１５は、再生器１７と高温側ピストン２１との間の高温作動空間３１に、熱媒流体配管４３の一部の加熱器部分４３ａを挿入する。熱媒流体配管４３の熱機関本体１から引き出した延長部分となる熱源部分４３ｂは、内部を流れる熱媒流体がボイラの廃熱により加熱される熱源装置５を構成する。熱源装置５で加熱された熱媒流体は、加熱器１５の加熱器部分４３ａにて作動流体と熱交換する。また、熱媒流体配管４３の熱機関本体１から引き出した他の延長部分となる熱媒冷却部分１０５は、熱媒冷却装置６に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動ガスの流れに沿って並べて配置した加熱器，再生器および冷却器に対し、ピストンの移動によって作動ガスを流通させて、加熱器側の高温作動空間および冷却器側の低温作動空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関に関する。

従来、例えば下記特許文献１には、加熱器，再生器および冷却器の配列方向両側に、互いに対向する方向に所定の位相差をもって往復移動する一対のピストンを設けてスターリングサイクルを構成した熱機関が記載されている。
特開２００６−１１８４３０号公報

ところで、従来のスターリングサイクルを構成した熱機関では、加熱器における作動空間内の作動ガスと熱交換を行う熱媒流体を作動空間内に導入する際には、通常では別途専用のヒータなどの熱源を設けているが、エネルギの有効利用を図るべく熱源としてボイラからの廃熱などを利用する場合も考えられる。

しからながら、このような廃熱などを加熱源として利用する熱機関では、特に運転を継続して行う必要のあるボイラなどにおいては、熱媒流体が廃熱によって常時加熱されてしまい、例えば熱機関の故障時や不使用時には、熱媒流体が過剰に温度上昇して劣化を招く虞がある。

そこで、本発明は、作動ガスと熱交換を行う熱媒流体の加熱源として廃熱などを利用する場合において、熱媒流体の過剰な温度上昇を防止することを目的としている。

本発明は、加熱器，再生器および冷却器を作動ガスの流れに沿って並べて配置し、これら加熱器，再生器および冷却器に対し、ピストンの移動によって作動ガスを流通させて熱交換を行い、前記加熱器側の高温作動空間および前記冷却器側の低温作動空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関において、前記加熱器は、前記作動ガスと熱交換する熱媒流体が流通する熱媒流体通路を備え、この熱媒流体通路の前記加熱器の外部への延長部分に、前記熱媒流体を加熱する熱源手段を設けるとともに、前記熱媒流体を冷却する冷却手段を設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、熱機関の作動空間を流れる作動ガスと熱交換を行う熱媒流体を、冷却手段によって冷却することで、特に熱源として廃熱など利用して常時加熱される状態にある熱媒流体の過剰な温度上昇を抑えることができ、熱媒流体の劣化を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す熱機関の全体構成図である。熱機関本体１は、スターリングエンジンを構成しており、この熱機関本体１に、冷却装置３と、熱源手段としての熱源装置５と、熱源装置５を流れる熱媒流体を冷却する冷却手段としての熱媒冷却装置６を接続している。これら冷却装置３，熱源装置５および熱媒冷却装置６については後述する。

熱機関本体１は、ハウジング７の図中で上部にカバー９を、同下部にクランクケース１１をそれぞれ設けている。ハウジング７内の上下方向ほぼ中央には熱交換器ユニット１３を配置し、この熱交換器ユニット１３は、図１中で上部から加熱器１５，再生器１７および冷却器１９を作動ガスの流れに沿って並べて配置している。

上記した加熱器１５に前述の熱源装置５および熱媒冷却装置６を、また冷却器１９に冷却装置３および熱媒冷却装置６をそれぞれ接続している。

加熱器１５の上部側のハウジング７内には、高温側ピストン２１を、冷却器１９の下部側のハウジング１内には低温側ピストン２３を、それぞれ図１中で上下方向に移動可能に収容している。

高温側ピストン２１は、熱交換器ユニット１３および低温側ピストン２３に対して相対移動可能に貫通するピストンロッド２５を介してクランク軸２７のクランクピン２７ａに連結し、一方低温側ピストン２３は、２本のピストンロッド２９を介してクランク軸２７のクランクピン２７ｂに連結している。

このような高温側ピストン２１と低温側ピストン２３とは、往復移動する際の互いの位相差が例えば９０度という所定の位相差となるようクランク軸２７に連結している。

上記したハウジング７および高温側，低温側各ピストン２１，２３に囲まれた領域が、ヘリウムなどの作動ガスが密閉状態で封入される作動ガス空間であり、このうち加熱器１５と高温側ピストン２１との間が、加熱器１５にて加熱された作動ガスが膨脹する高温作動空間３１となり、冷却器１９と低温側ピストン２３との間が、冷却器１９にて放熱された作動ガスが圧縮される低温作動空間３３となる。この高温作動空間３１と低温作動空間３３との間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。

上記した高温側ピストン２１および低温側ピストン２３は、高温作動空間３１および低温作動空間３３それぞれに対し作動ガスの容積変化をもたらすとともに、作動ガスの圧力変化を受けて動力を伝達するパワーピストンを構成している。

また、クランク軸２７には、ハウジング７の外部にてプーリ３５，ベルト３７およびプーリ３９を介して発電機４１を接続し、スターリングエンジンである上記した熱機関本体１の駆動によって、該発電機４１を発電する。すなわち、本熱機関では、作動ガスの圧力変化に基づく各ピストン２１，２３の往復運動をクランク軸２７が回転運動として外部に取り出すことになる。

加熱器１５は、前記した高温作動空間３１の再生器１７側近傍に、熱媒流体通路となる熱媒流体配管４３の一部の加熱器部分４３ａを挿入している。熱媒流体配管４３は、閉ループ状に形成しており、加熱器１５（熱機関本体１）から外部に引き出した延長部分としての熱源部分４３ｂが前記した熱源装置５を構成している。

ここでの熱源装置５は、燃焼装置としてのボイラからの排出ガスＥ、すなわち廃熱を利用した排出ガス熱源手段を構成している。このボイラは、木質ペレットなどのバイオマス燃料を使用するほか、ガス燃料、液体燃料を使用してもよい。なお、熱源装置５としては、ボイラのほかに燃焼装置である内燃機関などの燃焼機関の排出ガスを利用した排出ガス熱源手段とすることもできる。

また、ここでの熱媒流体としては油，溶酸塩などの液体や蒸気とすることが好ましい。

熱媒流体配管４３における加熱器部分４３ａと熱源部分４３ｂとの間の一方の中間部分４３ｃにはポンプ４５およびリザーバタンク４７がそれぞれ設置されている。

また、熱媒流体配管４３における加熱器部分４３ａと熱源部分４３ｂとの間の他方の中間部分４３ｄには、流量調整手段としての流量調整弁１０１を介して配管１０３の一端を接続し、配管１０３の他端は、熱媒流体配管４３の加熱器１５（熱機関本体１）の外部への延長部分である熱媒冷却部分１０５の一端に接続する。この熱媒冷却部分１０５は、前記した熱媒冷却装置６内の冷却媒体である水１０７中に配置している。

上記した熱媒冷却部分１０５の他端は配管１０９の一端に接続し、配管１０９の他端は加熱器１５とリザーバタンク４７との間の熱媒流体配管４３に接続する。

すなわち、加熱器１５と冷却手段である熱媒冷却装置６とは、熱媒流体通路により並列に接続したことになる。

一方、冷却器１９は、前記した低温作動空間３３の再生器１７側近傍に、冷却媒体通路となる冷却水配管４９の一部の冷却器部分４９ａを挿入している。冷却水配管４９の冷却器１９から下流側の外部に引き出した配管４９ｂは、前記した熱媒冷却装置６内に接続開口している。

また、熱媒冷却装置６には、別途配管４９ｃの一端を接続開口させ、配管４９ｃの他端は、前記した冷却装置３の冷却水タンク５１内に配置してある冷却媒体冷却部分４９ｄの一端に接続している。冷却媒体冷却部分４９ｄの他端は配管４９ｅの一端を接続し、配管４９ｅの他端は前記した冷却器部分４９ａに接続する。

冷却水タンク５１内の冷却水は、外部から入口配管１１１を通して供給されるとともに、出口配管１１３から排出されて例えば図示しないボイラなどに利用することができる。

上記した配管４９ｅにはポンプ５２を設置し、ポンプ５２と冷却媒体冷却部分４９ｄとの間の配管４９ｅにはリザーバタンク１１９を接続する。

このように構成した熱機関では、熱機関本体１において高温作動空間３１と低温作動空間３３との間で、互いに作動ガスを移動させて作動ガスの膨脹・圧縮を繰り返すことで、熱と動力との変換が行われる。このとき流量調整弁１０１は、熱媒流体が加熱器１５に流れるように設定しておく。

この際、本実施形態では、熱源装置５の熱源部分４３ｂで加熱された熱媒流体が、ポンプ４５の作動により熱媒流体配管４３を流れ流量調整弁１０１を経て加熱器１５の加熱器部分４３ａに送られることで、作動ガスが熱媒流体と熱交換して受熱する。その後、放熱して温度低下した熱媒流体は、熱媒流体配管４３の一方の中間部分４３ｃを流れてポンプ４５に戻ることになる。

一方、冷却器１９においては、ポンプ５２の作動によって熱媒冷却装置６内の冷却水１０７が冷却水配管４９の冷却器部分４９ａに送られることで、作動ガスが冷却水と熱交換して冷却される。その後、受熱して温度上昇した冷却水は、冷却水配管４９の配管４９ｂを流れて熱媒冷却装置６に戻ることになる。

このような熱機関の運転時において、例えば、熱機関本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、流量調整弁１０１を熱媒流体が配管１０３に向けて流れるように切り替える。これにより熱源部分４３ｂから流出する熱媒流体は、熱媒冷却装置６に流入して冷却水１０７によって冷却されることになる。冷却された熱媒流体は、配管１０９を経て熱媒流体配管４３に戻り、熱源装置５で再度加熱されて熱媒冷却装置６に流れ込む。

熱機関本体１の運転を再開するときには、熱媒流体が加熱器１５に流れるように流量調整弁１０１を切り替える。

このように、本実施形態では、熱機関の運転時において、例えば、熱機関本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、熱源装置５によって常時加熱される熱媒流体が加熱器１５に流れずに、熱媒冷却装置６を流れて冷却されるので、熱媒流体の過剰な温度上昇を抑えることができ、熱媒流体の劣化を防止することができる。

また、熱機関の運転中においても、図示しない制御手段が、スターリングサイクルを構成する熱機関本体１の運転状態に応じて流量調整弁１０１の開度を制御することで、熱媒流体の熱媒冷却装置６へ流れる量と加熱器１５へ流れる量とを調整し、これにより熱媒流体の温度を、熱機関本体１の運転状態に対応して適宜調整することができる。

また、上記した実施形態では、熱源装置５における熱源としてボイラの廃熱を利用しているので、エネルギの有効利用を達成できる。さらに、ボイラの燃料としてバイオマスを使用することで、地球温暖化に影響があるとされる二酸化炭素の削減に寄与することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態を示す熱機関の全体構成図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態における燃焼装置の廃熱を利用した熱源装置５に代えて、内部を流れる熱媒流体を太陽熱Ｈにより加熱する太陽熱熱源手段となる熱源装置５Ａを使用している。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

上記した第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、熱機関本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、流量調整弁１０１の切り替えにより、熱源装置５Ａによって加熱される熱媒流体が加熱器１５に流れずに、熱媒冷却装置６を流れて冷却されるので、熱媒流体の過剰な温度上昇を抑えることができ、熱媒流体の劣化を防止することができる。また、本実施形態では、熱源として太陽熱Ｈを利用しているので、エネルギ削減効果を達成できる。

このほか、燃焼装置の廃熱を利用した熱源装置５に代えて、ガス圧縮機にて圧縮して高温になったガスを利用した圧縮ガス熱源手段となる熱源装置がある。ここでのガス圧縮機としては、例えばエンジンに圧縮した空気を供給する過給機などがあり、この場合の熱源装置は、過給ガス熱源手段であり、インタークーラやアフタークーラに相当するものとなる。

また、上記した各熱源装置５，５Ａなどを適宜複数組み合わせて利用することもできる。

図３は、本発明の第３の実施形態を示す熱機関の全体構成図である。この実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態に対し、熱源装置５から熱を導入する熱機関本体１と同様に、熱を導入して加熱される被加熱手段としての温水加熱器５３を、熱媒流体配管４３に接続用配管５５を介して接続している。この際、熱媒流体配管４３と接続用配管５５との接続部に切替弁５７を、また切替弁５７の下流の接続用配管５５にポンプ５９をそれぞれ設け、必要に応じてこれらを適宜作動させる。

温水加熱器５３に代えて、蒸気発生器，蒸気過熱器，船舶に使用する重油を加熱する燃料加熱器，海水を沸騰させる海水淡水化装置，蒸留装置なども接続可能であり、これらの適宜複数組み合わせてもよい。

この場合、熱利用側が熱機関本体１や温水加熱器５３など複数になるので、熱源装置側も複数設置することが好ましい。

図４は、この発明の第４の実施形態を示す前記図１に対応する熱機関の全体構成図である。この実施形態は、前記図１における流量調整弁１０１を、加熱器１５と配管１０９との間の熱媒流体配管４３に設置し、配管１０３についても配管１０９と同様に、熱媒流体配管４３における一方の中間部分４３ｃに接続している。

この場合、流量調整弁１０１と配管１０９との間の熱媒流体配管４３は、熱媒冷却装置６をバイパスするバイパス通路４３ｅとなる。

この実施形態では、熱機関本体１の通常運転中には、流量調整弁１０１を、加熱器１５から出た熱媒流体がバイパス通路４３ｅに向けて流れるように設定しておく。

ここで、図１の実施形態と同様に、熱機関本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、流量調整弁１０１を熱媒流体が配管１０３に向けて流れるように切り替える。これにより加熱器１５から流出する熱媒流体は、熱媒冷却装置６に流入して冷却水１０７によって冷却されることになる。冷却された熱媒流体は、配管１０９を経て熱媒流体配管４３に戻り、熱源装置５で再度加熱されて熱媒冷却装置６に流れ込む。

熱機関本体１の運転を再開するときには、加熱器１５から出た熱媒流体がバイパス通路４３ｅに向けて流れるように流量調整弁１０１を切り替える。

このように、本実施形態においても、熱機関の運転時において、例えば、熱機関本体１が故障や不使用時によって運転を停止する場合には、熱源装置５によって加熱される熱媒流体が冷却されるので、熱媒流体の過剰な温度上昇を抑えることができ、熱媒流体の劣化を防止することができる。

また、熱機関の運転中においても、図示しない制御手段が、スターリングサイクルを構成する熱機関本体１の運転状態に応じて流量調整弁１０１を制御することで、熱媒流体の熱媒冷却装置６へ流れる量とバイパス通路４３ｅへ流れる量とを調整し、これにより熱媒流体の温度を、熱機関本体１の運転状態に対応して適宜調整することができる。

なお、上記した各実施形態では、熱媒流体を冷却する冷却手段である熱媒冷却装置６において、熱機関本体１の冷却器１９で使用する水１０７を冷却源として利用しているが、これとは別の冷却源を利用してもよい。

本発明の第１の実施形態を示す熱機関の全体構成図である。 本発明の第２の実施形態を示す熱機関の全体構成図である。 本発明の第３の実施形態を示す熱機関の全体構成図である。 本発明の第４の実施形態を示す熱機関の全体構成図である。

符号の説明

５ 熱源装置（排出ガス熱源手段，熱源手段）
５Ａ 熱源装置（太陽熱熱源手段，熱源手段）
６ 熱媒冷却装置（熱媒流体を冷却する冷却手段）
１５ 加熱器
１７ 再生器
１９ 冷却器
２１ 高温側ピストン（ピストン）
２３ 低温側ピストン（ピストン）
３１ 高温作動空間
３３ 低温作動空間
４３ 熱媒流体配管（熱媒流体通路）
４３ｂ 熱源部分（熱媒流体通路の加熱器の外部への延長部分）
４３ｅ バイパス通路
５３ 温水加熱器（被加熱手段）
１０１ 流量調整弁（流量調整手段）
１０５ 熱媒冷却部分（熱媒流体通路の加熱器の外部への延長部分）

Claims (13)

1. 加熱器，再生器および冷却器を作動ガスの流れに沿って並べて配置し、これら加熱器，再生器および冷却器に対し、ピストンの移動によって作動ガスを流通させて熱交換を行い、前記加熱器側の高温作動空間および前記冷却器側の低温作動空間の容積変化によりスターリングサイクルを構成する熱機関において、前記加熱器は、前記作動ガスと熱交換する熱媒流体が流通する熱媒流体通路を備え、この熱媒流体通路の前記加熱器の外部への延長部分に、前記熱媒流体を加熱する熱源手段を設けるとともに、前記熱媒流体を冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする熱機関。
2. 前記加熱器と前記冷却手段とを、前記熱媒流体通路により並列に接続したことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
3. 前記熱媒流体通路に前記冷却手段をバイパスするバイパス通路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱機関。
4. 前記冷却手段に流れる熱媒流体の流量を調整する流量調整手段を設けたことを特徴とする請求項２または３に記載の熱機関。
5. 前記流量調整手段を前記スターリングサイクルの運転状態に応じて制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項４に記載の熱機関。
6. 前記冷却手段は、前記冷却器で使用する冷却媒体を冷却源とすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の熱機関。
7. 前記熱源手段は、燃焼装置の排出ガスを利用した排出ガス熱源手段であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱機関。
8. 前記燃焼装置は、バイオマスを燃料とするボイラであることを特徴とする請求項７に記載の熱機関。
9. 前記熱源手段は、太陽熱を利用した太陽熱熱源手段であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱機関。
10. 前記熱源手段は、ガス圧縮機にて圧縮して高温になったガスを利用した圧縮ガス熱源手段であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱機関。
11. 前記ガス圧縮機は空気を圧縮してエンジンに供給する過給機であり、前記熱源手段は、前記過給機から流出する圧縮された高温ガスを利用した過給ガス熱源手段であることを特徴とする請求項１０に記載の熱機関。
12. 前記加熱器の外部に位置する前記熱媒流体通路に、該熱媒流体通路を流れる熱媒流体によって加熱される被加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の熱機関。
13. 前記熱媒流体は液体であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の熱機関。

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