JP2013170454A - Device and method for heating of stirling engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device and method for efficiently heating a stirling engine.SOLUTION: A heating device (1) installed on the outside of a heat receiving surface (4A21) of a heating part (4A2) in order to heat the heating part (4A2) of a stirling engine (4A) includes: a combustion furnace (1A) provided with a combustion space (1A2), in which the heat receiving surface (4A21) of the heating part is exposed, and a furnace wall (1A1) surrounding the combustion space (1A2); a ceramic catalyst (1B) installed in the combustion space (1A2); and an oxyhydrogen mixed gas combustion mechanism in which an oxyhydrogen mixed gas (G) made by mixing oxygen and hydrogen is combusted by using the ceramic catalyst (1B) in the combustion space (1A2). The oxyhydrogen mixed gas combustion mechanism includes an injection nozzle (1D) for combusting the oxyhydrogen mixed gas (G) while injecting the oxyhydrogen mixed gas (G) toward the ceramic catalyst (1B), wherein the ceramic catalyst is arranged adjacently to the heat receiving surface on a center part of the combustion space.

Description

本発明は、スターリングエンジンの加熱部を加熱するための装置及び方法に関する。   The present invention relates to an apparatus and method for heating a heating section of a Stirling engine.

スターリングエンジンは、理論的に最高の熱効率を有するカルノーサイクルを実現するエンジンとされており、熱エネルギーを運動エネルギーに変換する効率が最も高い外燃機関といわれている。一般的なスターリングエンジンは、内部に設けた温度差のある加熱部と冷却部の間で作動流体を往復させることにより圧力変化を発生し、それにより機械的要素(ピストン等)を駆動する。機械的要素の運動が、動力として外部に出力される。特許文献1では、2気筒を駆動するスターリングエンジンが開示されている。   The Stirling engine is considered to be an engine that realizes a Carnot cycle having the highest thermal efficiency in theory, and is said to be the external combustion engine having the highest efficiency in converting thermal energy into kinetic energy. A general Stirling engine generates a pressure change by reciprocating a working fluid between a heating part and a cooling part having a temperature difference provided therein, and thereby drives a mechanical element (such as a piston). The movement of the mechanical element is output to the outside as power. Patent Document 1 discloses a Stirling engine that drives two cylinders.

さらに、スターリングエンジンから出力された動力によりタービンを駆動して発電を行い、電力を得ることも行われている(特許文献2、3、4)。500〜1kW程度の出力が一般的であるが、それよりも大きな10kW程度の出力をもつスターリングエンジンの実用化も進められている。   Furthermore, the turbine is driven by the power output from the Stirling engine to generate electric power and obtain electric power (Patent Documents 2, 3, and 4). An output of about 500 to 1 kW is generally used, but a Stirling engine having an output of about 10 kW larger than that is being put into practical use.

スターリングエンジンの加熱部は、外部の熱源から熱を供給することにより加熱される。外部の熱源として多様な熱源を利用でき、化石燃料を利用するものもあるが、環境負荷軽減のために産業排熱や自然エネルギーを利用するものも多い。特許文献2、3では、鉄鋼製造プロセスからの排熱を利用している。特許文献4では、廃棄物やバイオマス燃料の燃焼後のガスを利用している。その他に、特許文献5に開示されるように、太陽熱を利用したものもある。   The heating unit of the Stirling engine is heated by supplying heat from an external heat source. Various heat sources can be used as external heat sources, and some use fossil fuels, but many use industrial waste heat or natural energy to reduce environmental impact. In Patent Documents 2 and 3, exhaust heat from the steel manufacturing process is used. In patent document 4, the gas after combustion of a waste material or biomass fuel is utilized. In addition, as disclosed in Patent Document 5, there is one that uses solar heat.

ここで、全く別の技術分野であるが、水の電気分解により得られる酸素と水素を混合したガス(本明細書中では「酸水素混合ガス」と称する)が、燃焼用のガスとして知られている。酸水素混合ガスは、必要に応じて酸素と水素の比率を適宜設定して利用されている。例えば、特許文献6に記載されるように、酸素と水素が1:2の場合、常圧において約550℃程度の発火点をもつ。常温常圧では、このような酸水素混合ガスにスパークにより着火して燃焼させることができる。また、酸水素混合ガスをセラミック触媒に接触させることで、発火点温度を下げるとともに燃焼を促進させることができる。特許文献6では、棒状鋼材の鍛造装置における加熱手段として酸水素混合ガスを燃焼ガスとして燃焼させている。また、酸水素混合ガスは、特許文献8では、金属部材のガス圧接に利用され、特許文献9では、圧延鋼材のガス切断に利用されている。   Here, in a completely different technical field, a gas in which oxygen and hydrogen obtained by electrolysis of water are mixed (referred to herein as an “oxyhydrogen mixed gas”) is known as a combustion gas. ing. The oxyhydrogen mixed gas is used by appropriately setting the ratio of oxygen and hydrogen as necessary. For example, as described in Patent Document 6, when oxygen and hydrogen are 1: 2, they have an ignition point of about 550 ° C. at normal pressure. At room temperature and normal pressure, such an oxyhydrogen mixed gas can be ignited by a spark and burned. Further, by bringing the oxyhydrogen mixed gas into contact with the ceramic catalyst, the ignition point temperature can be lowered and combustion can be promoted. In Patent Document 6, an oxyhydrogen mixed gas is burned as a combustion gas as a heating means in a forging device for a rod-shaped steel material. Further, the oxyhydrogen mixed gas is used for gas pressure welding of a metal member in Patent Document 8, and is used for gas cutting of a rolled steel material in Patent Document 9.

特開2011−202640号公報JP 2011-202640 A 特開2011−208507号公報JP 2011-208507 A 特開2010−151071号公報JP 2010-151071 A 特開2009−174392号公報JP 2009-174392 A 特開2004−332672号公報JP 2004-332672 A 特許第3031899号公報Japanese Patent No. 3031899 特許第3959067号公報Japanese Patent No. 3959067 特許第4015380号公報Japanese Patent No. 4015380 特許第4754279号公報Japanese Patent No. 4754279

スターリングエンジンの出力は、同じ構造と大きさの装置であれば、加熱部と冷却部の温度差が大きいほど大きくなる。熱源の温度は、特許文献2の鉄鋼製造プロセスの排熱利用では、約200〜300℃程度、特許文献4のバイオマスを燃焼したガスは約900〜1000℃程度、特許文献5の太陽熱(フレネルレンズで集光)では約600〜2000℃程度が得られるとされている。冷却部は通常室温程度に維持されるので、これらの熱源の温度をそのまま加熱部の温度として利用できれば、有効な温度差が得られることになる。   If the device has the same structure and size, the output of the Stirling engine increases as the temperature difference between the heating unit and the cooling unit increases. The temperature of the heat source is about 200 to 300 ° C. in the exhaust heat utilization of the steel manufacturing process of Patent Document 2, the gas combusting biomass of Patent Document 4 is about 900 to 1000 ° C., and the solar heat (Fresnel lens of Patent Document 5). It is said that approximately 600 to 2000 ° C. can be obtained in the case of condensing light. Since the cooling unit is normally maintained at about room temperature, if the temperature of these heat sources can be used as it is as the temperature of the heating unit, an effective temperature difference can be obtained.

しかしながら、実際には、熱源からの熱を加熱部の温度として変換する際の熱損失が大きい。よって、熱効率の良好な加熱部の構造が求められている。さらに、熱効率を向上させるには、加熱部の構造に加えて、どのような熱源を利用するかも重要である。再生可能エネルギーは供給が不安定である。また、化石燃料は、省資源の観点から好ましくない。   However, in reality, the heat loss when converting the heat from the heat source as the temperature of the heating unit is large. Therefore, there is a demand for a structure of a heating part with good thermal efficiency. Furthermore, in order to improve thermal efficiency, what kind of heat source is used in addition to the structure of the heating unit is also important. The supply of renewable energy is unstable. Further, fossil fuel is not preferable from the viewpoint of resource saving.

一方、酸水素混合ガスについては、電気分解によるガス生産コストが割高のために需要が少なく、その用途も限定されているのが現状である。   On the other hand, there is little demand for oxyhydrogen mixed gas due to the high cost of gas production by electrolysis, and its use is limited at present.

以上の現状に鑑み、本発明は、スターリングエンジンの加熱部を効率的かつ安定に加熱する熱源として酸水素混合ガスを採用した加熱装置及び加熱方法を提供することを目的とする。また、そのような加熱装置とスターリングエンジンを組み合わせたスターリングエンジン発動システム、さらに、そのようなスターリングエンジン発動システムと発電機を組み合わせたスターリングエンジン発電システムを提供することを目的とする。   In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a heating apparatus and a heating method that employ an oxyhydrogen mixed gas as a heat source for efficiently and stably heating a heating unit of a Stirling engine. Moreover, it aims at providing the Stirling engine starting system which combined such a heating device and a Stirling engine, and also the Stirling engine generating system which combined such a Stirling engine starting system and a generator.

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。なお、括弧内の数字は、後述する図面中の符号であり、参考のために付する。   In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations. The numbers in parentheses are reference numerals in the drawings described later, and are attached for reference.

本発明の第1の態様であるスターリングエンジン用加熱装置(1)は、スターリングエンジン(4A)の加熱部(4A2)を加熱するために前記加熱部(4A2)の受熱面(4A21)の外側に設置され、前記加熱部の受熱面(4A21)が露出する燃焼空間(1A2)と前記燃焼空間(1A2)を囲包する炉壁(1A1)とを具備する燃焼炉(1A)と、前記燃焼空間(1A2)内に設置されたセラミック触媒(1B)と、酸素と水素を混合した酸水素混合ガス(G)を前記燃焼空間(1A2)内にて前記セラミック触媒(1B)を用いて燃焼させる酸水素混合ガス燃焼機構と、を備えたものである。
上記のスターリングエンジン用加熱装置(1)においては、前記酸水素混合ガス燃焼機構が、前記酸水素混合ガス(G)を前記セラミック触媒(1B)に向けて噴射しつつ燃焼させるための噴射ノズル(1D)を具備することが、好適である。
上記のスターリングエンジン用加熱装置(1)においては、前記セラミック触媒(1B)が前記燃焼空間(1A2)の中心部にて前記受熱面(4A21)に隣接した位置に設置されていることが、好適である。
上記のスターリングエンジン用加熱装置(1)においては、前記燃焼炉(1A)が排気口(1P1)を具備することが、好適である。
上記のスターリングエンジン用加熱装置(1)においては、前記酸水素混合ガス(G)が、水を電気分解する酸水素ガス発生器(2A)から供給されることが、好適である。
The heating device for Stirling engine (1) according to the first aspect of the present invention is disposed outside the heat receiving surface (4A21) of the heating unit (4A2) in order to heat the heating unit (4A2) of the Stirling engine (4A). A combustion furnace (1A) comprising a combustion space (1A2) that is installed and exposes the heat receiving surface (4A21) of the heating unit, and a furnace wall (1A1) surrounding the combustion space (1A2); (1A2) Ceramic catalyst (1B) installed in (1A2) and an oxyhydrogen mixed gas (G) mixed with oxygen and hydrogen in the combustion space (1A2) using the ceramic catalyst (1B) A hydrogen mixed gas combustion mechanism.
In the above Stirling engine heating device (1), the oxyhydrogen mixed gas combustion mechanism injects the oxyhydrogen mixed gas (G) while injecting it toward the ceramic catalyst (1B) ( It is preferred to have 1D).
In the heating device for Stirling engine (1), it is preferable that the ceramic catalyst (1B) is installed at a position adjacent to the heat receiving surface (4A21) at the center of the combustion space (1A2). It is.
In the Stirling engine heating device (1), it is preferable that the combustion furnace (1A) includes an exhaust port (1P1).
In the above Stirling engine heating device (1), it is preferable that the oxyhydrogen mixed gas (G) is supplied from an oxyhydrogen gas generator (2A) for electrolyzing water.

本発明の第2の態様であるスターリングエンジン発動システム(10)は、上記のスターリングエンジン用加熱装置(1)と、スターリングエンジン(4A)と、を少なくとも備え、前記スターリングエンジン(4A)は、前記スターリングエンジン用加熱装置(1)により加熱される加熱部(4A2)と、冷却部(4A1)と、前記加熱部(4A2)と前記冷却部(4A1)の温度差により機械的要素を駆動して動力を出力する駆動部(4A3)と、を備えたものである。   A Stirling engine starting system (10) according to a second aspect of the present invention comprises at least the Stirling engine heating device (1) and the Stirling engine (4A), and the Stirling engine (4A) Mechanical elements are driven by the temperature difference between the heating unit (4A2), the cooling unit (4A1), the heating unit (4A2) and the cooling unit (4A1) heated by the Stirling engine heating device (1). And a drive unit (4A3) that outputs power.

本発明の第3の態様であるスターリングエンジン発電システム(20)は、スターリングエンジンが出力する動力を用いて発電を行うものであって、上記のスターリングエンジン発動システム(10)と、前記駆動部(4A3)が出力した動力を用いて発電を行って電力を出力する発電部(4B)と、を備えている。   A Stirling engine power generation system (20) according to a third aspect of the present invention generates power using the power output from the Stirling engine. The Stirling engine power generation system (10) and the drive unit ( A power generation unit (4B) that generates electric power using the power output by 4A3) and outputs electric power.

本発明の第4の態様であるスターリングエンジンの加熱方法は、スターリングエンジン(4A)の加熱部(4A2)を加熱するための加熱方法であって、前記加熱部(4A)の受熱面(4A21)が露出するほぼ密閉された燃焼空間(1A2)内にて、酸素と水素を混合した酸水素混合ガス(G)をセラミック触媒(1B)を用いて燃焼させることによりスターリングエンジン(4A)の加熱部(4A2)を加熱する方法である。
上記の加熱方法においては、前記酸水素混合ガス(G)を前記セラミック触媒(1B)に向けて噴射しつつ燃焼させることが、好適である。
上記の加熱方法においては、前記酸水素混合ガス(G)が、水の電気分解により生成されつつ同時に供給されることが、好適である。
The heating method for the Stirling engine according to the fourth aspect of the present invention is a heating method for heating the heating section (4A2) of the Stirling engine (4A), and the heating surface (4A21) of the heating section (4A) The heating part of the Stirling engine (4A) by burning the oxyhydrogen mixed gas (G) mixed with oxygen and hydrogen using the ceramic catalyst (1B) in the almost enclosed combustion space (1A2) where the gas is exposed This is a method of heating (4A2).
In the above heating method, it is preferable that the oxyhydrogen mixed gas (G) is burned while being injected toward the ceramic catalyst (1B).
In the above heating method, it is preferable that the oxyhydrogen mixed gas (G) is simultaneously supplied while being generated by electrolysis of water.

本発明によるスターリングエンジン用加熱装置は、スターリングエンジンの加熱部の受熱面の外側に設置された燃焼炉を備えており、セラミック触媒が設置された燃焼空間内で酸水素混合ガスを燃焼させることにより、加熱部の受熱面を加熱する。酸水素混合ガスは、それ自体のみで燃焼するので、別途燃焼用の酸素(又は酸素を含む空気)を供給する必要がない。従って、酸水素混合ガスのみを燃焼炉内に供給すればよいので、燃焼炉をほぼ密閉状態とすることが可能である。これにより、燃焼炉から外部への放熱が非常に少なくなる。そして、スターリングエンジンの加熱部の受熱面は、このようなほぼ密閉された燃焼空間内に露出するように配置される。従って、入力された熱や燃焼炉内で発生した熱は、ほとんどがスターリングエンジンの加熱部に供給されることとなる。この結果、加熱部が効率的に加熱される。   A heating device for a Stirling engine according to the present invention includes a combustion furnace installed outside a heat receiving surface of a heating unit of a Stirling engine, and burns an oxyhydrogen mixed gas in a combustion space in which a ceramic catalyst is installed. The heat receiving surface of the heating unit is heated. Since the oxyhydrogen mixed gas burns by itself, it is not necessary to separately supply oxygen for combustion (or air containing oxygen). Therefore, since only the oxyhydrogen mixed gas needs to be supplied into the combustion furnace, the combustion furnace can be almost sealed. As a result, heat radiation from the combustion furnace to the outside is greatly reduced. And the heat receiving surface of the heating part of a Stirling engine is arrange | positioned so that it may be exposed in such a substantially sealed combustion space. Therefore, most of the input heat and heat generated in the combustion furnace are supplied to the heating unit of the Stirling engine. As a result, the heating unit is efficiently heated.

酸水素混合ガスは、スパークにより常温で容易に着火可能である。着火後は、発熱反応である燃焼反応が持続する。酸水素混合ガスの燃焼時の発熱量は10.69MJ/mである。酸水素混合ガスの発熱量は、LPGの100.4MJ/mと比較して1/10程度であるが、火炎の温度は酸水素混合ガスの方が遙かに高温となる。酸水素混合ガスの火炎の温度は、酸素と水素の比率を1:2とした場合、最高2700℃〜2800℃とすることが可能である。このような高温を、加熱部の受熱面の極めて近傍で実現できるので、加熱部の受熱面を効果的に加熱することが可能となる。 The oxyhydrogen gas can be easily ignited at room temperature by a spark. After ignition, the combustion reaction that is an exothermic reaction continues. The calorific value at the time of combustion of the oxyhydrogen mixed gas is 10.69 MJ / m 3 . The calorific value of the oxyhydrogen mixed gas is about 1/10 compared with 100.4 MJ / m 3 of LPG, but the temperature of the flame is much higher in the oxyhydrogen mixed gas. The flame temperature of the oxyhydrogen mixed gas can be 2700 ° C. to 2800 ° C. at maximum when the ratio of oxygen to hydrogen is 1: 2. Since such a high temperature can be realized very close to the heat receiving surface of the heating unit, the heat receiving surface of the heating unit can be effectively heated.

また、酸水素混合ガスの燃焼時における火炎の照射対象物の表面温度は、照射対象物によって異なる温度特性をもつ。特に、セラミック触媒を火炎の照射対象物とした場合、燃焼反応が促進され、極めて高い温度が得られる。試験では、酸水素混合ガスの火炎により、セラミック触媒の温度を3秒以内に2000℃以上に上昇させることが確認された。極めて高い温度に到達したセラミック触媒からの熱伝導、熱対流及び熱輻射により、スターリングエンジンの加熱部の受熱面は、効率的に加熱される。セラミック触媒が燃焼空間の中心部にて受熱面に隣接した位置に設置されることにより、受熱面はさらに効率的に加熱される。   Further, the surface temperature of the flame irradiation object during combustion of the oxyhydrogen mixed gas has different temperature characteristics depending on the irradiation object. In particular, when a ceramic catalyst is used as an object to be irradiated with flame, the combustion reaction is promoted and an extremely high temperature is obtained. In the test, it was confirmed that the temperature of the ceramic catalyst was raised to 2000 ° C. or more within 3 seconds by the flame of the oxyhydrogen mixed gas. The heat receiving surface of the heating part of the Stirling engine is efficiently heated by heat conduction, heat convection and heat radiation from the ceramic catalyst which has reached an extremely high temperature. By installing the ceramic catalyst at a position adjacent to the heat receiving surface at the center of the combustion space, the heat receiving surface is heated more efficiently.

酸水素混合ガスの燃焼反応により瞬時に高温が実現されるのは、化石燃料の燃焼速度が平均数十m/s程度であるのに対し、酸水素混合ガス(酸素:水素=1:2)の燃焼速度は約250m/sであることにもよる。また、酸水素混合ガスが完全燃焼した場合は水(瞬時に水蒸気となる)のみが生成するので、熱が拡散する容積が小さいためでもある。因みに、LPGでは、空気中の酸素と燃焼反応して水と炭酸ガスを生じかつ反応に寄与しない窒素も存在するので、熱が拡散して火炎の温度が低下してしまう。   The fact that the high temperature is instantaneously realized by the combustion reaction of the oxyhydrogen mixed gas is that the burning speed of fossil fuel is about several tens m / s on the average, whereas the oxyhydrogen mixed gas (oxygen: hydrogen = 1: 2) It also depends on the burning rate of about 250 m / s. In addition, when the oxyhydrogen mixed gas is completely burned, only water (instantaneously becomes water vapor) is generated, which is because the volume of heat diffusion is small. Incidentally, in LPG, there is also nitrogen that does not contribute to the reaction by producing water and carbon dioxide gas through a combustion reaction with oxygen in the air, so that heat diffuses and the flame temperature decreases.

さらに、酸水素混合ガスの燃焼により生じた水(水蒸気)は、2000℃以上の高温となった領域では、熱により水素と酸素に分解される。分解した水と酸素の一部は、再び燃焼反応に寄与して熱を発生する。このことによって、酸水素混合ガスの燃焼反応はさらに効率的となる。   Furthermore, water (steam) generated by the combustion of the oxyhydrogen mixed gas is decomposed into hydrogen and oxygen by heat in a region where the temperature is higher than 2000 ° C. Some of the decomposed water and oxygen again contribute to the combustion reaction and generate heat. This makes the combustion reaction of the oxyhydrogen mixed gas more efficient.

またさらに、酸水素混合ガスは、火災の危険性がなく安全である。空気より軽いので漏出しても容易に空気中に拡散するという利点もある。また、水素と酸素で構成され公害物質が発生しない清浄ガスといえる。水の電気分解をしつつ得ることもできるので、貯蔵施設が不要である。1年を通して連続稼動させることも可能である。   Furthermore, the oxyhydrogen gas is safe without the risk of fire. Since it is lighter than air, it has the advantage of easily diffusing into the air even if it leaks. It can also be said to be a clean gas composed of hydrogen and oxygen and free from pollutants. Since it can be obtained while electrolyzing water, a storage facility is unnecessary. It is also possible to operate continuously throughout the year.

なお、実際に加熱部が到達する温度は、加熱部の構造及び大きさにも依存するが、同じ構造及び大きさの加熱部であれば、従来の熱源で加熱した場合に比べてより高温とすることが可能となる。この結果、スターリングエンジンの出力が向上する。また、酸水素混合ガスを安定に供給し続ける限り、スターリングエンジンの加熱部の温度を安定に維持できる。この結果、スターリングエンジンの出力を安定に維持できる。   The actual temperature reached by the heating unit depends on the structure and size of the heating unit. However, if the heating unit has the same structure and size, the temperature is higher than when heated by a conventional heat source. It becomes possible to do. As a result, the output of the Stirling engine is improved. Further, as long as the oxyhydrogen mixed gas is stably supplied, the temperature of the heating portion of the Stirling engine can be stably maintained. As a result, the output of the Stirling engine can be stably maintained.

これにより、本発明のスターリングエンジン用加熱装置とスターリングエンジンとを組み合わせたスターリングエンジン発動システムにおいては、安定した動力を出力することができる。   Thereby, in the Stirling engine starting system combining the Stirling engine heating device of the present invention and the Stirling engine, stable power can be output.

また、このようなスターリングエンジン発動システムと発電機と組み合わせたスターリングエンジン発電システムにおいては、安定した電力と温水を出力することができる。   Moreover, in the Stirling engine power generation system combined with such a Stirling engine starting system and a generator, stable electric power and hot water can be output.

従来から、スターリングエンジンは温度差により稼動するため、得られるエネルギーは発電又は温水(冷却部からの排熱による)のいずれかの形態に限られている。特に、このことは温水生産効率が高いことを意味する。温水は、コジェネレーションシステムでも知られるように業務用でも家庭用でも利用価値が大きい。この点が、効率のよいスターリングエンジンの利用価値でもある。   Conventionally, since a Stirling engine is operated due to a temperature difference, the energy obtained is limited to either power generation or hot water (due to exhaust heat from the cooling unit). In particular, this means that hot water production efficiency is high. Hot water has great utility value for both business and home use, as is known in cogeneration systems. This is also the value of an efficient Stirling engine.

スターリングエンジン発電システムにより得られた電力を、バッテリに蓄電することにより、電力を有効に利用できる。バッテリを利用することにより、電力不足の場合は、外部電源(他の自然エネルギー発電装置、例えば太陽電池パネル等)からの補充充電も可能となる。   By storing the electric power obtained by the Stirling engine power generation system in the battery, the electric power can be effectively used. By using the battery, in the case of power shortage, supplementary charging from an external power source (another natural energy power generation device such as a solar cell panel) can be performed.

従来、スターリングエンジンの加熱部を加熱するために電力を必要とする方式としては、例えば、電気ヒーター方式がある。しかし、各種発熱体を利用した抵抗加熱では、急速昇温には対応できない。また、コイルから磁力線を発生させて対象物を急速加熱する誘導加熱方式では、ランニングコストが極めて高価となる。あるいは、電極に直接電気を流す直通電加熱方式では、変圧器での機械的損失やスターリングエンジンの構造的な問題があり現実的ではない。いずれの方式も大容量のバッテリ(蓄電池)を電源として加熱するため、電力設備が過大となり実用的ではない。これらの従来技術に対し、本発明は、スターリングエンジンの加熱に電力を必要とするが、急速昇温が可能であると同時に、低コストかつコンパクトな構造とすることができる。   Conventionally, as a method that requires electric power to heat the heating unit of the Stirling engine, for example, there is an electric heater method. However, resistance heating using various heating elements cannot cope with rapid temperature rise. In addition, in the induction heating method in which the magnetic field lines are generated from the coil and the object is rapidly heated, the running cost is extremely expensive. Alternatively, the direct current heating method in which electricity is directly supplied to the electrodes is not realistic because of mechanical loss in the transformer and structural problems of the Stirling engine. Both systems are heated by using a large-capacity battery (storage battery) as a power source, so that the power equipment becomes excessive and is not practical. In contrast to these prior arts, the present invention requires electric power for heating the Stirling engine. However, rapid heating can be achieved, and at the same time, a low-cost and compact structure can be achieved.

図1は、本発明によるスターリングエンジン用加熱装置及び加熱方法を適用したスターリングエンジン発電システムを模式的に示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a Stirling engine power generation system to which a heating device and a heating method for a Stirling engine according to the present invention are applied. 図2は、本発明によるスターリングエンジン用加熱装置1と、スターリングエンジン発電装置4とを一体化させて1つの装置としたスターリングエンジン発電システムの一実施例の主要部を概略的に示す立面図である。FIG. 2 is an elevation view schematically showing a main part of an embodiment of a Stirling engine power generation system in which the Stirling engine heating device 1 and the Stirling engine power generation device 4 according to the present invention are integrated into one device. It is. 図3は、図2に示したスターリングエンジン用加熱装置の主要部を示した図であり、(a)は部分切り欠き側面図、(b)は(a)のA視図である。3A and 3B are diagrams showing a main part of the heating device for the Stirling engine shown in FIG. 2, in which FIG. 3A is a partially cutaway side view, and FIG. 3B is a view A of FIG. 図4(a)(b)(c)は、酸水素混合ガス供給源の各実施例を概略的に示した図である。4 (a), 4 (b), and 4 (c) are diagrams schematically showing embodiments of the oxyhydrogen mixed gas supply source. 図5は、図2のスターリングエンジン発電システムの主要部を含むシステム全体の一実施例を示す構成図である。FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the entire system including the main part of the Stirling engine power generation system of FIG.

以下、実施例を示した図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明によるスターリングエンジン用加熱装置及び加熱方法を適用したスターリングエンジン発電システムの構成を模式的に示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings showing examples.
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a Stirling engine power generation system to which a heating device and a heating method for a Stirling engine according to the present invention are applied.

スターリングエンジン4Aは、公知技術によるいずれの形式のものでもよく、ここでは具体的構成は示さない。スターリングエンジン4Aは、主要な構成要素として、冷却部4A1、加熱部4A2及び駆動部4A3を有する。スターリングエンジン4Aの基本構成は、次の通りである。冷却部4A1及び加熱部4A2には作動流体が充填されている。冷却部4A1と加熱部4A2の間は連通しており、作動流体はこれらの間を往復移動可能である。冷却部4A1と加熱部4A2の温度差により作動流体に圧力差が生じ、作動流体が移動する。作動流体の移動により、駆動部4A3の機械的要素が駆動される。これらの作動流体の移動及び機械的要素の駆動は、反復するように構成されている。   The Stirling engine 4A may be of any type according to a known technique, and a specific configuration is not shown here. The Stirling engine 4A includes a cooling unit 4A1, a heating unit 4A2, and a driving unit 4A3 as main components. The basic configuration of the Stirling engine 4A is as follows. The cooling unit 4A1 and the heating unit 4A2 are filled with a working fluid. The cooling unit 4A1 and the heating unit 4A2 communicate with each other, and the working fluid can reciprocate between them. A pressure difference is generated in the working fluid due to a temperature difference between the cooling unit 4A1 and the heating unit 4A2, and the working fluid moves. The mechanical element of the drive unit 4A3 is driven by the movement of the working fluid. These movements of the working fluid and driving of the mechanical elements are configured to repeat.

冷却部4A1は、例えば、水又はエチレングリコールなどの不凍液を冷却媒体として循環させることにより相対的に低温(例えば30℃〜50℃)に維持される。本実施例では、冷却媒体は、外部に設けられる冷却源であるスターリングエンジン用冷却装置3から供給され、冷却部4A1との間で循環する。スターリングエンジン用冷却装置3は、公知のいずれのものでもよい。冷却媒体を水とした場合、冷却部4A1からの排熱により温水が生成される。この温水は、システム外に取り出して利用することができる。   The cooling unit 4A1 is maintained at a relatively low temperature (for example, 30 ° C. to 50 ° C.) by circulating, for example, water or an antifreeze liquid such as ethylene glycol as a cooling medium. In this embodiment, the cooling medium is supplied from the Stirling engine cooling device 3 which is a cooling source provided outside and circulates between the cooling unit 4A1. The cooling device 3 for the Stirling engine may be any known one. When the cooling medium is water, warm water is generated by the exhaust heat from the cooling unit 4A1. This hot water can be taken out of the system and used.

加熱部4A2は、スターリングエンジン4Aの外部に設けられる熱源により加熱されて相対的に高温に維持される。本実施例における熱源は、本発明によるスターリングエンジン用加熱装置1である。スターリングエンジン用加熱装置1の実施例の具体的構成については、後述する図2及び図3において説明する。本発明のスターリングエンジン用加熱装置1に対しては、酸水素混合ガス供給源2から酸水素混合ガスが供給される。酸水素混合ガス供給源2の実施例の具体的構成については、後述する図4において説明する。   The heating unit 4A2 is heated by a heat source provided outside the Stirling engine 4A and is maintained at a relatively high temperature. The heat source in this embodiment is the Stirling engine heating apparatus 1 according to the present invention. A specific configuration of the embodiment of the heating device 1 for the Stirling engine will be described with reference to FIGS. The oxyhydrogen mixed gas is supplied from the oxyhydrogen mixed gas supply source 2 to the heating device 1 for the Stirling engine of the present invention. A specific configuration of the embodiment of the oxyhydrogen mixed gas supply source 2 will be described with reference to FIG.

駆動部4A3は、例えばピストンやクランク等の機械的要素を備えている。機械的要素は、作動流体の移動により運動する。機械的要素の運動は、スターリングエンジン4Aの外部に動力として出力される。   The drive unit 4A3 includes mechanical elements such as a piston and a crank. The mechanical element moves by the movement of the working fluid. The movement of the mechanical element is output as power to the outside of the Stirling engine 4A.

スターリングエンジン4Aから出力された動力は、発電部4Bに入力される。発電部4Bは、タービン等の発電機を備えており、入力された動力を利用して発電を行い、外部に電力として出力する。   The power output from the Stirling engine 4A is input to the power generation unit 4B. The power generation unit 4B includes a generator such as a turbine, generates power using the input power, and outputs the generated power to the outside.

なお、スターリングエンジン4Aのみを単体装置としたものは公知である。その場合、出力される動力を利用して別の機械装置を駆動したり、外部の発電機に接続して発電を行ったりする。   It is known that only the Stirling engine 4A is a single device. In that case, another mechanical device is driven using the output power, or power is generated by connecting to an external generator.

また、図示の例のように、スターリングエンジン4Aと発電部4Bとを組合せ一体化させることにより、単体装置としてスターリングエンジン発電装置4を構成することができる。   Further, as in the illustrated example, the Stirling engine power generator 4 can be configured as a single device by combining and integrating the Stirling engine 4A and the power generation unit 4B.

本発明によれば、スターリングエンジン4Aに対し少なくとも本発明のスターリングエンジン用加熱装置1を組合せ、一体化させて1つの装置としたスターリングエンジン発動システム10を構成することができる。この場合、スターリングエンジン用冷却装置3及び酸水素混合ガス供給源2の各々は、適宜ラインで接続してもよく、あるいは、一体化させてもよい。   According to the present invention, at least the Stirling engine heating device 1 of the present invention is combined with the Stirling engine 4A, and the Stirling engine starting system 10 can be configured as a single device by integrating them. In this case, each of the Stirling engine cooling device 3 and the oxyhydrogen mixed gas supply source 2 may be appropriately connected by a line, or may be integrated.

さらに本発明によれば、上記のスターリングエンジン発動システム10に対し少なくとも発電部4Bを組合せ、一体化させて1つの装置としたスターリングエンジン発電システム20を構成することができる。この場合も、スターリングエンジン用冷却装置3及び酸水素混合ガス供給源2の各々は、適宜ラインで接続してもよく、あるいは、一体化させてもよい。   Furthermore, according to the present invention, it is possible to configure the Stirling engine power generation system 20 as a single device by combining at least the power generation unit 4B with the above Stirling engine starting system 10 and integrating them. In this case as well, each of the Stirling engine cooling device 3 and the oxyhydrogen mixed gas supply source 2 may be appropriately connected by a line, or may be integrated.

図2は、本発明によるスターリングエンジン用加熱装置1と、スターリングエンジン発電装置4とを一体化させて1つの装置としたスターリングエンジン発電システム20の一実施例の主要部を概略的に示す立面図である。   FIG. 2 is an elevational view schematically showing a main part of one embodiment of a Stirling engine power generation system 20 in which the Stirling engine heating apparatus 1 and the Stirling engine power generation apparatus 4 according to the present invention are integrated into one apparatus. FIG.

スターリングエンジン発電装置4の最下部には発電部4Bが配置され、その上にスターリングエンジンの冷却部4A1と駆動部4A3が配置されており、その上にスターリングエンジンの加熱部4A2が配置されている。これらの各部の内部は、本発明の本質部分ではないので言及しない。加熱部4A2はドーム型形状であり、その周囲には熱交換効率を高めるための複数の環状フィンが形成されている。加熱部4A2のドーム型形状の外周面が、熱源から熱を受け取る受熱面4A21である。受熱面4A21は、例えばステンレス鋼で形成される。しかし、耐熱性を備えた材料であればこれに限定されない。加熱部4A2の内部には、温度センサ(図示せず)が設置されている。   A power generation unit 4B is disposed at the bottom of the Stirling engine power generation device 4, a cooling unit 4A1 and a drive unit 4A3 of the Stirling engine are disposed thereon, and a heating unit 4A2 of the Stirling engine is disposed thereon. . The inside of each of these parts is not an essential part of the present invention and will not be described. The heating unit 4A2 has a dome shape, and a plurality of annular fins are formed around it to increase heat exchange efficiency. A dome-shaped outer peripheral surface of the heating unit 4A2 is a heat receiving surface 4A21 that receives heat from a heat source. The heat receiving surface 4A21 is made of, for example, stainless steel. However, the material is not limited to this as long as the material has heat resistance. A temperature sensor (not shown) is installed inside the heating unit 4A2.

スターリングエンジン用加熱装置(以下、単に「加熱装置」と略称する場合がある)1は、加熱部4A2の受熱面4A21の外側に設置されている。この場合は、受熱面4A21が上方を向いた面であるので、加熱装置1は、スターリングエンジン発電システム20における頂部に取り付けられている。   A Stirling engine heating device (hereinafter may be simply referred to as “heating device”) 1 is installed outside the heat receiving surface 4A21 of the heating unit 4A2. In this case, since the heat receiving surface 4A21 faces upward, the heating device 1 is attached to the top of the Stirling engine power generation system 20.

加熱装置1は、燃焼炉1Aを備えている。燃焼炉1Aは、ほぼ半球状の燃焼空間1A2と、燃焼空間1A2のほぼ全体を囲包する炉壁1A1とを有する。燃焼空間1A2は、ほぼ密閉された空間である。図2では、炉壁1A1の前半分を切り欠いて内部を示している。炉壁1A1は、耐熱性及び断熱性を備えた材料で形成される。例えば、炉壁1A1はステンレス鋼であるが、これに限られない。好適には、炉壁1A1を二重構造とし、断熱材による熱拡散防止処理を施す。また、熱の対流を良好とするために、燃焼炉1Aはドーム型形状とすることが好適である。さらに、炉壁1A1の内面を、熱反射を良好とするために鏡面仕上げとすることが好適である。   The heating device 1 includes a combustion furnace 1A. The combustion furnace 1A includes a substantially hemispherical combustion space 1A2 and a furnace wall 1A1 that surrounds substantially the entire combustion space 1A2. The combustion space 1A2 is a substantially sealed space. In FIG. 2, the front half of the furnace wall 1A1 is cut away to show the inside. The furnace wall 1A1 is formed of a material having heat resistance and heat insulation. For example, the furnace wall 1A1 is stainless steel, but is not limited thereto. Preferably, the furnace wall 1A1 has a double structure and is subjected to heat diffusion prevention treatment with a heat insulating material. In order to improve heat convection, it is preferable that the combustion furnace 1A has a dome shape. Furthermore, it is preferable that the inner surface of the furnace wall 1A1 has a mirror finish in order to improve heat reflection.

双方ともドーム型形状である燃焼炉1と受熱面4A21とは同軸上に配置されている。従って、加熱部4A2の受熱面4A21は、燃焼空間1A2内に突出して露出した状態となっている。燃焼空間1A2には、外部の酸水素混合ガス供給源から酸水素混合ガスGが導入され、スパーク着火により点火され、燃焼により火炎Fを生じる。この火炎Fに起因して燃焼空間1A2内の温度が昇温し、その結果、受熱面4A21を加熱する。   The combustion furnace 1 and the heat receiving surface 4A21, both of which have a dome shape, are arranged coaxially. Therefore, the heat receiving surface 4A21 of the heating unit 4A2 is in a state of protruding and exposed into the combustion space 1A2. An oxyhydrogen mixed gas G is introduced into the combustion space 1A2 from an external oxyhydrogen mixed gas supply source, ignited by spark ignition, and a flame F is generated by combustion. Due to this flame F, the temperature in the combustion space 1A2 rises, and as a result, the heat receiving surface 4A21 is heated.

冷却部4A1の側壁には、冷却水等の冷却媒体を循環させるための流入口4A11と流出口4A12が設けられている(これらは入れ替えてもよい)。   An inlet 4A11 and an outlet 4A12 for circulating a cooling medium such as cooling water are provided on the side wall of the cooling unit 4A1 (these may be interchanged).

図3は、図2に示したスターリングエンジン用加熱装置1の主要部を示した図であり、(a)は部分切り欠き側面図、(b)は(a)のA視図である。   3A and 3B are diagrams showing a main part of the Stirling engine heating apparatus 1 shown in FIG. 2, in which FIG. 3A is a partially cutaway side view, and FIG. 3B is a view A of FIG.

燃焼空間1A2内には、セラミック触媒1Bが設置されている。セラミック触媒1Bは、燃焼空間1A2の中心部に設置され、受熱面4A21の近傍又は隣接した位置に設置されることが好ましい。図示の例では、受熱面4A21のドーム頂点に取り付けた触媒支持台1Cにセラミック触媒1Bを固定している。セラミック触媒1Bの設置形態は、図示の例に限られず、燃焼空間1A2内に吊してもよい。セラミック触媒1Bは、酸水素混合ガスを活性化させ燃焼反応を促進させる。   A ceramic catalyst 1B is installed in the combustion space 1A2. The ceramic catalyst 1B is preferably installed in the center of the combustion space 1A2 and in the vicinity of or adjacent to the heat receiving surface 4A21. In the illustrated example, the ceramic catalyst 1B is fixed to the catalyst support 1C attached to the dome apex of the heat receiving surface 4A21. The installation form of the ceramic catalyst 1B is not limited to the illustrated example, and may be suspended in the combustion space 1A2. The ceramic catalyst 1B activates the oxyhydrogen mixed gas and promotes the combustion reaction.

セラミック触媒1Bは、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸アルミニウム(例えばレコジット(登録商標))等の金属酸化物である。特にレコジット(登録商標)は、鏡面処理加工が可能であり、融点が1860℃以上で耐火度に優れ、比較的緻密な焼結体でありながら熱膨張係数が極めて小さいすなわち熱拡散が少ないため、好適である。なお、試験では、高温によるセラミック触媒1Bの損傷は見られなかった。   The ceramic catalyst 1B is, for example, a metal oxide such as aluminum oxide, zirconium oxide, silicon carbide, silicon nitride, aluminum titanate (for example, Recojit (registered trademark)). In particular, RECOGIT (registered trademark) can be mirror-finished, has a melting point of 1860 ° C. or more and excellent fire resistance, and has a relatively small thermal expansion coefficient while being a relatively dense sintered body. Is preferred. In the test, the ceramic catalyst 1B was not damaged by the high temperature.

燃焼炉1Aは、酸水素混合ガスを燃焼空間1A2内にてセラミック触媒1Bを用いて燃焼させるための酸水素混合ガス燃焼機構を備えている。先ず、炉壁1A1には、酸水素混合ガスを導入するための孔が形成されている。この孔には、ノズル支持筒1Fが密封状態を維持して貫通固定され、ノズル支持筒1Fには、バーナーの噴射ノズル1Dが挿通されている。噴射ノズル1Dは、燃焼空間1A2内で酸水素混合ガスを噴射する。噴射ノズル1Dへの酸水素混合ガスの供給量又は噴射圧力は、酸水素混合ガス供給バルブ(電磁弁)1D1により調節される。噴射ノズル1Dの先端部には、スパーク着火器1D2(明示していない)が設けられている。   The combustion furnace 1A includes an oxyhydrogen mixed gas combustion mechanism for burning the oxyhydrogen mixed gas in the combustion space 1A2 using the ceramic catalyst 1B. First, a hole for introducing an oxyhydrogen mixed gas is formed in the furnace wall 1A1. Through this hole, the nozzle support cylinder 1F is penetrated and fixed while maintaining a sealed state, and a jet nozzle 1D of a burner is inserted into the nozzle support cylinder 1F. The injection nozzle 1D injects an oxyhydrogen mixed gas in the combustion space 1A2. The supply amount or injection pressure of the oxyhydrogen mixed gas to the injection nozzle 1D is adjusted by an oxyhydrogen mixed gas supply valve (solenoid valve) 1D1. A spark igniter 1D2 (not explicitly shown) is provided at the tip of the injection nozzle 1D.

酸水素混合ガス供給バルブ1D1の他端には、外部の酸水素混合ガス供給源から酸水素混合ガスが供給される。酸水素混合ガスは、例えば、0.2〜0.3MPa程度の低圧で供給する。よって、高圧ガスの危険性は少ない。   The other end of the oxyhydrogen mixed gas supply valve 1D1 is supplied with an oxyhydrogen mixed gas from an external oxyhydrogen mixed gas supply source. The oxyhydrogen mixed gas is supplied at a low pressure of about 0.2 to 0.3 MPa, for example. Therefore, the danger of high pressure gas is small.

噴射ノズル1Dの先端は、セラミック触媒1Bに向けられている。噴射ノズル1Dとセラミック触媒1Bとの間の距離は、火炎距離調節器1Eにより調節される。これは、酸水素混合ガスの燃焼による火炎が、最適な状態でセラミック触媒1Bに当たるようにするためである。バーナーの基端部は、バーナー固定支柱1G2に位置調節可能に固定され、バーナー固定支柱1G2は、バーナー支持台2により支持されている。   The tip of the injection nozzle 1D is directed to the ceramic catalyst 1B. The distance between the injection nozzle 1D and the ceramic catalyst 1B is adjusted by the flame distance adjuster 1E. This is because the flame caused by the combustion of the oxyhydrogen mixed gas strikes the ceramic catalyst 1B in an optimal state. The base end portion of the burner is fixed to the burner fixing column 1G2 so that the position can be adjusted, and the burner fixing column 1G2 is supported by the burner support base 2.

燃焼炉1Aは、ほぼ密閉状態である。排気管1Pが設けられているが、これは、酸水素混合ガスの密閉状態での燃焼反応に影響を及ぼさない程度の容量である。実施例では、排気管1Pは、燃焼炉1Aの下端周縁の1箇所から外部に延在し、排気口1P1が開口している。排気管1Pの途中には、排気を遮断または流量調節するための排気バルブ(電磁弁)1P2が設置されている。通常は、排気はほとんど不要であるが、燃焼空間1A2内の圧力が正常範囲を超えて高まった場合に排気を行う。燃焼空間1A2内の圧力をモニタリングするために、圧力計1Mが設置されている。   The combustion furnace 1A is almost sealed. An exhaust pipe 1P is provided, but this is a capacity that does not affect the combustion reaction in the sealed state of the oxyhydrogen mixed gas. In the embodiment, the exhaust pipe 1P extends to the outside from one location on the peripheral edge of the lower end of the combustion furnace 1A, and the exhaust port 1P1 is opened. In the middle of the exhaust pipe 1P, an exhaust valve (electromagnetic valve) 1P2 for shutting off exhaust gas or adjusting the flow rate is installed. Normally, exhaust is almost unnecessary, but exhaust is performed when the pressure in the combustion space 1A2 increases beyond the normal range. In order to monitor the pressure in the combustion space 1A2, a pressure gauge 1M is installed.

空気中で酸水素混合ガスを燃焼させたときの火炎の温度を測定したところ、少なくとも2650℃が確認された。また、試験的に、空気中で酸水素混合ガスの火炎をタングステン(融点3422℃、沸点5555℃)の棒体に照射してみたところ、タングステンの昇華が確認された。このように、酸水素混合ガスの火炎は、極めて高温を、少なくとも2000℃以上を実現できる。   When the temperature of the flame when the oxyhydrogen mixed gas was burned in air was measured, at least 2650 ° C. was confirmed. As a test, when a rod of tungsten (melting point: 3422 ° C., boiling point: 5555 ° C.) was irradiated with a flame of an oxyhydrogen mixed gas in air, sublimation of tungsten was confirmed. As described above, the flame of the oxyhydrogen mixed gas can achieve an extremely high temperature of at least 2000 ° C. or higher.

また、別の試験結果では、酸水素混合ガスの火炎が接触するセラミック触媒の表面において、2700℃以上の温度が確認された。図3のようにセラミック触媒Bを配置することにより、このような高温を加熱部4A2の受熱面4A21の極めて近傍で実現できる。この結果、受熱面4A21を効果的に加熱することが可能となる。   In another test result, a temperature of 2700 ° C. or higher was confirmed on the surface of the ceramic catalyst in contact with the oxyhydrogen mixed gas flame. By arranging the ceramic catalyst B as shown in FIG. 3, such a high temperature can be realized in the very vicinity of the heat receiving surface 4A21 of the heating unit 4A2. As a result, the heat receiving surface 4A21 can be effectively heated.

なお、酸水素混合ガスの噴出量により、燃焼空間1A2内の温度の調整が可能である。稼働中は、例えば、受熱面4A21が500℃〜700℃程度となるように調整する。燃焼炉1Aの炉壁1A1の内面も受熱面4A21と同程度の温度となる。   Note that the temperature in the combustion space 1A2 can be adjusted by the amount of oxyhydrogen mixed gas ejected. During operation, for example, the heat receiving surface 4A21 is adjusted to be about 500 ° C to 700 ° C. The inner surface of the furnace wall 1A1 of the combustion furnace 1A also has the same temperature as the heat receiving surface 4A21.

図4(a)(b)(c)は、酸水素混合ガス供給源の3つの実施例を概略的に示した図である。
図4(a)は、酸水素ガス発生器2Aと流量調節弁2Bとを備えた酸水素混合ガス供給源である。酸水素ガス発生器2Aは、水の電気分解槽により構成される。この場合、酸素ガスと水素ガスが発生した比率1:2のままで混合され、酸水素混合ガスとして供給される。
4A, 4B, and 4C are diagrams schematically showing three examples of the oxyhydrogen mixed gas supply source.
FIG. 4A shows an oxyhydrogen mixed gas supply source including an oxyhydrogen gas generator 2A and a flow rate control valve 2B. The oxyhydrogen gas generator 2A is constituted by a water electrolysis tank. In this case, oxygen gas and hydrogen gas are mixed at the ratio of 1: 2 generated and supplied as an oxyhydrogen mixed gas.

図4(b)は、酸水素ガス発生器2Aと、酸水素ガス混合器2Cと、流量調節弁2B1、2B2、2B3とを備えた酸水素混合ガス供給源である。この場合の酸水素ガス発生器2Aは、酸素ガス発生側と、水素ガス発生側がセパレータで仕切られており、それぞれ流量調節弁2B1、2B2により流量調節可能である。よって、酸水素ガス混合器2Cにて、所望する比率にて混合可能である。   FIG. 4B shows an oxyhydrogen mixed gas supply source including an oxyhydrogen gas generator 2A, an oxyhydrogen gas mixer 2C, and flow rate control valves 2B1, 2B2, and 2B3. The oxyhydrogen gas generator 2A in this case has an oxygen gas generation side and a hydrogen gas generation side partitioned by a separator, and the flow rate can be adjusted by flow rate control valves 2B1 and 2B2, respectively. Therefore, it can be mixed at a desired ratio in the oxyhydrogen gas mixer 2C.

図4(a)(b)の実施例では、酸水素混合ガスの貯蔵容器が不要であり、スターリングエンジンのオンオフと連動して酸水素ガス発生器2Aをオンオフすればよい。本発明では、必要に応じて水を電気分解して酸水素混合ガスを生成し、生成された酸水素混合ガスを直ちにスターリングエンジンの加熱部に供給することが、好適である。もっとも、供給圧力を一定とするために、一時的に酸水素混合ガスを貯蔵する貯蔵部を介して供給してもよい。   In the embodiment shown in FIGS. 4A and 4B, an oxyhydrogen mixed gas storage container is not required, and the oxyhydrogen gas generator 2A may be turned on / off in conjunction with the on / off of the Stirling engine. In the present invention, it is preferable to electrolyze water as necessary to generate an oxyhydrogen mixed gas, and to immediately supply the generated oxyhydrogen mixed gas to the heating unit of the Stirling engine. But in order to make supply pressure constant, you may supply through the storage part which stores an oxyhydrogen mixed gas temporarily.

水の電気分解により酸水素混合ガスを1m生成するために必要な電力は2.4kW程度である。なお、一般的な酸水素ガス発生器の消費電力は、最大1.2kWh/6A(平均0.8kWh)程度であるので、例えば車載用バッテリーを使用可能である。スターリングエンジン発電システムにより発電した電力の余剰電力を、酸水素ガス発生器を駆動する電源バッテリーの充電に利用できる。 The power required to produce 1 m 3 of oxyhydrogen mixed gas by electrolysis of water is about 2.4 kW. In addition, since the power consumption of a general oxyhydrogen gas generator is about 1.2 kWh / 6A (average 0.8 kWh) at the maximum, for example, a vehicle-mounted battery can be used. The surplus power generated by the Stirling engine power generation system can be used for charging the power battery that drives the oxyhydrogen gas generator.

一方、図4(c)は、酸素ガスと水素ガスを所定の比率で混合した酸水素混合ガスを貯蔵した酸水素ガス貯蔵器2Dと流量調節弁2Bとを備えた酸水素混合ガス供給源である。この場合、酸素ガスと水素ガスの生成場所は、スターリングエンジンの設置場所の近傍である必要はない。水の電気分解用の電源の無い場所でもスターリングエンジンを稼動することができる。   On the other hand, FIG. 4C shows an oxyhydrogen mixed gas supply source including an oxyhydrogen gas reservoir 2D storing an oxyhydrogen mixed gas in which oxygen gas and hydrogen gas are mixed at a predetermined ratio and a flow rate control valve 2B. is there. In this case, the generation location of oxygen gas and hydrogen gas need not be in the vicinity of the installation location of the Stirling engine. Stirling engines can be operated even in places where there is no power source for water electrolysis.

図5は、図2に示したスターリングエンジン発電システム20の主要部を含むシステム全体の一実施例を示す構成図である。図5中、水の流れを太い点線で、電力の流れを太い実線で概略的に示している。   FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the entire system including the main part of the Stirling engine power generation system 20 shown in FIG. In FIG. 5, the flow of water is schematically shown by a thick dotted line, and the flow of power is schematically shown by a thick solid line.

スターリングエンジン4Aの冷却部4A1とスターリングエンジン用冷却装置3の間を、冷却水が循環する。スターリングエンジン用冷却装置3は、貯水タンク3Aと、貯水タンク3A内の温水の温度を検知する温水温度センサ3Cとを具備する。稼動中、外部から貯水タンク3Aの下部に冷水が供給される。循環ポンプPは、貯水タンク3Aの下部の冷水をスターリングエンジン4Aの冷却部4A1に供給し、冷却部4A1から流出する温水を貯水タンク3Aの上部に戻す。貯水タンク3Aの上部には温水が蓄積する。貯水タンク3Aの上部の温水は、外部に供給され、利用される。   Cooling water circulates between the cooling unit 4A1 of the Stirling engine 4A and the Stirling engine cooling device 3. The Stirling engine cooling device 3 includes a water storage tank 3A and a hot water temperature sensor 3C that detects the temperature of the hot water in the water storage tank 3A. During operation, cold water is supplied to the lower part of the water storage tank 3A from the outside. The circulation pump P supplies the cold water in the lower part of the water storage tank 3A to the cooling part 4A1 of the Stirling engine 4A, and returns the hot water flowing out from the cooling part 4A1 to the upper part of the water storage tank 3A. Hot water accumulates in the upper part of the water storage tank 3A. The hot water in the upper part of the water storage tank 3A is supplied to the outside and used.

発電部4Bの発生する電力は、発電電力積算計4Cにより計測される。本実施例では、発生する電力により二次電池であるバッテリ5を充電し、蓄電する。   The electric power generated by the power generation unit 4B is measured by the generated power integrator 4C. In the present embodiment, the battery 5 that is a secondary battery is charged and stored with the generated electric power.

本実施例では、酸水素混合ガス供給源2の酸水素ガス発生器2Aの電気分解用の電源2A1に対し、バッテリ5から電力が供給される。酸水素ガス発生器2Aの消費電力は、消費電力積算計2Eにより計測する。   In this embodiment, power is supplied from the battery 5 to the electrolysis power source 2A1 of the oxyhydrogen gas generator 2A of the oxyhydrogen mixed gas supply source 2. The power consumption of the oxyhydrogen gas generator 2A is measured by a power consumption integrator 2E.

バッテリ5に蓄電された電力は、外部へ供給される。また、バッテリ5の電力が不足する場合は、外部電源(他の自然エネルギー発電装置、例えば太陽電池パネル等)からの補充充電が可能である。   The electric power stored in the battery 5 is supplied to the outside. Further, when the power of the battery 5 is insufficient, supplementary charging from an external power source (another natural energy power generation device such as a solar cell panel) is possible.

図5に示したスターリングエンジン発電システムの構成に沿って、以下の規模の装置を稼動試験用に製作した。
・直径:約25cm、高さ:約50cm程度(1kW程度の定格電力)
In accordance with the configuration of the Stirling engine power generation system shown in FIG. 5, devices of the following scale were manufactured for operation tests.
・ Diameter: about 25cm, height: about 50cm (rated power of about 1kW)

上記装置を用いて、以下の動作手順にて稼動試験を行った。
(i)循環ポンプPを稼動させ、冷却水の循環を開始する。
(ii)酸水素ガス発生器2Aを稼動し、酸水素ガス発生器2A内の貯蔵部に所定量貯蔵する。貯蔵部内の圧力が0.3MPaになると酸水素ガス発生器2Aを停止し、0.2MPaになると再稼働させる。
(iii)燃焼炉1Aの燃焼空間1A2内の圧力が0.3MPa以下の場合、排気バルブ(電磁弁)1P2を、オン/オフ圧力スイッチにより閉鎖する。
(iv)燃焼炉1Aの燃焼空間1A2内の圧力が0.3MPaを超える場合、排気バルブ(電磁弁)1P2を、オン/オフ圧力スイッチにより開放する。
(v)貯水タンク3Aの温水温度センサ3Cにより検知した温度が50℃以下の場合、酸水素混合ガス供給バルブ1D1を開放し、噴射ノズル1Dから燃焼空間1A2内に酸水素混合ガスを流入させる。
(vi)スパーク着火器1D2(温度センサ付き)の端子にてスパーク放電させ、酸水素混合ガスに点火する。点火後の温度上昇を温度センサにより検知して、スパーク放電を停止させる。
(vii)スターリングエンジン4Aの加熱部4A2の内部に設置した温度センサにより、加熱部4A2の受熱面4A21が200℃に達したことを検知すると、スターリングエンジン4Aを始動させる。これにより、発電部4Bにて発電を行う。
(viii)貯水タンク3Aの温水温度センサ3Cにより検知した温度が50℃に達した場合、酸水素混合ガス供給バルブ1D1を閉じるとともに、スターリングエンジン4Aを停止させる。
Using the above apparatus, an operation test was performed according to the following operation procedure.
(I) The circulation pump P is operated, and the cooling water circulation is started.
(Ii) The oxyhydrogen gas generator 2A is operated, and a predetermined amount is stored in the storage unit in the oxyhydrogen gas generator 2A. When the pressure in the storage unit becomes 0.3 MPa, the oxyhydrogen gas generator 2A is stopped, and when the pressure becomes 0.2 MPa, it is restarted.
(Iii) When the pressure in the combustion space 1A2 of the combustion furnace 1A is 0.3 MPa or less, the exhaust valve (solenoid valve) 1P2 is closed by an on / off pressure switch.
(Iv) When the pressure in the combustion space 1A2 of the combustion furnace 1A exceeds 0.3 MPa, the exhaust valve (solenoid valve) 1P2 is opened by the on / off pressure switch.
(V) When the temperature detected by the hot water temperature sensor 3C of the water storage tank 3A is 50 ° C. or lower, the oxyhydrogen mixed gas supply valve 1D1 is opened, and the oxyhydrogen mixed gas flows into the combustion space 1A2 from the injection nozzle 1D.
(Vi) Spark discharge is performed at the terminal of the spark igniter 1D2 (with a temperature sensor), and the oxyhydrogen mixed gas is ignited. The temperature rise after ignition is detected by a temperature sensor, and the spark discharge is stopped.
(Vii) When the temperature sensor installed inside the heating unit 4A2 of the Stirling engine 4A detects that the heat receiving surface 4A21 of the heating unit 4A2 has reached 200 ° C., the Stirling engine 4A is started. As a result, the power generation unit 4B generates power.
(Viii) When the temperature detected by the hot water temperature sensor 3C of the water storage tank 3A reaches 50 ° C., the oxyhydrogen mixed gas supply valve 1D1 is closed and the Stirling engine 4A is stopped.

1:スターリングエンジン加熱装置
1A:炉壁
1A2:燃焼空間
1B:セラミック触媒
1C:触媒支持台
1D:噴射ノズル
1D1:酸水素混合ガス供給バルブ
1D2:スパーク着火器
1E:火炎距離調節器
1F:ノズル支持筒
1G2:バーナー固定支柱
1G1:バーナー支持台
1M:圧力計
1P:排気管
1P1:排気口
1P2:排気バルブ
2:酸水素混合ガス供給源
2A:酸水素混合ガス発生器
2A1:電気分解用電源
2C:酸水素混合ガス混合器
2B、2B1、2B2、2B3:流量調節弁
2E:消費電力積算計
3:スターリングエンジン冷却装置
3A:貯水タンク
3B:循環ポンプ
3C:温水温度センサ
4:スターリングエンジン発電装置
4A:スターリングエンジン
4A1:冷却部
4A2:加熱部
4A21:受熱面
4A3:駆動部
4B:発電部
10:スターリングエンジン発動システム
20:スターリングエンジン発電システム
F:火炎
G:酸水素混合ガス
1: Stirling engine heating device 1A: Furnace wall 1A2: Combustion space 1B: Ceramic catalyst 1C: Catalyst support 1D: Injection nozzle 1D1: Oxyhydrogen mixed gas supply valve 1D2: Spark igniter 1E: Flame distance adjuster 1F: Nozzle support Tube 1G2: Burner fixed column 1G1: Burner support 1M: Pressure gauge 1P: Exhaust pipe 1P1: Exhaust port 1P2: Exhaust valve 2: Oxyhydrogen mixed gas supply source 2A: Oxyhydrogen mixed gas generator 2A1: Electrolytic power source 2C : Oxyhydrogen mixed gas mixer 2B, 2B1, 2B2, 2B3: Flow rate control valve 2E: Power consumption integrator 3: Stirling engine cooling device 3A: Water storage tank 3B: Circulation pump 3C: Hot water temperature sensor 4: Stirling engine power generator 4A : Stirling engine 4A1: Cooling unit 4A2: Heating unit 4A21: Heat receiving 4A3: driver 4B: power generator 10: Stirling engine activation system 20: Stirling engine generator system F: Flame G: oxyhydrogen gas mixture

Claims (10)

スターリングエンジン(4A)の加熱部(4A2)を加熱するために前記加熱部(4A2)の受熱面(4A21)の外側に設置される加熱装置(1)であって、
前記加熱部の受熱面(4A21)が露出する燃焼空間(1A2)と前記燃焼空間(1A2)を囲包する炉壁(1A1)とを具備する燃焼炉(1A)と、
前記燃焼空間(1A2)内に設置されたセラミック触媒(1B)と、
酸素と水素を混合した酸水素混合ガス(G)を前記燃焼空間(1A2)内にて前記セラミック触媒(1B)を用いて燃焼させる酸水素混合ガス燃焼機構と、を備えたことを特徴とする、
スターリングエンジン用加熱装置。
A heating device (1) installed outside the heat receiving surface (4A21) of the heating unit (4A2) to heat the heating unit (4A2) of the Stirling engine (4A),
A combustion furnace (1A) comprising a combustion space (1A2) in which the heat receiving surface (4A21) of the heating unit is exposed and a furnace wall (1A1) surrounding the combustion space (1A2);
A ceramic catalyst (1B) installed in the combustion space (1A2);
An oxyhydrogen mixed gas combustion mechanism for burning an oxyhydrogen mixed gas (G) in which oxygen and hydrogen are mixed using the ceramic catalyst (1B) in the combustion space (1A2). ,
Heating device for Stirling engine.
前記酸水素混合ガス燃焼機構が、前記酸水素混合ガス(G)を前記セラミック触媒(1B)に向けて噴射しつつ燃焼させるための噴射ノズル(1D)を具備することを特徴とする請求項1に記載のスターリングエンジン用加熱装置。   The oxyhydrogen mixed gas combustion mechanism includes an injection nozzle (1D) for injecting and burning the oxyhydrogen mixed gas (G) toward the ceramic catalyst (1B). The heating apparatus for Stirling engines described in 1. 前記セラミック触媒(1B)が前記燃焼空間(1A2)の中心部にて前記受熱面(4A21)に隣接した位置に設置されていることを特徴とする請求項2に記載のスターリングエンジン用加熱装置。   The heating device for a Stirling engine according to claim 2, wherein the ceramic catalyst (1B) is installed at a position adjacent to the heat receiving surface (4A21) at a central portion of the combustion space (1A2). 前記燃焼炉(1A)が排気口(1P1)を具備することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスターリングエンジン用加熱装置。   The heating apparatus for a Stirling engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the combustion furnace (1A) includes an exhaust port (1P1). 前記酸水素混合ガス(G)が、水を電気分解する酸水素ガス発生器(2A)から供給されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のスターリングエンジン用加熱装置。   The heating apparatus for a Stirling engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxyhydrogen mixed gas (G) is supplied from an oxyhydrogen gas generator (2A) for electrolyzing water. 請求項1〜5のいずれかに記載のスターリングエンジン用加熱装置(1)と、スターリングエンジン(4A)と、を少なくとも備えたスターリングエンジン発動システム(10)であって、
前記スターリングエンジン(4A)は、前記スターリングエンジン用加熱装置(1)により加熱される加熱部(4A2)と、冷却部(4A1)と、前記加熱部(4A2)と前記冷却部(4A1)の温度差により機械的要素を駆動して動力を出力する駆動部(4A3)と、を備えたことを特徴とする、
スターリングエンジン発動システム。
A Stirling engine starting system (10) comprising at least the Stirling engine heating device (1) according to any one of claims 1 to 5 and a Stirling engine (4A),
The Stirling engine (4A) includes a heating unit (4A2) heated by the Stirling engine heating device (1), a cooling unit (4A1), a temperature of the heating unit (4A2) and the cooling unit (4A1). A drive unit (4A3) that outputs mechanical power by driving a mechanical element by the difference,
Stirling engine activation system.
スターリングエンジンが出力する動力を用いて発電を行うスターリングエンジン発電システム(20)であって、
請求項6に記載のスターリングエンジン発動システム(10)と、
前記駆動部(4A3)が出力した動力を用いて発電を行って電力を出力する発電部(4B)と、を備えたことを特徴とする、スターリングエンジン発電システム。
A Stirling engine power generation system (20) that generates power using power output from a Stirling engine,
A Stirling engine starting system (10) according to claim 6,
A Stirling engine power generation system comprising: a power generation unit (4B) that generates power using the power output from the drive unit (4A3) and outputs power.
スターリングエンジン(4A)の加熱部(4A2)を加熱するための加熱方法であって、
前記加熱部(4A)の受熱面(4A21)が露出するほぼ密閉された燃焼空間(1A2)内にて、酸素と水素を混合した酸水素混合ガス(G)をセラミック触媒(1B)を用いて燃焼させることにより前記加熱部(4A2)を加熱することを特徴とする、スターリングエンジンの加熱方法。
A heating method for heating a heating part (4A2) of a Stirling engine (4A),
In the almost sealed combustion space (1A2) where the heat receiving surface (4A21) of the heating part (4A) is exposed, the oxyhydrogen mixed gas (G) mixed with oxygen and hydrogen is used using the ceramic catalyst (1B). A heating method for a Stirling engine, wherein the heating unit (4A2) is heated by burning.
前記酸水素混合ガス(G)を前記セラミック触媒(1B)に向けて噴射しつつ燃焼させることを特徴とする、請求項8に記載のスターリングエンジンの加熱方法。   The method for heating a Stirling engine according to claim 8, wherein the oxyhydrogen mixed gas (G) is combusted while being injected toward the ceramic catalyst (1B). 前記酸水素混合ガス(G)が、水の電気分解により生成されつつ同時に供給されることを特徴とする請求項8又は9に記載のスターリングエンジンの加熱方法。   The method for heating a Stirling engine according to claim 8 or 9, wherein the oxyhydrogen mixed gas (G) is simultaneously supplied while being generated by electrolysis of water.
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