JP4124735B2 - 加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は加熱装置に関する。特に、本発明は、家庭用の加熱・動力結合型（ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ： ＤＣＨＰ）のユニットに関する。

このようなＤＣＨＰユニットとしては、発電するための交流発電機に接続されたスターリングエンジンを組み込んだものが提案されている。かかるユニット以外では無駄に放散されていたエンジンにより生成される熱は、家庭用の水やセントラルヒーティングシステムに供給される水を熱するために用いられ、従ってＤＣＨＰシステムの有用な生成物となる。スターリングエンジン及び交流発電機が約１ｋＷの電力を発生させるような大きさとされている場合、当該ユニットにおいて最も有利な経済性が得られることは分かっている。しかしながら、このレベルでは、約５ｋＷの熱しか提供されず、それは２０ｋＷを越える典型的な家庭用熱負荷を大幅に下回るものである。

残りの熱を供給するためには、ＤＣＨＰユニットは家庭用ボイラの現行の仕様に効率的に対抗することができるように、補助的なガスバーナが必要とされる。本発明は、スターリングエンジンと補助バーナとを熱的に効率的に作動可能とすることを目的とする。

本発明によれば、スターリングエンジンと温水器とを備え、スターリングエンジンは可燃性のガスが供給される第１のバーナによって熱せられるように構成され、当該組立体は更に、スターリングエンジンから延び第１のバーナへの可燃性ガス導入口に接する排気ガス管を備え、第１のバーナに入る可燃性ガスを予熱し、その後、温水器で後に熱せられる水を熱するようになっており、温水器は水を熱する第２のバーナを有しており、当該システムは、排気ガス及び第２のバーナからのガスが水に熱を与えると混合流を形成するように構成され、該混合流は排気ガスの上流で水を熱するようになっている家庭用の加熱・動力結合型の組立体を提供する。

排気からの熱は、まず、バーナへの導入空気及びガスの混合流に回収され、これは、燃焼すべき燃料を低減する効果及び燃焼温度を上げる効果を有する。これによって、カテーリングエンジンへの熱伝導量は増加され、もってシステムの効率が向上される。次いで、幾分か冷却されたこの排気ガスは、補助的な温水器によっても加熱される水を熱するために用いられ、それによって、補助温水器に必要とされる熱入力を減じる。

また、水は混合流から既に熱を与えられているので、比較的低温の熱を混合流から受ける。その後、水は比較的高温の熱を排気ガス及び補助バーナから受ける。従って、このような構成は熱効率がよい。

当該システムは、排気ガスによる加熱よりも上流側で水を熱するよう構成されたスターリングエンジン冷却機を更に備えることが好ましい。これは、水の加熱を促進するよう機能する他、スターリングエンジンの入口・出口間における所要の温度差を維持するのに役立つ。

スターリングエンジンのヘッドを熱するバーナガスは、典型的には、約１４００℃である。ガスがヘッドの周囲を流れるにつれて、熱は加熱ヘッド内に伝えられ、ガスの温度は約８００℃に低下する。すなわち、ガスは熱を導入燃料と空気の混合物に伝えるのである。更なる熱回収がない場合には、スターリングエンジンの排気筒に流入する排気ガスは約６００℃となるのが典型的である。

本発明はまた、水に熱を伝えるための加熱装置の新規構成に及んでいる。この条件は、コンパクトであること、及び、熱を少なくとも２つの流れから水に最高の効率で伝えることである。

本発明の別の側面によれば、液体を熱するための加熱装置であって、ハウジングと、ハウジング内において、外周部に向かって延びハウジングの中心軸線の周囲に螺旋状に巻回されているダクトであって、液体をハウジングの第１の端部からハウジングの第2の端部に移送するダクトと、ハウジング内において第２の端部に近接する補助バーナであって、ダクトの第１の部分において液体に熱を伝達するようにダクトに囲まれている補助バーナと、外部の熱源からの高温ガスの入口であって、高温ガスを放射方向外方に向けてダクトの第１の部分よりもハウジングの第１の端部に近いダクトの第２の部分と接触するように形成されている入口と、を備える加熱装置を提供する。

このような装置は、補助バーナと、外部供給源からのガスのための入口とが液体を移送するダクト内に配置されるので、特にコンパクトとなる。

入口は、補助バーナからのガスしと、外部の熱源からの高温ガスとが、少なくとも螺旋状に巻かれたダクトを通過するまでは実質的に混合され内容に配置されることが好ましい。これにより、ガス流がダクトに達する前に混合することが実質的に防止され、より効率的な伝熱が得られる。

排気ガスと外部熱源からの高温ガスとが螺旋状のダクトを通過したならば、それらは分離して排気されても、混合流として排気されてもよい。しかしながら、２つの流れは、最初にダクトに或る程度の熱を伝えた後、混合流とされ、その混合流は、ダクトの第３部分（ダクトの第２部分よりも第１端部に近い部分）の周囲に流されることが好ましい。斯くして、ハウジングの第１端部に入った螺旋状のダクト内の低温流体は、まず、この比較的低温の混合流に接し、この混合流を予熱する。その後、混合流は、外部熱源からのガスと補助バーナからのガスとによって熱せられる。

補助バーナからのガスと外部熱源からのガスとの混合が少ない場合には、液体の全体的な加熱の効果には比較的僅かな効果しかないため、相当の混合が必要となるが、このような混合は可能な限り少ないことが望ましい。従って、補助バーナからのガスと外部の熱源からの高温ガスとが混合することを妨げるように、ダクトの放射方向内方にシールが設けられることが好適である。

ダクトへの伝熱を最大化するために、ダクトは、個々の一コイル部分が中心軸線方向に偏平化されていて、断面において、その放射方向の寸法が軸線方向の寸法を上回っていることが好ましい。また好ましくは、ダクトの隣合うコイル部分同士は互いに接近して配置される。これによって、高温ガスはダクトの隣合うコイル部分間の比較的長く狭い流路を通らなければならず、もって効果的な伝熱が達成される。このダクト形状は国際公開第９４／１６２７２号パンフレットに開示されている。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。

図１に示される装置は、バーナ１４から熱の供給を受けるスターリングエンジン１を備える。この熱は複数のフィン３からなる系（本願出願人が出願中の００２００１２号出願に開示されている系）によってヘッド部に伝えられ、排気筒を通って出て行く。

図１の装置は、補助バーナ１７で水流１６を熱するように配置されている温水器１５を有する。排気ガスは排気筒１８から放出される。

共通ガス供給ライン１９はバーナ１４及び補助バーナ１７の両者に対して設けられている。このガスの流れは単一の多機能弁２０によって調整される。バーナの点火と火炎の検出を行う機能は多機能制御装置に組み込まれていてもよい。多機能弁２０内のガスはベンチュリマニホールド２１の形態をとる混合室に入り、ファンで導入される空気流２２と混合される。

そのガスと空気の混合気は、次に分離弁２３に供給される。分離弁２３には第１バーナ出口２５及び第２バーナ出口２６に至る一つの入口２４がある。それぞれの出口への相対的な流量は軸線２８周りに回動可能なフラップ弁２７で調整される。フラップ弁２７の位置は制御装置で設定でき、フラップ弁２７はその設定した位置に、例えばサーボモータによって動かされる。別の例として、空気流は単一の吸気ファン６０の後で、前述の分離弁２３によって分けることもでき、分けられたそれぞれの空気流を多機能弁及び多機能制御装置（ガス混合気をそれぞれのバーナに対して正確に計量し供給するもの）に流入させることもできる。この装置は図２に示される。

スターリングエンジン１に供給された燃料と空気の混合気はバーナ装置を囲むカウリング２９の周囲を流れ、そしてバーナから出てくる高温ガス流によって熱せられる。流れ込んできた混合気に熱の一部を伝えた排気ガスは、マニホールド３０を通ってカウリングから出て温水器１５に入り、温水器１５内の補助バーナ１７の上流部分で水流１６を余熱するように水流１６（この水流１６は、スターリングエンジン冷却機３１内で既にある程度熱せられている）と接触する。補助バーナ１７は要求に応じて水流１６に対して補助的に熱を与えるために点火される。バーナ１４からの排気ガスは補助バーナ１７からの排気ガスと共に、排気筒１８を通って温水器１５から出る。

加熱装置の詳細は図３及び図４に示されており、この装置は補助バーナ１７及び温水器１５からなる。温水器１５は主軸線４０を有するほぼ円筒状のハウジング３９を備える。補助バーナ１７は放射方向外方に炎を出すように主軸線４０に沿って配置されている。

水は図３の右手側から左手側に向かって温水器１５に供給され、そこを通って、主軸線４０の周囲に円筒状のハウジング３９の外周部に向かって巻きつけられている一重螺旋管であるウォータダクト４１（多くの接続された部分から形成されてもよい）の周囲を流通する。ウォータダクト４１の個々の一コイル部分は軸線方向に扁平化されている。隣合うコイル部分同士は互いに接近して配置されているが、密着はされておらず、隣合うコイル部分間を熱気が通過できる。入口４２はスターリングエンジンからの排気ガスのためのものであって、温水器１５の中央の方に延設されている。その入口は円形室４３に導かれており、円形室４３は円形プレート４４、４５で仕切られていて、円形プレート４５は入口４２に対する開口部がある。環状ブラケット４６はプレート４４、４５の縁部とウォータダクト４１との間の隙間に渡されていて、円形室４３からの排気ガスの全てがウォータダクト４１のコイル部分間を通過するようになっている。円形室４３から第２の端部に向かって補助バーナ室４７があり、その補助バーナ室４７内に補助バーナ１７は火炎を放射する。補助バーナは第２の端部に向かって隣合うコイル部分を熱する。

円形室４３から第１の端部に向かって、出口４９を有する放出室４８がある。更に、この熱回収の最終段階の高効率性による凝縮液のための出口５０もある。

温水器１５の作用は次の通りである。水はウォータダクト４１を第１の端部から第二の端部へ螺旋状の経路で流通する。補助バーナ１７は補助バーナ室４３内に火炎を放射し、排気ガスは入口４２に入って円形室４３の中を通過する。これらの二つの高温流は放射状にウォータダクト４１のコイル部分間の隙間を通り、外環室５１に入って混合流を形成する。この混合流はそれから、矢印５２で示すように第1の端部に近接する部分のウォータダクト４１を通って還流する。従って、入ってきた水は最初にこの混合流によって暖められる。その水が第２の端部に向かって更に流れると、円形室４３から出てくるスターリングエンジンの排気ガスと出会って更に温められる。最後に、その水は補助バーナ１７からの高温ガスと出会い、第三段階の加熱が行われる。

この三段階加熱装置によって、効果的に水を暖めることができる。更に、図２から認識できるように、この三段階の加熱が可能とされる装置は特に小型化されていて費用と設置空間の節約ができる。

第１のスターリングエンジンの配置を示す概略図である。 第２のスターリングエンジンの配置を示す概略図である。 加熱装置の断面図である。 図３に示す装置の側面図である。

Claims (2)

1. スターリングエンジンと温水器とを備える家庭用の加熱・動力結合型のシステムであって、
   前記スターリングエンジンは可燃性のガスが供給される第１のバーナによって熱せられるように構成され、
   当該組立体は更に、前記スターリングエンジンから延び前記第１のバーナへの可燃性ガス導入口に接する排気ガス管を備え、前記第１のバーナに入る可燃性ガスを予熱し、その後、前記温水器で後に熱せられる水を熱するようになっており、
   前記温水器は前記水を熱する第２のバーナを有しており、
   当該システムは、前記排気ガス及び前記第２のバーナからのガスが前記水に熱を与えると混合流を形成するように構成され、該混合流は前記排気ガスの上流で水を熱するようになっているシステム。
2. 前記排気ガスによる加熱よりも上流側で前記水を熱するよう構成されたスターリングエンジン冷却機を更に備える、請求項１に記載のシステム。

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