JP4906614B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーナの燃焼に伴う燃焼騒音を抑制する技術に関する。

家庭用のコージェネレーションシステムが開発されている。家庭用のコージェネレーションシステムには、ガス燃料の燃焼熱を利用して交流電力を発生するスターリングエンジンを用いた発電装置が適している。スターリングエンジンを用いた発電装置には、以下のような利点がある。
（１）熱負荷の変動に対する応答が速い。
（２）加熱源が発電装置の外部にあり、熱回収がしやすい。
（３）装置そのものが小型であり、爆発燃焼が不要なため静粛性が高い。

スターリングエンジンを用いた発電装置では、エンジンに熱を供給するために種々のバーナが用いられている。例えば特許文献１には、加熱手段として環状バーナを用いる構成が記載されている。特許文献２には、加熱手段として全一次燃焼の板バーナを用いる構成が記載されている。

スターリングエンジンを用いた発電装置において、バーナを加熱源として用いる場合には、燃焼騒音の発生が問題となることがある。燃焼騒音の発生は、バーナの火炎の振動によって、燃焼ガスに大きな圧力変動が生じることに起因すると考えられている。この燃焼騒音が発電装置内の機器と共鳴すると、大きな騒音を引き起こしてしまう。本出願人は、これまでにもバーナの燃焼騒音を抑制するために種々の技術を開発してきた。例えば特許文献３では、大中小の３種の炎口を格子状に配列し、大炎口を中心とする窪みを設けて、窪みが小炎口の一部を含むように配置することで、燃焼騒音を抑制する技術を開示している。特許文献４では、所定の周期的なパターンで炎口を形成したバーナプレートにおいて、一部の炎口を閉塞することによって、燃焼騒音を抑制する技術を開示している。

特表２００５−５２５４９９号公報 特開２００７−１１３４２５号公報 特開平６−１４７４３４号公報 特開平１１−３５１５２２号公報

特許文献３や特許文献４の技術を用いることで、バーナの燃焼に伴う燃焼騒音をある程度は抑制することができるが、さらに効果的に燃焼騒音を抑制することが可能な技術が待望されている。

本発明では上記課題を解決する。本発明では、バーナの燃焼に伴う燃焼騒音を効果的に抑制することが可能な技術を提供する。

本発明は全一次燃焼用のバーナに用いられるバーナプレートとして具現化される。そのバーナプレートは、その表面に、複数の単位炎口が周期的に配置された第１領域と、単位炎口が分散して配置された第２領域が形成されている。そのバーナプレートにおいては、第１領域と第２領域は重複していない。そのバーナプレートにおいては、第２領域の単位炎口が、その単位炎口から最も近接する単位炎口までの間隔が、第１領域での単位炎口間の間隔よりも大きくなるように配置されている。

このバーナプレートでは、第１領域の複数の単位炎口からの火炎の周期性に伴う連成振動が、第２領域の分散配置された単位炎口からの火炎との相互作用によって乱され、燃焼ガスの圧力変動が弱められる。バーナプレートとしてこのような構成を採用することによって、バーナの燃焼に伴う燃焼騒音を抑制することができる。

上記のバーナプレートは、前記単位炎口が、大口径の主炎口と、主炎口の周囲に配置された小口径の補助炎口を備えていることが好ましい。

このバーナプレートでは、主炎口からの火炎と、補助炎口からの火炎が互いに干渉し合い、安定した火炎を形成することができる。火炎の振動が抑制されて、バーナの燃焼時の燃焼騒音をさらに抑制することができる。

なお本発明は、上記したバーナプレートを備えるバーナを加熱手段として用いる、スターリングエンジンを用いた発電装置として具現化することもできる。静粛性の高い発電装置を実現することができる。

本発明によれば、バーナの燃焼に伴う燃焼騒音を効果的に抑制することができる。

以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（形態１）第１領域では、多数の単位炎口が格子状に密集して配置されている。

本発明を具現化した発電装置１００の一実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図１の発電装置１００は、フリーピストン型のスターリングエンジン１０２と、ガスの燃焼によってスターリングエンジン１０２の加熱部１０２ａに熱を供給する燃焼器１０４と、スターリングエンジン１０２および燃焼器１０４を支持する支持フレーム１０６を備えている。

スターリングエンジン１０２は、図示されないディスプレーサとパワーピストンを内部に備えている。スターリングエンジン１０２の頂部に位置する加熱部１０２ａを燃焼器１０４が加熱することで、スターリングエンジン１０２の内部の作動流体に熱エネルギーが供給され、ディスプレーサとパワーピストンが往復運動して、交流電力を発生させる。スターリングエンジン１０２は、支持ロッド１１０を介して支持フレーム１０６から懸架されている。

燃焼器１０４は、スターリングエンジン１０２の加熱部１０２ａを覆うように、支持フレーム１０６に載置されている。燃焼器１０４は、バーナ１０８と、給気流路１１６と、燃焼排気流路１１８と、排気筒１２０等を備えている。給気流路１１６には図示されない給気ファンによって空気が送り込まれる。給気流路１１６にはガスノズル１１４が設けられており、給気ファンによって送り込まれた空気はガスノズル１１４からの燃料ガスと混合し、予混合ガスとしてバーナ１０８に供給される。バーナ１０８は全一次燃焼用のバーナであって、貫通孔が形成されたバーナプレート１１２と、バーナプレート１１２から噴出する予混合ガスに着火する図示されない点火プラグを備えている。バーナプレート１１２はセラミック製の耐熱板であって、スターリングエンジン１０２の加熱部１０２ａと対向して配置されている。バーナプレート１１２の貫通孔を通過した予混合ガスは、加熱部１０２ａに対向する表面に形成された炎口から噴出し、燃焼熱によって加熱部１０２ａを加熱する。加熱部１０２ａを加熱した後の燃焼排ガスは、燃焼排気流路１１８を流れる間に熱回収されて、排気筒１２０から排気される。

図２はバーナプレート１１２の表面の炎口配置を示している。バーナプレート１１２の表面には、多数の単位炎口２０６が周期的に配置された第１領域２０２と、４つの単位炎口２０８が配置された第２領域２０４が形成されている。第１領域２０２はバーナプレート１１２の表面に幅広の六角形状に形成されている。第２領域２０４は第１領域２０２よりも内側に、第１領域２０２と重複しないように形成されている。第１領域２０２では、多数の単位炎口２０６が二次元の六角格子を形成するように、密集して配置されている。第２領域２０４では、それぞれの単位炎口２０８が、第１領域２０２の単位炎口２０６からも、第２領域２０４の他の単位炎口２０８からも、距離を置くように分散して配置されている。言い換えると、第２領域２０４の単位炎口２０８は、その単位炎口２０８から最も近接する他の単位炎口２０６または２０８までの間隔が、第１領域２０２における単位炎口２０６同士の間隔よりも大きくなるように配置されている。スターリングエンジン１０２の加熱部１０２ａは、バーナ１０８が燃焼すると、第１領域２０２と対向する部分では強力な火力によって加熱され、第２領域２０４と対向する部分では微弱な火力によって加熱される。このような構成を採用することで、加熱部１０２ａの中央部分の過熱が抑制される。

以下では本実施例のバーナプレート１１２の表面に配置された単位炎口２０６および２０８について説明する。単位炎口２０６と単位炎口２０８は、同様の構成を備えているから、以下では単位炎口２０６を例として説明する。図３は単位炎口２０６の構成を拡大して示している。単位炎口２０６は、中央に配置された直径１．９ｍｍの大炎口３０２と、大炎口３０２を囲うように配置された直径１．３ｍｍの４つの中炎口３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃおよび３０４ｄと、大炎口３０２を囲うように各中炎口３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃおよび３０４ｄの間に配置された、直径１．０ｍｍの４つの小炎口３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃおよび３０６ｄから構成されている。大炎口３０２は主炎口とも呼ばれ、中炎口３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄおよび小炎口３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄは補助炎口とも呼ばれる。

本実施例のバーナプレート１１２では、それぞれの単位炎口２０６において、大炎口３０２の周囲を中炎口３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃおよび３０４ｄが囲うように配置されている。これによって、大炎口３０２から噴出される予混合ガスの燃焼による火炎と、中炎口３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃおよび３０４ｄから噴出される予混合ガスの燃焼による火炎が互いに干渉し合い、安定した火炎を形成することができる。さらにバーナプレート１１２では、それぞれの単位炎口２０６において、大炎口３０２の周囲を囲うように、中炎口３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃおよび３０４ｄの間に小炎口３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃおよび３０６ｄが配置されているため、大炎口３０２と中炎口３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄの火炎が、小炎口３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄの火炎と互いに干渉し合って、さらなる火炎の安定化を図ることができる。

また、図４の縦断面図に示すように、単位炎口２０６では、大炎口３０２と同心状に頂角θの円錐型の窪みＤが形成されている。窪みＤはその外縁が各小炎口３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄにかかるように形成されている。この窪みＤによって、大炎口３０２からの火炎に小炎口３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄからの火炎が併合されやすくなり、より安定した火炎が形成される。

図２に示すように、バーナプレート１１２の表面には、多数の単位炎口２０６が周期的に配置された第１領域２０２が形成されている。このため、バーナ１０８を燃焼させると、第１領域２０２の各単位炎口２０６からの火炎の連成振動によって、燃焼ガスに大きな圧力変動が生じ、燃焼騒音が発生する場合がある。発電装置１００の運転中に、この燃焼騒音がスターリングエンジン１０２や燃焼器１０４と共鳴すると、大きな騒音を発生させてしまうことになる。

しかしながら、本実施例のバーナプレート１１２では、第１領域２０２の内側の第２領域２０４に、他の単位炎口から距離を置くように分散配置された単位炎口２０８が配置されている。第２領域２０４の単位炎口２０８からの火炎は、第１領域２０２の各単位炎口２０６からの火炎の規則性を乱し、各単位炎口２０６からの火炎の連成振動を弱めるように作用する。バーナプレート１１２の表面に単位炎口２０８が存在することによって、バーナ１０８を燃焼させた際の燃焼騒音を抑制することができる。静粛な発電装置１００を実現することができる。

なお本実施例では、バーナプレート１１２の第２領域２０４に、４つの単位炎口２０８を形成する場合について説明したが、第２領域２０４での単位炎口２０８の配置の仕方はこれに限られない。第１領域２０２の各単位炎口２０６からの火炎の規則性を乱すような配置であれば、どのように単位炎口２０８を配置しても、バーナ１０８の燃焼時の燃焼騒音を抑制することができる。例えば図５に示すように、第２領域２０４に単位炎口２０８を６つ配置してもよいし、図示はしないが、第２領域２０４に単一の単位炎口２０８を配置してもよい。

なお本実施例では表面が平らな円盤状のバーナプレート１１２を例として説明したが、バーナプレート１１２の表面形状はこれに限らず、例えば表面が凸状や凹状のものであってもよい。あるいは、バーナプレート１１２の全体形状は、円盤状ではなく、矩形や多角形であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１は発電装置１００の構成を模式的に示す図である。 図２はバーナプレート１１２の表面の炎口配置の例を示す図である。 図３は単位炎口２０６の構成を拡大して示す図である。 図４は単位炎口２０６の縦断面を示す図である。 図５はバーナプレート１１２の表面の炎口配置の他の例を示す図である。

符号の説明

１００：発電装置
１０２：スターリングエンジン
１０２ａ：加熱部
１０４：燃焼器
１０６：支持フレーム
１０８：バーナ
１１０：支持ロッド
１１２：バーナプレート
１１４：ガスノズル
１１６：給気流路
１１８：燃焼排気流路
１２０：排気筒
２０２：第１領域
２０４：第２領域
２０６、２０８：単位炎口
３０２：大炎口
３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ：中炎口
３０６ａ、３０６ｂ、３０６ｃ、３０６ｄ：小炎口

Claims (2)

1. バーナプレートを備える全一次燃焼用のバーナを加熱手段として用いる、スターリングエンジンを用いた発電装置であって、
   前記バーナプレートの表面に、複数の単位炎口的に配置された第１領域と、単位炎口が分散して配置された第２領域が形成されており、
   第１領域と第２領域は重複しておらず、
   第２領域の単位炎口が、その単位炎口から最も近接する単位炎口までの間隔が第１領域での単位炎口間の間隔よりも大きくなるように配置されており、
   第１領域が第２領域の周囲を囲うように配置されており、
   前記バーナプレートが、前記スターリングエンジンの加熱部に対向して配置されている、発電装置。
2. 前記単位炎口が、大口径の主炎口と、主炎口の周囲に配置された小口径の補助炎口を備えている、請求項１に記載の発電装置。

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