JP6378944B2 - 輻射熱回収形ヒータと、それを用いたスターリングエンジンおよび焼却炉 - Google Patents

Description

本発明は、輻射熱回収形ヒータと、この輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とするスターリングエンジンと、この輻射熱回収形ヒータによって熱回収するようになされた焼却炉とに関するものである。

従来より、スターリングエンジンの高温熱交換器を、焼却炉内に露呈するように構成することは知られていた（例えば、特許文献１参照。）

特許第２５６４８４９号公報

しかし、上記従来の高温熱交換器は、熱交換性能を高める具体的な構成は開示されていない。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、熱交換性能を高めることができる輻射熱回収形ヒータと、それを利用したスターリングエンジンおよび焼却炉を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る輻射熱回収形ヒータは、熱媒体の往路と復路を有する伝熱管がヒータの取付け部に複数個配置されるに当って一方の通路の取付けピッチ円を小径とし、他方の通路の取付けピッチ円を大径とし、これらが容器内に収められ、容器が高温に露呈されることで、当該容器からの輻射熱を各伝熱管が吸収するようになされた輻射熱回収形ヒータであって、各伝熱管は、一方の通路および他方の通路が等間隔のピッチ角度で取付け部に配置され、一方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう他方の通路の投影面と完全重複しないように、所定角度だけ他方の通路のピッチ角度からずれた位置で取付け部に配置され、各伝熱管の一方の通路および／または他方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう投影面積が拡大するように、当該投影面に沿って拡大した扁平または楕円の加工部が形成され、容器は、有底円筒状に形成され、伝熱管を容器内に収めた状態で、容器の開口部周縁と、取付け部との間に間隙を形成した状態で設けられてなるものである。

上記輻射熱回収形ヒータにおいて、他方の通路に対して一方の通路は、ピッチ角度の半分の角度分ずれた位置で取付け部に配置されてなるものであってもよい。

上記課題を解決するための本発明に係るスターリングエンジンは、上記輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とするものである。

上記課題を解決するための本発明に係る焼却炉は、上記輻射熱回収形ヒータが、炉内の熱回収可能な空スペースに露呈するように設けられたものである。

以上述べたように、請求項１記載の本発明によると、各伝熱管は、一方の通路および他方の通路を等間隔のピッチ角度で取付け部に配置し、一方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう他方の通路の投影面と完全重複しないように、所定角度だけ他方の通路のピッチ角度からずれた位置で取付け部に配置しているので、熱放射する容器から一方の通路への輻射熱が他方の通路によって遮られることを防止することができる。したがって、容器から各伝熱管への直達熱伝達量の向上を図ることができる。また、各伝熱管の一方の通路および／または他方の通路は、容器から当該容器の中心方向に向かう投影面積が拡大するように、当該投影面に沿った扁平または楕円の加工部を形成しているので、加工部を形成していないものと比較して、容器から各伝達管への直達熱伝達量の向上を図ることができる。さらに、容器は、有底円筒状に形成し、伝熱管を収めた状態で、容器の開口部周縁と、取付け部との間に間隙を形成した状態で設けているので、容器の温度変化に追従することなく、当該容器からの輻射熱を伝熱管が吸収できる。

請求項２記載の本発明によると、他方の通路に対して一方の通路は、ピッチ角度の半分の角度分ずれた位置で取付け部に配置することで、前記した直達熱伝達量の向上を最大限に図ることができる。

請求項３記載のスターリングエンジンによると、上記輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とすることで、当該高温側熱交換器からの回収熱量の向上を図ることができる。

請求項４記載の焼却炉によると、上記輻射熱回収形ヒータを、炉内の熱回収可能な空スペースに露呈するように設けることで、焼却炉内の廃熱を効率良く回収することができることとなる。

本発明に係る輻射熱回収形ヒータを有するスターリングエンジンを焼却炉に設置した状態を示す焼却炉の部分断面図である。 本発明に係る輻射熱回収形ヒータを有するスターリングエンジンを焼却炉に設置した状態を示す部分端面図である。 図２におけるＩ−Ｉ線断面図である。 図３における他の投影面について説明する断面図である。 （ａ）は本発明に係る輻射熱回収形ヒータの他の実施の形態を示す部分端面図、（ｂ）は同部分断面図、（ｃ）および（ｄ）は同図（ｂ）のさらに他の実施形態を示 す部分断面図である。 （ａ）は本発明に係る輻射熱回収形ヒータのさらに他の実施の形態を示す部分端面図、（ｂ）は同部分断面図、（ｃ）および（ｄ）は同図（ｂ）のさらに他の実施の形態を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、輻射熱回収形ヒータ１を有するスターリングエンジン１０を焼却炉２に設置した状態を示し、図２は同焼却炉２におけるスターリングエンジン１０の部分を示し、図３は同スターリングエンジン１０における輻射熱回収形ヒータ１の要部を示している。

本発明に係る輻射熱回収形ヒータ１は、ヒータ１の取付け部１１に、複数本のＵ字伝熱管１２が放射状に配置され、これらが容器１３内に収められ、容器１３が高温に露呈されることで、当該容器１３からの輻射熱をＵ字伝熱管１２が吸収するようになされている。

取付け部１１は、円盤状に形成されている。本実施の形態においては、スターリングエンジン１０の高温側のシリンダヘッドを構成するようになされている。この取付け部１１の中心Ｃからは、放射状となるように、複数本のＵ字伝熱管１２が配置されている。

Ｕ字伝熱管１２は、Ｕ字状に屈曲形成された伝熱管であって、熱媒体の往路と復路を有している。その一方の通路１２１の取付けピッチ円が小径に形成され、他方の通路１２２の取付けピッチ円が大径で形成されている。この際、Ｕ字伝熱管１２は、取付け部１１の周方向に、等間隔のピッチ角度θで設けられている。ただし、内径側の一方の通路１２１は、容器１３が位置することとなる外周側から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと完全重複しないように、ピッチ角度θの半分の角度１／２θだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした角度αの位置で取付け部１１に配置されている。

容器１３は、前記放射状に配置された全てのＵ字伝熱管１２を、その内部に収めることができる有底円筒状に形成されており、Ｕ字伝熱管１２を容器１３内に収めた状態で、容器１３の開口部周縁と、取付け部１１との間に間隙を形成した状態で設けられる。すなわち、この容器１３は、高温下に曝露されるため、使用していない時との温度差が激しく、取付け部１１と容器１３とを厳密に固定してしまうと、使用時に高温下に曝露した際、容器１３内が高圧となり、熱歪みとなって容器１３の損傷を招くことになってしまう。したがって、容器１３の温度変化に追従することなく、当該容器１３からの輻射熱をＵ字伝熱管１２が吸収できるように、容器１３内には、取付け部１１との間に間隙を形成した状態でＵ字伝熱管１２が納められる。この容器１３は、ステンレスなどの金属、セラミックスまたはサーメットなどの耐熱性に優れた素材で形成されている。

このようにして形成される輻射熱回収形ヒータ１は、スターリングエンジン１０の高温側の熱交換器として使用される。このスターリングエンジン１０としては、輻射熱回収形ヒータ１から回収される熱を、当該スターリングエンジン１０の高温側熱源として使用することができるものであれば、特に限定されるものではなく、輻射熱回収形ヒータ１から回収される熱量に応じた各種のスターリングエンジン１０が使用される。

焼却炉２は、被焼却物を燃焼させた際に発生する燃焼ガスが高温となって、当該焼却炉２内を通過し、脱硫、脱塵などを経て煙道から排気されるように構成されている。前記したスターリングエンジン１０は、高温となった燃焼ガスが通過する部位である、例えば、二次焼却炉２１、の側壁部２１１に設けられた開口部２１１ａから、当該スターリングエンジン１０の輻射熱回収形ヒータ１の容器１３の部分を挿入し、容器１３のフランジ部１３１によって開口部２１１ａを塞ぎ、輻射熱回収形ヒータ１の容器１３の部分が、二次焼却炉２１内の空スペース２１０に露呈するように設けられる。ただし、スターリングエンジン１０を設ける位置としては、焼却炉２内の燃焼ガスが高温となって通過する場所であれば、二次焼却炉２１内の側壁部２１１に限定されるものではなく、その他にも二次焼却炉２１内の天井部や炉出口煙道などのように、焼却炉２内で高温となる部分の空スペースに輻射熱回収形ヒータ１を露呈させることができる位置であれば、特に限定されるものではない。

このようにして焼却炉２の二次焼却炉２１の側壁部２１１に設けることによって、当該二次焼却炉２１内の空スペース２１０に露呈させた輻射熱回収形ヒータ１は、焼却炉２の二次焼却炉２１内の焼却熱を受けて容器１３が全体的に加熱されることとなり、この容器１３内に収められたＵ字伝熱管１２は、容器１３からの輻射熱によって加熱されることとなる。

この際、Ｕ字伝熱管１２は、内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分の角度１／２θだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした角度αの位置で取付け部１１に配置することによって、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａが内径側の一方の通路１２１と完全重複しないようにしているので、容器１３から一方の通路１２１への輻射熱は、他方の通路１２２によって遮られることもなく、Ｕ字伝熱管１２全体が万遍なく輻射熱を受けることができることとなる。

したがって、輻射熱回収形ヒータ１による熱交換効率が向上するとともに、Ｕ字伝熱管１２の一部だけに輻射熱が集中してヒートスポットを生じることも防止できるので、Ｕ字伝熱管１２の耐久性も増すことができる。

なお、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａが内径側の一方の通路１２１と完全重複しないようにする構成であれば、上記のように特に内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした位置で取付け部１１に配置する構成に限定されるものではなく、ほんの少しの角度αだけずらした位置で一方の通路１２１を取付け部１１に配置する構成であっても良い。ただし、他方の通路１２２の投影面１２２Ａと一方の通路１２１とが完全重複しないようにすればするほど輻射熱を受ける面が広がって輻射熱の回収効率が高くなるので、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした角度αで一方の通路１２１を取付け部１１に配置する構成とすることが最も効果が得られる構成となる。

また、本実施の形態では、一方の通路１２１は、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと完全重複しないように構成されているが、図４に示すように、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと完全重複しないように構成されたものであってもよい。すなわち、容器１３は、周囲が円形となっており、一方向から熱が輻射されるのではなく、周方向から万遍なく熱が輻射される。したがって、一方の通路１２１は、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａとは重複する構成であったとしても、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと重複しない構成となっていれば、容器１３の周方向から回り込む輻射熱を吸収できることとなり、Ｕ字伝熱管１２の一方の通路１２１は、万遍なく輻射熱を受けることができる。

また、一方の通路１２１は、図３に示すように、中心Ｃと一方の通路１２１の中心１２１Ｃとをつなぐ直線が一方の通路１２１の外周と接する点１２１Ｒが、容器１３からの輻射熱を最も正面から受けるので、輻射熱の吸収を考えると、この点１２１Ｒが、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと重複しないように、ずらす角度αの設定をすることが好ましく、より好ましくは図４に示すように、この点１２１Ｒが、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと重複しないように、ずらす角度αの設定をすることが好ましい。

この角度αとしては、取付け部１１に設けるＵ字伝熱管１２の数が多い場合には調整幅が少なくなる。このような場合であっても、内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした位置とした場合は、容器１３から中心Ｃに向かって収束する他方の通路１２２の投影面１２２Ｂと内径側の一方の通路１２１との重複を最小限にすることができるので、輻射熱を吸収することを考慮した構造としては最も好ましい。

また、上記とは逆に取付け部１１に設けるＵ字伝熱管１２の数が少ない場合には、ずらす角度αに余裕を生じる。このような場合には、Ｕ字伝熱管１２は、内径側の一方の通路１２１を、ピッチ角度θの半分１／２θの角度αだけ他方の通路１２２の配置位置からずらした位置で取付け部１１に配置することに限定されるものではなく、他方の通路１２２の前記した投影面１２２Ａ，１２２Ｂが内径側の一方の通路１２１と重複しない範囲であれば、何度ずらす角度αを変更するものであってもよい。

図５は、本発明に係る輻射熱回収形ヒータ１の他の実施の形態を示している。すなわち、この輻射熱回収形ヒータ１は、Ｕ字伝熱管１２の内径側となる一方の通路１２１に扁平または楕円加工した加工部１２３形成し、容器１３からの中心Ｃに向かう一方の通路１２１の投影面積１２１Ａを、容器１３から中心Ｃに向かう加工部１２３の投影面積１２３Ａへと拡大を図ったものである。この構成により、加工部１２３の投影面積１２３Ａは、一方の通路１２１の投影面積１２１Ａから扁平または楕円に加工することにより拡大を図った分だけ多くの輻射熱を吸収することができるので、熱交換効率の向上を図ることができる。

なお、この場合も、Ｕ字伝熱管１２の内径側となる一方の通路１２１は、容器１３から中心Ｃに向かう他方の通路１２２の投影面１２２Ａと重複しないことが好ましいが、仮に重複したとしても、輻射熱を吸収することができる一方の通路１２１の投影面積１２１Ａを、加工部１２３の投影面積１２３Ａへと拡大を図ったことには変わりがない。したがって、図６に示すように、Ｕ字伝熱管１２の一方の通路１２１が、他方の通路１２２の配置位置とずれておらず、同じピッチ角度θで取り付けられたものであっても、同様の構成で扁平または楕円に加工しなかった場合と比較すると輻射熱の吸収効果は増大する。

よって、Ｕ字伝熱管１２は、図５に示すように、他方の通路１２２に対して一方の通路１２１をずらしてＵ字伝熱管１２の一方の通路１２１に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図５（ｂ））、または他方の通路１２２に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図５（ｃ））、その両方に加工部１２３，１２３を形成するものであってもよい（図５（ｄ））。また、図６に示すように、他方の通路１２２に対して一方の通路１２１をずらさずにＵ字伝熱管１２の一方の通路１２１に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図６（ｂ））、または他方の通路１２２に加工部１２３を形成するものであってもよいし（図６（ｃ））、その両方に加工部１２３，１２３を形成するものであってもよい（図６（ｄ））。

上記実施例のヒータは、焼却炉２の内部に露呈するためにＵ字伝熱管１２の腐食防止の観点から容器１３で覆った輻射熱回収形ヒータ１として構成したが、流動炉等の腐食防止の可能性が小さい炉に適用する場合は、容器１３で覆う必要がない。すなわち、輻射型でなく伝熱管がガスと直接熱伝達を行う形式のヒータにも適用できる。また、熱回収用だけでなく、放熱用（すなわち冷熱用）にも適用できる。

１ 輻射熱回収形ヒータ
１０ スターリングエンジン
１１ 取付け部
１２ Ｕ字伝熱管
１２１ 一方の通路
１２２ 他方の通路
１２２Ａ 投影面
１２３ 加工部
１２３Ａ 投影面
１３ 容器
２ 焼却炉
２１ 二次焼却炉
２１０ 空スペース
θ ピッチ角度
α 角度

Claims (4)

1. 熱媒体の往路と復路を有する伝熱管がヒータの取付け部に複数個配置されるに当って一方の通路の取付けピッチ円を小径とし、他方の通路の取付けピッチ円を大径とし、これらが容器内に収められ、容器が高温に露呈されることで、当該容器からの輻射熱を各伝熱管が吸収するようになされた輻射熱回収形ヒータであって、
   各伝熱管は、一方の通路および他方の通路が等間隔のピッチ角度で取付け部に配置され、一方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう他方の通路の投影面と完全重複しないように、所定角度だけ他方の通路のピッチ角度からずれた位置で取付け部に配置され、各伝熱管の一方の通路および／または他方の通路は、容器から当該容器の中心に向かう投影面積が拡大するように、当該投影面に沿って拡大した扁平または楕円の加工部が形成され、
   容器は、有底円筒状に形成され、伝熱管を容器内に収めた状態で、容器の開口部周縁と、取付け部との間に間隙を形成した状態で設けられてなることを特徴とする輻射熱回収形ヒータ。
2. 他方の通路に対して一方の通路は、ピッチ角度の半分の角度分ずれた位置で取付け部に配置されてなる請求項１記載の輻射熱回収形ヒータ。
3. 請求項１または２に記載の輻射熱回収形ヒータを高温側熱交換器とするスターリングエンジン。
4. 請求項１または２に記載の輻射熱回収形ヒータが、炉内の熱回収可能な空スペースに露呈するように設けられた焼却炉。

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