JPH01240757A

JPH01240757A - スターリングエンジン用加熱器

Info

Publication number: JPH01240757A
Application number: JP6579488A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sakuma; 勉佐久間; Sei Hisaoka; 久岡　聖
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1988-03-22
Publication date: 1989-09-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、スターリングエンジンにおける作動流体を加
熱するための加熱器に係り、特に燃焼システムを用いた
加熱器に関する。

（従来の技術）最近、省エネルギーの一環としてスターリングエンジン
が注目されている。スターリングエンジンは種々の方式
のものがあるが、例えば２ピストン方式のものを例にと
ると、それぞれ膨張シリンダと圧縮シリンダ間に再生器
を接続し、この再生器と膨張シリンダ間の流路において
作動流体を加熱し、再生器と圧縮シリンダ間の流路で作
動流体を冷却する構成となっている。この機関は理論的
熱効率が高く、あらゆる熱源を使用できるという特徴を
持つ。

ところで、スターリングエンジンにおける作動流体の加
熱器は通常、ガスまたは液体燃料により燃焼火炎を形成
する燃焼室と、この燃焼室内において輻射および対流に
より作動流体に熱を伝える熱交換器とを主体として構成
される。

このようなスターリングエンジン用加熱器においては、
燃焼室内で発生する高温ガスは作動流体を加熱した後に
おいても７００〜８００℃程度の高温を保っている。こ
のため、スターリングエンジン用加熱器では一般に加熱
後における高温ガスの排熱回収を目的として、燃焼用空
気と燃焼排ガスとの間で熱交換を行なわせるために空気
予熱器をさらに配置し、燃焼用空気を予熱してから燃焼
室に供給することによって効率向上を図っている。

しかしながら、燃焼用空気の予熱は光化学スモッグの原
因物質である窒素酸化物（ＮＯＸ）の排出を伴なうとい
う問題がある。しかもＮＯｘの生成量は温度依存性が大
きく、予熱温度の上昇に伴なって指数関数的に増大する
。

ＮＯｘの低減化の一つの手法として、燃焼用空気中に燃
焼排ガスを混入させる排ガス再循環方式が知られている
。この方式を具体的に実現するための手段としては、吸
引器やエジェクタのような負圧発生装置がある。これは
空気を吸入することにより混合器内に負圧を発生させ、
この負正によって燃焼排ガスを引込んで燃焼用空気と混
合させるものである。ところが、混合器内に導かれる燃
焼排ガスの温度は２００℃程度であることから、空気と
混合すると凝縮が起こり、混合器内に凝縮水が溜ってし
まう。混合器に溜った凝縮水がブロア内あるいは空気予
熱器内に流入すると、腐蝕や故障の原因となる。

また、着火時にも上記のような排ガス再循環を行なうと
、着火性が悪くなってしまう。さらに定常運転時におい
ても必要以上の排ガス再循環量を与えた場合には、燃焼
ガスの温度が下がって効率の低下を招くとともに、新人
の原因ともなり、またブロアに過大な動力を与えること
になる。

（発明が解決しようとする課８）このように吸引器のような負圧発生装置をスターリング
エンジンの加熱器における排ガス再循環に用いると、混
合器に凝縮水が溜まって構成部品の腐蝕や故障の原因と
なる。また、軌道時に着火性が悪くなったり、定常運転
時の燃焼状態が不安定になる。

本発明は混合器内で発生する凝縮水を混合器内の負圧を
維持しつつ排出できるとともに、着火時の低ＮＯｘ下で
熱入力を増大させる時には排ガス再循環量を抑えて着火
性を良好にし、さらに定常運転時のＮＯｘ増大時には排
ガス再循環量を増加させてＮＯｘ発生量を抑えることが
できる低公害・高効率のスターリングエンジン用加熱器
を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は上記目的を達成するため、混合器の下部に空気
の吸入と凝縮水の排出を行なうための、側面に開口部を
有する吸排管を連通させ、この吸排管の開口部を取囲む
ように、上部が開放されたドレンボットを配置したもの
である。

また、本発明ではドレンボットの下部に電磁弁を備えた
排水管を連通させ、電磁弁を開にすることによって凝縮
水を任意のときに排出できるようにしている。

さらに、本発明ではドレンボットを上下動させるための
電磁ソレノイド機構等による駆動装置を設けることによ
って、開口部の開度調整を可能にしている。

（作　用）スターリングエンジンの起動時には、電磁弁が開となっ
てドレンボット内の凝縮水が排出され、その後電磁弁が
閉となってから着火が開始される。

着火時は立上り時間を短縮させるためフロア動力を最大
にして熱入力を増大させるが、空気は空気ノズルのみで
なく吸排管からも吸引されるため、混合器内の負圧は小
さく保たれ、排ガス再循環量は少ない。定常状態に近付
くと、混合器内で発生した凝縮水が徐々にドレンボット
内に溜り、吸排管の開口部が徐々に閉じられる。このた
め混合器内の負圧が増大し、排ガス再循環量が増加する
。

すなわち、温度が低くＮＯｘ発生量が少ない着火時には
、排ガス再循環量が少なくなってフロア負荷が低く抑え
られ、またＮＯｘ発生量が多い定常運転時には、排ガス
再循環量が増加することによってＮＯｘの発生が効果的
に抑制される。

混合器内で発生した凝縮水は、ドレンボットの開放され
た上部からオーバーフローによりて徐々に排出されるの
で、凝縮水排出時に混合器内の負圧状態を損なうことは
ない。

また、凝縮水が溜ったドレンボットを駆動装置によって
上下動させ、吸排管の開口部の開度を調整すると、混合
器内の負圧の大きさが変わることにより、排ガス再循環
量の制御が可能となる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の一実施例に係る２ピストン式スターリング
エンジンの概略構成を示す断面図である。

第１図に示すように、このスターリングエンジンは作動
流体を膨脹させるための膨脹シリンダ１および膨脹シリ
ンダ１内に摺動自在に装着された膨脹ピストン２と、作
動流体を圧縮させるための圧縮シリンダ３および圧縮シ
リンダ３内に摺動自在に装着された圧縮ピストン４との
間に、燃焼式加熱器５と再生器６および冷却器７を配置
し、さらに膨張ピストン２および圧縮ピストン４にそれ
ぞれコネクティングロッド８．９を介してクランクケー
ス１１内に回転自在に設けられたクランク軸１０を連結
した基本構造を有する。なお、クランク軸１０は図示し
ない出力軸に連結されている。

また、膨脹シリンダ１と膨脹ビス！・ン２とで囲まれた
空間、再生６６と冷却器７および後述する熱交換器１６
の内部、圧縮シリンダ３と圧縮ビスＩ・ン４とで囲まれ
た空間からなる作動空間に作動流体、例えばＨｃガスが
封入されている。

一方、燃焼式加熱器５は次のように構成されている。膨
脹シリンダ１のシリンダヘッド１２の上方に、例えばセ
ラミックス製の断熱ブロック１３により略円筒状の燃焼
室１４が形成されている。

この燃焼室１４の下方の局部は燃焼ガス出口部となって
おり、この燃焼ガス出口部に位置して、伝熱フィン１５
を備えたバイオネット管からなる伝熱管によって構成さ
れた複数の金属製熱交換器１６がほぼ垂直に同心円上に
立設されている。熱交換器１６はそれぞれの内部に形成
された作動流体通路の一端側が膨脹シリンダ１の内側に
連通し、他端側がシリンダヘッド１２内に形成されたマ
ニホルドを介して再生器６に連通している。なお、熱交
換器１６を構成する伝熱管は、特にバイオネット管に限
定されない。

燃焼室１４の上方にはガスノズル１７が配置されている
。また、断熱ブロック１３の周囲には、燃焼用空気を燃
焼排ガスとの熱交換により予熱する空気予熱器１８が配
置されている。空気予熱器１８は吸気筒１９から燃焼用
空気を吸入し、燃焼室１４から排気筒２０を経て排出さ
れる燃焼排ガスの熱によって予熱する。そして、この予
熱された燃焼用空気がスワラ−２１によって燃焼室１４
内に旋回供給される。

吸気筒１９には空気通路２２を介して燃焼用空気を供給
するブロア２３が接続され、ブロア２３の吸込み側に、
断面テーパ状の容器２４とその内側に設けられた空気ノ
ズル２５からなる混合器２６の容器２４の出口部が接続
されている。この混合器２６の容器２４には、排気筒２
０と連通している排ガス通路２７が接続されている。

さらに、混合器２６の容器２４の下方には、空気の吸入
と凝縮水の排出を行なうための吸排管２８が接続されて
いる。この吸排管２８は側面と下端部に開口部２９を有
する。

そして、吸排管２８の下部周囲に、上部が開放されたド
レンボット３０が開口部２９を取囲むように配置されて
いる。このドレンボット３ｏの下部には、これを上下動
させるための駆動装置３３、例えば電磁ソレノイド機構
が連結されている。

尚、ブロア２３．電磁弁３２及び駆動装置３３等は、図
示しないコントローラによって制御される。また、加熱
器５内の空気比を求めるために酸素センサ３４が燃焼室
１４内に挿入されている。

次に、本実施例のスターリングエンジンの作用を説明す
る。燃焼室１４内にガスノズル１７からガス燃料を噴射
するとともに、燃焼用空気を空気予熱器１８を通してス
ワラ−２１から供給することによって燃焼火炎を形成し
た状態で、クランク軸１０に連結されている出力軸を外
部動力源によって一時的に回転させると、クランク軸１
０およびコネクティングロッド８，９を介して膨脹ピス
トン２および圧縮ピストン４がある位相差をもって往復
動する。この往復動によって膨脹ピストン２が圧縮行程
に移ると、膨脹シリンダ１内の作動流体（Ｈｅ）が熱交
換器１６．再生器６および冷却器７を介して圧縮シリン
ダ３内に流入し、膨脹ピストン２が上死点に達した時点
で作動流体のほとんどが圧縮シリンダ３内に流れ込む。

このとき、作動流体は再生器６を通過する間にその保有
している熱が再生器６に奪われ、次いで冷却器７によっ
て冷却される。出力軸の回転に伴なって圧縮ピストン４
が下死点から上死点に向けて移動を開始すると、圧縮シ
リンダ３内の低温の作動流体が圧縮され、それまでとは
逆の経路で膨脹シリンダ１内に流入する。このとき、作
動流体は再生器６を通過する間に吸熱して高温に加熱さ
れ、次に熱交換器１６を通過する際さらに加熱される。

膨脹シリンダ１内に流入した高温の作動流体は、膨脹し
て膨脹ピストン２を押し下げる。以後、上述した動作が
繰返され、外部動力源を断った状態でも出力軸が回転を
継続し、スターリングエンジンとしての動作がなされる
。

次に、本発明に基づく加熱器５の動作を詳しく説明する
。

着火前に加熱器５の温度を検出し、温度レベルに応じて
熱入力の大小がコントローラによって決定される。加熱
器５がもし低温状態であれば、エンジンの自立運転到達
までの時間短縮のため熱入力は増大される。また、着火
後しばらくはＮＯｘ発生量の増大もない。そこで、電磁
弁３２を一時開にしてドレンポット３０内の凝縮水を排
出する。

電磁弁３２を開にした後、ブロア２３を駆動して着火す
ると、空気は空気ノズル２５の他に吸排管２８の開口部
２９からも吸入されるため、混合器２６内は比較的小さ
い（大気圧に近い）負圧となる。このため少量の排ガス
が排ガス通路２７を通して混合器２６内に吸入されて再
循環するので、着火性が良好となる。

そして、加熱器５の温度が上昇するとともに、混合器２
６内では空気と吸入された排ガスが混合し始めるので、
それに伴い徐々に発生した凝縮水がドレンボット３０に
溜る。加熱器５の温度がさらに上昇すると、ＮＯｘ発生
量が増加するが、凝縮水が徐々に吸排管２８の開口部２
９を閉じるため、混合器２６内の負圧が増大し、排ガス
再循環量も増加する。これによりＮＯｘの発生が抑制さ
れる。

長時間の運転中にドレンポット３０に溜った凝縮水は、
ドレンボット３０の上部からオーバーフローすることに
よって排出される。

また、ＮＯｘ発生量は加熱器５の温度、熱入力。

空気比で推計１することができ、これを目標値に保つた
めに必要な排ガス再循環量は混合器２６内の負圧の大き
さによって決定することができる。これらの関係から、
熱入力の可変時や消火後再び着火する場合等における排
ガス再循環量の微妙な制御は、ドレンボット３０を駆動
装置３３によって上下動させ、吸排管２８の開口部２９
の開度を調整することによって可能となる。

［発明の効果］本発明によれば、混合器の下部に側面に開口部を持つ吸
排管を連通させて、空気吸入と凝縮水の排出を行ない、
さらに吸排管の開口部周囲に上部が開放されたドレンボ
ットを配置することによって、ドレインポット上部から
の凝縮水のオーバーフローにより、混合器内の負圧を維
持しながら凝縮水の排出を行なうことが可能である。こ
れによりブロア等への凝縮水の流入がなくなり、腐蝕や
故障を防止することができる。

また、ドレインポットに呵る凝縮水による吸排管の開口
部の開度変化によって、着火時には排ガス再循環量を少
なくして着火性を良好にし、定゛常運転時には排ガス再
循環量を大きくしてＮＯｘの発生を抑えることができる
。この場合、ＮＯｘ発生量に応じた排ガス再循環量が与
えられるため、ブロアに過大な動力を与えることがなく
、安定した低ＮＯｘ化燃焼が高効率で得られる。

また、本発明ではドレンボットの底部に凝縮水排出時に
開となる電磁弁を備えた排水管を連通させることにより
、起動時に排ガス再循環量が少なくなるようにドレンボ
ット内の凝縮水を容易に排出することができる。

さらに、本発明によればドレンボットを上下動させるた
めの駆動装置を備えたことにより、吸排管の開口部の開
度調整ができ、これにより混合器内の負圧の大きさを変
えて排ガス再循環量の微調整を行なうことが可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るスターリングエンジン
の構成を示す図である。１・・・膨張シリンダ、２・・・膨張ピストン、３・・
・圧縮シリンダ、４・・・圧縮ピストン、５・・・加熱
器、６・・・再生器、７・・・冷却器、８．９・・・コ
ネクティングロッド、１０・・・クランク軸、１１・・
・クランクケース、１２・・・膨張シリンダヘッド、１
３・・・断熱ブロック、１４・・・燃焼室、１５・・・
伝熱フィン、１６・・・熱交換器、１７・・・ガスノズ
ル、１８・・・空気予熱器、１９・・・吸気筒、２０・
・・排気筒、２１・・・スワラ−１２２・・・空気通路
、２３・・・ブロア、２４・・・容器、２５・・・空気
ノズル、２６・・・混合器、２７・・・排ガス通路、２
８・・・吸排管、２９・・・開口部、３０・・・ドレン
ボット、３１・・・排水管、３２・・・電磁弁、３３・
・・駆動装置、３４・・・酸素センサ。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃焼室と、この燃焼室内に設けられ作動流体を加
熱する熱交換器とを有するスターリングエンジン用加熱
器において、前記燃焼室へ空気を供給するブロアと、こ
のブロアの吸込み側に設けられ、空気ノズルを有する混
合器と、この混合器内に前記燃焼室から排出される燃焼
排ガスの一部を導く排ガス通路と、前記混合器の下部に
連通して設けられ、空気の吸入と凝縮水の排出を行なう
ための側面に開口部を有する吸排管と、この吸排管の前
記開口部を取囲むように配置され、上部が開放されたド
レンポットとを備えたことを特徴とするスターリングエ
ンジン用加熱器。
（２）前記ドレンポットの底部に凝縮水を排出するため
の排水管を連通させ、この排水管に凝縮水の排出時に開
となる電磁弁を設けた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器。
（３）前記ドレンポットを上下動させる駆動装置を設け
たことを特徴とする請求項１または２に記載のスターリ
ングエンジン用加熱器。