JPH01244151A - スターリングエンジン用高温熱交換器 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スターリングエンジンにおいて作動流体を加
熱するための高温熱交換器に係り、特に耐久性・加熱効
率を向上させた高温熱交換器に関する。

［従来の技術］ 最近、省エネルギ化の一環としてスターリングエンジン
が見直され、熱心な研究が行われている。スターリング
エンジンには種々の形態のものがあるが、たとえば２ピ
ストン方式のものを例にとると、それぞれパワーピスト
ンを内蔵した２つのパワーシリンダ間に再生器を閉流路
構成に接続するとともに再生器の一端と一方のパワーシ
リンダとの間の流路を高温熱交換器で加熱し、再生器の
他端と他方のパワーシリンダとの間の流路を低温熱交換
器で冷却するように構成されている。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長を
有している。

このようなスターリングエンジンの高温熱源部は通常、
ガス燃料あるいは液体燃料を燃焼させる燃焼室と、この
燃焼室内に配置され高温燃焼ガスでスターリングエンジ
ンを動作させるのに必要な作動流体を加熱する高温熱交
換器と、燃焼排ガスで燃焼用空気を予熱する空気予熱器
とで構成されている。空気予熱器は排ガスの熱を回収し
て燃焼用空気を高温にし、これによって燃焼火炎温度を
高めて効率を上げるためのものである。

従来の高温熱交換器は、通常、バーナを上部に備えた燃
焼室内に複数の伝熱管をバーナの軸心線を中心として環
状に配列するとともに、この環状配列にバーナの軸心線
に沿って所定間隙で環状の伝熱フィンを取付け、燃焼ガ
スを環状配列の内側から各伝熱管の間を通して外側に向
けて通流させることによって作動流体を加熱する方式を
採用している。

このような従来の高温熱交換器においては、伝熱フィン
の温度分布を考えると、伝熱管と伝熱管との間に位置し
、かつ、燃焼室側の部分の温度が最も高くなる。従って
、この部分が過熱状態となりやすく、伝熱フィンの腐蝕
が促進され、熱交換効率が低下してしまう、一方、燃焼
ガスの流れに注目すると、燃焼ガスは流動抵抗の少ない
伝熱管と伝熱管の間を通過しやすいため、伝熱管に沿う
必要な流れが少なくなるという問題がある。

これらの点を改善するため、伝熱フィンの外側にじゃま
板を設け、燃焼ガスの均一化および伝熱管に沿う流れを
作る方法が考えられているが、寸法（外径）、コストと
もに増加する。

（発明が解決しようとする課題） このように従来のスターリングエンジン用高温熱交換器
は、伝熱フィンが局所的に過熱状態となるため耐久性が
低く、また燃焼ガスが伝熱管に沿って流れにくいため、
熱効率が悪いという問題があった。さらに、じゃま板を
設ける方法は大型化とコスト増を伴うという問題があっ
た。

本発明は、伝熱フィンの局所過熱を避けて耐久性を増し
、燃焼ガスを伝熱管に沿って流れるようにして熱効率を
上げ、しかも構造が簡単で低コストなスターリングエン
ジン用高温熱交換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ｔ’ｌ） 本発明は上記目的を達成するため、燃焼室の周囲に形成
された環状空間に設置される高温熱交換器の伝熱フィン
の燃焼室の中心に面した開織部を各伝熱管の中間部分で
バーナの軸心線とほぼ平行に折曲げ、この折曲げ部によ
り燃焼ガスが伝熱管に沿って流れやすくしたものである
。

また、伝熱フィンの折曲げ部分を隣接する伝熱フィンに
接触させるか、または隣接する伝熱フィンの折曲げ部と
重なり合うようにして、伝熱管と伝熱管の間を通過する
燃焼ガスの流れをより少なくし、かつ、上下方向の温度
差を小さくするようにしたものである。

（作用） 伝熱フィンに上記のような折曲げ部を形成すると、燃焼
室内で発生した燃焼ガスが高温熱交換器へその熱量を伝
達しながら通過する時、燃焼ガスは伝熱管に沿って流れ
るために、熱効率が向上する。この流れを作る伝熱フィ
ンの折曲げ部は、本来は高温状態となって腐蝕が進行し
やすく、伝熱への寄与が少ない部分に、燃焼室の中心か
ら遠ざかるように形成されているため、腐蝕が起りにく
くなり、耐久性が向上する。

この場合、伝熱フィンの折曲げ部を隣接する伝熱フィン
と接触させたり、隣接する伝熱フィンの折曲げ部と重す
ると、折曲げ部の温度が均一化され、全体として温度が
下がるので、腐蝕の進行はより抑制される。しかも、こ
れらの作用は伝熱フィンの形状の工夫のみで達成され、
特別な付加部品を必要としない。

（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高温熱交換器を組込
んでなる２ピストン方式のスターリングエンジンの縦断
面図を示している。

このスターリングエンジンは大きく別けて、作動流体の
膨張用に供されるパワーシリンダ（膨張シリンダ）１と
、この膨張シリンダ１内に摺動自在に装着されたパワー
ピストン（膨張ピストン）２と、作動流体の圧縮に供さ
れるパワーシリンダ（圧縮シリンダ）３と、この圧縮シ
リンダ３内に摺動自在に装着されたパワーピストン（圧
縮ピストン）４と、膨張シリンダ１と圧縮シリンダ３と
の間に設けられた高温熱交換器５、再生器６および低温
熱交換器７と、膨張ピストン２および圧縮ピストン４に
それぞれコンロッド８．９、クランク軸１０．１１を介
して連結された出力軸１２とで構成されている。

再生器６は、低温熱交換器７を介して圧縮シリンダ３内
に接続されている。そして、膨張シリンダ１と膨張ピス
トン２とで囲まれた空間と、高温熱交換器５、再生器６
、低温熱交換器７、圧縮シリンダ３と圧縮ピストン４と
で囲まれた空間からなる閉じられた空間には、作動流体
として例えばＨｅガスが封入されている。

高温熱交換器５の伝熱管１３はそれぞれ外形が棒状に形
成されており、作動流体通路の一端を膨張シリンダ１内
に通じさせ、他端側を再生器６に通じさせて、バーナ２
２の軸心線を中心として環状に配列されている。

伝熱管１３の環状配列には、伝熱フィン１４がバーナ２
２の軸心線方向に所定間隔で取付けられている。伝熱フ
ィン１４は、第２図および第３図に拡大して示されるよ
うに、燃焼室１７の中心に面した側縁部１５、すなわち
各伝熱管１３の中間部の伝熱に富与しにくい部分がバー
ナ２２の軸心線とほぼ平行に折曲げられている。そして
、この実施例の場合、各伝熱フィン１４の折曲げ部１５
の先端は隣接する伝熱フィン１４の折曲げ部１５の基部
に接触している。また、折曲げ部１５の幅は燃焼ガスを
伝熱管１３に沿って流す寸法に設定されている。

なお、第１図中１６は燃焼室エフ内がら燃焼排ガスを排
出させるために燃焼室１７の下端周縁に設けられた排出
口（空気予熱器の入口）を示し、１８．１９はリニアベ
アリングを示し、２０は所定レベルまで潤滑油が収容さ
れたクランク室を示し、２１は燃焼に必要な空気を燃焼
室１７へ旋回流を与えながら送り込むスワラ−を示して
いる。

上記の構成において、バーナ２２に点火するとともに低
温熱交換器７に冷却水を通流させている状態で、外部動
力源によって出力軸１２を一時的に回転させると、この
出力軸１２にクランク軸１０．１１＝コンロッド８，９
を介して連結されている膨張ピストン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
よって膨張ピストン２が圧縮工程に移ると、膨張シリン
ダ１内のＨｅが高温熱交換器５、再生熱交換器６、低温
熱交換器７を介して圧縮シリンダ３内に流れ込み、膨張
ピストン２が上死点に達した時点で、Ｈｅガスのほとん
どが圧縮シリンダ３内に流れ込む、このとき、Ｈｅガス
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、また低温熱交換器７を通過する間にさら
に冷却される。

出力軸１２の回転に伴って圧縮ピストン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Ｈｅが圧縮され、いままでとは逆の経路で膨張シ
リンダ１内へ流れ込む、このとき、Ｈｅガスは再生器６
を通過する間に吸熱して高温に加熱され、次に高温熱交
換器５を通過するときさらに加熱される。膨張シリンダ
１内に流れ込んだ高温のＨｅガスは、膨張して膨張ピス
トン２を押し下げる。以後、上述した動作が繰り返され
、外部動力源を断った状態でも出力軸１２が回転をａａ
Ｌ、スターリングエンジンとしての運転がなされる。

このような運転状態において、高温熱交換器５は次のよ
うに作用する。すなわち、バーナ２２がら噴射された燃
料とスワラ−２１を介して供給された空気との混合ガス
が燃焼室１７内で燃焼し、この燃焼ガスは高温熱交換器
５を通って空気予熱器２３の入口１６へ流れる。燃焼ガ
スが高温熱交換器５を通過するとき、燃焼ガスの一部は
伝熱管１３あるいは伝熱フィン１４に沿って流れ、直接
これらを加熱する。

ここで、伝熱管１３と伝熱管１３の間に向う燃焼ガスは
、伝熱フィン１４の折曲げ部１５に衝突し、流れの向き
を伝熱管１３側へ変え、伝熱管１３に向う流れとなり伝
熱管１３を加熱するようになる。このようにして燃焼ガ
スは伝熱面と多く接触することになり、保有しているエ
ネルギーの大部分を伝達するので、熱効率が増大する。

折曲げ部１５は折曲げ前の状態を考えると、伝熱管から
遠く伝熱に寄与しにくい部分であり、高温となり腐蝕が
進行しやすい、しかし、この折曲げ部１５は折曲げ前の
状態と比較して燃焼ガスの流れのより下流側に位置して
いるため、温度は低くなる。しかも、本実施例では折曲
げ部１５が隣接する伝熱フィン１４に接触しているので
、上下方向で温度が一様になり、全体としてさらに温度
が下がり、腐蝕が進行しにくくなる。

なお、隣接する伝熱フィン１４の折曲げ部１５を互いに
重なり合うようにしても同様の効果が得られる。

［発明の効果コ 本発明によれば、伝熱フィンの燃焼室の中心に面した側
縁部を伝熱管と伝熱管との中間部分で、バーナの軸心線
とほぼ平行となるように折曲げることによって、特別の
部品を付加して大型化やコストアップを伴−うことなく
、高温熱交換器の耐久性向上と熱効率の向上を達成する
ことができる。

また、本発明ではさらに伝熱フィンの折曲げ部を隣接す
る伝熱フィンに接触させるか、または隣接する伝熱フィ
ンの折曲げ部と重ならせることにより、伝熱フィンの折
曲げ部の温度を均一化させ、全体として温度を下げるこ
とができ、耐久性をより向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る高温熱交換器を組込ん
でなるスターリングエンジンの縦断面図、第２図は第１
図における高温熱交換器の斜視図、第３図は第２図の高
温熱交換器における伝熱フィンの断面図である。 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・・・高温
熱交換器、６・・・再生器、７・・・低温熱交換器、８
．９・・・コネクティングロッド、１０．１１・・・ク
ランク軸、１２・・・出力軸、１３・・・伝熱管、１４
・・・伝熱フィン、１５・・・伝熱フィン折曲げ部、１
６・・・空気予熱器入日部、１７・・・燃焼室、１８．
１９・・・リニアベアリング、２０・・・クランク室、
２１・・・スワラ−１２２・・・バーナ、２３・・・空
気予熱器。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第２図 第　３　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）バーナを上部に有する燃焼室内に、該バーナの軸
   心線を中心として環状に配列され、内部をスターリング
   エンジンの作動流体が通過する複数の伝熱管と、これら
   の伝熱管の環状配列に取付けられ、前記軸心線の方向に
   沿って所定間隔で積層された複数の環状伝熱フィンとに
   より構成され、前記燃焼室で発生した燃焼ガスを前記伝
   熱管の環状配列の内側から外側へ向けて通流させること
   により、前記伝熱管内を通る作動流体を加熱するスター
   リングエンジン用高温熱交換器において、前記伝熱フィ
   ンの前記燃焼室の中心に面した側縁部を伝熱管と伝熱管
   との中間部分で、前記軸心線とほぼ平行となるように折
   曲げたことを特徴とするスターリングエンジン用高温熱
   交換器。
2. （２）前記伝熱フィンの折曲げ部を隣接する伝熱フィン
   に接触させるか、または隣接する伝熱フィンの折曲げ部
   と重ならせたことを特徴とする請求項１に記載のスター
   リングエンジン用高温熱交換器。