JPS63227944A

JPS63227944A - 空気予熱器

Info

Publication number: JPS63227944A
Application number: JP5905587A
Authority: JP
Inventors: Takashi Komagine; 駒木根　隆
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-16
Filing date: 1987-03-16
Publication date: 1988-09-22

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）本発明は空気予熱器に係り、特にスターリングエンジン
の燃焼システムにおいて燃焼用空気を予熱するのに好適
な空気予熱器に関する。

（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
熱システムは通常、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、燃焼室に
導かれる燃焼用空気を燃焼排ガスとの熱交換により予熱
する空気予熱器とで構成される。

一方、作動流体の冷却システムは水等の液体を使用して
作動流体から熱を奪う熱交換器（冷却器）により構成さ
れる。

スターリングエンジンの場合、加熱システムにより作動
流体の温度を高くし、冷却システムにより作動流体の温
度を下げる程、効率が向上する。

しかしながら、冷却器での水等の冷却用液体の温度を下
げることには限界があるので、燃焼火炎の温度をできる
だけ高くする必要がある。このためには空気予熱器で燃
焼排ガスの熱を効率よく回収し、燃焼用空気をできるだ
け高温にしなければならない。従って、空気予熱器の伝
熱面積の増大を図ることが望まれる。

スターリングエンジンの空気予熱器として、燃焼室を取
囲むようして複数の筒状伝熱体を同軸的に配置し、伝熱
体を挟んで隣接する形で燃焼用空気および燃焼排ガスの
流路を形成した構造の空気予熱器が考案されている。

この構造の空気予熱器では、伝熱面積を大きくとるため
に隣接する筒状伝熱体の間隔を小さくして伝熱体の数を
増やし、また伝熱体での伝熱特性を向上させる（伝熱量
を増加させる）ために、伝熱体の厚さを薄くする必要が
ある。ところが、伝熱体の数を増やすことは空気予熱器
の大型化を招く。また、伝熱体の厚さを薄くするとエン
ジン運転中の温度上昇による熱膨張で伝熱体が不規則に
変形し、その結果として間隔の狭い隣接した伝熱体どう
しが接触して流路の一部閉塞を引起こしゃすくなり、性
能が低下する。

伝熱体の熱膨張による変形を回避するためには、伝熱体
とこれを支持し伝熱体と共に燃焼用空気および燃焼排ガ
スの流路を形成する支持体くフランジという）との間に
、伝熱体の熱膨張分を吸収する空間を形成すればよいが
、このような空間を作ると燃焼用空気と燃焼排ガスの両
派路間のシール性が悪化し、燃焼用空気と燃焼用排ガス
とが一部混ざり合うことにより空気予熱器の効率が低下
する。

（発明が解決しようとための手段）このように従来の筒状伝熱体を同軸的に配置した空気予
熱器では、伝熱面積を大きくしようとすると空気予熱器
が大型化し、また伝熱量を増加するために伝熱体の厚さ
を薄くすると熱膨張による不規則な変形のために流路の
一部閉塞が生じたり、燃焼用空気と燃焼排ガスとのシー
ル性が悪化するという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、小型化および伝熱体の薄型化を図りながら伝熱面
積の増大を達成するとともに、燃焼用空気および燃焼排
ガスがそれぞれ通流する流路間のシールを確実にして高
効率化できる空気予熱器を提供することを目的とする。

［発明の構成］（問題点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、軸心方向に沿って波
状に形成された複数の筒状伝熱体を、軸心方向における
凹部および凸部の位置がそれぞれ一致するように燃焼室
の周囲に配置し、これらの筒状伝熱体の軸心方向両端を
支持する支持体と該伝熱体によって燃焼用空気および燃
焼排ガスの流路を形成したことを特徴とする。

（作用）本発明に係る空気予熱器においては、燃焼用空気は各々
の筒状伝熱体の内周側および外周側の流路のいずれか一
方を通流し、その他方を通流する燃焼排ガスの熱によっ
て予熱された後、燃焼室に導かれる。

ここで、燃焼による温度上昇により筒状伝熱体が熱膨張
を生じても、筒状伝熱体が軸心方向に波状をなしている
ため、熱膨張による変形の状態は規則的であり、隣り合
う伝熱体の凹部と凸部の対向面積が増加するだけなので
、伝熱体どうしが接触して燃焼用空気および燃焼排ガス
の流路の一部閉塞が起こることはなく、むしろ熱膨張に
よる変形は伝熱面積を増加させる方向に作用する。また
、筒状伝熱体の熱膨張による変形が許容されることで、
伝熱体の軸心方向両端を支持体に接合できるようになり
、燃焼用空気および燃焼排ガスの両派路間の隔離、すな
わちシールが良好になされる。

ざらに、軸心方向が波状をなす筒状伝熱体によって形成
された流路を燃焼用空気および燃焼排ガスが通過する際
には乱流が生じ、これにより燃焼排ガスから燃焼用空気
への熱伝達効率が向上する。

（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空気予熱器を組込んだスタ
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
流体を膨張させるためのパワーシリンダ（膨張シリンダ
）１および膨張シリンダ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、作動流体を圧縮さ
せるためのシリンダ（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ピストン（圧縮ピスト
ン）４とガ間に、加熱器５．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およびクランク軸
１０．１１を介して出力軸１２を連結した構造の２ピス
トン式スターリングエンジンである。

加熱器５はｌ１ｌｌｉシリンダ１のヘッド７３を取り囲
む燃焼室１５を形成するケース１４と、燃焼室１５内に
配置された複数の熱交換器１６と、燃焼室１５に臨んで
配置されたバーナ１７と、燃焼室１５を取り囲んで配置
され、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とで構成されている。熱交換器１６は
図の例では全体として漏斗状に配置され、それぞれの内
部に形成された流体通路の一端側が膨張シリンダ１の頂
部に、他端側がヘッド１３内に形成されたマニホルド１
９および接続管２０を介して再生器６にそれぞれ連通し
ている。なお、熱交換器１６を全体として円筒状に配置
してもよい。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、熱交換器１６．マニホルド１９．接
続Ｎ２０．再生器６．冷却器７．および圧縮シリンダ３
と圧縮ピストン４とで囲まれた空間に非凝縮性の作動流
体、例えばＨｅが封入されている。

なお、第１図において２１は潤滑油が所定レベルまで収
容されたクランク室、２２．２３はリニアベアリング、
２４．２５は冷却器７の冷媒を案内する配管、２６．２
７は断熱材をそれぞれ示している。

次に、本発明に係る空気予熱器１８について説明する。

第２図は空気予熱器１８およびその近傍の拡大断面図で
ある。同図に示すように図中上下に伝熱体の支持体とし
ての一対のフランジ３１゜３２が対向して配置され、こ
れらのフランジ３１゜３２間に燃焼室１５を取囲むよう
に、すなわちヘッド１３の中心とバーナ１７の先端とを
結ぶ線を中心として、複数の筒状伝熱体３３〜３６が同
軸的に配置されている。

ここで、筒状伝熱体３３〜３６は軸心方向（図中上下方
向）に沿って波状に形成されている。このような形状の
筒状伝熱体は例えばバルジ加工によって作製することが
できる。また、筒状伝熱体３３〜３６の凹部および凸部
の位置は軸心方向においてそれぞれ一致している。すな
わち、例えば第３図に示すように上部フランジ３１と筒
状伝熱体３３の凹凸との間の距離を２１．Ｑ２とすれば
、上部フランジ３１と他の筒状伝熱体３４との凹凸との
間の距離も等しくＱｔ　、Ｑ２に設定されている。この
ような形状の筒状伝熱体は例えばバルジ加工によって作
製することができる。

筒状伝熱体３３〜３６の相互間には、環状空間３７〜３
９が形成される。中間の環状空間３８の図中上端部は、
上部フランジ３１に形成された孔４０を介して、ケース
１４と上部フランジ３１および最外側の筒状伝熱体３６
との間に形成された第１の空気ダクト４１に連通してお
り、第１の空気ダクト４１は空気導入口４２に通じてい
る。また、環状空間３８の図中下端部は筒状伝熱体３４
に形成された孔４３を介して最内側の環状空間３７に連
通し、さらに環状空間３７の図中上端部は上部フランジ
３１に形成された孔４４を介してケース１４と上部フラ
ンジ３１および隔壁４５で囲まれた第２の空気ダクト４
６に連通している。

第２の空気ダクト４６はスワラ−４７を介してバーナ１
７が臨んでいる空間、すなわち燃焼室１５に連通してい
る。

一方、下部フランジ３２には燃焼室１５と最外側の環状
空間３９とを連通させる孔（吸込み口）４８が形成され
、また環状空間３９の上部は上部フランジ３１に形成さ
れた孔４９を介して排気ダクト５０に通じている。

次に、上記のように構成されたスターリングエンジンの
作用を説明する。燃焼室１５内にバーナ１７から燃料を
噴射するとともに、スワラ−４７から燃焼用空気を供給
することによって燃焼火炎が形成され、さらに配管２４
．２５によって冷媒を通流させている状態で、出力軸１
２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１０．１１およびコネクティングロッド８，９を介
して膨張ピストン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が圧縮行程に移ると、膨張シリンダ１内の作動流体（
Ｈｅ）が熱交換器１６．マニホルド１９．接続管２０．
再生器６および冷部器７を介して圧縮シリンダ３内に流
入し、膨張ピストン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ｖＪ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１２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
経路で膨張シリンダ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。膨張
シリンダ１内に流入した高温の作動流体は、膨張して膨
張ピストン２を押し下げる。以模、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１２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
。

このようなスターリングエンジンの運転状態において、
本発明に係る空気予熱器１８は次のように作用する。バ
ーナ１７から噴射される燃料を燃焼させるのに必要な燃
焼用空気は、第２図中破線矢印で示すように空気導入口
４２〜第１の空気ダクト４１〜孔４０〜環状空間３８〜
孔４３〜１ｍ状空間３７〜孔４４〜第２の空気ダクト４
６〜スワラ−４７〜燃焼室１５の経路で供給される。

一方、燃焼ｖ１５内で生成された燃焼ガスは、熱交換器
１６を介して作動流体を加熱した後、第２図中破線矢印
で示すように孔４８〜環状空間３９〜孔４９〜排気ダク
ト５０の経路で燃焼排ガスとして大気中に放出される。

従って、燃焼用空気は第１の空気ダクト４１〜環状空間
３８〜環状空間３７からなる流路を通過する間に、環状
空間３９を通過する燃焼排ガスおよび燃焼苗１５内の燃
焼ガスによって高温に加熱される。このようにして燃焼
用空気は空気加熱器１８において燃焼排ガスとの熱交換
により予熱された模、スワラ−４７により燃焼室１５内
に供給されることになる。

この場合、空気予熱器１８における筒状伝熱体３３〜３
６は、軸心方向において波状に形成されているので、温
度上昇による熱膨張が生じても、隣接する伝熱体の凹部
と凸部の対向面積（重なりしろ）が増加するのみであり
、伝熱体どうしの接触による流路の一部閉塞が起こるお
それはない。

また、隣接する伝熱体３３〜３６の凹凸の対向面積が増
加すると、むしろ燃焼排ガスから燃焼用空気への伝熱面
積が増加することなり、燃焼用空気を効果的に加熱する
上で好ましい。さらに、筒状伝熱体３３〜３６によって
形成された燃焼用空気および燃焼排ガスの流路は蛇行し
ているので、燃焼用空気および燃焼用排ガスは乱流を起
こしながら該流路を通過することになり、燃焼排ガスか
ら燃焼用空気への熱伝達効率は一層向上する。従って、
筒状伝熱体３３〜３６を薄く、かつその間隔を狭くでき
、伝熱体の薄型化を図りながら伝熱面積の増大を図るこ
とができる。

また、上記のように筒状伝熱体３３〜３６の熱膨張によ
る変形が生じても流路の一部閉塞という問題がなくなる
ために、伝熱体３３〜３６の軸心方向両端を支持体であ
るフランジ３１．３２に対して、隙間を持たせず完全に
接合することが可能となり、燃焼用空気Ｊ′３よび燃焼
排ガス間のシールを確実に行なうことができ、熱交換効
率が向上する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば実施例では筒状伝熱体を４個としたが、これに限
るものではない。また、筒状伝熱体をバルジ加工すると
説明したが、曲げ加工等でもよく、また軸方向における
波状の形状もバルジ加工の場合のような正弦波状でなく
、三角波状等でも楕わない。その他、本発明は要旨を逸
脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

［発明の効果］本発明によれば燃焼室の周囲に軸心方向における凹部お
よび凸部の位置をそれぞれ一致させて複数の筒状伝熱体
を同軸的に配置し、これらの筒状伝熱体とその軸心方向
両端を支持する支持体とで燃焼用空気および燃焼排ガス
の流路を形成することにより、伝熱体の熱膨張による流
路の一部閉塞を防止し、小型化および伝熱体の薄型化を
図りながら伝熱面積を大きくでき、しかも燃焼用空気お
よび燃焼排ガスがそれぞれ通流する流量のシールを確実
にして、予熱のための熱交換効率の高い空気予熱器を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る空気予熱器を組込んだ
スターリングエンジンの縦断面図、第２図は同実施例に
おける空気予熱器の構成を示す断面図、第３図は同空気
予熱器における筒状伝熱体と上部フランジの拡大図であ
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、１０．１１・・・クランク軸、１
２・・・出力軸、１３・・・シリンダヘッド、１４・・
・ケース、１５・・・燃焼室、１６・・・熱交換器、１
７・・・バーナ、１８・・・空気予熱器、１９・・・マ
ニホルド、２０・・・接続管、２１・・・クランク至、
２２．２３・・・リニアベアリング、２４．２５・・・
冷媒配管、２６．２７・・・断熱材、３１．３２・・・
フランジ（支持体）、３３〜３６・・・筒状伝熱体、３
７〜３９・・・環状空間（流路）、４”１．４６・・・
空気ダクト、４２・・・空気導入口、４３．４４．４８
・・・孔、４７・・・スワラ−１５０・・・排気ダクト
。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃焼室に導かれる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において、軸心方向に沿
って波状に形成され、軸心方向における凹部および凸部
の位置がそれぞれ一致するように前記燃焼室の周囲に同
軸的に配置された複数の筒状伝熱体と、これらの筒状伝
熱体の軸心方向両端を支持し、該伝熱体と共に前記燃焼
用空気および前記燃焼排ガスの流路を形成する支持体と
を備えたことを特徴とする空気予熱器。
（２）筒状伝熱体はバルジ加工されたものであることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の空気予熱器。