JPS62189356A - 空気予熱器 - 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】 ：Ｔ？、明の目的１ （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
のヒータ等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
ｖＪ流体を冷却する構成となっている。このｍ関は理論
的熱効率が轟く、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Ｊ′５いて輻射および対
流により作ａｌｌ流体に熱を伝える熱交換器と、燃焼室
に導く燃焼用空気を燃焼排力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。

スターリングエンジンの場合、加熱器による作動流体の
加熱温度が高く、冷却器での冷却水温が低いほど効率が
向上するが、冷却水温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
まれるが、伝熱面積の増大は一般に空気予熱器の大型化
と放熱損失の増加につながり、加熱器の効率低下を招く
。

そこで、本発明者らは燃焼室を取囲むように形成した環
状空間内に、段付きの環状板を積層するか、または環状
凸部を介して環状板を積層して伝熱体を構成し、この伝
熱体の段部または環状凸部で隔離された内周側および外
周側に、各環状板をｎ通する流体通路をそれぞれ形成し
、これらの流体通路のいずれか一方に燃焼用空気を通流
させ、他方に燃焼排ガスを通流させる構造の空気予熱器
をｉ案シテイル（特願昭６０−１５９３３９号）。

この空気予熱器は伝熱体が環状板を積層した構造となっ
ているため、小型でありながら伝熱面積が大きく、また
環状板を薄板状にすることで熱損失を低減させることが
できるという優れた利点を１）つ。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した積層構造の空気予熱器では、伝熱体の構成部材
である環状板として熱容量を十分に低減するために例え
ば０．３ｊ＊程度の薄板を使用する必要がある。ところ
が、このような薄い環状板を段部または環状凸部を介し
て積層すると、積層状態で弾性が生じるため、環状板相
互を段部または環状突部の位置で強く密着させることが
難しい。

従って燃焼用空気および燃焼排ガスが通流する両流体通
路間のシールを十分に行なうことができず、燃焼用空気
と燃焼排ガスとが一部混ざり合うことにより、熱交換効
率が低下するという問題がある。

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、小型化および熱損失の低減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体通路間のシールを確実にして
高効率化した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、燃焼室の周囲に形成
された環状空間に、半径方向の中間部に一方の面側に突
出する屈曲部が周方向に沿って連続的に形成されるとと
もに、該屈曲部より内周側および外周側に互いにｗＡｍ
された流体通路を形成する複数の孔をそれぞれ有する環
状板を該屈曲部が互いに噛合うように複数枚積層して構
成された伝熱体を設け、この伝熱体における環状板屈曲
部より内周側および外周側の流体通路のいずれか一方に
、燃焼室内に導く燃焼用空気を通流させ、他方に燃焼用
空気を熱交換により予熱するための燃焼排ガスを通流さ
せるように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、燃焼用空気は伝熱
体の内周側および外周側の流体通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、伝熱体においては積層された各環状板における
屈曲部が積層状態で互いに噛合うことにより、両流体通
路間を隔離、つまりシールする。

このシール作用は屈曲部の噛合い、すなわち環状板の屈
曲部の凸側か隣接する環状板の屈曲部の凹側に圧入する
ことによるものであるため、段部または環状突起のよう
に接触圧にのみ依存するものに比べ、より確実なものと
なる。

（実施例） 以下、本発明の実茄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Ｍ３脹シリンダ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との間に、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は膨張シリンダ１のヘッド１３を取り囲むよう
に内側断熱材１４を介して配置された燃焼室１５と、こ
の燃焼室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ガスノズル１７と、燃焼１
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先脹シリンダ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つおよび接続管２０を介して再生器６にそれぞれ連
通している。そして、膨張シリンダ１と膨張ピストン２
とで囲まれＩ：空間、熱交換器１６．マニホルド１９．
接続管２０゜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′ｔＩＪ清油が所定レベル
まで収容されたクランク！、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、２
６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１１！１８の拡大断面図であり、燃焼
室１５の周囲で内側断熱材１４の外側に、外側断熱材２
７で囲まれた環状空間２８を形成する筒状のケース２９
を設け、この環状空間２８内に第３図に示す構造の伝熱
体３０を配置したものである。

伝熱体３０は０．３ｍ＋程度の薄板からなる環状板３１
を２１ｍ程度の間隔で多数枚積層して構成される。この
伝熱体３０を構成する各環状板３１は、その半径方向の
中間部に、一方の面側（図では上面側）に突出した屈曲
部３２を周方向に沿って連続的に形成し、さらに該屈曲
部３２より内周側および外周側に、流体通路３３．３４
となる複数の孔３３ａ、３４ａを形成したものであり、
屈曲部３２が互いに噛合うように積層されている。すな
わち、屈曲部３２はテーバ状面を有するように断面形状
がほぼＶ字状に形成され、屈曲部３２が互いに噛合った
状態ではその凸側が隣接する環状板の屈曲部の凹側に圧
入される。これら屈曲部３２の噛合い部分により、流体
通路３３．３４間が隔離、つまりシールされている。

そして、これら環状板３１の積層体からなる伝熱体３ｏ
の上方に、伝熱体３１の内周側および外周側両流体通路
３３．３４と対向した位置に流体通過孔３５．３６を有
する上部７ランジ３７が、下方に伝熱体３０の内周側流
体通路３３と対向した位置に流体通過孔３８を有し、か
つ最下部の環状板３１の屈曲部３２の凹側に圧入される
突部を有する下部フランジ３９がそれぞれ設けられ、こ
れらのフランジ３７．３９とケース２９とによって伝熱
体３０内の気密性が保たれている。

加熱器５にはさらに伝熱体３０内の外周側流体通路３４
に燃焼用空気を導入するための空気人口４０と、伝熱体
３０内の外周側流体通路３４において内周側流体通路３
３を通る燃焼排ガスとの熱交換により予熱された後、内
側断熱材１４と外側断熱材２７間の空気通路を通って送
られた燃焼用空気を燃焼室１５内へ旋回供給するスワラ
−４１と、燃焼用空気を予熱した後の燃焼排ガスを外気
へ放出する排気ｌ１ｌ１４２が備えられている。

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内にガスノズル１７からガ
ス燃料を噴射するとともに、スワラ−４１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１２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および冷却器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１２０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１２が回転を継
続し、スフ−リングエンジンとしての動作がなされる。

この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は次のような作用を行なう。ガス
ノズル１７がら噴射されるガス燃料を燃焼させるのに必
要な燃焼用空気は、第２図に実線矢印で示すように空気
入口４０〜空気予熱２；１８における筒状ケース２９の
下端壁に設（づられた流体通過孔〜伝熱体３０の外周側
流体通路３４〜上部フランジ３７の外周側流体通過孔３
６〜スワラ−４１〜燃焼ｖ１５の経路で、燃焼室１５内
に供給される。

一方、燃焼室１５内で生成された燃焼ガスは。

破線矢印で示すように熱交換器１６を介して作動流体を
加熱した後、燃焼排ガスとなって伝熱体３０の下部フラ
ンジ３９の流体通過孔３８〜内周側流体通路３３〜〜上
部フランジ３７の内周側流体通過孔３５〜排気筒４２の
経路で、大気中に蔵出される。

従って、燃焼排ガスは伝熱体３０の内周側流体通路３３
を通過する藺に、外周側流体通路３４を通過する燃焼用
空気に熱を与える。この場合、内周側流体通路３３と外
周側流体通路３４は伝熱体３０を構、成する環状板３１
の屈曲部３２の噛合い部分によりシールされているため
、燃焼用空気と燃焼排ガスとが混ざるようなことはない
。これ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後、スワラ−
４１により燃焼室１５内に供給されることになる。

上述した本発明に係る空気予熱器１８は、薄い環状板３
１を積層した構造の伝熱体３０により構成されているた
め、小型でありながら伝熱面積が大きく、また熱損失が
小さい。さらに、この空気予熱器は伝熱体の構成部材で
ある環状板に屈曲部を形成し、該屈曲部の噛合いにより
内周側および外周側の流体通路を互いにシールしている
ため、積層状態における弾性によらずシール作用が確実
で、燃焼用空気と燃焼排ガスとが混ざり合うことがなく
、高い熱交換効率が得られる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば実施例では伝熱体３０における内周側流体通路３
３に燃焼排ガスを通流させ、外周側流体通路３４に燃焼
用空気を通流させたが、逆に内周側流体通路３３に燃焼
用空気を通流させ、外周側流体通路３４に燃焼排ガスを
通流させる構成としてもよい。

また、実施例で伝熱体３０における流体通路３３．３４
を形成する流体通過孔３３ａ、３４ａの形状を周囲が閉
じた孔としたが°、切欠した孔であってもよい。その他
、本発明は要旨を逸勝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、小型化および熱損失の低減を図りなが
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体通路間のシールを確実に
して、予熱のための熱交換効率の＾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
あける空気予熱器の構成を示す断面図、第３図は同空気
加熱器における伝熱体の構成を示す一部切欠した斜視図
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・・
・内側断熱材、１５・・・燃焼！、１６・・・熱交換器
、１７・・・ガスノズル、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、２４．２
５・・・冷媒配管、２６・・・下部断熱材、２７・・・
外側断熱材、２８・・・環状空間、２９・・・筒状ケー
ス、３０・・・伝熱体、３１・・・環状板、３２・・・
屈曲部、３３ａ、３４ａ・・・流体通過孔、３３・・・
内周側流体通路、３４・・・外周側流体通路、３５．３
６・・・流体通過孔、３７・・・上部フランジ、３８・
・・流体通過孔、３９・・・下部フランジ、／１０・・
・空気入口、４１・・・スワラ−１４２・・・Ｕ１気筒
。

Claims (1)

【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、前記燃焼室の周囲に
   環状空間を形成するケースと、このケース内の前記環状
   空間に設けられ、半径方向の中間部に一方の面側に突出
   する屈曲部が周方向に沿って連続的に形成されるととも
   に、該屈曲部より内周側および外周側に互いに隔離され
   た流体通路を形成する複数の孔をそれぞれ有する環状板
   を該屈曲部が互いに噛合うように複数枚積層して構成さ
   れた伝熱体と、この伝熱体の前記屈曲部より内周側およ
   び外周側の流体通路のいずれか一方に前記燃焼用空気を
   通流させる手段および他方に前記燃焼排ガスを通流させ
   る手段を備えたことを特徴とする空気予熱器。