(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間を挟んで前記ディスプレーサピストンと対向する位置に加熱部を配置し、前記ディスプレーサピストンの外周に再生部及び冷却部を配置し、前記加熱部を構成する伝熱管群を煙道内に設置し、前記伝熱管群で作動ガスを加熱・膨張し、前記冷却部で前記作動ガスを冷却・収縮し、前記高温空間と前記低温空間との間で前記作動ガスを移動させるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、前記煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が前記伝熱管群に付着した場合に行う前記不純物の除去モードとして、前記スターリングエンジンの回転数の低下、前記スターリングエンジンの運転の停止、前記スターリングエンジンでの発電量の低下、又は前記スターリングエンジンの逆回転を行うことを特徴とするスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法。
【請求項２】
ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間を挟んで前記ディスプレーサピストンと対向する位置に加熱部を配置し、前記ディスプレーサピストンの外周に再生部及び冷却部を配置し、前記加熱部を構成する伝熱管群を煙道内に設置し、前記伝熱管群で作動ガスを加熱・膨張し、前記冷却部で前記作動ガスを冷却・収縮し、前記高温空間と前記低温空間との間で前記作動ガスを移動させるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、前記煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が前記伝熱管群に付着した場合に行う前記不純物の除去モードとして、前記煙道を流れる排気ガスの流量を所定時間増加させることを特徴とするスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法。
【請求項３】
ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間を挟んで前記ディスプレーサピストンと対向する位置に加熱部を配置し、前記ディスプレーサピストンの外周に再生部及び冷却部を配置し、前記加熱部を構成する伝熱管群を煙道内に設置し、前記伝熱管群で作動ガスを加熱・膨張し、前記冷却部で前記作動ガスを冷却・収縮し、前記高温空間と前記低温空間との間で作動ガスを移動させるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、前記煙道に高圧空気又は洗浄水を導入する挿入口を設け、前記煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が前記伝熱管群に付着した場合に行う前記不純物の除去モードとして、前記挿入口から前記高圧空気又は前記洗浄水を前記伝熱管群に供給することを特徴とするスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法。
【請求項４】
前記伝熱管群の温度低下を検出することで前記スターリングエンジンの回転数の低下、前記スターリングエンジンの運転の停止、前記スターリングエンジンでの発電量の低下、前記スターリングエンジンの逆回転、前記排気ガスの流量の増加、又は前記挿入口から前記高圧空気又は前記洗浄水を前記伝熱管群に供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に煙道を流れる排気ガスから熱を回収するスターリングエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱やバイオマスや冷熱などの熱源を有効に活用することは、環境問題及びエネルギー問題の解決に繋がる。スターリングエンジンは熱源を選ばず、温度差があれば運転できるという特徴を持つことから、それら熱源の有効活用に適している。
特に煙道を流れる排気ガスからの熱回収は、廃熱利用として注目されているが、このような煙道設置に適したスターリングエンジンが提案されている（非特許文献１）。
非特許文献１では、煙道内に配置する加熱部を、横一列に並べたＵ字管で構成するものであり、ヒータとなるＵ字管の列方向に対して燃焼ガスの流れを直交させることで、ヒータ温度分布を均一化させている。
本発明者らは、非特許文献１を参考にして、図１３に示す加熱部を考え出した。
図１３は、スターリングエンジンの加熱部の構成を示す要部斜視図である。
同図に示すように、このスターリングエンジンの加熱部は、大きさが異なり相似形のＵ字管１０１、１０２、１０３、１０４、１０５を同一平面内に配置するとともに、それぞれのＵ字管１０１、１０２、１０３、１０４、１０５を横一列に並べて構成している。なお、図１３に示す加熱部は、矢印で示すように、非特許文献１と同様にＵ字管の列方向に対して燃焼ガスの流れを直交させる。なお、Ｕ字管の加熱部での燃焼ガス（排気ガス）の圧力損失が問題にならない場合は、Ｕ字管の列方向に対して、燃焼ガス（排気ガス）の流れを平行にすることで、燃焼ガスをＵ字管に多く接触させて伝熱面積を上げ、加熱部からのエンジンに取り込む熱量を向上させてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「第１１回スターリングエンジンサイクルシンポジウム」講演論文集４１ページ〜４２ページ（３ｋＷ級スターリングエンジン発電機の開発研究）  ２００８年１１月５日発行  発行所：社団法人日本機械学会
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種のスターリングエンジンでは、ディスプレーサピストンと加熱部との間に高温空間が形成されるとともに、ディスプレーサピストンの外周に再生部及び冷却部が配置される。従って、それぞれのＵ字管１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の一端が中心領域の高温空間に、他端が外周領域の再生部に位置すれば、Ｕ字管１０１、１０２、１０３、１０４、１０５は、高温空間と再生部とに直接接続することができ、作動ガスをスムーズに流すことができる。
しかし、図１３に示す加熱部の構成では、Ｕ字管１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の一端を高温空間に、他端を再生部につなぐためには、流路分離部が必要となる。この点について図１４を用いて説明する。
図１４は、図１３に示すスターリングエンジンの流路分離部を加熱部側から見た斜視図である。
流路分離部１１０には、加熱部と連通する第１の開口部１１０Ａ及び第２の開口部１１０Ｂとを備えている。第１の開口部１１０Ａは加熱部の内周側に形成し、第２の開口部１１０Ｂは加熱部の外周側に形成し、第１の開口部１１０Ａと第２の開口部１１０Ｂとは、加熱部を２分する一方と他方に形成している。
Ｕ字管１０１は一端側開口部１０１Ｘと他端側開口部１０１Ｙに、Ｕ字管１０２は一端側開口部１０２Ｘと他端側開口部１０２Ｙに、Ｕ字管１０３は一端側開口部１０３Ｘと他端側開口部１０３Ｙに、Ｕ字管１０４は一端側開口部１０４Ｘと他端側開口部１０４Ｙに、Ｕ字管１０５は一端側開口部１０５Ｘと他端側開口部１０５Ｙに、それぞれ位置している。
図１４では、Ｕ字管１０３の一端側開口部１０３Ｘと、Ｕ字管１０４の一端側開口部１０４Ｘと、Ｕ字管１０５の一端側開口部１０５Ｘとは第１の開口部１１０Ａに位置している。また、Ｕ字管１０１の他端側開口部１０１Ｙと、Ｕ字管１０２の他端側開口部１０２Ｙとは第２の開口部１１０Ｂに位置している。一方、Ｕ字管１０１の一端側開口部１０１Ｘと、Ｕ字管１０２の一端側開口部１０２Ｘと、Ｕ字管１０３の他端側開口部１０３Ｙと、Ｕ字管１０４の他端側開口部１０４Ｙと、Ｕ字管１０５の他端側開口部１０５Ｙとは、流路分離部１１０によって加熱部とは連通せず、流路分離部１１０の外周端から再生部とつながるように構成している。
上記のように、図１３に示すスターリングエンジンでは、図１４に示す流路分離部１１０を設けることで、Ｕ字管１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の一端を高温空間に、他端を再生部につなぐことができる。
非特許文献１では、流路分離部については開示されていないが、図１３に示す流路分離部１１０に相当する部材が無ければ、高温空間と再生部との間で作動ガスを流通させることができない。
このような流路分離部１１０を設ける場合には、作動ガスの流れに対して抵抗が生じるとともに、高温空間及び再生部に対する不均一な流れによる影響を考慮する必要が生じてしまう。【０００５】
そこで本発明は、煙道内を流れる排気ガスから有効に熱回収ができるとともに、流路分離部を設けることなく作動ガス管によって加熱部と再生部とをつなぐことができるスターリングエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の本発明のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法は、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間を挟んで前記ディスプレーサピストンと対向する位置に加熱部を配置し、前記ディスプレーサピストンの外周に再生部及び冷却部を配置し、前記加熱部を構成する伝熱管群を煙道内に設置し、前記伝熱管群で作動ガスを加熱・膨張し、前記冷却部で前記作動ガスを冷却・収縮し、前記高温空間と前記低温空間との間で前記作動ガスを移動させるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、前記煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が前記伝熱管群に付着した場合に行う不純物の前記除去モードとして、前記スターリングエンジンの回転数の低下、前記スターリングエンジンの運転の停止、前記スターリングエンジンでの発電量の低下、又は前記スターリングエンジンの逆回転を行うことを特徴とする。
請求項２記載の本発明のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法は、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間を挟んで前記ディスプレーサピストンと対向する位置に加熱部を配置し、前記ディスプレーサピストンの外周に再生部及び冷却部を配置し、前記加熱部を構成する伝熱管群を煙道内に設置し、前記伝熱管群で作動ガスを加熱・膨張し、前記冷却部で前記作動ガスを冷却・収縮し、前記高温空間と前記低温空間との間で前記作動ガスを移動させるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、前記煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が前記伝熱管群に付着した場合に行う前記不純物の除去モードとして、前記煙道を流れる排気ガスの流量を所定時間増加させることを特徴とする。
請求項３記載の本発明のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法は、ディスプレーサピストンとパワーピストンとを有し、前記ディスプレーサピストンによって分離される一方の空間を高温空間、他方の空間を低温空間とし、前記高温空間を挟んで前記ディスプレーサピストンと対向する位置に加熱部を配置し、前記ディスプレーサピストンの外周に再生部及び冷却部を配置し、前記加熱部を構成する伝熱管群を煙道内に設置し、前記伝熱管群で作動ガスを加熱・膨張し、前記冷却部で前記作動ガスを冷却・収縮し、前記高温空間と前記低温空間との間で前記作動ガスを移動させるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、前記煙道に高圧空気又は洗浄水を導入する挿入口を設け、煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が前記伝熱管群に付着した場合に行う前記不純物の除去モードとして、前記挿入口から前記高圧空気又は前記洗浄水を前記伝熱管群に供給することを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、前記伝熱管群の温度低下を検出することで、前記スターリングエンジンの回転数の低下、前記スターリングエンジンの運転の停止、前記スターリングエンジンでの発電量の低下、前記スターリングエンジンの逆回転、前記排気ガスの流量の増加、又は前記挿入口から前記高圧空気又は前記洗浄水を前記伝熱管群に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、それぞれのＵ字管の間には平行な排ガス流路を形成しているので効率よく、Ｕ字管を加熱できる。また、第１の貫通孔群を第２の貫通孔群よりも加熱部ヘッドの中心領域に形成し、Ｕ字管の一端を第１の貫通孔群の貫通孔に、Ｕ字管の他端を第２の貫通孔群の貫通孔に取り付けることで、高温空間と再生部との間をＵ字管によって作動ガスを流通させることができるので、流路抵抗を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施例によるスターリングエンジンの構成を示す断面図
【図２】同スターリングエンジンの加熱部の構成を示す斜視図
【図３】同加熱部の上面図
【図４】同加熱部の側面図
【図５】同加熱部の底面図
【図６】同スターリングエンジンの加熱部の他の実施例を示す底面図
【図７】同スターリングエンジンの加熱部の更に他の実施例を示す斜視図
【図８】同加熱部の上面図
【図９】同加熱部の側面図
【図１０】同加熱部の正面図
【図１１】同加熱部の底面図
【図１２】同スターリングエンジンの加熱部を構成するＵ字管他の実施例を示す一部破断斜視図
【図１３】スターリングエンジンの加熱部の構成を示す要部斜視図
【図１４】図１３に示すスターリングエンジンの流路分離部を加熱部側から見た斜視図
【図１５】本発明のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法を実現するための構成図
【符号の説明】
【０００９】
１  ディスプレーサピストン
２  パワーピストン
３  高温空間
４  低温空間
５  再生部
６  冷却部
７  クランクシャフト
８  発電機用シャフト
１０  加熱部
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の第１の実施の形態によるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法は、煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が伝熱管群に付着した場合に行う不純物の除去モードとして、スターリングエンジンの回転数の低下、スターリングエンジンの運転の停止、スターリングエンジンでの発電量の低下、又はスターリングエンジンの逆回転を行うものである。本実施の形態によれば、伝熱管での温度を上昇させ、伝熱管に付着した不純物を剥離させることができる。
本発明の第２の実施の形態によるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法は、煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が伝熱管群に付着した場合に行う不純物の除去モードとして、煙道を流れる排気ガスの流量を所定時間増加させるものである。本実施の形態によれば、排気ガス流量を一時的に急激に増加させることで、伝熱管に付着した不純物を飛ばすことができる。
本発明の第３の実施の形態によるスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法は、煙道に高圧空気又は洗浄水を導入する挿入口を設け、煙道を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が伝熱管群に付着した場合に行う不純物の除去モードとして、挿入口から高圧空気又は洗浄水を伝熱管群に供給するものである。本実施の形態によれば、加熱部の伝熱管に付着した不純物を除去することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１から第３に記載のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法において、伝熱管群の温度低下を検出することでスターリングエンジンの回転数の低下、スターリングエンジンの運転の停止、スターリングエンジンでの発電量の低下、スターリングエンジンの逆回転、排気ガスの流量の増加、又は挿入口から高圧空気又は洗浄水を伝熱管群に供給するものである。本実施の形態によれば、使用における伝熱管群の不純物の除去タイミングを的確に行うことができる。
【実施例】
【００１１】
以下本発明の一実施例によるスターリングエンジンについて説明する。
まず、図１を用いて同スターリングエンジンの概略構成について説明する。
図１は本実施例によるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。
図１に示すように、本実施例によるスターリングエンジンは、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２とを有し、ディスプレーサピストン１によって分離される一方の空間を高温空間３、他方の空間を低温空間４とし、高温空間３と低温空間４との間で作動ガスを移動させる。本実施例によるスターリングエンジンは、加熱部１０を、例えば船舶のディーゼルエンジンから発生する排気ガスを排出する熱源ガス流路内に設置して用いる。
加熱部１０は高温空間３を挟んでディスプレーサピストン１と対向する位置に、再生部５及び冷却部６はディスプレーサピストン１の外周に配置している。
ディスプレーサピストン１及びパワーピストン２は、それぞれクランクシャフト７に連結され、クランクシャフト７の一端には、発電機用シャフト８が接続される。
再生部５は筒状に形成され、再生部５の内部には、オーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網の蓄熱材が設けられ、この蓄熱材によって、高温作動ガスから吸熱し低温作動ガスに放熱する。
冷却部６も筒状に形成され、冷却部６内は、冷却水が流れる通路と作動ガスが流れる通路に区分され、作動ガスは冷却水で冷却される。
加熱部１０は再生部５と接続され、再生部５は冷却部６と接続される。加熱部１０は高温空間３と連通し、冷却部６は低温空間４と連通している。【００１２】
上記構成において、スタート時には発電機を動力源としてディスプレーサピストン１を動作させることで、高温空間３と低温空間４とを作動ガスが移動する。作動ガスは、加熱部１０で加熱・膨張して高温空間３に導入され、冷却部６で冷却・収縮して低温空間４に導入されることで、高温空間３及び低温空間４に圧力変動が生じる。この圧力変動によってパワーピストン２が動作することで出力を得ることができる。
すなわち、加熱部１０で加熱されることによって、封入されている作動ガスが膨張して、差圧を受けることで、ディスプレーサピストン１を下方へ移動させる。ディスプレーサピストン１の下方への移動によって、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２との間の低温空間４にあるガスが圧縮されてパワーピストン２を下方へ移動させる。パワーピストン２の下方への移動によって、作動ガスはディスプレーサピストン１の上部（高温空間３）から、加熱部１０、再生部５、及び冷却部６を通過してディスプレーサピストン１の下部（低温空間４）に移動する。そしてディスプレーサピストン１の上方への移動によって、ディスプレーサピストン１とパワーピストン２との間の低温空間４が低圧になることで、パワーピストン２は上方へ移動する。ディスプレーサピストン１の下部に移動した作動ガスは、パワーピストン２の上方への移動によって、冷却部６、再生部５、及び加熱部１０を通過して、ディスプレーサピストン１の上部に移動する。
このように、加熱部１０での加熱と冷却部６での冷却によって、作動ガスは膨張収縮を行いながらディスプレーサピストン１の上部と下部を往復することで、ディスプレーサピストン１を移動させるとともに、パワーピストン２を移動させて発電を行うことができる。【００１３】
次に、図２から図５を用いて同スターリングエンジンの加熱部の構成について説明する。
図２は本実施例によるスターリングエンジンの加熱部の構成を示す斜視図、図３は同加熱部の上面図、図４は同加熱部の側面図、図５は同加熱部の底面図である。
図に示すように、本実施例によるスターリングエンジンの加熱部１０は、加熱部ヘッド１０ａとＵ字管１１、１２、１３から構成される。加熱部ヘッド１０ａは、外面が凸状で内面が凹状となる球面状に形成され、Ｕ字管１１、１２、１３は加熱部ヘッド１０ａの外面に取り付けられる。加熱部ヘッド１０ａには、図５に示すように複数の貫通孔が形成されており、Ｕ字管１１、１２、１３は、これらの貫通孔に固定される。
加熱部ヘッド１０ａには、排気ガス流れの上流側に位置する第１の伝熱管群Ａと、排気ガス流れの下流側に位置する第２の伝熱管群Ｂとが形成される。第１の伝熱管群Ａと第２の伝熱管群Ｂとは、図３及び図５に示すように、平面視における加熱部ヘッド１０ａの２分割仮想線Ｙに対して対称に設けている。このように、第１の伝熱管群Ａと第２の伝熱管群Ｂとを対称に設けることで、加熱量を増加させることができる。【００１４】
以下、第１の伝熱管群ＡについてのＵ字管１１、１２、１３の配列について説明する。
第１の伝熱管群Ａは、大きさが異なり相似形のＵ字管１１、１２、１３を同一平面内に配置している。また、それぞれのＵ字管１１、１２、１３は列方向に並べて構成している。例えば、Ｕ字管１１は、同一形状で同一の大きさの複数のＵ字管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・を列方向に並べている。
加熱部ヘッド１０ａの中心領域Ｒには、高温空間３と連通する第１の貫通孔群３０Ｒを、加熱部ヘッド１０ａの外周領域Ｓには、再生部５と連通する第２の貫通孔群３０Ｓを形成している。ここで、第２の貫通孔群３０Ｓを構成する貫通孔は円弧状に配置している。本実施例では、大きさの異なる３つのＵ字管１１、１２、１３を用いているために、３つの円弧を形成する。また、第１の貫通孔群３０Ｒと第２の貫通孔群３０Ｓとの距離は等しいので、第１の貫通孔群３０Ｒについても、第２の貫通孔群３０Ｓと同じ曲率の円弧状に配置される。そして、Ｕ字管１１、１２、１３の一端を第１の貫通孔群３０Ｒを構成する貫通孔に、Ｕ字管１１、１２、１３の他端を第２の貫通孔群３０Ｓを構成する貫通孔に取り付けている。
本実施例によれば、それぞれのＵ字管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・の間には平行な排ガス流路を形成しているので効率よく、Ｕ字管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・を加熱できる。また、第１の貫通孔群３０Ｒを第２の貫通孔群３０Ｓよりも加熱部ヘッド１０ａの中心領域Ｒに形成し、Ｕ字管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・の一端を第１の貫通孔群３０Ｒの貫通孔に、Ｕ字管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・の他端を第２の貫通孔群３０Ｓの貫通孔に取り付けることで、高温空間３と再生部５との間をＵ字管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・によって作動ガスを流通させることができるので、流路抵抗を少なくできる。
また、大きさが異なるＵ字管１１、１２、１３を同一平面内に配置することで加熱量を更に増加させることができる。【００１５】
図６は同スターリングエンジンの加熱部の他の実施例を示す底面図である。
図５において、第１の伝熱管群Ａ及び第２の伝熱管群Ｂにおける両端に位置する３つのＵ字管１１、１２、１３が、図６の構成では２つのＵ字管１２、１３となっている。第１の伝熱管群Ａと第２の伝熱管群Ｂとを、２分割仮想線Ｙに対して対称に設けるため、本実施例では、２分割仮想線Ｙからの距離が短くなる外周領域Ｓについても、Ｕ字管１２、１３を有効に配置することで加熱量を増加させるものである。前述の実施例では、どの位置においても３つのＵ字管１１、１２、１３を配置しているが、本実施例のように両端では２つのＵ字管１２、１３を配置することもできる。また、本実施例のように両端に配置する配管に限らず、中間位置に配置する配管の管数を変更してもよい。【００１６】
図７から図１１を用いて同スターリングエンジンの加熱部の更に他の実施例について説明する。
図７は本実施例によるスターリングエンジンの加熱部の構成を示す斜視図、図８は同加熱部の上面図、図９は同加熱部の側面図、図１０は同加熱部の正面図、図１１は同加熱部の底面図である。
上記実施例と同一機能には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例における加熱部１０は、第３の伝熱管群Ｃ及び第４の伝熱管群Ｄとを、加熱部ヘッド１０ａに更に有している。第３の伝熱管群Ｃを構成する複数のＵ字管１４と、第４の伝熱管群Ｄを構成する複数のＵ字管１５とは、平面視における加熱部ヘッド１０ａの２分割仮想線Ｘに対して対称に設けている。なお、２分割仮想線Ｘは、２分割仮想線Ｙに直交する仮想線である。また、第３の伝熱管群Ｃ及び第４の伝熱管群Ｄを構成するＵ字管１４、１５は、第１の伝熱管群Ａ及び第２の伝熱管群Ｂを構成するＵ字管１１、１２、１３の上方を跨ぐように大きくしている。
本実施例によれば、第３の伝熱管群Ｃ及び第４の伝熱管群Ｄとを更に設けることで加熱量を増加させることができる。
また本実施例によれば、第１の伝熱管群Ａ及び第２の伝熱管群Ｂによって形成した排ガス流路を維持しつつ、更に加熱量を増加させることができる。【００１７】
加熱部ヘッド１０ａの中心領域Ｒには、高温空間３と連通する第１の貫通孔群３０Ｒを、加熱部ヘッド１０ａの外周領域Ｓには、再生部５と連通する第２の貫通孔群３０Ｓを形成している。ここで、第１の伝熱管群Ａと第２の伝熱管群Ｂに対応する第２の貫通孔群３０Ｓを構成する貫通孔は円弧状に配置している。本実施例では、第１の伝熱管群Ａと第２の伝熱管群Ｂには大きさの異なる２つのＵ字管を用いた場合を示しており、第１の伝熱管群Ａと第２の伝熱管群Ｂに対応する外周領域Ｓでは貫通孔によって２つの円弧を形成する。また、第１の伝熱管群Ａと第２の伝熱管群Ｂに対応する第１の貫通孔群３０Ｒと第２の貫通孔群３０Ｓとの距離は等しいので、第１の貫通孔群３０Ｒについても、第２の貫通孔群３０Ｓと同じ曲率の円弧状に配置される。また本実施例では、第３の伝熱管群Ｃと第４の伝熱管群Ｄに対応する第２の貫通孔群３０Ｓは、加熱部ヘッド１０ａの外周領域Ｓであって、第１の伝熱管群Ａの第２の貫通孔群３０Ｓと第２の伝熱管群Ｂの第２の貫通孔群３０Ｓとの間に配置される。また、第３の伝熱管群Ｃと第４の伝熱管群Ｄに対応する第１の貫通孔群３０Ｒは、加熱部ヘッド１０ａの中心領域Ｒであって、第１の伝熱管群Ａの第１の貫通孔群３０Ｒと第２の伝熱管群Ｂの第１の貫通孔群３０Ｒとの間に配置される。
本実施例によれば、図５又は図６との比較で明らかなように、加熱部ヘッド１０ａの中心領域Ｒにおける第１の貫通孔群３０Ｒ、及び外周領域Ｓにおける第２の貫通孔群３０Ｓを増加させることができ、高温空間３及び再生部５との流通量を増加させるとともに均一な流通を実現することができる。仮想軸Ｙの上部と下部の再生器に繋がる第２の貫通孔群３０Ｓによる内部ガス流れによって、再生器内の不均一を緩和することで、再熱損失を低減し、性能向上に繋がる。【００１８】
図１２を用いて同スターリングエンジンの加熱部を構成するＵ字管の他の実施例について説明する。
図１２は本実施例によるスターリングエンジンの加熱部を構成するＵ字管の一部破断斜視図である。
本実施例によるＵ字管１６は、平滑円管１６ａの外面に波形スパイラル状に成形された外管１６ｂを設けている。作動ガスは平滑円管１６ａ内部を流通するために流路抵抗が少なく、一方で熱源ガス流路内を流れる排気ガスは外管１６ｂによって、外管の伝熱面積が増え、管外の熱伝達を促進し、熱交換効率を高めることができる。
なお、図１２では、外管１６ｂを波形スパイラル状に成形し、平滑円管１６ａを波形スパイラル状の無い直管としたが、平滑円管１６ａを設けることなく、作動ガスを外管１６ｂ内部に流通させてもよい。この場合には、波形スパイラルによって伝熱面積が増え、作動ガス流れは乱され、乱流流れ域でレイノルズ数が向上し、熱伝達を促進し、熱交換効率を高めることができる。【００１９】
本発明の一実施例によるスターリングエンジンの加熱部を構成するＵ字管の材料について以下に説明する。
まず、排気ガス温度が５００℃以下の使用環境下で用いられるスターリングエンジンにあっては、Ｕ字管材料を熱伝導率の高い銅製とすることで、熱交換効率を高めることができる。Ｕ字管材料を銅製とした場合には、加熱部ヘッドには銅製またはステンレス製材料を用いる。また、排気ガス温度が５００℃から８００℃程度の使用環境下で用いられるスターリングエンジンにあっては、強度確保のため、Ｕ字管材料をステンレス製とする。Ｕ字管材料をステンレス製とした場合には、加熱部ヘッドにはステンレス製材料を用いる。さらに、使用環境下の排気ガスの成分に腐食性を有する成分が含まれる場合には、銅製又はステンレス製のＵ字管及び加熱部ヘッドに、クロム系表面被膜、又はセラミック溶射（コーティング）やＮｉ又は、カーボンコーティング等による表面被膜を施すことによって、耐久性を高めることができる。排気ガス温度が８００℃以上の高温ガスの使用環境下や例えば、塩素系や硝フッ酸等の腐食性のある排気ガスでの使用環境下で用いられるスターリングエンジンにあってはＵ字管材料をチタン製又はニッケルクロム合金とすることで、信頼耐久性を向上させることができるとともに大幅な軽量化を図ることができる。チタン材料は、ステンレス材料に比較して密度が約４０〜５０％少なく、高強度で密度小のため、ステンレス管より薄肉にでき、特に焼却炉やガラス溶解炉に用いるスターリングエンジンに適している。なお、Ｕ字管材料をチタン材料とした場合には、加熱部ヘッドにはステンレス製材料を用いる。チタン材料又はニッケルクロム合金の場合、ステンレス製材料は溶接条件を調整することで良好な溶接性を示し、排ガス流路を構成する煙道内にＵ字管を挿入する。
本実施例は、排気ガスに含まれるカーボンなどの煤に対して、Ｕ字管１１ａ、（１２、１３）１１ｂ、１１ｃのように、隙間をもって、配置されているため、隙間を貫通するブラシを用意し、ブラシをＵ字管同士の隙間に簡単に通すことができる。メンテナンス時に定期的にＵ字管に付着した煤等の不純物をブラシによって落とすことで、熱交換効率を回復させることができる。Ｕ字管の排気ガスの接する外側表面に電解研磨を施すことで、外側管の凹凸が緩和され、初期の熱交換効率は低下するが、排気ガス等に含まれる不純物がＵ字管に付着しにくくなるために、経年変化の中長期的には熱交換効率を向上させることができる。【００２０】
次に、図１５を用いて本発明のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法について説明する。
図１５は、本発明のスターリングエンジンを用いた発電装置又は動力装置における伝熱管群の不純物除去方法を実現するための構成図である。なお、以下に説明する伝熱管群の不純物除去方法は、本発明における伝熱管群の構成でなくても適用することができる。
伝熱管の熱交換効率の低下を防ぐメンテナンスを不要にするか、又はメンテナンス期間を延ばすためには、使用における伝熱管群の不純物の除去が必要である。
このような伝熱管群の不純物除去方法にあっては、加熱部１０となる伝熱管（Ｕ字管）の温度の低下を検出する検出手段４１と、煙道４２内の排気ガス流量を変更する制御手段４３とを備え、検出手段４１によって伝熱管温度の低下を検知して、制御手段４３によって排気ガス流量を一時的に急激に増加させることで、伝熱管に付着した不純物を飛ばすことができる。ここで制御手段４３は、例えば図示のように送風手段４４の回転数を制御するものや、煙道４２の通風抵抗を制御するものであり、煙道４２内の排気ガス流量を変更するものであればよい。【００２１】
この除去方法によれば、伝熱管に付着する不純物が密着強度の比較的弱い不純物であれば効果的に除去できる。なお、検出手段４１としては、伝熱管や高温空間３の温度を検出するものでもよいが、発電装置として用いる場合には発電電力の低下を検出するもの、動力装置として用いる場合には出力の低下を検出するものが好ましい。また、制御手段４３では、増加させる排気ガス流量に応じて複数段階に設定可能であることが好ましい。そして、低下温度に応じて制御手段４３によって増加する排気ガス流量を変更することで不純物の効果的な除去を行える。また、制御手段４３における動作時間を設定するタイマー手段を設けておくことも有効である。また、制御手段４３による排気ガス流量を増加させる動作は、検出手段４１によって伝熱管の温度低下量が所定以内となったことを検出することで終了させてもよい。
さらに、伝熱管に付着した密着強度の高い不純物については、スターリングエンジン運転制御手段４５を用いて不純物の除去モードを行う。スターリングエンジン運転制御手段４５による不純物の除去モードとして、スターリングエンジンの回転数の低下、スターリングエンジンの運転の停止、又はスターリングエンジンでの発電量の低下のいずれかを行うことで、ヒータ温度を上げることが有効である。例えば、スターリングエンジンの回転数の低下、スターリングエンジンの運転の停止、又はスターリングエンジンでの発電量の低下は、スターリングエンジン運転制御手段４５によって、発電装置や動力装置の回転数を低下や停止を行うことで実現することができる。
さらに、スターリングエンジン運転制御手段４５を用いてスターリングエンジンを逆回転させて、冷却部６を加熱部とし、加熱部１０を冷却部として機能させることも有効である。このスターリングエンジンの逆回転による不純物の除去モードによれば、加熱部１０を構成する伝熱管が冷却部となり、伝熱管で放熱するために伝熱管での温度を上昇させ、伝熱管に付着した不純物を剥離させることができる。従って、メンテナンス期間を延ばし、排気ガスの種類によっては、伝熱管のメンテナンスを不要にできる。
なお、不純物の除去モードは、伝熱管（Ｕ字管）の温度の低下を検出する検出手段４１によって行うことができる。
また、伝熱管（Ｕ字管）の温度の低下を検出する検出手段４１に代えて、所定の処理時間によって定期的に不純物の除去モードを行ってもよい。また、不純物の密着強度に応じて、スターリングエンジンの回転数の低下段階と、スターリングエンジンの運転の停止段階と、スターリングエンジンの逆回転を行う段階とを設定し、段階的に行うものであってもよい。【００２２】
また伝熱管群の不純物除去方法として、加熱部１０となる伝熱管（Ｕ字管）の温度の低下を検出する検出手段４１と、煙道に高圧空気又は洗浄水を導入する挿入口４６と、挿入口４６から高圧空気又は洗浄水を加熱部１０に供給指示する制御手段４３とを備え、検出手段４１によって伝熱管温度の低下を検知して、制御手段４３によって高圧空気又は洗浄水を加熱部１０に供給することで、加熱部１０の伝熱管に付着した不純物を除去することができる。
以上のように、煙道４２を流れる排気ガスに含まれるカーボンなどの不純物が伝熱管群に付着した場合に行う不純物の除去モードとして、スターリングエンジンの回転数を低下させる方法、スターリングエンジンの運転を停止させる方法、スターリングエンジンでの発電量を低下させる方法、スターリングエンジンの回転を逆回転する方法、煙道４２を流れる排気ガスの流量を所定時間増加させる方法、挿入口４６から高圧空気又は洗浄水を伝熱管群に供給する方法を示したが、これらの方法は、単独で行う場合の他、複数の方法を備えていてもよい。【００２３】
本実施例では、廃熱がすべて排気ガス内に加熱部ヘッドを挿入設置する例を示したが、廃熱が固体熱源、すなわち、Ｕ字管部を高温部分に接触させる固体熱伝導によって、Ｕ字管部分の周囲に高温部例えばトンネル炉のような炉設備に構成される断熱部材に挿入してエネルギー回収する方式にしても、実施可能なことは言うまでもない。
さらに、半導体製造装置で使用されるＣＶＤ装置や拡散装置のような電気ヒータ加熱を伴う装置、アルミ等の溶解で使われる電気炉、又は天然ガス等の燃焼式加熱炉において、材料の入れ替え工程の前工程や冷却工程でスターリングエンジンを用いた冷却処理を行うことが好ましい。高温工程を有するＣＶＤ装置や拡散装置や炉では、排気ガス流れが積極的にはない炉内の高温ガス雰囲気において、炉内保持熱量が大量にあり、炉内を材料の入れ替え等で冷却する場合、空気等の作動ガスの圧送で冷やすのではく、炉内にＵ字管のような伝熱管部を挿入し、作動ガスによる高温化したガスの熱伝導によって、スターリングエンジンに熱エネルギーを取り込むことによるエネルギー回収も可能である。この場合、熱の吸熱を外気気体のような作動ガスによらず、冷却をスターリングエンジンのヒータの吸熱部から行うことで、熱の逃げ道をなくすことで、スターリングエンジンに吸熱することができる。スターリングエンジンのヒータ部の温度上昇までの時間はガスの熱伝導のため、若干要するが、有効な炉内熱量のほとんどをスターリングエンジンに吸熱させることができ、高効率でのエネルギー回収ができるとともに冷却温度の制御を行いやすく必要以上に冷却する無駄もない。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明のスターリングエンジンは、廃熱やバイオマスなどの熱源ガスを活用した発電装置や動力装置として利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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