(57)【要約】  流体を加熱するための加熱装置であって、この装置は、主軸線を有する細長いハウジングを備える。第１の流体のための内側チャンバ（２１）がその軸線の周りを取り囲む。軸線方向に延びる複数のフィン（２２）が内側チャンバに向かって突出している。例えばスターリングエンジンからの排ガスを受け取る排ガス入口が、内側チャンバの一端に設けられる。チャンバの他端には補助バーナ（２０）が配置されて、フィンへと半径方向外側に炎を出す。第２の流体のための外側チャンバ（３０）が内側チャンバを取り囲む。【選択図】  図１
2007503550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加熱するための加熱装置であって、
主軸線を有する細長いハウジングと、
前記軸線を取り囲む、第１の流体のための内側チャンバと、
前記内側チャンバへと突出する、軸線方向に延びる複数のフィンと、
前記内側チャンバの一端にある排ガス入口と、
前記フィン上に半径方向外側に炎を出すように構成された、前記チャンバの他端にある補助バーナと、
前記内側チャンバを取り囲む、第２の流体のための外側チャンバと、を備える、加熱装置。
【請求項２】
前記入口からの排ガスと前記バーナからの燃焼ガスによる凝縮物のための凝縮物出口が設けられる、請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】
第２のチャンバが、前記内側チャンバと並列で且つ当該内側チャンバとほぼ平行に設けられ、前記内側チャンバと前記第２のチャンバは両端で連結しているため、前記第２のチャンバを通る流れの方向は前記内側チャンバを通る流れの方向と逆であり、軸線方向に延びる第２の複数のフィンが前記第２のチャンバへと突出し、前記外側チャンバは前記第２のチャンバも取り囲む、請求項１記載の加熱装置。
【請求項４】
前記凝縮物出口が前記第２のチャンバに設けられる、請求項２及び３記載の加熱装置。
【請求項５】
少なくとも前記内側チャンバと前記フィンを形成する前記装置の部分がアルミニウム製である、前述の請求項のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項６】
少なくとも前記内側チャンバと前記フィンを形成する前記装置の部分が押出成形される、前述の請求項のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項７】
前述の請求項のいずれか１項に記載の装置と、排ガスが排ガス出口から放出されるスターリングエンジンとの組み合わせであって、当該排ガス出口が前記加熱装置の前記排ガス入口に接続される、組み合わせ。
【請求項８】
前記スターリングエンジンは加熱エンドを有し、当該加熱エンドを一番上にして配置され、前記加熱装置は前記スターリングエンジンのすぐ上に位置する、請求項７記載の組み合わせ。
【請求項９】
前記スターリングエンジンは加熱エンドを有し、当該加熱エンドを一番下にして配置され、前記加熱装置は前記スターリングエンジンのすぐ下に位置する、請求項７記載の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を加熱するための加熱装置に関する。本発明は特に、家庭用熱電併給（ＤＣＨＰ）システムのスターリングエンジンと共に使用可能な加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人が現在考えているシステムは、電力と熱を生成するガス燃焼のリニアフリーピストンスターリングエンジンを有する。スターリングエンジンが受け付けなかった熱の幾らかは回収されて、家庭の熱需要の幾らかを供給するために使用される。しかしながらスターリングエンジンが発生した熱量は、家庭のピークの熱負荷を満足させるほど十分ではないため、補助バーナも必要となる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
ＤＣＨＰシステムでは、スペースの考慮が最優先事項である。したがって本発明は、スターリングエンジンの排ガスや補助バーナからも熱を回収でき、コンパクトな熱交換器のデザインを提供することを目的とする。
【０００４】
本発明によると、流体を加熱するための加熱装置が提供されており、この装置は、主軸線を有する細長いハウジングと、この軸線の周りを取り囲む、第１の流体のための内側チャンバと、この内側チャンバに向かって突出している、軸線方向に延びる複数のフィンと、内側チャンバの一端にある排ガス入口と、フィン上に半径方向外側に炎を出すように構成された、チャンバの他端にある補助バーナと、内側チャンバを取り囲む、第２の流体のための外側チャンバと、を備える。
【０００５】
このような装置は、一端に排ガス入口を有し、他端にバーナを有する第１のチャンバの構成の点から特に鑑みると、コンパクトにすることができる。チャンバに向かって突出するフィンは排ガスやバーナからの熱の吸収を助け、外側チャンバによって、この吸収された熱が殆ど無駄なく効率的に、第２の流体に確実に伝達される。
【０００６】
スターリングエンジンをベースとするＤＣＨＰシステムの場合、排ガス入口はスターリングエンジンからの排ガスを受け取るように構成され、第２の流体は家庭用暖房システムへと供給される水である。
【０００７】
排ガスと補助バーナからの燃焼ガスをガスの露点よりも低温に冷却すると、熱回収の効率を著しく向上させることができる。このような状況下では、燃焼プロセスによる水蒸気が凝縮し、大量の潜熱を放出する。したがって本発明の装置には、排ガスとバーナからの燃焼ガスによる凝縮物のための凝縮物出口が設けられるのが好ましい。
【０００８】
別の好適な例によると、この装置はさらに、内側チャンバと並列でこれにほぼ平行に設けられた第２のチャンバを備える。内側チャンバと第２のチャンバは両端で連結しているため、第２のチャンバを通る流れの方向は内側チャンバを通る流れの方向と逆である。第２のチャンバはこれに向かって突出する、軸線方向に延びる複数のフィンを有し、外側チャンバはこの第２のチャンバも取り囲む。
【０００９】
このような構成によって、燃焼ガスはまず最初に内側チャンバに沿って流れ、そこで比較的高位の熱を第２の流体へと放出する。そしてガスは第２のチャンバを通って反対方向へと流れ、そこで低位熱を第２の流体へと放出する。この場合、ガスの温度が露点に近づくのは第２のチャンバの中なので、凝縮物の出口は第２のチャンバに設けられる。
【００１０】
本発明の加熱装置の構造は、少なくとも内側チャンバとフィンを形成する加熱装置の部分をアルミニウム製にするのに特に適している。実際には、外側チャンバもアルミニウム製でもよい。このことは、製造コスト、サイズ、重量の点から見て利点を有する。少なくとも内側チャンバとフィンを形成する装置部分を押出成形するのが好ましく、このことも製造コスト削減の助けとなる。
【００１１】
本発明はまた、上に定義した加熱装置と排ガス出口から排ガスが放出されるスターリングエンジンとの組み合わせにも及び、この排ガス出口は加熱装置の排ガス入口と接続されている。このような組み合わせによって、加熱エンドを一番上にしてスターリングエンジンを配置することができ、加熱装置はスターリングエンジンのすぐ上に位置する。そうすることでコンパクトな構造になる。第２のチャンバを有する加熱装置が提供される場合、第２のチャンバは内側チャンバに隣接して設けられる。そうすることでスターリングエンジンからの排ガスは、内側チャンバを通って上方へと流れ、外側チャンバを通って下方へと流れる。
【００１２】
或いは、加熱エンドが一番下になるようにスターリングエンジンを配置することもでき、その場合加熱装置はスターリングエンジンのすぐ下に位置する。この場合、凝縮物出口を内側チャンバの底部に位置させることができるため、内側チャンバを有する加熱装置を使用するだけで十分である。
【００１３】
スターリングエンジンと組み合わせられた加熱装置の例を、添付図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に示す装置は、リニアフリーピストンスターリングエンジン１の周りに配置されている。このエンジンは、加熱エンド２、冷却器３、そして電力出力を生成するオルタネータを有する。加熱エンドは環状バーナ４によって加熱される。この環状バーナには燃焼ガス供給ライン５に沿って燃焼ガスが供給され、またこのバーナは、エンジンの加熱エンド２を取り囲んで加熱エンドへの熱伝達を助ける環状フィン６に向くように方向付けられている。冷却器３は冷水７の供給によって冷却される。この冷水は家庭用暖房システムからの水であり、自身の熱を家庭環境へと放出してしまっているため、サイクルの中で最低の温度である。
【００１５】
スターリングエンジン１は、ベローズシール９を介してブラケット８上に支持されており、このベローズシールはバーナ４からの燃焼ガスのシールの役目も果たす（このことは、ＧＢ０２１０９２９．６で詳しく説明されている）。バーナ４とベローズシール９との間の空間には断熱材１０が充てんされており、環状物体１１が複数のバネ１２によってスターリングエンジン１から垂下して、スターリングエンジン１で生じるであろう振動の大部分を吸収する。
【００１６】
バーナ４からの排ガスは、排ガス通路１４に沿ってバッフル１３の周りを通って排ガス出口１５へと流れる。
【００１７】
これまで説明してきたように、スターリングエンジンの特徴は当該技術分野で一般に知られている。詳細な説明はここでは行わない。加熱装置に対する要件は何らかのソースから排ガスの供給を受けることだけなので、別のエンジン装置を本発明との関連で使用できることも理解されたい。
【００１８】
図１の加熱装置を説明する。
【００１９】
排ガス出口１５から排ガスを受けるのと同時に、加熱装置は補助バーナ２０の形態の第２の熱源を有する。この補助バーナはスターリングエンジン１とほぼ同軸線にある。
【００２０】
加熱装置は、複数のフィン２２がその外壁から延出している円筒形の内側チャンバ２１を備える。各フィン２２はほぼ半径方向の平面に位置しているが、図２に最もよく示すように、半径方向内側にテーパ付けられている。また図１に示すように各フィンは、補助バーナ２０を収容できるように切り欠き部分２３を有することで、ほぼＬ字形になっている。
【００２１】
図１から分かるように、スターリングエンジンからの排ガスは内側チャンバ２１の下端に入り、排ガスから熱を吸収するフィンの最も幅の広い部分を越えて上方へと流れる。
【００２２】
補助バーナ２０は、フィン２２の上部に向かって半径方向外側に炎を出す。混合燃焼ガス流は内側チャンバの上部に向かって上方に流れ、図１に示すように内側チャンバの右上の隅でこのチャンバから出て、そこから第２のチャンバ２４へと流れる。第２のチャンバ２４には複数のフィン２５が設けられており、このフィンは、内側チャンバ２１のフィン２２と同じように第２のチャンバの壁から半径方向内側に突出している。２つのフィンのセットの唯一の違いは、第２のチャンバ２４のフィン２５には切り欠き部分がないことである。
【００２３】
燃焼流は第２のチャンバを通って下方へと流れ、さらなる熱がフィン２５に吸収される。第２のチャンバの底部では、冷たくなった燃焼生成物がマニホールド２６に入り、適当なダクト（図示せず）に沿って機器の送管へと導かれる。このマニホールド２６では、第２のチャンバ２４で凝縮された水が回収され、サイフォントラップ２７を介してドレーン（図示せず）へと流れる。
【００２４】
内側チャンバ２１と第２のチャンバ２４は、それぞれの側面と上面が外側チャンバ３０に取り囲まれており、この外側チャンバには入口３１から出口３２へと流れるように水が配されている。この水が、第１のチャンバ２１と第２のチャンバ２４、特にフィン２２、２５が吸収した熱を受け取る。そしてこの水は、家庭の熱負荷を供給する。この水は、スターリングエンジンの冷却器３を冷却する給水７と同じ回路の一部でもあり得ることに注目されたい。
【００２５】
第２の例を図３と４に示す。これはほとんどの点で図１と２の例と同一で、同じ構成要素を示すのに同じ参照番号が使われている。しかしながら補助バーナ２０’とフィン２２’のデザインが変更されている。この場合補助バーナ２０’は、内側チャンバ２１の全長の大部分に沿って延出している。したがってフィンには、図１のＬ字形の切り欠きがない。図４に最もよく示されているバッフル３３は、内側チャンバ２１を、図３及び４においてバッフル３３の左側にあるバーナチャンバ３４と図３及び４においてバッフル３３の右側にある排ガスチャンバ３５とに分離するために設けられている。補助バーナはバーナチャンバ３４内にしか炎を出さず、その一方で排ガスは排ガスチャンバ３５だけを通過する。したがって２つの流れは、内側チャンバ２１内で熱を放出するまで合流することがない。このデザインは、エンジンバーナチャンバから生じる圧力変動による、補助バーナ内の燃焼の崩壊を克服するのに有用である。
【００２６】
図３と４にはまた、内側チャンバ２１と第２のチャンバ２４の外側にある、軸線方向に延びる多数のフィン３６と、内側チャンバ２１と第２のチャンバ２４の上部にわたって延びるさらなる複数のフィン３７が示されている。これらは、熱伝達領域を増大させるように設計されている。別のフィンのデザインは、チャンバ２１、２４のそれぞれの外面の周りに巻回された１つ又はそれより多くの螺旋状フィンであり、これは通路内に有益な流れの特性をもたらすことができる。こういった構成はもちろん、図１と２の例にも適用できる。
【００２７】
第３の例を図５に示す。図５は、スターリングエンジン１とそれに関連する構成要素を逆の構造で、即ち加熱エンド２を一番下にして示す。その他の点では、スターリングエンジンの構成要素は図１に示すものと同一で、同じ構成要素を示すのに同じ参照番号を使用している。その下端で高熱排ガスの下降流を生成できるならば、どのようなエンジン構造も使用できることを理解されたい。
【００２８】
加熱装置１は図１と全体的に同じ構造を有し、主な違いは、逆の構造であることと、図１の内側チャンバ２１と第２のチャンバ２４の代わりに単一の内側チャンバ４０のみを有する点である。
【００２９】
基本的に内側チャンバ４０は、スターリングエンジンの排ガス出口１５から排ガスを受け取れるように、排ガス入口４１を一番上にして配置される。補助バーナ４２は、内側チャンバ４０の底部を貫いて挿入されている。内側チャンバ４０は、図２に示すフィン２２、２５と大体同じ構造の、半径方向内側に延びる複数のフィン４３を有する（図３及び４に示すような外側に延びるフィンを有することもできる）。しかしながら補助バーナ４２は、図１の補助バーナ２０よりもより軸線方向に突出しているため、フィンには切り欠き部分がなく、図２に示すフィンよりも半径方向には短いがその全長に沿って均一な断面を有する。
【００３０】
これらのフィン４３は、スターリングエンジンからの排ガスやフィンへと直接外側へと炎を出すバーナから熱を吸収する。混合燃焼ガスはベースマニホールド４４へと下方へ流れ、適当なダクト（図示せず）の中を通って機器の送管へと導かれる。図１と同様に、サイフォントラップ４５がマニホールド４４の中に回収されたあらゆる凝縮物を受け取る。外側チャンバ４６は内側チャンバ４０を取り囲み、図１を参照して上述したように、第１のチャンバ４０とフィン４３が吸収した熱を受け取る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の例に係る、スターリングエンジンと加熱装置の概略断面図である。
【図２】図１の線II−IIを通る断面図である。
【図３】第２の例を示す、図１に類似する概略断面図である。
【図４】図３の線IV−IVを通る断面図である。
【図５】第３の例に係る、逆転したスターリングエンジンと加熱装置の概略断面図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年3月11日(2005.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加熱するための加熱装置であって、
主軸線を有する細長いハウジングと、
前記軸線を取り囲む、第１の流体のための内側チャンバと、
前記内側チャンバへと突出する、軸線方向に延出する複数のフィンと、
前記内側チャンバの一端にある排ガス入口と、
前記フィン上に半径方向外側に炎を出すように構成された、前記チャンバの他端から延びる補助バーナと、
前記内側チャンバを取り囲む、第２の流体のための外側チャンバと、を備える、加熱装置。
【請求項２】
前記入口からの排ガスと前記バーナからの燃焼ガスによる凝縮物のための凝縮物出口が設けられる、請求項１記載の加熱装置。
【請求項３】
第２のチャンバが、前記内側チャンバと並列で且つ当該内側チャンバとほぼ平行に設けられ、前記内側チャンバと前記第２のチャンバは反対側の端で連結しているため、前記第２のチャンバを通る流れの方向は前記内側チャンバを通る流れの方向と逆であり、軸線方向に延出する第２の複数のフィンが前記第２のチャンバへと突出し、前記外側チャンバは前記第２のチャンバも取り囲む、請求項１記載の加熱装置。
【請求項４】
前記凝縮物出口が前記第２のチャンバに設けられる、請求項２及び３記載の加熱装置。
【請求項５】
少なくとも前記内側チャンバと前記フィンを形成する前記装置の部分がアルミニウム製である、前述の請求項のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項６】
少なくとも前記内側チャンバと前記フィンを形成する前記装置の部分が押出成形される、前述の請求項のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項７】
前述の請求項のいずれか１項に記載の装置と、排ガスが排ガス出口から放出されるスターリングエンジンとの組み合わせであって、当該排ガス出口が前記加熱装置の前記排ガス入口に接続される、組み合わせ。
【請求項８】
前記スターリングエンジンは加熱エンドを有し、当該加熱エンドを一番上にして配置され、前記加熱装置は前記スターリングエンジンのすぐ上に位置する、請求項７記載の組み合わせ。
【請求項９】
前記スターリングエンジンは加熱エンドを有し、当該加熱エンドを一番下にして配置され、前記加熱装置は前記スターリングエンジンのすぐ下に位置する、請求項７記載の組み合わせ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
本発明によると、流体を加熱するための加熱装置が提供されており、この装置は、主軸線を有する細長いハウジングと、この軸線の周りを取り囲む、第１の流体のための内側チャンバと、この内側チャンバに向かって突出している、軸線方向に延出する複数のフィンと、内側チャンバの一端にある排ガス入口と、フィン上に向かって半径方向外側に炎を出すように構成された、チャンバの他端から延びる補助バーナと、内側チャンバを取り囲む、第２の流体のための外側チャンバと、を備える。
【国際調査報告】
2007503550.tif 000008
2007503550.tif 000009
2007503550.tif 000010