(57)【要約】ヘッド（２）がバーナによって加熱されるスターリングエンジン（１）を備える電熱併給システムである。熱交換器（１０）は、エンジンヘッドを加熱したバーナからの排気ガスから熱を吸収する。補助バーナ（２２、２３）は、熱交換器によって直接吸収される追加の熱を生成する。補助バーナは、独立して制御される、別個のステージ（２２、２３）を有するマルチステージバーナである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッドを有するスターリングエンジンと、
前記スターリングエンジンが電気エネルギーを生成できるように、前記スターリングエンジンを加熱するバーナと、
前記エンジンヘッドを加熱した前記バーナからの排気ガスから熱を吸収するように構成される熱交換器と、
前記熱交換器によって直接吸収される追加の熱を生成し、独立して制御される別個のステージを有するマルチステージバーナである補助バーナと、
を備える熱電併給システム。
【請求項２】
少なくとも１つのステージが、別のステージと異なる熱出力範囲を有する、請求項１記載の熱電併給システム。
【請求項３】
前記補助バーナステージの少なくとも１つが、前記熱交換器の直接の加熱と前記スターリングエンジンヘッドの加熱の両方を行うように構成される、請求項１又は２記載の熱電併給システム。
【請求項４】
前記補助バーナが、前記熱交換器の半径方向外側にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電併給システム。
【請求項５】
前記熱交換器が、軸線を中心に巻回され前記補助バーナの軸線の全長に沿って延びる、螺旋コイルを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電併給システム。
【請求項６】
請求項３による場合において、前記螺旋コイルは前記スターリングエンジンヘッドの一部も取り囲む、請求項５記載の熱電併給システム。
【請求項７】
前記スターリングエンジンはそのヘッドを一番下にして取り付けられ、前記補助バーナと前記熱交換器は前記ヘッドの直下にある、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電併給システム。
【請求項８】
前記エンジンは、その上端に装着された少なくとも１つのバネから吊り下げられている、請求項７記載の熱電併給システム。
【請求項９】
前記熱交換器は前記スターリングエンジンの上に取り付けられる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱電併給システム。
【請求項１０】
電力と熱出力とを生成するためのスターリングエンジンと、
前記熱出力の幾らかを吸収し、前記エンジンと一緒に振動するように、実質的に前記スターリングエンジンだけに取り付けられる熱交換器と、
を備えるスターリングエンジンアセンブリ。
【請求項１１】
前記エンジンは往復運動の主軸線を有し、前記熱交換器の質量は、前記エンジンの前記主軸線に対してバランスが取れている、請求項１０記載のスターリングエンジンアセンブリ。
【請求項１２】
前記スターリングエンジンは、その使用中加熱されるヘッドを有しており、
前記ヘッドを加熱し、前記エンジンと前記熱交換器と一緒に取り付けられるバーナをさらに備える、請求項１０又は１１記載のスターリングエンジンアセンブリ。
【請求項１３】
前記スターリングエンジンはそのヘッドを一番下にして取り付けられ、前記熱交換器は前記ヘッドの直下にある、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のスターリングエンジンアセンブリ。
【請求項１４】
前記エンジンと前記熱交換器と一緒に取り付けられて、前記熱交換器に追加の熱を供給する補助バーナをさらに備える、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のスターリングエンジンアセンブリ。
【請求項１５】
前記熱交換器は、前記エンジンの前記主軸線に中心がある螺旋コイルを備える、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載のスターリングエンジンアセンブリ。
【請求項１６】
前記熱交換器は、前記螺旋コイルが巻回される軸線と同軸線の主軸線を有する、請求項１５記載のスターリングエンジンアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、熱電併給システムに関する。特に、本発明は、ヘッドを有するスターリングエンジンと、スターリングエンジンが電気エネルギーを生成できるように、スターリングエンジンヘッドを加熱するバーナと、エンジンヘッドを加熱したバーナからの排気ガスから熱を吸収するように構成された熱交換器と、熱交換器によって直接吸収される追加の熱を生成する補助バーナとを備える、熱電併給システムに関する。
【０００２】
このような熱電併給システムを、以下、「説明したようなもの」と呼ぶことにする。
【０００３】
説明したようなシステムは、家庭用熱電併給（ｄｃｈｐ）システムとして、家庭環境において使用されることが知られている。スターリングエンジンは、家庭の電力需要のいくらかを供給し、その残りは電源から供給される。スターリングエンジンからの熱出力は、家庭の熱負荷のいくらかを供給し、その残りは補助バーナによって供給される。スターリングエンジンバーナと補助バーナは、その家庭が必要とする熱出力を与えるように調節され、このシステムは、スターリングエンジンが、できる限り大きな時間比率で熱出力を生成できるように制御される。
【０００４】
しかしながら、各バーナを通る、必要な流量が最低であるために、バーナから得ることができる熱出力の範囲には限界がある。このことによって、エンジンバーナの能力を超えてしまったときに、熱出力にステップ状の変化が生じる。両方とも最低の設定で稼働する、補助バーナとエンジンバーナとの組み合わせは、エンジンバーナのみが最高で生成するよりも高い熱出力を生成する。このことによって、稼働領域の中間において熱出力の制御の欠如が生じる。これは、家庭用暖房システムの臨界稼働領域であることが分かっているため、この問題によって、ユーザの快適さやシステム効率の低下が起こる可能性がある。
【０００５】
本発明によると、説明したようなシステムでは、補助バーナは、独立して制御可能な別個のステージを有するマルチステージバーナである。
【０００６】
多数の独立して制御可能なステージを有することで、必要な全ての範囲にわたる、熱出力のより正確な制御をもたらすことができる。
【０００７】
少なくとも１つのステージが、別のステージと異なる熱出力範囲を有すると、より一層の柔軟性がもたらされる。実際に、各ステージの熱出力の範囲が異なるようにすることができる。
【０００８】
それでもなお、さらに柔軟性をもたらすために、熱交換器の直接加熱とスターリングエンジンヘッドの加熱の両方を行うように、補助バーナステージの少なくとも１つを構成することができる。したがって、エンジンバーナが点火されずにこのステージが点火されている場合、スターリングエンジンは少ない電気出力で稼働することになる。一方、このステージがエンジンバーナと一緒に稼働している場合は、スターリングエンジンは最高の電気出力で稼働することになる。
【０００９】
補助バーナは、熱交換器に十分な熱を提供できるならば、どこに配置されてもよい。しかしながら、より簡便な実装をもたらすために、補助バーナは、熱交換器の半径方向外側にあるのが好ましい。
【００１０】
熱交換器はあらゆる周知の構造でよく、例えば、ウォータージャケットによって取り囲まれたダクトによって提供されることができる。しかしながら、熱交換器は、軸線の周りに巻回され、補助バーナの軸線の全長に沿って延びる、熱交換器の流体のための、螺旋コイル又は直列に接続された幾つかの螺旋コイルを備えるのが好ましい。点火されているバーナステージ（単数又は複数）に隣接するコイルが効率的に熱を受け取ることになるため、このことが、効率的なマルチステージバーナの実装方法を提供することになる。
【００１１】
また、この螺旋コイルの構造では、スターリングエンジンヘッドの一部を取り囲むようにコイルの一部を配置して、スターリングエンジンヘッドと熱交換器を上述のように直接加熱するように構成された補助バーナステージを提供することができる。
【００１２】
スターリングエンジンは、当該技術分野で周知のように、ヘッドを一番上にして取り付けられてもよい。しかしながら、スターリングエンジンをヘッドが一番下になるように取り付けて、補助バーナと熱交換器がヘッドの直ぐ下に位置しているのが好ましい。この配置の１つの利点は、燃焼ガスから凝縮した流体のドレーンを設けるのが簡単である、ということである。別の利点は、エンジンの上端に装着された少なくとも１つのばねからエンジンを吊り下げ可能なことである。このような取り付けによって、定期的なメンテナンスのためや、エンジンへ、またこのエンジンからの水管の経路指定のための、エンジンへのアクセスが簡単になる。
【００１３】
ｄｃｈｐシステムの熱交換器の設計において見られる別の問題は、補助熱交換器内の螺旋チュービングからの凝縮物の除去であった。我々の先願であるＰＣＴ／ＧＢ０２／０５７１１は、水平軸線の周りに螺旋状に巻回されたチュービングを有する熱交換器を開示している。このような構造では、凝縮物の幾らかがチュービングの水平領域に蓄積する。
【００１４】
通常は、スターリングエンジンが振動できるように、このエンジンを弾性のある土台から取り付ける。スターリングエンジンと逆位相で振動するように調節可能な吸収体を、エンジンに弾性的に取り付けることで振動を減らすことができ、そうすることで全体の振動を減らすことができる。そして、バーナや熱交換器などの、システムの付属の要素をスターリングエンジンとは別に取り付ける。
【００１５】
しかしながら、熱交換器がスターリングエンジンに取り付けられた場合、残った量の振動が熱交換器へと伝わり、凝縮物の除去を助けることが分かっている。
【００１６】
本発明のこの態様はまた、電力と熱出力とを生成するスターリングエンジンと、熱出力の幾らかを吸収する熱交換器とを備えるスターリングエンジンアセンブリとして広く説明できる、独立した発明を形成することもできる。この熱交換器は、エンジンと一緒に振動するように、実質的にスターリングエンジンだけに取り付けられる。
【００１７】
エンジンは、動的にバランスが取れていなければならない。したがって、熱交換器の質量は、本発明の主軸線に対してバランスが取られているのが好ましい。こうすることで、複雑な平衡手段の必要性を回避できる。
【００１８】
この構造は、スターリングエンジンがヘッドを一番下にして取り付けられ、熱交換器がヘッドの直ぐ下に取り付けられる場合に、特に有効である。
【００１９】
エンジンバーナと補助バーナを、スターリングエンジンに取り付けてもよい。
【００２０】
また、熱交換器は、エンジンの主軸線に中心がある螺旋コイルを備えるのが好ましい。スターリングエンジンは、螺旋コイルが巻回される軸線と同軸線であるのが好ましい主軸線を有する。熱交換器をこのように構成することで、水平面が存在しないため、凝縮物がスターリングエンジンから伝達された振動に助けられて、パイプへと下に流れることができる。
【００２１】
本発明によるシステムの例を、添付図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、スターリングエンジンアセンブリ全体を示す。このアセンブリは、「逆転した」構造で、即ちエンジンヘッド２を一番下にして取り付けられているスターリングエンジン１を備える。このエンジンは、取り付けブラケット４に装着されエンジン１を取り囲む、複数のばね３から吊り下げられている。或いは、中心に配置された単一のばねから吊り下げられてもよい。環状吸収体５がエンジンを取り囲み、複数の弾性マウント６によってこれに装着されることによって、このエンジンの振動を吸収する。エンジンヘッド２には複数の環状フィン７が設けられており、このフィンは、以下で説明するように熱を吸収することによって、エンジンヘッドを加熱する。このエンジンはまたエンジン冷却器８も有し、この冷却器は、以下で説明するように水を再循環させることで冷却される。
【００２３】
スターリングエンジン１と同じ軸線の螺旋コイル１０によって、熱交換器が提供されている。このコイル１０は、フィン７の下にあるヘッド２の下端を取り囲み、次いで、エンジン１の下へと軸線方向に延びている。コイル１０は、３つの別個のステージで設けられている。第１のステージ１１はエンジンヘッド２を取り囲み、第２のステージ１２はエンジンヘッド２の下にあり、その外周に穴の開いたバッフル１３によってヘッドから分離されている。第３のステージ１４は第２のステージ１２の軸線方向下にあり、最初の２つのステージよりも小さな半径で巻回されている。第３のステージ１４は、バーナに取り囲まれていない。バッフル１３は、第３のステージ１４が点火していないときの、第１のステージ１１と第２のステージ１２の温度と圧力を維持する。また、第１のステージ１１と第２のステージ１２からの熱は、エンジン１のヘッド２へと反射する。
【００２４】
バーナ２０は環状構造で、エンジンヘッド２とコイル１０を取り囲んでいる。バーナ２０も複数のステージに分割されている。第１のステージ２１は、エンジンヘッド２と環状フィン７を取り囲んでいる。第２のステージ２２は、エンジンヘッド２の下端と第１のステージのコイル１１を取り囲んでいる。バーナの第３のステージ２３は、第２のステージのコイル１２を取り囲んでいる。
【００２５】
第２のバーナステージ２２と第３のバーナステージ２３が、それぞれ独立して稼働可能な２つのサブステージ２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、２３Ｂにそれぞれ分割されていることにも注目されたい。第１のバーナステージ２１、第２のサブステージ２２Ａ、２２Ｂ、そして第３のサブステージ２３Ａ、２３Ｂはそれぞれ、ライン３０、３１、３２、３３及び３４のそれぞれに沿った、空気と可燃性ガスの供給手段をそれぞれ別個に有する。各ステージにはまた、それぞれ独立して発火できるように、固有の発火システムと専用の発火制御装置も設けられている。本明細書の別の箇所で、「スターリングエンジンを加熱するためのバーナ」や「補助バーナ」について言及していることにも注目されたい。これら２つのバーナは、図１を参照して説明されるように、単一のマルチステージバーナの一部となることができる。
【００２６】
ガスと空気の混合物の制御は、図２及び３でより詳細に説明されるように、バルブ４０によって実現される。
【００２７】
バルブ４０は、内側スリーブ４１と外側スリーブ４２を備える。各出口ラインのために、内側スリーブ４１と外側スリーブ４２は、１対の異なる形状のオリフィス４３、４４を有する。このオリフィスは、内側スリーブ４１と外側スリーブ４２が互いに対して回転するときに、異なった程度オーバーラップするように構成されている。ライン３０〜３４のそれぞれを通る流量は、この２つのオリフィスのオーバーラップの程度によって決定される。バルブ４０のハウジングの下端にあるソレノイド４５が、内側スリーブ４１と外側スリーブ４２との相対回転移動をもたらす。
【００２８】
オリフィス４３、４４の相対的なサイズは、各出口３０〜３４を通る流量が、内側スリーブ４１と外側スリーブ４２の回転位置の一次関数にできる限り近づくように、構成される。
【００２９】
オリフィスの輪郭(profile)の詳細な図を、図３に示す。斜線を引いた領域は、オリフィス４４の平面への投影を示す。図３、これは、熱と電力の出力が可変（ＶＡＲ）、最大（ＭＡＸ）、最小（ＭＩＮ）又はゼロ（ＮＯＮＥ）の位置を示す。オリフィス４３、４４の２つのセットの関係が固定されている場合、ライン３０〜３３全てを通る出口の流れ全てを、別々に制御することは不可能であることが理解されるであろう。しかしながら、図１から明らかなように、バーナのステージ全てを本当の意味で独立させることが絶対必要というわけではない。例えば、第２のステージ２２の場合、第１のサブステージ２２Ａだけを点火するか又はこのサブステージを第２のサブステージ２２Ｂと一緒に点火するかのいずれかが必要となる。しかしながら、第２のサブステージ２２Ｂだけを点火する必要はない。類似の考察が第３のステージ２３にも当てはまる。より一層の独立が必要ならば、内側スリーブ４１を、多数の独立して回転可能なセグメントに分割することができる。
【００３０】
使用時、スターリングエンジンアセンブリの動作は、家庭の電気と熱の需要によって決定される。電気の需要が高く熱の需要が低い場合、第１のバーナステージ２１と任意で第２のバーナステージ２２が点火される。逆に、熱の需要が高く電気の需要が低い場合、第３のバーナステージ２３と任意で第２のバーナステージ２２が点火される。電気と熱の両方の需要が高い場合、全てのバーナステージが点火される。こういった極端の間には、種々のバーナステージやサブステージによって与えられる多数の中間的な設定が存在しており、電力と熱の生成の高度な制御を可能にしている。
【００３１】
バーナのためのガスと空気は、ファン／ベンチュリガスバルブ装置４６で混合され、ファンの速度を制御して種々のバーナステージへと供給されるガスの全体量を変化させることができる。そして、外側スリーブ４２の中にある、バルブ４０の内側スリーブ４１の位置が、ガスと空気が種々のバーナステージへ正確に供給されるように、システム要件にしたがって決定される。
【００３２】
或いは、ガスを、バルブ４０の下流にある空気と混合してもよい。このことは、予混合を行うためにバルブ４０を密閉する必要がないことを意味している。しかしながら、これには、バルブ４０からの各流れにガス／空気ミキサーが必要となる。
【００３３】
家庭用セントラルヒーティングシステムからの水は、ライン５０に沿ってスターリングエンジンシステムへと供給され、そこでまず最初にエンジン冷却器８を冷却し、低位熱を吸収する。そしてその水は環状通路５１を循環し、そこで第１のステージバーナ２１とエンジンハウジングとの間にあるシール５２を冷却する。状況に応じて、１つ又はそれより多くの冷却チャンネルが、バーナの外側ケーシングの周りに水を供給することができる。こういったチャンネルは、シール５２の周りにある通路５１に直列でもよいし、並列でもよい。そして、水はライン５３に沿って補助熱交換器１０へと供給される。水は最初に第３のステージ１４の周りを通過し、そこで、第３のステージがバーナステージによって直接加熱されていないために比較的低位の熱を獲得する。そして、螺旋状の巻線を上へと循環し、第２の巻線と第１の巻線のそれぞれを通り、そこで、最後にライン５４に沿って家庭用セントラルヒーティングシステムへと出るまでの時間にアクティブないずれかのバーナステージによって加熱される。
【００３４】
種々のバーナステージからの排気ガスは送管６０に沿って排出される一方で、排気ガスからの凝縮物は凝縮物ドレーン６１に沿って排出される。このドレーンは、流体がそこに蓄積して腐食を起こすような一切のデッドスペースを回避するように配置されている。
【００３５】
図１から分かるように、熱交換器コイル１０とバーナアセンブリ２０は、環状ブラケット５５を介してスターリングエンジン１から直接取り付けられている。したがって、吸収体５の効果にもかかわらず残っている、スターリングエンジン１のわずかな残留振動は、補助熱交換器のコイルに伝達される。コイルの上に定着してしまった凝縮物がこの振動に促されて、コイル１０の下方に角度の付いた表面に沿って流れ、最終的には凝縮物ドレーン６０へと流れる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本システムの概略断面図である。
【図２】バルブアセンブリの概略斜視図である。
【図３】バルブスリーブにあるオリフィスの輪郭のグラフによる表示である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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