(57)【要約】【課題】概ね３００℃以下の工場や自動車等からの排熱を効率良く且つ低コストでスターリングエンジン等の被加熱体へ移送すると共に該被加熱体へ効率良く伝達することを可能にする。【解決手段】熱を伴った空気である排気を通すダクト２内で該排気中にスプレーノズル３等により水分を加え、その水分を排気中の熱により直接加熱して、水蒸気または高温度の水滴として被加熱体、例えばスターリングエンジン１に移送し当該スターリングエンジン１に熱を伝達する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工場や自動車等からの熱を伴った排気を通すダクト内に、該排気に水分を付加する手段を設けて付加された水分と排気により排気中の熱を被加熱体に移送し、伝達することを特徴とした熱移送伝達装置。
【請求項２】
前記排気に水分を付加する手段がスプレイノズルであることを特徴とする請求項１に記載の熱移送伝達装置。
【請求項３】
前記排気に水分を付加する手段が多孔質のセラミックスや吸水性のある布等の吸水性材料で構成されたことを特徴とする請求項１記載の熱移送伝達装置。
【請求項４】
前記被加熱体がスターリングエンジンであることを特徴とする請求項１に記載の熱移送伝達装置。
【請求項５】
前記スターリングエンジンの吸熱部が複数の管で構成されたスターリングエンジンであることを特徴とした請求項１に記載の熱移送伝達装置。
【請求項６】
被加熱体に供給された水蒸気から生成した水を、排気に水分を付加する手段に還流する手段を排気ダクト内に設けたことを特徴とする請求項３に記載の熱移送伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は地球温暖化対策の一環として、現在十分には利用されていない工場や自動車等からの排熱を発電等に有効に利用するために、被加熱体に効率的に低コストで移送し伝達する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】工場や自動車等からの排熱を有効に利用する多くの提案がある（例えば、特許文献１、２，３参照。）。これらの排熱は多くの場合熱を伴った空気であるが、従来これら排熱を利用して、例えばスターリングエンジンを駆動して発電に利用する場合には該スターリングエンジンの吸熱部を排熱により直接加熱する方法（例えば、特許文献１と特許文献２参照。）が知られている。【０００３】
【特許文献１】  特開２００６−１１８４０６（第１０頁図１）
【特許文献２】  特開２００４−３６４９９（第６頁、図１）
【特許文献３】  特開２００７−１６３０７７（第１２頁、図１）
【０００４】しかしこの場合には、次の様な不都合が生じる。即ち、空気を熱媒とする熱伝達は、液体を熱媒とする場合、あるいは水蒸気の潜熱を利用する場合の熱伝達方法に比べ、伝達効率が低く熱抵抗が大きいので、熱伝達部分の面積を大きくする必要がある。したがって、スターリングエンジンの吸熱部を加熱する場合にも、吸熱部の表面積を熱伝達の観点からは十分に大きくする必要がある。しかし、スターリングエンジンの吸熱部の大きさは効率の観点からの制約があり、熱伝達に必要な十分な大きさにする事が出来ないため、熱抵抗が大きくなり排気の温度と被加熱体の温度差を大きくする必要があった。例えば特許文献２の場合には、スターリングエンジンの膨張室とリジェネレータをつなぐ部分を加熱しているが、この部分の内部の体積はスターリングエンジンの膨張室の容積に係わり、性能、効率に影響する部分であり、熱伝導に必要とする程には十分な大きさには出来ない。【０００５】排熱から被加熱体へ熱を伝える他の方法として、排熱により熱交換器を加熱して内部の液体、例えば水を加熱することにより、被加熱体に熱を伝える方法がある（例えば、特許文献３参照。）。この場合には熱媒として気体ではなく熱伝達の良い液体である水を用いることが出来るので、被加熱体への熱伝達の効率向上と性能の効率を分けて設計する事ができるので、スターリングエンジンの場合にはその性能、効率は向上する。しかし、排熱は概ね３００℃以下であるので、低温度の気体の熱を例えば水に伝えるには、熱伝達のための表面積を十分に大きくして熱伝達による温度低下を可能な限り少なくする必要があり、また加熱された水の温度は２００℃程度の高温水になる場合もあり、高圧に耐える構造とする必要がある場合もある事等から、コストが高くなる欠点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
【０００７】概ね３００℃以下の工場や自動車等からの排熱を効率良く且つ低コストでスターリングエンジン等の被加熱体へ移送すると共に該被加熱体へ効率良く伝達することを可能にする。特にスターリングエンジンの吸熱部の大きさを該スターリングエンジンの性能・効率を損なうことのない大きさとしても良好な熱伝達が行なえることを可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】熱を伴った排気を通すダクト２内に、該排気にスプレーノズル３等により水分を付加する手段を設け、その付加された水分を排気中の熱により直接加熱して水蒸気または高温度の水滴として被加熱体、例えばスターリングエンジン１に移送し当該スターリングエンジン１に熱を移送し伝達する。
【発明の効果】
【０００９】本発明によれば、空気よりもはるかに優れた熱伝達物質である水を利用出来るので、排熱中の熱を効率良く被加熱体に移送して伝達することが出来ると共に、排気に直接水分を加えるので熱交換器を必要とせず、低コストで熱の損失もない。スターリングエンジンを加熱する場合には、吸熱部の表面積を小さく出来るので、該スターリングエンジンの性能・効率を高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１０】以下、本発明の第１の実施例を添付図を参照して説明する。図１は本発明に係る工場等の排熱を被加熱体に移送し、伝達する装置の実施形態の例を示す概略構成図であり、図２は図１中のスターリングエンジン１の例を示す断面図である。【００１１】工場等からの熱を伴った排気は図１に矢印で示され、排気ダクト２を通って、スターリングエンジン１の図２にしめす吸熱部１４に導かれ、該吸熱部１４を加熱して、吸引ファン１１により外部に排出される。尚、図には示されていないが、排気中に粉麈等が含まれている場合には、排気の上流側に濾過装置を設けるのは当然である。【００１２】この過程の途中で排気は排気ダクト２の風路の断面積の大きい部分２ａに設けられた水を噴霧するスプレイノズル３により水分が加えられて、排気はほぼ飽和蒸気で満たされ、噴霧された水の気化熱により、または水滴となった水分に熱が伝えられ、その温度を下げると共に、風路の断面積の小さくなった排気ダクト２ｂ部分を通り、スターリングエンジン１に達する。排気ダクト２の断面積が２ａから２ｂ部分で減少するが、ダクト２ａの部分と２ｂの部分では単位時間当たりの熱の移動量は変わらない。即ち熱媒体が気体から水蒸気等の水分に変わったが、熱の損失はない。熱媒が水分を含むことで熱密度が高まり、排気ダクトの風路断面積を小さくでき、被加熱体である例えばスターリングエンジンの吸熱部１４の表面積を、熱媒が気体である場合に比較して大幅に縮小出来る。【００１３】排気ダクト２ｂを流れる水蒸気や水滴を含む排気はスターリングエンジン１の吸熱部１４を通過する際に吸熱され温度が低下する。そのために排気中の水蒸気が液体の水になり、水蒸気中の潜熱が放出され図２のスターリングエンジン１の吸熱部１４に伝達される。吸熱部１４から出た水は水受けタンク１０に溜められ、循環管６を通って循環ポンプ９により、給水タンク５に送られる。【００１４】熱媒が気体である空気と高温水、水蒸気の場合に、熱の伝達が大きく相違することを計算した数値を示す。例えば、図２に示すスターリングエンジンの吸熱部１４は外径が８ｍｍ、内径が７ｍｍ、長さが１２０ｍｍのステンレス鋼製の管が１２０本で構成されている。これに高温の空気、高温水そして水蒸気で加熱した場合の熱伝達量を計算した。その結果、３００℃の空気を毎秒１５ｍの流速で加熱し管の表面温度を２００℃とした場合の熱伝達量は２ｋＷであり、２１０℃の高温水を毎秒５ｍの流速で加熱した場合の熱伝達量は５０ｋＷ、毎秒５ｍの流速の２０７℃の水蒸気による凝縮熱伝達による加熱の場合の熱伝達量は７３ｋＷとなり空気による熱の移送、伝達の効率の悪さ、低さが明らかである。最も効率的なのは高温水蒸気の凝縮熱伝達の利用であることが分かる。本発明では主として効率の良い水蒸気を利用して熱の移送と伝達を行なうものである。【００１５】図１の１１は排気を移送するための排気ファンである。給水タンク５には給水量を調整する給水バルブ８を有する給水管７より適量の水が供給され、給水ポンプ４により圧力をかけられてスプレイノズル３より噴霧される。また、排気ダクト２ｂと排気ダクト２ｃの部分は矢印で示した排気の流れの方向にわずかに傾斜していて、噴霧された水分が水蒸気や水滴とならなかった水が排気と同じ方向に流れるようになっていて、ダクト２の内部に滞留しないようにたっている。【００１６】図２はスターリングエンジン１の例を示す断面図で、矢印で示す水蒸気や水滴を含む排気は図の左側からスターリングエンジン１の吸熱部１４に達する。該吸熱部１４は多数の管から構成されていて内部をヘリウム等の作動ガスが通過する。その際に該作動ガスは水蒸気や高温の水滴を含む排熱により加熱される。１３はディスプレーサーで１８はピストンであり、これらにより作動ガスは圧縮室１７と膨張室１２との間を吸熱部１４、リジェネレータ１５、排熱部１６を経由して往復移動してピストン１８とディスプレーサー１３を駆動する。【００１７】スターリングエンジンの吸熱部１４を水蒸気や高温の水滴を含む排気により加熱する事により、気体で加熱する場合に比較して吸熱部の表面積は大幅に縮小出来、特許文献２に示されたスターリングエンジンよりも熱交換部分の構造をシンプルで低コストとする事が出来る。
【実施例２】
【００１８】図３は第２の実施例を示すための図１の一部を変えた概略構成図である。図１と同一の構成には同じ番号を付してある。１９は加水部材で複数あり、図１におけるスプレイノズル３に替わるもので、排熱に水分を加える部材で、多孔質のセラミックスや吸水性のある布で構成されていて、給水ポンプ４より水分を供給される。図４は図３のＡ−Ａ線に沿った断面図で、排気は複数ある加水部材１９の表面を通過する際に濡れた加水部材１９から水分の蒸発によりが水分が加えられる。２０は給水ポンプ４から加水部材１９に送られた水が蒸気に変わらなかった分を蓄える受水パンであり、受水パン２０の中の水は毛細管現象により、加水部材１９に移動する。
【実施例３】
【００１９】図５は更に第３の実施例を示すための図１の一部を変えた概略構成図である。図１において循環ポンプ９や循環管６は必ずしも必要でなく、更に同図の給水ポンプ４もなくした構成を図５に示す。図１と同じ構成は図５でも同じ番号を付してある。排気に水分を与える水は給水タンク５から送水管２４、送水量調節バルブ２１、水を上方に流さないための逆止弁２２を通って加熱管２３に達し、加熱管２３ａ、２３ｂの部分で排気中の熱により加熱されて噴出口２５ａ，２５ｂから水蒸気となってダクト２内に噴出し、排気に水分を与える。加熱管２３ａ、２３ｂの部分はその中の水を加熱して蒸気に変えるための十分な長さとし、その断面は必ずしも円形でなく、表面積を大きくする扁平の矩形状でも良い。あるいは、外部にフィンを付け排熱から内部の水への熱伝達を良くし、蒸気を発生し易くすることも出来る。これにより、ポンプ等の磨耗する部品を持つ構成がなくなり、装置は長寿命となり、構成部品が減ることでコストも安くなる。
【実施例４】
【００２０】図６は更に第４の実施例を示すための図１の一部を変えた概略構成図である。他の図と同一の構成は図６でも同じ番号を付してある。図６の１９は図３の１９と同じ構成の加水部材であり、図３における作用と同じく、排気に水分を与える。図６のダクト２ｂの部分は排気の方向と逆方向に下がる傾斜になっていて、水蒸気を含む排気がスターリングエンジン１の図２の吸熱部１４で吸熱され温度を下げて、排気中に含まれていた水蒸気が水となり、受水パン２０に戻るようになっていて、受水パン２０に戻った水は更に加水部材１９の毛細管現象により該加水部材１９に吸い上げられて、再び加水部材１９の表面から水蒸気となって排気中に入り、スターリングエンジン１に運ばれることを繰り返す。この場合スターリングエンジン１の吸熱部１４で水蒸気から生成された水が加水部材１９に戻る経路は、排気ダクト内であり温度が高く保たれているので、加水部材１９に戻って容易に加熱されて水蒸気となるので熱損失が少ない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る工場や自動車等の排熱を移送し、伝達する装置の実施形態の第１の例を示す概略構成図である。
【図２】図１のスターリングエンジン１の例を示す断面図である。
【図３】本発明に係る工場や自動車等の排熱を移送し、伝達する装置の実施形態の第２の例を示す概略構成の一部を示す概略構成図である。
【図４】図３に示す線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図５】本発明に係る工場や自動車等の排熱を移送し、伝達する装置の実施形態の第３の例を示す概略構成の一部を示す概略構成図である。
【図６】本発明に係る工場や自動車等の排熱を移送し、伝達する装置の実施形態の第４の例を示す概略構成の一部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００２２】１    スターリングエンジン
２    排気ダクト
３    スプレイノズル
４    給水ポンプ
５    給水タンク
９    循環ポンプ
１１  排気ファン
１２  膨張室
１３  ディスプレーサー
１４  吸熱部
１５  リジェネレータ
１６  排熱部
１７  圧縮室
１８  ピストン
１９  加水部材
２０  受水パン
２１  送水調節バルブ
２２  逆止弁
２３  ２３ａ，２３ｂ  加熱管
２４  送水管
２５ａ，２５ｂ  噴出口
【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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