辐射热回收型加热器以及使用了该辐射热回收型加热器的斯特林发动机和焚烧炉的制作方法

本发明涉及辐射热回收型加热器、将该辐射热回收型加热器作为高温侧热交换器的斯特林发动机、以及利用该辐射热回收型加热器进行热回收的焚烧炉。

背景技术：

一直以来，已知使斯特林发动机的高温热交换器暴露在焚烧炉内的结构(例如，参照专利文献1。)

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第2564849号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

可是，关于上述以往的高温热交换器，并没有公开用于提高热交换性能的具体的结构。

本发明是鉴于该情况而完成的，目的在于提供能够提高热交换性能的辐射热回收型加热器以及利用了该辐射热回收型加热器的斯特林发动机和焚烧炉。

用于解决问题的手段

关于用于解决上述课题的本发明的辐射热回收型加热器，在加热器的安装部配置有多个具有热介质的往路和返路的传热管，所述传热管的一个通路的安装节圆为小径，所述传热管的另一个通路的安装节圆为大径，多个所述传热管被收纳在容器内，且容器暴露在高温中，由此，各传热管吸收来自该容器的辐射热，其中，各传热管的一个通路和另一个通路以等间隔的节距角配置于安装部，一个通路以与另一个通路的从容器朝向该容器的中心的投影面完全不重合的方式在从另一个通路的节距角偏移了规定的角度的位置处配置于安装部。

在上述辐射热回收型加热器中，可以是，一个通路在相对于另一个通路偏移了节距角的一半角度的位置处配置于安装部。

关于用于解决上述课题的本发明的辐射热回收型加热器，在加热器的安装部配置有多个具有热介质的往路和返路的传热管，所述传热管的一个通路的安装节圆为小径，所述传热管的另一个通路的安装节圆为大径，多个所述传热管被收纳在容器内，且容器暴露在高温中，由此，各传热管吸收来自该容器的辐射热，其中，各传热管的一个通路和/或另一个通路以从容器朝向该容器的中心方向的投影面积扩大的方式形成有沿着该投影面的扁平或椭圆的加工部。

关于上述辐射热回收型加热器，可以是，在容器内填充有惰性气体。

关于上述辐射热回收型加热器，可以是，在该辐射热回收型加热器中设置有用于向容器内供给惰性气体的惰性气体供给路径。

关于上述辐射热回收型加热器，可以是，使用氦气作为惰性气体。

关于上述辐射热回收型加热器，可以是，容器内被密闭，在使容器暴露于高温中时，能够将容器内保持为比大气压高的压力。

关于上述辐射热回收型加热器，可以是，在所述辐射热回收型加热器中设置有压力调整阀。

用于解决上述课题的本发明的斯特林发动机将上述辐射热回收型加热器作为高温侧热交换器。

关于用于解决上述课题的本发明的焚烧炉，上述辐射热回收型加热器被设置成暴露在炉内的能够进行热回收的空的空间内。

发明的效果

如上所述，根据权利要求1所述的本发明，将各传热管的一个通路和另一个通路以等间隔的节距角配置于安装部，一个通路以与另一个通路的从容器朝向该容器的中心的投影面完全不重合的方式在从另一个通路的节距角偏移了规定的角度的位置处配置于安装部，因此，能够防止从进行热放射的容器朝向一个通路的辐射热被另一个通路遮挡。因此，能够实现从容器朝向各传热管的直达热传递量的提高。

根据权利要求2所述的本发明，一个通路在相对于另一个通路偏移了节距角的一半角度的位置处配置于安装部，由此，能够最大限度地实现所述的直达热传递量的提高。

根据权利要求3所述的本发明，各传热管的一个通路和/或另一个通路以使从容器朝向该容器的中心方向的投影面积扩大的方式形成有沿着该投影面的扁平或椭圆的加工部，因此，与未形成加工部的情况相比，能够实现从容器朝向各传递管的直达热传递量的提高。

根据权利要求4所述的本发明，通过在收纳有传热管的容器内填充惰性气体，能够抑制传热管的高温氧化从而保护传热管，能够实现传热管的耐久性的提高。另外，根据权利要求5所述的本发明，通过设置用于向容器内供给惰性气体的惰性气体供给路径，能够容易地将容器内的空气与惰性气体进行置换。

根据权利要求6所述的本发明，通过使用氦气作为惰性气体，不但能够抑制传热管的高温氧化，还能够使容器内的自然对流热传递量增加，从而能够实现传热管的耐久性的提高和热传递效率的提高。

根据权利要求7所述的本发明，在将容器内密闭并将容器暴露于高温下时，能够将容器内保持为比大气压高的压力，由此也不但能够抑制传热管的高温氧化，还能够使容器内的自然对流热传递量增加，从而能够实现传热管的耐久性的提高和热传递效率的提高。另外，根据权利要求8所述的本发明，能够防止内部压力变得过高。

根据权利要求9所述的斯特林发动机，通过将上述辐射热回收型加热器作为高温侧热交换器，能够提高从该高温侧热交换器回收的热量。

根据权利要求10所述的焚烧炉，通过将上述辐射热回收型加热器设置成暴露在炉内的能够进行热回收的空的空间内，能够高效地回收焚烧炉内的废热。

附图说明

图1是示出将具有本发明的辐射热回收型加热器的斯特林发动机设置于焚烧炉中的状态的焚烧炉的局部剖视图。

图2是示出将具有本发明的辐射热回收型加热器的斯特林发动机设置于焚烧炉中的状态的局部端面图。

图3是沿图2中的I-I线的剖视图。

图4是对图3中的另一投影面进行说明的剖视图。

图5的(a)是示出本发明的辐射热回收型加热器的另一实施方式的局部端面图，(b)是其局部剖视图，(c)和(d)是示出该图(b)的再一个实施方式的局部剖视图。

图6的(a)是示出本发明的辐射热回收型加热器的再一个实施方式的局部端面图，(b)是其局部剖视图，(c)和(d)是示出该图(b)的再一实施方式的局部剖视图。

图7的(a)是示出本发明的辐射热回收型加热器的另一实施方式所涉及的设置状态的局部端面图，(b)是沿该图(a)中的II-II线的剖视图。

图8的(a)是示出本发明的辐射热回收型加热器的再一个实施方式所涉及的设置状态的局部端面图，(b)是沿该图(a)中的II-II线的剖视图。

图9是示出在本发明的辐射热回收型加热器的容器内使用了惰性气体时的自然对流热传递量与容器内压力之间的关系的曲线图。

图10的(a)是示出图7的辐射热回收型加热器的再一个实施方式的局部端面图，(b)是沿该图(a)中的IV-IV线的剖视图。

图11的(a)是示出图8的辐射热回收型加热器的再一个实施方式的局部端面图，(b)是沿该图(a)中的V-V线的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1示出了将具有辐射热回收型加热器1的斯特林发动机10设置于焚烧炉2中的状态，图2示出了该焚烧炉2中的斯特林发动机10的部分，图3示出了该斯特林发动机10中的辐射热回收型加热器1的重要部位。

关于本发明的辐射热回收型加热器1，多根U字传热管12呈放射状配置于加热器1的安装部11，并且它们被收纳于容器13内，容器13暴露在高温中，由此，U字传热管12吸收来自该容器13的辐射热。

安装部11形成为圆盘状。在本实施方式中，其构成了斯特林发动机10的高温侧的气缸盖。以从该安装部11的中心C起成为放射状的方式配置有多根U字传热管12。

U字传热管12是呈U字状弯曲形成的传热管，具有热介质的往路和返路。其一个通路121的安装节圆形成为小径，另一个通路122的安装节圆形成为大径。此时，U字传热管12在安装部11的周向上以等间隔的节距角θ设置。但是，内径侧的一个通路121以与另一个通路122的从容器13所位于的外周侧朝向中心C的投影面122A完全不重合的方式，在以节距角θ的一半角度1/2θ的量从另一个通路122的配置位置偏移的角度α的位置处配置于安装部11。

容器13形成为能够将呈所述放射状配置的所有U字传热管12收纳于其内部的有底圆筒状，在将U字传热管12收纳于容器13内的状态下，容器13被设置成在容器13的开口部周缘与安装部11之间形成有间隙的状态。即，关于该容器13，由于其暴露在高温下，因此与不使用时的温度差较大，如果将安装部11和容器13紧密地固定，则在使用时暴露在高温下时，容器13内成为高压而发生热变形，从而导致容器13损伤。因此，在容器13内，以在与安装部11之间形成有间隙的状态收纳U字传热管12，从而使U字传热管12能够吸收来自该容器13的辐射热但却不会追随容器13的温度变化。该容器13由不锈钢等金属、陶瓷或金属陶瓷等耐热性优异的材料形成。

这样形成的辐射热回收型加热器1被作为斯特林发动机10的高温侧的热交换器来使用。作为该斯特林发动机10，只要能够将从辐射热回收型加热器1回收的热作为该斯特林发动机10的高温侧热源来使用，就不特别限定，可以使用与从辐射热回收型加热器1回收的热量相对应的各种斯特林发动机10。

焚烧炉2构成为，使被焚烧物燃烧时所产生的燃烧气体变得高温，并在该焚烧炉2内通过，经过脱硫、脱尘等从烟道排出。所述斯特林发动机10被设置成：从高温的燃烧气体通过的部位、例如设置于二次焚烧炉21的侧壁部211上的开口部211a将该斯特林发动机10的辐射热回收型加热器1的容器13部分插入，利用容器13的凸缘部131堵塞开口部211a，从而使辐射热回收型加热器1的容器13部分暴露在二次焚烧炉21内的空的空间210中。但是，作为设置斯特林发动机10的位置，只要是焚烧炉2内的燃烧气体变得高温后通过的部位即可，不限于二次焚烧炉21内的侧壁部211，其它如二次焚烧炉21内的顶部或炉出口烟道等，只要是能够使辐射热回收型加热器1暴露于在焚烧炉2内变得高温的部分的空的空间中的位置即可，并不特别限定。

通过像这样设置于焚烧炉2的二次焚烧炉21的侧壁部211而暴露在该二次焚烧炉21内的空的空间210中的辐射热回收型加热器1接受焚烧炉2的二次焚烧炉21内的焚烧热，使得容器13在整体上被加热，收纳在该容器13内的U字传热管12被来自容器13的辐射热加热。

此时，关于U字传热管12，通过将内径侧的一个通路121在以节距角θ的一半角度1/2θ的量从另一个通路122的配置位置偏移的角度α的位置处配置于安装部11，由此，另一个通路122的从容器13朝向中心C的投影面122A与内径侧的一个通路121完全不重合，因此，从容器13朝向一个通路121的辐射热不会被另一个通路122遮挡，能够没有遗漏地使整个U字传热管12接受辐射热。

因此，能够提高辐射热回收型加热器1的热交换效率，并且还能够防止辐射热仅集中在U字传热管12的一部分上而产生热斑，因此也能够提高U字传热管12的耐久性。

并且，只要是另一个通路122的从容器13朝向中心C的投影面122A与内径侧的一个通路121完全不重合的结构即可，并不如上述那样特别限定于这样的结构：将内径侧的一个通路121在以节距角θ的一半1/2θ的角度α的量从另一个通路122的配置位置偏移的位置处配置于安装部11，也可以是这样的结构：在以很小的角度α的量偏移的位置处将一个通路121配置于安装部11。但是，另一个通路122的投影面122A和一个通路121越是完全不重合，接受辐射热的面越大，辐射热的回收效率越高，因此，在以节距角θ的一半1/2θ的角度α的量从另一个通路122的配置位置偏移的角度α处将一个通路121配置于安装部11上的结构是能够获得最好效果的结构。

另外，在本实施方式中，一个通路121构成为与另一个通路122的从容器13朝向中心C的投影面122A完全不重合，但也可以如图4所示那样构成为与另一个通路122的从容器13朝向中心C收束的投影面122B完全不重合。即，关于容器13，其周围为圆形，其不是从一个方向辐射热量，而是从周向没有遗漏地辐射热量。因此，一个通路121即使形成为与另一个通路122的从容器13朝向中心C的投影面122A重合的结构，但只要是不与另一个通路122的从容器13朝向中心C收束的投影面122B重合的结构，就能够吸收从容器13的周向绕过来的辐射热，从而，能够没有遗漏地使U字传热管12的一个通路121接受辐射热。

另外，关于一个通路121，如图3所示，连接中心C和一个通路121的中心121C的直线与一个通路121的外周相交的点121R从最正面接受来自容器13的辐射热，因此，如果考虑辐射热的吸收，则优选以使该点121R不与另一个通路122的从容器13朝向中心C的投影面122A重合的方式来设定偏移的角度α，更优选的是，如图4所示，以使该点121R不与另一个通路122的从容器13朝向中心C收束的投影面122B重合的方式来设定偏移的角度α。

作为该角度α，在设置于安装部11的U字传热管12的数量较多的情况下，调整幅度变小。即使在这样的情况下，在将内径侧的一个通路121设置在以节距角θ的一半1/2θ的角度α的量从另一个通路122的配置位置偏移的位置处时，也能够使另一个通路122的从容器13朝向中心C收束的投影面122B与内径侧的一个通路121的重合处于最小限度，因此，作为考虑了吸收辐射热的结构，是最优选的。

另外，与上述相反，在设置于安装部11的U字传热管12的数量较少的情况下，偏移的角度α产生裕量。在这样的情况下，关于U字传热管12，不限于将内径侧的一个通路121在以节距角θ的一半1/2θ的角度α的量从另一个通路122的配置位置偏移的位置处配置于安装部11上，只要处于使另一个通路122的所述投影面122A、122B不与内径侧的一个通路121重合的范围内即可，可以任意变更偏移的角度α。

图5示出了本发明的辐射热回收型加热器1的另一实施方式。即，该辐射热回收型加热器1在U字传热管12的处于内径侧的一个通路121上形成有进行了扁平或椭圆加工而成的加工部123，从而实现了从一个通路121的从容器13朝向中心C的投影面积121A向加工部123的从容器13朝向中心C的投影面积123A的扩大。根据该结构，与通过加工成扁平或椭圆而使得加工部123的投影面积123A从一个通路121的投影面积121A起所实现的扩大相对应，能够吸收大量的辐射热，因此能够实现热交换效率的提高。

并且，在这种情况下也优选使U字传热管12的处于内径侧的一个通路121不与另一个通路122的从容器13朝向中心C的投影面122A重合，但是，即使它们重合，也依然实现了从能够吸收辐射热的一个通路121的投影面积121A向加工部123的投影面积123A的扩大。因此，如图6所示，即使U字传热管12的一个通路121没有与另一个通路122的配置位置错开而是以相同的节距角θ进行安装，但是与在同样的结构下没有加工成扁平或椭圆的情况相比，辐射热的吸收效果增大。

因此，关于U字传热管12，如图5所示，可以使一个通路121相对于另一个通路122偏移并在U字传热管12的一个通路121上形成加工部123(图5的(b))，或者，也可以在另一个通路122上形成加工部123(图5的(c))，也可以在双方上形成加工部123、123(图5的(d))。另外，如图6所示，可以使一个通路121相对于另一个通路122不偏移并在U字传热管12的一个通路121上形成加工部123(图6的(b))，或者，也可以在另一个通路122上形成加工部123(图6的(c))，也可以在双方上形成加工部123、123(图6的(d))。

上述实施例的加热器由于暴露在焚烧炉2的内部，因此从防止U字传热管12腐蚀的观点出发，其构成为利用容器13进行覆盖的辐射热回收型加热器1，但是，在应用于流动炉等防腐的可能性较小的炉的情况下，无需利用容器13进行覆盖。即，也可以应用于传热管与气体直接进行热传递的形式的而不是辐射型的加热器中。另外，不仅可以用于热回收，还可以用于散热(即冷热用)。

另一方面，在构成为利用容器13进行覆盖的辐射热回收型加热器1的情况下，从进一步防止腐蚀的观点出发，可以在容器13内填充惰性气体。

图7示出了设置有惰性气体供给管14的辐射热回收型加热器1，其中，该惰性气体供给管14从容器13与安装部11之间的间隙向容器13内的空间中供给惰性气体。惰性气体供给管14构成为通过阀门14a的开闭将来自泵等的惰性气体填充到容器13内的空间中，关于惰性气体供给管14，可以设置成使惰性气体的供给开口部面对容器13与安装部11之间的间隙，也可以使惰性气体供给管14从所述间隙延伸至容器13的内部进行设置。但是，在延伸至容器13的内部进行设置的情况下，惰性气体供给管14采用以能够承受来自容器13的辐射热的方式由不锈钢制等的构件构成的惰性气体供给管。

作为所使用的惰性气体，可以列举出氦气、氩气等稀有气体类、或者氮气、二氧化碳等反应性较低的气体、或者它们的混合气体。

根据这样构成的辐射热回收型加热器1，如果将来自惰性气体供给管14的惰性气体填充到设有U字传热管12的容器13内的空间中而使该容器13内的空气与惰性气体置换，则该容器13内的U字传热管12被惰性气体抑制发生高温氧化而受到保护，提高了U字传热管12的耐久性。

另外，在使用了氦气作为惰性气体的情况下，容器13内的U字传热管12能够提高基于自然对流的热传递量，使热传递量提高为空气的情况下的将近大约3倍，从而能够实现辐射热回收型加热器1的热交换性能的提高。

并且，在本实施方式中，容器13由在与安装部11之间具有间隙的开放系统构成，因此，即使容器13的温度上升，也能够保持大气压状态，但是，也可以如图8所示那样，以构成为将设置于该安装部11的凸缘部11a与容器13之间的间隙密闭从而能够对容器13内加压的方式，形成为密闭系统的结构。其中，在这种情况下，在容器13与安装部11之间的间隙中夹装耐热性和耐压性的密封垫3等来将两者夹持固定，以免容器13由于温度变化所导致的热变形而损伤。另外，为了防止内部压力变得过高，在设置于安装部11上的配管15中设置压力调整阀15a，从而能够调整容器13内的内压。

并且，在形成为密闭的结构的情况下，仅通过在容器13内供给有惰性气体无法在容器13内良好地通过惰性气体进行置换，因此，可以是：在填充惰性气体时，在从惰性气体供给管14或配管15或者另行设置的专用配管(省略图示)对容器13内进行减压后，从惰性气体供给管14将惰性气体供给至该容器13内，由此在该容器13内填充惰性气体。

通过像这样能够提高容器13内的压力，由此，在借助惰性气体提高了内压的容器13内，不但能够通过前述的高温氧化抑制来实现对U字传热管12的保护，还能够实现基于自然对流的热传递量的提高。因此，在使用氦气作为惰性气体的情况下，如图9所示，能够实现以释放系统构成容器13内并对该容器13内填充了氦气的情况的大约1.5倍以上的热传递量的提高。与以释放系统构成容器13内并对该容器13内填充了空气的情况相比较，能够实现大约5倍的热传递量的提高。即，在使用了氦气作为惰性气体的情况下，能够获得基于氦气所实现的自然对流热传递量的提高、和基于密闭系统的容器13的结构所实现的自然对流热传递量的提高这两方面的效果，从而能够实现更加优异的自然对流热传递量的提高。

通过像这样在容器13内填充惰性气体，能够实现U字传热管12的耐久性的提高、和基于自然对流的热传递量的提高，因此，辐射热回收型加热器1能够提高耐久性和热回收效率，使用了该辐射热回收型加热器1的斯特林发动机10和焚烧炉2能够实现输出的提高。

另外，通过在容器13内填充惰性气体，能够实现基于自然对流的热传递量的提高，因此，即使减少设在容器13内的U字传热管12的数量，也能够获得与未填充惰性气体时同等程度的输出，能够实现辐射热回收型加热器1的小型化，使用了该辐射热回收型加热器1的斯特林发动机10也同样能够实现小型化。另外，使用了该斯特林发动机10的焚烧炉2能够实现该斯特林发动机10的辐射热回收型加热器1部分的小型化，因此，即使是有限的空的空间240也能够进行安装。

并且，在本实施方式中，关于辐射热回收型加热器1，U字传热管12设置于容器13内，但是其形状、根数、配置结构并不特别限定，可以使用在这种辐射热回收型加热器1中采用的各种传热管。因此，图7和图8所示的U字传热管12可以如图5和图6所示那样形成为各种形状。另外，图7和图8所示的U字传热管12构成为：将内径侧的一个通路121在以节距角θ的一半角度1/2θ的量从另一个通路122的配置位置偏移的角度α的位置处配置于安装部11，由此容易吸收辐射热，但也可以如图10和图11所示那样，不使一个通路121和另一个通路122的节距角θ错开地进行配置。即使在这种情况下，也能够获得基于容器13内的惰性气体的填充所带来的效果，因此能够实现U字传热管12的耐久性的提高和热传递效率的提高。

标号说明

1：辐射热回收型加热器；

10：斯特林发动机；

11：安装部；

12：U字传热管；

121：一个通路；

122：另一个通路；

122A：投影面；

123：加工部；

123A：投影面；

13：容器；

14：惰性气体供给管(惰性气体供给路径)；

15a：压力调整阀；

2：焚烧炉；

210：空的空间；

θ：节距角；

α：角度。