JP2000018627A - コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギーの利用効率を高め，かつ，原動機
の運転状態に関わらず一定の温度，水量のユーザ用水Ｅ
を安定供給できるようにする。 【解決手段】 冷却水熱回収装置１０及び排ガス熱回収
装置２０で熱交換されて加熱されたユーザ用水Ｅを加熱
装置３０によりさらに加熱する。加熱されて所定温度に
なったユーザ用水Ｅは保温貯湯装置６０により保温貯湯
する。このとき加熱装置３０は，動作流体Ｅを蒸発気化
するヒートポンプ部４０，該蒸発気化した動作流体Ｄを
圧縮することにより高温化してユーザ用水Ｅを加熱する
圧縮部５０により構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，自家発電等におけ
る原動機から廃棄される熱を回収して，エネルギー利用
効率を高めることができるようにしたコージェネレーシ
ョンシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】今日，エネルギーの有効利用は，各産業
界において重要な問題となっている。例えば，自家発電
装置等においては，ディーゼルエンジン等の原動機によ
り発電機を回転させて発電が行われるが，そのときの発
電効率は４０％程度しか得られないのが現状である。

【０００３】そこで，より効率的な発電が行われるよう
に種々の開発が行われると共に，一方で原動機の冷却水
や排ガスの熱を再利用することが試みられている。

【０００４】かかる原動機の冷却水や排ガスの熱を再利
用するために，図６に示すようなコージェネレーション
システムが提案されている。当該装置は，ディーゼルエ
ンジン等の原動機１０１，該原動機１０１に駆動される
発電機１０２，冷却水熱交換器１０３，排ガス熱回収器
１０４，吸収式冷凍機１０５，暖房，給湯等の熱負荷機
器１０６を有している。

【０００５】以下，吸収式冷凍機１０５及び熱負荷機器
１０６等に供給される水をユーザ用水と総称する。

【０００６】そして，原動機１０１の冷却水は，配管１
１１を介して冷却水熱交換器１０３を循環するように形
成され，当該冷却水熱交換器１０３で配管１４３を介し
て循環してきたユーザ用水と熱交換し，当該ユーザ用水
を加熱するようになっている。

【０００７】その後，ユーザ用水は，配管１４１を介し
て排ガス熱回収器１０４に循環し，当該排ガス熱回収器
１０４で排気ガスと熱交換することにより，さらに加熱
されて吸収式冷凍機１０５や熱負荷機器１０６に供給さ
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，原動機
１０１は常に定格運転されるとは限らないので，電力需
要が少なくなる深夜等においては排ガス量等が少なり，
最終的に得られるユーザ用水の温度が低くなったり，逆
に昼間のように電力需要が多いときはユーザ用水の温度
が高くなりすぎることがある。

【０００９】このようにユーザ用水の温度が変動する
と，温水吸水冷凍機１０５や熱負荷機器１０６の能力も
それに伴い変動するため，所定の冷暖房能力等が得られ
なくなる。

【００１０】また，原動機１０１の稼働率に依存して温
水吸水冷凍機１０５や熱負荷機器１０６に供給できるユ
ーザ用水の水量も変動するため，例えば原動機１０１が
フル稼働している場合にはユーザ用水を十分に供給でき
ても，フル稼働していない深夜等において水量不足する
場合も生じる。

【００１１】このため，ユーザ用水の温度調整や水量調
整を行う必要が生じるが，かかる調整を原動機１０１の
稼働率を調整したり，電熱器等を別途用意して調整する
ことにより行うとエネルギー利用効率の低下を招く問題
がある。

【００１２】例えば，原動機１０１をフル稼働しなくて
もよいのに所定温度，所定水量のユーザ用水を確保する
ために当該原動機１０１をフル稼働するような場合に
は，発電に用いられるエネルギーが無駄になり，全体と
してエネルギー利用効率が低下し，時にはマイナスのエ
ネルギー利用となる。

【００１３】そこで，本発明は，エネルギーの利用効率
を高め，かつ，原動機の運転状態に関わらず一定の温
度，水量のユーザ用水を安定供給できるようにしたコー
ジェネレーションシステムを提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，請求項１にかかる発明は，原動機の冷却水の熱を回
収する冷却水熱回収装置と、当該原動機の排ガスの熱を
回収する排ガス熱回収装置とを有し、これら熱回収装置
で回収する熱を用いてユーザーが利用するユーザー用水
を加熱するように成したコージェネレーションシステム
において、空気を熱源とし作動冷媒を循環させるヒート
ポンプシステムと，冷却水熱回収装置及び排ガス熱回収
装置で加熱された後のユーザー用水をこのヒートポンプ
サイクルを用いて再加熱可能に循環させると共に、冷却
水熱回収装置及び排ガス熱回収装置での熱回収量が少な
い際にヒートポンプシステムを有効に作用させる制御装
置とを有して，エネルギーの利用効率を高めて，原動機
の運転状態に関わらず一定の温度を持つ温水が安定供給
できるようにしたことを特徴とする。

【００１５】請求項２にかかる発明は，冷却水熱回収装
置及び排ガス熱回収装置で加熱された後のユーザー用水
を所定温度まで昇温させる昇温装置と，この所定温度ま
で加熱されたユーザー用水を貯湯する保温貯湯装置とを
備えて，エネルギーの利用効率を高めて，原動機の運転
状態に関わらず一定の温度を持つ温水が安定供給できる
ようにしたことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は，本発明にかかるコージェネレーシ
ョンシステムの構成図である。

【００１７】当該システムは，ディーゼルエンジン等の
原動機４の冷却水から熱を回収してユーザ用水を加熱す
る冷却水熱回収装置１０，当該原動機４の排ガスから熱
を回収してユーザ用水を加熱する排ガス熱回収装置２
０，冷却水熱回収装置１０及び排ガス熱回収装置２０で
加熱されたユーザ用水を更に加熱する加熱装置３０，加
熱されたユーザ用水を貯湯する保温貯湯装置６０，これ
ら各装置の動作を制御する制御装置８０等を主要構成と
している。

【００１８】保温貯湯装置６０は，低温用貯湯槽６１及
び高温用貯湯槽６３からなり断熱材により形成され，又
は槽が真空槽で形成された断熱構造となっている。

【００１９】無論，当該低温用貯湯槽６１及び高温用貯
湯槽６３に蓄熱材を用いて，保温等を行うようにするこ
とも可能である。

【００２０】このような，保温貯湯装置６０を用いてユ
ーザ用水を保温貯留することにより，ユーザ用水の需要
が少ない時に冷却水熱回収装置１０等で回収した熱を有
効に利用することが可能になっている。

【００２１】冷却水熱回収装置１０には，冷却水Ａが循
環して，原動機４からの当該冷却水Ａを貯留する冷却水
受水タンク１１，該冷却水受水タンク１１からの冷却水
Ａとユーザ用水吸水タンク７１からのユーザ用水Ｅと熱
交換する冷却水熱交換器１３，該冷却水熱交換器１３か
らの冷却水Ａを貯留して原動機４に給水する冷却水給水
タンク１４等を有している。

【００２２】なお，以下の説明では冷却水受水タンク１
１と冷却水給水タンク１４とを両方備える場合について
説明するが，本発明はこれに限定されるものではなくい
ずれか１つのタンクでまかなうようにすることも可能で
ある。

【００２３】そして，冷却水Ａは冷却水給水タンク１４
→原動機４→冷却水受水タンク１１→冷却水熱交換器１
３→冷却水給水タンク１４へと循環する。

【００２４】これにより，原動機４のオイルジャケット
チャージャ高温部等を冷却して温度が上昇した冷却水Ａ
は，冷却水受水タンク１１に貯留され，ポンプ１２によ
り冷却水熱交換器１３に送られる。

【００２５】当該冷却水熱交換器１３で，ユーザ用水給
水タンク７１からポンプ７２を介して循環したユーザ用
水Ｅと熱交換し冷却水給水タンク１４に貯留され，ポン
プ１５により原動機４に給水される。

【００２６】排ガス熱回収装置２０は，排ガス熱回収器
２１及び排ガス熱交換器２２等を有して，これらを熱回
収水Ｂが循環している。

【００２７】なお，ユーザ用水Ｅを直接排ガス熱回収器
２１に供給する構成も可能であり，かかる場合には排ガ
ス熱交換器２２は不要となる。

【００２８】そして，排ガス熱回収器２１で排ガスと熱
回収水Ｂとを熱交換させることにより排ガスの熱を回収
し，排ガス熱交換器２２で当該熱回収水Ｂとユーザ用水
Ｅとを熱交換させている。

【００２９】加熱装置３０は，空気を熱源とし作動冷媒
Ｃを循環させるヒートポンプシステムであるヒートポン
プ部４０及び加熱用の動作流体Ｄが循環する昇温装置で
ある圧縮部５０等を有して，ヒートポンプ部４０は，外
気等から吸熱して動作流体Ｄを蒸発させ，また圧縮部５
０は蒸発気化した動作流体Ｄを多段圧縮することにより
所定温度まで加熱している。

【００３０】なお，動作流体Ｄには，水や不凍液等のブ
ラインを用いることができる。

【００３１】ヒートポンプ部４０は，冷媒Ｃを圧縮して
高温高圧のガス冷媒Ｃにする圧縮機４１，該圧縮機４１
からの冷媒Ｃと動作流体Ｄと熱交換させて，当該冷媒Ｃ
を凝縮させ，そのときの凝縮熱で動作流体Ｄを蒸発気化
させる凝縮器４２，凝縮した冷媒Ｃを貯留する冷媒タン
ク４３，該冷媒タンク４３からの冷媒Ｃと外気等の熱源
と熱交換させて，当該冷媒Ｃを蒸発させる蒸発器４４等
を有してヒートポンプサイクルを形成している。

【００３２】圧縮部５０は，ヒートポンプ部４０の凝縮
器４２で蒸発気化した動作流体Ｄを圧縮する多段圧縮機
５１（５１ａ〜５１ｆ），該多段圧縮機５１で圧縮加熱
された動作流体Ｄを飽和蒸気にして，後段の圧縮機に供
給する過熱度除去器５２（５２ａ〜５２ｅ），多段圧縮
機５１から抽気された動作流体Ｄ及び吐出された動作流
体Ｄと冷却水熱交換器１３からのユーザ用水Ｅとを熱交
換させて，当ユーザ用水Ｅを加熱させると共に当該動作
流体Ｄを復水させる加熱復水器５３（５３ｄ〜５３
ｆ），該加熱復水器５３で復水しなかった動作流体Ｄを
トラップするトラップ５４，復水した動作流体Ｄを貯留
する復水タンク５５等を有している。

【００３３】なお，多段圧縮機５１は，第１段〜第６段
圧縮機５１ａ〜５１ｆから構成され，過熱度除去器５２
は第１段〜第５過熱度除去器５２ａ〜５２ｅから構成さ
れて，第１段〜第５段過熱度除去器５２ａ〜５２ｅは第
１段〜第５段圧縮機５１ａ〜５１ｅで圧縮され動作流体
Ｄを冷却して，後段の圧縮機に戻している。

【００３４】例えば，第１段圧縮機５１ａから第１段過
熱度除去器５２ａに供給された動作流体Ｄは，当該第１
段過熱度除去器５１ａから第２段圧縮機５１ｂに供給さ
れる。

【００３５】加熱復水器５３は前段加熱復水器５３ｄ，
中段加熱復水器５３ｅ，後段加熱復水器５３ｆから構成
され，前段及び中段加熱復水器５３ｄ，５３ｅは，第４
段圧縮機５１ｄ，第５段圧縮機５１ｅから抽気された動
作流体Ｄとユーザ用水Ｅとを熱交換させ，後段加熱復水
器５３ｆは第６段圧縮機５１ｆから吐出された動作流体
Ｄとユーザ用水Ｅとを熱交換させている。

【００３６】トラップ５４は，前段加熱復水器５３ｄに
接続された前段トラップ５４ｄ，中段加熱復水器５３ｄ
に接続された中段トラップ５４ｅ，後段加熱復水器５３
ｄに接続された後段トラップ５４ｆから構成されて，そ
れぞれの加熱復水器５３で復水しなかった動作流体Ｄを
トラップするようになっている。

【００３７】次に詳細な構成及び動作を図２〜図５を参
照して説明する。なお，これらの図に示される数値は例
示であることをあえて付言する。

【００３８】また，以下の説明ではユーザ用水Ｅは，ユ
ーザ用水給水タンク７１に貯留され，低温貯湯槽６１か
らはポンプ６２によりユーザ用水Ｅが図示しない給湯器
に供給され，高温用貯湯槽６３からはポンプ６４により
ユーザ用水Ｅが図示しない吸収式冷凍機に供給されるも
のとして説明する。

【００３９】ユーザ用水給水タンク７１に貯留されたユ
ーザ用水Ｅは，ポンプ７２を介して冷却水熱交換器１３
に供給され，当該冷却水熱交換器１３で冷却水Ａと熱交
換する。

【００４０】これによりユーザ用水Ｅの温度は，給湯用
の温水としては十分な温度となるが，吸収式冷凍機に供
給するには十分でない。

【００４１】そこで，ユーザ用水Ｅの一部を低温用貯湯
槽６１に貯湯して給湯用等に供給すると共に，残りを排
ガス熱回収装置２０及び加熱装置３０に供給してさらに
高い温度にする。

【００４２】即ち，冷却水熱交換器１３で熱交換したユ
ーザ用水Ｅの一部は低温用貯湯槽６１に貯留され，残り
はポンプ７３により排ガス熱回収装置２０の排ガス熱交
換器２２に供給される。

【００４３】このとき，原動機４がフル稼働している場
合は，排ガス温度（排ガス量）も高いので排ガス熱交換
器２２で熱交換したユーザ用水Ｅを吸収式冷凍機に供給
するには十分な温度となる。

【００４４】しかし，原動機４がフル稼働していない場
合，排ガス温度は低く，当該排ガス熱交換器２２で熱交
換したユーザ用水Ｅを吸収式冷凍機に供給するには十分
な温度でない。

【００４５】そこで，制御装置８０は，昼間等のように
原動機４がフル稼働している場合には，排ガス熱交換器
２２で熱交換したユーザ用水Ｅを保温貯湯装置６０の高
温用貯湯槽６３に直接貯湯させる。

【００４６】一方，深夜のように原動機４がフル稼働し
ていない場合は，加熱装置３０を駆動して，排ガス熱交
換器２２で熱交換したユーザ用水Ｅを当該加熱装置３０
に供給させ，当該加熱装置３０でさらに加熱して保温貯
湯装置６０の高温用貯湯槽６３に貯湯させる。

【００４７】なお，加熱装置３０の駆動は，エネルギー
利用効率を勘案して適宜設定できることは言うまでもな
いが，ヒートポンプ部４０のモータ４５及び圧縮部５０
のモータ５７が商用電力により駆動するような場合に
は，当該商用電力が安くなる深夜が好ましい。

【００４８】加熱装置３０は，冷媒Ｃが循環するヒート
ポンプ部４０と動作流体Ｄが循環する圧縮部５０とを有
して，ヒートポンプ部４０で動作流体を蒸発させ，圧縮
部５０でこれを圧縮することにより高温の動作流体Ｄを
得て，当該動作流体Ｄでユーザ用水Ｅを加熱している。

【００４９】即ち，ヒートポンプ部４０では，モータ４
５により圧縮機４１を駆動して冷媒Ｃを圧縮し，これに
より高温高圧のガス冷媒Ｃにして凝縮器４２に供給して
いる。

【００５０】凝縮器４２の凝縮管４８には，ポンプ５６
で復水タンク５５から圧送された動作流体Ｄがノズル４
７により噴霧されている。

【００５１】これにより，動作流体Ｄは，凝縮管４８を
流動する高温の冷媒Ｃにより加熱されて蒸発し，また冷
媒Ｃは凝縮して冷媒タンク４３に貯留される。貯留され
た冷媒Ｃは図示しない減圧装置により減圧又は絞れて低
温の冷媒Ｃとなって蒸発器４４に供給される。

【００５２】当該蒸発器４４には，ファン４６により外
気等が送風されている。これにより，冷媒Ｃは当該外気
から蒸発熱を受取って蒸発しガス冷媒Ｃとなって圧縮機
４１に戻る。

【００５３】このようにヒートポンプ部４０で外気等の
熱源からエネルギーを汲上て用いているので，エネルギ
ー効率が改善される。

【００５４】凝縮器４２で蒸気となった動作流体Ｄは圧
縮部５０に送られる。当該圧縮部５は複数のタービンか
らなる多段圧縮機５１で，モータ５７によりタービン翼
が回転して動作流体Ｄを略断熱圧縮している。

【００５５】そして凝縮器４２から第１段圧縮機５１ａ
に供給された動作流体Ｄは，当該圧縮機５１ａで略断熱
圧縮される。これにより動作流体Ｄの圧力及び温度が上
昇して過熱蒸気となる（図２において，ＰＳ１→ＰＥ
１）。

【００５６】図２は，圧縮部５０におけるＨ−Ｓ線図で
あり，同図においてＰＳ１〜ＰＳ６は第１段〜第５段圧
縮機５１ａ〜５１ｆに供給される動作流体Ｄの状態を示
し，ＰＥ１〜ＰＥ６は第１段〜第５段圧縮機５１ａ〜５
１ｆで圧縮された動作流体Ｄの状態を示している。また
図中，Ｔ，Ｈ，Ｐ，Ｌはそれぞれ温度（℃），比エンタ
ルピー（ｋｃａｌ／ｋｇ），圧力（ｋｇｆ／ｃｍ²），
飽和蒸気圧曲線を示している。

【００５７】そこで，第１段〜第５段圧縮機５１ａ〜５
１ｅからの動作流体Ｄの過熱度を第１段〜第５段過熱度
除去器５２ａ〜５２ｅで除去することにより飽和蒸気に
している（図２において，ＰＥ１→ＰＳ２）。

【００５８】即ち，第１段〜第５段過熱度除去器５２ａ
〜５２ｅには，復水タンク５５から凝縮器４２に供給さ
れる動作流体Ｄの一部が貯留され，第１段から第５段圧
縮機５１ａ〜５１ｅで圧縮されて高温高圧になった動作
流体Ｄが当該貯留された動作流体Ｄ中に吐出される。こ
れにより，当該貯留されている動作流体Ｄの温度が上昇
して蒸発して過熱度が除去される。

【００５９】このときの多段圧縮機５１及び過熱度除去
器５２における点Ｋ１〜Ｋ１７，Ｍ１〜Ｍ５の動作流体
の温度，圧力，比エンタルピー，流量，熱量，仕事熱量
を例示したのが図３及び図４である。

【００６０】このような手順で順次圧縮，過熱度除去が
行われて，動作流体Ｄの温度が徐々に高められて最終段
の圧縮機５１ｆから高温蒸気として加熱復水器５３ｆに
供給される。

【００６１】なお，図１に示すように，第４段及び第５
段圧縮機５１ｄ，５１ｅで圧縮された動作流体Ｄの一部
が抽気されて，前段，中段加熱復水器５３ｄ，５３ｅに
供給されている。

【００６２】無論，抽気回数，どの圧縮機５１から抽気
するか等はエネルギー利用効率を勘案して適宜設計でき
ることはいうまでもない。

【００６３】ポンプ７４により加熱復水器５３に送られ
てきたユーザ用水Ｅは動作流体Ｄと熱交換して加熱され
て保温貯湯装置６０の高温用貯湯槽６３に貯湯される。

【００６４】一方，加熱復水器５３で熱交換して温度の
下がった動作流体Ｄの大部分は復水し，復水していない
動作流体Ｄは蒸気トラップ５４によりトラップされて，
復水タンク５５に貯留され，上述したように凝縮器４２
等に供給される。

【００６５】このときの，加熱復水器５３における点Ｌ
１〜Ｌ４，Ｋ１２〜Ｋ１６の動作流体及びユーザ用水の
温度，圧力，比エンタルピー，流量，熱量，仕事熱量を
例示したのが図５である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように，請求項１にかかる
発明によれば，空気を熱源とし作動冷媒を循環させるヒ
ートポンプシステムと，冷却水熱回収装置及び排ガス熱
回収装置で加熱された後のユーザー用水をこのヒートポ
ンプサイクルを用いて再加熱可能に循環させると共に、
冷却水熱回収装置及び排ガス熱回収装置での熱回収量が
少ない際にヒートポンプシステムを有効に作用させる制
御装置と設けたので，発電機における原動機のエネルギ
ー利用効率が向上して，一定の温度を持つ温水が安定供
給できるようになる。

【００６７】請求項２にかかる発明によれば，冷却水熱
回収装置及び排ガス熱回収装置で加熱された後のユーザ
ー用水を所定温度まで昇温させる昇温装置と，この所定
温度まで加熱されたユーザー用水を貯湯する保温貯湯装
置とを設けたので，発電機における原動機のエネルギー
利用効率が向上して，一定の温度を持つ温水が安定供給
できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の説明に適用されるコージ
ェネレーションシステムの構成図である。

【図２】多段圧縮機におけるＨ−Ｓ線図である。

【図３】多段圧縮機における動作流体の諸特性表であ
る。

【図４】過熱度除去器における動作流体の諸特性表であ
る。

【図５】復水加熱器における動作流体の諸特性表であ
る。

【図６】従来の技術の説明に適用されるコージェネレー
ションシステムの構成図である。

【符号の説明】

１０ 冷却水熱回収装置 １１ 冷却水受水タンク １３ 冷却水熱交換器 １４ 冷却水給水タンク ２０ 排ガス熱回収装置 ２１ 排ガス熱回収器 ２２ 排ガス熱交換器 ３０ 加熱装置 ４０ ヒートポンプ部（ヒートポンプシステム） ４１ 圧縮機 ４２ 凝縮器 ４３ 冷媒タンク ４４ 蒸発器 ５０ 圧縮部（昇温装置） ５１（５１ａ〜５１ｆ）多段圧縮機 ５２（５２ａ〜５２ｅ）過熱度除去器 ５３（５３ｄ〜５３ｆ）加熱復水器 ５４（５４ｄ〜５４ｆ）トラップ ５５ 復水タンク ６０ 保温貯湯装置 ６１ 低温用貯湯槽 ６３ 高温用貯湯槽 ７１ ユーザ用水給水タンク ８０ 制御装置 Ａ 冷却水 Ｂ 熱回収水 Ｃ 冷媒 Ｄ 動作流体 Ｅ ユーザ用水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉橋 幸▲徳▼ 大阪府箕面市箕面八丁目17−18 (72)発明者 倉橋 泰 神奈川県横浜市中区桜木町３丁目８番地 横浜塩業ビル 株式会社ぱど内 Ｆターム(参考） 3L073 AA07 AA14 AB02 AB09

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原動機の冷却水の熱を回収する冷却水熱
   回収装置と、当該原動機の排ガスの熱を回収する排ガス
   熱回収装置とを有し、これら熱回収装置で回収する熱を
   用いてユーザーが利用するユーザー用水を加熱するよう
   に成したコージェネレーションシステムにおいて、 空気を熱源とし作動冷媒を循環させるヒートポンプシス
   テムと，前記冷却水熱回収装置及び排ガス熱回収装置で
   加熱された後のユーザー用水をこのヒートポンプサイク
   ルを用いて再加熱可能に循環させると共に、前記冷却水
   熱回収装置及び排ガス熱回収装置での熱回収量が少ない
   際に前記ヒートポンプシステムを有効に作用させる制御
   装置とを有することを特徴とするコージェネレーション
   システム。
2. 【請求項２】 前記冷却水熱回収装置及び排ガス熱回収
   装置で加熱された後のユーザー用水を所定温度まで昇温
   させる昇温装置と，この所定温度まで加熱されたユーザ
   ー用水を貯湯する保温貯湯装置とを備えることを特徴と
   するコージェネレーションシステム。