JP2003021393A - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents

エンジンの排熱回収装置

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JP2003021393A JP2001202162A JP2001202162A JP2003021393A JP 2003021393 A JP2003021393 A JP 2003021393A JP 2001202162 A JP2001202162 A JP 2001202162A JP 2001202162 A JP2001202162 A JP 2001202162A JP 2003021393 A JP2003021393 A JP 2003021393A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱媒体液の有無または不足をタイムラグ無く
検出できるようにする。 【解決手段】 エンジン２を冷却するウォータジャケッ
トおよびエンジン排気を熱源とする排気熱交換器９に熱
媒体液を循環させてエンジン２の排熱を回収する。熱媒
体液の循環経路１２上で、排熱回収位置としてのエンジ
ン２近傍に第１の温度センサＴＷ１を設ける。第１の温
度センサＴＷ１よりも下流で循環経路１２上に第２の温
度センサＴＷ２を設ける。熱媒体液が存在しない異常時
には、正常時よりも大きい温度差が第１の温度センサＴ
Ｗ１および第２の温度センサＴＷ２の出力間に生じる。
そこで、第１および第２の温度センサＴＷ１，ＴＷ２に
よる検知温度差が予定値を超えたときに熱媒体液不足信
号を出力するよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排熱回
収装置に関し、特に、コジェネレーション装置等に動力
源として用いられるエンジンの排熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、地球環境問題に対する取り組み等
から、エネルギーの有効利用を図る観点で、動力源の運
転に伴って発生する熱（排熱）を回収して利用するコジ
ェネレーション装置が注目されている。コジェネレーシ
ョン装置では、例えば、都市ガス等を燃料とするガスエ
ンジンを動力源として使用し、発電および給湯等が行わ
れる。コジェネレーション装置等に使用されるエンジン
の排熱回収装置では、エンジン冷却用のウォータジャケ
ットおよびエンジンの排気を熱源とする排気熱交換器
に、ウォータポンプによって水等の熱媒体を循環させて
熱回収し、この熱回収により温度上昇した熱媒体から熱
量（熱出力）取り出す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記排熱回収装置にお
いて、何らかの原因で熱媒体の循環系統に十分な量の熱
媒体が確保されないことがあると、受熱部（エンジン）
およびその近辺の温度が上昇して、エンジンに接触して
いる部品等の故障を引き起こすおそれがある。例えば、
施工時とかメンテナンス時における熱媒体の注入忘れ
や、故障による漏れ、空気混入等があると熱媒体が不足
する。一方冷却水の温度が設定温度異常に上昇したとき
エンジン保護回路が作動する排熱回収システムが知られ
る。例えば、特開平７−２４７８３４号公報には、エン
ジン冷却部に供給される冷却水の温度が設定温度に維持
されるようにしてエンジン保護回路が必要以上に作動し
ないようにしたものが開示されている。
【０００４】このような従来の保護回路を有するシステ
ムでは、循環路の受熱部近辺に配置した水温センサの検
出温度が所定値以上となったときに異常状態と判別する
ことで、このセンサを上記のような異常状態の検出用と
して兼用することも行なわれている。しかしながら、こ
の場合は実際の温度上昇に対してセンサの検出温度が所
定値を越えるまでのタイムラグが大きく十分な保護が行
なえない可能性があり、しかも異常状態の判別のしきい
値温度は熱媒体液の上限温度より大きな値に設定する必
要がある。
【０００５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、十分な量の熱媒体が循環していな
いことを早期に検知して、受熱部の保護を確実なものに
することができるエンジンの排熱回収装置を提供するこ
とにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、エンジンを冷
却するウォータジャケットに熱媒体液を循環させてエン
ジンの排熱を回収するエンジンの排熱回収装置におい
て、前記熱媒体液の循環経路上で、排熱回収位置に設け
た第１の温度センサと、前記第１の温度センサよりも下
流で前記循環経路上に設けた第２の温度センサと、前記
第１および第２の温度センサによる検知温度差が予定値
を超えたときに熱媒体液不足信号を出力する手段とを具
備した点に第１の特徴があり、前記熱媒体液を、エンジ
ン排気を熱源とする排気熱交換器にさらに循環させる点
に第２の特徴がある。
【０００７】第１または第２の特徴によれば、循環経路
に熱媒体液が無いと、第１および第２のセンサ間では空
気を介して熱伝導が行われることになるので、熱媒体液
が十分に循環している場合と比べて両温度センサによる
検出温度差が大きくなる。したがって、この検出温度差
が予定値を超えたか否かによって熱媒体の有無ないし不
足を検出することができる。
【０００８】また、本発明は、前記第１および第２の温
度センサのうち少なくとも一方は、前記循環経路のうち
空気が溜まりやすい位置に配置した点に第３の特徴があ
る。熱媒体の不足量が少ない場合、空気が溜まりやすい
位置に第１および第２の温度センサの少なくとも一方を
配置することにより、両センサ間に熱伝導率の小さい空
気層が介在しやすくなる。したがって、熱媒体液の不足
分が少ない場合でも、両温度センサの検知温度差が生じ
て熱媒体液不足を早期に検出することができる。
【０００９】さらに、本発明は、前記第１および第２の
温度センサが、フェールセーフシステムを構成する２つ
の温度センサである点に第４の特徴がある。第４の特徴
によれば、フェールセーフシステム用に設ける２つの温
度センサを、第１および第２の温度センサとして使用す
ることにより、追加のセンサを要しないで、熱媒体液の
有無ないし不足を検出することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の一
実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態
に係るエンジンの排熱回収装置の構成を示すブロック図
である。排熱回収装置１はエンジン発電機のエンジン部
から排熱を回収する。排熱回収装置１は、仕切板１００
で仕切られた上下２つの部屋からなり、この仕切板１０
０によって２つの部屋は互いに空気の流通が遮断されて
いる。２つの部屋のうち、下方の部屋にはエンジン２お
よびエンジン２に機械的に連結駆動される発電機３が設
けられる。発電機３はエンジン２で駆動されて交流を発
生する。エンジン２には潤滑オイルを溜めるオイルパン
４が設けられる。オイルパン４にはオイルクーラ（オイ
ル熱交換器）５が接続されており、オイル熱交換器５は
オイルパン４内のオイルと熱媒体（冷却水）との熱交換
を行う。
【００１１】エンジン２が収容された部屋から隔離して
エンジン２の熱の影響を受けにくくした上の部屋には、
エアフィルタ７ならびにバッテリ２５やＥＣＵ２６など
の電装機器が設けられる。エアフィルタ７を経由して導
入される空気はエンジン２のシリンダヘッド６に取入れ
られる。エンジン２の排気は排気マニホルド８および排
気熱交換器９を通り、サイレンサ３１を経て外部へ排出
される。
【００１２】エンジン２で発生した熱を効率よく回収す
るための熱媒体の循環経路１２が設定されている。熱媒
体を循環させるためのウォータポンプ１０が熱媒体の循
環経路１２の入口側に設けられる。この配置により、高
温の熱媒体との接触が避けられるのでシール部材等が劣
化しにくくなり、ウォータポンプ１０の長寿命化が図ら
れる。
【００１３】ウォータポンプ１０で外部から排熱回収装
置１に給送された熱媒体は、まず排気熱交換器９に給送
され、続いて、オイルパン４内のオイル熱交換器５、エ
ンジン２、シリンダヘッド６、サーモカバー１６を順に
経て、外部へ循環する。循環経路１２を通った熱媒体
は、排熱回収装置１の外部で給湯タンク等の熱負荷を経
由することができる。サーモカバー１６はサーモスタッ
トを内蔵していて、予め設定した温度以下では閉弁して
熱媒体を循環させないようにし、シリンダの温度低下を
防ぐことができる。
【００１４】熱媒体が循環経路１２を循環することによ
ってエンジン２で発生した熱が回収されて熱負荷へ供給
される。すなわち、熱媒体は、その温度が低いうちに排
気熱交換器９に給送されてエンジン２からの排気と熱交
換して効率的に熱を得る。排気熱交換器９およびオイル
熱交換器５を順に通過することによって、熱を回収して
温度上昇した熱媒体は、さらにエンジン２のシリンダ壁
やシリンダヘッド６に設けられた管路つまりウォータジ
ャケット６Ａからなる冷却部およびシリンダヘッド６を
通って熱回収し、その温度がさらに上昇させられる。
【００１５】循環経路１２には、熱媒体の温度を検知す
るための温度センサＴＷ１，ＴＷ２が設けられる。温度
センサＴＷ１は受熱部つまりエンジン２の近傍に設けら
れ、温度センサＴＷ２は温度センサＴＷ１より下流に設
けられる。これらの温度センサＴＷ１，ＴＷ２は循環経
路１２内の熱媒体の有無や不足を検出するために設けら
れる。これらの配置や作用はさらに後述する。
【００１６】図２は上記排熱回収装置の外観を示す右側
斜視図、図３は同左側斜視図である。図２および図３に
おいて、排熱回収装置１は上板１３Ａ、底板１３Ｂ、お
よび側板１３Ｃからなる防音ケース１３に収納されてい
る。底板１３Ｂには脚１４が設けられ、側板１３Ｃの右
側には電気入出力用端子配置部１５や取手１７等が設け
られる。さらに側板１３Ｃの右側には熱媒体入口パイプ
１８、熱媒体出口パイプ１９、および凝縮水ドレーンパ
イプ２０、ならびに燃料ガス入口パイプ２１がそれぞれ
貫通する孔が形成されている。上板１３Ａには吸気管２
２および排気管２３がそれぞれ貫通する孔が形成されて
いる。
【００１７】側板１３Ｃの左側には入力制御パネル１５
Ａや取手１７Ａが設けられる。側板１３Ｃの左側には前
記熱媒体入口パイプ１８および熱媒体出口パイプ１９と
それぞれつながる熱媒体左入口パイプ４７および熱媒体
左出口パイプ４８がそれぞれ貫通する孔が形成される。
熱媒体入口パイプ１８および熱媒体左入口パイプ４７、
ならびに熱媒体出口パイプ１９および熱媒体左出口パイ
プ４８は、ケース１３の左右任意の側から熱媒体の出入
れが可能なように、それぞれ図示しないホースでつなが
れる。図３に示すように、本実施例では熱媒体を右側か
ら出し入れする設定になっていて、熱媒体左入口パイプ
４７および熱媒体左出口パイプ４８は栓で塞がれてい
る。
【００１８】続いて、排熱回収装置１の内部構造をさら
に説明する。図４はケースを一部取り外した状態の排熱
回収装置の正面図、図５は同右側面図、図６は同左側面
図である。図４〜図６において、排熱回収装置１の上部
にはエアフィルタ７、バッテリ２５、およびＥＣＵ２６
が配置される。なお、排熱回収装置１の上部には、自動
電圧レギュレータ（ＡＶＲ）や燃料ガスの調圧器（いず
れも図示せず）等も配置される。さらに、最下部には排
気熱交換器９が、中間部にはエンジン２がそれぞれ配置
される。
【００１９】エンジン２はクランク軸（図示しない）が
垂直に設定されたバーチカルタイプであり、クランク軸
には発電機３が結合される。エンジン２の下部にはオイ
ルパン４が配置される。エンジン２のシリンダヘッドの
上方にはミキサ２７が設けられ、ミキサ２７にはエアフ
ィルタ７から延びた吸気用ホース２８と、調圧器を経て
燃料ガス入口パイプ２１から延びたガスパイプ２９とが
接続される。
【００２０】底板１３Ｂには、側板１３Ｃに沿って右ス
テー３０が立設される。右ステー３０には熱媒体入口パ
イプ１８、熱媒体出口パイプ１９、および凝縮水ドレー
ンパイプ２０が取付けられる。排気熱交換器９からの排
気音を吸収するサイレンサ３１は右ステー３０に沿って
設けられる。サイレンサ３１は排気管２３に接続され、
吸気管２２はエアフィルタ７に接続される。サイレンサ
３１には、その入口側に曲管部３２が設けられていて、
排気熱交換器９からの排気は曲管部３２を経てサイレン
サ３１に導入される。
【００２１】このように、エンジン２をバーチカルタイ
プにし、作業機である発電機３を縦軸に配置したクラン
ク軸に連結するとともに、排気熱交換器９は水平に横た
わるエンジン２のシリンダの下方に配置している。こう
して、排熱回収装置１は全体として縦長にしたので、設
置面積を小さくできるとともに、仕切板１００の下面に
設けられる換気装置１１０による自然対流を利用した換
気も能率よく行うことができる。なお、換気装置１１０
は、防音ケース１３の底板１３Ｂに設けられた空気取入
孔から取込んだ空気を防音ケース１３外へ排出するため
のラビリンス構造の通路を有する。
【００２２】図７は排熱回収装置の拡大斜視図であり、
図１〜図６と同符号は同一または同等部分を示す。図７
において、熱媒体つまり冷却水は、前記熱媒体入口パイ
プ１８につながるパイプ１８１によって排気熱交換器９
に導入される。エンジン２のシリンダヘッド６に隣接し
て熱媒体の循環経路に設けられるサーモカバー１６に
は、パイプ１９１が結合され、このパイプ１９１は前記
熱媒体出口パイプ１９に結合される。排気熱交換器９に
導入された熱媒体は図１に関して説明した循環経路１２
を循環し、エンジン２のシリンダヘッド６を通過後、サ
ーモカバー１６、パイプ１９１および熱媒体出口パイプ
１９を経由して外部の熱負荷（例えば給湯タンク）に循
環される。
【００２３】エンジン２および熱媒体出口パイプ１９間
の熱媒体体循環経路上に設定された２カ所の測定位置
に、熱媒体の温度を検知するための温度センサＴＷ１、
ＴＷ２を設ける。第１の温度センサＴＷ１を受熱部に近
い位置であるシリンダヘッド６つまりサーモカバー１６
の上流側に設け、第２の温度センサＴＷ２をパイプ１９
１の下流位置つまり前記熱媒体出口パイプ１９の近傍に
設ける。この２カ所の温度差により、循環経路１２内の
熱媒体があるかどうかまたは不足していないかどうかを
後述のアルゴリズムにより判断する。なお、温度センサ
ＴＷ１，ＴＷ２の設置位置は、図１や図７に示した位置
に限らない。温度センサＴＷ１を受熱部つまりエンジン
２側、温度センサＴＷ２をセンサＴＷ１から離れた、循
環経路１２の下流に設置してあればよい。
【００２４】図８は、温度センサＴＷ１，ＴＷ２による
温度検知結果に基づく熱媒体有無判断のための要部機能
を示すブロック図である。なお、この機能はマイクロコ
ンピュータによって実現できる。温度センサＴＷ１の出
力Ｔ１および温度センサＴＷ２の出力Ｔ２は、Ａ／Ｄ変
換された後、温度差検出部４０に入力される。温度差検
出部４０は、出力Ｔ１，Ｔ２の差ΔＴを算出する。温度
差ΔＴは比較部４１に入力され、予め設定される基準温
度差ΔＴrefと比較される。比較部４１は温度差ΔＴが
基準温度差ΔＴrefを超えたときに検出信号（熱媒体液
不足信号）Ｄを出力する。この検出信号Ｄに応答して、
エンジン２を停止したり、異常検知を知らせるアラーム
をならしたりすることができる。
【００２５】図９は、熱媒体を循環させないときの温度
センサＴＷ１，ＴＷ２の出力Ｔ１，Ｔ２の変化を調査し
た結果を示す図である。エンジン回転数Ｎeは２０００r
pm一定とした。この図のように、時間ｔの経過とともに
出力Ｔ１とＴ２との差は大きくなる。これは、熱媒体と
しての冷却水がない場合、熱は気体を伝わることになる
ため、その熱伝導率は冷却水と違って低いからである。
したがって、エンジン２の出口付近つまり温度センサＴ
Ｗ１の設置位置では温度が上昇しているにもかかわら
ず、熱源であるエンジン２から離れた位置では、温度上
昇程度が小さい。
【００２６】熱媒体が循環経路１２内に存在してはいる
が、その循環量が不足している場合には、温度差ΔＴが
生じにくく、基準温度差ΔＴrefを超えるまでの時間が
長くなることがある。したがって、短時間で熱媒体の不
足を検出できるよう、温度センサＴＷ１，ＴＷ２の設置
位置を、循環経路１２のうち空気の溜まりやすい位置に
決定するのがよい。そうすることにより、各温度センサ
間での熱の伝導時間が遅くなって短時間で温度差ΔＴが
大きくなり、熱媒体の不足を早期に検出可能となる。
【００２７】このような温度センサの設置位置の決定基
準は、特に熱負荷が大きくて、センサ検出部でのエンジ
ン２からの受熱量より持ち去り熱量が大きい場合に有効
である。空気の溜まりやすい位置に温度センサＴＷ１，
ＴＷ２を設置する場合、双方が空気の溜まりやすい位置
にある必要はない。両センサ間で熱の伝達がしにくいよ
う、熱媒体が不足したときに、温度センサＴＷ１，ＴＷ
２の少なくとも一方が熱媒体に接触しないようになれば
よい。例えば、図７の位置Ｐに温度センサＴＷ２を配置
すればよい。熱媒体の不足が生じたときにパイプ１９１
の上部分には、他に先立って空気層が生じやすいからで
ある。
【００２８】なお、温度センサＴＷ１，ＴＷ２は、熱媒
体の有無検出用に専用で設けるものでなくてもよい。排
熱回収装置１の熱媒体の温度管理に通常に使用する温度
センサを利用することができる。また、熱媒体の有無検
出用に特に温度センサを２つ設けるのではなく、フェー
ルセーフ等、他の目的で使用される２つの温度センサを
熱媒体の有無検出用に利用すればよい。
【００２９】例えば、熱媒体の温度検出用センサが単一
の場合、センサ故障時に誤った検出信号が出力される
が、それを誤った信号と判断できない。そこで、複数の
センサを設けて、いずれかが異常温度を検知すればシス
テムを止める処置が行われる。このように、温度センサ
ＴＷ１，ＴＷ２として、一般にフェールセーフシステム
用に設けられるセンサを使用することができるので、セ
ンサの追加を必要とせず、きわめて経済的に循環経路１
２内の熱媒体の有無を判断することができる。
【００３０】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１〜請求項４の発明によれば、第１および第２の温度セ
ンサによる検出温度差が正常時を超えているかどうかを
判断するための予定値は、正常時の検出温度差よりわず
かに大きく設定しておけばよいので、異常検出までのタ
イムラグが小さく、エンジンに隣接している部品等の十
分な保護が可能である。
【００３１】また、請求項３の発明によれば、熱媒体液
の不足分が少ない場合でも、熱媒体液が無い空気層を介
して第１および第２センサが存在するようになるので、
熱媒体液不足を検出することができる。
【００３２】さらに、請求項３の発明によれば、フェー
ルセーフシステム用に複数設けられる温度センサの出力
を利用して、温度センサを追加することなく熱媒体液有
無の判断をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る排熱回収装置の要
部構成を示すブロック図である。
【図２】 排熱回収装置の右外観斜視図である。
【図３】 排熱回収装置の左外観斜視図である。
【図４】 ケースを取外した状態の排熱回収装置の正面
図である。
【図５】 ケースを取外した状態の排熱回収装置の右側
面図である。
【図６】 ケースを取外した状態の排熱回収装置の左側
面図である。
【図７】 排熱回収装置の要部拡大斜視図である。
【図８】 熱媒体有無判断のための要部機能を示すブロ
ック図である。
【図９】 温度センサの検知出力の推移を示す図であ
る。
【符号の説明】
１…排熱回収装置、 ２…エンジン、 ３…発電機、
４…オイルパン、 ５…オイル熱交換器、 ７…エアフ
ィルタ、 ９…排気熱交換器、 １０…熱媒体用ポン
プ、 １２…循環経路、 １３…防音ケース、 １８…
熱媒体入口パイプ、１９…熱媒体出口パイプ、 ＴＷ１
…第１の温度センサ、 ＴＷ２…第２の温度センサ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジンを冷却するウォータジャケット
    に熱媒体液を循環させてエンジンの排熱を回収するエン
    ジンの排熱回収装置において、 前記熱媒体液の循環経路上で、排熱回収位置に設けた第
    １の温度センサと、 前記第１の温度センサよりも下流で前記循環経路上に設
    けた第２の温度センサと、 前記第１および第２の温度センサによる検知温度差が予
    定値を超えたときに熱媒体液不足信号を出力する手段と
    を具備したことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。
  2. 【請求項２】 前記熱媒体液を、エンジン排気を熱源と
    する排気熱交換器にさらに循環させることを特徴とする
    請求項１記載のエンジンの排熱回収装置。
  3. 【請求項３】 前記第１および第２の温度センサのうち
    少なくとも一方は、前記循環経路のうち空気が溜まりや
    すい位置に配置したことを特徴とする請求項１または２
    記載のエンジンの排熱回収装置。
  4. 【請求項４】 前記第１および第２の温度センサが、フ
    ェールセーフシステムを構成する２つの温度センサであ
    ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記
    載の、エンジンの排熱回収装置。
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