JP2005315513A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部装置からの排熱回収に関し、汎用性を向上させた排熱回収装置を提供する。
【構成】 外部装置（発電装置４）の排熱を流体に吸収させて回収する排熱回収装置（２）であって、流体（冷却水Ｗ₁ ）の温度を検出する温度検出手段（温度センサ３０、３２）と、流体の熱を水に吸収させる熱交換手段（熱交換器２４）と、この熱交換手段に水を循環させる循環路（循環回路３６）と、この循環路に設置されて水を強制的に循環させるポンプ（循環ポンプ３８）と、温度検出手段の検出温度が第１の設定温度に到達した場合、ポンプを駆動して熱交換手段に水を循環させ、温度検出手段の検出温度が第１の設定温度と異なる第２の設定温度以下になった場合、ポンプを停止させる制御部（制御装置１６）とを備えた構成である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発電装置等の外部装置の排熱を回収し、その熱を再利用する排熱回収装置に関する。

エンジンの回転力を用いて発電する発電システムにおいて、水冷式エンジンでは発熱を冷却水に吸収させ、高温化した冷却水をラジエター等で放熱させた後、再びエンジンの冷却に使用されている。ラジエターに代え、排熱を吸収する排熱回収装置を設置すれば、エンジンの排熱が持つ熱エネルギを有効に利用することができる。

このような排熱回収に関する先行特許文献には次のようなものがある。
特開２００３−２８２１０８号公報 特開２００３−４２５３９号公報 特許文献１には、燃料電池の熱を冷却配管により取り出し、熱交換器で排熱回収を行い貯湯タンクに貯めることが開示されている。冷却配管及び排熱回収配管には循環ポンプを用いた水を循環させている。

また、特許文献２には、排水バッファタンクに蓄えられた排水の熱をヒートポンプサイクルにより熱回収ユニットに引き込んで排熱回収を行うことが開示されている。

ところで、特許文献１には、燃料電池システムの一部として排熱回収が開示され、この排熱回収は、発電装置と排熱回収装置とを連動させており、排熱回収装置の汎用性に乏しいものである。

また、特許文献２に開示された排熱回収では、排水バッファタンクより排熱回収を行っており、排水バッファタンクユニットが不可欠である。

そこで、本発明の目的は、外部装置からの排熱回収に関し、汎用性を向上させた排熱回収装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の排熱回収装置は、外部装置の排熱を流体に吸収させて回収する排熱回収装置であって、前記流体の温度を検出する温度検出手段と、前記流体の熱を水に吸収させる熱交換手段と、この熱交換手段に前記水を循環させる循環路と、この循環路に設置されて前記水を強制的に循環させるポンプと、前記温度検出手段の検出温度が第１の設定温度に到達した場合、前記ポンプを駆動して前記熱交換手段に前記水を循環させ、前記温度検出手段の検出温度が前記第１の設定温度と異なる第２の設定温度以下になった場合、前記ポンプを停止させる制御部とを備えた構成である。

斯かる構成によれば、外部装置に循環させる流体の熱吸収の状況に応じて排熱開始及び停止を制御し、排熱を効率よく水に回収させることができる。流体の温度を通じて排熱の状況を把握できるので、外部装置の直接的な動作に連動する必要がない。即ち、外部装置と無関係に排熱回収装置を動作させ、効率的な排熱回収が可能であり、冷媒である流体の循環さえあれば、発電装置等、外部装置の仕様や形態に無関係に排熱回収装置を接続して排熱回収を行うことができる。

上記目的を達成するため、本発明の排熱回収装置は、外部装置の排熱を流体に吸収させて回収する排熱回収装置であって、前記流体の熱を水に吸収させる熱交換手段と、この熱交換手段に前記水を循環させる循環路と、この循環路に設置されて前記水を強制的に循環させるポンプと、前記水の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段の前記検出温度が所定温度範囲になるように前記ポンプの駆動を制御する制御部とを備えた構成としてもよい。この場合、所定温度範囲とは既述した第１及び第２の設定温度を固定値とすることなく、両者の間に所定の温度幅があれば、排熱回収を行うものである。

上記目的を達成するため、本発明の排熱回収装置は、外部装置の排熱を流体に吸収させて回収する排熱回収装置であって、前記流体の温度を検出する第１の温度検出手段と、前記流体の熱を水に吸収させる熱交換手段と、この熱交換手段に前記水を循環させる循環路と、この循環路に設置されて前記水を強制的に循環させるポンプと、前記流体の流量を検出する流量検出手段と、前記水の温度を検出する第２の温度検出手段と、前記第１の温度検出手段の検出温度、前記第２の温度検出手段の検出温度、又は前記流量検出手段の検出流量のいずれか又はこれらの２以上を制御情報に用いて前記ポンプの駆動を制御する制御部とを備えた構成としてもよい。

斯かる構成とすれば、流体の検出温度、水の検出温度、流体の検出流量のいずれか又はこれらの２以上を制御情報に用いて水を循環させるポンプの駆動を制御すれば、排熱状態に応じた熱交換が可能となり、効率的な排熱回収が可能である。

上記目的を達成するためには、前記流体から前記熱を吸収させた前記水を溜めるタンクを備えた構成としてもよく、前記外部装置が発電装置である構成としてもよい。

斯かる構成により、本発明によれば、次のような効果が得られる。

(1) 発電装置等の外部装置からの排熱に応じた排熱回収制御を実現しているので、外部装置との動作による制御が不要であることから、発電装置等の各種の外部装置の排熱回収装置として利用できる。

(2) 外部装置の動作と連動させる必要がなく、独立して構成されており、外部装置の冷媒が高温になれば、その冷媒が持つ熱エネルギを回収することができる。

本発明の実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る排熱回収装置の概要を示す図である。

排熱回収装置２の外部装置を構成する発電装置４は、エンジン等を駆動源とし、その発電時、熱を発生する。この発電装置４には排熱を吸収するとともに、発電装置４を冷却する手段として冷却水配管６が内蔵され、この冷却水配管６を含んで発電装置４を冷却するための冷却回路８が構成されている。この冷却回路８には冷媒を構成する流体として冷却水Ｗ₁ が循環しており、排熱を吸収した冷却水Ｗ₁ は往管１０から排熱回収装置２に往き、排熱回収装置２による排熱回収後の冷却水Ｗ₁ が戻管１２を通して冷却回路８に循環する。即ち、この実施形態では、発電装置４に内蔵された冷却水配管６に排熱回収装置２が接続された構成である。斯かる構成とすれば、発電装置４の排熱を吸収した冷却水Ｗ₁ は排熱回収装置２に循環して排熱回収の後、即ち、冷却機能を回復させた後、発電装置４に循環することになる。排熱回収装置２には熱交換により回収した排熱の蓄熱手段として貯湯タンク１４が設置され、排熱が高温水（湯）として蓄えられる。

排熱回収装置２には、発電装置４の制御とは独立した排熱回収制御を行うための制御装置１６が備えられ、この制御装置１６には発電装置４とは独立した電源１８が接続されている。即ち、排熱回収装置２と発電装置４とは冷却回路８のみで連結されているにすぎない。

そして、貯湯タンク１４には、タンク内の上層側の高温湯を利用する給湯回路２０、下層側に熱交換前の冷水を補給する給水回路２２を備えており、質の高い効率的な熱利用を可能にしている。

次に、この排熱回収装置２の構成について、図２を参照して説明する。図２は、排熱回収装置２の構成を示すブロック図である。

排熱回収装置２には、貯湯タンク１４、制御装置１６、排熱回収用熱交換器２４等が備えられ、熱交換器２４には冷却回路８が接続されている。冷却回路８には発電装置４側に循環ポンプ２６が設置され、排熱回収装置２側には流量センサ２８が設置されているとともに、熱交換器２４の与熱入側及び与熱出側に第１の温度検出手段として、温度センサ３０、３２が設置されている。冷却回路８の冷却水Ｗ₁ は、冷却水配管６側に設置された循環ポンプ２６によって強制的に循環され、その循環流量は流量センサ２８によって検出される。温度センサ３０は、与熱入側の冷却水Ｗ₁ の温度を検出し、また、温度センサ３２は、与熱出側の冷却水Ｗ₁ の温度を検出する。なお、循環ポンプ２６は発電装置４側で駆動制御が行われ、冷却水Ｗ₁ の戻り温度が高くなると、発電装置４は発電出力を低下させるか、発電を停止させる。

また、熱交換器２４と貯湯タンク１４との間には水Ｗ₂ を循環させる循環路としての循環回路３６が設置され、この循環回路３６は、貯湯タンク１４の下層部から水Ｗ₂ を取り出し、その水Ｗ₂ を熱交換器２４を循環させて冷却水Ｗ₁ から受熱させた後、貯湯タンク１４の上層部に戻す回路である。この循環回路３６には貯湯タンク１４の出側に循環ポンプ３８及び流量センサ４０が設置されているとともに、熱交換器２４の受熱入側及び受熱出側に第２の温度検出手段として、温度センサ４２、４４が設置されている。貯湯タンク１４の水Ｗ₂ は循環ポンプ３８によって強制的に循環され、その循環流量は流量センサ４０によって検出される。温度センサ４２は、受熱入側の水Ｗ₂ の温度を検出し、また、温度センサ４４は、受熱出側の水Ｗ₂ の温度を検出する。

貯湯タンク１４には、貯湯の階層部分の温度を検出するため、複数の温度センサ４６、４８、５０、５２、５４が設置されている。これら温度センサ４６〜５４によって上層部分から下層部分に至る各温度が検出される。

そして、貯湯タンク１４には、上層部の高温湯を外部に取り出す給湯回路２０が接続されているとともに、下層部に給水する給水回路２２が接続されている。給湯回路２０には、給湯温度を検出する温度センサ５６、給水回路２２には給水温度を検出する温度センサ５８、給水量を検出する流量センサ６０が設置されている。

次に、制御装置１６について、図３を参照して説明する。図３は、制御装置１６の概要を示すブロック図である。

この制御装置１６は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏ等で構成されている。この制御装置１６には、制御状況を温度により監視するため、既述の各センサ４６、４８等から検出出力が入力されているとともに、動作条件等を設定するための入力装置６２が接続されている。この入力装置６２は、キーボード等で構成されている。そして、制御装置１６の出力は、循環ポンプ３８に加えられるとともに、制御情報の提示手段として表示装置６４に加えられている。表示装置６４はＬＣＤ表示器等で構成され、入力装置６２からの入力情報や出力情報が表示される。この表示装置６４には、音声による警告表示手段も包含される。なお、入力装置６２からの入力情報には動作開始温度設定、冷却水戻し温度設定、貯湯温度設定等の各種情報が含まれ、内部メモリに格納される。

次に、排熱回収制御について、図４を参照して説明する。図４は、排熱回収制御を示すフローチャートである。

この排熱回収制御において、
Ｔ₃₀：温度センサ３０の検出温度（熱交換器２４の冷却水Ｗ₁ の入側温度）、
Ｔ₃₂：温度センサ３２の検出温度（熱交換器２４の冷却水Ｗ₁ の出側温度）、
Ｔ_aH：検出温度Ｔ₃₀に対応する排熱回収開始しきい値温度（循環ポンプ３８の起動開始しきい値：第１の設定温度）、
Ｔ_bH：検出温度Ｔ₃₂に対応する排熱回収開始しきい値温度（循環ポンプ３８の起動開始しきい値：第１の設定温度）、
Ｔ_aL：検出温度Ｔ₃₀に対応する排熱回収停止しきい値温度（循環ポンプ３８の起動停止しきい値：第２の設定温度）、
Ｔ_bL：検出温度Ｔ₃₂に対応する排熱回収停止しきい値温度（循環ポンプ３８の起動停止しきい値：第２の設定温度）、
Ｔ_S ：冷却水Ｗ₁ の目標温度、
Ｔ_SH：冷却水Ｗ₁ の目標温度の上限値、
Ｔ_SL：冷却水Ｗ₁ の目標温度の下限値、
ΔＴ_S ：冷却水Ｗ₁ の目標温度の温度幅（Ｔ_SH−Ｔ_SL）、
Ｔｃ：外部装置側の最適戻り温度、
Ｔ₄₂：温度センサ４２の検出温度、
Ｔ₄₄：温度センサ４４の検出温度、
Ｔｍ：水Ｗ₂ の目標温度
とする。

そこで、電源スイッチの投入等により、制御装置１６に通電すると、装置初期化等が実行される（ステップＳ１）。この初期化について、設定値変更があるか否かを検出し（ステップＳ２）、設定値に変更があればその実行が行われる（ステップＳ３）。設定値の変更は入力装置６２によって行われ、その設定内容は表示装置６４を構成する液晶表示器やＬＥＤ表示器等で表示される。この設定値の変更の後、又は設定値の変更がなければ、排熱回収中であるか否かを判定する（ステップＳ４）。

排熱回収中であるか否かは循環ポンプ３８が駆動中であるか否かにより判定することができる。排熱回収中でなければ、検出温度Ｔ₃₀が排熱回収開始しきい値Ｔ_aH以上か否かを判定し（ステップＳ５）、Ｔ₃₀＜Ｔ_aHである場合には、検出温度Ｔ₃₂が排熱回収開始しきい値Ｔ_bH以上か否かを判定し（ステップＳ６）、Ｔ₃₂＜Ｔ_bHである場合には、発電装置４の停止等、排熱回収ができないことから、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ５でＴ₃₀≧Ｔ_aHである場合又はステップＳ６でＴ₃₂≧Ｔ_bHである場合には、排熱回収に必要な熱量が冷却水Ｗ₁ を通じて熱交換器２４に供給されているので、循環ポンプ３８を起動して排熱回収を開始し（ステップＳ７）、ステップＳ２に戻る。

また、排熱回収中である場合（ステップＳ４）には、検出温度Ｔ₃₂が目標温度Ｔｓの上限値Ｔ_SHより高いか否かを判定し（ステップＳ８）、検出温度Ｔ₃₂が目標温度Ｔｓの下限値Ｔ_SLより低いか否かを判定し（ステップＳ９）、Ｔ₃₂≦Ｔ_SLの場合には、循環ポンプ３８の回転速度を低下させ、熱交換器２４に対する水Ｗ₂ の循環流量を減少させる。また、ステップＳ８において、Ｔ₃₂≧Ｔ_SHである場合には、循環ポンプ３８の回転速度を上昇させ、熱交換器２４に対する水Ｗ₂ の循環流量を増加させ、これにより、水Ｗ₂ に対する熱交換量を増大させる。この場合、目標温度Ｔｓは一定の温度幅ΔＴｓを持っており、その上限値及び下限値は、Ｔ_SH＝Ｔｓ＋ΔＴｓ、Ｔ_SL＝Ｔｓ−ΔＴｓである。

このような排熱回収において、検出温度Ｔ₃₀が排熱回収停止しきい値温度Ｔ_aL以下であるか否か（ステップＳ１２）、その検出温度Ｔ₃₂が排熱回収停止しきい値温度Ｔ_bL以下であるか否か（ステップＳ１３）を判定し、Ｔ₃₀≦Ｔ_aL且つＴ₃₂≦Ｔ_bLである場合には、循環ポンプ３８を停止させて排熱回収を終了し（ステップＳ１４）、ステップＳ２に戻る。

このような排熱制御によれば、発電装置４が起動すると、その内部で熱が発生するので、発電装置４内の循環ポンプ２６が起動し、発電装置４の排熱を吸収した冷却水Ｗ₁ が冷却回路８に循環する。この冷却回路８を循環する冷却水Ｗ₁ の温度は既述の通り温度センサ３０、３２で検出され、上記条件の成立により、排熱回収動作が開始される。この結果、冷却回路８の冷却水Ｗ₁ が持つ熱は、熱交換器２４により循環回路３６を循環する水Ｗ₂ に熱交換され、熱回収と冷却水Ｗ₁ の放熱とを同時に行うことができる。即ち、熱回収により、冷却水Ｗ₁ の冷却能力を回復することができる。

この排熱回収において、発電装置４の起動に伴い、冷却水Ｗ₁ が冷却回路８を循環すると、冷却水Ｗ₁ の温度が上昇する。冷却水Ｗ₁ の温度は温度センサ３０、３２で検出され、検出温度Ｔ₃₀が排熱回収開始しきい値Ｔ_aH以上か、検出温度Ｔ₃₂が排熱回収開始しきい値Ｔ_bH以上のいずれかに到達した時点で循環ポンプ３８が起動し、水Ｗ₂ は、貯湯タンク１４の下層部から循環回路３６に循環し、熱交換器２４を経て貯湯タンク１４の上層部に戻る流れを発生させる。このとき、熱交換器２４において、冷却回路８に流れる冷却水Ｗ₁ との熱交換が行われ、冷却水Ｗ₁ の冷却と、水Ｗ₂ の加熱及び貯湯が行われる。循環ポンプ３８の回転数は温度センサ３２の検出温度Ｔ₃₂が、発電装置４の最適戻り温度Ｔｃになるように制御すればよい。この最適温度Ｔｃは、制御装置１６に予め設定すればよい。

また、この排熱回収において、発電装置４の動作、即ち、排熱の状況は、発電装置４を循環する冷却水Ｗ₁ の温度センサ３０、３２の検出温度Ｔ₃₀、Ｔ₃₂のいずれか一方又は双方で把握される。即ち、発電装置４の動作状況は冷却水Ｗ₁ の温度に現れることから、それらの検出温度Ｔ₃₀、Ｔ₃₂は発電装置４の動作情報であるから、これらの情報をもとに、温度センサ３２の検出温度Ｔ₃₂が最適温度になるように排熱回収を行えば、発電装置４の冷却と、貯湯タンク１４への高温湯の貯湯とを効率的に行える。そこで、温度センサ４４の検出温度Ｔ₄₄が所定の目標温度Ｔｍ以上になるように循環ポンプ３８の回転数を調整し、受熱側の循環流量Ｌ_W2を最適流量に制御することができる。

また、冷却回路８に設置された流量センサ２８には冷却水Ｗ₁ の循環流量が検出され、この与熱側の循環流量Ｌ_W1は発電装置４の運転状況を表す情報である。そこで、この循環流量Ｌ_W1を制御情報とすれば、受熱側の循環流量Ｌ_W2を容易に且つ効率的に設定できる。例えば、発電装置４への最適戻り温度Ｔｃは既知（予め制御装置１６に設定された温度）であるので、温度センサ３０の検出温度Ｔ₃₀と流量センサ２８で検出された循環流量Ｌ_W1とにより熱交換熱量を知ることができる。この熱交換熱量と、温度センサ４２の検出温度Ｔ₄₂、熱交換器２４が持つ性能から推定される受熱熱量、即ち、受熱出側温度を検出する温度センサ４４の検出温度Ｔ₄₄から、受熱側の循環流量Ｌ_W2を算定できる。従って、循環ポンプ３８の回転数の制御により、受熱側の循環流量Ｌ_W2を瞬時に最適循環流量に制御することができる。

以上説明した各実施形態の特徴事項及び変形例等を以下に列挙する。

(1) 外部装置としての発電装置４は、ＧＥ、ＭＧＴ燃料電池等のいずれでもよい。

(2) 発電装置４と排熱回収装置２との間で、直接的な電気的な信号伝送等の通信手段なしで運転が可能であり、発電装置４等の外部装置の排熱回収に用いることができる。

(3) 上記実施形態では、検出温度が第１の設定温度に到達したとき、排熱回収に移行し、第２の設定温度以下になった場合に、排熱回収を停止させる構成について説明したが、第１及び第２の設定温度を変更可能とし、検出温度が第１及び第２の設定温度によって設定される所定の温度範囲内になるように水Ｗ₂ の循環流量Ｌ_W2を制御するようにしてもよい。

(4) 上記実施形態において、温度センサ３０、３２の検出温度のいずれか一方又は双方、温度センサ４２、４４の検出温度のいずれか一方又は双方、流量センサ２８、４０の検出流量のいずれか一方又は双方を制御情報とし、これら制御情報から選択される１又は２以上を用いて循環ポンプ３８の駆動を制御するようにしてもよい。

(5) 上記実施形態では、排熱回収装置２と発電装置４側の冷却水配管６とを別個の構成として説明したが、冷却水配管６を含む水冷ジャケット等を排熱回収装置２の一部として構成させてもよい。

(6) 上記実施形態では、目標温度Ｔｓに一定の温度幅ΔＴｓを設定しているが、温度幅ΔＴｓを小さく又は０に設定すれば、ステップＳ９の処理は不要となる。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は発明の詳細な説明に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

次に、実験結果について、図５を参照して説明する。図５は、実験結果を示すグラフである。

実験は、外部装置として発電装置の冷却回路に排熱回収装置を接続し、起動、定格運転及び停止の一連の運転を行ったものであり、この結果、発電装置の冷却は確実に行われ、且つ、排熱回収の目標である６０℃以上の貯湯が得られた。この図５において、Ｔｏは発電装置の往き出口温度、Ｔｉは発電装置の戻り温度、Ｔｔは貯湯タンクへの貯湯温度、Ｌ_W1は発電装置の冷却回路流量である。

本発明は、発電装置等の外部装置の排熱を回収して貯湯し、その湯を暖房、風呂等の生活用水に活用できるとともに、外部装置の制御に無関係に排熱回収を行うことができ、汎用性の高い排熱回収装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る排熱回収装置の概要を示す図である。 排熱回収装置の概要を示す図である。 制御系統の構成を示すブロック図である。 排熱制御を示すフローチャートである。 排熱制御の実験結果を示すグラフである。

符号の説明

２ 排熱回収装置
４ 発電装置（外部装置）
１４ 貯湯タンク
１６ 制御装置（制御部）
２４ 熱交換器
２８ 流量センサ（流量検出手段）
３０、３２ 温度センサ（第１の温度検出手段）
３６ 循環回路（循環路）
３８ 循環ポンプ
４２、４４ 温度センサ（第２の温度検出手段）
Ｗ₁ 冷却水（流体）
Ｗ₂ 水

Claims (5)

1. 外部装置の排熱を流体に吸収させて回収する排熱回収装置であって、
   前記流体の温度を検出する温度検出手段と、
   前記流体の熱を水に吸収させる熱交換手段と、
   この熱交換手段に前記水を循環させる循環路と、
   この循環路に設置されて前記水を強制的に循環させるポンプと、
   前記温度検出手段の検出温度が第１の設定温度に到達した場合、前記ポンプを駆動して前記熱交換手段に前記水を循環させ、前記温度検出手段の検出温度が前記第１の設定温度と異なる第２の設定温度以下になった場合、前記ポンプを停止させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする排熱回収装置。
2. 外部装置の排熱を流体に吸収させて回収する排熱回収装置であって、
   前記流体の熱を水に吸収させる熱交換手段と、
   この熱交換手段に前記水を循環させる循環路と、
   この循環路に設置されて前記水を強制的に循環させるポンプと、
   前記水の温度を検出する温度検出手段と、
   この温度検出手段の前記検出温度が所定温度範囲になるように前記ポンプの駆動を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする排熱回収装置。
3. 外部装置の排熱を流体に吸収させて回収する排熱回収装置であって、
   前記流体の温度を検出する第１の温度検出手段と、
   前記流体の熱を水に吸収させる熱交換手段と、
   この熱交換手段に前記水を循環させる循環路と、
   この循環路に設置されて前記水を強制的に循環させるポンプと、
   前記流体の流量を検出する流量検出手段と、
   前記水の温度を検出する第２の温度検出手段と、
   前記第１の温度検出手段の検出温度、前記第２の温度検出手段の検出温度、又は前記流量検出手段の検出流量のいずれか又はこれらの２以上を制御情報に用いて前記ポンプの駆動を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする排熱回収装置。
4. 前記流体から前記熱を吸収させた前記水を溜めるタンクを備えたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の排熱回収装置。
5. 前記外部装置が発電装置であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の排熱回収装置。

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