JP2006170607A - 熱併給システムの排気ガス熱交換器 - Google Patents

熱併給システムの排気ガス熱交換器 Download PDF

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Abstract

【課題】排気ガス熱交換器及びこれを用いた熱併給システムにおいて、高温の排気ガスの通過時における排気ガス排出管の破損を防止し、耐久性及び信頼性を向上させる。
【解決手段】熱併給システムの排気ガス熱交換器７０は、排気ガス排出管８０の少なくとも一部分を、排気ガス温度による熱膨張及び収縮が可能なように蛇腹管部８３とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、熱併給システムに係り、特に、排気ガス排出管が高温の排気ガスによる熱膨張及び収縮が可能な蛇腹管部からなることによって、排気ガス排出管の破損が防止されて耐久性が向上し、熱伝逹面積が増大して熱伝逹効率が向上することができる熱併給システムの排気ガス熱交換器に関する。
一般に、熱併給システムは、コジェネレーションシステム(Cogenerationsystem)とも呼ばれるもので、一つのエネルギー源から電力と熱を同時に生産するシステムのことをいう。
このような熱併給システムは、エンジンまたはタービンの駆動により発電しながら発生する排気ガスの熱または冷却水の廃熱を回収し、総合熱效率を７０〜８０％まで高められる点から、近来は建築物の電力、熱源として注目されており、特に、回収廃熱を冷暖房、給湯などに多く活用している高効率エネルギー方式のものといえる。
図１は、従来技術による排気ガス熱交換器を示す一部切欠斜視図であり、図２は、従来技術による排気ガス熱交換器を示す縦断面図である。
従来技術による排気ガス熱交換器は、図１及び図２に示すように、エンジン（図示せず）から排出された排気ガスが通過するように、排気ガス入口部２及び出口部４が形成され、側面に冷却水入口６及び出口８が形成されたシェル１０と、シェル１０の内部に備えられて排気ガスの流路を形成する複数本の排気ガス排出管１２と、排気ガス入口部２と出口部４側にそれぞれ配設されて、排気ガス流路と冷却水流路とを隔離する第１及び第２隔離板１４，１６と、シェル１０の内部に設けられて、冷却水流路を変更させる流路ガイド１８と、で構成される。
複数本の排出管１２は、円筒形に形成され、両端が第１及び第２隔離板１４，１６に形成された複数の連結穴に連結される。
第１隔離板１４は、シェル１０の内面に溶接により固定され、第２隔離板１６とシェル１０の内面との間には、排気ガスの高い温度による熱膨張を考慮してＯ−リング２０が装着される。
次に、このように構成された従来の排気ガス熱交換器の作用について説明する。
まず、エンジン（図示せず）から排出された排気ガスは、排気ガス入口部２、排気ガス排出管１２、排気ガス出口部４を順に通過する。
このときに、冷却水入口６からシェル１０の内部に流入した冷却水と排気ガス排出管１２間で熱交換が起きる。
すなわち、冷却水は、排気ガスの熱を吸収してから排出され、排気ガスは冷却水に熱を奪われてから排出される。
しかしながら、従来技術による熱併給システムの排気ガス熱交換器は、高温の排気ガスのために、反復的な熱膨張及び収縮が発生しながらＯ−リング２０が摩耗され、このＯ−リング２０の摩耗によって冷却水が排気ガス出口部４側に洩れてしまい、エンジンなどの主要部品の損傷を招くという問題があった。
本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、排気ガス熱交換器の排気ガス排出管が蛇腹管からなることによって、熱変形による排気ガス排出管の破損が防止されるとともに、冷却水の漏れが防止できる排気ガス熱交換器及びこれを用いた熱併給システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る熱併給システムの排気ガス熱交換器は、シェルと、前記シェルの内部を排気ガスが通過するように形成された排気ガス流路と、前記排気ガス流路と熱交換する冷媒が通過するように形成された冷媒流路と、を備えてなり、前記排気ガス流路が、少なくとも一部分が熱膨張及び収縮可能なように蛇腹管部からなる排気ガス排出管であることを特徴とする。
前記蛇腹管部は、前記排気ガス排出管の長さ方向にしわのつくように形成されたことを特徴とする。
前記蛇腹管部は、前記排気ガス排出管の円周方向にしわのつくように形成されたことを特徴とする。
前記蛇腹管部は、円形の蛇腹管からなることを特徴とする。
前記蛇腹管部は、らせん状の蛇腹管からなることを特徴とする。
前記シェルの両側端部には、排気ガスが出入するように排気ガス入口部及び出口部が形成され、前記排気ガス排出管は、前記排気ガス入口部と出口部とを連結することを特徴とする。
前記排気ガス排出管は、前記排気ガス入口部側は前記蛇腹管部からなり、前記排気ガス出口部側は一定直径の円筒形の管部からなることを特徴とする。
前記シェルの周面には、冷媒が出入するように冷媒入口及び出口が形成されたことを特徴とする。
前記シェルの内部には、前記冷媒流路を形成するように前記排気ガス入口部と出口部間を隔離させる第１及び第２隔離板がそれぞれ備えられたことを特徴とする。
前記シェルの内部には、前記冷媒流路を変更する少なくとも１以上の流路ガイドが形成されたことを特徴とする。
本発明による熱併給システムの排気ガス熱交換器は、下記の効果を奏する。
本発明による熱併給システムの排気ガス熱交換器は、排気ガス排出管の少なくとも一部分が、排気ガス温度による熱膨張及び収縮が可能なように蛇腹管部からなるので、高温の排気ガス通過時における反復した熱膨張と収縮などによる排気ガス排出管の破損が防止され、耐久性が向上するという効果が得られる。
また、排気ガス排出管が、蛇腹管部からなるので、冷却水との接触面積が増大し、熱伝逹効率が向上するという効果が得られる。
また、排気ガス排出管が熱膨張及び収縮可能に設けられるため、第１及び第２隔離板をシェルの内面に溶接により固定させることが可能になり、冷却水の漏れを效果的に防止することが可能になる。
また、Ｏ−リングが省かれるので、Ｏ−リングの使用時よりも高い温度での使用が可能になり、信頼性が向上するという効果が得られる。
以下、添付の図面に基づき、本発明に係る排気ガス熱交換器及びこれを用いた熱併給システムの実施形態について説明する。
図３は、本発明の第１実施形態による熱併給システムを示す構成図であり、図４は、本発明の第１実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す一部切欠斜視図であり、図５は、本発明の第１実施形態による排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。
本発明の第１実施形態による熱併給システムは、図３に示すように、ガスが供給されるエンジン５０と、エンジン５０により駆動されて電気を生成する発電機５１と、エンジン５０を冷却させた冷却水熱を回収する冷却水熱交換器５２と、エンジン５０の排気ガス排出通路５３上に配設されて、排気ガス熱を回収する排気ガス熱交換器７０と、冷却水熱と排気ガス熱を冷暖房装置に伝達する熱伝逹ライン５４と、を備えてなる。
発電機５１で生成された電気は、冷暖房装置６０または他の照明及び電子製品などに様々に利用されることができる。
エンジン５０から発生する廃熱、すなわち、エンジン５０を冷却しながら発生する冷却水熱と、エンジン５０から排出される排気ガスから発生する排気ガス熱は、冷暖房装置６０の暖房運転時に利用されるので、冷房運転時に廃熱を放出するための、熱交換器５５と放熱ファン５６とからなる放熱装置５７が備えられる。
冷暖房装置６０は、冷房装置に使用できると同時に、冷凍サイクルの冷媒の流れを反対にして暖房装置にも使用できるヒットポンプ式で構成される。すなわち、通常のヒットポンプ式構成と同様に、圧縮機６１、四方バルブ６２、室外熱交換器６３、膨脹装置６４、室内熱交換器６５などから構成される。
室外熱交換器６３側には、冷暖房装置６０の暖房時にエンジン５０の廃熱を用いて室外熱交換器６３を通過する空気を予熱するように空気予熱熱交換器６６が備えられる。
空気予熱熱交換器６６は、冷却水熱交換器５２及び排気ガス熱交換器７０と熱伝逹ライン５４を介して連結される。
放熱装置５７は、熱伝逹ライン５４に連結される放熱ライン５８上に配設される。
図３において、参照符号Ｐは、各ラインの熱伝逹媒体を流動させるポンプであり、Ｖは、熱伝逹ラインから放熱ラインに流路を切り替えるバルブである。
一方、図４及び図５に示すように、排気ガス熱交換器７０は、シェル７１と、シェル７１の内部に排気ガスが通過するように形成された排気ガス流路と、排気ガス流路と熱交換する冷媒が通過するように形成された冷媒流路７２と、を備えてなる。
シェル７１は、エンジン５０から排気ガスが排出される排気ガス排出通路５３上に配置される。シェル７１の両側端部には、排気ガスが出入するように排気ガス排出通路５３と連通する排気ガス入口部７３と出口部７４がそれぞれ形成される。
排気ガス流路は、排気ガス入口部７３と出口部７４とを連結する複数本の排気ガス排出管８０である。
シェル７１の周面には、冷媒が出入するように冷媒入口７５及び出口７６が形成される。
シェル７１には、冷媒流路７２を形成するように、排気ガス入口部７３と出口部７４を隔離させる第１及び第２隔離板７７，７８が配設される。
この第１及び第２隔離板７７，７８は、シェル７１の内面に溶接などにより固定され、また、複数本の排気ガス排出管８０の両端が連結されるように複数個の連結穴７９がそれぞれ形成される。
また、シェル７１の内部には、冷媒の流路を変更させて熱伝逹効率を増大させられる流路ガイドが備えられる。
流路ガイドは、シェル７１の内側下部から上部に向かって突設された下部流路ガイド８１と、シェル７１の内側上部から下部に向かって突設された上部流路ガイド８２とで構成される。
下部流路ガイド８１と上部流路ガイド８２は、排気ガスが通過する方向に沿って所定間隔に離間する位置に少なくとも１つ以上配置されるとよいが、ここでは、下部流路ガイド８１が２つ設けられ、これら２つの下部流路ガイド８１の間に１つの上部流路ガイド８２が設けられた例に限定して説明する。
なお、下部流路ガイド８１と上部流路ガイド８２は、複数本の排気ガス排出管８０が貫通するように複数個の貫通穴が形成される。
一方、排気ガス排出管８０は、排気ガス温度による熱膨張及び収縮が可能なように蛇腹管部８３からなる。
ここでは、蛇腹管部８３は、長さ方向に膨脹及び収縮が円滑なように長さ方向にしわのついた円形の蛇腹管に限定して説明する。
排気ガス排出管８０の両端は、第１及び第２隔離板７７，７８に形成された複数個の連結穴７９に連結され、溶接により固定される。
排気ガス排出管８０において連結穴７９に連結される部分は、連結穴７９に対応するように円筒の管状にすることが好ましい。
また、排気ガス排出管８０は、ステンレススチール材質（ＳＵＳ：Steeluse Stainless）からなることが好ましい。
次に、上記のように構成された本発明の第１実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器の作動について説明する。
エンジン５０の駆動時、エンジン５０から発生した電気は、冷暖房装置６０などに供給され、エンジン５０から排出された高温の排気ガスは、排出ガス通路５３上に配置された排気ガス熱交換器７０を通過する。
すなわち、エンジン５０から排出された排気ガスは、シェル７１の排気ガス入口部７３に流入した後、複数本の排気ガス排出管８０を通って排気ガス出口部７４から排出される。
このときに、冷媒入口７５から冷媒の冷却水が流入するので、シェル７１の内部において冷却水と排気ガス排出管８０間に熱交換が起きる。
すなわち、冷却水が排気ガス排出管８０に触れながら、冷却水は、排気ガスの熱を吸収し、高温の排気ガスが入っている排気ガス排出管８０は冷却水により冷却される。
排気ガス排出管８０から熱を奪った冷却水は、冷媒出口７６から熱伝逹ライン５４を通って空気予熱熱交換器６６に供給される。
すなわち、排気ガス排出管８０から熱を吸収した冷却水は、空気予熱熱交換器６６で冷暖房装置６０に流入する室外空気を予熱して暖房能力を向上させる。
一方、排気ガス排出管８０は、伸縮自在な蛇腹管部８３からなるので、冷却水との熱接触面積が増大し、熱效率が向上できる。
また、反復的な熱膨張及び収縮が可能なので、高温の排気ガスによる排気ガス排出管８０の破損が低減する。
また、第１及び第２隔離板７７，７８がシェル７１の内面に溶接などにより固定されるので、冷却水の漏れが效果的に防止される。
一方、冷暖房装置６０の冷房運転時には廃熱を供給する必要がないので、熱伝逹ライン５４に連結される放熱ライン５８に流路を切り替えて放熱装置５７から廃熱を外部に放出させたり、給湯や温水供給装置などの他のシステムに提供したりして活用する。
図６は、本発明の第２実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。
本発明の第２実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器は、図６に示すように、シェル９０の内部に備えられ、排気ガス入口部９１と出口部９２とを連結して排気ガス流路を形成する排気ガス排出管９３が、排気ガス温度による熱膨張及び収縮が可能なように蛇腹管部９４で構成され、特に、蛇腹管部９４がらせん状の蛇腹管から構成されて冷却水との熱交換をより増大する以外は、上記の第１実施形態と同様に構成されるので、その詳細説明は省略する。
図７は、本発明の第３実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。
本発明の第３実施形態による排気ガス熱交換器は、図７に示すように、シェル１００の内部に備えられ、排気ガス入口部１０１と出口部１０２とを連結して排気ガス流路を形成する排気ガス排出管１０３が、一部分は蛇腹管部１０４からなり、残りの部分は一定径の円筒形管部１０５からなる以外は、上記の第１実施形態と同様に構成されるので、その詳細説明は省略する。
ここで、蛇腹管部１０４は、円形蛇腹管からなり、排気ガス排出管１０３において相対的に温度の高い部分に形成されることが好ましい。
すなわち、エンジン５０から排出された排気ガスは、排気ガス入口部１０１、排気ガス排出管１０３、排気ガス出口部１０２を順に通過するので、エンジン５０から排気ガスが直接流入する排気ガス入口部１０１側の温度が、排気ガス出口部１０２側の温度よりも高くなるので、ここでは、排気ガス排出管１０３は排気ガス入口部１０１側の蛇腹管部１０４からなり、排気ガス出口部１０２側は一定径の円筒形管部１０５からなる構成に限定して説明する。
図８は、本発明の第４実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。
本発明の第４実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器は、図８に示すように、シェル１１０の内部に備えられ、排気ガス入口部１１１と出口部１１２とを連結して排気ガス流路を形成する排気ガス排出管１１３が、一部分は蛇腹管部１１４からなり、残りの部分は一定径の円筒形管部１１５からなり、特に、蛇腹管部１１４がらせん状の蛇腹管である以外は、上記の第３実施形態と同様に構成されるので、その詳細説明は省略する。
図９は、本発明の第５実施形態による排気ガス熱交換器の排気ガス排出管を示す断面図である。
本発明の第５実施形態による排気ガス熱交換器は、図９に示すように、排気ガス排出管１２０の少なくとも一部分が蛇腹管部からなり、排気ガス排出管１２０の円周方向にしわのつくように形成される以外は、本発明の第１実施形態と同様に構成されるので、その詳細説明は省略する。
従来技術による排気ガス熱交換器を示す一部切欠斜視図である。 従来技術による排気ガス熱交換器を示す縦断面図である。 本発明の第１実施形態による熱併給システムを示す構成図である。 本発明の第１実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す一部切欠斜視図である。 本発明の第１実施形態による排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。 本発明の第２実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。 本発明の第３実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。 本発明の第４実施形態による熱併給システムの排気ガス熱交換器を示す内部構成図である。 本発明の第５実施形態による排気ガス排出管を示す横断面図である。
符号の説明
５０ エンジン
５１ 発電機
５２ 冷却水熱交換器
５３ 排気ガス排出通路
５４ 熱伝逹ライン
５５ 放熱熱交換器
５６ 放熱ファン
５７ 放熱装置
６０ 冷暖房装置
６１ 圧縮機
６２ 四方バルブ
６３ 室外熱交換器
６４ 膨脹装置
６５ 室内熱交換器
６６ 空気予熱熱交換器
７０ 排気ガス熱交換器
７１ シェル
７２ 冷媒流路
７３ 排気ガス入口部
７４ 排気ガス出口部
７５ 冷媒入口
７６ 冷媒出口
７７ 第１隔離板
７８ 第２隔離板
７９ 連結穴
８０ 排気ガス排出管
８１ 下部流路ガイド
８２ 上部流路ガイド
８３ 蛇腹管部

Claims (10)

  1. シェルと、
    前記シェルの内部を排気ガスが通過するように形成された排気ガス流路と、
    前記排気ガス流路と熱交換する冷媒が通過するように形成された冷媒流路と、を備えてなり、
    前記排気ガス流路が、少なくとも一部分が熱膨張及び収縮可能なように蛇腹管部からなる排気ガス排出管であることを特徴とする熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  2. 前記蛇腹管部は、前記排気ガス排出管の長さ方向にしわのつくように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  3. 前記蛇腹管部が、前記排気ガス排出管の円周方向にしわのつくように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  4. 前記蛇腹管部が、円形の蛇腹管からなることを特徴とする請求項２に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  5. 前記蛇腹管部が、らせん状の蛇腹管からなることを特徴とする請求項２に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  6. 前記シェルの両側端部には、排気ガスが出入するように排気ガス入口部及び出口部が形成され、前記排気ガス排出管は、前記排気ガス入口部と出口部とを連結することを特徴とする請求項４または５に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  7. 前記排気ガス排出管が、前記排気ガス入口部側は前記蛇腹管部からなり、前記排気ガス出口部側は一定直径の円筒形の管部からなることを特徴とする請求項６に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  8. 前記シェルの周面には、冷媒が出入するように冷媒入口及び出口が形成されたことを特徴とする請求項６に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  9. 前記シェルの内部には、前記冷媒流路を形成するように前記排気ガス入口部と出口部間を隔離させる第１及び第２隔離板がそれぞれ備えられたことを特徴とする請求項８に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
  10. 前記シェルの内部には、前記冷媒流路を変更する少なくとも１以上の流路ガイドが形成されたことを特徴とする請求項８に記載の熱併給システムの排気ガス熱交換器。
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