JP2006220111A - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 短時間で停止するような運転をしたときに、排気熱交換器で発生した凝縮水が排気経路内の小径部分で凍結しにくい構造とする。
【解決手段】 排気経路は、上方に位置する複数のマフラ23,25,27に排気熱交換器9からエンジンの排気を給送するよう設定されている。中間マフラ23,25の排気出口236,255は、それぞれチャンバ235,254の内底部より上位でチャンバ235,255に開口する。これによりチャンバ235,254はエンジン停止時に凝縮水の溜まり室となり、溜まり室より上位の出口236,255付近に凝縮水が溜まるのを抑止できる。排気ホース21,24,26は、凝縮水の滞留を防止するために水平部を有しないようにレイアウトされる。
【選択図】 図1
【解決手段】 排気経路は、上方に位置する複数のマフラ23,25,27に排気熱交換器9からエンジンの排気を給送するよう設定されている。中間マフラ23,25の排気出口236,255は、それぞれチャンバ235,254の内底部より上位でチャンバ235,255に開口する。これによりチャンバ235,254はエンジン停止時に凝縮水の溜まり室となり、溜まり室より上位の出口236,255付近に凝縮水が溜まるのを抑止できる。排気ホース21,24,26は、凝縮水の滞留を防止するために水平部を有しないようにレイアウトされる。
【選択図】 図1
Description
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の駆動源として使用されるエンジンの排熱回収装置に関する。
近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジェネレーション装置が注目されている。この種のコジェネレーション装置等に使用される排熱回収装置では、排気熱交換器で排気が冷却されたときに凝縮水を生じる。そこで、排気が通過するマフラの底部に排水トラップを設けておき、この排水トラップに溜まった凝縮水をドレイン通路を介して放出するように構成した排熱回収装置が提案されている(例えば、特開平11−72018号公報)。
特開平11−72018号公報
コジェネレーション装置で熱回収した媒体が通常の安定した温度に上昇している状態で発生した凝縮水は排気の勢いで吹き飛ばされるので、そこで運転を停止したとしても排気経路上には凝縮水がほとんど残らない。
また、設置環境温度が氷点下の状態で運転を開始した場合に、発生した凝縮水が運転当初に排気系の経路内壁に付着して凍結することがある。しかし、凍結した凝縮水は、排気経路が閉塞される前に排気によって温められて融けてしまうので、この場合にも排気系の経路上に凝縮水はほとんど残らない。
ところが、氷点下の状態で運転開始した直後になんらかの事情で運転を停止することがあると、凝縮水が排気で吹き飛ばされないで排気経路上に残ってしまうことがある。このまま氷点下の環境に放置すると、排気経路上に残っている凝縮水は凍結してしまう。そして、その後に運転を開始すると、今度はこの凍結した凝縮水の上に新たに発生した凝縮水が付着して凍結する。その結果、凍結した凝縮水が排気回路を閉塞してしまい、運転に支障をきたすことがあり得る。
本発明は、上記課題に対してなされたものであり、その目的は、排気経路で凍結した凝縮水で排気経路が閉塞するのを抑制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。
本発明は、エンジンの排気熱を回収する排気熱交換器と、前記排気熱交換器での熱交換によって生じた排気中の凝縮水を排出するドレーン通路を有するエンジンの排熱回収装置において、前記排気熱交換器の上方に設けられた排気マフラと、前記排気熱交換器および前記排気マフラを通ってエンジンの排気を外部へ放出する排気経路とを備えるとともに、前記排気マフラが、排気出口を有するチャンバを含んでおり、前記チャンバの内底部には、前記排気出口より下方に位置する凝縮水溜め室を形成した点に第1の特徴がある。
また、本発明は、前記排気熱交換器の排気出口に凝縮水溜め室をさらに設けた点に第2の特徴がある。
また、本発明は、前記排気マフラが直列に複数設けられており、前記凝縮水溜め室は、前記複数のマフラの少なくとも一つの排気出口に関して設けられている点に第3の特徴がある。
また、本発明は、前記排気経路が、前記排気マフラと前記排気熱交換器との間や、前記複数の排気マフラ間、および前記排気マフラの一つと前記排気熱交換器との間では、全長に亘って水平に対する傾斜部だけを有している点に第4の特徴がある。
上記特徴を有する本発明によれば、氷点下状態の環境下で短時間で停止する運転がなされて凝縮水が排気経路内に残ったとしても、凝縮水は排気出口より下位の凝縮水溜め室に溜まるので、その溜まり水が凍結しても、凝縮水溜め室より上位の排気出口が凍結により閉塞されることを抑止することができる。
特に、前記溜まり水の凍結状態で運転が再開されて新たに凝縮水が発生し、それが凍結したとしても、排気出口が凝縮水溜め室より高い位置にあるので、排気出口が閉塞するまで凍結が進むことにはなりにくい。そして、運転開始から時間が経過すれば、凍結している凝縮水は排気の温度で融解し、かつ、排気の勢いで吹き飛ばされて、通常の運転と同様、排気経路上から凝縮水は排除される。
排気熱交換器では、熱交換のために排気中の水分が凝縮する。また、凝縮水および排気の両方を上方の排気マフラに押し上げるために流速を上げる必要から排気出口は小径に設定されている。したがって、排気熱交換器の排気出口に凝縮水が滞留すると凍結によって閉塞されやすくなる。しかし、第2の特徴によれば、排気出口より下方に凝縮水溜め室を設けることで、一時的に凝縮水の滞留量が増えても、排出出口まで液面が到達することは抑止できる。
第3の特徴では、排気マフラの排気出口の断面積を小さくしても、そのマフラ内で一時的に凝縮水が増量して、凝縮水の液面が排気出口に至るのを抑止することができる。
第4の特徴によれば、断面積が小さいホースで排気マフラ間等を連結しても、その中で凝縮水が滞留することを抑止することができる。
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2はコジェネレーション装置に使用される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2およびエンジン2で駆動される発電機3を備える。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にはオイルパン4内のオイルと熱媒体との熱交換を行うオイル熱交換器(オイルクーラ)5が設けられる。エンジン2のシリンダヘッド6に取り入れられる空気を清浄にするエアフィルタ7が設けられる。エンジン2からの排気は排気マニホルド8、排気熱交換器9、および後述する複数の排気マフラを通って外部へ排出される。
排熱回収装置1はエンジン2の運転に伴って発生する排熱を回収するために熱媒体の循環経路12を備える。循環経路12は、エンジン2の排熱を効率よく回収するため、熱媒体つまり冷却水がオイル熱交換器5、排気熱交換器9、排気マニホルド8およびエンジン2のシリンダヘッド6の順に搬送されるように設定されている。
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、ウォータポンプ10と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。ウォータポンプ10で給送された熱媒体はオイル熱交換器5、排気熱交換器9、排気マニホルド8、およびエンジン2のシリンダヘッド6を順に循環し、エンジン2の排熱を回収する。
すなわち、熱媒体はオイルパン4内のオイル熱交換器5に導入され、エンジン2から回収されたオイルと熱交換してオイルを冷却するとともにそれから熱を得る。続いて熱媒体は排気熱交換器9でエンジン2からの排気と熱交換して熱を得る。オイル熱交換器5および排気熱交換器9で熱を得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。
排熱を回収して温度上昇した熱媒体は、ボイラユニット等、外部の熱負荷へ循環して利用される。排熱回収装置1にはサーモスタットを内蔵するサーモカバー16が設けられており、サーモスタットの作用により、予め設定した温度以下ではサーモカバー16が閉弁して熱媒体を循環させないようにすることができる。
エンジン2の排気は上述の各熱交換部で熱交換により熱を奪われて冷却される。このときに排気中の水分が凝縮して凝縮水を発生する。コジェネレーション装置で熱回収した媒体が通常の安定した温度に上昇している状態で発生した凝縮水は排気の勢いで吹き飛ばされるので、そこで運転を停止したとしても排気経路上には凝縮水がほとんど残らないので問題はない。
また、設置環境温度が氷点下の状態で運転を開始した場合に、発生した凝縮水が運転当初に排気系の経路内壁に付着して凍結することがあるが、排気経路が閉塞される前に排気によって温められて凍結が解除されるので、この場合にも排気系の経路上に凝縮水はほとんど残らない。
ところが、氷点下の状態で運転開始した直後になんらかの事情で運転を停止することがあると、凝縮水が排気で吹き飛ばされないで排気経路上に残ってしまうことがある。このまま氷点下の環境に放置すると、排気経路上に残っている凝縮水は凍結してしまう。そして、その後に運転を開始すると、今度はこの凍結した凝縮水の上に新たに発生した凝縮水が付着して凍結する。その結果、排気系に多数設けられているチャンバ(排気マフラや排気熱交換器等)間をつなぐホースの接続部(小径筒状の排気入口や排気出口)を閉塞するおそれがある。本実施形態では、この凍結による接続部や狭隘部の閉塞を防止する策を以下のように講じている。
排気経路を説明しつつその防止策を説明する。図1は、排気熱回収装置の排気経路を示す斜視図である。排気熱回収装置1の下部に配置される排気熱交換器9の底部から引き出された第1排気ホース17は、図示しないフレームに支持される排気パイプ18の一端に接続される。排気パイプ18の他端には、ほぼ真上に延長される排気温度センサホース19が接続される。排気温度センサホース19の上端は排気温度センサパイプ20を介して第2排気ホース21に接続される。排気温度センサパイプ20には、排気温度センサ22が取り付けられる。第2排気ホース21の上端は中間マフラの一つである第1排気マフラ23の第1チャンバ231の、下向きに設けられた排気入口232に接続される。第2排気ホース21は途中に屈曲部もしくは非直線部211を有するが、この非直線部211は水平部分を含まず、少なくとも水平に対して傾斜を有するようにレイアウトされる。第2排気ホース21内に凝縮水が溜まりにくくするためである。
第1排気マフラ23はさらに第2チャンバ233および第3チャンバ234を有し、下部に位置する第3チャンバ234の下部に突き出した膨出部235の側方には膨出部235の内部底面よりわずかに上方に位置させた排気出口236が設けられる。膨出部235の底部は凝縮水の溜まり部であり、膨出部235より上方に位置する排気出口236の開口近傍に凝縮水が溜まりにくくすることができる。
排気出口236には、第3排気ホース24の上端が接続される。第3排気ホース24の下端は、もう一つの中間マフラである第2排気マフラ25の第1チャンバ251の、上向きに設けられている排気入口252に接続される。第3排気ホース24は途中に屈曲部もしくは非直線部241を有するが、この非直線部241は水平部分を含まず、少なくとも水平に対して傾斜を有するようにレイアウトされる。第3排気ホース24内に凝縮水が溜まりにくくするためである。
第2排気マフラ25はさらに第2チャンバ253および第3チャンバ254を有し、第3チャンバ254の側面に突き出した排気出口255には、第4排気ホース26の下端が接続される。排気出口255は第3チャンバ254の内部底面より上方に位置しているので、第3チャンバ254の底部が凝縮水の溜まり部になり、排気出口255の開口には凝縮水が溜まりにくい。
排気出口255に接続された第4排気ホース26は上方に延長され、その上端は排熱回収装置1の上部に位置する最終排気マフラ27の第1チャンバ271の上部側面に突き出した排気入口272に接続される。最終排気マフラ27は、さらに第2チャンバ273を有し、第2チャンバ273の上部には排気口を有するダクト274が付設されている。
最終排気マフラ27の下部は膨出して排水トラップ275を形成する。排水トラップ275の下面にはドレーンホース28およびドレーンパイプ29からなるドレーン通路が接続される。
排気熱交換器9のシェルつまりハウジングはステンレス鋼等の金属材料で形成されるが、第1および第2排気マフラ23,25や排気ダクト274を含む最終排気マフラ27は温度が低下した排気の通路を構成するのでそれぞれ樹脂材料(例えば、ポリプロピレン)のブロー成形品で形成されるのがよい。
中間排気マフラ23および25の排気出口236および255は、これら排気出口236,255が取り付けられた膨出部235や第3チャンバ254の内部底面より高位置に開口するように設けられているので、この開口近くに凝縮水が溜まらない。また、第1排気マフラ23の膨出部235や第2排気マフラ25の第3チャンバ254の底部に溜まった凝縮水が凍結した場合も開口を塞いでしまうようなことは起こりにくい。また、第1排気ホース17、第2排気ホース21、および第3排気ホース24はこれらホースに挿入される接続部の短い部分を除いて水平部分を生じさせないようにレイアウトして、凝縮水が溜まりにくくしている。
図1に矢印で示す方向の排気の流れを説明する。この排気系では、エンジン2の排気は、上方から排気熱交換器9に導入される。排気熱交換器9では、内部に配管された前記循環路12の排気熱交換器部分を搬送される冷却水と熱交換される。排気熱交換器9内で冷却された排気は第1排気ホース17、排気パイプ18、排気温度センサホース19、排気温度センサパイプ20、および第2排気ホース21を経て第1排気マフラ23の上部の第1チャンバ231に導入される。排気は第1排気マフラ23の各チャンバ233,234を経て第1段階の消音がなされる。
第1排気マフラ23から排出された排気は第3排気ホース24によって第2排気マフラ25上部の第1チャンバ251に導入される。そして、第2排気マフラ25の第1チャンバ251、第2チャンバ253および第3チャンバ254を経て第2段階に消音される。第2排気マフラ25から排出された排気は第4排気ホース26で上方に案内されて最終排気マフラ27に至り、最終排気マフラ27の第1チャンバ271および第2チャンバ273を通って第3段階に消音され、排気はダクト274から外部に放出される。
排気系で発生した凝縮水は排気の勢いで最終排気マフラ27まで搬送され、排水トラップ275に溜まり、ドレーンホース28およびドレーンパイプ29を通って外部に排出される。
上述の凝縮水溜まり部を、理解の容易のために模式図を参照してさらに説明する。図3は第1排気マフラ23の模式正面図である。第1排気マフラ23の第3チャンバ234の内部底面と排気出口236とは段差D1を有して設けられている。凝縮水はこの段差D1を有する内部底面に溜まるので、排気出口236の付近で凝縮水の凍結が起こりにくい。なお、第1チャンバ231と第2チャンバ233との間をつなぐ消音用の連結部は排気出口236の開口に比べて開口面積が大幅に大きく形成されている。
凝縮水の溜まり部を有する中間排気マフラはさらに種々変形することができる。図4〜図6は、変形例に係る中間排気マフラの模式正面図である。図4に示した中間排気マフラ30は3段に分けて配置された5つのチャンバ301,302,303,304,305からなる。上段右側のチャンバ301には上向きに排気入口306が形成され、下段のチャンバ305には下向きに排気出口307が設けられている。このように排気出口307が下向きでチャンバに対して開口しており、さらに、チャンバ305の内底面の高さは排気出口307の上端面より低い位置にあって、この低い内底面がエンジン停止時の凝縮水の溜まり部となるので、排気出口307付近で凝縮水が凍結しにくい構造とすることができる。
図5および図6の中間排気マフラ31,32では、いずれも排気入口311,321や排気出口312,322がチャンバ313,323ならびにチャンバ314,324の側面に形成され、かつ、それらはチャンバ313,323ならびにチャンバ314,324の内底面より高位置に開口している。したがって、図5や図6に示した例においても、排気出口312,322が凝縮水の凍結で塞がれにくい構造とすることができる。
最終排気マフラ27も変形可能である。図7は、変形例に係る最終排気マフラの模式正面図である。この最終マフラ33は第1チャンバ331、第2チャンバ332、第3チャンバ333、および第4チャンバ334を備える。排気入口335は上段の第1チャンバ331に上向きに開口して配置され、ドレーンの出口336は下段の第4チャンバ334に上向きに開口して配置されている。第4チャンバ334の上面には排気ダクト337が取り付けられている。最終排気マフラ33はドレーンの出口336が第4チャンバ334に下向きに形成されているし、排気入口335が第1チャンバ331に上向きに開口して設置されているので凝縮水は溜まらない。
また、凝縮水の凍結場所は排気マフラへの排気の入口や出口に限らない。他の接続部でも同様に対策しておくのが望ましい。図8は排気熱交換器9の模式正面である。排気熱交換器9から排気をする第1排気ホース17に接続される排気出口91にも凝縮水の凍結による閉塞の防止対策を講じるのがよい。そこで、図8の排気熱交換器9では、底部92を凝縮水を溜めるのに好適な膨出部とし、この底部92の内底面に対して段差D2を有する高い位置で排気出口91を底部92に開口させている。これにより、エンジン停止時に排気熱交換器9の底部92に溜まった凝縮水が一時的に凍結したとしても、より高い位置にある排気出口91が塞がれることがないように構成することができる。
なお、本実施形態では、複数の排気マフラを直列に設けたが、排気マフラは複数でなくてもよい。排気熱交換器の上方に配置された排気マフラへ、排気熱交換器から排気を給送可能に構成した排気系を有する排熱回収装置に本発明は適用することができる。
1…排熱回収装置、 2…エンジン、 3…発電機、 5…オイル熱交換器、 6…シリンダヘッド、 8…排気マニホルド、 9…排気熱交換器、 12…循環経路、 19、21,24,26…排気ホース、 22…排気温度センサ、 23,25…中間排気マフラ、 27…最終排気マフラ、 28…ドレーンホース、 236,255…排気出口、 232,252,272…排気入口
Claims (5)
- エンジンの排気熱を回収する排気熱交換器と、前記排気熱交換器での熱交換によって生じた排気中の凝縮水を排出するドレーン通路を有するエンジンの排熱回収装置において、
前記排気熱交換器の上方に設けられた排気マフラと、
前記排気熱交換器および前記排気マフラを通ってエンジンの排気を外部へ放出する排気経路とを備えるとともに、
前記排気マフラが、排気出口を有するチャンバを含んでおり、
前記チャンバの内底部には、前記排気出口より下方に位置する凝縮水溜め室を形成したことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。 - 前記排気熱交換器の排気出口に凝縮水溜め室をさらに設けた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。
- 前記排気マフラが直列に複数設けられており、前記凝縮水溜め室は、前記複数のマフラの少なくとも一つの排気出口に関して設けられてい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。
- 前記排気経路が、前記排気マフラと前記排気熱交換器との間では、全長に亘って水平に対する傾斜部だけを有している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。
- 前記排気経路が、前記複数の排気マフラ間、および前記排気マフラの一つと前記排気熱交換器との間では、全長に亘って水平に対する傾斜部だけを有していることを特徴とする請求項3記載のエンジンの排熱回収装置。
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JP2005035990A JP2006220111A (ja) | 2005-02-14 | 2005-02-14 | エンジンの排熱回収装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005035990A JP2006220111A (ja) | 2005-02-14 | 2005-02-14 | エンジンの排熱回収装置 |
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2008297985A (ja) * | 2007-05-31 | 2008-12-11 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | エンジンの排ガス凝縮水の分離器およびそれを備えた排気通路装置 |
JP2009275658A (ja) * | 2008-05-16 | 2009-11-26 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 排気カバー |
-
2005
- 2005-02-14 JP JP2005035990A patent/JP2006220111A/ja active Pending
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JP2008297985A (ja) * | 2007-05-31 | 2008-12-11 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | エンジンの排ガス凝縮水の分離器およびそれを備えた排気通路装置 |
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