JP2006220111A - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents

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

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。

本発明の一実施形態に係る排熱回収装置の排気系の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る排熱回収装置の構成を示すブロック図である。 中間排気マフラである第１排気マフラの模式正面図である。 第１変形例に係る中間排気マフラの模式正面図である。 第２変形例に係る中間排気マフラの模式正面図である。 第３変形例に係る中間排気マフラの模式正面図である。 変形例に係る最終排気マフラの模式正面図である。 排気熱交換器の模式正面図である。

符号の説明

１…排熱回収装置、 ２…エンジン、 ３…発電機、 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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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