JP4167987B2 - 家庭用熱電気併給ユニット - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、交流発電機を介して電力出力を発生させる往復部材を駆動するために熱エネルギーをエンジンヘッドに入力するためのバーナを有するスターリングエンジンと、その中で流体がバーナからの排ガスの熱を受ける熱交換器と、熱交換器内の流体を加熱するための補助ヒータと、補助ヒータから流れて熱交換器を通る高温ガス流を発生させるためのファンとを備える家庭用熱電気併給ユニット（ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｕｎｉｔ）に関するものである。なお、以下、このようなユニットを、「前記型式の」ものと称することとする。

この種のスターリングエンジン技術は周知であり、前記型式のユニットは、例えば、英国特許出願第０１２４９８５．３号明細書に示されている。

スターリングエンジンは動作するのに熱を必要とする。多く条件の下、家庭用ヒーティングシステムの熱容量は、発生熱の用に供する。しかしながら、放熱器がオフとされ、温水が必要とされない場合には、熱の需要はない。このため、流体冷媒の温度が上昇し、それによって、スターリングエンジンの性能を下げる。この不具合を消費者は認識しているため、放熱器をオンとすることで、かかる問題をある程度、回避している。しかし、これは信頼できず、システムをオーバーヒートから保護できないおそれがある。

これを防止できる他の方法は、熱需要の大きさに応じてスターリングエンジンを駆動し、送電線網からの付加的な電力需要を供給することである。しかし、これは実施することが、特に電力カット中には、できない。このような状況において、ｄｃｈｐユニットは、住宅への熱必要量を提供するように、また、そのような状況下で継続出願中の英国特許出願第０１３０３７８．３号明細書に開示されている如く所定の大きさの電力を提供するように、構成でき、主電気が得られないとき、熱需要がない場合でも、このユニットを動作させて、スターリングエンジンから最大電力を供給することができるという有効性がある。

本発明によれば、前記型式のユニットは、スターリングエンジンにより発生された熱が所定の需要値を越えたときを検知する制御装置であり、補助ヒータを動作させることなく熱交換器を通る非加熱空気流を発生させるようファンを駆動する制御装置により特徴付けられている。

従って、本発明は、熱を放出する手段を提供するためにｄｃｈｐユニットで既に利用できる要素を使用するものである。補助ヒータと通常、関連して動作するファンが、低温のガスを熱交換器を通過させるために用いられ、それにより熱交換器から廃熱を抽出し、その熱は通常の排気煙道から排出され得る。ファンは、エンジンを全体的に通過する空気の流れを発生させて、エンジンパックを冷却するという付加的な利点も有する。

電力を送電線網に送出することができる場合、本発明は、局所的な熱需要があっても、エンジンをその全出力量で動作せさるよう用いられ得る。これは、時として生ずる大きな局所的電力需要の供給電力のコストを、時として生ずる小さな局所的電力需要の送出電力からの収益と相殺することができる、という使用者に対する経済的な利益を与えることができる。

一構成において、ファンは、付加的に、スターリングエンジンバーナへの空気流を発生させ、スプリッタバルブが、スターリングエンジンバーナと補助バーナに供給される空気の量を調節するために設けられる。或いはまた、第２のファンが空気流をスターリングエンジンバーナに供給するものとしてもよい。

以下、本発明によって構成されたユニットの一実施形態について、添付図面を参照して説明する。

本ユニットは、スターリングエンジン１を中心にして設けられている。スターリングエンジン１から熱が冷却器２で除去され、また、熱が、エンジンヘッドのバーナ３によってスターリングエンジン１に加えられる。バーナ３には空気流４とガス流５との混合流が供給され、これはガスバルブ６の制御により混合されたものである。ファン７がこのガス／空気混合流をバーナ３に供給する。そして、ヘッドを加熱した燃焼生成物が熱交換器８に送られ、熱交換器８において、燃焼生成物は熱を水流９に伝える。この水流は、最初、ポンプ１０により冷却器２を通して圧送され、そこで昇温される。次いで、その水流は、熱交換器８内でバーナ３からの排ガスによって更に加熱される。

バーナ３からのガスの下流側で、熱交換器８内の水を加熱するために、補助バーナ１１が設けられている。バーナは、スターリングエンジン１により与えられる熱の程度を考慮して、住宅の熱需要を満足するよう調整される。補助バーナ１１には、ガスバルブ１４の制御により、ガス流１２と空気流１３が供給される。混合ガスが補助ファン１５によって補助バーナ１１に供給される。

ここまでに３段階の熱を受けてきた水は、高温水流１６として熱交換器８から排出される。高温水流１６は、住宅内の回路（ｃｉｒｃｕｉｔ）を通って循環し、温水及び／又は熱をセントラルヒーティングシステムに与え、その熱が住宅に与えられることで、冷却される。冷却された水は、この後、ポンプ１０によって駆動される上述のヒーティングシステムへと戻り、バーナ３及び補助バーナ１１からのガス（既に熱が水流に与えられたガス）は、煙道１７に沿って熱交換器８から排出される。

住宅の熱需要が相当に存する通常の運転時、バーナ３と補助バーナ１１の両方が熱需要に応えるために点火されている。熱需要が低い場合には、補助バーナ１１は休止されるが、バーナ３によって生成された熱でその需要を満足するに十分である。熱需要が更に低下するが、電力需要が維持される場合には、殆ど熱が住宅内に放散されないので、回路中の水の温度が上昇する。水の温度がしきい値を超えて上昇したことを検知するために、冷却器２内にはセンサ１８が設けられている。これは、温水流１６が供給されるヒーティング回路が、スターリングエンジンの前後での温度差を維持するのに十分な熱を消散できないということを示すものである。

このような状況において、更に熱を除去するために、センサ１８からの信号を受ける制御システムが、補助ファン１５をスイッチオンし、バーナ１１を稼働することなく、冷却空気を熱交換器８に流す。制御装置は、スターリングエンジンの冷却器２における有効水温を維持するために、ファンの速度を変えることができ、発電効率を維持させ、もって燃料消費を低減できる。

図２は、ｄｃｈｐユニットの第２実施形態を示している。このユニットの構成要素の大部分は、図１に示したものと同様である。同一参照符号は同一要素を示すべく用いられ、その要素についてはここでは再び説明しない。

図２と図１との間の違いは、図１の２つのファン７，１５の配置並びにその関連のガス・空気流及び制御システムが、単一の空気流２１を生成する単一のファン２０により置き換えられている点である。この単一の空気流は、スプリッタバルブ２２により２つの流れに分けられる。スプリッタバルブ２２の動作は、２つのバーナ３，１１の要求に応じてサーボモータによって制御される。ガス流２３，２４は、分けられた空気流の分岐流のそれぞれに加えられ、バーナの要求に従ってベーン６，１４により制御される。或いはまた、ガスは、スプリッタバルブ２２の上流側で、流れに送り込まれてもよい。

図１から類推すると、水温がしきい値を超えたことをセンサ１８が示した場合、補助バーナ１１に空気が流れるよう、スプリッタバルブ２２内のベーンは図２において反時計方向に回転されるとよい。補助バーナは休止状態を維持すると、冷却空気が熱交換器８を通過する。これにより、より少ない要素で、図１に示す構成と同様な効果が得られる。

第１のｄｃｈｐユニットを示す概略断面図である。 第２のｄｃｈｐユニットを示す概略断面図である。

Claims (4)

1. 交流発電機を介して電力出力を発生させる往復部材を駆動するために熱エネルギーをエンジンヘッドに入力するためのバーナを有するスターリングエンジンと、中で流体が前記バーナからの排ガスの熱を受ける熱交換器と、前記熱交換器内の流体を加熱するための補助ヒータと、前記補助ヒータから流れて前記熱交換器を通る高温ガス流を発生させるためのファンとを備える家庭用熱電気併給ユニットにおいて、
   前記スターリングエンジンにより発生された熱が所定の需要値を越えたときを検知する制御装置であり、前記補助ヒータを動作させることなく前記熱交換器を通る非加熱空気流を発生させるようファンを駆動する前記制御装置により特徴付けられる家庭用熱電気併給ユニット。
2. 前記ファンは、付加的に、前記スターリングエンジンのバーナへの空気流を発生させ、スプリッタバルブが、前記スターリングエンジンのバーナと前記補助バーナに供給される空気の量を調節するために設けられている、請求項１に記載のユニット。
3. 前記スターリングエンジンのバーナに空気流を与える第２のファンを更に備えた、請求項１に記載のユニット。
4. 前記制御装置が、前記エンジンについて制御システムの一部である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のユニット。

Images