JP4584110B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、コージェネレーションシステムに関する。特に、スターリングエンジンを利用したコージェネレーションシステムに関する。

可燃性ガス等の燃料を用いて発電機を稼動するとともに、その際に生じる熱を回収して冷暖房や給湯等に利用するコージェネレーションシステムが開発されている。
特許文献１には、スターリングエンジンを利用したコージェネレーションシステムが記載されている。このコージェネレーションシステムは、スターリングエンジンと、スターリングエンジンの加熱ヘッドを加熱するバーナーと、バーナーの燃焼ガスから熱を回収する熱交換器を備えている。このコージェネレーションシステムでは、バーナーの燃焼ガスが、ダクトを通じて熱交換器へと案内されるようになっている。
国際公開第０１／９０６５６号パンフレット

特許文献１の技術では、バーナーの燃焼ガスがダクトを通じて熱交換器へと案内される間に、燃焼ガスの熱が外部へと漏洩してしまう。無用に排熱（活用されないままに大気に放出されてしまう熱をいう）を増大させてしまい、コージェネレーションシステムの効率が低下してしまう。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、燃焼ガスの熱が外部に漏洩することを抑制して、排熱を低減することを可能とする技術を提供する。

本発明によって具現化されるコージェネレーションシステムは、略円柱形状の加熱ヘッドを有するスターリングエンジンと、スターリングエンジンの加熱ヘッドを加熱する加熱燃焼器と、スターリングエンジンと加熱燃焼器との間に設けられている弾性材料で形成されたブーツを備えている。加熱燃焼器には、スターリングエンジンの加熱ヘッドの端面に対向しているバーナーと、スターリングエンジンの加熱ヘッドの側面に沿って伸びている第１排気路と、第１排気路に連なっており、第１排気路の反スターリングエンジン側に沿って伸びている第２排気路と、第２排気路の反スターリングエンジン側に位置している第１熱交換器と、第１熱交換器に固定されているとともに、スターリングエンジンの加熱ヘッドへと伸びており、第１排気路と第２排気路との接続部を画定している板状部材が設けられている。そして、前記したブーツが、板状部材と加熱ヘッドとの間から漏洩した排気ガスが流れ込む、大気から隔離された空間を形成しており、その空間に流れ込んだ排気ガスの熱が、当該空間に面している板状部材を介して、第１熱交換器により回収されることを特徴とする。

このコージェネレーションシステムでは、バーナーの燃焼ガスが、先ず第１排気路へと案内される。第１排気路では、バーナーの燃焼ガスがスターリングエンジンの加熱ヘッドの側面に沿って流れることから、燃焼ガスの熱がスターリングエンジンの加熱に利用される。第１排気路を通過した燃焼ガスは、次いで第２排気路へと案内される。第２排気路では、バーナーの燃焼ガスが第１熱交換器に沿って流れることから、燃焼ガスの熱が第１熱交換器によって回収される。
このコージェネレーションシステムでは、第１排気路と第２排気路が、スターリングエンジンと第１熱交換器との間に積層して形成されている。それにより、燃焼ガスの熱が外部に漏洩することが抑制され、スターリングエンジンの加熱や第１熱交換器による排熱回収が効率よく行われる。さらに、第１排気路は第２排気路を介して第１熱交換器から隔離されているので、第１排気路は高温に保たれることとなり、スターリングエンジンの加熱ヘッドを高温に加熱することができる。
さらに、このコージェネレーションシステムでは、加熱燃焼器の板状部材とスターリングエンジンの加熱ヘッドとの間から漏洩した燃焼ガスの熱についても、板状部材を介して第１熱交換器により回収することができる。そのことから、加熱燃焼器の板状部材をスターリングエンジンの加熱ヘッドへ固定しなくてもよく、スターリングエンジンの振動が加熱燃焼器へ伝わることを防止することができる。
このコージェネレーションシステムによると、燃焼ガスの熱が外部に漏洩することが抑制され、排熱を低減することが可能となる。

上記のコージェネレーションシステムにおいて、第１排気路は、スターリングエンジンの加熱ヘッドの側面を囲繞していることが好ましい。第２排気路は、第１排気路を側方から囲繞していることが好ましい。第１熱交換器は、第２排気路を側方から囲繞していることが好ましい。
このコージェネレーションシステムでは、第１排気路と第２排気路が、スターリングエンジンと第１熱交換器によって囲繞されることから、燃焼ガスの熱が外部に漏洩することをより抑制することが可能となる。

上記のコージェネレーションシステムでは、第２排気路の下流側に接続されている第２熱交換器が付加されていることが好ましい。
それにより、第２排気路から排出された燃焼ガスに残る熱を回収することができ、排熱をより低減することが可能となる。

第２熱交換器は、燃焼ガスに含まれている水蒸気を凝縮させることによって燃焼ガスの潜熱を回収する潜熱交換器であることが好ましい。
バーナーの燃焼ガスには多量の水蒸気が含まれており、その水蒸気を凝縮させることによって燃焼ガスの潜熱を回収することができる。第２熱交換器が潜熱交換器であると、第１熱交換器によって既に温度が低下している燃焼ガスから、さらに多くの熱を回収することが可能となり、排熱をさらに低減することが可能となる。

本発明により、燃焼ガスの熱が外部に漏洩することを抑止して、排熱を低減することが可能となり、コージェネレーションシステムのエネルギー効率を顕著に高めることが可能となる。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） コージェネレーションシステムは、フリーピストン型のスターリングエンジンを備えている。
（形態２） コージェネレーションシステムは、可燃性ガスを燃焼するバーナーを備えている。
（形態３） コージェネレーションシステムは、バーナーの燃焼ガスを吸引して外部へと排出するブロアを備えている。

本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施例のコージェネレーションシステム１０の構成を示す模式図である。コージェネレーションシステム１０は、スターリングエンジン７０と、加熱燃焼器２０を備えている。スターリングエンジン７０には、略円筒形状の加熱ヘッド９４ａ、９４ｂや、冷却器９６が設けられている。スターリングエンジン７０は、動作時に振動することから、図示しないコージェネレーションシステム１０のフレームに弾性部材を介して支持されている。一方、加熱燃焼器２０は、前記フレームに固定されている。従って、加熱燃焼器２０とスターリングエンジン７０は互いに固定されておらず、スターリングエンジン７０が動作時に振動しても、その振動が加熱燃焼器２０に伝わらないようになっている。
加熱燃焼器２０は、可燃性ガスを燃焼するバーナー２４を備えており、スターリングエンジンの加熱ヘッド９４ａ、９４ｂを加熱する。また、加熱燃焼器２０は、スターリングエンジンを加熱する際に生じる熱を回収する熱交換器２６、４０を備えている。スターリングエンジン７０は、加熱燃焼器２０によって加熱ヘッド９４ａ、９４ｂが加熱されるとともに、冷却器９６によって冷却されることによって動作し、交流電力を発電して外部の電気機器に供給する。コージェネレーションシステム１０は、可燃性ガスを燃焼し、電気と熱を供給する熱電供給システムである。

図１を参照しながら、スターリングエンジン７０の構成について説明する。スターリングエンジン７０は、いわゆるβ型のスターリングエンジンであり、外形が略円柱形状をしているハウジング９４と、ハウジング９４内の作動空間１００、１０２内に設けられているディスプレーサ７８と、ハウジング９４内の作動空間１００に面している出力ピストン８０を備えている。スターリングエンジン７０の加熱ヘッド９４ａ、９４ｂは、ハウジング９４の図面上方の端部に位置している。
ディスプレーサ７８は、作動空間１００、１０２内に設けられているシリンダ１０４内に収容されているとともに、ハウジング９４に固定されているシャフト７２に摺動可能に支持されている。ディスプレーサ７８とシャフト７２は２つのバネ部材７６を介して接続されており、ディスプレーサ７８はシリンダ１０４の内面１０４ａに沿って所定の周波数（固有振動数）で往復運動するようになっている。ディスプレーサ７８の固有振動数は、２つのバネ部材７６のバネ定数によって調整することができる。なお、バネ部材７６のそれぞれには、板バネ等を用いることができる。また、シャフト７２は固定プレート７９を介してハウジング９４に固定されており、固定プレート７９には複数の孔７９ａが形成されている。

作動空間１００、１０２内には、作動ガスであるヘリウムガスが充填されている。作動空間１００、１０２のなかで、ディスプレーサ７８よりも図面上方に位置する作動空間１０２は、加熱燃焼器２０によって加熱される加熱側作動空間である。加熱側作動空間１０２は、加熱ヘッド９４ａ、９４ｂの内部に位置している。一方、ディスプレーサ７８よりも図面下方に位置する作動空間１００は、冷却器９６によって冷却される冷却側作動空間である。加熱側作動空間１０２と冷却側作動空間１００は、シリンダ１０４の外面１０４ｂとハウジング９４の内面との間の空間によって連通されており、その連通空間には再生器７４が設けられている。

スターリングエンジン７０では、加熱側作動空間１０２内のヘリウムガスが連続的に加熱されるとともに、冷却側作動空間１００内のヘリウムガスが連続的に冷却されることによって、ディスプレーサ７８がシリンダ１０４内で往復運動する。ディスプレーサ７８が往復運動すると、加熱側作動空間１０２の容積と冷却側作動空間１００の容積との割合が変化する。例えばディスプレーサ７８が加熱側作動空間１０２側に移動すると、加熱側作動空間１０２が減少するとともに冷却側作動空間１００が増大する。このとき、加熱側作動空間１０２内のヘリウムガスは、再生器７４を通って冷却側作動空間１００へと移動する。逆に、ディスプレーサ７８が冷却側作動空間１００側に移動すると、冷却側作動空間１００が減少するとともに加熱側作動空間１０２が増大する。このとき、冷却側作動空間１００内のヘリウムガスが再生器７４を通って加熱側作動空間１０２へと移動する。加熱側作動空間１０２の容積と冷却側作動空間１００の容積との割合が変化すると、高温状態のヘリウムガスと低温状態のヘリウムガスの割合が変化するため、作動空間全体１００、１０２の圧力が変化する。作動空間全体１００、１０２の圧力変化は、作動空間１００に面している出力ピストン８０に加えられる。

出力ピストン８０は、そのシャフト８２がバネ部材８４、９２を介してハウジング９４に接続されており、図面上下方向に沿って所定の周波数（固有振動数）で往復運動可能に支持されている。出力ピストン８０の固有振動数は、バネ部材８４、９２のバネ定数によって調整することができる。本実施例では、出力ピストン８０の固有振動数とディスプレーサ７８の固有振動数が等しくなるように調整されている。
出力ピストン８０は、前記した作動空間全体１００、１０２に生じる圧力変化によって、往復運動する。このとき、出力ピストン８０の周波数は、ディスプレーサ７８の周波数と等しくなる。本実施例では、出力ピストン８０の固有振動数とディスプレーサ７８の固有振動数が等しく設定されているので、出力ピストン８０やディスプレーサ７８の振動エネルギーが無用に減衰されることが防止される。

図１に示すように、出力ピストン８０のシャフト８２には、複数の磁石８６が配設されている。また、ハウジング９４側には、複数の磁石８６と対向する位置に鉄心８８とコイル９０が設けられている。スターリングエンジン７０では、磁石８６群や鉄心８８やコイル９０等によって発電機が構成されており、出力ピストン８０が往復運動することによって、交流電力が発電されるようになっている。このとき、発電される交流電力の周波数は、出力ピストン８０の往復運動の周波数に等しくなる。従って、ディスプレーサ７８や出力ピストン８０の固有振動数を調整することによって、発電する交流電力の周波数を調整することができる。

次に、加熱燃焼器２０について説明する。図２は、加熱燃焼器２０の構成を模式的に示す断面図である。図３は、加熱燃焼器２０の外観を示す斜視図である。
図２、図３に示すように、加熱燃焼器２０は、ヘッドプレート２２と、ヘッドプレート２２に設けられているバーナー２４を備えている。バーナー２４は、スターリングエンジン７０の加熱ヘッドの端面９４ａに対向している。バーナー２４には、ガス供給口２５を介して、可燃性ガスと空気を混合した混合気が供給される。バーナー２４は、可燃性ガスを燃焼することによって、スターリングエンジン７０の加熱ヘッドの端面９４ａや加熱ヘッドの側面９４ｂを加熱する。このときバーナー２４は、加熱ヘッドの端面９４ａを略６５０℃まで加熱し、加熱ヘッドの側面９４ｂを略６００℃まで加熱する。

図４は、ヘッドプレート２２等を取り外した状態の加熱燃焼器２０を示す斜視図である。図２、図４に示すように、加熱燃焼器２０は、ヘッドプレート２２に取り付けられている円筒状の隔壁部材３２を備えている。隔壁部材３２は、スターリングエンジン７０の加熱ヘッドの側面９４ｂに沿って伸びている。スターリングエンジン７０の加熱ヘッドの側面９４ｂと隔壁部材３２の内面３２ａとの間には間隙が設けられており、バーナー２４の燃焼ガスがスターリングエンジン７０の加熱ヘッドの側面９４ｂに沿って案内される第１排気路Ａが形成されている。第１排気路Ａは、スターリングエンジン７０の加熱ヘッドの端面９４ａからスターリングエンジン７０の加熱ヘッドの側面９４ｂに沿って伸びている。第１排気路Ａは、概して円筒形状の空間によって形成されており、加熱ヘッドの側面９４ｂを囲繞している。
加熱燃焼器２０では、バーナー２４の燃焼ガスが第１排気路Ａを流れる間に、燃焼ガスの熱によってスターリングエンジン７０が加熱される。それにより、スターリングエンジン７０の出力が保障されている。

図２、図３、図４に示すように、加熱燃焼器２０は、第１熱交換器２６を備えている。第１熱交換器２６は、円筒形状の伝熱部材３０と、伝熱部材３０の外面３０ａに沿って配管されている伝熱管２８を備えている。伝熱部材３０は隔壁部材３２の外面３２ｂを取り囲むように配置されており、伝熱部材３０の内面３０ａは隔壁部材３２の外面３２ｂに対向している。隔壁部材３２の外面３２ａと伝熱部材３０の内面３０ａとの間には間隙が設けられており、第２排気路Ｂが形成されている。伝熱部材３０の内面３０ａには多数の溝が形成されており、第２排気路Ｂに大きな面積で面するようになっている。
第２排気路Ｂは、第１排気路Ａに連なっている。第２排気路Ｂは、第１排気路Ａの反スターリングエンジン７０側に位置しており、第１排気路Ａに沿って伸びている。第１排気路Ａを流れてきた燃焼ガスは、進行方向を反転して、第２排気路Ｂへと流れ込む。第２排気路Ｂは、概して円筒形状の空間によって形成されており、隔壁部材３２を介して第１排気路Ａを側方から囲繞している。

伝熱部材３０の図面下方の端部には、第１排気路Ａと第２排気路Ｂとの接続部を画定している板状部材３１が設けられている。板状部材３１は、伝熱部材３０に固定されており、伝熱部材３０からスターリングエンジン７０の加熱ヘッドの側面９４ｂへと伸びている。この板状部材３１は、熱伝導性に優れる金属、例えば銅で形成することができる。板状部材３１は、あたかも伝熱部材３０の一部のように、伝熱管２８を流れる熱媒体によって冷却される。
先に説明したように、加熱燃焼器２０とスターリングエンジン７０は、互いに固定されていない。従って、板状部材３１は、スターリングエンジン７０側には固定されておらず、加熱ヘッドの側面９４ｂに対して摺動可能に構成されている。板状部材３１と加熱ヘッドの側面９４ｂとの間は完全にシールされていないことから、板状部材３１と加熱ヘッドの側面９４ｂとの間から燃焼ガスが僅かに漏洩することがある。
図２に示すように、板状部材３１とスターリングエンジン７０の冷却器９６との間には、弾性材料であるゴムによって形成されているブーツ２７が設けられている。ブーツ２７は、板状部材３１やスターリングエンジン７０とともに、大気から隔離された空間２９を形成している。それにより、板状部材３１と加熱ヘッドの側面９４ｂとの間から漏洩した燃焼ガスは、空間２９内に保持されて、大気中に放出されることが防止される。
空間２９は、板状部材３１に面していることから、その温度が上昇することが抑制される。それにより、燃焼ガスが空間２９に流れ込んだ場合でも、空間２９の温度が高温になることが防止され、燃焼ガスの熱によってブーツ２７が破断してしまうようなことがない。換言すれば、板状部材３１と加熱ヘッドの側面９４ｂとの間から漏洩した燃焼ガスの熱についても回収される。また、ブーツ２７が破断して高温の燃焼ガスが外部へ噴出してしまうような問題も生じない。

加熱燃焼器２０では、バーナー２４の燃焼ガスが第２排気路Ｂを流れる間に、燃焼ガスの熱が第１熱交換器２６によって回収される。第１熱交換器２６の伝熱部材３０は、大きな面積で第２排気路Ｂに面しているので、燃焼ガスの熱をより多く回収することができる。
加熱燃焼器２０では、スターリングエンジン７０の加熱ヘッドの側面９４ｂを囲繞するように第１排気路Ａが形成されており、第１排気路Ａを側方から囲繞するように第２排気路Ｂが形成されており、第２排気路Ｂを側方から囲繞するように第１熱交換器２６が設けられている。それにより、バーナー２４が発生した燃焼熱が外部に漏洩することが抑止され、より多くの熱がスターリングエンジンの加熱に利用され、あるいは、より多くの熱が第１熱交換器によって回収される。
第１排気路Ａは、第２排気路Ｂを介して第１熱交換器２６から隔離されている。それにより、第１熱交換器２６は第１排気路Ａを流れる燃焼ガスから熱を回収することが防止される。第１排気路Ａの温度は、第２排気路Ｂの温度よりも高温に保たれることとなり、スターリングエンジン７０の加熱ヘッド９４ａ、９４ｂを高温に加熱することができる。

図２、図３に示すように、加熱燃焼器２０は、第２熱交換器４０を備えている。第２熱交換器４０は、排気ダクト３８を介して、第２排気路Ｂに接続されている。バーナー２４の燃焼ガスは、第２排気路Ｂから排気ダクト３８（第３排気路Ｃ）を介して、第２熱交換器４０へと案内される。第２熱交換器４０の内部４０ａには、伝熱管４２が配管されている。伝熱管４２には、例えば水等の熱媒体が導入口４２ａから導入され、排出口４２ｂから導出される。
第２熱交換器４０は、燃焼ガスが第２熱交換器４０の内部（第４排気路Ｄ）４０ａを流れる間に、燃焼ガスの熱を伝熱管４２内の熱媒体へと回収する。このとき第２熱交換器４０は、燃焼ガスに含まれる水蒸気を凝縮させることによって、燃焼ガスに含まれる潜熱も回収する。第２熱交換器４０の伝熱管４２を循環した熱媒体は、燃焼ガスから回収した熱によって加熱されており、冷暖房器具等の外部機器等に供給される。

図２、図３に示すように、加熱燃焼器２０は、バーナー２４の燃焼ガスを吸引して外部へと排出するブロア４４を備えている。ブロア４４は、ファン４６と、ファン４６を回転させるモータ４８を備えている。ブロア４４は、第２熱交換器４０の下流側に接続されている。ブロア４４がファン４６を回転させることによって、バーナー２４の燃焼ガスは第１排気路Ａと第２排気路Ｂと第３排気路Ｃと第４排気路Ｄと第５排気路Ｅ（ブロア４４内）を順に通り、排気口５０から外部へと排出される。
ブロア４４が燃焼ガスを排気路Ａ〜Ｅの下流側から吸引することによって、排気路Ａ〜Ｅ内は大気に対して負圧が保たれることとなる。それにより、例えばブーツ２７が破断した場合には、破断したブーツ２７の孔から大気が排気路Ａ〜Ｅ側へと流入することとなり、高温の燃焼ガスが破断したブーツ２７から大気中へ噴出するような事態が防止される。

図５は、バーナー２４から発生した燃焼ガスの温度が、第１排気路Ａから第５排気路Ｅを順に流れて排気口５０から排出されるまでの間に、低下していく様子を示すグラフである。図５中のＡは第１排気路Ａの区間を示し、図５中のＢは第２排気路Ｂの区間を示し、図５中のＣは第３排気路Ｃの区間を示し、図５中のＤは第４排気路Ｄの区間を示し、図５中のＥは第５排気路Ｅの区間を示している。図５に示すように、第１排気路Ａの区間では、燃焼ガスの熱がスターリングエンジン７０の加熱に利用されることによって、燃焼ガスの温度が低下する。第２排気路Ｂの区間では、燃焼ガスの熱が第１熱交換器２６で回収されることによって、燃焼ガスの温度が低下する。第４排気路Ｄの区間では、燃焼ガスの熱が第２熱交換器４０で回収されることによって、燃焼ガスの温度が低下する。ここで、第４排気路Ｄの区間では、燃焼ガスに含まれる水蒸気が凝縮されることによって、燃焼ガスの潜熱が回収される。従って、第４排気路Ｄの区間では、他の区間よりも、燃焼ガスの温度低下幅に対して燃焼ガスから回収された熱は多くなる。最終的に、燃焼ガスが排気口５０から排出される段階では、燃焼ガスの温度が略室温のレベルまで低下している。コージェネレーションシステム１０では、排熱が十分に低減されており、エネルギー効率が顕著に向上されている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記した実施例では、フリーピストン型のスターリングエンジンを採用した場合を例に挙げて説明したが、本明細書で開示する技術はスターリングエンジンの形態に限定されない。
上記した実施例では、燃料に可燃性ガスを用いる例について説明したが、本明細書で開示する技術は燃料の種類等に限定されない。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

コージェネレーションシステムの構成を模式的に示す断面図。 加熱燃焼器の構成を模式的に示す断面図。 加熱燃焼器の外観を示す斜視図。 加熱燃焼器の一部の構成を示す斜視図。 排気路を流れる燃焼ガスの温度変化を示すグラフ。

符号の説明

１０：コージェネレーションシステム
２０：加熱燃焼器
２４：バーナー
２６：第１熱交換器
４０：第２熱交換器
７０：スターリングエンジン
Ａ：第１排気路
Ｂ：第２排気路
Ｃ：第３排気路
Ｄ：第４排気路
Ｅ：第５排気路

Claims (4)

1. 略円柱形状の加熱ヘッドを有するスターリングエンジンと、
   スターリングエンジンの加熱ヘッドを加熱する加熱燃焼器と、
   スターリングエンジンと加熱燃焼器との間に設けられている弾性材料で形成されたブーツを備え、
   加熱燃焼器には、
   スターリングエンジンの加熱ヘッドの端面に対向しているバーナーと、
   スターリングエンジンの加熱ヘッドの側面に沿って伸びている第１排気路と、
   第１排気路に連なっており、第１排気路の反スターリングエンジン側に沿って伸びている第２排気路と、
   第２排気路の反スターリングエンジン側に位置している第１熱交換器と、
   第１熱交換器に固定されているとともに、スターリングエンジンの加熱ヘッドへと伸びており、第１排気路と第２排気路との接続部を画定している板状部材が設けられており、
   前記ブーツは、板状部材と加熱ヘッドとの間から漏洩した排気ガスが流れ込む、大気から隔離された空間を形成しており、
   その空間に流れ込んだ排気ガスの熱が、当該空間に面している板状部材を介して、第１熱交換器により回収されることを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 前記第１排気路は、前記スターリングエンジンの加熱ヘッドの側面を囲繞しており、
   前記第２排気路は、前記第１排気路を側方から囲繞しており、
   前記第１熱交換器は、前記第２排気路を側方から囲繞していることを特徴とする請求項１のコージェネレーションシステム。
3. 前記第２排気路の下流側に接続されている第２熱交換器が付加されていることを特徴とする請求項１又は２のコージェネレーションシステム。
4. 前記第２熱交換器は、燃焼ガスに含まれている水蒸気を凝縮させることによって燃焼ガスの潜熱を回収する潜熱交換器であることを特徴とする請求項３のコージェネレーションシステム。

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