JP4997062B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンで駆動した発電機で電気エネルギを発生するとともにこのエンジンの排熱を利用して冷水を温水にするコージェネレーションシステムの改良に関する。

エンジンで駆動した発電機で電気エネルギを発生するとともに、排熱熱交換器でエンジンの排熱を利用して冷水を温水にするコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−４５８６号公報（図１）

特許文献１の図１において、コージェネレーションシステムには、ガスエンジン１（符号は、同公報のものを流用する。以下、同じ。）とこのガスエンジン１により駆動され電気エネルギを発生する発電機３と、ガスエンジン１の排熱を冷水に伝達して温水にする温水熱交換器５（以下、「排熱熱交換器」と云う。）とが備えられている。

ところで、コージェネレーションシステムの運転制御における基本的な方式として、出力側で必要とする給湯量に応じて、コージェネレーションシステムの運転パターンを設定する方式がある。

この方式では、給湯需要がないか少ないときには、ガスエンジン１の温度が所定値以上に上昇しないように、ガスエンジン１を停止する。つまり、この方式は、給湯を電気の供給よりも優先させて行うという方式である。
ガスエンジンが停止するので、例えば、停電時などで電気エネルギが必要になったときなどにおいて電気エネルギを供給することができないという課題がある。

本発明は、給湯需要がない場合においても、エンジンの連続運転が可能なコージェネレーションシステムを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、エンジンと、このエンジンで駆動され電気エネルギを発生する発電機と、エンジンから排出される排熱を熱源にして冷水を温水にする排熱熱交換器と、この排熱熱交換器から出力された温水を熱源として外気を暖める温風暖房機とが備えられているコージェネレーションシステムにおいて、このコージェネレーションシステムには、第１の冷却手段と第２の冷却手段とが介在され、第１の冷却手段には、排熱熱交換器と温風暖房機との間に設けられ冷却水が循環する冷却水循環パイプに介在され、排熱熱交換器と温風暖房機の間を結ぶ温水循環パイプ内の湯温が第１の所定値を超えたときに、第１の冷却手段を起動する第１の制御部が備えられ、第２の冷却手段には、排熱熱交換器との間に設けられ温水が循環する温水循環パイプに介在され、温風暖房機の温風温度が第２の所定値を超えたときに、第２の冷却手段を起動する第２の制御部が備えられ、第１の冷却手段は、冷却水循環経路から水の一部を分岐し、後に戻す第１のバイパス管と、この第１のバイパス管に介在され水の熱を外部に放出する第１のラジエータと、この第１のラジエータに冷却水循環経路内の水を送水する第１のポンプと、冷却水循環経路と第１のラジエータの間に設け開弁して第１のラジエータに水を取り入れる第１の給水バルブとから構成され、第２の冷却手段は、温水循環経路又は温水循環パイプから水の一部を分岐し、後に戻す第２のバイパス管と、この第２のバイパス管に介在され水の熱を外部に放出する第２のラジエータと、この第２のラジエータに冷却水循環経路内又は温水循環パイプ内の水を送水する第２のポンプと、温水循環経路又は温水循環パイプと第２のラジエータの間に設け開弁して第２のラジエータに水を取り入れる第２の給水バルブとから構成され、温水循環経路と温風暖房機に設けた温風経路のうちの少なくとも一方には、補助加熱手段としてのバーナーが設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、コージェネレーションシステムには、第１の冷却手段と第２の冷却手段との少なくとも一方が介在され、第１の冷却手段は、冷却水が循環する冷却水循環パイプに介在され、第２の冷却手段は、温水循環パイプに介在されている。

従来、給湯を電気の供給よりも優先させて行う方式をとっているコージェネレーションシステムでは、温水循環パイプの温度が上昇し、エンジンの冷却が十分に行えなくなった場合には、エンジンを停止させる必要があった。

この点、本発明では、温水循環パイプ内の湯温が第１の所定値を超えたときに、第１の冷却手段を起動する制御部が設けられているので、排熱熱交換器の温度が所定以上の温度に達することを回避できる。排熱熱交換器の温度が所定以上の温度に昇温しなくなれば、エンジンの連続運転が可能になる。エンジンの連続運転が可能になれば、連続した発電が可能になり、電気エネルギの安定した供給が可能になる。

さらに、第１の冷却手段は、第１のバイパス管と、この第１のバイパス管に介在される第１のラジエータと、この第１のラジエータに水を送水する第１のポンプと、第１のラジエータに水を取り入れる第１の給水バルブとから構成されている。また、第２の冷却手段は、第２のバイパス管と、この第２のバイパス管に介在される第２のラジエータと、この第２のラジエータに水を送水する第２のポンプと、第２のラジエータに水を取り入れる第２の給水バルブとから構成されている。このような構成をもつ冷却手段であれば、設備費用を抑制することができる。加えて、ランニング費用を低く抑えることができる。

また、温水循環経路には、温水循環経路内の温水を加熱する補助加熱手段が設けられている場合には、エンジンの冷却水の温度が低いときでも、温水の温度を適温に上げることができる。また、温風経路には、第２の補助加熱手段が設けられている場合には、温水の温度が低いときでも、所定の暖房性能が得られる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るコージェネレーションシステムの構成図であり、コージェネレーションシステム１０は、原動機としてのエンジン１１と、エンジン１１を制御するＥＣＵ１２と、エンジン１１の出力軸に連結されるとともにこの出力軸で駆動され電気エネルギを発生する発電機１３と、この発電機１３の出力端子に接続されているインバータユニット１４と、このインバータユニット１４と外部商用電源部１５との間に設けられ所定時以外は発電した電気エネルギの供給を遮断する切替スイッチ１６と、エンジン１１から排出される排熱を利用して温水をつくりこの温水を出力する排熱熱交換器１７と、エンジン１１と排熱熱交換器１７との間に連結され冷却水を循環させる冷却水循環経路２１と、この冷却水循環経路２１に介在されエンジン１１に排熱熱交換器１７で排熱された冷却水を送水する冷却水循環ポンプ２２と、排熱熱交換器１７で熱交換され加熱された温水を貯湯する貯湯タンク２３と、この貯湯タンク２３と排熱熱交換器１７との間に連結され温水を循環させる温水循環経路２４と、この温水循環経路２４に介在される温水ポンプ２５、温度センサ２６及び温度調節バルブ２７と、貯湯タンク２３に設けた給湯出口２８に取り付けられ外部へ温水を出力する温水出力パイプ３１と、この貯湯タンク２３の一方２３ａである給湯出口２８から引き出し、貯湯タンク２３の他方２３ｂに戻す温水循環パイプ３２と、この温水循環パイプ３２に介在させる温風暖房機３３と、この温風暖房機３３の上流側に介在され所定時に温水を加熱する第１の補助加熱手段３４、出力温水ポンプ３５及び温度センサ３６と、給湯出口２８に温水出力パイプ３１を介して連結され開弁して温水を外部に排出する排水弁３７と、貯湯タンク２３に給水する給水経路４１と、この給水経路４１に介在され所定時に開弁する給水バルブ４２と、排水弁３７の開閉をはじめコージェネレーションシステム１０における各種制御を統括する制御部４３とを備えたものである。
温度調節バルブ２７には、貯湯タンク２３の手前で引き出して貯湯タンク２３から排熱熱交換器１７への温水循環経路２４の戻り配管２４ｂに戻すバイパス経路４４が連結されている。温度調節バルブ２７は、温水循環経路２４内の温水が温度センサ２６により所定値である７０℃に達すると、徐々に開き貯湯タンク２３の上部に温水を供給し始める。温度調節バルブ２７は、湯温が高くなるほどバルブの開度が大きくなるようにした。

温水循環経路２４には、温水循環経路内の温水を加熱する補助加熱手段３４Ｎが設けられているのでエンジン１１の冷却水の温度が低いときでも、温水の温度を適温に上げることができる。
この他、コージェネレーションシステム１０には、第１の冷却手段７１（図中点線にて示されている。）と第２の冷却手段７２との少なくとも一方が介在されている。

第１の冷却手段７１は、エンジン１１と排熱熱交換器１７との間に設けられ冷却水が循環する冷却水循環経路２１に介在されている。そして、貯湯タンク内の湯温が第１の所定値を超えたときに、第１の冷却手段７１を起動する第１の制御部７３が設けられている。
第２の冷却手段７２は、貯湯タンク２３と温風暖房機３３の間に設けられ温水が循環する温水循環パイプ３２に介在され、温風暖房機３３の温風温度が第２の所定値を超えたときに、第２の冷却手段７２を起動する第２の制御部７４が設けられている。

なお、本実施例において、第１の制御部７３と第２の制御部７４とは、制御部４３に統合され配置されている。図中、制御部４３と各機器間は、図に示す※印にて接続されている。

以下、第１の冷却手段７１と第２の冷却手段７２の詳細について説明する。
第１の冷却手段７１は、冷却水循環経路２１から水の一部を分岐し、後に戻す第１のバイパス管７５と、この第１のバイパス管７５に介在され水の熱を外部に放出する第１のラジエータ７６と、この第１のラジエータ７６に冷却水循環経路内の水を送水する第１のポンプ７７と、冷却水循環経路２１と第１のラジエータ７６の間に設け開弁して第１のラジエータ７６に水を取り入れる第１の給水バルブ７８、７８とから構成されている。

第２の冷却手段７２は、温水循環パイプ３２から水の一部を分岐し、後に戻す第２のバイパス管８１と、この第２のバイパス管８１に介在され水の熱を外部に放出する第２のラジエータ８２と、この第２のラジエータ８２に温水循環経路内の水を送水する第２のポンプ８３と、温水循環パイプ３２と第２のラジエータ８２の間に設け開弁して第２のラジエータ８２に水を取り入れる第２の給水バルブ８４、８４とから構成されている。

このような構成をもつ冷却手段であれば、比較的に構成することができ、設備費用を抑制することができる。加えて、ランニング費用を低く抑えることができる。

温風暖房機３３には、空気の入力口４５及び出力口４６を有するケース体４７と、このケース体４７の内側にこの順に設けられ空気を送風するブロワ４８と、このブロワ４８の下流側に設けられるとともに出力温水循環経路２４に介在させる熱交換器部４９と、この熱交換器部４９の下流にこの順で配置される潜熱熱交換器５１及び顕熱熱交換器５２と、この顕熱熱交換器５２に加熱空気を送るバーナー５３とが備えられている。５４は温度センサである。つまり、温風経路６０には、補助加熱手段５９が設けられている。

バーナー５３により発生させた燃料ガスは、顕熱熱交換器５２と潜熱熱交換器５１を通過して屋外へ放出される。このときケース体４７に配置したブロワ４８によって、顕熱熱交換器５２と潜熱熱交換器５１を通過する空気に熱を伝える。
バーナー５３は、室温が設定値に対して大きく下回っているときや所定時間を経過しても室温が上昇しないときに作動するものである。

このように、温風経路６０には、補助加熱手段５９が設けられているので、温水の温度が低いときでも、所定の暖房性能が得られる。
なお、温水循環経路２４に介在させた補助加熱手段３４Ｎ又は温風経路６０に介在させた補助加熱手段５９のどちらか一方を省略することは差し支えない。

なお、空気の入力口４５には、各部屋から冷風が戻る戻り配管が連結され、空気の出力口４６には、各部屋へ温風を送る送り配管が連結されている。図中、５５は貯湯タンク内に配置されている温度センサ、５６はエンジン１１にガスを供給するガス菅、５７は排気ガスを排出する排気管、５８ａ、５８ｂは建物の壁部である。これらの壁部５８ａ、５８ｂの内側を屋内、壁部５８ａ、５８ｂの外側を屋外とするとき、６１は屋外に配置される温度センサ、６２は室内温度を設定するリモコン操作部である。

図２は本発明に係るコージェネレーションシステムの制御ブロック図であり、コージェネレーションシステム１０は、発電ユニット６４と給湯ユニット６５とからなる。
発電ユニット６４は、エンジン１１と、このエンジン１１に駆動される発電機１３と、この発電機１３の出力端子に接続され発電機１３の周波数や電圧を変換して出力するとともに、発電機１３をスタータの機能に切り替えるスタータドライバ機能を有するインバータユニット１４とを備えており、このインバータユニット１４の出力は、外部商用電源部１５に接続されて発電エネルギが所定値に達したときに切替スイッチ（図１の符号１６）に接続され外部商用電源部１５に電気エネルギが供給される。

給湯ユニット６５は、制御部４３を備え、この制御部４３には、冷却水循環ポンプ２２と、出力温水ポンプ３５と、各種の温度センサ２６、３６、５５と、温度調節バルブ２７と、出力温水ポンプ３５と、排水弁３７と、給水バルブ４２と、ブロワ４８と、補助加熱手段３４とが接続されている。制御部４３は、ＥＣＵ１２に接続されるとともに、システム内に配置した上述した各ポンプ、各バルブ及び各温度センサに接続され、上述した各ポンプ及び各バルブについての各種制御を統括するものである。

以上に述べたコージェネレーションシステムの作用を次に述べる。
図３は本発明に係る冷却手段の制御フロー図であり、ステップ番号（以下、ＳＴと記す。）０１でエンジンを起動（ＯＮ）させ、貯湯タンク２３内の温水の温度（ｔ）を温度センサ５５により測定して所定値（ｔ１１）を超えるまで待つ（ＳＴ０２）。
ＳＴ０３で温水の温度（ｔ）がｔ１１を超えたと判断されたときには、第１の冷却手段７１をＯＮにする。

ＳＴ０４で貯湯タンク２３内の温水の温度（ｔ）を温度センサ５５により測定し、温水の温度がｔ１２未満になるまで待つ。
ＳＴ０５で温水の温度（ｔ）がｔ１２未満と判断されたときには、第１の冷却手段７１を停止（ＯＦＦ）させる。
以上で、第１の冷却手段７１をＯＮ−ＯＦＦ制御する一連の流れが終了する。

ＳＴ０６で温風暖房機３３内に設けた温度センサ５４で温風暖房機の温風の温度（ｔ）を温度センサ５４により測定し、測定し温風の温度が所定値（ｔ２１）を超えるまで待つ。
ＳＴ０７で温風の温度（ｔ）がｔ２１を超えたと判断されたときには、第２の冷却手段７２をＯＮにする。

ＳＴ０８で温風暖房機３３内の温風の温度（ｔ）を温度センサ５４により測定し、温水の温度がｔ２２未満になるまで待つ。
ＳＴ０９で温水の温度（ｔ）がｔ２２未満と判断されたときには、第２の冷却手段７２を停止（ＯＦＦ）させる。
以上で、第２の冷却手段７２をＯＮ−ＯＦＦ制御する一連の流れが終了する。

コージェネレーションシステム１０には、第１の冷却手段７１（図中、点線にて示す。）と第２の冷却手段７２とが介在され、第１の冷却手段７１は、冷却水循環経路２１に介在され、第２の冷却手段７２は、温水循環パイプ３２に介在されている。

従来、貯湯タンク２３の温度が上昇し、エンジン１１の冷却が十分に行えなくなった場合には、エンジン１１を停止させる必要があった。
この点、本発明では、貯湯タンク内の湯温が第１の所定値を超えたときに、第１の冷却手段７１を起動する制御部４３が設けられているので、排熱熱交換器１７の温度が所定以上の温度に達することはない。このため、エンジン１１の連続運転が可能になる。エンジン１１の連続運転が可能になれば、連続した発電が可能になり、電気エネルギの安定した供給が可能になる。

なお、第１の冷却手段７１又は第２の冷却手段７２のうちのどちらか一方の冷却手段を省くことは差し支えない。

図４は図１の別実施例であり、コージェネレーションシステム１０には、第１の冷却手段７１（図中、点線にて示されている。）と第２の冷却手段７２とが介在され、第１の冷却手段７１は、エンジン１１と排熱熱交換器１７との間に設けられ冷却水が循環する冷却水循環経路２１に介在され、排熱熱交換器１７から出力された温水を熱源として外気を暖める温風暖房機３３が設けられ、排熱熱交換器１７と温風暖房機３３とは温水循環パイプ３２Ｂによって連結され、この温水循環パイプ３２Ｂには、温度センサ８５が介在され、この温度センサ８５で測定した湯温が第１の所定値を超えたときに、第１の冷却手段７１を起動する第１の制御部７３が設けられ、第２の冷却手段７２は、排熱熱交換器１７との間に設けられ温水が循環する温水循環パイプ３２Ｂに介在され、排熱熱交換器１７から出力された温水を熱源として外気を暖める温風暖房機３３が設けられ、この温風暖房機３３の温風温度が第２の所定値を超えたときに、第２の冷却手段７２を起動する第２の制御部７４が設けられている。本実施例において、第１の制御部７３と第２の制御部７４は、制御部４３に統合されている。

本発明では、温水循環パイプ内の湯温が第１の所定値を超えたときに、第１の冷却手段７１を起動する制御部４３が設けられているので、排熱熱交換器１７の温度が所定以上の温度に達することを回避できる。排熱熱交換器１７の温度が所定以上の温度に上昇しなくなれば、エンジン１１の連続運転が可能になる。エンジン１１の連続運転が可能になれば、連続した発電が可能になり、外部商用電源部１５に電気エネルギの安定した供給が可能になる。

本発明は、発電と給湯を同時に行うコージェネレーションシステムのうち、電気の供給よりも給湯を優先させるタイプのコージェネレーションシステムに好適である。

本発明に係るコージェネレーションシステムの構成図である。 本発明に係るコージェネレーションシステムの制御ブロック図である。 本発明に係る冷却手段の制御フロー図である。 図１の別実施例である。

符号の説明

１０…コージェネレーションシステム、１１…エンジン、１３…発電機、１７…排熱熱交換器、２１…冷却水循環経路、２３…貯湯タンク、３２、３２Ｂ…温水循環パイプ、３３、３３Ｂ…温風暖房機、７１…第１の冷却手段、７２…第２の冷却手段、７３、７３Ｂ…第１の制御部、７４、７４Ｂ…第２の制御部、７５…第１のバイパス管、７６…第１のラジエータ、７７…第１のポンプ、７８…第１の給水バルブ、８１…第２のバイパス管、８２…第２のラジエータ、８３…第２のポンプ、８４…第２の給水バルブ。

Claims (1)

1. エンジンと、このエンジンで駆動され電気エネルギを発生する発電機と、前記エンジンから排出される排熱を熱源にして冷水を温水にする排熱熱交換器とが備えられているコージェネレーションシステムにおいて、
   このコージェネレーションシステムには、第１の冷却手段と第２の冷却手段とが介在され、
   前記第１の冷却手段には、前記エンジンと前記排熱熱交換器との間に設けられ冷却水が循環する冷却水循環経路に介在され、前記エンジンの排熱にて昇温する貯湯タンク内の湯温が第１の所定値を超えたときに、前記第１の冷却手段を起動する第１の制御部が備えられ、
   前記第２の冷却手段には、前記貯湯タンクと前記温風暖房機の間に設けられ温水が循環する温水循環パイプに介在され、前記温風暖房機の温風温度が第２の所定値を超えたときに、前記第２の冷却手段を起動する第２の制御部が備えられ、
   前記第１の冷却手段は、前記冷却水循環経路から水の一部を分岐し、後に戻す第１のバイパス管と、この第１のバイパス管に介在され水の熱を外部に放出する第１のラジエータと、この第１のラジエータに前記冷却水循環経路内の水を送水する第１のポンプと、前記冷却水循環経路と前記第１のラジエータの間に設け開弁して前記第１のラジエータに水を取り入れる第１の給水バルブとから構成され、
   前記第２の冷却手段は、前記温水循環経路又は前記温水循環パイプから水の一部を分岐し、後に戻す第２のバイパス管と、この第２のバイパス管に介在され水の熱を外部に放出する第２のラジエータと、この第２のラジエータに前記冷却水循環経路内又は前記温水循環パイプ内の水を送水する第２のポンプと、前記温水循環経路又は前記温水循環パイプと前記第２のラジエータの間に設け開弁して前記第２のラジエータに水を取り入れる第２の給水バルブとから構成され、
   前記温水循環経路と前記温風暖房機に設けた温風経路のうちの少なくとも一方には、補助加熱手段としてのバーナーが設けられていることを特徴とするコージェネレーションシステム。

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