JP5191792B2 - 定置式エンジンの冷却水回路 - Google Patents

Description

本発明は、コージェネレーションシステムやＧＨＰ（ガスヒートポンプ）に採用される排熱回収器を有する定置式エンジンの冷却水回路に関する。

従来、排熱回収器を有する定置式エンジンの冷却水回路として、排熱回収器を有するエンジン冷却水回路において、冷却水ポンプ吸引部を大気開放部と連通する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、特許文献１に記載のエンジンの冷却水回路は、ラジエータが室外熱交換器と接触して構成された排熱回収器を備える。また、冷却水ポンプの吸入部側は、リザーブタンクと接続されており、冷却水ポンプ吸引部は、リザーブタンクに設けられた通気口を介して大気と連通している。
特開平０９−８８６０２号公報

前記特許文献１のエンジンの冷却水回路構成では、冷却水ポンプ吸引部の圧力はリザーブタンクのヘッド圧と略等しくなり、冷却水ポンプをリザーブタンクより高い場所に配置しない限り、ポンプ吸引部の圧力をヘッド圧以下に設定することができない。

一方で、排熱回収器を有するエンジン冷却水回路は、排熱回収器でエンジン冷却水を介してエンジン排熱を供給するのに先立って、エンジン冷却水が排気ガスからエンジン排熱を吸収するために排気ガス熱交換器を備えている。この排気ガス熱交換器は
、エンジン冷却水を加熱するため、ボイラーの一種として取扱われるおそれがある。このように、排気ガス熱交換器がボイラーとして取扱われる場合には、そのエンジン冷却水の圧力をできるだけ低圧に保ちたいという要請がある。

そこで、本願は排熱回収器を有するエンジン冷却水回路において、排気ガス熱交換器等の冷却水回路内圧力を所定圧力に設定するために回路内で最低圧力となる冷却水ポンプ吸引部の圧力を必要に応じてヘッド圧以下の任意の圧力に調整できるようにすることを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、エンジン冷却水を介してエンジン排熱を供給する排熱回収器と、エンジン冷却水を介してエンジン排熱を放熱するラジエータと、排気ガスからエンジン冷却水へエンジン排熱を供給する排気ガス熱交換器と、エンジン冷却水を循環させる冷却水ポンプと、大気に連通する冷却水タンクとを有する定置式エンジンの冷却水回路において、前記排気ガス熱交換器を前記冷却水ポンプ吐出側でかつ前記エンジン下流側に配置し、前記排気ガス熱交換器下流で、前記排熱回収器およびラジエータを経由ずる経路と並列に、前記冷却水タンクを経由する経路を設け、前記排気ガス熱交換器と前記冷却水タンクの水封部との間の経路、または、前記冷却水タンクの水封部と前記冷却水ポンプ吸引部との間の経路の少なくとも何れか１つに絞りを配置したことにある。

かかる本発明は、前記排気ガス熱交換器下流で、前記排熱回収器およびラジエータを経由ずる経路と並列に、前記冷却水タンクを経由する経路を設け、前記排気ガス熱交換器と前記冷却水タンクの水封部との間の経路、または、前記冷却水タンクの水封部と前記冷却水ポンプ吸引部との間の経路の少なくとも何れか１つに絞りを配置したので、経路の絞りでの流量を調整することにより、大気圧未満の負圧から大気開放部のヘッド圧までの間の任意の圧力に調整できることとなる。このため、冷却水回路内圧力を「ポンプ吸引部圧＋ポンプ吐出圧＋計測箇所までの圧損」としてエンジン冷却水量を維持しながら所定圧力に設定できる。

前記本発明の排気ガス熱交換器を前記冷却水ポンプ吐出側で且つ前記エンジン下流に配置する。かかる本発明は、排気ガス熱交換器入口圧力を「ポンプ吸引部圧＋ポンプ吐出圧＋エンジン内部の流路圧損」として「ポンプ吸引部圧＋ポンプ吐出圧」よりも「エンジン内部の流路圧損」分だけ低圧にできる。

前記本発明のラジエータ下流経路と排熱回収器下流経路の合流部に、開度調整可能な電動三方弁を配置する。かかる本発明は、エンジン冷却水回路において冷却水温が最も低い箇所に電動三方弁を配置したので、電動三方弁の耐熱性が向上する。なお、電動三方弁が前記圧損機器の一つに該当する。

前記本発明の冷却水ポンプ吐出側にサーモスタットを配置し、該サーモスタットの高温側経路に前記排熱回収器を配置し、前記排熱回収器下流にラジエータを配置する。かかる本発明は、エンジン冷却水温がサーモスタット設定温度以上では冷却水全量が排熱回収器へ流れる。このため、エンジン冷却水からの供給熱量を演算するのに当って、排熱回収器とラジエータとに分流制御する構成に比し、エンジン冷却水の分流比率を考慮する必要が無い分だけ演算が簡易となる。

前記本発明の冷却水タンクの上部に通気管を設ける構成とし、前記排気ガス熱交換器または前記ラジエータのうちで少なくともいずれか一つの機器及び前記冷却水ポンプ吸引部を、前記冷却水タンクの水封部と連通する。かかる本発明は、冷却水回路でエア溜りが発生する可能性の高い箇所を、水封部を介して大気開放するので水泡から気水分離を確実に行って、エンジン冷却水のみ回路内へ戻すことができる。

前記本発明の冷却水タンクを２つ設ける構成とし、一方のタンクに前記通気管を設け、且つ一方のタンクと他方のタンクの空気溜り部を連通し、前記排気ガス熱交換器または前記ラジエータの少なくともいずれか一つの機器及び前記冷却水ポンプ吸引部を、他方のタンクの水封部と連通し、一方のタンクと他方のタンクの水封部を連通し、通気管を設けた一方のタンク底面を、他方のタンク底面と同一高さまたは高所に配置する。かかる本発明は、タンクを２つ設ける構成としたので、一方はリザーブ用として他方は回路内から上がってくる高温水泡の気水分離用として機能分離が可能となり、気水分離によるリザーブ用水温の上昇を防止できる。

本発明は、絞りの開度調整および圧損機器の圧損によって冷却水ポンプ吸引部の圧力をヘッド圧以下の任意の圧力に調整可能となるので、必要に応じて大気圧以下にも設定出来る。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

本実施の形態は、本発明をコージェネレーション装置１に採用した場合について説明する。なお、コージェネレーション装置１とは、電力消費機器（負荷）への送電系統に、外部商用電源の商用電力系統と、発電機の発電電力系統とを接続し、該負荷の需要電力を賄うとともに、発電に伴い生じる排熱を回収し、該回収熱を利用するシステムである。

図１はコージェネレーション装置のエンジン冷却水回路の回路図を示し、図２は同装置の正面斜視図、図３は同装置の背面斜視図を示す。

図２および図３に示すように、本実施形態に係るコージェネレーション装置１は、筺体としてのパッケージ２を備えている。このパッケージ２の内部は、上下に２分割されており、下側はエンジン室３および機器収納室５が構成され、上側はラジエータ室７、吸気室８および排気室９が構成されている。

前記エンジン室３内には、エンジン１０、このエンジン１０により駆動される発電機１１および潤滑油を貯留しているオイルタンク１２等が配置されている。

前記機器収納室５は、エンジン室３の側方（図２に示す右側）に配置されている。機器収納室５内には、エンジン駆動系機器等を制御する制御装置１６を備えるコントロールボックス１７とインバータ１４とが配置されている。

前記ラジエータ室７は、機器収納室５の上方に配置されており、このラジエータ室７には、ラジエータ１８と冷却水タンク２０が配置される。ラジエータ室７の上方には、前記制御装置１６により駆動制御される放熱用のラジエータファン１９が配置されている。

吸気室８には、エアクリーナ２２および吸気サイレンサ２３がそれぞれ配置されている。排気室９には、排気サイレンサ２４が配置されている。

次に、エンジン冷却水回路について、図１を参照しながら説明する。このエンジン冷却水回路３０は、エンジン冷却水を循環させるための駆動源となる冷却水ポンプ３２を備えている。この冷却水ポンプ３２の吐出側（冷却水ポンプ吐出部３２ａ）から下流側に向けて順に、エンジン１０内の冷却水通路（ウォータジャケット）、排気ガス熱交換器３３、サーモスタット３５が接続されている。

エンジン１０は都市ガス等を燃料とする定置式ガスエンジンであり、その排気系は上記排気ガス熱交換器３３及び前記排気サイレンサ２４を備えている。そして、エンジン１０を通過したエンジン冷却水は、排気ガス熱交換器３３に送られ、排気ガス熱交換器３３において排気ガスの熱を奪った後に、経路３１を介してサーモスタット３５に流入するようになっている。

サーモスタット３５は、低温側経路３５ａと高温側経路３５ｂとを備えており、低温側経路３５ａの下流端は、冷却水ポンプ３２の吸入側（冷却水ポンプ吸引部３２ｂ）に接続されている。また、高温側経路３５ｂの下流端は、排熱回収器としての水／水熱交換器３７に接続されている。

サーモスタット３５は、エンジン冷却水の温度が所定温度未満のとき（例えばエンジン始動初期時）には、低温側経路３５ａへエンジン冷却水を流し、エンジン冷却水が所定温度以上に達すると、高温側経路３５ｂおよび水／水熱交換器３７へエンジン冷却水を流すようになっている。

水／水熱交換器３７は、エンジン冷却水から奪った熱を外部に供給するもので、例えば給湯用の２次水側３８を流れる水に熱を供給する。水／水熱交換器３７の上下流位置には、エンジン冷却水の温度を検出するための温度センサ４３、４４がそれぞれ設けられている。

水／水熱交換器３７を通過したエンジン冷却水は、ラジエータ１８と電動三方弁３４とに流れるようになっている。すなわち、電動三方弁３４は、前記制御装置１６により制御されるモータバルブからなり、第１冷却水入口３４ａと第２冷却水入口３４ｂと冷却水出口３４ｃとの三つのポートを有している。

そして、第１冷却水入口３４ａは、水／水熱交換器３７から延設された排熱回収器下流経路３９の下流端が接続されている。また、第２冷却水入口３４ｂは、ラジエータ１８から延設されたラジエータ下流経路４０の下流端が接続されている。従って、排熱回収器下流経路３９とラジエータ下流経路４０の合流部に、三方弁３４が配置されている。なお、排熱回収器下流経路３９は、経路４２を介してラジエータ１８と接続されている。

また、冷却水出口３４ｃは、冷却水供給管４１を介して前記低温側経路３５ａに接続されている。

電動三方弁３４は、第１冷却水入口３４ａと第２冷却水入口３４ｂとの開度比率を変更（開度調整）可能であり、水／水熱交換器３７での熱交量に応じて開度比率が定まる。具体的には、水／水熱交換器３７での熱交換量が多い場合、すなわち、エンジン冷却水の放熱量が多い場合は、第１冷却水入口３４ａへの開度が大きくなり、水／水熱交換器３７での熱交換量が少ない場合、すなわち、エンジン冷却水の放熱量が少ない場合は、第２冷却水入口３４ｂへの開度が大きくなる。

前記冷却水タンク２０は、合成樹脂製の一方のタンク（リザーブタンク）２０ａと、金属製の他方のタンク（気水分離タンク）２０ｂとの２つから構成されている。一方のタンク２０ａには、常時大気に連通可能な通気管４８が接続されている。通気管４８を設けた一方のタンク冷却水底面は、他方のタンク底面と同一高さまたは高所に配置され、しかも、一方のタンク２０ａと他方のタンク２０ｂとのそれぞれの空気溜り部は、連通管４６で連通されている。しかも、両方のタンク２０ａ、２０ｂの水封部（エンジン冷却水の貯留される部分）は、それぞれのタンク下部まで延設された連通管４７を介して連通されている。

他方のタンク２０ｂの下部は、連通管４５を介してラジエータ１８の上部１８ａと接続されている。また、他方のタンク２０ｂの下部と、排気ガス熱交換器３３内で且つエンジン冷却水が流れる配管（図示省略）との間には、連通管４９が接続されている。ラジエータ１８や排気ガス熱交換器３３は、エンジン１０よりも高所に配置され、冷却水回路内においてエア溜りが発生し易いからである。このように、エア溜りが懸念される場所に気水分離タンクへのエア抜き回路を設置することにより、気水分離を行い冷却水ポンプ３２の吸入に際して、エンジン冷却水のみ戻すようになっている。

なお、連通管４５と４９へ過剰にエンジン冷却水が流る事を防止すると共に、冷却水ポンプ３２の吸入側の圧力をヘッド圧以下の任意の圧力に調整する為に絞り６０および６１が配置されている。

ただし、冷却水ポンプ吸入部３２ｂの圧力を極端に下げる必要がある場合には、絞り６１、６０の径を大きくする、又は、連通管４５、４９からは絞りを取り外し、連通経路５０に絞り５１を配置する事により回路内の圧力をより低圧に調整する事が可能である。

本実施の形態のコージェネレーション装置１は以上の構成からなり、次に、冷却水回路における循環動作について説明する。

冷却水ポンプ３２を作動させると、冷却水ポンプ３２から吐出されるエンジン冷却水が、エンジン１０に供給され、エンジン１０内を通過する間にシリンダ等各所を冷却することにより温度が上昇し、さらに、排気ガス熱交換器３６を通過してサーモスタット３５に至る。サーモスタット３５では、冷却水温度が所定の温度未満の時には、エンジン冷却水を冷却水ポンプ３２に戻す。

そして、エンジン冷却水が所定温度以上に達すると、サーモスタット３５は、エンジン冷却水を水／水熱交換器３７に流す。ここで、給湯の要求があれば、水／水熱交換器３７において、エンジン冷却水の熱は、給湯用の２次水側３８を流れる水を加熱して外部に取り出されることとなる。そして、水／水熱交換器３７での熱交換量に応じてエンジン冷却水のラジエータ１８への流量が調整される。熱交換量が多い場合は、電動三方弁３４の第１冷却水入口３４ａの開度が第２冷却水入口３４ｂの開度よりも大きくなり、排熱回収器下流経路３９を流れてラジエータ１８をバイパスする流量が多くなる。

熱交換量が少ない場合は、電動三方弁３４の第２冷却水入口３４ｂの開度が第２冷却水入口３４ａの開度よりも大きくなり、ラジエータ１８への流量が多くなる。

また、冷却水ポンプ吸引部３２ｂから連通経路５０、冷却水タンク２０を経て通気管４８へ至る経路が大気開放ラインとなるが、冷却水ポンプ吸引部３２ｂより回路内圧力が高いラジエータ１８からの連通管４５と排気ガス熱交換器３３からの連通管４９も絞り６１、６０を経て冷却水タンク２０へ合流している事から、冷却水ポンプ吸引部３２ｂの圧力をヘッド圧以下にする事ができる。

また、エンジン１０の下流に排気ガス熱交換器３３を設置することにより、エンジン１０の分の圧損低下により、排気ガス熱交換器３３に作用する圧力を低下させることが可能となる。

電動三方弁３４を冷却水回路内において、一番温度が低い場所であるポンプの吸引場所に設置することにより、電動三方弁３４の部品としての信頼性が向上する。しかも、信頼性の向上に伴い、電動三方弁３４を長期にわたって使用できコストの削減を図ることもできる。

エンジン冷却水の温度が上がり、サーモスタット３５が高温側に開く状態になっていると、常に全量が水／水熱交換器３７を通るため、水／水熱交換器３７での熱交換量を水／水熱交換器３７の入口側の温度センサ４３と出口側の温度センサ４４で水温変化を検知すれば演算することが可能となる。そのため、ラジエータ１８と水／水熱交換器３７を並列に配置した場合と比較すると、熱交換量の算定に当って水／水熱交換器３７への経路に流量計が不要となるため、コストの削減が可能となる。或いは、電動三方弁３４の水／水熱交換器３７との開口比率を使用して水／水熱交換器３７への流量を演算する場合と比べて演算負荷を軽減できる。

さらに、排気ガス熱交換器３３およびラジエータ１８のようにエア溜りが懸念される場所に気水分離タンクへのエア抜き回路を設置している。このため、排気ガス熱交換器３３およびラジエータ１８のエンジン冷却水に混在する気泡は、図４に示すように、連通管４９および連通管４５を介して、他方のタンク２０ｂに流入する。そして、エアのみが連通管４６を介して一方のタンク２０ａに入り、エアは通気管４８を通って大気に放出される。このように、気水分離を行い、エンジン冷却水のみ回路内に戻す構成であるため、ラジエータ１８のサイズを小さくできるとともに、冷却水ポンプ３２のエアがみも防止できる。なお、一方のタンク２０ａ内のエンジン冷却水は、連通管４７を介して他方のタンク２０ｂ内に適宜移動する。

高温水泡の気水分離を一方のタンク（リザーブタンク）２０ａとは別の他方のタンク（気水分離タンク）２０ｂで行うことで、リザーブタンクの水温の上昇を防止できる。しかも、リザーブタンクは、水温の上昇を防止できることから、合成樹脂で容易且つ安価に製造することができる。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、図１に仮想線で示すように、通気管４８を設けた一方のタンク冷却水底面は、他方のタンク底面よりも高所に配置することも可能である。かかる場合には、一方のタンク２０ａ内のエンジン冷却水は、連通管４７を介して他方のタンク２０ｂ内に容易に移動させることができる。

また、本発明は、エンジン駆動式ヒートポンプに採用することも可能である。

本発明の一実施の形態に係るコージェネレーション装置のエンジン冷却水回路を示す回路図である。 同コージェネレーション装置の全体を示す正面斜視図である。 同コージェネレーション装置の全体を示す背面斜視図である。 冷却水タンクの概略図である。

符号の説明

１ コージェネレーション装置
２ パッケージ
１０ エンジン
１８ ラジエータ
２０ 冷却水タンク
２０ａ 一方のタンク
２０ｂ 他方のタンク
３０ エンジン冷却水回路
３２ 冷却水ポンプ
３２ａ 冷却水ポンプ吐出部
３２ｂ 冷却水ポンプ吸引部
３３ 排気ガス熱交換器
３４ 電動三方弁
３５ サーモスタット
３７ 水／水熱交換器（排熱回収器）
３９ 排熱回収器下流経路経
４０ ラジエータ下流経路
４１ 冷却水供給管
４２ 経路
４３ 温度センサ
４４ 温度センサ
４５ 連通管
４６ 連通管
４７ 連通管
４８ 通気管
４９ 連通管
５０ 連通経路
５１ 絞り
６０ 絞り
６１ 絞り

Claims (5)

1. エンジン冷却水を介してエンジン排熱を供給する排熱回収器と、エンジン冷却水を介してエンジン排熱を放熱するラジエータと、排気ガスからエンジン冷却水へエンジン排熱を供給する排気ガス熱交換器と、エンジン冷却水を循環させる冷却水ポンプと、大気に連通する冷却水タンクとを有する定置式エンジンの冷却水回路において、
   前記排気ガス熱交換器を前記冷却水ポンプ吐出側でかつ前記エンジン下流側に配置し、
   前記排気ガス熱交換器下流で、前記排熱回収器およびラジエータを経由ずる経路と並列に、前記冷却水タンクを経由する経路を設け、
   前記排気ガス熱交換器と前記冷却水タンクの水封部との間の経路、または、前記冷却水タンクの水封部と前記冷却水ポンプ吸引部との間の経路の少なくとも何れか１つに絞りを配置したことを特徴とする定置式エンジンの冷却水回路。
2. 請求項１記載の定置式エンジンの冷却水回路において、ラジエータ下流経路と排熱回収器下流経路の合流部に、開度調整可能な電動三方弁を配置したことを特徴とする定置式エンジンの冷却水回路。
3. 請求項１記載の定置式エンジンの冷却水回路において、前記冷却水ポンプ吐出側にサーモスタットを配置し、該サーモスタットの高温側経路に前記排熱回収器を配置し、前記排熱回収器下流にラジエータを配置したことを特徴とする定置式エンジンの冷却水回路。
4. 請求項１記載の定置式エンジンの冷却水回路において、前記冷却水タンクの上部に通気管を設ける構成とし、前記排気ガス熱交換器または前記ラジエータのうちで少なくともいずれか一つの機器及び前記冷却水ポンプ吸引部を、前記冷却水タンクの水封部と連通したことを特徴とする排熱回収器を有する定置式エンジンの冷却水回路。
5. 請求項４記載の定置式エンジンの冷却水回路において、前記冷却水タンクを２つ設ける構成とし、一方のタンクに通気管を設け、且つ一方のタンクと他方のタンクの空気溜り部を連通し、前記排気ガス熱交換器または前記ラジエータのうちで少なくともいずれか一つの機器及び前記冷却水ポンプ吸引部を、他方のタンクの水封部と連通し、一方のタンクと他方のタンクの水封部を連通し、通気管を設けた一方のタンク底面を他方のタンク底面と同一高さまたは高所に配置したことを特徴とする排熱回収器を有する定置式エンジンの冷却水回路。

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