JP5358329B2 - コージェネレーション装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンで発電機を駆動して電気エネルギーを発生させると共に、排気ガスから熱エネルギーを得て給湯器及び/又は暖房器に与えるコージェネレーション装置に関する。
エンジンで発電機を駆動して電気エネルギーを発生させると共に、エンジンから排出される高温の排気ガスから熱エネルギーを得て給湯器や暖房器に与えるコージェネレーション装置が知られている(例えば、特許文献1(図1)参照。)。
この特許文献1の技術を図面に基づいて以下に説明する。
図10に示すように、コージェネレーション装置100は、エンジン101で発電機102を駆動して電気エネルギーを発生させると共に、排気熱交換器103でエンジン101から排出される高温の排気ガスから熱エネルギーを得る。
また、熱エネルギーを回収、利用するためにコージェネレーション装置100は、エンジン101の冷却水を循環させる1次系統104と、貯湯槽105等で構成される2次系統106と、1次系統104と2次系統106との間で熱交換する温水熱交換器107とを備えている。
冷却水は、エンジン101を冷却することで熱エネルギーを得て、更に排気熱交換器103でエンジン101の排気ガスからも熱エネルギーを得て高温となる。高温の冷却水は、温水熱交換器107に流れて熱エネルギーを低温の熱媒体へ移す。温水熱交換器107で熱媒体に移された熱エネルギーは、貯湯槽105を介して温水消費機器108及び/又は熱消費機器109に移される。
このようにして、コージェネレーション装置100は、排気熱交換器103と温水熱交換器107とを備えて、熱の移動を行う。
ところで、排気熱交換器103や温水熱交換器107は、比較的大きな機器である。そのため、コージェネレーション装置100は、大型になる。
しかし、近年の小型化の要求からコージェネレーション装置100のコンパクト化が求められている。
特開平8−4586号公報
本発明は、コンパクト化を図ることができるコージェネレーション装置を提供することを課題とする。
請求項1に係る発明は、水冷エンジンで発電機を駆動して電気エネルギーを発生させると共に、熱交換器を用いて前記エンジンから排出される高温の排気ガスから熱エネルギーを得て給湯器及び/又は暖房器に与えるコージェネレーション装置において、前記熱交換器は、前記排気ガスを通す排気ガス通路と、前記給湯器及び/又は暖房器へ熱エネルギーを与える熱媒体を通す熱媒体通路と、前記排気ガスから熱を奪い前記熱媒体へ熱を与える水通路とを有し、この水通路に、前記水冷エンジンの冷却水が供給され、前記排気ガス通路が、前記水通路で囲われ、この水通路が前記熱媒体通路で囲われており、前記熱交換器は、天板の中央に設けられ前記排気ガスを取り入れる排気ガス入口と、この排気ガス入口から下方へ円錐状に形成され三元触媒を保持する保持部材と、前記天板の下側に設けられ前記保持部材を補強する補強板と、この補強板の外側に設けられ円筒の壁面にらせん状の窪みを呈するらせん円筒部材と、このらせん円筒部材の外側にらせん状の窪みに接して設けられ前記熱交換器内部を仕切る仕切り部材と、この仕切り部材の外側に設けられ前記冷却水を導く冷却水誘導板と、この冷却水誘導板を貫通する形態で設けられ前記排気ガスを誘導する複数の排気ガス誘導管と、前記天板の下側に設けられ前記冷却水誘導板の外側に接する円筒部材と、この円筒部材の下部に設けられ前記冷却水が流れる部分を塞ぐ冷却水仕切り板と、前記円筒部材の下端に設けられ前記円筒部材の底を塞ぐ底板と、前記円筒部材に設けられ最も外側の壁を形成する外板と、この外板と前記円筒部材の間に設けられ前記熱媒体を導く熱媒体誘導板と、前記底板に設けられている排気ガス出口と、前記円筒部材に設けられている冷却水入口及び冷却水出口と、前記外板に設けられている熱媒体入口及び熱媒体出口とからなることを特徴とする。
請求項1に係る発明では、熱交換器は、排気ガスを通す排気ガス通路と、給湯器及び/又は暖房器へ熱エネルギーを与える熱媒体を通す熱媒体通路と、排気ガスから熱を奪い熱媒体へ熱を与える水通路とを有する。従来技術においては、排気ガスを通す排気熱交換器と、給湯器等へ熱エネルギーを与える熱媒体を通す温水熱交換器との2つの熱交換器を必要とするが、本発明においては、排気ガスからの熱回収と給湯器等への熱エネルギー供給とを1つの熱交換器で実施する。従来技術に比較し、熱交換器や配管が少なくなるので、部品点数を少なくすることができ、コージェネレーション装置のコンパクト化を図ることができる。
加えて、請求項に係る発明では、排気ガス通路が、水通路で囲われ、この水通路が熱媒体通路で囲われている。排気ガス通路、水通路及び熱媒体通路が重なる形態で1つにまとまっているので、熱交換器の小型化が達成できる。
本発明に係るコージェネレーション装置の系統図である。 本発明に係るコージェネレーション装置の正面図である。 熱交換器の断面図である。 図3の4−4線断面図である。 排気ガスの流れを説明する図である。 冷却水の流れを説明する図である。 熱媒体の流れを説明する図である。 新旧のコージェネレーション装置の大きさを比較説明する図である。 新旧のコージェネレーション装置の系統を比較説明する図である。 従来の技術に係るコージェネレーション装置の系統図である。
本発明の実施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。
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1に示されるように、コージェネレーション装置10は、筐体11に収められ、エンジン12を主要素とする1次系統13と、この1次系統13が保有する熱エネルギーを熱交換器14を介して受け取る2次系統15とからなる。
2次系統15は、熱媒体を循環させる熱媒体配管16と、熱媒体を循環させる媒体ポンプ17と、給湯器18と、暖房器21とからなる。熱交換器14で高温になった「高温熱媒体」は、給湯器18で水を湯に変える作用を発揮し、次に、暖房器21で低温空気を高温の空気に変える作用を発揮して「低温熱媒体」に変わる。
1次系統13は、水冷エンジン12に接続され水を循環させる水循環配管22と、水を循環させる水ポンプ23と、水冷エンジン12に接続されオイルを循環させるオイル循環配管24と、このオイル循環配管24のオイルの保有熱を水へ移すことでオイルを冷却するオイルクーラー25と、水冷エンジン12の出力軸26に繋がれ電気エネルギーを発生する発電機27と、水冷エンジン12から高温の排ガスを排出する排気管28と、排気管28及び水循環配管22から熱エネルギーを熱媒体配管16へ移す熱交換器14とからなる。
水冷エンジン12の出力を発電機27で電気エネルギーに変換すると共に、水冷エンジン12の保有熱Eを、水循環配管22及びオイル循環配管24で取り出す。すなわち、「水」は、水冷エンジン12で暖められて「湯」に変わり、オイルクーラー25で更に暖められて「高温湯」に変わる。この「高温湯」は、水循環配管22により、熱交換器14へ供給される。
熱交換器14では、排気管28で供給される「排気ガス」が、「高温湯」より高温であるため、「排気ガス」から「高温湯」へ熱移動が行われる。このときの移動熱量をxと呼ぶ。
また、熱交換器14では、「高温湯」より、「熱媒体」が低温であるため、「高温湯」から「熱媒体」へ熱移動が行われる。このときの移動熱量をyと呼ぶ。
すなわち、「高温湯」は「排気ガス」により温度が上昇するが、同時に「熱媒体」で冷却される。本発明の熱交換器14は、熱媒体に水より低温で蒸発する低沸点形媒体を採用するなどして、移動熱量xより、移動熱量yが大ききなるように構成されている。結果、「高温湯」は温度上昇より、温度低下が格段に勝り、「水」に変わる。
このような重要な作用を発揮する熱交換器14の構造は、図3で説明する。その前に、図2で1次系統13の構成の具体例を説明する。
図2に示されるように、コージェネレーション装置10は、エンジン12を収納する筐体11と、この筐体11の底部に設けられ衝撃を吸収する緩衝部材29と、この緩衝部材29にブラケット31を介して設けられオイルを貯留するオイルパン32と、このオイルパン32の上部に設けられオイルを冷却するオイルクーラー25と、このオイルクーラー25の上部に設けられ駆動力及び熱を発生するエンジン本体33と、このエンジン本体33に設けられ駆動力を伝える出力軸としてのクランク軸26と、このクランク軸26に接続され電気エネルギーを発生させる発電機27とを備えている。
また、コージェネレーション装置10は、筐体11の側部に設けられ燃料ガスを導入する燃料ガス導入口34と、この燃料ガス導入口34に接続され燃料ガスを導く燃料管35と、筐体11上部の吸気系の入口に設けられ吸気から異物を除去するエアクリーナ36と、このエアクリーナ36に接続され吸気と燃料ガスとの混合気をエンジン本体33に導く吸気管37とを備えている。
また、コージェネレーション装置10は、エンジン本体33に設けられ排気ガスを導く排気管28と、この排気管28に接続され排気ガスから熱エネルギーを得る熱交換器14と、この熱交換器14に接続され排気ガスを導く排気導管38と、この排気導管38に接続され排気音を低減させるサイレンサ41と、このサイレンサ41に接続され排気ガスを導く排気導管42と、この排気導管42に接続され排気ガスを外部に排気する排気口43とを備えている。
クランク軸26の端部には、ファン44が連結されている。ファン44で発電機27が収納されている室内45の空気を吸引し、ダクト46から外部へ排出する。
また、冷却水が通る1次系統13は、エンジン12のウォータージャケット及びオイルクーラー25を通過した冷却水を熱交換器14に導く第1水循環配管47と、熱交換器14から出た冷却水を水ポンプ23に導く第2水循環配管48と、水ポンプ23から出された冷却水をエンジン12に導く第3水循環配管51とを備えている。
なお、水循環配管(図1、符号22)は、第1〜第3水循環配管47、48、51等で構成される。
熱媒体が通る2次系統15は、筐体11の側部に設けられ熱媒体を導入する熱媒体導入口52と、この熱媒体導入口52に接続され熱媒体を熱交換器14に導く第1熱媒体配管53と、熱交換器14から排出された熱媒体を導く第2熱媒体配管54と、筐体11の側部に設けられ熱媒体を外部に出す熱媒体排出口55とを備えている。
なお、熱媒体配管(図1、符号16)は、第1、第2熱媒体配管53、54等で構成される。
次に、熱交換器14について説明する。
図3に示されるように、熱交換器14は、排気管28が接続される天板56と、この天板56の中央に設けられ排気ガスを取り入れる排気ガス入口57と、この排気ガス入口57から下方へ円錐状に形成され三元触媒58を保持する保持部材61と、天板56の下側に設けられ保持部材61を補強する補強板62と、この補強板62の外側に設けられ円筒の壁面にらせん状の窪み63を呈するらせん円筒部材64と、このらせん円筒部材64の外側にらせん状の窪み63に接して設けられ熱交換器14内部を仕切る仕切り部材65と、仕切り部材65の外側に設けられ冷却水を導く冷却水誘導板66と、この冷却水誘導板66を貫通する形態で設けられ排気ガスを誘導する複数の排気ガス誘導管67と、天板56の下側に設けられ冷却水誘導板66の外側に接する円筒部材68と、この円筒部材68の下部に設けられ冷却水が流れる部分を塞ぐ冷却水仕切り板71と、円筒部材68の下端に設けられ円筒部材68の底を塞ぐ底板72と、円筒部材68に設けられ最も外側の壁を形成する外板73と、この外板73と円筒部材68の間に設けられ熱媒体を導く熱媒体誘導板74と、底板72に設けられている排気ガス出口75と、円筒部材68に設けられている冷却水入口76及び冷却水出口77と、外板73に設けられている熱媒体入口78及び熱媒体出口81とからなる。
熱交換器14は、排気ガスを通す排気ガス通路82と、給湯器等に熱エネルギーを与える熱媒体を通す熱媒体通路83と、排気ガスから熱を奪い熱媒体へ熱を与える水通路84とを備える。
次に、熱交換器14の排気ガス、冷却水及び熱媒体の通路を説明する。
図4に示されるように、熱交換器14は、排気ガスを通す排気ガス通路82と、熱媒体を通す熱媒体通路83と、排気ガスから熱を奪い熱媒体へ熱を与える水通路84とを備え、排気ガス通路82が、水通路84で囲われ、この水通路84が熱媒体通路83で囲われている形態となる。
冷却水は、第1水循環配管47から送り込まれ、水通路84を通って第2水循環配管48へ流れ出る。熱媒体は、第1熱媒体配管53から送り込まれ、熱媒体通路83を通って第2熱媒体配管54へ流れ出る。
なお、実施例では、排気ガス誘導管67を8本にしたが、6本、10本でもよく、排気ガスの熱エネルギーを冷却水に移すことができれば、他の本数であってもよい。
以上の述べた熱交換器14の作用を図5〜図7に述べる。先ず、図5では排気ガス通路82における排気ガスの流れを示す。
図5に示されるように、高温の排気ガスは、矢印(1)のように排気管28から送り込まれ、矢印(2)のように三元触媒58に流れ込む。三元触媒58から出た排気ガスは、矢印(3)のようにらせん円筒部材64と仕切り部材65の間に入り、矢印(4)のように旋回しながら流れる。そして、排気ガスは、矢印(5)のように排気ガス誘導管67に入り、矢印(6)のように排気導管38へ流れ出る。
次に、水通路84における冷却水の流れを示す。
図6(a)に示されるように、高温湯の冷却水は、第1水循環配管47から入り、矢印(7)、(8)のように旋回しながら流れ、熱を奪われて低温の水になり、第2水循環配管48へ流れ出る。
次に、熱の移動について説明する。
図6(b)に示されるように、矢印(7)の冷却水の流れは、排気ガス側である仕切り部材65及び排気ガス誘導管67から熱Σ(x)を受け取り、熱媒体側である円筒部材68に熱Σ(y)を移す。また、矢印(8)の冷却水の流れも同様である。このように、排気ガス誘導管67があることで、冷却水の流れが仕切り部材65側と円筒部材68側の両方に行き来して、効率良く熱交換が行われる。
熱Σ(x)<熱Σ(y)である。結果、冷却水は熱を奪われ、低温になる。
次に熱媒体通路83における熱媒体の流れを示す。
図7に示されるように、低温熱媒体は、第1熱媒体配管53から送り込まれ、矢印(9)のように旋回しながら流れ、熱を受け取って高温熱媒体になり、第2熱媒体配管54へ流れ出る。
次にコンパクト化について説明する。
図8において、(a)に示す比較例では、コージェネレーション装置110は、排気ガスから熱回収する第1熱交換器111と、回収した熱を外部の熱媒体に移す第2熱交換器112とが備えられている。結果、第2熱交換器112を配置するためのスペースが必要となり、コージェネレーション装置110が大きくなる。
図8(b)に示す実施例では、コージェネレーション装置10は、排気ガスから熱回収する機能と回収した熱を外部の熱媒体に移す機能を有する熱交換器10を備えている。実施例に示すコージェネレーション装置10は、比較例に示すコージェネレーション装置110よりも、幅Lだけ小型になる。このように、本発明に係るコージェネレーション装置10は、コンパクト化を図ることができる。
次に主要部品を系統図で比較して説明する。
図9(a)に示す比較例では、コージェネレーション装置110は、エンジン113、エンジン113の排気ガスから熱回収する第1熱交換器111、オイルクーラー114、回収した熱を外部の熱媒体に移す第2熱交換器112及びそれらを繋ぐ配管が備えられている。熱交換器の数は2である。
図9(b)に示す実施例では、コージェネレーション装置10は、エンジン12、オイルクーラー25、排気ガスから熱回収する機能と回収した熱を外部の熱媒体に移す機能を有する熱交換器10及びそれらを繋ぐ配管が備えられている。熱交換器の数は1である。
実施例のコージェネレーション装置10は、比較例のコージェネレーション装置110よりも、熱交換器と配管の数が少ない。部品点数が少ないので、装置を簡易にしてコストダウンを図ることができる。
尚、本発明に係るコージェネレーション装置10は、実施例ではオイルクーラー25からも熱回収したが、オイルクーラー25から必ずしも熱回収する必要はなく、排気ガスから熱回収する機能と回収した熱を外部の熱媒体に移す機能を有する熱交換器14を備えていれば、他の構成であっても差し支えない。
本発明に係る汎用エンジンは、排気ガスから熱エネルギーを得て給湯器及び/又は暖房器に与えるコージェネレーション装置に好適である。
10…コージェネレーション装置、12…エンジン、14…熱交換器、17…媒体ポンプ、18…給湯器(貯水タンク)、21…暖房器、23…水ポンプ、25…オイルクーラー、27…発電機、28…排気管、82…排気ガス通路、83…熱媒体通路、84…水通路。

Claims (1)

  1. 水冷エンジンで発電機を駆動して電気エネルギーを発生させると共に、熱交換器を用いて前記エンジンから排出される高温の排気ガスから熱エネルギーを得て給湯器及び/又は暖房器に与えるコージェネレーション装置において、
    前記熱交換器は、前記排気ガスを通す排気ガス通路と、前記給湯器及び/又は暖房器へ熱エネルギーを与える熱媒体を通す熱媒体通路と、前記排気ガスから熱を奪い前記熱媒体へ熱を与える水通路とを有し、この水通路に、前記水冷エンジンの冷却水が供給され、前記排気ガス通路が、前記水通路で囲われ、この水通路が前記熱媒体通路で囲われており、
    前記熱交換器は、天板の中央に設けられ前記排気ガスを取り入れる排気ガス入口と、この排気ガス入口から下方へ円錐状に形成され三元触媒を保持する保持部材と、前記天板の下側に設けられ前記保持部材を補強する補強板と、この補強板の外側に設けられ円筒の壁面にらせん状の窪みを呈するらせん円筒部材と、このらせん円筒部材の外側にらせん状の窪みに接して設けられ前記熱交換器内部を仕切る仕切り部材と、この仕切り部材の外側に設けられ前記冷却水を導く冷却水誘導板と、この冷却水誘導板を貫通する形態で設けられ前記排気ガスを誘導する複数の排気ガス誘導管と、前記天板の下側に設けられ前記冷却水誘導板の外側に接する円筒部材と、この円筒部材の下部に設けられ前記冷却水が流れる部分を塞ぐ冷却水仕切り板と、前記円筒部材の下端に設けられ前記円筒部材の底を塞ぐ底板と、前記円筒部材に設けられ最も外側の壁を形成する外板と、この外板と前記円筒部材の間に設けられ前記熱媒体を導く熱媒体誘導板と、前記底板に設けられている排気ガス出口と、前記円筒部材に設けられている冷却水入口及び冷却水出口と、前記外板に設けられている熱媒体入口及び熱媒体出口とからなることを特徴とするコージェネレーション装置。
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