JP5704398B2 - 熱回収装置、コージェネレーションシステム、並びに、配管の誤接続検知方法 - Google Patents
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Description
なお、SOFCで構成された燃料電池は、主に空気中の酸素と都市ガス等の燃料から得た水素とを反応させて発電させるものである。
なお、貯留タンクの内部においては、上部から導入された湯水が一定の温度差ごとに層状となった温度成層を形成する。
ここで、SOFCは、前記した他の電池の種類よりも、作動に適した温度(作動温度)が摂氏700度〜摂氏1,000度と高温であるため、作動温度を確保するために比較的長い準備期間を要することが知られている。また、一般的にこのような燃料電池には、この作動温度が外乱などによって乱れないように、保温部材等によって覆われた構成とされている。即ち、このような性質及び構成によって、燃料電池の動作が一旦開始されると、停止した後であっても、比較的温度が降下しにくい(目安として半日程度の期間を要する)。
なお、ここで言う「補助熱源部で直接的又は間接的に加熱して」とは、例えば給湯器等を補助熱源として採用した場合、貯留タンク内に貯留される液体を給湯器等に直接流して加熱するか、給湯器等を備えた別の回路の液体を加熱して、その液体と貯留タンク内に貯留される液体とを熱交換器等を介して加熱することである。
そのため、往復配管が正規に接続された状態で、貯留タンク内に補助熱源部で加熱された液体を導入した場合、その加熱された液体は貯留タンクの上部に滞留する。そして、この加熱された液体が貯留タンクの容積の一部を占める状態であれば、貯留タンク内の液体を熱回収用回路に循環させたとしても、その加熱された液体は直ぐさま熱回収用回路を流れない。即ち、そのような状態で貯留タンク内の液体を熱回収用回路に循環させたとしても、熱回収用回路に流れる液体は、貯留タンクの下部側に滞留する低温(加熱後の温度よりも低い温度)の液体だからである。
ところが、熱源手段と熱回収装置を接続する往復配管を誤接続した場合、つまり、熱回収用回路の往き側流路が貯留タンクの上部側に配され、熱回収用回路の戻り側流路が貯留タンクの下部側に配された場合においては、熱回収用回路を循環する液体は、貯留タンクの上部側から排出されて、貯留タンクの下部側から導入される。即ち、貯留タンクの上部側に加熱された液体が滞留する状態で、熱回収用回路内に液体を循環させた場合、貯留タンクの上部の液体が排出されるため、熱回収用回路においては直ぐさま加熱された液体が循環することとなる。
そしてその後、貯留タンク内の液体を熱回収用回路内に循環させて、このときの熱回収用回路内を流れる液体の温度を検知する。即ち、その検知温度が常温より一定値以上高い温度を示したり、あるいは、例えば前記検知温度と、液体供給経路内の液体の温度や貯留タンクの主に上部側を除いた領域の液体の温度とを比較して一定値以上の高い温度を示せば、熱回収用回路に循環する液体は、貯留タンクの上部側から排出されていると判断することができる。これにより、往復配管の接続状態は、誤接続であると判断できる。
従って、本発明では、一旦補助熱源部で加熱した液体を貯留タンクの上部側に導入し、その加熱された液体が貯留タンクの上部に滞留した状態で、貯留タンク内の液体を熱回収用回路内に循環させることで、その熱回収用回路内に加熱された液体が流れたか否かを検知することができ、その結果に基づいて、配管接続が誤って施工されているか否かを判断することができる。これにより、誤接続が検知されたとしても、直ぐさま施工のやり直しができるため、施工期間が延長されることが阻止される。結果的に、使用者に迷惑が掛かることがなく、施工業者の負担も軽減される。
即ち、本発明の配管の誤接続検知方法は、配管の誤接続を検知する際において、発電機を用いて液体を加熱することがない。具体的には、貯留タンク内を液体で満たす貯留動作の後、補助熱源部を用いて貯留タンク内の液体を加熱する補助熱源加熱動作が実行される。そして、その後、発電機を停止した状態で、貯留タンク内の液体を往復配管を通過させるように循環させる循環動作を行い、その循環動作で循環する液体の検知温度を検知する。これにより、循環動作で循環する液体が、加熱された液体であるか否かを判断することができるため、配管の誤接続の判断が容易となる。
従って、本発明によれば、燃料電池が採用された発電機が備わっていたとしても、発電機を起動させることなく、配管の誤接続を検知することができるため、施工期間が無駄に延長されることがなく便利である。結果として、使用者に迷惑が掛かることがなく、作業者の負担も軽減される。
なお、図14に示すコージェネレーションシステムが本来の実施形態(給湯系統及び風呂の追い焚き系統に加えて、暖房系統を備えた構成)に最も近いが、理解を容易にするために、給湯系統と風呂の追い焚き系統のみを備えた、図1のコージェネレーションシステム1を例に説明する。
まず、コージェネレーションシステム1における主要な部品に注目して説明する。
燃料電池5は、固体酸化物形のもの(所謂SOFC)が採用されている。
冷却手段6は、湯水(液体)が流れる発電側流路30と、その発電側流路30に配された発電側熱交換器31及び発電側循環ポンプ32を有する。
発電側循環ポンプ32は、往復配管70を構成要素に持つ後述する熱回収用回路10に湯水を循環させるための装置である。
即ち、発電ユニット2は、外部に設けられた電力負荷に対して、電力を供給するための発電デバイスとしての機能と、その電力供給に伴って発生する熱によって、発電側熱交換器31を通過する湯水を加熱する熱源デバイスとしての機能も備えた構成である。
貯留タンク7は、湯水を貯留するための密閉タンクであり、その内部において湯水の温度成層を形成することができる。そして、貯留タンク7は、頂部に設けられた頂部接続部20、21と、底部に設けられた底部接続部22、23に対して、後に詳しく説明する熱回収用回路10、熱供給経路12及び給湯経路13を構成する配管を接続した構成とされている。
従って、貯留タンク7に設置されたタンク温度センサ25a〜25cの検知温度を調べることにより、貯留タンク7内に所望の温度範囲に加熱された湯水がどれだけ貯留されているかを検知することができる。
熱供給熱交換器11は、具体的には風呂の追い焚き用熱交換器(以下、熱供給熱交換器を追い焚き用熱交換器と言う)であり、二次側に追い焚き循環流路71が接続され、風呂の浴槽内の湯水の温度を昇温するものである。
コージェネレーションシステム1には、主に熱回収用回路10、給湯経路13及び熱供給経路12が備えられている。
熱回収用回路10は、図2の黒塗りに示すように、発電ユニット2内の発電側循環ポンプ32及び発電側熱交換器31と、熱回収装置3内の貯留タンク7を含んだ環状に結ばれた流路であって、発電側熱交換器31と貯留タンク7との間で湯水を循環可能な流路である。具体的には、熱回収用回路10は、貯留タンク7から発電側熱交換器31に向かって湯水が流れる熱回収往き流路15と、発電側熱交換器31から貯留タンク7に向かって湯水が流れる熱回収戻り流路16と、貯留タンク7を迂回する熱回収バイパス流路17を有する。
即ち、熱回収往き流路15の上流側が貯留タンク7の底部接続部22に接続され、熱回収戻り流路16の下流側が貯留タンク7の頂部接続部20に接続され、さらに両者の中間部分を短絡するように熱回収バイパス流路17が接続されて熱回収用回路10が形成されている。
三方弁36は、3つのポート36a〜36cを有し、2経路に流路を切り換えることができるものである。即ち、この三方弁36は、ポート36aとポート36cが連通すると他のポート36bが閉塞し、熱回収往き流路15を流通可能状態にすることができる。また、三方弁36は、ポート36bとポート36cが連通すると他のポート36aが閉塞し、熱回収バイパス流路17を流通可能状態にすることができる。
ラジエター37は、ファン19を備えており、空冷効果で通過する湯水の温度を降下させるものが採用されている。
往き側温度センサ26は、発電ユニット2に導入される直前の温度を検知するものである。
給水流路33の中途には、外部から供給された湯水の温度を検知する給水温度センサ(温度検知手段)28と、逆止弁38と、流路切替手段たる三方弁40が設けられている。
三方弁40は、前記した熱回収用回路10における三方弁36の構造とほぼ同様であり、3つのポート40a〜40cを有する。即ち、この三方弁40は、ポート40aとポート40bが連通すると他のポート40cが閉塞し、貯留タンク7側の流通を可能とし、ポート40aとポート40cが連通すると他のポート40bが閉塞し、後述するタンク迂回流路14の流通を可能とする。
また、出湯流路34の中途には、上流側から順番に、高温側温度センサ60と、3つのポートを備えた湯水混合弁61と、流量センサ62と、比例弁63と、出湯温度センサ64が設けられている。なお、湯水混合弁61には、給水流路33から分岐した給水分岐路75が接続されている。
即ち、出湯流路34を通過する湯水は、湯水混合弁61で高温の湯水と低温の湯水が混ざって所望の温度に調整され、比例弁63で所望の流量に制御される。
循環ポンプ52は、熱供給経路12に湯水を循環させる際に起動されるものであり、補助熱源入水温度センサ53及び補助熱源流量センサ55は、補助熱源機8に入水する湯水の温度及び流量を検知するものであり、補助熱源出湯温度センサ57は、補助熱源機8から出湯した湯水の温度を検知するものである。即ち、これらの各センサで検知された情報に基づいて、補助熱源機8の燃焼量が決定される。
三方弁50は、3つのポート50a〜50cを有し、貯留タンク7の湯水を出湯分岐流路42側に流す流路を開放したり、後述するタンク迂回流路14の湯水を出湯分岐流路42内に流す流路を開放したりすることができる。同様に、補助熱源用三方弁56も、3つのポート56a〜56cを有し、出湯分岐流路42内の湯水を補助熱源機8側に流す流路を開放したり、補助熱源機8を迂回する流路を開放することができる。
熱交戻り流路45は、中途に電磁弁46と、流量センサ47と前記した三方弁40が設けられている。
即ち、熱交戻り流路45における電磁弁46及び三方弁40、50、56の開閉状態が制御されると共に、循環ポンプ52の動作が制御されることで、熱供給経路12内における水流が制御される。
タンク迂回流路14は、給水流路33から分岐した流路で、三方弁40のポート40cを通過した湯水が、出湯分岐流路42に設けられた三方弁50に通じる流路である。即ち、タンク迂回流路14を通過した湯水は、貯留タンク7に導入されることなく出湯分岐流路42に流入する。
分岐路39は、補助熱源出湯温度センサ57よりも下流側に接続されており、具体的には出湯分岐流路42と熱交往き側流路44の合流部に接続されている。また、分岐路39の中途には、比例弁35が設けられている。
本実施形態のコージェネレーションシステム1は、蓄熱運転モード、給湯運転モード、並びに、追い焚き運転モードを含む運転モード群から動作モードを選択して運転を行うことができる。
以下に各運転モードについて説明する。
蓄熱運転モードは、発電側循環ポンプ32を作動させることにより、熱回収用回路10内に水流を発生させ、発電ユニット2の動作に伴って発生する排熱を回収して湯水を加熱し、この湯水を貯留タンク7に貯留する運転モードである。即ち、コージェネレーションシステム1が蓄熱運転モードで動作する場合、図示しない制御手段から発信される制御信号に基づいて、三方弁36が熱回収バイパス流路17に対して閉じ、熱回収往き流路15及び熱回収戻り流路16に対して開いた状態に制御される。そのため、熱回収用回路10内においては、図5の黒塗りに示すように、貯留タンク7の底部を始点として、発電ユニット2を介して貯留タンク7の頂部に向かうように湯水の循環流が発生する。一方、発電ユニット2では、燃料電池5が発電することで発熱するため、発電側熱交換器31が昇温する。即ち、発電ユニット2に導入された湯水は、燃料電池5の排熱によって加熱され、その加熱された湯水は熱回収戻り流路16を通過して、貯留タンク7の上部側に戻される。そして、このような動作が連続的に行われることで、貯留タンク7に加熱された湯水が徐々に貯留される。
給湯運転モードは、上記した蓄熱運転モードによって貯留タンク7内に貯留された高温の湯水を利用して給湯を行う運転モードと、補助熱源機8を用いた運転モードがあるが、コージェネレーションシステムではエネルギーの効率化の観点から、前者を通常運転としているため、前者の動作に注目して説明する。
即ち、コージェネレーションシステム1が給湯運転モードで動作する場合、図示しない給湯栓等が操作されると、制御手段が三方弁40のポート40a、40bを開き、外部の給水源から供給された低温の湯水の一部が給水流路33に供給される。
一方、外部の給水源から供給された低温の湯水の残部は、給水分岐路75に流れ込み、湯水混合弁61を介して出湯流路34に導入される。
即ち、給湯運転モードにおいては、図7の黒塗りに示すように、貯留タンク7に貯留された高温の湯水と、給水分岐路75を通過した低温の湯水とが合流するように水流を形成し、所定の温度に調整されて図示しない出湯口(図7には示さないが浴槽への落とし込みも含む)から給湯される。
追い焚き運転モードは、上記した蓄熱運転モードによって貯留タンク7内に貯留された高温の湯水を追い焚き用熱交換器11に供給する運転モードと、補助熱源機8を用いて湯水を加熱しその湯水を追い焚き用熱交換器11に供給する運転モードがあるが、給湯運転モードと同様の理由から、前者の動作に注目して説明する。
即ち、コージェネレーションシステム1が追い焚き運転モードで動作する場合、前記した熱供給経路12に湯水が流れるように、制御手段が熱交戻り流路45の電磁弁46と、三方弁40、50及び補助熱源用三方弁56の開度を調整し、その状態で循環ポンプ52を作動する。これにより、図8の黒塗りに示すように、貯留タンク7と追い焚き用熱交換器11との間に水流が生じる。
以上が通常の運転モードの動作の説明である。
本実施形態のコージェネレーションシステム1は、発電ユニット2と熱回収装置3との間を繋ぐ往復配管70の誤接続を検知する機能を有する。
以下にこの特徴的機能たる配管の誤接続を検知する機能について、図面を用いて詳細に説明する。
試運転モードが開始されると、まず、制御手段によって、貯留動作が開始される(ステップ1)。即ち、給水流路33に設けられた三方弁40のポート40a、40bが開けられ、図10の黒塗りが示すように、貯留タンク7内に外部の供給源から湯水が供給される。このとき、給水温度センサ28によって、貯留タンク7に供給される湯水の温度が検知され、制御手段に記憶される。そして、貯留タンク7内が満タンになれば(ステップ2)、三方弁40が一旦閉止状態にされ、湯水の供給が停止される。
補助熱源加熱動作が開始されると、制御手段によって、給水流路33に設けられた三方弁40と、出湯分岐流路42に設けられた三方弁50及び補助熱源用三方弁56と、分岐路39に設けられた比例弁35の開度が調整されて、補助熱源機8と貯留タンク7との間に一連した循環流路が形成される。具体的には、三方弁40のポート40b、40cが開かれて貯留タンク7とタンク迂回流路14が開通し、三方弁50のポート50b、50cが開かれてタンク迂回流路14と出湯分岐流路42が開通し、補助熱源用三方弁56のポート56b、56cが開かれて補助熱源機8側の流路が開通し、比例弁35が開かれることで分岐路39が開通されて、図11の黒塗りに示すように、一連した環状の補助熱源加熱回路18が形成される。そして、その補助熱源加熱回路18における弁などによる制限が解除された状態で、循環ポンプ52が作動される。
なお、本発明では、最上部のタンク温度センサ25aが所定の温度を検知すればステップ6に移行するように制御しても構わない。
即ち、フローチャートの説明に戻ると、ステップ7において循環動作が開始されると、ステップ8において熱回収用回路10内に流れる湯水の温度と、給水温度とが所定温度以上あるか否かが確認される。そして、両者の温度に所定温度以上の温度差があれば、往復配管70が誤って接続されていると判断し、制御手段等に表示する等して報知する。
一方、ステップ8で両者の温度に所定温度以上の温度差がなければ、ステップ9に移行して、循環動作が開始されてから、一定時間が経過したか否かが確認され、一定時間が経過していれば、配管接続が正常であると判断し、その旨を報知する。
即ち、熱回収用回路10に設けられた放熱手段たるラジエター37の前後に湯水の温度を検知する温度センサ(上記実施形態ではラジエター37よりも発電ユニット2側に1つのみ設置)を設け、ラジエター37により一定値以上の温度変化があったか否かを見ることで配管の誤接続を検知する構成である。具体的には、図15に示すように、上記実施形態に対して、さらに温度センサ29を追加し、その温度センサ29をラジエター37と三方弁36との間に配した構成である。即ち、この構成によれば、試運転における循環動作の際に、往き側温度センサ26と温度センサ29との比較をし、それぞれの検知温度を比較して一定値(例えば摂氏10度)以上の温度差が検知されれば、高温の湯水が貯留タンク7側から排出されているとして配管の誤接続を判断することができる。
なお、このとき、ラジエター37が有するファン19を作動させてもさせなくてもいずれでも構わないが、ファン19を作動させた方がラジエター37を通過した湯水の温度降下が大きくなるため、ファン19を作動させることが好ましい。
また、熱源手段として、公知技術のヒートポンプを備えた構成であってもよい。
2 発電ユニット
3 熱回収装置
5 燃料電池
7 貯留タンク
8 補助熱源機(補助熱源部)
10 熱回収用回路
25 タンク温度センサ(温度検知手段)
26 往き側温度センサ(温度検知手段)
27 戻り側温度センサ(温度検知手段)
28 給水温度センサ(温度検知手段)
37 ラジエター(放熱手段)
70 往復配管
Claims (7)
- 外部に配された熱源手段で加熱された液体を温度成層を形成した状態で貯留する貯留タンクと、補助熱源部を有し、液体を前記熱源手段あるいは必要に応じて前記補助熱源部で直接的又は間接的に加熱して得られた液体の熱エネルギーあるいは液体そのものを外部に供給する熱回収装置であって、
熱源手段と熱回収装置を接続し両者の間で液体を循環させる熱回収用回路の一部を形成する往復配管と、貯留タンクに液体を供給する液体供給経路と、貯留タンクに貯留された液体の熱量あるいは液体そのものを外部に供給する際に液体が流れる排出側液体経路と、貯留タンクと補助熱源部との間を循環する補助熱源側回路を有し、少なくとも前記熱回収用回路には、液体の温度を検知する温度検知手段が設けられ、
補助熱源部で加熱した液体を貯留タンクの全容積を占めない程度に導入した後、熱源手段における加熱動作を行うことなく、貯留タンクの液体を熱回収用回路に流し、少なくとも熱回収用回路における液体の検知温度に基づいて、往復配管が誤接続されているか否かを検知する誤接続検知機能を有することを特徴とする熱回収装置。 - 前記誤接続検知機能は、前記熱回収用回路を流れる液体の温度と、前記液体供給経路を流れる液体の温度又は前記貯留タンクの液体の温度とを比較することを特徴とする請求項1に記載の熱回収装置。
- 前記熱回収用回路には、液体が有する熱量を放熱する放熱手段が設けられており、
前記誤接続検知機能は、前記放熱手段の前後を流れる液体の温度を比較することを特徴とする請求項1に記載の熱回収装置。 - 液体供給経路と補助熱源側回路は一部の流路を共有しており、当該一部の流路は、流路切替手段によって湯水の流れ方向が逆転するものであって、
前記誤接続検知機能は、液体が貯留タンク側に流れるように流路切替手段が切り換えられ、その後、貯留タンク内が液体で満たされると、貯留タンクの液体が補助熱源部側に流れるように流路切替手段が切り換えられ、貯留タンク内に補助熱源部で加熱された液体が一定量貯留されれば、流路切替手段が閉成状態にされる動作を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の熱回収装置。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の熱回収装置と、電力を発生させつつ熱源として機能する発電機を有した発電ユニットとで構成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。
- 前記発電機は、固体酸化物形の燃料電池であることを特徴とする請求項5に記載のコージェネレーションシステム。
- 熱源として機能する熱源手段と、前記熱源手段で加熱された液体を温度成層を形成した状態で貯留する貯留タンクと補助熱源部を有する熱回収装置とを備え、熱源手段と熱回収装置とが往復配管で接続され、液体を前記熱源手段あるいは必要に応じて前記補助熱源部で加熱して得られた液体の熱量あるいは液体そのものを外部に供給するコージェネレーションシステムにおける配管の誤接続検知方法であって、
貯留タンクに外部から液体を供給して貯留タンク内を液体で満たす貯留動作と、
貯留動作によって貯留された液体を補助熱源部で加熱し再び貯留タンク内に戻す補助熱源加熱動作と、
補助熱源加熱動作後、発電機を起動することなく、貯留タンク内の液体を貯留タンクと熱源手段との間で循環させる循環動作が制御され、
少なくとも前記循環動作で循環する液体の検知温度に基づいて、往復配管が誤接続されているか否かを検知することを特徴とする配管の誤接続検知方法。
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