JP6254052B2 - エンジンシステム - Google Patents

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Description

本発明は、例えばエンジン発電機のようにエンジンおよび電装品をパッケージに収めたエンジンシステムに関し、特にその電装品の冷却構造に係る。
従来より、例えばコージェネレーション装置のようなエンジンシステムにおいて、パッケージの内部を上下に区画し、その下部室にはエンジン室を形成する一方、上部室にはラジエータ室を形成したものがある。一例として特許文献1に記載のパッケージでは、下部室がエンジン室および機器収納室に区画されていて、この機器収納室にはコントロールボックスやインバータなどの電装品が収納されている。
そして、前記機器収納室の床面には水平に延びるように換気ダクトが配設され、その一端が外気を取り入れる換気口に連通する一方、該換気ダクトの他端は、エンジン室との隔壁に配設された吸気ファンに連通している。このエンジン室用の吸気ファンが動作すると、換気ダクトを介してエンジン室に外気が取り入れられる。また、換気ダクトの天井壁にはインバータケースが載置されていて、前記のように換気ダクト内を流れる換気風によって、放熱が促されるようになっている。
さらに、前記インバータケースの側面にも外気を取り入れるための吸気ファンが設けられ、この吸気ファンの動作によってインバータケース内にも外気が取り入れられるようになっている。こうして取り入れられた外気はインバータケース内を吹き抜けた後に、排気用の通路を介して前記換気ダクト内の換気風と合流し、パッケージ外に放出される。
特許第5134428号公報
ところが、前記従来例の構成では、吸気ファンによって取り入れられる外気がインバータケースの内部を吹き抜けることになり、このケース内に配設されているインバータの電気部品が外気に曝されるため、防塵性はあまり高いとは言えない。
そこで、本発明の課題は、エンジンシステムにおいてインバータなどの電装品の冷却性を確保しながら、その防塵性を高めることである。
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、エンジンおよび電装品をパッケージに収めたエンジンシステムにおいて、前記パッケージの内部を上下に区画し、その下部室にはエンジンを配設する一方、上部室はさらに隔壁によって第1上部室および第2上部室に区画して、この第1上部室にラジエータおよびラジエータファンを配設している。
そして、前記隔壁には第1上部室と第2上部室とを連通させるように連通口を設ける一方、この連通口と対面する第2上部室の外壁パネルには換気口を設け、この換気口から取り入れた外気を前記連通口まで流通させるようにダクト状のヒートシンクを設けた上で、このヒートシンクの外面に直接、電装品を配設する構成とした。
前記本発明のエンジンシステムでは、エンジンの運転などに伴いパッケージ内の温度が上昇すると、第1上部室に配設されているラジエータファンが回転し、高温の空気をパッケージ外に排出するようになる。また、電装品の動作に伴い温度の上昇する第2上部室には、前記第1上部室まで外気が流通するダクト状のヒートシンクが設けられており、この外気の流通によって電装品の冷却が促進される。
すなわち、前記ヒートシンクは、第2上部室の外壁パネルの換気口から第1上部室との隔壁の連通口まで設けられており、前記のラジエータファンの動作に伴い圧力の低下する第1上部室には、連通するヒートシンク内の流路から空気が吸い込まれる。これにより、外壁パネルの換気口から流れ込んだ外気がヒートシンク内の流路を流通するようになる。
そして、そのヒートシンクの外面に直接、電装品が配設されているので、この電装品の電気部品からの放熱が効果的に促進されるようになり、電装品の冷却性を確保することができる。また、外気はヒートシンク内の流路を流れるので、前述した従来例のように電気部品が外気に曝されることはなく、高い防塵性が得られる。
好ましくは前記ヒートシンクを第2上部室の床面から上方に離間させ、その下方にエンジンの吸気管を開口させる。こうすれば、ヒートシンクによってエンジンへの吸気も冷却されるようになって、吸気効率が高くなる。また、ヒートシンクの内部を流れる外気の一部を吸気管に導くように構成して、エンジンの燃焼用空気として利用することも可能になる。
本発明のエンジンシステムでは、下部室にエンジンを納めたパッケージの上部室を第1上部室および第2上部室に区画し、第1上部室にはラジエータファンを配設する一方、第2上部室にはダクト状のヒートシンクを設けて、隣り合う第1上部室まで外気を流通させるとともに、このヒートシンクの外面に直接、電装品を配設することによって、その冷却性を確保しながら、高い防塵性が得られる。
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を正面側から見た斜視図である。 同コージェネレーション装置を背面側から見た図1相当図である。 パッケージの一部を省略して、同コージェネレーション装置の構成を示す図1相当図である。 機器収納室をパッケージ背面側から見て、インバータおよびその冷却構造を示す斜視図である。 ヒートシンクなどを断面で示す図4相当図である。 主にヒートシンク内の空気(インバータ冷却風)の流れを示す説明図である。
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、本発明に係るエネルギーシステムをコージェネレーション装置1に適用したものである。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、発電機で発生した電力を逆変換装置(インバータ54)を介して系統へ接続し、該負荷の需要電力を賄うとともに、発電に伴い生じる廃熱を回収して利用するシステムである。
図1および図2はそれぞれ、コージェネレーション装置1を正面側および背面側から見た斜視図であって、これらの図に表れている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、上下に長い略直方体に形成された筺体としてのパッケージ2を備えている。この例ではパッケージ2は、正面から背面までの前後方向の奥行きに比べて、左右方向の幅が長くなっており、以下では、図1における左側を単に左側と呼び、同じく右側を単に右側と呼ぶ。
詳しくは、本実施の形態のパッケージ2は、長方形状のベース8(図3を参照)を基台として、鋼材からなるフレーム20(図3を参照)と、これに対して個別に着脱可能に取り付けられる複数のパネル21〜29とを備えている。すなわち、図1に表れているようにパッケージ2の正面は、上下のパネル21,22に2分割され、パッケージ2の右側面も上下のパネル23,24に2分割されている。
同様に、図2に表れているようにパッケージ2の背面も、上下のパネル25,26に2分割され、パッケージ2の左側面も上下のパネル27,28に2分割されている。一方、パッケージ2の上面は単一の上面パネル29からなり、ここには後述するラジエータファン60やエンジン排気口29aなどが設けられている。
前記パッケージ正面の上パネル21の左上寄りの部位には操作盤30が設けられ、この上パネル21の右下部にはラジエータ換気口21aが設けられている。また、パッケージ右側面の上パネル23の下部にもラジエータ換気口23aが設けられている。さらに、パッケージ右側面の下パネル24の下寄りの部位には、エンジン換気用のギャラリ24aが設けられ、この下パネル24の下端前寄りの部位には切り欠き部24bが形成されて、ドレンホース31が挿通されている。
一方、パッケージ背面の上パネル25の右下部には、前記パッケージ正面の上パネル21のラジエータ換気口21aと対面するように、同様のラジエータ換気口25aが設けられている。また、この上パネル25の左下部にはエンジン吸気用のギャラリ25bが設けられている。さらに、パッケージ左側面の上パネル27の下部の後寄りの部位には、インバータ冷却風を取り入れるためのギャラリ27a(換気口)が設けられ、パッケージ左側面の下パネル28の下部には電源コネクタ32およびガス供給栓33が設けられている。
前記のパネル21〜29やフレーム20の構成部材を一部、省略して図3に示すように、パッケージ2の内部は、上下方向の略中央に位置する中段壁34によって上下に区画されていて、その上方に上部室3が、また、下方に下部室4がそれぞれ形成されている。そして、上部室3は隔壁35によって左右に区画されており、その左側には機器収納室5(第2上部室)が、また、右側にはラジエータ室6(第1上部室)が、それぞれ形成されている。
前記下部室4の略中央には、エンジン40と、このエンジン40により駆動される発電機41とが配設されており、また、下部室4の左側にはエンジン40の吸気系のエアクリーナ42や吸気サイレンサ43が配設されている。一方、排気系はエンジン40の背面側に配置されており、図示しない排気マニホルドに接続された排気サイレンサ44が、下部室4の右奥側に配設されている。なお、一例としてエンジン40はガスエンジンとすればよい。
また、前記下部室4の右手前側には、運転中のエンジン40を冷却するとともに、その廃熱を回収するための冷却水回路45が配設されている。この冷却水回路45は、エンジン40のウォータジャケットと後述するラジエータ61とを接続し、冷却水ポンプ46によって冷却水を循環させるとともに、図示しない排気ガス熱交換器によって排気熱を回収するものである。
こうして回収された廃熱は、冷却水回路45に接続されている水/水熱交換器47において例えば給湯装置など、図外のシステムの熱源として利用することができる。すなわち、水/水熱交換器47に接続された給水管47aおよび排水管47bが、図1に示すようにパッケージ右側面の下パネル24を貫通して外方に突出しており、これら給水管47aおよび排水管47bに給湯装置などの配管が接続されるようになっている。
さらに、前記冷却水回路45と排気サイレンサ44との間に挟まれるようにして、下部室4に換気用の外気を吸い込むための吸い込みファン48が配設されており、冷却水ポンプ46と同期して動作するようになっている。この吸い込みファン48は、図示省略の吸い込みダクトを介して、パッケージ右側面の下パネル24のギャラリ24aから外気を吸い込み、下部室4の下方に向かって吹き出すように構成されている。
また、前記冷却水回路45および冷却水ポンプ46の下方、即ち下部室4における右手前側の下部には、ドレン水フィルタ49が配設されている。このドレン水フィルタ49は、後述するミストセパレータ62においてエンジン40の排気から分離された凝縮水を回収し、その酸性成分を方解石によって中和するものである。こうして中和されたドレン水はドレンホース31によってパッケージ外に排出される。
前述の如く単一の下部室4が形成されるパッケージ2の下部に対して、中段壁34よりも上方の上部室3は前記のように機器収納室5およびラジエータ室6に区画されており、そのうちの左側の機器収納室5には、エンジン40や発電機41などの制御を行うための電装品が収納されている。例えば図3に表れている回路基板51〜53にはそれぞれ、エンジン40の運転制御、冷却水回路45の電磁弁等の制御、冷却水ポンプ46やラジエータファン60、吸い込みファン48などの制御回路が形成されている。
また、パッケージ2の背面側から見て図4に示すように、機器収納室5の背面側の下部には、発電機41によって発電した電圧・電流の周波数変換を行うインバータ54も配設されている。この例ではインバータ54は、パワートランジスタ(例えばIGBT)やコンデンサ、リアクトル等の電気部品54aが配設された回路基板54bを直接、ヒートシンク55の上面に取り付けている。
なお、図4は、パッケージ2の背面および左側面の上パネル25,27やフレーム20の一部を省略して、インバータ54およびヒートシンク55を示しているが、このヒートシンク55によるインバータ54の冷却構造について詳しくは後述する。
前記機器収納室5の右側に区画されたラジエータ室6には、図3に示すように最上部、即ちパッケージ2の上面パネル29にラジエータファン60が配設され、その下方に対向するように、平面視では長方形状のラジエータ61が横向きに(この例では略水平に)配設されている。ラジエータファン60は、ラジエータ室6の中央からやや左寄りに配置され、その右側には、エンジン40からの排気中の水分を分離するためのミストセパレータ62と、冷却水のリザーブタンク63とが配設されている。
前記ラジエータファン60は、電動モータを内蔵する本体部60aがサブフレーム64を介してパッケージ2のフレーム20に支持されて、回転軸を上下に向けて配設されている。そして、そのラジエータファン60の下方に対向するラジエータ61は、コア61aの中央部がラジエータファン60の回転軸線に対して右側にずれるように、ラジエータ室6の中央よりも右寄りにずらして配置されている。
そうしてラジエータ室6の右寄りに配置されているラジエータ61の左側には、前記の図4にも表れているように、冷却水回路45の一部である給水パイプ45aおよび排水パイプ45bが配設されていて、それぞれラジエータ61の複数のチューブ61bに接続されている。これら複数のチューブ61bはそれぞれ、ラジエータ61のコア61aにおいて左右に折り返されていて、一端が給水パイプ45aに、また他端が排水パイプ45bに接続されている。
そして、給水パイプ45aを介して流入する高温の冷却水がラジエータ61のコア61aにおいてチューブ61b内を流通する間に、このコア61aを上下方向に通過する空気(ラジエータ換気風)と熱交換して、放熱するようになっている。こうして放熱して温度の低下した冷却水は排水パイプ45bに流出し、冷却水回路45によってエンジン40のウォータジャケットに戻される。
また、そうしてラジエータ換気風を通過させるためにラジエータ61は、パッケージ2の正面、右側面および背面にそれぞれ開口するラジエータ換気口21a,23a,25aの高さ分、中段壁34の上方に離間して配設されている。これによりラジエータ61の下方に形成される外気取り込み空間には、前記三つのラジエータ換気口21a,23a,25aからそれぞれ外気が取り込まれ、その後、コア61aを下方から上方に向かって通過するようになる。
そのようにラジエータ61をラジエータ換気口21a,23a,25aの高さ分、中段壁34から離して支持するために、ラジエータ61の右側枠部は前後2つの隅部においてそれぞれパッケージ2のフレーム20に支持されている。一方、ラジエータ61の左側枠部61cは、中段壁34に設けられた連通口34aを上方から覆う連通口カバー65によって支持されている。
すなわち、中段壁34における左右の略中央部(この例では、中央部やや右寄り)には、上下に貫通して下部室4とラジエータ室6とを連通させるように連通口34aが形成されていて、この連通口34aを上方から覆うように連通口カバー65が配設されている。この連通口カバー65は、ラジエータ室6の左側に向かって開放されており、連通口34aへの雨水の浸入を抑制しながら、この連通口34aを介して下部室4から流入するエンジン換気風を、ラジエータ室6の左側に導くようになっている。
そして、その連通口カバー65にラジエータ61の左側枠部61cが取り付けられて、支持されている。具体的には図4に、ラジエータ61および連通口カバー65の背面側の端部が表れているように、ラジエータ61の左側枠部61cには、その前後両端部にそれぞれ下方に延びる支持片61dが形成され、この支持片61dが連通口カバー65の側壁部の上部に重ね合わされて締結されている。
−インバータの冷却構造−
次に、前記図4の他、図5も参照して本実施の形態におけるインバータ54の冷却構造について説明する。この例ではヒートシンク55は、断面が長方形の筒状(ダクト状)であり、パッケージ2の中段壁34から上方に所定間隔を空けて左右方向に延びるように配設されている。すなわち、ヒートシンク55の左端(図4、5では右端)はダストトラップ56に接続されて、このダストトラップ56によって支持されている。一方、ヒートシンク55の右端(図4、5では左端)は、ブラケット57によって中段壁34に支持されている。
図5に表れているように、ヒートシンク55の内部には、その長手方向に延びる多数のフィン55aが通路断面の幅方向(前後方向)に所定間隔を空けて形成されており、これらのフィン55aの間に幅の狭い流路55bが多数、形成されている。そして、ヒートシンク55の左端(図5の右端)においてその流路55bには、ダストトラップ56を介してパッケージ左側面の上パネル27(第2上部室の外壁パネル)のギャラリ27a(換気口)から、外気が流入するようになっている。
すなわち、図5に表れているようにダストトラップ56の上部には、ギャラリ27aに連通する入り口56aと、ヒートシンク55内の流路55bに連通する出口56bとがそれぞれ設けられ、その入り口56aから出口56bまでの空気の通路が中間壁56cによって上下に折り返されたラビリンス構造になっている。これによりダストトラップ56において、外気から雨水や塵埃が分離される。
一方、ヒートシンク55の右端(図5では左端)は、隔壁35に配設されたインバータ冷却用の吸気ファン58に接続されている。そして、吸気ファン58のシュラウド58a(図5にのみ符号を付す)に囲まれた空気の流路が、隔壁35に形成された連通口35aとヒートシンク55内の流路55bとを連通している。なお、この例では、隔壁35のラジエータ室6側の面に、前記連通口35aを覆いながら下方に向かって開放されたカバー66が設けられている。
言い換えると、機器収納室5の外壁パネルであるパッケージ左側面の上パネル27と、これと対面する隔壁35とにそれぞれ、外気を取り入れるギャラリ27aと、ラジエータ室6への連通口35aとが設けられていて、そのギャラリ27aから取り入れた外気を連通口35aまで流通させるように、ダクト状のヒートシンク55が設けられている。
すなわち、前記連通口35aに臨む吸気ファン58が回転すると、ヒートシンク55内の流路55bからラジエータ室6に空気が吸い込まれるので、そのヒートシンク55内の流路55bにはダストトラップ56を介してギャラリ27aから外気が流れ込み、吸気ファン58に向かって流通するようになる(図6の矢印を参照)。
そして、そのように流路55bを外気が流通するヒートシンク55の上面に直接、インバータ54の回路基板54bが配設されている。この例では、回路基板54bの上面にコンデンサ、リアクトル等の電気部品54aが配設されている一方、回路基板54bの下面には、図示省略の電気部品であるパワートランジスタが配設されて、ヒートシンク55の上面に接触している。
このようにインバータ54の電気部品54a(特にパワートランジスタ)から直接、ヒートシンク55に熱が伝わるようにしているので、それらの電気部品54aの放熱を十分に促進することができる。ヒートシンク55は適度の熱容量を持つように設計されており、電気部品54aの発熱を十分に吸収しながら、この熱を多数のフィン55aに拡散させて、流路55bを流れる外気に放熱させる。
この例ではヒートシンク55の内部に多数のフィン55aが形成されて、多数の流路55bを区画しているので、これらの流路55bを流れる空気との接触面積が大きくなるとともに、流れが速くなり過ぎないように適度の抵抗を付与することができる。よって、インバータ54の電気部品54aからの放熱をヒートシンク55において効果的に空気と熱交換することができ、冷却性の確保が図られる。
一方、ヒートシンク55の下方にはエンジン40の吸気管42aが開口している。この吸気管42aは、パッケージ2の下部室4に配設されているエアクリーナ42(図3を参照)から上方に延び、中段壁34を貫通してその上方に突出している。そして、パッケージ背面側の上パネル25に設けられたエンジン吸気用のギャラリ25b(図2を参照)から外気が流入し、吸気管42aに吸い込まれるようになっている。
なお、例えばヒートシンク55の下部に開口を形成して、内部の流路55bを流れる外気の一部を吸気管42aに導くように構成することも可能である。
本実施の形態のコージェネレーション装置1は以上のように構成されており、以下ではかかる装置1の運転中にインバータ54を冷却する空気の流れ、即ちヒートシンク55内の流路55bを流れるインバータ冷却風について説明する。
本実施の形態のコージェネレーション装置1では、エンジン40や発電機41の運転に伴い下部室4の雰囲気温度が上昇すると、これに対応して吸い込みファン48が動作し、図示しない吸い込みダクトを介して、パッケージ右側面の下パネル24のギャラリ24aから外気が吸い込まれる。そして、吸い込みファン48から吹き出される空気(エンジン換気風)は、下部室4においてエンジン40や発電機41の熱を奪いながら上昇し、中段壁34の連通口34aから上方のラジエータ室6に流入するようになる。
また、エンジン40のウォータジャケットから流出した高温の冷却水がラジエータ61へ送られて放熱すると、ラジエータ室6の雰囲気温度が上昇するので、ラジエータファン60が回転する。これによりラジエータファン60の下方、即ちラジエータ室6の上部の空気がパッケージ2の上方に排出されるようになり、ラジエータ室6に負圧が発生する。そして、ラジエータ61を通過して上方に向かう空気の流量、即ち換気風量が増大する。
一方、エンジン40によって駆動される発電機41からの電圧・電流は、機器収納室5のインバータ54において昇圧若しくは周波数変換されることになり、この際、パワートランジスタなど電気部品54aからの発熱量が大きくなる。これに対し本実施の形態では、機器収納室5に配設されたダクト状のヒートシンク55の内部を外気が流通することによって、インバータ54の冷却が図られる。
すなわち、図6には模式的に示すように、ヒートシンク55の右端(図6では左端)において吸気ファン58が回転し、ヒートシンク55内の流路55bから連通口35aを介してラジエータ室6に空気を送り込む。これにより、ヒートシンク55の左端(図6では右端)において、ダストトラップ56を介してヒートシンク55内の流路55bにギャラリ27aから外気が流れ込み、吸気ファン58に向かって流れるようになる。
この際、前記のようにラジエータファン60の動作によってラジエータ室6には負圧が発生し、下方から上方に向かう換気風の流れが形成されているので、このラジエータ室6の下方に連通口35aから空気が流入し易くなっている。よって、ヒートシンク55の内部の流路55bの抵抗がある程度、大きなものであっても、十分な流量(冷却風量)が得られるようになる。
したがって、本実施の形態に係るコージェネレーション装置1においては、前記の如く十分な量の外気が冷却風として流れるダクト状のヒートシンク55の上面に直接、インバータ55を配設したことによって、このインバータ54のパワートランジスタなど電気部品54aからの放熱を効果的に促進できる。つまり、インバータ54などの電装品の冷却性を確保することができる。
また、そうしてヒートシンク55を介してインバータ54を冷却する冷却風は、ヒートシンク55内の流路55bを流れるのみであり、その上面に配設されているインバータ54の電気部品54aが外気に曝されることはないから、高い防塵性が得られる。
その上さらに本実施の形態では、機器収納室5においてヒートシンク55を中段壁34から上方に離間させており、その下方にはエンジン40の吸気管42aを配設して、エンジン40の燃焼用空気も冷却するようにしている。これにより、エンジン40の吸気効率を高めることができる。
なお、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、前記実施の形態においてはインバータ54をヒートシンク55の上面に配設しているが、これに限らず、インバータ54はヒートシンク55の側面または下面に配設してもよい。また、ヒートシンク55を中段壁34から上方に離間させる必要もなく、ヒートシンク55は中段壁34の上面に配設してもよい。
また、前記実施の形態においてパッケージ2の下部室4をさらに区画して、エンジン室の他に吸排気室や機器収納室を形成してもよい。
さらに、本発明は、エンジンにより駆動される作業機として冷凍回路のコンプレッサを備えたGHP(ガスヒートポンプ)に適用することも可能である。
1 コージェネレーション装置(エンジンシステム)
2 パッケージ
3 上部室
4 下部室
5 機器収納室(第2上部室)
6 ラジエータ室(第1上部室)
27 パッケージ左側面の上パネル(第2上部室の外壁パネル)
27a ギャラリ(換気口)
35 パッケージの上部室の隔壁
35a 隔壁の連通口
40 エンジン
54 インバータ(電装品)
55 ヒートシンク
60 ラジエータファン
61 ラジエータ

Claims (2)

  1. エンジンおよび電装品をパッケージに収めたエンジンシステムにおいて、
    前記パッケージの内部を上下に区画し、その下部室にはエンジンを配設する一方、上部室はさらに隔壁によって第1上部室および第2上部室に区画して、この第1上部室にラジエータおよびラジエータファンを配設し、
    前記隔壁には第1上部室と第2上部室とを連通させるように連通口を設ける一方、この連通口と対面する前記第2上部室の外壁パネルには換気口を設け、
    前記換気口から取り入れた外気を前記連通口まで流通させるようにダクト状のヒートシンクを設けて、このヒートシンクの外面に直接、電装品を配設したことを特徴とするエンジンシステム。
  2. 請求項1記載のエンジンシステムにおいて、
    前記ヒートシンクを第2上部室の床面から上方に離間させ、その下方に前記エンジンの吸気管を開口させたことを特徴とするエンジンシステム。
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