JPWO2014087639A1

JPWO2014087639A1 - 熱電併給システム

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Publication number: JPWO2014087639A1
Application number: JP2014550925A
Authority: JP
Inventors: 引地　巧; 巧引地; 長生木戸; 岡市　敦雄; 敦雄岡市; 雅也本間; 修小須田; 賢宣和田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: EP2930423A1; WO2014087639A1; US9714586B2; US20150267569A1; EP2930423A4; EP2930423B1; JP6179735B2

Abstract

ＣＨＰシステム（１００）は、燃焼器（１４）（熱源）、ランキンサイクル装置（２０）及び第２熱交換器（４２）を備えている。ランキンサイクル装置（２０）は、燃焼器（１４）で生成された熱エネルギーを吸収する第１熱交換器を蒸発器（２４）として有する。第２熱交換器（４２）は、蒸発器（２４）よりも燃焼器（１４）から離れた位置に配置され、蒸発器（２４）に直接的に接している又は熱伝導部材を介して間接的に蒸発器（２４）に接しており、燃焼器（１４）で生成された熱エネルギーを吸収して熱媒体に伝達する。

Description

本発明は、熱電併給システムに関する。

熱電併給システム（ＣＨＰシステム：Combined Heat and Power System）とは、単一又は複数の資源から、熱及び電力のような複数の形態のエネルギーが同時に得られるように構成されたシステムのことである。近年では、大規模なＣＨＰシステムだけでなく、病院、学校、図書館などの比較的小規模な施設に併設できるＣＨＰシステム、さらには、一般家庭用のＣＨＰシステム（いわゆるマイクロＣＨＰ）が注目を浴びている。

特許文献１には、ガスボイラー又はペレットボイラーで生成された燃焼ガスをランキンサイクル装置のための熱エネルギーとして利用して電力を得るように構成されたＣＨＰシステムが記載されている。特許文献１のＣＨＰシステムにおいて、ランキンサイクル装置の蒸発器は、温水を生成するための熱交換器よりも熱源の近く、すなわち、燃焼ガスの流路の上流側に配置されている。この構成によれば、蒸発器への熱入力が増加し、ランキンサイクル装置の膨張機の回転動力が増加するので、より大きい電力が得られる。

欧州特許出願公開第２０１４８８０号明細書

従来のＣＨＰシステムには、膨張機、ポンプなどの機器の故障、作動流体の漏れなどの不具合によってランキンサイクル装置の運転が停止した場合、システム全体の運転を停止せざるを得ない問題がある。

本発明は、ランキンサイクル装置の運転を停止した場合においても、エネルギーを供給できるＣＨＰシステムを提供することを目的とする。

すなわち、本開示は、
熱源と、
前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収する第１熱交換器を蒸発器として有するランキンサイクル装置と、
前記第１熱交換器よりも前記熱源から離れた位置に配置され、前記第１熱交換器に直接的に接している又は熱伝導部材を介して間接的に前記第１熱交換器に接しており、前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収して熱媒体に伝達する第２熱交換器と、
を備えた、熱電併給システムを提供する。

上記のＣＨＰシステムは、ランキンサイクル装置の運転を停止した場合においても、エネルギーを供給できる。

本発明の一実施形態に係る熱電併給システムの構成図熱交換ユニットの斜視図変形例１に係る熱電併給システムの構成図変形例２に係る熱電併給システムの構成図変形例３に係る熱電併給システムの構成図図５Ａに示す熱電併給システムにおける、燃焼器、第１熱交換器（蒸発器）及び第２熱交換器の位置関係を示す概略断面図変形例４に係る熱電併給システムの構成図変形例５に係る熱電併給システムの構成図変形例に係る熱交換ユニットの斜視図図８Ａに示す熱交換ユニットの概略断面図別の変形例に係る熱交換ユニットの斜視図

特許文献１に記載されたＣＨＰシステムは、一見すると、ランキンサイクル装置の運転を停止したとしても、温水を生成できるように思われる。しかし、ボイラーで燃料を燃やし続けると、ランキンサイクル装置の蒸発器の熱損傷、作動流体の熱分解、潤滑油の熱分解などの不具合が起こる可能性がある。従って、従来のＣＨＰシステムは、ランキンサイクル装置の運転の停止とともにシステム全体を停止させる必要がある。

本開示の第１態様は、
熱源と、
前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収する第１熱交換器を蒸発器として有するランキンサイクル装置と、
前記第１熱交換器よりも前記熱源から離れた位置に配置され、前記第１熱交換器に直接的に接している又は熱伝導部材を介して間接的に前記第１熱交換器に接しており、前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収して熱媒体に伝達する第２熱交換器と、
を備えた、熱電併給システムを提供する。

第１態様のＣＨＰシステムによれば、ランキンサイクル装置の運転が停止したとしても、第２熱交換器で熱媒体を加熱できる。また、ランキンサイクル装置の蒸発器（第１熱交換器）に第２熱交換器が直接的に又は熱伝導部材を介して間接的に接しているので、蒸発器の熱が第２熱交換器に伝導する。その結果、蒸発器の熱損傷、ランキンサイクル装置の作動流体の熱分解などの不具合を防止できる。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記熱源は、燃焼ガスを生成する燃焼器である、熱電併給システムを提供する。熱源として、燃焼ガスを生成する燃焼器を使用すれば、高温の熱エネルギーを容易に得ることができる。その結果、ランキンサイクル装置の発電効率を向上させることができる。

本開示の第３態様は、第２態様に加え、前記燃焼ガスが前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器をこの順番で通過するように、前記燃焼ガスの排気経路上に前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器が配置されている、熱電併給システムを提供する。このような構成によれば、ランキンサイクル装置の運転が停止しているときにも、第２熱交換器が燃焼ガスから直接的に熱エネルギーを吸収できる。そのため、ランキンサイクル装置の運転が停止しているときにおける熱エネルギーの無駄を減らすことができ、高いエネルギー利用効率を達成できる。

本開示の第４態様は、第１〜第３態様のいずれか１つに加え、前記第２熱交換器に前記熱媒体を流すように前記第２熱交換器に接続された流路と、前記流路に配置された流量調整器と、をさらに備えた、熱電併給システムを提供する。流量調整器を制御することによって、第２熱交換器を流れる熱媒体の量を調整できる。つまり、需要に応じて加熱するべき熱媒体の量を調整することができるだけでなく、電気出力（ｋＷｅ）に対する熱出力（ｋＷｔ）の比率を最適な範囲に調整することができる。

本開示の第５態様は、第４態様に加え、前記ランキンサイクル装置は、発電量を検出する検出器を含み、前記熱電併給システムは、前記検出器で検出された発電量に応じて前記流量調整器を制御する制御装置をさらに備えた、熱電併給システムを提供する。このような構成によれば、電気出力及び熱出力を需要に応じて自由にかつ細かく調整することができる。

本開示の第６態様は、第１〜第５態様のいずれか１つに加え、前記ランキンサイクル装置で発電が行われていないときに前記第２熱交換器に前記熱媒体を流して加熱することができる、熱電併給システムを提供する。このような構成によれば、第１熱交換器の熱損傷、作動流体の熱分解などの不具合を防止しつつ、第２熱交換器で熱媒体を加熱でき、ひいてはユーザの利便性が向上する。

本開示の第７態様は、第２態様に加え、前記燃焼器は、互いに独立して前記燃焼ガスを生成できる複数の分割燃焼器を含み、少なくとも１つの前記分割燃焼器で生成された前記燃焼ガスが前記第１熱交換器を避けて流れるように前記第１熱交換器と前記複数の分割燃焼器との位置関係が定められている、熱電併給システムを提供する。このような構成によれば、ランキンサイクル装置の運転の停止時において、第１熱交換器の熱損傷などの不具合をより確実に防止しつつ、第２熱交換器で熱媒体を加熱できる。

本開示の第８態様は、第１〜第７態様のいずれか１つに加え、前記第２熱交換器よりも前記熱源から離れた位置に配置された第３熱交換器をさらに備え、前記第３熱交換器は、前記熱源で生成された熱エネルギーを前記熱媒体に伝達する、熱電併給システムを提供する。第３熱交換器を使用すれば、熱源で生成された熱エネルギーのうち、第１熱交換器及び第２熱交換器で吸収しきれなかった残りの熱エネルギーを回収できる。その結果、熱源で生成された熱エネルギーの利用効率が向上する。

本開示の第９態様は、第８態様に加え、前記第３熱交換器を通過した前記熱媒体が前記第２熱交換器に流入するように、前記第３熱交換器が前記第２熱交換器に接続されている、熱電併給システムを提供する。このような構成によれば、第３熱交換器に相対的に低温の水が流れ、第２熱交換器に相対的に高温の水が流れる。従って、より多くの熱エネルギーを第２熱交換器及び第３熱交換器で吸収できる。その結果、熱源で生成された熱エネルギーの利用効率が向上する。

本開示の第１０態様は、第１〜第９態様のいずれか１つに加え、前記熱伝導部材は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とを間接的に接触させるヒートパイプである、熱電併給システムを提供する。ヒートパイプを使用すれば、第１熱交換器から第２熱交換器への熱移動を促進することができる。

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。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態の熱電併給システム１００（以下、ＣＨＰシステムと称する）は、ボイラー１０、ランキンサイクル装置２０、第１流体回路３０、第２流体回路４０及び制御装置５０を備えている。ＣＨＰシステム１００は、ボイラー１０で生成された熱エネルギーを使用して、温水及び電力を同時に又は独立して得ることができるように構成されている。「同時に」とは、温水を供給しながら電力も供給できるという意味である。「独立して」とは、温水の供給を停止して電力のみを供給することもできるし、電力の供給を停止して温水のみを供給することもできるという意味である。

ランキンサイクル装置２０を運転しているときには、ランキンサイクル装置２０で生成された電力と、第１流体回路３０で生成された温水と、第２流体回路４０で生成された温水とを外部へと供給できる。ランキンサイクル装置２０の運転が停止しているときには、第２流体回路４０で生成された温水を外部へと供給できる。

本実施形態において、第１流体回路３０を流れる熱媒体が水である。ただし、第１流体回路３０で加熱されるべき熱媒体は水に限定されない。第１流体回路３０は、ブライン、空気などの他の熱媒体を加熱するように構成されていてもよい。また、本実施形態において、第２流体回路４０を流れる熱媒体も水である。第２流体回路４０で加熱されるべき熱媒体も水に限定されない。第２流体回路４０は、ブラインなどの他の液相の熱媒体を加熱するように構成されていてもよい。

ボイラー１０は、燃焼チャンバ１２及び燃焼器１４（combustor）を備えている。燃焼チャンバ１２の上部には排気口が設けられている。燃焼器１４は、燃焼ガスを生成する熱源であり、燃焼チャンバ１２の内部に配置されている。燃焼器１４で発生した燃焼ガスは、燃焼チャンバ１２の内部空間を上に向かって進み、排気口を通って外部へと排出される。ＣＨＰシステム１００の熱源として、燃焼ガスを生成する燃焼器１４を使用すれば、高温の熱エネルギーを容易に得ることができる。その結果、ランキンサイクル装置２０の発電効率を向上させることができる。ボイラー１０の内部には、送風機などの他の機器が配置されていてもよい。

ボイラー１０は、例えばガスボイラーである。ボイラー１０がガスボイラーであるとき、燃焼器１４には天然ガス、バイオガスなどの燃料ガスが供給される。燃焼器１４は、燃料ガスを燃焼させることによって高温の燃焼ガスを生成する。

ランキンサイクル装置２０は、膨張機２１、凝縮器２２、ポンプ２３及び蒸発器２４を備えている。これらのコンポーネントは、閉回路を形成するように複数の配管によって上記の順番で環状に接続されている。ランキンサイクル装置２０には、公知の再生器などが設けられていてもよい。

膨張機２１は、ボイラー１０で加熱された作動流体を膨張させる。膨張機２１は、例えば、容積型又はターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機などが挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。膨張機２１の回転軸には、発電機２６が接続されている。膨張機２１によって発電機２６が駆動される。ランキンサイクル装置２０には、発電機２６による発電量（ｋＷｅ）を検出する検出器２７が設けられている。検出器２７は、典型的には電力計である。検出器２７で検出された発電量に関する情報は制御装置５０に送られる。

凝縮器２２は、第１流体回路３０の中の水と膨張機２１から吐出された作動流体とを熱交換させることによって、作動流体を冷却し、水を加熱する。凝縮器２２として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、フィンチューブ熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。凝縮器２２の種類は、第１流体回路３０の中の熱媒体の種類に応じて適切に選択される。第１流体回路３０の中の熱媒体が水などの液体のとき、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器を凝縮器２２に好適に使用できる。第１流体回路３０の中の熱媒体が空気などの気体のとき、フィンチューブ熱交換器を凝縮器２２に好適に使用できる。

ポンプ２３は、凝縮器２２から流出した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を蒸発器２４に供給する。ポンプ２３として、一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。

蒸発器２４は、燃焼器１４で生成された熱エネルギーを吸収する第１熱交換器である。具体的に、蒸発器２４は、相対的に燃焼器１４の近くに位置するように、ボイラー１０の内部に配置されている。図２に示すように、蒸発器２４として、フィンチューブ熱交換器を使用できる。燃焼器１４で生成された燃焼ガスとランキンサイクル装置２０の作動流体とが蒸発器２４において熱交換する。これにより、ランキンサイクル装置２０の作動流体が加熱され、蒸発する。

ランキンサイクル装置２０の作動流体として、有機作動流体を好適に使用できる。有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、アルコールなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａなどが挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタンなどのアルカンが挙げられる。アルコールとして、エタノールなどが挙げられる。これらの有機作動流体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。その他、作動流体として、水、二酸化炭素、アンモニアなどの無機作動流体を使用できる可能性もある。

第１流体回路３０は、ランキンサイクル装置２０の凝縮器２２に水を流すように凝縮器２２に接続されている。第１流体回路３０の中の水は、膨張機２１から吐出された作動流体によって加熱される。

第１流体回路３０を通じて加熱されるべき熱媒体が水などの液体のとき、第１流体回路３０は１又は複数の配管にて形成されうる。第１流体回路３０を通じて加熱されるべき熱媒体が空気などの気体のとき、第１流体回路３０は気体を流すための風路又はダクトにて形成されうる。

第２流体回路４０は、第２熱交換器４２、流路４４ａ、流路４４ｂ及び流量調整器４６を有する。第２熱交換器４２は、ランキンサイクル装置２０の蒸発器２４よりも燃焼器１４から離れた位置において蒸発器２４に接する形でボイラー１０の内部に配置されている。燃焼器１４で生成された燃焼ガスと第２流体回路４０の中の水とが第２熱交換器４２において熱交換する。これにより、第２流体回路４０の中の水が加熱される。図２に示すように、第２熱交換器４２として、フィンチューブ熱交換器を使用できる。流路４４ａ及び４４ｂは、第２熱交換器４２に水を流すように第２熱交換器４２に接続されている。流路４４ａ及び４４ｂは、それぞれ、１又は複数の配管によって形成されうる。流路４４ａには流量調整器４６が配置されている。流量調整器４６は、典型的には流量調整弁である。流量調整器４６を制御することによって、第２熱交換器４２を流れる水の量を調整できる。つまり、温水（熱）の需要に応じて温水の生成量を調整することができるだけでなく、電気出力（ｋＷｅ）に対する熱出力（ｋＷｔ）の比率（熱電比）を最適な範囲に調整することができる。

熱電比は、蒸発器２４及び第２熱交換器４２を適切に設計することによって調整することもできる。例えば、蒸発器２４が相対的に大きい能力を有し、第２熱交換器４２が相対的に小さい能力を有していてもよい。具体的には、図２に示す例において、高さ方向における蒸発器２４の寸法を大きくし、高さ方向（燃焼ガスの流れ方向）における第２熱交換器４２の寸法を小さくすることができる。より具体的には、高さ方向における蒸発器２４の伝熱管６２ａの段数を相対的に多くし、高さ方向における第２熱交換器４２の伝熱管６２ｂの段数を相対的に少なくすることができる。このような構成によれば、ランキンサイクル装置２０に十分な発電能力を付与することができる。

逆に、蒸発器２４が相対的に小さい能力を有し、第２熱交換器４２が相対的に大きい能力を有していてもよい。具体的には、図２に示す例において、高さ方向における蒸発器２４の寸法を小さくし、高さ方向における第２熱交換器４２の寸法を大きくすることができる。より具体的には、高さ方向における蒸発器２４の伝熱管６２ａの段数を相対的に少なくし、高さ方向における第２熱交換器４２の伝熱管６２ｂの段数を相対的に多くすることができる。このような構成によれば、第２熱交換器４２に十分な温水供給能力を付与することができる。

制御装置５０は、ランキンサイクル装置２０のポンプ２３、ボイラー１０の燃焼器１４、第２流体回路４０の流量調整器４６などの制御対象を制御する。制御装置５０として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御装置５０には、ＣＨＰシステム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

第１流体回路３０で生成された温水は、蛇口、温水暖房回路、貯湯タンクなどの設備に供給されうる。第１流体回路３０は、低温の温水を加熱する用途で使用されてもよいし、市水を加熱する用途で使用されてもよい。これらは、第２流体回路４０にも当てはまる。

本実施形態において、ランキンサイクル装置２０の蒸発器２４及び第２流体回路４０の第２熱交換器４２は、ボイラー１０の内部において互いに接触している。従って、蒸発器２４を介して、燃焼器１４で生成された熱エネルギーを第２熱交換器４２の中の水に与えることができる。そのため、ランキンサイクル装置２０の運転を停止した状態（ポンプ２３の運転を停止した状態）で蒸発器２４が熱エネルギーを吸収したとしても、熱は、蒸発器２４から第２熱交換器４２の中の水に伝導できる。その結果、蒸発器２４が熱損傷を受けることを防止できるだけでなく、作動流体及び潤滑油が熱分解することも防止できる。しかも、ランキンサイクル装置２０の運転の停止時においても、第２流体回路４０を使用して温水を生成できる。

図２に示すように、蒸発器２４の熱が空気以外の媒体を介して第２熱交換器４２に直接的に伝導できるように、蒸発器２４及び第２熱交換器４２は、互いに直接的に接触している。具体的には、蒸発器２４及び第２熱交換器４２のそれぞれがフィンチューブ熱交換器であり、蒸発器２４及び第２熱交換器４２が複数のフィン６１を共有している。複数のフィン６１の下半分及び伝熱管６２ａによって蒸発器２４が形成されている。複数のフィン６１の上半分及び伝熱管６２ｂによって第２熱交換器４２が形成されている。蒸発器２４の伝熱管６２ａは、第２熱交換器４２の伝熱管６２ｂに連通していない。伝熱管６２ａに作動流体が流れ、伝熱管６２ｂに水が流れる。蒸発器２４の熱は、フィン６１を介して第２熱交換器４２を流れる水に効率的に伝導しうる。これにより、蒸発器２４の熱損傷、作動流体の熱分解、潤滑油の熱分解などの不具合を防止できる。

本実施形態において、蒸発器２４及び第２熱交換器４２は、単一の熱交換ユニット６０を形成している。熱交換ユニット６０は、燃焼器１４の真上に位置するように、ボイラー１０の内部に配置されている。複数のフィン６１は水平方向に配列している。伝熱管６２ａ及び６２ｂは、それぞれ、複数のフィン６１を水平方向に貫通している。フィン６１とフィン６１との間に形成された空間が燃焼ガスＧの排気経路を形成している。言い換えれば、燃焼ガスＧが蒸発器２４及び第２熱交換器４２をこの順番で通過するように、燃焼ガスＧの排気経路上に蒸発器２４及び第２熱交換器４２が配置されている。このような構成によれば、ランキンサイクル装置２０の運転が停止しているときにも、第２熱交換器４２が燃焼ガスＧから直接的に熱エネルギーを吸収できる。そのため、ランキンサイクル装置２０の運転が停止しているときにおける熱エネルギーの無駄を減らすことができ、高いエネルギー利用効率を達成できる。

なお、蒸発器２４から第２熱交換器４２への良好な熱伝導を達成できる限り、蒸発器２４及び第２熱交換器４２の構造は特に限定されない。例えば、蒸発器２４及び第２熱交換器４２が、それぞれ、蛇行した伝熱管によって形成されていてもよい。その場合、伝熱管同士が直接的に接触する。つまり、蒸発器２４を構成する部材が第２熱交換器４２を構成する部材に直接的に接触していることが望ましい。

また、本実施形態では、蒸発器２４が相対的に燃焼器１４の近くの位置に配置され、第２熱交換器４２が相対的に燃焼器１４から遠くの位置に配置されている。この位置関係によれば、蒸発器２４への熱入力が増加し、ランキンサイクル装置２０の膨張機２１の回転動力が増加するので、より大きい電力が得られる。

また、本実施形態では、ＣＨＰシステム１００の熱源として、燃焼ガスを生成する燃焼器１４が使用されている。燃焼器１４によれば、高温の熱エネルギーを容易に得ることができるので、ランキンサイクル装置２０の発電効率を向上させることができる。発電効率が高ければ高いほど、ある量の電力を作り出すために蒸発器２４に与えるべき熱量を相対的に減らすことができる。つまり、蒸発器２４の寸法を小さくすることができる。その結果、蒸発器２４から第２熱交換器４２への伝熱距離を短くすることができ、ひいては蒸発器２４から第２熱交換器４２への熱移動が容易になる。

次に、ＣＨＰシステム１００の２つの典型的な運転モードを説明する。第１運転モードは、ランキンサイクル装置２０の運転時における運転モードである。第２運転モードは、ランキンサイクル装置２０の運転の停止時における運転モードである。

<第１運転モード>
第１運転モードにおいて、ＣＨＰシステム１００は、温水及び電力の両方を外部へと供給できる。まず、ポンプ２３を動かしてランキンサイクル装置２０の運転を開始させ、適切なタイミングで第１流体回路３０に水を流し始める。その後、適切なタイミングで燃焼器１４への燃料の供給を開始し、燃料に着火する。ランキンサイクル装置２０の作動流体は、蒸発器２４において燃焼ガスから熱を受け取り、過熱状態の気相の作動流体へと変化する。高温かつ気相の作動流体は膨張機２１へと送られる。膨張機２１において、作動流体の圧力エネルギーが機械エネルギーに変換され、発電機２６が駆動される。これにより、発電機２６において電力が生成される。膨張機２１から吐出された作動流体は、凝縮器２２に流入する。膨張機２１の出口において、作動流体が過熱状態を維持していてもよい。作動流体は、凝縮器２２において、第１流体回路３０を流れる水によって冷却され、凝縮する。第１流体回路３０の中の水は作動流体によって加熱される。第１流体回路３０で温水が生成され、生成された温水は外部へと供給される。凝縮した作動流体はポンプ２３によって加圧され、再び蒸発器２４に送られる。

ランキンサイクル装置２０の運転とは独立して、適切なタイミングで第２流体回路４０に水を流し始める。第２流体回路４０を流れる水は燃焼ガスによって加熱される。第２流体回路４０においても温水が生成され、生成された温水は外部へと供給される。

第１運転モードにおいて、制御装置５０は、検出器２７で検出された発電量に応じてポンプ２３及び／又は流量調整器４６を制御する。このような制御によれば、電気出力及び熱出力を需要に応じて自由にかつ細かく調整することができる。例えば、電気出力を増加すべき旨の指令が制御装置５０に入力されたら（つまり、電気出力を増加すべきとき）、制御装置５０は、作動流体の循環量が増加するようにポンプ２３を制御し、第２流体回路４０の水の流量が減少するように流量調整器４６を制御する。具体的には、ポンプ２３の回転数を上げ、流量調整器４６の開度を減らす。逆に、電気出力を減らすべき旨の指令が制御装置５０に入力されたら（つまり、電気出力を減らすべきとき）、制御装置５０は、作動流体の循環量が減少するようにポンプ２３を制御し、第２流体回路４０の水の流量が増加するように流量調整器４６を制御する。具体的には、ポンプ２３の回転数を下げ、流量調整器４６の開度を増やす。検出器２７で検出された発電量に応じて、ポンプ２３の制御及び流量調整器４６の制御の両方を実行してもよいし、一方のみを実行してもよい。

さらに、制御装置５０は、ランキンサイクル装置２０の異常を検知した場合、第２流体回路４０の水の流量が増加するように流量調整器４６を制御する。例えば、検出器２７で検出された発電量がゼロになったことを検知した場合に、制御装置５０は、ランキンサイクル装置２０の異常が起きたと判断し、流量調整器４６の制御を行う。これにより、予期せぬ故障などがランキンサイクル装置２０に起こった場合においても、蒸発器２４の熱損傷などの不具合を防止できる。ボイラー１０がガスボイラーの場合には、燃焼器１４への燃料の供給を止めることによって、蒸発器２４の熱損傷など不具合をより確実に防止できる。しかし、後述するように、ボイラー１０がペレットボイラーであるとき、燃焼ガスの生成を直ちに止めることができない可能性がある。このような場合、流量調整器４６を制御して第２流体回路４０に水を多目に流せば、蒸発器２４の熱損傷などの不具合を防止できる。

さらに、第１運転モードにおいては、第１流体回路３０を通じて十分に高い温度の温水が生成されうる。従って、第１運転モードにおいて、ランキンサイクル装置２０が定常運転を行っているとき、第２流体回路４０に水を全く流さなくてもよい。ただし、ランキンサイクル装置２０の運転が過渡期にあるとき、第２流体回路４０に適量の水を流すことは、蒸発器２４の熱損傷などの不具合を防止する観点で望ましい。過渡期の例としては、運転を開始した直後から定常運転に移行するまでの期間、運転を停止するための処理を実行している期間などが挙げられる。

<第２運転モード>
第２運転モードにおいて、ランキンサイクル装置２０の運転は停止しており、ＣＨＰシステム１００は、温水のみを外部へと供給できる。ランキンサイクル装置２０で発電が行われていないときに第２熱交換器４２に水を流して加熱することができる。具体的には、第２流体回路４０を使用して温水を生成するように第２流体回路４０に水を流す。第２熱交換器４２は、燃焼ガスの熱を直接的に吸収すると同時に、蒸発器２４を介して燃焼ガスの熱を間接的に吸収する。これにより、蒸発器２４の熱損傷、作動流体の熱分解などの不具合を防止しつつ、第２熱交換器４２で温水を生成でき、ひいてはユーザの利便性が向上する。第２運転モードにおいて、第２流量調整器４６は、例えば、全開状態に制御される。

以下、ＣＨＰシステムのいくつかの変形例を説明する。図１に示すＣＨＰシステム１００と各変形例とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。すなわち、ＣＨＰシステム１００に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、以下の変形例にも適用されうる。

（変形例１）
図３に示すように、変形例１に係るＣＨＰシステム１０２は、互いに直列的に接続された第１流体回路３０及び第２流体回路４０を備えている。すなわち、第１流体回路３０を通じて加熱された水が第２流体回路４０を通じてさらに加熱されるように、第１流体回路３０と第２流体回路４０とが直列的に接続されていてもよい。これにより、より高温の温水を生成することができる。

本変形例においても、第２流体回路４０は、流路４４ａ、第２熱交換器４２及び流路４４ｂで構成されている。流路４４ａは、分岐位置３１において第１流体回路３０から分岐し、第２熱交換器４２の入口に接続されている。流路４４ｂは、第２熱交換器４２の出口に接続され、合流位置３３において第１流体回路３０に合流している。第１流体回路３０には、分岐位置３１と合流位置３３との間の部分に流量調整器４６が配置されている。このような構成によれば、第１流体回路３０で加熱された水の全量を第２熱交換器４２でさらに加熱することができるだけでなく、第１流体回路３０で加熱された水の一部のみを第２熱交換器４２でさらに加熱することができる。第２熱交換器４２における水の圧力損失は相対的に大きいので、流量調整器４６を全開にすると、大部分の水が第２熱交換器４２を迂回し、第２熱交換器４２には僅かな量の水しか流れない。このように、流量調整器４６によって、第２熱交換器４２を流れる水の量に対する第２熱交換器４２を迂回する水の量の比率を調整できる。従って、電気出力及び熱出力を需要に応じて自由にかつ細かく調整することができる。また、ランキンサイクル装置２０が停止しているときに第２熱交換器４２に水の全量を流せば、蒸発器２４の熱損傷などの不具合を確実に防止できる。なお、流量調整器４６に代えて開閉弁を使用してもよい。このことは、他の変形例にもあてはまる。

（変形例２）
図４に示すように、変形例２に係るＣＨＰシステム１０４は、燃焼器１４として、互いに独立して燃焼ガスを生成できる複数の分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃを有している。少なくとも１つの分割燃焼器１４ａの燃焼ガスが蒸発器２４を避けて流れるように蒸発器２４と複数の分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃとの位置関係が定められている。具体的には、複数の分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃのうち、一部の分割燃焼器１４ｂ及び１４ｃの真上には蒸発器２４が存在しており、残りの分割燃焼器１４ａの真上には蒸発器２４が存在していない。他方、第２熱交換器４２は、複数の分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃの真上に存在している。言い換えると、蒸発器２４を燃焼器１４に向けて垂直に投影したとき、分割燃焼器１４ｂ及び１４ｃの上にのみ蒸発器２４の投影図が重なる。第２熱交換器４２を燃焼器１４に向けて垂直に投影したとき、全ての分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃの上に第２熱交換器４２の投影図が重なる。分割燃焼器１４ａで生成された燃焼ガスＧは、実質的に蒸発器２４を避けて、第２熱交換器４２に向かって進む。本変形例に係るＣＨＰシステム１０４によれば、ランキンサイクル装置２０の運転の停止時において、蒸発器２４の熱損傷などの不具合をより確実に防止しつつ、第２熱交換器４２で温水を生成できる。

分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃの大きさ（火力の大きさ）は、特に限定されない。例えば、分割燃焼器１４ａの火力が相対的に小さく、分割燃焼器１４ｂ及び１４ｃの合計の火力が相対的に大きくてもよい。このような構成によれば、ランキンサイクル装置２０に十分な発電能力を付与することができる。逆に、分割燃焼器１４ａの火力が相対的に大きく、分割燃焼器１４ｂ及び１４ｃの合計の火力が相対的に小さくてもよい。この場合、ランキンサイクル装置２０の運転が停止したときにも十分な量の温水を供給できる。つまり、十分な暖房能力が発揮される。

さらに、ＣＨＰシステム１０４は、第３熱交換器４８を備えている。第３熱交換器４８は、ボイラー１０の内部において、第２熱交換器４２よりも燃焼器１４から離れた位置に配置されている。第３熱交換器４８は、例えば、フィンチューブ熱交換器である。第３熱交換器４８は第２熱交換器４２に直接的には接触しておらず、第３熱交換器４８と第２熱交換器４２との間には適切な広さの隙間が確保されている。本実施形態において、第３熱交換器４８には、第２熱交換器４２と同じ熱媒体、すなわち水が流れる。第３熱交換器４８において、燃焼器１４で生成された熱エネルギーが水に伝達される。第３熱交換器４８を使用すれば、燃焼器１４で生成された熱エネルギーのうち、蒸発器２４及び第２熱交換器４２で吸収しきれなかった残りの熱エネルギーを回収できる。その結果、燃焼器１４で生成された熱エネルギーの利用効率が向上する。

本変形例において、第３熱交換器４８は、ランキンサイクル装置２０の凝縮器２２で加熱された水をさらに加熱するように第１流体回路３０に設けられている。詳細には、第１流体回路３０は、流路３２ａ〜３２ｃ及び第３熱交換器４８で構成されている。流路３２ｂによって凝縮器２２の水出口と第３熱交換器４８の入口とが接続されている。従って、第１流体回路３０を流れる水は、凝縮器２２においてランキンサイクル装置２０の作動流体によって加熱された後、第３熱交換器４８において燃焼ガスＧの残留熱によってさらに加熱される。第３熱交換器４８の出口に流路３２ｃが接続されている。流路３２ｃを通じて、外部へと温水が供給されうる。

また、本変形例では、第３熱交換器４８を通過した水が第２熱交換器４２に流入するように、第３熱交換器４８が第２熱交換器４２に接続されている。このような構成によれば、第３熱交換器４８に相対的に低温の水が流れ、第２熱交換器４２に相対的に高温の水が流れる。従って、より多くの熱エネルギーを第２熱交換器４２及び第３熱交換器４８で吸収できる。その結果、燃焼器１４で生成された熱エネルギーの利用効率が向上する。

詳細には、第１流体回路３０の流路３２ｃから第２流体回路４０の流路４４ａが分岐している。つまり、第１流体回路３０と第２流体回路４０とが直列的に接続されている。また、流路３２ｃと流路４４ａとの分岐位置３４よりも下流側の合流位置３５において、第２熱交換器４２の出口と流路３２ｃとが流路４４ｂによって接続されている。流路４４ｂを通じて、第２熱交換器４２から流出した温水が第１流体回路３０の流路３２ｃに戻される。凝縮器２２で加熱された水は、第３熱交換器４８及び第２熱交換器４２でさらに加熱される。その結果、燃焼器１４で生成された熱エネルギーの利用効率がさらに向上する。

第１流体回路３０（流路３２ｃ）には、分岐位置３４と合流位置３５との間の部分に流量調整器４６が配置されている。流量調整器４６を制御すれば、第１流体回路３０で加熱された水の全量を第２熱交換器４２でさらに加熱することができるだけでなく、第１流体回路３０で加熱された水の一部のみを第２熱交換器４２でさらに加熱することもできる。第２熱交換器４２における水の圧力損失は相対的に大きいので、流量調整器４６を全開にすると、大部分の水が第２熱交換器４２を迂回し、第２熱交換器４２には僅かな量の水しか流れない。このように、流量調整器４６によって、第２熱交換器４２を流れる水の量に対する第２熱交換器４２を迂回する水の量の比率を調整できる。従って、電気出力及び熱出力を需要に応じて自由にかつ細かく調整することができる。また、ランキンサイクル装置２０が停止しているときに第２熱交換器４２に水の全量を流せば、蒸発器２４の熱損傷などの不具合を確実に防止できる。

なお、第３熱交換器４８は、第１流体回路３０及び第２流体回路４０から独立して設けられていてもよい。言い換えれば、第３熱交換器４８は、第１流体回路３０及び第２流体回路４０で加熱されるべき熱媒体とは異なる熱媒体を加熱することができる熱交換器であってもよい。

（変形例３）
図５Ａに示すように、変形例３に係るＣＨＰシステム１０６は、燃焼器１４として、円筒型の燃焼器を備えている。円筒型の燃焼器１４は、周方向及び高さ方向に沿って多数の貫通孔が形成された円筒型の構造体を備えており、円筒型の構造体の内部で燃料ガスを燃焼させるように構成されている。円筒型の構造体の内部で燃料ガスを燃焼させると、貫通孔を通じて、燃焼ガスが半径方向の外向きに吹き出す。このような構造のボイラーは、主に欧州で普及しており、例えば、独国のＶＩＥＳＳＭＡＮＮ社から提供されている。

図５Ｂに示すように、円筒型の燃焼器１４の周囲には、蒸発器２４としての伝熱管が配置されている。蒸発器２４としての伝熱管は螺旋状に成形されており、燃焼器１４から少し離れた位置で燃焼器１４を包囲している。さらに、蒸発器２４よりも燃焼器１４から離れた位置に第２熱交換器４２としての伝熱管が配置されている。第２熱交換器４２としての伝熱管も螺旋状に成形されている。また、第２熱交換器４２としての伝熱管の一部は蒸発器２４の伝熱管の一部と直接接しており、これにより、蒸発器２４から第２熱交換器４２への熱移動が可能となっている。本変形例では、蒸発器２４は、燃焼器１４の円筒状の外周面に向かい合っているが、第２熱交換器４２は、燃焼器１４の円筒状の外周面に向かい合っていない。燃焼器１４の端面には仕切り板８０が配置されている。仕切り板８０は、蒸発器２４の内周面に向かって延びており、燃焼ガスＧの流路を規制している。仕切り板８０は、蒸発器２４に接していてもよい。仕切り板８０の外周縁と蒸発器２４の内周面との間に僅かな隙間があってもよい。

燃焼ガスＧは、燃焼器１４から半径方向の外向きに吹き出し、蒸発器２４の周囲の空間及び第２熱交換器４２の周囲の空間をこの順番で流れ、その後、燃焼チャンバ１２の内部空間を排気口に向かって進む。このような構造の燃焼器１４を備えたＣＨＰシステム１０６においても、図１を参照して説明したＣＨＰシステム１００と同じ機能が発揮され、同じ効果が得られる。図５Ｂから理解できるように、図２の例のように複数のフィンを共有することだけでなく、蒸発器２４を構成する伝熱管と第２熱交換器４２を構成する伝熱管とが線接触又は面接触していることも、「直接的に接する」という概念に含まれる。

（変形例４）
図６に示すように、変形例４に係るＣＨＰシステム１０８は、ボイラー１０として、ガスボイラーに代えて、ペレットボイラーを備えている。ボイラー１０がペレットボイラーであるとき、ペレットボイラーにおいて、燃焼器１４は、木質ペレット、石炭、バイオマスなどの固形燃料を燃焼させることによって高温の燃焼ガスを生成する。

本変形例において、ボイラー１０は、燃焼器１４の真上に配置された煙道１５を備えている。煙道は、燃焼ガスＧの通り道であり、燃焼器１４から排気口に向かって延びている。蒸発器２４、第２熱交換器４２及び第３熱交換器４８は、それぞれ、煙道１５に巻き付けられた伝熱管で構成されうる。蒸発器２４としての伝熱管は、第２熱交換器４２としての伝熱管に直接的に接している。従って、本変形例に係るＣＨＰシステム１０８においても、図１を参照して説明したＣＨＰシステム１００と同じ機能が発揮され、同じ効果が得られる。

本変形例のＣＨＰシステム１０８においても、変形例３のＣＨＰシステム１０４と同じように、第１流体回路３０が第２流体回路４０に直列的に接続されている。本変形例においても、第１流体回路３０を流れる水の全量を第２流体回路４０に流すことができる。具体的には、分岐位置３４よりも下流側において、第１流体回路３０の流路３２ｃに第２流量調整器５２が配置されている。また、第２流体回路４０の流路４４ｂが第１流体回路３０に合流していない。第２流量調整器５２を閉じ、流量調整器４６（第１流量調整器）を開くことによって、水は、凝縮器２２、第３熱交換器４８及び第２熱交換器４２をこの順番で流れる。第１流体回路３０を流れる水の全量を第２流体回路４０に流すことができるので、ランキンサイクル装置２０の運転時において、より高温の温水を生成できる。さらに、流量調整器４６を閉じて第２流量調整器５２を開けば、第２流体回路４０に水を流さず、第１流体回路３０のみを使用して温水を生成することもできる。なお、図３及び図４を参照して説明したように、第２流体回路４０は、第１流体回路３０から分岐し、かつ第１流体回路３０に合流していてもよい。

（変形例５）
図７に示すように、変形例５に係るＣＨＰシステム１１０も、ボイラー１０として、ペレットボイラーを備えている。本変形例と変形例４との相違点は、煙道１５、蒸発器２４及び第２熱交換器４２の位置関係である。本変形例では、蒸発器２４が相対的に煙道１５の近くの位置に配置され、第２熱交換器４２が相対的に煙道１５から遠くの位置に配置されている。蒸発器２４としての伝熱管が煙道１５の周囲に配置されている。詳細には、蒸発器２４としての伝熱管が煙道１５に巻き付けられている。第２熱交換器４２としての伝熱管は、煙道１５の半径方向において、蒸発器２４の外側に配置されている。詳細には、第２熱交換器４２としての伝熱管が蒸発器２４に巻き付けられている。蒸発器２４としての伝熱管及び第２熱交換器４２としての伝熱管は、煙道１５の半径方向において互いに接している。蒸発器２４としての伝熱管及び第２熱交換器４２としての伝熱管は、それぞれ、螺旋形状を有しており、煙道１５に沿って鉛直方向に延びている。複数の煙道１５のそれぞれの周囲に蒸発器２４及び第２熱交換器４２の組が配置されている。煙道１５における燃焼ガスＧの流れ方向と蒸発器２４における熱媒体の流れ方向とが対向するように、蒸発器２４の入口が相対的に燃焼器１４から遠くの位置（煙道１５の下流部分）に形成され、蒸発器２４の出口が相対的に燃焼器１４の近くの位置（煙道１５の上流部分）に形成されている。これにより、煙道１５を流れる燃焼ガスＧと蒸発器２４を流れる作動流体との間で効率的な熱交換が行われる。このことは、第２熱交換器４２にもあてはまる。

ボイラー１０がペレットボイラーであるとき、燃焼器１４からの距離だけでなく、煙道１５からの距離も蒸発器２４及び第２熱交換器４２への入熱量を左右する要因である。煙道１５を熱源とみなせば、蒸発器２４は、第２熱交換器４２よりも熱源に近い位置に配置されている。そして、本変形例においても、先に説明したＣＨＰシステム１００〜１０８と同じ効果が得られる。

（その他の変形例）
蒸発器２４が第２熱交換器４２に直接的に接していることは必須ではない。蒸発器２４は、熱伝導部材を介して間接的に第２熱交換器４２に接していてもよい。熱伝導部材は、蒸発器２４と第２熱交換器４２とを熱的に接続する部材である。熱伝導部材の例は、ヒートパイプである。

図８Ａに示す熱交換ユニット７０は、蒸発器２４、第２熱交換器４２及びヒートパイプ５４によって形成されている。熱交換ユニット７０において、蒸発器２４は第２熱交換器４２に直接的に接していない。蒸発器２４の真上に第２熱交換器４２が配置されている。蒸発器２４及び第２熱交換器４２は互いに向かい合っている。蒸発器２４と第２熱交換器４２との間には一定の広さの隙間が確保されている。蒸発器２４の熱が第２熱交換器４２に十分に伝導するように、蒸発器２４と第２熱交換器４２とを間接的に接触させるヒートパイプ５４が設けられている。このようなヒートパイプ５４は、ある物体から別の物体への熱伝導を促進するためにしばしば使用される。ヒートパイプ５４は、優れた熱伝導性を有する材料で作られたパイプと、そのパイプの中に封入された揮発性の媒体とで構成されうる。パイプの一端を加熱し、他端を冷却することによって、揮発性の媒体の蒸発と、その媒体の凝縮とのサイクルがパイプの中で起こる。その結果、パイプの一端から他端へと熱が移動する。

図８Ｂに示すように、ヒートパイプ５４は、受熱部５４ａ及び放熱部５４ｂを有する。受熱部５４ａ及び放熱部５４ｂは、それぞれ、蒸発器２４及び第２熱交換器４２に直接的に接している。具体的には、受熱部５４ａが蒸発器２４のフィンを貫通し、これにより、受熱部５４ａが蒸発器２４に固定されている。放熱部５４ｂが第２熱交換器４２のフィンを貫通し、これにより、放熱部５４ｂが第２熱交換器４２に固定されている。このような構成によれば、蒸発器２４から第２熱交換器４２への熱移動を促進することができる。

もちろん、図８Ｃに示す熱交換ユニット７２のように、蒸発器２４が第２熱交換器４２に直接的に接している場合においても、ヒートパイプ５４を使用することができる。

本明細書に開示されたＣＨＰシステムは、ランキンサイクル装置の運転が停止しているときにも水などの熱媒体を加熱することができる。そのようなＣＨＰシステムは、室内暖房のための温水をボイラーで作ることが慣習となっているような寒冷地帯での使用に特に適している。すなわち、ランキンサイクル装置が何らかの原因で故障したとしても、室内暖房を継続することができる。

Claims

熱源と、
前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収する第１熱交換器を蒸発器として有するランキンサイクル装置と、
前記第１熱交換器よりも前記熱源から離れた位置に配置され、前記第１熱交換器に直接的に接している又は熱伝導部材を介して間接的に前記第１熱交換器に接しており、前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収して熱媒体に伝達する第２熱交換器と、
を備えた、熱電併給システム。
前記熱源は、燃焼ガスを生成する燃焼器である、請求項１に記載の熱電併給システム。
前記燃焼ガスが前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器をこの順番で通過するように、前記燃焼ガスの排気経路上に前記第１熱交換器及び前記第２熱交換器が配置されている、請求項２に記載の熱電併給システム。
前記第２熱交換器に前記熱媒体を流すように前記第２熱交換器に接続された流路と、
前記流路に配置された流量調整器と、
をさらに備えた、請求項１に記載の熱電併給システム。
前記ランキンサイクル装置は、発電量を検出する検出器を含み、
前記熱電併給システムは、前記検出器で検出された発電量に応じて前記流量調整器を制御する制御装置をさらに備えた、請求項４に記載の熱電併給システム。
前記ランキンサイクル装置で発電が行われていないときに前記第２熱交換器に前記熱媒体を流して加熱することができる、請求項１に記載の熱電併給システム。
前記燃焼器は、互いに独立して前記燃焼ガスを生成できる複数の分割燃焼器を含み、
少なくとも１つの前記分割燃焼器で生成された前記燃焼ガスが前記第１熱交換器を避けて流れるように前記第１熱交換器と前記複数の分割燃焼器との位置関係が定められている、請求項２に記載の熱電併給システム。
前記第２熱交換器よりも前記熱源から離れた位置に配置された第３熱交換器をさらに備え、
前記第３熱交換器は、前記熱源で生成された熱エネルギーを前記熱媒体に伝達する、請求項１に記載の熱電併給システム。
前記第３熱交換器を通過した前記熱媒体が前記第２熱交換器に流入するように、前記第３熱交換器が前記第２熱交換器に接続されている、請求項８に記載の熱電併給システム。
前記熱伝導部材は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とを間接的に接触させるヒートパイプである、請求項１に記載の熱電併給システム。