WO2014174789A1 - 熱電併給システム - Google Patents

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WO2014174789A1
WO2014174789A1 PCT/JP2014/002107 JP2014002107W WO2014174789A1 WO 2014174789 A1 WO2014174789 A1 WO 2014174789A1 JP 2014002107 W JP2014002107 W JP 2014002107W WO 2014174789 A1 WO2014174789 A1 WO 2014174789A1
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heat
heat exchanger
evaporator
rankine cycle
combustor
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引地　巧
長生 木戸
岡市　敦雄
修 小須田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the present invention relates to a combined heat and power system.
  • a combined heat and power system is a system configured to simultaneously obtain multiple forms of energy such as heat and power from a single or multiple resources.
  • CHP system Combined Heat and Power System
  • CHP systems that can be installed in relatively small facilities such as hospitals, schools, and libraries, and CHP systems for general households (so-called micro CHP) have attracted attention. Yes.
  • Patent Document 1 describes a CHP system configured to obtain electric power by using combustion gas generated by a gas boiler or pellet boiler as thermal energy for a Rankine cycle device.
  • the evaporator of the Rankine cycle apparatus is disposed closer to the heat source than the heat exchanger for generating hot water, that is, upstream of the combustion gas flow path. According to this configuration, the heat input to the evaporator is increased, and the rotational power of the expander of the Rankine cycle device is increased, so that a larger electric power can be obtained.
  • the conventional CHP system has a problem that when the operation of the Rankine cycle device is stopped due to malfunctions of equipment such as an expander and a pump or leakage of working fluid, the operation of the entire system must be stopped.
  • the present invention aims to provide a CHP system capable of supplying thermal energy even when the operation of the Rankine cycle apparatus is stopped.
  • a heat source A Rankine cycle device having, as an evaporator for heating a working fluid, a first heat exchanger that absorbs heat energy generated by the heat source; A heat exchanger for heating a heat medium different from the working fluid of the Rankine cycle device, the heat exchanger being disposed closer to the heat source than the first heat exchanger, and generated by the heat source A second heat exchanger that absorbs and transfers to the heat medium; A combined heat and power system is provided.
  • the above CHP system can supply thermal energy even when the operation of the Rankine cycle apparatus is stopped.
  • FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing the positional relationship between the combustor, the first heat exchanger (evaporator), and the second heat exchanger in the cogeneration system shown in FIG. 5A. Positional relationship among the combustor, the first heat exchanger (evaporator), the second heat exchanger, and the third heat exchanger when the third heat exchanger of Modification 2 is added to the cogeneration system shown in FIG. 5A.
  • the first aspect of the present disclosure is: A heat source, A Rankine cycle device having, as an evaporator for heating a working fluid, a first heat exchanger that absorbs heat energy generated by the heat source; A heat exchanger for heating a heat medium different from the working fluid of the Rankine cycle device, the heat exchanger being disposed closer to the heat source than the first heat exchanger, and generated by the heat source A second heat exchanger that absorbs and transfers to the heat medium; A combined heat and power system is provided.
  • the evaporator (first heat exchanger) of the Rankine cycle apparatus is disposed at a position farther from the heat source than the second heat exchanger, heat energy is given to the evaporator.
  • the temperature of the medium eg, combustion gas
  • the heat medium can be heated by the second heat exchanger while preventing problems such as thermal damage of the evaporator and thermal decomposition of the working fluid of the Rankine cycle apparatus.
  • the second heat exchanger is in direct contact with the first heat exchanger or indirectly through a heat conducting member.
  • a heat conducting member Provide a combined heat and power system in contact with the vessel.
  • the second heat exchanger since the second heat exchanger is in direct contact with the evaporator (first heat exchanger) of the Rankine cycle apparatus directly or indirectly through the heat conducting member, the heat of the evaporator Is conducted to the second heat exchanger.
  • the heat medium is heated by the second heat exchanger with high efficiency while preventing problems such as thermal damage to the evaporator and thermal decomposition of the working fluid of the Rankine cycle device. it can.
  • the third aspect of the present disclosure provides the combined heat and power system, in addition to the first or second aspect, the heat source is a combustor that generates a flame and a combustion gas. If a combustor that generates flame and combustion gas is used as a heat source, high-temperature heat energy can be easily obtained. As a result, the power generation efficiency of the Rankine cycle device can be improved. Furthermore, the dimension of a 1st heat exchanger and a 2nd heat exchanger can be made small.
  • the combustion gas passes through the second heat exchanger and the first heat exchanger in this order so that the combustion gas is disposed on the combustion gas exhaust path.
  • a combined heat and power system in which one heat exchanger and the second heat exchanger are arranged. According to such a configuration, the first heat exchanger and the second heat exchanger can absorb heat energy directly from the combustion gas. Therefore, both the energy of the flame and the energy of the combustion gas are efficiently absorbed by the first heat exchanger and the second heat exchanger, and high energy utilization efficiency can be achieved.
  • a flow path connected to the second heat exchanger so that the heat medium flows through the second heat exchanger;
  • a combined heat and power system further comprising a flow rate regulator disposed in the flow path.
  • the Rankine cycle device includes a detector that detects a power generation amount, and the combined heat and power system includes the flow rate according to the power generation amount detected by the detector.
  • a combined heat and power system further comprising a control device for controlling a regulator. According to such a configuration, the electric output and the heat output can be freely and finely adjusted according to demand.
  • the second heat exchanger is heated by flowing the heat medium.
  • the heat medium According to such a configuration, it is possible to heat the heat medium with the second heat exchanger while preventing problems such as thermal damage of the first heat exchanger and thermal decomposition of the working fluid, thereby improving user convenience.
  • the combustor in addition to the third or fourth aspect, includes a plurality of divided combustors capable of generating the flame and the combustion gas independently of each other, and at least one of the divided combustors.
  • a cogeneration system is provided in which a positional relationship between the second heat exchanger and the plurality of divided combustors is determined so that the combustion gas generated in step 1 flows around the second heat exchanger.
  • a ninth aspect of the present disclosure in addition to any one of the first to eighth aspects, further includes a third heat exchanger disposed at a position farther from the heat source than the first heat exchanger,
  • the third heat exchanger provides a combined heat and power system that transfers heat energy generated by the heat source to the heat medium. If the 3rd heat exchanger is used, the remaining heat energy which could not be absorbed by the 1st heat exchanger and the 2nd heat exchanger among heat energy generated with the heat source can be collected. As a result, the utilization efficiency of the heat energy generated by the heat source is improved.
  • the third heat exchanger has the second heat so that the heat medium that has passed through the third heat exchanger flows into the second heat exchanger.
  • An eleventh aspect of the present disclosure provides the cogeneration system according to the second aspect, in which the heat conducting member is a heat pipe that indirectly contacts the first heat exchanger and the second heat exchanger. To do. If the heat pipe is used, heat transfer from the first heat exchanger to the second heat exchanger can be promoted.
  • a combined heat and power system 100 (hereinafter referred to as a CHP system) of the present embodiment includes a boiler 10, a Rankine cycle device 20, a first fluid circuit 30, a second fluid circuit 40, and a control device 50. ing.
  • the CHP system 100 is configured so that hot water and electric power can be obtained simultaneously or independently using thermal energy generated by the boiler 10. “Simultaneously” means that electric power can be supplied while supplying hot water. “Independently” means that the supply of hot water can be stopped and only electric power can be supplied, or the supply of electric power can be stopped and only hot water can be supplied.
  • the Rankine cycle device 20 When the Rankine cycle device 20 is operating, the electric power generated by the Rankine cycle device 20, the hot water generated by the first fluid circuit 30, and the hot water generated by the second fluid circuit 40 are supplied to the outside. it can. When the operation of the Rankine cycle device 20 is stopped, the hot water generated in the second fluid circuit 40 can be supplied to the outside.
  • the heat medium flowing through the first fluid circuit 30 is water.
  • the heat medium to be heated in the first fluid circuit 30 is not limited to water.
  • the first fluid circuit 30 may be configured to heat another heat medium such as brine or air.
  • the heat medium flowing through the second fluid circuit 40 is also water.
  • the heat medium to be heated in the second fluid circuit 40 is not limited to water.
  • the second fluid circuit 40 may be configured to heat another liquid phase heat medium such as brine.
  • the boiler 10 includes a combustion chamber 12 and a combustor 14 (combustor).
  • An exhaust port is provided in the upper part of the combustion chamber 12.
  • the combustor 14 is a heat source that generates a flame and combustion gas, and is disposed inside the combustion chamber 12.
  • the combustion gas generated in the combustor 14 travels upward in the internal space of the combustion chamber 12 and is discharged to the outside through the exhaust port. If the combustor 14 which produces
  • Other devices such as a blower may be disposed inside the boiler 10.
  • the boiler 10 is, for example, a gas boiler.
  • the combustor 14 is supplied with a fuel gas such as natural gas or biogas.
  • the combustor 14 generates a flame and a high-temperature combustion gas by burning the fuel gas.
  • the Rankine cycle device 20 includes an expander 21, a condenser 22, a pump 23, and an evaporator 24. These components are annularly connected in the above order by a plurality of pipes so as to form a closed circuit.
  • the Rankine cycle apparatus 20 may be provided with a known regenerator.
  • the expander 21 expands the working fluid heated by the boiler 10.
  • the expander 21 is, for example, a positive displacement or turbo expander. Examples of positive displacement expanders include scroll expanders, rotary expanders, screw expanders, and reciprocating expanders.
  • the turbo expander is a so-called expansion turbine.
  • a generator 26 is connected to the rotating shaft of the expander 21. The generator 26 is driven by the expander 21.
  • the Rankine cycle device 20 is provided with a detector 27 that detects the amount of power (kWe) generated by the generator 26.
  • the detector 27 is typically a wattmeter. Information regarding the power generation amount detected by the detector 27 is sent to the control device 50.
  • the condenser 22 cools the working fluid and heats the water by exchanging heat between the water in the first fluid circuit 30 and the working fluid discharged from the expander 21.
  • a known heat exchanger such as a plate heat exchanger, a double tube heat exchanger, a finned tube heat exchanger, or the like can be used.
  • the type of the condenser 22 is appropriately selected according to the type of the heat medium in the first fluid circuit 30.
  • the heat medium in the first fluid circuit 30 is a liquid such as water
  • a plate heat exchanger or a double tube heat exchanger can be suitably used for the condenser 22.
  • a finned tube heat exchanger can be suitably used for the condenser 22.
  • the pump 23 sucks and pressurizes the working fluid that has flowed out of the condenser 22, and supplies the pressurized working fluid to the evaporator 24.
  • a general positive displacement type or turbo type pump can be used.
  • the positive displacement pump include a piston pump, a gear pump, a vane pump, and a rotary pump.
  • turbo type pump include a centrifugal pump, a mixed flow pump, and an axial flow pump.
  • the evaporator 24 is a first heat exchanger that absorbs thermal energy from the combustion gas generated in the combustor 14. Specifically, the evaporator 24 is disposed inside the boiler 10 so as to be relatively far from the combustor 14. As shown in FIG. 2, a fin tube heat exchanger can be used as the evaporator 24.
  • the combustion gas generated in the combustor 14 and the working fluid of the Rankine cycle device 20 exchange heat in the evaporator 24. Thereby, the working fluid of Rankine cycle device 20 is heated and evaporated.
  • the evaporator 24 is also given the radiant heat of the flame simultaneously with the heat of the combustion gas.
  • Organic working fluid can be suitably used as the working fluid of the Rankine cycle device 20.
  • Organic working fluids include halogenated hydrocarbons, hydrocarbons, alcohols and the like.
  • the halogenated hydrocarbon include R-123 and R-245fa.
  • the hydrocarbon include alkanes such as propane, butane, pentane, and isopentane.
  • Examples of alcohol include ethanol.
  • These organic working fluids may be used alone or in combination of two or more.
  • an inorganic working fluid such as water, carbon dioxide, or ammonia can be used as the working fluid.
  • the first fluid circuit 30 is connected to the condenser 22 so that water flows through the condenser 22 of the Rankine cycle apparatus 20.
  • the water in the first fluid circuit 30 is heated by the working fluid discharged from the expander 21.
  • the first fluid circuit 30 When the heat medium to be heated through the first fluid circuit 30 is a liquid such as water, the first fluid circuit 30 can be formed by one or a plurality of pipes. When the heat medium to be heated through the first fluid circuit 30 is a gas such as air, the first fluid circuit 30 may be formed by an air passage or a duct for flowing the gas.
  • the second fluid circuit 40 includes a second heat exchanger 42, a flow path 44a, a flow path 44b, and a flow rate regulator 46.
  • the second heat exchanger 42 is disposed inside the boiler 10 so as to be in contact with the evaporator 24 at a position closer to the combustor 14 than the evaporator 24 of the Rankine cycle apparatus 20.
  • the second heat exchanger 42 absorbs thermal energy from the combustion gas generated by the combustor 14 and transmits it to water (heat medium). That is, the combustion gas generated in the combustor 14 and the water in the second fluid circuit 40 exchange heat in the second heat exchanger 42. Thereby, the water in the 2nd fluid circuit 40 is heated.
  • the second heat exchanger 42 is also given the radiant heat of the flame generated by the combustor 14. In some cases, the second heat exchanger 42 may be directly heated by a flame generated in the combustor 14.
  • the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40 are circuits that are independent of the working fluid circuit of the Rankine cycle device 20. That is, the fluid flowing through the first fluid circuit 30 and the working fluid of the Rankine cycle device 20 are not mixed, and the fluid flowing through the second fluid circuit 40 and the working fluid of the Rankine cycle device 20 are not mixed.
  • the second heat exchanger 42 is a heat exchanger for heating a heat medium (water in this embodiment) different from the working fluid of the Rankine cycle apparatus 20.
  • a finned tube heat exchanger can be used as the second heat exchanger 42.
  • the flow paths 44 a and 44 b are connected to the second heat exchanger 42 so that water flows through the second heat exchanger 42.
  • Each of the flow paths 44a and 44b can be formed by one or a plurality of pipes.
  • a flow controller 46 is disposed in the flow path 44a.
  • the flow regulator 46 is typically a flow regulating valve. By controlling the flow rate regulator 46, the amount of water flowing through the second heat exchanger 42 can be adjusted. That is, not only can the amount of hot water produced be adjusted according to the demand for hot water (heat), but also the ratio of the heat output (kWt) to the electric output (kWe) (thermoelectric ratio) can be adjusted to an optimal range. it can.
  • the thermoelectric ratio can be adjusted by appropriately designing the evaporator 24 and the second heat exchanger 42.
  • the evaporator 24 may have a relatively large capacity, and the second heat exchanger 42 may have a relatively small capacity.
  • the size of the evaporator 24 in the height direction can be increased, and the size of the second heat exchanger 42 in the height direction (combustion gas flow direction) can be decreased.
  • the number of stages of the heat transfer tubes 62a of the evaporator 24 in the height direction may be relatively increased, and the number of stages of the heat transfer tubes 62b of the second heat exchanger 42 in the height direction may be relatively decreased. it can. According to such a configuration, sufficient power generation capability can be imparted to the Rankine cycle device 20.
  • the evaporator 24 may have a relatively small capacity and the second heat exchanger 42 may have a relatively large capacity.
  • the dimension of the evaporator 24 in the height direction can be reduced, and the dimension of the second heat exchanger 42 in the height direction can be increased.
  • the number of stages of the heat transfer tubes 62a of the evaporator 24 in the height direction is relatively reduced, and the number of stages of the heat transfer tubes 62b of the second heat exchanger 42 in the height direction is relatively increased. it can. According to such a configuration, sufficient hot water supply capability can be imparted to the second heat exchanger 42.
  • the control device 50 controls controlled objects such as the pump 23 of the Rankine cycle device 20, the combustor 14 of the boiler 10, and the flow rate regulator 46 of the second fluid circuit 40.
  • a DSP Digital Signal Processor
  • the control device 50 stores a program for appropriately operating the CHP system 100.
  • the hot water generated in the first fluid circuit 30 can be supplied to facilities such as a faucet, a hot water heating circuit, and a hot water storage tank.
  • the 1st fluid circuit 30 may be used for the use which heats low temperature warm water, and may be used for the use which heats city water. These also apply to the second fluid circuit 40.
  • the second heat exchanger 42 of the second fluid circuit 40 is disposed closer to the combustor 14 than the evaporator 24 of the Rankine cycle apparatus 20. Accordingly, the second heat exchanger 42 is exposed to a relatively high temperature atmosphere and can absorb a large amount of heat energy. Therefore, the second fluid circuit 40 has a high hot water supply capability.
  • the thermal energy generated by the combustor 14 the remaining thermal energy that has not been absorbed by the second heat exchanger 42 is absorbed by the evaporator 24. Specifically, the combustion gas that has reached the evaporator 24 is cooled by the second heat exchanger 42 and has a relatively low temperature.
  • the temperature of the combustion gas flowing into the evaporator 24 can be lowered by flowing water through the second heat exchanger 42.
  • problems such as thermal damage of the evaporator 24, thermal decomposition of the working fluid, thermal decomposition of the lubricating oil, and excessive increase in internal pressure of the Rankine cycle device 20 due to thermal expansion of the working fluid can be prevented.
  • the second fluid circuit 40 can be used to generate hot water. In other words, even when the operation of the Rankine cycle apparatus 20 is stopped, the same operation as that of a normal hot water boiler can be performed in the CHP system 100.
  • the evaporator 24 of the Rankine cycle device 20 and the second heat exchanger 42 of the second fluid circuit 40 are in contact with each other inside the boiler 10. Therefore, the heat energy generated in the combustor 14 can be given to the water in the second heat exchanger 42 through the evaporator 24. Therefore, even if the evaporator 24 absorbs thermal energy in a state where the operation of the Rankine cycle device 20 is stopped (a state where the operation of the pump 23 is stopped), heat is transferred from the evaporator 24 to the second heat exchanger 42. Can conduct to water.
  • each of the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 is a fin tube heat exchanger, and the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 share a plurality of fins 61.
  • the evaporator 24 is formed by the upper half of the plurality of fins 61 and the heat transfer tube 62a.
  • the second heat exchanger 42 is formed by the lower half of the plurality of fins 61 and the heat transfer tubes 62b.
  • the heat transfer tube 62 a of the evaporator 24 does not communicate with the heat transfer tube 62 b of the second heat exchanger 42.
  • the working fluid flows through the heat transfer tube 62a, and the water flows through the heat transfer tube 62b.
  • the heat of the evaporator 24 can be efficiently conducted to the water flowing through the second heat exchanger 42 through the fins 61. Thereby, malfunctions, such as thermal damage of the evaporator 24, thermal decomposition of a working fluid, and thermal decomposition of lubricating oil, can be prevented.
  • the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 form a single heat exchange unit 60.
  • the heat exchange unit 60 is disposed inside the boiler 10 so as to be positioned directly above the combustor 14.
  • the plurality of fins 61 are arranged in the horizontal direction.
  • Each of the heat transfer tubes 62a and 62b penetrates the plurality of fins 61 in the horizontal direction.
  • a space formed between the fin 61 and the fin 61 forms an exhaust path for the combustion gas G.
  • the second heat exchanger 42 and the evaporator 24 are arranged on the exhaust path of the combustion gas G so that the combustion gas G passes through the second heat exchanger 42 and the evaporator 24 in this order. According to such a configuration, the second heat exchanger 42 and the evaporator 24 can directly absorb the thermal energy from the combustion gas G, so that high energy efficiency can be achieved.
  • the structures of the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 are not particularly limited as long as good heat conduction from the evaporator 24 to the second heat exchanger 42 can be achieved.
  • the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 may each be formed by meandering heat transfer tubes. In that case, the heat transfer tubes are in direct contact with each other. That is, it is desirable that the member constituting the evaporator 24 is in direct contact with the member constituting the second heat exchanger 42.
  • the second heat exchanger 42 is disposed at a position relatively near the combustor 14, and the evaporator 24 is disposed at a position relatively far from the combustor 14. According to this positional relationship, the heat input to the second heat exchanger 42 increases, and the amount of hot water supplied to the second fluid circuit 40 can be increased.
  • the first operation mode is an operation mode when the Rankine cycle device 20 is operated.
  • the second operation mode is an operation mode when the operation of the Rankine cycle device 20 is stopped.
  • the CHP system 100 can supply both hot water and electric power to the outside.
  • the pump 23 is moved to start the operation of the Rankine cycle apparatus 20, and water is started to flow through the first fluid circuit 30 at an appropriate timing.
  • supply of fuel to the combustor 14 is started at an appropriate timing, and the fuel is ignited.
  • the working fluid of the Rankine cycle apparatus 20 receives heat from the combustion gas in the evaporator 24 and changes into a superheated gas-phase working fluid.
  • the hot and gas phase working fluid is sent to the expander 21.
  • the pressure energy of the working fluid is converted into mechanical energy, and the generator 26 is driven. Thereby, electric power is generated in the generator 26.
  • the working fluid discharged from the expander 21 flows into the condenser 22.
  • the working fluid may maintain an overheated state at the outlet of the expander 21.
  • the working fluid is cooled and condensed in the condenser 22 by the water flowing through the first fluid circuit 30.
  • the water in the first fluid circuit 30 is heated by the working fluid.
  • Hot water is generated in the first fluid circuit 30, and the generated hot water is supplied to the outside.
  • the condensed working fluid is pressurized by the pump 23 and sent to the evaporator 24 again.
  • water starts flowing through the second fluid circuit 40 at an appropriate timing.
  • the water flowing through the second fluid circuit 40 is heated by the combustion gas. Hot water is also generated in the second fluid circuit 40, and the generated hot water is supplied to the outside.
  • the control device 50 controls the pump 23 and / or the flow rate regulator 46 according to the amount of power generation detected by the detector 27. According to such control, the electric output and the heat output can be freely and finely adjusted according to demand. For example, when a command to increase the electrical output is input to the control device 50 (that is, when the electrical output is to be increased), the control device 50 controls the pump 23 so that the circulation amount of the working fluid increases. Then, the flow rate regulator 46 is controlled so that the flow rate of water in the second fluid circuit 40 decreases. Specifically, the rotational speed of the pump 23 is increased and the opening degree of the flow rate regulator 46 is decreased.
  • control device 50 controls the pump 23 so that the circulation amount of the working fluid is reduced.
  • the flow rate regulator 46 is controlled so that the flow rate of water in the second fluid circuit 40 increases. Specifically, the rotational speed of the pump 23 is decreased and the opening degree of the flow rate regulator 46 is increased.
  • both control of the pump 23 and control of the flow rate regulator 46 may be executed, or only one of them may be executed.
  • the control device 50 controls the flow rate regulator 46 so that the flow rate of water in the second fluid circuit 40 increases. For example, when it is detected that the amount of power generation detected by the detector 27 has become zero, the control device 50 determines that an abnormality has occurred in the Rankine cycle device 20 and controls the flow rate regulator 46. Thereby, even when an unexpected failure or the like occurs in the Rankine cycle apparatus 20, problems such as thermal damage of the evaporator 24 and an excessive increase in the internal pressure of the Rankine cycle apparatus 20 can be prevented. When the boiler 10 is a gas boiler, the supply of fuel to the combustor 14 is stopped, so that problems such as thermal damage of the evaporator 24 can be prevented more reliably.
  • the supply of hot water from the second fluid circuit 40 can be stopped.
  • electric power is supplied from the Rankine cycle device 20 and hot water is supplied from the first fluid circuit 30.
  • the heat energy given to the evaporator 24 is indirectly from the heat energy given directly from the combustion gas and the second heat exchanger 42 via the fins 61. It is equal to the total heat energy with the given heat energy. That is, the evaporator 24 absorbs more heat energy and the working fluid can be heated to a higher temperature.
  • the power generation amount of the Rankine cycle device 20 is increased and the power generation efficiency is improved while preventing problems such as heat damage of the second heat exchanger 42.
  • Such operation is suitable when the demand for hot water is small and the demand for electric power is large.
  • ⁇ Second operation mode> In the second operation mode, the operation of the Rankine cycle device 20 is stopped, and the CHP system 100 can supply only hot water to the outside.
  • the second heat exchanger 42 can be heated by flowing water. Specifically, water is caused to flow through the second fluid circuit 40 so as to generate hot water using the second fluid circuit 40.
  • the second heat exchanger 42 directly absorbs the heat of the combustion gas and simultaneously absorbs the heat of the combustion gas indirectly through the evaporator 24. Thereby, hot water can be produced
  • the flow rate regulator 46 In the second operation mode, the flow rate regulator 46 is controlled to a fully open state, for example.
  • the CHP system 102 includes a first fluid circuit 30 and a second fluid circuit 40 connected in series with each other. That is, the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40 may be connected in series so that water heated through the first fluid circuit 30 is further heated through the second fluid circuit 40. Thereby, hotter hot water can be produced
  • the second fluid circuit 40 includes a flow path 44a, a second heat exchanger 42, and a flow path 44b.
  • the flow path 44 a branches from the first fluid circuit 30 at the branch position 31 and is connected to the inlet of the second heat exchanger 42.
  • the flow path 44 b is connected to the outlet of the second heat exchanger 42 and merges with the first fluid circuit 30 at the merge position 33.
  • a flow rate regulator 46 is disposed in a portion between the branch position 31 and the merge position 33. According to such a configuration, not only the total amount of water heated in the first fluid circuit 30 can be further heated by the second heat exchanger 42 but also a part of the water heated in the first fluid circuit 30. Only the second heat exchanger 42 can be further heated.
  • the pressure loss of water in the second heat exchanger 42 is relatively large, when the flow regulator 46 is fully opened, most of the water bypasses the second heat exchanger 42, and the second heat exchanger 42 Only a small amount of water flows.
  • the ratio of the amount of water that bypasses the second heat exchanger 42 to the amount of water that flows through the second heat exchanger 42 can be adjusted by the flow rate regulator 46. Therefore, the electric output and the heat output can be freely and finely adjusted according to demand.
  • an appropriate amount of water for example, the entire amount
  • thermal damage to the evaporator 24 and excessive increase in the internal pressure of the Rankine cycle device 20 will occur. Can be reliably prevented.
  • An on-off valve may be used in place of the flow rate regulator 46. This also applies to other variations.
  • the CHP system 104 includes a plurality of divided combustors 14 a, 14 b, and 14 c that can generate flames and combustion gases independently of each other as the combustor 14.
  • the positional relationship between the second heat exchanger 42 and the plurality of divided combustors 14a, 14b, and 14c is determined so that the combustion gas generated in the at least one divided combustor 14a flows away from the second heat exchanger 42. ing.
  • the second heat exchanger 42 exists immediately above some of the split combustors 14b and 14c, and the remaining split combustors 14a.
  • the second heat exchanger 42 does not exist immediately above.
  • the evaporator 24 exists right above the plurality of divided combustors 14a, 14b and 14c.
  • the projections of the second heat exchanger 42 overlap only on the divided combustors 14b and 14c.
  • the projection view of the evaporator 24 overlaps all the divided combustors 14a, 14b, and 14c.
  • the combustion gas G generated in the split combustor 14a substantially proceeds to the evaporator 24 while avoiding the second heat exchanger 42.
  • the combustion gas G can be sent directly to the evaporator 24. . Thereby, malfunctions, such as a heat damage of the 2nd heat exchanger 42, can be prevented. Furthermore, when the combustion gas G reaches the evaporator 24 at a high temperature, the power generation efficiency of the Rankine cycle device 20 can be improved.
  • the size of the divided combustors 14a, 14b and 14c (the size of the thermal power) is not particularly limited.
  • the thermal power of the split combustor 14a may be relatively small, and the total thermal power of the split combustors 14b and 14c may be relatively large. According to such a configuration, sufficient power generation capability can be imparted to the Rankine cycle device 20.
  • the thermal power of the split combustor 14a may be relatively large, and the total thermal power of the split combustors 14b and 14c may be relatively small. In this case, a sufficient amount of hot water can be supplied even when the operation of the Rankine cycle apparatus 20 is stopped. That is, sufficient heating capacity is exhibited.
  • the CHP system 104 includes a third heat exchanger 48.
  • the third heat exchanger 48 is disposed at a position farther from the combustor 14 than the evaporator 24 inside the boiler 10.
  • the third heat exchanger 48 is, for example, a fin tube heat exchanger.
  • the third heat exchanger 48 is not in direct contact with the evaporator 24, and an appropriately wide gap is secured between the third heat exchanger 48 and the evaporator 24.
  • the same heat medium as the second heat exchanger 42 that is, water flows through the third heat exchanger 48. In the third heat exchanger 48, the heat energy generated in the combustor 14 is transmitted to water.
  • the third heat exchanger 48 If the third heat exchanger 48 is used, the remaining heat energy that could not be absorbed by the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 among the heat energy generated by the combustor 14 can be recovered. As a result, the utilization efficiency of the heat energy generated by the combustor 14 is improved.
  • the third heat exchanger 48 is provided in the first fluid circuit 30 so as to further heat the water heated by the condenser 22 of the Rankine cycle apparatus 20.
  • the first fluid circuit 30 includes flow paths 32 a to 32 c and a third heat exchanger 48.
  • the water outlet of the condenser 22 and the inlet of the third heat exchanger 48 are connected by the flow path 32b. Therefore, the water flowing through the first fluid circuit 30 is heated by the working fluid of the Rankine cycle device 20 in the condenser 22 and then further heated by the residual heat of the combustion gas G in the third heat exchanger 48.
  • a flow path 32 c is connected to the outlet of the third heat exchanger 48. Hot water can be supplied to the outside through the flow path 32c.
  • the third heat exchanger 48 is connected to the second heat exchanger 42 so that the water that has passed through the third heat exchanger 48 flows into the second heat exchanger 42. According to such a configuration, relatively low temperature water flows through the third heat exchanger 48, and relatively high temperature water flows through the second heat exchanger 42. Therefore, more heat energy can be absorbed by the second heat exchanger 42 and the third heat exchanger 48. As a result, the utilization efficiency of the heat energy generated by the combustor 14 is improved.
  • the flow path 44a of the second fluid circuit 40 is branched from the flow path 32c of the first fluid circuit 30. That is, the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40 are connected in series. Further, the outlet of the second heat exchanger 42 and the flow path 32c are connected by the flow path 44b at the joining position 35 downstream of the branch position 34 between the flow path 32c and the flow path 44a.
  • the hot water flowing out from the second heat exchanger 42 is returned to the flow path 32c of the first fluid circuit 30 through the flow path 44b.
  • the water heated by the condenser 22 is further heated by the third heat exchanger 48 and the second heat exchanger 42. As a result, the utilization efficiency of the heat energy generated by the combustor 14 is further improved.
  • a flow rate regulator 46 is disposed in a portion between the branch position 34 and the merge position 35.
  • the flow rate regulator 46 By controlling the flow rate regulator 46, not only can the total amount of water heated in the first fluid circuit 30 be further heated by the second heat exchanger 42, but also one of the water heated in the first fluid circuit 30. Only the portion may be further heated by the second heat exchanger 42. Since the pressure loss of water in the second heat exchanger 42 is relatively large, when the flow regulator 46 is fully opened, most of the water bypasses the second heat exchanger 42, and the second heat exchanger 42 Only a small amount of water flows.
  • the ratio of the amount of water that bypasses the second heat exchanger 42 to the amount of water that flows through the second heat exchanger 42 can be adjusted by the flow rate regulator 46. Therefore, the electric output and the heat output can be freely and finely adjusted according to demand.
  • an appropriate amount of water is allowed to flow to the second heat exchanger 42 when the Rankine cycle apparatus 20 is stopped, problems such as thermal damage to the evaporator 24 and excessive rise in the internal pressure of the Rankine cycle apparatus 20 occur. It can be surely prevented.
  • the third heat exchanger 48 may be provided independently from the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40.
  • the third heat exchanger 48 may be a heat exchanger that can heat a heat medium different from the heat medium to be heated in the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40.
  • the third heat exchanger 48 may be provided in the CHP systems 100 and 102 described above.
  • the divided combustors 14a, 14b and 14c may be operated independently, or a plurality of combustors selected from the divided combustors 14a, 14b and 14c may be operated simultaneously. For example, when only the split combustor 14a is operated and the split combustors 14b and 14c are stopped, substantially only the evaporator 24 receives heat energy, and the Rankine cycle device 20 generates electric power and hot water. Further, when only the divided combustor 14b or 14c is operated, only the second heat exchanger 42 substantially receives the heat energy and only hot water is generated. That is, by controlling the combustor 14 according to the demand for hot water and the demand for electric power, the electric output and the heat output can be freely adjusted, and the convenience for the user is improved.
  • the CHP system 106 includes a cylindrical combustor as the combustor 14. Flames and combustion gases are generated on the surface of the cylindrical combustor 14. A heat exchanger (second heat exchanger 42 in the present modification) is disposed around the combustor 14 so as to surround the combustor 14. The combustion gas G flows radially, passes through the heat exchanger, and is exhausted to the outside. At this time, the water flowing through the heat exchanger receives heat energy from the flame and the combustion gas and becomes hot water.
  • the boiler having such a structure is mainly spread in Europe, and is provided, for example, by VIESSMANN in Germany.
  • a heat transfer tube as a second heat exchanger 42 is disposed around the cylindrical combustor 14.
  • the heat transfer tube as the second heat exchanger 42 is formed in a spiral shape and surrounds the combustor 14 at a position slightly away from the combustor 14.
  • a heat transfer tube as the evaporator 24 is disposed at a position farther from the combustor 14 than the second heat exchanger 42.
  • the heat transfer tube as the evaporator 24 is also formed in a spiral shape.
  • the second heat exchanger 42 and the evaporator 24 are not in direct contact.
  • a part of the heat transfer tube as the second heat exchanger 42 may be in direct contact with a part of the heat transfer tube of the evaporator 24, and in this case, heat transfer from the evaporator 24 to the second heat exchanger 42.
  • the second heat exchanger 42 faces the cylindrical outer peripheral surface of the combustor 14, but the evaporator 24 does not face the cylindrical outer peripheral surface of the combustor 14.
  • a partition plate 80 is disposed on the end face of the combustor 14. The partition plate 80 extends toward the inner peripheral surface of the second heat exchanger 42 and regulates the flow path of the combustion gas G. The partition plate 80 may be in contact with the second heat exchanger 42.
  • the third heat exchanger 48 described with reference to FIG. 4 may be provided in the CHP system 106 shown in FIG. 5A.
  • the heat transfer tube as the third heat exchanger 48 is disposed in the combustion chamber 12 at a position farther from the combustor 14 than the evaporator 24.
  • the heat transfer tube as the third heat exchanger 48 is also formed in a spiral shape.
  • a partition plate 81 is additionally provided so as to partially partition the space around the evaporator 24 and the space around the third heat exchanger 48.
  • a partition plate 82 is additionally provided so that the combustion gas G flows outward in the radial direction from the vicinity of the center of the spirally formed third heat exchanger 48.
  • the combustion gas G blows out radially outward from the combustor 14, and passes through the space around the second heat exchanger 42, the space around the evaporator 24, and the space around the third heat exchanger 48 in this order. Flowing.
  • the water heated by the third heat exchanger 48 can be further heated by the second heat exchanger 42.
  • the first fluid circuit 30 is connected in series to the second fluid circuit 40 as in the CHP system 102 of the modification 1. Also in this modification, by controlling the flow rate regulator 46, not only can the total amount of water heated in the first fluid circuit 30 be further heated by the second heat exchanger 42, Only a part of the heated water can be further heated by the second heat exchanger 42. Therefore, similar to the CHP system 102 of the first modification, hot water having a higher temperature can be generated. The electric output and heat output can be freely and finely adjusted according to demand.
  • the CHP system 108 includes a pellet boiler instead of the gas boiler as the boiler 10.
  • the combustor 14 generates a high-temperature combustion gas by burning solid fuel such as wood pellets, coal, and biomass.
  • the boiler 10 includes a flue 15 disposed just above the combustor 14.
  • the flue is a passage for the combustion gas G and extends from the combustor 14 toward the exhaust port.
  • the second heat exchanger 42, the evaporator 24, and the third heat exchanger 48 are arranged in this order from a position close to the combustor 14.
  • the second heat exchanger 42, the evaporator 24, and the third heat exchanger 48 can each be configured by a heat transfer tube wound around the flue 15.
  • the heat transfer tube as the second heat exchanger 42 is in direct contact with the heat transfer tube as the evaporator 24. Therefore, also in the CHP system 108 according to this modification, the same function as the CHP system 100 described with reference to FIG. 1 is exhibited, and the same effect is obtained.
  • the first fluid circuit 30 is connected in series to the second fluid circuit 40 in the same manner as the CHP system 104 of Modification 2 or the CHP system 106 of Modification 3.
  • the configuration of the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40 in this modification is the same as the configuration of the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40 in Modification 2 or Modification 3. Therefore, with respect to the first fluid circuit 30 and the second fluid circuit 40, the same effects as those of Modification 2 and Modification 3 can be obtained in this modification.
  • the CHP system 110 according to the modified example 5 also includes a pellet boiler as the boiler 10.
  • the difference between this modification and Modification 4 is the positional relationship between the flue 15, the evaporator 24, and the second heat exchanger 42.
  • the second heat exchanger 42 is disposed at a position relatively near the flue 15, and the evaporator 24 is disposed at a position relatively far from the flue 15.
  • a heat transfer tube as the second heat exchanger 42 is disposed around the flue 15.
  • a heat transfer tube as the second heat exchanger 42 is wound around the flue 15.
  • the heat transfer tube as the evaporator 24 is disposed outside the second heat exchanger 42 in the radial direction of the flue 15.
  • a heat transfer tube as the evaporator 24 is wound around the second heat exchanger 42.
  • the heat transfer tube as the second heat exchanger 42 and the heat transfer tube as the evaporator 24 are in contact with each other in the radial direction of the flue 15.
  • Each of the heat transfer tube as the second heat exchanger 42 and the heat transfer tube as the evaporator 24 has a spiral shape and extends in the vertical direction along the flue 15.
  • a set of the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 is disposed around each of the plurality of flues 15.
  • the inlet of the second heat exchanger 42 is positioned relatively far from the combustor 14 so that the flow direction of the combustion gas G in the flue 15 and the flow direction of the heat medium in the second heat exchanger 42 face each other (
  • the outlet of the second heat exchanger 42 is formed at a position relatively close to the combustor 14 (upstream portion of the flue 15). Thereby, efficient heat exchange is performed between the combustion gas G flowing through the flue 15 and the heat medium flowing through the second heat exchanger 42. This also applies to the evaporator 24.
  • the boiler 10 is a pellet boiler
  • not only the distance from the combustor 14 but also the distance from the flue 15 is a factor that affects the amount of heat input to the evaporator 24 and the second heat exchanger 42.
  • the flue 15 is regarded as a heat source
  • the second heat exchanger 42 is disposed closer to the heat source than the evaporator 24. Also in this modification, the same effects as those of the CHP systems 100 to 108 described above can be obtained.
  • the evaporator 24 is in contact with the second heat exchanger 42, and the evaporator 24 may be separated from the second heat exchanger 42.
  • a gap formed between the evaporator 24 and the third heat exchanger 48 may be secured between the evaporator 24 and the second heat exchanger 42.
  • the evaporator 24 may be in contact with the second heat exchanger 42 indirectly through a heat conducting member.
  • the heat conducting member is a member that thermally connects the evaporator 24 and the second heat exchanger 42.
  • An example of the heat conducting member is a heat pipe.
  • the 8A is formed by the evaporator 24, the second heat exchanger 42, and the heat pipe 54.
  • the evaporator 24 is disposed immediately above the second heat exchanger 42.
  • the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 face each other.
  • a gap with a certain width is secured between the evaporator 24 and the second heat exchanger 42.
  • a heat pipe 54 that indirectly contacts the evaporator 24 and the second heat exchanger 42 is provided so that the heat of the evaporator 24 is sufficiently conducted to the second heat exchanger 42.
  • Such a heat pipe 54 is often used to facilitate heat transfer from one object to another.
  • the heat pipe 54 can be composed of a pipe made of a material having excellent thermal conductivity and a volatile medium enclosed in the pipe. By heating one end of the pipe and cooling the other, a cycle of evaporation of the volatile medium and condensation of the medium occurs in the pipe. As a result, heat is transferred from one end of the pipe to the other end.
  • the heat pipe 54 has a heat receiving portion 54a and a heat radiating portion 54b.
  • the heat receiving part 54a and the heat radiating part 54b are in direct contact with the evaporator 24 and the second heat exchanger 42, respectively.
  • the heat receiving part 54 a passes through the fins of the evaporator 24, and the heat receiving part 54 a is fixed to the evaporator 24.
  • the heat dissipating part 54b passes through the fins of the second heat exchanger 42, whereby the heat dissipating part 54b is fixed to the second heat exchanger 42. According to such a configuration, heat transfer from the evaporator 24 to the second heat exchanger 42 can be promoted.
  • the heat pipe 54 can be used.
  • the CHP system disclosed in the present specification can heat a heat medium such as water even when the operation of the Rankine cycle apparatus is stopped.
  • a CHP system is particularly suitable for use in cold regions where it is customary to make hot water for room heating with a boiler. That is, according to the technology disclosed in the present specification, the hot water supply capability of the CHP system can be increased, and even if the Rankine cycle device breaks down for some reason, indoor heating can be continued.

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）に近い位置に配置されており、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

熱電併給システム
　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、熱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熱交換器を作動流体を加熱するための蒸発器として有するランキンサイクル装置と、
　前記ランキンサイクル装置の前記作動流体とは異なる熱媒体を加熱するための熱交換器であって、前記第１熱交換器よりも前記熱源に近い位置に配置され、前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収して前記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、熱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２の第３熱交換器を図５Ａに示す熱電併給システムに追加したときの、燃焼器、第１熱交換器（蒸発器）、第２熱交換器及び第３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熱交換器を作動流体を加熱するための蒸発器として有するランキンサイクル装置と、
　前記ランキンサイクル装置の前記作動流体とは異なる熱媒体を加熱するための熱交換器であって、前記第１熱交換器よりも前記熱源に近い位置に配置され、前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収して前記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蒸発器（第１熱交換器）が第２熱交換器よりも熱源から離れた位置に配置されているので、蒸発器に熱エネルギーを与える媒体（例えば、燃焼ガス）の温度を低下させることができる。その結果、ランキンサイクル装置の運転が停止したとしても、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しつつ、第２熱交換器で熱媒体を加熱できる。
　本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記第２熱交換器は、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、ランキンサイクル装置の運転が停止したとしても、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しつつ、高効率に第２熱交換器で熱媒体を加熱できる。
　本開示の第３態様は、第１又は第２態様に加え、前記熱源は、火炎及び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、火炎及び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。さらに、第１熱交換器及び第２熱交換器の寸法を小さくすることができる。
　本開示の第４態様は、第３態様に加え、前記燃焼ガスが前記第２熱交換器及び前記第１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、第１熱交換器及び第２熱交換器は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、火炎のエネルギー及び燃焼ガスのエネルギーの両方が第１熱交換器及び第２熱交換器に効率よく吸収され、高いエネルギー利用効率を達成できる。
　本開示の第５態様は、第１～第４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６態様は、第５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７態様は、第１～第６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８態様は、第３又は第４態様に加え、前記燃焼器は、互いに独立して前記火炎及び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２熱交換器を避けて流れるように前記第２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、第１熱交換器に燃焼ガスを直接送り込めるため、第１熱交換器に到達する燃焼ガスの温度を高めることができる。第１熱交換器に与えられる熱量も増加させることができる。その結果、ランキンサイクル装置の発電量を増加させることができるとともに、発電効率を向上させることができる。
　本開示の第９態様は、第１～第８態様のいずれか１つに加え、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１０態様は、第９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１１態様は、第２態様に加え、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、火炎及び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で生成された燃焼ガスは、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、火炎及び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、火炎と高温の燃焼ガスとを生成する。
　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で生成された燃焼ガスから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から遠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。また、蒸発器２４には、燃焼ガスの熱と同時に火炎の輻射熱も与えられる。
　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に近い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。第２熱交換器４２は、燃焼器１４で生成された燃焼ガスから熱エネルギーを吸収して水（熱媒体）に伝達する。つまり、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。第２熱交換器４２にも、燃焼器１４で生成された火炎の輻射熱が与えられる。場合によっては、第２熱交換器４２は、燃焼器１４で生成された火炎によって直接加熱されてもよい。
　第１流体回路３０及び第２流体回路４０は、それぞれ、ランキンサイクル装置２０の作動流体回路から独立した回路である。つまり、第１流体回路３０を流れる流体とランキンサイクル装置２０の作動流体とが混ざることはなく、第２流体回路４０を流れる流体とランキンサイクル装置２０の作動流体とが混ざることもない。第２熱交換器４２は、ランキンサイクル装置２０の作動流体とは異なる熱媒体（本実施形態では水）を加熱するための熱交換器である。
　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、第２流体回路４０の第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に近い位置に配置されている。従って、第２熱交換器４２は、相対的に高い温度の雰囲気にさらされて、多くの熱エネルギーを吸収することができる。故に、第２流体回路４０は、高い温水供給能力を有する。他方、燃焼器１４で生成された熱エネルギーのうち、第２熱交換器４２に吸収されなかった残りの熱エネルギーが蒸発器２４に吸収される。詳細には、蒸発器２４に到達した燃焼ガスは、第２熱交換器４２によって冷却されており、相対的に低温である。つまり、本実施形態によれば、ランキンサイクル装置２０が停止している場合においても、第２熱交換器４２に水を流すことによって、蒸発器２４に流入する燃焼ガスの温度を下げることができる。その結果、蒸発器２４の熱損傷、作動流体の熱分解、潤滑油の熱分解、作動流体の熱膨張によるランキンサイクル装置２０の内部圧力の過上昇などの不具合を防止できる。同時に、第２流体回路４０を使用して温水を生成できる。言い換えれば、ランキンサイクル装置２０の運転が停止している場合でも、通常の温水ボイラーと同じ運転がＣＨＰシステム１００で実行されうる。
　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の熱損傷、作動流体の熱分解、潤滑油の熱分解、作動流体の熱膨張によるランキンサイクル装置２０の内部圧力の過上昇などの不具合を確実に防止できる。加えて、熱エネルギーの回収効率の向上も期待できる。
　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の上半分及び伝熱管６２ａによって蒸発器２４が形成されている。複数のフィン６１の下半分及び伝熱管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が第２熱交換器４２及び蒸発器２４をこの順番で通過するように、燃焼ガスＧの排気経路上に第２熱交換器４２及び蒸発器２４が配置されている。このような構成によれば、第２熱交換器４２及び蒸発器２４が燃焼ガスＧから直接的に熱エネルギーを吸収することができるので、高いエネルギー効率を達成できる。
　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。
　本実施形態では、第２熱交換器４２が相対的に燃焼器１４の近くの位置に配置され、蒸発器２４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、第２熱交換器４２への熱入力が増加し、第２流体回路４０の温水の供給量を増やすことができる。
　また、本実施形態では、第２流体回路４０に水を流さない場合においても、フィン６１を介して、第２熱交換器４２から蒸発器２４に熱が伝達されうる。これにより、蒸発器２４の入熱量を増加させることができる。また、第２流体回路４０に水を流さない場合には、蒸発器２４により高温の燃焼ガスＧを供給できる。結果として、ランキンサイクル装置２０の発電量の増加及び発電効率の向上を期待できる。
　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の異常を検出した場合、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出した場合に、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、ランキンサイクル装置２０の内部圧力の過上昇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の熱損傷などの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。
　また、温水の需要が少ない場合には、第２流体回路４０からの温水供給を停止することも可能である。この場合、ランキンサイクル装置２０から電力が供給され、第１流体回路３０から温水が供給される。第２流体回路４０に水を流していないため、蒸発器２４に与えられる熱エネルギーは、燃焼ガスから直接的に与えられる熱エネルギーと、フィン６１を介して第２熱交換器４２から間接的に与えられる熱エネルギーとの合計の熱エネルギーに等しい。すなわち、蒸発器２４は、より多くの熱エネルギーを吸収し、作動流体は、より高い温度に加熱されうる。その結果、第２熱交換器４２の熱損傷などの不具合を防止しつつ、ランキンサイクル装置２０の発電量は増加し、さらには発電効率も向上する。このような運転は、温水の需要が少なく、電力の需要が多い場合に適している。
<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、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適切な量の水（例えば全量）を第２熱交換器４２に流せば、蒸発器２４の熱損傷、ランキンサイクル装置２０の内部圧力の過上昇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、互いに独立して火炎及び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で生成された燃焼ガスが第２熱交換器４２を避けて流れるように第２熱交換器４２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の真上には第２熱交換器４２が存在しており、残りの分割燃焼器１４ａの真上には第２熱交換器４２が存在していない。他方、蒸発器２４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、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、分割燃焼器１４ｂ及び１４ｃの上にのみ第２熱交換器４２の投影図が重なる。蒸発器２４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の上に蒸発器２４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、実質的に第２熱交換器４２を避けて、蒸発器２４に向かって進む。第１流体回路３０で生成された温水の量及び温度が十分であり、第２流体回路４０で温水を追加的に加熱する必要が無い場合、蒸発器２４に直接燃焼ガスＧを送ることができる。これにより、第２熱交換器４２の熱損傷などの不具合を防止できる。さらに、燃焼ガスＧが高温のまま蒸発器２４に到達することにより、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。
　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、蒸発器２４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は蒸発器２４に直接的には接触しておらず、第３熱交換器４８と蒸発器２４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適切な量の水を第２熱交換器４２に流せば、蒸発器２４の熱損傷、ランキンサイクル装置２０の内部圧力の過上昇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。第３熱交換器４８は、先に説明したＣＨＰシステム１００及び１０２に設けられていてもよい。
　分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃは、それぞれ、単独で動作させてもよいし、分割燃焼器１４ａ，１４ｂ及び１４ｃから選ばれる複数の燃焼器を同時に動作させてもよい。例えば、分割燃焼器１４ａのみを動作させ、分割燃焼器１４ｂ及び１４ｃを停止した場合、実質的に蒸発器２４のみが熱エネルギーを受け取り、ランキンサイクル装置２０によって電力及び温水が生成される。また、分割燃焼器１４ｂ又は１４ｃのみを動作させた場合、実質的に第２熱交換器４２のみが熱エネルギーを受け取り、温水のみが生成される。つまり、温水の需要及び電力の需要に応じて燃焼器１４を制御することによって、電気出力及び熱出力を自由に調整することができ、ひいてはユーザの利便性が向上する。
（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の表面で火炎及び燃焼ガスが生成される。燃焼器１４の周囲には、燃焼器１４を包囲するように熱交換器（本変形例における第２熱交換器４２）が配置されている。燃焼ガスＧは、放射状に流れ、熱交換器を通過して外部に排気される。このとき、熱交換器を流れる水が火炎及び燃焼ガスから熱エネルギーを受け取って温水となる。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、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、第２熱交換器４２よりも燃焼器１４から離れた位置に蒸発器２４としての伝熱管が配置されている。蒸発器２４としての伝熱管も螺旋状に成形されている。図５Ｂにおいて、第２熱交換器４２と蒸発器２４とは直接接していない。ただし、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いてもよく、この場合、蒸発器２４から第２熱交換器４２への熱移動が可能である。本変形例では、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るが、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、第２熱交換器４２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、第２熱交換器４２に接していてもよい。
　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、第２熱交換器４２の周囲の空間及び蒸発器２４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。
　また、図４を参照して説明した第３熱交換器４８が図５Ａに示すＣＨＰシステム１０６に設けられていてもよい。この場合、図５Ｃに示すように、第３熱交換器４８としての伝熱管は、燃焼チャンバ１２の内部において、蒸発器２４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としての伝熱管も螺旋状に成形されている。蒸発器２４の周囲の空間と第３熱交換器４８の周囲の空間とを部分的に仕切るように、仕切り板８１が追加的に設けられている。螺旋状に成形された第３熱交換器４８の中央付近から半径方向の外向きに燃焼ガスＧが流れるように、仕切り板８２が追加的に設けられている。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、第２熱交換器４２の周囲の空間、蒸発器２４の周囲の空間及び第３熱交換器４８の周囲の空間をこの順番で流れる。第３熱交換器４８で加熱された水が第２熱交換器４２でさらに加熱されうる。
　図５Ａに示すように、本変形例のＣＨＰシステム１０６においても、変形例１のＣＨＰシステム１０２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、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。従って、変形例１のＣＨＰシステム１０２と同様に、より高温の温水を生成することができる。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もできる。また、ランキンサイクル装置２０が停止しているときに適切な量の水を第２熱交換器４２に流せば、蒸発器２４の熱損傷、ランキンサイクル装置２０の内部圧力の過上昇などの不具合を確実に防止できる。
（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。第２熱交換器４２、蒸発器２４及び第３熱交換器４８は、燃焼器１４に近い位置からこの順番で配置されている。第２熱交換器４２、蒸発器２４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。第２熱交換器４２としての伝熱管は、蒸発器２４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２のＣＨＰシステム１０４又は変形例３のＣＨＰシステム１０６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。本変形例における第１流体回路３０及び第２流体回路４０の構成は、変形例２又は変形例３における第１流体回路３０及び第２流体回路４０の構成と同じである。従って、第１流体回路３０及び第２流体回路４０に関して、本変形例においても、変形例２及び変形例３と同じ効果が得られる。
（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、第２熱交換器４２が相対的に煙道１５の近くの位置に配置され、蒸発器２４が相対的に煙道１５から遠くの位置に配置されている。第２熱交換器４２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、第２熱交換器４２としての伝熱管が煙道１５に巻き付けられている。蒸発器２４としての伝熱管は、煙道１５の半径方向において、第２熱交換器４２の外側に配置されている。詳細には、蒸発器２４としての伝熱管が第２熱交換器４２に巻き付けられている。第２熱交換器４２としての伝熱管及び蒸発器２４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。第２熱交換器４２としての伝熱管及び蒸発器２４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の流れ方向と第２熱交換器４２における熱媒体の流れ方向とが対向するように、第２熱交換器４２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、第２熱交換器４２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と第２熱交換器４２を流れる熱媒体との間で効率的な熱交換が行われる。このことは、蒸発器２４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、第２熱交換器４２は、蒸発器２４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に接していることは必須ではなく、蒸発器２４が第２熱交換器４２から離れていてもよい。例えば、蒸発器２４と第２熱交換器４２との間には、蒸発器２４と第３熱交換器４８との間に形成されているような隙間が確保されていてもよい。蒸発器２４が第２熱交換器４２に接している場合においても、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。第２熱交換器４２の真上に蒸発器２４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、本明細書に開示された技術によれば、ＣＨＰシステムの温水供給能力を増強することができ、さらに、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 (11)

  1. 　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熱交換器を作動流体を加熱するための蒸発器として有するランキンサイクル装置と、
    　前記ランキンサイクル装置の前記作動流体とは異なる熱媒体を加熱するための熱交換器であって、前記第１熱交換器よりも前記熱源に近い位置に配置され、前記熱源で生成された熱エネルギーを吸収して前記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。
  2. 　前記第２熱交換器は、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熱交換器に接している、請求項１に記載の熱電併給システム。
  3. 　前記熱源は、火炎及び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。
  4. 　前記燃焼ガスが前記第２熱交換器及び前記第１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３に記載の熱電併給システム。
  5. 　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。
  6. 　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５に記載の熱電併給システム。
  7. 　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。
  8. 　前記燃焼器は、互いに独立して前記火炎及び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２熱交換器を避けて流れるように前記第２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３に記載の熱電併給システム。
  9. 　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。
  10. 　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９に記載の熱電併給システム。
  11. 　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２に記載の熱電併給システム。
     
     
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