(57)【要約】【課題】スターリングエンジンを動力源とする発電装置と、シスターンから暖房端末に熱媒体を供給する暖房回路と、エンジンクーラ部を冷却すると共にエンジンバーナ部の廃熱を回収する廃熱回収回路とを備えるコージェネレーションシステムにおいて、暖房回路に流れる熱媒体の流量変動でエンジンクーラ部の冷却能力が変動することを抑制して、スターリングエンジンを安定して稼働できるようにする。【解決手段】シスターンの熱媒体の戻り口に分岐管１０が接続される。分岐管１０は、廃熱回収回路の下流端６ｂが接続される第１流入ポート１０ｃと、暖房回路の下流端５ｂが接続される第２流入ポート１０ｄと、廃熱回収回路の上流端６ａが接続される流出ポート１０ｆとを有し、流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄが戻り口に対し第１流入ポート１０ｃよりも離れた位置に形成される。また、暖房回路と廃熱回収回路とに夫々各別のポンプが介設される。【選択図】図２
2010127501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スターリングエンジンを動力源とする発電装置と、シスターンと、シスターンから暖房端末に熱媒体を供給する暖房回路と、スターリングエンジンのクーラ部を冷却すると共にスターリングエンジンのバーナ部の廃熱を回収する廃熱回収回路とを備え、暖房端末を通過した熱媒体を廃熱回収回路を介してシスターンに戻すようにしたコージェネレーションシステムにおいて、
シスターンの熱媒体の戻り口に分岐管が接続され、分岐管は、戻り口に連通する共通の管内通路から分岐した、廃熱回収回路の下流端が接続される第１流入ポートと、暖房回路の下流端が接続される第２流入ポートと、廃熱回収回路の上流端が接続される流出ポートとを有し、流出ポート及び第２流入ポートが戻り口に対し第１流入ポートよりも離れた位置に形成され、
暖房回路と廃熱回収回路とに夫々各別のポンプが介設されることを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記流出ポート及び前記第２流入ポートは、これら両ポートの軸線が同一平面上に位置するように形成されることを特徴とする請求項１記載のコージェネレーションシステム。
【請求項３】
前記流出ポート及び前記第２流入ポートは、これら両ポートの軸線が同一直線上に位置するように形成されることを特徴とする請求項２記載のコージェネレーションシステム。
【請求項４】
前記暖房端末として、低温端末と高温端末とが設けられ、前記暖房回路は、暖房回路に介設する前記ポンプの下流側で低温端末に熱媒体を供給する低温暖房回路と、高温端末に熱媒体を供給する高温暖房回路とに分岐され、高温暖房回路に、熱媒体を加熱する暖房用熱源機の熱交換器が介設されると共に、熱交換器の下流側で高温暖房回路とシスターンとを接続するバイパス路が設けられ、前記分岐管の前記流出ポート及び前記第２流入ポートよりも前記戻り口に近い位置に、バイパス路の下流端が接続される第３流入ポートが形成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載のコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置の廃熱を暖房に利用するコージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のコージェネレーションシステムとして、スターリングエンジンを動力源とする発電装置と、シスターンと、シスターンから暖房端末に熱媒体を供給する暖房回路と、スターリングエンジンのクーラ部を冷却すると共にスターリングエンジンのバーナ部の廃熱を回収する廃熱回収回路とを備え、暖房端末を通過した熱媒体を廃熱回収回路を介してシスターンに戻すようにしたものが知られている(例えば、特許文献１参照)。このものでは、暖房回路にポンプを介設し、シスターンからポンプによって暖房端末に熱媒体を供給すると共に、暖房端末を通過した熱媒体の全量を廃熱回収回路を介してシスターンに戻している。
【０００３】
また、暖房端末として、床暖房等の低温端末と浴室暖房乾燥機等の高温端末とが設けられる場合は、ポンプの下流側で暖房回路を低温端末に熱媒体を供給する低温暖房回路と、高温端末に熱媒体を供給する高温暖房回路とに分岐させ、高温暖房回路に、熱媒体を加熱する暖房用熱源機の熱交換器を介設すると共に、熱交換器の下流側で高温暖房回路とシスターンとを接続するバイパス路を設けている。そして、高温端末の運転時には、熱交換器で熱媒体を補助的に加熱し、低温端末の単独運転時でも暖房負荷が大きいときは、熱交換器で熱媒体を補助的に加熱し、加熱された熱媒体をバイパス路を介してシスターンに戻している。
【０００４】
ところで、暖房回路に流れる熱媒体の流量は暖房負荷に応じて変動する。そして、上記従来例のものでは、暖房回路に流れる熱媒体の流量変動で廃熱回収回路に流れる熱媒体の流量も変動してしまう。この流動変動により、スターリングエンジンのクーラ部の冷却能力が変動してしまい、スターリングエンジンの稼働状態が不安定になる不具合がある。
【特許文献１】特開２００７−１１３７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑み、暖房回路に流れる熱媒体の流量変動でスターリングエンジンのクーラ部の冷却能力が変動することを抑制して、スターリングエンジンを安定して稼働できるようにしたコージェネレーションシステムを提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、スターリングエンジンを動力源とする発電装置と、シスターンと、シスターンから暖房端末に熱媒体を供給する暖房回路と、スターリングエンジンのクーラ部を冷却すると共にスターリングエンジンのバーナ部の廃熱を回収する廃熱回収回路とを備え、暖房端末を通過した熱媒体を廃熱回収回路を介してシスターンに戻すようにしたコージェネレーションシステムにおいて、シスターンの熱媒体の戻り口に分岐管が接続され、分岐管は、戻り口に連通する共通の管内通路から分岐した、廃熱回収回路の下流端が接続される第１流入ポートと、暖房回路の下流端が接続される第２流入ポートと、廃熱回収回路の上流端が接続される流出ポートとを有し、流出ポート及び第２流入ポートが戻り口に対し第１流入ポートよりも離れた位置に形成され、暖房回路と廃熱回収回路とに夫々各別のポンプが介設されることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、廃熱回収回路で廃熱を回収して高温となった熱媒体は第１流入ポートから分岐管の管内通路と戻り口とを介してシスターンに戻され、シスターンを介して暖房回路に供給される。一方、流出ポート及び第２流入ポートは戻り口に対し第１流入ポートよりも離れているため、暖房端末を通過して低温になった熱媒体は第２流入ポートから流出ポートを介して廃熱回収回路に吸い込まれる。即ち、廃熱回収回路には低温の熱媒体が供給される。更に、暖房回路に流れる熱媒体の流量が暖房回路に介設したポンプの制御で暖房負荷に応じて変動しても、廃熱回収回路に流れる熱媒体の流量は、廃熱回収回路に介設したポンプにより一定にすることができる。従って、廃熱回収回路に一定流量で低温の熱媒体を供給することができ、スターリングエンジンのクーラ部の冷却能力が変動することを抑制して、スターリングエンジンを安定して稼働することができる。
【０００８】
また、本発明において、流出ポート及び第２流入ポートは、これら両ポートの軸線が同一平面上に位置するように形成されることが望ましい。これによれば、第２流入ポートからの低温の熱媒体が流出ポートにスムーズに流れ、第２流入ポートと流出ポートとの間での圧力損失が低減される。尚、流出ポート及び第２流入ポートをこれら両ポートの軸線が同一直線上に位置するように形成すれば、圧力損失を可及的に低減できる。
【０００９】
ところで、暖房端末として、低温端末と高温端末とを設ける場合は、上記従来例と同様に、暖房回路を、暖房回路に介設するポンプの下流側で低温端末に熱媒体を供給する低温暖房回路と、高温端末に熱媒体を供給する高温暖房回路とに分岐し、高温暖房回路に、熱媒体を加熱する暖房用熱源機の熱交換器を介設すると共に、熱交換器の下流側で高温暖房回路とシスターンとを接続するバイパス路を設ける。この場合、分岐管の流出ポート及び第２流入ポートよりも戻り口に近い位置に、バイパス路の下流端が接続される第３流入ポートを形成することが望ましい。これによれば、バイパス路からの高温の熱媒体が第３流入口から流出口に流れることを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の実施形態のコージェネレーションシステムを示している。このシステムは、スターリングエンジン２を動力源とする発電装置１の廃熱を利用して暖房を行うものである。
【００１１】
スターリングエンジン２は、図示しないが、シリンダ内に軸方向往復振動するディスプレーサとピストンとを設けて、シリンダヘッドとディスプレーサとの間に画成される高温室とディスプレーサとピストンの間に画成される低温室とを接続する流路に、再生器と低温室側のクーラ部２ａとを介設すると共に、シリンダヘッドを加熱するバーナ部２ｂを設けて成る従来公知のものである。ディスプレーサの動きで高温室の容積が減少すると共に低温室の容積が増加するとき、ヘリウム等の作動ガスが再生器とクーラ部２ａとにより冷却されて低温室に流入し、作動ガスの圧力が減少する。また、高温室の容積が増加すると共に低温室の容積が減少するとき、作動ガスが再生器とバーナ部２ｂとにより加熱されて高温室に流入し、作動ガスの圧力が増加する。そして、ピストンが作動ガスの圧力変動を受けて軸方向に往復振動し、ピストンの動きで発電が行われる。
【００１２】
発電装置１で発電した電力はグリッドボックス１ａを介して家庭用電源に供給される。
【００１３】
コージェネレーションシステムは、発電装置１に加えて、シスターン３と、シスターン３から暖房端末４に熱媒体を供給する暖房回路５と、スターリングエンジン２のクーラ部２ａを冷却すると共にスターリングエンジン２のバーナ部２ｂの廃熱を回収する廃熱回収回路６とを備えている。廃熱回収回路６は、往路６ａと復路６ｂとの間に、クーラ部２ａを冷却する熱交換部６ｃと、バーナ部２ｂの廃熱を回収する熱交換部６ｄとを有する。また、暖房回路５の往路５ａには暖房ポンプ７１が介設され、廃熱回収回路６の往路６ａには、暖房ポンプ７１とは別のポンプ７２が介設されている。
【００１４】
ここで、本実施形態では、暖房端末４として、床暖房等の低温端末４Ｌと浴室暖房乾燥機等の高温端末４Ｈとが設けられている。そして、暖房回路５は、暖房ポンプ７１の下流側で低温端末４Ｌに熱媒体を供給する低温暖房回路５Ｌと、高温端末４Ｈに熱媒体を供給する高温暖房回路５Ｈとに分岐されている。尚、低温暖房回路５Ｌと高温暖房回路５Ｈは、低温端末４Ｌ及び高温端末４Ｈの下流側で暖房回路５の共通の復路５ｂに接続されている。
【００１５】
また、本実施形態のコージェネレーションシステムは、暖房負荷が廃熱回収回路６で回収可能な最大熱量を上回ったときに熱媒体を補助的に加熱する暖房用熱源機８を備えている。この熱源機８は、バーナ８ａの燃焼ガスと熱交換する、高温暖房回路５Ｈに介設した熱交換器８ｂを備えると共に、バーナ８ａの燃焼ガス中の潜熱を回収する、暖房回路５の復路５ｂに介設した副熱交換器８ｃを備えている。
【００１６】
また、熱交換器８ｂの下流側で高温暖房回路５Ｈとシスターン３とを接続するバイパス路５ｃが設けられている。バイパス路５ｃには開閉弁５ｄが設けられている。開閉弁５ｄは、低温端末４Ｌにのみ熱媒体を流す低温端末４Ｌの単独運転時に開弁される。
【００１７】
また、廃熱回収回路６の復路６ｂには温度センサ９１が設けられている。そして、温度センサ９１で検出される熱媒体の温度が所定温度(例えば、低温端末４Ｌの単独運転時には６０℃、高温端末４Ｈの運転時には７０℃)になるように、スターリングエンジン２のバーナ部２ｂの燃焼量を制御する。更に、暖房用熱源機８の熱交換器８ｂの出口部にも温度センサ９２が設けられている。そして、温度センサ９２で検出される熱媒体の温度が所定温度(例えば、低温端末４Ｌの単独運転時には６０℃、高温端末４Ｈの運転時には８０℃)になるように、バーナ８ａの燃焼量を制御する。
【００１８】
シスターン３の熱媒体の戻り口３ａには、図２に示す分岐管１０が接続されている。分岐管１０は、一端に戻り口３ａに対する接続口１０ａを有すると共に、接続口１０ａ（戻り口３ａ）に連通する共通の管内通路１０ｂから分岐した、廃熱回収回路６の下流端（廃熱回収回路６の復路６ｂの下流端）が接続される第１流入ポート１０ｃと、暖房回路５の下流端（暖房回路５の復路５ｂの下流端）が接続される第２流入ポート１０ｄと、バイパス路５ｃの下流端が接続される第３流入ポート１０ｅと、廃熱回収回路６の上流端（廃熱回収回路６の往路６ａの上流端）が接続される流出ポート１０ｆとを有する。流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄは、接続口１０ａに対し第１流入ポート１０ｃ及び第３流入ポート１０ｅよりも離れた位置に形成されている。
【００１９】
また、流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄは、これら両ポート１０ｆ，１０ｄの軸線が同一平面上に位置するように形成されている。尚、流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄを、これらの軸線が同一平面上で直交するように形成することも可能であるが、本実施形態では、流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄの軸線が同一直線上に位置する。また、第１流入ポート１０ｃ及び第３流入ポート１０ｅは、これら両ポート１０ｃ，１０ｅの軸線が同一平面上で直交するように形成されている。
【００２０】
本実施形態によれば、廃熱回収回路６で廃熱を回収して高温となった熱媒体及びバイパス路５ｃを通過した熱媒体は第１流入ポート１０ｃ及び第３流入ポート１０ｅから分岐管１０の管内通路１０ｂと接続口１０ａとを介してシスターン３に戻され、シスターン３を介して暖房回路５に供給される。一方、流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄは接続口１０ａに対し第１流入ポート１０ｃ及び第３流入ポート１０ｅよりも離れているため、暖房端末４を通過して低温になった熱媒体は第２流入ポート１０ｄから流出ポート１０ｆを介して廃熱回収回路６に吸い込まれる。即ち、廃熱回収回路６には低温の熱媒体が供給される。
【００２１】
このことを確かめるために、ＦｌｏＷｏｒｋｓでシミュレーション解析を行った。この解析では、暖房回路５の復路５ｂから第１流入ポート１０ｂに流入する熱媒体の温度(暖房戻り温度)を４０℃、廃熱回収回路６の復路６ｃから第２流入ポート１０ｃに流入する熱媒体の温度を６０℃、バイパス路５ｃから第３流入ポート１０ｄに流入する熱媒体の温度を６０℃、廃熱回収回路６に流れる熱媒体の流量(廃熱回収流量)を５Ｌ／ｍｉｎとした。そして、暖房回路５の復路５ｂに流れる熱媒体の流量(暖房戻り流量)とバイパス路５ｃに流れる熱媒体の流量(バイパス流量)を変化させて、分岐管８内での熱媒体の温度分布を解析した。
【００２２】
図３(ａ)は、暖房戻り流量が７Ｌ／ｍｉｎ、バイパス流量が８Ｌ／ｍｉｎの場合の温度分布の解析結果を示している。同図から明らかなように、暖房戻り流量が廃熱回収流量以上になる場合は、流出ポート１０ｆに第２流入ポート１０ｄからの熱媒体のみが流れて、廃熱回収回路６に供給される熱媒体の温度は暖房戻り温度と同じ４０℃になる。
【００２３】
図３(ｂ)は、暖房戻り流量が３．５Ｌ／ｍｉｎ、バイパス流量が４Ｌ／ｍｉｎの場合の温度分布の解析結果を示している。同図から明らかなように、暖房戻り流量が廃熱回収流量未満になる場合は、流出ポート１０ｆに第２流入ポート１０ｄからの熱媒体に加えて第１流入ポート１０ｃ及び第３流入ポート１０ｅからの熱媒体が流れて、廃熱回収回路６に供給される熱媒体の温度は暖房戻り温度より１０℃程度高くなることがある。尚、暖房戻り流量が廃熱回収流量未満になるのは暖房負荷がかなり低い場合であり、通常は暖房戻り流量が廃熱回収流量以上になって、廃熱回収回路６に供給される熱媒体の温度は暖房戻り温度と同じ低温になる。
【００２４】
ところで、スターリングエンジン２のクーラ部２ａに再生器から流入する作動ガスの温度はかなり高いため、クーラ部２ａを冷却する熱媒体の温度が１０℃程度上昇しても、クーラ部２ａでの作動ガスの冷却能力は然程低下しない。一方、廃熱回収流量が変動すると、クーラ部２ａでの作動ガスの冷却能力が大きく変動し、スターリングエンジン２の稼働状態が不安定になる。然し、本実施形態では、暖房回路５に流れる熱媒体の流量が暖房ポンプ７１の制御で暖房負荷に応じて変動しても、廃熱回収流量は、廃熱回収回路５に介設したポンプ７２により一定にすることができる。従って、クーラ部２ａでの作動ガスの冷却能力が変動することを抑制して、スターリングエンジン２を安定して稼働することができる。
【００２５】
また、流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄを、これら両ポート１０ｆ、１０ｄの軸線が同一平面上に位置するように形成すれば、第２流入ポート１０ｄからの低温の熱媒体が流出ポート１０ｆにスムーズに流れ、第２流入ポート１０ｄと流出ポート１０ｆとの間での圧力損失が低減される。特に、本実施形態のように流出ポート１０ｆ及び第２流入ポート１０ｄをこれら両ポートの軸線が同一直線上に位置するように形成すれば、圧力損失を可及的に低減できる。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、暖房負荷が然程大きくならない地域では、上記実施形態の暖房用熱源機８を省略してもよい。また、高温暖房回路５Ｈに、高温端末４Ｈと並列に風呂追い焚き用の液々熱交換器を介設してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態のコージェネレーションシステムを示す回路図。
【図２】(ａ) 実施形態のコージェネレーションシステムに設けられる分岐管の斜視図、(ｂ)分岐管の断面図。
【図３】分岐管内の熱媒体の温度分布を示す説明図。
【符号の説明】
【００２８】
１…発電装置、２…スターリングエンジン、２ａ…クーラ部、２ｂ…バーナ部、３…シスターン、３ａ…戻り口、４…暖房端末、４Ｌ…低温端末、４Ｈ…高温端末、５…暖房回路、５Ｌ…低温暖房回路、５Ｈ…高温暖房回路、５ｃ…バイパス路、６…廃熱回収回路、７１，７２…ポンプ、８…暖房用熱源機、８ｂ…熱交換器、１０…分岐管、１０ｂ…管内通路、１０ｃ…第１流入ポート、１０ｄ…第２流入ポート、１０ｅ…第３流入ポート、１０ｆ…流出ポート。
【図１】
2010127501.tif 000003
【図２】
2010127501.tif 000004
【図３】
2010127501.tif 000005