(57)【要約】      （修正有）【課題】動力を十分取り出せしかも温水を高効率に得られる総合効率の高いコージェネシステムを提供する。【解決手段】外燃機関にエリクソン方式等を用い、該機関の作動ガスが加熱により膨張して動力を発生後、熱再生器兼加熱器で膨張機への戻りガスの熱再生加熱を中高温熱源の支援とともに行い、その後作動流体回路の制御でその温度レベルに応じ給湯水を加熱し自身は冷えて最終的に空冷冷却器等で最低到達温度に達するよう簡易で効果的な熱回路を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２００℃ないし５００℃程度の中高温熱流体を高位熱源、常温程度の空気もしくは水を低位熱源するブレイトン式あるいはエリクソン式外燃機関において、膨張機で膨張し低圧となり吐出された該機関内封の作動流体が、その保有する熱エネルギーをその温度レベルに応じ、まず熱再生器で膨張機入口に導入される高圧作動流体の加熱に再生使用され、次に給湯水の加熱および給水の加熱等に順次かつ適宜供されるよう予め設けた切り替え弁及び作動流体回路で配設制御し、その後該低位熱源により冷却器で最低到達温度まで冷却され、さらに圧縮機で加圧され既述の該膨張機入口に戻るよう構成し、かつ該熱再生器には該中高温熱流体を通し該高圧作動流体が最高到達温度にいたる加熱を行えるようにした循環熱サイクルを有するコージェネレーションシステム。
【請求項２】
請求項１の該給湯水の加熱が不要の時、該作動流体が該給湯水の加熱、該給水の加熱を行わないように、その流体回路を切り替えてバイパスし、直接該冷却器に通じるようにして成るコージェネレーションシステム。
【請求項３】
請求項１の給湯の立ち上げを急ぐ等最大限の加熱を要する時、該流体回路を切り替えて膨張直後のより高温の該作動流体を該熱再生器をバイパスして直接該給湯加熱器に通じるようにしてなる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】本発明は約２００℃から５００℃程度（中高温）の熱を駆動エネルギーとする外燃機関が生じる動力で発電機駆動により電力、あるいは圧縮機駆動で冷凍空調効果を得ると同時に、その排熱を用いて温水を同時に得られるコージェネレーションシステム（コージェネ）に関するものである。該外燃機関は内燃機関と異なり、熱サイクル中の作動流体を該サイクル外部から加熱器を通して中高温熱で加熱することで駆動力を得られるため熱源には多くの種類が利用できる。例えば、太陽熱、地熱等の自然エネルギーや、別の熱機関、燃料電池等の排熱あるいは燃料の燃焼熱、化学反応熱等である。また、外燃機関にはブレイトンおよびエリクソンスターリング、ランキン、等の多くの方式がある。これらの組み合わせで得られるコージェネは、従来使い勝手が悪くあまり活用されていない該中高温度の熱をエネルギーの高い状態から低温のエネルギーの低い状態になるときのエネルギー差を用いて最も有効に活用できる方法で、システム全体のエネルギー効率が飛躍的に向上し、利便性、省エネルギー性や環境調和性等を必要とする機器分野全般に活用できる。
【背景技術】
【０００２】内燃機関の駆動力で発電機を駆動し電力を得ると同時にその排熱で給水を加熱して給湯や暖房用の温水を得るコージェネは、発電規模が数１０ｋＷ級以上ではその原動機としてガスタービンを用いるものが、またそれより小規模のものでは石油系燃料や天然ガスを燃料とする通常の内燃機関を用いるものがすでに普及している。また、該機関の軸動力を冷凍や空調用の圧縮機の駆動に用いられる場合もありガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）として普及している。現在、燃料電池も該熱機関の代わりの役割を果たし、これによる発電とその排熱による給湯を得るコージェネが普及をしつつある。一方、熱サイクル外部の熱を利用し得る手段としての外燃機関はタービン式ランキン機関が原子力発電所や火力発電所で用いられたり、ガスタービンとの複合型発電に用いられたり、スターリング機関が船舶等の発電機に供されている。いずれも産業用途や特殊用途で、民生用コージェネとして用いられている例は限定的である。ただ、今日自動車などの燃費改善を図るため、内燃機関の排熱で駆動し得るランキン機関や太陽熱あるいは地熱等で駆動し得るスターリング機関の研究開発は鋭意進められつつある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】前項で述べたようにすでにコージェネは各種実用化されているが、内燃機関を原動機とするものにおいてはその中高温排熱が直接低温の給水の加熱に用いられ、両者の温度差を利用してさらに発電や軸動力に用いられてはいない。ガスタービンにおける複合発電は例外的に排熱を再利用しているが数１０００ｋＷ以上と規模が大きいことや、給湯暖房用途の需要に地域的制約が多いこと等から民生用コジェネには不適である。中高温の熱によるランキン機関はその熱作動流体が高温では気体状態、低温では液状態の気液二相状態に変化する必要があるが、これに適合する熱作動流体としては通常の低温度で冷凍空調用の逆ランキンサイクルに用いられるフロンやハイドロカーボン等の有機物は中高温下では熱分解が生じやすいため、純水や二酸化炭素ガス等がその代替候補物質となるが、いずれも３００℃程度の中高温下では高圧のほぼ超臨界ガス状態となり化学的活性が高く材料の選定や潤滑方法には技術的困難が懸念される。高圧になった作動ガスを膨張させ低圧に減圧することにより動力を得る装置である膨張機には通常タービンが用いられ上記の技術的課題をある程度克服できるが、その特性から出力が数１０ｋＷ級以下の民生用では効率が低下しすぎて実用には供せない。【０００４】本発明は、前述のように適当な手段が無いためムダに捨てられている中高温の有する熱エネルギーを有効に活用するため、熱作動流体に窒素やヘリウム等熱サイクル中では気体状態である熱作動流体（作動ガス）を用いるエリクソン、ブレイトン等外燃機関で対処しようとするものである。これらの機関はいずれも膨張機等エネルギーを回生する機構部をタービンでなく容積式にできるため比較的小出力の民生用コージェネに適応できる。中高温の排熱源は前記の内燃機関以外に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）あるいは高温太陽集熱器によるコージェネでも発生するが、これらも同様にエネルギー回生をしてシステムの全体効率向上を図ることが出来る。しかし、前記作動ガスを用いる方式においては、従来用いられている熱再生器はこの内部を対抗流として分離されながら通過し互いの熱交換をする高温高圧ガスと低温低圧ガスの熱伝達効率が両者ともに気体で低いため、その容積が大きくなる傾向がある。【０００５】また、通常熱機関は高位熱源温度と低位熱源温度の温度差が大きいほど効率、出力とも大きくなる。この場合高位熱源は排熱等の中高温熱源で、低位熱源は給水、これが加熱された状態の温水、あるいは外気等多様に得られるがどれを選定しても一方式のみでは熱交換器が過大になったり、最大効率が得られないなどの課題が残りシステムの最適化には特別の配慮が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明は該中高温の熱源を高位熱源、外気や給水用市水の有する常温の熱源を最終的な低位熱源としシステムの温度差を最大にし、これら両熱源を常に気体状態である作動ガスを内包する外燃機関の加熱部と冷却部にそれぞれ与えて最大限の駆動力を発生させ、これで発電または冷凍用作動流体を圧縮機すると同時にその冷却排熱で温水を生成し高効率のコージェネシステムを構成する。このとき熱サイクルの効率を向上させるため用いられる熱再生器の熱再生作用の一部を給水用の加熱器や給湯用の加熱器で代替し、かつ中高温熱源の熱でも作動ガスの加熱を支援するようにして該熱交換器の小型化、多様途化可能なように複合機能を有する熱交換器とし、システムが常に最高効率で運転できるように構成する。中高温熱源が太陽熱や地熱あるいは工場等の工程排熱で直接に用いてコージェネとする以外、内燃機関等熱機関や燃料電池による発電や軸動力利用後の排熱を用いて複合コージェネシステムとし、再生熱交換器および給湯や給水加熱を有機的に組み合わせ小型簡易化、高効率化を図る。
【発明の効果】
【０００７】本発明は前述のような手段を用いることにより従来の課題を解決でき、特に中高温排熱の実用的な活用が可能となり、大幅にエネルギー利用効率を改善できる。作動ガスが常時気体の外燃機関では特にブレイトン方式やエリクソン方式を用い、十分中高温に耐えられる容積式膨張機と通常の圧縮機の結合でシステム構成できるためである。また、低位熱源を常温の大気レベルとすることにより最大限の熱効率達成が可能となる。この結果複合システムでは最高限度のエネルギー総合利用コージェネが実現可能となり、特に民生用定置型への展開が飛躍的に増大し、環境エネルギー対応の市場に貢献できる。本発明による熱サイクルの効率は例えば、高位熱源温度を３００℃、低位熱源温度を５０℃とするときエリクソン方式において理論効率はカルノー効率と同等となり（３００−５０）÷（２７３＋３００）＝４３．６％となり、実効効率として経験的にこの半分のほぼ２２％が期待できる。このため、例えば複合サイクルにおいて内燃機関による発電効率が２０％の場合、その排熱分８０％から回生できる２次的な発電効率は、実際的な熱利用率８０％とすると８０％＊８０％＊２２％＝１４％で、これがさらに追加され計３４％の総合発電効率が得られる。発電力の改善率は７０％（＝３４／２０）と大きく、熱電発生比率も電力比率が高くなって使い勝手が大きく改善されるコージェネが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】回転式の圧縮機と回転式膨張機を具備し、窒素やヘリウム等作動ガスに中高温の高位熱源から加熱器を通して入熱させ、ほぼ常温の低位熱源に冷却器を通して排熱させてその際生じる作動ガスの圧力差で膨張機を駆動し、その軸出力で発電機を回転させて電気出力を得られるブレイトン方式又はエリクソン方式の外燃機関に、システムの排熱で給水および給湯水を加熱できる各種熱交換器を有する構造を主体とするコージェネシステム形態。中高温熱源を発生する熱機関や燃料電池などの化学機関から直接得られる電力および排熱と複合させ、さらに高効率のコージェネシステムとする形態も含む。なお、本システム内の該加熱器は高位熱源と低位熱源の熱交換により効率を向上させる目的の熱再生器も兼ねる。
【実施例】
【０００９】本発明の実施例としてブレイトン方式の外燃機関を用いた図１の基本構成システム図に基づいて説明する。該機関は主に膨張機（２）、第１切替弁（３）、熱再生器兼加熱器（８）、給湯加熱器（４）、給水第１加熱器（５）、冷却器（６）、および圧縮機（７）で構成され、作動ガスの主回路（１）で結合される。該機関の膨張機（２）と圧縮機（７）は本例では軸（３０）で結合され膨張機（２）の出力で圧縮機（７）は駆動される。また、膨張機（２）の出力は発電機（３１）も駆動し発電力を得る。作動ガスは作動中常に気体状態を保つ窒素あるいはヘリウム等を用いる。【００１０】給湯暖房用の温水を生成するため給湯水回路（２０）が設けられ、貯湯器（２１）に６０℃から１００℃程度の温水（湯）が蓄えられここから適宜熱交換器などを介して給湯や暖房用途に供せられる。当初あるいは使用途中で湯量が不足した場合は市水等から図１のごとく給水される。この水温は通常常温に近くこれを一端前述の給水第１加熱器（５）に導入して該機関の作動ガスと熱交換する。この際該作動ガス温度は給水温より高いため給水はここで加熱される。この後給水は給水第２加熱器（２３）に導入され図１に示す中高温源入口を通して中高温熱流体回路（１０）内を流れる流体の温度が給水をさらに昇温させるに足る高温時さらに加熱される。この流体温度が昇温に不十分な場合はこれをバイパス（図示せず）して貯湯器（２１）の比較的下部に入り貯えられる。また、この予備的に加熱された給湯用水をさらに昇温させるために該貯湯器（２１）にはその中央部に取出し口が設けられ、温水ポンプ（２２）で給湯加熱器（４）に送り込まれ、流入する前述の主回路（１）の作動ガスとの熱交換がなされ再び貯湯器（２１）の比較的上部に戻るが、この循環は所定の給湯温度に上昇するまで行われる。ここに、上記作動ガスの温度はその前段の熱再生器兼加熱器（８）においてすでに圧縮機（７）からの比較的低温の作動ガスの予加熱のため放熱して低下してほぼ１００℃程度となり給湯水が沸騰しないよう予め設定される。なお、この作動ガスの温度が十分高くない時には主回路（１）中の第１切替弁（３）の該回路切り替えにより図１の破線が示すように前記より高温の作動ガスが給湯加熱器（４）に供給され早急な昇温を行う。【００１１】また、別途主回路（１）中に設けられる第２切替弁（９）は図１のバイパス回路（破線）で示すように給湯加熱器（４）あるいは給水第１加熱器（５）を通らず直接冷却器（６）に導入され冷却される。これは給湯水が十分所定の温度に達していたり使用されていなかったりして給水が必要ないような場合それぞれで熱交換の必要がないため過熱を防ぐ措置である。【００１２】冷却器（６）は空冷熱交換器で周辺の常温外気で冷却されるが、図１のように別途動力で空冷扇（１１）を用いて強制冷却を図れば促進される。膨張行程で低圧になり冷却工程で十分に冷却された作動ガスは圧縮機（７）で高圧に昇圧される。ブレイトン方式では断熱圧縮のため温度上昇があるが、エリクソン方式では圧縮機本体及び周囲をほぼ同温度まで冷却し等温膨張に近づけるようにするため温度上昇は最低限となり圧縮仕事も最小限に抑制される。いずれもこの後、熱再生器兼加熱器（８）に導かれ対向流として流れる次の２種類の中高温熱により加熱される。ひとつは中高温熱源より供給される中高温熱流体の熱であり最も高温状態で流入し該低温の作動ガスを最高温に至るまで加熱し自身は温度を低減して排出され、後段の給水第２加熱器（２３）に向かう。もうひとつは膨張機（２）から排出された主回路（１）中の作動ガスより供給される中高温の熱であり、その温度はブレイトン方式では断熱膨張のため温度低下があり、エリクソン方式では膨張機本体及び周囲をほぼ同温度まで加熱し等温圧縮に近づけるため温度低下は最小限で膨張仕事も最大限得られる。このように圧縮機（７）から排出された作動ガスと膨張機（２）から吐出された作動ガスが熱再生器兼加熱器（８）内で互いに熱交換をしてそれぞれ加熱と冷却し熱再生するため熱機関の効率が大きく向上される。ただ、この工程は両作動ガスともに気体状態のため熱伝達効率は低く熱交換器が過大になりやすい。この課題に対し本発明の該熱交換方式では圧縮機（７）から吐出された作動ガスの加熱は、温度差がより大きい前述の中高温熱（１０）流体の熱が用いられるため、膨張機（２）からの作動ガスを該熱再生器兼加熱器（８）の途中段階で熱再生を止め取り出して給湯加熱器（４）にまわしても十分に加熱され該熱再生器兼加熱器（８）を小型化できる。併せて該作動ガスは給湯加熱器（４）には沸騰しない程度の高温で入り給湯水の最適加熱が可能となり、冷却も行われて冷却器（６）の負荷を低減でき実質の熱再生効果を得られる。【００１３】なお、膨張機（２）及び圧縮機（７）はそれぞれ回転型とし図１のように両者を軸（３０）でそれぞれ結合し、併せて軸（３０）には発電機（３１）も結合すれば全体をコンパクトにまとめやすい。回転型の膨張機（２）および圧縮機（７）の例としてはマルチベーンロータリー式、ローリングピストンロータリー式、スクロール式等あるが、特に膨張機（２）では中高温下で作動するため材料、表面処理や潤滑方式等配慮が必要である。また膨張機（２）と圧縮機（７）の軸部の結合には結合調整機構（３２）を設け両者の相互回転速度の調整をし、圧縮機（７）からの吐出ガスが加熱されて膨張機（２）に供給される際のそれぞれの容積をほぼ同量に調整して一定高圧力を維持するようにすれば最適なエリクソン熱サイクルを実現できる。なお、発電機（３１）は場合によりモーターを兼ねて熱サイクルの始動を行う。これら軸（３０）に結合される膨張機（２）、圧縮機（７）結合調整機構（３２）および発電機（３１）等は共通の容器（３３）に収納して一体にまとめ内部に潤滑剤や熱雰囲気を構成するようすると高圧作動ガスの軸封機構が不要になり漏洩を防止できコンパクト化して取り扱いが容易になり得る。なお、参考として特願２００８−１４６２６５にあるようなエリクンン方式の熱サイクルを用いるときには、膨張機（２）の周囲を中高温に、圧縮機（７）の周囲が低温になるよう構成し、それぞれ等温膨張、等温圧縮ならしめて効率の向上を図る。なお、外燃機関としてスターリング方式等の応用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１４】以上説明したように、本発明によれば従来利用が困難であるためやむなく低温の給水の加熱に直接使われたり廃棄されたりしていた２００℃〜５００℃程度の中高温熱源の熱を、発電や軸動力に有効活用し、その後さらに給水を加熱して暖房や給湯に用いる高効率のコージェネシステムが可能となる。これを可能にするのはブレイトン方式やエリクソン方式の外燃機関および作動ガス、中高温流体ならびに温水等熱流体の相互的な回路構成によるが、中高温熱源の発生源が内燃機関やＳＯＦＣ等燃料電池ですでに発電等に用いられたあとの排熱であれば複合サイクルを構成でき、さらにシステム効率を向上できる。また該中高温の太陽熱や地熱あるいは工程排熱等からも対環境性の高いコージェネシステムを構築できる。特に約１０ｋＷ級以下の発電出力の小型業務用や家庭用等民生用の定置型コージェネ装置はすでにＧＨＰや内燃機関方式あるいは燃料電池方式で大きく市場が広がりつつあるので、エネルギー効率や熱電比率で優れた本発明によるコージェネ方式はエネルギー環境分野産業に大きく貢献が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の基本構成システム図を示す。
【符号の説明】
【００１１】（１）主回路、（２）膨張機、（３）第１切替弁、（４）給湯加熱器
（５）給水第１加熱器、（６）冷却器、（７）圧縮機、（８）熱再生器兼加熱器
（９）第２切替弁、（１０）中高温熱流体回路、（１１）空冷扇
（２０）給湯水回路、（２１）貯湯器、（２２）送水ポンプ
（２３）給水第２加熱器、（３０）軸、（３１）発電機
（３２）結合調整機構、（３３）容器
【図１】
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