(57)【要約】【課題】取り扱いに優れ、灯油を用いることができ、発電機能にも優れた発電機併設型暖房機を提供すること。【解決手段】所定の燃料により駆動するエンジンと、エンジンに直結され、エンジンの駆動力を電力に変換する発電機と、発電機に連結され、発電機から電力を充電できる、始動用電源と、発電機及び始動用電源に連結され、両者からの電力により加熱した温風を所定方向に送風可能に構成された熱供給器とを具備し、上記熱供給器は、上記の所定の燃料を燃焼させて得られる熱を熱風として周囲に向けて送風する熱供給本体と、上記熱供給本体の下部に設けられ熱供給器の向きを任意の方向に変更する方向変更手段とを具備し、更に、エンジンの始動時には上記熱供給本体の向きをエンジン方向とし、エンジンが安定的に作動する状態となった場合には上記熱供給本体の向きを所望の方向に変更する熱供給器方向調整手段を具備する発電機併設型暖房装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の燃料により駆動するエンジンと、
エンジンに直結され、エンジンの駆動力を電力に変換する発電機と、
発電機に連結され、発電機から電力を充電できる、始動用電源と、
発電機及び始動用電源に連結され、両者からの電力により加熱した温風を所定方向に送風可能に構成された熱供給器とを具備し、
上記熱供給器は、
上記の所定の燃料を燃焼させて得られる熱を熱風として周囲に向けて送風する熱供給本体と、上記熱供給本体の下部に設けられ熱供給器の向きを任意の方向に変更する方向変更手段とを具備し、
更に、エンジンの始動時には上記熱供給本体の向きをエンジン方向とし、エンジンが安定的に作動する状態となった場合には上記熱供給本体の向きを所望の方向に変更する熱供給器方向調整手段を具備する
発電機併設型暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機併設型暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
暖房機は、暖房するにも風を送らないといけないのでその際に電力が必要となる
そのため、暖房機と発電機とが一体になっているものが必要であるが、通常暖房機に用いられている灯油は引火点が高いので最初火が付きにくいという問題があり、発電機として用いるのには問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、取り扱いに優れ、灯油を用いることができ、発電機能にも優れた発電機併設型暖房機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は以下の各発明を提供するものである。
１．所定の燃料により駆動するエンジンと、
エンジンに直結され、エンジンの駆動力を電力に変換する発電機と、
発電機に連結され、発電機から電力を充電できる、始動用電源と、
発電機及び始動用電源に連結され、両者からの電力により加熱した温風を所定方向に送風可能に構成された熱供給器とを具備し、
上記熱供給器は、
上記の所定の燃料を燃焼させて得られる熱を熱風として周囲に向けて送風する熱供給本体と、上記熱供給本体の下部に設けられ熱供給器の向きを任意の方向に変更する方向変更手段とを具備し、
更に、エンジンの始動時には上記熱供給本体の向きをエンジン方向とし、エンジンが安定的に作動する状態となった場合には上記熱供給本体の向きを所望の方向に変更する熱供給器方向調整手段を具備する
発電機併設型暖房装置。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の発電機併設型暖房機は、灯油を用いるものであり、取り扱いに優れ且つ発電機能にも優れたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の発電機併設暖房機の概要を示す模式図であり、図１（ａ）は、発電開始時の使用態様を示す模式図、（ｂ）は通常運転時の使用態様を示す模式図、（ｃ）は装置の全体を示す写真（図面代用写真）である。
【図２】図２は、発電用機関と計測機器との構成の概略を示す概要図である。
【図３】図３は、灯油燃料での運転確認状態を示すチャートである。
【図４】図４は、燃料別の燃焼圧力波形を示すチャートである。
【図５】図５は、排ガス中のＨＣ濃度、ＣＯ濃度を示すチャートである。
【図６】図６は、燃料消費率を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
本実施形態の発電機併設型暖房装置１は、図１(ａ)及び（ｂ）に示すように、
所定の燃料により駆動するエンジン２０と、
エンジン２０に直結され、エンジン２０の駆動力を電力に変換する発電機３０と、
発電機に連結され、発電機から電力を充電できる、始動用電源５０と、
発電機３０及び始動用電源５０に連結され、両者からの電力により加熱した温風を所定方向に送風可能に構成された熱供給器１０とを具備し、
熱供給器１０は、
所定の燃料を燃焼させて得られる熱を熱風として周囲に向けて送風する熱供給本体１１と、熱供給本体１１の下部に設けられ熱供給器１０の向きを任意の方向に変更する方向変更手段１３とを具備する。
更に、図１(ａ)に示すようにエンジンの始動時には熱供給本体の向きをエンジン方向として、熱風Ａをエンジン２０に向けてエンジンを加熱することによりエンジンの作動状態が安定するようにし、エンジンが安定的に作動する状態となった場合には図１(ｂ)に示すように、熱供給本体１１の向きを所望の方向に変更する熱供給器方向調整手段としてのターンテーブル１３を具備する。ターンテーブル１３の下には、図示しないモータが配置されてターンテーブル１３及び熱供給本体１１を所望の方向に回転させる。
以下さらに詳述する。
【０００８】
１．研究背景・目的
平成２３年３月に起きた東日本大震災では防災設備がない多くの避難所で、電力や燃料の不足により避難者の体温維持が危ぶまれる事態に直面した。特に寒地では避難所における発電機は照明や通信用途のみならず暖房装置の電源として必須なのである。これらを教訓として避難所に指定される全国の公立学校に自家用発電機の設置が指導された３）が、震災翌年までに実際に自家用発電機を導入した学校は全体の２７.５％にとどまった４）。
一般に自家用発電機と言われるものには、病院などに法的に設置義務のある据え置き型発電機のような出力20 kWから550 kWを超える大・中型発電機から10 kW未満の小型発電機まである。非常時の電力見積もりは概して大出力側に傾き易く、公立学校で検討に上った発電機は据え置き型が多かったことが予想される。その結果、初期購入費の増大に加え、毎年の定期点検・保守費用がかさみ、大多数の公立学校で自家用発電機の導入が進まない一因になったと考えられる。そこで著者らは、大人一人で運べるほどのコンパクト型でありながら防災用ゆえに多種燃料に対応し、自身の発電電力を用いながら高効率で暖房するシステムを検討し、図１（ｃ）のような電力併給暖房システムを提案した。
本コンセプトは避難所での利便性を高める狙いから発電用燃料を暖房用と共用の灯油等とすることを特徴とするコンパクト型電力併給暖房システムである。灯油・ＬＰＧ等の燃料は寒地での強力なインフラが確立されており、震災時にも入手性に優れた実績を持ち、引火点の高さゆえ消防法等の規制を受ける指定数量が大きく備蓄量を確保し易いという他にはない利点があるからである。
このシステムを備えた避難所では災害により電力やガスの供給が止まっても避難生活に必要な暖房用熱源と最低限の電力確保が同時に可能となる。また、コンパクト型には可搬性のみでなく、平時の点検・保守費用の低コスト化、保管場所の省スペース化など、避難所指定施設にとって導入のハードルを下げる効果がある。さらに、導入時の初期コストや重量を抑えるため、発電用機関には市販のガソリン機関をベースとして用い、最小限の部品変更によってディーゼル機関のように灯油等を燃料に使用できる量産システムを目指している。本報告では、上述のコンセプトに基づく発電用機関について実用運転条件や燃焼特性を明らかにする基礎的実験を行ったので結果を報告する。
【０００９】
２．研究方法
２．１ 発電用機関の性能実験
本研究のシステムを構築するために、コンセプトに基づいて発電用機関を試作した。基礎的研究のため、ベース機関には1気筒のガソリン機関を用い気筒間の干渉のない実験データを観測できるようにした。そして、気化器を変更して燃料が灯油の場合にも混合気を理論混合比に調整可能となるようにして、基本性能を把握する実験を行った。表１に発電用機関の諸元を示す。
また、図２のように動力計と発電用機関を接続し、吸気・排気系統、及び計測機器類をレイアウトして性能実験を行った。シリンダヘッドには燃焼圧力センサが取り付けてあり、運転中の燃焼圧力を計測し燃焼サイクル解析に用いた。また、排気管から排気ガスをサンプリングしガス組成を分析できるようになっている。
２．２ 発電電力を使用した暖房運転実験
今回の性能実験で使用した発電用機関は基礎研究用に試作したものではあるが、発電機と接続すると０．７ｋＷ程度の発電能力が見込まれる。そこで、熱出力８．６kＷの強制吸気式暖房機と組み合わせ、図１のような装置(幅５００ｍｍ×高さ８６０ｍｍ×奥行９００ｍｍ)を構成し、外部電力の供給がない状態で暖房運転を試行した。
【００１０】
３．研究結果
３．１ 発電用機関の性能実験結果
(１) 灯油燃料での運転確認 (図３)
はじめに灯油燃料で正常に運転するかを確認するために、クランク回転角度０．５度刻みに気筒内の燃焼圧力を記録しながら、動力計のトルク制御によりベース機関に対する負荷割合６０ ％、３０ ％、無負荷で運転したときの図示仕事を図３に示す。プロットは1サイクル毎の図示仕事をＰＶ線図より求めて連続３０サイクルで平均した値であり、上下に伸ばしたエラーバーにより図示仕事のばらつき±３σを表示している。負荷割合を６０％までに留めたのは、燃料である灯油はガソリンに比べ自着火し易いためノッキング発生による機関へのダメージが懸念されたためである。また、グラフ上の点線で囲った範囲はベースガソリン機関の実用運転範囲 (最大負荷トルク ６．７ Ｎｍ，定格回転数 ３６００ ｒｐｍ)であり，本実験の運転範囲はベース機関(ガソリン燃料)に対し最大負荷トルクの６０％，定格回転数の１００％に相当する．図３より、この運転範囲において灯油を使用した場合は失火等なく運転可能であることが確認された。
(２) 灯油運転時の燃焼圧力波形 (図４)
図４は負荷２.０Ｎｍ，回転数３２００ｒｐｍの条件で運転した場合のシリンダ内の圧力観測結果である。上段に灯油を燃料として用いた場合の燃焼圧力波形、下段にガソリン使用時の燃焼圧力波形を示す。また、破線で熱発生率(単位クランク角度毎の熱発生量)を示してある。灯油使用時は主燃焼の圧力ピーク(CA400°)の直後にもう一つの鋭い圧力ピークが見られた。破線の熱発生率からは主燃焼の熱発生率よりも高い熱発生ピークが確認され、灯油はガソリンに比べ自着火温度が低いため、燃焼後期に未燃ガスが自着火したものと考えられる。
ガソリン使用時には主燃焼のあとに圧力ピークはみられないが、熱発生率をみると主燃焼による熱発生ピークの後に、別のピークが存在することが分かる。
灯油燃料時に比較的高い熱発生ピークが見られたが、今回実験の運転条件では圧力波形にノック振動は見られなかった。しかし、自着火の規模が何らかの要因によって増大した場合にはノックの発生が懸念される。灯油使用にはノックに至らない運転条件の見極めが重要と考えられる。
(３) 排気ガスおよび燃料消費率 (図５,図６)
図５は負荷６０％(負荷トルク４.０ Ｎｍ)で排気ガス中のＨＣ濃度及びＣＯ濃度を測定した結果である。灯油運転時はガソリン運転時よりもＨＣ濃度及びＣＯ濃度がともに高い傾向が見られた。これは、灯油燃料使用時は燃料の気化性が低いため、燃焼に使われない未燃分がより多くＨＣとして排気に流出し、同時に不完全燃焼分が増えてＣＯが増加したものと考えられる。今回の実験では回転速度によらず気化器を同一設定で用いたにも関わらず、ガソリン使用時の３２００ｒｐｍに限り空燃比がやや小さくなっていた。このため混合比が濃い目になりＨＣ濃度とＣＯ濃度が大きくなったと見られる。
図６は負荷６０％(負荷トルク４.０ Ｎｍ)で燃料消費率(ＦＣＲ)を測定した結果である。今回の実験では灯油燃料時とガソリン燃料時の間に燃料消費率に明確な違いは見られなかった。
３．２ 発電電力を使用した暖房運転結果
今回実験で使用した発電用機関の出力１．３ｋＷをもとに発電機の効率を考慮すると発電能力は約７００Ｗが見込まれる。この電力をコンセプトモデルの強制吸気式暖房機に供給することで外部電力供給のない自立運転を試行できる。暖房機の消費電力は仕様では４０Ｗとされ、発電能力と比較して余裕があるように見えるが、とくに起動時の必要電力は瞬間的に４０Ｗ以上となり起動できない場合も考えられたため実験を行った。その結果、暖房機は問題なく起動し、続いて安定した暖房運転が継続した。図１のコンセプトモデルを用いて外部電力供給のない自立発電による暖房運転が可能であることを確認した。
【００１１】
４．結論
市販ガソリン機関をベースとして気化器を変更した発電用機関を実験に用い、灯油燃料を使用して今回設定した実験条件で運転すると以下の点が明らかとなった。
（１）連続３０サイクルの図示仕事を測定した結果から、灯油燃料の場合にベース機関(ガソリン燃料)の負荷６０％まで正常な運転が可能であることを確認した。
（２）筒内圧力波形及び熱発生率から、主燃焼による燃焼圧力ピークの直後に自着火による別のピークが見られ、灯油燃料の場合はガソリン燃料時よりも高い熱発生ピークが見られた。
（３）ＨＣ、ＣＯ濃度はガソリン燃料の場合よりも高くなる傾向が見られた。
（４）燃料消費率については灯油燃料時とガソリン燃料時で大きな違いは見らなかった。
（５）本研究で提案するコンセプトモデル(図１)は外部電力供給のない自立発電暖房が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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