(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンを冷却するウォータジャケットに熱媒体を循環させてエンジンの排熱を回収するエンジンの排熱回収装置において、
出力軸を上下方向に延在させて配置した前記エンジンの上部に該エンジンで駆動される作業機を設け、下部にはオイルパンをそれぞれ設けるとともに、
前記オイルパン内に、前記熱媒体が循環されるコイル状のオイル熱交換器を配置し、
前記出力軸の上端には前記エンジンで駆動される作業機を結合する一方、
前記出力軸の下端には、前記オイルパン内のオイルに浸漬するように前記オイル攪拌部材のコイル中心部で前記エンジンの出力軸の延長方向に延在して配置された棒状のオイル攪拌手段を結合したことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。
【請求項２】
前記熱媒体を、エンジン排気を熱源とする排気熱交換器にさらに循環させることを特徴とする請求項１記載のエンジンの排熱回収装置。
【請求項３】
前記オイルパン内における前記熱媒体の循環方向が、前記オイル攪拌手段による攪拌方向に対向するように設定されたことを特徴とする請求項１または２記載のエンジンの排熱回収装置。
【請求項４】
前記オイル攪拌手段の少なくともオイル浸漬部分が角柱状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のエンジンの排熱回収装置。
【請求項５】
前記熱媒体を前記オイル熱交換器に循環させる経路が、低温の熱媒体をまず前記排気熱交換器に供給し、その後、前記熱媒体を前記ウォータジャケットの順に供給して受熱させるように設定されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のエンジンの排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの排熱回収装置に関し、特に、コジェネレーション装置等に動力源として用いられるエンジンの排熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題に対する取り組み等から、エネルギーの有効利用を図る観点で、動力源の運転に伴って発生する熱（排熱）を回収して利用するコジェネレーション装置が注目されている。コジェネレーション装置では、例えば、都市ガス等を燃料とするガスエンジンを動力源として使用し、発電および給湯等が行われる。コジェネレーション装置等に使用されるエンジンの排熱回収装置では、エンジン冷却用のウォータジャケットおよびエンジンの排気を熱源とする排気熱交換器に、ウォータポンプによって水等の熱媒体を循環させて熱回収し、この熱回収により温度上昇した熱媒体から熱量（熱出力）を取り出す。
【０００３】
さらに、上記エンジンに使用されるオイルを冷却するとともに、オイルから熱回収して排熱回収効率を向上させるため、オイルパン内に熱交換器を設けることがある（例えば、特開２００１−１３２６５４号公報の作業機）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の、熱交換器を配置するような比較的大容積のオイルパン内のオイルは、オイルポンプによる循環作用を受けるだけであるため、流動しにくい。したがって、オイルパンに貯留されているオイルと熱交換器との接触が十分に行われず、オイルの冷却効率およびオイルからの熱回収効率が低い。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、オイルパン内のオイルが熱交換器で十分に熱交換できるようにして、冷却効率および熱回収効率を高めることができるエンジンの排熱回収装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンを冷却するウォータジャケットに熱媒体を循環させてエンジンの排熱を回収するエンジンの排熱回収装置において、出力軸を上下方方向に延在させて配置した前記エンジンの上部に該エンジンで駆動される作業機を、下部にはオイルパンをそれぞれ設けるとともに、前記オイルパン内に、前記熱媒体が循環されるオイル熱交換器を配置し、前記出力軸の上端には前記エンジンで駆動される作業機を結合する一方、前記出力軸の下端には、前記オイルパン内のオイルに浸漬するように配置されたオイル攪拌手段を結合した点に第１の特徴がある。また、本発明は、第１の特徴に加え、前記熱媒体を、エンジン排気を熱源とする排気熱交換器にさらに循環させる点に第２の特徴がある。
【０００７】
第１および第２の特徴によれば、オイルパン内のオイルは、エンジンの回転に伴って駆動されるオイル攪拌手段によって攪拌されて流動を生じる。その結果、オイル交換器周りでオイルが対流し、オイル熱交換器の熱交換効率が向上する。
【０００８】
また、本発明は、前記オイルパン内における前記熱媒体の循環方向が、前記オイル攪拌手段による攪拌方向に対向するよう設定された点に第３の特徴があり、前記オイル攪拌手段が、前記エンジンの出力軸の延長方向に延在された棒状部材であり、該棒状部材の少なくともオイル浸漬部分が角柱状である点に第４の特徴がある。第３の特徴によれば、熱交換効率がより一層向上する。第４の特徴によれば、角柱部分が回転することによりオイルが攪拌される。
【０００９】
さらに、本発明は、前記熱媒体を前記オイル熱交換器に循環させる経路が、低温の熱媒体をまず前記排気熱交換器に供給し、その後、前記熱媒体を前記ウォータジャケットの順に供給して受熱させるように設定された点に第５の特徴がある。第５の特徴によれば、排気ガスの水蒸気が低温の熱媒体によって露点以下になることにより、熱媒体は凝縮熱を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図７は本発明の一実施形態に係るエンジンの排熱回収装置の構成を示すブロック図である。排熱回収装置１はエンジン発電機のエンジン部から排熱を回収する。排熱回収装置１は、仕切板１００で仕切られた上下２つの部屋からなり、この仕切板１００によって２つの部屋は互いに空気の流通が遮断されている。２つの部屋のうち、下方の部屋にはエンジン２およびエンジン２に機械的に連結駆動される発電機３が設けられる。発電機３はエンジン２で駆動されて交流を発生する。エンジン２には潤滑オイルを溜めるオイルパン４が設けられる。オイルパン４にはオイルクーラ（オイル熱交換器）５が接続されており、オイル熱交換器５はオイルパン４内のオイルと熱媒体（冷却水）との熱交換を行う。
【００１１】
エンジン２が収容された部屋から隔離してエンジン２の熱の影響を受けにくくした上の部屋には、エアフィルタ７ならびにバッテリ２５やＥＣＵ２６などの電装機器が設けられる。エアフィルタ７を経由して導入される空気はエンジン２のシリンダヘッド６に取入れられる。エンジン２の排気は排気マニホルド８および排気熱交換器９を通り、サイレンサ３１を経て外部へ排出される。
【００１２】
エンジン２で発生した熱を効率よく回収するための熱媒体の循環経路１２が設定されている。熱媒体を循環させるためのウォータポンプ１０が熱媒体の循環経路１２の入口側に設けられる。この配置により、高温の熱媒体との接触が避けられるのでシール部材等が劣化しにくくなり、ウォータポンプ１０の長寿命化が図られる。
【００１３】
ウォータポンプ１０で外部から排熱回収装置１に給送された熱媒体は、まず排気熱交換器９に給送され、続いて、オイルパン４内のオイル熱交換器５、エンジン２、シリンダヘッド６、サーモカバー１６を順に経て、外部へ循環する。循環経路１２を通った熱媒体は、排熱回収装置１の外部で給湯タンク等の熱負荷を経由することができる。サーモカバー１６はサーモスタットを内蔵していて、予め設定した温度以下では閉弁して熱媒体を循環させないようにし、シリンダの温度低下を防ぐことができる。
【００１４】
熱媒体が循環経路１２を循環することによってエンジン２で発生した熱が回収されて熱負荷へ供給される。すなわち、熱媒体は、その温度が低いうちに排気熱交換器９に給送されて、ここでエンジン２からの排気と熱交換して効率的に熱を得る。排気熱交換器９およびオイル熱交換器５を順に通過することによって、熱を得て温度上昇した熱媒体は、さらにエンジン２のシリンダ壁やシリンダヘッド６に設けられた管路つまりウォータジャケット６Ａからなる冷却部およびシリンダヘッド６を通って熱回収し、その温度がさらに上昇させられる。
【００１５】
上記のように設定された熱媒体の循環経路では、特に、低温の熱媒体がまず排気熱交換器９に供給されることにより、排気ガス中の水蒸気が露点以下になるように熱交換されて受熱される。したがって、熱媒体は、排気が有している熱および排気の凝縮熱を回収した後、更に、循環経路の下流に配されたオイル熱交換器５やエンジン冷却部で熱回収するので、熱交換効率が高められる。
【００１６】
循環経路１２には、熱媒体の温度を検知するための温度センサＴＷ１，ＴＷ２が設けられる。温度センサＴＷ１は受熱部つまりエンジン２の近傍に設けられ、温度センサＴＷ２は温度センサＴＷ１より下流に設けられる。これらの温度センサＴＷ１，ＴＷ２は循環経路１２内の熱媒体の有無や不足を検出するために設けられる。
【００１７】
図２は上記排熱回収装置の外観を示す右側斜視図、図３は同左側斜視図である。図２および図３において、排熱回収装置１は上板１３Ａ、底板１３Ｂ、および側板１３Ｃからなる防音ケース１３に収納されている。底板１３Ｂには脚１４が設けられ、側板１３Ｃの右側には電気入出力用端子１５や取手１７等が設けられる。さらに側板１３Ｃの右側には熱媒体入口パイプ１８、熱媒体出口パイプ１９、および凝縮水ドレーンパイプ２０、ならびに燃料ガス入口パイプ２１がそれぞれ貫通する孔が形成されている。上板１３Ａには吸気管２２および排気管２３がそれぞれ貫通する孔が形成されている。
【００１８】
側板１３Ｃの左側には入力制御パネル１５Ａや取手１７Ａが設けられる。側板１３Ｃの左側には前記熱媒体入口パイプ１８および熱媒体出口パイプ１９とそれぞれつながる熱媒体左入口パイプ４７および熱媒体左出口パイプ４８がそれぞれ貫通する孔が形成される。熱媒体入口パイプ１８および熱媒体左入口パイプ４７、ならびに熱媒体出口パイプ１９および熱媒体左出口パイプ４８は、ケース１３の左右任意の側から熱媒体の出入れが可能なように、それぞれ図示しないホースでつながれる。図３では、右側から熱媒体を出し入れする設定になっているため熱媒体左入口パイプ４７および熱媒体左出口パイプ４８は栓で塞がれている。
【００１９】
続いて、排熱回収装置１の内部構造をさらに説明する。図４はケースを一部取り外した状態の排熱回収装置の正面図、図５は同右側面図、図６は同左側面図である。図４〜図６において、排熱回収装置１の上部にはエアフィルタ７、バッテリ２５、およびＥＣＵ２６が配置される。なお、排熱回収装置１の上部には、自動電圧レギュレータ（ＡＶＲ）や燃料ガスの調圧器（いずれも図示せず）等も配置される。さらに、最下部には排気熱交換器９が、中間部にはエンジン２がそれぞれ配置される。
【００２０】
エンジン２はクランク軸（図示しない）が垂直に設定されたバーチカルタイプであり、クランク軸には作業機としての発電機３が結合される。エンジン２の下部にはオイルパン４が配置される。エンジン２のシリンダヘッドの上方にはミキサ２７が設けられ、ミキサ２７にはエアフィルタ７から延びた吸気用ホース２８と、調圧器を経て燃料ガス入口パイプ２１から延びたガスパイプ２９とが接続される。
【００２１】
底板１３Ｂには、側板１３Ｃに沿って右ステー３０が立設される。右ステー３０には熱媒体入口パイプ１８、熱媒体出口パイプ１９、および凝縮水ドレーンパイプ２０が取付けられる。排気熱交換器９からの排気音を吸収するサイレンサ３１は右ステー３０に沿って設けられる。サイレンサ３１は排気管２３に接続され、吸気管２２はエアフィルタ７に接続される。サイレンサ３１には、その入口側に曲管部３２が設けられていて、排気熱交換器９からの排気は曲管部３２を経てサイレンサ３１に導入される。
【００２２】
このように、エンジン２をバーチカルタイプにし、作業機である発電機３を縦軸に配置したクランク軸に連結するとともに、排気熱交換器９は水平に横たわるエンジン２のシリンダの下方に配置している。こうして、排熱回収装置１は全体として縦長にしたので、設置面積を小さくできるとともに、仕切板１００の下面に設けられる換気装置１１０による自然対流を利用した換気も能率よく行うことができる。なお、換気装置１１０は、防音ケース１３の底板１３Ｂに設けられた空気取入孔から取込んだ空気を防音ケース１３外へ排出するためのラビリンス構造の通路を有する。
【００２３】
図１は、エンジンの要部断面図である。同図において、縦型に配置されるクランク軸４０は、クランクピン４０１の上下でクランクケース（以下、単に「ケース」という）４１に支承される。クランク軸４０に平行にカムシャフト４２が設けられ、このカムシャフト４２もケース４１に上下で支承される。クランク軸４０の回転をカムシャフト４２に伝達するための歯車４３，４４が設けられる。カムシャフト４２の下端は、ケース４１に回転自在に支承されるオイルポンプシャフト４５に結合される。オイルポンプシャフト４５はその下端でオイルポンプ（トロコイドポンプ）４６に結合される。
【００２４】
オイルポンプ４６の下方にはオイルカバー４７が設けられる。オイルカバー４７には、オイルをオイルポンプ４６に案内するパイプ４８が設けられる。パイプ４８の下端には下方に開口する受け皿４９が固定される。オイルカバー４７には、さらにオイルポンプ４６からオイルを排出するための通路５０と逆止弁５１が設けられる。
【００２５】
ケース４１には、前記通路５０につながる通路５２が設けられ、この通路５２は水平に延びて、オイルフィルタ５３に至る。オイルフィルタ５３とクランク軸４０の下部ジャーナルとの間には通路５４が形成される。通路５４はクランク軸４０内に形成される通路５５につながる。ケース４１の下方はオイルパン４でカバーされる。
【００２６】
クランク軸４０の上端は、図１では示さない前記発電機３のロータに結合される一方、クランク軸４０の下端は、オイルの攪拌棒５６に結合される。攪拌棒５６はクランク軸４０から下方に延び、先端には、攪拌部５６１が形成される。攪拌部材５６１は、攪拌棒５６の軸部より太径に形成され、好ましくはクランク軸４０側から見た形が多角形または羽根形（後述）である。攪拌棒５６は、冷却水が通るパイプをコイル状に巻いたオイル熱交換器５に取り囲まれるように配置される（オイル熱交換器５の形状は図８，９も参照）。
【００２７】
上記構成において、オイルポンプ４６が駆動されるとオイルパン４内に貯留されるオイルは、パイプ４８で吸い上げられ、ポンプ４６、通路５０，５２，５３を通ってクランク軸４０内の通路５５に給送される。クランク軸４０が回転すると、通路５５の端部から排出されるオイルは軸受部の潤滑や冷却作用をしたあと、オイルパン４内に垂れ落ちて回収される。
【００２８】
クランク軸４０の回転に伴って、攪拌棒５６は回転し、オイルパン４内に貯留するオイルは攪拌棒５６の先端に設けられた攪拌部材５６１で攪拌される。この攪拌部材５６１の攪拌作用により、オイルの温度はオイルパン４内各部でほぼ一様にすることができる。したがって、オイルパン４内にオイルと接触するように配置されるオイル熱交換器５によって効率的に熱回収され、オイルの冷却効果が高められる。
【００２９】
攪拌部材５６１とオイル熱交換器５との配置関係を説明する。図８は、オイルパン４の分解斜視図、図９は同側面断面図、図１０は同平面図である。これらの図において、オイル熱交換器５は金属（好ましくはアルミニューム）のパイプをコイル状に形成し、その端部をオイルパン４外に突出させて熱媒体つまり冷却水の入口５ａおよび出口５ｂとしたものである。コイル状のオイル熱交換器５のほぼ中心に攪拌棒５６を位置させる。
【００３０】
ここで、クランク軸４０の回転方向つまり攪拌棒５６の回転方向が図１０において反時計方向（ｃｃｗ）であった場合、オイル熱交換器５内での冷却水の流れ方向は、攪拌棒５６の回転方向と反対方向つまり図１０において時計方向（ｃｗ）とするがよい。こうすることにより、オイルは矢印Ｃのように対流し、冷却水と向流して、効率よく熱回収することができる。
【００３１】
図１１は攪拌部材５６１の外形の一例を示す図である。攪拌部材５６１は、羽根形（図１１（ａ））や、多角形（図１１（ｂ）、（ｃ））等種々変形できる。但し、攪拌部材５６１のサイズをあまり大きくするのは好ましくなく、オイルに緩やかな流れを生じさせるように設定するのがよい。また、攪拌棒５６は長さ方向に垂直な断面形状が円形で、その先端だけが角柱や羽根形のものを説明したが、攪拌棒５６の全長において、少なくともオイルに浸漬されている部分が角柱等上記形状であればよい。
【００３２】
オイルの冷却程度を調査したところ、攪拌棒５６を設けることにより、攪拌棒５６を設けない場合より、オイル温度を約４°Ｃ低下させることができた。但し、攪拌棒５６の直径は６mm、攪拌部材５６１は対角長１２mm、高さ５mmの六角柱である。そして、オイル量３．８リットル、冷却水量５リットル/分、室温３５°Ｃ、冷却水温７０°Ｃ、オイル熱交換器５の管長３００mmであり、このときにオイル温度は９４°Ｃに維持できた。
【００３３】
なお、オイル熱交換器５は、図８、図９のようなパイプをコイル状に巻いたものに限らない。ローフィン銅管、ステンレスベローズ管、ターボチル管等を用途や使用環境に対応して適宜選択して使用することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、エンジン２で発電機３が駆動されるものを説明したが、本発明はこれに限らず、発電機以外の作業機をエンジン２で駆動できるものであってもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項５の発明によれば、エンジンの回転中はオイル攪拌手段によってオイルに流動が生じさせられるので、熱交換器周りのオイルに対流が生じて熱交換効率が向上し、ひいては、オイルの冷却効率も向上する。特に、請求項３の発明によれば、オイルの攪拌方向に対して熱媒体の循環方向を対向させたので、熱交換効率が一層高められる。また、請求項４の発明によれば、単純な角柱状の攪拌部で効果的にオイルを攪拌することができるので構造が簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る排熱回収装置の要部断面図である。
【図２】  排熱回収装置の右外観斜視図である。
【図３】  排熱回収装置の左外観斜視図である。
【図４】  ケースを取外した状態の排熱回収装置の正面図である。
【図５】  ケースを取外した状態の排熱回収装置の右側面図である。
【図６】  ケースを取外した状態の排熱回収装置の左側面図である。
【図７】  本発明の一実施形態に係る排熱回収装置の要部構成を示すブロック図である。
【図８】  オイルパンの分解斜視図である。
【図９】  オイルパンの断面図である。
【図１０】  オイルパンの分解平面図である。
【図１１】  オイル攪拌部材の斜視図である。
【符号の説明】
１…排熱回収装置、  ２…エンジン、  ３…発電機、  ４…オイルパン、  ５…オイル熱交換器、  ７…エアフィルタ、  ９…排気熱交換器、  １０…熱媒体用ポンプ、  １２…循環経路、  １３…防音ケース、  ４０…クランク軸、  ４１…クランクケース、  ４２…カムシャフト、  ５６…オイル攪拌棒、  ５６１…オイル攪拌部材
【図１】
0003888666.tif 000002
【図２】
0003888666.tif 000003
【図３】
0003888666.tif 000004
【図４】
0003888666.tif 000005
【図５】
0003888666.tif 000006
【図６】
0003888666.tif 000007
【図７】
0003888666.tif 000008
【図８】
0003888666.tif 000009
【図９】
0003888666.tif 000010
【図１０】
0003888666.tif 000011
【図１１】
0003888666.tif 000012