(57)【要約】【課題】本発明は、エンジン発電機において生じる排熱を発電に供し、簡易な構成で発電効率を向上させるエンジン発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、代表的な本発明の一つは、発電機と、前記発電機の駆動軸と接続し、前記発電機を前記駆動軸を介して駆動するエンジンと、前記エンジンの排気管と接続し、前記排気管からの熱によって循環水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生装置と、該蒸気発生装置と蒸気配管を介して接続し、前記蒸気発生装置から送られた蒸気によって駆動する膨張機と、前記膨張機と前記エンジンの駆動軸とを接続するものであって、前記膨張機で発生した回転動力を減速させて前記エンジンの駆動軸へ伝達する減速機と、を備える。【選択図】  図１
2016044663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
前記発電機の駆動軸と接続し、前記発電機を前記駆動軸を介して駆動するエンジンと、
前記エンジンの排気管と接続し、前記排気管からの熱によって循環水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生装置と、
該蒸気発生装置と蒸気配管を介して接続し、前記蒸気発生装置から送られた蒸気によって駆動する膨張機と、
前記膨張機と前記エンジンの駆動軸とを接続するものであって、前記膨張機で発生した回転動力を減速させて前記エンジンの駆動軸へ伝達する減速機と、
を備えるエンジン発電システム。
【請求項２】
請求項１において、さらに、
前記膨張機と蒸気出口管を介して接続し、前記膨張機から送られた蒸気を凝縮して循環水を生成する凝縮器と、
前記凝縮器と水配管を介して接続し、前記凝縮器で生成された循環水によって前記エンジンを冷却する冷却ジャケットと、を備え、
前記冷却ジャケットから流出した循環水は、給水ポンプによって昇圧され、前記蒸気発生装置へ送られることを特徴とするエンジン発電システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２おいて、さらに、
前記減速機と前記エンジンの駆動軸との間に、前記膨張機と前記エンジンとの接続を切断可能な電磁クラッチを備えることを特徴とするエンジン発電システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、さらに、
前記冷却ジャケットと、前記蒸気発生装置へ給水する給水ポンプとの間に循環水に含まれる気泡を取り除く給水容器を設けたことを特徴とするエンジン発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかにおいて、さらに、
前記発電機または前記エンジンの回転数を検出する回転数検出センサと、
前記膨張機の蒸気入口管に備える電動弁と、
前記膨張機に吸入される蒸気の圧力を検出する圧力センサと、
前記回転数検出センサによって検出した前記発電機または前記エンジンの回転数に変化が生じると、前記圧力センサによって検出する蒸気の圧力が所定の値になるよう前記電動弁を開閉制御するコントローラと、
を備えることを特徴とするエンジン発電システム。
【請求項６】
請求項５において、さらに、
前記膨張機に吸入される蒸気の温度を検出する温度センサを備え、
前記コントローラは、前記温度センサによって検出した温度が既定値を超えた場合には、前記電動弁を閉制御することを特徴とするエンジン発電システム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、さらに、
前記蒸気発生装置から排出された排気ガスと冷却水とが熱交換を行う熱交換器を備えることを特徴とするエンジン発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンによって発電を行うエンジン発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排熱を利用する技術として、例えば特許文献１では、「変速機１４３に接続された内燃機関１の廃熱で水を加熱して高圧蒸気を発生する蒸発器３と、蒸発器３で発生した高圧蒸気を一定トルクの出力に変換する容積型の膨張機４と、膨張機４が排出した低圧蒸気を液化する凝縮器５と、凝縮器５で液化された水を蒸発器３に供給する給水ポンプ６とによってランキンサイクルを構成する廃熱回収装置２を設け、前記膨張機４を遊星歯車機構１２２を介して発電・電動機１２４に接続するとともに、前記膨張機４を遊星歯車機構１２２およびベルト式無段変速機１２３を介して内燃機関１の出力軸１４２に接続する。」ことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２２７６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発電機によって電気を発電するとともに、そこで発生する熱を利用して供給するシステムとして、コージェネレーションシステムが知られている。しかし、熱需要が少ない顧客サイトでは、発電効率が重視されるため、排熱も発電に供したいという課題がある。
【０００５】
ここで、上記特許文献１のような排熱回収方法では、自動車に搭載された内燃機関の排熱を利用するために、膨張機で得られたエネルギーを回収するための発電機も本来のエンジンシステムとは別に設ける必要があり、コストも高く、新たなスペースが必要であるという課題があった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑み、エンジン発電機において生じる排熱を発電に供し、簡易な構成で発電効率を向上させるエンジン発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、代表的な本発明の一つは、発電機と、前記発電機の駆動軸と接続し、前記発電機を前記駆動軸を介して駆動するエンジンと、前記エンジンの排気管と接続し、前記排気管からの熱によって循環水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生装置と、該蒸気発生装置と蒸気配管を介して接続し、前記蒸気発生装置から送られた蒸気によって駆動する膨張機と、前記膨張機と前記エンジンの駆動軸とを接続するものであって、前記膨張機で発生した回転動力を減速させて前記エンジンの駆動軸へ伝達する減速機と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、エンジン発電機において生じる排熱を発電に供し、簡易な構成で発電効率を向上させるエンジン発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】排ガスの熱エネルギーから動力回収を行うエンジン発電システムの全体構成図。
【図２】給水容器を備えた排ガスの熱エネルギーから動力回収を行うエンジン発電システムの全体構成図。
【図３】膨張機の回収動力を高効率にするための蒸気流量の制御を行う排ガスから動力回収を行うエンジン発電システムの制御系統図。
【図４】排ガスの熱エネルギーから動力回収を行うと共に、温度の低下した排ガスから更に温水として熱を回収可能なエンジン発電システムの全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下，本発明の実施形態に係る排ガスから動力回収を行うエンジン発電システムについて図１〜図４を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１にエンジン発電機のエンジンの排ガスから動力を回収するエンジン発電システムの一実施例を示す。エンジン発電機１は発電機３がエンジン２と一体の構造をしており、発電機とエンジンは駆動軸が各々直結され発電機はエンジンと同一回転数で駆動される。エンジンの端部から出たエンジン駆動軸７には電磁クラッチ６と減速機５を介して膨張機４がその回転軸で接合されている。
【００１２】
次に、膨張機４を駆動する蒸気の発生に関わる装置と蒸気管及び循環水の配管系統について説明する。エンジン２の排気管１５は蒸気発生装置８と接続されており、高温のエンジン排ガスが蒸気発生装置８へ流入し、同じく蒸気発生装置８に接続された循環水入口管１６から流入する循環水を加熱して高温，高圧の蒸気を発生させる。
【００１３】
エンジン排ガスは循環水を加熱した後、排ガス出口管３５から排出され、生成された蒸気は電動弁（１）９を介して膨張機へ流入する。図１では膨張機に容積形膨張機を用いることとしてスクリュー型膨張機を示す。蒸気は蒸気入口管１７から膨張機４の吸入ポートへ流入する。膨張機４の雄・雌一対のロータで形成される作動室内では高温、高圧の蒸気が膨張することによって雄・雌両ロータを互いに逆方向に回転させて動力を発生させる。
【００１４】
膨張により圧力、温度が低下した蒸気は吐出ポートから膨張機蒸気出口管１８を通って凝縮器１０へ流入し冷却される。凝縮器１０で冷却された蒸気は凝縮して水となり循環する。凝縮器１０から出た循環水は循環ポンプ１１でエンジン冷却ジャケット入口管１９を通ってエンジン２の冷却ジャケット１４へ送られる。エンジンの冷却ジャケット１４でエンジンを冷却することで沸点近くまで加熱された循環水はエンジン冷却ジャケット出口管２０から出て給水ポンプ１２で昇圧され、循環水入口管１６を通って蒸気発生装置８へ送られる。
【００１５】
ここで、給水ポンプ１２と蒸気発生装置８とを接続する循環水入口管１６の間には蒸気発生装置８から給水ポンプ１２へ逆流するのを防止するために逆止弁１３が設けられている。
【００１６】
また、凝縮器１０は、エンジンを冷却して高温となった冷却水を冷却するラジエータの役割と、膨張機が排出した低圧蒸気を液化する凝縮器の役割とを共用化するため、十分な冷却熱量を有する凝縮器を採用する。
【００１７】
また、図１では膨張機としてスクリュータイプを示すが、発生する蒸気量に応じてスクロールタイプやロータリータイプなど他の容積形膨張機を用いても良い。凝縮器１０の冷却は空冷の場合、冷却ファン２７により周囲の空気へ放熱する。但し、外部の冷却水を用いた水冷も可能である。膨張機４の回収動力はエンジン駆動軸７へ接続される。そのため、エンジンの回転数に対して数倍の高速になる膨張機は減速機５を介してエンジン駆動軸へ接続される。ここで、エンジン及び発電機の回転数を定格条件で一定としたときに、排ガスの温度、流量はほぼ一定となるため、排ガスから生成される蒸気量もほぼ一定となる。そのため、膨張機の仕様回転数はエンジンの定格回転数に合わせて効率の良い回転数に設定し、減速機の速比は、その比率に合わせた速比を設定する。
【００１８】
また，膨張機のトラブル等の発生に対してエンジン駆動軸への接続を切断するための電磁クラッチ６を介して接続する。さらに、膨張機の回転を微調整するために流入する蒸気量を制御可能とする電動弁（１）９を設けている。
【００１９】
以上のように、本実施例では、エンジン発電機において該エンジンの排ガスから蒸気を生成し、生成した蒸気によって膨張機を作動させ、前記エンジン発電機の駆動軸に動力を回収することで発電効率を高めた排ガスから動力回収を行う。このように、膨張機の動力回収用の専用機を設けず、エンジン発電システムで備えた発電機を駆動するエンジンの駆動軸へ回収することで、エンジン発電装置で備えた発電機は動力回収用の発電機よりも発電容量が大きいので発電効率も高く、別途発電機を設ける必要が無いため価格の低減、省スペース化が図れ、結果、簡易な構成でエンジン発電機の発電効率を向上させることができる。
【００２０】
また、エンジンを冷却して高温となった冷却水を冷却するラジエータと膨張機が排出した低圧蒸気を液化する凝縮器とを十分な冷却熱量を有する凝縮器を用いて共用化することで、エンジンの冷却水の熱を外気へ放出するラジエータと、膨張機が排出した低圧蒸気を液化する専用の凝縮器と、を別々に設ける必要がなく、コストや設置スペースを削減することができる。
【００２１】
また、本実施例では、凝縮器で液化された水をエンジンの冷却ジャケットを通してエンジンを冷却することで沸点近くまで加熱させてから蒸発器に送る構成としている。これによって、凝縮器で液化された低温の水を直接加熱することと比較して、蒸発機で沸点に達するための加熱に要する顕熱エネルギーをエンジン冷却ジャケットから得ることができるため、排ガスの熱エネルギーの多くを循環水の蒸発のためのエネルギーとして利用でき、多くの蒸気を発生させることができる。
【００２２】
また、本実施例の膨張機は、エンジン駆動軸には電磁クラッチ６と減速機５を介して、その回転軸で接合されている。そのため、例えばベルト式無段変速機等で接続するのと比較して回転に伴う機械損失による伝達ロスを低減することができる。
【実施例２】
【００２３】
図２に第２実施例を示す。図２は図１に示す実施例と基本構成は同じであるが、エンジン２の冷却ジャケット１４から循環水を取り出すエンジン冷却ジャケット出口管２０と蒸気発生装置８へ循環水を供給する給水ポンプ１２の間に循環水に含まれる気泡を除いて、流れを安定させるための給水容器２１を設けている。給水容器２１の上部からエンジン冷却ジャケット１４から戻った循環水を流入させて、下部の給水容器出口管２２から循環水を供給することで、循環水に気泡が混入していた場合は給水容器２１の上部空間に気泡が溜まるため、放気電磁弁２３を開閉することで気泡を放出することが可能である。循環水が減少した場合は給水タンク２１の下部に設けた外部給水管２４からその配管に設けた電動弁（２）２５を開閉することで補給が可能である。
【実施例３】
【００２４】
図３に第３の実施例を示す。図３では主に、実施例３に示す装置構成における膨張機４の出力制御を行うための信号系統を示す。  エンジン２及び発電機３の回転数はエンジンまたは発電機の軸に設けた回転検出器２９で検出され、その信号はコントローラ２８へ送られる。膨張機４の吸入ポートへ流入する蒸気量はその圧力を圧力センサ３１で検出し、その信号は信号線によりコントローラ２８へ送られる。同様に蒸気の温度は温度センサ３０で検出し、同様にその信号は信号線でコントローラへ送られる。また、膨張機蒸気入口管１７に設けた電動弁（１）９はコントローラ２８からの信号により開閉可能である。
【００２５】
エンジン及び発電機の回転数を定格条件で一定としたときに、排ガスの温度、流量はほぼ一定となる。そこで、排ガスから生成される蒸気量もほぼ一定となる。
【００２６】
その場合、膨張機の仕様回転数はエンジンの定格回転数に合わせて効率の良い回転数に設定し、その比率に合わせた減速機の速比を設定する。
【００２７】
ここで、膨張機ではロータの容積を一定とすると、吸入圧力と吐出圧力の比で示す膨張により仕事をするので、エンジンの回転に対して膨張機の回転をマッチングさせるためには、蒸気発生装置から供給される蒸気の圧力が膨張機の吸入ポートで一定であればよいことになる。
【００２８】
しかし、発電容量に応じてエンジンの負荷や回転数が変わったとき、エンジンの回転に対して膨張機の回転をマッチングさせるように調整をする場合、膨張機４へ流入する蒸気流量を電動弁（１）９を開閉して制御することで可能である。
すなわち、回転検出器２９によってエンジン２や発電機３の回転数の変化を検出すると、膨張機の吸入ポートへ流入する蒸気の圧力Ｐを圧力センサ３１で検出し、コントローラ２８で予め設定してある蒸気圧Ｐ０と比較し、蒸気圧Ｐが設定圧Ｐ０よりも高ければ電動弁（１）９を絞り、設定圧Ｐ０になったところで、電動弁（１）９を停止させる。逆に蒸気圧Ｐが設定圧Ｐ０よりも低い場合には電動弁（１）９を開けて、設定圧Ｐ０になったところで電動弁（１）９を停止させることで可能である。尚、設定圧Ｐ０は、エンジン２，発電機３の回転数に応じて設定される。
【００２９】
また、膨張機４はドライスクリュー圧縮機と同様にロータ間には隙間を設けてタイミングギヤにより非接触で駆動される。隙間は性能上、仕様のロータ温度でできるだけ小さく設定される。従って、ロータが高温になり仕様温度以上の膨張になると、ロータが焼損してしまう可能性がある。
【００３０】
これを防止するために、温度センサ３０で流入蒸気温度を検出しておき、蒸気温度が設定値を超えたら電動弁（１）９を閉じる制御を行う。これによって、蒸気発生装置の異常が生じた際、膨張機の温度上昇を防止し、ロータの焼き付きを防止することができる。
【実施例４】
【００３１】
図４に更に他の実施例４を示す。基本構成は図２、図３と同様であるが、蒸気発生装置８を通過したエンジン２の排ガスはまだ温度が高いので、更に熱交換器３２を設けて外部の水を加熱して温水にして熱回収を行う。冷却水入口配管３３から流入した水は熱交換器３２で加熱されて温水となるため冷却水出口配管３４から出た後、給湯器へ接続して温水として利用するか、温水を吸収式冷温水機へ接続することで排熱による冷房空調が可能である。
【００３２】
図１の実施例１を基に本発明による排ガスから動力回収を行うエンジン発電システムにおける熱収支を示す。発電容量３５ｋＷの発電機を駆動するエンジンの排ガス温度を５３０℃と仮定すると、蒸気発生装置で循環水から温度１６０℃、圧力０．６ＭＰａの蒸気を３９ｋｇ／ｈ生成可能である。その後、膨張機で大気圧近くまで膨張させると膨張機の効率と発電機の効率を考慮して回収される動力から発電される電力は約１．７ｋＷとなる。従って、発電容量３５ｋＷに対して排熱回収により発電量は約５％増加することができる。膨張機で膨張した蒸気は凝縮器で冷却され、温度２０℃圧力０．０８ＭＰａの水になる。その後、循環ポンプでエンジンの冷却ジャケットへ供給され、エンジンを冷却することで９０℃、０．２ＭＰａの温水になる。循環水はさらに給水ポンプで蒸気発生装置入口の圧力まで昇圧され、蒸気発生装置へ供給される。蒸気発生装置を出た排ガスは循環水を加熱することで１７５℃に温度が下がり排出される。
【００３３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１：エンジン発電機、２：エンジン、３：発電機、４：膨張機、５：減速機、６：電磁クラッチ、７：エンジン駆動軸、８：蒸気発生装置、９：電動弁（１）、１０：凝縮器、１１：循環ポンプ、１２：給水ポンプ、１３：逆止弁、１４：エンジン冷却ジャケット、１５：排気管、１６：循環水入口管、１７：膨張機蒸気入口管、１８：膨張機蒸気出口管、１９：エンジン冷却ジャケット入口管、２０：エンジン冷却ジャケット出口管、２１：給水容器、２２：給水容器出口管、２３：放気電磁弁、２４：外部給水管、２５：電動弁（２）、２６：電気出力、２７：冷却ファン、２８：コントローラ、２９：回転検出器、３０：温度センサ、３１：圧力センサ、３２：熱交換器、３３：冷却水入口配管、３４：冷却水出口配管、３５：排ガス出口管、３６：放気弁、３７：吸収式冷温水機
【図１】
2016044663.tif 000003
【図２】
2016044663.tif 000004
【図３】
2016044663.tif 000005
【図４】
2016044663.tif 000006