(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と前記発電機を駆動する内燃機関からなる発電ユニットと、前記内燃機関の冷却水を排気熱と熱交換させて昇温する熱交換器と、前記熱交換器と前記内燃機関を接続して前記熱交換器から出力される前記冷却水を前記内燃機関に供給する冷却水通路と、前記内燃機関と前記熱交換器を接続して前記内燃機関から出力される排気を前記熱交換器に供給する排気通路とを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、前記内燃機関と前記熱交換器との間に配置され、温度差に応じて発電する熱発電素子を設けると共に、前記熱発電素子の低温部を前記冷却水通路が前記熱交換器を出た直後の位置近傍に近接させて配置させる一方、前記熱発電素子の高温部を前記排気通路が前記内燃機関を出た直後の位置近傍に近接させて配置したことを特徴とするコージェネレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はコージェネレーション装置に関し、より具体的には発電効率を向上させるようにしたコージェネレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に内燃機関で駆動される発電機からなる発電ユニットを接続し、発電ユニットで生じた電力（電気エネルギ）を商用電力系統と連系させて電気負荷に供給すると共に、内燃機関の排熱を利用して生成した温水など（熱エネルギ）を熱負荷に供給するようにした、いわゆるコージェネレーション装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−４５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記したようなコージェネレーション装置にあっては、内燃機関の燃料のエネルギの内、約２２．５％を電気エネルギに、約６２．５％を熱エネルギに変換して電気負荷や熱負荷に供給しており、その総合効率は８５．０％にまで達するが、エネルギをより有効に活用するべく、総合効率の向上、特に電気エネルギへの変換効率（発電効率）のさらなる向上が望まれている。しかしながら、上記した特許文献１に記載の技術は、その点に関して何ら開示するものではなかった。
【０００４】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、総合効率を向上、特に発電効率を向上させるようにしたコージェネレーション装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と前記発電機を駆動する内燃機関からなる発電ユニットと、前記内燃機関の冷却水を排気熱と熱交換させて昇温する熱交換器と、前記熱交換器と前記内燃機関を接続して前記熱交換器から出力される前記冷却水を前記内燃機関に供給する冷却水通路と、前記内燃機関と前記熱交換器を接続して前記内燃機関から出力される排気を前記熱交換器に供給する排気通路とを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、前記内燃機関と前記熱交換器との間に配置され、温度差に応じて発電する熱発電素子を設けると共に、前記熱発電素子の低温部を前記冷却水通路が前記熱交換器を出た直後の位置近傍に近接させて配置させる一方、前記熱発電素子の高温部を前記排気通路が前記内燃機関を出た直後の位置近傍に近接させて配置する如く構成した。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係るコージェネレーション装置にあっては、温度差に応じて発電する熱発電素子を設けると共に、熱発電素子の低温部を熱交換器から出力される冷却水を内燃機関に供給する冷却水通路が熱交換器を出た直後の位置近傍、即ち、冷却水通路において温度が比較的低い位置の近傍に近接させて配置させる一方、熱発電素子の高温部を内燃機関の排気通路が内燃機関を出た直後の位置近傍、即ち、排気通路において温度が比較的高い位置の近傍に近接させて配置するように構成、即ち、冷却水通路と排気通路の温度差を利用して熱発電素子で発電するように構成したので、発電ユニットの電力に熱発電素子の電力を加えることができる、即ち、装置の発電量を増加でき、よって総合効率、特に発電効率を向上させることができる。また、熱発電素子の低温部と高温部の温度差を増大させることができる、換言すれば、熱発電素子の発電量を増加でき、発電効率をより向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に即してこの発明に係るコージェネレーション装置を実施するための最良の形態について説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、この発明の実施例に係るコージェネレーション装置を全体的に示すブロック図である。
【００１３】
図１において符号１０はコージェネレーション装置を示す。コージェネレーション装置１０は、商用電源（商用電力系統）１２から電気負荷１４に至る交流電力の給電路（電力線）１６に接続可能な発電機（スタータ／ジェネレータ）２０と発電機２０を駆動する内燃機関（以下、「エンジン」という）２２からなる発電ユニット２４と、エンジン２２の冷却水を排気熱と熱交換させて昇温する排気熱交換器（熱交換器）２６と、排気熱交換器２６で昇温させられた冷却水が供給されて温水などを生成する排熱利用給湯暖房ユニット（熱負荷。図示せず）とを備える。
【００１４】
商用電源１２は、単相３線からＡＣ１００／２００Ｖで５０Ｈｚ（または６０Ｈｚ）の交流電力を出力する。発電ユニット２４は一体化され、排気熱交換器２６と共に発電ユニットケース（筐体）３０の内部に収容される。
【００１５】
エンジン２２は都市ガス（あるいはＬＰガス。以下、単に「ガス」という）を燃料とする、水冷４サイクルの単気筒ＯＨＶ型の火花点火式のエンジンであり、例えば１６３ｃｃの排気量を備える。図示は省略するが、発電ユニットケース３０においてエンジン２２のシリンダヘッドとシリンダブロック２２ａは水平方向（横向き）に配置され、その内部に１個のピストンが往復動自在に配置される。ピストンには鉛直方向（縦向き）に配置されるクランクシャフト（図示せず）が連結される。
【００１６】
発電機２０は多極コイルを備え、クランクシャフトの上端に取り付けられるフライホイール（図示せず）の内側のクランクケース上に固定され、フライホイールとの間で相対回転するとき、交流電力を発電する。発電機２０は、商用電源１２（あるいは図示しないバッテリ）から通電されるとき、エンジン２２をクランキングするスタータモータとしても機能する。
【００１７】
エンジン２２において空気（吸気）は吸気サイレンサ２２ｂ、エアクリーナ２２ｃを通ってミキサ２２ｄに入る。ミキサ２２ｄには燃料供給源（図示せず）からガスがガス管３２、ガス比例弁ユニット２２ｅを介して供給され、そこで空気と混合させられる。ミキサ２２ｄとガス比例弁ユニット２２ｅからなるガスボックスにおいてミキサ２２ｄは電動モータで駆動されるスロットルバルブと可変ジェットを備える。
【００１８】
ミキサ２２ｄで生成された混合気は燃焼室（図示せず）に流れる。燃焼室の付近には点火プラグ２２ｆが配置される。点火プラグ２２ｆは、図示しないバッテリの出力がパワートランジスタやイグニッションコイルなどからなる点火装置２２ｇを介して供給されると、燃焼室に臨む電極間に火花放電を生じ、混合気を着火して燃焼させる。よって生じた排気（排ガス）はエンジン２２から出力され、エンジン２２に接続される排気通路（排気管）２２ｈ、排気マフラ２２ｉを通って発電ユニットケース３０の外（庫外）に排出される。
【００１９】
エンジン２２のシリンダブロック２２ａの下部（クランクケースの図示省略）にはオイルタンク（オイルパン）２２ｋが形成され、そこにエンジン２２の潤滑オイルが貯留される。潤滑オイルはギヤポンプ（図示せず）で掻き上げられてピストンなどの摺動部分を潤滑した後、コンロッド（図示せず）やシリンダ壁面を伝わって落下し、オイルタンク２２ｋに貯留される。
【００２０】
発電機２０の出力はインバータユニット３４に送られる。インバータユニット３４はＤＣ−ＤＣコンバータなどを介して発電機２０の出力をＡＣ１００／２００Ｖ（単相）に変換する。インバータユニット３４は、マイクロコンピュータからなるＥＣＵ（Electronic Control Unit。電子制御ユニット）３６と共にコントロール部を構成し、ＥＣＵ３６の指令を受けて発電機２０の機能をスタータとジェネレータの間で切り換える。
【００２１】
インバータユニット３４の出力は屋内配電盤４０に送られる。屋内配電盤４０は、過電流の通電などを防止する主幹ブレーカ４０ａと、インバータユニット３４の出力に商用電源１２の電力を加えて電気負荷１４に供給する分電盤４０ｂと、発電ユニット２４の専用ブレーカ４０ｃと、商用電源１２から主幹ブレーカ４０ａに至る給電路１６に配置されてそこを流れる交流電力の電流に応じた信号を生じる電流センサ４０ｄなどを備える。即ち、インバータユニット３４の出力は、屋内配電盤４０で商用電源１２の電力と合わせられて（連系されて）電気負荷１４に供給される。
【００２２】
このように、インバータユニット３４の出力は、屋内配電盤４０で商用電源１２から電気負荷１４に至る交流電力の給電路１６に接続可能にされる。尚、発電ユニット２４の発電出力（定格電力）は、１．０ｋＷ程度である。
【００２３】
コージェネレーション装置１０は、前記した電流センサ４０ｄの他に、図１に示すように多くのセンサを備え、各センサの出力はＥＣＵ３６に入力される。ＥＣＵ３６は入力された出力に基づいてエンジン２２の運転などを制御するが、その制御は本願と直接の関連を有しないため、説明を省略する。
【００２４】
符号４２はエンジン２２を冷却する冷却水（不凍液）の通路（以下、「冷却水通路」という）を示す。冷却水通路４２はエンジン２２のシリンダブロック２２ａとオイルタンク２２ｋや排気熱交換器２６を通り、外部の排熱利用給湯暖房ユニット（以下、単に「暖房ユニット」という）に接続される。
【００２５】
冷却水通路４２について詳説すると、冷却水通路４２は、暖房ユニットとオイルタンク２２ｋを接続して暖房ユニットから出力される低温の冷却水をオイルタンク２２ｋに供給する第１の冷却水通路４２ａと、オイルタンク２２ｋと排気熱交換器２６を接続してオイルタンク２２ｋから出力される冷却水を排気熱交換器２６に供給する第２の冷却水通路４２ｂと、排気熱交換器２６とエンジン２２のシリンダブロック２２ａを接続して排気熱交換器２６から出力される冷却水をシリンダブロック２２ａに供給する第３の冷却水通路（冷却水通路）４２ｃと、シリンダブロック２２ａと暖房ユニットを接続してシリンダブロック２２ａから出力される高温の冷却水を暖房ユニットに供給する（戻す）第４の冷却水通路４２ｄとからなる。
【００２６】
従って、暖房ユニットから送られる低温の冷却水は冷却水通路４２の入口側４２ｅに導かれ、循環ポンプ４４によって第１の冷却水通路４２ａを介してオイルタンク２２ｋに供給される。オイルタンク２２ｋにおいて冷却水は、オイルタンク２２ｋに形成されるタンク通路を通って潤滑オイルと熱交換して潤滑オイルを冷却した後、第２の冷却水通路４２ｂを通って排気通路２２ｈに配置された排気熱交換器２６に供給される。
【００２７】
排気熱交換器２６において冷却水は、排気（排ガス）と熱交換して昇温させられる。尚、排気熱交換器２６は、例えば冷却水通路４２を変形させ、排気通路２２ｈを覆うような構造としたものである。排気熱交換器２６を通過した冷却水は、第３の冷却水通路４２ｃを介してシリンダブロック２２ａ（およびシリンダヘッド）に形成されるシリンダ通路に供給されてエンジン２２と熱交換し、エンジン２２を冷却する。排気やエンジン２２との熱交換によって昇温させられた高温の冷却水は、第４の冷却水通路４２ｄを通って出口側４２ｆから暖房ユニットに戻される。
【００２８】
また、コージェネレーション装置１０において、エンジン２２（正確には、エンジン２２のシリンダヘッドの排気バルブ）と排気熱交換器２６の間には、温度差に応じて発電する熱発電素子４６が設けられる。
【００２９】
以下、その熱発電素子４６および熱発電素子４６が設けられる位置などについて詳しく説明する。
【００３０】
図２は、図１に示す発電ユニット２４、排気熱交換器２６などが収容された発電ユニットケース３０を示す分解斜視図である。また、図３は図２において破線で囲まれた部分を拡大して示す部分拡大図であり、図４は図３に示す熱発電素子４６が配置される位置付近の断面図である。尚、図３においては、理解の便宜のため、排気通路２２ｈなどの一部を取り外した状態で示した。また、図３，４においては、冷却水の流れを太線の黒矢印で示すと共に、排気の流れを太線の白矢印で示した。
【００３１】
図２に示す如く、発電ユニットケース３０は外壁パネル５０を備え、外壁パネル５０によって形成された内部空間に、前記した発電ユニット２４、排気熱交換器２６などが収容される。具体的には、発電ユニットケース３０の重力方向において下方位置には、排気熱交換器２６などが配置されると共に、排気熱交換器２６の上方、換言すれば、発電ユニットケース３０の中央位置にはエンジン２２、発電機２０などが設置される。また、発電ユニットケース３０の上方位置には、エアクリーナ２２ｃやマフラ２２ｉなどが取り付けられる。尚、図２において熱発電素子４６は見えない。
【００３２】
熱発電素子４６は、図３，４に示す如く平板状を呈する。熱発電素子４６は、図４に示すように、金属材から製作されると共に、冷却されて温度が低下させられるべき低温部４６ａおよび加熱されて温度が上昇させられるべき高温部４６ｂと、低温部４６ａと高温部４６ｂの間に介挿されると共に、図示しないｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体を交互に直列接続してなる半導体素子４６ｃとからなる。即ち、熱発電素子４６は、低温部４６ａと高温部４６ｂの温度差に応じて発電するゼーベック効果を利用した、公知の熱発電モジュールであり、詳しい説明は省略する。
【００３３】
熱発電素子４６は、エンジン２２と排気熱交換器２６の間であってエンジン２２の排気通路２２ｈと排気熱交換器２６の冷却水通路４２に近接して配置される。詳しくは、図４に示す如く、熱発電素子４６の低温部４６ａは冷却水通路４２（正確には、排気熱交換器２６とエンジン２２を接続する第３の冷却水通路４２ｃ）に近接する一方、熱発電素子４６の高温部４６ｂは排気通路２２ｈに近接して配置される。尚、熱発電素子４６の低温部４６ａと第３の冷却水通路４２ｃとの離間距離Ｌ１は、第３の冷却水通路４２ｃによって低温部４６ａを冷却可能な程度の距離とされる。同様に、熱発電素子４６の高温部４６ｂと排気通路２２ｈとの離間距離Ｌ２は、排気通路２２ｈからの熱によって高温部４６ｂを加熱可能な程度の距離とされる。
【００３４】
熱発電素子４６が配置される第３の冷却水通路４２ｃと排気通路２２ｈの位置について、より具体的に説明すると、図１に示すように、熱発電素子４６の低温部４６ａは、第３の冷却水通路４２ｃが排気熱交換器２６を出た直後の位置（図において符号４２ｃ１で示す）近傍に近接して配置される。即ち、低温部４６ａは第３の冷却水通路４２ｃにおいて温度が比較的低い位置近傍に配置される。
【００３５】
他方、熱発電素子４６の高温部４６ｂは、排気通路２２ｈがエンジン２２を出た直後の位置（図において符号２２ｈ１で示す）近傍、換言すれば、エンジン２２の排気バルブ（図示せず）の近傍に近接して配置される。即ち、高温部４６ｂは排気通路２２ｈにおいて温度が比較的高い位置近傍に配置される。
【００３６】
熱発電素子４６は、上記した位置に配置されることで低温部４６ａが第３の冷却水通路４２ｃによって冷却されて低温になる一方、高温部４６ｂが排気通路２２ｈによって加熱されて高温になる。これにより、熱発電素子４６の低温部４６ａと高温部４６ｂの間に温度差が生じ、その温度差に応じて（比例して）発電が行われる。具体的には、低温部４６ａと高温部４６ｂの温度が例えば７０℃と６５０℃で温度差が５８０℃の場合、熱発電素子４６は約３０Ｗの直流電力を出力することができる。
【００３７】
また、熱発電素子４６は、第３の冷却水通路４２ｃと排気通路２２ｈの間に配置されるため、第３の冷却水通路４２ｃが排気通路２２ｈを冷却するのを防止することもできる。従って、排気通路２２ｈを流れる排気の温度が第３の冷却水通路４２ｃによって低下させられることはなく、よってその後の排気熱交換器２６での熱交換を効率良く行うことができる、即ち、総合効率を向上させることができる。
【００３８】
上記のようにして発電された熱発電素子４６の出力（直流電力）は、図１に示す如く、電力線５２を介してインバータユニット３４に入力され、そこで前述した発電機２０の出力と合わせられた後、専用ブレーカ３４ｃ、分電盤３４ｂなどを通じて電気負荷１４に供給される。
【００３９】
以上の如く、この発明の実施例にあっては、商用電力系統（商用電源）１２から電気負荷１４に至る交流電力の給電路１６に接続可能な発電機（スタータ／ジェネレータ）２０と前記発電機を駆動する内燃機関（エンジン）２２からなる発電ユニット２４と、前記内燃機関の冷却水を排気熱と熱交換させて昇温する熱交換器（排気熱交換器）２６と、前記熱交換器と前記内燃機関を接続して前記熱交換器から出力される前記冷却水を前記内燃機関に供給する冷却水通路（第３の冷却水通路）４２ｃと、前記内燃機関と前記熱交換器を接続して前記内燃機関から出力される排気を前記熱交換器に供給する排気通路２２ｈとを少なくとも備えたコージェネレーション装置１０において、前記内燃機関と前記熱交換器との間に配置され、温度差に応じて発電する熱発電素子４６を設けると共に、前記熱発電素子４６の低温部４６ａを前記冷却水通路４２ｃに近接させる一方、前記熱発電素子４６の高温部４６ｂを前記排気通路２２ｈに近接させて配置する如く構成した。
【００４０】
このように、第３の冷却水通路４２ｃと排気通路２２ｈの温度差を利用して熱発電素子４６で発電するように構成したので、発電ユニット２４の電力に熱発電素子４６の電力を加えることができる、即ち、コージェネレーション装置１０の発電量を増加でき、よって総合効率、特に発電効率を向上させることができる。
【００４１】
また、前記熱発電素子４６の低温部４６ａを前記冷却水通路（第３の冷却水通路）４２ｃが前記熱交換器２６を出た直後の位置４６ｃ１近傍に近接させて配置する如く構成した。即ち、熱発電素子４６の低温部４６ａを第３の冷却水通路４２ｃにおいて温度が比較的低い位置の近傍に近接させて配置するように構成したので、熱発電素子４６の低温部４６ａと高温部４６ｂの温度差を増大させることができる、換言すれば、熱発電素子４６の発電量を増加でき、発電効率をより向上させることができる。
【００４２】
また、前記熱発電素子４６の高温部４６ｂを前記排気通路２２ｈが前記内燃機関（エンジン）２２を出た直後の位置２２ｈ１近傍に近接させて配置する如く構成した。即ち、熱発電素子４６の高温部４６ｂを排気通路２２ｈにおいて温度が比較的高い位置の近傍に近接させて配置するように構成したので、熱発電素子４６の低温部４６ａと高温部４６ｂの温度差をより一層増大できるため、熱発電素子４６の発電量もさらに増加し、よって発電効率をより一層向上させることができる。
【００４３】
尚、上記において、熱発電素子４６の出力をインバータユニット３４に入力するように構成したが、それに限られるものではなく、例えば図示しない操作パネルの表示灯などに直接入力し、表示灯の点灯用の電力として用いるように構成しても良い。
【００４４】
また、発電機２０の駆動源を都市ガス・ＬＰガスを燃料とするガスエンジンとしたが、ガソリン燃料などを使用するエンジンであっても良い。また、発電ユニット２４の定格出力およびエンジン２２の排気量などを具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではない。
【００４５】
また、実施例において商用電源１２が出力する交流電力を１００／２００Ｖとしたが、商用電源１２が出力する交流電力が１００／２００Ｖを超えるときは、それに相応する電圧を発電ユニット２４から出力させることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の実施例に係るコージェネレーション装置を全体的に示すブロック図である。
【図２】図１に示す発電ユニットなどが収容された発電ユニットケースを示す分解斜視図である。
【図３】図２において破線で囲まれた部分を拡大して示す部分拡大図である。
【図４】図３に示す熱発電素子が配置される位置付近の断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  コージェネレーション装置、１２  商用電源（商用電力系統）、１４  電気負荷、１６  給電路、２０  発電機（スタータ／ジェネレータ）、２２  エンジン（内燃機関）、２２ｈ  排気通路、２４  発電ユニット、２６  排気熱交換器（熱交換器）、４２ｃ  第３の冷却水通路（冷却水通路）、４６  熱発電素子、４６ａ  （熱発電素子の）低温部、４６ｂ  （熱発電素子の）高温部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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