JP2009103112A

JP2009103112A - コージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP2009103112A
Application number: JP2007278204A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Yuri; 信行由利; Tsutomu Wakitani; 勉脇谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-05-14
Also published as: EP2053229B1; US7663256B2; EP2053229A1; US20090108588A1

Abstract

【課題】本発明は、エンジンの始動直後に冷却水異常が起こらないようにして、エンジンの停止を回避することができるコージェネレーションシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】コージェネレーションシステム１０には、エンジン１１と、電気エネルギを発生する発電機１３と、エンジン１１の冷却水の一部を取り出し後に戻す冷却水循環経路２１と、この冷却水循環経路２１に介在させ、エンジン１１から排出される排気ガスを熱源として冷却水を昇温する排熱熱交換器１７とが備えられ、冷却水循環経路２１には、冷却水ポンプ２２と、電気供給手段７１と、停電信号を受けたときに、電気供給手段７１を用いて、冷却水ポンプ２２のモータ２２ａへ電気エネルギを供給する制御部４３とが備えられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンで駆動した発電機で電気エネルギを発生するとともにこのエンジンの排熱を利用して冷水を温水にするコージェネレーションシステムの改良に関する。

エンジンに駆動される発電機により電気エネルギを発生するとともに排熱熱交換器により温水を出力するコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−３４８９４８公報（図１）

特許文献１の図１において、コージェネレーションシステム１００（符号は同公報のものを流用する。以下、同じ。）には、内燃機関１（以下、「エンジン１」と云う。）と、このエンジン１で駆動され電気エネルギを発生する発電装置６（以下、「発電機６」と云う。）と、エンジン１から排出される排熱を冷水に伝達して温水を出力する熱回収熱交換器８（以下、「排熱熱交換器８」と云う。）と、エンジン１と排熱熱交換器８との間に設けられ冷却水が循環する冷却水循環経路と、この冷却水循環経路に介在され冷却水を循環させる冷却水ポンプ１０と、エンジン１の始動直後の暖気運転時に、エンジン１からの冷却水を直接戻す三方弁９とが備えられている。

エンジン１の始動直後の暖気運転時には、冷却水ポンプ１０を運転させ、エンジン１からの冷却水を、排熱熱交換器８を経由させずに、エンジン１に直接戻すようにした。
また、冷却水ポンプ１０を始動するために、発電機６で発電した電気エネルギを利用する場合には、電気エネルギの供給は、エンジンの暖機運転が完了した後となることから、エンジンを始動させた直後に冷却水ポンプ１０を起動させることはできない。

このため、停電時にエンジンを運転させるときにおいて、エンジンの始動直後にエンジンの負荷が高くなった場合には、冷却水の温度が所定値以上になる冷却水異常が起こり、エンジンが停止する虞がある。

本発明は、エンジンの始動直後に冷却水異常が起こらないようにして、エンジンの停止を回避することができるコージェネレーションシステムを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、エンジンと、このエンジンで駆動され電気エネルギを発生する発電機と、エンジンの冷却水の一部を取り出し後に戻す冷却水循環経路と、この冷却水循環経路に介在させ、エンジンから排出される排気ガスを熱源として冷却水を昇温する排熱熱交換器とが備えられているコージェネレーションシステムにおいて、冷却水循環経路には、冷却水を圧送する冷却水ポンプと、電気エネルギを供給する電気供給手段と、停電信号を受けたときに、電気供給手段を用いて、冷却水ポンプのモータへ電気エネルギを供給する制御部とが備えられていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、電気供給手段から電気モータへの給電系統には、モータの回転速度を変化させるインバータユニットが介在されている。

請求項３に係る発明では、インバータユニットは、電気供給手段から給電を受ける第１入力端子とモータへ出力する第１出力端子の他に、発電機からの給電を受ける第２入力端子と、外部へ出力する第２出力端子とを備えていることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、電気供給手段は、エンジンを始動するために設けられているバッテリ若しくは冷却水ポンプを始動するために専用に設けられているバッテリであることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、バッテリは、エンジンが収納されているエンジン収納部若しくは排熱熱交換器を含むユニット収納部に配置されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、冷却水循環経路には、冷却水を圧送する冷却水ポンプと、電気エネルギを供給する電気供給手段と、停電信号を受けたときに、電気供給手段を用いて、冷却水ポンプのモータへ電気エネルギを供給する制御部とが備えられているので、停電後において、エンジン始動と同時にエンジンの冷却が可能となる。

このため、エンジン始動直後にエンジンが高負荷状態となって、冷却水の温度が所定値以上になる冷却水異常が起こり難くなる。従って、冷却水異常によるエンジンの停止を回避することができる。

請求項２に係る発明では、電気供給手段からモータへの給電系統には、モータの回転速度を変化させるインバータユニットが介在されている。
冷却水ポンプの回転速度を変化させることができれば、エンジンの温度に応じた最適な冷却水の流量が設定可能となる。このため、バッテリに係る過剰なエネルギ消費がなくなり、省エネルギ化を図ることができる。

請求項３に係る発明では、インバータユニットは、電気供給手段から給電を受ける第１入力端子とモータへ出力する第１出力端子の他に、発電機からの給電を受ける第２入力端子と、外部へ出力する第２出力端子とを備えている。

発電機で発電した電気エネルギの電圧及び周波数を変化させて外部に出力するインバータユニットを設ける場合に、冷却水ポンプの回転速度を変化させるインバータユニットとを個別に設ける必要がなくなるので、設備費用を下げることができる。加えて、部品点数を減らすことができる。

請求項４に係る発明では、電気供給手段は、エンジンを始動するために設けられているバッテリ若しくは冷却水ポンプを始動するために専用に設けられているバッテリであるので、簡便で且つ低コストな手段を用いてエンジンの再起動を行わせることができる。

請求項５に係る発明では、バッテリは、エンジン収納部若しくは排熱熱交換器を含むユニット収納部に配置されているので、既存のバッテリを有効に活用することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るコージェネレーションシステムの構成図であり、コージェネレーションシステム１０は、原動機としてのエンジン１１と、エンジン１１を制御するＥＣＵ１２と、エンジン１１の出力軸に連結されるとともにこの出力軸で駆動され電気エネルギを発生する発電機１３と、この発電機１３の出力端子に接続されているインバータユニット１４と、このインバータユニット１４と外部商用電源部１５との間に設けられ所定時以外は発電した電気エネルギの供給を遮断する切替スイッチ１６と、エンジン１１から排出される排気ガスを熱源として冷却水を昇温して温水をつくりこの温水を出力する排熱熱交換器１７と、エンジン１１と排熱熱交換器１７との間に連結され冷却水を循環させる冷却水循環経路２１と、この冷却水循環経路２１に介在されエンジン１１に排熱熱交換器１７で排熱された冷却水を送水する冷却水循環ポンプ２２と、排熱熱交換器１７で熱交換され加熱された温水を貯湯する貯湯タンク２３と、この貯湯タンク２３と排熱熱交換器１７との間に連結され温水を循環させる温水循環経路２４と、この温水循環経路２４に介在される温水ポンプ２５、温度センサ２６及び温度調節バルブ２７と、貯湯タンク２３に設けた給湯出口２８に取り付けられ外部へ温水を出力する温水出力パイプ３１と、この貯湯タンク２３の一方２３ａである給湯出口２８から引き出し、貯湯タンク２３の他方２３ｂに戻す温水循環パイプ３２と、この温水循環パイプ３２に介在させる温風暖房機３３と、この温風暖房機３３の上流側に介在され所定時に温水を加熱する補助加熱手段３４、出力温水ポンプ３５及び温度センサ３６と、給湯出口２８に温水出力パイプ３１を介して連結され開弁して温水を外部に排出する排水弁３７と、貯湯タンク２３に給水する給水経路４１と、この給水経路４１に介在され所定時に開弁する給水バルブ４２と、排水弁３７の開閉をはじめコージェネレーションシステム１０における各種制御を統括する制御部４３とを主要な構成要素とする。

温度調節バルブ２７には、貯湯タンク２３の手前で引き出して貯湯タンク２３から排熱熱交換器１７への温水循環経路２４の戻り配管２４ｂに戻すバイパス経路４４が連結されている。温度調節バルブ２７は、温水循環経路２４内の温水が温度センサ２６により所定値である７０℃に達すると、徐々に開き貯湯タンク２３の上部に温水を供給し始める。温度調節バルブ２７は、湯温が高くなるほどバルブの開度が大きくなるようにした。

温風暖房機３３には、空気の入力口４５及び出力口４６を有するケース体４７と、このケース体４７の内側にこの順に設けられ空気を送風するブロワ４８と、このブロワ４８の下流側に設けられるとともに出力温水循環経路２４に介在させる熱交換器部４９と、この熱交換器部４９の下流にこの順で配置される潜熱熱交換器５１及び顕熱熱交換器５２と、この顕熱熱交換器５２に加熱空気を送るバーナー５３とが備えられている。５４は温度センサである。

バーナー５３により発生させた燃料ガスは、顕熱熱交換器５２と潜熱熱交換器５１を通過して屋外へ放出される。このときケース体４７に配置したブロワ４８によって、顕熱熱交換器５２と潜熱熱交換器５１を通過する空気に熱を伝える。
バーナー５３は、室温が設定値に対して大きく下回っているときや所定時間を経過しても室温が上昇しないときに作動するものである。

なお、空気の入力口４５には、各部屋から冷風が戻る戻り配管が連結され、空気の出力口４６には、各部屋へ温風を送る送り配管が連結されている。図中、５５は貯湯タンク内に配置されている温度センサ、５６はエンジン１１にガスを供給するガス菅、５７は排気ガスを排出する排気管、５８ａ、５８ｂは建物の壁部である。これらの壁部５８ａ、５８ｂの内側を屋内、壁部５８ａ、５８ｂの外側を屋外とするとき、６１は屋外に配置される温度センサ、６２は室内温度を設定するリモコン操作部である。

すなわち、エンジン１１から排出される排熱を冷水に伝達して温水を出力する排熱熱交換器１７には、エンジン１１の排熱によって昇温された温水を貯える貯湯タンク２３が連結されており、この貯湯タンク２３の給湯出口２８には、温水出力パイプ３１を介して連結され開弁して温水を外部に排出する排水弁３７が連結され、貯湯タンク２３の内部の湯温が所定値を超えたときに、排水弁３７を開く制御部４３が設けられている。
図中、制御部４３と各機器間は、図に示す※印にて接続されている。

また、貯湯タンク２３には、この貯湯タンク２３の温水を外部に引き出して戻す温水循環パイプ３２が連結され、この温水循環パイプ３２には、温水を熱源として外気を暖める温風暖房機３３が介在されている。

貯湯タンク２３には、温水循環パイプ３２が連結され、この温水循環パイプ３２には、温水を熱源として外気を暖める温風暖房機３３が介在されており、温風暖房機３３が利用可能となっている。温風暖房機３３が利用可能となっているので、コージェネレーションシステム１０を一層有効に利用することができる。

すなわち、温水循環パイプ３２には、温水を追い焚きする補助加熱手段３４が設けられており、補助加熱手段３４を温風暖房機３３の上流側に設けることで、貯湯タンク２３の温度が低い場合でも、温水循環パイプ３２を加熱することで、温風暖房機３３に所定の性能をもたせることができる。補助加熱手段３４を設けたので、貯湯タンク２３の温度が低いときでも、温風暖房機３３が利用できないという制約がなくなるとともに所定の暖房性能を得ることが可能になる。

図２は本発明に係るコージェネレーションシステムの制御ブロック図であり、コージェネレーションシステム１０は、発電ユニット６４と給湯ユニット６５とからなる。
発電ユニット６４は、エンジン１１と、このエンジン１１に駆動される発電機１３と、この発電機１３の出力端子に接続され発電機１３の周波数や電圧を変換して出力するとともに、発電機１３をスタータの機能に切り替えるスタータドライバ機能を有するインバータユニット１４とを備えており、このインバータユニット１４の出力は、外部商用電源部１５に接続されてエンジン１１が所定の状態になり、発電エネルギが所定値に達したときに切替スイッチ（図１の符号１６）に接続され外部商用電源部１５に電気エネルギが供給される。

給湯ユニット６５は、制御部４３を備え、この制御部４３には、冷却水循環ポンプ２２と、出力温水ポンプ３５と、各種の温度センサ２６、３６、５５と、温度調節バルブ２７と、出力温水ポンプ３５と、排水弁３７と、給水バルブ４２と、ブロワ４８と、補助加熱手段３４とが接続されている。制御部４３は、ＥＣＵ１２に接続されるとともに、システム内に配置した上述した各ポンプ、各バルブ及び各温度センサに接続（図に示されている※印にて示されている。）され、上述した各ポンプ及び各バルブについての各種制御を統括するものである。

図３は本発明に係るコージェネレーションシステムの冷却水ポンプ系統を説明する制御ブロック図であり、図１を併せて参照し説明を行う。
冷却水ポンプ系統７０は、冷却水循環経路２１に介在させ冷却水を圧送する冷却水ポンプ２２と、電気エネルギを供給する電気供給手段７１としてのバッテリ７２と、停電信号を受けたときに、バッテリ７２を用いて、冷却水ポンプ２２のモータ２２ａへ電気エネルギを供給する制御部４３とが備えられている。バッテリ７２は、エンジン収納部８３としての発電ユニット６４に配置されているので、既存のバッテリを有効に活用することができる。

電気供給手段７１からモータ２２ａへの給電系統には、モータ２２ａの回転速度を変化させるインバータユニット１４が介在され、バッテリ７２とインバータユニット１４間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ７３が介在されている。

冷却水ポンプ２２の回転速度を変化させることができれば、エンジン１１の温度に応じた最適な冷却水の流量が設定可能となる。このため、バッテリ７２に係る過剰なエネルギ消費がなくなり、省エネルギ化を図ることができる。

インバータユニット１４は、バッテリ７２から給電を受ける第１入力端子７５とモータ２２ａへ出力する第１出力端子７６の他に、発電機１３からの給電を受ける第２入力端子７７と、外部としての切替スイッチ１６へ出力する第２出力端子７８とを備えている。

発電機１３で発電した電気エネルギの電圧及び周波数を変化させて外部に出力するインバータユニット１４を設ける場合に、このインバータユニット１４には、第１入力端子７５と第１出力端子７６とが備えられているので、冷却水ポンプ２２の回転速度を変化させるインバータユニット１４とを個別に設ける必要がなくなる。

インバータユニット１４を１つにまとめることができるので、設備費用を下げることができる。加えて、部品点数を減らすことができる。
つまり、インバータユニット１４には、冷却水ポンプ２２のモータ２２ａの電源供給端子７６が設けられている。

図１〜図３に基づく排水弁の制御フローを以下に説明する。
図４は実施例及び比較例に係る停電信号を検出した後発電機から発電出力を開始するまでのステップを説明するフロー図である。

（ａ）において、ステップ番号（以下、ＳＴと記す。）０１で外部商用電源部１５において停電が起きるとエンジン１１の点火系がストップし、エンジン１１が停止する（ＳＴ０２）。このとき、切替スイッチ１６で、外部商用電源部１５とインバータユニット１４間の接続をＯＦＦに（分断）する。

ＳＴ０３でエンジン１１が有するバッテリ電源にてエンジン１１を自立的に起動させる。そして、インバータユニット１４を介してバッテリ７２にて冷却水ポンプ２２のモータ２２ａを起動させる（ＳＴ０４）。

ＳＴ０５でエンジン１１を暖機運転させ、エンジン１１が所定の状態になったとき、切替スイッチ１６をＯＮにして発電出力を開始する（ＳＴ０６）。
以上で、実施例に係る冷却水ポンプ系統において、停電信号を検出した後発電機から発電出力を開始するまでの一連の流れが終了する。

（ｂ）において、ＳＴ０７で停電が起きるとエンジン１１が停止する（ＳＴ０８）。このとき、切替スイッチ１６で、外部商用電源部１５とインバータユニット１４間の接続をＯＦＦに（分断）する。

ＳＴ０９でエンジン１１が有するバッテリ電源にてエンジン１１を自立的に起動させる。ＳＴ１０でエンジン１１を暖機運転させ、エンジン１１が所定の状態になったとき、切替スイッチ１６をＯＮにして発電出力を始める（ＳＴ１２）。
以上で、比較例に係る冷却水ポンプ系統において、停電信号を検出した後発電機から発電出力を開始するまでの一連の流れが終了する。

すなわち、（ａ）において、電気供給手段７１としてのバッテリ７２と、停電信号を受けたときに、バッテリ７２を用いて、冷却水ポンプ２２のモータ２２ａへ電気エネルギを供給する制御部４３とが備えられているので、停電後において、エンジン１１の始動と同時にエンジン１１の冷却が可能となる。

このため、エンジン１１の始動直後にエンジン１１が高負荷状態となって、冷却水の温度が所定値以上になる冷却水異常が起こり難くなる。
従って、冷却水異常によるエンジン１１の停止を回避することができる。

図５は図３の別実施例図であり、図３と異なる点は、冷却水ポンプ２２のモータ２２ａが、ＤＣ−ＤＣコンバータ７３に接続され、ＤＣモータを利用している点であり、その他、大きく変わるところはない。

このような構成をもつ冷却水ポンプ系統であれば、エンジン１１の起動と同時にモータ２２ａに電気を供給し、エンジン１１の起動とは、別系統の独立した制御を行わせることができる。

図６は図３の更なる別実施例図であり、図３と大きく異なる点は、給湯ユニット６５内に冷却水ポンプ２２のモータ２２ａ及びこのモータ２２ａに電源を供給する電気供給手段７１としてのバッテリ７２を配置した点であり、その他、大きく変わるところはない。
なお、８１はＡＣ−ＤＣコンバータ、８２はバッテリである。
バッテリは、排熱熱交換器１７を含むユニット収納部としての給湯ユニット６５に配置されているので、既存のバッテリ８２を有効に活用することができる。

図７は図６の変形図であり、図６と大きく変わるところは、発電ユニット６４内に配置されているバッテリ７２をモータ２２ａに接続し、停電時におけるモータ２２ａの始動用電源供給手段として利用した点であり、その他、大きく変わるところはない。

尚、請求項１では、電気供給手段と冷却水ポンプのモータ間に介在させるインバータユニットを省略することは差し支えない。

本発明は、本発明は、コージェネレーションシステムに好適である。

本発明に係るコージェネレーションシステムの構成図である。本発明に係るコージェネレーションシステムの制御ブロック図である。本発明に係るコージェネレーションシステムの冷却水ポンプ系統を説明する制御ブロック図である。実施例及び比較例に係る停電信号を検出した後発電機から発電出力を開始するまでのステップを説明するフロー図である。図３の別実施例図である。図３の更なる別実施例図である。図６の変形図である。

符号の説明

１０…コージェネレーションシステム、１１…エンジン、１３…発電機、１４…インバータユニット、１７…排熱熱交換器、２１…冷却水循環経路、２２…冷却水ポンプ、２２ａ…冷却水ポンプのモータ、４３…制御部、７１…電気供給手段、７２…バッテリ、３…、４…、７５…第１入力端子、７６…第１出力端子、７７…第２入力端子、７８…第２出力端子、８３…エンジン収納部、８４…ユニット収納部。

Claims

エンジンと、このエンジンで駆動され電気エネルギを発生する発電機と、前記エンジンの冷却水の一部を取り出し後に戻す冷却水循環経路と、この冷却水循環経路に介在させ、前記エンジンから排出される排気ガスを熱源として前記冷却水を昇温する排熱熱交換器とが備えられているコージェネレーションシステムにおいて、
前記冷却水循環経路には、前記冷却水を圧送する冷却水ポンプと、電気エネルギを供給する電気供給手段と、停電信号を受けたときに、前記電気供給手段を用いて、前記冷却水ポンプのモータへ電気エネルギを供給する制御部とが備えられていることを特徴とするコージェネレーションシステム。
前記電気供給手段から前記モータへの給電系統には、前記モータの回転速度を変化させるインバータユニットが介在されていることを特徴とする請求項１記載のコージェネレーションシステム。
前記インバータユニットは、前記電気供給手段から給電を受ける第１入力端子と前記モータへ出力する第１出力端子の他に、前記発電機からの給電を受ける第２入力端子と、外部へ出力する第２出力端子とを備えていることを特徴とする請求項２記載のコージェネレーションシステム。
前記電気供給手段は、前記エンジンを始動するために設けられているバッテリ若しくは前記冷却水ポンプを始動するために専用に設けられているバッテリであることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載のコージェネレーションシステム。
前記バッテリは、前記エンジンが収納されているエンジン収納部若しくは前記排熱熱交換器を含むユニット収納部に配置されていることを特徴とする請求項４記載のコージェネレーションシステム。