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JP4151814B2 - エンジンの排熱回収装置 - Google Patents

エンジンの排熱回収装置 Download PDF

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Description

【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の駆動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、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等を動力源として発電および給湯等を行うものにおいて、コジェネレーション装置のようにエンジンの運転に伴って発生する熱を回収して利用する装置が注目されている。この種のコジェネレーション装置において、エンジンの排気から熱回収するための排気熱交換器が用いられることがある。
【０００３】
この排気熱交換器では排気が冷却されたときに生じる凝縮水を排出する手段が設けられる。例えば、特開平１１−７２０１８号公報には、マフラ底部に設けられた排水トラップを含むドレーン通路を介して凝縮水を排出するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のコジェネレーション装置は熱を有効利用することができるので、特に寒冷地で使用されることが多い。ところが寒冷地では厳冬期や朝晩の冷え込む時に前記排水トラップ内で凝縮水が凍結してしまう場合がある。このような凍結を防止するために従来からドレーン通路を電気ヒータで暖めることも行なわれてはいるが、電気ヒータの取付けスペースが十分に確保できない場合には大きい容量のヒータを使用することができないし、また電気ヒータを使用すること自体が運転のための消費電力を大きくしてしまうという問題点がある。
【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、例えば電気ヒータのような大きいスペースをとる部品を付加することなく、しかも運転のための消費電力をできるだけ増大させずに凝縮水の凍結を防止す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、エンジンの排気熱を回収する排気熱交換器および該排気熱交換器での熱交換によって生じた凝縮水を排出するドレーン通路を有するエンジンの排熱回収装置において、外部の熱交換器に内部の熱媒体流路を接続するジョイントと、前記熱媒体通路に熱媒体を循環させるウォータポンプと、前記ドレーン通路に形成した排水トラップとを具備し、前記排水トラップを前記ジョイントを通じて外部に延長させるとともに、前記排水トラップ内の凝縮水が凍結したときに前記ウォータポンプを運転する凍結解除手段をさらに具備した点に第１の特徴がある。
【０００７】
また、本発明は、排気熱交換器から排出される排気から凝縮水を分離するサイレンサを具備し、前記排気熱交換器からの排気を下方から受入れて上方の前記サイレンサに供給する通路を前記ジョイントに形成するとともに、前記サイレンサで分離された凝縮水が前記排水トラップに流入するように構成された点に第２の特徴がある。
【０００８】
また、本発明は、前記排水トラップの温度を検知するセンサと、エンジンの始動に際して前記センサで検知された温度と凍結状態を代表する基準温度とを比較する凍結検出手段とを具備し、前記凍結検出手段により排水トラップが凍結していると判断された場合は、エンジンの始動に先立って前記ウォータポンプを運転する点に第３の特徴があり、前記ジョイントに前記センサを取付けた点に第４の特徴がある。
【０００９】
第１〜第４の特徴によれば、排水トラップ内で凝縮水が凍結したときあるいは凍結するに近い状態にあるときに、ウォータポンプが運転されて熱媒体が循環される。熱媒体は外部熱交換器を経由して循環しているので、熱交換器が設置された環境、例えば貯湯タンク内の温度に対応した比較的高い温度になっている。排水トラップは熱媒体の循環流路が接続されているジョイント内の通路を含んでいるので、熱媒体によって加温され凝縮水の凍結あるいは凍結しそうな状態が解除される。
【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１はコジェネレーション装置に含まれる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よう構成される。排熱回収装置１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が設けられている。発電機３はエンジン回転数に応じた交流を発生する。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。エンジン２のシリンダヘッド６にはエアフィルタ７から空気が取入れられる。エンジン２から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。
【００１１】
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。ウォータポンプ１０で給送された熱媒体はオイルパン４内のオイル熱交換器５、排気熱交換器９、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、後述の熱負荷へ循環する。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によるシリンダの温度低下を防ぐことができる。
【００１２】
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、熱媒体はオイルパン４内のオイル熱交換器５に導入され、エンジン２から回収されたオイルと熱交換してオイルを冷却するとともにそれから熱を得る。続いて熱媒体は排気熱交換器９でエンジン２からの排気と熱交換して熱を得る。オイル熱交換器５および排気熱交換器９で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。
【００１３】
図２は上記排熱回収装置の外観を示す斜視図、図３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４は同右側面図である。図２において、排熱回収装置１は上板１３Ａ、底板１３Ｂ、および側板１３Ｃからなるケース１３によって覆われている。底板１３Ｂには脚１４が設けられ、側板１３Ｃには電気入出力用端子１５や取手１７等が設けられている。側板１３Ｃ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、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。
【００１４】
図３および図４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、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ている。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、クランク軸には発電機３が結合されているとともに、エンジン２の下部にはオイルパン４が配置されている。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、燃料ガス入口パイプ２１から延びたガスパイプ２９とがそれぞれ接続されている。
【００１５】
前記底板１３Ｂには、側板１３Ｃに沿って右ステー３０が立設されている。右ステー３０には前記熱媒体入口パイプ１８、熱媒体出口パイプ１９、および凝縮水ドレーンパイプ２０がそれぞれ形成されたジョイント（詳細は後述）が取付けられている。排気熱交換器９からの排気音を吸収するサイレンサ３１が前記右ステー３０に沿って設けられている。サイレンサ３１は前記排気管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。
【００１６】
図５は、排気系統の配管を示す分解斜視図である。同図において、排気熱交換器９の出口金具９１に一端が接続される排気ホース３３の他端は、前記熱媒体入口パイプ１８が一体に形成された第１ジョイント３４の口金３４１に接続される。さらに、第１ジョイント３４を介して前記排気ホース３３につながるサイレンサ入口ホース３５が、サイレンサ３１の前段に形成された曲管部３２の入口端３２１に接続される。サイレンサ３１の上部には前記排気管２３につながるサイレンサ出口ホース３９が結合される。
【００１７】
サイレンサ３１の出口端３１１から延長されたドレーンホース３６は第１ジョイント３４の口金３４２に接続される。さらに、第１ジョイント３４を介して前記ドレーンホース３６につながるドレーン出口ホース３７が、前記凝縮水ドレーンパイプ２０が形成された第２ジョイント３８に接続される。ドレーンホース３６とドレーン出口ホース３７とはサイレンサ３１から一旦下方に延び、そこから上方に立上がる排水トラップを構成している。この排水トラップに溜まる凝縮水はサイレンサ３１内の排気がこの排水トラップ内へ流入するのを防止し、排気が上方へ排出されるのを容易にする。前記第１ジョイント３４および第２ジョイント３８、ならびにサイレンサ３１は前記右ステー３０に固定される（図６参照）。
【００１８】
エンジン２から排気熱交換器９に導入された排気は熱媒体と熱交換して温度が下げられる。温度が低下したときに凝縮水を生じ、この凝縮水は排気と一緒になって排気熱交換器９から排出される。凝縮水を伴った排気は排気ホース３３、第１ジョイント３４、およびサイレンサ入口ホース３５を通じて曲管部３２に導入される（矢印Ａ，Ｂ）。
【００１９】
曲管部３２およびサイレンサ３１の結合部４０で排気と凝縮水とが分離され、排気はサイレンサ３１およびサイレンサ出口ホース３９を通じて排気管２３に導かれ外部へ排出される。一方、排気と分離された凝縮水はドレーンホース３６、第１ショイント３４、およびドレーン出口ホース３７を通じて第２ジョイント３８に至り、凝縮水ドレーンパイプ２０から排出される（矢印Ｃ，Ｄ）。
【００２０】
図６は、熱媒体循環系統の配管を示す分解斜視図である。同図において、右ステー３０に対向して左ステー４１が設けられる。この左ステー４１も右ステー３０と同様、前記底板１３Ｂに立設される。左ステー４１の下部には、熱媒体入口連絡ホース４２によって第１ジョイント３４と接続された第４ジョイント４３が固定される。
【００２１】
右ステー３０の中間部には、前記熱媒体出口パイプ１９が形成された第３ジョイント４４が設けられ、左ステー４１の上部には第５ジョイント４６が設けられる。第３ジョイント４４および第５ジョイント４６は熱媒体出口連絡ホース４５によって接続される。第４ジョイント４３と第５ジョイント４６には、それぞれ熱媒体左入口パイプ４７、および熱媒体左出口パイプ４８が形成される。第４ジョイント４３および第５ジョイント４６は熱媒体入口および熱媒体出口を排熱回収装置１の左右いずれからでもとれるよう設けられたものであり、熱媒体入口および熱媒体出口を排熱回収装置１の右側からとる場合は、熱媒体左入口パイプ４７、および熱媒体左出口パイプ４８はそれぞれプラグ４９，５０によって塞がれる。同様に、熱媒体入口および熱媒体出口を排熱回収装置１の左側からとる場合は、熱媒体入口パイプ１８、および熱媒体出口パイプ１９がそれぞれプラグ４９，５０によって塞がれる。第３ジョイント４４にはエンジン２の冷却部から延長されたエンジン出口ホース５１が接続される。
【００２２】
上記構成の排熱回収装置１は、前記ドレーンホース３６およびドレーン出口ホース３７、ならびにこれらを接続する第１ジョイント３４とで形成される排水トラップ内での凝縮水の解凍および凍結防止の手段を有している。図７は、凝縮水の凍結解除手段の機能を示すブロック図であり、図１〜図６と同符号は同一部分を示す。同図において、熱媒体入口パイプ１８および熱媒体出口パイプ１９は外部熱負荷としての貯湯タンク５２内の熱交換器５２Ａに接続されている。熱交換器５２Ａを通る熱媒体としての冷却水はウォータポンプ１０によって排熱回収装置１に給送され、第１ジョイント３４または第４ジョイント４３（図６参照）を経てエンジン２および排気熱交換器９で熱媒体として熱回収した後、前記第３ジョイント４４または第５ジョイント４６から貯湯タンク５２に戻される。ドレーンホース３６およびドレーン出口ホース３７が接続されている第１ジョイント３４には排水トラップの温度を検知するためのセンサ５３が設けられている。このセンサ５３は、ドレーンホース３６またはドレーン出口ホース３７に近接させて設置する。
【００２３】
検出器５４はＡ／Ｄ変換器を有していて、センサ５３の出力信号をデジタルデータに変換して出力する。このデジタルデータは比較器５５に入力され、基準温度値Ｔref と比較される。基準温度値Ｔref は排水トラップの凍結状態に対応したデジタルデータである。比較器５５はエンジン２の始動に際して作動し、検出器５４から供給されるデータで代表される排水トラップの温度が基準温度値Ｔref よりも低いときには、エンジン２の運転に先立ち、ウォータポンプ１０の運転を開始する。これによって熱媒体を第１ジョイント３４に循環させ、排水トラップを暖めて凍結を解除する。ウォータポンプ１０の運転を開始した後、前記センサ５３で検出される温度が基準温度値Ｔref より高くなったときにエンジン２を始動させる。ウォータポンプ１０の起動後、排水トラップの温度が基準温度値Ｔref を上回ったときエンジン２を始動させてもよいし、ウォータポンプ１０の起動後予定の時間が経過した後、エンジン２を始動させてもよい。予定時間の経過をもって排水トラップ内の凝縮水が解凍したとみなすものである。なお、比較器５５はＥＣＵ２６内のマイクロコンピュータの機能によって実現できる。
【００２４】
【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４の発明によれば、排水トラップ内の凝縮水の凍結あるいは凍結するに近い状態は、熱媒体の循環によって解除される。特に、排熱回収のための熱媒体循環経路上のウォータポンプを運転するだけで排水トラップを暖めることができるので、ヒータを取付けるのと違い構造を簡素化することができる。
【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構成を示すブロック図である。
【図２】 排熱回収装置の外観斜視図である。
【図３】 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４】 ケースを取外した状態の排熱回収装置の側面図である。
【図５】 排気熱交換器から排出された排気の通過経路を示す分解斜視図である。
【図６】 熱媒体の循環経路の要部を示す分解斜視図である。
【図７】 凝縮水の凍結解除手段を示す機能ブロック図である。
【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、 ９…排気熱交換器、 １０…熱媒体用ポンプ、 １２…循環経路、 １３…ケース、 １８…熱媒体入口パイプ、 １９…熱媒体出口パイプ、 ２０…凝縮水ドレーンパイプ、 ２２…吸気管、 ２３…排気管、 ３１…サイレンサ、 ３２…曲管部、 ５２…貯湯タンク、 ５２Ａ…熱交換器、 ５３…センサ、 ５５…比較器

Claims (4)

  1. エンジンの排気熱を回収する排気熱交換器および該排気熱交換器での熱交換によって生じた凝縮水を排出するドレーン通路を有するエンジンの排熱回収装置において、
    外部の熱交換器に内部の熱媒体流路を接続するジョイントと、
    前記熱媒体通路に熱媒体を循環させるウォータポンプと、
    前記ドレーン通路に形成した排水トラップとを具備し、
    前記排水トラップを前記ジョイントを通じて外部に延長させるとともに、
    前記排水トラップ内の凝縮水が凍結したときに前記ウォータポンプを運転する凍結解除手段をさらに具備したことを特徴とするエンジンの排熱回収装置。
  2. 排気熱交換器から排出される排気から凝縮水を分離するサイレンサを具備し、
    前記排気熱交換器からの排気を下方から受入れて上方の前記サイレンサに供給する通路を前記ジョイントに形成するとともに、前記サイレンサで分離された凝縮水が前記排水トラップに流入するように構成された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。
  3. 前記排水トラップの温度を検知するセンサと、
    エンジンの始動に際して前記センサで検知された温度と凍結状態を代表する基準温度とを比較する凍結検出手段とを具備し、
    前記凍結検出手段により排水トラップが凍結していると判断された場合は、エンジンの始動に先立って前記ウォータポンプを運転することを特徴とする請求項１または請求項２記載のエンジンの排熱回収装置。
  4. 前記ジョイントに前記センサを取付けたことを特徴とする請求項３記載のエンジンの排熱回収装置。
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