【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンからの熱を、熱媒液を介して回収する熱交換器を備えている熱源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの熱源システムとしてコージェネレーションシステムを例に挙げると、ガスエンジンで駆動される発電機を備え、このガスエンジンの排ガスを排ガス熱交換器に送って低圧水蒸気を生成し、又、ガスエンジンのエンジンジャケット内の水を加熱することで高圧水蒸気を生成させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
同様に熱源システムとしてコージェネレーションシステムを例に挙げると、都市ガスやプロパンガスを燃料とするエンジンで駆動される発電機を備え、このエンジンの排気パイプを貯湯槽に挿通することで、排ガスの熱で貯湯槽の水を加熱し、又、エンジンのウオータジャケットで加熱された水を貯湯槽に供給するものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１‐２１０５５３号公報 （段落番号〔０００８〕〜〔００１０〕、図１）
【特許文献２】
特開平７‐２３８８６６号公報 （段落番号〔００１２〕〜〔００２０〕、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンを用いた従来からのコージェネレーションシステムを考えるに、特許文献２に記載されるように、エンジンの稼働時にエンジンの熱で加熱されるウオータジェケット内の水の熱を利用し、又、排ガスの熱を利用するものであってもエンジンで発生する熱を充分に回収していないものであった。具体的には、エンジンの稼働時には高温の排ガスを送るエグゾーストマニホールドの表面や、マフラーの表面、あるいは、エンジン内部の熱が伝わるシリンダブロック等のエンジン表面のように、比較的高温となる部位の表面は、直接的な輻射や、空気の介在させた対流により放熱が行われ、エンジンの熱が効率的に利用されていなかったのである。
【０００５】
そこで、排気ガスを送る系からの熱を回収する熱交換器や、エンジン表面に接触して熱を回収する熱交換器を備えることも考えられるが、構造が複雑化し過ぎ現実的ではない。特に、家庭用のコージェネレーションシステムを考えた場合、小型のエンジンを用いることになるため、小型化が可能でエンジンで発生する熱を効率的に回収し得るシステムが望まれるのである。
【０００６】
本発明の目的は、エンジンの熱を効率的に利用し得る熱源システムを合理的に構成する点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
エンジンからの熱を、熱媒液を介して回収する熱交換器を備えている熱源システムにおいて、前記エンジンと、このエンジンに燃焼用空気を送る吸気管と、エンジンからの燃焼排ガスを送り出す排気管とをケースの内部に収納し、このケース内部に満たした前記熱媒液に前記エンジン、吸気管、排気管を浸漬させると共に、このケースからの熱媒液を前記熱交換器に供給した後にケースに戻す第１循環ポンプを有する熱媒液循環系を備え、貯湯槽からの水を前記熱交換器に供給し、この熱交換器で加熱された水を貯湯槽に戻す第２循環ポンプを有する水循環系を備えている点にある。
【０００８】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、ケース内部においてエンジンと、このエンジンに燃焼用空気を送る吸気管と、エンジンからの燃焼排ガスを送り出す排気管とを熱媒液に浸漬させる状態で収納しているので、エンジンの表面ばかりでなく、吸気管や排気管の全ての表面に熱媒液を接触させ、これらからの熱で熱媒液を加熱することが可能となる。そして、このように加熱された熱媒液を熱交換器に送り、この熱交換器で加熱した水を貯湯槽に貯留できるものとなる。つまり、従来からのコージェネレーションシステムに使用されていたエンジンのようにエンジン表面やエグゾーストマニホールド（排気管の一部）の表面から無駄に放出されていた熱エネルギーを熱媒液に対して効率良く回収して、貯湯槽の水を加熱するのである。その結果、単純で小型化が可能な構成でありながら、エンジンで発生する熱を極めて効率良く回収して貯湯槽の水を加熱し得る熱源システムが合理的に構成されたのである。
【０００９】
本発明の請求項２に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１記載の熱源システムにおいて、前記熱媒液の温度を計測する液温センサと、前記水の温度を計測する水温センサとを備え、この液温センサと水温センサとの計測値に基づいて前記熱媒液循環系における熱媒液の循環、及び、前記水循環系における水の循環を制御して前記ケースに貯留された熱媒液の温度を維持する液温維持手段を備えている点にある。
【００１０】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、液温センサと水温センサからの計測値に基づいて液温維持手段が熱媒液の循環、水の循環を制御して熱媒液の温度を維持するので、熱媒液の温度を、例えば、沸騰温より低い温度に維持することや、エンジンの稼動に適した温度に維持することや、熱交換器において熱交換効率の良い温度に維持することが可能となる。具体的には、熱媒液の目標温度を設定し、熱媒液の温度が目標温度近くまで上昇した場合に、例えば、熱媒液の循環量を増大させることで温度上昇を抑制することや、逆に、熱媒液の温度が低下した場合に熱媒液の循環量を低減して大きな温度低下を抑制することが可能となり、更に、水の温度に基づいて水を循環させることや、水の循環を停止させる等の選択を行う制御を行うことや、これらの制御を組み合わせることにより、熱交換器で取り出す熱量の調節が可能で熱媒液の温度の維持も可能となるのである。その結果、エンジンの稼動と停止とを頻繁に行わずとも、熱媒液の循環と水の循環との制御により熱媒液の温度を適正な値に維持できるものとなった。
【００１１】
本発明の請求項３に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項２記載の熱源システムにおいて、前記液温センサの計測値が基準値未満である場合には、前記熱媒液の循環を停止する循環停止手段を備えている点にある。
【００１２】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、例えば、エンジンの始動時のように熱媒液の温度が低く熱を取り出せない場合には、熱媒液を循環させないことにより暖機運転を実現すると同時に、熱媒液を循環させるための無駄なエネルギーを消費せず、エンジンの稼動に適した温度まで熱媒液を上昇させる時間も短縮できる。その結果、エネルギーロスを低減するばかりでなくエンジンを良好な状態で始動できるものとなった。
【００１３】
本発明の請求項４に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項２又は３記載の熱源システムにおいて、前記水温センサの計測値が第１設定値より高温である場合には前記エンジンを停止し、この後、前記液温センサの計測値が前記第１設定値より低い値の第２設定値未満まで低下した場合には前記貯湯槽の水を前記熱交換器に供給し、かつ、前記ケースの熱媒液を熱交換器に供給してケース内の熱媒液の昇温を図る液温制御手段を備えている点にある。
【００１４】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、貯湯槽の水の温度が第１設定値を超えた場合にエンジンを停止させることで貯水槽の水の温度を過剰に上昇させることがなく、このようにエンジンを停止させた後に、熱媒液の温度が第２設定値未満まで低下した場合には貯湯槽の水（温水）を熱交換器に供給することにより、エンジンを始動させずとも貯湯槽の熱によってケース内の熱媒液の温度を上昇させ得る。その結果、エネルギーロスを低減するばかりでなく貯湯槽の熱を有効に利用してケース内の熱媒液の温度が大きく低下する不都合を解消できるものとなった。
【００１５】
本発明の請求項５に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱源システムにおいて、前記ケース内部の熱媒液が給排されるサブタンクを備え、エンジン暖機時には前記ケース内部の熱媒液をサブタンクに移動させるエンジン暖機補助手段を備えている点にある。
【００１６】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、エンジンの暖機時にはケース内の熱媒液をサブタンクに移動させるので、例えば、寒冷地においてエンジンを始動する場合のように熱媒液の温度が低いことに起因してエンジンの暖機が困難になる不都合を解消できる。その結果、ケース内の熱媒液に浸漬させる状態でエンジンを備えた状態で使用するものであるにも拘わらず、エンジンの暖機を容易に行えるものとなった。
【００１７】
本発明の請求項６に係る熱源システムの特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱源システムにおいて、前記ケースが、断熱材で成る壁体を備えて構成されている点にある。
【００１８】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、熱媒液の温度が上昇した場合にも断熱材が放熱を抑制する。その結果、エンジンの熱で加熱された熱媒液が無駄に放熱する不都合を回避して、熱媒液の熱を効率良く利用できるものとなった。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、密封型のケース１の内部に熱媒液２に浸漬させる状態でエンジンＥを収納すると共に、エンジンＥで駆動される発電機３をケース１外部に備えている。又、ケース１外に配置した熱交換器４に対してケース１内の熱媒液２を供給した後にケース１内に戻す第１管路Ｌ１と第１循環ポンプＰ１とを備えた熱媒液循環系を形成し、ケース１外に配置した貯湯槽５に貯留した水６を前記熱交換器４に供給した後に貯湯槽５に戻す第２管路Ｌ２と第２循環ポンプＰ２とを備えた水循環系を形成し、これらにより熱源システムの一例としてのコージェネレーションシステムが構成されている。
【００２０】
このコージェネレーションシステムは家庭で利用できるよう小型化を実現したものであり、図面には示さないがエンジンＥに対しては都市ガスやプロパンガスを燃料として供給する供給系を備え、又、貯湯槽５には内部に貯留した温水を取り出す給水系と、水を補給する補給系とを備えている。尚、エンジンＥは、軽油や灯油のような液体燃料を用いるものであっても良い。
【００２１】
前記ケース１は、断熱材製の下部ケース１Ａと断熱材製の上部ケース１Ｂとのフランジ部を重ね合わせてボルト連結することにより内部に密封された空間を形成したものであり、下部ケース１Ｂが基礎体７に対して防振ゴム８を介して支持されている。又、前記下部ケース１Ａ、及び、上部ケース１Ｂは金属製の壁体の内部に断熱材としてグラスウールや発泡樹脂を挟み込んだ構造のものを使用することにより熱媒液２の放熱を抑制して高い保温性を得ている。
【００２２】
前記ケース１内部に貯留される熱媒液２は、ガソリンエンジンの不凍液と同様に、水にエチレングリコール等を溶解して凍結温度を低下させると同時に、沸点を高めたものを使用しており、前記ケース１の外部にはケース１に対して熱媒液２の給排を行う給排ポンプ１０と、熱媒液を貯留するサブタンク１１とを備えている。
【００２３】
前記エンジンＥは、シリンダ部を上部に位置させ、オイルパンを下部に位置させることで出力軸１２（クランク軸）を水平姿勢に設定し、このエンジンＥのシリンダ部の上端に備えた点火プラグ１３のターミナルをケース１の外部に露出させている。又、このエンジンＥに燃焼用空気を送る吸気管１５と、エンジンＥからの燃焼排ガスを送り出す排気管１６とをケース１に収納し、これらエンジンＥと吸気管１５と排気管１６とを熱媒液２に浸漬させるよう構成されている。尚、排気管１６には、エンジンＥに連結する連結部１６Ａ（複数気筒の場合にはエグゾーストマニホールド）と、マフラー１６Ｂと、これらを結ぶパイプ１６Ｃとを含んでいる。
【００２４】
ケース１外に突出させたエンジンＥの出力軸１２にフライホイール１７と前記発電機３とを連結し、このフライホイール１７の外周に形成したギヤ部に回転力を伝えるセルモータ１８をケース１外に備え、これらを収納する防塵ケース１９を備えている。前記吸気管１５のケース１外の部位にはエアークリーナ２１と、都市ガスやプロパンガス等の燃料ガスと空気とを混合する電気制御型のミキサー２２とを備えている。更に、ケース１の外部にオイルクリーナ２３を備え、このオイルクリーナ２３に対してエンジンＥのオイルパン部からのオイルを循環させるオイル管路を形成している。
【００２５】
同図に示すように、前記エンジンＥは空冷型の単気筒エンジンと同様の構造のものを使用しているが、既存のガソリンエンジンを改良して使用することも可能であり、そのエンジンＥが水冷式の場合には、ウオータジャケットに対して熱媒液を強制的に循環させるポンプを備えることや、熱媒液２を対流によって循環させるよう熱媒液２の循環系を構成する必要がある。
【００２６】
又、前記ケース１内の熱媒液２の温度を計測する液温センサＴ１と、前記貯湯槽内の水６の温度を計測する水温センサＴ２とを備えると共に、前記第１管路Ｌ１に対して電磁操作型の第１流量制御弁Ｖ１を備え、前記第２管路Ｌ２に対して電磁操作型の第２流量制御弁Ｖ２を備えている。
【００２７】
本コージェネレーションシステムの制御系を図２のように示すことが可能である。つまり、この制御系ではエンジンＥを制御するようマイクロプロセッサーを有するエンジン制御ユニット３１と、熱交換系を制御するようマイクロプロセッサーを有する熱交換制御ユニット３２とを備え、夫々に対して前記発電機３からの電力が充電されるバッテリー３３からの電力が供給されるよう電力系を形成し、又、夫々の間に制御信号系を形成している。
【００２８】
前記エンジン制御ユニット３１に対してエンジンＥのカム軸等の回転量から点火タイミングを求めるタイミングセンサＳからの信号が入力し、又、このエンジン制御ユニット３１から前記セルモータ１８と、点火プラグ１３と、ミキサー２２とに対して駆動電力を出力するよう入出力系が形成されている。図面には示さないがエンジン制御ユニット３１には、前記セルモータ１８に対して駆動電力を供給するセルモータ制御回路と、前記点火プラグ１３に対して点火タイミング毎に高圧電力を供給する点火制御回路と、前記ミキサー２２に対して設定された混合比の燃料ガスを作り出すミキサー制御回路とを内蔵している。
【００２９】
前記熱交換制御ユニット３２に対して、前記液温センサＴ１と、水温センサＴ２とからの計測信号が入力し、この熱交換制御ユニット３２から前記第１循環ポンプＰ１、第２循環ポンプＰ２、第１流量制御弁Ｖ１、第２流量制御弁Ｖ２、及び、前記給排ポンプ１０に対して駆動電力を出力するよう、入出力系が形成されている。図面には示さないが、第１循環ポンプＰ１、第２循環ポンプＰ２、給排ポンプ１０は電動モータを備え、第１流量制御弁Ｖ１、第２流量制御弁Ｖ２には弁の開度を設定する電磁ソレノイドを備えているので、該熱交換制御ユニット３２には夫々の電動モータに対して駆動電力を供給するモータ駆動回路と、電磁ソレノイドに対して駆動電力を供給するソレノイド駆動回路とを内蔵している。
【００３０】
このコージェネレーションシステムでは、熱交換制御ユニット３２でシステム全体の制御を行うよう、図２に示すように熱交換制御ユニット３２に対してエンジン暖機補助手段Ｄと、液温維持手段Ａと、液温制御手段Ｃと、循環停止手段Ｂとで成る制御プログラムがセットされ、更に、夫々の制御を実行する際に熱媒液２又は水６の温度に基づいた判断を行うために、図３に示すように、「基準温度」「下限温度」「中間温度」「上限温度」「目標温度」夫々の温度を予めデータ化して保存してあり、これらに基づいた制御を以下に説明する。
【００３１】
図４のフローチャートに示すように、システム制御プログラムでは、エンジン始動ルーチン（＃１００ステップ）を実行してエンジンＥを始動した後、低温処理ルーチン（＃２００ステップ）と、高温処理ルーチン（＃３００ステップ）と、液温制御（＃０１ステップ）とを制御停止まで継続的に実行し、制御を停止する操作があった場合には、エンジンＥを停止し、第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２を停止して制御を終了するよう基本的な制御形態が設定されている（＃０２、＃０３ステップ）。
【００３２】
この制御のうち液温制御（＃０１ステップ）において、ケース１に貯留した熱媒液２の温度を維持するプログラムで前記液温制御手段Ｃが構成されている。この液温制御では、前記目標温度を基準に設定された目標温度領域を超えて熱媒液２の温度が上昇した場合には、第１循環ポンプＰ１の駆動速度の増大や、第１流量制御弁Ｖ１の開度を大きくすることで熱媒液２の循環量の増大を図り、又、第２循環ポンプＰ２の駆動速度の増大や、第２流量制御弁Ｖ２の開度の大きくすることで水６の循環量の増大を図って熱媒液２の温度を低下させ、これとは逆に目標温度領域を下回る温度まで熱媒液の温度が低下した場合には、第１循環ポンプＰ１の駆動速度を低下させる等、逆の制御を行うことで熱媒液２の昇温を図る。
【００３３】
つまり、このコージェネレーションシステムでは熱媒液２の液温が前記目標温度の高温側の目標上限温度と低温側の目標下限温度との間の目標温度領域に維持する状態で最も効率的にエンジンＥが稼動し、熱交換器４での熱交換も効率的に行われるよう設計されており、熱媒液２の温度を目標温度領域内に維持する制御を行うよう基本的な制御形態が設定されているのである。
【００３４】
前記エンジン始動ルーチン（＃１００ステップ）は、図５のフローチャートに示すように、液温センサＴ１で検出した熱媒温度を計測し、基準値未満である場合にはケース１の熱媒液２をサブタンク１１に移動した後に、エンジンＥを始動し、この始動の後にはケース１内に熱媒液が存在しない場合には、サブタンク１１からケース１内に熱媒液を移動させる処理を実行する（＃１０１〜＃１０５ステップ）。
【００３５】
このエンジン始動ルーチン（＃１００ステップ）でエンジン暖機補助手段Ｄが構成され、このエンジン始動ルーチンでは、熱媒液２の温度が低くエンジンＥの始動が困難である場合には熱媒液２をケース１外に移動させ、ケース１の内部に空気を導入することによりエンジンＥの始動性を改善し、エンジンＥが始動した後には、エンジンＥの温度が稼動に適した温度まで上昇した後に熱媒液２をケース１に戻すものとなっている。尚、ケース１内に熱媒液２を戻すタイミングはエンジンＥが始動した後にタイマで設定された時間が経過した時点に設定することも可能であり、このタイマに設定される時間として、エンジンＥの始動の後にエンジンＥが稼動に適した温度まで上昇するに充分な値が設定される。
【００３６】
前記低温処理ルーチン（＃２００ステップ）では、図６のフローチャートに示すように、液温センサＴ１の計測結果に基づき、熱媒液温が基準値未満である場合には、第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２を停止し（既に停止状態にある場合には停止状態を継続し）、熱媒液温が基準値以上である場合には、第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２を駆動する（既に駆動状態にある場合には駆動状態を継続する）（＃２０１〜＃２０３ステップ）。
【００３７】
この低温処理ルーチンでは、エンジンＥの始動直後や過剰な熱交換により熱媒液温が基準温度より低下した場合には、無駄な熱交換を行うことを抑制するために第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２を停止させる処理を実行するものであり、この処理を実行することでポンプを駆動するためのエネルギーの無駄な消費を解消しているのである。特に、熱媒液２の温度が基準値未満である場合に第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２を停止するプログラムで循環停止手段Ｂが構成されている。
【００３８】
前記高温処理ルーチン（＃３００ステップ）では、図７のフローチャートに示すように、水温センサＴ２で計測される貯湯槽５の水温が上限温度未満である場合には特別な処理は行わないが、この貯湯槽５の水温が上限温度（第１設定値）以上である場合には、エンジンＥを停止し、第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２を停止する（＃３０１、＃３０２ステップ）。次に、液温センサＴ１で計測されるケース１内の熱媒液２の温度が中間温度（第２設定値）未満にまで低下した場合に第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２の駆動を再開する（＃３０３、＃３０４ステップ）。次に、水温センサＴ２で計測される貯湯槽５の水温が下限温度未満まで低下した場合にエンジンＥを始動するものとなっている（＃３０５、＃３０６ステップ）。
【００３９】
この高温処理ルーチン（＃３００ステップ）を実行するプログラムで液温維持手段Ａが構成され、この高温処理ルーチンでは、貯湯槽５の水温が極めて高い温度まで上昇した場合のように、加熱を必要としない場合にエンジンＥを停止させると同時に第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２を停止する処理を最初に実行し、この後、熱媒液２の温度が低下した場合には、第１、第２循環ポンプＰ１、Ｐ２の駆動を再開することにより、貯湯槽５の水６の熱により熱媒液２の昇温を図り、この後、貯湯槽５の水温が下限温度未満まで低下した場合にはエンジンＥを再度始動してエンジンＥからの熱で貯湯槽５の水温の昇温を図るものとなっているのである。
【００４０】
このように、本発明では、ケース１に貯留する熱媒液２に対してエンジンＥの全体と、吸気管１５と、排気管１６とを浸漬した状態で配置することによってエンジンＥの稼動時の騒音を低減するばかりでなく、エンジンＥの全ての表面に接触する熱媒液２を介して、エンジンＥで発生する熱エネルギーを効率良く回収して貯湯槽５の水６の加熱を行えるものにしており、又、エンジンＥからの回転力を発電機３に伝えて電気エネルギーを得るばかりか、この電気エネルギーの一部を制御系を稼動させる電力として利用してエネルギーの無駄のないものにしている。
【００４１】
特に、熱交換を実現する制御時には、エンジンＥの始動性が良好で、熱媒液２の液温が低下した場合には熱交換を停止することでポンプを駆動するに必要なエネルギーロスを無くし、貯湯槽５の水温が高温となった場合には、エンジンＥを停止させることでエンジンＥを駆動するための燃料の無駄を無くし、このようにエンジンＥが停止した後には、貯湯槽５の水温が適度に低下した際にエンジンＥを再始動するのでエンジンＥの始動と停止とが短い間隔で繰り返される不都合を解消するものにしている。
【００４２】
〔別実施の形態〕
本発明は上記実施の形態以外に、例えば、図８に示すように実施することも可能である（この別実施の形態では前記実施の形態と同じ機能を有するものには、実施の形態と共通の番号、符号を付している）。
【００４３】
つまり、同図に示すコージェネレーションシステムでは、エンジンＥとして出力軸１２を縦向きに設定し、ケース１の上部に配置した上部カバー４０の内部に発電機３、フライホイール１７、セルモータ１８、防塵ケース１９を配置するとどもに、この上部カバー４０の内部にエアークリーナ２１、ミキサー２２、オイルクリーナ２３、及び、エンジン制御ユニット３１等を配置している。
【００４４】
この別実施の形態では、前記実施の形態と基本的に変わりのない制御を実行するものであるが、このようにエンジンＥの姿勢を設定し、ケース１の上部位置に主要な機器を配置することにより、地面から離間した高位置で湿気が作用し難い部位に発電機３やセルモータ１８等の電気系を集中的に配置し得ると共に、メンテナンス性が向上し、設置面積の縮小を実現するのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】コージェネレーションシステムの構成を示す模式図
【図２】制御系のブロック回路図
【図３】制御の基準とする温度の相対関係を示す図
【図４】システム制御プログラムのフローチャート
【図５】エンジン始動ルーチンを示すフローチャート
【図６】低温処理ルーチンを示すフローチャート
【図７】高温処理ルーチンを示すフローチャート
【図８】別実施の形態のコージェネレーションシステムの構成を示す模式図
【符号の説明】
１ ケース
２ 熱媒液
４ 熱交換器
５ 貯湯槽
６ 水
１１ サブタンク
１５ 吸気管
１６ 排気管
Ａ 液温維持手段
Ｂ 循環停止手段
Ｃ 液温制御手段
Ｄ エンジン暖機補助手段
Ｅ エンジン
Ｐ１ 第１循環ポンプ
Ｐ２ 第２循環ポンプ
Ｔ１ 液温センサ
Ｔ２ 水温センサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat source system including a heat exchanger that recovers heat from an engine via a heat medium liquid.
[0002]
[Prior art]
Taking a cogeneration system as an example of a conventional heat source system, it is provided with a generator driven by a gas engine, and the exhaust gas of this gas engine is sent to an exhaust gas heat exchanger to generate low-pressure steam. There is one that generates high-pressure steam by heating water in an engine jacket (for example, see Patent Document 1).
Similarly, taking a cogeneration system as an example of a heat source system, a generator that is driven by an engine that uses city gas or propane gas as a fuel, and the exhaust pipe of this engine is inserted into a hot water tank to generate heat from the exhaust gas In some cases, the water in the hot water storage tank is heated by a water heater, and the water heated by the water jacket of the engine is supplied to the hot water storage tank (for example, see Patent Document 2).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-210553 (paragraph numbers [0008] to [0010], FIG. 1)
[Patent Document 2]
JP-A-7-238866 (paragraph numbers [0012] to [0020], FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Considering a conventional cogeneration system using an engine, as described in Patent Literature 2, the heat of water in a water jet that is heated by the heat of the engine when the engine is operating is used. Even when heat is used, heat generated by the engine is not sufficiently recovered. Specifically, the surface of a relatively hot part, such as the surface of an exhaust manifold that sends high-temperature exhaust gas during operation of the engine, the surface of a muffler, or the surface of an engine such as a cylinder block that transfers heat inside the engine However, heat was radiated by direct radiation or convection mediated by air, and the heat of the engine was not used efficiently.
[0005]
Therefore, it is conceivable to provide a heat exchanger that recovers heat from a system that sends exhaust gas or a heat exchanger that recovers heat by contacting the engine surface, but the structure is too complicated to be realistic. In particular, when considering a cogeneration system for home use, a small engine is used. Therefore, a system that can be downsized and efficiently recovers heat generated by the engine is desired.
[0006]
An object of the present invention is to rationally configure a heat source system that can efficiently use the heat of an engine.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The features, functions and effects of the heat source system according to claim 1 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
In a heat source system provided with a heat exchanger for recovering heat from an engine via a heat transfer fluid, the engine, an intake pipe for sending combustion air to the engine, and an exhaust pipe for sending combustion exhaust gas from the engine And the engine, the intake pipe and the exhaust pipe are immersed in the heat medium liquid filled in the case, and the heat medium liquid from the case is supplied to the heat exchanger. And a second circulation pump for supplying water from the hot water tank to the heat exchanger and returning the water heated by the heat exchanger to the hot water tank. It has a water circulation system.
[0008]
[Action / Effect]
According to the above feature, the engine, the intake pipe for sending combustion air to the engine, and the exhaust pipe for sending combustion exhaust gas from the engine are housed inside the case in a state of being immersed in the heat medium liquid. The heat medium liquid can be brought into contact with not only the surface but also all surfaces of the intake pipe and the exhaust pipe, and the heat medium liquid can be heated by the heat from these. Then, the heat medium liquid thus heated is sent to the heat exchanger, and the water heated by the heat exchanger can be stored in the hot water tank. In other words, the heat energy wastedly released from the engine surface or the surface of the exhaust manifold (part of the exhaust pipe) like the engine used in the conventional cogeneration system is efficiently collected into the heat transfer fluid. Then, the water in the hot water tank is heated. As a result, a heat source system capable of heating the water in the hot water storage tank by extremely efficiently recovering the heat generated by the engine and having a simple and small configuration can be rationally configured.
[0009]
The features, functions and effects of the heat source system according to claim 2 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
2. The heat source system according to claim 1, further comprising: a liquid temperature sensor for measuring a temperature of the heat medium liquid, and a water temperature sensor for measuring a temperature of the water, based on measured values of the liquid temperature sensor and the water temperature sensor. A heat medium circulating in the heat medium circulating system, and a liquid temperature maintaining means for controlling the circulation of water in the water circulating system to maintain the temperature of the heat medium stored in the case. is there.
[0010]
[Action / Effect]
According to the above feature, the liquid temperature maintenance unit controls the circulation of the heat medium liquid and the water circulation based on the measurement values from the liquid temperature sensor and the water temperature sensor to maintain the temperature of the heat medium liquid. For example, it is possible to maintain the temperature at a temperature lower than the boiling temperature, to maintain the temperature suitable for the operation of the engine, and to maintain the temperature of the heat exchanger at a high heat exchange efficiency. Specifically, a target temperature of the heating medium is set, and when the temperature of the heating medium rises to near the target temperature, for example, by suppressing the temperature rise by increasing the circulation amount of the heating medium, Conversely, when the temperature of the heating medium drops, it is possible to reduce the circulation amount of the heating medium to suppress a large temperature drop, and to further circulate the water based on the temperature of the water, By performing control for making selections such as stopping the circulation of water, or by combining these controls, it is possible to adjust the amount of heat taken out by the heat exchanger and to maintain the temperature of the heat transfer fluid. As a result, the temperature of the heating medium can be maintained at an appropriate value by controlling the circulation of the heating medium and the circulation of water without frequently starting and stopping the engine.
[0011]
The features, functions and effects of the heat source system according to claim 3 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
3. The heat source system according to claim 2, further comprising a circulation stopping unit that stops the circulation of the heat medium liquid when the measured value of the liquid temperature sensor is less than a reference value.
[0012]
[Action / Effect]
According to the above feature, for example, when the temperature of the heat medium liquid is low and heat cannot be taken out, for example, when starting the engine, the warm-up operation is realized by not circulating the heat medium liquid, and at the same time, the heat medium liquid is circulated. It is possible to reduce the time required to raise the heat transfer fluid to a temperature suitable for the operation of the engine without consuming wasteful energy for the heating. As a result, not only can energy loss be reduced, but also the engine can be started in a good condition.
[0013]
The features, functions and effects of the heat source system according to claim 4 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
4. The heat source system according to claim 2, wherein when the measured value of the water temperature sensor is higher than a first set value, the engine is stopped, and thereafter, the measured value of the liquid temperature sensor is set to the first set value. 5. When the temperature drops to a value lower than the second set value, which is lower than the value, the water in the hot water storage tank is supplied to the heat exchanger, and the heat medium in the case is supplied to the heat exchanger to heat the case. The point is that a liquid temperature control means for raising the temperature of the medium liquid is provided.
[0014]
[Action / Effect]
According to the above feature, when the temperature of the water in the hot water tank exceeds the first set value, the engine is stopped without excessively increasing the temperature of the water in the water storage tank. Later, when the temperature of the heat transfer fluid drops to below the second set value, water (hot water) in the hot water tank is supplied to the heat exchanger so that the heat in the hot water tank can be used without starting the engine. The temperature of the heat transfer fluid may be increased. As a result, not only the energy loss is reduced, but also the inconvenience that the temperature of the heat transfer fluid in the case is significantly reduced by effectively utilizing the heat of the hot water storage tank can be solved.
[0015]
The features, functions and effects of the heat source system according to claim 5 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
5. The heat source system according to claim 1, further comprising: a sub-tank for supplying and discharging the heat medium inside the case, wherein the heat medium inside the case is moved to the sub-tank when the engine is warmed up. 6. It has a warm-up assisting means.
[0016]
[Action / Effect]
According to the above feature, when the engine is warmed up, the heat transfer fluid in the case is moved to the sub-tank. For example, when the temperature of the heat transfer fluid is low, such as when starting the engine in a cold region, the temperature of the engine is reduced. The inconvenience of making warm-up difficult can be solved. As a result, the engine can be easily warmed up even though the engine is used while being immersed in the heat medium in the case.
[0017]
The features, functions and effects of the heat source system according to claim 6 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
The heat source system according to any one of claims 1 to 5, wherein the case includes a wall made of a heat insulating material.
[0018]
[Action / Effect]
According to the above feature, even when the temperature of the heat transfer fluid rises, the heat insulating material suppresses heat radiation. As a result, the inconvenience of the heat medium liquid heated by the heat of the engine being wastefully radiated is avoided, and the heat of the heat medium liquid can be used efficiently.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, an engine E is housed inside a sealed case 1 so as to be immersed in a heat medium liquid 2, and a generator 3 driven by the engine E is provided outside the case 1. Further, a heat transfer medium having a first pipe line L1 and a first circulation pump P1 for supplying the heat transfer liquid 2 in the case 1 to the heat exchanger 4 disposed outside the case 1 and then returning the heat transfer liquid 2 to the inside of the case 1 A second pipeline L2 and a second circulating pump P2 that form a circulation system and that supply water 6 stored in a hot water tank 5 disposed outside the case 1 to the heat exchanger 4 and then return to the hot water tank 5 are provided. A water circulation system is formed, and these constitute a cogeneration system as an example of a heat source system.
[0020]
This cogeneration system has been downsized so that it can be used at home. Although not shown in the drawings, the cogeneration system has a supply system for supplying city gas or propane gas as fuel to the engine E. 5 is provided with a water supply system for taking out warm water stored therein and a supply system for supplying water. The engine E may use a liquid fuel such as light oil or kerosene.
[0021]
The case 1 is such that a flange portion of a lower case 1A made of a heat insulating material and an upper case 1B made of a heat insulating material are overlapped and bolted together to form a sealed space therein, and the lower case 1B is It is supported on the base body 7 via a vibration-proof rubber 8. In addition, the lower case 1A and the upper case 1B have a structure in which glass wool or a foamed resin is sandwiched as a heat insulating material inside a metal wall, thereby suppressing heat radiation of the heat transfer fluid 2 and thereby increasing the heat dissipation. Gets warmth.
[0022]
As the heat medium liquid 2 stored in the case 1, as in the case of the antifreeze liquid of the gasoline engine, the one in which ethylene glycol or the like is dissolved in water to lower the freezing temperature and raise the boiling point is used. Outside the case 1, a supply / discharge pump 10 for supplying / discharging the heat medium liquid 2 to / from the case 1 and a sub-tank 11 for storing the heat medium liquid are provided.
[0023]
In the engine E, the output shaft 12 (crankshaft) is set in a horizontal posture by positioning the cylinder portion at the upper portion and the oil pan at the lower portion, and the ignition plug 13 provided at the upper end of the cylinder portion of the engine E is provided. Are exposed outside the case 1. Further, an intake pipe 15 for sending combustion air to the engine E and an exhaust pipe 16 for sending combustion exhaust gas from the engine E are housed in the case 1, and the engine E, the intake pipe 15 and the exhaust pipe 16 are connected to a heat medium. It is configured to be immersed in the liquid 2. The exhaust pipe 16 includes a connecting portion 16A (exhaust manifold in the case of a plurality of cylinders) connected to the engine E, a muffler 16B, and a pipe 16C connecting these.
[0024]
The flywheel 17 and the generator 3 are connected to the output shaft 12 of the engine E protruding out of the case 1, and a starter motor 18 transmitting torque to a gear formed on the outer periphery of the flywheel 17 is provided outside the case 1. And a dustproof case 19 for housing these. A portion of the intake pipe 15 outside the case 1 is provided with an air cleaner 21 and an electrically controlled mixer 22 for mixing fuel gas such as city gas and propane gas with air. Further, an oil cleaner 23 is provided outside the case 1, and an oil conduit for circulating oil from an oil pan of the engine E to the oil cleaner 23 is formed.
[0025]
As shown in the figure, the engine E has the same structure as an air-cooled single-cylinder engine, but it is also possible to use an existing gasoline engine by modifying it. In the case of the water-cooled type, it is necessary to provide a pump for forcibly circulating the heat medium liquid with respect to the water jacket, and to configure a circulation system for the heat medium liquid 2 so as to circulate the heat medium liquid 2 by convection. .
[0026]
Further, a liquid temperature sensor T1 for measuring the temperature of the heat transfer fluid 2 in the case 1 and a water temperature sensor T2 for measuring the temperature of the water 6 in the hot water storage tank are provided. A first flow control valve V1 of an electromagnetic operation type, and a second flow control valve V2 of an electromagnetic operation type for the second pipe line L2.
[0027]
The control system of the present cogeneration system can be shown as in FIG. In other words, this control system includes an engine control unit 31 having a microprocessor for controlling the engine E and a heat exchange control unit 32 having a microprocessor for controlling the heat exchange system. An electric power system is formed so that electric power is supplied from the battery 33 to which electric power from the battery 33 is charged, and a control signal system is formed between them.
[0028]
A signal from a timing sensor S for obtaining an ignition timing from a rotation amount of a camshaft or the like of the engine E is input to the engine control unit 31, and the starter motor 18, the ignition plug 13, An input / output system is formed to output drive power to the mixer 22. Although not shown in the drawings, the engine control unit 31 includes a cell motor control circuit that supplies driving power to the cell motor 18, an ignition control circuit that supplies high voltage power to the ignition plug 13 at each ignition timing, A mixer control circuit for producing a fuel gas having a mixing ratio set for the mixer 22 is provided.
[0029]
Measurement signals from the liquid temperature sensor T1 and the water temperature sensor T2 are input to the heat exchange control unit 32, and the first circulating pump P1, the second circulating pump P2, An input / output system is formed so as to output drive power to the first flow control valve V1, the second flow control valve V2, and the supply / discharge pump 10. Although not shown in the drawings, the first circulating pump P1, the second circulating pump P2, and the supply / discharge pump 10 are provided with electric motors, and the opening of the first flow control valve V1 and the second flow control valve V2 are set. The heat exchange control unit 32 includes a motor drive circuit for supplying drive power to each electric motor and a solenoid drive circuit for supplying drive power to the electromagnetic solenoid. are doing.
[0030]
In this cogeneration system, the heat exchange control unit 32 controls the entire system as shown in FIG. A control program consisting of a temperature control means C and a circulation stop means B is set. In order to make a judgment based on the temperature of the heat transfer fluid 2 or the water 6 when each control is executed, FIG. As shown, each of the "reference temperature", "lower limit temperature", "intermediate temperature", "upper limit temperature", and "target temperature" is stored as data in advance, and the control based on these is described below.
[0031]
As shown in the flowchart of FIG. 4, in the system control program, after the engine E is started by executing the engine start routine (# 100 step), the low temperature processing routine (# 200 step) and the high temperature processing routine (# 300 step) ) And the liquid temperature control (step # 01) are continuously executed until the control is stopped, and when there is an operation for stopping the control, the engine E is stopped, and the first and second circulation pumps P1, P2 are stopped. Is stopped and the control is terminated (steps # 02 and # 03).
[0032]
In the liquid temperature control (# 01 step) of this control, the liquid temperature control means C is constituted by a program for maintaining the temperature of the heat medium liquid 2 stored in the case 1. In this liquid temperature control, when the temperature of the heating medium liquid 2 rises beyond a target temperature range set on the basis of the target temperature, the drive speed of the first circulation pump P1 is increased or the first flow rate control is performed. By increasing the opening of the valve V1, the amount of circulation of the heat medium liquid 2 is increased, and by increasing the driving speed of the second circulation pump P2 and increasing the opening of the second flow control valve V2. When the temperature of the heat medium liquid 2 is decreased to a temperature lower than the target temperature range, the temperature of the heat medium liquid 2 is decreased by increasing the circulation amount of the water 6. The temperature of the heating medium 2 is increased by performing the reverse control such as lowering the driving speed.
[0033]
In other words, in this cogeneration system, the engine E is most efficiently maintained in a state where the liquid temperature of the heat medium liquid 2 is maintained in the target temperature range between the target upper limit temperature on the high temperature side and the target lower limit temperature on the low temperature side. Is operated so that heat exchange in the heat exchanger 4 is also efficiently performed, and a basic control mode is set so as to perform control for maintaining the temperature of the heat medium liquid 2 within a target temperature range. -ing
[0034]
The engine start routine (# 100 step) measures the temperature of the heat medium detected by the liquid temperature sensor T1 as shown in the flowchart of FIG. After moving to the sub-tank 11, the engine E is started, and after this start-up, if there is no heat medium in the case 1, a process of moving the heat medium from the sub-tank 11 into the case 1 is executed ( # 101 to # 105 steps).
[0035]
The engine start-up routine (# 100 step) constitutes the engine warm-up auxiliary means D. In this engine start-up routine, when the temperature of the heat transfer fluid 2 is low and it is difficult to start the engine E, the heat transfer fluid 2 is removed. It is moved out of the case 1 and air is introduced into the case 1 to improve the startability of the engine E. After the engine E starts, the temperature of the engine E rises to a temperature suitable for operation, and then the heat is released. The medium 2 is returned to the case 1. Note that the timing of returning the heat transfer fluid 2 into the case 1 can be set at a point in time when a time set by a timer has elapsed after the engine E has started. After engine start, a value sufficient to raise the temperature of the engine E to a temperature suitable for operation is set.
[0036]
In the low temperature processing routine (step # 200), as shown in the flowchart of FIG. 6, based on the measurement result of the liquid temperature sensor T1, if the heat medium liquid temperature is lower than the reference value, the first and second circulations are performed. The pumps P1 and P2 are stopped (if they are already stopped, the stopped state is continued), and if the temperature of the heat medium is equal to or higher than the reference value, the first and second circulation pumps P1 and P2 are driven. (If already in the driving state, the driving state is continued) (# 201 to # 203 steps).
[0037]
In this low temperature processing routine, the first and second circulating pumps are used to suppress unnecessary heat exchange immediately after the start of the engine E or when the temperature of the heat medium drops below the reference temperature due to excessive heat exchange. A process for stopping P1 and P2 is executed, and by executing this process, unnecessary consumption of energy for driving the pump is eliminated. In particular, the circulation stop means B is constituted by a program for stopping the first and second circulation pumps P1 and P2 when the temperature of the heat medium liquid 2 is lower than the reference value.
[0038]
In the high temperature processing routine (step # 300), as shown in the flowchart of FIG. 7, if the water temperature of the hot water storage tank 5 measured by the water temperature sensor T2 is lower than the upper limit temperature, no special processing is performed. If the water temperature of the hot water storage tank 5 is equal to or higher than the upper limit temperature (first set value), the engine E is stopped, and the first and second circulation pumps P1, P2 are stopped (steps # 301, # 302). Next, when the temperature of the heat medium liquid 2 in the case 1 measured by the liquid temperature sensor T1 drops below the intermediate temperature (second set value), the drive of the first and second circulation pumps P1 and P2 is performed. Resume (steps # 303 and # 304). Next, the engine E is started when the water temperature of the hot water tank 5 measured by the water temperature sensor T2 drops below the lower limit temperature (steps # 305 and # 306).
[0039]
The liquid temperature maintaining means A is constituted by a program for executing the high temperature processing routine (# 300 step). In this high temperature processing routine, heating is required as in the case where the water temperature of the hot water storage tank 5 rises to an extremely high temperature. If not, the engine E is stopped, and at the same time, the process of stopping the first and second circulation pumps P1 and P2 is executed first. If the temperature of the heat transfer fluid 2 decreases thereafter, the first and second pumps are stopped. By restarting the operation of the two circulation pumps P1 and P2, the temperature of the heat transfer fluid 2 is raised by the heat of the water 6 in the hot water tank 5, and thereafter, when the water temperature of the hot water tank 5 falls below the lower limit temperature. Is to restart the engine E to increase the water temperature of the hot water storage tank 5 by the heat from the engine E.
[0040]
As described above, in the present invention, the entirety of the engine E, the intake pipe 15 and the exhaust pipe 16 are immersed in the heat medium liquid 2 stored in the case 1 so as to be immersed. In addition to reducing noise, the heat energy generated in the engine E can be efficiently recovered through the heat transfer fluid 2 in contact with all surfaces of the engine E to heat the water 6 in the hot water storage tank 5. In addition to not only obtaining the electric energy by transmitting the rotational force from the engine E to the generator 3 but also using a part of this electric energy as electric power for operating the control system, the energy is not wasted. I have.
[0041]
In particular, at the time of control for realizing heat exchange, the startability of the engine E is good, and when the temperature of the heat medium liquid 2 drops, the heat exchange is stopped to eliminate the energy loss required for driving the pump. When the water temperature of the hot water tank 5 becomes high, the engine E is stopped to eliminate waste of fuel for driving the engine E, and after the engine E is stopped, the hot water tank 5 Since the engine E is restarted when the water temperature has fallen moderately, the inconvenience of starting and stopping the engine E repeatedly at short intervals is eliminated.
[0042]
[Another embodiment]
The present invention can be carried out, for example, as shown in FIG. 8 in addition to the above-described embodiment. (In this other embodiment, those having the same functions as those in the above-described embodiment are common to the embodiment. Numbers and symbols).
[0043]
That is, in the cogeneration system shown in the figure, the output shaft 12 is set to be vertical as the engine E, and the generator 3, the flywheel 17, the cell motor 18, and the dustproof case are placed inside the upper cover 40 arranged above the case 1. The air cleaner 21, the mixer 22, the oil cleaner 23, the engine control unit 31, and the like are arranged inside the upper cover 40 while the 19 is arranged.
[0044]
In this alternative embodiment, control that is basically the same as that of the above-described embodiment is executed. However, the attitude of the engine E is set as described above, and main devices are arranged at the upper position of the case 1. As a result, the electric system such as the generator 3 and the cell motor 18 can be intensively arranged at a high position away from the ground and where moisture does not easily act, and the maintainability is improved and the installation area is reduced. is there.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a cogeneration system. FIG. 2 is a block circuit diagram of a control system. FIG. 3 is a diagram showing a relative relationship between temperatures used as a control reference. FIG. 4 is a flowchart of a system control program. 5 is a flowchart showing an engine start routine. FIG. 6 is a flowchart showing a low temperature processing routine. FIG. 7 is a flowchart showing a high temperature processing routine. FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a cogeneration system according to another embodiment. ]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Case 2 Heat medium liquid 4 Heat exchanger 5 Hot water tank 6 Water 11 Subtank 15 Intake pipe 16 Exhaust pipe A Liquid temperature maintenance means B Circulation stop means C Liquid temperature control means D Engine warm-up auxiliary means E Engine P1 First circulation pump P2 Second circulation pump T1 Liquid temperature sensor T2 Water temperature sensor
