JP6208519B2

JP6208519B2 - コジェネレーションシステム

Info

Publication number: JP6208519B2
Application number: JP2013208103A
Authority: JP
Inventors: 水野　康; 康水野; 直樹横尾; 則久柴崎; 勲吉村
Original assignee: Dainichi Co Ltd
Current assignee: Dainichi Co Ltd
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-10-03
Also published as: JP2015072090A

Description

本発明は、燃料電池等の発電装置からの排熱を、熱媒との熱交換により回収して水を加熱し、貯湯タンクに貯湯するコジェネレーションシステムに関し、特に、熱媒を放熱するラジエータユニットを備えたシステムにおいて、ラジエータユニットにおける熱媒の不要な放熱を抑制する技術に関する。

特許文献１等に開示されるこの種のコジェネレーションシステムにおいては、熱媒を貯湯タンク内の上水と熱交換し、貯湯タンク内に湯を生成する。貯湯タンク内の蓄熱量が上限に近づくとタンク内に十分に放熱ができず、高温の熱媒が再び発電装置に循環することになる。すると、発電システムの冷却効果が低下し、発電性能が低下する可能性がある。このため、熱媒通路の一部にラジエータユニットを配設し、熱媒を外気と熱交換して放熱している。

ラジエータユニットの構造としては、例えば、特許文献２に開示されるように、外気の吸気口と排気口を開口した発電ユニットの外装ケース内に熱媒放熱部及びファンを装着し、ファンを駆動して前方からケース内に取り入れた外気を熱媒放熱部を流れる熱媒と熱交換して放熱させた後、ケース外に排出させている。
また、上記とは逆に、ファンを熱媒放熱部より上流側に配置した構造もある。

特開２００３−２１４７０５号公報特開２００７−２７８５７９号公報

かかるラジエータユニットを備えた従来のコジェネレーションシステムでは、ラジエータユニットの非駆動時（貯湯ユニット内の蓄熱量が上限近傍に達していないとき）に強い風が吹くと、外気がラジエータユニットの吸気口又は排気口から流入し、熱媒放熱部を冷却しながらラジエータユニット内を通り抜けることがある。
特に冬季等では、低温の外気がラジエータユニット内を通り抜けることにより、熱媒が過度に冷却される惧れがある。この場合、熱媒として水を用いるコジェネレーションシステムにおいては、熱媒通路（循環路）内における熱媒の凍結を招く可能性があった。
また、熱媒がラジエータユニットにおいて発電装置からの排熱を十分に回収できる温度より低温に過冷却される分が、無駄な熱量の放出となり、エネルギー損失となる。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、コジェネレーションシステムにおいて、ラジエータユニットの非駆動時に、熱媒の冷却を抑制することを目的とする。

このため本発明に係るコジェネレーションシステムは、
発電装置と、
前記発電装置から排出される熱を湯水として蓄熱する貯湯タンクと、
前記発電装置からの排熱を回収する熱交換部と、熱媒放熱部と、を含む熱媒循環回路と、
前記熱媒放熱部と、ファンと、外気吸気口と、外気排気口と、前記外気吸気口と前記外気排気口を連絡する通風路と、を含み、前記外気吸気口から前記通風路に導入された外気を前記熱媒放熱部の周囲に通過させて、前記外気排気口から排出可能に構成され、前記外気吸気口と前記外気排気口とが同一面に開口しているラジエータユニットと、
を備えて構成され、
前記ラジエータユニットは、仕切板を備え、前記通風路は、前記ファンと前記熱媒放熱部との間に設けられて前記ファンおよび前記熱媒放熱部より前記外気吸気口および前記外気排気口の開口面とは反対側の方向に延在する前記仕切り板により、前記外気吸気口と前記外気排気口とが分離して形成されると共に、通路軸がＵ字状に形成される。

通風路の吸気口と排気口とが同一面で開放されているため、ファンが停止状態であるラジエータユニットの非駆動時にコジェネレーションシステムの設置場所において強風が発生しているときでも、吸気口と排気口は同等の外気圧を受け、吸気口と排気口との間に差圧を生じにくい。これにより、通風路内を外気が通り抜けることが抑制されて熱媒の過冷却が抑制され、熱媒通路の内での熱媒の凍結、エネルギー損失を抑制できる。

本発明に係るコジェネレーションシステムの概略を示すブロック図。同上システムに備えられるラジエータユニットの第１実施形態の詳細を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ−Ｘ矢視断面図。同上ラジエータユニットの第２実施形態の詳細を示す縦断面図。同上ラジエータユニットの第３実施形態の詳細を示す縦断面図。同上ラジエータユニットの第４実施形態の詳細を示す縦断面図。同上ラジエータユニットに取り付けられる雨水侵入防止用のカバーの２つの異なる形態を示す斜視図。

以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るコジェネレーションシステムの概略を示す図である。

本システムは、以下の各要素を備えて構成される。
発電装置１は、発熱を伴って発電する。発電装置１としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池の他、エンジン発電機なども含まれる。

発電装置１の熱交換部（排熱回収用熱交換器）１ａは、発電装置１からの排熱と熱交換部１ａを通る熱媒通路２内の熱媒との熱交換を行って発電装置１を冷却しつつ、熱媒に排熱を回収させる。熱媒としては、例えば、水または水に不凍剤を添加したもの、油など、公知のものが使用される。

熱媒ポンプ３は、環状に形成された熱媒通路２内に熱媒を循環させる。
貯湯タンク４は、その下部に接続された給水管５より供給されて貯えた水（上水等）を、該タンク４内を通る熱媒と熱交換し、加熱された湯水を貯湯する。貯湯タンク４内の湯水は、その上部に接続された出湯管６を介して必要に応じて取り出される。

ラジエータユニット７は、ファン８により外気を吸引して流通させる通風路９内に熱媒通路２の一部を含む熱媒放熱部１０を臨ませ、熱媒放熱部１０における熱媒通路２内の熱媒を、通風路９を流通する外気と熱交換して放熱させる。熱媒放熱部１０は、蛇行状に配設された熱媒通路２の周囲にフィンを連結して形成される。
前記ラジエータユニット７は、貯湯タンク４内の湯水温度が所定温度以上（蓄熱量が上限近傍）となったときに駆動される。

図２は、第１の実施形態に係るラジエータユニット７の詳細を示す。同図（Ａ）は正面図、同図（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ矢視断面図であり、以下、正面を前面［図２（Ｂ）の左右方向を前後方向］として説明する。
ラジエータユニット７は、前面が開口された筒状のケース１１を有し、該ケース１１が、筐体１２内の上部空間を仕切る支持台１２ａ上に、筐体１２内壁との間に空間１２ｂを空けて設置される。ケース１１の開口された前面は、筐体１２の前面と前後方向に一致させ、筐体１２前面のケース１１開口に当たる部分は開口され、ケース１１開口の外側部分は閉塞されている。これにより、空間１２ｂと通風路９との間は閉塞される。

筐体１２は、室外に設置され、例えば、ラジエータユニット７と貯湯タンク４を収納した貯湯ユニットの外筐、または、ラジエータユニット７と発電装置１を収納した発電ユニットの外筐、さらには、システムの構成部品全体を収納したシステムユニットの外筐として形成することができる。

ラジエータユニット７のケース１１内には、上下方向中央部に方形状の仕切り板１３が、その両側端面をケース１１内側壁に接合して固定される。仕切り板１３は、その前端をケース１１及び筐体１２の前面と一致させ、ケース１１の後面との間には所定の間隙Ｌを開けて配設される。前記所定の間隙Ｌは、仕切り板１３とケース１１の上壁及び底壁との間隙と同程度の大きさに設定することが好ましく、通風路９の通路断面を略均等化することができる。

かかる仕切り板１３の配設により、ケース１１内空間が区画され、仕切り板１３上下の前面開口の一方に吸気口、他方に排気口を形成し、吸気口からケース１１内後部の間隙Ｌを経て排気口に至る通風路９が形成される。本実施形態では、仕切り板１３下方の開口に吸気口１４、上方の開口に排気口１５を形成する。

仕切り板１３下方の吸気口１４には、熱媒放熱部１０を配設する。熱媒放熱部１０は、熱媒通路２の一部を蛇行させて配設し、その周囲に多数のフィンを固定して構成され、本実施形態では、熱媒入口１０ａを仕切り板１３に近い上側に配設し、熱媒出口１０ｂを仕切り板１３から離れた下側に配設する。

一方、仕切り板１３上方の開口の中央部に通風路９内の外気を吸い出してケース１１外に排出する電動式のファン８を配設する。なお、ファン８の本体外側のケース１１の開口はパネル２１で閉塞し、ファン８の通気口のみを排気口１５として機能させて排気が行われるようにする。

かかる構造を有したラジエータユニット７の作用を説明する。
貯湯タンク４内の蓄熱量が上限近傍に到達したとき、ファン８が駆動される。具体的には、貯湯タンク４内、貯湯タンク４の熱媒出口、熱交換部１ａの熱媒入口、または、貯湯タンク４の熱媒出口から熱交換部１ａの熱媒入口までの間の任意の場所に温度センサを設け、その温度センサが、熱媒温度が予め定めた任意の温度であることを検知すると、ファン８が駆動される。ファン８の吸引力により、外気が吸気口１４から通風路９内に吸入され、熱媒放熱部１０を通過して熱媒通路２内の熱媒と熱交換して熱媒を放熱冷却した後、仕切り板１３下側の通風路９内を後方に流動し、上方の間隙Ｌを通って前方にＵターンし、排気口１５から外側に排出される。
このように、貯湯タンク４内の蓄熱量が上限近傍に到達したときにはラジエータユニット７によって温度を下げられた熱媒が、発電装置１内を循環して適度に冷却することにより、発電装置１は発電を継続することができる。

一方、ラジエータユニット７の非駆動時に、筐体１２の外側で強い風が吹いた場合でも、通風路９の吸気口１４と排気口１５とが同一面で開口されているため、吸気口１４と排気口１５とが受ける外気圧は同等となる。つまり、吸気口１４と排気口１５との間に差圧が生じにくいため、通風路９内に外気が侵入して通り抜けることを抑制できる。これにより、冬季等でも外気の通り抜けによる熱媒の過冷却が抑制され、熱媒通路２内での熱媒の凍結を抑制でき、良好なコジェネレーションシステムの運転性能を維持することができる。また、熱媒温度の過度の低下が抑制されて無駄な熱量の放出、ひいてはエネルギー損失を抑制できる。

また、本実施形態では、通風路９を形成するケース１１を筐体１２内壁との間に空間１２ｂを開けて配設したことにより、該空間１２ｂが断熱空間となる。これにより、直射日光や、発電装置１からの発熱が筐体１２を介して通風路９に伝達されて通風路９が温度上昇することを抑制でき、熱媒放熱部１０の放熱効率を高めることができる。なお、空間１２ｂに断熱材を介装して断熱効果をより高める構成としてもよい。なお、本実施形態では、支持台１２ａとラジエータユニット７の底面が接触している構造としたが、支持台１２ａとラジエータユニット７との間に架台を介してもよい。このようにすることで、支持台１２ａとラジエータユニット７の底面との間にも断熱空間を設けることができる。

また、仕切り板１３を設けることにより、吸気口１４と排気口１５とが隣接する部分から大部分の外気が短絡的に排出されてしまうことを抑制して、熱媒放熱部１０と外気との接触効率を高めることができる。

さらに、通風路９の後部でＵターンする部分のケース１１壁を略湾曲して形成したことにより、通風路９内の外気がＵターンする際の流動抵抗を小さくすることができ、ファン８の消費電力を低減できる。

また、空間１２ｂは、筐体１２の前面で閉塞されているため、通風路９から排出される温められた外気が直接的に空間１２ｂ内に流入することによる熱籠りが抑制される。これにより、ラジエータユニット７による熱媒放熱効率の低下を抑制できる。なお、空間１２ｂは、少なくとも筐体１２の前面において閉塞されていればよく、筐体１２の側面または背面において開口を備えていてもよい。

吸気口１４と排気口１５とを筐体１２の同一面で開口させた実施形態として、上記第１実施形態の他、以下のような変形態様が可能である。
図３は、第２実施形態を示し、第１実施形態同様に通風路９から吸引して通風路９外に排出する吸引型のファン８を仕切り板１３より下側に配設してファン８の通気口を排気口１５とし、仕切り板１３より上側の吸気口１４に熱媒放熱部１０を配設する。第２実施形態においても第１実施形態同様に、吸引型のファン８を排気口１５に配設し、吸気口１４に熱媒放熱部１０を配設しているため、筐体１２外側の低温な外気（新気）が吸引直後に熱媒放熱部１０を通過するため熱媒を効率よく冷却することができる。

図４は、第３実施形態を示し、仕切り板１３より上側のケース１１の開口部に吸引した外気を通風路９内に押し込む押込型のファン８を配設し、ファン８の通気口を吸気口１４として形成すると共に、仕切り板１３より下側のケース１１の開口を排気口１５として熱媒放熱部１０を配設したものである。なお、ファン８の本体外側の開口はパネル２１で閉塞し、ファン８の通気口のみを吸気口１４として機能させて吸気が行われるようにする。

図５は、第４実施形態を示し、第３実施形態同様の押込型のファン８を、仕切り板１３より下側に配設してファン８の通気口を吸気口１４とし、仕切り板１３より上側の排気口１５に熱媒放熱部１０を配設する。第４実施形態においても、第１実施形態同様に排気口１５が吸気口１４より上側に配設されるため、熱媒との熱交換により温度上昇した排気は排気口１５から排出された後上昇し、下側の吸気口１４からの再吸入を抑制でき、熱媒放熱部１０での熱交換効率の低下を抑制できる。

上述の形態の他、レイアウトや熱媒通路の配管接続等を考慮して他の実施形態を選択することも可能である。例えば、吸気口１４及び排気口１５を左右に並列に配置してもよい。
また、上記の基本的なラジエータユニットの構造に加えて、図２（Ｂ）に一点鎖線で示すように、吸気口１４及び排気口１５から雨水が侵入することを抑制するためのカバー１６を取り付けることが好ましい。

図６（Ａ）は、前記第１実施形態のラジエータユニット７に取り付けられるカバー（庇）１６の詳細を示す。カバー１６は、上面部１６ａ、正面部１６ｂを含む。上面部１６ａの後端は、ラジエータユニット７の開口上部に接し、前端からは正面部１６ｂが下垂している。これにより、比較的雨水が侵入しやすい上方または正面側からの雨水の侵入を抑制することができる。

また、カバー１６は、カバー１６とラジエータユニット７との間に形成される空間内で吸気と排気とを分離させる機能を持たせるための吸排気分離部１６ｃ、及び該空間内で吸気と排気の流れ方向を相違させるための側面部１６ｄを更に含んでもよい。吸排気分離部１６ｃの後端は仕切り板１３と同等の高さ位置においてケース１１に接し、前端は正面部１６ｂに接している。側面部１６ｄの後端は、吸排気分離部１６ｃの下方かつラジエータユニット７の開口側面部においてラジエータユニット７に接し、前端は正面部１６ｂに接している。

外気は、カバー１６の下方の第１開口部１６ｆから導入されて吸気口１４から通風路９内に吸入され、排気口１５から排出された後、両側の第２開口部１６ｅから排出される。なお、第２実施形態に当該カバー１６を取り付ける場合は、外気は、カバー１６の第２開口部１６ｅから導入されて吸気口１４から通風路９内に吸入され、排気口１５から排出された後、下方の第１開口部１６ｆから排出される。このように、カバー１６の第１開口部１６ｆがラジエータユニット７の開口から下方に向けて開口され、第２開口部１６ｅがラジエータユニット７の開口とは直角な方向に開口されるため、吸気と排気を効率的に分離することができる。これらにより、放熱効率の低下を抑制することができる。

あるいは、図６（Ｂ）に示すように、上面部１６ａを省略して、正面部１６ｂの上端部がラジエータユニット７の開口上部に接するように配置する形態としてもよい。この形態においても、図６（Ａ）に示した形態と同様の効果を得ることができる。

なお、この種のカバー１６を取り付けた場合でも、吸気口１４と排気口１５とが同一面で開口されていることにより、同等の外気圧を受けるため、ラジエータユニット７の非駆動時に外気が通風路９を通り抜けることを抑制できる効果を確保できることに変わりはない。

上面部１６ａ、吸排気分離部１６ｃ、および側面部１６ｄは、ラジエータユニット７ではなくケース１１、熱媒放熱部１０、またはファン８の外装に接していてもよい。さらに、カバー１６と、ラジエータユニット７またはケース１１との間は緩衝材を介して接していてもよい。また、上面部１６ａ、正面部１６ｂ、吸排気分離部１６ｃ、および側面部１６ｄは、それぞれを溶接または組み立てによって構成する他、プレスによる一体成型で構成してもよい。また、図６は吸気口１４側を覆う部分と排気口１５側を覆う部分が一体となったカバーを例示したが、それぞれ個別に設けてもよい。

また、以上の実施形態では、ファン８外側のケース１１の開口をパネル２１で塞ぐ構成としたが、カバー１６にファン８外側のケース１１の開口を塞ぐ閉塞部を一体に形成してもよい。

また、以上の実施形態では、貯湯タンク４内の貯水を熱媒と熱交換して加熱するものを示したが、貯湯タンク４内の貯水を熱媒として発電装置１内を循環させて冷却する構成のものにも本発明を適用でき、同様の効果を得られる。

尚、以上に本発明の実施形態を図面に基づいて説明したが、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１…発電装置
１ａ…熱交換部
２…熱媒通路
３…熱媒ポンプ
４…貯湯タンク
７…ラジエータユニット
８…ファン
９…通風路
１０…熱媒放熱部
１１…ケース
１２…筐体
１３…仕切り板
１４…吸気口
１５…排気口
１６…カバー

Claims

発電装置と；
前記発電装置から排出される熱を湯水として蓄熱する貯湯タンクと、；
前記発電装置からの排熱を回収する熱交換部と、熱媒放熱部と、を含む熱媒循環回路と、；
前記熱媒放熱部と、ファンと、外気吸気口と、外気排気口と、前記外気吸気口と前記外気排気口を連絡する通風路と、を含み、前記外気吸気口から前記通風路に導入された外気を前記熱媒放熱部の周囲に通過させて、前記外気排気口から排出可能に構成され、前記外気吸気口と前記外気排気口とが同一面に開口しているラジエータユニットと、；
を備え、
前記ラジエータユニットは、仕切板を備え、前記通風路は、前記ファンと前記熱媒放熱部との間に設けられて前記ファンおよび前記熱媒放熱部より前記外気吸気口および前記外気排気口の開口面とは反対側の方向に延在する前記仕切り板により、前記外気吸気口と前記外気排気口とが分離して形成されると共に、通路軸がＵ字状に形成される、
コジェネレーションシステム。
前記ラジエータユニットを内包する筐体を備え、前記ラジエータユニットと前記筐体との間に空間が形成される請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
前記外気吸気口および前記外気排気口は、前記筐体の１つの面に開口しており、前記空間は、前記筐体の前記１つの面側で閉塞されている、請求項２に記載のコジェネレーションシステム。
前記筐体は、前記発電装置を内包する、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステム。
前記排気口に前記通風路内から外気を吸引して排出するファンを配設し、前記吸気口に前記熱媒放熱部を配設した、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステム。
前記吸気口に外気を吸引して前記通風路内に押し込むファンを配設し、前記排気口に前記熱媒放熱部を配設した、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステム。
前記排気口が前記吸気口より上方に配置される、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステム。
前記排気口および前記吸気口に、庇を備える、請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のコジェネレーションシステム。