JPH05223268A - 熱電併給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 余剰給湯能力がある時に，給湯能力が不足し
た時に必要な量だけの湯を貯めておき，これを利用する
ことにより，常時安定した温度の湯を給湯でき，小型で
高性能の熱電併給装置を提供すること。 【構成】 エンジン４によって駆動される発電機５と，
電気ユーティリティ５３を有する。また，エンジン冷却
水循環回路７と，この回路内に設けた温水熱交換器７１
と，温水貯蔵タンク２１と温水熱交換器７１との間に設
けた温水循環回路１とよりなる。温水循環回路１内に
は，上記温水熱交換器７１に接続した混合弁３と，該混
合弁３の開閉を制御するためのサーモスタット等の混合
弁制御装置３Ａを設ける。これにより，混合弁３により
温水貯蔵タンク２１内の温水と流水回路１０の低温水と
を混合し，常時安定した温度の湯を供給できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，余剰電力を有効利用し
て常時安定した温度の湯を供給でき，小型で高性能の熱
電併給装置に関する。

【０００２】

【従来技術】近年，コージェネレーションシステム（熱
電併給装置）は，発電機により発生した電力（電力負荷
Ｒ）を店舗や家庭で使用すると共に，エンジンや発電機
の駆動に伴う冷却水，排ガスの熱源を有効利用する，比
較的小型の給湯システムとして普及しつつある。上記熱
電併給装置は，図９に示すごとく，エンジン４によって
駆動される発電機５と，該発電機５によって出力される
電力を制御するための電力制御装置５０と，該電力制御
装置５０に電気的に接続された電気ユーティリティ５３
とを有する。また，該電力制御装置５０は，中央演算処
理装置（ＣＰＵ）５１とエンジン制御回路５２を有す
る。

【０００３】また，上記熱電併給装置は，エンジン４の
冷却水を冷却水ポンプ７３により循環させるエンジン冷
却水循環回路７と，この回路内に設けた温水熱交換器７
１と，排ガス熱交換器７４とを有する。そして，熱電併
給装置は，上記温水熱交換器７１によって加熱された温
水を貯えておくための温水貯蔵タンク９１と，これと温
水熱交換器７１との間に設けた温水循環回路８とを有す
る。

【０００４】また，上記温水貯蔵タンク９１は，水道用
減圧弁９２と，温水センサー９３とを有する。また，上
記温水循環回路８は，温水循環用ポンプ８１と，上記温
水熱交換器７１と，水栓９８と，補助熱源装置９９を有
する。上記熱電併給装置においては，図９，図１０に示
すごとく，エンジン４によって駆動される発電機５が電
気を発生する。そして，エンジン４に用いられた燃料よ
り発生する１次エネルギーの約３０％が，電力負荷Ｒと
して，工場，家庭，店舗等の電気ユーティリティ５３に
おいて使用される。

【０００５】また，エンジン４を冷却して昇温した冷却
水は，上記エンジン冷却水循環回路７内に設けた温水熱
交換器７１により，温水を加温するために用いられる。
これには，上記１次エネルギーの約４０％に当るエネル
ギーが利用されている。また，エンジン４より発生する
排ガス６３０の熱により，１次エネルギー量の約２０％
が給湯のための熱源として有効利用されている。なお，
１次エネルギー量の約１０％は未利用エネルギーとして
放熱されている。

【０００６】また，上記発電機５は，４極モータを有
し，その回転数が約１５００又は１８００ｒｐｍ（回／
分）となるよう，上記エンジン制御回路５２によって制
御されている。これにより，５０又は６０Ｈｚの周波数
の電流が発生し，工場，店舗，家庭等における，電気ユ
ーティリティ５３の照明や動力源として使用される。ま
た，上記排ガス６３０の熱は，上記排ガス熱交換器７４
により回収され給湯に有効利用される。しかしながら，
温水が不要で，温水熱交換器７１において，エンジン冷
却水の冷却が不足する場合は，三方弁７２が作動し，エ
ンジン４の冷却水及び排ガス６３０によって供給された
熱は，エンジン冷却水循環回路７において，ラジエータ
６１及び送風機６２によって外部へ放熱される（図９，
図１０参照）。

【０００７】一方，上記温水は，上記温水貯蔵タンク９
１内に貯えられる。そして，該温水貯蔵タンク９１内の
温水は，温水センサ９３により水温Ｔが検知される。そ
して，温水が設定温度Ｔ_L （例えば６５℃）以下になっ
た時には，温水は温水循環ポンプ８１により矢印のごと
く，温水循環回路８内を循環される。そして，上記温水
熱交換器７１によって加温される。次いで，加温された
温水は，再び温水貯蔵タンク９１内に貯えられる。ま
た，温水は，温水センサ９３により検温され，設定温度
Ｔ_H （例えば７０℃）まで達したとき，上記温水循環ポ
ンプ８１が停止する。

【０００８】ところで，温水を使用するに当っては，水
道用減圧弁９２が作動する。これにより，水道用減圧弁
９２から水栓９８に至るまでの回路は，適正圧力（例え
ば約０．９ｋｇｆ／ｃｍ² 位）に保たれる。この状態に
おいて，水栓９８を開けることにより，設定温度Ｔ_H の
温水を使用することができる。

【０００９】

【解決しようとする課題】しかしながら，図１１に示す
ごとく，上記熱電併給装置においては，電力負荷（使用
量）Ｒと給湯負荷Ｑとが１日の全時間帯では大きく変動
する。一方，発電された電力は，電気ユーティリティ５
３における需要量により常に変動している。そのため，
給湯用の電力量が小さくなる時には，給湯能力Ｐがこれ
に伴って低下することになり，給湯能力不足を生じる。
そこで，上記電力量が小さくなると，エンジン４の出力
を低下させるため，エンジン冷却水の温度が低下する。
そのため，温水熱交換器７１における供給熱量が低下
し，給湯の温度が低下する。

【００１０】そこで，電力負荷Ｒが存在し，給湯負荷Ｑ
のない時間帯（例えば０〜６時）に余剰の給湯能力を利
用して多量の温水を得ておく必要がある。そのため，比
較的大きな温水貯蔵タンク９１（例えば，４００リット
ル以上）を準備しておき，その中に温水を貯えておかな
ければならない。それ故，この方法においては，熱電併
給装置が必然的に大型化する。そのため，大きな設置場
所が必要となる。ここで，貯蔵タンク９１の容量は，理
論的には図１１に示すごとく，給湯負荷（点散部分）の
不足分だけあれば良い。

【００１１】しかしながら，図９に示すごとく，ポンプ
８１により水を循環して入口９５よりタンク９１内に湯
を戻し，タンク９１内の湯温を徐々に上昇させるため，
給湯時には出口９４から市水温度の水が供給される。そ
のため，入口９５からは低温の湯がタンク９１に供給さ
れるので，水栓９８への給湯温度が変動してしまう。そ
こで，タンク９１内は，その上部に温度の高い湯が層状
に貯えられる。これを利用して，タンク９１の中央部に
入口９５を設け，上記不具合を解消している。この時，
前記給湯負荷（点散部分）は，入口９５より上層部とな
り，図１１に示す余剰能力（斜線部分，約１００リット
ル程度）が実際の安定供給には必要となる。そのため，
貯湯槽の容量が大型化する。

【００１２】また，これを避けるため，図９に示すごと
く，タンク９１の下流に補助熱源９９を設け，タンク９
１からの給湯温度の変動をカバーする方法も考えられ
る。しかしながら，この方法は，経済性と設置性の点で
問題がある。一方，上記問題を解決するために，図９に
示すごとく，上記電力負荷Ｒの不足を補足する目的で，
補助電源装置９９としてのブースタヒータ装置を温水循
環回路の下流側に配設する提案がなされている（例え
ば，特開平１−２９６０４２号公報）。しかしながら，
上記提案においては，上記ブースタヒータ装置をセラミ
ック材又はプラスチック材からなる不導体の筒体によっ
て構成している。

【００１３】そのため，上記ブースタヒータ装置は，そ
の熱消費量が多くならざるを得ず，上記公報に示された
ごとく，高電圧（４００〜３０００Ｖｏｌｔ）の電源を
使用しなればならない。それ故，上記熱電併給装置にお
いては，通常の電圧（例えば１００〜２００Ｖｏｌｔ）
の電力を使用することができない。そのため，家庭用，
業務用として用いられる比較的小型の熱電併給装置にお
いては，上記従来技術を応用することができない。した
がって，上記従来技術は，実用性に乏しい。本発明は，
かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，余剰電力
を有効利用して常時安定した温度の湯を供給でき，小型
で高性能の熱電併給装置を提供しようとするものであ
る。

【００１４】

【課題の解決手段】本発明は，エンジンによって駆動さ
れる発電機と，該発電機に接続された電気ユーティリテ
ィとを有し，またエンジンの冷却水を冷却するためのエ
ンジン冷却水循環回路と，該エンジン冷却水循環回路内
に設けた温水熱交換器と、温水貯蔵タンクと，該温水貯
蔵タンクと上記温水熱交換器との間に設けた温水循環回
路とよりなる熱電併給装置において，上記温水循環回路
内には，上記温水熱交換器に接続した混合弁と，該混合
弁の開閉を制御するための混合弁制御装置を設けたこと
を特徴とする熱電併給装置にある。

【００１５】本発明において最も注目すべきことは，温
水循環回路内には，上記温水熱交換器に接続した混合弁
と，該混合弁の開閉を制御するための混合弁制御装置を
設けたことである。上記温水熱交換器としては，例えば
２重管式又は多板式の熱交換器を用いる。上記混合弁と
しては，例えばサーモスタット付き混合栓（図２参照）
を用いる。また，上記混合弁３には，バイパス回路を設
けて湯を使用しない時，即ち非給湯時には，そのバイパ
ス回路を開く電磁弁等を設ける。

【００１６】

【作用及び効果】本発明において，温水循環回路内に
は，温水熱交換器に接続した混合弁と，該混合弁の開閉
を制御するため混合弁制御装置を設けてある。そのた
め，余剰電力等の余剰能力を利用して，予め設定した貯
湯温度の温水を温水貯蔵タンク内に貯蔵しておくことが
できる。

【００１７】それ故，給湯不足時（図１１参照）には，
上記温水貯蔵タンクより送り出された温水と低温水（例
えば市水）とを，上記混合弁内で制御しながら混合し
て，一定の温度の温水を使用することができる。それ
故，温水の使用時には，常時安定した温度の湯（設定温
度Ｔ_H の温水）を提供することができる。更に，混合弁
においては，特定の湯温制御を行うことにより，熱交換
器において不足した給湯能力分のみ，温水貯蔵タンク内
の湯を利用することができる。そのため，上記効果によ
り，従来の温水貯蔵タンクの容量よりも，温水貯蔵タン
クを小型化し，ミニタンクシステムを提供することがで
きる。

【００１８】また，本熱電併給装置においては，補助熱
源（図９の符号９９）としての補助ボイラーや高電圧を
使用しなければならないブースターヒータ装置等が不要
である。そのため，比較的小型の熱電併給装置とするこ
とができる。以上のごとく，本発明によれば，余剰電力
を有効利用して常時安定した温度の湯を供給でき，小型
で高性能の熱電併給装置を提供することができる。

【００１９】

【実施例】本発明にかかる実施例の熱電併給装置につ
き，図１〜図８を用いて説明する。本例の熱電併給装置
は，図１に示すごとく，エンジン４によって駆動される
発電機５と，ＣＰＵ５１と，電気ユーティリティ５３と
を有する。また，上記熱電併給装置は，同図に示すごと
く，エンジン４の冷却水を循環するためのエンジン冷却
水循環回路７と，該エンジン冷却水循環回路７内に設け
た温水熱交換器７１と，温水貯蔵タンク２１と，該温水
貯蔵タンク２１と温水熱交換器７１との間に設けた温水
循環回路１とよりなる。

【００２０】上記温水循環回路１内には，図１に示すご
とく，上記温水熱交換器７１に接続した混合弁３と，該
混合弁３の開閉を制御するための混合弁制御装置３Ａを
設けてなる。該混合弁制御装置３Ａは，混合弁３のケー
シング３Ｂの中に組みこまれている。上記混合弁３は，
図２に示すごとく，三方（スリーウェイ）バルブよりな
る。そして，該混合弁３は，略Ｔ字形の流路を有し，該
流路は水流入路３Ｌと，湯流入路３Ｈと，混合湯流出路
３Ｍとよりなる。上記水流入路３Ｌは，水ポート３５２
に，湯流入路３Ｈは湯ポート３５１に，混合湯流出路３
Ｍは混合湯ポート３５３に接続してある。

【００２１】上記混合弁制御装置３Ａは，図３に示すご
とく，サーモスタット３０とスライド弁３５とバネ受け
部３８とを有する。上記サーモスタット３０は，図５に
示すごとく，ワックス３０１が充填された筒状カップ３
０２と，これらの上方に配置したスリーブ３０３と，該
スリーブ３０３の上方に突出したピストン３０４と，該
ピストン３０４をスライド可能に支承するカバー３０５
と，上記筒状カップ３０２を覆うカートリッジ状のケー
ス３０６とよりなる。

【００２２】上記ワックス３０１は，銅粉を混入したパ
ラフィンよりなる。また，上記スリーブ３０３は，フッ
素系合成ゴムよりなる。そして，上記筒状カップ３０
２，ピストン３０４，カバー３０５は，いずれも熱伝導
性に優れた真ちゅう等の金属よりなる。

【００２３】上記サーモスタット３０には，図２〜図４
に示すごとく，開口部３５３を有する，プッシュリング
３４６が頭部３００に固定されており，ピストンの出入
により生じる動きをスライド弁３５に伝達する。また，
該サーモスタット３０の側面には，スライド弁３５をプ
ッシュリング３４６に押し付ける，パイロットスプリン
グ３８０およびバネ受け部３８が配設してある。そし
て，該バネ受け部３８は，混合弁３のケーシング３Ｂに
固定してある。

【００２４】上記サーモスタット３０には，図２〜図４
に示すごとく，調整ハンドル部３４３を有する。該調整
ハンドル３４３は，温水温度設定ねじ３４４に連結して
ある。そして，該温水温度設定ねじ３４４は，温度調整
パイプ３４５内にスライド可能に配置してある。図１に
おいて，上記温水熱交換器７１としては，上記エンジン
４の冷却水を熱交換するための熱交換器を用いる。

【００２５】上記温水貯蔵タンク２１は，従来の熱電併
給装置における温水貯蔵タンク９に比して容量が小さ
い，比較的小型の温水槽を用いる。これにより，熱電併
給装置全体をコンパクト化して，温水貯蔵タンク２１の
設置面積の低減化（省スペース），配（設）置性の向上
が可能になる。これにより，ミニタンクシステム２を得
ることができる。その他は，従来と同様である。

【００２６】次に作用効果につき説明する。まず，本例
にかかる熱電併給装置の基本的なフローにつき，図８の
フローチャートを用いて説明する。まず，給湯の設定温
度Ｔ_H （例えば６５℃）が，給湯使用者によって設定さ
れる。また，温水貯蔵タンク２１内に貯蔵する温水の貯
湯温度Ｔ_W （例えば７５℃）が設定される。同図におい
て，Ｓ（ステップ）１０１では，図１に示すごとく，給
湯使用者によって 水栓１５が開けられ，給湯開始と共
にこのフローがスタートする。次いで，Ｓ１０２では，
温水循環回路１内の流れ検知センサー１４により温水の
流れが開始したことが検知される。

【００２７】次に，Ｓ１０３では，混合弁３及び混合弁
制御装置３Ａとしてのサーモスタット３０が作動する。
即ち，サーモスタット３０は，図６，図７に示すごと
く，ピストン３０４の作動により，スライド弁３５及び
プッシュリング３４６を作動させ給湯の設定温度Ｔ_H に
温水と市水とを適量づつ混合する。即ち，図２，図４に
示すごとく，上記混合弁３内で温水と低温水とを適量づ
つ混合し，水栓１５側の混合湯路１２へ混合温水Ｍを送
り出す。この時，上記フローは終了（エンド）する。

【００２８】一方，上記Ｓ１０２において，検知センサ
ー１４が温水の流れを検知しない時，即ち水栓１５が開
けられない時は，Ｓ１０４へ進む。そして，Ｓ１０４で
は，温水センサー２３（図１）により，温水の水温Ｔが
読み取られる。ここで，水温Ｔが貯湯温度Ｔ_W よりも低
い時（Ｙ）には，Ｓ１０５へ進む。次に，Ｓ１０５で
は，電磁弁１３（図１）が作動（ＯＮ）して，バイパス
回路１７を温水が通ることになる。そして，，Ｓ１０６
へ進む。

【００２９】Ｓ１０６では，温水循環ポンプ１６が作動
し，温水循環回路１において温水が循環される。そし
て，温水は，温水循環回路１内を循環し，温水熱交換器
７１により加温されて上記貯湯温度Ｔ_W （例えば７５
℃）に至るまで，この作動が繰り返される。一方，上記
Ｓ１０４において，水温Ｔが貯湯温度Ｔ_W よりも高い時
（Ｎ）は，Ｓ１０８へ進む。これにより，上記フローは
終了する。

【００３０】以下，上記フローを，図１〜図７を用い
て，その主要部分を具体的に説明する。まず，上記設定
温度Ｔ_H は，温水使用者がその使用目的により決定す
る。通常生活用の給湯として使用する場合は，Ｔ_H が６
５℃に設定される。ところで，一時的に大量の給湯量を
必要としたり，図１１に示すごとく，給湯不足の場合が
生ずる。この場合においては，次のごとく，サーモスタ
ット３０が該混合弁３の開閉を制御することになる。

【００３１】ここで，まず温水の水温Ｔが設定温度Ｔ_H
に比して低い場合には，上記混合弁１に内蔵したサーモ
スタット３０が次のように作動する。上記サーモスタッ
ト３０には，図２に示すごとく，混合弁３内に矢印方向
より温水Ｈ，低温水Ｌが入ってくると，その温度に応じ
てワックス３０１が熱膨張する。これにより，図６に示
すごとく，ピストン３０４が伸長する。

【００３２】即ち，該ピストン３０４は，上記混合温水
Ｍが設定温度Ｔ_H （６５℃）よりも低いため，図６Ｅに
示すごとく，比較的短いＨ_O のリフト量となる。これに
より，図４に示すごとく，貯湯回路１１より貯湯Ｈが流
入するよう，スライド弁３５が矢印方向に移動して貯湯
流入用の開口部３５１が開く。その結果，約７５℃の貯
湯Ｈが上記低温水Ｌと適量づつ混合して，上記設定温度
Ｔ_H の混合温水Ｍが温水流出口３Ｍを経て，図１，図２
に示すごとく，供給パイプ１２へ送り出される。

【００３３】一方，上記混合温水Ｍが設定温度Ｔ_H より
も高い時は，図６Ｇに示すごとく，ピストン３０４は前
記低温の場合よりも，比較的長いＨ（Ｈ₁ ＋Ｈ₂ ）のリ
フト量となる。これにより，図３に示すごとく，貯湯Ｈ
が流入する開口部３５１が閉じる。これにより，貯湯温
度Ｔ_W （７５℃）の貯湯Ｈの流入は阻止される。これに
より，図３に示すごとく，低温水流入用の開口部３５２
が開き，混合弁３内に，流水回路１０より低温水Ｌが流
入してくる。そのため，水温Ｔは下げられ，設定温度Ｔ
_H になり，混合温水Ｍが混合湯回路１２へ送り出され
る。

【００３４】一方，上記温水熱交換器７１は，エンジン
冷却水循環回路７内を循環している冷却水が，三方弁７
２の開放により温水熱交換器７１まで送られてきた時に
作動する。これらの制御は，全て上記ＣＰＵ５１によっ
て行われる。そして，温水を加温する必要が生じた時に
は，上記温水熱交換器７１により温水を優先的に加温度
するよう制御される。

【００３５】この時，上記三方弁７２は，温水の水温Ｔ
を検知し，温水が設定温度Ｔ_H まで加熱された時，補助
放熱手段であるラジエータ６１へ冷却水が流れる。これ
も，上記ＣＰＵ５１により制御される。以上のごとく，
上記温水循環回路１内においては，混合弁３と該混合弁
３の開閉を制御するための混合弁制御装置としてのサー
モスタット３０が設けてある。それ故，給湯不足時（図
１１参照）には，上記混合弁３により温水貯蔵タンク２
１より取り出した温水と低温水（例えば市水）とを混合
して，一定温度（設定温度Ｔ_H ）の温水を給湯すること
ができる。

【００３６】それ故，温水の使用時には，常時安定した
温度の湯を供給することができる。したがって，本例に
よれば，余剰給湯能力がある時に小型の貯湯槽内に必要
量の湯を貯めておき，給湯能力が不足した時に，貯めて
おいた湯を混合利用する。これにより，常時安定した温
度の湯を供給でき，小型で高性能の熱電併給装置を得る
ことができる。

【００３７】本例によれば，常に熱交換器側の低温水を
１００％利用でき，低温水に適量だけの貯湯温水を混合
すれば良い。そのため，従来のごとく，大きなタンクを
必要とすることなく，ほぼ理論通りの最低限の貯湯量を
確保すれば良いため，従来の温水貯蔵タンク９１よりも
容量の小さい小型の温水貯蔵タンク２１を用いることが
できる。そのため，温水貯蔵タンク２１の設置性，施工
性が向上する。これにより，ミニタンクシステム２を得
ることができる。また，本例においては，従来例のごと
く，補助ボイラーやブースターヒータ装置等の補助熱源
を必要としないため，小型のミニタンクシステム２を有
する熱電併給装置とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例にかかる熱電併給装置の回路図。

【図２】実施例における，混合弁の断面図。

【図３】実施例における，混合水が高温である場合の混
合弁の作動説明図。

【図４】実施例における，混合水が低温である場合の混
合弁の作動説明図。

【図５】実施例における，サーモスタットの一部切欠側
面図。

【図６】実施例における，サーモスタットの作動説明図

【図７】実施例における，サーモスタットのピストンの
リフト量と温水の温度との関係を示すグラフ。

【図８】実施例にかかる熱電併給装置のフローチャート
図。

【図９】従来の熱電併給装置の回路図。

【図１０】従来の熱電併給装置におけるエンジンに用い
られる燃料の１次発生エネルギーの利用率を示す説明
図。

【図１１】給湯負荷Ｑと電力負荷Ｒと１日の全時間帯と
の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１．．．温水循環回路， ２１．．．温水貯蔵タンク， ３．．．混合弁， ３０．．．サーモスタット， ４．．．エンジン， ５．．．発電機， ５３．．．電気ユーティリティ， ７．．．エンジン冷却水循環回路， ７１．．．温水熱交換器，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２４Ｈ 8/00 9251−3Ｌ Ｆ２４Ｈ 1/00 ３１３ Ｚ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンによって駆動される発電機と，
   該発電機に接続された電気ユーティリティとを有し，ま
   たエンジンの冷却水を冷却するためのエンジン冷却水循
   環回路と，該エンジン冷却水循環回路内に設けた温水熱
   交換器と、温水貯蔵タンクと，該温水貯蔵タンクと上記
   温水熱交換器との間に設けた温水循環回路とよりなる熱
   電併給装置において，上記温水循環回路内には，上記温
   水熱交換器に接続した混合弁と，該混合弁の開閉を制御
   するための混合弁制御装置を設けたことを特徴とする熱
   電併給装置。