JP5845161B2 - コージェネレーション装置 - Google Patents

Description

この発明はコージェネレーション装置に関し、より具体的には発電機と、発電機を駆動すると共に、熱交換器を介して貯湯槽に接続可能な内燃機関とからなる発電ユニットを備えたコージェネレーション装置に関する。

近年、商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に発電機や内燃機関からなる発電ユニットを接続し、商用電力系統と連系させて電気負荷に電力を供給すると共に、内燃機関の排熱を利用して生成した温水などを熱負荷に供給するようにした、いわゆるコージェネレーション装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１記載の技術は、発電機を駆動すると共に、熱交換器を介して貯湯槽に接続可能な内燃機関からなる発電ユニットと、熱交換器と貯湯槽の間の循環路に配置され、貯湯槽からの上水を循環させるポンプと、貯湯槽内の温度に基づきポンプの起動停止を制御するコントローラとを備える。

特開２００２−２７７０５３号公報

ところで、内燃機関で使用されるエンジンオイルの油温は、エンジンオイルの寿命や内燃機関の摩耗等に影響することから所定の範囲内に保つ必要があり、そのためには内燃機関の冷却水の温度を適温に管理する必要がある。特許文献１記載の技術を含めて現在提案されている一般的な家庭用コージェネレーション装置は、内燃機関の冷却水の温度が適温に保たれるよう冷却水などを循環させるポンプを一定流量で運転している。

しかしながら、例えばシステムを構成するボイラや貯湯槽を何らかの理由で変更する必要が生じた場合、一定流量によるポンプの運転では内燃機関の冷却水の温度を適温に保つことが難しくなるため、変更のたびにポンプの吐出流量をいちいち設定し直さなければならないという不都合があった。また、一定流量による運転では内燃機関の暖機時間を短縮することができないという不都合もあった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、例えばシステムを構成するボイラや貯湯タンクを変更する場合であっても、変更のたびにポンプの吐出流量を設定し直さなくても内燃機関の冷却水の温度を適温に保つことができると共に、内燃機関の暖機時間を短縮することができるようにしたコージェネレーション装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、請求項１にあっては、商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と前記発電機を駆動すると共に、熱交換器を介して貯湯槽に接続可能な内燃機関とからなる発電ユニットを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、前記内燃機関と前記熱交換器の間の循環路に配置され、前記内燃機関で昇温された冷却水を前記熱交換器に送り、前記熱交換器で冷却された冷却水を前記内燃機関に帰還させる第１ポンプと、前記内燃機関で昇温された冷却水の温度を検出する第１冷却水温度検出手段と、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度に応じて前記第１ポンプの吐出流量を制御する第１ポンプ吐出流量制御手段と、前記貯湯槽と前記熱交換器の間の循環路に配置され、上水を前記熱交換器に送り、前記熱交換器で昇温された上水を前記貯湯槽に帰還させる第２ポンプと、前記熱交換器で冷却されて前記内燃機関に帰還される冷却水の温度を検出する第２冷却水温度検出手段と、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度と前記第２冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度との温度差を算出する温度差算出手段と、前記算出された温度差に応じて前記第２ポンプの吐出流量を制御する第２ポンプ吐出流量制御手段とを備えを備える如く構成した。

請求項２に係るコージェネレーション装置にあっては、前記第１ポンプ吐出流量制御手段は、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度が第１所定温度以下のとき、吐出流量が減少する一方、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度が第２所定温度以上のとき、吐出流量が増加するように前記第１ポンプの動作を制御する如く構成した。

請求項３に係るコージェネレーション装置にあっては、前記第２ポンプ吐出流量制御手段は、前記算出された温度差が第３所定温度以下のとき、吐出流量が減少する一方、前記算出された温度差が第４所定温度以上のとき、吐出流量が増加するように前記第２ポンプの動作を制御する如く構成した。

請求項１に係るコージェネレーション装置にあっては、発電機と発電機を駆動すると共に、熱交換器を介して貯湯槽に接続可能な内燃機関とからなる発電ユニットを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、内燃機関と熱交換器の間の循環路に配置され、内燃機関で昇温された冷却水を熱交換器に送り、熱交換器で冷却された冷却水を内燃機関に帰還させる第１ポンプの吐出流量を内燃機関で昇温された冷却水の温度に応じて制御する如く構成したので、例えばシステムを構成するボイラや貯湯タンクを変更する場合であっても、変更のたびにポンプの吐出流量を設定し直さなくても冷却水の温度を適温に保つことができると共に、内燃機関の暖機時間を短縮することができる。また、貯湯槽と熱交換器の間の循環路に配置され、上水を熱交換器に送り、熱交換器で昇温された上水を貯湯槽に帰還させる第２ポンプの吐出流量を、内燃機関で昇温された冷却水の温度と熱交換器で冷却されて内燃機関に帰還される冷却水の温度との温度差に応じて制御する如く構成したので、上記した効果に加え、冷却水の温度をより一層適温に保つことができると共に、内燃機関の暖機時間をより一層短縮することができる。

請求項２に係るコージェネレーション装置にあっては、内燃機関で昇温された冷却水の温度が第１所定温度以下のとき、吐出流量が減少する一方、内燃機関で昇温された冷却水の温度が第２所定温度以上のとき、吐出流量が増加するように第１ポンプの動作を制御する如く構成したので、上記した効果に加え、冷却水の温度を一層適温に保つことができると共に、内燃機関の暖機時間を一層短縮することができる。

請求項４に係るコージェネレーション装置にあっては、算出された温度差が第３所定温度以下のとき、吐出流量が減少する一方、算出された温度差が第４所定温度以上のとき、吐出流量が増加するように第２ポンプの動作を制御する如く構成したので、請求項３で述べた効果に加え、冷却水の温度をより一層適温に保つことができると共に、内燃機関の暖機時間をより一層短縮することができる。

この発明の実施例に係るコージェネレーション装置を模式的に示す模式図である。 図１に示す発電制御部の動作を示すフロー・チャートである。 １次側循環路に配置されたポンプの吐出流量可変制御の動作を示すフロー・チャートである。 ２次側循環路に配置されたポンプの吐出流量可変制御の動作を示すフロー・チャートである。 冷却水の目標温度、目標温度に対する所定公差の温度管理範囲、および所定公差を含む目標温度を実現するための温度制御範囲を示す説明図である。 内燃機関で昇温された冷却水の温度、内燃機関で昇温された冷却水の温度と熱交換器で冷却され内燃機関に帰還される冷却水の温度との温度差、第１循環路に配置されたポンプの吐出流量、および第２循環路に配置されたポンプの吐出流量を示すタイム・チャートである。 冷却水の温度が所定温度に達するまでの変化の様子を説明するためのタイム・チャートである。

以下、添付図面に即してこの発明に係るコージェネレーション装置を実施するための形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係るコージェネレーション装置を模式的に示す模式図である。

図１において符号１０はコージェネレーション装置を示す。コージェネレーション装置１０は、商用電源（商用電力系統）１２から電気負荷（例えば家庭内の照明器具など）１４に至る交流電力の給電路（電力線）１６に接続可能な多極コイルからなる発電機（図１で「ＧＥＮ」と示す）２０と発電機２０を駆動する内燃機関（図１で「ＥＮＧ」と示し、以下「エンジン」という）２２と発電機２０やエンジン２２などの動作を制御する発電制御部２４とからなる発電ユニット２６と、エンジン２２の冷却水と熱交換可能な熱交換器３０を含む熱交換ユニット３２とを備える。また、発電ユニット２６は一体化され、発電ユニットケース（筐体）３４の内部に収容される。

商用電源１２は、単相３線からＡＣ１００／２００Ｖで５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力を出力する。

エンジン２２は都市ガスまたはＬＰガス（以下、単に「ガス」という）を燃料とする水冷４サイクルの単気筒ＯＨＶ型の火花点火式のエンジンであり、例えば１６３ｃｃの排気量を備える。図示は省略するが、エンジン２２のシリンダヘッドとシリンダブロックは発電ユニットケース３４に対して横（水平）方向に配置され、その内部に１個のピストンが往復動自在に配置される。

供給された吸気とガスはミキサで混合され、生成された混合気は燃焼室に流れ、点火プラグ（図示せず）で点火されるとき、燃焼してピストンを駆動し、ピストンに連結されるクランクシャフトを発電ユニットケース３４に対して縦（重力）方向に回転させる。これらの動作によって生じた排気は、排気熱交換器３６でエンジン２２の冷却水と熱交換された後、排気管２２ａおよびマフラ３８を通って発電ユニットケース３４の外（庫外）に排出される。

発電機２０は、クランクシャフトの上端に取り付けられるフライホイール（図示せず）の内側のクランクケース上に固定され、フライホイールとの間で相対回転するとき、交流電力を発電し、その発電量はエンジン回転数に比例する。発電機２０の出力は発電制御部２４に送られる。

発電制御部２４は、図示は省略するが、マイクロコンピュータからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧電源）と、インバータとを備える。

インバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して発電機２０の出力をＡＣ１００／２００Ｖ（単相）に変換すると共に、インバータの出力は商用電源１２と電気負荷１４を結ぶ給電路１６に介挿される配電盤４０に供給され、そこから商用電源１２と連系しつつ給電路１６を介して電気負荷１４に送られる。

発電機２０は商用電源１２からインバータを介して通電されるとき、エンジン２２をクランキングするスタータモータとしても機能するが、発電制御部２４は発電機２０の機能をスタータとジェネレータの間で切り換えると共に、エンジン２２などの動作を制御する。

エンジン２２と排気熱交換器３６には冷却水（不凍液）が循環させられるが、冷却水の一部は後述する熱交換ユニット３２に配置された１次側循環路５０を流れるように構成される。冷却水はエンジン２２のシリンダブロックなどの発熱部位と排気熱交換器３６を通ることから発熱部位と熱交換してエンジン２２を冷却させつつ昇温させられると共に、排気熱交換器３６によってエンジン２２の排気と熱交換して昇温させられる。

１次側循環路５０においてエンジン２２の冷却水出口２２ｂの下流側には、電気ヒータ５２が取り付けられる。電気ヒータ５２は、例えば発電ユニット２６において余剰電力が生じたときに通電されて１次側循環路５０を流れる冷却水を昇温する。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる液体（流体）などの流れ方向における上流、下流を意味する。

コージェネレーション装置１０は、発電ユニット２６に加え、熱交換ユニット３２を備えるが、熱交換ユニット３２はさらに熱交換器３０と、１次側循環路５０と、２次側循環路５４とを備える。

熱交換器３０は、２次側循環路５４を流れる上水を１次側循環路５０を流れる冷却水と熱交換させて昇温する。具体的には、１次側循環路５０と２次側循環路５４とが局部的に接近して熱交換器３０を形成し、熱交換器３０で１次側循環路５０を流れる冷却水は２次側循環路５４を流れる上水に熱を伝えて冷却させられる。

１次側循環路５０は、エンジン２２と熱交換器３０を接続し、一端がエンジン２２の冷却水出口２２ｂに接続され、熱交換器３０を介して他端が排気熱交換器３６に接続される。従って、エンジン２２の発熱部位を通って昇温された冷却水は冷却水出口２２ｂから１次側循環路５０を流れて熱交換器３０で熱交換させられた後、排気熱交換器３６に戻される。

１次側循環路５０には、冷却水を循環させるためのポンプ６０が設けられる。ポンプ６０は、熱交換器３０と排気熱交換器３６の間に配置され、熱交換器３０で冷却された冷却水を吸引して排気熱交換器３６に向けて吐出する。従って、エンジン２２で昇温されて冷却水出口２２ｂから出力された冷却水は、ポンプ６０によって熱交換器３０に送られると共に、熱交換器３０で冷却された後、排気熱交換器３６、即ち、エンジン２２に帰還させられる。

１次側循環路５０のポンプ６０の下流側には、ポンプ６０のいわゆるエア噛みを防止するためのエア抜きバルブ６２が設けられ、熱交換器３０の上流側と下流側には、循環する冷却水の圧力調整を行うためのリザーバータンク６４が設けられる。

１次側循環路５０の熱交換器３０の上流側には、冷却水出口２２ｂから出力された冷却水の温度Ｔ１を検出する温度センサ５６が設けられ、ポンプ６０の下流側には、熱交換器３０で冷却され排気熱交換器３６に戻される冷却水の温度Ｔ２を検出する温度センサ５８が設けられる。

２次側循環路５４は、熱交換器３０と貯湯タンク７０の給湯口７０ａおよび給湯口配管７０ｂを接続し、熱交換器３０で昇温された上水を貯湯タンク７０に供給可能な第１流路５４ａと、貯湯タンク７０の出水口７０ｃ（または出水口配管７０ｄ）と熱交換器３０を接続し、貯湯タンク７０から出力される上水を熱交換器３０に供給可能な第２流路５４ｂとからなる。尚、貯湯タンク７０の出水口７０ｃは貯湯タンク７０の下部（重力方向において下部）に配置される。

２次側循環路５４には、上水を熱交換器３０から貯湯タンク７０を介して再び熱交換器３０に循環させるためのポンプ６６が設けられる。ポンプ６６は、貯湯タンク７０の出水口７０ｃと熱交換器３０の間、即ち、第２流路５４ｂに配置され、貯湯タンク７０から出力された上水を吸引して熱交換器３０に吐出すると共に、熱交換器３０で昇温された上水を貯湯タンク７０に帰還させる。

２次側循環路５４のポンプ６６の下流側には、ポンプ６６のエア噛みを防止するためのエア抜きバルブ６８が設けられる。

２次側循環路５４には、貯湯タンク７０をバイパスして第１流路５４ａと第２流路５４ｂを接続する第３流路５４ｃが設けられる。

第２流路５４ｂと第３流路５４ｃとの合流点Ｐ、即ち、第２流路５４ｂの一部を構成し、貯湯タンク７０から合流点Ｐまでの配管Ｐ１と同じく第２流路５４ｂの一部を構成し、合流点Ｐから熱交換器３０までの配管Ｐ２と第３流路を構成する配管Ｐ３の３つが合流する位置には、上水の流路を切り換える流路切換弁７２が配置される。流路切換弁７２は、例えば三方弁とされ、内部の弁を切り換えることによって配管Ｐ３とＰ２を連通させるか、配管Ｐ１とＰ２を連通させるかを選択可能なように構成される。

流路切換弁７２は、第３流路５４ｃに設けられた温度センサ７２ａの出力値に基づいて切り換えられ、第３流路５４ｃを流れる上水の温度Ｔ５が所定温度以下のときは配管Ｐ３とＰ２を連通させ、温度Ｔ３が所定温度を超えると配管Ｐ１とＰ２を連通させるように構成される。

従って、第３流路５４ｃを流れる上水の温度Ｔ５が所定温度以下のときはこの上水は第１、第２、第３流路５４ａ，５４ｂ，５４ｃを循環し、第３流路５４ｃを流れる上水の温度Ｔ３が所定温度を超えるときはこの上水は第１流路５４ａを通って貯湯タンク７０に流れる。

第１流路５４ａには、第３流路５４ｃとの合流点よりも下流側に逆止弁７４が設けられる。逆止弁７４は、後述するボイラ７６によって昇温された上水が熱交換器３０側に逆流しないようにするためのものである。尚、ボイラ７６は第１流路５４ａに接続可能とされる。また、逆止弁７４を流路切換弁７２（第３流路５４ｃ）とボイラ７６（の出湯部）との間に設けることで、ボイラ７６で昇温された上水の第３流路５４ｃへの逆流を確実に防ぎ、第３流路５４ｃを流れる上水の温度をより正確に検出することができる。

第１流路５４ａの最も下流側、即ち、逆止弁７４より下流側であって貯湯タンク７０の給湯口７０ａに比較的近い位置には貯湯タンク７０に供給される上水の温度Ｔ３を検出するための温度センサ７８が設けられる。

また、第２流路５４ｂの最も上流側、即ち、貯湯タンク７０の出水口７０ｃに近い位置には貯湯タンク７０から出力される上水の温度Ｔ４を検出するための温度センサ８０が設けられる。

次に、コージェネレーション装置１０が接続を予定、即ち、コージェネレーション装置１０に対して接続可能なボイラ７６や貯湯タンク７０などからなるボイラユニット８２について説明する。

ボイラユニット８２は、上記したボイラ７６と、貯湯タンク７０と、ボイラ制御部８４とからなる。ボイラ７６は、ガス供給源（図示せず）に接続され、ガス供給源からのガスを燃焼させてボイラ循環路８６を流れる上水を昇温する。また、貯湯タンク７０は、周囲を断熱（保温）材で被覆され、内部に上水を貯留すると共に、例えば台所や風呂の給湯設備などの熱負荷に接続される流出路（図示せず）を備える。

ボイラ循環路８６は、一端が第１流路５４ａの逆止弁７４と温度センサ７８との間に接続され、他端が第２流路５４ｂの流路切換弁７２と温度センサ８０との間に接続される。ボイラ７６で昇温された上水は貯湯タンク７０とボイラ７６の間で循環可能なようになっている。

ボイラ循環路８６にも上水を循環させるためのポンプ８８と、循環する上水の温度Ｔ６を検出するための温度センサ９０が設けられる。

ボイラ制御部８４は、温度センサ９０の出力値に基づきボイラ７６やポンプ８８の起動および停止を制御する。ボイラ制御部８４も発電制御部２４と同様、マイクロコンピュータからなるＥＣＵ（電子制御ユニット）を備える。

以上がこの実施例に係るコージェネレーション装置１０およびコージェネレーション装置１０に接続可能なボイラユニット８２の構成であるが、次に、コージェネレーション装置１０の動作について説明する。

図２は、発電制御部２４の動作を示すフロー・チャートである。尚、図示のプログラムは、コージェネレーション装置１０が起動されると所定周期で繰り返し実行される。

以下説明すると、先ずＳ（ステップ）１０において、ボイラ７６の運転が開始されたか否か判断する。ボイラ７６の運転が開始されたか否かは、温度センサ７８により検出された上水の温度Ｔ３の温度変化に基づいて判断する。

Ｓ１０で否定されるときは、以降の処理をスキップして処理を終了する一方、肯定されるときはＳ１２に進み、発電ユニット２６の運転を開始すべきか否か判断する。

具体的には、温度センサ７８により検出された上水の温度Ｔ３の温度変化量や温度センサ８０により検出された上水の温度Ｔ４に基づき発電ユニット２６の運転を開始すべきか否か判断する。

Ｓ１２で肯定、即ち、発電ユニット２６の運転を開始すべきと判断されたときはＳ１４に進み、エンジン２２を起動させて発電ユニット２６の運転を開始させる。Ｓ１２で否定されるときは、発電ユニット２６の運転を開始すべきとの判断がなされるまで次のステップには進まない。

次いでＳ１６に進み、発電ユニット２６の運転が開始されたことから、ポンプ６０を駆動し、１次側循環路５０の冷却水を循環させる。

尚、運転開始時のポンプ６０の吐出流量はポンプ６０の定格最小流量とする。これは、エンジン２２の油温を最適な温度まで出来るだけ早く上昇させてエンジン２２の暖機時間を短くするためである。定格最小流量はエンジン２２で温度バランスが崩れて沸点ができないように設定、即ち、冷却水が沸騰しない程度に定められる。

次いでＳ１８に進み、温度センサ５６により冷却水の温度Ｔ１を検出した後、Ｓ２０に進み、検出された温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｓ以上か否か判断する。所定温度Ｔ１Ｓは例えば冷却水の目標温度から公差を減算した値であり、具体的には冷却水の目標温度７５℃から公差３℃を減算した７２℃とされる。

Ｓ２０で否定されるときは、冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｓ以上になるまで次の処理には進まず、Ｓ２０で肯定されるときは、Ｓ２２に進み、ポンプ６６の運転を開始する。尚、ポンプ６０とポンプ６６で冷却水と上水が循環されることで熱交換器３０による熱交換が開始される。

次いでＳ２４に進み、ポンプ６０とポンプ６６の吐出流量可変制御を実行する。即ち、ポンプ６６の運転が開始され、熱交換が開始されるのに伴ってポンプ６０とポンプ６６の吐出流量可変制御も開始される。

図３はポンプ６０の吐出流量可変制御を示すフロー・チャートであり、図４はポンプ６６の吐出流量可変制御を示すフロー・チャートである。図３および図４のプログラムは、図２のフロー・チャートの処理と平行して行われる。

先ず図３に示すポンプ６０の吐出流量可変制御について説明すると、Ｓ１００においてポンプ６０が運転中か否か判断し、否定されるときは以降の処理をスキップして処理を終了する一方、肯定されるときは、Ｓ１０２に進み、冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｕ以上か否か判断する。

Ｓ１０２で肯定されるときは、Ｓ１０４に進み、ポンプ６０の吐出流量を現在の吐出流量に対して増加させる（より正確には増加後の吐出流量を算出する。よって、この段階では未だ実際の吐出流量は変化（増加）していない）。

一方、Ｓ１０２で否定されるときは、Ｓ１０６に進み、冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｌ以下か否か判断する。

Ｓ１０６で肯定されるときは、Ｓ１０８に進み、ポンプ６０の吐出流量を現在の吐出流量に対して減少させる（より正確には減少後の吐出流量を算出する）。

尚、増加後の吐出流量は現在の吐出流量に所定の増加量を加算することで算出し、減少後の吐出流量は現在の吐出流量に所定の減少量を減算することで算出するが、所定の増加量および減少量は一定の値であり、この実施例ではポンプ６０で変更可能な最小流量を定格最小流量としている。

Ｓ１０６で否定されるときはＳ１１０に進む。即ち、ポンプ６０の吐出流量を変更することなく次の処理に進む。

ここで、所定温度Ｔ１ＵおよびＴ１Ｌについて説明する。図５は冷却水の目標温度、目標温度に対する所定公差の温度管理範囲、および所定公差を含む目標温度を実現するための温度制御範囲を示す説明図である。

この実施例では、図５に示すように、冷却水の目標温度を７５℃とし、冷却水の管理温度（公差）を目標温度±３℃、即ち、７２℃から７８℃に設定している。そして、冷却水の温度を７２℃から７８℃の管理温度範囲内に収めるため、冷却水の制御温度を目標温度±２℃、即ち、所定温度Ｔ１Ｕを７７℃、所定温度Ｔ１Ｌを７３度に設定した。

従って、検出された温度Ｔ１が７７℃（Ｔ１Ｕ）以上のときは、ポンプ６０の吐出流量を増加させ（Ｓ１０２，Ｓ１０４）、検出された温度Ｔ１が７３℃（Ｔ１Ｌ）以下のときは、ポンプ６０の吐出流量を減少させる（Ｓ１０６，Ｓ１０８）ようにポンプ６０を制御する。

次いでＳ１１０では算出されたポンプ６０の吐出流量が定格最大流量以上か否か判断し、肯定されるときは、Ｓ１１２に進み、ポンプ６０の吐出流量を定格最大流量とし、否定されるときは、Ｓ１１４に進み、算出されたポンプ６０の吐出流量が定格最小流量以下か否か判断する。

Ｓ１１４で肯定されるときは、Ｓ１１６に進み、ポンプ６０の吐出流量を定格最小流量とし、Ｓ１１４で否定されるときは、決定されたポンプ６０の吐出流量を変更することなく次の処理（Ｓ１１８）に進む。

Ｓ１１０からＳ１１６の処理は、Ｓ１０４やＳ１０８で算出されたポンプ６０の増加後の吐出流量や減少後の吐出流量がポンプ６０の定格流量範囲内にあるか否か判断し、定格流量範囲内にないときは算出された吐出流量を定格流量範囲内に補正（再設定）し、吐出流量が定格流量範囲を超えないように制限するものである。

尚、この実施例で使用されるポンプ６０は直流電圧値によって吐出流量を変化させるタイプであり、直流電圧の範囲は１Ｖから５Ｖである。従って、１Ｖの電圧値をポンプ６０に与えることによってポンプ６０は定格最小流量の冷却水を吐出し、５Ｖの電圧値がポンプ６０に与えられることによってポンプ６０は定格最大流量の冷却水を吐出する。このように、ポンプ６０に付与する電圧値を制御することによってポンプ６０の吐出流量を増減させることができる。

Ｓ１１８では算出された吐出流量にてポンプ６０を駆動する。

次に図４に示すポンプ６６の吐出流量可変制御について説明すると、Ｓ２００において温度センサ５８の出力値に基づき冷却水の温度Ｔ２を検出した後、Ｓ２０２に進み、冷却水の温度Ｔ１と温度Ｔ２との温度差ΔＴを算出する。

次いでＳ２０４に進み、ポンプ６６が運転中か否か判断し、否定されるときは以降の処理をスキップして処理を終了する一方、肯定されるときは、Ｓ２０６に進み、温度差ΔＴが所定温度ΔＴＵ以上か否か判断する。

Ｓ２０６で肯定されるときは、Ｓ２０８に進み、ポンプ６６の吐出流量を現在の吐出流量に対して増加させる（より正確には増加後の吐出流量を算出する）。

一方、Ｓ２０６で否定されるときは、Ｓ２１０に進み、温度差ΔＴが所定温度ΔＴＬ以下か否か判断する。

Ｓ２１０で肯定されるときは、Ｓ２１２に進み、ポンプ６６の吐出流量を現在の吐出流量に対して減少させる（より正確には減少後の吐出流量を算出する）。

尚、増加後の吐出流量は現在の吐出流量に所定の増加量を加算することで算出し、減少後の吐出流量は現在の吐出流量に所定の減少量を減算することで算出するが、所定の増加量および減少量は一定の値であり、この実施例ではポンプ６６の定格最小流量としている。

Ｓ２１０で否定されるときは、Ｓ２１４に進む。即ち、ポンプ６６の吐出流量を変更することなく次の処理に進む。

尚、ポンプ６６は、熱交換器３０で熱交換される熱量を制御するため、冷却水の温度管理に寄与する。従って、熱交換した熱量は上記の通り、冷却水の温度Ｔ１と温度Ｔ２との温度差ΔＴで判断し、ΔＴが目標値となるように制御する。この実施例では、ΔＴの目標温度を７．５℃として、所定温度ΔＴＵを８℃、ΔＴＬを７℃に設定した。

次いでＳ２１４では算出されたポンプ６６の吐出流量が定格最大流量以上か否か判断する。

Ｓ２１４で肯定されるときは、Ｓ２１６に進み、ポンプ６６の吐出流量を定格最大流量とし、Ｓ２１４で否定されるときは、Ｓ２１８に進み、決定されたポンプ６６の吐出流量が定格最小流量以下か否か判断する。

Ｓ２１８で肯定されるときは、Ｓ２２０に進み、ポンプ６６の吐出流量を定格最小流量とし、Ｓ２１８で否定されるときは、決定されたポンプ６６の吐出流量を変更することなく次の処理（Ｓ２２２）に進む。

Ｓ２２２では算出された吐出流量にてポンプ６６を駆動する。

図６は内燃機関で昇温された冷却水の温度、内燃機関で昇温された冷却水の温度と熱交換器で冷却され内燃機関に帰還される冷却水の温度との温度差、第１循環路に配置されたポンプの吐出流量、および第２循環路に配置されたポンプの吐出流量を示すタイム・チャートである。

図６に示すように、時刻ｔ１において冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｓ、具体的には７２℃（冷却水の目標温度７５℃から公差３℃を減算した値）以上になったことから、ポンプ６６（図で「２次循環路のポンプ」と示す）の運転が開始された（Ｓ２０，Ｓ２２）。また、ポンプ６６の運転が開始されたことにより（ポンプ６０（図で「１次循環路のポンプ」と示す）は既に運転を開始している）、ポンプ６０とポンプ６６の両方の運転が開始されたことになるため、この時点から冷却水の温度Ｔ１と温度Ｔ２との温度差ΔＴの算出が開始される（Ｓ２０２）。

時刻ｔ２では温度差ΔＴが所定温度ΔＴＵ（８℃）以上となったため、ポンプ６６の吐出流量は増加し始め、温度差ΔＴが所定温度ΔＴＵを下回る時刻ｔ３まで増加し続ける（Ｓ２０６，Ｓ２０８）。

次いで時刻ｔ４では冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｕ（７７℃）以上となったため、ポンプ６０の吐出流量は増加し始め、温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｕを下回る時刻ｔ５まで増加し続ける（Ｓ１０２，Ｓ１０４）。

時刻ｔ６では温度差ΔＴが所定温度ΔＴＬ（７℃）以下となったため、ポンプ６６の吐出流量が減少する（Ｓ２１０，Ｓ２１２）。

尚、時刻ｔ７で温度差ΔＴが所定温度ΔＴＬを上回るため、ポンプ６６の吐出流量の減少は止まるはずであるが、時刻ｔ７よりも前の時点で既にポンプ６６の吐出流量が定格最小流量に達しているため、時刻ｔ７ではその状態が維持されている（Ｓ２１８，Ｓ２２０）。

また、時刻ｔ７では冷却水の温度Ｔ１も所定温度Ｔ１Ｌ（７３℃）以下になったことから、ポンプ６０の吐出流量は減少し始める（Ｓ１０６，Ｓ１０８）。

時刻ｔ８において冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１Ｌを上回るが、時刻ｔ８よりも前にポンプ６０の吐出流量が定格最小流量に達してしまったため、ポンプ６０の吐出流量はこれ以上減少せずに定格最小流量のまま推移する（Ｓ１１４，Ｓ１１６）。

図２の説明に戻ると、次いでＳ２６に進み、温度センサ７２ａにより２次側循環路５４の第３流路５４ｃを流れる上水の温度Ｔ５を検出した後、Ｓ２８に進み、上水の温度Ｔ５が所定温度Ｔ５ｏｎ以上か否か判断する。所定温度Ｔ５ｏｎは例えば６５°とされる。

Ｓ２８で否定されるときは、上水の温度Ｔ５が所定温度Ｔ５ｏｎ以上になるまでＳ２６の処理を繰り返す一方、Ｓ２８で肯定されるときは、Ｓ３０に進み、流路切換弁７２の弁を切り換えて、第１流路５４ａから貯湯タンク７０を経由して第２流路５４ｂに上水が流れるようにし、熱交換器３０で昇温された上水の貯湯タンク７０への給湯を開始する。

即ち、熱交換器３０による熱交換が開始されてから２次側循環路５４（第３流路５４ｃ）の上水の温度Ｔ５が上昇するまでのしばらくの間は、熱交換器３０で昇温された上水は貯湯タンク７０には供給されずに、第１流路５４ａ、第２流路５４ｂ、第３流路５４ｃ内で循環される。

その後、第３流路５４ｃを流れる上水の温度Ｔ５が所定温度Ｔ５ｏｎ以上になると流路切換弁７２の弁が切り換わり、第１流路５４ａ、第２流路５４ｂ、第３流路５４ｃ内を循環していた上水が第１流路５４ａから貯湯タンク７０へ供給されるようになる。

次いでＳ３２に進み、ボイラ７６の運転が停止されたか否か判断する。ボイラ７６の運転が停止されたか否かの判断は、温度センサ７８，８０の出力値を監視することで行う。尚、ボイラ制御部８４は、ボイラ７６の出湯温度が予め設定された温度になると点火を止め、ボイラ７６の運転を停止させる。

Ｓ３２で否定されるときは、以降の処理をスキップして処理を終了する一方、肯定されるときはＳ３４に進み、発電ユニット２６の運転を停止すべきか否か判断する。

具体的には、温度センサ８０により検出された上水の温度Ｔ４に基づいて発電ユニットの運転を停止すべきと判断する。より具体的には、上水の温度Ｔ４によって貯湯タンク７０内の上水が沸き上がったか否か判断し、この判断結果に基づいて発電ユニット２６の運転を停止させるものである。

Ｓ３４で肯定、即ち、発電ユニット２６の運転を停止すべきと判断されたときはＳ３６に進み、エンジン２２や発電機２０の動作を制御して発電ユニット２６の運転を停止させる。尚、Ｓ３４で否定されるときは、発電ユニット２６の運転を停止すべきとの判断がなされるまで次のステップには進まない。

次いでＳ３８に進み、冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ＳＴ以下か否か判断し、肯定されるときはＳ４０に進み、ポンプ６０，６６を停止させる。即ち、発電ユニット２６が停止した後も冷却水の温度Ｔ１が所定温度Ｔ１ＳＴ以下になるまでポンプ６０，６６の運転を継続させる。尚、Ｓ３８で否定されるときは、この処理が肯定されるまで次の処理には進まない。

尚、所定温度Ｔ１ＳＴは、発電ユニット２６のオーバーヒートまたはオーバークールを防止し、熱交換量が最大となるように設定される。具体的には、例えば冷却水の目標温度から公差を減算した値を所定温度Ｔ１ＳＴ、換言するとポンプ６０，６６の停止温度に設定する。

図７は冷却水の温度が所定温度に達するまでの変化の様子を説明するためのタイム・チャートである。

図７に示すように、ポンプ６０とポンプ６６の吐出流量の可変制御を行わない従来のシステムでは、この発明に係る可変制御を行うシステムに比べて、ポンプ６０の吐出流量（図で「ポンプ吐出流量（ポンプ制御無）」と示す）がポンプ６０の起動時から多く、冷却水の温度（図で「Ｔ１（ポンプ制御無）」と示す）がポンプ６６を起動する目安となる温度７２℃（Ｔ１Ｓ。Ｓ２０，Ｓ２２）に達するまでに約９３６秒を要している。

これに対して可変制御を行う今回のシステムでは、ポンプ６０の吐出流量（図で「ポンプ吐出流量（ポンプ制御有）」と示す）がポンプ６０の起動時から少ないため、冷却水の温度（図で「Ｔ１（ポンプ制御有）」と示す）が約４５０秒で７２℃に達しているのが分かる。従って、今回のシステムではエンジン２２の暖機運転が大幅に短縮されている。

上記の如く、この発明の実施例にあっては、商用電力系統１２から電気負荷１４に至る交流電力の給電路１６に接続可能な発電機２０と前記発電機２０を駆動すると共に、熱交換器３０を介して貯湯槽（貯湯タンク）７０に接続可能な内燃機関（エンジン）２２とからなる発電ユニット２６を少なくとも備えたコージェネレーション装置１０において、前記内燃機関２２と前記熱交換器３０の間の循環路（１次側循環路）５０に配置され、前記内燃機関２２で昇温された冷却水を前記熱交換器３０に送り、前記熱交換器３０で冷却された冷却水を前記内燃機関２２に帰還させる第１ポンプ６０と、前記内燃機関２２で昇温された冷却水の温度Ｔ１を検出する第１冷却水温度検出手段（温度センサ５６、発電制御部２４。Ｓ１８）と、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度Ｔ１に応じて前記第１ポンプ６０の吐出流量を制御する第１ポンプ吐出流量制御手段（発電制御部２４。Ｓ２４，Ｓ１０２からＳ１１８）とを備える如く構成した。

即ち、第１ポンプ６０の吐出流量を内燃機関２２で昇温された冷却水の温度Ｔ１に応じて制御するように構成したので、例えばシステムを構成するボイラ７６や貯湯タンク７０を変更する場合であっても、変更のたびにポンプ６０の吐出流量を設定し直さなくても冷却水の温度Ｔ１を適温に保つことができると共に、内燃機関２２の暖機時間を短縮することができる。

また、前記第１ポンプ吐出流量制御手段は、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度Ｔ１が第１所定温度Ｔ１Ｌ以下のとき、吐出流量が減少する一方、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度Ｔ１が第２所定温度Ｔ１Ｕ以上のとき、吐出流量が増加するように前記第１ポンプ６０の動作を制御する如く構成したので（発電制御部２４。Ｓ１０２からＳ１０８）、冷却水の温度Ｔ１を一層適温に保つことができると共に、内燃機関２２の暖機時間を一層短縮することができる。

また、前記貯湯槽（貯湯タンク）７０と前記熱交換器３０の間の循環路５４に配置され、上水を前記熱交換器３０に送り、前記熱交換器３０で昇温された上水を前記貯湯槽（貯湯タンク）７０に帰還させる第２ポンプ６６と、前記熱交換器３０で冷却されて前記内燃機関２２に帰還される冷却水の温度Ｔ２を検出する第２冷却水温度検出手段（温度センサ５８、発電制御部２４。Ｓ２００）と、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度Ｔ１と前記第２冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度Ｔ２との（温度）差（差分）ΔＴを算出する温度差算出手段（発電制御部２４。Ｓ２０２）と、前記算出された温度差ΔＴに応じて前記第２ポンプ６６の吐出流量を制御する第２ポンプ吐出流量制御手段（発電制御部２４，Ｓ２４，Ｓ２０２からＳ２２２）とを備える如く構成した。

即ち、エンジン２２で昇温された冷却水の温度Ｔ１と熱交換器３０で冷却されてエンジン２２に帰還される冷却水の温度Ｔ２を検出し、検出された冷却水の温度Ｔ１，Ｔ２に基づいてポンプ６０とポンプ６６の吐出流量を制御するので、冷却水の温度Ｔ１をより一層適温に保つことができると共に、内燃機関２２の暖機時間をより一層短縮することができる。さらに２箇所の冷却水の温度（Ｔ１，Ｔ２）を検出するだけの簡易な構成でありながら、冷却水の温度Ｔ１をより適温に保つことができると共に、内燃機関２２の暖機時間をより短縮することができる。

また、前記第２ポンプ吐出流量制御手段は、前記算出された温度差ΔＴが第３所定温度ΔＴＬ以下のとき、吐出流量が減少する一方、前記算出された温度差ΔＴが第４所定温度ΔＴＵ以上のとき、吐出流量が増加するように前記第２ポンプ６６の動作を制御する如く構成したので（発電制御部２４。Ｓ２４，Ｓ２０２からＳ２１２）、冷却水の温度Ｔ１をより一層適温に保つことができると共に、内燃機関２２の暖機時間をより一層短縮することができる。

尚、上記において、エンジン２２を都市ガス・ＬＰガスを燃料とするガスエンジンとしたが、ガソリン燃料などを使用するエンジンであっても良い。また、冷却水の目標温度、公差、所定温度Ｔ１Ｓ，Ｔ１Ｕ，Ｔ１Ｌ，ΔＴＵ，ΔＴＬ，ΔＴの目標温度、エンジン２２の排気量などを具体的な値で示したが、それらは例示であって限定されるものではない。

また、商用電源１２が出力する交流電力を１００／２００Ｖとしたが、商用電源１２が出力する交流電力が１００／２００Ｖを超えるときは、それに相応する電圧を発電ユニット２６から出力させることはいうまでもない。

１０ コージェネレーション装置、１２ 商用電源（商用電力系統）、１４ 電気負荷、１６ 給電路、２０ 発電機、２２ エンジン（内燃機関）、２４ 発電制御部、２６ 発電ユニット、３０ 熱交換器、５０ １次側循環路、５４ ２次側循環路、６０，６６ ポンプ、７０ 貯湯タンク（貯湯槽）、７６ ボイラ、５６，５８，７８，８０，９０ 温度センサ

Claims (3)

1. 商用電力系統から電気負荷に至る交流電力の給電路に接続可能な発電機と前記発電機を駆動すると共に、熱交換器を介して貯湯槽に接続可能な内燃機関とからなる発電ユニットを少なくとも備えたコージェネレーション装置において、前記内燃機関と前記熱交換器の間の循環路に配置され、前記内燃機関で昇温された冷却水を前記熱交換器に送り、前記熱交換器で冷却された冷却水を前記内燃機関に帰還させる第１ポンプと、前記内燃機関で昇温された冷却水の温度を検出する第１冷却水温度検出手段と、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度に応じて前記第１ポンプの吐出流量を制御する第１ポンプ吐出流量制御手段と、前記貯湯槽と前記熱交換器の間の循環路に配置され、上水を前記熱交換器に送り、前記熱交換器で昇温された上水を前記貯湯槽に帰還させる第２ポンプと、前記熱交換器で冷却されて前記内燃機関に帰還される冷却水の温度を検出する第２冷却水温度検出手段と、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度と前記第２冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度との温度差を算出する温度差算出手段と、前記算出された温度差に応じて前記第２ポンプの吐出流量を制御する第２ポンプ吐出流量制御手段とを備えたことを特徴とするコージェネレーション装置。
2. 前記第１ポンプ吐出流量制御手段は、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度が第１所定温度以下のとき、吐出流量が減少する一方、前記第１冷却水温度検出手段によって検出された冷却水の温度が第２所定温度以上のとき、吐出流量が増加するように前記第１ポンプの動作を制御す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装置。
3. 前記第２ポンプ吐出流量制御手段は、前記算出された温度差が第３所定温度以下のとき、吐出流量が減少する一方、前記算出された温度差が第４所定温度以上のとき、吐出流量が増加するように前記第２ポンプの動作を制御することを特徴とする請求項１または２記載のコージェネレーション装置。

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