特許 7472035 ボイラー用のコジェネレーションシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-12

(45)【発行日】2024-04-22

(54)【発明の名称】ボイラー用のコジェネレーションシステム

(51)【国際特許分類】

   F24H 1/00 20220101AFI20240415BHJP

   F01D 17/00 20060101ALI20240415BHJP

   F02G 5/04 20060101ALI20240415BHJP

   F24H 8/00 20220101ALI20240415BHJP

【ＦＩ】

F24H1/00 631B

F01D17/00 J

F02G5/04 H

F24H8/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020554594

(86)(22)【出願日】2018-12-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-03-18

(86)【国際出願番号】 IB2018060325

(87)【国際公開番号】W WO2019123305

(87)【国際公開日】2019-06-27

【審査請求日】2021-12-01

(31)【優先権主張番号】102017000148827

(32)【優先日】2017-12-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IT

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】520225750

【氏名又は名称】ダリエンソ，ジョヴァンニ

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】ダリエンソ，ジョヴァンニ

【審査官】豊島 ひろみ

(56)【参考文献】

【文献】英国特許出願公告第０１３０９５８９（ＧＢ，Ａ）

【文献】特開２００８－１８５２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１００８０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２４Ｈ １／００ － ４／０６

Ｆ２４Ｈ ８／００

Ｆ０１Ｄ １７／００ － ２１／２０

Ｆ０２Ｇ １／００ － ５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボイラー用のコジェネレーションシステム（２００，３００）であって、
家庭で使用するために水を加熱することが可能であるボイラー（２０１，３０１）と、
前記ボイラー（２０１，３０１）に設置され、燃焼気体が流れ出る液体またはガス燃料の燃焼器（２０１ａ，３０１ａ）と、
ガス状流体のための圧縮器（２０４，３０４）と、
前記燃焼器（２０１ａ，３０１ａ）で発生した燃焼気体と、前記圧縮器（２０４，３０４）から来る流体との間で熱エネルギーを交換することが可能である熱交換器（２０２，３０２）と、
前記熱交換器（２０２，３０２）から圧縮及び加熱された流体を受容するガスタービン（２０３，３０３）と、
前記ガスタービン（２０３，３０３）に接続され、電気エネルギーを発生することが可能である電流発電機（２０５，３０５）及び電流変換器（２０６，３０６）と、
前記熱交換器（２０２，３０２）で熱エネルギーの一部が交換された燃焼気体が通流する方向の後方に設置され、前記燃焼器（２０１ａ，３０１ａ）で発生した燃焼気体と、水との間で更に熱エネルギーを回収することが可能である主要気体／水交換器（２０７，３０７）と、を備え、
前記ガスタービン（２０３，３０３）の前に設置され、前記ガスタービン（２０３，３０３）に入る流体の流動率及び送られる残りの流体の流れを調節するように構成されるバイパス弁（２１０，３１０）を備え、
前記タービン（２０３，３０３）から出る流体と、前記主要気体／水交換器（２０７，３０７）に入る水を予熱するために前記バイパス弁（２１０，３１０）によって再指向される流体流動との残りの熱エネルギーを回収することが可能である追加の熱交換器（２０９，３０９）を備えることを特徴とする、コジェネレーションシステム（２００，３００）。

【請求項2】

前記バイパス弁（２１０，３１０）は、電子制御ユニットによって前記バイパス弁（２１０，３１０）の開閉が制御されることを特徴とする、請求項１に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム（２００，３００）。

【請求項3】

前記熱交換器（２０２）は、前記燃焼器（２０１ａ）から出る前記気体の前記熱エネルギーの少なくとも５％を吸収し、気体を３２０°Ｃ以上の温度で出させるように構成される気体／空気交換器であることを特徴とする、請求項１に記載のボイラー用のコジェネレーションシステム（２００，３００）。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載のコジェネレーションシステム（２００，３００）を備える、家庭用ボイラー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボイラー用のコジェネレーションシステムに関する。

【0002】

具体的には、本発明は、ボイラー用のコジェネレーションシステムに関し、例えば、家庭で使用するためのボイラー用または蒸気発生ボイラー用のコジェネレーションシステムに関する。

【背景技術】

【0003】

既知であるように、高温の水を生産するための汎用家庭用ボイラーは、通常、室内温度（Ｔａｍｂ）で、空気（酸化剤）によって、燃料（液体またはガス）の燃焼を使用する。概して、主要交換器が挿入される熱的に断熱された燃焼チャンバが存在するボイラーでは、加熱された作動流体（一般的に、水）は、１５°Ｃ～８０°Ｃの範囲の温度において流れる。

【0004】

ガス蒸気コジェネレーションシステムを有する加熱デバイスが説明される中国特許出願公開第１０５２２２２０３号明細書に説明されるボイラー等のボイラーに適用されるコジェネレーションシステムは既知である。

【0005】

しかしながら、ボイラー用の既知のコジェネレーションシステムは、一般市民及び家庭用途のために最適化されてなく、扱いにくく、高価である。さらに、既知のコジェネレーションシステムでは、いったん燃焼によって供給される電力が一定になると、熱エネルギーの生産は電気エネルギーの生産に関係があり、これにより、その比率を変化させることができない。この制限の結果として、熱エネルギーの一部が増加する場合だけ、供給エネルギーを増加させる必要があるだろう、また、結果として、電気エネルギーの生産は増加するだろう。既知のシステムでは、したがって、生産された熱エネルギーの量は、生産されている電気エネルギーの量に結び付けられる。

【0006】

これらの問題を解決することを試みる解決策は、ガスタービン、圧縮器、及び発電機を有する小型住宅ユニット用の電気エネルギー－熱コジェネレーションシステムを開示している独国特許出願公開第１０２００９０５７１００号明細書である。ガスタービンの膨張機、圧縮器、及び発電機は、共通軸上で配置される。軸受のガスは、圧縮器によって正圧の状態になる。作動ガスは、ヘリウム等の不活性ガスである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】中国特許出願公開第１０５２２２２０３号明細書

【文献】独国特許出願公開第１０２００９０５７１００号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

この解決策の問題は、生産されたエネルギーを調節できないことと、生産されたエネルギーを変動するように電気部分及び熱部分に分割できないことである。

【0009】

本発明の目的は、ボイラー用のコジェネレーションシステムを提供することであり、コジェネレーションシステムは、燃焼気体の熱を回収し、その熱を電気エネルギーに及び熱エネルギーに変換し、必要に応じて、電気エネルギーに変換される部分と熱エネルギーを生産することを目的とする部分との比率を修正することを可能にし、この電力（ワット）は、その最大値において全収率を一定に維持し、これにより、既知の技術的解決策の制限を克服する。

【0010】

さらに、本発明の目的は、効率的で、安価で、及び大きくないボイラー用のコジェネレーションシステムを提供することである。

【0011】

最終的に、本発明の目的は、熱エネルギーの生産と、必要に応じて、電気エネルギーの生産とを可能にするボイラー用のコジェネレーションシステムを提供し、全収率を常に一定に維持することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に従って、ボイラー用のコジェネレーションシステムは、請求項１に定義されるように提供される。

【0013】

ここで、本発明を良好に理解にするために、添付図を参照して、純粋に非限定例によって好ましい実施形態が説明される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明による、ボイラー用のコジェネレーションシステムの第１の実施形態のブロック図を示す。

【図2】本発明による、ボイラー用のコジェネレーションシステムの第２の実施形態のブロック図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図を参照して、システム２００，３００は、本発明に従って示される。

【0016】

ボイラー用のコジェネレーションシステム２００，３００は、内部に、液体またはガス燃料の燃焼器２０１ａ，３０１ａを備える、好ましくは、家庭で使用するために水を加熱することが可能であるボイラー２０１，３０１と、圧縮器２０４，３０４と、燃焼器２０１ａ，３０１ａによって作られた燃焼気体と、圧縮器２０４，３０４から出る流体との間の熱エネルギーを交換するための熱交換器２０２，３０２と、熱交換器２０２，３０２によって圧縮及び加熱される流体に影響を与えるガスタービンと、ガスタービン２０３，３０３に接続され、電気エネルギーを作ることが可能である電流発電機２０５，３０５及び電流変換器２０６，３０６と、燃焼気体内に含有され、熱交換器２０２，３０２によって吸収されない、燃焼器２０１ａ，３０１ａの燃焼によって作られた熱エネルギーの残りの部分を回収することが可能であり、熱交換器２０２，３０２の後に設置された主要気体／水交換器２０７，３０７と、を備える。

【0017】

コジェネレーションシステム２００，３００は、加えて、ガスタービン２０３，３０３の前に、ガスタービン２０３，３０３に入る圧縮及び加熱された流体の流れの一部を調節するように構成されるバイパス弁２１０，３１０を備え、電気エネルギーを作ることを目的にしている。流体の中に含有される熱エネルギーを回収するために、流体の残りの流れは、ガスタービン２０３，３０３から出るものと混合され、システム２００，３００内の熱交換器２０９，３０９に送られる。

【0018】

本発明の態様に従って、バイパス弁２１０，３１０の開閉は、現在の熱及び電気に関する必要性に応じて電子制御ユニットによって制御される。係る電子制御ユニットは、また、現在の必要性と比較して、熱及び電気エネルギーの生産の超過を回避するように、燃焼器２０１ａ，３０１ａで燃焼するための燃料の量で作動する。

【0019】

本発明の態様に従って、代替としてまたはバイパス弁２１０，３１０に加えて、システム２００，３００は、また、順に電子制御ユニットによって駆動される可変形態タービンを含む。

【0020】

本発明の態様に従って、熱交換器２０２は、システム２００内の気体／空気熱交換器であり、システム３００内に気体／ガス状流体がある。熱交換器２０２，３０２は、気体が３２０°Ｃ以上の温度で主要気体／水交換器２０７，３０７を通過するように、気体の熱エネルギーの少なくとも５％を吸収するように構成される。

【0021】

利点をもたらすように、本発明に従ったボイラー用のコジェネレーションシステム２００，３００は、加熱するための燃料消費量（ｋＷｈで表される）に対する電力消費量が３０％未満（すなわち、０．３０≧（電気ｋＷｈ）／（熱ｋＷｈ））である状況でさえも、コジェネレーションを使用することが可能である。

【0022】

さらに、利点をもたらすように、コジェネレーションシステム２００，３００は、適切に変化させることによって、小型または大型の凝縮ボイラーまたは従来のボイラーに適用されることができる。

【0023】

図１及び２は、ボイラー用のコジェネレーションシステム２００及び３００の第１及び第２の実施形態を示し、コジェネレーションシステムは、液体またはガス燃料燃焼器２０１ａ，３０１ａ、燃焼器２０１ａ，３０１ａに接続される気体／空気熱交換器２０２，３０２、及び気体／空気交換器２０２，３０２に直列に設置される主要気体／水交換器２０７，３０７を備える、ボイラー２０１及び３０１と、周囲空気を圧縮するための及び周辺空気を気体／空気交換器２０２，３０２に送るための圧縮器２０４，３０４と、気体／空気交換器２０２，３０２によって熱的に供給され、燃焼器２０１ａ，３０１ａに接続される外燃式開放サイクルガスタービン２０３，３０３とを備える。

【0024】

気体／空気交換器をボイラーの内側に設置することによって、利点をもたらすように、システム２００，３００は、燃焼によって作られた熱エネルギーの一部を吸収し、それを電気エネルギーに変換し、係る変換で損失する熱エネルギーの一部を回収する。

【0025】

例えば、家庭用ボイラーを使用するアパートでは、電気ｋＷｈと熱ｋＷｈとの比率は＜０．１０であり、すなわち、アパートの電気エネルギーの１年の平均必要量は、加熱するために使用されるガスの必要量（ｋＷｈで表される）の１０％に大体等しい。したがって、係る条件下では、気体／空気交換器２０２，３０２は、気体の熱エネルギーの１０％を吸収し、これにより、家庭で使用するためにボイラーの場合、これらは、３５０°Ｃ未満であるが、約３２５°Ｃで主要気体／水交換器２０７，３０７を通過する。

【0026】

利点をもたらすように、本発明に従って、主要気体／水交換器２０７，３０７は、燃焼気体内に含有される熱を熱回収するように構成される。

【0027】

利点をもたらすように、本発明に従って、気体／空気交換器２０２，３０２に移送されない燃焼器２０１ａ，３０１ａによって作られた熱エネルギーの一部（好ましくは、熱エネルギーの７０％よりも大きいもの）は、水を加熱するために主要気体／水交換器２０７，３０７に気体によって移送される。

【0028】

本発明の態様に従って、電流発電機２０５，３０５（直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）を発生する）及び電流変換器２０７，３０７（ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣ、またはＡＣ／ＡＣコンバータのいずれか）は、配電網の技術仕様書に従って、電気エネルギーを作ることが可能である。

【0029】

使用中、圧縮器２０４，３０４は、環境から取得した空気を圧縮し、その空気を気体／空気交換器２０２，３０２に送り、気体／空気交換器２０２，３０２では、空気自体は、ボイラー２０４，３０４の燃焼器２０１ａ，３０１ａによって発生する熱出力の一部になる。したがって、加熱された空気はタービン２０３，３０３に入り、タービン２０３，３０３では、その空気が膨張し、タービン２０３，３０３は、発電機２０５，３０５（ＤＣまたはＡＣ）及び電流変換器２０６，３０６が配電網の技術仕様書に従って、電気エネルギーに変換されるエネルギーを発生する。

【0030】

本発明の態様に従って、タービン２０３，３０３から出る空気は、ボイラー２０１，３０１内の燃焼空気と混合される。

【0031】

利点をもたらすように、タービン２０３，３０３から出る空気の残りの熱エネルギーは回収され、高温を達成することを容易にするために、混合することによって、またはボイラー２０１，３０１に直接、ボイラー２０１，３０１の燃焼器２０１ａ，３０１ａに供給する燃焼空気の温度を増加させる。

【0032】

利点をもたらすように、システム２００，３００は、開放サイクルガスタービン２０３，３０３によって機械エネルギーの生産、ひいては、発電機２０５，３０５及びコンバータ２０６，３０６による電気エネルギーの生産を達成することを可能にし、その残りの熱出力は、バイパス弁２１０，３１０によって再指向されている可能性がある流体中に存在するものと一緒にボイラー内で回収される。このように、システム２００，３００の全体効率は、標準的ボイラーの熱効率と同様のままであるが、活用する電気エネルギーの生産が同時に発生する。

【0033】

利点をもたらすように、システム２００，３００は、給電された電力の５％よりも大きいパーセンテージを伴う電気エネルギーを作り、熱エネルギー（水または蒸気の形態）の必要量及び電気エネルギーの必要量が第１の量に向かってかなり不均衡になる状況でさえも、コジェネレーションを可能にする。

【0034】

利点をもたらすように、全体効率を一定に維持して、バイパス弁２１０，３１０によって、タービン内の空気の循環に適切な変化をもたらす熱エネルギーの生産を好む場合、バイパス弁２１０，３１０によって、または発電機を配電網に接続しないことによって、使用する燃料量及電気エネルギーの生産量の一部の両方を調節することが可能である。

【0035】

システム２００，３００は、タービン２０３，３０３から出る流体の及びバイパス弁２１０，３１０によって方向転換される可能性がある流体の残りの熱エネルギーを回収することと、加熱され、主要交換器２０７，３０７に入る予定である水を予熱することとが可能である追加の熱交換器２０９，３０９を含む。

【0036】

具体的には、システム２００は、システム２００内で外燃式閉鎖サイクルタービン２０３であるタービン２０３に接続される追加の空気／水熱交換器２０９を含む。この場合、バイパス弁２１０によって方向転換する空気とも混合するタービン２０３から出る空気は、その残りの熱エネルギーによって、熱エネルギーをボイラー内で加熱された水に直接与える空気／水交換器２０９に提供される。

【0037】

利点をもたらすように、追加の交換器２０９，３０９は、水の予熱、ひいては、水がボイラーから出るときに水が所望温度に到達するまでの待機時間の短縮を可能にする。同時に、空気は、圧縮器２０４によって取得された等の周辺温度よりも低くなり得ることもある温度に冷却され、その温度の状態になる。このように、タービンサイクルは、第１の実施形態のものに近いタービン／ボイラーユニットの全体効率を有する閉鎖サイクルになり、大気圧よりも高い最小圧力で、タービンプラント内で、より速い水分加熱の利点をもたらし、空気を使用することが可能であり、これは、タービンの同じ出力電力またはより高性能、ひいては、電気エネルギー（常に、上記に示した性能の割合の範囲内にあるままである）のより 大きい生産量を伴うより小型の全体寸法を取得するようになる。

【0038】

使用中、システム２００では、圧縮器２０４は空気を圧縮し、空気を熱交換器２０２に送り、熱交換器２０２では、空気はボイラー２０１内の燃焼器２０１ａによって作られた熱出力の一部を得る。このように加熱された空気は、流れがバイパス弁２１０によって調節された状態で、タービン２０３内に入り、タービン２０３は、発電機２０５（ＤＣまたはＡＣ）及び電流変換器２０６が電気エネルギーに変換される生産エネルギーを膨張させる。

【0039】

図２に示される本発明の第２の実施形態に従って、圧縮器３０４には、空気の代わりに、不活性ガス状流体が供給され、実行される機能の目的のために、空気の特徴と比較してより効率的な特徴によって特徴付けられる。

【0040】

本発明の態様に従って、ガスタービン３０３は燃焼器３０１ａに接続される外燃式閉鎖サイクルタービンであり、追加の熱交換器３０９はタービン３０３の出力に設置されたガス状流体／水交換器であり、これにより、残りの熱エネルギーはガス状流体／水交換器３０９に伝達される。

【0041】

したがって、本発明に従ったボイラー用のコジェネレーションシステム２００，３００は、水の予熱の調整、ひいては、水がボイラーから出るときに、水が所望の温度に到達するまでの待機時間の短縮を可能にする。

【0042】

利点をもたらすように、本発明に従って、本システムは、ボイラーのガスと同様の排出ガスの放出によって特徴付けられ、したがって、電気エネルギーを生産する他のシステムによって発生するものと比較してかなり低い排出になる。

【0043】

本発明に従ったシステムのさらなる利点は、任意の大きさの電力で、構造的に単純であり、容易に実現することであり、より大きなスケールで拡散が可能である。

【0044】

本発明に従ったシステムのさらなる利点は、圧縮器によって取り戻されるように、同時に、不活性ガスが室内温度よりもさらに低くなり得る温度に冷却され、その温度の状態になる事実によって、速い水分加熱が行われ、不活性ガスを使用することが可能である。

【0045】

本発明に従ったボイラー用のコジェネレーションシステムの別の利点は、同じ生産された電力に対して小型であり、より高性能のタービン、ひいては、電気エネルギーの生産の増加をもたらすことである。

【0046】

最終的に、本明細書に説明され及び示されるボイラー用のコジェネレーションシステムは、修正及び変形形態を受け得、それによって、添付の請求項に定義される本発明の範囲から逸脱しない範囲に収まることは明らかである。

【図1】

【図2】