分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備
【課題】バイオマスエネルギーその他の熱エネルギーを利用して高効率で熱電併給が可能な分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備を提供するものである。
【解決手段】 非共沸点媒体からなる液相作動媒体を蒸発させて高圧蒸気を発生させるコイルチューブ８２，８３を備えた蒸気発生器１８に隣接して燃焼室１２を形成し、燃焼室に隣接して燃料を燃焼させて蒸気発生器に燃焼熱を供給するバーナ装置１６を配置し、コイルチューブで発生した高圧蒸気で蒸気エンジン２０を駆動し、その動力により発電機２２を駆動して出力電力を発生させ、一方、前記蒸気エンジンから吐出された膨張蒸気を排熱回収熱交換器１０６で凝縮することにより前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収し、排熱回収熱交換器から得た液相作動媒体を加圧ポンプ１１５でコイルチューブに加圧下で供給することにより、高効率にて熱電併給を可能にする。
【解決手段】 非共沸点媒体からなる液相作動媒体を蒸発させて高圧蒸気を発生させるコイルチューブ８２，８３を備えた蒸気発生器１８に隣接して燃焼室１２を形成し、燃焼室に隣接して燃料を燃焼させて蒸気発生器に燃焼熱を供給するバーナ装置１６を配置し、コイルチューブで発生した高圧蒸気で蒸気エンジン２０を駆動し、その動力により発電機２２を駆動して出力電力を発生させ、一方、前記蒸気エンジンから吐出された膨張蒸気を排熱回収熱交換器１０６で凝縮することにより前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収し、排熱回収熱交換器から得た液相作動媒体を加圧ポンプ１１５でコイルチューブに加圧下で供給することにより、高効率にて熱電併給を可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【技術分野】
本発明は分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備に関し，特に、スマートグリッドに適した分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境対策および経済対策の有効な手段として、スマートグリッドが注目され、特に、スマートグリッド用に利用可能な分散型発電設備やバイオマス等の代替エネルギー資源を利用した分散型発電設備のニーズが高まっている。さらに、ゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルに対応したバイオマス等の再生可能エネルギーを活用した分散型発電設備の実用化が急務となっている。
【０００３】
特許文献１には、可燃性燃料発生装置の熱分解用乾留炉に燃焼部を装着して、バイオマス原料を加熱して熱分解し、木煙を冷却して得られる木タールを主燃料として燃焼器で燃焼させることによりマイクロガスタービンで発電機を駆動する一方、ガスタービンの排熱を回収するように構成したバイオマス熱電併給システムが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、木質系バイオマスや廃棄物系バイオマスを炭化して得た生成ガスで発電するようにしたバイオマス発電システムが記載されている。
【０００５】
特許文献３には、乾燥チップを粉砕して得た微粉燃料をバイオマス燃料として燃焼させ、その発生熱を熱源としてスターリングエンジンを駆動するようにしたバイオマス発電装置が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、木質系バイオマスから燃料ガスを生成して、燃料ガスと空気との混ガスの燃焼により動力を発生させて、この動力で発電するようにしたバイオマス発電装置が記載されている。
【０００７】
特許文献５には、木質系バイオマスを炭化して得た可燃性ガスを燃焼させて生じる高温の燃焼ガスを発電用ボイラに供給して発電を行うようにしたバイオマス発電施設が記載されている。
【０００８】
特許文献６には、バイオマスを炭化或は乾燥粉砕した高品質の燃料を燃焼させて蒸気に変換し、蒸気タービンで動力に変換して発電するようにしたバイオマス発電装置が記載されている。
【０００９】
特許文献７には、バイオマス燃料を燃焼させて得た高温ガスによりガスタービンを介して発電機を駆動する一方、ガスタービンの排熱を回収するように構成したバイオマス発電システムが記載されている。
【００１０】
特許文献８には、バイオマス燃料をガス化して生成ガスのタール分を熱分解して得た改質ガスをロータリエンジンの燃料として利用して動力を発生させて発電させるようにしたバイオマス燃料対応型エンジンシステムとバイオマス燃料対応型発電システムが記載されている。
【００１１】
特許文献９には、原料ホッパーから投入した木質バイオマスをエンジンからの高温の排ガスを利用して熱分解炉で熱分解し、この熱分解で得られたタール成分を含む生成ガスを改質反応器に供給し、上記熱分解で得られた炭化物を触媒として改質反応器に導入することにより、タール成分を生成ガス中の水蒸気と反応させて改質ガスを得るようにした木質バイオマスガスの改質システムが記載されている。
【００１２】
特許文献１０には、ガスタービンで発生した動力の一部で圧縮機を回転させて得た圧縮空気を燃焼器に導入すると共に、燃焼器で固形状のバイオマス燃料を燃焼させて高圧ガスを発生させてガスタービンエンジンを駆動して発電する一方、排熱回収器で排熱エネルギーを得るようにしたバイオマス熱電併給システムが記載されている。
【００１３】
【特許文献１】特開平２００４−３０７７９３号
【特許文献２】特開平２００５−２７２５３０号
【特許文献３】特開平２００５−３０７８６０号
【特許文献４】特開平２００６−８７２２１号
【特許文献５】特開平２００７−３２１５２０号
【特許文献６】特開平２００６−２７４６号
【特許文献７】特開平２００８−１２８１７５号
【特許文献８】特開平２００８−２９８０３０号
【特許文献９】特開平２００９−２３５３３５号
【特許文献１０】米国特許第６８６２８７７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、特許文献１記載の発電システムでは、バイオマス原料を乾留するための可燃性燃料ガス発生装置がバーナや、乾留炉と、木タール及び木酢液の貯留タンクと、木ガスを捕集するための冷却器と、熱分解ガス洗浄塔と、ガス中の粉塵を除去するためのサイクロンと、木ガスと木タールを誘引するガス誘引ファンとを備えた複雑で大型の構造となっている。この構造において、バイオマス原料から主燃料として木タールを生成するための可燃性燃料発生装置の設置が必要であるが、この設備が大型化、大規模化し、設備コスト、排水処理コストおよびメンテナンスコスト等が嵩むという問題がある。しかも、マイクロガスタービンは騒音が６５〜７５ｄＢと極めて高いため、低騒音化用の付帯設備を必要とする。これ等付帯設備を装着してもなお近隣住民を納得させるレベルまで騒音を低減することは困難である。
【００１５】
特許文献２記載のバイオマス発電システムでは、固形バイオマス燃料を炭化装置で熱分解し、その後、炭化装置で生成したタール分を含む熱分解ガスをガス化炉で熱分解し、ついで、生成ガスをガス精製装置に送って精製してから発電装置に供給している。このようなバイオマス発電システムでは、発電装置で生成ガスを利用するまでに、複数の工程と大型設備を必要とするため、小型・軽量化、低コスト化した分散型発電設備を提供することは困難である。
【００１６】
特許文献３記載のバイオマス発電装置では、バイオマス原料を貯蔵するためのサイロと、チップ乾燥機と、乾燥チップ貯蔵ホッパーと、チップ粉砕機と、微粉ホッパーと、微粉燃料を燃焼させるためのバーナと、複雑な構造のスターリングエンジンが必須構成要件となっており、バイオマス原料から微粉燃料を生成するための微粉燃料発生装置の設備自体が大型化、大規模化し、設備コストおよびメンテナンスコスト等が嵩む傾向がある。しかも、スターリングエンジンは部品点数も多く、構造も複雑なため、大型化し、製造コストも高い。さらに、木質の微粉燃料を燃焼させた場合には、タール分が発生し、このタール分がスターリングエンジンの加熱部に付着してエンジン効率が低下するため、プラントを一旦、停止してタール分をエンジンの加熱部から除去しなければならず、プラントの効率が低下するだけでなく、保守点検コストが増大する。
【００１７】
特許文献４記載のバイオマス発電装置では燃料ガスを得るための設備が複雑であるだけでなく、極めて大きな設備であり、小型・軽量化、低コスト化が困難である。さらに、木質系バイオマスから大量の燃料ガスを得る際には大量のタール分が発生するが、このタール分が熱分解されずにガスエンジンに直接供給されている。この場合、タール分がガスエンジンの各部に付着するため、様々なエンジントラブルの原因となる。このため、小型・軽量化、低コスト化した分散型発電設備を提供することは困難である。
【００１８】
特許文献５記載のバイオマス発電施設では、バイオマスを熱分解するためのガス化炉や、熱分解して得た可燃性ガスを燃焼させて蒸気を発生させるための発電用ボイラーを必要とし、設備全体が非常に大型のシステムとなり、小型・軽量化、低コスト化が困難である。
【００１９】
特許文献６記載のバイオマス発電装置では、燃焼熱交換炉体内の壁部に熱交換水管を配置し、バイオマス燃料を燃焼させて得た燃焼熱で熱交換水管の水体を加熱して水蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動して発電するようになっている。このバイオマス発電装置では、熱交換水管を効果的に加熱するために、燃焼熱交換炉体の炉壁を遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成し、炉壁から反射された遠赤外線と炉壁に付与された触媒機能とにより、高温の燃焼熱を発生させて熱交換水管を効果的に加熱するようになっている。この装置では、燃焼熱交換炉体の炉壁を遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成しているため、コストアップの大きな要因となるだけでなく、燃焼熱交換炉体を小型・軽量化することは困難である。しかも、バイオマス燃料は直接燃焼室内で燃焼させているが、このとき生じるタール分や灰分がロストルや炉床部分に固着するため、炉床部分の目詰まりが生じてトラブルの原因と成り易いが、そのための対策が講じられていない。したがって、設備の保守点検の手間がかるだけでなく，運転コストも増大する。
【００２０】
特許文献７記載のバイオマス発電システムでは、バイオマス燃料を燃焼させて高温ガスを作動ガスとして生成する常圧燃焼炉の設備が大型化、大規模化し、設備コストおよびメンテナンスコスト等が嵩む問題がある。しかも、常圧燃焼炉では安全性の面から高圧の高温ガスを生成できないため、タービンの動力出力を効率よく高めることが出来ない。したがって、ガスタービンや圧縮機の容量が比較的に大きくなり、設備の大型化、大規模化が避けられない。また、ガスタービンは一般的に騒音が大きいため、低騒音化用の付帯設備も必要となり、余儀なく、全体設備が大型化する。
【００２１】
特許文献８記載のバイオマスシステムでは、改質ガスを得るために複数の工程がかかり、さらに、バイオマス燃料をガス化して生成ガスを得るためのガス化炉や生成ガスのタール分を熱分解して可燃成分を得るためのタール改質反応炉等の大型の設備を必要としているため、小型・軽量化、低コスト化した分散型発電設備を提供することが困難である。しｓかも、タール改質反応炉にはバイオマス燃料を乾留して得た炭化物粒を充填してガス改質用に利用しているため、バイオマス燃料自体の有効利用率（発電効率）を向上させることができない。
【００２２】
特許文献９記載の木質バイオマスガスの改質システムでは、タール蒸気の改質専用の大型設備の改質反応器を別途、設ける必要があり、しかも、エンジンの排ガスを熱分解炉の熱源として利用しているため、設備全体が大型化、大規模化し、設備コストも増大する傾向にある。
【００２３】
特許文献１０記載のバイオマス熱電併給システムでは、燃焼器でバイオマス燃料を燃焼させる際に発生するタール成分が燃焼器のアウトレットに付着し、さらには、ガスタービンのブレードに付着するため、様々なエンジントラブルや作動トラブルの要因となり、バイオマス熱電併給システムの運転効率の低下やシステムトラブルによる運転中断を余儀なくされ、イオマス熱電併給システムの信頼性が著しく損なわれる。
【００２４】
以上説明した従来のバイオマス発電システムは必然的に設備全体が大型化、大規模化し、設備コスト、排水処理コストおよびメンテナンスコスト等が嵩む一方、ガスタービンを利用した動力システムでは騒音トラブルという他の深刻な問題も抱えている。このように、従来の発電設備では、小型・軽量化、低騒音化、低コスト化及び低メンテナンスコスト化を図った分散型熱電併給設備や分散型バイオマス熱電併給設備を実用化することは困難であった。そのため、ゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルの実現化に適し、さらには、工場、ビル、病院、旅館、ホテル、スーパー、百貨店、コンビニ、外食産業、老人ホーム、ゲームセンー、パチンコ店、スポーツクラブ、ガソリンスタンド、公共施設等の小規模電力需要家から大型ホテル、大型ビル及び大規模工場等の大規模の電力需要家に至るまでオンサイトで設置可能な分散型熱電併給設備や分散型バイオマス熱電併給設備のニーズが高いにも拘わらず、これまで実用化されていなかった。
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
【００２５】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルの実現化に対応すると共に中小規模電力需要家や大規模電力需要家にもオンサイトで設置可能な小型軽量、低コスト、低騒音の分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備を提供することを目的とする。
【００２６】
請求項１記載の発明は、分散型熱電併給設備が、非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置された燃焼室と、前記燃焼室で燃料を燃焼させて前記蒸気発生熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段とを備え、前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを要旨とする。
【００２７】
上記構成によれば、非共沸点媒体からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた熱交換器の内側に燃焼室を配置しているため、従来技術の如く、バイオマス燃料を可燃ガスに変換するための熱分解炉や発電用ボイラー或は遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成した燃焼熱交換炉体等の大型設備の設置が不要となる。本実施例では、コイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器を直接、バイオマス燃料その他の熱源で加熱することを可能とした構成としているため、大型設備を設けることなく、外装ケーシング内に熱交換器やバーナ装置、蒸気ロータリーエンジン及び発電機を含む主要部品を収納可能にして小型・高性能の分散型熱電併給設備を実現可能となる。さらに、分散型熱電併給設備のシステム全体がクローズドシステムのランキンサイクルで構成され、エンジンの振動も少なく、低騒音となる。しかも、上記構成によれば、前記蒸気ロータリーエンジンは出没自在にロータに収納された揺動ブロックピストンで構成されるため、前記蒸気ロータリーエンジンを極めて少ない部品点数で構成することが可能となり、しかも、前記揺動ブロックピストンの剛性が高く、その振動やふらつきが少ないため、蒸気ロータリーエンジン自体の耐久性と信頼性を高めることもできる。その結果、小型・軽量、低コスト、低騒音で高効率の分散型発電設備を実現できる。この分散型発電設備はゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルに対応し、工場、ビル、病院、ホテル、コンビニ、スーパー、百貨店、ガソリンスタンド、公共施設、高齢者介護施設、スポーツセンタ等の中小規模電力需要家や大規模電力需要家にもオンサイトで設置可能となり、温暖化対策に多大の貢献が見込まれる。
【００２８】
請求項２記載の発明は、前記バーナ装置が前記燃料に改質用ガスを添加するための改質用ガス噴射部を備えることを要旨とする。
【００２９】
上記構成では、前記バーナ装置には改質用ガス噴射部が装着されていて前記燃料に改質用ガスを添加する構成となっている。したがって、燃料として木質ペレットのような固形バイオマス燃料を燃焼させた際に副生するタールをコンパクトな構造にてバーナ装置で可燃成分に変換して燃焼させることができる。そのため、バイオマス燃料の燃焼におけるタール成分の熱分解専用の大型の改質反応器等を別途、設ける必要がない。
【００３０】
請求項３記載の発明は、前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記改質用ガス噴射部が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に供給するガス噴射ノズルを備えることを要旨とする。
【００３１】
上記構成において、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に噴射するガス噴射ノズルを備えているため、燃料として木質ペレットのような固形バイオマス燃料を燃焼させた際に副生するタールをコンパクトな構造にて可燃成分に変換して燃焼させることができ、メンテ保守の手間とコストを削減可能な分散型熱電併給設備を提供することができる。また、一部発生したタール成分は一酸化炭素や水素等の可燃成分に改質されて可熱エネルギーとして再利用される。さらに、水素酸素ガスを供給した際には、高温の燃焼熱でバイオマス燃料自体のガス化が促進され、バイオマス燃料の完全燃焼がより効率的に促進される。その結果、ＣＯ等の未燃ガスの発生が少なくなり、前記燃焼部の燃焼熱の熱エネルギーも増大することとなる。したがって、簡単な構造にて固形燃料を安全に点火させ、燃焼時の排ガスのクリーン化と発電設備の運転効率の向上が図れる効果がある。
【００３２】
請求項４記載の発明は、前記熱交換器が、前記燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを要旨とする。
【００３３】
上記構成において、前記熱交換器が前記蓄熱材によって蓄熱した前記燃焼熱の熱エネルギーによってコイルチューブを加熱しているため、前記燃焼室内の燃焼熱の変動が生じても、その変動を蓄熱材によって吸収することで前記液相作動媒体から前記高圧蒸気を安定して発生することが可能となる。その結果、発電設備の出力がより安定することになる。
【００３４】
請求項５記載の発明は、分散型バイオマス熱電併給設備が、液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、前記バイオマス燃焼室でバイオマス燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、前記バーナ装置に前記バイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給装置と、前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、前記ロータの外周において前記円弧状揺動ブロックピストンにそれぞれ隣接して形成されたストッパー部と、前記円弧状揺動ブロックピストンに形成されていて、前記ストッパー部にそれぞれ係止して前記円弧状揺動ブロックピストンの前記最大突出位置を規制する係止部とを備え、前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを要旨とする。
【００３５】
上記構成によれば、液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器に隣接してバイオマス燃焼室を配置しているため、従来技術の如く、バイオマス燃料を可燃ガスに変換するための熱分解炉や発電用ボイラー或は遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成した燃焼熱交換炉体等の大型設備の設置が不要となる。本実施例では、コイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器を直接、バイオマス燃料の燃焼熱を発生する熱源で加熱することが可能な構成としているため、大型設備を設けることなく、外装ケーシング内に熱交換器やバーナ装置、蒸気ロータリーエンジン及び発電機を含む主要部品を収納可能にして小型・高性能の分散型バイオマス熱電併給設備を実現可能となる。さらに、分散型バイオマス熱電併給設備のシステム全体がクローズドシステムのランキンサイクルで構成され、エンジンの振動も少なく、低騒音となる。しかも、上記構成によれば、前記蒸気ロータリーエンジンは出没自在にロータに収納された揺動ブロックピストンで構成されるため、前記蒸気ロータリーエンジンを極めて少ない部品点数で構成することが可能となり、しかも、前記揺動ブロックピストンの剛性が高く、その振動やふらつきが少ないため、蒸気ロータリーエンジン自体の耐久性と信頼性を高めることもできる。その結果、小型・軽量、低コスト、低騒音で高効率の分散型バイオマス熱電併給設備を実現できる。この分散型バイオマス熱電併給設備はゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルに対応し、工場、ビル、病院、ホテル、コンビニ、スーパー、百貨店、ガソリンスタンド、公共施設、高齢者介護施設、スポーツセンタ等の中小規模電力需要家や大規模電力需要家にもオンサイトで設置可能となり、温暖化対策に多大の貢献が見込まれる。
【００３６】
請求項６記載の発明は、前記熱交換器が、前記バイオマス燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを要旨とする。
【００３７】
上記構成では、前記熱交換器が前記蓄熱材によって蓄熱した前記燃焼熱の熱エネルギーによってコイルチューブを加熱しているため、前記燃焼室内の燃焼熱の変動が生じても、その変動を蓄熱材によって吸収することで前記液相作動媒体から前記高圧蒸気を安定して発生することが可能となる。その結果、発電設備の出力がより安定することになる。
【００３８】
請求項７記載の発明は、前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バイオマス燃料に添加するガス噴射ノズルを備えることを要旨とする。
【００３９】
上記構成において、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に噴射するガス噴射ノズルを備えているため、燃料として木質ペレットのような固形バイオマス燃料を燃焼させた際に副生するタールをコンパクトな構造にて可燃成分に変換して燃焼させることができ、メンテ保守の手間とコストを削減可能な分散型熱電併給設備を提供することができる。また、一部発生したタール成分は一酸化炭素や水素等の可燃成分に改質されて可熱エネルギーとして再利用される。さらに、水素酸素ガスを供給した際には、高温の燃焼熱でバイオマス燃料自体のガス化が促進され、バイオマス燃料の完全燃焼がより効率的に促進される。その結果、ＣＯ等の未燃ガスの発生が少なくなり、前記燃焼部の燃焼熱の熱エネルギーも増大することとなる。したがって、簡単な構造にて固形燃料を安全に点火させ、燃焼時の排ガスのクリーン化と発電設備の運転効率の向上が図れる効果がある。
【００４０】
請求項８記載の発明は、分散型バイオマス熱電併給設備が、非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、前記熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、前記バイオマス燃焼室で木質ペレット燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するペレット燃焼バーナ装置と、前記ペレット燃焼バーナ装置に前記木質ペレット燃料を供給する木質ペレット燃料供給装置と、前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、前記蒸気ロータリーエンジンに連結されていて前記動力により出力電力を発生する発電機と、前記熱交換器と前記蒸気ロータリーエンジンとの間に接続されていて前記上記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、前記液相作動媒体を前記排熱回収熱交換器から前記蒸気発生熱交換器に加圧下で供給する加圧ポンプと、
前記バーナ装置に開口していて改質ガスを前記木質ペレット燃料に添加するガス噴射ノズルとを備えることを要旨とする。
【００４１】
上記構成によれば、液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器の内側にバイオマス燃焼室を配置しているため、従来技術の如く、木質ペレット燃料を可燃ガスに変換するための熱分解炉や発電用ボイラー或は遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成した燃焼熱交換炉体等の大型設備の設置が不要となる。さらに、前記バーナ装置が水素酸素ガスを木質ペレットのような固形バイオマス燃料に添加しながら燃焼させるようにしたため、水素酸素ガスによる高温の燃焼熱で固形バイオマス燃料のガス化が促進され、バイオマス燃料の完全燃焼がより効率的に促進される。その結果、ＣＯ等の未燃ガスの発生が少なくなり、前記燃焼部の燃焼熱の熱エネルギーも増大することとなる。したがって、簡単な構造にて固形燃料を安全に点火させ、燃焼時の排ガスのクリーン化と発電設備の運転効率の向上が図れる効果がある。しかも、コイルチューブを備えた熱交換器を直接、バイオマス燃料の燃焼熱を発生する熱源で加熱して動力発生用の高圧蒸気を生成することが可能な構成としているため、大型設備を設けることなく、外装ケーシング内に熱交換器やペレット燃焼バーナ装置、蒸気ロータリーエンジン及び発電機を含む主要部品を収納可能にして小型・コンパクトで高性能の分散型バイオマス熱電併給設備を実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００４２】
以下、本発明の実施例による分散型バイオマス熱電併給設備について詳細に説明する。以下の説明において、本発明は一例として、木質系ペレットからなるバイオマス燃料を利用した分散型バイオマス熱電併給設備として説明されるが、本発明で利用可能な燃料は、バイオコークス、木質ペレットや廃材チップ等の固形バイオマス燃料に限らず、製紙工場で発生する黒液や、食用廃油から再生したバイオマスディーゼル燃料、廃棄食品や農業副産物等から製造したバイオエタノール及びバイオメタノールも含まれる。なお、その他の燃料としては、バイオガス、ＣＮＧ，ＬＰＧ、灯油又は水素等の燃料も利用可能なことはいうまでもない。
【００４３】
図１において、分散型バイオマス熱電併給設備１０は、図１において外装ケーシング２４の左側部分で断熱材１１によって外周部が囲まれて断熱構造となった蒸気発生熱交換器１８を備える。図示されていないが、断熱材１１の外周に円筒状ハウジングを配置して、この円筒状ハウジングを外装ケーシング２４に支持するように構成しても良い。蒸気発生熱交換器１８に隣接してバイオマス燃焼室１２が形成されており、熱交換器１８に隣接してバイオマス燃料供給装置１４が並列配置されている。バイオマス燃料供給装置１４は蒸気発生熱交換器１８の下方に配置された燃焼部１６に木質ペレット等のバイオマス燃料を供給する。燃焼部１６により、木質ペレットが燃焼すると、バイオマス燃焼室１２に燃焼熱が発生し、この燃焼熱は蒸気発生熱交換器１８を加熱して高圧蒸気を発生させる。排気は煙道１９から外部に排出される。高圧蒸気は蒸気ロータリーエンジン２０に導入されて動力を発生する。該動力により発電機２２が駆動される。これら構成部品は外装ケーシング２４内に一体的に装備されている。しかしながら、蒸気ロータリーエンジン２０と発電機２２とを外装ケーシング２４に隣接した他の外装ケーシング（図示せず）に収納しても良い。
【００４４】
バイオマス燃料供給装置１４は、バイオマス燃焼室１２に隣接して外装ケーシング２４の略中央に装着されていて木質ペレット、木材チップ、籾殻又は大鋸屑等の固形状バイオマス燃料Ｗｐを貯留するバイオマス燃料タンク２６を備える。外装ケーシング２４はバイオマス燃料タンク２６を開閉するための開閉蓋２７を備える。バイオマス燃料タンク２６は下部方向に延びるホッパー部２６ａを有し、ホッパー部２６ａの底部にタンク開口部２６ｂが開口している。図１及び図２より明らかなように、タンク開口部２６ｂにはロータリフィーダ２８からなるペレット搬送装置が連結される。ロータリフィーダ２８はタンク開口部２６ｂに連結された矩形状のハウジング３０を有する。ハウジング３０はベース部材３２を有し、ベース部材３２にギヤモータ３４が取り付けられている。ギヤモータ３４の駆動軸３６はベース部材３２により支持されたベアリング３８によって回転自在に支持される。駆動軸３６は円錐状の上端部３６ａを備えていて、ペレット燃料Ｗｐをタンク開口部２６ｂから落下しやすいように案内する。駆動軸３６にはホブ４０が固定され、ホブ４０の底部には回転円板４２が支持される。ボブ４０の外周にはその接線方向に延びるように等間隔で複数のブレード４４がネジ４６等で固定される。ブレード４４の先端部から所定の間隔で一部リング状ガイド４８及びシール材４９が垂直方向に延びるようにハウジング３０の上壁に固定されている。一方、複数のブレード４４の下端部は回転円板４２の上面に接するように配置される。リング状ガイド４８からはその径方向外側において回転円板４２の外周部よりも外側にまで当接部４８ａが延びていてペレット放出通路５０を形成する。ペレット放出通路５０の先端部に整列するようにベース部材３２にはペレット排出開口３２ａが形成されており、ペレット排出開口３２ａにはシュート５１が接続され、シュート５１の下方短部５１ａは燃焼部１６の上方に配置される。図２において、回転円板４２が時計方向ＣＷに回転すると、タンク開口部２６ｂから落下するペレット燃料Ｗｐはブレード４４が回転移動する際に、遠心力方向に働く作用によりリング状ガイド４８の内壁に押し付けられながら移動し、当接部４８ａに衝突しながら、回転円板４２の外周部に移動して、ペレット排出開口３２ａからシュート５１を介して燃焼部１６に給送される。上記構成によって、ロータリフィーダ２８は木質ペレットを目詰まりなく給送することができる。
【００４５】
図１において、燃焼部１６はペレット燃焼バーナ装置からなり、該バーナ装置１６は燃焼室支持フレーム５６の水平部材５８に装着された燃焼ポット６０からなり、燃焼ポット６０は筒状燃焼空気導入部６２と、ロストル部（燃焼皿）６４を備える。燃焼空気導入部６２とロストル部６４にはそれぞれ複数の開口部６２ａ及び６４ａが形成されている。ロストル部６４の開口部６４ａは燃えカス（燃焼灰）を回収するための灰回収部６６と連通していて、燃えカスが自重によって灰回収部６６に自然落下して収納される。燃焼空気導入部６２の外周には環状の改質用ガス噴射部６８が配置され、改質用ガス噴射部６８は水平部材５８の下面にネジその他の適当な連結手段（図示せず）により固定される。改質用ガス噴射部６８はその内側に形成された環状ガスチャンネル６８ａを有する。改質用ガス噴射部６８はさらに空気開口部６８ｂを備える。空気開口部６８ｂは燃焼空気供給ダクト７０に接続されていて、その水平方向端部が支持フレーム５６に固定される。燃焼空気供給ダクト７０はガス噴射ノズル７２を備え、バイオマス燃料のガス化とタール分の熱分解を促進するための水素酸素ガスが後述の如く、供給される。バーナ装置１６には、燃焼ポット６０の上部にセラミックヒータ等からなる点火ヒータ（点火装置）７４が設けられ、通電の際に燃焼ポット６０に搬送された燃料ペレットＷｐに着火するようになっている。燃焼空気供給ダクト７０にはさらに水蒸気供給ノズル７５が設けられる。燃焼空気供給ダクト７０の入り口７０ａには燃焼空気供給ファン７６が接続され、燃焼空気供給ダクト７０及び改質用ガス噴射部６８を介して加圧空気が水素酸素ガスや水蒸気とともにバーナ装置１６に供給される。
【００４６】
図１において、熱交換器１８は燃焼室１２の周囲を囲むように配置された筒状蓄熱槽８０と、該筒状蓄熱槽８０に充填された蓄熱材と、該筒状蓄熱槽８０の蓄熱材に埋め込まれた第１コイルチューブ８２と、第１コイルチューブ８２に連結されていて燃焼室１２の周囲に配置された第２コイルチューブ８３とを備える。筒状蓄熱槽８０は、燃焼室１２の周囲を囲む内筒８４と、内筒８４よりも大径の外筒８６と、環状壁部８８と、環状チャンバ９０と、環状チャンバ９０の上部に形成されたコーン部９２とを備える。環状チャンバ９０とコーン部９２には燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材９４が封入される。蓄熱材９４は、例えば、マグネシア、マグネタイト、シリカ及びアルミナなどの粒子状固体蓄熱材からなるグループから選択された少なくとも１種、或は、これらを複数種類を混合したものでも良い。これら固体蓄熱材に少量、例えば、約１５〜３０％の硝酸塩からなる液体蓄熱材を混合しても良い。
【００４７】
第１及び第２コイルチューブ８２、８３は一体的に連続しており、この中に作動媒体が封入される。作動媒体としては、例えば、アンモニア、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン等の低沸点媒体、水単体あるいは水とアルコールとの混合媒体でもよい。その他の作動媒体としては、アンモニアとメチルアルコール（ＣＨ３ＯＨ）とを含む非共沸点混合物を利用してもよい。沸点６４．６５℃のメチルアルコールに沸点−３４．３４℃のアンモニアを添加した非共沸点混合物は沸点が約４０℃である。この非共沸点媒体の蒸気圧は１００℃のとき、１０．８ｂａｒ、１６０℃のとき、３４ｂａｒ、２００℃のとき６９ｂａｒ、２３０℃のとき１４９ｂａｒ、２５０℃のとき２５９ｂａｒとなる。水（Ｈ２Ｏ）が２５０℃のとき４７ｂａｒの蒸気圧となるのに対して、上記非共沸点媒体の圧力増大効果が如何に高いため、蒸気ロータリーエンジン２０の作動媒体としてとくに優れている。因みに、ディーゼルエンジンの平均有効圧力が１４．１〜１９．６ｂａｒとなっている。
【００４８】
第１コイルチューブ８２はパイプ９６を介してクローズドシステムの加圧ポンプ１００と連結しており、液相作動媒体が圧送される。加圧ポンプ１００はコントローラ１０１によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。コントローラ１０１には燃焼室１２の温度、ロータリエンジン２０の入り口圧力その他の各種パラメータが入力されており、これらパラメータに応じて制御弁１０３、ポンプ１００、１１５等が制御される。第１コイルチューブ８２の作動媒体は蓄熱材９４で予熱されて蒸気が生成され、この蒸気は第２コイルチューブ８３に流入して燃焼室１２の燃焼熱でさらに加熱されて高圧蒸気となる。次に、この高圧蒸気は第２コイルチューブ８３からパイプ１０２及び制御弁１０３を介して蒸気ロータリーエンジン２０に供給され、その高圧蒸気で蒸気ロータリーエンジン２０を駆動する。蒸気ロータリーエンジン２０から吐出された膨張蒸気はパイプ１０４を介して排熱回収熱交換器１０６に送られる。排熱回収熱交換器１０６は冷却水が供給されるパイプ１０８と、前記膨張蒸気の排熱エネルギーを回収する熱交換コイルチューブ１１０と、温水を取り出すパイプ１１２とを備える。パイプ１１２には分岐パイプ１１４が接続され、分岐パイプ１１４は加圧ポンプ１１５を介して熱交換器１８の下方において燃焼室１２に隣接して配置されたスチームパイプ１１６に接続される。スチームパイプ１１６は燃焼熱により加熱されて内部の温水が水蒸気に変換される。スチームパイプ１１６の出口は水蒸気供給ノズル７５に連結されていて、燃焼部１６に燃料改質用の水蒸気を供給する。
【００４９】
蒸気ロータリーエンジン２０には３相交流発電機又は単相交流発電機２２が連結されて交流出力を発生する。交流出力はパワーユニット１２０で交直変換されて所定の周波数例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに調整されて一部は空調設備その他の自家用負荷の駆動に利用され、残りの電力はパワーグリッド１２２を介して送電網に送られる。パワーユニット１２０には電解用電源１２４が接続される。電解用電源１２４はパワーユニット１２０の交流電力を３Ｖ〜１２Ｖに降圧して電解用の直流電力を電解槽１２６に供給する。電解槽１２６は内部にアルカリ水溶液等の電解液が充填されていて、電解作用により水素酸素ガスを生成する。水素酸素ガスは水素供給パイプ１３４を介して水素噴射ノズル１３６から噴射され、水蒸気供給ノズル７５から噴射する水蒸気と共に水蒸気供給チャンネル６８ａを経て燃焼部１６の燃料に添加される。図１において、水蒸気供給ノズル７５と水素噴射ノズル１３６とはそれぞれ独立した部品として示されているが、これ等部品を一体化した構造とし、水素酸素ガスと水蒸気との混合ガスを供給しても良い。また、図示を省略してあるが、水素噴射ノズル１３６の上流にはフレームアレスタ等のバックファイヤを防止するための金属メッシュ及び逆止弁等を設けてもよい。
【００５０】
一方、パワーユニット１２０の交流電力はスイッチ１３６を介してギヤモータ３４や燃焼空気供給ファン７６に供給される。実際の使用に当たっては、燃焼室１２に温度センサ（図示せず）を設けて、その温度信号に応答してインバータ等のコントローラを介してギヤモータ３４及び燃焼空気供給ファン７６が燃焼室１２を所定温度となるように回転制御される。
【００５１】
図３，４において、蒸気ロータリーエンジン２０は、インレット２１２及びアウトレット２１４を有する円筒状のシリンダーハウジング２１６を備える。シリンダーハウジング２１６はフロントカバー２１８と、リアカバー２２０と、センターケース２２２とを備える。フロントカバー２１８及びリアカバー２２０はそれぞれ円形空洞室２２４を有し、センターケース２２２はインレット２１２及びアウトレット２１４と連通するように形成されたピストン作動室２３９を有する。センターケース２２２は、さらに、インレット２１２及びアウトレット２１４との間において予め定められた範囲でピストン作動室２３９の半径方向内側に向かって延びていてインレット２１２に隣接して加圧領域２２４ａと排気領域２２４ｂとを形成するカムローブ２２６を有する。カムローブ２２６はフロントカム面２２６ａと、リアカム面２２６ｂと、中央円弧状カム面２２６ｃとを有する。
【００５２】
円形空洞室２２４及びピストン作動室２３９の中心軸と同心的に出力軸２２８が延びており、出力軸２２８はフロントカバー２１８とリアカバー２２０にそれぞれ固定支持されたベアリング２３０，２３２により回動自在に支持されている。ピストン作動室２３９にはロータ２３４が回転自在に収納される。ロータ２３４は出力軸２２８に支持されていて、カムローブ２２６の中央円弧状カム面２２６ａに摺動するセンターフライホイール２３５と、センターフライホイール２３５よりも径大で円形空洞室２２４の曲率半径と略同一の曲率半径を有し、円形空洞室２２４に回転自在に収納されたサイドフライホイール２３６、２３８とを備える。サイドフライホイール２３６、２３８は、センターフライホイール２３５の軸方向両端においてカムローブ２２６を部分的に挟むように配置され、サイドフライホイール２３６、２３８の軸方向空間部にピストン作動室２３９が区画される。
【００５３】
センターフライホイール２３５の外周部において周方向に均等に分割された位置には、ロータ２３４の接線方向に延びるように複数の円弧状ピストン室２４０が形成され、円弧状ピストン室２４０のそれぞれに複数の揺動ブロックピストン２４２が出没自在に収納されている。ここで「ブロックピストン」とは、円弧状揺動ブロックピストン２４２が板状やシート状ではなく、所謂、１つの塊となっているブロック形状を現すものとして定義される。カムローブ２２６は、円弧状揺動ブロックピストン２４２をセンターフライホイール２３５の外周に対して最大後退位置に移動させてアウトレット１４に隣接して排気領域２２４ｂを形成するとともにイントレット２１２に隣接して加圧領域２２４ａを形成する。このとき、サイドフライホイール２３６、２３８の軸方向空間において円弧状揺動ブロックピストン２４２の受圧面を最大突出位置に移動させて加圧領域２２４ａに露出させる。
【００５４】
複数の円弧状ピストン室２４０は、それぞれロータ２３４の接線方向に延びていて揺動ブロックピストン２４２の最大後退位置を規制する接線方向壁部２４０ａと、接線方向壁部２４０ａの後方からロータ２３４の半径方向に沿って延びる円弧状ガイド壁２４０ｂと、円弧状ガイド壁２４０ｂの外方端部に形成されていて円弧状揺動ブロックピストン２４２の最大突出位置を規制するストッパー部２４０ｃとを備える。
【００５５】
揺動ブロックピストン２４２は、円弧状ピストン室２４０の接線方向壁部２４０ａの先行部にピボット軸２４３を介して出没自在に支承された基部２４２ａと、該基部２４２ａから接線方向壁部２４０ａに沿って延びている内縁部２４２ｂと、円弧状ガイド壁２４０ｂで摺動すると共に円弧状揺動ブロックピストン２４２の最大突出位置にてストッパー部２４０ｃに係止可能な係合部２４２ｃと、係合部２４２ｃに摺動しながら出没可能な円弧状受圧部２４２ｄと、円弧状受圧部２４２ｄから基部２４２ａに向けて延びていてロータ２３４の外周の曲率半径と同一の曲率半径を有する円弧状カムフォロワ面２４２ｅと、円弧状カムフォロワ面２４２ｅの軸方向両端においてロータ２３４の軸方向端面と同一平面にて内縁部側２２２ｂに延びる側壁部２４２ｆとを備える。側壁部２４２ｆには内縁部２４２ｂに沿って潤滑油溜２４２ｇがテーパ状に形成されている。ピボット軸２４３の両端部はベアリング２４５によって回動自在に支持され、ベアリング２４５はサイドフライホール２３６、２３８に装着されている。
【００５６】
円弧状揺動ブロックピストン２４２の基部２４２ａの中央部の内側にはバネ収容溝部２５０が形成され、バネ収容溝部２５０内にコイルバネ２５１等の弾性部材が付勢手段として収納される。コイルバネ２５１のコイル部分はピボット軸２４３に装着されていて揺動ブロックピストン２４２を最大突出位置に付勢している。
【００５７】
出力軸２２８の中央部には接続部２５４を介して外部の潤滑油供給源と連通する潤滑油供給路２２８ａが形成される。一方、第２フライホール２３６、２３８には潤滑油供給路２２８ａと連通しながら放射状に延びる複数の潤滑油通路２５６が形成されており、これら潤滑油通路２５６はいずれも揺動ブロックピストン２４２の最大突出位置で潤滑油溜２４２ｇと連通するような位置に形成された開口部５６ａを備える。
【００５８】
上記構成において、電源スイッチ（図示せず）が投入されると、スイッチ１３６が導通して、ギヤモータ３４、燃焼空気供給ファン７６、点火装置７４及び電解槽１２６が作動開始する。電解槽１２６からの水素酸素ガスがガス噴射ノズル１３６から噴射すると、点火装置７４により着火した火炎によって燃焼部１６に供給された木質ペレットＷｐが着火する。このとき、水素酸素ガスの高温の火炎によって木質ペレットＷｐのガス化が促進されながらバイオマス燃料が燃焼する。そのとき発生する燃焼炎Ｆは燃焼室１２内に燃焼熱を発生させ、第２コイルチューブ８３、熱交換器８０及びスチームパイプ１１６を加熱する。燃焼室１２が所定温度に達すると、コントローラ１０１によってポンプ１００がＯＮとなり、制御弁１０３がＯＰＥＮ状態とされる。このとき、熱交換器８０及び第２コイルチューブ８３で発生した高圧蒸気は蒸気ロータリーエンジン２０のインレット２１２から作動室２２４に導入される。このとき、図３において、カムローブ２２６が１つの揺動ブロックピストン２４２の円弧状カムフォロワ面２４２ｅに係合し、この円弧状カムフォロワ面２４２ｅを最大後退位置に移動させて加圧領域２２４ａの後方部を密閉し、隣接した他の揺動ブロックピストン２４２の受圧部２４２ｄをバネ２５１の作用によって最大突出位置まで加圧領域２２４ａの先行部に突出させる。この突出位置において、高圧蒸気は当該揺動ブロックピストン２４２の円弧状受圧部２４２ｄに作用する。このとき、円弧状受圧部２４２ｄに作用した圧力は円弧状カムフォロワ面２４２ｅを介して揺動ブロックピストン２４２の基部２４２ａからロータ２３４の接線方向に伝達され、ロータ２３４に回転トルクを発生させる。そのため、ロータ２３４が時計方向Ｃｗに回転移動する。このように、複数の揺動ブロックピストン２４２は順次、高圧蒸気の作用を受けて、周期的に出没しながら時計方向Ｃｗに回転移動する。
【００５９】
一方、蒸気ロータリーエンジン２０で膨張して低圧となったガス相作動媒体はアウトレット２１４とパイプ１０４を介して排熱回収熱交換器１０６に送られ、冷却水と熱交換されてパイプ１１２から温水を取り出す。温水の一部は加圧ポンプ１１５を介してスチームパイプ１１６に圧送され、燃焼室１２の燃焼熱で加熱されって水蒸気を生成する。この水蒸気は水蒸気供給ノズル７５から燃焼空気供給ダクト７０を介して燃焼部１６に送られる。このとき、燃料ペレットＷｐで発生するタール分は、水素酸素ガス火炎の高温状態で、効率的にＣＯとＨ２との可燃成分に改質されて燃焼する。
【００６０】
つぎに、本発明の第２実施例による分散型熱電併給設備１０Ａについて説明する。第１実施例の分散型熱電併給設備１０と同一の部材については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図５に示した第２実施例の散型熱電併給設備１０Ａは第１実施例の分散型バイオマス熱電併給設備１０とは燃焼ポット６０が流体燃料用の燃焼部として機能するバーナ装置６０Ａに差し替えられ、コントローラ１０１がコントローラ１０１Ａに差し替えられている点が異なる。流体燃料としては、製紙工場で発生する黒液や、食用廃油から再生したバイオマスディーゼル燃料やバイオエタノール等のバイオマス液体燃料の他に、ＣＮＧ，ＬＰＧ、灯油等の燃料を利用してもよい。
【００６１】
バーナ装置１６Ａは燃料タンク３００から燃料ポンプ３０２を介して加圧された流体燃料を噴射するための燃料噴射ノズル３０４と、該燃料噴射ノズル３０４の外周に配置されたガス噴射ノズル３０６と、バックファイア防止用のメッシュ部材３０８とを備える。ガス噴射ノズル３０６はインレット３１０を備えていて、インレット３１０には燃焼室１２内において第２コイルチューブ８３の内側に配置されたスチームパイプ１１６で生成された水蒸気と電解槽１２６で生成された水素酸素ガスが燃料改質用ガスとして供給される。熱交換器１８の底部には温度センサ３０４が装着されていて熱交換器１８の作動温度を検出してコントローラ１０１Ａに送信する。さらに、エンジン２０の出力軸２２８近辺にはエンジン速度センサ３０６が配置されていて、出力軸２２８の回転数を検出してコントローラ１０１Ａに送信する。コントローラ１０１ＡはＣＰＵを有するマイクロコンピュータ（図示せず）を備え、予め実験等で収集したデータに基づいて定められた制御マップを用意し、この制御マップに基づき、これ等センサ類からのパラメータに応じてポンプ１００、１１５、３０２の回転数を制御することにより、ロータリエンジン２２の回転数が所定回転数になるように制御する。
【００６２】
分散型熱電併給設備１０Ａの運転において、バーナ装置１６Ａに供給された水蒸気と水素酸素ガスとの存在下で、燃料噴射ノズル３０４から噴射する流体燃料の燃焼が促進される。特に、バイオマス燃料として黒液やバイオディーゼル燃料を使用した場合には、これ等液体燃料のガス化が促進されるため、燃焼不良が生じて排煙と一緒に環境汚染物質が排出される等の問題が解消される。
【００６３】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが出来る。例えば、本発明の実施例による分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備はランキンサイクルとして説明されたが、カリーナサイクルで利用しても良い。実施例では、熱交換器のコイルチューブが燃焼室の炎に直接露出するように開示されたが、必要に応じてコイルチューブに直接、燃焼室の炎を接触させないように燃焼室内に熱シールド部材を配置しても良い。なお、コイルチューブは燃焼室と同心的に配置されたが、本発明はこの実施態様に限定されない。例えば、コイルチューブの軸心が燃焼室に対して交差するような構造又はコイルチューブの軸心が燃焼室に対して並列となるように変形しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施例による分散型バイオマス熱電併給設備の一部断面図を示す。
【図２】図１に示したロータリフィーダの詳細図を示す。
【図３】図１に示したロータリエンジンの断面図を示す。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線から見たロータリエンジンの断面図を示す。
【図５】本発明の第２実施例による分散型熱電併給設備のブロック図を示す。
【符号の説明】
【００６５】
１２ 燃焼室
１４ バイオマス燃料供給装置
１６ 燃焼部
１８ 熱交換器
２０ 蒸気ロータリエンジン
２２ 交流発電機
６０、６０Ａ バーナ装置
６８ 改質用ガス噴射部
７０ 燃焼空気供給ダクト
７２ ガス噴射ノズル
７５ 水蒸気供給ノズル
１０１、１０１Ａ コントローラ
１０６ 排熱回収熱交換器
１１５ 加圧ポンプ
２１６ ハウジング
２２４ 円形空洞室
２２６ カムローブ
２３５ ロータ
２３９ ピストン作動室
３００ 燃料タンク
【技術分野】
【０００１】
【技術分野】
本発明は分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備に関し，特に、スマートグリッドに適した分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境対策および経済対策の有効な手段として、スマートグリッドが注目され、特に、スマートグリッド用に利用可能な分散型発電設備やバイオマス等の代替エネルギー資源を利用した分散型発電設備のニーズが高まっている。さらに、ゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルに対応したバイオマス等の再生可能エネルギーを活用した分散型発電設備の実用化が急務となっている。
【０００３】
特許文献１には、可燃性燃料発生装置の熱分解用乾留炉に燃焼部を装着して、バイオマス原料を加熱して熱分解し、木煙を冷却して得られる木タールを主燃料として燃焼器で燃焼させることによりマイクロガスタービンで発電機を駆動する一方、ガスタービンの排熱を回収するように構成したバイオマス熱電併給システムが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、木質系バイオマスや廃棄物系バイオマスを炭化して得た生成ガスで発電するようにしたバイオマス発電システムが記載されている。
【０００５】
特許文献３には、乾燥チップを粉砕して得た微粉燃料をバイオマス燃料として燃焼させ、その発生熱を熱源としてスターリングエンジンを駆動するようにしたバイオマス発電装置が記載されている。
【０００６】
特許文献４には、木質系バイオマスから燃料ガスを生成して、燃料ガスと空気との混ガスの燃焼により動力を発生させて、この動力で発電するようにしたバイオマス発電装置が記載されている。
【０００７】
特許文献５には、木質系バイオマスを炭化して得た可燃性ガスを燃焼させて生じる高温の燃焼ガスを発電用ボイラに供給して発電を行うようにしたバイオマス発電施設が記載されている。
【０００８】
特許文献６には、バイオマスを炭化或は乾燥粉砕した高品質の燃料を燃焼させて蒸気に変換し、蒸気タービンで動力に変換して発電するようにしたバイオマス発電装置が記載されている。
【０００９】
特許文献７には、バイオマス燃料を燃焼させて得た高温ガスによりガスタービンを介して発電機を駆動する一方、ガスタービンの排熱を回収するように構成したバイオマス発電システムが記載されている。
【００１０】
特許文献８には、バイオマス燃料をガス化して生成ガスのタール分を熱分解して得た改質ガスをロータリエンジンの燃料として利用して動力を発生させて発電させるようにしたバイオマス燃料対応型エンジンシステムとバイオマス燃料対応型発電システムが記載されている。
【００１１】
特許文献９には、原料ホッパーから投入した木質バイオマスをエンジンからの高温の排ガスを利用して熱分解炉で熱分解し、この熱分解で得られたタール成分を含む生成ガスを改質反応器に供給し、上記熱分解で得られた炭化物を触媒として改質反応器に導入することにより、タール成分を生成ガス中の水蒸気と反応させて改質ガスを得るようにした木質バイオマスガスの改質システムが記載されている。
【００１２】
特許文献１０には、ガスタービンで発生した動力の一部で圧縮機を回転させて得た圧縮空気を燃焼器に導入すると共に、燃焼器で固形状のバイオマス燃料を燃焼させて高圧ガスを発生させてガスタービンエンジンを駆動して発電する一方、排熱回収器で排熱エネルギーを得るようにしたバイオマス熱電併給システムが記載されている。
【００１３】
【特許文献１】特開平２００４−３０７７９３号
【特許文献２】特開平２００５−２７２５３０号
【特許文献３】特開平２００５−３０７８６０号
【特許文献４】特開平２００６−８７２２１号
【特許文献５】特開平２００７−３２１５２０号
【特許文献６】特開平２００６−２７４６号
【特許文献７】特開平２００８−１２８１７５号
【特許文献８】特開平２００８−２９８０３０号
【特許文献９】特開平２００９−２３５３３５号
【特許文献１０】米国特許第６８６２８７７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、特許文献１記載の発電システムでは、バイオマス原料を乾留するための可燃性燃料ガス発生装置がバーナや、乾留炉と、木タール及び木酢液の貯留タンクと、木ガスを捕集するための冷却器と、熱分解ガス洗浄塔と、ガス中の粉塵を除去するためのサイクロンと、木ガスと木タールを誘引するガス誘引ファンとを備えた複雑で大型の構造となっている。この構造において、バイオマス原料から主燃料として木タールを生成するための可燃性燃料発生装置の設置が必要であるが、この設備が大型化、大規模化し、設備コスト、排水処理コストおよびメンテナンスコスト等が嵩むという問題がある。しかも、マイクロガスタービンは騒音が６５〜７５ｄＢと極めて高いため、低騒音化用の付帯設備を必要とする。これ等付帯設備を装着してもなお近隣住民を納得させるレベルまで騒音を低減することは困難である。
【００１５】
特許文献２記載のバイオマス発電システムでは、固形バイオマス燃料を炭化装置で熱分解し、その後、炭化装置で生成したタール分を含む熱分解ガスをガス化炉で熱分解し、ついで、生成ガスをガス精製装置に送って精製してから発電装置に供給している。このようなバイオマス発電システムでは、発電装置で生成ガスを利用するまでに、複数の工程と大型設備を必要とするため、小型・軽量化、低コスト化した分散型発電設備を提供することは困難である。
【００１６】
特許文献３記載のバイオマス発電装置では、バイオマス原料を貯蔵するためのサイロと、チップ乾燥機と、乾燥チップ貯蔵ホッパーと、チップ粉砕機と、微粉ホッパーと、微粉燃料を燃焼させるためのバーナと、複雑な構造のスターリングエンジンが必須構成要件となっており、バイオマス原料から微粉燃料を生成するための微粉燃料発生装置の設備自体が大型化、大規模化し、設備コストおよびメンテナンスコスト等が嵩む傾向がある。しかも、スターリングエンジンは部品点数も多く、構造も複雑なため、大型化し、製造コストも高い。さらに、木質の微粉燃料を燃焼させた場合には、タール分が発生し、このタール分がスターリングエンジンの加熱部に付着してエンジン効率が低下するため、プラントを一旦、停止してタール分をエンジンの加熱部から除去しなければならず、プラントの効率が低下するだけでなく、保守点検コストが増大する。
【００１７】
特許文献４記載のバイオマス発電装置では燃料ガスを得るための設備が複雑であるだけでなく、極めて大きな設備であり、小型・軽量化、低コスト化が困難である。さらに、木質系バイオマスから大量の燃料ガスを得る際には大量のタール分が発生するが、このタール分が熱分解されずにガスエンジンに直接供給されている。この場合、タール分がガスエンジンの各部に付着するため、様々なエンジントラブルの原因となる。このため、小型・軽量化、低コスト化した分散型発電設備を提供することは困難である。
【００１８】
特許文献５記載のバイオマス発電施設では、バイオマスを熱分解するためのガス化炉や、熱分解して得た可燃性ガスを燃焼させて蒸気を発生させるための発電用ボイラーを必要とし、設備全体が非常に大型のシステムとなり、小型・軽量化、低コスト化が困難である。
【００１９】
特許文献６記載のバイオマス発電装置では、燃焼熱交換炉体内の壁部に熱交換水管を配置し、バイオマス燃料を燃焼させて得た燃焼熱で熱交換水管の水体を加熱して水蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動して発電するようになっている。このバイオマス発電装置では、熱交換水管を効果的に加熱するために、燃焼熱交換炉体の炉壁を遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成し、炉壁から反射された遠赤外線と炉壁に付与された触媒機能とにより、高温の燃焼熱を発生させて熱交換水管を効果的に加熱するようになっている。この装置では、燃焼熱交換炉体の炉壁を遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成しているため、コストアップの大きな要因となるだけでなく、燃焼熱交換炉体を小型・軽量化することは困難である。しかも、バイオマス燃料は直接燃焼室内で燃焼させているが、このとき生じるタール分や灰分がロストルや炉床部分に固着するため、炉床部分の目詰まりが生じてトラブルの原因と成り易いが、そのための対策が講じられていない。したがって、設備の保守点検の手間がかるだけでなく，運転コストも増大する。
【００２０】
特許文献７記載のバイオマス発電システムでは、バイオマス燃料を燃焼させて高温ガスを作動ガスとして生成する常圧燃焼炉の設備が大型化、大規模化し、設備コストおよびメンテナンスコスト等が嵩む問題がある。しかも、常圧燃焼炉では安全性の面から高圧の高温ガスを生成できないため、タービンの動力出力を効率よく高めることが出来ない。したがって、ガスタービンや圧縮機の容量が比較的に大きくなり、設備の大型化、大規模化が避けられない。また、ガスタービンは一般的に騒音が大きいため、低騒音化用の付帯設備も必要となり、余儀なく、全体設備が大型化する。
【００２１】
特許文献８記載のバイオマスシステムでは、改質ガスを得るために複数の工程がかかり、さらに、バイオマス燃料をガス化して生成ガスを得るためのガス化炉や生成ガスのタール分を熱分解して可燃成分を得るためのタール改質反応炉等の大型の設備を必要としているため、小型・軽量化、低コスト化した分散型発電設備を提供することが困難である。しｓかも、タール改質反応炉にはバイオマス燃料を乾留して得た炭化物粒を充填してガス改質用に利用しているため、バイオマス燃料自体の有効利用率（発電効率）を向上させることができない。
【００２２】
特許文献９記載の木質バイオマスガスの改質システムでは、タール蒸気の改質専用の大型設備の改質反応器を別途、設ける必要があり、しかも、エンジンの排ガスを熱分解炉の熱源として利用しているため、設備全体が大型化、大規模化し、設備コストも増大する傾向にある。
【００２３】
特許文献１０記載のバイオマス熱電併給システムでは、燃焼器でバイオマス燃料を燃焼させる際に発生するタール成分が燃焼器のアウトレットに付着し、さらには、ガスタービンのブレードに付着するため、様々なエンジントラブルや作動トラブルの要因となり、バイオマス熱電併給システムの運転効率の低下やシステムトラブルによる運転中断を余儀なくされ、イオマス熱電併給システムの信頼性が著しく損なわれる。
【００２４】
以上説明した従来のバイオマス発電システムは必然的に設備全体が大型化、大規模化し、設備コスト、排水処理コストおよびメンテナンスコスト等が嵩む一方、ガスタービンを利用した動力システムでは騒音トラブルという他の深刻な問題も抱えている。このように、従来の発電設備では、小型・軽量化、低騒音化、低コスト化及び低メンテナンスコスト化を図った分散型熱電併給設備や分散型バイオマス熱電併給設備を実用化することは困難であった。そのため、ゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルの実現化に適し、さらには、工場、ビル、病院、旅館、ホテル、スーパー、百貨店、コンビニ、外食産業、老人ホーム、ゲームセンー、パチンコ店、スポーツクラブ、ガソリンスタンド、公共施設等の小規模電力需要家から大型ホテル、大型ビル及び大規模工場等の大規模の電力需要家に至るまでオンサイトで設置可能な分散型熱電併給設備や分散型バイオマス熱電併給設備のニーズが高いにも拘わらず、これまで実用化されていなかった。
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
【００２５】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルの実現化に対応すると共に中小規模電力需要家や大規模電力需要家にもオンサイトで設置可能な小型軽量、低コスト、低騒音の分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備を提供することを目的とする。
【００２６】
請求項１記載の発明は、分散型熱電併給設備が、非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置された燃焼室と、前記燃焼室で燃料を燃焼させて前記蒸気発生熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段とを備え、前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを要旨とする。
【００２７】
上記構成によれば、非共沸点媒体からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた熱交換器の内側に燃焼室を配置しているため、従来技術の如く、バイオマス燃料を可燃ガスに変換するための熱分解炉や発電用ボイラー或は遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成した燃焼熱交換炉体等の大型設備の設置が不要となる。本実施例では、コイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器を直接、バイオマス燃料その他の熱源で加熱することを可能とした構成としているため、大型設備を設けることなく、外装ケーシング内に熱交換器やバーナ装置、蒸気ロータリーエンジン及び発電機を含む主要部品を収納可能にして小型・高性能の分散型熱電併給設備を実現可能となる。さらに、分散型熱電併給設備のシステム全体がクローズドシステムのランキンサイクルで構成され、エンジンの振動も少なく、低騒音となる。しかも、上記構成によれば、前記蒸気ロータリーエンジンは出没自在にロータに収納された揺動ブロックピストンで構成されるため、前記蒸気ロータリーエンジンを極めて少ない部品点数で構成することが可能となり、しかも、前記揺動ブロックピストンの剛性が高く、その振動やふらつきが少ないため、蒸気ロータリーエンジン自体の耐久性と信頼性を高めることもできる。その結果、小型・軽量、低コスト、低騒音で高効率の分散型発電設備を実現できる。この分散型発電設備はゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルに対応し、工場、ビル、病院、ホテル、コンビニ、スーパー、百貨店、ガソリンスタンド、公共施設、高齢者介護施設、スポーツセンタ等の中小規模電力需要家や大規模電力需要家にもオンサイトで設置可能となり、温暖化対策に多大の貢献が見込まれる。
【００２８】
請求項２記載の発明は、前記バーナ装置が前記燃料に改質用ガスを添加するための改質用ガス噴射部を備えることを要旨とする。
【００２９】
上記構成では、前記バーナ装置には改質用ガス噴射部が装着されていて前記燃料に改質用ガスを添加する構成となっている。したがって、燃料として木質ペレットのような固形バイオマス燃料を燃焼させた際に副生するタールをコンパクトな構造にてバーナ装置で可燃成分に変換して燃焼させることができる。そのため、バイオマス燃料の燃焼におけるタール成分の熱分解専用の大型の改質反応器等を別途、設ける必要がない。
【００３０】
請求項３記載の発明は、前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記改質用ガス噴射部が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に供給するガス噴射ノズルを備えることを要旨とする。
【００３１】
上記構成において、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に噴射するガス噴射ノズルを備えているため、燃料として木質ペレットのような固形バイオマス燃料を燃焼させた際に副生するタールをコンパクトな構造にて可燃成分に変換して燃焼させることができ、メンテ保守の手間とコストを削減可能な分散型熱電併給設備を提供することができる。また、一部発生したタール成分は一酸化炭素や水素等の可燃成分に改質されて可熱エネルギーとして再利用される。さらに、水素酸素ガスを供給した際には、高温の燃焼熱でバイオマス燃料自体のガス化が促進され、バイオマス燃料の完全燃焼がより効率的に促進される。その結果、ＣＯ等の未燃ガスの発生が少なくなり、前記燃焼部の燃焼熱の熱エネルギーも増大することとなる。したがって、簡単な構造にて固形燃料を安全に点火させ、燃焼時の排ガスのクリーン化と発電設備の運転効率の向上が図れる効果がある。
【００３２】
請求項４記載の発明は、前記熱交換器が、前記燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを要旨とする。
【００３３】
上記構成において、前記熱交換器が前記蓄熱材によって蓄熱した前記燃焼熱の熱エネルギーによってコイルチューブを加熱しているため、前記燃焼室内の燃焼熱の変動が生じても、その変動を蓄熱材によって吸収することで前記液相作動媒体から前記高圧蒸気を安定して発生することが可能となる。その結果、発電設備の出力がより安定することになる。
【００３４】
請求項５記載の発明は、分散型バイオマス熱電併給設備が、液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、前記バイオマス燃焼室でバイオマス燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、前記バーナ装置に前記バイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給装置と、前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、前記ロータの外周において前記円弧状揺動ブロックピストンにそれぞれ隣接して形成されたストッパー部と、前記円弧状揺動ブロックピストンに形成されていて、前記ストッパー部にそれぞれ係止して前記円弧状揺動ブロックピストンの前記最大突出位置を規制する係止部とを備え、前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを要旨とする。
【００３５】
上記構成によれば、液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器に隣接してバイオマス燃焼室を配置しているため、従来技術の如く、バイオマス燃料を可燃ガスに変換するための熱分解炉や発電用ボイラー或は遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成した燃焼熱交換炉体等の大型設備の設置が不要となる。本実施例では、コイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器を直接、バイオマス燃料の燃焼熱を発生する熱源で加熱することが可能な構成としているため、大型設備を設けることなく、外装ケーシング内に熱交換器やバーナ装置、蒸気ロータリーエンジン及び発電機を含む主要部品を収納可能にして小型・高性能の分散型バイオマス熱電併給設備を実現可能となる。さらに、分散型バイオマス熱電併給設備のシステム全体がクローズドシステムのランキンサイクルで構成され、エンジンの振動も少なく、低騒音となる。しかも、上記構成によれば、前記蒸気ロータリーエンジンは出没自在にロータに収納された揺動ブロックピストンで構成されるため、前記蒸気ロータリーエンジンを極めて少ない部品点数で構成することが可能となり、しかも、前記揺動ブロックピストンの剛性が高く、その振動やふらつきが少ないため、蒸気ロータリーエンジン自体の耐久性と信頼性を高めることもできる。その結果、小型・軽量、低コスト、低騒音で高効率の分散型バイオマス熱電併給設備を実現できる。この分散型バイオマス熱電併給設備はゼロエネルギー住宅やゼロエネルギービルに対応し、工場、ビル、病院、ホテル、コンビニ、スーパー、百貨店、ガソリンスタンド、公共施設、高齢者介護施設、スポーツセンタ等の中小規模電力需要家や大規模電力需要家にもオンサイトで設置可能となり、温暖化対策に多大の貢献が見込まれる。
【００３６】
請求項６記載の発明は、前記熱交換器が、前記バイオマス燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを要旨とする。
【００３７】
上記構成では、前記熱交換器が前記蓄熱材によって蓄熱した前記燃焼熱の熱エネルギーによってコイルチューブを加熱しているため、前記燃焼室内の燃焼熱の変動が生じても、その変動を蓄熱材によって吸収することで前記液相作動媒体から前記高圧蒸気を安定して発生することが可能となる。その結果、発電設備の出力がより安定することになる。
【００３８】
請求項７記載の発明は、前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バイオマス燃料に添加するガス噴射ノズルを備えることを要旨とする。
【００３９】
上記構成において、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に噴射するガス噴射ノズルを備えているため、燃料として木質ペレットのような固形バイオマス燃料を燃焼させた際に副生するタールをコンパクトな構造にて可燃成分に変換して燃焼させることができ、メンテ保守の手間とコストを削減可能な分散型熱電併給設備を提供することができる。また、一部発生したタール成分は一酸化炭素や水素等の可燃成分に改質されて可熱エネルギーとして再利用される。さらに、水素酸素ガスを供給した際には、高温の燃焼熱でバイオマス燃料自体のガス化が促進され、バイオマス燃料の完全燃焼がより効率的に促進される。その結果、ＣＯ等の未燃ガスの発生が少なくなり、前記燃焼部の燃焼熱の熱エネルギーも増大することとなる。したがって、簡単な構造にて固形燃料を安全に点火させ、燃焼時の排ガスのクリーン化と発電設備の運転効率の向上が図れる効果がある。
【００４０】
請求項８記載の発明は、分散型バイオマス熱電併給設備が、非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、前記熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、前記バイオマス燃焼室で木質ペレット燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するペレット燃焼バーナ装置と、前記ペレット燃焼バーナ装置に前記木質ペレット燃料を供給する木質ペレット燃料供給装置と、前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、前記蒸気ロータリーエンジンに連結されていて前記動力により出力電力を発生する発電機と、前記熱交換器と前記蒸気ロータリーエンジンとの間に接続されていて前記上記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、前記液相作動媒体を前記排熱回収熱交換器から前記蒸気発生熱交換器に加圧下で供給する加圧ポンプと、
前記バーナ装置に開口していて改質ガスを前記木質ペレット燃料に添加するガス噴射ノズルとを備えることを要旨とする。
【００４１】
上記構成によれば、液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器の内側にバイオマス燃焼室を配置しているため、従来技術の如く、木質ペレット燃料を可燃ガスに変換するための熱分解炉や発電用ボイラー或は遠赤外線の放射と触媒機能を付与するための特殊素材で形成した燃焼熱交換炉体等の大型設備の設置が不要となる。さらに、前記バーナ装置が水素酸素ガスを木質ペレットのような固形バイオマス燃料に添加しながら燃焼させるようにしたため、水素酸素ガスによる高温の燃焼熱で固形バイオマス燃料のガス化が促進され、バイオマス燃料の完全燃焼がより効率的に促進される。その結果、ＣＯ等の未燃ガスの発生が少なくなり、前記燃焼部の燃焼熱の熱エネルギーも増大することとなる。したがって、簡単な構造にて固形燃料を安全に点火させ、燃焼時の排ガスのクリーン化と発電設備の運転効率の向上が図れる効果がある。しかも、コイルチューブを備えた熱交換器を直接、バイオマス燃料の燃焼熱を発生する熱源で加熱して動力発生用の高圧蒸気を生成することが可能な構成としているため、大型設備を設けることなく、外装ケーシング内に熱交換器やペレット燃焼バーナ装置、蒸気ロータリーエンジン及び発電機を含む主要部品を収納可能にして小型・コンパクトで高性能の分散型バイオマス熱電併給設備を実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００４２】
以下、本発明の実施例による分散型バイオマス熱電併給設備について詳細に説明する。以下の説明において、本発明は一例として、木質系ペレットからなるバイオマス燃料を利用した分散型バイオマス熱電併給設備として説明されるが、本発明で利用可能な燃料は、バイオコークス、木質ペレットや廃材チップ等の固形バイオマス燃料に限らず、製紙工場で発生する黒液や、食用廃油から再生したバイオマスディーゼル燃料、廃棄食品や農業副産物等から製造したバイオエタノール及びバイオメタノールも含まれる。なお、その他の燃料としては、バイオガス、ＣＮＧ，ＬＰＧ、灯油又は水素等の燃料も利用可能なことはいうまでもない。
【００４３】
図１において、分散型バイオマス熱電併給設備１０は、図１において外装ケーシング２４の左側部分で断熱材１１によって外周部が囲まれて断熱構造となった蒸気発生熱交換器１８を備える。図示されていないが、断熱材１１の外周に円筒状ハウジングを配置して、この円筒状ハウジングを外装ケーシング２４に支持するように構成しても良い。蒸気発生熱交換器１８に隣接してバイオマス燃焼室１２が形成されており、熱交換器１８に隣接してバイオマス燃料供給装置１４が並列配置されている。バイオマス燃料供給装置１４は蒸気発生熱交換器１８の下方に配置された燃焼部１６に木質ペレット等のバイオマス燃料を供給する。燃焼部１６により、木質ペレットが燃焼すると、バイオマス燃焼室１２に燃焼熱が発生し、この燃焼熱は蒸気発生熱交換器１８を加熱して高圧蒸気を発生させる。排気は煙道１９から外部に排出される。高圧蒸気は蒸気ロータリーエンジン２０に導入されて動力を発生する。該動力により発電機２２が駆動される。これら構成部品は外装ケーシング２４内に一体的に装備されている。しかしながら、蒸気ロータリーエンジン２０と発電機２２とを外装ケーシング２４に隣接した他の外装ケーシング（図示せず）に収納しても良い。
【００４４】
バイオマス燃料供給装置１４は、バイオマス燃焼室１２に隣接して外装ケーシング２４の略中央に装着されていて木質ペレット、木材チップ、籾殻又は大鋸屑等の固形状バイオマス燃料Ｗｐを貯留するバイオマス燃料タンク２６を備える。外装ケーシング２４はバイオマス燃料タンク２６を開閉するための開閉蓋２７を備える。バイオマス燃料タンク２６は下部方向に延びるホッパー部２６ａを有し、ホッパー部２６ａの底部にタンク開口部２６ｂが開口している。図１及び図２より明らかなように、タンク開口部２６ｂにはロータリフィーダ２８からなるペレット搬送装置が連結される。ロータリフィーダ２８はタンク開口部２６ｂに連結された矩形状のハウジング３０を有する。ハウジング３０はベース部材３２を有し、ベース部材３２にギヤモータ３４が取り付けられている。ギヤモータ３４の駆動軸３６はベース部材３２により支持されたベアリング３８によって回転自在に支持される。駆動軸３６は円錐状の上端部３６ａを備えていて、ペレット燃料Ｗｐをタンク開口部２６ｂから落下しやすいように案内する。駆動軸３６にはホブ４０が固定され、ホブ４０の底部には回転円板４２が支持される。ボブ４０の外周にはその接線方向に延びるように等間隔で複数のブレード４４がネジ４６等で固定される。ブレード４４の先端部から所定の間隔で一部リング状ガイド４８及びシール材４９が垂直方向に延びるようにハウジング３０の上壁に固定されている。一方、複数のブレード４４の下端部は回転円板４２の上面に接するように配置される。リング状ガイド４８からはその径方向外側において回転円板４２の外周部よりも外側にまで当接部４８ａが延びていてペレット放出通路５０を形成する。ペレット放出通路５０の先端部に整列するようにベース部材３２にはペレット排出開口３２ａが形成されており、ペレット排出開口３２ａにはシュート５１が接続され、シュート５１の下方短部５１ａは燃焼部１６の上方に配置される。図２において、回転円板４２が時計方向ＣＷに回転すると、タンク開口部２６ｂから落下するペレット燃料Ｗｐはブレード４４が回転移動する際に、遠心力方向に働く作用によりリング状ガイド４８の内壁に押し付けられながら移動し、当接部４８ａに衝突しながら、回転円板４２の外周部に移動して、ペレット排出開口３２ａからシュート５１を介して燃焼部１６に給送される。上記構成によって、ロータリフィーダ２８は木質ペレットを目詰まりなく給送することができる。
【００４５】
図１において、燃焼部１６はペレット燃焼バーナ装置からなり、該バーナ装置１６は燃焼室支持フレーム５６の水平部材５８に装着された燃焼ポット６０からなり、燃焼ポット６０は筒状燃焼空気導入部６２と、ロストル部（燃焼皿）６４を備える。燃焼空気導入部６２とロストル部６４にはそれぞれ複数の開口部６２ａ及び６４ａが形成されている。ロストル部６４の開口部６４ａは燃えカス（燃焼灰）を回収するための灰回収部６６と連通していて、燃えカスが自重によって灰回収部６６に自然落下して収納される。燃焼空気導入部６２の外周には環状の改質用ガス噴射部６８が配置され、改質用ガス噴射部６８は水平部材５８の下面にネジその他の適当な連結手段（図示せず）により固定される。改質用ガス噴射部６８はその内側に形成された環状ガスチャンネル６８ａを有する。改質用ガス噴射部６８はさらに空気開口部６８ｂを備える。空気開口部６８ｂは燃焼空気供給ダクト７０に接続されていて、その水平方向端部が支持フレーム５６に固定される。燃焼空気供給ダクト７０はガス噴射ノズル７２を備え、バイオマス燃料のガス化とタール分の熱分解を促進するための水素酸素ガスが後述の如く、供給される。バーナ装置１６には、燃焼ポット６０の上部にセラミックヒータ等からなる点火ヒータ（点火装置）７４が設けられ、通電の際に燃焼ポット６０に搬送された燃料ペレットＷｐに着火するようになっている。燃焼空気供給ダクト７０にはさらに水蒸気供給ノズル７５が設けられる。燃焼空気供給ダクト７０の入り口７０ａには燃焼空気供給ファン７６が接続され、燃焼空気供給ダクト７０及び改質用ガス噴射部６８を介して加圧空気が水素酸素ガスや水蒸気とともにバーナ装置１６に供給される。
【００４６】
図１において、熱交換器１８は燃焼室１２の周囲を囲むように配置された筒状蓄熱槽８０と、該筒状蓄熱槽８０に充填された蓄熱材と、該筒状蓄熱槽８０の蓄熱材に埋め込まれた第１コイルチューブ８２と、第１コイルチューブ８２に連結されていて燃焼室１２の周囲に配置された第２コイルチューブ８３とを備える。筒状蓄熱槽８０は、燃焼室１２の周囲を囲む内筒８４と、内筒８４よりも大径の外筒８６と、環状壁部８８と、環状チャンバ９０と、環状チャンバ９０の上部に形成されたコーン部９２とを備える。環状チャンバ９０とコーン部９２には燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材９４が封入される。蓄熱材９４は、例えば、マグネシア、マグネタイト、シリカ及びアルミナなどの粒子状固体蓄熱材からなるグループから選択された少なくとも１種、或は、これらを複数種類を混合したものでも良い。これら固体蓄熱材に少量、例えば、約１５〜３０％の硝酸塩からなる液体蓄熱材を混合しても良い。
【００４７】
第１及び第２コイルチューブ８２、８３は一体的に連続しており、この中に作動媒体が封入される。作動媒体としては、例えば、アンモニア、ペンタン、イソペンタン、ヘキサン等の低沸点媒体、水単体あるいは水とアルコールとの混合媒体でもよい。その他の作動媒体としては、アンモニアとメチルアルコール（ＣＨ３ＯＨ）とを含む非共沸点混合物を利用してもよい。沸点６４．６５℃のメチルアルコールに沸点−３４．３４℃のアンモニアを添加した非共沸点混合物は沸点が約４０℃である。この非共沸点媒体の蒸気圧は１００℃のとき、１０．８ｂａｒ、１６０℃のとき、３４ｂａｒ、２００℃のとき６９ｂａｒ、２３０℃のとき１４９ｂａｒ、２５０℃のとき２５９ｂａｒとなる。水（Ｈ２Ｏ）が２５０℃のとき４７ｂａｒの蒸気圧となるのに対して、上記非共沸点媒体の圧力増大効果が如何に高いため、蒸気ロータリーエンジン２０の作動媒体としてとくに優れている。因みに、ディーゼルエンジンの平均有効圧力が１４．１〜１９．６ｂａｒとなっている。
【００４８】
第１コイルチューブ８２はパイプ９６を介してクローズドシステムの加圧ポンプ１００と連結しており、液相作動媒体が圧送される。加圧ポンプ１００はコントローラ１０１によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。コントローラ１０１には燃焼室１２の温度、ロータリエンジン２０の入り口圧力その他の各種パラメータが入力されており、これらパラメータに応じて制御弁１０３、ポンプ１００、１１５等が制御される。第１コイルチューブ８２の作動媒体は蓄熱材９４で予熱されて蒸気が生成され、この蒸気は第２コイルチューブ８３に流入して燃焼室１２の燃焼熱でさらに加熱されて高圧蒸気となる。次に、この高圧蒸気は第２コイルチューブ８３からパイプ１０２及び制御弁１０３を介して蒸気ロータリーエンジン２０に供給され、その高圧蒸気で蒸気ロータリーエンジン２０を駆動する。蒸気ロータリーエンジン２０から吐出された膨張蒸気はパイプ１０４を介して排熱回収熱交換器１０６に送られる。排熱回収熱交換器１０６は冷却水が供給されるパイプ１０８と、前記膨張蒸気の排熱エネルギーを回収する熱交換コイルチューブ１１０と、温水を取り出すパイプ１１２とを備える。パイプ１１２には分岐パイプ１１４が接続され、分岐パイプ１１４は加圧ポンプ１１５を介して熱交換器１８の下方において燃焼室１２に隣接して配置されたスチームパイプ１１６に接続される。スチームパイプ１１６は燃焼熱により加熱されて内部の温水が水蒸気に変換される。スチームパイプ１１６の出口は水蒸気供給ノズル７５に連結されていて、燃焼部１６に燃料改質用の水蒸気を供給する。
【００４９】
蒸気ロータリーエンジン２０には３相交流発電機又は単相交流発電機２２が連結されて交流出力を発生する。交流出力はパワーユニット１２０で交直変換されて所定の周波数例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに調整されて一部は空調設備その他の自家用負荷の駆動に利用され、残りの電力はパワーグリッド１２２を介して送電網に送られる。パワーユニット１２０には電解用電源１２４が接続される。電解用電源１２４はパワーユニット１２０の交流電力を３Ｖ〜１２Ｖに降圧して電解用の直流電力を電解槽１２６に供給する。電解槽１２６は内部にアルカリ水溶液等の電解液が充填されていて、電解作用により水素酸素ガスを生成する。水素酸素ガスは水素供給パイプ１３４を介して水素噴射ノズル１３６から噴射され、水蒸気供給ノズル７５から噴射する水蒸気と共に水蒸気供給チャンネル６８ａを経て燃焼部１６の燃料に添加される。図１において、水蒸気供給ノズル７５と水素噴射ノズル１３６とはそれぞれ独立した部品として示されているが、これ等部品を一体化した構造とし、水素酸素ガスと水蒸気との混合ガスを供給しても良い。また、図示を省略してあるが、水素噴射ノズル１３６の上流にはフレームアレスタ等のバックファイヤを防止するための金属メッシュ及び逆止弁等を設けてもよい。
【００５０】
一方、パワーユニット１２０の交流電力はスイッチ１３６を介してギヤモータ３４や燃焼空気供給ファン７６に供給される。実際の使用に当たっては、燃焼室１２に温度センサ（図示せず）を設けて、その温度信号に応答してインバータ等のコントローラを介してギヤモータ３４及び燃焼空気供給ファン７６が燃焼室１２を所定温度となるように回転制御される。
【００５１】
図３，４において、蒸気ロータリーエンジン２０は、インレット２１２及びアウトレット２１４を有する円筒状のシリンダーハウジング２１６を備える。シリンダーハウジング２１６はフロントカバー２１８と、リアカバー２２０と、センターケース２２２とを備える。フロントカバー２１８及びリアカバー２２０はそれぞれ円形空洞室２２４を有し、センターケース２２２はインレット２１２及びアウトレット２１４と連通するように形成されたピストン作動室２３９を有する。センターケース２２２は、さらに、インレット２１２及びアウトレット２１４との間において予め定められた範囲でピストン作動室２３９の半径方向内側に向かって延びていてインレット２１２に隣接して加圧領域２２４ａと排気領域２２４ｂとを形成するカムローブ２２６を有する。カムローブ２２６はフロントカム面２２６ａと、リアカム面２２６ｂと、中央円弧状カム面２２６ｃとを有する。
【００５２】
円形空洞室２２４及びピストン作動室２３９の中心軸と同心的に出力軸２２８が延びており、出力軸２２８はフロントカバー２１８とリアカバー２２０にそれぞれ固定支持されたベアリング２３０，２３２により回動自在に支持されている。ピストン作動室２３９にはロータ２３４が回転自在に収納される。ロータ２３４は出力軸２２８に支持されていて、カムローブ２２６の中央円弧状カム面２２６ａに摺動するセンターフライホイール２３５と、センターフライホイール２３５よりも径大で円形空洞室２２４の曲率半径と略同一の曲率半径を有し、円形空洞室２２４に回転自在に収納されたサイドフライホイール２３６、２３８とを備える。サイドフライホイール２３６、２３８は、センターフライホイール２３５の軸方向両端においてカムローブ２２６を部分的に挟むように配置され、サイドフライホイール２３６、２３８の軸方向空間部にピストン作動室２３９が区画される。
【００５３】
センターフライホイール２３５の外周部において周方向に均等に分割された位置には、ロータ２３４の接線方向に延びるように複数の円弧状ピストン室２４０が形成され、円弧状ピストン室２４０のそれぞれに複数の揺動ブロックピストン２４２が出没自在に収納されている。ここで「ブロックピストン」とは、円弧状揺動ブロックピストン２４２が板状やシート状ではなく、所謂、１つの塊となっているブロック形状を現すものとして定義される。カムローブ２２６は、円弧状揺動ブロックピストン２４２をセンターフライホイール２３５の外周に対して最大後退位置に移動させてアウトレット１４に隣接して排気領域２２４ｂを形成するとともにイントレット２１２に隣接して加圧領域２２４ａを形成する。このとき、サイドフライホイール２３６、２３８の軸方向空間において円弧状揺動ブロックピストン２４２の受圧面を最大突出位置に移動させて加圧領域２２４ａに露出させる。
【００５４】
複数の円弧状ピストン室２４０は、それぞれロータ２３４の接線方向に延びていて揺動ブロックピストン２４２の最大後退位置を規制する接線方向壁部２４０ａと、接線方向壁部２４０ａの後方からロータ２３４の半径方向に沿って延びる円弧状ガイド壁２４０ｂと、円弧状ガイド壁２４０ｂの外方端部に形成されていて円弧状揺動ブロックピストン２４２の最大突出位置を規制するストッパー部２４０ｃとを備える。
【００５５】
揺動ブロックピストン２４２は、円弧状ピストン室２４０の接線方向壁部２４０ａの先行部にピボット軸２４３を介して出没自在に支承された基部２４２ａと、該基部２４２ａから接線方向壁部２４０ａに沿って延びている内縁部２４２ｂと、円弧状ガイド壁２４０ｂで摺動すると共に円弧状揺動ブロックピストン２４２の最大突出位置にてストッパー部２４０ｃに係止可能な係合部２４２ｃと、係合部２４２ｃに摺動しながら出没可能な円弧状受圧部２４２ｄと、円弧状受圧部２４２ｄから基部２４２ａに向けて延びていてロータ２３４の外周の曲率半径と同一の曲率半径を有する円弧状カムフォロワ面２４２ｅと、円弧状カムフォロワ面２４２ｅの軸方向両端においてロータ２３４の軸方向端面と同一平面にて内縁部側２２２ｂに延びる側壁部２４２ｆとを備える。側壁部２４２ｆには内縁部２４２ｂに沿って潤滑油溜２４２ｇがテーパ状に形成されている。ピボット軸２４３の両端部はベアリング２４５によって回動自在に支持され、ベアリング２４５はサイドフライホール２３６、２３８に装着されている。
【００５６】
円弧状揺動ブロックピストン２４２の基部２４２ａの中央部の内側にはバネ収容溝部２５０が形成され、バネ収容溝部２５０内にコイルバネ２５１等の弾性部材が付勢手段として収納される。コイルバネ２５１のコイル部分はピボット軸２４３に装着されていて揺動ブロックピストン２４２を最大突出位置に付勢している。
【００５７】
出力軸２２８の中央部には接続部２５４を介して外部の潤滑油供給源と連通する潤滑油供給路２２８ａが形成される。一方、第２フライホール２３６、２３８には潤滑油供給路２２８ａと連通しながら放射状に延びる複数の潤滑油通路２５６が形成されており、これら潤滑油通路２５６はいずれも揺動ブロックピストン２４２の最大突出位置で潤滑油溜２４２ｇと連通するような位置に形成された開口部５６ａを備える。
【００５８】
上記構成において、電源スイッチ（図示せず）が投入されると、スイッチ１３６が導通して、ギヤモータ３４、燃焼空気供給ファン７６、点火装置７４及び電解槽１２６が作動開始する。電解槽１２６からの水素酸素ガスがガス噴射ノズル１３６から噴射すると、点火装置７４により着火した火炎によって燃焼部１６に供給された木質ペレットＷｐが着火する。このとき、水素酸素ガスの高温の火炎によって木質ペレットＷｐのガス化が促進されながらバイオマス燃料が燃焼する。そのとき発生する燃焼炎Ｆは燃焼室１２内に燃焼熱を発生させ、第２コイルチューブ８３、熱交換器８０及びスチームパイプ１１６を加熱する。燃焼室１２が所定温度に達すると、コントローラ１０１によってポンプ１００がＯＮとなり、制御弁１０３がＯＰＥＮ状態とされる。このとき、熱交換器８０及び第２コイルチューブ８３で発生した高圧蒸気は蒸気ロータリーエンジン２０のインレット２１２から作動室２２４に導入される。このとき、図３において、カムローブ２２６が１つの揺動ブロックピストン２４２の円弧状カムフォロワ面２４２ｅに係合し、この円弧状カムフォロワ面２４２ｅを最大後退位置に移動させて加圧領域２２４ａの後方部を密閉し、隣接した他の揺動ブロックピストン２４２の受圧部２４２ｄをバネ２５１の作用によって最大突出位置まで加圧領域２２４ａの先行部に突出させる。この突出位置において、高圧蒸気は当該揺動ブロックピストン２４２の円弧状受圧部２４２ｄに作用する。このとき、円弧状受圧部２４２ｄに作用した圧力は円弧状カムフォロワ面２４２ｅを介して揺動ブロックピストン２４２の基部２４２ａからロータ２３４の接線方向に伝達され、ロータ２３４に回転トルクを発生させる。そのため、ロータ２３４が時計方向Ｃｗに回転移動する。このように、複数の揺動ブロックピストン２４２は順次、高圧蒸気の作用を受けて、周期的に出没しながら時計方向Ｃｗに回転移動する。
【００５９】
一方、蒸気ロータリーエンジン２０で膨張して低圧となったガス相作動媒体はアウトレット２１４とパイプ１０４を介して排熱回収熱交換器１０６に送られ、冷却水と熱交換されてパイプ１１２から温水を取り出す。温水の一部は加圧ポンプ１１５を介してスチームパイプ１１６に圧送され、燃焼室１２の燃焼熱で加熱されって水蒸気を生成する。この水蒸気は水蒸気供給ノズル７５から燃焼空気供給ダクト７０を介して燃焼部１６に送られる。このとき、燃料ペレットＷｐで発生するタール分は、水素酸素ガス火炎の高温状態で、効率的にＣＯとＨ２との可燃成分に改質されて燃焼する。
【００６０】
つぎに、本発明の第２実施例による分散型熱電併給設備１０Ａについて説明する。第１実施例の分散型熱電併給設備１０と同一の部材については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図５に示した第２実施例の散型熱電併給設備１０Ａは第１実施例の分散型バイオマス熱電併給設備１０とは燃焼ポット６０が流体燃料用の燃焼部として機能するバーナ装置６０Ａに差し替えられ、コントローラ１０１がコントローラ１０１Ａに差し替えられている点が異なる。流体燃料としては、製紙工場で発生する黒液や、食用廃油から再生したバイオマスディーゼル燃料やバイオエタノール等のバイオマス液体燃料の他に、ＣＮＧ，ＬＰＧ、灯油等の燃料を利用してもよい。
【００６１】
バーナ装置１６Ａは燃料タンク３００から燃料ポンプ３０２を介して加圧された流体燃料を噴射するための燃料噴射ノズル３０４と、該燃料噴射ノズル３０４の外周に配置されたガス噴射ノズル３０６と、バックファイア防止用のメッシュ部材３０８とを備える。ガス噴射ノズル３０６はインレット３１０を備えていて、インレット３１０には燃焼室１２内において第２コイルチューブ８３の内側に配置されたスチームパイプ１１６で生成された水蒸気と電解槽１２６で生成された水素酸素ガスが燃料改質用ガスとして供給される。熱交換器１８の底部には温度センサ３０４が装着されていて熱交換器１８の作動温度を検出してコントローラ１０１Ａに送信する。さらに、エンジン２０の出力軸２２８近辺にはエンジン速度センサ３０６が配置されていて、出力軸２２８の回転数を検出してコントローラ１０１Ａに送信する。コントローラ１０１ＡはＣＰＵを有するマイクロコンピュータ（図示せず）を備え、予め実験等で収集したデータに基づいて定められた制御マップを用意し、この制御マップに基づき、これ等センサ類からのパラメータに応じてポンプ１００、１１５、３０２の回転数を制御することにより、ロータリエンジン２２の回転数が所定回転数になるように制御する。
【００６２】
分散型熱電併給設備１０Ａの運転において、バーナ装置１６Ａに供給された水蒸気と水素酸素ガスとの存在下で、燃料噴射ノズル３０４から噴射する流体燃料の燃焼が促進される。特に、バイオマス燃料として黒液やバイオディーゼル燃料を使用した場合には、これ等液体燃料のガス化が促進されるため、燃焼不良が生じて排煙と一緒に環境汚染物質が排出される等の問題が解消される。
【００６３】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて説明したが、これ等はあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが出来る。例えば、本発明の実施例による分散型熱電併給設備及び分散型バイオマス熱電併給設備はランキンサイクルとして説明されたが、カリーナサイクルで利用しても良い。実施例では、熱交換器のコイルチューブが燃焼室の炎に直接露出するように開示されたが、必要に応じてコイルチューブに直接、燃焼室の炎を接触させないように燃焼室内に熱シールド部材を配置しても良い。なお、コイルチューブは燃焼室と同心的に配置されたが、本発明はこの実施態様に限定されない。例えば、コイルチューブの軸心が燃焼室に対して交差するような構造又はコイルチューブの軸心が燃焼室に対して並列となるように変形しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施例による分散型バイオマス熱電併給設備の一部断面図を示す。
【図２】図１に示したロータリフィーダの詳細図を示す。
【図３】図１に示したロータリエンジンの断面図を示す。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ線から見たロータリエンジンの断面図を示す。
【図５】本発明の第２実施例による分散型熱電併給設備のブロック図を示す。
【符号の説明】
【００６５】
１２ 燃焼室
１４ バイオマス燃料供給装置
１６ 燃焼部
１８ 熱交換器
２０ 蒸気ロータリエンジン
２２ 交流発電機
６０、６０Ａ バーナ装置
６８ 改質用ガス噴射部
７０ 燃焼空気供給ダクト
７２ ガス噴射ノズル
７５ 水蒸気供給ノズル
１０１、１０１Ａ コントローラ
１０６ 排熱回収熱交換器
１１５ 加圧ポンプ
２１６ ハウジング
２２４ 円形空洞室
２２６ カムローブ
２３５ ロータ
２３９ ピストン作動室
３００ 燃料タンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、
前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置された燃焼室と、
前記燃焼室で燃料を燃焼させて前記蒸気発生熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、
前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、
前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、
前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、
前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、
前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、
前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、
前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、
前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、
前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、を備え、
前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、
前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを特徴とする分散型熱電併給設備。
【請求項２】
前記バーナ装置が前記燃料に改質用ガスを添加するための改質用ガス噴射部を備えることを特徴とする請求項１記載の分散型熱電併給設備。
【請求項３】
前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記改質用ガス噴射部が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に供給するガス噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項２記載の分散型熱電併給設備。
【請求項４】
前記熱交換器が、前記燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜３記載の分散型熱電併給設備。
【請求項５】
液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、
前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、
前記バイオマス燃焼室でバイオマス燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、
前記バーナ装置に前記バイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給装置と、
前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、
前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、
前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、
前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、
前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、
前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、
前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、
前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、
前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、
前記ロータの外周において前記円弧状揺動ブロックピストンにそれぞれ隣接して形成されたストッパー部と、
前記円弧状揺動ブロックピストンに形成されていて、前記ストッパー部にそれぞれ係止して前記円弧状揺動ブロックピストンの前記最大突出位置を規制する係止部と、
を備え、
前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、
前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを特徴とする分散型バイオマス熱電併給設備。
【請求項６】
前記熱交換器が、前記バイオマス燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを特徴とする請求項５記載の分散型バイオマス熱電併給設備。
【請求項７】
前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バイオマス燃料に添加するガス噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項５又は６記載の分散型バイオマス熱電併給設備。
【請求項８】
非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、
前記熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、
前記バイオマス燃焼室で木質ペレット燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するペレット燃焼バーナ装置と、
前記ペレット燃焼バーナ装置に前記木質ペレット燃料を供給する木質ペレット燃料供給装置と、
前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、
前記蒸気ロータリーエンジンに連結されていて前記動力により出力電力を発生する発電機と、
前記熱交換器と前記蒸気ロータリーエンジンとの間に接続されていて前記上記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、
前記液相作動媒体を前記排熱回収熱交換器から前記蒸気発生熱交換器に加圧下で供給する加圧ポンプと、
前記バーナ装置に開口していて改質ガスを前記木質ペレット燃料に添加するガス噴射ノズルと、
を備えることを特徴とする分散型バイオマス熱電併給設備。
【請求項１】
非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、
前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置された燃焼室と、
前記燃焼室で燃料を燃焼させて前記蒸気発生熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、
前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、
前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、
前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、
前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、
前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、
前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、
前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、
前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、
前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、を備え、
前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、
前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを特徴とする分散型熱電併給設備。
【請求項２】
前記バーナ装置が前記燃料に改質用ガスを添加するための改質用ガス噴射部を備えることを特徴とする請求項１記載の分散型熱電併給設備。
【請求項３】
前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記改質用ガス噴射部が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バーナ装置に供給するガス噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項２記載の分散型熱電併給設備。
【請求項４】
前記熱交換器が、前記燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを特徴とする請求項１〜３記載の分散型熱電併給設備。
【請求項５】
液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、
前記蒸気発生熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、
前記バイオマス燃焼室でバイオマス燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するバーナ装置と、
前記バーナ装置に前記バイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給装置と、
前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、
前記動力により駆動されて出力電力を発生する発電機と、
前記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、
前記排熱回収熱交換器から得た前記液相作動媒体を前記コイルチューブに加圧下で供給する加圧ポンプと、を備え、
前記蒸気ロータリーエンジンが、真円のピストン作動室と、前記ピストン作動室の中心軸に向かって半径方向内側に延びていて所定の曲率半径の円弧状カム面を有するカムローブと、前記カムローブの前縁部と後縁部とにそれぞれ隣接して前記ピストン作動室と連通するインレット及びアウトレットを有するシリンダーハウジングと、
前記ピストン作動室よりも小径で前記カム面の前記曲率半径と略同一の曲率半径を持っていて、前記ピストン作動室と同心的に延びる出力軸に支持されて前記カムローブと摺動するように前記ピストン作動室に回転自在に収納されていて、前記インレットと前記前縁部とに隣接して形成された加圧領域と、前記アウトレットと前記後縁部とに隣接して形成された排気領域とを区画するロータと、
前記ロータの外周に均等間隔で形成されていて、前記ロータの半径方向に延びる円弧状ガイド壁をそれぞれ有する複数の円弧状ピストン室と、
前記円弧状ピストン室にそれぞれ最大突出位置と最大後退位置との間で出没自在に収納されていて、前記円弧状ガイド壁に沿って前記最大突出位置と前記最大後退位置に移動する円弧状ピストンヘッドと、前記曲率半径と同一の曲率半径を持っていて前記カムローブと周期的に摺動するカムフォロワー面を有する円弧状揺動ブロックピストンと、
前記円弧状揺動ブロックピストンを前記最大突出位置に移動させる付勢手段と、
前記ロータの外周において前記円弧状揺動ブロックピストンにそれぞれ隣接して形成されたストッパー部と、
前記円弧状揺動ブロックピストンに形成されていて、前記ストッパー部にそれぞれ係止して前記円弧状揺動ブロックピストンの前記最大突出位置を規制する係止部と、
を備え、
前記円弧状揺動ブロックピストンが互いに隣接する第１及び第２揺動ピストンを備え、
前記第１揺動ピストンのカムフォロワー面が前記カム面と摺動すると、前記加圧領域の後方端部が密閉され、このとき同時に、前記第２揺動ピストンのピストンヘッドが前記加圧領域において前記最大突出位置に移動して前記高圧蒸気の作用を受けることを特徴とする分散型バイオマス熱電併給設備。
【請求項６】
前記熱交換器が、前記バイオマス燃焼室に隣接して配置された筒状蓄熱槽と、前記筒状蓄熱槽に封入されていて前記燃焼熱の熱エネルギーを蓄熱する蓄熱材とを備え、前記コイルチューブの少なくとも一部が前記蓄熱材に埋め込まれていることを特徴とする請求項５記載の分散型バイオマス熱電併給設備。
【請求項７】
前記分散型熱電併給設備が、さらに、前記燃焼室の前記燃焼熱及び前記膨張蒸気の排熱エネルギーの少なくとも１つで加熱されることにより水蒸気を生成する水蒸気生成部と、前記出力電力の一部で電解液を電解して水素酸素ガスを発生する電解槽との少なくとも１つを備え、前記バーナ装置が前記水蒸気及び前記水素酸素ガスの少なくとも１つを前記バイオマス燃料に添加するガス噴射ノズルを備えることを特徴とする請求項５又は６記載の分散型バイオマス熱電併給設備。
【請求項８】
非共沸点混合物からなる液相作動媒体を加熱して高圧蒸気を発生させるコイルチューブを備えた蒸気発生熱交換器と、
前記熱交換器に隣接して配置されたバイオマス燃焼室と、
前記バイオマス燃焼室で木質ペレット燃料を燃焼させて前記熱交換器に燃焼熱を供給するペレット燃焼バーナ装置と、
前記ペレット燃焼バーナ装置に前記木質ペレット燃料を供給する木質ペレット燃料供給装置と、
前記コイルチューブで発生した前記高圧蒸気を導入して動力を発生する蒸気ロータリーエンジンと、
前記蒸気ロータリーエンジンに連結されていて前記動力により出力電力を発生する発電機と、
前記熱交換器と前記蒸気ロータリーエンジンとの間に接続されていて前記上記蒸気ロータリーエンジンから吐出された膨張蒸気を凝縮して前記液相作動媒体を生成すると共に排熱エネルギーを回収する排熱回収熱交換器と、
前記液相作動媒体を前記排熱回収熱交換器から前記蒸気発生熱交換器に加圧下で供給する加圧ポンプと、
前記バーナ装置に開口していて改質ガスを前記木質ペレット燃料に添加するガス噴射ノズルと、
を備えることを特徴とする分散型バイオマス熱電併給設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−７６００（Ｐ２０１２−７６００Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５９１１７（Ｐ２０１０−１５９１１７）
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（５９８０５３９２７）エルソン株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（５９８０５３９２７）エルソン株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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