(57)【要約】【課題】加圧吸気から効率良く廃熱を回収する。【解決手段】原動機システム１は、原動機３と、過給機４と、第１熱交換器５と、廃熱回収装置６とを備える。過給機４は、タービン４１とコンプレッサ４２とを備える。原動機３と過給機４とは、掃気路３１および排気路３２により接続される。排気路３２は、原動機３からの排気をタービン４１へと導く主排気路３２１と、主排気路３２１から分岐される分岐排気路３２２とを備える。分岐排気路３２２には、原動機３からの排気の一部である分岐排気が流れる。第１熱交換器５は、分岐排気路３２２および掃気路３１上に設けられる。第１熱交換器５は、ガス−ガス用プレート式熱交換器であり、分岐排気を熱源として、掃気路３１を流れる掃気を加熱する。これにより、掃気温度が高くなり、廃熱回収装置６により掃気から効率良く廃熱を回収し、回収動力を大きくすることができる。【選択図】図１
2014001675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原動機システムであって、
原動機と、
吸気を加圧して前記原動機に供給する過給機と、
前記過給機にて加圧された吸気である加圧吸気を前記原動機へと導く流路である加圧吸気路と、
前記原動機からの排気を前記過給機へと導く排気路と、
前記加圧吸気流路上に設けられ、前記排気を熱源として前記加圧吸気路を流れる前記加圧吸気を加熱する第１熱交換器と、
前記加圧吸気路上において前記第１熱交換器と前記原動機との間に配置され、前記加圧吸気路を流れる前記加圧吸気を熱源として作動流体を加熱して気化する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器にて気化された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機にて膨張させた前記作動流体を凝縮して液化する凝縮器と、
前記凝縮器にて液化された前記作動流体を前記第２熱交換器へと送出するポンプと、
を備えることを特徴とする原動機システム。
【請求項２】
請求項１に記載の原動機システムであって、
前記排気路が、
前記原動機と前記過給機とを接続する主排気路と、
前記主排気路から分岐し、前記原動機からの前記排気の一部が流れる分岐排気路と、
を備え、
前記第１熱交換器の前記熱源が、前記分岐排気路を流れる排気であり、
前記原動機システムが、
前記分岐排気路を流れる前記排気の流量を調節する排気流量調節部と、
前記第２熱交換器における熱負荷を取得する熱負荷取得部と、
前記熱負荷取得部からの出力に基づいて前記排気流量調節部を制御する排気流量制御部と、
をさらに備えることを特徴とする原動機システム。
【請求項３】
請求項２に記載の原動機システムであって、
前記熱負荷取得部が、前記原動機の回転数に基づいて前記熱負荷を取得することを特徴とする原動機システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の原動機システムであって、
前記膨張機が、前記第２熱交換器にて気化された前記作動流体により回転するタービンであることを特徴とする原動機システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の原動機システムであって、
船舶の主機システムであることを特徴とする原動機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原動機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ランキンサイクルを利用して原動機の廃熱からエネルギーを回収する技術が知られている。例えば、特許文献１では、内燃機関の排熱を、水よりも沸点が高い熱媒により回収し、当該熱媒と有機流体とを熱交換させて有機流体を蒸発させ、蒸発した有機流体によりタービンを駆動して発電を行う排熱回収発電装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４９３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、過給機付き原動機を備える原動機システムでは、過給機で加圧された吸気（加圧吸気）から廃熱を回収することが考えられるが、原動機の出力が低い場合、過給機から原動機へと供給される加圧吸気の温度も低いため、加圧吸気の廃熱から回収されるエネルギーが小さくなってしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、加圧吸気から効率良く廃熱を回収することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、原動機システムであって、原動機と、吸気を加圧して前記原動機に供給する過給機と、前記過給機にて加圧された吸気である加圧吸気を前記原動機へと導く流路である加圧吸気路と、前記原動機からの排気を前記過給機へと導く排気路と、前記加圧吸気流路上に設けられ、前記排気を熱源として前記加圧吸気路を流れる前記加圧吸気を加熱する第１熱交換器と、前記加圧吸気路上において前記第１熱交換器と前記原動機との間に配置され、前記加圧吸気路を流れる前記加圧吸気を熱源として作動流体を加熱して気化する第２熱交換器と、前記第２熱交換器にて気化された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、前記膨張機にて膨張させた前記作動流体を凝縮して液化する凝縮器と、前記凝縮器にて液化された前記作動流体を前記第２熱交換器へと送出するポンプとを備える。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の原動機システムであって、前記排気路が、前記原動機と前記過給機とを接続する主排気路と、前記主排気路から分岐し、前記原動機からの前記排気の一部が流れる分岐排気路とを備え、前記第１熱交換器の前記熱源が、前記分岐排気路を流れる排気であり、前記原動機システムが、前記分岐排気路を流れる前記排気の流量を調節する排気流量調節部と、前記第２熱交換器における熱負荷を取得する熱負荷取得部と、前記熱負荷取得部からの出力に基づいて前記排気流量調節部を制御する排気流量制御部とをさらに備える。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の原動機システムであって、前記熱負荷取得部が、前記原動機の回転数に基づいて前記熱負荷を取得する。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の原動機システムであって、前記膨張機が、前記第２熱交換器にて気化された前記作動流体により回転するタービンである。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の原動機システムであって、船舶の主機システムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、加圧吸気から効率良く廃熱を回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一の実施の形態に係る原動機システムの構成を示す図である。
【図２】廃熱回収装置における回収動力と掃気温度との関係を示す図である。
【図３】比較例の原動機システムにおける原動機負荷と掃気温度との関係を示す図である。
【図４】原動機負荷と回収動力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る原動機システム１の構成を示す図である。原動機システム１は、船舶の主機システムとして利用される。原動機システム１は、過給機付き原動機２と、第１熱交換器５と、過給機付き原動機２の廃熱を回収する廃熱回収装置６とを備える。
【００１４】
過給機付き原動機２は、２ストロークエンジンである舶用原動機３（以下、単に「原動機３」という。）と、ターボチャージャである過給機４とを備える。過給機４は、タービン４１と、タービン４１に機械的に接続されるコンプレッサ４２とを備える。原動機３と過給機４とは、掃気路３１および排気路３２により接続される。
【００１５】
排気路３２は、原動機３からの排気を過給機４のタービン４１へと導く。タービン４１は、排気路３２を介して供給された排気により回転する。タービン４１の回転に利用された排気は、原動機システム１の外部に排出される。コンプレッサ４２は、タービン４１にて発生する回転力を利用して（すなわち、タービン４１の回転を動力として）、原動機システム１の外部から吸気路４３により過給機４に導かれた吸気（空気）を加圧して圧縮する。コンプレッサ４２により加圧された吸気である加圧吸気（以下、「掃気」という。）は、掃気路３１を介して原動機３に供給される。このように、過給機４では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。掃気路３１は、過給機４から原動機３へと加圧吸気を導く流路である加圧吸気路である。
【００１６】
排気路３２は、主排気路３２１と、分岐排気路３２２とを備える。主排気路３２１は、原動機３と過給機４のタービン４１とを接続する。分岐排気路３２２は、原動機３近傍の分岐部３２４にて主排気路３２１から分岐し、タービン４１近傍の合流部３２５にて主排気路３２１に再び合流する。分岐排気路３２２には、原動機３からの排気の少なくとも一部（以下、「分岐排気」という。）が流れる。分岐排気は、分岐排気路３２２を通過した後、主排気路３２１を介してタービン４１に導かれる。
【００１７】
分岐排気路３２２上には調節弁３２３が設けられる。調節弁３２３は、分岐排気路３２２を流れる分岐排気の流量を調節する排気流量調節部である。分岐排気の流量は、排気流量制御部７２により調節弁３２３の開度が制御されることにより制御される。調節弁３２３が閉じられると、分岐排気路３２２には排気は流れず、原動機３からの排気の全量が主排気路３２１を介してタービン４１へと導かれる。
【００１８】
第１熱交換器５は、分岐排気路３２２および掃気路３１上に設けられる。分岐排気路３２２上では、第１熱交換器５は、調節弁３２３と合流部３２５との間に配置される。第１熱交換器５は、ガス−ガス用プレート式熱交換器であり、分岐排気を熱源として、掃気路３１を流れる掃気を加熱する。
【００１９】
廃熱回収装置６は、作動流体が流れる配管６１と、第２熱交換器６２と、膨張機６３と、凝縮器６４と、ポンプ６５とを備える。第２熱交換器６２、膨張機６３、凝縮器６４およびポンプ６５は、配管６１により接続される。作動流体としては、様々な流体が用いられてよく、本実施の形態では、Ｒ２４５ｆａのような代替フロン等の有機媒体が作動流体として用いられ、廃熱回収装置６において、いわゆる有機ランキンサイクル（ＯＲＣ：Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｒａｎｋｉｎｅ  Ｃｙｃｌｅ）が行われる。
【００２０】
第２熱交換器６２は、原動機３へと掃気を導く流路である掃気路３１上において、第１熱交換器５と原動機３との間に配置され、掃気路３１を流れる掃気を熱源として作動流体を加熱して気化させる。一方、掃気路３１内の掃気は、第２熱交換器６２内の作動流体により冷却された後、原動機３へと導かれる。換言すれば、第２熱交換器６２は、掃気を冷却するいわゆるインタークーラである。
【００２１】
膨張機６３は、第２熱交換器６２により気化された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。本実施の形態では、膨張機６３として、第２熱交換器６２にて気化された作動流体により回転するタービンが利用される。当該タービンの軸は発電機８に接続されており、第２熱交換器６２から配管６１を介して送り込まれる作動流体の飽和蒸気によりタービンが駆動されることにより、発電機８において発電が行われる。凝縮器６４は、膨張機６３にて膨張させた作動流体を凝縮して液化させる。ポンプ６５は、凝縮器６４にて液化された作動流体を加圧しつつ第２熱交換器６２へと送出する昇圧ポンプである。
【００２２】
熱負荷取得部７１は、第２熱交換器６２における熱負荷を取得する。熱負荷取得部７１による熱負荷の取得は、原動機３の回転数に基づいて行われる。具体的には、コンプレッサ４２から掃気路３１へと供給される掃気の温度および流量が、原動機３の回転数に基づいて求められ、第１熱交換器５による掃気の加熱を考慮して、第２熱交換器６２に供給される掃気の温度および流量が求められる。そして、第２熱交換器６２に供給される掃気の温度および流量に基づいて第２熱交換器６２における熱負荷が取得される。
【００２３】
図２は、廃熱回収装置６における発電機８による発電量（以下、「回収動力」という。）と掃気温度との関係を示す図である。図２の横軸は掃気温度（℃）を示し、縦軸は、掃気温度が２１３℃のときの回収動力に対する各掃気温度における回収動力の割合を示す。図２に示すように、掃気温度が高くなると廃熱回収装置６による回収動力は増加し、掃気温度が低くなると回収動力は減少する。
【００２４】
図３は、第１熱交換器や分岐排気路が設けられない原動機システム（以下、「比較例の原動機システム」という。）における原動機負荷と掃気温度との関係を示す図である。図３の横軸は原動機負荷（％）を示し、縦軸は、原動機負荷が８０％である場合の掃気温度に対する各原動機負荷における掃気温度の割合を示す。図３に示すように、比較例の原動機システムでは、原動機負荷が低下するに従って掃気温度が大きく低下する。換言すれば、原動機負荷が低下するに従って、廃熱回収装置の第２熱交換器における熱負荷が大きく低下する。
【００２５】
図４は、原動機負荷と回収動力との関係を示す図である。図４の横軸は原動機負荷（％）を示し、縦軸は、原動機負荷が８０％である場合の回収動力に対する各原動機負荷における回収動力の割合を示す。比較例の原動機システムでは、原動機負荷が低下するに従って上述のように第２熱交換器における熱負荷が大きく低下するため、図４中において破線９１にて示すように、廃熱回収装置による回収動力も大きく減少する。
【００２６】
これに対し、本実施の形態に係る原動機システム１では、分岐排気路３２２および掃気路３１上に設けられた第１熱交換器５により、分岐排気を熱源として掃気が加熱されるため、比較例の原動機システムよりも掃気温度が高くなる。これにより、比較例の原動機システムに比べて、廃熱回収装置６により掃気から効率良く廃熱を回収し、回収動力を大きくすることができる。
【００２７】
原動機システム１では、熱負荷取得部７１により取得された第２熱交換器６２における熱負荷に基づいて（すなわち、熱負荷取得部７１からの出力に基づいて）、排気流量制御部７２により調節弁３２３が制御され、第１熱交換器５における掃気の加熱が制御される。これにより、第２熱交換器６２における熱負荷、および、廃熱回収装置６による回収動力を容易に制御することができる。
【００２８】
原動機システム１では、例えば、原動機３の出力が常用出力未満の場合（本実施の形態では、原動機負荷が８０％未満の場合）のみ、分岐排気路３２２を介して第１熱交換器５に分岐排気が供給される。そして、排気流量制御部７２により分岐排気の流量が制御されることにより、第１熱交換器５と第２熱交換器６２との間における掃気温度が、常用出力時における掃気温度におよそ等しくされる。これにより、図４中において実線９２にて示すように、原動機３の出力が常用出力未満の場合に、比較例の原動機システムに比べて、効率良く掃気から廃熱を回収し、回収動力を大きくすることができる。また、原動機３の出力が常用出力以上の場合には、第１熱交換器５への分岐排気の供給を停止することにより、原動機３からの排気が、第１熱交換器５において冷却されることなくタービン４１に供給される。その結果、コンプレッサ４２において効率良く吸気を圧縮することができる。
【００２９】
なお、第１熱交換器５に対する分岐排気の供給の有無の基準となる原動機３の出力は、必ずしも常用出力には限定されず、原動機３の出力が所定の閾値出力未満の場合に分岐排気が第１熱交換器５に供給されて掃気の加熱が行われ、閾値出力以上の場合には第１熱交換器５に対する分岐排気の供給が停止されてもよい。また、原動機３の出力の全範囲において、分岐排気が第１熱交換器５に供給されてもよい。
【００３０】
原動機システム１では、分岐排気路３２２を流れる分岐排気が、第１熱交換器５を通過後、タービン４１に導かれる。このように、掃気の加熱に利用された後の排気も過給機４の駆動に利用することにより、原動機システム１の効率をより向上することができる。
【００３１】
原動機システム１では、上述のように、第１熱交換器５に分岐排気が供給されて掃気が加熱されることにより、原動機負荷の広い範囲に亘って、掃気の廃熱を効率良く回収することができる。したがって、原動機システム１は、原動機３を低負荷にて運転する頻度が比較的高い舶用の主機システムに特に適している。
【００３２】
熱負荷取得部７１では、第２熱交換器６２における熱負荷を、原動機３の回転数に基づいて容易に取得することができる。また、膨張機６３が、第２熱交換器６２にて気化された作動流体により回転するタービンであるため、廃熱回収装置６の構造は、比較的大きい廃熱を回収する原動機システムに特に適している。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００３４】
例えば、分岐排気路３２２は、第１熱交換器５を経由した後、タービン４１に直接的に接続されてもよい。この場合、分岐排気は、主排気路３２１を経由することなく、直接的にタービン４１に供給される。また、分岐排気路３２２は、第１熱交換器５を経由した後、主排気路３２１およびタービン４１に接続されなくてもよい。この場合、分岐排気は、タービン４１を経由することなく、原動機システム１の外部に排出される。
【００３５】
廃熱回収装置６では、膨張機６３はタービンには限定されず、例えば、膨張弁が膨張機６３として利用されてよい。膨張機６３は、必ずしも発電機８に接続される必要はなく、膨張機６３からの出力は、原動機システム１が配置される船内の様々な用途に利用されてよい。また、廃熱回収装置６の作動流体は、有機媒体には限定されない。
【００３６】
原動機システム１では、掃気路３１の第１熱交換器５と第２熱交換器６２との間に、掃気の温度および流量を測定するセンサが設けられ、当該センサからの出力に基づいて第２熱交換器６２の熱負荷が取得されてもよい。また、必ずしも第２熱交換器６２の熱負荷が取得される必要はなく、排気流量制御部７２により原動機３の回転数に基づいて調節弁３２３が制御されることにより、第１熱交換器５に供給される分岐排気の流量が制御されてもよい。原動機システム１では、分岐排気路３２２を流れる分岐排気の流量は、原動機３の回転数に拘わらず一定であってもよい。
【００３７】
原動機システム１では、分岐排気が第１熱交換器５に供給されることにより、掃気温度が比較例の原動機システムよりも高くなるのであれば、掃気温度は必ずしも常用出力時の掃気温度におよそ等しくされる必要はない。
【００３８】
原動機システム１では、原動機３の出力が比較的低い場合、原動機３からの排気の全量が分岐排気として分岐排気路３２２に供給されてもよい。この場合、調節弁３２３は、分岐部３２４に設けられる。また、分岐排気路３２２は必ずしも設けられる必要はなく、主排気路３２１および掃気路３１上に第１熱交換器５が設けられ、原動機３からの排気の全量が常に第１熱交換器５に供給され、掃気の加熱に利用されてもよい。
【００３９】
掃気路３１の第２熱交換器６２と原動機３との間には、海水等により掃気を冷却する冷却装置が設けられてもよい。これにより、掃気をさらに冷却して原動機３の効率を向上することができる。また、メンテナンス等により廃熱回収装置６が停止される場合であっても、掃気を冷却することができる。
【００４０】
原動機３は、必ずしも２ストロークエンジンである必要はなく、４ストロークエンジンが原動機３として利用されてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、過給機４により加圧された吸気である給気から、廃熱回収装置６により効率良く廃熱を回収し、回収動力を大きくすることができる。原動機システム１は、船舶の主機システム以外の用途に使用されてよく、過給機付き原動機２は、舶用原動機には限定されない。
【００４１】
上記実施形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００４２】
１    原動機システム
３    原動機
４    過給機
５    第１熱交換器
３１    掃気路
３２    排気路
６２    第２熱交換器
６３    膨張機
６４    凝縮器
６５    ポンプ
７１    熱負荷取得部
７２    排気流量制御部
３２１    主排気路
３２２    分岐排気路
３２３    調節弁
【図１】
2014001675.tif 000003
【図２】
2014001675.tif 000004
【図３】
2014001675.tif 000005
【図４】
2014001675.tif 000006