(57)【要約】【課題】エンジンに供給される過給空気の温度の著しい上昇を抑えながら熱エネルギー回収装置を起動することが可能な熱エネルギー回収システムを提供すること。【解決手段】蒸発器（２１）、膨張機（２２）、動力回収機（２３）、凝縮器（２４）及びポンプ（２５）を含む熱エネルギー回収装置（２０）と、冷却媒体供給流路（３０）と、分岐流路（３２）と、制御部（４０）と、を備え、制御部（４０）は、熱エネルギー回収装置（２０）の起動時、エアクーラ（１６）から流出した過給空気の温度又はエアクーラ（１６）から流出した冷却媒体の温度が基準温度以下に維持されるように、エアクーラ（１６）に供給される冷却媒体の流量及び凝縮器（２４）に供給される冷却媒体の流量の総和に対する凝縮器（２４）に供給される冷却媒体の流量の割合を増大させること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに供給される過給空気と作動媒体とを熱交換させることにより当該作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機に接続された動力回収機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器、及び、前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含む熱エネルギー回収装置と、
前記蒸発器から流出した過給空気を冷却するエアクーラに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路と、
前記冷却媒体供給流路から分岐しており、前記冷却媒体供給流路を流れる前記冷却媒体の一部を前記凝縮器に導く分岐流路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記熱エネルギー回収装置の起動時、前記エアクーラから流出した過給空気の温度又は前記エアクーラから流出した冷却媒体の温度が基準温度以下に維持されるように、前記エアクーラに供給される前記冷却媒体の流量及び前記凝縮器に供給される前記冷却媒体の流量の総和に対する前記凝縮器に供給される前記冷却媒体の流量の割合を増大させる、熱エネルギー回収システム。
【請求項２】
請求項１に記載の熱エネルギー回収システムにおいて、
前記制御部は、前記エアクーラから流出した過給空気の温度又は前記エアクーラから流出した冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高い規定温度を超えたとき、前記熱エネルギー回収装置の運転を減速もしくは停止させるとともに、前記総和に対する前記エアクーラに供給される前記冷却媒体の流量の割合を増大させる、熱エネルギー回収システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱エネルギー回収システムにおいて、
前記制御部は、前記エンジンの負荷が高負荷状態のときは、前記基準温度として高基準温度を採用し、前記エンジンの負荷が前記高負荷状態よりも低い低負荷状態のときは、前記基準温度として前記高基準温度よりも低い低基準温度を採用する、熱エネルギー回収システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれに記載の熱エネルギー回収システムにおいて、
前記冷却媒体供給流路と前記分岐流路との接続部に設けられており、前記エアクーラに供給される前記冷却媒体の流量と前記凝縮器に供給される前記冷却媒体の流量とを調整可能な三方弁をさらに備え、
前記制御部は、前記エアクーラから流出した過給空気の温度又は前記エアクーラから流出した冷却媒体の温度が前記基準温度以下に維持されるように、前記三方弁の開度を調整する、熱エネルギー回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギー回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、過給機からエンジンに供給される過給空気の排熱を回収する熱エネルギー回収システムが知られている。例えば、特許文献１には、過給機付エンジンと、過給機付エンジンの排熱を回収する排熱回収装置と、を有する熱エネルギー回収システムが開示されている。過給機付エンジンは、過給機と、過給機から吐出された過給空気を冷却するエアクーラと、エンジンと、を有している。エアクーラには、冷却媒体供給管を通じて、過給空気を冷却するための冷却媒体が供給される。排熱回収装置は、過給機から吐出された過給空気により作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、膨張機に接続された動力回収機と、膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、を有している。凝縮器には、前記冷却媒体供給管から分岐した分岐管を通じて、前記冷却媒体供給管を流れる前記冷却媒体の一部が導入される。つまり、この熱エネルギー回収システムでは、過給機から吐出された過給空気は、蒸発器及びエアクーラによって冷却された後にエンジンに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２００１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示される熱エネルギー回収システムでは、排熱回収装置の起動時にエンジンに供給される過給空気の温度が高くなる場合がある。具体的に、排熱回収装置の起動時には、作動媒体の循環量が十分でないことに起因して、蒸発器での作動媒体による過給空気の冷却が不足し、これにより、エアクーラから流出する過給空気の温度が十分に下がらない場合がある。その場合、エンジンの燃費が悪化する懸念がある。
【０００５】
本発明の目的は、エンジンに供給される過給空気の温度の著しい上昇を抑えながら熱エネルギー回収装置を起動することが可能な熱エネルギー回収システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決する手段として、本発明は、エンジンに供給される過給空気と作動媒体とを熱交換させることにより当該作動媒体を蒸発させる蒸発器、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機、前記膨張機に接続された動力回収機、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器、及び、前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器へ送るポンプを含む熱エネルギー回収装置と、前記蒸発器から流出した過給空気を冷却するエアクーラに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路と、前記冷却媒体供給流路から分岐しており、前記冷却媒体供給流路を流れる前記冷却媒体の一部を前記凝縮器に導く分岐流路と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記熱エネルギー回収装置の起動時、前記エアクーラから流出した過給空気の温度又は前記エアクーラから流出した冷却媒体の温度が基準温度以下に維持されるように、前記エアクーラに供給される前記冷却媒体の流量及び前記凝縮器に供給される前記冷却媒体の流量の総和に対する前記凝縮器に供給される前記冷却媒体の流量の割合を増大させる、熱エネルギー回収システムを提供する。
【０００７】
本熱エネルギー回収システムでは、熱エネルギー回収装置の起動時に、エアクーラから流出した過給空気の温度又はエアクーラから流出した冷却媒体の温度が基準温度以下に維持されるように、前記総和に対する凝縮器に供給される冷却媒体の流量の割合を増大させるので、エンジンに供給される過給空気の温度が高くなり過ぎること（エンジンの燃費が悪化すること）を抑制しながら、熱エネルギー回収装置を起動することができる。
【０００８】
この場合において、前記制御部は、前記エアクーラから流出した過給空気の温度又は前記エアクーラから流出した冷却媒体の温度が前記基準温度よりも高い規定温度を超えたとき、前記熱エネルギー回収装置の運転を減速もしくは停止させるとともに、前記総和に対する前記エアクーラに供給される前記冷却媒体の流量の割合を増大させることが好ましい。
【０００９】
このようにすれば、エンジンに供給される過給空気の温度が高くなり過ぎること（エンジンの燃費が悪化すること）と、熱エネルギー回収装置を安全に減速もしくは停止することと、の双方が達成される。
【００１０】
また、前記熱エネルギー回収システムにおいて、前記制御部は、前記エンジンの負荷が高負荷状態のときは、前記基準温度として高基準温度を採用し、前記エンジンの負荷が前記高負荷状態よりも低い低負荷状態のときは、前記基準温度として前記高基準温度よりも低い低基準温度を採用することが好ましい。
【００１１】
このようにすれば、エンジンの負荷が高負荷状態及び低負荷状態のいずれの場合においても、エンジンに供給される過給空気の温度が高くなり過ぎることを抑制しながら、熱エネルギー回収装置を起動することができる。
【００１２】
また、前記熱エネルギー回収システムにおいて、前記冷却媒体供給流路と前記分岐流路との接続部に設けられており、前記エアクーラに供給される前記冷却媒体の流量と前記凝縮器に供給される前記冷却媒体の流量とを調整可能な三方弁をさらに備え、前記制御部は、前記エアクーラから流出した過給空気の温度又は前記エアクーラから流出した冷却媒体の温度が前記基準温度以下に維持されるように、前記三方弁の開度を調整することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、エンジンに供給される過給空気の温度の著しい上昇を抑えながら熱エネルギー回収装置を起動することが可能な熱エネルギー回収システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の熱エネルギー回収システムの構成の概略を示す図である。
【図２】制御部の制御内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態の熱エネルギー回収システム１について、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１６】
図１に示されるように、本熱エネルギー回収システム１は、過給機１０と、エアクーラ１６と、エンジン１８と、熱エネルギー回収装置２０と、制御部４０と、を備えている。
【００１７】
過給機１０は、圧縮機１１と、この圧縮機１１に接続されたタービン１２と、を有する。圧縮機１１で圧縮された過給空気は、吸気流路１３を通じてエアクーラ１６に供給される。
【００１８】
エアクーラ１６は、吸気流路１３に設けられている。エアクーラ１６は、圧縮機１１から吐出された過給空気と冷却媒体とを熱交換させることによって過給空気を冷却する。前記冷却媒体は、冷却媒体供給流路３０を通じてエアクーラ１６に供給される。エアクーラ１６から流出した過給空気は、吸気流路１３を通じてエンジン１８に供給される。本実施形態では、冷却媒体として海水が使用され、エンジン１８として、船舶用エンジンが用いられている。つまり、本熱エネルギー回収システム１は、船舶に搭載されている。ただし、熱エネルギー回収システム１の搭載先は、船舶に限られない。
【００１９】
エンジン１８から流出した排ガスは、排気流路１９を通じてタービン１２に流入する。タービン１２は、排ガスの膨張エネルギーによって駆動される。このタービン１２の駆動力により圧縮機１１が駆動される。
【００２０】
熱エネルギー回収装置２０は、蒸発器２１と、膨張機２２と、動力回収機２３と、凝縮器２４と、ポンプ２５と、蒸発器２１、膨張機２２、凝縮器２４及びポンプ２５をこの順に直列に接続する循環流路２６と、を備えている。
【００２１】
蒸発器２１は、吸気流路１３における圧縮機１１とエアクーラ１６との間の部位に設けられている。蒸発器２１は、圧縮機１１から吐出されかつエアクーラ１６に流入する前の過給空気と液相の作動媒体とを熱交換させることによって作動媒体を蒸発させる。
【００２２】
膨張機２２は、循環流路２６のうち蒸発器２１の下流側の部位に設けられている。本実施形態では、膨張機２２として、蒸発器２１から流出した気相の作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動される一対のスクリュロータを有する容積式のスクリュー膨張機が用いられている。
【００２３】
動力回収機２３は、膨張機２２に接続されている。本実施形態では、動力回収機２３として発電機が用いられている。この動力回収機２３は、膨張機２２の一対のスクリュロータのうちの一方のロータに接続された回転軸を有している。動力回収機２３は、前記回転軸が前記スクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。なお、動力回収機２３として、圧縮機等が用いられてもよい。
【００２４】
凝縮器２４は、循環流路２６のうち膨張機２２の下流側の部位に設けられている。凝縮器２４は、作動媒体を冷却媒体で冷却することにより凝縮（液化）させる。前記冷却媒体は、冷却媒体供給流路３０から分岐した分岐流路３２を通じて凝縮器２４に供給される。つまり、凝縮器２４には、冷却媒体供給流路３０を流れる冷却媒体（本実施形態では海水）の一部が供給される。
【００２５】
冷却媒体供給流路３０と分岐流路３２との接続部には、三方弁Ｖ１が設けられている。三方弁Ｖ１は、冷却媒体供給流路３０を流れる冷却媒体の総流量Ｆｔに対する凝縮器２４に供給される冷却媒体の第２流量Ｆｃの割合を調整可能である。総流量Ｆｔは、冷却媒体供給流路３０のうち分岐流路３２よりも上流側の部位を流れる冷却媒体の流量である。すなわち、総流量Ｆｔは、冷却媒体供給流路３０のうち分岐流路３２よりも下流側の本流路３１を通じてエアクーラ１６に供給される冷却媒体の第１流量Ｆａと、分岐流路３２を通じて凝縮器２４に供給される冷却媒体の第２流量Ｆｃと、の総和である。例えば、三方弁Ｖ１の開度が０％の場合、冷却媒体供給流路３０を流れる冷却媒体の全量がエアクーラ１６に供給され、三方弁Ｖ１の開度が５０％の場合、前記総流量Ｆｔの５０％ずつがエアクーラ１６及び凝縮器２４にそれぞれ供給される。つまり、三方弁Ｖ１の開度が０％の場合、前記割合はゼロであり、三方弁Ｖ１の開度が５０％の場合、前記割合は５０％である。本実施形態では、三方弁Ｖ１は、その開度（前記割合）を０％〜５０％の範囲で調整可能である。
【００２６】
ポンプ２５は、循環流路２６における凝縮器２４の下流側の部位（蒸発器２１と凝縮器２４との間の部位）に設けられている。ポンプ２５は、凝縮器２４から流出した液相の作動媒体を所定の圧力まで加圧して蒸発器２１に送る。ポンプ２５としては、遠心ポンプや、ギアポンプ等が用いられる。
【００２７】
本実施形態では、熱エネルギー回収装置２０は、膨張機２２をバイパスするバイパス流路２７を有している。バイパス流路２７の上流側の端部は、循環流路２６のうち蒸発器２１と膨張機２２との間の部位に接続されており、バイパス流路２７の下流側の端部は、循環流路２６のうち膨張機２２と凝縮器２４の間の部位に接続されている。循環流路２６のうち当該循環流路２６とバイパス流路２７の上流側の端部との接続部と膨張機２２との間の部位には、遮断弁Ｖ２が設けられている。バイパス流路２７には、バイパス弁Ｖ３が設けられている。
【００２８】
制御部４０は、流量調整部４２と、基準温度決定部４４と、を有する。
【００２９】
流量調整部４２は、熱エネルギー回収装置２０の起動時、エアクーラ１６から流出した過給空気の温度Ｔ１が基準温度Ｔｓ以下に維持されるように、前記総流量Ｆｔに対する前記第２流量Ｆｃの割合を増大させる。具体的に、流量調整部４２は、前記温度Ｔ１が基準温度Ｔｓ以下に維持されるように、三方弁Ｖ１の開度を調整する（開度を次第に大きくする）。なお、前記温度Ｔ１は、吸気流路１３のうちエアクーラ１６とエンジン１８との間の部位に設けられた温度センサ４１により検出される。また、熱エネルギー回収装置２０の起動時とは、本実施形態では、ポンプ２５の駆動時を意味する。
【００３０】
基準温度決定部４４は、エンジン１８の負荷の状態に応じて、前記基準温度Ｔｓを決定する。具体的に、基準温度決定部４４は、エンジン１８の負荷が高負荷状態であるときは、前記基準温度Ｔｓとして、高基準温度（例えば５０℃）を採用し、エンジン１８の負荷が前記高負荷状態よりも低い低負荷状態であるときは、前記基準温度Ｔｓとして、低基準温度（例えば４５℃）を採用する。エンジン１８の負荷は、過給機１０の回転数に基づいて決定される。
【００３１】
本実施形態では、流量調整部４２は、温度センサ４１の検出値が基準温度決定部４４により決定された基準温度Ｔｓよりも高い規定温度Ｔｈ（例えば５５℃）を超えると、熱エネルギー回収装置２０を停止するとともに、前記総流量Ｆｔに対する前記第２流量Ｆｃの割合が０％（前記総流量Ｆｔに対する前記第１流量Ｆａの割合が１００％）となるように三方弁Ｖ１の開度を０％とする。流量調整部４２は、熱エネルギー回収装置２０を停止させるために、熱エネルギー回収装置２０に対して停止信号を送信する。熱エネルギー回収装置２０に前記停止信号が入力されると、例えば、遮断弁Ｖ２が閉じられるとともにバイパス弁Ｖ３が開かれ、ポンプ２５、膨張機２２及び動力回収機２３が停止される。
【００３２】
以下、図２を参照しながら、制御部４０の具体的な制御内容について説明する。
【００３３】
制御部４０（流量調整部４２）は、熱エネルギー回収装置２０が停止している状態（膨張機２２、動力回収機２３及びポンプ２５が停止しており、遮断弁Ｖ２が閉じられバイパス弁Ｖ３が開かれている状態）において、前記総流量Ｆｔに対する前記第２流量Ｆｃの割合が０％〜１０％の範囲となるように三方弁Ｖ１の開度を調整する（ステップＳ１１）。
【００３４】
この状態において、制御部４０は、熱エネルギー回収装置２０に起動信号を送信する（ステップＳ１２）。これにより、熱エネルギー回収装置２０が起動する。具体的に、ポンプ２５が駆動され、暖機運転終了後、バイパス弁Ｖ３が閉じられるとともに遮断弁Ｖ２が開かれる。なお、膨張機２２及び動力回収機２３の回転数は、適宜調整される。
【００３５】
そして、制御部４０（流量調整部４２）は、温度センサ４１の検出値Ｔ１が基準温度決定部４４により決定された基準温度Ｔｓよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１３）。この結果、前記検出値Ｔ１が前記基準温度Ｔｈよりも小さい場合、制御部４０は、三方弁Ｖ１の開度（前記総流量Ｆｔに対する前記第２流量Ｆｃの割合）が５０％よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１４）。その結果、三方弁Ｖ１の開度が５０％よりも小さい場合、制御部４０は、三方弁Ｖ１の開度を大きくし（ステップＳ１５）、ステップＳ１３に戻る。これにより、凝縮器２４に供給される冷却媒体の第２流量Ｆｃが増大するので、つまり、凝縮器２４での作動媒体の冷却量が増えるので、ポンプ２５、膨張機２２及び動力回収機２３の回転数（動力回収量）を増大させることが可能となる。一方、三方弁Ｖ１の開度が５０％以上である場合（ステップＳ１４でＮＯの場合）、制御部４０は、三方弁Ｖ１の開度を調整することなくステップＳ１３に戻る。
【００３６】
一方、前記検出値Ｔ１が前記基準温度Ｔｓ以上である場合（ステップＳ１３でＮＯの場合）、制御部４０は、前記検出値Ｔ１が規定温度Ｔｈ以下か否かを判断する（ステップＳ１６）。この結果、前記検出値Ｔ１が規定温度Ｔｈ以下の場合、制御部４０は、三方弁Ｖ１の開度が１０％よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１７）。その結果、三方弁Ｖ１の開度が１０％よりも大きい場合、制御部４０は、三方弁Ｖ１の開度を小さくし（ステップＳ１８）、ステップＳ１３に戻る。これにより、エアクーラ１６に供給される冷却媒体の第１流量Ｆａが増大するので、エアクーラ１６から流出する過給空気の温度が低下する。一方、三方弁Ｖ１の開度が１０％以下である場合（ステップＳ１７でＮＯの場合）、制御部４０は、三方弁Ｖ１の開度を調整することなくステップＳ１３に戻る。
【００３７】
一方、前記検出値Ｔ１が規定温度Ｔｈ以上である場合（ステップＳ１６でＮＯの場合）、制御部４０は、熱エネルギー回収装置２０に停止信号を送るとともに、三方弁Ｖ１の開度をゼロとする（ステップＳ１９）。これにより、熱エネルギー回収装置２０が停止されるとともに、過給機１０から吐出された過給空気は、エアクーラ１６のみによって冷却される。
【００３８】
以上説明したように、本熱エネルギー回収システム１では、熱エネルギー回収装置２０の起動時に、エアクーラ１６から流出した過給空気の温度Ｔ１が基準温度Ｔｓ以下に維持されるように、前記総流量Ｆｔに対する凝縮器２４に供給される冷却媒体の第２流量Ｆｃの割合を増大させるので、エンジン１８に供給される過給空気の温度が高くなり過ぎること（エンジン１８の燃費が悪化すること）を抑制しながら、熱エネルギー回収装置２０を起動することができる。
【００３９】
また、制御部４０は、エアクーラ１６から流出した過給空気の温度Ｔ１が前記基準温度Ｔｓよりも高い規定温度Ｔｈを超えたとき、熱エネルギー回収装置２０の運転を停止させるとともに、前記総流量Ｆｔに対するエアクーラ１６に供給される冷却媒体の第１流量Ｆａの割合を増大させる。よって、エンジン１８に供給される過給空気の温度が高くなり過ぎること（エンジン１８の燃費が悪化すること）と、熱エネルギー回収装置２０を安全に停止することと、の双方が達成される。
【００４０】
また、制御部４０は、エンジン１８の負荷が高負荷状態のときは、前記基準温度Ｔｓとして高基準温度を採用し、エンジン１８の負荷が低負荷状態のときは、前記基準温度Ｔｓとして低基準温度を採用する。このため、エンジン１８の負荷が高負荷状態及び低負荷状態のいずれの場合においても、エンジン１８に供給される過給空気の温度が高くなり過ぎることを抑制しながら、熱エネルギー回収装置２０を起動することができる。
【００４１】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４２】
例えば、上記実施形態では、冷却媒体供給流路３０と分岐流路３２との接続部に三方弁Ｖ１が設けられた例が示されたが、冷却媒体供給流路３０の本流路３１及び分岐流路３２の双方に二方弁が設けられてもよい。この場合、制御部４０は、各二方弁の開度を調整することによって前記総流量Ｆｔに対する前記第２流量Ｆｃの割合を調整する。
【００４３】
また、上記実施形態では、前記総流量Ｆｔに対する前記第２流量Ｆｃの割合は、エアクーラ１６から流出した過給空気の温度に基づいて制御部４０によって調整される例が示されたが、前記割合は、エアクーラ１６から流出した冷却媒体の温度に基づいて制御部４０によって調整されてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１    熱エネルギー回収システム
１０    過給機
１６    エアクーラ
１８    エンジン
２０    熱エネルギー回収装置
２１    蒸発器
２２    膨張機
２３    動力回収機
２４    凝縮器
２５    ポンプ
２６    循環流路
２７    バイパス流路
３０    冷却媒体供給流路
３２    分岐流路
４０    制御部
４２    流量調整部
４４    基準温度決定部
Ｖ１    三方弁
【図１】
2018053856.tif 000003
【図２】
2018053856.tif 000004