(57)【要約】【課題】内燃機関からの排熱温度が高温となった場合であっても高圧仕様の熱媒経路を導入することなく排熱回収できる排熱回収発電装置を提供する。【解決手段】沸点が水よりも高い熱媒と内燃機関の排熱とを熱交換させて熱回収する排熱回収器１，５と、熱媒と有機流体とを熱交換させて有機流体を蒸発させる蒸発器６０と、蒸発器６０によって蒸発させられた有機流体によって駆動されるパワータービン６２と、パワータービン６２の回転出力によって発電する発電機６８と、パワータービン６２を通過した有機流体で蒸発器に流入する有機流体を予熱するプレヒータ６４と、有機流体を凝縮させる凝縮器６６とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点が水よりも高い熱媒と内燃機関の排熱とを熱交換させて熱回収する排熱回収器と、
前記熱媒と有機流体とを熱交換させて該有機流体を蒸発させる蒸発器と、
該蒸発器によって蒸発させられた前記有機流体によって駆動されるタービンと、
該タービンの回転出力によって発電する発電機と、
タービンを通過した前記有機流体を凝縮させる凝縮器と、
を備えていることを特徴とする排熱回収発電装置。
【請求項２】
前記排熱回収器は、
前記内燃機関から排出される排ガスから熱回収を行う第１排熱回収器と、
前記内燃機関に設けられた過給機の圧縮空気を冷却する空気冷却器から熱回収を行う第２排熱回収器、及び／又は、前記内燃機関を冷却するエンジン冷却水から熱回収を行う第３排熱回収器と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収発電装置。
【請求項３】
前記排熱回収器による熱回収を行うタイミングが切り替え可能とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱回収発電装置。
【請求項４】
前記蒸発器、前記タービン、前記発電機、及び前記凝縮器は、同一の筐体内に収納されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排熱回収発電装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の排熱回収発電装置を備えていることを特徴とする船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排熱を回収して発電する排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排ガス等の排熱を回収して発電する技術が種々提案されている。下記特許文献１には、ディーゼル発電機からの排熱を熱源とする有機ランキンサイクル（Organic Rankine Cycle）によって発電する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】実用新案登録第３０４４３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１では、ディーゼルエンジンの排ガスから熱回収する際の熱媒体として水を用いている。水を熱媒体とした場合、ディーゼルエンジンの排ガスが高温（例えば２５０℃以上）になると、水または水蒸気の圧力が高圧となってしまう。したがって、水循環経路を高圧仕様にする必要があり、これでは高価なシステムとなってしまう。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、内燃機関からの排熱温度が高温となった場合であっても高圧仕様の熱媒経路を導入することなく排熱回収できる排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる排熱回収発電装置は、沸点が水よりも高い熱媒と内燃機関の排熱とを熱交換させて熱回収する排熱回収器と、前記熱媒と有機流体とを熱交換させて該有機流体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器によって蒸発させられた前記有機流体によって駆動されるタービンと、該タービンの回転出力によって発電する発電機と、タービンを通過した前記有機流体を凝縮させる凝縮器とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
有機流体は、蒸発器にて蒸発された後、タービンで膨張し、凝縮器で凝縮するサイクル、即ち有機ランキンサイクル（Organic Rankine Cycle）を行う。本発明では、有機ランキンサイクルを行う際に、内燃機関の排熱を沸点が水よりも高い熱媒で熱回収し、そしてこの熱媒によって有機流体を蒸発させることとした。このように、内燃機関の排熱を水によって熱回収するのではなく、沸点が水よりも高い熱媒を用いて排熱回収することとしたので、内燃機関の排熱が高温（例えば２５０℃以上）となっても水のように圧力が高くなることがない。したがって、熱媒経路を高圧仕様にする必要がなく、安価に構成することができる。
内燃機関としては、典型的には舶用ディーゼルエンジン（主機）が挙げられる。ただし、舶用に限らず、例えば発電等に用いられる陸用の内燃機関であっても良い。
内燃機関の排熱としては、排ガスが典型的に用いられる。また、内燃機関に設けられた過給機の圧縮空気を冷却する空気冷却器からの排熱や、水冷式の内燃機関の場合にはエンジン冷却水の排熱を用いることができる。なお、これら排ガス、空気冷却器およびエンジン冷却水の排熱は、それぞれ単独で用いても良いし、排ガスと空気冷却器といったように適宜組み合わせて用いても良い。
沸点が水よりも高い熱媒としては、熱媒体油が好適であり、具体的には、松村石油株式会社から入手可能な合成系高沸点高温度用熱媒体油であるバーレルサーム（登録商標）が用いられる。例えば、バーレルサーム４００は沸点が３９０℃とされる。
また、蒸発器の上流側に、有機流体を予熱するプレヒータを設ければ好適である。
【０００８】
さらに、本発明の排熱回収発電装置では、前記排熱回収器は、前記内燃機関から排出される排ガスから熱回収を行う第１排熱回収器と、前記内燃機関に設けられた過給機の圧縮空気を冷却する空気冷却器から熱回収を行う第２排熱回収器、及び／又は、前記内燃機関を冷却するエンジン冷却水から熱回収を行う第３排熱回収器とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
排ガスから熱回収する第１排熱回収器と、過給機の空気冷却器から熱回収する第２排熱回収器、及び／又は、内燃機関を冷却するエンジン冷却水から熱回収を行う第３排熱回収器とを備えることとした。これにより、内燃機関から多くの排熱を回収することができ、発電効率を上げることができる。
【００１０】
さらに、本発明の排熱回収発電装置では、前記排熱回収器による熱回収を行うタイミングが切り替え可能とされていることを特徴とする。
【００１１】
排熱回収器による熱回収のタイミングを切り替え可能としたので、内燃機関の運転状態や電力需要等に応じて排熱回収の要否を決めることができる。これにより、柔軟性の高い発電システムを構築することができる。
【００１２】
さらに、本発明の排熱回収発電装置では、前記蒸発器、前記タービン、前記発電機、及び前記凝縮器は、同一の筐体内に収納されていることを特徴とする。
【００１３】
蒸発器、タービン、発電機、及び凝縮器を同一の筐体内に収納することにより、排熱回収発電装置をコンパクトに構成することができる。また、仮に熱媒や有機流体が漏出した場合であっても、筐体内で熱媒や有機流体の流出を止めることができるので、安全性の高い排熱回収発電装置を提供することができる。
【００１４】
また、本発明の船舶は、上述の排熱回収発電装置を備えていることを特徴とする。
【００１５】
上記のいずれかの排熱回収発電装置を備えているので、有効に排熱回収できる省エネルギー性の高い船舶を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、沸点が水よりも高い熱媒を用いて排熱回収することとしたので、内燃機関の排熱が高温となっても水のように圧力が高くなることがない。したがって、熱媒経路を高圧仕様にする必要がなく、安価に排熱回収発電装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる排熱回収発電装置の流体経路を概略的に示した図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる排熱回収発電装置の要部の配置を示した斜視図である。
【図３】図１の変形例を示した図である。
【図４】図１の他の変形例を示した図である。
【図５】図１の第２排熱回収器周りの変形例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態の排熱回収発電装置の流体経路が概略的に示されている。本実施形態では、排熱回収装置１０が船舶の推進用主機（ディーゼルエンジン）の排熱回収として設置された構成として説明する。
排熱回収装置１０は、ディーゼルエンジンから排出される排ガスから熱回収する排ガスエコノマイザとされた第１排熱回収器１と、ディーゼルエンジンに設けられた過給機の空気冷却器３から熱回収する第２排熱回収器５と、これら排熱回収器１，５から排熱を受け取る熱媒が循環する熱媒経路７と、熱媒経路７の熱媒から熱を受け取り、有機ランキンサイクル（Organic Rankine Cycle）を構成する有機流体経路９とを備えている。
【００１９】
ディーゼルエンジンから排出された排ガスが流れる煙道１３には抽気配管１５が設けられている。この抽気配管１５から抽気された排ガスは、排熱回収発電装置１０の排ガス導入配管１７へと流れ込む。排ガス導入配管１７には第１排ガス制御弁１８が設けられている。排ガス導入配管１７によって導かれた排ガスは第１排熱回収器１へと供給される。第１排熱回収器１へ供給される排ガス温度は例えば約２３０℃とされる。
【００２０】
第１排熱回収器１には排ガス排出配管１９が接続されている。排ガス排出配管１９には第２排ガス制御弁２０が設けられている。第１排熱回収器１にて熱交換した後の排ガス温度は、例えば約１５０℃とされる。
熱交換後の排ガスは、排ガス排出配管１９を通って、煙道１３に接続された排ガス返送配管２１を介して煙道１３へと戻された後、煙突２３から大気へと排出される。
【００２１】
排ガス導入配管１７と排ガス排出配管１９との間には、排ガスバイパス制御弁２７を備えた排ガスバイパス配管２５が設けられている。
第１排ガス制御弁１８、第２排ガス制御弁２０及び排ガスバイパス制御弁２７の各開度を制御することにより、第１排熱回収器１にて熱回収する熱量が制御される。具体的には、第１排熱回収器１に出入りする排ガスの温度、圧力、流量等を図示しないセンサで検出し、所望の熱回収量となるように各制御弁１８，２０，２７の開度を制御する。
また、第１排熱回収器１にて熱回収を行わない場合には、第１排ガス制御弁１８及び第２排ガス制御弁２０を閉じ、排ガスバイパス制御弁２７を開くことによって、第１排熱回収器１への排ガス供給を停止させる。
【００２２】
ディーゼルエンジンの過給機に設けられた空気冷却器３は、過給機によって圧縮された空気の圧縮熱を除去するために用いられる。この空気冷却器３内には、低温度側から順に（図１において下方から）、内部に冷却水が流れる第１伝熱管３４と、内部に冷却水が流れる第２伝熱管３６とが設けられている。第１伝熱管３４及び第２伝熱管３６へと導かれる冷却水としては、船内の冷却系で用いられる清水または海水が用いられる。過給機から空気冷却器３へ供給される空気温度は例えば約１７０℃とされ、空気冷却器３にて熱交換を終えた空気温度は例えば約３０℃とされる。
【００２３】
第３伝熱管３６と第２排熱回収器５との間には、第３伝熱管３６にて熱交換を終えた冷却水を第２排熱回収器５に導く排熱回収用冷却水導入配管３８と、第２排熱回収器５にて熱交換を終えた冷却水を流す排熱回収用冷却水排出配管４０とが設けられている。第２排熱回収器５に流入する冷却水温度は例えば約１５０℃とされ、第２排熱回収器５にて熱交換を終えた冷却水温度は例えば１２０℃とされる。
【００２４】
排熱回収用冷却水導入配管３８には、第１冷却水弁４２が設けられている。この第１冷却水弁４２の上流側には、冷却水返送配管４４の上流端が接続されている。冷却水返送配管４４を通過した冷却水は、冷却水戻りラインへと返送される。冷却水返送配管４４には第２冷却水弁４５が設けられている。
【００２５】
排熱回収用冷却水排出配管４０には、冷却水循環ポンプＰ２及び第３冷却水弁４７が設けられている。冷却水循環ポンプＰ２により、第２排熱回収器５と第３伝熱管３６との間で冷却水が循環される。
【００２６】
第３冷却水弁４７の下流側には、接続配管４９の一端が接続されている。接続配管４９の他端は、第２伝熱管用冷却水導入配管５３と接続されている。接続配管４９には第４冷却水弁５１が設けられている。第２伝熱管用冷却水導入配管５３の下流端は、第２冷却水弁４５の下流側に位置する冷却水返送配管４４の中途位置に接続されている。第２伝熱管用冷却水導入配管５３には、第５冷却水弁５５が設けられている。
【００２７】
第１〜第５冷却水弁４２，４５，４７，５１，５５は、以下のように動作する。
第２排熱回収器５にて熱回収する場合には、第１冷却水弁４２及び第３冷却水弁４７を開とし、第２排熱回収器５と第３伝熱管３６との間で冷却水を循環させる。この場合、第２冷却水弁４５及び第４冷却水弁５１を閉とし、第５冷却水弁５５を開として、第２伝熱管３４から導かれた冷却水は第２伝熱管用冷却水導入配管５３を通り、第５冷却水弁５５を経て冷却水返送配管４４を通り冷却水戻りラインへと返送される。
【００２８】
第２排熱回収器５にて熱回収しない場合には、第１冷却水弁４２及び第３冷却水弁４７を閉とする。そして、第２冷却水弁４５及び第４冷却水弁５１を開とし、第５冷却水弁５５を閉とする。これにより、第２伝熱管３４から導かれた冷却水は、第２伝熱管用冷却水導入配管５３、接続配管４９を通り、第３伝熱管３６へ導かれた後、排熱回収用冷却水導入配管３８及び冷却水返送配管４４を通り冷却水戻りラインへと流れる。
【００２９】
次に、熱媒経路７について説明する。
熱媒経路７を流れる熱媒は、沸点が水よりも高い熱媒が用いられ、好適には熱媒体油が用いられる。具体的には、松村石油株式会社から入手可能な合成系高沸点高温度用熱媒体油であるバーレルサーム（登録商標）が用いられる。例えば、バーレルサーム４００は沸点が３９０℃とされる。
【００３０】
熱媒経路７は閉回路とされており、熱媒体を循環させるための熱媒循環ポンプＰ１が設けられている。この熱媒循環ポンプＰ１により、熱媒は、第１排熱回収器１、蒸発器６０及び第２排熱回収器５と熱交換するように循環する。
【００３１】
蒸発器６０の熱媒入口温度は例えば約２１０℃とされ、熱媒出口温度は例えば約１００℃とされる。この蒸発器６０にて、熱媒によって有機流体が蒸発させられる。蒸発器６０における有機流体の入口温度は例えば約９０℃とされ、出口温度は例えば約２００℃とされる。
【００３２】
次に、有機流体経路９について説明する。
有機流体経路９を流れる有機流体としては、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素や冷媒として用いられるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等を用いることができる。
有機流体経路９は閉回路とされており、有機流体を循環させるための有機流体循環ポンプＰ０が設けられている。有機流体は、蒸発器６０、パワータービン６２、プレヒータ６４、凝縮器６６を通過するように相変化を繰り返しながら循環する。
【００３３】
パワータービン６２は、蒸発器６０によって蒸発した有機流体の熱落差（エンタルピー落差）によって回転駆動される。パワータービン６２の回転動力は発電機６８に伝達され、発電機６８にて電力が得られるようになっている。発電機６８で得られた電力は、図示しない電力線を介して船内系統へと供給される。
【００３４】
パワータービン６８にて仕事を終えた有機流体（気相）は、プレヒータ６４にて、有機流体循環ポンプＰ０から送られた有機流体（液相）を予熱する。
プレヒータ６４を通過した有機流体は、凝縮器６６にて海水によって冷却されて凝縮液化する。凝縮液化した有機流体は、有機流体循環ポンプＰ０によってプレヒータ６４及び蒸発器６０へと送られる。
このように、有機流体経路９は、蒸発器６０、パワータービン６２、プレヒータ６４及び凝縮器６６とともに有機ランキンサイクルを構成する。
【００３５】
図２には、図１に示した排熱回収発電装置１０の要部の配置例が示されている。なお、図の簡略化のために、第２排熱回収器５に関連する経路については省略されている。
同図に示されているように、各機器が筐体１１内に収納されている。筐体１１内は閉空間とされており、この筐体１１内に、熱媒循環ポンプＰ１、熱媒循環ポンプＰ１に接続される熱媒経路７の一部、有機流体経路９の全て、蒸発器６０、パワータービン６２、発電機６８、プレヒータ６４、凝縮器６６、有機流体循環ポンプＰ０が設けられている。このように同一の筐体１１内に収納することにより、排熱回収発電装置の要部をユニット化することができる。これによりコンパクト化され、既存の船舶等への設置性をも高めることができる。
【００３６】
また、仮に熱媒や有機流体が筐体１１内に漏出した場合であっても、筐体１１内で熱媒や有機流体の流出を止めることができるので、安全性の高い排熱回収発電装置を提供することができる。さらに、筐体１１の上面には、ベンチレーションファン７０が設けられており、筐体１１内に流出した熱媒や有機流体を外部へ排出できるようになっている。
【００３７】
次に、上記構成の排熱回収発電装置１０の動作について図１を用いて説明する。
排熱回収の際には、ディーゼルエンジンからの排ガスの一部が抽気されて第１排熱回収器１へと導かれる。第１排熱回収器１では、熱媒経路７を循環する熱媒と排ガスとが熱交換され、排ガスの顕熱が熱媒に回収される。
また、過給機によって圧縮された空気が空気冷却器３の第３伝熱管３６によって冷却される。この際に第３伝熱管３６内を流れる冷却水は空気によって加熱されることにより、空気から熱を回収する。第３伝熱管３６にて加熱された冷却水は第２排熱回収器５へと導かれる。第２排熱回収器５では、熱媒経路７を循環する熱媒と冷却水とが熱交換され、冷却水の顕熱が熱媒に回収される。
【００３８】
第２排熱回収器５で排熱を回収し、さらに第１排熱回収器１で排熱を回収して高温となった熱媒は、蒸発器６０へと導かれ、有機流体経路９を循環する有機流体と熱交換する。有機流体は、蒸発器６０にて熱媒の顕熱によって加熱され蒸発気化する。蒸発気化して高エンタルピとなった有機流体は、パワータービン６２へと導かれ、その熱落差によってパワータービン６２を回転駆動させる。パワータービン６２の回転出力を得て、発電機６８にて発電が行われる。
パワータービン６２にて仕事を終えた有機流体（気相）は、プレヒータ６４にて蒸発器６０流入前の有機流体（液相）に予熱を与えた後、凝縮器６６へと導かれ、海水によって冷却されることにより凝縮液化する。
【００３９】
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
第１排熱回収器１及び第２排熱回収器５で排熱を回収する際に、沸点が水よりも高い熱媒で熱回収し、そしてこの熱媒によって有機流体を蒸発させることとした。このように、ディーゼルエンジンからの排熱を水によって熱回収するのではなく、沸点が水よりも高い熱媒を用いて排熱回収することとしたので、ディーゼルエンジンの排熱が高温（例えば１５０℃以上）となっても水のように圧力が高くなることがない。したがって、熱媒経路７を高圧仕様にする必要がなく、安価に構成することができる。
【００４０】
制御弁１９，２０，２７を制御することによって、第１排熱回収器１にて排熱回収しない運転が可能とされている。また、各冷却水弁４２，４５，４７，５１，５５を切り替えることによって、第２排熱回収器５にて排熱回収しない運転が可能とされている。このように、第１排熱回収器１や第２排熱回収器５による熱回収のタイミングを切り替えることができるので、ディーゼルエンジンの運転状態や船内電力需要等に応じて排熱回収の要否を決めることができる。これにより、柔軟性の高い発電システムを構築することができる。
【００４１】
なお、図１に示した実施形態では、第１排熱回収器１及び第２排熱回収器５によって排熱を回収することとしたが、図３に示すように、空気冷却器３からの排熱回収を省略して、第１排熱回収器１を用いた排ガスからの排熱回収のみとしても良い。あるいは、図４に示すように、ディーゼルエンジンの排ガスからの排熱回収を省略して、第２排熱回収器５を用いた過給機からの排熱回収のみとしても良い。
【００４２】
また、図５に示したように、空気冷却器を第１空気冷却器３ａと第２空気冷却器３ｂとに分割し、空気流れ上流側に位置する第１空気冷却器３ａから第２排熱回収器５にて排熱回収を行う構成としても良い。このような構成とすることにより、排熱回収を行うときのみ冷却水循環ポンプＰ２を駆動し、排熱回収を行わないときは冷却水循環ポンプＰ２を停止するという運転が可能となる。これにより、図１で示した各冷却水弁４２，４５，４７，５１，５５を省略することができる。また、第１空気冷却器３ａは有機ランキンサイクルを動作させるのに必要な容量の熱交換器として単独に設計することが可能となる。
【００４３】
上述した本実施形態の排熱回収発電装置１０は、船舶への適用を例として説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば発電等に用いられる陸用の内燃機関に適用することもできる。
また、第３排熱回収器として、水冷式の内燃機関の場合にはエンジン冷却水（ジャケット冷却水）の排熱を用いることができる。この場合には、第３排熱回収器を第１排熱回収器１及び第２排熱回収器５と組み合わせて用いても良いし、図１の第２排熱回収器５に代えて第３排熱回収器を用いても良い。あるいは、図４の第２排熱回収器５に代えて第３排熱回収器を単独で用いることもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１  第１排熱回収器
３  空気冷却器
５  第２排熱回収器
７  熱媒経路
９  有機流体経路
１０  排熱回収発電装置
１１  筐体
６０  蒸発器
６２  パワータービン（タービン）
６６  凝縮器
６８  発電機
Ｐ０  有機流体循環ポンプ
Ｐ１  熱媒循環ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011149332.tif 000005
【図４】
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【図５】
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