(57)【要約】【課題】冷却水からの排熱回収を最大限に行ないつつエンジンの信頼性に応える温度の冷却水をエンジンに戻すことのできる排熱回収発電システムを提供する。【解決手段】水冷ジャケット１５を冷却する冷却水Ｗが循環する冷却水循環流路１６と、ディーゼルエンジン１１の排気ガスＧを排気する排気ガス流路１２と、冷却水との間で熱交換を行い熱媒体Ｍを気化させる低温側蒸発器５と、低温側蒸発器５で気化された熱媒体Ｍを膨張させて回転駆動力を得る膨張器２３と、膨張器２３において低圧の気相とされた熱媒体Ｍを液化させる凝縮器８とが形成する閉回路を熱媒体Ｍが循環する熱媒体循環流路２１と、膨張器２３の回転駆動力を受けて発電を行う発電機２５と、排気ガス流路１２を流れる排気ガスＧと、冷却水循環流路１６を流れる冷却水Ｗとの間で熱交換する高低熱交換器７と、を備える排熱回収発電システム１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排熱を利用して発電する排熱回収発電システムであって、
前記エンジンを冷却する冷却水が循環する冷却水循環流路と、
前記エンジンに係る排熱ガスが流れる排熱ガス流路と、
前記冷却水との間で熱交換を行い低沸点の熱媒体を気化させる第１蒸発器と、前記第１蒸発器で気化された前記熱媒体を膨張させて駆動力を得る駆動源と、前記駆動源において低圧の気相とされた前記熱媒体を液化させる凝縮器とが形成する閉回路を前記熱媒体が循環する熱媒体循環系統と、
前記駆動源の駆動力を受けて発電を行う発電機と、
前記排熱ガス流路を流れる前記排熱ガスと、前記冷却水循環流路を流れる前記冷却水との間で熱交換する高低熱交換器と、
を備えることを特徴とする排熱回収発電システム。
【請求項２】
前記熱媒体循環流路は、
前記第１蒸発器で蒸発気化された前記熱媒体と前記排熱ガスとの間で熱交換を行なう第２蒸発器を備える、
請求項１に記載の排熱回収発電システム。
【請求項３】
前記高低熱交換器は、
前記第２蒸発器で熱交換された後の前記排熱ガスが導かれて前記冷却水との間で熱交換する、
請求項２に記載の排熱回収発電システム。
【請求項４】
前記高低熱交換器は、
前記第２蒸発器で熱交換される前の前記排熱ガスが導かれて前記冷却水との間で熱交換する、
請求項２に記載の排熱回収発電システム。
【請求項５】
前記排熱ガス流路から分岐して流れる前記排熱ガスを利用する利用先を備える、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の排熱回収発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水冷式のエンジンの排熱を回収して発電を行なうシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策のために化石燃料の代替エネルギーとして再生可能エネルギーの導入が図られており、太陽光発電システム、風力発電システム、マイクロ水力発電システムが注目されている。さらに、蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源から低沸点の熱媒体（または、作動媒体）の熱サイクルへ熱を移動し、この循環サイクル内で熱媒体を用いた発電を行うバイナリ発電システムも注目されている。この低温の熱源としては、地熱発電に用いられる地熱水、工場排熱、エンジン排熱などが用いられる。
【０００３】
エンジンの排熱を熱源とする発電システムは、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されるように、エンジンの冷却に供された冷却水、排気ガス及びエンジンの過給機で圧縮された空気を熱源として用いる。つまり、この発電システムは、熱媒体の流路上に、冷却水と熱媒体の熱交換を行なう蒸発器と、排気ガスと熱媒体の熱交換を行なう蒸発器と、を設け、二つの蒸発器により熱媒体を効率よく蒸発させる。一般に、冷却水の方が排気ガスよりも温度が低いために、冷却水を低温側熱源と、また、排気ガスを高温側熱源と称することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４９３３２号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０６３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エンジンの排熱を熱源とする発電システムにおいて、低温側熱源である冷却水は、エンジンの例えば水冷ジャケットを通る循環流路を流れており、当該蒸発器で熱媒体と熱交換した冷却水は水冷ジャケットに戻される。この蒸発器において、より多くの排熱を冷却水から回収して、熱媒体の蒸発に寄与することが望まれる。しかし、一方では、蒸発器を通過して水冷ジャケットに戻される冷却水は、エンジンの信頼性確保の観点から、温度が低下しすぎるのを避ける必要がある。
そこで本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、冷却水からの排熱回収を最大限に行ないつつエンジンの信頼性に応え得る温度の冷却水をエンジンに戻すことのできる排熱回収システム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】
かかる目的のもとなされた本発明は、エンジンからの排熱を利用して発電する排熱回収発電システムであって、エンジンを冷却する冷却水が循環する冷却水循環流路と、エンジンに係る排熱ガスが流れる排熱ガス流路と、冷却水との間で熱交換を行い低沸点の熱媒体を気化させる第１蒸発器と、第１蒸発器で気化された熱媒体を膨張させて駆動力を得る駆動源と、駆動源において低圧の気相とされた熱媒体を液化させる凝縮器とが形成する閉回路を熱媒体が循環する熱媒体循環系統と、駆動源の駆動力を受けて発電を行う発電機と、排熱ガス流路を流れる排熱ガスと冷却水循環流路を流れる冷却水との間で熱交換する高低熱交換器と、を備えることを特徴とする。
本発明は、高低熱交換器において、排熱ガス流路を流れる排熱ガスと冷却水循環流路を流れる冷却水との間で熱交換することで、冷却水の温度を上げてからエンジンに戻すことができる。したがって、本発明の排熱回収発電システムは、エンジンの信頼性を確保することができる。
ここで、本発明における排熱ガスとしては、エンジンの燃焼ガス（排気ガス）と、エンジンの過給機で圧縮された空気の少なくとも一方を用いることができる。
【０００７】
本発明の排熱回収発電システムにおいて、熱媒体循環流路は、第１蒸発器で蒸発気化された熱媒体と排熱ガスとの間で熱交換を行なう第２蒸発器を備えることが好ましい。
エンジンの冷却水よりも高い温度を有する排熱ガスを熱源として加えることにより、エンジンからの排熱を無駄なく利用しつつ、熱媒体をより高温に加熱することができる。
【０００８】
第２蒸発器を備える場合には、高低熱交換器に導かれ、冷却水との間で熱交換される排熱ガスは、第２蒸発器で熱交換される前のものにすることができるし、第２蒸発器で熱交換された後のものにすることもできる。
前者の場合には、排熱ガスが第２蒸発器において熱交換されていないので、後者よりも温度が高い。したがって、高低熱交換器において冷却水の温度を迅速に上げることができるので、例えば、冷却水の温度が相当に低くなるおそれがある場合には、第２蒸発器を通過する前の排熱ガスを利用するのが有効である。
また、後者の場合には、第１蒸発器で蒸発気化された熱媒体をさらに第２蒸発器において高温の排熱ガスと熱交換させるので、エンジンからより多くの排熱を回収して発電できる。
【０００９】
本発明の排熱回収発電システムにおいて、排熱ガス流路から分岐して流れる排熱ガスを利用する利用先を備えることが、排熱回収システムとしての価値を高めることができる。
この利用先としては、蒸気ボイラが掲げられ、排熱ガスから排熱を回収して、蒸気や温水を得ることができる。また、蒸気発生ボイラから出てきた排熱を更にヒートポンプの熱源として活用することもできる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の排熱回収発電システムによれば、高低熱交換器において、排熱ガス流路を流れる排熱ガス、典型的には排気ガスと冷却水循環流路を流れる冷却水との間で熱交換することで、冷却水の温度を上げてから水冷ジャケットに戻すことができる。したがって、本発明の排熱回収発電システムは、エンジンの信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態における排熱回収発電システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１の排熱回収発電システムにおける高温側熱源の流れの違いを示し、（ａ）は排気ガスを冷却水の加熱に使用しない場合、（ｂ）は使用する場合を示している。
【図３】第２実施形態における排熱回収発電システムの概略構成を示す図である。
【図４】第３実施形態における排熱回収発電システムの概略構成を示す図である。
【図５】第４実施形態における排熱回収発電システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態にかかる、排熱回収発電システム１は、エンジン設備１０と、熱媒体回路２０と、復水設備３０との３つの要素を備えており、エンジン設備１０から提供される温度領域の異なる二つの熱源から排熱を回収して、熱媒体回路２０に設けられる発電機２５により発電を行なう。本実施形態は、排熱ガスとして、エンジンの燃焼ガスである排気ガスを用いる例について説明する。
【００１３】
エンジン設備１０は、水冷式のディーゼルエンジン１１を主たる要素として備える。このディーゼルエンジン１１としては、発電用のエンジン、船舶用の主機エンジンなどの種々の内燃機関を適用できる。
ディーゼルエンジン１１には、排気ガス流路１２が接続されており、排気ガスＧは排気ガス流路１２を通ってその末端から系外に排出される。ディーゼルエンジン１１から排出される排気ガスＧの温度は、例えば４００℃程度とされる。排気ガス流路１２は末端に到る途中で高温側蒸発器６に組み込まれており、排気ガス流路１２を流れる排気ガスＧは熱媒体回路２０を循環する熱媒体と相互に熱交換される。
排気ガス流路１２は、高温側蒸発器６より下流において分岐流路１３ａが分岐されている。排気ガス流路１２を流れてきた排気ガスＧは、分岐部分から流入し分岐流路１３ａを流れることもできる。ただし、分岐流路１３ａには排ガス制御弁Ｖ１が設けられており、この排ガス制御弁Ｖ１が開いているときに限り、排気ガスＧは分岐流路１３ａを流れる。分岐流路１３ａは排ガス制御弁Ｖ１が設けられている位置よりも下流において高低熱交換器７に組み込まれており、分岐流路１３ａを通る排気ガスＧは高低熱交換器７において冷却水Ｗと相互に熱交換される。
なお、本実施形態において、上流、下流は、当該流体の流れる向きによって特定されるものとする。
【００１４】
エンジン設備１０は、ディーゼルエンジン１１の水冷ジャケット１５の内部を通過する冷却水循環流路１６を備えている。水冷ジャケット１５においてディーゼルエンジン１１の冷却に供された冷却水Ｗは、冷却水循環流路１６に設けられる循環ポンプＰ１の動作により、冷却水循環流路１６を循環する。冷却に供された冷却水Ｗの温度は、例えば１００℃程度とされる。
冷却水循環流路１６は、循環ポンプＰ１よりも下流において低温側蒸発器５に組み込まれており、冷却水循環流路１６を通る冷却水Ｗは熱媒体回路２０を循環する熱媒体と相互に熱交換される。
冷却水循環流路１６は、低温側蒸発器５よりも下流において高低熱交換器７に組み込まれており、冷却水循環流路１６を通る冷却水Ｗは高低熱交換器７において排気ガスＧと相互に熱交換される。
【００１５】
次に、熱媒体回路２０の構成について説明する。
熱媒体回路２０は、閉回路をなす熱媒体循環流路２１を備えており、熱媒体Ｍを循環させるための循環ポンプＰ２が設けられている。この循環ポンプＰ２により、熱媒体Ｍは、高温側蒸発器６、低温側蒸発器５及び凝縮器８において、熱交換するように循環される。
熱媒体循環流路２１には、ペンタン（沸点：３６．０７℃）、フロン系のＲ２４５ｆａ（沸点：５８．８０℃）、イソブタン（沸点：−１２℃）などの沸点の低い熱媒体Ｍが循環される。
【００１６】
熱媒体循環流路２１は、循環ポンプＰ２より下流において、低温側蒸発器５及び高温側蒸発器６にこの順番で組み込まれている。したがって、熱媒体循環流路２１を流れる熱媒体Ｍは、低温側蒸発器５において冷却水循環流路１６を通る冷却水Ｗと相互に熱交換され、次いで、高温側蒸発器６において排気ガス流路１２を流れる排気ガスＧと相互に熱交換される。低温側蒸発器５及び高温側蒸発器６を順に通過して熱交換された熱媒体Ｍは、蒸気となって下流に向けて流れる。
熱媒体循環流路２１は、高温側蒸発器６よりも下流に、蒸気の膨張力によりタービンが回転駆動される膨張器２３を備えている。膨張器２３には動力の伝達が可能に発電機２５を接続しており、膨張器２３に蒸気が流入することで、発電機２５により発電が行なわれ、図示しない電力線を介して外部に供給される。
熱媒体循環流路２１は、膨張器２３よりも下流において、凝縮器８に組み込まれており、熱媒体循環流路２１を流れる熱媒体Ｍは、凝縮器８において復水設備３０を循環する冷却水Ｗと相互に熱交換され、凝縮液化される。
【００１７】
次に、復水設備３０は、冷却水Ｈが循環する冷却水循環流路３１と、冷却水循環流路３１に設けられる冷却塔３３と、を備える。
冷却水Ｈは冷却水循環流路３１を循環して流れる過程で、凝縮器８において熱媒体回路２０の熱媒体Ｍと熱交換された後に、冷却塔３３で冷却されるというサイクルを繰り返して、熱媒体Ｍの凝縮液化を行なう。
【００１８】
次に、以上説明した構成の排熱回収発電システム１の動作について、図２（ａ），（ｂ）をも参照して説明する。なお、図２において、高温側蒸発器６を通過する前の排気ガスをＧ１、通過した後の排気ガスをＧ２と区別し、低温側蒸発器５を通過する前の冷却水をＷ１、通過した後の冷却水をＷ２と区別している。
エンジン設備１０の冷却水循環流路１６を流れる冷却水Ｗは、低温側蒸発器５へと導かれる。低温側蒸発器５では、熱媒体回路２０を循環する熱媒体Ｍと冷却水Ｗとが熱交換され、熱媒体Ｍが蒸発気化される。なお、低温側蒸発器５へと導かれる冷却水Ｗ１の温度は１００℃程度であれば、低沸点の熱媒体Ｍを蒸発気化させることができる。
低温側蒸発器５を通過した熱媒体Ｍは、次に、高温側蒸発器６に導かれる。高温側蒸発器６には冷却水Ｗ１よりも温度の高い排気ガスＧ１が導かれるので、熱媒体Ｍは高温側蒸発器６において排気ガスＧ１の排熱を回収してさらに高温となって膨張器２３に導かれ、発電機２５の発電に供される。
膨張器２３で仕事をした熱媒体Ｍは、凝縮器８に導かれ、復水設備３０の循環流路３１を循環する冷却水Ｈにより凝縮液化される。
熱媒体回路２０は、熱媒体Ｍが以上説明したサイクルを繰り返しながら、発電機２５により発電を行なう。
【００１９】
熱媒体Ｍが以上のサイクルを繰り返す過程で、エンジン設備１０においては、低温側蒸発器５において熱媒体Ｍを蒸発気化させた冷却水Ｗ２は冷却水循環流路１６を水冷ジャケット１５に向けて戻る。この冷却水Ｗ２は、ディーゼルエンジン１１の信頼性を確保するために、温度が低くなりすぎるのを避けなければならない。一例として、水冷ジャケット１５に戻る冷却水Ｗ２は、８５℃以上の温度を有していることが望まれる。一方で、低温側蒸発器５においては、冷却水Ｗ１から回収する排熱を多くすることが、排熱回収の効率の点で望まれる。そこで本実施形態は、この相反する要求に応えるために、高低熱交換器７を設ける。
【００２０】
高低熱交換器７は、低温側蒸発器５を通過した冷却水Ｗ２と高温側蒸発器６を通過した排気ガスＧ２が相互に熱交換される。冷却水Ｗ２の温度は１００℃未満であるのに対して、排気ガスＧ２の温度は１００℃を優に超える１５０℃〜２００℃程度であるから、冷却水Ｗ２が高低熱交換器７を通過するとそれまでよりも高い８５℃以上の温度にして水冷ジャケット１５に戻すことができる。したがって、本実施形態によると、低温側蒸発器５において冷却水Ｗ１からの排熱回収を最大限に行ったとしても、冷却水Ｗ２をディーゼルエンジン１１の信頼性を確保できる程度の温度に回復させて水冷ジャケット１５に戻すことができる。
【００２１】
本実施形態において、高低熱交換器７による排気ガスＧ１と冷却水Ｗ２の熱交換は、常に行うことができるが、排ガス制御弁Ｖ１の開閉を制御することで、選択的に行うこともできる。例えば、高低熱交換器７と水冷ジャケット１５の間の冷却水循環流路１６に冷却水Ｗ２の温度を検出する温度センサ１７を設ける。通常は、図２（ａ）に示すように排ガス制御弁Ｖ１を閉じておくが、この温度センサ１７で検出された温度が例えば８５℃未満になると、その検知結果を受けて、図２（ｂ）に示すように排ガス制御弁Ｖ１を開き、高温側蒸発器６を通過した排気ガスＧ２を高低熱交換器７に導くことにより、冷却水Ｗ２を８５℃以上に復帰させる。温度センサ１７の検出結果が８５℃以上であれば、排ガス制御弁Ｖ１を閉じたままにする。
以上のように、水冷ジャケット１５に戻される冷却水Ｗ２の温度を検出し、その結果に基づいて排気ガスＧ２を高低熱交換器７に導くようにすれば、ディーゼルエンジン１１の信頼性確保に必要な冷却水Ｗ２の温度をより確実に得ることができる。
【００２２】
以上の通りであり、本実施形態の排熱回収発電システム１は、以下の作用・効果を奏する。
エンジン設備１０は、高温側蒸発器６と低温側蒸発器５を直列に接続し、ディーゼルエンジン１１から排出される高温熱源（排気ガスＧ）と低温熱源（冷却水Ｗ）の各々から排熱を回収するので、ディーゼルエンジン１１から得られる排熱を効率よく使って発電を行うことができる。
【００２３】
次に、排気ガスＧ２を利用して加熱された冷却水Ｗ２が水冷ジャケット１５に戻るので、ディーゼルエンジン１１の信頼性を確保することができる。
この際、排ガス制御弁Ｖ１の開閉を制御して、冷却水Ｗ２の温度に基づいて排気ガスＧ２を高低熱交換器７に導くようにすれば、ディーゼルエンジン１１の信頼性確保に必要な温度に冷却水Ｗ２をより確実に維持することができる。
【００２４】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、いくつかの変更例を説明する。
始めに、図３に示す排熱回収発電システム２について説明する。
この排熱回収発電システム２は、分岐流路１３ｂが分岐する位置が排熱回収発電システム１と相違し、高温側蒸発器６よりも上流で分岐流路１３ｂが排気ガス流路１２から分岐されている。排熱回収発電システム２の他の構成は、排熱回収発電システム１と同じであるから、図３に図１と同じ符号を付して、各々の説明は省略する。
【００２５】
排熱回収発電システム２は、前述した作用・効果に加えて、以下の作用・効果を奏する。
排熱回収発電システム２は、高温側蒸発器６を通過する前の排気ガスＧ１を高低熱交換器７に導いて冷却水Ｗ２と熱交換する。この排気ガスＧ１は、高温側蒸発器６において熱交換されていないので、排気ガスＧ２よりも、例えば４００℃程度と温度が高い。したがって、高低熱交換器７において冷却水Ｗ２の温度を迅速に上げることができるので、例えば、冷却水Ｗ２の温度が相当に低くなるおそれがある場合には、高温側蒸発器６を通過する前の排気ガスＧ１を利用する排熱回収発電システム２が有効である。
【００２６】
次に、図４に示す排熱回収発電システム３について説明する。
この排熱回収発電システム３は、排熱回収発電システム２の構成に加えて、排気ガス流路１２から分岐される分岐流路１３ｃを備えている。この分岐流路１３ｃは、排気ガスＧ１からの排熱を、熱媒体Ｍとの熱交換及び冷却水Ｗ２との熱交換以外の目的で利用するために設けられている。この排気ガスＧ１の排熱を利用する設備類としては、蒸気ボイラ９が掲げられる。この蒸気ボイラ９を設けることにより、排気ガスＧ１から熱を回収して、蒸気や温水を得ることができるので、排熱回収発電システム３は排熱回収発電システム１よりもエネルギーの有効利用を図ることができる。
【００２７】
排熱回収発電システム３は、排気ガス流路１２に排ガス制御弁Ｖ２を、分岐流路１３ｃに排ガス制御弁Ｖ３を設け、排ガス制御弁Ｖ１とともに、開閉を調整することで、排気ガスＧ１の利用対象を以下のように選択することができる。例えば、Ｖ１，Ｖ２を閉じ、Ｖ３を開くと、排気ガスＧ１は蒸気ボイラ９において蒸気、温水の生成に供される。また、Ｖ２を閉じ、Ｖ１，Ｖ３を開くと、排気ガスＧは、高低熱交換器７において冷却水Ｗ２との熱交換に供されるとともに、蒸気ボイラ９において蒸気、温水の生成に供される。さらに、Ｖ３を閉じ、Ｖ１，Ｖ２を開くと、排気ガスＧ１は、高温側蒸発器６において熱媒体Ｍとの熱交換に供されるとともに、高低熱交換器７において冷却水Ｗ２との熱交換に供される。
なお、排ガス制御弁Ｖ１の開閉については、温度センサ１７の検出結果を反映させることができる。
【００２８】
排熱回収発電システム３に適用した蒸気ボイラ９は、図５に示すように、図１に示したエンジン設備１０に適用することができる。この排熱回収発電システム４においても、以上説明した作用・効果を享受することができる。
【００２９】
本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、上述した実施形態は高温熱源（排熱ガス）としてエンジンの排気ガスＧを用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、エンジンに設けられる過給機によって圧縮された空気を高温熱源として利用することもできる。
また、上述した実施形態は、復水設備３０として冷却塔３３を用いているが、膨張器２３を通過した熱媒体Ｍを凝縮液化できるのであれば、その手段を問わない。例えば、ディーゼルエンジン１１が船舶の推進用主機として用いられる場合には、海水を取り込んで熱媒体Ｍを凝縮液化することもできる。
【符号の説明】
【００３０】
１，２，３，４  排熱回収発電システム
５  低温側蒸発器
６  高温側蒸発器
７  高低熱交換器
８  凝縮器
９  蒸気ボイラ
１０  エンジン設備
１１  ディーゼルエンジン
１２  排気ガス流路
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  分岐流路
１５  水冷ジャケット
１６  冷却水循環流路
１７  温度センサ
２０  熱媒体回路
２１  熱媒体循環流路
２３  膨張器
２５  発電機
３０  復水設備
３１  冷却水循環流路
３３  冷却塔
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３  排ガス制御弁
Ｐ１，Ｐ２  循環ポンプ
Ｍ  熱媒体
Ｇ，Ｇ１，Ｇ２  排気ガス
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２  冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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