(57)【要約】【課題】熱源の熱を効率良く回収して、システム全体の熱効率を向上させることが可能な排熱回収発電装置および船舶を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る排熱回収発電装置１は、第１熱源から得た熱によって、第１有機流体を蒸発させる第１蒸発器１２と、第１蒸発器１２によって蒸発させられた第１有機流体によって駆動される第１タービン１３と、第１タービン１３の回転出力によって発電する第１発電機１４と、第１タービン１３を通過した第１有機流体を凝縮させる第１凝縮器１５と、第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって、第２有機流体を蒸発させる第２蒸発器２２と、第２蒸発器２２によって蒸発させられた第２有機流体によって駆動される第２タービン２３と、第２タービン２３の回転出力によって発電する第２発電機２４と、第２タービン２３を通過した第２有機流体を凝縮させる第２凝縮器２５とを備える。【選択図】図２
2012149541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱源から得た熱によって、液化している第１有機流体を蒸発させる第１蒸発器と、
該第１蒸発器によって蒸発させられた前記第１有機流体によって駆動される第１タービンと、
該第１タービンの回転出力によって発電する第１発電機と、
前記第１タービンを通過した前記第１有機流体を凝縮させる第１凝縮器と、
前記第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって、液化している第２有機流体を蒸発させる第２蒸発器と、
該第２蒸発器によって蒸発させられた前記第２有機流体によって駆動される第２タービンと、
該第２タービンの回転出力によって発電する第２発電機と、
前記第２タービンを通過した前記第２有機流体を凝縮させる第２凝縮器と、
を備える排熱回収発電装置。
【請求項２】
第１熱源から得た熱によって、液化している第１有機流体を蒸発させる第１蒸発器と、
該第１蒸発器によって蒸発させられた前記第１有機流体によって駆動される第１タービンと、
前記第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって、液化している第２有機流体を蒸発させる第２蒸発器と、
前記第１タービンと軸を共有し、該第２蒸発器によって蒸発させられた前記第２有機流体によって駆動される第２タービンと、
前記第１タービンの回転出力と該第２タービンの回転出力によって発電する発電機と、
前記第１タービンを通過した前記第１有機流体と前記第２タービンを通過した前記第２有機流体とを凝縮させる凝縮器と、
を備える排熱回収発電装置。
【請求項３】
第１熱源から得た熱によって、液化している第１有機流体を蒸発させる第１蒸発器と、
前記第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって、液化している第２有機流体を蒸発させる第２蒸発器と、
前記第１蒸発器によって蒸発させられた前記第１有機流体と、前記第２蒸発器によって蒸発させられた前記第２有機流体と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、
前記タービンを通過した前記第１有機流体と前記第２有機流体を凝縮させる凝縮器と、
を備える排熱回収発電装置。
【請求項４】
第１熱媒体が前記第１熱源として前記第１蒸発器にて前記第１有機流体と熱交換する第１熱媒体経路と、
第２熱媒体が前記第２熱源として前記第２蒸発器にて前記第２有機流体と熱交換する、第１熱媒体経路と異なる第２熱媒体経路と、
を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の排熱回収発電装置。
【請求項５】
熱媒体が前記第１熱源として前記第１蒸発器にて前記第１有機流体と熱交換し、前記第１蒸発器にて前記第１有機流体と熱交換した前記熱媒体が、前記第２熱源として前記第２蒸発器にて前記第２有機流体と熱交換する熱媒体経路を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の排熱回収発電装置。
【請求項６】
前記第１熱媒体は、内燃機関の過給器から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却器にて熱回収し、および／または、前記内燃機関の排ガスと熱交換する排ガス熱交換器にて熱回収し、前記第１蒸発器にて前記第１有機流体と熱交換する請求項４に記載の排熱回収発電装置。
【請求項７】
前記第２熱媒体は、内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と熱交換する排熱回収器にて熱回収し、前記第２蒸発器にて前記第２有機流体と熱交換する請求項４または６に記載の排熱回収発電装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の排熱回収発電装置を備えている船舶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱回収発電装置および船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルを利用して、地熱や内燃機関の排ガス等の排熱を回収して発電する技術が提案されている。例えば、ディーゼル発電機からの排熱を熱源とし、有機流体を熱媒体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ある。
【０００３】
特許文献１では、船舶で有機ランキンサイクル（ORC）を使用して発電する技術が開示されている。また、特許文献２では、船舶において排熱を蓄熱し、蓄熱された熱エネルギーを用いて発電することによって、エネルギー利用効率を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００８−５２２０８１号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１６８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
有機ランキンサイクル（ORC）における有機流体の蒸発温度は、有機流体経路に設けられた循環ポンプの圧力によって決定され、圧力が高圧であるほど温度が高くなる。そして、タービン入口における圧力が高圧になり、圧力落差が大きくなるため、タービン出力が大きくなり、熱回収効率が向上する。
【０００６】
ところで、ランキンサイクルは例えば図６に示すようなサイクル図で表される。図６は、温度Ｔ［℃］と仕事Ｌ［ｋＷ］の関係を示すグラフである。図６には、ランキンサイクルに対して熱を供給する熱源の温度と仕事の変化も示している。熱源の変化は図６上の線Ｈで表される。
【０００７】
ここで、図６のようなサイクル図で表される有機ランキンサイクルにおいて、タービン出力の増加を目的として圧力を高く設定すると温度が高くなる。その結果、熱源入口において、熱源よりもランキンサイクル内の有機流体の温度が高くなると、図７に示すようなクロスオーバーが発生し、有機流体は熱源から熱回収できない。
【０００８】
そこで、圧力を高く設定したままクロスオーバーを回避するためには、ランキンサイクル内の有機流体の流量を絞って、熱源の温度があまり下がらない領域のみで熱を回収せざるを得ない。その結果、ランキンサイクルは図８に示すようサイクル図で表され、熱源の低温側で未利用熱が生じる。このとき、ランキンサイクルの有機流体は、熱源の熱を回収し尽くせていないため、熱の利用効率が下がる。
【０００９】
また、例えばディーゼルエンジンのように複数の排熱源がある場合、図９に示すように熱源側の放熱線は折れ線状になることがある。一般的には、排ガスやターボチャージャ圧縮空気のように高温の熱源に比較して、エンジンジャケット冷却水のような低温の熱源は、熱容量が比較的少なく単位放熱量あたりの温度降下が小さいため、高温熱源に比して低温熱源の傾きが小さいようなプロファイルとなる。
【００１０】
この場合にも、圧力を高く設定したままクロスオーバーを回避するためには、ランキンサイクル内の有機流体の流量を絞って、熱源の温度があまり下がらない領域のみで熱を回収せざるを得ない。その結果、ランキンサイクルは図１０に示すようサイクル図で表され、熱源の低温側で未利用熱が生じる。このときランキンサイクルは、より熱容量の小さい高温熱源側の制約を受けることになり、低温熱源を有効に利用することができない。
【００１１】
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、熱源の熱を効率良く回収して、システム全体の熱効率を向上させることが可能な排熱回収発電装置および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】
【００１２】
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船舶は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る排熱回収発電装置は、第１熱源から得た熱によって、液化している第１有機流体を蒸発させる第１蒸発器と、第１蒸発器によって蒸発させられた第１有機流体によって駆動される第１タービンと、第１タービンの回転出力によって発電する第１発電機と、第１タービンを通過した第１有機流体を凝縮させる第１凝縮器と、第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって、液化している第２有機流体を蒸発させる第２蒸発器と、第２蒸発器によって蒸発させられた第２有機流体によって駆動される第２タービンと、第２タービンの回転出力によって発電する第２発電機と、第２タービンを通過した第２有機流体を凝縮させる第２凝縮器とを備える。
【００１３】
本発明によれば、液化している第１有機流体は、第１蒸発器にて第１熱源から得た熱によって蒸発し、蒸発した第１有機流体は、第１タービンを駆動する。そして、第１タービンの回転出力によって第１発電機が発電する。第１タービンを通過した第１有機流体は、第１凝縮器によって凝縮させられる。また、液化している第２有機流体は、第２蒸発器にて第２熱源から得た熱によって蒸発し、蒸発した第２有機流体は、第２タービンを駆動する。そして、第２タービンの回転出力によって第２発電機が発電する。第２タービンを通過した第２有機流体は、第２凝縮器によって凝縮させられる。
【００１４】
したがって、本発明では、第１蒸発器と第１タービンと第１凝縮器とを有し、第１有機流体が流れるランキンサイクルと、第２蒸発器と第２タービンと第２凝縮器とを有し、第２流体が流れるランキンサイクルが構成される。ここで、第２有機流体は、第２蒸発器にて、第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって蒸発する。すなわち、第１熱源と第２熱源は異なる温度であり、温度の異なる熱源から熱回収する二つのランキンサイクルを用いてタービン出力を得て発電を行うことで、熱の有効利用を図ることができる。
【００１５】
また、本発明に係る排熱回収発電装置は、第１熱源から得た熱によって、液化している第１有機流体を蒸発させる第１蒸発器と、第１蒸発器によって蒸発させられた第１有機流体によって駆動される第１タービンと、第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって、液化している第２有機流体を蒸発させる第２蒸発器と、第１タービンと軸を共有し、第２蒸発器によって蒸発させられた第２有機流体によって駆動される第２タービンと、第１タービンの回転出力と第２タービンの回転出力によって発電する発電機と、第１タービンを通過した第１有機流体と第２タービンを通過した第２有機流体とを凝縮させる凝縮器とを備える。
【００１６】
本発明によれば、液化している第１有機流体は、第１蒸発器にて第１熱源から得た熱によって蒸発し、蒸発した第１有機流体は、第１タービンを駆動する。また、液化している第２有機流体は、第２蒸発器にて第２熱源から得た熱によって蒸発し、蒸発した第２有機流体は、第２タービンを駆動する。第１タービンと第２タービンは軸を共有しており、第１タービンの回転出力と第２タービンの回転出力によって発電機が発電する。第１タービンを通過した第１有機流体と、第２タービンを通過した第２有機流体は、凝縮器によって凝縮させられる。
【００１７】
したがって、本発明では、第１蒸発器と第１タービンと凝縮器とを有し、第１有機流体が流れるランキンサイクルと、第２蒸発器と第２タービンと凝縮器とを有し、第２有機流体が流れるランキンサイクルが構成される。ここで、第２有機流体は、第２蒸発器にて、第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって蒸発する。すなわち、第１熱源と第２熱源は異なる温度であり、温度の異なる熱源から熱回収する二つのランキンサイクルを用いてタービン出力を得て発電を行うことで、熱の有効利用を図ることができる。
【００１８】
また、本発明では、第１タービンと第２タービンが軸を共有して、１台の発電機によって発電が行われることから、２台のタービンそれぞれに発電機が設けられる場合に比べて、排熱回収発電装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る排熱回収発電装置は、第１熱源から得た熱によって、液化している第１有機流体を蒸発させる第１蒸発器と、第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって、液化している第２有機流体を蒸発させる第２蒸発器と、第１蒸発器によって蒸発させられた第１有機流体と、第２蒸発器によって蒸発させられた第２有機流体とによって駆動されるタービンと、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第１有機流体と第２有機流体を凝縮させる凝縮器とを備える。
【００２０】
本発明によれば、液化している第１有機流体は、第１蒸発器にて第１熱源から得た熱によって蒸発し、液化している第２有機流体は、第２蒸発器にて第２熱源から得た熱によって蒸発する。そして、蒸発した第１有機流体と蒸発した第２有機流体はタービンを駆動し、タービンの回転出力によって発電機が発電する。タービンを通過した第１有機流体と第２有機流体は、凝縮器によって凝縮させられる。
【００２１】
したがって、本発明では、第１蒸発器とタービンと凝縮器とを有し、第１有機流体が流れるランキンサイクルと、第２蒸発器とタービンと凝縮器とを有し、第２有機流体が流れるランキンサイクルが構成される。ここで、第２有機流体は、第２蒸発器にて、第１熱源よりも低温とされた第２熱源から得た熱によって蒸発する。すなわち、第１熱源と第２熱源は異なる温度であり、温度の異なる熱源から熱回収する二つのランキンサイクルを用いてタービン出力を得て発電を行うことで、熱の有効利用を図ることができる。
【００２２】
また、本発明では、第１有機流体と第２有機流体が１台のタービンを駆動して、１台の発電機によって発電が行われることから、２台のタービンが設けられる場合や複数のタービンそれぞれに発電機が設けられる場合に比べて、排熱回収発電装置全体のコンパクト化を図ることができる。
【００２３】
上記発明において、第１熱媒体が第１熱源として第１蒸発器にて第１有機流体と熱交換する第１熱媒体経路と、第２熱媒体が第２熱源として第２蒸発器にて第２有機流体と熱交換する、第１熱媒体経路と異なる第２熱媒体経路とを備えてもよい。
【００２４】
本発明によれば、第１有機流体は、第１蒸発器にて、第１熱媒体経路を流れる第１熱媒体と熱交換し、第２有機流体は、第２蒸発器にて、第２熱媒体経路を流れる第２熱媒体と熱交換する。ここで、第１熱媒体経路と第２熱媒体経路は異なる。したがって、第１熱媒体経路を流れる第１熱媒体と、第２熱媒体経路を流れる第２熱媒体は、異なる場所、例えば異なる機器から熱を回収することができ、複数の機器によって熱の有効利用を図ることができる。
【００２５】
上記発明において、熱媒体が第１熱源として第１蒸発器にて第１有機流体と熱交換し、第１蒸発器にて第１有機流体と熱交換した熱媒体が、第２熱源として第２蒸発器にて第２有機流体と熱交換する熱媒体経路を備えてもよい。
【００２６】
本発明によれば、第１有機流体は、第１蒸発器にて、熱媒体経路を流れる熱媒体と熱交換し、第２有機流体は、第２蒸発器にて、第１有機流体と熱交換した熱媒体経路を流れる熱媒体と熱交換する。ここで、第１蒸発器と第２蒸発器を通過する熱媒体経路は共通である。したがって、第１蒸発器で熱媒体の高温側を利用し、第２蒸発器で熱媒体の低温側を利用することになるため、熱媒体が回収した熱を無駄にすることなく有効利用を図ることができる。
【００２７】
上記発明において、第１熱媒体は、内燃機関の過給器から吐出される圧縮空気を冷却する空気冷却器にて熱回収し、および／または、内燃機関の排ガスと熱交換する排ガス熱交換器にて熱回収し、第１蒸発器にて第１有機流体と熱交換してもよい。
【００２８】
本発明によれば、空気冷却器にて、内燃機関の過給器から吐出された圧縮空気は第１熱媒体と熱交換することで冷却され、第１熱媒体は熱回収して温度上昇する。また、排ガス熱交換器にて、内燃機関の排ガスは第１熱媒体と熱交換することで冷却され、第１熱媒体は熱回収して温度上昇する。なお、空気冷却器における熱回収と排ガス熱交換器における熱回収は、両方行われてもよいし、いずれか一方が行われてもよい。そして、第１蒸発器にて、第１熱媒体は第１有機流体と熱交換して冷却され、第１有機流体は熱回収して温度上昇し蒸発する。
【００２９】
上記発明において、第２熱媒体は、内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水と熱交換する排熱回収器にて熱回収し、第２蒸発器にて第２有機流体と熱交換してもよい。
【００３０】
本発明によれば、排熱回収器にて、内燃機関本体を冷却するエンジン冷却水は第２熱媒体と熱交換することで冷却され、第２熱媒体は熱回収して温度上昇する。そして、第２蒸発器にて、第２熱媒体は第２有機流体と熱交換して冷却され、第２有機流体は熱回収して温度上昇し蒸発する。
【００３１】
本発明に係る船舶は、上記いずれかの構成の排熱回収発電装置を備えている。
【００３２】
本発明によれば、船舶に排熱回収発電装置が備わっているとき、第１熱源と第２熱源は異なる温度であり、温度の異なる熱源から熱回収する二つのランキンサイクルを用いてタービン出力を得て発電を行うため、船舶における熱の有効利用を図ることができる。
【発明の効果】
【００３３】
熱源の熱を効率良く回収して、システム全体の熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の排熱回収発電装置のランキンサイクルにおけるサイクル図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る排熱回収発電装置を示す概略図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る排熱回収発電装置を示す概略図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る排熱回収発電装置を示す概略図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る排熱回収発電装置および排熱回収発電装置を有する船舶における排熱回収システムを示す概略図である。
【図６】従来のランキンサイクルにおけるサイクル図である。
【図７】ランキンサイクルの蒸発器において有機流体が熱源よりも高温なった場合のサイクル図である。
【図８】図６に示した従来のランキンサイクルを変更した場合におけるランキンサイクルにおけるサイクル図である。
【図９】複数の排熱源がある場合の放熱線を合わせて示したランキンサイクルにおけるサイクル図である。
【図１０】図９に示した従来のランキンサイクルを変更した場合におけるランキンサイクルにおけるサイクル図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の排熱回収発電装置は、圧力の異なる複数のサイクルを組み合わせて、熱の有効利用を図るものである。本発明のランキンサイクルは、図１に示すようなサイクル図で表される。図１は、温度Ｔ［℃］と仕事［ｋＷ］の関係を示すグラフであり、本発明の排熱回収発電装置のランキンサイクルにおけるサイクル図を表す。すなわち、熱源の高温側では、高圧サイクルで熱回収を図り、熱源の低温側では、低圧サイクルで熱回収を図る。なお、図１では、高圧サイクルと低圧サイクルは、同一熱源から熱回収する場合を示しており、高圧サイクルと低圧サイクルが熱回収する温度領域は、重ならない。
【００３６】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る排熱回収発電装置１を示す概略図である。
【００３７】
排熱回収発電装置１は、高圧サイクル２と低圧サイクル３の二つの有機流体経路を有する。高圧サイクル２は、循環ポンプ１１と、第１蒸発器１２と、タービン１３と、凝縮器１５からなる。低圧サイクル３は、循環ポンプ２１と、第２蒸発器２２と、タービン２３と、凝縮器２５からなる。タービン１３，２３にはそれぞれ発電機１４，２４が接続されている。
【００３８】
高圧サイクル２と低圧サイクル３の有機流体経路を流れる有機流体としては、イソペンタン、ブタン、プロパンなど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。有機流体経路は閉回路であり、高圧サイクル２の場合、有機流体は循環ポンプ１１によって循環する。有機流体は、第１蒸発器１２、タービン１３および凝縮器１５を通過して相変化を繰り返しながら循環する。
【００３９】
第１蒸発器１２は、熱源を流れる熱媒体が熱源にて回収した熱によって、循環ポンプ１１から送られた液相の有機流体を加熱し、有機流体を気相に変化させる。
【００４０】
タービン１３は、第１蒸発器１２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。タービン１３の回転動力は発電機１４に伝達され、発電機１４にて電力が得られるようになっている。発電機１４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。
【００４１】
凝縮器１５は気相の有機流体を海水によって冷却して凝縮液化する。凝縮液化した有機流体は、循環ポンプ１１によって第１蒸発器１２へ送られる。
【００４２】
このように、高圧サイクル２の有機流体経路は、ポンプ１１、第１蒸発器１２、タービン１３および凝縮器１５によって有機ランキンサイクルを構成する。
【００４３】
一方、低圧サイクル３の有機流体経路は、有機流体は循環ポンプ２１によって循環する。有機流体は、第２蒸発器２２、タービン２３および凝縮器２５を通過して相変化を繰り返しながら循環する。
【００４４】
ここで、第２蒸発器２２、タービン２３、発電機２４および凝縮器２５はそれぞれ、第１蒸発器１２、タービン１３、発電機１４および凝縮器１５と同様の構成および作用を有する。ただし、低圧サイクル３の場合、第２蒸発器２２は高圧サイクル２の第１蒸発器１２に比べて低温である。そして、第２蒸発器２２によって蒸発させられた有機流体は、第１蒸発器１２によって蒸発させられた有機流体よりも低圧である。
【００４５】
なお、高圧サイクル２を流れる有機流体と低圧サイクル３を流れる有機流体は、同一の媒体でもよいし、蒸気圧が異なる別の媒体でもよい。
【００４６】
高圧サイクル２の第１蒸発器１２と低圧サイクル３の第２蒸発器２２を流れる熱流路は、図２に示すように第１蒸発器１２と第２蒸発器２２が熱流路で接続されており、共通化されている。熱媒体は、第１蒸発器１２を通過して高圧サイクル２の有機流体を加熱して温度が下がった後、第２蒸発器２２へ流れる。そして、熱媒体は、第２蒸発器２２を通過して低圧サイクル３の有機流体を加熱する。
【００４７】
なお、高圧サイクル２の第１蒸発器１２を流れる熱流路と、低圧サイクル３の第２蒸発器２２を流れる熱流路は、図２と異なり別の流路としてもよい。すなわち、第１蒸発器１２が第２蒸発器２２よりも高温であればよく、高圧サイクル２の第１蒸発器１２を流れる熱流路の熱源と、低圧サイクル３の第２蒸発器２２を流れる熱流路の熱源は異なってもよい。
【００４８】
次に、上記構成の排熱回収発電装置１の動作について図２を用いて説明する。
熱源から導かれた熱媒体は、第１蒸発器１２にて、高圧サイクル２を流れる有機流体との間で熱交換する。その結果、熱媒体の熱が高圧サイクル２の有機流体に回収される。そして、有機流体は、第１蒸発器１２にて熱媒体の熱によって加熱され蒸発気化する。
【００４９】
蒸発気化した有機流体は、タービン１３へと導かれ、その熱落差によってタービン１３を回転駆動させる。タービン１３の回転出力を得て、発電機１４にて発電が行われる。タービン１３にて仕事を終えた有機流体（気相）は、凝縮器１５へと導かれ海水等の冷却水によって冷却されることにより凝縮液化する。
【００５０】
また、熱源から導かれた熱媒体は、第１蒸発器１２にて熱交換した後、第１蒸発気１２における熱媒体より低温となった熱媒体が、第２蒸発器２２にて、低圧サイクル３を流れる有機流体との間で熱交換する。その結果、熱媒体の熱が低圧サイクル３の有機流体に回収される。そして、有機流体は、第２蒸発器２２にて熱媒体の熱によって加熱され蒸発気化する。
【００５１】
蒸発気化した有機流体は、タービン２３へと導かれ、その熱落差によってタービン２３を回転駆動させる。タービン２３の回転出力を得て、発電機２４にて発電が行われる。タービン２３にて仕事を終えた有機流体（気相）は、凝縮器２５へと導かれ海水等の冷却水によって冷却されることにより凝縮液化する。
【００５２】
以上より、本発明の排熱回収発電装置１は、発電機１４と発電機２４で発電が行われる。このとき、本発明のランキンサイクルは、図１に示すようなサイクル図で表される。すなわち、熱源の高温側では、高圧サイクル２で熱回収を図り、熱源の低温側では、低圧サイクル３で熱回収を図る。本発明は、温度の異なる二つの熱源からそれぞれ熱回収しつつ複数の蒸発温度を有する二つのランキンサイクルを用いている。したがって、熱源の高温側からの熱回収だけでなく低温側からも熱回収することができ、本発明によれば熱の有効利用を図ることができる。
【００５３】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る排熱回収発電装置４を示す概略図である。
第１実施形態では、二つのタービン１３，２３がそれぞれ発電機１４，２４と接続される場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。第２実施形態の排熱回収発電装置４は、タービン１３，２３が、図３に示すように軸を共有しており、一つの発電機３４がタービン１３，２３に接続されている。また、図示しないが、タービン１３，２３は、タービンケーシングも共有している。
【００５４】
排熱回収発電装置４は、高圧サイクル５と低圧サイクル６の二つの有機流体経路を有する。高圧サイクル５は、循環ポンプ１１と、第１蒸発器１２と、タービン１３と、凝縮器３５からなる。低圧サイクル６は、循環ポンプ２１と、第２蒸発器２２と、タービン２３と、凝縮器３５からなる。高圧サイクル５と低圧サイクル６は有機流体が同一である。
【００５５】
有機流体経路は閉回路であり、高圧サイクル５の場合、有機流体は循環ポンプ１１によって循環し、低圧サイクル６の場合、有機流体は循環ポンプ２１によって循環する。図３に示す排熱回収発電装置４では、高圧サイクル５と低圧サイクル６において、凝縮器３５が共通しており、有機流体経路は、タービン１３，２３の後かつ凝縮器３５の前で合流し、凝縮器３５の後かつ循環ポンプ１１，２１の前で有機流体経路が分岐している。
【００５６】
なお、図３に示す排熱回収発電装置４では、二つの循環ポンプ１１，２１で二つの有機流体経路の流量を調整しているが、本発明はこの例に限定されない。例えば、高圧サイクル５と低圧サイクル６に共通する一つの循環ポンプを設けて、高圧サイクル５と低圧サイクルの有機流体の流量の違いは、経路中に流量調整弁を設けることで調整してもよい。
【００５７】
タービン１３の回転動力とタービン２３の回転動力は発電機３４に伝達され、発電機３４にて電力が得られるようになっている。
【００５８】
以上より、本発明の排熱回収発電装置４は、発電機３４で発電が行われるが、温度の異なる二つの熱源からそれぞれ熱回収しつつ複数の蒸発温度を有する二つのランキンサイクルを用いることで、熱の有効利用を図ることができる。また、排熱回収発電装置４は、高圧サイクル５と低圧サイクル６を流れる有機流体を同一とし、タービン１３，２３の軸とタービンケーシングを共有することで、二つのサイクルや２台のタービンが別々に設けられる場合に比べて、排熱回収発電装置４全体のコンパクト化を図ることができる。
【００５９】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。
第３実施形態の排熱回収発電装置７は、一つのタービン３３が設けられ、一つの発電機３４がタービン３３に接続されている。
【００６０】
排熱回収発電装置７は、第２実施形態と同様に、高圧サイクル５と低圧サイクル６の二つの有機流体経路を有する。高圧サイクル５は、循環ポンプ１１と、第１蒸発器１２と、タービン３３と、凝縮器３５からなる。低圧サイクル６は、循環ポンプ２１と、第２蒸発器２２と、タービン３３と、凝縮器３５からなる。高圧サイクル５と低圧サイクル６は有機流体が同一である。
【００６１】
タービン３３は、端部に設けられた入口から高圧サイクル５の第１蒸発器１２で蒸発した有機流体が導入される。また、タービン３３は、中間部に設けられた入口から低圧サイクル６の第２蒸発器２２で蒸発した有機流体がタービン３３の中間段へ導入される。そして、タービン３３は、第１蒸発器１２、第２蒸発器２２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。
【００６２】
タービン３３の回転動力は発電機３４に伝達され、発電機３４にて電力が得られるようになっている。以上より、本発明の排熱回収発電装置７は、発電機３４で発電が行われるが、温度の異なる二つの熱源からそれぞれ熱回収しつつ複数の蒸発温度を有する二つのランキンサイクルを用いることで、熱の有効利用を図ることができる。また、排熱回収発電装置７はタービン３３のみが設けられ、２台のタービンが設けられる場合に比べて、排熱回収発電装置７全体のコンパクト化を図ることができる。
【００６３】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図５を用いて説明する。
以下に、本発明の排熱回収発電装置８が船舶の推進用主機（ディーゼルエンジン４０；内燃機関）の排熱回収として設置された構成を例として、図面を参照して説明する。図５において、破線で囲まれた領域が本発明の排熱回収発電装置８である。
【００６４】
排熱回収発電装置８は、高圧サイクル９と低圧サイクル１０の二つの有機流体経路を有する。高圧サイクル９は、循環ポンプ３１と、流量調整弁２６と、第１蒸発器１２と、タービン３３と、凝縮器３５からなる。低圧サイクル１０は、循環ポンプ３１と、流量調整弁２６，２７と、第２蒸発器２２と、タービン３３と、凝縮器３５からなる。タービン３３は、減速器３６を介して発電機３４が接続されている。
【００６５】
有機流体経路は閉回路である。高圧サイクル９と低圧サイクル１０には、共通する循環ポンプ３１が設けられており、有機流体は循環ポンプ３１によって循環する。高圧サイクル９の圧力および流量は、流量調整弁２６によって調整され、低圧サイクル１０の圧力および流量は、流量調整弁２６，２７によって調整される。
【００６６】
高圧サイクル９と低圧サイクル１０の有機流体経路を流れる有機流体としては、イソペンタン、ブタン、プロパンなど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。有機流体は、高圧サイクル９にて、循環ポンプ３１と、第１蒸発器１２と、タービン３３と、凝縮器３５を通過して相変化を繰り返しながら循環し、低圧サイクル１０にて、循環ポンプ３１と、第２蒸発器２２と、タービン３３と、凝縮器３５を通過して相変化をくり返しながら循環する。
【００６７】
第１蒸発器１２は、流路５６を流れる熱媒水が第１空気冷却器４６や排ガスエコノマイザ（排ガス熱交換器）５５にて回収した熱によって、循環ポンプ３１から送られた液相の有機流体を加熱し、有機流体を気相に変化させる。なお、第１空気冷却器４６は、熱媒水と熱交換することで、ディーゼルエンジン４０のターボチャージャ（過給器）４２から吐出された圧縮空気を冷却する。また、排ガスエコノマイザ５５は、熱媒水と熱交換することで、ディーゼルエンジン４０から排出された排ガスを冷却する。
【００６８】
第２蒸発器２２は、ジャケット冷却水循環流路５２を流れるジャケット冷却水（熱媒体）がディーゼルエンジン４０のシリンダジャケットにて回収した熱によって、循環ポンプ３１から送られた液相の有機流体を加熱し、有機流体を気相に変化させる。なお、シリンダジャケットは、ディーゼルエンジン４０に設けられ、ジャケット冷却水と熱交換することで、ディーゼルエンジン４０のシリンダブロック等を冷却する。
【００６９】
タービン３３は、高圧サイクル９の第１蒸発器１２で蒸発した有機流体と、低圧サイクル１０の第２蒸発器２２で蒸発した有機流体が導入される。そして、タービン３３は、第１蒸発器１２と第２蒸発器２２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。
【００７０】
タービン３３の回転動力は発電機３４に伝達され、発電機３４にて電力が得られるようになっている。発電機３４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。タービン３３を通過した有機流体は、凝縮器３５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、循環ポンプ３１によって第１蒸発器１２及び第２蒸発器２２へと送られる。
【００７１】
次に、循環流路５２について説明する。
ディーゼルエンジン４０のシリンダジャケット内を流れるジャケット冷却水は、ジャケット冷却水ポンプ５１によって、循環流路５２内を循環する。この循環流路５２は、シリンダジャケット、第２蒸発器２２、温度調整用三方弁５４、ジャケット冷却水ポンプ５１という順番でジャケット冷却水が流れるように形成されている。
【００７２】
第２蒸発器２２のジャケット冷却水入口温度は例えば約８５℃、ジャケット冷却水出口温度は例えば約６９℃とされる。この第２蒸発器２２にて、ジャケット冷却水によって有機流体が蒸発させられる。
【００７３】
温度調整用三方弁５４は、シリンダジャケットへ流入するジャケット冷却水が所望の入口温度となるように動作する。具体的には、ジャケット冷却水がシリンダジャケットに流入する入口温度が設定値よりも高い場合には、図示しないセントラル冷却器から導かれる清水を循環流路５２へ多く流すように動作する。
【００７４】
循環流路５２にて、温度調整用三方弁５４の上流側には、セントラル冷却器へと分岐する分岐流路が設けられている。この分岐流路から循環流路５２内を流れるジャケット冷却水がセントラル冷却器側へと排出されることによって、循環流路５２内を流れる循環流量のマスバランスが保たれるようになっている。
【００７５】
次に、排熱回収経路５６について説明する。
排熱回収経路５６は閉回路とされており、熱媒水を循環させるための排熱回収用ポンプ６０が設けられている。この排熱回収用ポンプ６０によって、熱媒水は、第１空気冷却器４６、排ガスエコノマイザ５５及び第１蒸発器１２と熱交換するように循環する。第１蒸発器１２にて冷却された熱媒水は、減圧弁６６を介して大気圧ドレンタンク５８に回収される。排熱回収用ポンプ６０から第１蒸発器１２に送られる熱媒水の流量は、排熱回収経路５６に設けられた給水制御弁６１で調整される。
【００７６】
第１蒸発器１２の熱媒水入口温度は例えば約１９６℃、熱媒水出口温度は例えば約７０℃とされる。この第１蒸発器１２にて、熱媒水によって有機流体が蒸発させられる。
【００７７】
第２空気冷却器４７は、ターボチャージャ４２から吐出された圧縮空気の流れに対して、第１空気冷却器４６の下流側に設置されている。したがって、第１空気冷却器４６の方が、第２空気冷却器４７よりも温度レベルが高くなるように設置されている。第２空気冷却器４７内を流れる清水は、図示しないセントラル冷却器によって冷却された後に第２空気冷却器４７に導かれる。その結果、ターボチャージャ４２から吐出された圧縮空気は、第１空気冷却器４６と第２空気冷却器４７によって冷却され、ディーゼルエンジン４０に供給される。
【００７８】
排ガスエコノマイザ５５の高温側（排ガス流れ上流側）には、コンポジットボイラが設けられている。コンポジットボイラは、蒸気ドラム６４と循環ポンプ６５と蒸発器４４から構成されている。蒸気ドラム６４内の水は蒸発器４４に送られ、蒸発器４４にて排ガスと熱交換して蒸発する。
【００７９】
蒸発器４４にて蒸発した蒸気は、蒸気ドラム６４へと導かれる。この蒸気ドラム６４の上方に滞留する蒸気は、補助装置へと導かれ、その後大気圧ドレンタンク５８に回収される。蒸気ドラム６４内の水位は、蒸気ドラムレベル制御弁６２によって調整され、大気圧ドレンタンク５８から蒸気ドラム６４へボイラ給水ポンプ６３によって水が供給される。
【００８０】
次に、上記構成の排熱回収発電装置８の動作について図５を用いて説明する。
ジャケット冷却水ポンプ５１によってディーゼルエンジン４０のシリンダジャケットへと導かれたジャケット冷却水は、シリンダジャケットにてシリンダブロック等を冷却する。その結果、ジャケット冷却水は昇温させられた後、第２蒸発器２２へと導かれる。第２蒸発器２２にて、低圧サイクル１０を流れる有機流体とジャケット冷却水との間で熱交換が行われ、ジャケット冷却水の顕熱が低圧サイクル１０の有機流体に回収される。ジャケット冷却水から熱回収した後の有機流体の温度は、例えば、約６５℃とされる。有機流体は、第２蒸発器２２にて熱媒水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、タービン３３へと導かれ、その熱落差によってタービン３３を回転駆動させる。タービン３３の回転出力を得て、発電機３４にて発電が行われる。
【００８１】
ディーゼルエンジン４０のターボチャージャ４２によって圧縮された空気は、第１空気冷却器４６と第２空気冷却器４７によって冷却される。この際に第１空気冷却器４６内を流れる排熱回収経路５６の熱媒水が圧縮空気によって昇温させられることによって、熱媒水は圧縮空気から熱を回収する。第１空気冷却器４６にて熱回収した後の熱媒水温度は、例えば約１４２℃とされる。
【００８２】
ディーゼルエンジン４０から排出された排ガスは、コンポジットボイラの蒸発器４４と排ガスエコノマイザ５５によって冷却される。この際に排ガスエコノマイザ５５を流れる排熱回収経路５６の熱媒水が排ガスによって昇温させられることによって、熱媒水は排ガスから熱を回収する。排ガスエコノマイザ５５にて熱回収した後の熱媒水温度は、例えば約１９６℃とされる。
【００８３】
第１空気冷却器４６と排ガスエコノマイザ５５で排熱を回収して高温となった熱媒水は、第１蒸発器１２へと導かれ、高圧サイクル９を循環する有機流体と熱交換する。有機流体は、第１蒸発器１２にて熱媒水の顕熱によって加熱され蒸発気化する。熱媒水から熱回収した後の有機流体の温度は、例えば、約１２６℃とされる。
【００８４】
蒸発気化して高エンタルピとなった有機流体は、タービン３３へと導かれ、その熱落差によってタービン３３を回転駆動させる。タービン３３の回転出力を得て、発電機３４にて発電が行われる。タービン３３にて仕事を終えた有機流体（気相）は、凝縮器３５へと導かれ海水等の冷却水によって冷却されることにより凝縮液化する。
【００８５】
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。
有機ランキンサイクルの熱源として、高圧サイクル９では、第１空気冷却器４６と排ガスエコノマイザ５５にて熱回収した熱を用いることとし、低圧サイクル１０では、ジャケット冷却水（エンジン冷却水）によって熱回収した熱を用いることとした。
【００８６】
このように、例えば約２５０℃といった温度レベルが高いディーゼルエンジン４０の排ガスを用いるのではなく、排ガスよりも温度レベルが低く有効利用されていなかった第１空気冷却器４６（例えば約７０℃）、排ガスエコノマイザ５５（例えば約２０７℃）およびジャケット冷却水（例えば約８５℃）を用いることができる。
【００８７】
そして、本発明の排熱回収発電装置８は、発電機３４で発電が行われるが、温度の異なる二つの熱源からそれぞれ熱回収しつつ複数の蒸発温度を有する二つのランキンサイクルを用いることで、熱の有効利用を図ることができる。
【００８８】
本発明の第４実施形態は、低温であるが流量が常に多いジャケット冷却水を低圧サイクル１０の熱源とすることで、ジャケット冷却水の回収熱を有効に利用することができ、高温であるが流量が少ない第１空気冷却器４６や排ガスエコノマイザ５５を高圧サイクル９の熱源とすることで、第１空気冷却器４６や排ガスエコノマイザ５５の回収熱を有効に利用することができる。
【００８９】
また、ジャケット冷却水は、船舶の運転状況にかかわらず、排ガスの熱に比べて熱量の変化が少ない。そのため、排ガスの熱量が低下して、高圧サイクル９側の熱回収が低下した場合でも、低圧サイクル１０側の熱回収は継続でき、本発明の排熱回収発電装置８は排熱回収による発電を行うことができる。
【００９０】
本発明の第４実施形態は、ジャケット冷却水と、第１空気冷却器４６や排ガスエコノマイザ５５という温度や流量が異なる熱源に着目したものである。従来、高圧のランキンサイクルでは有機流体の流量を絞らざるを得ず、熱源の低温側で未利用熱が生じるところを、低圧のランキンサイクルと組み合わせることで、従来未利用熱だった温度領域からも熱回収することができる。本発明では、上述の性質の異なる熱源に着目することによって、有機流体が熱回収する温度が異なる二つのランキンサイクルを組み合わせた排熱回収発電装置８を実現することができた。
【００９１】
なお、上記第４実施形態において、熱媒水は、第１空気冷却器４６における熱回収と排ガスエコノマイザ５５における熱回収は、両方で行われるとしたが、本発明はこの例に限定されない。例えば、熱媒水の熱回収はいずれか一方で行われるとしてもよい。また、上記説明では、熱回収する温度が異なる二つのランキンサイクルを組み合わせたものとしたが、本発明はこの例に限定されない。有機流体が熱回収する温度が異なれば、三つ以上のランキンサイクルを組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１，４，７，８  排熱回収発電装置
２，５，９  高圧サイクル
３，６，１０  低圧サイクル
１１，２１，３１  循環ポンプ
１２  第１蒸発器
１３  タービン（第１タービン）
１４  発電機（第１発電機）
１５  凝縮器（第１凝縮器）
２２  第２蒸発器
２３  タービン（第２タービン）
２４  発電機（第２発電機）
２５  凝縮器（第２凝縮器）
２６，２７  流量調整弁
３３  タービン
３４  発電機
３５  凝縮器
４０  ディーゼルエンジン
４２  ターボチャージャ
４６  第１空気冷却器
５１  ジャケット冷却水ポンプ
５５  排ガスエコノマイザ
６０  排熱回収用ポンプ
【図１】
2012149541.tif 000003
【図２】
2012149541.tif 000004
【図３】
2012149541.tif 000005
【図４】
2012149541.tif 000006
【図５】
2012149541.tif 000007
【図６】
2012149541.tif 000008
【図７】
2012149541.tif 000009
【図８】
2012149541.tif 000010
【図９】
2012149541.tif 000011
【図１０】
2012149541.tif 000012