JP2002502941A - 液冷却式往復動ピストン型燃焼エンジンによって発生する部分的に冷めためで且つ部分的に暖かめである廃熱から操作に必要な温度を持った加熱媒体を発生させるための熱変換プロセス、並びに、斯かるプロセスを具体化するための装置 - Google Patents

液冷却式往復動ピストン型燃焼エンジンによって発生する部分的に冷めためで且つ部分的に暖かめである廃熱から操作に必要な温度を持った加熱媒体を発生させるための熱変換プロセス、並びに、斯かるプロセスを具体化するための装置

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、ブロックタイプ熱発電所（ＢＴＰＳ）往復動ピストン燃焼エンジンにおける冷却回路からの低温廃熱を、高温熱ポンプ原理の採用により、操作に必要な温度を持ったスチームもしくはその他の加熱媒体に変換する熱変換プロセスに関するものであって、このプロセスに従い、エンジン冷却回路を構造が必要とする所要流入温度まで再度冷却することにより生じる低温熱が、液作動媒体へ移送され、部分蒸発による作動媒体蒸気により吸収され、この作動媒体蒸気を圧縮し凝縮することによりプラント内加熱媒体温度と成し、プラント内加熱媒体へ移送される。本発明の目的は、商業的並びに工業的企業に熱供給するための往復動ピストン式エンジンタイプのＢＴＰＳにおいて、熱い廃ガスの廃熱のみならず、シリンダーや、潤滑油、更には、供給される空気／燃料混合気のための冷却回路から出る低温廃熱のうち可能な限り高い割合の分を、技術的に信頼し得る方法を用いて、且つ、投資および操作経費と、回復エネルギーからの出力との間の経済的な関係において、プラント内共通の加熱媒体に変換することにより、プロジェクト毎に固定される温度下限まで利用し得る、機械的蒸気圧縮を用いた高温熱ポンプ原理に基づいた熱変換プロセスと、このプロセスを具体化するための装置を提供する点にある。この目的は、本発明の連接と装置が、熱変換器のあらゆる操作条件の下で臨界低温領域における周囲圧以下への降下を防止するとともに、蒸気圧縮に必要なエネルギーが、最少限度まで低減され、且つ、蒸気拡張もしくはホットエア原動機を利用して、完全に乃至部分的にＢＴＰＳエンジン（図１）の廃ガス分から得られるという事実により達成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１前文記載の、高温熱ポンプ原理を応用して、ブロックタイ
プ熱発電所（ＢＴＰＳ）式往復動ピストン型燃焼エンジンの冷却回路からの低温
廃熱を、操作に必要な温度を持つ蒸気もしくはその他の加熱媒体へ変換する熱変
換プロセス、並びに、前記プロセスを具体化するための請求項１７〜２４記載の
装置に関する。
【０００２】 従来の技術水準によれば、ブロックタイプ熱発電所に、ガスタービン、もしく
は、往復動ピストン式燃焼エンジン駆動を備え、これらからの廃熱を結合して熱
交換機に入れ、加熱目的に用いることが知られている。この廃熱は廃ガスの中で
生じさせる限り、廃熱ボイラーで利用して、操作に必要な圧力と温度の加熱媒体
を発生させることが出来る。往復動ピストン式工業用燃焼エンジンの供給空気、
オイル、及び、シリンダーを冷却するための低温冷却回路は、冷却水流入温度が
通常の場合で７０〜８０℃、特別設計においては１１０〜１２５℃に設計され、
加熱率は５〜１０℃に設計されている。この場合低温の割合は、燃料及びエンジ
ン構造次第で廃熱の３５〜５０％に達することから、多くの場合技術プロセス工
業プラントでの、エンジンを原動力とするＢＴＰＳの利用に対しての限定要因と
なる。即ち、エンジンを原動力とするＢＴＰＳはプラントで充分な程度の利用が
なし得ない。往復動ピストン式エンジンは、より良い機械的／電気的性能要素を
持ち、即ち、部分負荷の下で好ましい挙動を示し、また、空気の余剰性が低く廃
熱ボイラーの煙突でのロスが少ないのであるが、工業用の電力／熱結合プラント
には圧倒的にガスタービンの方が多く設置されていて、廃ガス中に高温で生み出
される利用可能な廃熱全体が、一般的にプラント内プロセスの加熱に採用されて
いる。ガスタービンは、中小の規模のプラントで部分負荷の下で用いた場合挙動
が悪く極めて非経済的であることから、経済的にも環境的にも極めて興味深いガ
スタービンの電力／熱結合能力が様々な場面でいまだ充分に開発利用されていな
いのであるが、大規模なユニットに用いられたり、高率で均一な熱放出という条
件が存在する場合のみ、良好な価格パフォーマンス比を呈する。エンジンを原動
力とするＢＴＰＳは、前記した問題にも関わらず、環境との特殊な関わりを持つ
いくつかの工業会社で採用されていて、低温廃熱を可能な限り利用してビルのヒ
ーティングを行ったり、また、吸入冷水ユニットを介装する場合も同じくビルの
冷房と空調を、７０／９０℃もしくは１１０／１２５℃を最高温度として加熱水
を制御して行うなど、優勢に用いられている。然しながら、営利企業や工業会社
における一部の領域において二番手の加熱媒体として低温廃熱を直接的に利用す
る場合、技術的且つ組織上の支出は相当な額にのぼるし、また、各種の熱エネル
ギーキャリアによる生産と消費の同期化については、注意深く生産管理している
場合でも、しばしば、蒸気と電流の要求を満たすことが特別に重要となり、エン
ジンの「緊急冷却」のスイッチを入れ「低い目の値の」低温廃熱の利用を無しで
済ます必要があるほどであるから、困難である。
【０００３】 上記の各問題に鑑み、エンジンメーカー側で、許容可能な冷却水流入温度を１
１０〜１２５℃の領域まで近付けるよう努力が為されており、また、一方では、
多数の研究者から、機械的な蒸気圧縮や吸収技術の原理に従った熱変換を用いた
高温熱ポンプにより、低温廃熱を、プラント内利用可能温度レベルまで上げるた
めの調査研究報告が為されている。但しこれまで成功したのは数える程の分野に
おいていくつか例があるだけであるが、それらに共通していることは、比較的低
い温度上昇であり、その理由は、大して高価でない単純な無オイル圧縮機により
最高１ｂａｒの圧力差が得られること、そして、回復させたエネルギーと、駆動
に必要なエネルギー（発熱量、効率因子）との比率が経済的に魅力的であること
である。
【０００４】 このような応用の例としては例えば酒類醸造会社の「麦芽汁銅器」があるが、
そこでは、大量の水が大気圧もしくはそれより僅かに高い圧力で蒸発し、また、
大抵の場合に用いられる機械式圧縮機や、場合によってはスチームジェット蒸気
コンプレッサにより約０．５ｂａｒ圧縮され、そして更には、可能な限り短い道
を通って極めて大きなサイズの熱交換機内ですぐさま再利用されて、何秒か前に
そこから蒸発してきたばかりの麦芽汁銅器の火を炊く。これに関する報告は１９
８１年という早い段階でダブリュー・ストラックが自らの論文「高温熱ポンプの
可能性と限界」（ヴルカーン出版社（エッセン）の「熱ポンプ技術」シリーズ第
７巻で発表。ガスエンジン駆動プラントの、重要な要素５．３において、このガ
スエンジン駆動プラントの主要なエネルギー利用の度合いを評定。）で行ってい
る。また、この文献にはＢＴＰＳが説明されており、そこでは飽和圧力０．４ｂ
ａｒでの部分蒸発によるエンジン冷却水の７５℃への再冷却と、（熱媒体（この
場合はスチーム）の１３０℃に相当する）２．７ｂａｒへの蒸気圧縮とが用いら
れている。このプラントは既に、保護権利を求める本件出願の対象物にきわめて
近いが、然しながら、実際に深く追求したものではない。なぜなら、採用される
べき機械的エネルギーと、回復すべき熱エネルギーとの関連の仕方が、環境面か
ら見ても、また、経済的な側面でも正しくないし、また、プラントにおいてエン
ジン冷却回路へ開いている水／スチーム領域が、負圧においても、また、プラン
トにおける加熱回路に対しても深刻なシールの問題と、メンテナンスの問題を投
げかけている。
【０００５】 これまで説明した従来技術に基づいて、本発明の目的は、商業的並びに工業的
企業に熱供給するための往復動ピストン式エンジンタイプのＢＴＰＳにおいて、
熱い廃ガスの廃熱のみならず、シリンダーや、潤滑油、更には、供給される空気
／燃料混合物のための冷却回路から出る低温廃熱のうち可能な限り高い割合の分
を、技術的に信頼し得る方法を用いて、且つ、投資および操作経費と、回復エネ
ルギーからの出力との間の経済的な関係において、プラント内共通の加熱媒体に
変換することにより、プロジェクト毎に固定される温度下限まで利用し得る、機
械的蒸気圧縮を用いた高温熱ポンプ原理に基づいた熱変換プロセスと、このプロ
セスを具体化するための装置を提供する点にある。
【０００６】 即ちそれは、熱変換器の低圧エリアにおける負圧などの操作、メンテナンスそ
して修理や、プラント内加熱媒体へのエンジン冷却水の直接供給などにおける高
い危険性に影響されるような設計を避けることにより、技術上の信頼性に関する
要件を満たす請求項３、５、６、７の教示に基づいた各プロセスであり、装置で
ある。
【０００７】 本発明に従い、投資および操作経費と熱変換器の歩留り及び出力との経済的関
係が、下記の各事実に基づいて追求される。 ・請求項３、７〜１３の教示に基づき、低温レンジで生じる廃熱の処理および選
抜を、機械的／電気的効率因子へ回帰すること無く、もしくは、機械的／電気的
効率因子へわずかだけ回帰することにより最適な温度効率因子を達成することを
目的として、廃熱の回復を、可能な最大範囲（熱量）まで、且つ、可能な最高の
質（温度）で実施するように行う。 ・請求項１２の教示に基づき、発生して非処理状態の低温廃熱を、広範に利用す
ることにより、蒸気圧縮のための電力要求を最少にする。 ・請求項１、１４〜２３の教示に基づき、低温廃熱の熱変換のためのエネルギー
を、可能な限り、高いめの値のエンジン廃熱から取る。また、少なくとも、蒸気
圧縮のための質の高い機械的および／または電気的エネルギーを頼りにすること
や、ＢＴＰＳの機械的／電気的効率因子の付随的な減少を避ける。
【０００８】 従って、本発明は以下のような実質的な利点を有している。 １．ガスタービンタイプＢＴＰＳの機械的／電気的効率因子より優れた機械的／
電気的効率因子を備え、且つ、部分負荷の下での一層好都合な挙動を備えた往復
動ピストンエンジンタイプＢＴＰＳはまた、電力／熱結合のために廃熱を永続的
に完全に利用しつつ、且つ、本発明の熱変換器を設けた上でならば、ＢＴＰＳの
冷却回路で生み出される低温廃熱が十分要求されない（即ち、電力・スチーム消
費、もしくは、謂うならば高温加熱媒体消費に相当するか、時間的に同期化する
ような要求が何ら無い）ようなプラントにおいても使用可能である。 ２．本発明のプロセス並びに装置に従ってエンジン廃ガスのエネルギーを利用す
ることにより完全にまたは部分的に行われる熱変換器の駆動の結果として、電力
／熱結合プラントの機械的／電気的効率因子が、公知のプロセス及び装置に従う
電気的もしくは機械的駆動の高温熱ポンプ使用の場合に比べて、全く減らされな
いか、もしくは、減らされ具合がはるかに小さい。 ３．高温熱ポンプにおける負圧を避けるための手段により引き起こされる、エン
ジン冷却回路から熱変換器の蒸気圧縮機までの低温領域での漏れから生じる空気
及び／またはオイルの侵入の防止。更に、従来技術によりこれまでに知られてい
る高温熱ポンプタイプＢＴＰＳにおける深刻なプロセスおよび構造関連信頼性欠
如の、プラント内加熱システムによる救済。 ４．本発明の熱変換器を含んだ往復動ピストン式燃焼エンジンタイプＢＴＰＳの
技術上の利点は、環境的に値打ちのある電力／熱結合を、ガスタービンタイプＢ
ＴＰＳについて加熱電力要求が極端に低く、そして／または、余りに不均一であ
り、また、普通の往復動ピストンタイプＢＴＰＳの低温廃熱に関するスチーム要
求のこととは別に、往復動ピストンタイプＢＴＰＳの低温廃熱を十分に且つ時間
同期化して利用し得ない、圧倒的に小規模や中規模の種々の商業団体や工業会社
において採用することを、経済的に見て有益なものにする。
【０００９】 本発明が関係するのは、 １．低温熱回復プロセスであって、ＢＴＰＳエンジン冷却回路の可能な限り大き
な割合から、熱変換器作動媒体の沸点を蒸気蒸発及び圧縮のポイントにおいて周
囲圧以下への降下が無い程にはるかに越えた温度において、廃熱を得ることを可
能にするもの。これにより、外部へ出る媒体による漏れについて合図が為され、
また、作動媒体への空気やオイルの吸入が防止されること、並びに、蒸気圧縮の
ための電力要求にとって有利な高吸引圧と、コンプレッサの構造経費にとって都
合の良い作動媒体スチームの低吸引量とが達成され、負圧に対する高価なシール
を避けられることが保証される。 ２．前記第１項の規範に従って熱変換器の高圧領域において蒸気圧縮と加熱電力
を備えるプロセスであって、低温熱回復の飽和圧力から、プラント内加熱媒体の
飽和圧力までの蒸気圧縮に必要なエネルギーが、エンジン廃ガスの熱分から出来
る限り遠くで、廃ガスを過熱高圧誘因蒸気に転換しこれをプラント内加熱媒体の
圧まで拡張しそして一方圧縮物を奪われることにより、もしくは、圧縮物をスタ
ーリングの原理に従うホットエア原動機のために用いることにより得られる。
【００１０】 本発明のプロセスを具体化するための本発明実施例は図面に示し、以下に説明
する。 図１は、本発明熱変換器の第１実施例とともに用いるエンジン利用ＢＴＰＳの
概略図である。 図２．１は、図１と異なりスチームジェット式コンプレッサにより修正した熱
変換器を含んだエンジン利用ＢＴＰＳの概略図である。 図２．２は、備わる機械式コンプレッサが別途の燃焼エンジンを有するスチー
ム拡張原動機により動力を得る熱変換器を含んだ図１に基づくエンジン利用ＢＴ
ＰＳの概略図である。 図２．３は、備わる機械式コンプレッサがスチーム拡張原動機のジェネレータ
から動力を供給される電動モーターにより動力を得る熱変換器を含んだ図１に基
づくエンジン利用ＢＴＰＳの概略図である。 図３．１は、熱ポンプ低沸点作動媒体を供給されるように修正した熱変換器と
組合せるエンジン利用ＢＴＰＳの概略図である。 図３．２は、加熱電力媒体−圧力ボイラーのエリアを修正した熱変換器の実施
例の概略図である。 図４．１は、蒸気圧縮器を駆動するスターリングエンジンを有する熱変換器と
組合せるエンジン利用ＢＴＰＳの概略図である。 図４．２は、熱変換器の操作に熱ポンプ低沸点作動媒体を用いる図４．１の装
置の別の概略図である。
【００１１】 図１に示したように各装置は、サブユニット（１．１〜１．８）から成るＢＴ
ＰＳエンジン（１．０）と、低圧ボイラー及び蒸気蒸発器（２．０〜２．５）、
廃熱誘因蒸気高圧ボイラー（３．０〜３．４）、駆動体を備えた蒸気圧縮機（４
．０〜４．２）、そして、中間圧力加熱ボイラー（５．０〜５．２）に細分化さ
れる。詳細に説明する前に、本発明の教示に基づく技術革新性と改良点が明確に
なるよう、図１を参考にして従来の技術水準におけるシステムを簡単に述べてお
く。
【００１２】 一般に建物のヒーティングに用いられる建造物タイプの標準的なＢＴＰＳは、
図１のユニット（１）及び（２）と類似した構成ユニットだけから構成されてお
り、この構成ユニットを互いに接続して、ＢＴＰＳエンジンからの廃ガスを、廃
ガスターボスーパーチャージャー（１．２／１．３）の後ろで、廃熱ボイラー（
２．０）を通過させる。そして、この種のプラントにおいて大抵直列に接続され
ている低温エンジン冷却回路（１．４、１．５）からの予加熱冷却水（廃ガスタ
ーボスーパーチャージャー（１．２／１．３）、エンジンオイル冷却部（１．６
）及びシリンダー冷却部（１．７）により空気供給される燃料／空気混合気（Ａ
）のための冷却器の高温段階と低温段階）が、加熱ボイラー（２．４）の供給流
温度まで再加熱される。温度はいづれも８０℃程度を越えないので、この場合の
ＢＴＰＳは高い廃熱利用レベルに到達するが、このレベルは、単に空気過剰率が
所謂過薄混合（ターボ）エンジンに必要な１．５〜２．０であることから良好な
加熱ボイラーの温度効率因子よりも低い。この欠点は、制御触媒を備えた「ラム
ダ１」エンジンを用いることにより避けられるが、ラムダ１エンジンは、比出力
が低いことから廃ガスターボ過給機を備えた過薄混合ターボエンジンに比べると
高価である。経済性と環境とはここでも未だ互いに相容れない関係にあり、電流
−／熱の価格関係から遺憾ながら大抵の場合環境にとって不利な決定がなされて
いる。
【００１３】 工業用と商業用に共通の、エンジンタイプＢＴＰＳは、図１のユニット１、２
、５に似た構造ユニットから成り、これらが接続されて、プラント内加熱媒体の
温度に対応した過剰圧を対象にして設計された加熱ボイラ（５．０）が、廃ガス
により単独で加熱され、そして、この温度段階での加熱電力の要求が無いことか
ら、ボイラー（２．０）に対応するタンクに集められた冷却水の利用が個別に調
整されるか、もしくは、廃熱を冷却水再冷却のため「ルーフに流す」。エンジン
の電気効率因子が３５〜４０％で、利用可能な熱生成が廃ガスおよび冷却水中の
約２０％である場合は、全体的な効率因子は、仮に低温廃熱を無しで済ませるな
らば、採用される燃料エネルギーの６０％と低くなり、つまりは、電力／熱結合
プラントとして経済的に受け入れられる限界に極めて近くなる。
【００１４】 従来技術に従い蒸気圧縮により冷却水熱の回復のため高温加熱ポンプを使用す
るＢＴＰＳプラントは、４０％に近い良好な温度効率因子を達成するが、この場
合、ＢＴＰＳプラントはコンプレッサの駆動に、ＢＴＰＳの電気効率因子が例え
ばストラック（ＳＴＲＵＣＫ）が記載している構成の場合のように約５％から３
０乃至３５％低下するほどの多大な駆動エネルギーを消費する必要がある。スト
ラックの接続回路は、図１におけるＢＴＰＳエンジン（１．０）、エンジン冷却
回路（１．４〜１．７）並びに低温ボイラー（２．０）、蒸気圧縮器（４．０）
とその駆動エンジン（４．２）、更に中間圧加熱ボイラー（５．０〜５．２）に
似ているが、但し誘因スチーム高圧ボイラー（３．０〜３．３）と、スチームエ
ンジン（４．１）は省略される。そして、廃ガスは加熱ボイラー（５．０）を流
す。その他の本発明システムとの重要な相違点は、オイル及び空気の高温熱ポン
プとプラント内加熱回路への吸入が、熱交換機（１．７）の欠如と、低圧ボイラ
ー（２．０）とこれに直接接続されるエンジンにおける０．４ｂａｒの負圧とに
よる漏れの場合に発生することであり、このことは斯かるシステムの利用の実質
的な差し控えを生じさせる。
【００１５】 ガスタービンを用いるＢＴＰＳは、開発利用し得る低温廃熱が欠如しているの
で、構造ユニット（１．０、１．１、１．２、１．３）に類似した駆動エンジン
と、加熱媒体に必要な操作圧を対象に設計され５．１及び／または５．２に基づ
く加熱回路を備えた、構造ユニット（３）に類似の廃熱ボイラーとから構成され
る。最新工業用ガスタービンの機械／電気効率因子は０．６〜３ＭＷにおいて２
０〜３０％上昇し、１０ＭＷで３５％未満に達する。熱効率因子と、単純なプラ
ント構造は、廃ガス中の廃熱ほぼ全体の供給により便益を得るが、一方で、それ
は、使用される技術材料と構造に現在のところまだ負っている空気の高い余剰率
λ＝４に基づいた煙突（Ｃ）における２０％のオーダーの高率のロスにより低減
される。構造ユニット（３．２）に則った廃ガス流における廃熱の再加熱により
煙突での示されたロス２０％は１／３まで減少させられるが、その場合プラント
の電流指数も同じ程度低下することは真実である。従って、この手段は、操作の
ための熱要求がガスタービンから供給される廃熱を一時的に越える範囲において
のみ有益である。この条件が永続的に発生するのならば、ガスタービンタイプＢ
ＴＰＳはプラント工場の環境廃熱利用や電力／熱結合能力が十分に排出されない
ほど貧弱に設計されているはずである。
【００１６】 熱変換機を備えた本発明のエンジンタイプＢＴＰＳ（図１）は、従来技術に基
づいた先に説明したＢＴＰＳとは異なり、メイン構造ユニットすべて（１．０〜
５．０）を備えているが、構造サブユニットをすべて必ずしも常時備えているわ
けではない。図１に示したレベルの装置に対し別の選択肢が存在する場合に限り
それについて、図示した装置レベルの文脈で説明を行う。文章で明快に説明し得
ない場合は図面を用いる。模倣を避けるために、ここで、用語「熱変換器」はプ
ラントにおける番号で区別される構造ユニットを意味するのではなく、構造ユニ
ット（１）の例外を備えたプラントの実質を指している点に御注意頂きたい。こ
の用語の方が、熱変換器の広範な機能に対して繰り広げられる一組になった構造
ユニットの一体性を特徴づける上で高温熱ポンプより好ましい。
【００１７】 構造ユニット１： 往復動ピストン式燃焼エンジン（１．０）とこれに結合する電気ジェネレータ
（１１）。図示したものは、ガスエンジンとして具体化させる、ガスタービン（
１．２）とこれに組合せる燃料空気混合ターボコンプレッサ（１．３）から成る
過薄混合気ターボエンジンである。このターボ過給機は、液体燃料注入を用いる
エンジンの空気を圧縮するだけである。一方、供給空気または混合気冷却機（１
．４、１．５）を含んだ廃ガスターボ過給機は吸入エンジンから省略されている
。冷却機（１．４、１．４）の細区分は、請求項８に従って、圧縮熱が供給空気
もしくは混合気冷却機（１．４）へ移送され、必然的な温度差を残したまま、低
温ボイラー（２．０）からポンプ（１．８）により循環させられる冷却水へ送ら
れる。低温冷却機（１．５）は、外部の冷却水供給源に接続される。
【００１８】 請求項１の有利な側面において、冷却機（１．５）は無しですますことができ
、エンジン（１．０）の付随的な電力ロスは、燃料熱処理量の５％のオーダーで
そこで消費される熱量を「冷やす」ためではなく、熱量を廃ガス利用に組み込む
ために、受け入れられる。請求項１の内容に基づいた更なる利点は、蒸気圧縮の
ために利用可能な廃ガスエネルギーが増加することである。これら二つの効果は
「ラムダ１」吸入エンジンを採用っして、低圧ボイラー（２．０）の冷却機（１
．４）からの熱量を廃ガスに移送し、一方、蒸気圧縮機（４．０）の電力要求を
減らし、同時に、駆動電力供給を増加させた場合、更に好結果を生む。更に、エ
ンジンの空気供給が無しで済ませるので、空気の余剰、即ちは、これに直接関わ
る煙突でのロスが比例的に減少させられ、熱効率因子が増大させられる。
【００１９】 熱交換機（１．７）は、熱変換器の作動媒体と、エンジン（１．０）のシリン
ダー冷却回路との間の媒体の分離が、例えば、食品処理工場において特に致命的
と考えられる加熱媒体がエンジンオイルで汚染されるリスクについて安全を考慮
する場合のように、明らかに望ましいか、技術的に必要である場合のために設け
られる。このようなことは請求項７が具体化されない場合生じる可能性がある。
請求項７に従えば、エンジン（１．０）の冷却水温度が１１５〜１２５℃に上昇
し、熱変換器作動媒体としての水により、プラントが全低温領域内で周囲圧以上
になることが保証されるとともに、請求項４に従って、この場合に使用されるべ
き低沸点の別途の作動媒体が、燃焼性や腐食性などの化学的もしくは技術的リス
ク事由に関してエンジン冷却剤として使用することに何らの問題も無いことが保
証される。
【００２０】 オイル冷却機（１．６）において約５％の廃熱が冷却機（１．５）と同様に生
成される。冷却水流入温度が請求項７に従って１１５〜１２５℃まで上昇させら
れた場合、請求項９に従ってエンジン（１．０）を更に開発して、適当な潤滑油
を約１２０〜１３０℃の油温で用いた場合間違いなく電力、役務寿命までエンジ
ンが作動し得るようにする必要がある。今日、請求項７に従うホット冷却や、請
求項９に従う１２０〜１３０℃の油温を用いた操作を可能にするエンジンが既に
存在する。それ故、これら二つの特性を組合せた場合の問題は開発の費用もしく
は従来この形態で要求されていない承認の件である。ＢＴＰＳエンジンがもとも
と電力／熱結合プラントでの使用のために開発されたものではなく、また、結果
的な全体的考慮の怠慢により高い機械／電気効率因子に与えられた優先権により
常に最適化され、一方では、廃熱の利用可能性が無視され、部分的には妨害まで
されたという事実は、経済及び環境上の効果に決定的な衝撃を与えるこのような
基本的な技術革新がＢＴＰＳ建造後長年経過した後もなおも可能であるというこ
とを物語るものである。
【００２１】 構造ユニット２： 熱変換器の低圧ボイラーは、タンク（２．０）により形成される。タンク（２
．０）のプロセス技術機能は、ひとつは、作動媒体液の部分蒸発である。この作
動媒体液は、ポンプ（２．１）により排出され、圧維持バルブ（２．２）との相
互作用により、エンジン冷却回路（１．４、１．６、１．７）で起こる最高過熱
温度で飽和圧以上に保持され、低圧ボイラー（２．０）へ戻される。その際、圧
維持バルブ（２．２）を介して圧を低減され蒸発させられる。タンク（２．０）
のプロセス技術機能はまた、結果的に生じる作動媒体蒸気が蒸気コンプレッサ（
４．０）の吸入ラインに入るまでに行うその蒸気からの残存液の排出である。ま
た、低圧ボイラー（２．０）は供給水と、外部プラント内タンクからの凝縮物の
ためのＢＴＰＳプラントのアキュムレータ及び調整レベル要約ユニットとして、
そしてまた、プラント内低温ユーザー（２．４、２．５）への蒸気及び熱水供給
源として作用する。
【００２２】 構造ユニット３： 熱変換器の誘因スチーム高圧ボイラーは、廃ガス側に配置される上流過熱器（
３．１）と、スチームジェネレータ（３．０）の充填レベルにより制御されるフ
ィードポンプ（３．４）を含む下流エコノマイザー（供給水予加熱器）３．３と
を含む廃熱スチームジェネレータ（３．０）により形成される。スチームジェネ
レータ（３．０）とその第２ユニット（３．１〜３．４）はまず第一にエンジン
（１．０）の廃ガス温度に左右されるよう、第二に低温廃熱の質と量に従うよう
に、第三に特定のプラント内加熱電力圧に左右されるよう、そして第四にこれら
のデータから生じる蒸気圧縮のための電力要求と、駆動体に左右されるよう設計
されている。これらの予め設定したデータが蒸気圧縮のための電力要求に対抗す
るようにエンジンガスへの加熱電力供給において不備を示す場合は、有益な手段
が潜在的に、エンジン（１．０）から誘因スチームボイラー（３．０）までの廃
ガス流に特別なバーナー（３．２）を設置することから成り立つことになる。こ
れに関する別の方法は蒸気圧縮に関連して述べてあるし、熱変換器を最適化する
ことに関する文脈でも説明している。
【００２３】 構造ユニット４： 熱変換器の蒸気圧縮は図１に示したように、スチーム拡張原動機（４．１）と
、特別な駆動体（４．２）とに組み合わされた機械的コンプレッサ（４．０）か
ら構成される。この形態自体は、請求項１、２、２０、２２、１７に基づく試み
られた解決方法の実際上不適切な組合せを示している。実際の構成が、図１にお
いて構造ユニットを単に省略することにより明確に説明され論じられる限りにお
いて以下においても同様に行うこととする。尚、構造ユニットの形態が大きく逸
脱する分については図２．１〜２．３に示している。
【００２４】 図２．１では請求項２の特別なバーナーを備えた誘因スチーム高圧ボイラープ
ラント（３．０、３．１、３．２）と、請求項１７のスチームジェットコンプレ
ッサ（４．０．１）とから成るスチームジェットコンプレッサ（４．０）を含ん
だ熱変換器を示す。スチームジェット圧縮との関連では、本発明のバーナー（３
．２）による誘因スチーム供給の増加について別の選択肢は無い。スチームジェ
ットコンプレッサ（４．０．１）が機械コンプレッサより悪い効率因子を持つの
は、特別に高い圧縮比の場合である。スチームジェットコンプレッサは購入とメ
ンテナンスのコストは低く、スチーム汚染のリスクも無いので、低温廃熱、高温
廃熱の圧縮比、容量比について周辺条件が有利である限り、利用を考慮すべきで
ある。ＢＴＰＳの電流指標に関して特別バーナー（３．２）の効果を判断する際
には、燃焼後が、特に高い空気余剰を持つ過薄混合ターボエンジンについて煙突
ロスとプラントの熱効率因子に対しての好ましい衝撃を有するかどうかに関して
考慮すべきである。
【００２５】 図１の実施例に類似した熱変換器であって、廃ガスからのエネルギーを利用す
るスチーム拡張原動機（４．１）によって動力を得る機械コンプレッサ（４．０
）と、おそらくは、特別なバーナー（３．２）とを含む。バーナー（３．２）は
コンプレッサ（４．０）と、これに組合せるスチーム拡張原動機（４．１）とを
備えるが、機械的な特別な駆動体（４．２）は持たない。駆動体（４．２）は、
駆動エネルギーに欠陥のある場合請求項２により特別なバーナー（３．２）と組
合せる。この実施例は、主たる請求項１にもっとも近いもので、プラントが請求
項７〜１５に従って設計されている特別な範囲のケースのように、仮に高温廃熱
、低温廃熱へのエネルギー分配が有益であり、加熱媒体圧があまり高くなく低圧
ボイラー（２．０）が高圧であることによって圧縮比が中庸の場合には、最良の
形となる。この実施例はまた、請求項２０のクランク軸を持たず、軸方向に真正
のアラインメントにより配置されるシリンダーへ一般のピストンロッドにより直
接結合される拡張・圧縮ピストンのみから構成され、別途の機械的な付属的駆動
体の可能性をもたらさない一体的な往復動ピストン拡張・圧縮エンジンについて
の、経費効果があって頑健な異形物を用いるのための予め必要な条件を満足させ
る。
【００２６】 図２．２に示した熱変換器は、機械的コンプレッサ（４．０）に請求項２３の
特別な燃焼エンジン（４．２．２）を用いるスチーム拡張原動機（４．１）によ
り動力を与えるもので、コンプレッサ（４．０）と、これに堅固に接続するスチ
ーム拡張原動機（４．１）、並びに、速度に応じた方法でこれに結合する燃焼モ
ーター（４．２．２）とから構成し、燃焼モーターの廃熱は請求項２３に従いＢ
ＴＰＳエンジン（１．０）の廃熱と平行に、熱変換機の構造ユニット（２、３）
により回復され、蒸気圧縮プラント（４．０〜４．３）を介して加熱ボイラー（
５．０）へ送られる。燃焼エンジン（４．２．２）は、（ここでは省略している
が）特別バーナー（３．２）が別途の駆動エネルギーを与えることとは対照的に
、スチーム拡張原動機と比べ３〜４倍の高い機械的効率因子の結果として、廃熱
利用がＢＴＰＳの電流指標に対し逆効果を持つような相応に少なめの燃料を使用
する必要があるという利点を有している。この点は、燃焼エンジン（１．０）の
廃ガスエネルギーが高圧誘因スチーム発生へ一体化され、スチーム拡張原動機（
４．１）のパワーを増加させ、従って、燃焼エンジン（１．０）のための低電力
の評定につながることから見てますます正しい。
【００２７】 図１に類似の熱変換器は、機械的コンプレッサ（４．０）に請求項２１に従い
機械的な付属の駆動体を用いるスチーム拡張原動機（４．１）により動力を与え
るもので、コンプレッサ（４．０）と、スチーム拡張原動機（４．１）、並びに
これに結合する付属の駆動体（４．２）とから構成する。これを、直接的な機械
的方法でＢＴＰＳエンジン（１．０）の第２の駆動体へ接続することは、構造経
費と効率因子の点で興味深いが、仮に、コンプレッサ（４．０）のパワー制御が
回転数により行われる場合は問題を呈する。より一層実際的なのは、速度が調節
可能で、機械の空間的な協働性について制限が少ない液圧モーター（４．２）に
よる付属の駆動体である。液圧モーター（４．２）はＢＴＰＳエンジンの動力を
分岐させるので、ジェネレータ（１．１）は理論上小さめに設計でき、投資コス
トの軽減が可能となる。しかし、この考え方が現実のものとなるのは、ジェネレ
ータのパワーが減少させられた少なくとも蒸気コンプレッサ（４．０）の付属的
な駆動力の割合が、ＢＴＰＳが全負荷で作動する場合、常に液圧的に結び付けら
れるという必須条件のもとにおいてのみである。請求項１２に従い低温熱を直接
消費することにより一時的に蒸気負荷、つまりは、コンプレッサ（４．０）のパ
ワー要求を減らすという在り得るオプションを考慮すれば、少なくとも液圧駆動
を選択するためのこの誘因が理論の場へ進み出ることになる。当然ながら、標準
的な解決策は図１に示した直接にフランジを設けた電動モーター（４．２）であ
って、このモーターの速度とパワーは周波数変換器と効率因子により可変であり
、また、このモーターの構造費用は１：１の場合に液圧モーターに例えなけらば
ならない。しかしながら、請求項１２の合理化ポテンシャルを有効に利用するた
めに必要な柔軟性は以下に述べる請求項２２の形態を具体化することによっての
み得られる。
【００２８】 図２．３の熱変換器は機械的コンプレッサ（４．０）と電動モーター（４．２
）を含み、電動モーター（４．２）にはスチーム拡張原動機（４．１）のジェネ
レータ（４．４）から電流が供給される。この熱変換器は請求項２２に従い電動
モーター（４．２）により動力を与えられるコンプレッサ（４．０）から構成さ
れ、コンプレッサ（４．０）はもはや請求項１の場合のように機械的にスチーム
拡張原動機（４．１）へ接続されないが、負荷管理部（４．５）により電流ジェ
ネレータ（４．４）へ電気的に結合される。速度コントローラを備えた電動モー
ター（４．２）は、エンジン（１．０）で生成され加熱回路（２．４、２．４）
を介して撤収される低温熱量の比率に従う低圧ボイラー（２．０）に蒸気余剰に
対応してコンプレッサ（４．０）に動力を与えるために必要な量だけのジェネレ
ータ（４．４）で生成される電流を消費する。スチーム拡張原動機（４．１）の
ジェネレータ（４．４）における廃熱から前述の電流以上に生み出される電流が
ＢＴＰＳプラントの電気効率因子と電流指標を高める。請求項１２の回復した低
温熱の一時的な直接の消費により過剰な拡張エネルギーを追加的な電力／熱結合
電流へ転換可能にするのは、請求項２２に基づくこの有利な構成だけである。高
圧ボイラー（３．０）と、スチーム拡張原動機（４．１）がパワー予備を伴うよ
う設計されている場合、特別バーナー（３．２）が、プラント内高電力要求がＢ
ＴＰＳの廃熱供給量を越える時期に操作され、超過−平均一時的熱要求の充足が
追加的発電と組み合わされる。従って、ＢＴＰＳプラント適用の特定の環境を考
慮すれば、請求項２２の文言に従い、蒸気拡張原動機（４．１）から機械的に外
されている蒸気コンプレッサ（４．０）の電気駆動を、請求項２の特別バーナー
（３．２）の設置と組合せることは有用である。
【００２９】 構造ユニット５： 熱変換器の加熱パワー中間圧ボイラーは、プラント内加熱媒体の飽和圧力を対
象に設計されたボイラー（５．０）から構成される。ボイラー（５．０）には必
ずしも廃ガス加熱面を備える必要は無い。なぜなら廃ガスの供給は、低圧ボイラ
ー（２．０）から蒸気コンプレッサ（４．０）で圧縮された蒸気が導入され、ま
た、高圧ボイラー（３．０）からスチーム拡張原動機（４．１）で拡張された蒸
気が導入されることにより行われるからである。尚、ここで生じた蒸気の量がプ
ラント内加熱回路（５．１、５．２）での消費量を上回る限り、凝縮する必要が
ある。高圧ボイラー（５．０）は、圧力のバリエーションによる発生する熱と消
費される熱との差に反応する廃熱アキュムレータの機能を有しており、本発明に
従いこの機能がＢＴＰＳと、並列接続される別途の熱供給プラントの負荷制御の
ための中央参考設定部を構成する。
【００３０】 図３．１及び図３．２の高圧ボイラー（５．０）の装置と接続変形が形成され
るのは、熱変換器が請求項５、６、１９の熱ポンプ低沸点作動媒体を伴って設計
されている場合であり、その場合、熱交換面を設けて圧縮作動媒体を凝縮するこ
と、そして、供給される熱による加熱蒸気発生に対する供給水供給源を設けるこ
とが必要であるからである。
【００３１】 図４．１と図４．２の構造ユニット２、３、５についての結線と機能には、請
求項２４に従い蒸気コンプレッサ（４．０）に動力を与えるスターリングエンジ
ン（４．８．０）を含む。この場合、高圧ボイラー（３．０）と過熱機（３．１
）はスターリングエンジン（４．８．０）の駆動高温熱交換機（４．８．１）と
交代し、廃ガス後冷却機／供給水予冷却機もしくはエコノマイザー（３．０）の
下流に接続される。エコノマイザー（３．０）は低圧ボイラー（２．０）のエン
ジン冷却回路回帰ラインから供給ポンプ（３．４）により元の通りガスを供給さ
れ、ボイラー（５．０）に開くもので、循環ポンプ（５．４）により接続される
別の廃ガス予冷却機（５．３）である。循環ポンプ（５．４）を含む高温冷却回
路は、スターリングエンジン（４．８．０）の駆動低温熱交換機（４．８．２）
の廃熱を廃ガス予冷却機（５．３）の一つと平行に、中間圧ボイラー（５．０）
へ送る。中間圧ボイラー（５．０）の他の機能はこれまでに述べた通りである。
スチーム拡張原動機（４．１）へのエンジン廃ガスにおけるエネルギー欠点のバ
ランスを取ることを考慮しながら図示し、説明している請求項２、１７〜２３の
プロセス及び装置に基づく解決方法も、上記同様にスターリングモーター（４．
８．０）に適用される。図４．１では、図１および図２．１〜２．３同様に水を
熱ポンプ作動媒体として示している。図４．２では、スターリングモーター（４
．８．０）がスチーム拡張原動機（４．１）の代わりに用いられた場合、熱変換
器が請求項５、６、１９に従い熱ポンプ低沸点作動媒体により操作される時の図
３．１の同様の結果としての装置および接続を示している。
【００３２】 熱変換器の接続と機能のための低温蒸気蒸発のための作動媒体の選択結果。 １１５〜１２５℃で熱冷却されるエンジン（１．０）が請求項７のＢＴＰＳに動
力を与えるよう採用される場合、低圧ボイラー（２．０）は作動媒体としての水
により１．７〜２．４ｂａｒで作用し、空気やオイルの侵入に対して、加熱媒体
のオイルや汚染物からの絶対的自由に関する特に極端なプラント内安全要件が不
賛成を表さない限りエンジン（１．０）のシリンダー冷却回路につながる熱交換
機（１．７）を省略し得る程度には、十分に保護される。熱変換器はエンジン冷
却からプラント内加熱まで「開いており」、熱交換機でのエネルギー吸収温度差
は、媒体分離のため避ける。水回路は図１の本発明の有益な方法による最適な熱
回復という観点から設計出来る。
【００３３】 比較的冷たく、新たに処理されたばかりの供給水と、プラントで生成された凝
縮物のすべてとを請求項１１のように低圧ボイラー（２．０）からエンジン冷却
回路ポンプ（１．８）への流入ラインへ導入することは、低圧ボイラー（２．０
）の飽和温度以下の冷却水供給流の過冷却が冷却水回帰流の過熱を同じ量だけ減
らし、そして、拡張する蒸気量、つまりは、蒸気コンプレッサ（４．０）への作
用負荷とこのコンプレッサの電力要求が減少させられるのであるから、有益であ
る。
【００３４】 一方、請求項１６に従い減少バルブ（２．２）前方の回帰ラインから過熱冷却
水を引き戻し、蒸気コンプレッサ（４．０）に負荷を掛けること無く低圧領域か
ら高圧領域まで可能な限り多量の熱をここで変移させるという観点によって高圧
ボイラー（３．０）のためのエコノマイザー（３．３）に供給することも有益で
ある。
【００３５】 蒸気コンプレッサ（４．０）の逃げを、請求項１２に従い低圧ボイラー（２．
０）から供給される加熱回路（２．４、２．５）による低温熱の直接消費により
備える。但し、請求項２２の説明に関連してここで限定的に、コンプレッサの逃
げはプラントの出力に対して永続的にもしくは確実な関連性をもって発生するの
ではなくそれ自体一時的にランダムに現れるものであって、請求項２２に基づく
蒸気圧縮プラントがジェネレータ（４．４）と電動モーター（４．２）を含んだ
別々の独立的に制御可能な複数のユニットから構成される場合のみ経済的な利益
を生じさせるという点について留意されたい。
【００３６】 モーター冷却剤として許容し得ないかもしくはプラント内加熱媒体として問題
があるような低沸点液を熱ポンプ作動媒体として選択しなければならない場合、
そしてその理由が請求項４の熱冷却ＢＴＰＳエンジンが熱変換器の蒸気蒸発・圧
縮エリアに利用し得ないことである場合、請求項６に基づき、熱変換器を両方に
つまりエンジンとプラントに近づくよう設計することが必要であって、熱変換器
は、熱ポンプ作動媒体の危険発生特性（燃焼性、有毒性）に左右されるので、所
要の媒体分離ポイントをプラント中に点在させるか、中央の保護ゾーンに配設す
る必要がある。
【００３７】 これらの事実上の制限にも関わらず請求項１１、１２、１６に基づく有利な接
続を維持するために、そして、低沸点熱ポンプ作動媒体の分配エリアを避けられ
ない範囲に限定するために、請求項６に基づき且つ図３．１に示したように低圧
ボイラー２．０を蒸発機として備え、中間圧ボイラー（５．０）を閉鎖熱ポンプ
システムの凝縮機として備え、熱交換機を熱ポンプ低沸点作動媒体とプラント内
冷却・加熱回路との間に配置する。そして、原動機（４．１）からの拡張蒸気と
蒸気コンプレッサ（４．２）からの熱ポンプ作動媒体圧縮蒸気とは別々にボイラ
ー（５．０）へ導かれ、媒体分離ポイント（４．７）で熱交換される。熱ポンプ
作動媒体凝縮物は暫定的にアキュムレーター（４．６）に蓄えられ、制御バルブ
（４．５）で拡張された後、低圧ボイラー（２．０）上もしくは内の熱ポンプ蒸
発機へ再び通される。
【００３８】 使用した場合エンジン冷却剤として無害である熱ポンプ作動媒体を採用し得る
場合、請求項５に基づく熱ポンプシステムはエンジン冷却回路に対して開くよう
に設計する。これにより、熱交換に必然的に生じる温度差を持つ媒体分離ポイン
トを避けることが出来るという利点がある。この場合、請求項１１、１２、１６
に基づく水回路は直接にもしくは局部的な条件に従って、中間のタンクを経てプ
ラント内供給水・凝縮物タンクから供給を受けなければならない。ここで述べる
構成において低圧ボイラー（２．０）は液側、蒸気側に水を含んでおらず、おそ
らく操作とは相入れない熱ポンプ作動媒体だけを含んでいるので、プラント内熱
のユーザーは、別途の温度差を生じる熱交換機による媒体分離を目的として請求
項１２の低温領域から直接に供給されなければならない。尚、その温度差につい
ては、熱ポンプ作動媒体のエンジン冷却回路と低圧ボイラー（２．０）に対抗す
るような熱交換を、請求項６の実施例とは違い省略され、これにより作動媒体の
高いめの蒸発圧という別途の利点が生じ、その結果、蒸発コンプレッサ（４．０
）の低いめの電力要求につながるという事実により補償される。
【００３９】 低沸点作動媒体を使用する完全もしくは部分的閉鎖熱ポンプという主題に関し
て述べ得ることを要約すると以下の通りである： 請求項３の場合とは異なり、
熱変換器の低温領域において周囲圧以下への降下無しに１００℃以下のエンジン
冷却温度を用いるプラントを設計することは技術的にまさに可能である。 １．ひとつの傾向として、請求項６の実施例において請求項５の場合とは違って
僅かに増加させられるエンジン冷却回路温度とプラント内加熱回路温度との差が
熱ポンプの蒸気コンプレッサ（４．０）の圧力差と電力要求とを同様に上昇させ
る。 ２．蒸気コンプレッサ（４．０）に関する上昇する電力要求の傾向は更に、より
冷たいエンジン冷却回路による低温廃熱の回復増加により強まる。熱冷却エンジ
ンで失われる追加的な回復廃熱がここで関係しているという場合で仮にあるなら
ば、そういう場合である限りにおいて、そこに利点は見えるが、残念ながらこの
予め必要な条件は特定の要件の下で小さな割合でのみ適用される。即ち、オイル
冷却機の廃熱を請求項１０の熱冷却エンジンにおける回復へ組み込むこと、そし
て、請求項９に従い冷却回路温度以下で生成した供給空気熱の「クール・オフ」
を無しで済ますことに予見通り成功した場合、低温の冷却水により消費されなか
った熱は再び廃ガスに戻り、高圧ボイラー（３．０）か、もしくは、スターリン
グエンジンの高温駆動熱交換機（４．８．１）において回復され、蒸気コンプレ
ッサ駆動のエネルギー供給源を増やす。 ３．しかし、２項、３項とは逆に、コールド冷却エンジン、つまりは、請求項５
、６のプラント概念のために、これらが熱冷却概念よりも今日利用可能な多種の
エンジンにより現実化出来ること、そして、蒸気コンプレッサに関する高いエネ
ルギー要求と、コンプレッサ駆動のため利用可能な廃ガス熱の小さめの供給とが
パワーが高い分好都合であり購入価格分３〜５％分高めのコールド冷却モーター
の機械／電気効率因子によりフルにもしくは少なくとも大きく補償されることが
指摘し得る。即ち、同じ燃料処理量でのより良い効率因子に基づいて、一層の電
流が発生させられる限りにおいて、このプラント乃至その一部を用いて、結局全
体的な効率因子と電流指標を劣化させることなく、蒸気コンプレッサのための増
加するエネルギー要求を満たすことが出来る。 ４．要約すれば、水を熱ポンプ作動媒体として用いる熱冷却エンジンのためのバ
ージョンと、熱ポンプ低沸点作動媒体を使用するコールド冷却エンジンのための
バージョンとにおける熱変換器を含む本発明のＢＴＰＳ概念が従来技術の熱変換
器を設ける、設けないに関わらずＢＴＰＳプラントの有利な改良を表すというこ
とが言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明熱変換器の第１実施例とともに用いるエンジン利用ＢＴＰＳの概略図で
ある。
【図２．１】 図１と異なりスチームジェット式コンプレッサにより修正した熱変換器を含ん
だエンジン利用ＢＴＰＳの概略図である。
【図２．２】 備わる機械式コンプレッサが別途の燃焼エンジンを有するスチーム拡張原動機
により動力を得る熱変換器を含んだ図１に基づくエンジン利用ＢＴＰＳの概略図
である。
【図２．３】 備わる機械式コンプレッサがスチーム拡張原動機のジェネレータから動力を供
給される電動モーターにより動力を得る熱変換器を含んだ図１に基づくエンジン
利用ＢＴＰＳの概略図である。
【図３．１】 熱ポンプ低沸点作動媒体を供給されるように修正した熱変換器と組合せるエン
ジン利用ＢＴＰＳの概略図である。
【図３．２】 加熱電力媒体−圧力ボイラーのエリアを修正した熱変換器の実施例の概略図で
ある。
【図４．１】 蒸気圧縮器を駆動するスターリングエンジンを有する熱変換器と組合せるエン
ジン利用ＢＴＰＳの概略図である。
【図４．２】 熱変換器の操作に熱ポンプ低沸点作動媒体を用いる図４．１の装置の別の概略
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ａｒｎｏｌｄ Ｈｅｉｓｅ Ｓｔｒａｓｓ ｅ 11， Ｄ−20249 Ｈａｍｂｕｒｇ， Ｇｅｒｍａｎｙ (72)発明者 トムゼン・ペーター・エン ドイツ連邦共和国、デー・25451 クヴィ ークボルン、シュテールトモールヴェック ７ (72)発明者 ギュンター・マルクス ドイツ連邦共和国、デー・23879 メルン、 リュツォヴァー・シュトラーセ 16ａ Ｆターム(参考） 3G081 BA11 BA20 BB00 BC07 BD00 DA01 DA03 DA21 DA30 (54)【発明の名称】 液冷却式往復動ピストン型燃焼エンジンによって発生する部分的に冷めためで且つ部分的に暖か めである廃熱から操作に必要な温度を持った加熱媒体を発生させるための熱変換プロセス、並び に、斯かるプロセスを具体化するための装置 【要約の続き】 れる温度下限まで利用し得る、機械的蒸気圧縮を用いた 高温熱ポンプ原理に基づいた熱変換プロセスと、このプ ロセスを具体化するための装置を提供する点にある。こ の目的は、本発明の連接と装置が、熱変換器のあらゆる 操作条件の下で臨界低温領域における周囲圧以下への降 下を防止するとともに、蒸気圧縮に必要なエネルギー が、最少限度まで低減され、且つ、蒸気拡張もしくはホ ットエア原動機を利用して、完全に乃至部分的にＢＴＰ Ｓエンジン（図１）の廃ガス分から得られるという事実 により達成される。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ブロックタイプ熱発電所（ＢＴＰＳ）往復動ピストン燃焼エ
    ンジンにおける冷却回路からの低温廃熱を、高温熱ポンプ原理の採用により、操
    作に必要な温度を持ったスチームもしくはその他の加熱媒体に変換する熱変換プ
    ロセスに関するものであって、このプロセスに従い、エンジン冷却回路を所要流
    入温度まで再冷却することにより生じる低温熱が、 ・液作動媒体へ移送され、 ・作動媒体部分蒸発により結果的に生じる作動媒体蒸気により吸収され、 ・この作動媒体蒸気をエンジン冷却回路の再冷却温度により調整された低蒸発
    圧から圧縮し、熱のプラント内加熱媒体への移送に必要な、そして、プラント内
    加熱媒体の所望の温度となるよう飽和圧により調整された高い目の凝縮圧と成し
    、 ・凝縮によりプラント内加熱媒体へ移送される 前記熱変換プロセスであって、蒸気圧縮に必要なエネルギーが完全にもしくは部
    分的に、ＢＴＰＳ往復動ピストン燃焼エンジンの廃ガス熱分から得られることを
    特徴とするもの。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のプロセスであって、蒸気圧縮に必要なエネル
    ギーの在り得る不足が、エンジン廃ガスにおける追加の燃料（Ｂ）への点火によ
    りバランスが取られることを特徴とするもの。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のプロセスであって、低温廃熱は、
    低温廃熱が、熱変換器の操作条件によって発生する作動媒体の飽和圧における熱
    変換器のいづれかのポイント乃至操作条件において周囲圧以下への降下無く、作
    動媒体の部分蒸発により冷却回路が再冷却される温度で、生成される限り、熱変
    換に組み込まれることを特徴とするもの。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のプロセスであって、メタノールもしくはエタ
    ノールなどの作動媒体を用いてエンジンと熱ポンプを冷却し、この作動媒体の沸
    点が、この作動媒体を冷却回路が構造に従い低い流入温度となるように設計され
    ているＢＴＰＳエンジンに用いた場合、熱変換器の部分蒸発および蒸気圧縮によ
    る作動媒体再冷却におけるいづれのポイントやいづれの操作条件においても周囲
    圧以下への降下が生じないほど低いことを特徴とするもの。
  5. 【請求項５】 請求項４記載のプロセスであって、エンジン冷却と熱ポンプ
    のための作動媒体と、水または蒸気であるプラント内加熱媒体との間の媒体分離
    が、作動媒体の凝縮蒸気からプラント内加熱媒体までの熱移送時、熱変換器の中
    間圧領域において行われることを特徴とするもの。
  6. 【請求項６】 請求項５記載のプロセスであって、エンジン冷却と低圧ボイ
    ラー（２．９）のための作動媒体として水を用い、この作動媒体の再冷却が、熱
    変換器の低圧ボイラー（２．０）エリアの追加的な媒体分離ポイントにおける熱
    ポンプの作動媒体による熱交換により為されることを特徴とするもの。
  7. 【請求項７】 請求項３記載のプロセスであって、熱冷却ＢＴＰＳエンジン
    をシリンダー冷却回路に用い、この回路において廃熱の優勢な出力が形成される
    場合、水を、ポンプの作動媒体として使うことができて且つエンジン冷却回路か
    ら熱ポンプを介してプラント内加熱回路までのプラント全体を、媒体分離無くま
    た周囲圧のレベル以下への降下も無く、操作するよう水を採用し得るなような１
    ００℃より遥かに高い流入温度が許容し得ることを特徴とするもの。
  8. 【請求項８】 請求項６または７記載のプロセスであって、ターボ過給機（
    １．３）で加熱される供給空気／燃料混合気（Ａ）の冷却を、予冷却機（１．４
    ）の作動媒体の飽和温度より十分遥かに高く形成される廃熱出力の比率を熱変換
    による再冷却に組み込めるように予冷却と後冷却に分割することを特徴とするも
    の。
  9. 【請求項９】 請求項６〜８のうちいづれか一項に記載のプロセスであって
    、ターボ過給機（１．３）で加熱される空気／燃料混合気（Ａ）の、予冷却機（
    １．４）で達成可能な温度以下までの再冷却を無しで済ませることを特徴とする
    もの。
  10. 【請求項１０】 請求項６〜９のうちいづれか一項に記載のプロセスであっ
    て、ＢＴＰＳエンジンのエンジンオイル及び／または潤滑油回路の構造タイプの
    選択により、このエンジンで生じる廃熱が熱変換器による熱回復に十分に組み込
    まれるほど十分高いエンジンオイル流入温度を許容可能にすることを特徴とする
    もの。
  11. 【請求項１１】 請求項６〜１０のうちいづれか一項に記載のプロセスであ
    って、新鮮なボイラー供給水と加熱蒸気凝縮物（Ｄ）を、低圧ボイラー（２．０
    ）から冷却水ポンプ（１．８）までの流入ラインへ供給することを特徴とするも
    の。
  12. 【請求項１２】 請求項６〜１１のうちいづれか一項に記載のプロセスであ
    って、低圧ボイラー（２．０）からの作動媒体液または蒸気により十分に加熱さ
    れ得るプラント内熱ユーザーが、この作動媒体液または蒸気を直接に供給される
    ことを特徴とするもの。
  13. 【請求項１３】 請求項６〜１２のうちいづれか一項に記載のプロセスであ
    って、冷却回路のすべてが熱ポンプ作動媒体に対し並列に接続されることを特徴
    とするもの。
  14. 【請求項１４】 請求項６〜１３うちいづれか一項に記載のプロセスであっ
    て、蒸気圧縮のために必要なエネルギーが、廃熱ボイラー（高圧ボイラー）（３
    ．０）でプラントを加熱するために必要な圧より高いめの、プラント内加熱媒体
    の温度のための飽和圧までの圧力でＢＴＰＳエンジンの廃ガス熱から生み出され
    る蒸気の拡張により与えられることを特徴とするもの。
  15. 【請求項１５】 請求項６〜１４うちいづれか一項に記載のプロセスであっ
    て、高圧蒸気が過熱されてこの蒸気の拡張が可能な限り高い作動効率で行われる
    ことを特徴とするもの。
  16. 【請求項１６】 請求項６〜１５うちいづれか一項に記載のプロセスであっ
    て、エンジン廃ガスにより熱せられる廃熱ボイラー（高圧ボイラー）（３．０）
    の供給水がエンジン冷却回路からの回帰ラインから、圧維持バルブ（２．２）に
    到るまでの低圧ボイラー（２．０）へ撤収され、エコノマイザー（３．３）の廃
    ガス冷却により予加熱されることを特徴とするもの。
  17. 【請求項１７】 請求項１〜３もしくは７〜１６の何れか一項に記載のプロ
    セスを具体化するための装置であって廃ガスのエネルギーから、そして必要に応
    じ高圧ボイラー（３．０）のバーナー（３．２）で熱せられる特別燃料（Ｂ）か
    ら発生させられ、過熱機（３．１）で過熱される蒸気圧縮のための誘因蒸気を用
    いるものにおいて、スチーム・ジェットコンプレッサ（４．０．１）を採用し、
    そこからの拡張誘因蒸気を圧縮蒸気に沿って熱変換器（図２．１）の加熱蒸気中
    間圧ボイラー（５．０）へ導き、プラント内加熱（図２．１）で利用させること
    を特徴とするもの。
  18. 【請求項１８】 請求項１〜３もしくは７〜１６の何れか一項に記載のプロ
    セスを具体化するための装置であってエンジン廃ガスのエネルギーから、そして
    必要に応じ高圧ボイラー（３．０）のバーナー（３．２）で熱せられる特別燃料
    （Ｂ）から発生させられ、過熱機（３．１）で過熱される蒸気圧縮のための誘因
    蒸気を用いるものにおいて、蒸気圧縮が機械的コンプレッサ（４．０）により行
    われ、この機械的コンプレッサにはスチーム拡張原動機（４．１）により動力が
    与えられ、スチーム拡張原動機ので拡張誘因蒸気を圧縮蒸気に沿って熱変換器の
    加熱蒸気中間圧ボイラー（５．０）へ導き、プラント内加熱（図１、図２．１〜
    ２．３）で利用させることを特徴とするもの。
  19. 【請求項１９】 請求項１〜６もしくは９〜１６の何れか一項に記載のプロ
    セスを具体化するための装置であってエンジン廃ガスのエネルギーから、そして
    必要に応じ高圧ボイラー（３．０）のバーナー（３．２）で熱せられる特別燃料
    （Ｂ）から発生させられ、過熱機（３．１）で過熱される蒸気圧縮のための誘因
    蒸気を用いるものにおいて、プラント内加熱と相容れない作動媒体蒸気の圧縮が
    機械的コンプレッサ（４．０）により行われ、この機械的コンプレッサにはスチ
    ーム拡張原動機（４．１）により動力が与えられ、スチーム拡張原動機ので拡張
    誘因蒸気を圧縮蒸気とは別にして熱変換器の高圧ボイラー（３．０）へ導き、プ
    ラント内加熱で利用させ、また一方では、圧縮作動媒体蒸気が、熱変換器の加熱
    蒸気中間圧ボイラー（５．０）の水分に対する熱交換機（４．７）への凝縮によ
    り自らのエネルギーを浪費し、液化状態で低圧ボイラー（２．０）へ戻される（
    図３．１、図３．２）ことを特徴とするもの。
  20. 【請求項２０】 請求項１８または１９のうちいづれか一項記載の装置であ
    って、制御されたストローク数で蒸気拡張によって駆動される著しく単純化した
    蒸気コンプレッサ（４．０）を用い、このコンプレッサ（４．０）はクランク軸
    を省略してあり、共通のピストンロッドにより直接に結合される拡張ピストン、
    圧縮ピストンと、駆動スチームと、蒸気のための入口、出口制御とから構成する
    ことを特徴とするもの。
  21. 【請求項２１】 請求項１８または１９のうちいづれか一項記載の装置であ
    って、廃ガスエネルギーが欠如している場合、電動もしくはＢＴＰＳエンジン（
    １．０）へ液圧的もしくは機械的に結合される特別駆動体（４．２）を、蒸気拡
    張原動機（４．１）（図３．１、３．２）のためのバーナー（３．２）により追
    加的な誘因蒸気を発生させる代わりに、設けることを特徴とするもの。
  22. 【請求項２２】 請求項１８または１９のうちいづれか一項記載の装置であ
    って、廃ガスエネルギーが欠如している場合、バーナー（３．２）により追加的
    な誘因蒸気を発生させる代わりに、もしくは、そのような誘因蒸気発生に加えて
    、電動モーター（４．２）を備えた蒸気コンプレッサ（４．０）を、電気ジェネ
    レータ（４．４）により電力を発生させるとともに一方、出力及び回転数に関し
    て独立的に制御され且つパワーの一時的な余剰をＢＴＰＳジェネレータ（１．１
    ）（図２．３）の出力と並列な負荷管理（４．５）により本管へ供給する蒸気コ
    ンプレッサ（４．０）の駆動のため生み出された高圧蒸気を十分に利用する蒸気
    拡張原動機（４．１）に対して機械的に非結合とすることを特徴とするもの。
  23. 【請求項２３】 請求項２１または２２のうちいづれか一項記載の装置であ
    って、蒸気コンプレッサ（４．０）の特別駆動部（４．２）が、廃熱がＢＴＰＳ
    エンジン（１．０）の廃熱を用いる熱変換器により処理される燃焼モーターから
    成ることを特徴とするもの。
  24. 【請求項２４】 請求項１〜１３のうち一項もしくはそれ以上に記載のプロ
    セスを具体化するための装置であって、蒸気コンプレッサ（４．０）を駆動する
    ため廃ガスエネルギーを直接に用いるとともに、一方、廃熱がＢＴＰＳエンジン
    （１．０）（図４．１、４．２）の廃熱を用いる熱変換器により処理されるスタ
    ーリングエンジン（４．８．０）を採用することを特徴とするもの。
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