JP2012017685A

JP2012017685A - 排熱回収装置

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Publication number: JP2012017685A
Application number: JP2010155456A
Authority: JP
Inventors: Sunao Niitsuma; 素直新妻
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: EP2592249A1; US20130098034A1; EP2592249B1; CN102959198A; WO2012005046A1; CN102959198B; US9109503B2; JP5700237B2; EP2592249A4

Abstract

【課題】タービンへ排気を導くための配管及びコンプレッサへ給気を導くための配管の長さを短くし、かつ、タービン及びコンプレッサにおいて流体性能的に最良ではない条件に合わせて運転する必要がない排熱回収装置を提供すること。
【解決手段】排気により駆動されるタービン１、気体を圧縮するコンプレッサ８とを備える排熱回収装置であって、タービン１の回転によって発電する発電機２と、コンプレッサ８を回転駆動する電動機７と、発電機２の発電出力を動力源として電動機７を駆動する制御装置を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱機関や熱サイクルを有する装置で用いられる排熱回収装置に関する。

熱機関や熱サイクルにおいて廃熱を有効に活用するため、排気に含まれる熱エネルギーをタービンで運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーでコンプレッサを駆動して給気圧を高めることが行われている。そのための代表的な装置としてターボチャージャがあり、例えば、特許文献１に記載のものが既に知られている。

特許文献１に記載の発明は、エンジン負荷信号に相当するアクセル踏込量や、エンジンに供給する燃料レバーの位置等、各部分が正しく操作しているかどうか、またはタービンの回転数が正常に得られているか等、システムの動作状況を検出するために、各部分に対する検出手段を設けた故障診断装置についての発明である。

特開平１−１２１５１４号公報、「回転電機付ターボチャージャの故障診断装置」

特許文献１に記載されているような従来のターボチャージャは、タービンとコンプレッサが機械的に軸で連結されて一体となって回転する構造であるものが一般的である。
しかし、通常ターボチャージャの回転数は高い（数万回転ないしそれ以上）ため、軸の振動を防止するために軸をできるだけ短くする必要がある。そのため、タービンへ排気を導くための配管、およびコンプレッサへ給気を導くための配管が長く、かつ曲がりくねったものになっている。そのため、配管における圧力損失が大きくなり、配管そのものも大きな場所を占めている。
また、配管には断熱材を巻くことも多いが、断熱材の必要量も多く、かつ曲がった配管では断熱材を巻く手間も大きいという問題点があった。

さらに、タービンとコンプレッサが同じ回転数で回転するため、タービンもしくはコンプレッサの一方が流体性能的に最良ではない条件で運転され、効率低下する可能性があるといった問題点が存在した。

本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、タービンへ排気を導く配管及びコンプレッサへ給気を導く配管の長さを短くし、かつ、タービン及びコンプレッサにおいて流体性能的に最良ではない条件に合わせて運転する必要がない排熱回収装置を提供することにある。

排気により駆動されるタービン、気体を圧縮するコンプレッサとを備える排熱回収装置であって、
前記タービンの回転によって発電する発電機と、
前記コンプレッサを回転駆動する電動機と、
前記発電機の発電出力を動力源として前記電動機を駆動する制御装置を備える、ことを特徴とする排熱回収装置が提供される。

また、本発明によれば、前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
該整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力を前記タービン側から前記コンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
前記電圧を検出する電圧検出器と、
前記回転数及び前記電圧に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備える。

また、別の実施例によれば、前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
該整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力を前記タービン側から前記コンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
直流電源と、
前記タービン及び前記発電機からの発電電圧が前記インバータの動作可能な電圧に満たない場合に、前記直流電源からの電流を該インバータに供給するダイオードと、
前記回転数に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備える。

また、本発明によれば、１組の前記タービン及び前記発電機に対して、前記電動機及び前記コンプレッサを複数台設置している。

上記本発明によれば、タービンとコンプレッサを機構的に二つに分けることによって、タービン及びコンプレッサを任意に配置することができるため、排気及び給気の配管を短く、かつ、直線的にすることができる。また、タービンとコンプレッサの回転数が異なっても良いので、タービン・コンプレッサの双方を流体性能的に最良な条件で運転することができる。

本発明における実施例１のターボチャージャの図である。本発明における実施例２のターボチャージャの図である。本発明における実施例３のターボチャージャの図である。本発明における実施例４のターボチャージャの図である。

以下、本発明の好ましい実施例を、図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は本願発明における実施例１の図である。
この図において、１はタービン、１ａは軸、２は発電機、３は整流器、４は平滑化回路、５は直流バス、６はインバータ、７は電動機、８はコンプレッサ、８ａは軸、１１は回転数検出器、１２は電圧検出器、１３は回転数指令器、１４は回転数、１５は電圧、１６は回転数指令値である。

発電機２は、熱機関（図示しない）からの排気によって回転されるタービン１と、軸１ａで直結されており、タービン１と一体となって回転する。
例えば、三相交流で駆動される永久磁石同期モータを発電機として使用することが可能である。

整流器３は、発電機２からの交流出力を整流して直流に変換する。
例えば、ダイオードブリッジなどで構成されている。

平滑化回路４は、整流器直後の直流電圧には脈動があるので平滑化する。
例えば、リアクトルとコンデンサで構成されている。

直流バス５は、電力をタービン１側からコンプレッサ８側へ送るものである。
例えば、ケーブルや、銅/アルミなどの導体のバスバーで構成されている。

インバータ６は、回転数指令器１３からの回転数指令値１６にしたがって電動機７を可変速で駆動する。
例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの電力制御素子をＰＷＭ変調し、電圧型ないし電流型インバータとする構成が好ましい。
或いは、電動機７を可変速で駆動する方法としては、センサレスベクトル制御でもよいし、電動機７の回転をエンコーダやレゾルバで検出してベクトル制御を行ってもよい。

電動機７は、熱機関（図示せず）への給気を圧縮するコンプレッサ８に軸８ａで直結されており、電動機７が回転するとコンプレッサ８もいっしょに回転する構成になっている。
例えば、３相交流で駆動される誘導モータや永久磁石同期モータで構成されている。

回転数検出器１１は、タービン１及び発電機２の回転数１４を検出する。
例えば、タービン１及び発電機２の軸１ａに設けたタコジェネやエンコーダが用いられる。
エンコーダの場合にはエンコーダで検出した回転角度を時間微分して回転数１４に変換する。

電圧検出器１２は、直流バスのインバータに近い側の電圧１５（プラスマイナス間の電圧）を検出する。

回転数指令器１３は、回転数検出器１１で検出したタービン１及び発電機２の回転数１４と、電圧検出器１２で検出した直流バス５の電圧１５にもとづいて、電動機７及びコンプレッサ８の回転数指令値１６をインバータ６へ出力する。
回転数指令器は、例えば、マイクロプロセッサとメモリと演算プログラムで構成することが可能である。

回転数指令器１３は、以下のように回転数指令値１６を生成するように構成する。
（１）「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６が動作可能な最低電圧」より低い場合には、回転数指令値１６を０にする。
（２）「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６が動作可能な最低電圧」と同じか高い場合には、回転数指令値１６を「回転数検出器１１で検出した回転数１４」×係数によって求めた値に設定する。
ここで係数は、例えば、流体性能的に、コンプレッサ８の回転数とタービン１の回転数１４を等しくすると効率がよいのであれば、係数は１とし、例えば、流体性能的に、コンプレッサ８の回転数をタービン１の回転数１４の２倍にすると効率がよいのであれば、係数は２とする。もしくは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ８の回転数をタービン１の回転数１４の０．８倍にすると効率がよいのであれば、係数は０．８とする。
すなわち、流体性能的に効率が最もよくなるコンプレッサ８の回転数とタービン１の回転数１４の比を係数とする。

上記構成によって、熱機関（図示しない）が動作していないときは、排気が無いのでタービン１は回転せず、タービン１と同軸の発電機２も回転しないので、直流バス５の電圧は０である。そこで、「電圧検出器１２で検出した電圧１５」は「インバータ６が動作可能な最低電圧」より低いので、回転数指令値１６は０となり、電動機７は回転せず、電動機７と同軸のコンプレッサ８も回転しない。

一方、熱機関（図示しない）が動作しているときは、排気が生じてタービン１が回転しタービン１と同軸の発電機２も回転し直流バス５の電圧が上昇する。「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６が動作可能な最低電圧」を上回るようになると、回転数指令値１６はゼロでなくなり、インバータ６におけるベクトル制御により電動機７が回転数指令値１６にしたがった回転数で回転し、電動機７と同軸のコンプレッサ８も回転し、熱機関への給気が圧縮される。
回転数指令値１６は回転数検出器１１で検出した回転数１４と比例しているので、タービン１が低速回転していればコンプレッサ８も低速で、タービン１が高速回転していればコンプレッサ８も高速で回転し、従来のタービンとコンプレッサが軸で直結されたターボチャージャと同様の動作となる。
さらに、回転数指令値１６を「回転数検出器１１で検出した回転数１４」×係数としているので、流体性能的に、タービン１の回転数１４とコンプレッサ８の回転数の比を、例えば、Ｘ倍にすることが望ましい場合、係数の値をＸとしておくことにより、コンプレッサ８の回転数がタービン１の回転数１４のＸ倍となるよう運転することができる。

図２は、本発明における実施例２のターボチャージャの図である。
この図において、１３ａは回転数指令器、１６ａは回転数指令値、２１は直流電源、２２はダイオードである。実施例１と同一の構成要素に対しては、図１と同じ番号を付し説明を省略する。

回転数指令器１３ａは、回転数検出器１１で検出したタービン１及び発電機２の回転数１４にもとづいて、電動機７及びコンプレッサ８の回転数の指令値１６ａをインバータ６へ出力する。

直流電源２１は、「インバータ６が動作可能な最低電圧」より大きい電圧を供給する。
例えば、二次電池や電気二重層キャパシタを使用してもよいし、商用交流電源を整流・平滑化・定電圧化する構成でもよい。

ダイオード２２は、タービン１及び発電機２による発電電圧が低い場合のみ直流電源から直流バス５に電流が供給され、タービン１及び発電機２により十分な発電電圧が得られる場合には、発電機２から直流バス５に電流が供給されるように自動的に切り換られる。

直流電源２１とダイオード２２を図２に示すように接続するので、直流バス５には常に「インバータ６が動作可能な最低電圧」以上の電圧が加わっており、インバータ６は常に動作可能となる。

回転数指令器１３ａは以下のように回転数指令値１６ａを生成するように構成する。
（１）「回転数検出器１１で検出した回転数」が、定数Ｒ１より小さい場合には、回転数指令値１６ａを定数Ｒ２にする。
（２）「回転数検出器１１で検出した回転数」が、定数Ｒ１と同じか高い場合には、回転数指令値１６ａを「回転数検出器１１で検出した回転数」×係数に設定する。
ここで、定数Ｒ１は、熱機関（図示しない）がアイドル状態でタービン１と同軸の発電機２による発電がほとんど行われない状態に相当するタービン１の回転数１４である。定数Ｒ２は、最低限の給気を行うために必要なコンプレッサ８の回転数である。
なお、上記係数は実施例１と同様にして求められる。

上記構成によって、熱機関が動作していないとき、もしくは熱機関が動作しているがアイドル状態のときは、排気が少なくタービン１の回転数１４が低いので、「「回転数検出器１１で検出した回転数１４」が、定数Ｒ１より小さい場合」に該当し、回転数指令値１６aは定数Ｒ２となり、コンプレッサ８は最低限の給気のみ行う。タービン１と同軸の発電機２からの発電がほとんど行われないので、直流電源２１からダイオード２２を介して直流バス５に電流が流入しインバータ６が駆動される。

一方、熱機関が動作して負荷運転しているときは、排気が多くタービン１の回転数１４が高いので、「「回転数検出器１１で検出した回転数１４」が、定数Ｒ１と同じか高い場合」に該当するため、実施例１における「熱機関が動作しているとき」の場合と同じ動作となる。

実施例２は、熱機関がアイドル運転もしくは停止される頻度が高い場合でも給気を最低限維持したい（コンプレッサを停止したくない）場合に特に適するものである。

図３は、本発明における実施例３のターボチャージャの図である。
この図において、３３は回転数指令器、３６はインバータ、３７は電動機、３８はコンプレッサ、３８ａは軸である。実施例１と同一の構成要素に対しては、図１と同じ番号を付し説明を省略する。

回転数指令器３３は、回転数検出器１１で検出したタービン１及び発電機２の回転数１４と、電圧検出器１２で検出した直流バス５の電圧に基づいて、電動機とコンプレッサとインバータの複数の組のそれぞれに対して、電動機及びコンプレッサの回転数の指令値をインバータへ出力する。すなわち、電動機７及びコンプレッサ８の回転数の指令値１６をインバータ６へ出力し、電動機３７及びコンプレッサ３８の回転数の指令値４６をインバータ３６へ出力する。
回転数指令器は、例えば、マイクロプロセッサとメモリと演算プログラムで構成することが可能である。

インバータ３６及び、電動機３７、コンプレッサ３８、軸３８ａは、実施例１又は実施例２における、インバータ６及び、電動機７、コンプレッサ８、軸３８ａと同一機構のものである。寸法や形状や回転数は、異なっていてもよい。

この実施例においては、１組のタービン１及び発電機２に対して、複数台又は複数の部分に分かれている熱機関や熱サイクル（図示しない）への吸気を圧縮する複数台のコンプレッサ８、３８及び電動機７、３７を用意し、発電機２で発電した電力を、複数台の電動機７、３７へ電気接続を行う構成になっている。

回転数指令器３３は、以下のように回転数指令値１６を生成するように構成する。
（１）「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６が動作可能な最低電圧」より低い場合には、回転数指令値１６を０にする。
（２）「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６が動作可能な最低電圧」と同じか高い場合には、回転数指令値１６を「回転数検出器１１で検出した回転数１４」×係数Ａによって求めた値に設定する。
ここで係数Ａは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ８の回転数とタービン１の回転数１４を等しくすると効率がよいのであれば、係数Ａは１とし、例えば、流体性能的に、コンプレッサ８の回転数をタービン１の回転数１４の２倍にすると効率がよいのであれば、係数Ａは２とする。もしくは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ８の回転数をタービン１の回転数１４の０．８倍にすると効率がよいのであれば、係数Ａは０．８とする。
すなわち、流体性能的に効率が最もよくなるコンプレッサ８の回転数とタービン１の回転数１４の比を係数Ａとする。

さらに、回転数指令器３３は、以下のように回転数指令値４６を生成するように構成する。
（１）「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ３６が動作可能な最低電圧」より低い場合には、回転数指令値４６を０にする。
（２）「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ３６が動作可能な最低電圧」と同じか高い場合には、回転数指令値４６を「回転数検出器１１で検出した回転数１４」×係数Ｂによって求めた値に設定する。
ここで係数Ｂは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ３８の回転数とタービン１の回転数１４を等しくすると効率がよいのであれば、係数Ｂは１とし、例えば、流体性能的に、コンプレッサ３８の回転数をタービン１の回転数１４の２倍にすると効率がよいのであれば、係数Ｂは２とする。もしくは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ３８の回転数をタービン１の回転数１４の０．８倍にすると効率がよいのであれば、係数Ｂは０．８とする。
すなわち、流体性能的に効率が最もよくなるコンプレッサ３８の回転数とタービン１の回転数１４の比を係数Ｂとする。

一方、図４は、本発明における実施例４のターボチャージャの図である。
この図において、３３ａは回転数指令器である。実施例２ないし実施例３と同一の構成要素に対しては、図２ないし図３と同じ番号を付し説明を省略する。
回転数指令器３３ａは、回転数検出器１１で検出したタービン１及び発電機２の回転数１４に基づいて、電動機とコンプレッサとインバータの複数の組のそれぞれに対して、電動機及びコンプレッサの回転数の指令値をインバータへ出力する。すなわち、電動機７及びコンプレッサ８の回転数の指令値１６ａをインバータ６へ出力し、電動機３７及びコンプレッサ３８の回転数の指令値４６ａをインバータ３６へ出力する。

回転数指令器３３ａは以下のように回転数指令値１６ａを生成するように構成する。
（１）「回転数検出器１１で検出した回転数」が、定数Ｒ１より小さい場合には、回転数指令値１６ａを定数Ｒ２Ａにする。
（２）「回転数検出器１１で検出した回転数」が、定数Ｒ１と同じか高い場合には、回転数指令値１６ａを「回転数検出器１１で検出した回転数」×係数Ａに設定する。
ここで、定数Ｒ２Ａは、最低限の給気を行うために必要なコンプレッサ８の回転数である。

さらに、回転数指令器３３ａは以下のように回転数指令値４６ａを生成するように構成する。
（１）「回転数検出器１１で検出した回転数」が、定数Ｒ１より小さい場合には、回転数指令値４６ａを定数Ｒ２Ｂにする。
（２）「回転数検出器１１で検出した回転数」が、定数Ｒ１と同じか高い場合には、回転数指令値４６ａを「回転数検出器１１で検出した回転数」×係数Ｂに設定する。
ここで、定数Ｒ２Ｂは、最低限の給気を行うために必要なコンプレッサ３８の回転数である。

なお、上記定数Ｒ１は実施例２と同様にして、係数Ａ、係数Ｂは実施例３と同様にして求められる。

上記実施例３及び実施例４において、常時、複数台又は複数の部分に分かれている熱機関や熱サイクルからの排気を合わせた排気がタービン１を駆動しており、排気のアンバランス対策のための連通管が不要になる。
また、例えば、環境規制に対応するために複数台又は複数の部分に分かれている熱機関や熱サイクルに対し共通の排ガス処理装置を設ける場合、タービン通過前の高圧の排気が配管を通過するので、配管が細くてすむという効果が得られる。

なお、本発明において、タービン１とコンプレッサ８間の距離が長い場合、電線における電位降下を小さくするため、平滑化回路４の直後に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを追加し、電圧を昇圧してもよい。
また、過電圧防止のため、直流バス５のプラスマイナス間にコンタクタを介して回生抵抗を追加し、直流バス５の電圧がインバータ６の入力許容電圧を越える場合にはコンタクタを閉じるように構成してもよい。

タービン１及び発電機２の回転数検出を、発電機２の交流出力のゼロクロス点をカウントして行ってもよい。なお、この場合においては、外付けのタコジェネもしくはエンコーダは不要である。

実施例３および実施例４においては、電動機とコンプレッサとインバータの組が２組ある例を示したが３組以上の場合にも同様の構成が可能である。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１タービン、１ａ軸、２発電機、３整流器、４平滑化回路、
５直流バス、６インバータ、７電動機、８コンプレッサ、８ａ軸、
１１回転数検出器、１２電圧検出器、１３回転数指令器、
１３ａ回転数指令器、１４回転数、１５電圧、１６回転数指令値、
１６ａ回転数指令値、２１直流電源、２２ダイオード、
３３回転数指令器、３３ａ回転数指令器、３６インバータ、
３７電動機、３８コンプレッサ、３８ａ軸、４６回転数指令値、４６ａ回転数指令値

Claims

排気により駆動されるタービン、気体を圧縮するコンプレッサとを備える排熱回収装置であって、
前記タービンの回転によって発電する発電機と、
前記コンプレッサを回転駆動する電動機と、
前記発電機の発電出力を動力源として前記電動機を駆動する制御装置を備える、ことを特徴とする排熱回収装置。
前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
該整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力を前記タービン側から前記コンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
前記電圧を検出する電圧検出器と、
前記回転数及び前記電圧に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
該整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力を前記タービン側から前記コンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
直流電源と、
前記タービン及び前記発電機からの発電電圧が前記インバータの動作可能な電圧に満たない場合に、前記直流電源からの電流を該インバータに供給するダイオードと、
前記回転数に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
１組の前記タービン及び前記発電機に対して、前記電動機及び前記コンプレッサを複数台設置している、ことを特徴とする請求項２乃至請求項３のいずれかに記載の排熱回収装置。