JP2013119788A - スターリングエンジンシステム及びスターリングエンジンシステムを搭載した船舶 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のスターリングエンジンシステムは、第1高温熱交換器119と第1低温熱交換器117を有した第1スターリングエンジン100と、第2高温熱交換器217と第2低温熱交換器219を有した第2スターリングエンジン200を備えたスターリングシステムにおいて、第1高温熱交換器119に高温熱源からの高熱を作用させるとともに、第2低温熱交換器219に低温熱源からの冷熱を作用させ、第1低温熱交換器117と第2高温熱交換器217に高熱と冷熱の間の温度域の中熱を作用させる中熱作用手段20を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
排熱及び冷熱のエネルギーをスターリングエンジンに有効利用することは従来から考えられている。
また、天然ガスによる冷熱と、燃焼装置から発生する高熱とを、一台のスターリングエンジンに用いることが提案されている(特許文献2から特許文献5)。
請求項1に記載の本発明によれば、第1低温熱交換器と第2高温熱交換器に中熱を作用させることで、ピストンリングなどのシールを高熱や冷熱にさらすことなく配置できるために耐久性に優れている。
請求項2に記載の本発明によれば、例えば常温水を熱媒体として用いることができ、ピストンリングなどのシールを常温付近に保つことができる。
請求項3に記載の本発明によれば、第1低温熱交換器及び第2高温熱交換器での熱交換量を調整でき、高効率化を図ることができる。
請求項4に記載の本発明によれば、第1スターリングエンジンで利用した熱を第2スターリングエンジンに利用でき、第2スターリングエンジンで利用した熱を第1スターリングエンジンに利用できるため、更に効率を向上させることができる。
請求項5に記載の本発明によれば、第1スターリングエンジンで利用した熱を、第2スターリングエンジンでの最適な熱交換量に調整でき、第2スターリングエンジンで利用した熱を、第1スターリングエンジンでの最適な熱交換量に調整でき、更に効率を向上させることができる。
請求項6に記載の本発明によれば、高温熱源からの高熱と低温熱源からの冷熱を循環経路で利用し、それぞれのスターリングエンジンでの温度差を最大限に大きくすることで高効率化を図ることができる。
請求項7に記載の本発明によれば、2つのスターリングエンジンを用いる代わりに、パワーピストンを共通とした1つのスターリングエンジンとした場合にも、第1低温熱交換器と第2高温熱交換器に中熱を作用させることで、ピストンリングなどのシールを高熱や冷熱にさらすことなく配置でき、2つのスターリングエンジンを用いる場合と比較して小型化を図ることができる。
請求項8に記載の本発明によれば、2つのパワーピストンを同軸で連結することも可能となり、クランク機構の小型化を図ることができる。
請求項9に記載の本発明によれば、2つのパワーピストンの動きによる振動を打ち消し合えるため、低騒音化を図ることができる。
請求項10に記載の本発明によれば、4つのユニットによってスターリングエンジンシステムを実現することができる。
請求項11に記載の本発明によれば、2つのスターリングエンジンのクランク軸を同軸とすることができ、安定した出力を得ることができる。
請求項12に記載の本発明によれば、第1のユニットでは作動空間に高温熱源からの高熱を作用させ、第2のユニットでは作動空間に低温熱源からの冷熱を作用させることになり、ディスプレーサピストンの反シリンダヘッド側には中熱を作用させることができるので、ピストンリングなどのシールを高熱や冷熱にさらすことなく配置でき、耐久性に優れている。
請求項13に記載の本発明によれば、排ガスによる高温熱と、液化ガスの冷熱の双方を利用することができる。
請求項14に記載の本発明によれば、液化ガスを高温熱源と低温熱源の双方に有効に利用でき省エネ化を図ることができる。
請求項15に記載の本発明によれば、高効率な冷熱利用システムを実現できる。
請求項16に記載の本発明によれば、例えば、船舶に搭載した燃焼機器の排熱と運搬対象物としての液化ガスの冷熱を利用して船舶の省エネ化を図ることができる。
図1は本実施形態によるスターリングエンジンシステムを示す構成図である。
図1では、液化天然ガス(LNG)運搬船でLNGをディ−ゼルエンジンで燃焼させたディーゼル排熱及びLNG自身の冷熱を利用する冷熱利用システムに、本実施形態によるスターリングエンジンシステムを適用したときの船舶への搭載例としての構成例を示している。
ディーゼルエンジン1の燃料となるLNGは、冷熱利用スターリングエンジン(以下、冷熱利用エンジンと略す)2の熱交換器3により気化される。あるいは気化されて冷熱として熱交換器3に供給される。その際、冷熱利用エンジン2によって発電し、その電気エネルギーは船内電力4に供給される。また、ディーゼルエンジン1の排ガスの熱は、排熱利用スターリングエンジン(以下、排熱利用エンジンと称す)5により回収され、その一部は電気エネルギーとなり船内電力4に供給される。
LNGタンク6から冷熱利用エンジン2に供給されるLNGは、−160℃程度、ディーゼルエンジン1の排ガスの熱は、300℃から400℃程度である。
なお、高温熱源としては、ディーゼルエンジン1以外の船舶に搭載した燃焼機器の排ガスを用いることもできる。
本実施形態によるスターリングエンジン10は、図1に示す冷熱利用エンジン2及び排熱利用エンジン5の具体的な構成例である。
本実施形態によるスターリングエンジン10は、シリンダ11内にディスプレーサピストン12とパワーピストン13とを有している。ディスプレーサピストン12及びパワーピストン13は、それぞれクランク軸14に連結されている。クランク軸14の一端側には発電機15が接続されている。
シリンダ11の外周部には、再生器16と一方の熱交換器17とが配置されている。シリンダ11の一方は、シリンダヘッド18によって覆われ、シリンダヘッド18とディスプレーサピストン12との間にディスプレーサピストン12の一方の作動空間Aが形成され、ディスプレーサピストン12とパワーピストン13との間にディスプレーサピストン12の他方の作動空間Bが形成される。
他方の熱交換器19は、一端側端部が作動空間Aに連通し、他端側端部が再生器16に連通している。
再生器16は一方の熱交換器17と連通し、一方の熱交換器17は作動空間Bに連通している。
なお、ディスプレーサピストン12のパワーピストン13側の端部外周、及びパワーピストン13の外周には、ピストンリングなどのシール部材を設けている。
排熱利用エンジン5として作動させる場合には、一方の熱交換器17を低温熱交換器、他方の熱交換器19を高温熱交換器として、作動空間Aを膨張空間、作動空間Bを圧縮空間とする。
作動ガスは、他方の熱交換器19で加熱・膨張して作動空間Aに導入され、一方の熱交換器17で冷却・収縮して作動空間Bに導入されることで、作動空間A及び作動空間B内に圧力変動が生じる。
冷熱利用エンジン2として作動させる場合には、一方の熱交換器17を高温熱交換器、他方の熱交換器19を低温熱交換器として、作動空間Aを圧縮空間、作動空間Bを膨張空間とする。
作動ガスは、他方の熱交換器19で冷却・収縮して作動空間Aに導入され、一方の熱交換器17で加熱・膨張して作動空間Bに導入されることで、作動空間A及び作動空間B内に圧力変動が生じる。
スターリングエンジン10は、この作動空間A、B内の圧力変動によってパワーピストン13が動作することで出力を得る。
本実施形態によるスターリングエンジンシステムは、第1スターリングエンジン100と、第2スターリングエンジン200とを備えている。
第1スターリングエンジン100は、図1における排熱利用エンジン5に相当し、第2スターリングエンジン200は、図1における冷熱利用エンジン2に相当する。
第1高温熱交換器119は、一端側端部が作動空間Aに連通し、他端側端部が再生器116に連通している。
再生器116は第1低温熱交換器117と連通し、第1低温熱交換器117は作動空間Bに連通している。
第1高温熱交換器119には、図1におけるディーゼルエンジン1の排ガスが供給される。
第2低温熱交換器219は、一端側端部が作動空間Aに連通し、他端側端部が再生器216に連通している。
再生器216は第2高温熱交換器217と連通し、第2高温熱交換器217は作動空間Bに連通している。
第2低温熱交換器219には、図1におけるLNGタンク6からのLNGが供給される。
中熱作用手段20は、この循環経路21によって構成され、循環経路21にはポンプ22を設けている。
中熱作用手段20によって、第1低温熱交換器117と第2高温熱交換器217に中熱を作用させている。
このように、第1低温熱交換器117と第2高温熱交換器217に中熱を作用させることで、ディスプレーサピストン112、212とパワーピストン113、213に設けられているピストンリングなどのシール部分を常温付近に保つことができる。このため、シール部分の材料選択の自由度が増すと共に、耐久性においても優れたものとなり得る。
なお、本実施形態では、第1スターリングエンジン100と、第2スターリングエンジン200との2つのスターリングエンジンを用いて説明したが、2つのスターリングエンジンを複数セット揃えてシステムを構成することもできる。
本実施形態では、図3に示す、第1スターリングエンジン100のクランク軸114と、第2スターリングエンジン200のクランク軸214とを同軸のクランク軸314としたものである。
クランク軸314は、第1ディスプレーサピストン112、第1パワーピストン113、第2ディスプレーサピストン212、及び第2パワーピストン213を連結しており、安定した出力を得ることができる。
本実施形態は、中熱作用手段20を、高温側経路21hと低温側経路21cとで構成している。
高温側経路21hは、第1高温熱交換器119で熱交換した後の一方の中熱を第2高温熱交換器217に導いている。
低温側経路21cは、第2低温熱交換器219で熱交換した後の他方の中熱を第1低温熱交換器117に導いている。
高温側経路24hには、高温側経路24hを循環する熱媒体の温度を調節する温度調節用熱交換器23hを備えてもよい。温度調節用熱交換器23hは、高熱回収用熱交換器24hより下流で第2高温熱交換器217より上流に設ける。
また、低温側経路24cには、低温側経路24cを循環する熱媒体の温度を調節する温度調節用熱交換器23cを備えてもよい。温度調節用熱交換器23cは、低温回収用熱交換器24cより下流で第1低温熱交換器117より上流に設ける。
同様に、温度調節用熱交換器23hを設けることで、第2スターリングエンジン200での高温熱源と低温熱源の温度差を一定に調整でき、高効率化を図ることができる。
なお、高温側経路21hだけで中熱作用手段20を構成してもよく、また低温側経路21cだけで中熱作用手段20を構成してもよい。
本実施形態は、中熱作用手段20を、高温側経路21hと低温側経路21cとで構成するとともに、高温側経路21hと低温側経路21cとで循環経路21を構成している。
本実施形態においても、高温側経路24hに温度調節用熱交換器23hを備えてもよく、低温側経路24cに温度調節用熱交換器23cを備えてもよい。
本実施形態によるスターリングエンジンシステムは、排熱利用エンジンと冷熱利用エンジンの機能を1台のエンジンで構成したものである。
第1高温熱交換器119は、一端側端部が作動空間Aに連通し、他端側端部が再生器116に連通している。
再生器116は第1低温熱交換器117と連通し、第1低温熱交換器117は作動空間Bに連通している。
第2低温熱交換器219は、一端側端部が作動空間Aに連通し、他端側端部が再生器216に連通している。
再生器216は第2高温熱交換器217と連通し、第2高温熱交換器217は作動空間Bに連通している。
従って、パワーピストン313は、第1ディスプレーサピストン112及び第2ディスプレーサピストン212の作用によって動作する。
また、中熱作用手段20によって、第1低温熱交換器117と第2高温熱交換器217に、高熱と冷熱の間の温度域の中熱を作用させる。
中熱作用手段20については、詳細な説明は省略するが、既に説明した構成を適用することができる。
また本実施形態によれば、2つのディスプレーサピストン112、212を同軸で連結することも可能となり、クランク機構の小型化を図ることができる。
本実施形態によるスターリングエンジンシステムは、図7に示す実施形態と同様に排熱利用エンジンと冷熱利用エンジンの機能を1台のエンジンで構成したものである。
本実施形態では、第3ユニット300Aは、パワーピストン313の一方の空間Cが、第1ユニット100Aにおける作動空間(圧縮空間)Bと連通し、パワーピストン313の他方の空間Dが、第2ユニット200Aにおける作動空間(膨張空間)Bと連通している。
従って、パワーピストン313は、第1ディスプレーサピストン112及び第2ディスプレーサピストン212の作用によって動作する。
また本実施形態によれば、2つのディスプレーサピストン112、212の動きによる振動を打ち消し合えるため、低騒音化を図ることができる。
本実施形態によるスターリングエンジンシステムは、排熱利用エンジンと冷熱利用エンジンの機能を1台のエンジンで構成したものである。
第1高温熱交換器119は、一端側端部が作動空間Aに連通し、他端側端部が再生器116に連通している。
再生器116は第1低温熱交換器117と連通し、第1低温熱交換器117は作動空間Bに連通している。
第2低温熱交換器219は、一端側端部が作動空間Aに連通し、他端側端部が再生器216に連通している。
再生器216は第2高温熱交換器217と連通し、第2高温熱交換器217は作動空間Bに連通している。
従って、第1パワーピストン113は、第1ディスプレーサピストン112の作用によって動作する。
従って、第2パワーピストン213は、第2ディスプレーサピストン212の作用によって動作する。
また、中熱作用手段20によって、第1低温熱交換器117と第2高温熱交換器217に、高熱と冷熱の間の温度域の中熱を作用させる。
中熱作用手段20については、詳細な説明は省略するが、既に説明した構成を適用することができる。
熱量やスターリングエンジンの発電出力は、係数や効率を設定することによって簡易的に計算する。スターリングエンジンの発電出力Wgは次式で求められる。
排熱利用エンジンにおいて、有効熱入力Qinは次式で求められる。
・・・(式4)
図10(a)に熱量計算を行うために必要なLNG及び排ガスの物性値、図10(b)に計算条件を示す。
図11は計算に使用するディーゼルエンジンの排ガス条件及びLNGの質量流量であり、これらは過去に計測したA重油を燃料とした運転結果を参考にして推定している。
図3,図6に示したシステムの動作確認をするため、2台の実験用スターリングエンジンを用いた予備試験を行った。以下、試験方法及び試験結果について記す。
試験に使用したスターリングエンジンは、設計出力が500Wの排熱利用エンジン並びに冷熱利用エンジンであり、高温熱源には電気ヒータで加熱した高温空気、低温熱源には液体窒素を用いる。図14に主なエンジン仕様を示す。
5 排熱利用スターリングエンジン(排熱利用エンジン)
10 スターリングエンジン(冷熱利用エンジン、排熱利用エンジン)
100 第1スターリングエンジン
111 シリンダ
112 ディスプレーサピストン
113 パワーピストン
114 クランク軸
115 発電機
116 再生器
117 第1低温熱交換器
118 シリンダヘッド
119 第1高温熱交換器
200 第2スターリングエンジン
211 シリンダ
212 ディスプレーサピストン
213 パワーピストン
214 クランク軸
215 発電機
216 再生器
217 第2高温熱交換器
218 シリンダヘッド
219 第2低温熱交換器
A 作動空間
B 作動空間
Claims (16)
- 第1高温熱交換器と第1低温熱交換器を有した第1スターリングエンジンと、第2高温熱交換器と第2低温熱交換器を有した第2スターリングエンジンを備えたスターリングシステムにおいて、前記第1高温熱交換器に高温熱源からの高熱を作用させるとともに、前記第2低温熱交換器に低温熱源からの冷熱を作用させ、前記第1低温熱交換器と前記第2高温熱交換器に前記高熱と前記冷熱の間の温度域の中熱を作用させる中熱作用手段を備えたことを特徴とするスターリングエンジンシステム。
- 前記中熱作用手段を、前記第1低温熱交換器と前記第2高温熱交換器に熱媒体を循環させる循環経路としたことを特徴とする請求項1に記載のスターリングエンジンシステム。
- 前記循環経路に、前記熱媒体の温度を調節する温度調節用熱交換器を備えたことを特徴とする請求項2に記載のスターリングエンジンシステム。
- 前記中熱作用手段を、前記第1高温熱交換器で熱交換した後の一方の中熱を前記第2高温熱交換器へ導く高温側経路と、前記第2低温熱交換器で熱交換した後の他方の中熱を前記第1低温熱交換器へ導く低温側経路としたことを特徴とする請求項1に記載のスターリングエンジンシステム。
- 前記高温側経路及び/又は前記低温側経路に、前記高温側経路及び/又は前記低温側経路を循環する熱媒体の温度を調節する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項4に記載のスターリングエンジンシステム。
- 前記高温側経路を、前記第1低温熱交換器の出口から前記第2高温熱交換器の入口までとし、前記低温側経路を、前記第2高温熱交換器の出口から前記第1低温熱交換器の入口までとして、前記高温側経路と前記低温側経路とで循環経路を構成したことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載のスターリングエンジンシステム。
- 第1高温熱交換器と第1低温熱交換器と第1ディスプレーサピストンとを有した第1ユニットと、第2高温熱交換器と第2低温熱交換器と第2ディスプレーサピストンとを有した第2ユニットと、前記第1ディスプレーサピストン及び前記第2ディスプレーサピストンの作用によって動作するパワーピストンを有した第3ユニットと、前記第1ディスプレーサピストン、前記第2ディスプレーサピストン、及び前記パワーピストンを連結したクランク軸とを備え、前記第1高温熱交換器に高温熱源からの高熱を作用させるとともに、前記第2低温熱交換器に低温熱源からの冷熱を作用させ、前記第1低温熱交換器と前記第2高温熱交換器に前記高熱と前記冷熱の間の温度域の中熱を作用させる中熱作用手段を備えたことを特徴とするスターリングエンジンシステム。
- 前記第1ユニットには、前記第1高温熱交換器と連通する第1膨張空間と、前記第1低温熱交換器と連通する第1圧縮空間が形成され、前記第2ユニットには、前記第2高温熱交換器と連通する第2膨張空間と、前記第2低温熱交換器と連通する第2圧縮空間が形成され、前記第1圧縮空間と前記パワーピストンの一方の空間とを連通し、前記第2膨張空間と前記パワーピストンの一方の空間とを連通したことを特徴とする請求項7に記載のスターリングエンジンシステム。
- 前記第1ユニットには、前記第1高温熱交換器と連通する第1膨張空間と、前記第1低温熱交換器と連通する第1圧縮空間が形成され、前記第2ユニットには、前記第2高温熱交換器と連通する第2膨張空間と、前記第2低温熱交換器と連通する第2圧縮空間が形成され、前記第1圧縮空間と前記パワーピストンの一方の空間とを連通し、前記第2膨張空間と前記パワーピストンの他方の空間とを連通したことを特徴とする請求項7に記載のスターリングエンジンシステム。
- 第1高温熱交換器と第1低温熱交換器と第1ディスプレーサピストンとを有した第1ユニットと、第2高温熱交換器と第2低温熱交換器と第2ディスプレーサピストンとを有した第2ユニットと、前記第1ディスプレーサピストンの作用によって動作する第1パワーピストンを有した第3ユニットと、前記第2ディスプレーサピストンの作用によって動作する第2パワーピストンを有した第4ユニットと、前記第1ディスプレーサピストン、前記第2ディスプレーサピストン、前記第1パワーピストン、及び前記第2パワーピストンを連結したクランク軸とを備え、前記第1高温熱交換器に高温熱源からの高熱を作用させるとともに、前記第2低温熱交換器に低温熱源からの冷熱を作用させ、前記第1低温熱交換器と前記第2高温熱交換器に前記高熱と前記冷熱の間の温度域の中熱を作用させる中熱作用手段を備えたことを特徴とするスターリングエンジンシステム。
- 前記第1スターリングエンジンが第1ディスプレーサピストンと第1パワーピストンで構成され、前記第2スターリングエンジンが第2ディスプレーサピストンと第2パワーピストンで構成され、前記第1ディスプレーサピストン、前記第1パワーピストン、前記第2ディスプレーサピストン、及び前記第2パワーピストンを一つのクランク軸で連結したことを特徴とする請求項1に記載のスターリングエンジンシステム。
- シリンダの外周部に再生器と一方の熱交換器とが配置され、前記シリンダ内にディスプレーサピストンが配置され、前記シリンダの一方はシリンダヘッドによって覆われ、前記シリンダヘッドと前記ディスプレーサピストンとの間に、他方の熱交換器と連通する一方の空間が形成されるユニットを2つ有するスターリングエンジンシステムであって、第1の前記ユニットでは、他方の前記熱交換器に高温熱源からの高熱を作用させ、一方の前記熱交換器に、前記高温熱源からの高熱より低い中熱を作用させ、第2の前記ユニットでは、他方の前記熱交換器に低温熱源からの冷熱を作用させ、一方の前記熱交換器に、前記低温熱源からの冷熱より高い中熱を作用させることを特徴とするスターリングエンジンシステム。
- 前記高温熱源として燃焼機器の排ガスを用い、前記低温熱源として液化ガスを用いたことを特徴とする請求項1から請求項12のいずれかに記載のスターリングエンジンシステム。
- 前記燃焼機器の燃料として前記液化ガスを用いたことを特徴とする請求項13に記載のスターリングエンジンシステム。
- 前記燃焼機器をディーゼルエンジンとし、前記液化ガスを液化天然ガス(LNG)としたことを特徴とする請求項13又は請求項14に記載のスターリングエンジンシステム。
- 請求項1から請求項15のいずれかに記載のスターリングエンジンシステムを搭載した船舶。
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