JP2014131390A - 動作機器における廃熱回収システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータからの廃熱を回収する際、廃熱回収に使用する冷媒の最適な流量・温度を制御するようにした、動作機器における廃熱回収システムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】インバータからの動作電力で動作機器が動作する際の熱を回収する動作機器における廃熱回収システムであって、水以下の低沸点冷媒を強制循環させる低沸点冷媒循環路と、インバータ内の廃熱を回収して前記低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒を気化させる蒸発器と、を備える。インバータは、半導体素子としてＳｉＣを用いたもので、インバータを構成するＳｉＣ素子の素子温度を、廃熱回収電力とＳｉＣ素子損失との差が最大となるときの最適素子温度となるように低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒の冷媒流量を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、動作機器における廃熱回収システムおよびその制御方法に関し、特には、インバータからの廃熱を回収する際、廃熱回収に使用する冷媒の最適な流量・温度を制御するようにした、動作機器における廃熱回収システムおよびその制御方法に関するものである。

近年、低沸点冷媒（代替フロン）を使用した廃熱回収システムが開発されている。廃熱源としては、十分な熱量となり得るエンジン他、過給機の排ガス、エンジンの冷却水が利用されている。
例えば、船舶において、ディーゼルなどエンジン機関と電気推進機とを複合させたエンジン動力船においても、エンジン機関からの廃熱を回収してエネルギー効率の向上を図っている（特許文献１）。

ところで、インバータにより生成された駆動電力により電動機や発電機を駆動する可変速制御技術が向上してきており、これまで、エンジンや油圧を駆動源とする分野においても、拡大してきていて、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、あるいは電気推進船として、実現している。

また、従来からインバータに用いられている半導体スイッチング素子及び半導体ダイオードのうち、特にＳｉ系の半導体素子は、半導体ジャンクション温度が１５０℃以下であるため、使用可能な周囲温度がせいぜい１２０℃に限定されている。
したがって、半導体スイッチング素子の種々の損失によって生じる発熱は、半導体スイッチング素子自体の動作環境に悪影響を及ぼすことが懸念される。
また、使用可能な周囲温度がせいぜい１２０℃に限定されていることから、冷却に使用する媒体（気体や液体）の温度は、温度差確保のために、１００℃以下とすることが一般的となっている。

そして最近では、インバータを使用する環境が拡大し、高温（例えば２００℃以上）での使用が望まれており、そのために、最近、シリコンを材料とするＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）やダイオードに代わって、更に耐圧性能の高いＳｉＣ等を材料とするＩＧＢＴやダイオードの開発が進んできている。なお、将来はＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）もＳｉＣが使用されると期待されている。

しかしながら、インバータにＳｉＣ素子を用いると、駆動電流によってパワー半導体素子が発熱する。発熱は主に、半導体スイッチング素子の定常損失、スイッチング損失、半導体ダイオードの定常損失、リカバリ損失によって生じる。
このような損失は、これを車載用として使用する場合、燃費を低下させる大きな要因となるため、損失をできるだけ低減するために、特許文献２では、通電電流値に応じて素子冷却温度を調整する手法が記載されている。

すなわち、特許文献２では、ハイブリッド自動車に用いられるインバータは、複数のパワー半導体素子、例えば半導体スイッチング素子及びダイオードと、その駆動回路、及び冷却機構をモジュール化して構成される。このようなモジュール化したパワー半導体素子は発熱し、その発熱は主に、半導体スイッチング素子の定常損失、スイッチング損失、半導体ダイオードの定常損失、リカバリ損失によって生じる。
かかる損失は、車載用として使用する場合、燃費を低下させる大きな要因となるので、損失をできるだけ低減できるように素子サイズ、素子特性の設計等で、通電電流値に応じて素子冷却温度を調整する手法が記載されている。
これは損失にクロスポイント、すなわち、電流値によって、温度が高い方が損失高いか低いかのクロス点が存在することを利用している。

特許第４５９２５０８号公報 特開２０１２−２２８１１４号公報

特許文献１での廃熱回収システムでは、総合的にエネルギー効率を向上させるために、主機の排ガスの廃熱を活用することが開示されている。したがって、特許文献１の船舶は、電気推進機自体を駆動する駆動源について言及するものではなく、駆動源から廃棄される熱量を活用することは記載されていない。
また、特許文献２は、インバータを構成するパワーモジュールからの熱を回収するコンセプトのものではない。すなわち、ＳｉＣ素子をインバータに用いたことにより、高温の（これまで１００℃以下に抑えられた冷却媒体に比較して高い温度で例えば略１５０℃）冷却媒体を使用可能としたものの、廃熱回収をすることを想定したものではないので、大きな熱エネルギーの有効活用がなされていない。
本発明は以上の背景から提案されたものであって、インバータからの廃熱を回収する際、廃熱回収に使用する冷媒の最適な流量・温度を制御するようにした、動作機器における廃熱回収システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明では、インバータからの動作電力で動作機器が動作する際の熱を回収する動作機器における廃熱回収システムであって、水以下の低沸点冷媒を強制循環させる低沸点冷媒循環路と、インバータ内の廃熱を回収して低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒を気化させる蒸発器と、を備え、インバータは、半導体素子としてＳｉＣを具備し、インバータにおけるＳｉＣ素子の素子温度が、廃熱回収電力とＳｉＣ素子損失との差が最大となる素子温度としての最適素子温度となるように低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒の冷媒流量を制御する制御部を具備することを特徴とする。

これにより、冷媒の流量制御によって、ＳｉＣ素子温度を調整する。
ＳｉＣ素子を使用したインバータの損失低減と廃熱回収量のバランスを見て、冷媒温度を決定することで、燃費向上効果が得られる。

また、請求項２に記載の本発明では、半導体素子としてＳｉＣを具備するインバータと、水以下の低沸点冷媒を強制循環させる低沸点冷媒循環路と、前記インバータ内の廃熱を回収して低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒を気化させる蒸発器と、を備え、インバータからの動作電力で動作機器が動作する際の熱を回収する動作機器における廃熱回収システムにおいて、低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒の温度を、インバータ出力に対応する最適冷媒温度のマップから把握する第１のステップ（Ｓ１）と、最適冷媒温度のマップから把握した低沸点冷媒温度が、低沸点冷媒の温度の目標値としての最適素子温度となるように、低沸点冷媒循環路６に流れる冷媒の流量制御を行う第２のステップ（Ｓ２）と、を具備することを特徴とする。

これにより、低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒の温度を、インバータ出力に対応する最適冷媒温度のマップから把握して、低沸点冷媒の温度が、最適素子温度となるように、廃熱回収システムに低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒の流量指令値を出力することで達成することができる。

さらに、請求項３にかかる本発明では、動作機器は、電気推進式船舶である、ことを特徴とする。

これにより、船舶の運航状況により、インバータ出力が変わり、このインバータ出力から、最適の素子温度となるように冷媒制御することで、船舶の運航状況に関わらず、最大の燃費向上効果を得ることができる。

本発明によれば、インバータ駆動の動作機器において、インバータを構成するＳｉＣ素子の温度依存性を鑑みて、ＳｉＣ素子を使用したインバータの損失低減と廃熱回収量のバランスを見て、インバータ出力と冷媒温度とのマップから把握される冷媒温度を、冷媒の流量制御によって、最適のＳｉＣ素子温度となるように調整することで、燃費向上効果を得ることができる。

本発明にかかる動作機器における廃熱回収システムを実施する際の第１実施形態を示す、模式的なブロック構成図である。 （ａ）第１実施形態を電気推進船に適用した際に、高速運行時等、高負荷運転時におけるＳｉＣ素子損失と廃熱回収電力との関係の一例を示した、グラフであり、（ｂ）第１実施形態を電気推進船に適用した際に、低速運行時等、低負荷運転時におけるＳｉＣ素子損失と廃熱回収電力との関係の一例を示した、グラフである。 廃熱回収システムにおけるインバータ出力と最適冷媒温度との関係を示すグラフである。 冷媒流量制御をする際の制御手順の一例を示した、フローチャートである。 本発明にかかる動作機器における廃熱回収システムを実施する際の一例を示す、フィードバック制御システム構成図である。

以下、本発明にかかる動作機器における廃熱回収システムおよびその制御方法を実施するための実施形態を挙げ、添付図に基づいて、説明する。

（第１実施形態）
図１に、動作機器１の廃熱回収システム２を示す。
動作機器１は、電力変換部としてのインバータ３からの動作電力で回転駆動するモータ４と、モータ４の出力軸に取り付けられた作動部である、プロペラ５とを具備している。
廃熱回収システム２は、水以下の低沸点冷媒を強制循環させる低沸点冷媒循環路６と、インバータ３内の廃熱を間接的に回収して低沸点冷媒循環路６を流れる低沸点冷媒を気化させる蒸発器７と、を備える。

水以下の低沸点冷媒としては、水以下の低沸点であれば、ブタン（イソブタン−１１．７℃）、ペンタン（沸点：３６℃）、フロン、代替えフロン（沸点：３４℃）等、適宜である。なお、フロンは、炭化水素の水素をフッ素や塩素で置き換えたクロロフルオロカーボンの総称であり、フロンの一例として例えばフロン−１２は、沸点が３０℃、フロン−２２は、沸点が−４１℃、フロン−１１３は、沸点が４８℃である。

ここでの動作機器１は、例えば電気推進式船舶の動力部を構成している。この場合、モータ４に動作電力を供給するインバータ３は、半導体構成素子としてＳｉＣ素子を用いたもので、例えば機器電力源からの電力から生成した直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換する周知の回路構成のものを採用している。なお、インバータ形式は、電圧型／電流型、２レベル／３レベル／多レベル、マトリックス型、いずれも適用可能である。なお、インバータ３を構成する半導体素子には、ダイオード、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を含む。また、直流電力は船内交流電力を整流して得てもよいし、直流配電化された船では直接使用してもよい。

半導体素子としてのＳｉＣ（炭化ケイ素、シリコンカーバイト）素子は、Ｓｉを用いたパワー半導体に比較して様々な特質がある。
例えば、電力損失が小さくなる。また、Ｓｉのパワー半導体に比較して損失を大幅に削減できることがわかっている。
また、ＳｉＣ素子は、比較的高い電圧や大電流でも動作することから、インバータの構成段数や並列数を減らせる他、高温でも動作するため、インバータ機器を小型化できる。
すなわち、ＳｉＣ素子は、Ｓｉ素子に比較して、バンドギャップが広く、絶縁破壊電界が大きいため、パワー半導体に向く。また、熱伝導率が高く、放熱能力が高くなり高温でも動作することがわかっている。

また、廃熱回収システム２において、インバータ３からの熱は、熱交換作用により、インバータ３と蒸発器７との間に配設された冷媒路８に流れる冷媒によって蒸発器７にもたらすようになっている。
低沸点冷媒循環路６はポンプ９により低沸点冷媒を強制循環させるようになっている。また、低沸点冷媒循環路６には負荷機器であるタービン１０が介在される。タービン１０には発電機１１が接続されている。さらに、低沸点冷媒循環路６には、タービン１０で使用された気化低沸点冷媒を液化する復水器１２が介在される。
このような構成により、蒸発器７にもたらされた熱により低沸点冷媒を気化させ、この気化された低沸点冷媒によりタービン１０を作動させ、タービン１０に接続された発電機１１を回して電力を得ている。そしてタービン１０で使用された気化低沸点冷媒は、復水器１２で液化され、再びポンプ９により蒸発器７に送り込まれるようになっている。

そして、以上のような廃熱回収システム２において、インバータ３におけるＳｉＣ素子の素子温度が、廃熱回収電力とＳｉＣ素子損失との差が最大となる素子温度としての最適素子温度となるように低沸点冷媒循環路６を流れる低沸点冷媒の冷媒流量を制御する制御部２０を具備する。制御部２０については、後述する。

以上のような第１実施形態にかかる動作機器１の廃熱回収システム２について、その廃熱回収サイクルを説明する。
動作機器１の運転開始により、機器電力源からの電力がインバータ３に供給されると、インバータ３において直流から交流へと電力変換がなされ、この変換された交流電力によってモータ４が駆動し、プロペラ５を回転させることができ、推進力を導出することができる。
すると、インバータ３は発熱源となって、構成されるＳｉＣ素子およびその他構成される素子からも発熱し、さらには、モータ４自体も発熱源となって発熱する。インバータ３には、高温環境に適したＳｉＣ素子を用いたことにより、周囲温度が例えば２００℃前後であっても、十分に電力変換動作を行うことができる。

ここで、インバータ３からの熱は、インバータ３と蒸発器７との間の冷媒路８に流れる冷媒の熱交換作用により回収され、蒸発器７にもたらされる。
次いで、蒸発器７を通過させている低沸点冷媒循環路６を通じて流れる低沸点冷媒が、蒸発器７にもたらされた熱によって気化され、この気化された低沸点冷媒によりタービン１０が回転し、タービン１０に接続された発電機１１を回して電力を得ることができる。低沸点冷媒は水よりも沸点がはるかに低い冷媒であるので、蒸発器７にもたらされた熱によっても十分に気化され、高温高圧の気化冷媒とすることができる。
そしてタービン１０で使用された気化低沸点冷媒は、復水器１２で冷却海水により液化され、再びポンプ９により蒸発器７に送り込まれる。

以上のように、インバータ３にこれまでの半導体素子に比較して、高温環境においても動作可能なＳｉＣ素子を用いたことにより、十分に電力変換動作を行うことができ、しかも、低沸点冷媒が高温高圧であっても、廃熱回収を行うことができる。
したがって、これまで、発熱源として有効利用していなかったインバータから廃熱を回収することができるので、動作機器の熱効率を大いに向上させることができることがわかる。

次に、以上のような動作機器１の廃熱回収システム２における冷媒流量制御を行う制御部２０について説明する。冷媒流量制御を行うのは、冷媒流量制御によってインバータ１２を構成するＳｉＣ素子温度を調整するためである。
すなわち、ＳｉＣ素子は損失特性（温度依存性）があるからであり、目標素子温度は、相反する「ＳｉＣ素子の損失大小」と「可能な廃熱回収量の大小」とを考慮して船舶全体として、燃費向上効果が最大となるように決定している。
これは、ＳｉＣ素子の損失は小さい方がよい一方、廃熱回収システム２にとっては、ＳｉＣ損失が大きく、冷媒温度が高い方がよいからである。

以上のことから、インバータ１２を構成するＳｉＣ素子温度と、エネルギ（Ｗ）との関係を示すと、図２（ａ）、図２（ｂ）のように示すことができる。
ここで、図２（ａ）は、高出力時、すなわち、船舶が外洋を航行していて、動力系が高出力時、インバータ１２に高負荷がかかった状態であるとき、また、図２（ｂ）は、船舶が港湾内を航行していて、動力系が低出力時、インバータ１２に低負荷がかかった状態であるときを示している。
図２（ａ）の場合は、素子損失が限界温度に至るまで、緩慢な曲線状に増加している。
一方、図２（ｂ）の場合は、素子損失が限界温度に至るまで、徐々に下降している。
この場合、素子温度に対する廃熱回収電力の推移を示すと、緩慢に変化する上に凸状の放物線として表わされる。なお、廃熱回収電力が図２（ａ）の高出力時も図２（ｂ）の低出力時においても同レベルで示されているが、図２（ａ）の高出力時の方が廃熱回収電力は、図２（ｂ）の低出力時よりも大きい。
以上のことから、図２（ａ）、図２（ｂ）から解るように、素子損失と廃熱回収電力の差が最大となる素子温度を最適素子温度となるように冷媒流量を制御している。

以上のように、ＳｉＣ素子を使用したインバータ１２の損失低減と廃熱回収量とのバランスを見て、冷媒温度を決定することで、最大の燃費向上効果を得ることができる。

また、図２（ａ）、図２（ｂ）からインバータ１２を構成するＳｉＣ素子温度が最適素子温度の際の廃熱回収電力、すなわちインバータ出力（Ｗ）は、素子損失との差が最大となる。そして最適素子温度は船舶の出力に応じて変わり、最適素子温度に対応する廃熱回収電力も変わるので、その最適素子温度となるように、冷媒流量を制御する必要がある。
船舶の出力はインバータ出力（Ｗ）に対応するものであるから、冷媒流量を変えることで冷媒温度が変わることから、インバータ出力に対応した冷媒温度、最適冷媒温度が決まり、図３のようなグラフとして表示することができる。
かかるインバータ出力ごとの最適冷媒温度との関係を最適温度マップとして制御部２０に蓄積しておくことで、最適温度を求めるために、冷媒流量制御が実行される。

そこで、制御部２０における冷媒流量制御を図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。
図１の廃熱回収システム２において、蒸発器７下流側の低沸点冷媒循環路６に流れる気化された低沸点冷媒の冷媒温度（実冷媒温度）を、インバータ出力（Ｗ）に対応する最適冷媒温度のマップから把握する（ステップＳ１）。
次いで、最適冷媒温度のマップから把握した低沸点冷媒温度が、目標値である最適素子温度となるように、低沸点冷媒循環路６に流れる冷媒の流量制御を行う（ステップＳ２）。
すなわち、図５に示すように、最適温度（目標値）を設定した後に、最適冷媒温度のマップから把握した低沸点冷媒温度との偏差を求めてＰＩ制御を行い、冷媒の流量指令値が廃熱回収システム２に出力され、廃熱回収システム２において、低沸点冷媒循環路６における流量制御弁に制御指令が出され、目標温度に近づけるようにフィードバック制御を行う。

このように、本実施形態によれば、ＳｉＣ素子の損失特性（温度依存性）を考慮して、ＳｉＣ素子を使用したインバータの損失低減と廃熱回収量とのバランスを見て、冷媒温度を決定することで、最大の燃費向上効果を得ることができる。

本発明は、船舶に限らず、あらゆるインバータによる電力源により作動する装置、機器類に適用可能というように、汎用性が高い。

１ 動作機器
２ 廃熱回収システム
３ インバータ
４ モータ
５ プロペラ
６ 低沸点冷媒循環路
７ 蒸発器
８ 冷媒路
９ ポンプ
１０タービン
１１発電機
１２復水器
２０制御部

Claims (3)

1. インバータからの動作電力で動作機器が動作する際の熱を回収する動作機器における廃熱回収システムであって、
   水以下の低沸点冷媒を強制循環させる低沸点冷媒循環路と、
   前記インバータ内の廃熱を回収して前記低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒を気化させる蒸発器と、を備え、
   前記インバータは、半導体素子としてＳｉＣを具備し、
   前記インバータにおけるＳｉＣ素子の素子温度が、廃熱回収電力と前記ＳｉＣ素子損失との差が最大となる素子温度としての最適素子温度となるように前記低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒の冷媒流量を制御する制御部を具備することを特徴とする動作機器における廃熱回収システム。
2. 半導体素子としてＳｉＣを具備するインバータと、水以下の低沸点冷媒を強制循環させる低沸点冷媒循環路と、前記インバータ内の廃熱を回収して前記低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒を気化させる蒸発器と、を備え、前記インバータからの動作電力で動作機器が動作する際の熱を回収する動作機器における廃熱回収システムにおいて、
   低沸点冷媒循環路を流れる低沸点冷媒の温度を、インバータ出力に対応する最適冷媒温度のマップから把握する第１のステップ（Ｓ１）と、最適冷媒温度のマップから把握した低沸点冷媒温度が、低沸点冷媒の温度の目標値としての最適素子温度となるように、低沸点冷媒循環路６に流れる冷媒の流量制御を行う第２のステップ（Ｓ２）と、
   を具備することを特徴とする動作機器における廃熱回収システムの制御方法。
3. 前記動作機器は、電気推進式船舶である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の動作機器における廃熱回収システム。
   

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