JP2015017600A

JP2015017600A - ネットゼロエネルギー船舶

Info

Publication number: JP2015017600A
Application number: JP2013159750A
Authority: JP
Inventors: 畑中　武史; Takeshi Hatanaka; 武史畑中
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-01-29

Abstract

【課題】熱源水の低位熱エネルギーを利用したネットゼロエネルギー船舶を提供する。【解決手段】熱源水に浮揚する浮体建造物１０ａと、該浮体建造物に搭載されていて低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰと、該密閉動力サイクルに蓄電電力を供給する蓄電ユニットとを有するエネルギー変換装置１２を備え、作動流体を流体圧縮機Ｐ１により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、蓄電電力により生成したパルス電力により高エンタルピー変換器４２を通電発熱させ、該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器と接触させて高エンタルピー超臨界流体を生成し、該高エンタルピー超臨界流体により回転式流体機械４０のロータリーピストン本体２００を作動させて機械エネルギーを発生させ、該機械エネルギーの一部で該冷媒圧縮機と該流体圧縮機を駆動し、該機械エネルギーの残部により推進装置を駆動する。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は船舶に関し、さらには、地球環境にやさしいネットゼロエネルギー次世代船舶に関する。

従来、船舶では暖房・冷房設備、換気設備、給湯設備、照明等に係わる電力と動力（推進力）等に大量のエネルギーが消費され、これらエネルギーは外部投入エネルギーとして重油等の化石燃料を燃焼させて作動するディーゼルエンジンから供給されるのが一般的である。そのため、温室効果ガス（ＣＯ２）と窒素酸化物（ＮＯｘ）が大量に排出され、その削減が緊急課題となっている。

特許文献１には、船舶に太陽光発電装置、風力発電装置及び水流発電装置等の自然エネルギー利用及び既存動力利用の混合発電システムを搭載することで内燃機関の小型化を図り、地球温暖化防止に貢献することが提案されている。また、特許文献２には、船体の船首部分にインレットタービンを配置し、船体の航行方向に対抗して船首部分に衝突する波動エネルギーを利用してタービンを駆動することにより海水の波動エネルギーを回収するようした再生可能エネルギー回収装置が提案されている。

公開特許公報第２００９−１６１０３２号米国特許公開公報第２０１２／０２８０５０４号

ところで、特許文献１で開示された自然エネルギー利用及び既存動力利用の混合発電システムを搭載した船舶では、自然エネルギー利用発電設備に膨大な費用がかかっていた。しかも、内燃機関の利用を停止することができないため、運行コストを下げることが困難であり、しかも、船舶におけるディーゼルエンジンによる船体の振動・騒音を抑制することができなかった。特許文献２で開示された再生可能エネルギー回収装置を備えた船舶では、船体の船首部分に衝突する波動エネルギーから回収可能なエネルギー量は小さいため、船体自身の動力源として利用することができなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、外部投入エネルギーを正味（ネット）でゼロにすることが可能なネットゼロエネルギー船舶を提供することを目的とする。

請求項１に記載された第１発明によれば、ネットゼロエネルギー船舶が、水中又は水上で移動する浮体建造物と、該浮体建造物に搭載されていて所定圧で封入されることにより低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクルとヒートポンプと、該密閉動力サイクルに蓄電電力を供給する蓄電ユニットとを有するエネルギー変換装置を備えていて、該ヒートポンプが該冷媒を圧縮して高温高圧冷媒を生成する冷媒圧縮機と、該高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの該作動流体に放熱して低温高圧冷媒を生成する放熱器と、該低温高圧冷媒を減圧膨張させて第１機械エネルギーを回収しながら低温低圧冷媒を生成する第１膨張機と、該低温低圧冷媒を蒸発させて冷熱を生成する熱交換器とを備え、該密閉動力サイクルが該作動流体を圧縮して高温高圧作動流体を生成する流体圧縮機と、該蓄電電力を利用してパルス電力を生成するパルス電源と、該パルス電力により通電することにより該作動流体の受熱温度よりも高い所定温度に発熱して該高温高圧作動流体から高エンタルピー動力流体を生成する高エンタルピー変換器と、該第１膨張機と出力軸を介して連結されていて該高エンタルピー動力流体を膨張させることにより第２機械エネルギーを回収する第２膨張機と、該第２膨張機の膨張ガスを予冷しながら該膨張ガスの排熱を回収して該冷媒から冷媒蒸気を生成して該冷媒圧縮機に還流させる再生器と、該第１及び第２機械エネルギーにより駆動される推進装置とを備え、該熱交換器が該冷熱により該第２膨張機の膨張ガスを冷却しながら該冷媒と該作動流体とを再生し、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーの一部で該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機を駆動することを特徴とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、好ましくは、該エネルギー変換装置が、さらに、第１及び第２機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を発生する発電機を備え、該発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに循環させて蓄電することを特徴とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加えて、該エネルギー変換装置が、さらに、該高温高圧作動流体を一時的に貯蔵するバッファアダンパーと、該第２膨張機の膨張行程の略全期間中に連続的に開弁して該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器に供給する制御弁とを備え、該バッファアダンパーと該制御弁とを該第２膨張機のスタータとして機能させる

請求項４に記載された発明によれば、請求項３に記載の構成に加えて、該高エンタルピー変換器が、ケーシングと、該ケーシングに形成されていて該流体圧縮機と該回転式流体機械のロータリーピストン本体とに連通するエンタルピー増倍室と、該エンタルピー増倍室に収納された通電発熱体とを備え、該通電発熱体が該パルス電力により通電して該作動流体の受熱温度よりも数倍以上高い所定温度に昇温することを特徴とする。

本発明では、ヒートポンプにおいて、密閉動力サイクルの排熱エネルギーを回収して冷媒から冷媒蒸気を生成し、該冷媒蒸気を冷媒圧縮機で圧縮して高温高圧冷媒を生成する。高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの作動流体に伝達して低温高圧冷媒を生成する。この低温高圧冷媒を第１膨張機で膨張させて第１機械エネルギーを回収するとともに低温低圧冷媒を生成する。この低温低圧冷媒を蒸発させて冷熱を生成する。一方、ヒートポンプから受熱した作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成する。蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により高エンタルピー変換器を所定温度に加熱する。一方、流体圧縮機で生成した高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器と接触させることにより超臨界状態下で高エンタルピー動力流体を生成する。当該高エンタルピー動力流体を第２膨張機で爆発的に膨張させて第２機械エネルギーを発生させ、当該第１及び第２機械エネルギーを動力として利用することにより推進装置を駆動する。さらに、該第１及び第２機械エネルギーの一部を発電機に供給して発電電力を発生させて船舶の電気設備に供給する。そのため、船舶の外部投入エネルギーを正味（ネット）でゼロにすることができる。

また、発電機の発電電力の一部を蓄電用電力として蓄電ユニットに供給するため、蓄電ユニットのＳＯＣ値（残蓄電容量：ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）が、常時、所定値に維持されてパルス電源を介して高エンタルピー変換器を連続的に作動可能状態に維持する。このようにして、エネルギー変換装置は常に自立状態となり、外部投入エネルギーゼロで、動力及び電力を発生させることができる。さらに、高圧作動流体をバッファアダンパーで一時的に貯蔵して制御弁により最適な供給タイミングで取り出すため、高圧作動流体の脈動が抑制され、第２膨張機の回転ムラが防止され、発電機の回転ムラを少なくして発電機の出力電圧をより安定化して発電電力の品質を向上させることができる。しかも、制御弁が第２膨張機の膨張行程のほぼ全期間に亘って高温高圧作動流体の高エンタルピー変換器へ供給するように制御するため、第２膨張機の正味有効平均圧力は２５０〜４５０Ｋｇｆ／ｃｍ２もの大きな値に達して、既存のレーシングカーの１３．５Ｋｇｆ／ｃｍ２の正味有効平均圧力に対して数十倍の大きさになる。したがって、エネルギー変換装置によって数十キロワットから数百メガワットの動力及び電力を供給することが可能となる。したがって、船舶における外部投入エネルギーを正味（ネット）でゼロにすることが容易となり、地球温暖化防止に多大の貢献が可能となる。

本発明の実施例によるネットゼロエネルギー船舶の概略図を示す。図１Ａに示したネットゼロエネルギー船舶のブロック図を示す。図１Ｂのエネルギー変換装置の圧縮機の断面図を示す。図１Ｂのエネルギー変換装置の高エンタルピー変換器の断面図を示す。

以下、本発明の実施例によるネットゼロエネルギー船舶について図面に基づき詳細に説明する。以下の説明において、本発明は海洋を航行するネットゼロエネルギー船舶に適用したものとして記載するが、これは一例であり、本発明は図示された実施態様のネットゼロエネルギー船舶に限定されない。本発明によるネットゼロエネルギー船舶は河川水又は湖水を航行する船舶や洋上基地、マリンフロートやメガフロート（海洋浮体構造物）等の建造物にも適用しても良い。

図１Ａ及び図１Ｂに示した実施例において、水上又は水中を移動する浮体建造物としてのネットゼロエネルギー船舶１０は船体１０ａに搭載されたエネルギー変換装置１０Ａを備える。エネルギー変換装置１０Ａは所定圧で封入されていて低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクル１２と密閉動力サイクル１２と熱的に結合するように配置されたヒートポンプＨＰとを備える。

作動流体及び冷媒としては、本発明を限定するものではないが、自然界に存在する安全な物質であり、極めて安価に手に入れることができる理由から、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数が１の自然冷媒である二酸化炭素（以下、ＣＯ２と略称する）が挙げられる。説明の便宜上、密閉動力サイクル１２の作動流体をＣＯ２作動流体、ヒートポンプＨＰの冷媒をＣＯ２冷媒と称する。このように、作動流体と冷媒とは共通の成分である二酸化炭素を利用するが、それぞれ異なる媒体を利用しても良い。密閉動力サイクル１５及びヒートポンプＨＰでは、本発明を限定するものではないが、低圧側（流体圧経路）の圧力がＣＯ２の超臨界点以下の所定圧、例えば、３〜５．７ＭＰａとなるようにそれぞれの系統内に充填される。例えば、低圧側の圧力が５．７ＭＰａとなるように設定されると、ＣＯ２冷媒は約２０℃で液化する。低圧側の圧力が３ＭＰａに設定されると、ＣＯ２冷媒は約−６℃で液化する。このようにシステム内の諸条件に合わせてＣＯ２冷媒の充填圧を自由に定めてよい。

密閉動力サイクル１５は、低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆを超臨界点（３１．１℃、７．４ＭＰａ）以上の圧力で圧縮する圧縮機（複合型回転式流体機械）２７と、圧縮機２７から吐出された高温高圧ＣＯ２作動流体（超臨界流体）Ｗｆｐを逆止弁２９を介して貯蔵する摺動ピストン及びバネ手段３０ａを内蔵した貯蔵室３０ｂを有するバッファアダンパー３０と、バッファアダンパー３０のアウトレット３０ｃから供給される超臨界流体Ｗｆｐの流れ（流通期間）を制御する電磁弁（制御弁）３２と、バッファアダンパー３０から供給された超臨界流体Ｗｆｐをその超臨界点（３１．１℃）以上の温度（例えば、６００〜１２００℃）に加熱して瞬時に超臨界流体からなる高エンタルピー動力流体を発生させる高エンタルピー変換器４２と、ヒートポンプＨＰの高圧冷媒Ｃｍｈと超臨界流体Ｓｃｆを作動室１１６内に導入して膨張させてそれぞれ第１及び第２機械エネルギーを生成する第１及び第２回転式流体機械部４０Ａ，４０Ｂ（第１、第２膨張機）からなる回転式流体機械４０と、該第１、第２機械エネルギーを取り出すとともにその一部を圧縮機２７に伝達する出力軸４０Ｃとを備える。

第１、第２膨張機４０Ａ、４０Ｂは出力軸４０Ｃに支持されていて作動室１１６に回転可能に収納された共通のロータリピストン本体）２００を備え、作動室１１６内に高圧冷媒Ｃｍｈと超臨界流体Ｓｃｆをそれぞれ供給するインレット１２６Ａ，１２６Ｂと、低温低圧冷媒Ｃｍｅと膨張ガスＥｇとをそれぞれ排出するアウトレット１２６Ａ，１２６Ｂとを有する。

バッファアダンパー３０のバネ手段３０ａは、貯蔵室３０ｂの高圧ＣＯ２作動流体（超臨界流体）の圧力が、例えば、２０〜６０ＭＰａに維持されるように選択される。したがって、密閉動力サイクル１５において、逆止弁２９と電磁弁（制御弁）３２との間の第１流体圧経路における圧力は２０〜６０ＭＰａに維持され、残部の第２流体圧経路（回転式流体機械４０の低圧側）は、例えば、３ＭＰａに維持されるようにＣＯ２作動流体が密閉動力サイクル１５に充填される。圧縮機２７は、例えば、２０〜６０ＭＰａの圧力で超臨界流体を吐出するので、密閉動力サイクル１５の作動中にはバッファアダンパー３０のバネ手段３０ａは常時、圧縮された状態に維持されて超臨界流体Ｗｆｐを高圧下で貯蔵する。

電磁弁３２は、本願発明者と同一発明者による特許第５２７２２７８号「超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した機械装置」に記載されたものと同一の構造を有するため、詳細な説明を省略する。

ヒートポンプＨＰは、第２膨張機４０Ｂの膨張ガスＥｇの排熱エネルギーを回収しながら膨張ガスＥｇを予冷するとともに低温低圧冷媒Ｃｍｏから冷媒蒸気（過熱蒸）Ｃｍを生成する再生器ＥＶｏと、予冷後の膨張ガスＥｇを冷却する熱交換器ＥＶ１（ガス冷却器４２）と、圧縮機２７に内蔵されていて冷媒蒸気Ｃｍを超臨界点以上で圧縮して超臨界ＣＯ２冷媒Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮手段Ｐ２（図２参照）と、冷媒圧縮手段Ｐ２のアウトレット３５８Ｂから吐出した高温高圧ＣＯ２冷媒（超臨界冷媒）Ｃｍｐを密閉動力サイクル１５のＣＯ２作動流体Ｗｆｏに放熱して低温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｈを生成する放熱器ＥＶ２と、低温高圧ＣＯ２冷媒を減圧膨張させることにより第１機械エネルギーを発生させるとともに低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｅを生成する第１膨張機４０Ａと、該低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｅを蒸発させて冷熱（例えば、−１０℃；３ＭＰａ）を生成し、この冷熱により膨張ガスＥｇを冷却する熱交換器ＥＶ１（冷却器４３）とを備える。熱交換器ＥＶ１（冷却器４３）から出た低温低圧膨張ガスＷｆｏは放熱器ＥＶ２で高温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｐから吸熱して過熱蒸気Ｗｆとなって密閉動力サイクル１５の圧縮機２７の流体圧縮手段Ｐ１のインレット３５６Ａに導入され、以後、同一のヒートポンプサイクル及び機械エネルギーサイクルが繰り返し実行される。

図２より明らかなように、圧縮機２７は、好ましくは、所定圧（例えば、３ＭＰａ）のＣＯ２作動流体（過熱蒸気）Ｗｆを超臨界点以上の圧力で圧縮してＣＯ２超臨界作動流体Ｗｆｐを生成する流体圧縮手段Ｐ１と、ＣＯ２冷媒蒸気Ｃｍを超臨界点以上で圧縮して高温高圧超臨界ＣＯ２冷媒Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮手段Ｐ２とを備えた複合型回転式流体機械から構成される。圧縮機２７でＣＯ２作動流体及びＣＯ２冷媒をいずれも過熱蒸気にして圧縮する理由は、これら流体の圧縮に必要な動力を大幅（通常のガス圧縮に比べて約５分の一）に低減して成績係数（ＣＯＰ）を飛躍的に向上させるためである。

図１Ｂ及び図２に示すように、複合型圧縮機２７は、回転式流体機械４０と高エンタルピー変換器４２に同心的に連結されたロータハウジング３５２と、密閉動力サイクル１５に接続されて低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆを導入する第１インレット３５６Ａと、超臨界ＣＯ２作動流体Ｗｆｐを吐出する第１アウトレット３５８Ａと、低温低圧冷媒蒸気Ｃｍを導入する第２インレット３５６Ｂと、超臨界ＣＯ２冷媒Ｃｍｐを吐出する第２アウトレット３５８Ｂと、インレット３５６Ａ，３５６Ｂ及びアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂが開口するロータ作動室３６０と、回転式流体機械４０の駆動軸１３２に圧入その他の連結手段で駆動連結されていてロータ作動室３６０に回転可能に収納されたクランクロータ３６２とを備える。

クランクロータ３６２は、出力軸４０Ｃに形成されたメイン潤滑油供給通路１３２Ｌから径方向外側に延びる潤滑油通路３６２ａと、潤滑油供給ポート３６２ｂと、潤滑油供給ポート３６２ｂからカムローブ３６４の外周端部に微量の潤滑油を供給可能な多孔質プラグ３６２ｃとを備える。メイン潤滑油供給通路１３２Ｌは、本願発明者と同一発明者による日本特許５１０３５７０号「回転式流体機械」に記載された潤滑油ポンプ等により潤滑油が供給される。

複合型圧縮機２７は、さらに、ロータ作動室３６０の内周面上を回転移動しながらインレット３５６Ａ，３５６ＢからＣＯ２作動流体Ｗｆ及び冷媒Ｃｍをそれぞれ吸引すると共にこれら媒体を超臨界点以上で圧縮しながらアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂからそれぞれ吐出する複数のカムローブ３６４と、カムローブ３６４の径方向内側領域において周方向後縁部に形成された曲面摺動凹部３６６と、インレット３５６に隣接してクランクロータ３６２に対して移動可能な揺動ピストン３６８と、揺動ピストン３６８と曲面摺動凹部３６６との間に形成された圧縮室３７０とを備える。

揺動ピストン３６８は、ロータハウジング３５２内に形成されたピストン揺動室３７２に収納されて、ピボット軸３７４を介して回動するピストンエレメント３７６を備える。ピストンエレメント３７６の先端部にはカムローブ３６４と曲面摺動凹部３６６とに接触しながら摺動する曲面シール部３７６ａと連通開口部３７６ｂとを備える。ロータハウジング３５２に形成されたバネ収納部３７８には押圧バネ３８０がピストンエレメント３７６をクランクロータ３６２側に押圧している。回転式流体機械４０の起動時に駆動軸１３２が図２において、例えば、時計方向に回転駆動されると、複合型圧縮機２７において、圧縮室３７０にはインレット３５６Ａ，３５６ＢからそれぞれＣＯ２作動流体Ｗｆと冷媒Ｃｍが吸引され、それぞれ超臨界作動流体及び超臨界ＣＯ２冷媒としてアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出される。このように、圧縮機２７のクランクロータ３６２は作動流体圧縮手段Ｐ１と、冷媒圧縮手段Ｐ２の共通部品として機能する。

なお、複合型圧縮機２７は本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２１８０５８号「ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置」に記載されたロータリポンプと同一の構造を有するため、さらなる詳細な説明を省略する。複合型圧縮機２７としては、本願と同一発明者による後述の回転式流体機械を利用してもよい。

図３に示すように、高エンタルピー変換器４２は、複合型圧縮機２７と回転式流体機械４０に同心的に連結された円筒状ケーシング１１００を備える。円筒状ケーシング１１００には、円筒状ケーシング１１００の内側とケーシング１１００の中央内周部１１１４の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層１１１６と、絶縁耐熱層１１１６の内側に形成されているエンタルピー増幅室１１１８が形成されている。円筒状ケーシング１１００の中央内周部１１１４は回転式流体機械４０の出力軸４０Ｃを通過可能にするための直径を有する内周壁部１１１４を備える。

高エンタルピー変換器４２の吸入ポート１１０２は、径方向壁部１１２０に延びていて電磁弁３２が装着されるとともに、径方向壁部１１２０には周方向に延びる複数の開口部１１２２を有する。エンタルピー増幅室１１１８のコーナー部１１１８ａ、１１１８ｂには対抗電極１１２４，１１２６がそれぞれ配置される。一対の電極１１２４，１１２６はパルス電源２８に接続される。ケーシング１１００には温度センサＳ２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ６０（図１参照）に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用される。

エンタルピー増幅室１１１８には、対抗電極１１２４，１１２６の間に介在していて多数の管状通電発熱体１１３４が充填されている。パルス電力に応答して、多数の管状通電発熱体１１３４は通電発熱して６００〜１２００℃の超臨界領域に維持される。この温度領域は、パルス電源２８によってパルス電力のデューティサイクルを所定値となるように可変制御することによって自由に定めることができる。ＣＯ２超臨界作動流体は、通電発熱パイプ１１３４の隙間及び通電発熱パイプ１１３４の穴部を通過しながら、これら通電発熱パイプ１１３４の各部位と衝突しながら加熱されて瞬時に高エンタルピー動力流体が発生する。一対の電極１１２４，１１２６は棒状形状を有するものとして示されているが、エンタルピー増幅室１１１８の軸方向端面に配置された円弧状電極で構成しても良い。

上述の通電発熱パイプは作動流体の流通抵抗を大幅に低下させる点で有利であるが、導電性高融点加熱手段としてはその他の材料から構成しても良い。例えば、銅タングステンボール、カーボンボール、作動流体を通過させるための溝を配置したバルク状導電性金属体、バルク状導電性カーボン、多孔性高融点金属体や高融点ハニカム金属体等を利用しても良い。エンタルピー増幅室１１１８に隣接してフイルタ部１１０６が配置され、フイルタ部１１０６には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたフイルタ１１１０が充填される。電磁弁３２が所定周期で開弁されると、フイルタ１１１０を通過した高エンタルピー動力流体Ｓｃｆはフィルター１１４２で濾過された後、アウトレット１１４０から回転式流体機械４０のインレット１２４に供給される。

回転式流体機械４０としては、好ましくは、本願発明者と同一発明者による日本特許第５１０３５７０（発明の名称：回転式流体機械）及び日本特許第５２１８９２９号（発明の名称：ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置）に開示された回転式流体機械と同一構造のものが挙げられる。他の例としては本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２５９０９０号（発明の名称：回転式流体機械）に記載された構造のものを利用してもよい。

図１Ｂに戻って、発電機２５から出力された発電電力はパワーラインＰＬを介してネットゼロエネルギー船舶１０の空調機器その他の各種電気機器（図示せず）に供給されて利用される。パワーラインＰＬにはリレー等から構成される遮断器１９及び充電器２１を介して蓄電ユニット（蓄電システム）２０が接続される。蓄電ユニット２０は第１蓄電装置２２と、第２蓄電装置２３と、第１、第２蓄電装置２２、２３を充電器２１に交互に接続する第１切替制御器２４と、第１、第２蓄電装置２２、２３をパルス電源２８に交互に接続する第２切替制御器２６とを備える。図示を省略しているが、充電器２１は公知の構造と同様に交流電力を充電電圧に降圧する変圧器と、低圧の交流電力を直流電力に変換する整流器と、平滑回路とを有する。第１、第２蓄電装置２２、２３にはそれぞれ電圧及び電流を検出するための電圧センサ及び電流センサ（いずれも図示せず）が接続される。これら電圧センサ及び電流センサの電圧検出値Ｖ１及び電流検出値Ｉ１はコントローラ６０に出力され、第１、第２蓄電装置２２、２３のそれぞれの残蓄電容量（ＳＯＣ値：Ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）を演算し、それぞれのＳＯＣ値に基づいて遮断器１９や第１、第２切替制御器２４，２６の指令信号を出力するために用いられる。

コントローラ６０は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）と、例えばＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅａｎｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）を用いて構成される。コントローラ６０は各種制御対象の制御パラメータを入力するための入力装置（図示せず）や装置始動用スイッチ等が接続されている。

第１、第２蓄電装置２２、２３としては、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販のウルトラキャパシタモジュールを利用したエンジン起動用バッテリ（部品番号：ＥＳＭ１２３０００−３１）（米国”ＭａｘｗｅｌｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ“社製）が挙げられる。このバッテリは１５分間での短時間充電が可能であり、出力電圧が１２ボルトで出力電流が１５００〜１７００Ａであるため適している。その他の蓄電装置としては、例えば、急速充放電型蓄電池（古河電池社製：商標名「ウルトラバッテリ」）、大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ（トーキン製）、ナトリウムイオン電池、リチウムイオン電池やＮｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）やこれら電池と大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成しても良い。なお、第１蓄電装置２２の出力ラインの間にはウルトラキャパシタ（図示せず）を接続しても良い。第１蓄電装置２２及び第２蓄電装置２３から交互に出力電力がパルス電源２８に供給される。

パルス電源２８は第１、第２蓄電装置２２，２３からの供給電力から所定周期（例えば、５０〜２０００ヘルツ）のパルス電力を供給する。パルス電力において、パルス電圧は、好ましくは、１２〜２４ボルトの間で設定される。高エンタルピー交換器４２において、多数の通電加熱パイプ１１３４はパルス電力に応答して通電することにより二酸化炭素の臨界温度３７４℃以上の温度、例えば、６００〜１２００℃の温度に昇温する。この温度は、運転条件に合わせて自由に選択される。超臨界流体が通電加熱パイプ１１３４の外表面に順次接触して通過する過程において、高エンタルピー超臨界流体は超臨界状態下で加熱されて高温の超臨界流体Ｓｃｆとなる。

パルス電源２８は、好ましくは、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第２５８７３４３号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に使用されるような回路構成が挙げられる。

図１Ｂにおいて、バッファアダンパーの圧力センサＳ１からの圧力信号Ｐｉ、高エンタルピー変換器４２の温度センサＳ２からの温度信号Ｔ（図４参照）と、出力軸４０Ｃの回転数センサＳ３からの回転数信号ＳＰがコントローラ６０に送信される。入力装置（図示せず）からはカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号が基準信号としてコントローラ６０に入力される。コントローラ６０には、第１、第２蓄電器２２，２３のそれぞれの電圧信号Ｖ１と電流信号Ｉ１とが送信され、コントローラ６０はこれら入力信号に応答して第１、第２蓄電器２２，２３の蓄電状態（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）を判別して第２切替制御器２６を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の一方をパルス電源２８に接続するとともに第１切替制御器２４を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の他方を充電器２１により充電する。さらに、コントローラ６０は、センサＳ１〜Ｓ３からの入力信号Ｐｉ，Ｔ，ＳＰに応答して電磁弁３２を制御する。一方、コントローラ６０は、ネットゼロエネルギー船舶１０の運転条件に合わせてクラッチＣＬを締結・離脱させるための制御信号Ｃｃを出力する。

次に、本発明の本実施例によるネットゼロエネルギー船舶１０のエネルギー変換装置１０Ａの作動について説明する。装置始動用スイッチ（図示せず）が投入されると、コントローラ６０によってパルス電源２８が起動され、周期的なパルス電力が高エンタルピー変換器４２に供給される。このとき、通電発熱パイプ１１３４が通電して所望の設定温度（例えば、８００℃）に発熱する。高エンタルピー変換器４２の温度信号Ｔがこの設定温度に達したときに、コントローラ６０から電磁弁３２に指令信号が出力され、電磁弁３２は通電して開弁する。このとき、バッファアダンパー３０に貯蔵されていたＣＯ２作動流体Ｗｆｐが高エンタルピー変換器４２に供給される。高エンタルピー変換器４２では超臨界流体Ｗｆｐが管状通電発熱体１１３４の外表面に順次接触して撹拌されながら均一に昇温し、さらに、これら管状通電発熱体１１３４の隙間や穴部を通過しながらさらに加温されて超臨界流体ＳＣｆからなる高エンタルピー動力流体が発生する。この高エンタルピー動力流体ＳＣｆは第２回転式流体機械部（第２膨張機）４０Ｂのインレット１２４Ｂから膨張室１１６に流入してロータリピストン本体２００に作用して爆発的に膨張して機械エネルギーを発生して出力軸４０Ｃにトルクを伝達する。出力軸４０ＣのトルクはクラッチＣＬを介してトランスミッションＴＭに伝達され、そこで所定速度に減速されてプロペラシャフトＰＳを介してプロペラ等の推進手段１１（図１Ａ参照）に伝達される。

一方、出力軸４０Ｃのトルクは動力伝達装置４５を介して発電機２５に供給され、発電機２５が電力を発生させ、その大部分はパワーラインＰＬを介して船内の各種電気設備に供給される。また、発電電力の一部は遮断器１９を介して充電器２１に送られ、蓄電用電力として蓄電ユニット２０に蓄電される。

エネルギー変換装置１２の始動時及び始動完了後において、出力軸４０Ｃに発生したトルクで圧縮機２７が起動し、圧縮機２７内の流体圧縮手段Ｐ１と冷媒圧縮手段Ｐ２が同期的に作動し、密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰが互いに同期して起動する。この時、ヒートポンプＨＰにおいて、冷媒圧縮手段Ｐ２から吐出した超臨界冷媒（高温高圧ＣＯ２冷媒）Ｃｍｐは、放熱器ＥＶ２で低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆｏと熱交換して放熱することにより低温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｈを生成する。低温高圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｈは第１膨張機４０Ａで減圧膨張して第１機械エネルギーを回収するとともに低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｅを生成する。この低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍｅは冷却器４３（熱交換器ＥＶ１）で蒸発して冷熱（例えば、−１０℃：３ＭＰａ）を発生して膨張ガスＥｇを冷却する。冷却器４３から吐出した低温低圧冷媒Ｃｍｏは再生器（蒸発用熱交換器）ＥＶｏで膨張ガスＥｇを予冷しながら廃熱エネルギーを回収してＣＯ２冷媒蒸気（過熱蒸気）Ｃｍを生成する。この冷媒蒸気Ｃｍは圧縮機２７の冷媒圧縮機手段Ｐ２に循環され、そこで圧縮されて超臨界冷媒Ｃｍｐとして再度、放熱器ＥＶ２に供給される。一方、蒸発器ＥＶｏで一次冷却された膨張ガスＥｇはさらに冷却器４３（熱交換機ＥＶ１）で冷却されて、低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆｏを生成する。この低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆｏは放熱器ＥＶ２で超臨界冷媒Ｃｍｐから受熱して過熱蒸気からなる低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆとして圧縮機２７のインレット３５６Ａに流入して流体圧縮手段Ｐ１により圧縮され、以後、密閉動力サイクル１５が繰り返し、実行される。

上述のように、密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰが互いに同期しながら繰り返し実行される。この際、高温高圧ＣＯ２冷媒の熱が密閉動力サイクル１５の低温低圧ＣＯ２作動流体に放熱され、次いで、高圧ＣＯ２冷媒が第１膨張機で膨張することにより第１機械エネルギーを発生させ、一方、高エンタルピー動力流体（超臨界流体）が第２膨張機で膨張して第２機械エネルギーを回収する。このように第１機械エネルギーと第２機械エネルギーとにより発電機１６が駆動されて電力が発生し、パワーラインＰＬを介して構造物１０Ｓの構内電気設備１０Ｅに供給される。

以上、本発明の実施例によるネットゼロエネルギー船舶１０が記載されたが、本発明はこの実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。例えば、圧縮機は複合型圧縮機からなるものとして説明したが、複合型圧縮機をそれぞれ分離独立した作動流体圧縮機と冷媒圧縮機からなるように構成しても良い。なお。圧縮機は単段式のものとして記載したが、複段式構造にして作動流体と冷媒とをそれぞれ複数段で圧縮するように構成しても良い。

１０ネットゼロエネルギー船舶；１２エネルギー変換装置；１５密閉動力サイクル；１６出力装置；２０蓄電ユニット（蓄電システム）；２１充電器；２２，２３第１、第２蓄電装置；２４、２６第１、第２切替制御器；２５発電機；２７圧縮機（複合型回転式流体機械）；２８パルス電源；３０バッファアダンパー；３２電磁弁；４０回転式流体機械；４０Ａ第１膨張機（第１回転式流体機械部）；４０Ｂ第２膨張機（第２回転式流体機械部）；４２高エンタルピー変換器；４３冷却器；６０コントローラ；ＨＰヒートポンプ；ＥＶｏ再生器；ＥＶ１冷却器（熱交換器）；ＥＶ２放熱器

Claims

水中又は水上で移動する浮体建造物と、該浮体建造物に搭載されていて所定圧で封入されることにより低沸点で蒸発可能な作動流体と冷媒とをそれぞれ循環させる密閉動力サイクルとヒートポンプと、該密閉動力サイクルに蓄電電力を供給する蓄電ユニットとを有するエネルギー変換装置を備えていて、該ヒートポンプが該冷媒を圧縮して高温高圧冷媒を生成する冷媒圧縮機と、該高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの該作動流体に放熱して低温高圧冷媒を生成する放熱器と、該低温高圧冷媒を減圧膨張させて第１機械エネルギーを回収しながら低温低圧冷媒を生成する第１膨張機と、該低温低圧冷媒を蒸発させて冷熱を生成する熱交換器とを備え、該密閉動力サイクルが該作動流体を圧縮して高温高圧作動流体を生成する流体圧縮機と、該蓄電電力を利用してパルス電力を生成するパルス電源と、該パルス電力により通電することにより該作動流体の受熱温度よりも高い所定温度に発熱して該高温高圧作動流体から高エンタルピー動力流体を生成する高エンタルピー変換器と、該第１膨張機と出力軸を介して連結されていて該高エンタルピー動力流体を膨張させることにより第２機械エネルギーを回収する第２膨張機と、該第２膨張機の膨張ガスを予冷しながら該膨張ガスの排熱を回収して該冷媒から冷媒蒸気を生成して該冷媒圧縮機に還流させる再生器と、該第１及び第２機械エネルギーにより駆動される推進装置とを備え、該熱交換器が該冷熱により該第２膨張機の膨張ガスを冷却しながら該冷媒と該作動流体とを再生し、該出力軸を介して該第１及び第２機械エネルギーの一部で該冷媒圧縮機及び該流体圧縮機を駆動することを特徴とするネットゼロエネルギー船舶。
該エネルギー変換装置が、さらに、第１及び第２機械エネルギーの一部により駆動されて発電電力を発生する発電機を備え、該発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに循環させて蓄電することを特徴とする請求項１記載のネットゼロエネルギー船舶。
該エネルギー変換装置が、さらに、該高温高圧作動流体を一時的に貯蔵するバッファアダンパーと、該第２膨張機の膨張行程の略全期間中に連続的に開弁して該高温高圧作動流体を該高エンタルピー変換器に供給する制御弁とを備え、該バッファアダンパーと該制御弁とを該第２膨張機のスタータとして機能させることを特徴とする請求項１又は２に記載のネットゼロエネルギー船舶。
該高エンタルピー変換器が、ケーシングと、該ケーシングに形成されていて該流体圧縮機と該回転式流体機械のロータリーピストン本体とに連通するエンタルピー増倍室と、該エンタルピー増倍室に収納された通電発熱体とを備え、該通電発熱体が該パルス電力により通電して該作動流体の受熱温度よりも数倍以上高い所定温度に昇温することを特徴とする請求項１〜３に記載のネットゼロエネルギー船舶。