JP3375924B2

JP3375924B2 - コジェネレーションシステム

Info

Publication number: JP3375924B2
Application number: JP2000014247A
Authority: JP
Inventors: 哲夫鈴木; 京玄金子
Original assignee: エヌケ−ケ−プラント建設株式会社
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2003-02-10
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP2001207857A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、過給機の冷却方式
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の過給機冷却手段は図１に示すよう
に、冷却水が過給機１を冷却した後、過給機冷却水冷却
器２によって熱交換され、その後再度過給機１に戻り冷
却するという閉鎖回路となっている。この閉鎖回路は、
過給機冷却水を循環させるためのポンプ３と、過給機１
の過冷却を防ぐために過給機冷却水の温度を調節する温
度調節弁４と、冷却系内の水量の調節を図る膨張タンク
５等により構成されている。この構成においては、過給
機１の冷却系は、エンジンの冷却系とは別に設けられて
いる。また、冷却水が過給機１を冷却した際に過給機か
ら伝達された熱（以下このように冷却水に伝達される熱
を「冷却熱」という。）は過給機冷却水冷却器２から補
機冷却水を介して冷却塔６に伝達され、冷却塔６から系
外へと放出されている。

【０００３】一方、エンジン本体には沸騰冷却式冷却手
段が用いられている場合も多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようにエ
ンジンに沸騰冷却式冷却手段が用いられており、その冷
却熱を低圧蒸気として利用している場合、過給機の冷却
熱を系外へ廃熱として捨てているのはエネルギーの無駄
であり、うまく有効利用できないかとの要求があった。
また、エンジンの冷却系統を過給機の冷却にも利用でき
ないかとの要求もあった。

【０００５】そこで、本発明は、過給機の冷却熱を有効
利用でき、また、エンジンの冷却手段と過給機の冷却手
段とを共用することによりシステムの簡素化、信頼性の
向上を図ることができるコジェネレーションシステムを
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以下、本発明について説
明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図
面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本
発明が図示の形態に限定されるものではない。

【０００７】本発明においては、過給機の冷却手段とし
て、沸騰冷却式冷却手段を用いる。ここに沸騰冷却と
は、主に沸騰域にある冷却温水を利用した冷却方式をい
う。沸騰冷却は、エンジン本体の冷却方式としてはすで
に実用化されている冷却方式であるが、過給機に用いら
れた例はなかった。沸騰冷却方式を過給機に適用した場
合、軸受け潤滑油が高温によリコーキングをおこして軸
シールの損傷をきたしたり、過給機ケーシングの温度変
化が大きくなることに対する機械的強度が懸念されたた
めである。

【０００８】そこで発明者らは、過給機内部温度計測試
験および過給機強度試験を行い、これらの試験を通じて
冷却水の循環比を一定値以上に設定すれば沸騰冷却式冷
却手段を過給機にも適用可能であることを見出したもの
である。

【０００９】図２は熱流束と、母材と冷却水温度差との
関係を示している。また、図３は、図２の各沸騰域に対
応する液相７の状態を示しており、（ａ）は非沸騰域の
液層７の状態を、（ｂ）は核沸騰域の液層７の状態を、
（ｃ）は遷移沸騰域の液層７の状態を、（ｄ）は膜沸騰
域の液層７の状態をそれぞれ示している。沸騰冷却は理
論的には、図２における核沸騰域内の「使用域」で示さ
れている範囲を中心とした領域での冷却であるが、実機
においては、核沸騰域のみではなくその周辺の領域での
冷却も有り得るものと考えられている。

【００１０】核沸騰域における伝熱母材８と冷却水の温
度差に対する熱流束の勾配は急である。また、そのとき
の液層は図３（ｂ）で示される状態になっており沸騰核
９から成長した気泡１０は未だ蒸気膜を形成していない
ので、伝熱母材８と液相７との間の熱伝達は良好に行わ
れる状態にある。

【００１１】請求項１の発明は、エンジンと、過給機本
体の冷却を沸騰域にある冷却温水を利用した沸騰冷却の
みで行う沸騰冷却式過給機と、前記エンジンと前記過給
機本体とで共用され、気水混合状態の冷却水を蒸気と飽
和水に分離する気水分離器と、前記気水分離器と前記過
給機本体の水冷ジャケットとを接続し、冷却水を自然循
環させる過給機上昇管および過給機下降管と、前記エン
ジンから前記気水分離器へ設けられたエンジン上昇管
と、前記気水分離器から前記エンジンへ冷却水を供給す
るためのエンジン下降管とを備え、前記エンジンおよび
前記過給機本体の冷却熱は前記気水分離器で低圧蒸気に
変換されて系外へ取出され、エネルギーの有効利用が図
られることを特徴とするコジェネレーションシステムを
提供して前記課題を解決する。

【００１２】この発明によれば、これまで廃棄されてい
た過給機の冷却熱は低圧蒸気として回収されるので、熱
効率の優れたコジェネレーションシステムを提供するこ
とができる。また、エンジンと過給機の冷却手段を共用
することができるので、コジェネレーションシステムの
設備費用の低減、機器の信頼性の向上、設備スペースの
有効利用等をはかることができる。

【００１３】請求項２の発明は、請求項１に記載のコジ
ェネレーションシステムにおいて、前記過給機用の冷却
水の循環比が２以上であることを特徴とする。

【００１４】この発明によれば、冷却水の循環比が２以
上となるように冷却手段の設計がなされ、過給機は必要
かつ十分に冷却されるので、損傷を生じることなく長期
にわたり運転できる過給機を提供することができる。ま
た過給機軸受け潤滑油が過熱劣化（コーキング）して軸
シールに損傷を与えることもない。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載のコジェネレーションシステムにおいて、前記気水分
離器が前記過給機本体の上方に設けられていることを特
徴とする。

【００１６】この発明によれば、気水分離器と冷却部分
の高低差が確保できかつ上昇管と下降管の配管長さを短
く設置できるので、沸騰冷却式冷却手段内の冷却水の循
環が良くなり、良好な冷却性能を確保することができ
る。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示す実施形態
に基づき説明する。はじめに図４、５により、沸騰冷却
式冷却手段を用いた過給機（以下「沸騰冷却式過給機」
という。）の概念を説明し、その後図５以下により具体
的な構造等について説明することとする。

【００２３】図４は、沸騰冷却式過給機の冷却系の構成
を示している。エンジン排ガスにより回転駆動される過
給機本体２１の外周には過給機本体２１を冷却する冷却
水を流通させるための水冷ジャケット２０が設けられて
いる。一方過給機本体２１の上方には、気水混合状態の
冷却水を、蒸気と飽和水に分離する気水分離器２２が設
けられている。水冷ジャケット２０と気水分離器２２
は、水冷ジャケット２０内の冷却水を気水分離器２２へ
と通じる上昇管２４、および気水分離器２２から水冷ジ
ャケット２０へと通じる下降管２３により連結されてお
り、ひとつの循環回路を形成している。

【００２４】気水分離器２２より下降管２３を介して過
給機本体２１の水冷ジャケット２０内に供給された冷却
水は、過給機本体２１を冷却した後、上昇管２４を通じ
て再び気水分離器２２へと戻る。気水分離器２２に備え
られた圧力センサ２６が、内圧が所定の数値を超えてい
ることを感知すると、圧力調整弁２５が開放され、気水
分離器２２内の低圧蒸気は有効利用されるため系外へ排
出される。これにより減少した水は、給水タンク６４
（図９参照）からの配管を介して補給される。

【００２５】図５は、過給機本体２１に設けられた沸騰
冷却式冷却手段の概念図である。本図を用いて、沸騰冷
却式冷却手段の冷却水の循環について以下に説明する。

【００２６】本冷却手段は、少なくとも過給機ガスケー
シング３２の外周面を蓋う水冷ジャケット２０と、その
上方に配置された気水分離器２２と、両者を結ぶ下降管
２３、および上昇管２４を備えている。過給機ガスケー
シング３２の外周面は、その部分を蓋う水冷ジャケット
２０内の冷却水が沸騰する際の蒸発熱、および冷却水へ
の熱伝導により冷却される。

【００２７】本冷却系統内は加圧状態にあり、冷却水温
度は摂氏１００度以上となっている。例えば、系統内圧
力が０．１メガパスカル（ＭＰａ）に保持されている場
合の系統内に流通する冷却水の温度は略摂氏１２１度で
ある。以下この条件の下で説明する。

【００２８】気水分離器２２より下降管２３を介して水
冷ジャケット２０に供給される冷却水は飽和水の状態に
あり、その比重は略０．９４である。一方過給機ガスケ
ーシング３２により水冷ジャケット２０内で加熱され、
上昇管２４から気水分離器２２へと戻ってゆく冷却水は
気水混合状態となっており、その比重は略０．４〜０．
７である。従って上昇管２３中の冷却水の比重と下降管
２４中の冷却水の比重は大きく異なる。また、水冷ジャ
ケット２０から上昇管２４にかけて沸騰により比較的強
い冷却水の上昇現象が起きる。これらの比重差と沸騰に
よる上昇現象を利用して沸騰冷却式冷却手段内の冷却水
は系統内を循環する。したがって冷却水の循環に、基本
的にはポンプ等の動力を必要としない。

【００２９】この循環の良し悪しは冷却手段としての性
能に直接影響するので、気水分離器２２の設置位置、下
降管２３および上昇管２４の長さなどは構造上冷却性能
を左右する要因となる。また、気水の界面面積の広狭
も、冷却水の蒸発量に影響するので、循環の良し悪し、
ひいては冷却性能に影響を与えることが経験上判明して
いる。

【００３０】良好な冷却性能を得るためには気水分離器
２２は、過給機本体２１近傍の上方に設けることが望ま
しい。過給機本体２１の直上に設ければ更に良い。下降
管２３および上昇管２４は、その長さをなるべく短く垂
直に設けることが望ましい。また気水界面面積は、スペ
ースの許す範囲でなるべく大きくとることが望ましい。
したがって気水分離器２２の形状が円筒形である場合に
は横向きに設置することが望ましい。

【００３１】本発明においては、これら設計上の複数の
要因により変化する冷却性能を一つの指標であらわすた
め、「循環比」なる概念を導入する。ここに、循環比は
１００％負荷定格運転時における、系統内冷却水の１時
間あたりの総循環量を、系統内総冷却水量で除した値を
いう。また、エンジンと過給機本体２１とが気水分離器
２２を共用しているような場合には、総冷却水量の計算
は、共通部分の水量を非共通部分の水量の比で按分して
行うものとする。この循環比なる概念を導入することに
より、気水分離器２２の設置場所や大きさ、形状、下降
管２３や上昇管２４の配管長さ、傾きなど設計上の変更
が沸騰冷却式冷却手段の冷却水の循環性能、換言すれば
冷却性能に与える影響を、一つの指標でとらえることが
可能である。本発明において、必要な循環比の値は２以
上である。

【００３２】図６は、沸騰冷却式過給機の一実施形態を
示すカットモデルである。２つの軸受け３５ａ，３５ｂ
により回転自在に保持されている軸３６の両端部には、
タービン３３およびコンプレッサー３４が取り付けられ
ている。エンジン（図示せず。）排気マニホールドから
過給機ガスケーシング３２内へ導かれた排ガスは、自ら
の圧力でタービン３３を回転駆動して、図６の左方向に
吹き抜ける。タービン３３が回転されると軸３６の他端
側に固定されているコンプレッサー３４も回転され、空
気取り入れ部３７から空気が取り入れられる。取り込ま
れた空気は圧縮空気供給部３８を介してエンジン吸気側
（図示せず。）へ強制的に圧縮空気として送り込まれ
る。

【００３３】過給機ガスケーシング３２の外周面は水冷
ジャケット２０に蓋われており、ジャケット内には冷却
水が流通して、過給機ガスケーシング３２を冷却してい
る。また、軸受け３５は、給油孔３９を介して供給され
る潤滑油（クランクケース油と共通）により潤滑されて
いる。

【００３４】沸騰冷却式冷却手段を過給機に適用した場
合に、冷却が適切に行われているか否かを判断する基準
は、機関に負荷をかけて運転継続した場合の過給機ガス
ケーシング頂上部４０および側部４１の応力と温度であ
る。過大な応力は機関の強度寿命に影響し、高温度は軸
受け潤滑油のコーキングにより発生する軸シール４２の
損傷につながるからである。応力の上限は過給機ガスケ
ーシング頂上部４０および側部４１を形成する材料の材
質や形状により定めることが望ましい。また、温度の上
限は軸受け３５を潤滑する潤滑油の耐熱性を考慮して定
めることが望ましい。

【００３５】図７、８は、沸騰冷却式過給機、その過給
機を備えたガスエンジン６１、およびそのガスエンジン
６１を備えたコジェネレーションパッケージ７０を示
す。図７はパッケージの背面図、図８は正面図である。
ガスエンジン６１には発電機６２が直結されている。

【００３６】本実施形態においてはガスエンジン６１は
６気筒であり、第１シリンダー６１ａの斜め上方位置に
過給機本体２１が取り付けられている。また、過給機本
体２１とガスエンジン６１の冷却系は沸騰冷却式冷却手
段で共用化されており、このため共用の気水分離器２２
はガスエンジン６１の直上に設けられている。また過給
機本体２１から気水分離器２２へは過給機上昇管７１
が、ガスエンジン６１から気水分離器２２へはエンジン
上昇管７２がそれぞれ独立して設けられており、これら
は気水分離器２２の側部開口に取り付けられている。こ
れに対して気水分離器２２から過給機本体２１およびガ
スエンジン６１へ冷却水を供給するため、一本の共通下
降管７３が気水分離器２２の下部開口に取り付けられて
おり、そこから下方に伸延する共通下降管７３は過給機
本体２１の上方で二又に分岐し、過給機下降管７４とエ
ンジン下降管７５となってそれぞれ過給機本体２１およ
びガスエンジン６１へと導かれている。

【００３７】エンジン燃焼室内に燃料ガスが導かれて、
点火されエンジンの運転が開始されると、ガスエンジン
６１に直結された発電機６２が回転され、発電が開始さ
れる。エンジンで燃焼されたガスは、排気マニホールド
を介して一部が過給機本体２１に供給され、過給機本体
２１を回転させて、エンジンの出力をさらに増加させ
る。エンジンの燃焼に由来するこの排気ガスは高温であ
るため、過給機本体２１の温度は上昇する。燃料ガスの
燃焼熱により上昇するガスエンジン６１および過給機本
体２１の温度は、共用の沸騰冷却式冷却手段により一定
値以下に保持される。

【００３８】ガスエンジン６１および過給機本体２１に
おいて加熱された冷却水は、気水混合状態となってエン
ジン上昇管７２および過給機上昇管７１中を上昇し、気
水分離器２２へと導かれる。各上昇管７１、７２の気水
分離器２２への取付け口が気水分離器２２の側部に設け
られているのは、蒸気と温水との分離を良好にするため
である。又、共通下降管７３が気水分離器２２下部開口
に取り付けられているのは、冷却水のみを、エンジン６
１および過給機本体２１に供給するためである。気水分
離器２２で冷却水と分離された低圧蒸気は、気水分離器
２２内の上部に開口を有する蒸気取出し管７６を介して
当コジェネレーションパッケージ７０外へと導かれ、有
効利用される。

【００３９】図９は、沸騰冷却式過給機を備えたガスエ
ンジンのコジェネレーションパッケージ７０におけるエ
ネルギーのインプットとアウトプットを示す。

【００４０】本コジェネレーションパッケージ７０にお
ける最大のインプットは、エンジン燃料たる燃料ガスで
ある。コジェネレーションパッケージ７０に投入された
燃料ガスのエネルギーは、ガスエンジン６１の燃焼室内
で燃焼することにより運動エネルギーと熱エネルギーに
変換される。このうち運動エネルギーは、ガスエンジン
６１に直結する発電機６２に伝えられ、電気エネルギー
に変換されて系外に取出されて有効利用される。

【００４１】ガスエンジン６１および過給機本体２１の
冷却熱はエンジンの上方に設けられた気水分離器２２よ
り低圧蒸気に変換されて系外へ取出され有効利用され
る。発電機６２やガスエンジン６１外表面からの放熱で
パッケージ内の温度は上昇する。また、エンジンクラン
クケース油（過給機の潤滑油も兼ねる。）の温度も上昇
するのでこれらを冷却するため、別に水冷式の冷却装置
６３が独立して設けられている。

【００４２】蒸気として系外へ持ち出された水と同量の
水が、給水タンク６４から脱気膜装置６５を経て気水分
離器２２へ適宜補給される。

【００４３】

【００４４】また、エンジンはガスエンジンの例を示し
たが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、過
給機を適用することができるディーゼルエンジン、ガソ
リンエンジン等であっても良い。

【００４５】さらに、エンジンの用途としてコジェネレ
ーションパッケージの例を示したが、本発明はこれのみ
に限定されるものではなく、例えば陸上用定置発電機、
舶用補機エンジン等への適用も可能である。

【００４６】また、冷却系統内圧力が、０．１メガパス
カル（ＭＰａ）の場合について説明したが本発明はこれ
のみに限定されるものではなく、これ以上の圧力に設定
することもできる。この場合には冷却水温度が摂氏１２
０度以上となるので、循環比を大きめに取ることが望ま
しい。

【００４７】

【発明の効果】以上に説明したように、過給機に沸騰冷
却式冷却手段を適用することにより、これまで廃棄され
ていた過給機の冷却熱を低圧蒸気として取出してエネル
ギーの有効利用を図ることができる。また、過給機の冷
却手段をエンジンの冷却手段と共用することができるの
で、設備費用の低減、システムの簡素化、機器の信頼性
の向上、設備スペースの有効利用等をはかることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の過給機冷却水系統のフローを示す図。

【図２】熱流束と、母材−冷却水間の温度差との関係を
示す図。

【図３】各沸騰域における液相側の変化を示し、（ａ）
は非核沸騰域を、（ｂ）は核沸騰域を、（ｃ）は遷移沸
騰域を、（ｄ）は膜沸騰域をそれぞれ示す図。

【図４】沸騰冷却式過給機の冷却水系統の構成を示す
図。

【図５】沸騰冷却の概念を示す図。

【図６】沸騰冷却式過給機のカット図。

【図７】コジェネレーションパッケージ背面図。

【図８】コジェネレーションパッケージ正面図。

【図９】コジェネレーションパッケージのインプットと
アウトプットを示す図。

【符号の説明】

２０水冷ジャケット２１過給機本体２２気水分離器２３下降管２４上昇管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 39/00 F02B 43/00 F02G 5/04 F01K 23/02 F01K 23/06 F01K 23/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンと、過給機本体の冷却を沸騰域にある冷却温水を利用した沸
騰冷却のみで行う沸騰冷却式過給機と、前記エンジンと前記過給機本体とで共用され、気水混合
状態の冷却水を蒸気と飽和水に分離する気水分離器と、前記気水分離器と前記過給機本体の水冷ジャケットとを
接続し、冷却水を自然循環させる過給機上昇管および過
給機下降管と、前記エンジンから前記気水分離器へ設けられたエンジン
上昇管と、前記気水分離器から前記エンジンへ冷却水を
供給するためのエンジン下降管とを備え、前記エンジンおよび前記過給機本体の冷却熱は前記気水
分離器で低圧蒸気に変換されて系外へ取出され、エネル
ギーの有効利用が図られることを特徴とするコジェネレ
ーションシステム。
【請求項２】前記過給機用の冷却水の循環比が２以上
であることを特徴とする請求項１に記載のコジェネレー
ションシステム。ここに、循環比は１００％負荷定格運
転時における、系統内冷却水の１時間当たりの総循環量
を、系統内総冷却水量で除した値をいう。
【請求項３】前記気水分離器が前記過給機本体の上方
に設けられていることを特徴とする請求項１または２に
記載のコジェネレーションシステム。