JP4714159B2 - ランキンサイクル動力回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置に関する。

蒸気により駆動する膨張機を備えたランキンサイクル動力回収装置は、発電装置又は空気圧縮機等に利用されており、膨張機としては、一般に蒸気タービンが用いられている（特許文献１）。蒸気タービンを備えていると、出力が１００ＭＷレベルの発電装置のように大形の動力回収装置には適しているが、内燃機関の排気熱等を利用するような小出力の装置として用いる場合には、タービン効率が低下するため、ランキンサイクル効率が低くなり、不向きである。

これとは別に、図９に示すように、スクロール形膨張機等の容積形膨張機２０６を備えたランキンサイクル動力回収装置があり、前記蒸気タービンを備えている装置に比べ、小出力でも効率良く作動する。図９の装置を説明すると、内燃機関２０１の排気装置２０２に蒸気発生器２０３が接続され、該蒸気発生器２０３の蒸気出口２０３ｂに絞り弁２０５を介して容積形膨張機２０６の蒸気入口２０６ａが接続されている。容積形膨張機２０６の蒸気出口２０６ｂは凝縮器２１０の入口２１０ａに接続され、凝縮器２１０の出口２１０ｂは復水ポンプ２１１を介して蒸気発生器２０３の蒸気入口２０３ａに接続されている。蒸気発生器２０３の蒸気出口２０３ｂと容積形膨張機２０６の蒸気出口２０６ｂとの間にはバイパス通路２１５が設けられ、該バイパス通路２１５にはバイパス弁２１６が配置されると共に、別の蒸気使用機器２１８が接続されている。容積形膨張機２０６の動力取出部２１７には、負荷部として、たとえば空気圧縮機２１８が連結されると共に、回転速度検出装置２１９が設けられており、検出された回転速度を制御装置２２０に入力し、回転速度に応じて絞り弁２０５の開度を制御するようになっている。
特許第３１６６０３３号

容積形膨張機の一般的な特徴を簡単に説明すると、蒸気入口と蒸気出口の容積比が決まっているので、蒸気の吸入行程終了後と排出開始直前の圧力の比は決まる。従って容積形膨張機の蒸気出口圧力が一定で、蒸気入口圧力が低下すると、蒸気圧力は、容積形膨張機内部で、一旦、蒸気出口圧力以下に下がってから、排出開始時に出口圧力に戻る。いわゆる過膨張の状態になって不必要な仕事が必要になる。従って、図１１のグラフに示すように、容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧力が設計圧（点Ｃ）より低下すると、容積形膨張機の有効効率比は低下する。図１１は、回転速度が一定の条件において、１台の容積形膨張機の設計点外性能を示すグラフであり、縦軸は有効効率比、横軸は容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧力、点Ｃは前述のように設計点である。容積形膨張機に蒸気が供給され始めた後、蒸気圧力が作動開始圧力Ｐ1に達すると、有効効率比が０から正の値に変化し、蒸気圧力の上昇により有効効率比は１．０近くまで急激に立ち上がり、その後、緩やかに１に近づき、設計点Ｃに達する。そして、蒸気入口の蒸気圧力が設計点Ｃから低下すると、前述のように、有効効率比は低下する。

また、容積形膨張機は、一回転当たりに吸入される蒸気の体積が一定であるため、容積形膨張機の蒸気入口の体積流量は回転速度にほぼ比例する。回転速度が一定の場合には、膨張機入口圧力に拘わらず入口体積流量は一定になる。しかし、蒸気発生器に一個の容積形膨張機が接続されている場合には、図１２のように、排気熱量等が減少して蒸気熱量が少なくなれば、回転速度を下げない限り、容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧は低下する。図１２は、回転速度が一定の条件において、１台の容積形膨張機の蒸気熱量の変化に対する蒸気圧及び蒸気出口圧力の変化を示すグラフであり、縦軸は蒸気圧及び蒸気出口体積流量、横軸は蒸気熱量である。

図９の従来例は、絞り弁２０５の開度を調節することにより、膨張機２０６に供給する蒸気圧力を調節しており、蒸気圧力が膨張機２０６の適正蒸気圧力範囲の上限値を越えれば、余剰の蒸気は、バイパス弁２１６を介してバイパスされ、あるいは捨てられるようになっており、排気熱を有効に回収しているとは言えない。また、他の蒸気使用機器２１８での蒸気使用量が増加し、膨張機２０６の入口圧力が低下した場合には、図１３のように、理論仕事量の低下と膨張機有効効率の低下により、ランキンサイクル効率が急激に下がり、動力回収が困難になる。つまり蒸気発生器２０３よる蒸気の発生量と消費量とにずれがある場合には、効率良く動力回収できない。そのため、蒸気発生器２０３による発生蒸気量が膨張機２０６の能力に比べて圧倒的に大きくて、他の蒸気使用機器２１８と併用される場合に適用されることが殆どである。

[発明の目的]
本発明は、蒸気発生器により発生する蒸気熱量（蒸気量）が増減しても、ランキンサイクル効率を低下させることなく、無駄なく動力回収できるランキンサイクル動力回収装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本願請求項１に係る発明は、一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置において、前記膨張機として、蒸気通路により前記蒸気発生器に並列に接続される複数の容積形膨張機並びに安全弁を備え、前記各容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に蒸気開閉弁をそれぞれ備え、前記安全弁の上記下流側に凝縮器を備え、前記蒸気発生器により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段を備え、前記容積形膨張機の運転台数を認識する膨張機運転台数認識手段を備え、前記各蒸気開閉弁を開閉することにより膨張機運転台数を制御する制御装置を備え、該制御装置は、膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように、前記蒸気開閉弁の開閉を制御するものであり、前記各膨張機運転台数に対応する前記蒸気圧下限値(PLn)は、前記膨張機運転台数を１台増加した時点で低下した各蒸気圧力値より、少し低い値に設定され、さらに、前記全容積形膨張機が作動中、検出された蒸気圧が全膨張機運転台数に対応する適正蒸気圧力範囲の上限値を越える場合は、前記安全弁を介して余分な蒸気を前記凝縮器へバイパスするようになっている。

上記構成によると、熱源となる内燃機関等の熱量が変動し、蒸気発生器による蒸気発生量が変動しても、蒸気発生量の変動に応じて膨張機運転台数を増減することにより、容積形膨張機に供給される蒸気の圧力を略一定に保つことができる。特に、容積形膨張機の他に蒸気使用機器が蒸気発生器に接続されている場合、該他の蒸気使用機器の蒸気使用量が変動しても、容積形膨張機に供給される蒸気の圧力は略一定に保たれる。それにより、ランキンサイクルの理論効率も当初の計画値付近に保つことができ、回転速度が拘束される負荷部に電力等を供給する場合に最適である。また、容積形膨張機の有効効率の低下を抑制するので、実際のランキンサイクル効率、すなわち、理論回収動力×膨張機有効効率（＝回収動力）／入熱量を高く保つことができる。つまり、ランキンサイクル動力回収装置で使用できる蒸気量が変動しても、回収動力／入熱量を高い値に保つことができるので、排気熱等を効率良く動力に変化できるのである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、前記各容積形膨張機側から前記内燃機関側へのみ動力伝達可能なワンウエイクラッチ及び動力伝達機構により連結している。

上記構成によると、ワンウエイクラッチを介して容積形膨張機側から内燃機関の出力部へ動力伝達するので、容積形膨張機が内燃機関に対して正の仕事をする時のみつながり、０または負の仕事しか出来ない時は、内燃機関側から容積形膨張機側が駆動されることはない。従って内燃機関によって定められた回転速度と供給される蒸気の圧力に見合った出力が回収できる。すなわち、内燃機関の広い負荷範囲において効率よく動力回収ができ、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、電磁クラッチ及び動力伝達機構により連結している。

上記構成によると、容積形膨張機の回転速度が、所定の値に達すればクラッチを入れて負荷をかけるので、内燃機関によって定められた回転速度と供給される蒸気の圧力に見合った出力が回収できる。これも内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部との間に、動力伝達機構及び電磁クラッチ又はワンウエイクラッチに加え、変速機構を設けている。

上記構成によると、内燃機関の回転速度が変わっても、容積形膨張機の回転速度が一定になるように変速機構により変速比を変えるので、船舶推進用のプロペラ等を駆動する舶用主機関等に適している。

請求項５記載の発明は、請求項１記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記各容積形膨張機の動力取出部に誘導発電機をそれぞれ連結し、前記共通の負荷部として、前記内燃機関に発電装置を連結し、前記各誘導発電機を前記発電装置に電気的に接続している。

上記構成は、部分負荷運転もあるような舶用補機関等の発電装置に適用すると、効果的である。

請求項６記載の発明は、請求項５記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記内燃機関として水冷式内燃機関を備え、前記内燃機関に、冷却水を蒸発させる低圧系蒸気発生器を備え、前記低圧系蒸気発生器に並列に接続される複数の低圧系容積形膨張機を備え、前記各低圧系容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に低圧系蒸気開閉弁をそれぞれ備え、前記内燃機関の内部で発生した冷却水の蒸気の圧力を検出する低圧系蒸気圧力検出手段を備え、前記低圧系容積形膨張機の運転台数を認識する低圧系膨張機運転台数認識手段を備え、前記制御装置は、低圧系膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記低圧系蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記低圧系膨張機運転台数認識手段によって認識された低圧系膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は低圧系膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は低圧系膨張機運転台数を減らすように、前記各低圧系蒸気開閉弁を制御する。

上記構成によると、一つの内燃機関の排気熱と冷却水の廃熱とを有効に利用できると共に、内燃機関の負荷変動に応じて、排気熱を利用した高圧系のランキンサイクルシステムからも、冷却水の廃熱を利用した低圧系のランキンサイクルシステムからも効率良く電力回収することができる。

［第１の実施の形態］
図１〜図３は、本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第１の実施の形態であり、これらの図面に基づいて前記第１の実施の形態を説明する。

図１はランキンサイクル動力回収装置の配管略図であり、ランキンサイクル動力回収装置は、単一の内燃機関１と、該内燃機関１の排気装置２に接続された単一の蒸気発生器３と、複数台、たとえば６台の容積形膨張機（スクロール形膨張機等）５-１、５-２、…５-６、と、１個の凝縮器７と、１個の復水ポンプ８等と、を備え、各容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の動力取出部には誘導発電機９-１、９-２、…９-６がそれぞれ連結され、各誘導発電機９-１、９-２、…９-６は、それぞれ電気スイッチ１０-１、１０-２、…１０-６を介して共通の負荷部１１、たとえば工場用電力等の商用系統電力ラインに電気的に接続されている。なお、前記６台の容積形膨張機５-１、５-２、…５-６、６台の誘導発電機９-１、９-２、…９-６、並びに６個の電気スイッチ１０-１、１０-２、…１０-６は、図面の簡略化のため、３台及び３個ずつ図示しており、残り３台及び３個は省略している。

蒸気発生器３の蒸気出口３ｂに接続された蒸気通路１３は、６本の膨張機用の分岐通路１３ａと、一本の安全弁用の分岐通路１３ｂと、一本の他の蒸気使用機器１８用の分岐通路１３ｃとに分岐しており、各膨張機用の分岐通路１３ａは蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６を介して各容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の蒸気入口にそれぞれ接続され、安全弁用の分岐通路１３ｂは蒸気開閉弁１６を介して安全弁１７に接続され、他の蒸気使用機器１８用の分岐通路１３ｃは他の蒸気使用機器１８に接続されている。

各容積形膨張機５-１、５-２、…５-６及び安全弁１７の蒸気出口に接続された蒸気通路２０ａ、２０ｂは、１本の蒸気通路２０に集合して凝縮器７の蒸気入口に接続され、凝縮器７の出口は復水ポンプ８の入口に接続され、復水ポンプ８の出口は蒸気発生器３の蒸気入口３ａに接続されている。

各誘導発電機９-１、９-２、…９-６は、周知のように、同期回転速度Ｎsに対する実回転速度（容積形膨張機の動力取出部の回転速度）Ｎの変化によって、発電機、電動機及び制動機のいずれかの機能を発揮するように構成されており、具体的には、すべりＳ＝（Ｎs−Ｎ）／Ｎsの値によって、いずれの機器として機能する。たとえば、実回転速度Ｎが同期回転速度Ｎsより高く、すべりＳ＜０の場合は、発電機として機能し、実回転速度Ｎが同期回転速度Ｎsより低く、０＜すべりＳ＜１の場合は、電動機として機能し、さらに、実回転速度Ｎが同期回転速度Ｎsより低く、１＜すべりＳの場合は制動機として機能する。

本実施の形態では、誘導発電機９-１、９-２、…９-６を、発電機として利用するため、すべりＳが−０．０３〜（−０．０５）（すべり率が−３〜−５％）程度となるように回転速度を拘束している。たとえば、６０ヘルツの条件下で、同期回転速度Ｎsが１８００ｒｐｍとすると、容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の実回転速度Ｎは、１８５４ｒｐｍ〜１８９０ｐｍ程度の回転速度に拘束されるように構成される。

（制御系）
蒸気発生器３の蒸気出口３ｂに接続された蒸気通路１３には、前記蒸気発生器３により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段３０が配置され、該蒸気圧力検出手段３０は制御装置３１に電気的に接続され、検出した蒸気圧力を制御装置３１に入力するようになっている。

前記制御装置３１には、前記各蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６及び１６が電気的に接続されており、制御装置３１からの開閉指令信号により、各蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６及び１６の開閉を制御するようになっている。また、各蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６は、膨張機運転台数認識手段としての役目を果たすために、各々の開閉状態を制御装置３１に入力するようになっており、制御装置３１は、開状態の膨張機用の蒸気開閉弁１５-1等の数をカウントすることにより、容積形膨張機運転台数を認識する。なお、膨張機運転台数認識手段として、上記のように開状態の蒸気開閉弁の数をカウントする方法の他に、容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の動力取出部が回転しているか否かを検出し、回転している場合には運転状態であると認識する方法を採用することも可能である。

（制御内容）
制御装置３１内の記憶部には、容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の運転台数毎に、予め設定された適正蒸気圧力範囲が記憶されており、制御装置３１内の演算部により、前記蒸気圧力検出手段３０により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の運転台数を一台増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は容積形膨張機の運転台数を一台減らすように、各蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６の開閉を制御するようにプログラムされている。すなわち、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は、閉状態の蒸気開閉弁を新たに一個開き、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は、開状態の蒸気開閉弁を一個閉じるように、指令信号を出す。

図２は、図１のランキンサイクル動力回収装置における蒸気熱量（蒸気量）と、検出された蒸気圧力及び膨張機運転台数との関係をグラフ化したものである。グラフＸ１は蒸気発生器３の蒸気出口３ｂの蒸気圧力の変化を示しており、実線は圧力上昇時の変化、破線は圧力下降時の変化である。グラフＸ２は膨張機運転台数の変化を示しており、実線は圧力上昇時の変化、破線は圧力下降時の変化である。

ＰＨ1とＰＬ1は、膨張機運転台数が１台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、ＰＨ2とＰＬ2は、膨張機運転台数が２台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、ＰＨ3とＰＬ3は、膨張機運転台数が３台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、ＰＨ4とＰＬ4は、膨張機運転台数が４台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、ＰＨ5とＰＬ5は、膨張機運転台数が５台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、ＰＨ6とＰＬ6は、膨張機運転台数が６台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値である。すなわち、ＰＨ1とＰＬ1の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が１台の時の適正蒸気圧力範囲であり、ＰＨ2とＰＬ2の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が２台の時の適正蒸気圧力範囲であり、ＰＨ3とＰＬ3の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が３台の時の適正蒸気圧力範囲であり、ＰＨ4とＰＬ4の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が１台の時の適正蒸気圧力範囲であり、ＰＨ5とＰＬ5の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が１台の時の適正蒸気圧力範囲であり、ＰＨ6とＰＬ6の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が１台の時の適正蒸気圧力範囲である。

該実施の形態では、各蒸気圧上限値ＰＨ1、ＰＨ2、ＰＨ3、ＰＨ4、ＰＨ5、ＰＨ6は略同じ値に設定されており、一方、蒸気圧下限値は、ＰＬ1＜ＰＬ2＜ＰＬ3＜ＰＬ4＜ＰＬ5＜ＰＬ6となるように設定されている。また、各蒸気圧下限値ＰＬ2、ＰＬ3、ＰＬ4、ＰＬ5、ＰＬ6は、膨張機運転台数を１台増加した時点で低下した各蒸気圧力値ＰＤ2、ＰＤ3、ＰＤ4、ＰＤ5、ＰＤ6より、少し低い値に設定されている。たとえば、膨張機運転台数を追加した各時点での蒸気熱量（蒸気量）ＱＨ1、ＱＨ2、ＱＨ3、ＱＨ4、ＱＨ5、ＱＨ６、に対して、５％程度少ない蒸気熱量に対応する膨張機入口圧力に、蒸気下限値ＰＬ2、ＰＬ3、ＰＬ4、ＰＬ5、ＰＬ6を設定している。具体例を挙げて説明すると、運転台数が１台から２台に増加する時の蒸気熱量（蒸気量）をＱＨ１とすると、該蒸気熱量ＱＨ１よりも略５％少ない熱量ＱＬ2に対応する蒸気圧力ＰL2を、膨張機運転台数を２台から１台へ減少させる下限値としている。他の下限値ＰＬ3、ＰＬ4、ＰＬ5、ＰＬ6もＰＬ2と同様に設定される。ただし、１台から０台に減少する下限値ＰＬ1については、図示のように蒸気圧力０に設定しているが、図１１の運転開始圧力値Ｐ１を下限値ＰＬ1に設定することも可能である。

また、図１において、６個の蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６は、蒸気発生器３で発生する蒸気熱量の増加に伴い、蒸気開閉弁１５-１から上記順序で開き、また、蒸気発生器３で発生する蒸気熱量の減少に伴い、上記とは逆の順序で閉じるように設定されている。さらに、安全弁１７の蒸気開閉弁１６は、第６の容積形膨張機９-６の蒸気開閉弁１５-6が開いた後、図２において、蒸気圧力が膨張機運転台数６台の蒸気圧上限値ＰＨ6に達した時点で、開くように設定されている。

（作動）
（１）まず、図１により、ランキンサイクル動力回収装置の基本的な作動を説明する。復水ポンプ８から単一の蒸気発生器３内に供給される凝縮水は、蒸気発生器３内において、内燃機関１の排気装置２に排出された排気ガスの熱により加熱され、蒸発し、蒸気出口３ｂから蒸気通路１３に排出される。

（２）６個の膨張機用蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６のうち、たとえば、ｎ個の膨張機用蒸気開閉弁１５-１、…１５-ｎが開いているとすると、蒸気通路１３内の蒸気は、それら開いている膨張機用蒸気開閉弁１５-１,…１５−nを通って対応する膨張機５−１、…５-ｎにそれぞれ供給され、各容積形膨張機５-１、…５-ｎ内で膨張することにより、動力取出軸を回転させ、それにより、対応する誘導発電機９-１、…９-ｎを駆動し、発電する。発電された電力は、電気スイッチ１０−1、…，１０−ｎを介して共通負荷部１１に供給される。

（３）運転中、各膨張機５-１、…５-ｎ内で膨張した蒸気は、各分岐通路２０ａを介して一つの蒸気通路２０に集められ、凝縮器７に供給される。該凝縮器７内で冷却され、凝縮した凝縮水は、再び復水ポンプ８に送られる。

（制御）
（１）ランキンサイクル動力回収装置を運転中、内燃機関１の排気装置２に排出される排気ガスの熱量の変動や、他の蒸気使用機器１８の蒸気消費量の変動により、容積形膨張機５-１、…５-ｎで使用できる蒸気熱量、すなわち単一の蒸気発生器３により発生する蒸気熱量（蒸気量）は変動する。このような蒸気発生器３で発生する蒸気熱量の変動等に伴い、蒸気出口３ｂにおける蒸気圧力も変動するが、この蒸気圧力の変動を蒸気圧力検出手段３０で検出し、制御装置３１に入力する。

一方、各蒸気開閉弁１５-１、１５-２、…１５-６からは、それらの開閉状態が制御装置３１に入力され、それにより、膨張機運転台数ｎが認識されている。

（２）制御装置３１内では、演算部により、予め記憶された膨張機運転台数ｎに対応する適正蒸気圧範囲（ＰＨn〜ＰＬn)と、検出された蒸気圧力とを比較し、検出された蒸気圧が適正蒸気圧範囲の上限値ＰＨnを越える場合は、（ｎ+１）個目の蒸気開閉弁１５-(n＋1)に開弁の指令信号を送り、該蒸気開閉弁１５-(n＋1)を開き、それにより膨張機運転台数を１台追加（ｎ＋１）する。反対に、検出された蒸気圧が適正蒸気圧範囲の下限値ＰＬnを下回る場合は、ｎ個目の蒸気開閉弁１５-nに閉弁の指令信号を送り、該蒸気開閉弁１５-n)を閉じ、それにより膨張機運転台数を１台減少させ、（ｎ−１）台とする。なお、膨張機運転台数がｎからｎ＋１に増加した時点では、図２に示すように蒸気圧力はＰＤnまで急激に下降するが、蒸気圧下限値ＰＨＬｎまでは下降しないように前記蒸気圧下限値ＰＬｎを設定しているので、膨張機運転台数が増加した直後に膨張機運転台数が減少する事態は避けることができる。

（３）また、６台の容積形膨張機５-１、５-２、…５-６の全部が作動中、検出された蒸気圧が膨張機運転台数６台に対応する適正蒸気圧力範囲の上限値ＰＨ6を越える場合は、安全弁１７に接続された蒸気開閉弁１６を開き、余分な蒸気を凝縮器７へバイパスする。

（実施の形態の効果）
内燃機関１の排気ガスの熱量の変動や、他の蒸気使用機器１８の蒸気の消費量の変動により、蒸気発生器３で発生する蒸気熱量（蒸気量）が変動しても、蒸気熱量に応じて、膨張機運転台数を増減するので、各容積形膨張機に供給される蒸気の蒸気圧を概ね一定に保つことができる。それにより、図３に示すように、ランキンサイクルの理論効率も計画値付近に保つことができ、また膨張機の有効効率もあまり低下しないので、実際のランキンサイクル効率（理論回収動力×膨張機有効効率（＝回収動力）／入熱量）を高く保つことができる。つまり、ランキンサイクル動力回収装置で使用できる蒸気量が変動しても、回収動力／入熱量は高い値に保つことができ、熱を効率良く動力に変換できる。

［第２の実施の形態］
図４は本発明の第２の実施の形態であり、ディーゼル機関、ガスエンジン、ガスタービン等の内燃機関１の排気ガスの熱から、機械動力を内燃機関１の出力軸４４に戻す構成であり、前記図１と同じ部品及び部材には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

図４において、内燃機関１の原動軸（クランク軸等）は、減速機４３を介して出力軸４４に連結されており、該出力軸４４は、一定の回転速度で回転することが要求される負荷部（たとえば送風ファン等）４５に連結されている。前記出力軸４４には回転速度検出手段４７が設けられ、該回転速度検出手段４７は内燃機関１の燃料調量装置４６に接続され、出力軸４４の回転速度が略一定値となるように燃料を調量する。

前記出力軸４４に補助動力を付与するために、各容積形膨張機５-１、…、５-６の動力取出部には、ワンウエイクラッチ４０-１、…４０-６がそれぞれ連結され、各ワンウエイクラッチ４０-１、…４０-６は、チェーン又はベルト等を利用した巻掛式動力伝達機構４１を介して減速機４３の出力軸４４に連結されている。前記ワンウエイクラッチ４０-１、…４０-６は、出力軸４４に対して正の仕事をするときのみ、膨張機側から減速機４３の出力軸４４側へ動力を伝達し、反対に、減速機４３の出力軸４４に対して膨張機側からの動力が０または負の仕事しか出来ないときは、減速機４３の出力軸４４側から膨張機側へは動力が伝達されないように構成されている。

また、蒸気発生器３には、復水ポンプ８から供給された水の量を検出する液面検出装置４９が装着されており、該液面検出装置４９により検出した液面データを制御装置３１に入力するようになっている。制御装置３１は、検出した液面データに基づき、所定の液面を保つように、復水ポンプ８に作動指令を出し、復水ポンプ８による吐出量を制御する。

なお、各容積形膨張機５-１、…５-６の運転に関し、各容積形膨張機５-１、…５-６が、変速機４３の出力軸４４に対して正の仕事をする状態になるまでは、対応する蒸気開閉弁１５-１、…１５-６は開かないようになっている。

本実施の形態によると、内燃機関１によって定められた出力軸４４の回転速度と供給される蒸気圧に見合った出力（機械動力）が回収でき、また、内燃機関１の排気熱量が減少してもそれに見合った量の蒸気量が蒸気通路１３及び分岐通路１３ａ内を安定的に流れ、内燃機関の広い負荷範囲において効率よく動力回収ができる。なお、本実施の形態は、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。

［第３の実施の形態］
図５は第３の実施の形態であり、前記図４の第２の実施の形態のワンウエイクラッチに代えて、電磁クラッチ５１-１、…５１-６を、対応する容積形膨張機５−１、…５−６の動力取出部にそれぞれ連結した構造であり、各電磁クラッチ５１-１、…５１-６は制御装置３１に電気的に接続されている。また、前記図４と同じ部品及び部材には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

各容積形膨張機５−１、…５−６の動力取出部には回転速度検出手段５２-１、…５２-６がそれぞれ設けられ、検出した各容積形膨張機５−１、…５−６の回転速度を制御装置３１に入力するようになっている。

制御装置３１は、回転速度検出手段５２-１、…５２-６により検出した回転速度が、所定の回転速度、たとえば減速機４３の出力軸４４に正の仕事を行うことができる回転速度に達した時に、対応する電磁クラッチ５１-１等を接続し、変速機４３の出力軸４４に巻掛動力伝達機構４１を介して動力を伝達する。

この実施の形態の構造も、前記第２の実施の形態と同様、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適する。

［第４の実施の形態］
図６は第４の実施の形態であり、前記図４の第２の実施の形態の構成に加え、動力伝達機構４１の被駆動部と内燃機関１の減速機４３の出力軸４４との間に、ベルト式等の無段変速機６０を配置すると共に、動力伝達機構４１に回転速度検出手段６１を設けている。該回転速度検出手段６１及び無段変速機６０は、制御装置３１に電気的に接続されている。前記図４と同じ部品及び部材には、同じ符号（番号）を付し、詳しい説明は省略する。

各回転速度検出手段４７、６１により、内燃機関１の出力軸４４の回転速度と動力伝達機構４１の駆動部側の回転速度とを検出し、制御装置３１により、両回転速度を比較し、動力伝達機構４１の回転速度が、内燃機関の１の出力軸４４の回転速度と一致又は少し大きくなる速度まで変速するように、無段変速機６０の変速比を変更する。

すなわち、内燃機関１の出力軸４４の回転速度が変化した場合でも、無段変速機６０の変速比を変更することにより、容積形膨張機５-１、…５-６の回転速度を変えることなく、動力を効率良く回収できるようになっている。

該実施の形態は、船舶推進用のプロペラ等を駆動する舶用主機関に適している。すなわち、負荷部４５としてプロペラを備え、船舶の航行速度を変更するために、プロペラ４５の回転速度を変更しても、内燃機関１の排気熱を効率良く回収できるのである。

［第５の実施の形態］
図７は第５の実施の形態であり、各容積形膨張機５-１…５-６の動力を、電気出力として回収する構成である。内燃機関１は同期発電機７０に連結されており、該同期発電機７０はスイッチ７１を介して電力供給ライン７２に電気的に接続されている。同期発電機７０には、該同期発電機７０の回転速度を検出するための回転速度検出装置７３が設けられ、該回転速度検出手段７３は内燃機関１の燃料調量装置４６に接続され、同期発電機７０の回転速度が略一定値となるように燃料を調量する。各容積形膨張機５-１、…５-６の動力取出部には誘電発電機９-１、…９-６がそれぞれ連結され、各誘電発電機９-１、…９-６はそれぞれスイッチ１０-１、…１０-６を介して電力供給ライン７２に接続されている。各誘電発電機９-１、…９-６には、回転速度検出手段７５-１、…７５-６がそれぞれ設けられ、検出した発電機回転速度を制御装置３１に入力するようになっている。その他の構造は、図１の第１の実施の形態と同じであり、同じ部品には同じ符号を付してある。

同期発電機７０は、一定の周波数を得るために、前述のように同期発電機７０に設けられた回転速度検出手段７３から得られた回転速度と燃料調量装置４６とにより、負荷に応じて燃料量を調整し、一定回転速度で内燃機関１を運転する。

必要な発電量の増減に伴い、内燃機関１の排気装置２に排出される排気ガスの温度が上下し、蒸気発生器３内で発生する蒸気量は増減する。このような蒸気量の増減に対し、前記第１の実施の形態で説明した作用と同様に、蒸気開閉弁１５-１、…１５-６の開く個数を増減し、膨張機運転台数を増減する。たとえば、蒸気量が増加して、蒸気開閉弁５-１、…５-６のうち、新たに一個の蒸気開閉弁１５-（n＋１）を開いた時に、新たに追加される膨張機５-(n＋１）に連結された誘導発電機９-(ｎ＋１）の回転速度を、回転速度検出手段７５-(n＋１）により検出し、同期速度付近まで上昇した時に、電気スイッチ１０-(ｎ＋１)を入れるように制御する。反対に、蒸気量が減少して、蒸気開閉弁５-１、…５-６のうち、一個の蒸気開閉弁１５-nを閉じた時には、対応するスイッチ１０-ｎを切断する。

この実施の形態は、部分負荷運転もあるような、舶用補機関などの発電装置に適している。

［第６の実施の形態］
図８は第６の実施の形態であり、前記図７の第５の実施の形態のように、内燃機関１の排気熱から電気出力を回収する高圧系のランキンサイクルシステムを備えると共に、内燃機関１の冷却水の廃熱から電気出力を回収する低圧系のランキンサイクルシステムを備えている。前記図７と同じ部品には同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。

内燃機関１の冷却水を利用した低圧系のランキンサイクルシステムは、前記排気熱を利用した高圧系と同様に、たとえば６台の容積形膨張機８５-１、…８５-６と、各容積形膨張機用の６個の蒸気開閉弁８６-１、…８６-６と、１個の凝縮器８７と、１個の復水ポンプ８８と、を備え、各容積形膨張機８５-１、…８５-６の動力取出部には誘導発電機８９-１、…８９-６がそれぞれ連結され、各誘導発電機８９-１、…８９-６は、それぞれ電気スイッチ９０-１、…９０-６を介して共通の電力供給ライン７２に電気的に接続されている。また、前記各容積形膨張機８５-１、…８５-６と並列に、安全弁９１及び安全弁用蒸気開閉弁９２が備えられ、制御機器として、各誘導発電機８９-１、…８９-６にはそれぞれ回転速度検出手段９３-１、…９３-６が設けられている。

低圧系の蒸気発生器として、内燃機関１の冷却が必要な機関部分（シリンダ等）８１より上部に、蒸発タンク（蒸気発生器）８２が設けられ、機関内部で発生した蒸気を蒸発タンク８２内に導くようにしてある。蒸発タンク８２は蒸気通路８４を介して前記各蒸気開閉弁８６-１、…８６-６、９１に接続されている。また、蒸発タンク８２には液面検出装置８３が取り付けられており、該液面検出装置８３からの液面信号により、復水ポンプ８８の流量を制御するようになっている。

低圧系の複数の蒸気開閉弁８６-１、…８６-６、９２の開閉制御は、内燃機関１の排気熱を利用した高圧系の膨張機５-１、５-２、…５-６の制御と同じである。

該実施の形態によると、単一の内燃機関１を備えたランキンサイクル動力回収システムにおいて、内燃機関１の負荷変動に応じて、排気熱を利用した高圧系のランキンサイクルシステムからも、冷却水の廃熱を利用した低圧系のランキンサイクルシステムからも、効率良く電力回収ができる。

［その他の実施の形態］
（１）前記図１の第１の実施の形態では、図２に示すように、各膨張機運転台数に対応する蒸気圧上限値ＰＨ1、ＰＨ2、ＰＨ3、ＰＨ4、ＰＨ5、ＰＨ6を、略等しい値に設定しているが、ＰＨ1＜ＰＨ2＜ＰＨ3＜ＰＨ4＜ＰＨ5＜ＰＨ6の関係に設定することも可能である。すなわち、ＰＨ1からＰＨ6にいくに従い、蒸気上限値が少しずつ高くなるように設定することも可能である。

（２）前記各実施の形態は、容積形膨張機で利用した蒸気を凝縮し、再度利用する蒸気循環型であるが、本発明は、凝縮器を利用せずに、容積形膨張機で利用した蒸気は廃棄し、蒸気発生器へ新たな蒸気を供給する開放型にも適用可能である。

（２）図８及び図９の第５及び第６の実施の形態では、蒸気発生器３及び蒸発タンク８３により発生した蒸気の全てを容積形膨張機５-１、５-２、…５-６にて使用する構成であるが、その他の蒸気使用機器と並列に使う場合にも適用できる。その場合は、電力変換効率の高い熱電可変システムとなる。

本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第１の実施の形態を示す配管略図である。 蒸気熱量の変化に対する蒸気圧力及び膨張機運転台数の変化を示す図である。 複数の膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムにおける蒸気熱量の変化に対するランキンサイクル効率の変化を示しており、理論効率と膨張機有効効率を考慮したランキンサイクル効率とを比較した図である。 本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第２の実施の形態を示す配管略図である。 本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第３の実施の形態を示す配管略図である。 本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第４の実施の形態を示す配管略図である。 本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第５の実施の形態を示す配管略図である。 本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第６の実施の形態を示す配管略図である。 従来例の配管略図である。 別の従来例の配管略図である。 容積形膨張機の一般的な設計点外性能を示す図である。 回転速度が一定の条件において、１台の容積形膨張機の蒸気熱量の変化に対する蒸気圧及び蒸気出口圧力の変化を示す図である。 単一の膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムにおける蒸気熱量の変化に対するランキンサイクル効率の変化を示しており、理論効率と膨張機有効効率を考慮したランキンサイクル効率とを比較した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気装置
３ 蒸気発生器
７ 凝縮器
８ 復水ポンプ
５-１、５-２、…５-６ 容積形膨張機
９-１、９-２、…９-６ 誘導発電機
１０-１、１０-２、…１０-６ スイッチ
１５-１、１５-２、…１５-６ 蒸気開閉弁
３０ 蒸気圧検出手段
３１ 制御装置
８２ 低圧系の蒸発タンク（低圧系蒸気発生器）
８５-１、…８５-６ 低圧系の容積形膨張機
８６-１、…８６-６ 低圧系の蒸気開閉弁
８７ 低圧系の凝縮器
８８ 低圧系の復水ポンプ
８９-１、８９-２、…８９-６ 低圧系の誘導発電機
９０-１、９０-２、…９０-６ 低圧系のスイッチ

Claims (6)

1. 一つの蒸気発生器(3)に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置において、
   前記膨張機として、蒸気通路(13)により前記蒸気発生器(3)に並列に接続される複数の容積形膨張機(5n)並びに安全弁(17)を備え、
   前記各容積形膨張機(5n)の蒸気入口の蒸気上流側に蒸気開閉弁(15n)をそれぞれ備え、
   前記安全弁(17)の上記下流側に凝縮器(7)を備え、
   前記蒸気発生器(3)により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段を備え、
   前記容積形膨張機(5n)の運転台数を認識する膨張機運転台数認識手段を備え、
   前記各蒸気開閉弁(15)を開閉することにより膨張機運転台数を制御する制御装置(31)を備え、
   該制御装置(31)は、膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲(PHn〜PLn)が予め記憶されており、前記蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲(PHn〜PLn)とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲(PHn〜PLn)の上限値(PHn)を超えた場合は膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲(PHn〜PLn)の下限値(PLn)を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように、前記蒸気開閉弁(15n)の開閉を制御するものであり、
   前記各膨張機運転台数に対応する前記蒸気圧下限値(PLn)は、前記膨張機運転台数を１台増加した時点で低下した各蒸気圧力値(PDn)より、少し低い値に設定されており、
   さらに、前記全容積形膨張機(5n)が作動中、検出された蒸気圧が全膨張機運転台数に対応する適正蒸気圧力範囲の上限値を越える場合は、前記安全弁(17)を介して余分な蒸気を前記凝縮器(7)へバイパスするようになっていることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
2. 請求項１記載のランキンサイクル動力回収装置において、
   前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
   前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、前記各容積形膨張機側から前記内燃機関側へのみ動力伝達可能なワンウエイクラッチ及び動力伝達機構により連結していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
3. 請求項１記載のランキンサイクル動力回収装置において、
   前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
   前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、電磁クラッチ及び動力伝達機構により連結していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
4. 請求項２又は３記載のランキンサイクル動力回収装置において、
   前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部との間に、動力伝達機構及び電磁クラッチ又はワンウエイクラッチに加え、変速機構を設けていることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
5. 請求項１記載のランキンサイクル動力回収装置において、
   前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
   前記各容積形膨張機の動力取出部に誘導発電機をそれぞれ連結し、
   前記共通の負荷部として、前記内燃機関に発電装置を連結し、
   前記各誘導発電機を前記発電装置に電気的に接続していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
6. 請求項５記載のランキンサイクル動力回収装置において、
   前記内燃機関として水冷式内燃機関を備え、
   前記内燃機関に、冷却水を蒸発させる低圧系蒸気発生器を備え、
   前記低圧系蒸気発生器に並列に接続される複数の低圧系容積形膨張機を備え、
   前記各低圧系容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に低圧系蒸気開閉弁をそれぞれ備え、
   前記内燃機関の内部で発生した冷却水の蒸気の圧力を検出する低圧系蒸気圧力検出手段を備え、
   前記低圧系容積形膨張機の運転台数を認識する低圧系膨張機運転台数認識手段を備え、
   前記制御装置は、低圧系膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記低圧系蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記低圧系膨張機運転台数認識手段によって認識された低圧系膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は低圧系膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は低圧系膨張機運転台数を減らすように、前記各低圧系蒸気開閉弁を制御することを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。

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