JP5367591B2 - 過給機関の廃熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、過給機関の廃熱回収システムに関する。

排気ガスに逃れた廃熱から動力を取り出す廃熱回収システムの一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１の動力回収装置は、ランキンサイクルを実施するための蒸気発生器（３）、膨張機（５、６）、及び凝縮器（７）を備えている。蒸気発生器（３）は、内燃機関（１）から排出される排気ガスの熱を利用することによって、水蒸気を発生させる。膨張機（５、６）には発電機（９）が接続されており、膨張機（５、６）の駆動により発電される。つまり、特許文献１の動力回収装置は、コンバインドサイクル発電を行っている。また、この動力回収装置は、２つの膨張機（５、６）を順に通過する潤滑油路（３１、３２、３３、３４）を備えている。このため、高圧段膨張機（５）の熱損失及び機関損失の一部が、膨張機潤滑油の熱交換により、低圧段膨張機（６）の出力として回収される。つまり、廃熱が、膨張機（５、６）の双方において、動力として回収される。

特開２００８−１７５１２３号公報

無過給機関では、約１／３の燃料エネルギーが機関冷却水（ジャケット水）に逃れており、約１／３の燃料エネルギーが排気ガスに逃れている。機関冷却水に逃れた熱量を回収する動力回収装置、及び排気ガスに逃れた熱量を回収する動力回収装置（例えば特許文献１）は、公知である。

図６は、一般的な過給機関９０２の冷却系統９０１を示している。冷却系統９０１は、内燃機関９０３、タービン９０５、コンプレッサー９０６、機関冷却水ポンプ９０７、機関冷却水冷却器９０８、２次冷却水ポンプ９０９、空気冷却器９１０、及び負荷９１１を備えている。過給機関９０２では、内燃機関９０３の排気ガスによりタービン９０５が駆動され、タービン９０５によりコンプレッサー９０６が駆動される。コンプレッサー９０６によって、内燃機関９０３への給気ガスが圧縮される。空気冷却器９１０により圧縮熱によって加熱された給気ガスを冷却できるので、圧縮熱により給気ガスが膨張することを防止できる。圧縮空気が膨張することなく内燃機関９０３に供給されるので、内燃機関９０３の出力が向上する。また、圧縮空気を生成する動力が排気ガスによって得られるので、排気ガスに逃れた燃料エネルギーの一部が、圧縮熱の形で給気ガスに移動し、空気冷却器９１０で回収される。

過給機関９０２では、空気冷却器９１０に逃れる熱量が新たに発生する。５００ｋＷレベルの過給機関では、約１／６の燃料エネルギーが水ジャケット９３２から機関冷却水に逃れており、約１／６の燃料エネルギーが、空気冷却器９１０から機関冷却水に逃れている。空気冷却器９１０において、圧縮空気は冷却され、機関冷却水は加熱される。水ジャケット９３２から機関冷却水に逃れる熱量は半減しているが、空気冷却器９１０から機関冷却水に逃れる熱量が新たに発生している。

空気冷却器９１０に逃れる燃料エネルギーを回収するには、空気冷却器９１０の出口を通過する機関冷却水から熱量を回収する必要がある。ところが、空気冷却器９１０の出口における機関冷却水の温度は、給気ガスの温度を最適にするために低くされており、例えば５５℃程度である。空気冷却器９１０から機関冷却水に逃れた廃熱をランキンサイクルによって回収するには、温度が低すぎる。

そこで、本発明は、過給機関からの廃熱を効率的に回収できる廃熱回収システムを提供する。

本発明は、給気ラインに沿って、外気から圧縮空気を生成する過給機、前記圧縮空気を冷却する空気冷却器、及び内燃機関の給気口が順に配置されている、過給機関の廃熱回収システムにおいて、機関冷却水ラインに沿って、沸騰冷却によって機関冷却水から水蒸気を発生させる内燃機関の沸騰冷却装置、前記水蒸気を膨張させることによって動力を出力する容積型膨張機、及び前記水蒸気を液化させる凝縮器が順に配置されており、前記空気冷却器を通過する前の前記圧縮空気と、前記容積型膨張機内の前記水蒸気との間で熱交換を行うことによって、前記容積型膨張機内の前記水蒸気を加熱する水蒸気加熱器を備えている、過給機関の廃熱回収システムを提供する。

このため、圧縮空気が冷却されると共に、膨張機を作動させている機関冷却水の水蒸気が加熱される。この結果、膨張機の出力が向上し且つ内燃機関内に吸入される空気量が増大する。したがって、廃熱回収システムは、排気ガス及び機関冷却水に逃れた廃熱を効率的に回収できる。

本発明は、好ましくは、次の構成（ａ）〜（ｄ）を採用できる。

（ａ）前記水蒸気加熱器が、前記容積型膨張機内に設けられ且つ前記圧縮空気を通過させる加熱室を備えている。

このため、廃熱回収システムは、簡素な構成により、圧縮空気と水蒸気との間の熱交換を行うことができる。

（ｂ）液状媒体が、前記圧縮空気と前記水蒸気との間の熱交換を行うための媒体であり、前記水蒸気加熱器が、前記容積型膨張機内に設けられ且つ前記液状媒体を通過させる加熱室と、前記圧縮空気と前記液状媒体との間の熱交換を行うための液状媒体加熱器と、を備えている。

このため、膨張機内に加熱室を大きく形成できない場合であっても、廃熱回収システムは、膨張室内の水蒸気の加熱を良好に行うことができる。

（ｃ）前記凝縮器及び前記空気冷却器において熱交換のために用いられる２次冷却水を循環させる２次冷却水ラインが設けられており、前記２次冷却水ラインにおいて、前記凝縮器が、前記空気冷却器の上流側に配置されている。

このため、比較的小さな空気冷却器により、圧縮空気を冷却できる。つまり、廃熱回収システムは、空気冷却器のコストを削減できる。

（ｄ）廃熱回収システムが、前記加熱室を通過し且つ前記空気冷却器を通過する前の前記圧縮空気と、前記凝縮器を通過した前記機関冷却水との間で熱交換を行うことによって、前記圧縮空気を冷却し且つ前記機関冷却水を加熱する復水予熱器を備えている。

このため、内燃機関から圧縮空気に逃れた熱量の一部が、機関冷却水に移動する。したがって、内燃機関から機関冷却水に逃れる熱量が変化しなくても、機関冷却水からの蒸発量が増大し、膨張機の出力が増大する。

過給機関の廃熱回収システムを示す全体図である（第１実施形態）。 スクロール型膨張機の側面断面図である。 固定スクロール及びカバーの正面図である。 過給機関の廃熱回収システムを示す全体図である（第２実施形態）。 過給機関の廃熱回収システムを示す全体図である（第３実施形態）。 過給機関の冷却系統を示す全体図である（従来）。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における過給機関２の廃熱回収システム１を示す全体図である。廃熱回収システム１は、過給機関２に適用されている。過給機関２は、内燃機関３及び過給機４からなっている。過給機４は、タービン５及びコンプレッサー６からなっている。廃熱回収システム１は、内燃機関３、タービン５、コンプレッサー６、機関冷却水ポンプ７、機関冷却水冷却器８、２次冷却水ポンプ９、空気冷却器１０、機関冷却水ラインＬ１、２次冷却水ラインＬ２、排気ラインＬ３、及び給気ラインＬ４を備えている。機関冷却水ラインＬ１、２次冷却水ラインＬ２、排気ラインＬ３、及び給気ラインＬ４は、それぞれ、一点鎖線、二点鎖線、実線、及び破線によって図示されている。符号１１は、内燃機関３に掛かる負荷である。膨張機２０には、発電機１２が接続されている。

機関冷却水ラインＬ１上に、内燃機関３の沸騰冷却装置３１、膨張機２０、凝縮器８、機関冷却水ポンプ７、及び内燃機関３の水ジャケット３２が、順に配置されている。２次冷却水ラインＬ２上に、機関冷却水冷却器８、２次冷却水ポンプ９、及び空気冷却器１０が配置されている。排気ラインＬ３上に、内燃機関３の排気口３ｂ及びタービン５が配置されている。給気ラインＬ４上に、コンプレッサー６、膨張機２０、復水予熱器１３、及び空気冷却器１０、及び内燃機関３の給気口３ａが配置されている。

廃熱回収システム１は、次のように作動する。まず、内燃機関３、機関冷却水ポンプ７、及び２次冷却水ポンプ９が起動される。

機関冷却水は、機関冷却水ラインＬ１に沿って循環する。機関冷却水は沸騰冷却装置３１を通過することによって蒸発し、水蒸気が生成される。内燃機関３の出口側において、水蒸気（機関冷却水）の温度は、約８０〜１２０℃である。水蒸気は、膨張機２０内に設けられた膨張室Ｒ１において、圧力及び熱量を失う。膨張室Ｒ１の出口側における水蒸気の温度は、約５０℃である。その代わりに、膨張機２０が駆動される。膨張機２０の出力により、発電機１２において電力が生成される。この結果、機関冷却水に逃れた熱量の一部が、廃熱回収システム１に回収される。膨張機２０を通過した水蒸気は、凝縮器８において液化し、機関冷却水が生成される。凝縮器８内の機関冷却水は、機関冷却水ポンプ７により、内燃機関３内の水ジャケット３２に送られる。

排気ガスは、内燃機関３の排気口３ｂから排気ラインＬ３に沿って排出される。排気ガスがタービン５を通過することによって、タービン５が駆動される。タービン５を通過した排気ガスは、外気に排出される。

給気ガスは、外気から給気ラインＬ４に沿って吸入される。コンプレッサー６は、タービン５によって駆動されており、コンプレッサー６において給気ガスが圧縮され、圧縮空気が生成される。圧縮空気は、膨張室２０内に設けられた加熱室Ｒ２において、熱量を失う。圧縮空気の温度は、加熱室Ｒ２の入口側において約１６０℃であり、加熱室Ｒ２の出口側において約８０℃である。その代わりに、膨張機２０内において加熱室Ｒ２に隣り合う膨張室Ｒ１内の水蒸気が加熱される。膨張室Ｒ１内での膨張によって熱量を失う水蒸気に熱量が補充されるので、膨張機２０の出力が向上する。膨張機２０を通過した圧縮空気は、空気冷却器１０において更に冷却される。空気冷却器１０の出口側における圧縮空気の温度は、約６０℃である。空気冷却器１０を通過した圧縮空気は、内燃機関３の給気口３ａに吸入される。

２次冷却水は、２次冷却水ポンプ９の作動により、２次冷却水ラインＬ２に沿って循環する。凝縮器８において、２次冷却水と機関冷却水の水蒸気との間で熱交換が行われ、２次冷却水は加熱される。空気冷却器１０において、２次冷却水と圧縮空気との間で熱交換が行われ、２次冷却水は加熱される。空気冷却器１０を通過した２次冷却水は、２次冷却水ポンプ９に送られる。

廃熱回収システム１において、膨張機２０は、機関冷却水の水蒸気によって駆動される。このため、廃熱回収システム１は、機関冷却水ラインＬ１において、機関冷却水を作動媒体とするランキンサイクルを実施する。また、機関冷却水の水蒸気は、内燃機関３が発生させる熱量によって、発生する。つまり、内燃機関の廃熱によって、ランキンサイクルが実施されている。このため、廃熱回収システム１は、内燃力発電の排熱で汽力発電を行っており、コンバインドサイクルを実施できる。

図２、図３を参照して、膨張室Ｒ１及び加熱室Ｒ２を備える膨張機２０の構成を説明する。図２は、スクロール型膨張機２０の側面断面図である。スクロール型膨張機２０は、容積型膨張機の１つである。スクロール型膨張機２０は、固定スクロール２１、揺動スクロール２２、クランクシャフト２３、軸受２４、カバー２５、及び軸受２６を備えている。揺動スクロール２２は、軸受２４を介してクランクシャフト２３の偏心部２３ａに支持されている。クランクシャフト２３の本体部２３ｂは、軸受２６を介して固定スクロール２１に支持されている。軸受２４の軸心Ａ２４は、軸受の軸心Ａ２６とは異なっている。軸受２４の軸心Ａ２４は偏心部２３ａの軸心に等しく、軸受の軸心Ａ２６はクランクシャフト２３の本体部２３ｂの軸心に等しい。このため、揺動スクロール２２は、軸心Ａ２３周りに自転し、且つ、軸心Ａ２６周りに公転する。

固定スクロール２１は、鏡板２１ａ、スクロール壁２１ｂ、及び第２スクロール壁２１ｃを備えている。揺動スクロール２２は、鏡板２２ａ及びスクロール壁２２ｂを備えている。固定スクロール２１の鏡板２１ａ及び揺動スクロール２２の鏡板２２ａは、円盤状の板状部材である。固定スクロール２１において、スクロール壁２１ｂ及び第２スクロール壁２１ｃは、鏡板２１ａに対して反対側に配置されている。スクロール壁２１ｂ及び第２スクロール壁２１ｃは、鏡板２１ａに対して垂直の且つ渦巻き状の板状部材である。揺動スクロール２２において、スクロール壁２２ｂは、鏡板２２ａに対して垂直且つ渦巻き状の板状部材である。カバー２５は、第２スクロール壁２１ｃの内部を覆うように、固定スクロール２１に固定されている。カバー２５は、円環状の板状部材である。

膨張室Ｒ１は、鏡板２１ａ、２１ｂ及びスクロール壁２１ｂ、２２ｂによって囲まれた空間である。スクロール壁２１ｂ、２２ｂは必ず接しているので、スクロール壁２１ｂ、２２ｂ間の空間は、複数箇所に分断されている。このため、複数の膨張室Ｒ１が、固定スクロール２１と揺動スクロール２２との間に、形成されている。膨張室Ｒ１の入口２１ｄは、鏡板２１ａの中央部に形成されている。膨張室Ｒ１の出口２１ｅは、スクロール壁２１ｂの外周部に形成されている。機関冷却水の水蒸気は、入口２１ｄから膨張室Ｒ１内に供給され、膨張室Ｒ１から出口２１ｅを経由して排出される。

図３は、固定スクロール２１及びカバー２５の正面図である。加熱室Ｒ２は、鏡板２１ａ、スクロール壁２１ｂ、カバー２５によって囲まれた空間である。加熱室Ｒ２は、渦巻き状の１つの空間である。加熱室Ｒ２の入口２１ｆは、第２スクロール壁２１ｃの外周部に形成されている。加熱室Ｒ２の出口２１ｇは、カバー２５の中央部に形成されている。圧縮空気は、入口２１ｆから加熱室Ｒ２内に供給され、加熱室Ｒ２から出口２１ｇを経由して排出される。圧縮空気は、加熱室Ｒ２内において、第２スクロール壁２１ｃによって形成された渦巻き状の経路に沿って移動する。

膨張室Ｒ１及び加熱室Ｒ２において、入口及び出口の位置が反対側に設定されている。膨張室Ｒ１の入口２１ｄは中央側（軸Ａ２６側）に配置されているが、加熱室Ｒ２の入口２１ｆは外周側に配置されている。膨張室Ｒ１の出口２１ｅは外周側に配置されているが、加熱室Ｒ２の出口２１ｇは中央側に配置されている。このため、最も温度低下した水蒸気が、最も温度の高い圧縮空気によって加熱される。

第１実施形態は、次の作用、効果を有している。

廃熱回収システム１は、圧縮空気と水蒸気との間で熱交換を行うことによって、膨張機２０内の水蒸気を加熱する水蒸気加熱器３０を備えている。水蒸気加熱器３０は、加熱室Ｒ２を形成する膨張機２０の一部（固定スクロール２１及びカバー２５）によって構成されている。このため、圧縮空気が冷却されると共に、膨張機を作動させている機関冷却水の水蒸気が加熱される。この結果、膨張機２０の出力が向上し且つ内燃機関３内に吸入される空気量が増大する。したがって、廃熱回収システム１は、排気ガス及び機関冷却水に逃れた廃熱を効率的に回収できる。

例えば、空気冷却器１０を有する廃熱回収システム１（本実施形態）は、空気冷却器１０を有しない廃熱回収システムに比べて、８０％程度、膨張機２０の出力を増大できる。

更に、水蒸気加熱器３０は、膨張機２０内に設けられ且つ圧縮空気を通過させる加熱室Ｒ２を備えている。このため、廃熱回収システム１は、簡素な構成により、圧縮空気と水蒸気との間の熱交換を行うことができる。

更に、加熱室Ｒ２内に加熱用のフィン（第２スクロール壁２１ｃ）が配置されている。このため、圧縮空気と水蒸気との間の熱交換が促進される。

更に、２次冷却水ラインＬ２において、凝縮器８が空気冷却器１０の上流側に配置されている。空気冷却器１０を通過する圧縮空気は、膨張機２０において冷却されているので、空気冷却器１０において圧縮空気から奪うことが必要な熱量は、小さくなっている。このため、比較的小さな空気冷却器１０により、圧縮空気を冷却できる。つまり、廃熱回収システム１は、空気冷却器１０のコストを削減できる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態における過給機関２の廃熱回収システム１を示す全体図である。第２実施形態は、第１実施形態の構成に加えて、復水予熱器１３を更に備えている。復水予熱器１３以外の構成において、第１及び第２実施形態の構成は同一である。第１及び第２実施形態において共通する構成の説明は、適宜省略されている。

復水予熱器１３（空気冷却器）は、機関冷却水ラインＬ１において、凝縮器８と内燃機関３の水ジャケット３２との間に配置されている。復水予熱器１３は、給気ラインＬ４において、膨張機２０（加熱室Ｒ２）と空気冷却器１０との間に配置されている。復水予熱器１３は空気冷却器である。

復水予熱器１３において、加熱室Ｒ２と空気冷却器１０との間の圧縮空気と、凝縮器８と水ジャケット３２との間の機関冷却水との間で、熱交換が行われる。この結果、圧縮空気が冷却され、且つ機関冷却水が加熱される。

第２実施形態は、次の作用、効果を有している。

第２実施形態は、第１実施形態の構成に加えて、復水予熱器１３を更に備えている。このため、内燃機関３から圧縮空気に逃れた熱量の一部が、機関冷却水に移動する。したがって、内燃機関３から機関冷却水に逃れる熱量が変化しなくても、機関冷却水からの蒸発量が増大し、膨張機２０の出力が増大する。

第２実施形態は、圧縮空気を冷却する手段として、空気冷却器１０に加えて、復水予熱器１３を備えている。このため、第２実施形態は、給気ラインＬ４に、空気冷却器１０をバイパスするバイパス経路と、空気冷却器１０を通過する主経路とバイパス経路とを切り換える切換弁と、を備えてもよい。バイパス経路及び切換弁を備える実施形態は、内燃機関３が定常運転状態に入っているときに、空気冷却器１０をバイパスしてもよい。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態における過給機関２の廃熱回収システム１を示す全体図である。第３実施形態は、水蒸気加熱器の構成を除いて、第２実施形態と同一である。第１及び第２実施形態における水蒸気加熱器の符号は３０であり、第３実施形態における水蒸気加熱器の符号は１３０である。第１〜第３実施形態において共通する構成の説明は、適宜省略されている。

水蒸気加熱器１３０は、加熱室Ｒ２、液状媒体加熱器１４、液状媒体ポンプ１５、及び液状媒体ラインＬ５を備えている。液状媒体ラインＬ５上に、液状媒体加熱器１４、加熱室Ｒ２、及び液状媒体ポンプ１５が順に配置されている。液状媒体は、圧縮空気と水蒸気との間の熱交換を行うための媒体である。液状媒体には、使用される温度域において液体状態である媒体が選択されている。

加熱室Ｒ２は、上述したように、膨張機２０の一部（固定スクロール２１及びカバー２５）によって囲まれた空間である。加熱室Ｒ２は、膨張機２０の一部（固定スクロール２１及びカバー２５）によって形成されている。第１及び第２実施形態では、加熱室Ｒ２に圧縮空気が満たされているが、第３実施形態では加熱室Ｒ２に液状媒体が満たされている。液状媒体加熱器１４は、給気ラインＬ４において、コンプレッサー６と復水予熱器１３との間に配置されている。

液状媒体は、液状媒体ポンプ１５の作動により、液状媒体ラインＬ５に沿って循環する。液状媒体加熱器１４において、液状媒体と圧縮空気との間で熱交換が行われる。加熱室Ｒ２において、液状媒体と水蒸気との間で熱交換が行われる。この結果、圧縮空気と水蒸気との間で熱交換が行われる。

第３実施形態は、次の作用、効果を有している。

第３実施形態において、水蒸気加熱器１３０は、加熱室Ｒ２及び液状媒体加熱室１４を備えている。液状の媒体は、気体の媒体よりも熱伝達効率が高い。このため、膨張機２０内に加熱室Ｒ２を大きく形成できない場合であっても、廃熱回収システム１は、膨張室Ｒ１内の水蒸気の加熱を良好に行うことができる。

１ 廃熱回収システム
２ 過給機関
３ 内燃機関
３ａ 給気口
４ 過給機
８ 凝縮器
１０ 空気冷却器
１４ 液状媒体加熱器
２０ スクロール型膨張機（容積型膨張機）
３０、１３０ 水蒸気加熱器
３１ 沸騰冷却装置
Ｌ１ 機関冷却水ライン
Ｌ２ ２次冷却水ライン
Ｌ４ 給気ライン
Ｒ１ 膨張室
Ｒ２ 加熱室

Claims (5)

1. 給気ラインに沿って、外気から圧縮空気を生成する過給機、前記圧縮空気を冷却する空気冷却器、及び内燃機関の給気口が順に配置されている、過給機関の廃熱回収システムにおいて、
   機関冷却水ラインに沿って、沸騰冷却によって機関冷却水から水蒸気を発生させる内燃機関の沸騰冷却装置、前記水蒸気を膨張させることによって動力を出力する容積型膨張機、及び前記水蒸気を液化させる凝縮器が順に配置されており、
   前記空気冷却器を通過する前の前記圧縮空気と、前記容積型膨張機内の前記水蒸気との間で熱交換を行うことによって、前記容積型膨張機内の前記水蒸気を加熱する水蒸気加熱器を備えている、
   ことを特徴とする過給機関の廃熱回収システム。
2. 前記水蒸気加熱器が、前記容積型膨張機内に設けられ且つ前記圧縮空気を通過させる加熱室を備えている、
   請求項１に記載の過給機関の廃熱回収システム。
3. 液状媒体が、前記圧縮空気と前記水蒸気との間の熱交換を行うための媒体であり、
   前記水蒸気加熱器が、前記容積型膨張機内に設けられ且つ前記液状媒体を通過させる加熱室と、前記圧縮空気と前記液状媒体との間の熱交換を行うための液状媒体加熱器と、を備えている、
   請求項１に記載の過給機関の廃熱回収システム。
4. 前記凝縮器及び前記空気冷却器において熱交換のために用いられる２次冷却水を循環させる２次冷却水ラインが設けられており、
   前記２次冷却水ラインにおいて、前記凝縮器が、前記空気冷却器の上流側に配置されている、
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の過給機関の廃熱回収システム。
5. 前記加熱室を通過し且つ前記空気冷却器を通過する前の前記圧縮空気と、前記凝縮器を通過した前記機関冷却水との間で熱交換を行うことによって、前記圧縮空気を冷却し且つ前記機関冷却水を加熱する復水予熱器を備えている、
   請求項１〜４のいずれか１つに記載の過給機関の廃熱回収システム。

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