JP5704455B2

JP5704455B2 - 船舶用主機の余剰エネルギー回収システム

Info

Publication number: JP5704455B2
Application number: JP2011119235A
Authority: JP
Inventors: 名倉　良馬; 良馬名倉
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2012245886A

Description

本発明は船舶用主機の排気ガスに含まれる余剰エネルギーを過給機によって回収するようにした、船舶用主機の余剰エネルギー回収システムに関する。

従来の船舶用主機の余剰エネルギー回収システムの例として、図５および図６に示すシステムがある。因みに、図５は、特許文献１に示す船舶用主機の余剰エネルギー回収システムであり、図６は、特許文献２に示す船舶用主機の余剰エネルギー回収システムである。

先ず、図５の従来例１について説明する。
図５において、１は主機であり、この主機１によって駆動される推進軸２に減速機３を介して船舶推進プロペラ（以下、単にプロペラと略称する）４を直結している。

５は過給機であり、内部構成については図示しないが、主機１の排気ガスにより駆動される排気タービンおよびこの排気タービンによって駆動され空気を圧縮して前記主機１に送り込む吸気ブロアを備えている。この過給機５の排気タービンから排気されたガスは排気ダクト６によって大気中に放出される。

７は過給機５に結合されて排気タービンおよび吸気ブロアと一体的に回転する出力軸である。この出力軸７には発電機（Ｇ）８を直接結合し、過給機５によって発電機８を駆動するようになっている。

発電機８で発電した電力は電気ケーブル９等の電気回路により電動機（Ｍ）１０に供給され、これを回転させる。そして、電動機１０で発生した駆動力は、前記減速機３の小歯車３ｂに伝えられ、更に大歯車３ａを介して前記推進軸２に伝達され、主機１による推進軸２の駆動力に加勢される。

特許文献１に記載のシステムは、このように、過給機５で駆動される発電機８の出力電力により電動機１０を駆動し、この電動機１０によって減速機３を介して推進軸２に加勢するようにしている。

次に、図６の従来例２について説明する。
図６において、図５で説明した構成要素と同じものは同じ番号を付し説明は省略する。
１１は過給機５の排気ダクト６から排気される排気ガスを吸気することによって回転駆動される回収タービンであり、その出力軸１２によって油圧ポンプ（Hydraulic Pump）１３を回転駆動する。油圧ポンプ１３は、油圧配管１４を介して圧油を油圧モータ（Hydraulic Motor）１５に供給し、かつ、回収する。なお、油圧ポンプ１３、油圧配管１４および油圧モータ１５からなる部分を油圧駆動システムと称する。

このように、特許文献２に記載のシステムも、回収タービン１１で駆動される油圧ポンプ１３の圧油によって直接油圧モータ１５を駆動し、推進軸２を加勢するようにしている。

特開昭６０−１２９９３５号公報実開昭５９−１３００１４号公報

以上述べた図５および図６に示す従来の船舶用主機の余剰エネルギー回収システムでは、主機１の排気ガスのエネルギーから電気的あるいは油圧的な駆動力を発生させ、この駆動力を主機１による推進軸２の駆動力に加勢することによって、排気ガスのエネルギーの回収を行っているが、回収エネルギーは全て推進軸を加勢する構成となっているため、回収エネルギーを電気設備、例えば、船舶内のモータや電灯、インバータ等の電気設備で利用することができない。

また、回収するエネルギー量を調節する設備を持たないため、過給機５の回転速度が推進軸２に加勢される負荷量によって依存されることとなり、主機１の負荷状態に応じて過給機５から主機１への空気の供給量が最適に行えず、場合によっては主機の運転効率の低下を招く恐れがある。

本発明は、上述した課題を解決するために、船舶用主機の排気ガスの余剰エネルギーを利用する対象範囲を拡大するとともに、主機の運転効率の低下を招かないようにエネルギーを回収する、船舶用主機の余剰エネルギー回収システムを提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明は、推進軸を介して船舶推進プロペラを駆動する主機と、前記主機の排気ガスによって駆動される排気タービンおよびこの排気タービンによって駆動され空気を圧縮して前記主機に送り込む吸気ブロアを備えた過給機と、前記過給機によって駆動され発電する発電機と、前記発電機で発電した電力をインバータを介して定周波数の電力が供給される船舶内の電気設備と、前記発電機で発電した電力によって駆動される電動機と、前記電動機によって駆動される可変容量式油圧ポンプおよび当該可変容量式油圧ポンプから供給される圧油によって駆動され前記推進軸上に設けられた減速機を介して前記推進軸に対して駆動力を加勢する油圧モータを有する油圧駆動システムと、前記主機の負荷状況に応じて前記可変容量式油圧ポンプを制御して前記過給機にかかる負荷量を制御し過給機から主機へ供給される空気量を制御するコントローラと、から構成されたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システムにおいて、前記発電機および電動機間に当該電動機の回転速度を制御するインバータを設けると共にこの電動機によって駆動されるポンプを可変容量式油圧ポンプから固定容量式油圧ポンプに代え、コントローラによって前記インバータを制御して前記過給機にかかる負荷量を制御し過給機から主機への空気の供給量を主機の負荷状況の応じた空気量に制御するように構成したことを特徴とする。

さらに、請求項３記載の発明は、請求項１に記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システムにおいて、前記推進軸上の減速機に代え油圧モータを直接設置すると共に前記可変容量式油圧ポンプを減速機を介して前記電動機によって駆動することを特徴とする。

さらにまた、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システムにおいて、前記推進軸上の減速機に代え油圧モータを直接設置したことを特徴とする。

またさらに、請求項５記載の発明は、請求項２あるいは４に記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システムにおいて、前記固定容量式油圧ポンプと油圧モータを省略し、前記電動機を直接推進軸上に設置、あるいは減速機を介して推進軸を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、主機の負荷状況に応じて過給機にかかる負荷量を制御するため過給機から主機へ供給される空気の供給量を最適にコントロールでき、主機の運転効率を維持できる効果がある。また、船舶用主機の排気ガスに含まれる余剰エネルギーで推進軸への加勢を行いつつ船内負荷にも電力を供給できる効果がある。

本発明の実施形態１の構成図。本発明の実施形態２の構成図。本発明の実施形態３の構成図。本発明の実施形態４の構成図。従来の第１例の構成図。従来の第２例の構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［実施形態１］
図１を参照して本発明の実施形態１について説明する。なお、従来例の図５あるいは図６に共通する要素には同一符号を付けて重複する説明は適宜省くものとする。

２０は過給機５によって駆動され発電機８から出力される電力を定周波数の電力に変換するインバータ、１６はインバータ２０（第１のインバータともいう）を介して定周波数の電力が供給される船舶内の負荷で、電動機や電灯等の電気設備である。

１０は発電機８の電力で直接駆動される電動機、１７は、前記油圧モータ（Hydraulic Motor）１５と共に油圧駆動システムを構成する可変容量式油圧ポンプ（Variable Capacity Hydraulic Pump）であり、前記電動機１０によって駆動される。

２１は主機１の負荷状況を監視し可変容量式油圧ポンプ１７を制御するコントローラで、この制御によって可変容量式油圧ポンプ１７から油圧ポンプ１５へ送られる油圧量が調整され、これに伴い減速機３を介して油圧ポンプ１５によって推進軸２に加勢される加勢力が調整される。

また、このコントローラ２１によって可変容量式油圧ポンプ１７が制御されると電動機１０、発電機８、過給機５にかかる負荷量、即ち過給機５の回転数も調整され、過給機５から主機１へ供給される空気量が制御される。

この時、過給機５から主機１へ供給される空気量が主機１の負荷状態に応じて最適となるようにコントローラ２１の設定を行っておけば、常に主機１へは最適な空気が供給され、主機１の運転効率を最適に保つことができる。
尚、主機１の負荷状況は、主機１の回転数、出力トルク、吸気圧、過給機５から主機１へ供給される圧縮圧、風量等を計測することにより把握できる。

図１で示す本実施形態１の船舶用主機の余剰エネルギー回収システムは、主機１により推進軸２を介してプロペラ４を駆動する。推進軸２には、油圧モータ１５が減速機３を介して接続されている。主機１に設けられた過給機５の出力軸７には発電機８が直結されており、この発電機８から供給される電力により直接電動機１０が駆動される。

電動機１０は出力軸１０Ｓを介して可変容量式油圧ポンプ１７を駆動し、可変容量式油圧ポンプ１７は回転によって得た圧油を油圧配管１４を経て油圧モータ１５まで送りこれを駆動する。この可変容量式油圧ポンプ１７は主機１の負荷状況を監視しているコントローラ２１によって制御され、油圧モータ１５へ供給する油の圧力を制御する。その結果、油圧モータ１５によって推進軸２に加勢される加勢力が変化するが、これにより電動機１０、発電機８、過給機５にかかる負荷量が制御され、過給機５の回転数が制御される。その結果、過給機５から主機１へ供給される空気量が主機の負荷状態に応じた最適な流量に制御され、主機１の運転効率を最適なものに維持できる。

このように構成することにより、インバータ２０により発電機８の出力電力が定周波数に変換されて船内負荷１６へ供給され、また、発電機８の出力電力が電動機１０、可変容量式油圧ポンプ１７、油圧モータ１５、減速機３を介して推進軸２への加勢力として利用されると共にコントローラ２１によって可変容量式油圧モータ１７を制御して油圧モータ１５から推進軸２に加勢される加勢力を制御することによって過給機５の回転数を制御し、主機１へ供給される空気量を主機１の状態に応じた最適な量に制御でき、主機１の運転効率を最適なものに維持できる効果がある。

［実施形態２］
図２を参照して本発明の実施形態２について説明する。
図２において、図１で説明したものと同じ構成要素のものは同一符号を付し、重複する説明は適宜省くものとする。

１８は発電機８および電動機１０間を接続する電気回路（電気ケーブル）９の途中に設けられるインバータ（第２のインバータともいう）で、このインバータ１８は主機１の負荷状況を監視しているコントローラ２１によって制御され、図１と同様に発電機８、過給機５の負荷量が制御される。その結果、過給機５から主機１へ供給される空気量が主機の負荷状態に応じた最適な流量に制御され、主機１はその運転効率を最適なものに維持できる。尚、１９は固定容量油圧ポンプ（Fixed Capacity Hydraulic Pump）であり、前記電動機１０の出力軸１０Ｓに直結されて駆動され、その圧油によって油圧モータを駆動している。

このように構成した余剰エネルギー回収システムも、第１のインバータ２０により発電機８の出力電力が定周波数に変換されて船内負荷１６へ供給され、また、発電機８の出力電力が第２のインバータ１８、電動機１０、固定容量式油圧ポンプ１９、油圧モータ１５、減速機３を介して推進軸２への加勢力として利用されると共にコントローラ２１によって第２のインバータ１８を制御して油圧モータ１５から推進軸２に加勢される加勢力を制御することによって過給機５の回転数を制御し、主機１へ供給される空気量を主機１の状態に応じた最適な量に制御でき、主機１の運転効率を最適なものに維持できる効果がある。

［実施形態３］
図３を参照して本発明の実施形態３について説明する。
図３において、図１と同じ構成要素のものは同じ番号を付し、重複した説明は適宜省くものとする。

図１と異なる点は、推進軸２上の減速機３に替えて油圧駆動システムの油圧モータ１５を設置し、この変更に伴って可変容量油圧ポンプ１７を、減速機３を介して電動機１０によって駆動するようにした点が異なっている。

このように構成しても、インバータ２０により発電機８の出力電力が定周波数に変換されて船内負荷１６へ供給され、また、発電機８の出力電力が電動機１０、減速機３、可変容量式油圧ポンプ１７、油圧モータ１５、を介して推進軸２への加勢力として利用されると共にコントローラ２１によって可変容量式油圧ポンプ１７を制御して油圧モータ１５から推進軸２に加勢される加勢力を制御することによって過給機５の回転数を制御し、主機１へ供給される空気量を主機１の状態に応じた最適な量に制御でき、主機１の運転効率を最適なものに維持できる効果がある。

［実施形態４］
図４を参照して本発明の実施形態４について説明する。
図４において、図２と同じ構成要素のものは同じ番号を付し、重複する説明は適宜省くものとする。

図２と異なる点は、図２の実施形態２の場合、推進軸２上に設けていた減速機３を廃止し、油圧モータ１５を直接推進軸２に設置した点が異なっている。
このように構成しても、第１のインバータ２０により発電機８の出力電力が定周波数に変換されて船内負荷１６へ供給され、また、発電機８の出力電力が第２のインバータ１８、電動機１０、固定容量式油圧ポンプ１９、油圧モータ１５を介して推進軸２への加勢力として利用されると共にコントローラ２１によって第２のインバータ１８を制御して油圧モータ１５から推進軸２に加勢される加勢力を制御することによって過給機５の回転数を制御し、主機１へ供給される空気量を主機１の状態に応じた最適な量に制御でき、主機１の運転効率を最適なものに維持できる効果がある。

尚、図２あるいは図４の構成において、固定容量式油圧ポンプ１９、油圧モータ１５を省略して電動機１０を直接推進軸２に設け、あるいは減速機３を介して推進軸２を駆動するように構成してもよい。

以上述べたように、本発明は主機の排気ガスに含まれる余剰エネルギーによって発電した電力を船舶内の電気設備に利用できるだけでなく推進軸の加勢にも利用でき、更に過給機の回転数を制御できるために主機１へ供給される空気量を主機の負荷状態に応じた最適な流量に制御でき、主機１の運転効率を最適なものに維持できる効果がある。

１…主機、２…推進軸、３…減速機、４…船舶推進プロペラ、５…過給機、６…排気ダクト、７…過給機の出力軸、８…発電機、９…電気ケーブル、１０…電動機、１４…油圧配管、１５…油圧モータ（Hydraulic Motor）、１６…船舶内の電気設備、１７…可変容量式油圧ポンプ（Variable Capacity Hydraulic Pump）、１８…第２のインバータ、１９…固定容量式油圧ポンプ（Fixed Capacity Hydraulic Pump）、２０…第１のインバータ、２１…コントローラ。

Claims

推進軸を介して船舶推進プロペラを駆動する主機と、
前記主機の排気ガスによって駆動される排気タービンおよびこの排気タービンによって駆動され空気を圧縮して前記主機に送り込む吸気ブロアを備えた過給機と、
前記過給機によって駆動され発電する発電機と、
前記発電機で発電した電力をインバータを介して定周波数の電力が供給される船舶内の電気設備と、
前記発電機で発電した電力によって駆動される電動機と、
前記電動機によって駆動される可変容量式油圧ポンプおよび当該可変容量式油圧ポンプから供給される圧油によって駆動され前記推進軸上に設けられた減速機を介して前記推進軸に対して駆動力を加勢する油圧モータを有する油圧駆動システムと、
前記主機の負荷状況に応じて前記可変容量式油圧ポンプを制御して前記過給機にかかる負荷量を制御し過給機から主機へ供給される空気量を制御するコントローラと、
から構成されたことを特徴とする船舶用主機の余剰エネルギー回収システム。
前記発電機および電動機間に当該電動機の回転数を制御する第２のインバータを設けると共に前記油圧駆動システムの可変容量式油圧ポンプを固定容量式油圧ポンプに代え、前記コントローラによって第２の前記インバータを制御して前記過給機にかかる負荷量を制御し過給機から主機に供給される空気量を主機の負荷状況に応じた空気量に制御することを特徴とする請求項１記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システム。
前記推進軸上の減速機に代えて油圧モータを直接設置すると共に前記可変容量式油圧ポンプを減速機を介して前記電動機によって駆動することを特徴とする請求項１に記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システム。
前記推進軸上の減速機に代えて油圧モータを直接設置したことを特徴とする請求項２に記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システム。
前記固定容量式油圧ポンプと油圧モータを省略し、前記電動機を直接推進軸上に設置、あるいは減速機を介して推進軸を駆動することを特徴とする請求項２あるいは請求項４に記載の船舶用主機の余剰エネルギー回収システム。