JP5967404B2 - スターリングエンジン制御システム及びスターリングエンジン搭載船舶 - Google Patents

Description

本発明は、排熱を熱源として利用できるスターリングエンジン制御システム及びスターリングエンジン搭載船舶に関する。

スターリングエンジンを用いた発電装置において、熱制御装置と電力制御装置の間で、緊急停止信号を迅速かつ確実に送受信することが可能な発電装置が提案されている（特許文献１）。
また、スターリングエンジンの停止制御方法として、燃焼加熱を停止後の余熱運転時にエンジン回転速度の変動が許容範囲になるように作動室内の圧力調整をして余熱消費を行い、高温部温度が規定温度まで下がるか、もしくは、エンジン回転速度が規定回転速度以下になった時点で、制御弁を全開し作動室を封入容器に開放する方法が提案されている（特許文献２）。
また、スターリングエンジンを用いた発電装置において、起動時にモータとなりピストンを往復動させる発電機に、電力発生が確認されない場合に再度電力を供給することで再起動を自動化する装置が提案されている（特許文献３）。
また、内燃機関の排ガスの熱エネルギーで作動するスターリングエンジンを配置し、このスターリングエンジンで内燃機関の停止後も排気通路の余熱で作動させて発電機を駆動することで、内燃機関により駆動される発電機が作動不能な状態であっても発電を継続することができる装置が提案されている（特許文献４）。
また、交流電流回路に原動機駆動のオルタネータを接続する装置において、オルタネータの切断を、コントローラによって、原動機を徐々に停止させ、電流を監視し、電流が最小のときに原動機をストールさせることが提案されている（特許文献５）。

特開２０１０−１３８７１６号公報 特開平６−２６４８１８号公報 特開２００４−３０１１０２号公報 特開２００９−１６７８２４号公報 特表２００８−５０６３４３号公報

排熱を利用したスターリングエンジン制御システムは、スターリングエンジンの運転開始を安定して始めること、適切な発電出力が安定して得られること、ユーザがシステムを停止させたい場合やシステムに異常が生じた場合には確実かつ速やかにスターリングエンジンを停止できることが要求される。
そして、スターリングエンジンの運転開始を安定して始めることができ、かつ運転開始から適切な発電出力が安定して得られるためには、運転開始に先立って運転準備を行う必要がある。
また、スターリングエンジンの停止を確実かつ速やかに行うためには、スターリングエンジンと発電機の停止を確実に行う必要がある。
しかし、特許文献１から特許文献５には、これらの具体的な手段は示されていない。

そこで、本発明は、スターリングエンジンの運転開始を安定して始めることができるとともにスターリングエンジンの停止を確実かつ速やかに行うことができるスターリングエンジン制御システム及びスターリングエンジン搭載船舶を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明に対応したスターリングエンジン制御システムにおいては、熱を利用して作動するスターリングエンジンと、スターリングエンジンに連結された発電機と、発電機に接続されたインバータ・コンバータと、インバータ・コンバータを制御するインバータ・コンバータ制御手段と、スターリングエンジンを起動・停止制御するスターリングエンジン起動・停止手段と、インバータ・コンバータ制御手段とスターリングエンジン起動・停止手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、スターリングエンジン起動・停止手段によるスターリングエンジンの起動前に、インバータ・コンバータ制御手段によるインバータ・コンバータへの通電を開始するとともに、インバータ・コンバータの準備が完了したか否かを判断してスターリングエンジンの起動開始シーケンスに移行することを特徴とする。請求項１に記載の本発明によれば、インバータ・コンバータ制御手段とは別にスターリングエンジン起動・停止手段とを備えることで、運転開始シーケンスに先立って運転準備シーケンスを行うことができる。従って、例えば、自動運転が開始されると、はじめに待機モードとなり、インバータ・コンバータの運転準備が整った後に運転開始シーケンスを始め、適切な温度条件で発電が開始したことを確認した後に発電運転モードに移行することができる。また、インバータ・コンバータの運転準備が整わない状態では、スターリングエンジンの運転開始シーケンスが始まることはない。従って、スターリングエンジンの運転開始シーケンスを安定して始めることができる。

請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、スターリングエンジン起動・停止手段によるスターリングエンジンの停止後に、インバータ・コンバータ制御手段によるインバータ・コンバータへの通電を停止することを特徴とする。請求項２に記載の本発明によれば、スターリングエンジンを確実かつ速やかに停止することができる。

請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、スターリングエンジン起動・停止手段は、スターリングエンジンの圧縮空間の圧力を調節する圧力調整手段を有することを特徴とする。請求項３に記載の本発明によれば、スターリングエンジンにかかる負荷を調整し、スターリングエンジンの運転開始及び運転停止を速やかに行うことができる。

請求項４記載の本発明は、請求項３に記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、スターリングエンジン起動・停止手段は、スターリングエンジンの起動時又は停止時に、圧力調整手段により圧縮空間の圧力変動を小さくすることを特徴とする。請求項４に記載の本発明によれば、スターリングエンジンの起動時には立ち上げ時間を短縮できるとともに、スターリングエンジンの停止時には、停止までの時間を短縮できる。

請求項５記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、スターリングエンジンの起動時にインバータ・コンバータを介して発電機にてスターリングエンジンを起動させることを特徴とする。請求項５に記載の本発明によれば、発電機を始動モータとして利用できる。

請求項６記載の本発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、スターリングエンジンの膨張空間の温度が所定温度を超えたことを判断して発電機による発電運転モードに移行させることを特徴とする。請求項６に記載の本発明によれば、確実に発電出力を得ることができるとともに、スターリングエンジンでの異常発生を防ぐことができる。

請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、発電機による発電出力が所定値となるように、インバータ・コンバータ制御手段を介してインバータ・コンバータを制御することを特徴とする。請求項７に記載の本発明によれば、安定した発電出力を得ることができるとともに、スターリングエンジンでの異常発生を防ぐことができる。

請求項８記載の本発明は、請求項７に記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、発電機の回転数が所定の回転数となるように制御することを特徴とする。請求項８に記載の本発明によれば、起動時のモータリングを所定回転数で運転することで発電運転モードまでの制御を確実に安定して行え、例えば、モータリング時の回転数と発電時の回転数を異ならせ確実に起動を行うことや安定した発電出力を得ることができる。

請求項９記載の本発明は、請求項７に記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、発電機のトルクが所定のトルクとなるように制御することを特徴とする。請求項９に記載の本発明によれば、起動運転や発電運転を所定トルクで行うことでも、確実な起動や安定した発電出力を得ることができる。

請求項１０記載の本発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、スターリングエンジンの入口温度及び膨張空間温度がそれぞれの所定値を下回った場合、又はシステムの異常を検出した場合にスターリングエンジン起動・停止手段を介してスターリングエンジンの運転を停止することを特徴とする。請求項１０に記載の本発明によれば、スターリングエンジンから十分な発電電力を得られない場合、又はシステムの異常時には速やかにスターリングエンジンを停止することができる。また、利用する熱の供給停止時に、熱を最大限利用することができる。

請求項１１記載の本発明は、請求項１から請求項１０のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、制御手段は、スターリングエンジンの停止時にインバータ・コンバータ制御手段を介してインバータ・コンバータの回転数を零に設定することを特徴とする。請求項１１に記載の本発明によれば、インバータ・コンバータによってスターリングエンジンを停止することができる。

請求項１２記載の本発明は、請求項１１に記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、スターリングエンジンの回転数を検出する回転数検出手段をさらに備え、スターリングエンジンの停止時に回転数検出手段でスターリングエンジンの回転停止を検出することを特徴とする。請求項１２に記載の本発明によれば、インバータ・コンバータ制御手段やインバータ・コンバータ等に故障があっても確実にスターリングエンジンを停止することができる。

請求項１３記載の本発明は、請求項１から請求項１２のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、インバータ・コンバータにより、発電出力を交流ラインに系統連系させることを特徴とする。請求項１３に記載の本発明によれば、スターリングエンジンの起動・停止をすることや発電出力を得ることができるとともに、得られた発電出力を交流ラインに系統連系させることで電力を利用することができる。

請求項１４記載の本発明は、請求項１から請求項１３のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムにおいて、熱として、エンジンの排ガスを用いることを特徴とする。請求項１４に記載の本発明によれば、エンジンの排ガスによって電力を得ることができる。

請求項１５記載の本発明に対応したスターリングエンジン搭載船舶においては、請求項１から請求項１４のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムを備えたことを特徴とする。請求項１５に記載の本発明によれば、船舶のエンジン排熱を利用して船舶内で用いる電力を得ることができる。

本発明によれば、インバータ・コンバータ制御手段とは別にスターリングエンジン起動・停止手段とを備えることで、運転開始シーケンスに先立って運転準備シーケンスを行うことができる。従って、例えば、自動運転が開始されると、はじめに待機モードとなり、インバータ・コンバータの運転準備が整った後に運転開始シーケンスを始め、適切な温度条件で発電が開始したことを確認した後に発電運転モードに移行することができる。

また制御手段が、スターリングエンジン起動・停止手段によるスターリングエンジンの起動前に、インバータ・コンバータ制御手段によるインバータ・コンバータへの通電を開始するので、インバータ・コンバータの運転準備が整った後に運転開始シーケンスを始め、インバータ・コンバータの運転準備が整わない状態では、スターリングエンジンの運転開始シーケンスが始まることはない。従って、スターリングエンジンの運転開始シーケンスを安定して始めることができる。

また、制御手段が、スターリングエンジン起動・停止手段によるスターリングエンジンの停止後に、インバータ・コンバータ制御手段によるインバータ・コンバータへの通電を停止する場合には、スターリングエンジンを確実かつ速やかに停止することができる。

また、スターリングエンジン起動・停止手段が、スターリングエンジンの圧縮空間の圧力を調節する圧力調整手段を有する場合には、スターリングエンジンにかかる負荷を調整し、スターリングエンジンの運転開始及び運転停止を速やかに行うことができる。

また、スターリングエンジン起動・停止手段が、スターリングエンジンの起動時又は停止時に、圧力調整手段により圧縮空間の圧力変動を小さくする場合には、スターリングエンジンの起動時には立ち上げ時間を短縮できるとともに、スターリングエンジンの停止時には、停止までの時間を短縮できる。

また、制御手段が、スターリングエンジンの起動時にインバータ・コンバータを介して発電機にてスターリングエンジンを起動させる場合には、発電機を始動モータとして利用できる。

また、制御手段が、スターリングエンジンの膨張空間の温度が所定温度を超えたことを判断して発電機による発電運転モードに移行させる場合には、確実に発電出力を得ることができるとともに、スターリングエンジンでの異常発生を防ぐことができる。

また、制御手段が、発電機による発電出力が所定値となるように、インバータ・コンバータ制御手段を介してインバータ・コンバータを制御する場合には、安定した発電出力を得ることができるとともに、スターリングエンジンでの異常発生を防ぐことができる。

また、制御手段が、発電機の回転数が所定の回転数となるように制御する場合には、起動時のモータリングを所定回転数で運転することで発電運転モードまでの制御を確実に安定して行え、例えば、モータリング時の回転数と発電時の回転数を異ならせ、確実に起動を行うことや安定した発電出力を得ることができる。

また、制御手段が、発電機のトルクが所定のトルクとなるように制御する場合には、起動運転や発電運転を所定トルクで行うことでも、確実な起動や安定した発電出力を得ることができる。

また、制御手段は、スターリングエンジンの入口温度及び膨張空間温度がそれぞれの所定値を下回った場合、又はシステムの異常を検出した場合には、スターリングエンジン起動・停止手段を介してスターリングエンジンの運転を速やかに停止することができる。また、利用する熱の供給停止時に、熱を最大限利用することができる。

また、制御手段が、スターリングエンジンの停止時にインバータ・コンバータ制御手段を介してインバータ・コンバータの回転数を零に設定する場合には、インバータ・コンバータによってスターリングエンジンを停止することができる。

また、スターリングエンジンの回転数を検出する回転数検出手段をさらに備え、スターリングエンジンの停止時に回転数検出手段でスターリングエンジンの回転停止を検出する場合には、インバータ・コンバータ制御手段やインバータ・コンバータ等に故障があっても確実にスターリングエンジンを停止することができる。

また、インバータ・コンバータにより、発電出力を交流ラインに系統連系させる場合には、スターリングエンジンの起動・停止をすることや発電出力を得ることができるとともに、得られた発電出力を交流ラインに系統連系させることで電力を利用することができる。

また、熱として、エンジンの排ガスを用いる場合には、エンジンの排ガスによって電力を得ることができる。

また、スターリングエンジン搭載船舶がスターリングエンジン制御システムを備えた場合には、船舶のエンジン排熱を利用して船舶内で用いる電力を得ることができる。

本発明の実施形態によるスターリングエンジン制御システムに用いるスターリングエンジンの設置状態を示す構成図 同スターリングエンジンの構成を示す断面図 同スターリングエンジン制御システムのブロック図 同スターリングエンジン制御システムの自動運転シーケンスを示すフローチャート 同スターリングエンジン制御システムの運転停止シーケンスを示すフローチャート 同スターリングエンジンの運転開始シーケンスの動作による性能特性図 同スターリングエンジンの運転停止シーケンスの動作による性能特性図 航路中における同スターリングエンジンの排熱回収システムの性能特性図 停泊中における同スターリングエンジンの排熱回収システムの性能特性図 同スターリングエンジンの定常運転状態でのディーゼル発電機の出力に対する温度と発電出力の関係を示す特性図

以下に、本発明の実施形態によるスターリングエンジン制御システムについて説明する。
図１は本実施形態によるスターリングエンジン制御システムに用いるスターリングエンジンの設置状態を示す構成図である。
例えば船舶１には、船内で用いる電力供給のために、ディーゼル発電機２とディーゼルエンジン３からなるディーゼル発電装置が搭載されている。ディーゼルエンジン３から排気される排ガスは、排気ダクト４によって船舶１外に排出される。
本実施形態に用いるスターリングエンジン１０は、排気ダクト４から排出される排ガスの熱を利用する。
なお、熱源として、船舶１の航行に用いるエンジンの排ガスを用いることもできる。また、ディーゼルエンジン３や航行に用いるエンジンの冷却水や循環オイル等も使用することができる。

図２は、本実施形態に用いるスターリングエンジンの構成を示す断面図である。
本実施形態によるスターリングエンジン１０は、ヒータ管１１を排気ダクト４内に設置する。スターリングエンジン１０は、ディスプレーサピストン１２とパワーピストン１３とを有している。ディスプレーサピストン１２及びパワーピストン１３は、それぞれクランクシャフト１４に連結されている。クランクシャフト１４の一端側には発電機２０が接続され、他端側にはエンコーダ（回転数検出手段）３１を設けている。

ヒータ管１１の一端側端部１１Ａは、ディスプレーサピストン１２の膨張空間１０Ａに連通している。またヒータ管１１の他端側端部１１Ｂは、再生器１５と連通し、再生器１５はクーラ１６と連通し、クーラ１６はディスプレーサピストン１２の圧縮空間１０Ｂに連通している。クランクシャフト１４を有するケース内には、バッファ空間１０Ｃが形成されている。

本実施形態によるスターリングエンジン１０は、圧縮空間１０Ｂとバッファ空間１０Ｃとをバイパス管４１で接続し、バイパス管４１には均圧バルブ４２を備えている。バイパス管４１と均圧バルブ４２によって、圧力調整手段４０を構成している。

上記構成において、スタート時には発電機２０を動力源としてディスプレーサピストン１２を動作させることで、ディスプレーサピストン１２の膨張空間１０Ａと圧縮空間１０Ｂ内の作動ガスが移動する。作動ガスは、ヒータ管１１で加熱・膨張して膨張空間１０Ａに導入され、クーラ１６で冷却・収縮して圧縮空間１０Ｂに導入されることで、膨張空間１０Ａ及び圧縮空間１０Ｂ内に圧力変動が生じる。この作動空間内の圧力変動によってパワーピストン１３が動作することで出力を得る。
圧力調整手段４０は、均圧バルブ４２を開放して、圧縮空間１０Ｂとバッファ空間１０Ｃとを連通させることで、圧縮空間１０Ｂの圧力変動を小さくする。

図３は本実施形態によるスターリングエンジン制御システムのブロック図である。
本実施形態によるスターリングエンジン制御システムは、熱を利用して作動するスターリングエンジン１０と、スターリングエンジン１０に連結された発電機２０と、発電機２０に接続された第１のインバータ・コンバータ５１と、第１のインバータ・コンバータ５１を制御するインバータ・コンバータ制御手段５２と、スターリングエンジン１０を起動・停止制御するスターリングエンジン起動・停止手段５３と、インバータ・コンバータ制御手段５２とスターリングエンジン起動・停止手段５３を制御する制御手段５４とを備えている。
なお、ここで使用するインバータ・コンバータ５１は、機能的に逆使用できるものである。また、インバータ・コンバータ５１は機能を分離して独立して設けてもよい。
スターリングエンジン起動・停止手段５３は、第１のインバータ・コンバータ５１を介して発電機２０を動作させてスターリングエンジン１０を起動、停止する。

スターリングエンジン起動・停止手段５３は、スターリングエンジン１０の圧縮空間１０Ｂの圧力を調節する圧力調整手段４０を有する。
圧力調整手段４０における均圧バルブ４２の開閉動作は、スターリングエンジン起動・停止手段５３によって行われる。
同スターリングエンジン制御システムは、第２のインバータ・コンバータ５５を備えている。第２のインバータ・コンバータ５５は、例えば、単相１００Ｖと３相２００Ｖのように、別種の出力を得る用途に用いられる。この場合、第１のインバータ・コンバータ５１と第２のインバータは図3は直列に接続して示しているが、並列に接続してもよい。第２のインバータ・コンバータ５５は、第１のインバータ・コンバータ５１による発電出力を船内電力の交流ライン６０に系統連系させる。第２のインバータ・コンバータ５５は、フィルタ５６、連系トランス５７を介して交流ライン６０に接続されている。第２のインバータ・コンバータ５５は、インバータ・コンバータ制御手段５２によって制御される。なお、複数種の出力を必要としない場合は、インバータ・コンバータ５１だけでも系統連系は可能である。

第１のインバータ・コンバータ５１から第２のインバータ・コンバータ５５に至るラインには、制動ユニット５８を設けている。この制動ユニット５８は、制動抵抗器６１が接続されている。第２のインバータ・コンバータ５５から交流ライン６０への系統連系が無効になる場合には、第１のインバータ・コンバータ５１からの発電電力は、制動抵抗器６１で消費される。
制動抵抗器６１での発電電力の消費時間が所定時間を超えると、制動抵抗器６１が高温になるため、制御手段５４は、スターリングエンジン起動・停止手段５３によってスターリングエンジン１０の運転を停止する。
表示・操作手段５９では、各種入力操作を行えるとともに、動作状態をモニターすることができる。
表示・操作手段５９は、制御手段５４からの制御内容を表示し、また制御手段５４に対する入力操作を行う。

スターリングエンジン１０には、回転数を検出する回転数検出手段３１、膨張空間１０Ａの温度を検出する第１の温度検出手段３２、排ガス入口温度を検出する第２の温度検出手段３５、及びスターリングエンジン１０の冷却水の温度や水量の異常を検出する異常検出手段３６を設けている。
また、発電機２０には、発電出力を検出する発電出力検出手段３３とトルクを検出するトルク検出手段３４を設けている。
回転数検出手段３１、第１の温度検出手段３２、発電出力検出手段３３、トルク検出手段３４、第２の温度検出手段３５、及び異常検出手段３６は、検出信号を制御手段５４に送る。制御手段５４では、これらの信号によって判断を行い、スターリングエンジン起動・停止手段５３及びインバータ・コンバータ制御手段５２に対して制御信号を出力する。

スターリングエンジン起動・停止手段５３は、スターリングエンジン１０の起動時又は停止時に、圧力調整手段４０により圧縮空間１０Ｂの圧力変動を小さくする。
制御手段５４は、スターリングエンジン起動・停止手段５３によるスターリングエンジン１０の起動前に、インバータ・コンバータ制御手段５２による第１のインバータ・コンバータ５１への通電を開始する。
制御手段５４は、スターリングエンジン１０の起動時には、スターリングエンジン起動・停止手段５３により第１のインバータ・コンバータ５１を介して発電機２０にてスターリングエンジン１０を起動させる。

制御手段５４は、スターリングエンジン１０の起動後には、スターリングエンジン１０の膨張空間１０Ａの温度が所定温度を超えたことを判断して発電機２０による発電運転モードに移行させる。膨張空間１０Ａの温度は、第１の温度検出手段３２で検出する。
制御手段５４は、発電運転モードに移行後には、発電機２０による発電出力が所定値となるように、インバータ・コンバータ制御手段５２を介して第１のインバータ・コンバータ５１を制御する。発電出力は、発電出力検出手段３３によって検出する。

制御手段５４は、発電機２０の回転数が所定の回転数となるように制御してもよい。発電機２０の回転数は、図示しない発電機回転数検出手段にて検知してもいが、回転数検出手段３１にて検出することもできる。
制御手段５４は、発電機２０のトルクが所定のトルクとなるように制御してもよい。発電機２０のトルクは、トルク検出手段３４にて検出する。

発電運転モードにおいて、スターリングエンジン１０の入口温度及び膨張空間温度がそれぞれの所定値を下回った場合には、制御手段５４は、スターリングエンジン起動・停止手段５３を介してスターリングエンジン１０の運転を停止する。スターリングエンジン１０の入口温度は、排気ダクト４を流れる排ガス温度であり、第２の温度検出手段３５によって、ヒータ管１１における排ガス入口温度を検出する。
また、発電運転モードにおいて、スターリングエンジン制御システムの異常を検出した場合には、制御手段５４は、スターリングエンジン起動・停止手段５３を介してスターリングエンジン１０の運転を停止する。

また、発電運転の停止、すなわちスターリングエンジン１０の停止時には、制御手段５４は、インバータ・コンバータ制御手段５２を介して第１のインバータ・コンバータ５１の回転数を零に設定する。
また、発電運転の停止、すなわちスターリングエンジン１０の停止時には、制御手段５４は、回転数検出手段３１でスターリングエンジン１０の回転停止を検出する。

また、制御手段５４は、スターリングエンジン起動・停止手段５３によるスターリングエンジン１０の停止後に、インバータ・コンバータ制御手段５２による第１のインバータ・コンバータ５１への通電を停止する。

図４は本実施形態によるスターリングエンジン制御システムの自動運転シーケンスを示すフローチャートである。
自動運転開始のスイッチがＯＮされると（ステップ１）、待機モードによって所定時間の経過を待って（ステップ２）、排ガス入口温度が設定値より高いか否かを判断する（ステップ３）。
排ガス入口温度は、第２の温度検出手段３５によって検出し、ステップ３における判断は制御手段５４によって行われる。排ガス入口温度と比較する設定値は、あらかじめ記憶されており、表示・操作手段５９によって設定値を変更することもできる。

ステップ３において、排ガス入口温度が設定値以下であると制御手段５４で判断された場合には、ステップ２における待機モードに戻る。そして、所定時間経過後に再びステップ３において、排ガス入口温度が設定値より高いか否かを判断する。
ステップ３において、排ガス入口温度が設定値を超えたことを制御手段５４が判断すると、運転準備シーケンスに入る（ステップ４）。
運転準備シーケンスに入ると、第１のインバータ・コンバータ５１をＯＮする。すなわち、制御手段５４は、インバータ・コンバータ制御手段５２による第１のインバータ・コンバータ５１への通電を開始する。

ステップ４において、第１のインバータ・コンバータ５１をＯＮにした後インバータ・コンバータ５１の準備が完了したか否かを制御手段５４が判断する（ステップ５）。
ステップ５において、第１のインバータ・コンバータ５１から準備完了の信号が制御手段54に送られると運転開始シーケンスに移行する。(ステップ６)
このように、第１のインバータ・コンバータ５１の運転準備が整ってからスターリングエンジン１０の起動運転を始めるため、第1のインバータ・コンバータ５１の立ち上がり時間も考慮して、安定して運転開始シーケンスを始めることができる。
ステップ6において、運転開始シーケンスに移行すると、所定時間の経過状態を判断する。（ステップ７）。

ステップ７において、タイマーによって所定時間が経過したことを判断すると、均圧バルブ４２を開放する（ステップ８）。
なお、ステップ７におけるタイマーによる所定時間の経過判断は、頻繁な運転開始シーケンスの繰り返しを防ぐためのものであるため、タイマーを図４における右側のループ(例えば、ステップ１９の後)に入れ、所定時間の経過を待つことなく、ステップ８、ステップ９以降の起動動作に移行することも可能である。また、ステップ10、ステップ１２のタイマーを適宜設定することにより、同様な効果を得ることも可能である。
ステップ８では、スターリングエンジン起動・停止手段５３が、圧力調整手段４０により圧縮空間１０Ｂの圧力変動を小さくして、スターリングエンジン１０の起動を容易にする。
そして、モータリングを例えば所定の回転数として400min^-１で開始する（ステップ９）。
ステップ９におけるモータリングは、スターリングエンジン起動・停止手段５３が第１のインバータ・コンバータ５１を介して発電機２０にてスターリングエンジン１０を起動させる。
モータリング開始後、所定時間の経過状態を判断する（ステップ１０）。

ステップ１０において、タイマーによって所定時間が経過したことを判断すると、均圧バルブ４２を閉塞する（ステップ１１）。
ステップ１１における均圧バルブ４２を閉塞した後、所定時間の経過状態を判断する（ステップ１２）。

ステップ１２において、タイマーによって所定時間が経過したことを判断すると、膨張空間１０Ａのガス温度が設定値より高いか否かを判断する（ステップ１３）。
膨張空間１０Ａのガス温度は、第１の温度検出手段３２によって検出し、ステップ１３における判断は制御手段５４によって行われる。膨張空間１０Ａのガス温度と比較する設定値は、あらかじめ記憶されており、表示・操作手段５９によって設定値を変更することもできる。

ステップ１３において、膨張空間１０Ａのガス温度が設定値以下であると制御手段５４で判断された場合には、均圧バルブ４２を開放し（ステップ１６）、モータリング停止を行う（ステップ１７）。
ステップ１７におけるモータリング停止は、スターリングエンジン起動・停止手段５３が第１のインバータ・コンバータ５１に速度零の信号を出力させることで発電機２０によりスターリングエンジン１０を停止させる。

ステップ１８では、スターリングエンジン１０の回転が零速度になっているか否かを判断する。スターリングエンジン１０の回転は、回転数検出手段３１からの検出に基づいて制御手段５４が判断する。
ステップ１８において、スターリングエンジン１０の停止が確認されると、均圧バルブ４２を閉塞する（ステップ１９）。
ステップ１９における均圧バルブ４２の開放後は、再びステップ６における運転開始シーケンスに戻る。

ステップ１３において、膨張空間１０Ａのガス温度が設定値を超えたことを制御手段５４が判断すると、インバータ・コンバータ５１のインバータ発電出力が設定値を超えているか否かが判断される（ステップ１４）。
ステップ１４において、インバータ・コンバータ５１のインバータ発電出力が設定値以下であると制御手段５４で判断された場合には、均圧バルブ４２を開放し（ステップ１６）、モータリング停止を行う（ステップ１７）。

ステップ１４において、インバータ・コンバータ５１のインバータ発電出力が設定値を超えたことを制御手段５４が判断すると、発電運転モードに移行する（ステップ１５）。
ステップ１５における発電運転モードは、所定の設定回転数(例えば６００min^-１)による定回転数運転で行うことが好ましいが、定トルク運転で行うこともできる。
設定回転数による定回転数運転は、インバータ・コンバータ制御手段５２から第１のインバータ・コンバータ５１に対して所定回転数を出力する。このとき、回転数検出手段３１によって所定回転数での運転を監視する。
定トルク運転は、トルク検出手段３４からの検出値に応じて、制御手段５４でトルクと回転数のテーブルを参照して、インバータ・コンバータ制御手段５２から第１のインバータ・コンバータ５１に対して回転数を出力する。

図５は本実施形態によるスターリングエンジン制御システムの運転停止シーケンスを示すフローチャートである。
発電運転モードでスターリングエンジン１０を動作中に、自動運転スイッチがＯＦＦされた場合（ステップ１）又は異常発生が生じた場合（ステップ２）には、運転停止シーケンスに移行する（ステップ５）。
また、排ガス入口温度が設定値以下であると判断され（ステップ３）、更に膨張空間温度が設定値以下であると判断された（ステップ４）場合には、運転停止シーケンスに移行する（ステップ５）。
なお、ディーゼルエンジン３が停止されても、排ガス入口温度が設定値を超えている範囲においては、スターリングエンジン１０は動作でき、排熱を最大限利用することができる。

ステップ５において運転停止シーケンスに移行すると、均圧バルブ４２を開放する（ステップ６）。
そして、ステップ７において、スターリングエンジン起動・停止手段５３が第１のインバータ・コンバータ５１に速度零の信号を出力させることで発電機２０からスターリングエンジン１０を停止させる。
ステップ８では、スターリングエンジン１０の回転が零速度になっているか否かを判断する。スターリングエンジン１０の回転は、回転数検出手段３１からの検出に基づいて制御手段５４が判断する。

ステップ８において、スターリングエンジン１０の停止が確認されると、均圧バルブ４２を閉塞する（ステップ９）。
その後に、第１のインバータ・コンバータ５１をＯＦＦして（ステップ１０）、運転を停止する（ステップ１１）。第１のインバータ・コンバータ５１は、スターリングエンジン１０の停止が確認されてから停止されるため、確実かつ速やかにスターリングエンジン１０を停止する制御が行える。

図６から図１０は、本実施形態によるスターリングエンジン制御システムを用いた実験による性能特性図である。

図６は運転開始シーケンスの動作による性能特性図である。
図６では、約３１０℃の排ガスによってヒータ管が十分に暖められた状態で、スターリングエンジン１０を起動したときの時系列データを示す。
モータリング時の設定回転数を４００ｍｉｎ^−１、発電運転時の設定回転数を６００ｍｉｎ^−１としている。これより、モータリング時に約５ｋＷの負の電力、最大３０Ａ程度のインバータ・コンバータ５１のインバータ電流を生じた後、スターリングエンジン１０は発電運転を始め、約３ｋＷの発電出力で系統連系運転が行われていることがわかる。

図７は運転停止シーケンスの動作による性能特性図である。
図７では、発電モードで運転している状態から、自動運転ＯＦＦのスイッチを押してスターリングエンジン１０を停止させたときの時系列データを示す。
均圧バルブ４２を開くことで、約３ｋＷの負の電力、最大２５Ａ程度のインバータ・コンバータ５１のインバータ電流を生じながら、約１５秒後にスターリングエンジン１０は停止している。この際、エンジンが確実に停止したことを確認するため、制御手段５４は回転数検出手段３１の信号と第１のインバータ・コンバータ５１による零速度信号の両方を監視している。なお、連系電源を喪失させる等、様々な異常停止条件を与えた場合でも、停止シーケンスが適切に機能することを確認している。

図６及び図７からわかるように、運転開始や停止のシーケンスは概ね意図した通りに機能している。しかし、運転開始・停止時のインバータ・コンバータ５１のインバータ電流は通常の発電運転時の電流よりもかなり大きく、インバータ・コンバータや使用機器の選定には十分に留意する必要がある。

次に、排熱回収システムの性能特性を示す。
図８は、実運航開始後の航路中、３７時間の連続運転を行ったときのログデータである。ディーゼル発電機２の出力は６５０ｋＷ程度、排ガス温度は３１０℃程度であり、スターリングエンジン１０は約２．５ｋＷの発電出力で安定して運転を続けていることがわかる。

図９は、船舶が着岸し、荷役・停泊中にスターリングエンジン１０を運転したときのログデータである。このとき、ディーゼル発電機２の出力は６００〜１２０ｋＷの範囲で大きく変動している。スターリングエンジン１０の設定回転数を７００ｍｉｎ^−１一定としているため回転数の変化はほとんどないが、発電出力は排ガス温度や排ガス流量に応じて大きく変化していることがわかる。

図１０は、図８及び図９の結果から、スターリングエンジン１０が概ね定常状態で運転しているときのディーゼル発電機２の出力に対する各温度と発電出力をまとめたものである。これより、ディーゼル発電機２の出力が低い場合、膨脹空間ガス温度及び発電出力が大きく低下していることがわかる。これは、回転数を７００ｍｉｎ^−１一定として運転したため、排ガス熱量が小さい場合に膨脹空間ガス温度が十分に高められなかったためであり、排ガスの状態に合わせて設定回転数を決める制御を行うことで、低負荷運転時により高い発電出力が得られるものと考えられる。

本発明は、一般用をはじめ船舶用、特に電気推進船に用いる排熱利用スターリングエンジンに適している。

１０ スターリングエンジン
２０ 発電機
３１ 回転数検出手段
３２ 第１の温度検出手段
３３ 発電出力検出手段
３４ トルク検出手段
３６ 異常検出手段
４０ 圧力調整手段
５１ 第１のインバータ・コンバータ
５２ インバータ・コンバータ制御手段
５３ スターリングエンジン起動・停止手段
５４ 制御手段
５５ 第２のインバータ・コンバータ
５６ フィルタ
５９ 表示・操作手段
６０ 交流ライン
６１ 制動抵抗器

Claims (15)

1. 熱を利用して作動するスターリングエンジンと、前記スターリングエンジンに連結された発電機と、前記発電機に接続されたインバータ・コンバータと、前記インバータ・コンバータを制御するインバータ・コンバータ制御手段と、前記スターリングエンジンを起動・停止制御するスターリングエンジン起動・停止手段と、前記インバータ・コンバータ制御手段と前記スターリングエンジン起動・停止手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記スターリングエンジン起動・停止手段による前記スターリングエンジンの起動前に、前記インバータ・コンバータ制御手段による前記インバータ・コンバータへの通電を開始するとともに、前記インバータ・コンバータの準備が完了したか否かを判断して前記スターリングエンジンの起動開始シーケンスに移行することを特徴とするスターリングエンジン制御システム。
2. 前記制御手段は、前記スターリングエンジン起動・停止手段による前記スターリングエンジンの停止後に、前記インバータ・コンバータ制御手段による前記インバータ・コンバータへの通電を停止することを特徴とする請求項１に記載のスターリングエンジン制御システム。
3. 前記スターリングエンジン起動・停止手段は、前記スターリングエンジンの圧縮空間の圧力を調節する圧力調整手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスターリングエンジン制御システム。
4. 前記スターリングエンジン起動・停止手段は、前記スターリングエンジンの起動時又は停止時に、前記圧力調整手段により前記圧縮空間の圧力変動を小さくすることを特徴とする請求項３に記載のスターリングエンジン制御システム。
5. 前記制御手段は、前記スターリングエンジンの起動時に前記インバータ・コンバータを介して前記発電機にて前記スターリングエンジンを起動させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システム。
6. 前記制御手段は、前記スターリングエンジンの膨張空間の温度が所定温度を超えたことを判断して前記発電機による発電運転モードに移行させることを特徴する請求項１から請求項５のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システム。
7. 前記制御手段は、前記発電機による発電出力が所定値となるように、前記インバータ・コンバータ制御手段を介して前記インバータ・コンバータを制御することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システム。
8. 前記制御手段は、前記発電機の回転数が所定の回転数となるように制御することを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン制御システム。
9. 前記制御手段は、前記発電機のトルクが所定のトルクとなるように制御することを特徴とする請求項７に記載のスターリングエンジン制御システム。
10. 前記制御手段は、前記スターリングエンジンの入口温度及び膨張空間温度がそれぞれの所定値を下回った場合、又は前記スターリングエンジン制御システムの異常を検出した場合に前記スターリングエンジン起動・停止手段を介して前記スターリングエンジンの運転を停止することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システム。
11. 前記制御手段は、前記スターリングエンジンの停止時に前記インバータ・コンバータ制御手段を介して前記インバータ・コンバータの回転数を零に設定することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システム。
12. 前記スターリングエンジンの回転数を検出する回転数検出手段をさらに備え、前記スターリングエンジンの停止時に前記回転数検出手段で前記スターリングエンジンの回転停止を検出することを特徴とする請求項１１に記載のスターリングエンジン制御システム。
13. 前記インバータ・コンバータにより、発電出力を交流ラインに系統連系させることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システム。
14. 前記熱として、エンジンの排ガスを用いることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システム。
15. 請求項１から請求項１４のいずれかに記載のスターリングエンジン制御システムを備えたスターリングエンジン搭載船舶。