JP6002417B2 - 廃熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給機にて吸気を加圧して原動機に供給する過給機付き原動機の廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。

従来より、ランキンサイクルを利用して原動機からの廃熱を回収する技術が知られている。近年、特許文献１や非特許文献１のように、過給機で加圧された吸入空気（圧縮空気）を冷却する空気冷却器から廃熱を回収する装置が提案されている。特許文献１の装置では、圧縮空気の廃熱の一部とシリンダジャケットの冷却水の廃熱を、中間流体によって回収し、中間流体により回収された回収熱により、低沸点の有機媒体である作動流体を加熱および蒸発させる技術が開示されている。非特許文献１の装置でも同様に、舶用ディーゼルエンジンの過給機による圧縮空気の冷却廃熱を、中間流体によって回収し、中間流体とは異なる作動流体を加熱および蒸発させる。

一方、特許文献２では、車両用のエンジンに係る廃熱を熱源とする廃熱利用装置が開示されている。当該廃熱利用装置では、過給器で加圧された圧縮空気の熱が、車両の走行条件に応じて大きく変動した場合であっても、安定したランキンサイクルの稼働が可能となるように、圧縮空気の熱を熱源とする熱交換器と、エンジンの冷却液の熱を熱源とするもう１つの熱交換器とが設けられる。

また、特許文献３では、発電用のガスエンジンの廃熱により蒸気タービンを駆動して発電を行う発電システムが開示されている。特許文献２の発電システムでは、水を作動流体としてランキンサイクルを行う高温側発電ユニットと、水よりも低沸点の冷媒を作動流体としてランキンサイクルを行う低温側発電ユニットとが設けられる。当該発電システムでは、ガスエンジンからの廃熱の熱量が小さい場合であても確実に熱回収を行うことができるように、ガスエンジンの負荷が小さく排気ガスの温度が低温になっている場合は、高温側発電ユニットのランキンサイクルが停止され、低温側発電ユニットのみによる発電が行われる。

特許文献４は、低沸点媒体を用いた舶用発電装置に関するものである。当該舶用発電装置では、電源等の熱源により臨界温度まで加熱・保温された低沸点溶液が保温ドラムに貯蔵されており、消費電力の一時的かつ急激な増大に発電量が追従できない場合（すなわち、蒸気タービンに流入する蒸気量が不足する場合）、必要に応じた蒸気が保温ドラムからフラッシャへと供給される。これにより、消費電力の一時的な変動に発電量を追従させることが可能とされる。

特開２０１１−２３１６３６号公報 特開２００８−８２２４号公報 特開２００２−１６１７１６号公報 実公平３−３０５６３号公報

三井造船株式会社、"船舶用バイナリー発電システムの開発について"、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２２年１１月１４日、三井造船株式会社、［平成２３年３月２３日検索］、インターネット〈URL：http://www.mes.co.jp/press/2011/20111114.html〉

ところで、熱サイクルの効率は、高温側温度（蒸発温度）と低温側温度（凝縮温度）の差で決定され、当該温度差が大きくなるに従って得られる仕事も大きくなる。凝縮温度は、大気温度等によりほぼ決定されてしまうため、廃熱から効率良くエネルギーを回収するためには、蒸発温度を高くする必要がある。しかしながら、特許文献１や非特許文献１のように、中間流体を用いて作動流体を加熱および蒸発させる装置では、廃熱源である圧縮空気から作動流体に効率良く熱を移動させるために、圧縮空気と中間流体との間、および、中間流体と作動流体との間に適当な温度差が必要となる。このため、圧縮空気の温度に対して、作動流体の蒸発温度を高くすることができず、効率良く廃熱を回収することが困難である。

また、特許文献２の車両用の廃熱利用装置では、エンジン出力が低下して圧縮空気の温度が低下した場合、圧縮空気の熱を回収することはできず、発電量が低下してしまう。さらに、複数の熱交換器を設ける必要があるため、廃熱利用装置が大型化してしまう。特許文献３の発電システムでも、複数のランキンサイクルを設けることにより、発電システムが大型化するとともに製造コストが増大するおそれもある。特許文献４の舶用発電装置では、低沸点溶液を臨界温度に維持するための熱エネルギーが常時必要となるため、廃熱回収の効率を向上することが困難である。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、装置の大型化を抑制しつつ、熱負荷の変動に追従して効率良く廃熱を回収することを目的としている。また、舶用または発電用の過給機付き原動機の廃熱を効率的に回収することも目的としている。

請求項１に記載の発明は、過給機にて吸気を加圧して原動機に供給する過給機付き原動機の廃熱を回収する廃熱回収装置であって、前記過給機にて加圧された吸気である加圧吸気を前記原動機へと導く流路において、前記加圧吸気を熱源として作動流体を加熱して気化する熱交換器と、前記熱交換器にて気化された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張器と、前記膨張器にて膨張させた前記作動流体を凝縮して液化する凝縮器と、前記凝縮器にて液化された前記作動流体を前記熱交換器へと送出するポンプと、前記熱交換器における熱負荷を取得する熱負荷検出部と、前記熱交換器における熱負荷と、前記熱交換器における前記作動流体の所望の圧力である設定圧力との関係を示す熱負荷−設定圧力情報を記憶する記憶部と、前記熱負荷検出部からの出力、および、前記熱負荷−設定圧力情報に基づいて、前記ポンプの特性であるポンプ特性、および、前記ポンプから前記熱交換器を経由して前記膨張器に至る前記作動流体の流路の抵抗特性の少なくとも一方を変更することにより、前記熱交換器における前記作動流体の圧力を制御する制御部と、前記ポンプと前記熱交換器との間において前記作動流体の流量を調節する調節弁と、前記ポンプと前記調節弁との間から分岐して前記ポンプと前記凝縮器との間、または、前記凝縮器に合流する分岐流路と、前記分岐流路に設けられて前記作動流体の流量を調節するもう１つの調節弁とを備え、前記制御部が、前記調節弁の開度を変更することにより、前記抵抗特性を変更し、前記制御部が、前記もう１つの調節弁の開度を変更して、前記分岐流路を介して前記ポンプと前記凝縮器との間、または、前記凝縮器へと戻される前記作動流体の流量を変更することにより、前記熱交換器における前記作動流体の流量も制御する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置であって、前記熱交換器における前記作動流体の流量を測定する流量センサをさらに備え、前記制御部による制御が、前記流量センサからの出力にも基づいて行われる。

本発明では、装置の大型化を抑制しつつ、熱負荷の変動に追従して効率良く廃熱を回収することができる。

第１の実施の形態に係る原動機システムの構成を示す図である。 原動機負荷−掃気温度情報および原動機負荷−掃気流量情報を示す図である。 ポンプ特性および抵抗特性を示す図である。 ポンプ特性および抵抗特性を示す図である。 比較例の廃熱回収装置において、熱交換器に供給される掃気の温度を変更した場合の出力の変化を示す図である。 第２の実施の形態に係る原動機システムの構成を示す図である。 ポンプ特性および抵抗特性を示す図である。 他の原動機システムの構成を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る原動機システム１の構成を示す図である。原動機システム１は、船舶の主機システムとして利用される。原動機システム１は、舶用原動機である過給機付き原動機２と、過給機付き原動機２の廃熱を回収する廃熱回収装置６とを備える。

過給機付き原動機２は、２ストロークエンジンである原動機３と、ターボチャージャである過給機４とを備える。原動機３と過給機４とは、掃気路３１および排気路３２により接続される。過給機４は、タービン４１およびコンプレッサ４２を備え、タービン４１は、原動機３から排気路３２を介して送り込まれた排気により回転する。タービン４１の回転に利用された排気は、原動機システム１の外部に排出される。コンプレッサ４２は、タービン４１にて発生する回転力を利用して（すなわち、タービン４１の回転を動力として）、原動機システム１の外部から吸気路４３を介して取り込んだ吸気（空気）を加圧して圧縮する。コンプレッサ４２により加圧された吸気である加圧吸気（以下、「掃気」という。）は、掃気路３１上に設けられた熱交換器６２（いわゆる、インタークーラ）にて冷却された後、原動機３に供給される。このように、過給機４では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。

廃熱回収装置６は、作動流体が流れる配管６１と、熱交換器６２と、膨張器６３と、凝縮器６４と、ポンプ６５と、調整弁６６と、熱負荷検出部７１と、圧力センサ７２と、流量センサ７３と、記憶部７４と、制御部７５とを備える。熱交換器６２、膨張器６３、凝縮器６４、ポンプ６５および調整弁６６は、配管６１により接続される。作動流体としては、様々な流体が用いられてよく、本実施の形態では、Ｒ２４５ｆａのような代替フロン等の有機媒体が作動流体として用いられ、廃熱回収装置６において、いわゆる有機ランキンサイクル（ＯＲＣ：Organic Rankine Cycle）が行われる。

熱交換器６２は、上述のように、原動機３へと掃気を導く流路である掃気路３１において、掃気路３１内を流れる掃気を熱源として作動流体を加熱して気化させる。膨張器６３は、熱交換器６２により気化された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。本実施の形態では、膨張器６３として、熱交換器６２にて気化された作動流体により回転する蒸気タービンが利用される。当該蒸気タービンの軸は発電機８に接続されており、熱交換器６２から配管６１を介して送り込まれる作動流体の飽和蒸気により蒸気タービンが駆動されることにより、発電機８において発電が行われる。

凝縮器６４は、膨張器６３にて膨張させた作動流体を凝縮して液化させる。ポンプ６５は、凝縮器６４にて液化された作動流体を加圧しつつ熱交換器６２へと送出する昇圧ポンプである。ポンプ６５はインバータポンプであり、制御部７５によりポンプ６５の回転数が変更されることにより、ポンプ６５の特性であるポンプ特性が変更される。調整弁６６は、ポンプ６５と熱交換器６２との間において、配管６１を流れる作動流体の流量を調整する。

熱負荷検出部７１は、熱交換器６２における熱負荷を取得する。熱負荷検出部７１による熱負荷の取得は、原動機３の回転数に基づいて行われる。具体的には、コンプレッサ４２から熱交換器６２へと掃気路３１を流れる掃気の温度および流量が、原動機３の回転数とに基づいて求められ、掃気温度および掃気流量に基づいて熱負荷が取得される。より具体的には、原動機３の負荷とコンプレッサ４２から熱交換器６２へと送出される掃気の温度との関係（すなわち、原動機３の回転数と掃気温度との関係）を示す「原動機負荷−掃気温度情報」、および、原動機３の負荷と掃気の流量との関係（すなわち、原動機３の回転数と掃気流量との関係）を示す「原動機負荷−掃気流量情報」が、予め記憶部７４に記憶される。

図２は、原動機負荷−掃気温度情報、および、原動機負荷−掃気流量情報を示す図である。図２の横軸は原動機負荷（％）を示し、左側の縦軸は掃気温度（℃）を示す。また、右側の縦軸は、原動機負荷が８５％である場合の掃気流量に対する各原動機負荷（％）における掃気流量の割合を示す。図２中の実線９１は原動機負荷−掃気温度情報を示し、破線９２は原動機負荷−掃気流量情報を示す。図２から、原動機の負荷が小さくなると、掃気の温度および流量が共に低下し、掃気が供給される熱交換器６２における熱負荷も小さくなることがわかる。

熱負荷検出部７１では、過給機付き原動機２から送られた原動機３の負荷と、図２に示す原動機負荷−掃気温度情報、および、原動機負荷−掃気流量情報とに基づいて、熱交換器６２に供給される掃気の温度および流量が求められ、熱交換器６２の熱負荷が取得される。なお、掃気の温度は、例えば、コンプレッサ４２と熱交換器６２との間において掃気路３１内の温度が測定されることにより取得されてもよい。圧力センサ７２は、熱交換器６２における作動流体の圧力を測定する。流量センサ７３は、熱交換器６２における作動流体の流量を測定する。

記憶部７４は、熱交換器６２における熱負荷と、熱交換器６２における作動流体の所望の圧力である設定圧力との関係を示す「熱負荷−設定圧力情報」を記憶する。記憶部７４は、また、熱交換器６２における熱負荷と、熱交換器６２における作動流体の所望の流量である設定流量との関係を示す「熱負荷−設定流量情報」も記憶する。熱負荷−設定圧力情報および熱負荷−設定流量情報の詳細については後述する。

図３は、ポンプ６５のポンプ特性、および、ポンプ６５から熱交換器６２を経由して膨張器６３に至る作動流体の流路の抵抗特性（以下、単に「抵抗特性」という。）を示す図である。図３の横軸は流量を示し、縦軸は圧力を示す。図３中の実線９３は、所定の回転数（以下、「基準回転数」という。）にて回転するポンプ６５のポンプ特性を示し、破線９４は、基準回転数よりも小さい回転数にて回転するポンプ６５のポンプ特性を示す。また、図３中の実線９５は、調整弁６６の開度が所定の開度（以下、「基準開度」という。）である場合の抵抗特性を示し、破線９６は、調整弁６６の開度が基準開度よりも小さい場合の抵抗特性を示す。図３中におけるポンプ特性９３と抵抗特性９５との交点（Ｑ１，Ｐ１）が、基準回転数および基準開度のときの熱交換器６２における作動流体の流量および圧力を示す。

制御部７５は、ポンプ６５の回転数を変更することによりポンプ特性を変更し、また、調整弁６６の開度を変更することにより上述の抵抗特性を変更する。これにより、熱交換器６２における作動流体の圧力および流量が制御される。廃熱回収装置６では、熱負荷検出部７１からの出力された熱交換器６２における熱負荷、並びに、記憶部７４に予め記憶されている熱負荷−設定圧力情報、および、熱負荷−設定流量情報に基づいて、設定圧力および設定流量が求められる。

そして、圧力センサ７２および流量センサ７３から出力される熱交換器６２における作動流体の圧力および流量が、設定圧力および設定流量に等しくなるように、制御部７５により、ポンプ６５の回転数、および、調整弁６６の開度が変更される。換言すれば、制御部７５は、熱負荷検出部７１からの出力、熱負荷−設定圧力情報、熱負荷−設定流量情報、圧力センサ７２からの出力、および、流量センサ７３からの出力に基づいて、熱交換器６２における作動流体の圧力および流量を制御する。

熱負荷−設定圧力情報は、熱交換器６２における熱負荷が低下すると、設定圧力が小さくなるという関係を示す情報であり、熱負荷−設定流量情報は、熱交換器６２における熱負荷が低下すると、設定流量が小さくなるという関係を示す情報である。したがって、熱交換器６２における熱負荷が低下すると、設定流量および設定圧力は、図４に示すように（Ｑ１，Ｐ１）よりもそれぞれ小さい（Ｑ２，Ｐ２）となる。廃熱回収装置６では、制御部７５の制御により、ポンプ６５の回転数が低下し、ポンプ特性が二点鎖線９３ａから実線９４ａに変更される。また、調整弁６６の開度が小さくされ、抵抗特性が二点鎖線９５ａから実線９６ａに変更される。これにより、熱交換器６２における作動流体の圧力および流量が、設定圧力および設定流量に等しい（Ｑ２，Ｐ２）となる。

図５は、熱交換器における作動流体の圧力および流量が固定されている廃熱回収装置（以下、「比較例の廃熱回収装置」という。）において、熱交換器に供給される掃気の温度を変更した場合の出力の変化を示す図である。図５中の実線９７は、熱交換器における作動流体の圧力が所定の第１圧力にて固定された場合の出力を示し、破線９８は、熱交換器における作動流体の圧力が第１圧力よりも小さい第２圧力にて固定された場合の出力を示し、一点鎖線９９は、熱交換器における作動流体の圧力が第２圧力よりも小さい第３圧力にて固定された場合の出力を示す。

熱交換器では、作動流体の圧力により作動流体の飽和温度が決定される。比較例の廃熱回収装置では、熱交換器における作動流体の圧力が第１圧力、第２圧力、第３圧力のとき、熱交換器における作動流体の飽和温度はそれぞれ１５０℃、１３０℃、１００℃である。図５中の横軸は掃気温度（℃）を示す。また、縦軸は、掃気温度が２２０℃かつ作動流体の飽和温度が１５０℃である場合の比較例の廃熱回収装置の出力を定格出力として、各掃気温度における比較例の廃熱回収装置の出力の定格出力に対する割合を示す。

図５に示すように、作動流体の飽和温度が１５０℃（実線９７）のときの出力は、掃気温度が約１９０℃以上の範囲では最も大きいが、掃気温度が約１９０℃以下の範囲では、他の飽和温度のときの出力よりも小さくなり、掃気温度が約１６０℃以下になると廃熱を回収することはできなくなる。一方、作動流体の飽和温度が１００℃（一点鎖線９９）のときは、掃気温度が１２０℃以上であれば廃熱を回収することができ、その出力も、掃気温度が約１７０℃以下の範囲では最も大きいが、掃気温度が約１７０℃以上の範囲では他の飽和温度のときの出力よりも小さくなる。したがって、比較例の廃熱回収装置のように作動流体の圧力が一定である装置では、掃気温度の広い範囲に亘って効率良く廃熱回収を行うことはできない。

これに対し、図１に示す廃熱回収装置６では、上述のように、記憶部７４に予め記憶される熱負荷−設定圧力情報が、熱交換器６２における熱負荷が低下すると（すなわち、掃気温度が低下すると）、設定圧力が小さくなるという関係を示す情報であり、熱交換器６２における作動流体の圧力は、熱負荷検出部７１からの出力、および、熱負荷−設定圧力情報に基づいて、設定圧力に等しくなるように制御される。したがって、原動機３の負荷が低下し、熱交換器６２における熱負荷が低下すると、制御部７５が、熱交換器６２における作動流体の圧力を低下させて飽和温度を低下させる。これにより、熱交換器６２における熱負荷が低い場合であっても、熱交換器６２において作動流体を効率的に気化させることができ、効率良く廃熱を回収することができる。また、原動機３の負荷が比較的高い状態では、熱交換器６２における作動流体の圧力が高くなるように制御されて飽和温度が高い状態とされる。これにより、熱交換器６２における熱負荷が高い状態でも、効率良く廃熱を回収することができる。

廃熱回収装置６では、例えば、熱負荷検出部７１から出力される熱負荷（以下、「熱負荷検出値」という。）が、所定の基準熱負荷から増大するに従って、熱交換器６２における作動流体の圧力が漸次増大し、熱負荷検出値が基準熱負荷から減少するに従って、作動流体の圧力が漸次減少するように制御される。あるいは、熱負荷検出値が、掃気温度が約１９０℃のときの熱負荷よりも大きい場合、熱交換器６２における作動流体の飽和温度が１５０℃となるように作動流体の圧力が制御され、熱負荷検出値が、掃気温度が約１８０〜１９０℃のときの熱負荷に等しい場合、熱交換器６２における作動流体の飽和温度が１３０℃となるように作動流体の圧力が制御され、熱負荷検出値が、掃気温度が約１８０℃の時の熱負荷未満である場合、熱交換器６２における作動流体の飽和温度が１００℃となるように作動流体の圧力が段階的に制御されてもよい。

廃熱回収装置６では、上述のように、１つの有機ランキンサイクルにおいて、熱交換器６２における作動流体の圧力を制御することにより、熱交換器６２における熱負荷の広い範囲に亘って、すなわち、熱負荷の変動に追従して効率良く廃熱を回収することができる。したがって、廃熱回収装置６は、低負荷にて運転される頻度が比較的高い舶用原動機である過給機付き原動機２が設けられた原動機システム１に特に適している。また、廃熱回収装置６では、複数のランキンサイクルを設けたり、予備の作動流体を飽和温度近傍まで加熱・保温しておく場合に比べて、装置の大型化を抑制して装置の製造コストの増大を抑制することができ、また、余分な熱エネルギーを消費することなく廃熱回収の効率を向上することができる。

上述のように、記憶部７４に予め記憶される熱負荷−設定流量情報は、熱交換器６２における熱負荷が低下すると設定流量が小さくなるという関係を示す情報であり、熱交換器６２における作動流体の流量は、熱負荷検出部７１からの出力、および、熱負荷−設定流量情報に基づいて、設定流量に等しくなるように制御される。したがって、原動機３の負荷が低下して熱交換器６２における熱負荷が低下すると、すなわち、熱交換器６２において掃気の熱により気化させることができる作動流体の量が減少すると、制御部７５が、熱交換器６２における作動流体の流量を低下させる。これにより、熱交換器６２において気化可能な量よりも多い作動流体が熱交換器６２に供給されることを防止することができる。その結果、廃熱回収装置６において作動流体の環流に要するエネルギーの増大を防止することができる。

上述のように、廃熱回収装置６では、制御部７５によりポンプ特性および抵抗特性が変更されることにより、熱交換器６２における作動流体の圧力が制御され、作動流体の飽和温度が制御される。制御部７５は、ポンプ６５の回転数を変更することにより、ポンプ特性を容易に変更することができ、調整弁６６の開度を変更することにより、抵抗特性を容易に変更することができる。これにより、熱交換器６２における作動流体の圧力を容易に制御することができる（すなわち、作動流体の飽和温度を容易に制御することができる）とともに、作動流体の流量も容易に制御することができる。

また、制御部７５による制御が、熱交換器６２における作動流体の圧力を測定する圧力センサ７２からの出力に基づいても行われることにより、熱交換器６２における作動流体の圧力を高精度に制御することができる。さらに、制御部７５による制御が、熱交換器６２における作動流体の流量を測定する流量センサ７３からの出力に基づいても行われることにより、熱交換器６２における作動流体の流量を高精度に制御することができる。

熱負荷検出部７１では、熱交換器６２における熱負荷を、原動機３の回転数に基づいて容易に取得することができる。また、膨張器６３が、熱交換器６２にて気化された作動流体により回転する蒸気タービンであるため、廃熱回収装置６の構造は、比較的大きい廃熱を回収する装置に特に適している。

舶用の原動機システムでは、通常、過給機からの掃気は、原動機へと導かれる流路において海水等により冷却され、冷却に利用された海水は船外へと廃棄される。また、特開２０１１−２３１６３６号公報の廃熱回収発電装置（以下、「第２の比較例の装置」という。）では、掃気の廃熱を中間流体によって回収し、中間流体により回収された回収熱により、低沸点の有機媒体である作動流体を気化させ、気化された作動流体から機械的エネルギーが回収される。当該廃熱回収発電装置では、掃気と中間流体との間、および、中間流体と作動流体との間に適当な温度差が必要となるため、作動流体の蒸発温度を高くすることができず、掃気の廃熱を効率良く回収することが困難である。

これに対し、上記実施の形態に係る舶用の原動機システム１では、廃熱回収装置６により、掃気路３１内を流れる掃気を熱源として有機媒体である作動流体を直接的に（すなわち、中間流体を介さずに）加熱して気化し、気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。これにより、制御部７５により熱交換器６２における作動流体の圧力の制御が行われない場合であっても、過給機付き原動機２の掃気の廃熱を効率良く回収することができる。例えば、熱交換器６２により冷却される前の掃気温度が２３０℃である場合、廃熱回収装置６に接続される発電機８による発電量は、制御部７５による制御が行われない場合であっても、第２の比較例の装置による発電量の約２倍である。廃熱回収装置６は、陸上等で使用される発電用の過給機付き原動機にも適用可能であり、制御部７５による上述の制御が行われない場合であっても、コンプレッサにより加圧された吸気の廃熱を効率良く回収することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る原動機システムについて説明する。図６は、第２の実施の形態に係る原動機システム１ａの構成を示す図である。原動機システム１ａでは、図１に示す廃熱回収装置６に代えて、廃熱回収装置６とは一部構造が異なる廃熱回収装置６ａが設けられる。廃熱回収装置６ａでは、図１に示すポンプ６５に代えて、回転数が制御されることなく一定の回転数にて駆動するポンプ６５ａが設けられ、調整弁６６に加えてもう１つの調整弁６７が設けられる。その他の構成は、図１に示す廃熱回収装置６と同様であり、以下の説明では同符号を付す。

図６に示す廃熱回収装置６ａでは、ポンプ６５ａと調整弁６６との間の配管６１から分岐配管６１ａが分岐し、凝縮器６４とポンプ６５ａとの間にて配管６１に合流する。分岐配管６１ａは、ポンプ６５ａと調整弁６６との間から分岐して凝縮器６４に合流してもよい。もう１つの調整弁６７は、分岐流路である分岐配管６１ａ上に設けられ、分岐配管６１ａを流れる作動流体の流量を調整する。以下の説明では、調整弁６６と調整弁６７とを区別するために、それぞれ「第１調整弁６６」および「第２調整弁６７」という。

廃熱回収装置６ａでは、図１に示す廃熱回収装置６と同様に、熱負荷検出部７１からの出力された熱交換器６２における熱負荷、並びに、記憶部７４に予め記憶されている熱負荷−設定圧力情報、および、熱負荷−設定流量情報に基づいて、設定圧力および設定流量が求められる。そして、制御部７５により、第１調整弁６６の開度が変更されることにより、ポンプ６５ａから熱交換器６２を経由して膨張器６３に至る作動流体の流路の抵抗特性が変更され、圧力センサ７２により測定される熱交換器６２における作動流体の圧力が設定圧力に等しくなる。また、制御部７５により、第２調整弁６７の開度が変更されることにより、分岐配管６１ａを介してポンプ６５ａと凝縮器６４との間、または、凝縮器６４へと戻される作動流体の流量が変更される。これにより、ポンプ６５ａから第１調整弁６６を介して熱交換器６２へと供給される作動流体の流量（すなわち、熱交換器６２における作動流体の流量）が設定流量に等しくなる。

例えば、熱交換器６２における熱負荷が低下すると、設定流量および設定圧力は、図７に示すように（Ｑ１，Ｐ１）よりもそれぞれ小さい（Ｑ２，Ｐ２）となる。廃熱回収装置６ａでは、制御部７５の制御により、第１調整弁６６の開度が大きくされ、抵抗特性が二点鎖線９５ｂから実線９６ｂに変更される。これにより、熱交換器６２における作動流体の圧力が、設定圧力Ｐ２に等しくなる。また、第２調整弁６７の開度が大きくされることにより、熱交換器６２における作動流体の流量が減少し、設定流量Ｑ２に等しくなる。

廃熱回収装置６ａでは、図１に示す廃熱回収装置６と同様に、原動機３の負荷が低下し、熱交換器６２における熱負荷が低下すると、制御部７５が、熱交換器６２における作動流体の圧力を低下させて飽和温度を低下させる。これにより、熱交換器６２における熱負荷が低下した場合であっても、効率良く廃熱を回収することができる。また、原動機３の負荷が比較的高い状態では、熱交換器６２における作動流体の圧力が高くなるように制御されて飽和温度が高い状態とされる。これにより、熱交換器６２における熱負荷が高い状態でも、効率良く廃熱を回収することができる。

廃熱回収装置６ａでは、１つの有機ランキンサイクルにおいて、熱交換器６２における作動流体の圧力を制御することにより、装置の大型化を抑制しつつ、熱交換器６２における熱負荷の広い範囲に亘って、すなわち、熱負荷の変動に追従して効率良く廃熱を回収することができる。したがって、廃熱回収装置６ａは、低負荷にて運転される頻度が比較的高い舶用原動機である過給機付き原動機２が設けられた原動機システム１ａに特に適している。

また、廃熱回収装置６ａでは、原動機３の負荷が低下して熱交換器６２における熱負荷が低下すると、すなわち、熱交換器６２において掃気の熱により気化させることができる作動流体の量が減少すると、制御部７５が、熱交換器６２における作動流体の流量を低下させる。これにより、熱交換器６２において気化可能な量よりも多い作動流体が熱交換器６２に供給されることを防止することができる。その結果、廃熱回収装置６ａにおいて作動流体の環流に要するエネルギーの増大を防止することができる。

制御部７５は、第１調整弁６６の開度を変更することにより、抵抗特性を容易に変更することができる。これにより、熱交換器６２における作動流体の圧力を容易に制御することができる。また、制御部７５は、第２調整弁６７の開度を変更することにより、熱交換器６２における作動流体の流量を容易に制御することができる。さらに、制御部７５による制御が、圧力センサ７２および流量センサ７３からの出力に基づいても行われることにより、熱交換器６２における作動流体の圧力および流量を高精度に制御することができる。

熱負荷検出部７１では、図１に示す廃熱回収装置６と同様に、熱交換器６２における熱負荷を、原動機３の回転数に基づいて容易に取得することができる。また、膨張器６３が、熱交換器６２にて気化された作動流体により回転する蒸気タービンであるため、廃熱回収装置６ａの構造は、比較的大きい廃熱を回収する装置に特に適している。

第２の実施の形態に係る舶用の原動機システム１ａでは、第１の実施の形態と同様に、廃熱回収装置６ａにより、掃気路３１内を流れる掃気を熱源として作動流体を直接的に（すなわち、中間流体を介さずに）加熱して気化し、気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する。これにより、制御部７５により熱交換器６２における作動流体の圧力の制御が行われない場合であっても、過給機付き原動機２の掃気の廃熱を効率良く回収することができる。また、廃熱回収装置６ａは、陸上等で使用される発電用の過給機付き原動機にも適用可能であり、制御部７５による上述の制御が行われない場合であっても、コンプレッサにより加圧された吸気の廃熱を効率良く回収することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

膨張器６３は、蒸気タービンには限定されず、例えば、膨張弁が膨張器６３として利用されてよい。熱交換器６２における作動流体の圧力や流量が十分な精度で制御することができる場合、圧力センサ７２や流量センサ７３は必ずしも設けられなくてもよい。

廃熱回収装置６，６ａでは、熱交換器６２における作動流体の圧力が制御されるのであれば、熱交換器６２における作動流体の流量は必ずしも制御される必要はない。作動流体の流量の制御が行われない場合、第１の実施の形態に係る廃熱回収装置６では、制御部７５により、ポンプ特性および抵抗特性の少なくとも一方が変更されることにより、熱交換器６２における作動流体の圧力が制御される。流量制御が行われない場合であっても、熱交換器６２における作動流体の圧力が制御されることにより、廃熱回収装置６，６ａの大型化を抑制しつつ、熱交換器６２における熱負荷の変動に追従して効率良く廃熱を回収することができる。なお、気化可能な量を超えて熱交換器６２に作動流体が供給された場合、作動流体は、図示省略の気液分離部において気体と液体とに分離された後、気体のみが膨張器６３に供給され、液体は、凝縮器６４とポンプ６５，６５ａとの間の配管６１、または、凝縮器６４に戻される。

原動機３は、必ずしも２ストロークエンジンである必要はなく、４ストロークエンジンが原動機３として利用されてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、廃熱回収装置６，６ａの大型化を抑制しつつ、コンプレッサ４２により加圧された吸気である給気の温度変動、すなわち、熱交換器６２における熱負荷の変動に追従して効率良く廃熱を回収することができる。

原動機システム１，１ａでは、掃気路３１の熱交換器６２と原動機３との間に、海水等により掃気を冷却する冷却装置が設けられてもよい。これにより、掃気をさらに冷却して原動機３の効率をより向上することができる。また、メンテナンス等により廃熱回収装置６が停止される場合であっても、掃気を冷却することができる。

上述のように、舶用の原動機システム１，１ａにおいて、制御部７５による制御が行われない場合、廃熱回収装置６は、図８に示すように、熱交換器６２に加えて、排気路３２上に配置される他の熱交換器６２ａを備えてもよい。この場合、熱交換器６２ａは、分岐配管６１ｂにより配管６１に接続される。分岐配管６１ｂは、配管６１のポンプ６５と熱交換器６２との間から分岐し、熱交換器６２と膨張器６３との間に合流する。熱交換器６２ａでは、排気路３２内を流れる排気を熱源として上述の作動流体が加熱されて気化され、気化された作動流体は膨張器６３に供給される。これにより、過給機付き原動機２の廃熱を効率的に回収することができる。

膨張器６３は、必ずしも発電機８に接続される必要はなく、膨張器６３からの出力は、原動機システム１，１ａが配置される船内の様々な用途に利用されてよい。熱負荷検出部７１からの出力、および、熱負荷−設定圧力情報に基づいて、ポンプ６５のポンプ特性、および、ポンプ６５，６５ａから熱交換器６２を経由して膨張器６３に至る作動流体の流路の抵抗特性の少なくとも一方を変更することにより、熱交換器６２における作動流体の圧力が制御されるのであれば、原動機システム１，１ａは、船舶の主機システム以外の用途に使用されてよく、過給機付き原動機２は、舶用原動機には限定されない。また、この場合、作動流体も有機媒体には限定されない。

上記実施形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１，１ａ 原動機システム
２ 過給機付き原動機
３ 原動機
４ 過給機
６，６ａ 廃熱回収装置
３１ 掃気路
６１ａ 分岐配管
６２ 熱交換器
６３ 膨張器
６４ 凝縮器
６５，６５ａ ポンプ
６６ （第１）調整弁
６７ 第２調整弁
７１ 熱負荷検出部
７２ 圧力センサ
７３ 流量センサ
７４ 記憶部
７５ 制御部

Claims (2)

1. 過給機にて吸気を加圧して原動機に供給する過給機付き原動機の廃熱を回収する廃熱回収装置であって、
   前記過給機にて加圧された吸気である加圧吸気を前記原動機へと導く流路において、前記加圧吸気を熱源として作動流体を加熱して気化する熱交換器と、
   前記熱交換器にて気化された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張器と、
   前記膨張器にて膨張させた前記作動流体を凝縮して液化する凝縮器と、
   前記凝縮器にて液化された前記作動流体を前記熱交換器へと送出するポンプと、
   前記熱交換器における熱負荷を取得する熱負荷検出部と、
   前記熱交換器における熱負荷と、前記熱交換器における前記作動流体の所望の圧力である設定圧力との関係を示す熱負荷−設定圧力情報を記憶する記憶部と、
   前記熱負荷検出部からの出力、および、前記熱負荷−設定圧力情報に基づいて、前記ポンプの特性であるポンプ特性、および、前記ポンプから前記熱交換器を経由して前記膨張器に至る前記作動流体の流路の抵抗特性の少なくとも一方を変更することにより、前記熱交換器における前記作動流体の圧力を制御する制御部と、
   前記ポンプと前記熱交換器との間において前記作動流体の流量を調節する調節弁と、
   前記ポンプと前記調節弁との間から分岐して前記ポンプと前記凝縮器との間、または、前記凝縮器に合流する分岐流路と、
   前記分岐流路に設けられて前記作動流体の流量を調節するもう１つの調節弁と、
   を備え、
   前記制御部が、前記調節弁の開度を変更することにより、前記抵抗特性を変更し、
   前記制御部が、前記もう１つの調節弁の開度を変更して、前記分岐流路を介して前記ポンプと前記凝縮器との間、または、前記凝縮器へと戻される前記作動流体の流量を変更することにより、前記熱交換器における前記作動流体の流量も制御することを特徴とする廃熱回収装置。
2. 請求項１に記載の廃熱回収装置であって、
   前記熱交換器における前記作動流体の流量を測定する流量センサをさらに備え、
   前記制御部による制御が、前記流量センサからの出力にも基づいて行われることを特徴とする廃熱回収装置。

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