JP6029403B2 - 蒸気発生システム - Google Patents

Description

本発明は、水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムに関する。

水冷式内燃機関から回収される熱の利用形態としては、当該熱を温水として回収する形態及び蒸気として回収する形態が考えられる。
前者のシステムとしては、下記の特許文献１の図２に記載のシステムがあり、このシステムでは、例えば、水冷式内燃機関に８０℃の冷却水が供給され、冷却水により回収される熱により温水を発生させる。
後者のシステムを構築しようとすると、図４に示すように、冷却水の循環経路に気水分離器４を設け、この気水分離器４で蒸気を発生させて、排熱を回収することとなる。この構成の場合、熱を蒸気として回収するため（蒸気を発生させるため）、水冷式内燃機関から気水分離器４までの冷却水は沸騰状態となる。

後者のシステム構成を、図４に基づいて詳述すると、蒸気発生のために、給水路４１から内燃機関２に導いた冷却水を、冷却水回収路４２を介して気水分離器４に集め、気水分離器４において蒸気を発生させ、蒸気回収路４３を介して取り出す。また、蒸気回収路４３から取り出される蒸気の圧力が所定の圧力よりも高くなった場合には、蒸気回収路４３に設けられた蒸気開放弁４４を開放し、一部の蒸気を放蒸路４５にて放出する。図４の構成においては、給水路４１には６０℃程度の冷却水が供給され、蒸気圧力を所定の圧力に保つことで、内燃機関で、冷却水は１１０〜１２０℃まで加熱され気水分離器４に送られる。

特開平０６−２１２９１２号公報

しかし、後者の蒸気発生システムでは、水冷式内燃機関２のウォータージャケット内においても冷却水を実質的に沸騰状態に維持する必要があるため、局所的な冷却水の沸騰が各所で発生する。即ち、ウォータージャケットに局所的高温部が形成されるのであるが、この状態になると、ウォータージャケット内において伝熱が不均一となり、冷却水で良好に内燃機関から発生する熱を回収することができず、機関温度が上昇するとともに、温度分布が不均一となる。結果、この構成の蒸気発生システムは、内燃機関の寿命を充分長くできないという問題が発生し、この蒸気発生システムは、事実上実用化できていないというのが現状である。
即ち、内燃機関から冷却水により回収される熱を使用して、安定的に蒸気を得ることができる技術は、未だ確立されていない。
本発明の目的は、水冷式内燃機関の寿命を充分長いものとしながら、当該内燃機関で発生する熱を利用して安定的に蒸気を得ることができる蒸気発生システムを得ることにある。

本発明に係る水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムの特徴構成は、前記冷却後の冷却水
を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第１循環路と、
第１循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第２循環路とを備え、
前記第１循環路内を流れる冷却水と前記第２循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
前記第１循環路において、加圧により液相状態に保たれた１００℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第２循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第１運転状態と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第２運転状態との間で、運転状態を切換可能に構成されている点にある。

この構成によれば、第１循環路内では、冷却水が加圧されることにより、常に液相の状態で循環する。すなわち、冷却水が水冷式内燃機関によって加熱されても、水冷式内燃機関内で沸騰せず、均一な温度分布を保ったままで水冷式内燃機関内を通過することができる。よって、冷却水が例えば、ウォータージャケット内で局所沸騰することにより、水冷式内燃機関に悪影響が与えられることを抑制することができる。
また、冷却水が保有する熱は、熱交換器を介して、第２循環路を流れる循環水に与えられ、第２循環路に設けられた気水分離器によって蒸気が発生させられる。ここで、水冷式内燃機関を冷却後の冷却水は１００℃以上のため、第２循環路を流れる循環水を、その沸騰温度以上とすることが可能となり、気水分離器により蒸気を発生させることが可能となる。
以上のように、この構成によれば、水冷式内燃機関内において冷却水を沸騰させることなく、水冷式内燃機関の排熱を利用して効率的に蒸気を発生させることができる蒸気発生システムを実現することができる。
また、第１循環路における冷却水の温度を冷却器によって下げることで、第２循環路に伝熱される熱量を低減することができる。よって、例えば、気水分離器において発生する蒸気量が過大となり、その圧力が、所定の圧力よりも高くなった場合に、冷却器を用いることで、第２循環路における蒸気の発生量を抑え、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能となる。
また、第１運転状態と第２運転状態とを切り替えることで、第１循環路を流れる冷却水の温度を調整することができる。よって、熱交換器を介して第２循環路に与えられる熱量を増減することができ、第２循環路において発生する蒸気量を調整することが可能となる。よって、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。

本発明に係る水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムの特徴構成は、前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第１循環路と、
第１循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第２循環路とを備え、
前記第１循環路内を流れる冷却水と前記第２循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
前記第１循環路において、加圧により液相状態に保たれた１００℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第２循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第１戻り流量と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第２戻り流量との関係を調整可能に構成されている点にある。

この構成によれば、第１循環路内では、冷却水が加圧されることにより、常に液相の状態で循環する。すなわち、冷却水が水冷式内燃機関によって加熱されても、水冷式内燃機関内で沸騰せず、均一な温度分布を保ったままで水冷式内燃機関内を通過することができる。よって、冷却水が例えば、ウォータージャケット内で局所沸騰することにより、水冷式内燃機関に悪影響が与えられることを抑制することができる。
また、冷却水が保有する熱は、熱交換器を介して、第２循環路を流れる循環水に与えられ、第２循環路に設けられた気水分離器によって蒸気が発生させられる。ここで、水冷式内燃機関を冷却後の冷却水は１００℃以上のため、第２循環路を流れる循環水を、その沸騰温度以上とすることが可能となり、気水分離器により蒸気を発生させることが可能となる。
以上のように、この構成によれば、水冷式内燃機関内において冷却水を沸騰させることなく、水冷式内燃機関の排熱を利用して効率的に蒸気を発生させることができる蒸気発生システムを実現することができる。
また、第１循環路における冷却水の温度を冷却器によって下げることで、第２循環路に伝熱される熱量を低減することができる。よって、例えば、気水分離器において発生する蒸気量が過大となり、その圧力が、所定の圧力よりも高くなった場合に、冷却器を用いることで、第２循環路における蒸気の発生量を抑え、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能となる。
また、第１戻り流量と第２戻り流量との関係を調整することで、第１循環路を流れる冷却水の温度を調整することができる。よって、熱交換器を介して第２循環路に与えられる熱量を増減することができ、第２循環路において発生する蒸気の量、さらには圧力を調整することが可能となる。よって、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。

また、前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備えると好適である。

この構成によれば、蒸気圧力の値が高くなるほど、気水分離器における蒸気の発生量が抑制され、蒸気圧力の値が低くなるほど、蒸気の発生量が増加する方向に向かう。よって、蒸気圧力を一定の値とすることができる。すなわち、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。

本発明に係る水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムの特徴構成は、前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第１循環路と、
第１循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第２循環路とを備え、
前記第１循環路内を流れる冷却水と前記第２循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記第１循環路において、加圧により液相状態に保たれた１００℃以上の冷却水を循環させるとともに、
前記第２循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
また、前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備える点にある。

この構成によれば、第１循環路内では、冷却水が加圧されることにより、常に液相の状態で循環する。すなわち、冷却水が水冷式内燃機関によって加熱されても、水冷式内燃機関内で沸騰せず、均一な温度分布を保ったままで水冷式内燃機関内を通過することができる。よって、冷却水が例えば、ウォータージャケット内で局所沸騰することにより、水冷式内燃機関に悪影響が与えられることを抑制することができる。
また、冷却水が保有する熱は、熱交換器を介して、第２循環路を流れる循環水に与えられ、第２循環路に設けられた気水分離器によって蒸気が発生させられる。ここで、水冷式内燃機関を冷却後の冷却水は１００℃以上のため、第２循環路を流れる循環水を、その沸騰温度以上とすることが可能となり、気水分離器により蒸気を発生させることが可能となる。
以上のように、この構成によれば、水冷式内燃機関内において冷却水を沸騰させることなく、水冷式内燃機関の排熱を利用して効率的に蒸気を発生させることができる蒸気発生システムを実現することができる。
また、蒸気圧力の値が高くなるほど、気水分離器における蒸気の発生量が抑制され、蒸気圧力の値が低くなるほど、蒸気の発生量が増加する方向に向かう。よって、蒸気圧力を一定の値とすることができる。すなわち、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。

ここで、前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備えた構成とすると好適である。

この構成によれば、第１循環路における冷却水の温度を冷却器によって下げることで、第２循環路に伝熱される熱量を低減することができる。よって、例えば、気水分離器において発生する蒸気量が過大となり、その圧力が、所定の圧力よりも高くなった場合に、冷却器を用いることで、第２循環路における蒸気の発生量を抑え、所定の圧力の蒸気を安定的に得ることが可能となる。

さらに、前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第２運転状態から前記第１運転状態とし、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第１運転状態から前記第２運転状態とする制御手段と、を備えると好適である。

この構成によれば、蒸気圧力が設定圧力より高い場合には、第１運転状態とすることで気水分離器での蒸気の発生量を抑制し、蒸気圧力を下げることができる。また、蒸気圧力が設定圧力より低い場合には、第２運転状態とすることで気水分離器での蒸気の発生量を増加させ、蒸気圧力を上げることができる。よって、設定圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。

もしくは、前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記第１戻り流量を前記第２戻り流量に対して相対的に増加側に制御し、
前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記第２戻り流量を前記第１戻り流量に対して相対的に増加側に制御する制御手段と、を備えると好適である。

この構成によれば、蒸気圧力が設定圧力より高い場合には、第１戻り流量を第２戻り流量に対して相対的に増加側に制御するので、気水分離器での蒸気の発生量を抑制し、蒸気圧力を下げることができる。また、蒸気圧力が設定圧力より低い場合には、第２戻り流量を第１戻り流量に対して相対的に増加側に制御するので、気水分離器での蒸気の発生量を増加させ、蒸気圧力を上げることができる。よって、設定圧力の蒸気を安定的に得ることが可能な蒸気発生システムを実現することができる。

また、前記制御手段によって、前記冷却後水温が１１５℃以上１２５℃以下で、前記内燃機関冷却後の冷却水の圧力が大気圧に対して１４０ｋＰａ〜１７０ｋＰａ高い圧力となるように制御すると好適である。

本願発明の実施形態に係る蒸気発生システムの構成図 第１循環路内を通過する冷却水の状態を示す蒸気圧線図 第１循環路内の冷却水温度の制御例を示す図 蒸気発生システムに関する従来技術例の構成図

〔第１実施形態〕
（１）システム構成
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１に示すように、本願発明に係る蒸気発生システム１は、水冷式内燃機関２において、冷却水Ｗｃが水冷式内燃機関２を冷却することにより回収する熱を利用して、蒸気を発生するように構成されている。冷却水Ｗｃは、水冷式内燃機関２に設けられたウォータージャケット内を通過することで、水冷式内燃機関２により発生した熱を回収する。本実施形態においては、水冷式内燃機関２としてガスエンジンを用いている。

本発明に係る蒸気発生システム１は、冷却水Ｗｃが液相のまま循環する第１循環路３と、第１循環路３を循環する冷却水Ｗｃの熱を回収して蒸気を発生させる第２循環路５とを備えている。なお、第２循環路５は、熱交換器６を介して第１循環路３を循環する冷却水Ｗｃの熱を回収する。この第２循環路５には、気水分離器４が備えられている。

また、蒸気発生システム１は、効率的に蒸気を発生させられるように各機器を制御するための制御手段１０を備えている。以下では、第１循環路３、第２循環路５、及び制御手段１０について詳細な説明を行う。

（１−１）第１循環路
第１循環路３は、水冷式内燃機関２を冷却後の冷却水Ｗｃを、再度、水冷式内燃機関２の冷却水Ｗｃとして再利用するための循環水路である。第１循環路３は、冷却水Ｗｃが循環可能なように、水冷式内燃機関２を通る閉回路として構成されている。第１循環路３には、第１ポンプ１１が備えられており、第１ポンプ１１によって、冷却水Ｗｃは第１循環路３内を循環する。なお、第１ポンプ１１は、制御手段１０によってその供給圧を可変できるように構成されている。本実施形態においては、第１ポンプ１１は、水冷式内燃機関２の上流側に配置されている。

本実施形態においては、第１循環路３における水冷式内燃機関２の下流側に、水冷式内燃機関２を冷却後の冷却水Ｗｃの水温である冷却後水温Ｔｗを計測するための温度計９が備えられている。すなわち、温度計９は、水冷式内燃機関２から流出した直後の冷却水Ｗｃの水温を計測可能に構成されている。温度計９は、計測された冷却後水温Ｔｗを制御手段１０に伝達可能に構成されている。

さらに、温度計９の下流側には、第１循環路３内を流れる冷却水Ｗｃと第２循環路５内を流れる低温の循環水Ｗｂとの間で熱交換を行う熱交換器６が備えられている。ここで、冷却水Ｗｃは、制御手段により第１ポンプ１１の供給圧を調整することで、水温が１００℃以上（具体的には、後述するように１１５℃〜１２５℃）でかつ液相の状態を保つように維持されている。

加えて、第１循環路３は、熱交換器６の下流側に、冷却水Ｗｃを冷却するための冷却器７を備えている。冷却器７は、熱交換器６で第２循環路５内の循環水Ｗｂと熱交換を行い低温となった後の冷却水Ｗｃを、水冷式内燃機関２の冷却に再度利用可能な温度にまで冷却するように構成されている。ここで、冷却水Ｗｃは、例えば１１０℃まで冷却すると好適である。本実施形態においては、冷却器７として、第１循環路３を流れる冷却水Ｗｃと、第１循環路３及び第２循環路５とは独立して設けられた放熱用回路３１を流れる冷媒との間で熱交換が可能な熱交換器を用いている。

また、第１循環路３は、熱交換器６で熱交換後の冷却水Ｗｃが冷却器７をバイパスして水冷式内燃機関２に戻すことができるようにバイパス路１２を備えている。バイパス路１２は、熱交換器６で熱交換後の冷却水Ｗｃを、水冷式内燃機関２の冷却に再利用するにあたり冷却する必要がない場合に用いられる。以下では、第１循環路３において、バイパス路１２の上流端において分岐してから冷却器７を通りバイパス路１２の下流端にて合流するまでの箇所を、便宜的に冷却路１４と呼ぶ。

バイパス路１２と冷却路１４との合流箇所には、三方弁１３が設けられている。本実施形態においては、三方弁１３は、バイパス路１２または冷却路１４のいずれかのみに冷却水Ｗｃが通流可能とする分流型の三方弁を用いている。三方弁１３は、制御手段１０によってバイパス路１２と冷却路１４とのいずれを通流可能とするかを切り替え可能に構成されている。

三方弁１３の下流側には、上述した第１ポンプ１１が配置されている。以上のように、本願発明に係る蒸気発生システム１は、冷却水Ｗｃが第１循環路３内を循環しつつも、水冷式内燃機関２を冷却可能に構成されている。

（１−２）第２循環路
第２循環路５は、第１循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された循環路である。第２循環路５は、熱交換器６の上流側に、外部から給水されるための給水口２２を備えている。給水口２２からは、第２循環路５を循環する循環水Ｗｂの量が一定となるように水が供給される。

本実施形態においては、給水口２２の下流側で、熱交換器６の上流側に第２ポンプ２１が備えられている。第２ポンプ２１は、第２循環路５内を循環水Ｗｂが循環させるように構成されている。

さらに、熱交換器６の下流側に気水分離器４が備えられている。気水分離器４には、気水分離器４で発生した蒸気を蒸気発生システム１外に排出するための蒸気回収路２３が接続されている。この蒸気回収路２３における蒸気圧力は、後述する本願独特の構成により、所定の圧力範囲に維持される。
また、蒸気回収路２３には、気水分離器４で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力Ｐｖを計測する圧力計８が備えられている。蒸気回収路２３は、計測された蒸気圧力Ｐｖを制御手段１０に伝達可能に構成されている。

以上のように、本願発明に係る蒸気発生システム１は、循環水Ｗｂが第２循環路５内を循環しつつ、第１循環路３を流れる冷却水Ｗｃから熱を回収し、気水分離器４において蒸気を発生させるように構成されている。すなわち、このような構成により、水冷式内燃機関２で発生した熱により安定的に蒸気を発生させることが可能となっている。

（１−３）制御手段
制御手段１０は、マイクロプロセッサ及び半導体メモリを含むマイクロコンピュータを主要な機器として構築される。本実施形態において、制御手段１０は、圧力計８及び温度計９の計測値（すなわち、冷却後水温Ｔｗ及び蒸気圧力Ｐｖ）を取得可能に構成されるとともに、それらの計測値に基づいて、第１ポンプ１１及び三方弁１３を制御可能に構成されている。

本発明に係る蒸気発生システム１は、制御手段１０により三方弁１３を制御することで、熱交換器６で熱交換後の冷却水Ｗｃが冷却路１４を通り冷却器７によりさらに冷却されて水冷式内燃機関２に戻される第１運転状態と、熱交換器６で熱交換後の冷却水Ｗｃがバイパス路１２を通り冷却器７をバイパスして水冷式内燃機関２に戻される第２運転状態との間で、運転状態を切換可能に構成されている。制御手段１０によるこれら２つの運転状態の切り替えは、冷却後水温Ｔｗ及び蒸気圧力Ｐｖの値に基づいて行われる。以下では、これらの運転状態の切り替えに関する蒸気発生システム１の制御方法について説明する。

（２）システムの制御
本実施形態においては、制御手段１０は、圧力計８で計測される蒸気圧力Ｐｖが高くなるに従って、温度計９で計測される冷却後水温Ｔｗが低くなるように、蒸気発生システム１の運転状態（上記第１運転状態と第２運転状態とのいずれで運転するか）の制御を行う。ここで、「蒸気圧力Ｐｖが高くなるに従って、冷却後水温Ｔｗが低くなる」とは、例えば、図３に示すように、蒸気圧力Ｐｖの上昇に対して線形的に冷却後水温Ｔｗを低くする場合に加え、蒸気圧力Ｐｖの上昇に対して、段階的に冷却後水温Ｔｗを低くするような場合も含む。

ここで、「冷却後水温Ｔｗが低くなるように制御するとは」、制御手段１０が、冷却後水温Ｔｗの制御目標温度Ｔｃを決定し、冷却後水温Ｔｗが当該制御目標温度Ｔｃに近づくように、蒸気発生システム１の運転状態を制御することを意味する。

具体的には、制御手段１０は、蒸気圧力Ｐｖが高くなると、第２循環路５にとっての熱源である冷却水Ｗｃの冷却後水温Ｔｗを下げるために、蒸気発生システム１を第１運転状態で運転し、冷却水Ｗｃを冷却器７によって冷却する。逆に、蒸気圧力Ｐｖが低くなると、冷却水Ｗｃの冷却後水温Ｔｗを上げるために、冷却水Ｗｃを冷却器７をバイパスした状態で第１循環路３を循環させる。

本実施形態においては、制御手段１０は三方弁１３を制御し、圧力計８で計測される蒸気圧力Ｐｖが設定圧力より高い場合に、温度計９で計測される冷却後水温Ｔｗが低くなるように、蒸気発生システム１の運転状態を、第２運転状態から第１運転状態とする。よって、蒸気発生システム１は、蒸気圧力Ｐｖが設定圧力より高くなった場合には、設定圧力まで下がるように制御される。ここで、設定圧力とは、蒸気発生システム１において発生させる蒸気に関して許容される圧力範囲を意味する。本実施形態においては、第２循環路５で発生する蒸気の設定圧力を５０ｋＰａＧとしている。

また、制御手段１０は三方弁１３を制御し、圧力計８で計測される蒸気圧力Ｐｖが設定圧力より低い場合に、温度計９で計測される冷却後水温Ｔｗが高くなるように、蒸気発生システム１の運転状態を、第１運転状態から第２運転状態とする。よって、蒸気発生システム１は、蒸気圧力Ｐｖが設定圧力より低くなった場合には、設定圧力まで上がるように制御される。

本実施形態においては、制御手段１０は、図３に示すように、蒸気圧力Ｐｖが高くなるほど、水冷式内燃機関２を冷却後の冷却水Ｗｃの制御目標温度Ｔｃを下げるように（すなわち、冷却後水温Ｔｗが下がるように）構成されている。

ところで、上述のように蒸気発生システム１の運転状態を変更すると、冷却水Ｗｃの温度は変化する。本実施形態においては、この温度変化により冷却水Ｗｃが気相状態とならないように、制御手段１０は冷却水Ｗｃの冷却後水温Ｔｗ及び水圧（第１循環路３内における図２の「蒸気圧」に相当）が、図２に示す運転領域Ａ内に収まるように、第１ポンプ１１の回転数を制御する。

ここで、本願発明の特徴である運転領域Ａについて図２を用いて説明する。図２は蒸気圧線図であり、縦軸の蒸気圧は、大気圧と比べたときの差圧を示している。図２における白丸は、図４に示すようなシステム構成（すなわち従来技術）において用いられていた冷却水Ｗｃの運転領域を示している。従来技術では、図２に示すように、冷却水Ｗｃを気液混合状態で用いており、冷却水Ｗｃが流れる水冷式内燃機関２内において局所沸騰が起きる。これに対し、本願発明においては、運転領域Ａとして、図２における蒸気圧曲線、すなわち従来技術における運転領域より高圧の領域を用いている。

まず、図２における運転領域Ａの左右端の値（すなわち、許容される冷却後水温Ｔｗの温度範囲）に関しては、右端の値Ａ_Rは、冷却水Ｗｃが水冷式内燃機関２を十分に冷却可能な温度範囲内でかつ、第２循環路５において設定圧力の蒸気を発生可能な温度範囲内に設定される。

一方、左端の値Ａ_Lは、熱交換器６を介して第２循環路５が冷却水Ｗｃの熱を回収した際に、気水分離器４において、設定圧力の蒸気を発生可能な温度の下限値に設定される。本実施形態においては、許容される冷却後水温Ｔｗの温度範囲は、１１５℃以上１２５℃以下に設定されている。

また、運転領域Ａの上下端の値（すなわち、冷却水Ｗｃに許容される圧力）に関しては、上端の値Ａ_Tは、水冷式内燃機関２の冷却を十分に行える上限値に設定される。すなわち、上端の値Ａ_Tは、第１ポンプ１１の回転数を上げることで、冷却水Ｗｃの流速が上がり、水冷式内燃機関２の冷却が不十分となることを防げるように設定される。

一方、下端の値Ａ_Bは、許容される冷却後水温Ｔｗの温度範囲において、常に冷却水Ｗｃが液相を維持できる圧力値の下限値に設定される。すなわち、下端の値Ａ_Bは、許容される冷却後水温Ｔｗの温度範囲における上限値Ａ_Rでの蒸気圧よりも高く設定される。本実施形態においては、冷却水Ｗｃに許容される圧力範囲は、１００℃における水の蒸気圧（すなわち、大気圧）に対して１４０ｋＰａ〜１７０ｋＰａ高い圧力となるように設定されている。

以上のような制御を行うことで、本発明に係る蒸気発生システム１は、第１循環路３を流通する冷却水Ｗｃを、図２の運転領域Ａの状態（すなわち、蒸気圧力曲線より上側である液相の状態）に保ち、水冷式内燃機関２内で沸騰することを抑制できる。このため、水冷式内燃機関内における冷却水が１００℃以上となるような場合においても、水冷式内燃機関内において冷却水を沸騰させることなく、水冷式内燃機関の排熱を利用して効率的に蒸気を発生させることができる蒸気発生システムを実現することができる

〔第２実施形態〕
第１実施形態においては、蒸気発生システム１の三方弁１３としてバイパス路１２と冷却路１４とで択一的に切替可能とする三方弁を用いる。このため、第１実施形態においては、制御手段１０は、冷却後水温Ｔｗの調整を、冷却水Ｗｃが冷却路１４を通る第１運転状態とバイパス路１２を通る第２運転状態との切り替えによって行う。

これに対し、本実施形態においては、三方弁１３として、バイパス路１２と冷却路１４との各流路からの流量比率を自由に調整可能な三方弁を用いる。三方弁１３は、第１実施例同様、制御手段１０により制御される。このため、本実施形態においては、熱交換器６で熱交換後の冷却水Ｗｃが、冷却路１４を通り冷却器７によりさらに冷却されて水冷式内燃機関２に戻される第１戻り流量と、熱交換器６で熱交換後の冷却水Ｗｃがバイパス路１２を通り冷却器７をバイパスして水冷式内燃機関２に戻される第２戻り流量との関係は、制御手段１０により調整可能に構成されている。三方弁１３を除くその他の機械構成に関しては、第１実施形態と同様のため省略する。

本実施形態では、制御手段１０は、圧力計８で計測される蒸気圧力Ｐｖが設定圧力より高い場合に、温度計９で計測される冷却後水温Ｔｗが低くなるように制御すべく、第１戻り流量を第２戻り流量に対して相対的に増加側に制御する。すなわち、制御手段１０は、三方弁１３での流量比率を変更する前に比べ、バイパス路１２より冷却路１４の方に多くの冷却水Ｗｃが流れるように三方弁１３を調整し、冷却路１４を流れる第１戻り流量の比率を増加させることで、冷却水Ｗｃの温度を低くする。

また、制御手段１０は、圧力計８で計測される蒸気圧力Ｐｖが設定圧力より低い場合に、温度計９で計測される冷却後水温Ｔｗが高くなるように制御すべく、運転状態を、第２戻り流量を第１戻り流量に対して相対的に増加側に制御する制御手段と、を備える。すなわち、制御手段１０は、三方弁１３での流量比率を変更する前に比べ、冷却路１４よりバイパス路１２の方に多くの冷却水Ｗｃが流れるように三方弁１３を調整し、冷却路１４を流れる第２戻り流量の比率を増加させることで、冷却水Ｗｃの温度を高くする。

〔その他の実施形態〕
（１）上記実施形態においては、第１循環路３における冷却水Ｗｃの冷却後水温Ｔｗを調整するために、蒸気発生システム１がバイパス路１２と冷却路１４とを備え、第１循環路３における冷却水Ｗｃの流路をバイパス路１２と冷却路１４との間で切替可能とする三方弁１３を用いる場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、蒸気発生システム１がバイパス路１２を備えず、冷却後水温Ｔｗを調整するために、冷却路１４における冷却器７の冷却度合いを調整するように構成しても構わない。冷却器７の冷却度合いの調整方法としては、例えば、冷却器７として熱交換器を備え、当該熱交換器を流れる冷媒の温度を変える方法を用いることができる。

（２）上記実施形態においては、制御手段１０が制御に用いる設定圧力が所定の値である場合の例を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。すなわち、設定圧力が、所定の圧力範囲を持つように設定しても構わない。例えば、設定圧力を４５ｋＰａＧ〜５５ｋＰａＧというように設定しても構わない。この場合、制御手段１０は、蒸気圧力Ｐｖが設定圧力の範囲内にあるときは、冷却後水温Ｔｗの制御を行わない構成としても構わない。

水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムとして利用可能である。

１ ：蒸気発生システム
２ ：水冷式内燃機関
３ ：第１循環路
４ ：気水分離器
５ ：第２循環路
６ ：熱交換器
７ ：冷却器
８ ：圧力計
９ ：温度計
１０ ：制御手段
１３ ：三方弁
２１ ：第２ポンプ
Ｐｖ ：蒸気圧力
Ｗｂ ：循環水
Ｗｃ ：冷却水

Claims (8)

1. 水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムであって、
   前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第１循環路と、
   第１循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第２循環路とを備え、
   前記第１循環路内を流れる冷却水と前記第２循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
   前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
   前記第１循環路において、加圧により液相状態に保たれた１００℃以上の冷却水を循環させるとともに、
   前記第２循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
   前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第１運転状態と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第２運転状態との間で、運転状態を切換可能に構成されている蒸気発生システム。
2. 水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムであって、
   前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第１循環路と、
   第１循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第２循環路とを備え、
   前記第１循環路内を流れる冷却水と前記第２循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
   前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備え、
   前記第１循環路において、加圧により液相状態に保たれた１００℃以上の冷却水を循環させるとともに、
   前記第２循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
   前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器によりさらに冷却されて前記水冷式内燃機関に戻される第１戻り流量と、前記熱交換器で熱交換後の冷却水が前記冷却器をバイパスして前記水冷式内燃機関に戻される第２戻り流量との関係を調整可能に構成されている蒸気発生システム。
3. 前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
   前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
   前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備える請求項１又は２に記載の蒸気発生システム。
4. 水冷式内燃機関において、水冷式内燃機関を冷却することにより冷却水に回収される熱により蒸気を発生する蒸気発生システムであって、
   前記冷却後の冷却水を、前記水冷式内燃機関の前記冷却水として再利用するために循環可能に構成された第１循環路と、
   第１循環路とは独立して設けられ、蒸気を発生させる気水分離器を有し、当該気水分離器の水を循環可能にするとともに、外部から給水可能に構成された第２循環路とを備え、
   前記第１循環路内を流れる冷却水と前記第２循環路内を流れる循環水との間で熱交換を行う熱交換器を備え、
   前記第１循環路において、加圧により液相状態に保たれた１００℃以上の冷却水を循環させるとともに、
   前記第２循環路において、前記熱交換器で熱回収を終えた前記循環水を、当該熱交換器から前記気水分離器に送り、前記気水分離器で蒸気回収後、前記熱交換器に戻し、
   前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
   前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水の温度である冷却後水温を計測する温度計と、
   前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が高くなるに従って、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御する制御手段と、を備える蒸気発生システム。
5. 前記熱交換器で熱交換後の冷却水をさらに冷却する冷却器を備えた請求項４記載の蒸気発生システム。
6. 前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
   前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
   前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第２運転状態から前記第１運転状態とし、
   前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記運転状態を、前記第１運転状態から前記第２運転状態とする制御手段と、を備える請求項１記載の蒸気発生システム。
7. 前記気水分離器で発生する蒸気の圧力である蒸気圧力を計測する圧力計と、
   前記水冷式内燃機関から流出する内燃機関冷却後の冷却水温度である冷却後水温を計測する温度計と、
   前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より高い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が低くなるように制御すべく、前記第１戻り流量を前記第２戻り流量に対して相対的に増加側に制御し、
   前記圧力計で計測される前記蒸気圧力が設定圧力より低い場合に、前記温度計で計測される冷却後水温が高くなるように制御すべく、前記第２戻り流量を前記第１戻り流量に対して相対的に増加側に制御する制御手段と、を備える請求項２記載の蒸気発生システム。
8. 前記制御手段によって、前記冷却後水温が１１５℃以上１２５℃以下で、前記内燃機関冷却後の冷却水の圧力が大気圧に対して１４０ｋＰａ〜１７０ｋＰａ高い圧力となるように制御する請求項３〜７の何れか一項に記載の蒸気発生システム。

Images