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

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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 循環路内を通過する冷却水の状態を示す蒸気圧線図 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AR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AL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AT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AT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AB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ABは、許容される冷却後水温Twの温度範囲における上限値AR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の何れか一項に記載の蒸気発生システム。
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