专利名称：发动机废热回收发电涡轮系统及具备该涡轮系统的往复移动式发动机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机废热回收发电涡轮系统及具备该系统的往复移动式发动机。
技术背景
往复移动式发动机按照与空气成为适当的混合比的方式向气缸内部的燃烧室内吸入汽油、醇、气体(天然气、石油气等)等燃料并压缩，例如，利用电火花点火并引起爆炸(急剧的燃烧)。对于往复移动式发动机而言，通过该爆炸力使活塞在气缸内往复运动， 并且通过连杆和曲轴使该活塞的往复运动变为连续的旋转运动，并从曲轴输出动力(轴动力)。
气缸的燃烧室周围由于变成高温，因此，通过冷却单元进行冷却。在冷却单元，例如在气缸的四周制作被称为水套的双重结构的空间，在此，通常使用通过冷却液(例如， 水被称为水套冷却水。)来抑制气缸周围的过热的水套冷却水循环系统。
在往复移动式发动机中，存在搭载于汽车等移动体的移动用往复移动式发动机和例如在发电厂等固定使用的固定用往复移动式发动机。
在往复移动式发动机中，燃料的燃烧产生的能量的一部分作为轴动力成为有效功，而剩余部分则会作为损失被向外部排出。
例如，在IOOkW级往复移动式发动机中，在由燃烧获得的热能量中，能够作为净轴动力利用的能量通常约为30%左右，其作为热效率显现。其它损失的能量，约10%作为摩擦损失等泵损失，约30%作为将发动机冷却到一定温度的冷却损失，约30%作为排气向外部带走的热量即排气损失。
在定地用往复移动式发动机中，设定了如下系统，即以最大值运用该轴动力，且在排气能量中，压力由涡轮增压器回收，热能量例如作为热水的生成等的热利用进行回收，对包含该回收能量在内的提高定地用往复移动式发动机的综合效率的方面付出了努力。
在定地用往复移动式发动机中，为了对水套冷却水进行冷却而设有大型且昂贵的冷却塔。
另一方面，在车辆用往复移动式发动机中，对水套冷却水进行冷却的散热器比较小型且廉价，但由于运用转速、负荷的变化、及在车辆的设备内部的损失而实质上可作为轴动力利用的平均能量(平均效率)停留在数％程度。为了减小该负荷变动并提高平均效率而设计的系统为所谓的混合动力发动机。混合动力发动机为一种减小发动机的负荷变动并在低负荷时通过轴动力产生用于发电和行驶的动力的系统，使轴动力的利用效率得到提高。排气能量的压力也由涡轮增压器进行回收。
在车辆用往复移动式发动机中，例如专利文献1所示，已知的是利用兰金循环回收伴随发动机的驱动产生的废热的废热回收装置。
其为如下的装置，将水套冷却水循环系统设为密闭结构，由通过被发动机的废热加热气化的冷却水即蒸气来驱动涡轮，并将该蒸气具有的热能量转换为电能等而进行回收。
专利文献1 日本特开2008-169760号公报发明内容
专利文献1所示的装置，通过废气的热量使水套冷却水即水变为蒸气。水的绝热热降较大，因此，需要使涡轮在高速下旋转。
若设为高速对应的涡轮，则存在由于实用转速的制约而涡轮自身的直径变大且大型化的问题。在将涡轮转速设为高速旋转时，用于转换成电能的发电机在现有技术中变为不能供于实用的程度的高频率。或者在使用供于实用的发电机的情况下，在与涡轮之间需要大减速比的齿轮。在这种情况下，为了蒸气不漏入发电机、齿轮部而伴随有需要进行旋转轴密封等的电气、机械的实用化的困难。
此外，由于在循环系统中循环的物质为水蒸气，因此，在该密封不能完全密封蒸气的情况下，存在水向发电机、齿轮泄漏，电路短路、润滑油悬浊等问题点。此外，在该涡轮中维持所需的效率所需要的蒸气的压力、温度等条件增大，因此，设置旁通流路或设置多个开关阀，从而水套冷却水循环系统变得复杂。
由此，现状为不实用化。
本发明鉴于这种情况，其目的在于，提供一种将自发动机废弃的能量作为电力回收的实用的发动机废热回收发电涡轮系统及具备该系统的往复移动式发动机。
为了解决上述课题，本发明采用如下的手段。
S卩，本发明第一方面提供一种发动机废热回收发电涡轮系统，使用往复移动式发动机中的废热进行发电，该往复移动式发动机具有对发动机水套内进行冷却的水套冷却水循环系统和将高温的燃烧气体作为废气排出的废气流路，所述发动机废热回收发电涡轮系统具备介质回路，其使用临界温度为约80°C 约200°C的低沸点介质，由使该低沸点介质成为气相的蒸发器部、使在该蒸发器部成为气相的所述低沸点介质膨胀而成为低压的气相的涡轮、对来自该涡轮的所述低压沸点介质进行冷却而使所述低压沸点介质成为液相的冷凝器、及使自该冷凝器输送的所述低沸点介质升压的压缩机形成闭环的兰金循环；及发电机，其与所述涡轮同轴连结，被伴随所述低沸点介质的膨胀而旋转的所述涡轮驱动旋转以进行发电，所述蒸发器部至少具备在所述废气和所述低沸点介质之间进行热交换且使所述低沸点介质成为气相的第一热交换器。
在形成闭环的兰金循环的介质回路中，低沸点介质依次在压缩机、蒸发器部、涡轮及冷凝器中巡回。低沸点介质利用压缩机从液相且低压/低温的状态升压，成为液相且高压的状态。接着，低沸点介质利用蒸发器升温，成为气相且高压/高温的状态。该状态的低沸点介质被导入涡轮，膨胀而成为低压的气相。成为低压的气相的低沸点介质利用冷凝器冷却，成为低压/低温的液相。涡轮利用膨胀的低沸点介质做功而进行旋转，通过驱动发电机进行发电。
而且，蒸发器部具备在废气和低沸点介质之间进行热交换并使低沸点介质成为气相的第一热交换器，因此，低沸点介质会因通过废气流路的废气而升温。即，在介质回路中循环的低沸点介质能够从被往复移动式发动机废弃的废气(排气损失)中回收热量。回收的能量被转换为电力，因此，能够将往复移动式发动机的废热转换为通用性高的电力。4
此时，低沸点介质的临界温度为约80°C 约200°C，因此，即使温度较低的废气， 也能够获得维持所需的涡轮效率所需要的充分的气相的压力、温度等。由于低沸点介质的绝热热降减小，因此，能够使涡轮在低速下旋转。由此，能够防止涡轮的大型化。
介质回路与水套冷却水循环系统及废气流路分开、换言之与往复移动式发动机分开地独立设置，因此，能够防止水套冷却水循环系统、废气流路等的复杂化。
由此，不会对往复移动式发动机产生较大的影响，例如能够提供也可搭载于车辆等狭小的空间的实用的发动机废热回收发电涡轮系统。
在本发明第一方面中，所述蒸发器也可以在所述第一热交换器的上游侧具备第二热交换器，所述第二热交换器在所述水套冷却水循环系统的高温侧的水套冷却水和所述低沸点介质之间进行热交换，对所述低沸点介质进行加热。
在蒸发器部，低沸点介质在第一热交换器的上游侧利用第二热交换器与水套冷却水循环系统的高温侧的水套冷却水进行热交换而升温，因此，水套冷却水被冷却，另一方面，低沸点介质能够回收水套冷却水的热量。这样，可不需要为了对水套冷却水进行冷却而向外部放出热(冷却损失)，或者，能够使其大幅地减少。另一方面，由于低沸点介质利用第二热交换器回收向外部放热的热量而进行发电，因此，能够进一步提高往复移动式发动机的效率。
水套冷却水通常为80 85°C，因此，与临界温度为约80°C 200°C的低沸点介质成为液-液热交换。由此，作为第二热交换器能够使用可较为小型的液-液热交换器。
在本发明的第一方面中，也可以构成为，所述往复移动式发动机具备对空气进行压缩而供给的涡轮增压器，所述蒸发器在所述第一热交换器的上游侧具备第三热交换器， 所述第三热交换器在所述涡轮增压器的出口空气和所述低沸点介质之间进行热交换，对所述低沸点介质进行加热。
涡轮增压器的出口空气被压缩，因此，温度升高。若温度增高，则密度下降，因此， 存在由于向气缸供给的空气量变得更多而向外部放热，对出口空气进行冷却并向气缸供给的情况。
在蒸发器部，低沸点介质在第一热交换器的上游侧，利用第三热交换器与涡轮增压器的出口空气进行热交换而升温，因此，出口空气被冷却，另一方面，低沸点介质能够回收出口空气的热量。这样，不需要为了对出口空气进行冷却而向外部放出热，另一方面，由于能够对该热量进行回收而进行发电，因此，能够进一步提高往复移动式发动机的效率。
在所述构成中，所述第三热交换器也可以串联地设置于所述第二热交换器的上游侧或者下游侧。
此外，在所述构成中，所述第三热交换器也可以相对于所述第二热交换器并联设置。
在本发明的第一方面中，优选的是，所述压缩机为涡轮泵，该涡轮泵与所述发电机同轴连结，所述涡轮、所述发电机及所述涡轮泵收纳于密闭容器。
这样，由于涡轮泵与发电机同轴连结，因此，涡轮、发电机及涡轮泵形成为一体。该一体化了的涡轮、发电机及涡轮泵收纳于密闭容器内，因此，在涡轮与外部气体、涡轮泵与外部气体之间不需要进行密封。而且，通过将包含发电机在内的这三个构成要素一并进行密闭，能够可靠地防止低沸点介质的泄漏。
本发明的第二方面提供一种往复移动式发动机系统，具备往复移动式发动机，其具有对发动机水套内进行冷却的水套冷却水循环系统及将高温的燃烧气体作为废气排出的废气流路；及如第1 6方面中任一方面所述的发动机废热回收发电涡轮系统。
根据本发明第二方面，如上所述，具备至少能够从往复移动式发动机的废气中回收热量并将回收的能量转换为电力的发动机废热回收发电涡轮系统，因此，可提高往复移动式发动机的效率。
根据本发明，蒸发器部至少具备进行废气与低沸点介质之间的热交换并使低沸点介质成为气相的第一热交换器，因此，能够从自往复移动式发动机废弃的废气中回收热量。 回收了的能量被转换为电力，因此，能够将往复移动式发动机的废热转换为通用性高的电力。
此时，低沸点介质的临界温度为约80°C 约200°C，因此，能够防止涡轮的大型化，能够防止水套冷却水循环系统、废气流路等的复杂化。
由此，能够提供不会对往复移动式发动机产生较大的影响，例如也可搭载于车辆等狭小的空间的实用的发动机废热回收发电涡轮系统。
图1是表示本发明第一实施方式的往复移动式发动机系统的概略构成的框图2是表示本发明第二实施方式的往复移动式发动机系统的概略构成的框图3是表示本发明第三实施方式的往复移动式发动机系统的概略构成的框图；。
图4是表示本发明第三实施方式的往复移动式发动机系统的其它实施方式的概略构成的框图5是表示本发明第三实施方式的往复移动式发动机系统的其它实施方式的概略构成的框图6是表示本发明第四实施方式的往复移动式发动机系统的概略构成的框图。
具体实施方式
下面，使用附图详细地对本发明的实施方式进行说明。
[第一实施方式]
下面，参照图1对本发明第一实施方式的往复移动式发动机系统1进行说明。
图1是表示第一实施方式的往复移动式发动机系统1的概略构成的框图。
在往复移动式发动机系统1中具备往复移动式发动机3和发动机废热回收发电涡轮系统5。
往复移动式发动机3具备多个气缸7，其以成为适当的混合比的方式吸入、压缩汽油、醇、气体(天然气、石油气等)等燃料和空气，例如利用电火花点火并引起爆炸(急剧的燃烧)；水套冷却水循环系统9，其对气缸7的燃烧室周围进行冷却；及涡轮增压器11，其对吸入气缸7的空气进行压缩而使吸入的空气量增加。
气缸7具备吸入空气的进气通路13及将在气缸7内燃烧的燃烧气体作为废气排出的排气通路(废气流路)15。
在水套冷却水循环系统9中具备水套(发动机气缸水套)17，其在气缸7特别是在燃烧室的四周形成双重结构的空间；冷却水泵19，其使水套冷却水循环；水套水循环流路21，其连结水套17、冷却水泵19及水套17，使水套冷却水循环。
涡轮增压器11构成为主要包括配置于排气通路15且利用气缸7的废气进行旋转驱动的涡轮[zl]23、与涡轮23同轴连结并伴随涡轮23的旋转进行旋转驱动且对通过进气通路13的空气进行压缩的压缩机25。
也可以在进气通路13的压缩机25和气缸7之间设置对通过进气通路13的空气进行冷却的冷却部件。
在发动机废热回收发电涡轮系统5中具备低沸点介质循环而形成闭环的兰金循环的介质回路27、发电机31、及蓄电池33。
在此，低沸点介质例如为用HFC134a、HFE7100示例的替代氟利昂。作为低沸点介质不限于此，只要是临界温度为约80°C 约200°C的介质即可。例如，HFC134a的临界温度为 101. 2°C, HFE7100 的临界温度为 195. 8°C。
介质回路27具备使低沸点介质成为气相的蒸发器部33 ；使由蒸发器部33成为气相的低沸点介质膨胀而成为低压的气相的涡轮35 ；对来自涡轮35的低压沸点介质进行冷却而使所述低压沸点介质成为液相的冷凝器37 ；使从冷凝器37输送的低沸点介质升压的涡轮泵(压缩机)39 ；及连结这些设备并使低沸点介质循环的介质流路41。
蒸发器部33具备在水套水循环流路21的高温侧的水套冷却水和低沸点介质之间进行热交换的水套冷却水热交换器(第二热交换器)43、及在通过排气通路15的废气和低沸点介质之间进行热交换的废气热交换器(第一热交换器)45。
水套冷却水热交换器43配置于废气热交换器45的上游侧。向水套冷却水热交换器43的高温侧供给例如80 85°C的水套冷却水，向低温侧逆流式地供给例如约40°C的液相且高压的低沸点介质。
水套冷却水由低沸点介质而在水套冷却水热交换器43的出口冷却数。C、例如冷却2 ;TC。另一方面，低沸点介质利用水套冷却水加热，在水套冷却水热交换器43的出口升温至例如约75°C。换言之，低沸点介质能够从水套冷却水回收热量。
由于低沸点介质的临界温度为约80°C 约200°C，因此，低沸点介质和水套冷却水成为液-液热交换。作为水套冷却水热交换器43能够使用可为较小型的液-液热交换器。此外，水套冷却水热交换器43为高效的逆流式的热交换，因此，能够进一步小型化。
向废气热交换器45的高温侧供给加热用的废气，向低温侧逆流式地(或者正交流动式地)供给例如约75°C的液相且高压的低沸点介质。
低沸点介质利用通过废气流路的废气升温，变换为气相。换言之，低沸点介质能够从自气缸7废弃的废气中回收热量。
涡轮35使在蒸发器部33成为高压/高温的气相的低沸点介质绝热膨胀，成为低压的气相。涡轮35此时由低沸点介质的膨胀而能够做功进行旋转。
涡轮；35具备主轴47。
发电机四经由主轴47与涡轮35同轴连结并一体化。发电机四通过经由主轴47 传递的涡轮35的旋转而旋转，进行发电。发电机四例如使用同步发电机、感应发电机，主轴47作为发电机四的旋转子的旋转轴。
发电机四的转速与发动机的负荷产生的排气热量和温度对应，能够控制转速并使流量/压力发生变化。
由发电机四发电的电力被蓄积于蓄电池31。也可以代替向蓄电池31蓄电，而直接向需要电力的设备供给。
冷凝器37为对来自涡轮35的低压沸点介质进行冷却使其成为液相的热交换器。 向冷凝器37的高温侧供给例如80°C的低沸点介质，向低温侧正交流动式地供给作为冷却介质例如大约20°C的冷却空气。
低沸点介质通过冷却空气例如冷却至约40°C。另一方面，冷却空气通过低沸点介质加热，在冷凝器37的出口例如升温至约50°C。
作为冷却介质，不限于空气等气体，能够使用水等液体。
涡轮泵39经由主轴47与涡轮35及发电机四同轴连结。涡轮泵39通过经由主轴 47传递的涡轮35的旋转而旋转，对从冷凝器37导入的液相的低沸点介质进行压缩升压。
涡轮35、发电机四及涡轮泵39通过主轴47连结并形成一体。
该一体化了的涡轮35、发电机四及涡轮泵39收纳于密闭的容器(密闭容器)49 内，与外部气体隔断。
这样，由于涡轮35、发电机四及涡轮泵39收纳于容器49内，与外部气体隔断，因此，在涡轮35与外部气体、涡轮泵39与外部气体之间不需要进行密封。而且，包含发电机四在内将这三个构成要素一并密闭，由此能够可靠地防止低沸点介质的泄漏。因此，能够大幅减少如密封零件的交换、动作流体的补充的维护次数，能够降低维护成本。
一体化后的涡轮35、发电机四及涡轮泵39按照主轴47沿垂直方向延伸且涡轮泵 39位于最下方位置的方式竖形配置。
由此，能够使设备的大小紧凑，能够减小设置空间。
此外，若支承主轴47的涡轮泵39的推力轴承具有气液密封功能，则能够稳定地防止液相的低沸点介质朝向发电机四、涡轮35侧。
对如上构成的本实施方式的往复移动式发动机系统1的动作进行说明。
当往复移动式发动机3起动时，来自气缸7的废气使涡轮23旋转。伴随该涡轮23 的旋转而对压缩机25进行旋转驱动，对吸入的空气进行压缩，并通过进气通路13向气缸7 供给。在压缩机25的出口被压缩的空气例如升温至约180°C。
在气缸7中，利用活塞的动作，按照成为适当的混合比的方式吸入来自进气通路 13的空气和另外供给的燃料。吸入的空气及燃料被压缩而爆炸(急剧地燃烧)。燃烧了的燃烧气体作为废气通过排气通路15排出。
往复移动式发动机1由该爆炸力使活塞在气缸内往复运动，并且利用连杆和曲轴将该活塞的往复运动变为连续的旋转运动，并从曲轴输出动力(轴动力)。
此时，在水套冷却水循环系统9中，通过冷却水泵19使水套冷却水在水套水循环流路21中循环。水套冷却水在通过水套17时从气缸7的燃烧室周围获得热量而升温，例如成为80 85°C。另一方面，由于气缸7的燃烧室周围的热量被剥夺，所以被冷却。
水套冷却水利用水套冷却水热交换器43与在介质流路41中流动的低温的低沸点介质进行热交换，例如冷却数。C，并向水套17循环。这样，水套冷却水被在介质流路41中循环的低沸点介质冷却，因此，能够不需要为了对水套冷却水进行冷却而向外部放出热(冷却损失)。
在本实施方式中，水套冷却水在水套冷却水热交换器43仅通过低沸点介质进行冷却，但并不限定于此，例如，也可以一并具有现有的散热器。这样，特别是在往复移动式发动机3的起动、停止、部分负荷运用中能够提高控制的自由度。
接着，对发动机废热回收发电涡轮系统5的动作进行说明。
在介质流路41中循环的低沸点介质如下进行变化。从冷凝器37导入的低温(约 40°C )/低压的液相的低沸点介质通过利用涡轮35的旋转而旋转的涡轮泵39压缩且升压。
升压后的低温/高压的低沸点介质被导入蒸发器部33的水套冷却水热交换器43， 在此，被水套冷却水加热，在水套冷却水热交换器43的出口例如升温至约75°C。低沸点介质保持为液相。
接着，低沸点介质被导入蒸发器部33的废气热交换器45，由通过排气通路15的例如约400°C的废气而升温，转换为气相。换言之，低沸点介质能够从被气缸7废弃的废气中回收热量。由此，能够减小作为废气向外部废弃的热量(排气损失)。
在蒸发器部33成为高压/高温的气相的低沸点介质被导入涡轮35，并进行绝热膨胀，成为高温/低压的气相或者一部分成为液相的湿润状态。此时的低沸点介质的温度例如为约80°C。
涡轮35因低沸点介质的膨胀而能够做功进行旋转，因此，主轴47进行旋转。
发电机四利用经由主轴47传递的涡轮35的旋转而旋转，进行发电。在发电机四发电的电力被蓄积于蓄电池31。
这样，低沸点介质能够利用水套冷却水热交换器43回收水套冷却水的热量，并利用废气热交换器45从被往复移动式发动机3废弃的废气中回收热量。回收到的热量(能量)利用发电机四转换为电力，因此，能够将往复移动式发动机3的废热转换为通用性高的电力。
由此，能够显著地提高往复移动式发动机3的效率。
此时，低沸点介质的临界温度为约80°C 约200°C，因此，能够在水套冷却水热交换器43中使用液-液热交换器，在废气热交换器45中，即使为温度较低的废气也能够获得维持所需的涡轮效率所需要的充分的气相的压力、温度等。换言之，利用水套冷却水热交换器43及废气热交换器45能够分别进行有效的热交换。由于低沸点介质的绝热热降减小， 因此，能够使涡轮在低速下旋转。由此，能够防止涡轮的大型化。
介质回路27与水套冷却水循环系统9及排气通路15分开地、换言之与往复移动式发动机3分开地独立设置，因此，能够防止水套冷却水循环系统9、排气通路15等的复杂化。
由此，能够提供不会对往复移动式发动机3产生较大的影响，例如也可搭载于车辆等狭小的空间的实用的发动机废热回收发电涡轮系统5。
[第二实施方式]
接着，使用图2对本发明第二实施方式的往复移动式发动机系统1进行说明。
本实施方式中，发动机废热回收发电涡轮系统5的蒸发器部33及水套冷却水循环系统9的构成与第一实施方式不同，因此，在此，主要对该不同的部分进行说明，对于与上述的第一实施方式相同的部分省略重复的说明。
对与第一实施方式相同的部件标注相同的标号。
图2是表示本实施方式的往复移动式发动机系统1的概略构成的框图。
本实施方式的蒸发器部33仅由废气热交换器45构成。与之相伴，在水套冷却水循环系统9中具备对由气缸7升温后的水套冷却水进行冷却的散热器51。也可以代替散热器51而使用冷却塔。
这样构成的本实施方式的往复移动式发动机系统1的动作基本上与上述的第一实施方式相同，因此，省略重复的说明，对不同的部分进行说明。
在水套冷却水循环系统9中，利用冷却水泵19循环的水套冷却水在通过水套17 时将气缸7的燃烧室周围冷却，此时，从气缸7的燃烧室周围获得热量而升温。
水套冷却水利用散热器51与冷却空气进行热交换，被冷却，并向水套17循环。
在发动机废热回收发电涡轮系统5中，由涡轮泵39输送的低温/高压的低沸点介质被导入到蒸发器部33的废气热交换器45。低沸点介质被通过排气通路15的例如约 400°C的废气升温，变换为高温/高压的气相。即，低沸点介质能够从被气缸7废弃的废气中回收热量，因此，能够减少作为废气向外部废弃的热量(排气损失)。
这样，回收到的热量(能量)利用发电机四被转换成电力，因此，能够将往复移动式发动机3的废热转换为通用性高的电力。
此时，由于低沸点介质的临界温度为约800C 约200°C，因此，在废气热交换器45 中，即使为温度较低的废气也能够获得维持所需的涡轮效率所需要的充分的气相的压力、 温度等。由于低沸点介质的绝热热降减小，因此，能够使涡轮在低速下旋转。由此，能够防止涡轮的大型化。
介质回路27与水套冷却水循环系统9及排气通路15分开地、换言之与往复移动式发动机3分开地独立设置，因此，能够防止水套冷却水循环系统9、排气通路15等的复杂化。
由此，不会对往复移动式发动机3产生较大的影响，例如能够提供也可搭载于车辆等狭小的空间的实用的发动机废热回收发电涡轮系统5。
本实施方式的发动机废热回收发电涡轮系统5不限定于往复移动式发动机3，例如，可适用于锅炉、燃气轮机等中可确保废气热交换器45的热源的装置。
[第三实施方式]
接着，使用图3对本发明的第三实施方式的往复移动式发动机系统1进行说明。
本实施方式中，发动机废热回收发电涡轮系统5的蒸发器部33及进气通路13的构成与第一实施方式不同，因此，在此，主要对该不同的部分进行说明，对于与上述的第一实施方式相同的部分省略重复的说明。
对与第一实施方式相同的部件标注相同的标号。
图3是表示本实施方式的往复移动式发动机系统1的概略构成的框图。
在本实施方式中，在进气通路13的鼓风机25和气缸7之间具备进气热交换器(第三热交换器)53。
在进气热交换器53插装有位于水套冷却水热交换器43和废气热交换器45之间的介质流路41。进气热交换器53为在涡轮增压器11的出口(压缩机25的出口)空气(进气)和低沸点介质之间进行热交换的热交换器。
蒸发器部33由按顺序串联连接有水套冷却水热交换器43、进气热交换器53及废气热交换器45的热交换器构成。因此，进气热交换器53设置于废气热交换器45的上游侧。
进气热交换器53构成进气通路13的一部分，利用鼓风机对内部进行压缩，通过有较高的高温例如约为180°C的空气。向插装于进气热交换器53的内部的介质流路41相对于进气逆流式地供给出自水套冷却水热交换器43的例如约75°C的低沸点介质。
进气被低沸点介质冷却，另一方面，低沸点介质被进气加热。换言之，低沸点介质能够从进气中回收热量。
这样构成的本实施方式的往复移动式发动机系统1的动作基本上与上述的第一实施方式相同，省略重复的说明，对不同的部分进行说明。
作为涡轮增压器11的出口空气的进气被压缩，因此温度升高。该进气在进气热交换器53被低沸点介质冷却，因此，温度下降，能够使密度增加。由此，能够使向气缸供给的空气量更多。
在发动机废热回收发电涡轮系统5中，出自水套冷却水热交换器43的低沸点介质被导入进气热交换器53。低沸点介质利用通过进气热交换器53的进气进行升温。S卩，低沸点介质能够从进气中回收热量，因此，可无需为了对进气进行冷却而向外部放出热。
因此，在蒸发器部33中，除了水套冷却水热交换器43及废气热交换器45之外，利用进气热交换器53也能够回收从往复移动式发动机3废弃的热量。
这样回收的热量(能量)被发电机四转换为电力，因此，能够将往复移动式发动机3的废热转换为通用性高的电力。
在本实施方式中，进气热交换器53串联连接于水套冷却水热交换器43及废气热交换器45的中间位置，但并不限定于此。
例如图4所示，进气热交换器53也可以按照与水套冷却水热交换器43并联的方式配置。
进而，如图5所示，进气热交换器53也可以用于第二实施方式的发动机废热回收发电涡轮系统5。该情况下，进气热交换器53在废气热交换器45的上游侧与其串联连接。
[第四实施方式]
接着，使用图6对本发明第四实施方式的往复移动式发动机系统1进行说明。
本实施方式中，发动机废热回收发电涡轮系统5的涡轮35及涡轮泵39的构成与第一实施方式不同，因此，在此，主要对该不同的部分进行说明，对于与上述的第一实施方式相同的部分省略重复的说明。
对与第一实施方式相同的部件标注相同的标号。
图6是表示第四实施方式的往复移动式发动机系统1的概略构成的框图。
在本实施方式中，通过主轴47 —体化后的涡轮33及发电机四收纳于密闭的容器 55内，与外部气体隔断。
涡轮泵39以利用电动机57进行旋转驱动的方式构成。电动机57利用自蓄电池 31供给的电力进行驱动。
涡轮泵39及电动机57收纳于密闭的容器59内，与外部气体隔断。
这样构成的本实施方式的往复移动式发动机系统1的动作基本上与上述的第一实施方式相同，省略重复的说明，对不同的部分进行说明。
在发动机废热回收发电涡轮系统5中，在蒸发器部33成为高压/高温的气相的低沸点介质被导入涡轮35，进行绝热膨胀而成为高温/低压的气相，或者，一部分为液相的湿润状态。
涡轮35因低沸点介质的膨胀而能够做功进行旋转，因此，发电机四经由主轴47 旋转，进行发电。由发电机四发电的电力被蓄积于蓄电池31。
电动机57利用自蓄电池31供给的电力进行旋转，且涡轮泵39旋转。向涡轮泵39 导入的来自冷凝器37的低温/低压的液相的低沸点介质利用涡轮泵39被压缩而升压。
这样，涡轮35及发电机四被收纳于容器55内，涡轮泵39及电动机57被收纳于容器59内，分别与外部气体隔断，因此，涡轮35与外部气体、及涡轮泵39与外部气体之间无需进行密封。由此，能够可靠地防止低沸点介质的泄漏，因此能够大幅削减如密封零件的更换、动作流体的补充这样的维护的次数，能够降低维护成本。
由于涡轮泵39未与涡轮35的主轴47连接，因此，涡轮35和涡轮泵39能够使转速独立。由此，能够增大发动机废热回收发电涡轮系统5及往复移动式发动机系统1的控制的自由度。
本实施方式的涡轮33及涡轮泵39周边的构造也可以适用于上述的第二实施方式及第三实施方式的各发动机废热回收发电涡轮系统5。
本发明不限定于以上说明的各实施方式，也可在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变形。
例如，作为压缩机使用了涡轮泵39，但也可以使用公知的适当形式的压缩机。
标号说明
1往复移动式发动机系统
3往复移动式发动机
5发动机废热回收发电涡轮系统
9水套冷却水循环系统
11涡轮增压器
13进气通路
15排气通路
17 水套
33蒸发器部
35 涡轮
37冷凝器
39涡轮泵
43水套冷却水热交换器
45废气热交换器
49 容器
53进气热交换器1权利要求
1.一种发动机废热回收发电涡轮系统，使用往复移动式发动机中的废热进行发电，该往复移动式发动机具有对发动机水套内进行冷却的水套冷却水循环系统和将高温的燃烧气体作为废气排出的废气流路，所述发动机废热回收发电涡轮系统具备介质回路，其使用临界温度为约80°C 约200°C的低沸点介质，由使该低沸点介质成为气相的蒸发器部、使在该蒸发器部成为气相的所述低沸点介质膨胀而成为低压的气相的涡轮、对来自该涡轮的所述低压沸点介质进行冷却而使所述低压沸点介质成为液相的冷凝器、及使自该冷凝器输送的所述低沸点介质升压的压缩机形成闭环的兰金循环；及发电机，其与所述涡轮同轴连结，被伴随所述低沸点介质的膨胀而旋转的所述涡轮驱动旋转以进行发电，所述蒸发器部至少具备在所述废气和所述低沸点介质之间进行热交换且使所述低沸点介质成为气相的第一热交换器。
2.如权利要求1所述的发动机废热回收发电涡轮系统，其中，所述蒸发器部在所述第一热交换器的上游侧具备第二热交换器，所述第二热交换器在所述水套冷却水循环系统的高温侧的水套冷却水和所述低沸点介质之间进行热交换，对所述低沸点介质进行加热。
3.如权利要求1或2所述的发动机废热回收发电涡轮系统，其中，所述往复移动式发动机具备对空气进行压缩而供给的涡轮增压器，所述蒸发器在所述第一热交换器的上游侧具备第三热交换器，所述第三热交换器在所述涡轮增压器的出口空气和所述低沸点介质之间进行热交换，对所述低沸点介质进行加热。
4.如权利要求3所述的发动机废热回收发电涡轮系统，其中，所述第三热交换器串联地设置于所述第二热交换器的上游侧或者下游侧。
5.如权利要求3所述的发动机废热回收发电涡轮系统，其中，所述第三热交换器相对于所述第二热交换器并联设置。
6.如权利要求1 5中任一项所述的发动机废热回收发电涡轮系统，其中，所述压缩机为涡轮泵，该涡轮泵与所述发电机同轴连结，所述涡轮、所述发电机及所述涡轮泵收纳于密闭容器。
7.一种往复移动式发动机系统，具备往复移动式发动机，其具有对发动机水套内进行冷却的水套冷却水循环系统及将高温的燃烧气体作为废气排出的废气流路；及如权利要求1 6中任一项所述的发动机废热回收发电涡轮系统。
全文摘要
本发明提供一种将自发动机废弃的能量作为电力回收的实用的发动机废热回收发电涡轮系统。一种发动机废热回收发电涡轮系统(1)，其使用往复移动式发动机(3)中的废热进行发电，该往复移动式发动机(3)具有水套冷却水循环系统(9)和将高温的燃烧气体作为废气排出的排气通路(15)，其中，具备介质回路(27)，其使用临界温度为约80℃～约200℃的低沸点介质，由蒸发器部(33)、使低沸点介质膨胀的涡轮(35)、冷凝器(37)及将低沸点介质升压的涡轮泵(39)形成闭环的兰金循环；发电机(29)，其与涡轮(35)同轴连结，通过伴随低沸点介质的膨胀而旋转的涡轮(35)进行旋转驱动而进行发电，在蒸发器部(33)至少具备废气热交换器(45)，所述废气热交换器(45)进行废气与低沸点介质的热交换并使低沸点介质成为气相。
文档编号F01D15/10GK102549239SQ201080043320
公开日2012年7月4日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年11月13日
发明者东森弘高, 长船信之介 申请人:三菱重工业株式会社