JP5700237B2 - 排熱回収装置 - Google Patents
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Description
しかし、通常ターボチャージャの回転数は高い(数万回転ないしそれ以上)ため、軸の振動を防止するために軸をできるだけ短くする必要がある。そのため、タービンへ排気を導くための配管、およびコンプレッサへ給気を導くための配管が長く、かつ曲がりくねったものになっている。そのため、配管における圧力損失が大きくなり、配管そのものも大きな場所を占めている。
また、配管には断熱材を巻くことも多いが、断熱材の必要量も多く、かつ曲がった配管では断熱材を巻く手間も大きいという問題点があった。
前記タービンの回転によって発電する発電機と、
前記コンプレッサを回転駆動する電動機と、
前記発電機の発電出力を動力源として前記電動機を駆動する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力をタービン側からコンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
前記直流電圧を検出する電圧検出器と、
前記回転数及び前記直流電圧に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備える、ことを特徴とする排熱回収装置が提供される。
前記タービンの回転によって発電する発電機と、
前記コンプレッサを回転駆動する電動機と、
前記発電機の発電出力を動力源として前記電動機を駆動する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力をタービン側からコンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
直流電源と、
前記タービン及び前記発電機からの発電電圧が前記インバータの動作可能な電圧に満たない場合に、前記直流電源からの電流を該インバータに供給するダイオードと、
前記回転数に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備える、ことを特徴とする排熱回収装置が提供される。
この図において、1はタービン、1aは軸、2は発電機、3は整流器、4は平滑化回路、5は直流バス、6はインバータ、7は電動機、8はコンプレッサ、8aは軸、11は回転数検出器、12は電圧検出器、13は回転数指令器、14は回転数、15は電圧、16は回転数指令値である。
例えば、三相交流で駆動される永久磁石同期モータを発電機として使用することが可能である。
例えば、ダイオードブリッジなどで構成されている。
例えば、リアクトルとコンデンサで構成されている。
例えば、ケーブルや、銅/アルミなどの導体のバスバーで構成されている。
例えば、IGBTやパワーMOS FETなどの電力制御素子をPWM変調し、電圧型ないし電流型インバータとする構成が好ましい。
或いは、電動機7を可変速で駆動する方法としては、センサレスベクトル制御でもよいし、電動機7の回転をエンコーダやレゾルバで検出してベクトル制御を行ってもよい。
例えば、3相交流で駆動される誘導モータや永久磁石同期モータで構成されている。
例えば、タービン1及び発電機2の軸1aに設けたタコジェネやエンコーダが用いられる。
エンコーダの場合にはエンコーダで検出した回転角度を時間微分して回転数14に変換する。
回転数指令器は、例えば、マイクロプロセッサとメモリと演算プログラムで構成することが可能である。
(1)「電圧検出器12で検出した電圧15」が「インバータ6が動作可能な最低電圧」より低い場合には、回転数指令値16を0にする。
(2)「電圧検出器12で検出した電圧15」が「インバータ6が動作可能な最低電圧」と同じか高い場合には、回転数指令値16を「回転数検出器11で検出した回転数14」×係数によって求めた値に設定する。
ここで係数は、例えば、流体性能的に、コンプレッサ8の回転数とタービン1の回転数14を等しくすると効率がよいのであれば、係数は1とし、例えば、流体性能的に、コンプレッサ8の回転数をタービン1の回転数14の2倍にすると効率がよいのであれば、係数は2とする。もしくは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ8の回転数をタービン1の回転数14の0.8倍にすると効率がよいのであれば、係数は0.8とする。
すなわち、流体性能的に効率が最もよくなるコンプレッサ8の回転数とタービン1の回転数14の比を係数とする。
回転数指令値16は回転数検出器11で検出した回転数14と比例しているので、タービン1が低速回転していればコンプレッサ8も低速で、タービン1が高速回転していればコンプレッサ8も高速で回転し、従来のタービンとコンプレッサが軸で直結されたターボチャージャと同様の動作となる。
さらに、回転数指令値16を「回転数検出器11で検出した回転数14」×係数としているので、流体性能的に、タービン1の回転数14とコンプレッサ8の回転数の比を、例えば、X倍にすることが望ましい場合、係数の値をXとしておくことにより、コンプレッサ8の回転数がタービン1の回転数14のX倍となるよう運転することができる。
この図において、13aは回転数指令器、16aは回転数指令値、21は直流電源、22はダイオードである。実施例1と同一の構成要素に対しては、図1と同じ番号を付し説明を省略する。
例えば、二次電池や電気二重層キャパシタを使用してもよいし、商用交流電源を整流・平滑化・定電圧化する構成でもよい。
(1)「回転数検出器11で検出した回転数」が、定数R1より小さい場合には、回転数指令値16aを定数R2にする。
(2)「回転数検出器11で検出した回転数」が、定数R1と同じか高い場合には、回転数指令値16aを「回転数検出器11で検出した回転数」×係数に設定する。
ここで、定数R1は、熱機関(図示しない)がアイドル状態でタービン1と同軸の発電機2による発電がほとんど行われない状態に相当するタービン1の回転数14である。定数R2は、最低限の給気を行うために必要なコンプレッサ8の回転数である。
なお、上記係数は実施例1と同様にして求められる。
この図において、33は回転数指令器、36はインバータ、37は電動機、38はコンプレッサ、38aは軸である。実施例1と同一の構成要素に対しては、図1と同じ番号を付し説明を省略する。
回転数指令器は、例えば、マイクロプロセッサとメモリと演算プログラムで構成することが可能である。
(1)「電圧検出器12で検出した電圧15」が「インバータ6が動作可能な最低電圧」より低い場合には、回転数指令値16を0にする。
(2)「電圧検出器12で検出した電圧15」が「インバータ6が動作可能な最低電圧」と同じか高い場合には、回転数指令値16を「回転数検出器11で検出した回転数14」×係数Aによって求めた値に設定する。
ここで係数Aは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ8の回転数とタービン1の回転数14を等しくすると効率がよいのであれば、係数Aは1とし、例えば、流体性能的に、コンプレッサ8の回転数をタービン1の回転数14の2倍にすると効率がよいのであれば、係数Aは2とする。もしくは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ8の回転数をタービン1の回転数14の0.8倍にすると効率がよいのであれば、係数Aは0.8とする。
すなわち、流体性能的に効率が最もよくなるコンプレッサ8の回転数とタービン1の回転数14の比を係数Aとする。
(1)「電圧検出器12で検出した電圧15」が「インバータ36が動作可能な最低電圧」より低い場合には、回転数指令値46を0にする。
(2)「電圧検出器12で検出した電圧15」が「インバータ36が動作可能な最低電圧」と同じか高い場合には、回転数指令値46を「回転数検出器11で検出した回転数14」×係数Bによって求めた値に設定する。
ここで係数Bは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ38の回転数とタービン1の回転数14を等しくすると効率がよいのであれば、係数Bは1とし、例えば、流体性能的に、コンプレッサ38の回転数をタービン1の回転数14の2倍にすると効率がよいのであれば、係数Bは2とする。もしくは、例えば、流体性能的に、コンプレッサ38の回転数をタービン1の回転数14の0.8倍にすると効率がよいのであれば、係数Bは0.8とする。
すなわち、流体性能的に効率が最もよくなるコンプレッサ38の回転数とタービン1の回転数14の比を係数Bとする。
この図において、33aは回転数指令器である。実施例2ないし実施例3と同一の構成要素に対しては、図2ないし図3と同じ番号を付し説明を省略する。
回転数指令器33aは、回転数検出器11で検出したタービン1及び発電機2の回転数14に基づいて、電動機とコンプレッサとインバータの複数の組のそれぞれに対して、電動機及びコンプレッサの回転数の指令値をインバータへ出力する。すなわち、電動機7及びコンプレッサ8の回転数の指令値16aをインバータ6へ出力し、電動機37及びコンプレッサ38の回転数の指令値46aをインバータ36へ出力する。
(1)「回転数検出器11で検出した回転数」が、定数R1より小さい場合には、回転数指令値16aを定数R2Aにする。
(2)「回転数検出器11で検出した回転数」が、定数R1と同じか高い場合には、回転数指令値16aを「回転数検出器11で検出した回転数」×係数Aに設定する。
ここで、定数R2Aは、最低限の給気を行うために必要なコンプレッサ8の回転数である。
(1)「回転数検出器11で検出した回転数」が、定数R1より小さい場合には、回転数指令値46aを定数R2Bにする。
(2)「回転数検出器11で検出した回転数」が、定数R1と同じか高い場合には、回転数指令値46aを「回転数検出器11で検出した回転数」×係数Bに設定する。
ここで、定数R2Bは、最低限の給気を行うために必要なコンプレッサ38の回転数である。
また、例えば、環境規制に対応するために複数台又は複数の部分に分かれている熱機関や熱サイクルに対し共通の排ガス処理装置を設ける場合、タービン通過前の高圧の排気が配管を通過するので、配管が細くてすむという効果が得られる。
また、過電圧防止のため、直流バス5のプラスマイナス間にコンタクタを介して回生抵抗を追加し、直流バス5の電圧がインバータ6の入力許容電圧を越える場合にはコンタクタを閉じるように構成してもよい。
5 直流バス、6 インバータ、7 電動機、8 コンプレッサ、8a 軸、
11 回転数検出器、12 電圧検出器、13 回転数指令器、
13a 回転数指令器、14 回転数、15 電圧、16 回転数指令値、
16a 回転数指令値、21 直流電源、22 ダイオード、
33 回転数指令器、33a 回転数指令器、36 インバータ、
37 電動機、38 コンプレッサ、38a 軸、46 回転数指令値、46a 回転数指令値
Claims (3)
- 排気により駆動されるタービンと、気体を圧縮するコンプレッサとを備える排熱回収装置であって、
前記タービンと前記コンプレッサは機構的に分けられており、
前記タービンの回転によって発電する発電機と、
前記コンプレッサを回転駆動する電動機と、
前記発電機の発電出力を動力源として前記電動機を駆動する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力をタービン側からコンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記発電機から、前記整流器と前記平滑化回路と前記直流バスを通して電力が供給され、この電力を動力源として前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
前記直流電圧を検出する電圧検出器と、
前記回転数及び前記直流電圧に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備え、
該回転数指令器は、
前記電圧検出器で検出した前記直流電圧が、前記インバータが動作可能な最低電圧以上の場合には、前記回転数指令値を「前記回転数検出器で検出した前記回転数」×係数によって求めた値に設定する、ことを特徴とする排熱回収装置。 - 排気により駆動されるタービンと、気体を圧縮するコンプレッサとを備える排熱回収装置であって、
前記タービンと前記コンプレッサは機構的に分けられており、
前記タービンの回転によって発電する発電機と、
前記コンプレッサを回転駆動する電動機と、
前記発電機の発電出力を動力源として前記電動機を駆動する制御装置を備え、
前記制御装置は、前記発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
整流器直後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
電力をタービン側からコンプレッサ側へ送る直流バスと、
前記発電機から、前記整流器と前記平滑化回路と前記直流バスを通して電力が供給され、この電力を動力源として前記電動機を駆動するインバータと、
前記タービン及び前記発電機の回転数を検出する回転数検出器と、
直流電源と、
前記タービン及び前記発電機からの発電電圧が前記インバータの動作可能な電圧に満たない場合に、前記直流電源からの電流を該インバータに供給するダイオードと、
前記回転数に基づいて算出された前記電動機及び前記コンプレッサの回転数指令値を前記インバータに出力する回転数指令器と、を備え、
該回転数指令器は、
前記回転数検出器で検出した前記回転数が、定数R1以上の場合には、前記回転数指令値を「前記回転数検出器で検出した前記回転数」×係数に設定する、ことを特徴とする排熱回収装置。 - 1組の前記タービン及び前記発電機に対して、前記電動機及び前記コンプレッサを複数台設置している、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の排熱回収装置。
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