JP6228060B2 - 燃料ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶に搭載されるディーゼルエンジンに燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置に関する。

従来の船舶においては、低速での出力が可能であり、プロペラに直結して駆動することができる、２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンが用いられている。
近年、低速ディーゼルエンジンの燃料として、ＣＯ_２排出量の少ない天然ガスが注目されている。低速ディーゼルエンジンの燃焼室に高圧の天然ガス（燃料ガス）を噴射して燃焼させることで、高熱効率で高出力が得られる。

天然ガスを高圧にして低速ディーゼルエンジンの燃焼室に噴射するために、液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」という）を昇圧してから加熱し、気化させることが考えられる。具体的には、タンクに貯留されたＬＮＧを液体ポンプにより昇圧し、昇圧されたＬＮＧを気化器により加熱し、気化させてから低速ディーゼルエンジンの燃焼室に噴射する（例えば、特許文献１等）。

ＬＮＧのタンクからは、大気圧の燃料ガス（ボイルオフガス。以下、「ＢＯＧ」という。）が発生する。このＢＯＧを圧縮機にて圧縮してからエンジン燃料に用いる方法が検討されてきた。しかし、ＢＯＧを圧縮するとＢＯＧの温度が上昇する。ディーゼルエンジンのような内燃機関では、燃焼室に供給される燃料ガスの圧力が同じであれば、燃料ガスの温度が高いほど単位容積当たりの吸気質量が減り、出力が低下する。このため、断熱圧縮により温度が上昇したＢＯＧを燃料ガスとして燃焼室に供給する場合、出力が低下するおそれがある。

ＢＯＧにＬＮＧを噴霧し、ＢＯＧとＬＮＧとを直接接触させることで、ＬＮＧの気化熱によりＢＯＧの温度を低下させる熱交換器が提案されている（例えば、特許文献２等）。

特開２０１２−１７７３３３号公報 特開２０１０−２２３４２４号公報

しかし、ＢＯＧにＬＮＧを噴霧する方法では、ＢＯＧに対するＬＮＧの量が多いと気化しないＬＮＧを分離して除去する必要があり、ＢＯＧに対するＬＮＧの量が多い船舶には不向きである。また、冷却されるＢＯＧの圧力と気化するＬＮＧの圧力差が大きいと、ＢＯＧとＬＮＧとを直接接触させる形式の熱交換器は使用することができない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、液体燃料が気化した燃料ガスを容易に再利用するとともに、燃料ガスの圧縮により得られる熱を液体燃料の加熱に用いることができる燃料ガス供給装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、船舶のディーゼル機関の燃焼室内へ燃料ガスを供給するガス燃料供給装置であって、
燃料ガスおよび燃料ガスが気化する前の液体燃料を第１の圧力で貯留する与圧タンクと、
前記与圧タンク内の燃料ガスを前記第１の圧力よりも高い第２の圧力に昇圧する第１圧縮機と、
前記与圧タンク内の液体燃料を前記第２の圧力よりも高い第３の圧力に昇圧する第１液体ポンプと、
前記第１圧縮機より吐出される燃料ガスと前記第１液体ポンプより吐出される液体燃料との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器を通過した燃料ガスを前記第３の圧力に昇圧する第２圧縮機と、
前記熱交換器を通過した液体燃料を気化させ前記第３の圧力の燃料ガスを生成する気化器と、
前記第２圧縮機より吐出される燃料ガスと前記気化器により生成された燃料ガスとを混合し前記燃焼室内へ供給する混合部と、
前記第１圧縮機、前記第２圧縮機、および前記第１液体ポンプの駆動を制御する制御部と、
を備える、ことを特徴とする。

前記与圧タンクに供給する液体燃料を前記第１の圧力よりも低い圧力で貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内の液体燃料を前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第２液体ポンプと、
前記貯留タンク内で気化した燃料ガスを前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第３圧縮機とをさらに備え、
前記与圧タンクは、
前記第３圧縮機より吐出される燃料ガスを気泡として前記与圧タンク内の液体燃料の液面よりも下方から供給する気泡発生器と、
前記第２液体ポンプより吐出される液体燃料を液滴として前記液面よりも上方から供給する液滴発生器と、
を備えることが好ましい。

前記貯留タンクには内部の圧力を計測する第１圧力計が設けられ、
前記制御部は、前記第１圧力計の計測結果に応じて前記第３圧縮機からの燃料ガスの吐出量を制御することが好ましい。

前記与圧タンクには内部の液体燃料の液位を計測する液位計が設けられ、
前記制御部は、前記液位計の計測結果に応じて前記第２液体ポンプからの液体燃料の吐出量を制御することが好ましい。

前記第３圧縮機と前記第１圧縮機とを短絡する第１バイパス配管と、
前記第１バイパス配管に設けられ前記制御部により開度を調節される第１バルブとをさらに備え、
前記与圧タンクには内部の温度を計測する温度計が設けられ、
前記制御部は、前記温度計の計測結果に応じて前記第１バルブの開度を調節することが好ましい。

前記与圧タンクと前記第１圧縮機とを接続する配管と、前記第２圧縮機と前記混合部とを接続する配管とを短絡する第２バイパス配管と、
前記第２バイパス配管に設けられ前記制御部により開度を調節される第２バルブとをさらに備え、
前記与圧タンクには内部の圧力を計測する第２圧力計が設けられ、
前記制御部は、前記第２圧力計の計測結果に応じて前記第２バルブの開度を調節することが好ましい。

前記混合部には前記燃焼室内へ供給する燃料ガスの圧力を計測する第３圧力計が設けられ、
前記制御部は、前記第３圧力計の計測結果に応じて前記第１液体ポンプからの液体燃料の吐出量を制御することが好ましい。
また、上述のガス燃料供給装置は、
前記与圧タンクに供給する液体燃料を前記第１の圧力よりも低い圧力で貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内の液体燃料を前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第２液体ポンプと、をさらに備え、
前記与圧タンクには内部の液体燃料の液位を計測する液位計が設けられ、
前記制御部は、前記液位計の計測結果に応じて前記第２液体ポンプからの液体燃料の吐出量を制御する、ことが好ましい。
また、上述のガス燃料供給装置は、
前記与圧タンクに供給する液体燃料を前記第１の圧力よりも低い圧力で貯留する貯留タンクと、
前記貯留タンク内で気化した燃料ガスを前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第３圧縮機と、
前記第３圧縮機と前記第１圧縮機とを短絡する第１バイパス配管と、
前記第１バイパス配管に設けられ前記制御部により開度を調節される第１バルブと、をさらに備え、
前記与圧タンクには内部の温度を計測する温度計が設けられ、
前記制御部は、前記温度計の計測結果に応じて前記第１バルブの開度を調節する、ことが好ましい。

本発明によれば、ディーゼル機関の燃焼室に供給する燃焼ガスの圧力である第３の圧力よりも低い第２の圧力に昇圧した燃料ガスと、第３の圧力に昇圧した液体燃料との熱交換を行うことで、燃料ガスを冷却し、燃料ガスの体積を小さくすることで、燃料ガスの圧力を第３の圧力に昇圧するのに必要な単位量当たりの仕事を低減することができる。さらに、燃料ガスとの熱交換により液体燃料の温度を上げることで、液体燃料の気化を促進することができる。また、液体燃料が気化した燃料ガスを第１の圧力に昇圧した後、同じ第１の圧力に昇圧した液体燃料と混合することで、燃料ガスの圧力を第１の圧力に維持したまま温度を下げることができ、その後の燃料ガスの昇圧に必要な仕事を低減することができる。

本発明の実施形態に係る燃料ガス供給装置１０のブロック図である。 与圧タンク２０の概略図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃料ガス供給装置を図１に基づいて説明する。
本実施形態の燃料ガス供給装置１は、ディーゼルエンジン９０の燃焼室内へ液体燃料を気化させた燃料ガスを高圧で噴射して供給する装置である。本実施形態のディーゼルエンジン９０には、例えば２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンを用いることができる。

燃料ガス供給装置１は、図１に示すように、液体燃料タンク１０と、与圧タンク２０と、液体ポンプＦＰ１、ＦＰ２と、圧縮機Ｃ１〜Ｃ３と、熱交換器ＨＸ１〜ＨＸ３と、モータＭ１〜Ｍ４と、ポンプＰ１〜Ｐ２と、バルブＶ１〜Ｖ３と、配管３１〜３８、４１〜４５、５１〜５２と、制御部６０と、計器類（圧力計６１〜６３、液位計６４、温度計６５〜６７）と、燃料ガス処理器８０と、等を備える。燃料ガス供給装置１のこれらの構成要素は全て船舶に搭載される。

圧縮機Ｃ１〜Ｃ３には、例えば、圧縮室内の可動部（プランジャ又はピストン）が直線交番運動をすることによって気体を吸い込み圧縮する、往復圧縮機（ＪＩＳ Ｂ８３４１：２００８）を用いることができる。この場合、圧縮機Ｃ１〜Ｃ３を駆動するモータＭ１〜Ｍ２の回転運動は、例えば図示しないクランク機構等により可動部の往復運動に変換される。
液体ポンプＦＰ１、ＢＰ２には、例えば、可動部が往復運動を行う形式の往復ポンプ（ＪＩＳ Ｂ８３１１：２００２）を用いることができる。この場合、液体ポンプＦＰ１、ＢＰ２を駆動するモータＭ３〜Ｍ４の回転運動は、例えば図示しないクランク機構等により可動部の往復運動に変換される。
熱交換器ＨＸ１〜ＨＸ３として、例えば、多管円筒形熱交換器（Shell and tube heat exchanger）（ＪＩＳ Ｂ８２４９：１９９９）を用いることができる。

液体燃料タンク１０（貯留タンク）は、ディーゼルエンジン９０に供給される燃料ガスが気化される前の液体燃料を貯留する。液体燃料として、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）等を用いることができる。以下の説明では、液体燃料としてＬＮＧを用いる場合を例に挙げて説明する。

液体燃料タンク１０内の圧力は、例えば約０．１ＭＰａ（大気圧）である。液体燃料がＬＮＧである場合、その温度は約−１６０℃である。なお、液体燃料タンク１０内で液体燃料が気化（ボイルオフ）することで生じる燃料ガスにより、液体燃料タンク１０内の圧力は上昇しうる。
液体燃料タンク１０の上端には配管３１が、下端には配管４１が接続されている。
圧力計６１（第１圧力計）は、液体燃料タンク１０に設けられている。圧力計６１は、液体燃料タンク１０内の圧力を計測し、計測信号を制御部６０に出力する。
配管３１の上流側端部は液体燃料タンク１０の上端に接続され、下流側端部は圧縮機Ｃ１に接続されている。液体燃料タンク１０内で液体燃料が気化した燃料ガス（ボイルオフガス、ＢＯＧ）は、配管３１を介して圧縮機Ｃ１に供給される。液体燃料タンク１０内の液体燃料がＬＮＧである場合、液体燃料タンク１０内で液体燃料が気化した燃料ガスの温度は約−１３０℃である。

圧縮機Ｃ１（第３圧縮機）の上流側は配管３１と、下流側は配管３２と接続されている。圧縮機Ｃ１はモータＭ１により駆動され、配管３１を介して供給される燃料ガスを、液体燃料タンク１０内の圧力よりも高い所定の圧力（第１の圧力）に昇圧し、配管３２に供給する。圧縮機Ｃ１による昇圧後の燃料ガスの圧力（第１の圧力）は、例えば約１ＭＰａ以上である。このとき、昇圧後の燃料ガスの温度は約−１０℃に上昇する。

モータＭ１は制御部６０により制御される。液体燃料タンク１０内の圧力に応じて圧縮機Ｃ１による燃料ガスの吐出量を調節することで、液体燃料タンク１０内の圧力を一定に保つことができる。圧縮機Ｃ１による燃料ガスの吐出量は、例えば制御部６０がモータＭ１の回転数を制御することで調節することができる。

配管３２の上流側端部は圧縮機Ｃ１に接続され、下流側端部は与圧タンク２０に接続されている。配管３２は、圧縮機Ｃ１により昇圧された燃料ガスを与圧タンク２０内に供給する。なお、与圧タンク２０内に供給される燃料ガスの圧力や流量を調整するオリフィス３９が配管３２に設けられていてもよい。
配管３３の上流側端部は配管３２の途中に接続され、下流側端部は燃料ガス処理器８０に接続されている。配管３３は配管３２内の余剰の燃料ガスを燃料ガス処理器８０に供給する。配管３３にはバルブＶ３が設けられている。バルブＶ３は配管３３を介して燃料ガス処理器８０に供給される燃料ガスの流量を調節する。バルブＶ３の開度は制御部６０により制御される。燃料ガス処理器８０は、例えば燃料ガスを燃焼させることで蒸気タービンを回転させる火力発電機や、燃料ガスの燃焼熱により後述する熱媒体を加熱する加熱器である。

与圧タンク２０には配管３２、３４、４２、４３が接続されている。与圧タンク２０には、圧力計６２、液位計６４、温度計６５が設けられている。与圧タンク２０内では、配管３２により供給される燃料ガスと、配管４２により供給される液体燃料とが混合される。
与圧タンク２０は直接接触式の熱交換器を兼ねており、配管３２により供給される燃料ガスと、配管４２により供給される液体燃料とが内部で直接接触し、燃料ガスと液体燃料との間で熱交換が行われる。このため、圧縮機Ｃ１により圧縮されることで温度が上昇した燃料ガスは、液体燃料と混合されることで冷却され、燃料ガスの一部が再液化する。例えば、与圧タンク２０内で燃料ガスの温度が約−１００℃まで下がり、与圧タンク２０内の液体燃料の温度が約−１３０℃まで上昇すると仮定すると、圧縮機Ｃ１から吐出された燃料ガスの約半分が液化する。

ここで、与圧タンク２０の構造について詳細に説明する。
図２は与圧タンク２０の概略図である。配管３２は与圧タンク２０の上部から与圧タンク２０内に入り、与圧タンク２０内において液体燃料の液面Ｌよりも下まで延在し、液体燃料の液面Ｌよりも下方に設けられた気泡発生器２１に接続されている。気泡発生器２１は水平方向に配置された多数の孔２２を有し、配管３２より供給された燃料ガスを多数の孔２２より液体燃料の内部へ気泡２３として放出する。燃料ガスを気泡２３として液体燃料の内部へ放出することで、燃料ガスと液体燃料との接触面積が増大し、燃料ガスと液体燃料との熱交換を効率的に行うことができる。また、気泡２３によって燃料ガスおよび液体燃料が攪拌されるため、与圧タンク２０内の温度を均一にすることができる。

配管３４は与圧タンク２０の上部から与圧タンク２０内に入り、配管３４の下端は与圧タンク２０内の液体燃料の液面Ｌよりも高い位置に配置されている。与圧タンク２０内の液面Ｌよりも上部の空間は燃料ガスで満たされており、与圧タンク２０内の燃料ガスは配管３４により排出される。

配管４２は、与圧タンク２０の上部から与圧タンク２０内に入り、与圧タンク２０内において液体燃料の液面Ｌよりも上方に設けられた液滴発生器２４に接続されている。液滴発生器２４は水平方向に配置された多数の孔２５を有し、配管４２より供給された液体燃料を多数の孔２５より液滴２６として液体燃料の液面Ｌに向けて滴下させる。与圧タンク２０内の液面Ｌよりも上方の空間は燃料ガスで満たされており、この空間において液体燃料の液滴２６を滴下させることで、燃料ガスと液体燃料との接触面積が増大し、燃料ガスと液体燃料との熱交換を効率的に行うことができる。また、液滴２６によって燃料ガスおよび液体燃料が攪拌されるため、与圧タンク２０内の温度を均一にすることができる。

配管４３は与圧タンク２０の下部から与圧タンク２０内に入り、配管４３の上端は与圧タンク２０内の液体燃料の液面Ｌよりも低い位置に配置されている。与圧タンク２０内の液体燃料は配管４３により排出される。

図１に戻り、圧力計６２（第２圧力計）は与圧タンク２０内の圧力を計測し、計測信号を制御部６０に出力する。与圧タンク２０内の圧力に応じて制御部６０がバルブＶ２の開度を調節することで、後述するように与圧タンク２０内の圧力が上昇しすぎることを防ぐことができる。

液位計６４は与圧タンク２０内の液体燃料の液位（液面Ｌの高さ）を計測し、計測信号を制御部６０に出力する。与圧タンク２０内の液体燃料の液位に応じてモータＭ３の駆動を制御することで、与圧タンク２０内の液体燃料の液位を調整することができる。例えば、液位が下降したときは、モータＭ３の回転数を上昇させることで、液位が基準位置となるまで下降させることができる。一方、液位が上昇した場合は、モータＭ３の回転数を低下させることで、液位を基準位置まで下降させることができる。なお、モータＭ４の回転が停止しているときは、モータＭ３を回転させると液位が上昇するため、モータＭ３の回転を停止させる。
温度計６５は与圧タンク２０内の温度を計測し、計測信号を制御部６０に出力する。与圧タンク２０内の温度に応じて制御部６０がバルブＶ１の開度を調節することで、与圧タンク２０に供給される燃料ガスの量を調節し、与圧タンク２０内の温度を調節することができる。

配管３４の上流側端部は与圧タンク２０の上端部に接続され、下流側端部は圧縮機Ｃ２に接続されている。
配管３５（第１バイパス配管）の上流側端部は配管３２に接続され、下流側端部は配管３４に接続されている。配管３５にはバルブＶ１が設けられており、バルブＶ１の開度は制御部６０により制御される。与圧タンク２０の温度に応じて制御部６０はバルブＶ１の開度を調節する。バルブＶ１が開いているとき、配管３２と配管３４とが配管３５により接続され、配管３２内の燃料ガスは与圧タンク２０を経由せずに配管３４に供給される。すなわち、バルブＶ１が開いているとき、圧縮機Ｃ１と圧縮機Ｃ２とが配管３５により短絡され、圧縮機Ｃ１により昇圧された燃料ガスは与圧タンク２０を経ずに配管３５を経由して圧縮機Ｃ２に直接供給される。

圧縮機Ｃ２（第１圧縮機）の上流側は配管３４に接続され、下流側は配管３６に接続されている。圧縮機Ｃ２は配管３４より供給される燃料ガスを、与圧タンク２０内の圧力よりも高い所定の圧力（第２の圧力）に昇圧し、配管３６に供給する。圧縮機Ｃ２による昇圧後の圧力（第２の圧力）は、例えば約１０ＭＰａである。圧縮機Ｃ２から吐出される燃料ガスの温度は、例えば約６０℃に上昇する。

なお、与圧タンク２０内で燃料ガスが液体燃料と混合されることにより、燃料ガスの温度が低下しているため、圧縮機Ｃ２に供給される燃料ガスの単位モル数当たりの体積は減少しており、圧縮機Ｃ２に供給される燃料ガスの単位体積当たりのモル数が増加している。一定体積の燃料ガスを第１の圧力から第２の圧力に昇圧するために圧縮機Ｃ２が行う仕事（単位：ジュール）は一定であるため、燃料ガスの単位体積当たりのモル数が増加することで、燃料ガスを第１の圧力から第２の圧力に昇圧するのに必要な、単位モル数当たりの仕事を低減させることができる。

配管３６の上流側端部は圧縮機Ｃ２と接続され、下流側端部は圧縮機Ｃ３と接続されている。配管３６は配管４４とともに熱交換器ＨＸ１内を通過している。熱交換器ＨＸ１は、熱交換の効率の観点から、配管３６を流れる燃料ガスの流れと配管４４を流れる液体燃料の流れとが反対方向となる対向流式であることが好ましい。
熱交換器ＨＸ１内では配管３６を通過する燃料ガスと配管４４を通過する液体燃料との間で熱交換が行われ、燃料ガスは冷却される。例えば、圧縮機Ｃ２から吐出される燃料ガスは、熱交換器ＨＸ１内の配管３６を通過することで約−３０℃に冷却される。

圧縮機Ｃ３（第２圧縮機）の上流側は配管３６に接続され、下流側は配管３７に接続されている。圧縮機Ｃ３は配管３６より供給される燃料ガスを、圧縮機Ｃ２による昇圧後の圧力よりも高い所定の圧力（第３の圧力）に昇圧し、配管３７に供給する。圧縮機Ｃ３による昇圧後の圧力（第３の圧力）は、例えば約３０ＭＰａである。圧縮機Ｃ３から吐出される燃料ガスの温度は、例えば約３０℃に上昇する。
圧縮機Ｃ２および圧縮機Ｃ３は、モータＭ２により駆動される。モータＭ２は制御部６０により、例えば一定回転数に制御される。

配管３７の上流側端部は圧縮機Ｃ３に接続され、下流側端部は配管４４とともに配管４５と接続されている。配管３７は圧縮機Ｃ３により昇圧された燃料ガスを配管４５に供給する。
また、配管３７は配管５１とともに熱交換器ＨＸ２内を通過している。熱交換器ＨＸ２内では配管３７を通過する燃料ガスと配管５１を通過する熱媒体との間で熱交換が行われ、配管３７を通過する燃料ガスが加熱される。配管５１を通過する熱媒体として、例えば温めた水や海水を用いることができる。熱媒体の加熱には、例えば燃料ガス処理器８０における燃料ガスの燃焼熱を用いることができる。配管５１を通過する熱媒体はポンプＰ１により供給され、制御部６０がポンプＰ１を制御することで配管５１を通過する熱媒体の流量は制御される。

配管３７の熱交換器ＨＸ２よりも下流側には、温度計６６が設けられている。温度計６６は熱交換器ＨＸ２による熱交換が行われた後の配管３７内の燃料ガスの温度を計測し、計測信号を制御部６０に出力する。制御部６０が温度計６６の温度に応じて熱媒体の温度やポンプＰ１による熱媒体の流量を制御することで、配管３７から配管４５に供給される燃料ガスの温度を調整することができる。

配管３８（第２バイパス配管）の上流側端部は配管３４に接続され、下流側端部は配管３７に接続されている。配管３８にはバルブＶ２が設けられており、バルブＶ２の開度は制御部６０により制御される。与圧タンク２０内の圧力に応じて制御部６０はバルブＶ２の開度を調節する。バルブＶ２が開いているとき、配管３４内の燃料ガスは圧縮機Ｃ２、Ｃ３および配管３６を経由せずに配管３７に供給される。すなわち、バルブＶ２が開いているとき、配管３８により与圧タンク２０と配管４５とが短絡され、与圧タンク２０内の燃料ガスは圧縮機Ｃ２、Ｃ３を経ずに配管４５に直接排出される。このため、与圧タンク２０内の圧力に応じてバルブＶ２の開度を調節するバルブＶ２の開度を調節することで、与圧タンク２０内の圧力を調節することができ、与圧タンク２０内の圧力が異常に上昇することを防ぐことができる。

配管４１の上流側端部は液体燃料タンク１０と接続され、下流側タンクは液体ポンプＦＰ１と接続されている。液体燃料タンク１０内の液体燃料は、配管４１を介して液体ポンプＦＰ１に供給される。

液体ポンプＦＰ１（第２液体ポンプ）の上流側は配管４１に接続され、下流側は配管４２に接続されている。液体ポンプＦＰ１は配管４１より供給される液体の圧力を、第１の圧力に上昇させ、配管４２に供給する。液体ポンプＦＰ１はモータＭ３により駆動され、モータＭ３は制御部６０により制御される。
配管４２の上流側端部は液体ポンプＦＰ１と接続され、下流側端部は与圧タンク２０と接続されている。配管４２は液体ポンプＦＰ１により圧力を上昇させた液体燃料を与圧タンク２０に供給する。

配管４３の上流側端部は与圧タンク２０の下端に接続され、下流側端部は液体ポンプＦＰ２に接続されている。配管４３は与圧タンク２０内の液体燃料を液体ポンプＦＰ２に供給する。
液体ポンプＦＰ２（第１液体ポンプ）の上流側は配管４３に接続され、下流側は配管４４に接続されている。液体ポンプＦＰ２は配管４３から供給される、第１の圧力の液体燃料の圧力を第３の圧力に上昇させ、配管４４に供給する。液体ポンプＦＰ２はモータＭ４により駆動され、モータＭ４は制御部６０により制御される。

配管４４の上流側端部は液体ポンプＦＰ２に接続され、下流側端部は配管４５に接続されている。配管４４は配管３６とともに熱交換器ＨＸ１を通過している。配管４４を通過する液体燃料は、熱交換器ＨＸ１内で配管３６を通過する燃料ガスとの間で熱交換が行われ、液体燃料は加熱される。例えば、液体燃料は熱交換器ＨＸ１において約−３０℃まで加熱される。

また、配管４４は、熱交換器ＨＸ１よりも下流側で、配管５２とともに熱交換器ＨＸ３を通過している。配管４４を通過する液体燃料は、熱交換器ＨＸ３内で配管５２を通過する熱媒体との間で熱交換が行われ、液体燃料は加熱される。熱交換器ＨＸ１、ＨＸ３において加熱されることで、配管４４内の液体燃料は完全に気化し、燃料ガスとなる。すなわち、熱交換器ＨＸ３は気化器として機能する。
配管５２を通過する熱媒体として、例えば温めた水や海水を用いることができる。熱媒体の加熱には、例えば燃料ガス処理器８０における燃料ガスの燃焼熱を用いることができる。配管５２を通過する熱媒体はポンプＰ２により供給され、制御部６０がポンプＰ２を制御することで配管５２を通過する熱媒体の流量は制御される。

配管４４の熱交換器ＨＸ３よりも下流側には、温度計６７が設けられている。温度計６７は熱交換器ＨＸ３による熱交換が行われた後の配管４４内の燃料ガスの温度を計測し、計測信号を制御部６０に出力する。制御部６０が温度計６７の温度に応じて熱媒体の温度やポンプＰ２による熱媒体の流量を制御することで、配管４４において完全に液体燃料を燃料ガスに気化させ、配管４５に供給される燃料ガスの温度を調整することができる。

配管４５（混合部）の上流側端部は配管３７および配管４４に接続され、下流側端部はディーゼルエンジン９０の燃焼室に接続されている。配管３７から供給される第３の圧力の燃料ガスと、配管４４から供給される第３の圧力の燃料ガスは配管４５において混合され、ディーゼルエンジン９０の燃焼室に供給される。
配管４５には、圧力計６３（第３圧力計）が設けられている。圧力計６３は、配管４５内部の燃料ガスの圧力を計測し、計測信号を制御部６０に出力する。配管４５内の圧力に応じて制御部６０がモータＭ４の回転数を調節し、液体ポンプＦＰ２からの液体燃料の吐出量を制御することで、配管４５内の燃料ガスの圧力を一定に保つことができる。
例えば、ディーゼルエンジン９０の回転数が低下すると、ディーゼルエンジン９０に供給される燃料ガスの量が低下するため、配管４５内の圧力が上昇する。この場合、燃料ガスの消費量に応じてモータＭ４の回転数を低下させることで、配管４５内の圧力を低下させ、一定の圧力に維持することができる。

なお、さらにディーゼルエンジン９０の回転数が低下し、ディーゼルエンジン９０が停止すると、モータＭ４の回転が停止する。この場合、与圧タンク２０内の液位が上昇することを防ぐためにモータＭ３の回転が停止される。
このとき、与圧タンク２０内で液体燃料が気化（ボイルオフ）することで生じる燃料ガスにより、与圧タンク２０内の圧力は上昇しうる。この場合、バルブＶ１、Ｖ３の開度を調節することで、余剰のボイルオフガスを燃料ガス処理器８０により処理することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、圧縮機Ｃ２が第２の圧力に昇圧した燃料ガスと、液体ポンプＦＰ２が第３の圧力に昇圧した液体燃料との熱交換を行うことで、燃料ガスを冷却し燃料ガスの体積を小さくし、単位体積当たりのモル数を増加させることができ、燃料ガスの昇圧に必要な単位モル数当たりの仕事を低減することができる。さらに、燃料ガスとの熱交換により液体燃料の温度を上げることで、液体燃料の気化を促進することができる。また、圧縮機Ｃ１により第１の圧力に昇圧した燃料ガスと、液体ポンプＦＰ１により第１の圧力に昇圧した液体燃料とを与圧タンク２０において混合することで、燃料ガスの圧力を第１の圧力に維持したまま冷却することができ、その後の燃料ガスの昇圧に必要な仕事を低減することができる。

また、与圧タンク２０内の液体燃料の液面Ｌよりも下方から圧縮機Ｃ１より吐出される燃料ガスを気泡２３として供給するとともに、液面Ｌよりも上方から液体ポンプＦＰ１より吐出される液体燃料を液滴２６として供給することで、燃料ガスと液体燃料との接触面積が増大し、燃料ガスと液体燃料との熱交換を効率的に行うことができる。

また、液体燃料タンク１０の内部の圧力を圧力計６１により計測し、制御部６０が圧力計６１の計測結果に応じて圧縮機Ｃ１からの燃料ガスの吐出量を制御することで、液体燃料タンク１０内の圧力を一定に保つことができる。

また、与圧タンク２０の内部の液体燃料の液位を液位計６４により計測し、制御部６０が液位計６４の計測結果に応じて液体ポンプＦＰ１からの液体燃料の吐出量を制御することで、与圧タンク２０内の液体燃料の液位を調整することができる。

また、圧縮機Ｃ１と圧縮機Ｃ２とを短絡する配管３５にバルブＶ１が設けられ、与圧タンク２０の内部の温度を温度計６５により計測し、与圧タンク２０内の温度に応じて制御部６０がバルブＶ１の開度を調節することで、与圧タンク２０に供給される燃料ガスの量を調節し、与圧タンク２０内の温度を調節することができる。

また、与圧タンク２０の内部の圧力を圧力計６２により計測し、与圧タンク２０内の圧力に応じて制御部６０がバルブＶ２の開度を調節することで、与圧タンク２０内の燃料ガスが圧縮機Ｃ２、Ｃ３を経ずに配管４５に直接排出されるため、与圧タンク２０内の圧力が上昇しすぎることを防ぐことができる。

また、燃焼室内へ供給する燃料ガスの圧力を計測する圧力計６３を配管４５に設け、制御部６０が圧力計６３の計測結果に応じて液体ポンプＦＰ２からの液体燃料の吐出量を制御することで、配管４５内の燃料ガスの圧力を一定に保つことができる。

なお、上記説明においては、液体燃料がＬＮＧである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ＬＰＧ等の液体燃料を用いてもよい。また、本実施形態においては、燃料ガスを圧縮機Ｃ１〜Ｃ３により３段階で圧縮したが、本発明はこれに限らず、４段階以上で圧縮してもよい。
また、上記説明における温度、圧力は一例であり、本発明はこれに限られるものではない。

Ｃ１ 圧縮機（第３圧縮機）
Ｃ２ 圧縮機（第１圧縮機）
Ｃ３ 圧縮機（第２圧縮機）
ＦＰ１ 液体ポンプ（第２液体ポンプ）
ＦＰ２ 液体ポンプ（第１液体ポンプ）
ＨＸ１〜ＨＸ３ 熱交換器
Ｍ１〜Ｍ４ モータ
Ｐ１〜Ｐ２ ポンプ
Ｖ１〜Ｖ３ バルブ
１ 燃料ガス供給装置
１０ 液体燃料タンク（貯留タンク）
２０ 与圧タンク
２１ 気泡発生器
２４ 液滴発生器
２２、２５ 孔
２３ 気泡
２６ 液滴
３１〜３８、４１〜４５、５１〜５２ 配管
６０ 制御部
６１ 圧力計（第１圧力計）
６２ 圧力計（第２圧力計）
６３ 圧力計（第３圧力計）
６４ 液位計
６５〜６７ 温度計
８０ 燃料ガス処理器
９０ ディーゼルエンジン

Claims (9)

1. 船舶のディーゼル機関の燃焼室内へ燃料ガスを供給するガス燃料供給装置であって、
   燃料ガスおよび燃料ガスが気化する前の液体燃料を第１の圧力で貯留する与圧タンクと、
   前記与圧タンク内の燃料ガスを前記第１の圧力よりも高い第２の圧力に昇圧する第１圧縮機と、
   前記与圧タンク内の液体燃料を前記第２の圧力よりも高い第３の圧力に昇圧する第１液体ポンプと、
   前記第１圧縮機より吐出される燃料ガスと前記第１液体ポンプより吐出される液体燃料との熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器を通過した燃料ガスを前記第３の圧力に昇圧する第２圧縮機と、
   前記熱交換器を通過した液体燃料を気化させ前記第３の圧力の燃料ガスを生成する気化器と、
   前記第２圧縮機より吐出される燃料ガスと前記気化器により生成された燃料ガスとを混合し前記燃焼室内へ供給する混合部と、
   前記第１圧縮機、前記第２圧縮機、および前記第１液体ポンプの駆動を制御する制御部と、
   を備える、ガス燃料供給装置。
2. 前記与圧タンクに供給する液体燃料を前記第１の圧力よりも低い圧力で貯留する貯留タンクと、
   前記貯留タンク内の液体燃料を前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第２液体ポンプと、
   前記貯留タンク内で気化した燃料ガスを前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第３圧縮機とをさらに備え、
   前記与圧タンクは、
   前記第３圧縮機より吐出される燃料ガスを気泡として前記与圧タンク内の液体燃料の液面よりも下方から供給する気泡発生器と、
   前記第２液体ポンプより吐出される液体燃料を液滴として前記液面よりも上方から供給する液滴発生器と、
   を備える、請求項１に記載のガス燃料供給装置。
3. 前記貯留タンクには内部の圧力を計測する第１圧力計が設けられ、
   前記制御部は、前記第１圧力計の計測結果に応じて前記第３圧縮機からの燃料ガスの吐出量を制御する、請求項２に記載のガス燃料供給装置。
4. 前記与圧タンクには内部の液体燃料の液位を計測する液位計が設けられ、
   前記制御部は、前記液位計の計測結果に応じて前記第２液体ポンプからの液体燃料の吐出量を制御する、請求項２または３に記載のガス燃料供給装置。
5. 前記第３圧縮機と前記第１圧縮機とを短絡する第１バイパス配管と、
   前記第１バイパス配管に設けられ前記制御部により開度を調節される第１バルブとをさらに備え、
   前記与圧タンクには内部の温度を計測する温度計が設けられ、
   前記制御部は、前記温度計の計測結果に応じて前記第１バルブの開度を調節する、請求項２〜４のいずれか一項に記載のガス燃料供給装置。
6. 前記与圧タンクと前記第１圧縮機とを接続する配管と、前記第２圧縮機と前記混合部とを接続する配管とを短絡する第２バイパス配管と、
   前記第２バイパス配管に設けられ前記制御部により開度を調節される第２バルブとをさらに備え、
   前記与圧タンクには内部の圧力を計測する第２圧力計が設けられ、
   前記制御部は、前記第２圧力計の計測結果に応じて前記第２バルブの開度を調節する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス燃料供給装置。
7. 前記混合部には前記燃焼室内へ供給する燃料ガスの圧力を計測する第３圧力計が設けられ、
   前記制御部は、前記第３圧力計の計測結果に応じて前記第１液体ポンプからの液体燃料の吐出量を制御する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス燃料供給装置。
8. 前記与圧タンクに供給する液体燃料を前記第１の圧力よりも低い圧力で貯留する貯留タンクと、
   前記貯留タンク内の液体燃料を前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第２液体ポンプと、をさらに備え、
   前記与圧タンクには内部の液体燃料の液位を計測する液位計が設けられ、
   前記制御部は、前記液位計の計測結果に応じて前記第２液体ポンプからの液体燃料の吐出量を制御する、請求項１に記載のガス燃料供給装置。
9. 前記与圧タンクに供給する液体燃料を前記第１の圧力よりも低い圧力で貯留する貯留タンクと、
   前記貯留タンク内で気化した燃料ガスを前記第１の圧力に昇圧して前記与圧タンクに供給する第３圧縮機と、
   前記第３圧縮機と前記第１圧縮機とを短絡する第１バイパス配管と、
   前記第１バイパス配管に設けられ前記制御部により開度を調節される第１バルブと、をさらに備え、
   前記与圧タンクには内部の温度を計測する温度計が設けられ、
   前記制御部は、前記温度計の計測結果に応じて前記第１バルブの開度を調節する、請求項１に記載のガス燃料供給装置。

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