ホーム > 特許ランキング > 三井Ｅ＆Ｓ造船株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-12
(45)【発行日】2024-07-23
(54)【発明の名称】電気推進船の推進機構及び電気推進船
(51)【国際特許分類】
B63H 21/17 20060101AFI20240716BHJP
B63H 21/14 20060101ALI20240716BHJP
F02D 29/06 20060101ALI20240716BHJP
F02B 43/00 20060101ALI20240716BHJP
F02M 21/02 20060101ALI20240716BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20240716BHJP
【ＦＩ】
B63H21/17
B63H21/14
F02D29/06 A
F02B43/00 A
F02M21/02 L
H02J7/00 H
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020113037
(22)【出願日】2020-06-30
(65)【公開番号】P2022011720
(43)【公開日】2022-01-17
【審査請求日】2022-11-30
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】518144045
【氏名又は名称】三井Ｅ＆Ｓ造船株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001368
【氏名又は名称】清流国際弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100129252
【弁理士】
【氏名又は名称】昼間 孝良
(74)【代理人】
【識別番号】100155033
【弁理士】
【氏名又は名称】境澤 正夫
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 廉彦
(72)【発明者】
【氏名】江川 俊太郎
(72)【発明者】
【氏名】松本 拓久
(72)【発明者】
【氏名】木下 達弥
【審査官】中島 昭浩
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１７－５３２２３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０２５７９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１２－５０８６６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２３５０４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－２７０４９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１９５６１８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ６３Ｈ ２１／１７
Ｂ６３Ｈ ２１／１４
Ｆ０２Ｄ ２９／０６
Ｆ０２Ｂ ４３／００ － ４３／１２
Ｆ０２Ｍ ２１／０２ － ２１／０６
Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／３６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
液体燃料の拡散燃焼又はガス燃料の予混合燃焼を選択して駆動するＤＦエンジンで発電する発電機と、蓄電池と、前記発電機又は前記蓄電池から電力が供給されるとプロペラを駆動する電動モータと、前記発電機、前記蓄電池、及び前記電動モータの接続の選択及び電力の分配を制御する切替制御部を備える、電気推進船の推進機構であって、
前記電動モータは直流モータであり、
前記切替制御部は、前記蓄電池と前記電動モータとの接続および接続解除が可能な構成を有していて、前記ＤＦエンジンが予混合燃焼で駆動中に、前記電動モータが前記発電機と接続された状態で前記発電機から電力の供給を受けて力行している場合、前記電動モータの負荷変動が予め定められた閾値を超えると前記電動モータと前記蓄電池を接続する構成を有していて、
前記切替制御部は、前記ＤＦエンジンの燃焼状態を示す信号を前記ＤＦエンジンから受信する構成を有することを特徴とする電気推進船の推進機構。
【請求項2】
前記発電機は直流発電機である請求項１に記載の電気推進船の推進機構。
【請求項3】
前記発電機は交流発電機であり、発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータを介して前記切替制御部に接続される請求項１に記載の電気推進船の推進機構。
【請求項4】
液体燃料の拡散燃焼又はガス燃料の予混合燃焼を選択して駆動するＤＦエンジンで発電する発電機と、蓄電池と、前記発電機又は前記蓄電池から電力が供給されるとプロペラを駆動する電動モータと、前記発電機、前記蓄電池、及び前記電動モータの接続の選択及び電力の分配を制御する切替制御部を備える、電気推進船の推進機構であって、前記電動モータは直流モータであり、
前記切替制御部は、前記ＤＦエンジンが予混合燃焼で駆動中に、前記電動モータが前記発電機と接続された状態で前記発電機から電力の供給を受けて力行している場合、
前記電動モータの負荷変動が予め定められた閾値を超えると前記電動モータと前記蓄電池を接続する構成を有していて、
前記切替制御部は前記電動モータと前記蓄電池を接続した場合、
前記発電機を前記電動モータに接続せずに前記蓄電池に接続し、前記蓄電池が前記電動モータを駆動することで消費された電力に相当する電力を前記発電機が前記蓄電池に供給して充電することを特徴とする電気推進船の推進機構。
【請求項5】
前記切替制御部は前記電動モータと前記蓄電池を接続した場合、前記発電機を前記電動モータに接続せずに前記蓄電池に接続し、前記蓄電池が前記電動モータを駆動することで消費された電力に相当する電力を前記発電機が前記蓄電池に供給して充電する請求項１～３のいずれか一項に記載の電気推進船の推進機構。
【請求項6】
前記切替制御部は前記電動モータと前記蓄電池を接続した場合、前記発電機が前記電動モータと接続された状態を維持し、前記発電機が前記電動モータに供給する電力で不足する分の電力を前記蓄電池が前記電動モータに供給する請求項１～３のいずれか一項に記載の電気推進船の推進機構。
【請求項7】
前記切替制御部は、前記蓄電池の充電率が予め定められた所定の下限充電率以下になった場合、前記発電機が発電した電力の少なくとも一部を前記蓄電池に供給して前記蓄電池を予め設定された上限充電率に達するまで充電する請求項１～６のいずれか一項に記載の電気推進船の推進機構。
【請求項8】
前記切替制御部は、前記電動モータから回生発電による電力が供給された場合に、前記電動モータを前記蓄電池に接続して、供給された電力を前記蓄電池に充電する請求項１～６のいずれか一項に記載の電気推進船の推進機構。
【請求項9】
請求項１～８のいずれか一項に記載の電気推進船の推進機構と、液化ガスを貯蔵する液化ガスタンクと、
前記液化ガスが気化して、あるいは強制的に気化させて発生したガスを前記ガス燃料として前記ＤＦエンジンに供給する供給手段を備えることを特徴とする電気推進船。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電気推進船の推進機構及び当該推進機構を備える電気推進船に関する。
【背景技術】
【0002】
電気推進船は電動モータでプロペラを駆動することで推進力を得る船舶である。電動モータは加減速や起動停止がディーゼル機関やタービン機関よりも容易であるため、これらの機関で推進する船舶に比べて操作性に優れる。
【0003】
電気推進船に電力を供給する発電機の動力源は重油のような液体燃料を拡散燃焼させるディーゼル機関が広く用いられているが、液体燃料とガス燃料の両方で駆動できるＤＦ（Dual Fuel）エンジンが近年では動力源として検討されている。
これは、液化ガス運搬船で貨物である液化ガスが気化して生じたガスを捨てずにガス燃料として用いることで航行コストを下げるためである。またガス燃料を用いてディーゼルサイクル以外の熱サイクルで駆動することで、ＮＯxの発生量を低減する目的もある。
これは、液化ガス運搬船で貨物である液化ガスが気化して生じたガスを捨てずにガス燃料として用いることで航行コストを下げるためである。またガス燃料を用いてディーゼルサイクル以外の熱サイクルで駆動することで、ＮＯxの発生量を低減する目的もある。
【0004】
一方でガス燃料を用いる場合、燃焼方式を予混合燃焼とすると、ディーゼル機関のような拡散燃焼と比べて燃焼が遅れるためノッキングや失火のような異常燃焼が生じやすい。そのため、特に電動モータに加えられる負荷変動が大きい場合はガス燃料でＤＦエンジンを駆動させるのが困難であり、液体燃料で駆動させる必要があった。
そこで、電動モータの電源として、発電機に加えて蓄電池を設け、電動モータに加えられる負荷変動が大きくなると蓄電池から電動モータに電力を供給することで、負荷変動によらずガス燃料で駆動できる推進機関が提案されている（特許文献１）。
そこで、電動モータの電源として、発電機に加えて蓄電池を設け、電動モータに加えられる負荷変動が大きくなると蓄電池から電動モータに電力を供給することで、負荷変動によらずガス燃料で駆動できる推進機関が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特表２０１７－５３２２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１の構成は発電機が交流電力を生成し、モータが交流駆動であるため、交流／直流変換器、直流バス、直流／交流変換器を有するインバータ装置で発電機とモータを接続して発電機が生成した電力の周波数をモータ制御用に調整している。一方で蓄電池は直流電流を供給する電源なので、インバータ装置の直流バスに蓄電池を接続し、蓄電池が供給した電力を直流／交流変換器で交流に変換して電動モータに供給している。
この構造ではインバータ装置の構造が複雑になり、またインバータ装置の直流バスに蓄電池が放電するので、直流バスの電圧を制御し難く、インバータ装置の動作を安定させ難い。そのため特許文献１の推進機構は構造が複雑で動作を安定させ難い問題があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、拡散燃焼と予混合燃焼を選択して駆動するＤＦエンジンで発電する発電機と、蓄電池とを電源とする電気推進船の推進機構において、従来よりも構造が単純で安定した動作が可能な推進機構の提供を目的とする。
この構造ではインバータ装置の構造が複雑になり、またインバータ装置の直流バスに蓄電池が放電するので、直流バスの電圧を制御し難く、インバータ装置の動作を安定させ難い。そのため特許文献１の推進機構は構造が複雑で動作を安定させ難い問題があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、拡散燃焼と予混合燃焼を選択して駆動するＤＦエンジンで発電する発電機と、蓄電池とを電源とする電気推進船の推進機構において、従来よりも構造が単純で安定した動作が可能な推進機構の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題を解決するため、本発明の電気推進船の推進機構は、液体燃料の拡散燃焼又はガス燃料の予混合燃焼を選択して駆動するＤＦエンジンで発電する発電機と、蓄電池と、前記発電機又は前記蓄電池から電力が供給されるとプロペラを駆動する電動モータと、前記発電機、前記蓄電池、及び前記電動モータの接続の選択及び電力の分配を制御する切替制御部を備える、電気推進船の推進機構であって、前記電動モータは直流モータであり、前記切替制御部は、前記蓄電池と前記電動モータとの接続および接続解除が可能な構成を有していて、前記ＤＦエンジンが予混合燃焼で駆動中に、前記電動モータが前記発電機と接続された状態で前記発電機から電力の供給を受けて力行している場合、前記電動モータの負荷変動が予め定められた閾値を超えると前記電動モータと前記蓄電池を接続する構成を有していて、前記切替制御部は、前記ＤＦエンジンの燃焼状態を示す信号を前記ＤＦエンジンから受信する構成を有することを特徴とする。
また本発明の電気推進船は、上記記載の電気推進船の推進機構と、液化ガスを貯蔵する液化ガスタンクと、前記液化ガスが気化して、あるいは強制的に気化させて発生したガスを前記ガス燃料として前記ＤＦエンジンに供給する供給手段を備えることを特徴とする。
また本発明の電気推進船は、上記記載の電気推進船の推進機構と、液化ガスを貯蔵する液化ガスタンクと、前記液化ガスが気化して、あるいは強制的に気化させて発生したガスを前記ガス燃料として前記ＤＦエンジンに供給する供給手段を備えることを特徴とする。
【0008】
この構成では、ガス燃料でＤＦエンジンが駆動中に直流モータの負荷変動が大きくなり、予め定められた閾値を超えると切替制御部が蓄電池から直流電流を直流モータに供給して駆動させる。
そのため、直流モータを蓄電池に接続する際に直流電力を交流電力に変換する変換器が不要となり、従来よりも構造が単純で安定した動作が可能となる。
そのため、直流モータを蓄電池に接続する際に直流電力を交流電力に変換する変換器が不要となり、従来よりも構造が単純で安定した動作が可能となる。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、拡散燃焼と予混合燃焼を選択して駆動するＤＦエンジンで発電する発電機と、蓄電池とを電源とする電気推進船の推進機構において、従来よりも構造が単純で安定した動作が可能な推進機構を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面に基づき本発明に好適な実施形態を詳細に説明する。
まず図１～図５を参照して本実施形態に係る推進機構３を備える電気推進船１の構成を説明する。
ここでは電気推進船１として、ＬＮＧ（液化天然ガス）を貨物として運搬する貨物船であって、ＤＦエンジン２３で発電する発電機１５と、蓄電池１３の２つを電源とする電動モータ１１でプロペラ１７を駆動する推進機構３を備える貨物船を例示する。
図１に示すように電気推進船１は船体５、燃料タンク１９、液化ガスタンク２１、及び推進機構３を備える。
まず図１～図５を参照して本実施形態に係る推進機構３を備える電気推進船１の構成を説明する。
ここでは電気推進船１として、ＬＮＧ（液化天然ガス）を貨物として運搬する貨物船であって、ＤＦエンジン２３で発電する発電機１５と、蓄電池１３の２つを電源とする電動モータ１１でプロペラ１７を駆動する推進機構３を備える貨物船を例示する。
図１に示すように電気推進船１は船体５、燃料タンク１９、液化ガスタンク２１、及び推進機構３を備える。
【0012】
船体５は電気推進船１の船殻となる構造体であり、船底、側壁、暴露甲板で船内を囲むように構成される。具体的な船型や船殻構造、あるいは水密隔壁の配置等は電気推進船１の用途に応じて適宜設計される。
【0013】
燃料タンク１９は電気推進船１の燃料を貯蔵するタンクである。燃料タンク１９の形状、構造、容量や設置位置は、電気推進船１に求められる航続距離や船体５の排水量や復原性、貨物の積載重量を考慮して適宜設定される。
燃料タンク１９に貯蔵される燃料は液体燃料である。ここでいう液体燃料とは、液体の状態でＤＦエンジン２３に供給される燃料を意味する。電気推進船１では液体燃料として重油のような石油系の液体燃料が主に用いられる。ＬＮＧを貨物として運搬する大型船の場合はＣ重油が主に用いられるが、小型船ではＡ重油が用いられる場合もある。
燃料タンク１９に貯蔵される燃料は液体燃料である。ここでいう液体燃料とは、液体の状態でＤＦエンジン２３に供給される燃料を意味する。電気推進船１では液体燃料として重油のような石油系の液体燃料が主に用いられる。ＬＮＧを貨物として運搬する大型船の場合はＣ重油が主に用いられるが、小型船ではＡ重油が用いられる場合もある。
【0014】
液化ガスタンク２１は、液化ガスとしてのＬＮＧを貯蔵するタンクである。液化ガスとは、常温、常圧で気体のガスを冷却や圧縮で液体にしたものである。
電気推進船１で液化ガスは貨物であるため、液化ガスタンク２１の形状、構造、容量や設置位置は、船体５の排水量や復原性、液化ガスの積載重量、積載時の液化ガスの温度や圧力を考慮して適宜設定される。図１では独立球形タンクのように船体５から独立した球形のタンクを模式的に図示しているが、メンブレン式のように、液化ガスの圧力と重量を船体５で保持する構造でもよい。
液化ガスは貨物であるが、電気推進船１ではガス燃料としても利用する。ガス燃料とは気体の状態でＤＦエンジン２３に供給される燃料を意味する。貨物である液化ガスをガス燃料として利用できる理由は、航行中の液化ガスタンク２１内と外気の温度差による侵入熱と、船体運動による運動エネルギーによる温度上昇で液化ガスの一部が気化してＢＯＧ（Boil Off Gas）と呼ばれるガス燃料となるためである。また、図示しない気化器を用いて強制的に液化ガスを気化させてガス燃料として利用する場合もあるためである。
液化ガスタンク２１にはＬＮＧから気化したＢＯＧをガス燃料としてＤＦエンジン２３に供給する配管や、ガス燃料の圧力を調整する加圧機構を備える供給手段６１が必要に応じて設けられる。
電気推進船１で液化ガスは貨物であるため、液化ガスタンク２１の形状、構造、容量や設置位置は、船体５の排水量や復原性、液化ガスの積載重量、積載時の液化ガスの温度や圧力を考慮して適宜設定される。図１では独立球形タンクのように船体５から独立した球形のタンクを模式的に図示しているが、メンブレン式のように、液化ガスの圧力と重量を船体５で保持する構造でもよい。
液化ガスは貨物であるが、電気推進船１ではガス燃料としても利用する。ガス燃料とは気体の状態でＤＦエンジン２３に供給される燃料を意味する。貨物である液化ガスをガス燃料として利用できる理由は、航行中の液化ガスタンク２１内と外気の温度差による侵入熱と、船体運動による運動エネルギーによる温度上昇で液化ガスの一部が気化してＢＯＧ（Boil Off Gas）と呼ばれるガス燃料となるためである。また、図示しない気化器を用いて強制的に液化ガスを気化させてガス燃料として利用する場合もあるためである。
液化ガスタンク２１にはＬＮＧから気化したＢＯＧをガス燃料としてＤＦエンジン２３に供給する配管や、ガス燃料の圧力を調整する加圧機構を備える供給手段６１が必要に応じて設けられる。
【0015】
推進機構３は電気推進船１を推進させる機構であり、ＤＦエンジン２３、発電機１５、蓄電池１３、直流モータである電動モータ１１、減速機７、プロペラ１７、及び切替制御部９を備える。
【0016】
ＤＦエンジン２３は液体燃料の拡散燃焼又はガス燃料の予混合燃焼を選択して駆動する内燃機関である。
ＤＦエンジン２３には燃料タンク１９から液体燃料が供給され、液化ガスタンク２１の内部に貯蔵された液化ガスが気化して生成したＢＯＧがガス燃料として供給される。
ＤＦエンジン２３には燃料タンク１９から液体燃料が供給され、液化ガスタンク２１の内部に貯蔵された液化ガスが気化して生成したＢＯＧがガス燃料として供給される。
【0017】
ＤＦエンジン２３が液体燃料の拡散燃焼で駆動する際の燃焼方式は圧縮着火であり、燃焼サイクルはディーゼルサイクルである。
液体燃料でＤＦエンジン２３を駆動する場合、ディーゼルサイクルであることから熱効率がガス燃料を用いた場合よりも優れており、ノッキングや失火も生じないことから電動モータ１１の負荷変動にも強い。
液体燃料でＤＦエンジン２３を駆動する場合、ディーゼルサイクルであることから熱効率がガス燃料を用いた場合よりも優れており、ノッキングや失火も生じないことから電動モータ１１の負荷変動にも強い。
【0018】
ＤＦエンジン２３がガス燃料の予混合燃焼で駆動する際は、ガス燃料が予め図示しない吸気マニホールド等の燃焼室の前室で吸気と混合されてから燃焼室に導入される。燃焼方式は点火式であり、燃焼サイクルは主にオットーサイクルになる。
ガス燃料でＤＦエンジン２３を駆動する場合、ＢＯＧを有効利用できる点が有利である。
ガス燃料でＤＦエンジン２３を駆動する場合、ＢＯＧを有効利用できる点が有利である。
【0019】
ＤＦエンジン２３は液体燃料の拡散燃焼又はガス燃料の予混合燃焼を選択して駆動でき、電気推進船１の推進に必要な動力を得られ、かつ電気推進船１に搭載できる範囲で構造、形状、寸法、設置位置が適宜設定される。通常は船体５の機関室に搭載できる範囲で大きさが決まる。なお２ストローク機関では掃気の際に燃焼ガスと吸気が混合されるため、ガス燃料を予混合するのに不向きであり、ＤＦエンジン２３は４ストローク機関であるのが好ましい。
液体燃料とガス燃料の切り替えは例えば手動であるが自動でも良い。通常は機関始動時と機関停止時は液体燃料で駆動し、航行時は液体燃料とガス燃料の一方を選択する。
液体燃料とガス燃料の切り替えは例えば手動であるが自動でも良い。通常は機関始動時と機関停止時は液体燃料で駆動し、航行時は液体燃料とガス燃料の一方を選択する。
【0020】
発電機１５は電動モータ１１の電源の１つであり、ＤＦエンジン２３の動力が伝達されて発電する発電機である。発電した電力は電動モータ１１に供給され、電気推進船１の推進に用いられる。
発電機１５はＤＦエンジン２３の動力が伝達される入力軸を備え、電気推進船１の推進に必要な電力を生成でき、船体５に収納できる範囲で構造、形状、寸法、設置位置を適宜設定できる。通常はＤＦエンジン２３に隣接して船体５の機関室に配置される。
発電機１５はＤＦエンジン２３の動力が伝達される入力軸を備え、電気推進船１の推進に必要な電力を生成でき、船体５に収納できる範囲で構造、形状、寸法、設置位置を適宜設定できる。通常はＤＦエンジン２３に隣接して船体５の機関室に配置される。
【0021】
発電機１５は直流発電機が好ましい。直流発電機とは、発電する電力が直流の発電機を意味する。
推進機構３は電動モータ１１も直流であるため、発電機１５が直流発電機の場合、発電機が発電した電力が直流のまま電動モータ１１に供給される。
そのため発電機１５が発電した電力を電動モータ１１に供給する際に交流／直流変換用のコンバータが不要になり、発電機１５が交流電力を生成する場合と比べて構造が単純になる。
推進機構３は電動モータ１１も直流であるため、発電機１５が直流発電機の場合、発電機が発電した電力が直流のまま電動モータ１１に供給される。
そのため発電機１５が発電した電力を電動モータ１１に供給する際に交流／直流変換用のコンバータが不要になり、発電機１５が交流電力を生成する場合と比べて構造が単純になる。
【0022】
発電機１５は交流発電機でもよい。交流発電機とは、発電する電力が交流の発電機を意味する。
推進機構３は電動モータ１１が直流であるため、発電機１５が交流発電機の場合、図２に示すように、発電機１５の電源出力部はコンバータ２５に接続される。コンバータ２５は交流電力を直流電力に変換する変換器であり、発電機１５が発電した交流電力はコンバータ２５に出力されて直流電力に変換され、電動モータ１１に供給される。
発電機１５が交流発電機の場合、既存の船舶の発電機は交流発電機が主流であるため、種類や構造の選択の幅が直流発電機よりも広い点で有利である。
なお、以下の説明では特に断りがない場合は発電機１５が直流発電機である場合を例に説明する。
推進機構３は電動モータ１１が直流であるため、発電機１５が交流発電機の場合、図２に示すように、発電機１５の電源出力部はコンバータ２５に接続される。コンバータ２５は交流電力を直流電力に変換する変換器であり、発電機１５が発電した交流電力はコンバータ２５に出力されて直流電力に変換され、電動モータ１１に供給される。
発電機１５が交流発電機の場合、既存の船舶の発電機は交流発電機が主流であるため、種類や構造の選択の幅が直流発電機よりも広い点で有利である。
なお、以下の説明では特に断りがない場合は発電機１５が直流発電機である場合を例に説明する。
【0023】
図１に示す蓄電池１３は電動モータ１１の電源の１つであり、繰り返し充放電可能な電池である。
蓄電池１３は電気推進船１の推進に必要な電力を充放電できる静電容量と充放電サイクル数を備え、船体５に収納できる範囲で電極や電解質等の基本構成、電池の種類や寸法、形状、設置位置が決定される。具体的な電池の種類としてはリチウムイオン二次電池を例示できる。なお、蓄電池１３が放電する電力は直流である。
蓄電池１３は電気推進船１の推進に必要な電力を充放電できる静電容量と充放電サイクル数を備え、船体５に収納できる範囲で電極や電解質等の基本構成、電池の種類や寸法、形状、設置位置が決定される。具体的な電池の種類としてはリチウムイオン二次電池を例示できる。なお、蓄電池１３が放電する電力は直流である。
【0024】
電動モータ１１は発電機１５又は蓄電池１３から電力が供給されると図示しない回転子が回転することでプロペラ１７に回転力を伝達して回転させるモータである。
電動モータ１１は、発電機１５又は蓄電池１３の電力で電気推進船１の推進に必要な回転力を生成してプロペラ１７に伝達でき、船体５に収納できるのであれば構造、形状、寸法、設置位置は適宜設定できる。
電動モータ１１は、発電機１５又は蓄電池１３の電力で電気推進船１の推進に必要な回転力を生成してプロペラ１７に伝達でき、船体５に収納できるのであれば構造、形状、寸法、設置位置は適宜設定できる。
【0025】
ただし、電動モータ１１は直流モータである。理由は以下の通りである。
電気推進船１のプロペラ１７を駆動するモータの電源として、発電機１５と蓄電池１３を設け、ガス燃料でＤＦエンジン２３を駆動中に負荷変動が大きくなると蓄電池１３を電源とする電気推進機関は公知である。
一方で蓄電池１３が放電する電力は直流であるため、プロペラ１７を駆動するモータが交流モータの場合は、直流／交流変換器を介して蓄電池１３と交流モータを接続し、蓄電池１３が放電した直流電力を交流電力に変換する必要がある。特にＤＦエンジン２３の発電機１５が交流発電機の場合、発電機１５から電動モータ１１に供給される交流電力の周波数を調整する交流／直流変換器、直流バス、直流／交流変換器を備えたインバータ装置が発電機１５と電動モータ１１の間を接続している。この構造で蓄電池１３を直流／交流変換器に接続するためには直流バスに蓄電池１３を接続する必要があり、直流バスを流れる電力が安定しないためインバータ装置の動作が不安定になりやすい。
これに対して本実施形態に係る推進機構３は電動モータ１１が直流モータであり直流／交流変換器を介して蓄電池１３と電動モータ１１とを接続する必要が無く、構造を簡略化できる。
また、電動モータ１１が直流モータであるため、発電機１５が直流でも交流でもインバータ装置が不要である。そのため、インバータ装置の直流バスに蓄電池１３を接続する不安定な構造にならず、安定した動作が可能である。
電気推進船１のプロペラ１７を駆動するモータの電源として、発電機１５と蓄電池１３を設け、ガス燃料でＤＦエンジン２３を駆動中に負荷変動が大きくなると蓄電池１３を電源とする電気推進機関は公知である。
一方で蓄電池１３が放電する電力は直流であるため、プロペラ１７を駆動するモータが交流モータの場合は、直流／交流変換器を介して蓄電池１３と交流モータを接続し、蓄電池１３が放電した直流電力を交流電力に変換する必要がある。特にＤＦエンジン２３の発電機１５が交流発電機の場合、発電機１５から電動モータ１１に供給される交流電力の周波数を調整する交流／直流変換器、直流バス、直流／交流変換器を備えたインバータ装置が発電機１５と電動モータ１１の間を接続している。この構造で蓄電池１３を直流／交流変換器に接続するためには直流バスに蓄電池１３を接続する必要があり、直流バスを流れる電力が安定しないためインバータ装置の動作が不安定になりやすい。
これに対して本実施形態に係る推進機構３は電動モータ１１が直流モータであり直流／交流変換器を介して蓄電池１３と電動モータ１１とを接続する必要が無く、構造を簡略化できる。
また、電動モータ１１が直流モータであるため、発電機１５が直流でも交流でもインバータ装置が不要である。そのため、インバータ装置の直流バスに蓄電池１３を接続する不安定な構造にならず、安定した動作が可能である。
【0026】
減速機７は電動モータ１１で生成された回転力の向きや回転数を調整してプロペラ１７に伝達する図示しない歯車機構を備えた動力伝達機構である。減速機７の入力軸は電動モータ１１の出力軸に連結されて動力が電動モータ１１から伝達される。減速機７の出力軸はプロペラ１７のボスに連結されてプロペラ１７を所望の向き及び回転数で回転させる。
減速機７は電気推進船１の航行に必要な回転力をプロペラ１７に伝達でき、船体５に収納できるのであれば構造、形状、寸法、設置位置は適宜設定できる。
減速機７は電気推進船１の航行に必要な回転力をプロペラ１７に伝達でき、船体５に収納できるのであれば構造、形状、寸法、設置位置は適宜設定できる。
【0027】
プロペラ１７は減速機７から伝達された回転力を船舶の航行する方向に作用する推進力に変換することで電気推進船１を推進させる推進器である。プロペラ１７は減速機７の出力軸に連結されて回転力が伝達されるボス、及び回転軸に直交する方向にボスから突設されて回転力を推進力に変換するプロペラ翼を備える。
プロペラ１７は電気推進船１の航行に必要な推進力を生成でき、船体５や舵等の他の構造物に干渉しない範囲で構造、形状、寸法を適宜設定できる。
プロペラ１７は電気推進船１の航行に必要な推進力を生成でき、船体５や舵等の他の構造物に干渉しない範囲で構造、形状、寸法を適宜設定できる。
【0028】
切替制御部９は発電機１５、蓄電池１３、及び電動モータ１１の間の電力線の接続の選択及び電力の分配を制御する装置であり、これらの装置と電力線で接続される。
【0029】
切替制御部９は直流電力の接続の選択及び電力の分配を行う装置であるため、蓄電池１３や電動モータ１１とはインバータ装置やコンバータのような交流と直流の変換器を介さずに接続される。
発電機１５が直流発電機の場合も切替制御部９はインバータ装置やコンバータのような変換器を介さずに発電機１５に接続される。
発電機１５が交流発電機の場合、切替制御部９は図２に示すコンバータ２５を介して発電機１５に接続される。
切替制御部９は発電機１５、蓄電池１３、及び電動モータ１１の間の電力線の接続の選択及び電力の分配を制御できるのであれば、公知の配電盤とその制御装置を組み合わせた装置を用いればよい。
発電機１５が直流発電機の場合も切替制御部９はインバータ装置やコンバータのような変換器を介さずに発電機１５に接続される。
発電機１５が交流発電機の場合、切替制御部９は図２に示すコンバータ２５を介して発電機１５に接続される。
切替制御部９は発電機１５、蓄電池１３、及び電動モータ１１の間の電力線の接続の選択及び電力の分配を制御できるのであれば、公知の配電盤とその制御装置を組み合わせた装置を用いればよい。
【0030】
切替制御部９は以下の条件に基づき発電機１５、蓄電池１３、及び電動モータ１１の間の電力線の接続の選択及び電力の分配を制御する。
まず、ＤＦエンジン２３が液体燃料を用いた拡散燃焼中で、かつ電動モータ１１が発電機１５と接続された状態で発電機１５から電力の供給を受けて力行している場合、切替制御部９は発電機１５が電動モータ１１と接続された状態を維持する。この状態では図３に示すように発電機１５が発電した直流電力が切替制御部９を介して電動モータ１１に供給され、電動モータ１１が力行する。電動モータ１１が力行することで、回転力が生成され、減速機７を介してプロペラ１７に伝達される。プロペラ１７は伝達された回転力を推進力に変換することで電気推進船１を航行させる。
まず、ＤＦエンジン２３が液体燃料を用いた拡散燃焼中で、かつ電動モータ１１が発電機１５と接続された状態で発電機１５から電力の供給を受けて力行している場合、切替制御部９は発電機１５が電動モータ１１と接続された状態を維持する。この状態では図３に示すように発電機１５が発電した直流電力が切替制御部９を介して電動モータ１１に供給され、電動モータ１１が力行する。電動モータ１１が力行することで、回転力が生成され、減速機７を介してプロペラ１７に伝達される。プロペラ１７は伝達された回転力を推進力に変換することで電気推進船１を航行させる。
【0031】
ＤＦエンジン２３が拡散燃焼中か否かは、ＤＦエンジン２３の燃焼状態を示す信号をＤＦエンジン２３が切替制御部９に出力するように構成し、受信した信号から切替制御部９が判断してもよい。あるいは切替制御部９にＤＦエンジン２３が拡散燃焼中か予混合燃焼中かを選択する手動のスイッチを設け、ＤＦエンジン２３を操作する機関士がスイッチを操作することで切替制御部９が判断できるようにしてもよい。
【0032】
液体燃料を用いた拡散燃焼中は蓄電池１３を電動モータ１１の電源として使用することはないので、切替制御部９は蓄電池１３を電動モータ１１に接続しない。これは、液体燃料を用いた拡散燃焼はガス燃料を用いた予混合燃焼よりも負荷変動に対する追従性が高いため、蓄電池１３を電源として使用しなくても十分な電力を電動モータ１１に供給できるためである。
【0033】
ただし、蓄電池１３の充電率が予め定められた所定の下限充電率以下になった場合、切替制御部９は、発電機１５が発電した電力の少なくとも一部を蓄電池１３に供給して蓄電池１３を予め設定された上限充電率に達するまで充電してもよい。
このように蓄電池１３の充電率が下限以下になると発電機１５を用いて蓄電池１３を充電することで、蓄電池１３の電池切れを防止できる。
蓄電池１３の充電率は放電電圧を測定し、放電曲線を参照する等して静電容量を算出すれば求められる。
このように蓄電池１３の充電率が下限以下になると発電機１５を用いて蓄電池１３を充電することで、蓄電池１３の電池切れを防止できる。
蓄電池１３の充電率は放電電圧を測定し、放電曲線を参照する等して静電容量を算出すれば求められる。
【0034】
ＤＦエンジン２３がガス燃料を用いた予混合燃焼中で、かつ電動モータ１１が発電機１５と接続された状態で発電機１５から電力の供給を受けて力行している場合、切替制御部９は以下の制御を行う。
まず切替制御部９は電動モータ１１の負荷変動が予め定められた閾値を超えると電動モータ１１と蓄電池１３を接続する。予め定められた閾値とは、予混合燃焼の際にＤＦエンジン２３にノッキングや失火が生じる可能性がある値である。
ここでいう負荷変動とは具体的には電動モータ１１の負荷トルクの変動であり、負荷率等から計算してもよいし、トルクセンサ等で実測してもよい。
まず切替制御部９は電動モータ１１の負荷変動が予め定められた閾値を超えると電動モータ１１と蓄電池１３を接続する。予め定められた閾値とは、予混合燃焼の際にＤＦエンジン２３にノッキングや失火が生じる可能性がある値である。
ここでいう負荷変動とは具体的には電動モータ１１の負荷トルクの変動であり、負荷率等から計算してもよいし、トルクセンサ等で実測してもよい。
【0035】
電動モータ１１と蓄電池１３が接続されると、図４に示すように蓄電池１３から電力が電動モータ１１に供給され、電動モータ１１が駆動する。蓄電池１３はガス燃料を用いた予混合燃焼と比べると負荷変動に対する追従性が高い。そのため、負荷変動が閾値を超えた場合に蓄電池１３から電動モータ１１に電力を供給することで、予混合燃焼で安定したＤＦエンジン２３の駆動が困難な負荷変動が生じた場合でも、ＤＦエンジン２３を拡散燃焼に切り替える必要がない。そのためＤＦエンジン２３を予混合燃焼で駆動できる負荷変動の条件をより広くできる。
また、電動モータ１１が直流であるため、電動モータ１１と蓄電池１３を接続する際に直流電力を交流電力に変換する変換器が必要ない。そのため従来よりも構造が単純で安定した動作が可能となる。
また、電動モータ１１が直流であるため、電動モータ１１と蓄電池１３を接続する際に直流電力を交流電力に変換する変換器が必要ない。そのため従来よりも構造が単純で安定した動作が可能となる。
【0036】
蓄電池１３を電動モータ１１に接続する場合は、切替制御部９は発電機１５を電動モータ１１に接続しなくてもよい。この場合は、切替制御部９は発電機１５を電動モータ１１に接続せずに蓄電池１３に接続して、発電した電力で蓄電池１３を充電してもよい。具体的には蓄電池１３が電動モータ１１を駆動することで消費された電力に相当する電力を発電機１５が蓄電池１３に供給して充電する。この場合、蓄電池１３が電動モータ１１に電力を供給している間に蓄電池１３が電池切れになるのを防止できる。ただしこの構造では蓄電池１３のみで電動モータ１１を駆動するため、蓄電池１３の出力が発電機１５の最大出力以上である必要がある。
【0037】
蓄電池１３を電動モータ１１に接続する場合、発電機１５が電動モータ１１と接続された状態を維持して発電機１５も電動モータ１１に電力を供給してもよい。この場合、発電機１５が電動モータ１１に供給する電力で不足する分の電力を蓄電池１３が電動モータ１１に供給すればよい。この構成は、蓄電池１３の容量は発電機１５で供給する電力の不足分に相当する容量であればよいので、蓄電池１３を小型化しやすい点で有利である。
【0038】
ＤＦエンジン２３がガス燃料を用いた予混合燃焼中で、電動モータ１１が発電機１５と接続されて電力の供給を受け力行しており、電動モータ１１の負荷変動が閾値以下の場合、切替制御部９は拡散燃焼中と同様に電動モータ１１を蓄電池１３に接続しない。この場合、切替制御部９は発電機１５が電動モータ１１と接続された状態を維持する。
これは、電動モータ１１の負荷変動が閾値以下の場合、ＤＦエンジン２３が予混合燃焼の場合でも安定した動作ができるためである。また蓄電池１３を電源として使用し続けると電池切れになる可能性があるためである。
電動モータ１１と発電機１５が接続された状態では発電機１５から電力が電動モータ１１に供給され、電動モータ１１が駆動する。
これは、電動モータ１１の負荷変動が閾値以下の場合、ＤＦエンジン２３が予混合燃焼の場合でも安定した動作ができるためである。また蓄電池１３を電源として使用し続けると電池切れになる可能性があるためである。
電動モータ１１と発電機１５が接続された状態では発電機１５から電力が電動モータ１１に供給され、電動モータ１１が駆動する。
【0039】
なお、予混合燃焼中に蓄電池１３の充電率が予め定められた所定の下限充電率以下の場合、切替制御部９は、発電機１５が発電した電力の少なくとも一部を蓄電池１３に供給して蓄電池１３を予め設定された上限充電率に達するまで充電してもよい。理由は拡散燃焼中に蓄電池１３を充電する場合と同様に電池切れを防ぐためである。
【0040】
電動モータ１１が回生駆動している場合、具体的には電動モータ１１から回生発電による電力が切替制御部９に供給された場合、切替制御部９は、電動モータ１１を蓄電池１３に接続して、図５に示すように供給された回生電力を蓄電池１３に充電する。電動モータ１１が回生駆動している場合とは、波浪の影響等でプロペラ１７が航行時と逆回転した場合が挙げられる。この場合、回生電力を消費する装置がないと、切替制御部９、発電機１５、蓄電池１３に回生電力が逆電力として流れ込み、ブレーカーの遮断、あるいは電力上昇による加熱に起因する装置の焼損等の原因となるためである。
回生電力を消費する方法としては抵抗体で熱として消費する方法もあるが、回生電力を蓄電池１３に充電することで、従来は抵抗体で熱として消費されていた回生電力の一部を電気推進船１の航行用の電力として利用できる。
なお、回生電力を蓄電池１３に充電する際は、電動モータ１１を発電機１５に接続しないのが好ましい。接続すると逆電力が発電機１５に流れ込む可能性があるためである。また、電動モータ１１が回生駆動中に蓄電池１３の充電率が上限充電率以上である場合や、蓄電池１３の放電容量を超える電力の回生電力が発生している場合は、回生電力を蓄電池１３に充電せずに図示しない抵抗体で熱として消費させる。
回生電力を消費する方法としては抵抗体で熱として消費する方法もあるが、回生電力を蓄電池１３に充電することで、従来は抵抗体で熱として消費されていた回生電力の一部を電気推進船１の航行用の電力として利用できる。
なお、回生電力を蓄電池１３に充電する際は、電動モータ１１を発電機１５に接続しないのが好ましい。接続すると逆電力が発電機１５に流れ込む可能性があるためである。また、電動モータ１１が回生駆動中に蓄電池１３の充電率が上限充電率以上である場合や、蓄電池１３の放電容量を超える電力の回生電力が発生している場合は、回生電力を蓄電池１３に充電せずに図示しない抵抗体で熱として消費させる。
【0041】
電動モータ１１を蓄電池１３に接続した場合、接続を解除する条件は接続の条件を満たさなくなった場合である。具体的には電動モータ１１が回生発電中に電動モータ１１を蓄電池１３に接続した場合、接続を解除する条件は、回生発電をしなくなった場合か、充電が不可能になった場合である。
電動モータ１１が力行中に電動モータ１１を蓄電池１３に接続した場合、接続を解除する条件は、ＤＦエンジン２３が液体燃料を用いた拡散燃焼中になった場合である。あるいは、ＤＦエンジン２３がガス燃料を用いた予混合燃焼中に電動モータ１１の負荷変動が閾値以下になった場合である。
以上が本実施形態における推進機構３を備える電気推進船１の構造の説明である。
電動モータ１１が力行中に電動モータ１１を蓄電池１３に接続した場合、接続を解除する条件は、ＤＦエンジン２３が液体燃料を用いた拡散燃焼中になった場合である。あるいは、ＤＦエンジン２３がガス燃料を用いた予混合燃焼中に電動モータ１１の負荷変動が閾値以下になった場合である。
以上が本実施形態における推進機構３を備える電気推進船１の構造の説明である。
【0042】
次に図６を参照して本実施形態に係る推進機構３を備える電気推進船１の航行の手順の一例を説明する。以下の説明では、電動モータ１１と蓄電池１３とを接続する場合でも電動モータ１１と発電機１５の接続を維持し、発電機１５が電動モータ１１に供給する電力で不足する分の電力を蓄電池１３が電動モータ１１に供給する手順を例にする。
まず切替制御部９は電動モータ１１からの逆電力の供給の有無から電動モータ１１が回生発電中か否かを判断し、回生発電中の場合はＳ２に進み、回生発電中でない場合はＳ３に進む（図６のＳ１）。
Ｓ１で回生発電中と判断した場合、切替制御部９は蓄電池１３が回生電力を充電可能か否か、具体的には蓄電池１３の充電率が上限充電率未満で、かつ回生電力が蓄電池１３の放電容量を超えていないかを判断する（図６のＳ２）。充電可能と判断した場合は蓄電池１３と電動モータ１１を接続し、回生電力を蓄電池１３に充電してリターンする（図６のＳ２－２）。この際、切替制御部９は電動モータ１１と発電機１５を接続しない。Ｓ２で充電可能でないと判断した場合は蓄電池１３と電動モータ１１を接続せずに、図示しない抵抗体と電動モータ１１を接続して回生電力を熱エネルギーとして消費させてリターンする（図６のＳ２－３）。
まず切替制御部９は電動モータ１１からの逆電力の供給の有無から電動モータ１１が回生発電中か否かを判断し、回生発電中の場合はＳ２に進み、回生発電中でない場合はＳ３に進む（図６のＳ１）。
Ｓ１で回生発電中と判断した場合、切替制御部９は蓄電池１３が回生電力を充電可能か否か、具体的には蓄電池１３の充電率が上限充電率未満で、かつ回生電力が蓄電池１３の放電容量を超えていないかを判断する（図６のＳ２）。充電可能と判断した場合は蓄電池１３と電動モータ１１を接続し、回生電力を蓄電池１３に充電してリターンする（図６のＳ２－２）。この際、切替制御部９は電動モータ１１と発電機１５を接続しない。Ｓ２で充電可能でないと判断した場合は蓄電池１３と電動モータ１１を接続せずに、図示しない抵抗体と電動モータ１１を接続して回生電力を熱エネルギーとして消費させてリターンする（図６のＳ２－３）。
【0043】
Ｓ１で回生発電中でないと判断した場合、切替制御部９は電動モータ１１と発電機１５を接続し、発電機１５が供給する電力で電動モータ１１を駆動させる（図６のＳ３）。この際、直前まで回生発電をしていた等の理由で電動モータ１１と蓄電池１３が接続されていた場合は接続を解除する。次に切替制御部９はＤＦエンジン２３がガス燃焼中か否か、つまりガス燃料を用いた予混合燃焼中か否かを判断し、ガス燃焼中の場合はＳ５に進み、ガス燃焼中でない場合はＳ７－２に進む（図６のＳ４）。
Ｓ４でＤＦエンジン２３がガス燃焼中であると判断した場合、切替制御部９は電動モータ１１の負荷変動を取得する（図６のＳ５）。さらに切替制御部９はＳ５で取得した負荷変動が予め定められた閾値を超えるか否かを判断し、閾値を超えると判断した場合はＳ７に進み、超えないと判断した場合はＳ７－２に進む（図６のＳ６）。
Ｓ６で負荷変動が閾値を超えると判断した場合、切替制御部９は蓄電池１３と電動モータ１１を接続し、蓄電池１３が供給する電力が負荷変動分を加勢し、電動モータ１１を駆動させてＳ８に進む（図６のＳ７）。
Ｓ４でＤＦエンジン２３がガス燃焼中であると判断した場合、切替制御部９は電動モータ１１の負荷変動を取得する（図６のＳ５）。さらに切替制御部９はＳ５で取得した負荷変動が予め定められた閾値を超えるか否かを判断し、閾値を超えると判断した場合はＳ７に進み、超えないと判断した場合はＳ７－２に進む（図６のＳ６）。
Ｓ６で負荷変動が閾値を超えると判断した場合、切替制御部９は蓄電池１３と電動モータ１１を接続し、蓄電池１３が供給する電力が負荷変動分を加勢し、電動モータ１１を駆動させてＳ８に進む（図６のＳ７）。
【0044】
Ｓ４でＤＦエンジン２３がガス燃焼でないと判断した場合、Ｓ６で負荷変動が閾値を超えないと判断した場合、切替制御部９は蓄電池１３と電動モータ１１を接続せず、既に接続されている場合は接続を解除してＳ８に進む（図６のＳ７－２）。
Ｓ７又はＳ７－２を実行した場合、切替制御部９は蓄電池１３の充電率を取得する（図６のＳ８）。取得した充電率が下限充電率以下の場合はＳ１０に進み、下限充電率以下でない場合はリターンする（図６のＳ９）。
Ｓ９で充電率が下限充電率以下と判断した場合、切替制御部９は発電機１５と蓄電池１３を接続して、蓄電池１３の充電率が上限充電率に達するまで蓄電池１３を充電してリターンする（図６のＳ１０）。
以上が本実施形態に係る推進機構３を備える電気推進船１の航行の手順の一例の説明である。
Ｓ７又はＳ７－２を実行した場合、切替制御部９は蓄電池１３の充電率を取得する（図６のＳ８）。取得した充電率が下限充電率以下の場合はＳ１０に進み、下限充電率以下でない場合はリターンする（図６のＳ９）。
Ｓ９で充電率が下限充電率以下と判断した場合、切替制御部９は発電機１５と蓄電池１３を接続して、蓄電池１３の充電率が上限充電率に達するまで蓄電池１３を充電してリターンする（図６のＳ１０）。
以上が本実施形態に係る推進機構３を備える電気推進船１の航行の手順の一例の説明である。
【0045】
このように本実施形態の推進機構３は、ガス燃料でＤＦエンジン２３が駆動中に負荷変動が大きくなると切替制御部９が蓄電池１３から直流電流を、直流モータである電動モータ１１に供給して駆動させる。
そのため、蓄電池１３を電動モータ１１に接続する際に直流電力を交流電力に変換する変換器が不要となり、従来よりも構造が単純で安定した動作が可能となる。
そのため、蓄電池１３を電動モータ１１に接続する際に直流電力を交流電力に変換する変換器が不要となり、従来よりも構造が単純で安定した動作が可能となる。
【0046】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の技術思想の範囲内において各種変形例及び改良例に想到するのは当然のことであり、これらも本発明に含まれる。
【符号の説明】
【0047】
１ ：電気推進船
３ ：推進機構
５ ：船体
７ ：減速機
９ ：切替制御部
１１ ：電動モータ
１３ ：蓄電池
１５ ：発電機
１７ ：プロペラ
１９ ：燃料タンク
２１ ：液化ガスタンク
２３ ：ＤＦエンジン
２５ ：コンバータ
６１ ：供給手段
３ ：推進機構
５ ：船体
７ ：減速機
９ ：切替制御部
１１ ：電動モータ
１３ ：蓄電池
１５ ：発電機
１７ ：プロペラ
１９ ：燃料タンク
２１ ：液化ガスタンク
２３ ：ＤＦエンジン
２５ ：コンバータ
６１ ：供給手段
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】