JP2009144676A - エネルギー回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー回収効率を向上させたエネルギー回収システムを提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジン１には、一端がディーゼルエンジン１の吸気系に接続されると共に他端がディーゼルエンジンの排気系に接続されるＥＧＲ通路２０が設けられている。エネルギー回収システム２は、ＥＧＲ通路２０に設けられた高温冷却器３と、分離器４と、タービン型の膨張機である第１膨張機５と、ラジエータ６と、ポンプ７と、ＥＧＲ通路２０に設けられた低温冷却器８と、ピストン型の膨張機である第２膨張機と、再生器１０と、タンク１１と、ポンプ１２とから構成されている。第１膨張機５及び第２膨張機９はそれぞれ、発電機１３に連結されている。尚、エネルギー回収システム２では、アンモニア及び水からなる作動流体と、ＥＧＲガスとが熱交換を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、エネルギー回収システムに関する。

特許文献１には、アンモニア及び水からなる混合媒体を作動流体とするタービンシステムと、当該混合媒体を吸収液とする吸収式冷凍システムとを組み合わせたエネルギー回収システムが記載されている。

特開２００１−７３７１７号公報（図１）

しかしながら、特許文献１のエネルギー回収システムには、タービンが１つしか設けられないので、エネルギーの回収が十分ではないといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、エネルギー回収効率を向上させたエネルギー回収システムを提供することを目的とする。

この発明に係るエネルギー回収システムは、低沸点成分及び高沸点成分を含む作動流体を加熱して前記低沸点成分を主に蒸発させる第１蒸発器と、該第１蒸発器から流出した作動流体を気体成分及び液体成分に分離する分離器と、該分離器から流出した気体成分によって駆動される第１膨張機と、該第１膨張機を駆動した気体成分を冷却して液体成分に凝縮する凝縮器と、該凝縮器から流出した液体成分を加熱して気体成分に蒸発させる第２蒸発器と、該第２蒸発器から流出した気体成分によって駆動される第２膨張機と、前記分離器から流出した液体成分に前記第２膨張機を駆動した気体成分を吸収させて、前記第１蒸発器に供給する前記作動流体を生成する再生器とを備える。第１蒸発器から凝縮器まで及び第２蒸発器から再生器までにおいて、沸騰凝縮の相変化反応を利用できると共に、再生器において、分離混合の吸収反応を利用できる。また、膨張機を２つ設けられる。
前記分離器から流出した液体成分の少なくとも一部を貯留する高沸点成分用タンクと、前記第２膨張機を駆動した気体成分の少なくとも一部を貯溜する低沸点成分用タンクとをさらに備えてもよい。
前記再生器が前記第１蒸発器よりも高い位置に設けられると共に前記分離器が前記再生器よりも高い位置に設けられ、前記凝縮器が前記第２蒸発器よりも高い位置に設けられてもよい。
前記第２膨張機と前記再生器との間に、別の凝縮器と蒸発器と膨張機との組み合わせが少なくとも１組以上設けられてもよい。
前記第１膨張機を駆動した気体成分を冷却して液体成分に凝縮する前記凝縮器は、前記別の凝縮器の少なくとも１つを兼ねてもよい。
内燃機関のＥＧＲガスが、前記第１蒸発器において前記作動流体と熱交換を行い、その後、前記第２蒸発器において、前記凝縮器から流出した液体成分と熱交換を行ってもよい。

この発明によれば、低沸点成分及び高沸点成分を含む作動流体を加熱して低沸点成分を主に蒸発させる第１蒸発器と、第１蒸発器から流出した気体成分及び液体成分を分離する分離器と、分離器から流出した気体成分によって駆動される第１膨張機と、第１膨張機を駆動した気体成分を冷却して液体成分に凝縮する凝縮器と、凝縮器から流出した液体成分を加熱して気体成分に蒸発させる第２蒸発器と、第２蒸発器から流出した気体成分によって駆動される第２膨張機と、分離器から流出した液体成分に第２膨張機を駆動した気体成分を吸収させて作動流体にすると共に作動流体を第１蒸発器に供給する再生器とを備え、第１蒸発器から凝縮器まで及び第２蒸発器から再生器までにおいて、沸騰凝縮の相変化反応を利用できると共に、再生器において、分離混合の吸収反応を利用でき、さらに、第１膨張機と第２膨張機とを設けているので、エネルギー回収効率を向上させることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係るエネルギー回収システムを備えた内燃機関の構成模式図を図１に示す。内燃機関であるディーゼルエンジン１には、一端がディーゼルエンジン１の吸気系に接続されると共に他端がディーゼルエンジンの排気系に接続されるＥＧＲ通路２０が設けられている。エネルギー回収システム２は、ＥＧＲ通路２０を流通するＥＧＲガスを冷却すると共に、ＥＧＲガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収するものである。

エネルギー回収システム２は、ＥＧＲ通路２０に設けられた第１蒸発器である高温冷却器３と、分離器４と、タービン型の膨張機である第１膨張機５と、凝縮器であるラジエータ６と、ポンプ７と、ＥＧＲ通路２０に設けられた第２蒸発器である低温冷却器８と、ピストン型の膨張機である第２膨張機と、再生器１０と、タンク１１と、ポンプ１２とから構成されている。第１膨張機５及び第２膨張機９はそれぞれ、発電機１３に連結されている。尚、エネルギー回収システム２では、低沸点成分であるアンモニア及び高沸点成分である水からなる作動流体と、ＥＧＲガスとが熱交換を行う。尚、低沸点成分及び高沸点成分とは、それぞれの成分の沸点の絶対値に基づいて低沸点及び高沸点とするものではなく、一方の成分に比べて沸点が低い成分を低沸点成分とし、他方の成分に比べて沸点が高い成分を高沸点成分としたものである。

次に、実施の形態１に係るエネルギー回収システムを備えた内燃機関の動作について説明する。
ディーゼルエンジン１の図示しない燃焼室内に吸引された空気は、図示しないピストンによって圧縮された後、図示しないインジェクションノズルから燃料である軽油が供給されて燃焼し、排気ガスとなって排気系に排出される。排気系に排出された排気ガスの一部は、ＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路２０を流通し、残りは大気中へ排出される。

高温冷却器３において、ＥＧＲガスは、ポンプ１２によって供給された作動流体と熱交換することによって冷却される。一方、作動流体は加熱されて、大部分のアンモニア及びごく一部の水が蒸発して気体となると共にごく一部のアンモニア及び大部分の水が液体の状態のままで分離器４に流入する。分離器４では、主にアンモニアからなる気体成分と主に水からなる液体成分とが分離されて、気体成分は第１膨張機５に流入し、液体成分は再生器１０に流入する。第１膨張機５に流入した気体成分は、第１膨張機５を駆動させた後、ラジエータ６において冷却されて主にアンモニアからなる液体成分となり、ポンプ７によって低温冷却器８に供給される。高温冷却器３において冷却されたＥＧＲガスは、さらに低温冷却器８において、主にアンモニアからなる液体成分と熱交換することによってさらに冷却され、吸気に混合された後、ディーゼルエンジン１の燃焼室内に吸引される。一方、主にアンモニアからなる液体成分は加熱されて主にアンモニアからなる気体成分となり、第２膨張機９に流入する。第２膨張機９に流入した気体成分は、第２膨張機９を駆動させた後、再生器１０に流入し、液体の水に吸収されて、アンモニア及び水からなる作動流体となる。この作動流体は、タンク１１に貯溜されて、ポンプ１２によって適切な流量で再び高温冷却器３に供給される。作動流体はこのようにしてエネルギー回収システム２内を循環する。ここで、「主にアンモニアからなる」という記載には、少量の水が含まれることを意味し、「主に水からなる」という記載には、少量のアンモニアが含まれることを意味している。

尚、高温冷却器３では、ディーゼルエンジン１の燃焼室から排出された高温のＥＧＲガスと作動流体とが熱交換を行うことから、分離器４及び第１膨張機５間の圧力差がある程度確保されるため、第１膨張機５は、ある程度圧力差が存在しないと駆動されないタービン型の膨張機でもよい。しかし、低温冷却器８では、高温冷却器３において冷却されたＥＧＲガスと液体のアンモニアとが熱交換を行うことから、分離器４及び第１膨張機５間の圧力差に比べて、低温冷却器８及び第２膨張機９間の圧力差は小さくなる。このため、第２膨張機９は、圧力差が小さい場合でもその圧力差に応じて駆動可能なピストン型の膨張機が好ましい。第１膨張機５及び第２膨張機９が駆動されると、それらの動力によって発電機１３が駆動されて、発電が行われる。

このように、エネルギー回収システム２は、アンモニア及び水の２成分からなる作動流体を加熱して主にアンモニアを蒸発させる高温冷却器３と、高温冷却器３から流出した主にアンモニアからなる気体成分及び主に水からなる液体成分を分離する分離器４と、分離器４から流出した気体成分によって駆動される第１膨張機５と、第１膨張機５を駆動した気体成分を冷却して主にアンモニアからなる液体成分に凝縮するラジエータ６と、ラジエータ６から流出した液体成分を加熱して主にアンモニアからなる気体成分に蒸発させる低温冷却器８と、低温冷却器８から流出した気体成分によって駆動される第２膨張機９と、分離器４から流出した液体成分に第２膨張機９を駆動した気体成分を吸収させて作動流体にすると共に作動流体を高温冷却器３に供給する再生器１０とを備え、高温冷却器３からラジエータ６まで及び低温冷却器８から再生器１０までにおいて、沸騰凝縮の相変化反応を利用できると共に、再生器１０において、分離混合の吸収反応を利用でき、さらに、第１膨張機５と第２膨張機９とを２つ設けているので、エネルギー回収効率を向上させることができる。

実施の形態１では、エネルギー回収システム２に、作動流体を貯留するタンク１１が設けられていたが、これは必須の構成要件ではない。図２に示されるように、エネルギー回収システム２２では、作動流体を最適な量に調整することにより、タンク１１を設ける必要をなくすことができる。また、エネルギー回収システム２２では、分離器４を再生器１０よりも高い位置に設けることによって、高低差により主に水からなる液体成分が分離器４から再生器１０へ流れるようになると共に、再生器１０を高温冷却器３よりも高い位置に設けることによって、高低差により作動流体が再生器１０から高温冷却器３に流れるようになるので、ポンプ１２（図１参照）を設ける必要をなくすことができる。さらに、ラジエータ６を低温冷却器８よりも高い位置に設けることによって、高低差により主にアンモニアからなる液体成分がラジエータ６から低温冷却器８に流れるようになるので、ポンプ７（図１参照）を設ける必要をなくすことができる。

また、エネルギー回収システム２２には、低温冷却器８と第２膨張機９との間に、第２分離器１４が設けられてもよい。分離器４において、アンモニアと水とを分離するが、完全に分離することは困難で、第１膨張機５には、少量の水が混入した気体のアンモニアが流入する。すると、低温冷却器８において、少量の水が混入したアンモニアとＥＧＲガスとが熱交換すると、アンモニアは蒸発して気体となって第２膨張機９に流入するが、水は液体のままなので、低温冷却器８と第２膨張機９との間に滞留してしまう。そこで、低温冷却器８と第２膨張機９との間に第２分離器１４を設けることにより、気体のアンモニアから液体の水を分離して再生器１０に戻すことにより、低温冷却器８と第２膨張機９との間に水が滞留してしまうのを防止することができる。

実施の形態１では、作動流体は、低沸点成分と高沸点成分との２成分系であったが、２成分系に限定するものではない。３種類以上の成分を含む作動流体であってもよい。また、ポンプ７及び１２や第１膨張機５及び第２膨張機９の潤滑のために、潤滑油成分を含む作動流体であってもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るエネルギー回収システムについて説明する。尚、以下の実施の形態において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係るエネルギー回収システムは、実施の形態１に対して、膨張機を３つ設けたものである。

図３に示されるように、エネルギー回収システム３２は、第２膨張機９と再生器１０との間に、凝縮器３３と、ポンプ３４と、蒸発器３５と、ピストン型膨張機である第３膨張機３６とを有している。その他の構成は、実施の形態１と同じである。尚、図３には図示していないが、第３膨張機３６は、第１膨張機５及び第２膨張機９と共に、発電機１３（図１参照）に連結されている。このように、第３の膨張機３６を設けることにより、エネルギー回収システム３２は、３つの膨張機を有することになるので、エネルギー回収効率をさらに向上することができる。

実施の形態２では、凝縮器であるラジエータ６とは別の凝縮器３３を設けているが、第１膨張機５からラジエータ６へ至る作動流体の流路とは別の流路を第２膨張機９からラジエータ６に設けて、さらにラジエータ６から蒸発器３５へ至る作動流体の流路を設ける構成を採用してもよい。すなわち、ラジエータ６が凝縮器３３を兼ねるような構成でもよい。また、蒸発器３５を、ＥＧＲ通路２０に設けて、ＥＧＲガスと主にアンモニアからなる液体成分とを熱交換するようにしてもよい。

実施の形態２では、３つの膨張機を設けているが、３つに限定するものではない。第２膨張機９と再生器１０との間に、凝縮器と、ポンプと、蒸発器と、膨張機との組み合わせを２組以上設けることにより、４つ以上の膨張機を設けることもできる。

実施の形態２では、複数の膨張機を設けているが、その際、各膨張機の前にそれぞれ分離器を設けることで、各膨張機に入る作動流体を各分離機によって気液分離を行うこともできる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るエネルギー回収システムについて説明する。
この発明の実施の形態３に係るエネルギー回収システムは、実施の形態１に対して、分離された高沸点成分と低沸点成分とを別々に貯留するタンクを設けたものである。

図４に示されるように、エネルギー回収システム４２は、分離器４から流出した主に水からなる液体成分の少なくとも一部を貯留する高沸点成分用タンク４３と、第２膨張機９から流出した主にアンモニアからなる気体成分の少なくとも一部を貯留する低沸点成分用タンク４４とを備えている。低沸点成分用タンク４４には、図示しない冷却装置が設けられており、流入した気体成分は凝縮して、主にアンモニアからなる液体成分として貯溜される。このような冷却装置として、例えば、低沸点成分用タンク４４の外周面にフィンを設けて空冷を行うもの等が挙げられる。その他の構成は実施の形態１と同じである。

ディーゼルエンジン１は、その排気系に、排気ガスを処理する触媒４５を有している。図５に示されるように、触媒４５は、触媒４５を覆うようにジャケット４６を有している。ジャケット４６は、できる限り短い長さに構成された流入管４９が設けられ、流入管４９には、一端が高沸点成分用タンク４３に接続された配管４７の他端が接続されると共に一端が低沸点成分用タンク４４に接続された配管４８の他端が接続されている。これにより、高沸点成分用タンク４３から配管４７を流通してきた主に水からなる液体成分と、低沸点成分用タンク４４から配管４８を流通してきた主にアンモニアからなる液体成分とが、ジャケット４６に流入する直前の流入管４９において混合されて、ジャケット４６に流入するようになる。また、ジャケット４６には、流出管５０が設けられ、流出管５０はタンク１１に接続されている。

次に、実施の形態３に係るエネルギー回収システムを備えた内燃機関の動作を、図４及び５に基づいて説明する。
エネルギー回収システム４２の動作については、主に水からなる液体成分が分離器４から流出するまでと、主にアンモニアからなる気体成分が第２膨張機９を駆動させて流出するまでとが、実施の形態１と同じである。しかし、エネルギー回収システム４２では、分離器４から流出した液体成分の少なくとも一部が高沸点成分用タンク４３に流入して貯溜されると共に、第２膨張機９を駆動させて流出した気体成分の少なくとも一部が低沸点成分用タンク４４に流入して主にアンモニアからなる液体成分として貯溜される。高沸点成分用タンク４３に貯溜された液体成分及び低沸点成分用タンク４４に貯溜された液体成分は、必要に応じて、例えばディーゼルエンジン１の起動時に、それぞれ配管４７及び４８を介してジャケット４６に供給される。ディーゼルエンジン１の起動時は、触媒４５の温度が低いため、触媒活性が低い。ところが、配管４７を流通してきた主に水からなる液体成分と配管４８を流通してきた主にアンモニアからなる液体成分とが流入管４９において混合されると熱が発生し、高温の作動流体となってジャケット４６に流入する。高温の作動流体がジャケット４６を流通すると触媒４５が加熱されて触媒活性が上昇するので、ディーゼルエンジン１の起動直後でも、触媒４５による排気ガスの処理能力が適切に確保される。ジャケット４６を流通した作動流体は、流出管５０から流出し、タンク１１に流入して貯留される。

このように、分離器４から流出した主に水からなる液体成分の少なくとも一部を貯留する高沸点成分用タンク４３と、第２膨張機９を駆動した主にアンモニアからなる気体成分の少なくとも一部を貯溜する低沸点成分用タンク４４とをさらに備え、水とアンモニアとを混合させて高温の作動流体にして、この作動流体によって、ディーゼルエンジン１の排気系に設けられた触媒４５を暖めることができるので、ディーゼルエンジン１の起動直後であっても触媒４５の触媒活性を上昇させて、排気ガスの処理能力を適切に確保することができる。

実施の形態３では、水とアンモニアとを混合させた高温の作動流体を、触媒４５の昇温に用いたが、この形態に限定するものではない。この作動流体を、ディーゼルエンジン１の冷却水として用いることもできる。また、これにより、ディーゼルエンジン１の暖機を行うこともできる。

実施の形態１〜３では、水及びアンモニアからなる作動流体を使用したが、これに限定するものではない。吸収式冷凍サイクルで使用される作動流体であればどのような作動流体であってもよく、その他の作動流体として、例えば水及び臭化リチウムからなるもの等が挙げられる。

実施の形態１〜３では、エネルギー回収システムをディーゼルエンジン１に適用しているが、ディーゼルエンジンに限定するものではない。ガソリンエンジンやボイラー等のその他の内燃機関に適用することができ、さらに内燃機関に限定せず、熱を発生させる設備であればどのような設備に適用してもよい。

この発明の実施の形態１に係るエネルギー回収システムを備えた内燃機関の構成模式図である。 実施の形態１に係るエネルギー回収システムの変形例の構成模式図である。 実施の形態２に係るエネルギー回収システムの構成模式図である。 実施の形態３に係るエネルギー回収システムを備えた内燃機関の構成模式図である。 実施の形態３に係るエネルギー回収システムを備えた内燃機関の触媒の断面図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）、２，２２，３２，４２ エネルギー回収システム、３ 高温冷却器（第１蒸発器）、４ 分離器、５ 第１膨張機、６ ラジエータ（凝縮器）、８ 低温冷却器（第２蒸発器）、９ 第２膨張機、１０ 再生器、３３ 凝縮器（別の凝縮器）、３５ 蒸発器（別の蒸発器）、３６ 第３膨張機（別の膨張機）、４３ 高沸点成分用タンク、４４ 低沸点成分用タンク。

Claims (6)

1. 低沸点成分及び高沸点成分を含む作動流体を加熱して前記低沸点成分を主に蒸発させる第１蒸発器と、
   該第１蒸発器から流出した作動流体を気体成分及び液体成分に分離する分離器と、
   該分離器から流出した気体成分によって駆動される第１膨張機と、
   該第１膨張機を駆動した気体成分を冷却して液体成分に凝縮する凝縮器と、
   該凝縮器から流出した液体成分を加熱して気体成分に蒸発させる第２蒸発器と、
   該第２蒸発器から流出した気体成分によって駆動される第２膨張機と、
   前記分離器から流出した液体成分に前記第２膨張機を駆動した気体成分を吸収させて、前記第１蒸発器に供給する前記作動流体を生成する再生器と
   を備えるエネルギー回収システム。
2. 前記分離器から流出した液体成分の少なくとも一部を貯留する高沸点成分用タンクと、
   前記第２膨張機を駆動した気体成分の少なくとも一部を貯溜する低沸点成分用タンクと
   をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー回収システム。
3. 前記再生器が前記第１蒸発器よりも高い位置に設けられると共に前記分離器が前記再生器よりも高い位置に設けられ、
   前記凝縮器が前記第２蒸発器よりも高い位置に設けられる、請求項１または２に記載のエネルギー回収システム。
4. 前記第２膨張機と前記再生器との間に、別の凝縮器と蒸発器と膨張機との組み合わせが少なくとも１組以上設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
5. 前記第１膨張機を駆動した気体成分を冷却して液体成分に凝縮する前記凝縮器は、前記別の凝縮器の少なくとも１つを兼ねる、請求項４に記載のエネルギー回収システム。
6. 内燃機関のＥＧＲガスが、前記第１蒸発器において前記作動流体と熱交換を行い、その後、前記第２蒸発器において、前記凝縮器から流出した液体成分と熱交換を行う、請求項１〜５のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。

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