JP4622819B2 - 熱エネルギ回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器で吸熱した熱エネルギを機械エネルギに変換する熱エネルギ回収装置に関する。

従来、熱エネルギを機械エネルギに変換する熱サイクル機関が存在する。

例えば、この種の熱サイクル機関としては、吸入した作動ガスを断熱圧縮する圧縮機と、この圧縮機で断熱圧縮された作動ガスに高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器と、この熱交換器で等圧受熱された作動ガスを断熱膨張させる膨張機とを備え、その膨張力を利用してクランクシャフトから出力を取り出すブレイトンサイクル機関があり、下記の特許文献１に開示されている。

このように、熱サイクル機関は、熱を加えた作動ガスの膨張力を利用して出力を得るものであり、例えば、内燃機関の排気ガスの排気熱を用いることによって内燃機関の排気熱回収装置（熱エネルギ回収装置）として構築することができる。

また、そのような熱サイクル機関としては、作動ガスを封入したシリンダに対する外部からの加熱とこの加熱により膨張した作動ガスの冷却とを繰り返し、温度上昇した作動ガスの膨張力によるピストンの押下と膨張した作動ガスの冷却によるピストンの上昇を繰り返させてクランクシャフトから出力を取り出すスターリングサイクル機関があり、下記の特許文献２に開示されている。

ここで、この種の熱エネルギ回収装置においては作動ガスとして空気が一般的であるが、その空気よりも比熱比κの高い不活性ガスを用いることによって熱エネルギ回収効率を向上させることができる。このような不活性ガスを作動ガスとして用いた熱エネルギ回収装置としては、下記の特許文献３に開示されている。

この特許文献３に開示されたものは、作動媒体を同一経路上で還流させるブレイトンサイクルシステムであって、タービンの回転により送出される作動媒体と圧縮機から送出される作動媒体とを熱交換器で熱交換させ、そのタービンからの作動媒体を圧縮機側へと送り、その圧縮機からの作動媒体をタービン側へと送って循環させるものである。このブレイトンサイクルシステムにおいては、２種類の不活性ガスを作動媒体として使用しており、その夫々の作動媒体の流量を調整している。

特開平６−２５７４６２号公報 特開２００２−２６６７０１号公報 特開平８−８２２２４号公報

ところで、上記特許文献３においては、不活性ガスと水蒸気とが混在する作動媒体が同一経路を循環する装置であって、その循環経路上に凝縮器を配備した所謂内燃式ランキンサイクル装置にも適用し得る旨が記載されている。そして、その内燃式ランキンサイクル装置においても同様の作用効果を奏することができる旨が記載されている。

しかしながら、この特許文献３においては、その内燃式ランキンサイクル装置の具体的構成について何ら開示されておらず、如何様な構成を以てすれば同様の作用効果を得ることができるのかが明らかになっていない。従って、その構成如何では、同様の作用効果が得られないことも考えられる。また、この特許文献３には、圧縮機，熱交換機及び膨張機を備えたブレイトンサイクル機関の熱エネルギ回収装置にて、如何様に比熱比κの高い不活性ガス等の作動ガスを取り込んで還流させればよいのかについても何ら開示されておらず、かかる熱エネルギ回収装置において、どの様な構成で熱エネルギ回収効率を向上させればよいのか明らかになっていない。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、圧縮機，熱交換機及び膨張機を備えたブレイトンサイクル機関で熱エネルギ回収効率を向上させ得る熱エネルギ回収装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、作動ガス吸入通路から吸入した作動ガスを圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された作動ガスに高温流体の熱を吸熱させる熱交換器と、この吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた膨張機とを有する熱エネルギ回収装置において、作動ガスたる単原子ガスと酸素及び水素とを燃焼室に供給すると共に当該燃焼室から排出された排気経路上の排気ガスから前記単原子ガスを凝縮器で分離して吸気経路へと循環させる閉サイクル内燃機関の排気経路に、圧縮機の作動ガス吸入通路と熱交換器の高温流体通路の高温流体流入口及び高温流体排出口と膨張機の作動ガス排出通路とを連通させている。

この請求項１記載の発明は、閉サイクル内燃機関にて循環している単原子ガスを熱エネルギ回収装置の作動ガスとして取り込み、その閉サイクル内燃機関の排気熱との熱交換を行わせた後に再び閉サイクル内燃機関の循環経路上へと戻すことができる。従って、この請求項１記載の発明によれば、閉サイクル内燃機関の動作を妨げることなく比熱比の高い単原子ガスを熱エネルギ回収装置の作動ガスとして利用することができるので、熱エネルギ回収効率を向上させることができる。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の熱エネルギ回収装置において、圧縮機の作動ガス吸入通路を閉サイクル内燃機関の排気経路における凝縮器の下流側に連通させている。

この請求項２記載の発明によれば、その排気ガス中の水蒸気を凝縮器で取り除いた下流側から単原子ガスのみが圧縮機に引き込まれるので、高い比熱比の単原子ガスのみで熱エネルギ回収装置を駆動させることが可能になり、熱エネルギ回収効率を更に向上させることができる。

また、上記目的を達成する為、請求項３記載の発明では、上記請求項１又は２に記載の熱エネルギ回収装置において、熱交換器の高温流体通路を閉サイクル内燃機関の排気経路における凝縮器の上流側に連通させている。

この請求項３記載の発明によれば、凝縮器で冷却される前の高温の排気ガスを熱交換器の高温流体通路に通すことができるので、圧縮機を経た後の単原子ガスとの間の温度差を大きくして熱エネルギ回収効率を更に向上させることができる。

また、上記目的を達成する為、請求項４記載の発明では、上記請求項１，２又は３に記載の熱エネルギ回収装置において、膨張機の作動ガス排出通路を閉サイクル内燃機関の排気経路における熱交換器の高温流体通路の下流側に連通させている。

この請求項４記載の発明によれば、断熱膨張後の単原子ガスが熱交換器の高温流体通路の上流に流入して排気ガスの温度を低下させる、という不都合を回避することができるので、その排気ガスと圧縮機を経た後の単原子ガスとの間の温度差による熱エネルギ回収効率の更なる向上を図ることができる。

ここで、その膨張機の作動ガス排出通路は、請求項５記載の発明の如く、閉サイクル内燃機関の排気経路における熱交換器の高温流体通路の下流側と凝縮器の上流側との間に連通させることができる。

この請求項５記載の発明によれば、上記請求項４記載の発明と同様の効果を奏すると共に、断熱膨張後の単原子ガスも凝縮器で冷却されて閉サイクル内燃機関の燃焼室に吸入されるので、この閉サイクル内燃機関の熱負荷の軽減が可能になる。

また、その膨張機の作動ガス排出通路は、請求項６記載の発明の如く、閉サイクル内燃機関の排気経路における凝縮器の下流側で且つ当該排気経路における圧縮機の作動ガス吸入通路との連通部分の下流側に連通させることができる。

この請求項６記載の発明によれば、上記請求項４記載の発明と同様の効果を奏すると共に、温度上昇した断熱膨張後の単原子ガスが閉サイクル内燃機関の燃焼室に吸入されるので、吸気温度の上昇に伴い水素への着火性が良好になり、閉サイクル内燃機関の燃焼効率が向上する。

また、その膨張機の作動ガス排出通路は、請求項７記載の発明の如く、一方が膨張機の作動ガス排出口に連通する第１排出通路と、一方が第１排出通路に連通すると共に他方が閉サイクル内燃機関の排気経路における熱交換器の高温流体通路の下流側と凝縮器の上流側との間に連通する第２排出通路と、一方が第１及び第２の排出通路に連通すると共に他方が閉サイクル内燃機関の排気経路における凝縮器の下流側で且つ当該排気経路における圧縮機の作動ガス吸入通路との連通部分の下流側に連通する第３排出通路とを備えるよう構成する。そして、その第１から第３の排出通路の各々の連通状態又は遮断状態を閉サイクル内燃機関の運転状態に応じて切り替える流路切替手段を設ける。

この請求項７記載の発明によれば、閉サイクル内燃機関の運転状態に応じて上記請求項５，６の夫々の効果を得ることができる。

更に、その膨張機の作動ガス排出通路は、請求項８記載の発明の如く、一方が膨張機の作動ガス排出口に連通すると共に他方が閉サイクル内燃機関のクランクケース内に連通する第１排出通路と、一方が閉サイクル内燃機関のクランクケース内に連通すると共に他方が閉サイクル内燃機関の排気経路における熱交換器の高温流体通路の下流側と凝縮器の上流側との間に連通する第２排出通路とを備えてもよい。

この請求項８記載の発明によれば、断熱膨張後の単原子ガスによってクランクケース内が強制換気されるので、オイルパン内の潤滑油の劣化を抑制すると共にクランクケース内のスラッジの生成も抑制することができる。また、ブローバイガスの中に含まれる水素も掃気されるので、クランクケース内での燃焼（爆発）も防止することができる。

ここで、その膨張機の作動ガス排出通路は、請求項９記載の発明の如く、上記請求項８記載の熱エネルギ回収装置において、第１排出通路と第２排出通路とを連通させる連通路を備えてもよい。

この請求項９記載の発明によれば、断熱膨張後の単原子ガスの一部のみがクランクケース内に送られ、残りがクランクケース内を介さずに閉サイクル内燃機関の排気経路に戻されるので、クランクケース内の潤滑油による単原子ガスの汚れを抑制することができる。

本発明に係る熱エネルギ回収装置は、上述したが如く、閉サイクル内燃機関で循環している単原子ガスを取り込み、その閉サイクル内燃機関の排気熱との熱交換を行わせた後に再び閉サイクル内燃機関の循環経路上へと戻すので、その閉サイクル内燃機関の動作を妨げることなく比熱比の高い単原子ガスを作動ガスとして利用して熱エネルギ回収効率を向上させることができる。

以下に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１を図１から図３に基づいて説明する。図１の符号１は、本実施例１の熱エネルギ回収装置を示す。

本実施例１の熱エネルギ回収装置１は、高温流体の熱を利用して作動ガスを断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて駆動力を得るブレイトンサイクル機関であって、図１に示す如く、吸入した作動ガスを断熱圧縮する圧縮機１０と、この圧縮機１０にて断熱圧縮された作動ガスに高温流体の熱を等圧力で吸熱させる熱交換器２０と、この熱交換器２０で等圧受熱された作動ガスを断熱膨張させる膨張機３０と、この膨張機３０の断熱膨張に伴って回転するクランクシャフト４０とを備えている。

この熱エネルギ回収装置１においては、図２−１のＰ−Ｖ線図や図２−２のＴ−ｓ線図に示す如く、圧力Ｐ１の作動ガスが圧縮機１０に吸入され、この圧縮機１０にて圧力Ｐ１，体積Ｖ１（＝Ｖ_comp），温度Ｔ１，エントロピｓ１の作動ガスを断熱圧縮する。しかる後、この断熱圧縮された圧力Ｐ２，体積Ｖ２，温度Ｔ２，エントロピｓ１の作動ガスが熱交換器２０へと送出され、この熱交換器２０にて高温流体と等圧受熱される。そして、その等圧受熱された圧力Ｐ２，体積Ｖ３，温度Ｔ３，エントロピｓ２の作動ガスが膨張機３０へと流入して断熱膨張を行い、その断熱膨張後の圧力Ｐ１，体積Ｖ４，温度Ｔ４，エントロピｓ２の作動ガスが膨張機３０から排出（等圧放熱）される。

ここで、この熱エネルギ回収装置１の熱エネルギ回収効率は、圧力比γ（＝Ｐ１／Ｐ２）や作動ガスの比熱比κに依存するものであり、その圧力比γや比熱比κが高くなるにつれて向上することが知られている。従って、本実施例１にあっては、その圧力比γが高くなるように圧縮機１０の諸元を設定する。

一方、熱エネルギ回収装置１（ブレイトンサイクル機関）に用いる作動ガスの代表的なものとしては空気が知られている。しかしながら、その空気よりも比熱比κの高い気体を作動ガスとして用いれば、この熱エネルギ回収装置１は、更なる熱エネルギ回収効率の向上が図れる。そこで、本実施例１にあっては、空気（κ＝１．４０）よりも比熱比κの高い単原子ガス，その中でもアルゴンガス（κ＝１．６６）等の希ガスを作動ガスとして利用する。ここでは、作動ガスとしてアルゴンガスを例示する。

尚、圧力比γに対する熱エネルギ回収効率の理論値（ブレイトンサイクル理論効率）について空気とアルゴンガスとを比較したものを図３に示す。この図３によれば、例えば、圧力比γ＝３において、アルゴンガスを作動ガスとして用いた方が空気よりもブレイトンサイクル理論効率が約３１％向上することが判る。

先ず、本実施例１における熱エネルギ回収装置１の圧縮機１０について説明する。

この圧縮機１０は、容積Ｖ_compが一定のシリンダ１１と、このシリンダ１１内を往復運動するピストン１２とを備えている。このピストン１２は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフト４０に連結される。尚、そのクランクシャフト４０には、フライホイール５０が配設されている。

また、この圧縮機１０には、作動ガスをシリンダ１１内に導く作動ガス吸入通路１４と、そのシリンダ１１内でピストン１２により断熱圧縮された作動ガスを熱交換器２０の後述する作動ガス通路２２へと導く作動ガス排出通路１５とが設けられており、その夫々に吸気側開閉弁１６と排気側開閉弁１７が配備されている。

ここで、その吸気側開閉弁１６としては、作動ガス吸入通路１４とシリンダ１１内の圧力差により作動ガスをシリンダ１１内に流入させる一方、その作動ガスの作動ガス吸入通路１４への逆流を防ぐ逆止弁を用いる。また、排気側開閉弁１７としては、作動ガス排出通路１５とシリンダ１１内の圧力差により断熱圧縮後の作動ガスを熱交換器２０の作動ガス通路２２に流入させる一方、シリンダ１１内への逆流を防ぐ逆止弁を用いる。

続いて、本実施例１における熱エネルギ回収装置１の熱交換器２０について説明する。

この熱交換器２０は、高温流体が流れる高温流体通路２１と、圧縮機１０で断熱圧縮された作動ガスが流れる作動ガス通路２２とを備えている。ここで、その高温流体通路２１と作動ガス通路２２は、作動ガスへの吸熱効率（熱交換器効率）を高める為に高温流体の流れ方向と作動ガスの流れ方向とが逆になるよう配置することが好ましい。

続いて、本実施例１における熱エネルギ回収装置１の膨張機３０について説明する。

この膨張機３０は、容積Ｖ_exp（ここではＶ_exp≧Ｖ_comp）が一定のシリンダ３１と、このシリンダ３１内を往復運動するピストン３２とを備えている。このピストン３２は、コネクティングロッド３３を介して圧縮機１０と同一のクランクシャフト４０に連結される。

また、この膨張機３０には、熱交換器２０で等圧受熱された作動ガスをシリンダ３１内に導く作動ガス吸入通路３４と、断熱膨張後の作動ガスをシリンダ３１の外に導く作動ガス排出通路３５とが設けられており、その夫々に吸気側開閉弁３６と排気側開閉弁３７が配備されている。

ここで、その吸気側開閉弁３６及び排気側開閉弁３７としては、例えばチェーンやスプロケット等を介することによりクランクシャフト４０の回転に同期して開閉動作を行う回転同期弁を用いることができる。

ところで、内燃機関の中でも単原子ガス（具体的には、希ガス）を循環させる閉サイクル内燃機関が知られている。従って、この閉サイクル内燃機関における単原子ガスの還流経路と熱エネルギ回収装置１における吸気経路（圧縮機１０の作動ガス吸入通路１４）及び排気経路（膨張機３０の作動ガス排出通路３５）とを連通させることによって、その閉サイクル内燃機関における単原子ガスの循環を妨げることなく、且つ、熱エネルギ回収装置１の作動ガスの為に別途作動ガス貯留タンク等を設けることなく、熱エネルギ回収装置１を作動させることができる。また、その閉サイクル内燃機関から排出された排気ガスは高温になっており、その排気ガスを熱交換器２０の高温流体として利用すれば、本実施例１の熱エネルギ回収装置１は、その閉サイクル内燃機関の排気ガスの排気熱を回収して機械エネルギへと変換させる（即ち、閉サイクル内燃機関の排気熱を回収する）ことができる。

そこで、本実施例１にあっては、その閉サイクル内燃機関の還流経路の内の排気経路に熱エネルギ回収装置１を配置する。

以下に、ここで例示する閉サイクル内燃機関について説明する。図１の符号１０１は、本実施例１の閉サイクル内燃機関を示す。

この閉サイクル内燃機関１０１は、燃焼室１１１ａが形成されるシリンダ１１１と、このシリンダ１１１内を往復運動するピストン１１２とを備えている。このピストン１１２は、コネクティングロッド１１３を介してクランクシャフト（図示略）に連結される。

また、この閉サイクル内燃機関１０１には、一端が燃焼室１１１ａ内に各々開口された吸気経路と排気経路とが設けられており、これら吸気経路と排気経路の夫々の他端を連通させることによりアルゴンガスＡｒを循環させている。

ここで、この閉サイクル内燃機関１０１においては、燃焼時の燃料としての水素Ｈ₂を燃焼室１１１ａに供給する水素供給手段１２０と、その燃焼を促進させる酸素Ｏ₂を燃焼室１１１ａに供給する酸素供給手段１３０とが設けられている。

その水素供給手段１２０は、水素Ｈ₂が例えば７０ＭＰａで貯留された水素タンク１２１と、この水素タンク１２１からの水素供給経路１２２上に配備されたレギュレータ１２３，水素流量計１２４，サージタンク１２５及び水素噴射装置１２６とで構成されている。その水素噴射装置１２６は、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）により運転状態に応じて噴射時期や噴射量が制御され、燃焼室１１１ａ内へと直接水素Ｈ₂を噴射する。

また、その酸素供給手段１３０は、酸素Ｏ₂が例えば７０ＭＰａで貯留された酸素タンク１３１と、この酸素タンク１３１からの酸素供給経路１３２上に配備されたレギュレータ１３３，酸素流量計１３４及び酸素ミキサ１３５とで構成されている。その酸素ミキサ１３５は、吸気経路と排気経路との間に配設され、排気経路から流入してきたアルゴンガスＡｒと酸素供給経路１３２から供給された酸素Ｏ₂とを混合して吸気経路へと送出するものである。

尚、本実施例１にあっては、便宜上、その酸素ミキサ１３５を境にして吸気経路と排気経路とを区別する。

本実施例１の吸気経路は、一端が燃焼室１１１ａ内に開口され、他端が酸素ミキサ１３５の排出口１３５ａに連通された吸気通路１４１で構成されている。従って、この閉サイクル内燃機関１０１の燃焼室１１１ａには、その酸素ミキサ１３５で混合されたアルゴンガスＡｒと酸素Ｏ₂が吸気通路１４１を介して吸入され、更に水素噴射装置１２６から水素Ｈ₂が噴射されて、燃焼が行われる。

その燃焼後には、燃焼室１１１ａから排気経路へとアルゴンガスＡｒと水蒸気Ｈ₂Ｏが排出される。そこで、その排気経路上には、アルゴンガスＡｒと水蒸気Ｈ₂Ｏとを分離させる凝縮器１５１が配設されている。この凝縮器１５１は、内部に冷却水が循環されており、水蒸気Ｈ₂Ｏを液体の水Ｈ₂Ｏに凝縮して水排出口１５１ａから外部に排出すると共に、アルゴンガスＡｒを排気ガス排出口１５１ｂから排気経路に戻すものである。

更に、上述したが如く、本実施例１にあっては、その排気経路上に熱エネルギ回収装置１を配備する。

ここで、この熱エネルギ回収装置１における熱交換器２０の高温流体としては、閉サイクル内燃機関１０１の排気経路の排気ガス（アルゴンガスＡｒと水蒸気Ｈ₂Ｏ）を利用する。そして、その熱交換器２０は、排気ガスの中でも高温の状態のものを利用することで熱エネルギの回収効率が向上する。これが為、この熱交換器２０は、排気経路における燃焼室１１１ａ側で且つ凝縮器１５１よりも上流側に配置する。

従って、本実施例１の排気経路は、一端が燃焼室１１１ａ内に開口され、他端が熱交換器２０の高温流体通路２１における高温流体流入口２１ａに連通された第１排気通路１６１と、一端がその高温流体通路２１における高温流体排出口２１ｂに連通され、他端が凝縮器１５１の排気ガス流入口１５１ｃに連通された第２排気通路１６２と、一端が凝縮器１５１の排気ガス排出口１５１ｂに連通され、他端が酸素ミキサ１３５の排気ガス流入口１３５ｂに連通された第３排気通路１６３とで構成されている。尚、その第３排気通路１６３には、Ｏ₂センサ１７１とＨ₂センサ１７２が配設されており、電子制御装置が夫々の検出信号から凝縮器１５１を通過した後の排気ガス中の残存酸素濃度と残存水素濃度を検出している。

また更に、本実施例１にあっては、上述したが如く、熱エネルギ回収装置１の作動ガスたるアルゴンガスＡｒを閉サイクル内燃機関１０１の還流経路（吸気経路、排気経路）から取り込む。

ここで、熱エネルギ回収装置１を作動させるとの観点からすれば、そのアルゴンガスＡｒは、閉サイクル内燃機関１０１の吸気経路又は排気経路の何れから取り込んでもよいが、閉サイクル内燃機関１０１における燃焼を鑑みた場合、吸気経路から取り込むことは好ましくない。また、アルゴンガスＡｒを排気経路から取り込む場合について考察すると、凝縮器１５１よりも上流側から取り込んだときには、アルゴンガスＡｒと共に水蒸気Ｈ₂Ｏも圧縮機１０に吸入されてしまうので、比熱比κが低くなって熱エネルギ回収効率が悪化する。

そこで、本実施例１にあっては、図１に示す如く、熱エネルギ回収装置１における圧縮機１０の作動ガス吸入通路１４を閉サイクル内燃機関１０１の排気経路における凝縮器１５１の下流側（具体的には、第３排気通路１６３）に連通させる。

これにより、水蒸気Ｈ₂Ｏが取り除かれたアルゴンガスＡｒのみが圧縮機１０に吸入されるようになるので、高い比熱比κのアルゴンガスＡｒのみで熱エネルギ回収装置１を駆動させ、熱エネルギ回収効率を向上させることができる。

また、凝縮器１５１の下流側においては、冷却水によりアルゴンガスＡｒの温度が低下している。従って、熱交換器２０においては、その作動ガス通路２２を流れるアルゴンガスＡｒと高温流体通路２１を流れる高温流体（アルゴンガスＡｒと水蒸気Ｈ₂Ｏ）との間の温度差が大きくなり、その高温流体からアルゴンガスＡｒへの入熱量が大きくなるので、熱エネルギ回収装置１の出力（クランクシャフト４０の出力トルク）を増加させることができる。

そのようにして熱エネルギ回収装置１の作動ガスとして供されたアルゴンガスＡｒは、膨張機３０の作動ガス排出通路３５から閉サイクル内燃機関１０１の排気経路に戻される。

ここで、図２−２に示す如く、熱エネルギ回収装置１で利用されるアルゴンガスＡｒは、圧縮機１０に吸入されたときよりも膨張機３０で断熱膨張された後の方が温度上昇している。これが為、その断熱膨張後のアルゴンガスＡｒを凝縮器１５１の下流側に戻してしまうと、温度の高いアルゴンガスＡｒが閉サイクル内燃機関１０１の燃焼室１１１ａに吸入されてしまい、この閉サイクル内燃機関１０１の熱負荷（即ち、燃焼時の最高温度）が高くなる。

一方、その断熱膨張後のアルゴンガスＡｒは、温度が高いといっても閉サイクル内燃機関１０１における第１排気通路１６１の排気ガス（アルゴンガスＡｒと水蒸気Ｈ₂Ｏ）よりも低温である。これが為、その断熱膨張後のアルゴンガスＡｒが第１排気通路１６１（即ち、熱交換器２０の上流側）に戻されてしまうと、熱交換器２０の高温流体通路２１へと流入する排気ガスの温度が低下してしまい、この熱交換器２０における作動ガス通路２２のアルゴンガスＡｒへの入熱量が減少する。

そこで、本実施例１にあっては、図１に示す如く、熱エネルギ回収装置１における膨張機３０の作動ガス排出通路３５を閉サイクル内燃機関１０１の排気経路における熱交換器２０の下流側で且つ凝縮器１５１の上流側（具体的には、第２排気通路１６２）に連通させる。

これにより、断熱膨張後のアルゴンガスＡｒは凝縮器１５１を経て冷却され、これが閉サイクル内燃機関１０１の燃焼室１１１ａに吸入されるので、その閉サイクル内燃機関１０１の熱負荷を軽減することができる。また、熱交換器２０の高温流体通路２１へと流入する排気ガスの温度に影響を与えないので、この熱交換器２０における作動ガス通路２２のアルゴンガスＡｒへの入熱を阻害する、という不都合を回避することができる。

以上示した如く、本実施例１の熱エネルギ回収装置１によれば、閉サイクル内燃機関１０１の排気熱を有効活用しつつ、この閉サイクル内燃機関１０１において循環している比熱比κの高いアルゴンガスＡｒを作動ガスとして利用しているので、閉サイクル内燃機関１０１の動作を妨げることなく熱エネルギ回収効率を向上させることができる。

また、この熱エネルギ回収装置１においては、凝縮器１５１を通過した後のアルゴンガスＡｒを圧縮機１０に吸入させ、膨張機３０で断熱膨張された後のアルゴンガスＡｒを閉サイクル内燃機関１０１の排気経路における熱交換器２０の下流側で且つ凝縮器１５１の上流側に戻している。

これが為、圧縮機１０には水蒸気Ｈ₂Ｏを取り除いたアルゴンガスＡｒが吸入されるので、その比熱比κの高いアルゴンガスＡｒを利用して熱エネルギ回収装置１の熱エネルギ回収効率が向上する。更に、圧縮機１０には低温のアルゴンガスＡｒが吸入され、熱交換器２０の高温流体通路２１には温度低下を招く断熱膨張後のアルゴンガスＡｒが流入しないので、熱交換器２０における高温流体通路２１の排気ガス（アルゴンガスＡｒと水蒸気Ｈ₂Ｏ）と作動ガス通路２２のアルゴンガスＡｒとの間の温度差を大きくすることができ、熱エネルギ回収装置１の出力増加を図ることができる。また、断熱膨張後のアルゴンガスＡｒは凝縮器１５１で冷却されて燃焼室１１１ａに吸入されるので、閉サイクル内燃機関１０１の熱負荷軽減が可能になる。

次に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２を図４に基づいて説明する。

本実施例２の熱エネルギ回収装置１は、図４に示す如く、前述した実施例１と同様の構成を備え、同じく実施例１と同様の構成からなる閉サイクル内燃機関１０１の排気経路上に配置されたものであり、その排気経路への膨張機３０の作動ガス排出通路３５の配置を変更したものである。

具体的に、本実施例２の熱エネルギ回収装置１においては、その作動ガス排出通路３５を閉サイクル内燃機関１０１の排気経路における凝縮器１５１の下流側（具体的には、第３排気通路１６３）に連通させる。

従って、実施例１よりも温度の高い断熱膨張後のアルゴンガスＡｒが第３排気通路１６３へと流入して、閉サイクル内燃機関１０１の燃焼室１１１ａに吸入される。即ち、そのアルゴンガスＡｒによって、閉サイクル内燃機関１０１の吸気温度が上昇する。そして、これにより、水素噴射装置１２６から噴射された水素Ｈ₂の着火性が良好になって、燃焼室１１１ａでの燃焼効率が向上する。

このように、本実施例２の熱エネルギ回収装置１によれば、実施例１と同様の熱エネルギ回収効率の向上や出力増加を図ることができると共に、閉サイクル内燃機関１０１の着火性や、これに伴う燃焼効率の向上を図ることができる。

次に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例３を図５に基づいて説明する。

前述した各実施例１，２は、その夫々において閉サイクル内燃機関１０１の排気経路に対しての膨張機３０の作動ガス排出通路３５の接続部分が異なるものであり、実施例１では閉サイクル内燃機関１０１の熱負荷軽減を考慮して凝縮器１５１の上流側に接続し、実施例２では閉サイクル内燃機関１０１の着火性向上を考慮して凝縮器１５１の下流側に接続している。

これら各実施例１，２は、その夫々に別個の上述した有用な効果を奏する反面、実施例１の構成においては着火性が悪化し、実施例２の構成においては熱負荷が高くなる、という二律背反する効果と不都合を有している。従って、その双方の有用な効果のみを得るべく構成することができれば、閉サイクル内燃機関１０１の本来の作用効果を妨げることなく熱エネルギ回収装置１における熱エネルギ回収効率の向上や出力増加を図ることが可能になる。

そこで、本実施例３にあっては、実施例１の作動ガス排出通路３５に替えて図５に示す作動ガス排出通路３５１と流路切替弁６１を設け、熱負荷の軽減要求又は着火性の向上要求に応じて閉サイクル内燃機関１０１の排気経路への断熱膨張後のアルゴンガスＡｒの流路を切り替える。

本実施例３の熱エネルギ回収装置１は、図５に示す如く、各実施例１，２と略同様の構成を備え、同じく各実施例１，２と同様の構成からなる閉サイクル内燃機関１０１の排気経路上に配置されたものであり、その各実施例１，２における作動ガス排出通路３５を上記の如き流路切り替え可能な作動ガス排出通路３５１と流路切替弁６１とに置き換えたものである。

具体的に、その作動ガス排出通路３５１は、一端が膨張機３０の作動ガス排出口に連通された第１排出通路３５１ａと、一端が閉サイクル内燃機関１０１の第２排気通路１６２（排気経路における熱交換器２０の下流側で且つ凝縮器１５１の上流側）に連通された第２排出通路３５１ｂと、一端が閉サイクル内燃機関１０１の第３排気通路１６３（排気経路における凝縮器１５１の下流側）に連通された第３排出通路３５１ｃとで構成する。そして、これら第１から第３の排出通路３５１ａ〜３５１ｃは、その夫々の他端を上述した流路切替弁６１に接続する。

ここで、その流路切替弁６１は、第１排出通路３５１ａと第２排出通路３５１ｂ又は第３排出通路３５１ｃとを個別に連通させるべく切り替え動作を行うものであって、図示しない電子制御装置により閉サイクル内燃機関１０１の運転状態（熱負荷の軽減要求であるのか又は着火性の向上要求であるのか）に応じて制御される。

より具体的に説明すると、その電子制御装置は、閉サイクル内燃機関１０１において熱負荷の軽減要求があったときに、第１排出通路３５１ａと第２排出通路３５１ｂとを連通させ、これら第１及び第２の排出通路３５１ａ，３５１ｂと第３排出通路３５１ｃとを遮断させるべく流路切替弁６１を切り替える。

これにより、閉サイクル内燃機関１０１においては、実施例１の構成と同様に膨張機３０で断熱膨張された後のアルゴンガスＡｒが第２排気通路１６２に流入して、そのアルゴンガスＡｒが凝縮器１５１にて冷却されて燃焼室１１１ａに吸入されるので、吸気温度の低下に伴って熱負荷の軽減を図ることができる。

ここで、電子制御装置が熱負荷の軽減要求か否かを判定する際の条件としては、例えば、閉サイクル内燃機関１０１の機関回転数や負荷などがある。そして、この電子制御装置は、その機関回転数が高回転の場合や高負荷と判断したときに熱負荷の軽減要求であると判定して、上記の如く流路切替弁６１の切り換えを行う。

一方、この電子制御装置は、閉サイクル内燃機関１０１において着火性の向上要求があったときに、第１排出通路３５１ａと第３排出通路３５１ｃとを連通させ、これら第１及び第３の排出通路３５１ａ，３５１ｃと第２排出通路３５１ｂとを遮断させるべく流路切替弁６１を切り替える。

これにより、閉サイクル内燃機関１０１においては、実施例２の構成と同様に膨張機３０で断熱膨張された後のアルゴンガスＡｒが第３排気通路１６３に流入して、凝縮器１５１を経た場合よりも温度の高いアルゴンガスＡｒが燃焼室１１１ａに吸入されるので、吸気温度の上昇に伴って水素噴射装置１２６から噴射された水素Ｈ₂の着火性が良好になり、燃焼室１１１ａにおける燃焼効率が向上する。

ここで、電子制御装置が着火性の向上要求か否かを判定する際の条件としては、例えば、閉サイクル内燃機関１０１の吸気温度、冷却水温度や潤滑油温度、図示しない吸気バルブの閉弁時期などがある。そして、この電子制御装置は、その吸気温度，冷却水温度又は潤滑油温度の全て又は少なくとも何れか１つが低温の場合に着火性の向上要求であると判定して、上記の如く流路切替弁６１の切り換えを行う。また、この電子制御装置は、その吸気バルブの閉弁時期が遅角側に設定されているとき（即ち、実圧縮比が低いとき）に着火性の向上要求であると判定して、上記の如く流路切替弁６１の切り換えを行う。

以上示した如く、本実施例３の熱エネルギ回収装置１によれば、実施例１，２と同様の熱エネルギ回収効率の向上や出力増加を図ることができると共に、閉サイクル内燃機関１０１の運転状態に応じて閉サイクル内燃機関１０１における熱負荷の軽減又は着火性の向上を図ることができる。

次に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例４を図６に基づいて説明する。

本実施例４の熱エネルギ回収装置１は、図６に示す如く、前述した各実施例１〜３と略同様の構成を備え、同じく各実施例１〜３と同様の構成からなる閉サイクル内燃機関１０１の排気経路上に配置されたものであり、膨張機３０で断熱膨張された後のアルゴンガスＡｒの閉サイクル内燃機関１０１における排気経路への戻り経路を変更したものである。

具体的に、本実施例４にあっては、その断熱膨張後のアルゴンガスＡｒを一旦閉サイクル内燃機関１０１のクランクケース１１５内に引き込み、このクランクケース１１５内から閉サイクル内燃機関１０１の第２排気通路１６２（排気経路における熱交換器２０の下流側で且つ凝縮器１５１の上流側）へと戻すように構成している。

例えば、その断熱膨張後のアルゴンガスＡｒの引き込み用の通路としては、閉サイクル内燃機関１０１の外部とクランクケース１１５内とを連通させるべくシリンダヘッド１１４及びシリンダ１１１に形成された第１通路１１６を用いる。また、そのクランクケース１１５内に引き込まれたアルゴンガスＡｒの戻り用の通路としては、例えば、閉サイクル内燃機関１０１の外部とクランクケース１１５内とを連通させるべくシリンダ１１１に形成された第２通路１１７を用いる。

本実施例４にあっては、図６に示す如く、膨張機３０の作動ガス排出通路３５２を第１通路１１６側に連通させる第１排出通路３５２ａと第２通路１１７側に連通させる第２排出通路３５２ｂとで構成する。その第１排出通路３５２ａは、一端が膨張機３０の作動ガス排出口に連通され、他端が第１通路１１６に連通されたものである。また、その第２排出通路３５２ｂは、一端が第２通路１１７に連通され、他端が閉サイクル内燃機関１０１の第２排気通路１６２に連通されたものである。

このように膨張機３０の作動ガス排出通路３５２がクランクケース１１５内を介するよう構成されることによって、膨張機３０で断熱膨張された後のアルゴンガスＡｒは、クランクケース１１５内へと引き込まれた後に閉サイクル内燃機関１０１の第２排気通路１６２へと流入する。そして、そのアルゴンガスＡｒは、前述した実施例１と同様に凝縮器１５１で冷却されて閉サイクル内燃機関１０１の燃焼室１１１ａに吸入される。

これにより、本実施例４の熱エネルギ回収装置１は、アルゴンガスＡｒを作動ガスとして用いたことによる熱エネルギ回収効率の向上等の実施例１と同様の効果を奏することができる。

また、その際、その断熱膨張後のアルゴンガスＡｒと共にクランクケース１１５内のブローバイガスが第２通路１１７を介して第２排出通路３５２ｂへと排出され、第２排気通路１６２に流入する。そして、そのブローバイガスが閉サイクル内燃機関１０１の燃焼室１１１ａに吸入される。即ち、本実施例４の作動ガス排出通路３５２は、ブローバイガス還元装置としての機能も備えている。

従って、本実施例４の熱エネルギ回収装置１によれば、閉サイクル内燃機関１０１のクランクケース１１５内が強制換気されて、オイルパン内の潤滑油の劣化を抑制すると共にクランクケース１１５内のスラッジの生成も抑制することができる。更に、その閉サイクル内燃機関１０１は水素Ｈ₂を燃料として使用しているので、ブローバイガスの中には未燃焼の水素Ｈ₂も含まれている。これが為、クランクケース１１５内が強制換気されることによって、このクランクケース１１５内での燃焼（換言すれば、爆発）も防止することができる。

次に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例５を図７に基づいて説明する。

前述した実施例４においては、閉サイクル内燃機関１０１のクランクケース１１５内の強制換気を行う為に、そのクランクケース１１５内を経るように膨張機３０の作動ガス排出通路３５２を構成した。しかしながら、膨張機３０を経た断熱膨張後のアルゴンガスＡｒの全てについてクランクケース１１５内を通させると、そのアルゴンガスＡｒが潤滑油で汚されてしまう。そして、その潤滑油で汚されたアルゴンガスＡｒを熱エネルギ回収装置１の作動ガスとして導入すると、比熱比κの低下に伴う熱エネルギ回収効率の悪化を招く虞がある。

そこで、本実施例５にあっては、かかる不都合を改善する為に、前述した実施例４の構成において、図７に示す如く膨張機３０の作動ガス排出通路３５２を構成する第１排出通路３５２ａと第２排出通路３５２ｂとを連通路７２を介して連通させる。

これにより、膨張機３０で断熱膨張された後のアルゴンガスＡｒは、一部がクランクケース１１５内を介して閉サイクル内燃機関１０１の第２排気通路１６２へと流入する一方、残りが直接第２排気通路１６２へと流入する。従って、クランクケース１１５内を流れるアルゴンガスＡｒの流量が実施例４よりも減少するので、閉サイクル内燃機関１０１の還流経路を流れるアルゴンガスＡｒの潤滑油による汚れが軽減する。また、これに伴って、本実施例５の熱エネルギ回収装置１においては、潤滑油で汚されたアルゴンガスＡｒの作動ガスとしての流動量が減少するので、比熱比κの低下による熱エネルギ回収効率の悪化を抑制することができる。

ここで、本実施例５にあっては、作動ガス排出通路３５２における第１及び第２の排出通路３５２ａ，３５２ｂと連通路７２の通路径によって、断熱膨張後のアルゴンガスＡｒのクランクケース１１５内を介する流動量と当該クランクケース１１５内を介させない流動量とを調節する。

例えば、クランクケース１１５内の強制換気よりも上記のアルゴンガスＡｒの汚れの抑制を主眼として本装置を構成するのであれば、クランクケース１１５内に多量のアルゴンガスＡｒを流入させるのは好ましくない。そこで、かかる場合には、第１及び第２の排出通路３５２ａ，３５２ｂの通路径よりも連通路７２の通路径を大きくして、クランクケース１１５内へのアルゴンガスＡｒの流入量を少なくする。

また、クランクケース１１５内の強制換気を主眼とするのであれば、第１及び第２の排出通路３５２ａ，３５２ｂの通路径よりも連通路７２の通路径を小さくして、クランクケース１１５内へのアルゴンガスＡｒの流入量を多くする。

このように、本実施例５の熱エネルギ回収装置１によれば、クランクケース１１５内を強制換気しつつもアルゴンガスＡｒの潤滑油による汚れを抑制することができるので、潤滑油の劣化及びスラッジの生成の抑制並びにクランクケース１１５内での爆発の防止を図りながらも、アルゴンガスＡｒによる熱エネルギ回収効率の向上代を阻害せずに実施例１と同様の効果奏することができる。

次に、本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例６を図８に基づいて説明する。

本実施例６の熱エネルギ回収装置１は、図８に示す如く、前述した実施例５の構成において、膨張機３０の作動ガス排出通路３５２における第１排出通路３５２ａと第２排出通路３５２ｂとを連通させる連通路７２上に三方弁６２を配備して、第１排出通路３５２ａにおけるアルゴンガスＡｒのクランクケース１１５を介した第２排出通路３５２ｂへの流量及び第２排出通路３５２ｂへの直接の流量を適宜調節し得るように構成したものである。

ここでは、その三方弁６２を連通路７２と第２排出通路３５２ｂとの接続部分に配置しているが、連通路７２と第１排出通路３５２ａとの接続部分に配置してもよい。その三方弁６２は、図示しない電子制御装置によりデューティー比で流量の調節を行うよう構成されている。

例えば、その電子制御装置は、クランクケース１１５内へのアルゴンガスＡｒの流入量を少なくして、アルゴンガスＡｒの潤滑油による汚れの抑制を図るべく制御している三方弁６２の状態を通常時とする。即ち、この通常時においては、連通路７２へのアルゴンガスＡｒの流入量をクランクケース１１５側よりも増加させている。

そして、この電子制御装置は、例えば、クランクケース１１５内の水素濃度を検出する図示しないＨ₂センサの検出信号に基づいて水素量が増加したときに、クランクケース１１５内のブローバイガス濃度が濃くなったと判断し、クランクケース１１５内へのアルゴンガスＡｒの流入量を連通路７２への流入量よりも増加させるべく三方弁６２を制御する。これにより、クランクケース１１５内の強制換気が重視され、潤滑油の劣化及びスラッジの生成の抑制並びにクランクケース１１５内での爆発の防止が図られる。しかる後、この電子制御装置は、そのＨ₂センサから水素量の減少を検出した際に上記の通常時へと三方弁６２を制御する。

以上示した如く、本実施例６の熱エネルギ回収装置１は、断熱膨張後のアルゴンガスＡｒのクランクケース１１５を介した第２排出通路３５２ｂへの流量と連通路７２を介した第２排出通路３５２ｂへの流量とを閉サイクル内燃機関１０１の運転状態に応じて適宜調節することができるので、クランクケース１１５内の強制換気とアルゴンガスＡｒの潤滑油による汚れの抑制を両立させることができる。これが為、この熱エネルギ回収装置１によれば、前述した実施例２，５の夫々の有用な効果を閉サイクル内燃機関１０１の運転状態に応じた最適な状態で得ることができるようになる。

尚、上述した三方弁６２に替えて、弁体の開弁角度を適宜可変させることでアルゴンガスＡｒの流量を調節し得る開閉弁を連通路７２の中間部分に配備してもよい。

また、本実施例６にあっては、クランクケース１１５側と連通路７２側の双方に断熱膨張後のアルゴンガスＡｒが流れるよう構成しているが、運転状態に応じてその一方のみに断熱膨張後のアルゴンガスＡｒが流れるよう構成してもよい。

以上のように、本発明に係る熱エネルギ回収装置は、閉サイクル内燃機関で循環している単原子ガスを作動ガスとして利用して熱エネルギ回収効率の向上を図る技術に有用である。

本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例１の構成を示す図である。 ブレイトンサイクル機関について説明するＰ−Ｖ線図である。 ブレイトンサイクル機関について説明するＴ−ｓ線図である。 ブレイトンサイクル機関の圧力比γに対する熱エネルギ回収効率の理論値（ブレイトンサイクル理論効率）について空気とアルゴンガスとを比較した図である。 本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例２の構成を示す図である。 本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例３の構成を示す図である。 本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例４の構成を示す図である。 本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例５の構成を示す図である。 本発明に係る熱エネルギ回収装置の実施例６の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 圧縮機
１４ 作動ガス吸入通路
１５ 作動ガス排出通路
２０ 熱交換器
２１ 高温流体通路
２１ａ 高温流体流入口
２１ｂ 高温流体排出口
２２ 作動ガス通路
３０ 膨張機
３４ 作動ガス吸入通路
３５ 作動ガス排出通路
６１ 流路切替弁
６２ 三方弁
７２ 連通路
１０１ 閉サイクル内燃機関
１１１ シリンダ
１１１ａ 燃焼室
１１４ シリンダヘッド
１１５ クランクケース
１１６ 第１通路
１１７ 第２通路
１２０ 水素供給手段
１３０ 酸素供給手段
１４１ 吸気通路
１５１ 凝縮器
１５１ｂ 排気ガス排出口
１５１ｃ 排気ガス流入口
１６１ 第１排気通路
１６２ 第２排気通路
１６３ 第３排気通路
３５１ 作動ガス排出通路
３５１ａ 第１排出通路
３５１ｂ 第２排出通路
３５１ｃ 第３排出通路
３５２ 作動ガス排出通路
３５２ａ 第１排出通路
３５２ｂ 第２排出通路

Claims (9)

1. 作動ガス吸入通路から吸入した作動ガスを圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された作動ガスに高温流体の熱を吸熱させる熱交換器と、該吸熱された作動ガスの膨張により押動されるピストンを備えた膨張機とを有する熱エネルギ回収装置において、
   前記作動ガスたる単原子ガスと酸素及び水素とを燃焼室に供給すると共に当該燃焼室から排出された排気経路上の排気ガスから前記単原子ガスを凝縮器で分離して吸気経路へと循環させる閉サイクル内燃機関の排気経路に、前記圧縮機の作動ガス吸入通路と前記熱交換器の高温流体通路の高温流体流入口及び高温流体排出口と前記膨張機の作動ガス排出通路とを連通させたことを特徴とする熱エネルギ回収装置。
2. 前記圧縮機の作動ガス吸入通路を前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記凝縮器の下流側に連通させたことを特徴とする請求項１記載の熱エネルギ回収装置。
3. 前記熱交換器の高温流体通路を前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記凝縮器の上流側に連通させたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱エネルギ回収装置。
4. 前記膨張機の作動ガス排出通路を前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記熱交換器の高温流体通路の下流側に連通させたことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱エネルギ回収装置。
5. 前記膨張機の作動ガス排出通路は、前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記熱交換器の高温流体通路の下流側と前記凝縮器の上流側との間に連通させたことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の熱エネルギ回収装置。
6. 前記膨張機の作動ガス排出通路は、前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記凝縮器の下流側で且つ当該排気経路における前記圧縮機の作動ガス吸入通路との連通部分の下流側に連通させたことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の熱エネルギ回収装置。
7. 前記膨張機の作動ガス排出通路は、一方が当該膨張機の作動ガス排出口に連通する第１排出通路と、一方が当該第１排出通路に連通すると共に他方が前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記熱交換器の高温流体通路の下流側と前記凝縮器の上流側との間に連通する第２排出通路と、一方が当該第１及び第２の排出通路に連通すると共に他方が前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記凝縮器の下流側で且つ当該排気経路における前記圧縮機の作動ガス吸入通路との連通部分の下流側に連通する第３排出通路と、を備え、
   前記第１から第３の排出通路の各々の連通状態又は遮断状態を前記閉サイクル内燃機関の運転状態に応じて切り替える流路切替手段を設けたことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の熱エネルギ回収装置。
8. 前記膨張機の作動ガス排出通路は、一方が当該膨張機の作動ガス排出口に連通すると共に他方が前記閉サイクル内燃機関のクランクケース内に連通する第１排出通路と、一方が前記閉サイクル内燃機関のクランクケース内に連通すると共に他方が前記閉サイクル内燃機関の排気経路における前記熱交換器の高温流体通路の下流側と前記凝縮器の上流側との間に連通する第２排出通路と、を備えたことを特徴とする請求項１，２，３又は４に記載の熱エネルギ回収装置。
9. 前記膨張機の作動ガス排出通路は、前記第１排出通路と第２排出通路とを連通させる連通路を備えたことを特徴とする請求項８記載の熱エネルギ回収装置。

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