JPH116601A - 熱交換装置及び該熱交換装置を組み込んだエネルギ回収装置を備えたガスエンジン - Google Patents
熱交換装置及び該熱交換装置を組み込んだエネルギ回収装置を備えたガスエンジンInfo
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- JPH116601A JPH116601A JP17125697A JP17125697A JPH116601A JP H116601 A JPH116601 A JP H116601A JP 17125697 A JP17125697 A JP 17125697A JP 17125697 A JP17125697 A JP 17125697A JP H116601 A JPH116601 A JP H116601A
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- passage
- exhaust gas
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
- F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
- F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
- F28D7/103—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of more than two coaxial conduits or modules of more than two coaxial conduits
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、熱交換効率が良好な熱交換装置を
提供すると共に，該熱交換装置を備えた燃費の良好なガ
スエンジンを提供する。 【解決手段】 この熱交換装置は，エンジンからの排気
ガスで蒸気を加熱する排気通路８に設けられた第１段熱
交換器４と第２段熱交換器６から成る。第１段熱交換器
４は，第１ケーシング２内に配置された蒸気が流れる蒸
気通路３５と，蒸気通路３５に配置された排気ガスが流
れる排気ガス通路２８とから構成されている。第２段熱
交換器６は，第１ケーシング２の下方に設けられた第２
ケーシング７内に配置された水を貯留できる水・蒸気通
路３６と，水・蒸気通路３６の周りに配置された排気ガ
スが流れる排気ガス通路２９とから構成されている。各
通路２８，２９，３５，３６には，多孔質セラミック部
材が配置されている。
提供すると共に，該熱交換装置を備えた燃費の良好なガ
スエンジンを提供する。 【解決手段】 この熱交換装置は，エンジンからの排気
ガスで蒸気を加熱する排気通路８に設けられた第１段熱
交換器４と第２段熱交換器６から成る。第１段熱交換器
４は，第１ケーシング２内に配置された蒸気が流れる蒸
気通路３５と，蒸気通路３５に配置された排気ガスが流
れる排気ガス通路２８とから構成されている。第２段熱
交換器６は，第１ケーシング２の下方に設けられた第２
ケーシング７内に配置された水を貯留できる水・蒸気通
路３６と，水・蒸気通路３６の周りに配置された排気ガ
スが流れる排気ガス通路２９とから構成されている。各
通路２８，２９，３５，３６には，多孔質セラミック部
材が配置されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は，例えば，エンジ
ンから排出される排気ガスから排気熱エネルギを回収す
るため排気通路に設けられた熱交換装置に関する。
ンから排出される排気ガスから排気熱エネルギを回収す
るため排気通路に設けられた熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来，ターボチャージャを備えた遮熱型
エンジンは，排気系の一段目にタービンとコンプレッサ
を備えたターボチャージャを設置し，該ターボチャージ
ャの後流に発電機を持つタービンから成るエネルギー回
収装置を設置している。該遮熱型エンジンでは，燃焼室
が遮熱構造に構成され，燃焼室から排出される排気ガス
の熱エネルギがターボチャージャやエネルギ回収装置に
よって電力として回収されたり，ターボチャージャのコ
ンプレッサの駆動によって過給することによって回収さ
れている。
エンジンは，排気系の一段目にタービンとコンプレッサ
を備えたターボチャージャを設置し，該ターボチャージ
ャの後流に発電機を持つタービンから成るエネルギー回
収装置を設置している。該遮熱型エンジンでは，燃焼室
が遮熱構造に構成され，燃焼室から排出される排気ガス
の熱エネルギがターボチャージャやエネルギ回収装置に
よって電力として回収されたり，ターボチャージャのコ
ンプレッサの駆動によって過給することによって回収さ
れている。
【０００３】また，上記のような遮熱型エンジンに対し
て排気ガスエネルギの回収効率を低減させないようなエ
ネルギ回収システムとして，特開平５−１７９９７２号
に開示されたものがある。該エネルギ回収システムは，
排気通路に設けた第１タービンと該第１タービンで作動
される発電機を備えたエネルギ回収装置，第１タービン
の出口側通路に連結された第２タービンと該第２タービ
ンによって作動される過給用のコンプレッサを備えたタ
ーボチャージャ，及び第１タービンの出口側通路に設置
されたウエィストゲートを有する。
て排気ガスエネルギの回収効率を低減させないようなエ
ネルギ回収システムとして，特開平５−１７９９７２号
に開示されたものがある。該エネルギ回収システムは，
排気通路に設けた第１タービンと該第１タービンで作動
される発電機を備えたエネルギ回収装置，第１タービン
の出口側通路に連結された第２タービンと該第２タービ
ンによって作動される過給用のコンプレッサを備えたタ
ーボチャージャ，及び第１タービンの出口側通路に設置
されたウエィストゲートを有する。
【０００４】コージェネレーションシステムは，動力を
発電機で電気エネルギとして取り出し，排気ガスが有す
る熱エネルギを電力や排気通路に設けた熱交換器で水を
加熱して温水にして給湯用として利用している。このよ
うなコージェネレーションシステムは，定格運転されて
負荷変動が小さく，都市部や山間地等で電力供給システ
ムとして利用されることが期待されている。
発電機で電気エネルギとして取り出し，排気ガスが有す
る熱エネルギを電力や排気通路に設けた熱交換器で水を
加熱して温水にして給湯用として利用している。このよ
うなコージェネレーションシステムは，定格運転されて
負荷変動が小さく，都市部や山間地等で電力供給システ
ムとして利用されることが期待されている。
【０００５】上記のようなコージェネレーションシステ
ムとして，特開平６−３３７０７号公報に開示されたも
のがある。コージェネレーションシステムは，排気ガス
エネルギで蒸気を発生させ，該蒸気エネルギを電気エネ
ルギとして回収して熱効率を向上させたものであり，遮
熱型ガスエンジンの排気ガスエネルギによってターボチ
ャージャを駆動し，該ターボチャージャからの排気ガス
エネルギで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆動す
る。エネルギ回収装置からの排気ガスの熱エネルギを第
１段熱交換器で蒸気に変換し，該蒸気によって蒸気ター
ビンを駆動して電気エネルギとして回収する。更に，第
２段熱交換器によって蒸気タービンからの高温の蒸気で
温水を発生させ，該温水を給湯用に利用する。
ムとして，特開平６−３３７０７号公報に開示されたも
のがある。コージェネレーションシステムは，排気ガス
エネルギで蒸気を発生させ，該蒸気エネルギを電気エネ
ルギとして回収して熱効率を向上させたものであり，遮
熱型ガスエンジンの排気ガスエネルギによってターボチ
ャージャを駆動し，該ターボチャージャからの排気ガス
エネルギで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆動す
る。エネルギ回収装置からの排気ガスの熱エネルギを第
１段熱交換器で蒸気に変換し，該蒸気によって蒸気ター
ビンを駆動して電気エネルギとして回収する。更に，第
２段熱交換器によって蒸気タービンからの高温の蒸気で
温水を発生させ，該温水を給湯用に利用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで，天然ガス等
を燃料とするエンジンによって発電電力を高効率で得よ
うとする時，幾つかのシステムを組み合わせることが有
効である。天然ガスは燃焼し難いので，燃焼室を遮熱構
造に構成して燃焼を良好にし，燃焼室から排出される排
気ガスが接触する部分をセラミックス等の材料を用いて
遮熱構造に構成することが好ましい。そこで，上記のよ
うな遮熱形エンジンでは，燃焼室を遮熱構造に構成し，
ターボチャージャを配置し，燃焼室から排出される排気
ガスの圧力を有効に回収することが考えられる。更に，
燃焼室から排出される排気ガスの圧力に関係なく，熱交
換器によって熱エネルギを回収することが考えられる。
しかしながら，排気ガスは気体であり，気体からの熱エ
ネルギの回収は熱交換器の熱交換部の表面積を大きく構
成する必要がある。
を燃料とするエンジンによって発電電力を高効率で得よ
うとする時，幾つかのシステムを組み合わせることが有
効である。天然ガスは燃焼し難いので，燃焼室を遮熱構
造に構成して燃焼を良好にし，燃焼室から排出される排
気ガスが接触する部分をセラミックス等の材料を用いて
遮熱構造に構成することが好ましい。そこで，上記のよ
うな遮熱形エンジンでは，燃焼室を遮熱構造に構成し，
ターボチャージャを配置し，燃焼室から排出される排気
ガスの圧力を有効に回収することが考えられる。更に，
燃焼室から排出される排気ガスの圧力に関係なく，熱交
換器によって熱エネルギを回収することが考えられる。
しかしながら，排気ガスは気体であり，気体からの熱エ
ネルギの回収は熱交換器の熱交換部の表面積を大きく構
成する必要がある。
【０００７】本発明者は，多孔質セラミック部材を用い
た熱交換器を開発し，特願平９−１１８６５７号として
先に出願した。該出願の明細書にも説明されているよう
に，物質間で熱が伝達するプロセスでは，熱伝達量Ｑは
次式で表される。 Ｑ＝Ｋ・ＡS （ＴG −ＴS ）・ｔ 但し，Ｋ：熱通過率，ＡS ：熱伝達経路平均面積，
ＴG ：高温ガス温度，ＴS：低温媒体温度，ｔ：熱伝達
期間である。また，熱通過率Ｋは，次式で表される。 Ｋ＝１／（Ｘ1 ＋Ｘ2 ＋Ｘ3 ） 但し，Ｘ1 ＝（１／αg ）×（ＡS ／Ａ1 ） Ｘ2 ＝（δ1 ／λ1 ）×（ＡS ／Ａ2 ） Ｘ3 ＝（１／αc ）×（ＡS ／Ａ3 ） 更に，αg ：高温ガス熱伝達率，λ1 ：固体熱伝導率，
αc ：低温部熱伝達率，Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 ：熱移動部材
の接触面積，δ1 ：壁体の壁厚である。
た熱交換器を開発し，特願平９−１１８６５７号として
先に出願した。該出願の明細書にも説明されているよう
に，物質間で熱が伝達するプロセスでは，熱伝達量Ｑは
次式で表される。 Ｑ＝Ｋ・ＡS （ＴG −ＴS ）・ｔ 但し，Ｋ：熱通過率，ＡS ：熱伝達経路平均面積，
ＴG ：高温ガス温度，ＴS：低温媒体温度，ｔ：熱伝達
期間である。また，熱通過率Ｋは，次式で表される。 Ｋ＝１／（Ｘ1 ＋Ｘ2 ＋Ｘ3 ） 但し，Ｘ1 ＝（１／αg ）×（ＡS ／Ａ1 ） Ｘ2 ＝（δ1 ／λ1 ）×（ＡS ／Ａ2 ） Ｘ3 ＝（１／αc ）×（ＡS ／Ａ3 ） 更に，αg ：高温ガス熱伝達率，λ1 ：固体熱伝導率，
αc ：低温部熱伝達率，Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 ：熱移動部材
の接触面積，δ1 ：壁体の壁厚である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は，燃焼
室から排出される排気ガスの熱エネルギを排気通路に直
列に配置された一対の熱交換器によって高温蒸気を発生
させて蒸気圧として回収する高効率の熱交換装置を提供
することであり，この熱交換装置によって発生させた高
温の蒸気によって蒸気タービンを駆動して電気エネルギ
に変換し，排気ガスが有する熱エネルギを有効に回収し
て熱効率をアップさせたセラミックエンジンを提供する
ことを可能にしたものである。
室から排出される排気ガスの熱エネルギを排気通路に直
列に配置された一対の熱交換器によって高温蒸気を発生
させて蒸気圧として回収する高効率の熱交換装置を提供
することであり，この熱交換装置によって発生させた高
温の蒸気によって蒸気タービンを駆動して電気エネルギ
に変換し，排気ガスが有する熱エネルギを有効に回収し
て熱効率をアップさせたセラミックエンジンを提供する
ことを可能にしたものである。
【０００９】この発明は，エンジンからの排気ガスで蒸
気を加熱する排気通路に設けられた第１段熱交換器，及
び前記第１段熱交換器の後流に設けられ且つ前記第１段
熱交換器からの前記排気ガスで水を蒸気に加熱する第２
段熱交換器を具備し，前記第１段熱交換器は第１ケーシ
ング内に配置された前記第２段熱交換器で加熱された前
記蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された蒸気
通路と前記蒸気通路に配置された前記排気ガスが流れる
排気ガス通路とから構成され，また，前記第２段熱交換
器は前記第１ケーシングに隣接して設けられた第２ケー
シング内に配置された水を貯留できる水・蒸気通路と前
記水・蒸気通路の周りに配置された前記第１段熱交換器
からの前記排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配
置された排気ガス通路とから構成されていることから成
る熱交換装置に関する。
気を加熱する排気通路に設けられた第１段熱交換器，及
び前記第１段熱交換器の後流に設けられ且つ前記第１段
熱交換器からの前記排気ガスで水を蒸気に加熱する第２
段熱交換器を具備し，前記第１段熱交換器は第１ケーシ
ング内に配置された前記第２段熱交換器で加熱された前
記蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された蒸気
通路と前記蒸気通路に配置された前記排気ガスが流れる
排気ガス通路とから構成され，また，前記第２段熱交換
器は前記第１ケーシングに隣接して設けられた第２ケー
シング内に配置された水を貯留できる水・蒸気通路と前
記水・蒸気通路の周りに配置された前記第１段熱交換器
からの前記排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配
置された排気ガス通路とから構成されていることから成
る熱交換装置に関する。
【００１０】前記蒸気通路と前記水・蒸気通路には，多
孔質セラミック部材が配置されている。また，前記第１
段熱交換器の下方に前記第２段熱交換器が配置され，前
記第２段熱交換器の前記水・蒸気通路は上下方向に配置
され，前記第１段熱交換器の前記蒸気通路の熱交換面積
は大きく形成され，前記第２段熱交換器の前記水・蒸気
通路の熱交換面積は小さく形成され，更に，前記水・蒸
気通路の下部には水が貯留されている。
孔質セラミック部材が配置されている。また，前記第１
段熱交換器の下方に前記第２段熱交換器が配置され，前
記第２段熱交換器の前記水・蒸気通路は上下方向に配置
され，前記第１段熱交換器の前記蒸気通路の熱交換面積
は大きく形成され，前記第２段熱交換器の前記水・蒸気
通路の熱交換面積は小さく形成され，更に，前記水・蒸
気通路の下部には水が貯留されている。
【００１１】前記第１段熱交換器は，前記排気ガス通路
の排気ガス接触面積と前記排気ガス通路を構成する管体
の外側面積との関係は下記式を満足するものである。 Ａ1 ：Ａ2 ＝（１／αg ）：（δ1 ／λ1 ） 但し，Ａ1 は排気ガス接触面積，Ａ2 は排気ガス通路を
形成する管体の外側面積，αg は排気ガスの熱伝達率，
δ1 は排気ガス通路を構成する管体の厚み，及びλ1 は
第１段熱交換器の材料熱伝導率である。上記したよう
に，熱通過率Ｋ＝１／（Ｘ1 ＋Ｘ2 ＋Ｘ3 ）である。 但し，Ｘ1 ＝（１／αg ）×（ＡS ／Ａ1 ） Ｘ2 ＝（δ1 ／λ1 ）×（ＡS ／Ａ2 ） Ｘ3 ＝（１／αc ）×（ＡS ／Ａ3 ） そこで，高温ガス熱伝達率及び固体熱伝達率を当てはめ
て計算する。熱伝達経路平均面積ＡS を単位面積として
１とする。αg ＝１３０ｋｃａｌ／ｍ2 ｈ℃であり，ま
た，固体として窒化珪素部材を使用すると，λ1 ＝３．
６ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃であるので，これらの値から判
断して，Ｋ＝１／（Ｘ1 ＋Ｘ2 ＋Ｘ3 ）の最も値の小さ
なものに合わせて，Ｘ1 ，Ｘ2 及びＸ3 を制御すること
を検討すると，Ｘ1 及びＸ2 の項では，面積を大幅に変
えてその値を小さくすることが最も効果的である。例え
ば，Ｘ1 をＸ2 と同一程度にまで小さくするためには，
Ｘ1 におけるＡ1 の面積を１５倍程度に大きくすれば，
Ｘ1 をＸ2 と同程度の値に小さくすることができる。従
って，Ｘ1 ＝Ｘ2 である。 （１／αg ）×（１／Ａ1 ）＝（δ1 ／λ1 ）×（１／
Ａ2 ） それ故に，Ａ1 ：Ａ2 ＝（１／αg ）：（δ1 ／λ1 ）
の排気ガス接触面積と前記排気ガス通路を構成する管体
の外側面積との関係は下記式を満足するものである。 Ａ1 ：Ａ2 ＝（１／αg ）：（δ1 ／λ1 ） 但し，Ａ1 は排気ガス接触面積，Ａ2 は排気ガス通路を
形成する管体の外側面積，αg は排気ガスの熱伝達率，
δ1 は排気ガス通路を構成する管体の厚み，及びλ1 は
第１段熱交換器の材料熱伝導率である。上記したよう
に，熱通過率Ｋ＝１／（Ｘ1 ＋Ｘ2 ＋Ｘ3 ）である。 但し，Ｘ1 ＝（１／αg ）×（ＡS ／Ａ1 ） Ｘ2 ＝（δ1 ／λ1 ）×（ＡS ／Ａ2 ） Ｘ3 ＝（１／αc ）×（ＡS ／Ａ3 ） そこで，高温ガス熱伝達率及び固体熱伝達率を当てはめ
て計算する。熱伝達経路平均面積ＡS を単位面積として
１とする。αg ＝１３０ｋｃａｌ／ｍ2 ｈ℃であり，ま
た，固体として窒化珪素部材を使用すると，λ1 ＝３．
６ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃であるので，これらの値から判
断して，Ｋ＝１／（Ｘ1 ＋Ｘ2 ＋Ｘ3 ）の最も値の小さ
なものに合わせて，Ｘ1 ，Ｘ2 及びＸ3 を制御すること
を検討すると，Ｘ1 及びＸ2 の項では，面積を大幅に変
えてその値を小さくすることが最も効果的である。例え
ば，Ｘ1 をＸ2 と同一程度にまで小さくするためには，
Ｘ1 におけるＡ1 の面積を１５倍程度に大きくすれば，
Ｘ1 をＸ2 と同程度の値に小さくすることができる。従
って，Ｘ1 ＝Ｘ2 である。 （１／αg ）×（１／Ａ1 ）＝（δ1 ／λ1 ）×（１／
Ａ2 ） それ故に，Ａ1 ：Ａ2 ＝（１／αg ）：（δ1 ／λ1 ）
【００１２】また，前記第２段熱交換器は，前記排気ガ
ス通路の排気ガス接触面積と前記水・蒸気通路を構成す
る管体の外側面積との関係は下記式を満足するものであ
る。 Ａ3 ：Ａ4 ＝（１／αc ）：（δ2 ／λ2 ） 但し，Ａ3 は排気ガス接触面積，Ａ4 は水・蒸気通路を
構成する管体の外側面積，αc は水蒸気の熱伝達率，δ
2 は水・蒸気通路を構成する管体の厚み，及びλ2 は第
２段熱交換器の材料熱伝導率である。上記式において，
熱交換器が異なることより，δ1 をδ2 とし，λ1 をλ
2 にすると，上記と同様に，Ｘ2 ＝Ｘ3 である。 （δ1 ／λ1 ）×（１／Ａ4 ）＝（１／αc ）×（１／
Ａ3 ） それ故に，Ａ3 ：Ａ4 ＝（１／αc ）：（δ2 ／λ2 ）
ス通路の排気ガス接触面積と前記水・蒸気通路を構成す
る管体の外側面積との関係は下記式を満足するものであ
る。 Ａ3 ：Ａ4 ＝（１／αc ）：（δ2 ／λ2 ） 但し，Ａ3 は排気ガス接触面積，Ａ4 は水・蒸気通路を
構成する管体の外側面積，αc は水蒸気の熱伝達率，δ
2 は水・蒸気通路を構成する管体の厚み，及びλ2 は第
２段熱交換器の材料熱伝導率である。上記式において，
熱交換器が異なることより，δ1 をδ2 とし，λ1 をλ
2 にすると，上記と同様に，Ｘ2 ＝Ｘ3 である。 （δ1 ／λ1 ）×（１／Ａ4 ）＝（１／αc ）×（１／
Ａ3 ） それ故に，Ａ3 ：Ａ4 ＝（１／αc ）：（δ2 ／λ2 ）
【００１３】前記各ケーシング及び前記各通路を形成す
る管体は，熱伝導率の小さいＳｉＣ又はＡｌＮのセラミ
ックスから構成されている。
る管体は，熱伝導率の小さいＳｉＣ又はＡｌＮのセラミ
ックスから構成されている。
【００１４】前記第１段熱交換器で発生した高温の蒸気
は，蒸気タービンを駆動し，前記蒸気タービンに設けた
発電機によって電気エネルギに変換される。
は，蒸気タービンを駆動し，前記蒸気タービンに設けた
発電機によって電気エネルギに変換される。
【００１５】また，この発明は，燃料タンクからのガス
燃料を燃焼室へ供給する燃料供給装置，及び前記燃焼室
からの排気ガスを排出する排気通路に設けられたターボ
チャージャを備えたエネルギ回収装置を備えたガスエン
ジンにおいて，請求項１〜７のいずれか１項に記載の前
記熱交換装置を前記ターボチャージャの後流の前記排気
通路に設け，前記第１段熱交換器で発生した蒸気によっ
て蒸気タービンを駆動し，前記第２段熱交換器で前記蒸
気タービンから排出される水を蒸気に変換して該蒸気を
前記第１段熱交換器に供給することから成るエネルギ回
収装置を備えたガスエンジンに関する。
燃料を燃焼室へ供給する燃料供給装置，及び前記燃焼室
からの排気ガスを排出する排気通路に設けられたターボ
チャージャを備えたエネルギ回収装置を備えたガスエン
ジンにおいて，請求項１〜７のいずれか１項に記載の前
記熱交換装置を前記ターボチャージャの後流の前記排気
通路に設け，前記第１段熱交換器で発生した蒸気によっ
て蒸気タービンを駆動し，前記第２段熱交換器で前記蒸
気タービンから排出される水を蒸気に変換して該蒸気を
前記第１段熱交換器に供給することから成るエネルギ回
収装置を備えたガスエンジンに関する。
【００１６】この熱交換装置は，上記のように，二段式
熱交換器からコンパクトに構成され，蒸気のエンタルピ
を上昇させるこができ，特に，第１段熱交換器では，排
気ガスが高温であり，高温の排気ガスが流れる排気ガス
通路は細いパイプでも，排気ガスと蒸気との熱交換では
熱伝達は十分であり，蒸気を十分に過熱することができ
る。また，第２段熱交換器では，排気ガスと水の熱交換
であり，水の熱伝達が大きいので，水・蒸気通路を排気
ガス通路の中央に配置する構造で十分に熱伝達が行われ
る。更に，排気ガスと蒸気との熱交換接触面積，及び排
気ガスと水との熱交換接触面積をそれぞれ適正に構成す
ることができるので，熱交換効率を大幅に向上させるこ
とができる。
熱交換器からコンパクトに構成され，蒸気のエンタルピ
を上昇させるこができ，特に，第１段熱交換器では，排
気ガスが高温であり，高温の排気ガスが流れる排気ガス
通路は細いパイプでも，排気ガスと蒸気との熱交換では
熱伝達は十分であり，蒸気を十分に過熱することができ
る。また，第２段熱交換器では，排気ガスと水の熱交換
であり，水の熱伝達が大きいので，水・蒸気通路を排気
ガス通路の中央に配置する構造で十分に熱伝達が行われ
る。更に，排気ガスと蒸気との熱交換接触面積，及び排
気ガスと水との熱交換接触面積をそれぞれ適正に構成す
ることができるので，熱交換効率を大幅に向上させるこ
とができる。
【００１７】このガスエンジンは，上記の熱交換効率の
良好な熱交換装置を排気通路に組み込んでおり，高排気
圧を必要としない熱交換装置によるエネルギ回収であ
り，背圧を低減して損失を低減できると共に，排気熱エ
ネルギを有効に回収できるので，燃費を低減することが
できる。
良好な熱交換装置を排気通路に組み込んでおり，高排気
圧を必要としない熱交換装置によるエネルギ回収であ
り，背圧を低減して損失を低減できると共に，排気熱エ
ネルギを有効に回収できるので，燃費を低減することが
できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による熱交換装置の実施例を説明する。図１はこの発明
による熱交換装置の一実施例を示す概略説明図である。
による熱交換装置の実施例を説明する。図１はこの発明
による熱交換装置の一実施例を示す概略説明図である。
【００１９】図１に示すように，この熱交換装置は，エ
ンジンからの排気ガスで蒸気を加熱する排気通路８に設
けられた第１段熱交換器４，及び第１段熱交換器４の後
流のに設けられ且つ第１段熱交換器４からの排気ガスで
水を蒸気に加熱する第２段熱交換器６を具備している。
第１段熱交換器４は，第１ケーシング２内に配置された
第２段熱交換器６で加熱された蒸気が流れる蒸気通路３
５と，蒸気通路３５に配置された排気ガスが流れる複数
の排気ガス通路２８とから構成されている。また，第２
段熱交換器６は，第１ケーシング２に隣接して設けられ
た第２ケーシング７内に配置された水を貯留できる水・
蒸気通路３６と水・蒸気通路３６の周りに配置された第
１段熱交換器４からの排気ガスが流れる多孔質セラミッ
ク部材３７が配置された排気ガス通路２９とから構成さ
れている。更に，第１段熱交換器４の下方に第２段熱交
換器６が配置されている。第２段熱交換器６の水・蒸気
通路３６を構成する管体３３は，上下方向に配置され，
水・蒸気通路３６を構成する管体３３の下部３４には水
が貯留されている。
ンジンからの排気ガスで蒸気を加熱する排気通路８に設
けられた第１段熱交換器４，及び第１段熱交換器４の後
流のに設けられ且つ第１段熱交換器４からの排気ガスで
水を蒸気に加熱する第２段熱交換器６を具備している。
第１段熱交換器４は，第１ケーシング２内に配置された
第２段熱交換器６で加熱された蒸気が流れる蒸気通路３
５と，蒸気通路３５に配置された排気ガスが流れる複数
の排気ガス通路２８とから構成されている。また，第２
段熱交換器６は，第１ケーシング２に隣接して設けられ
た第２ケーシング７内に配置された水を貯留できる水・
蒸気通路３６と水・蒸気通路３６の周りに配置された第
１段熱交換器４からの排気ガスが流れる多孔質セラミッ
ク部材３７が配置された排気ガス通路２９とから構成さ
れている。更に，第１段熱交換器４の下方に第２段熱交
換器６が配置されている。第２段熱交換器６の水・蒸気
通路３６を構成する管体３３は，上下方向に配置され，
水・蒸気通路３６を構成する管体３３の下部３４には水
が貯留されている。
【００２０】また，排気ガス通路２８，２９には，Ｓｉ
Ｃ，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックスから成る多孔質セラミ
ック部材３７が配置されている。蒸気通路３５と水・蒸
気通路３６には，ＳｉＣ，ＳｉＣで被覆されたＳｉ3 Ｎ
4 等のセラミックスから成る多孔質セラミック部材３８
が配置されている。この熱交換装置を構成する各ケーシ
ング２，７，排気ガス通路２８を形成する管体２２，及
び水・蒸気通路３６を形成する管体３３は，ＳｉＣ，Ａ
ｌＮ等の熱伝導率の小さいセラミックスから構成されて
いる。
Ｃ，Ｓｉ3 Ｎ4 等のセラミックスから成る多孔質セラミ
ック部材３７が配置されている。蒸気通路３５と水・蒸
気通路３６には，ＳｉＣ，ＳｉＣで被覆されたＳｉ3 Ｎ
4 等のセラミックスから成る多孔質セラミック部材３８
が配置されている。この熱交換装置を構成する各ケーシ
ング２，７，排気ガス通路２８を形成する管体２２，及
び水・蒸気通路３６を形成する管体３３は，ＳｉＣ，Ａ
ｌＮ等の熱伝導率の小さいセラミックスから構成されて
いる。
【００２１】第１段熱交換器４は，蒸気通路３５の蒸気
接触面積と，排気ガス通路２８を形成する管体２２の外
側面積との関係は下記式を満足することから成る。 Ａ1 ：Ａ2 ＝（１／αg ）：（δ1 ／λ1 ） 但し，Ａ1 は排気ガス接触面積，Ａ2 は排気ガス通路２
８を形成する管体２２の外側面積，αg は排気ガスの熱
伝達率，δ1 は排気ガス通路２８を構成する管体２２の
厚み，及びλ1 は第１段熱交換器４の材料熱伝導率であ
る。
接触面積と，排気ガス通路２８を形成する管体２２の外
側面積との関係は下記式を満足することから成る。 Ａ1 ：Ａ2 ＝（１／αg ）：（δ1 ／λ1 ） 但し，Ａ1 は排気ガス接触面積，Ａ2 は排気ガス通路２
８を形成する管体２２の外側面積，αg は排気ガスの熱
伝達率，δ1 は排気ガス通路２８を構成する管体２２の
厚み，及びλ1 は第１段熱交換器４の材料熱伝導率であ
る。
【００２２】第２段熱交換器６は，多孔質セラミック部
材が配置された排気ガス通路２９の排気ガス接触面積
と，水・蒸気通路３６の管体３３の外側面積との関係は
下記式を満足することから成る。 Ａ3 ：Ａ4 ＝（１／αc ）：（δ2 ／λ2 ） 但し，Ａ3 は排気ガス接触面積，Ａ4 は水・蒸気通路３
６を形成する管体３３の外側面積，αc は水蒸気の熱伝
達率，δ2 は水・蒸気通路３６を形成する管体３３の厚
み，及びλ2 は第２段熱交換器の材料熱伝導率である。
材が配置された排気ガス通路２９の排気ガス接触面積
と，水・蒸気通路３６の管体３３の外側面積との関係は
下記式を満足することから成る。 Ａ3 ：Ａ4 ＝（１／αc ）：（δ2 ／λ2 ） 但し，Ａ3 は排気ガス接触面積，Ａ4 は水・蒸気通路３
６を形成する管体３３の外側面積，αc は水蒸気の熱伝
達率，δ2 は水・蒸気通路３６を形成する管体３３の厚
み，及びλ2 は第２段熱交換器の材料熱伝導率である。
【００２３】この熱交換装置は，上記のように形成され
ており，第１段熱交換器４及び第２段熱交換器６は次の
ように構成されている。第１段熱交換器４は，第１段熱
交換器４から送り込まれる蒸気の熱伝達率が小さいの
で，水蒸気の熱交換接触面積即ち蒸気通路３５の熱交換
接触面積は大きく形成され，また，排気ガスの熱交換接
触面積即ち排気ガス通路２８の熱交換接触面積は小さく
形成されている。第２段熱交換器６は，内部に形成され
た水・蒸気通路３６を形成し且つ面積の小さな管体３３
内に，水が満たされている。水や湿り水蒸気Ｈ2 Ｏは熱
伝達率が大きいので，水や湿り水蒸気の熱交換接触面積
即ち水・蒸気通路３６の熱交換接触面積は小さくて良
い。管体３３の外側の排気ガスが流れる通路は，多孔質
セラミック部材が配置された排気ガス通路２９で構成さ
れ，排気ガスとの接触面積が大きく形成されている。
ており，第１段熱交換器４及び第２段熱交換器６は次の
ように構成されている。第１段熱交換器４は，第１段熱
交換器４から送り込まれる蒸気の熱伝達率が小さいの
で，水蒸気の熱交換接触面積即ち蒸気通路３５の熱交換
接触面積は大きく形成され，また，排気ガスの熱交換接
触面積即ち排気ガス通路２８の熱交換接触面積は小さく
形成されている。第２段熱交換器６は，内部に形成され
た水・蒸気通路３６を形成し且つ面積の小さな管体３３
内に，水が満たされている。水や湿り水蒸気Ｈ2 Ｏは熱
伝達率が大きいので，水や湿り水蒸気の熱交換接触面積
即ち水・蒸気通路３６の熱交換接触面積は小さくて良
い。管体３３の外側の排気ガスが流れる通路は，多孔質
セラミック部材が配置された排気ガス通路２９で構成さ
れ，排気ガスとの接触面積が大きく形成されている。
【００２４】次に，図１〜図４を参照して，この熱交換
装置が組み込まれたエネルギ回収装置を備えたガスエン
ジンを説明する。図２は図１の熱交換装置が組み込まれ
ているエネルギ回収装置を備えたガスエンジンを示す概
略説明図，図３は図２のエネルギ回収装置におけるター
ボチャージャを示す概略説明図，及び図４は図２のエネ
ルギ回収装置における蒸気タービンを示す概略説明図で
ある。
装置が組み込まれたエネルギ回収装置を備えたガスエン
ジンを説明する。図２は図１の熱交換装置が組み込まれ
ているエネルギ回収装置を備えたガスエンジンを示す概
略説明図，図３は図２のエネルギ回収装置におけるター
ボチャージャを示す概略説明図，及び図４は図２のエネ
ルギ回収装置における蒸気タービンを示す概略説明図で
ある。
【００２５】このエネルギ回収装置を備えたガスエンジ
ン１は，吸入行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程の
４つの行程を順次繰り返すことによって作動される多気
筒或いは単気筒であり，定置式のコージェネレーション
システムにおける負荷変動が小さいエンジン１に適用す
ることが好ましいものである。
ン１は，吸入行程，圧縮行程，膨張行程及び排気行程の
４つの行程を順次繰り返すことによって作動される多気
筒或いは単気筒であり，定置式のコージェネレーション
システムにおける負荷変動が小さいエンジン１に適用す
ることが好ましいものである。
【００２６】このエネルギ回収装置を備えたガスエンジ
ン１は，天然ガス等のガス体を燃料とし，例えば，コー
ジェネレーションシステムに適用できる単気筒又は多気
筒エンジンであり，燃焼室がシリンダに形成された主室
１Ａと，主室１Ａに連絡口を通じて連通するシリンダヘ
ッド３０に形成した副室１Ｂとから副室式ガスエンジン
に構成されている。ガスエンジン１は，燃焼室の主室１
Ａからの排気ガスを排出するため排気マニホルド３９
と，吸気通路１０を通じて主室１Ａへ吸気を供給するた
め吸気マニホルド４０が設けられている。吸気通路１０
からの吸入空気は吸気マニホルド４０を通じて各気筒の
主室１Ａへ供給され，また，各主室１Ａからの排気ガス
は排気マニホルド３９によって集合して排気通路８へ排
出される。また，副室１Ｂへ供給される天然ガスは，燃
料加圧ポンプ１３の作動によって燃料供給路９を通じて
燃焼室の各副室１Ｂへ供給される。
ン１は，天然ガス等のガス体を燃料とし，例えば，コー
ジェネレーションシステムに適用できる単気筒又は多気
筒エンジンであり，燃焼室がシリンダに形成された主室
１Ａと，主室１Ａに連絡口を通じて連通するシリンダヘ
ッド３０に形成した副室１Ｂとから副室式ガスエンジン
に構成されている。ガスエンジン１は，燃焼室の主室１
Ａからの排気ガスを排出するため排気マニホルド３９
と，吸気通路１０を通じて主室１Ａへ吸気を供給するた
め吸気マニホルド４０が設けられている。吸気通路１０
からの吸入空気は吸気マニホルド４０を通じて各気筒の
主室１Ａへ供給され，また，各主室１Ａからの排気ガス
は排気マニホルド３９によって集合して排気通路８へ排
出される。また，副室１Ｂへ供給される天然ガスは，燃
料加圧ポンプ１３の作動によって燃料供給路９を通じて
燃焼室の各副室１Ｂへ供給される。
【００２７】この実施例では，ガスエンジン１における
燃焼室の主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材，遮熱
層等によって遮熱構造に構成されている。ガスエンジン
１は，改質燃料が供給されるシリンダヘッド３０に形成
された副室１Ｂを備えており，副室１Ｂは制御弁３１に
よる連絡口の開放によって主室１Ａに連通するように構
成されている。主室１Ａには，ターボチャージャ３のコ
ンプレッサ１６からの圧縮空気が吸気通路１０を通じて
供給され，また，副室１Ｂには，燃料弁３２が設けら
れ，燃料弁３２による燃料供給口の開放によって燃料供
給路９から副室１Ｂへガス燃料が供給される。
燃焼室の主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材，遮熱
層等によって遮熱構造に構成されている。ガスエンジン
１は，改質燃料が供給されるシリンダヘッド３０に形成
された副室１Ｂを備えており，副室１Ｂは制御弁３１に
よる連絡口の開放によって主室１Ａに連通するように構
成されている。主室１Ａには，ターボチャージャ３のコ
ンプレッサ１６からの圧縮空気が吸気通路１０を通じて
供給され，また，副室１Ｂには，燃料弁３２が設けら
れ，燃料弁３２による燃料供給口の開放によって燃料供
給路９から副室１Ｂへガス燃料が供給される。
【００２８】ガスエンジン１は，特に，熱交換装置を備
えていることを特徴とする。ガスエンジン１は，ＣＨ4
を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク１
１，ガス燃料を燃焼室の副室１Ｂへ供給する燃料加圧ポ
ンプ１３，ターボチャージャ３の後流の排気通路８に設
けられた第１段熱交換器４，第１段熱交換器４で発生し
た蒸気によって駆動される蒸気タービン５，及び第１段
熱交換器４の後流に設けられ且つ蒸気タービン５から排
出される流体（低温蒸気と水）を蒸気に変換して該蒸気
を第１段熱交換器４に供給する第２段熱交換器６を有し
ている。
えていることを特徴とする。ガスエンジン１は，ＣＨ4
を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク１
１，ガス燃料を燃焼室の副室１Ｂへ供給する燃料加圧ポ
ンプ１３，ターボチャージャ３の後流の排気通路８に設
けられた第１段熱交換器４，第１段熱交換器４で発生し
た蒸気によって駆動される蒸気タービン５，及び第１段
熱交換器４の後流に設けられ且つ蒸気タービン５から排
出される流体（低温蒸気と水）を蒸気に変換して該蒸気
を第１段熱交換器４に供給する第２段熱交換器６を有し
ている。
【００２９】ガスエンジン１は，燃焼室の主室１Ａと副
室１Ｂは，セラミック部材及び遮熱層によって遮熱構造
に構成されているので，主室１Ａから排気マニホルド３
９を通じて排出される排気ガスは約９００℃〜８００℃
の高温ガスである。そこで，ガスエンジン１では，排気
ガスの熱エネルギをターボチャージャ３，第１段熱交換
器４及び第２段熱交換器６によって回収するように構成
されている。
室１Ｂは，セラミック部材及び遮熱層によって遮熱構造
に構成されているので，主室１Ａから排気マニホルド３
９を通じて排出される排気ガスは約９００℃〜８００℃
の高温ガスである。そこで，ガスエンジン１では，排気
ガスの熱エネルギをターボチャージャ３，第１段熱交換
器４及び第２段熱交換器６によって回収するように構成
されている。
【００３０】ターボチャージャ３は，図３に示すよう
に，排気ガスによって駆動されるタービン１５，タービ
ン１５にシャフト１８によって連結され且つタービン１
５によって駆動されるコンプレッサ１６，及びシャフト
１８に対して設けた交流機即ち発電機１７から構成され
ている。コンプレッサ１６は，タービン１５によって駆
動され，空気を加圧して圧縮空気とし，該圧縮空気を吸
気通路１０を通じて吸気マニホルド４０からそれぞれの
気筒の主室１Ａへ供給する。発電機１７は，タービン１
５の回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギを
電気エネルギとして回収することができる。
に，排気ガスによって駆動されるタービン１５，タービ
ン１５にシャフト１８によって連結され且つタービン１
５によって駆動されるコンプレッサ１６，及びシャフト
１８に対して設けた交流機即ち発電機１７から構成され
ている。コンプレッサ１６は，タービン１５によって駆
動され，空気を加圧して圧縮空気とし，該圧縮空気を吸
気通路１０を通じて吸気マニホルド４０からそれぞれの
気筒の主室１Ａへ供給する。発電機１７は，タービン１
５の回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギを
電気エネルギとして回収することができる。
【００３１】第１段熱交換器４は，第１ケーシング２内
に配置された第２段熱交換器６で加熱された蒸気が流れ
る蒸気通路３５と，蒸気通路３５に配置された排気ガス
が流れる複数の排気ガス通路２８とから構成されてい
る。また，第２段熱交換器６は第１ケーシング２に隣接
して設けられた第２ケーシング７内に配置された水を貯
留できる水・蒸気通路３６と，水・蒸気通路３６の周り
に配置され且つ第１段熱交換器４からの排気ガスが流れ
る排気ガス通路２９とから構成されている。
に配置された第２段熱交換器６で加熱された蒸気が流れ
る蒸気通路３５と，蒸気通路３５に配置された排気ガス
が流れる複数の排気ガス通路２８とから構成されてい
る。また，第２段熱交換器６は第１ケーシング２に隣接
して設けられた第２ケーシング７内に配置された水を貯
留できる水・蒸気通路３６と，水・蒸気通路３６の周り
に配置され且つ第１段熱交換器４からの排気ガスが流れ
る排気ガス通路２９とから構成されている。
【００３２】蒸気タービン５は，図４に示すように，第
１段熱交換器４で発生した蒸気によって駆動されるター
ビン１９，タービン１９から排出される蒸気によって駆
動されるタービン２４，及びタービン１９と２４とを連
結したシャフト２１に対して設けられた発電機２０から
構成されている。従って，蒸気エネルギはタービン１
９，２４を駆動し，その回転力は発電機２０によって電
力として回収される。
１段熱交換器４で発生した蒸気によって駆動されるター
ビン１９，タービン１９から排出される蒸気によって駆
動されるタービン２４，及びタービン１９と２４とを連
結したシャフト２１に対して設けられた発電機２０から
構成されている。従って，蒸気エネルギはタービン１
９，２４を駆動し，その回転力は発電機２０によって電
力として回収される。
【００３３】排気通路８に設けられた第２段熱交換器６
は，気相−液相熱交換器であり，排気ガスエネルギによ
って蒸気を発生させ，該蒸気は蒸気通路４１を通じて第
１段熱交換器４へ送り込まれる。蒸気タービン５を駆動
した蒸気は，水と低温蒸気との流体になって流体通路２
７を通ってコンデンサ１４へ放出され，コンデンサ１４
で高温水となって水ポンプ１２によって水通路２６を通
じて第２段熱交換器６へ再び送り込まれる。また，第２
段熱交換器６を通過した排気ガスは，熱エネルギをほと
んど回収された状態の低温の排気ガス（例えば，２００
℃程度）となって外部に排出される。
は，気相−液相熱交換器であり，排気ガスエネルギによ
って蒸気を発生させ，該蒸気は蒸気通路４１を通じて第
１段熱交換器４へ送り込まれる。蒸気タービン５を駆動
した蒸気は，水と低温蒸気との流体になって流体通路２
７を通ってコンデンサ１４へ放出され，コンデンサ１４
で高温水となって水ポンプ１２によって水通路２６を通
じて第２段熱交換器６へ再び送り込まれる。また，第２
段熱交換器６を通過した排気ガスは，熱エネルギをほと
んど回収された状態の低温の排気ガス（例えば，２００
℃程度）となって外部に排出される。
【００３４】このエネルギ回収装置を備えたガスエンジ
ンは，上記のように構成され，次のように作動する。
ンは，上記のように構成され，次のように作動する。
【００３５】制御弁３１が閉鎖した状態で，吸気弁（図
示せず）の開放によってターボチャージャ３のコンプレ
ッサ１６からの空気が吸気通路１０を通じて吸気マニホ
ルド４０から主室１Ａに供給される。主室１Ａの空気は
制御弁３１の閉鎖状態で圧縮行程において圧縮される。
一方，制御弁３１が閉鎖した状態で燃料弁３２が開放
し，燃料加圧ポンプ１３の作動によって天然ガス燃料が
燃料タンク１１からガス燃料供給路９を通じて副室１Ｂ
に供給される。圧縮行程上死点近傍で制御弁３１が開放
し，主室１Ａの圧縮空気が副室１Ｂに流入し，改質燃料
が圧縮空気と混合して着火燃焼し，膨張行程に移行して
ピストン４３に仕事をする。
示せず）の開放によってターボチャージャ３のコンプレ
ッサ１６からの空気が吸気通路１０を通じて吸気マニホ
ルド４０から主室１Ａに供給される。主室１Ａの空気は
制御弁３１の閉鎖状態で圧縮行程において圧縮される。
一方，制御弁３１が閉鎖した状態で燃料弁３２が開放
し，燃料加圧ポンプ１３の作動によって天然ガス燃料が
燃料タンク１１からガス燃料供給路９を通じて副室１Ｂ
に供給される。圧縮行程上死点近傍で制御弁３１が開放
し，主室１Ａの圧縮空気が副室１Ｂに流入し，改質燃料
が圧縮空気と混合して着火燃焼し，膨張行程に移行して
ピストン４３に仕事をする。
【００３６】排気行程において，主室１Ａと副室１Ｂの
排気ガスは，排気通路８を通じてターボチャージャ３へ
送り出される。ターボチャージャ３では，タービン１５
を駆動し，その回転力は発電機１７で電気エネルギに変
換されると共に，コンプレッサ１６を駆動する。発電機
１７で得られた電力は，バッテリに蓄電されたり，補機
を駆動するのに消費される。また，コンプレッサ１６は
空気を吸気通路１０を通じて燃焼室へ過給する機能を果
たす。ターボチャージャ３のタービン１５を通過して排
気ガスは排気通路８と通じて第１段熱交換器４へ送り込
まれる。
排気ガスは，排気通路８を通じてターボチャージャ３へ
送り出される。ターボチャージャ３では，タービン１５
を駆動し，その回転力は発電機１７で電気エネルギに変
換されると共に，コンプレッサ１６を駆動する。発電機
１７で得られた電力は，バッテリに蓄電されたり，補機
を駆動するのに消費される。また，コンプレッサ１６は
空気を吸気通路１０を通じて燃焼室へ過給する機能を果
たす。ターボチャージャ３のタービン１５を通過して排
気ガスは排気通路８と通じて第１段熱交換器４へ送り込
まれる。
【００３７】第１段熱交換器４へ送り込まれた排気ガス
は，多孔質セラミック部材を配置した排気ガス通路２８
を通過し，次いで，排気通路８を通じて第２段熱交換器
６へ送り込まれる。排気ガスは，排気ガス通路２８を通
過する際に，第２段熱交換器６から蒸気通路４１を通っ
て蒸気通路３５に送り込まれた蒸気と熱交換して高温に
加熱する。第１段熱交換器４で高温に加熱された蒸気
は，高温蒸気通路２５を通って蒸気タービン５へ送り込
まれ，タービン１９，２４を駆動する。タービン１９，
２４の駆動によって発電機２０が発電する。発電機２０
が発電された電力は，バッテリに蓄電されたり，補機を
駆動するのに消費される。高温蒸気は蒸気タービン５を
駆動した後，低温蒸気や水から成る流体に変換され，該
流体は流体通路２７を通じてコンデンサ１４へ送られて
水になり，その水は水ポンプ１２の駆動によって水通路
２６を通じて第２段熱交換器６の水・蒸気通路３６へ送
り込まれる。
は，多孔質セラミック部材を配置した排気ガス通路２８
を通過し，次いで，排気通路８を通じて第２段熱交換器
６へ送り込まれる。排気ガスは，排気ガス通路２８を通
過する際に，第２段熱交換器６から蒸気通路４１を通っ
て蒸気通路３５に送り込まれた蒸気と熱交換して高温に
加熱する。第１段熱交換器４で高温に加熱された蒸気
は，高温蒸気通路２５を通って蒸気タービン５へ送り込
まれ，タービン１９，２４を駆動する。タービン１９，
２４の駆動によって発電機２０が発電する。発電機２０
が発電された電力は，バッテリに蓄電されたり，補機を
駆動するのに消費される。高温蒸気は蒸気タービン５を
駆動した後，低温蒸気や水から成る流体に変換され，該
流体は流体通路２７を通じてコンデンサ１４へ送られて
水になり，その水は水ポンプ１２の駆動によって水通路
２６を通じて第２段熱交換器６の水・蒸気通路３６へ送
り込まれる。
【００３８】第１段熱交換器４から第２段熱交換器６へ
送り込まれた排気ガスは，第２段熱交換器６の排気ガス
通路２９を通じて排気通路８へ送り出される。排気ガス
は，排気ガス通路２９を通過する際，水・蒸気通路３６
を通る水を熱交換して蒸気に変換する。排気通路８へ送
り出された排気ガスは，ターボチャージャ３，第１段熱
交換器４及び第２段熱交換器６によって熱エネルギが回
収されており，例えば，２００℃程度にまで温度低下し
ている。
送り込まれた排気ガスは，第２段熱交換器６の排気ガス
通路２９を通じて排気通路８へ送り出される。排気ガス
は，排気ガス通路２９を通過する際，水・蒸気通路３６
を通る水を熱交換して蒸気に変換する。排気通路８へ送
り出された排気ガスは，ターボチャージャ３，第１段熱
交換器４及び第２段熱交換器６によって熱エネルギが回
収されており，例えば，２００℃程度にまで温度低下し
ている。
【００３９】
【発明の効果】この発明による熱交換装置を組み込んだ
エネルギ回収装置を備えたガスエンジンは，上記のよう
に構成されているので，排気通路に設けたターボチャー
ジャ，第１段熱交換器及び第２段熱交換器で排気ガスエ
ネルギを有効に回収することができる。即ち，この熱交
換装置は，二段式に構成された第１段熱交換器と第２段
熱交換器によって排気ガスが有する熱エネルギを水と熱
交換し，水を高温蒸気に変換することができ，高温蒸気
が有するエネルギは蒸気タービンで電気エネルギとして
有効に回収される。
エネルギ回収装置を備えたガスエンジンは，上記のよう
に構成されているので，排気通路に設けたターボチャー
ジャ，第１段熱交換器及び第２段熱交換器で排気ガスエ
ネルギを有効に回収することができる。即ち，この熱交
換装置は，二段式に構成された第１段熱交換器と第２段
熱交換器によって排気ガスが有する熱エネルギを水と熱
交換し，水を高温蒸気に変換することができ，高温蒸気
が有するエネルギは蒸気タービンで電気エネルギとして
有効に回収される。
【００４０】また，ガスエンジンは，排気ガスの熱エネ
ルギによってターボチャージャを駆動し，該熱エネルギ
がコンプレッサ及び発電機で回収されると共に，上記の
ように，ターボチャージャのタービンから排気される排
気ガスで第１段熱交換器及び第２段熱交換器で蒸気を発
生させ，該蒸気で蒸気タービンを駆動し，該蒸気タービ
ンを駆動して発電機で電力として回収できる。従って，
ガスエンジンは，従来のようなエネルギ回収タービンに
変えて，熱交換装置によって排気熱エネルギが回収され
るので，従来のような背圧による損失がなく，また，有
効に排気熱エネルギが回収されるので，燃費を低減する
ことができる。
ルギによってターボチャージャを駆動し，該熱エネルギ
がコンプレッサ及び発電機で回収されると共に，上記の
ように，ターボチャージャのタービンから排気される排
気ガスで第１段熱交換器及び第２段熱交換器で蒸気を発
生させ，該蒸気で蒸気タービンを駆動し，該蒸気タービ
ンを駆動して発電機で電力として回収できる。従って，
ガスエンジンは，従来のようなエネルギ回収タービンに
変えて，熱交換装置によって排気熱エネルギが回収され
るので，従来のような背圧による損失がなく，また，有
効に排気熱エネルギが回収されるので，燃費を低減する
ことができる。
【図１】この発明による熱交換装置の一実施例を示す説
明図である。
明図である。
【図２】図１の熱交換装置を組み込んだエネルギ回収装
置を備えたガスエンジンを示す説明図である。
置を備えたガスエンジンを示す説明図である。
【図３】図２のガスエンジンに組み込まれた発電機を備
えたターボチャージャを示す説明図である。
えたターボチャージャを示す説明図である。
【図４】図２のガスエンジンに組み込まれた蒸気タービ
ンを示す説明図である。
ンを示す説明図である。
１ ガスエンジン １Ａ 主室 １Ｂ 副室 ２ 第１ケーシング ３ ターボチャージャ ４ 第１段熱交換器 ５ 蒸気タービン ６ 第２段熱交換器 ７ 第２ケーシング ８ 排気通路 １１ 燃料タンク １３ 燃料加圧ポンプ ２８，２９ 排気ガス通路 ３５ 蒸気通路 ３６ 水・蒸気通路 ３７，３８ 多孔質セラミック部材
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２ Ｆ０２Ｂ 37/00 ３０２Ｂ 43/00 43/00 Ａ Ｆ０２Ｇ 5/02 Ｆ０２Ｇ 5/02 Ｂ Ｆ２８Ｄ 7/10 Ｆ２８Ｄ 7/10 Ｚ
Claims (8)
- 【請求項１】 エンジンからの排気ガスで蒸気を加熱す
る排気通路に設けられた第１段熱交換器，及び前記第１
段熱交換器の後流に設けられ且つ前記第１段熱交換器か
らの前記排気ガスで水を蒸気に加熱する第２段熱交換器
を具備し，前記第１段熱交換器は第１ケーシング内に配
置された前記第２段熱交換器で加熱された前記蒸気が流
れる多孔質セラミック部材が配置された蒸気通路と前記
蒸気通路に配置された前記排気ガスが流れる排気ガス通
路とから構成され，また，前記第２段熱交換器は前記第
１ケーシングに隣接して設けられた第２ケーシング内に
配置された水を貯留できる水・蒸気通路と前記水・蒸気
通路の周りに配置された前記第１段熱交換器からの前記
排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排
気ガス通路とから構成されていることから成る熱交換装
置。 - 【請求項２】 前記蒸気通路と前記水・蒸気通路には，
多孔質セラミック部材が配置されている請求項１に記載
の熱交換装置。 - 【請求項３】 前記第１段熱交換器の下方に前記第２段
熱交換器が配置され，前記第２段熱交換器の前記水・蒸
気通路は上下方向に配置され，前記第１段熱交換器の前
記蒸気通路の熱交換面積は大きく形成され，前記第２段
熱交換器の前記水・蒸気通路の熱交換面積は小さく形成
され，更に，前記水・蒸気通路の下部には水が貯留され
ている請求項１に記載の熱交換装置。 - 【請求項４】 前記第１段熱交換器は，前記排気ガス通
路の排気ガス接触面積と前記排気ガス通路を構成する管
体の外側面積との関係は下記式を満足することから成る
請求項１に記載の熱交換装置。 Ａ1 ：Ａ2 ＝（１／αg ）：（δ1 ／λ1 ） 但し，Ａ1 は排気ガス接触面積，Ａ2 は排気ガス通路を
形成する管体の外側面積，αg は排気ガスの熱伝達率，
δ1 は排気ガス通路を構成する管体の厚み，及びλ1 は
第１段熱交換器の材料熱伝導率である。 - 【請求項５】 前記第２段熱交換器は，前記排気ガス通
路の排気ガス接触面積と前記水・蒸気通路を構成する管
体の外側面積との関係は下記式を満足することから成る
請求項１に記載の熱交換装置。 Ａ3 ：Ａ4 ＝（１／αc ）：（δ2 ／λ2 ） 但し，Ａ3 は排気ガス接触面積，Ａ4 は水・蒸気通路を
構成する管体の外側面積，αc は水蒸気の熱伝達率，δ
2 は水・蒸気通路を構成する管体の厚み，及びλ2 は第
２段熱交換器の材料熱伝導率である。 - 【請求項６】 前記各ケーシング及び前記各通路を形成
する管体は，熱伝導率の小さいＳｉＣ又はＡｌＮのセラ
ミックスから構成されている請求項１に記載の熱交換装
置。 - 【請求項７】 前記第１段熱交換器で発生した高温の蒸
気は，蒸気タービンを駆動し，前記蒸気タービンに設け
た発電機によって電気エネルギに変換される請求項１に
記載の熱交換装置。 - 【請求項８】 燃料タンクからのガス燃料を燃焼室へ供
給する燃料供給装置，及び前記燃焼室からの排気ガスを
排出する排気通路に設けられたターボチャージャを備え
たエネルギ回収装置を備えたガスエンジンにおいて，請
求項１〜７のいずれか１項に記載の前記熱交換装置を前
記ターボチャージャの後流の前記排気通路に設け，前記
第１段熱交換器で発生した蒸気によって蒸気タービンを
駆動し，前記第２段熱交換器で前記蒸気タービンから排
出される水を蒸気に変換して該蒸気を前記第１段熱交換
器に供給することから成るエネルギ回収装置を備えたガ
スエンジン。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17125697A JPH116601A (ja) | 1997-06-13 | 1997-06-13 | 熱交換装置及び該熱交換装置を組み込んだエネルギ回収装置を備えたガスエンジン |
| EP98304682A EP0884550A3 (en) | 1997-06-13 | 1998-06-12 | Heat exchanger, heat exchange apparatus comprising the same, and heat exchange apparatus-carrying gas engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17125697A JPH116601A (ja) | 1997-06-13 | 1997-06-13 | 熱交換装置及び該熱交換装置を組み込んだエネルギ回収装置を備えたガスエンジン |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH116601A true JPH116601A (ja) | 1999-01-12 |
Family
ID=15919957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17125697A Pending JPH116601A (ja) | 1997-06-13 | 1997-06-13 | 熱交換装置及び該熱交換装置を組み込んだエネルギ回収装置を備えたガスエンジン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH116601A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7059130B2 (en) | 2002-02-13 | 2006-06-13 | Ship & Ocean Foundation | Heat exchanger applicable to fuel-reforming system and turbo-generator system |
| KR101093666B1 (ko) | 2009-10-07 | 2011-12-15 | 주식회사 코렌스 | 배기열 회수장치 |
| DE102011103110B4 (de) * | 2011-05-25 | 2014-08-28 | Benteler Automobiltechnik Gmbh | Abgassystem mit Kreislaufwärmerohr |
-
1997
- 1997-06-13 JP JP17125697A patent/JPH116601A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7059130B2 (en) | 2002-02-13 | 2006-06-13 | Ship & Ocean Foundation | Heat exchanger applicable to fuel-reforming system and turbo-generator system |
| KR101093666B1 (ko) | 2009-10-07 | 2011-12-15 | 주식회사 코렌스 | 배기열 회수장치 |
| DE102011103110B4 (de) * | 2011-05-25 | 2014-08-28 | Benteler Automobiltechnik Gmbh | Abgassystem mit Kreislaufwärmerohr |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041105 |
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| A131 | Notification of reasons for refusal |
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|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20050421 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050906 |