(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンに前記エンジンの過給機を連動連結し、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成したことを特徴とする排熱回収システム。
【請求項２】
エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンで発電機を駆動するように構成し、かつ、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成したことを特徴とする排熱回収システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排熱回収システムにおいて、エンジンがミラーサイクルガスエンジンである排熱回収システム。
【請求項４】
請求項１、２、３のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、再生器に、燃料電池から排出される温水を供給する燃料電池温水供給管を接続し、前記再生器と蒸気発生装置との間に熱交換器を付設するとともに、前記燃料電池から排出される低圧蒸気を供給する蒸気供給管を前記熱交換器に接続してある排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンで発生する排熱を回収して動力を取り出すように構成した排熱回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述のような排熱回収システムとしては、エンジン冷却用の冷却ジャケットから排出される温水を、エンジンからの燃焼排ガスによって加熱し、その冷却ジャケットからの熱と燃焼排ガスの熱とによって得た温水を吸収式冷凍機の再生器に供給し、吸収式冷凍機を作動するように構成したものがあった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例の場合、設計上再生器に供給する温水の温度は90℃程度であり、通常 400〜 700℃にもなる燃焼排ガスの熱を利用しているとはいうものの、エクセルギを有効に利用していないのが実情であった。すなわち、高品位の熱を、わざわざ低品位の熱にして利用するという無駄をしていた。
【０００４】
また、燃焼排ガスの熱を利用して得られた温水で加熱された吸収液が吸収器に戻されて冷却されるため、温水の熱の一部を無駄に吸収器冷却水に捨てていた。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１および２に係る発明の排熱回収システムは、エンジン排熱を有効に回収してエンジン出力を向上できるようにすることを目的とし、また、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、構成簡単にしてエンジン出力を向上できるようにすることを目的とし、また、請求項４に係る発明の排熱回収システムは、燃料電池の排熱をも有効に回収できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、その蒸気タービンにエンジンの過給機を連動連結し、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成する。
【０００７】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンで発電機を駆動するように構成し、かつ、前記エンジンから排出される温水を供給するエンジン温水供給管を吸収式冷凍機の再生器に接続し、その再生器で予熱された吸収液を作動流体として蒸気発生装置に供給するように構成する。
【０００８】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１または２に記載の排熱回収システムにおいて、エンジンをミラーサイクルエンジンで構成する。
【０００９】
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、２、３のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、再生器に、燃料電池から排出される温水を供給する燃料電池温水供給管を接続し、再生器と蒸気発生装置との間に熱交換器を付設するとともに、燃料電池から排出される低圧蒸気を供給する蒸気供給管を熱交換器に接続して構成する。
【００１０】
【作用】
請求項１に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、エンジンから排出される燃焼排ガスにより蒸気発生装置で蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービンを駆動して動力を取り出し、その動力により前記エンジンの過給機を作動して圧縮空気をエンジンに供給することができる。作動流体としては、水、ブタン等が使用できるし、吸収式冷凍機を使用するときはアンモニア水溶液（蒸気タービンに供給される主成分は水）、メチルアルコール等のアルコール水溶液（蒸気タービンに供給される主成分は水）が使用できる。
そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を利用して吸収式冷凍機を作動するとともに、その再生器で予熱された吸収液を蒸気発生装置に供給することができる。一方、吸収式冷凍機から取り出される冷水を、冷房や冷凍用などの熱源に利用することができる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、エンジンからの排ガスを熱源とする蒸気発生装置に接続した作動流体の循環配管に蒸気タービンを設け、前記蒸気タービンで発電機を駆動することにより排熱を電力として回収できる。この電力が電動モータを駆動し、それによって過給機を運転することもできる。
そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を利用して吸収式冷凍機を作動するとともに、その再生器で予熱された吸収液を蒸気発生装置に供給することができる。一方、吸収式冷凍機から取り出される冷水を、冷房や冷凍用などの熱源に利用することができる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、ミラーサイクルエンジンでは、圧縮比を調整できるため、エンジン排熱による過給機の作動に圧縮比を合わせて高出力状態を得ることができる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、エンジンおよび燃料電池から排出される温水を利用して吸収式冷凍機を作動し、かつ、燃料電池から排出される低圧蒸気により、再生器で予熱された吸収液を更に加熱してから蒸気発生装置に供給することができる。
【００１４】
（削除）
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱回収システムの実施例に至る前の開発例を示す概略構成図であり、ミラーサイクルガスエンジン１に、伝動クラッチ２を介して発電機３が連動連結されている。
【００１６】
ガスエンジン１のエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、第１のポンプ４を介装したエンジン温水供給管５ａと冷却水配管５ｂとから成る主配管５が接続されている。主配管５に、作動流体としての水の循環配管６に介装した第１の熱交換器７が接続されている。
【００１７】
循環配管６には、第２のポンプ８と蒸気発生装置９と蒸気タービン１０と復水器１１とが介装されている。蒸気タービン１０の出力軸１０ａに、前記ミラーサイクルガスエンジン１に圧縮空気を供給する過給機１２が設けられ、そして、前記蒸気発生装置９には、前記ミラーサイクルガスエンジン１からの燃焼排ガスを供給する排ガス供給管１３が接続されている。
【００１８】
以上の構成により、エンジン冷却によって発生する温水（例えば、温度80〜 100℃）を水の予熱に利用するとともに、ミラーサイクルガスエンジン１からの燃焼排ガス（例えば、温度 400〜 750℃）を熱源として水を気化蒸発させ、その蒸気により蒸気タービン１０を駆動して過給機１２を駆動し、ミラーサイクルガスエンジン１の動力を低下させずに圧縮空気を供給し、高出力状態が得られるようになっている。
【００１９】
図２は、本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図であり、開発例と異なるところは次の通りである。
すなわち、開発例における第１の熱交換器７と復水器１１とに代えて、循環配管６に、吸収式冷凍機１４の再生器１５と吸収液ポンプ１６と吸収器１７とが設けられている。図中、１８は凝縮器、１９は蒸発器をそれぞれ示し、アンモニア水溶液やメタノール水溶液など、要するに、水を吸収剤とし、水よりも沸点の低いものを冷媒とした吸収液を再生器１５、吸収器１７、凝縮器１８および蒸発器１９と循環させ、蒸発器１９から冷水を取り出し、その冷水を冷房や冷凍用などの熱源に利用するようになっている。
【００２０】
また、冷却水配管５ｂに三方弁２０を介して冷却塔２１が接続され、図示しないが、エンジン温水供給管５ａに温度センサを設けてミラーサイクルガスエンジン１から排出される冷却後の温水の温度を測定し、その温水温度が設定範囲内に維持されてオーバーヒートを回避できるように三方弁２０の開度を自動的に調整するようになっている。他の構成は開発例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００２１】
この第１実施例の構成によれば、ミラーサイクルガスエンジン１から排出される冷却後の温水の排熱を利用して吸収式冷凍機１４を作動し、かつ、再生器１５で予熱された吸収液（例えば、アンモニア水溶液）から分離された作動流体（吸収液がアンモニア水溶液の場合は、主として水）が蒸気発生装置９に供給され、前述開発例と同様にして、燃焼排ガスを熱源として蒸気タービン１０を駆動するようになっている。
【００２２】
図３は、本発明に係る排熱回収システムの第２実施例を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第１実施例における循環配管６の、蒸気タービン１０と吸収器１７との間に、復水器２２と第２のポンプ２３とが設けられている。また、三方弁２０および冷却塔２１が省かれている。他の構成は、第１実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００２３】
この第２実施例の構成によれば、蒸気タービン１０を経た水を復水器２２で冷却することにより、蒸気タービン１０の出入口の圧力差を大きくし、蒸気タービン１０の出力を高くできる。
【００２４】
図４は、本発明に係る排熱回収システムの第３実施例を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第１実施例における循環配管６の、再生器１５と蒸気発生装置９との間に、第２の熱交換器２４が介装され、この第２の熱交換器２４に、燃料電池２５から排出される低圧蒸気を供給する蒸気供給管２６が接続されている。また、エンジン温水供給管５ａの途中箇所に、燃料電池２５から排出される温水を供給する燃料電池温水供給管２７が接続されている。他の構成は、第１実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００２５】
この第３実施例の構成によれば、ミラーサイクルガスエンジン１による発電と燃料電池２５による発電とを組み合わせたコジェネレーションシステムなどに適用した場合に、そのミラーサイクルガスエンジン１のみならず、燃料電池２５からの排熱をも有効に回収できる利点がある。
【００２６】
図４において、第２の熱交換器２４と蒸気発生装置９との間に、第１の開閉弁２８が介装されるとともに、その第１の開閉弁２８と第２の熱交換器２４との間と再生器１５とが、第２の開閉弁２９を介装した配管３０を介して接続され、蒸気タービン１０を駆動するときには、第１の開閉弁２８のみを開き、一方、蒸気タービン１０を駆動しないときには第２の開閉弁２９のみを開いて、第２の熱交換器２４を経た吸収液を再生器１５に戻すように構成されている。
【００２７】
図５は、本発明に係る排熱回収システムの第４実施例を示す要部の概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、蒸気タービン１０に発電機３１が連動連結されて電力を取り出すように構成され、一方、過給機１２に電動モータ３２が連動連結され、発電機３１の電力出力線３３と電動モータ３２とがトランス３４を介して接続され、電動モータ３２に設定電力を供給するとともに、余剰電力を別途取り出すように構成されている。この別途取り出された余剰電力により別の電動モータを駆動し、その電動モータとミラーサイクルガスエンジン１のクランク軸とをギアなどにより連動連結し、ミラーサイクルガスエンジン１の出力を一層向上させるようにしても良い。もちろん、発電機３１の出力電力は過給機１２の駆動用電動モータ３２の動力源としての使用に限定されるものでは無く、他の用途に使用しても良い。
【００２８】
この第４実施例の構成によれば、過給機１２の能力が一義的に決定されてしまうタイプのエンジン、すなわち、上述のようなミラーサイクルガスエンジン１以外のエンジンに適用する場合において、過給機１２の能力に合った電力を電動モータ３２に供給でき、好適に使用できる。
【００２９】
図６は、本発明に係る排熱回収システムの変形例を示す要部の概略構成図であり、吸収液ポンプ１６と再生器１５との間に第３の熱交換器３５が介装され、再生器１５で蒸発された吸収式冷凍機１４の冷媒蒸気（例えば、アンモニア蒸気）を凝縮器１８に供給する前に第３の熱交換器３５に供給して冷却し、その冷却効率を向上するように構成されている。
【００３０】
図７は、本発明に係る排熱回収システムの別の変形例を示す要部の概略構成図であり、凝縮器１８を経た冷却水配管３６が給湯タンク３７内の下半側を通してから冷却塔（図示せず）に接続され、一方、蒸気発生装置９を経た排ガス供給管１３が第４の熱交換器３８に接続されるとともに、その第４の熱交換器３８と給湯タンク３７内の上半側とにわたって、第３のポンプ３９を介装した循環配管４０が設けられている。
【００３１】
給湯タンク３７の下部には給水管４１が、上部には給湯管４２がそれぞれ接続され、かつ、給湯タンク３７の上下方向ほぼ中央部に、給湯管４２に接続される廻し湯用のリターン配管４３が接続され、吸収器１７および凝縮器１８での冷却に伴って回収した熱エネルギー、ならびに、蒸気発生装置９に供給後の燃焼排ガスの熱エネルギーを給湯に利用し、排熱をより一層有効に回収するように構成されている。
【００３２】
本発明は、上述実施例のようなミラーサイクルガスエンジン１に限らず、第４実施例の構成を採用することにより、ディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のエンジンを用いる排熱回収システムにも好適に適用できる。
【００３３】
また、上記実施例では、エンジンによって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、エンジンによって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の排熱回収システムによれば、エンジンから排出される燃焼排ガスを利用し、蒸気タービンを駆動して取り出した動力により、排熱源自体のエンジンの過給機を作動して圧縮空気をエンジンに供給するから、エンジンのクランク軸と過給機とをギアなどを介して連動連結せずに済み、過給機駆動のための動力ロスを無くすことができ、エンジン排熱を有効に回収してエンジン出力を向上できるようになった。
そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を、吸収式冷凍機の作動と蒸気発生装置に供給する吸収液の予熱に利用するから、吸収式冷凍機によって取り出した冷水を冷房や冷凍などに利用でき、エンジン排熱をより有効に回収できる。
【００３５】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムによれば、エンジン排熱を電力として回収でき、そのうえ、エンジンから排出されるエンジン冷却後の温水を、吸収式冷凍機の作動と蒸気発生装置に供給する吸収液の予熱に利用するから、吸収式冷凍機によって取り出した冷水を冷房や冷凍などに利用でき、エンジン排熱をより有効に回収できる。
【００３６】
ガスエンジン等のエンジンでは、圧縮比を高くすると出力が高くなるが、圧縮比を高くしすぎると燃焼室内の温度が高くなり、ノッキングを起こす。このため、高圧縮比を保ちつつノッキングを防止して高出力を得ることが重要である。一方、ミラーサイクルガスエンジンは、圧縮開始時期を調整できる特徴がある。このミラーサイクルガスエンジンに、請求項３に係る発明を適用し、過給機で圧縮された燃焼用空気を供給するとともに圧縮開始時期を遅らせると燃焼室内の温度の上昇を抑えることができる。このため、ノッキングを防止しつつ高圧縮比の運転ができ、エンジン出力を高めることができる。
エンジンのクランク軸から取り出した動力で過給機を駆動する従来の方法ではメカニカルロスが大きくなる。また、排熱回収で発電した電力で過給機を駆動すると発電ロスおよびモーターロスが発生する。これに対して、排熱で駆動する蒸気タービンを過給機に連動連結した請求項３に係る発明の排熱回収システムでは、メカニカルロスが少ないうえ、排熱回収によって得られる動力がフルに利用できるようにミラーサイクルガスエンジンの吸入弁の閉止タイミングを調整すると、エンジン全体の熱効率を飛躍的に向上させることができる。エンジン排熱による過給機の作動に圧縮比を合わせて高出力状態を得ることができるから、例えば、過給機の作動をエンジンに合わせるために、蒸気タービンと過給機との連動連結構成にギア変速とか周波数調整といった特別な構成を付加せずに済み、過給機駆動のための動力ロスを無くすこともできる。このため、構成簡単にしてより一層エンジン出力を向上できる。
【００３７】
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムによれば、エンジンおよび燃料電池から排出される低温排熱である温水を吸収式冷凍機の作動に利用し、更に、燃料電池から排出される高温排熱である低圧蒸気とエンジンから排出される高温排熱である燃焼排ガスにより、再生器で予熱された吸収液の加熱に利用するから、エンジンおよび燃料電池のいずれの排熱をも有効に回収できる。
【００３８】
（削除）
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る排熱回収システムの実施例に至る前の開発例を示す概略構成図である。
【図２】  本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図である。
【図３】  本発明に係る排熱回収システムの第２実施例を示す概略構成図である。
【図４】  本発明に係る排熱回収システムの第３実施例を示す概略構成図である。
【図５】  本発明に係る排熱回収システムの第４実施例を示す要部の概略構成図である。
【図６】  本発明に係る排熱回収システムの変形例を示す要部の概略構成図である。
【図７】  本発明に係る排熱回収システムの別の変形例を示す要部の概略構成図である。
【符号の説明】
１…ミラーサイクルガスエンジン
２…伝動クラッチ
３…発電機
５ａ…エンジン温水供給管
６…循環配管
７…第１の熱交換器
９…蒸気発生装置
１０…蒸気タービン
１１…復水器
１２…過給機
１３…排ガス供給管
１４…吸収式冷凍機
１５…再生器
１７…吸収器
２４…第２の熱交換器
２５…燃料電池
２６…蒸気供給管
２７…燃料電池温水供給管
３１…発電機
【図１】
0003640411.tif 000002
【図５】
0003640411.tif 000003
【図２】
0003640411.tif 000004
【図３】
0003640411.tif 000005
【図４】
0003640411.tif 000006
【図６】
0003640411.tif 000007
【図７】
0003640411.tif 000008