(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動発生源に搭載され、ＩＣＥの排気ガス流からＣＯ２を回収してそのＣＯ２を高密度化して移動発生源上で蓄えるＣＯ２捕捉システムの一部を構成し、且つ、駆動軸とＣＯ２吸入ポートとを備えるＣＯ２圧縮機を駆動する方法であって、
ＣＯ２圧縮機の駆動軸に動作可能なように連結される動力出力軸を備え、圧縮された作動流体を動力源とし、且つ、ＣＯ２圧縮機を駆動するタービンを移動発生源上に設ける工程と、
移動発生源上で発生した廃熱で、移動発生源上に搭載された放熱要素との熱交換により、タービンに導入される前の圧縮された作動流体を加熱し、
ＣＯ２圧縮機の駆動軸に動作可能なように連結され、タービンが発生させた動力がＣＯ２圧縮機の要求動力を超えるときには余剰動力を回収し、タービンが発生させた動力がＣＯ２圧縮機の要求動力を満足するには不十分なときには補助動力を供給するモータ発電機を移動発生源上に設ける工程と、を含むＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項２】
ＣＯ２圧縮機の放熱要素が、高温の排気ガス流、ＩＣＥの冷却システム、エンジンブロック、ＣＯ２圧縮機、移動源搭載空調コンデンサ、ブレーキアセンブリ、外部ソーラーパネル、またはインタークーラである、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項３】
タービンおよびＣＯ２圧縮機が異なる回転速度を備え、
タービンとＣＯ２圧縮機との間に速度カップリングデバイスを設ける工程を含む、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項４】
モータ発電機が、動作可能なようにタービンの動力出力軸に連結されている、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項５】
圧縮された作動流体がＩＣＥからの排気ガスであって、
排気ガス流を動力源とするタービンが、動作可能なようにＣＯ２圧縮機に連結されている、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項６】
ＣＯ２圧縮機のＣＯ２吸入ポートに流体接続するＣＯ２バッファタンクを設ける工程を含む、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項７】
ＣＯ２圧縮機に動作可能なように連結されていない付加的なタービンが、ＣＯ２圧縮機の上流側に配置されている、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項８】
モータ発電機が、タービンの動力出力軸を介して、動作可能なようにＣＯ２圧縮機の駆動軸に連結されている、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項９】
モータ発電機が、タービンの動力出力軸に動作可能なように連結されている部分の反対側のＣＯ２圧縮機の駆動軸の部分に、動作可能なように連結されている、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【請求項１０】
モータ発電機が移動源に搭載されたバッテリに接続され、
モータ発電機からの余剰のエネルギがバッテリに供給される、請求項１に記載のＣＯ２圧縮機を駆動する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の分野、または、仕事を産み出すためにエネルギ生産サイクルが使用され且つ二酸化炭素（ＣＯ２）の圧縮が必要とされる分野において、ＣＯ２の排出量を削減するために、ＣＯ２を圧縮して貯蔵することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ２やメタン（ＣＨ４）などの温室ガス排出を原因として地球の温暖化が生じていることは、現代では定説である。現今、地球上のＣＯ２二酸化炭素排出量の約１/４は、内燃エンジン（ＩＣＥ）によって駆動される、例えば、自動車、トラック、バス、電車などの移動発生源を原因としている。その比率は、発展途上国における自動車やトラックの保有数の急激な上昇により、近い将来急速に大きくなり得る。したがって、ＣＯ２排出量のコントロールが非常に重要である。
【０００３】
移動発生源由来の二酸化炭素の管理について、スペースや重量を制限することを含む様々なことが試みられているが、規模の経済性や移動発生源を駆動するＩＣＥの動作の動的性質の経済性が欠けている。
【０００４】
燃焼ガスからＣＯ２を捕捉する従来の方法は、主に、電力プラントなどの動かない発生源に焦点をあてている。移動発生源からのＣＯ２の排出量を減少させる課題に対処する方法は、酸素を使用する燃焼を採用し、ＣＯ２を捕捉する手段を再生して再利用する手段を提供せず、および／または熱源から回収された廃熱を利用しない。酸素のみを使用する燃焼は、酸素−窒素分離工程を必要とする。この分離は、大気を使用する結果として窒素を含む排気ガスからＣＯ２を分離する場合に比べてより多くのエネルギを消費し、車両上で行う場合には非常に困難であるという問題がある。
【０００５】
ＣＯ２捕捉テクノロジは、静止したまたは固定された発生源を対象としている。移動発生源からのＣＯ２の捕捉は、規模の経済性に反する分散型システムを必要とするため、一般的に費用がかかりすぎると考えられている。この問題に対する従来の解決法は、スペースの制限、付加的なエネルギや装置の必要性、例えば急加速や急減速の断続的な期間などの車両の動作サイクルの動的性質を原因として、車両上では実行が困難と思われている。
【０００６】
例えば、内燃エンジンによって駆動される車両などの移動発生源からのＣＯ２排出量を、エンジンの排気ガス流からＣＯ２を捕捉して一時的に車両上で貯蔵することにより、効率的に且つ優れたコスト効率で減少させる課題に対処する方法、システム、および装置は、いまだに初期段階である。
【０００７】
本明細書で使用される”内燃エンジン”すなわちＩＣＥは、炭化水素を含む燃料、主としては従来からある液状の炭化水素燃料が燃焼されることにより、動力すなわち仕事を産み出すとともに、取り除くまたは放散させる必要がある廃熱を発生させる熱機関を含んでいる。
【０００８】
本明細書で使用される”移動発生源”は、ＣＯ２を含んでいる排気ガス流を発生する１つまたはそれ以上の内燃エンジンによって駆動され、物や人を運ぶために使用することができる幅広い種類の公知の輸送機関を意味する。これには、ＩＣＥからの排気ガスが大気に排出される前に内存する導管内に排出される、あらゆる種類の、陸上を移動する動力車、飛行機、および船が含まれる。
【０００９】
本明細書で使用される”廃熱”は、概してＩＣＥによって発生し、主として高温の排気ガス（３００℃〜６５０℃）や高温の冷却液（９０℃〜１２０℃）に含まれる熱である。付加的な熱が、エンジンブロックと、マニホールド、パイプ、触媒コンバータ、マフラなどの排気ガスが通過する構成要素の表面、空冷エンジンの表面、熱移動フィンなどの関連する構成要素とによる熱伝達や放射により、放出されて失われる。この熱エネルギは、一般的な炭化水素（ＨＣ）燃料が燃焼したときに生じるエネルギの約６０％に相当する。
【００１０】
本明細書で使用されている”車両”は、簡略化したものであり、”移動発生源”と同義語であって、上述で使用された”輸送機関”と共存する。
【００１１】
大気に排出されるＣＯ２の量を減少させるために、炭化水素燃料によって駆動して車両に動力を供給するＩＣＥから排出されたＣＯ２を含む排気流を車両上で処理する方法およびシステムは、特に、ＣＯ２の高密度化の処理を含み、ＣＯ２の温度と体積を減少させて少なくとも液体状態にする。高密度化には、エンジンの排気ガスから実質的に純なＣＯ２を分離し、幅広い公知の商業的用途および産業的用途において後に使用するために、または永久的に貯蔵する場所に移送するために車両上で一時的に貯蔵することが含まれる。
【００１２】
ＣＯ２の回収に使用される装置および方法の重要な点は、動作のために機械的エネルギを必要とするＣＯ２圧縮機を使用することである。しかしながら、圧縮機を動作させるまたは駆動させるための機械的なエネルギの供給は、ＣＯ２圧縮機の動作のために要求される補助的な動力を準備する必要があるという問題を生じさせる。
【００１３】
したがって、本発明によって解決される問題は、ＩＣＥに与えられるエネルギ負荷、または、移動発生源を駆動するＩＣＥによって発生した排気ガス流からＣＯ２を取り除く搭載型のＣＯ２捕捉システムに関連するＣＯ２圧縮機を駆動するための付加的な燃料の消費によるエネルギ負荷をいかに最小化するかである。
【発明の概要】
【００１４】
以下の説明で明らかにされる本発明の上記および他の目的と効果は、ＣＯ２源の移動発生源上のＩＣＥの排気ガス流から捕捉されたＣＯ２を高密度化するＣＯ２圧縮機を駆動する統合されたシステムおよび方法を提供することによって達成される。それには、ＣＯ２圧縮機の動力入力または駆動軸に動作可能なように連結されるタービンを設ける工程と、（ａ）タービンが発生させた動力がＣＯ２圧縮機の要求動力を超えるときには余剰動力を回収するために、また、（ｂ）タービンが発生させた動力がＣＯ２圧縮機の要求動力を満足するには不十分なときには補助動力を供給するために、タービンにモータ発電機を動作可能なように連結する工程とが含まれる。
【００１５】
本発明の方法は、ＣＯ２圧縮工程に必要なエネルギを最小化し、システムの異なる構成要素間のエネルギの流れを効率的に管理する。本発明の方法はまた、ＣＯ２捕捉システム、具体的にはＣＯ２圧縮工程と、エネルギ回収しシステムとのスムーズな統合を可能にする。本発明の方法およびシステムは、必要な構成要素を最小化し、ＩＣＥの全体効率と排気ガス流から捕捉されたＣＯ２の高密度化とを向上させる。
【００１６】
タービンは、圧力を受けた状態の作動流体、一例として、ランキンサイクル、トリプルフラッシュサイクル、または作動流体が圧縮され、選択的に加熱され、そしてタービン内で膨張される他のサイクルなどの開放型動力サイクルまたは密閉型動力サイクルからの作動流体によって駆動されてもよい。
【００１７】
熱は、冷却システムおよび／またはエンジンブロックおよび／または排気ガスなどを含むＩＣＥの廃熱源から回収されてもよい。熱形態のエネルギは、車両の外側表面上に搭載されたソーラパネル、インタークーラ、ＣＯ２圧縮機、車両の空調コンデンサ、ブレーキアセンブリ、および／または移動発生源に搭載されるまたは移動発生源に由来する他の熱源などの非従来的な車両上の発生源から回収されてもよい。
【００１８】
一実施の形態において、ＣＯ２圧縮工程中にＣＯ２流から取り除かれた熱を作動流体に移動させることにより、システムの効率を向上させてもよい。その移動は、圧縮機のシリンダ冷却ファンなどとの直接的な熱交換によって実行されてもよい。
【００１９】
タービンに入る作動流体は、過熱蒸気あるいは飽和蒸気、超臨界液体、気液二相状態の液体あるいは一様な液体、または飽和液体の形態であってもよい。その状態にかかわらず、タービンに入る作動流体は、圧力や温度の動力サイクルパラメータによって定義される。
【００２０】
タービンから出た作動流体は、過熱状態、飽和蒸気状態、液体状態、飽和液体状態、超臨界状態、気液二相状態、または固気二相状態であってもよい。なお、排出される流体内に固体が存在することは好ましくない。作動流体の出口パラメータは、温度や圧力の作動流体の入口パラメータによって決まるとともに、タービンの圧縮比または動力サイクルにおける低圧力値によって決まる。
【００２１】
本発明の方法およびシステムに使用されるタービンは、例えば、遠心分離機、スクロールスクリュ、容積式タービン、およびピストン式タービンなどを含む任意の利用可能なテクノロジを採用してもよい。タービンは、選択的な中間冷却を行うことにより、１つの膨張段階または複数の膨張段階があってもよい。動力サイクルを介する入口パラメータと比較して、作動流体の利用可能な流れを膨張仕事を回収するときの低圧力値になるまで膨張させることが目的であるため、利用可能な流体のこれらのパラメータにより、車両用に選択されるタービンの特定の種類が決定される。
【００２２】
タービンは、潤滑油を供給されてもまたはされなくてもよく、また、ジャーナル軸受、スリーブ、転動体軸受などを含む任意の軸受を使用してもよい。これらの選択は、タービンと温度や圧力の仕事パラメータとに基づいて行われる。
【００２３】
ＣＯ２圧縮機は、一定の変位量／シリンダ容積を備えてもまたは可変の変位量／シリンダ容積を備えてもよい。変位量／シリンダ容積が可変の圧縮機は、統合されたシステムの車両上での性能を最適化するために使用することができる多くの制御パラメータを提供する。
【００２４】
好ましい実施の形態において、排気ガス流からのＣＯ２の量に対する、タービン速度と圧縮機速度の直接的なカップリングおよびマッチングは、圧縮機の変位量／シリンダ容積を調節することによって達成される。統合された圧縮機およびタービンは、同一の回転速度または一定の回転速度で動作するように構成および制御されてもよい。回転速度が一定のシステムにおいて、ＣＯ２圧縮機は、タービン軸に接続または直接連結され、速度カップリングデバイスを必要としない。ＣＯ２圧縮機とタービンが異なる速度で回転するように構成されている場合には、速度カップリングデバイスが必要である。任意の好適な速度カップリングデバイスが使用されてもよい。
【００２５】
モータ発電装置が、電力を発電し、またタービン／圧縮装置に電力を供給するために使用される。任意の好適な公知の商業的テクノロジが、モータ発電機とその制御／指令装置に使用されてもよい。タービン／圧縮装置の中でのモータ発電機の使用は、本明細書では、統合されたハイブリッドタービン／圧縮装置として言及されている。
【００２６】
モータ発電機は、圧縮機を駆動するタービン軸上の取得可能な動力が不十分である場合、動力をタービン／発電装置に供給する。モータ発電機はまた、タービンの出力動力がＣＯ２圧縮機の要求を超えるときに、タービン軸から取得可能な余剰の機械的動力を回収して電力に変換するように、配置されて構成されている。
【００２７】
実施の形態のシステムにおいて、発電機は、一つのカップリングデバイスの使用が任意に選択できるように、圧縮機またはタービンに続いている。したがって、ＣＯ２圧縮機およびモータ発電機が同一の回転速度で回転する実施の形態においては、カップリングデバイスを必要としない。別の実施の形態においては、システムは、２つのカップリングデバイスを利用する。カップリングデバイスは、同軸上の異なる構成要素の動力および速度を同期させる。
【００２８】
カップリングデバイスは、本発明のシステムにおいて、回転速度を下げるために、速度を制御してオーバーランを防止するために、スリップ制限可能な速度に同調させるために、または回転を分離するために使用される。このデバイスは、これらの機能の組み合わせを実行するために連結されてもよい。
【００２９】
カップリングデバイスは、シンプルクラッチ、マルチディスククラッチ、油圧クラッチ、粘性カップリングデバイス、ＴＯＲＳＥＮ（登録商標）クラッチとして公知のトルク検出式摩擦クラッチ、遊星ギア、ワンウェイクラッチ、追い越しクラッチ、フリーホイールクラッチ、減速ギアボックス、または無段変速機（ＣＶＴ）であってもよい。
【００３０】
ある実施の形態において、遊星ギア、減速ギアボックス、またはＣＶＴは、タービンと圧縮機との間に配置され、これらの相対回転速度を制御する。追い越しクラッチまたはワンウェイクラッチは、機械的な制御システムに組み込まれて、ＣＯ２圧縮機の従動軸から駆動軸を分離してもよい。
【００３１】
ハイブリッドタービン／圧縮装置は、本発明の異なる目的を達成する異なる動力学を備える２つのシステムの連結を可能とする。異なる構成要素間のエネルギの流れをさらに規制することができるため、電気モータ発電装置の導入によってシステムの柔軟性が向上する。
【００３２】
システムはまた、電気モータ発電機なしに機能してもよい。この実施の形態の場合、タービンと圧縮機の制約は大きくなり、統合されたシステムとＣＯ２圧縮機の全体効率が低下する可能性がある。
【００３３】
エネルギ回収システムと動力管理生産サイクルは、エンジンの種類と、排気ガス流および／または冷却システムから回収された熱の移動とに依存し、一方、ＣＯ２の流速は、少なくともある程度、ＣＯ２捕捉システムとＣＯ２の捕捉速度に依存する。
【００３４】
エネルギ回収システムおよびＣＯ２捕捉システムが異なる慣性を備えるとともに特定の動作条件に従い、ＣＯ２圧縮機によって必要とされるエネルギに比べて多いエネルギがタービンによって供給されてもよい。それにより、システムに発電機を組み込む効果として、余剰な仕事または運動エネルギを回収し、またそれを車両上の貯蔵バッテリに供給される電力または車両の電気システムに直接的に供給される電力に変換することができる。
【００３５】
シンプルオプションまたはハイブリッドオプションいずれかの場合において、ＣＯ２圧縮機の入口の上流側に、バッファタンクが設けられるのが好ましい。バッファタンクは、ＣＯ２圧縮機の入口でのＣＯ２圧力およびＣＯ２流量を規制する役割をする。減速中、タービンから取得可能な動力は、ＣＯ２圧縮機の必要動力を満足するには十分ではない可能性がある。したがって、この場合、バッファタンクを設けてＣＯ２流量を制限するのが好ましく、および／またはＣＯ２の圧縮のために圧縮機が必要とする付加的な動力を供給するモータとして作動するモータ発電機を設けるのが好ましい。
【００３６】
この実施の形態において、本発明のシステムは、タービン軸から取得できるエネルギの流れとＣＯ２の圧縮のためにＣＯ２圧縮機が必要とするエネルギの流れとを分断するまたは規制してもよく、それにより、システムの稼動効率を最大化する、ＩＣＥから動作エネルギを取得する必要性を最小化する、およびそれによる全体の燃料消費量とＣＯ２捕捉システムおよびＣＯ２圧縮工程に関連するＣＯ２発生量とを最小化する。
【００３７】
ＣＯ２が移動発生源上のタンクに貯蔵するために圧縮され、ＣＯ２の最大圧力または最終圧力がタンク内に貯蔵されたＣＯ２量に依存する。したがって、タービンの動作とは無関係の圧縮機の動作曲線にＣＯ２流量を規制して対応させる必要がある。これは、ＣＶＴなどの、変位量／シリンダ容積が可変なおよび／または変速のギアボックスまたは歯車列を使用することによって実現されてもよい。
【００３８】
ＣＯ２捕捉速度や排気ガス流量の結果であるＣＯ２タンク圧やＣＯ２流量にもよるが、排気流量や排気温度の結果であるタービンの速度に関係なく、圧縮機の速度を制御することが可能である、また、システムの他の構成要素の可変の動作パラメータに無関係にスムーズで連続的な動作を実現するために、モータ発電機によって軸上に必要以上の動力を供給するまたは軸上の余分な動力を回収することも可能である。
【００３９】
エネルギ回収システムや動力サイクルによって動作されるタービンは、例えばターボ圧縮機のタービンのような、排気ガス流によって駆動されるタービンに置き換えることも可能である。したがって、タービンは、ターボチャージャ非搭載またはスーパーチャージャ搭載の大気圧エンジンに関する排気圧力や排気流速によって動作するシンプルなタービンが可能である。また、このようなタービンをスーパーチャージャ搭載エンジン内またはターボチャージャ搭載エンジン内で使用することも可能である。後者の場合、空気圧縮機、排気タービン、およびＣＯ２圧縮機が、同一の軸上で連結されてもよい。別のハイブリッドな実施の形態において、モータ発電機は、同一の軸に連結され、それにより、エネルギ要求を満足させることができるとともに、統合されたシステムにおいて利用可能な余分なエネルギを回収することができる。
【００４０】
ＣＯ２圧縮機の動力要求やタービンの動力出力はセンサによって連続的に監視され、センサはデータを適切にプログラム化された車両上マイクロプロセッサ／コントローラに送信する。ＩＣＥの動作に関連するセンサは、マイクロプロセッサに入力される信号を送信する。ＩＣＥの加速や減速を示すデータは、排気ガス流の体積流速、温度、および圧力の変化を反映している。
【００４１】
適切なスイッチギアが、システムに組み込まれたカップリングデバイスのように、マイクロプロセッサコントローラとモータ発電機とに連結されている。
【００４２】
本発明の方法の実施に際して、動作条件の変化を受けてＩＣＥのパフォーマンスを最適化するエンジン管理システムと称されるエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に関連するセンサからの信号およびＣＯ２圧縮機に関連するセンサの信号は処理され、制御信号が圧縮機と作動流体制御サブシステムとに送信され、それにより、リアルタイムの圧縮機の動力入力要求を満足するようにタービンの動力出力が増減される。好ましい実施の形態において、マイクロプロセッサは、例えば、ＣＯ２バッファタンクに向かうＣＯ２を導入するまたはＣＯ２バッファタンクからのＣＯ２を排出するための弁を制御するアクチュエータを使用することにより、また圧縮機に向かうＣＯ２の制御された計測により、定常状態の動作条件を維持する。
【００４３】
タービンによって発生する動力が圧縮機の要求を十分に満足させることができない場合、例えば、車両のバッテリからの電力または車両上の熱源によって駆動される熱電デバイスからの電力が入力されることにより、モータ発電機の電気モータが起動する。圧縮機の動作に必要なエネルギ以上の機械的エネルギをタービンが発生させているとマイクロプロセッサが判断した場合、カップリングデバイスが起動してモータ発電機の発電機に係合し、その出力が、車両上の貯蔵バッテリに充電するために連結される。当業者であれば上述の実施の形態から明らかなように、ＣＯ２の捕捉、圧縮、高密度化、および車両上での貯蔵についての動作効率を最大化するために、システムの構成要素の様々な他の配置が可能である。
【００４４】
本発明の特性を示す本発明の新規な特徴は、添付の請求項に記載されている。なお、発明自体は、付加的な利点や目的とともに、添付の図面と、以下の好適な実施の形態の詳細な説明とによってより良く理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
添付の図面において、同一または類似する要素には同一の符号が付与されている。それらにおいて、
【００４６】
【図１】図１は、本発明の方法を実施するための装置およびシステムの一実施の形態の概略図、
【００４７】
【図２】図２は、動力発生タービンを動作させるためにランキンサイクルが使用されている実施の形態の概略図、
【００４８】
【図３】図３は、本発明の方法を実施するための装置の別の実施の形態の概略図、
【００４９】
【図４】図４は、排気ガスエネルギ回収システムに統合されたＣＯ２除去システムの概略図、
【００５０】
【図５】図５は、タービンがＣＯ２圧縮機の上流側に統合され、排気ガスエネルギ回収システムに統合されたＣＯ２除去システムの別の実施の形態の図。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１は、本発明の方法を達成するための装置の実施の形態を概略的に示している。図１に示すように、ＣＯ２圧縮機２０、タービン１０、およびモータ発電機３０は、それぞれの役目を果たすために、同軸に、すなわちシャフト１００、１０１によって連結されている。圧縮機２０は、導管２２を介して、上流側の捕捉システム（図示せず）から実質的に純なＣＯ２を受け取る。圧縮されたＣＯ２は、排出導管２４を介してＣＯ２貯蔵ユニット２８に移動する。タービン１０は、エネルギ回収システムまたは動力サイクルからエネルギを回収する。電機モータ発電機３０は、圧縮機を作動させるために必要な動力を供給する、またはタービンからの余剰動力を回収し、後の使用に備えて電力を蓄えるバッテリ３８に導体３２を介して送られる電力または車両上で直接的に使用される電力に変換する。
【００５２】
タービン１０は、圧力を受けた状態の作動流体、好ましくは、ランキンサイクル、トリプルフラッシュサイクル（ｔｒｉｌａｔｅｒａｌ  ｆｌａｓｈ  ｃｙｃｌｅ）、または作動流体が圧縮され、選択的に加熱され、そしてタービンで膨張される他のサイクルなどの開放型サイクルまたは密閉型サイクルからの作動流体によって駆動されてもよい。
【００５３】
図２に示すランキンサイクルの実施の形態において、作動流体１３は、タービン１０の入口ポートに運ばれる前に、ポンプ４０によって高圧に圧縮され、次にヒータデバイス５０によって所望の温度に加熱される。その作動流体は、タービン１０で膨張して圧力が下がり、ポンプ４０の吸引ラインに戻ってサイクルを完成させる前に復水器またはクーラ６０内によって冷却される。
【００５４】
図１に示す実施の形態の装置において、タービン、ＣＯ２圧縮機、モータ発電機は、同軸に連結されて同一の回転速度で動作する。これらの構成要素が異なる速度で動作するために、複数のカップリング／デカップリングデバイス、速度コントローラ、または速度カップリングがシステムに組み込まれて、それにより、ハイブリッドタービン／圧縮装置の動作が確実に行われる。複数の連結デバイスはいくつかのオプションを提供し、回転速度を減少させるために、速度を制御してオーバーランを防止するために、スリップ制限可能な速度に同調させるために、回転を分離するために、または、連結し合うことによってこれらの機能の組み合わせを実行するために使用されてもよい。
【００５５】
カップリングデバイスを備える実施の形態の装置が図３に示されている。カップリングデバイス７０、７１は、本発明に係るハイブリッドタービン／圧縮システムの異なる構成要素間に配置されている。
【００５６】
一例の実施の形態において、遊星ギア７０が、タービン１０の出力軸１０２に連結された入力と、圧縮機２０の入力軸１０３に接続された出力とを有する。遊星ギアにより、タービン１０と圧縮機２０の回転速度を別々に制御することができる。遊星ギアの代わりに、減速ギアボックスまたはＣＶＴを用いてもよい。減速機などの第２のカップリングデバイス７１は、圧縮機２０と、図３に示す実施の形態においては圧縮機２０の下流側に配置されているモータ発電機３０とを駆動連結する。カップリングデバイス７１は、圧縮機軸の出力端１０４とモータ発電機３０の入力軸１０５に連結されている。
【００５７】
シンプルオプションまたはハイブリッドオプションの実施の形態において、ＣＯ２圧縮機２０の入口の上流側に配置された自動制御式または手動制御式の圧力レギュレータを備えるＣＯ２バッファタンク８０を設けるのが好ましい。バッファタンク８０は、ＣＯ２圧縮機の入口でのＣＯ２圧力を制限し、また、圧縮されるＣＯ２流量を制限する。圧縮機２０の出口は、ＣＯ２貯蔵タンク８１に流体接続されている。
【００５８】
図４に示す実施の形態において、ＣＯ２除去システムが、排気ガス流エネルギ回収システムに統合されている。排気ガス流７は、ＣＯ２を、例えば、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）水溶液などのリーンＣＯ２吸収流体によって吸収する吸収器７０内に入る。ＣＯ２リーン排気ガス流６は、吸収器７０から出て大気に放出される。
【００５９】
吸収器７０に入った最初のリーンＭＥＡ流１は、吸収器７０内で排気ガス流からＣＯ２を吸収し、ＣＯ２リッチＭＥＡ流として流れ２を介して出る。ＣＯ２リッチＭＥＡ流２は、ポンプで送られ、流れ３を介してＣＯ２ストリッパ９０に入る前に、熱交換器８０内で加熱される。シンプルにするために、ＣＯ２除去ループ内のポンプは図示されていない。
【００６０】
熱流１００、例えばエンジン冷却液またはエンジン排気ガス流は、ストリッパ９０を介して熱交換器に入り、溶液からＣＯ２を取り出す。ある程度の水蒸気を含むＣＯ２流が、流れ５を介してストリッパから出る。再生されたリーンＣＯ２溶液は、流れ４を介してストリッパから出て、流れ１を介してＣＯ２吸収器７０に循環する前にＣＯ２リッチ流２と熱交換器８０で熱交換を行う。
【００６１】
ＣＯ２ストリッパ９０から出たＣＯ２と水蒸気の流れ５は、熱交換器１１０内で、例えば大気によって冷却され、それにより、水に液化されて気液分離器を介してシステムから取り除かれ、そして流れ８として排出される。熱交換器１１０から出たＣＯ２流２２は、タービン１０によって駆動されるＣＯ２圧縮機２０の吸い込み側に供給される。ＣＯ２圧縮機２０は、直接連結を介して、または、減速機および上述したような粘性カプラ（ｖｉｓｃｏ−ｃｏｕｐｌｅｒ）を介してタービン１０に連結されている。
【００６２】
タービン１０は、高圧の蒸気流１２によって提供されるランキンサイクルに組み込まれている。高圧の蒸気流１２は、水蒸気、または、エネルギ回収システムの圧力および温度に対応することができる任意の有機液体であってもよい。流れ１２は、タービン１０内で膨張して動力を生み出し、流れ１３を介して排出されて復水器６０に供給され、そこで液体状態に完全に液化される。流れ１４を介して復水器６０から出た液体は、ポンプ４０の吸い込みポートに入り、そこでシステムの高圧力値まで圧縮される。ポンプ４０は、液体流１４を圧縮し、圧力を受けた状態の液体流１４を流れ１５を介してボイラ５０に供給する。ボイラ５０では、流れ１２を介してタービン１０に移動する前の液体流１４が、部分的にまたは完全に蒸発する。
【００６３】
ボイラ５０の熱は、ＩＣＥ１５０から排出されてボイラ５０を通過する排気ガス流１６によって供給されている。温度が低下した排気ガス流は、ボイラ５０から出て、流れ７を介してＣＯ２吸収器７０に供給される。
【００６４】
ＣＯ２圧縮機の上流側に配置されたタービンに統合される本発明のさらなる実施の形態が図５に示されている。この実施の形態において、ＣＯ２ストリッパは、高圧、例えば５０から１０ｂａｒで駆動される。ＣＯ２吸収器７０から出たＣＯ２リッチ溶液流２は、高圧、例えば５から１０ｂａｒに圧縮され、それによりＣＯ２ストリッパ９０が高圧で駆動される。
【００６５】
ＣＯ２ストリッパ９０から出た高圧のＣＯ２と水蒸気の流れ５は、流れ５６を介して熱交換器１１０内に入る前に、タービン１７内で膨張されてほぼ大気圧にされ、それにより、水蒸気を液化して流れ８としてシステムから取り除く。乾燥したＣＯ２の流れ２２は、次に圧縮機２０で圧縮されて車両上で貯蔵される。タービン１７から回収された機械的エネルギは、車両上で直接的に利用される電力またはバッテリ３８に蓄えられる電力を発電するために使用されてもよい。
【００６６】
別の実施の形態において、タービン１７は、ＣＯ２圧縮機２０とタービン１０とに連結されて、ＣＯ２の圧縮を補助してもよい。さらに別の実施の形態において、タービン１７は、タービン１０を使用しない電気モータと圧縮機２０とに連結される。ＣＯ２を終圧に圧縮するためのエネルギは、主にはタービンによって、副には電気モータによって運ばれる。
【００６７】
好ましい実施の形態を参照して本発明は説明および図示されているが、それらには限定されず、本発明の種々の改良は当業者であれば容易に想到できる。また、発明の範囲は、添付の請求項によって決定される範囲である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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