(57)【要約】【課題】塗料ガス等のガス蒸気中の溶剤濃度が著しく変動しても、安定した発熱量でガス蒸気からエネルギーを回収することが可能なエネルギー回収システムを提供する。【解決手段】本発明のシステムは、スターリングエンジン等の熱機関を利用し、燃料としてガス蒸気と共に追加の可燃性燃料を使用する。システム（２０）において、燃焼器（２６）は、塗料ガス（２２）だけでなく燃料供給部（３４）から追加の燃料（３２）を取り入れる。燃料供給部（３４）は、燃料（３２）の質量流量を調整する燃料絞り弁（３８）を含む。送風機（４０）からは燃焼器（２６）に空気（４２）が供給される。熱機関（２４）は、燃焼器（２６）から熱を受け取る加熱器（２８）を備えている。温度センサ（４６）が加熱器（２８）の温度を検出し、一方、制御装置（５０）は、加熱器（２８）の温度に基づいて、燃料（３２）の質量流量を変化させる燃料絞り弁（３８）を動作可能に制御する。【選択図】図１
2007064225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス蒸気を受け入れる燃焼器と、
追加の可燃性燃料を燃焼器に供給し、追加の可燃性燃料の質量流量を調整する燃料絞り弁を含む燃料供給部と、
空気を燃焼器に供給する送風機と、
燃焼器から熱を受け取る加熱器を有する熱機関と、
加熱器の温度を検出する温度センサと、
燃料絞り弁を動作可能に制御して、加熱器の温度に基づいて燃料の質量流量を変化させる制御装置とを含み、
発熱量が十分に高くて可燃性燃料として役立つガス蒸気から、エネルギーを回収するエネルギー回収システム。
【請求項２】
前記制御装置は、燃料の質量流量を変化させて、加熱器を概ね一定の温度に維持する請求項１に記載されたシステム。
【請求項３】
前記温度センサがＰＩＤ型式のセンサである請求項１に記載されたシステム。
【請求項４】
前記ガス蒸気が一定の質量流量で供給される請求項１に記載されたシステム。
【請求項５】
前記ガス蒸気が溶剤蒸気を含み、ガス蒸気中の溶剤蒸気の濃度が最低レベルから最高レベルまで変動する請求項１に記載されたシステム。
【請求項６】
溶剤蒸気の前記最高レベルでは、熱機関が過熱されないように設計される請求項５に記載されたシステム。
【請求項７】
前記熱機関が、過熱されることなく溶剤蒸気の最高レベルを利用できる大きさである請求項６に記載されたシステム。
【請求項８】
前記ガス蒸気の質量流量が、過熱を防止するレベルに固定される請求項６に記載されたシステム。
【請求項９】
最大の等量比では、希薄吹出し限界を超えないように設計される請求項１に記載されたシステム。
【請求項１０】
最小の等量比では、高過熱限界を超えないように設計される請求項１に記載されたシステム。
【請求項１１】
前記制御装置は、空気の質量流量を変化させて、等量比を概ね一定に維持する請求項１に記載されたシステム。
【請求項１２】
前記空気の質量流量を調整する空気絞り弁を更に含む請求項１に記載されたシステム。
【請求項１３】
前記制御装置は、空気絞り弁を動作可能に制御して、燃料絞り弁の位置に基づいて空気の質量流量を調整する請求項１１に記載されたシステム。
【請求項１４】
前記燃焼器および加熱器からの排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサを更に含み、前記制御装置が排ガス中の酸素濃度に基づいて空気の質量流量を調整する請求項１１に記載されたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体としてエネルギー回収システムに関し、より詳細には、スターリングエンジン等のエネルギー回収用熱機関の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
塗料は、一般に、揮発性液体溶剤に溶解した固体顔料からなる。塗料をある表面に噴霧すると、揮発性溶剤が蒸発し、一方、固体顔料は表面に定着する。普通塗料ガス（ガス蒸気：ｆｕｍｅ）と称される上記揮発性溶剤の蒸気は、有害であり、大気に放出してはならない。そのため、塗料ガスは通常浄化されて焼却処分される。浄化ガスに溶剤蒸気を濃縮する新たに開発された手段を用いると、かかる廃棄物を燃焼してエネルギーを取り出せるように思われるかも知れないが、塗料ガス中の溶剤濃度は数ｐｐｍ〜数千ｐｐｍの範囲にあり、発熱量の著しい変動を生じることがある。それ故に、様々なレベルの可燃性溶剤に起因して、上記塗料ガスからエネルギーを回収することは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、溶剤濃度の変動にかかわらず、濃縮された塗料ガスからエネルギーを回収することが可能なエネルギー回収システムを提供する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、塗料ガスおよびその他の揮発性可燃剤からエネルギーを回収することが可能なエネルギー回収システムを提供する。このシステムは、スターリングエンジン等の熱機関を利用し、塗料ガスと同時に用いられる追加の可燃性燃料を使用する。一般に、燃焼器は、塗料ガスだけでなく燃料供給部から追加の燃料を取り入れる。燃料供給部は燃料の質量流量を調整する燃料絞り弁を含む。送風機から燃焼器に空気が供給される。熱機関は燃焼器から熱を受け取る加熱器を備えている。温度センサが加熱器の温度を検出し、一方、制御装置は、加熱器の温度に基づいて、燃料の質量流量を変化させる燃料絞り弁を動作可能に制御する。
【０００５】
より詳細な態様によれば、制御装置は、燃料の質量流量を変化させて加熱器を概ね一定の温度に維持する。塗料ガス中の溶剤蒸気の濃度は最低レベルから最高レベルまで変動するものの、塗料ガスは典型的には一定の質量流量で供給されることになる。このように、システムは、溶剤蒸気の最高濃度でも熱機関を過熱しないように設計される。例えば、熱機関は溶剤蒸気の最高濃度で利用できる大きさとすることができ、あるいは、過熱を防止するレベルに塗料ガスの質量流量を固定してもよい。同様に、システムは、最大の等量比（後に説明する二段燃焼率に対する空気−燃料比）では希薄吹出し限界を超えないように、かつ、最小の等量比では高過熱限界を超えないように設計される。
【０００６】
さらに、エネルギー回収システムは、空気の質量流量を調整する空気絞り弁を含むことができる。制御装置は、燃料絞り弁の位置に基づいて、空気の質量流量を調整する空気絞り弁を動作可能に制御することができる。さらに、エネルギー回収システムは、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサを含むことが好ましい。このように、制御装置は、排ガス中の酸素濃度に基づいて、空気絞り弁を動作可能に制御することもできる。このようにして、等量比を概ね一定のレベルに保持して、燃焼器が希薄吹出し限界または高過熱限界に達するのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
明細書に取り込まれその一部を形成する添付の図面は、本発明の幾つかの態様を図示しており、明細書と一緒になって本発明の原理を説明する役割を果たす。
エネルギー回収システム２０が、本発明の教示に従って図１に概略的に図示されている。エネルギー回収システム２０は、通常、塗装が行われる区域から収集される塗料ガス２２からエネルギーを回収するために使用される。エネルギー回収システム２０は、その他の数多くの可燃剤、溶剤またはガス蒸気と共に使用できることが認識されるであろうが、一実施例として塗料ガス２２に関連してシステム２０を説明する。最近、次のようなプロセスが開発された。すなわち、塗料ガスを窒素で浄化し、溶剤蒸気と窒素の混合物を濃縮器（図示せず）に供給し、そこで、混合物（塗料ガス２２という）の発熱量が燃料として役立つに十分に高くなるまで、溶剤蒸気の濃度を高めるプロセスである。濃縮器は一定の質量流量で塗料ガス２２を供給するが、前述のように、ガス蒸気２２中の溶剤濃度は最低レベルから最高レベルの間で大きく変動する。システムを微調整して溶剤組成のいくらかの変動に適応させることはできるが、典型的には、塗料ガス２２中の溶剤組成が目に付くほど変化するものではない。そのようなものとして、溶剤の発熱量および理論（質量）空燃比は大凡一定である。
【０００８】
ガス蒸気２２は、エネルギーを回収する熱機関２４に供給される。エネルギー回収システム２０と共同して用いられる熱機関２４は、本発明の譲受人であるＳＴＭパワー社（ＳＴＭ  Ｐｏｗｅｒ，Ｉｎｃ．）によって先に開発されたものと同様に、スターリングサイクル熱機関を含むことができる。かかる熱機関としては、米国特許第４，９９６，８４１号明細書、米国特許第５，０７４，１１４号明細書、米国特許第５，６１１，２０１号明細書、米国特許第５，７０６，６５９号明細書、米国特許第５，７２２，２３９号明細書、米国特許第５，７７１，６９４号明細書、米国特許第５，８１３，２２９号明細書、米国特許第５，８３６，８４６号明細書、および米国特許第５，８６４，７７０号明細書に記載されたものが挙げられ、これらの開示はその全体が本明細書に援用される。
【０００９】
一般に、熱機関２４は、当該技術分野において周知であるが、燃焼器２６、加熱器２８および復熱装置３０を備えている。これらの装置は前記特許明細書に詳細に開示されており、好ましい燃焼器が、米国特許第５，９２１，７６４号明細書に開示されているように、譲受人のＳＴＭパワー社によって開発されている。なお、上記特許明細書の開示はその全体が本明細書に援用される。燃焼器２６を含む上記構成要素は、熱機関２４から独立して形成されてもよく、あるいは、例えば前記米国特許第５，０７４，１１４号明細書、および米国特許第５，３８８，４０９号明細書に開示されているように、熱機関に一体的に組み込まれてもよい。なお、上記特許明細書の開示はその全体が本明細書に援用される。同様に、加熱器２８の好ましい構造が米国特許第６，２８２，８９５号明細書に示されており、その開示はその全体が本明細書に援用される。
【００１０】
塗料ガス２２の溶剤蒸気の変動する濃度がもたらす制限を克服するために、熱機関２４およびその燃焼器２６にはまた追加の燃料３２が供給される。燃料３２は、可燃性燃料であり、好ましくは、天然ガス、プロパン、その他の高品質の燃料である。燃料供給部３４は、圧力調整装置３６と、燃焼器２６に供給される燃料３２の質量流量を調整する燃料絞り弁３８とを備えている。燃焼器２６は、追加の燃料３２と混合される塗料ガス２２を燃焼する。送風機４０は、ガス蒸気２２と燃料３２を混合するために空気４２を燃焼器２６に給気する。以下に詳細に述べるように空気の質量流量も制御できるが、通常、送風機４０により一定の質量流量の燃焼用空気４２を燃焼器２６に供給することができる。燃焼器２６からの燃焼生成物は、加熱器２８および復熱装置３０を通って流れ、それから熱エネルギーが抽出される。その後、燃焼生成物は排ガス５４として熱機関２４から排出される。
【００１１】
塗料ガス２２中の溶剤蒸気の濃度の相違、したがってガス蒸気２２の発熱量の変動に対処するために、加熱器２８に連通するセンサ４６が設けられ、その温度を検知する。燃焼器２６によって加熱される作動流体を有する加熱器２８内に収容された管に、センサ４６を取り付けてもよい。温度信号４８は、順次動作可能に燃料絞り弁３８に接続される制御装置５０に送信される。温度センサ４６は、当該技術分野において周知であるが、閉ループ制御に好適な比例・積分・微分（ＰＩＤ）型式のセンサが好ましい。好ましい構成において、制御装置５０は、加熱器２８内を概ね一定の温度に維持するために、燃料の絞り５２を動作させる。本明細書で用いられる概ね一定なる用語は、±５％または±５０℃以内の変動を意味する。それに沿って、加熱器２８の温度に基づき、塗料ガス２２からエネルギーを抽出するために、適切な量の追加の燃料３２を熱機関２４に供給することができる。
【００１２】
追加の燃料３２を供給しない場合でも、ガス蒸気２２中の溶剤蒸気の最高濃度は熱機関２４の過熱を招いてはならないことが認識されるであろう。それに応じて、溶剤濃度の最高レベルが予め確認され、過熱を防止するようにシステムが設計される。例えば、上記最高レベルに基づいて熱機関２４の大きさを選定することができる。さらに、複数の熱機関２４を使用してもよく、塗料ガス２２の流れを分けてシステム２０の各熱機関に供給することができる。同様に、熱機関２４の容量に基づいて、濃縮器から出て来る塗料ガス２２の質量流量を選択することができる。
【００１３】
当該技術分野において知られているように、混合燃料２２，３２に対する燃焼用空気４２の比はしばしば二段燃焼率によって異なり、二段燃焼率に対する空気−燃料比を等量比という。このようなものとして、等量比が１以上であるとエンジンは「希薄」運転となり、等量比が１以下であるとエンジンは「濃厚」運転となる。加熱器２８を一定の温度に維持するように燃料絞り弁３８を動作させ、かつ、空気の質量流量が一定であると、等量比（λ）を下記の式で表すことができる。
【数１】
2007064225.tif 000003
ここで、ｍ（注：ｍの真上に「・」あり）は質量流量であり、Ｃはガス蒸気２２中の溶剤の質量分率であり、ρは理論（質量）空燃比であり、ｈは発熱量であり、Ｑ（注：Ｑの真上に「・」あり）は燃焼器２６への全燃料の熱入力であり、λは等量比である。下付のｓは溶剤を示し、ｆはガス蒸気２２を示し、ｇは燃料ガス３２を示し、ａは空気４２を示す。
【００１４】
このようなものとして、空気−燃料比（したがってλ）の対応の仕方は、式（ρｇｈｓ  −  ρｓｈｇ）の符号（ｓｉｇｎ）に依存する。この式が正であると、増大する溶剤濃度は燃焼を弱めるであろう。上記式が負であると、増大する溶剤濃度は燃焼を強めるであろう。したがって、最大および最小の等量比が上述の２つの各状況（すなわち、増大する溶剤濃度が燃焼を弱めるかまたは強める）について算出される。
それに応じて、最大の等量比λは希薄吹出し限界（すなわち、燃焼を維持するには可燃性燃料の量が不十分である）を超えてはならず、最小の等量比は高過熱限界（すなわち、可燃性燃料の量が多すぎて燃焼を維持できない）を超えてはならない。このようにして、これらの限界に適合するようにシステム２０を設計することができる。例えば、制御装置５０は、いずれの上記限界超えをも回避するように、空気−燃料比を調整する燃料絞り弁３８を作動することができる。同様に、熱機関２４を断続的に循環させることができる。最も好ましくは、空気４２の質量流量を調節することよって、上記２つの要求を満たすことができる。
【００１５】
図１に示すように、制御装置５０は、制御信号６０により空気絞り弁４４を作動し、空気−燃料比を調整する。燃料絞り弁３８の作動／位置によって発動されるが、等量比λの所定の対応の仕方に基づいて空気絞り弁４４を制御することができる。しかし、エネルギーシステム２０は、空気絞り弁４４の制御に用いられる酸素センサ５６を備えることが好ましい。酸素センサ５６は、熱機関２４および復熱装置３０の下流に配置されて、排ガス５４中の酸素濃度を検知する。酸素センサ５６はＰＩＤ型式のセンサが好ましい。排ガス５４中の酸素濃度を示す信号５８は、順次このデータを用いて空気絞り弁４４を作動できる制御装置５０に送信される。特に、空気絞り弁４４を作動して、排ガス５４中の酸素濃度を一定に維持することができる。同様に、等量比λを一定に維持するために、あるいは少なくとも、前述の希薄吹出し限界または高過熱限界のいずれかを等量比λが超えないことを確実にするために、制御装置５０は空気絞り弁４４を作動することができる。
【００１６】
以上の通り、本発明のエネルギー回収システム２０は、溶剤濃度が様々にレベルにあり、それ故に熱エネルギーのレベルが変動する塗料ガス２２から、エネルギーの回収を可能にすることが、当業者ならば認識されるであろう。スターリングサイクル熱機関等の熱機関は、塗料ガスを追加の燃料と組み合わせることにより、塗料ガスから熱を抽出するための確かでかつ効率的な方法を提供する。これは、熱機関の加熱器に関連するフィードバック制御ループと組み合わせると、管の温度を加熱器内で一定に維持して、塗料ガスから信頼性のあるエネルギーの回収を確かなものとすることが可能である。エンジンの過熱を防止すべくシステムを容易に合わせることができ、空気絞り弁に加えて、好ましくは排ガス通路内に酸素センサを用いることにより、エネルギー回収システム２０の操作パラメータについて、向上した制御を容易に達成することができる。
【００１７】
本発明の様々な実施の形態に関する以上の詳細な説明は、例示および説明のために述べたものである。詳細な説明は、説明し尽くしたり、あるいは開示された正確な実施の形態に本発明を限定することを意図するものではない。上記教示に照らして数多くの変形または変更が可能である。論じられた実施の形態は、本発明の原理の最良の例示およびその実用的な応用を提供するために、選ばれ説明したものであり、これによって、当業者ならば、様々な実施の形態で、また、予期される特定の使用に適するように様々に変形して、本発明を利用することが可能である。このような変形および変更の全ては、公平、合法的かつ公正に資格が与えられる広さの通り解釈されると、添付の特許請求の範囲に規定されるように本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の教示に従って構成されたエネルギー回収システムの説明図である。
【図１】
2007064225.tif 000004
【外国語明細書】
2007064225000001.pdf