(57)【要約】      （修正有）【課題】従来方式のシステムより冷却能力が高くて性能係数が高く、自己浄化性金属水素化物の再生機能を有する排気ガス熱回収システムを提供する。【解決手段】少なくとも２つの断熱室に区分された断熱筐体から成る。この各室は再生用の高温金属水素化物合金を含む金属水素化物反応装置アセンブリ、周囲空気流を筐体に取り入れ２つの断熱室のうち少なくとも１つに供給するように適合した周囲空気入口、排気源から取り入れた排気流を再循環させるように構成した流体再循環回路を格納し、流体再循環回路は再循環排気流１６と入口排気流１１の一部を混ぜて出力排気流１３を供給するように適合した攪拌機１２、出力排気流１３と周囲空気流を周期的に切り替えるように適合した攪拌機に連結した流体流切り替え手段、金属水素化物反応装置アセンブリの下流に設置する流れの調節手段、排気口２０から構成される。【選択図】図２
0003218020.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
金属水素化物ヒートポンプ用再生システムであって、
第一断熱室及び第二断熱室に分割された断熱筐体と、
前記第一断熱室に格納されており、再生用の高温金属水素化物合金を含む第一金属水素化物反応装置アセンブリと、
前記第二断熱室に格納されており、再生用の高温金属水素化物合金を含む第二金属水素化物反応装置アセンブリと、
周囲空気流を前記断熱筐体内に取り入れて、前記第一断熱室内に格納された前記第一金属水素化物反応装置アセンブリ又は前記第二断熱室内に格納された前記第二金属水素化物反応装置アセンブリのうち少なくとも１つに供給するように適合した周囲空気入口と、
排気源から受ける排気流を再循環するように構成された流体再循環回路と、を具備し、
前記の流体再循環回路は、
前記再循環流と前記排気流の一部を混合して温度が前記排気流と前記再循環流の中間温度となる出力流を供給する攪拌機と、
前記攪拌機に連結され、前記攪拌機から受ける前記出力流と前記周囲空気流を周期的に切り替えるように適合された流体流切り替え手段であって、サイクル前半において、前記出力流が第一方向にある金属水素化物反応装置アセンブリに供給され、周囲空気流がもう一つの金属水素化物反応装置アセンブリに前記第一方向とは逆の第二方向に供給される流体流切り替え手段と、
前記第一又は第二金属水素化物反応装置アセンブリの下流に設置する流れの調節手段と、
前記一部の前記の再循環流の残りを前記筐体から排出させるための排気口と、を具備する金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項２】
前記排気流の温度は３００〜６００℃の範囲にあり、前記再循環流の温度は１００〜２５０℃の範囲にあり、前記出力流の温度は１２０〜３００℃の範囲にある請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項３】
前記流体流切り替え手段は、ベアリングアセンブリとこれに連結した駆動機構と、この駆動機構に取り付けた金属水素化物反応装置アセンブリを回すように適合したベアリングアセンブリから構成される請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項４】
前記流体流切り替え手段は、４ポート２位置バルブと２個の３ポート２位置バルブから成る流体回路である請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項５】
前記流体流切り替え手段は２個の４ポート２位置バルブから成る流体回路である請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項６】
前記流れの調節手段は、再循環流の流量を前記排気流の流量に合わせて制御する請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項７】
前記周囲空気流の流速が前記排気流より高い請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項８】
前記排気口を前記流れの調節手段の下流に設置した請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項９】
前記排気口を前記流れの調節手段の上流に設置した請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項１０】
前記攪拌機は前記各断熱室のうち一つに配置されており、前記攪拌機に再循環流を入れる第一入口、排気流用の第二入口及び前記出力流を生み出すために適合した出口を具備する請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項１１】
前記第一入口に再循環流が排気流より０．１〜１０倍の流量範囲で流入する請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項１２】
前記筐体に各金属水素化物反応装置アセンブリの直径に合わせて分割用柔軟シールを取り付け、伝熱流体が前記断熱室に混入しないようにしてある請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は概して熱力学の分野に関する。特に本考案は金属水素化物ヒートポンプ等の自己浄化性金属水素化物熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なエンジンにおいて、燃料エネルギーの３５〜４０％は排気ガス熱の形で放出され、高速エンジンにあっては５００〜６００℃にも至ることがある。排気ガス駆動方式の吸収ヒートポンプには吸着ヒートポンプ、金属水素化物ヒートポンプ、吸着ヒートポンプ排気ガスからの熱回収やこの熱を車内冷却や暖房のために変換するために使用される。ヒートポンプ内での熱回収後に排気ガスの排気ポート温度は最大２００℃になりうる。
【０００３】
典型的な金属水素化物ヒートポンプに関連する主な課題は、最適にはこうしたポンプの吸収床の温度範囲が約８０〜２００℃であって、排熱温度と冷却温度要件に依存して排気温度要件は約１００〜２５０℃となることにある。さらに、排気ガスには粉塵と煤が含まれており、これらは金属水素化物ヒートポンプの熱交換器の熱交換表面に吸着する。また、排気ガス温度が２５０℃より低く冷却されると、酸性排気ガス成分の圧縮や排気ガス成分の堆積につながり、このため熱交換器が詰まって効率に支障をきたす。排気ガス結露は腐食性があり、温度が露点より下がると発生する。この腐食性排気ガス結露はフィンや管の表面等金属水素化物ヒートポンプのコンポーネントを腐食させる。
【０００４】
図１は排気ガス熱回収用の従来方式の吸収ヒートポンプ１００の図解である。吸収ヒートポンプ１００の脱着器３は溶媒から冷却材脱着用の外部熱入力を受ける。典型的な金属水素化物ヒートポンプの場合、水素を冷却剤として、金属水素化物を溶媒として使用している。脱着器３は高温排気ガスの形態での外部熱入力を受ける。脱着器３へ向かう排気ガス入口１をエンジンから来る５００〜６００℃の排気ガスが通る。この排気ガスは溶媒である金属水素化物合金によって冷却される。煙突等を通して大気中に排出される排気ガスの脱着器出口流４は典型的に１００〜２００℃である。排気ガス流は複数の経路５と数本の逆流部６を通り伝熱率が高まる。上記の方法により高温排気ガスを入力として直接使用する。この構成には以下のような特定の限界がある。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
温度が５００〜６００℃にも及ぶ排気ガスの直接使用により、熱交換器の管やフィンの伝熱表面が過熱する一方、ヒートポンプの運転のため典型的に必要な温度は１００〜２５０℃にすぎず、さらに、金属水素化物ヒートポンプの運転方式は循環式であって、各サイクルでの熱交換器と吸収材料の交互加熱/冷却を要するので、熱交換表面が過熱すると金属水素化物とヒートポンプの熱惰性が高くなる。熱惰性が高くなると金属水素化物ヒートポンプと吸着ヒートポンプの性能が劣化する。熱惰性が高くなるとシステム全体の冷却能力とＣＯＰ(性能係数)が下がる。
【０００６】
さらに、排気ガスの直接利用により熱交換器全体で温度差が最大４００℃になる。このため流量の変動が大きくなり、熱交換器内部の排気ガスの流速が激しく変動する。このため伝熱率が下がり、熱交換器は大型化せざるを得なくなる。
【０００７】
さらに、排気ガスを直接使用するので熱交換器内部の流速を維持するために数本の経路が必要になる。排気流量は熱容積と熱交換器のサイズより小さい。経路と逆流本数が多くなればなるほど、熱交換器を一貫して圧力が降下する。さらに、比較的サイズが大きい熱交換器内の排気ガスが少量だと熱交換器全体への排気ガス配分が不均一になり、熱交換器とシステム全体の性能が下がる。
【０００８】
さらに、高温の排気ガス直接使用が原因で熱交換器内では伸び差が大きくなる。このために場合によっては管が故障し、熱交換器とシステム自体の信頼度が下がる。また、運転全体が循環方式であり、周囲温度と排気温度の間を交互するので、熱的クリープによる故障の可能性がある。従来方式のシステムにおいて、周期的温度差は典型的に最大５００℃となり、周期的温度差が減少することで熱的クリープは高くなる。このためシステのライフサイクルや運転サイクルが短くなる。
【０００９】
さらに、高温排気ガスを利用する熱交換器を製造するには適切な材料を選ばなければならない。このために熱交換器が高価になりやすい。
【００１０】
米国特許公開公報ＵＳ２０１４００４７８５３は伝熱流体（ＨＴＦ）回路２つ（低温ＨＴＦと高温ＨＴＦ回路）を実装自動車の空調システムを開示している。排気ガス熱回収をＨＴＦ回路で使用し熱回収iと熱の吸着方式ヒートポンプシステムへの伝導を行う。こうした回路はａ）排気ガス熱の伝熱流体への移転用と、ｂ）伝熱流体を媒介する吸着熱の大気中への排出のために追加的熱交換器が必要となる。さらに伝熱用のこうした回路は流体循環用の追加的ポンプとサイクル切り替え用に複数のバルブも必要となる。このためにシステム全体がさらに複雑化し、さらに補助的用力を消費するようになり、同時に稼働部品が多くなるので信頼度が下がる。システムはかさが増し高価にもなる。
【００１１】
もう一つの米国特許公開公報ＵＳ２００５０２７４４９３Ａ１は約１０００°Ｆ（約６００℃）の排気熱温度で作動する金属水素化物を利用した車載排気クーラーを開示している。このシステムはバルブ８本と長時間運転を高温で使用するので、熱惰性と性能劣化に結び付く。また伝熱表面の過熱、熱惰性の増大、性能や効率上の課題を解決していない。
【００１２】
従って、粉塵と煤を軽減し、全体的効率を高めるほか熱再生モジュールの伝熱率改善ニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一つ以上の実施形態で満足される本考案の目的のうちのいくつかを次に説明する。
先行技術の持つ一つまたは複数の課題を改善するかまたは少なくとも有用な代替手段を提供することが本考案の目的である。
従来方式のシステムより冷却能力が高くて性能係数が高い排気ガス熱回収システムを提供することが本考案の目的である。
自己浄化性金属水素化物の再生機能を有する排気ガス熱回収システムを提供することが本考案の目的である。
【００１４】
伝熱率を改善した排気ガス熱回収システムを提供することが本考案の目的である。
コンパクトで管理し易い排気ガス熱回収システムを提供することが本考案の目的である。
信頼性が高くより安価であって高効率の排気ガス熱回収 システムを提供することが本考案の目的である。
システム稼働サイクル数を増やしてシステムの耐用期間を延ばすことが本考案の目的である。
【００１５】
本考案によるシステムが有するその他の目的と優位性は本考案の範囲をこれに限定することは意図されていない付随する図面を参照しつつ読むと以下の説明からさらに明らかとなる。
【００１６】
本明細書に開示するものは、第一と第二の断熱室から構成する自己浄化性金属水素化物を利用した熱回収システムであって、その第一断熱室には第一金属水素化物反応装置アセンブリ、第二断熱室には第二金属水素化物反応装置アセンブリを含み、各金属水素化物反応装置アセンブリには再生用の高温金属水素化物合金、それぞれの対応する断熱室内に格納した第一と第二金属水素化物反応装置アセンブリのうち少なくとも一つに供給すべき周囲空気流を筐体の中へ受けるために適合した周囲空気入口、排気源から受け取る排気流を再循環させるように構成した流体再循環回路から構成されており、流体再循環回路は再循環流と排気流の一部を混ぜて排気流温度と再循環流温度の中間領域の温度である出力流を供給するように適合した攪拌機、攪拌機から来る出力流と周囲空気流を、各作動半サイクルにおいて、出力流が一つの金属水素化物反応装置アセンブリへ第一方向に、周囲空気流がもう一つの金属水素化物反応装置アセンブリへ第一方向は逆の第二方向に循環方式で切り替えるように適合したこの攪拌機と連結した流体流切り替え手段、各室の下流に提供される流れの調節手段、再循環流の残り部分を筐体から排出するための排気口から構成される。
【００１７】
ある実施形態においては、排気流温度は３００〜６００℃の範囲にあり、再循環流温度は１００〜２５０℃の範囲にあり、出力流温度は１２０〜３００℃の範囲にある。
【００１８】
ある実施形態においては、流体の流れ切り替え手段はベアリングアセンブリとこれに連結した駆動機構、この機構に取り付けた金属水素化物反応装置アセンブリを回すように適合したベアリングアセンブリから構成される。
【００１９】
ある実施形態においては、流体の流れ切り替え手段は４ポート２位置バルブと２個の３ポート２位置バルブから成る流体回路である。
【００２０】
ある実施形態においては、流体の流れ切り替え手段は２個の４ポート２位置バルブから成る流体回路である。
ある実施形態においては、流れの調節手段が再循環流の流量を排気流の流量に合わせて制御する。
ある実施形態においては、周囲空気流の流速は排気流より高い。
ある実施形態においては、排気口が流れの調節手段の下流側に設置されている。
【００２１】
ある実施形態においては、排気口が流れの調節手段の上流側に設置されている。
ある実施形態においては、攪拌機は前記各室のうち一つに配置されており、攪拌機に再循環流を入れる第一入口と排気流用の第二入口、出力流を生み出すために適合した出口を具備する。
ある実施形態においては、第一入口に再循環流が排気流より０．１〜１０倍の流量範囲で流入する。
ある実施形態においては、筐体に各金属水素化物反応装置アセンブリの直径に合わせて分割用柔軟シールを取り付け、伝熱流体が断熱室に混入しないようにする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本考案を限定されることがない付帯図面を参照しつつ説明する、図面は以下の通りである。
【図１】は排気ガス熱回収用の従来方式吸収ヒートポンプの図解である。
【図２】は本考案の実施形態による排ガス再循環システムのブロック図を示す。
【図３】は本考案の実施形態に従う回転方式金属水素化物ヒートポンプ内の排気ガス再循環システムから熱を回収する仕組みを示す。
【図４】は本考案の実施形態に従うダンパー方式金属水素化物ヒートポンプ内の排気ガス再循環システムから熱を回収する仕組みを示す。
【図５】はシステム対同システムを具備するヒートポンプに関して、従来式の排気における排気ガスからの脱着器入力熱の仕事率を示すグラフである。
【図６Ａ】は本考案の一側面に従う回転反応装置方式の金属水素化物ヒートポンプにおける自己浄化性の仕組みを示す。
【図６Ｂ】は本考案の一側面に従う回転反応装置方式の金属水素化物ヒートポンプにおける自己浄化性の仕組みを示す。
【図７Ａ】は本考案の一側面に従うダンパー方式の金属水素化物ヒートポンプにおける自己浄化性の仕組みを示す。
【図７Ｂ】は本考案の一側面に従うダンパー方式の金属水素化物ヒートポンプにおける自己浄化性の仕組みを示す。
【考案を実施するための形態】
【００２３】
本考案の排気ガス熱回収システム(以下では「システム」とのみ表記）について考案の範囲と目的を制限しない実施形態を参照しつつ説明する。説明はあくまでも例示および図解のために行われる。
【００２４】
本考案の実施例ならびに様々な特長および優位性の詳細を限定することのない実施例を参照することによって以下に説明する。確立している既存のコンポーネントならびに処理技術についての説明は省略し、本考案の実施例についての理解を不要に困難にしないようにした。本考案に使用されている例は単に本考案の実施例を実用化可能にする方法の理解を容易にし、この分野の技能を持つ者が本考案の実施例を実施することを可能にすることのみを目的としている。従って、例によって本考案の実施例の範囲を限定するものと解釈されてはならない。
【００２５】
具体的実施例についての以下の説明は本考案の実施例が持つ一般的性質をじゅうぶんに明らかにしているので、現状の知識を適用することにより他者は前記の一般的概念から乖離することなく前記の具体的実施例を異なる用途のために変更および/または適合することができる。従って、同適合や変更は本考案の実施例と同等の物としての意味およびその範囲で理解されることが意図されるべきであり、意図されている。本明細書に使用されている句節の用法や用語は説明目的のためであって限定するために使用されてはいない。従って、本明細書に記載された実施例は優先的実施例に基いて説明されていると同時に、同分野の技能を有する者は本明細書に記載された実施例が本明細書で説明された実施例の意図および範囲で変更しても実践可能であることが認められる。
【００２６】
本明細書において説明されているシステム及び／又は方法は排気ガス再循環方式の排気ガス熱回収を対象としている。システムの熱力学的仕組みは廃熱利用冷却、加熱、冷蔵、空調を含む多くの用途向けに設計されている。
【００２７】
本明細書において提案している排気ガス熱回収用システム及び／又は方法は排気ガスの再混合を利用している。本考案の一側面に従うエンジンから来る入口高温排気ガスを排気口で希釈する。排気口から来る部分流をファンで再循環し、入口高温排気ガスと混合し、排気ガスが同じ熱量になるが温度は低く流量が上がるようにする。
【００２８】
再循環流量はシステム、温度要件によって決定でき、優先的に排気流量の０．１〜１０倍の範囲とする。入口排気の温度の方が低いかシステムが比較的高温源を要する場合、再循環率が低くなる。同様に、再循環率は入口排気温度のほうが高いかシステムが比較的低温源を要する場合に、高くなる。
【００２９】
図２は本考案の第十五実施形態による排気ガス再循環システム２００の図解である。システム２００はエンジン等の熱源から排熱することにより冷却材を脱着するための脱着器１９を有する吸収ヒートポンプ１８から成る。攪拌機１２は入口排気流１１を再循環排気ガス流１６と混ぜてこれらの流れの温度の中間温度となる出力排気流１３を出す。ある実施形態においては、攪拌機に再循環排気流を受ける第一入口、入口排気流を受ける第二入口、出力排気流を排出するように適合した出口を具備する。
【００３０】
出力排気流１３は入口排気流１１と熱量は同じでも流量が入口排気流１１より高く、温度がより低い。出力排気流１３は排気ガスの脱着器１９への投入条件であり、脱着器出口流１４は脱着器出口での排気ガス条件である。脱着器出口流１４は流れ１５と再循環排気流１６(「再循環排気ガス流１６」とも表記)に二分される。流れ１５は排気口２０から煙突等で大気中へ排出されるが、残りの即ち再循環する排気流１６は攪拌機１２へ戻される。この目的を実現するため、再循環ファン１７等を含む流れの調節手段を提供する。流れの調節手段は再循環排気流１６を攪拌機圧力まで圧縮するようにも適合されている。
【００３１】
図を視ればわかる通り、出力排気流１３の流量は入口排気流１１と再循環排気流１６の流量和となる。また、出力排気流１３の流量は脱着器出口流１４と等しく、この後者は流れ１５と再循環排気流１６の流量和に等しい。
【００３２】
再循環排気ガスを入口排気ガスと攪拌機と混ぜるので出力排気ガスの温度は下がる。また、混合後の出力排気量はエンジンから来る入口排気ガス流１１より高くなる。
【００３３】
３００〜６００℃で提供される入口排気流１１(「投入排気ガス流１１」とも表記)に対して、再循環排気流１６は流量が入口排気流１１の３倍で温度が１００〜２５０℃になるように調節されている。この過程において、出力排気流１３の温度は１２０〜３００℃程度まで下がる。この場合、脱着器出口流１４は温度が約１５０℃となる。
【００３４】
提案される排気再循環システム及び／又は方法は従来式のシステム/構成の持つ欠点を解決するものであって、本明細書において提案されている排気再循環の場合、従来方式排気ガス直接給気の５００〜６００℃に対して金属水素化物ヒートポンプをはじめとする吸収ポンプ脱着器に入るときの温度は１００〜２５０℃まで下がる。この給気温度は従来式の構成において金属水素化物ヒートポンプに入る排気の温度よりはるかに低い。このため金属水素化物ヒートポンプの熱交換器伝熱表面が過熱しない。
【００３５】
さらに、金属水素化物ヒートポンプは周期的なので熱交換器(「反応装置」)の加熱と冷却が周期的に交互するため、伝熱表面の温度が低いとシステム全体の熱惰性が下がり、システム性能が改善するばかりではなく冷却能力とＣＯＰもよくなる。
【００３６】
さらに、本考案のシステム及び／又は方法において熱交換器の入口と出口間の温度差が典型的に２０〜１００℃程度まで下がる。従って入口と排気ポート間の流量差も従来式のシステム及び／又は方法よりはるかに低くなる。このため排気ガスは均一な速度となり、伝熱率が向上する。
【００３７】
さらに、本考案のシステム及び／又は方法において、熱交換器入口における排気ガス流量は従来式のシステム及び／又は方法より高い。このため、熱交換器の経路や単一経路の本数を少なくでき、熱交換器内部の圧力降下を軽減できる。従って排気ガスが伝熱表面全体によりよく配分されることにもつながる。さらに、熱交換器全体の温度差が小さくなるので、熱的クリープ/膨張リスクも下がり、システムの信頼度と耐用期間の増大につながる。
【００３８】
さらに、熱交換器が最高温度約２５０℃で稼働すると、従来式の費用効果が高い素材（炭素鋼、アルミニウム、ステンレススチール、銅）を熱交換器に使用できるようになる。
【００３９】
この点に加え、本考案のシステム及び／又は方法だと、再生モジュールの稼働表面に堆積する粉塵、煤、排気ガス結露等の排気ガス成分を除去するための金属水素化物溶媒を搭載した反応装置の再生モジュールを構築することで浄化メカニズムを実装する余地が生まれる。
【００４０】
図３は本考案の実施形態に従う回転方式金属水素化物ヒートポンプ内の排気ガス再循環システム２００から熱を回収する仕組み３００を示す。この仕組み３００にはそれぞれに高温金属水素化物等の再生合金材料を使用する第一反応装置アセンブリモジュール３１（Ａ１）と第二反応装置アセンブリモジュール３２（Ａ２）、さらに流体切り替えメカニズムが含まれる。サイクル切り替え中の様々な流体の流れ切り替えは反応装置アセンブリモジュール３１と３２を回転することにより実現する。この目的のために、流体流切り替え手段を反応装置アセンブリモジュール３１と３２を取り付けた駆動機構を具備する回転式ベアリングアセンブリ３３として提供する。
【００４１】
反応装置アセンブリモジュール３１と３２は攪拌機３７とともに筐体３４内部に格納されている。筐体３４は高温の空気を区画分けして導入／排気ガス流４１、３８、４２、３９、４０と周囲空気流４３、４４を排出するためのものである。
【００４２】
一個かそれ以上の柔らかいシール３５と柔らかくないシール３６を具備して２つの区画を形成し、各筐体を反応装置アセンブリモジュール毎に構成する。シール３５と３６を対応する空気切り替えシステム内に提供し、反応装置アセンブリモジュール３１、３２の定置式および回転式条件において区画を形成する。さらに、仕組み３００は反応装置アセンブリモジュール３１の出口から来る冷却された出力ガス流を圧縮するための反応装置アセンブリモジュールの下流に再循環ファン４５(「ファン４５」とも表記)等の流れの調節手段から構成される。
【００４３】
再循環排気ガスはプロセス要件と再循環率に依存して平均温度範囲が約８０〜２５０℃である。再循環率とは再循環ガス流３９の入口排気流４１(「入口排気ガス流４１」とも表記)に対する比である。再循環率はシステム要件に応じて０．１〜１０となる。低循環率の場合温度出力が高い排気ガス流４０を出し、高再循環率なら温度出力が低い排気ガス流４０を出す。
【００４４】
圧縮冷却された出力ガス流４２(ファン出口からの入口排気流４１の流量に等しい)の一部は煙突/大気中へ排出される。一実施形態においては、煙突/大気への排気口４９はファン出口からではなくファン吸気から大気中へとすることができる、すなわち、排気口４９をファン４５の下流ではなく上流に配置して構わない。残りの再循環ガス流３９は入口排気流４１と攪拌機３７の中において高温で混ざる。最高５００℃に及ぶ高温で熱源となっている入口排気ガス流４１はエンジンの排気とすることができる。
【００４５】
入口排気ガス流４１と再循環ガス流３９は攪拌機７で混ざり、温度がこれらの中間になる出力排気ガス流４０の均一な混合気を成す。攪拌機７の出力排気ガス流４０は反応装置アセンブリモジュール３１の上を流れる。出力排気ガス流４０は温度が約３００℃、流量が入口排気流４１の最大１１倍である。この排気ガス温度はシステムの効率的性能のために最適である。出力排気ガス流４０の熱は反応装置アセンブリＡ１へ送られ、ここで金属水素化物が排気から水素だけを脱着する。このプロセスでは、出力排気ガスの温度が下がり、冷却された出力ガス流４２がファン４５の給気に供給される。
【００４６】
サイクル前半において、出力排気ガスは反応装置アセンブリモジュールＡ１の上を流れ、その後半では、出力排気ガスが反応装置アセンブリモジュールＡ２の上を流れる。第一サイクルと第二サイクル間の切り替えはベアリングアセンブリ３３が中心回転軸の周りを１８０°回って行われる。回転ベアリングアセンブリ３３は駆動機構により反応装置アセンブリモジュールＡ１とＡ２を回転する。
【００４７】
稼働中に攪拌機３７は第一入口４６から来る入口排気ガス流４１と第二入口４７から来る再循環ガス流３９を混ぜて出力排気ガス流４０を成し、これが出力出口４８から出て行く。
【００４８】
出力出口４８に連結した反応装置アセンブリモジュール３１は脱着ユニットとして機能し、出力排気ガス流４０を冷却出力ガス流４２に変換する。排気口４９は冷却出力ガス流４２の流れの軌道に設置されており、冷却出力ガス流４２の一部（以下では排出排気ガス流３８という）が、筐体３４から出て行き、上記ですでに言及された再循環ガス流３９である残りの冷却出力ガス流４２が経路を流れ続けて攪拌機３７に還流する。
【００４９】
反応装置アセンブリモジュール３１の上を通過した後の出力排気ガス流４０は再循環ガス流３９と排出排気ガス流３８に分かれる。冷却出力ガス流４２を分けるのは筐体３４内部に配置した排出排気ガス流３８用排気口４９を開閉制御して行う。排気口４９の開閉はこの出口を通る流れが一方向であって、入口排気ガス流４１にいかなる変化があってもファン４５サクションと排気部での圧力変化を起こすように機能する。排気口４９を通して、この圧力変化は排出排気ガス流３８と入口排気ガス流４１の圧力差に匹敵し、質量の均衡が常に維持される。
【００５０】
さらに、ファン４５のスピードを変えてファン排気量と再循環率を制御する。再循環率の変化により、出力排気ガス流４０の温度を制御する。入口排気ガス温度が下がると、ファンスピードが下がり再循環率を下げる。再循環率が下がると出力排気ガス温度を一定に維持することになる。
【００５１】
さらに、排気口４９をファン４５に後置でき、すなわち、ファン出口に設置するか前置でき、すなわちファン吸引側に設置してもよい。前者の場合、ファン４５で処理される流れは排出流と再循環流の和である。この仕組み３００では排気ガス再循環システム２００が低圧で稼働できるようになり、ファン吸引圧は大気圧より若干低く手も構わない。この仕組み３００において、排出排気はシステム２００内部で生成される最大圧によって吐き出される。後者の場合、ファン流量は再循環流量と等しく、このためファン出力の消費が減る。このためには排気ガス再循環システム２００を大気系統より高く稼働させることが必要です。この構成によると、排出排気はシステムの圧力が最低のときにシステムから吹き出る。
【００５２】
図４は本考案の実施形態に従うダンパー方式金属水素化物ヒートポンプ内の排気ガス再循環システムから熱を回収する仕組み４００を示す。
【００５３】
再生合金を使用した第一反応装置アセンブリモジュール５１（Ａ１）を水素ガスから冷蔵合金を使用した第二反応装置アセンブリモジュール５２（Ｂ１）と結合する。２つのモジュール５１と５２は水素配管５５で相互連結している。さらに、再生合金を使用した第三の反応装置アセンブリモジュール５３（Ａ２）を水素ガス側から冷蔵合金を使用した第四反応装置アセンブリモジュール５４（Ｂ２）と連結する。これらの２つのモジュール５３と５４はもう一つの水素配管５６で相互連結している。
【００５４】
さらに、ダンパーバルブ５７と総称する４本の電磁/電気空圧ダンパーバルブ５７a、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄは各４個のポートがあり、２つの位置を使用して伝熱流体/気流の反応装置モジュール５１、５２、５３、５４による所定の周期方式による切り替える。
【００５５】
ダンパーバルブ５７のフラップ位置６１はサイクル前半に対応し、反応装置モジュールＢ１とＡ２が脱着モードで、Ｂ２とＡ１が吸収モードで機能するようにしている。さらに、ダンパーバルブ５７のフラップ位置６１ｂはサイクル後半に対応し、Ａ１とＢ２は脱着モード、Ｂ１とＡ２が吸収モードで機能するようにしている。
【００５６】
サイクル前半において、反応装置アセンブリＡ２は中間温度が約３００℃の出力排気ガス流（Ａ−ｉｒ）を使用して水素を脱着中である。反応装置アセンブリＡ２から放出された水素は反応装置アセンブリＢ２に吸収され、吸収熱が気流（Ｃ‐ｉ）として環境へ排気される。出力排気ガス流（Ａ−ｉｒ）は第一ダンパーバルブ５７ａと入口ダクト６２を通って反応装置アセンブリＡ２へ流れる。
【００５７】
反応装置アセンブリモジュールＡ２による水素脱着プロセスにおいて、出力排気ガス流（Ａ−ｉｒ）は冷却され平均温度２００℃になる。反応装置アセンブリＡ２の出口で受け取られる冷却出力排気ガス流（Ａ−ｉｒ）は再循環ファンかブロワー５８の吸引側へもう一つの出口ダンパーバルブ５７ｂを通って流れる。再循環ファンかブロワー５８は５００℃までの高温を処理する。再循環ファンかブロワー５８は冷却出力排気ガス流（Ａ−ｉｒ）を、再循環ファンかブロワー５８に後置される攪拌機５９より高圧となるように圧縮する。入口排気ガス流（Ａ−ｉ）流量に等しい圧縮された排気ガス（Ａ−ｏ）の一部は再循環ファンかブロワー５８の出口から大気中へ排気される。一実施形態においては、大気中への排気ガス出口をファン出口ではなく再循環ファンかブロワー５８の吸引側から提供することができる。
【００５８】
さらに、残りの排気ガス流（Ａ−ｒ）は入口排気ガス流（Ａ−ｉ）と混合され、高温約５００℃で攪拌機５９に受け取られる熱源として機能する入口排気ガス流（Ａ−ｉ）は例えばエンジンの排気から得る。入口排気ガス流（Ａ−ｉ）と残りの再循環排気ガス流（Ａ−ｒ）は攪拌機５９の中で混ざり、中間の低温となる出力排気ガス（Ａ−ｉｒ）の均一な混合気を成す。再循環率はシステム要件に応じて０．１〜１０となる。
【００５９】
反応装置アセンブリＢ２での水素吸着プロセスにおいて、先述の通り吸収熱は周囲空気流（Ｃ‐ｉ）として大気中へ排出される。周囲空気流（Ｃ‐ｉ）は反応装置アセンブリＢ２と入口ダンパーバルブ５７ｄと入口ダクト６２を通して接続される。サイクル前半において、反応装置アセンブリＢ１は室６０すなわち冷却用封鎖区画から来る低温源である還流する気流（Ｄ−ｉ）を使用して水素脱着中である。反応装置アセンブリＢ１から放出された水素はサイクル前半に反応装置アセンブリＡ１によって吸収され、吸収熱が周囲空気流（Ｂ−ｉ）へ放出される。このプロセスの間還流気流Ｄ−ｉがさらに冷却されて室６０への低温給気（Ｄ−ｏ）よりさらに低い温度になる。
【００６０】
サイクル後半の間に反応装置アセンブリＡ１は出力気流（Ａ−ｉｒ）を使用して水素の脱着中である。脱着水素は反応装置アセンブリＢ１によって吸着され、吸収熱が周囲空気流（Ｃ−ｉ）を通り大気中に排出される。また、反応装置アセンブリＢ２は室６０から来る還流空気(Ｄ−ｉ)としての低温源を使用して水素の脱着中である。脱着水素は反応装置アセンブリＡ２によって吸着され、吸収熱が周囲空気流（Ｂ−ｉ）の中へ排出される。このプロセスの間、還流気流（Ｄ−ｉ）は室６０への低温給気（Ｄ−ｏ）温度よりさらに低温まで冷却される。
【００６１】
図５は従来式の排気システム(軌跡ａとｃを参照)と本明細書において説明されているシステムから構成されるヒートポンプ(ｖｂとｄを参照)に関して経時的に見た排気ガスからの脱着器入力熱の仕事率を示すグラフである。これらのグラフからわかる通り、排気再循環方式システムは排気ガスからの平均脱着器入力熱の仕事率が所定時間に渡って比較的低く、等量の水素を脱着している。
【００６２】
図６Ａと６Ｂは本考案の一側面に従う回転反応装置方式の金属水素化物ヒートポンプにおける自己浄化性仕組み６００を表す。特に、回転方式金属水素化物ヒートポンプに関して図６Ａはサイクル前半における反応装置アセンブリ位置を示し、図６Ｂはサイクル後半における反応装置アセンブリ位置を示す。
【００６３】
自己浄化性の仕組み６００は反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂを示しており、各アセンブリに再生/高温金属水素化物を含む。反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂは管の中に金属水素化物とフィンの上を流れる伝熱媒体を充填したフィン管方式熱交換器であってよい。
【００６４】
自己浄化性の仕組み６００は断熱区画２つに分割されるような構造になっており、各区画に反応装置アセンブリを含み、２種類の伝熱流体が半サイクルのうちに各区画を同時に相互に逆方向に流れる。換言すると、１つの反応装置アセンブリ表面に半サイクル中に堆積した粉塵や煤等の排気ガス流成分は排気ガス流と逆方向に対応する区画を通る周囲空気流を使用して次の半サイクル中に吹き除かれる。
【００６５】
反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂは断熱筐体７６に格納され、断熱区画７２を使用してもう一つの区画から隔離されている。反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂは駆動機構を具備するベアリングアセンブリ７５に取り付けられ、反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂを稼働中に回転軸７３の周りを回す。
【００６６】
筐体７６は２つの断熱区画を成すように提供され、各区画に一個の反応装置アセンブリと異なる伝熱流体が入っている。ある実施形態においては、筐体７６に各反応装置アセンブリの直径に合わせて分割用柔軟シール７４を取り付け、定置状態でも回転しているときも伝熱流体が２個の区画に混入しないようにする。分割用柔軟シール７４を反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂｎ上下に提供する。さらに、周辺の柔らかいシール７７を筐体７６周囲に取り付けて伝熱流体の迂回を防止し、回転中や静止状態において反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂの上を流れる。
【００６７】
さらにすでに説明した通り、１つの伝熱流体７８ａはｐｐｍが僅かな粒子状物質／煤８０ａと８３ａを含む入口排気ガス流である。さらに、この入口排気ガス流には酸性ガス結露等の排気ガス成分の結露が含まれる。さらに、もう一つの伝熱流体７９ａは入口周囲空気流であって、ｐｐｍレベルの粉塵粒子８１ａと８２ａを含有する。さらに、出口排気ガス流は７８ｃによって表される。サイクル前半と後半における反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂの上を流れる排気ガス流の方向を７８ｂで示す。同様に、出口周囲流を７９ｃで示す。サイクル前半と後半における反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂの上を流れる周囲空気流の方向を７９ｂで示す。
【００６８】
容易に察せられる通り、排気ガス内の煤粒子数は周囲空気より通常は多い。従って、周囲空気流量は排気ガス流より常に高く維持される。このためサイクル前半において一つの区画の中で反応装置表面に堆積した比較的多量の煤粒子は、サイクル後半で排気流の方向と逆方向に他方の区画の中を流れる周囲空気流量によって除去される。
【００６９】
参照番号８０ａはサイクル前半に反応装置アセンブリ７１ａの入口に堆積した煤粒子を示す(図６Ａ)。これらの粒子は排気ガス流方向７８ｂの逆に流れる周囲空気流７９ｂによって押し出される(図６Ｂの８０ｂ)。
【００７０】
同様に、参照番号８３ａはサイクル後半に反応装置アセンブリ７１ｂの入口に堆積した煤粒子を示す。これらの粒子は排気ガス流方向７８ｂの逆に流れる周囲空気流７９ｂによって押し出される（８３ｂ）。
【００７１】
参照番号８１ｂは図６Ａにおいて、反応装置アセンブリ７１ａの排気ガス流７８ｃによって押し出された粉塵粒子を示す。これらの粉塵粒子(８１ｂ)は直前半サイクルにおいて反応装置アセンブリに堆積したもので図６Ｂにおいて８１ａで示す。ここで反応装置アセンブリに堆積した粉塵は方向７８ｂに流れる排気ガス流によって押し出され、７９ｂで示す、周囲空気流とは逆の流れである。
【００７２】
同様に、参照番号８２ｂは反応装置アセンブリ７１ｂの排気ガス流７８ｃによって押し出された粉塵粒子を示す。粉塵粒子(８２ｂ)は８２ｂで示す、サイクル前半に反応装置アセンブリに堆積したものである。ここでは反応装置アセンブリに堆積した粉塵は周囲空気流７９ｂとは逆に流れる方向７８ｂで示す排気ガス流で押し出される。
【００７３】
反応装置アセンブリ７１ａと７１ｂの上下に設置した分割用柔軟シール７４は反応装置アセンブリ毎に堆積する粉塵／煤粒子の除去を助けるために反応装置アセンブリの表面と接触するように適合されている。分割用柔軟シール７４の緩めの終端部は回転している間反応装置アセンブリと接触し続け、各半サイクル後に反応装置表面に堆積した煤／粉塵粒子を緩めるのを助ける。煤／粉塵の緩んだ粒子はそれぞれ周囲空気及び／又は排気ガス流によって既述の通り押し出される。同様にして、結露は反応装置アセンブリからも排出される。
【００７４】
図７Ａと７Ｂは本考案の一側面に従うダンパー方式の金属水素化物ヒートポンプにおける自己浄化性の仕組み７００を示す。
【００７５】
特に、図７Ａは、サイクル前半にｐｐｍレベルの煤粒子を含む排気ガス流が伝熱流体として機能しているダンパー方式金属水素化物ヒートポンプの反応装置アセンブリ９１を示し、図７Ｂは、周囲空気流がサイクル後半にｐｐｍレベルの煤粒子を含む伝熱流体として機能する反応装置アセンブリ９１を示す。
【００７６】
反応装置アセンブリ９１は再生/高温金属水素化物合金を含む。反応装置アセンブリ９１は各半サイクル後には伝熱流体を交互に切り替えるように適合された空気弁９２ａと９２ｂのセットを含む。図７ａに関して説明すると、空気弁９２ａを介して反応装置アセンブリ９１に供給される入口排気ガス流９３ａはサイクル前半に反応装置アセンブリ９１の上を通り、空気弁９２ｂを通って出口排気流９３ｃとして出ていく。反応装置アセンブリ９１の上での排気流の方向を９３ｂで示す。さらに、図７に関して、反応装置アセンブリ９１に空気弁９２ｂを通って供給される入口周囲空気流９４ａはサイクル後半に反応装置アセンブリ９１の上を流れる。入口周囲空気流９４ａは出口周囲空気流９４ｃとして空気弁９２ａから反応装置アセンブリ９１を出ていく。反応装置アセンブリ９１の上での周囲空気流の方向を９４ｂで示す。
【００７７】
サイクル前半に煤粒子は反応装置アセンブリ９１の入口に堆積する(９５ａ)。反応装置アセンブリ９１を流れる排気ガス流は直前半サイクルにおいて９６ａに示すように周囲空気流から堆積した煤粒子を反応装置アセンブリ９１から排出させる(９６ｂ)。排気ガス流９３ｂは周囲空気流９４ｂとは逆方向に反応装置アセンブリ９１の上を流れるように適合されている。このため粉塵／煤粒子は反応装置アセンブリ９１から空気弁９２ｂを通って出やすくなる。
【００７８】
サイクル後半を通して、前半サイクル９５ａに反応装置アセンブリの入口に堆積した煤粒子は９５ｂで示す周囲空気流により空気弁９２ａを通して上述の通り排出される。
【００７９】
図６（総体的）と図７（総体的）におけるような各状況において、熱回収システムのその他の基幹的特長の構成は図２〜４に関する説明と同じとなる。例えば図６と図７で説明した実施形態も図２〜４で説明した再循環回路を具備している。さらに、再循環流をエンジン等の排気源から流れてくる排気ガス流と混合するために再循環回路の一環として攪拌機を設けてある。ある実施形態においては、この攪拌機は２個の断熱区画自体のうちどちらかの中に設置されている。
【００８０】
排気ガス中の煤粒子数は周囲空気中の粉塵数より通常は多い。従って、周囲空気流量は排気ガス流より高く維持される。このためサイクル後半では数量が多い煤粒子は排気流方向と逆に流れている周囲空気流によって反応装置表面から除去される。
【００８１】
この分野の専門家であればわかる通り、本考案の再循環方式自己浄化性構成は金属水素化物ヒートポンプに限ることはなく、排気熱駆動方式吸着ヒートポンプ、臭化リチウム水吸収ヒートポンプ、アンモニア水吸収ヒートポンプにも応用することができる。
【００８２】
本考案による伝熱システムにより提供される技術進歩には以下のことの実現が含まれる。
・システム信頼度の向上
・コンパクトで管理性に優れるシステム
・伝熱率の改善
・反応装置アセンブリの効率的自己浄化が可能になる
【００８３】
本明細書を一貫して用語「成す」「構成する」やその類語としての「組成する」または「なしている」は記載されている要素、整数または手順または要素、整数または手順の群を含むがその他の要素、整数または手順またはその他の要素、整数または手順の群を除くことなくこれらを含むことを含意している。
【００８４】
「少なくとも」または「少なくとも１つの」という表現の使用は、１つまたは複数の目的物質または結果を得るために、実施例において使用される場合があることに従い、１つまたは複数の要素または成分または数量の使用を示唆している。
【００８５】
本明細書に含まれている文書、行為、素材、デバイス、商品または同類のものについての議論は本考案開示のための文脈を成す目的のためにのみ含まれている。任意のまたはすべての以上の事項が既知の考案技術の基礎の一部を構成するまたは本出願優先日以前に任意の場所に存在していた本考案関連分野における共有されている一般的知識であるという是認と解釈されてはならない。
【００８６】
異なる物理的パラメータ、変数、寸法や数量を表す数値は概数であって、パラメータ、変数、寸法や数量に代入された数値より高い／低い値は本考案の範囲に含まれることが意図されている。但し、明細書に異なる記載がなされている場合はこの限りではない。
【００８７】
優先実施形態の異なる構成要素を相当強調してきたが、多くの異なる修正を行うことができ、また、考案の原理から乖離することなく優先実施形態には多くの追加が可能である。本考案または優先実施形態ならびにその他の実施形態の特質を修正できることは本考案分野の専門的技能を有する者には明らかであって、この際、以上の説明的事項が単に本考案を説明するためのものであり、限定的なものとして解釈されてはならないことを明確に理解する必要がある。
【図１】
0003218020.tif 000003
【図２】
0003218020.tif 000004
【図３】
0003218020.tif 000005
【図４】
0003218020.tif 000006
【図５】
0003218020.tif 000007
【図６Ａ】
0003218020.tif 000008
【図６Ｂ】
0003218020.tif 000009
【図７Ａ】
0003218020.tif 000010
【図７Ｂ】
0003218020.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月18日(2018.7.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
金属水素化物ヒートポンプ用再生システムであって、
第一断熱室及び第二断熱室に分割された断熱筐体と、
前記第一断熱室に格納されており、再生用の高温金属水素化物合金を含む第一金属水素化物反応装置アセンブリと、
前記第二断熱室に格納されており、再生用の高温金属水素化物合金を含む第二金属水素化物反応装置アセンブリと、
周囲空気流を前記断熱筐体内に取り入れて、前記第一断熱室内に格納された前記第一金属水素化物反応装置アセンブリ又は前記第二断熱室内に格納された前記第二金属水素化物反応装置アセンブリのうち少なくとも１つに供給するように適合した周囲空気入口と、
排気源から受ける排気流を再循環流として再循環するように構成された流体再循環回路と、を具備し、
前記の流体再循環回路は、
前記再循環流と前記排気流の一部を混合して温度が前記排気流と前記再循環流の中間温度となる出力流を供給する攪拌機と、
前記攪拌機に連結され、前記攪拌機から受ける前記出力流と前記周囲空気流を周期的に切り替えるように適合された流体流切り替え手段であって、サイクル前半において、前記出力流が第一方向にある金属水素化物反応装置アセンブリに供給され、周囲空気流がもう一つの金属水素化物反応装置アセンブリに前記第一方向とは逆の第二方向に供給される流体流切り替え手段と、
前記第一又は第二金属水素化物反応装置アセンブリの下流に設置する流れの調節手段と、
前記一部の前記の再循環流の残りを前記筐体から排出させるための排気口と、を具備する金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項２】
前記排気流の温度は３００〜６００℃の範囲にあり、前記再循環流の温度は１００〜２５０℃の範囲にあり、前記出力流の温度は１２０〜３００℃の範囲にある請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項３】
前記流体流切り替え手段は、ベアリングアセンブリとこれに連結した駆動機構と、この駆動機構に取り付けた金属水素化物反応装置アセンブリを回すように適合したベアリングアセンブリから構成される請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項４】
前記流体流切り替え手段は、４ポート２位置バルブと２個の３ポート２位置バルブから成る流体回路である請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項５】
前記流体流切り替え手段は２個の４ポート２位置バルブから成る流体回路である請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項６】
前記流れの調節手段は、再循環流の流量を前記排気流の流量に合わせて制御する請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項７】
前記周囲空気流の流速が前記排気流より高い請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項８】
前記排気口を前記流れの調節手段の下流に設置した請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項９】
前記排気口を前記流れの調節手段の上流に設置した請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項１０】
前記攪拌機は前記各断熱室のうち一つに配置されており、前記攪拌機に再循環流を入れる第一入口、排気流用の第二入口及び前記出力流を生み出すために適合した出口を具備する請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項１１】
前記第一入口に再循環流が排気流より０．１〜１０倍の流量範囲で流入する請求項１０記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。
【請求項１２】
前記筐体に各金属水素化物反応装置アセンブリの直径に合わせて分割用柔軟シールを取り付け、伝熱流体が前記断熱室に混入しないようにしてある請求項１記載の金属水素化物ヒートポンプ用再生システム。