JP4698449B2 - ガソリンベーパ回収装置 - Google Patents

Description

この発明は、ガソリンスタンドでのガソリン給油時などにおいて大気中へと放出される、気化したガソリン（ガソリンベーパ）を液化して回収し再利用を図るためのガソリンベーパ回収装置に関するものである。

自動車などのガソリンタンク内において、液ガソリンが存在する部分以外の場所には、ガソリンベーパが飽和状態で存在している。そのため、ガソリンスタンドにおいて給油を行う際、給油された液ガソリンとほぼ同量のガソリンベーパが大気中へ放出され、光化学スモッグの原因とされ、問題視されている。
そのため、現在、ガソリンベーパを冷却、液化回収することによって再利用可能とするために、ガソリンベーパ回収装置が提案されている。
ガソリンベーパを回収する方法のうち、吸着剤を用いたガソリンベーパの吸着による回収方法について、一般的に、吸着剤を充填し、吸着を行うための装置である吸着塔として用いられている。また、吸着剤は低温状態においてその吸着性能が向上するため、冷却が行われている。その冷却方法としては、複数のフィンを用いたフィン型熱交換器の間に吸着剤を充填するという方式が一般的に存在している（例えば、特許文献１参照）。
また、ガソリンベーパ回収装置は、給油時に大気中へと放出される大気温度下のガソリンベーパを、冷媒を用いた冷却により濃度10[vol%]程度まで、液化回収を行い、残りのガソリンベーパは熱交換器を用いた冷却が行われている吸着塔内の低温状態にある吸着剤へ流入し、吸着させることによって、大気中へ放出されるガソリンベーパの濃度を1[vol%]未満に抑えるものである。吸着塔内で用いられているフィン型熱交換器については、吸着剤の粒径が小さい場合、流動層内においては通気抵抗が大きくなり、吸着量の低下が考えられ、さらに、吸着剤粒子飛散による装置外への影響、または流動層内での粒子の振動による吸着剤自体の破粉からの性能低下といった課題も考えられる。一方吸着剤の粒径が大きい場合、粒径の大きさから吸着剤充填密度が低下する。また、吸着塔内に出来る空隙部も増大し、冷却性能の低下が考えられる。そして、このようなタイプの熱交換器においては伝熱面がフィンであることから、フィンの枚数を多くすることが必要であり、その弊害として吸着剤の粒径にも充填可能な寸法という制限が出てくる。このような熱交換器と吸着剤を用いた吸着塔の冷却の際の寸法設計においては、主に熱交換器のフィンピッチに充填可能なある程度の大きさを持った吸着剤粒径になっており、吸着剤粒子径の選定基準について明確となっていない（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１４１８０３号公報（図８） 特開平１１−２４１８７１号公報

従来の熱交換器と吸着剤を用いた吸着塔の冷却の際の寸法設計においては、主に熱交換器のフィンピッチに充填可能なある程度の大きさを持った吸着剤粒径になっており、吸着剤粒子径の選定基準について明確となっていなかったため、ガソリンベーパ回収装置の吸着塔の場合、エネルギー効率が悪いという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、吸着塔の構成要素である熱交換器フィンと吸着剤の粒径の異なる組み合わせから起こる冷却性能の違いを把握することで、各寸法の組み合わせの最適範囲、選定基準を導くことにより、明確な選定を行い、吸着剤の冷やし込みの速度を大きくするとともに効率的な熱交換器フィンピッチ、吸着剤粒径を備えたガソリンベーパ装置の吸着塔を提供するものである。

この発明に係るガソリンベーパ回収装置においては、熱源ユニット、ガソリン凝縮ユニット、およびブライン凝縮ユニットを備え、熱源ユニットは、圧縮機、凝縮器、絞り装置、および蒸発器が冷媒配管によって順に接続された冷媒循環回路で構成され、ガソリン凝縮ユニットは、ガソリン給油ノズル、そのガソリン給油ノズルを介してガソリンを吸引するガソリン吸引ポンプ、およびそのガソリン吸引ポンプによってガソリンが送られるガソリンベーパ凝縮管によって構成され、ブライン凝縮ユニットは、蒸発器およびガソリンベーパ凝縮管をその内部に有するブライン槽、フィン型熱交換器を内部に有する吸着塔、およびブライン槽とフィン型熱交換器との間でブラインを循環させるブラインポンプによって構成され、吸着塔は、その内部に吸着剤を有する吸着塔容器、およびその吸着塔容器内部に設置されたフィン型熱交換器で構成され、そのフィン型熱交換器は、ブラインが流通する熱媒体流通管、およびその熱媒体流通管が貫通するプレートフィンによって構成され、フィン型熱交換器のプレートフィンとプレートフィンの間に粒状の吸着剤が充填され、熱源ユニットにおける蒸発器が、ブライン凝縮ユニットにおけるブライン槽内部のブラインを冷却し、その冷却されたブラインによって、ガソリン凝縮ユニットにおけるガソリンベーパ凝縮管を流通するガソリンベーパの少なくとも一部が液化され、その冷却されたブラインが流通するフィン型熱交換器によって、ブライン凝縮ユニットにおける吸着塔の吸着剤が冷却され、ガソリンベーパ凝縮管から流出したガソリンは、吸着塔内部の吸着剤に送られて、少なくともその一部がその吸着剤に吸着されるものである。

また、フィン型熱交換器のプレートフィンとプレートフィンの間隔であるフィンピッチＦと吸着剤粒径Ｄとの比（Ｆ／Ｄ）が４〜６の範囲内にあるものである。

また、フィン型熱交換器は、２本の直管部とこれを連結するヘアピン部とを有するＵ字状の複数の伝熱管からなる熱媒体流通管と、一定の間隔で平行に並べられた複数のプレートフィンとから構成され、前記直管部は、前記プレートフィンを垂直に貫通し、列ピッチが等間隔となるように、かつ、段ピッチが等間隔となるように貫通しており、列ピッチを22[mm]、段ピッチを25.4[mm]、伝熱管外径を9.52[mm]とし、プレートフィンとプレートフィンの間に吸着剤としてシリカゲルを充填したものである。

この発明によれば、一般的に使用されている冷凍空調用熱交換器に、フィンとフィンの間に粒状の吸着剤を充填することで、その最適な寸法の組み合わせを試験によって確認し、冷凍空調用熱交換器や、冷凍機で用いている熱交換器を流用することにより、製造原価を大幅に安くすることが出来るなどの利点がある。フィンピッチFと吸着剤粒径Dの比率（Ｆ／Ｄ）を４〜６の範囲内に選定することで、熱交換器からの吸着塔内部熱の伝導を最も効率よく行うことができ、それにより吸着塔のエネルギー効率を向上させることが出来る。

実施の形態１．
図1はこの発明の実施の形態１におけるガソリンベーパ回収装置の全体構成図を示す。図1中、このガソリンベーパ回収装置は、熱源ユニット１、ガソリン凝縮ユニット２、不凍液（ブライン）凝縮ユニット３で構成されている。熱源ユニット1は、圧縮機５、凝縮器６、絞り装置７、蒸発器８、の冷媒循環回路で構成されている。なお、この冷媒循環回路内には冷媒が流動しており、この冷媒として、可燃性のないＨＦＣ冷媒や自然冷媒（例えばＣＯ２など）が用いられる。ガソリン凝縮ユニット２は、ガソリン給油ノズル９、ガソリン吸引ポンプ１０、ガソリンベーパ凝縮管１２によって構成されている。また、ブライン凝縮ユニット３は、冷媒回路の蒸発器８およびガソリンベーパ凝縮管１２を備えたブライン槽１１、ブラインポンプ１３、および吸着塔４内の熱媒体流通管１６で構成されている。吸着塔４は、吸着塔容器１４、吸着剤１５、熱媒体流通管１６、プレートフィン１７で構成されている。

次に、この実施の形態１におけるガソリンベーパ回収装置の動作について説明する。熱源ユニット１によって冷媒回路内の機器を運転させることで、蒸発器８の温度を下げる。蒸発器８の冷却によってブラインが一定温度まで冷却され、冷媒回路内機器の運転は停止するようになっており、一定温度で制御されている。ガソリン給油ノズル９からガソリンが給油され、その際に自動車などのガソリンタンク内より放出されるガソリンベーパをガソリン吸引ポンプ１０により吸引し、ガソリンベーパ凝縮管１２内を通すことにより徐々に冷却されていきガソリンベーパはガソリン液となる。ガソリン吸引ポンプ１０によって吸引された中で、ガソリンベーパ凝縮管１２を通して10[vol%]程度まで液化回収されたガソリンベーパは吸着塔４へと輸送される。吸着塔４へと流入された残りのガソリンベーパは吸着塔容器１４内の吸着剤１５によって吸着され、1[vol%]未満で大気中へと放出される。また、吸着剤１５については吸着塔４内にある熱媒体流通管１６内を流れるブラインによって冷却され、ブラインはブライン槽１１と熱媒体流通管１６をブラインポンプ１３によって循環され、一定温度で制御されている。

次に、この実施の形態１における吸着塔４の構成について説明する。図２はこの発明の実施の形態１におけるガソリンベーパ回収装置の吸着塔の上部断面と吸着塔の内部詳細を拡大して示す構成図である。吸着塔４内に収められる熱交換器は、図３に示すように、熱媒体流通管（銅管）１６の外表面に垂直に設けられたプレートフィン１７が伝熱面として構成された一般的に用いられている冷凍空調用熱交換器である。そして、このように構成された一般的な熱交換器が吸着塔容器１４内に収められている。この熱交換器のプレートフィン１７とプレートフィン１７の間（フィンピッチ）と、吸着塔容器１４の空隙部において、吸着剤１５を充填することで吸着塔４を構成している。熱交換器の熱媒体流通管１６内へ低温維持された不凍液（ブライン）やＨＦＣ冷媒などを吸着塔４の下部より流入させ、プレートフィン１７（材質：アルミニウム）を介した熱伝導によって吸着剤１５が冷却される。この実施の形態１においてのガソリンベーパ回収装置では、この熱媒体流通管１６内へブライン槽１１内にある冷却されたブラインをブラインポンプ１３によって流入させ、循環させることによって低温を維持している。また、この実施の形態１では、吸着剤１５の冷却方法に熱交換器を用いているが、他の冷却方式として吸着塔容器１４全体を冷やし込む方法や、吸着塔４内のコイル状の配管へ冷却水を流すことによる冷却方法など考えられる。しかしながら、この実施の形態１においては、冷凍空調用で用いられている熱交換器を流用することによって、冷却性能に優れた、製造原価が大幅に安いものを使用することが可能であるため、適用することにした。また、一般的に用いられている冷凍空調用熱交換器は、リングフィン、ルーバステアフィンなどいくつかの種類のフィン形状が挙げられるが、この実施の形態１においては吸着剤１５を熱交換器のプレートフィン１７とプレートフィン１７の間（フィンピッチ）に効率的に充填する必要があるため、充填可能な形状、切り起こしなどがないフラットな形状のフィンである必要がある。さらに、冷凍空調用の熱交換器の場合、風路抵抗、霜付等の制約から、フィンピッチはおおむね1.5〜10mmの範囲である。この冷凍空調用の熱交換器を吸着塔４に用いる場合、一般にフィンピッチが小さいほうが、伝熱面積が増えることより、吸着塔４内で存在している熱量が熱媒体流通管１６へ伝わり易くなると考えられる。しかし、フィンピッチが小さくなることで、吸着剤１５の充填が困難となり、充填密度が減少し、冷却性能、吸着性能の低下が考えられる。またフィンピッチが大きすぎると吸着剤１５の冷却が十分に行われないことも考えられる。よって、図６のイメージ図にあるように、熱交換器のフィンピッチＦ、吸着剤粒径Ｄの寸法の組み合わせ、すなわち、（フィンピッチＦ）／（吸着剤粒径Ｄ）の値において熱交換器のフィンピッチＦ、吸着剤粒径Ｄそれぞれの熱を伝える効率の交点である×部のような冷却性能が最もよい寸法の組み合わせが存在すると考えられる。そこで、この発明の実施の形態１においては、吸着塔４で用いられるプレートフィン熱交換器のフィンピッチＦ、および、吸着剤粒径Ｄを組み合わせることで、冷却性能が最も優れた範囲についての検討を行った。
表１に熱交換器のフィンピッチＦおよび吸着剤粒径Ｄの組み合わせについて示す。また、この際用いた吸着剤１５については、ガソリンベーパの吸着剤として粒子状のシリカゲルを用いており、市販の吸着剤粒径種類の都合上、以下の組み合わせのみと限定されたが、この発明の実施の形態においてはこれらに限定されるものではない。さらに、熱交換器についてもこの発明の実施の形態１においての吸着剤が充填可能と判断されるフィンピッチをもった熱交換器を用いることとした。熱交換器の段ピッチ25.4mm、列ピッチ22mm、伝熱管外径9.5mmである。

この実施の形態1の粒子径はこの個数平均粒子径を用いている。
熱交換器内へブラインを吸着塔４下部より流入させることによって熱交換を行うこととした。このブラインはブラインポンプ１３によって約６〜７[l/min]の流量となっており、さらにブラインの吸着塔入口温度は冷却機（ブライン槽１１の蒸発器８）により低温で維持されている。よって、ブラインがブラインポンプ１３を通じて吸着塔４内へと流入し、吸着塔内に存在する熱量を受け取り、冷却機（ブライン槽１１の蒸発器８）へと戻ることにより、吸着剤１５の冷却が行われる。

この発明における実施の形態1の動作を以下に示す。
冷却機（ブライン槽１１の蒸発器８）を用いてブラインの吸着塔内入口温度を1[℃]程度に制御し、吸着塔４下部より流入させることで吸着塔４の常温状態からの冷却を行い、温度の時間変化についての検討を行った。
吸着塔内の熱量は熱交換器フィンを通じてブラインによって吸着塔外へと運ばれていく。吸着塔内の熱収支について以下の式１が考えられる。

［式１］

なお、この場合の吸着塔容器からの放熱分は無視した。
式１を積分すると以下のような式２となる。

［式２］

図５に熱交換器フィンピッチFｐ＝3.0[mm]、吸着剤粒径Dp＝0.5〜0.84[mm]を上式に当てはめた場合での結果を示す。縦軸は左辺、横軸は右辺を表している。図5よりこの式は1次関数へと近似が出来、以下の式３となる

［式３］

これによりこの関数の勾配（絶対値）に充填された吸着剤の比熱、吸着塔内への充填重量を乗することで吸着剤から熱交換器までの温度の伝わりやすさ（冷却性能）を式４のように算出することが出来る。

［式４］

図７はこの発明において各吸着剤粒径Ｄ、熱交換器のフィンピッチＦの組み合わせで冷却試験を行ったときの冷却性能の違いを示す。これは縦軸に熱交換器のフィンを通じて熱媒体流通管１６を流れるブラインへと伝わる吸着剤１５が持っている熱量の割合を示したものである。横軸は熱交換器のフィンピッチ（F）を充填した吸着剤１５の個数平均粒径（D）で除した値（Ｆ／Ｄ）で、無次元化させることで各組み合わせでの冷却性能の比較を容易にしたものである。この図７により、Ｆ／Ｄ＝4〜6程度の範囲内にフィンピッチＦと吸着剤粒径Ｄを選定すれば、伝熱性能を２倍程度にすることが出来るため、冷やし込みに要する時間は短くすることが出来る。

先に述べたように、一般に、吸着剤は温度を低くするほど、その吸着量は大きくなる特性を有している。そのため吸着塔４は、吸着剤のこの特性を利用するために、この実施の形態１のように、熱交換器を具備し、吸着剤を冷却し、吸着性能を最大限発揮できるようにしている。また、図7により、図6のイメージ図のように、フィンピッチ、吸着剤粒径の両者の熱を伝える効率の交点である部分（×部）がＦ／Ｄ＝4〜6に存在し、その寸法の組み合わせのとき最もより冷却性能を持つということを確認することができる。
吸着塔運転開始直後は、吸着剤は周囲温度になっており、その状態から所定温度まで吸着剤を冷やし込まなければならい。この所定温度までの冷やし込み時間は、吸着塔に吸着質を含んだガスを送り込むことができないので、無駄にエネルギーを消費していることになる。すなわち、吸着塔のエネルギー効率を向上させるためには、所定温度に到達するまでの冷やし込み速度を大きくする必要がある。この発明のようにＦ／Ｄ＝４〜６の範囲に、フィンピッチＦと吸着剤粒径Ｄを設定することで、図８に示すように、冷やし込み時間を大幅に低減することが可能となり、吸着塔のエネルギー効率を向上することができる。

この発明の実施の形態１におけるガソリンベーパ回収装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態１におけるガソリンベーパ回収装置の吸着塔の上部断面と吸着塔の内部詳細を拡大して示す構成図である。 この発明の実施の形態１による吸着塔内熱交換器構造の立体イメージ図（一部）である。 この発明の実施の形態１において用いた吸着剤の粒子質量基準の積算存在率を示す特性図である。 この発明の実施の形態１において用いた吸着塔を冷却した際の吸着塔内温度とブライン入口温度との差の対数値の時間変化を示す特性図である。 フィンピッチ、吸着剤粒径の熱の伝わり方を示すイメージ図である。 この発明の実施の形態１において冷却性能のフィンピッチ/吸着剤粒径による違いを示す特性図である。 吸着塔の熱交換器フィンピッチ、吸着剤粒径の最適化を行った場合での吸着塔内温度時間変化の違いを示すイメージ図である。

符号の説明

１ 熱源ユニット ７ 絞り装置 １３ ブラインポンプ
２ ガソリン凝縮ユニット ８ 蒸発器 １４ 吸着塔容器
３ ブラインユニット ９ ガソリン給油ノズル １５ 吸着剤
４ 吸着塔 １０ ガソリン吸引ポンプ １６ 熱媒体流通管
５ 圧縮機 １１ ブライン槽 １７ プレートフィン
６ 凝縮器 １２ ガソリンベーパ凝縮管

Claims (4)

1. 熱源ユニット、ガソリン凝縮ユニット、およびブライン凝縮ユニットを備え、
   前記熱源ユニットは、圧縮機、凝縮器、絞り装置、および蒸発器が冷媒配管によって順に接続された冷媒循環回路で構成され、
   前記ガソリン凝縮ユニットは、ガソリン給油ノズル、該ガソリン給油ノズルを介してガソリンを吸引するガソリン吸引ポンプ、および該ガソリン吸引ポンプによってガソリンが送られるガソリンベーパ凝縮管によって構成され、
   前記ブライン凝縮ユニットは、前記蒸発器および前記ガソリンベーパ凝縮管をその内部に有するブライン槽、フィン型熱交換器を内部に有する吸着塔、および前記ブライン槽と前記フィン型熱交換器との間でブラインを循環させるブラインポンプによって構成され、
   前記吸着塔は、その内部に吸着剤を有する吸着塔容器、および該吸着塔容器内部に設置された前記フィン型熱交換器で構成され、
   該フィン型熱交換器は、ブラインが流通する熱媒体流通管、および該熱媒体流通管が貫通するプレートフィンによって構成され、
   前記フィン型熱交換器のプレートフィンとプレートフィンの間に粒状の前記吸着剤が充填され、
   前記熱源ユニットにおける前記蒸発器が、前記ブライン凝縮ユニットにおける前記ブライン槽内部のブラインを冷却し、
   当該冷却されたブラインによって、前記ガソリン凝縮ユニットにおける前記ガソリンベーパ凝縮管を流通するガソリンベーパの少なくとも一部が液化され、
   当該冷却されたブラインが流通する前記フィン型熱交換器によって、前記ブライン凝縮ユニットにおける前記吸着塔の前記吸着剤が冷却され、
   前記ガソリンベーパ凝縮管から流出したガソリンベーパは、前記吸着塔内部の前記吸着剤に送られて、少なくともその一部が当該吸着剤に吸着されることを特徴とするガソリンベーパ回収装置。
2. フィン型熱交換器のプレートフィンとプレートフィンの間隔であるフィンピッチＦと吸着剤粒径Ｄとの比（Ｆ／Ｄ）が４〜６の範囲内であることを特徴とする請求項１記載のガソリンベーパ回収装置。
3. フィン型熱交換器は、２本の直管部とこれを連結するヘアピン部とを有するＵ字状の複数の伝熱管からなる熱媒体流通管と、一定の間隔で平行に並べられた複数のプレートフィンとから構成され、前記直管部は、前記プレートフィンを垂直に貫通し、列ピッチが等間隔となるように、かつ、段ピッチが等間隔となるように貫通しており、プレートフィンとプレートフィンの間に吸着剤としてシリカゲルを充填したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガソリンベーパ回収装置。
4. フィン型熱交換器は、前記列ピッチを22[mm]、前記段ピッチを25.4[mm]、伝熱管外径を9.52[mm]としたことを特徴とする請求項３記載のガソリンベーパ回収装置。

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