JP2002115506A - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ランキンサイクル装置の膨張機に供給される
液相作動媒体の過冷却を防止して蒸発器の消費エネルギ
ーを節減する。 【解決手段】 ランキンサイクル装置２は、蒸発器３、
膨張機４、凝縮器５、タンク６および供給ポンプ７を備
えており、膨張機４および凝縮器５を接続する低圧蒸気
通路１２とタンク６とがバイパス通路１５で接続され
る。タンク６内の水温が設定温度を越えている場合に
は、膨張機４からの蒸気は全て凝縮器５に供給される
が、前記水温が設定温度以下の場合には、開閉弁２６を
開放して膨張機４からの蒸気をバイパス通路１５を介し
てタンク６内に供給し、蒸気排出管１７の多数の小孔１
７ａ…から気相部および液相部に噴出させる。その結
果、タンク６内で蒸気が凝縮する際に放出する潜熱で水
温を上昇させ、蒸発器３で水を加熱して蒸気を発生させ
る際の消費エネルギーを節減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
ス等の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するための
ランキンサイクル装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】実開平１−３３７６９号公報には、内燃
機関の排気ガスで液相作動媒体を加熱して蒸気を発生さ
せる蒸発器と、蒸発器で発生した蒸気で駆動される膨張
機と、膨張機を通過した蒸気を冷却して液相作動媒体に
戻す凝縮器と、凝縮器からの液相作動媒体を加圧して蒸
発器に供給する供給ポンプとを備えたランキンサイクル
装置において、供給ポンプ内の作動媒体が凝固している
可能性がある低温始動時に、内燃機関の排気ガスの一部
を供給ポンプの周囲に導いて凝固した作動媒体を融解す
るものが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、凝縮器と供
給ポンプとの間に液相作動媒体を貯留するタンクを備え
たランキンサイクル装置では、タンク内に貯留された液
相作動媒体の温度を設定温度より高く保つことが望まし
い。なぜならば、タンク内の液相作動媒体の温度が設定
温度以下（過冷却状態）になると、その液相作動媒体を
蒸発器で加熱して蒸気にする際に必要となる熱量が増加
し、ランキンサイクル装置の効率が低下するからであ
る。しかしながら、実際には膨張機や凝縮器の運転状態
に応じて、特に過渡期においてタンクに供給される凝縮
水の温度が増減することが避けられず、また運転停止中
にタンク内の凝縮水が冷えて設定温度以下（過冷却状
態）になることも避けられなかった。

【０００４】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、ランキンサイクル装置のタンク内に貯留された液相
作動媒体の過冷却を防止して蒸発器の消費エネルギーを
節減することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に記載された発明によれば、液相作動媒体
を加熱して蒸気を発生させる蒸発器と、蒸発器が排出し
た蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張
機と、膨張機が排出した蒸気を冷却して液相作動媒体に
戻す凝縮器と、凝縮器が排出した液相作動媒体を貯留す
るタンクと、タンク内の液相作動媒体を加圧して蒸発器
に供給する供給ポンプとを備えたランキンサイクル装置
において、凝縮器をバイパスして膨張機およびタンクを
接続するバイパス通路と、バイパス通路を開閉する開閉
弁と、タンク内の液相作動媒体の温度が設定温度以下の
ときに開閉弁を開放する制御手段とを備えたことを特徴
とするランキンサイクル装置が提案される。

【０００６】上記構成によれば、タンク内の液相作動媒
体の温度が設定温度を越えているときに開閉弁を閉弁し
て膨張機からの蒸気を凝縮器に供給するので、凝縮器で
蒸気を冷却して生じた液相作動媒体をタンクに供給する
ことができる。またタンク内の液相作動媒体が過冷却し
て設定温度以下になると、開閉弁を開弁して膨張機から
の蒸気をバイパス通路を経て直接タンクに供給するの
で、タンク内の過冷却した液相作動媒体を蒸気が凝縮す
る際に放出する潜熱で昇温し、タンクからの液相作動媒
体を加熱して蒸気を発生させる蒸発器の消費エネルギー
を節減することができる。また従来のランキンサイクル
装置にバイパス通路および開閉弁を付加するだけで済む
ので構造が簡単であり、しかもタンク内の液相作動媒体
をその液相作動媒体の蒸気で加熱するので異物が混入す
る虞がない。更に膨張機が排出した蒸気を熱源として利
用するので、特別の熱源が不要になって全体の熱エネル
ギー収支が向上する。

【０００７】尚、実施例の電子制御ユニット２８は本発
明の制御手段に対応する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

【０００９】図１〜図３は本発明の一実施例を示すもの
で、図１はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、
図２はタンクおよびバイパス通路の具体的構成を示す
図、図３は蒸気排出管の小孔の数および直径を変化させ
た実施例を示す図である。

【００１０】図１に示すように、内燃機関１の排気ガス
の熱エネルギーを回収して機械エネルギーを出力するラ
ンキンサイクル装置２は、内燃機関１の排気ガスを熱源
として水を加熱することにより高圧蒸気を発生させる蒸
発器３と、その高圧蒸気の膨張によって軸トルクを出力
する膨張機４と、その膨張機４から排出された低圧蒸気
を冷却して凝縮させる凝縮器５と、凝縮器５から排出さ
れた水を貯留するタンク６と、タンク６内の水を加圧し
て再び蒸発器３に供給する供給ポンプ７とを有する。

【００１１】図２に示すように、蒸発器３と膨張機４と
が高圧蒸気通路１１で接続され、膨張機４と凝縮器５と
が低圧蒸気通路１２で接続され、凝縮器５とタンク６の
上部とが低圧水通路１３で接続され、供給ポンプ７と蒸
発器３とが高圧水通路１４で接続される。膨張機４およ
び凝縮器５を接続する低圧蒸気通路１２は中間部が低く
なるように湾曲しており、その最下部１２ａとタンク６
の上部とがバイパス通路１５およびチェックバルブ１６
を介して接続される。チェックバルブ１６の下流側に接
続された蒸気排出管１７はタンク６の内部に延び、その
上半部はタンク６内の気相部に位置し、下半部はタンク
６内の液相部に位置している。蒸気排出管１７には蒸気
が噴出する多数の小孔１７ａ…が形成される。

【００１２】凝縮器５は上端の蒸気導入室１８と、下端
の集水室１９と、中央のコア２０とから構成され、コア
２０は蒸気導入室１８と集水室１９とを上下方向に接続
する多数の冷却パイプ２１…と、それら多数の冷却パイ
プ２１…を接続する多数の冷却フィン２２…とを備え
る。凝縮器５のコア２０に対向する位置に、電動のファ
ンモータ２３により回転する冷却ファン２４が配置され
る。

【００１３】低圧蒸気通路１２の最下部１２ａとバイパ
ス通路１５との接続部には、アクチュエータ２５で作動
する開閉弁２６が設けられる。タンク６の下部には、そ
こに貯留された水の温度を検出する温度センサ２７が設
けられており、電子制御ユニット２８は温度センサ２７
の出力に基づいて開閉弁２６のアクチュエータ２５を駆
動する。

【００１４】さて、温度センサ２７で検出したタンク６
内の水温が設定温度を越えていれば、電子制御ユニット
２８からの指令で開閉弁２６が閉弁し（図２参照）、バ
イパス通路１５が低圧蒸気通路１２から遮断されて膨張
機４は低圧蒸気通路１２を介して凝縮器５に連通する。
その結果、低圧蒸気通路１２から凝縮器５に供給された
略８０℃の低圧蒸気は、その冷却パイプ２１…を通過す
る間に冷却フィン２２…に作用する空気との間で熱交換
し、潜熱を奪われて凝縮した水が低圧水通路１３を経て
タンク６に供給される。この状態では、タンク６内の水
温が設定温度を越えているため、その水が供給ポンプ７
で蒸発器３に供給されて排気ガスとの間で熱交換を行っ
て蒸気になる際に、必要な熱量を最小限に抑えて蒸発器
３の効率を高めることができる。

【００１５】一方、温度センサ２７で検出した水温が設
定温度以下であってタンク６内の水が過冷却状態にあれ
ば、電子制御ユニット２８からの指令で開閉弁２６が開
弁し、バイパス通路１５が低圧蒸気通路１２に連通して
膨張機４からの低圧蒸気がチェックバルブ１６および蒸
気排出管１７を介してタンク６内に導入される。蒸気排
出管１７に供給された蒸気の一部は小孔１７ａ…からタ
ンク６の気相部に噴出して貯留した水の表面との間で熱
交換し、潜熱を放出して液化する際に前記潜熱でタンク
６内の水を昇温させる。また蒸気排出管１７に供給され
た蒸気の他の一部は小孔１７ａ…からタンク６の液相部
に噴出して水との間で直接熱交換し、潜熱を放出して液
化する際に前記潜熱で水を昇温させる。

【００１６】従って、ランキンサイクル装置２の始動直
後や一時的な運転停止時にタンク６内に貯留された水の
温度が設定温度以下になった場合に、あるいは運転中に
おける種々の要因でタンク６内に貯留された水が過冷却
されたような場合に、蒸気が液化する際の潜熱でタンク
６内の水を速やかに昇温させて蒸発器３の負荷を軽減す
ることができる。このように、凝縮器５とは別にタンク
６内で蒸気を凝縮させることにより、タンク６を補助的
な凝縮器として使用することができる。

【００１７】尚、バイパス通路１５は低圧蒸気通路１２
の最下部１２ａに接続されているので、ランキンサイク
ル装置２の停止中に低圧蒸気通路１２内で凝縮した水を
バイパス通路１５を経てタンク６に供給することができ
る。またバイパス通路１５に設けたチェックバルブ１６
によってタンク６内の蒸気や水が低圧蒸気通路１２に逆
流するのを防止することができる。また蒸気排出管１７
から排出された蒸気が供給ポンプ７に吸い込まれるとキ
ャビテーションが発生する虞があるため、蒸気排出管１
７は供給ポンプ７からできるだけ離れた位置に配置する
ことが望ましい。

【００１８】蒸気排出管１７に供給された蒸気の圧力を
Ｐ０としたとき、その蒸気が小孔１７ａ…からタンク６
の気相部および液相部に噴出するには、前記圧力Ｐ０が
気相部の圧力Ｐ１（飽和蒸気圧）および液相部の圧力Ｐ
２（飽和蒸気圧＋水圧）よりも高いことが必要である。
圧力Ｐ０が圧力Ｐ１および圧力Ｐ２よりも高い場合で
も、液相部の圧力Ｐ２は気相部の圧力Ｐ１よりも水深に
応じた水圧分だけ高くなるため、蒸気は気相部の小孔１
７ａ…から噴出し易くなり、液相部の小孔１７ａ…から
噴出し難くなる。従って、Ｐ０＞Ｐ２であれば蒸気は一
応液相部に噴出することができるが、差圧が大きい気相
部への噴出量が多くなり、差圧が小さい液相部への噴出
量が小さくなってしまう。そこで、図３に示すように、
気相部に開口する小孔１７ａ…を液相部に開口する小孔
１７ａ…に比べて小径化し、かつ数を減らすことによ
り、気相部および液相部に均等に蒸気を供給して潜熱に
よる加熱効果を高めることができる。

【００１９】蒸気排出管１７の下端ａに相当する水深３
０ｃｍ位置の水圧は略３ｋＰａであり、また８０℃付近
での１℃当たりの飽和蒸気圧変化量は略２ｋＰａであ
る。従って、蒸気排出管１７に供給される蒸気の温度に
対してタンク６内の水温が１．５℃低ければ、蒸気は水
深３０ｃｍ位置、つまり蒸気排出管１７の下端ａから噴
出することができる。

【００２０】以上のように、タンク６中の過冷却した水
を蒸気を用いて加熱するので、その水に異種の媒体が混
入してランキンサイクル装置２の性能を妨げることがな
い。しかも低圧蒸気通路１２とタンク６とをバイパス通
路１５および開閉弁２６で接続するだけでの構成なの
で、例えば内燃機関１の排気ガスを利用してタンク６内
の水を加熱する場合に比べて極めて低コストである。特
に、本来ならば凝縮器５において無駄に捨てられる潜熱
を有効に回収して水の昇温に利用できるので、全体の熱
エネルギーの収支が向上する。

【００２１】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。

【００２２】また実施例ではランキンサイクル装置２の
作動媒体として水を採用しているが、水以外の任意の作
動媒体を採用することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のように請求項１に記載された発明
によれば、タンク内の液相作動媒体の温度が設定温度を
越えているときに開閉弁を閉弁して膨張機からの蒸気を
凝縮器に供給するので、凝縮器で蒸気を冷却して生じた
液相作動媒体をタンクに供給することができる。またタ
ンク内の液相作動媒体が過冷却して設定温度以下になる
と、開閉弁を開弁して膨張機からの蒸気をバイパス通路
を経て直接タンクに供給するので、タンク内の過冷却し
た液相作動媒体を蒸気が凝縮する際に放出する潜熱で昇
温し、タンクからの液相作動媒体を加熱して蒸気を発生
させる蒸発器の消費エネルギーを節減することができ
る。また従来のランキンサイクル装置にバイパス通路お
よび開閉弁を付加するだけで済むので構造が簡単であ
り、しかもタンク内の液相作動媒体をその液相作動媒体
の蒸気で加熱するので異物が混入する虞がない。更に膨
張機が排出した蒸気を熱源として利用するので、特別の
熱源が不要になって全体の熱エネルギー収支が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図

【図２】タンクおよびバイパス通路の具体的構成を示す
図

【図３】蒸気排出管の小孔の数および直径を変化させた
実施例を示す図

【符号の説明】

３ 蒸発器 ４ 膨張機 ５ 凝縮器 ６ タンク ７ 供給ポンプ １５ バイパス通路 ２６ 開閉弁 ２８ 電子制御ユニット（制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新倉 裕之 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 3G081 BA01 BA20 BB00 BC07 BD03 DA07

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液相作動媒体を加熱して蒸気を発生させ
   る蒸発器（３）と、蒸発器（３）が排出した蒸気の熱エ
   ネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機（４）と、
   膨張機（４）が排出した蒸気を冷却して液相作動媒体に
   戻す凝縮器（５）と、凝縮器（５）が排出した液相作動
   媒体を貯留するタンク（６）と、タンク（６）内の液相
   作動媒体を加圧して蒸発器（３）に供給する供給ポンプ
   （７）とを備えたランキンサイクル装置において、 凝縮器（５）をバイパスして膨張機（４）およびタンク
   （６）を接続するバイパス通路（１５）と、バイパス通
   路（１５）を開閉する開閉弁（２６）と、タンク（６）
   内の液相作動媒体の温度が設定温度以下のときに開閉弁
   （２６）を開放する制御手段（２８）とを備えたことを
   特徴とするランキンサイクル装置。