JP2004346759A

JP2004346759A - 熱機関

Info

Publication number: JP2004346759A
Application number: JP2003141631A
Authority: JP
Inventors: Masami Negishi; 正美根岸
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】ランキンサイクルによる熱機関において、良好な地球環境の維持に対応可能な冷媒を使用するとともに、その熱機関の効率を高める。
【解決手段】冷媒を加圧する冷媒ポンプと、冷媒を加熱する第１冷媒加熱器と、冷媒を膨張させる冷媒膨張器と、膨張された冷媒から放熱させる冷媒放熱器とを備え、該冷媒回路中に冷媒をランキンサイクルにて循環させるとともに冷媒膨張器における冷媒の膨張仕事から動力を取り出し可能な熱機関において、冷媒にプロピレンを用いるとともに、第１冷媒加熱器内における冷媒の状態を超臨界状態にすることを特徴とする熱機関。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒がランキンサイクルにて循環され動力を取り出し可能に構成された熱機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ランキンサイクルを用いて動力を取り出すようにしたシステム（たとえば、特許文献１）や、ランキンサイクルに適した作動流体としてプロパン系やブタン系の作動流体を用いるようにした提案（たとえば、特許文献２）が知られている。また、冷凍サイクルに冷媒としてプロピレンが使用できることも知られている（たとえば、特許文献３）。冷凍サイクルに冷媒として塩素を含む特定フロンを使用すると、オゾン層の破壊等の問題につながることから、近年、その使用が規制されつつある。この点、プロピレンは、このような塩素を含む特定フロンの代替のために、蒸気圧縮型の冷媒として認定されており、地球温暖化に対して有効な自然系冷媒として認識されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２４８５３９号公報（特許請求の範囲、図２）
【特許文献２】
特開２００２−２９５２０５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平１１−２４８２６３号公報（特許請求の範囲）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このプロピレンを、ランキンサイクルにて、凝縮、蒸発とも２相域で使用する場合、その熱機関における効率は未だ低く、熱力学的に取り出せる動力は小さい。すなわち、ランキンサイクルによる熱機関においては、良好な地球環境の維持に対応できる最適な冷媒の選定とともに、そのような冷媒を使用した際に如何に効率を高めることができるかが、大きな課題として残されている。
【０００５】
そこで本発明の課題は、ランキンサイクルによる熱機関において、良好な地球環境の維持に対応可能な冷媒を使用するとともに、その熱機関の効率を高めることができるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る熱機関は、冷媒を加圧する冷媒ポンプと、加圧された冷媒を加熱する第１冷媒加熱器と、加熱された冷媒を膨張させる冷媒膨張器と、膨張された冷媒から放熱させる冷媒放熱器とを備えた冷媒回路を有し、該冷媒回路中に冷媒をランキンサイクルにて循環させるとともに前記冷媒膨張器における冷媒の膨張仕事から動力を取り出し可能な熱機関において、冷媒にプロピレンを用いるとともに、前記第１冷媒加熱器内における冷媒の状態を超臨界状態にすることを特徴とするものからなる。
【０００７】
すなわち、本発明に係る熱機関は、良好な地球環境の維持に対応可能な冷媒として、すでに塩素を含む特定フロンの代替用の、蒸気圧縮型の冷媒として認定されているプロピレンを用いるとともに、該プロピレンを用いたランキンサイクルによる熱機関の、動力取り出しのための効率を大幅に高めることができるようにしたものである。
【０００８】
ランキンサイクルによる熱機関において、高温熱源および低温熱源を仮定した場合、熱力学的に取り出せる動力はそれらの温度によって決定される。たとえば、膨張器入口冷媒温度が約１５０℃、膨張器出口冷媒圧力に対する飽和温度が約３０℃とすると、これら両熱源の温度、とくに温度差により、熱力学的に取り出し可能な動力は決まってしまう。したがって、これらの温度条件下で、取り出し可能な動力を如何に増大できるかが重要となり、それによって熱機関の効率向上効果が左右されることになる。
【０００９】
本発明に係る熱機関においては、この熱機関の効率向上を、第１冷媒加熱器内における冷媒の状態を超臨界状態にすることによって達成するようにしている。すなわち、第１冷媒加熱器内における冷媒の状態を超臨界状態とすることにより、従来同等の少ない入熱量でありながら、冷媒膨張器入口と出口のエンタルピーの差を大きな値にすることができ、そのエンタルピー差に対応する、取り出し可能なエネルギー（動力）を増大し、熱機関の効率を向上することができる。
【００１０】
そして、上記冷媒膨張器を第１段目冷媒膨張器と第２段目冷媒膨張器との２段階膨張器に構成し、該第１段目冷媒膨張器と第２段目冷媒膨張器との間に第１段目冷媒膨張器により膨張された冷媒を加熱する第２冷媒加熱器が設けられている構成とすれば、２段階膨張器によって、より大きな動力を取り出し可能となり、熱機関の効率をより向上することが可能となる。
【００１１】
この場合、上記第１段目冷媒膨張器と第２段目冷媒膨張器が、冷媒の膨張仕事から動力を取り出す手段としての発電機と一体的に構成されている構成とすれば、該発電機を介して熱機関からの動力が電力として効率よく取り出される。
【００１２】
また、本発明に係る熱機関においては、冷媒回路に、上記冷媒膨張器により膨張された冷媒と上記冷媒ポンプにより加圧された冷媒との間で熱交換させる熱回収器が設けられている構成とすれば、膨張仕事をした冷媒からの熱を、上記第１冷媒加熱器による加熱に、より正確には、上記冷媒ポンプから第１冷媒加熱器に送られる冷媒の加熱に、反映することができ、所定の冷媒加熱をより効率よく行うことが可能になる。
【００１３】
なお、本発明における冷媒膨張器は特に限定されないが、スクロール型膨張器を用いることで、内部漏れによる損失が少ない為、断熱膨張の効率が高く、効率よく動力の取り出しが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るランキンサイクルを用いた熱機関の概略機器系統を示しており、図２は、その熱機関からの動力取り出し用に用いて好適な膨張器一体型の発電機を示している。図３は、図１の熱機関におけるランキンサイクルを表した、圧力（Ｐ）−エンタルピー（ｈ）線図を示している。図４を、比較のための、従来の蒸気圧縮型冷凍機で使われている冷媒を、蒸発器、凝縮器とも２相域で利用するランキンサイクルの場合の圧力−エンタルピー線図を示している。
【００１５】
図１において、本発明の一実施態様に係る熱機関１は、冷媒を加圧する冷媒ポンプ２と、加圧された冷媒を加熱する、第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器３と、加熱された冷媒を膨張させる冷媒膨張器４と、膨張された冷媒から放熱させる凝縮器からなる冷媒放熱器５とを備えた冷媒回路６を有している。本実施態様では、冷媒膨張器４は、第１段目冷媒膨張器４ａと第２段目冷媒膨張器４ｂとの２段階膨張器に構成されている。また、第１段目冷媒膨張器４ａと第２段目冷媒膨張器４ｂとの間には、第１段目冷媒膨張器４ａにより膨張された冷媒を加熱する、第２蒸発器からなる第２冷媒加熱器７が設けられている。さらに冷媒回路６には、第２段目冷媒膨張器４ｂにより膨張された冷媒と上記冷媒ポンプ２により加圧された冷媒との間で熱交換させる熱交換器からなる熱回収器８が設けられている。この冷媒回路６中に、冷媒としてプロピレンがランキンサイクルにて循環され、冷媒膨張器４における冷媒の膨張仕事から動力が取り出し可能となっている。
【００１６】
動力の取り出しは、本実施態様では、たとえば次のように行われる。図２に示すように、第１段目冷媒膨張器４ａと第２段目冷媒膨張器４ｂが、冷媒の膨張仕事から動力を取り出す手段としての発電機９と一体的に構成されており、発電機９による発電を介して、動力が電力として取り出されるようになっている。図示例では、高圧の第１段目冷媒膨張器４ａと発電機９との間にメカニカルシール１０が介装されている。なお、図２では、第２冷媒加熱器７の図示が省略されている。
【００１７】
上記のように構成された冷媒回路６を備えた熱機関１が、図３に示すようなランキンサイクルにて運転される。ここでまず、図４を参照して、従来例、つまり、従来の蒸気圧縮型冷凍機で使われている冷媒を、蒸発器、凝縮器とも２相域で利用して運転する場合のランキンサイクルについて説明する。図４は、膨張器入口冷媒温度が約１５０℃、膨張器出口冷媒圧力に対する飽和温度が約３０℃の条件で、プロパンやイソブタン等のハイドロカーボン系冷媒を使用した場合のランキンサイクルにおける圧力−エンタルピー線図を示している。この場合、加圧、加熱された冷媒の、等エントロピー線に沿う膨張仕事（図４におけるＡ点からＤ点への移行）により、理論的に動力が取り出し可能となるが、このときの熱機関としての効率ηは、
η＝（ｈ２−ｈ１）／（ｈ２−ｈ３）
で求められ、ハイドロカーボン系冷媒であるプロパンやイソブタンの場合、ηは約１５％となり、前述したように、低い。
【００１８】
しかしながら、本発明の一実施態様に係る熱機関１の場合には、図３に示すようなランキンサイクルにおける圧力−エンタルピー線図となる。図３においては、各点は大略次のような点を示している。すなわち、ｅ点は、凝縮器からなる冷媒放熱器５の出口でかつ冷媒ポンプ２の入口の状態を示しており、ｆ点は、冷媒ポンプ２の出口でかつ熱回収器８の入口の状態を示している。ｇ点は、熱回収器８の出口でかつ第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器３の入口の状態を示しており、ａ点は、第１冷媒加熱器３の出口でかつ第１段目冷媒膨張器４ａの入口の状態を示している。ｂ点は、第１段目冷媒膨張器４ａの出口でかつ第２蒸発器からなる第２冷媒加熱器７の入口の状態を示しており、ｃ点は、第２冷媒加熱器７の出口でかつ第２段目冷媒膨張器４ｂの入口の状態を示している。ｄ点は、第２段目冷媒膨張器４ｂの出口でかつ熱回収器８の入口の状態を示しており、ｈ点は、熱回収器８の出口でかつ冷媒放熱器５の入口の状態を示している。なお、ｈｉ点は、ａ点から等エントロピー線に沿って、冷媒の膨張を１段で行わせた場合の、膨張器の出口でかつ熱回収器８の入口の状態を示している。また、Ｈ１、Ｈ２（熱損失無しとした理想状態の場合、Ｈ１＝Ｈ２）は、熱回収器８で授受される熱量に対応している。
【００１９】
図３に示すランキンサイクルでは、第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器３内における冷媒（プロピレン）の状態が、超臨界状態とされている。この超臨界状態は、本実施態様では、主として、冷媒ポンプ２による加圧によって達成される。この超臨界状態にて加熱された冷媒が、たとえば１５０℃等温線上のａ点から、ｂ点に至る過程で第１段目冷媒膨張器４ａを通して膨張仕事をし、第２冷媒加熱器７で加熱された後、１５０℃等温線上のｃ点からたとえば８０℃等温線上のｄ点に至る過程で第２段目冷媒膨張器４ｂを通して膨張仕事をし、これら両膨張仕事が図２に示したような発電機９を介して、動力が電力として取り出される。すなわち、高温側熱源の温度が約１５０℃、低温側熱源の温度が約３０℃である場合のサイクルとして表されている。
【００２０】
図３に示した例では、熱機関１の効率ηは、次式によって求められる。
η＝（（ｈ２−ｈ１）＋（ｈ３−ｈ４））／（（ｈ２−ｈ５）＋（ｈ３−ｈ１））
その結果、ηは約２６％となり、図４に示した従来例に比べ、効率が大幅に向上される。このように熱機関１の効率が大幅に向上されると、従来と同等の入熱量の場合より大きな動力を取り出すことが可能になり、また、従来よりも少ない入熱量で所望の動力を取り出すことが可能になる。したがって、入熱量の低下による効果、たとえば、燃焼量の低減、それによる地球温暖化防止を期待でき、また、太陽熱を利用する場合には、集熱器の面積の低減、それによる装置全体の小型化を期待できることになる。また、動力取り出し側においても、動力取り出し装置の小型化をはかることが期待できる。
【００２１】
上記実施態様では、冷媒膨張器４を第１段目冷媒膨張器４ａと第２段目冷媒膨張器４ｂとの２段階膨張器に構成したが、本発明においては、第１冷媒加熱器内における冷媒の状態を超臨界状態にするとともに、冷媒膨張器を１段構成とし、図１に示した第２蒸発器からなる第２冷媒加熱器７を省略することも可能である。たとえば図５に示すように、冷媒膨張器として、１段の冷媒膨張器１２を設けた熱機関１１とすることも可能である。この場合には、図３におけるランキンサイクルは、ａ点から直接ｈｉ点に至ることになる。したがって、そのときの効率ηは、
η＝（ｈ２−ｈｉ）／（ｈ２−ｈ５）
となり、約２１％となる。この約２１％の効率の場合でも、図４に示した従来例に比べれば、大幅な効率向上となっている。図１のような２段階膨張の場合には、前述の如く約２６％の効率となり、さらに大幅な効率向上が達成できるわけである。
【００２２】
なお、本発明において熱回収器８は省略することも可能であるが、前述したように、熱回収器８を設けておくことで、より効率よく熱利用でき、図３に示したような極めて望ましい特性が得られることになる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るランキンサイクルを利用した熱機関によれば、極めて高い効率を達成できるようになり、少ない入熱量で効率よく目標とする動力を取り出すことが可能になる。また、効率の向上、入熱量の低減が可能になるため、装置全体の小型化も期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る熱機関の概略機器系統図である。
【図２】図１の熱機関からの動力取り出し用に用いて好適な膨張器一体型の発電機の概略構成図である。
【図３】図１の熱機関におけるランキンサイクルを表す、圧力−エンタルピー線図である。
【図４】比較のための、従来の蒸気圧縮型冷凍機で使われている冷媒の、蒸発器、凝縮器とも２相域で利用するランキンサイクルの場合の圧力−エンタルピー線図である。
【図５】本発明の別の実施態様に係る熱機関の概略機器系統図である。
【符号の説明】
１、１１熱機関
２冷媒ポンプ
３第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器
４冷媒膨張器
４ａ第１段目冷媒膨張器
４ｂ第２段目冷媒膨張器
５凝縮器からなる冷媒放熱器
６冷媒回路
７第２蒸発器からなる第２冷媒加熱器
８熱回収器
９発電機
１０メカニカルシール
１２冷媒膨張器

Claims

冷媒を加圧する冷媒ポンプと、加圧された冷媒を加熱する第１冷媒加熱器と、加熱された冷媒を膨張させる冷媒膨張器と、膨張された冷媒から放熱させる冷媒放熱器とを備えた冷媒回路を有し、該冷媒回路中に冷媒をランキンサイクルにて循環させるとともに前記冷媒膨張器における冷媒の膨張仕事から動力を取り出し可能な熱機関において、冷媒にプロピレンを用いるとともに、前記第１冷媒加熱器内における冷媒の状態を超臨界状態にすることを特徴とする熱機関。
前記冷媒膨張器を第１段目冷媒膨張器と第２段目冷媒膨張器との２段階膨張器に構成し、該第１段目冷媒膨張器と第２段目冷媒膨張器との間に第１段目冷媒膨張器により膨張された冷媒を加熱する第２冷媒加熱器が設けられている、請求項１の熱機関。
前記第１段目冷媒膨張器と第２段目冷媒膨張器が、冷媒の膨張仕事から動力を取り出す手段としての発電機と一体的に構成されている、請求項２の熱機関。
前記冷媒膨張器により膨張された冷媒と前記冷媒ポンプにより加圧された冷媒との間で熱交換させる熱回収器が設けられている、請求項１〜３のいずれかに記載の熱機関。
前記冷媒膨張器がスクロール型膨張器からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の熱機関。