JP2005248889A - 液体ポンプ及びランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ランキンサイクル装置等で電力エネルギを利用することなく作動流体を循環させることができ、しかも、低コストで実現し得る液体ポンプを提供する。
【解決手段】 ランキンサイクル装置の復水器８から作動流体（水）を汲み上げ、ボイラ２に供給する水ポンプ１０を、Ｕ字パイプ状の流体容器１１と、流体容器１１内の作動流体を加熱して気化させる加熱器１２と、加熱器１２にて気化された蒸気を冷却して液化する冷却器１３とを用いて構成する。そして、加熱器１２により生成された蒸気の膨脹圧力により作動流体の液面が押し下げられた際には、内部流体の流動によって吐出用一方向弁１８が開弁して、内部の作動流体をボイラ２に供給し、冷却器１３にて蒸気が液化されて内部圧力が低下した際には、内部流体の移動によって吸入用一方向弁１９が開弁して、復水器８から流体容器１１内に作動流体を吸入するように、２つの一方向弁を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ランキンサイクル装置等で作動流体を循環させるのに好適な液体ポンプ、及び、その液体ポンプを用いたランキンサイクル装置に関する。

従来より、ランキンサイクル装置では、水等の作動流体を利用して機械的エネルギを発生するために、作動流体をボイラや過熱器を用いて加熱することでして高圧蒸気を生成し、その生成した高圧蒸気を、エネルギ発生用のタービンやピストンを駆動するようにされている。また、これらの駆動に利用した蒸気は、復水器等で回収することにより液化し、その液化後の作動流体を、液体ポンプを利用して、再度、ボイラに供給することで、作動流体を装置内で循環させている（例えば、特許文献１，２等参照）
特開２００３−９７２２２号 特開２００３−１６１１０１号

ところで、従来のランキンサイクル装置では、作動流体を循環させるための液体ポンプとして、通常、電気駆動式の電動ポンプが用いられている。このため、従来のランキンサイクル装置には、この電動ポンプを駆動するための駆動回路や給電用の電源回路等を設ける必要があり、装置構成が複雑になって、コストアップを招くという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、ランキンサイクル装置等で電力エネルギを利用することなく作動流体を循環させることができ、しかも、低コストで実現し得る液体ポンプ、及び、その液体ポンプを利用したランキンサイクル装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の液体ポンプは、流体が流動可能に封入された流体容器と、この流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、この加熱器にて加熱されて気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器とを備える。

そして、この液体ポンプにおいて、加熱器の動作によって流体容器内に蒸気が発生し、この蒸気の膨脹圧力によって流体容器内の液体が流動すると、その流動圧力により吐出用一方向弁が開弁して、流体容器内の液体が外部に吐出される。

また、この液体ポンプにおいては、冷却器の動作によって蒸気が液化すると、流体容器内の圧力が低下して、流体容器内の液体は気化時とは逆方向に流動するが、液体がこのように流動すると、その流動圧力（この場合負圧）により吸入用一方向弁が開弁して、外部から流体容器内に液体が吸入される。

従って、本発明の液体ポンプによれば、流体容器内の流体を加熱・冷却するだけで、流体を吐出・吸入するポンプとして機能することになり、電気駆動式の液体ポンプ（つまり電動ポンプ）のように、電源回路や駆動回路を介して電力エネルギを供給する必要がないため、ランキンサイクル装置において作動流体を循環させるポンプとして利用すれば、ランキンサイクル装置を低コストで実現できる。

また、本発明の液体ポンプを動作させるには、流体容器内の流体を加熱・冷却する必要があるが、この液体ポンプをランキンサイクル装置に利用すれば、ランキンサイクル装置で作動流体の加熱に利用した熱や、作動流体を冷却するための冷却水等を利用して、流体容器内の流体を加熱・冷却することができるので、液体ポンプを運転するのに要するランニングコストを低減することもできる。

ここで、本発明の液体ポンプを効率よく動作させるには、請求項２に記載のように、加熱器を、冷却器よりも上方に配置するようにするとよい。
つまり、このようにすれば、まず、加熱器の動作によって、冷却器の上方で流体容器内の液体を気化させ、その気化した蒸気の圧力によって流体容器内の液体を加圧することにより、流体容器内の液体を吐出用一方向弁を介して外部に吐出させ、その後、冷却器の動作によって、流体容器内の液体の液面の低下によって冷却器内に流入してきた蒸気を冷却することにより、蒸気を液化させて、吸入用一方向弁を介して外部から流体を吸入させる、というように、流体容器内の流体の自励振動によって流体を突出・吸入させることができ、しかも、加熱器又は冷却器と流体との熱交換時間を長くすることができるので、液体ポンプの運転効率を高めることができる。

また、このように液体ポンプの運転効率を高めるには、更に、請求項３に記載のように、流体の加熱・冷却に伴い流体容器内の流体に周期的な加振力を作用させる加振手段を設けるとよい。

そして、特に、請求項４に記載のように、加振手段として、圧縮反力を加振力として流体容器内の流体に作用させる気体を、流体容器内に充填するようにすれば、流体容器内の流体を極めて簡単に加振することができる。

また次に、流体容器は、請求項５に記載のように、屈曲部が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成し、加熱器及び冷却器については、その流体容器のＵ字の一方の直線状パイプ部分に配置し、吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁については、その流体容器のＵ字の他方の直線状パイプ部分に連通した吐出用及び吸入用の流体通路に夫々配置するようにするとよい。

そして、このようにすれば、流体容器を直線状のパイプ等で構成した場合に比べて、流体容器の小型化を図ることができる。
一方、請求項６に記載の液体ポンプにおいては、流体が流動可能に封入された環状の流体容器と、その流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、この加熱器にて加熱されて気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器とを備え、冷却器は、加熱器よりも上方に配置されている。

このため、加熱器の動作によって容器内に発生した蒸気は、加熱器において一旦膨張した後、流体容器内上部の冷却器側に移動し、この冷却器にて冷却されて液化される。従って、この液体ポンプの流体容器内では、流体の加熱・冷却によって流体が循環し、その内部圧力は、流体の循環に同期して周期的に変動する。

そして、本発明の液体ポンプにも、上記と同様の吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁が設けられていることから、流体容器内で流体が循環する際には、これら各一方向弁が交互に開弁して、流体容器に対して液体を給排することになる。

従って、本発明の液体ポンプによれば、上述した請求項１〜５に記載の液体ポンプと同様の効果を得ることができる。つまり、本発明の液体ポンプによれば、電動ポンプのように、電源回路や駆動回路を介して電力エネルギを供給する必要がないため、ランキンサイクル装置において作動流体を循環させるポンプとして利用すれば、ランキンサイクル装置を低コストで実現でき、しかも、そのランニングコストを低減することができる。

なお、請求項６に記載の液体ポンプにおいて、加熱器又は冷却器と流体との熱交換時間を長くして、液体ポンプの運転効率を高めるには、請求項７に記載のように、流体容器内を循環する流体の流速を周期的に変化させる流速制御手段を設けることが望ましい。

次に、請求項８に記載の発明は、作動流体を加熱して高圧蒸気を生成し、その生成した高圧蒸気を利用して機械的エネルギを発生すると共に、その機械的エネルギの発生に利用した蒸気を回収して液化することで、作動流体を循環させるランキンサイクル装置に関するものである。

そして、このランキンサイクル装置においては、当該ランキンサイクル装置から液化後の作動流体を一旦回収して、当該ランキンサイクル装置に再度供給するポンプとして、請求項１〜請求項７の何れかに記載の液体ポンプを備えたことを特徴とする。

従って、本発明のランキンサイクル装置によれば、電動ポンプを利用して作動流体を循環させる従来のランキンサイクル装置に比べて、低コストで実現することができ、また、そのランニングコストも低減することができる。

以下に本発明が適用された実施形態を図面を用いて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明が適用された第１実施形態のランキンサイクル装置全体の構成を表す概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態のランキンサイクル装置は、作動流体である水を加熱して蒸気を発生するボイラ２と、ボイラ２にて生成された蒸気を過熱して高圧蒸気を生成する過熱器４と、過熱器４にて生成された高圧蒸気により駆動されるタービン６と、タービン６の駆動に利用した蒸気を冷却水で冷却して液化する復水器８と、この復水器８にて液化された作動流体（つまり水）を汲み上げ、ボイラに供給する水ポンプ１０とから構成されている。

また、この水ポンプ１０には、従来のランキンサイクル装置にて使用されている一般的な電動ポンプではなく、本発明が適用された液体ポンプが使用されている。
即ち、この水ポンプ１０は、ランキンサイクル装置の作動流体と同じ作動流体（つまり水）が流動可能に封入された流体容器１１と、流体容器１１内の流体を加熱する加熱器１２と、加熱器１２にて加熱されて気化した蒸気を冷却する冷却器１３とを備えている。

流体容器１１は、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位を除き、断熱性に優れた材料(具体的には、本実施形態では作動流体が水であるので、ステンレス)にて形成されており、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位は、その材料（つまりステンレス）よりも熱伝導率に優れた銅又はアルミニウムにて形成されている。

そして、流体容器１１は、例えば、ステンレスからなるパイプをＵ字状に屈曲させることにより、略Ｕ字パイプ状に形成されており、その屈曲部１１ａが最下部に位置し、屈曲部１１ａより延びた２つの直線部１１ｂ、１１ｃが鉛直線上に位置するように配置されている。

また、流体容器１１を構成している２つの直線部１１ｂ、１１ｃの内、一方の直線部１１ｂには、加熱器１２及び冷却器１３が、加熱器１２が冷却器１３より上方側に位置するように設けられている。また、この直線部１１ｂの上端は閉塞されており、その直線部１１ｂの内部には、加振手段として、窒素やヘリウム等の作動流体と反応しない不活性ガス１４が封入されている。

一方、流体容器１１を構成している他方の直線部１１ｂの上端からは、略水平方向に配管１５が延設されており、この配管１５の他端には、流体容器１１内の水をボイラ２へ吐出するための吐出用流体通路１６、及び、復水器８から水を吸入するための吸入用流体通路１７がそれぞれ接続されている。

そして、吐出用流体通路１６内には、流体容器１１の内部圧力が上昇した際に開弁して、内部の水をボイラ２へ吐出する吐出用一方向弁１８が設けられ、吸入用流体通路１７内には、流体容器１１の内部圧力が低下した際に開弁して、復水器８内の水を流体容器１１内に吸入する吸入用一方向弁１９が設けられている。

次に、上記のように構成された本実施形態の水ポンプ１０の動作を図２を用いて説明する。
図２に示す如く、水ポンプ１０において、加熱器１２及び冷却器１３を作動させると、加熱器１２により、流体容器１１の直線部１１ｂ内の不活性ガス付近の液体（水）が加熱されて気化し（等温膨張）、その気化した蒸気が更に膨張して（断熱膨張）、直線部１１ｂ内の液体の液面を押し下げる。このため、流体容器１１内に封入された流体のうちの液体部分は、直線部１１ｂから直線部１１ｃ側に流動変位して、吐出用一方向弁１８を開弁させ、流体容器１１内の水をボイラ２側に吐出させる。

また、このように流体容器１１の直線部１１ｂ内の液体の液面が冷却器１３まで下がると、蒸気は冷却器１３により冷却されて液化されるため、直線部１１ｂ内の液体の液面を押し下げる力が消滅し（等温圧縮→断熱圧縮）、直線部１１ｂ側の液面が上昇する。そして、このとき、吸入用一方向弁１９の流体容器１１側には、流体容器１１内に流体を吸入するための負圧が加わることから、吸入用一方向弁１９が開弁して、復水器８から流体容器１１内に作動流体（つまり水）が流入する。

そして、こうした流体容器１１内での流体の膨張・圧縮は、流体が屈曲部１１ａを行き帰りするように自励振動変位しながら、周期的に発生することから、本実施形態の水ポンプ１０によれば、復水器８にて液化されたランキンサイクル装置の作動流体を自動で汲み上げ、ボイラ２に供給することができる。

以上説明したように、本実施形態のランキンサイクル装置によれば、作動流体である水を循環させるためのポンプとして、従来より使用されている電動ポンプではなく、本発明の液体ポンプを適用した水ポンプ１０を使用するようにされている。

そして、この水ポンプ１０によれば、流体容器１１内の流体を加熱・冷却するだけで、復水器８にて液化された作動流体を自動で汲み上げ、ボイラ２に供給することができ、その動作のために、外部から電力エネルギを供給する必要がないので、ランキンサイクル装置の構成を簡素化して、その製造コストを低減できる。

また、本実施形態の水ポンプ１０を動作させるには、流体容器内の流体を加熱・冷却する必要があるが、ランキンサイクル装置では、ボイラ２や過熱器４で流体を加熱するのに使用した熱が廃熱として捨てられているので、この熱を利用して水ポンプ１０を動作させれば、水ポンプ１０を運転するのに要するランニングコストを略零にまで低減することができる。
（第２実施形態）
次に、図３は、本発明が適用された第２実施形態のランキンサイクル装置全体の構成を表す概略構成図である。

図３に示すように、本実施形態のランキンサイクル装置は、ボイラ２、過熱器４、タービン６、復水器８、及び、水ポンプ２０から構成されており、第１実施例のランキンサイクル装置と異なる部分は、水ポンプ２０の構成のみである。そこで、以下の説明では、水ポンプ２０の構成及び動作について説明し、他の部分については説明を省略する。

図３に示す如く、本実施形態の水ポンプ２０は、環状の流体容器２１を備える。そして、この流体容器２１において、鉛直方向に沿った直線部分には、加熱器１２の上方に冷却器１３が位置するように、加熱器１２及び冷却器１３が取り付けられている。

なお、流体容器２１は、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位を除き、断熱性に優れた材料(具体的にはステンレス)にて形成されており、加熱器１２及び冷却器１３に対応する部位は、その材料（つまりステンレス）よりも熱伝導率に優れた銅又はアルミニウムにて形成されている。

流体容器２１において、冷却器１３よりも上方部分には、略水平方向に配管１５が延設されており、この配管１５の他端には、上記実施形態の水ポンプ１０と同様、流体容器２１内の水をボイラ２へ吐出するための吐出用流体通路１６、及び、復水器８から水を吸入するための吸入用流体通路１７がそれぞれ接続されており、更に、吐出用流体通路１６内には、吐出用一方向弁１８が設けられ、吸入用流体通路１７内には、吸入用一方向弁１９が設けられている。

一方、流体容器２１において、加熱器１２よりも下方には、流体の通路を開閉するための開閉弁２４が設けられており、この開閉弁２４は、駆動回路３０により、周期的に開閉される。

上記のように構成された本実施形態の水ポンプ２０においては、開閉弁２４の閉弁時に、流体容器２１内での流体の移動が停止されることから、加熱器１２で内部流体が充分加熱されて沸騰気化し、その気化した蒸気が膨脹する。すると、この膨張圧力により、吐出用一方向弁１８が開弁して、流体容器２１内の水をボイラ２側に吐出させる。

また、このように膨張した蒸気は、加熱器１２から上方の冷却器１３側に上昇するが、駆動回路３０は、開閉弁２４の閉弁後の蒸気の上昇動作に同期して、開閉弁２４を一時的に開弁するようにされている。このため、加熱器１２による加熱によって発生・膨張した蒸気は、加熱器１２から冷却器１３へと速やかに移動し、冷却器１３にて冷却されて液化する。そして、このとき、吸入用一方向弁１９の流体容器２１側には、流体容器２１内に流体を吸入するための負圧が加わることから、吸入用一方向弁１９が開弁して、復水器８から流体容器２１内に作動流体が流入する。

従って、本実施形態の水ポンプ２０においても、第１実施形態の水ポンプ１０と同様、流体容器２１内の流体を周期的に流動させて、復水器８にて液化されたランキンサイクル装置の作動流体を自動で汲み上げ、ボイラ２に供給することができるようになる。

そして、本実施例の水ポンプ２０は、開閉弁２４を駆動するための駆動回路３０を設ける必要はあるものの、その駆動回路３０は、単に開閉弁２４を周期的に開閉すればよく、電動ポンプを駆動する駆動回路に比べて、極めて簡単に構成できることから、ランキンサイクル装置の構成を簡素化して、その製造コストを低減できる。また、流体容器２１内の流体の加熱には、ランキンサイクル装置で発生した熱を利用できるので、水ポンプ２０を運転するのに要するランニングコストを充分低減することができる。
（その他の実施形態）
以上本発明が適用された２つの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内にて、種々の態様を採ることができる。

例えば、第２実施形態では、環状に形成された流体容器２１内に開閉弁２４を設けて、加熱器１２による流体の加熱時には流体の移動を停止させるものとして説明したが、これは、流体の加熱・冷却を効率よく行うためであり、開閉弁２４を設けることなく、流体の加熱・冷却を周期的に行うことはできる。

第１実施形態のランキンサイクル装置全体の構成を表す概略構成図である。 第１実施形態の水ポンプ（液体ポンプ）の動作を説明する説明図である。 第２実施形態のランキンサイクル装置全体の構成を表す概略構成図である。

符号の説明

２…ボイラ、４…過熱器、６…タービン、８…復水器、１０…水ポンプ、１１…流体容器、１１ａ…屈曲部、１１ｂ，１１ｃ…直線部、１２…加熱器、１３…冷却器、１４…不活性ガス、１５…配管、１６…吐出用流体通路、１７…吸入用流体通路、１８…吐出用一方向弁、１９…吸入用一方向弁、２０…水ポンプ、２１…流体容器、２４…開閉弁、３０…駆動回路。

Claims (8)

1. 流体が流動可能に封入された流体容器と、
   該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
   該加熱器にて加熱されて気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
   前記蒸気の膨脹圧力により生じる液体の流動により開弁して、前記流体容器内の液体を外部に吐出する吐出用一方向弁と、
   前記蒸気の液化により生じる液体の流動により開弁して、外部から前記流体容器内に液体を吸入する吸入用一方向弁と、
   を備えたことを特徴とする液体ポンプ。
2. 前記加熱器は、前記冷却器よりも上方に位置していることを特徴とする請求項１に記載の液体ポンプ。
3. 前記流体の加熱及び冷却に伴い前記流体容器内の流体に周期的な加振力を作用させる加振手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体ポンプ。
4. 前記加振手段は、前記流体容器内に充填され、圧縮反力を前記加振力として前記流体容器内の流体に作用させる気体であることを特徴とする請求項３に記載の液体ポンプ。
5. 前記流体容器は、屈曲部が最下部に位置するように略Ｕ字パイプ状に形成されており、
   前記加熱器及び冷却器は、前記流体容器のＵ字の一方の直線状パイプ部分に配置され、
   前記吐出用一方向弁及び吸入用一方向弁は、前記流体容器のＵ字の他方の直線状パイプ部分に連通した吐出用及び吸入用の流体通路に夫々配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の液体ポンプ。
6. 流体が流動可能に封入された環状の流体容器と、
   該流体容器内の流体を加熱して気化させる加熱器と、
   該加熱器よりも上方に配置され、該加熱器にて加熱されて気化した蒸気を冷却して液化させる冷却器と、
   前記蒸気の膨脹圧力により生じる液体の流動により開弁して、前記流体容器内の液体を外部に吐出する吐出用一方向弁と、
   前記蒸気の液化により生じる液体の流動により開弁して、外部から前記流体容器内に液体を吸入する吸入用一方向弁と、
   を備えたことを特徴とする液体ポンプ。
7. 前記流体容器内を循環する流体の流速を周期的に変化させる流速制御手段を有することを特徴とする請求項６に記載の液体ポンプ。
8. 作動流体を加熱して高圧蒸気を生成し、該生成した高圧蒸気を利用して機械的エネルギを発生すると共に、該機械的エネルギの発生に利用した蒸気を回収して液化することで、作動流体を循環させるランキンサイクル装置において、
   当該ランキンサイクル装置から液化後の作動流体を一旦回収して、当該ランキンサイクル装置に再度供給するポンプとして、請求項１〜請求項７の何れかに記載の液体ポンプを備えたことを特徴とするランキンサイクル装置。

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