JP2009150251A - 毛管力利用ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱以外の外部エネルギーに頼ることなく作動でき、かつ配置や寸法の自由度が高い毛管力利用ランキンサイクル装置を得る。
【解決手段】毛管力利用ランキンサイクル装置１０は、供給された気相の作動流体を膨張し仕事を取り出す膨張機１２と、膨張機１２から排出された気相の作動流体を凝縮させる凝縮器１４と、液相の作動流体を蒸発させつつ該作動流体に系を循環する駆動力を付与する蒸発器１６とを備えている。蒸発器１６は、作動流体の流路断面の全面に亘り設けられ液相の作動流体を毛管力で駆動するための毛細管構造体３０、及び、毛細管構造体３０の作動流体を蒸発させるための加熱部３２を含んで構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、毛管力を利用して作動流体を駆動する毛管力利用ランキンサイクル装置に関する。

非可逆熱サイクル装置のひとつとして、蒸気タービンサイクル装置の理論サイクル装置であるランキンサイクル装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。このサイクル装置では、復水器で液化された水をボイラに供給するための給水ポンプが必要とされている。この給水ポンプをなくしてランキンサイクル装置を成立させるシステムとして、熱サイフォン効果を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
エバラ時報 Ｎｏ．２１１ ２００６年４月 特開昭６０−６２６１１号公報

上記した前者の技術では、給水ポンプを備えるため、熱以外に外部エネルギーを投入する必要があった。一方、後者の技術では、作動流体の循環に重力を利用するため、ランキンサイクル装置を構成する各要素の配置や寸法の制約が大きい問題があった。

本発明は上記事実を考慮して、熱以外の外部エネルギーに頼ることなく作動でき、かつ配置や寸法の自由度が高い毛管力利用ランキンサイクル装置を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る毛管力利用ランキンサイクル装置は、供給された気相の作動流体が膨張し運動エネルギーを外部仕事に変換する膨張要素と、前記膨張要素から排出された気相の作動流体を凝縮させる凝縮要素と、作動流体の流路断面の全面に亘り設けられ前記凝縮要素で凝縮された液相の作動流体を毛管力で駆動するための毛細管構造体、及び、前記毛細管構造体中の作動流体を蒸発させるための加熱部を含む蒸発要素と、を備えている。

請求項１記載の毛管力利用ランキンサイクル装置では、膨張要素で膨張し運動エネルギーで外部に仕事をした作動流体は、凝縮器に流入すると、凝縮されて気相から液相に相変化する。この液相の作動流体は、蒸発要素の毛細管構造体にて毛管力で駆動され、この駆動中に加熱部により加熱されることで蒸発（気化）する。このようにして毛細管構造体の内部では作動流体が連続的に蒸発されるので、毛細管構造体内での液面位置が維持されるように、液相の作動流体は、毛管力にて連続的に吸い込まれる。また、蒸発要素では、毛細管構造体が流路断面の全面に亘り設けられているため、液相作動流体の流入側に向かう蒸気流れは生じにくい。このため、発生した蒸気は、上昇した蒸気圧（凝縮要素との蒸気圧差）により膨張要素側に流動される。

以上により、本毛管力利用ランキンサイクル装置では、熱以外の外部エネルギーを付与することなく、蒸発要素、膨張要素、凝縮要素の順で作動流体が循環する循環流が生成される。換言すれば、蒸発要素は、液相の作動流体を毛管力にて自給しつつ、気相の作動流体を発生させる（膨張要素へ供給する）ことができる。この作動流体の循環には、重力を利用していないので、例えばポンプ装置を用いた構成と比較して各要素の配置や寸法に対する制約が増すことはなく、各要素の配置や寸法の自由度が高い。

このように、請求項１記載の毛管力利用ランキンサイクル装置では、熱以外の外部エネルギーに頼ることなく作動でき、かつ配置や寸法の自由度が高い。

請求項２記載の発明に係る毛管力利用ランキンサイクル装置は、供給された気相の作動流体が膨張し運動エネルギーを外部仕事に変換する膨張要素と、前記膨張要素から排出された気相の作動流体を凝縮させる凝縮要素と、前記凝縮要素と液管を介して連通されると共に前記膨張要素と蒸気管を介して連通され、液相の作動流体を毛管力で駆動するための毛細管構造体、及び、前記毛細管構造体中の作動流体を蒸発させるための加熱部を含む蒸発要素と、を備えている。

請求項２記載の毛管力利用ランキンサイクル装置では、膨張要素で膨張し運動エネルギーで外部に仕事をした作動流体は、凝縮器に流入すると、凝縮されて気相から液相に相変化する。この液相の作動流体は、蒸発要素の毛細管構造体による毛管力で駆動されて液管を通じて該蒸発要素（毛細管構造体）に流入し、この毛細管構造体による駆動中に加熱部にて加熱されることで蒸発（気化）する。このようにして毛細管構造体の内部では作動流体が連続的に蒸発されるので、毛細管構造体内での液面位置が維持されるように、液相の作動流体は、毛管力にて連続的に吸い込まれる。一方、発生した作動流体の蒸気（気相の作動流体）は、毛細管構造体に対する液管側に流れにくいため、蒸気圧（凝縮要素との蒸気圧差）により蒸気管を通じて膨張要素に向けて流動される。

以上により、本毛管力利用ランキンサイクル装置では、熱以外の外部エネルギーを付与することなく、蒸発要素、膨張要素、凝縮要素の順で作動流体が循環する循環流が生成される。換言すれば、蒸発要素は、液相の作動流体を毛管力にて自給しつつ、気相の作動流体を発生させる（膨張要素へ供給する）ことができる。本毛管力利用ランキンサイクル装置では、蒸発要素は、膨張要素、凝縮要素に対しそれぞれ管を介して連通された独立要素であるため、液相、気相の作動流体の重力等に対する流れ方向に制約がなく、各要素の配置や寸法の自由度が高い。

このように、請求項２記載の毛管力利用ランキンサイクル装置では、熱以外の外部エネルギーに頼ることなく作動でき、かつ配置や寸法の自由度が高い。

請求項３記載の発明に係る毛管力利用ランキンサイクル装置は、請求項１又は請求項２記載の毛管力利用ランキンサイクル装置において、前記加熱部は、前記毛細管構造体における液相の作動流体の流入側とは反対から熱を供給する構成とされている。

請求項３記載の毛管力利用ランキンサイクル装置では、毛細管構造体は、液相の作動流体の進行方向に対向するように加熱されるので、該毛細管構造体の下流端側で作動流体の蒸気を発生させることができる。このため、蒸気が毛細管構造体を通過することに伴う圧力損失を低減することができ、作動流体の蒸気圧を高めることができる。

請求項４記載の発明に係る毛管力利用ランキンサイクル装置は、請求項１〜請求項３の何れか１項記載の毛管力利用ランキンサイクル装置において、前記毛細管構造体は、前記加熱部による熱供給側の一部が、液相の作動流体の流入側の部分に対し、熱伝導率の高い材料にて構成されている。

請求項４記載の毛管力利用ランキンサイクル装置では、毛細管構造体における熱伝導率の高い材料で構成された部分が加熱部により集中的に加熱される。このため、毛細管構造体（蒸発要素）内における蒸気発生部位をコントロール（所望の部位に設定）することができる。また、請求項３の効果を高めることが可能である。

以上説明したように本発明に係る毛管力利用ランキンサイクル装置、熱以外の外部エネルギーに頼ることなく作動でき、かつ配置や寸法の自由度が高いという優れた効果を有する。

本発明の実施形態に掛かる毛管力利用ランキンサイクル装置１０について図面に基づいて説明する。先ず、毛管力利用ランキンサイクル装置１０の原理モデル、変形例について、図１〜図６に基づいて説明し、その後、毛管力利用ランキンサイクル装置１０の自動車への適用例を図７〜図１０に基づいて説明することとする。

（原理モデルの説明）

図１には、毛管力利用ランキンサイクル装置１０の概略全体構成がシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、毛管力利用ランキンサイクル装置１０は、仕事を取り出すための膨張機１２と、凝縮要素としての凝縮器１４と、蒸発要素としての蒸発器１６と、これら膨張機１２、凝縮器１４、蒸発器１６をこの順で直列に連通する循環路１８とを主要部として構成されている。

循環路１８は、膨張機１２と凝縮器１４とを連通する配管２０と、凝縮器１４と蒸発器１６とを連通する液管としての液体配管２２と、蒸発器１６と膨張機１２とを連通する蒸気管としての気体配管２４とを含んで構成されている。

膨張機１２は、内部に設けられた図示しない機械要素を有する。この機械要素は、膨張機１２の内部に流入された気相の作動流体（以下、「蒸気」という場合がある）の有する熱エネルギーを運動エネルギーを経て機械エネルギーに変換するようになっている。例えば、この機械要素として、蒸気の膨張により回転力が付与される蒸気タービンや容積式膨張機（スクロール膨張機）等を採用することができる。膨張機１２は、内部の機械要素が負荷２６に機械的に接続されている。これにより、膨張機１２は、上記の熱エネルギーから変換された機械エネルギーによって負荷２６を駆動するようになっている。負荷２６としては、例えば、機械（回転）エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機、機械エネルギーを流体の運動エネルギーに変換するポンプや風車、機械エネルギーを圧力のエネルギーに変換するコンプレッサ等を採用することができる。

凝縮器１４は、膨張機１２から配管２０を通じて流入された仕事をした後の低圧の蒸気に放熱させる（蒸気を冷却する）ことで、作動流体を凝縮させる構成とされている。すなわち、蒸発器１６の出口からは、液相の作動流体（以下、「液体」という場合がある）が排出されるようになっている。このように、凝縮器１４は、作動流体と冷媒との熱交換器として構成されている。

蒸発器１６は、作動流体が循環路１８を循環する駆動力を該作動流体に付与するポンプ機能と、液体を蒸発させる高圧蒸気にする蒸気発生機能とを果たす構成とされている。図１に示された蒸発器１６は、これらの機能を模式的に示している。以下、蒸発器１６について具体的に説明する。

図２に示される如く、蒸発器１６は、シェル２８と、シェル２８内に設けられた毛細管構造体３０と、加熱部３２とを有して構成されている。図示は省略するがシェル２８は、矢印Ｆにて示す作動流体の流れ方向の上流端２８Ａ側が液体配管２２に液密に接続されると共に、矢印Ｆ方向下流端２８Ｂ側が気体配管２４に気密に接続されている。

したがって、蒸発器１６では、液体配管２２から流入した作動流体は、全てシェル２８が形成する流路断面を経て気体配管２４に至る構成とされている。そして、毛細管構造体３０は、シェル２８の流路断面の全面に亘り、換言すれば液体配管２２から流入した作動流体の略全部が内部を通過して気体配管２４に至るように、シェル２８内に設けられている。

この実施形態では、毛細管構造体３０は、例えば、セラミックス焼結体、酸エッチングした多孔質ガラス、チタン、ニッケル、ステンレス等の焼結金属より成る多孔体とされている。この毛細管構造体３０は、矢印Ｆ方向の上流端３０Ａ側に至った液体を、毛管力にてマクロ的に矢印Ｆ方向に駆動する（吸い込む）ようになっている。

また、蒸発器１６では、図２に示される如く、毛細管構造体３０に対する矢印Ｆ方向の下流端３０Ｂ側から加熱部３２が該毛細管構造体３０に熱を供給する（加熱する）構成とされている。これにより、蒸発器１６では、毛細管構造体３０の毛管力にて駆動された液体が加熱部３２による加熱にて蒸発され、蒸気が生成されるようになっている。そして、蒸発器１６では、液体が毛管力にて駆動されている毛細管構造体３０の上流端３０Ａ側への蒸気流れが規制されるので、蒸発器１６内の蒸気圧が高まり、該蒸気圧と凝縮器１４の蒸気圧との圧力差によって、蒸気が矢印Ｆ方向に流れるようになっている。

このため、蒸発器１６では、毛管力にて毛細管構造体３０に吸い込まれた液体がその液面から連続的に蒸発（排出）されるので、毛細管構造体３０の上流端３０Ａ側の液体は、液位を補うように毛管力にて連続的に毛細管構造体３０に吸い込まれ、マクロ的には矢印Ｆ方向に駆動される。そして、加熱部３２の加熱により生じた蒸気が上記の通り矢印Ｆ方向に流れるので、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、図１に示される如く、循環路１８を蒸発器１６、膨張機１２、凝縮器１４の順で循環する作動流体の循環流Ｆｆが生成される構成である。

この点ついて、図３について補足する。図３は、毛細管構造体３０を構成する１つの毛管部（細孔）３５を模式的に示したものであり、加熱部３２から熱供給を受けることで、毛管部３５内には、毛細管構造体３０を構成する固体（セラミックス、ガラス、金属等）、液体、蒸気（気体）の界面が発生する。このため、液体の圧力をＰ_Ｌ、蒸気の圧力をＰ_Ｇとすると、毛管部３５では、ラプラスの法則に従い、液体を蒸気側に送り出す圧力又は圧力差（Ｐ_Ｇ−Ｐ_Ｌ）が生じる。

ここで、液体の表面張力をγ、毛管部３５の半径をＲ、毛管部３５内壁面に対する液体の接触角をθとすると、圧力（Ｐ_Ｇ−Ｐ_Ｌ）は、
Ｐ_Ｇ−Ｐ_Ｌ ＝ γ｛１／（Ｒ／ｃｏｓθ）＋１／（Ｒ／ｃｏｓθ）｝
＝ （２γｃｏｓθ）／Ｒ
となる。なお、多数の毛管部（細孔）３５を設けた場合も、ほぼ同様に考えることができる。
蒸発器１６では、上記の（Ｐ_Ｇ−Ｐ_Ｌ）をポンプ機能の昇圧分として把握することができる。図４に示される如く、代表的な作動流体である水（表面張力：０．０７２［Ｎ／ｍ］）、エタノール（表面張力：０．０２３［Ｎ／ｍ］）、塩化メチレン（表面張力：０．０２８［Ｎ／ｍ］）、ＨＦＣ−Ｒ１３４ａ（表面張力：０．００８［Ｎ／ｍ］）、ＨＣＦＣ−２２５（表面張力：０．０１６［Ｎ／ｍ］）では、毛管部３５の半径Ｒに応じて、昇圧可能な理論圧力（Ｐ_Ｇ−Ｐ_Ｌ）を得ることができる。なお、図４は、毛細管構造体３０として、内径Ｄ（内半径Ｒ）の直線状の毛管部３５を多数束ねた毛細管構造体３０を用いることを前提に、作動流体として純水流体、温度は常温、接触角θを０（毛管部３５の濡れ性最大）の条件とした場合の計算結果である。

また、毛細管構造体３０の細孔（気孔）の径（上記した内半径Ｒの２倍に相当）は、作動流体の流れ方向の下流端３０Ｂ側ほど小さくすることが望ましい。この実施形態では、毛細管構造体３０の細孔は、下流端３０Ｂで１０「μｍ」以下とされている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

上記構成の毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、加熱部３２による毛細管構造体３０内の液体の加熱を開始すると、毛細管構造体３０の下流端３０Ｂ側の液体が蒸発する。この蒸発に伴って、毛細管構造体３０（の各毛管部３５）では、液位を補うように毛管力にて液体が吸い込まれる。このため、毛細管構造体３０（内の液体）は、蒸気が上流端３０Ａ側に流動することを禁止する逆止弁の如く機能する。

したがって、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、シェル２８（蒸発器１６）内の圧力（Ｐ_Ｇ又はＰ_Ｇ−Ｐ_Ｌ）が高まって、矢印Ｆ方向に向かう蒸気流が生成される。この蒸気は、気体配管２４を通じて膨張機１２に供給され、該膨張機１２にて膨張することで機械要素に機械エネルギーを付与する。膨張機１２で付与（変換）された機械エネルギーは、該膨張機１２に接続された負荷２６にて各種仕事に変換される。

膨張機１２で膨張された低圧蒸気は、配管２０を通じて凝縮器１４に導入される。凝縮器１４では、蒸気は冷媒等に放熱しつつ凝縮すなわち液化される。この液体は、液体配管２２を通じて上流端２８Ａからシェル２８に流入される。この液体は、毛細管構造体３０の上流端３０Ａ端に至ると、毛管力にて毛細管構造体３０に吸い込まれる。

このように、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、蒸発器１６の加熱部３２により毛細管構造体３０の加熱を開始するだけで、循環路１８における作動流体の循環が開始され、かつ加熱部３２による加熱を維持することでこの循環が維持される。したがって、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、熱以外の外部エネルギーを投入することなく、膨張機１２から機械エネルギー（仕事）を取り出し、負荷２６にて消費することができる。

以上説明したように、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、蒸発器とポンプとの一体化、別言すれば蒸気発生機能と流体駆動機能との蒸発器１６への集約化が図られ、システムを簡素化することができる。

また、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、例えば外部動力にて駆動されるポンプを備えた構成（一般的なランキンサイクル）のように、熱以外の外部投入動力（例えば、電気的、機械的エネルギー）が必要なく、ランキンサイクルの効率を向上させることができる。この点については、後述する適用例と併せて説明することとする。

さらに、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、毛細管構造体３０（及び加熱部３２）が作動流体に駆動力を付与するため、換言すれば、機械仕事を流体の駆動力（圧力）に変換するポンプの如き可動部が存在しないため、装置全体としての信頼性を向上することができる。また、ポンプ（及びその補機類）の部品点数を減らすことができ、装置全体としてコストダウンを図ることができる。

またここで、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、シェル２８の流路断面の全面に亘る毛細管構造体３０を設けたため、上記の如く加熱部３２にて毛細管構造体３０を加熱することで、作動流体が循環路１８を循環する循環流Ｆｆを生成することができる。換言すれば、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、熱サイフォンを有する構成の如く重力を利用したり、毛管型のヒートパイプの如く毛管力にて液体を駆動するためのウィックを系の全長に亘り設けたりすることなく、作動流体に循環路１８を循環させることができるため、膨張機１２、凝縮器１４、蒸発器１６の配置や寸法に制約がない。

さらに、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、膨張機１２、凝縮器１４、蒸発器１６が配管２０、液体配管２２、気体配管２４にてそれぞれ連通されているため、各要素を一体に設ける構成のように膨張機１２、凝縮器１４、蒸発器１６の配置や寸法に制約が生じてしまうことがない。すなわち、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、例えば電動等のポンプを有する一般的な構成と比較して、膨張機１２、凝縮器１４、蒸発器１６の配置や寸法に対し制約が増えることはない。逆に、上記した如くポンプを設ける必要がないので、各要素の配置や寸法の自由度が向上する。

このように、本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、熱以外の外部エネルギーに頼ることなく作動でき、かつ配置や寸法の自由度が高い。

（蒸発器の変形例）
図５には、第１変形例に係る蒸発器４０が模式的な平面図にて示されている。この図に示される如く、蒸発器４０は、ブロック状（例えば、円柱状や角柱状）に形成された毛細管構造体３０に代えて、中央部に液体導入孔４２Ａを有する環状の毛細管構造体４２を備える点で、第１の実施形態に係る蒸発器１６とは異なる。

この環状の毛細管構造体４２では、作動流体の流れ方向上流である液体導入孔４２Ａから、その外周部４２Ｂ（下流）に向けて放射状に液体が流れるようになっている。また、蒸発器４０の加熱部４４は、環状の毛細管構造体４２を外周部４２Ｂ側から囲む環状に形成されている。したがって、蒸発器４０においても、作動流体の流れ方向下流側から加熱部４４によって毛細管構造体４２が加熱される構成とされている。

蒸発器１６に代えて、本第１変形例に係る蒸発器４０を備えた毛管力利用ランキンサイクル装置１０によっても、上記した実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。

図６には、第２変形例に係る蒸発器５０が模式的な平面図にて示されている。この図に示される如く、蒸発器５０は、中央部に液体導入孔５２Ａを有する環状の毛細管構造体５２を備える点で、第２変形例に係る蒸発器４０と共通するが、毛細管構造体５２の外周部５２Ｂ側に一部の材質が液体導入孔４２Ａ側の残余の部分の材質と異なる点で、第１変形例に係る蒸発器４０とは異なる。また、第２変形例に係る毛細管構造体５２は、独立した（互いに非連通の）直線状管体の集合体である独立毛細管群である点で、多孔体構造である毛細管構造体３０、４２とは異なる。

毛細管構造体５２における液体導入孔５２Ａ側の部分は、例えば微小径を有するガラス管の集合体にて構成されて、毛管力作用部５２Ｃとされている。一方、毛細管構造体５２における外周部５２Ｂ側の一部は、例えば微小径を有する銅管集合体にて構成されて被加熱部５２Ｄとされている。すなわち、毛管力作用部５２Ｃは、比較的熱伝導率の低い材料にて構成され、被加熱部５２Ｄは、毛管力作用部５２Ｃに対し十分に熱伝導率が高い材料にて構成されている。

このため、毛細管構造体５２は、加熱部４４からの加熱により、主に被加熱部５２Ｄにおいて液体への熱供給（吸熱）が行われ、毛管力作用部５２Ｃでの熱供給（蒸発）が抑制されるようになっている。また、毛細管構造体５２では、被加熱部５２Ｄは、毛管力作用部５２Ｃに対し径方向の寸法が十分に小とされている。すなわち、毛細管構造体５２では、蒸気が被加熱部５２Ｄを流動する長さが小さく抑えられている。

さらに、毛細管構造体５２では、被加熱部５２Ｄの毛管径が毛管力作用部５２Ｃの毛管径よりも小さく毛管本数は大（すなわち気孔率は大）とされている。このため、液体と被加熱部５２Ｄとの接触面積が増し、作動流体が被加熱部５２Ｄにおいて効率的に気化されるようになっている。

蒸発器１６に代えて、本第２変形例に係る蒸発器５０を備えた毛管力利用ランキンサイクル装置１０によっても、上記した実施形態と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。

また、第２変形例に係る蒸発器５０を備えた構成では、加熱部４４による加熱によって毛管力作用部５２Ｃでの液体の蒸発が抑制されるので、例えば、毛管力作用部５２Ｃに相当する部分で液体の蒸発が生じる構成と比較して、液体の気化すなわち体積膨張による圧力損失の増大が抑制される。すなわち、蒸発器５０では、被加熱部５２Ｄの設定範囲によって、毛細管構造体５２内における液体の蒸発部位を所望の位置に設定（コントロール）することができる。さらに、熱伝導率の高い材料で被加熱部５２Ｄを構成しているので、作動流体の気化が促進されると共に、該作動流体（蒸気）の過熱（スーパーヒート）すなわち蒸気圧の増大を効率的に果たすことができる。

なお、第２変形例では、環状の毛細管構造体５２に対し独立毛細管群を適用した例を示したが、毛細管構造体３０を独立毛細管群として構成しても良い。この場合、毛細管構造体５２と同様に熱伝導率の異なる２種の材質を用いても良く、単一の材質で独立毛細管群を構成しても良い。したがって、毛細管構造体５２を単一の材質から成る独立毛細管群として構成することも可能である。

また、第２変形例では、毛細管構造体５２の上流側と下流側とで熱伝導率の異なる材質とした例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、多孔体で構成された毛細管構造体３０、４２の下流側と上流側とで熱伝導率を異ならせる構成としても良い。この場合、下流側には例えば銅や銅合金等の焼結金属を用いる一方、上流側にはセラミックスの焼結体や多孔質ガラス、比較的熱伝導率の低い金属の焼結体を用いることができる。

（自動車への適用例）
図７には、毛管力利用ランキンサイクル装置１０が自動車の熱発電システム６０に適用された例が模式的なシステム構成図にて示されている。この図に示される如く、自動車の熱発電システム６０は、内燃機関であるエンジン６２のエンジン冷却水を熱源として発電機（ジェネレータ）６４を駆動して発電を行うために、エンジン冷却水の有する熱エネルギーを、発電機６４に供給する機械エネルギーに変換する装置として適用されている。図８に示される如く、ここでは、蒸発器５０を備えた毛管力利用ランキンサイクル装置１０の熱発電システム６０への適用例を説明するが、蒸発器５０に代えて、蒸発器１６、４０を用いても良いことはいうまでもない。

具体的には、図7に示される如く、蒸発器５０は、エンジン６２から排出された高温（略９０［℃］）のエンジン冷却水を熱源（高温熱源御）とした加熱部４４にて作動流体を蒸発させ、凝縮器１４は、ラジエータ６６で走行風Ｗｒとの熱交換により冷却された低温（略４０［℃］）のエンジン冷却水（低温熱源）の温度で作動流体を冷却して凝縮させるようになっている。したがって、加熱部４４は、冷却水の循環路６５に連通されて毛細管構造体５２との熱交換を行う流路（後述するウォータジャケット７２）として構成され、熱交換器である蒸発器５０を構成している。

また、凝縮器１４は、ラジエータ６６に対し車両前後方向の前側又は後側に近接して配置されており、該ラジエータ６６と同様にコルゲートフィンを有する強制対流熱交換器として構成されている。すなわち、この適用例では、ラジエータ６６に隣接配置された凝縮器１４は、走行風Ｗｒにてラジエータ６６と共に冷却されることで、冷却性能を向上させている。

膨張機１２は、スクロール型膨張機とされ、熱エネルギーを機械エネルギーに変換するようになっている。そして、負荷２６として上記した発電機６４が採用されており、膨張機１２が変換した機械エネルギーをさらに電気エネルギーに変換するようになっている。この交流の電気エネルギーは、インバータ６８によって直流の電気エネルギーに変換され、バッテリ７０に蓄電（充電）されるようになっている。なお、発電機６４が直流の電力を出力する場合には、発電機６４からバッテリ７０に直接的に蓄電する構成とすれば良い。

蒸発器５０は、毛細管構造体５２の液体導入孔５２Ａに液体が流入されるように、シェル２８の上流端２８Ａである底壁部の中央部が液体配管２２の下流端に接続されている。また、シェル２８の下流端２８Ｂである外周部には、エンジン６２から排出されたエンジン冷却水を流通させるウォータジャケット７２が設けられている。すなわち、ウォータジャケット７２に高温のエンジン冷却水が流通されて加熱部４４が構成されるようになっている。

また、この適用例における蒸発器５０では、シェル２８の上流端２８Ａ側と反対側の底壁部における外周端部には、蒸気出口２８Ｃが形成されている。このシェル２８には、蒸気出口２８Ｃを覆うようにヘッダ部材７４が取り付けられており、このヘッダ部材７４に気体配管２４の上流端が接続されている。

以上説明した自動車の熱発電システム６０を構成する毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、蒸発器５０、気体配管２４、及び膨張機１２は、例えば断熱材にて被覆されて断熱構造とされている。これにより、蒸発器５０にて高圧気体になった作動流体（の一部）が膨張機１２に至る過程で凝縮してしまうことが抑制されるようになっている。また、気体配管２４は、可能な限り短く設定（配策）され、該気体配管２４空熱が逃げることが抑制される構造とされている。

さらに、この毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、膨張機１２と凝縮器１４とを繋ぐ配管２０が断熱構造とされている。これにより、膨張機１２で膨張された低圧の作動流体（蒸気）が凝縮器１４に至る前に凝縮されることが抑制されるようになっている。すなわち、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、配管２０出口の作動流体の凝縮により作動流体の逆流が生じることが防止される構成とされている。

また、この毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、作動流体として、例えば図４で例示した各種の材質を用いることができる。この作動流体の毛管力利用ランキンサイクル装置１０への封入、密閉は、例えば、毛管力利用ランキンサイクル装置１０の系内を高真空にした後、該毛管力利用ランキンサイクル装置１０の系内に作動流体を注入することで行うことができる。また、毛管力利用ランキンサイクル装置１０のサイクルの動作温度（高温熱源温度、低温熱源温度）は、内部圧力（飽和蒸気圧）を調整することで設定することができる。

次に、自動車の熱発電システム６０の動作を説明する。

上記構成の自動車の熱発電システム６０では、エンジン６２が始動されてエンジン冷却水の温度が上昇すると、毛細管構造体５２がウォータジャケット７２を流通するエンジン冷却水（加熱部４４）にて外周側から加熱される。この熱は、主に熱伝導率の高い材料より成る被加熱部５２Ｄに伝えられ、該被加熱部５２Ｄに接触した液体（液相の作動流体）は、蒸発される。このため、上述したように、毛管力利用ランキンサイクル装置１０では、循環路１８を循環する作動流体の循環流Ｆｆが生成される。

この作動流体の循環流Ｆｆにより、膨張機１２には蒸発器５０で発生された高圧の蒸気が気体配管２４を通じて供給され、この蒸気の膨張に伴い膨張機１２が回転駆動される。これにより、負荷２６である発電機６４が回転に伴い発電を行い、この電力がバッテリ７０に蓄電される。

一方、膨張機１２で膨張された低圧の蒸気は、配管２０を通じて凝縮器１４に流入され、ラジエータ６６と共に走行風Ｗｒと熱交換することで冷却されて凝縮される。この凝縮により生じた液体は、液体配管２２を通じて蒸発器５０の液体導入孔５２Ａ内の液体と連続しているので、毛細管構造体５２での毛管力及び蒸発による駆動力により、蒸発器５０の毛細管構造体５２に順次導かれる。すなわち、上記の通り作動流体の循環流Ｆｆが生成されている。なお、凝縮器１４が蒸発器５０に対し重力方向の上側に配置されている構成では、作動流体の循環に凝縮器１４と蒸発器５０との高低差も利用されることとなる。

以上により、自動車の熱発電システム６０では、単にエンジン６２が運転されるだけで、毛管力利用ランキンサイクル装置１０の循環路１８に作動流体の循環流Ｆｆが生じ、バッテリ７０に電力が蓄えられる。

以下、毛管力利用ランキンサイクル装置１０が適用された自動車の熱発電システム６０の評価例を説明する。ここでは、上記の通り高温熱源の温度を９０［℃］、低温熱源の温度を４０［℃］、１０．１５モード走行時のエンジン冷却水への廃熱（毛管力利用ランキンサイクル装置１０への入熱量）Ｑを４［ｋＷ］とし、作動流体としてエタノールを用いた例について説明する。なお、サイクルは理想的なサイクルを仮定し、スーパーヒートは考えない。損失としては、膨張仕事取り出し時、発電時、及びポンプ圧送時のみを考慮する。ここでは、膨張効率、発電効率、循環ポンプ効率として、それぞれ一般的な値である０．８、０．９５、０．６を用いることとする。

作動流体（エタノール）の蒸発器５０での蒸気圧Ｐｅ、凝縮器１４での蒸気圧Ｐｃは、アントワン定数に基づき推定すると、図９に示す如くなる。この図９から、Ｐｅ≒１５８［ｋＰａ］、Ｐｃ≒１８［ｋＰａ］を読み取ることができる。

また、図１０に示すモリエル線図（Ｐ−ｈ線図）を用いて、上記した入熱量（４［ｋＷ］）に基づいて、作動流体の質量流量ｍを算出すると、以下の如くなる。
ｍ ＝ ４［ｋＷ］／｛３５０−（−６４０）｝［ｋＪ／ｋｇ］
≒ ０．００４［ｋｇ／ｓ］

この質量流量ｍによって取り出すことのできる最大理論仕事Ｌｅｔｈは、
Ｌｅｔｈ ＝ ０．００４［ｋｇ／ｓ］×（３５０−２７８）［ｋＪ／ｋｇ］
≒ ０．２８８［ｋＷ］
となるので、膨張効率を加味した実質仕事Ｌｅは、
Ｌｅ ＝ ０．８×０．２８８［ｋＷ］ ≒ ０．２３０［ｋＷ］
となる。

さらに、発電効率を加味した実質発電量Ｅは、
Ｅ ＝ ０．９５×０．２３０［ｋＷ］ ≒ ０．２１９［ｋＷ］
となる。

また、必要ポンプ仕事Ｌｐについては、低圧Ｐｃから高圧Ｐｅへ流体を輸送するため、
Ｌｐ ＝ １／０．６×ｍ×（Ｐｅ−Ｐｃ）／ρ
で表される。ρは、作動流体であるエタノールの密度であり、４０℃の場合の値である７２２［ｋｇ／ｍ^３］を用いると、
Ｌｐ ＝ １／０．６×０．００４［ｋｇ／ｓ］
×（Ｐｅ−Ｐｃ）［ｋＰａ］／ρ［ｋｇ／ｍ^３］
≒ １．２２［Ｗ］
となる。

以上により、蒸発器とは別に、外部動力にて駆動されるポンプを備えるランキンサイクル装置を適用して構成された自動車の熱発電システムの効率ηｃは、
ηｃ ＝ （Ｅ−Ｌｐ）／Ｑ
＝ （０．２１９−０．００１２２）［ｋＷ］／４［ｋＷ］
≒ ０．５４４
となる。

これに対して、毛管力利用ランキンサイクル装置１０を適用した自動車の熱発電システム６０では、作動流体の循環に外部動力を投入することがないので、Ｌｐ＝０となる。このため、毛管力利用ランキンサイクル装置１０の効率η_１０は、
η_１０ ＝ （Ｅ）／Ｑ ＝ （０．２１９）［ｋＷ］／４［ｋＷ］
≒ ０．５４７
となる。このように、毛管力利用ランキンサイクル装置１０が適用された自動車の熱発電システム６０では、外部動力を用いて駆動されるポンプを備えた構成と比較して、サイクル効率が向上することが確認された。

なお、作動流体をエタノールとして、上記した熱発電システム６０を構成する毛管力利用ランキンサイクル装置１０のサイクルを成立させるためには、圧力差（Ｐｅ−Ｐｃ）が略１４０［ｋＰａ］であることから、図４より、毛細管径（多孔体の気孔径）が略０．６μｍの毛細管構造体５２を用いれば良いことが判る。

なお、エタノール以外の作動流体を用いた場合についても、上記の例と同様に評価することができる。

また、上記した適用例では、高温熱源としてラジエータ６６に対する上流側のエンジン冷却水を用いた例を示したが、これに限られることはなく、例えば、トランスミッションの廃熱、（オイル、トランスミッションの外壁等）、走行用モータ（ハイブリッド車、電気自動車用）、エンジン廃熱（排気管、オイル、エンジン外壁等）を利用することができる。また、低温熱源は、床下走行風等を利用しても良い。

さらに、上記した適用例では、廃熱利用により発電を行う例を示したが、これに限られることはなく、例えば、トランスミッション冷却、潤滑用のオイルポンプの駆動用途への適用も可能である。

またさらに、上記した適用例では、自動車への適用例を示したが、これに限られることはなく、例えば、工場廃熱を利用したランキンサイクルの用途に本発明を適宜適用することが可能である。

本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置のシステム構成図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置を構成する蒸発器を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置を構成する蒸発器による流体駆動力の発生メカニズムを説明するための模式図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置を構成する毛細管構造体の毛細管径と昇圧可能圧力との関係を示す線図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置を構成する蒸発器の第１変形例を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置を構成する蒸発器の第２変形例を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置の発電システムへの適用例を示すシステム構成図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置の発電システムへの適用例における蒸発器の具体的構造を例示する断面図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置の発電システムへの適用例における作動流体の温度と圧力との関係を示す線図である。 本実施形態に係る毛管力利用ランキンサイクル装置の発電システムへの適用例における作動流体のＰ−ｈ線図である。

符号の説明

１０ 毛管力利用ランキンサイクル装置
１２ 膨張機（膨張要素）
１４ 凝縮器（凝縮要素）
１６ 蒸発器（蒸発要素）
２２ 液体配管（液管）
２４ 気体配管（蒸気管）
３０ 毛細管構造体
３２ 加熱部（加熱部）
３５ 毛管部
４０・５０ 蒸発器
４２・５２ 毛細管構造体
４４ 加熱部

Claims (4)

1. 供給された気相の作動流体が膨張し運動エネルギーを外部仕事に変換する膨張要素と、
   前記膨張要素から排出された気相の作動流体を凝縮させる凝縮要素と、
   作動流体の流路断面の全面に亘り設けられ前記凝縮要素で凝縮された液相の作動流体を毛管力で駆動するための毛細管構造体、及び、前記毛細管構造体中の作動流体を蒸発させるための加熱部を含む蒸発要素と、
   を備えた毛管力利用ランキンサイクル装置。
2. 供給された気相の作動流体が膨張し運動エネルギーを外部仕事に変換する膨張要素と、
   前記膨張要素から排出された気相の作動流体を凝縮させる凝縮要素と、
   前記凝縮要素と液管を介して連通されると共に前記膨張要素と蒸気管を介して連通され、液相の作動流体を毛管力で駆動するための毛細管構造体、及び、前記毛細管構造体中の作動流体を蒸発させるための加熱部を含む蒸発要素と、
   を備えた毛管力利用ランキンサイクル装置。
3. 前記加熱部は、前記毛細管構造体における該液相の作動流体の流入側とは反対から熱を供給する構成とされている請求項１又は請求項２記載の毛管力利用ランキンサイクル装置。
4. 前記毛細管構造体は、前記加熱部による熱供給側の一部が、液相の作動流体の流入側の部分に対し、熱伝導率の高い材料にて構成されている請求項１〜請求項３の何れか１項記載の毛管力利用ランキンサイクル装置。

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