JP2011058463A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はコンパクトな構成で各部の潤滑が可能なランキンサイクルシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】ランキンサイクルシステム１００は、エンジン本体１、エンジン本体１で蒸気化した冷媒（蒸気）が流通する冷媒通路１４で接続された過熱器２を備える。さらに、ランキンサイクルシステム１００は、過熱器２の下流側に配置された蒸気タービン３を備える。蒸気タービン３には、減速機６が組み込まれている。減速機６は、タービンシャフト５と歯車を介して接続される回転シャフト７を備えている。回転シャフト７には、オイルポンプ８が接続されている。オイルポンプ８によって汲み上げられたオイルは、蒸気タービン３の軸受け部２１及び減速機６の軸受け部２２に供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。

従来、内燃機関（エンジン）の稼動等に伴って発生する廃熱を回収するランキンサイクルシステムが知られている。このようなランキンサイクルシステムには、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張器（蒸気タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このようなランキンサイクルシステムを利用し、改良した廃熱回収装置が、例えば、特許文献１に開示されている。蒸気タービンは、これ以外にもエネルギーを回収する種々の装置に用いられている。

特開２００８−１８５００１号公報

蒸気タービンは、タービンシャフトの軸受け部等へのオイル供給を必要とする。このため、多くの場合、電気モータ等で駆動されるオイルポンプが装備され、軸受け部等へのオイル供給が行われる。ところが、例えば車両に搭載されるエンジンの廃熱を回収しようとする場合等、車両に別途電気モータ等を備えることは装置の設置スペースや、重量等の面で不利となる。

そこで、本発明はコンパクトな構成で各部の潤滑が可能なランキンサイクルシステムを提供することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、蒸気を発生させる蒸気発生部と、当該蒸気発生部によって発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、当該蒸気タービンと連結され、当該蒸気タービンの回転を減速させて出力する減速機と、前記蒸気タービン及び／又は前記減速機のオイル供給部にオイル供給するオイル供給路と、前記減速機に含まれる回転シャフトによって駆動され、前記オイル供給路にオイルを供給するオイルポンプと、を、備えている。

蒸気によって駆動される蒸気タービンは、一般的にその回転数は高い。特に、蒸気タービンを高効率で稼動させている状態では、タービンシャフトは高回転状態となる。あまりに高回転で回転するタービンシャフトはオイルポンプの駆動に適さない。そこで、減速機に含まれる回転シャフト、すなわち、減速機によって回転数が落とされた状態で回転する回転シャフトによってオイルポンプを駆動すれば都合がよい。

このように減速機を用いてオイルポンプを駆動するようにすれば、コンパクトな構成とすることができる。

また、車両に搭載されたエンジンの廃熱を、ランキンサイクルシステムを介して再びエンジンの駆動に利用しようとする場合もタービンシャフトの回転数は高すぎる場合が多い。この場合も減速機の設置が求められる。この減速機をオイルポンプの駆動に利用すれば効率がよい。廃熱を利用するための減速機をオイルポンプの駆動にも利用することで、別途、電気モータ等を設置することが不要となり、全体をコンパクトに構成することができる。また、蒸気タービンの回転を利用してオイルポンプを駆動することになるので、いわば、自己潤滑を実現することができる。

このようなランキンサイクルシステムは、前記オイル供給路に供給されるオイルが所望の状態となるまで当該オイルを加熱するオイル加熱手段を備えることができる。オイルが冷えている場合等、オイルが潤滑に適さない状態の場合がある。このような場合、蒸気タービンのフリクションが高くなる。そこで、オイル加熱手段によってオイルを加熱し、オイルを潤滑し易い状態とする。ここで、オイルの所望の状態とは、オイルが潤滑に適した状態であることを意味し、例えば、オイルの粘度や、オイルの温度によってその状態を判断することができる。

このようなオイル加熱手段は、前記オイルを貯留するオイル貯留部に設けられた蒸気流通部と、前記蒸気発生部の状態に関する情報、発生した蒸気の状態に関する情報、前記オイル供給路に供給されるオイルの状態に関する情報の少なくとも一つの情報に基づいて前記蒸気流通部への蒸気の流入を制御する制御部と、を備えることができる。

蒸気をオイル貯留部に流通させ、蒸気の熱によってオイルを加熱する趣旨である。
ここで、蒸気発生部としてエンジンを用いる場合、蒸気発生部の状態に関する情報は、例えば、エンジンの暖機が完了したか否かの情報とすることができる。暖機の完了の判定は、エンジン潤滑用オイルの油温や、エンジン冷却水の水温等に基づいて行うことができる。また、発生した蒸気の状態に関する情報は、蒸気の温度や圧力に関する情報とすることができる。さらに、オイル供給路に供給されるオイルの状態に関する情報は、例えば、オイルの粘度やオイルの温度に関する情報とすることができる。

蒸気の温度、圧力が低くランキンサイクルの稼動効率が低い状態、エンジンの暖機が完了していない状態、オイルが潤滑に適した状態となっていない状態のときに、蒸気を利用してオイルを温め、フリクションを低減することができる。

ランキンサイクルシステムは、オイル供給路に供給されるオイルの冷却手段を備えることができる。冷却手段により、オイルの過剰な温度上昇を抑制することができる。

前記冷却手段は、前記蒸気タービンのタービンシャフト及び／又は前記減速機に含まれる回転シャフトに設けられたファンを備えることができる。また、前記冷却手段は、前記減速機が備える外壁面に設けられたフィンを備えることができる。

本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、コンパクトな構成で各部の潤滑を行うことができる。

図１は、実施例１のランキンサイクルシステムの概略構成図である。 図２は、実施例１の蒸気タービンの内部構成を示す説明図である。 図３は、実施例１の蒸気タービンの概略構成図である。 図４は、実施例２の蒸気タービンの概略構成図である。 図５は、実施例２のランキンサイクルシステムの制御の一例を示すフロー図である。 図６は、実施例３の蒸気タービンの概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。

図１は、ランキンサイクルシステム１００の概略構成図である。また、図２は、ランキンサイクルシステム１００に含まれる蒸気タービン３の内部構成を示す説明図であり、図３は、蒸気タービン３の概略構成図である。

ランキンサイクルシステム１００は、蒸気を発生させる蒸気発生部に相当するエンジン本体１を備えている。エンジン本体１は、内部に設けられたウォータジャケット内を流通する冷媒を蒸気化する。すなわち、エンジン本体１は、蒸気を発生する。

ランキンサイクルシステム１００は、蒸気化した冷媒（蒸気）が流通する冷媒通路１４で接続された過熱器２を備えている。過熱器２には、エンジン本体１が排出する排気ガスが排気管１３を通じて導入される。過熱器２は、排気ガスの熱をさらに蒸気へ与える。これにより、過熱器２は、廃熱の回収効率を向上させる。

ランキンサイクルシステム１００は、エンジン本体１と冷媒通路１４で接続され、エンジン本体１で発生した蒸気によって駆動される蒸気タービン３を備えている。蒸気タービン３は、過熱器２の下流側に配置されている。蒸気タービン３は、図２に示すように蒸気入口３ａ、蒸気出口３ｂを備えており、これらはそれぞれ冷媒通路１４に接続されている。また、蒸気タービン３は、図３に示すようにタービンホイール４を備えたタービンシャフト５を備えている。

ランキンサイクルシステム１００は、さらに、蒸気タービン３と連結され、蒸気タービン３の回転を減速させて出力する減速機６を備えている。減速機６は、蒸気タービン３内に組み込まれており、タービンシャフト５と歯車を介して接続される回転シャフト７を備えている。

ランキンサイクルシステム１００は、蒸気タービン３の軸受け部２１及び減速機６の軸受け部２２にオイル供給するオイル供給路２０を備えている。ここで、軸受け部２１、２２は、オイル供給部に含まれる。オイル供給路２０は、他のオイル供給が必要となる箇所にオイルを供給するように設けることもできる。

ランキンサイクルシステム１００は、減速機６に含まれる回転シャフト７によって駆動され、オイル供給路２０にオイルを供給するオイルポンプ８を備えている。ランキンサイクルシステム１００に含まれる蒸気タービン３は、オイルポンプ８よりも下側に第一オイルタンク９を備え、オイルポンプ８よりも上側に第二オイルタンク１０を備えている。第一オイルタンク９と第二オイルタンク１０は、オイルライン１１で接続されており、オイルポンプ８は、オイルライン１１上に配置されている。オイルポンプ８は、第一オイルタンク９内のオイルを汲み上げ、第二オイルタンク１０内へ供給する。第一オイルタンク９、第二オイルタンク１０は、オイル供給路２０と連通している。すなわち、第二オイルタンク１０内のオイルがオイル供給路２０内に流入し、軸受け部２１、２２を通過したオイルが第一オイルタンク９内に流入し、第一オイルタンク９内に貯留される。

以上説明したように、ランキンサイクルシステム１００は、蒸気タービン３の回転を減速させて出力する減速機６によってオイルポンプ８を駆動する。このため、オイルポンプ８に適した回転数によって駆動することができる。また、オイルポンプを駆動するための電気モータ等を別途配置することが不要となるので、コンパクトな構成とすることができる。

なお、回転シャフト７は、プーリを備え、エンジン本体１が備えるクランクシャフトに動力を伝達する。このようにして廃熱が再利用される。減速機６内のギヤの構成を変更することによって、所望の回転数を実現することができる。

このように本実施例のランキンサイクルシステム１００が備える減速機６は、蒸気タービン３の回転数を、オイルポンプ８の駆動とエンジン本体１における動力回収に適した状態まで落としている。

次に、実施例２につき、図４、図５を参照しつつ説明する。図４は、実施例２の蒸気タービン３０の概略構成図である。実施例１のランキンサイクルシステムと実施例２のランキンサイクルシステムを比較すると、蒸気タービンの構成が異なる。実施例２の蒸気タービン３０が実施例１の蒸気タービン３と異なる点は、以下の点である。すなわち、蒸気タービン３０は、オイル供給路２０に供給されるオイルが所望の状態となるまでオイルを加熱するオイル加熱手段を備えている。他の構成要素は、実施例１と同様であるので、共通する構成要素には、図面に同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

オイル加熱手段は、オイルを貯留するオイル貯留部、具体的には第一オイルタンク９に設けられた蒸気流通部３１を含んでいる。蒸気流通部３１は、第一オイルタンク９を覆うように設けられている。そして、その内部を蒸気が流通するようになっている。蒸気流通部３１は、蒸気タービン３０の下流側の冷媒通路１４から引き出された蒸気導入通路３２が接続されている。この蒸気導入通路３２には、電磁弁３３が設けられている。この電磁弁３３は、ＥＣＵ（Electronic control unit）３６に電気的に接続されており、このＥＣＵ３６とともに、蒸気流通部３１への蒸気の流入を制御するする制御部を形成している。蒸気流通部３１には、蒸気排出通路３４が接続されている。蒸気排出路３４は、冷媒通路１４に接続されており、蒸気流通部３１内を循環した蒸気が再び冷媒通路１４に戻されるようになっている。

第一オイルタンク９には、温度センサ３５が設けられている。この温度センサ３５は、ＥＣＵ３６に電気的に接続されている。ＥＣＵ３６は、この温度センサ３５から取得した情報に基づいて電磁弁３３に開閉制御を行う。温度センサ３５によって取得される温度情報は、オイルの状態に関する情報の一例である。オイルの状態に関する情報としては、例えば、オイルの粘度に関する情報を採用してもよい。

ここで、図５を参照しつつ、ＥＣＵ３６の制御の一例を示す。図５は、ＥＣＵ３６が行うランキンサイクルシステムの制御の一例を示すフロー図である。

まず、ＥＣＵ３６は、ステップＳ１において温度センサ３５から第一オイルタンク９内のオイルの温度ｔ１を取得する。そして、ステップＳ２において、温度ｔ１が予め定められた閾値ｔ０よりも低いと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３ではＥＣＵ３６は、電磁弁３３に対し開弁指令を発する。ステップＳ３の後は、再びステップＳ２へ戻り、ステップＳ２でＹｅｓと判断されるまで処理を繰り返す。これにより、蒸気流通部３１に蒸気が流入し、第一オイルタンク９内のオイルを加熱する。この結果、オイルの温度が上昇し、オイルの粘度が低下する。すなわち、オイルの状態が軸受け部２１、２２の潤滑に適した状態となって、蒸気タービン３０、減速機６のフリクションを低下させる。

ステップＳ２において温度ｔ１が予め定められた閾値ｔ０よりも高いと判断したときは、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４ではＥＣＵ３６は、電磁弁３３に対し閉弁指令を発する。電磁弁３３が閉弁状態となることにより蒸気流通部３１への蒸気の流入が停止する。これにより、オイルの過熱状態を回避することができる。

なお、ＥＣＵ３６は、オイルの状態に関する情報に代えて、蒸気発生部であるエンジン本体１の状態に関する情報や、発生した蒸気の状態に関する情報に基づいて電磁弁３３の開閉制御を行うことができる。

ＥＣＵ３６は、エンジン本体１内に潤滑油として流通するオイルの温度を測定する油温センサ３８と電気的に接続されている。ＥＣＵ３６は、油温センサ３８による情報に基づいてエンジン本体１の状態、より具体的には、エンジン本体１の暖機が完了したか否かの判断を行う。ＥＣＵ３６は、エンジン本体１の暖機が完了していないと判断したときは、電磁弁３３に開弁指令を発し、第一オイルタンク９内のオイルを加熱するようにすることができる。また、ＥＣＵ３６は、エンジン本体１の暖機が完了したと判断したときは、電磁弁３３に閉弁指令を発し、第一オイルタンク９内のオイルの過熱状態を回避することができる。
ＥＣＵ３６は、このような制御を行い、オイルを軸受け部２１、２２の潤滑に適した状態として、蒸気タービン３０、減速機６のフリクションを低下させる。

ＥＣＵ３６は、蒸気タービン３０の上流側の冷媒通路１４に設けられた蒸気温センサ３７ａ、蒸気圧センサ３７ｂと電気的に接続されている。蒸気温度、蒸気圧は、発生した蒸気の状態に関する情報に含まれる。ＥＣＵ３６は、蒸気温度、蒸気圧とに基づいて蒸気タービン３０に導入される蒸気が蒸気タービン３０を駆動可能な状態か否かを判断する。そして、ＥＣＵ３６は、蒸気が蒸気タービン３０を駆動可能な状態となっていないと判断したときは、電磁弁３３に開弁指令を発し、第一オイルタンク９内のオイルを加熱するようにすることができる。また、ＥＣＵ３６は、蒸気が蒸気タービン３０を駆動可能な状態となったと判断したときは、電磁弁３３に閉弁指令を発し、第一オイルタンク９内のオイルの過熱状態を回避することができる。
ＥＣＵ３６は、このような制御を行い、オイルを軸受け部２１、２２の潤滑に適した状態として、蒸気タービン３０、減速機６のフリクションを低下させる。

次に、図６を参照して、実施例３のランキンサイクルシステムについて説明する。実施例１のランキンサイクルシステムと実施例３のランキンサイクルシステムとを比較すると、蒸気タービンの構成が異なる。実施例３の蒸気タービン５０は、オイルの冷却手段を備えている。具体的には、蒸気タービン５０は、オイルの冷却手段の一例としてタービンシャフト５に設けられたファン５１を備えている。タービンシャフト５から直接動力を取り出すときは、外周部をプーリとして、内部に羽根形状部分を備えたファン５１とすることができる。また、減速機６が備える回転シャフト７にファンを設けるようにしてもよい。この場合も、外周部をプーリとして、内部に羽根形状部分を備えたファンとすることができる。
なお、ファン５１は、オイルの昇温が必要となる状態では、その回転を停止する回転停止手段を備えるようにしてもよい。

また、図６に示す蒸気タービン５０は、減速機６が備える外壁面６ａに設けられたフィン５２を備えている。これにより、減速機６の内部を流通するオイルの冷却性を高めることができる。なお、フィン５２の近傍にオイルを流通させるオイル流路を別途設けてオイルの冷却を行うようにすることができる。さらに、第一オイルタンク９の表面や第二オイルタンク１０の表面にフィンを設けるようにしてもよい。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１…エンジン本体
２…過熱器
３、３０、５０…蒸気タービン
３ａ…蒸気入口
３ｂ…蒸気出口
４…タービンホイール
５…タービンシャフト
６…減速機
６ａ…外壁面
７…回転シャフト
８…オイルポンプ
９…第一オイルタンク
１０…第二オイルタンク
１１…オイルライン
１２…凝縮器
１３…排気管
１４…冷媒通路
２０…オイル供給路
２１、２２…軸受け部
３１…蒸気流通部
３２…蒸気導入通路
３３…電磁弁
３４…蒸気排出通路
３５…温度センサ
３６…ＥＣＵ
３７ａ…蒸気温センサ
３７ｂ…蒸気圧センサ
３８…油温センサ
５１…タービンプーリ
５２…ファン
５３…フィン
１００…ランキンサイクルシステム

Claims (6)

1. 蒸気を発生させる蒸気発生部と、
   当該蒸気発生部によって発生した蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   当該蒸気タービンと連結され、当該蒸気タービンの回転を減速させて出力する減速機と、
   前記蒸気タービン及び／又は前記減速機のオイル供給部にオイル供給するオイル供給路と、
   前記減速機に含まれる回転シャフトによって駆動され、前記オイル供給路にオイルを供給するオイルポンプと、
   を、備えたランキンサイクルシステム。
2. 前記オイル供給路に供給されるオイルが所望の状態となるまで当該オイルを加熱するオイル加熱手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記オイル加熱手段は、前記オイルを貯留するオイル貯留部に設けられた蒸気流通部と、
   前記蒸気発生部の状態に関する情報、発生した蒸気の状態に関する情報、前記オイル供給路に供給されるオイルの状態に関する情報の少なくとも一つの情報に基づいて前記蒸気流通部への蒸気の流入を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項２記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記オイル供給路に供給されるオイルの冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のランキンサイクルシステム。
5. 前記冷却手段は、前記蒸気タービンのタービンシャフト及び／又は前記減速機に含まれる回転シャフトに設けられたファンを備えることを特徴とした請求項４記載のランキンサイクルシステム。
6. 前記冷却手段は、前記減速機が備える外壁面に設けられたフィンを備えたことを特徴とする請求項４又は５記載のランキンサイクルシステム。

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