JP2011149384A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルの過熱器における蒸気漏れを検出し、膨張器の破損の回避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、冷媒を沸騰させて蒸気を発生させるエンジン１００、熱媒体となる排気ガスとの熱交換によりエンジン１において発生した蒸気を過熱する過熱器７、過熱器７において過熱された蒸気によって駆動される膨張器８、過熱器７における蒸気漏れを検出する温度検出装置９を備える。さらに、ランキンサイクルシステム１００は、過熱器７から膨張器８への蒸気の流通を遮断する遮断弁１０、過熱器７と膨張器８をバイパスするバイパス通路１５、三方弁１６を備える。過熱器７における蒸気漏れが検出されたとき、遮断弁１０は遮断され、三方弁１６は蒸気が過熱器７と膨張器８とをバイパスするように切り替えられる。
【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、ランキンサイクルを利用して内燃機関（エンジン）の稼動に伴う廃熱を回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、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（例えば、衝動タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。このようなランキンシステムを用いた廃熱回収装置における経路内の蒸気漏れを判定する提案が、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００８−１６９７３１号公報

ところで、膨張器がより効率よく駆動されるためには、蒸気の持つエネルギを増す必要がある。このため、ランキンサイクルシステムには、効率よく膨張器を駆動するために、過熱器を備えたものがある。過熱器は、蒸気を他の熱媒体との間で熱交換させて過熱（スーパーヒート）させる。内燃機関をランキンサイクルにおける蒸気発生器とした場合には、内燃機関の排気ガスを過熱器における熱媒体とすることができる。

しかしながら、その一方で、膨張器は、あまりに高温の環境下に置かれると、内部のシールが熱により破損する恐れを有する。シールが破損すれば、蒸気漏れが発生し、蒸気と膨張器に供給されている潤滑剤との混合が生じる。

さらに、内燃機関をランキンサイクルにおける蒸気発生器とし、その排気ガスを過熱器における熱媒体とする場合、過熱器に破損が生じ、蒸気通路に排気ガスが流入してしまうと、膨張器内のシールは熱によって容易に破損する。シールが破損し、膨張器の潤滑剤供給部に高温の排気ガスが到達する恐れもある。

そこで、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、特に過熱器における蒸気漏れを検出し、膨張器の破損の回避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、冷媒を沸騰させて蒸気を発生させる蒸気発生器と、熱媒体との熱交換により前記蒸気発生器において発生した蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器において過熱された蒸気によって駆動される膨張器と、前記過熱器における蒸気漏れを検出する蒸気漏れ検出装置と、前記過熱器から前記膨張器への蒸気の流通を遮断する遮断弁と、前記蒸気漏れ検出装置により蒸気漏れが検出されたときに前記遮断弁を遮断状態とする制御部と、を備えたことを特徴とする。

過熱器において蒸気漏れが発生すると、高温の熱媒体が蒸気通路内に浸入する。蒸気漏れを検出したときに、膨張器への蒸気の流通を遮断することにより、高温の流体が膨張器へ供給されることによる膨張器の破損を回避することができる。

このようなランキンサイクルシステムは、さらに、前記過熱器及び前記膨張器をバイパスするバイパス通路と、前記蒸気発生器によって発生した蒸気が流通する経路を前記過熱器側と、前記バイパス通路側との間で切り替える通路切替手段と、を備え、前記制御部は、前記蒸気漏れ検出装置により蒸気漏れが検出されたときに前記通路切替手段をバイパス通路側へ切り替えるようにすることができる。これにより、過熱器において蒸気漏れが生じたときに、蒸気が蒸気漏れ発生箇所から熱媒体と共に排出されることを回避することができる。

このようなランキンサイクルシステムにおける前記蒸気発生器は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却される内燃機関であり、前記熱媒体は、前記内燃機関が排出する排気ガスである構成とすることができる。ランキンサイクルシステムにより内燃機関の廃熱回収を行うことができる。この場合、過熱器において内燃機関の排気ガスを熱媒体とした蒸気の過熱を行うことができる。そして、過熱器において蒸気漏れが発生した場合に、高温の排気ガスが膨張器に供給されることを回避することができる。

このようなランキンサイクルシステムにおける蒸気漏れ検出装置は、前記過熱器の下流側、例えば、前記過熱器と前記膨張器との間の冷媒通路に配設された温度検出装置とすることができる。過熱器において蒸気漏れが発生すると、これに伴って高温の熱媒体が蒸気通路に浸入する。このため、過熱器の下流側を流通する流体の温度は高くなる。そこで、過熱器下流側の流体の温度を検出することによって蒸気漏れを検出することができる。なお、蒸気漏れを検出することができるものであれば、採用することができる。例えば、流通経路内の圧力を検出するようにしてもよい。また、熱媒体を排気ガスとした場合は、Ａ／ＦセンサやＯ_２センサを用い、これにより排気ガスの浸入を検出するようにしてもよい。

本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、過熱器における蒸気漏れに起因する膨張器の破損を回避することができる。

図１は、実施例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。

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。

ランキンサイクルシステム１００の概略構成について図１を参照しつつ説明する。ランキンサイクルシステム１００は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン１を備えている。エンジン１は、蒸気発生器に相当する内燃機関の一例である。エンジン１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備える。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂ内にはウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケット内の冷媒が沸騰することによってエンジン１の冷却が行われる。エンジン１は、さらに、排気管２を備える。エンジン１のシリンダヘッド１ｂには、冷媒供給路３の一端が接続されている。冷媒供給路３には、エンジン１で温められた冷媒が流入する。

冷媒供給路３には、気液分離器４が配設されている。エンジン１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した冷媒は、気液分離器４内で気相と液相とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。この冷媒循環路５の他端はシリンダブロック１ａに接続されている。また、冷媒循環路５には、エンジン１内に液状の冷媒を圧送する第１ウォーターポンプ６が配設されている。この第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。この第１ウォーターポンプ６により液状の冷媒が、エンジン１と気液分離器４との間を循環する。

冷媒供給路３の他端は、過熱器７に接続されている。過熱器７は、下側に蒸発部７ａを備え、その上側に過熱部７ｂを備えている。冷媒供給路３は、蒸発部７ａに接続されている。過熱器７には、排気管２が引き込まれている。排気管２は、その内部を流通する排気ガスがエンジン１で発生し、気液分離器４を通過した蒸気と熱交換をする熱媒体となる。排気管２は、排気ガスが過熱部７ｂ、蒸発部７ａの順に通過するように過熱器７を貫通している。これにより、過熱器７は、エンジン１側から冷媒供給路３を通じて流入する冷媒とエンジン１が排出する排気との熱交換を行う。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱部７ｂの上端部には、蒸気排出管７ｃが設けられている。

過熱器７の下流には、過熱器７において過熱された蒸気によって駆動される膨張器８が設けられている。膨張器８は、衝動タービンを備えており、蒸気排出管７ｃの先端部に設けられたノズル８ａから噴射された蒸気によって駆動される。衝動タービンの回転力は、エンジン１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機の駆動に用いられたりする。これにより、廃熱の回収が行われる。衝動タービンは、軸受けを備えるが、耐久性の面でグリス封入タイプの軸受けを採用することができず、オイル潤滑式の軸受けが採用されている。このため、潤滑油の通路と蒸気の通路とを隔てるオイルシールが設けられている。

蒸気排出管７ｃは、冷媒通路に相当する。蒸気排出管７ｃには、温度検出装置９が配設されている。また、蒸気排出管７ｃの温度検出装置９の下流側には、膨張器８への蒸気の流通を遮断する電磁式の遮断弁１０が設けられている。温度検出装置９は、蒸気漏れ検出装置の一例である。温度検出装置９は、過熱器７の下流となる蒸気排出管７ｃを流通する流体の温度を測定する。測定された温度が規定値よりも高い場合は、過熱器７において蒸気漏れが発生しており、蒸気経路に高温の排気ガスが浸入していると判断することができる。

膨張器８の下流側には、膨張器８においてエネルギを回収された後の冷媒をエンジン１側へ再循環させる冷媒回収路１１が設けられている。冷媒回収路１１の一端は、膨張器８に接続されている。冷媒回収路１１の他端は、冷媒循環路５の第１ウォーターポンプ６の上流側に接続されている。冷媒回収路１１には、コンデンサ１２が配設されている。コンデンサ１２は、蒸気化している冷媒を冷却して凝縮し、冷媒を液状に戻す。冷媒回収路１１のコンデンサ１２の下流側には、凝縮水タンク１３が配設されている。凝縮水タンク１３には、液状に戻された冷媒が貯留される。

冷媒回収路１１の凝縮水タンク１３の下流には第２ウォータポンプ１４が配設されている。この第２ウォータポンプ１４は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１４が稼動状態となると、凝縮水タンク１３内の冷媒を冷媒循環路５へ供給する。以上のように、廃熱回収装置１００は、冷媒が循環する経路を備えている。

ランキンサイクルシステム１００は、過熱器７及び膨張器８をバイパスするバイパス通路１５を備えている。バイパス通路１５は、気液分離器４の下流側の冷媒供給路３から分岐し、コンデンサ１２の上流側の冷媒回収路１１に接続されている。ランキンサイクルシステム１００は、バイパス通路１５の冷媒供給路３からの分岐点に通路切替手段に相当する電磁式の三方弁１６を備えている。三方弁１６は、三つの口部１６ａ、１６ｂ、１６ｃを備えている。そして、口部１６ａが気液分離器４側、口部１６ｂが過熱器７側、口部１６ｃがコンデンサ１２側に位置するように分岐点に取り付けられている。これにより、エンジン１００によって発生した蒸気が流通する経路を過熱器７側と、バイパス通路１５側（コンデンサ１２側）との間で切り替えることができる。

ランキンサイクルシステ１００は、制御部に相当するＥＣＵ（Electronic control unit）１７を備えている。ＥＣＵ１７は、温度検出装置９、遮断弁１０、第２ウォータポンプ１４、三方弁１６とそれぞれ電気的に接続されている。ＥＣＵ１７は、温度検出装置９により蒸気漏れと判定される流体の温度が検出されたときに遮断弁１０を遮断状態とするとともに、三方弁１６をバイパス通路１５側、すなわち、口部１６ａと口部１６ｂとが連通する状態へ切り替える。

遮断弁１０を遮断することにより、高温の流体、すなわち、排気ガスが混入した蒸気が膨張器８へ導入されることに起因する膨張器８の破損を回避することができる。すなわち、排気ガスは、膨張器８が備えるオイルシールの耐熱温度を大きく上回る温度に達するが、このような排気ガスにオイルシールが晒されることを回避することができる。

また、三方弁１６の切り替えにより蒸気をバイパス通路１５側へ流し、蒸気漏れが発生していると考えられる過熱器７をバイパスさせる。これにより、過熱器から冷媒が排気ガスと共に排出されることが抑制される。

つぎに、このようなランキンサイクルシステム１００の制御の一例につき、図２に示すフロー図を参照しつつ説明する。

ＥＣＵ１７は、エンジン１が始動すると、ステップＳ１において、温度検出装置９から温度Ｔを取得する。そして、ステップＳ２において、取得した温度Ｔが予め定めた温度Ｔ０以下であるか否かを判断する。ここで、温度Ｔ０は、これよりも高い温度となるときは、蒸気漏れに伴って蒸気に排気ガスが混入していると判断できる値として定められた閾値である。

ステップＳ２において、ＹＥＳと判断したとき、すなわち、温度Ｔが閾値Ｔ０よりも低かったときはステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、蒸気漏れが発生していない正常判定を行う。ステップＳ３で正常判定を行った後は、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、遮断弁１０を開弁状態とすると共に、三方弁１６を過熱器７側へ切り替える。すなわち、口部１６ａと口部１６ｂとが連通する状態とする。このような状態とされたランキンサイクルシステム１００は、エンジン１で発生した気液混合状態の冷媒が気液分離器４に導入される。そして、気液分離器４において分離された蒸気は過熱器７において、排気ガスと熱交換し、過熱される。過熱された蒸気は、膨張器８へ送られる。そして、膨張器８を駆動した後の蒸気はコンデンサ１２で凝縮され、凝縮水タンク１３に貯留される。凝縮水タンク１３に貯留された冷媒は、第２ウォータポンプ１４がＥＣＵ１７の指令に基づいて駆動されたときに、エンジン１側へ戻される。一方、気液分離器４で分離された液体の冷媒は、冷媒循環路５を通じてエンジン１側へ戻される。

一方、ステップＳ２において、ＮＯと判断したとき、すなわち、温度Ｔが閾値Ｔ０よりも高かったときはステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、異常判定を行う。ステップＳ５で異常判定を行った後は、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、遮断弁１０を遮断状態とすると共に、三方弁１６をバイパス通路１５側へ切り替える。すなわち、口部１６ａと口部１６ｃとが連通する状態とする。このようにフェイル状態とされたランキンサイクルシステム１００は、エンジン１で発生した気液混合状態の冷媒が気液分離器４に導入される。そして、気液分離器４において分離された蒸気は、過熱器７及び膨張器８をバイパスしてコンデンサ１２へ導入される。コンデンサ１２で凝縮された冷媒は、凝縮水タンク１３に貯留される。凝縮水タンク１３に貯留された冷媒は、第２ウォータポンプ１４がＥＣＵ１７の指令に基づいて駆動されたときに、エンジン１側へ戻される。一方、気液分離器４で分離された液体の冷媒は、冷媒循環路５を通じてエンジン１側へ戻される。

なお、このように蒸気漏れが検出されたときは、インジケータ等によって運転者に警告を発し、エンジン１の回転数を制限する等の運転状態とする。

以上説明したように、本実施例のランキンサイクルシステム１００によれば、膨張器８の破損を回避し、冷媒の系外への排出を抑制することができる。

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
２…排気管
３…冷媒供給路
４…気液分離器
５…冷媒循環路
６…第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
７…過熱器（熱交換部）
７ａ…蒸発部
７ｂ…過熱部
８…膨張器
９…温度検出装置
１０…遮断弁
１１…冷媒回収路
１２…コンデンサ
１３…凝縮水タンク
１４…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１５…バイパス通路
１６…三方弁（通路切替手段）
１７…ＥＣＵ（制御部）
１００…ランキンサイクルシステム

Claims (4)

1. 冷媒を沸騰させて蒸気を発生させる蒸気発生器と、
   熱媒体との熱交換により前記蒸気発生器において発生した蒸気を過熱する過熱器と、
   前記過熱器において過熱された蒸気によって駆動される膨張器と、
   前記過熱器における蒸気漏れを検出する蒸気漏れ検出装置と、
   前記過熱器から前記膨張器への蒸気の流通を遮断する遮断弁と、
   前記蒸気漏れ検出装置により蒸気漏れが検出されたときに前記遮断弁を遮断状態とする制御部と、
   を備えたことを特徴とするランキンサイクルシステム。
2. 前記過熱器及び前記膨張器をバイパスするバイパス通路と、
   前記蒸気発生器によって発生した蒸気が流通する経路を前記過熱器側と、前記バイパス通路側との間で切り替える通路切替手段と、を備え、
   前記制御部は、前記蒸気漏れ検出装置により蒸気漏れが検出されたときに前記通路切替手段をバイパス通路側へ切り替えることを特徴とした請求項１記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記蒸気発生器は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却される内燃機関であり、
   前記熱媒体は、前記内燃機関が排出する排気ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記蒸気漏れ検出装置は、前記過熱器の下流側の冷媒通路に配設された温度検出装置であることを特徴とした請求項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。

Images