JP2011149386A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルシステムにおける膨張器の暖機を促進し、膨張器における蒸気の凝縮を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１、エンジン１において発生した蒸気によって駆動される膨張器１０を備える。また、ランキンサイクルシステム１００は、エンジン１において発生し、膨張器１０を駆動する蒸気を膨張器１０に供給する第１蒸気通路３ａと膨張器１０を暖機する蒸気が流通する第２蒸気通路３ｂとを備える。また、これらの第１蒸気通路３ａと第２蒸気通路３ｂとの通路切替装置７を備える。暖機中は、通路切替装置７を第２蒸気通路３ｂ側へ切り替え、膨張器１０を暖機する。暖機完了後は通路切替装置７を第１蒸気通路３ａ側へ切り替え、廃熱回収を行う。
【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）の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、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改良するものとして、例えば特許文献１では、膨張器を迂回させた蒸気とエンジンの冷却液との間で熱交換を行う提案がされている。これにより、エンジンの暖機が促進されるとしている。

特開２００８−３８９１６号公報

しかしながら、上記特許文献１の提案では、膨張器を迂回するためにランキンサイクルによる廃熱回収開始が遅れる。また、上記特許文献１の提案では、膨張器の暖機については考慮されていない。膨張器が暖まる以前に膨張器に蒸気が供給されると、膨張器において蒸気が凝縮し、膨張器内に液滴が溜まってしまうおそれがある。膨張器内で蒸気の凝縮は、膨張器の故障に繋がることがある。

そこで、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、膨張器の暖機を促進し、膨張器において蒸気が凝縮することを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、前記蒸気発生器において発生した蒸気によって駆動される膨張器と、前記蒸気発生器において発生し、前記膨張器を駆動する蒸気を前記膨張器に供給する第１蒸気通路と、前記蒸気発生器において発生し、前記膨張器を暖機する蒸気が流通する第２蒸気通路と、前記第１蒸気通路と前記第２蒸気通路との通路切替装置と、前記膨張器の暖機状態を判定するための情報を取得する暖機情報取得装置と、前記暖機情報取得装置により取得された情報に基づいて、前記通路切替装置を動作させる制御部と、を備えることを特徴としている。

膨張器の暖機が完了していないときは、膨張器を駆動するための蒸気の供給を停止し、膨張器を暖機するための蒸気を流通させる。これにより、膨張器における蒸気の凝縮を回避しつつ、膨張器の暖機を促進することができる。

このようなランキンサイクルシステムに含まれる膨張器は従来公知のどのような形式のものであっても構わないが、タービン翼を回転駆動させる形式のものを採用することができる。例えば、前記膨張器は、タービンケースと、前記タービンケース内に設けられたタービン翼とを備え、前記タービン翼は、前記第１蒸気通路を通じて供給された蒸気によって回転駆動され、前記第２蒸気通路は前記タービンケースに設けられた構成とすることができる。第２蒸気通路は、タービンケースを貫通するように設けてもよいし、タービンケースの外壁に沿わせるように設けてもよい。第２蒸気通路は、膨張器の暖機を促進できる形態となっていればよい。

本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、膨張器の暖機を促進し、膨張器において蒸気が凝縮すること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。このときエンジン１は、蒸気を発生させる。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、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は、気液分離器４の下流側で第１蒸気通路３ａと第２蒸気通路３ｂとに分岐している。第１蒸気通路３ａと第２蒸気通路３ｂとの分岐点には、通路切替装置７が設けられている。通路切替装置７は、電磁式の三方弁であり、三つの口部７ａ、７ｂ、７ｃを備えている。通路切替装置７は、気液分離器４側に口部７ａ、第１蒸気通路３ａ側に口部７ｂ、第２蒸気通路３ｂ側に口部７ｃが位置するように取り付けられている。

第１蒸気通路３ａには、過熱器８が設けられている。過熱器８は、下側に蒸発部８ａを備え、その上側に過熱部８ｂを備えている。第１蒸気通路３ａを通じて蒸発部８ａに導入された蒸気は、過熱部８ｂ側へ移動する。過熱器８には、排気管２が引き込まれている。排気管２の内部には、エンジン１で発生した排気ガスが流通する。排気ガスは、気液分離器４を通過した蒸気と熱交換をする。排気管２は、排気ガスが過熱部８ｂ、蒸発部８ａの順に通過するように過熱器８を貫通している。これにより、過熱器８は、エンジン１側から第１蒸気通路３ａを通じて流入する冷媒とエンジン１が排出する排気ガスとの熱交換を行う。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８ｂの上端部には、蒸気排出管３ａ１が設けられている。蒸気排出管３ａ１は、第１蒸気通路３ａの一部をなす。蒸気排出管３ａ１の先端部には、ノズル９が設けられている。

過熱器８の下流側には、膨張器１０が配設されている。第１蒸気通路３ａは、この膨張器１０を駆動する蒸気を膨張器１０に供給する。膨張器１０は、タービンケース１０ａと、このタービンケース１０ａに設けられたタービン翼１０ｂとを備えている。ノズル９は、第１蒸気通路３ａを通じて供給された蒸気がタービン翼１０ｂに向かって噴射されるようにタービンケース１０ａに取り付けられている。これにより、タービン翼１０ｂは、第１蒸気通路３ａを通じて供給された蒸気により回転駆動される。タービン翼１０ｂ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。

膨張器１０の下流側には、膨張器１０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には、ノズル９から噴射され、タービン翼１０ｂを回転させた後の蒸気が流入する。冷媒回収路１１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。第２ウォータポンプ１４と凝縮水タンク１３との間には、冷媒中の異物を除去するフィルタ１５が配設されている。また、第２ウォータポンプ１４の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１６が配設されている。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。

一方、第２蒸気通路３ｂは、タービンケース１０ａを貫通するように設けられている。第２蒸気通路３ｂは、膨張器１０の暖機用の蒸気通路であり、第２蒸気通路３ｂ内を流通する蒸気は、タービン翼１０ｂに触れることはない。第２蒸気通路３ｂ内を流通する蒸気は、膨張器１０を暖機する。第２蒸気通路３ｂは、凝縮水タンク１３に接続されている。膨張器８の暖機時において、気液分離器４を通過した蒸気は、第２蒸気通路３ｂを通過する。このため、暖機中で温度が低い第２蒸気通路３ｂ内を通過する蒸気は、第２蒸気通路３ｂ内で凝縮することがある。第２蒸気通路３ｂ内で凝縮した冷媒は、凝縮水タンク１３に貯留される。第２蒸気通路３ｂのタービンケース１０ａと凝縮水タンク１３との間には開閉弁１７が配設されている。この開閉弁１７が開弁状態となると第２蒸気通路３ｂ内の凝縮した冷媒が凝縮水タンク１３へ流入する。

タービンケース１０ａには、膨張器１０の暖機状態を判定するための情報を取得する暖機情報取得装置１８が設けられている。この暖機情報取得装置は、タービンケース１０ａ内の温度を測定する。このタービンケース１０ａ内の温度が膨張器１０の暖機を判定するための情報となる。なお、この情報は、タービンケース１０ａの表面の温度であってもよいし、タービン翼１０ｂを支持するベアリングの冷却用オイルの温度等、膨張器１０の暖機状態の判定に利用することができるものであれば採用することができる。

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）１９を備えている。ＥＣＵ１９は、通路切替装置７、開閉弁１７、暖機情報取得装置１８とそれぞれ電気的に接続されている。ＥＣＵ１９は、暖機情報取得装置１８により取得された情報に基づいて通路切替装置７を動作させる。より具体的には、ＥＣＵ１９は、暖機情報取得装置１８により取得された情報に基づいて膨張器１０の暖機が完了していないと判断したときは、通路切替装置７を第２蒸気通路３ｂ側、すなわち、口部７ａと口部７ｃとが連通する状態へ切り替える。また、膨張器１０の暖機が完了したと判断したときは、通路切替装置７を第１蒸気通路３ａ側、すなわち、口部７ａと口部７ｂとが連通する状態へ切り替える。

第２蒸気通路３ｂへ蒸気を流すことにより、膨張器１０の暖機を進めることができる。これにより、タービン翼１０ｂに蒸気が供給されるときにはタービン翼１０ｂは暖められており、タービン翼１０ｂにおける蒸気の凝縮を伴うことなく廃熱回収を開始することができる。

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。

ＥＣＵ１９は、エンジン１が始動すると、ステップＳ１において、暖機情報取得装置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、膨張器１０の暖機が完了した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、膨張器１０は、暖機中であるとの判定を行う。ステップＳ３で暖機中判定を行った後は、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、通路切替装置７を第２蒸気通路３ｂ側へ切り替える。また、開閉弁１７を開弁状態とする。このような状態とされたランキンサイクルシステム１００において、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膨張器１０のタービンケース１０ａ内へ流れ、膨張器１０を暖機する。暖機中である膨張器１０内へ流れ込んだ蒸気はタービンケース１０ａ内で冷やされ、凝縮する場合がある。凝縮した冷媒は、開閉弁１７を通過した凝縮水タンク１３へ流入する。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ＥＣＵ１９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、暖機完了判定を行う。ステップＳ５で暖機完了判定を行った後は、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、通路切替装置７を第１蒸気通路３ａ側へ切り替える。また、開閉弁１７を閉弁状態とする。このような状態とされたランキンサイクルシステム１００において、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第１蒸気通路３ａを通じて過熱器８内へ流入する。そして、排気ガスと熱交換し、過熱される。過熱された蒸気は、蒸気排出管３ａ１を通じて膨張器１０へ送られる。より具体的には、ノズル９からタービン翼１０ｂに向かって噴射され、タービン翼１０ｂを回転駆動する。そして、タービン翼１０ｂを回転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ＥＣＵ１９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。

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１０の暖機を促進し、膨張器１０において蒸気が凝縮することを回避することができる。膨張器１０において蒸気が凝縮することを回避することにより、例えば、タービン翼１０ｂ等の膨張器１０の破損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
３ａ…第１蒸気通路
３ａ１…蒸気排出管
３ｂ…第２蒸気通路
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…三方弁
８…過熱器
８ａ…蒸発部
８ｂ…過熱部
９…ノズル
１０…膨張器
１０ａ…タービンケース
１０ｂ…タービン翼
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…フィルタ
１６…一方弁
１７…開閉弁
１８…暖機情報取得装置
１９…ＥＣＵ（制御部）
１００…ランキンサイクルシステム

Claims (2)

1. 冷媒を沸騰させて蒸気を発生させる蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器において発生した蒸気によって駆動される膨張器と、
   前記蒸気発生器において発生し、前記膨張器を駆動する蒸気を前記膨張器に供給する第１蒸気通路と、
   前記蒸気発生器において発生し、前記膨張器を暖機する蒸気が流通する第２蒸気通路と、
   前記第１蒸気通路と前記第２蒸気通路との通路切替装置と、
   前記膨張器の暖機状態を判定するための情報を取得する暖機情報取得装置と、
   前記暖機情報取得装置により取得された情報に基づいて、前記通路切替装置を動作させる制御部と、
   を備えることを特徴としたランキンサイクルシステム。
2. 前記膨張器は、タービンケースと、前記タービンケース内に設けられたタービン翼とを備え、
   前記タービン翼は、前記第１蒸気通路を通じて供給された蒸気によって回転駆動され、
   前記第２蒸気通路は前記タービンケースに設けられた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。

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