JP2014134309A - ランキンサイクル機関 - Google Patents

Abstract

【課題】膨張機の故障を防止するランキンサイクル機関を提供することを課題とする。
【解決手段】蒸発器１０と、膨張機１１と、凝縮器１２と、ポンプ１３とを備えるランキンサイクル機関１であって、蒸発器１０と膨張機１１との間に蒸発器１０から出た作動媒体を気体と液体に分離する気液分離器１４を設け、膨張機１１には気液分離器１４で分離された気体の作動媒体が供給される構成とし、さらに、蒸発器１０とポンプ１３との間にエジェクタ１５を設け、エジェクタ１５には気液分離器１４で分離された液体の作動媒体及びポンプ１３からの作動媒体が供給されることによって蒸発器１０とポンプ１３との間に気液分離器１４で分離された液体の作動媒体を戻す構成にすると好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクル機関に関する。

外燃機関は、機関外部の熱源（例えば、車両のエンジンの廃熱）を利用し、作動媒体を蒸発／凝縮させることによって熱源の熱エネルギを運動エネルギに変換する。外燃機関には、作動媒体をポンプで循環させるランキンサイクルによるものがある。外燃機関のランキンサイクルとしては、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１には、作動媒体をポンプで内燃機関に圧送し、内燃機関で作動媒体との間で熱交換を行い、熱交換で液体と気体とが気液混合状態となった作動媒体を気液分離器で気体と液体に分離して液体の作動媒体を内燃機関に戻すとともに気体の作動媒体を蒸発器に流入させ、蒸発器で作動媒体を内燃機関の廃熱を利用して加熱し、蒸気状態の作動媒体を作動媒体供給機構によってタービン（膨張機）に導き、タービンで蒸気状態の作動媒体によって回転して運動エネルギを回収し、タービンを通過した作動媒体を凝縮器で凝縮して液体に戻すシステムが開示されている。

特開２０１２−１５４２６２号公報

膨張機がラジアルタービンなどの場合、蒸発器から膨張機に入った作動媒体に液体が残っていると（作動媒体が乾き度１００％でないと）、タービン翼の故障原因となるエロージョン（侵食）やコロージョン（腐食）が発生し、タービン翼が故障する場合がある。特許文献１に開示のシステムでは、気液分離器で作動媒体を液体と気体とに分離しているが、この気液分離器は蒸発器の上流側に配置されて蒸発器に入る前に作動媒体を気液分離しているので、蒸発器から出た後の作動媒体が乾き度１００％でない可能性がある。

そこで、本発明は、膨張機の故障を防止するランキンサイクル機関を提供することを課題とする。

本発明に係るランキンサイクル機関は、熱源によって作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体からエネルギを回収するための膨張機と、作動媒体を凝縮させる凝縮器と、作動媒体を循環させるポンプとを備えるランキンサイクル機関であって、蒸発器と膨張機との間に設けられ、蒸発器から出た作動媒体を気体と液体に分離する気液分離器を備え、膨張機には、気液分離器で分離された気体の作動媒体が供給されることを特徴とする。

ランキンサイクル機関は、作動媒体をポンプで循環させるランキンサイクルの外燃機関であり、蒸発器、膨張機、凝縮器、ポンプを備えている。蒸発器では、ポンプで作動媒体が圧送されると、その作動媒体を熱源で加熱することによって蒸発して高圧で高温（高エネルギ）の作動媒体とする。膨張機では、高エネルギの作動媒体からエネルギを回収する。凝縮器では、膨張機から出た作動媒体を凝縮して低圧の作動媒体とする。特に、このランキンサイクル機関では、蒸発器と膨張機との間に気液分離器を備えている。気液分離器では、蒸発器から出た作動媒体を液体と気体に分離し、液体を完全に分離して乾き度１００％（湿度０％）の作動媒体とする。そして、この気液分離器で分離された乾き度１００％の気体の作動媒体は、膨張機に供給される。そのため、膨張機がラジアルタービンなどの場合でも、タービン翼の故障原因となるエロージョンやコロージョンが発生しない。このように、ランキンサイクル機関では、蒸発器と膨張機との間に気液分離器を設け、乾き度１００％の気体の作動媒体を膨張機に供給することにより、膨張機においてエロージョンやコロージョンなどの故障原因が発生せず、膨張機の故障を防止することができる。

上記ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間に、気液分離器で分離された液体の作動媒体が戻されると好適である。

気液分離器で分離された液体の作動媒体は、蒸発器から出た作動媒体なので、高圧で高温（高エネルギ）である。したがって、その液体の作動媒体が蒸発器とポンプとの間に戻されて、蒸発器に再び流入すると、蒸発器で液体の作動媒体が持つ高エネルギを再利用できる。その結果、蒸発器での加熱効率（蒸発効率）が向上し、ランキンサイクル機関としてのエネルギ回収効率が向上する。また、蒸発器の効率が向上するので、蒸発器を小型化することも可能である。このように、ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間に気液分離器からの液体の作動媒体を戻すことにより、蒸発器から出た高温の作動媒体から分離された液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、ランキンサイクル機関の効率を向上させることができる。

上記ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間に設けられたエジェクタを備え、エジェクタには、気液分離器で分離された液体の作動媒体及びポンプからの作動媒体が供給される構成としてもよい。

エジェクタを用いることにより、ポンプからの非常に高圧の作動媒体を利用して気液分離器で分離された液体の作動媒体を引っ張って、蒸発器とポンプとの間に気液分離器からの液体の作動媒体を搬送することができる。このように、ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間にエジェクタを設けることにより、気液分離器からの液体の作動媒体を蒸発器とポンプとの間に戻すのにポンプなどの動力を必要とせず、エネルギを消費しない。

上記ランキンサイクル機関では、ポンプと凝縮器との間に、気液分離器で分離された液体の作動媒体が戻されると好適である。

気液分離器で分離された液体の作動媒体は、上記したように高エネルギである。したがって、その液体の作動媒体がポンプと凝縮器との間に戻されて、ポンプ後に蒸発器に再び流入すると、上記と同様に、蒸発器で液体の作動媒体が持つ高エネルギを再利用できる。また、ポンプと凝縮器との間の作動媒体は低圧であるので、気液分離器で分離された高圧の液体の作動媒体をポンプと凝縮器との間に戻すために、ポンプなどの動力を必要とせず、エネルギを消費しない。このように、ランキンサイクル機関では、ポンプと凝縮器との間に気液分離器からの液体の作動媒体を戻すことにより、液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、ランキンサイクル機関の効率を向上させることができる。

本発明によれば、蒸発器と膨張機との間に気液分離器を設け、乾き度１００％の気体の作動媒体を膨張機に供給することにより、膨張機においてエロージョンやコロージョンなどの故障原因が発生せず、膨張機の故障を防止することができる。

第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。 エジェクタの一例を示す側断面図である。 第２の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るランキンサイクル機関の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施の形態にランキンサイクル機関は、廃熱等の機関外部の熱源から熱エネルギを回収する外燃機関であり、例えば、車両に搭載され、車両のエンジンの冷却水あるいは排気ガスを熱源とする。また、本実施の形態にランキンサイクル機関は、ポンプで作動媒体を蒸発器、膨張機、凝縮器の間で循環させるランキンサイクルである。なお、本実施の形態には、２つの実施形態がある。

図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関１について説明する。図１は、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。図２は、エジェクタの一例を示す側断面図である。なお、図１における矢印は、作動媒体が流れる方向を示している。

ランキンサイクル機関１は、膨張機の故障を防止するために、膨張機に乾き度１００％（完全に気体のみ）の作動媒体を供給する。また、ランキンサイクル機関１は、機関としての効率を向上させるために、蒸発器後の液体の作動媒体の持つエネルギを再利用する。ランキンサイクル機関１は、蒸発器１０、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３、気液分離器１４、エジェクタ１５、循環路１６ａ〜１６ｆ、再循環路１７を備えている。

蒸発器１０は、エジェクタ１５から出た作動媒体が流入すると、回収対象の熱源によって作動媒体を加熱して蒸発（気化）させる。蒸発器１０から出た作動媒体は、高圧で高温となっており、非常に高いエネルギを持つ。また、蒸発器１０から出た作動媒体は、殆どが蒸発して気体となっているが、液体として残るものもある。蒸発器１０と気液分離器１４との間には循環路１６ａが設けられ、蒸発器１０から出た作動媒体は循環路１６ａを通って気液分離器１４に流入する。蒸発器１０については、周知の一般的な蒸発器を採用することができる。

膨張機１１は、気液分離器１４から出た高圧で高温の気体の作動媒体が流入すると、気体の作動媒体を膨張させることによって作動媒体が持つエネルギを運動エネルギ（例えば、回転エネルギ）に変換する。膨張機１１と凝縮器１２との間には循環路１６ｃが設けられ、膨張機１１から出た作動媒体は循環路１６ｃを通って凝縮器１２に流入する。膨張機１１については、周知の一般的な膨張機を採用でき、例えば、ラジアル式のタービンがある。

膨張機１１には、発電機３が取り付けられる。発電機３では、膨張機１１で変換した運動エネルギを電気エネルギに変換する。この場合、熱源の熱エネルギは、電気エネルギとして回収（発電回生）される。なお、発電機３以外の装置を取り付けて、電気エネルギ以外で回収してもよい。

凝縮器１２は、膨張機１１から出た気体の作動媒体が流入すると、冷却熱源によって作動媒体を冷却（放熱）して作動媒体を凝縮（液化）させる。凝縮器１２から出た作動媒体は、低圧となっている。凝縮器１２とポンプ１３との間には循環路１６ｄが設けられ、凝縮器１２から出た作動媒体は循環路１６ｄを通ってポンプ１３に流入する。凝縮器１２については、周知の一般的な凝縮器を採用することができる。なお、作動媒体は、種々のものを用いることができ、特に限定しない。

ポンプ１３は、凝縮器１２から出た作動媒体が流入すると、作動媒体に圧力を与えて送り出す。ポンプ１３から出た作動媒体は、非常に高圧である。ポンプ１３とエジェクタ１５との間には循環路１６ｅが設けられ、ポンプ１３から出た作動媒体は循環路１６ｅを通ってエジェクタ１５に流入する。ポンプ１３については、周知の一般的なポンプを採用することができる。

気液分離器１４は、蒸発器１０から出た作動媒体が流入すると、作動媒体を液体と気体に分離する。気液分離器１４から出た気体の作動媒体及び液体の作動媒体は、蒸発器１０後の作動媒体なので、高圧で高温であり、非常に高いエネルギを持つ。気液分離器１４と膨張機１１との間には循環路１６ｂが設けられ、気液分離器１４から出た気体の作動媒体は循環路１６ｂを通って膨張機１１に流入する。また、気液分離器１４とエジェクタ１５との間には再循環路１７が設けられ、気液分離器１４から出た液体の作動媒体は再循環路１７を通ってエジェクタ１５に流入する。したがって、この液体の作動媒体については、蒸発器１０後に、ポンプ１３と蒸発器１０の間（ポンプ１３の下流側かつ蒸発器１０の上流側）に戻されることになる。

気液分離器１４については、周知の一般的な気液分離器を採用することができる。例えば、遠心式の気液分離器があり、遠心力で気液分離器の外側に液体が分離され、液体の作動媒体を外側からエジェクタ１５に導く。また、圧損式の気液分離器があり、気液分離器内の網にかかった液体が重力で下側に落ちて分離され、液体の作動媒体を下側からエジェクタ１５に導く。

気液分離器１４からの液体の作動媒体も高圧であるが、ポンプ１３からの非常に高圧の作動媒体に比べれば、低圧である。しかしながら、エジェクタ１５は、ポンプ１３から出た非常に高圧で高速の作動媒体が流入すると、この非常に高圧の作動媒体を利用して気液分離器１４から出た液体の作動媒体を引っ張って、作動媒体を蒸発器１０に送り込む。このように、エジェクタ１５の構造によって、ポンプなどの動力無しで、ポンプ１３からの作動媒体の圧力エネルギによって気液分離器１４からの液体の作動媒体を引っ張ることができる。エジェクタ１５と蒸発器１０との間には循環路１６ｆが設けられ、エジェクタ１５から出た作動媒体は循環路１６ｆを通って蒸発器１０に流入する。

エジェクタ１５の構造の一例としては、図２に示すものがある。このエジェクタ１５は、中心部に断面円形の第一流路１５ａと、その第一流路１５ａの外周面に沿って形成された断面ドーナツ状の第二流路１５ｂとからなる。第一流路１５ａは、一端部がポンプ１３に繋がる循環路１６ｅに接続され、他端部が徐々に細径になって開口している。第二流路１５ｂは、一端部が気液分離器１４に繋がる再循環路１７に接続され、他端部が徐々に細径になって、蒸発器１０に繋がる循環路１６ｆに接続されている。この第一流路１５ａにポンプ１３からの高圧で高速の作動媒体が流れると、気液分離器１４から出た液体の作動媒体が引っ張られ、再循環路１７を通って第二流路１５ｂに流入する。そして、第一流路１５ａの作動媒体と第二流路１５ｂの液体の作動媒体が、循環路１６ｆを通って蒸発器１０に流入する。このように、ポンプなどの動力無しでも、気液分離器１４から出た液体の作動媒体を蒸発器１０まで搬送することができる。

上記構成のランキンサイクル機関１の動作について説明する。蒸発器１０では、エジェクタ１５から作動媒体が送り込まれると、熱源によって作動媒体を加熱して蒸発させる。蒸発器１０を出た高温で高圧の作動媒体は、気液分離器１４に流入する。気液分離器１４では、この作動媒体を気体と液体に分離する。

気液分離器１４から出た気体の作動媒体（乾き度１００％）は、膨張機１１に流入する。膨張機１１では、この高温で高圧の気体の作動媒体を膨張させることによって作動媒体が持つエネルギを運動エネルギに変換する。発電機３では、この運動エネルギを電気エネルギに変換し、熱源の熱エネルギを電気エネルギとして回収する。膨張機１１を出た作動媒体は、凝縮器１２に流入する。凝縮器１２では、冷却熱源によって作動媒体を冷却して凝縮させる。凝縮器１２を出た作動媒体は、ポンプ１３に流入する。ポンプ１３では、作動媒体に圧力を与えて送り出す。

ポンプ１３から出た非常に高圧の作動媒体は、エジェクタ１５に高速で流入する。エジェクタ１５では、非常に高圧の作動媒体が流入すると、その圧力エネルギによって気液分離器１４から出た液体の作動媒体をエジェクタ１５内に引っ張る。これによって、気液分離器１４から出た液体の作動媒体は、再循環路１７を通って、エジェクタ１５内に引き込まれる。そして、エジェクタ１５では、ポンプ１３からの作動媒体に加えて気液分離器１４からの再循環の液体の作動媒体を蒸発器１０に高圧で送り込む。したがって、蒸発器１０では、蒸発器１０から出た高エネルギを持つ液体の作動媒体を再利用することになる。

このランキンサイクル機関１によれば、蒸発器１０と膨張機１１との間に気液分離器１４を設け、乾き度１００％（湿度０％）の気体の作動媒体を膨張機１１に供給することにより、膨張機１１（例えば、ラジアルタービンのタービン翼）においてエロージョンやコロージョンなどの故障原因が発生せず、膨張機１１の故障を防止することができる。

また、ランキンサイクル機関１によれば、ポンプ１３と蒸発器１０との間（ポンプ１３の下流側かつ蒸発器１０の上流側）に気液分離器１４からの液体の作動媒体を戻すことにより、蒸発器１０から出た高温の作動媒体から分離された液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、蒸発器１０での加熱効率（蒸発効率）が向上し、ランキンサイクル機関１のエネルギ回収効率を向上させることができる。また、蒸発器１０の効率が向上するので、蒸発器１０を小型化することも可能である。

さらに、ランキンサイクル機関１によれば、ポンプ１３と蒸発器１０との間にエジェクタ１５を設けることにより、気液分離器１４からの液体の作動媒体をポンプ１３と蒸発器１０との間まで戻すために、ポンプなどの動力を必要とせず、エネルギを消費しない。

図３を参照して、第２の実施の形態に係るランキンサイクル機関２について説明する。図３は、第２の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。なお、図３における矢印は、作動媒体が流れる方向を示している。

ランキンサイクル機関２は、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関１と比較すると、エジェクタを用いないで気液分離器後の液体の作動媒体を再循環させる点が異なる。ランキンサイクル機関２は、蒸発器１０、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３、気液分離器１４、循環路１６ａ〜１６ｃ，１６ｇ，１６ｈ、再循環路１８を備えている。

蒸発器１０、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３、気液分離器１４及び循環路１６〜１６ｃについては、第１の実施の形態で説明したものと同様のものなので、説明を省略する。

凝縮器１２とポンプ１３との間には循環路１６ｇが設けられ、凝縮器１２から出た作動媒体は循環路１６ｇを通ってポンプ１３に流入する。上記したように凝縮器１２から出た作動媒体は低圧であるので、凝縮器１２から出て循環路１６ｇを流れる作動媒体は低圧である。また、ポンプ１３と蒸発器１０との間には循環路１６ｈが設けられ、ポンプ１３から出た作動媒体は循環路１６ｈを通って蒸発器１０に直接流入する。

気液分離器１４と循環路１６ｇの任意の箇所との間には再循環路１８が設けられ、気液分離器１４で分離されて出た液体の作動媒体は再循環路１８を通って循環路１６ｇに流入する。したがって、この液体の作動媒体については、蒸発器１０後に、凝縮器１２とポンプ１３との間（凝縮器１２の下流側かつポンプ１３の上流側であり、蒸発器１０の上流側でもある）に戻されることになる。上記したように気液分離器１４から出た液体の作動媒体は高圧であるので、再循環路１８を流れる液体の作動媒体は高圧である。したがって、気液分離器１４から出て再循環路１８を流れてきた液体の作動媒体は、凝縮器１２からの低圧の作動媒体が流れる循環路１６ｇ内に流入することができる。この場合、再循環路１８が無い構成の場合よりも、ポンプ１３の能力を上げるとよい。

上記構成のランキンサイクル機関２の動作について説明する。蒸発器１０、気液分離器１４、膨張機１１、発電機３、凝縮器１２の動作については、第１の実施の形態で説明した動作と同様なので、説明を省略する。

凝縮器１２を出た低圧の作動媒体は、循環路１６ｇを流れる。このように循環路１６ｇには凝縮器１２からの低圧の作動媒体が流れているので、気液分離器１４から出た高圧の液体の作動媒体は、再循環路１８を通って、循環路１６ｇに流入する。凝縮器１２からの作動媒体に加えて気液分離器１４からの液体の作動媒体は、循環路１６ｇを通って、ポンプ１３に流入する。ポンプ１３では、この作動媒体に圧力を与えて送り出す。ポンプ１３から出た非常に高圧の作動媒体は、蒸発器１０に高速で流入する。したがって、蒸発器１０では、蒸発器１０から出た高エネルギを持つ液体の作動媒体を再利用することになる。

このランキンサイクル機関２によれば、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関１と同様に、気液分離器１４を設けて乾き度１００％の気体の作動媒体を膨張機１１に供給することにより、膨張機１１の故障原因が発生せず、膨張機１１の故障を防止することができる。特に、ランキンサイクル機関２によれば、凝縮器１２とポンプ１３との間（凝縮器１２の下流側かつポンプ１３の上流側）に気液分離器１４からの液体の作動媒体を戻すことにより、蒸発器１０から出た高温の作動媒体から分離された液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、蒸発器１０での加熱効率（蒸発効率）が向上し、ランキンサイクル機関１のエネルギ回収効率を向上させることができる。また、蒸発器１０の効率が向上するので、蒸発器１０を小型化することも可能である。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態ではランキンサイクル機関を車両に搭載し、車両のエンジンの廃熱を回収する構成を例に示したが、車両以外の内燃機関の廃熱を回収する構成でもよいし、外燃機関単体で構成してもよい。

また、本実施の形態では気液分離器で分離した液体の作動媒体を機関内に戻す構成としたが、分離した液体の作動媒体を機関に戻さないようにしてもよい。

また、本実施の形態では気液分離器からの液体の作動媒体をポンプと蒸発器との間に戻すためにエジェクタを用いる構成としているが、エジェクタを用いないで、ポンプなどの他の手段を用いて戻すようにしてもよい。

１，２…ランキンサイクル機関、３…発電機、１０…蒸発器、１１…膨張機、１２…凝縮器、１３…ポンプ、１４…気液分離器、１５…エジェクタ、１５ａ…第一流路、１５ｂ…第二流路、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ…循環路、１７，１８…再循環路。

Claims (4)

1. 熱源によって作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体からエネルギを回収するための膨張機と、作動媒体を凝縮させる凝縮器と、作動媒体を循環させるポンプとを備えるランキンサイクル機関であって、
   前記蒸発器と前記膨張機との間に設けられ、前記蒸発器から出た作動媒体を気体と液体に分離する気液分離器を備え、
   前記膨張機には、前記気液分離器で分離された気体の作動媒体が供給されることを特徴とするランキンサイクル機関。
2. 前記蒸発器と前記ポンプとの間に、前記気液分離器で分離された液体の作動媒体が戻されることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル機関。
3. 前記蒸発器と前記ポンプとの間に設けられたエジェクタを備え、
   前記エジェクタには、前記気液分離器で分離された液体の作動媒体及び前記ポンプからの作動媒体が供給されることを特徴とする請求項２に記載のランキンサイクル機関。
4. 前記ポンプと前記凝縮器との間に、前記気液分離器で分離された液体の作動媒体が戻されることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル機関。

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