JP2016507694A - 廃熱回収装置の膨張機を加熱するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関とともに使用される廃熱回収装置に関し、該装置は作動流体を循環させる作動流体循環路、前記作動流体循環路に接続されると共に、熱源から廃熱を回収するべく適合され、かつ回収した廃熱を作動流体に伝達するボイラ、前記作動流体循環路に接続されて前記ボイラから作動流体を受け入れる膨張器、及び前記膨張器に接続された加熱ジャケット、を備える。前記ボイラの下流の前記作動流体循環路が、前記膨張器に接続する第１の分岐及び前記加熱ジャケットに接続する第２の分岐を含む。弁が膨張及び回収作業のため第１の分岐、あるいは前記作動流体の温度に対応する前記膨張器を熱するために第２の分岐のうち一つに前記作動流体の流れを選択的に制御するために、前記作動流体循環路に接続されている。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の廃熱からエネルギーを回収する、例えばランキンサイクル装置といったボトミングサイクル装置に関し、より詳しくは、そのような装置の膨張機に関する。

ボトミングサイクル装置、例えばランキンサイクルベースの装置におけるシステム効率は、直接的に稼働時間、すなわち廃熱の回収が生じる作動時間に関係している。非作動時間は、多くの場合、利用可能な熱の蒸気質量率が低い（廃熱が充分でない）こと、あるいは構成要素の暖機時間（ボイラ及び膨張機が暖機中である）ことに起因する。

本発明は、蒸気質量率による熱の利用度が低い期間の間における温度管理を改善すること、及び作動状態に戻るときの装置の暖機時間を減少させることにより、作動時間を増加させる解決策を提案する。

本発明は、例えばランキンサイクル、エリクソンサイクル、及び他の廃熱回収サイクルといった、ボトミングサイクルに適用できる。

本発明によると、ボトミングサイクル装置の膨張機が作動流体循環路に接続されて、例えばボイラ、蒸発器あるいは熱交換器といった廃熱回収用の熱交換器から作動流体を受け入れる。膨張機に導かれた作動流体は膨張機において膨張し、利用可能な仕事あるいはエネルギーを発生させる。膨張機はまた、作動流体を受け入れて膨張機を加熱するように接続された加熱ジャケットを有している。バイパス弁は、作動流体が膨張機の入口に導かれるかあるいは加熱ジャケットに導かれるかを制御する。

バイパス弁の制御は、（ボイラの出口において、測定し得る）作動流体の温度及び（都合の良い位置で測定し得る）膨張器の温度に基づく。バイパス弁は、他の条件、例えば、それには限定されないが、膨張機の回転速度の制御、作動流体の温度の調整、あるいは膨張機のトルク要求（例えばエンジンブレーキモードの間に発電を停止する要求）に基づいて調整することもできる。

本発明によると、膨張器は、タービン機械、ピストン機械、スクロール、スクリュー、あるいは作動流体を膨張させることにより有用な仕事を取り出すことができる他の装置とすることができる。多段膨張器の構成を本発明の装置に用いることができ、一つあるいは複数の段のバイパスが選択的に制御される。

本発明によると、加熱ジャケットはウォータジャケットの形態とすることができる。

図１は、従来技術の代表的なランキンサイクル装置の概略図である。 図２は、作動流体が膨張機を迂回するバイパス回路を有したランキンサイクル装置の概略図である。 図３は、膨張機を加熱するべく作動流体を受け入れる加熱ジャケットを膨張機が有している、本発明の一実施形態によるボトミングサイクルの概略図である。 図４は、図３の装置の代替実施形態の概略図である。 図５は、本発明による膨張器の代替実施形態である。 図６は、作動流体加熱ジャケットを有する、複数の膨張器を有する代替装置を図示している。

図１から判るように、代表的なボトミングサイクル廃熱回収装置は、例えば内燃機関の排気、エンジン冷却液、エンジンオイルクーラあるいは他の供給源といった熱源（図示せず）からの熱を回収して作動流体を加熱する、蒸発器あるいはボイラ１０を備えている。作動流体は、作動流体循環路１２により装置を通って移動する。加熱されてボイラ１０を出た作動流体は、作動流体循環路ライン１２ａを通り、作動流体の膨張により仕事を発生させる膨張機あるいは膨張器１４に導かれる。この膨張器は、タービン、ピストンエンジン、スクロール、スクリューあるいは他の機械とすることができる。発生した仕事は、軸１５によって、伝達できると共に、例えば発電機を駆動するために、あるいは内燃機関の駆動軸に追加される機械的な動力として用いることができる。膨張した作動流体は、循環路ライン１２ｂを通り、作動流体から熱を取り出して凝縮させる凝縮器１６に導かれる。凝縮した流体は循環路ライン１２ｃにより、作動流体を圧縮するポンプ１８に導かれる。循環路ライン１２ｃは、ポンプ１８からボイラ１０に作動流体を移動させて廃熱回収サイクルを反復させる。

図２から判るように、また当技術分野で知られているように、ボトミングサイクル廃熱装置は、膨張器１４を周って作動流体を凝縮器１６に導くための、バイパス弁２０及びバイパス循環路２２を備えることができる。バイパス弁２０は、作動流体が作動状態にあるときにはライン２４を介して、あるいは作動流体の蒸気質量率が膨張にとって充分でないとき、すなわち、例えば過熱蒸気としての作動温度まで作動流体を加熱するためにボイラ１０において、利用可能な廃熱が充分でないときに、膨張器１４を迂回するライン２２を介して作動流体を膨張器１４に導くべく制御できる。凝縮器１６はバイパス回路から受け入れた作動流体を冷却し、冷却された流体はポンプ１８により蒸発器／ボイラ１０にポンプ送りされる。

バイパス弁２０は、作動流体を膨張器１４に導くか、あるいは膨張器機の周りのバイパス回路２２に導くかを制御する。作動流体が作動温度にあるときに、バイパス弁２０は、バイパス回路２２を閉じ、ライン２４を介して作動流体を膨張器１４に導く。作動状態にある（すなわち蒸気としての）作動流体の、相対的に冷たい膨張機に対する流入は、膨張器に熱衝撃を生じさせ得る。加えて、作動流体は機械構造へと熱を失うことにより凝縮温度に冷却されて、腐食、孔食あるいは他のダメージを生じさせ得る。

図３は、本発明の一実施形態を図示している。図３の装置は、膨張器１４に構造的に結合された加熱ジャケット３０を備えている。図２のバイパス弁及びバイパス回路に対し、作動流体循環路ライン１２ａの第１の分岐４０が膨張器１４に接続され、かつ第２の分岐４２が加熱ジャケット３０に接続されている。弁４４は、作動流体を第１の分岐４０に流すか、あるいは第２の分岐４２に流すかを制御する。加熱ジャケット３０は、作動流体を加熱流体として膨張器機の周りに循環させて、作動温度になる前の作動流体を加熱し、あるいは作動段階の間の温度を維持する。

加熱ジャケット３０は、当技術分野において知られているエンジン部品を冷却するためのウォータジャケットとして構成できる。加熱ジャケットは、膨張機の構造と熱伝達するように接触させつつ作動流体を移動させるべく形成された、一つあるいは複数の通路とすることができる。

加熱ジャケット３０及び膨張器１４の出口の逆止弁５２、５４は、加熱ジャケット及び膨張器に流体が逆流することを防止している。加熱ジャケット３０を通って導かれて加熱ジャケット３０から出る作動流体は、破線１２ｂｃで示すように、選択的に凝縮器１６を迂回できる。

バイパス弁４４は、ボイラ１０から出る作動流体の検出温度に基づいて作動させることができる。ボイラ１０の出口あるいはボイラの出口側の作動流体循環路１２ａにある温度センサ４６は、バイパス弁４４を制御するべく接続されている制御装置４８に接続して温度信号をもたらすことができる。

バイパス弁４４は、他の作動条件に基づいて調整することもできる。例えば、第１の分岐４０に対する作動流体の流れは、膨張機の回転速度を制御するべく分割できる。速度センサ６０を膨張器の出力軸１５に設けるとともに、速度信号を制御装置４８にもたらすべく接続できる。加えて、あるいはそれに代えて、バイパス弁４４は、例えば加熱ジャケット３０を通って流れる部分と膨張機１４を通って流れる部分とに作動流体を分割することで、作動流体の温度を調整するべく、作動させることができる。膨張器の出口側（あるいは凝縮器の入口側）にある温度センサ６２は、流出する、膨張した作動流体の温度を監視して、制御装置に信号をもたらすことができる。更に他の代替案として、作業流体の流れは、（例えば、エンジンブレーキモードの間における発電停止要求といった）膨張機の出力トルク要求に応じて制御できる。本発明のこの態様による制御装置４８は、例えば内燃機関（図示せず）あるいは発電機／バッテリ装置（図示せず）の駆動軸といった、膨張器の出力トルクを受け取る装置からの信号を受信するべく接続される。

図４に示されている、この装置の代りの実施形態は、ボイラ１０の上流に復熱器７０を備えることができる。加熱ジャケット３０から流出する作動流体は、ボイラに流入する作動流体にエネルギーを伝達して効率を改善するべく、ライン１２ｅによって、復熱器７０に移動させることができる。復熱器７０から流出する作動流体は、ライン１２ｆにより凝縮器１６に移動する。このことは、凝縮器１６の負荷を軽減すると共に、蒸気を発生させるためにボイラ１０が流体に追加しなければならないエネルギー量を減少させる。膨張器１４から出る作動流体循環路は、破線１２ｇで示すように、凝縮器１６に導く前に復熱器７０に導くこともできる。

図５に示すように、加熱ジャケット３０あるいは膨張器１４に流入する作動流体を制御する弁装置８０、並びに作動流体出口の逆止弁８２、８４は、装置を単純化するために加熱ジャケットと一体化できる。図示のように、入口側の弁８０及び出口８６は、加熱ジャケット３０のマニホールドとして形成できる。

図６は、２つの膨張器１１４ａ、１１４ｂが直列に接続された装置を図示している。第１の膨張器１１４ａ及び第２の膨張器１１４ｂの両方が、加熱ジャケット１３０ａ、１３０ｂと共に示されている。各膨張器段１１４ａ、１１４ｂは、バイパス弁１４４ａ、１４４ｂを有していて、仕事を発生させるべく第１の分岐１４０ａ、１４０ｂに通して膨張機に導くか、あるいは膨張器を加熱するべく第２の分岐１４２ａ、１４２ｂに通して各加熱ジャケット１３０ａ、１３０ｂに導くかを制御する。各装置において、第１の分岐１４０ａ、１４０ｂは、膨張器１１４ａ、１１４ｂに作動流体を供給するための第１のライン１５０ａ、１５０ｂと、膨張器を迂回する第２のライン１５２ａ、１５２ｂとに更に分かれている。第２の弁１４６ａ、１４６ｂは、作動流体が第１の回路１５０ａ、１５０ｂを通過するか、あるいは第２の回路１５２ａ、１５２ｂを通過するかを制御する。

図６の装置は、図３及び図４の実施形態に示すように、弁を制御するべく同様に接続された制御装置を備えることができる。

本発明を、好ましい原理、実施形態及び構成要素の観点から説明してきた。添付の請求の範囲に記載の本発明の要旨を逸脱しない範囲で、図示の構成要素を置き換え得ることは、当業者が認めるところである。

１０ ボイラ
１２ 作動流体循環路
１４ 膨張器
１４ 膨張機
１５ 出力軸
１６ 凝縮器
１８ ポンプ
２０ バイパス弁
２２ バイパス循環路
２４ ライン
３０ 加熱ジャケット
４０ 第１の分岐
４２ 第２の分岐
４４ バイパス弁
４６ 温度センサ
４８ 制御装置
５２ 逆止弁
５４ 逆止弁
６０ 速度センサ
６２ 温度センサ
７０ 復熱器
８０ 弁
８２ 逆止弁
８４ 逆止弁
８６ 出口
１１４ａ 第１の膨張器
１１４ｂ 第２の膨張器
１３０ａ 加熱ジャケット
１３０ｂ 加熱ジャケット
１４０ａ 第１の分岐
１４０ｂ 第１の分岐
１４２ａ 第２の分岐
１４２ｂ 第２の分岐
１４４ａ バイパス弁
１４４ｂ バイパス弁
１４６ａ 第２の弁
１４６ｂ 第２の弁
１５０ａ 第１のライン
１５０ｂ 第１のライン
１５２ａ 第２のライン
１５２ｂ 第２のライン

Claims (16)

1. 廃熱回収装置であって、
   作動流体を循環させる作動流体循環路、前記作動流体循環路に接続されると共に、熱源から廃熱を回収するべく適合され、かつ回収した廃熱を作動流体に伝達するボイラ、
   前記作動流体循環路に接続されて前記ボイラから作動流体を受け入れる膨張器、及び、
   前記膨張器と熱伝達するように接触する加熱ジャケット、を備え、
   前記ボイラの下流の前記作動流体循環路が、前記膨張器に接続する第１の分岐及び前記加熱ジャケットに接続する第２の分岐を含み、かつ前記第１の分岐及び前記第２の分岐に対する作業流体の流れを選択的に制御する弁を有している、
   廃熱回収装置。
2. 前記ボイラの出口における前記作動流体の温度を検出するべく配置されてその温度を表す信号を生じさせる温度センサ、及び、
   前記温度センサからの温度信号を受け入れるべく接続されると共に前記弁を制御するべく接続され、かつ前記温度信号に応答して前記弁を制御するべく適合された制御装置、
   を備える、請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記作動流体循環路に接続されて前記膨張器及び前記加熱ジャケットから作動流体を受け入れる凝縮器、及び、
   前記作動流体循環路上に接続されて前記凝縮器から作動流体を受け入れる、前記作動流体を圧縮して前記作動流体を前記ボイラに導くべく適合されたポンプ、
   を備える、請求項１に記載の廃熱回収装置。
4. 前記加熱ジャケットからの前記作動流体を受け入れると共に前記作動流体を前記凝縮器に導くべく接続された復熱器を備える、請求項３に記載の廃熱回収装置。
5. 前記膨張器からの前記作動流体を受け入れると共に前記作動流体を前記凝縮器に導くべく接続された復熱器を備える、請求項３に記載の廃熱回収装置。
6. 前記加熱ジャケットからの前記作動流体を受け入れるべく接続された復熱器を備える、請求項１に記載の廃熱回収装置。
7. 前記膨張器からの前記作動流体を受け入れるべく接続された復熱器を備える、請求項１に記載の廃熱回収装置。
8. 前記弁が前記加熱ジャケットに取り付けられ、かつ前記第１の分岐及び前記第２の分岐が前記弁から延びている、請求項１に記載の廃熱回収装置。
9. 前記弁は、前記第１の分岐及び前記第２の分岐に対する作業流体の流れを比例的に制御する、請求項１に記載の廃熱回収装置。
10. 前記第１の分岐が、前記膨張器の入口に接続している第１のライン及び前記膨張器を迂回する第２のラインを有すると共に、前記第１のライン及び前記第２のラインのうちの一つを通る流れを選択的に制御する弁を有している、請求項１に記載の廃熱回収装置。
11. 前記膨張器が第１の膨張器であり、
    かつ前記膨張器の下流で前記作動流体循環路に接続された第２の膨張器、及び、
    前記第２の膨張器に関連付けられた第２の加熱ジャケット、を備え、
    前記第１の膨張器の下流の前記作動流体循環路が、前記第２の膨張器に接続する第３の分岐と前記第２の加熱ジャケットに接続する第４の分岐を有すると共に、前記第３の分岐及び前記第４の分岐への作業流体の流れを選択的に制御する第２の弁を有している、請求項１に記載の廃熱回収装置。
12. 前記第３の分岐が、前記第２の膨張器の入口に接続している第１のライン及び前記第２の膨張器を迂回する第２のラインを有すると共に、前記第１のライン及び前記第２のラインを通る流れを選択的に制御するライン弁を有している、請求項１１に記載の廃熱回収装置。
13. 前記ライン弁は、前記第１のライン及び前記第２のラインに対する作業流体の流れを比例的に制御する、請求項１２に記載の廃熱回収装置。
14. 前記第１の分岐が、前記膨張器の入口に接続している第１のライン及び前記膨張器を迂回する第２のラインを有すると共に、前記第１のライン及び前記第２のラインのうちの一つを通る流れを選択的に制御する第３の弁を有している、請求項１１に記載の廃熱回収装置。
15. 前記第３の弁は、前記第１のライン及び前記第２のラインに対する作業流体の流れを比例的に制御する、請求項１４に記載の廃熱回収装置。
16. 前記第２の弁は、前記第３の分岐及び前記第４の分岐に対する作業流体流れを比例的に制御する、請求項１１に記載の廃熱回収装置。

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