JP2017082624A - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃熱回収効率の向上と装置の小型化との両立を図ることができるランキンサイクル装置を提供する。
【解決手段】ランキンサイクル装置１は、膨張機２３から凝縮器２４へ作動媒体Ｍを流通させる第１流路１４と、凝縮器２４から蒸発器２２へ作動媒体Ｍを流通させる第２流路１２と、第２流路１２上に設けられ、第２流路１２を流れる作動媒体Ｍを蒸発器２２側へ圧送するポンプ２１と、第２流路１２上におけるポンプ２１の下流側に設けられ、第１流路１４を流れる作動媒体Ｍの一部を、第３流路１５を介して第２流路１２におけるポンプ２１の下流側へ導くエジェクタ３１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクル装置に関する。

従来、エンジン等で生じる廃熱を回収する廃熱回収装置として、ランキンサイクル装置が知られている。例えば、特許文献１に記載されたランキンサイクル装置は、液相の作動媒体をエンジンの廃熱によって蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出した気相の作動媒体から動力を回収する膨張機と、膨張機から流出した気相の作動媒体を冷却して液化させる凝縮器と、を備えている。

また、特許文献１に記載されたランキンサイクル装置は、膨張機と凝縮器との間の流路を流れる気相の作動媒体と、凝縮器と蒸発器との間の流路を流れる液相の作動媒体との間で熱交換を行わせるレキュペレータ（再生器）を更に備えている。このようなランキンサイクル装置では、レキュペレータによって凝縮器での放熱量と蒸発器への入熱量とを低減し、ランキンサイクル装置による廃熱回収効率を向上することが図られている。

特開２０１５−７５２８１号公報

上記ランキンサイクル装置では、前述のように廃熱回収効率の向上が図られてはいるが、レキュペレータ自体が比較的大きいことや、レキュペレータの搭載のために配管が複雑化し易い（例えば、配管の回り込みが必要となる）ことから、場合によっては、装置が大型化するおそれがある。

そこで、本発明は、廃熱回収効率の向上と装置の小型化との両立を図ることができるランキンサイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係るランキンサイクル装置は、膨張機から凝縮器へ作動媒体を流通させる第１流路と、凝縮器から蒸発器へ作動媒体を流通させる第２流路と、第２流路上に設けられ、第２流路を流れる作動媒体を蒸発器側へ圧送するポンプと、第２流路上におけるポンプの下流側に設けられ、第１流路を流れる作動媒体の一部を、第３流路を介して第２流路におけるポンプの下流側へ導くエジェクタと、を備える。

このランキンサイクル装置では、エジェクタにより、第１流路を流れる作動媒体の一部が第３流路を介して第２流路に導かれる。これにより、第１流路を流れる作動媒体を、第２流路を流れる作動媒体に合流させ、それらの間で直接的に熱交換を行わせることができる。その結果、凝縮器での放熱量と蒸発器への入熱量とを低減でき、高い廃熱回収効率を実現することが可能となる。また、このランキンサイクル装置では、エジェクタを用いているため、レキュペレータを用いる場合のように配管の回り込みが必要とならない。そのため、配管の配置における自由度が高く、装置の大型化を抑制することができる。したがって、廃熱回収効率の向上と装置の小型化との両立を図ることが可能となる。

本発明に係るランキンサイクル装置は、第２流路におけるポンプとエジェクタとの間から第１流路における第３流路との接続位置の下流側へ、第２流路を流れる液相の作動媒体の一部を流通させる第４流路と、第４流路を通って第１流路へ流入する液相の作動媒体の少なくとも一部を微粒化させる微粒化手段と、を更に備えてもよい。この構成では、第２流路を流れる液相の作動媒体の一部を、第４流路を介して第１流路へ流入させ、第１流路を流れる作動媒体と合流させることができる。これにより、第１流路には気相の作動媒体が流れるところ、液相の作動媒体による気相の作動媒体からの吸熱、特に液相の作動媒体が気化する際の気化熱によって、第１流路を流れる気相の作動媒体を冷却することができる。さらに、第１流路へ流入する液相の作動媒体の少なくとも一部を微粒化手段によって微粒化させるため、液相の作動媒体の吸熱及び気化を促進することができる。したがって、膨張機から流出した作動媒体を好適に冷却することが可能となる。

本発明に係るランキンサイクル装置は、凝縮器と一体に設けられ、凝縮器に流入する作動媒体が流れるタンク部を更に備え、タンク部には、下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部が設けられ、第４流路は、タンク部において拡大部よりも上流側の位置に接続されていてもよい。この構成では、タンク部と凝縮器とが一体に設けられているため、装置の更なる小型化を図ることができる。また、第４流路から流入し微粒化された作動媒体を拡大部によって拡散することで、液相の作動媒体の吸熱及び気化を一層促進することができる。

本発明によれば、廃熱回収効率の向上と装置の小型化との両立を図ることができるランキンサイクル装置を提供することができる。

実施形態に係るランキンサイクル装置の概略構成図である。 図１のエジェクタの概略断面図である。 変形例に係るランキンサイクル装置の概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１に示されるランキンサイクル装置１は、例えば車両に搭載され、燃費向上を図るために用いられる。搭載される車両としては、例えばトラックやバス等の商用車が挙げられる。車両としては、特に限定されるものではなく、例えば大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等のいずれであってもよい。

ランキンサイクル装置１は、例えば車両のエンジンの廃熱を入熱とし、当該廃熱の熱エネルギを動力に変換して出力する。ランキンサイクル装置１は、流路１１を備え、当該流路１１上に、ポンプ２１と、蒸発器２２と、膨張機２３と、凝縮器２４と、を有している。流路１１には、作動媒体Ｍが循環される。作動媒体Ｍとしては、種々のものを用いることができ、ここでは、低沸点媒体であるＲ１３４ａが用いられている。

ポンプ２１は、蒸発器２２と凝縮器２４との間に設けられ、凝縮器２４から流入した作動媒体Ｍを蒸発器２２側へ圧送する。蒸発器２２は、ポンプ２１の下流側に設けられ、ポンプ２１で圧縮された作動媒体Ｍを加熱して蒸発させる。蒸発器２２は、例えばエンジン冷却水Ｃを熱源（高温側熱源）として利用して作動媒体Ｍを加熱する。

蒸発器２２は、例えば、熱媒Ｌ１が流れる流路２６と、流路２６上に設けられエンジン冷却水Ｃと熱媒Ｌ１との間で熱交換させる熱交換器２７と、を有している。蒸発器２２では、熱交換器２７で吸熱して加熱された熱媒Ｌ１と蒸発器２２内を流れる作動媒体Ｍとの間の熱交換により、作動媒体Ｍが加熱される。なお、蒸発器２２は、流路２６及び熱交換器２７を有さず、エンジン冷却水Ｃと作動媒体Ｍとの間で直接的に熱交換を行なって作動媒体Ｍを加熱する構成であってもよい。また、蒸発器２２は、エンジンの排気ガス、又はＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス等の廃熱を熱源として利用するものであってもよい。

膨張機２３は、蒸発器２２の下流側に設けられている。膨張機２３は、作動媒体Ｍが膨張することにより回転し、動力を出力する。膨張機２３としては、例えばタービン等が用いられる。膨張機２３は、例えば機械出力を出力してもよいし、例えば発電機が接続されて電気出力を出力してもよい。

凝縮器２４は、膨張機２３の下流側に設けられ、作動媒体Ｍを冷却して凝縮させる。凝縮器２４は、例えば車両が走行する際の走行風Ｗを熱源（低温側熱源）として利用して作動媒体Ｍを冷却する。凝縮器２４は、例えば、熱媒Ｌ２が流れる流路２８と、流路２８上に設けられ、走行風Ｗと熱媒Ｌ２との間で熱交換させる熱交換器（サブラジエータ）２９と、を有している。凝縮器２４では、熱交換器２９で放熱して冷却された熱媒Ｌ２と凝縮器２４内を流れる作動媒体Ｍとの間の熱交換により、作動媒体Ｍが冷却される。なお、凝縮器２４は、流路２８及び熱交換器２９を有さず、走行風Ｗと作動媒体Ｍとの間で直接的に熱交換を行なって作動媒体Ｍを冷却する構成であってもよい。

流路１１は、例えば配管等により構成されている。流路１１は、凝縮器２４及び蒸発器２２に接続された流路１２（第２流路）と、蒸発器２２及び膨張機２３に接続された流路１３と、膨張機２３及び凝縮器２４に接続された流路１４（第１流路）と、を含んで構成されている。流路１２，１３，１４の配管径（流路面積）は、例えば、互いに同一となっている。

流路１２は、凝縮器２４から蒸発器２２へ液相の作動媒体Ｍを流通させる。この流路１２上には、上記ポンプ２１が設けられている。つまり、ポンプ２１は、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍを蒸発器２２側へ圧送する。流路１３は、蒸発器２２から膨張機２３へ気相の作動媒体Ｍを流通させる。流路１４は、膨張機２３から凝縮器２４へ気相の作動媒体Ｍを流通させる。

本実施形態では、流路１２上におけるポンプ２１の下流側には、エジェクタ（イジェクタ）３１が設けられている。すなわち、流路１２は、エジェクタ３１よりも上流側の上流部１２ａと、エジェクタ３１よりも下流側の下流部１２ｂとにより構成されている。また、流路１１は、流路１４及びエジェクタ３１に接続された流路１５（第３流路）を更に含んで構成されている。エジェクタ３１により、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍの一部が、流路１５を介して流路１２におけるポンプ２１の下流側へ導かれる。流路１５の配管径は、例えば、流路１２，１３，１４の配管径よりも小さくなっている。

図２に示されるように、エジェクタ３１は、例えば、高圧側流路３２と、高圧側流路３２の周囲を囲うように設けられた断面環状の低圧側流路３３と、を有している。高圧側流路３２は、上流側の一端部において上流部１２ａに接続され、下流側の他端部において徐々に先細り形状となって開口している。低圧側流路３３は、上流側の一端部において流路１５に接続され、下流側の他端部において徐々に先細り形状となって下流部１２ｂに接続されている。高圧側流路３２の他端部の周囲は、低圧側流路３３の他端部によって囲われている。

エジェクタ３１では、高圧側流路３２にポンプ２１からの高圧の作動媒体Ｍが流れると、高圧側流路３２を流れる作動媒体Ｍとの圧力差によって、流路１５を流れる低圧の作動媒体Ｍがエジェクタ３１側へ引っ張られる。これにより、流路１４を流れる低圧の作動媒体Ｍの一部が、流路１５を通って低圧側流路３３に流入し、高圧側流路３２を流れる高圧の作動媒体Ｍと合流する。このように、エジェクタ３１では、ポンプ等の動力を用いることなく、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍの一部を、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍに合流させることができる。

また、本実施形態の流路１１は、流路１２におけるポンプ２１とエジェクタ３１との間から流路１４における流路１５との接続位置の下流側へ、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍの一部を流通させる流路１６（第４流路）を更に含んでいる。流路１６の一端１６ａは、流路１２においてポンプ２１とエジェクタ３１との間の位置に接続されている。流路１６の他端１６ｂは、流路１４において流路１５との接続位置よりも下流側の位置に接続されている。

流路１６の他端１６ｂには、流路１６を通って流路１４へ流入する液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を微粒化させる噴霧器（微粒化手段）３５が設けられている。噴霧器３５は、液相の作動媒体Ｍを流路１４内に液滴として分散させる。噴霧器３５は、例えば、液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を霧状とし、霧状とした作動媒体Ｍを流路１４内へ噴出させる。

また、本実施形態のランキンサイクル装置１は、凝縮器２４と一体に設けられ、凝縮器２４に流入する作動媒体Ｍが流れるタンク部３７を更に備えている。タンク部３７は、凝縮器２４の上流側に設けられており、流路１４において流路１５との接続位置よりも下流側の位置に配置されている。

タンク部３７は、本体部３８と拡大部３９とを含んで構成されている。本体部３８は、流路に沿う方向において同一の断面形状を有する。拡大部３９は、本体部３８よりも下流側に設けられ、下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する。ここでの拡大部３９では、その流路径が増加することで流路面積が拡大されている。本体部３８には、上記流路１６の他端１６ｂが接続されている。すなわち、タンク部３７において拡大部３９よりも上流側の位置に、流路１６の他端１６ｂが接続されている。噴霧器３５で微粒化された作動媒体Ｍは、本体部３８内における流路１４に噴出される。

以上、ランキンサイクル装置１では、エジェクタ３１により、流路１４を流れる作動媒体Ｍの一部が流路１５を介して流路１２に導かれる。これにより、流路１４を流れる作動媒体Ｍを、流路１２を流れる作動媒体Ｍに合流させ、それらの間で直接的に熱交換を行わせることができる。その結果、凝縮器２４での放熱量と蒸発器２２への入熱量とを低減でき、高い排熱回収効率を実現することが可能となる。

また、ランキンサイクル装置１では、エジェクタ３１を用いているため、レキュペレータを用いる場合のように配管の回り込みが必要とならない。さらに、エジェクタ３１と流路１４とに接続される流路１５の配管径は、流路１２，１３，１４の配管径と比較して小さくなっている。これらのことから、配管の配置における自由度が高く、装置の大型化を抑制することができる。したがって、廃熱回収効率の向上と装置の小型化との両立を図ることが可能となっている。

また、ランキンサイクル装置１では、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍの一部を、流路１６を介して流路１４へ流入させ、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍと合流させることができる。これにより、流路１４には気相の作動媒体Ｍが流れるところ、液相の作動媒体Ｍによる気相の作動媒体Ｍからの吸熱、特に液相の作動媒体Ｍが気化する際の気化熱によって、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍを冷却することができる。

さらに、ランキンサイクル装置１では、流路１４へ流入する液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を噴霧器３５によって微粒化させるため、液相の作動媒体Ｍの吸熱及び気化を促進することができる。したがって、膨張機２３から流出した作動媒体Ｍを好適に冷却することが可能となる。その結果、凝縮器２４に流入する作動媒体Ｍの温度（入口温度）を低下させることができるため、凝縮器２４に要求される冷却性能を緩和することができ、凝縮器２４を小型化することが可能となる。また、凝縮器２４（特に、熱交換器）の材料として高温特性が優れていない材料でも用いることができるため、材料の選択の自由度を高めることが可能となる。

また、従来のレキュペレータを備えたランキンサイクル装置では、レキュペレータに起因する装置の大型化を抑制するために、レキュペレータと凝縮器２４とを一体化することも考えられる。しかし、この場合において、本実施形態のランキンサイクル装置１のように流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍの一部を凝縮器２４の上流側へ流入させようとすると、配管及びレキュペレータと凝縮器２４との一体化が一層複雑化し、大型化するおそれがある。対して、本実施形態のランキンサイクル装置１によれば、エジェクタ３１を用いており、配管の配置における自由度が高いため、そのような問題が生じることがなく、装置の大型化を好適に抑制することができる。

また、ランキンサイクル装置１では、タンク部３７と凝縮器２４とが一体に設けられているため、装置の更なる小型化を図ることができる。また、流路１６から流入し微粒化された作動媒体Ｍを拡大部３９によって拡散することで、液相の作動媒体Ｍの吸熱及び気化を一層促進することができる。

また、ランキンサイクル装置１では、流路１２，１３，１４、流路１５、及び流路１６には、一定流量の作動媒体Ｍが流れる。流路１２，１３，１４の配管径と、流路１５の配管径と、流路１６の配管径との間の大小関係は、廃熱回収効率が高められるように、例えば経験、理論又はシミュレーション等に基づいて予め設定されている。ランキンサイクル装置１によれば、例えば後述するように流路１６を流れる作動媒体Ｍの流量を調整するバルブを備える場合と比較して、制御を簡易化することができると共に、構成を簡易化することができる。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。

図３は、変形例のランキンサイクル装置１Ａの概略構成図である。図３に示されるように、変形例のランキンサイクル装置１Ａは、流路１６上にバルブ（流量調節部）４０が設けられている点で上記実施形態のランキンサイクル装置１と相違する。バルブ４０は、その開度を変化させることで、流路１６を流れる作動媒体Ｍの流量を調節する。バルブ４０が開弁されると、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍの一部が流路１６及び噴霧器３５を介して流路１４へ微粒化して流入し、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍが冷却されることとなる。

変形例のランキンサイクル装置１Ａによっても、上記実施形態と同様に、廃熱回収効率の向上と装置の小型化との両立を図ること、及び、膨張機２３からの気相の作動媒体Ｍを好適に冷却することが可能となる。さらに、流路１６を流れる作動媒体Ｍの流量を調整できることから、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを一層好適に冷却することが可能となる。

上記実施形態の噴霧器３５は、流路１４へ流入する液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を微粒化させればよく、例えばその全量を微粒化させてもよいし、或いはその一部を微粒化させてもよい。微粒化手段は、噴霧器３５に限られず、液相の作動媒体を微粒化できる公知手段を用いることができる。また、上記実施形態において、タンク部３７及び拡大部３９を備えていなくてもよく、或いは流路１６、噴霧器３５、タンク部３７、及び拡大部３９を備えていなくてもよい。

１，１Ａ…ランキンサイクル装置、１２…流路（第２流路）、１４…流路（第１流路）、１５…流路（第３流路）、１６…流路（第４流路）、２１…ポンプ、２３…膨張機、２４…凝縮器、３１…エジェクタ、３５…噴霧器（微粒化手段）、３７…タンク部、３９…拡大部、Ｍ…作動媒体。

Claims (3)

1. 膨張機から凝縮器へ作動媒体を流通させる第１流路と、
   前記凝縮器から蒸発器へ前記作動媒体を流通させる第２流路と、
   前記第２流路上に設けられ、前記第２流路を流れる前記作動媒体を前記蒸発器側へ圧送するポンプと、
   前記第２流路上における前記ポンプの下流側に設けられ、前記第１流路を流れる前記作動媒体の一部を、第３流路を介して前記第２流路における前記ポンプの下流側へ導くエジェクタと、を備える、ランキンサイクル装置。
2. 前記第２流路における前記ポンプと前記エジェクタとの間から前記第１流路における前記第３流路との接続位置の下流側へ、前記第２流路を流れる液相の前記作動媒体の一部を流通させる第４流路と、
   前記第４流路を通って前記第１流路へ流入する液相の前記作動媒体の少なくとも一部を微粒化させる微粒化手段と、を更に備える、請求項１記載のランキンサイクル装置。
3. 前記凝縮器と一体に設けられ、前記凝縮器に流入する前記作動媒体が流れるタンク部を更に備え、
   前記タンク部には、下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部が設けられ、
   前記第４流路は、前記タンク部において前記拡大部よりも上流側の位置に接続されている、請求項２記載のランキンサイクル装置。

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