JP2018155158A - ランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルシステムの蒸発器の内部の圧力を低下させることで、作動媒体の沸点を下げて、これにより、蒸発器の内部の作動媒体を低い温度で蒸発させて膨張機に作動媒体の蒸気を送ることで、膨張機においてエネルギーを取り出せることができて、効率よくエネルギーを回収できるランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの熱回収方法を提供する。【解決手段】外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体Ｆｗを気化させる蒸発器２１と、気化した作動媒体Ｆｗから駆動力を取り出す膨張機２３と、作動媒体Ｆｗを還流させる作動媒体循環ポンプ２５と、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させる凝縮器２７とを有してなるランキンサイクルシステム２０Ａ〜２０Ｄにおいて、蒸発器２１の内部の圧力を低下する圧力低減機構を設けている。【選択図】図１

Description

本発明は、比較的低い温度の熱源からも効率よく熱エネルギーを回収できるランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムによる熱回収方法に関する。

車両に搭載した内燃機関等の排熱を利用するランキンサイクルシステムが採用されており、この一つに、廃熱を回収するために駆動される装置の消費エネルギー量を低減し、廃熱の回収効率を向上させるために、ウォータジャケット（蒸発器）で蒸発した蒸気をタービン（膨張機）に通して廃熱を回収する廃熱回収装置で、蒸気の発生量が少ない場合に、バキュームポンプによりタービンの下流側の圧力をタービンの上流側の圧力より低下させてタービン駆動のための圧力比を確保するランキンサイクルの廃熱回収装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この廃熱回収装置では、膨張機の下流側から冷媒蒸気を、電力で駆動するバキュームポンプにより吸引して減圧すると共に、吸引した冷媒蒸気を膨張機の上流側に戻したり、凝縮器の下流側のタンクに戻したりしている。そのため、バキュームポンプで膨張機の前後の冷媒蒸気の圧力差を拡大しているので、冷媒の蒸発し始めの時のタービン駆動のための圧力比を確保でき、膨張機の始動を促進することができる。

特開２００９−９７４９８号公報

一方、一般的な車載搭載のランキンサイクルシステムでは、内燃機関などの運転状態を任意に制御できる熱源を用いており、この熱源として排気ガスを用いている場合には、排気ガスの温度が低下すると、蒸発器からの作動媒体の蒸発量が低下し、蒸気タービンなどの膨張機からエネルギーの取り出し量が低下してしまうという問題がある。そのため、外部から供給される熱源の温度が低い場合でも、膨張機でエネルギーの取り出しができるランキンサイクルシステムが期待されている。言い換えれば、熱エネルギーを効率的に仕事に変換する要求が高く、特に熱機関から捨てられていた廃熱を回収することを目的としたランキンサイクルでは、いかに効率良く熱エネルギーを回収するかが課題となっている。

本発明の目的は、ランキンサイクルシステムの蒸発器の内部の圧力を低下させることで、作動媒体の沸点を下げて、これにより、蒸発器の内部の作動媒体を低い温度で蒸発させて膨張機に作動媒体の蒸気を送ることで、膨張機においてエネルギーを取り出せることができて、効率よくエネルギーを回収できるランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの熱回収方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のランキンサイクルシステムは、外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張機と、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器とを有してなるランキンサイクルシステムにおいて、前記膨張機の下流側で気相の作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、前記蒸発器の内部の圧力を低下する圧力低減機構を設けていることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するための本発明のランキンサイクルシステムの制御方法は、外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張機と、前記膨張機の下流側で気相の作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器とを有してなるランキンサイクルシステムの熱回収方法において、前記蒸発器の内部の圧力を大気圧よりも低下させることにより、前記蒸発器の作動媒体の沸点を低下せて、作動媒体の蒸発量を増量して前記膨張機に供給することを特徴とする熱回収方法である。

本発明のランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの熱回収方法によれば、ランキンサイクルシステムの蒸発器の内部の圧力を低下させることで、作動媒体の沸点を下げることができる。そのため、蒸発器の内部の作動媒体を低い温度で蒸発させて膨張機に作動媒体の蒸気を送ることができ、これにより、蒸発器の内部の作動媒体の温度が低い状態であっても、膨張機においてエネルギーを取り出せることができるので、効率よくエネルギーを回収できる。

本発明に係る第１の実施の形態のランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態のランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態のランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。 本発明に係る第４の実施の形態のランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。 比較例としてのランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの熱回収方法について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ａは、車両に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関、以下エンジンという）１０の排気ガスＧ等の排熱を利用するシステムである。このエンジン１０では、吸気管１１から燃焼室１２に流入した吸気Ａに燃料噴射弁１３から燃料を噴射して、燃焼室１２で燃焼させる。この燃焼によって生じた排気ガスＧを後処理装置１５で浄化した後、排気管１４経由でランキンサイクルシステム２０Ａの蒸発器２１に送る。つまり、エンジン１０の排気ガスＧをランキンサイクルシステム２０Ａの外部からの熱源とする。

また、ランキンサイクルシステム２０Ａでは、外部の熱源、即ち、排気ガスＧからの熱を受けて作動媒体Ｆｗを気化させる蒸発器（エバポレータ）２１と、気化した作動媒体Ｆｗから駆動力を取り出す膨張機(エキスパンダー）２３と、作動媒体Ｆｗを還流させる作動媒体循環ポンプ２５と、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させる凝縮器（コンデンサ）２７と、調圧弁（圧力調整弁）２９とを有して構成され、これらの間を作動媒体用流路２２、２４、２６、２８、３０で接続している。さらに、作動媒体循環ポンプ２５の運転、膨張機２３の運転などのランキンサイクルシステム２０Ａを制御する制御装置４０が設けられている。

この蒸発器２１における熱源として、図１の構成では、車載のエンジン１０の排気ガスＧ、特に、後処理装置（図示しない）を通過した後の排気ガスＧを採用しているが、これに限定せず、エンジン１０のＥＧＲガス、過給器で圧縮された吸入空気、エンジン本体で吸熱後の冷却水、ラジエータで放熱後の冷却水などを熱源にしてもよい。

また、膨張機２３は、蒸気タービンや蒸気ボイラーなどの作動媒体Ｆｗの熱エネルギーを別のエネルギーの機械的エネルギーや水蒸気エネルギーに変換する装置であり、図１の構成では、ピストン式の構成で作動媒体Ｆｗの蒸気で膨張機２３の駆動軸２３ａを回転駆動している。この膨張機２３では、エンジンを回転補助（アシスト）する場合は、駆動軸２３ａはエンジンのクランク軸に接続され、また、発電に用いる場合は、駆動軸２３ａは発電機（図示しない）が連結される。この発電した電力は、バッテリー（図示しない）に充電されて、エンジンを搭載している車両（図示しない）の電装部品（図示しない）等の電源とされる。

そして、作動媒体循環ポンプ２５は、膨張機２３で低圧になった気相の作動媒体Ｆｗを圧縮及び昇圧して凝縮器２７に供給する装置であり、このポンプ回転数は、膨張機２３に流入する作動媒体Ｆｗの温度と圧力に基づいて制御される。また、蒸発器２１の入口の作動媒体Ｆｗの圧力は、減圧弁や背圧弁などで構成される調圧弁２９により調整される。また、必要に応じて、作動媒体Ｆｗを貯蔵する作動媒体用容器(図示しない)が設けられる。

また、凝縮器２７は、復水器ともよばれ、空冷の場合は、冷却ファン（図示しない）が配置され、外気により冷却される。また、水冷の場合には、エンジンのラジエータやサブラジエータから出たエンジン用の冷却水やインタークーラー用の冷却水により冷却される。

また、この作動媒体Ｆｗには、水とエタノール、水とメタノール、又は水とエチレングリコールなどの二成分系の混合媒体を用いることが好ましいが、純水やエタノールのみやフッ素化合物などのフロン系の冷媒を用いてよい。この混合媒体としては、ここでは、水とエタノールのモル比が５０％：５０％である混合媒体が採用されている。

このランキンサイクルシステム２０Ａでは、作動媒体Ｆｗを作動媒体循環ポンプ２５により液体の状態で圧縮して循環させて、圧縮された液体の状態で、蒸発器２１に送り、この蒸発器２１で、排気ガスＧからの熱を受けて、作動媒体を気化させて過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態の作動媒体Ｆｗを膨張機２３で断熱膨張させて駆動力を取り出し、この低圧となった気体の状態の作動媒体Ｆｗを作動媒体循環ポンプ２５により循環させて凝縮器２７に送り、この凝縮器２７で、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させ、この作動媒体Ｆｗの圧力を調圧弁２９で調圧して、蒸発器２１に戻して、作動媒体Ｆｗをランキンサイクルシステム２０Ａの閉回路内を循環させている。

これに対して、図５に示すような比較例としての従来技術のランキンサイクルシステム２０Ｘでは、蒸発器２１、膨張機２３、凝縮器２７、作動媒体循環ポンプ２５Ｘの順に配置し、これらの間を作動媒体用流路２２、２４、２８、３０で接続している。なお、調圧弁２９は設けられていない。そして、作動媒体循環ポンプ２５Ｘの運転、膨張機２３の運転などのランキンサイクルシステム２０Ａを制御する制御装置４０が設けられている。

この比較例のランキンサイクルシステム２０Ｘでは、作動媒体Ｆｗを作動媒体循環ポンプ２５Ｘにより液体の状態で圧縮して循環させて、圧縮された液体の状態で、蒸発器２１に送り、この蒸発器２１で、排気ガスＧからの熱を受けて、作動媒体を気化させて過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態の作動媒体Ｆｗを膨張機２３で断熱膨張させて駆動力を取り出し、この低圧となった気体の状態の作動媒体Ｆｗを凝縮器２７に送り、この凝縮器２７で、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させ、これを作動媒体循環ポンプ２５Ｘにより循環させている。

この比較例のランキンサイクルシステム２０Ｘでは、排気ガスＧの温度が低下すると、蒸発器２１からの作動媒体Ｆｗの蒸発量が低下し、膨張機２３からエネルギーの取り出し量が低下してしまうという問題がある。

一方、本発明においては、ランキンサイクルシステム２０Ａでは、作動媒体循環ポンプ２５を膨張機２３の下流側に配置すると共に、蒸発器２１の入口側に調圧弁２９を設けることにより、蒸発器２１の内部の圧力を低下することができる。つまり、膨張機２３の下流側の作動媒体循環ポンプ２５と蒸発器２１の入口側の調圧弁２９により、蒸発器２１の内部の圧力を低下する圧力低減機構を構成している。

そして、本発明に係る実施の形態のランキンサイクルシステムの熱回収方法は、上記の構成のランキンサイクルシステム２０Ａを用いて行うことができる方法であり、この熱回収方法において、排気ガスＧ（外部の熱源）からの熱の供給を受けて作動媒体Ｆｗを気化させる蒸発器２１と、気化した作動媒体Ｆｗから駆動力を取り出す膨張機２３と、作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させる凝縮器２７とを有してなるランキンサイクルシステムの熱回収方法において、排気ガスＧからの熱の供給を受けている間は、蒸発器２１の内部の圧力を大気圧よりも低下させることにより、蒸発器２１の作動媒体Ｆｗの沸点を低下せて、作動媒体Ｆｗの蒸発量を増量して膨張機２３に供給する方法である。

この第１の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ａを用いている場合には、 蒸発器２１の内部の圧力Ｐ１を、第１圧力検出装置３１でモニターしながら、この圧力Ｐ１が大気圧よりも低くなるように、蒸発器２１の入口側に調圧弁２９を調整しつつ、膨張機２３の下流側において、作動媒体循環ポンプ２５における回転数の調整により吸引力を調整することで、蒸発器２１の内部の圧力を大気圧よりも低下させることができる。つまり、調圧弁２９と作動媒体循環ポンプ２５を調整制御することで、蒸発器２１の２１の内部の圧力の低下及び調整をすることができる。

このランキンサイクルシステム２０Ａ、及び、ランキンサイクルシステム２０Ａを用いたランキンサイクルシステムの熱回収方法によれば、ランキンサイクルシステム２０Ａの蒸発器２１の内部の圧力を低下させることで、作動媒体Ｆｗの沸点を下げることができる。そのため、蒸発器２１の内部の作動媒体Ｆｗを低い温度で蒸発させて膨張機２３に作動媒体Ｆｗの蒸気を送ることができ、これにより、蒸発器２１の内部の作動媒体Ｆｗの温度が低い状態であっても、膨張機２３においてエネルギーを取り出せることができるので、効率よくエネルギーを回収できる。

次に、図２に示すような、本発明に係る第２の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ｂについて説明する。このランキンサイクルシステム２０Ｂでは、第１の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ａの構成に加えて、圧力低減機構として、蒸発器２１に蒸気吸収配管５１と分離液戻し配管５２を設けて、これらを気液分離器５３に接続し、さらに、この気液分離器５３に吸引用配管５４を接続し、この吸引用配管５４をエンジン１０で駆動されるバキュームポンプ１６に接続した構成を追加している。

この図２の構成では、バキュームポンプ１６を駆動することで、蒸発器２１から作動媒体Ｆｗの蒸気を蒸気吸収配管５１、気液分離器５３、吸引用配管５４経由で吸引して、気液分離器５３で気液分離して、分離した作動媒体Ｆｗの液体を分離液戻し配管５２経由で蒸発器２１に戻すと共に、分離した作動媒体Ｆｗの気体を吸引用配管５４を経由してバキュームポンプ１６で吸引する。この吸引した作動媒体Ｆｗの気体は、吐出側配管５５を作動媒体用流路２６に接続して（図示しない）、この作動媒体用流路２６に戻したり、図示しない第２凝縮器で液化した後、作動媒体用流路２６に戻したりする。

次に、図３に示すような、本発明に係る第３の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ｃについて説明する。このランキンサイクルシステム２０Ｃでは、第２の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ｂの構成と類似しているが、圧力低減機構として、蒸発器２１に液体吸収配管５６を気液分離器５３に接続し、気液分離器５３と作動媒体用流路２２の間を連通する分離ガス戻し配管５７を設けて構成し、さらに、この気液分離器５３に吸引用配管５４を接続し、この吸引用配管５４をエンジン１０で駆動されるバキュームポンプ１６に接続した構成を追加している。

この図３の構成では、バキュームポンプ１６を駆動することで、蒸発器２１から作動媒体Ｆｗの液体を液体吸収配管５６、気液分離器５３、吸引用配管５４経由で吸引して、気液分離器５３で気液分離して、分離した作動媒体Ｆｗの気体を分離ガス戻し配管５７経由で作動媒体用流路２４に戻すと共に、分離した作動媒体Ｆｗの液体を吸引用配管５４を経由してバキュームポンプ１６で吸引する。この吸引した作動媒体Ｆｗの液体は、吐出側配管５５を作動媒体用流路２８に接続して（図示しない）、この作動媒体用流路２８に戻す。

次に、図４に示すような、本発明に係る第４の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ｄについて説明する。このランキンサイクルシステム２０Ｄでは、第１の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ａの構成に加えて、圧力低減機構として、蒸発器２１にタンク容積変更機構６０を設けて、このタンク容積変更機構６０の駆動力として、吸引用配管５４をエンジン１０で駆動されるバキュームポンプ１６に接続した構成を追加している。

このタンク容積変更機構６０は、蒸発器２１の作動媒体Ｆｗの液体を吸い上げる吸い上げ室６１とこの吸い上げ室６１の容積を変更するための体積制御ピストン６２と吸引室６３と戻しスプリング６３ａと、吸引用配管５４に配置された調圧弁６４を有して構成される。

この図４の構成では、蒸発器２１の内部の圧力を低下させるには、バキュームポンプ１６を駆動することで、タンク容積変更機構６０の吸引室６３の内部の空気圧力を低減して、蒸発器２１の内部の圧力に対して負圧とすることで、体積制御ピストン６２を戻しスプリング６３ａの弾性力に抗して、図４の上方向に移動する。これにより、吸い上げ室６１の内部の高さを大きくして作動媒体Ｆｗの液体を吸引する。

この作動媒体Ｆｗの液体の吸引高さ（蒸発器２１の液面からの高さ＝調圧弁２９の調圧により調整可能）と吸引室６３の内部の空気圧力（バキュームポンプ１６の吸引力に依存＝調圧弁６４の調圧により調整可能）と戻しスプリング６３ａの弾性力とが釣り合った位置で、体積制御ピストン６２は停止する。そして、この作動媒体Ｆｗの液体の吸引高さの分だけ、蒸発器２１の内部の圧力は低下する。なお、吸引用配管５４を経由してバキュームポンプ１６で吸引した空気は吐出側配管５５を経由して大気中等の放出される。

なお、吸い上げ室６１における作動媒体Ｆｗの気化は、吸い上げ室６１が蒸発器２１より突出することで放熱し易く、比較的温度が蒸発器２１の内部の蒸発水面の部分よりも低くなるので抑制される。また、更に、吸い上げ室６１における作動媒体Ｆｗの気化を抑制するために、凝縮器２７からの低温の作動媒体Ｆｗの液体をこの部分から蒸発器２１に入れたり、吸い上げ室６１で気化した作動媒体Ｆｗの気体を吸引して、作動媒体用流路２６に戻す機構（図示しない）を設けたりしてもよい。

そして、この第２、第３及び第４の実施の形態のランキンサイクルシステム２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、及び、このランキンサイクルシステム２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄを用いたランキンサイクルシステムの熱回収方法によれば、蒸発器２１の内部の圧力をバキュームポンプ１６の吸引力を用いて、さらに低下させることで、作動媒体Ｆｗの沸点をさらに下げることができる。そのため、蒸発器２１の内部の作動媒体Ｆｗをより低い温度で蒸発させて膨張機２３に作動媒体Ｆｗの蒸気を送ることができ、これにより、蒸発器２１の内部の作動媒体Ｆｗの温度がより低い状態であっても、膨張機２３においてエネルギーを取り出せることができるので、さらに効率よくエネルギーを回収できる。

従って、上記の構成の本発明のランキンサイクルシステム２０Ａ〜２０Ｄ、及び、ランキンサイクルシステムの熱回収方法によれば、ランキンサイクルシステム２０Ａ〜２０Ｄの蒸発器２１の内部の圧力を低下させることで、作動媒体Ｆｗの沸点を下げることができる。そのため、蒸発器２１の内部の作動媒体Ｆｗを低い温度で蒸発させて膨張機２３に作動媒体Ｆｗの蒸気を送ることができ、これにより、蒸発器２１の内部の作動媒体Ｆｗの温度が低い状態であっても、膨張機２３においてエネルギーを取り出せることができるので、効率よくエネルギーを回収できる。

この蒸発器２１の内部の圧力を低下させる場合としては、エンジン１０の運転開始時や寒冷地での運転や高速巡航等の排気ガスＧの温度が低いときがあり、この運転開始時のときでも、より早い段階から蒸発器２１で作動媒体Ｆｗの蒸気を発生でき、膨張機２３でエネルギー回収を開始できるようになる。これらにより、エネルギー回収可能な運転期間を拡大でき、燃費改善の効果を向上できる。

１０ ディーゼルエンジン
１４ 排気管
１６ バキュームポンプ
２０、２０Ｘ ランキンサイクルシステム
２１ 蒸発器
２２、２４、２６、２８、３０ 作動媒体用流路
２３ 膨張機
２５ 作動媒体循環ポンプ
２７ 凝縮器
２９ 調圧弁
４０ 制御装置
５１ 蒸気吸収配管
５２ 分離液戻し配管
５３ 気液分離器
５４ 吸引用配管
５５ 吐出側配管
５６ 液体吸収配管
５７ 分離ガス戻し配管
６０ タンク容積変更機構
６１ 吸い上げ室
６２ 体積制御ピストン
６３ 吸引室
６３ａ 戻しスプリング
６４ 調圧弁
Ａ 吸気
Ｆｗ 作動媒体
Ｇ 排気ガス（熱源）

Claims (6)

1. 外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張機と、作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器とを有してなるランキンサイクルシステムにおいて、
   前記蒸発器の内部の圧力を低下する圧力低減機構を設けていることを特徴とする特徴とするランキンサイクルシステム。
2. 前記圧力低減機構が、作動媒体循環ポンプを前記膨張機の下流側で気相の作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプとするとともに、前記蒸発器の入口側に調圧弁を設けて構成されてい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システム。
3. 前記圧力低減機構が、前記蒸発器の作動媒体の蒸気の一部を吸引して前記蒸発器の内部の圧力を低下させるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記圧力低減機構が、前記蒸発器の作動媒体の液体の一部を吸引して前記蒸発器の内部の圧力を低下させるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
5. 前記圧力低減機構が、車両搭載の内燃機関により駆動されるバキュームポンプの吸引力を利用していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
6. 外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張機と、前記膨張機の下流側で気相の作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器とを有してなるランキンサイクルシステムの熱回収方法において、
   前記蒸発器の内部の圧力を大気圧よりも低下させることにより、前記蒸発器の作動媒体の沸点を低下せて、作動媒体の蒸発量を増量して前記膨張機に供給することを特徴とするランキンサイクルシステムの熱回収方法。

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