JP2020183732A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】循環通路における蒸発器・膨張機間部分の作動流体が長時間、異常高圧状態になることを抑制することができるランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】ランキンサイクルシステム１０は、循環通路１１における蒸発器１３よりも下流側且つ膨張機１４よりも上流側の部分である蒸発器・膨張機間部分１１ａに連通されて、蒸発器・膨張機間部分の作動流体が流入する入口部２１と、入口部から流入した作動流体を排出する出口部２２とを有し、蒸発器・膨張機間部分の作動流体の圧力が予め設定された上限値以下の間は閉弁状態を維持し、蒸発器・膨張機間部分の作動流体の圧力が上限値よりも高くなった場合に開弁状態になることで出口部からの作動流体の排出を開始するバルブ２０と、バルブの出口部に連通されて、出口部から排出された作動流体を内部に収容する収容部４０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本開示はランキンサイクルシステムに関する。

従来、熱機関から排出された排熱を回収するシステムとして、ランキンサイクルシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。このような従来のランキンサイクルシステムは、作動流体が循環する循環通路と、循環通路に配置されて作動流体を圧送するポンプと、ポンプよりも下流側の循環通路に配置されて、熱機関から排出された排熱を利用して作動流体を加熱させる蒸発器と、蒸発器よりも下流側の循環通路に配置されて、作動流体を膨張させる膨張機と、膨張機よりも下流側の循環通路に配置されて、作動流体を凝縮させる凝縮器とを備えている。

特開２０１７−１４５７９９号公報

一般に、ランキンサイクルシステムにおいて、循環通路における蒸発器よりも下流側且つ膨張機よりも上流側の部分（以下、「蒸発器・膨張機間部分」と称する）の作動流体の圧力が、循環通路全体の中で最も高圧になり易い。このようなランキンサイクルシステムにおいて、何等かの原因により、この蒸発器・膨張機間部分の作動流体の圧力が予め設定された上限値よりも高い状態（以下、「異常高圧状態」と称する）になるおそれがある。このような異常高圧状態が長時間続いた場合、ランキンサイクルシステムに不具合が生じるおそれがある。

本開示は上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、循環通路における蒸発器・膨張機間部分の作動流体が長時間、異常高圧状態になることを抑制することができるランキンサイクルシステムを提供することである。

上記目的を達成するため、本開示に係るランキンサイクルシステムは、作動流体が循環する循環通路と、前記循環通路に配置されて前記作動流体を圧送するポンプと、前記ポンプよりも下流側の前記循環通路に配置されて、熱機関から排出された排熱を利用して前記作動流体を加熱させる蒸発器と、前記蒸発器よりも下流側の前記循環通路に配置されて、前記作動流体を膨張させる膨張機と、前記膨張機よりも下流側の前記循環通路に配置されて、前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、前記循環通路における前記蒸発器よりも下流側且つ前記膨張機よりも上流側の部分である蒸発器・膨張機間部分に連通されて、前記蒸発器・膨張機間部分の前記作動流体が流入する入口部と、前記入口部から流入した前記作動流体を排出する出口部とを有し、前記蒸発器・膨張機間部分の前記作動流体の圧力が予め設定された上限値以下の間は閉弁状態を維持し、前記蒸発器・膨張機間部分の前記作動流体の圧力が前記上限値よりも高くなった場合に開弁状態になることで前記出口部からの前記作動流体の排出を開始するバルブと、前記バルブの前記出口部に連通されて、前記出口部から排出された前記作動流体を内部に収容する収容部と、をさらに備えることを特徴とする。

本開示によれば、循環通路における蒸発器・膨張機間部分の作動流体が長時間、異常高圧状態になることを抑制することができる。

実施形態に係るランキンサイクルシステムの構成図である。 図２（ａ）は、実施形態に係る車両における収容部の周辺構成を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、収容部及びフレームのＡ−Ａ線断面を模式的に示す断面図である。

以下、本開示の実施形態に係るランキンサイクルシステム１０について、図１及び図２を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１０は、車両１に搭載されている。この車両１の具体的な種類は、特に限定されるものではなく、乗用車、トラック、バス等の種々の車両を用いることができる。本実施形態においては、車両１の一例として、トラックを用いている。

図１に例示されているランキンサイクルシステム１０は、循環通路１１と、ポンプ１２と、蒸発器１３と、膨張機１４と、凝縮器１５とを備えている。循環通路１１は、ランキンサイクルシステム１０の作動流体が循環するための通路である。具体的には、循環通路１１は、作動流体がポンプ１２、蒸発器１３、膨張機１４、及び凝縮器１５の順に通過した後に、再びポンプ１２に戻るように、これらの構成部材を連通している。

作動流体の具体的な種類は、特に限定されるものではないが、例えば、水、エタノール等を用いることができる。本実施形態においては、作動流体の一例として、エタノールを用いることとする。

ポンプ１２は、後述する凝縮器１５を経由した後の作動流体（これは液体状態の作動流体である）を圧送する装置である。ポンプ１２の動力源は、特に限定されるものではなく、例えばエンジンや電動モータ等を用いることができる。本実施形態に係るポンプ１２は、一例として、エンジンによって駆動されている。

蒸発器１３は、ポンプ１２よりも下流側の循環通路１１に配置されている。蒸発器１３は、ポンプ１２によって圧送されて蒸発器１３に流入した作動流体を、熱機関５０から排出された排熱を利用して加熱させる装置である。具体的には、本実施形態に係る蒸発器１３は、作動流体と排熱との間で熱交換を行わせることで、作動流体を排熱によって加熱して蒸気にしている。なお、本実施形態においては、熱機関５０の具体例として、エンジンを用いており、排熱の具体例として、エンジンから排出された排気の熱を用いている。

また、本実施形態に係る蒸発器１３は、熱交換効率を上げるために、蒸発器１３における排熱の流動方向（具体的には、排気の流動方向）と作動流体の流動方向とが互いに反対方向になっている。すなわち、本実施形態に係る蒸発器１３は、対向流方式で熱交換を行っている。但し、蒸発器１３の構成はこれに限定されるものではない。蒸発器１３は、蒸発器１３における排熱の流動方向と作動流体の流動方向とが同じ方向で熱交換を行う（すなわち、平行流方式で熱交換を行う）ものであってもよい。

膨張機１４は、蒸発器１３よりも下流側の循環通路１１に配置されている。膨張機１４は、蒸発器１３を経由して膨張機１４に流入した作動流体を膨張させる装置である。このような機能を有するものであれば、膨張機１４の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、膨張機１４の具体例として、タービンを用いている。このタービンには、発電機（図示せず）が接続されている。

具体的には、この膨張機１４としてのタービンは、タービンに流入した作動流体のエネルギを受けて回転する。タービンに流入した作動流体は、減圧されることで膨張する。タービンが回転した場合、このタービンの回転によって発電機が駆動されて、発電機は発電を行う。この発電によって得られた電力は、車両１の電装部品の電力として使用されたり、車両１に搭載されたバッテリに充電されたりする。このように、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１０は、膨張機１４において、作動流体のエネルギの一部を電力として回収している。すなわち、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１０は、熱機関５０から排出された排熱を電力として回収している。

凝縮器１５は、膨張機１４よりも下流側の循環通路１１に配置されている。凝縮器１５は、膨張機１４を経由して凝縮器１５に流入した作動流体を凝縮させる装置である。このような機能を有するものであれば、凝縮器１５の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る凝縮器１５は、作動流体と空気との間で熱交換を行わせることで、作動流体を冷却して凝縮させて液体にしている。凝縮器１５を経由した作動流体は、循環通路１１を通過してポンプ１２に流入し、ポンプ１２によって圧送されて蒸発器１３に再び流入する。

また、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１０は、バルブ２０と、連通路３０ａ及び連通路３０ｂと、収容部４０とをさらに備えている。

バルブ２０は、作動流体が流入する入口部２１と、作動流体が排出される出口部２２とを有している。入口部２１は、連通路３０ａを介して、循環通路１１における蒸発器１３よりも下流側且つ膨張機１４よりも上流側の部分（「蒸発器・膨張機間部分１１ａ」と称する）に連通されている。出口部２２は、連通路３０ｂを介して、収容部４０に連通されている。

本実施形態に係るバルブ２０は、一例として、機械式のリリーフバルブ（圧力逃がし弁）によって構成されている。このバルブ２０は、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体の圧力が予め設定された上限値以下の間は閉弁状態を維持し、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体の圧力が上限値よりも高くなった場合（すなわち、「異常高圧状態」になった場合）に開弁状態になるように、設定されている。なお、バルブ２０が閉弁状態の場合、出口部２２からの作動流体の排出は停止され、バルブ２０が開弁状態になった場合に、出口部２２からの作動流体の排出が開始される。

また、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体の圧力の上限値（すなわち、バルブ２０が閉弁状態を維持する圧力の上限値）の具体的な値は、特に限定されるものではないが、作動流体の種類に応じて適宜設定することが好ましい。具体的な数値例を挙げると、本実施形態のように作動流体としてエタノールを用いる場合には、この圧力の上限値として、４０気圧（ａｔｍ）〜６０気圧（ａｔｍ）から選択された値を用いることができる。具体的には、本実施形態においては、この圧力の上限値として、５０気圧を用いている。

なお、作動流体として、エタノールよりも揮発性の低いもの（蒸発し難いもの）を用いる場合には、この圧力の上限値として、エタノールの場合の値よりも高い値を用いることができる。すなわち、作動流体の揮発性が低いほど、圧力の上限値を高くすることができる。

収容部４０は、前述したように、連通路３０ｂを介して、バルブ２０の出口部２２に連通されている。収容部４０は、バルブ２０の出口部２２から排出された作動流体を内部に収容することが可能な部材によって構成されている。このように、作動流体を内部に収容
することが可能な部材であれば、収容部４０の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る収容部４０は、一例として、作動流体が内部に収容された場合に膨らむことが可能な部材によって構成されており、具体的には、袋状の部材（すなわち、袋体）によって構成されている。

収容部４０に流入する作動流体は高温であるため、収容部４０は耐熱性の高い素材によって構成されていることが好ましい。例えば、本実施形態のように、作動流体の一例としてエタノールを用いる場合、収容部４０の素材として、３００℃の高温に耐え得るもの（すなわち耐熱温度が３００℃以上のもの）を用いることが好ましい。このような素材の具体例を挙げると、例えばポリテトラフルオロエチレン等を用いることができる。実際、本実施形態に係る収容部４０は、ポリテトラフルオロエチレン製の袋体によって構成されている。

図２（ａ）は、車両１における収容部４０の周辺構成を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）及び図２（ｃ）は、収容部４０及びフレーム６０のＡ−Ａ線断面を模式的に示す断面図である。図２（ａ）及び図２（ｃ）の収容部４０は、収容部４０の内部に作動流体が収容されており、この結果、膨らんだ状態になっている。一方、図２（ｂ）の収容部４０は、内部に作動流体が収容されておらず、この結果、萎んだ状態になっている。なお、図２に参考用として図示されているＸ−Ｙ−Ｚの直交座標のうち、Ｚ方向は上方であり、−Ｚ方向は下方（重力が作用する方向）である。

本実施形態に係る収容部４０は、一例として、車両１のフレーム６０に取り付けられている。具体的には、このフレーム６０は、車両１のシャシフレームである。このシャシフレームの具体的な種類は、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、一例として、車両１の前後方向に延在するサイドレールを用いている。なお、図２（ａ）においては、フレーム６０の長手方向（Ｙ方向）の一部分のみが抜粋されて図示されている。本実施形態に係る収容部４０は、収容部４０の長手方向がフレーム６０の長手方向と一致するように、フレーム６０に取り付けられている。なお、本実施形態に係る蒸発器１３は、このフレーム６０の下方側に配置されている。

図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、フレーム６０は、第１面６１、第２面６２、及び、第３面６３を有している。第２面６２は、第１面６１に接続するとともに、第１面６１の法線方向で一方の方向（本実施形態ではＸ方向）に延在している。第３面６３は、第１面６１における第２面６２が接続している箇所とは異なる箇所に接続するとともに、第２面６２との間に空間を有しつつ、第２面６２に対向するように延在している。

具体的には、本実施形態に係るフレーム６０の第１面６１は、地面に対して垂直に起立しており、Ｚ方向を短手方向とし、Ｙ方向を長手方向としている。また、本実施形態に係る第２面６２は、その−Ｘ方向側の縁部が第１面６１の上端縁部（上端にある縁部）に接続し、この上端縁部を起点としてＸ方向に延在している。また、本実施形態に係る第３面６３は、その−Ｘ方向側の縁部が第１面６１の下端縁部（下端にある縁部）に接続し、この下端縁部を起点としてＸ方向に延在している。すなわち、本実施形態に係るフレーム６０は、第３面６３を下面（底面）とし、第２面６２を上面（天井面）とし、第１面６１を垂直壁面とする、「凹状（又は溝状）」の断面形状を有している。

本実施形態に係る収容部４０は、フレーム６０の第１面６１に取り付けられている。収容部４０は、収容部４０の内部に作動流体が収容されていない場合には、図２（ｂ）に示すように、収容部４０の側面（これは第２面６２及び第３面６３に対向する側面である）が折り畳まれることで、萎んだ状態になっている。一方、収容部４０は、バルブ２０の出口部２２から排出された作動流体が連通路３０ｂを介して収容部４０の内部に流入した場
合には（すなわち、収容部４０の内部に作動流体が収容された場合には）、図２（ｃ）に示すように膨らむ。具体的には、本実施形態に係る収容部４０は、第１面６１の法線方向で一方の方向（すなわち、Ｘ方向）に向かって展開することで、膨らむ。

また、収容部４０は、膨らんだ場合に（具体的には、最も膨らんだ状態の場合に）、フレーム６０における「第１面６１と第２面６２と第３面６３とによって囲まれた領域６４」の外側にはみ出さないように、その大きさが設定されている。但し、収容部４０の大きさはこれに限定されるものではない。他の例を挙げると、収容部４０の大きさは、収容部４０が膨らんだ場合に、収容部４０の一部が領域６４の外側（具体的には領域６４のＸ方向側）にはみ出すような大きさであってもよい。

続いて、本実施形態に係るランキンサイクルシステム１０の作用効果について説明する。まず、本実施形態によれば、前述したバルブ２０及び収容部４０を備えているので、循環通路１１における蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体が異常高圧状態になった場合に、バルブ２０が開弁状態になることで、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体の一部を収容部４０に収容することができる。これにより、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体の圧力を瞬時に低下させることができるので、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体が長時間、異常高圧状態になることを抑制することができる。

これにより、本実施形態によれば、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体が長時間、異常高圧状態になることに起因して、ランキンサイクルシステム１０に不具合が生じることを抑制することができる。具体的には、本実施形態によれば、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体が長時間、異常高圧状態になり、この結果、異常高圧状態の作動流体が膨張機１４に長時間導入され続けることで膨張機１４が故障する、といった不具合を抑制することができる。また、本実施形態によれば、蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体が長時間、異常高圧状態になり、この結果、蒸発器・膨張機間部分１１ａに破損が生じて、この部分から作動流体が漏洩する、といった不具合を抑制することもできる。

なお、収容部４０に収容された作動流体は、ランキンサイクルシステム１０の運転停止後に、収容部４０から取り出して、例えばランキンサイクルシステム１０の循環通路１１の内部に戻せばよい。

また、本実施形態によれば、図２で説明したように、収容部４０が車両１のフレーム６０に取り付けられている。ここで、車両１のフレーム６０は、車両１を構成する種々の部材の中でも、衝撃荷重に対する剛性が相対的に高い部材によって構成されている。したがって、このフレーム６０は、収容部４０に作動流体が収容されることで収容部４０が膨らんだ際に生じる衝撃荷重を十分に受け止めることができる。これにより、収容部４０が膨らんだ際に生じる衝撃荷重によって、車両１に損傷が生じることを防止することができる。

また、本実施形態によれば、収容部４０がフレーム６０の第１面６１に取り付けられており、図２（ｃ）に示すように作動流体を内部に収容した場合に、第１面６１の法線方向で一方の方向（Ｘ方向）に向かって膨らむので、収容部４０が予期せぬ方向に膨らむことが防止されている。これにより、収容部４０が膨らんだ場合に収容部４０が予期せぬ部材と干渉することが防止されている。

以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本開示はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、収容部４０が取り付けられている車両１の部位は、前述したようなフレーム６０に限定されるものではない。収容部４０は、車両１のフレーム６０以外の所定箇所に取り付けられていてもよい。

また、バルブ２０は、前述したようなリリーフバルブに限定されるものではない。他の例を挙げると、バルブ２０として電磁開閉バルブを用いることもできる。この場合、ランキンサイクルシステム１０は、循環通路１１における蒸発器・膨張機間部分１１ａの作動流体の圧力を検出する圧力センサと、この圧力センサの検出した圧力に基づいて電磁開閉バルブを制御する制御装置と、をさらに備えている。制御装置は、この圧力センサの検出した圧力が上限値以下の場合には電磁開閉バルブを閉弁状態に維持し、この圧力が上限値よりも高くなった場合に電磁開閉バルブを開弁状態にする。この構成においても、バルブ２０としてリリーフバルブを用いる場合と同様の作用効果を奏することができる。

但し、バルブ２０としてリリーフバルブを用いる場合の方が、電磁開閉バルブを用いる場合よりも、圧力センサや制御装置等が無くて済む点において（すなわち、部品点数が少なくて済む点において）、好ましい。

また、ランキンサイクルシステム１０は、車両１に搭載されて用いられるものに限定されるものではない。例えばランキンサイクルシステム１０は、産業機械、船舶等に搭載されて用いられることもでき、あるいは、工場等において所定の位置に定置されて用いられることもできる。

１ 車両
１０ ランキンサイクルシステム
１１ 循環通路
１１ａ 蒸発器・膨張機間部分
１２ ポンプ
１３ 蒸発器
１４ 膨張機
１５ 凝縮器
２０ バルブ
２１ 入口部
２２ 出口部
３０ａ，３０ｂ 連通路
４０ 収容部
５０ 熱機関
６０ フレーム
６１ 第１面
６２ 第２面
６３ 第３面
６４ 領域

Claims (3)

1. 作動流体が循環する循環通路と、前記循環通路に配置されて前記作動流体を圧送するポンプと、前記ポンプよりも下流側の前記循環通路に配置されて、熱機関から排出された排熱を利用して前記作動流体を加熱させる蒸発器と、前記蒸発器よりも下流側の前記循環通路に配置されて、前記作動流体を膨張させる膨張機と、前記膨張機よりも下流側の前記循環通路に配置されて、前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、
   前記循環通路における前記蒸発器よりも下流側且つ前記膨張機よりも上流側の部分である蒸発器・膨張機間部分に連通されて、前記蒸発器・膨張機間部分の前記作動流体が流入する入口部と、前記入口部から流入した前記作動流体を排出する出口部とを有し、前記蒸発器・膨張機間部分の前記作動流体の圧力が予め設定された上限値以下の間は閉弁状態を維持し、前記蒸発器・膨張機間部分の前記作動流体の圧力が前記上限値よりも高くなった場合に開弁状態になることで前記出口部からの前記作動流体の排出を開始するバルブと、
   前記バルブの前記出口部に連通されて、前記出口部から排出された前記作動流体を内部に収容する収容部と、をさらに備えることを特徴とするランキンサイクルシステム。
2. 前記ランキンサイクルシステムは車両に搭載されており、
   前記収容部は、前記車両のフレームに取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記フレームは、第１面と、前記第１面に接続するとともに前記第１面の法線方向で一方の方向に延在する第２面と、前記第１面における前記第２面が接続している箇所とは異なる箇所に接続するとともに、前記第２面との間に空間を有しつつ前記第２面と対向するように延在する第３面と、を有し、
   前記収容部は、前記フレームの前記第１面に取り付けられており、前記作動流体を内部に収容した場合に前記第１面の法線方向で一方の方向に向かって膨らむことを特徴とする請求項２記載のランキンサイクルシステム。

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