JP2021507171A - 統合冷却を含む、特にランキンサイクルタイプの閉回路用の電気式ターボポンプアセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、回転子および固定子を備える回転電気機械（１２）と関連する、閉回路、特にランキンサイクル型の作動流体を循環させるための動的ターボポンプアセンブリ（１）に関し、前記回転子は、ポンプ（３）の軸及び前記ターボポンプのタービン（９）の軸に回転して機械的に連結される。アセンブリの電気機械は、作動流体が圧力下で循環する冷却ゾーンを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、閉回路、特に内燃機関に関連するランキンサイクル型の動的ターボポンプアセンブリ、特に自動車または大型車両に関する。より正確には、ターボポンプは電気機械の回転子に機械的に連結されている。

動的ターボポンプという用語は、遠心ポンプと回転力学的タービンとからなるアセンブリとして理解されるべきである。

ポンプは、その回転子が多数の放射状のフィンを有し、液体状態の流体を回転させ加速させる役割を果たす圧縮器を形成するという特徴を有する。通常装備されたターボポンプにおいて、ポンプの圧縮器の回転により、流体は軸方向に引き込まれ、次いで半径方向に加速され、渦巻部を介して、またはディフューザを介して排出される。タービンは、動的タービン、特に軸方向衝動型タービンであってもよい。この場合、同じ軸上のポンプに接続されているタービンは、蒸気状態の流体の圧力を動的エネルギーに変換することを目的とするインジェクタと呼ばれる固定ブレーディングを有する固定子部分から構成することができる。次いで、この動的エネルギーは、タービンの回転子部分の移動ブレーディングによって機械的エネルギーに変換される。タービンのブレーディングは、タービンの螺旋状出口から出る流体を膨張させることができる手段によってフィンから構成される。

タービンのブレーディングは、半径方向又は軸方向のプロファイルを有することができる。タービンのブレーディングは、好ましくは、半径方向プロファイルを有する。

広く知られているように、ランキンサイクルは、外部熱源からの熱が作動流体を含む閉回路に伝達される熱力学サイクルである。サイクルの過程で、作動流体は相変化(液体/蒸気)を受ける。

このタイプのサイクルは、一般に、液体形態で使用される作動流体が等エントロピー圧縮を受ける工程と、それに続く、この圧縮された液体流体が加熱され、熱源と接触することで気化される工程とに分解される。

次いで、別の工程の間、この蒸気を膨張機械で膨張させ、次いで、最終工程において、この膨張された蒸気を冷却し、冷源と接触させて凝縮させる。

これらの様々なステップを実行するために、回路は、流体を液体形態で循環させ、圧縮するための少なくとも1つのポンプと、圧縮された流体を少なくとも部分的に気化させるために高温流体がその上を掃引される蒸発器交換器と、この蒸気のエネルギーを機械的または電気的エネルギーなどの別の形態のエネルギーに変換するタービンなどの蒸気を膨張させるための膨張機と、蒸気に含まれる熱を低温源、一般には外部空気に放出する凝縮器交換器と、あるいはこの蒸気を液体形態の流体に変換するためにこの凝縮器上を流れる冷却水の回路とを備える。

このタイプの回路では、使用される流体は一般に水であるが、他のタイプの流体、例えば有機流体または有機流体の混合物を使用することもできる。次いで、このサイクルは、有機ランキンサイクルまたはＯＲＣと呼ばれる。

例として、作動流体は、ブタン、エタノール、ハイドロフルオロカーボン、アンモニア、二酸化炭素などであってもよい。

よく知られているように、圧縮流体を気化させるための高温流体は、冷却剤(燃焼機関、工業的プロセス、炉などからの)、燃焼から生じる高温ガス(工業的プロセスの煙道ガス、ボイラ、燃焼機関またはタービンからの排気ガスなど)、太陽熱収集器から得られる熱処理の流れなど、様々な高温源から得ることができる。

一般に、国際公開第2013/046885号パンフレットにより良く記載されているように、ポンプ及びタービンは、単一部品に組み合わされてコンパクトなターボポンプを形成することができる。

ポンプおよびタービンに共通するこのターボポンプのシャフトは、熱エンジンまたはエネルギーを供給または変換できる電気機械のいずれかの駆動ユニットにしばしば連結される。

本発明は、閉じたランキンサイクル回路の使用を最適化するように、電気式ターボポンプを改良することを目的とする。

そのために、本発明は、回転子と固定子とを備える回転電気機械に組み合わせる、閉回路、特にランキンサイクル型の、作動流体を循環させるための回転動力学ターボポンプアセンブリに関し、該回転子は、ポンプの軸および前記ターボポンプのタービンの軸に回転するように機械的に連結される。本発明によれば、前記電気機械は、前記作動流体が圧力下で循環する冷却ゾーンを備える。

回転子、ポンプ、およびタービンは、同じ軸上にあってもよい。

回転子、ポンプ、およびタービンは、減速ギアに機械的に連結された異なる軸上にある。

ポンプを出る作動流体の全ては、前記冷却ゾーン内を循環することができる。

前記冷却ゾーンは、回転子の周囲に円周方向に配置することができる。

前記冷却ゾーンは、前記固定子の周囲に蛇行ダクトを備えることができる。

前記冷却ゾーンは、少なくとも１つの乱流タブを含むことができる。

前記冷却ゾーンは、少なくとも１つの細かい溝を含むことができる。

前記ポンプは、加圧ホイールと、ディフューザと、前記冷却ゾーン内の作動流体を循環させる一方で、その通路に関連する圧力損失を最小限に抑えるためのマニホルドとを備えることができる。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例示としてのみ与えられる以下の説明を読むことにより明らかになるであろう:
道路輸送用途（軽車両および重車両）のためのＯＲＣソリューションのコストを制限するために、ランキンサイクル回収ソリューションのための１つの選択肢は、統合された電気式ターボポンプを提案することである。ゆえに、このターボポンプは、ポンプ、膨張機および電気機械を、単一コンポーネント内でかつ、単一シャフトに備える。

一般に、その内部でジュール損失によって発生する熱エネルギーを除去するために必要な電気機械の冷却は、伝熱流体（水、油、作動流体など）を備えた外部冷却システムによってもたらされる。

本発明によれば、更なる低コスト化とターボポンプ部品の高集積化を図るため、電気機械のケーシングに向けて、電気機械を冷却するためにポンプから出た加圧作動流体を転用することが提案される。

本発明による帯電ターボポンプを一体化したランキンサイクルの油圧回路を模式的に示す図である。 ポンプのより詳細な断面図および冷却ゾーン内の冷却流体の循環を示す図である。

図１は、有利にはＯＲＣ（有機ランキンサイクル）タイプであり、ブタン、エタノール、ハイドロフルオロカーボンなどの有機作動流体または有機流体の混合物を使用する閉回路ランキンサイクル２の一部である帯電ターボポンプ１を示す。

もちろん、閉回路は、アンモニア、水、二酸化炭素などの流体で動作することもできる。

ターボポンプ１の部分は、液体形態の作動流体のための入口４と、同様に液体形態であるが、高圧に圧縮された作動流体のための出口５とを有するポンプ３を備える。

ポンプの出口５は、蒸発器と呼ばれる熱交換器６に接続されており、蒸発器を通って圧縮された作動流体が通過し、それによって作動流体がこの蒸発器から圧縮蒸気の形で再び出る。

また、この蒸発器６は、液体又は気体の形態の高温源７を通過させ、その結果、その熱を作動流体に放出することができる。この熱源は、例えば、排気ガスまたは内燃機関の別の熱源から生じることがある。

蒸発器の出口は、タービン９を備えるターボポンプの部分の入口８に接続され、それを高圧の圧縮蒸気の形で作動流体中に受け入れるようにし、この流体は、低圧の膨張蒸気の形でこのタービンの出口１０を経て再び出る。

タービン９の出口１０は、冷却交換器１１、すなわち凝縮器に接続されており、これにより、膨張した低圧蒸気を受け入れて低圧液体流体に変換することができる。この凝縮器は、冷源２０、一般に周囲空気又は冷却水の流れにより、膨張した蒸気が凝縮して液体に変換されるように冷却される。

この実施形態では、ポンプとタービンは同じ軸上にある。他の実施形態によれば、それらは、減速歯車装置に機械的に接続され、電気機械１２の回転子の軸に接続された異なる軸上にあってもよい。電気機械１２は、サイクルを始動させるための駆動装置として、またはサイクルが駆動しているときの発電機として動作する。

もちろん、回路の様々な要素は、流体循環パイプによって互いに接続されている。

さらなる低コスト化と電気式ターボポンプ部品の一体性向上のために、電気機械を冷却するためにポンプから出る圧縮流体を電気機械のケーシングに向けて分流させることが提案される。従来、ジュール損失によって発生する熱エネルギーを除去するために必要な電気機械の冷却は、伝熱流体（空気、水、油）を備えた外部冷却システムによってもたらされている。この構成は、電気機械に隣接した中央部にあるターボポンプの本体上にある入口タッピング及び出口タッピング、並びにポンプ、リザーバ及びパイプを備える冷却流体を循環させるための外部装置を必要とする。

本発明では、冷却は、ポンプによって加圧された流体のターボポンプ内の循環によってもたらされる。つまり、ポンプによって加圧された作動流体（つまりポンプ出口で）は、ターボポンプを離れることなく、冷却ゾーン内を直接循環する。好ましくは、全ての作動流体が電気機械を冷却する。ポンプから出た圧縮流体は、ポンプ上に配置されたディフューザによって、電気機械の固定子が配置されているターボポンプの中央部に向かう。電気機械の固定子部分を囲む自由空間が熱交換器として働き、後者を冷却する役割を果たす。循環後、流体はターボポンプ（出口５）から再び出て、パイプを介してランキンサイクルの蒸発器６に導かれる。

構造的な観点から、この解決策は、冷却機能に割り当てられた外部要素を省略し、ランキンシステムを単純化することを可能にする。したがって、ポンプを出る圧縮された作動流体の全ては、電気機械の中央冷却ゾーン内を循環するようになされる。

このような構成は、複数の利点を有する：
電気ターボ発電機の外部環境とのインターフェースの簡素化；
タービン発電機の冷却に割り当てられた外部要素を省略することによるタービン発電機の運転コストの低減；
ターボポンプ内部の冷却機能の内部化を考慮したＯＲＣシステムの省スペース化；
受動的冷却システムを使用し、制御を必要としないことによるランキンシステムの制御の単純化。

図２にポンプと電気機械を模式的に部分的に示す。作動流体は、中心部を介して動的ポンプのホイール１３に入り、回転速度によって圧縮され、半径方向にディフューザ１４に送られる。

ホイール１３は、電気機械の回転子１６の軸１５に機械的に連結されている。

マニホルド１７は、加圧された流体を、電気機械の固定子１９の外側（固定子の周囲にて円周方向に）の冷却ゾーン１８に搬送する。

冷却ゾーンは、固定子を円周方向に取り囲む蛇行ダクトを備えることができる。循環ゾーンの構成は、電気機械の効果的な冷却を確保しつつ、流体による圧力損失を制限するために、最適化の対象となる。しかも、この構成により、固定子を冷却する流体の流量を均等に流出させることができる。

さらに、冷却ゾーン１８は、固定子を冷却する流体の流量を均等にするために、少なくとも１つの乱流タブ（図示せず）を備えることができる。

さらに、冷却ゾーン１８は、少なくとも1つの細い溝（図示せず）、すなわち、残りのパイプよりも小さな断面を有する溝を備えることができる。

閉回路を起動する段階では、電気機械は、ターボポンプ１のポンプ３を準備するために駆動装置として動作する。そのために、電気機械には電気エネルギーが供給される。

回路の動作フェーズの１つにおいて、タービンは、タービンがポンプの消費より多くの電力を生成するときに、発電機として動作する電気機械に伝達するエネルギーを生成する。

伝達動力が不十分になると、すなわち、タービンがポンプが消費するよりも少ない動力を生成すると、ターボポンプは電気的に動作不能になる。

また、本発明は、作動流体が循環するランキンサイクル型の閉回路に関し、ポンプ、蒸発器、タービン及び凝縮器を備える。本発明によれば、ポンプおよびタービンは、上述した変形例の組合せのいずれか1つに従って、動的ターボポンプアセンブリを形成する。閉回路は、図１のものに従うことができる。

一実施形態によれば、閉回路は、作動流体のための貯蔵部を含むことができる。

したがって、ポンプに戻る前に、作動流体は、ポンプ内、電気機械内、蒸発器内、タービン内および凝縮器内を連続して循環する。任意選択で、ランキンサイクルの２つの要素の間で、流体を作動流体貯蔵部に貯蔵することができる。

通電したターボポンプは、特に閉回路の規模を縮小させ、閉回路の制御を簡単にする役割を果たす。

本発明は、上記の例に限定されるものではなく、全ての変形例を包含する。

Claims (9)

1. 回転子（１６）と固定子（１９）とを備える回転電気機械（１２）に組み合わせる、特にランキンサイクルタイプの閉回路内で作動流体を循環させるための動的ターボポンプアセンブリ（１）であって、
   前記回転子（１６）は、ポンプの軸および前記ターボポンプのタービン（９）の軸に回転するように機械的に連結され、
   前記電気機械（１２）は、前記作動流体が圧力下で循環する冷却ゾーン（１８）を備えることを特徴とする動的ターボポンプアセンブリ。
2. 前記回転子（１６）、前記ポンプ（３）及び前記タービン（９）が同一軸上にある、請求項１に記載の組立体。
3. 前記回転子（１６）、前記ポンプ（３）、および前記タービン（９）は、減速ギアに機械的に連結された異なる軸上にある、請求項１に記載のアセンブリ。
4. ポンプを出る前記作動流体の全てが前記冷却ゾーン（１８）を循環する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
5. 前記冷却ゾーン（１８）は、前記固定子（１９）の周囲に円周方向に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の組立体。
6. 前記冷却ゾーン（１８）は、前記固定子（１９）の周囲に蛇行ダクトを有する、請求項１〜５のいずれか1項に記載の組立体。
7. 前記冷却ゾーン（１８）は、少なくとも１つの乱流タブを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の組立体。
8. 前記冷却ゾーン（１８）は、少なくとも１つの細かい溝を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の組立体。
9. 前記ポンプ（３）は、加圧ホイール（１３）と、ディフューザ（１４）と、前記冷却ゾーン（１８）内の前記作業流体を循環させるためのマニホルド（１７）とを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の組立体。

Images