JP5440072B2 - 廃熱利用装置 - Google Patents

Description

本発明は、ランキンサイクルを使用して出力を得る廃熱利用装置に係り、特に、エンジンからの冷却水廃熱などの低温度廃熱を利用して出力を得る廃熱利用装置に関するものである。

従来、ランキンサイクルを利用して蒸気タービンを駆動する廃熱利用装置がある（例えば、特許文献１，２参照）。

ランキンサイクルは、ポンプで作動流体（作動液、冷媒）を送り、蒸発器で蒸発させ、膨張機で蒸気を膨張させて出力を得た後、凝縮器で蒸気を冷却し、蒸気を凝縮させて液体に戻し、この液体を再度ポンプで循環させることで動作する。例えば、膨張機に蒸気タービンを用いて発電機を回転駆動することで、電力を得ることができる。

廃熱利用装置は、例えば、車両に搭載され、エンジンからの排気ガスの熱や、エンジンからの冷却水廃熱などを利用して発電を行うことができる。

特開２００７−３０９３１２号公報 特許第４０１４５８３号公報

ところで、廃熱利用装置を車両等の移動体に搭載する場合、ポンプの動力（電力）を自己供給して自立運転できることが望ましい。

しかしながら、例えば、１００℃程度の冷却水廃熱など低温度廃熱を利用する廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおける理論発電効率が１０％以下と低いため、発電電力に対するポンプ動力の割合が大きく、正味の利用可能出力が少なくなってしまうという問題がある。

システム設置コストに対して発電電力、すなわち利用可能出力が小さいと、初期コスト償却期間が増大するため導入の際の抵抗感が増し、廃熱回収ランキンサイクルの普及の障害となる。

発電機における発電電力（電気出力）を増加するために、ランキンサイクル内の作動流体の循環量を増やすべくポンプ能力を大きくすることが考えられるが、ポンプの効率は、ギヤポンプの例で１５％と低いため、ポンプにおける自己消費電力が増え、結局、利用可能出力が少なくなり望ましくない。

また、廃熱利用装置を車両等に搭載する場合、設置スペースは限られているため、廃熱利用装置を全体として小型化する必要がある。

蒸発器における高温源に１００℃程度の冷却水廃熱を用いるとすると、車両においては一般に凝縮器が空冷方式となってしまうため、凝縮器における低温源は環境温度である３０℃程度となり、高温源と低温源の温度差が４０℃〜７０℃と小さくなる。この状態で、ランキンサイクルを安定して動作させるためには、凝縮器で十分に作動流体を冷却して、ポンプの吸い込み抵抗等に起因する気泡の発生、すなわちキャビテーションを発生させないようにする必要がある。キャビテーションが発生すると、ポンプの効率が低下し、動力が無駄になってしまうためである。

しかしながら、空冷方式で作動流体を十分に冷却するためには、凝縮器が大型化してしまい、小型化を妨げてしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、利用可能出力が大きく、小型な廃熱利用装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、作動流体を液体状態で貯留するタンクと、該タンクからの作動流体を加圧して送液するポンプと、該ポンプからの作動流体を蒸発させて蒸気とする蒸発器と、該蒸発器からの蒸気を膨張させて動力に変換する膨張機と、該膨張機からの蒸気を冷却して凝縮させて液体とし、前記タンクに戻す凝縮器とを備えた廃熱利用装置であって、前記蒸発器と前記凝縮器間の蒸気の一部を、前記タンクに供給して前記タンク内を加圧させるためのタンク加圧ラインを備え、該タンク加圧ラインに、前記タンクに供給する蒸気の流量を調整するための流量制御手段を設けた廃熱利用装置である。

前記タンク加圧ライン内で蒸気が凝縮してしまうことを防ぐべく、前記タンク加圧ラインを断熱材で覆ってもよい。

前記タンク加圧ラインにより前記タンク内に供給された蒸気が、前記タンク内の液体状態の作動流体と接触して凝縮してしまうことを防ぐべく、前記タンク内の液体状態の作動流体の液面に、凝縮防止部材を配置してもよい。

前記タンク加圧ラインにより前記タンク内に供給された蒸気が、前記タンクの壁面と接触して凝縮してしまうことを防ぐべく、前記タンクの壁面に断熱障壁を設けてもよい。

前記タンク内に臨む前記タンク加圧ラインの端部を、断熱材からなる膨張可能な袋状体で覆い、該袋状体内に前記蒸気を供給することにより、前記袋状体を膨張させて前記タンク内を加圧するようにしてもよい。

前記袋状体には、前記袋状体内の蒸気が凝縮した液体を前記タンク内に排出するための小孔が設けられてもよい。

本発明によれば、利用可能出力が大きく、小型な廃熱利用装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る廃熱利用装置の概略構成図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の廃熱利用装置において、タンクに凝縮防止部材を設けたときのタンク内の概略図であり、（ｄ）は、タンクに袋状体を設けたときのタンク内の概略図である。 本発明の一実施の形態に係る廃熱利用装置の概略構成図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る廃熱利用装置の概略構成図である。

図１に示すように、廃熱利用装置１は、作動流体を液体ｓの状態で貯留するタンク２と、タンク２からの作動流体（液体ｓ）を加圧して送液するポンプ３と、ポンプ３からの作動流体（液体ｓ）を蒸発させて蒸気ｇとする蒸発器４と、蒸発器４からの蒸気ｇを膨張させて動力に変換する膨張機５と、膨張機５からの蒸気ｇを冷却して凝縮させて液体ｓとし、タンク２に戻す凝縮器６とを備えている。

膨張機５には発電機７が接続されており、例えば膨張機５を蒸気タービンとすると、蒸気タービンの回転により発電機７を回転させて電力を得るようになっている。つまり、廃熱利用装置１は、ランキンサイクルを利用して膨張機５を駆動して、電力を得るものである。

廃熱利用装置１は、例えば、車両に搭載されており、蒸発器４には、高温源としてエンジンからの冷却水廃熱が供給され、凝縮器６には、低温源として大気が供給される。蒸発器４に供給されるエンジンからの冷却水廃熱は１００℃程度であり、凝縮器６に供給される大気は環境温度である３０℃程度である。

蒸発器４の出口には、蒸気ｇの圧力を測定するための圧力測定器Ｐ１が設けられ、タンク２には、タンク２内の圧力を測定するための圧力測定器Ｐ２が設けられている。

さて、廃熱利用装置１では、蒸発器４と凝縮器６間の蒸気ｇの一部を、タンク２に供給してタンク２内を加圧させるためのタンク加圧ライン８を備えている。本実施の形態では、タンク加圧ライン８は、その一端が蒸発器４と膨張機５間の配管に接続され、他端がタンク２内に臨むようにタンク２に接続される。

膨張機５を蒸気タービンとする際は、蒸気タービンの上流側にミスト除去器（気液分離器）を設けることが望ましい。この場合は、ドレン液回収のタンク２への戻し配管をそのまま兼用して利用することも可能である。

タンク加圧ライン８には、タンク２に供給する蒸気ｇの流量を調整するための流量制御手段として加圧弁９が設けられる。加圧弁９は、タンク加圧ライン８を介して過剰な蒸気ｇが抜き出されないよう、蒸気ｇの流量を制限するためのものである。加圧弁９を設けないと、膨張機５の起動時にタンク加圧ライン８に流れる蒸気ｇの流量が過剰流量となり、ミスト除去器で除去できない高濃度ミスト含有蒸気が生じる虞れがある。ミスト含有蒸気が膨張機５に送られると、効率の低下や故障の要因となる。

本実施の形態では、流量制御手段として加圧弁９を設けた場合を説明するが、これに限らず、流量制御手段は蒸気ｇの流量が制御できるものであればよく、細管（キャピラリチューブ）や、オリフィス、背圧弁などを用いることも可能である。

加圧弁９で調整する蒸気ｇの流量は、タンク２内が０．５から２０ｋＰａ程度加圧される程度とすれば十分である。より望ましくは、２から５ｋＰａ程度である。

タンク加圧ライン８は、抜き出した蒸気ｇがタンク２への導入前にタンク加圧ライン８内で凝縮してしまうことを防ぐべく、配管を外部から断熱するよう断熱材で覆われることが望ましい。

また、タンク加圧ライン８を介してタンク２内に供給された蒸気ｇは、最終的には凝縮して液体ｓに戻るが、タンク２内の作動流体の液体ｓの液面、あるいはタンク２の壁面での凝縮を防止することで、タンク加圧ライン８を介して抜き出す蒸気ｇの蒸気量の低減が図れる。蒸気量を減らすことは、タンク２内の温度変動を抑えることになり、望ましい。

そこで、タンク２の壁面や、タンク２内に貯留された作動流体の液体ｓと接触して蒸気ｇが凝縮してしまうことを防ぐべく、タンク２の壁面に断熱障壁を設けると共に、タンク２内に貯留された作動流体の液体ｓの液面に断熱効果を有する凝縮防止部材を配置することが望ましい。

タンク２の壁面に設けられる断熱障壁は、タンク２の内壁に設けられてもよいし、外壁に設けられてもよい。すなわち、内断熱、外断熱どちらでもよい。

凝縮防止部材としては、図２（ａ）に示すようなフロート状の凝縮防止部材２１や、図２（ｂ）に示すようにビーズ状の凝縮防止部材２２、あるいは図２（ｃ）に示すようなフィルム状の凝縮防止部材２３を用いるようにすればよい。凝縮防止部材２１，２２，２３は作動流体の液体ｓの液面に配置される必要があるので、液体ｓ（作動流体）よりも比重が軽いものを用いるとよい。また、凝縮防止部材２１，２２，２３は、凝縮器６からの液体ｓが通るように多少の隙間を残し、液体ｓの液面ほぼ全体を覆うように配置されることが望ましい。

ここでは、タンク２内での蒸気ｇの凝縮を抑制するために、タンク２の壁面に断熱障壁を設け、作動流体の液体ｓの液面に凝縮防止部材２１，２２，２３を設ける場合を説明したが、これに限らず、例えば、図２（ｄ）に示すように、タンク２内に臨むタンク加圧ライン８の端部を、断熱材からなる膨張可能な袋状体２４で覆い、袋状体２４内に蒸気ｇを供給することにより、袋状体２４を風船のように膨張させてタンク２内を加圧するようにしてもよい。このように、断熱材からなる袋状体２４をタンク２内に設けても、蒸気ｇのタンク２内での凝縮を抑制することが可能である。袋状体２４の一部には、図示しない小孔が設けられ、袋状体２４内の蒸気ｇが凝縮した液体ｓをタンク２内に排出するようにされる。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る廃熱利用装置１では、蒸発器４と凝縮器６間の蒸気ｇの一部を、タンク２に供給してタンク２内を加圧させるためのタンク加圧ライン８を備え、タンク加圧ライン８に、タンク２に供給する蒸気ｇの流量を調整するための流量制御手段として加圧弁９を設けている。

タンク加圧ライン８によりタンク２より高圧の部分（蒸発器４と凝縮器６間）から蒸気ｇの一部を抜き出し、加圧弁９で流量を調整してタンク２内に導くと、タンク２内の上部（蒸気層）に導入された蒸気ｇは、タンク２内を加圧する。

蒸気ｇによりタンク２内が加圧さると、ポンプ３の入出力の圧力差（ＩＮ−ＯＵＴでのヘッド差）が小さくなり、ポンプ３の消費電力が小さくなるか、ポンプ３で送液する作動流体の流量が増加する。ポンプ３の消費電力が同じであれば、例えば膨張機５を蒸気タービンとすると、作動流体の流量（循環流量）と蒸気タービンの出力はほぼ比例するので、発電機７における発電電力も増加する。

つまり、発電機７の発電電力を増加させるか、ポンプ３で消費する電力を小さくすることができることとなり、利用可能出力を大きくすることが可能になる。

また、タンク２内を蒸気ｇにより加圧することによって、作動流体の液体ｓの沸点が若干高くなる。そのため、ポンプ３にて吸い込み抵抗等に起因する気泡の発生、すなわちキャビテーションが起こりにくくなり、ポンプ３の効率が低下することがなくなり、ランキンサイクルを安定して動作させることが可能となる。

さらに、ポンプ３にてキャビテーションが起こりにくくなるため、凝縮器６にて過剰に作動流体を冷却する必要がなくなり、凝縮器６を小型化することが可能になる。よって、廃熱利用装置１全体を小型化することが可能となる。

ここで、タンク加圧ライン８を設けたことによる効果をより詳細に検討する。

図１の廃熱利用装置１を用い、まず、加圧弁９を閉とした状態とする。このとき、ポンプ３の流量は３．１Ｌ／ｍｉｎ、発電機７での発電量は５５０Ｗ、蒸発器４の出口に設けた圧力測定器Ｐ１の値は０．２９ＭＰａ、タンク２に設けた圧力測定器Ｐ２の値は０．０８ＭＰａであった。

この状態で加圧弁９を開とすると、表１に示すように、圧力測定器Ｐ１の値、すなわち蒸発器４出口での蒸気ｇの圧力は０．２９ＭＰａでほぼ変化がなかったが、圧力測定器Ｐ２の値、すなわちタンク２内の圧力は、０．０９ＭＰａと０．０１ＭＰａ増加した。これにより、ポンプ３の流量が３．５Ｌ／ｍｉｎと、ほぼ１０％の０．４Ｌ／ｍｉｎ増加し、それに伴い、発電量も６００Ｗと、ほぼ１０％の５０Ｗの出力増加が確認された。このように、蒸気ｇによるタンク２の加圧量は、必要な流量増加が得られる程度（数ｋＰａ程度）で十分である。

本実施の形態では、ポンプ３として動力が約１００Ｗのものを用いたので、タンク加圧ライン８を設けることにより、ポンプ３の約半分の動力が補助されたことになる。

特に、発電効率の低い低温ランキンサイクルでは、ポンプ駆動分の自己消費電力の比率が高くなる傾向にあるが、廃熱利用装置１によれば、発電量：ポンプ動力＝６００Ｗ：１００Ｗとなり、ポンプ３の動力を増加させずにサイクル流量（循環させる作動流体の流量）を増加させることが可能となる。

上記実施の形態では、蒸発器４と膨張機５間、つまり膨張機５の上流側で蒸気ｇを抜き出したが、蒸気ｇの抜き出し位置は、加圧に必要なタンク２との差圧が得られる位置（蒸発器４と凝縮器６間）であればどこでもよく、図３に示す廃熱利用装置３１のように、膨張機５の下流側（膨張機５と凝縮器６間）で蒸気ｇを抜き出すようにしてもよい。

この場合、膨張機５を通過した蒸気ｇを抜き出すことになるので、蒸気ｇの膨張機５通過量が減らないので、発電機７での発電量が減少することがない。試験では、膨張機５の上流側で蒸気ｇを抜き出した場合であっても、出力（発電量）増加が確認されているが、発電量に影響を与えないよう、膨張機５の下流側で蒸気ｇを抜き出す方がより望ましいといえる。

１ 廃熱利用装置
２ タンク
３ ポンプ
４ 蒸発器
５ 膨張機
６ 凝縮器
７ 発電機
８ タンク加圧ライン
９ 加圧弁（流量制御手段）
ｓ 液体（作動流体）
ｇ 蒸気（作動流体）

Claims (6)

1. 作動流体を液体状態で貯留するタンクと、該タンクからの作動流体を加圧して送液するポンプと、該ポンプからの作動流体を蒸発させて蒸気とする蒸発器と、該蒸発器からの蒸気を膨張させて回転動力に変換する膨張機と、該膨張機からの蒸気を冷却して凝縮させて液体とし、前記タンクに戻す凝縮器とを備えた廃熱利用装置であって、
   前記蒸発器と前記凝縮器間で、かつ前記膨張機の下流側の蒸気の一部を、前記タンクに供給して前記タンク内を加圧させるためのタンク加圧ラインを備え、該タンク加圧ラインに、前記タンクに供給する蒸気の流量を調整するための流量制御手段を設けたことを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記タンク加圧ライン内で蒸気が凝縮してしまうことを防ぐべく、前記タンク加圧ラインを断熱材で覆った請求項１記載の廃熱利用装置。
3. 前記タンク加圧ラインにより前記タンク内に供給された蒸気が、前記タンク内の液体状態の作動流体と接触して凝縮してしまうことを防ぐべく、前記タンク内の液体状態の作動流体の液面に、凝縮防止部材を配置した請求項１または２記載の廃熱利用装置。
4. 前記タンク加圧ラインにより前記タンク内に供給された蒸気が、前記タンクの壁面と接触して凝縮してしまうことを防ぐべく、前記タンクの壁面に断熱障壁を設けた請求項１〜３いずれかに記載の廃熱利用装置。
5. 前記タンク内に臨む前記タンク加圧ラインの端部を、断熱材からなる膨張可能な袋状体で覆い、該袋状体内に前記蒸気を供給することにより、前記袋状体を膨張させて前記タンク内を加圧するようにした請求項１または２記載の廃熱利用装置。
6. 前記袋状体には、前記袋状体内の蒸気が凝縮した液体を前記タンク内に排出するための小孔が設けられる請求項５記載の廃熱利用装置。

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