JP6306821B2

JP6306821B2 - Rankine cycle engine

Info

Publication number: JP6306821B2
Application number: JP2013001187A
Authority: JP
Inventors: 中村　正明; 正明中村; 卓俊古川
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: JP2014134309A

Description

本発明は、ランキンサイクル機関に関する。 The present invention relates to a Rankine cycle engine.

外燃機関は、機関外部の熱源（例えば、車両のエンジンの廃熱）を利用し、作動媒体を蒸発／凝縮させることによって熱源の熱エネルギを運動エネルギに変換する。外燃機関には、作動媒体をポンプで循環させるランキンサイクルによるものがある。外燃機関のランキンサイクルとしては、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１には、作動媒体をポンプで内燃機関に圧送し、内燃機関で作動媒体との間で熱交換を行い、熱交換で液体と気体とが気液混合状態となった作動媒体を気液分離器で気体と液体に分離して液体の作動媒体を内燃機関に戻すとともに気体の作動媒体を蒸発器に流入させ、蒸発器で作動媒体を内燃機関の廃熱を利用して加熱し、蒸気状態の作動媒体を作動媒体供給機構によってタービン（膨張機）に導き、タービンで蒸気状態の作動媒体によって回転して運動エネルギを回収し、タービンを通過した作動媒体を凝縮器で凝縮して液体に戻すシステムが開示されている。 The external combustion engine uses a heat source outside the engine (for example, waste heat of a vehicle engine), and converts the heat energy of the heat source into kinetic energy by evaporating / condensing the working medium. Some external combustion engines employ Rankine cycles in which a working medium is circulated by a pump. For example, Patent Document 1 is known as a Rankine cycle of an external combustion engine. In Patent Document 1, a working medium is pumped to an internal combustion engine by a pump, and heat exchange is performed between the working medium and the internal combustion engine. The liquid separator is separated into gas and liquid by returning the liquid working medium to the internal combustion engine and the gaseous working medium is allowed to flow into the evaporator. The evaporator is heated using the waste heat of the internal combustion engine, The working medium in the vapor state is guided to the turbine (expander) by the working medium supply mechanism, and is rotated by the working medium in the vapor state in the turbine to recover the kinetic energy. A system to return to is disclosed.

特開２０１２−１５４２６２号公報JP 2012-154262 A

膨張機がラジアルタービンなどの場合、蒸発器から膨張機に入った作動媒体に液体が残っていると（作動媒体が乾き度１００％でないと）、タービン翼の故障原因となるエロージョン（侵食）やコロージョン（腐食）が発生し、タービン翼が故障する場合がある。特許文献１に開示のシステムでは、気液分離器で作動媒体を液体と気体とに分離しているが、この気液分離器は蒸発器の上流側に配置されて蒸発器に入る前に作動媒体を気液分離しているので、蒸発器から出た後の作動媒体が乾き度１００％でない可能性がある。 When the expander is a radial turbine or the like, if liquid remains in the working medium that has entered the expander from the evaporator (if the working medium is not 100% dry), erosion (erosion) that causes failure of the turbine blades or Corrosion may occur and the turbine blades may break down. In the system disclosed in Patent Document 1, the working medium is separated into liquid and gas by the gas-liquid separator, but this gas-liquid separator is arranged upstream of the evaporator and operates before entering the evaporator. Since the medium is gas-liquid separated, the working medium after exiting the evaporator may not be 100% dry.

そこで、本発明は、膨張機の故障を防止するランキンサイクル機関を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the Rankine cycle engine which prevents the failure of an expander.

本発明に係るランキンサイクル機関は、熱源によって作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体からエネルギを回収するための膨張機と、作動媒体を凝縮させる凝縮器と、作動媒体を循環させるポンプとを備えるランキンサイクル機関であって、蒸発器と膨張機との間に設けられ、蒸発器から出た作動媒体を気体と液体に分離する気液分離器を備え、膨張機には、気液分離器で分離された気体の作動媒体が供給されることを特徴とする。 A Rankine cycle engine according to the present invention includes an evaporator for evaporating a working medium by a heat source, an expander for recovering energy from the working medium, a condenser for condensing the working medium, and a pump for circulating the working medium. A Rankine cycle engine comprising: a gas-liquid separator that is provided between an evaporator and an expander and separates a working medium discharged from the evaporator into a gas and a liquid, and the expander includes a gas-liquid separator The gas working medium separated in step (b) is supplied.

ランキンサイクル機関は、作動媒体をポンプで循環させるランキンサイクルの外燃機関であり、蒸発器、膨張機、凝縮器、ポンプを備えている。蒸発器では、ポンプで作動媒体が圧送されると、その作動媒体を熱源で加熱することによって蒸発して高圧で高温（高エネルギ）の作動媒体とする。膨張機では、高エネルギの作動媒体からエネルギを回収する。凝縮器では、膨張機から出た作動媒体を凝縮して低圧の作動媒体とする。特に、このランキンサイクル機関では、蒸発器と膨張機との間に気液分離器を備えている。気液分離器では、蒸発器から出た作動媒体を液体と気体に分離し、液体を完全に分離して乾き度１００％（湿度０％）の作動媒体とする。そして、この気液分離器で分離された乾き度１００％の気体の作動媒体は、膨張機に供給される。そのため、膨張機がラジアルタービンなどの場合でも、タービン翼の故障原因となるエロージョンやコロージョンが発生しない。このように、ランキンサイクル機関では、蒸発器と膨張機との間に気液分離器を設け、乾き度１００％の気体の作動媒体を膨張機に供給することにより、膨張機においてエロージョンやコロージョンなどの故障原因が発生せず、膨張機の故障を防止することができる。 The Rankine cycle engine is a Rankine cycle external combustion engine that circulates a working medium with a pump, and includes an evaporator, an expander, a condenser, and a pump. In the evaporator, when the working medium is pumped by the pump, the working medium is evaporated by heating with a heat source to be a high pressure and high temperature (high energy) working medium. An expander recovers energy from a high energy working medium. In the condenser, the working medium discharged from the expander is condensed into a low-pressure working medium. In particular, this Rankine cycle engine includes a gas-liquid separator between the evaporator and the expander. In the gas-liquid separator, the working medium discharged from the evaporator is separated into liquid and gas, and the liquid is completely separated into a working medium having a dryness of 100% (humidity 0%). The gaseous working medium having a dryness of 100% separated by the gas-liquid separator is supplied to the expander. Therefore, even when the expander is a radial turbine or the like, erosion or corrosion that causes a failure of the turbine blade does not occur. As described above, in the Rankine cycle engine, a gas-liquid separator is provided between the evaporator and the expander, and a gas working medium having a dryness of 100% is supplied to the expander. The cause of the failure does not occur and the failure of the expander can be prevented.

上記ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間に、気液分離器で分離された液体の作動媒体が戻されると好適である。 In the Rankine cycle engine, it is preferable that the liquid working medium separated by the gas-liquid separator is returned between the evaporator and the pump.

気液分離器で分離された液体の作動媒体は、蒸発器から出た作動媒体なので、高圧で高温（高エネルギ）である。したがって、その液体の作動媒体が蒸発器とポンプとの間に戻されて、蒸発器に再び流入すると、蒸発器で液体の作動媒体が持つ高エネルギを再利用できる。その結果、蒸発器での加熱効率（蒸発効率）が向上し、ランキンサイクル機関としてのエネルギ回収効率が向上する。また、蒸発器の効率が向上するので、蒸発器を小型化することも可能である。このように、ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間に気液分離器からの液体の作動媒体を戻すことにより、蒸発器から出た高温の作動媒体から分離された液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、ランキンサイクル機関の効率を向上させることができる。 Since the liquid working medium separated by the gas-liquid separator is a working medium exiting from the evaporator, it is high pressure and high temperature (high energy). Therefore, when the liquid working medium is returned between the evaporator and the pump and flows back into the evaporator, the high energy of the liquid working medium can be reused in the evaporator. As a result, the heating efficiency (evaporation efficiency) in the evaporator is improved, and the energy recovery efficiency as the Rankine cycle engine is improved. Further, since the efficiency of the evaporator is improved, the evaporator can be reduced in size. Thus, in the Rankine cycle engine, by returning the liquid working medium from the gas-liquid separator between the evaporator and the pump, the liquid working medium separated from the high-temperature working medium discharged from the evaporator is removed. The energy it has can be reused and the efficiency of the Rankine cycle engine can be improved.

上記ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間に設けられたエジェクタを備え、エジェクタには、気液分離器で分離された液体の作動媒体及びポンプからの作動媒体が供給される構成としてもよい。 The Rankine cycle engine may include an ejector provided between the evaporator and the pump, and the ejector may be supplied with the liquid working medium separated by the gas-liquid separator and the working medium from the pump. Good.

エジェクタを用いることにより、ポンプからの非常に高圧の作動媒体を利用して気液分離器で分離された液体の作動媒体を引っ張って、蒸発器とポンプとの間に気液分離器からの液体の作動媒体を搬送することができる。このように、ランキンサイクル機関では、蒸発器とポンプとの間にエジェクタを設けることにより、気液分離器からの液体の作動媒体を蒸発器とポンプとの間に戻すのにポンプなどの動力を必要とせず、エネルギを消費しない。 By using the ejector, the liquid from the gas-liquid separator is pulled between the evaporator and the pump by pulling the liquid working medium separated by the gas-liquid separator using the very high pressure working medium from the pump. The working medium can be transported. In this way, in the Rankine cycle engine, by providing an ejector between the evaporator and the pump, the power of the pump or the like is used to return the liquid working medium from the gas-liquid separator between the evaporator and the pump. It is not necessary and does not consume energy.

上記ランキンサイクル機関では、ポンプと凝縮器との間に、気液分離器で分離された液体の作動媒体が戻されると好適である。 In the Rankine cycle engine, it is preferable that the liquid working medium separated by the gas-liquid separator is returned between the pump and the condenser.

気液分離器で分離された液体の作動媒体は、上記したように高エネルギである。したがって、その液体の作動媒体がポンプと凝縮器との間に戻されて、ポンプ後に蒸発器に再び流入すると、上記と同様に、蒸発器で液体の作動媒体が持つ高エネルギを再利用できる。また、ポンプと凝縮器との間の作動媒体は低圧であるので、気液分離器で分離された高圧の液体の作動媒体をポンプと凝縮器との間に戻すために、ポンプなどの動力を必要とせず、エネルギを消費しない。このように、ランキンサイクル機関では、ポンプと凝縮器との間に気液分離器からの液体の作動媒体を戻すことにより、液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、ランキンサイクル機関の効率を向上させることができる。 The liquid working medium separated by the gas-liquid separator has high energy as described above. Therefore, when the liquid working medium is returned between the pump and the condenser and flows again into the evaporator after the pumping, the high energy of the liquid working medium can be reused in the evaporator as described above. In addition, since the working medium between the pump and the condenser is at a low pressure, the power of the pump or the like is used to return the working medium of the high-pressure liquid separated by the gas-liquid separator between the pump and the condenser. It is not necessary and does not consume energy. Thus, in the Rankine cycle engine, by returning the liquid working medium from the gas-liquid separator between the pump and the condenser, the energy of the liquid working medium can be reused, and the efficiency of the Rankine cycle engine can be improved. Can be improved.

本発明によれば、蒸発器と膨張機との間に気液分離器を設け、乾き度１００％の気体の作動媒体を膨張機に供給することにより、膨張機においてエロージョンやコロージョンなどの故障原因が発生せず、膨張機の故障を防止することができる。 According to the present invention, a gas-liquid separator is provided between the evaporator and the expander, and a gas working medium having a dryness of 100% is supplied to the expander, thereby causing a failure such as erosion or corrosion in the expander. Does not occur, and failure of the expander can be prevented.

第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。It is a lineblock diagram of a Rankine cycle engine concerning a 1st embodiment. エジェクタの一例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows an example of an ejector. 第２の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。It is a lineblock diagram of a Rankine cycle engine concerning a 2nd embodiment.

以下、図面を参照して、本発明に係るランキンサイクル機関の実施の形態を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of a Rankine cycle engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the element which is the same or it corresponds in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本実施の形態にランキンサイクル機関は、廃熱等の機関外部の熱源から熱エネルギを回収する外燃機関であり、例えば、車両に搭載され、車両のエンジンの冷却水あるいは排気ガスを熱源とする。また、本実施の形態にランキンサイクル機関は、ポンプで作動媒体を蒸発器、膨張機、凝縮器の間で循環させるランキンサイクルである。なお、本実施の形態には、２つの実施形態がある。 The Rankine cycle engine according to the present embodiment is an external combustion engine that recovers thermal energy from a heat source outside the engine, such as waste heat. For example, the Rankine cycle engine is mounted on a vehicle and uses cooling water or exhaust gas of the vehicle engine as a heat source. . The Rankine cycle engine according to the present embodiment is a Rankine cycle in which a working medium is circulated between an evaporator, an expander, and a condenser by a pump. There are two embodiments in this embodiment.

図１及び図２を参照して、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関１について説明する。図１は、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。図２は、エジェクタの一例を示す側断面図である。なお、図１における矢印は、作動媒体が流れる方向を示している。 With reference to FIG.1 and FIG.2, the Rankine cycle engine 1 which concerns on 1st Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a configuration diagram of a Rankine cycle engine according to the first embodiment. FIG. 2 is a side sectional view showing an example of an ejector. In addition, the arrow in FIG. 1 has shown the direction through which a working medium flows.

ランキンサイクル機関１は、膨張機の故障を防止するために、膨張機に乾き度１００％（完全に気体のみ）の作動媒体を供給する。また、ランキンサイクル機関１は、機関としての効率を向上させるために、蒸発器後の液体の作動媒体の持つエネルギを再利用する。ランキンサイクル機関１は、蒸発器１０、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３、気液分離器１４、エジェクタ１５、循環路１６ａ〜１６ｆ、再循環路１７を備えている。 The Rankine cycle engine 1 supplies a working medium having a dryness of 100% (completely only gas) to the expander in order to prevent the expander from malfunctioning. The Rankine cycle engine 1 reuses the energy of the liquid working medium after the evaporator in order to improve the efficiency of the engine. The Rankine cycle engine 1 includes an evaporator 10, an expander 11, a condenser 12, a pump 13, a gas-liquid separator 14, an ejector 15, circulation paths 16a to 16f, and a recirculation path 17.

蒸発器１０は、エジェクタ１５から出た作動媒体が流入すると、回収対象の熱源によって作動媒体を加熱して蒸発（気化）させる。蒸発器１０から出た作動媒体は、高圧で高温となっており、非常に高いエネルギを持つ。また、蒸発器１０から出た作動媒体は、殆どが蒸発して気体となっているが、液体として残るものもある。蒸発器１０と気液分離器１４との間には循環路１６ａが設けられ、蒸発器１０から出た作動媒体は循環路１６ａを通って気液分離器１４に流入する。蒸発器１０については、周知の一般的な蒸発器を採用することができる。 When the working medium discharged from the ejector 15 flows in the evaporator 10, the working medium is heated and evaporated (vaporized) by a heat source to be collected. The working medium exiting from the evaporator 10 is high pressure and high temperature, and has very high energy. Further, most of the working medium exiting from the evaporator 10 is evaporated to become a gas, but some of the working medium remains as a liquid. A circulation path 16a is provided between the evaporator 10 and the gas-liquid separator 14, and the working medium discharged from the evaporator 10 flows into the gas-liquid separator 14 through the circulation path 16a. As the evaporator 10, a well-known general evaporator can be adopted.

膨張機１１は、気液分離器１４から出た高圧で高温の気体の作動媒体が流入すると、気体の作動媒体を膨張させることによって作動媒体が持つエネルギを運動エネルギ（例えば、回転エネルギ）に変換する。膨張機１１と凝縮器１２との間には循環路１６ｃが設けられ、膨張機１１から出た作動媒体は循環路１６ｃを通って凝縮器１２に流入する。膨張機１１については、周知の一般的な膨張機を採用でき、例えば、ラジアル式のタービンがある。 When the high-pressure and high-temperature gas working medium flowing out from the gas-liquid separator 14 flows in, the expander 11 expands the gas working medium to convert the energy of the working medium into kinetic energy (for example, rotational energy). To do. A circulation path 16c is provided between the expander 11 and the condenser 12, and the working medium exiting from the expander 11 flows into the condenser 12 through the circulation path 16c. As the expander 11, a well-known general expander can be employed, for example, a radial turbine.

膨張機１１には、発電機３が取り付けられる。発電機３では、膨張機１１で変換した運動エネルギを電気エネルギに変換する。この場合、熱源の熱エネルギは、電気エネルギとして回収（発電回生）される。なお、発電機３以外の装置を取り付けて、電気エネルギ以外で回収してもよい。 The generator 3 is attached to the expander 11. In the generator 3, the kinetic energy converted by the expander 11 is converted into electric energy. In this case, the heat energy of the heat source is recovered (electric power regeneration) as electric energy. In addition, you may attach apparatuses other than the generator 3 and collect | recover other than electrical energy.

凝縮器１２は、膨張機１１から出た気体の作動媒体が流入すると、冷却熱源によって作動媒体を冷却（放熱）して作動媒体を凝縮（液化）させる。凝縮器１２から出た作動媒体は、低圧となっている。凝縮器１２とポンプ１３との間には循環路１６ｄが設けられ、凝縮器１２から出た作動媒体は循環路１６ｄを通ってポンプ１３に流入する。凝縮器１２については、周知の一般的な凝縮器を採用することができる。なお、作動媒体は、種々のものを用いることができ、特に限定しない。 When the gaseous working medium exiting from the expander 11 flows in the condenser 12, the condenser 12 cools (dissipates heat) the working medium with a cooling heat source to condense (liquefy) the working medium. The working medium exiting from the condenser 12 has a low pressure. A circulation path 16d is provided between the condenser 12 and the pump 13, and the working medium discharged from the condenser 12 flows into the pump 13 through the circulation path 16d. As the condenser 12, a well-known general condenser can be adopted. Various working media can be used and are not particularly limited.

ポンプ１３は、凝縮器１２から出た作動媒体が流入すると、作動媒体に圧力を与えて送り出す。ポンプ１３から出た作動媒体は、非常に高圧である。ポンプ１３とエジェクタ１５との間には循環路１６ｅが設けられ、ポンプ１３から出た作動媒体は循環路１６ｅを通ってエジェクタ１５に流入する。ポンプ１３については、周知の一般的なポンプを採用することができる。 When the working medium discharged from the condenser 12 flows, the pump 13 applies pressure to the working medium and sends it out. The working medium exiting from the pump 13 is very high pressure. A circulation path 16e is provided between the pump 13 and the ejector 15, and the working medium discharged from the pump 13 flows into the ejector 15 through the circulation path 16e. As the pump 13, a well-known general pump can be adopted.

気液分離器１４は、蒸発器１０から出た作動媒体が流入すると、作動媒体を液体と気体に分離する。気液分離器１４から出た気体の作動媒体及び液体の作動媒体は、蒸発器１０後の作動媒体なので、高圧で高温であり、非常に高いエネルギを持つ。気液分離器１４と膨張機１１との間には循環路１６ｂが設けられ、気液分離器１４から出た気体の作動媒体は循環路１６ｂを通って膨張機１１に流入する。また、気液分離器１４とエジェクタ１５との間には再循環路１７が設けられ、気液分離器１４から出た液体の作動媒体は再循環路１７を通ってエジェクタ１５に流入する。したがって、この液体の作動媒体については、蒸発器１０後に、ポンプ１３と蒸発器１０の間（ポンプ１３の下流側かつ蒸発器１０の上流側）に戻されることになる。 The gas-liquid separator 14 separates the working medium into liquid and gas when the working medium exited from the evaporator 10 flows in. Since the gas working medium and the liquid working medium exiting from the gas-liquid separator 14 are working medium after the evaporator 10, they are high pressure and high temperature and have very high energy. A circulation path 16b is provided between the gas-liquid separator 14 and the expander 11, and the gaseous working medium exiting from the gas-liquid separator 14 flows into the expander 11 through the circulation path 16b. Further, a recirculation path 17 is provided between the gas-liquid separator 14 and the ejector 15, and the liquid working medium exiting from the gas-liquid separator 14 flows into the ejector 15 through the recirculation path 17. Therefore, the liquid working medium is returned to the space between the pump 13 and the evaporator 10 (downstream of the pump 13 and upstream of the evaporator 10) after the evaporator 10.

気液分離器１４については、周知の一般的な気液分離器を採用することができる。例えば、遠心式の気液分離器があり、遠心力で気液分離器の外側に液体が分離され、液体の作動媒体を外側からエジェクタ１５に導く。また、圧損式の気液分離器があり、気液分離器内の網にかかった液体が重力で下側に落ちて分離され、液体の作動媒体を下側からエジェクタ１５に導く。 As the gas-liquid separator 14, a well-known general gas-liquid separator can be adopted. For example, there is a centrifugal gas-liquid separator, the liquid is separated outside the gas-liquid separator by centrifugal force, and the liquid working medium is guided to the ejector 15 from the outside. In addition, there is a pressure-loss type gas-liquid separator, and the liquid applied to the net in the gas-liquid separator is dropped and separated by gravity, and the liquid working medium is guided from the lower side to the ejector 15.

気液分離器１４からの液体の作動媒体も高圧であるが、ポンプ１３からの非常に高圧の作動媒体に比べれば、低圧である。しかしながら、エジェクタ１５は、ポンプ１３から出た非常に高圧で高速の作動媒体が流入すると、この非常に高圧の作動媒体を利用して気液分離器１４から出た液体の作動媒体を引っ張って、作動媒体を蒸発器１０に送り込む。このように、エジェクタ１５の構造によって、ポンプなどの動力無しで、ポンプ１３からの作動媒体の圧力エネルギによって気液分離器１４からの液体の作動媒体を引っ張ることができる。エジェクタ１５と蒸発器１０との間には循環路１６ｆが設けられ、エジェクタ１５から出た作動媒体は循環路１６ｆを通って蒸発器１０に流入する。 The liquid working medium from the gas-liquid separator 14 is also at a high pressure, but it is at a lower pressure than the very high pressure working medium from the pump 13. However, when the very high-pressure and high-speed working medium flowing out from the pump 13 flows in the ejector 15, the ejector 15 pulls the liquid working medium from the gas-liquid separator 14 using this very high-pressure working medium, The working medium is fed into the evaporator 10. Thus, the structure of the ejector 15 can pull the liquid working medium from the gas-liquid separator 14 by the pressure energy of the working medium from the pump 13 without the power of the pump or the like. A circulation path 16f is provided between the ejector 15 and the evaporator 10, and the working medium exiting from the ejector 15 flows into the evaporator 10 through the circulation path 16f.

エジェクタ１５の構造の一例としては、図２に示すものがある。このエジェクタ１５は、中心部に断面円形の第一流路１５ａと、その第一流路１５ａの外周面に沿って形成された断面ドーナツ状の第二流路１５ｂとからなる。第一流路１５ａは、一端部がポンプ１３に繋がる循環路１６ｅに接続され、他端部が徐々に細径になって開口している。第二流路１５ｂは、一端部が気液分離器１４に繋がる再循環路１７に接続され、他端部が徐々に細径になって、蒸発器１０に繋がる循環路１６ｆに接続されている。この第一流路１５ａにポンプ１３からの高圧で高速の作動媒体が流れると、気液分離器１４から出た液体の作動媒体が引っ張られ、再循環路１７を通って第二流路１５ｂに流入する。そして、第一流路１５ａの作動媒体と第二流路１５ｂの液体の作動媒体が、循環路１６ｆを通って蒸発器１０に流入する。このように、ポンプなどの動力無しでも、気液分離器１４から出た液体の作動媒体を蒸発器１０まで搬送することができる。 An example of the structure of the ejector 15 is shown in FIG. The ejector 15 includes a first flow path 15a having a circular cross section at the center and a second flow path 15b having a donut cross section formed along the outer peripheral surface of the first flow path 15a. One end of the first flow path 15a is connected to a circulation path 16e connected to the pump 13, and the other end is gradually reduced in diameter and opened. One end of the second flow path 15b is connected to a recirculation path 17 connected to the gas-liquid separator 14, and the other end is gradually reduced in diameter to be connected to a circulation path 16f connected to the evaporator 10. . When a high-pressure and high-speed working medium from the pump 13 flows into the first flow path 15a, the liquid working medium that has come out of the gas-liquid separator 14 is pulled and flows into the second flow path 15b through the recirculation path 17. To do. Then, the working medium in the first flow path 15a and the liquid working medium in the second flow path 15b flow into the evaporator 10 through the circulation path 16f. In this manner, the liquid working medium exiting from the gas-liquid separator 14 can be transported to the evaporator 10 without power such as a pump.

上記構成のランキンサイクル機関１の動作について説明する。蒸発器１０では、エジェクタ１５から作動媒体が送り込まれると、熱源によって作動媒体を加熱して蒸発させる。蒸発器１０を出た高温で高圧の作動媒体は、気液分離器１４に流入する。気液分離器１４では、この作動媒体を気体と液体に分離する。 The operation of the Rankine cycle engine 1 having the above configuration will be described. In the evaporator 10, when a working medium is sent from the ejector 15, the working medium is heated and evaporated by a heat source. The high-temperature and high-pressure working medium exiting the evaporator 10 flows into the gas-liquid separator 14. The gas-liquid separator 14 separates this working medium into gas and liquid.

気液分離器１４から出た気体の作動媒体（乾き度１００％）は、膨張機１１に流入する。膨張機１１では、この高温で高圧の気体の作動媒体を膨張させることによって作動媒体が持つエネルギを運動エネルギに変換する。発電機３では、この運動エネルギを電気エネルギに変換し、熱源の熱エネルギを電気エネルギとして回収する。膨張機１１を出た作動媒体は、凝縮器１２に流入する。凝縮器１２では、冷却熱源によって作動媒体を冷却して凝縮させる。凝縮器１２を出た作動媒体は、ポンプ１３に流入する。ポンプ１３では、作動媒体に圧力を与えて送り出す。 The gaseous working medium (100% dryness) that has exited from the gas-liquid separator 14 flows into the expander 11. The expander 11 converts the energy of the working medium into kinetic energy by expanding the high-pressure, high-pressure working working medium. In the generator 3, this kinetic energy is converted into electric energy, and the heat energy of the heat source is recovered as electric energy. The working medium exiting the expander 11 flows into the condenser 12. In the condenser 12, the working medium is cooled and condensed by a cooling heat source. The working medium exiting the condenser 12 flows into the pump 13. The pump 13 applies pressure to the working medium and sends it out.

ポンプ１３から出た非常に高圧の作動媒体は、エジェクタ１５に高速で流入する。エジェクタ１５では、非常に高圧の作動媒体が流入すると、その圧力エネルギによって気液分離器１４から出た液体の作動媒体をエジェクタ１５内に引っ張る。これによって、気液分離器１４から出た液体の作動媒体は、再循環路１７を通って、エジェクタ１５内に引き込まれる。そして、エジェクタ１５では、ポンプ１３からの作動媒体に加えて気液分離器１４からの再循環の液体の作動媒体を蒸発器１０に高圧で送り込む。したがって、蒸発器１０では、蒸発器１０から出た高エネルギを持つ液体の作動媒体を再利用することになる。 The very high pressure working medium exiting from the pump 13 flows into the ejector 15 at high speed. In the ejector 15, when a very high pressure working medium flows in, the working medium of the liquid that has come out of the gas-liquid separator 14 is pulled into the ejector 15 by the pressure energy. As a result, the liquid working medium discharged from the gas-liquid separator 14 is drawn into the ejector 15 through the recirculation path 17. In the ejector 15, in addition to the working medium from the pump 13, the recirculated liquid working medium from the gas-liquid separator 14 is fed into the evaporator 10 at a high pressure. Therefore, in the evaporator 10, the liquid working medium having high energy output from the evaporator 10 is reused.

このランキンサイクル機関１によれば、蒸発器１０と膨張機１１との間に気液分離器１４を設け、乾き度１００％（湿度０％）の気体の作動媒体を膨張機１１に供給することにより、膨張機１１（例えば、ラジアルタービンのタービン翼）においてエロージョンやコロージョンなどの故障原因が発生せず、膨張機１１の故障を防止することができる。 According to the Rankine cycle engine 1, the gas-liquid separator 14 is provided between the evaporator 10 and the expander 11, and a gaseous working medium having a dryness of 100% (humidity 0%) is supplied to the expander 11. Accordingly, the cause of failure such as erosion or corrosion does not occur in the expander 11 (for example, the turbine blade of the radial turbine), and the expander 11 can be prevented from being broken.

また、ランキンサイクル機関１によれば、ポンプ１３と蒸発器１０との間（ポンプ１３の下流側かつ蒸発器１０の上流側）に気液分離器１４からの液体の作動媒体を戻すことにより、蒸発器１０から出た高温の作動媒体から分離された液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、蒸発器１０での加熱効率（蒸発効率）が向上し、ランキンサイクル機関１のエネルギ回収効率を向上させることができる。また、蒸発器１０の効率が向上するので、蒸発器１０を小型化することも可能である。 Further, according to the Rankine cycle engine 1, by returning the liquid working medium from the gas-liquid separator 14 between the pump 13 and the evaporator 10 (downstream of the pump 13 and upstream of the evaporator 10), The energy of the liquid working medium separated from the high temperature working medium exiting from the evaporator 10 can be reused, the heating efficiency (evaporation efficiency) in the evaporator 10 is improved, and the energy recovery efficiency of the Rankine cycle engine 1 is improved. Can be improved. Moreover, since the efficiency of the evaporator 10 is improved, the evaporator 10 can be downsized.

さらに、ランキンサイクル機関１によれば、ポンプ１３と蒸発器１０との間にエジェクタ１５を設けることにより、気液分離器１４からの液体の作動媒体をポンプ１３と蒸発器１０との間まで戻すために、ポンプなどの動力を必要とせず、エネルギを消費しない。 Further, according to the Rankine cycle engine 1, by providing the ejector 15 between the pump 13 and the evaporator 10, the liquid working medium from the gas-liquid separator 14 is returned to between the pump 13 and the evaporator 10. Therefore, power such as a pump is not required and energy is not consumed.

図３を参照して、第２の実施の形態に係るランキンサイクル機関２について説明する。図３は、第２の実施の形態に係るランキンサイクル機関の構成図である。なお、図３における矢印は、作動媒体が流れる方向を示している。 With reference to FIG. 3, the Rankine cycle engine 2 which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated. FIG. 3 is a configuration diagram of a Rankine cycle engine according to the second embodiment. In addition, the arrow in FIG. 3 has shown the direction through which a working medium flows.

ランキンサイクル機関２は、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関１と比較すると、エジェクタを用いないで気液分離器後の液体の作動媒体を再循環させる点が異なる。ランキンサイクル機関２は、蒸発器１０、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３、気液分離器１４、循環路１６ａ〜１６ｃ，１６ｇ，１６ｈ、再循環路１８を備えている。 The Rankine cycle engine 2 is different from the Rankine cycle engine 1 according to the first embodiment in that the liquid working medium after the gas-liquid separator is recirculated without using an ejector. The Rankine cycle engine 2 includes an evaporator 10, an expander 11, a condenser 12, a pump 13, a gas-liquid separator 14, circulation paths 16a to 16c, 16g, 16h, and a recirculation path 18.

蒸発器１０、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３、気液分離器１４及び循環路１６〜１６ｃについては、第１の実施の形態で説明したものと同様のものなので、説明を省略する。 Since the evaporator 10, the expander 11, the condenser 12, the pump 13, the gas-liquid separator 14, and the circulation paths 16 to 16c are the same as those described in the first embodiment, description thereof is omitted.

凝縮器１２とポンプ１３との間には循環路１６ｇが設けられ、凝縮器１２から出た作動媒体は循環路１６ｇを通ってポンプ１３に流入する。上記したように凝縮器１２から出た作動媒体は低圧であるので、凝縮器１２から出て循環路１６ｇを流れる作動媒体は低圧である。また、ポンプ１３と蒸発器１０との間には循環路１６ｈが設けられ、ポンプ１３から出た作動媒体は循環路１６ｈを通って蒸発器１０に直接流入する。 A circulation path 16g is provided between the condenser 12 and the pump 13, and the working medium discharged from the condenser 12 flows into the pump 13 through the circulation path 16g. As described above, since the working medium exiting from the condenser 12 has a low pressure, the working medium exiting from the condenser 12 and flowing through the circulation path 16g has a low pressure. A circulation path 16h is provided between the pump 13 and the evaporator 10, and the working medium discharged from the pump 13 directly flows into the evaporator 10 through the circulation path 16h.

気液分離器１４と循環路１６ｇの任意の箇所との間には再循環路１８が設けられ、気液分離器１４で分離されて出た液体の作動媒体は再循環路１８を通って循環路１６ｇに流入する。したがって、この液体の作動媒体については、蒸発器１０後に、凝縮器１２とポンプ１３との間（凝縮器１２の下流側かつポンプ１３の上流側であり、蒸発器１０の上流側でもある）に戻されることになる。上記したように気液分離器１４から出た液体の作動媒体は高圧であるので、再循環路１８を流れる液体の作動媒体は高圧である。したがって、気液分離器１４から出て再循環路１８を流れてきた液体の作動媒体は、凝縮器１２からの低圧の作動媒体が流れる循環路１６ｇ内に流入することができる。この場合、再循環路１８が無い構成の場合よりも、ポンプ１３の能力を上げるとよい。 A recirculation path 18 is provided between the gas-liquid separator 14 and an arbitrary portion of the circulation path 16 g, and the liquid working medium separated by the gas-liquid separator 14 circulates through the recirculation path 18. It flows into the path 16g. Therefore, for the liquid working medium, after the evaporator 10, between the condenser 12 and the pump 13 (on the downstream side of the condenser 12 and on the upstream side of the pump 13 and also on the upstream side of the evaporator 10). Will be returned. As described above, since the liquid working medium exiting from the gas-liquid separator 14 has a high pressure, the liquid working medium flowing through the recirculation path 18 has a high pressure. Therefore, the liquid working medium exiting from the gas-liquid separator 14 and flowing through the recirculation path 18 can flow into the circulation path 16g through which the low-pressure working medium from the condenser 12 flows. In this case, it is better to increase the capacity of the pump 13 than in the configuration without the recirculation path 18.

上記構成のランキンサイクル機関２の動作について説明する。蒸発器１０、気液分離器１４、膨張機１１、発電機３、凝縮器１２の動作については、第１の実施の形態で説明した動作と同様なので、説明を省略する。 The operation of the Rankine cycle engine 2 configured as described above will be described. Since the operations of the evaporator 10, the gas-liquid separator 14, the expander 11, the generator 3, and the condenser 12 are the same as those described in the first embodiment, the description thereof is omitted.

凝縮器１２を出た低圧の作動媒体は、循環路１６ｇを流れる。このように循環路１６ｇには凝縮器１２からの低圧の作動媒体が流れているので、気液分離器１４から出た高圧の液体の作動媒体は、再循環路１８を通って、循環路１６ｇに流入する。凝縮器１２からの作動媒体に加えて気液分離器１４からの液体の作動媒体は、循環路１６ｇを通って、ポンプ１３に流入する。ポンプ１３では、この作動媒体に圧力を与えて送り出す。ポンプ１３から出た非常に高圧の作動媒体は、蒸発器１０に高速で流入する。したがって、蒸発器１０では、蒸発器１０から出た高エネルギを持つ液体の作動媒体を再利用することになる。 The low-pressure working medium exiting the condenser 12 flows through the circulation path 16g. Thus, since the low-pressure working medium from the condenser 12 flows through the circulation path 16g, the high-pressure liquid working medium from the gas-liquid separator 14 passes through the recirculation path 18 and passes through the circulation path 16g. Flow into. In addition to the working medium from the condenser 12, the liquid working medium from the gas-liquid separator 14 flows into the pump 13 through the circulation path 16g. The pump 13 applies pressure to the working medium and sends it out. The very high pressure working medium exiting from the pump 13 flows into the evaporator 10 at a high speed. Therefore, in the evaporator 10, the liquid working medium having high energy output from the evaporator 10 is reused.

このランキンサイクル機関２によれば、第１の実施の形態に係るランキンサイクル機関１と同様に、気液分離器１４を設けて乾き度１００％の気体の作動媒体を膨張機１１に供給することにより、膨張機１１の故障原因が発生せず、膨張機１１の故障を防止することができる。特に、ランキンサイクル機関２によれば、凝縮器１２とポンプ１３との間（凝縮器１２の下流側かつポンプ１３の上流側）に気液分離器１４からの液体の作動媒体を戻すことにより、蒸発器１０から出た高温の作動媒体から分離された液体の作動媒体の持つエネルギを再利用でき、蒸発器１０での加熱効率（蒸発効率）が向上し、ランキンサイクル機関１のエネルギ回収効率を向上させることができる。また、蒸発器１０の効率が向上するので、蒸発器１０を小型化することも可能である。 According to the Rankine cycle engine 2, as in the Rankine cycle engine 1 according to the first embodiment, the gas-liquid separator 14 is provided to supply a gas working medium having a dryness of 100% to the expander 11. Thus, the cause of the failure of the expander 11 does not occur, and the failure of the expander 11 can be prevented. In particular, according to the Rankine cycle engine 2, by returning the liquid working medium from the gas-liquid separator 14 between the condenser 12 and the pump 13 (downstream of the condenser 12 and upstream of the pump 13), The energy of the liquid working medium separated from the high temperature working medium exiting from the evaporator 10 can be reused, the heating efficiency (evaporation efficiency) in the evaporator 10 is improved, and the energy recovery efficiency of the Rankine cycle engine 1 is improved. Can be improved. Moreover, since the efficiency of the evaporator 10 is improved, the evaporator 10 can be downsized.

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。 As mentioned above, although embodiment which concerns on this invention was described, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.

例えば、本実施の形態ではランキンサイクル機関を車両に搭載し、車両のエンジンの廃熱を回収する構成を例に示したが、車両以外の内燃機関の廃熱を回収する構成でもよいし、外燃機関単体で構成してもよい。 For example, in the present embodiment, the Rankine cycle engine is mounted on a vehicle and the configuration for recovering the waste heat of the vehicle engine is shown as an example, but the configuration for recovering the waste heat of the internal combustion engine other than the vehicle may be used. You may comprise only a combustion engine.

また、本実施の形態では気液分離器で分離した液体の作動媒体を機関内に戻す構成としたが、分離した液体の作動媒体を機関に戻さないようにしてもよい。 In the present embodiment, the liquid working medium separated by the gas-liquid separator is returned to the engine. However, the separated liquid working medium may not be returned to the engine.

また、本実施の形態では気液分離器からの液体の作動媒体をポンプと蒸発器との間に戻すためにエジェクタを用いる構成としているが、エジェクタを用いないで、ポンプなどの他の手段を用いて戻すようにしてもよい。 In this embodiment, the ejector is used to return the liquid working medium from the gas-liquid separator between the pump and the evaporator, but other means such as a pump can be used without using the ejector. You may make it return using.

１，２…ランキンサイクル機関、３…発電機、１０…蒸発器、１１…膨張機、１２…凝縮器、１３…ポンプ、１４…気液分離器、１５…エジェクタ、１５ａ…第一流路、１５ｂ…第二流路、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ…循環路、１７，１８…再循環路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Rankine cycle engine, 3 ... Generator, 10 ... Evaporator, 11 ... Expander, 12 ... Condenser, 13 ... Pump, 14 ... Gas-liquid separator, 15 ... Ejector, 15a ... First flow path, 15b ... 2nd flow path, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f, 16g, 16h ... Circulation path, 17, 18 ... Recirculation path.

Claims

A Rankine cycle engine comprising: an evaporator for evaporating the working medium by a heat source; an expander for recovering energy from the working medium; a condenser for condensing the working medium; and a pump for circulating the working medium.
A gas-liquid separator that is provided between the evaporator and the expander, and that separates the working medium exiting the evaporator into a gas and a liquid ;
An ejector provided between the evaporator and the pump ,
Only the gaseous working medium separated by the gas-liquid separator is supplied to the expander,
Wherein the ejector, the Rankine cycle engine working medium from the working medium and the pump of the liquid separated by the gas-liquid separator is characterized Rukoto supplied.

A Rankine cycle engine comprising: an evaporator for evaporating the working medium by a heat source; an expander for recovering energy from the working medium; a condenser for condensing the working medium; and a pump for circulating the working medium.
A gas-liquid separator that is provided between the evaporator and the expander, and that separates the working medium from the evaporator into a gas and a liquid;
Only the gaseous working medium separated by the gas-liquid separator is supplied to the expander,
A Rankine cycle engine, wherein the working medium of the liquid separated by the gas-liquid separator is returned between the pump and the condenser adjacent to each other via a circulation path .