JP6321569B2

JP6321569B2 - 動力発生装置

Info

Publication number: JP6321569B2
Application number: JP2015044342A
Authority: JP
Inventors: 勇樹 ▲徳▼岡; 泰右小野
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2035-03-06
Also published as: JP2016164379A

Description

本発明は、作動流体を利用した動力発生装置に関するものである。

近年、省エネルギーの観点から、排熱から熱サイクルを用いて発電を行う小規模発電設備の需要が高まっている。しかし、熱源である排熱は、常に一定の温度、流量を有しているわけではなく、排熱を発生させる装置側の使用状況に左右される側面があるため、低熱負荷時にはサイクルの効率が低下してしまう。

そこで、従来より、タービンに供給する作動流体中のミストによって、当該タービンのブレードにエロージョンに起因する損傷が発生することを抑制し、これによるサイクル効率の低下を防止するために、液体を完全に取り除いて乾いた蒸気にしてタービンに供給するように構成された動力発生装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００８−１０１５２１号公報

しかし、上記従来の動力発生装置のように、速度型の流体機械であるタービンを動力回収機として用いた場合、小出力域では、容積型の動力回収機よりもサイクル効率が低下してしまう。ところが、容積型の動力回収機の場合、上記従来の動力発生装置のように液体を完全に取り除いた蒸気を供給し続けると、摺動部分の潤滑性や密閉性が無くなってしまい運転効率が低下してしまうこととなる。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、容積型の動力回収機を用いた動力発生装置において、摺動部の機械損失と隣り合う膨張室間の濡れによる損失を低減し、サイクル効率の向上を図ることができる動力発生装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る動力発生装置は、熱サイクルを用いた動力発生装置であって、蒸発器の下流側に気液分離器が設けられ、当該気液分離器の気相部分は、容積型の膨張機の上流側の経路と接続され、液相部分は、容積型の膨張機の下流側の経路へとバイパスするバイパス経路と接続され、当該バイパス経路には膨張弁が設けられ、この膨張弁よりも上流側のバイパス経路と容積型の膨張機の上流側の経路との間には、バイパス経路を流れる液相の作動流体の一部を膨張機の上流側の経路へと流す分岐経路が設けられたものである。

上記動力発生装置において、蒸発器へ作動流体を供給するポンプと、蒸発器との間の経路に、作動流体を予熱する再生器を設けたものであってもよい。

上記動力発生装置において、容積型の膨張機として、発電機と直結されたスクロール膨張機を用いるものであってもよい。

上記動力発生装置において、作動流体として、内燃機関の機関冷却水を用いるものであってもよい。

上記動力発生装置において、内燃機関から排出される排気ガスを作動流体の加熱に用いるものであってもよい。

上記動力発生装置において、作動流体として、２成分の混合物を用いるものであってもよい。

上記動力発生装置において、作動流体として、水とエチレングリコールとの混合物を用いるものであってもよい。

本発明によると、蒸発器の下流側に気液分離器を設け、当該気液分離器の気相部分は、容積型の膨張機の上流側の経路と接続し、液相部分は、容積型の膨張機の下流側の経路へとバイパスするバイパス経路と接続し、当該バイパス経路には膨張弁を設け、この膨張弁よりも上流側のバイパス経路と容積型の膨張機の上流側の経路との間には、バイパス経路を流れる液相の作動流体の一部を容積型の膨張機の上流側の経路へと流す分岐経路を設けているので、容積型の膨張機に供給される作動流体の蒸気に、一定量の液を含ませることができることとなる。したがって、この液が容積型の膨張機の潤滑性および密閉性を高めることとなり、容積型の膨張機の潤滑性の向上による機械損失の低減と、膨張室間の作動流体の漏れが低減し、サイクル効率の向上を図ることができる。

本発明に係る動力発生装置の全体構成の概略図である。本発明の他の実施の形態に係る動力発生装置の全体構成の概略図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る動力発生装置の全体構成の概略図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る動力発生装置の全体構成の概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る動力発生装置１の全体構成の概略を示している。

この動力発生装置１は、蒸発器２、スクロール膨張機３、凝縮器４、ポンプ５によって構成されたクローズドランキンサイクルを用いた動力発生装置１であって、蒸発器２の下流側のガス供給経路１１に、気液分離器２０が設けられ、この気液分離器２０の気相部分はスクロール膨張機３の上流側のガス供給経路１１と接続され、液相部分はスクロール膨張機３の下流側のガス排出経路１２へとバイパスするバイパス経路１３と接続され、バイパス経路１３には膨張弁６が設けられ、この膨張弁６よりも上流側のバイパス経路１３とスクロール膨張機３の上流側のガス供給経路１１との間には、分岐経路１３ａが設けられている。

クローズドランキンサイクルは、蒸発器２、気液分離器２０、スクロール膨張機３、凝縮器４、ポンプ５の順に接続され、ポンプ５から蒸発器２へと戻る閉回路を構成するようになされており、閉回路には作動流体が封入されている。この作動流体としては、水を主成分とするものを好適に使用することができるが、低温排熱に対応できるように水よりも沸点が低く構成された各種の作動流体を主成分とする作動流体を使用するものであってもよい。特に、気液の分離性を高めるために、沸点の異なる２成分を混合した作動流体を使用することがより好ましい。このような２成分を混合した作動流体としては、例えば、水または低級アルコールと、エチレングリコール等の多価アルコールとを混合したものを挙げることができる。

蒸発器２では、熱媒体熱交換器２１を通過する熱媒体との熱交換によって作動流体が加熱される。これによって蒸気となった作動流体は、ガス供給経路１１を介して気液分離器２０へと供給される。この気液分離器２０は、蒸気となった作動流体をトラップする容器によって構成されており、この気液分離器２０の底部で、蒸気となった作動流体の一部が液化して液相を構成することとなる。特に、沸点の異なる２成分以上を混合した作動流体の場合には、沸点の高い成分が液相を構成し易くなる。

この気液分離器２０の上部は、ガス供給経路１１を介してスクロール膨張機３と接続され、当該気液分離器２０の上部の気相部分にある蒸気となった作動流体をスクロール膨張機３へと供給できるようになされている。

一方、この気液分離器２０の底部は、バイパス経路１３を介してスクロール膨張機３の下流側のガス排出経路１２と接続されている。このバイパス経路１３には、膨張弁６が設けられており、この膨張弁６よりも上流側のバイパス経路１３とスクロール膨張機３の上流側のガス供給経路１１との間には、分岐経路１３ａが設けられている。この分岐経路１３ａは、キャピラリーチューブによって構成されている。これにより、気液分離器２０の底部の液相部分にある液体となった作動流体は、その一部分が、分岐経路１３ａからガス供給経路１１を介してスクロール膨張機３へと流入することができるようになされている。これにより、スクロール膨張機３には、気液分離器２０の気相部分の蒸気となった作動流体と、液相部分の液状となった作動流体とが、それぞれガス供給経路１１を介して流入できるようになされている。また、気液分離器２０の底部の液相部分にある液体となった作動流体の残りは、バイパス経路１３の膨張弁６の開度調整によって、スクロール膨張機３の下流側のガス排出経路１２へと流入することができるようになされている。なお、分岐経路１３ａは、キャピラリーチューブの替わりに、通常の経路に、開閉度を調整できる開閉弁（図示省略）を設けて構成し、この開閉弁の開閉度の調整によってガス供給経路１１に供給する液状の作動流体の量を調整できるようにしたものであってもよい。

蒸発器２としては、特に限定されるものではなく、例えば、エンジン排熱を利用して作動流体を蒸気に変換するようになされたものであってもよいし、地熱を利用して作動流体の蒸気を発生させるようになされたものであってもよいし、工場排熱を利用して作動流体の蒸気を発生させるようになされたものであってもよいし、焼却炉の排気熱を利用して作動流体の蒸気を発生させるようになされたものであってもよい。

スクロール膨張機３は、ガス供給経路１１を通じて供給される作動流体の蒸気によって、スクロール膨張機３に定められた定格回転数、例えば１８００〜３６００ｒｐｍで回転するように構成されており、発電機３１と直結できるようになされている。

なお、発電機３１は、スクロール膨張機３との直結により電力を発生させることが可能なものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、誘導発電機、同期発電機などの各種の発電機３１を使用することができる。また、スクロール膨張機３による駆動対象としては、発電機３１に限定されず、例えば、動力出力軸であれば良い。さらに、スクリュー膨張機３は、本発明の動力発生装置１に好適に使用することができるが、その他に、スクリュー膨張機、ベーン膨張機、レシプロ膨張機または斜板式膨張機などの各種容積型動力回収機を使用するものであってもよい。

凝縮器４は、スクロール膨張機３を通過した作動流体の蒸気が、当該スクロール膨張機３からのガス排出経路１２を介して供給されるように構成されている。この凝縮器４では、冷却媒体熱交換器４１を通過する冷却媒体との熱交換によって作動流体の蒸気が冷却され、液化される。

ポンプ５は、凝縮器４で凝縮液化した作動流体の液体を、当該凝縮器４からポンプ５へと設けられた液吸入経路１４を介して吸入し、ポンプ５から蒸発器２へと設けられた液供給経路１５を介して蒸発器２へと送液することができるようになされている。

このようにして構成される動力発生装置１は、蒸発器２で発生した作動流体の蒸気が、ガス供給経路１１を介して気液分離器２０に供給される。気液分離器２０の上部の気相部分にある蒸気となった作動流体は、ガス供給経路１１を介してスクロール膨張機３へと供給される。また、気液分離器２０の底部の液相部分にある液体となった作動流体は、バイパス経路１３から分岐経路１３ａを介してガス供給経路１１を通過する作動流体の蒸気と合流し、スクロール膨張機３へと供給される。この作動流体により、スクロール膨張機３が駆動する。

この際、スクロール膨張機３には、蒸気の作動流体と、液状の作動流体とが混合された状態で供給される。このうち、蒸気の作動流体は、スクロール膨張機３の駆動に寄与することとなる。液状の作動流体は、摺動部に流入し、当該摺動部分の潤滑性および密閉性を向上させることとなる。したがって、スクロール膨張機３の潤滑性の向上による機械損失の低減と、膨張室間の作動流体の漏れが低減し、サイクル効率の向上を図ることができる。すなわち、低負荷の領域においてスクロール膨張機３の駆動抵抗が大きく影響するような状況でも、潤滑性が向上し、機械損失が低減されるので、サイクル効率の向上を図ることができる。また、高負荷の領域においてスクロール膨張機３の膨張室間の作動流体漏れが懸念されるような状況でも、密閉性が向上し、作動流体漏れが低減されるので、サイクル効率の向上を図ることができる。

次に、スクロール膨張機３を通過した作動流体の蒸気は、ガス排出経路１２から凝縮器４に流入して、当該凝縮器４で凝縮される。なお、気液分離器２０で液状となってバイパス経路１３へと流入した作動流体のうち、分岐経路１３ａへと流れずに残った液状の作動流体は、バイパス経路１３から膨張弁６の開度調整によってガス排出経路１２へと排出され、ここでスクロール膨張機３からガス排出経路１２へと排出された作動流体の蒸気と合流した後、凝縮器４へと供給される。この際、膨張弁６の開度制御は、スクロール膨張機３の駆動を邪魔しないように制御部（図示省略）によって制御される。

その後、凝縮器４で液化した作動流体は、液吸入経路１４からポンプ５へと吸入され、このポンプ５から液供給経路１５を経て蒸発器２へと送られ、この蒸発器２で再度、蒸気とされ、以後、循環が繰り返される。上記したこれらの制御は、制御部（図示省略）によって行われる。

なお、本実施の形態において、ポンプ５を通過した作動流体は、液供給経路１５を介して蒸発器２へと送られるように構成されているが、図２に示すように、このポンプ５と蒸発器２との間の液供給経路１５の部分に、バイパス経路１３を流れる液状の作動流体と熱交換を行う再生器７を設けて動力発生装置１ａを構成してもよい。この再生器７は、ポンプ５から液供給経路１５を経て蒸発器２へと向う液状の作動流体と、膨張弁６よりも上流側のバイパス経路１３を流れる液状の作動流体とを熱交換することで、バイパス経路１３を流れる作動流体の過剰なエネルギーを、液供給経路１５を流れる作動流体の予熱に利用することができる。したがって、動力発生装置１の運転効率の向上を図ることができることとなる。

また、図３に示すように、エンジン冷却水を、作動流体として使用し、バイパス経路１３を流れる液状の作動流体の熱交換器２ａを、液供給経路１５を流れる作動流体の予熱に使用し、当該エンジン冷却水の冷却水経路７ａを、蒸発器２の替わりとして使用し、エンジンのコンデンサ４ａを、凝縮器４の替わりとして使用する動力発生装置１ｂを構成してもよい。この場合、エンジンに既設の構成要素を、動力発生装置１ｂのクローズドランキンサイクルの構成の一部として兼用することができるので、省スペース化およびコスト低減を図ることが可能となる。

さらに、図４に示すように、エンジン冷却水を、作動流体として使用し、当該エンジン冷却水の冷却水経路７ｂと、バイパス経路１３を流れる液状の作動流体と熱交換を行う再生器７とを、液供給経路１５に両方とも設けて作動流体を予熱するとともに、エンジンの排ガス熱交換器２ｂを、蒸発器２の替わりに使用し、エンジンのコンデンサ４ａを、凝縮器４の替わりとして使用する動力発生装置１ｃを構成してもよい。この場合、エンジンに既設の構成要素を、動力発生装置１ｃのクローズドランキンサイクルの構成の一部として兼用することができるので、省スペース化およびコスト低減を図ることが可能となる。また、冷却水経路７ａと再生器７とによる二つの予熱に加え、高温が得られる排ガス熱交換器２ｂを蒸発器２の替わりに使用することができるので、サイクル効率のより一層の向上を図ることができることとなる。

１動力発生装置
１ａ動力発生装置
１ｂ動力発生装置
１ｃ動力発生装置
１１ガス供給経路
１２ガス排出経路
１３バイパス経路
１３ａ分岐経路
１５液供給経路
２蒸発器
２ａ熱交換器（再生器）
２ｂ排ガス熱交換器（蒸発器）
２０気液分離器
３スクロール膨張機（膨張機）
３１誘導発電機（発電機）
４凝縮器
５ポンプ
６膨張弁
７再生器
７ａ冷却水経路（蒸発器）
７ｂ冷却水経路（予熱器）

Claims

熱サイクルを用いた動力発生装置であって、
蒸発器の下流側に気液分離器が設けられ、当該気液分離器の気相部分は、容積型の膨張機の上流側の経路と接続され、液相部分は、容積型の膨張機の下流側の経路へとバイパスするバイパス経路と接続され、当該バイパス経路には膨張弁が設けられ、この膨張弁よりも上流側のバイパス経路と容積型の膨張機の上流側の経路との間には、バイパス経路を流れる液相の作動流体の一部を膨張機の上流側の経路へと流す分岐経路が設けられたことを特徴とする動力発生装置。
蒸発器へ作動流体を供給するポンプと、蒸発器との間の経路に、作動流体を予熱する再生器を設けた請求項１記載の動力発生装置。
容積型の膨張機として、発電機と直結されたスクロール膨張機を用いる請求項１または２記載の動力発生装置。
作動流体として、内燃機関の機関冷却水を用いる請求項１ないし３の何れか一に記載の動力発生装置。
内燃機関から排出される排気ガスを作動流体の加熱に用いる請求項１ないし４の何れか一に記載の動力発生装置。
作動流体として、２成分の混合物を用いる請求項１ないし５の何れか一に記載の動力発生装置。
水とエチレングリコールとの混合物を用いる請求項６に記載の動力発生装置。