JP6660095B2 - ランキンサイクルに従って作動する閉ループを制御する装置およびそれを使用する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ランキンサイクルに従って作動する閉ループを制御するための装置、およびそれを使用する方法に関する。
広く知られているように、ランキンサイクルは、外部の熱源からの熱が、作動流体を封入した閉ループに伝達される熱力学サイクルである。
ランキンサイクルには多くの種類があり、特に、作動流体の相（液体／蒸気）変化を伴うものがある。
この種のサイクルは、一般的に、液体状の作動流体が等エントロピー的に圧縮される段階と、それに続く、この圧縮された液体状の流体が熱源との接触により加熱されて気化される段階とに分けられる。
そしてこの蒸気は、別の段階において、膨張機内で等エントロピー的に膨張され、その後、最後の段階において、この膨張された蒸気が冷却源との接触により冷却されて凝縮される。
これらの様々な段階を実行するために、ループは、液体状の流体を循環および圧縮するための圧縮ポンプと、この圧縮された流体を少なくとも部分的に蒸発させるために高温の流体が通過する蒸発器と、この蒸気のエネルギーを機械的または電気的なエネルギーのような別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、この蒸気を液体状の流体に変換するために、蒸気の熱を冷却源に引き渡す凝縮器とを有する。冷却源は、一般的に、凝縮器を通過する外気である。
この種のループでは、流体として一般的には水が使用されるが、例えば、有機流体または有機流体の混合物などの他の種類の流体も使用することができる。
この有機流体の一例としては、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、二酸化炭素などを挙げることができる。
蒸発器を貫流する流体の加熱と蒸発を行う熱源として、内燃機関（特に自動車のために使用される内燃機関）の排気ガスによって伝達される熱エネルギーを使用することが特に特許文献１によって良く知られている。
この技術により、熱エネルギーがランキンサイクルのループを介して自動車のために使用できるエネルギーに変換されるため、排気で失われるエネルギーの大部分が回収され、エンジンのエネルギー効率を改善することができる。
したがって、ランキンサイクルのループは、エンジンの効率を向上させ、エンジンの燃費および排出汚染の削減に貢献することを可能にする。
移動用途の領域、特に交通の分野では、ランキンサイクルのループ内の作動流体を凝縮するために冷却源を利用することは、必ずしも容易ではなく、場合によって、エネルギーを大量に消費する恐れがある。
さらに、ＯＲＣ（Organic Rankine Cycle：有機ランキンサイクル）を実行するために有機流体（特にＨＦＣｓ（ハイドロフルオロカーボン））のような低沸点作動流体が使用されると、凝縮器の出口において流体が凝縮できることが保証されないだけでなく、場合によっては、過冷却に到達できることさえ保証されない。流体が十分に過冷却されない状況下では、ポンプの入口への流体の吸引に起因して、圧力が突然低下した場合、圧力ポンプの入口においてキャビテーションが発生する一定の危険性がある。
ループ上のポンプでキャビテーションが発生しないようにするために、凝縮器における強制的な換気の作用を用いて過冷却を管理することが特に特許文献２によって既に知られている。これは、凝縮器の交換能力を増加させ、出口における流体の温度を低下させる。
上記の方法は、換気に関する高いエネルギーの消費をもたらし、ランキン回収サイクルの効率に対して悪影響を及ぼすため、エネルギー的に不利であるという重大な欠点を有する。
本発明は、過渡運転時でさえ、ポンプの入口におけるキャビテーションの危険性が存在しないことを保証しつつ、温度低下に代わる案を提供することによって、上述した欠点を解消することを目的とする。
本発明は、ランキンサイクルに従って作動する閉ループを制御する装置であって、前記閉ループは、液体状の流体のための圧縮／循環ポンプと、前記流体を蒸発させるために熱源が通過する熱交換器と、蒸気状の前記流体のための膨張手段と、前記流体の凝縮のための冷却源が通過する冷却交換器と、作動流体タンクと、作動流体循環配管とを有し、前記作動流体タンクが圧力調整装置に連結されており、前記圧力調整装置は、放出手段と組み合わされた圧力調整弁を有し、前記圧力調整弁は、一方が前記作動流体タンクに連結され、他方が、空気または窒素を有する圧力源に連結され、前記装置は、前記ポンプの入口に連結された圧力検出器と、前記冷却交換器の出口に配置された温度検出器と、前記温度検出器および前記圧力検出器からの情報を受け取り、前記作動流体タンクの中の圧力が、過冷却の安全マージンを有する前記冷却交換器の前記出口における作動流体の飽和圧力に到達するような設定値を用いて前記圧力調整弁を制御する制御ユニットと、を含むことを特徴とする装置に関する。
前記放出手段は、弁を有してもよい。
前記作動流体タンクは、タンクヘッドスペースを確保するための膨張部分を有してもよい。
本発明は、ランキンサイクルに従って作動する閉ループを制御する方法であって、前記閉ループは、液体状の流体のための圧縮／循環ポンプと、前記流体を蒸発させるために熱源が通過する熱交換器と、蒸気状の前記流体のための膨張手段と、前記流体の凝縮のための冷却源が通過する冷却交換器と、作動流体タンクと、作動流体循環配管とを有し、圧力調整装置が、放出手段と組み合わされた圧力調整弁を有し、前記圧力調整弁は、一方が前記作動流体タンクに連結され、他方が、空気または窒素を有する圧力源に連結され、前記ポンプの入口に連結された圧力検出器と、前記冷却交換器の出口に配置された温度検出器と、を用い、前記温度検出器および前記圧力検出器からの情報を受け取り、前記作動流体タンクの中の圧力が、過冷却の安全マージンを有する前記冷却交換器の前記出口における作動流体の飽和圧力に到達するような設定値を用いて前記圧力調整弁を制御する制御ユニットにより、前記作動流体タンクの中の圧力を調整することを特徴とする方法にも関する。
前記方法は、前記作動流体タンクに連結された圧力調整弁を、設定圧力が前記冷却交換器の出口における前記流体の飽和圧力になるような値へ調整してもよい。
前記方法は、前記ループが停止している場合、大気圧を超える圧力を生成して外気の侵入を防止してもよい。
本発明の他の特徴および利点は、ランキンサイクルに従って作動する閉ループを制御する装置を示す図１を参照して、非制限的な例として与えられる以下の実施形態の説明によって明らかになるだろう。
図１において、ランキンサイクル閉ループ１０は、作動流体を圧縮および循環させるための容積移送式真空ポンプ（以下では、簡単のためにポンプと称する）１２を有する。ポンプ１２は、液体状の作動流体のための入口１４と、同じく液体状であるが高圧力で圧縮された作動流体のための出口１６とを備える。このポンプは、好ましくは、電動モータ１８によって回転駆動される。
単なる一例として、ここで使用される作動流体は、ハネウェル製のＲ２４５ｆａ（Ｃ３Ｈ３Ｆ５）として知られている流体、３Ｍ社製のＨＦＥ７１００（Ｃ５Ｈ３Ｆ９Ｏ）として知られている流体、または、ソルベイ社製のＲ３６５ｍｆｃ（Ｃ４Ｈ５Ｆ５）として知られている流体であるとする。
このループは、蒸発器と呼ばれる熱交換器２０を有し、熱交換器２０は、この液体状の作動流体のための入口２２と出口２４との間で作動流体によって横切られ、圧縮された蒸気の形でこの蒸発器から流れ出る。この蒸発器では、内燃機関（より具体的には、自動車のエンジン）３０の排気管２８内を循環する排気ガスによる熱源（矢印Ｃ）が通過する。
このループは、高圧で圧縮された蒸気状の作動流体をその入口３４を通じて受け取る膨張機３２をさらに有し、この流体は、膨張した低圧の蒸気の形でこの膨張機３２の出口３６を介して流れ出る。
この膨張機は、ロータが蒸気状の作動流体によって回転駆動され、連結軸３８を駆動する膨張タービンの形態であることが有利である。この軸は、例えば、発電機４０のような任意の変圧装置（transformer device）に、回収されたエネルギーを伝達させることを可能にすることが好ましい。
この膨張機は、出力軸が変圧装置に連結された往復ピストン装置または回転ピストン装置でもよい。
図中の点線で示したように、この膨張機は、自身のロータをポンプのロータに連結する駆動軸４２を有していてもよい。この構成では、有利なことにポンプ１２のモータ１８を取り除くことができ、そして、このポンプのロータは、軸４２によって連結されたタービンのロータの回転によって駆動される。
ループは、冷却交換器４４、すなわち凝縮器をさらに有し、この凝縮器は、膨張した低圧の蒸気のための入口４６と、この凝縮器を通過された後に、液体状に変換される作動流体のための出口４８とを有する。凝縮器では、膨張した蒸気が圧縮されて液体に変換されように、膨張した蒸気を冷却するために、冷却源（一般的に、周囲温度の低温空気流（矢印Ｆ））が通過する。当然ながら、水などの他の任意の冷却源が蒸気の凝縮のために使用されてもよい。
このループは、液体状態の作動流体を保持することを可能にする密閉タンク５０を有する。
このタンクは、放出弁５４の形態の放出手段と組み合わされた圧力調整弁５２を有する圧力調整装置を含む。
この圧力調整弁は、一方がタンク５０の上部に存在するヘッドスペースガス（一般的には空気）５６に連結され、他方が加圧下の空気または窒素のような圧力源５８に連結される。これにより、この圧力調整弁および放出弁は、タンクの内側の加圧、より具体的にはそのヘッドスペースの加圧を制御することを可能にする。
ループの様々な要素は、ポンプを蒸発器に連結し（蒸発器配管６０）、蒸発器をタービンに連結し（タービン配管６２）、タービンを凝縮器に連結し（凝縮器配管６４）、凝縮器をポンプに連結し（ポンプ配管６６）、ポンプ配管をタンクに連結する（タンク配管６８）ことを可能にする流体循環配管６０、６２、６４、６６および６８によってそれぞれ連結される。
さらに、ループは、凝縮器４４の出口におけるタンク配管６８上に配置された温度検出器７０と、ポンプの入口における配管付近の配管６６上の圧力検出器７２とを有する。
制御ユニット７４は、圧力調整弁や場合によってはさらに放出弁５４のために設けられ、上記の検出器およびループに存在する任意の他の検出器から情報を受信する。
ループの動作中に、ユニット７４は、タンク５０内の圧力が過冷却の安全マージン（例えば、１０℃）を有する凝縮器４４の出口における作動流体の飽和圧力に到達するような設定値を使って圧力調整弁５２を制御する。
例えば、作動流体がＲ３６５ｍｆｃであり、作動流体の４ｂａｒ（４×１０5Ｐａ）の飽和圧力に対応する、凝縮器の出口における検出器７０にて検出された温度が８５℃である場合、圧力調整弁５２は、設定値が９５℃の温度における流体の飽和圧力と等しい５．２ｂａｒ（５．２×１０5Ｐａ）になるように制御される。
このように構成されることにより、圧力調整弁は、ポンプの入口における流体が、蒸気相または気体相の流体がほぼ全く存在せず、ポンプにおけるキャビテーションのリスクを回避するのに十分な過冷却レベル（この例では、１０℃）を有することを常に保証する。
ポンプが過渡状態で動作する時、放出弁５４と組み合わされた圧力調整弁５２は、このポンプの入口での圧力を調整することができる。このポンプの過渡動作は、凝縮器の出口で熱媒体の温度を安定した状態に保つように、ランキンサイクルにおける熱媒体の流量の連続的な調整を必要とする熱源（熱エネルギーの増加または減少）の過渡動作の間に発生する。
したがって、ポンプがその循環流量を増加させると、タンク５０に存在する作動流体の液位が低下する。そして、この液位の低下は、タンクのヘッドスペース５６における圧力の低下をもたらす。さらに、この圧力低下は、ポンプの入口で必要とされる圧力レベルに到達し、それによって凝縮器の出口における好ましい凝縮条件を確保するまで、加圧下の空気または窒素をこのタンクに導入する圧力調整弁を作動することによって補償される。
逆に言えば、ポンプ１２が循環流量を減少させると、凝縮器４４からタンク５０へ戻る作動流体は、このタンクからポンプへの流体の初期の流れよりも多くなり、したがって、タンクの液位が上昇し、それにより、ヘッドスペース５６内の圧力が増加する。
そして、放出弁の開口は、ユニット７４を介してまたは自動的に、ヘッドスペースガスの一部を放出するように制御され、これにより、回収サイクルの効率に悪影響を及ぼす可能性のあるタンク内の圧力上昇を制限する。
当然ながら、本発明の範囲から逸脱することなく、凝縮器の出口で測定される流体の温度における飽和圧力が可変の場合、その飽和圧力によって制御される圧力調整弁の圧力調整を可変にしてもよい。
また、作動流体が環境に有害である場合、蒸気状の作動流体が放出弁を介して大気に放出されることを防止するために、例えば、圧力流体から作動流体を分離することができるブラダ型の「膨張可能な」ヘッドスペースを有するタンクが設けられてもよい。
この調整装置を使用することによって、ループの低圧力部分における圧力の最適な調整が保証される（配管６６，６８およびタンク５０）。これにより、作動流体の適切な凝縮が可能になり、そのため、ループの低圧部分における圧力増加に特有の回復サイクルの効率低下を制限しつつ、ポンプにおけるキャビテーションの危険性をなくすことが可能になる。
さらに、ループが停止している場合、ループの各部材は、場合によっては０℃よりも低い外部環境の温度まで低下する。
このような条件の下では、ループ内の圧力は、特定の装置なしに、この温度で流体の飽和蒸気圧になる可能性がある。
いくつかの熱媒体では、飽和蒸気圧は大気圧よりもかなり低くなり、これにより、停止期間が長くなると、ループに空気が侵入する恐れが生じる。再起動時に回復ループの適切な動作に干渉する可能性のある作用から保護するために、外気の侵入が発生しないように、圧力調整弁を用いてタンクを大気圧よりもわずかに高い値にまで加圧する必要がある。
Claims (6)
- ランキンサイクルに従って作動する閉ループ（１０）を制御する装置であって、前記閉ループは、液体状の流体のための圧縮／循環ポンプ（１２）と、前記流体を蒸発させるために熱源（Ｃ）が通過する熱交換器（２０）と、蒸気状の前記流体のための膨張手段（３２）と、前記流体の凝縮のための冷却源（Ｆ）が通過する冷却交換器（４４）と、作動流体タンク（５０）と、作動流体循環配管（６０、６２、６４、６６、６８）とを有し、
前記作動流体タンク（５０）が圧力調整装置（５２、５４）に連結されており、
前記圧力調整装置は、放出手段（５４）と組み合わされた圧力調整弁（５２）を有し、
前記圧力調整弁（５２）は、一方が前記作動流体タンク（５０）に連結され、他方が、空気または窒素を有する圧力源（５８）に連結され、
前記装置は、前記ポンプ（１２）の入口に連結された圧力検出器と、前記冷却交換器の出口に配置された温度検出器と、前記温度検出器および前記圧力検出器からの情報を受け取り、前記作動流体タンクの中の圧力が、過冷却の安全マージンを有する前記冷却交換器の前記出口における作動流体の飽和圧力に到達するような設定値を用いて前記圧力調整弁を制御する制御ユニットと、を含むことを特徴とする装置。 - 請求項１に記載の装置において、
前記放出手段は、弁（５４）を有することを特徴とする装置。 - 請求項１または２に記載の装置において、
前記作動流体タンクは、タンクヘッドスペースを確保するための膨張部分を有することを特徴とする装置。 - ランキンサイクルに従って作動する閉ループ（１０）を制御する方法であって、前記閉ループは、液体状の流体のための圧縮／循環ポンプ（１２）と、前記流体を蒸発させるために熱源（Ｃ）が通過する熱交換器（２０）と、蒸気状の前記流体のための膨張手段（３２）と、前記流体の凝縮のための冷却源（Ｆ）が通過する冷却交換器（４４）と、作動流体タンク（５０）と、作動流体循環配管（６０、６２、６４、６６、６８）とを有し、
圧力調整装置が、放出手段（５４）と組み合わされた圧力調整弁（５２）を有し、
前記圧力調整弁（５２）は、一方が前記作動流体タンク（５０）に連結され、他方が、空気または窒素を有する圧力源（５８）に連結され、
前記ポンプ（１２）の入口に連結された圧力検出器と、前記冷却交換器の出口に配置された温度検出器と、を用い、
前記温度検出器および前記圧力検出器からの情報を受け取り、前記作動流体タンクの中の圧力が、過冷却の安全マージンを有する前記冷却交換器の前記出口における作動流体の飽和圧力に到達するような設定値を用いて前記圧力調整弁を制御する制御ユニットにより、前記作動流体タンクの中の圧力を調整することを特徴とする方法。 - 請求項４に記載の方法において、
前記作動流体タンク（５０）に連結された圧力調整弁（５２）を、設定圧力が前記冷却交換器の出口における前記流体の飽和圧力になるような値へ調整することを特徴とする方法。 - 請求項４に記載の方法において、
前記ループが停止している場合、大気圧を超える圧力を生成して外気の侵入を防止することを特徴とする方法。
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