JP6727779B2 - Rankine cycle device - Google Patents
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Description
本発明は、ランキンサイクル装置に関する。 The present invention relates to a Rankine cycle device.
従来、エンジン等で生じる廃熱を回収する廃熱回収装置として、ランキンサイクル装置が知られている。例えば、下記特許文献1に記載されたランキンサイクル装置は、液相の作動媒体をエンジンの廃熱によって蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出した気相の作動媒体から動力を回収する膨張機と、膨張機から流出した気相の作動媒体を冷却して液化させる凝縮器と、を備えている。 BACKGROUND ART Conventionally, a Rankine cycle device is known as a waste heat recovery device that recovers waste heat generated in an engine or the like. For example, the Rankine cycle device described in Patent Document 1 below includes an evaporator that evaporates a liquid-phase working medium by engine waste heat, and an expander that recovers power from a gas-phase working medium that has flowed out of the evaporator. , A condenser for cooling and liquefying the gas-phase working medium flowing out from the expander.
上記のようなランキンサイクル装置においては、例えば凝縮器の小型化等を図るために、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却することが求められている。 In the Rankine cycle apparatus as described above, for example, in order to downsize the condenser and the like, it is required to suitably cool the gas-phase working medium flowing out from the expander.
本発明は、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却することができるランキンサイクル装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a Rankine cycle device capable of suitably cooling a gas-phase working medium that has flowed out from an expander.
本発明に係るランキンサイクル装置は、膨張機から流出して凝縮器に流入する気相の作動媒体が流れる第1流路と、凝縮器から流出した液相の作動媒体が流れる第2流路と、第1流路及び第2流路に接続され、第2流路から第1流路に向けて液相の作動媒体が流れる第3流路と、第3流路を通って第1流路へ流入する液相の作動媒体の少なくとも一部を微粒化させる微粒化手段と、を備える。 The Rankine cycle device according to the present invention has a first flow path through which a gas-phase working medium that flows out of an expander and flows into a condenser, and a second flow path through which a liquid-phase working medium that flows out of a condenser flows. A third flow path connected to the first flow path and the second flow path, through which the working medium in the liquid phase flows from the second flow path toward the first flow path, and the first flow path through the third flow path Atomizing means for atomizing at least a part of the liquid-phase working medium flowing into .
このランキンサイクル装置では、第2流路を流れる液相の作動媒体の一部を、第3流路を介して第1流路へ流入させ、第1流路を流れる気相の作動媒体と合流させることができる。このように合流させた場合、液相の作動媒体による気相の作動媒体からの吸熱、特に液相の作動媒体が気化する際の気化熱によって、第1流路を流れる気相の作動媒体を冷却することができる。さらに、このランキンサイクル装置では、第1流路へ流入する液相の作動媒体の少なくとも一部を微粒化手段によって微粒化させるため、液相の作動媒体の吸熱及び気化を促進することができる。したがって、このランキンサイクル装置によれば、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却することが可能となる。 In this Rankine cycle device, a part of the liquid-phase working medium flowing through the second flow path is caused to flow into the first flow path through the third flow path, and joins with the gas-phase working medium flowing through the first flow path. Can be made. In the case of merging in this way, heat of the liquid-phase working medium from the working medium of the vapor phase, particularly heat of vaporization when the liquid-phase working medium is vaporized, causes the working medium of the gas phase flowing in the first flow path to Can be cooled. Furthermore, in this Rankine cycle device, at least a part of the liquid-phase working medium flowing into the first flow path is atomized by the atomizing means, so that heat absorption and vaporization of the liquid-phase working medium can be promoted. Therefore, according to this Rankine cycle device, it is possible to preferably cool the gas-phase working medium flowing out from the expander.
また、本発明に係るランキンサイクル装置は、第1流路において第3流路との接続位置よりも下流側に設けられ、凝縮器に流入する作動媒体が流れるタンク部を更に備え、タンク部は、下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部と、拡大部よりも下流側に設けられ、下流側へ向かうにつれて流路面積が縮小する縮小部と、を有している。このため、
第1流路へ流入され微粒化された作動媒体を拡大部によって拡散し、液相の作動媒体の吸熱及び気化を一層促進することができる。また、作動媒体を縮小部によって圧縮し、合流後の作動媒体の液化を促進することができる。
Further, the Rankine cycle apparatus according to the present invention further includes a tank portion that is provided in the first flow path on the downstream side of the connection position with the third flow path, and in which the working medium that flows into the condenser flows. , an enlarged portion expanding the flow passage area toward the downstream side, than the enlarged portion is provided on the downstream side, that have a reduced section passage area is reduced toward the downstream side. For this reason,
The working medium that has flowed into the first flow path and is atomized can be diffused by the expansion portion, and heat absorption and vaporization of the liquid-phase working medium can be further promoted. Further, the working medium can be compressed by the contracting section, and the liquefaction of the working medium after the merging can be promoted.
また、本発明に係るランキンサイクル装置は、タンク部内には、作動媒体を放熱させる放熱部材が配置されていてもよい。このランキンサイクル装置によれば、タンク部内を流れる作動媒体の熱を放熱部材によって放熱し、膨張機から流出した気相の作動媒体を一層好適に冷却することが可能となる。 Further, in the Rankine cycle apparatus according to the present invention, a heat radiating member for radiating the working medium may be arranged in the tank portion. According to this Rankine cycle device, the heat of the working medium flowing in the tank portion is radiated by the heat radiating member, and the working medium in the gas phase flowing out from the expander can be cooled more suitably.
本発明によれば、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却できるランキンサイクル装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the Rankine cycle apparatus which can cool the gaseous working medium which flowed out of the expander suitably can be provided.
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
図1に示されるランキンサイクル装置1は、例えば車両に搭載され、燃費向上を図るために用いられる。搭載される車両としては、例えばトラックやバス等の商用車が挙げられる。車両としては、特に限定されるものではなく、例えば大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等のいずれであってもよい。 The Rankine cycle device 1 shown in FIG. 1 is mounted in, for example, a vehicle and used to improve fuel efficiency. Examples of vehicles to be mounted include commercial vehicles such as trucks and buses. The vehicle is not particularly limited, and may be, for example, a large vehicle, a medium-sized vehicle, an ordinary passenger vehicle, a small vehicle, or a light vehicle.
ランキンサイクル装置1は、例えば車両のエンジンの廃熱を入熱とし、当該廃熱の熱エネルギを動力に変換して出力する。ランキンサイクル装置1は、流路11を備え、当該流路11上に、ポンプ21と、蒸発器22と、膨張機23と、凝縮器24と、を有している。流路11には、作動媒体Mが循環される。作動媒体Mとしては、種々のものを用いることができ、ここでは、低沸点媒体であるR134aが用いられている。
The Rankine cycle device 1 uses, for example, the waste heat of the vehicle engine as heat input, converts the heat energy of the waste heat into motive power, and outputs the power. The Rankine cycle apparatus 1 includes a
ポンプ21は、蒸発器22と凝縮器24との間に設けられ、凝縮器24から流入した作動媒体Mを蒸発器22側へ圧送する。蒸発器22は、ポンプ21の下流側に設けられ、ポンプ21で圧縮された作動媒体Mを加熱して蒸発させる。蒸発器22は、例えばエンジン冷却水Cを熱源(高温側熱源)として利用して作動媒体Mを加熱する。
The
蒸発器22は、例えば、熱媒L1が流れる流路26と、流路26上に設けられエンジン冷却水Cと熱媒L1との間で熱交換させる熱交換器27と、を有している。蒸発器22では、熱交換器27で吸熱して加熱された熱媒L1と蒸発器22内を流れる作動媒体Mとの間の熱交換により、作動媒体Mが加熱される。なお、蒸発器22は、流路26及び熱交換器27を有さず、エンジン冷却水Cと作動媒体Mとの間で直接的に熱交換を行なって作動媒体Mを加熱する構成であってもよい。また、蒸発器22は、エンジンの排気ガス、又はEGR(Exhaust Gas Recirculation)ガス等の廃熱を熱源として利用するものであってもよい。
The
膨張機23は、蒸発器22の下流側に設けられている。膨張機23は、作動媒体Mが膨張することにより回転し、動力を出力する。膨張機23としては、例えばタービン等が用いられる。膨張機23は、例えば機械出力を出力してもよいし、例えば発電機が接続されて電気出力を出力してもよい。
The
凝縮器24は、膨張機23の下流側に設けられ、作動媒体Mを冷却して凝縮させる。凝縮器24は、例えば車両が走行する際の走行風Wを熱源(低温側熱源)として利用して作動媒体Mを冷却する。凝縮器24は、例えば、熱媒L2が流れる流路28と、流路28上に設けられ、走行風Wと熱媒L2との間で熱交換させる熱交換器(サブラジエータ)29と、を有している。凝縮器24では、熱交換器29で放熱して冷却された熱媒L2と凝縮器24内を流れる作動媒体Mとの間の熱交換により、作動媒体Mが冷却される。なお、凝縮器24は、流路28及び熱交換器29を有さず、走行風Wと作動媒体Mとの間で直接的に熱交換を行なって作動媒体Mを冷却する構成であってもよい。
The
流路11は、例えば配管等により構成されている。流路11は、凝縮器24及び蒸発器22に接続された流路12(第2流路)と、蒸発器22及び膨張機23に接続された流路13と、膨張機23及び凝縮器24に接続された流路14(第1流路)と、を含んで構成されている。
The
流路12には、凝縮器24から流出して蒸発器22に流入する液相の作動媒体Mが流れる。流路12上に、上記ポンプ21が設けられている。流路13には、蒸発器22から流出して膨張機23に流入する気相の作動媒体Mが流れる。流路14には、膨張機23から流出して凝縮器24に流入する気相の作動媒体Mが流れる。なお、後述するように、流路14には、液相の作動媒体Mが流れる場合がある。
The liquid-phase working medium M flowing out of the
本実施形態の流路11は、流路12及び流路14に接続された流路15(第3流路)を更に含んで構成されている。流路15は、流路12を流れる液相の作動媒体Mの一部を流路14へ分岐させる。
The
流路15の一端15aは、流路12におけるポンプ21の下流側に接続され、流路15の他端15bは、流路14に接続されている。すなわち、流路12は、流路15の一端15aとの接続位置よりも上流側の上流部12aと、当該接続位置よりも下流側の下流部12bとにより構成されている。また、流路14は、流路15の他端15bとの接続位置よりも上流側の上流部14aと、当該接続位置よりも下流側の下流部14bとにより構成されている。
One
流路15の他端15bには、流路15を通って流路14へ流入する液相の作動媒体Mの少なくとも一部を微粒化させる噴霧器(微粒化手段)31が設けられている。噴霧器31は、液相の作動媒体Mを流路14内に液滴として分散させる。噴霧器31は、例えば、液相の作動媒体Mの少なくとも一部を霧状とし、霧状とした作動媒体Mを流路14内へ噴出させる。
A sprayer (atomization means) 31 for atomizing at least a part of the liquid-phase working medium M flowing into the
以上、ランキンサイクル装置1では、流路12を流れる液相の作動媒体Mの一部を、流路15を介して流路14へ流入させ、流路14を流れる気相の作動媒体Mと合流させることができる。このように合流させた場合、液相の作動媒体Mによる気相の作動媒体Mからの吸熱、特に液相の作動媒体Mが気化する際の気化熱によって、流路14を流れる気相の作動媒体Mを冷却することができる。
As described above, in the Rankine cycle device 1, a part of the liquid-phase working medium M flowing in the
さらに、ランキンサイクル装置1では、流路14へ流入する液相の作動媒体Mの少なくとも一部を噴霧器31によって微粒化させるため、液相の作動媒体Mの吸熱及び気化を促進することができる。したがって、ランキンサイクル装置1によれば、膨張機23から流出した気相の作動媒体Mを好適に冷却することが可能となる。その結果、凝縮器24に流入する作動媒体Mの温度(入口温度T1)を低下させることができるため、凝縮器24に要求される冷却性能を緩和することができ、凝縮器24を小型化することが可能となる。また、凝縮器24(特に、熱交換器)の材料として高温特性が優れていない材料でも用いることができるため、材料の選択の自由度を高めることが可能となる。
Further, in the Rankine cycle device 1, since at least a part of the liquid-phase working medium M flowing into the
以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiments.
図2は、変形例のランキンサイクル装置1Aの概略構成図である。図2に示されるように、変形例のランキンサイクル装置1Bは、流路15上にバルブ(流量調節部)33が設けられている点で上記実施形態のランキンサイクル装置1と相違する。バルブ33は、その開度を変化させることで、流路15を流れる作動媒体Mの流量を調節する。バルブ33が開弁されると、流路12を流れる液相の作動媒体Mの一部が流路15を介して流路14へ流入し、流路14を流れる気相の作動媒体Mが冷却されることとなる。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a modified Rankine cycle device 1A. As shown in FIG. 2, the
変形例のランキンサイクル装置1Aによっても、上記実施形態と同様に、膨張機23から流出した気相の作動媒体Mを好適に冷却することができる。また、流路15を流れる作動媒体Mの流量を調整できることから、膨張機23から流出した気相の作動媒体Mを一層好適に冷却することが可能となる。
The Rankine cycle apparatus 1A of the modified example can also favorably cool the vapor-phase working medium M flowing out from the
図3は、変形例のランキンサイクル装置1Bの概略構成図、図4(a)〜(c)は、図3のIV−IV線における断面の例を示す図である。図3に示されるように、変形例のランキンサイクル装置1Bは、タンク部60を備える点で上記実施形態のランキンサイクル装置1と相違する。タンク部60は、流路14の下流部14bに、すなわち流路14において流路15との接続位置よりも下流側に設けられている。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a
タンク部60は、下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部61と、拡大部61よりも下流側に設けられ、流路に沿う方向において同一の断面形状を有する本体部62と、本体部62よりも下流側に設けられ、下流側へ向かうにつれて流路面積が縮小する縮小部63と、を含んで構成されている。ここでの拡大部61では、その流路径が増加することで流路面積が拡大されており、縮小部63では、その流路径が減少することで、その流路面積が縮小されている。
The
図4に示されるように、タンク部60内には、作動媒体Mを放熱させる放熱部材64が配置されている。放熱部材64は、タンク部60内を流れる作動媒体Mと接触し、作動媒体Mの熱をタンク部60の外部へ伝熱させる。ここでの放熱部材64は、拡大部61、本体部62、及び縮小部63にわたって配置されている。放熱部材64は、図4(a)の例のようにフィン形状を有するフィン64Aであってもよいし、図4(b)の例のように多孔質材により形成された多孔質部材64Bであってもよいし、図4(c)に示されるようにメッシュ層が流れ方向に積層されてなる積層メッシュ部材64Cであってもよい。なお、放熱部材64は、タンク部60を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料により形成されてもよい。また、放熱部材64は、拡大部61、本体部62、及び縮小部63の少なくとも一部に配置されていればよく、例えば本体部62のみに配置されていてもよい。
As shown in FIG. 4, a
変形例のランキンサイクル装置1Bによっても、上記実施形態と同様に、膨張機23から流出した気相の作動媒体Mを好適に冷却することができる。また、変形例のランキンサイクル装置1Bでは、流路14へ流入され微粒化された作動媒体Mを拡大部61によって拡散し、液相の作動媒体Mの吸熱及び気化を一層促進することができる。また、作動媒体Mを縮小部63によって圧縮して加圧することで、合流後の作動媒体Mの液化を促進することができる。また、変形例のランキンサイクル装置1Bでは、タンク部60内を流れる作動媒体Mの熱を放熱部材64によって放熱し、膨張機23から流出した気相の作動媒体Mを一層好適に冷却することが可能となる。
The
図5は、変形例のランキンサイクル装置1Cの概略構成図である。図5に示されるように、変形例のランキンサイクル装置1Cは、タンク部60を備える点で上記実施形態のランキンサイクル装置1Bと相違する。変形例のランキンサイクル装置1Cによっても、上記実施形態のランキンサイクル装置1Bと同様に、膨張機23から流出した気相の作動媒体Mを好適に冷却することができる。また、上記実施形態のランキンサイクル装置1Aと同様に、流路15を流れる作動媒体Mの流量を調整できることから、膨張機23から流出した気相の作動媒体Mを一層好適に冷却することが可能となる。
FIG. 5: is a schematic block diagram of Rankine cycle apparatus 1C of a modification. As shown in FIG. 5, the Rankine cycle apparatus 1C of the modified example is different from the
上記実施形態の噴霧器31は、流路14へ流入する液相の作動媒体Mの少なくとも一部を微粒化させればよく、例えばその全量を微粒化させてもよいし、或いはその一部を微粒化させてもよい。微粒化手段は、噴霧器31に限られない。
The
1,1A…ランキンサイクル装置、12…流路(第2流路)、14…流路(第1流路)、15…流路(第3流路)、21…ポンプ、23…膨張機、24…凝縮器、31…噴霧器(微粒化手段)、33…バルブ(流量調整部)、60…タンク部、61…拡大部、63…縮小部、64…放熱部材、M…作動媒体。 1, 1A... Rankine cycle device, 12... Flow path (second flow path), 14... Flow path (first flow path), 15... Flow path (third flow path), 21... Pump, 23... Expander, 24... Condenser, 31... Atomizer (atomization means), 33... Valve (flow rate adjusting part), 60... Tank part, 61... Enlargement part, 63... Reduction part, 64... Heat dissipation member, M... Working medium.
Claims (2)
前記凝縮器から流出した液相の前記作動媒体が流れる第2流路と、
前記第1流路及び前記第2流路に接続され、前記第2流路から前記第1流路に向けて液相の前記作動媒体が流れる第3流路と、
前記第3流路を通って前記第1流路へ流入する液相の前記作動媒体の少なくとも一部を微粒化させる微粒化手段と、
前記第1流路において前記第3流路との接続位置よりも下流側に設けられ、前記凝縮器に流入する前記作動媒体が流れるタンク部と、を備え、
前記タンク部は、
下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部と、
前記拡大部よりも下流側に設けられ、下流側へ向かうにつれて流路面積が縮小する縮小部と、を有する、
ランキンサイクル装置。 A first flow path through which the working medium in the gas phase flows out of the expander and flows into the condenser;
A second flow path through which the working medium in a liquid phase flowing out from the condenser flows;
A third flow path connected to the first flow path and the second flow path, in which the working medium in a liquid phase flows from the second flow path toward the first flow path;
Atomizing means for atomizing at least a part of the working medium in the liquid phase flowing into the first channel through the third channel,
A tank portion that is provided on the downstream side of a connection position with the third flow path in the first flow path, and in which the working medium flowing into the condenser flows.
The tank section is
An enlarged portion in which the flow passage area increases toward the downstream side,
A reducing portion that is provided on the downstream side of the expanding portion and has a flow channel area that decreases toward the downstream side.
Rankine cycle equipment.
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