JP7187942B2 - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Description

本開示は、ランキンサイクルシステムに関する。

膨張器とコンデンサの間の作動流体用の回路に開閉弁を設ける廃熱回生システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１―１０２５７７号公報

上記の廃熱回生システムでは、コンデンサ（凝縮器）から膨張器への作動流体の逆流を防止するためには、コンデンサを膨張器より低い位置に設定する必要がある。それ故、ランキンサイクルシステムにレイアウト上の制約があった。

本開示は、レイアウト上の制約なく、凝縮器から膨張器への作動流体の逆流を防止することができるランキンサイクルシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の態様のランキンサイクルシステムは、作動流体を循環させる流路と、前記流路に配置されて作動流体を膨張させる膨張器と、前記膨張器より下流側の前記流路に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムにおいて、前記膨張器の出口と前記凝縮器の入口の間の前記流路に関して、作動流体の凝縮が開始される地点より上流側の流路に逆流防止装置を配置して、前記逆流防止装置より下流側の流路に液体状態の作動流体を一時的に貯留する貯留装置を配置して構成される。

本開示によれば、レイアウト上の制約なく、凝縮器から膨張器への作動流体の逆流を防止することができる。

本実施形態のランキンサイクルシステムを例示する図である。 図１のＡ部分を拡大した図である。

以下、本開示のランキンサイクルシステムについて、図面を参照しながら説明する。図１に例示するように、本実施形態のランキンサイクルシステム１はその作動流体用の流路２に、タンク３と、ポンプ４と、蒸発器５と、膨張器６と、凝縮器７と、を備えて構成されるシステムである。

作動流体用の流路２は、作動流体Ｗを循環させる閉流路である。タンク３は、作動流体用の流路２に配置されて作動流体Ｗを貯留する装置である。ポンプ４は、タンク３より下流側の作動流体用の流路２に配置されて、タンク３から流入した作動流体Ｗに流路２の循環用の駆動力を付与する装置である。蒸発器５は、ポンプ４より下流側の作動流体用の流路２に配置されて、エンジン（内燃機関）の排気Ｇと熱交換することで作動流体Ｗを加熱及び蒸発させる装置である。膨張器６は、蒸発器５より下流側の作動流体用の流路２に配置されて作動流体Ｗを膨張させる装置である。膨張器６の出力軸６ａには断接装置（クラッチ等）を介して駆動装置（エンジンやモータ等）が接続されており、断接装置の接続時に作動流体Ｗの膨張により出力軸６ａに発生した動力が駆動装置に伝達される。凝縮器７は、膨張器６より下流側で、かつ、タンク３より上流側の作動流体用の流路２に配置されて作動流体Ｗを凝縮させる装置である。凝縮器７はタンク３より高い位置に配置されて、凝縮器７の出口から流出した作動流体Ｗは重力によりタンク３の入口に流入する。

本実施形態のランキンサイクルシステム１では、膨張器６の出口と凝縮器７の入口の間の作動流体用の流路２ａに逆止弁（逆流防止装置）８を配置して構成する。逆止弁８は、凝縮器７の入口から膨張器６の出口への作動流体Ｗの逆流を防止する装置である。

膨張器６の出口と凝縮器７の入口の間の作動流体用の流路２ａを構成する配管は外気に曝されている。この流路２ａを通過する作動流体Ｗは、外気で冷却されたり、通過中にそのエネルギーを消費することで、その一部は凝縮して液体状態となる。作動流体Ｗが液体状態になると、凝縮器７の入口から膨張器６の出口へ作動流体Ｗが逆流する可能性が生じる。液体状態の作動流体Ｗの量が大きくなるにつれてこの逆流の可能性は大きくなる。

そこで、本実施形態では、膨張器６の出口と凝縮器７の入口の間の作動流体用の流路２ａに関して、作動流体Ｗの凝縮が開始される地点Ｐより上流側の流路に逆止弁８を配置して構成する。地点Ｐは予め実験等により推定される地点で、地点Ｐより上流側の流路２ａに関しては気体状態の作動流体Ｗのみが通過する。

この構成によれば、地点Ｐより下流側の流路２ａで作動流体Ｗの逆流が発生しても、逆流した作動流体Ｗは地点Ｐより上流側の流路２ａに配置された逆止弁８で堰き止められて膨張器６に流入しない。したがって、膨張器６の作動効率の低減を防止することができる。

さらに、膨張器６の出口と凝縮器７の入口の作動流体用の流路２ａに関して、逆止弁８より下流側の流路に液体状態の作動流体Ｗを一時的に貯留する貯留装置９を配置すると好ましい。貯留装置９は、例えば、流路２ａの配管の壁面の一部を鉛直下方に窪ませて形成される略箱型形状の装置である。この場合、より多くの液体状態の作動流体を貯留するため、貯留装置９を液体状態の作動流体を誘導する入口部と、入口部の下方に形成され、入口部の容積よりも大きな容積を有する貯留部とで構成してもよい。さらに、貯留装置９を、液体状態の作動流体Ｗの量に応じて容積が変化するゴム膜で形成してもよい。この場合、ゴム膜の伸張に上限を設けるため、貯留装置９を二重構造として、内側容器をゴム膜で形成し、外側容器で内側容器を支持する構成としてもよい。図２に例示する本実施形態のように凝縮器７の入口と逆止弁８の間の作動流体用の流路２ａの一部として逆止弁８から凝縮器７に向かって上り形状の流路２ａａが形成されている場合には、この流路２ａａの下端に貯留装置９を配置すると好ましい。液体状態の作動流体Ｗが上り形状の流路２ａａを下降して貯留装置９に貯留され易くなるからである。

この構成によれば、凝縮器７の入口と逆止弁８の間の作動流体用の流路２ａで凝縮されて液体状態となった作動流体Ｗが貯留装置９に一時的に貯留されるので、作動流体Ｗの逆止弁８側への逆流が抑制され、作動流体Ｗの循環効率の低減を抑制することができる。また、作動流体Ｗの循環効率を維持するためにポンプ４の出力を増加させる必要がなく、エネルギー効率を維持することができる。

なお、貯留装置９に一時的に貯留された作動流体Ｗは、排気Ｇの高温時（エンジンの高負荷時）に蒸発器５で熱交換して高エネルギー化した作動流体Ｗが貯留装置９を通過することで蒸発して凝縮器７の入口に流入する。

タンク３に貯留された作動流体Ｗの一部がポンプ４により駆動力を付与されて、蒸発器５、膨張器６、凝縮器７、タンク３の順に循環する。蒸発器５でエンジンの排気Ｇと熱交換することで加熱及び蒸発した作動流体Ｗは膨張器６で膨張してその出力軸６ａに動力を供給する。膨張器６で膨張した作動流体Ｗは、凝縮器７で凝縮されて液体状態となり重力によりタンク３に戻る。膨張器６の出口と凝縮器７の入口の間の作動流体用の流路２ａに逆止弁８を配置しているので、この流路２ａで凝縮器凝縮器７から膨張器６へ作動流体Ｗが逆流することは防止される。

以上により、本実施形態のランキンサイクルシステム１は、逆止弁８により凝縮器７から膨張器６への作動流体Ｗの逆流を防止することができる。それ故、膨張器６から凝縮器７への作動流体Ｗの流れを重力により規制する必要がなく、凝縮器７を膨張器６より低い位置に設定する必要がない。したがって、レイアウト上の制約なく、凝縮器６から膨張器５への作動流体Ｗの逆流を防止することができる。

凝縮器７がタンク３より高い位置に配置されている場合には、流路２ａに逆止弁８が配置されないと膨張器６、凝縮器７、タンク３の順に高い位置に配置する必要があるので、このような場合に流路２ａへの逆止弁８の配置の有効度は大きくなる。

１ ランキンサイクルシステム
２ 作動流体用の流路
２ａ 膨張器と凝縮器の間の作動流体用の流路
３ タンク
４ ポンプ
５ 蒸発器
６ 膨張器
６ａ 出力軸
７ 凝縮器
８ 逆止弁（逆流防止装置）
９ 貯留装置
Ｐ 地点

Claims (1)

1. 作動流体を循環させる流路と、前記流路に配置されて作動流体を膨張させる膨張器と、前記膨張器より下流側の前記流路に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムにおいて、
   前記膨張器の出口と前記凝縮器の入口の間の前記流路に関して、作動流体の凝縮が開始される地点より上流側の流路に逆流防止装置を配置して、前記逆流防止装置より下流側の流路に液体状態の作動流体を一時的に貯留する貯留装置を配置して構成されるランキンサイクルシステム。

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