JPWO2014167795A1 - ランキンサイクル装置、膨張システム、及び膨張機 - Google Patents
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Abstract
密閉型の膨張機を用いたランキンサイクル装置の信頼性を高めるために、本開示のランキンサイクル装置（１００ａ）は、ポンプ（１）と、加熱器（２）と、膨張機（３）と、放熱器（５）と、冷却路（８）とを備えている。膨張機（３）は、作動流体から動力を取り出す膨張機構（１１）と、発電機（１２）と、膨張機構（１１）及び発電機（１２）を収容している密閉容器（１０）と、第１供給口（３４ａ）と、第１排出口（３５ａ）と、第２供給口（３０ａ）と、第２排出口（３１ａ）と、を有する。放熱器（５）は、ポンプ（１）と流路によって接続され、第２排出口（３１ａ）から排出された作動流体を冷却する。冷却路（８）は、第１排出口（３５ａ）から排出された作動流体を冷却する冷却器（４）を有し、第１排出口（３５ａ）と第２供給口（３０ａ）とを接続している。
Description
本発明は、ランキンサイクル装置、膨張システム、及び膨張機に関する。
一般的なランキンサイクル装置では、高温高圧の作動流体で膨張機を運転し、膨張機によって作動流体から取り出した動力で発電を行う。高温高圧の作動流体は、ポンプ及び熱源（太陽熱、地熱、排熱等）によって作られる。
ランキンサイクル装置の膨張機として、容積式の膨張機構及びその膨張機構にシャフトで連結された発電機を、密閉容器に収容した構造を有するものが知られている（特許文献１参照）。この構造の膨張機は、シャフトが密閉容器を貫通していないので、密閉容器の外部への作動流体の漏れを防ぐためのメカニカルシールを必要としない。
特許文献２にも、同様の構造の膨張機を用いたランキンサイクル装置３００が開示されている。図６に示すように、ランキンサイクル装置３００は、ポンプ３０１、加熱器３０２、膨張機３０３、及び冷却器３０５を有する。膨張機３０３は、膨張機構３１１と、膨張機構３１１にシャフト３１３によって連結された発電機３１２と、膨張機構３１１及び発電機３１２を収容している密閉容器３１０とを有している。作動流体をポンプ３０１の出口から加熱器３０２の入口へと導くための流路内に発電機３１２が位置するように、その流路の一部が密閉容器３１０の内部空間によって形成されている。このため、発電機３１２の周囲又は内部を比較的低温の作動流体が流れるので、発電機３１２が作動流体によって冷却される。
ランキンサイクルの効率は、膨張機の入口における作動流体のエンタルピーが大きくなればなるほど良くなる。しかし、ランキンサイクル装置に上記のような密閉型の膨張機を用いる場合、膨張後の作動流体の温度が高すぎると発電機が損傷する可能性がある。そこで、本発明は、密閉型の膨張機を用いたランキンサイクル装置の信頼性を高めることを目的とする。
本開示は、
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された作動流体を加熱する加熱器と、
前記加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第２排出口から排出された作動流体を冷却して前記ポンプに供給する放熱器と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された作動流体を加熱する加熱器と、
前記加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第２排出口から排出された作動流体を冷却して前記ポンプに供給する放熱器と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。
本開示によれば、密閉型の膨張機を用いたランキンサイクル装置の信頼性を高めることができる。
膨張機構に供給される作動流体のエンタルピーが大きければ大きいほど、ランキンサイクルの理論効率は良い。すなわち、膨張機構に供給する作動流体の圧力及び温度は高ければ高いほど望ましい。特許文献１によれば、密閉容器の内部空間は、膨張後の作動流体で満たされる。この場合、膨張後の作動流体の温度が高すぎると、材料の熱劣化等により発電機の損傷が発生する可能性がある。また、膨張後の作動流体の温度が許容範囲であっても、高温での発電機の運転が連続すると、発電機の寿命が短くなる可能性がある。また、発電機に永久磁石が用いられている場合、永久磁石の減磁が発生する可能性がある。そのため、膨張機構に供給する作動流体の温度を制限することが考えられるが、この様な制限は、ランキンサイクル装置の効率の向上を妨げる。
膨張機構に高温の作動流体を供給して高いサイクル効率を達成しつつ、発電機の損傷を抑制するために、発電機を積極的に冷却することが考えられる。特許文献２によれば、上記の通り、ポンプ３０１の出口から加熱器３０２の入口への流路を流れる比較的低温の作動流体によって発電機３１２が冷却される。また、ポンプ３０１の出口から加熱器３０２の入口への流路を流れる作動流体は、発電機の熱によって予熱されるので、サイクルの効率が向上する。このため、高いサイクルの効率を達成しつつ、発電機の損傷を抑制できる。
しかしながら、ランキンサイクル装置３００のポンプ３０１の出口における作動流体の状態は、作動流体の種類、サイクルの運転状態によっては液相である。この場合、発電機３１２の周囲に液相の作動流体が供給されるので、発電機３１２の回転によって液相の作動流体が攪拌される。この液相の作動流体の攪拌によって大きい損失が発生する。また、液相の作動流体は気相の作動流体よりも電流を流しやすいので、漏れ電流が増加する可能性がある。さらに、作動流体と潤滑油との密度差が小さいので、発電機の回転によって作動流体と潤滑油とを遠心分離することが難しくなる。
本開示の第１態様は、
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された作動流体を加熱する加熱器と、
前記加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第２排出口から排出された作動流体を冷却して前記ポンプに供給する放熱器と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。
作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された作動流体を加熱する加熱器と、
前記加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第２排出口から排出された作動流体を冷却して前記ポンプに供給する放熱器と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。
第１態様によれば、冷却器で冷却された作動流体が第２供給口を通って密閉容器の内部に供給される。冷却器で冷却された作動流体によって発電機を冷却できるので、膨張機構に供給される作動流体の温度が高い場合でも発電機の温度上昇を抑制できる。また、発電機に永久磁石が使用されている場合、永久磁石の減磁を抑制できる。放熱器に供給される前の作動流体が、密閉容器の内部に供給されるので、密閉容器の内部に気相の作動流体を供給できる。このため、漏れ電流の増加を防止でき、かつ作動流体に混ざった潤滑油を容易に分離できる。その結果、密閉型の膨張機を用いたランキンサイクル装置の信頼性を高めることができる。
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記第２供給口及び前記第２排出口は、前記第１排出口より前記発電機の近くに位置している、ランキンサイクル装置を提供する。第２態様によれば、発電機を冷却するための作動流体の温度が上昇することを抑制できる。
本開示の第３態様は、第１又は第２態様に加えて、前記第２供給口は、前記膨張機構より前記発電機の近くに位置している、ランキンサイクル装置を提供する。第３態様によれば、前記第２供給口付近の作動流体の温度が上昇することを抑制できる。
本開示の第４態様は、第１〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第２排出口は、前記膨張機構より前記発電機の近くに位置している、ランキンサイクル装置を提供する。第４態様によれば、第２排出口付近の作動流体の温度が上昇することを抑制できる。
本開示の第５態様は、第１〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第２供給口は、前記第２排出口よりも前記膨張機構から遠くに位置している、ランキンサイクル装置を提供する。第５態様によれば、第２供給口付近の作動流体の温度が膨張機構からの放熱によって上昇することを抑制できる。
本開示の第６態様は、第１〜第５態様のいずれか１つの態様に加えて、前記膨張機は、前記密閉容器の内部空間を前記膨張機構と前記発電機との間で仕切る仕切部材をさらに有している、ランキンサイクル装置を提供する。第６態様によれば、膨張機構と発電機の周辺との間の熱の移動を抑制できる。
本開示の第７態様は、第１〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記冷却器は、前記冷却路を流れている作動流体を前記ポンプから前記加熱器に向けて流れている作動流体と熱交換させることによって前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する、ランキンサイクル装置を提供する。第７態様によれば、ポンプと加熱器とを接続している流路を流れている作動流体を予熱できるので、ランキンサイクル装置の効率を高めることができる。
本開示の第８態様は、第１〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記冷却器は、前記冷却路を流れている作動流体をランキンサイクルの外部の熱媒体と熱交換させることによって前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する、ランキンサイクル装置を提供する。第８態様によれば、冷却器で加熱された熱媒体を外部に供給できる。
本開示の第９態様によれば、
加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、膨張システムを提供する。
加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、膨張システムを提供する。
第９態様によれば、第１〜第８態様のいずれか１つのランキンサイクル装置を構成する膨張システムを提供できる。すなわち、高い信頼性が確保されたランキンサイクル装置を構成するのに適した膨張システムを提供できる。
第１０態様は、
加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、
前記膨張機構に連結された発電機と、
前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、
前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、
前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、
前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、
前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、
を備えた、膨張機を提供する。
加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、
前記膨張機構に連結された発電機と、
前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、
前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、
前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、
前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、
前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、
を備えた、膨張機を提供する。
第１０態様によれば、第１〜第８態様のいずれか１つのランキンサイクル装置を構成する膨張機を提供できる。すなわち、高い信頼性が確保されたランキンサイクル装置を構成するのに適した膨張機を提供できる。
第１１態様によれば、第１０態様に加えて、前記第２供給口は、前記第２排出口よりも前記膨張機構から遠くに位置している、膨張機を提供する。第１１態様によれば、第２供給口付近の作動流体の温度が膨張機構からの放熱によって上昇することを抑制できる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
＜第１実施形態＞
（ランキンサイクル装置の構成）
図１に示す通り、ランキンサイクル装置１００ａは、ポンプ１、加熱器２、膨張機３、冷却器４、放熱器５、及びこれらを接続する複数の流路６ａ〜６ｇを有している。流路６ａ〜６ｇは、それぞれ、配管によって形成されている。流路６ａ〜６ｇは、それぞれ、第１〜第７の流路という場合がある。
（ランキンサイクル装置の構成）
図１に示す通り、ランキンサイクル装置１００ａは、ポンプ１、加熱器２、膨張機３、冷却器４、放熱器５、及びこれらを接続する複数の流路６ａ〜６ｇを有している。流路６ａ〜６ｇは、それぞれ、配管によって形成されている。流路６ａ〜６ｇは、それぞれ、第１〜第７の流路という場合がある。
ポンプ１は、作動流体を吸入し加圧する。ポンプ１は、例えば、容積型又はターボ型のポンプである。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプ等が挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等が挙げられる。ポンプ１は、流路６ａによって冷却器４に接続されている。
加熱器２は、ポンプ１で加圧された作動流体を加熱する。加熱器２の内部には、例えば、地熱によって加熱された高温水、ボイラー又は燃焼炉等の燃焼ガス、その排気ガスなどの熱媒体が流れている。加熱器２は、その熱媒体が有する熱エネルギーによって作動流体を加熱し蒸発させる。熱媒体が高温水などの液体の場合、加熱器２は、例えばプレート式熱交換器又は二重管式熱交換器である。また、熱媒体が燃焼ガス等の気体である場合、加熱器２は、例えばフィンチューブ式熱交換器である。加熱器２は、流路６ｂによって、冷却器４に接続されている。
膨張機３は、膨張機構１１と、発電機１２と、シャフト１３と、密閉容器１０と、第１供給口３４ａと、第１排出口３５ａと、第２供給口３０ａと、第２排出口３１ａとを有する。膨張機構１１は、加熱器２で加熱された作動流体を膨張させる。膨張機構１１は、加熱器２で加熱された作動流体から動力を取り出す。発電機１２は、シャフトによって膨張機構１１に連結されている。これにより、膨張機構１１で作動流体から取り出された動力によって発電機１２が駆動される。
密閉容器１０は、膨張機構１１及び発電機１２を収容している。第１供給口３４ａは、加熱器２で加熱された作動流体を膨張機構１１に供給するために設けられている。第１排出口３５ａは、膨張機構１１から密閉容器１０の外部へ作動流体を排出するために設けられている。第２供給口３０ａは、密閉容器１０の内部に第１排出口３５ａにおける作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するために設けられている。第２排出口３１ａは、第２供給口３０ａから供給された作動流体を密閉容器の外部へ排出するために設けられている。膨張機３は、流路６ｃによって加熱器２と接続されている。膨張機３は、流路６ｄ及び流路６ｅによって、冷却器４に接続されている。また、膨張機３は、流路６ｆによって放熱器５と接続されている。
放熱器５は、流路６ｇによってポンプ１に接続され、第２排出口３１ａから排出された作動流体を冷却する。放熱器５において、熱媒体と作動流体との間で熱交換が行われることによって熱媒体が加熱され、作動流体が冷却される。放熱器５は、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器、フィンチューブ式熱交換器等の公知の熱交換器である。放熱器５の構成は、作動流体を冷却するための熱媒体の種類に応じて適切に選択される。熱媒体が水等の液体の場合、放熱器５は、例えば、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器である。また、熱媒体が空気等の気体である場合、加熱器５は、例えば、フィンチューブ式熱交換器である。
ランキンサイクル装置１００ａは、第１排出口３５ａと第２供給口３０ａとを接続している冷却路８を備えている。冷却路８は、冷却器４を有している。すなわち、冷却路８は、流路６ｄ、冷却器４、及び流路６ｅによって構成されている。冷却器４は、第１排出口３５ａから排出された作動流体を冷却する。具体的に、冷却器４は、冷却路８を流れている作動流体を、ポンプ１の出口と加熱器２の入口との間の流路を流れる作動流体と熱交換させる。冷却器４は、例えば、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器である。
ランキンサイクル装置１００ａの一部の構成として、膨張システム５０ａを観念できる。膨張システム５０ａは、上記の膨張機３と、上記の冷却路８とを備える。
ランキンサイクル装置１００ａの作動流体は、特に制限されないが、有機作動流体（有機化合物）でありうる。有機作動流体は、例えば、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、又はアルコールである。ハロゲン化炭化水素は、例えば、Ｒ−１２３又はＲ−２４５ｆａである。炭化水素は、例えば、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタン等のアルカンである。アルコールは、例えば、エタノールである。これらの有機作動流体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。また、場合によっては、水、二酸化炭素、アンモニア等の無機作動流体を使用してもよい。
（膨張機の構成）
図２に示すように、膨張機３は、密閉容器１０の内部において、上側に膨張機構１１が配置され、下側に発電機１２が配置されている。発電機１２の下方にオイルポンプ１９が設けられている。膨張機構１１、発電機１２、及びオイルポンプ１９は、シャフト１３によって一軸に連結されている。シャフト１３は、鉛直方向に延びている。すなわち、膨張機３は、鉛直方向に延びるシャフト１３によって発電機１２が膨張機構１１に連結されている、縦置き型の膨張機である。
図２に示すように、膨張機３は、密閉容器１０の内部において、上側に膨張機構１１が配置され、下側に発電機１２が配置されている。発電機１２の下方にオイルポンプ１９が設けられている。膨張機構１１、発電機１２、及びオイルポンプ１９は、シャフト１３によって一軸に連結されている。シャフト１３は、鉛直方向に延びている。すなわち、膨張機３は、鉛直方向に延びるシャフト１３によって発電機１２が膨張機構１１に連結されている、縦置き型の膨張機である。
本実施形態において、膨張機構１１は、スクロール型の流体機構である。膨張機構１１は、スクロール型に限定されず、ローリングピストン型及びスライディングベーン型を含むロータリ型、往復型、スクリュー型等の流体機構であってもよい。さらに、膨張機構１１は、容積式の流体機構に限られず、遠心式の流体機構であってもよい。
図２に示すように、膨張機構１１は、固定スクロール２１、旋回スクロール２５、及び主軸受２４を備えている。主軸受２４は、溶接、焼き嵌め等の方法によって密閉容器１０の内周面に固定されている。主軸受２４は、シャフト１３の主軸部１３ｂを支持している。また、主軸受２４は、潤滑油通路２４ａを有している。
固定スクロール２１は、主軸受２４にボルト（図示省略）によって固定されている。旋回スクロール２５は、主軸受２４と固定スクロール２１との間に配置され、シャフト１３の上端部に形成された偏心軸部１３ｃに嵌合している。主軸受２４と旋回スクロール２５との間には、旋回スクロール２５の自転を防止して円運動をするように旋回スクロール２５を案内するオルダムリング等の自転規制機構２６が設けられている。固定スクロール２１及び旋回スクロール２５は、それぞれ、渦巻状のラップ２１ａ及びラップ２５ａを備えている。ラップ２１ａとラップ２５ａとは互いに噛み合わされている。これにより、固定スクロール２１と旋回スクロール２５との間に、膨張室３３が形成されている。
膨張機３は、さらに、第１供給管３４及び第１排出管３５を有している。第１供給管３４は、固定スクロール２１の上方で、密閉容器１０を貫通するように設けられている。第１供給管３４によって、第１供給口３４ａが形成されている。膨張室３３は、第１供給管３４を介して流路６ｃに連通している。第１排出管３５は、膨張機構１１の側方で、密閉容器１０を貫通するように設けられている。第１排出管３５によって、第１排出口３５ａが形成されている。膨張室３３は、第１排出管３５を介して冷却路８に連通している。作動流体は、発電機１２の周囲の空間を通らずに第１供給管３４を通って直接膨張室３３に供給される。また、作動流体は、発電機１２の周囲の空間を通らずに第１排出管３５を通って膨張機３の外部に直接排出される。
図２に示すように、主軸部１３ｂの下端部は、副軸受２７によって支持されている。オイルポンプ１９は、主軸部１３ｂの下端部に設けられている。密閉容器１０の内部の底部には、潤滑油を貯留する貯留部１４が形成されている。オイルポンプ１９は、貯留部１４に浸漬している。また、シャフト１３には、シャフト１３の軸方向に延びる給油路１３ａが形成されている。「シャフト１３の軸方向に延びる」とは、給油路１３ａが全体としてシャフト１３の軸方向に沿って延びていることを意味する。本実施形態では、給油路１３ａは、シャフト１３の内部にシャフト１３の軸方向に沿って直線状に延びている。
シャフト１３は、給油路１３ａの中の潤滑油を主軸受２４がシャフト１３と摺動する摺動部２４ｂに供給するための給油孔１３ｄを有している。さらに、摺動部２４ｂにおけるシャフト１３の外周面には、シャフト１３の回転によって潤滑油が上方に流れるように、油溝１３ｅが設けられている。
発電機１２は、主軸受２４と副軸受２７との間に位置している。発電機１２は、シャフト１３に固定されたロータ１２ａと、ロータ１２ａの周りに配置されたステータ１２ｂとで構成されている。発電機１２で発生した電気は、密閉容器１０の側面に設けられたターミナル１８を介してコンバータ等の電源ユニット（図示省略）に送られる。ロータ１２ａとステータ１２ｂとの間には、気相の作動流体が通過可能な隙間１７が形成されている。ステータ１２ｂと密閉容器１０との間には、発電機１２の上方の空間と発電機１２の下方の空間とを連通させる連通路２８が形成されている。なお、連通路２８は、ステータ１２ｂを貫通するように形成されていてもよい。
膨張機３は、密閉容器１０の内部空間を膨張機構１１と発電機１２との間で仕切る仕切部材２９をさらに有している。具体的に、仕切部材２９は、主軸受２４と発電機１２との間に配置されている。仕切部材２９は、主軸受２４の下面にボルト（図示省略）によって固定され、シャフト１３から密閉容器１０の内周面まで延びている。仕切部材２９は、密閉容器１０に対して、焼き嵌めによる固定、ボルトによる固定等によって、固定されていてもよい。仕切部材２９の材料は、特に制限されないが、例えば、鋼鉄又は鋳鉄に加え、低い熱伝導性を示す、ステンレス、セラミック、又は耐熱性プラスチックを用いることができる。
膨張機３は、さらに、冷却供給管３０及び冷却排出管３１を有している。冷却供給管３０及び冷却排出管３１はそれぞれ密閉容器１０を貫通するように設けられている。第２供給口３０ａは、冷却供給管３０によって形成されている。第２排出口３１ａは、冷却排出管３１によって形成されている。冷却供給管３０及び冷却排出管３１は、第１排出管３５より発電機１２の近くに位置している。このため、第２供給口３０ａ及び第２排出口３１ａは、第１排出口３５ａより発電機１２の近くに位置している。
図２に示すように、第２供給口３０ａは、膨張機構１１より発電機１２の近くに位置している。また、第２排出口３１ａは、膨張機構１１より発電機１２の近くに位置している。さらに、第２供給口３０ａは、第２排出口３１ａよりも膨張機構１１から遠くに位置している。具体的に、第２供給口３０ａは、発電機１２の下端と貯留部１４との間に位置している。第２排出口３１ａは、発電機１２の上端と主軸受２４との間に位置している。また、第２排出口３１ａは、発電機１２の上端と仕切部材２９との間に位置している。
貯留部１４の潤滑油は、オイルポンプ１９によって汲み上げられ、給油路１３ａを通って上方へと送られる。上方へ送られた潤滑油は、シャフト１３の上端部から膨張機構１１へ供給される。この場合、一部の潤滑油は、シャフトの給油孔１３ｄを通って摺動部２４ｂに供給される。摺動部２４ｂに供給された潤滑油は、油溝１３ｅに沿って上方へ送られ、膨張機構１１へ供給される。膨張機構１１へ供給された潤滑油は、潤滑油通路２４ａを通って仕切部材２９の上部へ流入する。その後、潤滑油は、連通孔２９ａ及び連通路２８を通って、貯留部１４に戻る。
（ランキンサイクル装置の動作）
次に、ランキンサイクル装置１００ａの動作を説明する。図３に示すように、ランキンサイクル装置１００ａの作動流体の状態は、ｐ−ｈ線図上で、Ａ→Ｂ→Ｅ→Ｅ’→Ｃ→Ｄ→Ｆ→Ｆ’→Ａの順に変化する。
次に、ランキンサイクル装置１００ａの動作を説明する。図３に示すように、ランキンサイクル装置１００ａの作動流体の状態は、ｐ−ｈ線図上で、Ａ→Ｂ→Ｅ→Ｅ’→Ｃ→Ｄ→Ｆ→Ｆ’→Ａの順に変化する。
作動流体は、ポンプ１によって加圧され、状態Ａから状態Ｂに変化する。ポンプ１で加圧された作動流体は管路６ａを通って冷却器４に導かれる。冷却器４の入口で状態Ｅであった作動流体は、冷却器４内を流れる。冷却器４内で、作動流体は、第１排出口３５ａから第２供給口３０ａに流れる作動流体との間での熱交換により昇温する。このため、作動流体は状態Ｅから状態Ｅ’に変化して、作動流体のエンタルピーが上昇する。本実施形態において、状態Ｅ又は状態Ｅ’の作動流体は、過冷却液である。次に、作動流体は、流路６ｂを通って加熱器２に供給される。作動流体は加熱器２で加熱されるので、作動流体のエンタルピーが上昇する。このため、作動流体は状態Ｅ’から状態Ｃに変化する。状態Ｃの作動流体は過熱蒸気であり、高温高圧の気相状態である。
次に、作動流体は、流路６ｃ及び第１供給口３４ａを通って膨張機構１１に供給される。膨張機構１１で作動流体が膨張することによって作動流体から動力が取り出される。具体的に、第１供給口３４ａを通って膨張機構１１に供給された作動流体は、固定スクロール２１の中心部に形成された吸入孔３２から膨張室３３へ吸入される。膨張室３３において、作動流体が膨張することによって膨張室３３の容積が拡大する。具体的に、旋回スクロール２５が作動流体の膨張に伴ってシャフト１３の偏心軸部１３ｃを回転させるように偏心回転運動をする。これにより、膨張室３３の容積が拡大する。この場合、膨張室３３は、膨張機構１１の中心側から膨張機構１１の外周側へ移動する。この回転動力によってシャフト１３を介して発電機１２のロータ１２ａが回転する。これにより、発電機１２が発電する。
膨張室３３で膨張した作動流体は、発電機１２の周囲の空間を通ることなく、第１排出口３５ａを通って密閉容器１０の外部へ直接排出される。このとき、作動流体の膨張によって作動流体の圧力は減少する。このため、作動流体は、状態Ｃから状態Ｄに変化する。状態Ｄの作動流体は、過熱蒸気であり、サイクルにおける中レベルの温度の低圧気相状態である。図４に示すように、状態Ｄの作動流体の温度は、例えば、ランキンサイクルの高圧側における作動流体の飽和温度よりも高い（図４の曲線Ｔは等温線を示す）。すなわち、膨張機構１１へ供給される作動流体も高温である。言い換えれば、第１排出口３５ａにおける作動流体の温度がサイクルの高圧側における飽和温度よりも高くなるように、第１供給口３４ａにおける作動流体の温度が設定されている。作動流体の温度を上げるとランキンサイクルの効率も上がる一方、膨張機構１１が高温になるので、発電機１２を冷却する必要性が増す。従って、高温の作動流体を膨張機３に供給する場合に本実施形態の構成の有効性が高まる。
次に、作動流体は、流路６ｄを通って冷却器４に供給される。この作動流体は、流路６ａを通って冷却器４に供給された作動流体と熱交換する。これにより、流路６ｄを通って冷却器４に供給された作動流体は冷却され、作動流体は、状態Ｄから状態Ｆに変化する。状態Ｆの作動流体は、第１排出口３５ａにおける作動流体の温度よりも低い温度の気相状態である。このように、冷却器４において冷却路８を流れている作動流体が失う熱量は、第２供給口３０ａにおける作動流体が気相状態を呈するように定められていることが望ましい。この作動流体は、流路６ｅ及び第２供給口３０ａを通って、密閉容器１０の内部に供給される。作動流体は、密閉容器１０の内部を流れることによって発電機１２を冷却する。一方、作動流体は発電機１２によって加熱される。その後、作動流体は、第２排出口３１ａを通って、密閉容器１０の外部へ排出される。作動流体は、発電機１２によって加熱されるので、状態Ｆから状態Ｆ’に変化する。
次に、作動流体は、流路６ｆを通って、放熱器５に供給される。作動流体は、放熱器５で冷却される。このため、作動流体は、状態Ｆ’から状態Ａに変化する。次に、作動流体は、放熱器５から排出される。その後、作動流体は、流路６ｇを通って、再びポンプ１に吸入される。
（発電機の冷却）
次に、発電機１２の冷却について説明する。上記の通り、膨張機構１１の周辺は高温状態であるので、発電機１２の損傷を抑制して膨張機３及びランキンサイクル装置１００ａの信頼性を高めるために、発電機１２を冷却することが望ましい。このため、本実施形態では、第１排出口３５ａと第２供給口３０ａとを接続している冷却路８を流れる作動流体を、冷却路８に設けられた冷却器４によって冷却し、この冷却した作動流体を密閉容器１０の内部に供給している。具体的に、作動流体は、第２供給口３０ａを通って、密閉容器１０の内部の発電機１２よりも下方、かつ貯留部１４又はオイルポンプ１９の上方の位置に供給される。この場合、作動流体の圧力は、管路６ｄ又は冷却器４における圧力損失に起因して、第１排出口３５ａにおける作動流体の圧力よりも低下している。作動流体は、隙間１７を通って、ロータ１２ａとステータ１２ｂとの間を上方に流れる。これにより、発電機１２が、作動流体によって冷却される。その後、作動流体は、発電機１２の上方、かつ仕切部材２９の下方の空間に到達する。次に、作動流体は、第２排出口３１ａを通って、密閉容器１０の外部へ排出される。
次に、発電機１２の冷却について説明する。上記の通り、膨張機構１１の周辺は高温状態であるので、発電機１２の損傷を抑制して膨張機３及びランキンサイクル装置１００ａの信頼性を高めるために、発電機１２を冷却することが望ましい。このため、本実施形態では、第１排出口３５ａと第２供給口３０ａとを接続している冷却路８を流れる作動流体を、冷却路８に設けられた冷却器４によって冷却し、この冷却した作動流体を密閉容器１０の内部に供給している。具体的に、作動流体は、第２供給口３０ａを通って、密閉容器１０の内部の発電機１２よりも下方、かつ貯留部１４又はオイルポンプ１９の上方の位置に供給される。この場合、作動流体の圧力は、管路６ｄ又は冷却器４における圧力損失に起因して、第１排出口３５ａにおける作動流体の圧力よりも低下している。作動流体は、隙間１７を通って、ロータ１２ａとステータ１２ｂとの間を上方に流れる。これにより、発電機１２が、作動流体によって冷却される。その後、作動流体は、発電機１２の上方、かつ仕切部材２９の下方の空間に到達する。次に、作動流体は、第２排出口３１ａを通って、密閉容器１０の外部へ排出される。
上記のようにして、発電機１２の周囲は第１排出口３５ａにおける作動流体よりも低温低圧の作動流体で満たされている。また、第１供給口３４ａを通って膨張機構１１に供給された高温の作動流体は、発電機１２の周囲の空間を通ることなく、密閉容器１０の外部へ排出される。このため、膨張機構１１に供給された高温の作動流体が発電機１２に接触しない。その結果、発電機１２の温度上昇が抑制される。膨張機構１１に発電機１２の耐熱温度を超えるような高温の作動流体を供給することもできるので、ランキンサイクルの効率が向上する。その結果、高いサイクルの効率を達成しつつ、発電機の損傷を抑制することができる。発電機１２に永久磁石が使用されている場合、永久磁石の減磁を抑制できる。
上記の構成によれば、第２供給口３０ａを通じて、気相状態の作動流体を密閉容器１０の内部に供給できる。そのため、発電機１２の周辺の作動流体に潤滑油が混入した場合でも、作動流体が発電機１２を通過するときに、ロータ１２ａの回転及び作動流体と潤滑油との密度差によって、作動流体と潤滑油とが遠心分離される。これにより、作動流体に含まれる潤滑油の濃度を低減できるので、潤滑油が加熱器２で加熱されることによって熱分解又は熱劣化することを防止できる。流路６ａ〜６ｅ等を循環する潤滑油の量を減らすこともできる。また、ロータ１２ａで作動流体を攪拌することによる損失を低減できる。気相状態の作動流体は、液相状態の作動流体よりも電流を通しにくいので、漏れ電流を低減することができる。
第２供給口３０ａを通って密閉容器１０の内部に供給された作動流体は潤滑油を冷却することができるので、潤滑油の温度上昇が抑制される。これにより、潤滑油が、温度上昇によって劣化することを防止できる。
発電機１２の周囲は、第２供給口３０ａから第２排出口３１ａへ流れる低温の気相状態の作動流体で満たされる。上記の通り、第２供給口３０ａ及び第２排出口３１ａは、第１排出口３５ａより発電機１２の近くに位置しているので、発電機１２の周囲の作動流体の温度が上昇することを抑制できる。第２供給口３０ａは、膨張機構１１より発電機１２の近くに位置しているので、第２供給口３０ａ付近の作動流体の温度が上昇することを抑制できる。第２排出口３１ａは、膨張機構１１より発電機１２の近くに位置しているので、第２排出口３１ａ付近の作動流体の温度が上昇することを抑制できる。このような構成によれば、第２供給口３０ａを通って密閉容器１０の内部に供給された作動流体が、膨張機構１１の周辺を流れることが抑制される。このため、高温状態の膨張機構１１の周辺の熱が作動流体の流れに沿って発電機１２へ運ばれることを防止できる。従って、サイクルの効率を向上させつつ、発電機１２の損傷を抑制できる。
また、第２供給口３０ａは、第２排出口３１ａよりも膨張機構１１から遠くに位置している。第２供給口３０ａを通って供給された作動流体は、発電機１２の周囲を流れる際に発電機１２によって加熱されて第２排出口３１ａから排出される。このため、第２排出口３１ａ付近の作動流体の温度は、第２供給口３０ａ付近の作動流体の温度よりも高い。この構成によれば、第２供給口３０ａ付近の作動流体の温度が膨張機構１１からの放熱によって上昇することを抑制できる。その結果、発電機１２を十分に冷却して、発電機１２の損傷を抑制できる。
仕切部材２９によって、密閉容器１０の内部で仕切部材２９よりも上方に滞留する作動流体と、密閉容器１０の内部で仕切部材２９よりも下方に滞留する作動流体とが積極的に混ざり合わない。このため、仕切部材２９よりも下方に滞留する作動流体の温度は低く保たれる。発電機１２の周囲には低温の作動流体が滞留しているので、発電機１２の温度上昇が抑制される。さらに、仕切部材２９によって仕切部材２９よりも上方に滞留する作動流体からの放熱が抑制されるので、仕切部材２９よりも上方に滞留する作動流体の温度は高く保たれる。このため、膨張機構１１からの放熱が抑制されるので、膨張機構１１が高温状態を保つ。その結果、高いサイクルの効率を達成できる。また、仕切部材２９の材料が、例えば、ステンレス、セラミック、又は耐熱性プラスチックである場合、仕切部材２９よりも上方に滞留する作動流体又は膨張機構１１から、仕切部材２９より下方の空間への放熱をさらに抑制することができる。
（変形例）
本実施形態は、様々な観点から変形が可能である。例えば、膨張機３は、密閉容器１０の内部において、上側に発電機１２が配置され、下側に膨張機構１１が配置されていてもよい。膨張機３は、発電機１２が水平方向に延びるシャフト１３によって膨張機構１１に連結されている、横置き型の膨張機であってもよい。
本実施形態は、様々な観点から変形が可能である。例えば、膨張機３は、密閉容器１０の内部において、上側に発電機１２が配置され、下側に膨張機構１１が配置されていてもよい。膨張機３は、発電機１２が水平方向に延びるシャフト１３によって膨張機構１１に連結されている、横置き型の膨張機であってもよい。
第２供給口３０ａは、第２排出口３１ａよりも膨張機構１１の近くに位置していてもよい。また、第２供給口３０ａから膨張機構１１までの距離は、第２排出口３１ａから膨張機構１１までの距離と等しくてもよい。第２供給口３０ａは、シャフト１３の周方向において、第２排出口３１ａと同じ角度に位置していてもよいし、第２排出口３１ａと１８０度反対側に位置していてもよい。
シャフト１３の長手方向、すなわち、シャフト１３の回転軸と平行な方向にロータ１２ａを貫通する貫通孔がロータ１２ａに形成されていてもよい。この場合、作動流体は、隙間１７又はこの貫通孔を通って発電機１２の上方の空間に向かって流れる。これにより、発電機１２が、作動流体によって冷却される。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態のランキンサイクル装置１００ｂについて説明する。なお、特に説明する場合を除き、第２実施形態は、第１実施形態と同様に構成される。第１実施形態と第１実施形態の構成要素と同一又は対応する第２実施形態の構成要素には、第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。すなわち、第１実施形態及び第１実施形態の変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、本実施形態にも適用される。
次に、第２実施形態のランキンサイクル装置１００ｂについて説明する。なお、特に説明する場合を除き、第２実施形態は、第１実施形態と同様に構成される。第１実施形態と第１実施形態の構成要素と同一又は対応する第２実施形態の構成要素には、第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。すなわち、第１実施形態及び第１実施形態の変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、本実施形態にも適用される。
図５に示すように、ランキンサイクル装置１００ｂの冷却器４は、冷却路８を流れている作動流体をランキンサイクルの外部の熱媒体と熱交換させることによって第１排出口３５ａから排出された作動流体を冷却する。この点で、ランキンサイクル装置１００ｂは、ランキンサイクル装置１００ａと相違する。ランキンサイクルの外部の熱媒体は、流路４０ａを通って、冷却器４に供給される。この熱媒体は、冷却器４を流れることによって、冷却路８を流れる作動流体を冷却する。一方、この熱媒体は冷却器４で作動流体によって加熱される。その後、熱媒体は、冷却器４から排出され、流路４０ｂを流れる。熱媒体は、例えば、水又は空気である。
冷却器４として、公知の熱交換器を使用できる。熱媒体が水等の液体である場合、冷却器４は、例えば、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器である。熱媒体が空気等の気体である場合、冷却器４は、例えば、フィンチューブ式熱交換器である。本実施形態では、冷却器４に流路４０ａ及び流路４０ｂが接続されて、熱媒体として冷却水が流れている。第１排出口３５ａから排出された作動流体は、流路６ｄを通って冷却器４に供給される。作動流体は、冷却器４で冷却水によって冷却される。さらに、作動流体は、流路６ｅ及び第２供給口３０ａを通って、密閉容器１０の内部に供給される。
この構成によれば、冷却器４で冷却された作動流体によって発電機１２が冷却される。このため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、流路４０ａを通って冷却器４に供給された冷却水は加熱されるので、この加熱された冷却水をランキンサイクル装置１００ｂの外部に供給することができる。冷却器４において作動流体が失う熱量は、第２供給口３０ａにおける作動流体が気相状態を呈するように定められているのが望ましい。
なお、ランキンサイクル装置１００ｂにおいて、ポンプ１の出口と加熱器２の入口は流路６ｈによって直接接続されている。また、膨張システム５０ｂが、上記の膨張機３と、上記の冷却路８とによって構成されている。
本開示によるランキンサイクル装置は、熱発電システムに用いられ得る。
１ ポンプ
２ 加熱器
３ 膨張機
４ 冷却器
５ 放熱器
６ａ〜６ｈ 流路
８ 冷却路
１０ 密閉容器
１１ 膨張機構
１２ 発電機
２９ 仕切部材
３０ａ 第２供給口
３１ａ 第２排出口
３４ａ 第１供給口
３５ａ 第１排出口
５０ａ，５０ｂ 膨張システム
１００ａ，１００ｂ ランキンサイクル装置
２ 加熱器
３ 膨張機
４ 冷却器
５ 放熱器
６ａ〜６ｈ 流路
８ 冷却路
１０ 密閉容器
１１ 膨張機構
１２ 発電機
２９ 仕切部材
３０ａ 第２供給口
３１ａ 第２排出口
３４ａ 第１供給口
３５ａ 第１排出口
５０ａ，５０ｂ 膨張システム
１００ａ，１００ｂ ランキンサイクル装置
Claims (11)
- 作動流体を加圧するポンプと、
前記ポンプで加圧された作動流体を加熱する加熱器と、
前記加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第２排出口から排出された作動流体を冷却して前記ポンプに供給する放熱器と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、ランキンサイクル装置。 - 前記第２供給口及び前記第２排出口は、前記第１排出口より前記発電機の近くに位置している、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
- 前記第２供給口は、前記膨張機構より前記発電機の近くに位置している、請求項１又は２に記載のランキンサイクル装置。
- 前記第２排出口は、前記膨張機構より前記発電機の近くに位置している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
- 前記第２供給口は、前記第２排出口よりも前記膨張機構から遠くに位置している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
- 前記膨張機は、前記密閉容器の内部空間を前記膨張機構と前記発電機との間で仕切る仕切部材をさらに有している、請求項１〜５のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
- 前記冷却器は、前記冷却路を流れている作動流体を前記ポンプから前記加熱器に向けて流れている作動流体と熱交換させることによって前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
- 前記冷却器は、前記冷却路を流れている作動流体をランキンサイクルの外部の熱媒体と熱交換させることによって前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
- 加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、前記膨張機構に連結された発電機と、前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、を有する膨張機と、
前記第１排出口から排出された作動流体を冷却する冷却器を有し、前記第１排出口と前記第２供給口とを接続している冷却路と、
を備えた、膨張システム。 - 加熱器で加熱された作動流体から動力を取り出す膨張機構と、
前記膨張機構に連結された発電機と、
前記膨張機構及び前記発電機を収容している密閉容器と、
前記作動流体を前記膨張機構に供給するための第１供給口と、
前記膨張機構から前記密閉容器の外部へ作動流体を排出するための第１排出口と、
前記密閉容器の内部に前記第１排出口における作動流体の温度よりも低い温度の作動流体を供給するための第２供給口と、
前記第２供給口から供給された作動流体を前記密閉容器の外部へ排出するための第２排出口と、
を備えた、膨張機。 - 前記第２供給口は、前記第２排出口よりも前記膨張機構から遠くに位置している、請求項１０に記載の膨張機。
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