(57)【要約】【課題】ポンプにおけるキャビテーションを防止すると共に、作動流体に混入した酸素をタイミング良く除去することが可能なランキンサイクル装置に関する。【解決手段】作動流体としての冷媒の蒸気を生成する蒸気発生器１１と、冷媒の蒸気を膨張させる膨張機１２と、膨張機１２からの冷媒を凝縮する凝縮器１３と、凝縮器１３から流出される冷媒を貯留するレシーバタンク１４と、レシーバタンク１４に貯留された液冷媒を蒸気発生器１１へ圧送するポンプ１５と、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４及びポンプ１５を順次接続する作動流体流路としての冷媒流路１６と、を備えたランキンサイクル装置１０において、冷媒流路１６におけるポンプ１５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口との間に酸素除去部２５を配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の蒸気を生成する蒸気発生器と、前記作動流体の蒸気を膨張させる膨張機と、
前記膨張機からの前記作動流体を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から流出される前記作動流体を前記蒸気発生器へ圧送するポンプと、前記蒸気発生器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを順次接続する作動流体流路と、を備えたランキンサイクル装置において、
前記作動流体流路における前記ポンプの作動流体出口と前記蒸気発生器の作動流体入口との間に酸素除去部を配置することを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記酸素除去部は前記蒸気発生器と別に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記酸素除去部は前記蒸気発生器と一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ランキンサイクル装置に関し、特に、作動流体から酸素を除去する酸素除去剤を備えたランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱を有効利用する装置として、ランキンサイクル装置が知られている。
ランキンサイクル装置は、作動流体の蒸気を生成する蒸気発生器と、作動流体の蒸気を膨張させる膨張機と、膨張機からの作動流体を凝縮する凝縮器と、凝縮器から流出する作動流体を蒸気発生器へ圧送するポンプと、蒸気発生器、膨張機、凝縮器及びポンプを順次接続する作動流体流路を備える。
通常、作動流体流路を流通する作動流体には、膨張機やポンプにおける摺動部を潤滑するオイルが含まれている。
外気中の酸素は作動流体流路を形成する配管の接合部等から作動流体流路内に入り込む。このため、作動流体に酸素が含まれる状態となり、酸素を含む作動流体は作動流体流路を循環する。この場合、作動流体及びオイルが作動流体に含まれた酸素による酸化作用によって劣化する恐れがある。このため、作動流体流路に酸素除去剤を配置し、酸素除去剤により作動流体に含まれた酸素を除去する場合がある。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された廃熱回収機関では、凝縮器出口と高圧ポンプ入口の間に水浄化手段が配置されており、水浄化手段により水の浄化処理を行うことができる。水浄化手段は、水の溶存酸素除去処理を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１４１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された廃熱回収機関では、高圧ポンプの吸入側に酸素除去剤が配置されているが、ポンプの吸入側に溶存酸素除去処理を行うことができる水浄化手段を配置すると、高圧ポンプにおいて吸入による圧力損失が発生しキャビテーションを誘発する恐れがある。また、高圧ポンプの出入り口の配管の接合部等から入り込んだ酸素が除去されずに蒸気発生器に到達すると、蒸気発生器で作動流体に含まれた酸素によって作動流体及び作動流体中のオイルが劣化する恐れがある。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、ポンプにおけるキャビテーションを防止すると共に、作動流体に混入した酸素をタイミング良く除去することが可能なランキンサイクル装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、作動流体の蒸気を生成する蒸気発生器と、前記作動流体の蒸気を膨張させる膨張機と、前記膨張機からの前記作動流体を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から流出される前記作動流体を前記蒸気発生器へ圧送するポンプと、前記蒸気発生器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを順次接続する作動流体流路と、を備えたランキンサイクル装置において、前記作動流体流路における前記ポンプの作動流体出口と前記蒸気発生器の作動流体入口との間に酸素除去部を配置することを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、ポンプが作動すると、作動流体は、蒸気発生器、膨張機、凝縮器、ポンプの順に作動流体流路を循環するが、作動流体流路におけるポンプの作動流体出口と蒸気発生器の作動流体入口との間に酸素除去部が配置されているので、ポンプの吸入側におけるキャビテーションの発生を防止することができる。また、作動流体が蒸気発生器に到達する前に酸素除去部によって作動流体に混入した酸素を除去できるので、作動流体に混入した酸素をタイミング良く除去することが可能である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のランキンサイクル装置において、前記酸素除去部は前記蒸気発生器と別に形成されていることを特徴とする
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、酸素除去部と蒸気発生器とは別に形成されているので、ポンプの作動流体出口と蒸気発生器の作動流体入口との間の作動流体流路に酸素除去部を配置するだけでよく、配置が簡単である。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１に記載のランキンサイクル装置において、前記酸素除去部は前記蒸気発生器と一体形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、酸素除去部と蒸気発生器とは一体形成されているので、酸素除去部と蒸気発生器を連結する配管の接合部等からの酸素の入り込みを抑制することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ポンプにおけるキャビテーションを防止すると共に、作動流体に混入した酸素をタイミング良く除去することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係るランキンサイクル装置の構成図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】第２の実施形態に係るランキンサイクル装置の構成図である。
【図４】図３の要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係るランキンサイクル装置について図面を参照して説明する。
本実施形態のランキンサイクル装置は車両に搭載される車載用ランキンサイクル装置である。
図１に示すように、ランキンサイクル装置１０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４、ポンプ１５及び酸素除去部２５を有する。
また、ランキンサイクル装置１０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４、ポンプ１５及び酸素除去部２５を順次接続する冷媒流路１６を有する。
冷媒流路１６は作動流体流路に相当し、冷媒流路１６を流通する作動流体としての冷媒は、ポンプ１５の作動により、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４、ポンプ１５、酸素除去部２５の順に冷媒流路１６を循環して流れる。
本実施形態のランキンサイクル装置１０では、冷媒にオイルが含まれており、冷媒に含まれるオイルは冷媒と共に冷媒流路１６を流通する。
冷媒に含まれるオイルは、膨張機１２およびポンプ１５の摺動部における潤滑、密封、冷却等の機能を果たす。
【００１６】
蒸気発生器１１は、エンジン１７から排気通路１８を通って排出される排気ガスを熱源（図示せず）として冷媒の蒸気を発生させる手段である。
蒸気発生器１１の内部を通る冷媒の流路は、冷媒流路１６の一部を構成する。
蒸気発生器１１では、冷媒流路１６の冷媒と排気通路１８を通る排気ガスとの熱交換により冷媒は加熱され、冷媒の蒸気が生成される。
蒸気発生器１１を通過した排気ガスは排気通路１８を通じて大気中へ排出される。
本実施形態の冷媒流路１６は、蒸気発生器１１の冷媒出口と膨張機１２の冷媒入口との間を接続する第１流路１９を備えている。
【００１７】
膨張機１２は高温・高圧の蒸気により駆動される回転体（図示せず）を有しており、高温・高圧の蒸気が回転体を回転することにより、膨張機１２は出力軸において回転力を得る。
膨張機１２の内部を通る冷媒の流路は、冷媒流路１６の一部を構成する。
本実施形態の膨張機１２はスクロール式膨張機であり、回転体は固定スクロールに対して旋回可能な可動スクロールである。
膨張機１２は、冷媒の蒸気をほぼ断熱状態で減圧膨張させることにより冷媒の蒸気が有する圧力エネルギーを機械的エネルギーに変換する。
膨張機１２の出力軸は負荷２０（例えば、発電機）に連結されており、膨張機１２において得られる回転力は負荷２０に出力される。
本実施形態の冷媒流路１６は、膨張機１２の冷媒出口と凝縮器１３の冷媒入口とを接続する第２流路２１を備えている。
【００１８】
凝縮器１３は、膨張機１２から流出した蒸気の冷媒を冷却して凝縮する手段であり、凝縮器１３の内部には冷媒が通過する流路（図示せず）が設けられている。
凝縮器１３内の冷媒流路は、冷媒流路１６の一部を構成する。
本実施形態の冷媒流路１６は、凝縮器１３の冷媒出口とレシーバタンク１４の冷媒入口とを接続する第３流路２２を備えている。
凝縮器１３の冷媒出口では、凝縮器１３を通過して凝縮された冷媒が下流側のレシーバタンク１４に流出される。
【００１９】
レシーバタンク１４は凝縮器１３を通過した冷媒を貯留するタンクであり、レシーバタンク１４内の冷媒流路は、冷媒流路１６の一部を構成する。
レシーバタンク１４では、凝縮器１３通過後の凝縮された冷媒の気液分離が行われ、液体の冷媒（液冷媒）はレシーバタンク１４の内部に一時的に貯留される。
本実施形態の冷媒流路１６は、レシーバタンク１４の冷媒出口とポンプ１５の冷媒入口とを接続する第４流路２３を備えている。レシーバタンク１４の内部に貯留された液冷媒は、第４流路２３を介してポンプ１５に吸入される。
【００２０】
ポンプ１５は、レシーバタンク１４から流出する冷媒を吸入して吐出し、酸素除去部２５へ圧送するもので、本実施形態では、電動式のギヤポンプが採用されている。
ポンプ１５の内部において冷媒が通る流路は、冷媒流路１６の一部に相当する。
本実施形態の冷媒流路１６は、ポンプ１５の冷媒出口と酸素除去部２５の冷媒入口とを接続する第５流路２４を備えている。
そして、冷媒流路１６は、酸素除去部２５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口とを接続する第６流路３０を備えている。ポンプ１５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口との間の冷媒流路の途中には、冷媒中に含まれる酸素を除去するための酸素除去部２５が配置されている。
【００２１】
図２に示すように、酸素除去部２５は、円筒状のケース２６と、ケース２６内に配置された酸素除去剤２７とを備えている。
ケース２６は、周壁部２６Ａと、上流側の蓋部２６Ｂと、下流側の蓋部２６Ｃとを有している。周壁部２６Ａ、蓋部２６Ｂ及び蓋部２６Ｃで囲まれた内部の空間には、円柱状の酸素除去剤２７が配置されている。
蓋部２６Ｂには冷媒の流入口２６Ｄが形成されると共に、蓋部２６Ｃには冷媒の流出口２６Ｅが形成されている。流入口２６Ｄには第５流路２４の配管が接続され、流出口２６Ｅには第６流路３０の配管が接続されている。
【００２２】
酸素除去剤２７は、図示しないが、例えば、ハニカム構造を有する構造体の表面に鉄粉（Ｆｅ）をちりばめた状態のものがケース２６内に配置され、周壁部２６Ａに取り付けられている。
酸素除去剤２７は、冷媒中に含まれる酸素を除去するための除去剤であり、具体的には脱酸素剤又は酸素吸着剤である。脱酸素剤とは、化学反応（酸化）により酸素を除去するものであり、例えば、鉄粉（Ｆｅ）である。酸素吸着剤とは、化学反応ではない酸素の吸着により酸素を除去するものであり、例えば、ゼオライトである。本実施形態では、酸素除去剤２７として脱酸素剤を用いている。
なお、冷媒流路１６を形成する配管の接合部等から外気中の酸素が入り込み、入り込んだ酸素は冷媒に含まれた状態で冷媒流路１６を循環する。この場合、冷媒及びオイルが冷媒に含まれた酸素による酸化作用によって劣化する恐れがある。特に、冷媒中に酸素が含まれたままの状態で蒸気発生器１１に到達した場合には、冷媒及びオイルの酸素による劣化が促進される。酸素除去剤２７は、冷媒に含まれる酸素を蒸気発生器１１に到達する前に除去するためのものである。
【００２３】
ポンプ１５が駆動されることにより、冷媒は、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、ポンプ１５、酸素除去部２５の順に冷媒流路１６を循環する。
【００２４】
次に、本実施形態のランキンサイクル装置１０の作動について説明する。
エンジン１７の運転時においては、排気ガスがエンジン１７から排気通路１８を通り蒸気発生器１１を通過する。
ポンプ１５が駆動されると、冷媒は、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４、ポンプ１５、酸素除去部２５の順に流れて冷媒流路１６を循環する。
蒸気発生器１１では、冷媒は排気ガスとの熱交換により高温・高圧の蒸気となる。
冷媒の蒸気は、第１流路１９を通って膨張機１２へ流出する。
膨張機１２に流入した蒸気は、膨張機１２内においてほぼ断熱状態で減圧膨張され、蒸気の圧力エネルギーは機械的エネルギーに変換されて膨張機１２の回転力は負荷２０へ出力される。
【００２５】
膨張機１２から流出した低圧の冷媒の蒸気は、第２流路２１を通じて凝縮器１３へ流入する。
凝縮器１３では、冷媒の蒸気は空気との熱交換により冷却され凝縮される。凝縮後の冷媒は、第３流路２２を通ってレシーバタンク１４に流入する。
レシーバタンク１４では、凝縮後の冷媒を液冷媒とガス状の冷媒とに分離し、液冷媒はレシーバタンク１４に一時的に貯留される。
【００２６】
レシーバタンク１４に貯留された液冷媒は、第４流路２３を通じてポンプ１５へ流出する。
ポンプ１５では、レシーバタンク１４から流入する液冷媒を吸入して吐出し、酸素除去部２５へ圧送する。
酸素除去部２５では、第５流路２４を介して流入口２６Ｄから流入した液冷媒は、ケース２６内に配置された酸素除去剤２７を通過する途中で冷媒中の酸素が除去される。酸素が除去された液冷媒は、流出口２６Ｅを通って第６流路３０に流出し、蒸気発生器１１に流入する。
このように、ポンプ１５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口との間の冷媒流路に酸素除去部２５が配置されているので、ポンプ１５の上流側では圧力損失の原因となるものがなく、ポンプ１５の吸入側におけるキャビテーションの発生を防止することができる。
【００２７】
蒸気発生器１１では、流入する液冷媒は排気ガスとの熱交換により高温・高圧の蒸気となる。このとき、流入する液冷媒中には、酸素が含まれていないので、冷媒及びオイルの酸素による酸化作用によって劣化することを防止できる。よって、冷媒に含まれる酸素を蒸気発生器１１に到達する前に除去可能なので、冷媒に混入した酸素をタイミング良く除去することが可能である。
【００２８】
第１の実施形態に係るランキンサイクル装置１０によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）ポンプ１５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口との間の冷媒流路に酸素除去部２５が配置されているので、ポンプ１５の上流側では圧力損失の原因となるものがなく、ポンプ１５の吸入側におけるキャビテーションの発生を防止することができる。
（２）蒸気発生器１１では、流入する液冷媒は排気ガスとの熱交換により高温・高圧の蒸気となる。このとき、流入する液冷媒中には、酸素が含まれていないので、冷媒及びオイルの酸素による酸化作用によって劣化することを防止できる。よって、冷媒に含まれる酸素を蒸気発生器１１に到達する前に除去可能なので、冷媒に混入した酸素をタイミング良く除去することが可能である。
（３）酸素除去部２５と蒸気発生器１１とは別体で形成されているので、ポンプ１５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口との間の冷媒流路に酸素除去部２５を配置するだけでよく、配置が簡単である。
（４）酸素除去剤２７としては、脱酸素剤（鉄粉）又は酸素吸着剤（ゼオライト）を使用することができるので、酸素除去剤２７の選択の自由度を拡張できる。
【００２９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るランキンサイクル装置４０について図３、図４を参照して説明する。
この実施形態は、第１の実施形態における酸素除去部２５の配設位置を変更したものであり、その他の構成は共通である。
従って、ここでは説明の便宜上、先の説明で用いた符号を一部共通して用い、共通する構成についてはその説明を省略し、変更した個所のみ説明を行う。
【００３０】
図３に示すように、ランキンサイクル装置４０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４、ポンプ１５及び酸素除去部２５を有する。
また、ランキンサイクル装置４０は、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４、ポンプ１５及び酸素除去部２５を順次接続する冷媒流路１６を有する。
冷媒流路１６を流通する作動流体としての冷媒は、ポンプ１５の作動により、蒸気発生器１１、膨張機１２、凝縮器１３、レシーバタンク１４、ポンプ１５、酸素除去部２５の順に冷媒流路１６を循環して流れる。
【００３１】
本実施形態では、酸素除去部２５と蒸気発生器１１とが一体形成されている。
図４に示すように、蒸気発生器１１は、ケース４１で覆われ、ケース４１内に排気ガスの排気通路と冷媒の冷媒流路とが形成されている。ケース４１の上流側の側面を４１Ａとし、ケース４１の下流側の側面を４１Ｂとすれば、側面４１Ａには、冷媒入口４１Ｃが形成され、側面４１Ｂには、冷媒出口が形成されている。
【００３２】
酸素除去部２５は、円筒状のケース２６と、ケース２６内に配置された酸素除去剤２７とを備えている。
ケース２６は、周壁部２６Ａと、上流側の蓋部２６Ｂと、を有しているが、下流側の蓋部は、蒸気発生器１１のケース４１の側面４１Ａと共用化されている。周壁部２６Ａ、蓋部２６Ｂ及び側面４１Ａの一部で囲まれた内部の空間には、円柱状の酸素除去剤２７が配置されている。このように、酸素除去部２５と蒸気発生器１１とは一体形成されている。
【００３３】
蓋部２６Ｂには冷媒の流入口２６Ｄが形成されると共に、流入口２６Ｄには第５流路２４の配管が接続されている。
側面４１Ａに形成された冷媒入口４１Ｃは、酸素除去部２５における冷媒の流出口を兼ねている。よって、流入口２６Ｄより酸素除去部２５に流入した冷媒は、酸素除去部２５を通過した後、側面４１Ａの冷媒入口４１Ｃを通って酸素除去部２５から流出すると共に、蒸気発生器１１内の冷媒流路に流入する。
本実施形態では、第１の実施形態における酸素除去部２５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒入口とを接続する第６流路３０は設けられていない。それ以外の酸素除去部２５の詳細構成は、第１の実施形態と同様であり説明を省略する。
【００３４】
このように、本実施形態では、酸素除去部２５と蒸気発生器１１とは一体形成されているので、酸素除去部２５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒出口とを連結する冷媒流路を設けなくても良く、冷媒流路を設けることによる配管の接合部などからの酸素の入り込みを抑制することが可能である。なお、本実施形態における一体形成とは、酸素除去部２５と蒸気発生器１１とはそれぞれ独立したユニットとしての機能を維持しつつ、外見上は一体化結合された形態を有していることを指す。
その他の効果については、第１の実施形態における（１）、（２）、（４）と同等である。
【００３５】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○  上記の実施形態では、車両に搭載される車載用ランキンサイクル装置としたが、ランキンサイクル装置は車載用に限定されない。例えば、地上に設置されるランキンサイクル装置であってもよい。
○  上記の実施形態では、内燃機関として単にエンジンと説明したが、内燃機関はガソリンエンジンでもよいし、ディーゼルエンジンであってもよい。
○  上記の第２の実施形態では、酸素除去部２５の下流側の蓋部は、蒸気発生器１１のケース４１の側面４１Ａと共用化されており、酸素除去部２５と蒸気発生器１１とは一体形成されているとして説明したが、酸素除去部２５の下流側の蓋部が蒸気発生器１１の側面４１Ａに近接して配置され、酸素除去部２５と蒸気発生器１１とが、外見上は一体化結合されていても良い。この場合には、酸素除去部２５の冷媒出口と蒸気発生器１１の冷媒出口とを連結する冷媒流路を短く設定できる。
○  第１及び第２の実施形態では、冷媒流路１６内にレシーバタンク１４を設けるとして説明したが、レシーバタンク１４を設けなくても良く、凝縮器１３とポンプ１５とが直接接続されていても良い。
○  上記の実施形態では、負荷の例として発電機を挙げたが、負荷はエンジンであってもよく、膨張機から出力される回転力を利用できる構成であれば、特に限定されない。
○  上記の実施形態では、スクロール式膨張機としたが、膨張機はスクロール式に限定されず形式は自由であり、例えば、ベーン式の膨張機やタービン式の膨張機であってもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０、４０  ランキンサイクル装置
１１  蒸気発生器
１２  膨張機
１３  凝縮器
１４  レシーバタンク
１５  ポンプ
１６  冷媒流路
１７  エンジン
１８  排気通路
１９  第１流路
２１  第２流路
２２  第３流路
２３  第４流路
２４  第５流路
２５  酸素除去部
２６  ケース
２７  酸素除去剤
３０  第６流路
４１  ケース（蒸気発生器）
【図１】
2014025417.tif 000003
【図２】
2014025417.tif 000004
【図３】
2014025417.tif 000005
【図４】
2014025417.tif 000006