(57)【要約】【課題】タービンシャフトとタービンシャフト支持部との間の摺動部における蒸気の凝縮を抑えるランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】ランキンサイクルシステムは、冷媒を沸騰させて蒸気を発生させるエンジン１と、エンジン１により発生した蒸気によってタービンホイール１０ｂを介して回転するタービンシャフト１０ｃと、タービンシャフトを支持するタービンシャフト支持部３０と、タービンシャフト１０ｃとタービンシャフト支持部３０との間の摺動部３０ａに蒸気の凝縮が発生すると判定した場合に、発生すると判定した場合の温度からタービンシャフト１０ｃとタービンシャフト支持部３０の少なくとも１つの温度を高めるＥＣＵ１９と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を沸騰させて蒸気を発生させる蒸気発生手段と、
前記蒸気発生手段により発生した蒸気によってタービンホイールを介して回転するタービンシャフトと、
前記タービンシャフトを支持する支持手段と、
前記タービンシャフトと前記支持手段との間の摺動部に蒸気の凝縮が発生すると判定した場合に、発生すると判定した場合の温度から前記タービンシャフトと前記支持手段の少なくとも１つの温度を高める温度制御手段と、
を備えるランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記温度制御手段は、前記支持手段を冷却する冷媒の流量を制御可能なバルブを制御することで前記温度を高め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システム。
【請求項３】
前記温度制御手段は、前記摺動部近傍における前記支持手段の温度に基づき前記温度を高めることを特徴とする請求項１又は２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記蒸気の流量を制御可能なバルブを制御する蒸気量制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のランキンサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの稼動に伴って発生する廃熱を回収するランキンサイクルシステムが知られている。例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって蒸気化した冷媒に基づいてタービンを駆動し、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するランキンサイクルシステムがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２９８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したタービンは、タービンケース、タービンホイール及びタービンシャフトを備えている。タービンケースは、タービンシャフトの一部とタービンホイールを囲っている。タービンシャフトの一部側の一端は、タービンホイールの回転軸に接続されている。タービンシャフトの残部は、タービンケースに設けられた貫通口からタービンケースの外部に突き出ている。タービンシャフトの残部は、タービンシャフト支持部によって支持されている。
【０００５】
タービンケースの内部に蒸気が流入すると、タービンシャフトを中心軸にタービンホイールが回転する。ところが、タービンケースの内部に蒸気が流入していくと、上述した貫通口とタービンシャフトの間に存在する隙間から蒸気はタービンシャフト支持部の方向に流出する。タービンシャフト支持部付近の温度が蒸気を凝縮させる程度に低温であると、タービンシャフトとタービンシャフト支持部との間に形成される摺動部で蒸気は凝縮する。すなわち、摺動部に凝縮水が発生する。凝縮水は、摺動部の摩擦増加や腐食を起こす原因となる。
【０００６】
本発明は、タービンシャフトとタービンシャフト支持部との間の摺動部における蒸気の凝縮を抑えるランキンサイクルシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、冷媒を沸騰させて蒸気を発生させる蒸気発生手段と、前記蒸気発生手段により発生した蒸気によってタービンホイールを介して回転するタービンシャフトと、前記タービンシャフトを支持する支持手段と、前記タービンシャフトと前記支持手段との間の摺動部に蒸気の凝縮が発生すると判定した場合に、発生すると判定した場合の温度から前記タービンシャフトと前記支持手段の少なくとも１つの温度を高める温度制御手段と、を備える。
この構成によれば、タービンシャフトと支持手段との間の摺動部に蒸気の凝縮が発生すると判定した場合に、発生すると判定した場合の温度からタービンシャフトと支持手段の少なくとも１つの温度が高まるため、摺動部における蒸気の凝縮が抑えられる。
【０００８】
上記ランキンサイクルシステムは、前記温度制御手段が、前記支持手段を冷却する冷媒の流量を制御可能なバルブを制御することで前記温度を高めることを特徴としている。
この構成によれば、冷媒の流量を制御可能なバルブが制御されて、タービンシャフトと支持手段の少なくとも１つの温度が高まる。
【０００９】
上記ランキンサイクルシステムは、前記温度制御手段が、前記摺動部近傍における前記支持手段の温度に基づき前記温度を高めることを特徴としている。
この構成によれば、摺動部近傍から離れた支持手段の温度に基づいて温度を高める場合に比べて、摺動部に蒸気の凝縮が発生すると判定する判定の精度が向上し、その精度の温度に基づいて、タービンシャフトと支持手段の少なくとも１つの温度が高まる。
【００１０】
上記ランキンサイクルシステムは、前記蒸気の流量を制御可能なバルブを制御する蒸気量制御手段をさらに備えることを特徴としている。
この構成によれば、凝縮水を発生させる蒸気のタービンホイールへの流量が減量されて、凝縮水の発生が抑えられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、タービンシャフトとタービンシャフト支持部との間の摺動部における蒸気の凝縮を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、ランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、タービン及びその周辺部を示す断面図の一例である。
【図３】図３は、第１実施形態に係るＥＣＵが実行する制御の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、第２実施形態に係るＥＣＵが実行する制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は、ランキンサイクルシステム１００の概略構成図である。
ランキンサイクルシステム１００は、エンジン１を備えている。エンジン１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備えている。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂの内部には、ウォータージャケット（冷媒通路）が形成されている。ウォータージャケット内部の冷媒がエンジン１の廃熱で沸騰することによってエンジン１が冷却する。エンジン１は、冷却の際に蒸気を発生させる。
尚、冷媒としては、水だけでなく、例えば水とＬＬＣ（Long Life Coolant：不凍液）とを混合した混合冷媒がある。混合冷媒の沸騰時には、沸点の低い水が蒸気となる。図１において、混合冷媒は斜線で示され、水は網掛けで示されている。
【００１５】
シリンダヘッド１ｂには、エキゾーストマニホールド（不図示）を介して排気管２が接続されている。シリンダヘッド１ｂには、蒸気通路３の一端が接続されている。蒸気通路３には、混合冷媒が気液混合状態でエンジン１から流入する。
【００１６】
蒸気通路３の途中には、気液分離器４が配設されている。エンジン１から気液混合状態で気液分離器４に流入した混合冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（液化混合冷媒）とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。冷媒循環路５の他端はシリンダブロック１ａに接続されている。冷媒循環路５の途中には、第１ウォーターポンプ６が配設されている。第１ウォーターポンプ６は、エンジン１内に液化冷媒を圧送する。第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。第１ウォーターポンプ６により、液化混合冷媒がエンジン１と気液分離器４との間を循環する。
【００１７】
蒸気通路３の他端には、過熱器８が接続されている。過熱器８には、排気管２が引き込まれている。排気管２の内部には、エンジン１で発生した排気ガスが流通する。排気管２は、過熱器８を貫通する。排気管２の内部を排気ガスが通過する。排気ガスは、気液分離器４を通過した蒸気と熱交換をする。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱器８の上端部には、蒸気排出管３ａが設けられている。蒸気排出管３ａの途中には流量調整バルブ３ｂが設けられている。流量調整バルブ３ｂは、蒸気の流量を調整する。蒸気排出管３ａの先端部には、ノズル９が設けられている。
【００１８】
過熱器８の下流側には、タービン１０が設けられている。タービン１０は、ノズル９から供給された蒸気によって駆動する。駆動力は、エンジン１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機を駆動したりする。このように、廃熱のエネルギーが回収される。
【００１９】
タービン１０の下流側には、排出通路１１が設けられている。排出通路１１の一端は、タービン１０と接続されている。排出通路１１の他端は、コンデンサ１２と接続されている。排出通路１１には、エネルギーが回収された後の蒸気が流通する。排出通路１１を通過した蒸気は、コンデンサ１２に流入する。コンデンサ１２は、蒸気を冷却して凝縮する。この結果、水が生成される。コンデンサ１２は、ファン１３による送風を受けて、効率よく蒸気を冷却、凝縮することができる。コンデンサ１２の下部には凝縮水タンク１４が設置されている。凝縮水タンク１４は、コンデンサ１２において生成された水を貯留する
【００２０】
凝縮水タンク１４の下流側には、冷媒回収路１６が設けられている。冷媒回収路１６は、凝縮水タンク１４内に一旦貯留された水をエンジン１側へ再循環させる。冷媒回収路１６は、冷媒循環路５の第１ウォーターポンプ６の上流側に接続されている。冷媒回収路１６の途中には第２ウォーターポンプ１７が配設されている。第２ウォーターポンプ１７は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォーターポンプ１７が稼動状態となると、凝縮水タンク１４内の水が冷媒循環路５へ供給される。第２ウォーターポンプ１７の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１８が配設されている。以上のように、ランキンサイクルシステム１００は、水が循環する経路を備えている。
【００２１】
ランキンサイクルシステム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit又はEngine Control Unit）１９を備えている。ＥＣＵ１９は、流量調整バルブ３ｂ、後述する蒸気センサ１０ｅ、冷媒調整バルブ３１ａ及び温度センサ３２（図２参照）と接続されている。ＥＣＵ１９は、温度センサ３２によって計測された温度に基づいて、流量調整バルブ３ａ及び冷媒調整バルブ３１ａの動作を制御する。
【００２２】
続いて、上述したタービン１０の詳細について説明する。
【００２３】
図２は、タービン１０及びその周辺部を示す断面図の一例である。
タービン１０は、図２に示すように、タービンケース１０ａ、タービンホイール１０ｂ、タービンシャフト１０ｃ、及び蒸気センサ１０ｅを備えている。
タービンケース１０ａは、タービンシャフト１０ｃの一部とタービンホイール１０ｂを囲っている。タービンシャフト１０ｃの一部側の端部は、タービンホイール１０ｂの回転軸に固定されて接続されている。タービンシャフト１０ｃの残部は、タービンケース１０ａに設けられた貫通口からタービンケース１０ａの外部に突き出ている。タービンシャフト１０ｃの残部側の端部は、プーリー、ベルト、電磁クラッチなどを介してエンジン１が備えるクランクシャフトに接続されている。
【００２４】
タービンシャフト１０ｃの残部は、タービンシャフト支持部３０によって支持されている。タービンシャフト１０ｃの残部とタービンシャフト支持部３０との間には、摺動部３０ａが形成されている。摺動部３０ａには潤滑油が存在する。潤滑油はタービンシャフト１０ｃの回転を円滑にする。摺動部３０ａにはタービンシャフト１０ｃを受ける軸受けがあることが望ましい。軸受けとしては、例えばすべり軸受けや転がり軸受けがある。
タービンケース１０ａには、蒸気通路３を通じて流入した蒸気がタービンホイール１０ｂに向かって噴射されるようにノズル９が取り付けられている。
蒸気センサ１０ｅは、タービンケース１０ａ内の蒸気の状態を計測する。例えば、蒸気センサ１０ｅが圧力センサであれば、蒸気センサ１０ｅは内部の圧力を計測する。例えば、蒸気センサ１０ｅが温度センサであれば、蒸気センサ１０ｅは内部の温度を計測する。
【００２５】
タービンケース１０ａの内部に蒸気が流入すると、タービンシャフト１０ｃを中心軸にタービンホイール１０ｂが回転する。タービンホイール１０ｂの回転力は、タービンシャフト１０ｃに伝達される。タービンシャフト１０ｃはタービンホイール１０ｂに固定されて接続されているため、タービンシャフト１０ｃもタービンホイール１０ｂに併せて回転する。タービンシャフト１０ｃの回転力は、クランクシャフトの回転を補助したり、発電機を駆動したりする。
【００２６】
タービンシャフト１０ｃの一部には、ゴム製のシール１０ｄが設けられている。シール１０ｄによって貫通口を通じた摺動部３０ａへの蒸気の流入が抑えられている。一方、シール１０ｄは、タービンケース１０ａに接着されていない。蒸気の摺動部３０ａへの流入を完全に抑えるために、タービンケース１０ａにシール１０ｄを接着させると、タービンシャフト１０ｃが回転した場合に、タービンケース１０ａとシール１０ｄとの摩擦が増大するためである。すなわち、タービンシャフト１０ｃの回転力が損なわれるためである。このため、タービンケース１０ａとシール１０ｄとの間には隙間がある。隙間を通じて蒸気は摺動部３０ａに流入する。
【００２７】
次に、タービンシャフト支持部３０について説明する。
【００２８】
タービンシャフト支持部３０は、冷媒通路３１の一部及び温度センサ３２を備えている。
冷媒通路３１の一部は、タービンシャフト１０ｃに沿ってタービンシャフト支持部３０の内部に配設されている。冷媒通路３１の内部には、混合冷媒が流通する。混合冷媒には、ウォータージャケットに流す混合冷媒が利用されてもよいし、ウォータージャケットに流す混合冷媒とは異なる混合冷媒が利用されてもよい。タービンシャフト１０ｃが回転すると摺動部３０ａの温度が上昇する。摺動部３０ａの温度が上昇すると、摺動部３０ａと接するタービンシャフト支持部３０の温度も上昇する。しかしながら、冷媒通路３１の内部を流通する混合冷媒によって摺動部３０ａ及びタービンシャフト支持部３０の温度上昇が抑えられている。温度上昇が抑えられると、タービンシャフト支持部３０の変形や膨張も抑えられる。また、摺動部３０ａに存在する潤滑油の過度な温度上昇も抑えられる。すなわち、温度上昇に伴う潤滑油の潤滑不良（摺動不良）を抑えられる。
【００２９】
冷媒通路３１の途中には、冷媒調整バルブ３１ａが設けられている。冷媒調整バルブ３１ａは、冷媒通路３１の内部を流通する混合冷媒の流量を調整する。例えば、冷媒調整バルブ３１ａが絞られれば、混合冷媒の流量が減量する。冷媒調整バルブ３１ａが絞られていた状態から開放されれば、混合冷媒の流量が絞られていた状態と比べて増量する。尚、図２において、冷媒調整バルブ３１ａは、潤滑油の冷却を終えた混合冷媒の流量を制御しているが、潤滑油の冷却を始める前の混合冷媒の流通量を制御するようにしてもよい。
【００３０】
温度センサ３２は、混合冷媒の温度を計測する。温度センサ３２は、摺動部３０ａ近傍におけるタービンシャフト支持部３０の温度を精度良く推定するために、図２に示すように、冷媒通路３１のうちタービンシャフト１０ｃに沿った部分と摺動部３０ａとの間の場所に設置されることが好ましい。しかしながら、混合冷媒の温度が計測できれば、温度センサ３２の設置場所は、図２に示す設置場所に限定されない。例えば、温度センサ３２の設置場所は、エンジン１であってもよい。温度センサ３２によって計測された温度は、予め定められた時間（例えば数秒〜数分）毎にＥＣＵ１９に温度情報として入力される。
【００３１】
次に、ＥＣＵ１９が実行する制御の一例について説明する。
【００３２】
図３は、第１実施形態に係るＥＣＵ１９が実行する制御の一例を示すフローチャートである。
ＥＣＵ１９は、温度情報が入力されると、摺動部３０ａ近傍におけるタービンシャフト支持部３０の温度を冷媒の温度に基づいて推定する（ステップＳ１１）。冷媒の温度は、温度センサ３２によって計測された温度である。尚、温度センサ３２によって計測された温度をそのまま摺動部３０ａ近傍におけるタービンシャフト支持部３０の温度としてもよい。推定の際に、タービンシャフト１０ｃやタービンシャフト支持部３０の熱伝導率が考慮されてもよい。これらは、後述する第２実施形態についても同様である。
ＥＣＵ１９は、次いで、蒸気を凝縮させる温度を蒸気の状態に基づいて推定する（ステップＳ１２）。蒸気の状態は、例えば蒸気センサ１０ｅによって計測された温度や圧力である。後述する第２実施形態についても同様である。尚、ステップＳ１１の処理とステップＳ１２の処理は、逆の順序でもよい。
【００３３】
ＥＣＵ１９は、次いで、推定されたタービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度であるか否か判定する（ステップＳ１３）。すなわち、タービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度であると、摺動部３０ａに流入した蒸気は凝縮し、摺動部３０ａに凝縮水が発生するおそれがある。凝縮水は、摺動部３０ａの摩擦増加、タービンシャフト１０ｃやタービンシャフト支持部３０の腐食を起こす原因となる。後述する第２実施形態についても同様である。したがって、ＥＣＵ１９は、まず、推定されたタービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度であるか否か判定する。
【００３４】
ＥＣＵ１９は、推定されたタービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度でないと判定した場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、予め定められた時間を経過して入力された温度情報に基づいて、再度、推定されたタービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度であるか否か判定する。すなわち、ＥＣＵ１９は、推定されたタービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度であると判定するまで、ステップＳ１１，Ｓ１２及びＳ１３の処理を繰り返す。一方、ＥＣＵ１９は、推定されたタービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度であると判定した場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、冷媒調整バルブ３１ａを絞る（ステップＳ１４）。ＥＣＵ１９が冷媒調整バルブ３１ａを絞ることによって、冷媒通路３１の内部を流通する混合冷媒の流通速度が絞る前に比べて遅くなる。この結果、タービンシャフト１０ｃ、タービンシャフト支持部３０及び摺動部３０ａの冷却効率が下がる。冷却効率が下がると、タービンシャフト１０ｃやタービンシャフト支持部３０の温度が蒸気を凝縮させる温度から上昇し、冷媒調整バルブ３１ａを絞る前に比べて高温になる。このため、摺動部３０ａにおける蒸気の凝縮が抑えられ、凝縮水の発生が抑えられる。したがって、摺動部３０ａの摩擦増加や腐食が避けられる。
尚、タービンシャフト支持部３０の温度より冷媒の温度が高い場合には、絞られている状態の冷媒調整バルブ３１ａを開放してもよい。冷媒の流量を増加させて、摺動部３０ａ近傍におけるタービンシャフト支持部３０の温度上昇を促進させ、凝縮の発生が抑えられる。
【００３５】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係るＥＣＵ１９が実行する制御の一例を示すフローチャートである。尚、後述するステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３及びＳ２４の処理は、第１実施形態で説明したステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３及びＳ１４の処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。第２実施形態は、後述するステップＳ２５の処理を含む点で第１実施形態と相違する。
【００３６】
ＥＣＵ１９は、温度情報が入力されると、摺動部３０ａ近傍におけるタービンシャフト支持部３０の温度を冷媒の温度に基づいて推定する（ステップＳ２１）。ＥＣＵ１９は、次いで、蒸気を凝縮させる温度を蒸気の状態に基づいて推定する（ステップＳ２２）。ＥＣＵ１９は、次いで、推定されたシャフト周辺部の温度が蒸気を凝縮させる温度であるか否か判定する（ステップＳ２３）。ＥＣＵ１９は、推定されたシャフト周辺部の温度が蒸気を凝縮させる温度でないと判定した場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、予め定められた時間を経過して入力された温度情報に基づいて、再度、推定されたシャフト周辺部の温度が蒸気を凝縮させる温度であるか否か判定する。一方、ＥＣＵ１９は、推定されたシャフト周辺部の温度が蒸気を凝縮させる温度であると判定した場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、冷媒調整バルブ３１ａを絞る（ステップＳ２４）。
【００３７】
ＥＣＵ１９は、ステップＳ２４の処理を終了すると、流量調整バルブ３ｂを絞る（ステップＳ２５）。ＥＣＵ１９が流量調整バルブ３ｂを絞ることによって、ノズル９を通じてタービン１０に供給される蒸気の流量が絞る前と比較して減る。タービン１０に供給される蒸気の流量が減ると、隙間を通じた摺動部３０ａへの蒸気の流入も減少する。また、摺動部３０ａへわずかに流入してしまう蒸気の量も流量調整バルブ３ｂを絞る前と比べて少なく、冷媒調整バルブ３１ａを絞っただけでは抑えきれなかった凝縮水の発生も抑えられる。したがって、第１実施形態と比較して摺動部３０ａの摩擦増加や腐食がより一層避けられる。
【００３８】
尚、発電機の駆動やクランクシャフトの回転補助が不要なことによってタービンホイール１０ｂを回転させる必要がない場合や摺動部３０ａにおける大量の結露が避けられない場合には、ＥＣＵ１９は流量調整バルブ３ｂを閉じるように制御してもよい。蒸気の摺動部３０ａへの流入が中止され、凝縮水の発生が止められる。
【００３９】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００４０】
例えば、上述した第１実施形態及び第２実施形態では、摺動部３０ａ近傍におけるタービンシャフト支持部３０の温度を制御する手段として、冷媒調整バルブ３１ａを利用したが、例えば、冷媒調整バルブ３１ａに代えて加熱ヒータをタービンシャフト支持部３０に設けてもよい。摺動部３０ａ近傍におけるタービンシャフト支持部３０の温度を高温にしたい場合には、ＥＣＵ１９によって加熱ヒータの動作を制御すればよい。加熱ヒータの熱は、タービンシャフト支持部３０の温度を高めるだけでなく、潤滑油や軸受けを通じてタービンシャフト１０ｃにも伝わり、タービンシャフト１０ｃの温度も高める。
【符号の説明】
【００４１】
１  エンジン（蒸気発生手段）
３  蒸気通路
３ａ  蒸気排出管
３ｂ  流量調整バルブ
１０  タービン
１０ａ  タービンケース
１０ｂ  タービンホイール
１０ｃ  タービンシャフト
１０ｄ  シール
１０ｅ  蒸気センサ
１９  ＥＣＵ（温度制御手段、蒸気量制御手段）
３０  タービンシャフト支持部（支持手段）
３０ａ  摺動部
３１  冷媒通路
３１ａ  冷媒調整バルブ
３２  温度センサ
１００  ランキンサイクルシステム
【図１】
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【図２】
2014101781.tif 000004
【図３】
2014101781.tif 000005
【図４】
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