(57)【要約】      （修正有）【課題】ランキンサイクルおけるランキン効率を向上し、効率的な動力の取り出しが可能な熱機関を低コストで提供する。【解決手段】冷媒を加圧する冷媒ポンプと、加圧された冷媒を加熱する第１冷媒加熱器と、加熱された冷媒を膨張させる冷媒膨張器と、膨張された冷媒から放熱させる冷媒放熱器とを備えた冷媒回路を有し、冷媒回路中に冷媒をランキンサイクルにて循環させるとともに前記冷媒膨張器における冷媒の膨張仕事から動力を取り出し可能な熱機関において、前記冷媒膨張器を第１段目冷媒膨張器と第２段目膨張器との２段階膨張器に構成し、前記第１段目冷媒膨張器と第２段目膨張器との間に第１段目冷媒膨張器により膨張された冷媒を加熱する第２冷媒加熱器を設けるとともに、前記２段階膨張器により膨張された冷媒と前記冷媒ポンプにより加圧された冷媒との間で熱交換させる熱回収器を設けたことを特徴とする熱機関。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を加圧する冷媒ポンプと、加圧された冷媒を加熱する第１冷媒加熱器と、加熱された冷媒を膨張させる冷媒膨張器と、膨張された冷媒から放熱させる冷媒放熱器とを備えた冷媒回路を有し、冷媒回路中に冷媒をランキンサイクルにて循環させるとともに前記冷媒膨張器における冷媒の膨張仕事から動力を取り出し可能な熱機関において、前記冷媒膨張器を第１段目冷媒膨張器と第２段目膨張器との２段階膨張器に構成し、前記第１段目冷媒膨張器と第２段目膨張器との間に第１段目冷媒膨張器により膨張された冷媒を加熱する第２冷媒加熱器を設けるとともに、前記２段階膨張器により膨張された冷媒と前記冷媒ポンプにより加圧された冷媒との間で熱交換させる熱回収器を設けたことを特徴とする熱機関。
【請求項２】
前記２段階膨張器の少なくとも一方が、スクロール型膨張器である請求項１の熱機関。
【請求項３】
前記冷媒がブタン、イソブタン、プロパン、Ｒ−２４５ｃａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−２３６ｅａのいずれか一つまたはこれらの組み合わせからなる請求項1または２の熱機関。
【請求項４】
前記ランキンサイクルを構成する各機器および回路のシール材が樹脂からなる、請求項３熱機関。
【請求項５】
前記第１冷媒加熱器および／または第２冷媒加熱器の熱源が、自然エネルギーおよび／または廃熱である、請求項１ないし４のいずれかに記載の熱機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒がランキンサイクルにて循環され動力を取り出し可能に構成された熱機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ランキンサイクルを用いて動力を取り出すようにした熱機関はよく知られている（たとえば、特許文献１）。このような熱機関は図３に示すように構成されている。図３において、５０は熱機関を示している。熱機関５０は、作動媒体を加圧するポンプ５１と、ポンプ５１により加圧された作動媒体を加熱する加熱器５２と、加熱された作動媒体を膨張させる膨張器５３と、膨張された作動媒体から放熱させる放熱器としての凝縮器５４とを有する循環回路５５を有している。なお、５６はバルブを示している。
【０００３】
膨張器５３には、作動媒体の膨張仕事から動力を取り出す発電機５７が一体に構成されており、発電機５７による発電を介して、動力が電力として取り出されるようになっている。
【０００４】
しかし、上記のような熱機関５０におけるランキン効率は、たとえばイソブタンを作動媒体に使用した場合、実用的条件下でおよそ１７．８％と低く効率的な動力の取り出しがなされていないのが現状である。
【特許文献１】特開２００２−２９５２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、ランキンサイクルおけるランキン効率を向上し、効率的な動力の取り出しが可能な熱機関を低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る熱機関は、冷媒を加圧する冷媒ポンプと、加圧された冷媒を加熱する第１冷媒加熱器と、加熱された冷媒を膨張させる冷媒膨張器と、膨張された冷媒から放熱させる冷媒放熱器とを備えた冷媒回路を有し、冷媒回路中に冷媒をランキンサイクルにて循環させるとともに前記冷媒膨張器における冷媒の膨張仕事から動力を取り出し可能な熱機関において、前記冷媒膨張器を第１段目冷媒膨張器と第２段目膨張器との２段階膨張器に構成し、前記第１段目冷媒膨張器と第２段目膨張器との間に第１段目冷媒膨張器により膨張された冷媒を加熱する第２冷媒加熱器を設けるとともに、前記２段階膨張器により膨張された冷媒と前記冷媒ポンプにより加圧された冷媒との間で熱交換させる熱回収器を設けたことを特徴とするものからなる。このような構成においては、冷媒膨張器を第１段目冷媒膨張器と第２段目膨張器から構成されているので、従来の１段階膨張器に比べ、より大きな動力の取り出しが可能となるので、熱機関の効率を向上できる。また、第２段目膨張器により膨張され膨張仕事をした冷媒の熱は、加圧ポンプから第１冷媒加熱器に送られる冷媒の加熱に有効利用されるので、第１冷媒加熱器における所定の冷媒加熱を効率的に行なうことができ、一層効果的に熱機関の効率を向上できる。
【０００７】
上記第１段目冷媒膨張器、第２段目膨張器は、とくに限定されるものではないが、スクロール型膨張器に構成されることが好ましい。スクロール型膨張器によれば、内部漏れによる損失がすくないため、断熱膨張の効率が高く、効率よく動力の取り出しが可能になる。また、スクロール型膨張器によれば、タービンを用いる場合に比べ騒音の少ない熱機関の構築が可能になる。
【０００８】
上記冷媒はとくに限定されるものではないが、好ましくはブタン、イソブタン、プロパン、Ｒ−２４５ｃａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−２３６ｅａを挙げることができる。前記列挙された冷媒は樹脂との相溶性が小さいので、上記１段目冷媒膨張器、第２段目膨張器等の各機器および回路のシール材には、たとえば樹脂からなるＯリングを用いることも可能となり、膨張器ひいては熱機関全体のコストダウンを達成できる。
【０００９】
上記第１冷媒加熱器および／または第２冷媒加熱器の熱源は、とくに限定されるものではないが、たとえば太陽光、地熱等の自然エネルギー、または各種システム、機器からの放熱（廃熱）を熱源とすることができる。なお、自然エネルギーを熱源とする場合においては、季節、天候等により入熱量が変動するおそれもあるが、本発明によれば第２段目膨張器により膨張され膨張仕事をした冷媒の熱は、加圧ポンプから第１冷媒加熱器に送られる冷媒の加熱に有効利用されるので、少ない入熱量であっても効率よく動力を取り出すことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る熱機関によれば、従来の１段階膨張器に比べ、より大きな動力の取り出しが可能となるので、熱機関の効率を向上できる。また、第２段目膨張器により膨張され膨張仕事をした冷媒の熱は、加圧ポンプから第１冷媒加熱器に送られる冷媒の加熱に有効利用されるので、第１冷媒加熱器における所定の冷媒加熱を効率的に行なうことができ、一層効果的に熱機関の効率を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明における熱機関の望ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るランキンサイクルを用いた熱機関の概略機器系統を示している。図１において、１は熱機関を示している。熱機関１は、冷媒を加圧する冷媒ポンプ２と、加圧された冷媒を加熱する、第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器３と、加熱された冷媒を膨張させる冷媒膨張器４と、膨張された冷媒から放熱させる凝縮器からなる冷媒放熱器５とを備えた冷媒回路６を有している。なお、図１において１０はバルブを示している。前述の冷媒膨張器４は、第１段目冷媒膨張器４ａと第２段目冷媒膨張器４ｂとの２段階膨張器に構成されている。また、第１段目冷媒膨張器４ａと第２段目冷媒膨張器４ｂとの間には、第１段目冷媒膨張器４ａにより膨張された冷媒を加熱する、第２蒸発器からなる第２冷媒加熱器７が設けられている。さらに冷媒回路６には、第２段目冷媒膨張器４ｂにより膨張された冷媒と上記冷媒ポンプ２により加圧された冷媒との間で熱交換させる熱交換器からなる熱回収器８が設けられている。本実施態様では、第１冷媒加熱器３と第２冷媒加熱器７の熱源には太陽熱が用いられている。この冷媒回路６中に、冷媒（たとえば、ブタン、イソブタン、プロパン、Ｒ−２４５ｃａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−２３６ｅａ）がランキンサイクルにて循環され、冷媒膨張器４における冷媒の膨張仕事から動力が取り出し可能となっている。本実施態様では、第１段目冷媒膨張器４ａと第２段目冷媒膨張器４ｂはスクロール型膨張器から構成されている。
【００１２】
動力の取り出しは、本実施態様では、たとえば次のように行われる。第１段目冷媒膨張器４ａは冷媒の膨張仕事から動力を取り出す手段としての発電機９ａと一体的に構成されており、発電機９ａによる発電を介して、動力が電力として取り出されるようになっている。一方、第１段目冷媒膨張器４ｂは冷媒の膨張仕事から動力を取り出す手段としての発電機９ｂと一体的に構成されており、発電機９ｂによる発電を介して、動力が電力として取り出されるようになっている。本実施態様では、冷媒として、たとえばブタン、イソブタン、プロパン、Ｒ−２４５ｃａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−２３６ｅａが使用されるが、これら列記された冷媒は樹脂との相溶性が小さいため、冷媒膨張器４等のシール材には樹脂からなるＯリングを使用することが可能である。
【００１３】
上記のように構成された冷媒回路６を備えた熱機関１が、図２に示すようなランキンサイクルにて運転される。ここでまず、図４を参照して、従来例、つまり、従来の蒸気圧縮型冷凍機を、蒸発器、凝縮器とも２相域で利用して運転する場合のランキンサイクルについて説明する。図４は、冷媒としてプロパンやイソブタン等のハイドロカーボン系冷媒を使用した場合のランキンサイクルにおける圧力−エンタルピー線図を示している。この場合、加圧、加熱された冷媒の、等エントロピー線に沿う膨張仕事（図におけるＤ1点からＤ2点への移行）により、理論的に動力が取り出し可能となるが、このときの熱機関としてのランキン効率は、
ランキン効率＝（（ｈ2−ｈ1）／（ｈ2−ｈ3））×１００
で求められ、実用的条件下でランキン効率は約１７．８％となり、前述したように、低い。また、この場合、膨張器の膨張倍率は８．６倍と高い。
【００１４】
しかしながら、本発明の一実施態様に係る熱機関１の場合には、図２に示すようなランキンサイクルにおける圧力−エンタルピー線図となる。図２においては、各点は大略次のような点を示している。すなわち、Ａ点は、凝縮器からなる冷媒放熱器５の出口でかつ冷媒ポンプ２の入口の状態を示しており、Ｂ点は、冷媒ポンプ２の出口でかつ熱回収器８の入口の状態を示している。Ｃ点は、熱回収器８の出口でかつ第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器３の入口の状態を示しており、Ｄ3点は、第１冷媒加熱器３の出口でかつ第１段目冷媒膨張器４ａの入口の状態を示している。Ｄ4点は、第１段目冷媒膨張器４ａの出口でかつ第２蒸発器からなる第２冷媒加熱器７の入口の状態を示しており、Ｄ5点は、第２冷媒加熱器７の出口でかつ第２段目冷媒膨張器４ｂの入口の状態を示している。Ｄ6点は、第２段目冷媒膨張器４ｂの出口でかつ熱回収器８の入口の状態を示している。ｈ2点は、熱回収器８の出口でかつ冷媒放熱器５の入口の状態を示している。また、Ｈ１、Ｈ２（熱損失無しとした理想状態の場合、Ｈ１＝Ｈ２）は、熱回収器８で授受される熱量に対応している。
【００１５】
図２に示すランキンサイクルでは、第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器３内にて加熱された冷媒が、Ｄ3点から、Ｄ4点に至る過程で第１段目冷媒膨張器４ａを通して膨張仕事をし、第２冷媒加熱器７で加熱された後、Ｄ5点からＤ6点に至る過程で第２段目冷媒膨張器４ｂを通して膨張仕事をし、これら両膨張仕事が各発電機９ａ、９ｂを介して、動力が電力として取り出される。
【００１６】
図２に示した例では、熱機関１のランキン効率は、次式によって求められる。
ランキン効率＝（（ｈ4−ｈ3）＋（ｈ6−ｈ5））／（（ｈ4−ｈ1）＋（ｈ6−ｈ3）−（ｈ5−ｈ2））×１００
その結果、実用的条件下でランキン効率は約２０．８％となり、図４に示した従来例に比べ、効率が大幅に向上される。このように熱機関１の効率が大幅に向上されると、従来と同等の入熱量の場合より大きな動力を取り出すことが可能になり、また、従来よりも少ない入熱量で所望の動力を取り出すことが可能になる。したがって、入熱量の低下による効果、たとえば、太陽熱を利用する場合には、集熱器の面積の低減、それによる装置全体の小型化を期待できることになる。また、動力取り出し側においても、動力取り出し装置の小型化をはかることが期待できる。また、この場合、第１段目冷媒膨張器４ａの膨張倍率は３．１倍、第２段目冷媒膨張器４ｂの膨張倍率は２．７倍である。
【００１７】
また、上記第１冷媒加熱器および第２冷媒加熱器の熱源を太陽熱とする場合においては、季節、天候等により入熱量が変動するおそれもあるが、本発明によれば第２段目膨張器により膨張され膨張仕事をした冷媒の熱は、加圧ポンプから第１冷媒加熱器に送られる冷媒の加熱に有効利用されるので、少ない入熱量であっても効率よく動力を取り出すことができる。
【００１８】
さらに、膨張器の製作上、高膨張率のものほど製作が困難になるが、従来の１段階膨張器（図３の膨張器５３）の膨張倍率は８．６倍と高い。これに対し、本実施態様における、第１段目冷媒膨張器４ａの膨張倍率は３．１倍、第２段目冷媒膨張器４ｂの膨張倍率は２．７倍と低い。したがって、本発明は膨張器の製作の観点からも極めて有利である。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、冷媒がランキンサイクルにて循環され動力を取り出し可能に構成された熱機関に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施態様に係る熱機関の概略機器系統図である。
【図２】図１の熱機関におけるランキンサイクルを表す、圧力−エンタルピー線図である。
【図３】従来の熱機関の概略機器系統図である。
【図４】比較のための、従来の蒸気圧縮型冷凍機で使われている冷媒の、蒸発器、凝縮器とも２相域で利用するランキンサイクルの場合の圧力−エンタルピー線図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  熱機関
２  冷媒ポンプ
３  第１蒸発器からなる第１冷媒加熱器
４  冷媒膨張器
４ａ  第１段目冷媒膨張器
４ｂ  第２段目冷媒膨張器
５  凝縮器からなる冷媒放熱器
６  冷媒回路
７  第２蒸発器からなる第２冷媒加熱器
８  熱回収器
９ａ、９ｂ  発電機
１０  バルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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