(57)【要約】  本発明はランキンサイクルで動作する閉じた回路（１０）に関し、この回路は、液体の状態の作動流体用の少なくとも１つの圧縮および循環ポンプ（１２）と、流体を気化するために高温熱源（２３）が通過する熱交換器（１８）と、流体を蒸気の状態になるように膨張させる手段（２６）と、作動流体を凝縮するために低温熱源が通過する冷却交換器（３４）と、作動流体のリザーバ（４０）と、ポンプと熱交換器と膨張手段と凝縮器とリザーバとの間で流体を循環させる作動流体循環パイプ（４４、４６、４８、５０、５２、５４）と、を備えている。本発明によると、回路は、熱交換器（１８）に含まれる流体を排出する装置を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の状態の作動流体用の入口（１４）および出口（１６）を有する少なくとも１つの圧縮および循環ポンプ（１２）と、熱交換器（１８）であって、該熱交換器（１８）の入口（２０）と出口（２２）との間を流通する前記流体を気化するために高温熱源（２３）が通過する熱交換器（１８）と、前記流体を蒸気の状態になるように膨張させる手段（２６）と、冷却交換器（３４）であって、該冷却交換器の入口（３６）と出口（３８）との間を流通する作動流体を凝縮するために低温熱源が通過する冷却交換器（３４）と、作動流体のリザーバ（４０）と、ポンプと熱交換器と膨張手段と凝縮器とリザーバとの間で前記流体を循環させる作動流体循環パイプ（４４、４６、４８、５０、５２、５４）と、を備えている、ランキンサイクルで動作する閉じた回路（１０）において、熱交換器（１８）に含まれる流体を排出する装置を備えていることを特徴とする、回路（１０）。
【請求項２】
排出装置は、回路の２つの接続点（６０、６２）に接続され、方向制御手段（６６、６８）を備えている排出パイプ（５８）を有することを特徴とする、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
方向制御手段は、２つの接続点（６０、６２）の間のパイプ（５８）に配置された二方向弁（６６）であることを特徴とする、請求項２に記載の回路。
【請求項４】
方向制御手段は、回路への接続点のうちの一方（６０）に配置された三方向弁（６６）であることを特徴とする、請求項２に記載の回路。
【請求項５】
方向制御手段は、電気的に操作される弁を備えていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の回路。
【請求項６】
接続点のうちの一方（６０）は、ポンプ（１２）と熱交換器（１８）との間に位置し、接続点のうちの他方（６２）は、冷却交換器（３４）とポンプ（１２）との間に位置していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の回路。
【請求項７】
熱交換器（１８）を通過する高温熱源（２３）用のバイパス装置（７０）を備えていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の回路。
【請求項８】
液体の状態の作動流体用の入口（１４）および出口（１６）を有する少なくとも１つの圧縮および循環ポンプ（１２）と、熱交換器（１８）であって、該熱交換器の入口（２０）と出口（２２）との間を流通する前記流体を気化するために高温熱源（２３）が通過する熱交換器（１８）と、流体を蒸気の状態になるように膨張させる手段（２６）と、冷却交換器（３４）であって、該冷却交換器の入口（３６）と出口（３８）との間を流通する作動流体を凝縮するために低温熱源が通過する冷却交換器（３４）と、作動流体のリザーバ（４０）と、ポンプと熱交換器と膨張手段と凝縮器とリザーバとの間で前記流体を循環させる作動流体循環パイプ（４４、４６、４８、５０、５２、５４）と、を備えている、ランキンサイクルで動作する閉じた回路（１０）を制御する方法であって、回路が緊急停止した場合に、熱交換器（１８）に含まれる流体が、回路の、ポンプの上流側とリザーバとの間の部分（５４）に移動されることを特徴とする、方法。
【請求項９】
熱交換器（１８）に含まれる流体は、リザーバに向かって移動されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
熱交換器（１８）に含まれる流体は、排出パイプ（５８）を介して、ポンプの上流側とリザーバとを接続するパイプ（５４）に向かって移動されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
排出パイプ（５８）内の作動流体の循環は、方向制御手段（６６、６８）によって制御されることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
高温熱源（２３）の循環は、高温熱源（２３）の流れが熱交換器（１８）を迂回するように迂回の対象になっていることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路を停止させる緊急停止装置を有する、ランキンサイクルで動作する閉じた回路と、このような装置を有する回路を使用する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
広く知られているように、ランキンサイクルは、外部の熱源からの熱を、作動流体を含む閉じた回路に送ることによる熱力学サイクルである。サイクルの進行中に、作動流体の相（液体／蒸気）が変化する。
【０００３】
一般的にこのタイプのサイクルは、液体状態で使用される作動流体が等エントロピーの圧縮を受けるステップと、次にこの圧縮された液体が熱源と接触して加熱されて気化するステップとに分けることができる。
【０００４】
次にこの蒸気は別のステップで膨張器の中で膨張し、その後、最終ステップにおいて、この膨張した蒸気は低温熱源と接触して冷却されて凝縮する。
【０００５】
これらの様々なステップを実行するために、回路は、液体状態の流体を循環させて圧縮する圧縮器である少なくとも１つのポンプと、圧縮された流体を少なくとも部分的に気化するために高温流体が通過する蒸発器と、蒸気のエネルギーを機械エネルギーまたは電気エネルギーなどの他のエネルギーの形態に変換する、蒸気を膨張させるタービンなどの膨張器と、凝縮器であって、蒸気を液体状態の流体に変換するために、蒸気に含まれる熱を、一般的に外気あるいは凝縮器を通過する冷却水の回路である低温熱源に放出する凝縮器と、を備えている。
【０００６】
このタイプの回路において、使用される流体は一般に水であるが、例えば有機流体または有機流体の混合物など、他のタイプの流体も使用できる。この場合、サイクルは、有機ランキンサイクル、すなわちＯＲＣと称される。
【０００７】
例として、作動流体は、ブタン、エタノール、ヒドロフルオロカーボン、アンモニア、二酸化炭素などであってよい。
【０００８】
公知のように、圧縮された流体を気化させる高温流体は、（燃焼エンジン、工業プロセス、溶鉱炉などからの）冷却液、ならびに燃焼の結果生じる高温ガス（ボイラーからの工業プロセスの煙道ガス、燃焼エンジンまたはタービンなどからの排気ガス）および太陽熱吸収器から得られる熱の流れの結果生じる高温ガスなど、様々な高温熱源から生じ得る。
【０００９】
より詳細には、特に自動車に使用される内燃エンジンの排気ガスによって伝えられた熱エネルギーを、蒸発器を通過する流体を加熱および気化させる高温熱源として使用することが、特にフランス特許第2884555号公報から知られた方法である。
【００１０】
それにより、排出によって損失したエネルギーのかなりの量を取り戻すこと、およびそれをランキンサイクル回路に通して自動車に使用され得るエネルギーに変換することによって、エンジンのエネルギー効率を向上させることが可能である。
【００１１】
したがってランキンサイクル回路は、エンジン効率を向上させることが可能である。
【００１２】
このタイプの回路において、閉じた回路の外部、または閉じた回路の内部のいずれかで問題が生じた場合に、それ以上エネルギーを生成するのを防ぐために、回路を緊急停止する必要があることがわかる。
【００１３】
そうするために、バイパス弁を備えた１つまたは２つのバイパスを使用することが通常の手法であり、２つのバイパスのうちの一方は、高温流体の蒸発器への入口を迂回させることを可能にし、他方は、膨張器を通過する気化した作動流体の通路を迂回させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】フランス特許第2884555号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
蒸発器が単純に迂回される構成の使用は欠点を有する。
【００１６】
具体的には、回路の熱慣性、特に蒸発器の熱慣性を考慮すると、この蒸発器の少なくとも一部、またはさらに回路内における液体状態の作動流体の存在により、緊急停止が作動した後のさらなる数十秒の間、蒸気が生成される。
【００１７】
さらに、膨張器の上流において、加圧された作動流体の蒸気の存在が持続する。
【００１８】
したがって、膨張器の出力側のエネルギーの生成を迅速（数秒以内）に停止することはできない。
【００１９】
そこで、第２の弁が、膨張器の上流に存在する作動流体の蒸気を、膨張器の下流側に直接向かうように迂回させる。従って膨張器が迂回されるため、回路はもはやエネルギーを生成できず、エネルギー生成は迅速に停止する。
【００２０】
しかし、この第２の弁は、作動流体が直ちに圧力を受けて高温の気体の形態となる、回路の分岐部に配置されている。したがって第２の弁は、温度と圧力に対して耐性のある材料で、かつ、第２の弁が作動するときに、特に蒸気の流れの通過に好適な孔の断面のサイズを有するように選択する必要がある。
【００２１】
本発明は、回路の緊急停止の場合に、気化した作動流体が膨張器の入口へ流入するのを防止できる装置を有する閉じた回路を提案することによって、上記の欠点を克服することを提案する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この目的のために、本発明は、ランキンサイクルで動作する閉じた回路に関し、前記回路は、液体の状態の作動流体用の入口および出口を有する少なくとも１つの圧縮および循環ポンプと、熱交換器であって、該熱交換器の入口と出口との間を流通する前記流体を気化するために高温熱源が通過する熱交換器と、流体を蒸気の状態になるように膨張させる手段と、冷却交換器であって、該冷却交換器の入口と出口との間を流通する作動流体を凝縮するために低温熱源が通過する冷却交換器と、作動流体のリザーバと、ポンプと熱交換器と膨張手段と凝縮器とリザーバとの間で前記流体を循環させる作動流体循環パイプと、を備えており、回路は、熱交換器に含まれる流体を排出する装置を備えていることを特徴とする。
【００２３】
排出装置は、回路の２つの接続点に接続され、方向制御手段を備えている排出パイプを有していてもよい。
【００２４】
方向制御手段は、２つの接続点の間のパイプに配置された二方向弁であってもよい。
【００２５】
方向制御手段は、回路への接続点のうちの一方に配置された三方向弁であってもよい。
【００２６】
方向制御手段は、電気的に操作される弁であってもよい。
【００２７】
接続点のうちの一方は、ポンプと熱交換器との間に位置していてもよく、接続点のうちの他方は、冷却交換器とポンプとの間に位置していてもよい。
【００２８】
回路は、熱交換器を通過する高温熱源用のバイパス装置を備えていてもよい。
【００２９】
本発明は、ランキンサイクルで動作する閉じた回路を制御する方法にも関し、前記回路は、液体の状態の作動流体用の入口および出口を有する少なくとも１つの圧縮および循環ポンプと、熱交換器であって、該熱交換器の入口と出口との間を流通する前記流体を気化するために高温熱源が通過する熱交換器と、流体を蒸気の状態になるように膨張させる手段と、冷却交換器であって、該冷却交換器の入口と出口との間を流通する作動流体を凝縮するために低温熱源が通過する冷却交換器と、作動流体のリザーバと、ポンプと熱交換器と膨張手段と凝縮器とリザーバとの間で前記流体を循環させる作動流体循環パイプと、を備えており、回路が緊急停止した場合に、熱交換器に含まれる流体が、回路の、ポンプの上流側とリザーバとの間の部分に移動されることを特徴とする。
【００３０】
熱交換器に含まれる流体は、リザーバに向かって移動され得る。
【００３１】
熱交換器に含まれる流体は、ポンプの上流側とリザーバとを接続するパイプに向かって移動され得る。
【００３２】
排出パイプ内の作動流体の循環は、方向制御手段によって制御され得る。
【００３３】
高温熱源の循環は、高温熱源の流れが熱交換器を迂回するように迂回の対象になり得る。
【００３４】
本発明の他の特徴および利点は、限定するものでは無く、例としてのみ提示される以下の説明を読むことと、説明に添付された図面とによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る、ランキンサイクルで動作する閉じた回路を示す図である。
【図２】図１に示すランキンサイクルで動作する閉じた回路の代替形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１および図２は、有利にはＯＲＣ（有機ランキンサイクル）タイプであって、有機作動流体、すなわちブタン、エタノール、ヒドロフルオロカーボンなどの有機流体の混合物を使用する、ランキンサイクルの閉じた回路１０の一実施形態を示している。
【００３７】
当然ながら、閉じた回路は、アンモニア、水、二酸化炭素などの流体にも効果がある。
【００３８】
この回路は、以降の説明では循環ポンプと称される、作動流体の圧縮および循環のためのポンプ１２を備えており、このポンプは、液体状態の作動流体の入口１４と、同様に液体状態であるが圧縮されて高圧になった作動流体の出口１６とを有する。有利には、このポンプは、電気モータ（図示せず）などの任意の手段によって回転駆動される。
【００３９】
この回路は、蒸発器と称される熱交換器１８も備え、これを通して圧縮された作動流体は、この液体用の入口２０と、この蒸発器から作動流体が圧縮された蒸気の状態で再び現われる出口２２との間を通過する。この蒸発器は、入口２５ａと出口２５ｂとの間のライン２４によって搬送される、液体または気体の状態の高温熱源２３も通過させ、それによって高温熱源の熱を作動流体に放出することができる。
【００４０】
この高温熱源は、例えば内燃エンジンの排気ガスから、内燃エンジンのエンジン冷却液から、工業用炉の冷却流体から、または熱設備もしくはバーナーによって加熱された伝熱流体から生じ得る。
【００４１】
この回路は、圧縮された高圧の蒸気の状態の作動流体を入口２８を介して受け入れる膨張器２６も備えている。この流体は、膨張器２６の出口３０を介して、膨張した低圧の蒸気の状態で再び現われる。
【００４２】
有利には、この膨張器は膨張タービンの形態をとる。その回転子シャフトは、接続シャフト３２を回転させることによって、蒸気の状態の作動流体により回転駆動される。好ましくは、このシャフトは、作動流体から取り戻したエネルギーを、例えば発電機（図示せず）などの任意の変換装置に伝えることを可能にする。
【００４３】
回路は、冷却交換器３４すなわち凝縮器をさらに備えており、凝縮器は、膨張した低圧の蒸気のための入口３６と、この凝縮器を通過した後で液体状態に変換される低圧の作動流体のための出口３８とを有している。
【００４４】
この凝縮器は、膨張した蒸気を冷却して凝縮し、液体に変換するように、一般的には大気の流れまたは冷水の流れである低温熱源が通過する。
【００４５】
当然ながら、別の冷却液または冷気など、他の任意の冷却用低温熱源を使用して蒸気を凝縮させることができる。
【００４６】
この回路は、作動流体を液体状態に保つため、凝縮器と循環ポンプとの間に閉じたリザーバ４０も備えている。
【００４７】
有利には、回路は、ポンプ１２からの出口１６の近傍に位置する逆止弁４２と、リザーバ４０から離れてポンプ１２に入る前に作動流体を濾過するための、カートリッジフィルタなどのフィルタ（図示せず）と、を備えている。
【００４８】
当然ながら、回路の様々な要素が流体循環パイプ４４、４６、４８、５０、５２、５４によって互いに接続されており、ポンプを逆止弁（逆止弁パイプ４４）に、逆止弁を蒸発器（蒸発器パイプ４６）に、蒸発器をタービン（タービンパイプ４８）に、このタービンを凝縮器（凝縮器パイプ５０）に、凝縮器をリザーバ（リザーバパイプ５２）に、リザーバをポンプ（ポンプパイプ５４）に、連続的に接続し、それによって作動流体が、図面中に矢印Ｆで示した時計回り方向に循環する。
【００４９】
この回路は、熱交換器１８に含まれる流体を排出させるための排出装置５６をさらに備え、回路の緊急停止の際に、この交換器に含まれる加圧された液体をリザーバ４０に、または回路のリザーバとポンプの上流側との間の部分に移すことができる。
【００５０】
例として図面に示すように、この排出装置５６は排出パイプ５８を備えている。排出パイプ５８は、（作動流体が矢印Ｆに従って循環する方向を考慮すると）流体が液体状態である、パイプ４６における蒸発器の上流側とポンプの下流側との回路の接続点６０で始まり、流体が同様に液体状態にある、パイプ５２と５４のうちの一方における、ポンプの上流側と凝縮器の下流側との回路の別の接続点６２で終わる。
【００５１】
より具体的には、より良好に図示するように、このパイプは逆止弁４２と蒸発器の入口２０との間の回路上の点６０で始まり、リザーバ４０の出口とポンプ１２の入口１４との間に位置する回路上の点６２で終わる。
【００５２】
図面の例では、方向制御手段６４によって、このパイプを循環する液体状態の作動流体の循環を制御することができる。
【００５３】
この方向制御手段は、図１の場合は二方向弁であり、２つの接続点からいくらかの距離をおいてパイプ５８に配置されている。
【００５４】
図２の例では、方向制御手段６４は、パイプ４６への接続点６０に位置する三方向弁である。
【００５５】
これらの２つのタイプの弁は、電気、空気圧、液圧などの公知の任意の手段で制御することができる。
【００５６】
有利には、これらの弁は電気的に操作される弁、詳細には電気的に操作されるソレノイド弁であってもよい。
【００５７】
したがって、この排出パイプおよびその作動を制御する弁は、適度な温度のみを対象とする。そのため、この弁の材料の選択にはあまり制限はない。
【００５８】
さらに、排出装置５６が、液体状態の作動流体をパイプ４６と６２との間を通過させるように構成されていることで、通常の回路構成よりも小さいサイズの弁を用いることができ、それによって弁のコストおよび大きさを小さくすることができる。
【００５９】
必須ではないが、有利には、蒸発器１８を通過する高温熱源２４用のバイパス装置７０（図面中で点線で例示しているバイパス）を、蒸発器を迂回するために高温熱源の通路に位置させてもよい。例として、この装置は、蒸発器を迂回し、高温熱源の蒸発器への入口２５ａとその出口２５ｂとの間に配置された、パイプライン７２を備えている。このパイプラインは、ライン２４において蒸発器の上流でパイプライン７２との交点に設置された、この例では三方弁である方向制御手段７４を備えており、それによってこのバイパスパイプラインを通る高温熱源の循環を制御することができる。
【００６０】
当然ながら、方向制御手段６４と同様に、この弁は、電気、空気圧、液圧などの公知の任意の手段で制御することができる。
【００６１】
緊急停止処理が行われる際に、通常はあらゆる閉じた回路が有する回路制御ユニットは、ポンプ１２の停止を始める。この緊急停止中に、排出装置５６は、作動流体がパイプ５８内において矢印Ｃで示されている方向に循環するように、方向制御手段６４が開くよう指示することによって作動する。次に蒸発器１８に含まれる流体を、回路のポンプとリザーバとの間に位置している部分（この例では分岐部５４）に向けて排出して、この流体がこのリザーバに導入されるようにすることができる。
【００６２】
さらに、この制御ユニットは、高温熱源が蒸発器を迂回する位置になるよう弁７４に指示することによって、蒸発器のバイパス装置７０を作動させる。
【００６３】
したがって、蒸発器１８内、ならびにポンプ１２（およびその逆止弁４２）の出口１６とタービン２６の入口２８との間のパイプ４６および４８内に存在する作動流体の圧力の影響を受けて、排出装置の弁を開くことによって、蒸発器内に液体の状態で存在する作動流体の大部分が、パイプ５８を通ってリザーバに向けて戻るように流れる。
【００６４】
これは特に、作動流体がポンプの出口側に向かって流通するのを防止する逆止弁が存在することで実現する。
【００６５】
したがって、作動流体の供給の大部分が止められるので、蒸発器内の蒸気生成は迅速に消える。次にタービンは、回路が迅速に停止されることによって、気体状の作動流体の供給、およびエネルギーの生成を止める。
【００６６】
この緊急停止の処理は、回路の不具合（過度の加圧、過度の加熱など）の検知や手動での停止などの様々な手段を介して実行に移すことができることに留意されたい。
【図１】
2019525072.tif 000003
【図２】
2019525072.tif 000004
【国際調査報告】
2019525072.tif 000005
2019525072.tif 000006
2019525072.tif 000007
2019525072.tif 000008