(57)【要約】【課題】エネルギー回収効率をより向上させることができる廃熱回収タービンおよび廃熱回収システムを提供する。【解決手段】廃熱回収システム１は、外気との接触を抑制するように羽根車部１０４を収納する第１収納室１０２と、羽根車部１０４の回転エネルギーを第１収納室１０２の外部に配置される動力回収軸１０９へと伝達する第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８と、を有する膨張器１０を備えることにより、羽根車部１０４をより低圧に保持して、羽根車部１０４の上流側の圧力と下流側の圧力によって規定される圧力比をより大きくすることができる。よって、システムのエネルギー回収効率をより向上させることができる。【選択図】  図２
2011236782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から供給される蒸気によって回転する羽根車部を有し、前記羽根車部の回転エネルギーを回収する廃熱回収タービンであって、
外気との接触を抑制するように前記羽根車部を収納する収納部と、
前記収納部の外部に設置された動力回収軸と、
前記羽根車部の回転エネルギーを、前記動力回収軸へと伝達する動力伝達手段と、
を備えることを特徴とする廃熱回収タービン。
【請求項２】
前記動力伝達手段は、前記羽根車部から延びた駆動軸の端部に形成された第１磁力発生部と、前記動力回収軸の端部に形成され前記第１磁力発生部と対向する第２磁力発生部と、を含み、前記第１磁力発生部および前記第２磁力発生部が発生する磁力によって、前記羽根車部の回転エネルギーを、前記収納部の外部に設置される前記動力回収軸へと伝達することを特徴とする請求項１記載の廃熱回収タービン。
【請求項３】
前記第１磁力発生部および前記第２磁力発生部は、それぞれ回転方向に異なる極性の磁石が交互に配置されたことを特徴とする請求項２記載の廃熱回収タービン。
【請求項４】
前記第１磁力発生部および前記第２磁力発生部の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段を備えることを特徴とする請求項２または３記載の廃熱回収タービン。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の廃熱回収タービンを備える廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱回収タービンおよび廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、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気化した冷媒、すなわち蒸気によって膨張器（例えば、蒸気タービン）を駆動して、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ものがある。このようなランキンサイクルシステムを改良するものとして、例えば特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０３０６０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、廃熱回収タービンのタービン効率は、タービンの羽根車部の上流側の圧力と下流側の圧力によって規定される圧力比が大きいほど向上する、すなわち、羽根車部の圧力がより低圧であるほどタービン効率が向上することが知られている。しかしながら、従来の廃熱回収タービンでは、タービンの羽根車部の回転エネルギーを動力回収部へと伝達するための動力回収軸のシール部等から外気が侵入するために、羽根車部をより低圧に保持することが困難である。そのため、エネルギー回収効率をより向上させることが困難である。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、エネルギー回収効率をより向上させることができる廃熱回収タービンおよび廃熱回収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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の廃熱回収タービンは、外部から供給される蒸気によって回転する羽根車部を有し、前記羽根車部の回転エネルギーを回収する廃熱回収タービンであって、外気との接触を抑制するように前記羽根車部を収納する収納部と、前記収納部の外部に設置された動力回収軸と、前記羽根車部の回転エネルギーを、前記動力回収軸へと伝達する動力伝達手段と、を備える。
上記の構成により、廃熱回収タービンの羽根車部が外気と接触することを抑制し、羽根車部をより低圧に保持することができる。よって、エネルギー回収効率をより向上させることができる。
【０００７】
特に、本発明の廃熱回収タービンは、前記動力伝達手段が、前記羽根車部から延びた駆動軸の端部に形成された第１磁力発生部と、前記動力回収軸の端部に形成され前記第１磁力発生部と対向する第２磁力発生部と、を含み、前記第１磁力発生部および前記第２磁力発生部が発生する磁力によって、前記羽根車部の回転エネルギーを、前記収納部の外部に設置される前記動力回収軸へと伝達する構成とすることができる。
上記の構成により、第１磁力発生部および第２磁力発生部が発生する磁力によって、収納部に収納される羽根車部の回転エネルギーを収納部の外部に設置される動力回収軸へと適切に伝達することができる。よって、羽根車部をより低圧に保持して、エネルギー回収効率をより向上させることができる。
【０００８】
また、本発明の廃熱回収タービンは、前記第１磁力発生部および前記第２磁力発生部が、それぞれ回転方向に異なる極性の磁石が交互に配置された構成とすることができる。
上記の構成により、回転方向に配置された複数の磁石が発生する磁力によって、収納部に収納される羽根車部の回転エネルギーを収納部の外部に設置される動力回収軸へと高効率で伝達することができる。よって、羽根車部をより低圧に保持して、エネルギー回収効率をより向上させることができる。
【０００９】
そして、本発明の廃熱回収タービンは、前記第１磁力発生部および前記第２磁力発生部の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段を備える構成とすることができる。
上記の構成により、第１磁力発生部および第２磁力発生部の温度上昇に基づく発生磁力の低下を抑制し、収納部に収納される羽根車部の回転エネルギーを収納部の外部に設置される動力回収軸へと適切に伝達することができる。よって、羽根車部をより低圧に保持して、エネルギー回収効率をより向上させることができる。
【００１０】
更に、本発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の廃熱回収タービンを備える廃熱回収システムである。
上記の構成により、廃熱回収システムのエネルギー回収効率をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の廃熱回収タービンおよび廃熱回収システムによれば、エネルギー回収効率をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の廃熱回収システムの一構成例を示した図である。
【図２】実施例の廃熱回収タービンの一構成例を示した図である。
【図３】第１磁力発生部の一構成例を示している。
【図４】実施例の廃熱回収タービンの一構成例を示した図である。
【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を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の廃熱回収タービンを備えた廃熱回収システム１の一構成例を示した図である。
【００１５】
図１に示す廃熱回収システム１は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン５０を備えている。エンジン５０は、シリンダブロック５１とシリンダヘッド５２を備える。シリンダブロック５１及びシリンダヘッド５２の内部にはウォータジャケット５１１、５２１が形成されており、このウォータジャケット内を流通する冷媒が沸騰することによってエンジン５０の冷却が行われる。このときエンジン５０は、蒸気を発生させる。エンジン５０は、更に、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン５０の外部へと導く排気通路１８を備える。エンジン５０のシリンダヘッド５２には、ウォータジャケット５１１、５２１と連通する蒸気通路３の一端が接続されている。
【００１６】
蒸気通路３には、気液分離器４が配設されている。気液分離器４は、ウォータジャケット５１１、５２１から供給された冷媒を、気化冷媒である蒸気と液化冷媒とに分離する。すなわち、エンジン５０側から気液混合状態で気液分離器４に流入した冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（液化冷媒）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。この冷媒循環路５の他端はシリンダブロック５１内のウォータジャケット５１１に接続されている。また、冷媒循環路５には、エンジン５０内に液化冷媒を圧送する第１ウォータポンプ６が配設されている。この第１ウォータポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン５０が備えるクランクシャフトを駆動源としている。この第１ウォータポンプ６により、液化冷媒が、エンジン５０と気液分離器４との間を循環する。
【００１７】
蒸気通路３には、過熱器８が設けられている。過熱器８には、主として気液分離器４において分離された蒸気が供給される。過熱器８は、下側に蒸発部８ａを備え、その上側に過熱部８ｂを備えている。過熱器８には、排気通路１８が引き込まれている。排気通路１８の内部には、エンジン５０で発生した排気ガスが流通する。排気通路１８は、排気ガスが過熱部８ｂ、蒸発部８ａの順に通過するように過熱器８を貫通している。蒸発部８ａには、液化冷媒通路７の一端が接続されている。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。液化冷媒通路７の他端は、気液分離器４の下端部に接続されている。液化冷媒通路７には開閉弁７ａが設けられている。この開閉弁７ａの開閉状態によって、気液分離器４から蒸発部８ａへの液化冷媒の供給状態が決定される。蒸発部８ａに供給された液化冷媒は、過熱部８ｂで蒸気を過熱した後の排気ガスの熱によって、蒸気化することができる。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。過熱部８ｂ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、本発明の廃熱回収タービンの一実施例である膨張器１０が配設されている。膨張器１０は、過熱器８から供給された気化冷媒、すなわち蒸気によって駆動されてエネルギー回収を行う。なお、膨張器１０の詳細な構成については後述する。
【００１９】
膨張器１０のケース１０１は、蒸気を排出する排出口１０５を備えている。排出口１０５には、蒸気排出通路１１の一端が接続されている。蒸気排出通路１１の他端はコンデンサ１２に接続されている。蒸気排出通路１１は、膨張器１０から蒸気を排出し、排出した蒸気をコンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は、膨張器１０を通過した蒸気を凝縮して液化冷媒を生成する。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の下部にはコンデンサ１２において生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンク１４が設置されている。
【００２０】
凝縮水タンク１４の下流側には、凝縮水タンク１４内に一旦貯留された液化冷媒をエンジン５０側へ再循環させる液化冷媒通路１５が設けられている。液化冷媒通路１５は、冷媒循環路５の第１ウォータポンプ６の上流側に接続されている。また、液化冷媒通路１５には第２ウォータポンプ１６が配設されている。この第２ウォータポンプ１６は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１６が稼動状態となると、凝縮水タンク１４内の液化冷媒が冷媒循環路５へ供給される。これにより、凝縮水タンク１４内の液化冷媒がウォータジャケット５１１又は気液分離器４に供給することができる。凝縮水タンク１４内の液化冷媒は、ウォータジャケット５１１、５２１、気液分離器４内の冷媒の状態に応じて、ウォータジャケット５１１及び気液分離器４のいずれにも流入することができる。第２ウォータポンプ１６の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１７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、冷媒が循環する経路を備えている。
【００２１】
以下に、膨張器１０の詳細な構成について説明する。図２は、実施例の膨張器１０の一構成例を示した図である。膨張器１０は、第１収納室１０２および第２収納室１０３を含むケース１０１と、ケース１０１の第１収納室１０２に収納される羽根車部１０４とを備えた蒸気タービンである。
【００２２】
ノズル９は、蒸気通路３を通じて供給された蒸気が羽根車部１０４に向かって噴射されるように、ケース１０１の第１収納室１０２に連結している。これにより、羽根車部１０４は、蒸気通路３を通じて供給された蒸気によって回転駆動される。羽根車部１０４と接触した後の蒸気は、第１収納室１０２の排出口１０５から蒸気排出通路１１へと排出される。羽根車部１０４の回転力は、羽根車部１０４の回転中心近傍に連結する駆動軸１０６を通じて、第１磁力発生部１０７へと伝達される。第１磁力発生部１０７は、図示しないドレン孔を有する隔壁１１０によって羽根車部１０４と隔離されている。これにより、ノズル９から供給される蒸気が第１磁力発生部１０７に接触することを抑制し、それによって第１磁力発生部１０７の温度が過度に上昇する（例えば、一般的な高温用磁石の耐熱温度である１５０℃を超える）ことを抑制する。
【００２３】
第１収納室１０２は、隣接する第２収納室１０３と不連続である。そのため、第２収納室１０３に設けられる動力回収軸１０９のシール部等から侵入する外気が第１収納室１０２に侵入しないために、外気との接触を抑制するように羽根車部１０４を収納することが可能である。よって、羽根車部１０４をより低圧に保持することができることから、羽根車部１０４の上流側の圧力と下流側の圧力によって規定される圧力比がより大きくなるために、膨張器１０のエネルギー回収効率がより向上する。
なお、第１収納室１０２は、本発明の収納部の一構成例である。
【００２４】
第１磁力発生部１０７側に設けられる第２収納室１０３には、第２磁力発生部１０８が収納されている。第２磁力発生部１０８は、第１磁力発生部１０７と対向するように設置されており、その回転中心近傍で動力回収軸１０９と連結している。第１磁力発生部１０７から第２磁力発生部１０８に伝達された羽根車部１０４の回転エネルギーは、動力回収軸１０９を通じて図示しない発電機等に伝達されたり、エンジン５０のクランクシャフト回転を補助したりする。このように、エンジン５０の廃熱の回収が行われる。
【００２５】
第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の詳細な構成について説明する。図３は、第１磁力発生部１０７の一構成例を示している。第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８はいずれも円盤状であって、その半径比が約１対２である点で相違するが、その他は同様の構成である。そのため、以下第１磁力発生部１０７の構成について説明する。
【００２６】
第１磁力発生部１０７は、第２磁力発生部１０８と対向する側の面に、複数の永久磁石が円周状に略等間隔で配置されている。これら複数の永久磁石は、異なる極性の永久磁石が隣接して配置されている、すなわち、Ｎ極側が露出した永久磁石１０７ａとＳ極側が露出した永久磁石１０７ｂとが交互に配置されている。この第１磁力発生部１０７に設けられたＮ極側が露出した永久磁石１０７ａが、第１収納室１０２の外部に設置される第２磁力発生部１０８に設けられたＳ極側が露出した永久磁石１０８ｂと引き合う。また、第１磁力発生部１０７に設けられたＳ極側が露出した永久磁石１０７ｂが、第１収納室１０２の外部に設置される第２磁力発生部１０８に設けられたＮ極側が露出した永久磁石１０８ａと引き合う。そのため、第１磁力発生部１０７が回転すると、その回転エネルギーが複数の永久磁石の磁力によって第２磁力発生部１０８に高効率で伝達する。よって、羽根車部１０４の回転エネルギーを、駆動軸１０６から第１磁力発生部１０７を通じて、第１収納室１０２の外部に設置される第２磁力発生部１０８および動力回収軸１０９へと高効率で伝達することができる。
【００２７】
この場合、永久磁石１０７ａと永久磁石１０７ｂとの間隔（ピッチ）と、永久磁石１０８ａと永久磁石１０８ｂとのピッチとがほぼ等しくなるように配置されることで、より高い効率で回転エネルギーを伝達することができる。また、第１収納室１０２と第２収納室１０３とを隔てる壁部分は、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８が発生する磁力に干渉しない材質にて構成されることが望ましい。そして、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の半径比は、約１対２に限られずに、任意の半径比を採用することができる。
なお、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８は、本発明の動力伝達手段の一構成例である。
【００２８】
以上のように、本実施例の廃熱回収システムは、外気との接触を抑制するように羽根車部を収納する第１収納室と、羽根車部の回転エネルギーを第１収納室の外部に配置される動力回収軸へと伝達する第１磁力発生部および第２磁力発生部と、を有する膨張器を備えることにより、羽根車部をより低圧に保持して、羽根車部の上流側の圧力と下流側の圧力によって規定される圧力比をより大きくすることができる。よって、システムのエネルギー回収効率をより向上させることができる。
【実施例２】
【００２９】
つづいて、本発明の実施例２について説明する。本実施例の廃熱回収システム２は、膨張器１０に代えて、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段を備える膨張器２０を有している点で廃熱回収システム１と相違している。
【００３０】
膨張器２０の構造について詳細に説明する。図４は実施例の膨張器２０の一構成例を示した図である。なお、実施例１と同様の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
膨張器２０は、ケース１０１の内部に吸熱フィン２０１を備えている。吸熱フィン２０１は、高熱伝導性であって、第１収納室１０２内部の第１磁力発生部１０７の近傍、および第２収納室１０３内部の第２磁力発生部１０８の近傍に設置されている。これによって、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の近傍の熱を吸収し、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の温度が過度に上昇する（例えば、一般的な高温用磁石の耐熱温度である１５０℃を超える）ことを抑制する。この場合、システムの廃熱回収効率が低下してしまわないよう、羽根車部１０４の近傍の熱を吸収しないように吸熱フィン２０１を設置する。
【００３２】
ノズル９から高温の蒸気が供給されると、ケース１０１の内部の温度が上昇するために、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の温度も上昇する。第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の温度が過度に上昇すると、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８に設けられた永久磁石が発生する磁力が低下してしまうために、羽根車部１０４の回転エネルギーを適切に伝達できなくなる。そのため、吸熱フィン２０１を設けることで、フィンの吸熱効果によって、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の温度上昇に基づく発生磁力の低下を抑制することができる。よって、第１収納室１０２に収納される羽根車部１０４の回転エネルギーを、第１収納室１０２の外部に設置される動力回収軸１０９へと適切に伝達することができる。
なお、吸熱フィン２０１は、本発明の温度上昇抑制手段の一構成例である。
【００３３】
また、膨張器２０は、ケース１０１の外部に放熱フィン２０２を備えている。放熱フィン２０２は、吸熱フィン２０１と同様に高熱伝導性であって、第１収納室１０２の第１磁力発生部１０７が収納されている部分（すなわち、隔壁１１０より第１磁力発生部１０７側）の熱、および第２収納室１０３内部の熱を外部に放熱可能に設置されている。これによって、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８が設置される収納部の熱を外部へと放出し、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の温度が過度に上昇することを抑制する。この場合、システムの廃熱回収効率が低下してしまわないよう、羽根車部１０４の近傍の熱を外部へと放出しないように放熱フィン２０２を設置する。
なお、放熱フィン２０２は、本発明の温度上昇抑制手段の一構成例である。
【００３４】
そして、膨張器２０は、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８に放熱フィン２０３を備えている。放熱フィン２０３は、吸熱フィン２０１および放熱フィン２０２と同様に高熱伝導性であって、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の側面側外周部に設置されている。これによって、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の熱を放出し、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の温度が過度に上昇することを抑制する。
【００３５】
更に、放熱フィン２０３は、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８が回転することで、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８近傍の気体を撹拌するように構成されている。これによって、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の冷却効率（温度上昇の抑制効果）を向上させることができる。
この場合、放熱フィン２０３は、側面側外周部に限られずに、第１磁力発生部１０７および第２磁力発生部１０８の任意の位置に設けることができる。
なお、放熱フィン２０３は、本発明の温度上昇抑制手段の一構成例である。
【００３６】
また、第２収納室１０３には、冷却孔２０４が設けられている。冷却孔２０４は、第２収納室１０３の内部と外部とを連通し、第２収納室１０３の内部の気体と外部の気体とを交換可能にしている。これによって、第２収納室１０３の内部の過度な温度上昇を抑制することができる。すなわち、第２磁力発生部１０８の温度上昇の抑制効果を向上させることができる。
なお、冷却孔２０４は、本発明の温度上昇抑制手段の一構成例である。
【００３７】
以上のように、本実施例の廃熱回収システムは、第１磁力発生部および第２磁力発生部の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段を備える膨張器を有することにより、第１磁力発生部および第２磁力発生部の温度上昇に基づく発生磁力の低下を抑制することができる。よって、第１収納室に収納される羽根車部の回転エネルギーを、第１収納室の外部に設置される動力回収軸へと高効率で伝達することができる。
【００３８】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれら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。
【００３９】
例えば、第１磁力発生部および第２磁力発生部に設けられる磁力発生源は、永久磁石に限られずに、電磁石等の磁力を発生可能な他の構成であっても良い。
【００４０】
また、磁力に限られずに、羽根車部１０４の回転エネルギーを第１収納室１０２の外部に設置される動力回収軸１０９に伝導可能な他の力を動力伝達手段として採用しても良い。
【符号の説明】
【００４１】
１，２  廃熱回収システム
１０，２０  膨張器（廃熱回収タービン）
５０  エンジン
１０２  第１収納室（収納部）
１０４  羽根車部
１０７  第１磁力発生部（動力伝達手段）
１０７ａ，１０７ｂ  永久磁石
１０８  第２磁力発生部（動力伝達手段）
１０８ａ，１０８ｂ  永久磁石
１０９  動力回収軸
【図１】
2011236782.tif 000003
【図２】
2011236782.tif 000004
【図３】
2011236782.tif 000005
【図４】
2011236782.tif 000006