(57)【要約】【課題】タービンが破損する可能性を低減できる廃熱回収装置を提供することを目的とする。【解決手段】蒸気発生手段により蒸気化した冷媒により駆動されるタービン５１と、タービン５１により得られた動力を、補助動力として、外部のエンジン１０に伝達する動力伝達部と、閾値以上の力が作用した場合に動力伝達部における動力の伝達を解除するピン２００と、を備える。ピン２００に閾値以上の力が作用した場合に、ピン２００は動力伝達部における動力の伝達を解除するため、タービン５１が破損する可能性を低減することができる【選択図】図４
2011169210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気発生手段により蒸気化した冷媒により駆動される膨張器と、
前記膨張器により得られた動力を、補助動力として、外部の原動機に伝達する動力伝達部と、
閾値以上の力が作用した場合に前記動力伝達部における動力の伝達を解除する動力解除部と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記動力解除部は、前記動力伝達部側から前記膨張器側へ延びるシャフトと、前記膨張器側から前記動力伝達部側へ延びるシャフトを接続し、閾値以上の力が作用したときに破壊される接続部材であることを特徴とする請求項１記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記動力伝達部は、前記膨張器の回転数と、前記原動機の回転数とを同期させる減速機を含み、
前記動力解除部は、前記動力伝達部から前記減速機側へ延びるシャフトと、前記減速機から前記動力伝達部側へ延びるシャフトとを接続し、閾値以上の力が作用したときに破壊される接続部材であることを特徴とする請求項１記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記動力伝達部は、前記膨張器の回転数と、前記原動機の回転数を同期させる減速機を含み、
前記動力解除部は、前記減速機から前記膨張器側へ延びるシャフトと、前記膨張器から前記減速機側へ延びるシャフトとを接続し、閾値以上の力が作用したときに破壊される接続部材であることを特徴とする請求項１記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
前記原動機及び前記蒸気発生手段は、前記冷媒が循環する内燃機関であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、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、膨張機（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等に変換して回収するものがある。例えば、特許文献１に記載の廃熱回収装置は、廃熱を付与した蒸気によりタービンを駆動し、コンプレッサの動力回生及び発電機の電力回生を行うランキンサイクルを形成している。また、廃熱を付与した蒸気により駆動したタービンの回転エネルギを、動力としてエンジンに直接伝えることによって、ランキンサイクルを形成する廃熱回収装置も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３３２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した廃熱回収装置において、気化していた冷媒がタービン室内で凝縮する場合がある。凝縮した冷媒がタービン室内に溜まることによりウォータハンマが起こると、タービン翼の回転が妨げられ、タービンが固定された状態となるおそれがある。ここで、タービンの回転エネルギをエンジンに直接伝えるランキンシステムを採用している場合、タービンとエンジンとが連れ回りとなっている。そのため、固定状態となったタービンが、エンジンによって強制的に回転させられてしまい、タービンが破損してしまうおそれがある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、タービンが破損する可能性を低減できる廃熱回収装置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】
上記課題を解決するための本発明は、蒸気発生手段により蒸気化した冷媒により駆動される膨張器と、前記膨張器により得られた動力を、補助動力として、外部の原動機に伝達する動力伝達部と、閾値以上の力が作用した場合に前記動力伝達部における動力の伝達を解除する動力解除部と、を備える。
【０００７】
上記構成によれば、動力解除部に閾値以上の力が作用した場合に、動力解除部は動力伝達部における動力の伝達を解除するため、膨張器が破損する可能性を低減することができる。
【０００８】
また、上記構成において、前記動力解除部は、前記動力伝達部側から前記膨張器側へ延びるシャフトと、前記膨張器側から前記動力伝達部側へ延びるシャフトを接続し、閾値以上の力が作用したときに破壊される接続部材である構成をとることができる。
【０００９】
上記構成によれば、シャフトとシャフトとを接続する接続部材において閾値以上の力が作用した場合に、接続部材が破壊されることにより、動力の伝達を解除でき、膨張器が破損する可能性を低減することができる。
【００１０】
また、前記動力伝達部は、前記膨張器の回転数と、前記原動機の回転数とを同期させる減速機を含み、前記動力解除部は、前記動力伝達部から前記減速機側へ延びるシャフトと、前記減速機から前記動力伝達部側へ延びるシャフトとを接続し、閾値以上の力が作用したときに破壊される接続部材である構成をとることができる。
【００１１】
上記構成によれば、減速機のシャフトと動力伝達部のシャフトとを接続する接続部材において閾値以上の力が作用した場合に、接続部材が破壊されることにより、減速機及び膨張器への動力の伝達を解除でき、膨張器が破損する可能性を低減することができる。
【００１２】
また、前記動力伝達部は、前記膨張器の回転数と、前記原動機の回転数を同期させる減速機を含み、前記動力解除部は、前記減速機から前記膨張器側へ延びるシャフトと、前記膨張器から前記減速機側へ延びるシャフトとを接続し、閾値以上の力が作用したときに破壊される接続部材である構成をとることができる。
【００１３】
上記構成によれば、減速機のシャフトと膨張器のシャフトとを接続する接続部材において閾値以上の力が作用した場合に、接続部材が破壊されることにより、膨張器への動力の伝達を解除でき、膨張器が破損する可能性を低減することができる。
【００１４】
また、前記原動機及び前記蒸気発生手段は、前記冷媒が循環する内燃機関であっても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、タービンが破損する可能性を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ランキンシステムの構成の一例を示す構成図である。
【図２】エンジンと廃熱回収装置との関係の一例を示す概要図である。
【図３】廃熱回収装置の構成の一例を示す図である。
【図４】図３のＡ部分の断面拡大図である。
【図５】ランキンシステムの平常稼働時における、ピンの状態について説明するための図である。
【図６】廃熱回収装置において、タービンが固定状態となってしまう原因の一例について示す図である。
【図７】タービンが固定状態になった場合においてピンにかかる力を説明するための図である。
【図８】減速機とプーリとを接続する構成の別例を示す図である。
【図９】ピンを配置する箇所の別例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
まず、本発明に係る廃熱回収装置を含むランキンシステムの概要について説明する。図１は、本件の廃熱回収装置を含むランキンシシテムの構成の一例を示す構成図である。
【００１９】
ランキンシステム１００は、内部で冷却媒体が沸騰することにより冷却されるエンジン（原動機、蒸気発生手段）１０を備えている。エンジン１０は、シリンダブロックとシリンダヘッドを備え、シリンダブロック及びシリンダヘッド内にはウォータジャケットが形成されている。このウォータジャケット内の冷却媒体が沸騰することによってエンジン１０の冷却が行われる。エンジン１０は、さらに、排気管１１を備える。排気管１１には排気触媒が組み込まれている。エンジン１０のシリンダヘッドには、冷却媒体供給路２０の一端が接続されている。冷却媒体供給路２０には、エンジン１０で温められた冷却媒体が流入する。
【００２０】
冷却媒体供給路２０には、気液分離器２１が配設されている。エンジン１０側から気液混合状態で気液分離器２１に流入した冷却媒体は、気液分離器２１内で気相と液相とに分離される。
【００２１】
冷却媒体供給路２０の他端は、熱交換部に相当する過熱器３０に接続されている。過熱器３０には、排気管３１が引き込まれている。排気管３１は、過熱器３０を貫通しており、その内部を排気が通過する。これにより、過熱器３０は、エンジン１０側から冷却媒体供給路２０を通じて流入する冷却媒体とエンジン１０が排出する排気との熱交換を行う。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。過熱部の上端部には、蒸気排出管４０が設けられている。
【００２２】
過熱器３０の下流には、過熱器３０を通過した蒸気化した冷却媒体からエネルギを回収するエネルギ回収部に相当するタービン（膨張器）５１が配設されている。タービン５１は、衝動タービンを備えており、蒸気排出管４０の先端部に設けられたノズル４１から噴射された蒸気によって駆動される。衝動タービンの回転力は、減速機５２によってその回転数を調整された後、エンジン１０が備えるクランクシャフトの回転を補助するのに用いられる。これにより、廃熱の回収が行われる。
【００２３】
タービン５１の下流側には、タービン５１においてエネルギを回収された後の冷却媒体をエンジン１０側へ再循環させる冷却媒体回収路６０が設けられている。冷却媒体回収路６０の一端は、タービン５１に接続されている。冷却媒体回収路６０の他端は、ウォータポンプ６２の上流側に接続されている。冷却媒体回収路６０には、凝縮器８０が配設されている。凝縮器８０は、蒸気化している冷却媒体を冷却して凝縮し、冷却媒体を液状に戻す。凝縮器８０の下流側には、リザーバタンク６１が配設されている。リザーバタンク６１には、液状の冷却媒体が貯留される。
【００２４】
冷却媒体回収路６０のリザーバタンク６１の下流にはウォータポンプ６２が配設されている。このウォータポンプ６２が稼動状態となると、リザーバタンク６１内の冷却媒体をエンジン内のウォータジャケットへ供給する。
【００２５】
次に、図２を用いて、エンジン１０と本発明に係る廃熱回収装置との関係に着目し、図１のランキンシステム１００について説明する。
【００２６】
ランキンシステム１００は、廃熱回収装置５０と、エンジン１０とを備える。廃熱回収装置５０は、プーリ（動力伝達部）５３を備える。エンジン１０は、クランクプーリ１２を備える。プーリ５３とクランクプーリ１２とは、ベルト１３によって連結され、プーリ５３の動力がベルト１３を介して、クランクプーリ１２に伝達されることにより、ランキンサイクルが形成される。
【００２７】
次に、本発明に係る廃熱回収装置について説明する。図３は、本発明に係る廃熱回収装置５０の構成の一例を示す図である。
【００２８】
廃熱回収装置５０は、タービン５１、減速機５２、及びプーリ５３を備える。エンジン１０のウォータジャケット内で冷却水などの冷媒をエンジンにおける廃熱によって気化した蒸気が、ノズル４１から、タービン室内のタービン５１に吹き付けられる。蒸気が吹き付けられることにより、タービン５１は回転し、動力を発生する。タービン５１のシャフト５１１は、減速機５２と接続されており、タービン５１の回転によって発生した動力は、減速機５２に伝達される。
【００２９】
減速機５２は、プーリ５３と連結する。減速機５２は、タービン５１の回転数を変換することによって、プーリ５３の回転数を、動力の伝達先であるクランクプーリ１２の回転数と合わせる。
【００３０】
プーリ５３は、上述したように、ベルト１３を介して図外のクランクプーリ１２へ、動力を伝達する。
【００３１】
次に、減速機５２とプーリ５３との連結方法について説明する。図４は、図３におけるＡの部分を拡大した断面図である。
【００３２】
減速機５２は、減速機５２からプーリ５３側へ延びるシャフト５２１を備え、プーリ５３は、プーリ５３から減速機５２側へ延びるシャフト５３１を備える。減速機５２のシャフト５２１の径は、プーリ５３のシャフト５３１よりも大きく、その端部から減速機５２側に向かって、プーリ５３のシャフト５３１を挿入するための中空部５２２が設けられている。プーリ５３のシャフト５３１は、中空部５２２に挿入される。シャフト５２１と、シャフト５３１の軸方向の中心には、シャフトを貫通する孔が設けられており、その孔には、ピン２００が差し込まれている。このピン２００によって、シャフト５３１とシャフト５２１とが連結され、減速機５２からプーリ５３へ動力が伝達される。また、ピン２００は、閾値を越えた力が作用した場合に、破壊される（折れる）ようになっている。ピン２００が破壊される閾値は、例えば、タービン５１が固定状態となった場合に、エンジン１０が自立運転しているときに発生する力とすることができる。この場合、タービン５１が固定状態となったときに、エンジン１０が自立運転しているときに発生する力がピン２００に作用した場合、ピン２００が破壊される。
【００３３】
次に、図５を用いて、ランキンシステム１００の平常稼働時における、ピン２００の状態について説明する。ランキンシステム１００の平常稼働時では、減速機５２が回転すると、ピン２００を介して減速機５２と連結されたプーリ５３に動力が伝わり、プーリ５３が回転する。プーリ５３とクランクプーリ１２（図外）とは連れ回る構成となっているが、両回転数が減速機５２によって調整されているので、ピン２００に大きな力はかからない。
【００３４】
次に、図６及び図７を用いてタービン５１が固定された状態となった場合の、ピン２００の状態について説明する。図６は、廃熱回収装置５０において、タービン５１が固定状態となってしまう原因の一例について示す図である。図６（Ａ）に示すように、タービン室内で冷媒が凝縮すると、タービン室の下方に冷媒が溜まっていく。そして、図６（Ｂ）に示すようにタービン室内に一定以上量の冷媒が蓄積されると、ウォータハンマが発生し、タービン５１の回転が妨げられ、タービン５１が固定状態となる。また、減速機５２が異物等を噛み込んだ場合にも、タービン５１は固定状態となる。
【００３５】
図７は、タービン５１が固定状態になった場合においてピン２００にかかる力を説明するための、ピン２００を含むシャフト５２１及び５３１の径方向断面図である。タービン５１が固定状態になった場合でも、エンジン１０のクランクプーリ１２は回転し続けるため、クランクプーリ１２と連れ回るプーリ５３も回転する。そのため、ピン２００は、図７に示すようにシャフト５３１の径方向端部において、プーリ５３の回転方向に力Ｆ５３を受ける。一方、タービン５１は固定状態となっているため減速機５２も固定状態となり、ピン２００は、シャフト５２１の中空部５２２側において、力Ｆ５３と反対方向の力Ｆ５２を受ける。その結果、ピン２００には、図５に示した平常稼働時と比較して、大きな力がかかることになる。
【００３６】
上述したように、ピン２００は、閾値を越えた力が作用すると、折れる（破壊される）ようになっている。従って、図７（Ａ）のようにピン２００に大きな力がかかると、ピン２００は、図７（Ｃ）に示されるように折れる。これにより、プーリ５３と減速機５２との連結が解除される。ピン２００が折れた後も、プーリ５３はクランクプーリ１２によって回転させられるが、プーリ５３と減速機５２との連結は解除されているため、タービン５１がプーリ５３により強制的に回転されられることはない。
【００３７】
以上の説明から明らかなように、プーリ５３と減速機５２との連結を解除できない構成の場合（例えば、プーリ５３と減速機５２とを一体のシャフトで連結した場合、あるいは、プーリ５３のシャフト５３１と減速機５２のシャフト５２１とを溶接等によって連結した場合）、タービン５１が固定状態となった場合でも、プーリ５３によってタービン５１が強制的に回転させられ、タービン５１やその他の構成が破損する可能性がある。具体的には、シャフト５２１やシャフト５１１が折れたり、減速機５２が破損したり、タービン５１のタービン翼が変形したりすることが考えられる。
【００３８】
一方、本実施例によれば、閾値以上の力を受けたピン２００が折れることによって、プーリ５３と減速機５２との連結を解除できるため、タービン５１が固定状態となった場合にも、プーリ５３によってタービン５１が強制的に回転させられることがなくなる。その結果、シャフト５２１及び５１１、減速機５２、及びタービン５１が破損する可能性が低減される。
【００３９】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【００４０】
例えば、連結には、ピン２００ではなく、ワッシャーや、スプラインなどを使用しても良い。
【００４１】
また、上述の実施例では、プーリ５３のシャフト５３１が、減速機５２のシャフト５２１に挿入されるとしたが、図８に示すように、減速機５２のシャフト５２１が、プーリ５３のシャフト５３１に挿入されるようにしても良い。
【００４２】
また、上述の実施例では、ピン２００は、プーリ５３のシャフト５３１と減速機５２のシャフト５２１とを連結した。しかし、図９に示すように、減速機５２からタービン５１側へ延びるシャフト５２３と、タービン５１から減速機５２側へ延びるシャフト５１１とを連結するように、ピン２００を配置しても良い。
【００４３】
また、上述の実施例では、廃熱回収装置５０の動力の伝達先をエンジン１０としたが、動力の伝達先はエンジンに限定されるものではなく、タービン５１が固定状態になった場合でも、プーリ５３を回転させる原動機となるものであれば良い。さらに、上述の実施例では、プーリ５３が動力伝達部に相当するとしていたが、プーリ５３と減速機５２とを合わせて動力伝達部と考えても良い。また、上述の実施例では、廃熱回収装置５０は、クランクプーリ１２の回転数とプーリ５３との回転数とを合わせるために、減速機５２を備えていたが、プーリ５３が連結される先の回転数とプーリ５３の回転数とを合わせる必要がない場合には、減速機５２は必ずしも必要ではない。
【符号の説明】
【００４４】
５０…廃熱回収装置
５１…タービン
５２…減速機
５３…プーリ
２００…ピン
５２１…減速機シャフト
５３１…プーリシャフト
【図１】
2011169210.tif 000003
【図２】
2011169210.tif 000004
【図３】
2011169210.tif 000005
【図４】
2011169210.tif 000006
【図５】
2011169210.tif 000007
【図６】
2011169210.tif 000008
【図７】
2011169210.tif 000009
【図８】
2011169210.tif 000010
【図９】
2011169210.tif 000011