(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体が循環する循環路に、廃熱によって作動媒体を気化させる蒸発器と、当該気化された作動媒体を膨張させてエネルギーを取り出す膨張機と、当該膨張機を通過した前記作動媒体を冷却して液化させる凝縮器と、前記凝縮器を通過した前記作動媒体を気液分離して液体の前記作動媒体を排出するレシーバと、前記レシーバから前記蒸発器に向けて前記作動媒体を圧送する液体ポンプとを備えたランキンサイクルシステムであって、
前記液体ポンプは前記レシーバの下方に配置され、
前記循環路は、前記レシーバと前記液体ポンプとの間の区間において、前記液体ポンプから水平に延びる水平区間を有するとともに、前記レシーバから前記水平区間に向けて下方に傾斜することを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記循環路の断面径に対する前記水平区間の長さの比が１０以下であ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】
前記循環路から前記液体ポンプのポンプ室へ前記作動媒体を導入する前記液体ポンプの導入路が、前記循環路から前記ポンプ室に向けて下方に傾斜することを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記液体ポンプは、接続継手を介して前記循環路と接続される吸入口部を備え、
前記液体ポンプの本体部が傾斜して配置されて前記吸入口部の前記接続継手側が水平よりも上方へ傾斜することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
前記液体ポンプは、接続継手を介して前記循環路と接続される吸入口部を備え、
前記液体ポンプの本体部に対して前記吸入口部は前記接続継手側が水平よりも上方へ傾斜して設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項６】
前記水平区間に、前記液体ポンプ側から前記レシーバ側に向けて拡径するテーパ部を備えた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の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、廃熱を回収して発電等に利用するための装置に、ランキンサイクルシステムが広く用いられている。例えば特許文献１に開示された廃熱発電装置は、流体である作動媒体の循環路に、ポンプ(液体ポンプ)、蒸発器、タービン発電機（膨張機）、凝縮器、リザーバタンク（レシーバ）の順番に設けられたランキンサイクルシステムを備えている。特許文献１におけるランキンサイクルシステムでは、ポンプによって作動媒体を蒸発器に圧送し、蒸発器で廃熱によって作動媒体を蒸発させ気体にする。気体となった作動媒体はタービン発電機において膨張しながらタービンを回転させて発電させ、凝縮器において冷却されて液体となる。凝縮器で冷却された作動媒体は、リザーバタンクに貯留され、液体の作動媒体がポンプに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−７３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に採用されたランキンサイクルシステムにおいて、リザーバタンクにおいて作動媒体が液体と気体に分離されたとしても、例えばレシーバとポンプとの間の循環路において圧力が低下したりポンプ内で熱を受けたりして作動媒体の一部が気化し、ポンプ室内に気体が混入する可能性がある。そして、このように液体ポンプのポンプ室内に気体が混入した状態では、ポンプの作動効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液体ポンプへの気体混入を抑制してポンプ効率を向上させるランキンサイクルシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のランキンサイクルシステムは、作動媒体が循環する循環路に、廃熱によって作動媒体を気化させる蒸発器と、当該蒸発された作動媒体を膨張させてエネルギーを取り出す膨張機と、当該膨張機を通過した前記作動媒体を冷却して液化させる凝縮器と、前記凝縮器を通過した前記作動媒体を気液分離して液体の前記作動媒体を排出するレシーバと、前記レシーバから前記蒸発器に向けて前記作動媒体を圧送する液体ポンプとを備えたランキンサイクルシステムであって、前記液体ポンプは前記レシーバの下方に配置され、前記循環路は、前記レシーバと前記液体ポンプとの間の区間において、前記液体ポンプから水平に延びる水平区間を有するとともに、前記レシーバから前記水平区間に向けて下方に傾斜することを特徴とする。
【０００７】
また、好ましくは、前記循環路の断面径に対する前記水平区間の長さの比が１０以下であるとよい。
【０００８】
また、好ましくは、前記循環路から前記液体ポンプのポンプ室へ前記作動媒体を導入する前記液体ポンプの導入路が、前記循環路から前記ポンプ室に向けて下方に傾斜するとよい。
【０００９】
また、好ましくは、前記液体ポンプは、接続継手を介して前記循環路と接続される吸入口部を備え、前記液体ポンプの本体部が傾斜して配置されて前記吸入口部の前記接続継手側が水平よりも上方へ傾斜するとよい。
【００１０】
また、好ましくは、前記液体ポンプは、接続継手を介して前記循環路と接続される吸入口部を備え、前記液体ポンプの本体部に対して前記吸入口部は前記接続継手側が水平よりも上方へ傾斜して設けられるとよい。
【００１１】
また、好ましくは、前記水平区間に、前記液体ポンプ側から前記レシーバ側に向けて拡径するテーパ部を備えるとよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、液体ポンプがレシーバの下方に配置され、更に循環路が、レシーバと液体ポンプとの間の全区間において、水平またはレシーバから液体ポンプに向けて下方に傾斜しているので、ポンプあるいはポンプとレシーバとの間の区間において液体である作動媒体の一部が気化したとしても、作動媒体中の気体がレシーバに戻る。これにより、ポンプ室内に気体が混入している状態でポンプを作動させることを抑制し、ポンプの始動性を向上させるとともに、ポンプ効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【図２】第１の参考形態におけるレシーバタンクとポンプとの間の配管の形状を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるレシーバタンクとポンプとの間の配管の形状を示す図である。
【図４】水平区間における長さと内径との比、及び過冷却度に基づくポンプの作動域を示すグラフである。
【図５】水平区間で気泡が溜まった状態を示す説明図である。
【図６】第２の実施形態におけるレシーバタンクとポンプとの間の配管の形状を示す図である。
【図７】第２の参考形態におけるレシーバタンクとポンプとの間の配管の形状を示す図である。
【図８】第３の参考形態におけるレシーバタンクとポンプとの間の配管の形状を示す図である。
【図９】第３の実施形態におけるレシーバタンクとポンプとの間の配管の形状を示す図である。
【図１０】第４の実施形態におけるレシーバタンクとポンプとの間の配管の形状を示す図である。
【図１１】第４の参考形態におけるポンプの内部構成図である。
【図１２】第５の実施形態におけるポンプの内部構成図である。
【図１３】第６の実施形態におけるポンプの内部構成図である。
【図１４】第７の実施形態におけるポンプの内部構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態に係るランキンサイクルシステム１について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るランキンサイクルシステム１の概略構成図である。
【００１５】
ランキンサイクルシステム１は、例えば工場等からの廃熱を回収する装置に用いられる。図１に示すように、ランキンサイクルシステム１は、冷媒（作動媒体）が循環する循環路２に順番に、ポンプ３（液体ポンプ）、蒸発器４、膨張機５、凝縮器６、レシーバタンク７（レシーバ）を備えて構成されている。
【００１６】
冷媒は、例えばＨＦＣ−Ｒ２４５ｆａが用いられている。
ポンプ３は、例えばギヤポンプのような液体ポンプである。なお、ポンプ３は、ギヤポンプ以外でも、ベーンポンプ、ダイアフラムポンプ、ピストンポンプ等のように、液体を圧送可能なポンプであればよい。
【００１７】
蒸発器４は、排気熱等の廃熱と冷媒とを熱交換する熱交換器であり、廃熱によって液体の冷媒を気化させ、高温高圧の過熱蒸気状態とする。
膨張機５は、蒸発器で生成された過熱蒸気状態の冷媒を膨張させるとともに、例えばタービンのように冷媒の熱エネルギーをトルク（回転力）に変換して出力する。この膨張機５から出力されるトルクは発電機８に伝達されて、発電機８を駆動し電力を発生させる。
【００１８】
凝縮器６は、水冷ならば冷却水、空冷ならば空気と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、冷媒を冷却して液化する。
レシーバタンク７は、凝縮器６によって冷却した冷媒を貯留するタンクである。また、レシーバタンク７は、気体と液体とが混合した冷媒を気液分離して、液体の冷媒のみポンプ３へ排出する機能を有している。
【００１９】
なお、循環路２は、配管あるいはホース等によって構成されている。
本実施形態のランキンサイクルシステム１では、循環路２の最下方にポンプ３を配置している。また、レシーバタンク７とポンプ３との間の区間の循環路２が、配管１０で構成されている。
【００２０】
図２は、第１の参考形態におけるレシーバタンク７とポンプ３との間の配管１０の形状を示す図である。
図２に示すように、第１の参考形態では、配管１０は、レシーバタンク７とポンプ３との間の全区間で、レシーバタンク７からポンプ３に向かって水平よりも下方に傾斜している。
【００２１】
以上のように、循環路２の最下方にポンプ３を配置し、レシーバタンク７とポンプ３との間の配管１０を、レシーバタンク７からポンプ３に向かって全区間で水平よりも下方に傾斜することで、配管１０内の液体状の冷媒に気泡がふくまれていたとしても、この気泡は配管１０内で留まることなく、上方へ移動してレシーバタンク７へ戻る。
【００２２】
したがって、ポンプ３内部における摺動部の摩擦熱発生や、レシーバタンク７からポンプ３までの配管１０における圧力損失による圧力低下で、液体状の冷媒から気泡が発生したとしても、この気泡、即ち気体状の冷媒は、配管１０内を上方へ移動してレシーバタンク７に戻り、レシーバタンク７において再度気液分離される。
これにより、ポンプ３内への気体の混入を防止することができるとともに、例えポンプ３内で気体が発生したとしても、ポンプ３から気体を排出することができる。よって、ポンプ３の起動性低下を抑制するとともに効率を向上させて、ポンプ３からの吐出量を向上させることができ、ランキンサイクルシステム１を採用した装置の性能を向上させることができる。
【００２３】
図３は、第１の実施形態におけるレシーバタンク７とポンプ３との間の配管１０の形状を示す図である。
図３に示すように、第１の実施形態では、レシーバタンク７とポンプ３との間の配管１０は、ポンプ３との接続部において水平に延びる水平区間１１（水平部分）を有している。なお、レシーバタンクとポンプとの間の配管１０は、この水平区間１１以外では第１の参考形態と同様に、レシーバタンク７側からポンプ３に向かって水平よりも下方に傾斜している。
更に、この水平区間１１における長さＬと内径Ｄ（断面径）との比Ｌ/Ｄが、所定比ａ以下に設定されている。この所定比ａは、１０以下に設定すればよい。
【００２４】
図４は、水平区間１１における長さＬと内径Ｄとの比Ｌ/Ｄ、及び過冷却度Ｓに基づくポンプ３の作動域を示すグラフである。過冷却度Ｓは、ポンプ３の入口の冷媒温度の飽和温度からの温度低下量である。図４に記載された線ｂよりも過冷却度が大きい領域がポンプ３の正常作動域であり、線ｂよりも過冷却度が小さい領域がポンプ３の作動不良域である。
また、図５は、本実施形態における水平区間１１で気泡が溜まった状態を示す説明図である。なお、図５中の斜線は、液体の冷媒を示す。
【００２５】
図４に示すように、水平区間１１における長さＬと内径Ｄとの比Ｌ/Ｄが所定比ａ以上であると、比Ｌ/Ｄが大きくなるに伴って過冷却度Ｓが大きくともポンプの作動不良が発生し易くなってしまう。比Ｌ/Ｄが所定比ａ以下であれば、過冷却度が０度、即ちポンプ３の入口の冷媒温度が冷媒の気化温度と同じであってもポンプは正常作動する。なお、所定比ａは、出願人の実験によって１０程度になることが確認されている。
【００２６】
これは、図５に示すように、水平区間１１における長さＬと内径Ｄとの比Ｌ/Ｄが１０以下に抑えられていれば、水平区間１１に気泡は少量しか溜まらず、例え水平区間１１で気泡が多くなったとしても、気泡が水平区間１１から溢れて配管１０内をレシーバタンク７側に戻る。そして、例えこの水平区間１１に気泡が溜まった状態でポンプ３を起動させたとしても、配管１０の水平区間１１での内径Ｄに対して気泡部分の厚さが小さいことから、ポンプ３への液体状の冷媒の流入量に対する気体の流入量が抑えられ、ポンプ３の作動不良を防止することができる。
【００２７】
図６は第２の実施形態、図７は第２の参考形態、図８は第３の参考形態、図９は第３の実施形態におけるレシーバタンク７とポンプ３との間の配管１０の形状を示す図である。図６〜図９に示す実施形態あるいは参考形態では、いずれも配管１０が、配管用の接続継手１２を介してポンプ３と接続されている。
図６に示す第２の実施形態は、上記図３に示す第１の実施形態に対して、水平区間１１に接続継手１２が設けられていることが異なる。
【００２８】
図７に示す第２の参考形態では、ポンプ３の取付角度を傾けており、ポンプ３の吸入口部である配管１３が、ポンプ３の本体部１４側から接続継手１２側に向かって水平よりも上方に傾斜して延びている。この配管１３とストレートの接続継手１２によってレシーバタンク７から下方に傾斜して延びる配管１０とが接続されている。
【００２９】
図８に示す第３の参考形態では、ポンプ３の取付角度は傾いていないが、ポンプ３の吸入口部の配管１３がポンプ３の本体部１４に対して傾斜しており、この配管１３が本体部１４から接続継手１２側に向かって水平よりも上方に傾斜して延びている。そして、この配管１３とストレートの接続継手１２を介してレシーバタンク７から下方に向かって傾斜して延びる配管１０とが接続されている。
【００３０】
図９に示す第３の実施形態では、ポンプ３の取付角度は傾いておらず、またポンプ３から水平に配管１３が延び、その先端とレシーバタンク７から下方に向かって傾斜して延びる配管１０とを接続する接続継手１２が、屈曲したエルボ継手を使用している。
【００３１】
以上のような構成により、第２の参考形態及び第３の参考形態では、第１の参考形態と同様に、レシーバタンク７とポンプ３との間の配管１０を、レシーバタンク７からポンプ３に向かって全区間で水平よりも下方に傾斜しているので、配管１０内で気泡が滞留することを防止して、ポンプ３内に気泡が混入することを抑制して、ポンプ３の効率を向上させることができる。
また、第２の実施形態及び第３の実施形態では、接続継手１２を含む水平区間１１の長さＬと内径Ｄとの比Ｌ/Ｄが１０以下に抑えられるように設定すればよい。これにより第１の実施形態と同様に、ポンプ３の効率を向上させることができる。
【００３２】
図１０は、第４の実施形態におけるレシーバタンク７とポンプ３との間の配管１０の形状を示す図である。
第４の実施形態では、第２の実施形態に対して、配管１０の水平区間１１において、接続継手１２に接続される先端からレシーバタンク７側に向かって配管１０の内径がテーパ状に拡大しているテーパ部１５を有することが異なる。
【００３３】
第４の実施形態では、このようにテーパ部１５を設けることで、水平区間１１の配管１０の内壁面の上側部位が、接続継手１２からレシーバタンク７側に向かって上方に傾斜していることになる。
したがって、第４の実施形態においても、水平区間１１において気泡が溜まり難くなり、ポンプ３の効率を向上させることができる。
【００３４】
図１１は第４の参考形態、図１２は第５の実施形態、図１３は第６の実施形態、図１４は第７の実施形態におけるポンプ３の内部構成図である。
第４の参考形態、第５〜第７の実施形態では、ポンプ３内の吸入口側の形状に特徴を有している。
図１１に示す第４の参考形態のポンプ３は、一対の回転するギヤ２０が収納されているポンプ室２１に冷媒を導入する導入路２２が、ポンプ室２１から吸入口２３側に向かって上方に傾斜している。
図１２に示す第５の実施形態のポンプ３は、配管１０に接続する吸入口部２４が上方に傾斜している。
【００３５】
したがって、第４の参考形態及び第５の実施形態では、ポンプ３内において、吸入口２３側、即ちレシーバタンク７側からポンプ室２１に向かって下方に傾斜しているので、ポンプ３内で気泡が溜まり難くなり、レシーバタンク７側に気泡を排出することができる。したがって、第４の参考形態及び第５の実施形態をポンプ３の構成に採用することで、ポンプ３内で気泡が溜まり難くなり、ポンプ３の効率を向上させることができる。
【００３６】
図１３に示す第６の実施形態のポンプ３は、導入路２２の内径が、ポンプ室２１から吸入口２３側に向かって拡径するテーパ部２５が形成されている。
図１４に示す第７の実施形態のポンプ３は、吸入口部２４の内径が、ポンプ室２１から吸入口２３側に向かって拡径するテーパ部２５が形成されている。
したがって、第６の実施形態及び第７の実施形態では、ポンプ３内においてポンプ室２１から吸入口２３側に向かって、テーパ部２５の内壁面の上側部位が、ポンプ室２１から吸入口２３までの間で上方に傾斜していることになる。
これにより、第６の実施形態及び第７の実施形態をポンプ３の構成に採用しても、ポンプ３内で気泡が溜まり難くなり、ポンプ３の効率を向上させることができる。
【００３７】
また、更に、ポンプ３の導入路２２、吸入口部２４、配管１０、接続継手１２の内壁面に、摩擦力を低下させるコーティング処理等を施すとよい。これにより、レシーバタンク７とポンプ３のポンプ室２１との間で、気泡をより溜まり難くして、レシーバタンク７に容易に戻すことができる。
【００３８】
以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、レシーバタンク７とポンプ３との間を配管１０で接続しているが、ホース等のように流体の流路を構成可能な他のものであってもよい。
また、上記実施形態を複数、または実施形態と参考形態を組み合わせて実施してもよい。
本実施形態のランキンサイクルシステム１は、工場廃熱に限らず、種々の熱利用装置のランキンサイクルに広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１    ランキンサイクルシステム
２    循環路
３    ポンプ（液体ポンプ）
４    蒸発器
５    膨張機
６    凝縮器
７    レシーバタンク（レシーバ）
１０    配管
１１    水平区間（水平部分）
１２    接続継手
１３    配管（吸入口部）
１５、２５    テーパ部
２１  ポンプ室
２２    導入路
２４    吸入口部
【図１】
0006615522.tif 000002
【図２】
0006615522.tif 000003
【図３】
0006615522.tif 000004
【図４】
0006615522.tif 000005
【図５】
0006615522.tif 000006
【図６】
0006615522.tif 000007
【図７】
0006615522.tif 000008
【図８】
0006615522.tif 000009
【図９】
0006615522.tif 000010
【図１０】
0006615522.tif 000011
【図１１】
0006615522.tif 000012
【図１２】
0006615522.tif 000013
【図１３】
0006615522.tif 000014
【図１４】
0006615522.tif 000015