(57)【要約】【課題】流体ポンプ付き膨張機を用いたランキンサイクル装置において、膨張機入口側と流体ポンプ入口側における作動流体の密度比が、これらの吸入容積比と等しく、一定となるため、温度や圧力に対して密度の変化が少ない飽和液である流体ポンプ入口側の作動流体の密度と共に、膨張機入口側の作動流体の密度も固定されてしまうので、加熱装置における加熱量や加熱温度が変化しても追従できず、ランキンサイクル装置の効率が低下してしまうという課題が生じていた。【解決手段】流体ポンプ１５入口側の液相の作動流体に気相の作動流体を混ぜることにより、エンタルピーを殆ど変化させることなく、作動流体の密度だけを低下させ、それに伴って、膨張機入口側の作動流体の密度も同様に低下させることで、効率の良い条件でランキンサイクル装置の運転を可能にする。【選択図】図１
2009103029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱装置と、前記加熱装置で加熱された作動流体を減圧膨張させて動力を回収する膨張機と、前記膨張機からの作動流体を冷却する凝縮器と、前記膨張機により駆動され、前記凝縮器からの作動流体を気液二相の状態で吸入、加圧する流体ポンプと、を備えたランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記流体ポンプが吸入する作動流体の密度は、前記凝縮器の冷却量により制御され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装置。
【請求項３】
前記流体ポンプは第１吸入管と第２吸入管とを備え、第１吸入管は液相の作動流体を吸入し、第２吸入管は気相の作動流体を吸入す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装置。
【請求項４】
前記第２吸入管に流量調整弁を備え、前記流体ポンプが吸入する作動流体の密度は、前記流量調整弁により制御されることを特徴とする、請求項３に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記第１吸入管には前記凝縮器を通過した作動流体が流入し、前記第２吸入管には前記凝縮器の上流側の作動流体が流入することを特徴とする、請求項３または４に記載のランキンサイクル装置。
【請求項６】
前記凝縮器は、作動流体の流れに対して上流側の第１凝縮器と、下流側の第２凝縮器から成り、前記第１吸入管には前記第２凝縮器を通過した作動流体が流入し、前記第２吸入管には前記第１凝縮器と前記第２凝縮器との間の作動流体が流入することを特徴とする、請求項３または４に記載のランキンサイクル装置。
【請求項７】
前記第１凝縮器と前記第２凝縮器との間に気液分離器を備え、前記第２吸入管には前記気液分離器で分離された気相の作動流体が流入することを特徴とする、請求項６に記載のランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源を利用して駆動される膨張機により動力を回収するランキンサイクル装置に関する。特に、流体ポンプ付き膨張機を用いたランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ランキンサイクル装置に使用される膨張機と、流体ポンプ、および、発電機が同軸に一体化されて構成され、膨張機が回収した動力により流体ポンプと発電機とが駆動される、いわゆる流体ポンプ付き膨張機が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、従来の流体ポンプ付き膨張機２を用いたランキンサイクル装置４１の構成図である。図６は、図５における従来の流体ポンプ付き膨張機２の断面図である。
【０００４】
図５、図６に示すように、従来のランキンサイクル装置４１は、加熱装置１、膨張機２、凝縮器３、気液分離器４、および流体ポンプ５を順次、環状に接続することにより構成されている。膨張機２はスクロール式、流体ポンプ５はロータリ式であり、共に容積型の流体機械である。また、膨張機２と流体ポンプ５との間には、発電機６を配置し、シャフト７により同軸に結合されている。
【０００５】
作動流体は、加熱装置１で加熱された後、膨張機２で膨張して高温高圧から低圧となる。膨張した作動流体は、凝縮器３で冷却されて気相から液相へと凝縮し、気液分離器４で液相と気相とに分離された後、液相の作動流体のみが流体ポンプ５により加熱装置１に圧送される。上記膨張過程で、作動流体が膨張機２を回転駆動するのに伴って、流体ポンプ５と発電機６とが駆動される。膨張機２が作動流体から得た動力エネルギーのうち、流体ポンプ５を駆動するために消費されたエネルギーを除いた分が、発電機６で電気エネルギーに変換される。
【０００６】
図７は、従来のランキンサイクル装置４１のモリエル線図である。図７において、横軸はエンタルピー、縦軸は圧力、線Ｈは飽和液線、線Ｌは等密度線を表している。点Ａ−点Ｂは加熱装置１、点Ｂ−点Ｃは膨張機２、点Ｃ−点Ｄは凝縮器３、点Ｄ−点Ａは流体ポンプ５における作動流体の各状態変化を示している。流体ポンプ５入口側での作動流体の状態を示す点Ｄは、気液分離器４の作用により、常に飽和液線Ｈ上に存在する。
【特許文献１】特開２００６−３３６５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の流体ポンプ付き膨張機２を用いたランキンサイクル装置４１において、膨張機２と流体ポンプ５とをそれぞれ通過する作動流体の質量流量は同じであり、かつ、膨張機２と流体ポンプ５とはシャフト７で連結されているため、膨張機２入口側である点Ｂと流体ポンプ５入口側である点Ｄにおける作動流体の体積流量比と、膨張機２と流体ポンプ５における吸入容積比とは等しく、一定となる。したがって、点Ｂと点Ｄにおける作動流体の密度比も、同様に一定となる。
【０００８】
また、流体ポンプ５に吸入される作動流体、すなわち、点Ｄにおける作動流体は、気液分離器４の作用により飽和液の状態であり、その密度は温度と圧力の影響を殆ど受けることはなく、ほぼ一定であるので、膨張機２に吸入される作動流体、すなわち、点Ｂにおける作動流体の密度もほぼ一定となる。その結果、加熱装置１の加熱量や加熱温度が変化しても、点Ｂは等密度線Ｌ上でしか移動できないという拘束を受けるため、効率の良い圧力および温度条件下でのランキンサイクルの運転ができず、効率が低下してしまうという課題が生じていた。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ランキンサイクル装置において、流体ポンプ付き膨張機を用いても、効率良くランキンサイクル装置を動作させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明のランキンサイクル装置は、加熱装置と、前記加熱装置で加熱された作動流体を減圧膨張させて動力を回収する膨張機と、前記膨張機からの作動流体を冷却する凝縮器と、前記膨張機により駆動され、前記凝縮器からの作動流体を気液二相の状態で吸入、加圧する流体ポンプとを備えており、流体ポンプが吸入する液相の作動流体に気相を含ませることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のランキンサイクル装置によれば、流体ポンプ付き膨張機を用いたランキンサイクル装置において、流体ポンプ入口側の作動流体は飽和液に近い状態であって、僅かでも気相を含ませることにより、密度は大きく変化する一方、エンタルピーは殆ど変化しない。したがって、流体ポンプに吸入される作動流体のエンタルピーを殆ど変化させることなく、作動流体の密度だけを大きく変化させることができ、膨張機に吸入される作動流体の密度も同様に大きく変化させることができるので、効率の良い圧力、温度条件でランキンサイクル装置を動作させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるランキンサイクル装置１１の構成図である。図１に示すように、本実施の形態１のランキンサイクル装置１１は、加熱装置１２、膨張機１３、凝縮器１４、および流体ポンプ１５を順次、環状に接続することにより構成されている。また、膨張機１３と流体ポンプ１５との間には、発電機１６を配置し、シャフト１７により同軸に結合されている。
【００１４】
作動流体は、加熱装置１２で加熱された後、膨張機１３で膨張して高温高圧から低圧となる。膨張した作動流体は、凝縮器１４で冷却されて気相から液相へと凝縮し、流体ポンプ１５により加熱装置１２に圧送される。上記膨張過程で、作動流体が膨張機１３を回転駆動するのに伴って、流体ポンプ１５と発電機１６とが駆動される。膨張機１３が作動流体から得た動力エネルギーのうち、流体ポンプ１５を駆動するために消費されたエネルギーを除いた分が、発電機１６で電気エネルギーに変換される。
【００１５】
本実施の形態１においては、凝縮器１４で作動流体に対する冷却量を抑制することにより、湿り度が減少して液相の中に気相が混入した作動流体を、流体ポンプ１５へ吸入させることができる。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態１におけるランキンサイクル装置１１のモリエル線図（実線）である。図２において、横軸はエンタルピー、縦軸は圧力、線Ｈは飽和液線、線Ｌ１は等密度線を表している。点Ａ１−点Ｂ１は加熱装置１２、点Ｂ１−点Ｃ１は膨張機１３、点Ｃ１−点Ｄ１は凝縮器１４、点Ｄ１−点Ａ１は流体ポンプ１５における作動流体の各状態変化を示している。なお、比較例として、従来のランキンサイクル装置４１のモリエル線図（点線）を同図上に記載している。
【００１７】
図２に示すように、従来のランキンサイクル装置４１において、流体ポンプ５入口側での作動流体の状態を示す点Ｄは、常に飽和液線Ｈ上に存在し、飽和液の状態にある。一方、本実施の形態１のランキンサイクル装置１１においては、凝縮器１４で冷却量を抑制することにより、湿り度が減少して液相の中に気相が混入した作動流体が、流体ポンプ１５へ吸入されるため、流体ポンプ１５入口側である点Ｄ１は、点Ｄから横軸方向に僅かに変化した位置となる。以下、本実施の形態１におけるランキンサイクル装置１１のモリエル線図について、具体的に説明する。
【００１８】
作動流体として水を用いた場合、冷却温度が８０℃のとき、点Ｄで示される飽和液の密度は９７２ｋｇ／ｍ３、点Ｅで示される飽和蒸気の密度は０．２９ｋｇ／ｍ３であり、点Ｄと点Ｅでは約３３００倍異なる。例えば、点Ｄ１を液相の中に０．１重量％の気相が存在する状態とすると、点Ｄ１の密度は約２４０ｋｇ／ｍ３となり、点Ｄの密度に対して約１／４に低下する。しかしながら、この時の点Ｄから点Ｄ１へのエンタルピーの変化は、１％以下という僅かな数値であるため、図２のモリエル線図上において、点Ｄ１は横軸方向に僅かにしか変化しない。
【００１９】
一方、膨張機１３入口側である点Ｂ１と流体ポンプ１５入口側である点Ｄ１における作動流体の密度比は、膨張機１３と流体ポンプ１５の吸入容積比により決定される所定値Ｒに固定される。したがって、流体ポンプ１５入口側の作動流体の状態が、点Ｄから点Ｄ１へと変化するのに伴って、膨張機１３入口側の作動流体の状態も、図２に示すように、所定値Ｒにより点Ｂから点Ｂ１へと変化する。この時の点Ｂ１の密度は、上記同様、点Ｂの密度に対して約１／４に低下する。通常、点Ｂは気相あるいは超臨界相の領域であり、等密度線Ｌ上でしか移動できないが、本実施の形態１においては、上記密度の変化に伴って、点Ｂ１のエンタルピーも大きく変化し、点Ｂ１は等密度線Ｌ１へ移動することができる。したがって、加熱装置１２における加熱量が変化した場合に、点Ｄでの飽和液の状態を殆ど変化させることなく、点Ｂでの作動流体の状態を加熱量に追従させた点Ｂ１の状態に変化させることができる。
【００２０】
このように、本実施の形態１のランキンサイクル装置１１では、流体ポンプ１５入口側の作動流体の、液相に含まれる気相の量を変えることにより、膨張機１３入口側の作動流体の密度を広い範囲で制御することができる。これにより、加熱装置１２における加熱量や加熱温度の変化に対応した最適な条件で膨張機１３と流体ポンプ１５を動作させることができ、効率の良い状態でランキンサイクル装置１１を運転することができる。
【００２１】
また、本実施の形態１では、凝縮器１４の冷却量により湿り度を制御するので、従来のランキンサイクル装置に対して特別な要素を追加することなく、簡単な構成でランキンサイクル装置の効率を向上させることができる。
【００２２】
なお、本実施の形態１で用いる流体ポンプ１５としては、容積型であれば、いずれの方式でも用いることができる。特には、吸入する作動流体には圧縮性のある気相が含まれるため、圧縮作用を有するものが好適である。例えば、ロータリ式やスクロール式であれば、リード弁等の吐出バルブを用いたものであることが望ましい。通常の流体ポンプは、非圧縮性である液相の作動流体を圧送するものであって圧縮過程が無いため、圧縮性の気相が混ざると効率が低下するが、吐出バルブの作用により圧縮過程が行われることで、効率が低下しない。
【００２３】
なお、本実施の形態１で用いる作動流体としては、水を用いた場合を説明したが、これに限られることは無く、凝縮器１４内部で気相から液相へと凝縮する作動流体、例えば、アンモニアや二酸化炭素を用いても、同様の効果を得ることができる。
【００２４】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるランキンサイクル装置２１の構成図である。本実施の形態２におけるランキンサイクル装置２１は、凝縮器１４を通過した作動流体を流体ポンプ１５に導く第１吸入管２２に加えて、凝縮器１４の上流側の作動流体を流体ポンプ１５の入口側に直接導く第２吸入管２３と、第２吸入管２３に設けられた流量調整弁２４とを備えたことが、図１の実施の形態１におけるランキンサイクル装置１１と相違する。本実施の形態２において、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
図３に示すように、本実施の形態２では、第１吸入管２２から、凝縮器１４で凝縮した液相の作動流体が、流体ポンプ１５に導かれる。さらに、第２吸入管２３から、凝縮器１４で凝縮する前の気相の作動流体が、流体ポンプ１５に導かれる。第２吸入管２３から導かれる気相の作動流体の流量は、流量調整弁２４の開度により制御されている。これにより、さらにきめ細やかな湿り度の制御が可能となり、ランキンサイクル装置２１の効率をより向上させることができる。
【００２６】
このように、本実施の形態２のランキンサイクル装置２１では、凝縮器１４の冷却量を制御しなくても、流体ポンプ１５へ吸入される作動流体の湿り度を、第２吸入管２３と流量調整弁２４とにより制御することができる。したがって、実施の形態１同様、流体ポンプ１５に吸入される液相の作動流体に僅かな気相を含ませることにより、膨張機１３に吸入される作動流体の密度を制御することが可能となり、簡単な構成でランキンサイクル装置２１の効率を向上させることができる。
【００２７】
なお、本実施の形態２では、流量調整弁２４を用いたが、これに限られることはなく、第２吸入管２３に何らかの流動抵抗を生じさせる手段を設けることにより、ほぼ同様の効果を得ることができる。
【００２８】
また、第１吸入管２２と第２吸入管２３とが、流体ポンプ１５の入口側で合流しているが、これに限られることはなく、別々に流体ポンプ１５に吸入させて作動室（図示せず）で合流させても、同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００２９】
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３におけるランキンサイクル装置３１の構成図である。本実施の形態３におけるランキンサイクル装置３１は、凝縮器１４としての第１凝縮器１４ａおよび第２凝縮器１４ｂ、その間に配置された気液分離器３２、第２凝縮器１４ｂからの液相の作動流体を流体ポンプ１５に導く第１吸入管３３に加えて、気液分離器３２からの気相の作動流体を流体ポンプ１５の入口側に直接導く第２吸入管３４、および、第２吸入管３４に設けられた流量調整弁３５を備えたことが、図１の実施の形態１におけるランキンサイクル装置１１と相違する。本実施の形態３において、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
図４に示すように、本実施の形態３では、実施の形態２同様、第１吸入管３３から、第２凝縮器１４ｂで凝縮した液相の作動流体が、流体ポンプ１５に導かれる。さらに、第２吸入管３４から、気液分離器３２で液相から分離された気相の作動流体が、流体ポンプ１５に導かれる。第２吸入管３４から導かれる気相の作動流体の流量は、流量調整弁３５の開度により制御されている。
【００３１】
このように、本実施の形態３のランキンサイクル装置３１では、第１凝縮器１４ａおよび第２凝縮器１４ｂの冷却量を制御しなくても、流体ポンプ１５へ吸入される作動流体の湿り度を、第２吸入管３４と流量調整弁３５とにより制御することができる。したがって、実施の形態１同様、流体ポンプ１５に吸入される液相の作動流体に僅かな気相の作動流体を含ませることにより、膨張機１３に吸入される作動流体の密度を制御することが可能となり、簡単な構成でランキンサイクル装置３１の効率を向上させることができる。
【００３２】
また、本実施の形態３では、第１凝縮器１４ａと第２凝縮器１４ｂの間に配置された第２吸入管３４を通じて、気相の作動流体を流体ポンプ１５に供給することにより、予め第１凝縮器１４ａで飽和蒸気まで冷却された気相の作動流体を、流体ポンプ１５に供給することができる。これにより、第１吸入管３３から供給される液相の作動流体と、第２吸入管３４から供給される気相の作動流体との温度差は殆ど無く、流体ポンプ１５の内部で混ざる際に熱移動に伴う相変化を起こすことが無いので、流体ポンプ１５の動作を安定させることができ、信頼性を向上させることができる。
【００３３】
また、第１凝縮器１４ａと第２凝縮器１４ｂの間に気液分離器３２を備えたことにより、第２吸入管３４に確実に気相の作動流体を供給することができるので、上記効果をより確実なものとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、排熱等から回収した熱エネルギーを動力エネルギーに変換するためのランキンサイクル装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるランキンサイクル装置の構成図
【図２】図１のランキンサイクル装置のモリエル線図
【図３】本発明の実施の形態２におけるランキンサイクル装置の構成図
【図４】本発明の実施の形態３におけるランキンサイクル装置の構成図
【図５】従来のランキンサイクル装置の構成図
【図６】従来の流体ポンプ付き膨張機の断面図
【図７】従来のランキンサイクル装置のモリエル線図
【符号の説明】
【００３６】
１，１２    加熱装置
２，１３    膨張機
３，１４    凝縮器
４，３２    気液分離器
５，１５    流体ポンプ
６，１６    発電機
７，１７    シャフト
１１，２１，３１，４１    ランキンサイクル装置
１４ａ    第１凝縮器
１４ｂ    第２凝縮器
２２    第１吸入管
２３    第２吸入管
２４，３５    流量調整弁
３３    第１吸入管
３４    第２吸入管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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