JP6727779B2

JP6727779B2 - ランキンサイクル装置

Info

Publication number: JP6727779B2
Application number: JP2015179685A
Authority: JP
Inventors: 中村　正明; 正明中村
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: JP2017053318A

Description

本発明は、ランキンサイクル装置に関する。

従来、エンジン等で生じる廃熱を回収する廃熱回収装置として、ランキンサイクル装置が知られている。例えば、下記特許文献１に記載されたランキンサイクル装置は、液相の作動媒体をエンジンの廃熱によって蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出した気相の作動媒体から動力を回収する膨張機と、膨張機から流出した気相の作動媒体を冷却して液化させる凝縮器と、を備えている。

特開２０１４−１４８９１０号公報

上記のようなランキンサイクル装置においては、例えば凝縮器の小型化等を図るために、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却することが求められている。

本発明は、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却することができるランキンサイクル装置を提供することを目的とする。

本発明に係るランキンサイクル装置は、膨張機から流出して凝縮器に流入する気相の作動媒体が流れる第１流路と、凝縮器から流出した液相の作動媒体が流れる第２流路と、第１流路及び第２流路に接続され、第２流路から第１流路に向けて液相の作動媒体が流れる第３流路と、第３流路を通って第１流路へ流入する液相の作動媒体の少なくとも一部を微粒化させる微粒化手段と、を備える。

このランキンサイクル装置では、第２流路を流れる液相の作動媒体の一部を、第３流路を介して第１流路へ流入させ、第１流路を流れる気相の作動媒体と合流させることができる。このように合流させた場合、液相の作動媒体による気相の作動媒体からの吸熱、特に液相の作動媒体が気化する際の気化熱によって、第１流路を流れる気相の作動媒体を冷却することができる。さらに、このランキンサイクル装置では、第１流路へ流入する液相の作動媒体の少なくとも一部を微粒化手段によって微粒化させるため、液相の作動媒体の吸熱及び気化を促進することができる。したがって、このランキンサイクル装置によれば、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却することが可能となる。

また、本発明に係るランキンサイクル装置は、第１流路において第３流路との接続位置よりも下流側に設けられ、凝縮器に流入する作動媒体が流れるタンク部を更に備え、タンク部は、下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部と、拡大部よりも下流側に設けられ、下流側へ向かうにつれて流路面積が縮小する縮小部と、を有している。このため、
第１流路へ流入され微粒化された作動媒体を拡大部によって拡散し、液相の作動媒体の吸熱及び気化を一層促進することができる。また、作動媒体を縮小部によって圧縮し、合流後の作動媒体の液化を促進することができる。

また、本発明に係るランキンサイクル装置は、タンク部内には、作動媒体を放熱させる放熱部材が配置されていてもよい。このランキンサイクル装置によれば、タンク部内を流れる作動媒体の熱を放熱部材によって放熱し、膨張機から流出した気相の作動媒体を一層好適に冷却することが可能となる。

本発明によれば、膨張機から流出した気相の作動媒体を好適に冷却できるランキンサイクル装置を提供することができる。

実施形態に係るランキンサイクル装置の概略構成図である。変形例のランキンサイクル装置の概略構成図である。変形例のランキンサイクル装置の概略構成図である。（ａ）〜（ｃ）は、図４のＶ−Ｖ線における断面の例を示す図である。変形例のランキンサイクル装置の概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１に示されるランキンサイクル装置１は、例えば車両に搭載され、燃費向上を図るために用いられる。搭載される車両としては、例えばトラックやバス等の商用車が挙げられる。車両としては、特に限定されるものではなく、例えば大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等のいずれであってもよい。

ランキンサイクル装置１は、例えば車両のエンジンの廃熱を入熱とし、当該廃熱の熱エネルギを動力に変換して出力する。ランキンサイクル装置１は、流路１１を備え、当該流路１１上に、ポンプ２１と、蒸発器２２と、膨張機２３と、凝縮器２４と、を有している。流路１１には、作動媒体Ｍが循環される。作動媒体Ｍとしては、種々のものを用いることができ、ここでは、低沸点媒体であるＲ１３４ａが用いられている。

ポンプ２１は、蒸発器２２と凝縮器２４との間に設けられ、凝縮器２４から流入した作動媒体Ｍを蒸発器２２側へ圧送する。蒸発器２２は、ポンプ２１の下流側に設けられ、ポンプ２１で圧縮された作動媒体Ｍを加熱して蒸発させる。蒸発器２２は、例えばエンジン冷却水Ｃを熱源（高温側熱源）として利用して作動媒体Ｍを加熱する。

蒸発器２２は、例えば、熱媒Ｌ１が流れる流路２６と、流路２６上に設けられエンジン冷却水Ｃと熱媒Ｌ１との間で熱交換させる熱交換器２７と、を有している。蒸発器２２では、熱交換器２７で吸熱して加熱された熱媒Ｌ１と蒸発器２２内を流れる作動媒体Ｍとの間の熱交換により、作動媒体Ｍが加熱される。なお、蒸発器２２は、流路２６及び熱交換器２７を有さず、エンジン冷却水Ｃと作動媒体Ｍとの間で直接的に熱交換を行なって作動媒体Ｍを加熱する構成であってもよい。また、蒸発器２２は、エンジンの排気ガス、又はＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス等の廃熱を熱源として利用するものであってもよい。

膨張機２３は、蒸発器２２の下流側に設けられている。膨張機２３は、作動媒体Ｍが膨張することにより回転し、動力を出力する。膨張機２３としては、例えばタービン等が用いられる。膨張機２３は、例えば機械出力を出力してもよいし、例えば発電機が接続されて電気出力を出力してもよい。

凝縮器２４は、膨張機２３の下流側に設けられ、作動媒体Ｍを冷却して凝縮させる。凝縮器２４は、例えば車両が走行する際の走行風Ｗを熱源（低温側熱源）として利用して作動媒体Ｍを冷却する。凝縮器２４は、例えば、熱媒Ｌ２が流れる流路２８と、流路２８上に設けられ、走行風Ｗと熱媒Ｌ２との間で熱交換させる熱交換器（サブラジエータ）２９と、を有している。凝縮器２４では、熱交換器２９で放熱して冷却された熱媒Ｌ２と凝縮器２４内を流れる作動媒体Ｍとの間の熱交換により、作動媒体Ｍが冷却される。なお、凝縮器２４は、流路２８及び熱交換器２９を有さず、走行風Ｗと作動媒体Ｍとの間で直接的に熱交換を行なって作動媒体Ｍを冷却する構成であってもよい。

流路１１は、例えば配管等により構成されている。流路１１は、凝縮器２４及び蒸発器２２に接続された流路１２（第２流路）と、蒸発器２２及び膨張機２３に接続された流路１３と、膨張機２３及び凝縮器２４に接続された流路１４（第１流路）と、を含んで構成されている。

流路１２には、凝縮器２４から流出して蒸発器２２に流入する液相の作動媒体Ｍが流れる。流路１２上に、上記ポンプ２１が設けられている。流路１３には、蒸発器２２から流出して膨張機２３に流入する気相の作動媒体Ｍが流れる。流路１４には、膨張機２３から流出して凝縮器２４に流入する気相の作動媒体Ｍが流れる。なお、後述するように、流路１４には、液相の作動媒体Ｍが流れる場合がある。

本実施形態の流路１１は、流路１２及び流路１４に接続された流路１５（第３流路）を更に含んで構成されている。流路１５は、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍの一部を流路１４へ分岐させる。

流路１５の一端１５ａは、流路１２におけるポンプ２１の下流側に接続され、流路１５の他端１５ｂは、流路１４に接続されている。すなわち、流路１２は、流路１５の一端１５ａとの接続位置よりも上流側の上流部１２ａと、当該接続位置よりも下流側の下流部１２ｂとにより構成されている。また、流路１４は、流路１５の他端１５ｂとの接続位置よりも上流側の上流部１４ａと、当該接続位置よりも下流側の下流部１４ｂとにより構成されている。

流路１５の他端１５ｂには、流路１５を通って流路１４へ流入する液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を微粒化させる噴霧器（微粒化手段）３１が設けられている。噴霧器３１は、液相の作動媒体Ｍを流路１４内に液滴として分散させる。噴霧器３１は、例えば、液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を霧状とし、霧状とした作動媒体Ｍを流路１４内へ噴出させる。

以上、ランキンサイクル装置１では、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍの一部を、流路１５を介して流路１４へ流入させ、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍと合流させることができる。このように合流させた場合、液相の作動媒体Ｍによる気相の作動媒体Ｍからの吸熱、特に液相の作動媒体Ｍが気化する際の気化熱によって、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍを冷却することができる。

さらに、ランキンサイクル装置１では、流路１４へ流入する液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を噴霧器３１によって微粒化させるため、液相の作動媒体Ｍの吸熱及び気化を促進することができる。したがって、ランキンサイクル装置１によれば、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを好適に冷却することが可能となる。その結果、凝縮器２４に流入する作動媒体Ｍの温度（入口温度Ｔ１）を低下させることができるため、凝縮器２４に要求される冷却性能を緩和することができ、凝縮器２４を小型化することが可能となる。また、凝縮器２４（特に、熱交換器）の材料として高温特性が優れていない材料でも用いることができるため、材料の選択の自由度を高めることが可能となる。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。

図２は、変形例のランキンサイクル装置１Ａの概略構成図である。図２に示されるように、変形例のランキンサイクル装置１Ｂは、流路１５上にバルブ（流量調節部）３３が設けられている点で上記実施形態のランキンサイクル装置１と相違する。バルブ３３は、その開度を変化させることで、流路１５を流れる作動媒体Ｍの流量を調節する。バルブ３３が開弁されると、流路１２を流れる液相の作動媒体Ｍの一部が流路１５を介して流路１４へ流入し、流路１４を流れる気相の作動媒体Ｍが冷却されることとなる。

変形例のランキンサイクル装置１Ａによっても、上記実施形態と同様に、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを好適に冷却することができる。また、流路１５を流れる作動媒体Ｍの流量を調整できることから、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを一層好適に冷却することが可能となる。

図３は、変形例のランキンサイクル装置１Ｂの概略構成図、図４（ａ）〜（ｃ）は、図３のＩＶ−ＩＶ線における断面の例を示す図である。図３に示されるように、変形例のランキンサイクル装置１Ｂは、タンク部６０を備える点で上記実施形態のランキンサイクル装置１と相違する。タンク部６０は、流路１４の下流部１４ｂに、すなわち流路１４において流路１５との接続位置よりも下流側に設けられている。

タンク部６０は、下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部６１と、拡大部６１よりも下流側に設けられ、流路に沿う方向において同一の断面形状を有する本体部６２と、本体部６２よりも下流側に設けられ、下流側へ向かうにつれて流路面積が縮小する縮小部６３と、を含んで構成されている。ここでの拡大部６１では、その流路径が増加することで流路面積が拡大されており、縮小部６３では、その流路径が減少することで、その流路面積が縮小されている。

図４に示されるように、タンク部６０内には、作動媒体Ｍを放熱させる放熱部材６４が配置されている。放熱部材６４は、タンク部６０内を流れる作動媒体Ｍと接触し、作動媒体Ｍの熱をタンク部６０の外部へ伝熱させる。ここでの放熱部材６４は、拡大部６１、本体部６２、及び縮小部６３にわたって配置されている。放熱部材６４は、図４（ａ）の例のようにフィン形状を有するフィン６４Ａであってもよいし、図４（ｂ）の例のように多孔質材により形成された多孔質部材６４Ｂであってもよいし、図４（ｃ）に示されるようにメッシュ層が流れ方向に積層されてなる積層メッシュ部材６４Ｃであってもよい。なお、放熱部材６４は、タンク部６０を構成する材料よりも熱伝導率が高い材料により形成されてもよい。また、放熱部材６４は、拡大部６１、本体部６２、及び縮小部６３の少なくとも一部に配置されていればよく、例えば本体部６２のみに配置されていてもよい。

変形例のランキンサイクル装置１Ｂによっても、上記実施形態と同様に、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを好適に冷却することができる。また、変形例のランキンサイクル装置１Ｂでは、流路１４へ流入され微粒化された作動媒体Ｍを拡大部６１によって拡散し、液相の作動媒体Ｍの吸熱及び気化を一層促進することができる。また、作動媒体Ｍを縮小部６３によって圧縮して加圧することで、合流後の作動媒体Ｍの液化を促進することができる。また、変形例のランキンサイクル装置１Ｂでは、タンク部６０内を流れる作動媒体Ｍの熱を放熱部材６４によって放熱し、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを一層好適に冷却することが可能となる。

図５は、変形例のランキンサイクル装置１Ｃの概略構成図である。図５に示されるように、変形例のランキンサイクル装置１Ｃは、タンク部６０を備える点で上記実施形態のランキンサイクル装置１Ｂと相違する。変形例のランキンサイクル装置１Ｃによっても、上記実施形態のランキンサイクル装置１Ｂと同様に、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを好適に冷却することができる。また、上記実施形態のランキンサイクル装置１Ａと同様に、流路１５を流れる作動媒体Ｍの流量を調整できることから、膨張機２３から流出した気相の作動媒体Ｍを一層好適に冷却することが可能となる。

上記実施形態の噴霧器３１は、流路１４へ流入する液相の作動媒体Ｍの少なくとも一部を微粒化させればよく、例えばその全量を微粒化させてもよいし、或いはその一部を微粒化させてもよい。微粒化手段は、噴霧器３１に限られない。

１，１Ａ…ランキンサイクル装置、１２…流路（第２流路）、１４…流路（第１流路）、１５…流路（第３流路）、２１…ポンプ、２３…膨張機、２４…凝縮器、３１…噴霧器（微粒化手段）、３３…バルブ（流量調整部）、６０…タンク部、６１…拡大部、６３…縮小部、６４…放熱部材、Ｍ…作動媒体。

Claims

膨張機から流出して凝縮器に流入する気相の作動媒体が流れる第１流路と、
前記凝縮器から流出した液相の前記作動媒体が流れる第２流路と、
前記第１流路及び前記第２流路に接続され、前記第２流路から前記第１流路に向けて液相の前記作動媒体が流れる第３流路と、
前記第３流路を通って前記第１流路へ流入する液相の前記作動媒体の少なくとも一部を微粒化させる微粒化手段と、
前記第１流路において前記第３流路との接続位置よりも下流側に設けられ、前記凝縮器に流入する前記作動媒体が流れるタンク部と、を備え、
前記タンク部は、
下流側へ向かうにつれて流路面積が拡大する拡大部と、
前記拡大部よりも下流側に設けられ、下流側へ向かうにつれて流路面積が縮小する縮小部と、を有する、
ランキンサイクル装置。
前記タンク部内には、前記作動媒体を放熱させる放熱部材が配置されている、請求項１記載のランキンサイクル装置。