JP2011226483A - ランキンサイクルに従って動作する閉回路と該閉回路を使用する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路の全体の性能を低下させずに、熱エネルギーを電気エネルギーなどの容易に使用可能なエネルギーに変換する。
【解決手段】本発明は、液体の状態の作動流体用の循環圧縮ポンプ（１２）と、流体を蒸発させる高温熱源（２２）に曝されている熱交換器（２０）と、蒸気の状態の流体を膨張させる膨脹手段（２８）と、入口の面（３８）と出口の面（４０）との間で冷却用流体が通過して流体を凝縮させる冷却用熱交換器（３２）と、を有するランキンサイクルに従って動作する閉回路に関する。本発明によれば、この回路は冷却用熱交換器（３２）からの熱エネルギーをとらえて電気エネルギーに変換する熱電対列（４４）を有しており、この熱電対列が、冷却用熱交換器の出口の面（４０）からの、加熱された冷却用流体の流れの中に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ランキンサイクルに従って動作する閉回路に関する。本発明は、特にこの回路に由来する熱エネルギーが回収され他のエネルギーに変換されることを可能にする装置を備えているような回路に関する。

公知のように、ランキンサイクルは、作動流体の相（液体／気体）の変化に関連する特別な特徴を有する閉回路熱力学サイクルである。

このサイクルは、一般には液体の水である作動流体がエントロピー一定の状態で圧縮される段階と、この圧縮された液体が熱源と接触して加熱および蒸発する次の段階と、に概ね分けることができる。それからこの蒸気は、他の段階で、膨脹器内でエントロピー一定の状態で膨脹し、それから、最後の段階で、この膨脹した蒸気が冷源と接触して冷却されて凝縮する。

これらのさまざまな段階を実施するために、回路は、液体の水を圧縮する圧縮器と、圧縮された水を少なくとも部分的に蒸発させるために高温の流体に曝される蒸発器と、この蒸気のエネルギーを力学的エネルギーや電気エネルギーなどの他のエネルギーに変換する、蒸気を膨脹させるタービンのような膨脹器と、この蒸気を液体に変換するために、蒸気に含まれている熱を一般には外気である冷源に伝達させ、当該外気に曝されている凝縮器と、有している。

特に特許文献１により、特に自動車で使用される内燃エンジンの排気ガスによって運ばれる熱エネルギーを、蒸発器を通して流れる流体の加熱および蒸発をもたらす高温熱源として使用することも知られている。

これは、排気段階で失われるエネルギーを、ランキンサイクル回路を通して自動車で使用可能なエネルギーに変換する目的で、排気段階で失われるエネルギーの大部分を回収することによって、このエンジンのエネルギー効率を改善することができる。

さらに、この回路では、水蒸気に含まれている熱は、この蒸気を液体の水に変換する凝縮器に曝されている外気に伝達される。この変換中に、水蒸気は熱エネルギーを空気に伝達し、それからこの高温の空気は直接大気に放出される。

そのため、使用可能であるはずの大量の熱エネルギーが失われてしまう。

特許文献２は、加圧されている水蒸気が横切り、また冷却塔から流入する冷却用流体に曝されている凝縮器を備えた発電所を開示している。この凝縮器は、水蒸気の熱を回収してその熱を電気エネルギーに変換する熱電モジュールが配置された複数のチューブを有している。

仏国特許出願公開第２，８８４，５５５号明細書 米国特許第６，３６７，２６１号明細書

特許文献２に記載の装置の主な欠点は、エネルギーの変換を実現するために大きな温度差が必要になることである。そのため、凝縮器の入口で水蒸気の温度および圧力を上昇させなければならないが、それによってこの発電所に備えられた蒸気タービンの効率が損なわれる。

本発明は、回路全体の性能を低下させずに熱エネルギーを電気エネルギーなどの容易に使用可能なエネルギーに変換するように、熱エネルギーの全てまたは大部分を回収できる回路および方法によって、前述の欠点を克服することを目的としている。

本発明は、液体の状態の作動流体用の循環圧縮ポンプと、流体を蒸発させる高温熱源に曝されている熱交換器と、蒸気の状態の流体を膨張させる膨脹手段と、入口の面と出口の面との間で冷却用流体が通過して流体を凝縮させる冷却用熱交換器と、を有するランキンサイクルに従って動作する閉回路であって、冷却用熱交換器からの熱エネルギーをとらえて電気エネルギーに変換する熱電対列を有し、当該熱電対列が、冷却用熱交換器の出口の面からの、加熱された冷却用流体の流れの中に配置されていることを特徴とする、回路に関する。

熱電対列は、冷却用熱交換器の出口の面上に配置することができる。

冷却用流体は、空気または水とすることができる。

高温熱源は、内燃エンジンの排気ガスに由来するものであって良い。

また、本発明は、ランキンサイクルに従って動作する閉回路であって、流体の状態の作動流体用の循環圧縮ポンプと、流体を蒸発させる高温熱源に曝されている熱交換器と、蒸気の状態の流体を膨張させる膨脹手段と、入口の面と出口の面との間で冷却用流体に曝され、流体を凝縮させる冷却用熱交換器と、を有する回路、を使用する方法であって、この回路の動作中に、冷却用熱交換器の出口の面からの、加熱された冷却用流体の流れの中に配置されている熱電対列によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために冷却用交換器からの熱エネルギーをとらえることを特徴とする方法に関する。

本方法では、熱交換器に曝している高温熱源に、内燃エンジンの排気ガスの熱エネルギーを使用することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例によって示す以降の説明によって明らかになろう。

ランキンサイクルに従って動作する閉回路に由来する熱エネルギーを回収する装置を示す図である。

図１において、ランキンサイクル閉回路１０は、この回路１０内を時計回り（矢印Ａ）に循環する本例では水である作動流体用の循環圧縮手段１２を有している。以降の説明で圧縮器と呼ぶこの手段１２は、入口１４と出口１６との間でこの水を圧縮することを可能にし、ここでは水は液体の状態のまま高圧になっている。

この圧縮器１２は、電気モータ１８などの任意の公知の手段によって回転駆動されることが有利である。

この回路１０は、圧縮蒸気の状態で流出する圧縮された水が通過する、蒸発器と呼ばれる熱交換器２０も備えている。

この蒸発器２０は、内燃エンジン２６の排気ライン２４を循環している排気ガスに由来する高温熱源２２に曝されている。

このエンジン２６は自動車の内燃エンジンであることが好ましい。

この回路１０は、入口の位置で高圧に圧縮された水蒸気を受け取る膨脹器２８つまりエキスパンダを有しており、水蒸気は低圧の膨脹した蒸気の状態で流出する。

例として、このエキスパンダは、ロータ（不図示）が水蒸気によって回転駆動される膨脹タービンである。このロータは、例えば発電機３０のように、回収された力学的エネルギーを他のエネルギーに変換する任意の公知の装置に接続されていることが有利である。

この回路１０は、膨脹した低圧の蒸気用の入口３４と、熱交換器３２の通過後に液体の水に変換された液体用の出口３６と、を備えている冷却用の熱交換器３２も有している。冷却用の熱交換器３２は以降の説明では凝縮器と呼ばれる。本明細書において、凝縮器３２は、たとえばフィンが設けられているチューブ形式の熱交換器であり、蒸気は複数のチューブ内を循環し、冷却用流体がチューブおよびフィンに曝されている。この熱交換凝縮器３２は、冷却用流体Ｆｆに面している入口の面３８と、加熱された冷却用流体がこの凝縮器３２から放出される出口の面４０と、を備えた平行六面体の組み立て品であることが有利である。

本例の場合、この冷却用流体は、膨脹した蒸気を冷却することによって凝縮器３２の入口の面３８と出口の面４０との間で凝縮器３２を通して流れる雰囲気温度の外気である。この冷却は、蒸気を凝縮させ、この蒸気を凝縮器３２の出口３６では液体に変換するという効果がある。したがって、蒸気と冷却用空気との間の熱交換のため、冷却用空気は蒸気に含まれている熱エネルギーを得て、結果として、凝縮器３２の出口の面４０の位置で高温の気流となる（図では複数の矢印Ｆｃで示されている）。

もちろん、水などの他の任意の冷却用流体を蒸気の凝縮に使用することができる。

この回路１０は、凝縮器３２によって供給された熱エネルギーを変換する手段４２も有している。より具体的には、これらの手段４２は、高温の流体に含まれている熱エネルギーを回収して、力学的エネルギーや電気エネルギーなどの他のエネルギーに変換する。

これらの変換手段４２は、高温の気流Ｆｃ内に配置された、凝縮器３２の熱エネルギーから電気エネルギーを得ることができる連続した複数の熱電対列（thermopile）４４を有していることが有利である。

より具体的には、これらの熱電対列４４は、凝縮器３２の入口の面と出口の面との間の気体の循環を妨げることのないように、凝縮器３２の出口の面４０上またはその近くに配置されている。

本発明の範囲から逸脱することなく、これらの熱電対列４４は、凝縮器３２内に組み込まれた要素であっても良く、この凝縮器３２の構成要素であっても良い。

これら熱電対列４４は、得た熱をその場で電気エネルギーに変換する効果、特にゼーベック効果を有している。それから、この電気エネルギーは、複数の熱電対列４４に接続された導体４６によって利用可能である。

作動流体が複数の矢印で示されている方向に液体または気体の状態で循環するように、流体循環ライン４８，５０，５２および５４によって、この回路１０のさまざまな要素は連続的に接続されている。

したがって、熱エネルギーの回収および電気エネルギーへの変換をする装置４２を備えている回路１０と、排気ライン２４を備えている内燃エンジン２６と、を含む組み立て品は、自動車に搭載されることが有利である。

動作中、水は、電気モータ１８により回転駆動される圧縮器１２の作用によって、回路１０内を図に関して時計回り（矢印Ａ）に循環する。

この構成において、水は、１０バール（１０⁶パスカル）程度の圧力と３０℃近くの温度で、圧縮された液体の状態で圧縮器１２から流出する。この圧縮された水は、流体循環ライン４８を通り、蒸発器２０内に到達する。この圧縮された水は、蒸発器２０を通して流れ、約３００℃の温度の高圧の圧縮蒸気の状態で蒸発器２０から流出する。この水蒸発は、蒸発器２０が曝されているエンジン２６の排気ガスからの熱によって実現される。それから水蒸気は、そのエネルギーを膨脹器２８に伝達しながら膨脹器２８を通して流れ、このエネルギーは発電機３０の駆動に使用される。この膨脹器２８から流出した膨脹した水蒸気は、凝縮器３２を通して流れ、凝縮器３２から液体の状態で流出する。それから、この液体の水は、流体循環ライン５４を通して、圧縮されるために圧縮器１２まで運ばれる。

凝縮器３２を通過する時に、蒸気は入口３４の位置で約１００℃になっており、この蒸気は約３０℃の温度になり大部分が液体の状態で出口３６から流出する。この通過中に、蒸気に含まれている熱量が、凝縮器３２の入口の面３２と出口の面４０との間で凝縮器３２に曝されている低温の気体（矢印Ｆｆ）によって捕らえられる。この気体は、蒸気によって過熱された気流Ｆｃとして出口の面４０に到達するように、凝縮器３２を進むにつれて加熱される。

熱電対列４４により、高温の気体（矢印Ｆｃ）は、これらの熱電対列４４に熱エネルギーの大部分を伝達しながら熱電対列４４を通して流れ、通過後に高温の気流Ｆｃよりも低い温度の気流Ｆｃ’となる。

したがって、捕らえられた熱は、これらの熱電対列４４によって電気エネルギーに変換される。

この電気エネルギーは、電池や自動車の付属品などの任意の装置に、複数の導体４６によって電流として運ばれる。

ここで、凝縮器３２に進入する水蒸気は（１００℃から数度の範囲の）ほぼ一定の温度であって良い。これによって、高温気体の狭い温度範囲内での最大効率の領域で複数の熱電対列４４を使用できるようになる。

１０ 回路
１２ 圧縮器（循環圧縮手段）
１４、３４ 入口
１６、３６ 出口
１８ 電気モータ
２０ 蒸発器（熱交換器）
２２ 高温熱源
２４ 排気ライン
２６ 内燃エンジン
２８ 膨脹器
３０ 発電機
３２ 凝縮器（熱交換器）
３８ 入口の面
４０ 出口の面
４２ 変換手段
４４ 熱電対列
４６ 導体
４８，５０，５２，５４ 流体循環ライン

Claims (7)

1. 液体の状態の作動流体用の循環圧縮ポンプ（１２）と、前記流体を蒸発させる高温熱源（２２）に曝されている熱交換器（２０）と、蒸気の状態の前記流体を膨張させる膨脹手段（２８）と、入口の面（３８）と出口の面（４０）との間で冷却用流体が通過して前記流体を凝縮させる冷却用熱交換器（３２）と、を有するランキンサイクルに従って動作する閉回路であって、
   前記冷却用熱交換器（３２）からの熱エネルギーをとらえて電気エネルギーに変換する熱電対列（４４）を有し、
   前記熱電対列が、前記冷却用熱交換器の前記出口の面（４０）からの、加熱された前記冷却用流体の流れの中に配置されていることを特徴とする、回路。
2. 前記熱電対列（４４）は、前記冷却用熱交換器の前記出口の面（４０）上に配置されている、請求項１に記載の回路。
3. 前記冷却用流体は空気である、請求項１または２に記載の回路。
4. 前記冷却用流体は水である、請求項１または２に記載の回路。
5. 前記高温熱源（２２）は、内燃エンジン（２６）の排気ガスに由来する、請求項１に記載の回路。
6. ランキンサイクルに従って動作する閉回路（１０）であって、流体の状態の作動流体用の循環圧縮ポンプ（１２）と、前記流体を蒸発させる高温熱源（２２）に曝されている熱交換器（２０）と、蒸気の状態の前記流体を膨張させる膨脹手段（２８）と、入口の面（３８）と出口の面（４０）との間で冷却用流体に曝され、前記流体を凝縮させる冷却用熱交換器（３２）と、を有する前記回路を使用する方法であって、
   前記回路の動作中に、前記冷却用熱交換器の前記出口の面（４０）からの、加熱された前記冷却用流体の流れの中に配置されている熱電対列（４４）によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために前記冷却用交換器からの熱エネルギーをとらえることを特徴とする、方法。
7. 前記熱交換器（２０）に曝している前記高温熱源（２２）に、内燃エンジン（２６）の排気ガスの熱エネルギーを使用することを特徴とする、請求項６に記載の方法。

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