ランキンサイクル上で動作する閉ループ内の作動流体を制御する装置と、それを用いる方法

本発明は、ランキンサイクル上で動作する、閉ループ内に収容された作動流体を制御する装置と、それを用いる方法に関する。

幅広く知られているように、ランキンサイクルは熱力学サイクルであり、外部熱源からの熱は、作動流体を収容している閉ループに送られる。

このサイクルは一般的に、低凝固点を有する作動流体、一般的には水が、等エントロピーの方法で圧縮される段階と、それに続いて、この圧縮された水が熱源と接触して加熱されて蒸発する段階とに分けられる。そして、この水蒸気は、他の段階において、膨張装置において等エンタルピーの方法で膨張させられ、それから最後の段階において、この膨張した蒸気は、低温熱源と接触して冷却され凝縮される。

これらの様々な段階を行うために、ループは、液相であってループ内を循環する水を圧縮するための容積型ポンプと、圧縮された水の少なくとも一部を蒸発させるための高温流体が流れる熱交換器(すなわち蒸発器)と、この蒸気のエネルギーを機械エネルギーあるいは電気エネルギーなどの他のエネルギーに変換するタービンのような、蒸気を膨張させる膨張装置と、他の熱交換器(すなわち凝縮器)であって、それによって、蒸気を液相の水に変換させるために、蒸気に含まれる熱が低温熱源、一般的には凝縮器に接して流れる外気に奪われるような、他の熱交換器と、を含む。

高温熱源によって熱が供給され、流体の蒸気が蒸発器を通って流れるときに、内燃機関、特に自動車に使用される内燃機関の排気ガスによって運ばれる熱エネルギーが使用されることは、特に仏国特許出願公開第2,884,555号明細書を通じて周知である。

これにより、排気を、ランキンサイクルループを通して自動車に使用できるエネルギーに変換するために、排気において失われたエネルギーの大部分を回収することで、内燃機関のエネルギー効率を改善することができる。

広く知られているように、ランキンサイクルループにおいて、水を含む作動流体を使用することは、危険ではないという利点を有するとともに、最大飽和曲線を得ることができる特性を有するという利点をもたらす。

しかしながら、水は低温(0℃)の凝固点を有するという固有の特徴を有し、この凝固点を−15℃から−30℃程度の許容可能な温度レベルまで低下させるために、通常は、グリコールのような凍結防止添加物が水に加えられる。

このような添加物の添加は、水の特性、特に蒸発特性を変化させるという欠点を有し、排気ガスによる高温熱源は、満足のいくやり方でこの蒸発を行うには不十分であるだろう。

さらに、時間がたつにつれ、この添加物を含有した水は、液相/蒸気相の変化が起こる際に、予測不能な経年変化を生じる。この予測不能な経年変化は、ランキンサイクルループの機能障害を生じさせる、水の不完全な相変化を引き起こす可能性がある。

他のランキンサイクルの閉ループタイプでは、この添加物を含有した水は、とても良いエネルギー回収特性を有する純水に代えられる。

しかしながら、このような純水を使うと、外気が非常に低い温度であるときに凝固を全く防げない。

凝固によって、交換機のクラック、ポンプの破損、あるいは、さらに構成要素を接続するパイプの破裂のような不可逆的な損傷がループの構成要素に引き起こされる可能性がある。

仏国特許出願第2,956,153号明細書によく示されているように、出願人は、水が凝固するのを防ぐ装置および方法を提供することでこれらの欠点を克服した。

それにより、ループが停止している時に、作動流体はその閉ループから抜かれ、保管タンクに集められる。

出願人は、循環ポンプを使うことなく、簡単かつ経済的な方法で、水が凝固するのを防ぐために閉ループを空にすることを容易にするように、この装置をさらに改良した。実際に、閉ループの循環ポンプは、このループを完全に空にしたり、満たしたりすることを機能的に可能にすることはできず、その技術は、荷重がかかった状態での一方向への運転を必要とすることが多い。

従って、本発明は、ランキンサイクル上で動作する閉ループ内を循環する、低凝固点を有する作動流体を制御する装置に関し、前記ループは、液相の流体用の圧縮/循環ポンプと、前記流体の蒸発用の高温熱源にさらされる熱交換器と、蒸気相の流体用の膨張装置と、低温熱源にさらされる、作動流体の凝縮用の冷却交換器と、作動流体タンクと、作動流体の循環ラインとを有し、タンクは減圧発生器に接続されていることを特徴とする。

減圧発生器は真空ポンプであってよい。

閉ループは、制御された大気放出手段を含んでいてよい。

ループの循環ラインの少なくとも1つは、制御された大気放出手段を含んでいてよい。

タンクは、タンクの内部のための、制御された大気放出手段を有していてよい。

閉ループは、ポンプバイパス回路を含んでいてよい。

バイパス回路は、制御されたスロットル手段を支持するバイパスラインを含んでいてよい。

タンクは、内部に収容している流体用の温度検出器を有していてよい。

閉ループは、ポンプの入口に隣接して配置された温度検出器を含んでいてよい。

閉ループは、制御されたスロットル手段を支持する、凝縮器出口をタンクの入口に接続する循環ラインと、制御されたスロットル手段を支持する、タンクの出口をポンプの入口に接続する循環ラインとを含んでいてよい。

作動流体は、凍結防止添加物を含まない水であってよい。

本発明は、ランキンサイクル上で動作する閉ループ内を循環する、低凝固点を有する作動流体を制御する方法にも関し、前記ループは、液相の流体用の圧縮/循環ポンプと、前記流体の蒸発用の高温熱源にさらされる熱交換器と、蒸気相の流体用の膨張装置と、低温熱源にさらされる、作動流体の凝縮用の冷却交換器と、作動流体タンクと、作動流体の循環ラインとを有し、ループが停止状態のとき、ループ内に収容されている作動流体をタンクに送るためにタンクの内部に減圧を生じさせることを特徴とする。

この方法は、タンクの内部の減圧を、真空ポンプを用いて生じさせることを含んでいてよい。

この方法は、ポンプの入口での作動流体の温度が閾値温度未満のときに、流体をタンクに移送することを含んでいてよい。

この方法は、作動流体の移送後に、タンクを回路から隔離することを含んでいてよい。

この方法は、ループの再始動時に、閉ループを満たすために、タンク内に収容されている作動流体を引き出すことを含んでいてよい。

この方法は、タンク内の作動流体の温度が閾値温度を超えたときに、タンクから流体を引き出すことを含んでいてよい。

本発明のその他の特徴および利点は、添付する単一の図面を参照しながら、限定するための例ではない以下の記載を読むことによって明らかになるであろう。

ランキンサイクル上で作動する閉ループの作動流体を制御する装置を示す図である。

図面において、ランキンサイクル閉ループ10は、液相の作動流体用の入口14と、同様に液相であるが高圧で圧縮された作動流体用の出口16とを備え、以降の記載ではポンプと称する、作動流体用の圧縮及び循環容積式ポンプ12を有している。このポンプは、有利には、電気モータ(不図示)によって回転駆動される。

このループはまた、蒸発器と称される熱交換器18を有し、蒸発器の、この液相流体用の入口20と、圧縮された蒸気相で蒸発器から流れ出る作動流体が通る出口との間を、圧縮された作動流体が横切る。この蒸発器は、内燃機関28、特に自動車のエンジンの排気ライン26を循環する排気ガスからの高温熱源24にさらされる。

このループはまた、膨張装置30を有し、この膨張装置は、高圧で圧縮された蒸気相の作動流体を入口32を通じて受け取り、この流体は、低圧で膨張された蒸気相で膨張装置の出口34を通って流れ出る。

この装置はまた、高圧で圧縮された蒸気相の作動流体用の短絡出口36を有し、この膨張機の、入口32と短絡出口36との間の蒸気の通路上における動作を停止させることができる。

有利には、この膨張装置は、接続軸38の駆動中に、蒸気相の作動流体によってロータが回転駆動される膨張タービンの形態であってよい。好ましくは、この軸は、例えば発電機40のような任意のトランスフォーマー装置に回収されるエネルギーを伝えることができる。

この膨張装置は、出力軸がトランスフォーマー装置に接続された往復ピストンあるいはロータリピストンであってもよい。

ループはまた、冷却交換器42つまり凝縮器を有し、凝縮器は、膨張された低圧蒸気用の入口44と、この凝縮器を通過した後に液相に変換された作動流体用の出口46とを備えている。凝縮器は、膨張した蒸気を冷却し、それにより凝縮して液体に変換するように、低温熱源、一般的には周囲温度の冷気流(矢印F)にさらされる。もちろん、水のような他の任意の低温冷却源を、蒸気を凝縮させるために使用することもできる。

このループはまた、周囲の外気温が作動流体を凍らせるレベルであるときは、作動流体を液相に保つことができる閉タンク48を有する。

このタンクは、タンクの内側に接続された真空ポンプ50のような減圧発生器を含む。有利には、この真空ポンプは、電気モータ(不図示)によって回転駆動される。

ループの様々な構成要素は、作動流体が矢印Aに示される方向に循環するように、循環ライン52、54、56、58、60、62、64によって互いに接続されており、ポンプを蒸発器(蒸発器ライン52)に、蒸発器を膨張装置(装置ライン54)に、この膨張装置を、短絡出口36に接続された短絡ライン58によってまたは低圧膨張蒸気出口34に接続されたライン60によって凝縮器入口に接続された凝縮器ライン56に、凝縮器をタンク(タンクライン62)に、そしてタンクをポンプ(ポンプライン64)に連続的に接続することが可能になっている。 ループはまた、ポンプ12を迂回してこのポンプの入口14を出口16に直接接続するバイパスライン68を備えたバイパスループ66を有している。

好ましくは、ループは、ループ内を循環する作動流体の体積変化を吸収することができる膨張管(expansion vessel)70を有している。

循環弁の形態の、制御されたスロットル手段72、74、76、78は、ライン58(短絡弁72)と、ライン62(タンク上流弁74)と、ライン64(タンク下流弁74)と、ライン68(バイパス弁78)にそれぞれ設けられ、これらのライン内の作動流体の循環を制御している。

さらに、以降の記載では自動空気トラップと称する自動空気排出器80を備えた、制御されたスロットル手段が、装置ライン54上に設けられ、一方、ここでは弁の形態の、制御された大気放出手段82、84もそれぞれ短絡ライン58の、スロットル手段72の下流とタンク48の上部とに配置され、したがって、このラインおよび/またはタンクの内側が外気と連通することができる。

図示されたループにおいて、タンクの中に収容された作動流体の温度を測定する温度検出器86がタンクの内側、有利には、タンクの中央に配置され、ポンプ入口14に隣接するライン64上に、ポンプの入口、かつ循環弁76の下流において作動流体の温度を測定する他の温度検出器88が設けられている。

閉ループが、コック形状の排水弁92を支持しバイパスライン68からつながる排水ライン91を備えているループ排水装置90であって、メンテナンス作業中にこのループから作動流体を抜き出すのに使用されるループ排水装置90に接続されることも有利であるが、必須ではない。

ループの上方点と下方点について以下に説明する。これは図面の構成に相当し、タンク48とポンプ12が下方点、すなわち上方点にあるとみなされる膨張装置30の下方に配置されている。

同様に、上流及び下流という用語は、図面中に矢印Aによって示される作動流体の循環方向に関して考えられる。

図示されているように、排気ライン26は、排気ガス入口94とガス出口96との間の蒸発器を通って延びている。エンジンをガス入口94に接続する排気パイプ98は、制御されたスロットル手段100を支持する。他の制御されたスロットル手段104を支持する短絡ライン102は、排気パイプ98を、ガス出口96に接続された排気パイプ106に接続する。

もちろん、循環弁と大気放出弁は、制御ユニット、とりわけ内燃機関の計算機の管理下で、任意の公知の手段、例えば電気モータによって制御される。

この制御ユニットはまた、モータ駆動循環ポンプ12と真空ポンプ50を制御する。

さらに、このユニットは、基本的に、このループに設けられている様々な検出器、例えば水圧(あるいは水蒸気圧)検出器と温度検出器86、88から来た情報を受け取る。ユニットは、所望の作動範囲を得るために、受け取った情報によりループの各構成要素を制御する。

以降の記載において、このループを循環する、低凝固点を有する作動流体は水である。この水は、混じりけがなく、添加物、特に凝固を妨げる添加物を含んでいないという固有の特徴を有する。低温(0℃付近)で凝固することができ、凍結防止添加物を持たない、その他(液体/蒸気)のあらゆる相変化液体は、例えば有機流体のような作動流体として使用され得る。

標準的な作動条件下で、図面を考慮すると、水はループ内を時計回り(矢印A)に循環する。

したがって、短絡弁72は、ライン58を閉じ、タンクの上流と下流の弁74、76はライン62、64の開位置にあり、バイパス弁78はバイパスライン68を閉じる。大気放出弁82、84は、排水弁92と自動トラップ80と同様に閉位置にある。

排気ライン98の弁100は開位置にあり、したがって、排気ガスを入口94と出口96の間の蒸発器において循環させることができ、短絡弁104は閉位置にある。

真空ポンプ50は作動しておらず、循環ポンプ12は、制御ユニットによって制御された電気モータによって回転駆動される。

この構成において、水は、圧縮された液相でポンプ12を出る。この圧縮された水は、ライン52内を循環し、蒸発器18の入口に到達する。この圧縮された水は、排気ガスから来て蒸発器に至る熱の作用の下で蒸気に変換されるように蒸発器を流れる。この蒸発器から流れる水蒸気は、ライン54によって運ばれ、入口32と出口34の間の膨張装置30を通って流れ、一方では、水蒸気に含まれるエネルギーがそこに伝わる。この膨張装置を出る膨張した水蒸気は、ライン60内を循環し、凝縮ライン56内に入る。この水蒸気は凝縮器18を通って流れ、そこで液相の水に変換される。そして、この液相の水は、ライン62を通り、タンク48の入口に運ばれる。このタンクは閉じたタンクであり、水はそれを満たすことなく、単にそれを通って流れ、ポンプ12の入口14に到達する前にライン64を通って流れ出る。

エンジン28が停止しているとき、蒸発器18の熱交換器に使用される排気ガスの熱エネルギーは、もはや提供されない。この状況において、ループ10は、もはや動作可能ではなく、「待機モード」に切り替わる。

この待機段階中、閉ループは排気ガスからの熱エネルギーをこれ以上回収できない。このような条件下で、作動流体の循環は、循環ポンプが制御ユニットによって停止した後に中断される。このユニットは、ライン58の短絡弁78の開放を制御し、膨張装置30を停止させる。大気放出弁82、84は自動トラップ80とともに閉位置にある。

ループは、循環ポンプ12の入口14で、検出器88によって測定された水の温度が温度閾値To、ここでは5℃程度よりも低くならない限りは、待機モードのままである。

ループ内の最も冷たい点はポンプ12の入口にある点であると定義されることに気付くことができる。実際に、検出器88が配置されるこの点は、水がこれ以上循環せず、エンジンの排気ガスによる熱エネルギーがこれ以上供給されないときに、ループにおいて最も速く温度低下する点である。

測定された温度が閾値温度To未満になるとすぐに、ループは制御ユニットによって「凍結モード」状態になる。

この「凍結モード」において、弁72、78は、短絡ライン58とバイパスライン68を開くためにそれぞれ制御される。弁74、76は、ライン62、64を開くために制御され、タンク48の大気放出弁84は閉位置にある。自動トラップ80は、外気との連通が閉じられた位置に保たれ、一方、大気放出弁82が開位置にある。

真空ポンプ50は作動し、また、大気放出弁84が閉位置にあることを考慮すると、減圧がタンク内で生じる。したがって、これにより、ループ全体に収容されている作動流体をタンク48内に吸い込むことができる。

有利には、膨張装置30とタンク48との間の矢印Aの方向(短絡ライン58−凝縮ライン56−凝縮器42−タンクライン62)に、そして膨張装置とタンクとの間の矢印Aと反対の方向(装置ライン54−蒸発器18−蒸発器ライン52−バイパスライン68−ポンプライン64)に作動流体を循環させることで、ループを空にすることができる。

もちろん、当業者は、ループから作動流体を完全に排出しタンク内に保管するために真空ポンプ50の駆動が停止する時間を計算することができる。

ループに、大気放出弁82を通って運ばれる空気によって置き換えられる作動流体がなくなるとすぐに、ライン62、64を閉じるように弁74、76が制御される。これにより、タンク48は、ループのその他の部分から隔離される。

弁74、76が閉じた後に、真空ポンプ50は停止し、このタンク内を大気圧以下にするために、タンク48の大気放出弁84は開位置となるように制御される。

これにより、タンクの下方点での位置を考慮すると、重力によって、そして真空ポンプによって生じる減圧の影響下での吸引によって、ループ内に収容されている作動流体を完全に排出し、それをタンク内に保管することができる。

このタンクは、有利には、収容している流体の凝固に耐えるように構成されている。限定するわけではないが一例としては、タンク内に保管された作動流体は、外気から作動流体を断熱するタンクの断熱によって凍結の危険を防ぐことができる。

したがって、このようにループを空にする動作は循環ポンプ12の回転なしに行われ、循環ポンプ12の機能的および技術的な特徴はループを空にする動作に適していない。

好ましくは、このように空にする動作の最後に、ループの非機能的な弁が、凝固保護モードになる。より正確には、弁72、78、100、104は、大気放出弁82および自動トラップ80とともに開位置になるか、開位置に保たれる。

熱エンジン28が再び始動すると、閉ループは「解凍モード」で作動する。

このモードは、タンクの温度検出器86によって測定された温度が、5℃付近に設定された温度閾値Toを超えるときにのみ作動する。この「解凍モード」では、流体が存在する量に関係する熱慣性を考慮すると、タンクの中心が、最も遅く作動流体の温度が上昇する点であると考えられる。

このモードにおいて、上流と下流のタンク弁74、76は、ライン62、64を開くために制御され、大気放出弁84は開位置にある。バイパス弁78は、排気ライン98の弁100とともに閉じており、一方、短絡ライン102の弁104は開いている。自動トラップ80は開位置に制御され、大気放出弁82は閉じ、短絡弁72は開いている。循環ポンプ12は作動し、ここでは液相の水の形態である、タンクに収容されている作動流体は、ループを満たすようにタンクから引き出される。より正確には、この流体はライン62を通って運ばれ、蒸発器18内を循環し、短絡ライン58内の循環(矢印A’)の前に、膨張装置30の入口32との短絡出口36との間の膨張装置30を通って流れる。そして、流体は、タンク48の入口に到達する前に、ライン56、凝縮器42、およびライン62内を循環する。そして、流体はタンクを通って流れ、ポンプ12の入口14に到達する。

水の循環に沿って、ループの様々な構成要素(ラインや蒸発器など)の中に存在する空気の除去が、自動トラップ80によって行われ、タンク48の大気放出弁84により、タンク内の水位の低下を空気によって補償することが可能である。

ループを空にする動作に関して、当業者は、特に循環ポンプの配送量とループ内の流体の体積とに従って、ループを満たすのに必要な時間を求めることができる。

ループ全体が水で満たされたとき、弁104は閉位置に制御され、排気ライン98の弁100は開位置にあり、自動トラップ80と短絡弁72は閉じている。

したがって、エンジン28からの排気ガスは、蒸発器18を通って流れ、一方、排気ガスに含まれる熱量は、水が蒸気に変換されることによって、蒸発器18を循環する水とやりとりされる。

蒸気の量が十分に多いとき、短絡弁72は閉位置になり、それにより膨張装置の入口32と出口34との間の水蒸気の循環を通じて、膨張装置30を作動させる。

この段階の後、上述したように、ループは通常の作動条件に戻る。