熱力学的装置およびその運転方法
本発明は、作動流体（１０）、特に低沸点作動流体（１０）がその中で気相と液相とで交互に循環する、循環システム（２）と、熱交換器（３）と、膨張装置（５）と、凝縮器（６）と、流体ポンプ（８）と、を備える熱力学的装置（１）に関する。本発明は、前記熱力学的装置の運転方法にも関する。本発明によると、流体ポンプ（８）の流動ライン内において、システム圧力を上昇させる分圧が、非凝縮補助気体（２０）を添加することにより、液体状作動流体（１０）にかかる。液体状作動流体（１０）内のキャビテーションを防ぐ、コンパクトなＯＲＣ装置を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環システムをともなう熱力学的装置に関し、その中で特に低沸点作動流体が気相と液相とで交互に循環する。この場合、装置は熱交換器、膨張装置、凝縮器、および液体ポンプを備える。さらに本発明は、かかる熱力学的装置の運転方法に関し、循環においては、作動流体が加熱され、膨張され、凝縮され、液体状作動流体のポンプ手段により送達される。
【背景技術】
【０００２】
特に、熱力学的ランキンサイクルのプロセスによって運転する装置は、かかる熱力学的装置によって理解される。この場合、ランキンサイクルのプロセスは、液体状運転媒体を送出することにより、運転媒体を高圧で蒸発させることにより、気体状作動流体を膨張させることにより（装置的な仕事を実行する）、および気体状作動流体を低圧で凝縮することにより、特徴付けられる。例えば、現代の従来型の蒸気発電プラントは、ランキンサイクルのプロセスによって運転される。化石燃料加熱蒸気発電プラントでは、蒸気は一般的に５００℃を超える温度で、２００ｂａｒを超える圧力で生産される。膨張した蒸気の凝縮は、約２５℃で、約３０ｍｂａｒの圧力で行われる。
【０００３】
ランキンサイクルのプロセスに従って運転される熱力学的装置、およびその運転方法は、例えば、国際公開第２００５／０２１９３６ Ａ２号パンフレットから既知である。この場合、水が作動流体として機能する。
【０００４】
放熱のために比較的小さい温度差しか有しない熱源が、作動流体を気化させるために用いられる場合、水の形態をとる作動流体により達成することができる効率は、経済的な運転モードのためには、もはや十分ではない。しかしながら、水の形態の作動流体のかわりに、低沸点の特に有機流体が使用される、いわゆるＯＲＣ(Organic Rankine Cycle)装置の助けにより、かかる熱源を有効に用いることができる。この観点から、「低沸点」という用語により、かかる流体が水と比べてより低い圧力で沸騰する、または水との比較ではより高い蒸気圧力を有することが理解される。ＯＲＣ装置は、いわゆる有機ランキンサイクルのプロセス（ＯＲＣ）、すなわち、基本的に、特に有機の、水とは異なる低沸点作動流体によって運転される。ＯＲＣ装置の作動流体としては、例えば、炭化水素類、芳香族炭化水素類、フッ素化炭化水素類、炭素化合物類（特にアルカン類、フルオロエーテル類、フルオロエタン）、または合成シリコンオイル類さえもが知られている。
【０００５】
ＯＲＣ装置、またはＯＲＣプラントの手段により、例えば、地熱発電プラント、または太陽発電プラントにおいて利用可能な熱源は、発電のために経済的に使用することができる。また、ＯＲＣ装置により、現在まで利用されていない内燃機関の排出空気、冷却回路、排気ガス等々からの廃熱を、仕事を実行するため、または発電のために使用することが可能になってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００５／０２１９３６ Ａ２号パンフレット
【特許文献２】欧州特許出願公開第１ ６２４ ２６９ Ａ２号明細書
【特許文献３】米国特許第７，１３１，２９０ Ｂ２号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１３ １９０ Ａ１号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第３６ ４１ １２２ Ａ１号明細書
【特許文献６】独国実用新案第７ ２２５ ３１４ Ｕ号明細書
【特許文献７】米国特許第４，２９１，２３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それぞれの温度に関連付けられた液体の蒸気圧力が、不十分になると、この液体は蒸発する。この蒸気圧力が不十分になることは、静的な液体または移動している液体で起こる可能性がある。例えば、流れている液体の場合、流れの急激な偏向、または加速を考慮すると、蒸気圧力は、局所的に不十分になる可能性があり、これにより局所的な蒸発が起こる。局所的にもたらされた蒸気の気泡は、より高い圧力の点で、再度凝縮して、破壊される。全体的なプロセスは、キャビテーションと呼ばれる。
【０００８】
導入部で引用されたタイプの熱力学的装置では、作動流体の液相で発生するキャビテーションは、少なからぬ問題となる。蒸気の気泡のサイズが小さいことを考慮に入れると、これらの凝縮は、実際には極めて迅速に行われる。蒸気の気泡の急激な内破の結果として、プロセス内でマイクロジェットが形成される可能性がある。これが周囲の壁面に向けられた場合、最高１００００ｂａｒの圧力のピークが局所的に達する可能性がある。加えて、高圧の結果として、壁面材料の溶融プロセスを導く可能性がある、１０００℃をはるかに超える局所温度に達する可能性がある。キャビテーションの結果としての損傷の影響は、数時間の間に発生する可能性がある。
【０００９】
さらに、ポンプでは、キャビテーションの発生は、液体の処理量を望ましくないほど減少させる。蒸気の気泡は、概してその密度が液体とは極端に異なるため、送達可能な質量流は、所与の体積流における、蒸気としての作動流体の低質量比の場合であっても、減少する。蒸気の重篤な積み重なりの場合、質量流れが、機能停止する可能性さえある。例えば、作動している装置が、ＯＲＣプラントにおいてポンプとして使用される場合、サイクルのプロセス全体が、停止した状態になる可能性があるかもしれない。ポンプ出力の不足の結果として、凝縮器内の液体状作動流体の逆流が発生し、その結果として、その動作が著しく減少する。この結果、熱の放散は、止まる。システム全般を、この状態に安易においておくことはできない。それ自体の調和の冷却により、作動流体が冷却するまで、待機時間を遵守しなければならない。加えて、凝縮器内の貫通流が停止しているので、もはやいかなる熱も放散しない。使用される作動流体は、その安定性限界を超えた結果、その後劣化する可能性がある。
【００１０】
ランキンサイクルのプロセスにより運転される装置について、発生するキャビテーションの問題は、例えば、欧州特許出願公開第１ ６２４ ２６９ Ａ２号明細書に記述されている。そこでは、凝縮器の内側、および後続のポンプの内側の水の形態の作動流体のキャビテーションは、凝縮器で提供される特定の圧力および温度制御により回避するべきものである。これには、対応する圧力および温度センサーが、含まれる。特に、凝縮器内の水位は、所定のレベルに維持される。これは、水、または非凝縮気体を外部へ放出するドレン弁の手段により補助される。
【００１１】
また、ランキンサイクルのプロセスによる装置の運転に対する、凝縮器内の一定の水位の重要性は、米国特許第７，１３１，２９０ Ｂ２号明細書に記述されている。特に開示されているのは、効力を持つ凝縮器内の冷却表面における変動水位の影響である。空気などのような非凝縮性気体が、凝縮器の中で生じる負圧条件の理由で作動流体の循環システムに侵入した場合、特にこれは凝縮器内に集まる。これらからもたらされる冷却容量の損失をさけるために、米国特許第７，１３１，２９０ Ｂ２号明細書は、対応する分離装置および排出装置を提案している。
【００１２】
クラウジウスランキン（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｒａｎｋｉｎｅ）サイクルのプロセスによって運転される複雑な流体装置は、独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１３ １９０ Ａ１号明細書から既知である。この流体装置は、気相の作動流体にするために加熱される作動流体の膨張の手段によって駆動力を作り出すために、加圧し、かつ液相の作動流体を送出するポンプと、ポンプと直列に接続された膨張装置とを有する。この場合、これは、膨張装置の出口側の作動流体の熱を、流体ポンプの出口側の作動流体に伝達するために提供される。
【００１３】
導入部で参照され、ランキンサイクルのプロセスによって運転されるタイプの熱力学的な装置として設計された、熱の変換のための、移送可能な駆動ユニットは、独国特許出願公開第３６ ４１ １２２ Ａ１号明細書から既知である。
【００１４】
有機作動媒体がランキンサイクルのプロセスで使用される蒸気発電プラントは、独国実用新案第７ ２２５ ３１４ Ｕ号明細書から既知である。
【００１５】
また、導入部で参照されたタイプの熱力学的装置は、米国特許第４，２９１，２３２号明細書からも既知である。この場合、気体／液体溶液、特にアンモニア／水溶液が、作動流体として循環する。気体が液体中に溶解することにより、気体および液体の圧力は低減する。温度上昇の下で気体が分離することにより、圧力は増加する。
【００１６】
液体中または液体状の作動流体中のキャビテーションの発生が可能な限り回避される効果に対して、導入部で参照されたタイプの、熱力学的装置を開発することが本発明の目的である。かかる熱力学的装置の運転に対応する方法を開示することは、さらに本発明の目的であり、液体中のキャビテーションは可能な限り回避される。
【００１７】
装置に関しては、設定された目的は、請求項１による特徴の組み合わせの手段によって、本発明により達成される。これによると、導入部において参照されたタイプの熱力学的装置に対して、システム圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体の追加により液体状の作動流体に液体ポンプの吸込口（ヘッド）でかかることが提供される。
【００１８】
この場合、本発明は、特にＯＲＣ装置の構想において、液相内でのキャビテーションの発生の可能性が過小評価されていたという知識に基づく。それゆえに、全般的な構想において、例えば、ポンプに対して特定されたヘッド高さが遵守されていない事態が起きる。かかるヘッド高さは、吸込口の吸込コネクタにおける圧力が流体柱の高さに換算されたものとして、そこでのおおよそ必要な圧力増加をもたらす。上流の凝縮器を考慮に入れると、そこから亜冷却が行われないと仮定した場合、ヘッド高さを遵守せずに、特に、飽和蒸気圧力で、または凝縮蒸気圧力で、流体がポンプに提供される。ポンプが、ヘッド高さを遵守せずに稼動すると、生じる吸込圧力の結果として、ポンプの吸込口圧力は飽和蒸気圧力を下回る可能性があり、キャビテーションが発生する。
【００１９】
ポンプに対するヘッド高さは、一般的に、いわゆるＮＰＳＨ値によって与えられる。この場合、飽和蒸気圧力を超える必要な最小供給高さは、ＮＰＳＨ値（正味有効吸込ヘッド値）によって理解される。換言すると、必要なＮＰＳＨ値は、ポンプの吸込圧力を表す。ＮＰＳＨ値は、メートルで特定される。ここで適切なポンプについては、これは一般的に数メートルである。したがって、所与のポンプに対してＮＰＳＨ値が吸込口（ヘッド）において遵守されない場合、運転中に少なからぬキャビテーションの問題が発生する。望ましくない蒸気の気泡の生成が発生する。
【００２０】
これについては、小さいＯＲＣ装置およびコンパクトなＯＲＣ装置の構想においてさえも、不利なことに、ポンプは、プラントの高さに関して下げられた高さに配設しなければならず、これは望ましくない設置スペースの増加につながる。
【００２１】
蒸気圧力を低減するための作動流体の亜冷却などのような、作動流体の液相におけるキャビテーションを回避するための代替案は、追加コストを考慮すると高価である。追加の表面積の要件も、結果としてもたらされる。さらに、亜冷却された作動流体を加熱するための、より多くのエネルギーが利用されなければならない。同じように、吸込コネクタにおける追加圧力を生成するためのブースターポンプの使用も、経済的でない。その他では、追加のポンプの結果として、追加の設置スペースも必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
驚くべきことに、本発明はここで、非凝縮気体の使用により、熱力学的装置におけるキャビテーションの生成の問題を解決することができることを認識する。従来は、ランキンサイクルのプロセスによって運転している装置では、サイクル内に位置する非凝縮気体は、効率を低減するために望ましくないとして高い費用をかけて除去していたのに対して、本発明はここで、熟考した上でその導入を提供する。
【００２３】
本発明は、非凝縮気体がサイクル内にある場合、気相内のその分圧が凝縮圧力に追加されることを特に認識する。所望の方式で増加された、それからもたらされるシステム圧力は、液体状の作動流体に、特に液体ポンプの吸込口（ヘッド）にかけられる。特に、膨張装置に対する背圧の増加などのような、非凝縮気体のサイクルへの追加に関連する不利な点は、低沸騰作動流体の場合のキャビテーションの回避の有利な点により相殺される。低沸騰作動流体の場合、水に比べてより高い圧力で凝縮する。一般的に、室温では、大気圧よりも高い圧力で凝縮することができる。補助気体の手段により必然的に生成された分圧は、これに関する全般的な効率に対してより少ない（そして全般的な構想の意味で）無視できる程度の影響を有する。
【００２４】
詳細には、本発明は、追加された物質量の補助気体が選択されることを可能にし、これによりポンプに対するヘッド高さを、使用可能な設置スペースの意味で、対応して減少することができる。同時に、この場合、膨張装置に対しては障害である背圧が、総合的に許容できる程度にとどまるという事実に考慮を与えることができる。
【００２５】
本発明は、これについて、低温熱源の利用のためのコンパクトな熱力学的装置を想定することができる独特の有利な点を提供する。この場合、設置スペースは、もはや必要なポンプのヘッド高さにより必ずしも規定されない。基本的に、非凝縮補助気体は、システムを充填するときに単発で導入することができ、構造的な追加手段はまったく必要とされない可能性がある。これに関して、本発明は、熱力学的装置をさらに小型化することに対する、例外的に安価な可能性を提供する。本発明は、これについては、例えば、自動車上で、エンジンの熱、冷却媒体の熱、または排気ガスの熱の利用のために使用される、小型移動装置の構想に極めて適している。
【００２６】
有利な開発において、補助気体の追加によってもたらされる分圧は、十分に高く、これによって、液体ポンプの吸込口の圧力は、液体ポンプの運転の間、飽和水上気圧を下回らない。以下の文章で説明されるように、この事例は、ある特定の単純化された仮定（液体の追加の亜冷却無し）のもとで、例えば、結果として得られる分圧は、液体ポンプの少なくともＮＰＳＨ値に対応する。ポンプのヘッド高さは、完全に無くすことさえもできる可能性がある。実際の条件の下では、追加の補助気体の体積は、比例化されていなければならず、このため、結果としてもたらされる分圧は、吸込圧力、または変換されたＮＰＳＨ値を超える。
【００２７】
本発明は、必ずしもランキンサイクルのプロセスによって運転される熱力学的装置に限定されない。例えば、膨張装置の上流での作動流体の蒸発を含まないが、連続的に増加する作動スペースの結果として作動流体のフラッシュ蒸発が膨張装置で起こる装置も含むことができる。特に、連続的な層変化は、取り扱うことができる。
【００２８】
ＯＲＣ装置という意味では、異なる作動媒体の混合も、ひいては所与の条件に適合する装置の理想的な運転モードを達成するために、作動流体として使用することができる。
【００２９】
図２の左側の下位図を参照すると、先行技術の熱力学的装置では、作動流体の飽和蒸気圧力Ｐｓは、凝縮器で所与の温度に対応して達成された。作動流体の液相を取り除くためのポンプが稼動すると、所与のＮＰＳＨ値による吸込圧力が、吸込コネクタにおいて生成される。飽和蒸気圧力Ｐｓは、この吸込圧力ＰＮＰＳＨによって減少される。結果として、飽和蒸気圧力Ｐｓより低い入口（吸込口）圧力ＰＥがポンプにおいてもたらされる。その結果、蒸気の気泡の形成が発生し、キャビテーションが発生する。
【００３０】
追加された非凝縮補助気体の手段により（図２の右側の下位図）、飽和蒸気圧力Ｐｓと補助気体の分圧Ｐｐａｒｔとの合計である循環システムの圧力（システム圧力）Ｐが、ポンプにおいてもたらされる。ポンプが稼動した後、このシステム圧力Ｐは、ＮＰＳＨ値によってあらかじめ規定される吸込圧力ＰＮＰＳＨによって、再度減少される。導入された補助気体のためにもたらされた、この非凝縮気体の分圧Ｐｐａｒｔが、ポンプの吸込コネクタにおいて、吸込圧力ＰＮＰＳＨより大きいか、または少なくとも等しい場合、しかしながら、入口（吸込口）圧力ＰＥは、ここでは、少なくとも飽和蒸気圧力Ｐｓと等しいか、または飽和蒸気圧力Ｐｓより大きい。したがって、キャビテーションは、回避される。
【００３１】
システム圧力と補助気体の手段により加圧される飽和蒸気圧力との間の所望の圧力差ΔＰに対しては、これは有利にも少なくともＰＮＰＳＨであり、補助気体の必要な物質量ｘｉは、次式によって計算される。
【００３２】
【数１】
【００３３】
実際のシステムについては、補助気体の物質量ｘｉは、その後比例化され、これによって、たとえ好ましくない条件、すなわち、減少された凝縮温度、したがって減少された飽和蒸気圧力であっても、十分な補助気体が利用可能である。また、補助気体の一部は溶液に溶けていき、したがってもはや圧力差を生成するために使用できないという事実を考慮に入れるべきである。補助気体の追加された物質量を比例化するとき、装置の異なる運転段階（部分負荷、全負荷）も考慮に入れることができる。
【００３４】
装置の好適な開発において、前述の実施形態により、構造的な高さは、ＮＰＳＨ値、および、適用できる場合、液体状の作動流体の亜冷却を考慮に入れた必要なヘッド高さと比較して減少された液体ポンプの実際のヘッド高さにより、相応して減少することができる。追加的な液体の亜冷却の結果として、必要なヘッド高さは、低減された蒸気圧力の理由で減少される。実際のヘッド高さの可能性のあるさらなる減少は、導入された補助気体の分圧の結果として提供される。この場合、ある特定の予備を保持するためには、補助気体の対応する供給にもかかわらず、小さいヘッド高さも維持することができる。ヘッド高さの減少は、対応する補助気体の物質量の手段により、これに関して補償される。
【００３５】
この補助気体に対する導入点は、基本的に装置の循環システムの任意の点において提供される。導入点は、この場合、補助気体のオンオフベースの導入のため、または繰り返される導入のために設計することができる。好適な開発では、補助気体に対する導入点は、膨張装置と液体ポンプとの間に提供される。このようにして、補助気体は、サイクルの要求される点において直接的に使用可能である。補助気体は、循環プロセスの低温側の液相に導入される。特に、補助気体は、凝縮器内で収集することができるので、そこで容易に除去することもできる。このために、例えば、装置を「低温運転（ｃｏｌｄ−ｒｕｎ）」することができ、その結果として、補助気体は凝縮器の中へゆっくりと流れ込む。補助気体を追加するために、例えば、圧縮機を使用することができる。代替的には、加圧シリンダーを接続することができる。循環プロセスの高温側に補助気体を追加することは、追加的なコストをともなう。
【００３６】
非凝縮補助気体は、熱力学的装置のサイクル内で使われる、または与えられる条件下で凝縮しないタイプの気体である。例えば、不活性の希ガス類、または窒素は、かかる補助気体として適切である。適切な有機気体類も可能性がある。
【００３７】
非凝縮補助気体は、熱力学的装置のサイクルの中で、作動流体によってある程度移動される。ランキンサイクルのプロセスによって、水の形態の作動流体を用いて運転されている装置の中では、いわゆるシェルアンドチューブ熱交換器が、凝縮器のために、通例提供される。この場合、冷却液体は、管の内側を通って流れる。
【００３８】
気体状の作動流体は、管にそって外側を流れ、その表面上で凝縮し、凝縮物として、すなわち液相で垂れて落ちる。
【００３９】
かかる凝縮器では、その配向に依存して、非凝縮補助気体は、蓄積される可能性があるが、しかしながら不利な影響をともなう。この場合、補助気体は、管の周りで保温層として留まり、その結果として、凝縮器の効率は減少する。非凝縮補助気体は、凝縮物の流れ方向に対向する抽出の手段、または拡散の手段によってのみ分離することができる。
【００４０】
非凝縮補助気体が追加されるときに、この不利な点を回避するために、凝縮器は、凝縮物、または液状の作動流体の流れ方向における補助気体の同伴のために有利に設計される。かかる凝縮器は、例えば、空気凝縮器として、またはプレート型熱交換器の手段により設計される。空気凝縮器の場合、気体状の作動流体は、管の内側を通って流れ、その外側は、例えば、空気によるが、しかし別の冷却媒体にもよる、周囲の流れ（ｃｉｒｃｕｍｆｌｏｗ）に暴露される。この場合、補助気体は、少なくとも部分的に気体状作動流体に従う流れ方向に管に押し込まれて通る。これは、プレート型熱交換要素の手段により形成される凝縮器にも適用される。この場合にも、気体状作動流体は、プレート型熱交換器要素の隙間を通って流れ、補助気体の一部は、同様にして凝縮器から取り出される。シェルアンドチューブ熱交換器に対して生成される、保温層の形成の望ましくない影響は、この結果低減される。
【００４１】
加えて、補助気体の濃度を検出するセンサーが、好ましくはヘッダータンク内に配設される。収集された作動流体の液体の上方の気体空間に配設された、かかるセンサーの手段により、例えば、循環システム内に存在する補助気体の物質量は、測定することができ、所定の限界値を下回った、または超えたときに、警告信号を発することができる。警告信号に対応して、その後、特定の物質量の補助気体を追加、または抽出することができる。
【００４２】
上述したように、開示された熱力学的装置は、自動車内の移動プラントに特に適しており、熱交換器は、車両の廃熱源に熱的に接続されている。例えば、冷却水、オイルなどのような別の運転媒体、エンジンブロック自体、または排気ガスは、かかる廃熱源を構成する。
【００４３】
発電のために対応する発電機に接続された膨張装置は、好ましくは、容積式装置として設計される。かかる容積式装置は、例えば、スクリュー型膨張装置、もしくはピストン膨張装置、またはスクロール膨張装置である。ベーンセル装置も使用することができる。
【００４４】
方法に対して向けられた目的は、請求項９による特徴の組み合わせの手段によって、本発明により達成される。これによると、熱力学的装置の運転方法に対して、システム圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体の追加によりポンプの吸込口（ヘッド）での液体状の作動流体にかかることが提供される。
【００４５】
方法に対して向けられた従属項から、さらなる好適な開発を集めることができる。この場合、この装置に対して参照された有利な点は、論理的に相応して持ち込まれる。
【００４６】
本発明の例示的な実施形態は、図を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】ポンプヘッドに補助気体の分圧がかかる、ＯＲＣ装置を概略的に示した図である。
【図２】異なる圧力条件の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１に概略的に示すのは、ＯＲＣ装置１であり、これは内燃機関の廃熱を利用するための移動プラントとして、特に適するものである。ＯＲＣ装置１は、この場合、循環システム２内に、熱交換器としての蒸発器３、膨張装置５、凝縮器６、および液体ポンプ８を備える。表されたＯＲＣ装置１は、ランキンサイクルのプロセスにより運転され、仕事は発電機９を駆動するために膨張装置５で実行される。発電機９は、特に発電した電力を自動車自体の電気システムに供給する、またはこれに接続するために設計される。水と比べて著しく高い蒸気圧力を有する炭化水素が、作動流体１０として使用される。作動流体１０は、閉サイクル内に位置する。
【００４９】
液体ポンプ８を介して送達される液体状の作動流体１０は、蒸発器３で高圧で蒸発する。容積式装置として設計された膨張装置５では、気体状作動流体１０が膨張し、仕事を実行する。膨張した気体状作動流体１０は、凝縮器６で低圧で凝縮する。凝縮器６で達成された飽和蒸気圧力は、約１．２ｂａｒである。凝縮物すなわち液体状作動流体１０は、蒸発のためにポンプ８の手段により再度送達される前にヘッダータンク１１で収集される。
【００５０】
廃熱放出１４は、凝縮器６の冷却のために提供される。例えば、これは、自動車の空気を循環させることができ、作動流体の凝縮熱は、例えば、車両の内部を加熱するために循環空気に供給される。凝縮器６は、空気凝縮器として設計されており、冷却される作動流体１０は、周囲の流れ（ｃｉｒｃｕｍｆｌｏｗ）に暴露された管の内部に沿って流れる。
【００５１】
ポンプ８によって送達される作動流体１０を蒸発させるために、熱が蒸発器３に廃熱供給１６を介して供給される。このため、車両のエンジンの排気ガスからの熱は、蒸発器３に、適切な熱の交換を介して供給される。代替的に、熱は内燃機関の冷却回路から供給することができる。内燃機関の廃熱および生成した排気ガスの廃熱も、蒸発器３に対応する第３媒体を介して総括的に供給することができる。
【００５２】
膨張装置５と液体ポンプ８との間で、凝縮器６に、非凝縮補助気体２０をＯＲＣ装置１のサイクルの中に導入するための導入点１８が提供される。対応する弁を介して、特定の物質量ｘｉの補助気体２０を、ＯＲＣ装置のサイクルの中へ、単発で、または繰り返して導入することができる。物質量ｘｉは、この場合比例化され、これにより、ポンプ８の吸込口（ヘッド）の中では、補助気体２０の分圧、および作動流体１０の飽和蒸気圧力（結果として凝縮器６の中の凝縮物からもたらされる）は、そのような方法でシステム圧力に加えられ、ポンプを稼動した後、吸込口での作動流体の圧力は飽和蒸気圧力を下回わらない。この結果として、流れる作動流体の液相での偏向における飽和蒸気圧力を下回るのを回避される。物質量ｘｉは、結果としてもたらされる補助気体の分圧が、ポンプのＮＰＳＨ値に対応する吸込圧力より大きいような方法により、特に比例化される。これに関して、キャビテーションは、液体ポンプ８の吸込口（ヘッド）、および特に吸込コネクタにおいて回避される。作動流体１０の飽和蒸気圧力は、運転中不十分ではなく、そこで蒸気の気泡は形成されない。
【００５３】
ヘッド高さ２１は（ここに図式的に描かれる）は、液体ポンプ８のＮＰＳＨ値に対して、たった数十センチメートルだけ明らかに低減される。補助気体２０の濃度を測定するためのセンサー２２が、ヘッダータンク１１内に配設される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環システムをともなう熱力学的装置に関し、その中で特に低沸点作動流体が気相と液相とで交互に循環する。この場合、装置は熱交換器、膨張装置、凝縮器、および液体ポンプを備える。さらに本発明は、かかる熱力学的装置の運転方法に関し、循環においては、作動流体が加熱され、膨張され、凝縮され、液体状作動流体のポンプ手段により送達される。
【背景技術】
【０００２】
特に、熱力学的ランキンサイクルのプロセスによって運転する装置は、かかる熱力学的装置によって理解される。この場合、ランキンサイクルのプロセスは、液体状運転媒体を送出することにより、運転媒体を高圧で蒸発させることにより、気体状作動流体を膨張させることにより（装置的な仕事を実行する）、および気体状作動流体を低圧で凝縮することにより、特徴付けられる。例えば、現代の従来型の蒸気発電プラントは、ランキンサイクルのプロセスによって運転される。化石燃料加熱蒸気発電プラントでは、蒸気は一般的に５００℃を超える温度で、２００ｂａｒを超える圧力で生産される。膨張した蒸気の凝縮は、約２５℃で、約３０ｍｂａｒの圧力で行われる。
【０００３】
ランキンサイクルのプロセスに従って運転される熱力学的装置、およびその運転方法は、例えば、国際公開第２００５／０２１９３６ Ａ２号パンフレットから既知である。この場合、水が作動流体として機能する。
【０００４】
放熱のために比較的小さい温度差しか有しない熱源が、作動流体を気化させるために用いられる場合、水の形態をとる作動流体により達成することができる効率は、経済的な運転モードのためには、もはや十分ではない。しかしながら、水の形態の作動流体のかわりに、低沸点の特に有機流体が使用される、いわゆるＯＲＣ(Organic Rankine Cycle)装置の助けにより、かかる熱源を有効に用いることができる。この観点から、「低沸点」という用語により、かかる流体が水と比べてより低い圧力で沸騰する、または水との比較ではより高い蒸気圧力を有することが理解される。ＯＲＣ装置は、いわゆる有機ランキンサイクルのプロセス（ＯＲＣ）、すなわち、基本的に、特に有機の、水とは異なる低沸点作動流体によって運転される。ＯＲＣ装置の作動流体としては、例えば、炭化水素類、芳香族炭化水素類、フッ素化炭化水素類、炭素化合物類（特にアルカン類、フルオロエーテル類、フルオロエタン）、または合成シリコンオイル類さえもが知られている。
【０００５】
ＯＲＣ装置、またはＯＲＣプラントの手段により、例えば、地熱発電プラント、または太陽発電プラントにおいて利用可能な熱源は、発電のために経済的に使用することができる。また、ＯＲＣ装置により、現在まで利用されていない内燃機関の排出空気、冷却回路、排気ガス等々からの廃熱を、仕事を実行するため、または発電のために使用することが可能になってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００５／０２１９３６ Ａ２号パンフレット
【特許文献２】欧州特許出願公開第１ ６２４ ２６９ Ａ２号明細書
【特許文献３】米国特許第７，１３１，２９０ Ｂ２号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１３ １９０ Ａ１号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第３６ ４１ １２２ Ａ１号明細書
【特許文献６】独国実用新案第７ ２２５ ３１４ Ｕ号明細書
【特許文献７】米国特許第４，２９１，２３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それぞれの温度に関連付けられた液体の蒸気圧力が、不十分になると、この液体は蒸発する。この蒸気圧力が不十分になることは、静的な液体または移動している液体で起こる可能性がある。例えば、流れている液体の場合、流れの急激な偏向、または加速を考慮すると、蒸気圧力は、局所的に不十分になる可能性があり、これにより局所的な蒸発が起こる。局所的にもたらされた蒸気の気泡は、より高い圧力の点で、再度凝縮して、破壊される。全体的なプロセスは、キャビテーションと呼ばれる。
【０００８】
導入部で引用されたタイプの熱力学的装置では、作動流体の液相で発生するキャビテーションは、少なからぬ問題となる。蒸気の気泡のサイズが小さいことを考慮に入れると、これらの凝縮は、実際には極めて迅速に行われる。蒸気の気泡の急激な内破の結果として、プロセス内でマイクロジェットが形成される可能性がある。これが周囲の壁面に向けられた場合、最高１００００ｂａｒの圧力のピークが局所的に達する可能性がある。加えて、高圧の結果として、壁面材料の溶融プロセスを導く可能性がある、１０００℃をはるかに超える局所温度に達する可能性がある。キャビテーションの結果としての損傷の影響は、数時間の間に発生する可能性がある。
【０００９】
さらに、ポンプでは、キャビテーションの発生は、液体の処理量を望ましくないほど減少させる。蒸気の気泡は、概してその密度が液体とは極端に異なるため、送達可能な質量流は、所与の体積流における、蒸気としての作動流体の低質量比の場合であっても、減少する。蒸気の重篤な積み重なりの場合、質量流れが、機能停止する可能性さえある。例えば、作動している装置が、ＯＲＣプラントにおいてポンプとして使用される場合、サイクルのプロセス全体が、停止した状態になる可能性があるかもしれない。ポンプ出力の不足の結果として、凝縮器内の液体状作動流体の逆流が発生し、その結果として、その動作が著しく減少する。この結果、熱の放散は、止まる。システム全般を、この状態に安易においておくことはできない。それ自体の調和の冷却により、作動流体が冷却するまで、待機時間を遵守しなければならない。加えて、凝縮器内の貫通流が停止しているので、もはやいかなる熱も放散しない。使用される作動流体は、その安定性限界を超えた結果、その後劣化する可能性がある。
【００１０】
ランキンサイクルのプロセスにより運転される装置について、発生するキャビテーションの問題は、例えば、欧州特許出願公開第１ ６２４ ２６９ Ａ２号明細書に記述されている。そこでは、凝縮器の内側、および後続のポンプの内側の水の形態の作動流体のキャビテーションは、凝縮器で提供される特定の圧力および温度制御により回避するべきものである。これには、対応する圧力および温度センサーが、含まれる。特に、凝縮器内の水位は、所定のレベルに維持される。これは、水、または非凝縮気体を外部へ放出するドレン弁の手段により補助される。
【００１１】
また、ランキンサイクルのプロセスによる装置の運転に対する、凝縮器内の一定の水位の重要性は、米国特許第７，１３１，２９０ Ｂ２号明細書に記述されている。特に開示されているのは、効力を持つ凝縮器内の冷却表面における変動水位の影響である。空気などのような非凝縮性気体が、凝縮器の中で生じる負圧条件の理由で作動流体の循環システムに侵入した場合、特にこれは凝縮器内に集まる。これらからもたらされる冷却容量の損失をさけるために、米国特許第７，１３１，２９０ Ｂ２号明細書は、対応する分離装置および排出装置を提案している。
【００１２】
クラウジウスランキン（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｒａｎｋｉｎｅ）サイクルのプロセスによって運転される複雑な流体装置は、独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１３ １９０ Ａ１号明細書から既知である。この流体装置は、気相の作動流体にするために加熱される作動流体の膨張の手段によって駆動力を作り出すために、加圧し、かつ液相の作動流体を送出するポンプと、ポンプと直列に接続された膨張装置とを有する。この場合、これは、膨張装置の出口側の作動流体の熱を、流体ポンプの出口側の作動流体に伝達するために提供される。
【００１３】
導入部で参照され、ランキンサイクルのプロセスによって運転されるタイプの熱力学的な装置として設計された、熱の変換のための、移送可能な駆動ユニットは、独国特許出願公開第３６ ４１ １２２ Ａ１号明細書から既知である。
【００１４】
有機作動媒体がランキンサイクルのプロセスで使用される蒸気発電プラントは、独国実用新案第７ ２２５ ３１４ Ｕ号明細書から既知である。
【００１５】
また、導入部で参照されたタイプの熱力学的装置は、米国特許第４，２９１，２３２号明細書からも既知である。この場合、気体／液体溶液、特にアンモニア／水溶液が、作動流体として循環する。気体が液体中に溶解することにより、気体および液体の圧力は低減する。温度上昇の下で気体が分離することにより、圧力は増加する。
【００１６】
液体中または液体状の作動流体中のキャビテーションの発生が可能な限り回避される効果に対して、導入部で参照されたタイプの、熱力学的装置を開発することが本発明の目的である。かかる熱力学的装置の運転に対応する方法を開示することは、さらに本発明の目的であり、液体中のキャビテーションは可能な限り回避される。
【００１７】
装置に関しては、設定された目的は、請求項１による特徴の組み合わせの手段によって、本発明により達成される。これによると、導入部において参照されたタイプの熱力学的装置に対して、システム圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体の追加により液体状の作動流体に液体ポンプの吸込口（ヘッド）でかかることが提供される。
【００１８】
この場合、本発明は、特にＯＲＣ装置の構想において、液相内でのキャビテーションの発生の可能性が過小評価されていたという知識に基づく。それゆえに、全般的な構想において、例えば、ポンプに対して特定されたヘッド高さが遵守されていない事態が起きる。かかるヘッド高さは、吸込口の吸込コネクタにおける圧力が流体柱の高さに換算されたものとして、そこでのおおよそ必要な圧力増加をもたらす。上流の凝縮器を考慮に入れると、そこから亜冷却が行われないと仮定した場合、ヘッド高さを遵守せずに、特に、飽和蒸気圧力で、または凝縮蒸気圧力で、流体がポンプに提供される。ポンプが、ヘッド高さを遵守せずに稼動すると、生じる吸込圧力の結果として、ポンプの吸込口圧力は飽和蒸気圧力を下回る可能性があり、キャビテーションが発生する。
【００１９】
ポンプに対するヘッド高さは、一般的に、いわゆるＮＰＳＨ値によって与えられる。この場合、飽和蒸気圧力を超える必要な最小供給高さは、ＮＰＳＨ値（正味有効吸込ヘッド値）によって理解される。換言すると、必要なＮＰＳＨ値は、ポンプの吸込圧力を表す。ＮＰＳＨ値は、メートルで特定される。ここで適切なポンプについては、これは一般的に数メートルである。したがって、所与のポンプに対してＮＰＳＨ値が吸込口（ヘッド）において遵守されない場合、運転中に少なからぬキャビテーションの問題が発生する。望ましくない蒸気の気泡の生成が発生する。
【００２０】
これについては、小さいＯＲＣ装置およびコンパクトなＯＲＣ装置の構想においてさえも、不利なことに、ポンプは、プラントの高さに関して下げられた高さに配設しなければならず、これは望ましくない設置スペースの増加につながる。
【００２１】
蒸気圧力を低減するための作動流体の亜冷却などのような、作動流体の液相におけるキャビテーションを回避するための代替案は、追加コストを考慮すると高価である。追加の表面積の要件も、結果としてもたらされる。さらに、亜冷却された作動流体を加熱するための、より多くのエネルギーが利用されなければならない。同じように、吸込コネクタにおける追加圧力を生成するためのブースターポンプの使用も、経済的でない。その他では、追加のポンプの結果として、追加の設置スペースも必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
驚くべきことに、本発明はここで、非凝縮気体の使用により、熱力学的装置におけるキャビテーションの生成の問題を解決することができることを認識する。従来は、ランキンサイクルのプロセスによって運転している装置では、サイクル内に位置する非凝縮気体は、効率を低減するために望ましくないとして高い費用をかけて除去していたのに対して、本発明はここで、熟考した上でその導入を提供する。
【００２３】
本発明は、非凝縮気体がサイクル内にある場合、気相内のその分圧が凝縮圧力に追加されることを特に認識する。所望の方式で増加された、それからもたらされるシステム圧力は、液体状の作動流体に、特に液体ポンプの吸込口（ヘッド）にかけられる。特に、膨張装置に対する背圧の増加などのような、非凝縮気体のサイクルへの追加に関連する不利な点は、低沸騰作動流体の場合のキャビテーションの回避の有利な点により相殺される。低沸騰作動流体の場合、水に比べてより高い圧力で凝縮する。一般的に、室温では、大気圧よりも高い圧力で凝縮することができる。補助気体の手段により必然的に生成された分圧は、これに関する全般的な効率に対してより少ない（そして全般的な構想の意味で）無視できる程度の影響を有する。
【００２４】
詳細には、本発明は、追加された物質量の補助気体が選択されることを可能にし、これによりポンプに対するヘッド高さを、使用可能な設置スペースの意味で、対応して減少することができる。同時に、この場合、膨張装置に対しては障害である背圧が、総合的に許容できる程度にとどまるという事実に考慮を与えることができる。
【００２５】
本発明は、これについて、低温熱源の利用のためのコンパクトな熱力学的装置を想定することができる独特の有利な点を提供する。この場合、設置スペースは、もはや必要なポンプのヘッド高さにより必ずしも規定されない。基本的に、非凝縮補助気体は、システムを充填するときに単発で導入することができ、構造的な追加手段はまったく必要とされない可能性がある。これに関して、本発明は、熱力学的装置をさらに小型化することに対する、例外的に安価な可能性を提供する。本発明は、これについては、例えば、自動車上で、エンジンの熱、冷却媒体の熱、または排気ガスの熱の利用のために使用される、小型移動装置の構想に極めて適している。
【００２６】
有利な開発において、補助気体の追加によってもたらされる分圧は、十分に高く、これによって、液体ポンプの吸込口の圧力は、液体ポンプの運転の間、飽和水上気圧を下回らない。以下の文章で説明されるように、この事例は、ある特定の単純化された仮定（液体の追加の亜冷却無し）のもとで、例えば、結果として得られる分圧は、液体ポンプの少なくともＮＰＳＨ値に対応する。ポンプのヘッド高さは、完全に無くすことさえもできる可能性がある。実際の条件の下では、追加の補助気体の体積は、比例化されていなければならず、このため、結果としてもたらされる分圧は、吸込圧力、または変換されたＮＰＳＨ値を超える。
【００２７】
本発明は、必ずしもランキンサイクルのプロセスによって運転される熱力学的装置に限定されない。例えば、膨張装置の上流での作動流体の蒸発を含まないが、連続的に増加する作動スペースの結果として作動流体のフラッシュ蒸発が膨張装置で起こる装置も含むことができる。特に、連続的な層変化は、取り扱うことができる。
【００２８】
ＯＲＣ装置という意味では、異なる作動媒体の混合も、ひいては所与の条件に適合する装置の理想的な運転モードを達成するために、作動流体として使用することができる。
【００２９】
図２の左側の下位図を参照すると、先行技術の熱力学的装置では、作動流体の飽和蒸気圧力Ｐｓは、凝縮器で所与の温度に対応して達成された。作動流体の液相を取り除くためのポンプが稼動すると、所与のＮＰＳＨ値による吸込圧力が、吸込コネクタにおいて生成される。飽和蒸気圧力Ｐｓは、この吸込圧力ＰＮＰＳＨによって減少される。結果として、飽和蒸気圧力Ｐｓより低い入口（吸込口）圧力ＰＥがポンプにおいてもたらされる。その結果、蒸気の気泡の形成が発生し、キャビテーションが発生する。
【００３０】
追加された非凝縮補助気体の手段により（図２の右側の下位図）、飽和蒸気圧力Ｐｓと補助気体の分圧Ｐｐａｒｔとの合計である循環システムの圧力（システム圧力）Ｐが、ポンプにおいてもたらされる。ポンプが稼動した後、このシステム圧力Ｐは、ＮＰＳＨ値によってあらかじめ規定される吸込圧力ＰＮＰＳＨによって、再度減少される。導入された補助気体のためにもたらされた、この非凝縮気体の分圧Ｐｐａｒｔが、ポンプの吸込コネクタにおいて、吸込圧力ＰＮＰＳＨより大きいか、または少なくとも等しい場合、しかしながら、入口（吸込口）圧力ＰＥは、ここでは、少なくとも飽和蒸気圧力Ｐｓと等しいか、または飽和蒸気圧力Ｐｓより大きい。したがって、キャビテーションは、回避される。
【００３１】
システム圧力と補助気体の手段により加圧される飽和蒸気圧力との間の所望の圧力差ΔＰに対しては、これは有利にも少なくともＰＮＰＳＨであり、補助気体の必要な物質量ｘｉは、次式によって計算される。
【００３２】
【数１】
【００３３】
実際のシステムについては、補助気体の物質量ｘｉは、その後比例化され、これによって、たとえ好ましくない条件、すなわち、減少された凝縮温度、したがって減少された飽和蒸気圧力であっても、十分な補助気体が利用可能である。また、補助気体の一部は溶液に溶けていき、したがってもはや圧力差を生成するために使用できないという事実を考慮に入れるべきである。補助気体の追加された物質量を比例化するとき、装置の異なる運転段階（部分負荷、全負荷）も考慮に入れることができる。
【００３４】
装置の好適な開発において、前述の実施形態により、構造的な高さは、ＮＰＳＨ値、および、適用できる場合、液体状の作動流体の亜冷却を考慮に入れた必要なヘッド高さと比較して減少された液体ポンプの実際のヘッド高さにより、相応して減少することができる。追加的な液体の亜冷却の結果として、必要なヘッド高さは、低減された蒸気圧力の理由で減少される。実際のヘッド高さの可能性のあるさらなる減少は、導入された補助気体の分圧の結果として提供される。この場合、ある特定の予備を保持するためには、補助気体の対応する供給にもかかわらず、小さいヘッド高さも維持することができる。ヘッド高さの減少は、対応する補助気体の物質量の手段により、これに関して補償される。
【００３５】
この補助気体に対する導入点は、基本的に装置の循環システムの任意の点において提供される。導入点は、この場合、補助気体のオンオフベースの導入のため、または繰り返される導入のために設計することができる。好適な開発では、補助気体に対する導入点は、膨張装置と液体ポンプとの間に提供される。このようにして、補助気体は、サイクルの要求される点において直接的に使用可能である。補助気体は、循環プロセスの低温側の液相に導入される。特に、補助気体は、凝縮器内で収集することができるので、そこで容易に除去することもできる。このために、例えば、装置を「低温運転（ｃｏｌｄ−ｒｕｎ）」することができ、その結果として、補助気体は凝縮器の中へゆっくりと流れ込む。補助気体を追加するために、例えば、圧縮機を使用することができる。代替的には、加圧シリンダーを接続することができる。循環プロセスの高温側に補助気体を追加することは、追加的なコストをともなう。
【００３６】
非凝縮補助気体は、熱力学的装置のサイクル内で使われる、または与えられる条件下で凝縮しないタイプの気体である。例えば、不活性の希ガス類、または窒素は、かかる補助気体として適切である。適切な有機気体類も可能性がある。
【００３７】
非凝縮補助気体は、熱力学的装置のサイクルの中で、作動流体によってある程度移動される。ランキンサイクルのプロセスによって、水の形態の作動流体を用いて運転されている装置の中では、いわゆるシェルアンドチューブ熱交換器が、凝縮器のために、通例提供される。この場合、冷却液体は、管の内側を通って流れる。
【００３８】
気体状の作動流体は、管にそって外側を流れ、その表面上で凝縮し、凝縮物として、すなわち液相で垂れて落ちる。
【００３９】
かかる凝縮器では、その配向に依存して、非凝縮補助気体は、蓄積される可能性があるが、しかしながら不利な影響をともなう。この場合、補助気体は、管の周りで保温層として留まり、その結果として、凝縮器の効率は減少する。非凝縮補助気体は、凝縮物の流れ方向に対向する抽出の手段、または拡散の手段によってのみ分離することができる。
【００４０】
非凝縮補助気体が追加されるときに、この不利な点を回避するために、凝縮器は、凝縮物、または液状の作動流体の流れ方向における補助気体の同伴のために有利に設計される。かかる凝縮器は、例えば、空気凝縮器として、またはプレート型熱交換器の手段により設計される。空気凝縮器の場合、気体状の作動流体は、管の内側を通って流れ、その外側は、例えば、空気によるが、しかし別の冷却媒体にもよる、周囲の流れ（ｃｉｒｃｕｍｆｌｏｗ）に暴露される。この場合、補助気体は、少なくとも部分的に気体状作動流体に従う流れ方向に管に押し込まれて通る。これは、プレート型熱交換要素の手段により形成される凝縮器にも適用される。この場合にも、気体状作動流体は、プレート型熱交換器要素の隙間を通って流れ、補助気体の一部は、同様にして凝縮器から取り出される。シェルアンドチューブ熱交換器に対して生成される、保温層の形成の望ましくない影響は、この結果低減される。
【００４１】
加えて、補助気体の濃度を検出するセンサーが、好ましくはヘッダータンク内に配設される。収集された作動流体の液体の上方の気体空間に配設された、かかるセンサーの手段により、例えば、循環システム内に存在する補助気体の物質量は、測定することができ、所定の限界値を下回った、または超えたときに、警告信号を発することができる。警告信号に対応して、その後、特定の物質量の補助気体を追加、または抽出することができる。
【００４２】
上述したように、開示された熱力学的装置は、自動車内の移動プラントに特に適しており、熱交換器は、車両の廃熱源に熱的に接続されている。例えば、冷却水、オイルなどのような別の運転媒体、エンジンブロック自体、または排気ガスは、かかる廃熱源を構成する。
【００４３】
発電のために対応する発電機に接続された膨張装置は、好ましくは、容積式装置として設計される。かかる容積式装置は、例えば、スクリュー型膨張装置、もしくはピストン膨張装置、またはスクロール膨張装置である。ベーンセル装置も使用することができる。
【００４４】
方法に対して向けられた目的は、請求項９による特徴の組み合わせの手段によって、本発明により達成される。これによると、熱力学的装置の運転方法に対して、システム圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体の追加によりポンプの吸込口（ヘッド）での液体状の作動流体にかかることが提供される。
【００４５】
方法に対して向けられた従属項から、さらなる好適な開発を集めることができる。この場合、この装置に対して参照された有利な点は、論理的に相応して持ち込まれる。
【００４６】
本発明の例示的な実施形態は、図を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】ポンプヘッドに補助気体の分圧がかかる、ＯＲＣ装置を概略的に示した図である。
【図２】異なる圧力条件の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１に概略的に示すのは、ＯＲＣ装置１であり、これは内燃機関の廃熱を利用するための移動プラントとして、特に適するものである。ＯＲＣ装置１は、この場合、循環システム２内に、熱交換器としての蒸発器３、膨張装置５、凝縮器６、および液体ポンプ８を備える。表されたＯＲＣ装置１は、ランキンサイクルのプロセスにより運転され、仕事は発電機９を駆動するために膨張装置５で実行される。発電機９は、特に発電した電力を自動車自体の電気システムに供給する、またはこれに接続するために設計される。水と比べて著しく高い蒸気圧力を有する炭化水素が、作動流体１０として使用される。作動流体１０は、閉サイクル内に位置する。
【００４９】
液体ポンプ８を介して送達される液体状の作動流体１０は、蒸発器３で高圧で蒸発する。容積式装置として設計された膨張装置５では、気体状作動流体１０が膨張し、仕事を実行する。膨張した気体状作動流体１０は、凝縮器６で低圧で凝縮する。凝縮器６で達成された飽和蒸気圧力は、約１．２ｂａｒである。凝縮物すなわち液体状作動流体１０は、蒸発のためにポンプ８の手段により再度送達される前にヘッダータンク１１で収集される。
【００５０】
廃熱放出１４は、凝縮器６の冷却のために提供される。例えば、これは、自動車の空気を循環させることができ、作動流体の凝縮熱は、例えば、車両の内部を加熱するために循環空気に供給される。凝縮器６は、空気凝縮器として設計されており、冷却される作動流体１０は、周囲の流れ（ｃｉｒｃｕｍｆｌｏｗ）に暴露された管の内部に沿って流れる。
【００５１】
ポンプ８によって送達される作動流体１０を蒸発させるために、熱が蒸発器３に廃熱供給１６を介して供給される。このため、車両のエンジンの排気ガスからの熱は、蒸発器３に、適切な熱の交換を介して供給される。代替的に、熱は内燃機関の冷却回路から供給することができる。内燃機関の廃熱および生成した排気ガスの廃熱も、蒸発器３に対応する第３媒体を介して総括的に供給することができる。
【００５２】
膨張装置５と液体ポンプ８との間で、凝縮器６に、非凝縮補助気体２０をＯＲＣ装置１のサイクルの中に導入するための導入点１８が提供される。対応する弁を介して、特定の物質量ｘｉの補助気体２０を、ＯＲＣ装置のサイクルの中へ、単発で、または繰り返して導入することができる。物質量ｘｉは、この場合比例化され、これにより、ポンプ８の吸込口（ヘッド）の中では、補助気体２０の分圧、および作動流体１０の飽和蒸気圧力（結果として凝縮器６の中の凝縮物からもたらされる）は、そのような方法でシステム圧力に加えられ、ポンプを稼動した後、吸込口での作動流体の圧力は飽和蒸気圧力を下回わらない。この結果として、流れる作動流体の液相での偏向における飽和蒸気圧力を下回るのを回避される。物質量ｘｉは、結果としてもたらされる補助気体の分圧が、ポンプのＮＰＳＨ値に対応する吸込圧力より大きいような方法により、特に比例化される。これに関して、キャビテーションは、液体ポンプ８の吸込口（ヘッド）、および特に吸込コネクタにおいて回避される。作動流体１０の飽和蒸気圧力は、運転中不十分ではなく、そこで蒸気の気泡は形成されない。
【００５３】
ヘッド高さ２１は（ここに図式的に描かれる）は、液体ポンプ８のＮＰＳＨ値に対して、たった数十センチメートルだけ明らかに低減される。補助気体２０の濃度を測定するためのセンサー２２が、ヘッダータンク１１内に配設される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低沸点作動流体（１０）がその中で気相と液相とで交互に循環する循環システム（２）と、熱交換器（３）と、膨張装置（５）と、凝縮器（６）と、液体ポンプ（８）と、を備えた熱力学的装置（１）において、
前記循環システムの圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体（２０）の追加により、前記液体ポンプ（８）の吸込口での前記液体状作動流体（１０）にかかることを特徴とする、熱力学的装置（１）。
【請求項２】
前記補助気体（２０）の追加によってもたらされる前記分圧は十分に高く、これにより、前記液体ポンプの吸込口での圧力は、前記液体ポンプ（８）の運転の間、飽和蒸気圧力を下回らないことを特徴とする、請求項１に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項３】
前記液体ポンプ（８）の実際のヘッド高さ（２１）が、ＮＰＳＨ値および可能性として前記液体状作動流体（１０）の亜冷却を考慮に入れた、必要なヘッド高さと比較して低減されることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項４】
前記補助気体（２０）に対する導入点（１８）は、前記膨張装置（５）と前記液体ポンプ（８）との間に提供されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項５】
前記作動流体（１０）の流れ方向における前記補助気体（２０）の同伴のために前記凝縮器（６）が、空気凝縮器として、またはプレート型熱交換器要素の手段により、設計されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項６】
前記膨張装置（５）は容積型装置であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項７】
前記補助気体濃度を検出するためのセンサー（２２）が、前記液体状作動流体（１０）のヘッダータンク（１１）内に配設されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱力学的装置（１）を、自動車のための移動プラントとして使用する方法であって、前記熱交換器（３）は、前記自動車の廃熱源（１６）に熱的に接続されることを特徴とする、使用方法。
【請求項９】
熱力学的装置（１）の運転の方法であって、循環システム（２）において、低沸騰作動流体（１０）が、気相と液相とで交互に循環し、前記作動流体（１０）が、加熱され、膨張され、凝縮され、前記液体のポンプ作用により送達される、方法において、
前記循環システムの圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体（２０）の追加により、前記液体ポンプの吸込口での前記液体状作動流体（１０）にかかることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記補助気体（２０）の追加によってもたらされる分圧が十分高く、これにより前記液体状作動流体（１０）の送達の間、前記液体ポンプの吸込口での圧力が飽和蒸気圧を下回らないようにする体積の前記補助気体が導入されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記補助気体（２０）が前記膨張した気体状作動流体（１０）に追加されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記補助気体（２０）は、前記作動流体（１０）の前記凝縮の間に、主に前記流れ方向にさらに移送されることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記作動流体（１０）が、容積型装置内で膨張することを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
自動車の廃熱（１６）が、前記作動流体（１０）を加熱すること、および／または蒸発させることに使用されることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１】
低沸点作動流体（１０）がその中で気相と液相とで交互に循環する循環システム（２）と、熱交換器（３）と、膨張装置（５）と、凝縮器（６）と、液体ポンプ（８）と、を備えた熱力学的装置（１）において、
前記循環システムの圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体（２０）の追加により、前記液体ポンプ（８）の吸込口での前記液体状作動流体（１０）にかかることを特徴とする、熱力学的装置（１）。
【請求項２】
前記補助気体（２０）の追加によってもたらされる前記分圧は十分に高く、これにより、前記液体ポンプの吸込口での圧力は、前記液体ポンプ（８）の運転の間、飽和蒸気圧力を下回らないことを特徴とする、請求項１に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項３】
前記液体ポンプ（８）の実際のヘッド高さ（２１）が、ＮＰＳＨ値および可能性として前記液体状作動流体（１０）の亜冷却を考慮に入れた、必要なヘッド高さと比較して低減されることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項４】
前記補助気体（２０）に対する導入点（１８）は、前記膨張装置（５）と前記液体ポンプ（８）との間に提供されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項５】
前記作動流体（１０）の流れ方向における前記補助気体（２０）の同伴のために前記凝縮器（６）が、空気凝縮器として、またはプレート型熱交換器要素の手段により、設計されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項６】
前記膨張装置（５）は容積型装置であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項７】
前記補助気体濃度を検出するためのセンサー（２２）が、前記液体状作動流体（１０）のヘッダータンク（１１）内に配設されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱力学的装置（１）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の熱力学的装置（１）を、自動車のための移動プラントとして使用する方法であって、前記熱交換器（３）は、前記自動車の廃熱源（１６）に熱的に接続されることを特徴とする、使用方法。
【請求項９】
熱力学的装置（１）の運転の方法であって、循環システム（２）において、低沸騰作動流体（１０）が、気相と液相とで交互に循環し、前記作動流体（１０）が、加熱され、膨張され、凝縮され、前記液体のポンプ作用により送達される、方法において、
前記循環システムの圧力を増加させる分圧が、非凝縮補助気体（２０）の追加により、前記液体ポンプの吸込口での前記液体状作動流体（１０）にかかることを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記補助気体（２０）の追加によってもたらされる分圧が十分高く、これにより前記液体状作動流体（１０）の送達の間、前記液体ポンプの吸込口での圧力が飽和蒸気圧を下回らないようにする体積の前記補助気体が導入されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記補助気体（２０）が前記膨張した気体状作動流体（１０）に追加されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記補助気体（２０）は、前記作動流体（１０）の前記凝縮の間に、主に前記流れ方向にさらに移送されることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記作動流体（１０）が、容積型装置内で膨張することを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
自動車の廃熱（１６）が、前記作動流体（１０）を加熱すること、および／または蒸発させることに使用されることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１３−５１０９８４（Ｐ２０１３−５１０９８４Ａ）
【公表日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３８２２１（Ｐ２０１２−５３８２２１）
【出願日】平成２２年１０月３０日（２０１０．１０．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００６６４０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５７７２４
【国際公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（５１２１２５８４０）オルカン エネルギー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月３０日（２０１０．１０．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００６６４０
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０５７７２４
【国際公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（５１２１２５８４０）オルカン エネルギー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (1)
【Ｆターム（参考）】
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