(57)【要約】【課題】ランキンサイクル装置の信頼性を確保するのに適した技術を提供する。【解決手段】作動流体の循環流路１５は、ポンプ１から蒸発器２を経由して膨張機３に至る第１流路１５ａと、膨張機３から凝縮器４を経由してポンプ１に至る第２流路１５ｂと、を含む。第１圧力センサ８ａは、第１流路１５ａにおける作動流体の圧力を検出する。第２圧力センサ８ｂは、第２流路１５ｂにおける作動流体の圧力を検出する。制御装置１９は、第１圧力センサ８ａの検出圧力および第２圧力センサ８ｂの検出圧力に基づいて、膨張機３の回転数を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプと、蒸発器と、膨張機と、凝縮器と、第１圧力センサと、第２圧力センサと、制御装置と、を備え、
作動流体が循環する循環流路が設けられ、
前記循環流路は、前記ポンプから前記蒸発器を経由して前記膨張機に至る第１流路と、前記膨張機から前記凝縮器を経由して前記ポンプに至る第２流路と、を含み、
前記第１圧力センサは、前記第１流路における前記作動流体の圧力を検出し、
前記第２圧力センサは、前記第２流路における前記作動流体の圧力を検出し、
前記制御装置は、前記第１圧力センサの検出圧力および前記第２圧力センサの検出圧力に基づいて、前記膨張機の回転数を制御する、ランキンサイクル装置。
【請求項２】
外気温度センサを備え、
前記制御装置は、前記第１圧力センサの検出圧力、前記第２圧力センサの検出圧力および前記外気温度センサの検出温度に基づいて、前記膨張機の回転数を制御する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記制御装置は、
前記外気温度センサの検出温度に基づいて目標値を設定し、
前記第１圧力センサの検出圧力と前記第２圧力センサの検出圧力の圧力差が前記目標値に追従するように前記膨張機の回転数を制御する、
請求項２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記圧力差が前記目標値よりも大きい場合、前記回転数を増加させ、
前記圧力差が前記目標値よりも小さい場合、前記回転数を減少させる、請求項３に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記外気温度センサの検出温度が高いほど、前記目標値は小さい、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】
前記制御装置は、
前記圧力差と前記目標値の乖離が大きいほど前記膨張機の回転数操作量の絶対値を大きく設定することと、
前記回転数操作量だけ前記回転数を変化させることと、を繰り返す、請求項３から５のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項７】
前記膨張機の回転トルクにより発電する発電機を備える、
請求項１から６のいずれか一項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】
本開示は、ランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、種々のランキンサイクル装置が検討されている。特許文献１には、ランキンサイクル装置の一例が記載されている。
【０００３】
図５に、特許文献１に係るランキンサイクル装置１００を示す。ランキンサイクル装置１００では、ポンプ１０１と、蒸発器１０２と、膨張機１０３と、凝縮器１０４とが環状に接続されている。ランキンサイクル装置１００には、バイパス流路１１０が設けられている。バイパス流路１１０は、膨張機１０３をバイパスしている。バイパス流路１１０には、弁１０５が設けられている。弁１０５は、バイパス流路１１０における作動流体の流量を調整する。
【０００４】
ランキンサイクル装置１００では、第１温度センサ１０７ａは、膨張機１０３の入口に流入する作動流体の温度を検出する。第２温度センサ１０７ｂは、膨張機１０３の出口から流出する作動流体の温度を検出する。ランキンサイクル装置１００では、温度センサ１０７ａの検出温度および温度センサ１０７ｂの検出温度に基づいて、膨張機１０３の回転数が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１８７４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、ランキンサイクル装置の信頼性を確保するのに適した技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、
ポンプと、蒸発器と、膨張機と、凝縮器と、第１圧力センサと、第２圧力センサと、制御装置と、を備え、
作動流体が循環する循環流路が設けられ、
前記循環流路は、前記ポンプから前記蒸発器を経由して前記膨張機に至る第１流路と、前記膨張機から前記凝縮器を経由して前記ポンプに至る第２流路と、を含み、
前記第１圧力センサは、前記第１流路における前記作動流体の圧力を検出し、
前記第２圧力センサは、前記第２流路における前記作動流体の圧力を検出し、
前記制御装置は、前記第１圧力センサの検出圧力および前記第２圧力センサの検出圧力に基づいて、前記膨張機の回転数を制御する、ランキンサイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る技術は、ランキンサイクル装置の信頼性を確保するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１におけるランキンサイクル装置の構成図である。
【図２】図２は、作動流体の状態を表すモリエル線図である。
【図３】図３は、実施の形態１における制御を表すフローチャートである。
【図４】図４は、実施の形態２におけるランキンサイクル装置の構成図である。
【図５】図５は、従来技術に係るランキンサイクル装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
ランキンサイクル装置では、作動流体が循環する循環流路が設けられる。循環流路は、ポンプから蒸発器を経由して膨張機に至る第１流路と、膨張機から凝縮器を経由してポンプに至る第２流路と、を含む。第１流路における作動流体は、ポンプの寄与により、相対的に高圧である。第２流路における作動流体は、膨張機の寄与により、相対的に低圧である。
【００１１】
本発明者らの検討によれば、第１流路の圧力および第２流路の圧力に基づいて膨張機の回転数を制御することにより、ランキンサイクルを安定させ、ランキンサイクル装置の信頼性を確保することができる。
【００１２】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係るランキンサイクル装置は、
ポンプと、蒸発器と、膨張機と、凝縮器と、第１圧力センサと、第２圧力センサと、制御装置と、を備え、
作動流体が循環する循環流路が設けられ、
前記循環流路は、前記ポンプから前記蒸発器を経由して前記膨張機に至る第１流路と、前記膨張機から前記凝縮器を経由して前記ポンプに至る第２流路と、を含み、
前記第１圧力センサは、前記第１流路における前記作動流体の圧力を検出し、
前記第２圧力センサは、前記第２流路における前記作動流体の圧力を検出し、
前記制御装置は、前記第１圧力センサの検出圧力および前記第２圧力センサの検出圧力に基づいて、前記膨張機の回転数を制御する。
【００１３】
第１態様に係る技術は、ランキンサイクル装置の信頼性確保に寄与し得る。
【００１４】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るランキンサイクル装置は、
外気温度センサを備えていてもよく、
前記制御装置は、前記第１圧力センサの検出圧力、前記第２圧力センサの検出圧力および前記外気温度センサの検出温度に基づいて、前記膨張機の回転数を制御してもよい。
【００１５】
第２態様に係る技術は、ランキンサイクル装置の信頼性確保に寄与し得る。
【００１６】
本開示の第３態様において、例えば、第２態様に係るランキンサイクル装置は、
前記制御装置は、
前記外気温度センサの検出温度に基づいて目標値を設定してもよく、
前記第１圧力センサの検出圧力と前記第２圧力センサの検出圧力の圧力差が前記目標値に追従するように前記膨張機の回転数を制御してもよい。
【００１７】
第３態様に係る技術は、ランキンサイクル装置の信頼性確保に寄与し得る。
【００１８】
本開示の第４態様において、例えば、第３態様に係るランキンサイクル装置では、
前記制御装置は、
前記圧力差が前記目標値よりも大きい場合、前記回転数を増加させてもよく、
前記圧力差が前記目標値よりも小さい場合、前記回転数を減少させてもよい。
【００１９】
第４態様は、第１圧力センサの検出圧力および第２圧力センサの検出圧力の圧力差を目標値に追従させるのに適している。
【００２０】
本開示の第５態様において、例えば、第３態様または第４態様に係るランキンサイクル装置では、
前記外気温度センサの検出温度が高いほど、前記目標値は小さくてもよい。
【００２１】
第５態様は、ランキンサイクル装置のランキンサイクルを安定させるのに適している。
【００２２】
本開示の第６態様において、例えば、第３から第５態様のいずれか１つに係るランキンサイクル装置では、
前記制御装置は、
前記圧力差と前記目標値の乖離が大きいほど前記膨張機の回転数操作量の絶対値を大きく設定することと、
前記回転数操作量だけ前記回転数を変化させることと、を繰り返してもよい。
【００２３】
第６態様は、制御の安定性と応答性を両立させるのに適している。
【００２４】
本開示の第７態様において、例えば、第１から第６態様のいずれか１つに係るランキンサイクル装置は、
前記膨張機の回転トルクにより発電する発電機を備えていてもよい。
【００２５】
第７態様によれば、発電機により発電を行うことができる。
【００２６】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。実施の形態によって本開示は限定されない。
【００２７】
（実施の形態１）
図１に示すように、ランキンサイクル装置２１は、熱源３０と組み合わされて用いられ得る。ランキンサイクル装置２１には、熱源３０から、加熱媒体が供給され得る。熱源３０および加熱媒体の詳細については、後述する。
【００２８】
ランキンサイクル装置２１では、流体流路１４が設けられている。流体流路１４では、作動流体が流れる。流体流路１４は、循環流路１５と、バイパス流路１６と、を含む。循環流路１５は、第１流路１５ａと、第２流路１５ｂと、を含む。
【００２９】
作動流体の種類は、特に限定されない。作動流体の例は、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系の作動流体である。ここで、ＨＦＯ系の作動流体は、ＨＦＯを含む作動流体を指す。作動流体におけるＨＦＯの含有率は、例えば、５０質量％以上であり、８０質量％以上であってもよい。具体的には、作動流体として、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）およびＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）の混合流体等を採用できる。作動流体として、ＨＦＯを含まない公知の流体を採用することもできる。
【００３０】
流体流路１４は、複数の配管を用いて構成されている。複数の配管を、まとめて配管部と称することができる。
【００３１】
ランキンサイクル装置２１において、ランキンサイクルが構成されている。具体的には、ランキンサイクル装置２１において、オーガニックランキンサイクル（ＯＲＣ）が構成されている。
【００３２】
ランキンサイクル装置２１は、ポンプ１と、蒸発器２と、膨張機３と、凝縮器４とを備える。循環流路１５において、ポンプ１と、蒸発器２と、膨張機３と、凝縮器４とは、この順に並んでいる。ポンプ１と、蒸発器２と、膨張機３と、凝縮器４とは、複数の配管を用いて接続されている。
【００３３】
ランキンサイクル装置２１は、再熱器６を含む。再熱器６では、循環流路１５における互いに異なる部分を流れる作動流体の間で熱交換がなされる。
【００３４】
バイパス流路１６は、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分と、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分と、を接続している。
【００３５】
ランキンサイクル装置２１は、弁５を含む。弁５は、バイパス流路１６に設けられている。以下では、弁５を、バイパス弁５と称することがある。本実施の形態では、バイパス弁５は、流量調整弁である。ここで、流量調整弁は、０％および１００％のみならず、０％よりも大きく１００％よりも小さい開度を採り得る弁である。
【００３６】
ランキンサイクル装置２１は、発電機１８を備える。発電機１８は、膨張機３に接続されている。
【００３７】
以下、ポンプ１、蒸発器２、膨張機３、凝縮器４、バイパス弁５、再熱器６および発電機１８の動作について説明する。
【００３８】
ポンプ１は、作動流体を搬送する。
【００３９】
蒸発器２は、作動流体を蒸発させる。具体的には、熱源３０から蒸発器２に加熱媒体が供給される。蒸発器２は、加熱媒体の熱を回収して作動流体を蒸発させる。本実施の形態では、加熱媒体は、熱源ガスである。加熱媒体は、排ガスであり得る。つまり、熱源３０は排熱源であり、蒸発器２は排熱を回収して作動流体を蒸発させ得る。一具体例では、蒸発器２は、加熱媒体の温度および流量に応じて所定の熱量を回収可能な仕様である。蒸発器２は、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器によって構成されている。
【００４０】
膨張機３は、作動流体を膨張させる。具体的には、膨張機３は、蒸発器２で高温蒸気となった作動流体を膨張させる。
【００４１】
凝縮器４は、膨張機３で膨張した作動流体を凝縮させる。具体的には、凝縮器４は、冷却媒体により作動流体の熱を奪うことによって、作動流体を凝縮させる。本実施の形態では、冷却媒体は、ガスであり、具体的には大気中の空気である。ただし、冷却媒体は、水等の液体であってもよい。本実施の形態では、凝縮器４は、ファン７を備えている。凝縮器４は、ファン７を用いて作動流体を凝縮させる。ただし、ファン７は必須ではない。凝縮器４は、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器、プレート熱交換器または二重管式熱交換器によって構成されている。一具体例では、冷却媒体は空気であり、凝縮器４はフィンアンドチューブ熱交換器であり、凝縮器４はファン７を備えている。別の具体例では、冷却媒体は水であり、凝縮器４はプレート熱交換器または二重管式熱交換器であり、凝縮器４はファン７を備えていない。
【００４２】
バイパス弁５は、膨張機３を流れる作動流体の流量と、バイパス流路１６を流れる作動流体の流量と、を調整する。具体的には、バイパス弁５の開度が調整されることによって、これらの流量が調整される。
【００４３】
再熱器６は、循環流路１５におけるポンプ１よりも下流側かつ蒸発器２よりも上流側の第１部分６ａと、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の第２部分６ｂと、を含む。再熱器６では、これら両部分を流れる作動流体の間で熱交換がなされる。この熱交換により、第１部分６ａを流れる作動流体の温度が上昇し、第２部分６ｂを流れる作動流体の温度が低下する。
【００４４】
発電機１８は、膨張機３の回転トルクにより発電する。
【００４５】
さらに、ランキンサイクル装置２１は、第１圧力センサ８ａと、第２圧力センサ８ｂと、第１温度センサ９ａと、第２温度センサ９ｂと、第３温度センサ９ｃと、第４温度センサ９ｄと、を含む。
【００４６】
第１圧力センサ８ａは、第１流路１５ａにおける作動流体の圧力を検出する。第２圧力センサ８ｂは、第２流路１５ｂにおける作動流体の圧力を検出する。ここで、第１流路１５ａは、ポンプ１から蒸発器２を経由して膨張機３に至る流路である。第２流路１５ｂは、膨張機３から凝縮器４を経由してポンプ１に至る流路である。
【００４７】
第１流路１５ａにおける作動流体は、相対的に高圧である。このため、第１圧力センサ８ａを、高圧センサ８ａと称することができる。第２流路１５ｂにおける作動流体は、相対的に低圧である。このため、第２圧力センサ８ｂを、低圧センサ８ｂと称することができる。
【００４８】
本実施の形態では、第１圧力センサ８ａは、第１流路１５ａに設けられている。具体的には、第１圧力センサ８ａは、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分に設けられている。ただし、第１圧力センサ８ａは、循環流路１５におけるポンプ１よりも下流側かつ蒸発器２よりも上流側の部分に設けられていてもよい。また、第１圧力センサ８ａは、バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも上流側の部分に設けられていてもよい。バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも上流側の部分に設けられた第１圧力センサ８ａも、第１流路１５ａにおける作動流体の圧力を検出し得る。
【００４９】
本実施の形態では、第２圧力センサ８ｂは、第２流路１５ｂに設けられている。具体的には、第２圧力センサ８ｂは、循環流路１５における凝縮器４よりも下流側かつポンプ１よりも上流側の部分に設けられている。ただし、第２圧力センサ８ｂは、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分に設けられていてもよい。また、第２圧力センサ８ｂは、バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも下流側の部分に設けられていてもよい。バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも下流側の部分に設けられた第２圧力センサ８ｂも、第２流路１５ｂにおける作動流体の圧力を検出し得る。
【００５０】
第１温度センサ９ａは、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分における作動流体の温度を検出する。本実施の形態では、第１温度センサ９ａは、この部分に設けられている。第１温度センサ９ａによれば、膨張機３の入口における作動流体の温度を把握できる。第１温度センサ９ａを、膨張機入口温度センサ９ａと称することができる。なお、第１温度センサ９ａは、バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも上流側の部分に設けられていてもよい。バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも上流側の部分に設けられた第１温度センサ９ａも、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分における作動流体の温度を検出し得る。
【００５１】
第２温度センサ９ｂは、循環流路１５における凝縮器４よりも下流側かつポンプ１よりも上流側の部分における作動流体の温度を検出する。本実施の形態では、第２温度センサ９ｂは、この部分に設けられている。第２温度センサ９ｂによれば、凝縮器４の出口における作動流体の温度を把握できる。第２温度センサ９ｂを、凝縮器出口温度センサ９ｂと称することができる。
【００５２】
第３温度センサ９ｃは外気温度を検出する。このため、第３温度センサ９ｃを、外気温度センサ９ｃと称することができる。本実施の形態では、第３温度センサ９ｃは、凝縮器４における冷却媒体の吸い込み部分に設置されている。第３温度センサ９ｃは冷却媒体の温度を検出し、その検出値が外気温度として扱われる。
【００５３】
第４温度センサ９ｄは、蒸発器２に吸い込まれる加熱媒体の温度を検出する。上述の通り、本実施の形態では、加熱媒体は、熱源ガスである。本実施の形態では、第４温度センサ９ｄを、熱源ガス温度センサ９ｄと称することができる。
【００５４】
さらに、ランキンサイクル装置２１は、制御装置１９を含む。制御装置１９は、ランキンサイクル装置２１の構成要素を制御する。
【００５５】
（適切なランキンサイクルの実現）
上述の説明から理解されるように、作動流体は、状態変化しながら循環流路１５を流れる。図２は、循環流路１５を流れる作動流体の状態を示すモリエル線図である。
【００５６】
図２において、横軸は、エンタルピである。縦軸は、圧力である。一点鎖線Ｌ１は、飽和液線である。二点鎖線Ｌ２は、飽和蒸気線である。
【００５７】
矢印ＰＵＭは、ポンプ１による昇圧を表す。矢印ＲＨ１は、再熱器６による加熱を表す。矢印ＥＶは、蒸発器２による加熱を表す。矢印ＥＸは、膨張機３による膨張を表す。矢印ＲＨ２は、再熱器６による冷却を表す。矢印ＣＯＮは、凝縮器４による冷却を表す。これらの矢印が表す作用によって、作動流体の状態が（１）、（２）、（３）、（４）、（５）および（６）の順に変化するランキンサイクルがもたらされる。
【００５８】
状態（１）は、循環流路１５における凝縮器４よりも下流側かつポンプ１よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（１）は、過冷却液の状態である。ブロック矢印ＳＣは、作動流体の過冷却度を模式的に表している。状態（１）は、状態（６）に比べ、エンタルピが低い。
【００５９】
状態（２）は、循環流路１５におけるポンプ１よりも下流側かつ再熱器６の第１部分６ａよりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（２）は、過冷却液の状態である。状態（２）は、状態（１）に比べ、圧力が高い。
【００６０】
状態（３）は、循環流路１５における再熱器６の第１部分６ａよりも下流側かつ蒸発器２よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（３）は、過冷却液の状態である。状態（３）は、状態（２）に比べ、エンタルピが高い。再熱器６における熱交換量が大きい変形例では、状態（３）は、気液２相の状態である。この変形例では、図２において、状態（３）の位置は、飽和液線Ｌ１の右側となる。
【００６１】
状態（４）は、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（４）は、過熱蒸気の状態である。ブロック矢印ＳＨは、作動流体の過熱度を模式的に表している。状態（４）は、状態（３）に比べ、エンタルピが高い。
【００６２】
状態（５）は、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ再熱器６の第２部分６ｂよりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（５）は、過熱蒸気の状態である。状態（５）は、状態（４）に比べ、圧力およびエンタルピが低い。
【００６３】
状態（６）は、循環流路１５における再熱器６の第２部分６ｂよりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（６）は、気液２相の状態である。状態（６）は、状態（５）に比べ、圧力が低い。
【００６４】
状態（２）、状態（３）および状態（４）は、第１流路１５ａにおける作動流体の状態であり、相対的に高圧の状態である。状態（５）、状態（６）および状態（１）は、第２流路１５ｂにおける作動流体の状態であり、相対的に低圧の状態である。ブロック矢印ＰＤは、第１流路１５ａにおける作動流体と第１流路１５ｂにおける作動流体の圧力差を表す。以下、第１流路１５ａにおける作動流体の圧力を、高圧ＰＨと称することがある。第２流路１５ｂにおける作動流体の圧力を、低圧ＰＬと称することがある。高圧ＰＨと低圧ＰＬの圧力差を、圧力差ＰＤと称することがある。
【００６５】
本実施の形態では、ランキンサイクルにおけるエンタルピの変化幅が適切となるように、蒸発器２が構成されている。このことは、安定したランキンサイクルの実現に寄与し得る。
【００６６】
典型例では、加熱媒体の温度および流量は、熱源３０に応じた値をとる。これらの大凡の値は、ランキンサイクル装置２１を設置する前に予め把握され得る。このような典型例では、これらの値に適合した蒸発器２を構成できる。これにより、エンタルピの変化幅が適切に調整され得る。
【００６７】
典型例では、蒸発器２に供給される加熱媒体の温度および流量が安定した安定状態が存在する。本実施の形態では、そのような安定状態において、加熱媒体から作動流体へと所定の大きさの熱が与えられる熱交換がなされるように、蒸発器２が構成されている。このようにすれば、エンタルピの変化幅が適切に調整され得る。
【００６８】
具体的には、上記のような熱交換がなされるように、蒸発器２の仕様が予め定められている。例えば、伝熱面積が予め定められる。蒸発器２が伝熱管を有している場合、伝熱管の段数、列数、長さ等が予め定められ得る。蒸発器２がフィンを有している場合、フィンのピッチ、枚数等が予め定められ得る。
【００６９】
蒸発器２が上記安定状態にありかつ上記のような熱交換がなされるように蒸発器２が構成されている場合、ランキンサイクル装置２１を適切な運転状態へと速やかに立ち上げることができる。具体的には、この場合、起動制御においてポンプ１、ファン７、膨張機３の回転数を適切に制御することにより、蒸発器２から流出される作動流体の温度を、ランキンサイクル装置２１の運転にとって適切な値へと速やかに制御できる。
【００７０】
また、蒸発器２が上記安定状態にありかつ上記のような熱交換がなされるように蒸発器２が構成されている場合、ランキンサイクル装置２１の通常運転を安定して行うことができる。
【００７１】
熱源３０についても記載しておく。典型例では、熱源３０から蒸発器２に供給される加熱媒体の生成は、熱源３０におけるエネルギーの投入に依存する。熱源３０は、単位時間あたりのエネルギーの投入量が一定である安定運転を実行できる。そのような安定運転により、膨張機３に関する上述の安定状態がもたらされ得る。
【００７２】
上述の熱源３０におけるエネルギー投入の文脈において、エネルギーは、一次エネルギーおよび二次エネルギーを包含する概念である。一次エネルギーの例は、天然ガス、石油、石炭、燃料用ガス、ガソリン、コークス等の化石燃料である。一次エネルギーの別の例は、薪である。二次エネルギーの例は、電力である。
【００７３】
熱源３０は工場等の設備であり、加熱媒体はその設備の排ガスであり得る。排ガスは、例えば、工場における製品の製造プロセスで生じる。具体的に、熱源３０は炉であり得る。炉は、例えば、鋳物の製造に用いられる炉である。
【００７４】
ある設備の熱源から供給され得る加熱媒体の温度および流量と、別の設備の熱源から供給され得る加熱媒体の温度および流量との間には、差があり得る。しかし、典型例では、１つの設備の熱源から供給され得る加熱媒体の温度および流量の経時的な変動は、設備安定稼働時においては顕著に大きいものではない。このため、１つの設備の熱源３０から蒸発器２に供給される加熱媒体の温度および流量に適合した蒸発器２を構成することは、現実的である。特に、設備が工場である場合には、その熱源から供給され得る加熱媒体の温度および流量は、経時的に大きくは変動しない傾向にある。
【００７５】
本実施の形態では、ランキンサイクルにおける圧力の変化幅が適切となるように、ランキンサイクル装置２１が制御される。このことは、安定したランキンサイクルの実現に寄与し得る。具体的には、ランキンサイクルにおける高圧と低圧の圧力差ＰＤが適切な値へと制御される。より具体的には、この制御では、外気温度が考慮される。
【００７６】
このように、本実施の形態では、ランキンサイクルにおけるエンタルピの変化幅および圧力の変化幅が適切となるようにランキンサイクル装置２１が構成されている。このようにすることは、安定したランキンサイクルを実現する観点から有利である。概括的にいうと、このようにすることにより、図２に示すモリエル線図が、左右および上下の幅が適度にある台形状となる。
【００７７】
具体的には、蒸発器２は、予め設定された回転数でポンプ１を運転したときに蒸発器２から流出する作動流体の温度が所定温度となり膨張機３に流入する作動流体の状態が所定状態となるように、熱源３０からの加熱媒体の温度および流量を考慮して構成されている。そして、膨張機３は、この所定状態にある作動流体を、外気温度を考慮して膨張させる。このようにすることは、安定したランキンサイクルを実現する観点から有利である。
【００７８】
（本実施の形態に係るランキンサイクル装置の制御の具体例）
上述の通り、本実施の形態では、ランキンサイクル装置２１の構成要素が、制御装置１９によって制御される。具体的には、制御装置１９は、起動制御および通常制御を行う。起動制御は、ランキンサイクル装置２１を起動させるための制御である。通常制御は、ランキンサイクル装置２１のランキンサイクルの安定時に行う制御である。
【００７９】
以下、制御装置１９が行う制御について、図３および表１から表５を参照しながら説明する。以下の説明では、各アクチュエータの起動制御における目標回転数を、初期目標回転数と称することがある。
【００８０】
図３は、制御装置１９が行う制御を示すフローチャートである。
【００８１】
ステップＳ１において、制御装置１９は、ランキンサイクル装置２１に運転信号が入力されたか否かを判断する。運転信号が入力されている場合、ステップＳ２に進む。運転信号が入力されていない場合、再度ステップＳ１が行われる。
【００８２】
ステップＳ２において、制御装置１９は、ファン７を所定回転数で所定時間だけ運転する。
【００８３】
ステップＳ２の後、ステップＳ３において、制御装置１９は、外気温度センサ９ｃの検出値Ｔｃを取得する。
【００８４】
ステップＳ３の後、ステップＳ４において、制御装置１９は、各アクチュエータの初期目標回転数を設定する。
【００８５】
具体的には、制御装置１９には、表１に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、ポンプ１の初期目標回転数Ｒｐ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置１９は、このテーブルデータから、Ｔｃである外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた初期目標回転数Ｒｐ０を選択する。
【表１】
2020183702.tif 000003
【００８６】
また、制御装置１９には、表２に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、ファン７の初期目標回転数Ｒｆ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置１９は、このテーブルデータから、Ｔｃである外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた初期目標回転数Ｒｆ０を選択する。
【表２】
2020183702.tif 000004
【００８７】
また、制御装置１９には、表３に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、膨張機３の初期目標回転数Ｒｅ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置１９は、このテーブルデータから、Ｔｃである外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた初期目標回転数Ｒｅ０を選択する。
【表３】
2020183702.tif 000005
【００８８】
ステップＳ４の後、ステップＳ５において、制御装置１９は、ランキンサイクル装置２１の起動制御を実行する。
【００８９】
起動制御において、制御装置１９は、バイパス弁５の開度を小さくする。具体的には、制御装置１９は、バイパス弁５の開度を全開から全閉まで、徐々に変更する。
【００９０】
起動制御において、制御装置１９は、ポンプ１の回転数を、０から初期目標回転数Ｒｐ０へと制御する。具体的には、制御装置１９は、ポンプ１の回転数を、徐々に上昇させる。初期目標回転数Ｒｐ０は、ステップＳ４で設定された値であり、具体的にはステップＳ４で選択された値である。
【００９１】
起動制御において、制御装置１９は、膨張機３の回転数を、０から初期目標回転数Ｒｅ０へと制御する。具体的には、制御装置１９は、膨張機３の回転数を、徐々に上昇させる。初期目標回転数Ｒｅ０は、ステップＳ４で設定された値であり、具体的にはステップＳ４で選択された値である。
【００９２】
起動制御において、制御装置１９は、ファン７の回転数を、０から初期目標回転数Ｒｆ０へと制御する。具体的には、制御装置１９は、ポンプ１の回転数を初期目標回転数Ｒｐ０に到達させる前に、ファン７の回転数を、初期目標回転数Ｒｆ０に到達させる。また、制御装置１９は、膨張機３の回転数を初期目標回転数Ｒｅ０に到達させる前に、ファン７の回転数を、初期目標回転数Ｒｆ０に到達させる。初期目標回転数Ｒｆ０は、ステップＳ４で設定された値であり、具体的にはステップＳ４で選択された値である。
【００９３】
この例では、蒸発器２は上記安定状態にあり、かつ、加熱媒体から作動流体へと所定の大きさの熱が与えられる熱交換がなされるように蒸発器２が構成されている。このため、ステップＳ５におけるポンプ１、ファン７および膨張機３の制御により、蒸発器２から流出される作動流体の温度を、ランキンサイクル装置２１の運転にとって適切な値へと速やかに制御できる。
【００９４】
制御装置１９は、バイパス制御弁５の開度の制御が完了し、かつ、ポンプ１、ファン７および膨張機３の回転数が初期目標値に達すると、起動制御を終了させる。
【００９５】
起動制御の終了後、ステップＳ６において、制御装置１９は、通常制御を実行する。
【００９６】
通常制御において、制御装置１９は、バイパス弁５の開度を、起動制御で小さくした値に維持する。具体的には、制御装置１９は、バイパス弁５の開度を全閉に維持する。
【００９７】
通常制御において、制御装置１９は、第１温度センサ９ａの検出値Ｔａを取得する。先の説明から理解されるように、検出値Ｔａから、膨張機３の入口における作動流体の温度を把握できる。
【００９８】
通常制御において、制御装置１９は、検出値Ｔａが所定の目標値となるように、ポンプ１の回転数を制御する。
【００９９】
通常制御において、制御装置１９は、第１圧力センサ８ａの検出値を取得する。この検出値から、膨張機３の入口における作動流体の圧力を把握できる。
【０１００】
通常制御において、制御装置１９は、第２圧力センサ８ｂの検出値を取得する。この検出値から、膨張機３の出口における作動流体の圧力を把握できる。
【０１０１】
通常制御において、制御装置１９は、第１圧力センサ８ａの検出値から第２圧力センサ８ｂの検出値を差し引いた差分を計算する。以下では、この差分を、圧力差ΔＰ１と称することがある。圧力差ΔＰ１から、高圧と低圧の圧力差ＰＤを把握できる。
【０１０２】
通常制御において、制御装置１９は、膨張機３の目標圧力差ΔＰ０を設定する。
【０１０３】
具体的には、制御装置１９には、表４に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、膨張機３の目標圧力差ΔＰ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置１９は、このテーブルデータから、Ｔｃである外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた目標圧力差ΔＰ０を選択する。例えば、外気温度センサ９ｃの検出値Ｔｃが２５℃のとき、対応する目標圧力差ΔＰ０は１．３ＭＰａである。
【表４】
2020183702.tif 000006
【０１０４】
通常制御において、制御装置１９は、圧力差ΔＰ１が目標圧力差ΔＰ０に追従するように、膨張機３の回転数を制御する。具体的には、圧力差ΔＰ１が目標圧力差ΔＰ０よりも大きい場合、膨張機３の回転数を増加させる。制御装置１９は、圧力差ΔＰ１が目標圧力差ΔＰ０よりも小さい場合、膨張機３の回転数を減少させる。
【０１０５】
一具体例では、通常制御において、制御装置１９は、膨張機３の目標圧力差ΔＰ０から圧力差ΔＰ１を差し引いた差分を計算する。以下では、この差分を、圧力差偏差ΔＰ２と称することがある。制御装置１９は、圧力差偏差ΔＰ２が大きいほど、膨張機３の回転数操作量ΔＲｗの絶対値を大きくする。そして、制御装置１９は、回転数操作量ΔＲｗだけ膨張機３の回転数を変化させる。典型例では、制御装置１９は、回転数操作量ΔＲｗを設定することと、回転数操作量ΔＲｗだけ膨張機３の回転数を変化させることと、を繰り返す。
【０１０６】
具体的には、制御装置１９には、表５に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、膨張機３の回転数操作量ΔＲｗと圧力差偏差ΔＰ２とが対応付けられている。制御装置１９は、このテーブルデータから、上記差分計算により得られた圧力差偏差ΔＰ２に対応付けられた回転数操作量ΔＲｗを選択する。
【表５】
2020183702.tif 000007
【０１０７】
なお、本実施の形態では、膨張機３の回転数操作量ΔＲｗは、膨張機３の回転数の変化量を指す。典型例では、回転数操作量ΔＲｗは、制御装置１９の一制御周期における膨張機３の回転数の変化量を指す。
【０１０８】
ステップＳ７において、制御装置１９は、ランキンサイクル装置２１に停止信号が入力されたか否かを判断する。停止信号が入力されている場合、ステップＳ８に進む。停止信号が入力されていない場合、再度ステップＳ７が行われる。
【０１０９】
ステップ８において、制御装置１９は、各アクチュエータを停止させる。こうして、制御装置１９は、ランキンサイクル装置２１を停止させる。
【０１１０】
（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略することがある。
【０１１１】
図４に、実施の形態２に係るランキンサイクル装置２２を示す。
【０１１２】
上述の通り、第２圧力センサ８ｂを、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分に設けることが可能である。実施の形態２では、第２圧力センサ８ｂが、その部分に設けられている。図１の位置に第２圧力センサ８ｂを設ける場合に比べ、図４の位置に第２圧力センサ８ｂを設けると、第２圧力センサ８ｂの検出値が膨張機３から流出される作動流体の圧力を精度よく表したものとなり得る。このことは、高い精度で膨張機３の回転数を制御することを可能にする。このことは、ランキンサイクルを安定させ、ランキンサイクル装置２２の信頼性を確保する観点から有利である。
【０１１３】
また、実施の形態２では、循環流路１５における凝縮器４よりも下流側かつポンプ１よりも上流側の部分に、第３圧力センサ８ｃが設けられている。このようにすれば、この部分の圧力の検出値を用いた制御が可能である。第３圧力センサ８ｃが設けられている位置は、実施の形態１において第２圧力センサ８ｂが設けられている位置に対応する。
【０１１４】
（実施の形態１および２に適用可能な技術）
上述の例では、バイパス弁５は、流量可変型の弁である。ただし、バイパス弁５は、電磁弁のような開閉弁であってもよい。開閉弁は、開度が０％および１００％の２値のいずれかに設定される弁を指す。
【０１１５】
バイパス弁５として、電動ボールバルブを採用可能である。電動ボールバルブは、弁の部分と弁前後の配管とで流路断面積の変化が小さい。このため、電動ボールバルブによれば、作動流体を循環させる際の流路抵抗を小さくすることができる。
【０１１６】
ランキンサイクルの状態変化は、図２に示す態様のものに限定されない。また、図２では、配管における圧力ロス、放熱ロス等が無視されている。現実には、モリエル線図はこれらが反映された形状を取り得る。現実には、状態（２）と（３）と（４）とで、高圧ＰＨのレベルは変動し得る。また、状態（５）と（６）と（１）とで、低圧ＰＬのレベルは変動し得る。
【０１１７】
表１から表４の外気温度の区間の分割の仕方は、一例に過ぎず、本開示を限定するものではない。また、表１から表４の数値は、ポンプ１、ファン７および膨張機３の仕様によって変化し得る。
【０１１８】
表１から表４のＲｐ０、Ｒｆ０、Ｒｅ０およびΔＰ０を、外気温度および別のパラメータに依存させることも可能である。例えば、当該別のパラメータの例は、蒸発器２に流入する加熱媒体の温度の検出値である。この検出値は、第４温度センサ９ｄによって得られる。Ｒｐ０、Ｒｆ０、Ｒｅ０およびΔＰ０を第４温度センサ９ｄの検出値に応じて細かく設定することにより、ランキンサイクル装置の運転効率が向上し得る。
【０１１９】
ランキンサイクルにおけるエンタルピの変化幅が適切となるように蒸発器２を構成することは必須ではない。そのように蒸発器２が構成されていない場合であっても、ランキンサイクルにおける圧力の変化幅が適切となるようにランキンサイクル装置を制御することによって、ランキンサイクルが安定するという効果が得られ得る。
【０１２０】
ランキンサイクル装置が、図示した要素の全てを有していることは必須ではない。例えば、再熱器６は省略可能である。
【０１２１】
（上述の説明に係る技術）
以上の説明から理解されるように、上述の説明に係るランキンサイクル装置では、制御装置１９は、第１圧力センサ８ａの検出圧力および第２圧力センサ８ｂの検出圧力に基づいて、膨張機１３の回転数を制御する。このような制御は、ランキンサイクル装置の信頼性確保に寄与し得る。
【０１２２】
上述のように、図５のランキンサイクル装置１００では、温度センサ１０７ａの検出温度および温度センサ１０７ｂの検出温度に基づいて、膨張機１０３の回転数を制御する。これに対し、上述の説明に係るランキンサイクル装置２１および２２では、第１圧力センサ８ａの検出圧力および第２圧力センサ８ｂの検出圧力に基づいて、膨張機３の回転数を制御する。圧力センサ８ａおよび８ｂの検出圧力に基づいて膨張機の回転数を制御することは、温度センサ１０７ａおよび１０７ｂの検出温度に基づいて膨張機の回転数を制御することに比べ、ランキンサイクル装置の動作を安定させる観点から有利である。
【０１２３】
上記の例では、制御装置１９は、第１圧力センサ８ａの検出圧力、第２圧力センサ８ｂの検出圧力および外気温度センサ９ｃの検出温度Ｔｃに基づいて、膨張機１３の回転数を制御する。このような制御は、ランキンサイクル装置の信頼性確保に寄与し得る。具体的には、膨張機１３の回転数の制御に、外気温度を反映させることができる。
【０１２４】
上記の例では、具体的には、制御装置１９は、外気温度センサ９ｃの検出温度Ｔｃに基づいて目標値ΔＰ０を設定する。制御装置１９は、第１圧力センサ８ａの検出圧力と第２圧力センサ８ｂの検出圧力の圧力差ΔＰ１が目標値ΔＰ０に追従するように、膨張機３の回転数を制御する。このような制御は、ランキンサイクル装置の信頼性確保に寄与し得る。目標値ΔＰ０は、目標圧力差ΔＰ０に対応する。
【０１２５】
図５のランキンサイクル装置１００では、温度センサ１０７ａの検出温度および温度センサ１０７ｂの検出温度の温度差に基づいて、膨張機１０３の回転数を制御する。これに対し、上述の説明に係るランキンサイクル装置２１および２２では、第１圧力センサ８ａの検出圧力および第２圧力センサ８ｂの検出圧力の圧力差ΔＰ１に基づいて、膨張機３の回転数を制御する。圧力センサ８ａおよび８ｂの検出圧力差ΔＰ１に基づいて膨張機の回転数を制御することは、温度センサ１０７ａおよび１０７ｂの検出温度差に基づいて膨張機の回転数を制御することに比べ、ランキンサイクル装置の動作を安定させる観点から有利である。
【０１２６】
具体的には、図２を用いて説明したように、圧力差ΔＰ１が目標値ΔＰ０に追従するように膨張機３の回転数を制御することにより、ランキンサイクルにおける高圧と低圧の圧力差ＰＤを適切な値へと制御できる。このことは、ランキンサイクル装置の動作を安定させる観点から有利である。ランキンサイクル装置の動作が安定すると、過渡状態が生じ難い。これにより、ポンプ１、膨張機３等を高い信頼性で動作可能な運転状態に維持できる。また、ランキンサイクル装置の動作を安定させることは、発電機１８の発電効率を向上させる観点から有利である。
【０１２７】
別の観点から、例えば、何らかの原因で、図２の状態（４）および状態（５）のエンタルピが低くなったとする。この場合、膨張機３による膨張過程は、作動流体が過熱蒸気の状態にある第１領域のみならず、作動流体が気液二相の状態にある第２領域を含み得る。第１領域では作動流体の温度は変化し、一方、第２領域では作動流体の温度は変化しない。これに対し、第１領域でも第２領域でも作動流体の圧力は変化する。詳細は今後の検討を待つ必要があるが、膨張過程における温度と圧力の変化の仕方にこのような違いがあるが故に、検出温度の差ではなく検出圧力の差に基づいて膨張機の回転数を制御することが、ランキンサイクル装置の動作を安定させる観点から有利に働く可能性がある。
【０１２８】
また、膨張機３の駆動源は、膨張機３の前後の圧力差である。高圧と低圧の圧力差ＰＤを適切な値へと制御できることは、膨張機３を適切に駆動する観点から有利である。そして、このことは、発電機１８による発電を適切に行う観点から有利である。
【０１２９】
熱源３０にもよるが、現実には、蒸発器２に供給される加熱媒体の温度および流量が一時的に若干変動することはあり得る。例えば、熱源３０が工場である場合、昼休みには省エネのためにバーナーの火力を落とす、いわゆるアイドリングが行われることがある。このような場合、上記のような変動が生じ得る。しかし、そのような変動が生じた場合であっても、膨張機３の回転数を制御することにより、圧力差ΔＰ１を目標値ΔＰ０に追従させることが可能である。
【０１３０】
上述のように、制御装置１９は、圧力差ΔＰ１が目標値ΔＰ０に追従するように膨張機３の回転数を制御する。この制御は、簡潔である。
【０１３１】
上記の例では、制御装置１９は、圧力差ΔＰ１が目標値ΔＰ０よりも大きい場合、膨張機３の回転数を増加させる。制御装置１９は、圧力差ΔＰ１が目標値ΔＰ０よりも小さい場合、膨張機３の回転数を減少させる。このようにすることは、圧力差ΔＰ１を目標値ΔＰ０に追従させるのに適している。このようにすることは、ランキンサイクル装置のランキンサイクルを安定させるのに適している。
【０１３２】
上記の例では、ランキンサイクル装置では、外気温度センサ９ｃの検出温度Ｔｃが高いほど、目標値ΔＰ０を小さくする。別の言い方をすると、外気温度センサ９ｃの検出温度Ｔｃが低いほど、目標値ΔＰ０を大きくする。このようにすることは、ランキンサイクル装置のランキンサイクルを安定させるのに適している。
【０１３３】
具体的には、外気温度が高いときには図２に示す低圧ＰＬが高い値をとり、外気温度が低いときには低圧ＰＬが低い値をとる傾向にある。高圧ＲＨは、蒸発器２に供給される加熱媒体の温度に依存する。加熱媒体の温度が大きく変動せず従って高圧ＲＨが大きく変動しない場合において、上記のように目標値ΔＰ０を設定することは、外気温度の変化に伴う低圧ＰＬの変化に適合した目標値ΔＰ０を設定することを意味する。このことは、季節による温度変動を考慮して、ランキンサイクル装置のランキンサイクルを年間を通じて安定させる観点から有利である。
【０１３４】
上記の例では、制御装置１９は、圧力差ΔＰ１と目標値ΔＰ０の乖離が大きいほど膨張機３の回転数操作量の絶対値を大きく設定することと、回転数操作量だけ膨張機３の回転数を変化させることと、を繰り返す。このようにすることは、制御の安定性と応答性を両立させるのに適している。具体的には、制御の安定性を保ちつつ、圧力差ΔＰ１を速やかに目標値ΔＰ０に追従させることができる。圧力差ΔＰ１を速やかに目標値ΔＰ０に追従させることができることは、ランキンサイクルが安定した期間を長くなることを意味する。
【０１３５】
上記の例では、蒸発器２は、加熱媒体と作動流体との間で熱交換を行う熱交換部を含む。熱交換部は、少なくとも１つの単位部品を含む。熱交換部は、該熱交換部に含まれる単位部品の数の変更、該熱交換部に含まれる単位部品の配置の変更、および／または、該熱交換部に含まれるある寸法の単位部品の別の寸法の単位部品への交換、を行うことによって、加熱媒体と作動流体との間の伝熱面積を変更できるように構成されている。上述のように、蒸発器２に供給される加熱媒体の温度および流量が安定した安定状態が存在し得る。この例によれば、伝熱面積を調整することにより、上記安定状態において加熱媒体から作動流体へと所定の大きさの熱が与えられ蒸発器２において作動流体のエンタルピが適度に変化するようにし易い。
【０１３６】
蒸発器２が伝熱管を有している場合、単位部品の数の変更は、伝熱管の段数の変更、伝熱管の列数の変更等であり得る。蒸発器２が伝熱管を有している場合、ある寸法の単位部品の別の寸法の単位部品への変更は、ある長さの伝熱管から別の長さの伝熱管への交換であり得る。
【０１３７】
蒸発器２がフィンを有している場合、単位部品の数は、フィンの枚数であり得る。この場合、蒸発器２が複数のフィンを有している場合、単位部品の配置の変更は、フィンのピッチの変更であり得る。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本開示に係るランキンサイクル装置は、蒸発器が熱源ガスと直接接触する直接接触型ランキンサイクルに適用できる。また、本開示に係るランキンサイクル装置は、熱源ガスと蒸発器との間に水冷媒等のサイクルを有するバイナリ式ランキンサイクルにも適用できる。
【符号の説明】
【０１３９】
１  ポンプ
２  蒸発器
３  膨張機
４  凝縮器
５  バイパス弁
６  再熱器
６ａ  第１部分
６ｂ  第２部分
７  ファン
８ａ  第１圧力センサ
８ｂ  第２圧力センサ
８ｃ  第３圧力センサ
９ａ  第１温度センサ
９ｂ  第２温度センサ
９ｃ  第３温度センサ
９ｄ  第４温度センサ
１４  流体流路
１５  循環流路
１５ａ  第１流路
１５ｂ  第２流路
１６  バイパス流路
１８  発電機
１９  制御装置
２１，２２  ランキンサイクル装置
３０  熱源
【図１】
2020183702.tif 000008
【図２】
2020183702.tif 000009
【図３】
2020183702.tif 000010
【図４】
2020183702.tif 000011
【図５】
2020183702.tif 000012