(57)【要約】【課題】信頼性及び耐久性を向上させる観点から有利なランキンサイクル装置を提供する。【解決手段】  ランキンサイクル装置（１０ａ）は、蒸発器（２）と、膨張機（３）と、凝縮器（４）と、ポンプ（１）とを備える。蒸発器（２）は、熱媒体の流れ方向に沿って配置された複数の熱交換器を有する。複数の熱交換器は、第一熱交換器（２ａ）と、第二熱交換器（２ｂ）とを含む。第一熱交換器（２ａ）は、作動流体が蒸発器（２）において最初に流入する熱交換器である。第二熱交換器（２ｂ）は、第一熱交換器（２ａ）を通過した作動流体が流入する熱交換器である。第一熱交換器（２ａ）において作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の耐腐食性は、第二熱交換器（２ｂ）において作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の耐腐食性よりも高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体と作動流体とを熱交換させて前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記作動流体を膨張させて動力を回収する膨張機と、
前記膨張機で膨張した前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記凝縮器で冷却された前記作動流体を吸入して前記蒸発器に向けて吐出するポンプと、を備え、
前記蒸発器は、前記熱媒体の流れ方向に沿って配置された複数の熱交換器を有し、
前記複数の熱交換器は、前記ポンプから吐出された前記作動流体が前記蒸発器において最初に流入する第一熱交換器と、前記第一熱交換器を通過した前記作動流体が流入する第二熱交換器と、を含み、
前記第一熱交換器において前記作動流体の流路を定める部材の前記熱媒体と接触する面の前記熱媒体に対する耐腐食性は、前記第二熱交換器において前記作動流体の流路を定める部材の前記熱媒体と接触する面の前記熱媒体に対する耐腐食性よりも高い、
ランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記第一熱交換器は、前記複数の熱交換器において前記熱媒体の流れ方向の最下流に配置されている、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記第一熱交換器は、前記複数の熱交換器において前記熱媒体の流れ方向の最上流に配置されている、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記蒸発器は、前記第一熱交換器における前記作動流体の前記流路をなす管と、前記第二熱交換器における前記作動流体の前記流路をなす管との接合部を有し、
前記接合部は、前記熱媒体が流れる熱媒体流路の外部に配置されている、請求項１から３のいずれか１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、燃焼炉から排出される排ガス等の熱媒体から熱を回収するための技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、各種の燃焼炉から排出される排ガスの温度を下降させるための熱交換器が記載されている。図８Ａは、特許文献１に記載された熱交換器を示す図である。図８Ａに示す通り、排気管１０１の周囲には、２つの環状帯１０２及び１０３が固定されている。これらの環状帯１０２及び１０３の内側には、それぞれ、環状室１０４及び１０５が形成されている。排気管１０１には、環状室１０４に通じる複数の小孔１０６と、環状室１０５に通じる複数の小孔１０７が形成されている。各小孔１０６と各小孔１０７とは、複数の伝熱管１０８を通じて連結されている。環状帯１０２には、環状室１０４に通じる空気排出管１０９が接続され、環状帯１０３には、環状室１０５に通じる空気吸入管１１０が接続されている。
【０００４】
図８Ａにおいて矢印Ａで示す通り、空気吸入管１１０から環状室１０５へ常温の空気が圧送される。この空気は、環状室１０５から各伝熱管１０８を通じて環状室１０４に至り、更に空気排出管１０９から排出される。一方、白抜きの矢印Ｂで示す通り、排ガスが排気管１０１の上側から下側へと通過する。この排ガスは、例えば燃焼炉から排出された高温ガスである。排ガスが排気管１０１を通過するに際し、この排ガスは、各伝熱管１０８に沿って流れる。このため、排ガスの熱は、伝熱管１０８の内側を通過する空気に伝達され、この空気に吸収される。これにより、排ガスの温度が下降する。排ガスは、排気管１０１を通過しつつ、その温度が徐々に下降していく。したがって、排ガスの温度は、排気管１０１の上側よりも、排気管１０１の下側の方で低く、排気管１０１の下側での排ガス温度は、排ガスの成分の露点まで低下する。このため、範囲Ｃにおいては、この排ガスの成分が各伝熱管１０８の表面に結露する。
【０００５】
特許文献１には、上記の熱交換器において、伝熱管１０８の代わりに、図８Ｂに示す伝熱管２０１を適用することが記載されている。伝熱管２０１は、普通鋼からなる管２０２と耐蝕鋼からなる管２０３とを継いで構成されている。管２０３の長さは、上記の熱交換器に取り付けたときに、範囲Ｃに一致するか、又は、範囲Ｃを越えるように設定される。特許文献１によれば、排ガスの成分が管２０３の表面に結露しても、管２０３が耐蝕鋼であるので、管２０３が腐食することはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平７−２２２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術は、熱交換器の信頼性及び耐久性を向上させる観点から検討の余地を有する。そこで、本開示は、ランキンサイクルの蒸発器に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性を向上させる観点から有利なランキンサイクル装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
熱媒体と作動流体とを熱交換させて前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記作動流体を膨張させて動力を回収する膨張機と、
前記膨張機で膨張した前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記凝縮器で冷却された前記作動流体を吸入して前記蒸発器に向けて吐出するポンプと、を備え、
前記蒸発器は、前記熱媒体の流れ方向に沿って配置された複数の熱交換器を有し、
前記複数の熱交換器は、前記ポンプから吐出された前記作動流体が前記蒸発器において最初に流入する第一熱交換器と、前記第一熱交換器を通過した前記作動流体が流入する第二熱交換器と、を含み、
前記第一熱交換器において前記作動流体の流路を定める部材の前記熱媒体と接触する面の前記熱媒体に対する耐腐食性は、前記第二熱交換器において前記作動流体の流路を定める部材の前記熱媒体と接触する面の前記熱媒体に対する耐腐食性よりも高い、
ランキンサイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
上記のランキンサイクル装置は、蒸発器に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性を向上させる観点から有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本開示のランキンサイクル装置の一例を示す構成図である。
【図２】図２は、図１に示すランキンサイクル装置における蒸発器の側面図である。
【図３】図３は、図１に示すランキンサイクル装置における蒸発器が組み込まれたアセンブリの斜視図である。
【図４】図４は、本開示のランキンサイクル装置の別の一例を示す構成図である。
【図５】図５は、本開示のランキンサイクル装置のさらに別の一例を示す構成図である。
【図６】図６は、本開示のランキンサイクル装置のさらに別の一例を示す構成図である。
【図７】図７は、本開示のランキンサイクル装置のさらに別の一例を示す構成図である。
【図８Ａ】図８Ａは、従来の熱交換器を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、従来の伝熱管を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
ランキンサイクルを用いて工場の燃焼炉の排ガス等の熱媒体から排熱を回収し動力を得ることが考えられる。この場合、蒸発器におけるランキンサイクルの作動流体と熱媒体との間の所望の熱交換性能は、ランキンサイクルが適用される設備における様々な条件によって変わりうる。このような観点から、蒸発器の熱交換性能を調整しやすいことが有利である。そこで、本発明者らは、熱媒体の流れ方向に沿って配置される複数の熱交換器を含むように蒸発器を構成することを思いついた。これにより、熱媒体の流れ方向に沿って配置される複数の熱交換器の数を調整することにより、蒸発器の熱交換性能を調整しやすい。
【００１２】
一方、複数の熱交換器のうち比較的低温の作動流体が流れる熱交換器の表面において、蒸発器の出口における熱媒体の平均温度が熱媒体に含まれる成分の露点より高い場合でも、熱媒体の成分に由来する結露水が付着することが見出された。本発明者らは、このような結露水の付着は、比較的低温の作動流体が流れる熱交換器の表面が熱媒体の成分の露点より低くなっているためであると考えた。結露水には、熱交換器の腐食を引き起こす成分が含まれうる。そこで、本発明者らは、蒸発器に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性を向上させるために鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、蒸発器に含まれる複数の熱交換器の所定の部位の耐腐食性に関する所望の関係を新たに見出し、本開示のランキンサイクル装置を案出した。なお、特許文献１では、排気管１０１の下側での排ガス温度が排ガスの成分の露点まで低下して、範囲Ｃにおいて排ガスの成分が伝熱管１０８の表面に結露すると記載されている。特許文献１では、排気管１０１の出口における排ガスの平均温度が排ガスの成分の露点より高い場合に、伝熱管１０８の表面に排ガスの成分が結露することは想定されていない。
【００１３】
（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、
熱媒体と作動流体とを熱交換させて前記作動流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記作動流体を膨張させて動力を回収する膨張機と、
前記膨張機で膨張した前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記凝縮器で冷却された前記作動流体を吸入して前記蒸発器に向けて吐出するポンプと、を備え、
前記蒸発器は、前記熱媒体の流れ方向に沿って配置された複数の熱交換器を有し、
前記複数の熱交換器は、前記ポンプから吐出された前記作動流体が前記蒸発器において最初に流入する第一熱交換器と、前記第一熱交換器を通過した前記作動流体が流入する第二熱交換器と、を含み、
前記第一熱交換器において前記作動流体の流路を定める部材の前記熱媒体と接触する面の前記熱媒体に対する耐腐食性は、前記第二熱交換器において前記作動流体の流路を定める部材の前記熱媒体と接触する面の前記熱媒体に対する耐腐食性よりも高い。
【００１４】
第１態様によれば、蒸発器において、ポンプから吐出された作動流体が第一熱交換器に最初に流入する。このため、第一熱交換器における作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の温度が比較的低くなりやすく、その面に熱媒体の成分に由来する結露水が付着しやすい。しかし、第一熱交換器におけるその面の耐腐食性は、第二熱交換器において作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性よりも高いので、第一熱交換器の腐食を抑制できる。このため、第１態様は、蒸発器に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性を向上させる観点から有利である。
【００１５】
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では、前記第一熱交換器は、前記複数の熱交換器において前記熱媒体の流れ方向の最下流に配置されていてもよい。第２態様によれば、複数の熱交換器を通過する熱媒体の温度は、第一熱交換器を通過する場合に最も低くなり、第一熱交換器における作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面に熱媒体の成分に由来する結露水がより付着しやすい。しかし、第一熱交換器におけるその面の耐腐食性が高いので、蒸発器に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性が高い。加えて、熱媒体と作動流体とが対向流式に熱交換しやすく、蒸発器における熱交換効率が高くなりやすい。また、蒸発器の小型化及び軽量化を図りやすい。
【００１６】
本開示の第３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では、前記第一熱交換器は、前記複数の熱交換器において前記熱媒体の流れ方向の最上流に配置されていてもよい。第３態様によれば、複数の熱交換器における熱媒体の流れ方向の最上流の位置で熱媒体の成分に由来する結露水が発生しやすい。このため、熱媒体の流れにおける第一熱交換器の下流で熱媒体に含まれる水分及び腐食性物質を生じさせる成分の濃度が低下しやすい。その結果、熱媒体の流れにおける第一熱交換器の下流で熱媒体の成分の露点が低下し、第一熱交換器の下流で結露を抑制できる。その結果、熱交換器の腐食が抑制され、熱交換器の信頼性及び耐久性が高い。加えて、複数の熱交換器において作動流体の温度が最も高くなる部位が、複数の熱交換器において熱媒体の流れ方向の最上流に配置されないので、作動流体の熱分解を抑制できる。このため、ランキンサイクル装置の信頼性が高い。
【００１７】
本開示の第４態様において、例えば、第１態様から第３態様のいずれか１つに係るランキンサイクル装置では、前記蒸発器は、前記第一熱交換器における前記作動流体の前記流路をなす管と、前記第二熱交換器における前記作動流体の前記流路をなす管との接合部を有していてもよく、前記接合部は、前記熱媒体が流れる熱媒体流路の外部に配置されていてもよい。第４態様によれば、接合部が熱媒体流路の外部に配置されているので、接合部が熱媒体と接触しない。このため、接合部に応力腐食割れが発生しにくく、蒸発器に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性が高い。加えて、接合部が熱媒体流路の外部に配置されているので、蒸発器がメンテナンス性に優れる。
【００１８】
以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本開示の一例に関するものであり、本開示は以下の実施形態に限定されない。
【００１９】
図１は、本開示の一例に係るランキンサイクル装置１０ａを示す構成図である。図１に示す通り、ランキンサイクル装置１０ａは、蒸発器２と、膨張機３と、凝縮器４と、ポンプ１とを備えている。熱媒体流路７は、熱媒体が流れる流路である。各図における白抜き矢印は、熱媒体流路７において熱媒体が流れる方向を示す。蒸発器２は、熱媒体流路７に配置され、熱媒体とランキンサイクルの作動流体とを熱交換させて作動流体を蒸発させる。膨張機３は、蒸発器２で蒸発した作動流体を膨張させて動力を回収する。凝縮器４は、膨張機３で膨張した作動流体を冷却する。ポンプ１は、凝縮器４で冷却された作動流体を吸入して蒸発器２に向けて吐出する。蒸発器２は、複数の熱交換器を有する。複数の熱交換器は、熱媒体の流れ方向に沿って配置されている。複数の熱交換器は、第一熱交換器２ａと、第二熱交換器２ｂとを含む。第一熱交換器２ａは、ポンプ１から吐出された作動流体が蒸発器２において最初に流入する熱交換器である。第二熱交換器２ｂは、第一熱交換器２ａを通過した作動流体が流入する熱交換器である。第一熱交換器２ａにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性は、第二熱交換器２ｂにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性よりも高い。
【００２０】
ポンプ１から吐出された作動流体は、第一熱交換器２ａに最初に流入する。このため、第一熱交換器２ａにおける作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の温度は比較的低くなりやすい。このため、例えば、その面の温度は、蒸発器２の出口における熱媒体の平均温度が熱媒体の成分の露点より高い場合でも、熱媒体の成分の露点以下になりうる。その結果、その面に熱媒体の成分に由来する結露水が付着する可能性がある。しかし、第一熱交換器２ａにおけるその面の耐腐食性が高いので、第一熱交換器２ａの腐食を抑制できる。このため、ランキンサイクル装置１０ａは、蒸発器２に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性を向上させる観点から有利である。熱媒体の成分の露点は、熱媒体の圧力によって変動しうる。熱媒体の成分の露点は、例えば、大気圧下での値である。
【００２１】
熱媒体は、例えば、所定の熱源から供給される。熱媒体は、例えば、結露により所定の腐食性物質を発生させうる。腐食性物質は、特定の物質に限定されない。腐食性物質は、例えば、硫酸、塩酸、又は硝酸である。熱媒体に対する耐腐食性は、典型的には、熱媒体から発生しうる腐食性物質に対する耐性である。熱媒体に対する耐腐食性は、例えば、硫酸、塩酸、及び硝酸からなる群より選ばれる少なくとも１つに対する耐性を意味する。例えば、蒸発器２に含まれる熱交換器において作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面に熱媒体から発生しうる腐食性物質を含む液を付着させてから腐食孔が確認されるまでの期間が長いほど、耐腐食性が高いと判断される。
【００２２】
蒸発器２に含まれる熱交換器において作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性の高低は、例えば、以下の様に決定されてもよい。蒸発器２に含まれる熱交換器において作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面をなす材料と同一材料を用いて所定の質量を有する板状の試験片を作製する。この試験片を熱媒体から発生しうる腐食性物質を含む液に常温（２０℃±１５℃）において１０００時間浸漬する。その後、試験片を取り出し、腐食性物質を含む液に試験片から溶出した材料の質量を特定する。溶出した材料の質量が少ないほど、耐腐食性が高いと判断される。例えば、腐食性物質が硝酸である場合、１０質量％の硝酸水溶液を、腐食性物質を含む液として使用できる。
【００２３】
第一熱交換器２ａにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面に求められる、熱媒体に対する耐腐食性は、熱媒体の成分又はその濃度によって異なる。例えば、一般的な工場の排ガスが熱媒体である場合、この熱媒体から生じる結露水の成分は、硫酸、塩酸、又は硝酸でありうる。このため、第一熱交換器２ａにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面をなす材料は、例えば、硫酸、塩酸、又は硝酸に対して高い耐腐食性を有する材料でありうる。環境省の「工場及び事業場から排出される大気汚染物質に対する規制方式とその概要」に記載されているように、一般的な工場の排ガスとして排出される有害物質の排出抑制基準の値は非常に小さい。このため、ランキンサイクル装置１０ａにおいて一般的な工場の排ガスを熱媒体として用いる場合、熱媒体に対する耐腐食性としてはこのような基準値に対応するレベルの耐腐食性を想定すればよい。換言すると、ランキンサイクル装置１０ａにおいて一般的な工場の排ガスを熱媒体として用いる場合、熱媒体が高濃度の腐食性物質を含有することを想定しなくてもよい。
【００２４】
第一熱交換器２ａにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面をなす材料は、その面が熱媒体に対する所望の耐腐食性を有する限り、特定の材料に限定されない。その面をなす材料は、例えば、金属の表面に不動態被膜を形成して腐食環境から保護できる材料である。このような材料として、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、及びニッケル合金が挙げられる。
【００２５】
ステンレス鋼は、例えばオーステナイト系のステンレス鋼である。このようなステンレス鋼として、ＳＵＳ３０４（１８Ｃｒ−８Ｎｉ）、ＳＵＳ３０４Ｌ（１８Ｃｒ−９Ｎｉ−低Ｃ）、ＳＵＳ３１６（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ）、及びＳＵＳ３１６Ｌ（１８Ｃｒ−１２Ｎｉ−２Ｍｏ−低Ｃ）が挙げられる。このようなステンレス鋼は、家庭用品、建築、自動車部品、化学工業、食品工業、原子力発電、及びＬＮＧプラント等の分野で広く用いられている。
【００２６】
ニッケル合金は、例えば、ハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）、又はインコロイ（登録商標）である。ハステロイとして、ハステロイＢ−３、ハステロイＣ−２２、ハステロイＣ−２７６、及びハステロイＣ−２０００が挙げられる。インコネルとして、インコネル６００、インコネル６０１、インコネル６２５、及びインコネル７１８が挙げられる。インコロイとして、インコロイ８００、インコロイ８２５、及びインコロイ９２５が挙げられる。これらは、化学工業、石油化学プラント、廃棄物処理設備、パルプ・製紙工業、及び原子力発電等の分野で広く用いられている。
【００２７】
表１に示す通り、上記の材料は、例えば、下記の腐食性物質に対して所望の耐腐食性を発揮し得る。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
第一熱交換器２ａにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面は、所望の耐腐食性を有する材料を基材にコーティングすることによって形成されていてもよい。この場合、基材は、高い耐腐食性を有していなくてもよい。このコーティングは、例えば、亜鉛の溶融メッキ又は溶射によって形成されうる。
【００３０】
第二熱交換器２ｂにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面をなす材料は特に限定されない。この面をなす材料は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、又は鋼である。
【００３１】
第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂのそれぞれは、典型的には間接式の熱交換器である。第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂのそれぞれは、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器である。第一熱交換器２ａにおいて高い耐腐食性を有する部位は、第一熱交換器２ａにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面に限られない。例えば、第一熱交換器２ａにおけるフィンの表面の熱媒体に対する耐腐食性が、第二熱交換器２ｂにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性よりも高くてもよい。この場合、第一熱交換器２ａのフィンに熱媒体の成分に由来する結露水が付着しても、フィンが腐食しにくい。なお、第一熱交換器２ａにおけるフィンの表面の熱媒体に対する耐腐食性は、第二熱交換器２ｂにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性より高くなくてもよい。これにより、第一熱交換器２ａの製造コストを低減しやすい。第一熱交換器２ａにおいて、フィンの表面の温度は、作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の温度よりも高くなりやすい。このため、フィンの表面は、作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面と比べると、熱媒体の成分に由来する結露水が付着しにくい。
【００３２】
ランキンサイクル装置１０ａは、配管５をさらに備え、配管５によって、蒸発器２、膨張機３、凝縮器４、及びポンプ１が環状に接続されている。
【００３３】
ポンプ１は、作動流体の経路において凝縮器４の出口と蒸発器２の入口との間に配置されており、凝縮器４で凝縮した液相の作動流体を所定の圧力まで加圧して蒸発器２に向かって吐出する。ポンプ１は、特定のポンプに限定されない。ポンプ１は、例えば、ギヤポンプ等の回転ポンプである。この場合、ポンプ１は、所定の回転数の範囲において任意の回転数で作動しうる。
【００３４】
図２は、蒸発器２の一例の側面図である。図２に示す通り、例えば、蒸発器２において複数の熱交換器が連結されている。例えば、第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂのそれぞれは、熱媒体の流れ方向における両側に一対のフランジ２０を有している。例えば、隣り合う熱交換器のフランジ２０は、それらの間にパッキン及びガスケット等のシール部材が配置された状態で、ビス２１によって互いに固定されている。これにより、隣り合う熱交換器同士の隙間がシールされている。例えば、第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂのそれぞれは、端板２３を有する。端板２３によって、熱媒体流路７の一部が定められている。例えば、第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂのそれぞれは、作動流体の流路をなす管２５を有する。第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂのそれぞれにおいて、管２５は、例えば、サーペンタイン状の作動流体の流路をなす。例えば、管２５の外面にはフィン（図示省略）が取り付けられている。
【００３５】
図３は、蒸発器２が組み込まれたアセンブリ５０の一例の斜視図である。図３に示す通り、アセンブリ５０において、第一レデューサー５２ａと第二レデューサー５２ｂとの間に蒸発器２が配置されている。第一レデューサー５２ａは、蒸発器２の熱媒体の流れ方向の上流に配置されている。第二レデューサー５２ｂは、蒸発器２の熱媒体の流れ方向の下流に配置されている。第一レデューサー５２ａ及び蒸発器２は、それらの間にフランジが配置された状態で互いに固定されている。第二レデューサー５２ｂ及び蒸発器２は、それらの間にフランジが配置された状態で互いに固定されている。第一レデューサー５２ａ及び第二レデューサー５２ｂは、熱媒体流路７の一部を定めている。第一レデューサー５２ａ及び第二レデューサー５２ｂにより、既設の設備において熱媒体が流れる配管の配管径にアセンブリ５０を適合させることができる。
【００３６】
蒸発器２の態様は、図２及び図３に示す態様に限られない。例えば、熱媒体流路７をなすダクトの内部に第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂを配置した状態で、各熱交換器を公知の連結様式で連結してもよい。
【００３７】
蒸発器２は、作動流体の流れに関して並列に配置された、複数の熱交換器グループを含んでいてもよい。この場合、複数の熱交換器グループのそれぞれは、例えば、第一熱交換器２ａ及び第二熱交換器２ｂを有する。複数の熱交換器グループは、例えば、熱媒体の流れと交差する方向に沿って配置されている。この場合、蒸発器２における作動流体の流れの圧力損失を低減しやすい。複数の熱交換器グループの一部は、場合によっては、単一の熱交換器のみを有していてもよい。
【００３８】
膨張機３は、作動流体の経路において蒸発器２の出口と凝縮器４の入口との間に配置されている。膨張機３は、例えば、スクロール型の膨張機等の容積式の膨張機である。膨張機３は、所定の回転数の範囲において任意の回転数で回転しうる。膨張機３には、例えば、発電機（図示省略）が連結されている。これにより、膨張機３によって回収された動力によって発電がなされる。
【００３９】
凝縮器４は、作動流体の経路において膨張機３の出口とポンプ１の入口との間に配置されている。凝縮器４は、典型的には、空冷式又は液冷式の熱交換器である。凝縮器４が空冷式の熱交換器である場合、凝縮器４は、例えばフィンアンドチューブ熱交換器である。凝縮器４が液冷式の熱交換器である場合、凝縮器４は、例えば二重管熱交換器又はプレート熱交換器である。
【００４０】
ランキンサイクル装置１０ａの運転の一例について説明する。まず、ポンプ１から圧送された作動流体は蒸発器２に流入する。蒸発器２において、ポンプ１から吐出された液相の作動流体が蒸発し、気相の作動流体に変化する。詳細には、蒸発器２に流入した液相の作動流体は、蒸発器２に外部から供給された熱媒体と熱交換して蒸発する。熱媒体としては、例えば、工場等から排出される高温の排ガスが挙げられる。蒸発器２で気相になった作動流体は膨張機３に流入し、膨張機３は作動流体を低温低圧に膨張させ、作動流体の膨張により膨張機３から外部に放出されるエネルギーから回転トルクが生じて動力が取り出される。膨張機３から流出した作動流体は、凝縮器４に流入し、凝縮して液相の作動流体に変化する。詳細には、凝縮器４に流入した気相の作動流体は、凝縮器４に外部から供給された冷却流体と熱交換して凝縮する。凝縮器４に供給される冷却流体としては、例えば、水等の冷却液及び空気が挙げられる。その後、液相になった作動流体はポンプ１に戻り、これら一連の動作が繰り返し行われる。
【００４１】
ランキンサイクル装置１０ａにおける作動流体は、特定の流体に限定されない。作動流体として、例えば、ＨＦＣ−２４５ｆａ及びＨＦＣ−３６５ｍｆｃ等のハイドロフルオロカーボン、ＨＦＯ−１３３６ｍｚｚ（Ｚ）等のハイドロフルオロオレフィン、及びその他のフルオロカーボンを用いることができる。
【００４２】
熱媒体の種類は特に限定されない。熱媒体は、例えば、都市ガス等のガス燃料の燃料排ガス、石油等の液体燃料の燃焼排ガス、石炭等の固体燃料の燃焼排ガス、内燃機関の排ガス、及び蒸気である。
【００４３】
ランキンサイクル装置１０ａは、様々な観点から変更可能である。ランキンサイクル装置１０ａは、例えば、図４、図５、図６、及び図７に示す、ランキンサイクル装置１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、及び１０ｅのように変更されてもよい。ランキンサイクル装置１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、及び１０ｅは、特に説明する部分を除き、ランキンサイクル装置１０ａと同様に構成されている。ランキンサイクル装置１０ａの構成要素と同一又は対応するランキンサイクル装置１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、及び１０ｅの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ランキンサイクル装置１０ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、ランキンサイクル装置１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、及び１０ｅにもあてはまる。
【００４４】
図４に示す通り、ランキンサイクル装置１０ｂによれば、第一熱交換器２ａは、複数の熱交換器において熱媒体の流れ方向の最下流に配置されている。
【００４５】
熱媒体流路７を流れる熱媒体の平均温度は、蒸発器２における複数の熱交換器を通過しながら低下していき、複数の熱交換器において熱媒体の流れの最下流に位置する第一熱交換器２ａを通過するときに最も低くなる。加えて、第一熱交換器２ａに流入する作動流体の温度も、複数の熱交換器において最も低い。このため、第一熱交換器２ａにおいて、熱媒体の成分に由来する結露水が付着しやすい。一方、第二熱交換器２ｂにおいて作動流体の温度は上昇しており、第二熱交換器２ｂを横切る熱媒体の平均温度は第一熱交換器２ａを横切る熱媒体の平均温度より高い。このため、第二熱交換器２ｂにおいて、熱媒体の成分に由来する結露水は付着しにくい。このように、ランキンサイクル装置１０ｂにおいて結露水が付着しやすい位置に第一熱交換器２ａが配置されており、蒸発器２に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性が高い。加えて、ランキンサイクル装置１０ｂによれば、熱媒体と作動流体とが対向流式に熱交換しやすく、蒸発器２における熱交換効率が高くなりやすい。このため、蒸発器２の小型化及び軽量化を図りやすい。
【００４６】
図５に示す通り、ランキンサイクル装置１０ｃによれば、第一熱交換器２ａは、複数の熱交換器において熱媒体の流れ方向の最上流に配置されている。
【００４７】
ランキンサイクル装置１０ｃにおいて、熱媒体流路７を流れる熱媒体は、蒸発器２に含まれる複数の熱交換器のうち第一熱交換器２ａを最初に通過する。第一熱交換器２ａには、ポンプ１から吐出された低温の作動流体が流入するので、第一熱交換器２ａにおける作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の温度が熱媒体の成分の露点以下になりうる。このため、蒸発器２に含まれる複数の熱交換器において熱媒体の流れの最上流の位置で結露水が発生しやすい。これにより、熱媒体の流れにおける第一熱交換器２ａの下流において、熱媒体に含まれる水分及び腐食性物質を生じさせる成分の濃度が低下しやすく、熱媒体に含まれる成分の露点が低下しやすい。その結果、熱媒体の流れにおける第一熱交換器２ａの下流で結露を抑制できる。このため、蒸発器２に含まれる熱交換器の腐食を抑制でき、蒸発器２に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性が高い。加えて、蒸発器２に含まれる複数の熱交換器において作動流体の温度が最も高くなる部位が、熱媒体の流れ方向の最上流に配置されないので、作動流体の熱分解を抑制できる。このため、ランキンサイクル装置の信頼性が高い。
【００４８】
図６に示す通り、ランキンサイクル装置１０ｄの蒸発器２は、接合部８を有する。接合部８は、第一熱交換器２ａにおける作動流体の流路をなす管と、第二熱交換器２ｂにおける作動流体の流路をなす管とを接合している。接合部８は、熱媒体流路７の外部に配置されている。
【００４９】
熱媒体を生じさせる設備が運転と停止とを繰り返す場合に、仮に、接合部８が熱媒体流路７に配置されていると、接合部８が高温の状態と接合部８が低温の状態とが繰り返される。接合部８は、例えば、異種金属等の異種材料の界面を有し、仮に、接合部８が熱媒体流路７に配置されていると、異種材料間の熱膨張率の差に起因して接合部８に熱応力が生じて応力腐食割れが生じる可能性がある。しかし、ランキンサイクル装置１０ｄにおいて、接合部８は熱媒体流路７の外部に配置されているので、接合部８は熱媒体とは接触せず、応力腐食割れが発生するための必須条件が成り立たない。このため、熱媒体を生じさせる設備が運転と停止とを繰り返す場合であっても、接合部８に応力腐食割れが発生することを防止できる。その結果、蒸発器２に含まれる熱交換器の信頼性及び耐久性が高い。加えて、接合部８が熱媒体流路７の外部に配置されているので、蒸発器２がメンテナンス性に優れる。
【００５０】
蒸発器２に含まれる複数の熱交換器の中から第一熱交換器２ａを選択できるようにランキンサイクル装置１０ａは変更されてもよい。例えば、ランキンサイクル装置１０ａは、図７に示すランキンサイクル装置１０ｅのように変更されてもよい。図７に示す通り、ランキンサイクル装置１０ｅは、例えば、切替器９を備えている。切替器９は、蒸発器２に含まれる複数の熱交換器における作動流体の流れ方向を切り替える。切替器９は、例えば、開閉弁９ａ、開閉弁９ｂ、開閉弁９ｃ、バイパス路９ｄ、及びバイパス路９ｅを有する。開閉弁９ａはバイパス路９ｄに配置され、開閉弁９ｃはバイパス路９ｅに配置されている。
【００５１】
蒸発器２は、例えば、３つ以上（図例では４つ）の熱交換器を含む。蒸発器２は、例えば、熱交換器２ｃ、熱交換器２ｄ、熱交換器２ｅ、及び熱交換器２ｆを備える。切替器９は、例えば、状態Ａと状態Ｂとを切り替える。状態Ｂにおける作動流体の流れ方向は、状態Ａにおける作動流体の流れ方向の逆である。
【００５２】
状態Ａにおいて、作動流体は、例えば、熱交換器２ｃ、熱交換器２ｄ、熱交換器２ｅ、及び熱交換器２ｆをこの順番で流れる。図７において、実線の矢印は、状態Ａにおける作動流体の流れを示す。この場合、熱交換器２ｃが第一熱交換器２ａとして機能し、熱交換器２ｄ、熱交換器２ｅ、及び熱交換器２ｆが第二熱交換器２ｂとして機能する。状態Ａにおいて、開閉弁９ｂが開いており、開閉弁９ａ及び開閉弁９ｃが閉じている。
【００５３】
状態Ｂにおいて、作動流体は、例えば、熱交換器２ｆ、熱交換器２ｅ、熱交換器２ｄ、及び熱交換器２ｃをこの順番で流れる。図７において、一点鎖線の矢印は、状態Ｂにおける作動流体の流れを示す。この場合、熱交換器２ｆが第一熱交換器２ａとして機能し、熱交換器２ｃ、熱交換器２ｄ、及び熱交換器２ｅが第二熱交換器２ｂとして機能する。状態Ｂにおいて、開閉弁９ｂが閉じており、開閉弁９ａ及び開閉弁９ｃが開いている。このため、作動流体はバイパス路９ｄ及びバイパス路９ｅを流れる。
【００５４】
ランキンサイクル装置１０ｅにおいて、第一熱交換器２ａにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性は、第二熱交換器２ｂの特定の部分における熱媒体に対する耐腐食性と対比される。第二熱交換器２ｂの特定の部分は、第二熱交換器２ｂにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面のうち熱媒体に対する耐腐食性が最も低い部分である。熱交換器２ｃ及び２ｆにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性は、熱交換器２ｄ及び２ｅにおいて作動流体の流路を定める部材の熱媒体と接触する面の熱媒体に対する耐腐食性よりも高い。
【００５５】
ランキンサイクル装置１０ｅによれば、必要に応じて、蒸発器２に含まれる複数の熱交換器において第一熱交換器２ａとして機能させるべき熱交換器を変更できる。これにより、第一熱交換器２ａを横切る熱媒体の温度を調整しやすい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本開示に係るランキンサイクル装置は、工場排熱、温泉地の排熱、及びバイオマス燃焼の排熱等の排熱が発生する設備で好適に利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１                                      ポンプ
２                                      蒸発器
２ａ                                    第一熱交換器
２ｂ                                    第二熱交換器
３                                      膨張機
４                                      凝縮器
７                                      熱媒体流路
８                                      接合部
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ  ランキンサイクル装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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