(57)【要約】【課題】作動流体が過剰に加熱されることを防止するための新規な技術を提供する。【解決手段】ランキンサイクル装置１８は、主回路２０、冷却路３３及び制御弁３５を備えている。主回路２０は、蒸発器２４、膨張機２１、凝縮器２２及びポンプ２３を有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成されている。冷却路３３は、ポンプ２３と蒸発器２４との間で主回路２０から分岐している。冷却路３３は、蒸発器２４を流れる作動流体をポンプ２３から吐出された作動流体で冷却するように構成されている。制御弁３５は、冷却路３３に設けられ、冷却路３３における作動流体の流れを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器、膨張機、凝縮器及びポンプを有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成された主回路と、
前記ポンプと前記蒸発器との間で前記主回路から分岐し、前記蒸発器を流れる作動流体を前記ポンプから吐出された前記作動流体で冷却するように構成された冷却路と、
前記冷却路に設けられ、前記冷却路における前記作動流体の流れを制御する制御弁と、
を備えた、ランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記ポンプから吐出された前記作動流体と前記蒸発器を流れる前記作動流体とを混合することによって前記蒸発器を流れる前記作動流体の温度を下げるように、前記冷却路が前記蒸発器に接続されている、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記蒸発器は、当該蒸発器の入口から出口までの流路の中間点を基準として、前記入口に相対的に近い上流部分と、前記出口に相対的に近い下流部分とを有し、
前記冷却路が前記下流部分に接続されている、請求項２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記蒸発器は、前記作動流体を加熱するための熱流体の流路に配置されているとともに、前記熱流体に接触しない場所又は前記熱流体との接触が妨げられるように前記熱流体の流路から隔離された場所に位置している隔離部を有し、
前記冷却路が前記隔離部に接続されている、請求項２又は３に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記冷却路は、前記ポンプから吐出された前記作動流体と前記蒸発器を流れる前記作動流体とを熱交換させることによって、前記蒸発器を流れる前記作動流体を間接的に冷却する熱交換部を有する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項６】
前記冷却路が前記膨張機と前記凝縮器との間で前記主回路に合流している、請求項５に記載のランキンサイクル装置。
【請求項７】
前記冷却路が前記ポンプと前記蒸発器との間で前記主回路に合流している、請求項５に記載のランキンサイクル装置。
【請求項８】
前記ポンプと前記蒸発器との間の前記主回路を流れる前記作動流体と、前記膨張機と前記凝縮器との間の前記主回路を流れる前記作動流体とを熱交換させる再熱器をさらに備えた、請求項１〜７のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項９】
前記ポンプと前記蒸発器との間の前記主回路を流れる前記作動流体と、前記膨張機と前記凝縮器との間の前記主回路を流れる前記作動流体とを熱交換させる再熱器をさらに備え、
前記冷却路は、前記ポンプから吐出された前記作動流体と前記蒸発器を流れる前記作動流体とを熱交換させることによって、前記蒸発器を流れる前記作動流体を間接的に冷却する熱交換部を有し、
前記冷却路は、（ａ）前記膨張機と前記再熱器との間で前記主回路に合流している、（ｂ）前記再熱器と前記凝縮器との間で前記主回路に合流している、（ｃ）前記ポンプと前記再熱器との間で前記主回路に合流している、又は（ｄ）前記再熱器と前記蒸発器との間で前記主回路に合流している、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１０】
前記冷却路は、前記ポンプと前記蒸発器との間の分岐位置で前記主回路から分岐し、任意の合流位置で前記主回路に合流しており、
前記ランキンサイクル装置は、前記分岐位置と前記合流位置との間の前記主回路に設けられ、前記主回路における前記作動流体の流れを制御する第２制御弁をさらに備えた、請求項５に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置と、
前記ランキンサイクル装置の前記凝縮器において前記作動流体を冷却する低温熱源としての熱媒体が流れる熱媒体回路と、
を備えた、熱電併給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル装置及び熱電併給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
当業者に良く知られているように、ランキンサイクルは、蒸気タービンの理論サイクルである。ランキンサイクルに関する研究開発は古くからなされている。一方、特許文献１に記載されているように、ランキンサイクルを応用した熱電併給システムに関する研究開発も行われている。熱電併給システム（ＣＨＰシステム：Combined Heat and Power System）とは、単一又は複数の資源から、熱及び電力のような複数の形態のエネルギーが同時に得られるように構成されたシステムのことである。近年では、大規模なＣＨＰシステムだけでなく、病院、学校、図書館などの比較的小規模な施設に併設できるＣＨＰシステム、さらには、一般家庭用のＣＨＰシステム（いわゆるマイクロＣＨＰ）が注目を浴びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０２１３８５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のＣＨＰシステムは、ガスボイラーで生成された燃焼ガスをランキンサイクル装置のための熱エネルギーとして利用して電力を得るように構成されている。また、特許文献１には、気相の有機作動流体がボイラーで過剰に加熱されることを防止するための蒸発器の構造が開示されている。
【０００５】
特許文献１に開示された蒸発器は、確かに、ランキンサイクル装置が安定した運転状態にあるときには有効かもしれない。しかし、ランキンサイクル装置の運転状態によらず、作動流体が過剰に加熱されることを防止できる技術が望まれている。
【０００６】
本発明は、作動流体が過剰に加熱されることを防止するための新規な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本開示は、
蒸発器、膨張機、凝縮器及びポンプを有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成された主回路と、
前記ポンプと前記蒸発器との間で前記主回路から分岐し、前記蒸発器を流れる作動流体を前記ポンプから吐出された前記作動流体で冷却するように構成された冷却路と、
前記冷却路に設けられ、前記冷却路における前記作動流体の流れを制御する制御弁と、
を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上記の技術によれば、作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＣＨＰシステムの構成図
【図２Ａ】図１に示すランキンサイクル装置の蒸発器の構成図
【図２Ｂ】図１に示すランキンサイクル装置の他の蒸発器の構成図
【図３】図１に示すＣＨＰシステムで実行される制御のフローチャート
【図４】本発明の第２実施形態に係るＣＨＰシステムの構成図
【図５】図４に示すランキンサイクル装置の蒸発器の構成図
【図６】図４に示すランキンサイクル装置の他の蒸発器の構成図
【図７】本発明の第３実施形態に係るＣＨＰシステムの構成図
【図８】図７に示すＣＨＰシステムで実行される制御のフローチャート
【図９】従来のランキンサイクル装置の蒸発器の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ランキンサイクル装置の蒸発器において、ガスバーナーで生成された燃焼ガスなどの高温流体と気相の作動流体との間で過剰な熱交換が起こると、作動流体の熱分解、潤滑油の劣化などの不具合を招く恐れがある。この問題は、有機作動流体を使用した場合及び潤滑油を必要とする膨張機を使用した場合に顕著になる。
【００１１】
上記の問題を回避するために、特許文献１は、図９に示す構造の蒸発器１０４を提案している。蒸発器１０４には、高温流体（バーナーで生成された燃焼ガス）の流路１０４Ｃの下流側に作動流体の入口１１０Ａが設けられている。入口１１０Ａから遠位部１０４Ｄに流入した作動流体は、高温流体と対向流の形式で熱交換する。作動流体は、その後、接続管１０４Ｈを経由して、高温流体の上流側に配置された近位部１０４Ｅに送られる。近位部１０４Ｅにおいて、作動流体は、第１セクション１０４Ｅ１及び第２セクション１０４Ｅ２をこの順番で流れる。すなわち、近位部１０４Ｅにおいて、作動流体は並行流の形式で高温流体と熱交換する。作動流体の出口１１０Ｃは、エンクロージャ１０４Ａの中央付近に設けられている。なお、伝熱管（丸印）の中の数値は、作動流体の温度（華氏温度）の例を表している。
【００１２】
図９に示す蒸発器１０４によれば、確かに、作動流体の過剰な加熱を防止できると推測される。なぜなら、作動流体は、遠位部１０４Ｄで液相状態、第１セクション１０４Ｅ１で液相状態又は気液二相状態、第２セクション１０４Ｅ２で気液二相状態又は気相状態にあると推測されるからである。しかし、この推測は、ランキンサイクル装置が安定した運転状態にあるときの推測にすぎない。例えば、発電需要の変化に応じて作動流体の循環量を減らした場合、作動流体が第１セクション１０４Ｅ１で早くも気相状態になる可能性がある。その結果、第１セクション１０４Ｅ１において、気相の作動流体が過剰に加熱される可能性がある。
【００１３】
作動流体の循環量に応じてバーナーの火力を下げることは１つの有効な手段であるが、応答性の観点から必ずしも十分ではない。また、近年では、バイオマス、木質ペレットなどの固形燃料をガスの代わりに使用する試みも検討されている。ペレットボイラーにおける燃料の燃焼は、ガスボイラーほど安定していない。もとより、ペレットボイラーは、火力を急に上げたり下げたりするのに不向きである。そのため、作動流体が過剰に加熱されることを防ぐための技術が益々重要となる。
【００１４】
上記のような事情に鑑み、本開示の第１態様は、
蒸発器、膨張機、凝縮器及びポンプを有し、これらのコンポーネントがこの順番で環状に接続されることによって形成された主回路と、
前記ポンプと前記蒸発器との間で前記主回路から分岐し、前記蒸発器を流れる作動流体を前記ポンプから吐出された前記作動流体で冷却するように構成された冷却路と、
前記冷却路に設けられ、前記冷却路における前記作動流体の流れを制御する制御弁と、
を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。
【００１５】
上記のランキンサイクル装置によれば、ポンプと蒸発器との間の主回路を流れる作動流体によって、蒸発器を流れる作動流体が冷却される。これにより、作動流体が蒸発器で過剰に加熱されることを防止できる。制御弁によって、冷却路における作動流体の流れが制御される。従って、蒸発器を流れる作動流体が過剰に冷却されることも回避できる。その結果、作動流体の熱分解などの不具合を防止しつつ、所望の過熱度を有する作動流体を膨張機に供給することが可能となる。
【００１６】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記ポンプから吐出された前記作動流体と前記蒸発器を流れる前記作動流体とを混合することによって前記蒸発器を流れる前記作動流体の温度を下げるように、前記冷却路が前記蒸発器に接続されている、ランキンサイクル装置を提供する。第２態様によれば、高温の作動流体に低温の作動流体が混合されるので、蒸発器の中で作動流体の温度を迅速に下げることができる。これにより、ランキンサイクル装置の信頼性が高まる。
【００１７】
本開示の第３態様は、第２態様に加え、前記蒸発器は、当該蒸発器の入口から出口までの流路の中間点を基準として、前記入口に相対的に近い上流部分と、前記出口に相対的に近い下流部分とを有し、前記冷却路が前記下流部分に接続されている、ランキンサイクル装置を提供する。下流部分に冷却路が接続されている場合には、作動流体の過剰な加熱が発生していることが予測される場所に低温の作動流体を的確に供給できる。
【００１８】
本開示の第４態様は、第２又は第３態様に加え、前記蒸発器は、前記作動流体を加熱するための熱流体の流路に配置されているとともに、前記熱流体に接触しない場所又は前記熱流体との接触が妨げられるように前記熱流体の流路から隔離された場所に位置している隔離部を有し、前記冷却路が前記隔離部に接続されている、ランキンサイクル装置を提供する。第４態様によれば、冷却路の中の作動流体の温度が上がりすぎることを防止できる。
【００１９】
本開示の第５態様は、第１態様に加え、前記冷却路は、前記ポンプから吐出された前記作動流体と前記蒸発器を流れる前記作動流体とを熱交換させることによって、前記蒸発器を流れる前記作動流体を間接的に冷却する熱交換部を有する、ランキンサイクル装置を提供する。第５態様によれば、熱交換部において熱が移動するだけなので、ポンプから吐出された作動流体を用いた冷却を開始した後にランキンサイクル装置の制御が定常制御に移行しやすい可能性がある。
【００２０】
本開示の第６態様は、第５態様に加え、前記冷却路が前記膨張機と前記凝縮器との間で前記主回路に合流している、ランキンサイクル装置を提供する。このような構成によれば、制御弁を開くことによって作動流体が冷却路にスムーズに流れる。
【００２１】
本開示の第７態様は、第５態様に加え、前記冷却路が前記ポンプと前記蒸発器との間で前記主回路に合流している、ランキンサイクル装置を提供する。第７態様によれば、制御弁を開く前後で蒸発器における作動流体の流量が変化しない。詳細には、作動流体の全量が蒸発器の入口を通過する。そのため、作動流体の流量の減少に起因して蒸発器で作動流体が過剰に加熱される現象は本質的に起こり得ない。
【００２２】
本開示の第８態様は、第１〜第７態様のいずれか１つに加え、前記ポンプと前記蒸発器との間の前記主回路を流れる前記作動流体と、前記膨張機と前記凝縮器との間の前記主回路を流れる前記作動流体とを熱交換させる再熱器をさらに備えた、ランキンサイクル装置を提供する。再熱器は、ランキンサイクル装置の発電効率を向上させる。
【００２３】
本開示の第９態様は、第１態様に加え、前記ポンプと前記蒸発器との間の前記主回路を流れる前記作動流体と、前記膨張機と前記凝縮器との間の前記主回路を流れる前記作動流体とを熱交換させる再熱器をさらに備え、前記冷却路は、前記ポンプから吐出された前記作動流体と前記蒸発器を流れる前記作動流体とを熱交換させることによって、前記蒸発器を流れる前記作動流体を間接的に冷却する熱交換部を有し、前記冷却路は、（ａ）前記膨張機と前記再熱器との間で前記主回路に合流している、（ｂ）前記再熱器と前記凝縮器との間で前記主回路に合流している、（ｃ）前記ポンプと前記再熱器との間で前記主回路に合流している、又は（ｄ）前記再熱器と前記蒸発器との間で前記主回路に合流している、ランキンサイクル装置を提供する。
【００２４】
要件（ａ）によれば、再熱器を通じて、熱交換部で加熱された作動流体からランキンサイクルの高圧側の作動流体へと熱を伝えることができる。要件（ｂ）によれば、再熱器での熱交換量が減少するので、より低温の作動流体を蒸発器に供給することができる。要件（ｃ）によれば、作動流体は、冷却路を流れた後、再熱器の入口付近に戻される。つまり、再熱器及び蒸発器における作動流体の流量は、冷却路における作動流体の流量に依存しない。制御弁を開き、第２制御弁を閉じれば、ポンプから吐出された作動流体の全量が冷却路に導かれる。この場合、冷却部において最大の冷却能力が発揮される。間接的な冷却方法が採用されているにもかかわらず、応答性の良い冷却を期待できる。要件（ｄ）によれば、冷却路の熱交換部で加熱された作動流体が再熱器をバイパスして蒸発器に供給される。そのため、熱交換部において作動流体に与えられた熱が周囲に放出されることを抑制できる。このことは、熱エネルギーの効率的な回収を意味するとともに、熱エネルギーの利用効率の向上に寄与する。
【００２５】
本開示の第１０態様は、第５態様に加え、前記冷却路は、前記ポンプと前記蒸発器との間の分岐位置で前記主回路から分岐し、任意の合流位置で前記主回路に合流しており、前記ランキンサイクル装置は、前記分岐位置と前記合流位置との間の前記主回路に設けられ、前記主回路における前記作動流体の流れを制御する第２制御弁をさらに備えた、ランキンサイクル装置を提供する。制御弁及び第２制御弁を使用することによって、冷却路に適切な量の作動流体を導くことができる。
【００２６】
本開示の第１１態様は、第１〜第１０態様のいずれか１つのランキンサイクル装置と、
前記ランキンサイクル装置の前記凝縮器において前記作動流体を冷却する低温熱源としての熱媒体が流れる熱媒体回路と、
を備えた、熱電併給システムを提供する。
【００２７】
第１〜第１０態様のいずれか１つのランキンサイクル装置を使用すれば、信頼性の高い熱電併給システムを提供できる。
【００２８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の熱電併給システム１００（以下、ＣＨＰシステムと称する）は、ボイラー１０、ランキンサイクル装置１８、熱媒体回路３０及び制御装置５０を備えている。ＣＨＰシステム１００は、ボイラー１０で生成された熱エネルギーを使用して、温水及び電力を同時に又は独立して得ることができるように構成されている。「同時に」とは、温水を供給しながら電力も供給できるという意味である。
【００３０】
ボイラー１０は、燃焼チャンバ１２及び燃焼器１４（combustor）を備えている。燃焼チャンバ１２の上部には排気口が設けられている。燃焼器１４は、燃焼ガスＧを生成する熱源であり、燃焼チャンバ１２の内部に配置されている。燃焼器１４で生成された燃焼ガスＧは、燃焼チャンバ１２の内部空間を上に向かって進み、排気口を通って外部へと排出される。ＣＨＰシステム１００の熱源として、燃焼ガスＧを生成する燃焼器１４を使用すれば、高温の熱エネルギーを容易に得ることができる。その結果、ランキンサイクル装置１８の発電効率を向上させることができる。ボイラー１０の内部には、送風機などの他の機器が配置されていてもよい。
【００３１】
ボイラー１０は、例えばガスボイラーである。ボイラー１０がガスボイラーであるとき、燃焼器１４には天然ガス、バイオガスなどの燃料ガスが供給される。燃焼器１４は、燃料ガスを燃焼させることによって高温の燃焼ガスＧを生成する。ただし、ボイラー１０がペレットボイラーなどの他のボイラーであってもよい。この場合、燃焼器１４には木質ペレットなどの固体燃料が供給される。
【００３２】
ランキンサイクル装置１８は、主回路２０、冷却路３３及び制御弁３５を備えている。主回路２０は、膨張機２１、凝縮器２２、ポンプ２３及び蒸発器２４を有する。これらのコンポーネントが配管によって上記の順番で環状に接続されることによって、主回路２０が形成されている。ランキンサイクル装置１８は、さらに、再熱器２５を備えている。
【００３３】
冷却路３３は、ポンプ２３の出口と蒸発器２４の入口との間で主回路２０から分岐し、蒸発器２４に接続されている。冷却路３３は、主回路２０の配管と同じ内径を有する配管によって形成されうる。制御弁３５は、冷却路３３に設けられており、冷却路３３における作動流体の流れ（流量）を制御する役割を担っている。制御弁３５は、開度を変更することによって冷却路３３における作動流体の流量を調節できる弁（流量制御弁）であってもよいし、開閉弁であってもよい。キャピラリチューブのような減圧部品と開閉弁との組み合わせを制御弁３５として使用してもよい。制御弁３５を開くと、ポンプ２３から吐出された低温の作動流体が冷却路３３を通じて蒸発器２４に供給される。低温の作動流体は、蒸発器２４において、高温の作動流体に混合される。これにより、蒸発器２４を流れる作動流体の温度が下がる。すなわち、冷却路３３は、蒸発器２４を流れる作動流体をポンプ２３から吐出された作動流体で冷却するように構成された流路である。
【００３４】
冷却路３３及び制御弁３５を適切に使用すれば、作動流体が蒸発器２４で過剰に加熱されることを防止できる。制御弁３５によって、冷却路３３における作動流体の流れが制御されうる。従って、蒸発器２４を流れる作動流体が過剰に冷却されることも回避できる。その結果、作動流体の熱分解などの不具合を防止しつつ、所望の過熱度を有する作動流体を膨張機２１に供給することが可能となる。高温の作動流体に低温の作動流体が混合されるので、蒸発器２４の中で作動流体の温度を迅速に下げることができる。これにより、ランキンサイクル装置１８の信頼性が高まる。
【００３５】
例えば、ボイラー１０がペレットボイラーであるとき、燃焼ガスＧの生成量を急に減らしたり、燃焼ガスＧの温度を急に下げたりすることは難しい。また、作動流体を加熱するための熱流体として、工場の排気ガスが利用される可能性もある。排気ガスの温度を調節することは難しい。本実施形態によれば、高温の作動流体に低温の作動流体を混合することによって、蒸発器２４の中で作動流体の温度を迅速に下げることができる。従って、本実施形態は、熱流体の種類、その生成方法などの影響を受けにくい。
【００３６】
本実施形態において、冷却路３３は、ポンプ２３の出口と再熱器２５の入口との間で主回路２０から分岐している（分岐位置Ｋ１）。そのため、より低温の作動流体を蒸発器２４に供給できる。ただし、冷却路３３は、再熱器２５の出口と蒸発器２４の入口との間で主回路２０から分岐していてもよい。
【００３７】
膨張機２１は、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する。膨張機２１の回転軸には、発電機２６が接続されている。膨張機２１によって発電機２６が駆動される。膨張機２１は、例えば、容積型又はターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機などが挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。
【００３８】
膨張機２１として、容積型の膨張機が推奨される。一般に、容積型の膨張機は、ターボ型の膨張機よりも広範囲の回転数で高い膨張機効率を発揮する。例えば、高効率を維持したまま、定格回転数の半分以下の回転数で容積型の膨張機を運転することも可能である。つまり、高効率を維持したまま、発電量を定格発電量の半分以下に低下させることができる。容積型の膨張機はこのような特性を持っているので、容積型の膨張機を使用すれば熱需要の変化に伴う発電量の変化に柔軟に対応することができる。また、電力の需要の変化に対しても高効率を維持したまま発電量を増減できる。
【００３９】
凝縮器２２は、熱媒体回路３０の中の水と膨張機２１から吐出された作動流体とを熱交換させることによって、作動流体を冷却し、水を加熱する。凝縮器２２として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。凝縮器２２の種類は、熱媒体回路３０の中の熱媒体の種類に応じて適切に選択される。熱媒体回路３０の中の熱媒体が水などの液体のとき、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器を凝縮器２２に好適に使用できる。熱媒体回路３０の中の熱媒体が空気などの気体のとき、フィンチューブ熱交換器を凝縮器２２に好適に使用できる。
【００４０】
ポンプ２３は、凝縮器２２から流出した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を蒸発器２４に供給する。ポンプ２３として、一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。
【００４１】
蒸発器２４は、ボイラー１０で生成された燃焼ガスＧの熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器２４は、例えばフィンチューブ熱交換器であり、燃焼器１４の真上に位置するように、ボイラー１０の内部に配置されている。ボイラー１０で生成された燃焼ガスＧとランキンサイクル装置１８の作動流体とが蒸発器２４において熱交換する。これにより、作動流体が加熱され、蒸発する。
【００４２】
再熱器２５は、ポンプ２３の出口と蒸発器２４の入口との間の主回路２０を流れる作動流体と、膨張機２１の出口と凝縮器２２の入口との間の主回路２０を流れる作動流体とを熱交換させる。再熱器２５は、ランキンサイクル装置１８の発電効率を向上させる。再熱器２５として、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。
【００４３】
ランキンサイクル装置１８の作動流体として、有機作動流体を好適に使用できる。有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、アルコールなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｚｅなどが挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタンなどのアルカンが挙げられる。アルコールとして、エタノールなどが挙げられる。これらの有機作動流体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。作動流体として、水、二酸化炭素、アンモニアなどの無機作動流体を使用できる可能性もある。
【００４４】
熱媒体回路３０は、凝縮器２２においてランキンサイクル装置１８の作動流体を冷却する低温熱源としての水（熱媒体）が流れる回路であり、凝縮器２２に接続されている。熱媒体回路３０の中の水は、膨張機２１から吐出された作動流体によって加熱される。熱媒体回路３０には、ポンプ３１及び放熱器３２が設けられている。放熱器３２は、例えば、室内の床暖房設備の一部である。凝縮器２２で作られた温水がポンプ３１によって放熱器３２に供給され、室内の暖房に使用される。つまり、本実施形態では、熱媒体回路３０は温水暖房回路である。市水を凝縮器２２で加熱する場合には、凝縮器２２で作られた温水を給湯に使用することもできる。作動流体の低温排熱を有効利用することによって、ランキンサイクル装置１８の総合熱効率を向上させることができる。
【００４５】
本実施形態のように、熱媒体回路３０を通じて加熱されるべき熱媒体が水、ブラインなどの液体のとき、熱媒体回路３０は配管にて形成されうる。これに対し、熱媒体回路３０を通じて加熱されるべき熱媒体が空気などの気体のとき、熱媒体回路３０は気体を流すための風路又はダクトにて形成されうる。凝縮器２２で作られた温風が室内に供給され、室内の暖房に使用される。
【００４６】
熱媒体回路３０で生成された温水は、シャワー、蛇口、貯湯タンクなどの他の設備にも供給されうる。すなわち、熱媒体回路３０は、低温の温水を再加熱する目的で使用されてもよいし、市水を加熱する目的で使用されてもよい。なお、ＣＨＰシステム１００は、温水の供給を停止して電力のみを供給できるように構成されていてもよい。
【００４７】
制御装置５０は、ポンプ２３、ポンプ３１、燃焼器１４、発電機２６、制御弁３５などの制御対象を制御する。制御装置５０として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御装置５０には、ＣＨＰシステム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
【００４８】
ランキンサイクル装置１８は、さらに、圧力センサ３８及び温度センサ３９を備えている。圧力センサ３８は、ポンプ２３の出口付近に配置されている。主回路２０において作動流体が最も高い圧力を示す場所はポンプ２３の出口である。圧力センサ３８によって、ポンプ２３から吐出された作動流体の圧力、すなわち、ランキンサイクルの高圧側の圧力が検出される。圧力センサ３８によって検出された圧力は、ランキンサイクルにおける作動流体の最高圧力である。温度センサ３９は、蒸発器２４の出口付近に配置されている。温度センサ３９によって、蒸発器２４から流出した作動流体の温度が検出される。温度センサ３９によって検出された温度は、ランキンサイクルにおける作動流体の最高温度である。圧力センサ３８及び温度センサ３９の検出信号は、制御装置５０に入力される。
【００４９】
圧力センサ３８は、ポンプ２３の出口と蒸発器２４の入口との間で主回路２０に配置されている。詳細には、圧力センサ３８は、分岐位置Ｋ１と再熱器２５の入口との間で主回路２０に配置されている。分岐位置Ｋ１は、冷却路３３の上流端に対応する位置である。ただし、圧力センサ３８は、再熱器２５の出口と蒸発器２４の入口との間で主回路２０に配置されていてもよい。温度センサ３９は、詳細には、蒸発器２４の出口と膨張機２１の入口との間で主回路２０に配置されている。燃焼ガスＧの影響を避けるために、温度センサ３９は、ボイラー１０の外部に位置していることが望ましい。
【００５０】
制御弁３５は、温度センサ３９によって検出された温度に基づいて制御される。具体的には、温度センサ３９によって検出された温度に基づいて、制御弁３５が開閉される。あるいは、温度センサ３９によって検出された温度に基づいて、制御弁３５の開度が調節される。温度センサ３９によって検出された温度は、ランキンサイクルにおける最高温度である。従って、温度センサ３９によって検出された温度が所定の上限温度を越えた場合に、制御弁３５を開き、冷却路３３を通じて、ポンプ２３から吐出された低温の作動流体を蒸発器２４に供給することができる。これにより、蒸発器２４で作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。このような制御は非常にシンプルなので、ランキンサイクル装置１８の信頼性を確保する観点で優れている。また、制御装置５０の負荷も軽くなる。「上限温度」は、作動流体の熱分解などの不具合を防止するために、十分に低い温度に設定される。例えば、作動流体がＲ−２４５ｆａであるとき、上限温度を２００℃付近に設定することができる。
【００５１】
次に、蒸発器２４の詳細な構造を説明する。
【００５２】
図２Ａに示すように、本実施形態において、蒸発器２４は、複数のフィン２７及び複数の伝熱管２８を有するフィンチューブ熱交換器である。複数のフィン２７は、それらの表面及び裏面が鉛直方向に平行となるように、水平方向に配列されている。フィン２７とフィン２７との間に形成された空間が燃焼ガスＧ（高温流体）の排気経路を形成している。複数の伝熱管２８は、作動流体と熱交換するべき燃焼ガスＧの流れ方向（高さ方向）において複数の段で並べられている。複数の伝熱管２８は、それらの伝熱管２８の長手方向の両端に設けられた複数のベンド管２９によって１つの流路をなすように互いに接続されている。ただし、全ての伝熱管２８によって単一の流路が形成されていることは必須ではない。分配器などの公知の部品を使用することによって、２以上の流路が並列に形成されていてもよい。
【００５３】
作動流体は、蒸発器２４に流入した直後において液相状態であり、最も低い温度を示す。蒸発器２４を入口から出口に向かって流れ、燃焼ガスＧによって加熱されるにつれて、作動流体は蒸発する。蒸発器２４の出口において、作動流体は気相状態であり、その温度は最も高い。詳細には、蒸発器２４の出口に近ければ近いほど作動流体の温度は高い。蒸発器２４において燃焼ガスＧと作動流体との間で過剰な熱交換が起こると、蒸発器２４の出口の近くで作動流体の温度が上がりすぎる。その結果、作動流体の熱分解、潤滑油の劣化などの不具合を招く可能性がある。このような問題に対処するために、ランキンサイクル装置１８では、冷却路３３及び制御弁３５が使用される。
【００５４】
図２Ａに示すように、蒸発器２４は、上流部分２４ｓ及び下流部分２４ｔによって構成されている。上流部分２４ｓは、当該蒸発器２４の入口から出口までの流路の中間点を基準として、入口に相対的に近い部分である。下流部分２４ｔは、上記中間点を基準として、出口に相対的に近い部分である。冷却路３３は、下流部分２４ｔに接続されている。作動流体は、下流部分２４ｔにおいて過剰に加熱されることが推測される。下流部分２４ｔに冷却路３３が接続されている場合には、作動流体の過剰な加熱が発生していることが予測される部分に低温の作動流体を的確に供給できる。
【００５５】
蒸発器２４は、作動流体を加熱するための燃焼ガスＧの流路に配置されている。本実施形態では、燃焼チャンバ１２の内部空間によって燃焼ガスＧの流路が形成されている。また、蒸発器２４は、燃焼ガスＧに接触しないように燃焼チャンバ１２の内部空間から隔離された場所に位置している隔離部２４ａを有する。隔離部２４ａは、典型的には、燃焼チャンバ１２の外に位置している。冷却路３３が隔離部２４ａに接続されている。隔離部２４ａは、燃焼チャンバ１２の外まで延びている２本（複数）の伝熱管２８と、２本の伝熱管２８を接続している少なくとも１つのベンド管２９とで構成されている。隔離部２４ａにおけるベンド管２９に冷却路３３が接続されている。ポンプ２３から吐出された作動流体は、冷却路３３を通じて、再熱器２５及び蒸発器２４の上流部分２４ｓを迂回して蒸発器２４の隔離部２４ａに供給される。これにより、蒸発器２４を流れる作動流体を冷却することができる。
【００５６】
隔離部２４ａは、蒸発器２４の出口の近くに位置している。本実施形態において、隔離部２４ａは、蒸発器２４の下流部分２４ｔに含まれている。詳細には、蒸発器２４の最も下流側の段の伝熱管２８に低温の作動流体が注入されるように、蒸発器２４における隔離部２４ａの位置が定められている。作動流体の温度は、蒸発器２４の出口に近い位置で急激に上昇する。従って、蒸発器２４の出口の近くに隔離部２４ａが位置していると、作動流体が過剰に加熱されることを効果的に防止できる。
【００５７】
制御弁３５が閉じているとき、冷却路３３の下流端と制御弁３５との間で冷却路３３に作動流体が滞留する。本実施形態では、隔離部２４ａが燃焼チャンバ１２の外に位置しているので、燃焼ガスＧは隔離部２４ａに直接接触できない。つまり、隔離部２４ａは燃焼ガスＧによって直接加熱されず、冷却路３３に滞留した作動流体も燃焼ガスＧによって直接加熱されない。従って、冷却路３３において作動流体の温度が上がりすぎることを防止できる。
【００５８】
ただし、蒸発器２４の一部が燃焼チャンバ１２の外に位置していることは必須ではない。燃焼チャンバ１２の内部において蒸発器２４に冷却路３３が合流していてもよい。図２Ｂに示すように、隔離部２４ａが燃焼チャンバ１２の内部に位置しているとき、隔離部２４ａが隔壁１２ａで覆われていてもよい。隔壁１２ａは、燃焼ガスＧが冷却路３３に直接接触することを妨げる又は阻止する。このような構成によれば、冷却路３３が燃焼チャンバ１２の外で蒸発器２４に接続されている場合と同じ効果が得られる。
【００５９】
次に、図３のフローチャートを参照しつつ、制御装置５０によって実行される制御を説明する。図３のフローチャートは、蒸発器２４を流れる作動流体が過剰に加熱されることを防止するための制御を表している。この制御は、例えば、ランキンサイクル装置１８の運転開始とともに実行される。
【００６０】
まず、温度センサ３９によって作動流体の温度Ｔｈを検出する（ステップＳ１）。温度Ｔｈは、蒸発器２４の出口における作動流体の温度であり、主回路２０における作動流体の最高温度である。次に、検出された温度Ｔｈに基づき、作動流体が蒸発器２４で過剰に加熱されているかどうかを判断する（ステップＳ２）。具体的には、検出された温度Ｔｈが上限以上かどうかを判断する。先に説明したように、温度Ｔｈの上限は、作動流体の熱分解などの不具合を防止するのに十分に低い温度に設定される。温度Ｔｈが上限以上である場合、すなわち、作動流体の温度Ｔｈが高すぎる場合には、蒸発器２４を流れる作動流体の温度を下げるための制御を行う。
【００６１】
蒸発器２４を流れる作動流体の温度を下げるための制御を行う前に、圧力センサ３８によってポンプ２３の出口における作動流体の圧力Ｐｈを検出する。必要に応じて、ポンプ２３の回転数ｆｐ（運転周波数）及び膨張機２１の回転数ｆｅ（運転周波数）を制御装置５０において把握する（ステップＳ３）。
【００６２】
次に、蒸発器２４を流れる作動流体の温度を下げるための制御として、燃焼器１４の燃焼熱量を下げる（ステップＳ４）。燃焼熱量を下げるための方法としては、燃焼器１４への燃料の供給量を減らすことが挙げられる。ボイラー１０の内部に送風機が設けられている場合には、送風量を減らすことによって燃焼熱量を下げることができる。
【００６３】
次に、ポンプ２３の回転数ｆｐが上限未満かどうかを判断する（ステップＳ５）。ポンプ２３の回転数ｆｐが上限未満の場合には、ポンプ２３の回転数を上げて、主回路２０における作動流体の循環量を増やす（ステップＳ６）。作動流体の循環量を増やすことによって、制御弁３５を開いたときに、蒸発器２４の入口に供給される作動流体の量が大幅に減少することを回避できる。このようにすれば、隔離部２４ａよりも上流側で作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。
【００６４】
なお、ポンプ２３の回転数を上げることによって作動流体の循環量を増やすと、膨張機２１に流入する作動流体の量も増える。その結果、膨張機２１の回転数が上がる。膨張機２１の回転数が上限を超えることは膨張機２１の信頼性を低下させる要因となる。従って、ステップＳ７において、膨張機２１の回転数ｆｅが上限よりも大きいかどうかを判断する。膨張機２１の回転数ｆｅが上限よりも大きい場合には、膨張機２１の回転数を下げる（ステップＳ８）。膨張機２１の回転数を下げるための方法としては、発電機２６の負荷を増やすことが挙げられる。また、膨張機２１をバイパスするバイパス流路と、バイパス流路に配置された流量制御弁とが設けられていてもよい。流量制御弁を制御することによってバイパス流路に作動流体を流せば、膨張機２１の回転数ｆｅを下げることができる。なお、ポンプ２３の回転数ｆｐの上限は、例えばポンプ２３の原動機の容量を考慮して設定される。膨張機２１の回転数ｆｅの上限は、膨張機２１の信頼性を確保するのに十分に低い回転数に設定される。
【００６５】
ポンプ２３の回転数及び膨張機２１の回転数を調節した後、制御弁３５を開く（ステップＳ９）。これにより、低温の作動流体が蒸発器２４の隔離部２４ａに供給され、蒸発器２４の出口の近くの部分を流れる作動流体の温度を下げることができる。制御弁３５の開度は、例えば全開である。制御弁３５を全開にすることによって、作動流体が過剰に加熱される可能性のある状況をいち早く脱することができる。つまり、ランキンサイクル装置１８の信頼性を高めることができる。ただし、制御弁３５を全開にすることは必須ではない。例えば、設定された上限温度が十分に低い場合には、制御弁３５の開度を段階的に増やしてもよい。
【００６６】
冷却路３３を通じて低温の作動流体を蒸発器２４に供給すると、蒸発器２４の大部分をバイパスして蒸発器２４の出口に到達する作動流体の量が増える。その結果、蒸発器２４の出口における作動流体の温度Ｔｈが下がりすぎる可能性がある。蒸発器２４の出口における作動流体の温度Ｔｈが低すぎると、膨張機２１の理論回収動力が低下する。従って、温度センサ３９によって作動流体の温度Ｔｈを検出し、検出結果に基づき、制御弁３５の開度を変更する（ステップＳ１０〜Ｓ１４）。具体的には、温度センサ３９によって検出された温度Ｔｈを確認しながら、制御弁３５の開度を段階的に減らす（ステップＳ１３）。
【００６７】
ステップＳ１０〜ステップＳ１４の処理を繰り返すと、制御弁３５の開度が段階的に減少し、これに伴って、冷却路３３の作動流体の流量が段階的に減少する。ただし、ステップＳ１１において、温度センサ３９によって上限よりも高い温度Ｔｈが検出された場合には、制御弁３５の開度を減らす処理を中止し、ステップＳ３に戻る。
【００６８】
温度センサ３９によって検出された温度Ｔｈが上限と下限との間にあり、かつ制御弁３５が完全に閉じられた後、通常の制御に戻る。このように、温度センサ３９によって蒸発器２４の出口における作動流体の温度Ｔｈを監視し続けることによって、蒸発器２４で作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。
【００６９】
以下、ＣＨＰシステムの他の実施形態を説明する。図１に示すＣＨＰシステム１００と以下の実施形態とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略する。すなわち、各実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、他の実施形態にも適用されうる。
【００７０】
（第２実施形態）
図４に示すように、本実施形態のＣＨＰシステム２００のランキンサイクル装置１８Ｂでは、蒸発器２４を流れる作動流体と冷却路３３を流れる作動流体とが熱交換することによって、蒸発器２４を流れる作動流体が冷却される。
【００７１】
冷却路３３は、上流部分３３ａ、熱交換部３３ｃ及び下流部分３３ｂによって構成されている。上流部分３３ａは、ポンプ２３の出口と蒸発器２４の入口との間の分岐位置Ｋ１において主回路２０に接続された一端と、熱交換部３３ｃに接続された他端とを有する。下流部分３３ｂは、熱交換部３３ｃに接続された一端と、膨張機２１の出口と凝縮器２２の入口との間の合流位置Ｋ２において主回路２０に接続された他端とを有する。熱交換部３３ｃは、ポンプ２３から吐出された作動流体と蒸発器２４を流れる作動流体とを熱交換させることによって、蒸発器２４を流れる作動流体を間接的に冷却する。第１実施形態によれば、低温の作動流体が高温の作動流体に混合される。これに対し、本実施形態では、熱交換部３３ｃにおいて熱が移動するだけである。従って、第１実施形態の方法に比べて、ポンプ２３から吐出された作動流体を用いた冷却を開始した後にランキンサイクル装置１８Ｂの制御が定常制御に移行しやすい可能性がある。
【００７２】
冷却路３３には、制御弁３５が配置されている。詳細には、制御弁３５は、上流部分３３ａに配置されている。この配置は、制御弁３５を閉じているときに冷却路３３に滞留する作動流体の量を減らすのに有利である。ただし、制御弁３５は、下流部分３３ｂに配置されていてもよい。
【００７３】
図５に示すように、本実施形態においても、蒸発器２４は、燃焼チャンバ１２の外に位置している隔離部２４ｂを有する。冷却路３３の熱交換部３３ｃも燃焼チャンバ１２の外に位置している。これにより、冷却路３３の中の作動流体が燃焼ガスＧによって直接加熱されることを回避できる。蒸発器２４の隔離部２４ｂは、冷却路３３の熱交換部３３ｃに接している。隔離部２４ｂは、蒸発器２４の下流部分２４ｔに含まれている。隔離部２４ｂで冷却された作動流体が蒸発器２４の最も下流側の段の伝熱管２８に流入するように、隔離部２４ｂは、蒸発器２４の最も下流側の段の伝熱管２８に連通している。このような位置に隔離部２４ｂが形成されているので、作動流体が過剰に加熱されることを効果的に防止できる。
【００７４】
冷却路３３の熱交換部３３ｃ及び蒸発器２４の隔離部２４ｂの構造は特に限定されない。熱交換部３３ｃ及び隔離部２４ｂによって、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの公知の熱交換器の構造が形成されていてもよい。また、熱交換部３３ｃ及び隔離部２４ｂは、図６に示す構造を有していてもよい。図６の例において、熱交換部３３ｃは、隔離部２４ｂにらせん状に巻き付けられた配管である。隔離部２４ｂは、例えば、熱交換部３３ｃよりも大きい内径を有する配管によって形成されている。
【００７５】
図４に示すように、本実施形態において、冷却路３３は、膨張機２１の出口と凝縮器２２の入口との間で主回路２０に合流している。分岐位置Ｋ１の圧力は高く、合流位置Ｋ２の圧力は低い。つまり、膨張機２１の出口と凝縮器２２の入口との間で冷却路３３が主回路２０に接続されていると、制御弁３５を開くことによって作動流体が冷却路３３にスムーズに流れる。
【００７６】
詳細には、冷却路３３は、膨張機２１の出口と再熱器２５の入口との間で主回路２０に合流している（合流位置Ｋ２）。冷却路３３は、再熱器２５の出口と凝縮器２２の入口との間で主回路２０に合流していてもよい（合流位置ｋ２）。前者によれば、再熱器２５を通じて、熱交換部３３ｃで加熱された作動流体からランキンサイクルの高圧側の作動流体へと熱を伝えることができる。後者によれば、再熱器２５での熱交換量が減少するので、より低温の作動流体を蒸発器２４に供給することができる。また、後者は、圧力損失を抑制する観点で有利である。合流位置によらず、冷却路３３によって、蒸発器２４を流れる作動流体を冷却する効果を得ることができる。
【００７７】
ランキンサイクル装置１８Ｂにおいても、図３を参照して説明したフローチャートに従って、蒸発器２４を流れる作動流体が過剰に加熱されることを防止するための制御が実行されうる。すなわち、温度センサ３９によって検出された温度Ｔｈに基づいて、制御弁３５が開閉される。あるいは、温度センサ３９によって検出された温度Ｔｈに基づいて、制御弁３５の開度が調節される。
【００７８】
分岐位置Ｋ１における圧力は高く、合流位置Ｋ２（又はｋ２）における圧力は低い。つまり、分岐位置Ｋ１と合流位置Ｋ２（又はｋ２）との間の圧力差は大きい。この場合、制御弁３５を全開にすると、圧力損失の小さい冷却路３３に作動流体が優先的に流れ、蒸発器２４の入口に供給される作動流体の量が大幅に減少する可能性がある。その結果、隔離部２４ｂよりも上流側で作動流体が過剰に加熱されることが懸念される。従って、蒸発器２４の入口に十分な量の作動流体が供給されるように、制御弁３５の開度を適切に調節することが望ましい。
【００７９】
もちろん、制御弁３５として、開閉弁を使用してもよい。この場合、制御弁３５よりも下流側において、冷却路３３にキャピラリチューブのような減圧部が設けられていてもよい。さらに、冷却路３３の配管として、主回路２０の配管よりも小さい内径を有する配管を使用してもよい。このような構成によれば、冷却路３３の流路抵抗が適度に増すので、冷却路３３における作動流体の流量を適度に制限できる。
【００８０】
（第３実施形態）
図７に示すように、本実施形態のＣＨＰシステム３００のランキンサイクル装置１８Ｃでは、蒸発器２４を流れる作動流体と冷却路３３を流れる作動流体とが熱交換することによって、蒸発器２４を流れる作動流体が冷却される。この点に関して、本実施形態は、第２実施形態と同じである。ただし、本実施形態において、冷却路３３は、ポンプ２３の出口と蒸発器２４の入口との間で主回路２０に合流している。言い換えれば、冷却路３３の下流部分３３ｂは、熱交換部３３ｃに接続された一端と、ポンプ２３の出口と蒸発器２４の入口との間の合流位置Ｋ３において主回路２０に接続された他端とを有する。このような構成によれば、制御弁３５を開く前後で蒸発器２４における作動流体の流量が変化しない。詳細には、作動流体の全量が蒸発器２４の入口を通過する。そのため、作動流体の流量の減少に起因して隔離部２４ｂよりも上流側で作動流体が過剰に加熱される現象は本質的に起こり得ない。
【００８１】
詳細には、冷却路３３は、ポンプ２３の出口と再熱器２５の入口との間で主回路２０に合流している（合流位置Ｋ３）。冷却路３３は、再熱器２５の出口と蒸発器２４の入口との間で主回路２０に合流していてもよい（合流位置ｋ３）。合流位置によらず、冷却路３３によって、蒸発器２４を流れる作動流体を冷却する効果を得ることができる。
【００８２】
また、ランキンサイクル装置１８Ｃは、制御弁３５（以下、第１制御弁３５と称する）に加え、第２制御弁４０を備えている。第２制御弁４０は、分岐位置Ｋ１と合流位置Ｋ３（又はｋ３）との間で主回路２０に設けられ、主回路２０における作動流体の流れを制御する。第１制御弁３５と同じように、第２制御弁４０は、開度を変更することによって作動流体の流量を調節できる弁であってもよいし、開閉弁であってもよい。キャピラリチューブのような減圧部品と開閉弁との組み合わせを第２制御弁４０として使用してもよい。
【００８３】
本実施形態において、分岐位置Ｋ１及び合流位置Ｋ３は、ランキンサイクルの高圧側の位置である。分岐位置Ｋ１における圧力と合流位置Ｋ３（又はｋ３）における圧力との間には、大きな差が無い。そのため、第１制御弁３５を開いただけでは、十分な量の作動流体を冷却路３３に流すことができない可能性がある。これに対し、分岐位置Ｋ１と合流位置Ｋ３との間に第２制御弁４０が設けられている場合、第１制御弁３５及び第２制御弁４０を使用することによって、冷却路３３に適切な量の作動流体を導くことができる。
【００８４】
また、冷却路３３がポンプ２３の出口と再熱器２５の入口との間で主回路２０に合流している場合、作動流体は、冷却路３３を流れた後、再熱器２５の入口付近に戻される。つまり、再熱器２５及び蒸発器２４における作動流体の流量は、冷却路３３における作動流体の流量に依存しない。そのため、第１制御弁３５及び第２制御弁４０として、開閉弁を好適に使用できる。第１制御弁３５を開き、第２制御弁４０を閉じれば、ポンプ２３から吐出された作動流体の全量が冷却路３３に導かれる。この場合、冷却部３３ｃにおいて最大の冷却能力が発揮される。間接的な冷却方法が採用されているにもかかわらず、応答性の良い冷却を期待できる。
【００８５】
他方、冷却路３３が再熱器２５の出口と蒸発器２４の入口との間で主回路２０に合流している場合、冷却路３３の熱交換部３３ｃで加熱された作動流体が再熱器２５をバイパスして蒸発器２４に供給される。そのため、熱交換部３３ｃにおいて作動流体に与えられた熱が周囲に放出されることを抑制できる。このことは、熱エネルギーの効率的な回収を意味するとともに、燃焼器１４で生成された熱エネルギーの利用効率の向上に寄与する。
【００８６】
以上に説明したように、冷却路３３は、任意の合流位置で主回路２０に合流されうる。合流位置は特に限定されず、合流位置のそれぞれに利点がある。重視するべき効果に応じて、合流位置を選択することが望ましい。
【００８７】
次に、図８のフローチャートを参照しつつ、ランキンサイクル装置１８Ｃの制御装置５０によって実行される制御を説明する。図８のフローチャートのステップＳＴ１〜ステップＳＴ１４の処理は、それぞれ、図３のフローチャートのステップＳ１〜ステップＳ１４の処理に対応している。従って、本実施形態での制御と第１実施形態で説明した制御との相違点のみを以下に説明する。
【００８８】
ステップＳＴ６で作動流体の循環量を増やすことによって、第１制御弁３５を開いたときに、蒸発器２４の入口に供給される作動流体の温度の上昇を作動流体の流量の増加で相殺できる。その結果、隔離部２４ｂよりも上流側で作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。
【００８９】
ステップＳＴ５〜ステップＳＴ８でポンプ２３の回転数ｆｐ及び膨張機２１の回転数ｆｅを調節した後、ステップＳＴ９において、第１制御弁３５を開き、第２制御弁４０を閉じる。これにより、低温の作動流体が熱交換部３３ｃに供給され、蒸発器２４の隔離部２４ｂを流れる作動流体の温度を下げることができる。第１制御弁３５の開度は、例えば全開である。第２制御弁４０の開度は、例えば全閉である。これにより、作動流体が過剰に加熱される可能性のある状況をいち早く脱することができる。つまり、ランキンサイクル装置１８Ｃの信頼性を高めることができる。ただし、第１制御弁３５を全開及び第２制御弁４０を全閉にすることは必須ではない。例えば、設定された上限温度が十分に低い場合には、第１制御弁３５の開度を段階的に増やし、第２制御弁４０の開度を段階的に減らしてもよい。このようにすれば、冷却路３３に十分な量の作動流体を供給することができる。
【００９０】
ステップＳＴ１０〜ステップＳＴ１４では、温度センサ３９によって作動流体の温度Ｔｈを検出し、検出結果に基づき、第１制御弁３５の開度及び第２制御弁４０の開度を変更する。具体的には、温度センサ３９によって検出された温度Ｔｈを確認しながら、第１制御弁３５の開度を段階的に減らし、第２制御弁４０の開度を段階的に増やす（ステップＳＴ１３）。
【００９１】
ステップＳＴ１０〜ステップＳＴ１４の処理を繰り返すと、第１制御弁３５の開度が段階的に減少し、第２制御弁４０の開度が段階的に増加する。ただし、ステップＳＴ１１において、温度センサ３９によって上限よりも高い温度Ｔｈが検出された場合には、第１制御弁３５の開度を減らす処理及び第２制御弁４０の開度を増やす処理を中止し、ステップＳＴ３に戻る。
【００９２】
温度センサ３９によって検出された温度Ｔｈが上限と下限との間にあり、かつ第１制御弁３５が閉じられた後、通常の制御に戻る。このように、温度センサ３９によって蒸発器２４の出口における作動流体の温度Ｔｈを監視し続けることによって、蒸発器２４で作動流体が過剰に加熱されることを防止できる。
【００９３】
（その他）
第１〜第３実施形態において、再熱器２５は省略されていてもよい。第２及び第３実施形態において、冷却路３３の下流端は、再熱器２５に接続されていてもよい。蒸発器２４で作動流体を蒸発させるための熱流体は、燃焼器１４で生成された燃焼ガスＧに限定されない。例えば、工場の排気ガス、太陽光のような自然エネルギーで加熱された気体などを熱流体として使用できる。場合によっては、熱流体は液体である。第３実施形態で説明した第２制御弁４０は、第２実施形態のランキンサイクル装置１８Ｂの主回路２０に設けられていてもよい。分岐位置Ｋ１と蒸発器２４の入口との間で主回路２０に第２制御弁４０が設けられていると、冷却路３３における作動流体の流量をより正確に調節できる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本明細書に開示された技術は、電力のみを生成するシステムだけでなく、ＣＨＰシステムなどのコジェネレーションシステムに好適に採用できる。本明細書に開示された技術は、特に、電力需要が頻繁に変化するシステムに好適である。
【符号の説明】
【００９５】
１８，１８Ｂ，１８Ｃ  ランキンサイクル装置
２０  主回路
２１  膨張機
２２  凝縮器
２３  ポンプ
２４  蒸発器
２４ａ，２４ｂ  隔離部
２５  再熱器
２６  発電機
２７  フィン
２８  伝熱管
２９  ベンド管
３０  熱媒体回路
３１  ポンプ
３２  放熱器
３３  冷却路
３５  制御弁（第１制御弁）
３８  圧力センサ
３９  温度センサ
４０  第２制御弁
５０  制御装置
１００，２００，３００  ＣＨＰシステム
【図１】
2014227903.tif 000003
【図２Ａ】
2014227903.tif 000004
【図２Ｂ】
2014227903.tif 000005
【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８】
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【図９】
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