(57)【要約】【課題】膨張機において回転動力を確保しつつ気体軸受に気体状態の作動流体を供給するのに適した技術を提供する。【解決手段】  膨張機１１２の第１容器１１２ｄの内部空間１０４は、膨張機構１１２ａ、発電機１１６、回転軸１１２ｂ及び気体軸受１１２ｃを収納している。作動流体が流れる第１循環経路２０１と、作動流体が流れる第２循環経路２０２と、が構成されている。第１循環経路２０１において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、蒸発器１１１と、第１入口１０５ｉと、膨張機構１１２ａと、第１出口１０５ｏと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。第２循環経路２０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６とが熱交換を行う。【選択図】図１
2019027338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクル装置であって、
前記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、を含み、
前記膨張機は、膨張機構と、発電機と、回転軸と、気体軸受と、第１容器と、第２容器と、を含み、
前記発電機は、回転子と、固定子と、を含み、
前記回転軸は、前記膨張機構と前記回転子とを連結し、
前記気体軸受は、前記回転軸を支持し、
前記第１容器は、内部空間と、第１入口と、第１出口と、第２入口と、第２出口と、を含み、
前記内部空間は、前記膨張機構、前記発電機、前記回転軸及び前記気体軸受を収納し、
前記第２容器は、前記第１容器に取り付けられており、
前記ランキンサイクル装置では、作動流体が流れる第１循環経路と、前記作動流体が流れる第２循環経路と、が構成されており、
前記第１循環経路において、前記ポンプと、第１接続点と、前記蒸発器と、前記第１入口と、前記膨張機構と、前記第１出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２容器における前記作動流体と前記発電機とが熱交換を行う、ランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記ランキンサイクル装置は、気液分離器を含み、
前記ランキンサイクル装置では、前記作動流体が流れる第３循環経路が構成されており、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記気液分離器の入口と、前記気液分離器の気体出口と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第３循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記気液分離器の前記入口と、前記気液分離器の液出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れる、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記ランキンサイクル装置は、再熱器を含み、
前記再熱器は、熱付与路と、熱回収路と、を含み、
前記第１循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記熱回収路と、前記蒸発器と、前記第１入口と、前記膨張機構と、前記第１出口と、前記熱付与路と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記熱付与路と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記熱付与路における前記作動流体と前記熱回収路における前記作動流体とが熱交換を行う、請求項１又は２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記ランキンサイクル装置は、減圧器を含み、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記減圧器と、前記第２容器と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記ランキンサイクル装置は、前記回転軸の軸方向に垂直な断面であって、前記発電機と、前記第１容器を構成する壁と、前記第２容器とがこの順に並ぶ断面を有する、請求項１〜４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】
気体軸受を用いたランキンサイクル装置について、種々の検討が行われている。特許文献１には、そのような装置の一例が開示されている。
【０００３】
図６は、特許文献１のランキンサイクル装置のシステム図である。この装置は、ボイラー９と、過熱器１０と、膨張機２と、復水器７と、ポンプ８と、を有している。
【０００４】
ボイラー９は、蒸気発生手段である。ボイラー９は、作動流体を加熱及び沸騰させる。これにより、作動流体は、飽和蒸気になる。次に、過熱器１０は、作動流体を過熱蒸気にする。次に、膨張機２は、作動流体を断熱膨張させる。これにより、作動流体は、低圧飽和蒸気となる。また、膨張機２のタービンが回転する。次に、復水器７は、作動流体を凝縮させる。次に、ポンプ８は、作動流体を加圧する。加圧された作動流体は、再びボイラー９に流入する。
【０００５】
図７は、膨張機２等の構造図である。膨張機２は、遠心式の膨張機である。過熱器１０で過熱蒸気となった作動流体は、蒸気入口５７を経由して、タービン５５に供給される。タービン５５は、作動流体を断熱膨張させる。これにより、作動流体は、飽和蒸気となる。飽和蒸気となった作動流体は、蒸気出口５８を経由して復水器７に流入する。
【０００６】
膨張機ケーシング５６、膨張機バックケーシング２７及び膨張機軸受５２は、膨張室を形成している。この膨張室内で、タービン５５は高速回転する。膨張機２のシャフトすなわちタービン軸５３の一端には、タービン５５が固定されている。タービン軸５３は、膨張機軸受５２及び膨張機スラスト軸受５１によって支持されている。
【０００７】
両軸受５２、５１は、静圧気体軸受である。両軸受５２、５１とタービン軸５３との間には、隙間がある。ボイラー９で生成された飽和蒸気は、軸受蒸気導管６０及び蒸気通路５４を経由して、上記隙間に導入される。この飽和蒸気は、両軸受５２、５１の作動流体として用いられる。作動流体は、軸受の絞り部及び軸の間の空隙部と、隣接部空間７０と、低圧蒸気導管５９とを流れ、蒸気出口５８に至る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平２−０５００５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１の技術には、膨張機において回転動力を確保する観点から、改善の余地がある。
【００１０】
本開示は、膨張機において回転動力を確保しつつ気体軸受に気体状態の作動流体を供給するのに適した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】
【００１１】
本開示は、
ランキンサイクル装置であって、
前記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、を含み、
前記膨張機は、膨張機構と、発電機と、回転軸と、気体軸受と、第１容器と、第２容器と、を含み、
前記発電機は、回転子と、固定子と、を含み、
前記回転軸は、前記膨張機構と前記回転子とを連結し、
前記気体軸受は、前記回転軸を支持し、
前記第１容器は、内部空間と、第１入口と、第１出口と、第２入口と、第２出口と、を含み、
前記内部空間は、前記膨張機構、前記発電機、前記回転軸及び前記気体軸受を収納し、
前記第２容器は、前記第１容器に取り付けられており、
前記ランキンサイクル装置では、作動流体が流れる第１循環経路と、前記作動流体が流れる第２循環経路と、が構成されており、
前記第１循環経路において、前記ポンプと、第１接続点と、前記蒸発器と、前記第１入口と、前記膨張機構と、前記第１出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２容器における前記作動流体と前記発電機とが熱交換を行う、ランキンサイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本開示に係る技術は、膨張機において回転動力を確保しつつ気体軸受に気体状態の作動流体を供給するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係るランキンサイクル装置の構成図
【図２】実施の形態２に係るランキンサイクル装置の構成図
【図３】実施の形態３に係るランキンサイクル装置の構成図
【図４】実施の形態４に係るランキンサイクル装置の構成図
【図５】減圧器の作用を説明するためのモリエル線図
【図６】特許文献１のランキンサイクル装置のシステム図
【図７】特許文献１の膨張機等の構造図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（本発明者らによる知見）
特許文献１のランキンサイクル装置では、ボイラー９において、作動流体に熱が与えられ、作動流体が飽和蒸気となる。そして、その熱を有したままの状態で、飽和蒸気が、軸受蒸気導管６０を経由して、両軸受５２、５１に供給される。
【００１５】
しかしながら、そのようにすると、ボイラー９で発生した熱の一部が、タービン５５に供給されず、気体軸受に供給される作動流体の気化に利用されることになる。このため、この気化に利用された熱の分だけタービン５５で得られる回転動力が低下する。
【００１６】
本開示は、膨張機において回転動力を確保しつつ気体軸受に気体状態の作動流体を供給するのに適した技術を提供することを目的とする。
【００１７】
本開示の第１態様は、
ランキンサイクル装置であって、
前記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、を含み、
前記膨張機は、膨張機構と、発電機と、回転軸と、気体軸受と、第１容器と、第２容器と、を含み、
前記発電機は、回転子と、固定子と、を含み、
前記回転軸は、前記膨張機構と前記回転子とを連結し、
前記気体軸受は、前記回転軸を支持し、
前記第１容器は、内部空間と、第１入口と、第１出口と、第２入口と、第２出口と、を含み、
前記内部空間は、前記膨張機構、前記発電機、前記回転軸及び前記気体軸受を収納し、
前記第２容器は、前記第１容器に取り付けられており、
前記ランキンサイクル装置では、作動流体が流れる第１循環経路と、前記作動流体が流れる第２循環経路と、が構成されており、
前記第１循環経路において、前記ポンプと、第１接続点と、前記蒸発器と、前記第１入口と、前記膨張機構と、前記第１出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２容器における前記作動流体と前記発電機とが熱交換を行う、ランキンサイクル装置を提供する。
【００１８】
第１態様によれば、第２循環経路により、ポンプから第１接続点を介して第２容器へと液体の作動流体を供給することができる。第２容器は第１容器に取り付けられており、第１容器の内部空間には発電機が収納されている。このため、第２容器における作動流体と発電機との間で熱交換を行うことができる。この熱交換により、発電機を冷却し、作動流体を加熱及び気化させることができる。また、第２循環経路により、第２容器から第１容器の内部空間へと、気体状態の作動流体を供給することができる。このため、内部空間に収納された気体軸受に、気体状態の作動流体を供給することができる。
【００１９】
このように、第１態様によれば、気体状態の作動流体を気体軸受に供給することができる。しかも、作動流体を気化させるのに、蒸発器の熱ではなく、発電機の熱を用いることができる。このため、膨張機構において回転動力が確保され易い。以上の理由で、第１態様に係る技術は、膨張機において回転動力を確保しつつ気体軸受に気体状態の作動流体を供給するのに適している。また、発電機における発電量を確保することにも適している。
【００２０】
本開示の第２態様は、第１態様に加え、
前記ランキンサイクル装置は、気液分離器を含み、
前記ランキンサイクル装置では、前記作動流体が流れる第３循環経路が構成されており、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記気液分離器の入口と、前記気液分離器の気体出口と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第３循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記気液分離器の前記入口と、前記気液分離器の液出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れる、ランキンサイクル装置を提供する。
【００２１】
発電機の発電量が小さい期間においては、発電機の発熱量が小さくなる。この期間では、第２容器から流出した作動流体は、気液二相状態となり得る。このような場合であっても、第２態様の気液分離器によれば、気液二相状態の作動流体を、気体状態の作動流体と液体状態の作動流体とに分離することができる。そして、気体状態の作動流体を、気体軸受に供給することができる。
【００２２】
本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加え、
前記ランキンサイクル装置は、再熱器を含み、
前記再熱器は、熱付与路と、熱回収路と、を含み、
前記第１循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記熱回収路と、前記蒸発器と、前記第１入口と、前記膨張機構と、前記第１出口と、前記熱付与路と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記第２容器と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記熱付与路と、前記凝縮器と、がこの順に現れ、
前記熱付与路における前記作動流体と前記熱回収路における前記作動流体とが熱交換を行う、ランキンサイクル装置を提供する。
【００２３】
第３態様では、第２容器で加熱された作動流体が、第１容器の内部空間を経由して、再熱器の熱付与路に流入する。再熱器では、熱回収路における作動流体と熱付与路における作動流体との間で熱交換が行われる。この熱交換により、熱回収路における作動流体が加熱される。加熱された作動流体は、蒸発器及び膨張機構へと流れていく。このため、熱回収路で作動流体に与えられた熱の分だけ、膨張機構で得られる回転動力を増加させることができる。また、この分だけ、発電機における発電量を増加させることができる。このように、第３態様によれば、発電機の熱を、回転動力増加及び発電量増加に寄与させることができる。
【００２４】
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つに加え、
前記ランキンサイクル装置は、減圧器を含み、
前記第２循環経路において、前記ポンプと、前記第１接続点と、前記減圧器と、前記第２容器と、前記第２入口と、前記内部空間と、前記第２出口と、前記凝縮器と、がこの順に現れる、ランキンサイクル装置を提供する。
【００２５】
第４態様の減圧器によれば、第２容器に、減圧した作動流体を供給することができる。この減圧により、作動流体の飽和温度が下がる。ここで、飽和温度は、作動流体が蒸発を開始する温度を指す。飽和温度が下がっているため、第２容器における作動流体は、発電機から与えられる熱が比較的小さい場合であっても、気化することができる。このため、第４態様によれば、発電機の発熱が小さく発電機の温度が低い期間においても、第２容器における作動流体を気化させ易い。
【００２６】
本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つに加え、
前記ランキンサイクル装置は、前記回転軸の軸方向に垂直な断面であって、前記発電機と、前記第１容器を構成する壁と、前記第２容器とがこの順に並ぶ断面を有する、ランキンサイクル装置を提供する。
【００２７】
第５態様によれば、第２容器における作動流体と発電機との間で熱交換を好適に行うことができる。
【００２８】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施の形態に限定されない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるランキンサイクル装置２００の構成図である。
【００３０】
ランキンサイクル装置２００では、作動流体が流れる。作動流体としては、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、アルコール等が挙げられる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３３ｚｄ、Ｒ−３６５ｍｆｃ等が挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタン等のアルカンが挙げられる。アルコールとして、エタノール等が挙げられる。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。
【００３１】
ランキンサイクル装置２００は、ポンプ１１５と、蒸発器１１１と、膨張機１１２と、凝縮器１１３と、を含んでいる。ランキンサイクル装置２００は、第１温度センサ１５１と、第２温度センサ１５２と、第３温度センサ１５３と、を含んでいる。ランキンサイクル装置２００は、第１弁１４１と、第２弁１４２と、第３弁１４３と、第４弁１４４と、を含んでいる。ランキンサイクル装置２００は、ヒーター１１９を含んでいる。ランキンサイクル装置２００は、制御装置１５０を含んでいる。
【００３２】
蒸発器１１１は、熱源（図示省略）で生成された熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器１１１は、例えばフィンチューブ熱交換器であり、熱源ガスの経路上に位置するように配置されている。熱源ガスとランキンサイクル装置２００の作動流体とが蒸発器１１１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。この加熱には、例えば、工場、焼却炉等の施設から排出された廃熱エネルギーを利用することができる。
【００３３】
膨張機１１２は、膨張機構１１２ａと、発電機１１６と、回転軸１１２ｂと、少なくとも１つの気体軸受１１２ｃと、第１容器１１２ｄと、第２容器１１２ｅと、を含んでいる。
【００３４】
膨張機構１１２ａは、作動流体を膨張させる。これにより、作動流体の膨張エネルギーが、回転動力に変換される。
【００３５】
発電機１１６は、回転子１１６ａと、固定子１１６ｂと、を含んでいる。典型的には、固定子１１６ｂは、回転子１１６ａの近傍に設けられる。図１の例では、固定子１１６ｂは、回転子１１６ａを取り囲んでいる。また、固定子１１６ｂは、第１容器１１２ｄに固定されている。発電機１１６は、例えば、永久磁石同期発電機である。
【００３６】
回転軸１１２ｂは、膨張機構１１２ａと回転子１１６ａとを連結している。このため、膨張機構１１２ａで得られた回転動力により、膨張機構１１２ａとともに、回転軸１１２ｂ及び回転子１１６ａが回転する。回転子１１６ａが回転すると、回転磁界が発生する。回転磁界が発生すると、固定子１１６ｂにおいて電気が発生する。このようにして、膨張機構１１２ａによって発電機１１６が駆動され、発電機１１２において発電がなされる。固定子１１６ｂにおいて発生した電気は、固定子１１６ｂに接続された配線を通じて、外部に供給される。
【００３７】
少なくとも１つの気体軸受１１２ｃは、回転軸１１２ｂを支持している。具体的には、少なくとも１つの気体軸受１１２ｃは、回転軸１１２ｂを回転自在に支持している。
【００３８】
本実施の形態では、気体軸受１１２ｃは複数存在する。複数の気体軸受１１２ｃは、少なくとも１つのラジアル気体軸受と、少なくとも１つのスラスト気体軸受と、を含んでいる。図１の例では、ラジアル気体軸受の数は２つであり、スラスト気体軸受の数は１つである。ただし、ラジアル気体軸受及びスラスト気体軸受の位置及び数は、これに限定されない。
【００３９】
ラジアル気体軸受は、回転軸１１２ｂを、回転軸１１２ｂの半径方向から支持している。スラスト気体軸受は、回転軸１１２ｂを、回転軸１１２ｂの軸方向から支持している。２つのラジアル気体軸受は、回転子１１６ａの回転軸１１２ｂへの取り付け位置近傍に設けられている。回転軸１１２ｂの軸方向に関し、２つのラジアル気体軸受は、回転子１１６ａからみて互いに反対側に位置している。回転軸１１２ｂの軸方向に関し、スラスト気体軸受は、膨張機構１１２ａと回転子１１６ａの間に設けられている。
【００４０】
なお、膨張機１１２が有する気体軸受１１２ｃの数は１つであってもよい。膨張機１１２は、気体軸受１１２ｃと、気体軸受ではない軸受と、を有していてもよい。
【００４１】
気体軸受の形式には、動圧式と静圧式がある。動圧式の気体軸受は、回転軸の回転により発生する動圧により、回転軸を支持する。静圧式の気体軸受には、軸受の外部から継続して気体が供給される。静圧式の気体軸受は、この供給気体の静圧により、回転軸を支持する。気体軸受１１２ｃとして、動圧式の気体軸受を用いることができる。また、気体軸受１１２ｃとして、静圧式の気体軸受を用いることもできる。
【００４２】
本実施の形態によれば、気体軸受１１２ｃの周囲を気体とすることができる。これにより、気体軸受１１２ｃの周囲の液体が異常圧縮して気体軸受１１２ｃが焼きつく事態を防止できる。この効果は、気体軸受１１２ｃの形式が静圧式の場合にも動圧式の場合にも発揮され得る。気体軸受１１２ｃの周囲を気体とすることができる理由については後述する。
【００４３】
第１容器１１２ｄは、内部空間１０４と、第１入口１０５ｉと、第１出口１０５ｏと、第２入口１０６ｉと、第２出口１０６ｏと、を含んでいる。第１入口１０５ｉ、第１出口１０５ｏ、第２入口１０６ｉ及び第２出口１０６ｏは、それぞれ、内部空間１０４と連通している。
【００４４】
内部空間１０４は、膨張機構１１２ａ、発電機１１６、回転軸１１２ｂ及び少なくとも１つの気体軸受１１２ｃを収納している。
【００４５】
第２容器１１２ｅは、第１容器１１２ｄに取り付けられている。第２容器１１２ｅの詳細については後述する。
【００４６】
膨張機１１２は、例えば、容積型又は速度型の膨張機である。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、往復膨張機等が挙げられる。速度型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。
【００４７】
凝縮器１１３は、膨張機１１２から吐出された高温の作動流体を、作動流体の温度より低い温度の空気、水等の他の冷却媒体により冷却する。凝縮器１１３として、フィンチューブ熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器等の公知の熱交換器を使用できる。
【００４８】
凝縮器１１３の種類は、冷却する媒体の種類に応じて適切に選択される。冷却する媒体が水等の液体のとき、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器を凝縮器１１３に好適に使用できる。冷却する媒体が空気等の気体のとき、フィンチューブ熱交換器を凝縮器１１３に好適に使用できる。
【００４９】
ポンプ１１５は、電動式のポンプである。ポンプ１１５は、液体の作動流体を循環させることができる。具体的に、ポンプ１１５は、凝縮器１１３から流出した作動流体を吸い込み、加圧する。これにより、加圧された作動流体が蒸発器１１１に供給される。
【００５０】
ポンプ１１５として、一般的な容積型又は速度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、ロータリポンプ等が挙げられる。速度型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプ等が挙げられる。
【００５１】
ポンプ１１５は、膨張機１１２とは連結されていない。つまり、ポンプ１１５の回転軸と膨張機１１２の回転軸１１２ｂとは切り離されている。このため、ポンプ１１５は、膨張機１１２から独立して動作できる。
【００５２】
ランキンサイクル装置２００では、作動流体が流れる第１循環経路２０１が構成されている。第１循環経路２０１において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、蒸発器１１１と、第１入口１０５ｉと、膨張機構１１２ａと、第１出口１０５ｏと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第１循環経路２０１において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、蒸発器１１１と、第２温度センサ１５２と、第２接続点ｐ２と、第１弁１４１と、第１入口１０５ｉと、膨張機構１１２ａと、第１出口１０５ｏと、第３接続点ｐ３と、第４接続点ｐ４と、凝縮器１１３と、第１温度センサ１５１と、がこの順に現れる。ランキンサイクル装置２００におけるこれらの要素の接続には、複数の配管が用いられている。
【００５３】
以下、第１循環経路２０１において現れる要素について、さらに説明する。
【００５４】
第２温度センサ１５２は、第１循環経路２０１における蒸発器１１１の出口と膨張機１１２の第１入口１０５ｉの間の部分に存する作動流体の温度Ｔｅを検出する。本実施の形態の第２温度センサ１５２は、作動流体に接触することによって温度Ｔｅを直接的に検出するものである。ただし、第２温度センサ１５２は、第１循環経路２０１を形成する壁の温度を検出することによって温度Ｔｅを間接的に検出するものであってもよい。壁は、典型的には配管によって構成される。なお、「第１循環経路２０１における蒸発器１１１の出口と膨張機１１２の第１入口１０５ｉの間の部分」は、蒸発器１１１の出口及び膨張機１１２の第１入口１０５ｉを含む。
【００５５】
第２温度センサ１５２の位置は、第２温度センサ１５２が温度Ｔｅを検出できる位置であれば、特に限定されない。第２温度センサ１５２は、蒸発器１１１の出口と膨張機１１２の第１入口１０５ｉの間の上記部分におけるいずれかの箇所に設けられ得る。また、第２温度センサ１５２は、該部分を形成する壁のいずれかの箇所に設けられ得る。膨張機１１２の配線と第２温度センサ１５２の配線とを近づけてこれらの配線を取り扱い易くする観点からは、第２温度センサ１５２を第１入口１０５ｉに設けることができる。
【００５６】
第２温度センサ１５２は、温度Ｔｅを表す信号（検出信号）を制御装置１５０に送信する。
【００５７】
第１弁１４１は、第１循環経路２０１のうち蒸発器１１１の出口と第１入口１０５ｉの間の部分に現れる。具体的には、第１弁１４１は、第１循環経路２０１のうち第２接続点ｐ２と第１入口１０５ｉの間の部分に現れる。第１弁１４１は、開度を変更可能な弁である。第１弁１４１の開度を変更することによって、第１入口１０５ｉを介して膨張機１１２の膨張機構１１２ａに供給する作動流体の流量を調節できる。ただし、第１弁１４１として電磁式の開閉弁を用いてもよい。
【００５８】
第１弁１４１によれば、膨張機１１２の膨張機構１１２ａへの作動流体の供給量を制御することができる。第１弁１４１を膨張機供給制御弁１４１と称することができる。
【００５９】
なお、本明細書では、「開度」とは、弁を全開にしたときに作動流体が通る通路の断面積を１００％としたときの、作動流体が通る通路の断面積を百分率で表したものである。
【００６０】
第１温度センサ１５１は、第１循環経路２０１における凝縮器１１３の出口とポンプ１１５の入口の間の部分に存する作動流体の温度Ｔｐを検出する。本実施の形態の第１温度センサ１５１は、作動流体に接触することによって温度Ｔｐを直接的に検出するものである。ただし、第１温度センサ１５１は、第１循環経路２０１を形成する壁の温度を検出することによって温度Ｔｐを間接的に検出するものであってもよい。壁は、典型的には配管によって構成される。なお、「第１循環経路２０１における凝縮器１１３の出口とポンプ１１５の入口の間の部分」は、凝縮器１１３の出口及びポンプ１１５の入口を含む。
【００６１】
第１温度センサ１５１の位置は、第１温度センサ１５１が温度Ｔｐを検出できる位置であれば、特に限定されない。第１温度センサ１５１は、凝縮器１１３の出口とポンプ１１５の入口の間の上記部分におけるいずれかの箇所に設けられ得る。また、第１温度センサ１５１は、該部分を形成する壁のいずれかの箇所に設けられ得る。
【００６２】
第１温度センサ１５１は、温度Ｔｐの検出信号を制御装置１５０に送信する。
【００６３】
ランキンサイクル装置２００では、作動流体が流れる第４循環経路２０４も構成されている。第４循環経路２０４において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、蒸発器１１１と、第２接続点ｐ２と、第２弁１４２と、第３接続点ｐ３と、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【００６４】
第４循環経路２０４は、第２接続点ｐ２から第２弁１４２を経由して第３接続点ｐ３に延びる部分を有している。この部分は、膨張機１１２を迂回しつつ、第２接続点ｐ２と第３接続点ｐ３とを接続している。この部分を、バイパス経路１３１と称することができる。第２弁１４２をバイパス弁１４２と称することができる。バイパス弁１４２の上流端は、第２接続点ｐ２に接続されている。バイパス弁１４２の下流端は、第３接続点ｐ３に接続されている。バイパス経路１３１においてバイパス弁１４２が現れる。
【００６５】
第２弁１４２は、開度を変更可能な弁である。第２弁１４２の開度を変更することによって、膨張機１１２をバイパスする作動流体の流量を調節できる。ただし、第２弁１４２として電磁式の開閉弁を用いてもよい。
【００６６】
ランキンサイクル装置２００では、作動流体が流れる第２循環経路２０２も構成されている。第２循環経路２０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第２循環経路２０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、第３弁１４３と、ヒーター１１９と、第３温度センサ１５３と、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、第４弁１４４と、第４接続点ｐ４と、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【００６７】
第２循環経路２０２により、ポンプ１１５から流出した作動流体の一部が、第１接続点ｐ１を経由して、第２容器１１２ｅの内部空間に流入する。第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６とは、熱交換を行う。この熱交換により、発電機１１６が冷却される。また、この熱交換により、第２容器１１２ｅにおける作動流体を加熱及び気化させることができる。そして、第２循環経路２０２により、第２容器１１２ｅから第１容器１１２ｄの内部空間１０４へと、気体状態の作動流体を供給することができる。このため、内部空間１０４に収納された気体軸受１１２ｃに、気体状態の作動流体を供給することができる。
【００６８】
なお、本実施の形態では、仕切り１１２ｐが、内部空間１０４を、第１領域１０４ａと第２領域１０４ｂとに仕切っている。第１領域１０４ａは、膨張機構１１２ａを収納している。第１領域１０４ａにおいて、第１循環経路２０１のうち第１容器１１２ｄ内の部分が構成されている。第２領域１０４ｂは、発電機１１６を収納している。また、第２領域１０４ｂは、膨張機１１２が有する気体軸受１１２ｃの少なくとも１つ（典型的には全て）を収納している。第２領域１０４ｂにおいて、第２循環経路２０２のうち第１容器１１２ｄ内の部分が構成されている。仕切り１１２ｐによって、第１循環経路２０１と第２循環経路２０２との間の作動流体の漏れが抑制される。
【００６９】
仕切り１１２ｐの具体的構成は、特に限定されない。一具体例では、仕切り１１２ｐは、回転軸１１２ｂが貫通する穴を有する仕切板を含んでいる。この具体例では、仕切板の穴を規定する周壁と回転軸１１２ｂとの間には、隙間がある。このため、回転軸１１２ｂは、仕切板に接触することなく回転することができる。仕切り１１２ｐは、この隙間を介した作動流体の漏れが小さくなるように、リップシール等のシールをさらに含んでいてもよい。
【００７０】
本実施の形態では、ランキンサイクル装置２００は、回転軸１１２ｂの軸方向に垂直な断面であって、発電機１１６と、第１容器１１２ｄを構成する壁と、第２容器１１２ｅとがこの順に並ぶ断面を有する。このため、第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６との間で熱交換を好適に行うことができる。
【００７１】
具体的には、固定子１１６ｂは、回転子１１６ａの周囲に位置している。そして、第２容器１１２ｅにおける作動流体と固定子１１６ｂとが、熱交換を行う。また、ランキンサイクル装置２００は、回転軸１１２ｂの軸方向に垂直な断面であって、回転子１１６ａと、固定子１１６ｂと、第１容器１１２ｄを構成する壁と、第２容器１１２ｅとがこの順に並ぶ断面を有する。
【００７２】
典型的には、第２容器１１２ｅの内部空間の体積は、第１容器１１２ｄの内部空間１０４の体積よりも小さい。本実施の形態では、第２容器１１２ｅは、筒状形状を有している。第２容器１１２ｅは、第１容器１１２ｄを隙間なく取り囲んでいてもよい。第２容器１１２ｅとして、冷却ジャケット形式のものを使用することができる。
【００７３】
図１の例では、回転軸１１２ｂの軸方向に関し、第２容器１１２ｅは、発電機１１６と（具体的には固定子１１６ｂと）少なくとも部分的に重複し、気体軸受１１２ｃと重複しない位置にある。このような位置によれば、第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６（具体的には固定子１１６ｂ）との間で熱交換を好適に行うことができる。
【００７４】
また、本実施の形態では、回転軸１１２ｂの軸方向に関し、膨張機１１２が有する気体軸受１１２ｃの少なくとも１つ（具体的には全て）が、第２入口１０６ｉと第２出口１０６ｏの間の位置にある。このようにすれば、気体軸受１１２ｃに作動流体を好適に供給することができる。なお、「第２入口１０６ｉと第２出口１０６ｏの間の位置」は、第２入口１０６ｉの位置及び第２出口１０６ｏの位置を含む。
【００７５】
気体状態の作動流体は、気体軸受１１２ｃに供給された後に、第２出口１０６ｏを介して内部空間１０４から排出される。その後、作動流体は、凝縮器１１３に流入する。
【００７６】
第２循環経路２０２のうち、第１接続点ｐ１から第２容器１１２ｅに延びる部分では、発電機１１６の冷却に用いられる作動流体が流れる。この部分を、冷却経路１３２と称することができる。冷却経路１３２の上流端は、第１接続点ｐ１に接続されている。冷却経路１３２の下流端は、第２容器１１２ｅに接続されている。
【００７７】
第２循環経路２０２のうち、第２容器１１２ｅから第１容器１１２ｄの第２入口１０６ｉに延びる部分により、気体状態の作動流体が内部空間１０４に供給される。この部分を、気体供給経路１３３と称することができる。気体供給経路１３３の上流端は、第２容器１１２ｅに接続されている。気体供給経路１３３の下流端は、第２入口１０６ｉに接続されている。気体供給経路１３３において、第３弁１４３と、ヒーター１１９と、第３温度センサ１５３とが、現れる。具体的に、これらの要素が、この順で、気体供給経路１３３において現れる。
【００７８】
第３弁１４３は、開度を変更可能な弁である。第３弁１４３の開度を変更することによって、気体供給経路１３３を流れる作動流体の流量を調節できる。ただし、第３弁１４３として電磁式の開閉弁を用いてもよい。
【００７９】
第３弁１４３によれば、第１容器１１２ｄの内部空間１０４への気体状態の作動流体の供給量を制御することができる。第３弁１４３を、気体供給制御弁１４３と称することができる。
【００８０】
ヒーター１１９は、気体供給経路１３３を流れる作動流体を加熱する。ヒーター１１９は、気体供給経路１３３を形成する配管の内部に設けられていてもよい。この場合、直接的に作動流体を加熱することができる。また、ヒーター１１９は、この配管の外部に設けられていてもよい。この場合、配管を通じて間接的に作動流体を加熱することができる。
【００８１】
膨張機１１２を運転していないときには、発電機１１６は発熱しない。このため、第２容器１１２ｅにおいて、作動流体は気化しない。仮に、第２容器１１２ｅから気体軸受１１２ｃに液体の作動流体を供給したとする。この状態で膨張機１１２が運転されると、気体軸受１１２ｃにおいて焼きつきが発生するおそれがある。そこで、本実施の形態では、膨張機１１２の運転開始から発電機１１６の熱により第２容器１１２ｅにおいて気体状態の作動流体が生成されるまでの期間において、ヒーター１１９により作動流体を加熱する。これにより、この期間においても、第１容器１１２ｄに気体状態の作動流体を供給することができる。
【００８２】
第３温度センサ１５３は、気体供給経路１３３に存する作動流体の温度Ｔｇを検出する。本実施の形態の第３温度センサ１５３は、作動流体に接触することによって温度Ｔｇを直接的に検出するものである。ただし、第３温度センサ１５３は、気体供給経路１３３を形成する壁の温度を検出することによって温度Ｔｇを間接的に検出するものであってもよい。壁は、典型的には配管によって構成される。
【００８３】
第３温度センサ１５３の位置は、第３温度センサ１５３が温度Ｔｇを検出できる位置であれば、特に限定されない。第３温度センサ１５３は、気体供給経路１３３におけるいずれかの箇所に設けられ得る。また、第３温度センサ１５３は、該部分を形成する壁のいずれかの箇所に設けられ得る。
【００８４】
本実施の形態の気体供給経路１３３では、第３温度センサ１５３は、ヒーター１１９よりも下流側にある。このため、第３温度センサ１５３により、ヒーター１１９による加熱量を確認することができる。
【００８５】
第３温度センサ１５３は、温度Ｔｇを表す信号（検出信号）を制御装置１５０に送信する。
【００８６】
第２循環経路２０２のうち、第１容器１１２ｄの第２出口１０６ｏから第４接続点ｐ４に延びる部分により、気体状態の作動流体が内部空間１０４から排出される。この部分を、気体排出経路１３４と称することができる。気体排出経路１３４の上流端は、第２出口１０６ｏに接続されている。気体排出経路１３４の下流端は、第４接続点ｐ４に接続されている。また、気体排出経路１３４において、第４弁１４４が現れる。
【００８７】
第４弁１４４は、開度を変更可能な弁である。第４弁１４４の開度を変更することによって、気体排出流路１３４を流れる作動流体の流量を調節できる。ただし、第４弁１４４として電磁式の開閉弁を用いてもよい。
【００８８】
第４弁１４４によれば、第１容器１１２ｄの第２出口１０６ｏからの気体状態の作動流体の排出量を制御することができる。第４弁１４４を、気体排出制御弁１４４と称することができる。
【００８９】
本実施の形態では、気体排出経路１３４の接続先である第４接続点ｐ４は、第１循環経路２０１のうち第３接続点ｐ３と凝縮器１１３の入口の間の部分にある。このようにすれば、第１出口１０５ｏを通じて第１容器１１２ｄの内部空間１０４から流出する作動流体の流れを妨げ難い。ただし、第４接続点ｐ４は、第１循環経路２０１のうち第１出口１０５ｏと凝縮器１１３の入口の間の任意の部分に設定され得る。また、第４接続点ｐ４は、バイパス経路１３１のうち第２弁１４２の出口と第３接続点ｐ３の間の任意の部分に設定され得る。
【００９０】
制御装置１５０は、第１温度センサ１５１の検出温度Ｔｐ、第２温度センサ１５２の検出温度Ｔｅ及び第３温度センサ１５３の検出温度Ｔｇを、それぞれ、信号として取得する。制御装置１５０は、これらの信号を用いてランキンサイクル装置２００の構成要素を制御することができる。また、制御装置１５０は、発電機１１６の発電量に基づいて、ランキンサイクル装置２００の構成要素を制御することができる。
【００９１】
例えば、制御装置１５０は、検出温度Ｔｐに基づいて、ポンプ１１５の回転数を増減させたり、膨張機１１２の回転数を増減させたり、凝縮器１１３における作動流体の冷却量を増減させたりする。また、制御装置１５０は、検出温度Ｔｐに基づいて、第２容器１１２ｅに流入する作動流体の温度を推測する。制御装置１５０は、推測された温度に基づいて、第３弁１４３及び第４弁１４４の開度を調整する。これらの開度の調整を通じて、第２容器１１２ｅにおける発電機１１６の冷却量が制御され得る。一具体例では、制御装置１５０は、第１温度センサ１５１の検出温度Ｔｐが低いときほど、第３弁１４３及び第４弁１４４の開度を小さくする。
【００９２】
また、例えば、制御装置１５０は、検出温度Ｔｅが予め設定された閾値温度を超えたときに、第３弁１４３（及び第４弁１４４）を開き、ヒーター１１９による加熱を開始させる。これにより、内部空間１０４内の気体軸受１１２ｃに、気体状態の作動流体が供給され始める。
【００９３】
また、例えば、制御装置１５０は、検出温度Ｔｇが予め設定された閾値温度を超えたときに、第１弁１４１を開き、膨張機１１２の運転を開始させる。制御装置１５０は、検出温度Ｔｇに基づいて、ヒーター１１９の加熱量を制御する。
【００９４】
発電機１１６の発電量に基づいた制御について、説明する。一例では、発電量に応じて、第３弁１４３の開度を調整する。具体的には、発電量が大きいときほど、第３弁１４３の開度を大きくする。このようにすれば、発電量が大きいときほど、気体供給経路１３３を流れる作動流体の流量が大きくなる。これにより、発電機１１６の温度が過度に上昇することを防止することができる。
【００９５】
また、このように第３弁１４３の開度を制御しつつ、第４弁１４４の開度を発電機１１６の発電量に応じて制御することもできる。具体的には、発電量が大きいときほど、第４弁１４４の開度を大きくすることができる。これにより、気体供給経路１３３を流れる作動流体の流量増加に伴って第１容器１１２ｄの内部空間１０４の圧力が上昇し続ける事態を回避することができる。
【００９６】
上述のように、第１循環経路２０１では、ポンプ１１５は、作動流体を圧送し、循環させる。蒸発器１１１は、熱源からの熱を用いて作動流体を加熱する。これにより、作動流体が気体、具体的には過熱蒸気の状態となる。膨張機１１２には、過熱蒸気の作動流体が流入する。流入した作動流体は、膨張機１１２内で断熱膨張する。これにより、膨張機１１２の膨張機構１１２ａに駆動力が生じ、膨張機構１１２ａが動作する。つまり、膨張機構１１２ａによって、膨張エネルギーが機械エネルギーへと変換される。膨張機構１１２ａの動作に伴い、発電機１１６が動作し、発電する。つまり、発電機１１６によって、機械エネルギーが電気エネルギーへと変換される。要するに、膨張機構１１２ａ及び発電機１１６によって、膨張エネルギーが電気エネルギーへと変換される。凝縮器１１３は、冷却空気、冷却水等を用いて、膨張機構１１２ａから吐出された作動流体を冷却する。これにより、作動流体が凝縮して液体の状態となる。液体の作動流体は、ポンプ１１５に吸い込まれる。
【００９７】
第２循環経路２０２の一部は、第１循環経路２０１の一部と重複している。第２循環経路２０２では、ポンプ１１５から流出した液体状態の作動流体の一部が、第１接続点ｐ１及び冷却経路１３２を経由して、第２容器１１２ｅに流入する。第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６とが、熱交換を行う。熱交換後で得られた気体状態の作動流体は、気体供給経路１３３を経由して、第１容器１１２ｄの内部空間１０４に流入し、気体軸受１１２ｃに供給される。その後、作動流体は、気体排出経路１３４を経由して、凝縮器１１３に流入する。凝縮器１１３は、膨張機構１１２ａを通過した作動流体とともに、第２容器１１２ｅを通過した作動流体を冷却する。第３弁１４３及び第４弁１４４を開くことにより、ポンプ１１５の出口における作動流体の圧力と凝縮器１１３の入口における作動流体の圧力との差に基づいて、作動流体が第２循環経路２０２を循環することができる。
【００９８】
発電機１１６では、電気エネルギーが生成される際に、鉄損及び銅損が発生する。これらの損失は、熱エネルギーとなる。つまり、これらの損失に相当するエネルギーの分だけ、発電機１１６で熱が発生し、発電機１１６の温度が上昇する。この温度上昇を放置し続けると、発電機１１６を構成する部材の材料が熱で劣化したり、同部材が破損したりするおそれがある。しかしながら、本実施の形態では、第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６との間の熱交換により、発電機１１６が冷却される。このため、発電機１１６の構成部材の劣化及び破損を防止することができる。
【００９９】
一方、第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６との間の熱交換により、第２容器１１２ｅにおける作動流体は、加熱され、気化する。これにより、膨張機１１２の収容空間１０４に存する気体軸受１１２ｃに、気体状態の作動流体を供給することが可能となる。
【０１００】
気体軸受１１２ｃに供給された作動流体は、気体排出経路１３４を経由して、第１容器１１２ｄの内部空間１０４の外に排出される。これにより、内部空間１０４の圧力が上昇し、ポンプ１１５の出口と内部空間１０４との間の圧力差がなくなり、内部空間１０４への作動流体供給が不可能となる事態を回避することができる。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態によれば、第２循環経路２０２により、ポンプ１１５から第１接続点ｐ１を介して第２容器１１２ｅへと液体の作動流体を供給することができる。第２容器１１２ｅは第１容器１１２ｄに取り付けられており、第１容器１１２ｄの内部空間１０４には発電機１１６が収納されている。このため、第２容器１１２ｅにおける作動流体と発電機１１６との間で熱交換を行うことができる。この熱交換により、発電機１１６を冷却し、作動流体を加熱及び気化させることができる。また、第２循環経路２０２により、第２容器１１２ｅから第１容器１１２ｄの内部空間１０４へと、気体状態の作動流体を供給することができる。このため、内部空間１０４に収納された気体軸受１１２ｃに、気体状態の作動流体を供給することができる。
【０１０２】
このように、本実施の形態によれば、気体状態の作動流体を気体軸受１１２ｃに供給することができる。しかも、作動流体を気化させるのに、蒸発器１１１の熱ではなく、発電機１１６の熱を用いることができる。このため、膨張機構１１２ａにおいて回転動力が確保され易い。以上の理由で、本実施の形態に係る技術は、膨張機１１２において回転動力を確保しつつ気体軸受１１２ｃに気体状態の作動流体を供給するのに適している。また、発電機１１６における発電量を確保することにも適している。
【０１０３】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２のランキサイクル装置について説明する。図２は実施の形態２におけるランキンサイクル装置３００の構成図である。実施の形態２では、実施の形態１と共通する部分については、説明を省略することがある。
【０１０４】
ランキンサイクル装置３００は、ヒーター１１９を有していない。一方、ランキンサイクル装置３００は、気液分離器１１７を含んでいる。また、ランキンサイクル装置３００は、第５弁１４５と、第６弁１４６と、を含んでいる。
【０１０５】
本実施の形態のランキンサイクル装置３００では、第１循環経路２０１において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、蒸発器１１１と、第５接続点ｐ５と、第２温度センサ１５２と、第２接続点ｐ２と、第１入口１０５ｉと、膨張機構１１２ａと、第１出口１０５ｏと、第３接続点ｐ３と、第６接続点ｐ６と、第４接続点ｐ４と、凝縮器１１３と、第１温度センサ１５１と、がこの順に現れる。
【０１０６】
ランキンサイクル装置３００では、第２循環経路２０２に代えて、第２循環経路３０２が構成されている。第２循環経路３０２は、作動流体が流れる経路である。第２循環経路３０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、気液分離器１１７の入口１１７ｉと、気液分離器１１７の気体出口１１７ｏｇと、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第２循環経路３０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、入口１１７ｉと、気体出口１１７ｏｇと、第３温度センサ１５３と、第３弁１４３と、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、第４弁１４４と、第４接続点ｐ４と、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【０１０７】
ランキンサイクル装置３００では、作動流体が流れる第３循環経路３０３が構成されている。第３循環経路３０３において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、気液分離器１１７の入口１１７ｉと、気液分離器１１７の液出口１１７ｏｌと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第３循環経路３０３において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、気液分離器１１７の入口１１７ｉと、気液分離器１１７の液出口１１７ｏｌと、第５弁１４５と、第６接続点ｐ６と、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【０１０８】
気液分離器１１７には、入口１１７ｉから、気液二相状態の作動流体が流入し得る。気液分離器１１７は、この作動流体を、気体状態の作動流体と液体状態の作動流体とに分離する。気体状態の作動流体は、気体出口１１７ｏｇから流出する。液体状態の作動流体は、液出口１１７ｏｌから流出する。
【０１０９】
第３循環経路３０３のうち、液出口１１７ｏｌから第６接続点ｐ６に延びる部分により、液体状態の作動流体が気液分離器１１７から排出される。この部分を、液体排出経路１３５と称することができる。液体排出経路１３５の上流端は、液出口１１７ｏｌに接続されている。液体排出経路１３５の下流端は、第６接続点ｐ６に接続されている。液体排出経路１３５において、第５弁１４５が現れる。
【０１１０】
第５弁１４５は、開度を変更可能な弁である。第５弁１４５の開度を変更することによって、液体排出経路１３５を流れる作動流体の流量を調節できる。ただし、第５弁１４５として電磁式の開閉弁を用いてもよい。
【０１１１】
第５弁１４５によれば、気液分離器１１７の液出口１１７ｏｌからの液体状態の作動流体の排出量を制御することができる。第５弁１４５を、液体排出制御弁１４５と称することができる。
【０１１２】
本実施の形態では、液体排出経路１３５の接続先である第６接続点ｐ６は、第１循環経路２０１のうち第３接続点ｐ３と凝縮器１１３の入口の間の部分にある。このようにすれば、第１出口１０５ｏを通じて第１容器１１２ｄの内部空間１０４から流出する作動流体の流れを妨げ難い。ただし、第６接続点ｐ６は、第１循環経路２０１のうち第１出口１０５ｏと凝縮器１１３の入口の間の任意の部分に設定され得る。また、第６接続点ｐ６は、バイパス経路１３１のうち第２弁１４２の出口と第３接続点ｐ３の間の任意の部分に設定され得る。
【０１１３】
第５弁１４５を開くことにより、ポンプ１１５の出口における作動流体の圧力と凝縮器１１３の入口における作動流体の圧力との差に基づいて、第３循環経路３０３を作動流体が循環することができる。
【０１１４】
第５弁１４５の開度は、気液分離器１１７に溜まった液体状態の作動流体が排出されるように制御される。具体的には、液体状態の作動流体が多くなる条件においては、第５弁１４５の開度を大きくする。より具体的には、第３温度センサ１５３の検出温度Ｔｇが低いときほど、第５弁１４５の開度を大きくする。第５弁１４５の開度の制御は、制御装置１５０が担う。
【０１１５】
ランキンサイクル装置３００では、作動流体が流れる第５循環経路３０５が構成されている。第５循環経路３０５において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、蒸発器１１１と、第５接続点ｐ５と、第６弁１４６と、第１容器１１２ｄの第３入口１０７ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第５循環経路３０５において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、蒸発器１１１と、第５接続点ｐ５と、第６弁１４６と、第３入口１０７ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、第４弁１４４と、第４接続点ｐ４と、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【０１１６】
第５循環経路３０５のうち、第５接続点ｐ５から第３入口１０７ｉに延びる部分により、内部空間１０４を予熱するための気体状態の作動流体が内部空間１０４に供給される。この部分を、予熱気体供給経路１３６と称することができる。予熱気体供給経路１３６の上流端は、第５接続点ｐ５に接続されている。予熱気体供給経路１３６の下流端は、第３入口１０７ｉに接続されている。予熱気体供給経路１３６において、第６弁１４６が現れる。
【０１１７】
第６弁１４６は、開度を変更可能な弁である。第６弁１４６の開度を変更することによって、予熱気体供給経路１３６を流れる作動流体の流量を調節できる。ただし、第６弁１４６として電磁式の開閉弁を用いてもよい。
【０１１８】
第６弁１４６によれば、上記の予熱用の気体状態の作動流体の内部空間１０４への供給量を制御することができる。第６弁１４６を、予熱気体供給制御弁１４６と称することができる。
【０１１９】
本実施の形態では、予熱気体供給経路１３６の接続先である第５接続点ｐ５は、第１循環経路２０１のうち蒸発器１１１の出口と第２接続点ｐ２の間の部分にある。ただし、第５接続点ｐ５は、第１循環経路２０１のうち蒸発器１１１の出口と第１入口１０５ｉの間の任意の部分に設定され得る。また、第５接続点ｐ５は、バイパス経路１３１のうち第２接続点ｐ２と第２弁１４２の入口の間の任意の部分に設定され得る。
【０１２０】
第６弁１４６を開くことにより、蒸発器１１１の出口における作動流体の圧力と凝縮器１１３の入口における作動流体の圧力との差に基づいて、第５循環経路３０５を作動流体が循環することができる。
【０１２１】
膨張機１１２を運転していないときには、発電機１１６は発熱しない。このため、第２容器１１２ｅにおいて、作動流体は気化しない。仮に、第２容器１１２ｅから気体軸受１１２ｃに液体の作動流体を供給したとする。この状態で膨張機１１２が運転されると、気体軸受１１２ｃにおいて焼きつきが発生するおそれがある。そこで、本実施の形態では、膨張機１１２の運転開始から発電機１１６の熱により第２容器１１２ｅにおいて気体状態の作動流体が生成されるまでの期間において、予熱気体供給経路１３６を通じて第１容器１１２ｄの内部空間１０４に気体状態の作動流体を供給する。これにより、この期間においても、第１容器１１２ｄの内部空間１０４に気体状態の作動流体を供給することができる。なお、本実施の形態では、この期間においては第３弁１４３の開度をゼロにする。
【０１２２】
発電機１１６での発電開始から時間が経過すると、発電機１１６で安定して熱が発生するようになる。この熱によって、第２容器１１２ｅにおける作動流体が加熱され、気体供給経路１３３を経由して内部空間１０４へと気化した作動流体が安定して供給されるようになる。そのような供給ができるようになったと判断された後に、予熱気体供給経路１３６を通じた内部空間１０４への気体供給量を徐々に減らしていく。また、そのように判断された後に、気体供給経路１３３を通じた内部空間１０４への気体供給量を徐々に増やしていく。
【０１２３】
予熱気体供給経路１３６及び第６弁１４６は、実施の形態１及び３にも適用可能である。
【０１２４】
実施の形態２においても、実施の形態１と同様、第２循環経路３０２により、気体状態の作動流体が第１容器１１２ｄの内部空間１０４に供給される。さらに、実施の形態２では、発電機１１６の発熱量が小さい場合に備えて、気液分離器１１７が設けられている。発電機１１６の発熱量が小さいと、第２容器１１２ｅから流出する作動流体は、完全な気体状態とならず、液体を含む状態となり得る。そのような場合に、気液分離器１１７は、作動流体を、気体状態の作動流体と液体状態の作動流体とに分離する。気体状態の作動流体は、第１容器１１２ｄの内部空間１０４に供給される。液体状態の作動流体は、液体排出経路１３５を経由して凝縮器１１３に供給される。そして、凝縮器１１３は、この作動流体を、膨張機構１１２ａを通過した作動流体及び第２容器１１２ｅを通過した作動流体とともに冷却する。
【０１２５】
発電機１１６の発電量が小さい期間においては、発電機１１６の発熱量が小さくなる。この期間では、第２容器１１２ｅから流出した作動流体は、気液二相状態となり得る。このような場合であっても、実施の形態２の気液分離器１１７によれば、気液二相状態の作動流体を、気体状態の作動流体と液体状態の作動流体とに分離することができる。そして、気体状態の作動流体を、気体軸受１１２ｃに供給することができる。
【０１２６】
（実施の形態３）
次に、実施の形態３のランキサイクル装置について説明する。図３は実施の形態３におけるランキンサイクル装置４００の構成図である。実施の形態３では、実施の形態１と共通する部分については、説明を省略することがある。
【０１２７】
ランキンサイクル装置４００は、再熱器１１８を含んでいる。再熱器１１８は、熱回収路１１８ａと、熱付与路１１８ｂと、を含んでいる。再熱器１１８では、熱回収路１１８ａにおける作動流体と熱付与路１１８ｂにおける作動流体とが熱交換を行う。熱回収路１１８ａには、相対的に低温の作動流体が流入する。熱付与路１１８ｂには、相対的に高温の作動流体が流入する。
【０１２８】
ランキンサイクル装置４００では、第１循環経路２０１に代えて、第１循環経路４０１が構成されている。第１循環経路４０１は、作動流体が流れる経路である。第１循環経路４０１において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、熱回収路１１８ａと、蒸発器１１１と、第１入口１０５ｉと、膨張機構１１２ａと、第１出口１０５ｏと、熱付与路１１８ｂと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第１循環経路４０１において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、熱回収路１１８ａと、蒸発器１１１と、第２温度センサ１５２と、第２接続点ｐ２と、第１入口１０５ｉと、膨張機構１１２ａと、第１出口１０５ｏと、第３接続点ｐ３と、第４接続点ｐ４と、熱付与路１１８ｂと、凝縮器１１３と、第１温度センサ１５１と、がこの順に現れる。
【０１２９】
ランキンサイクル装置４００では、第２循環経路２０２に代えて、第２循環経路４０２が構成されている。第２循環経路４０２は、作動流体が流れる経路である。第２循環経路４０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、熱付与路１１８ｂと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第２循環経路４０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、第２容器１１２ｅと、第３弁１４３と、ヒーター１１９と、第３温度センサ１５３と、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、第４弁１４４と、第４接続点ｐ４と、熱付与路１１８ｂと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【０１３０】
本実施の形態では、再熱器１１８は、第１循環経路４０１内の温度が異なる地点の作動流体同士で熱交換を行ういわゆる内部熱交換器である。再熱器１１８として、例えば、プレート式熱交換器を使用できる。
【０１３１】
本実施の形態では、気体排出経路１３４の接続先である第４接続点ｐ４は、第１循環経路４０１のうち第３接続点ｐ３と熱付与路１１８ｂの入口の間の部分にある。このようにすれば、第１容器１１２ｄの内部空間１０４から第２出口１０６ｏを介して流出した作動流体が熱付与路１１８ｂに供給される。そして、この作動流体と熱回収路１１８ａにおける作動流体とが熱交換することができる。また、このようにすれば、第１出口１０５ｏを通じて第１容器１１２ｄの内部空間１０４から流出する作動流体の流れを妨げ難い。ただし、第４接続点ｐ４は、第１循環経路４０１のうち第１出口１０５ｏと熱付与路１１８ｂの入口の間の任意の部分に設定され得る。また、第４接続点ｐ４は、バイパス経路１３１のうち第２弁１４２の出口と第３接続点ｐ３の間の任意の部分に設定され得る。
【０１３２】
以上のように、本実施の形態では、第２容器１１２ｅで加熱された作動流体が、第１容器１１２ｄの内部空間１０４を経由して、再熱器１１８の熱付与路１１８ｂに流入する。再熱器１１８では、熱付与路１１８ｂにおける作動流体と熱回収路１１８ａにおける作動流体との間で熱交換が行われる。この熱交換により、熱回収路１１８ａにおける作動流体が加熱される。加熱された作動流体は、蒸発器１１１及び膨張機構１１２ａへと流れていく。このため、熱回収路１１８ａで作動流体に与えられた熱の分だけ、膨張機構１１２ａで得られる回転動力を増加させることができる。また、この分だけ、発電機１１６における発電量を増加させることができる。このように、本実施の形態によれば、発電機の熱を、回転動力増加及び発電量増加に寄与させることができる。
【０１３３】
なお、再熱器１１８は、実施の形態２及び４にも適用できる。
【０１３４】
（実施の形態４）
次に、実施の形態４のランキサイクル装置について説明する。図４は実施の形態４におけるランキンサイクル装置５００の構成図である。実施の形態４では、実施の形態２と共通する部分については、説明を省略することがある。
【０１３５】
ランキンサイクル装置５００は、減圧器１４７を含んでいる。減圧器１４７は、冷却経路１３２において現れる。
【０１３６】
第２循環経路３０２に代えて、第２循環経路５０２が構成されている。第２循環経路５０２は、作動流体が流れる経路である。第２循環経路５０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、減圧器１４７と、第２容器１１２ｅと、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第２循環経路５０２において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、減圧器１４７と、第２容器１１２ｅと、入口１１７ｉと、気体出口１１７ｏｇと、第３温度センサ１５３と、第３弁１４３と、第２入口１０６ｉと、内部空間１０４と、第２出口１０６ｏと、第４弁１４４と、第４接続点ｐ４と、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【０１３７】
ランキンサイクル装置５００では、第３循環経路３０３に代えて、第３循環経路５０３が構成されている。第３循環経路５０３は、作動流体が流れる経路である。第３循環経路５０３において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、減圧器１４７と、第２容器１１２ｅと、気液分離器１１７の入口１１７ｉと、気液分離器１１７の液出口１１７ｏｌと、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。具体的には、第３循環経路５０３において、ポンプ１１５と、第１接続点ｐ１と、減圧器１４７と、第２容器１１２ｅと、気液分離器１１７の入口１１７ｉと、気液分離器１１７の液出口１１７ｏｌと、第５弁１４５と、第６接続点ｐ６と、凝縮器１１３と、がこの順に現れる。
【０１３８】
減圧器１４７により、減圧された作動流体を第２容器１１２ｅに供給することができる。減圧器１４７としては、減圧弁及びキャピラリーチューブが例示される。減圧器１４７として減圧弁を用いる場合には、減圧弁の開度を変更することによって、減圧量を調整することができる。
【０１３９】
減圧器１４７の作用について、図５のモリエル線図を用いて説明する。図５では、減圧器１４７がある場合とない場合との相違が示されている。図５の横軸は、エンタルピーｈを指す。図５の縦軸は、圧力Ｐを指す。
【０１４０】
図５において、点Ａ３は、ポンプ１１５の入口における作動流体の状態を表す。点Ｂ１は、ポンプ１１５の出口の作動流体の状態を表す。図５に示すように、ポンプ１１５により、作動流体の圧力は、圧力Ｐ3から圧力Ｐ1まで昇圧する。
【０１４１】
減圧器１４７がない場合、第２容器１１２ｅには、圧力Ｐ1の作動流体が供給される。ここで、発電機１１６から第２容器１１２ｅにおける作動流体に、熱量Ｑ＝ｈC−ｈBが与えられるとする。点Ｃ１は、この熱量Ｑが与えられた後の作動流体の状態を表す。点Ｃ１は、飽和液線よりも左の領域にある。このことは、第２容器１１２ｅで作動流体が気化していないことを意味する。つまり、このことは、第２容器１１２ｅの出口における作動流体が液体状態に維持されていることを意味する。
【０１４２】
点Ｃ１の状態にある作動流体を気体状態とするには、第３弁１４３、第４弁１４４及び第５弁１４５の開度を減少させることが考えられる。このようにすれば、冷却経路１３２における作動流体の流量が減少する。作動流体の流量が減少することによって、発電機１１６による、第２容器１１２ｅにおける作動流体の単位質量当たりの加熱量が増加する。そして、作動流体の温度の上昇幅が大きくなる。ただし、このようにする場合、作動流体の温度がＴ1以上となるまでは、作動流体は気体状態にならない。このため、温度ＴｇがＴ1以上となるまで、第１容器１１２ｄに気体状態の作動流体を供給することができない。
【０１４３】
これに対し、本実施の形態では、減圧器１４７により、冷却経路１３２を流れる作動流体の圧力を、Ｐ1からＰ2まで減圧させることができる。図５の点Ｂ２は、この減圧後の作動流体の状態を表す。この減圧により得られた圧力Ｐ2の作動流体が、第２容器１１２ｅに供給される。発電機１１６から第２容器１１２ｅにおける作動流体に、熱量Ｑ＝ｈC−ｈBが与えられるとする。点Ｃ２は、この熱量Ｑが与えられた後の作動流体の状態を表す。点Ｃ２は、飽和液線と飽和気線に挟まれた気液二相の領域内にある。このことは、第２容器１１２ｅの出口における作動流体が気液二相状態にあることを意味する。この気液二相状態の作動流体は、点Ｄ２に示される気体状態の作動流体と、点Ｄ２‘に示される液体状態の作動流体と、を含んでいる。点Ｄ２の気体状態の作動流体は、気液分離器１１７によって抽出され得る。
【０１４４】
以上の説明から理解されるように、減圧器１４７を用いれば、第２容器１１２ｅの出口における作動流体の温度が比較的低い場合であっても、第２容器１１２ｅにおいて作動流体を気化させることができる。このため、第２容器１１２ｅにおける作動流体との発電機１１６と熱交換量が比較的小さい場合であっても、気体状態の作動流体を気体軸受１１２ｃに供給することができる。
【０１４５】
以上のように、本実施の形態の減圧器１４７によれば、第２容器１１２ｅに、減圧した作動流体を供給することができる。この減圧により、作動流体の飽和温度が下がる。ここで、飽和温度は、作動流体が蒸発を開始する温度を指す。飽和温度が下がっているため、第２容器１１２ｅにおける作動流体は、発電機１１６から与えられる熱が比較的小さい場合であっても、気化することができる。このため、本実施の形態によれば、発電機１１６の発熱が小さく発電機１１６の温度が低い期間においても、第２容器１１２ｅにおける作動流体を気化させ易い。
【０１４６】
なお、減圧器１４７は、実施の形態１及び３にも適用できる。
【０１４７】
また、冷却経路１３２に、減圧器１４７とともに又は減圧器１４７に代えて、開閉弁を設けてもよい。ここで、開閉弁は、その開度が０％及び１００％の２つから選択される弁である。このようにすれば、第２循環経路５０２の作動流体の流れを遮断することができる。開閉弁は、実施の形態１〜３にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
上記実施の形態に係るランキンサイクル装置は、作動流体によって熱を回収し、回収した熱を利用する熱回収システムに適用できる。また、このランキンサイクル装置は、ＣＨＰシステム等のコジェネレーションシステムにも適用できる。
【符号の説明】
【０１４９】
１０４    内部空間
１０４ａ，１０４ｂ  領域
１０５ｉ，１０６ｉ，１０７ｉ，１１７ｉ  入口
１０５ｏ，１０６ｏ，１１７ｏｇ，１１７ｏｌ  出口
１１１    蒸発器
１１２    膨張機
１１２ａ  膨張機構
１１２ｂ  回転軸
１１２ｃ  気体軸受
１１２ｄ，１１２ｅ  容器
１１２ｐ  仕切り
１１３    凝縮器
１１５    ポンプ
１１６    発電機
１１６ａ  回転子
１１６ｂ  固定子
１１７    気液分離器
１１８    再熱器
１１８ａ  熱回収路
１１８ｂ  熱付与路
１１９    ヒーター
１３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１３６，２０１，２０２，２０４，３０２，３０３，３０５，４０１，４０２，５０２，５０３  経路
１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６  弁
１４７    減圧器
１５０    制御装置
１５１，１５２，１５３  温度センサ
２００，３００，４００，５００  ランキンサイクル装置
ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４，ｐ５，ｐ６  接続点
【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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