(57)【要約】【課題】ランキンサイクルの蒸発器において一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、凝縮器において作動流体で受熱流体を加熱して昇温する加熱システムにおいて、膨張機が駆動する被動機へ取り出せる仕事量を増加させる。【解決手段】単段の第一ランキンサイクル２と、二段の第二ランキンサイクル３とを備える。第一ランキンサイクル２の蒸発器５と、第二ランキンサイクル３の上段の蒸発器１１Ａとにおいて、一定温度の与熱流体８により作動流体が加熱される。第二ランキンサイクル３の下段の凝縮器１３Ｂと、第一ランキンサイクル２の凝縮器７とに、受熱流体が順に通され、各ランキンサイクル２，３の作動流体が冷却される一方、受熱流体９を加熱して昇温する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単段または複数段の第一ランキンサイクルと、この第一ランキンサイクルよりも段数の多い第二ランキンサイクルとを備え、
前記第一ランキンサイクルの最上段の蒸発器と、前記第二ランキンサイクルの最上段の蒸発器とにおいて、一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、
前記第二ランキンサイクルの最下段の凝縮器と、前記第一ランキンサイクルの最下段の凝縮器とに、受熱流体が順に通され、前記各ランキンサイクルの作動流体が冷却される一方、受熱流体を加熱して昇温する
ことを特徴とする加熱システム。
【請求項２】
前記第一ランキンサイクルは、単段のランキンサイクルから構成され、
前記第二ランキンサイクルは、二段のランキンサイクルを備え、
前記各最上段の蒸発器において、与熱流体は潜熱を放出し、
前記各最下段の凝縮器において、受熱流体は顕熱を取得する
ことを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
【請求項３】
前記第二ランキンサイクルは、並列に設置された複数のランキンサイクルから構成され、
この複数のランキンサイクルは、各最上段の蒸発器において、一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、各最下段の凝縮器に受熱流体が順に通され、この受熱流体が通される順に段数が少なくなるよう構成される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱システム。
【請求項４】
並列に設置された複数のランキンサイクルは、最上段のランキンサイクル同士が一つのランキンサイクルにまとめられ、最上段から一つ下段のランキンサイクル同士が一つのランキンサイクルにまとめられというように、並列に対応する段同士が一つにまとめられ、
各まとめられたランキンサイクルは、第一凝縮器と第二凝縮器とを備え、
各第一凝縮器は、一つ下段のランキンサイクルの蒸発器を兼ねており、
各第二凝縮器に受熱流体が順に通される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱システム。
【請求項５】
隣接する上下のランキンサイクルは、下段の蒸発器を兼ねる上段の前記第一凝縮器が、作動流体同士を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であるか、上段の前記第二凝縮器からの作動流体を気液分離して気相部が下段の膨張機に接続されると共に液相部が上段のポンプに接続される気液分離器である
ことを特徴とする請求項４に記載の加熱システム。
【請求項６】
隣接する上下のランキンサイクルは、前記第一凝縮器の設置を省略する代わりに、上段の第二凝縮器と下段の膨張機とが接続される一方、下段のポンプと上段のポンプとを接続するか、これらポンプを一つのポンプとして構成される
ことを特徴とする請求項４に記載の加熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のランキンサイクルを用いて、流体を加熱して昇温する加熱システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されるように、蒸発器（６）、膨張機（７）、凝縮器（９）および循環ポンプ（１０）を備えたランキンサイクル（２）が知られている。ランキンサイクル（２）の作動流体は、蒸発器（６）において熱源水（５）から吸熱して気化し、膨張機（７）を回転させて被動機としての発電機（３）を駆動し、凝縮器（９）において冷却水（８）に放熱して液化する。そして、作動流体は、再び、循環ポンプ（１０）により、蒸発器（６）へ送られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１００９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ランキンサイクルを単独で用いた場合、膨張機において取り出せる仕事量には限界がある。特に、蒸発器においてランキンサイクルの作動流体を加熱する与熱流体が一定温度（典型的には蒸発器において与熱流体が潜熱を放出して一定温度）であり、凝縮器においてランキンサイクルの作動流体で加熱される受熱流体を昇温（凝縮器において受熱流体が顕熱を取得）する場合、一つのランキンサイクルを用いただけでは、取り出せる仕事量に限界があった。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、蒸発器において一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、凝縮器において受熱流体を加熱して昇温する加熱システムにおいて、被動機へ取り出せる仕事量を増加させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、単段または複数段の第一ランキンサイクルと、この第一ランキンサイクルよりも段数の多い第二ランキンサイクルとを備え、前記第一ランキンサイクルの最上段の蒸発器と、前記第二ランキンサイクルの最上段の蒸発器とにおいて、一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、前記第二ランキンサイクルの最下段の凝縮器と、前記第一ランキンサイクルの最下段の凝縮器とに、受熱流体が順に通され、前記各ランキンサイクルの作動流体が冷却される一方、受熱流体を加熱して昇温することを特徴とする加熱システムである。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、各ランキンサイクルの最上段の蒸発器において、一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、各ランキンサイクルの最下段の凝縮器に、受熱流体が順に通され昇温される。受熱流体は、下流へ行くに従って昇温される関係上、上流側において与熱流体との温度差が大きくなる。そこで、受熱流体の流路の上流側において、ランキンサイクルの段数を増し、その分だけ被動機へ取り出せる仕事量を増すことができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記第一ランキンサイクルは、単段のランキンサイクルから構成され、前記第二ランキンサイクルは、二段のランキンサイクルを備え、前記各最上段の蒸発器において、与熱流体は潜熱を放出し、前記各最下段の凝縮器において、受熱流体は顕熱を取得することを特徴とする請求項１に記載の加熱システムである。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、単段のランキンサイクルと、二段のランキンサイクルとの組み合わせにより、簡易な構成で、被動機へ取り出せる仕事量を増すことができる。また、与熱流体は、潜熱を放出するので、ランキンサイクルの作動流体を安定して加熱することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記第二ランキンサイクルは、並列に設置された複数のランキンサイクルから構成され、この複数のランキンサイクルは、各最上段の蒸発器において、一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、各最下段の凝縮器に受熱流体が順に通され、この受熱流体が通される順に段数が少なくなるよう構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の加熱システムである。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、並列に配置するランキンサイクルの数を増し、受熱流体の流路の上流側ほど段数を増すことで、受熱流体の温度変化に合わせた効率のよいシステムとすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、並列に設置された複数のランキンサイクルは、最上段のランキンサイクル同士が一つのランキンサイクルにまとめられ、最上段から一つ下段のランキンサイクル同士が一つのランキンサイクルにまとめられというように、並列に対応する段同士が一つにまとめられ、各まとめられたランキンサイクルは、第一凝縮器と第二凝縮器とを備え、各第一凝縮器は、一つ下段のランキンサイクルの蒸発器を兼ねており、各第二凝縮器に受熱流体が順に通されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱システムである。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、並列に設置された複数のランキンサイクルについて、並列に対応する段同士を一つにまとめることで、加熱システム全体の構成を簡略化することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、隣接する上下のランキンサイクルは、下段の蒸発器を兼ねる上段の前記第一凝縮器が、作動流体同士を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器であるか、上段の前記第二凝縮器からの作動流体を気液分離して気相部が下段の膨張機に接続されると共に液相部が上段のポンプに接続される気液分離器であることを特徴とする請求項４に記載の加熱システムである。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、間接熱交換器または気液分離器を用いて、上下に隣接するランキンサイクルを接続することができる。
【００１６】
さらに、請求項６に記載の発明は、隣接する上下のランキンサイクルは、前記第一凝縮器の設置を省略する代わりに、上段の第二凝縮器と下段の膨張機とが接続される一方、下段のポンプと上段のポンプとを接続するか、これらポンプを一つのポンプとして構成されることを特徴とする請求項４に記載の加熱システムである。
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、上下のランキンサイクルを一つにまとめることで、加熱システム全体の構成をさらに簡略化することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、蒸発器において一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、凝縮器において受熱流体を加熱して昇温する加熱システムにおいて、被動機へ取り出せる仕事量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の加熱システムの実施例１を示す概略図である。
【図２】実施例１の加熱システムのＴ−Ｓ線図であり、縦軸が温度Ｔ、横軸がエントロピＳを示している。
【図３】本発明の加熱システムの実施例２を示す概略図である。
【図４】実施例２の加熱システムのＴ−Ｓ線図であり、縦軸が温度Ｔ、横軸がエントロピＳを示している。
【図５】本発明の加熱システムの実施例３を示す概略図である。
【図６】本発明の加熱システムの実施例４を示す概略図である。
【図７】本発明の加熱システムを蒸気駆動装置で実現した状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明の加熱システムは、下記各実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜に変更可能である。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の加熱システム１の実施例１を示す概略図である。また、図２は、本実施例１の加熱システム１のＴ−Ｓ線図であり、縦軸が温度Ｔ、横軸がエントロピＳを示している。
【００２２】
本実施例の加熱システム１は、第一ランキンサイクル２と第二ランキンサイクル３とを備える。
【００２３】
第一ランキンサイクル２は、本実施例では単段のランキンサイクルから構成される。具体的には、第一ランキンサイクル２は、給水ポンプ４、蒸発器５、膨張機６および凝縮器７が順次環状に接続されて構成され、この回路内には作動流体が相変化を伴って循環される。なお、作動流体は、たとえば水または冷媒である。
【００２４】
給水ポンプ４は、凝縮器７にて液化した作動流体を、蒸発器５へ供給する。
【００２５】
蒸発器５は、作動流体を与熱流体で加熱して気化する。つまり、蒸発器５は、作動流体と与熱流体との間接熱交換器であり、与熱流体の熱で作動流体を加熱して蒸気とする。なお、図１において、流路８に、与熱流体が通される。
【００２６】
膨張機６は、蒸発器５にて気化した作動流体が通され、作動流体の圧力と温度を低下させる。膨張機６は、特に問わないが、たとえば、タービン、スクリュ式膨張機またはスクロール式膨張機である。膨張機６は、典型的には、蒸発器５からの作動流体で回転され、被動機（図示省略）を稼働させる。被動機は、特に問わないが、典型的には発電機または圧縮機（たとえば空気圧縮機）である。
【００２７】
凝縮器７は、作動流体を受熱流体で冷却して液化する。つまり、凝縮器７は、作動流体と受熱流体との間接熱交換器であり、作動流体を受熱流体で冷却して凝縮させる。この際、受熱流体は、作動流体の熱で加熱されて昇温する。なお、図１において、流路９に、受熱流体が通される。
【００２８】
蒸発器５において作動流体を加熱する与熱流体は、本実施例では一定温度である。典型的には、与熱流体は、蒸発器５において潜熱を放出する。つまり、与熱流体は蒸気（たとえば水蒸気）であり、蒸発器５において凝縮して、その凝縮潜熱で作動流体を一定温度（飽和温度）で加熱する。但し、与熱流体が大量に存在しその温度変化を無視できる場合、与熱流体は、蒸発器５において顕熱を放出してもよい。
【００２９】
凝縮器７において作動流体で加熱される受熱流体は、作動流体で加熱され昇温される。つまり、受熱流体は、凝縮器７において顕熱を取得する。たとえば、受熱流体は水であり、凝縮器７において作動流体により加熱され、温水として導出される。
【００３０】
第二ランキンサイクル３は、本実施例では上下二段のランキンサイクルから構成される。具体的には、高温側の上段ランキンサイクル３Ａと、低温側の下段ランキンサイクル３Ｂとから構成される。第二ランキンサイクル３を構成する上下各段のランキンサイクル３Ａ，３Ｂは、基本的には前述した単段の第一ランキンサイクル２と同様の構成である。つまり、給水ポンプ１０Ａ，１０Ｂ、蒸発器１１Ａ，１１Ｂ、膨張機１２Ａ，１２Ｂおよび凝縮器１３Ａ，１３Ｂが順次環状に接続されて構成される。本実施例では、上下のランキンサイクル３Ａ，３Ｂは、互いの作動流体を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器１４で接続されており、この間接熱交換器１４が、上段ランキンサイクル３Ａの凝縮器１３Ａと下段ランキンサイクル３Ｂの蒸発器１１Ｂを兼ねる。第二ランキンサイクル３は、上段ランキンサイクル３Ａの蒸発器１１Ａにおいて、作動流体が一定温度の与熱流体で加熱され、下段ランキンサイクル３Ｂの凝縮器１３Ｂにおいて、作動流体で受熱流体を加熱して昇温する。なお、上段ランキンサイクル３Ａと下段ランキンサイクル３Ｂとを接続する熱交換器は、各ランキンサイクル３Ａ，３Ｂの作動流体同士を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器１４としたが、場合により、作動流体同士を直接に接触させて熱交換する直接熱交換器としてもよい。
【００３１】
与熱流体は、図示例では、第一ランキンサイクル２の蒸発器５に通された後、第二ランキンサイクル３の上段の蒸発器１１Ａに通されるが、これとは逆に、第二ランキンサイクル３の上段の蒸発器１１Ａに通された後、第一ランキンサイクル２の蒸発器５に通されてもよい。あるいは、与熱流体は、第一ランキンサイクル２の蒸発器５と第二ランキンサイクル３の上段の蒸発器１１Ａとに並列に通されてもよい。いずれにしても、本実施例では、第一ランキンサイクル２の蒸発器５と第二ランキンサイクル３の上段の蒸発器１１Ａとにおいて、各ランキンサイクル２，３の作動流体が、一定温度の与熱流体により加熱される。
【００３２】
受熱流体は、第二ランキンサイクル３の下段の凝縮器１３Ｂに通された後、第一ランキンサイクル２の凝縮器７に通される。受熱流体は、各ランキンサイクル３，２の凝縮器１３Ｂ，７を順に通されることで、順次加熱され昇温される。
【００３３】
なお、第一ランキンサイクル２の膨張機６、および第二ランキンサイクル３の各膨張機１２Ａ，１２Ｂでは、たとえば発電機や空気圧縮機などの被動機を稼働させるが、この際、各膨張機６，１２Ａ，１２Ｂからの動力をまとめて一つの（つまり共通の）被動機を稼働させてもよいし、各膨張機６，１２Ａ，１２Ｂにおいて被動機を個別に稼働させてもよい。
【００３４】
ところで、典型的には、第二ランキンサイクル３の上段の凝縮器１３Ａにおける作動流体の温度および圧力は、第一ランキンサイクル２の凝縮器７における作動流体の温度および圧力と、同等（同一または設定範囲内）とされるのがよい。つまり、第二ランキンサイクル３の上段ランキンサイクル３Ａと、第一ランキンサイクル２とは、作動流体を含めて同一の構成とするのがよい。
【００３５】
後述するように、第二ランキンサイクル３は、並列に設置された複数のランキンサイクルから構成されてもよいが、その場合も、並列に設置された複数のランキンサイクルは、最上段から数えて順次対応する段のランキンサイクルにおいて、凝縮器における作動流体の温度および圧力が同等とされるのがよい。たとえば、単段の第一ランキンサイクル、二段の第二ランキンサイクル、および三段の第三ランキンサイクルを並列に備える加熱システムの場合、各最上段のランキンサイクル同士は、凝縮器における作動流体の温度および圧力が同等とされ、第二ランキンサイクルの下段と第三ランキンサイクルの中段のランキンサイクル同士は、凝縮器における作動流体の温度および圧力が同等とされるのがよい。
【００３６】
本実施例の加熱システム１は、図２に示すように、Ｔ−Ｓ線図において、三つの略台形として示される。三つの略台形の内、右上の略台形が第一ランキンサイクル２を示し、左上の略台形が第二ランキンサイクル３の上段ランキンサイクル３Ａを示し、左下の略台形が第二ランキンサイクル３の下段ランキンサイクル３Ｂを示す。そして、各ランキンサイクル２，３Ａ，３Ｂにおいて、作動流体は、ａ１−ｂ１、ａ２Ｈ−ｂ２Ｈ、ａ２Ｌ−ｂ２Ｌ間で給水ポンプ４，１０Ａ，１０Ｂによる断熱圧縮、ｂ１−ｂ１´−ｃ１、ｂ２Ｈ−ｂ２Ｈ´−ｃ２Ｈ、ｂ２Ｌ−ｂ２Ｌ´−ｃ２Ｌ間で蒸発器５，１１Ａ，１１Ｂによる等圧加熱、ｃ１−ｄ１、ｃ２Ｈ−ｄ２Ｈ、ｃ２Ｌ−ｄ２Ｌ間で膨張機６，１２Ａ，１２Ｂによる断熱膨張、ｄ１−ａ１、ｄ２Ｈ−ａ２Ｈ、ｄ２Ｌ−ａ２Ｌ間で凝縮器７，１３Ａ，１３Ｂによる等圧冷却される。なお、図から明らかなとおり、好ましくは、ａ１＝ｄ２Ｈ＝ｃ２Ｌの関係にある。さらに、典型的には、Ｓ３＝（Ｓ１＋Ｓ２）／２の関係にある。
【００３７】
また、蒸発器５，１１Ａにおいて作動流体に熱を与える与熱流体が一定温度Ｔ２であり、凝縮器１３Ｂ，７において作動流体から熱を受ける受熱流体をＴ１ＬからＴ１Ｈまで昇温し、膨張機６，１２Ａ，１２Ｂにおいて被動機（たとえば発電機）を稼働して仕事を取り出すことができる。詳細は実施例２において説明するが、本実施例の加熱システム１によれば、左下の略台形の分だけ、従来技術よりも仕事を取り出すことができる。
【００３８】
次に、本実施例１の変形例について説明する。
上記実施例では、第一ランキンサイクル２を単段のランキンサイクルから構成し、第二ランキンサイクル３を上下二段のランキンサイクル３Ａ，３Ｂから構成したが、第二ランキンサイクル３が第一ランキンサイクル２よりも段数が多い限り、各ランキンサイクル２，３の段数は適宜に変更可能である。いずれにしても、第一ランキンサイクル２の最上段の蒸発器５と、第二ランキンサイクル３の最上段の蒸発器１１Ａとにおいて、一定温度の与熱流体により作動流体が加熱される。また、第二ランキンサイクル３の最下段の凝縮器１３Ｂと、第一ランキンサイクル２の最下段の凝縮器７とに、受熱流体が順に通され、各ランキンサイクル２，３の作動流体が冷却される一方、受熱流体を加熱して昇温する。特に、各最上段の蒸発器５，１１Ａにおいて、与熱流体は潜熱を放出し、各最下段の凝縮器１３Ｂ，７において、受熱流体は顕熱を取得するのがよい。
【００３９】
また、前記実施例において、第二ランキンサイクル３は、並列に設置された複数のランキンサイクルから構成されてもよい。言い換えれば、前記実施例において、第一ランキンサイクル２や第二ランキンサイクル３に加えて、第三ランキンサイクルを設けてもよい他、さらに第四ランキンサイクル、第五ランキンサイクル、…というように、全体としてｎ個（ｎ≧２）のランキンサイクルを並列に設置してもよい。この場合も、このｎ個のランキンサイクルは、各最上段の蒸発器において、一定温度の与熱流体により作動流体が加熱され、各最下段の凝縮器に受熱流体が順に通されて昇温され、この受熱流体が通される順に段数が少なくなるよう（好ましくは一段ずつ少なくなるよう）構成される。
【実施例２】
【００４０】
図３は、本発明の加熱システム１の実施例２を示す概略図である。また、図４は、本実施例２の加熱システムのＴ−Ｓ線図であり、縦軸が温度Ｔ、横軸がエントロピＳを示している。
【００４１】
本実施例２の加熱システム１は、基本的には前記実施例１およびその変形例と同様である。そこで、以下において、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００４２】
本実施例２の加熱システム１は、前記実施例１において、第一ランキンサイクル２と、第二ランキンサイクル３の上段ランキンサイクル３Ａとを、一つのランキンサイクルとしてまとめたものに相当する。そして、全体としては、上下二段のランキンサイクルから構成される。
【００４３】
上段ランキンサイクル３Ａは、第一凝縮器１５と第二凝縮器１６とを備える。第一凝縮器１５は、本実施例では、上段ランキンサイクル３Ａの作動流体と下段ランキンサイクル３Ｂの作動流体との間接熱交換器であり、上段ランキンサイクル３Ａの凝縮器１３Ａと下段ランキンサイクル３Ｂの蒸発器１１Ｂとを兼ねている。一方、第二凝縮器１６は、上段ランキンサイクル３Ａの作動流体と受熱流体との間接熱交換器である。受熱流体は、下段ランキンサイクル３Ｂの凝縮器１３Ｂに通された後、上段ランキンサイクル３Ａの第二凝縮器１６に通されて、順に加熱され昇温される。その他の構成は、前記実施例１と同様であるため、説明を省略する。
【００４４】
本実施例の加熱システム１は、図４に示すように、Ｔ−Ｓ線図において、二つの略台形として示される。二つの略台形の内、実線で示される上側の略台形が上段ランキンサイクル３Ａを示し、二点鎖線で示される下側の略台形が下段ランキンサイクル３Ｂを示す。
【００４５】
図４のＴ−Ｓ線図に基づき、本発明の加熱システム１のメリットについて説明する。ここでは、蒸発器１１Ａにおいて作動流体に熱を与える与熱流体が一定温度Ｔ２であり、凝縮器１３Ｂ，１６において作動流体から熱を受ける受熱流体をＴ１ＬからＴ１Ｈまで昇温し、膨張機１２Ａ，１２Ｂにおいて被動機（たとえば発電機）を稼働して仕事を取り出す場合を考える。
【００４６】
図中、実線で示すサイクルは、従来のランキンサイクルである。周知のとおり、理想状態では、作動流体は、ａ−ｂ間で給水ポンプによる断熱圧縮、ｂ−ｂ´−ｃ間で蒸発器による等圧加熱、ｃ−ｄ間で膨張機による断熱膨張、ｄ−ａ間で凝縮器による等圧冷却される。また、与熱流体の状態を示す水平線Ｌ２、および受熱流体の状態を示す傾斜線Ｌ１は、物質に応じて定まり既知である。
【００４７】
さて、ランキンサイクルの作動流体は、与熱流体との熱交換で加熱される関係上、与熱流体の温度Ｔ２よりも高くはできない。そのため、ランキンサイクルの作動流体の蒸発温度は、理論上、Ｔ２が限界である。もちろん、実際には、与熱流体と作動流体との間の熱交換には所定の温度差が必要であるから、作動流体の蒸発温度は、与熱流体の温度Ｔ２よりも低くなる。
【００４８】
一方、膨張機において、断熱熱落差があるほど、仕事量を取り出すことができる。しかし、ランキンサイクルの作動流体は、受熱流体との熱交換で冷却される関係上、受熱流体の凝縮器出口温度（加熱目標温度）Ｔ１Ｈよりも低くはできない。そのため、ランキンサイクルの作動流体の凝縮温度は、理論上、Ｔ１Ｈが限界である。もちろん、実際には、受熱流体と作動流体との熱交換には所定の温度差が必要であるから、作動流体の凝縮温度は、受熱流体の凝縮器出口温度Ｔ１Ｈよりも高くなる。
【００４９】
また、ランキンサイクルで囲まれた面積は、仕事量であるから、最大限に仕事を引き出すには、Ｔ−Ｓ線図上で可能な限り大きくランキンサイクルを組むのが好適である。このようなことから、従来、実線で示すように、ランキンサイクルが組まれる。
【００５０】
一方、本発明では、この実線で示す従来のランキンサイクルに、さらに二点鎖線で示すランキンサイクルを付加したものに相当する。従って、この付加したランキンサイクルに相当する分だけ、さらに仕事を取り出すことができる。たとえば、膨張機で発電機を稼働させる場合、システム全体の発電効率を向上することができる。
【００５１】
次に、本実施例２の変形例について説明する。
前記実施例１の変形例で述べたように、加熱システム１を構成するランキンサイクルの段数は、二段に限らず、三段以上とすることもできる。その場合も、各段のランキンサイクルには、最下段を除き、凝縮器として第一凝縮器１５と第二凝縮器１６とを設け、第一凝縮器１５を用いて上下のランキンサイクルを接続し、受熱流体を、最下段の凝縮器１３Ｂに通した後、下段から上段へ向けて各第二凝縮器１６に順に通して昇温すればよい。言い換えれば、次のような構成と等価である。
【００５２】
すなわち、前記実施例１の変形例で述べたように、前記実施例１において第二ランキンサイクル３は、並列に設置された複数のランキンサイクルから構成されてもよいが、並列に設置された複数のランキンサイクルは、最上段のランキンサイクル同士が一つのランキンサイクルにまとめられ、最上段から一つ下段のランキンサイクル同士が一つのランキンサイクルにまとめられというように、並列に対応する段同士が一つにまとめられてもよい。そして、各まとめられたランキンサイクルは、最下段を除き、第一凝縮器１５と第二凝縮器１６とを備え、各第一凝縮器１５は、一つ下段のランキンサイクルの蒸発器を兼ねており、各第二凝縮器１６に受熱流体が順に通される。
【実施例３】
【００５３】
図５は、本発明の加熱システム１の実施例３を示す概略図である。
本実施例３の加熱システム１は、基本的には前記実施例２およびその変形例と同様である。そこで、以下において、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００５４】
前記実施例２では、上段ランキンサイクル３Ａと下段ランキンサイクル３Ｂとを接続する第一凝縮器１５は、各ランキンサイクル３Ａ，３Ｂの作動流体同士を混ぜることなく熱交換する間接熱交換器１４としたが、本実施例３では、上段の第二凝縮器１６からの作動流体を気液分離して気相部が下段の膨張機１２Ｂに接続されると共に液相部が上段のポンプ１０Ａに接続される気液分離器１７とされる。
【００５５】
具体的には、図５から明らかなとおり、上段ランキンサイクル３Ａの作動流体は、上段膨張機１２Ａから第二凝縮器１６を通された後、第一凝縮器１５を構成する気液分離器（中空タンク）１７へ吐出される。気液分離器１７の気相部の作動流体は、下段ランキンサイクル３Ｂの膨張機１２Ｂへ送られる。一方、気液分離器１７の液相部の作動流体は、上段ランキンサイクル３Ａの給水ポンプ１０Ａへ送られる。下段ランキンサイクル３Ｂの給水ポンプ１０Ｂからの作動流体は、気液分離器１７に供給されるか、気液分離器１７から上段ランキンサイクル３Ａの給水ポンプ１０Ａへの管路に合流される。
【００５６】
本実施例３においても、加熱システム１を構成するランキンサイクルの段数は、二段に限らず、三段以上とすることもできる。その場合も、各段のランキンサイクルには、最下段を除き、凝縮器として第一凝縮器１５と第二凝縮器１６とを設け、第一凝縮器１５を用いて上下のランキンサイクルを接続し、受熱流体を、最下段の凝縮器に通した後、下段から上段へ向けて各第二凝縮器１６に順に通して昇温すればよい。そして、第一凝縮器１５として、図５に示すような気液分離器１７を用いることができる。但し、一部の段において、気液分離器１７ではなく、図３に示すような間接熱交換器１４を用いてもよい。
【実施例４】
【００５７】
図６は、本発明の加熱システム１の実施例４を示す概略図である。
本実施例４の加熱システム１は、基本的には前記実施例２およびその変形例と同様である。そこで、以下において、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。
【００５８】
本実施例４の加熱システム１では、前記実施例２と比較して、隣接する上下のランキンサイクル３Ａ，３Ｂは、第一凝縮器１５の設置を省略する代わりに、上段の第二凝縮器１６と下段の膨張機１２Ｂとが接続される一方、下段の給水ポンプ１０Ｂと上段の給水ポンプ１０Ａとを直列に接続するか、これら給水ポンプ１０Ａ，１０Ｂを一つの給水ポンプ１０として構成される。図示例の場合、作動流体は、給水ポンプ１０、上段の蒸発器１１Ａ、上段の膨張機１２Ａ、上段の凝縮器７（第二凝縮器１６）、下段の膨張機１２Ｂ、および下段の凝縮器１３Ｂを順に循環する。
【００５９】
本実施例４においても、加熱システム１を構成するランキンサイクルの段数は、二段に限らず、三段以上とすることもできる。その場合において、隣接する上下のランキンサイクル同士の接続に関し、上段の凝縮器７（第二凝縮器１６）の出口側と下段の膨張機１２Ｂの入口側とを接続する一方、最下段の凝縮器１３Ｂの出口側と最上段の蒸発器１１Ａの入口側とを給水ポンプ１０で接続すればよい。
【００６０】
ところで、前記各実施例およびその変形例において、第一ランキンサイクル２および／または第二ランキンサイクル３は、それを構成する各ランキンサイクルに代えて、図７に示すように、蒸気駆動装置１８が設けられてもよい。蒸気駆動装置１８とは、ランキンサイクルの膨張機と同様に、蒸気の力で被動機を稼働させる機械である。図示例では、一段の蒸気駆動装置１８と、二段の蒸気駆動装置１８とが並列に設けられて構成されるが、さらに三段以上の蒸気駆動装置１８を並列に設けてもよい。いずれの蒸気駆動装置１８にも、図において上方から蒸気が噴き込まれ、下方へ吐出する。最下段の蒸気駆動装置１８にて使用後の蒸気は、受熱流体と間接熱交換して凝縮するか、受熱流体が流れる管路内に噴き込まれる。そして、受熱流体との間接熱交換により凝縮した作動流体、または作動流体が噴き込まれて昇温された受熱流体は、たとえばボイラの給水タンクへ供給して用いることができる。
【００６１】
ボイラからの蒸気を蒸気駆動装置１８に供給して被動機を駆動し、蒸気駆動装置１８で使用後の蒸気のドレンをボイラへ戻す蒸気システムを観察すると、水はボイラで蒸気化され、その蒸気で蒸気駆動装置１８を回転させ、蒸気のドレンは給水ポンプを介してボイラへ戻される。つまり、ランキンサイクルの作動流体と同様の作用を行っており、ランキンサイクルに代えて蒸気駆動装置１８を用いることができることになる。言い換えれば、第一ランキンサイクル２および／または第二ランキンサイクル３は、それを構成する各ランキンサイクル（一部または全部のランキンサイクル）に代えて、蒸気駆動装置１８を用いることができることになる。なお、作動流体として、水以外を用いてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  加熱システム
２  第一ランキンサイクル
３  第二ランキンサイクル
３Ａ  上段ランキンサイクル
３Ｂ  下段ランキンサイクル
４  給水ポンプ
５  蒸発器
６  膨張機
７  凝縮器
８  与熱流体の流路
９  受熱流体の流路
１０Ａ，１０Ｂ  給水ポンプ
１１Ａ，１１Ｂ  蒸発器
１２Ａ，１２Ｂ  膨張機
１３Ａ，１３Ｂ  凝縮器
１４  間接熱交換器
１５  第一凝縮器
１６  第二凝縮器
１７  気液分離器
１８  蒸気駆動装置
【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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