(57)【要約】  本開示のランキンサイクル装置（１Ａ）は、主回路（１０）と、熱交換部（ＨＸ）と、バイパス流路（２０）と、流量調節機構（３）と、一対の温度センサ（７Ａ）とを備えている。主回路（１０）は、膨張機（１１）、凝縮器（１３）、ポンプ（１４）、及び蒸発器（１５）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。熱交換部（ＨＸ）は、膨張機（１１）の出口とポンプ（１４）の入口との間で主回路（１０）に位置する。バイパス流路（２０）は、蒸発器（１５）の出口と膨張機（１１）の入口との間で主回路（１０）から分岐し、膨張機（１１）の出口と熱交換部（ＨＸ）の入口との間で主回路（１０）に合流する。流量調節機構（３）は、バイパス流路（２０）における作動流体の流量を調節する。一対の温度センサ（７Ａ）は、作動流体の流れ方向に互いに離れた２つの位置における作動流体の温度を検出する。
2014112326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張機、凝縮器、ポンプ、及び蒸発器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、
前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間で前記主回路に位置する熱交換部と、
前記蒸発器の出口と前記膨張機の入口との間で前記主回路から分岐し、前記膨張機の出口と前記熱交換部の入口との間で前記主回路に合流するバイパス流路と、
前記バイパス流路における作動流体の流量を調節する流量調節機構と、
前記主回路に前記バイパス流路が合流する合流位置と前記蒸発器の入口との間の前記主回路の部分で作動流体の流れ方向に互いに離れた２つの位置における前記作動流体の温度を検出する一対の温度センサと、を備え、
前記２つの位置は、前記熱交換部に流入する作動流体が過熱蒸気である場合に、前記２つの位置の一方における前記作動流体の温度と前記２つの位置の他方における前記作動流体の温度との差が所定値以上となるように定められている、
ランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記流量調節機構を制御する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記一対の温度センサによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、前記バイパス流路における前記作動流体の流量が減少するように前記流量調節機構を制御する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記流量調節機構を制御する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記一対の温度センサによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、前記バイパス流路における前記作動流体の流量が増加するように前記流量調節機構を制御する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記熱交換部は、前記凝縮器における前記作動流体の流路によって構成されており、
前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記凝縮器における前記作動流体の温度又は前記主回路の前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度とを検出する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記凝縮器の出口と前記ポンプの入口との間の部分における前記作動流体の温度とを検出する、請求項４に記載のランキンサイクル装置。
【請求項６】
前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記ポンプの出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度とを検出する、請求項４に記載のランキンサイクル装置。
【請求項７】
前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記凝縮器における前記作動流体の温度とを検出する、請求項４に記載のランキンサイクル装置。
【請求項８】
前記合流位置と前記凝縮器の入口との間で前記主回路に位置する前記熱交換部としての第１熱交換部と、
前記ポンプの出口と前記蒸発器の入口との間で前記主回路に位置し、前記第１熱交換部と熱交換するための第２熱交換部と、をさらに備え、
前記一対の温度センサは、
前記主回路の前記合流位置と前記第１熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度、前記第１熱交換部における前記作動流体の温度、前記主回路の前記第１熱交換部の出口と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度、前記主回路の前記凝縮器の出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度、前記第２熱交換部における前記作動流体の温度、及び前記主回路の前記第２熱交換部の出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度から選ばれる２つの温度のうち、前記第１熱交換部における前記作動流体の温度、前記主回路の前記第１熱交換部の出口と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度、及び前記主回路の前記凝縮器の出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度から選ばれる２つの温度の組み合わせと、前記第２熱交換部における前記作動流体の温度と前記主回路の前記第２熱交換部の出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度との組み合わせとを除く２つの温度を検出する、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項９】
前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記第１熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記第１熱交換部の出口と前記凝縮器の入口との間の部分又は前記第１熱交換部における前記作動流体の温度とを検出する、請求項８に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１０】
前記一対の温度センサは、前記主回路の前記凝縮器の出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記第２熱交換部の出口と前記蒸発器の入口との間の部分又は前記第２熱交換部における前記作動流体の温度とを検出する、請求項８に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１１】
前記一対の温度センサの一方は、前記主回路の前記ポンプの出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度を検出する、請求項１０に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１２】
前記作動流体は、Ｔ-ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが負の値又は実質的に０を示す流体である、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１３】
前記流量調節機構は、前記主回路と前記バイパス流路の上流端との接続位置に設けられた三方弁を含む、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１４】
前記流量調節機構は、前記主回路と前記バイパス流路の上流端との接続位置と前記膨張機の入口との間で前記主回路に設けられた第１開閉弁と前記バイパス流路に設けられた膨張弁とを含む、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１５】
前記流量調節機構は、前記バイパス流路に設けられた第２開閉弁をさらに含む、請求項１４に記載のランキンンサイクル装置。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発電を行うための装置としてランキンサイクル装置が知られている。ランキンサイクル装置の一例として、作動流体がタービンをバイパスするためのバイパス流路を有する構成が知られている。【０００３】
図１６に示すように、特許文献１には、蒸気止め弁１０３Ａ、タービン１１１、凝縮器１１３、ポンプ１１４、及び蒸発器１１５が環状に接続されることによって形成されたランキンサイクル装置１００が開示されている。ランキンサイクル装置１００は、バイパス弁１０３Ｂを含むタービンバイパス流路１２０を有している。バイパス弁１０３Ｂは、蒸気止め弁１０３Ａの上流側の圧力を検出する圧力検出器１０７の圧力信号を入力とする圧力設定調整器１０５の出力信号によって開閉制御される。圧力設定調整器１０５は、蒸気止め弁１０３Ａの上流側の圧力が所定値以上になったときにバイパス弁１０３Ｂを開くように制御する。これにより、ランキンサイクル装置１００は、圧力制御機能、起動時におけるバイパス運転機能を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−１４５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のランキンサイクル装置１００は、タービン等の膨張機をバイパスするバイパス流路の作動流体の流量を調節するために、作動流体の圧力を検出する必要がある。【０００６】
本発明は、膨張機をバイパスするバイパス流路の作動流体の流量を比較的簡素な構成で調節できるランキンサイクル装置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】
本開示は、
膨張機、凝縮器、ポンプ、及び蒸発器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、
前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間で前記主回路に位置する熱交換部と、
前記蒸発器の出口と前記膨張機の入口との間で前記主回路から分岐し、前記膨張機の出口と前記熱交換部の入口との間で前記主回路に合流するバイパス流路と、
前記バイパス流路における作動流体の流量を調節する流量調節機構と、
前記主回路に前記バイパス流路が合流する合流位置と前記蒸発器の入口との間の前記主回路の部分で作動流体の流れ方向に互いに離れた２つの位置における前記作動流体の温度を検出する一対の温度センサと、を備え、
前記２つの位置は、前記熱交換部に流入する作動流体が過熱蒸気である場合に、前記２つの位置の一方における前記作動流体の温度と前記２つの位置の他方における前記作動流体の温度との差が所定値以上となるように定められている、
ランキンサイクル装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上記のランキンサイクル装置によれば、一対の温度センサの検出結果に基づいてバイパス流路における作動流体の流量を調節できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係るランキンサイクル装置の構成図
【図２】ランキンサイクル装置を通常運転しているときのモリエル線図
【図３】ランキンサイクル装置の起動運転が初期段階であるときのモリエル線図
【図４】ランキンサイクル装置の起動運転が過渡的段階であるときのモリエル線図
【図５】ランキンサイクル装置の起動運転が過渡的段階であるときのモリエル線図
【図６】望ましい作動流体を説明するＴ−ｓ線図
【図７】第２実施形態に係るランキンサイクル装置の構成図
【図８】第３実施形態に係るランキンサイクル装置の構成図
【図９】第４実施形態に係るランキンサイクル装置の構成図
【図１０】ランキンサイクル装置を通常運転しているときのモリエル線図
【図１１】ランキンサイクル装置の起動運転が初期段階であるときのモリエル線図
【図１２】ランキンサイクル装置の起動運転が過渡的段階であるときのモリエル線図
【図１３】ランキンサイクル装置の起動運転が過渡的段階であるときのモリエル線図
【図１４】変形例に係るランキンサイクル装置の構成図
【図１５】別の変形例に係るランキンサイクル装置の構成図
【図１６】従来のランキンサイクル装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ランキンサイクル装置の起動運転において、蒸発器の加熱が始まる前に、ポンプを始動することによって液相の作動流体が蒸発器に送り込まれる。蒸発器での作動流体の加熱が始まり、蒸発器による作動流体の加熱が継続すると、蒸発器の出口の作動流体の乾き度が徐々に増加する。この場合、蒸発器の出口の作動流体が適切な過熱度の過熱蒸気となるようにランキンサイクル装置の運転が行われる。
【００１１】
ランキンサイクル装置の起動運転の初期段階において、蒸発器の出口の作動流体は湿り蒸気であるので、蒸発器の出口からは液相の作動流体が流出する。そのため、液相の作動流体がタービン等の膨張機に供給される。膨張機がタービン等の速度型の流体機械である場合、液相の作動流体がタービン翼に衝突することによって減肉現象が生じる可能性がある。これにより、ランキンサイクル装置の信頼性が低下してしまう。また、膨張機がスクロール膨張機等の容積型の流体機械である場合、液相の作動流体が潤滑のためのオイルを流してしまい、膨張機の部品に油膜が形成されないおそれがある。これにより、膨張機の部品同士の潤滑が不十分となる可能性があるので、ランキンサイクル装置の信頼性が低下してしまう。
【００１２】
このような問題は、蒸発器の加熱量の変動等によってサイクルの状態が変動し、蒸発器の出口において作動流体が液相状態又は気液二相状態となる場合にも起こり得る。また、ランキンサイクル装置の停止運転において、蒸発器の加熱を停止した後に蒸発器の冷却のために液相の作動流体をポンプによって蒸発器に供給する必要がある。この場合にも、液相の作動流体が膨張機に供給される可能性があるので、上記の問題が起こり得る。
【００１３】
そこで、膨張機に液相の作動流体が流れ込むおそれがある場合、膨張機の運転を停止し、作動流体が膨張機をバイパスする必要がある。作動流体が膨張機をバイパスするランキンサイクル装置として、特許文献１のランキンサイクル装置１００が開示されている。ランキンサイクル装置１００は、タービン１１１の入口における作動流体の圧力を検出することによってバイパス弁１０３Ｂの開閉を制御している。しかし、ランキンサイクル装置に用いられる圧力センサは一般に高価であるので、ランキンサイクル装置の製造コストが高くなってしまう。
【００１４】
本開示の第１態様は、
膨張機、凝縮器、ポンプ、及び蒸発器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、
前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間で前記主回路に位置する熱交換部と、
前記蒸発器の出口と前記膨張機の入口との間で前記主回路から分岐し、前記膨張機の出口と前記熱交換部の入口との間で前記主回路に合流するバイパス流路と、
前記バイパス流路における作動流体の流量を調節する流量調節機構と、
前記主回路に前記バイパス流路が合流する合流位置と前記蒸発器の入口との間の前記主回路の部分で作動流体の流れ方向に互いに離れた２つの位置における前記作動流体の温度を検出する一対の温度センサと、を備え、
前記２つの位置は、前記熱交換部に流入する作動流体が過熱蒸気である場合に、前記２つの位置の一方における前記作動流体の温度と前記２つの位置の他方における前記作動流体の温度との差が所定値以上となるように定められている、
ランキンサイクル装置を提供する。
【００１５】
第１態様によれば、一対の温度センサによって２つの作動流体の温度を検出することにより膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態が分かる。これにより、膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態に応じたランキンサイクル装置の運転を実現できる。その結果、ランキンサイクル装置の信頼性を高めることができる。
【００１６】
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記流量調節機構を制御する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、前記一対の温度センサによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、前記バイパス流路における前記作動流体の流量が減少するように前記流量調節機構を制御する、ランキンサイクル装置を提供する。第２態様によれば、一対の温度センサによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合、熱交換部に流入する作動流体は過熱蒸気である。この場合、バイパス流路における作動流体の流量が減少するように流量調節機構を制御する。このように、一対の温度センサによって検出された２つの温度の差に基づいてバイパス流路における作動流体の流量が調節される。また、膨張機の出口又はバイパス流路の出口の作動流体が過熱蒸気であるときに、バイパス流路における作動流体の流量が減少するように流量調節機構を制御するので、ランキンサイクル装置の信頼性を高めることができる。
【００１７】
本開示の第３態様は、第１態様に加えて、前記流量調節機構を制御する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、前記一対の温度センサによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、前記バイパス流路における前記作動流体の流量が増加するように前記流量調節機構を制御する、ランキンサイクル装置を提供する。第３態様によれば、一対の温度センサによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合、膨張機の出口又はバイパス流路の出口において作動流体は湿り蒸気である可能性がある。この場合、バイパス流路における作動流体の流量が増加するように流量調節機構を制御する。第３態様によれば、膨張機に液相の作動流体が供給される可能性がある場合に、バイパス流路における作動流体の流量が増加するように流量調節機構が制御されるので、膨張機への液相の作動流体の供給を抑制できる。その結果、ランキンサイクル装置の信頼性を高めることができる。
【００１８】
本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記熱交換部は、前記凝縮器における前記作動流体の流路によって構成されており、前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記凝縮器における前記作動流体の温度又は前記主回路の前記凝縮器の出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度とを検出する、ランキンサイクル装置を提供する。第４態様によれば、凝縮器における作動流体の流路によって熱交換部を構成できる。ランキンサイクル装置において凝縮器は必須の構成要素である。このため、簡素な構成で膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態に応じてバイパス流路における作動流体の流量を制御できる。
【００１９】
本開示の第５態様は、第４態様に加えて、前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記凝縮器の出口と前記ポンプの入口との間の部分における前記作動流体の温度とを検出する、ランキンサイクル装置を提供する。第５態様によれば、ポンプの入口における冷媒は過冷却状態の液相であるので、他方の温度センサが過熱状態の気相である作動流体の温度を検出する場合、一対の温度センサによって検出された２つの温度の差が大きく、膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態の判別が容易である。
【００２０】
本開示の第６態様は、第４態様に加えて、前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記ポンプの出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度とを検出する、ランキンサイクル装置を提供する。第６態様によれば、ポンプの出口側に温度センサを設置するので、凝縮器からポンプに至る配管を短く構成できる。このため、ポンプの入口側での作動流体への外部環境からの入熱を防ぎ、かつ、作動流体の圧力損失によるキャビテーションを抑制できる。
【００２１】
本開示の第７態様は、第４態様に加えて、前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記凝縮器における前記作動流体の温度とを検出する、ランキンサイクル装置を提供する。第７態様によれば、凝縮器で凝縮中の作動流体の温度、つまり凝縮温度を検出できる。このため、主回路の合流位置と凝縮器の入口との間の部分における作動流体の温度が凝縮温度よりも高い値であれば、主回路の合流位置と凝縮器の入口との間の部分における作動流体は過熱状態の気相である。これにより、一対の温度センサによって精度良く２つの温度の差を検出できる。
【００２２】
本開示の第８態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、
前記合流位置と前記凝縮器の入口との間で前記主回路に位置する前記熱交換部としての第１熱交換部と、
前記ポンプの出口と前記蒸発器の入口との間で前記主回路に位置し、前記第１熱交換部と熱交換するための第２熱交換部と、をさらに備え、
前記一対の温度センサは、
前記主回路の前記合流位置と前記第１熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度、前記第１熱交換部における前記作動流体の温度、前記主回路の前記第１熱交換部の出口と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度、前記主回路の前記凝縮器の出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度、前記第２熱交換部における前記作動流体の温度、及び前記主回路の前記第２熱交換部の出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度から選ばれる２つの温度のうち、前記第１熱交換部における前記作動流体の温度、前記主回路の前記第１熱交換部の出口と前記凝縮器の入口との間の部分における前記作動流体の温度、及び前記主回路の前記凝縮器の出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度から選ばれる２つの温度の組み合わせと、前記第２熱交換部における前記作動流体の温度と前記主回路の前記第２熱交換部の出口と前記蒸発器の入口との間の部分における前記作動流体の温度との組み合わせとを除く２つの温度を検出する、ランキンサイクル装置を提供する。
【００２３】
第８態様によれば、一対の温度センサによって２つの温度を検出することによって膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態を判断することができる。これにより、膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態に応じたランキンサイクル装置の運転を実現できる。その結果、ランキンサイクル装置の信頼性を高めることができる。
【００２４】
本開示の第９態様は、第８態様に加えて、前記一対の温度センサは、前記主回路の前記合流位置と前記第１熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記第１熱交換部の出口と前記凝縮器の入口との間の部分又は前記第１熱交換部における前記作動流体の温度とを検出する、ランキンサイクル装置を提供する。第９態様によれば、膨張機の出口又はバイパス流路の出口において作動流体が湿り蒸気であるときに、主回路の合流位置と第１熱交換部の入口との間の部分における作動流体の温度と、前記主回路の第１熱交換部の出口と凝縮器の入口との間の部分又は前記第１熱交換部における作動流体の温度はほぼ等しい。このため、膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態を高い精度で判断できる。そのうえで、バイパス流路における作動流体の流量を調節できる。
【００２５】
本開示の第１０態様は、第８態様に加えて、前記一対の温度センサは、前記主回路の前記凝縮器の出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度と、前記主回路の前記第２熱交換部の出口と前記蒸発器の入口との間の部分又は前記第２熱交換部における前記作動流体の温度とを検出する、ランキンサイクル装置を提供する。第１０態様によれば、凝縮器の出口と第２熱交換部の入口との間の部分で作動流体の温度はほとんど変化しない。このため、上記の２つの温度の差を検出することによって、作動流体が第２熱交換部の入口から第２熱交換部の出口まで流れることによる作動流体の温度変化を評価できる。これにより、第１熱交換部と第２熱交換部との間で熱交換が発生しているかどうか判断できる。その結果、膨張機の出口又はバイパス流路の出口における作動流体の状態を判断できる。そのうえで、バイパス流路における作動流体の流量を調節できる。また、主回路の凝縮器の出口と第２熱交換部の入口との間の部分における作動流体の温度及び主回路の第２熱交換部の出口と蒸発器の入口との間の部分又は第２熱交換部における作動流体の温度は、相対的に低い。そのため、一対の温度センサが相対的に低温である位置に配置されるので、一対の温度センサの長期の信頼性を確保することができる。
【００２６】
本開示の第１１態様は、第１０態様に加えて、前記一対の温度センサの一方は、前記主回路の前記ポンプの出口と前記第２熱交換部の入口との間の部分における前記作動流体の温度を検出する、ランキンサイクル装置を提供する。第１１態様によれば、ポンプが作動流体の温度に与える影響を考慮せずに、一対の温度センサによって検出された２つの温度の差の第１閾値又は第２閾値を定めることができる。
【００２７】
本開示の第１２態様は、第１態様〜第１１態様のいずれか１つの態様に加えて、前記作動流体は、Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが負の値又は実質的に０を示す流体である、ランキンサイクル装置を提供する。第１２態様によれば、膨張機から吐出される作動流体が過熱蒸気である場合、膨張機に供給される作動流体は過熱蒸気である。このため、液相の作動流体によって膨張機の信頼性が低下することを抑制できる。
【００２８】
本開示の第１３態様は、第１態様〜第１２態様のいずれか１つの態様に加えて、前記流量調節機構は、前記主回路と前記バイパス流路の上流端との接続位置に設けられた三方弁を含む、ランキンサイクル装置を提供する。第１３態様によれば、比較的簡素な構成でバイパス流路の流量を調節することができる。
【００２９】
本開示の第１４態様は、第１態様〜第１３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記流量調節機構は、前記主回路と前記バイパス流路の上流端との接続位置と前記膨張機の入口との間で前記主回路に設けられた第１開閉弁と前記バイパス流路に設けられた膨張弁とを含む、ランキンサイクル装置を提供する。第１４態様によれば、第１開閉弁によって液相の作動流体が膨張機に供給されるのを防止できる。また、バイパス流路に設けられた膨張弁によって、膨張機に供給されない過熱蒸気の作動流体を減圧できる。
【００３０】
本開示の第１５態様は、第１４態様に加えて、前記流量調節機構は、前記バイパス流路に設けられた第２開閉弁をさらに含む、ランキンサイクル装置を提供する。第１５態様によれば、第２開閉弁によってバイパス流路に作動流体が流れないようにバイパス流路の流量の調節ができる。
【００３１】
本開示の第１６態様は、第１態様〜第１５態様のいずれか１つの態様に加えて、前記第１閾値又は前記第２閾値は、前記膨張機の入口における作動流体及び前記膨張機の出口における作動流体のうち過熱度がより小さい作動流体が５℃以上の過熱度を示すように定められている、ランキンサイクル装置を提供する。第１６態様によれば、作動流体が膨張機によって断熱膨張されても湿り蒸気に変化しにくい。
【００３２】
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、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００３３】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、ランキンサイクル装置１Ａは、主回路１０と、バイパス流路２０と、流量調節機構３と、一対の温度センサ７Ａと、制御装置５とを備えている。主回路１０は、膨張機１１、凝縮器１３、ポンプ１４、及び蒸発器１５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。ランキンサイクル装置１Ａは、膨張機１１の出口とポンプ１４の入口との間で主回路１０に位置する熱交換部ＨＸを備える。バイパス流路２０は、蒸発器１５の出口と膨張機１１の入口との間で主回路１０から分岐し、膨張機１１の出口と熱交換部ＨＸとの間で主回路１０に合流している。ランキンサイクル装置１Ａは、熱交換部ＨＸとしての第１熱交換部１２Ａと、第１熱交換部１２Ａと熱交換するための第２熱交換部１２Ｂとを備えている。第１熱交換部１２Ａは、主回路１０にバイパス流路２０が合流する合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間で主回路１０に位置する。第２熱交換部１２Ｂは、ポンプ１４の出口と蒸発器１５の入口との間で主回路１０に位置する。第１熱交換部１２Ａ及び第２熱交換部１２Ｂによって再熱器１２が構成されている。第１熱交換部１２Ａは、再熱器１２の低圧側の流路を形成している。第２熱交換部１２Ｂは、再熱器１２の高圧側の流路を形成している。第１熱交換部１２Ａの中の作動流体が第２熱交換部１２Ｂの中の作動流体と熱交換する。蒸発器１５は、ボイラー２によって発生する燃焼熱によって蒸発器１５を流れている作動流体を加熱する。作動流体を加熱するための熱源として、ボイラー２に代えて、排熱、地熱、太陽熱などの他の熱源を使用してもよい。凝縮器１３は、主回路１０の一部を構成するとともに、温水回路３０の一部を構成している。凝縮器１３は、主回路１０側の凝縮部１３Ａと温水回路３０側の冷却部１３Ｂを有する。凝縮部１３Ａを流れる作動流体は、冷却部１３Ｂを流れる冷却水によって冷却され凝縮する。温水回路３０は、温水ポンプ３１、冷却部１３Ｂ、給湯タンク３２、及びラジエータ３４を有し、これらのコンポーネントが環状に接続されることによって形成されている。
【００３４】
流量調節機構３は、バイパス流路２０における作動流体の流量を調節する。本実施形態では、流量調節機構３は、主回路１０とバイパス流路２０の上流端との接続位置と膨張機１１との間に設けられた第１開閉弁３Ａとバイパス流路２０に設けられた膨張弁３Ｂとを含んでいる。第１開閉弁３Ａは例えば電磁開閉弁である。膨張弁３Ｂは例えば電動膨張弁である。
【００３５】
一対の温度センサ７Ａは、主回路１０にバイパス流路２０が合流する合流位置１０Ｊと蒸発器１５の入口との間の主回路１０の部分で作動流体の流れ方向に互いに離れた２つの位置における作動流体の温度を検出する。この２つの位置は、熱交換部ＨＸに流入する作動流体が過熱蒸気である場合に、２つの位置の一方における作動流体の温度と２つの位置の他方における作動流体の温度との差が所定値以上となるように定められている。この所定値は、例えば、５℃である。
【００３６】
例えば、一対の温度センサ７Ａは、主回路１０の合流位置１０Ｊと第１熱交換部１２Ａの入口との間の部分における作動流体の温度、第１熱交換部１２Ａにおける作動流体の温度、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体の温度、及び主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度から選ばれる２つの温度のうち、第１熱交換部１２Ａにおける作動流体の温度、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度、及び主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度から選ばれる２つの温度の組み合わせと、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体の温度と主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度との組み合わせとを除く２つの温度を検出する。本実施形態においては、一対の温度センサ７Ａは、主回路１０の合流位置１０Ｊと第１熱交換部１２Ａの入口との間の部分における作動流体の温度と、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度とを検出する。具体的には、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度を検出する。温度センサ７Ａは、第１熱交換部１２Ａの出口における作動流体の温度を検出する。ここで、第１熱交換部１２Ａにおける作動流体の温度は、例えば、第１熱交換部１２Ａにおける作動流体の流路に沿って第１熱交換部１２Ａの入口及び出口から等しい距離にある位置よりも第１熱交換部１２Ａの出口に近い位置の作動流体の温度を意味する。また、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体の温度は、例えば、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体の流路に沿って第２熱交換部１２Ｂの入口及び出口から等しい距離にある位置よりも第２熱交換部１２Ｂの出口に近い位置の作動流体の温度を意味する。
【００３７】
制御装置５は、一対の温度センサ７Ａから検出結果を示す信号を受信し、その一対の温度センサ７Ａの検出結果に基づいて制御信号を生成し、その制御信号を流量調節機構３に送信して流量調節機構３を制御する。これにより、流量調節機構３はバイパス流路２０における作動流体の流量を調節する。制御装置５は、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差が第１閾値（昇温閾値）を超えた場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御する。一方、制御装置５は、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差が第２閾値（降温閾値）以下に変化した場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が増加するように流量調節機構３を制御する。
【００３８】
図２を参照して、通常運転におけるランキンサイクル装置１Ａの動作を説明する。図２は、作動流体のモリエル線図であり、破線は等温線を示している。通常運転において、バイパス流路２０における作動流体の流量が最小又はゼロとなるように流量調節機構３が制御されている。図２における点Ａ１は、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分における作動流体の状態を示す。この場合、作動流体は飽和液又は過冷却液である。作動流体は、ポンプ１４によって加圧される。この場合、作動流体の温度はほとんど変化しないので、主回路１０のポンプ１４の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分の作動流体は、点Ｂ１に示す過冷却液である。第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体は、第１熱交換部１２Ａにおける作動流体によって加熱されるので、主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分の作動流体は、例えば、点Ｃ１に示す過冷却液である。場合によっては、作動流体は、点Ｃ１の状態と等圧の湿り蒸気である。
【００３９】
蒸発器１５において作動流体は加熱され、過熱蒸気に変化する。このため、蒸発器１５の出口の作動流体は、点Ｄ１に示す過熱蒸気である。この過熱蒸気の作動流体が膨張機１１に供給され、作動流体は膨張機１１によって断熱膨張する。このため、主回路１０の合流位置１０Ｊと第１熱交換部１２Ａの入口との間の部分における作動流体は、点Ｅ１に示す過熱蒸気である。第１熱交換部１２Ａにおける作動流体は、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体によって冷却される。このため、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体は、点Ｆ１に示すような過熱蒸気である。凝縮器１３における作動流体は、冷却部１３Ｂにおける冷却水によって冷却されて凝縮する。このため、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分における作動流体は、点Ａ１に示す飽和液又は過冷却液である。通常運転において、ランキンサイクル装置１Ａでは、作動流体が上記のように状態変化しながら主回路１０を循環している。
【００４０】
膨張機１１は、タービン等の速度型の膨張機又はスクロール膨張機等の容積型の膨張機である。膨張機１１によって発電機（図示省略）が駆動されて発電が行われる。また、温水回路３０において、凝縮器１３の冷却部１３Ｂで加熱された冷却水が給湯タンク３２及びラジエータ３４に供給される。これにより、凝縮器１３における作動流体からの排熱を給湯又は暖房のために利用できる。
【００４１】
バイパス流路２０における作動流体の流量の調節について、ランキンサイクル装置１Ａの起動運転及び停止運転を例に説明する。起動運転の初期段階において、ポンプ１４の送液量は最大に設定されている。この場合、ランキンサイクル装置１Ａは図３に示すように動作する。図３において、作動流体が点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２、Ｅ２及びＦ２の状態を示す位置は、それぞれ、作動流体が図２の点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１及びＦ１の状態を示す位置と一致する。図３に示すように、蒸発器１５の出口における作動流体の状態は、点Ｄ２に示すような湿り蒸気の状態にある。このため、起動運転の初期段階において、開閉弁３Ａは閉じられており、液相の作動流体が膨張機１１に供給されることが防止されている。また、膨張機１１の運転は停止している。作動流体は、蒸発器１５から流出した後、バイパス流路２０を最大の流量で流れる。バイパス流路２０における作動流体は膨張弁３Ｂによって減圧されるので、バイパス流路２０の出口における作動流体は、点Ｅ２に示すような湿り蒸気である。
【００４２】
バイパス流路２０の出口における作動流体が湿り蒸気である場合、凝縮器１３及びポンプ１４において作動流体の温度はほとんど変化しないので、Ｅ２に示す状態にある作動流体は等温線に沿ってＣ２に示す状態に変化する。この場合、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体の温度（点Ｅ２）と第２熱交換部１２Ｂの入口における作動流体の温度（点Ｂ２）とはほぼ一致するので、第１熱交換部１２Ａと第２熱交換部１２Ｂとの間で熱交換は生じない。このため、第１熱交換部１２Ａ及び第２熱交換部１２Ｂにおいて作動流体の状態はほとんど変化せず、図３に示すように、点Ｅ２と点Ｆ２とが一致し、点Ｂ２と点Ｃ２とが一致する。この場合、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度はほぼ一致するので、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えることはない。従って、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御することはない。
【００４３】
起動運転の過渡的段階において、ポンプ１４の送液量を段階的に低下させる。この場合、ランキンサイクル装置１Ａの動作は、図３に示す状態から図４に示す状態に次第に変化する。図４において、作動流体が点Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３、Ｅ３及びＦ３の状態を示す位置は、それぞれ、作動流体が図２の点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１及びＦ１の状態を示す位置と一致する。
【００４４】
図４に示すように、起動運転の過渡的段階において、蒸発器１５の出口における作動流体は過熱蒸気へ変化して、作動流体の過熱度が次第に高くなり、点Ｄ３に示す状態になる。この場合、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体の過熱度も次第に高くなり、点Ｅ３に示すような過熱蒸気へ変化する。一方、主回路１０の凝縮器１３とポンプ１４との間の部分における作動流体は、点Ａ３に示すように、飽和液又は飽和温度からわずかに過冷却された過冷却液である。作動流体はポンプ１４によってほとんど温度変化しないので、主回路１０のポンプ１４と第２熱交換部１２Ｂとの間の部分における作動流体は、点Ｂ３に示すような過冷却液である。このため、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体の温度は、第２熱交換部１２Ｂの入口における作動流体の温度よりも高くなる。これにより、第１熱交換部１２Ａと第２熱交換部１２Ｂとの間で熱交換が発生する。
【００４５】
第１熱交換部１２Ａにおける作動流体は、第２熱交換部１２Ｂによって冷却されるので、点Ｆ３に示すように、点Ｅ３の作動流体より低温の過熱蒸気になる。一方、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体は、第２熱交換部１２Ｂによって加熱されるので、点Ｃ３に示すように、点Ｂ３の作動流体より高温の湿り蒸気になる。これにより、起動運転の過渡的段階において、一対の温度センサ７Ａが検出する２つの温度に差が生じ、その温度差は次第に大きくなっていく。この過程において、制御装置５は、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように、流量調節機構３を制御する。具体的には、第１開閉弁３Ａを開き、膨張機１１に作動流体を供給する。この場合、蒸発器１５の出口における作動流体は過熱蒸気であるので、液相の作動流体が膨張機１１に供給されない。そのため、液相の作動流体が供給されることによって膨張機１１の信頼性が低下することが抑制されている。
【００４６】
このようにして、膨張機１１の運転が始まると、ランキンサイクル装置１Ａは、図５に示すように動作する。図５において、作動流体が点Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、Ｄ４、Ｅ４及びＦ４の状態を示す位置は、それぞれ、作動流体が図２の点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１及びＦ１の状態を示す位置と一致する。この場合、蒸発器１５から流出した作動流体の一部は、主回路１０の膨張機１１に供給され、残部はバイパス流路２０に供給される。作動流体は、膨張機１１において断熱膨張し、バイパス流路２０において膨張弁３Ｂによって減圧される。このため、作動流体は、蒸発器１５の出口と第１熱交換部１２Ａの入口との間で、点Ｄ４に示す状態から点Ｅ４に示す状態へ変化する。この起動運転の過渡的段階において、ポンプ１４の送液量が調節される。また、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が最小又はゼロとなるように膨張弁３Ｂの開度を最小に変更する。これにより、膨張機１１の回転数が次第に増加する。その後、膨張機１１の回転数を制御することによって、サイクルの高低圧差が徐々に拡大し、ランキンサイクル装置１Ａの運転は、起動運転から通常運転へ移行する。
【００４７】
次に、ランキンサイクル装置１Ａの停止運転を説明する。ランキンサイクル装置１Ａは、停止運転において、ランキンサイクル装置１Ａの動作が起動運転と逆の方向に変化するように、運転される。すなわち、ランキンサイクル装置１Ａの動作が、図２に示す状態、図５に示す状態、図４に示す状態、図３に示す状態へと順次変移するようにランキンサイクル装置１Ａが運転される。具体的に、停止運転の初期段階において、膨張弁３Ｂの開度を大きくし、ポンプ１４の送液量を調節する。これにより、膨張機１１の回転数が次第に減少する。その結果、ランキンサイクル装置１Ａは、図５に示す状態で動作する。次に、第１開閉弁３Ａを閉じて膨張機１１を停止させる。バイパス流路２０における作動流体は膨張弁３Ｂによって減圧されるので、ランキンサイクル装置１Ａは、図４に示すように動作する。すなわち、作動流体は、蒸発器１５の出口と第１熱交換部１２Ａの入口との間で、点Ｄ３に示す状態から点Ｅ３に示す状態へ変化する。
【００４８】
次に、ボイラー２の運転を停止する。一方、蒸発器１５を冷却するために、ポンプ１４は継続して運転される。蒸発器１５における作動流体は、ボイラー２の余熱によって加熱されるものの、蒸発器１５における作動流体の加熱量は減少していく。このため、ランキンサイクル装置１Ａの動作は、図４に示す状態から図３に示す状態へ変化する。すなわち、蒸発器１５の出口における作動流体は、図３の点Ｄ２に示すような湿り蒸気の状態に変化する。
【００４９】
蒸発器１５の温度が十分に低下したところでポンプ１４の運転が停止される。これにより、ランキンサイクル装置１Ａの停止運転が終了する。
【００５０】
なお、バイパス流路２０における作動流体の流量の調節は、ランキンサイクル装置１Ａの起動運転及び停止運転以外においても行ってよい。例えば、何らかの原因で蒸発器１５における作動流体の加熱量が低下すると、蒸発器１５の出口における作動流体は過熱蒸気の状態から湿り蒸気の状態へと変化する可能性がある。この過程で、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体は、過熱蒸気の状態から湿り蒸気の状態へ変化していき、第１熱交換部１２Ａと第２熱交換部１２Ｂとの間における熱交換の量も低下していく。これに伴い、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差も小さくなっていく。このような状況において、制御装置５は、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が増加するように流量調節機構３を制御してもよい。具体的に、制御装置５は、開閉弁３Ａを閉じ、膨張弁３Ｂを開くように、流量調節機構３を制御する。これにより、液相の作動流体が膨張機１１に供給されることを防止できる。
【００５１】
また、上記の場合に、低下した蒸発器１５における作動流体の加熱量が回復する過程において、蒸発器１５の出口における作動流体は湿り蒸気の状態から過熱蒸気の状態へ変化する。この過程で、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体は、湿り蒸気の状態から過熱蒸気の状態へ変化していき、第１熱交換部１２Ａと第２熱交換部１２Ｂとの間における熱交換の量は増加していく。このような状況において、制御装置５は、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御してもよい。具体的には、制御装置５は、開閉弁３Ａを開き、膨張弁３Ｂを閉じるように流量調節機構３を制御する。これにより、過熱蒸気の状態である作動流体が膨張機１１に供給されることを確保できる。また、本実施形態によれば、バイパス流路２０の流量の制御のために圧力センサを要しない。
【００５２】
本実施形態において、作動流体は特に制限されない。作動流体は、例えば、水、アルコール、ケトン、炭化水素、及びフルオロカーボン等である。図６に示すように、作動流体は、Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線におけるｄｓ／ｄＴの値によって３種類に分類される。このうち１種類目の作動流体は、図６の（１）に示すように、Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが負の値を示す流体である。２種類目の作動流体は、図６の（２）に示すように、Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが正の値を示す流体である。３種類目の作動流体は、図６の（３）に示すように、Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが実質的にゼロを示す流体である。なお、本明細書において、「ｄｓ／ｄＴが実質的にゼロ」とは、ランキンサイクル装置１Ａが運転される圧力の範囲において、ｄｓ／ｄＴが８×１０−４ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ２）以下であることを意味するものとする。膨張機１１の信頼性を考慮すると、作動流体は、膨張機１１の出口において過熱蒸気の状態であれば膨張機１１の入口においても過熱蒸気の状態として存在する流体であることが好ましい。この観点から、作動流体は、Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが負の値又は実質的に０を示す流体であることが好ましい。
【００５３】
Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが負の値を示す流体としては、例えば、Ｒ２１、シクロプロパン、アンモニア、プロピン、水、ベンゼン、及びトルエンを挙げることができる。Ｔ−ｓ線図上の飽和蒸気線においてｄｓ／ｄＴが実質的にゼロを示す流体としては、例えば、Ｒ１２３、Ｒ１２４、Ｒ１４１ｂ、Ｒ１４２ｂ、Ｒ２４５ｆａ、及びＲ２４５ｃａを挙げることができる。
【００５４】
一対の温度センサ７Ａによって検出される２つの温度の差の上記の第１閾値又は第２閾値の大きさは特に制限されない。第１閾値及び第２閾値は、同一の値であってもよいし、異なる値であってもよい。膨張機１１における作動流体の断熱膨張において、作動流体が湿り蒸気であることを抑制するためには、作動流体は、膨張機１１の入口及び膨張機１１の出口において、過熱蒸気であることが好ましい。この観点から、第１閾値又は第２閾値は、例えば、膨張機１１の入口における作動流体及び膨張機１１の出口における作動流体のうち過熱度がより小さい作動流体が５〜１０℃以上の過熱度を示すように定められているとよい。
【００５５】
＜第２実施形態＞
次に、図７を参照して、本開示の第２実施形態に係るランキンサイクル装置１Ｂについて説明する。なお、特に説明する場合を除き、第２実施形態は第１実施形態と同様に構成される。第１実施形態と同一又は対応する第２実施形態の構成要素には、第１実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。すなわち、第１実施形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、本実施形態にも適用されうる。このことは、後述する実施形態及び変形例についてもあてはまる。
【００５６】
図７に示すように、ランキンサイクル装置１Ｂは、流量調節機構３の構成及び一対の温度センサ７Ｂの位置が、第１実施形態のランキンサイクル装置１Ａと異なっている。流量調節機構３は、主回路１０とバイパス流路２０の上流端との接続位置に設けられた三方弁３Ｃである。三方弁３Ｃは、例えば、分流型の電動三方弁である。三方弁３Ｃは、蒸発器１５の出口における作動流体の流れを、膨張機１１へ供給される作動流体の流れと、バイパス流路２０を流れる作動流体の流れとに、分流する。なお、三方弁３Ｃとして、方向切換弁を用いてもよい。
【００５７】
一対の温度センサ７Ｂは、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分の作動流体の温度と、主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度とを検出する。このため、一対の温度センサ７Ｂは、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分及び第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分にそれぞれ設けられている。詳細には、一対の温度センサ７Ｂの一方は、主回路１０のポンプ１４の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度を検出する。ここで、主回路１０のポンプ１４の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分には第２熱交換部１２Ｂの入口が含まれる。本実施形態では、一対の温度センサ７Ｂの一方は、第２熱交換部１２Ｂの入口における作動流体の温度を検出する。ただし、一対の温度検出センサ７Ｂの一方は、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分に設けられていればよい。また、一対の温度センサ７Ｂの他方は、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体の温度を検出してもよい。すなわち、一対の温度センサ７Ｂの他方は、第２熱交換部１２Ｂにおける作動流体の流路に沿って第２熱交換部１２Ｂの入口及び出口から等しい距離にある位置よりも第２熱交換部１２Ｂの出口に近い位置に設けられていてもよい。
【００５８】
図３に示すように、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が湿り蒸気であるとき、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度（点Ａ２、点Ｂ２参照）は、主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度（点Ｃ２参照）とほぼ一致する。一方、図４に示すように、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が過熱蒸気であるとき、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度（点Ａ３及び点Ｂ３参照）は、主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度（点Ｃ３参照）よりも低い。第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が湿り蒸気から過熱蒸気に変化する過程において、一対の温度センサ７Ｂによって検出された２つの温度の差が増加していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｂによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３（三方弁３Ｃ）を制御する。
【００５９】
第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が過熱蒸気から湿り蒸気に変化する過程において、一対の温度センサによって検出された２つの温度の差は減少していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｂによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が増加するように流量調節機構３（三方弁３Ｃ）を制御する。
【００６０】
上記のように、バイパス流路２０における作動流体の流量を制御することによって、液相の作動流体が膨張機１１に供給されることを防止できる。また、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度及び主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度は、相対的に低い。そのため、一対の温度センサ７Ｂが相対的に低温である位置に配置されるので、温度センサ７Ｂの長期の信頼性を確保することができる。また、温度センサ７Ｂが設けられる位置における作動流体の温度と周囲の環境温度との差が小さいので、作動流体の配管からの熱損失を小さくすることができる。これにより、温度センサ７Ｂを配管の外周面に設ける場合に、温度センサ７Ｂによって作動流体の温度を高い精度で検出できる。
【００６１】
作動流体の温度は、ポンプ１４による加圧によってわずかに上昇する。図７に示すように、本実施形態では、一対の温度センサ７Ｂの一方が、主回路１０のポンプ１４の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度を検出する。これにより、ポンプが作動流体の温度に与える影響を考慮せずに、一対の温度センサによって検出された２つの温度の差の第１閾値又は第２閾値を定めることができる。
【００６２】
＜第３実施形態＞
次に、図８を参照して、本開示の第３実施形態に係るランキンサイクル装置１Ｃを説明する。ランキンサイクル装置１Ｃは、流量調節機構３の構成及び一対の温度センサ７Ｃの位置が、第１実施形態のランキンサイクル装置１Ａと異なっている。図８に示すように、流量調節機構３は、第１開閉弁３Ａ及び膨張弁３Ｂに加え、バイパス流路２０に設けられた第２開閉弁３Ｄをさらに含んでいる。第２開閉弁は、例えば、電磁開閉弁である。
【００６３】
一対の温度センサ７Ｃは、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分の作動流体の温度と、主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度とを検出する。具体的に、一対の温度センサ７Ｃの一方は、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分における作動流体の温度を検出する。
【００６４】
第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が湿り蒸気から過熱蒸気に変化する過程において、一対の温度センサ７Ｃによって検出された２つの温度の差が増加していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｃによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御する。具体的に、制御装置５は、第１開閉弁３Ａを開き、第２開閉弁３Ｄを閉じて、膨張機１１に作動流体を供給する。
【００６５】
第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が過熱蒸気から湿り蒸気に変化する過程において、一対の温度センサ７Ｃによって検出された２つの温度の差が減少していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｃによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が増加するように流量調節機構３を制御する。具体的に、制御装置５は、第１開閉弁３Ａを閉じ、第２開閉弁３Ｄを開き、膨張弁３Ｂを開くように、流量調節機構３を制御する。
【００６６】
上記の様に、バイパス流路２０における作動流体の流量を制御することによって、液相の作動流体が膨張機１１に供給されることを防止できる。また、一対の温度センサ７Ｃが相対的に低温である位置に配置されるので、温度センサ７Ｃの長期の信頼性を確保することができる。
【００６７】
＜変形例＞
上記の実施形態は様々な観点から変形可能である。図３に示すように、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が湿り蒸気にあるときに、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体の温度（点Ｅ２）、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度（点Ｆ２）、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度（点Ａ２、点Ｂ２）、及び第２熱交換部１２Ｂの出口における作動流体の温度（点Ｃ２）は、ほぼ一致する。一方、図４に示すように、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体が過熱蒸気であるときに、これらの温度のうち、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度（点Ｆ２）と、主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度（点Ａ２、点Ｂ２）との組み合わせを除いた任意の２つの温度は、異なる値を示す。そのため、一対の温度センサ７Ａは、この任意の２つの温度を検出し、一対の温度センサ７Ａによって検出された２つの温度の差に基づいてバイパス流路２０における作動流体の流量を調節してもよい。従って、一対の温度センサ７Ａは、主回路１０の合流位置１０Ｊと第１熱交換部１２Ａの入口との間の部分における作動流体の温度及び主回路１０の凝縮器１３の出口と第２熱交換部１２Ｂの入口との間の部分における作動流体の温度を検出してもよい。また、一対の温度センサ７Ａは、主回路１０の第１熱交換部１２Ａの出口と凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度及び主回路１０の第２熱交換部１２Ｂの出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度を検出してもよい。
【００６８】
＜第４実施形態＞
次に、図９を参照して、本開示の第４実施形態に係るランキンサイクル装置１Ｄを説明する。ランキンサイクル装置１Ｄは、再熱器１２を備えておらず、熱交換部ＨＸが凝縮器１３における作動流体の流路（凝縮部）１３Ａによって構成されている点で第１実施形態のランキンサイクル装置１Ａと異なる。また、一対の温度センサ７Ｄは、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度と、主回路１０の凝縮器１３の出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度とを検出する。具体的に、一対の温度センサ７Ｄの一方は、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分における作動流体の温度を検出する。この場合、ポンプ１４の入口における冷媒は、過冷却状態の液相であるので、他方の温度センサ７Ｄが過熱状態の気相である作動流体の温度を検出する場合、一対の温度センサ７Ｄによって検出された２つの温度の差が大きく、膨張機１１の出口又はバイパス流路２０の出口における作動流体の状態の判別が容易である。
【００６９】
図１０を参照して、通常運転におけるランキンサイクル装置１Ｄの動作を説明する。図１０における点Ａ１は、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分における作動流体の状態を示す。この場合、作動流体は飽和液又は過冷却液である。作動流体は、ポンプ１４によって加圧される。この場合、作動流体の温度はほとんど変化しないので、主回路１０のポンプ１４の出口と蒸発器１５の入口との間の部分の作動流体は、点Ｂ１に示す過冷却液である。
【００７０】
蒸発器１５において作動流体は加熱され、過熱蒸気に変化する。このため、蒸発器１５の出口の作動流体は、点Ｃ１に示す過熱蒸気である。この過熱蒸気の作動流体が膨張機１１に供給され、作動流体は膨張機１１によって断熱膨張する。このため、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体は、点Ｄ１に示す過熱蒸気である。凝縮器１３における作動流体は、冷却部１３Ｂにおける冷却水によって冷却されて凝縮する。このため、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分における作動流体は、点Ａ１に示す飽和液又は過冷却液である。通常運転において、ランキンサイクル装置１Ｄでは、作動流体が上記のように状態変化しながら主回路１０を循環している。
【００７１】
バイパス流路２０における作動流体の流量の調節について、ランキンサイクル装置１Ｄの起動運転及び停止運転を例に説明する。起動運転の初期段階において、ポンプ１４の送液量は最大に設定されている。この場合、ランキンサイクル装置１Ｄは図１１に示すように動作する。図１１において、作動流体が点Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、及びＤ２の状態を示す位置は、それぞれ、作動流体が図１０の点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、及びＤ１の状態を示す位置と一致する。図１１に示すように、蒸発器１５の出口における作動流体の状態は、点Ｃ２に示すような湿り蒸気の状態にある。このため、起動運転の初期段階において、開閉弁３Ａは閉じられており、液相の作動流体が膨張機１１に供給されることが防止されている。また、膨張機１１の運転は停止している。作動流体は、蒸発器１５から流出した後、バイパス流路２０を最大の流量で流れる。バイパス流路２０における作動流体は膨張弁３Ｂによって減圧されるので、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体は、点Ｄ２に示すような湿り蒸気である。
【００７２】
主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体が湿り蒸気である場合、凝縮器１３において作動流体の温度はほとんど変化しない。このため、一対の温度センサ７Ｄによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えることはない。従って、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御することはない。
【００７３】
起動運転の過渡的段階において、ポンプ１４の送液量を段階的に低下させる。この場合、ランキンサイクル装置１Ｄの動作は、図１１に示す状態から図１２に示す状態に次第に変化する。図１２において、作動流体が点Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、及びＤ３の状態を示す位置は、それぞれ、作動流体が図１０の点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、及びＤ１の状態を示す位置と一致する。
【００７４】
図１２に示すように、起動運転の過渡的段階において、蒸発器１５の出口における作動流体は過熱蒸気へ変化して、作動流体の過熱度が次第に高くなり、点Ｃ３に示す状態になる。この場合、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の過熱度も次第に高くなり、点Ｄ３に示すような過熱蒸気へ変化する。一方、主回路１０の凝縮器１３の出口とポンプ１４の入口との間の部分における作動流体は、点Ａ３に示すように、飽和液又は飽和温度からわずかに過冷却された過冷却液である。作動流体はポンプ１４によってほとんど温度変化しないので、主回路１０のポンプ１４の出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体は、点Ｂ３に示すような過冷却液である。このため、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度は、熱交換部ＨＸにおける作動流体の温度又は主回路１０の凝縮器１３の出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度よりも高くなる。これにより、一対の温度センサ７Ｄが検出する２つの温度に差が生じ、その温度差は次第に大きくなっていく。この過程において、制御装置５は、一対の温度センサ７Ｄによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように、流量調節機構３を制御する。具体的には、第１開閉弁３Ａを開き、膨張機１１に作動流体を供給する。この場合、蒸発器１５の出口における作動流体は過熱蒸気であるので、液相の作動流体が膨張機１１に供給されない。そのため、液相の作動流体が供給されることによって膨張機１１の信頼性が低下することが抑制されている。ここで、熱交換部ＨＸにおける作動流体の温度は、例えば、凝縮器１３における作動流体の流路に沿って凝縮器１３の入口及び出口から等しい距離にある位置よりも出口に近い位置の作動流体の温度を意味する。
【００７５】
その後、膨張機１１の運転が始まると、ランキンサイクル装置１Ｄは、図１３に示すように動作する。図１３において、作動流体が点Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、及びＤ４の状態を示す位置は、それぞれ、作動流体が図１０の点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、及びＤ１の状態を示す位置と一致する。この場合、蒸発器１５から流出した作動流体の一部は、主回路１０の膨張機１１に供給され、残部はバイパス流路２０に供給される。作動流体は、膨張機１１において断熱膨張し、バイパス流路２０において膨張弁３Ｂによって減圧される。このため、作動流体は、蒸発器１５の出口と第１熱交換部１２Ａの入口との間で、点Ｃ４に示す状態から点Ｄ４に示す状態へ変化する。この起動運転の過渡的段階において、ポンプ１４の送液量が調節される。また、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が最小又はゼロとなるように膨張弁３Ｂの開度を最小に変更する。これにより、膨張機１１の回転数が次第に増加する。その後、膨張機１１の回転数を制御することによって、サイクルの高低圧差が徐々に拡大し、ランキンサイクル装置１Ｄの運転は、起動運転から通常運転へ移行する。
【００７６】
次に、ランキンサイクル装置１Ｄの停止運転を説明する。ランキンサイクル装置１Ｄは、停止運転において、ランキンサイクル装置１Ｄの動作が起動運転と逆の方向に変化するように、運転される。すなわち、ランキンサイクル装置１Ｄの動作が、図１０に示す状態、図１３に示す状態、図１２に示す状態、図１１に示す状態へと順次変移するようにランキンサイクル装置１Ｄが運転される。具体的に、停止運転の初期段階において、膨張弁３Ｂの開度を大きくし、ポンプ１４の送液量を調節する。これにより、膨張機１１の回転数が次第に減少する。その結果、ランキンサイクル装置１Ｄは、図１３に示す状態で動作する。次に、第１開閉弁３Ａを閉じて膨張機１１を停止させる。バイパス流路２０における作動流体は膨張弁３Ｂによって減圧されるので、ランキンサイクル装置１Ｄは、図１２に示すように動作する。
【００７７】
次に、ボイラー２の運転を停止する。一方、蒸発器１５を冷却するために、ポンプ１４は継続して運転される。蒸発器１５における作動流体は、ボイラー２の余熱によって加熱されるものの、蒸発器１５における作動流体の加熱量は減少していく。このため、ランキンサイクル装置１Ｄの動作は、図１２に示す状態から図１１に示す状態へ変化する。すなわち、蒸発器１５の出口における作動流体は、図１１の点Ｃ２に示すような湿り蒸気の状態に変化する。
【００７８】
蒸発器１５の温度が十分に低下したところでポンプ１４の運転が停止される。これにより、ランキンサイクル装置１Ｄの停止運転が終了する。
【００７９】
なお、バイパス流路２０における作動流体の流量の調節は、ランキンサイクル装置１Ｄの起動運転及び停止運転以外においても行ってよい。例えば、何らかの原因で蒸発器１５における作動流体の加熱量が低下すると、蒸発器１５の出口における作動流体は過熱蒸気の状態から湿り蒸気の状態へと変化する可能性がある。これに伴い、一対の温度センサ７Ｄによって検出された２つの温度の差も小さくなっていく。このような状況において、制御装置５は、一対の温度センサ７Ｄによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が増加するように流量調節機構３を制御してもよい。具体的に、制御装置５は、開閉弁３Ａを閉じ、膨張弁３Ｂを開くように、流量調節機構３を制御する。これにより、液相の作動流体が膨張機１１に供給されることを防止できる。
【００８０】
また、上記の場合に、低下した蒸発器１５における作動流体の加熱量が回復する過程において、蒸発器１５の出口における作動流体は湿り蒸気の状態から過熱蒸気の状態へ変化する。この過程で、第１熱交換部１２Ａの入口における作動流体は、湿り蒸気の状態から過熱蒸気の状態へ変化していく。このような状況において、制御装置５は、一対の温度センサ７Ｄによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御してもよい。具体的には、制御装置５は、開閉弁３Ａを開き、膨張弁３Ｂを閉じるように流量調節機構３を制御する。これにより、過熱蒸気の状態である作動流体が膨張機１１に供給されることを確保できる。
【００８１】
＜変形例＞
次に、図１４を参照して、第４実施形態の変形例に係るランキンサイクル装置１Ｅについて説明する。ランキンサイクル装置１Ｅは、一対の温度センサ７Ｅの一方が主回路１０のポンプ１４の出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度を検出する点を除き、ランキンサイクル装置１Ｄと同様に構成されている。すなわち、一対の温度センサ７Ｅは、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度と、主回路１０のポンプ１４の出口と蒸発器１５の入口との間の部分における作動流体の温度とを検出する。この場合、ポンプ１４の出口側に温度センサを設置するので、凝縮器１３からポンプ１４に至る配管を短く構成できる。このため、ポンプ１４の入口側での作動流体への外部環境からの入熱を防ぎ、かつ、作動流体の圧力損失によるキャビテーションを抑制できる。
【００８２】
凝縮器１３の入口における作動流体が湿り蒸気から過熱蒸気に変化する過程において、一対の温度センサ７Ｅによって検出された２つの温度の差が増加していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｅによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御する。具体的に、制御装置５は、開閉弁３Ａを開き、膨張弁３Ｂを閉じるように流量調節機構３を制御する。
【００８３】
凝縮器１３の入口における作動流体が過熱蒸気から湿り蒸気に変化する過程において、一対の温度センサ７Ｅによって検出された２つの温度の差が減少していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｅによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が増加するように流量調節機構３を制御する。具体的に、制御装置５は、開閉弁３Ａを閉じ、膨張弁３Ｂを開くように流量調節機構３を制御する。
【００８４】
次に、図１５を参照して、第４実施形態の別の変形例に係るランキンサイクル装置１Ｆについて説明する。ランキンサイクル装置１Ｆは、凝縮器１３における作動流体の温度を検出する点を除き、ランキンサイクル装置１Ｄと同様に構成されている。すなわち、一対の温度センサ７Ｆは、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度と、凝縮器１３における作動流体の温度とを検出する。この場合、凝縮器１３で凝縮中の作動流体の温度、つまり凝縮温度を検出できる。このため、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体の温度が凝縮温度よりも高い値であれば、主回路１０の合流位置１０Ｊと凝縮器１３の入口との間の部分における作動流体は過熱状態の気相である。これにより、一対の温度センサ７Ｆによって精度良く２つの温度の差を検出できる。ここで、凝縮器１３における作動流体の温度は、例えば、凝縮器１３における作動流体の流路に沿って凝縮器１３の入口及び出口から等しい距離にある位置よりも凝縮器１３の出口に近い位置の作動流体の温度を意味する。
【００８５】
凝縮器１３の入口における作動流体が湿り蒸気から過熱蒸気に変化する過程において、一対の温度センサ７Ｆによって検出された２つの温度の差が増加していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｆによって検出された２つの温度の差が第１閾値を超えた場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が減少するように流量調節機構３を制御する。具体的に、制御装置５は、開閉弁３Ａを開き、膨張弁３Ｂを閉じるように流量調節機構３を制御する。
【００８６】
凝縮器１３の入口における作動流体が過熱蒸気から湿り蒸気に変化する過程において、一対の温度センサ７Ｆによって検出された２つの温度の差が減少していく。この過程において、一対の温度センサ７Ｆによって検出された２つの温度の差が第２閾値以下に変化した場合に、制御装置５は、バイパス流路２０における作動流体の流量が増加するように流量調節機構３を制御する。具体的に、制御装置５は、開閉弁３Ａを閉じ、膨張弁３Ｂを開くように流量調節機構３を制御する。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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