(57)【要約】【課題】  動力サイクル中の作動流体が気相と液相に分離した状態で、液相の作動流体を一部貯溜して、循環する作動流体における低沸点媒体の濃度を調整可能とし、外部条件の変動に対して濃度調整を行って安定した運転を可能にすると共に、性能を最大限発揮させられる非共沸混合媒体サイクルシステムを提供する。【解決手段】  液相作動流体流路に液相作動流体を一部貯溜する濃度調整用貯溜部１５を配設し、貯溜量を制御してサイクルの主流路１ａで循環する作動流体における高沸点媒体分を増減させ、主流路１ａの作動流体における各媒体の割合を調整可能とすることから、主流路１ａを循環する作動流体の低沸点媒体濃度を外部の調整用機器なしに調整でき、各熱源の温度変動等に対応して作動流体における低沸点媒体を適切な濃度に調整でき、システム全体を安定した運転状態としてその性能を最大限発揮させられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で得られた高温の作動流体を気相分と液相分とに分離する気液分離器と、前記作動流体のうち気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換する膨張機と、当該膨張機を出た気相の作動流体を前記気液分離器を出た液相分と合わせて所定の低温熱源と熱交換させ、気相分を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た作動流体を圧縮して前記蒸発器へ向わせる圧縮機とを少なくとも備える非共沸混合媒体サイクルシステムにおいて、
前記気液分離器から取出される高温液相の作動流体の流路中に、当該作動流体の一部を所定量調整可能に貯溜する濃度調整用貯溜部を備えることを
特徴とする非共沸混合媒体サイクルシステム。
【請求項２】
前記請求項１に記載の非共沸混合媒体サイクルシステムにおいて、
前記蒸発器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部とを備え、当該熱交換部における作動流体の流出口以外の各流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされてなり、熱交換部の流出口からシェル内部空間に流出した高温の作動流体を、前記内部空間で気相分と液相分とに分離させ、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体をそれぞれ別個に取出し可能な構造とされて前記気液分離器を兼ねると共に、分離後の液相の作動流体がシェル内部空間に所定量調整可能に貯溜されつつ取出される構造とされて前記濃度調整用貯溜部をも兼ねることを
特徴とする非共沸混合媒体サイクルシステム。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載の非共沸混合媒体サイクルシステムにおいて、
前記蒸発器での熱交換対象となる高温熱源の状態を検出し、得られた検出値に基づいて、前記濃度調整用貯溜部における作動流体の貯溜量を調整することを
特徴とする非共沸混合媒体サイクルシステム。
【請求項４】
前記請求項１又は２に記載の非共沸混合媒体サイクルシステムにおいて、
前記凝縮器での熱交換対象となる低温熱源の状態を検出し、得られた検出値に基づいて、前記濃度調整用貯溜部における作動流体の貯溜量を調整することを
特徴とする非共沸混合媒体サイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数物質の混合媒体である作動流体を加熱、冷却させつつ循環させ、相変化を繰返す作動流体に仕事を行わせて動力エネルギを得る非共沸混合媒体サイクルシステムに関し、特に、循環する作動流体における、気相の作動流体の主成分である低沸点媒体の濃度を調整可能とし、適切な濃度調整により安定した運転が可能な非共沸混合媒体サイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気動力サイクルを用いるにあたり、高温熱源と低温熱源の温度差が小さい場合には、熱効率を高めて有効に熱を動力に変換できるようにするため、水と水より沸点の低い流体との混合媒体、又は水以外の互いに沸点の異なる複数種類の流体が混合されたものを作動流体として用いる蒸気動力サイクルが従来から提案されており、このような従来の非共沸混合媒体サイクルシステムの一例として、特開平７−９１３６１号公報に記載されるものがある。
【０００３】
前記従来の非共沸混合媒体サイクルシステムは、蒸気動力サイクルとして一般的なランキンサイクル同様に蒸発器、タービン、凝縮器及びポンプを有する他に、蒸発器で加熱された作動流体を気相作動流体と液相作動流体とに分離する気液分離器と、凝縮器の前段側で膨張後の気相作動流体を液相作動流体に一部吸収させる吸収器と、蒸発器で加熱された作動流体のうち、液相の作動流体を蒸発器で熱交換する前の低温液相の作動流体と熱交換させる再生器と、複数段配設されたタービンの中間から抽気された高温気相の作動流体を低温液相の作動流体と熱交換させる加熱器とを備える構成である。
【０００４】
この従来の非共沸混合媒体サイクルシステムは、単一の作動流体を用いる一般的なランキンサイクルに比べて熱効率を高めることができ、特に、タービンから抽気を行うと共に吸収器で気相の作動流体を液相の作動流体に一部吸収させ、凝縮器で低温熱源と熱交換する作動流体の量を抑えることで、凝縮器の負荷を低減して全体の効率上昇と共に凝縮器の過度の大型化とこれに伴うコスト上昇を抑制できるという利点を有していた。
【特許文献１】特開平７−９１３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の非共沸混合媒体サイクルシステムは、前記特許文献に示される構成となっており、作動流体は低沸点媒体と高沸点媒体との混合媒体であるため、気液分離器で分離された気相の作動流体と液相の作動流体とでは、各媒体成分の濃度割合が異なる。作動流体における各成分の割合は定常状態ではほぼ一定となるが、高温熱源や低温熱源の変化やタービン負荷の変化といった外的要因により、サイクルの主流路における作動流体の濃度割合が変化すると、効率に大きく影響することとなる。特に、高温熱源や低温熱源に自然エネルギを利用した場合、これらが季節変動等を生じることは明白であり、各熱源の温度変化に伴う作動流体の濃度変化を招くなど、サイクルを一定状態に維持することが難しく、得られるタービン出力等が低下するなど効率が悪くなるという問題があった。
【０００６】
また、システムの設計当初の想定と異なり、液相の作動流体が流路中で滞留を生じているような場合、低沸点媒体の濃度が低い液相作動流体の一部がサイクルに関わらなくなる分、サイクルにおける低沸点媒体の濃度が相対的に高くなり、システムの設計値からずれが生じて性能低下をもたらすという問題もあった。
【０００７】
しかしながら、こうした問題に対し、従来のシステムではシステム全体で作動流体の流動状態を見直し、改修等を行う以外に有効な手立てが無く、一時的な状況変化に迅速且つ適切な対応を採ることは難しいという課題を有していた。
【０００８】
本発明は前記課題を解消するためになされたもので、動力サイクル中の作動流体が気相と液相に分離した状態で、液相の作動流体を一部貯溜して、循環する作動流体における低沸点媒体の濃度を調整可能とし、外部条件の変動に対して濃度調整を行って安定した運転を可能にすると共に、性能を最大限発揮させられる非共沸混合媒体サイクルシステム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】
【０００９】
本発明に係る非共沸混合媒体サイクルシステムは、沸点の異なる複数の流体が混合された作動流体を全て液相の状態で所定の高温熱源と熱交換させ、前記作動流体の少なくとも一部を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で得られた高温の作動流体を気相分と液相分とに分離する気液分離器と、前記作動流体のうち気相分を導入されて流体の保有する熱エネルギを動力に変換する膨張機と、当該膨張機を出た気相の作動流体を前記気液分離器を出た液相分と合わせて所定の低温熱源と熱交換させ、気相分を凝縮させる凝縮器と、当該凝縮器を出た作動流体を圧縮して前記蒸発器へ向わせる圧縮機とを少なくとも備える非共沸混合媒体サイクルシステムにおいて、前記気液分離器から取出される高温液相の作動流体の流路中に、当該作動流体の一部を所定量調整可能に貯溜する濃度調整用貯溜部を備えるものである。
【００１０】
このように本発明によれば、システム内の気液分離を経た液相作動流体流路において液相で高沸点媒体濃度の高い作動流体を一部貯溜し、この貯溜量を制御して、サイクルの蒸発器、膨張機、凝縮器、及び圧縮機を繋ぐ主流路で循環する作動流体における高沸点媒体分を増減させ、主流路の作動流体における各媒体の割合を調整可能とすることにより、貯溜量を増やして主流路での作動流体中の高沸点媒体を相対的に減らした場合には、循環する作動流体の低沸点媒体濃度を高めることができ、また、前記貯溜量を減らして主流路での作動流体中の高沸点媒体を相対的に増量した場合には、循環する作動流体の低沸点媒体濃度を低下させることができるなど、外部の調整用機器なしに作動流体の濃度調整が行え、季節変化に伴う各熱源の温度変動やタービン負荷変動等、外部条件の変化に対応して作動流体を適切な濃度に調整でき、システム全体を安定した運転状態としてその性能を最大限発揮させられる。
【００１１】
また、本発明に係る非共沸混合媒体サイクルシステムは必要に応じて、前記蒸発器が、中空の圧力容器であるシェルと、当該シェル内に配設されて長手方向両端部に熱交換対象流体の流入出口が存在する熱交換部とを備え、当該熱交換部における作動流体の流出口以外の各流入出口がシェル外部に延長配設されてシェル内部空間からは隔離された状態とされる一方、熱交換部における作動流体の流出口がシェル内部空間に開口連通する状態とされてなり、熱交換部の流出口からシェル内部空間に流出した高温の作動流体を、前記内部空間で気相分と液相分とに分離させ、シェルから気相の作動流体と液相の作動流体をそれぞれ別個に取出し可能な構造とされて前記気液分離器を兼ねると共に、分離後の液相の作動流体がシェル内部空間に所定量調整可能に貯溜されつつ取出される構造とされて前記濃度調整用貯溜部をも兼ねるものである。
【００１２】
このように本発明によれば、蒸発器として、高温熱源と作動流体とを熱交換させる熱交換部、並びに、この熱交換部を取囲むシェルを設けると共に、このシェルの内部空間を、熱交換部における作動流体出口に連通させ、熱交換部で液相の作動流体を高温熱源と熱交換させた後、蒸発した気相分とこれ以外の液相分とが混合した状態の高温混相作動流体を、熱交換部からシェル内部空間に流出させると、この内部空間で混相状態の作動流体が気相分と液相分に分離し、液相作動流体については濃度調整用貯溜部として貯溜量調整可能に一部貯溜できることにより、蒸発器から気相の作動流体と液相の作動流体とをそれぞれ分離状態で取出せ、蒸発器が気液分離器の機能も有することとなり、蒸発器とは別体の気液分離器を省略でき、蒸発器と気液分離器が別の場合より圧力損失や熱損失を低減させられると共に、機器配置に必要なスペースも小さくでき、外部条件の変化に対応した作動流体の低沸点媒体濃度調整が貯溜用のスペースを別途新設することなく実行できることと合わせて、システム全体をコンパクト化、低コスト化できる。
【００１３】
また、本発明に係る非共沸混合媒体サイクルシステムは必要に応じて、前記蒸発器での熱交換対象となる高温熱源の状態を検出し、得られた検出値に基づいて、前記濃度調整用貯溜部における作動流体の貯溜量を調整するものである。
【００１４】
このように本発明によれば、高温熱源の状態を検出し、その状態変化に対応して濃度調整用貯溜部の貯溜量を調整し、循環する作動流体の濃度を調整することにより、高温熱源の状態変化に応じて作動流体の濃度を適切に調整制御することができ、特に季節変動等による温度低下で蒸発器での受熱量が低下する場合、貯溜量を増やして作動流体の低沸点媒体濃度を適切な状態まで高め、蒸発器における作動流体の飽和温度を低下させて蒸発しやすい状態とすることができ、蒸発器での発生蒸気量の低下を防いで安定した運転状態を確保できる。
【００１５】
また、本発明に係る非共沸混合媒体サイクルシステムは必要に応じて、前記凝縮器での熱交換対象となる低温熱源の状態を検出し、得られた検出値に基づいて、前記濃度調整用貯溜部における作動流体の貯溜量を調整するものである。
【００１６】
このように本発明によれば、低温熱源の状態を検出し、その状態変化に対応して濃度調整用貯溜部の貯溜量を調整し、循環する作動流体の濃度を調整することにより、低温熱源の状態変化に応じて作動流体の濃度を適切に調整制御することができ、特に季節変動等による温度上昇で凝縮器での放熱量が低下する場合、貯溜量を減らして作動流体の低沸点媒体濃度を適切な状態まで低下させ、凝縮器における作動流体の飽和圧力を低下させて膨張機出口圧力を低くすることができ、膨張機前後での圧力差の減少を防いで出力低下を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（本発明の第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムの概略系統図である。
【００１８】
前記図１において本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステム１は、アンモニアと水の混合媒体からなる作動流体と前記高温熱源としての温海水とを熱交換させ、作動流体の蒸気を得る蒸発器１０と、作動流体を気相分と液相分とに分離する気液分離器１１と、気相の作動流体により動作する前記膨張機としてのタービン１２と、このタービン１２を出た気相の作動流体を凝縮させて液相とする凝縮器１３と、凝縮器１３から作動流体を取出して蒸発器１０に導入する前記圧縮機としてのポンプ１４と、気液分離器１１で分離された液相の作動流体を一部貯溜する濃度調整用貯溜部１５とを備える構成である。このうち、タービン１２及びポンプ１４については、一般的な蒸気動力サイクルで用いられるのと同様の公知の装置であり、説明を省略する。
【００１９】
前記蒸発器１０は、矩形状の複数のプレートを重ね合せて一体化した一般的なプレート式熱交換器であり、内部のプレート間の隙間一つおきに作動流体が流通する一方、残りの隙間に高温熱源としての温海水が流通し、各プレートを介して二つの流体が熱交換を行う公知の構成であり、詳細な説明を省略する。この蒸発器１０の長手方向一端部にはポンプ１４出口と繋がる主流路１ａの配管が接続され、他端部には気液分離器１１入口側と連通する配管が接続され、この他、温海水の流入出用の配管がそれぞれ接続される構成である。
【００２０】
この蒸発器１０内で、ポンプ１４からの送給圧力を受けつつ、温海水との熱交換で温められる作動流体は、その一部（揮発しやすいアンモニアが大部分を占める）が蒸発することで気液混相状態となる。なお、作動流体はちょうど所定の温度まで昇温した段階で蒸発器１０より気液混相状態で気液分離器１１へ向け流出するように流量を設定されている。
【００２１】
前記気液分離器１１は、蒸発器１０で温海水との熱交換を経て高温且つ気液混相状態となった作動流体を、気相分と液相分とに分ける公知の装置であり、詳細な説明を省略する。作動流体は、この気液分離器１１内で気相分と液相分に分れ、タービン１２入口側と連通する配管を通じて気相の作動流体がタービン１２へ向う一方、濃度調整用貯溜部１５と連通する配管を通じて液相の作動流体が濃度調整用貯溜部１５へ向うこととなる。
【００２２】
前記凝縮器１３は、前記蒸発器１０同様、複数のプレートを重ね合せて一体化した一般的なプレート式熱交換器であり、内部のプレート間の隙間が一つおきに前記タービン１２及び濃度調整用貯溜部１５の各出口と同時に連通し、この隙間に作動流体が流通する一方、残りの隙間に低温熱源としての冷海水が流通し、各プレートを介して二つの流体が熱交換を行う公知の構成であり、詳細な説明を省略する。この凝縮器１３には、タービン１２を出た気相の作動流体と、濃度調整用貯溜部１５を出た液相の作動流体とが同時に導入され、これらを冷海水と熱交換させて冷却し、気相の作動流体を凝縮させると共に、気相の作動流体の一部を液相の作動流体に吸収させる仕組みとなっている。凝縮器１３の後段には、凝縮器１３を出た液相の作動流体を一時的に貯溜した上でポンプ１４側へ送出すタンク１６が配設される。
【００２３】
前記濃度調整用貯溜部１５は、気液分離器１１の後段側の支流路１ｂ中に配設され、液相の作動流体の一部を貯溜し、残りを後段側の凝縮器１３へ送出すものである。この濃度調整用貯溜部１５は、作動流体を所定量貯溜する貯溜部分での作動流体を溢流させる高さを調整して、液面位置、すなわち貯溜量を変化させられる仕組みとなっている。気液分離器１１から凝縮器１３に至る支流路１ｂで、主流路１ａの作動流体とは低沸点媒体濃度の異なる液相作動流体の流量を、濃度調整用貯溜部１５における貯溜量調整に基づいて変化させることで、主流路１ａで作動流体中の各媒体の濃度を調整制御することができ、高温熱源や低温熱源の温度変化など外部からの各種影響に対して、低沸点媒体濃度の調整を行える仕組みとなっている。なお、本実施形態では省略したが、従来公知の非共沸混合媒体動力サイクルと同様、濃度調整用貯溜部１５と凝縮器１３との間の支流路１ｂに、液相の作動流体が凝縮器１３に至る前に適切な圧力まで減圧させる減圧弁を配設する構成とすることもできる。
【００２４】
次に、本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムのサイクル実行状態について説明する。前提として、海の所定深さ位置から低温熱源となる冷海水を、また、海の表層から高温熱源としての温海水を、それぞれ所定の流量を確保しつつ取水し、凝縮器１３又は蒸発器１０にそれぞれ導入しているものとする。
【００２５】
蒸発器１０では、高温熱源としての温海水と、全て液相の作動流体とを熱交換させる。この熱交換で加熱された作動流体は、昇温に伴いその一部が蒸発して気液混相状態となる。この混相状態の高温作動流体は蒸発器１０外へ出て、気液分離器１１に達する。気液分離器１１内で作動流体は気相分と液相分に分れるが、気相の作動流体は、低沸点媒体であるアンモニアの濃度が蒸発器１０導入前時点の作動流体と比較して非常に高くなる一方、これと分れた液相の作動流体は、気相の作動流体のみならず、前記蒸発器導入前時点の液相作動流体と比べてもアンモニアの濃度が低くなっている。気液分離器１１を出た気相の作動流体は主流路１ａを進んでタービン１２へ向い、また、液相の作動流体は気液分離器１１から支流路１ｂに入り、濃度調整用貯溜部１５に導入される。
【００２６】
気相の作動流体がタービン１２に達するとこれを作動させることとなり、タービン１２により発電機等他の機器が駆動され、熱エネルギが使用可能なエネルギに変換される。こうしてタービン１２で膨張して仕事を行った気相作動流体は、圧力及び温度を低下させた状態となり、タービン１２を出た後、凝縮器１３に導入される。
【００２７】
一方、濃度調整用貯溜部１５では、導入された液相の作動流体のうち一部を貯溜量調整を行いつつ所定量貯溜し、残りの液相作動流体は後段側へ流出させることとなる。液相作動流体は濃度調整用貯溜部１５を出た後、凝縮器１３へ向い、タービン１２を出た気相作動流体と共に凝縮器１３に導入されることとなる。
【００２８】
凝縮器１３では、内部に導入された気相の作動流体が、同じく導入された液相の作動流体と共に、プレートを隔てた隙間に導入された温度の低い冷海水と熱交換し、作動流体全体が冷却される中、気相の作動流体が液相の作動流体と接触し、これに一部吸収されて液相に変化する。そして、残りの未吸収分の気相作動流体は、熱交換による冷却に伴い凝縮して液相となる。この液相となった作動流体は、凝縮器１３から外部に排出されて後段側のタンク１６に流入する。
【００２９】
タンク１６内の作動流体は、蒸発器に入る前の初期状態の作動流体、すなわち作動流体におけるアンモニアと水の割合が当初の割合に戻っている。そして、液相の作動流体としてはシステム内で最も低い温度及び圧力となっている。このタンク１６に達した全て液相の作動流体は、ポンプ１４を経由して、主流路１ａを蒸発器１０へ向け進むこととなる。蒸発器１０内に戻ると、前記同様に蒸発器１０での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。
【００３０】
この作動流体に対し、凝縮器１３での熱交換に使用された冷海水は、作動流体からの熱を受けて所定温度まで昇温している。この海水は、凝縮器１３の外へ排出された後、最終的にシステム外部の海中へ放出される。また、蒸発器１０での作動流体との熱交換に伴い温度が下がった温海水も、熱交換後にシステム外部の海中へ放出される。
【００３１】
続いて、本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムの作動流体における低沸点媒体濃度調整状態について説明する。濃度調整用貯溜部１５では、液相作動流体の貯溜量を制御し、システム全体の作動流体のうち、高沸点媒体である水の比率の高い作動流体が濃度調整用貯溜部１５に滞留する割合を増減させて、主流路１ａを循環する作動流体の濃度変化を生じさせることとなる。
【００３２】
濃度調整用貯溜部１５における最大の貯溜量は、循環する作動流体総量における「１−（流体全体に対する低沸点媒体の組成割合）」程度の割合が望ましい。例えば、低沸点媒体の組成割合が０．８の場合、貯溜量は０．２すなわち全体の２０％程度となる。これは、循環する作動流体における調整前の当初の低沸点媒体濃度が低いほど、濃度調整用貯溜部１５における貯溜量を大きく変動させないと調整効果は小さいことによる。すなわち、低沸点媒体のアンモニア濃度が低いと、逆に高沸点媒体である水の割合が多いということであり、水の貯溜量が多少変化しても全体への影響が少ないことに基づく。
【００３３】
濃度調整用貯溜部１５において、低沸点媒体のアンモニア濃度は低く高沸点媒体である水の割合が高い液相作動流体の貯溜量を増やした場合、主流路１ａを循環する作動流体における水の割合が減少することとなり、循環する作動流体のアンモニア濃度を高めることができる。アンモニアの濃度が高くなると、蒸発器１０では、圧力一定とすると作動流体の飽和温度（沸騰開始温度）が低下し、これに伴い気相作動流体の量が増加し、液相作動流体の量が減少する。気液分離器１１でもこれを受けて、分離後の気相作動流体の量が増加し、液相作動流体の量が減少することとなる。他方、凝縮器１３では、気相作動流体量が増加するため、アンモニア濃度の高い作動流体として流入することとなり、同じ凝縮温度の場合、飽和圧力が上昇する。
【００３４】
一方、濃度調整用貯溜部１５において、アンモニア濃度は低く水の割合の高い液相作動流体の貯溜量を減らした場合、主流路１ａを循環する作動流体における水の割合が増加することとなり、循環する作動流体のアンモニア濃度を低下させることができる。アンモニアの濃度が低くなると、蒸発器１０では、作動流体の飽和温度（沸騰開始温度）が上昇し、これに伴い気相作動流体の量が減少し、液相作動流体の量が増加する。気液分離器１１でもこれを受けて、分離後の気相作動流体の量が減少し、液相作動流体の量が増加することとなる。他方、凝縮器１３では、気相作動流体の量が減少するため、アンモニア濃度の低い作動流体として流入することとなり、同じ凝縮温度の場合、飽和圧力が低下する。
【００３５】
具体的には、高温熱源である温海水の温度や流量等の状態を常時検出する中、夏季から冬季への季節変化等により水温が低下し、蒸発器での受熱量が低下する場合、検出値に基づいて濃度調整用貯溜部１５での貯溜量を増やして、循環する作動流体のアンモニア濃度を高くし、作動流体の飽和温度（沸騰開始温度）を低下させることで、蒸発器における発生蒸気量の低下を防ぐことができる。また、低温熱源である冷海水の温度や流量等の状態を常時検出する中、季節変動等により水温が上昇し、凝縮器での放熱量が低下する場合、検出値に基づいて濃度調整用貯溜部１５での貯溜量を減らして、循環する作動流体のアンモニア濃度を低くし、作動流体の飽和圧力（凝縮圧力）を低下させることで、タービン１２出口と入口との圧力差が小さくなることを防止でき、タービン出力の低下を防ぐことができる。
【００３６】
こうして各熱源の温度変動やタービン負荷変動に対応して作動流体を適切な濃度に調整することで、システム全体を安定した運転状態とすることができ、システムの性能を最大限発揮させられる。この他、メンテナンス時にシステムを構成する閉配管の一部を開放する場合、主に高沸点媒体が外部に放出されることとなるが、この放出による作動流体の濃度変化にも対応して、システムを流れる作動流体の濃度を適切な状態に調整できる。
【００３７】
このように、本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおいては、気液分離器１１での気液分離を経た液相作動流体の流路である支流路１ｂに、液相で高沸点媒体濃度の高い作動流体を一部貯溜する濃度調整用貯溜部１５を配設し、この濃度調整用貯溜部１５での貯溜量を制御して、サイクルの主流路１ａで循環する作動流体における高沸点媒体分を増減させ、作動流体をなす各媒体の割合を調整可能とすることから、貯溜量を増やして主流路１ａでの作動流体中の水を相対的に減らした場合には、主流路１ａにおける作動流体のアンモニア濃度を高めることができ、また、貯溜量を減らして主流路１ａでの作動流体中の水を相対的に増やした場合には、主流路１ａにおける作動流体のアンモニア濃度を低下させることができるなど、外部の調整用機器なしに作動流体の濃度調整が行え、季節変化に伴う各熱源の温度変動やタービン１２負荷変動等、外部条件の変化に対応して作動流体を適切な濃度に調整でき、発生蒸気量を維持するなどシステム全体を安定した運転状態としてその性能を最大限発揮させられる。
【００３８】
なお、前記実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおいて、蒸発器１０や凝縮器１３として、プレート式熱交換器を用いる構成としているが、これに限らず、長手方向端部に熱交換対象流体の流入出口が位置するものであれば、例えばシェルアンドチューブ型などの他の形式の熱交換器を採用する構成とすることもできる。
【００３９】
また、前記実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおいては、凝縮器１３で気相作動流体の凝縮を行わせるほか、気相の作動流体の一部を液相の作動流体に吸収させる構成としているが、これに限らず、凝縮器の前段側に別途吸収器を設けて、濃度調整用貯溜部から導入された液相の作動流体に、タービンからの気相作動流体を一部吸収させ、この吸収器から作動流体を気相と液相の混相状態でまとめて凝縮器に導入し、凝縮器内で主に気相分の凝縮を行わせる構成とすることもできる。
【００４０】
また、前記実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおいては、気液分離器１１で気相作動流体と分離した液相の作動流体を濃度調整用貯溜部１５にそのまま導き、液相の作動流体の一部を貯溜させる構成としているが、これに限らず、図２に示すように、濃度調整用貯溜部１５の前段側に再生器１７を設けて、濃度調整用貯溜部１５に導入される前の液相の作動流体と、蒸発器１０に入る直前の作動流体とを熱交換させる構成とすることもでき、気液分離器１１を出た液相の作動流体の保有するエネルギを再生器１７で回収することで、サイクルの熱効率をより一層向上させられる。なお、前記再生器については、濃度調整用貯溜部１５の後段側に設け、濃度調整用貯溜部１５から送出される液相の作動流体と、蒸発器１０に入る直前の作動流体とを熱交換させる構成としてもかまわない。
【００４１】
（本発明の第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図３ないし図５に基づいて説明する。図３は本実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムの概略系統図、図４は本実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおける蒸発器の概略縦断面図、図５は本実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおける蒸発器の熱交換部構造説明図である。
【００４２】
前記各図において本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステム２は、前記第１の実施形態同様、蒸発器２０と、タービン２３、２４と、凝縮器２５と、ポンプ２６とを備える一方、異なる点として、蒸発器２０での熱交換を経て高温となった作動流体のうち、液相の作動流体を、凝縮器２５から出た全て液相の作動流体と熱交換させる再生器２７と、第１段目のタービン２３を出た段階で抽気された一部の気相作動流体と前記全て液相の作動流体とを熱交換させる加熱器２８とを備えると共に、前記蒸発器２０が気液分離器並びに濃度調整用貯溜部の機能を併せ持つ構成を有するものである。このうち、タービン２３、２４及びポンプ２６については、一般的な蒸気動力サイクルで用いられるのと同様の公知の装置であり、説明を省略する。
【００４３】
前記蒸発器２０は、最外殻をなして他の機器と配管で接続される中空のシェル２１と、このシェル２１内部に配置され、高温熱源としての温海水と作動流体を熱交換させるプレート式の熱交換部２２とを備える構成である。
【００４４】
前記シェル２１は、一般的な略円筒カプセル状の中空圧力容器であり、長手方向一端部に温海水流入口２１ａと作動流体流出口２１ｃ、他端部に温海水流出口２１ｂと作動流体流入口２１ｅ、作動流体流出口２１ｄがそれぞれ外部の配管と接続可能に配置される構造となっており、これら流入出口を除いて内部と外部を水密状態で隔離する構成である。シェル２１の作動流体流入口２１ｅは再生器２７低温側と連通する配管に接続される。また、作動流体流出口２１ｃはタービン２３入口側と連通する配管に接続され、作動流体流出口２１ｄは再生器２７高温側と連通する配管に接続される。このシェル２１の内部空間２１ｆは外部に対し保温状態となっている他、シェル２１内には熱交換部２２を支持すると共に気液の分離をより確実なものとする有孔隔壁板２１ｇが設けられる。
【００４５】
前記熱交換部２２は、複数のプレート５０を重ね合せて一体化した一般的なプレート式熱交換器であり、内部のプレート５０間の隙間が一つおきに作動流体の流通部分と温海水の流通部分とをそれぞれなし、各プレート５０を介して二つの流体が熱交換を行う公知の構成であり、詳細な説明を省略する。この熱交換部２２は、長手方向一端部に温海水の流入口２２ａと作動流体の流出口２２ｂ、他端部に温海水の流出口（図示を省略）と作動流体の流入口２２ｃがそれぞれ配置される向流型となっており、熱交換部２２におけるこれら各流入出口は、作動流体の流出口２２ｂを除いてシェル２１の各流入出口と連通状態で一体化されており、シェル２１の内部空間２１ｆに対して水密状態で隔離される構成である。一方、作動流体の流出口２２ｂはシェル２１の内部空間２１ｆで開口した状態にあり、この内部空間２１ｆ及び作動流体流出口２１ｃ、２１ｄに連通している。
【００４６】
この熱交換部２２内で、ポンプ２６からの送給圧力を受けつつ、温海水との熱交換で温められる作動流体は、熱交換部２２を上昇し、その一部（揮発しやすいアンモニアが大部分を占める）が蒸発して気液混相状態となる。ちょうど所定の温度まで昇温した段階で熱交換部２２上部の流出口２２ｂより気液混相状態で流出するように流量を設定されている。
【００４７】
作動流体は、熱交換部２２の流出口２２ｂからシェル２１の内部空間２１ｆに流出した後、この内部空間２１ｆを流下しながら気相分と液相分に分れ、気相の作動流体はシェル２１上部の作動流体流出口２１ｃから後段側のタービン２３へ向う一方、液相の作動流体はシェル２１下部に達し、貯溜状態となった後、作動流体流出口２１ｄから後段側の再生器２７へ向うこととなり、結果として、温海水との熱交換を経た高温の作動流体を気相分と液相分とに分けてシェル２１外に取出せる仕組みとなっている。
【００４８】
シェル２１下部では、液相の作動流体の一部を貯溜しているが、この貯溜部分での作動流体を溢流させる高さを調整して、液面位置、すなわち貯溜量を変化させられる仕組みとなっている。システム全体の作動流体のうち、高沸点媒体である水の比率の高い作動流体が滞留する割合を増減させることで、結果として主流路２ａで作動流体中の各媒体の濃度を調整制御することができ、高温熱源や低温熱源の温度変化など外部からの各種影響に対してこの作動流体の低沸点媒体濃度の調整で対応する仕組みとなっている。
【００４９】
前記凝縮器２５は、前記第１の実施形態同様、複数のプレートを重ね合せて一体化した一般的なプレート式熱交換器であり、内部のプレート間の隙間が一つおきに前記タービン２４及び再生器２７の各出口と同時に連通し、この隙間に作動流体が流通する一方、残りの隙間に低温熱源としての冷海水が流通し、各プレートを介して二つの流体が熱交換を行う公知の構成であり、詳細な説明を省略する。この凝縮器２５には、タービン２４を出た気相の作動流体と、再生器２７を出た液相の作動流体とが同時に導入され、これらを冷海水と熱交換させて冷却し、気相の作動流体を凝縮させると共に、気相の作動流体の一部を液相の作動流体に吸収させる仕組みとなっている。凝縮器２５の後段には、凝縮器２５を出た液相の作動流体を一時的に貯溜した上でポンプ２６側へ送出すタンク２９が配設される。
【００５０】
前記再生器２７は、凝縮器２５からポンプ２６を経て蒸発器２０に向う全て液相の作動流体の主流路２ａ中に介設され、蒸発器２０に達する前の全て液相の作動流体と、蒸発器２０内で気相の作動流体と分離されて蒸発器２０を出た高温液相の作動流体とを熱交換させる熱交換器であり、前記蒸発器２０の熱交換部２２や凝縮器２５同様、複数のプレートを重ね合せて一体化した一般的なプレート式熱交換器であり、詳細な説明は省略する。この再生器２７では、蒸発器２０の作動流体流出口２１ｄに通じる高温液相作動流体側の支流路２ｂが減圧弁２７ａを介して凝縮器２５と配管接続されており、再生器２７を出た液相の作動流体が、減圧弁２７ａを経由して圧力を調整された後、凝縮器２５内へ導入される仕組みである。
【００５１】
前記加熱器２８は、前記再生器２７同様に凝縮器２５から蒸発器２０に向う全て液相の作動流体の主流路２ａ中に介設され、再生器２７より前段側の位置でこの再生器２７に達する前の全て液相の作動流体と、第一段目のタービン２３を出た後抽気された一部の高温気相の作動流体とを熱交換させる熱交換器であり、前記蒸発器２０の熱交換部２２や凝縮器２５と同様のプレート式熱交換器とされてなり、詳細な説明は省略する。この加熱器２８のタービン２３出口側に接続される高温作動流体側の支流路２ｃにおける、加熱器２８より後段側部分には、加熱器２８に対し高温作動流体をスムーズに流入出させるための圧力を発生させるポンプ６１及びこのポンプ動作に伴う作動流体の流量変化の影響を小さくするタンク６２がそれぞれ配設される。
【００５２】
この加熱器２８の高温作動流体側の支流路２ｃは、タンク６２及びポンプ６１を介して、前記主流路２ａにおける加熱器２８より後段側で且つ再生器２７より前段側の位置に合流する形で配管接続されており、タービン２３を出て加熱器２８における熱交換で冷却され凝縮した作動流体が、タンク６２及びポンプ６１を経由した後、再生器２７に達する直前の液相作動流体に加わる仕組みである。前記タンク６２及びポンプ６１は、加熱器２８で凝縮された液相の作動流体を主流路２ａ側からの逆流等なく適切に後段側へ流せる程度の容量及び吐出能力があれば問題なく、容量や能力を抑えた小型のものを用いることができる。
【００５３】
次に、本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムのサイクル実行状態について説明する。前提として、海の所定深さ位置から低温熱源となる冷海水を、また、海の表層から高温熱源としての温海水を、それぞれ所定の流量を確保しつつ取水し、凝縮器２５又は蒸発器２０にそれぞれ導入しているものとする。
【００５４】
蒸発器２０では、高温熱源として上側の温海水流入口２１ａから導入される温海水と、下側の作動流体流入口２１ｅから導入される全て液相の作動流体とを、内部の熱交換部２２で熱交換させる。ここで加熱された作動流体は、昇温に伴いその一部が蒸発して気液混相状態となる。この混相状態の高温作動流体は、熱交換部２２の流出口２２ｂからシェル２１の内部空間２１ｆに流出して、有孔隔壁板２１ｇを通過し、熱交換部２２側面やシェル２１内壁に沿って流下する過程で気相分と液相分に分れ、気相の作動流体は内部空間２１ｆを上昇してシェル２１上部の作動流体流出口２１ｃから蒸発器２０外へ出る。また、液相の作動流体はそのまま流下して濃度調整用貯溜部を兼ねるシェル２１下部に達する。
【００５５】
この濃度調整用貯溜部としてのシェル２１下部では、前記第１の実施形態同様、液相作動流体の貯溜量を制御し、水の比率の高い作動流体が滞留する割合を増減させることで、結果として主流路２ａを循環する作動流体の濃度変化を生じさせることができ、各熱源の温度変動やタービン負荷変動に対応して作動流体を適切な濃度に調整することで、システム全体を安定した運転状態とすることができ、システムの性能を最大限発揮させられる。こうしてシェル２１下部では、液相の作動流体のうち一部が貯溜量を調整されつつ所定量貯溜され、残りの液相作動流体が作動流体流出口２１ｄから蒸発器２０外へ流出することとなる。
【００５６】
蒸発器２０を出た高温気相の作動流体は、蒸発器２０導入前の当初組成の液相作動流体と比較して低沸点媒体であるアンモニアの割合が非常に高くなっており、この作動流体がタービン２３、２４に達してこれらを作動させ、これらタービン２３、２４により発電機等他の機器が駆動され、熱エネルギが使用可能なエネルギに変換される。こうしてタービン２３、２４で膨張して仕事を行った気相作動流体は、圧力及び温度を低減させた状態となり、第二段目のタービン２４を出た後、凝縮器２５に導入される。
【００５７】
一方、蒸発器２０の作動流体流出口２１ｄから蒸発器２０外へ出た高温液相の作動流体は、蒸発器２０導入前の当初組成の液相作動流体と比較してアンモニアの割合が低めとなっている。この高温液相の作動流体がシェル２１下部と通じる支流路２ｂに入り、再生器２７に導入される。この再生器２７では、他方の主流路２ａを通る全て液相の作動流体と前記高温液相の作動流体とを熱交換させ、主流路２ａ側の全て液相の作動流体を昇温させて蒸発器２０側へ向わせる。そして、この再生器２７での熱交換で冷却された支流路２ｂ側の液相作動流体は、再生器２７を出た後、減圧弁２７ａを経て凝縮器２５内部に導入される。
【００５８】
凝縮器２５では、内部に導入された気相の作動流体が、同じく導入された液相の作動流体と共に、プレートを隔てた隙間に導入された温度の低い冷海水と熱交換し、作動流体全体が冷却される中、気相の作動流体が液相の作動流体と接触し、これに一部吸収されて液相に変化する。そして、残りの未吸収分の気相作動流体は、熱交換による冷却に伴い凝縮して液相となる。この液相となった作動流体は、凝縮器２５から外部に排出されて後段側のタンク２９に流入する。
【００５９】
タンク２９内の作動流体は、液相の作動流体としてはシステム内で最も低い温度及び圧力となっている。このタンク２９に達した全て液相の作動流体は、ポンプ２６を経由して、主流路２ａを蒸発器２０へ向け進むこととなる。
【００６０】
なお、第一段目のタービン２３から第二段目のタービン２４に向う高温気相の作動流体の一部（約１％程度）が、抽気されて支流路２ｃに入り、加熱器２８に導入される。加熱器２８では、他方の主流路２ａを通る全て液相の作動流体と前記抽気された高温気相の作動流体とを熱交換させ、全て液相の作動流体を昇温させて、気相の作動流体の保有する熱を回収する。気相の作動流体はこの加熱器２８での熱交換を経て冷却され、凝縮して液相となり、この凝縮した液相の作動流体は加熱器２８を出た後、前記タンク６２及びポンプ６１を経て、支流路２ｃと主流路２ａの合流点で主流路２ａを流れる全て液相の作動流体に加わる。この合流点において、各過程で複数の流路にそれぞれ分れた作動流体が全て一つに合わさることとなり、作動流体におけるアンモニアと水の割合が当初の割合に戻る。
【００６１】
こうして液相の作動流体は、加熱器２８や再生器２７での熱交換を経て、あらかじめ所定温度まで昇温した状態で蒸発器２０内に戻り、前記同様に蒸発器２０での熱交換以降の各過程を繰返すこととなる。
【００６２】
この作動流体に対し、凝縮器２５での熱交換に使用された冷海水は、作動流体からの熱を受けて所定温度まで昇温している。この海水は、凝縮器２５の外へ排出された後、最終的にシステム外部の海中へ放出される。また、蒸発器２０での作動流体との熱交換に伴い温度が下がった温海水も、熱交換後にシステム外部の海中へ放出される。
【００６３】
このように、本実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおいては、蒸発器２０として、高温熱源と作動流体とを熱交換させる熱交換部２２、並びに、この熱交換部２２を取囲むシェル２１を設けると共に、このシェル２１の内部空間２１ｆを、熱交換部２２における作動流体流出口２２ｂに連通させ、熱交換部２２で液相の作動流体を高温熱源と熱交換させた後、蒸発した気相分とこれ以外の液相分とが混合した状態の高温混相作動流体を、熱交換部２２からシェルの内部空間２１ｆに流出させると、この内部空間２１ｆで混相状態の作動流体が気相分と液相分に分離し、且つ液相作動流体については濃度調整用貯溜部として貯溜量調整可能に一部貯溜できることから、蒸発器２０から気相の作動流体と液相の作動流体とをそれぞれ分離状態で取出せ、蒸発器２０が気液分離器の機能も有することとなり、蒸発器とは別体の気液分離器を省略でき、蒸発器と気液分離器が別の場合より圧力損失や熱損失を低減させられると共に、機器配置に必要なスペースも小さくでき、外部条件の変化に対応した作動流体の低沸点媒体濃度調整が貯溜用のスペースを別途新設することなく実行できることと合わせて、システム全体をコンパクト化、低コスト化できる。
【００６４】
なお、前記第１及び第２の各実施の形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおいては、アンモニアと水の混合媒体からなる作動流体と温海水とを熱交換させ、生じた気相の作動流体でタービンを動作させ、タービンを出た気相の作動流体を冷海水と熱交換させて液相とする過程を繰返す蒸気動力サイクルの例を示しているが、これに限られるものではなく、冷凍サイクルなど他のサイクルに適用することもできる。また、作動流体として他の混合媒体を用いたり、高温熱源として温海水に代えてプロセスガス、蒸気等の工業プロセス流体といった他の熱源を用いたり、低温熱源として冷海水に代えて他の冷却水や冷却用気体を用いるものとしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムの概略系統図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおける他例の概略系統図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムの概略系統図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおける蒸発器の概略縦断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る非共沸混合媒体サイクルシステムにおける蒸発器の熱交換部構造説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１、２            非共沸混合媒体サイクルシステム
１ａ、２ａ        主流路
１ｂ、２ｂ、２ｃ  支流路
１０、２０        蒸発器
１１              気液分離器
１２、２３、２４  タービン
１３、２５        凝縮器
１４、２６、６１  ポンプ
１５              濃度調整用貯溜部
１６、２９、６２  タンク
１７              再生器
２１              シェル
２１ａ            温海水流入口
２１ｂ            温海水流出口
２１ｃ、２１ｄ    作動流体流出口
２１ｅ            作動流体流入口
２１ｆ            内部空間
２１ｇ            有孔隔壁板
２２              熱交換部
２２ａ、２２ｃ    流入口
２２ｂ            流出口
２７              再生器
２７ａ            減圧弁
２８              加熱器
５０              プレート
【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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