(57)【要約】【課題】発電優先運転、給湯優先運転の切り換えが可能な発電、給湯システムを構築可能なランキンサイクルを利用した動力発生装置を提供する。【解決手段】作動媒体を蒸発させる蒸発手段と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張手段と、該膨張手段からの作動媒体を凝縮させる凝縮手段と、該凝縮手段からの作動媒体を前記蒸発手段へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルを備え、前記膨張手段における作動媒体の膨張仕事を動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張手段を、作動媒体を段階的に膨張させる複数の膨張機から構成するとともに、少なくとも一つの膨張機の出口側に、次段階以降の膨張機をバイパスし作動媒体を凝縮手段へと流入可能なバイパス路と、該バイパス路への作動媒体の流量を調整可能な流量調整手段を設けたことを特徴とする動力発生装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を蒸発させる蒸発手段と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張手段と、該膨張手段からの作動媒体を凝縮させる凝縮手段と、該凝縮手段からの作動媒体を前記蒸発手段へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルを備え、前記膨張手段における作動媒体の膨張仕事を動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張手段を、作動媒体を段階的に膨張させる複数の膨張機から構成するとともに、少なくとも一つの膨張機の出口側に、次段階以降の膨張機をバイパスし作動媒体を凝縮手段へと流入可能なバイパス路と、該バイパス路への作動媒体の流量を調整可能な流量調整手段を設けたことを特徴とする動力発生装置。
【請求項２】
前記膨張手段が第１膨張機と第２膨張機とからなる、請求項１の動力発生装置。
【請求項３】
前記流量調整手段が開閉弁からなる、請求項１または２の動力発生装置。
【請求項４】
前記作動媒体が蒸発手段内において超臨界状態にされる、請求項１ないし３のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項５】
前記作動媒体が水、水とアンモニアの混合物、プロピレン、プロパン、イソブタンの中から選択された一つからなる、請求項１ないし４のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項６】
前記膨張機がスクロール型膨張機からなる、請求項１ないし５のいずれかに記載の動力発生装置。
【請求項７】
前記作動媒体を蒸発させる熱源が太陽熱である、請求項１ないし６のいずれかに記載の動力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルを利用した動力発生装置に関し、たとえば、発電、給湯を同時にあるいは交互に可能なシステムの動力発生装置に好適に用いられる動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルは、たとえば、作動媒体としての冷媒を循環させる回路を有し、熱源として機能し冷媒を蒸発させる蒸発器、その蒸発器から冷媒が供給されて膨張仕事による出力が取出される膨張機、該膨張機で仕事をした冷媒を凝縮させる凝縮器、凝縮した冷媒を蒸発器へと循環させる循環ポンプを備えたものに構成されている（たとえば、特許文献１）。また、このような基本構成を有するランキンサイクルの膨張機に発電機を連結することにより、冷媒の膨張仕事を電力として出力させることも可能である（たとえば、特許文献１）。また、ランキンサイクルの凝縮器の放熱を給湯に利用し、発電、給湯が可能なシステムの構築もなされている（特許文献２）。
【０００３】
上記のようなランキンサイクルを利用した発電、給湯システムにおいて、出力効率を高めるためには、蒸発器の出口側、膨張機の入口側の冷媒温度を高めるとともに、凝縮器の出口側における冷媒温度が低くなるように設定することが好ましい。しかし、凝縮を外気により行う場合においては、外気温度の変動に伴い、凝縮器の出口側における冷媒の温度（凝縮温度）も変動する。たとえば、外気温が高温で凝縮器の出口側における冷媒の凝縮温度が高温になると発電機の駆動効率は低下する。また、この時は凝縮器における放熱が不十分になるから給湯温度も低下する。一方、外気温が低温で凝縮器の出口側における冷媒の凝縮温度が低温になると発電機の駆動効率は向上する。また、この時は凝縮器における放熱が十分になるから給湯温度も上昇する。
【０００４】
つまり、上記のようなシステムにおいては、たとえば、外気温度に依存して発電または給湯の優先が決定され、利用者の要望に応えて発電または給湯の一方を優先運転することは不可能である。
【特許文献１】特開２００２−２９５２０５号公報
【特許文献２】特開２００１−２４８５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明の課題は、利用者等のニーズに応じて、たとえば発電または給湯の一方を優先運転可能なシステムを構築可能な動力発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る動力発生装置は、作動媒体を蒸発させる蒸発手段と、該蒸発された作動媒体が膨張される膨張手段と、該膨張手段からの作動媒体を凝縮させる凝縮手段と、該凝縮手段からの作動媒体を前記蒸発手段へと循環させる循環ポンプとを備えたランキンサイクルを備え、前記膨張手段における作動媒体の膨張仕事を動力として出力するようにした動力発生装置において、前記膨張手段を、作動媒体を段階的に膨張させる複数の膨張機から構成するとともに、少なくとも一つの膨張機の出口側に、次段階以降の膨張機をバイパスし作動媒体を凝縮手段へと流入可能なバイパス路と、該バイパス路への作動媒体の流量を調整可能な流量調整手段を設けたことを特徴とするものからなる。このような構成においては、たとえば、第１膨張機の出口側には、バイパス路と、作動媒体の流量調整手段が設けられているので、第１膨張機で膨張された後さらに第２膨張機に流入膨張される作動媒体と、第２膨張機をバイパスし直接凝縮手段へと流入する作動媒体の流量を自在に調整することができる。したがって、作動流体の膨張比を調整することにより、凝縮器の入口側における作動媒体の温度および出口側における作動媒体の凝縮温度を自在に設定することができるので、発電優先運転または給湯優先運転の切り換えが可能になる。
【０００７】
たとえば、作動媒体を第１、第２膨張機で十分に膨張させれば、凝縮手段内へ流入する作動媒体の温度が低下し、凝縮手段における放熱量は低減する。しかし、凝縮手段の出口側における温度が低くなるので、ランキンサイクルの出力効率が向上し発電優先運転が実現される。
【０００８】
一方、第２膨張機をバイパスされた作動媒体の温度は、２段膨張される場合に比べ高温なるからランキンサイクルの出力効率は低下する。しかし、凝縮手段における放熱量は増大するので、給湯温度が上昇し給湯優先運転が実現される。
【０００９】
上記流量調整手段は、とくに限定されるものではないが、たとえば開閉弁から構成することができる。
【００１０】
上記作動媒体は、蒸発手段内において超臨界状態にされることが好ましい。作動媒体を超臨界状態にすれば、膨張手段の入口側と膨張手段の出口側におけるエンタルピーの差を大きな値にすることができるので、そのエンタルピー差に対応する取り出し可能なエネルギーが増大し、ランキンサイクルの出力効率を向上できる。
【００１１】
また、上記作動媒体は、とくに限定されるものではないが、たとえば水、水とアンモニアとの混合物、プロピレン、プロパン、イソブタンの中から選択することができる。
【００１２】
上記膨張機手段は、たとえばスクロール型膨張機を用いることができる。
【００１３】
上記作動媒体を蒸発させる熱源は、とくに限定されるものではないが、たとえば太陽熱、地熱等の自然エネルギーを用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記のような本発明に係る動力発生装置によれば、１段膨張、多段膨張を任意に選択することにより、凝縮手段に流入される作動媒体の温度を自在に変化させることがきるので、利用者等のニーズに応じて発電優先運転または給湯優先運転を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の膨張機動力発生装置の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る動力発生装置を示している。図１において、１は動力発生装置を示している。動力発生装置１は、作動媒体を太陽熱を集熱し蒸発可能な蒸発手段としての蒸発器２と、蒸発器２で蒸発された作動媒体を膨張する膨張手段としての膨張機３、４と、膨張手段からの作動媒体を凝縮する凝縮手段としての凝縮器５と、該凝縮器５からの作動媒体を上記蒸発器２へと循環させる循環ポンプ６を有しており、これら機器を備えた循環回路７はランキンサイクルとして構成されている。
【００１６】
上記膨張手段は、第１膨張機３と、該第１膨張機３で膨張された作動媒体をさらに膨張する第２膨張機４とから構成されている。本実施態様においては、膨張機３、４はスクロール型膨張機から構成されている。また、第１膨張機３には発電機８が連結されており、第１膨張機３による作動媒体の膨張仕事が発電機８を介して電力として出力されるようになっている。
【００１７】
第１膨張機３の出口側、つまり第１膨張機３から第２膨張機４へと至る回路７の途中には、第２膨張機４を迂回し直接凝縮器５へと作動媒体を流入させるバイパス路９が設けられている。また、回路７のバイパス路９の分岐部よりも下流には、第２膨張機４への作動媒体の流量を調整する開閉弁１０が設けられている。また、バイパス路９の途中には凝縮器５への作動媒体の流量を調整する開閉弁１１が設けられている。本実施態様においては、たとえば、一方の開閉弁が開となった場合には、他方の開閉弁が閉となるようになっている。つまり、両開閉弁１０、１１により、バイパス路９への作動媒体の流量を調整可能な流量調整手段１２が構成されている。
【００１８】
なお、図２に示すように、回路７からのバイパス路９の分岐部に、たとえば、軸に対して回転するロータリー式の開閉弁１３を設ければ１つの開閉弁により流量調整をすることも可能である。
【００１９】
凝縮器５においては、外気との熱交換により作動媒体が凝縮されるようになっている。本実施態様においては、凝縮器５からの放熱が給湯（貯湯）器１４の熱源として取出され、給湯器１４の水が加熱されるようになっている。
【００２０】
本実施態様においては、第１膨張機３の出口側には、バイパス路９と、作動媒体の流量調整手段１２が設けられているので、第１膨張機３で膨張された後さらに第２膨張機４に流入膨張される作動媒体と、第２膨張機４をバイパスし直接凝縮器５へと流入する作動媒体の流量を自在に調整することができる。したがって、凝縮器５の出口側における作動媒体の凝縮温度を自在に設定することができるので、発電優先運転または給湯優先運転の切り換えが可能になる。たとえば、バイパス路９を閉（開閉弁１０を開、膨張弁１１を閉）として、作動媒体を第１膨張機３、第２膨張機４の両膨張機で２段階に膨張させれば、作動媒体の温度が低下し凝縮器５における放熱量は低減するので、給湯温度は低下する。しかし、凝縮器５の出口側における作動媒体の凝縮温度が低くなるので、ランキンサイクルの出力効率が向上し発電機８による発電量が増加し発電優先運転が実現される。一方、バイパス路９を開（開閉弁１０を閉、膨張弁１１を開）として、第２膨張機４をバイパスさせれば作動媒体の温度は、発電優先運転（両膨張機による２段膨張される場合）に比べ高温であるから、ランキンサイクルの出力効率は低下し発電機８による発電量は低下する。しかし、凝縮器５に導入される作動媒体の温度は高温になっているので、放熱量は増大する。したがって、給湯温度が上昇し給湯優先運転が実現される。
【００２１】
上記のような動力発生装置における、圧力−エンタンタルピーの関係を図３に示す。ここで、Ａ−Ｂは蒸発器２における蒸発過程、Ｂ−Ｃは第１膨張機３による膨張過程、Ｃ−Ｄは第２膨張機４における膨張過程、Ｆ−Ａは凝縮器５における凝縮過程を示している。発電優先運転（２段階膨張に）おいては、ランキンサイクルの動作サイクルは、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆのように変化するが、給湯優先運転においては、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｆのように変化する。発電優先運転（２段階膨張に）の場合、給湯優先運転に比べＣ−Ｄへの移行の分だけ余分に作動媒体が膨張されることになるので、凝縮器５の入口側、出口側における作動媒体の温度が低温になるようになっている。一方、給湯優先運転においては、Ｂ−Ｃへの移行分しか膨張されなくなるので、凝縮器５の入口側、出口側における作動媒体の温度は高温になっている。なお、本実施態様においては、蒸発器２内において、作動媒体は超臨界状態にされる。このため、２相域で運転されるランキンサイクルに比べ蒸発器２の入口側と出口側とのエンタルピーの差を大きな値にすることができるので、そのエンタルピー差に対応して取り出し可能なエネルギーが増大する。よって、給湯優先運転時に発電機８による発電量が著しく低下するような不都合は防止される。
【００２２】
図４は、本発明の第２実施態様に係る動力発生装置を示している。本実施態様においては、膨張手段は第１膨張機１５、第２膨張機１６、第３膨張機１７からなっている。第１膨張機１５の出口側、つまり第１膨張機１５から第２膨張機１６へと至る回路７の途中には、第１膨張機１５で膨張された作動媒体を直接凝縮器５へと流入させるバイパス路１８が設けられている。回路７からのバイパス路１８の分岐部には、軸に対して回転するロータリー式の開閉弁１９が設けられている。本実施態様においては、開閉弁１９により流量調整手段２０が構成されている。したがって、本実施態様においては、第１膨張機１５で膨張された作動媒体を、次段階以降の膨張機１６、１７をバイパスさせ、直接凝縮器５へ流入させることができる。また、第１膨張機１５で膨張された作動媒体を、さらに、次段階以降の膨張機１６、１７で膨張させた後、凝縮器５へ流入させることもできる。よって、凝縮器５へ流入される作動媒体の温度を自在に設定することができるので、発電、給湯のいずれか一方を優先的に運転することができる。
【００２３】
図５は、本発明の第３実施態様に係る動力発生装置を示している。本実施態様においては、膨張手段は第１膨張機２１、第２膨張機２２、第３膨張機２３からなっている。第１膨張機２１の出口側、つまり第１膨張機２１から第２膨張機２２へと至る回路７の途中には、第１膨張機２１で膨張された作動媒体を直接凝縮器５へと流入させるバイパス路２４が設けられている。回路７からのバイパス路２４の分岐部には、軸に対して回転するロータリー式の開閉弁２５が設けられている。また、第２膨張機２２の出口側、つまり第２膨張機２２から第３膨張機２３へと至る回路７の途中には、第１膨張機２１および第２膨張機２２で膨張された作動媒体を直接凝縮器５へと流入させるバイパス路２７が設けられている。回路７からのバイパス路２７の分岐部には、軸に対して回転するロータリー式の開閉弁２８が設けられている。本実施態様においては、開閉弁２８により流量調整手段２９が構成されている。したがって、本実施態様においては、第１膨張機２１で膨張された作動媒体を、次段階以降の膨張機２２、２３をバイパスさせ、直接凝縮器５へ流入させることができる。また、第１膨張機２１で膨張された作動媒体を、さらに、次段階以降の膨張機２２で膨張させた後、第３膨張機２３をバイパスさせ凝縮器５へ流入させることもできる。よって、凝縮器５へ流入される作動媒の温度を自在に設定することができるので、発電、給湯のいずれか一方を優先的に運転することができる。
【００２４】
なお、膨張手段が３つ以上の膨張機から構成される場合においては、バイパス路の配設位置および個数は自在に変更することができる。つまり、少なくとも一つの膨張機の出口側に、次段階以降の膨張機をバイパスし作動媒体を凝縮手段へと流入可能なバイパス路と、該バイパス路への作動媒体の流量を調整可能な流量調整手段を設ければ、凝縮器５へと流入される作動媒体の圧力を変更することにより温度を自在に設定することができ、本発明の目的を達成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明に係る動力発生装置は、たとえば太陽熱を利用して発電、給湯等を行うシステム等に広範に適用できる。なお、膨張機に接続される負荷は発電機に限定されるものではなく、たとえば圧縮機を用いた冷凍システムを接続することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施態様に係る動力発生装置を適用した発電、給湯システムの概略機器系統図である。
【図２】図１とは別の動力発生装置を適用した発電、給湯システムの概略機器系統図である。
【図３】図１、図２におけるランキンサイクルを表す、圧力−エンタルピー線図である。
【図４】本発明の第２実施態様に係る動力発生装置を適用した発電、給湯システムの概略機器系統図である。
【図５】本発明の第３実施態様に係る動力発生装置を適用した発電、給湯システムの概略機器系統図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  動力発生装置
２  蒸発器
３、１５、２１  第１膨張機
４、１６、２２  第２膨張機
５  凝縮器
６  循環ポンプ
７  循環回路
８  発電機
９、１８、２４、２７  バイパス路
１０、１１、１３、１９、２５、２８  開閉弁
１２、２６、２９  流量調整手段
１４  給湯（貯湯）器
１７、２３  第３膨張機
【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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