(57)【要約】【課題】従来のランキンサイクル機関によるコジェネシステムでは駆動用作動媒体を加熱する高温熱交換部（加熱器）と、排熱による温水生成用の水加熱部（温水器）が別個に設けられ特に前者の外部への放熱損失を防ぐために周囲に過重な断熱がほどこされており、かさばりコスト高になるとともに性能向上が困難であった。【解決手段】前記の加熱器を温水器内部に包含設置し熱損失を最小とするとともに効率の改善、機器システムの簡易化、コスト低減する。この際加熱器内部にはその外部より高温熱源から得られる熱媒体を導入し主に液状態の作動流体を加熱し気化させ、その温度制御を適当ならしめるようにその周囲を適宜簡易に断熱したり熱媒体の流入状態を調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクル機関による動力取り出し後の排熱で温水を生成するシステムで、同機関の駆動用高温熱源を外部の高温熱源より高温作動媒体を導入して作動流体を加熱して得る熱交換器とその容器（加熱器）を前記排熱で温水を生成する熱交換器とその容器（温水器）に内包するように構成したシステム。
【請求項２】
前記加熱器内の高温作動媒体の流量、流路の可変調整機構を設けあわせてその周囲の断熱も調整して加熱能力を制御できるように構成したシステム。
【請求項３】
同機関の作動流体を気体から液体に冷却して復液する冷却器を前記温水器内に設けその放熱で温水生成できるように構成したシステム。
【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機関の駆動用高温熱源の高効率利用とシステムの簡易化を図ろうとするものであり、同機関から得られる動力を発電機や、圧縮機の駆動に用いると同時にその排熱を給湯や温水として有効活用できるいわゆるコジェネ（熱電併給等）に用いるシステムに関する。これを他の各種熱機関、高温系燃料電池等と直結連動してその高温排熱を熱源とすればそれらを含めたシステム全体のエネルギー効率が飛躍的に向上し、同機関の特長である高効率、熱源の多様性、静粛性および排気の清浄性等を簡略な構造で実用化でき、従来の内燃機関等既存の機関で得られなかった利便性、省エネルギー性や環境調和性等を必要とするエネルギー機器応用分野全般に活用できる。
【背景技術】
【０００２】ランキンサイクル機関は従来主流の内燃機関と異なり、上述のような優れた特性からその実用化が期待されてきた。しかし内燃機関に比べて外部との熱の授受や作動流体特性や高温高圧化対応の制約などから機構全体が複雑になる傾向にあり耐久性や応答性にも改良の余地が多くかつコスト的にも高くつきやすく、競争力に欠けていた。ただ近年エネルギー環境への対応がより優れたものを希求する方向に変化する中で、本機関は前述の特性から用途を選択してこれに適合したシステムとすれば充分実用化できることが見通されるようになりつつある。工場や店舗等の燃焼機器系から排出される高温排熱はもとより、小型ガスタービンや一般の内燃機関、あるいは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）で発電後まだ数百度レベルにある高温排熱を活用して新たに電力および温水を産出し全体の熱利用効率を向上できるようにはこの熱駆動機関が最適である。その一例として単体発電効率が約４５パーセント程度のＳＯＦＣとの複合化では総合発電効率約６０パーセント、発電コジェネとしては約８０パーセント以上となる大変高い効率性が期待される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】従来コジェネ用のランキンサイクル機関ではその駆動用熱源の温度が比較的高温（およそ摂氏２００度以上）で作動熱流体の加熱をする加熱器およびその余熱で水を加熱する温水器はそれより低温（およそ摂氏１００度以下）なためそれぞれ異なる別体として設けられていた。このため高温側の加熱器は外部への熱漏れを減らすため重厚な断熱材でその外周を巻いており、かさばると同時にコスト高にもなっていたがそれでも熱損失は完璧には防げなかった。また両者を連結する作動流体や熱媒体の配管流路も複雑となり熱損失も大きかった。本発明はこれを解決すると同時に熱駆動機関の冷却排熱もあわせて有効に活用しシステム全体の簡易化と効率改善を図ろうとする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】本発明は高温度の熱源から得られる高温熱媒により、まず本機関の駆動力源となる加熱器内部の作動流体を高温部放熱器を通して熱交換することにより約摂氏２００度以上の所定温度まで充分加熱し、その後それより低い温度で暖房や給湯用の水を温水器内で同じく低温部放熱器を用いて熱交換して加熱し約摂氏１００度にする２段階の加熱システムにおいて、高温度側の加熱器を低温度側の温水器内部に包含させて課題を解決しようとし、あわせて本機関の冷却用放熱も適宜前記温水器内に行わせてさらに熱効率を高め課題を解決しようとするものである。
【発明の効果】
【０００５】本発明は前述のような手段を用いることにより従来の課題を解決できる。高温度になる加熱器の周囲は従来常温であったが本案ではもっと高温の温水温度となる。この結果加熱器周囲の断熱は大幅に簡易化可能となりかつ温水器と一体構造化できるので全体としてコンパクト化が図れる。また加熱器から温水器への接続配管も断熱不要で成形も簡易になる。前項で述べたように熱駆動機関の冷却排熱も温水の加熱に有効に用いやすく効率改善が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】前述のごとく高温の加熱器をより低温の温水器の内部に設け高温部の断熱を簡易化し温水器中の温水は低温放熱器による加熱および熱駆動機関冷却器による構造を主体とする形態。
【実施例】
【０００７】本発明を実施例として図１の基本構成システム図に基づいて説明する。ランキンサイクル機関は作動流体（９）に水やＲ１１３等のフロン系、トルエンやオクタン等の有機物質等を用い加熱器（１０）で約摂氏２００度以上の高温に加熱され液状態から高圧の蒸気状態になったものが膨張機（１１）に送られここで低圧までほぼ断熱膨張するとき動力を発生する。本例のような閉サイクル系ではこの後気体を冷却して液体にもどす（復液）ために冷却器（１２）およびこの液体を加圧して高圧の加熱器（１０）にふたたび送り込む加圧機（１４）を設ける。ここに  加熱器（１０）は内部に作動流体（９）をその液面（１５）より下部では液体状態で保持しそこには高温部放熱器（６）が設けられその内部を通る摂氏２００度以上の高温熱媒体により加熱され気化される。この高温熱媒体は入口（５）より流入し前記加熱後温水器本体（１）に送られる。ここに温水器本体（１）は前記加熱器（１０）をその内部に包含するように設けられる。このため前述の熱媒体はただちに温水器本体（１）内部に設けられる低温部放熱器（７）を通して温水液面（４）下部の水を加熱し温水を生成しその後熱媒体出口（８）より外部に放出される。なお、温水の元の冷水は比較的下方に設けられる入口（２）より入いり温水出口（３）より所定の温度の温水として取り出される。ここに冷却器（１２）は温水液面（４）より下部に設けられ水を加熱し温水を生成し同時に作動流体は冷やされて復液をはじめる。この復液が不十分なばあいは必要に応じてその後段に補助冷却器（１３）を温水器本体（１）の外部に設け外気もしくは水等に適宜放熱して復液を完結させる。また、前記加熱器（１０）の外周は必要に応じて簡易な断熱材（１６）で適宜被覆し周囲の温水器内の温水への放熱を調節する。なお、同図中の矢印は流体の流れ方向を示す。【０００８】前述の結果、本機関は簡略で高効率が期待できるシステムとなるが、一般的に作動流体が高温度ほど高効率が得られる。このため摂氏数百以上では水が、それ以下では有機系（オーガニック）物質が用いられることが多く加熱源の温度、必要とする性能特性の適合する構成が必要である。このため例えば高温部放熱器（６）にはその放熱能力を変化できるように高温熱媒体の流量や流れ方を制御する装置（図示せず）を設けたり断熱材（１６）の性能を最適に選択することや、場合により作動流体（９）を過熱（スーパーヒート）するためにその一部を蒸気と接触するように構成したりすることも必要である。なお、断熱材（１６）は既述のごとく従来のものに比較すれば簡略なものであることは当然である。また温水器本体（１）には従来レベルの被覆断熱（図示せず）が施されることも同様である。
【産業上の利用可能性】
【０００９】以上説明したように、本発明によれば比較的簡単な熱交換器構造で実用性の高い高性能なランキンサイクル機関が実現可能となり冒頭に述べたごとく多くの技術産業分野への活用が可能となる。近時は太陽熱、バイオ産熱等いわゆる持続的（サステイナブル）エネルギーの有効活用へも検討され、経済性はもとよりエネルギー環境性の改善向上を必須とする多くの利用分野に広がるものと期待される。なお、ランキンサイクル機関以外のスターリングサイクルやブレイトンサイクル等の熱駆動機関を用いたコジェネシステムでも本発明の趣旨に沿った同様な原理を適用できることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の基本構成システム図を示す。
【符号の説明】
【００１１】（１）温水器本体
（２）冷水入口
（３）温水出口
（４）温水液面
（５）高温熱媒体入口
（６）高温部放熱器
（７）低温部放熱器
（８）熱媒体出口
（１０）加熱器
（１１）膨張機
（１２）冷却器
（１３）補助冷却器
（１４）加圧機
（１５）作動流体液面
（１６）断熱材
【図１】
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