(57)【要約】【課題】動力回収効率の向上が図られた動力回収装置を提供する。【解決手段】動力回収装置１は、蒸発器１１と、蒸発器１１下流の膨張機１２と、膨張機１２下流の凝縮器１４と、蒸発器１１上流の加熱器１６と、凝縮器１４下流且つ加熱器１６上流の容器１５と、凝縮器１４から容器１５へ送液する第１送液ポンプ１７と、容器１５の下部から加熱器１６へ送液する第２送液ポンプ１８と、容器１５の上部と加熱器１６との間の気相の作動流体の流通経路を開閉する開閉弁２０と、蒸発器１１上流に配置されて蒸発器１１に流入する方向に作動流体を流通させる逆止弁２１と、を備えるとともに、開閉弁２０を閉鎖して第１送液ポンプ１７を動作させ、第２送液ポンプ１８の動作を停止させる第１運転状態と、開閉弁２０を開放して第１送液ポンプ１７の動作を停止させ、第２送液ポンプ１８を動作させる第２運転状態と、を繰り返す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源により作動流体を加熱して高圧蒸気の作動流体を生成する蒸発器と、
前記蒸発器の送液方向下流に配置されて作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機の送液方向下流に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器の送液方向上流に配置されて作動流体を加熱する第１加熱器と、
前記凝縮器の送液方向下流且つ前記第１加熱器の送液方向上流に配置されて作動流体を貯留する容器と、
前記凝縮器から前記容器へ作動流体を送液する第１送液部と、
前記容器の下部から前記第１加熱器へ作動流体を送液する第２送液部と、
前記容器の上部と前記第１加熱器との間の気相の作動流体の流通経路を開閉する開閉弁と、
前記蒸発器の送液方向上流に配置されて前記蒸発器に流入する方向に作動流体を流通させる第１逆止弁と、
を備えるとともに、
前記開閉弁を閉鎖して前記第１送液部を動作させることにより前記凝縮器から前記容器へ作動流体を送液しながら前記容器内の気相の作動流体を液化させ、前記第２送液部の動作を停止させて前記第１加熱器で作動流体を加熱することにより前記第１加熱器から前記蒸発器へ作動流体を移動させる第１運転状態と、
前記第１送液部の動作を停止させて前記開閉弁を開放することにより前記第１加熱器から気相の作動流体を前記容器に移動させ、前記第２送液部を動作させることにより前記容器から前記第１加熱器へ作動流体を送液する第２運転状態と、
を繰り返すことを特徴とする動力回収装置。
【請求項２】
熱源により作動流体を加熱して高圧蒸気の作動流体を生成する蒸発器と、
前記蒸発器の送液方向下流に配置されて作動流体を膨張させる膨張機と、
前記膨張機の送液方向下流に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器の送液方向下流且つ前記蒸発器の送液方向上流に並列にして配置された作動流体を貯留する容器及び前記容器の送液方向下流に配置されて作動流体を加熱する第１加熱器の複数の組と、
前記凝縮器から前記複数の組各々の前記容器へ作動流体を送液する第１送液部と、
前記複数の組各々の前記容器の下部から前記第１加熱器へ作動流体を送液する複数の第２送液部と、
前記複数の組各々の前記容器の上部と前記第１加熱器との間の気相の作動流体の流通経路を開閉する複数の開閉弁と、
前記複数の組各々の前記第１加熱器側から前記蒸発器に向かう方向に作動流体を流通させる複数の第１逆止弁と、
前記凝縮器側から前記複数の組各々の前記容器に向かう方向に作動流体を流通させる複数の第２逆止弁と、
を備えるとともに、
前記第１送液部を動作させながら前記複数の組各々に対応する前記開閉弁を閉鎖することにより前記凝縮器から当該組の前記容器へ作動流体を送液させ、当該組に対応する前記第２送液部の動作を停止させて当該組の前記第１加熱器で作動流体を加熱することにより当該組の前記第１加熱器から前記蒸発器へ作動流体を移動させる第１運転状態と、
前記第１送液部を動作させながら前記複数の組各々に対応する前記開閉弁を開放することにより当該組の前記第１加熱器から気相の作動流体を当該組の前記容器に移動させ、当該組に対応する前記第２送液部を動作させることにより当該組の前記容器から当該組の前記第１加熱器へ作動流体を送液する第２運転状態と、
を前記複数の組ごとに繰り返すことを特徴とする動力回収装置。
【請求項３】
前記第２送液部は、
前記容器を前記第１加熱器より上方に配置させる配管と、
前記容器の下部から前記第１加熱器に向かう方向に作動流体を流通させる第３逆止弁と、
を備え、重力の作用により前記容器の下部から前記第１加熱器へ作動流体を送液することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の動力回収装置。
【請求項４】
前記第１送液部と前記容器との間の作動流体を加熱する、または前記容器内の作動流体を加熱する第２加熱器を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の動力回収装置。
【請求項５】
前記第２加熱器は、前記膨張機から流出した作動流体と前記第１送液部から流出した作動流体との間で熱交換することを特徴とする請求項４に記載の動力回収装置。
【請求項６】
前記複数の組各々に対応する前記第２逆止弁の開閉を検知する検知部を備えるとともに、前記検知部が対応する組の前記第２逆止弁の開放を検知したとき、他の組の前記開閉弁を開放することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の動力回収装置。
【請求項７】
動力回収後に送液される作動流体を容器に貯留し、
貯留した作動流体を加熱器に送液して加熱し、
その加熱した作動流体を蒸発器でさらに加熱して高圧蒸気の作動流体を生成し、
高圧蒸気の作動流体を膨張させることにより動力を回収する動力回収方法であって、
前記容器と前記加熱器との間で気相の作動流体の流通を阻止して動力回収後の作動流体を前記容器へ送液しながら前記容器内の気相の作動流体を液化させ、前記容器から前記加熱器へ作動流体の送液を停止させて前記加熱器で作動流体を加熱することにより前記加熱器から前記蒸発器へ作動流体を移動させる第１工程と、
動力回収後の作動流体の前記容器への送液を停止させて気相の作動流体を前記第１加熱器から前記容器に移動させ、前記容器から前記加熱器へ作動流体を送液する第２工程と、
を繰り返すことを特徴とする動力回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱等を回収して動力を発生させる動力回収装置及び動力回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排熱等から動力を回収する従来の動力回収装置は一般にランキンサイクル等の熱サイクルが用いられる。図１０はこの従来の動力回収装置の系統図を示している。動力回収装置１は蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１４、送液ポンプ１７、蒸発器１１の順に配管で接続され、作動流体が封入されている。
【０００３】
この動力回収装置１は排熱や太陽熱などの熱源を用いて蒸発器１１で高圧蒸気の作動流体を生成し、蒸発器１１で生成した高圧蒸気をタービン等の膨張機１２に導いて膨張させる。これにより動力を回収し、タービンの回転などによって発電機１３等の発電に利用する。膨張した蒸気の作動流体は凝縮器１４で液化し、機械式の送液ポンプ１７で昇圧した後に蒸発器１１に戻される。
【０００４】
上記のような動力回収装置は廃熱発電装置として特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された廃熱発電装置は廃熱エネルギーにより作動流体を高圧蒸気に変換する廃熱回収器（蒸発器）と、高圧蒸気により駆動される蒸気タービン（膨張機）と、蒸気タービンにより駆動される発電機と、タービン排気を凝縮液化する凝縮器と、液相の作動流体を廃熱回収器に圧送する高圧ポンプとを備えている。
【０００５】
しかしながら、発電機による発電量を増加させるためには膨張機を大きな圧力差で作動させる必要があり、これにより蒸発器で蒸発する圧力と凝縮器で凝縮する圧力との差を大きくしなければならない。この圧力差が大きくなると作動流体を昇圧して凝縮器から蒸発器に戻すポンプを駆動するための消費電力も大きくなり、実質的な動力回収効率が低下する問題がある。
【０００６】
そこで、このような問題を解決すべく提案された動力回収装置が特許文献２に開示されている。特許文献２に記載された動力回収装置は凝縮器の下流であって凝縮器の作動媒体液面よりも低い位置且つ蒸発器の上流であって蒸発器の作動媒体液面よりも高い位置に設けた給液タンクと、凝縮器と給液タンクとの間及び給液タンクと蒸発器との間に各々設けた逆止弁とを備えている。
【０００７】
この動力回収装置の構成によれば、凝縮器内の液位と給液タンク内の液位との落差によって凝縮器内の作動媒体液が給液タンク内に移動し、給液タンク内の液位と蒸発器内の液位との落差によって給液タンク内の作動媒体液が蒸発器内に移動する。したがって、ポンプなどを使用することなく重力の作用を利用して作動媒体液を凝縮器内から蒸発器内まで送ることができ、ポンプを駆動するための電力の消費を抑制して動力回収効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１１０５１４号公報（第２頁、第１図）
【特許文献２】特開２００６−３７８４９号公報（第５頁−第７頁、第２図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載された従来の動力回収装置で利用されている重力の作用だけでは作動流体を送る力が弱い可能性がある。これにより、熱交換機等の圧力損失に負けるなどして、作動流体の十分な送液量を確保することができないといった問題が発生する虞がある。
【００１０】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、作動流体の送液部に必要な動力をできるだけ抑制しながら作動流体の十分な送液量を確保することができ、動力回収効率の向上が図られた動力回収装置及び動力回収方法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】
【００１１】
上記の課題を解決するため、本発明の動力回収装置は、熱源により作動流体を加熱して高圧蒸気の作動流体を生成する蒸発器と、前記蒸発器の送液方向下流に配置されて作動流体を膨張させる膨張機と、前記膨張機の送液方向下流に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記蒸発器の送液方向上流に配置されて作動流体を加熱する第１加熱器と、前記凝縮器の送液方向下流且つ前記第１加熱器の送液方向上流に配置されて作動流体を貯留する容器と、前記凝縮器から前記容器へ作動流体を送液する第１送液部と、前記容器の下部から前記第１加熱器へ作動流体を送液する第２送液部と、前記容器の上部と前記第１加熱器との間の気相の作動流体の流通経路を開閉する開閉弁と、前記蒸発器の送液方向上流に配置されて前記蒸発器に流入する方向に作動流体を流通させる第１逆止弁と、を備えるとともに、前記開閉弁を閉鎖して前記第１送液部を動作させることにより前記凝縮器から前記容器へ作動流体を送液しながら前記容器内の気相の作動流体を液化させ、前記第２送液部の動作を停止させて前記第１加熱器で作動流体を加熱することにより前記第１加熱器から前記蒸発器へ作動流体を移動させる第１運転状態と、前記第１送液部の動作を停止させて前記開閉弁を開放することにより前記第１加熱器から気相の作動流体を前記容器に移動させ、前記第２送液部を動作させることにより前記容器から前記第１加熱器へ作動流体を送液する第２運転状態と、を繰り返すことを特徴としている。
【００１２】
この構成によれば、動力回収装置は蒸発器、膨張機、凝縮器、容器、第１加熱器、蒸発器の順に接続され、作動流体が封入される。第１運転状態では第１送液部により凝縮器から容器に作動流体が送液されるとともに、第１加熱器による加熱で生じる圧力差で第１加熱器から蒸発器に作動流体が移動する。第２運転状態では容器と第１加熱器との間の開閉弁を開放し、第２送液部により容器から第１加熱器に作動流体が送液される。これらの運転状態が繰り返され、膨張機から蒸発器に作動流体が送液される。蒸発器で生成された高圧蒸気の作動流体は膨張機で膨張され、膨張機が有する例えばタービンを回転させることで動力を回収する。第１運転状態において、容器内の圧力は蒸発器の蒸発圧力よりも低いので、凝縮器から蒸発器へ直接送液する場合と比較して凝縮器から容器に送液する第１送液部の動作にかかる負荷は小さくなる。第２運転状態において、開閉弁を開放すると容器と第１加熱器との圧力差が小さくなるので、第２送液部の動作にかかる負荷も比較的小さくなる。
【００１３】
また、本発明の動力回収装置は、熱源により作動流体を加熱して高圧蒸気の作動流体を生成する蒸発器と、前記蒸発器の送液方向下流に配置されて作動流体を膨張させる膨張機と、前記膨張機の送液方向下流に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器の送液方向下流且つ前記蒸発器の送液方向上流に並列にして配置された作動流体を貯留する容器及び前記容器の送液方向下流に配置されて作動流体を加熱する第１加熱器の複数の組と、前記凝縮器から前記複数の組各々の前記容器へ作動流体を送液する第１送液部と、前記複数の組各々の前記容器の下部から前記第１加熱器へ作動流体を送液する複数の第２送液部と、前記複数の組各々の前記容器の上部と前記第１加熱器との間の気相の作動流体の流通経路を開閉する複数の開閉弁と、前記複数の組各々の前記第１加熱器側から前記蒸発器に向かう方向に作動流体を流通させる複数の第１逆止弁と、前記凝縮器側から前記複数の組各々の前記容器に向かう方向に作動流体を流通させる複数の第２逆止弁と、を備えるとともに、前記第１送液部を動作させながら前記複数の組各々に対応する前記開閉弁を閉鎖することにより前記凝縮器から当該組の前記容器へ作動流体を送液させ、当該組に対応する前記第２送液部の動作を停止させて当該組の前記第１加熱器で作動流体を加熱することにより当該組の前記第１加熱器から前記蒸発器へ作動流体を移動させる第１運転状態と、前記第１送液部を動作させながら前記複数の組各々に対応する前記開閉弁を開放することにより当該組の前記第１加熱器から気相の作動流体を当該組の前記容器に移動させ、当該組に対応する前記第２送液部を動作させることにより当該組の前記容器から当該組の前記第１加熱器へ作動流体を送液する第２運転状態と、を前記複数の組ごとに繰り返すことを特徴としている。
【００１４】
この構成によれば、動力回収装置は蒸発器、膨張機、凝縮器、一の容器及び第１加熱器の組、蒸発器の順に接続される。また、凝縮器の下流で分岐して他の容器及び第１加熱器の組が接続され、蒸発器の上流で容器及び第１加熱器の複数の組が合流する。容器及び第１加熱器の複数の組各々について、対応する第２送液部、開閉弁、第１逆止弁、及び第２逆止弁を備える。そして、第１運転状態と第２運転状態とを複数の組ごとに繰り返すことにより、膨張機から蒸発器に作動流体が送液される。蒸発器で生成された高圧蒸気の作動流体は膨張機で膨張され、膨張機が有する例えばタービンを回転させることで動力を回収する。したがって、第１送液部の動作にかかる負荷を小さくしながら第１送液部を連続的に動作させることができる。これにより、第１送液部の始動時に比較的大きな負荷が発生することが回避され、また膨張機の回転速度の変動も小さくなる。
【００１５】
また、上記構成の動力回収装置において、前記第２送液部は、前記容器を前記第１加熱器より上方に配置させる配管と、前記容器の下部から前記第１加熱器に向かう方向に作動流体を流通させる第３逆止弁と、を備え、重力の作用により前記容器の下部から前記第１加熱器へ作動流体を送液することを特徴としている。
【００１６】
この構成によれば、例えば第２送液部としてのポンプの利用を回避でき、動力回収効率の向上を図りながら動力回収装置の構成が簡略化する。
【００１７】
また、上記構成の動力回収装置において、前記第１送液部と前記容器との間の作動流体を加熱する、または前記容器内の作動流体を加熱する第２加熱器を備えることを特徴としている。
【００１８】
この構成によれば、開閉弁を開放したときの容器と第１の加熱器との圧力差が小さくなるので、容器の下部から第１の加熱器への送液が容易になる。したがって、例えばポンプのように積極的に送液する装置を用いることなく第２送液部の構成が簡略化する。
【００１９】
また、上記構成の動力回収装置において、前記第２加熱器は、前記膨張機から流出した作動流体と前記第１送液部から流出した作動流体との間で熱交換することを特徴としている。この構成によれば、動力回収装置で消費する熱量がより少なくなる。
【００２０】
また、上記構成の動力回収装置において、前記複数の組各々に対応する前記第２逆止弁の開閉を検知する検知部を備えるとともに、前記検知部が対応する組の前記第２逆止弁の開放を検知したとき、他の組の前記開閉弁を開放することを特徴としている。この構成によれば、開閉弁の開閉の切り替えがスムーズに行われるので、容器及び第１加熱部の組を複数備える動力回収装置を安定して運転させることができる。
【００２１】
また、本発明の動力回収方法は、動力回収後に送液される作動流体を容器に貯留し、
貯留した作動流体を加熱器に送液して加熱し、その加熱した作動流体を蒸発器でさらに加熱して高圧蒸気の作動流体を生成し、高圧蒸気の作動流体を膨張させることにより動力を回収する動力回収方法であって、前記容器と前記加熱器との間で気相の作動流体の流通を阻止して動力回収後の作動流体を前記容器へ送液しながら前記容器内の気相の作動流体を液化させ、前記容器から前記加熱器へ作動流体の送液を停止させて前記加熱器で作動流体を加熱することにより前記加熱器から前記蒸発器へ作動流体を移動させる第１工程と、動力回収後の作動流体の前記容器への送液を停止させて気相の作動流体を前記第１加熱器から前記容器に移動させ、前記容器から前記加熱器へ作動流体を送液する第２工程と、を繰り返すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の構成によれば、作動流体の送液部の駆動にかかる負荷が比較的小さくなるので、送液部の消費電力が比較的少なくなる。したがって、作動流体の送液部に必要な電力、すなわち動力をできるだけ抑制しながら作動流体の十分な送液量を確保することができ、動力回収効率の向上が図られた動力回収装置及び動力回収方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置を示す系統図である。
【図２】第１の実施形態に係る動力回収装置に対する比較例の蒸発器及び凝縮器の圧力の推移を示すグラフである。
【図３】第１の実施形態に係る動力回収装置に対する比較例の送液ポンプの消費電力の推移を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態に係る動力回収装置の運転状態を示すタイミングチャートである。
【図５】第１の実施形態に係る動力回収装置の蒸発器、凝縮器、容器及び加熱器の圧力の推移を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態に係る動力回収装置の第１送液ポンプ及び第２送液ポンプの消費電力の推移を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る動力回収装置を示す系統図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る動力回収装置を示す系統図である。
【図９】第３の実施形態に係る動力回収装置の開閉弁の開閉制御に係る動作を示すフローチャートである。
【図１０】従来の動力回収装置を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図１〜図９に基づき説明する。
【００２５】
最初に、本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置について、図１〜図６を用いて説明する。図１は第１の実施形態に係る動力回収装置を示す系統図である。図２は動力回収装置に対する比較例の蒸発器及び凝縮器の圧力の推移を示すグラフ、図３は動力回収装置に対する比較例の送液ポンプの消費電力の推移を示すグラフである。図４は第１の実施形態に係る動力回収装置の運転状態を示すタイミングチャート、図５は動力回収装置の蒸発器、凝縮器、容器及び加熱器の圧力の推移を示すグラフ、図６は動力回収装置の第１送液ポンプ及び第２送液ポンプの消費電力の推移を示すグラフである。なお、説明の便宜上、前述の図１０を用いて説明した従来の動力回収装置と同様の構成要素には前と同じ符号を付している。
【００２６】
動力回収装置１は、図１に示すように蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１４、容器１５、第１加熱器である加熱器１６、蒸発器１１の順に配管で接続され、Ｒ１３４ａ等の作動流体が封入されている。
【００２７】
蒸発器１１は作動流体を排熱や太陽熱等の熱源によって加熱し、作動流体を蒸発させて高温高圧の蒸気の作動流体を生成する。膨張機１２は発電機１３が接続された例えばタービンを備え、高圧蒸気の作動流体を膨張させる。作動流体が減圧膨張される際にタービンは作動流体からの力を受けて回転し、発電機１３によって電力を発生させる。凝縮器１４は膨張した蒸気の作動流体を地下水や外気等との熱交換によって液化する。容器１５は作動流体をその内部に貯留するためのものである。加熱器１６は作動流体を排熱や太陽熱等の熱源によって加熱する。
【００２８】
凝縮器１４の下流であって容器１５との間には第１送液部である第１送液ポンプ１７が備えられている。第１送液ポンプ１７は凝縮器１４側から容器１５の下部に接続された配管３１内を流通させて作動流体を凝縮器１４から容器１５へ送液する。配管３１には配管３１から分岐する配管３２が接続されている。配管３２の先は加熱器１６の下部から蒸発器１１に向かって延びる配管３３に接続されている。配管３２には第２送液部である第２送液ポンプ１８が備えられている。第２送液ポンプ１８は配管３１、配管３２、及び配管３３内を流通させて作動流体を容器１５の下部から加熱器１６へ送液する。
【００２９】
第１送液ポンプ１７は図示しない制御装置からの指令により駆動し、凝縮器１４で液化された作動流体を容器１５に送液する。第１送液ポンプ１７の駆動を停止したときに凝縮器１４側より容器１５側の作動流体の圧力が高くても、第１送液ポンプ１７は逆方向に作動流体が流れない構造になっている。第２送液ポンプ１８は制御装置からの指令により駆動し、容器１５内の作動流体を加熱器１６に送液する。第２送液ポンプ１８の駆動を停止したときに容器１５側より加熱器１６側の作動流体の圧力が高くても、第２送液ポンプ１８は逆方向に作動流体が流れない構造になっている。
【００３０】
そして、加熱器１６の上部から気液分離器１９、開閉弁２０、容器１５の上部の順に配管で接続されている。気液分離器１９は加熱器１６で加熱された作動流体の気相と液相とを分離する。開閉弁２０は制御装置からの指令により駆動し、容器１５の上部と加熱器１６の上部との間の気相の作動流体の流通経路を開閉する。
【００３１】
また、蒸発器１１の上流には第１逆止弁である逆止弁２１が配置されている。逆止弁２１は一方向、すなわち加熱器１６側から蒸発器１１に流入する方向に作動流体を流通させる。また、第１送液ポンプ１７の下流には逆止弁２２が備えられている。逆止弁２２は一方向、すなわち第１送液ポンプ１７側から容器１５に流入する方向に作動流体を流通させる。
【００３２】
ここで、上記構成の本発明の動力回収装置１に対する比較例として図１０に示す従来の動力回収装置の運転状態について説明する。比較例としての従来の動力回収装置は、例えば蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１４、送液ポンプ１７、蒸発器１１の順に接続され、容器１５や加熱器１６が設けられていない。この比較例の動力回収装置の場合、例えば図２に示すように０．５ＭＰａの圧力の凝縮器１４から２．４ＭＰａの圧力の蒸発器１１まで送液ポンプ１７を常時連続駆動させて作動流体を送液することになる。これにより、図３に示すように比較例の送液ポンプ１７の消費電力は１２８Ｗとなる。
【００３３】
これに対して、図１に示す本発明の動力回収装置１では、図４〜図６に示すように作動流体の送液のために第１運転状態（第１工程）と第２運転状態（第２工程）とを繰り返す動力回収方法が実行される。なおここでは、第１運転状態と第２運転状態とを例えば１０秒程度ごとの時間間隔で切り替えて繰り返すようにしている。
【００３４】
第１運転状態では、図４に示すように開閉弁２０を閉鎖して第１送液ポンプ１７を動作させ、第２送液ポンプ１８の動作を停止させる。このとき、蒸発器１１、凝縮器１４、容器１５、及び加熱器１６では図５に示すように圧力が推移する。
【００３５】
第１運転状態では開閉弁２０を閉鎖することによって容器１５と加熱器１６との間で気相の作動流体の流通が阻止され、凝縮器１４で液化された作動流体が第１送液ポンプ１７により昇圧されて容器１５に送液される。容器１５内の作動流体は気液二相状態にあり、温度に応じた圧力によって液化する。この液化とともに容器１５内の圧力は低下し、さらに図６に示すように第１送液ポンプ１７の消費電力も低下する。図２及び図３を用いて説明した前述の比較例に対して、第１送液ポンプ１７は平均するとより小さな圧力差において駆動させているので、消費電力が少なくなる。
【００３６】
一方、加熱器１６内の作動流体は加熱器１６によって加熱されて圧力が上昇する。開閉弁２０を閉鎖して第２送液ポンプ１８を停止させているので、加熱器１６内の圧力が蒸発器１１内の圧力より高くなるとその圧力差により作動流体は加熱器１６から逆止弁２１を通過して蒸発器１１まで移動する。このとき、加熱器１６内の作動流体はいくらか気化するが、液状態の作動流体が加熱器１６から蒸発器１１に移動するのでその質量は大きい。
【００３７】
次に、第２運転状態では、図４に示すように開閉弁２０を開放して第１送液ポンプ１７の動作を停止させ、第２送液ポンプ１８を動作させる。このとき、蒸発器１１、凝縮器１４、容器１５、及び加熱器１６では図５に示すように圧力が推移する。
【００３８】
第２運転状態では容器１５内に貯留された作動流体が第２送液ポンプ１８により加熱器１６に送液される。また、開閉弁２０を開放することにより加熱器１６から気液分離器１９を介して気相の作動流体が容器１５に移動する。これにより、容器１５内の圧力が上昇するとともに加熱器１６内の圧力が低下し、容器１５と加熱器１６との圧力差が小さくなる。したがって、第２送液ポンプ１８の駆動にかかる負荷は小さくなり、図６に示すように第２送液ポンプ１８の消費電力も少なくなる。
【００３９】
上記構成の動力回収装置１において第１運転状態と第２運転状態とを繰り返すことにより、膨張機１２から蒸発器１１に作動流体が送液される。蒸発器１１で生成された高圧蒸気の作動流体は膨張機１２で膨張され、膨張機１２が有するタービンを回転させることにより発電機１３で発電させて動力を回収する。
【００４０】
本発明の実施形態の構成によれば、第１送液ポンプ１７及び第２送液ポンプ１８の駆動にかかる負荷が比較的小さくなるので、第１送液ポンプ１７及び第２送液ポンプ１８の消費電力が比較的少なくなる。図６に示す第１送液ポンプ１７及び第２送液ポンプ１８の消費電力は合計して平均すると４９Ｗとなり、図３に示した比較例の送液ポンプ１７の消費電力１２８Ｗと比較して一層低減されている。したがって、第１送液ポンプ１７及び第２送液ポンプ１８に必要な電力、すなわち動力をできるだけ抑制しながら作動流体の十分な送液量を確保することができ、動力回収効率の向上が図られた動力回収装置１及びその動力回収方法を提供することが可能である。
【００４１】
なお、第１運転状態と第２運転状態との切り替えのタイミングは上記のように予め設定した時間間隔で切り替えるほか、例えば容器１５内の作動流体の液量に基づいて切り替えても良い。この場合、容器１５内の作動流体の液量を検知する液量センサを設け、その液量が一定値以上になれば第１運転状態から第２運転状態に切り替え、液量が一定値以下になれば第２運転状態から第１運転状態に切り替えるようにする方法が望ましい。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る動力回収装置について、図７を用いて説明する。図７は第２の実施形態に係る動力回収装置を示す系統図である。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図６を用いて説明した前記第１の実施形態と同じであるので、第１の実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。
【００４３】
第２の実施形態に係る動力回収装置１は、図７に示すように膨張機１２の下流及び第１送液ポンプ１７の下流に第２加熱器である熱交換器４０を備えている。熱交換器４０は膨張機１２から流出した作動流体と第１送液ポンプ１７から流出した作動流体との間で熱交換させることにより、第１送液ポンプ１７から流出した作動流体を加熱する。
【００４４】
第１送液ポンプ１７側の熱交換器４０の下流には第２逆止弁である逆止弁２２が備えられている。逆止弁２２は一方向、すなわち第１送液ポンプ１７側から容器１５に流入する方向に作動流体を流通させる。
【００４５】
そして、容器１５の下部には第１送液ポンプ１７及び熱交換器４０側から延びる配管３４が接続されている。配管３４は上方に向かって比較的長く延び、容器１５を加熱器１６より上方に配置させている。容器１５の下方の配管３４から分岐する配管３２には第３逆止弁である逆止弁２３が備えられている。逆止弁２３は一方向、すなわち容器１５の下部から加熱器１６に流入する方向に作動流体を流通させる。第２の実施形態に係る動力回収装置１には、このような配管３４と逆止弁２３とを構成要素として容器１５の下部から加熱器１６へ作動流体を送液する第２送液部２４が備えられている。
【００４６】
上記構成の本発明の動力回収装置１では作動流体の送液のために第１運転状態と第２運転状態とが繰り返される。第１運転状態では開閉弁２０を閉鎖して第１送液ポンプ１７を駆動させ、第２送液部２４の動作を停止させる。次に、第２運転状態では開閉弁２０を開放して第１送液ポンプ１７の動作を停止させ、第２送液部２４を動作させる。
【００４７】
第２運転状態では開閉弁２０を開放することによる重力の作用で容器１５内に貯留された作動流体が、配管３４と逆止弁２３が配置された配管３２とを流通して加熱器１６に移動する。第２運転状態ではこのように第２送液部２４が動作し、重力の作用により容器１５の下部から加熱器１６へ作動流体を送液する。これにより、第２送液部２４としての送液ポンプの利用を回避できて送液ポンプが第１送液ポンプ１７一個のみで済むので、動力回収効率の向上を図りながら動力回収装置１の構成を簡略化することができる。
【００４８】
また、第１送液ポンプ１７から流出した作動流体を加熱する熱交換器４０を設けることにより開閉弁２０を開放したときの容器１５と加熱器１６との圧力差が小さくなるので、容器１５の下部から加熱器１６への送液が容易になる。したがって、ポンプのように積極的に送液する装置を用いることなく第２送液部２４の構成を簡略化することができる。
【００４９】
さらに、熱交換器４０は膨張機１２から流出した作動流体と第１送液ポンプ１７から流出した作動流体との間で熱交換することにより第１送液ポンプ１７から流出した作動流体を加熱するので、動力回収装置１で消費する熱量をより少なくすることができる。これにより、動力回収効率が一層高められた動力回収装置１を提供することが可能である。
【００５０】
次に、本発明の第３の実施形態に係る動力回収装置について、図８及び図９を用いて説明する。図８は第３の実施形態に係る動力回収装置を示す系統図、図９は第３の実施形態に係る動力回収装置の開閉弁の開閉制御に係る動作を示すフローチャートである。なお、この実施形態の基本的な構成は図１〜図６及び図７を用いて説明した前記第１及び第２の実施形態と同じであるので、これらの実施形態と共通する構成要素には前と同じ符号を付し、図面の記載及びその説明を省略するものとする。
【００５１】
第３の実施形態に係る動力回収装置１は、図８に示すように蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１４、一の容器１５ａ及び加熱器１６ａの組、蒸発器１１の順に配管で接続されている。また、凝縮器１４及び熱交換器４０の下流で分岐して他の容器１５ｂ及び加熱器１６ｂの組が接続され、蒸発器１１の上流で容器１５及び加熱器１６の２組が合流している。
【００５２】
容器１５及び加熱器１６の２組各々について、対応する第２送液部２４ａ、２４ｂ、気液分離器１９ａ、１９ｂ、開閉弁２０ａ、２０ｂ、第１逆止弁である逆止弁２１ａ、２１ｂ、及び第２逆止弁である逆止弁２２ａ、２２ｂを備えている。また、逆止弁２２ａ、２２ｂにはその開閉を検知する検知部２５ａ、２５ｂが各々備えられている。なお、本説明において特に限定する必要がある場合を除き、容器１５及び加熱器１６の２組各々の構成要素に用いられる「ａ」、「ｂ」の識別記号は記載を省略する場合がある。
【００５３】
上記構成の本発明の動力回収装置１では作動流体の送液のために第１運転状態と第２運転状態とが容器１５及び加熱器１６の組ごとに交互に繰り返される。第１運転状態では第１送液ポンプ１７を駆動させながら、容器１５及び加熱器１６の２組各々に対応する開閉弁２０を閉鎖して当該組に対応する第２送液部２４の動作を停止させる。次に、第２運転状態では第１送液ポンプ１７を駆動させながら、容器１５及び加熱器１６の２組各々に対応する開閉弁２０を開放して当該組に対応する第２送液部２４を動作させる。
【００５４】
続いて、動力回収装置１における作動流体の送液に係る動作について、図９に示した開閉弁２０の開閉制御に係る動作フローに沿って説明する。
【００５５】
動力回収装置１は運転を開始すると（図９のスタート）まず、容器１５ａ及び加熱器１６ａの組を第１運転状態にさせ、容器１５ｂ及び加熱器１６ｂの組を第２運転状態にさせる。このため、制御装置は開閉弁２０ａを閉鎖させ（図９のステップ＃１０１）、開閉弁２０ｂを開放させる（ステップ＃１０２）。これにより、容器１５ａの圧力が容器１５ｂの圧力より低下するので、第１送液ポンプ１７により昇圧された作動流体は熱交換器４０で加熱され、逆止弁２２ａを通過して容器１５ａに送液される。
【００５６】
一方、開閉弁２０ｂを開放することによる重力の作用で、容器１５ｂ内に貯留された作動流体が逆止弁２３ｂを通過して加熱器１６ｂに移動する。また、加熱器１６ａ内の作動流体は加熱器１６ａによって加熱され、加熱器１６ａ内の圧力が蒸発器１１内の圧力より高くなるとその圧力差により加熱器１６ａから逆止弁２１ａを通過して蒸発器１１まで移動する。
【００５７】
開閉弁２０ｂを開放してから一定時間が経過すると（ステップ＃１０３のＹｅｓ）、制御装置は開閉弁２０ｂを閉鎖させる（ステップ＃１０４）。開閉弁２０ｂを閉鎖しても、容器１５ａ内の温度は容器１５ｂ内の温度より低い。これにより、容器１５ａ内に気相の作動流体が残留している状態において、第１送液ポンプ１７により昇圧された作動流体は熱交換器４０で加熱され、逆止弁２２ａを通過して容器１５ａに送液され続ける。
【００５８】
容器１５ａ内の気相の作動流体がなくなると、容器１５ａ内の圧力が上昇して容器１５ｂ内の圧力と等しくなる。これにより、第１送液ポンプ１７により昇圧された作動流体は熱交換器４０で加熱され、逆止弁２２ｂを通過して容器１５ｂにも送液されるようになる。容器１５ｂに向かう作動流体が逆止弁２２ｂを通過することにより逆止弁２２ｂが開放されたことを検知部２５ｂが検知すると（ステップ＃１０５のＹｅｓ）、制御装置は開閉弁２０ａを開放する（ステップ＃１０６）。
【００５９】
ここで、容器１５ａ及び加熱器１６ａの組が第２運転状態になり、容器１５ｂ及び加熱器１６ｂの組は第１運転状態になる。すなわち、開閉弁２０ａは開放され、開閉弁２０ｂは閉鎖されている。これにより、容器１５ｂの圧力が容器１５ａの圧力より低下するので、第１送液ポンプ１７により昇圧された作動流体は熱交換器４０で加熱され、逆止弁２２ｂを通過して容器１５ｂに送液される。
【００６０】
一方、開閉弁２０ａを開放することによる重力の作用で、容器１５ａ内に貯留された作動流体が逆止弁２３ａを通過して加熱器１６ａに移動する。また、加熱器１６ｂ内の作動流体は加熱器１６ｂによって加熱され、加熱器１６ｂ内の圧力が蒸発器１１内の圧力より高くなるとその圧力差により加熱器１６ｂから逆止弁２１ｂを通過して蒸発器１１まで移動する。
【００６１】
開閉弁２０ａを開放してから一定時間が経過すると（ステップ＃１０７のＹｅｓ）、制御装置は開閉弁２０ａを閉鎖させる（ステップ＃１０８）。開閉弁２０ａを閉鎖しても、容器１５ｂ内の温度は容器１５ａ内の温度より低い。これにより、容器１５ｂ内に気相の作動流体が残留している状態において、第１送液ポンプ１７により昇圧された作動流体は熱交換器４０で加熱され、逆止弁２２ｂを通過して容器１５ｂに送液され続ける。
【００６２】
容器１５ｂ内の気相の作動流体がなくなると、容器１５ｂ内の圧力が上昇して容器１５ａ内の圧力と等しくなる。これにより、第１送液ポンプ１７により昇圧された作動流体は熱交換器４０で加熱され、逆止弁２２ａを通過して容器１５ａにも送液されるようになる。容器１５ａに向かう作動流体が逆止弁２２ａを通過することにより逆止弁２２ａが開放されたことを検知部２５ａが検知すると（ステップ＃１０９のＹｅｓ）、制御装置は開閉弁２０ｂを開放する（ステップ＃１０２）。
【００６３】
ここで図９のステップ＃１０２に戻り、再び容器１５ａ及び加熱器１６ａの組が第１運転状態になり、容器１５ｂ及び加熱器１６ｂの組は第２運転状態になる。このようにして、動力回収装置１において第１運転状態と第２運転状態とを容器１５及び加熱器１６の組ごとに交互に繰り返すことにより、膨張機１２から蒸発器１１に作動流体が送液される。蒸発器１１で生成された高圧蒸気の作動流体は膨張機１２で膨張され、膨張機１２が有するタービンを回転させることにより発電機１３で発電させて動力を回収する。
【００６４】
本発明の実施形態の構成によれば、第２の実施形態同様、第２送液部２４としての送液ポンプの利用を回避できて送液ポンプが第１送液ポンプ１７一個のみで済むので、動力回収効率の向上を図りながら動力回収装置１の構成を簡略化することができる。
【００６５】
さらに、第１送液ポンプ１７の動作にかかる負荷を小さくしながら第１送液ポンプ１７を連続的に動作させることができる。これにより、第１送液ポンプ１７の始動時に比較的大きな負荷が発生することが回避できる。また、加熱器１６ａ、１６ｂから蒸発器１１に交互に作動流体が移動されるので、蒸発器１１における圧力変動が低下する。これにより、膨張機１２の回転速度の変動、すなわち発電機１３で発生させる電圧変動を小さくすることが可能である。これらの結果、発電効率が向上するので、動力回収装置１の動力回収効率も高められる。
【００６６】
また、検知部２５が対応する容器１５及び加熱部１６の組の逆止弁２２の開放を検知したとき、動力回収装置１は他方の組の開閉弁２０を開放するので、開閉弁２０の開閉の切り替えがスムーズに行われる。これにより、容器１５及び加熱部１６の組を２組備える動力回収装置１を安定して運転させることができる。
【００６７】
なお、閉鎖している開閉弁２０を開放するタイミングは上記のように検知部２５による逆止弁２２の開放検知で切り替えるほか、予め設定した時間間隔で切り替えても良い。この場合、予め動力回収装置１の動作試験を実施するなどして切り替えの時間間隔を設定することが望ましい。動力回収装置１の運転に安定性を期待するのであれば、上記のように検知部２５を利用した切り替えが望ましい。
【００６８】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【００６９】
例えば、上記第３の実施形態では動力回収装置１が容器１５及び加熱部１６の組を２組備えることとしたが、容器１５及び加熱部１６の組は２組に限定されるわけではなく、３組以上備えることにしても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、排熱等を回収して動力を発生させる動力回収装置において利用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１    動力回収装置
１１    蒸発器
１２    膨張機
１３    発電機
１４    凝縮器
１５、１５ａ、１５ｂ    容器
１６、１６ａ、１６ｂ    加熱器（第１加熱器）
１７    第１送液ポンプ（第１送液部）
１８    第２送液ポンプ（第２送液部）
２０、２０ａ、２０ｂ    開閉弁
２１、２１ａ、２１ｂ    逆止弁（第１逆止弁）
２２、２２ａ、２２ｂ    逆止弁（第２逆止弁）
２３、２３ａ、２３ｂ    逆止弁（第３逆止弁）
２４    第２送液部
２５ａ、２５ｂ    検知部
３４    配管
４０    熱交換器（第２加熱器）
【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】
2012102643.tif 000008
【図７】
2012102643.tif 000009
【図８】
2012102643.tif 000010
【図９】
2012102643.tif 000011
【図１０】
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