(57)【要約】      （修正有）【課題】熱エネルギー効率と発電出力の向上を図り、装置を小型化し、設備初期費用を低く抑えることができる温度差発電装置を提供する。【解決手段】熱源流体１により加熱された作動媒体３は、気液分離器４で低沸点成分からなるガス状の作動媒体５と、高沸点成分からなる高温溶液６に分離される。この作動媒体５を発電機駆動装置７に導いて発電機８を回転させる熱システムにおいて、気液分離器４で分離された高温溶液６を熱回収器１４により低温側の作動媒体１３と熱交換した後にエジェクター９の駆動源として利用する。発電機駆動装置７より排気された作動媒体５ｂはエジェクター９の内部において高温溶液６と混合され、圧力が高められて凝縮器１１に送られる。熱媒体送液ポンプ１２に吸引された作動媒体１０は加圧されて作動媒体１３となり熱回収器１４を経て蒸発器２に至る。この熱サイクルが繰り返され熱源流体１の保有するエネルギーが電力に変換される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源流体と熱交換により蒸発した低沸点作動媒体の蒸気を、蒸気タービンなどの発電機駆動装置に供給して発電するバイナリー発電システムであり、熱源流体を加熱源とする蒸発器、加熱された作動媒体を溶液分と気体分に分離する気液分離器、蒸気タービンなどの発電機駆動装置、凝縮器、熱媒体送液ポンプ、熱回収器などの各機器を直列に組み合わせた閉ループで作動媒体の熱サイクルを構成したものにおいて、前記気液分離器で分離した溶液分を駆動源とするエジェクターを設置し、発電機駆動装置から排気された作動媒体をこのエジェクターで吸引するように構成したことを特徴とする温度差発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の温度差発電装置において、前記エジェクターで吸引した発電機駆動装置から排気された作動媒体と、前記気液分離器で分離した溶液分をエジェクター内部で混合し、更にこの混合された作動媒体をエジェクター内部で昇圧して凝縮器に送る機能を持つ前記エジェクターで構成したことを特徴とする温度差発電装置。
【請求項３】
請求項１及び２に記載の温度差発電装置において、発電機駆動装置内の作動媒体膨張行程の途中より作動媒体の一部を抽気し、その作動媒体を熱回収器で低温作動媒体と熱交換させた後に、その抽気から生ずる気体分を前記エジェクターに吸引させるように構成したことを特徴とする温度差発電装置。
【請求項４】
請求項１、２及び３のいずれかの項に記載の温度差発電装置において、エジェクター低圧部を利用して凝縮器を出た作動媒体を蓄液タンクに吸引させ、この蓄液タンクに高圧側の作動媒体の圧力を印加して低圧側から高圧側へ作動媒体の移送を低動力で行えるよう構成したことを特徴とする温度差発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、海水の温度差、太陽熱あるいは工場廃熱など比較的低温な熱源流体より沸点の異なる二種類以上の熱媒体を混合して使用することによりエネルギーを効果的に取り出しし、また取り出したエネルギーを有効に使用して蒸気タービン、スクリュータービンあるいはロータリータービンなどの回転機器を回して高効率に発電するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】  比較的低温な熱源流体より効果的にエネルギーを取り出す温度差発電方式としては、例えばアンモニアと水を混合熱媒体として使用するカリーナサイクルが基本的な熱サイクルとして、またこのカリーナサイクルを改良したウエハラサイクル（例えば下記の特許文献参照）が海水温度差発電や産業廃熱回収分野で利用されている。
以下、このカリーナサイクルとウエハラサイクルを引用して説明する。【０００３】  上記のカリーナサイクルやウエハラサイクルでは、熱源流体により蒸発させたアンモニアガスを作動媒体として蒸気タービンなどの回転機器に供給し、その後この回転機器で膨張した低圧低温のアンモニアガスを水に溶解させることで熱サイクル低温側圧力の低減を促進して熱サイクルの効率を高めることや、回転機器には供給されない気液分離器で分離した高温溶液の持つ熱エネルギーを、蒸気タービンなどの回転機器で膨張し終えた低温側の熱媒体と熱交換させることにより熱サイクルの効率を高めている。【０００４】  また、ウエハラサイクルでは蒸気タービンを高圧側と低圧側の二段に分割して直列に配置し、高圧側蒸気タービンで膨張したアンモニアガスの一部分を抽気して凝縮器で凝縮するアンモニアガスの総量を減少させること、更にこの抽気を利用する熱交換器を設置することにより熱サイクルの効率を高めている。
【先行技術文献】
【０００５】
【特許文献】
【特許文献】  特許公報  特公平７−９４８１５
【０００６】
【非特許文献】
【非特許文献】  技術開発促進事業終了報告書（低温廃熱回収発電装置の実用化開発、公開版、平成１８年３月）、Ｉ−３５  ＲＩＴＥ−大阪大正第２研究室
【０００７】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  前記のカリーナサイクルやウエハラサイクルでは、作動媒体の保有するエネルギーの有効利用を一層高めて発電出力の向上を図ることが重要なテーマとなっている。また、ウエハラサイクルではカリーナサイクルより効率は高いが装置構成が複雑であり装置の簡素化が求められている。【０００９】  前記のカリーナサイクルやウエハラサイクルの熱サイクル効率を現行以上に高めるには、発電機やこれを駆動する回転機器あるいは熱交換器などの効率をそれぞれ高めるなど各構成機器個々の性能向上が求められる。また、ウエハラサイクルでは、更に抽気段数を増加し、また熱交換段数を増加すれば熱サイクル効率が増加することは公知のことである。しかしこの方法では効率の上昇には限度があること、並びにサイクルを構成する機器が高性能なため高価になること、加えて装置構成が非常に複雑になることより設備初期費用の問題があり実現には限度がある。また、装置構成が複雑になることは運転操作が複雑になるので、特に中小ビルや家庭などこの種の装置を取り扱う専門技術者が不在の施設への導入は取り扱い面の問題があり導入が阻害されている。【００１０】  また、特に産業排熱や温泉余剰熱などのように従来利用されずに廃棄されていた比較的低温なエネルギーを回収して発電を行う発電システムでは、設備導入費用対エネルギー回収効果の面で設備初期費用の低減が重要な課題である。また太陽熱発電を中小ビルや各家庭に導入する場合は発電装置の設置スペースなどが制限を受けるので、このような小規模施設で使用する発電設備では、設備初期費用の低減化と同時に設備の簡素化や小型化が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  そこで、本発明は、カリーナサイクルやウエハラサイクルではまだ有効に利用されていない気液分離後の高温溶液が保有するエネルギーを有効利用することにより、熱媒体の低圧側圧力を一層低下させて熱サイクル効率を高めること、更にこの熱サイクルを構成する機器や配管を減らしてシステム構成を簡素化することにより、装置の小型化や設備初期費用の低減が可能な温度差発電装置を提供することにある。
【発明の効果】
【００１２】  前記の有効に利用されていない気液分離後の高温溶液が保有するエネルギーを有効利用するため、現行は単に減圧して低圧側に供給しているこの高温溶液を本発明により新規に設置するエジェクターの駆動源として利用し、この高温溶液の噴出により低圧になったエジェクター低圧部に発電機駆動装置から排気される作動媒体を吸引させることにより、発電機駆動装置の低温側圧力が下がるので熱サイクル効率が高まり発電出力を向上させることができる。【００１３】  また、このエジェクターは熱媒体の移送や混合のための機能も備えており装置内の気体成分や溶液成分の移送や混合が容易に実現できるので、本来この移送や混合のために別途必要になるポンプ類やタンク類の設置を省くことが可能となる。従って構成機器台数の削減や配管の簡素化が可能となり、熱サイクルの継続に必要な装置内所要動力を低く抑えられるのでその分発電出力を向上させることができる。また装置全体を小型化できるので設置スペースの低減化や設備初期費用の低減化も達成できる。【００１４】  また、エジェクターは遠心式ポンプなどに比べて構造が極めてシンプルで取り扱いも容易なので設備の運転操作の簡略化や保守整備の簡略化にも寄与できる。特にウエハラサイクルのように抽気方式を採用していて機器構成が複雑な装置にはこのエジェクター方式を採用する効果は一層大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１のエジェクターを利用した基本的な装置系統図
【図２】本発明の図１、図３、図４におけるエジェクターの内部構造概要図
【図３】本発明の実施例２の一段抽気方式の装置系統図
【図４】本発明の実施例３の熱媒体送液方式を改良した装置系統図
【図５】本発明の実施例３における蓄液タンク交互切換状態を示す装置系統図
【発明を実施するため形態】
【００１６】  以下、この発明の実施の形態を、図示した実施例１から３に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１７】  まず、本発明の請求項１、２に対応する実施例を図１に示す。また、この実施例１で使用されているエジェクター内部構造の概要を図２に示す。【００１８】  熱源流体１により加熱された作動媒体３は気液分離器４で主としてアンモニアガスからなる作動媒体５とアンモニア成分と水成分からなる高温溶液６に分離され、作動媒体５は蒸気タービン、スクリュータービンあるいはロータリータービンなどで構成される発電機駆動装置７に供給され発電機８を回転させることにより、熱源流体１の保有する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。【００１９】  気液分離器４で分離された高温溶液６は気液分離器４に設けられている自動液面調節弁４ａを経て熱回収器１４で低温側の作動媒体１３と熱交換された後にエジェクター９の駆動源として供給され、エジェクター低圧部９ａのノズルより噴出してエジェクター９の内部に低圧部を形成する。【００２０】発電機駆動装置７より排気された作動媒体５ｂはエジェクター低圧部９ａに吸引された後に、エジェクター混合部９ｂにおいてエジェクター駆動源として供給された高温溶液６と混合される。更にこの混合された作動媒体はエジェクター圧力回復部９ｃで圧力を高められて作動流体１０となり、凝縮器１１に送られて冷却媒体２２により更に凝縮・冷却される。エジェクター内部における機能を調節するためエジェクターの駆動源となる高温溶液６は冷却器２１により冷却媒体２２で冷却される場合もある。【００２１】  凝縮器１１を出た作動媒体１０は、電動機などで構成されるポンプ駆動装置１２ａで駆動される熱媒体送液ポンプ１２に吸引され高圧側の圧力に抗して送液できる圧力にまで昇圧されて作動媒体１３となり熱回収器１４を経て蒸発器２に至る。この熱サイクルが連続して繰り返され熱源流体１の保有するエネルギーが電力に変換される。【００２２】  上記の通りエジェクター９を採用することにより、発電機駆動装置７から排出される作動媒体５ｂの圧力を下げることができること、並びにエジェクター９の内部で作動媒体６と作動媒体５ｂを効果的に混合できることによりエジェクター９から排出される作動媒体１０の圧力を下げることができるので、熱サイクルの効率は高まり発電出力が向上する。【００２３】  なお、現行のカリーナサイクルやウエハラサイクルにおいては、本発明に示すエジェクター９は設置されておらず、これらのサイクルにおいてはいずれも高温溶液は減圧弁を通して単に低圧側に供給されるだけであり、この高温溶液６の保有するエネルギーは有効に利用されていない。
【実施例２】
【００２４】  次に、この発明の請求項１、２及び３に対応する実施例を図３に示す。また、この実施例２で使用されているエジェクター内部構造の概要を図２に示す。【００２５】  熱源流体１により加熱された作動媒体３は気液分離器４で主としてアンモニアガスからなる作動媒体５とアンモニア成分と水成分からなる高温溶液６に分離され、この作動媒体５は蒸気タービンなどで構成される発電機駆動装置７に供給され発電機８を回転させることにより、熱源流体１の保有する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。【００２６】  気液分離器４で分離された高温溶液６は、気液分離器４に設けられている自動液面調節弁４ａを経て熱回収器１４Ｂで低温側の作動媒体１３と熱交換された後に、エジェクター９に供給されエジェクター低圧部９ａのノズルより噴出してエジェクター９の内部に低圧部を形成する。エジェクター内部における機能を調節するためエジェクターの駆動源となる高温溶液６は冷却器２１により冷却媒体２２で冷却される場合もある。【００２７】  発電機駆動装置７の膨張行程の途中から抽気された作動媒体５ｃは、熱回収器１４Ａに導かれて作動媒体１３と熱交換した後に混合タンク２０に導かれる。混合タンク上部に滞留した気体はオリフィス２０ａを経て適当な量が混合タンクベント２３としてエジェクター低圧部９ａに吸引される。【００２８】  発電機駆動装置７より排気された作動媒体５ｂはエジェクター低圧部９ａに吸引された後に、エジェクター混合部９ｂにおいてエジェクター駆動源として供給された高温溶液６及び混合タンクベント２３と混合される。更にこの作動媒体はエジェクター圧力回復部９ｃで圧力を高められ作動媒体１０となり凝縮器１１に送られ、冷却媒体２２により更に凝縮・冷却されて混合タンク２０に送られて抽気系の作動媒体５ｃと混合される。【００２９】  混合タンク２０で混合された上記の作動媒体は、電動機などで構成されるポンプ駆動装置１２ａで駆動される熱媒体送液ポンプ１２に吸引され高圧側の圧力に抗して送液できる圧力にまで昇圧され作動媒体１３となり熱回収器１４Ａ及び熱回収器１４Ｂを経て蒸発器２に至る。この熱サイクルが連続して繰り返され熱源流体の保有するエネルギーが電力に変換される。【００３０】  この実施例２においては発電機駆動装置７の膨張行程の途中より抽気した作動媒体５ｃを熱回収器１４Ａで熱交換させた後に混合タンク２０に導くことにより熱サイクル効率を高めることができる。更にこの抽気方式を実現するために必要な装置構成は本発明のエジェクター９を設置することにより現行のサイクル構成機器の配置を簡素化できるので設備の小型化と設備初期費用の低減化を実現できる。【００３１】  なお、現行のウエハラサイクルにおいては、抽気方式は採用されているが高温溶液６は減圧弁を通して単に低圧側に供給されるだけであり、この高温溶液６の保有するエネルギーは有効に利用されていないし、構成機器の配置も本発明より複雑である。
【実施例３】
【００３２】  次に、この発明の請求項１，２及び４に対応する実施例を図４に示す。また、この実施例３で使用されているエジェクター内部構造の概要を図２に示す。【００３３】  熱源流体１により加熱された作動媒体３は気液分離器４で主としてアンモニアガスからなる作動媒体５とアンモニア成分と水成分からなる高温溶液６に分離され、この作動媒体５は蒸気タービンなどで構成される発電機駆動装置７に供給され発電機８を回転させることにより、熱源流体１の保有する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。【００３４】  気液分離器４で分離された高温溶液６は、気液分離器４に設けられている自動液面調節弁４ａを経て熱回収器１４で低温側の作動媒体１３と熱交換された後に、エジェクター９に供給されエジェクター低圧部９ａのノズルより噴出してエジェクター９の内部に低圧部を形成する。エジェクター内部における機能を調節するためエジェクターの駆動源となる高温溶液６は冷却器２１により冷却媒体２２で冷却される場合もある。【００３５】  発電機駆動装置７より排気された作動媒体５ｂは、エジェクター低圧部９ａに吸引されエジェクター混合部９ｂで駆動源として供給された高温溶液６と混合される。更にこの作動媒体はエジェクター圧力回復部９ｃで圧力を高められ作動媒体１０となり凝縮器１１に送られて冷却媒体２２により更に凝縮・冷却される。【００３６】  凝縮器１１を出た作動媒体１０は蓄液タンク１５Ａまたは１５Ｂに交互に蓄液されるが、図４で示すある時点の事例では蓄液タンク１５Ａの内部圧力は切換弁（排気用）１６を介して蓄液タンク排気１９としてエジェクター低圧部９ａ吸引されて低圧になっており、作動媒体１０は蓄液タンク１５Ａのこの低圧に吸引され蓄液タンク１５Ａに順次蓄液される。【００３７】また、上記の蓄液行程とは逆に、蓄液タンク１５Ｂに吸引・蓄液されていた作動媒体１０には切換弁（加圧用）１７を介して高圧側の作動媒体５より分岐した作動媒体５ａの圧力が印加されることにより、蓄液タンク１５Ｂに蓄液されていた作動媒体１０は切換弁（送液用）１８を介して電動機などで構成されるポンプ駆動装置１２ａで駆動される熱媒体送液ポンプ１２に吸引され高圧側の熱媒体１３となり熱回収器１４を経て蒸発器２に至る。【００３８】  蓄液タンク１５Ｂ内部の熱媒体１０が熱媒体送液ポンプ１２により送液され蓄液タンク１５Ｂが空になると、蓄液タンク１５Ｂの液面低下を検出（但し図４では液面検出装置は記載を省略）して切換弁（排気用）１６、切換弁（加圧用）１７、切換弁（送液用）１８はそれぞれ図４で示す作動位置から図５に示す作動位置に切り換えられる。この結果作動媒体１０は蓄液タンク１５Ｂに吸引・蓄液され始め、また同時に満液となっている蓄液タンク１５Ａの作動媒体１０には切換弁（加圧用）１７を介して高圧側の作動媒体５より分岐した作動媒体５ａの圧力が印加され蓄液タンク１５Ａ内部の作動媒体１０は切換弁（送液用）１８を介して熱媒体送液ポンプ１２に吸引される。以降蓄液タンク１５Ａと１５Ｂは交互に同様な切換動作を繰り返して作動媒体１０は低圧側より高圧側に移送される。このサイクルが連続して繰り返され熱源流体の保有するエネルギーが電力に変換される。【００３９】  図４に示すある時点の事例においては、蓄液タンク１５Ｂに蓄液されている熱媒体１０には前記の通り切換弁（加圧用）１７を介して高圧側の圧力が印加されているので、熱媒体送液ポンプ１２に吸引された熱媒体１０は本熱サイクルの低圧側から高圧側まで昇圧させる必要はなく、ポンプ駆動装置１２ａの所要動力は作動媒体１３が熱媒体送液ポンプ１２の出口から気液分離器４に至るまでの概ね配管抵抗分に相当する動力しか必要としない。従って本発明によりポンプ駆動装置１２ａの所要動力は熱サイクルの低圧側から高圧側に直接送液している現行のカリーナサイクルやウエハラサイクルに比べれば極めて少なくて済むのでその結果発電出力を向上させることができる。【００４０】  また、現行のカリーナサイクルやウエハラサイクルにおいては、本発明に示すエジェクター９は設置されておらず、従ってこれらのサイクルにおいてはいずれも高温溶液６は減圧弁を通して低圧側に単に供給されるだけでありこの高温液の保有するエネルギーは有効に利用されていない。【００４１】  本発明は以上の実施例１から３に示す実施形態に限定されるものではなく、エジェクターに吸引させる熱媒体の種別は本発明の機能を適用できる物質であればアンモニアと水の混合溶液以外の物質も使用できる。また発電機駆動装置から抽気する作動媒体の抽気位置や抽気段数も本実施例以外の段数とすることもできる。また、エジェクターを含む構成機器配置や配管系統は実際の情況に合わせて適宜設計変更できるものである。
【符号の説明】
【００４２】  １          熱源流体
２          蒸発器
３          作動媒体
４          気液分離器
４ａ        液面自動調節弁
５          作動媒体
５ａ        作動媒体
５ｂ        作動媒体
６          高温溶液
７          発電機駆動装置
８          発電機
９          エジェクター
９ａ        エジェクター低圧部
９ｂ        エジェクター混合部
９ｃ        エジェクター圧力回復部
１０          作動媒体
１１          凝縮器
１２          熱媒体送液ポンプ
１２ａ        ポンプ駆動装置
１３          作動媒体
１４          熱回収器
１４Ａ        熱回収器
１４Ｂ        熱回収器
１５Ａ        蓄液タンク
１５Ｂ        蓄液タンク
１６          切換弁（排気用）
１７          切換弁（加圧用）
１８          切換弁（送液用）
１９          蓄液タンク排気
２０          混合タンク
２０ａ        オリフィス
２１          冷却器
２２          冷却媒体
２３          混合タンクベント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013036456.tif 000006
【図５】
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