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公開番号2021076096
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210520
出願番号2019204871
出願日20191112
発明の名称熱回収装置
出願人株式会社神戸製鋼所
代理人個人,個人,個人
主分類F01D 17/00 20060101AFI20210423BHJP(機械または機関一般;機関設備一般;蒸気機関)
要約【課題】作動媒体が蒸発器において望ましくない温度状態の熱源と熱交換すること及び作動媒体が凝縮器において望ましくない温度状態の冷却流体と熱交換することを防止するように構成された熱回収装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本出願は、循環流路を流れる作動媒体を熱源と熱交換させることによって作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から流出した前記作動媒体の膨張によって駆動される膨張機と、膨張機から流出した作動媒体を冷却流体と熱交換させることによって作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮した作動媒体を吐出する循環ポンプと、蒸発器に流入する前の熱源と凝縮器に流入する前の冷却流体とを熱交換させる熱交換器と、熱交換器において熱源と冷却流体との間での熱交換を生じさせるか否かを切り替えるように構成された切替部とを備えている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
循環流路を流れる作動媒体を熱源と熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から流出した前記作動媒体の膨張によって駆動される膨張機と、
前記膨張機から流出した前記作動媒体を冷却流体と熱交換させることによって前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮した前記作動媒体を吐出する循環ポンプと、
前記蒸発器に流入する前の前記熱源と前記凝縮器に流入する前の前記冷却流体とを熱交換させる熱交換器と、
前記熱交換器において前記熱源と前記冷却流体との間での熱交換を生じさせるか否かを切り替えるように構成された切替部と、を備えている
熱回収装置。
続きを表示(約 1,100 文字)【請求項2】
前記蒸発器に向けて熱源流路を流れる前記熱源の一部を前記熱交換器に向けて分流させるとともに、前記熱交換器で前記冷却流体と熱交換した後の前記熱源を、前記熱源流路を流れる前記熱源と合流させるように構成された熱源分流管を更に備え、
前記切替部は、前記熱源分流管に取り付けられたバルブを含んでいる
請求項1に記載の熱回収装置。
【請求項3】
前記凝縮器に向けて冷却用流路を流れる前記冷却流体の一部を前記熱交換器に向けて分流させるとともに、前記熱交換器で前記熱源と熱交換した後の前記冷却流体を、前記冷却用流路を流れる前記熱源と合流させるように構成された冷却分流管を更に備え、
前記切替部は、前記冷却分流管に取り付けられたバルブを含んでいる
請求項1又は2に記載の熱回収装置。
【請求項4】
前記バルブは、開度を調整可能に構成されている
請求項2又は3に記載の熱回収装置。
【請求項5】
前記作動媒体、前記熱源及び前記冷却流体のうち少なくとも1つの温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出値に基づいて、前記バルブの開度を制御する制御部と、を更に備えている
請求項4に記載の熱回収装置。
【請求項6】
前記循環ポンプに吸い込まれる前記作動媒体の圧力を検出するように構成された圧力センサを更に備え、
前記温度検出部は、前記循環ポンプに吸い込まれる前記作動媒体の温度を検出するように構成された温度センサを含み、
前記制御部は、前記圧力センサの検出値及び前記温度センサの検出値から得られた過冷却度が閾値未満である場合に、前記熱交換器から前記凝縮器に流入する前記冷却流体の温度が上がるように前記バルブの前記開度を制御する
請求項5に記載の熱回収装置。
【請求項7】
前記温度検出部は、前記蒸発器から流出した前記作動媒体の温度を検出するように構成された温度センサを含み、
前記制御部は、前記蒸発器から流出した前記作動媒体の前記温度が閾値を上回っている場合に前記熱交換器から前記蒸発器に流入する前記熱源の温度が下がるように前記バルブの前記開度を制御する
請求項5又は6に記載の熱回収装置。
【請求項8】
前記温度検出部は、前記蒸発器に流入する前記熱源の温度を検出するように構成された温度センサを含み、
前記制御部は、前記蒸発器に流入する前記熱源の前記温度が閾値を上回っている場合に前記熱交換器から前記蒸発器に流入する前記熱源の温度が下がるように前記バルブの前記開度を制御する
請求項5乃至7のいずれか1項に記載の熱回収装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、熱源の熱を作動媒体にランキンサイクルの下で回収させる熱回収装置に関する。
続きを表示(約 5,600 文字)【背景技術】
【0002】
熱源の熱を作動媒体にランキンサイクルの下で回収させる様々な熱回収装置が開発されている(特許文献1及び2を参照)。熱回収装置は、循環ポンプの吐出口及び吸込口に連結された循環流路と、循環ポンプから吐出された作動媒体が順に通過するように循環流路に配置された蒸発器、膨張機及び凝縮器とを備えている。膨張機には、出力器(たとえば、発電機)が接続されている。
【0003】
作動媒体は、蒸発器において熱源と熱交換し蒸発する。膨張機は、蒸発器から流出した作動媒体の膨張の下で駆動される。この結果、膨張機に接続された出力器も駆動される。膨張機で仕事をした作動媒体は、凝縮器において冷却流体と熱交換し凝縮する。凝縮した作動媒体は、循環ポンプによって蒸発器に送り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2018−127942号公報
特開2019−27344号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
作動媒体の状態によっては、冷却流体の温度が低いことや熱源の温度が高いことが望ましくないことがある。たとえば、循環ポンプが起動したときに作動媒体が過度に低温の冷却流体と熱交換すると循環ポンプの吸込口においてキャビテーションが生じやすくなる。作動媒体が過度に高温の熱源によって加熱されると、作動媒体の変質が生ずることもある。
【0006】
本発明は、作動媒体が蒸発器において望ましくない温度状態の熱源と熱交換すること及び作動媒体が凝縮器において望ましくない温度状態の冷却流体と熱交換することを防止するように構成された熱回収装置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】
【0007】
本発明の一の局面に係る熱回収装置は、循環流路を流れる作動媒体を熱源と熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した前記作動媒体の膨張によって駆動される膨張機と、前記膨張機から流出した前記作動媒体を冷却流体と熱交換させることによって前記作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した前記作動媒体を吐出する循環ポンプと、前記蒸発器に流入する前の前記熱源と前記凝縮器に流入する前の前記冷却流体とを熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器において前記熱源と前記冷却流体との間での熱交換を生じさせるか否かを切り替えるように構成された切替部とを備えている。
【0008】
上記の構成によれば、熱交換器において熱源及び冷却流体が熱交換すると、熱源の温度が低下する一方で、冷却流体の温度が上がる。したがって、蒸発器への熱源の流入温度は、熱交換器における熱交換が行われる条件の下では、熱交換器における熱交換が行われない条件の下よりも低くなる。一方、凝縮器への冷却流体の流入温度は、熱交換器における熱交換が行われる条件の下では、熱交換器における熱交換が行われない条件の下よりも高くなる。したがって、熱源の温度が高すぎるとき及び/又は冷却流体の温度が低すぎるときには、切替部への操作を通じて、熱交換器における熱交換を生じさせればよい。この結果、蒸発器において作動媒体が望ましくないほど高温の熱源と熱交換することが防止されるし、凝縮器において作動媒体が望ましくないほど低温の冷却流体と熱交換することも防止される。
【0009】
上記の構成に関して、熱回収装置は、前記蒸発器に向けて熱源流路を流れる前記熱源の一部を前記熱交換器に向けて分流させるとともに、前記熱交換器で前記冷却流体と熱交換した後の前記熱源を、前記熱源流路を流れる前記熱源と合流させるように構成された熱源分流管を更に備えていてもよい。前記切替部は、前記熱源分流管に取り付けられたバルブを含んでいてもよい。
【0010】
上記の構成によれば、バルブが開かれると、蒸発器に向けて熱源流路を流れる熱源の一部は、熱源分流管を通じて熱交換器に流入することができる。熱交換器において冷却流体と熱交換した熱源は、熱源分流管を通じて熱源流路に戻り、蒸発器に流入する。熱交換器での冷却流体との熱交換によって熱源は冷却されるので、熱源の温度は、バルブが閉じられているときよりもバルブが開かれているときの方が低くなる。したがって、蒸発器への熱源の流入温度が高すぎるときには、バルブが開かれればよい。この結果、作動媒体が蒸発器において望ましくないほど高温の熱源と熱交換することが防止される。
【0011】
上記の構成に関して、熱回収装置は、前記凝縮器に向けて冷却用流路を流れる前記冷却流体の一部を前記熱交換器に向けて分流させるとともに、前記熱交換器で前記熱源と熱交換した後の前記冷却流体を、前記冷却用流路を流れる前記熱源と合流させるように構成された冷却分流管を更に備えていてもよい。前記切替部は、前記冷却分流管に取り付けられたバルブを含んでいてもよい。
【0012】
上記の構成によれば、バルブが開かれると、凝縮器に向けて冷却用流路を流れる冷却流体の一部は、冷却分流管を通じて熱交換器に流入することができる。熱交換器において熱源と熱交換した冷却流体は、冷却分流管を通じて冷却用流路に戻り、凝縮器に流入する。熱交換器での熱源との熱交換によって冷却流体は冷却されるので、冷却流体の温度は、バルブが閉じられているときよりもバルブが開かれているときの方が高くなる。したがって、凝縮器への冷却流体の流入温度が低すぎるときには、バルブが開かれればよい。この結果、作動媒体が凝縮器において望ましくないほど低温の冷却流体と熱交換することが防止される。
【0013】
上記の構成に関して、前記バルブは、開度を調整可能に構成されていてもよい。
【0014】
上記の構成によれば、バルブの開度が調整されると、熱交換器への熱源又は冷却流体の流入量が調整される。熱交換器への熱源の流入量が増やされると、冷却流体の温度が上がる。したがって、作動媒体が過度に低温の冷却媒体と凝縮器において熱交換することがバルブによって防止される。熱交換器への冷却流体の流入量が増やされると、熱源の温度が下がる。したがって、作動媒体が過度に高温の熱源と蒸発器において熱交換することがバルブによって防止される。
【0015】
上記の構成に関して、熱回収装置は、前記作動媒体、前記熱源及び前記冷却流体のうち少なくとも1つの温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部の検出値に基づいて、前記バルブの開度を制御する制御部とを更に備えていてもよい。
【0016】
上記の構成によれば、温度検出部は、作動媒体、熱源及び冷却流体のうち少なくとも1つの温度を検出するので、検出された温度が望ましい温度範囲にあるか否かが分かる。制御部は、温度検出部の検出値に基づいて、バルブの開度を制御するので、検出された温度が望ましい温度範囲になるように、熱交換器への熱源又は冷却流体の流入量を調整することができる。
【0017】
上記の構成に関して、熱回収装置は、前記循環ポンプに吸い込まれる前記作動媒体の圧力を検出するように構成された圧力センサを更に備えていてもよい。前記温度検出部は、前記循環ポンプに吸い込まれる前記作動媒体の温度を検出するように構成された温度センサを含んでいてもよい。前記制御部は、前記圧力センサの検出値及び前記温度センサの検出値から得られた過冷却度が閾値未満である場合に、前記熱交換器から前記凝縮器に流入する前記冷却流体の温度が上がるように前記バルブの前記開度を制御してもよい。
【0018】
上記の構成によれば、循環ポンプに吸い込まれる作動媒体の圧力が圧力センサによって検出されるとともに循環ポンプに吸い込まれる作動媒体の温度が温度センサによって検出されるので、循環ポンプに吸い込まれる作動媒体の過冷却度が算出可能になる。算出された過冷却度が小さい場合(すなわち、温度センサの検出値が作動媒体の飽和温度に近い場合)には、キャビテーションが生じやすい状態になっている。この場合、制御部は、バルブの開度制御を通じて、熱交換器から凝縮器に流入する冷却流体の温度を上げ、凝縮器における作動媒体の圧力を上げる。この結果、循環ポンプの吸込側における作動媒体の圧力が上がるので、キャビテーションが生じにくい状態になる。
【0019】
上記の構成に関して、前記温度検出部は、前記蒸発器から流出した前記作動媒体の温度を検出するように構成された温度センサを含んでいてもよい。前記制御部は、前記蒸発器から流出した前記作動媒体の前記温度が閾値を上回っている場合に前記熱交換器から前記蒸発器に流入する前記熱源の温度が下がるように前記バルブの前記開度を制御してもよい。
【0020】
上記の構成によれば、作動媒体が蒸発器において過度に加熱されると作動媒体の変質が生じやすくなるけれども、バルブの開度の制御を通じて、作動媒体の変質が抑制される。すなわち、蒸発器から流出した作動媒体の温度が閾値を上回っている場合には、制御部は、バルブの開度制御を通じて、熱交換器から蒸発器に流入する熱源の温度を下げ、蒸発器において、作動媒体が過度に高温の熱源と熱交換することを抑制する。この結果、作動媒体も過度に高温にならず、作動媒体の変質が抑制される。
【0021】
上記の構成に関して、前記温度検出部は、前記蒸発器に流入する前記熱源の温度を検出するように構成された温度センサを含んでいてもよい。前記制御部は、前記蒸発器に流入する前記熱源の前記温度が閾値を上回っている場合に前記熱交換器から前記蒸発器に流入する前記熱源の温度が下がるように前記バルブの前記開度を制御してもよい。
【0022】
上記の構成によれば、蒸発器に流入する熱源の温度が閾値を上回っている場合には、制御部は、バルブの開度制御を通じて、熱交換器から蒸発器に流入する熱源の温度を下げ、作動媒体の変質を抑制する。
【発明の効果】
【0023】
上述の熱回収装置は、作動媒体が蒸発器において望ましくない温度状態の熱源と熱交換すること及び作動媒体が凝縮器において望ましくない温度状態の冷却流体と熱交換することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
第1実施形態の熱回収装置の概略図である。
熱回収装置の概略図である。
熱回収装置の概略図である。
第2実施形態の熱回収装置の概略図である。
キャビテーション抑制制御の概略的なフローチャートである。
熱回収装置の概略図である。
熱回収装置の概略図である。
キャビテーション抑制制御の概略的なフローチャートである。
第3実施形態の熱回収装置の概略図である。
変質抑制制御の概略的なフローチャートである。
変質抑制制御の概略的なフローチャートである。
熱回収装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の熱回収装置100の概略図である。図1を参照して、熱回収装置100が説明される。
【0026】
熱回収装置100は、循環ポンプ111と、循環ポンプ111の吸込口及び吐出口に接続された循環流路110と、循環流路110上に配置された蒸発器112、膨張機113及び凝縮器114とを備えている。熱回収装置100は、膨張機113の内部ロータに接続された発電機115を更に備えている。蒸発器112、膨張機113及び凝縮器114は、循環ポンプ111から吐出された作動媒体がこれらを順次通過するように配置されている。
【0027】
蒸発器112は、循環流路110を流れる作動媒体を、熱源流路101を流れる熱源と熱交換させ、これらの間の熱交換の下で作動媒体を蒸発させるように構成されている。詳細には、蒸発器112は、熱源流路101に接続されており、蒸発器112には、熱源流路101を通じて熱源が流入し、循環流路110を通じて作動媒体が流入する。
【0028】
膨張機113は、蒸発器112から流出した作動媒体を吸い込み、吸い込まれた作動媒体の膨張作用の下で内部ロータを回転させるように構成されている。発電機115は、膨張機113の内部ロータに接続され、内部ロータの回転の下で発電するように構成されている。
【0029】
凝縮器114は、膨張機113から流出した作動媒体を、冷却用流路102を流れる冷却流体(たとえば、海水又は工水)と熱交換させ、これらの熱交換の下で作動媒体を凝縮させるように構成されている。詳細には、凝縮器114は、冷却用流路102に接続されており、凝縮器114には、冷却用流路102を通じて冷却流体が流入し、循環流路110を通じて作動媒体が流入する。
【0030】
循環ポンプ111は、凝縮器114での熱交換によって凝縮した作動媒体を吸い込み、吸い込んだ作動媒体を蒸発器112へ吐出するように構成されている。
(【0031】以降は省略されています)

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